報告書 - 富山高等専門学校 由井研究室

富山高等専門学校 専攻科
平成 25 年度
特 別 研 究 報 告
研究題目
指導教員
提出者
LED を使った高安定光源の開発
由井 四海
制御情報システム工学
専攻
宮田 大暉
平成 26 年 3 月 10 日 提出
目次
1.
研究目的 ......................................................................................................................... 1
2.
研究内容 ......................................................................................................................... 2
2.1. LED の特性................................................................................................................ 2
2.2. 実験装置の構成 ......................................................................................................... 3
2.3.1. 光検出器(PD) ...................................................................................................... 3
2.3.2. 白金測温抵抗体 .................................................................................................. 4
2.3.3. ペルチェ素子 ...................................................................................................... 4
2.4. PID 制御 .................................................................................................................... 5
2.5. LED の電流制御 ........................................................................................................ 6
2.6. LED と PD の温度制御 .............................................................................................. 8
3.
実験結果 ....................................................................................................................... 10
3.1. 電流制御における PID ゲインの変化...................................................................... 10
3.2. LED 温度制御における PID ゲインの変化.............................................................. 12
3.3. PD 温度制御における PID ゲインの変化 ................................................................ 14
3.4. 強度測定結果 ........................................................................................................... 16
3.5. スペクトル測定結果 ................................................................................................ 16
3.6. 電流測定結果 ........................................................................................................... 19
3.7. LED 温度測定結果 ........................... エラー! ブックマークが定義されていません。
3.8. PD 温度測定結果 ..................................................................................................... 19
4.
まとめと考察 ................................................................................................................ 20
5.
参考文献 ....................................................................................................................... 21
6.
謝辞 .............................................................................................................................. 22
7.
付録 .............................................................................................................................. 22
1. 研究目的
材料やガスなどを分析するときに分光法が多く利用されている。分光法とは対象物に光
を照射して、透過光あるいは反射光を測定することで、その性質などを特定する方法であ
る。分光法による分析を行うとき、対象物に照射する光の強度とスペクトルが安定してい
なければ、対象物の性質を特定することができなくなる。そのため、光の強度とスペクト
ルが安定した高安定光源が必要である。高安定光源には白熱電球やハロゲン電球が用いら
れているが、これらの電球は電流によりフィラメントを加熱して光を放射しているため、
フィラメントが蒸発して小さくなり、光の強度が低下してしまう。また、これらの電球は
400nm の青色領域から 700nm 以上の近赤外領域まで広く光の強度が分布する発光スペクト
ルをもち、この中で赤外線の強度が強く、この熱を効率よく逃がすために、光源装置に十
分な放熱対策を施す必要がある。これに対して発光ダイオード(LED)はフィラメントを加
熱して光を放射する方法ではなく、電気的な方法で電子を励起した後に、電子と正孔が再
結合することで発光しているので、白熱電球やハロゲン電球より経年変化が小さく、光強
度の低下が遅くなる。そのため、発光ダイオード(LED)は長時間使用する高安定光源として
有効である。
本研究は LED を使用して、強度およびスペクトルの波長変化率が 2%以下になる高安定
光源を開発することを目的とする。
1
2. 研究内容
2.1. LED の特性
図 2.1 に LED の強度と温度の関係を示す。これより LED は温度によって強度が変化する
ことがわかり、強度を安定化するためには LED の温度を一定にする必要がある。図 2.2 に
LED の強度と電流の関係を示す。これより LED は電流によって強度が変化することがわか
り、強度を安定化するためには LED に流れる電流も一定にする必要がある。本研究ではピ
ーク波長が 625nm の赤色パワーLED である OptoSupply Limited 製 OSR5XME1C1E を使用
した。
1.3
1.2
強度[a.u.]
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
-60
-40
-20
0
20
温度[℃]
40
60
80
100
図 2.1 LED の温度-強度特性
1.4
強度[a.u.]
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
270
275
280
285
電流[mA]
290
図 2.2 LED の電流-強度特性
2
295
300
2.2. 実験装置の構成
図 2.3 に実験装置の構成を示す。実験装置は大きく、光源装置と測定系にわけられる。光
源装置では LED の電流を制御し、LED の強度とスペクトルは LED の温度により変化する
ので LED の温度を制御した。PD の出力電流が温度により変化することで LED の電流を制
御することができなくなるので PD の温度を制御した。各制御にはアナログ入力の分解能が
10bit のマイコン(Arduino)を使用した。
測定系では LED の強度を PD で、スペクトルを分光器で測定し、PC に記録した。
光源装置 測定系
PD温度制御
PC
強度を表す電圧
電圧計
USBケーブル
光ファイバー
分光器
白金測温
抵抗体
光
LED強度制御
電圧計
LED温度を
表す電圧
光
LED
白金測温抵抗体
LED温度制御
ペルチェ素子
図 2.3 実験装置の構成図
2.2.1. 光検出器(PD)
図 2.4 に PD の等価回路を示す。この等価回路から出力電流 を求めると(2.1)式とな
る。ここで は入射光による発生電流 、 はダイオード電流、 は PD の逆方向飽和電流、
I ′は並列抵抗電流、は電子の電荷、 はダイオード両端の電圧、k はボルツマン定数、T は
PD の絶対温度である。
e
 =  −  − I ′ =  −  {exp (
k
) − 1} − I ′
(2.1)
(2.1)式より、入射光強度が一定であっても PD の出力電流は温度によって変化するた
め、温度を一定にする必要がある。本研究では波長 625nm で受光感度 0.33 A/W の PD で
ある浜松ホトニクス製 S2387-1010R を使用した。
3
図 2.4 PD の等価回路
2.2.2. 白金測温抵抗体
金属の電気抵抗が温度変化に対して変化する性質を利用した測温抵抗体の一種で、温度
特性が良好で経年変化が少ない白金を測温素子に用いたセンサである。抵抗値と温度の関
係が対数的ではなく、ほぼ直線的に変化して抵抗値から電圧への変換が簡単であるために、
この抵抗体を使用することにした。温度検出に温度係数が 0.39Ω/℃の Heraeus 製 FK
222-100-A を使用した。
2.2.3. ペルチェ素子
ペルチェ素子は二種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が
移動するというペルチェ効果を利用した素子である。この効果により、直流電流を流すと
一方の面で吸熱して、その熱が移動することで反対面が発熱する。電流の流れる向きを変
えることで、熱の移動を逆流させることができることから、加熱および冷却が可能である。
また、ヒートポンプに比べて装置が小型化でき、振動を発生しないために LED と PD の温
度制御にペルチェ素子を使用することにした。LED の温度制御に最大吸熱量が 53.3W の
HB Electronic Components 製 TEC1-12706 を使用して、PD の温度制御に最大吸熱量が
44.5W の HB Electronic Components 製 TEC1-12705 を使用した。
4
2.3. PID 制御
PID 制御とは、目標値と出力値のずれである偏差に対して比例(P 動作)
、積分(I 動作)
、
微分(D 動作)の三つの動作を組み合わせて、制御の対象となる物に加える操作量を決める
フィードバック制御のことである。
比例制御(P 制御)は(2.2)式に示すように偏差 e に比例ゲイン Kp を掛けた値を操作
量として制御を行う方法である。
 ()
(2.2)
(2.2)式で比例ゲインが小さいと偏差が 0 に近づいたときに出力値が小さくなり、目標
値と出力値に一定のずれ(定常偏差)が生じる。逆に比例ゲインが大きいと出力値が振動
的になる。そのため比例制御のみでは目標値に収束することができない。
積分制御(I 制御)は(2.3)式に示すように偏差 e の積分値に積分ゲイン Ki を掛けた値
を操作量として制御を行う方法である。
 ∫ ()
(2.3)
(2.3)式で偏差を積分した値により操作量が決まるため、偏差があれば偏差を 0 にしよ
うと操作量が変化する。比例制御では定常偏差が発生したが、積分制御を加えることで偏
差が無くなるまで制御を行うので定常偏差が無くなる。
微分制御(D 制御)は(2.4)式に示すように偏差 e の時間変化分である微分値に微分ゲ
イン Kd を掛けた値を操作量として制御を行う方法である。

()

(2.4)
PI 制御の I 動作は出力値を目標値に近づけるためにはある程度の時間が必要となる。その
ため(2.4)式により、D 制御は偏差の変化が大きくなるほど出力が大きくなるので、PI 制
御で補えない急激な出力値の変化に対応して、早く目標値に収束することができる。よっ
て、D 制御はフィードバック制御系の制御応答の特性を改善する働きがある。
本研究では、電流制御に PI 制御を用い、温度制御に PID 制御を用いた。電流制御の PID
制御と PI 制御の結果を比較すると PI 制御の結果の方が目標強度に到達した後に強度が安定
したため、電流制御に PI 制御を用いることにした。
5
2.4. LED の電流制御
図 2.5 に LED 強度測定の構成を示す。LED から放射する光のみを PD で受光するために
装置内を黒くして光が乱反射しないようにした。
1cm
50°
光
L
E
D
放熱板
図 2.5 LED 強度測定の構成
図 2.6 に LED 電流制御のブロック線図を示す。サンプリング周波数が 100kHz の マイコ
ンで帰還電圧を A/D 変換して目標電圧との差を使い、PID 演算した結果を 500Hz の PWM
信号で出力した。マイコンの PWM 出力は 8bit であるためデューディー比は 0.4%刻みで変
えることができ、PWM 信号の振幅は 5V である。PWM 信号のデューディー比を 0.4%変え
ることで、LED に流れる電流が 0.1mA 変えられるようにするために、反転加算回路で PWM
信号を 0.05 倍に減衰させた。また、LED に 280mA の電流を流すために PWM 信号に直流
電圧 2.8V を加算した。この加算信号は反転増幅したために負電圧が含まれる。マイコンの
入力電圧範囲は 0~5V であるため、負電圧を多重帰還型のローパスフィルタに通すことで、
正電圧の平滑化した制御電圧を出力した。次に制御電圧を電流に変換して LED に流した。
フィードバック部の強度検出回路では PD で発生した電流を電圧に変換してから、差動増
幅回路で増幅し、この電圧を強度として測定した。このとき、マイコンの最大入力電圧/ =
5、量子化ビット数n = 10bitであるため A/D 変換の刻み幅∆/ [V]は(2.5)式となる。
/
∆/ = 2 −1
(2.5)
≈ 4.89 × 10−3 []
そのため、差動増幅回路では刻み幅∆/ が 4.9mV より大きい値に検出電圧を増幅した。次
6
に増幅電圧をカットオフ周波数が PWM 信号の周波数 500Hz の約 10%である 48Hz の 2 次
の RC ローパスフィルタ(LPF)に通してからマイコンに入力した。
マイコン
PWM
加算
制御
目標
信号
信号
電圧
電圧 + 偏差
反転加算
LPF
PID演算
回路
(多重帰還型)
帰還
増幅
検出
電圧
電圧
電圧 電流電圧
LPF
差動増幅回路
(2次RC)
変換回路
電圧電流
変換回路
制御
電流
強度
LED
検出
電流
PD
図 2.6 LED 電流制御のブロック線図
図 2.7 に多重帰還型ローパスフィルタのボード線図を示す。カットオフ周波数が PWM 信
号の周波数 500Hz の約 10%である 48Hz で、減衰域の傾きは-40dB/dec である。図 2.8 に 2
次 RC ローパスフィルタのボード線図を示す。カットオフ周波数は 48Hz で、減衰域の傾き
は-40dB/dec である。
図 2.7 多重帰還型のローパスフィルタのボード線図
図 2.8 2 次 RC ローパスフィルタのボード線図
7
2.5. LED と PD の温度制御
図 2.9 に LED 温度測定の構成を示す。LED を放熱板チップにはんだ付けし、LED のリー
ド部分に白金測温抵抗体を接続させて、LED の温度を測定した。放熱板チップとアルミ板、
アルミ板と放熱板をねじで止めて、ペルチェ素子などの各部品の接合面にはシリコングリ
スを塗った。ペルチェ素子の放熱側に放熱板と冷却ファンを取り付けてペルチェ素子を放
熱させた。
図 2.10 に PD 温度測定の構成を示す。PD の温度は LED と同様の方法で制御した。PD
の側面に白金測温抵抗体を接続させて PD の温度を測定した。PD とアルミ板は基板を介し
てねじ止めして、接合面にシリコングリスを塗った。
LED
白金測温抵抗体
放熱板チップ
アルミ板
ペルチェ素子
放熱板
冷却ファン
ねじ
ねじ
白金測温抵抗体
図 2.9 LED 温度測定の構成
L
E
D
放熱板
図 2.10 PD 温度測定の構成
図 2.11 に LED と PD 温度制御のブロック線図を示す。マイコンで帰還電圧を A/D 変換し
て目標電圧との差を使い、PID 演算した結果を 500Hz の PWM 信号で出力した。PWM 信号
を H ブリッジ回路に加えて、ペルチェ素子に流れる電流値と電流の流れる向きを変化させ
て LED と PD を加熱または冷却して温度を制御した。
フィードバック部の温度検出回路では LED と PD の温度で白金測温抵抗体の抵抗値が変
化するので、白金測温抵抗体に 1mA の定電流を流して抵抗値を電圧に変化させた。このと
き、温度T [℃]、白金測温抵抗体の温度係数∆R [Ω/℃]、0℃のときの抵抗0 [Ω]、抵抗体に
流れる電流I [A]、定電流回路の電流検出抵抗 [Ω]とすると検出電圧 [V]は(2.6)式と
なる。
8
 = (∆RT + 0 )I +  
= ∆RIT + (0 +  )I
(2.6)
(2.6)式で発生するオフセット電圧 = (0 +  )I = 2.8V を差動増幅回路で引いた
上で、この電圧を増幅した。このとき、差動増幅回路の増幅度 [-]とすると増幅電圧 [V]
は(2.7)式となる。
 =  ( −  )
=  ∆RIT
(2.7)
増幅電圧をカットオフ周波数が 48Hz の 2 次の RC ローパスフィルタでノイズを除去した
後にマイコンに入力して A/D 変換を行った。温度の測定範囲を 0℃~35.8℃に決めて、マイ
コンの入力電圧 の範囲が 0V~5V であることから差動増幅回路の増幅度 は(2.7)式よ
り、
 =

∆RIT
(2.8)
(2.8)式となり、 = 5、 = 35.8℃、∆R = 0.388Ω/℃、I = 1 × 10−3 Aを代入すると
 ≈ 360となるので差動増幅回路の増幅度は 360 とした。
(2.5)式から、最大測定温度/ = 35.8℃、量子化ビット数n = 10bitであるため、温度
の刻み幅∆/ [℃]は(2.9)式となる。
∆/ =
/
2 −1
(2.9)
≈ 3.50 × 10−2 [℃] = 0.0350[℃]
よって、温度は 0.0350℃刻みで測定できる。
マイコン
PWM
目標
加熱
LED
温度
信号
電圧 + 偏差
Hブリッジ
ペルチェ 冷却
PID演算
あるいは
回路
素子
PD
帰還
検出
増幅
電圧
電圧 白金測温抵抗体
電圧
LPF
差動増幅回路
(2次RC)
(定電流回路)
図 2.11 LED と PD 温度制御のブロック線図
9
3. 実験結果
電流制御と温度制御における PID ゲインを決定した後に、24 時間継続して強度とスペク
トルの測定を行った。
3.1. 電流制御における PID ゲイン
図 3.1 に比例ゲインを 3、5、7 に変化させた場合、電流制御結果にどのような違いがあ
るのかを示す。強度を PD 電圧として測定して、目標電圧は 4.0V とした。比例ゲインが 3
と 5 の結果を比較すると、
比例ゲインが 5 の場合に残留偏差が 0.3V と小さくなったことと、
比例ゲインが 7 の結果で PD 電圧の変動値が 0.5V と最大となったことから比例ゲインは 5
とした。このとき、変動値は定常状態における出力の最大値と最小値の差と定義した。
4.2
4.0
3.8
PD電圧[V]
3.6
3.4
3.2
3.0
比例ゲイン3
比例ゲイン5
比例ゲイン7
2.8
2.6
2.4
2.2
0
10
20
30
40
50
時間[sec]
図 3.1 比例ゲインを変化させた場合の電流制御結果
比例制御のみでは、定常状態で目標値と出力値に、ある一定値の偏差(残留偏差)が存在す
るので、残留偏差を取り除くために比例制御に積分制御を加えることにした。図 3.2 に積分
ゲインを 0.5、0.7、0.9 に変化させた場合、電流制御結果にどのような違いがあるのかを示
す。積分ゲインが 0.5 と 0.7 の結果を比較すると、積分ゲインが 0.7 の方が目標電圧に到達
する時間が早くなった。次に積分ゲインが 0.7 と 0.9 の結果から、目標電圧に到達する時間
が 25 秒で同じとなり、PD 電圧の変動が小さいことから積分ゲインは 0.7 とした。
10
4.2
4.0
3.8
PD電圧[V]
3.6
3.4
3.2
3.0
比例制御のみ
積分ゲイン0.5
積分ゲイン0.7
積分ゲイン0.9
2.8
2.6
2.4
2.2
0
10
20
30
40
50
時間[sec]
図 3.2 積分ゲインを変化させた場合の電流制御結果
図 3.3 に微分ゲインを 0.1、0.5 に変化させた場合、電流制御結果にどのような違いがあ
るのかを示す。目標電圧に収束した後の PD 電圧の変動値を比べると、比例+積分制御では
0.02V、微分ゲインが 0.05 では 0.2V、微分ゲインが 0.1 では 0.5V となったことと、目標電
圧に到達する時間は 20 秒で同じとなったことから、微分ゲインは 0 として比例+積分制御
で電流を制御することにした。
4.2
4.0
3.8
PD電圧[V]
3.6
3.4
3.2
3.0
比例+積分制御
微分ゲイン0.05
微分ゲイン0.1
2.8
2.6
2.4
2.2
0
10
20
30
40
時間[sec]
図 3.3 微分ゲインを変化させた場合の電流制御結果
11
50
3.2. LED 温度制御における PID ゲイン
図 3.4 に比例ゲインを 30、35、40 に変化させた場合、LED 温度制御結果にどのような違
いがあるのかを示す。このとき、目標温度は 30℃として、LED 温度の変化を調べた。比例
ゲインが 30 の場合は LED 温度の変動が最も少ないが、29.7℃に到達するまでに 70 秒かか
り、他のゲインと比べて最も遅くなった。比例ゲインが 40 の場合は LED 温度の変動が最
も大きくなり、変動が収まるまで時間がかかった。比例ゲインが 35 の場合は残留偏差が比
例ゲイン 30 のときより早く、LED 温度の変動が比例ゲイン 40 のときより小さいために、
比例ゲインは 35 とした。
30.4
LED温度[℃]
30.0
29.6
29.2
比例ゲイン30
28.8
比例ゲイン35
比例ゲイン40
28.4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
時間[sec]
図 3.4 比例ゲインを変化させた場合の LED 温度制御結果
図 3.5 に積分ゲインを 0.1、0.3、0.5 に変化させた場合、LED 温度制御結果にどのような
違いがあるのかを示す。図 3.5 から積分ゲインが 0.3 の場合は行き過ぎ量が 0.3℃で、積分
ゲインが 0.1 のときと比べて 0.1℃しか変化しなかったことと、最も早く目標温度の 30℃に
収束したことから積分ゲインは 0.3 とした。
12
30.8
LED温度[℃]
30.4
30.0
29.6
比例制御のみ
29.2
積分ゲイン0.1
積分ゲイン0.3
28.8
積分ゲイン0.5
28.4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
時間[sec]
図 3.5 積分ゲインを変化させた場合の LED 温度制御結果
図 3.6 に微分ゲインを 0.1、0.5 に変化させた場合、LED 温度制御結果にどのような違い
があるのかを示す。図 3.6 から行き過ぎ量を比べると微分ゲインが 0.5 の方が小さくなった
が、目標温度に収束した後の LED 温度の変動は微分ゲインが 0.1 の方が小さくなり、温度
の安定性を重視して微分ゲインは 0.1 とした。
30.4
LED温度[℃]
30
29.6
29.2
比例+積分制御
28.8
微分ゲイン0.1
微分ゲイン0.5
28.4
28
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
時間[sec]
図 3.6 微分ゲインを変化させた場合の LED 温度制御結果
13
110
120
3.3. PD 温度制御における PID ゲイン
図 3.7 に比例ゲインを 30、40、50 に変化させた場合、PD 温度制御結果にどのような違
いがあるのかを示す。このとき、目標温度は 30℃として、PD 温度の変化を調べた。比例
ゲインが 40 のときに 28 秒で一定温度に収束して、定常状態になる時間が最も早くなった
ので、比例ゲインは 40 とした。
30.0
PD温度[℃]
29.6
29.2
比例ゲイン30
28.8
比例ゲイン40
比例ゲイン50
28.4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
時間[sec]
図 3.7 比例ゲインを変化させた場合の PD 温度制御結果
図 3.8 に積分ゲインを 0.7、1.0、1.3 に変化させた場合、PD 温度制御結果にどのような
違いがあるのかを示す。積分ゲインが 1.0 のときに、目標温度 30℃に収束する時間が 35 秒
で最も早くなったので、積分ゲインは 1.0 とした。
14
30.4
PD温度[℃]
30
29.6
比例制御のみ
29.2
積分ゲイン0.7
積分ゲイン1.0
28.8
積分ゲイン1.3
28.4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
時間[sec]
図 3.8 積分ゲインを変化させた場合の PD 温度制御結果
図 3.9 に微分ゲインを 0.1、0.2 に変化させた場合、PD 温度制御結果にどのような違いが
あるのかを示す。微分ゲインが 0.1 と 0.2 の結果を比べると目標温度に収束する時間と、PD
温度の変動値が同じであるから、温度の安定性を重視して微分ゲインは 0.1 とした。
30.8
30.4
PD温度[℃]
30
29.6
比例+積分制御
微分ゲイン0.1
微分ゲイン0.2
29.2
28.8
28.4
0
10
20
30
40
50
60
70
時間[sec]
80
90
100
図 3.9 微分ゲインを変化させた場合の PD 温度制御結果
15
110
120
3.4. 強度変化測定結果
図 3.10 に電流と温度を制御した場合と制御しないの場合の強度の時間変化を示す。制御
なしの場合、測定を始めたときから強度が減少して、24 時間後に変化率が約-40%になり、
変化率の標準偏差は 2.3%になった。電流と温度を制御した場合、変化率が最大で 5.9%に
なり、変化率の標準偏差は 0.4%になった。
10
強度の変化率[%]
0
-10
制御なし
電流と温度制御
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
時間[hour]
図 3.10 強度の時間変化
3.5. スペクトル変化測定結果
図 3.11 に制御しない場合のスペクトルの測定結果を示す。測定開始から 1 分後と 24 時
間後のスペクトルを比較すると各波長の強度の変化率は波長 643nm が最大で 7.2%となっ
た。1 分後と 24 時間後のスペクトル測定結果で強度が最大となったピーク波長は 631nm で
同じとなった。
図 3.12 に制御した場合のスペクトルの測定結果を示す。測定開始から 1 分後と 24 時間
後のスペクトルを比較すると各波長の強度の変化率は波長 653nm が最大で-3.1%となった。
全体としてスペクトルは 0.5nm ずれて短波長化した。
16
8.0
1分後
24時間後
変化率
16
14
6.0
4.0
強度[a.u.]
12
2.0
10
0.0
8
-2.0
6
4
-4.0
2
-6.0
0
変化率[%]
18
-8.0
580
610
640
670
波長[nm]
図 3.11 制御しない場合のスペクトル測定結果
18
8.0
1分後
24時間後
変化率
14
6.0
4.0
強度[a.u.]
12
2.0
10
0.0
8
-2.0
6
4
-4.0
2
-6.0
0
-8.0
580
610
640
波長[nm]
図 3.12 制御した場合のスペクトル測定結果
17
670
変化率[%]
16
3.6. LED 温度測定結果
図 3.13 に電流と温度を制御した場合と制御しないの場合の LED 温度の時間変化を示す。
制御なしの場合、LED の温度は 26.8℃から 29.3℃に上昇した。制御した場合、LED の温度
は 24.7℃から 25.3℃の間を変化して、標準偏差は 0.03℃となった。
31.0
30.0
LED温度[℃]
29.0
28.0
制御なし
電流と温度制御
27.0
26.0
25.0
24.0
0
5
10
15
時間[hour]
図 3.13
LED 温度の時間変化
18
20
25
3.6. 電流測定結果
図 3.14 に制御した場合の電流測定結果を示す。LED に流れる電流は 283.5mA から
283.1mA の間を変化した。強度を表す PD 電圧は 3.0V から 2.7V を変化して、標準偏差は
0.02V となった。
283.6
3.1
LED電流
PD電圧
3.0
283.4
2.9
283.3
2.8
283.2
PD電圧[V]
LED電流 [mA]
283.5
2.7
283.1
283.0
2.6
0
5
10
時間[hour]
15
20
25
図 3.14 電流測定結果
3.8. PD 温度測定結果
図 3.15 に電流と温度を制御した場合の PD 温度の時間変化を示す。PD の温度は 24.7℃
から 25.2℃の間を変化して、標準偏差は 0.03℃となった。
25.3
25.2
PD温度[℃]
25.1
25.0
24.9
24.8
24.7
24.6
0
5
10
15
時間[hour]
図 3.15 PD 温度の時間変化
19
20
25
4. まとめと考察
LED を使って強度とスペクトルの波長変化率が 2%以下になる高安定光源を開発するこ
とを目指した。LED の強度と PD の出力電流は温度により変化するため、LED は電流と温
度、PD は温度を制御する装置を作製して、強度とスペクトルを測定した。
24 時間の測定で、制御をした場合に強度の変化率の標準偏差は 0.4%になり、スペクトル
の変化率は波長 653nm が最大で-3.1%になった。スペクトルの変化率が大きくなった原因
は LED の温度上昇における短波長化だと考えられる。制御なしの場合にスペクトルの変化
率は波長 643nm が最大で 7.2%になり、LED 温度は 1 分後から 24 時間後に 1.3℃高くなっ
た。これからスペクトルの変化率は 1℃あたりに 5.5%変化するので、2%以下にするには
LED の温度変化を 0.36℃以下にしなければならない。LED の温度をさらに安定化すること
により、スペクトルの波長変化率を小さくして、長時間使用した場合でも安定性の高い光
源にする必要がある。また、電気的なノイズを低減することで温度と強度を安定化する必
要がある。
表 1 強度測定結果
PD 電圧[V]
変化率[%]
最大値
最小値
最大と最初の電圧差
標準偏差
最大値
標準偏差
制御あり
3.0
2.7
0.3
0.02
5.9
0.4
制御なし
2.9
1.6
1.3
0.07
45.6
2.3
表 2 温度測定結果
最高温度[℃]
最低温度[℃]
最高温度と最低温度の差[℃]
標準偏差[℃]
LED
25.3
24.7
0.6
0.03
PD
24.7
25.2
0.5
0.03
表 3 スペクトル測定結果
最大変化率[%]
ピーク波長[nm]
1 分後
24 時間後
ピーク波長の差[nm]
制御あり
-3.1
630.4
629.9
0.5
制御なし
7.2
631.1
631.1
0.0
20
5. 参考文献
[1]フォトダイオ-ドの特性と使い方, 浜松ホトニクス,
<http://www.hepl.hiroshima-u.ac.jp/phx/constr/toyoda/Mthesis/Figure/si_pd_technical_infor
mation.pdf>, 参照 2013-09-09
[2]椹木 義一, 添田 喬 : わかる自動制御, 日新出版, 1999
[3]Hank Zumbahlen : OP アンプによるフィルタ回路の設計, CQ 出版, 2005
[4]松井邦彦 : トランジスタ技術 SPECIAL No.37 特集
CQ 出版, 1993
21
実用電子回路設計マニュアルⅡ,
6. 謝辞
本研究を通してご指導、助言を頂きました由井四海先生、装置の製作にあたり技術的に
支援してくださった飯田拓也技官、島政司技官、早川幸弘技官にお礼申し上げます。
7. 付録
7.1. 回路図
図 7.1 に電流制御回路、図 7.2 に温度制御回路を示す。温度制御回路は LED 温度制御回
路と PD 温度制御回路の合わせて
A
B 2 つの回路を作製した。
C
D
5V
10μF
LM741CN
V1
2SC1813
2.5V
10kΩ
1
18kΩ
1
LED
1kΩ
LM741CN
LM741CN
PID制御
33kΩ
33kΩ
PC20
Arduino
PD
0.1μF
1kΩ
Vo
0.1μF
18kΩ
金属箔抵抗
1Ω
電流-電圧変換回路
2次RCローパスフィルタ回路
差動増幅回路
定電流回路
2.8V
2
2
8.2kΩ
Vo
22kΩ
33kΩ
1kΩ
0.1μF
LM741CN
33kΩ
33kΩ
LM741CN
0.1μF
反転加算回路
A
B
V1
2次多重帰還型ローパスフィルタ回路
C
図 7.1 電流制御回路
22
D
A
B
C
D
5V
2kΩ
429kΩ
470Ω
LM741CN
2.8V
1
1kΩ
LM741CN
V2
0.1μF
2kΩ
5.1kΩ
33kΩ
33kΩ
1
0.1μF
1kΩ
NJM431
429kΩ
2次RCローパスフィルタ回路
100kΩ
差動増幅回路
過電圧保護回路
2.8Vの定電圧回路
5V
5V 15V
2
2
PID制御
1
470Ω
V2
2.7V
2SC1213
Arduino
2
4
5.1kΩ
6
LM741CN
IN1
IN2
OUT2
Vs
OUT1
Vcc
GND
ST
8
10
11
12
NJM431
Pt100
TA8429HQ
100kΩ
2.7kΩ
ペルチェ素子
3
1mAを流す定電流回路
A
LED加熱冷却回路
B
C
図 7.2 温度制御回路
23
D
3
7.2. 主要部品および測定機器表
表 4 主要部品および使用機器
名称
赤色パワーLED
型番
OSR5XME1C1E
規格
max.400mA,ピーク波長 625nm
製造元
個数
OptoSupply Limited
1個
サイズ 30cm×30cm×4.1mm, 最大電流
TEC1-12705
ペルチェ素子
TEC1-12706
5A, 最大使用電圧 15.4V, 最大吸熱量
1個
44.5W,最大温度差 68℃, 抵抗約 2.40Ω
HB Electronic
サイズ 40cm×40cm×4.1mm, 最大電流
Components
6A, 最大使用電圧 15.4V, 最大吸熱量
1個
53.3W,最大温度差 68℃, 抵抗約 1.98Ω
分光器
フォトダイオード
(PD)
HR4000CG-UV-NIR 分解能 0.75 nm
S2387-1010R
受光感度 0.58 A/W, 感度波長範囲 340〜
1100 nm,受光面サイズ 10 x 10 mm
温度係数 0.39Ω/℃,
OceanOptics
1台
浜松ホトニクス
1個
Heraeus
2個
白金測温抵抗体
FK 222-100-A
冷却ファン
D02X-05TS1 02
定格電圧 5V,定格電流 0.05A
Nidec
3個
モータドライバ
TA8429HQ
最大出力電流 3.0A
TOSHIBA
2個
金属箔抵抗
TO-220
1Ω, 温度係数-5~5ppm/℃, 許容差±
アルファ・
0.5%
エレクトロニクス
マイコン
ARD-UNO
分解能 12bit,ATmega328 搭載
Arduino
3個
電流計
PC20
測定電流 0.4mA~10A
sanwa
1台
DAQ アシスタント
NI USB-6221
分解能 16bit
定格電流 1mA,精度 0.1℃
24
National
Instruments
1個
1台
7.3. プログラム
Arduino(マイコン)に書き込んだプログラムを示す。
//PID 制御を行うプログラム
//LED に加える初期電圧 2.5V を表す定数を定義する
#define INITIAL_INF_INPUT 124
//処理周期 DELTA_T を 2.181msec とする pwm 信号の周期が 2.041m+アナログ信号読み取り 0.1m+その他 0.04m
#define DELTA_T 0.002181
//制御で用いる目標値を格納する変数を宣言する
int infSetpoint,temLEDSetpoint,temPDSetpoint;
//PID ゲインの設定
double temLEDKp=35.0, temLEDKi=0.5, temLEDKd=0.1;
double temPDKp=40.0, temPDKi=1.0, temPDKd=0.3;
double infKp=-3.0, infKi=-0.7, infKd=-0.0;
//入力ピンの番号を決める
int inInfPin = 3,inTemLEDPin = 5,inTemPDPin = 4;
//ピン 5 と 6 の PWM 出力はデューティ比が高めになるので避ける(リファレンス参照)
int outInfPin = 3,outTemLEDPin = 9,outTemLEDDrivePin = 8,outTemPDPin = 11,outTemPDDrivePin = 12;
//関数で引数として渡すために、PID ゲインを配列に格納する。
double infPID[3] = {infKp,infKi,infKd};
double temLEDPID[3] = {temLEDKp,temLEDKi,temLEDKd};
double temPDPID[3] = {temPDKp,temPDKi,temPDKd};
//電流制御を行う関数
void setOutVoltage(int inputPin,int outPin,double pid[],int setPoint,int constant){
double deviation,output;
int input,outputVoltage;
input = analogRead(inputPin);
deviation = (input-setPoint)*5/(double)1023;
output = computeOutput(pid,deviation)+constant;
output *= 51;//電圧を PWM の出力値(0~255)に変換
if(output > 255){
outputVoltage = 255;
}
else if(output < 0){
outputVoltage = 0;
25
}
else{
//int 型は-32768 から 32767 なので 0<output<255 なら int 型にキャストしても値が反転しないため
//int 型の制御量(outputVoltage)に代入できる
outputVoltage = (int)output;
}
analogWrite(outPin,outputVoltage);
}
//温度制御を行う関数
void setOutVoltage(int inputPin,int outPin,int outDrivePin,double pid[],int setPoint){
double deviation,output;
int input,outputVoltage,outAbsVoltage;
input = analogRead(inputPin);
deviation = (input-setPoint)*5/(double)1023;
output = computeOutput(pid,deviation);
output *= 51;
if(output > 0){//冷却
if(output > 255){
outputVoltage = 255;
}
else{
outputVoltage = (int)output;
}
digitalWrite(outDrivePin,LOW);
}
else if(output < 0){//加熱
if(output < -255){
outputVoltage = 0;
}
else{
outputVoltage = 255+(int)output;
}
digitalWrite(outDrivePin,HIGH);
}
else{//output(制御量)が 0 のとき
outputVoltage = 0;
26
digitalWrite(outDrivePin,LOW);
}
analogWrite(outPin,outputVoltage);
}
void setup(){
//LED 温度制御の設定
pinMode(outTemLEDDrivePin,OUTPUT);
digitalWrite(outTemLEDDrivePin,LOW);
analogWrite(outTemLEDPin,0);//温度初期電圧 0V を印加する
temLEDSetpoint = 712;
//
//PD 温度制御の設定
pinMode(outTemPDDrivePin,OUTPUT);
digitalWrite(outTemPDDrivePin,LOW);
analogWrite(outTemPDPin,0);//温度初期電圧 0V を印加する
temPDSetpoint = 712;
//LED 電流制御の設定
analogWrite(outInfPin,INITIAL_INF_INPUT);//初期電圧 2.5V を印加する
delay(5000);//5 秒待つ
infSetpoint = analogRead(inInfPin);
infSetpoint = (infSetpoint+analogRead(inInfPin))/2;
//
}
void loop(){
//LED 電流制御
setOutVoltage(inInfPin,outInfPin,infPID,infSetpoint,INITIAL_INF_INPUT);
//LED 温度制御
setOutVoltage(inTemLEDPin,outTemLEDPin,outTemLEDDrivePin,temLEDPID,temLEDSetpoint);
////PD 温度制御
setOutVoltage(inTemPDPin,outTemPDPin,outTemPDDrivePin,temPDPID,temPDSetpoint);
//PWM 周期 2041us だけ待機する
delayMicroseconds(2041);
27
}
double computeOutput(double pid[],double deviation){
double pastDeviation,deltaOut;
static double newDeviation,out,integral;
pastDeviation = newDeviation;
newDeviation = deviation;
integral += (newDeviation+pastDeviation) / 2.0 * DELTA_T;
out = pid[0] * newDeviation + pid[1] * integral + pid[2] * (newDeviation - pastDeviation) / DELTA_T;
return out;
}
28