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07月17日

プリント基板を注文しました

照明器具の記事の更新は途中ですが、回路をプリント基板にしてみました。
DEwjIL0VwAAvgH9.jpg
製造を依頼したのはFusion PCBです。価格は上記の基板を5枚製造し、送料込みで\3,330でした。注文してから7日後に届きました。
今回は届いた基板の写真だけですが、いずれ基板の設計や発注などについても詳しく説明しようと思います。
ラベル:プリント基板
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2017年07月10日

照明器具製作 第5回:パワーLEDについて2(パワーLEDの駆動方式)

はじめに

前回はパワーLEDの特徴や放熱の必要性について説明しました。今回はパワーLEDの駆動方式(使い方)について説明します。
 

目次

 

1. 電流制限抵抗による駆動

パワーLEDも基本的な考えは普通のLEDと同じですので、抵抗1個で順電流を制限することが可能です。普通のLEDと同じように電源電圧、順電圧、順電流から抵抗値を計算できます
 
この方法でもパワーLEDを動かせることはできますが、パワーLEDは普通のLEDより順電流が圧倒的に大きいため、下記のような問題が起きます。
  • 抵抗器で消費する電力が大きい(電力効率の低下、大電力抵抗器が必要)
  • 発熱により順電圧や順電流に変動が発生する。最悪の場合部品が壊れる
そのためパワーLEDを電流制限抵抗で駆動するのはよい方法ではありません
 

2. 定電流回路による駆動

順電流を一定に保つ方法として定電流回路(常に一定の電流が流れる回路)を利用する方法もあります。定電流回路はダイオードやオペアンプで作れます。
この方式のメリットとしては温度変動に強い回路を組むことができます。そのため電流制限抵抗による駆動よりも安定します。
ですが、電源電圧とパワーLEDの順電圧の差分の電力が無駄になるというのは電流制限抵抗による駆動と同じです。そのため電力効率はよくありません
 

3. スイッチング式LEDドライバーによる駆動

電力効率をよくするための駆動方式として、スイッチング式LEDドライバーを使うという方法があります。スイッチングレギュレーターのようにON/OFFを高速で繰り返すことによって、電流を一定に保ちます。そのため他の駆動方式に比べると電力効率が良いです。
デメリットとしてはON/OFFの切り替えによりノイズが発生してしまうことです。そのためラジオの受信などには影響が出てしまうかもしれません。
 

おわりに

パワーLEDの駆動方式を3つ紹介しました。この3つの中で最も電力効率が良いスイッチング式LEDドライバーを採用します。
次回は秋月電子で販売されているLEDドライバーCL6807を使って、パワーLED駆動の回路を作成します。
 

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:2017-07-10)
  2. "LEDドライバから学ぶ コンバータ部のスイッチング回路 ". サイト名:EDN Japan 電子設計の基本と応用がわかる. http://ednjapan.com/edn/articles/1206/28/news025.html, (参照日:2017-07-10)
  3. "LED駆動の基礎と最新技術動向、損失低減や電流精度向上に向けた改善進む". サイト名:Texas Instruments. http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/new_wave/nw04_led_drive_circuit.page, (参照日:2017-07-10)
 

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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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感想(15件)

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2017年05月31日

照明器具製作 第3回:試作2台目の製作

2月の下旬頃に照明器具を作成したという記事を書きました。そのときに作成した照明器具が図1と図2です。
 
P2290192_web.jpg
図1 照明器具1台目(消灯時)
 
P2290194_web.jpg
図2 照明器具1台目(点灯時)
 
この照明器具には1WパワーLED(秋月電子通商 通販コード:I-04036)を3つ使い、LEDドライバーCL6807(同コード:I-06277)とWi-FiモジュールESP-WROOM-02(同コード:K-09758)で明るさを制御していました。ですが、下記のように色々と使いづらい点がありました。
  • Wi-FiからLEDを制御するには接続やら操作やらがめんどくさい
  • 1WパワーLED3個では暗い
  • LEDの上部や背後をカバーで覆っていないので、正面以外からだと眩しい
  • カバーはある程度の大きさがあるので、3Dプリンターで造形すると時間がかかる
 
ですので、外装やら基板やら全部新しく作り直しました。今回は新しく作った2台目の照明器具を説明します。
 

新しい2台目の照明器具が図3と図4です。
 
P2290621.jpg
図3 照明器具2台目(消灯時)
 
P2290620.jpg
図4 照明器具2台目(点灯時)
 
作成した照明器具の構成をおおまかに説明すると下記のようになります。
  • カバー(木材・障子紙)
  • LED支柱(パワーLED・LED台座・棒ネジ・棒ネジ台座)
  • 制御基板(LEDドライバー・Arduino・可変抵抗器)
それぞれの箇所についてざっと説明していきます。 
 

カバーは大きいほど光が柔らかくまんべんなくなりますが、3Dプリンターでカバーを造形すると大きさに制約が出来てしまいます。そこでカバーは木材と障子紙で作成しました。それが図5から図7です。
 
P2290624.jpg
図5 照明器具カバー外観(前面)
 
P2290626.jpg
図6 照明器具カバー外観(上部)
 
P2290635.jpg
図7 照明器具カバー内部(下部)
 
図5から分かるように今回作成したカバーは前後左右と上部を障子紙で覆っています。そのため以前のように正面以外からだと眩しいということはありません。下部はむき出しですが下から覗き込まない限り眩しくなることはないと思い、不要と判断しました。
ただカバーの上部は大半を障子紙で覆っていますが後方に隙間を設けています。これはLEDの熱がこもらないようにするためです。
 

LED支柱はLEDと棒ネジ、それからLEDや棒ネジの台座により構成されています。台座は3Dプリンターで造形しました。パワーLEDの数は9個ですが、これは手持ちのパワーLEDの数やACアダプターの定格から決めました。
 
P2290623.jpg
図8 LED支柱
 
LED台座にはM5雌ネジとヒートシンクを挿すための穴を空けてあります。さすがに雌ネジや穴を3Dプリンターで精確に造形することはできなかったので、ピンバイスやタップを使って穴を空けました。棒ネジ台座も同様にM5雌ネジが切ってあります。
 
P2290638.jpg
 図9 LED台座
 

回路基板は3つあります。右上のユニバーサル基板にLEDドライバーの回路を実装しています。LEDドライバーの回路は3列あり、それぞれが3つのパワーLEDを制御します。
左側にあるのは調光制御をするためのArduinoと可変抵抗器です。可変抵抗器の値をArduinoが読み取り、LEDドライバーをPWM制御して調光します。
 
P2290622.jpg
図10 回路基板一式
 

このように1台目で気になったところ直すために2台目の照明器具を作りました。回路図やプログラムなどについては今後説明します。
posted by ました at 17:00| Comment(0) | TrackBack(0) | 自作LED照明 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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