2017年07月24日

照明器具製作 第6回:部品選定・回路設計

はじめに

前回スイッチング式LEDドライバーを使うと効率良くパワーLEDを駆動できるという話をしました。
今回はLEDドライバーの選定と駆動回路の設計を行います。
 

目次

 

1. LEDドライバー CL6807

使用するLEDドライバーはCHIPLINK社のCL6807(秋月電子通販コード:I-06277)というICです。
 
I-06277.JPG
図1 CL6807外観(秋月電子通商 商品ページより)
 
1WパワーLEDを点灯させるには順電圧が約3.3[V]、順電流が約300[mA]必要です。ですので、LEDドライバーが流せる電流は300[mA]にマージンを加えて500[mA]くらいは欲しいです。
秋月電子で扱っているスイッチング式のLEDドライバーで500[mA]以上流せてかつ、電子工作で使えそうなICはこのCL6807と類似品のCL6808の2種類しか見つかりませんでした。CL6807とCL6808の違いですが、CL6808の方がやや価格が高く、流せる電流が大きいです。
とはいえ1WパワーLEDを点灯させるにはCL6807でも十分なので、CL6807を使うことにしました。
 
CL6807の特徴を下記に記します
  • 動作電圧範囲がDC8V〜30Vと電子工作で扱いやすい
  • 最大電流が1Aまでなので3WパワーLEDまでなら駆動可能
  • ICパッケージがSOT89-5なので、変換基板は必要なものの手作業で半田付け可能
  • 秋月で4個150円と入手性が良い
  • 調光機能がある
これらの特徴から電子工作で使うには扱いやすいです。このLEDドライバーを使ってパワーLED駆動回路を作成します。
 

2. 回路設計

CL6807のデータシートより、標準回路は図2のようになっています。このような回路が基本のようです。
 
2017-02-19.png
図2 CL6807標準回路
 
図2の回路を元に、1WパワーLEDを3個直列で点灯させることができ、かつ秋月電子で入手できそうな部品を選びんで設計した回路が図3です。
 
2017-06-10 - コピー.png
図3 パワーLED駆動回路
 
データシートからの主な変更点は以下の通りです。
  • 電流検知抵抗Rsを0.47[Ω]と1.0[Ω]の並列接続に→LED順電流を約300[mA]にするため
  • インダクタに47Ωを仕様→入手の都合
  • LEDの両端にコンデンサを追加→リップルノイズの除去
 
CL6807では順電流の値IdをRsの抵抗値で決めます。計算式はデータシートよりId[A]=0.1/Rs[Ω]です(p.2 Pin Description)。流したい順電流は300[mA]ですので、計算するとRsの抵抗値は0.333[Ω]です。ですが残念ながら0.33[Ω]の抵抗器が秋月電子で売っていなかったので、0.47[Ω]と1.0[Ω]を並列接続し合成抵抗0.320[Ω]として代用します。このときの順電流の設計値は313[mA]です。
またRsの抵抗器を選ぶ際は抵抗値だけでなく、精度も重要です。Rsの抵抗値を元に順電流が決まるため、Rsのバラつきが大きければその分順電流のバラつきも大きくなります。そこでRsには精度がよい金属皮膜抵抗器(誤差±1%)を使います。ちなみに一般的な炭素皮膜抵抗器の誤差は±5%です。
 
CL6807のデータシートに "In cases when a lower LED current ripple is needed, a capacitor can be placed across the LED terminals." (p.6 LED Current Ripple)と記載されていました。使用するパワーLEDが低リップルを要求するのかどうかは分かりませんが、念のためコンデンサC6を追加しました。コンデンサの容量を1[μF]にしたのは適当です。
 
1WパワーLEDの順電圧は約3.3[V]なので、3個直列接続にすると順電圧の合計は約10[V]です。なので電源電圧は10[V]+αとして15[V]としました。12V電源でもおそらく動くでしょうけれど、念のためにマージンを持たせて15[V]にしました。
 

おわりに

今回は使用するLEDドライバーとしてCL6807を選び、回路を設計しました。次回は回路を基板に実装します。
 

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2017年06月25日

照明器具製作 第4回:パワーLEDについて1(普通のLEDとの違い、放熱)

はじめに

前回は作成した2台目の照明器具についてざっと説明しました。今回から照明器具についてもう少し詳しく説明していきます。今回作成した2台目と以前作成した1台目は回路や部品など共通点が多いですので、1台目の記事も参考にしてください。
今回説明するのは光源のパワーLEDについてです。
 

目次

 

1. 普通のLEDとの違い

照明器具の光源に使用しているパワーLEDは秋月電子で購入したOptoSupply製の放熱基板付き1W電球色パワーLED(型番:OSM5XME1C1S 秋月電子通販コード:I-04036)です。パワーLEDと普通のLED(型番:OSDR3133A 秋月電子通販コード:I-00562)と並べてみたものが図1です(使用済みの部品なので半田跡があったり足が曲がったりしています)。外観状の大きな違いとしてはパワーLEDの方は放熱基板が付いています
 
P2290722.jpg
図1 パワーLED(左)と普通のLED(右)の外観
 
さて、パワーLEDは普通のLEDと何が違うのかというと、簡単にいうならパワーLEDは消費電力を増やして、その分明るくしたLEDです。パワーLEDと普通のLEDの主な仕様を比較したものが表1です。各値はデータシートの標準的な値を採用しています。
 
表1 パワーLEDと普通のLEDの仕様比較
  順電流 順電圧 明るさ
パワーLED(OSM5XME1C1S) 350m[A] 3.3[V] 75[lm]
普通のLED(OSDR3133A) 20[mA] 2.0[V] 500[mcd]
 
表1からそれぞれのLEDの消費電力を求めるとパワーLEDは約1.2[W]普通のLEDは約40[mW]と大きく異なります。明るさはそれぞれの単位が異なるため直接比較することは出来ませんが、パワーLEDの方が圧倒的に明るいです。
このようにパワーLEDは消費する電力が多く、その分明るいLEDです。そしてパワーLEDは普通のLEDよりも消費電力が増えたことで放熱が必要になったり、順電流制御が必要になります。
 

2. 放熱

普通のLEDなら消費電力が少ないので放熱が必要になるほど発熱はしません。ですが、パワーLEDだと消費電力が多いので発熱も大きく、放熱が必須です。
購入した1WパワーLEDは図1で分かるようにすでに放熱基板がついています。ですがこの放熱基板は半田付けや別の放熱器を取り付けやすくするためのものですので、この放熱基板だけでは放熱が不十分です。
 
ということで、パワーLEDの放熱基板にさらに別の放熱器を取り付けます。使う放熱器は16×25×16mmの大きさの放熱器(型番:16PB017-01025 秋月電子通販コード:P-05053)です。これだけだと取り付けが出来ないので熱伝導両面テープ(秋月電子通販コード:P-00516)も使用します。それぞれの部品の外観を図2に、取り付けた様子を図3に示します。熱伝導両面テープは適切な大きさに切って使います。
 
P2290723.jpg
図2 熱伝導両面テープ(上)とパワーLED(左下)と放熱器(右下)の外観
 
P2290726.jpg
図3 放熱器に取り付けたパワーLED
 
この組みあわせで放熱に問題が無いかどうかを確認します。パワーLEDのデータシートに熱抵抗ごとの周囲温度と順電流特性のグラフがあったので、これを使います(図4)。ちなみに熱抵抗とは温度の伝わりにくさを示す値のことです。この値が大きいほど熱が伝わりにくく、小さいほど熱が伝わりやすいです。ですので熱抵抗の値が小さいほど放熱能力が高いです。
 
2017-06-24.png
図4 周囲温度と順電流特性(OSM5XME1C1Sデータシートより)
 
作成する照明器具は室内で使おうと思っているので想定される周囲温度は高くても40℃程度です。ちょっとマージンを多めに取って周囲温度が60℃でも順電流に影響がないようにしたいです。図4から熱抵抗が45[℃/W]以下なら周囲温度が60℃でも順電流に影響はなさそうです。
使用する放熱器の熱抵抗はデータシートから20.0[℃/W]です。熱伝導両面テープの場合は熱伝導率から熱抵抗に換算しないといけないのですが、とりあえず約1[℃/W]とします。この組みあわせの場合熱抵抗の合計は21[℃/W]ですので45[℃/W]以下の値となり、放熱能力に問題はなさそうです。
また、以前の記事で温度試験は行っており、この放熱器だと温度上昇幅は室温+15℃〜+20℃ということが分かっています。
 
2017-02-25.png
図5 温度試験結果
 

おわりに

今回の記事をまとめるとこのようになります。
  • パワーLEDは消費電力が多くて明るいLED
  • パワーLEDは発熱するので放熱が必須
これ以外に重要な点として順電流が大きいという違いがあるのですが、それについてはまた次回説明します。
 

参考資料

  1. "パワーLED 基礎と定電流装置製作編". サイト名:マルツパーツ館 パーツまめ知識. https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/mame/194.html, (参照日:2017-06-25)
  2. "熱抵抗". サイト名:最新アナログ基礎用語集 . http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/thermal_resistance.page, (参照日:2017-06-25)
 

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2016年12月13日

Raspberry Piカメラ用ケースの作成 -第2回:3Dプリントの流れ

はじめに

前回は作成したカメラケースを紹介したので、今回は作成過程を説明します。
作成過程の説明は2回に分け、今回は3Dプリントの流れ、次回はカメラ用ケース作成過程を説明します。
 

目次

 

1. 3Dプリンターの仕組み

3Dプリントでは3Dプリンターが作成物を造形します。造形方法は複数あり、安価な家庭用3Dプリンターだと熱溶解積層法が一般的です。
Youtubeに熱溶解積層法で造形している動画があったので、紹介します
 
 
上の動画のように熱溶解積層法では溶かした材料をノズルから出力していき、その層を積み重ねることで造形します。
作成したい3Dモデルの断面図通りに3Dプリンターのノズルを動かすことで、3Dプリントを行うことが出来ます。
 

2. データ作成の流れ

3Dプリントを行うには3Dプリンターのノズルを断面図通りに動かす必要があるわけですが、そのためにはいくつかのデータを作る必要があります。その流れは以下の通りです。
  1. 3D CADで3Dモデルを作る
  2. 作成した3DモデルをSTLファイル(汎用的な3Dデータ)に変換する
  3. STLファイルをGコード(3Dプリンタを動かすためのデータ)に変換する
  4. Gコードを元に3Dプリンターが造形する
 
最初に必要となるのは造形物の3Dモデルです。これを3D CADで作ります。作り方はまた後ほど説明します。
 
2016-12-13 (7).png
図1 3Dモデル
 
3Dモデルの作成を終えたら、その3DモデルをSTLファイルという形式に変換します。
基本的に作成した3Dモデルは作成に使用した3D CADでしか開けません。そこで他のソフトなどとやり取りが出来るように、STLファイルと呼ばれる汎用的な3Dデータに変換します。こうすることで他のソフトと3Dモデルをやり取りすることが出来ます。
 
2016-12-13 (8).png
図2 STLファイル
 
上図のようにSTLファイルは物体を三角形の集合体として表現しています。この三角形の数が多ければ多いほどデータ容量は大きくなりますが、高精細なモデルとなります。
また、STLファイルの時点でSTLビューワーと呼ばれるソフトを使い、そのモデルが現実的かどうかのチェックをします。例えば、厚みが0となっている箇所はないかとか、2つの物体が重なっていないかなどのチェックです。
 
モデルに問題がないのであれば、STLファイルをGコードに変換します。Gコードは3Dプリンターのノズルの動きを表したデータで、変換ソフトをスライサーといいます。
Gコードは動きを表しているので、この軌跡通りに3Dプリンタのヘッドが動きます。特に図4のように真上から見ると、ノズルの動きが分かりやすいと思います。
 
2016-12-13 (11).png
図3 Gコードの3Dモデル
 
2016-12-13 (9).png
図4 Gコードの3Dモデル(真上)
 
あとはこのGコードを3Dプリンターに読み込まれば、造形することができます。
 
3Dプリントを行うためには3Dモデル・STLファイル・Gコードといった3つのデータを作成する必要がありますが、(精度を求めなければ)STLファイルやGコードは変換することで作成できます。ですので、3Dプリントを行うために作成するメインのデータは3Dモデルです。
 

3. 3Dモデルの作り方

3Dモデルを作成するための3D CADは多数ありますが、私はAUTODESK社の123D Designを使いました。
Autodesk社 123D Design
 
この3D CADは無償で使うことが出来ます。また、私はDMM.makeのサイトに使い方の動画が掲載されています。
この記事でも3Dモデルの作成方法を簡単に説明しますが、詳細な使い方はDMM.makeの方を参考にしてください。
DMM.make 動画でマスターする、3Dデータのつくり方 3D CADコース
 
123D Designでは平面図を書き、その平面図を立体にし、それらの立体を組み合わせる、という行程を繰り返して3Dモデルを作成します。
 
まずスケッチと呼ばれる平面図を書きます。
 
2016-12-13 (16).png
図5 スケッチの作成
 
2016-12-13 (2).png
図6 完成したスケッチ
 
次にそのスケッチに対して押し出しという操作を行って立体にします。
 
2016-12-13 (13).png
図7 押し出しの様子
 
押し出しでは立体を作るだけでなく、削除することも出来ます。
 
2016-12-13 (14).png
図8 押し出しによる削除
 
このように123D Designではスケッチで図形を書き、そのスケッチを押しだしで立体にして3Dモデルを作っていきます。
ここでは説明しませんが、押し出しを高さ方向だけでなく回転方向に押し出したり、立体の角を丸くする面取りしたり、他にも様々な操作があります。
 

まとめ

今回は簡単にですが、3Dプリントを行うために必要なデータについてと、3Dモデルを作成する方法について説明しました。
次回は実際にカメラケースを作成した過程などについて説明します。
 

参考資料

  1. "3Dプリンターの原理(個人向け)". MONOWEB:. http://d-engineer.com/3dprint/3dprintergenri1.html, (参照日:2016-12-13)
  2. "ここから始める、3Dプリンタ&モデリング基礎知識". Impress Watch:. http://akiba-pc.watch.impress.co.jp/docs/column/3dpcontest/620205.html, (参照日:2016-12-13)
  3. "3Dプリンターの基礎". MONOWEB:. http://d-engineer.com/3dprint/3dprintergenri1.html, (参照日:2016-12-13)
 

ラベル:3Dプリント 3D CAD
posted by ました at 11:55| Comment(0) | TrackBack(0) | 電子工作の知識 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする