CN103906321B - 非快门式高速高稳定性led闪光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非快门式高速高稳定性LED闪光光源，包括电源模块、预设光强模块、压控恒流源模块、电子开关模块、比例积分光强比较模块和光电检测模块，光电检测模块与比例积分光强比较模块连接；预设光强模块与比例积分光强比较模块连接；比例积分光强比较模块与电子开关模块连接；电子开关模块与压控恒流源模块连接；压控恒流源模块与LED灯连接；电源模块为各模块提供稳定的直流电源。本发明能够实现在LED光源开机之后20ms内输出光强稳定到设定值，且保持光强扰动小于1‰。

Description

非快门式高速高稳定性LED闪光光源

技术领域

本发明属于LED闪光光源，具体涉及一种非快门式高速高稳定性LED闪光光源。

背景技术

高速高稳定性闪光光源是一种可以高速切换输出状态的恒定光强光源系统，在科研及工业中得到广泛应用。常见的高稳定性光源根据其发光材质不同可以分为卤素光源，氙灯光源等等，其基本原理都是利用一台高稳定性的电流源对光源进行供能产生高稳定性（扰动在1‰以下）的光强输出，同时利用高速快门对输出状态进行控制。此类传统闪光光源的优点在于最大输出功率大，技术成熟，主要问题则在于生产成本较高且寿命较短（数百至数千小时），并且必须使用专业快门来对光源进行快速开关控制，增加了成本和系统复杂度。LED光源是一种近年来得到大力发展的新型光源，具有体积小，使用寿命长，发光效率高，价格低廉等显著优势，目前已在日常照明，平面显示等方面得到广泛应用，但由于其输出光强对温度依赖性很强，使得其输出光强在每次开关机后都需要较长的时间（数分钟至数十分钟,视散热条件而定）才能进入较稳定的光强输出状态（参见图11）。如果采用高速快门的方式进行控制，整体系统会受限于快门控制器的寿命及体积，难以将LED光源自身的优势发挥出来；如果不采用高速快门的方式进行控制，其输出光强会有较大的波动，因此通常仅用于稳定性要求不高的闪光光源（例如数码相机），在科研及工业中的应用较少。

发明内容

本发明的目的是提供一种非快门式高速高稳定性LED闪光光源，能实现在LED光源开机之后20ms内输出光强稳定到设定值，且保持光强扰动小于1‰。

本发明所述非快门式高速高稳定性LED闪光光源，包括：

光电检测模块，用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强进行初级放大后输入给比例积分光强比较模块，该光电检测模块与比例积分光强比较模块连接；

预设光强模块，用于调节预设光强的输出，该预设光强模块与比例积分光强比较模块连接；

比例积分光强比较模块，用于高频响应快速补偿以及计算预设光强和实际强光的差异，并将该差异进行线性放大，该比例积分光强比较模块与电子开关模块连接；

电子开关模块，用于消除反复开关LED灯时产生的系统输出扰动，该电子开关模块与压控恒流源模块连接；

压控恒流源模块，根据前级检测到的实际光强和预设光强的差值调整输出电流大小，该压控恒流源模块与LED灯连接；

电源模块，用于为各模块提供稳定的直流电源。

还包括数显状态读出模块，用于监控LED灯的实际工作电流，该数显状态读出模块与压控恒流源模块连接。

所述比例积分光强比较模块包括：

高频响应快速补偿电路，用于补偿光强调整中产生的高频震荡，该高频响应快速补偿电路与比例积分光强比较器连接；

比例积分光强比较器，用于计算预设光强和实际强光的差异，并将该差异进行线性放大，该比例积分光强比较模块与电子开关模块连接。

所述光电检测模块包括：

光电检测探头，用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强输入给极低偏流运算放大器，该光电检测探头与极低偏流运算放大器连接；

极低偏流运算放大器，用于对光电检测探头输出的实际光强进行初级放大并输入给比例积分光强比较模块，该极低偏流运算放大器与比例积分光强比较模块连接。

所述极低偏流运算放大器的最大偏流小于等于100fA。

本发明具有的优点：

（1）通过添加光反馈电路的方式由光电检测探头对输出光强进行实时监测并进行跟踪，解决了LED闪光光源自身输出光强随温度变化的问题，确保了输出光强不受工作时间和工作温度的影响；

（2）在确保输出光强与预期光强一致的前提下，加入了高频响应快速补偿模块，使得闪光光源的开关稳定速度得到了极大提高；能够实现20mS内稳定到1‰，或250ms内稳定到0.4‰，以及300ms内稳定到0.2‰；

（3）在极大改善LED闪光光源稳定性的同时，由于没有使用传统的快门，极大地降低了系统复杂性和整体成本，提高了系统的稳定性；

（4）整体运行非常平稳，总体的温度稳定在50ppm/℃，光强调整率控制在1‰以内；

（5）结构简单，成本低，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中电源模块的电路图；

图3是本发明中预设光强模块的电路图；

图4是本发明中光电检测模块的电路图；

图5是本发明中比例积分光强比较模块的电路图；

图6是本发明中电子开关模块的电路图；

图7是本发明中压控恒流源模块的电路图（含LED灯）；

图8是本发明中数显状态读出模块的电路图；

图9是本发明的控制时间与输出光强示意图之一（闪光模式下输出光强可以在数十毫秒内从0达到稳定状态）；

图10是本发明的控制时间与输出光强示意图之二（持续输出模式下输出光强扰动能够长时间稳定在1%以下）；

图11是传统的恒流源供电方式下，LED光源的输出光强和时间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示的非快门式高速高稳定性LED闪光光源，包括电源模块1、预设光强模块2、数显状态读出模块3、LED灯4、压控恒流源模块5、电子开关模块6、比例积分光强比较模块7和光电检测模块8，光电检测模块8和预设光强模块2分别与比例积分光强比较模块7连接，比例积分光强比较模块7与电子开关模块6连接，电子开关模块6与压控恒流源模块5连接，压控恒流源模块5分别与数显状态读出模块3和LED灯4连接，电源模块1为各模块提供稳定的直流电源。

如图4所示，所述光电检测模块8用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强进行初级放大后输入给比例积分光强比较模块7。该光电检测模块8包括光电检测探头8b和极低偏流运算放大器8a，所述光电检测探头8b用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强输入给极低偏流运算放大器8a，该光电检测探头8b与极低偏流运算放大器8a连接；所述极低偏流运算放大器8a用于对光电检测探头8b输出的实际光强进行初级放大并输入给比例积分光强比较模块7，该极低偏流运算放大器8a与比例积分光强比较模块7连接。该极低偏流运算放大器8a的最大偏流小于等于100fA（其中，1fA=10^-15A），本实施例选用的极低偏流运算放大器8a的型号为OPA129U。

如图3所示，所述预设光强模块2用于调节预设光强的输出，该预设光强模块2包括芯片IC1、电容C0、电容C1、电阻R2和稳定性绕线电阻W1，所述芯片IC1的1脚经电阻R2与电源模块1连接，芯片IC1的1脚与电阻R2的连接点经电容C0后接地，芯片IC1的1脚与电阻R2的连接点还依次经稳定性绕线电阻W1的3脚和1脚的后接地，稳定性绕线电阻W1的2脚与比例积分光强比较模块7连接，稳定性绕线电阻W1的2脚还经电容C1后接地，通过高稳定性绕线电阻W1分压设定预期光强输出。

如图5所示，所述比例积分光强比较模块7包括高频响应快速补偿电路7b和比例积分光强比较器7a，其中，高频响应快速补偿电路7b包括电容C2、电容C2'、电阻R4和电阻R4'，

用于补偿光强调整中产生的高频震荡，该高频响应快速补偿电路7b与比例积分光强比较器7a连接；比例积分光强比较器7a包括芯片IC2和电容C5，该芯片IC2的型号为AD8551AR，用于计算预设光强和实际强光的差异，并将该差异进行线性放大。根据对输出光强稳定度和时间的要求，可以对时间参数进行调整。所述比例积分光强比较模块7的具体电路如下：电容C2'与电阻R4'串联后与电阻R4并联，且电容C2'与电阻R4的连接点与芯片IC2的2脚连接，电容C2'与电阻R4的连接点还经电容C2与芯片IC2的6脚连接，且芯片IC2的6脚与电容C2的连接点与电子开关模块6连接，芯片IC2的3脚与预设光强模块连接，芯片IC2的7脚经电容C5后接地，芯片IC2的7脚还与电源模块1连接。

如图6所示，所述电子开关模块6用于消除反复开关LED灯时产生的系统输出扰动，所述电子开关模块6包括芯片IC4、开关K1、电阻R8和电容C6,该芯片IC4的型号为CD4053，芯片IC4的第13管脚与比例积分光强比较模块7连接，芯片IC4的第14管脚与压控恒流源模块5连接，芯片IC4的第11管脚经电阻R8、电容C6后接地，同时电阻R8和电容C6的连接点与电源模块1连接，芯片IC4的第11管脚还与LED灯的控制开关K1连接，芯片IC4的第16管脚与电源模块1连接。

如图7所示，所述压控恒流源模块5（包括芯片IC5，该芯片IC5的型号为OP07CP）根据前级检测到的实际光强和预设光强的差值调整输出电流大小，为LED灯4供电，该压控恒流源模块5与LED灯4连接。

如图2所示，电源模块1可输出稳定的+12、-12V、+5V等直流电源，为各模块提供稳定的直流电源。该电源模块1包括稳压器IC2-2、稳压器IC2-3、稳压器IC2-4、稳压器IC3-1、电容C2-1、电容C2-2、电容C2-3、电容C2-4、电容C2-5、电容C2-6、电容C2-7、电容C2-8、电容C3-1、电容C3-2和电容C3-3，其具体连接关系如下：稳压器IC2-2的输入端经电容C2-1后接地，稳压器IC2-2的输出端分别经电容C2-3、电容C2-5后接地，稳压器IC2-2的接地端接地；稳压器IC2-3的输入端经电容C2-2后接地，稳压器IC2-3的输出端分别经电容C2-4、电容C2-6后接地，稳压器IC2-3的接地端接地；稳压器IC2-4的输入端经电容C2-1后接地，稳压器IC2-4的输出端分别经电容C2-7、电容C2-8后接地，稳压器IC2-4的接地端接地；稳压器IC3-1的输入端依次经电感L3-1、电容C2-1后接地，稳压器IC3-1的输入端还经电容C3-1后接地，稳压器IC2-4的输出端分别经电容C3-2、电容C3-3后接地，稳压器IC3-1的接地端接地。电源经稳压器IC2-2稳压后输出12V的直流电源，电源经稳压器IC2-3稳压后输出-12V的直流电源，电源经稳压器IC2-4稳压后输出+5V直流电源的直流电源，电源经稳压器IC3-1稳压后输出Vm的直流电源，通过在稳压器IC2-2、稳压器IC2-3、稳压器IC2-4和稳压器IC3-1的输入端和输出端上连接杂波过滤电容，从而最大程度消除高频以及低频的干扰，为输出光强的稳定性提供保证。

如图8所示，所述数显状态读出模块3包括数码管M1，通过数码管M1实时显示LED灯4的实际工作电流，该数显状态读出模块3分别与压控恒流源模块5和电源模块1连接。

如图9所示，本发明在闪光模式下输出光强可以在数十毫秒内从0达到稳定状态。

如图10所示，本发明在持续输出模式下输出光强扰动能够长时间稳定在1%以下。

Claims (3)

1.一种非快门式高速高稳定性LED闪光光源，其特征在于，包括：

光电检测模块（8），用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强进行初级放大后输入给比例积分光强比较模块（7），该光电检测模块（8）与比例积分光强比较模块（7）连接；

预设光强模块（2），用于调节预设光强的输出，该预设光强模块（2）与比例积分光强比较模块（7）连接；

比例积分光强比较模块（7），用于高频响应快速补偿以及计算预设光强和实际强光的差异，并将该差异进行线性放大，该比例积分光强比较模块（7）与电子开关模块（6）连接；

电子开关模块（6），用于消除反复开关LED灯时产生的系统输出扰动，该电子开关模块（6）与压控恒流源模块（5）连接；

压控恒流源模块（5），根据前级检测到的实际光强和预设光强的差值调整输出电流大小，该压控恒流源模块（5）与LED灯（4）连接；

电源模块（1），用于为各模块提供稳定的直流电源；

数显状态读出模块（3），用于监控LED灯的实际工作电流，该数显状态读出模块（3）与压控恒流源模块（5）连接；

所述比例积分光强比较模块（7）包括：

高频响应快速补偿电路（7b），用于补偿光强调整中产生的高频震荡，该高频响应快速补偿电路（7b）与比例积分光强比较器（7a）连接；

比例积分光强比较器（7a），用于计算预设光强和实际强光的差异，并将该差异进行线性放大，该比例积分光强比较模块（7）与电子开关模块（6）连接。

2.根据权利要求1所述的非快门式高速高稳定性LED闪光光源，其特征在于：所述光电检测模块（8）包括：

光电检测探头（8b），用于实时检测LED灯输出的实际光强并将该实际光强输入给极低偏流运算放大器（8a），该光电检测探头（8b）与极低偏流运算放大器（8a）连接；

极低偏流运算放大器（8a），用于对光电检测探头（8b）输出的实际光强进行初级放大并输入给比例积分光强比较模块（7），该极低偏流运算放大器（8a）与比例积分光强比较模块（7）连接。

3.根据权利要求2所述的非快门式高速高稳定性LED闪光光源，其特征在于：所述极低偏流运算放大器（8a）的最大偏流小于等于100fA。