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。
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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07月03日

オーディオ機器の作成2 スピーカーの改良

以前オーディオ機器を作ったと記事を書きました。秋月電子で売っているスピーカーユニットF77G98-6とFOSTEX製ボックスP800-Eの組みあわせでスピーカーを作りました。
 
P2290707.jpg
 
ですが、不満点が2点ほどあったので改善してみました
 

1つ目の改善点はバッフルの追加です。
スピーカーユニットの径がスピーカーボックスの穴系より大きいため、そのまま取り付けると浮いてしまいます。
 
P2290709.jpg
 
そこでこの隙間を埋めるために、3Dプリンターでバッフルを作成して取り付けました
 
P2290711.jpg
 
これでスピーカーユニットとスピーカーボックスが密着するようになりました。
 

2つ目の改善点は平面サブコーンの追加です。実際に音を鳴らしてみると高音域があまり出ていないのか、こもったような音がしました。
そこで何か対策はないかと検索してみると、私と同じように感じて高音域の改善を試みている方がいました。
 
 
この方の記事によると、
「薄くて密度の高い素材を直径30mmの円形にし、センターキャップに貼り付けると高音域が改善する」
とのことです。これを平面サブコーンと呼び、テレホンカードやアルミの薄板で作成すると良好な結果が得られたみたいです。 
 
私の手元にはテレホンカードもアルミの薄板もありませんので、スピーカーユニットが入っていたプラスチックケースを利用しました。
直径30mmの円を作って貼ろうとしましたが上手く取り付けられずスピーカーのコーンに触れそうだったため、ちょっと小さい28mmの円にしました。
平面サブコーンを取り付けることでちょっとこもったような感じが減ったかな?といった感じです。悪化している感じはしないので、とりあえず平面サブコーンは付けたままにします。
 

バッフルと平面サブコーンを取り付けたスピーカーの写真が下図です。
 
P2290713.jpg
 
音質的にはとても良いというわけではありませんが、ペアで4千円以下という価格を考慮すると上出来かなと思います。
 

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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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2017年06月19日

オーディオ機器の作成

照明器具製作の記事が途中ですが同じ物ばかりを扱うというのも退屈なので、気晴らしに自作オーディオに手を出しました。といっても本格的にやろうとなると知識やらお金やらが必要なので、安い部品を中心に作ってみました。
 
P2290707.jpg
 
主な部品はスピーカーボックスがFOSTEX製のP800-E、スピーカーユニットが東京コーン紙製作所製のF77G98-6、D級アンプがDIODES製のPAM8408です。
 
P800-E_02.jpg
スピーカーボックス P800-E
 
P-06275.jpg
スピーカーユニット F77G98-6(秋月電子通販コード:P-06275)
 
I-09160.jpg
D級アンプ PAM8408(秋月電子通販コード:I-09160)
 
PAM8408を使うために必要な部品は非常に少なく、ただ鳴らすだけなら電源ラインのパスコンと音声ラインのカップリングコンデンサがあれば動きます。
 
2017-06-19.png
PAM8408標準回路(PAM8408データシートより)
 
とりあえず音が鳴るかどうかを確認したかったので、上記のデータシート通りにパスコンとカップリングコンデンサだけを付けて回路をブレッドボード上に実装しました。下記の図の右側のICがPAM8408です。左側の抵抗器はステレオーモノラル変換のために追加したものです。
 
P2290705.jpg
 
部品も少なく実装もブレッドボード上と簡易的なものですが、この組みあわせできちんと音を鳴らすことが出来ました。この状態でもそれなりの音量で鳴らすことは出来ますが音源側の音量を上げないといけないので、PAM8408の前段に増幅回路を追加しようと思います。
 

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ラベル:オーディオ
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