2017年02月26日

照明器具製作 第2回:試作1台目の試験結果

はじめに

前回は作成した照明器具の試作を紹介しました。今回はその照明器具が正しく動いているか試験した結果を述べます。
知りたいことは主に4つです。
  1. 順電流や順電圧は設定通りの値か
  2. 適正な電源電圧はどれくらいか
  3. 電力の効率を良くするにはどうすればいいか
  4. 放熱は十分か
1〜3番のことを知るために電気的特性の試験、4番を知るために温度変化の試験を行いました。
 

目次

 

1. 電気的特性の試験結果

試験の結果から得られたことを先に述べると、下記のようになります。
  1. 順電流や順電圧は設定通りの値か→順電流100[mA]以上ならばほぼ設定通り
  2. 適正な電源電圧はどれくらいか→6[V]以上かつ、順電圧の合計+1[V]以上ならば良い
  3. 電力の効率を良くするにはどうすればいいか→LEDの数は3つとし、順電流を100[mA]以上とする
電気的特性の試験結果の結論は上記の通りなので、これからは結果について細かく述べます。面倒な方は飛ばしてください。
 
 
前回作成した回路は図1の通りです。LEDドライバーの型番はCL6807です。
 
Feb19_回路.png
図1 試作機の回路
 
行った試験は表1から表4の4種類です。それぞれの概要は下記の通りです。
  • 表1:LED 1個 Rs=0.320[Ω]固定 Vを変化
  • 表2:LED 2個 Rs=0.320[Ω]固定 Vを変化
  • 表3:LED 3個 Rs=0.320[Ω]固定 Vを変化
  • 表4:LED 1個 Rsを変化 V=9.0[V]固定
特に観察すべき点はこのような点です。基本的にはある値を変えたときに順電流の誤差や電力効率がどう変化するかを確認します。
  • Vを変化させたときにΔIf、ηはどのように変化するか(表1〜表3)
  • LEDの数を変化させたときにΔIf、ηはどのように変化するか(表1〜表3)
  • Rsを変化させたときにΔIf、ηはどのように変化するか(表4)
表に使われている記号の意味を下記に示します。
V:入力電圧[V] I:入力電流[A] Rs:電流設定抵抗[Ω] Vf:LED順電圧の合計[V] If:LED順電流[A] If':LED順電流設定値[A] ΔIf:LED順電流[%] Pin:入力電力[W] Pout:出力電流[W] η:電力効率[%]
(If'[A]=0.1/Rs[Ω] ※LEDドライバー CL6807データシートより) 
(パワーLEDの順電圧標準値は3.3[V])
 
表1 電気的特性試験結果1(LED 1個 Rs=0.320[Ω])
V[V] I[A] Vf[V] If[A] If’[A] ΔIf[%] Pin[W] Pout[W] η[%]
5.0 0.254 3.25 0.304 0.313 -2.8 1.27 0.99 77.8
6.0 0.213 3.30 0.313 0.313 0.1 1.28 1.03 80.8
7.0 0.185 3.30 0.320 0.313 2.3 1.30 1.06 81.5
8.0 0.164 3.30 0.325 0.313 3.9 1.31 1.07 81.7
9.0 0.147 3.30 0.329 0.313 5.2 1.32 1.09 82.1
10.0 0.135 3.30 0.332 0.313 6.1 1.35 1.10 81.2
11.0 0.124 3.35 0.335 0.313 7.1 1.36 1.12 82.3
12.0 0.115 3.35 0.338 0.313 8.1 1.38 1.13 82.1
15.0 0.094 3.35 0.347 0.313 10.9 1.41 1.16 82.4
18.0 0.081 3.40 0.356 0.313 13.8 1.46 1.21 83.0
 
表2 電気的特性試験結果2(LED 2個 Rs=0.320[Ω])
V[V] I[A] Vf[V] If[A] If’[A] ΔIf[%] Pin[W] Pout[W] η[%]
7.0 0.270 6.45 0.268 0.313 -14.3 1.89 1.73 91.5
7.5 0.295 6.60 0.306 0.313 -2.2 2.21 2.02 91.3
8.0 0.272 6.60 0.304 0.313 -2.8 2.18 2.01 92.2
8.5 0.258 6.60 0.306 0.313 -2.2 2.19 2.02 92.1
9.0 0.246 6.60 0.308 0.313 -1.5 2.21 2.03 91.8
10.0 0.225 6.60 0.313 0.313 0.1 2.25 2.07 91.8
11.0 0.208 6.60 0.317 0.313 1.4 2.29 2.09 91.4
12.0 0.194 6.60 0.320 0.313 2.3 2.33 2.11 90.7
15.0 0.162 6.70 0.331 0.313 5.8 2.43 2.22 91.3
18.0 0.140 6.70 0.340 0.313 8.7 2.52 2.28 90.4
 
表3 電気的特性試験結果3(LED 3個 Rs=0.320[Ω])
V[V] I[A] Vf[V] If[A] If’[A] ΔIf[%] Pin[W] Pout[W] η[%]
10.5 0.342 10.00 0.345 0.313 10.3 3.59 3.45 96.1
11.0 0.282 9.80 0.302 0.313 -3.4 3.10 2.96 95.4
12.0 0.262 9.85 0.304 0.313 -2.8 3.14 2.99 95.2
15.0 0.219 9.95 0.315 0.313 0.7 3.29 3.13 95.4
18.0 0.190 10.00 0.324 0.313 3.6 3.42 3.24 94.7
 
表4 電気的特性試験結果4(LED 1個 V=9.0[V])
I[A] Rs[Ω] Vf[V] If[A] If’[A] ΔIf[%] Pin[W] Pout[W] η[%]
0.0065 10.000 2.65 0.0155 0.010 55.0 0.06 0.04 70.2
0.0101 5.000 2.75 0.0255 0.020 27.5 0.09 0.07 77.1
0.0143 3.333 2.80 0.0367 0.030 22.3 0.13 0.10 79.8
0.0180 2.500 2.80 0.0466 0.040 16.5 0.16 0.13 80.5
0.0411 1.000 2.95 0.105 0.100 5.0 0.37 0.31 83.7
0.0909 0.470 3.15 0.213 0.213 0.1 0.82 0.67 82.0
0.137 0.320 3.30 0.310 0.313 -0.9 1.23 1.02 83.0
0.148 0.301 3.35 0.330 0.333 -0.8 1.33 1.11 83.0
 
結論はすでに述べていますので、他の所感を述べていきます。
  • Vが一定値以上であればVを変化させてもVfやIf、ηへの影響は大きくはない(表1〜表3)
  • VはVf+0.5[V]でもLEDは点灯するが、動作が不安定になる(表2〜表3)
  • Vfはある程度大きい方が効率は良い。(表1〜表3)
  • 順電流が100[mA]未満だと誤差が大きく、効率も悪い(表4)
LEDドライバー CL6807を使われる方がいれば、参考にしてください。
 

2. 温度変化の試験結果

パワーLEDの放熱機構は図2のように、放熱基板付き1WパワーLEDとヒートシンクを組み合わせています。
 
P2290196_web.jpg
図2 パワーLEDの放熱機構
 
上図のパワーLEDを動作させたときの温度変化が図3です。測定時はエアコンなどの空調は止めているので無風状態です。
 
2017-02-25.png
図3 温度変化の試験結果
 
図3から室温10℃に対して、LED1は29℃なので室温+19℃、LED2は27℃なので室温+17℃だと分かります。ですので、図2の放熱機構だと温度上昇は室温+20℃以内に収まることが分かります。
夏場の暑い時期を想定して室温35℃だとすると、パワーLEDの温度は55℃くらいでしょうか。パワーLEDの最大動作温度は100℃ですので、55℃であれば問題はなさそうです。ただ、人の手などが触れないように保護する必要はあると思います。
 

おわりに

照明器具試作機の試験を行ったことで、電力効率の良いパラメータや温度上昇幅が分かりました。照明器具の回路はRs=0.320[Ω]、LEDの数を3つとする予定なので電力効率95%で動かせそうです。また放熱機構にも問題はなさそうです。
これで試作の試験結果の説明は終わりです。次回は回路基板を作成したら更新する予定です。
 

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2017年02月23日

照明器具製作 第1回:試作1台目の説明

はじめに

前回説明したように、現在はWi-FiモジュールやパワーLEDを使った照明器具の作成をしています。
まだ作成途中ですが、最初の試作が出来たので記事にしました。今回は作った試作品や回路について、次回は試作品を試験(電力効率、温度上昇など)した結果について説明します。
 

目次

 

1. 作成物

図1と図2が照明器具の試作品です。左下の方に写っているのは照明を制御するための回路基板です。色々部品が載っていますが、機能はまだ照明のON/OFFだけです。
 
P2290192_web.jpg
図1 照明器具の試作(消灯時)
 
P2290194_web.jpg
図2 照明器具の試作(点灯時1)
 
カバーや台座などの外装は3Dプリンターで作りました。カバーを外すと光源となる1WパワーLEDが3つあります。(図3)
 
P2290196_web.jpg
図3 照明器具のパワーLED部分
 
パワーLEDは順電流が多くそれなりに発熱するため、放熱が必要です。放熱を行うための部品を表1に記します。
 
表1 パワーLEDの放熱部品一覧
部品 秋月電子通販コード
1 放熱基板付き1WパワーLED I-05162
2 ヒートシンク 16×25×16mm P-05053
3 熱伝導両面テープ P-00516
 
試作品の熱変化を測定し、上記の組みあわせで放熱に問題がないことを確認しました。測定結果は次回説明します。
 
 
図2だと点灯時の明るさが分かりにくいので、部屋を暗くして点灯させたときの写真が図3です。感覚としては6畳くらいの部屋全体がうっすらと明るくなり、50cm離れて本が読める程度の明るさです。
 
P2290189.jpg
図4 照明器具の試作(点灯時2)
 
やや暗い感じもしますが、この程度の明るさなら寝室で使えそうな感じですし、LED3つだと回路設計が楽なので、このまま1WパワーLED×3個のまま設計を進めていきます。
 

2. 回路

順序が前後しましたが、LEDを光らせるには回路がいります。作成した回路について説明します。
パワーLEDを効率よく光らせるにはLEDドライバーが必要です。パワーLEDも普通のLEDと同様に抵抗器を使って光らせることは出来ますが、パワーLEDは順電流が多いため抵抗器による損失も大きくなってしまいます。損失を少なくし効率よくパワーLEDを光らせるにはスイッチング動作を行うLEDドライバーを使います。
今回使用したLEDドライバーはCL6807です。(図5)
 
I-06277.JPG
図5 LEDドライバーCL6807(秋月電子通商 通販コード:I-06277)
 
LEDドライバーは抵抗器と違い、外付けの部品が必要なので回路を組む必要があります。LEDドライバーを動かす回路は部品のデータシートに記載されています。それが図6です。
 
2017-02-19.png
図6 CL6807データシートの回路図
 
データシートの回路を元に回路を作成し、実装した写真が図7です。写真に各部品の名称と回路の主要な線を書き込んでいます。
 
Feb19_回路.png
図7 作成したLEDドライバー回路
 
作成した図7の回路はデータシートの回路と全く同じではなく、以下の点を変更しています。
 
表2 回路変更箇所一覧
変更箇所 変更理由
1 電源用パスコンとして0.1μFと10μFを追加 電源ノイズをカットするため
2 LED用パスコンとして0.1μFと4.7μFを追加 LEDスイッチングによるノイズをカットするため
3 電源電圧を15Vに変更 使用するLEDの順電圧に合わせるため(3.3V×3個+α)
4 Rsを0.3Ω程度に変更 順電流を300mA程度にするため(並列接続の組みあわせで微調整する)
5 L1を47μHに変更 安価な部品を使うため
6 Adj端子にオープンコレクタ回路を接続 Wi-Fiモジュールから光量をPWM制御するため
 
回路に関する説明は以上です。
 
 
余談ですが、図7と同じ回路を実験のためブレッドボード上に組んだときは、まともに動きませんでした。順電流が10mAと少ないときは問題ないのですが、100mAも流すと非常に動作が不安定でした。
ブレッドボードですと接触が弱い場合もあるので、それの影響が出たのだと思います。
 

おわりに

今回は作成した照明器具の試作に関して説明しました。次回は試作を動かして、効率や温度の試験をした結果を説明します。
 

posted by ました at 16:09| 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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