ハイパワーLEDドライバー回路

ハイパワーLED:照明の未来!

しかし...どのように使用しますか? どこで手に入れますか?

1ワットおよび3ワットの電源LEDは現在3ドルから5ドルの範囲で広く入手可能であるため、最近それらを使用する多くのプロジェクトに取り組んでいます。 その過程で、LEDを駆動するために誰もが話す唯一のオプションは、(1)抵抗器、または(2)本当に高価な電子ギズモであると私を悩ませていました。 LEDの価格が3ドルになった今、デバイスを駆動するために20ドルを払うのは間違っていると感じています!

そこで、「Analog Circuits 101」の本に戻って、わずか1ドルまたは2ドルのパワーLEDを駆動するための簡単な回路をいくつか見つけました。

これにより、抵抗器からスイッチング電源に至るまで、Big LEDに電力を供給するためのさまざまなタイプの回路すべてを一気に説明し、それらのすべてについていくつかのヒントを提供します。 LEDドライバー回路と、いつ/どのように使用するか(これらの回路を使用する他の3つのインストラクションがあります)。 この情報の一部は、小さなLEDにも非常に有用です。

ここに私の他のパワーLEDのインストラクションがあります。他のノートやアイデアをチェックしてください

この記事は、MonkeyLectricとMonkey Lightバイクライトによってもたらされます。

ステップ1:概要/部品

LEDに電力を供給するための一般的な方法がいくつかあります。 なぜすべての大騒ぎ? 要約すると、次のとおりです。
1)LEDはそれらに電力を供給するために使用される電圧に非常に敏感です(つまり、電流は電圧の小さな変化で大きく変化します)
2)必要な電圧は、LEDが温風または冷気に置かれたときに少し変化し、LEDの色と製造の詳細にも依存します。

そのため、通常LEDに電力を供給する一般的な方法がいくつかあります。次の手順でそれぞれについて説明します。


部品

このプロジェクトは、パワーLEDを駆動するためのいくつかの回路を示しています。 関連するステップで、www.digikey.comで見つけることができる部品番号を含む必要な部品に注意した回路のそれぞれについて。 コンテンツの重複を避けるため、このプロジェクトでは特定の回路とその長所と短所についてのみ説明します。 組み立て技術の詳細を学び、LEDの部品番号と入手先(およびその他のトピック)を確認するには、他の電源LEDプロジェクトのいずれかを参照してください。

ステップ2:電源LEDのパフォーマンスデータ-便利なリファレンスチャート

以下は、多くの回路に使用するLuxeon LEDの基本的なパラメーターです。 私はこの表の数値をいくつかのプロジェクトで使用しているため、ここではすべてを1か所にまとめて、簡単に参照できるようにします。

電流のないLuxeon 1および3(ターンオフポイント):
白/青/緑/シアン:2.4Vドロップ(=「LED順方向電圧」)
赤/オレンジ/オレンジ:1.8Vドロップ

300mA電流のLuxeon-1:
白/青/緑/シアン:3.3Vドロップ(=「LED順方向電圧」)
赤/オレンジ/オレンジ:2.7Vドロップ

800mA電流のLuxeon-1(仕様を超える):
すべての色:3.8Vドロップ

300mA電流のLuxeon-3:
白/青/緑/シアン:3.3Vドロップ
赤/オレンジ/オレンジ:2.5Vドロップ

800mA電流のLuxeon-3:
白/青/緑/シアン:3.8Vドロップ
赤/オレンジ/オレンジ:3.0V低下(注:私のテストは仕様書と一致しません)

1200mA電流のLuxeon-3:
赤/オレンジ/オレンジ:3.3V低下(注:私のテストは仕様書と一致しません)

20mAの通常の「小さな」LEDの一般的な値は次のとおりです。
赤/オレンジ/黄:2.0 Vドロップ
緑/シアン/青/紫/白:3.5Vドロップ

ステップ3:ダイレクトパワー!

バッテリーをLEDに直接接続してみませんか? とても簡単そうです! どうしたの? できますか?

問題は、信頼性、一貫性、堅牢性です。 前述のように、LEDを流れる電流は、LED両端の電圧の小さな変化、LEDの周囲温度、およびLEDの製造上のばらつきに非常に敏感です。 そのため、LEDをバッテリーに接続するだけでは、どれだけの電流がLEDに流れているかわかりません。 「しかし、何が点灯したのでしょうか?」 わかりました。 バッテリーによっては、電流が大きすぎる(LEDが非常に熱くなり、急速に燃え尽きる)か、少なすぎる(LEDが暗くなる)場合があります。 もう1つの問題は、最初に接続したときにLEDがちょうど良い場合でも、高温または低温の新しい環境に持って行くと、LEDが非常に温度が高いため、暗くなるか明るすぎて燃え尽きてしまうことです。敏感です。 製造上のばらつきもばらつきを引き起こす可能性があります。

だからあなたはすべてを読んで、あなたは考えている:「そう何!」。 その場合は、先に耕し、バッテリーに直接接続します。 一部のアプリケーションでは、この方法を使用できます。

-要約:これはハッキングにのみ使用し、信頼性または一貫性があるとは思わず、途中でいくつかのLEDを焼き切ると考えてください。

-この方法を非常に有効に使用する有名なハックの1つは、LED Throwieです。

ノート:

-バッテリーを使用している場合、この方法は*小型*バッテリーを使用すると最適に機能します。これは、小型バッテリーには内部抵抗があるように動作するためです。 これがLED Throwieが非常にうまく機能する理由の1つです。

-3セントのLEDではなく、パワーLEDで実際にこれを行いたい場合は、LEDがフルパワーにならないようにバッテリー電圧を選択してください。 これが、LED Throwieが非常にうまく機能するもう1つの理由です。

ステップ4:謙虚な抵抗

これは、LEDに電力を供給する最も広く使用されている方法です。 LEDと直列に抵抗を接続するだけです。

長所:
-これは確実に機能する最も簡単な方法です
-部品は1つのみ
-費用がかかります(実際には、1ペニー未満です)

短所:
-非常に効率的ではありません。 無駄な電力と一貫した信頼性の高いLED輝度をトレードオフする必要があります。 抵抗で消費する電力が少ないと、LED性能の一貫性が低下します。
-LEDの輝度を変更するには抵抗を変更する必要があります
-電源またはバッテリー電圧を大幅に変更する場合、抵抗を再度変更する必要があります。



どうやってするの:

すでにこの方法を説明しているすばらしいWebページがたくさんあります。 通常、あなたは把握したい:
-使用する抵抗器の値
-LEDを直列または並列に接続する方法

LEDと電源の仕様を入力するだけで、完全な直列/並列回路と抵抗を設計できる2つの「LED計算機」があります。

//led.linear1.org/led.wiz
//metku.net/index.html?sect=view&n=1&path=mods/ledcalc/index_eng

これらのWeb計算機を使用するときは、計算機が求める電流と電圧の数値については、パワーLEDデータハンディリファレンスチャートを使用してください。



パワーLEDで抵抗法を使用している場合は、すぐに多くの安価なパワー抵抗を手に入れたいと思うでしょう! digikeyの安価なものをいくつか紹介します。「Yageo SQP500JB」は5ワットの抵抗器シリーズです。

ステップ5:$ witching Regulators

「DC-to-DC」、「バック」または「ブースト」コンバーターとも呼ばれるスイッチングレギュレーターは、LEDに電力を供給する便利な方法です。 彼らはそれをすべて行いますが、高価です。 彼らが正確に「行う」ことは何ですか? スイッチングレギュレータは、電源入力電圧をLEDに電力を供給するのに必要な正確な電圧に降圧(「降圧」)または昇圧(「昇圧」)できます。 抵抗器とは異なり、LED電流を常に監視し、LED電流を一定に保つように適応します。 これは、ステップダウンまたはステップアップがいくらであっても、80〜95%の電力効率で実行されます。

長所:
-広範囲のLEDおよび電源に対して一貫したLED性能
-ブーストコンバーターでは通常80〜90%、バックコンバーターでは90〜95%の高効率
-低電圧または高電圧の両方の電源からLEDに電力を供給できます(ステップアップまたはステップダウン)
-一部のユニットはLED輝度を調整できます
-パワーLED用に設計されたパッケージユニットが利用可能で使いやすい

短所:
-複雑で高価:通常、パッケージ化されたユニットで約20ドル。
-自分で作るには、いくつかの部品と電気工学のスキルが必要です。



パワーLED向けに特別に設計された既製のデバイスの1つは、LED Dyn​​amicsのバックパックです。 私はパワー主導のヘッドランププロジェクトでこれらの1つを使用し、非常に満足していました。 これらのデバイスは、ほとんどのLED Webストアから入手できます。

ステップ6:新しいもの!! 定電流源#1

新しいものを手に入れましょう!

回路の最初のセットはすべて、超単純な定電流源の小さなバリエーションです。

長所:
-あらゆる電源とLEDで一貫したLED性能
-約1ドルの費用
-接続するのは4つの単純な部品のみ
-効率は90%を超える可能性があります(適切なLEDおよび電源の選択により)
-20アンペア以上の電力を問題なく処理できます。
-低「ドロップアウト」-入力電圧は、出力電圧よりもわずか0.6ボルト高くすることができます。
-超広い動作範囲:3V〜60V入力

短所:
-LEDの輝度を変更するには抵抗を変更する必要があります
-設定が不適切な場合、抵抗方式と同じくらいの電力を浪費する可能性があります
-あなたは自分でそれを構築する必要があります(ああ、それは「プロ」である必要があります)。
-電流制限は周囲温度によって少し変化します(「プロ」の場合もあります)。

要約すると、この回路は降圧スイッチングレギュレータと同じように機能しますが、唯一の違いは、90%の効率を保証しないことです。 プラス面では、たった1ドルです。


最も単純なバージョンが最初:

「低コストの定電流源#1」

この回路は、単純なパワー主導のライトプロジェクトで取り上げられています。

どのように機能しますか?

-可変抵抗器としてQ2(パワーNFET)が使用されます。 Q2はR1によってオンになり始めます。

-Q1(小さなNPN)は過電流検出スイッチとして使用され、R3は「検出抵抗」または「設定抵抗」であり、流れる電流が大きすぎるとQ1をトリガーします。

-主な電流は、LED、Q2、R3を流れます。 R3を流れる電流が大きすぎると、Q1がオンになり、Q2がオフになります。 Q2をオフにすると、LEDとR3を流れる電流が減少します。 そこで、「フィードバックループ」を作成しました。これは、LED電流を継続的に監視し、常に設定ポイントに正確に維持します。 トランジスタは賢いですね。

-R1の抵抗が高いため、Q1がオンになり始めると、R1を簡単に超過します。

-その結果、Q2は抵抗のように機能し、その抵抗は常にLED電流を正しく保つために完全に設定されます。 Q2で過剰な電力が消費されます。 したがって、効率を最大にするために、LEDストリングを電源電圧に近くなるように構成します。 これを行わない場合は正常に機能しますが、電力を浪費するだけです。 これは、降圧スイッチングレギュレータと比較して、この回路の唯一の欠点です。


電流を設定する!

R3の値によって設定電流が決まります。

計算:
-LED電流はおよそ0.5 / R3に等しい
-R3電力:抵抗器によって消費される電力はおよそ0.25 / R3です。 計算された電力の少なくとも2倍の抵抗値を選択して、抵抗が熱くならないようにします。

700mA LED電流の場合:
R3 = 0.5 / 0.7 = 0.71オーム。 最も近い標準抵抗は0.75オームです。
R3電力= 0.25 / 0.71 = 0.35ワット。 少なくとも1/2ワットの定格抵抗が必要です。


使用部品:

R1:小型(1/4ワット)約100kオームの抵抗(Yageo CFR-25JBシリーズなど)
R3:大きい(1ワット以上)電流設定抵抗。 (適切な2ワットの選択は、パナソニックERX-2SJRシリーズです)
Q2:大(TO-220パッケージ)NチャネルロジックレベルFET(Fairchild FQP50N06Lなど)
Q1:小型(TO-92パッケージ)NPNトランジスター(例:Fairchild 2N5088BU)


最大制限:

電流源回路に対する唯一の実際の制限は、NFET Q2によって課されます。 Q2は、2つの方法で回路を制限します。

1)消費電力。 Q2は可変抵抗として機能し、LEDの必要性に合わせて電源からの電圧を下げます。 そのため、高LED電流がある場合、または電源電圧がLEDストリング電圧よりもはるかに高い場合、Q2にはヒートシンクが必要になります。 (Q2電力=ドロップ電圧* LED電流)。 Q2は、何らかのヒートシンクが必要になる前に2/3ワットしか処理できません。 大きなヒートシンクを使用すると、この回路は大量の電力と電流を処理できます。おそらく、この正確なトランジスタで50ワットと20アンペアですが、より多くの電力を得るために複数のトランジスタを並列に接続するだけです。

2)電圧。 Q2の「G」ピンの定格は20Vのみで、入力電圧を20Vに制限するこの最も単純な回路を使用します(18Vを安全としましょう)。 別のNFETを使用する場合は、「Vgs」の評価を確認してください。


熱感度:

現在の設定値は温度に多少敏感です。 これは、Q1がトリガーであり、Q1が熱に敏感だからです。 上記で指定された部品番号iは、私が見つけることができる最も熱に弱いNPNの1つです。 それでも、-20Cから+ 100Cに移行すると、現在の設定値がおそらく30%減少すると予想されます。 これは望ましい効果かもしれませんが、Q2またはLEDの過熱を防ぐことができます。

ステップ7:定電流源の調整:#2および#3

回路#1のこれらのわずかな変更は、最初の回路の電圧制限に対処します。 20Vを超える電源を使用する場合は、NFETゲート(Gピン)を20V未満に維持する必要があります。 この回路をマイクロコントローラーまたはコンピューターとインターフェイスできるようにするためにも、これを実行したいことがわかりました。

回路#2ではR2を追加し、#3ではR2をツェナーダイオードであるZ1に置き換えました。

回路#3が最良の回路ですが、ツェナーダイオードの適切な値がない場合は簡単にハックできるため、#2を含めました。

Gピンの電圧を約5ボルトに設定します-4.7または5.1ボルトのツェナーダイオード(1N4732Aまたは1N4733Aなど)を使用します-これより低いとQ2は完全にオンになりません。ほとんどのマイクロコントローラーでは機能しません。 入力電圧が10V未満の場合、R1を22kオームの抵抗に切り替えると、10uAが流れない限りツェナーダイオードは機能しません。

この変更後、回路はリストされた部品で60Vを処理し、必要に応じてより高い電圧のQ2を簡単に見つけることができます。

ステップ8:小さなマイクロがすべての違いを生む

それで? マイクロコントローラー、PWM、またはコンピューターに接続してください!

これで、完全にデジタル制御された高出力LEDライトが手に入りました。

マイクロコントローラーの出力ピンの定格は通常5.5Vのみであるため、ツェナーダイオードが重要です。

マイクロコントローラが3.3V以下の場合、回路#4を使用し、マイクロコントローラの出力ピンを「オープンコレクタ」に設定する必要があります。これにより、マイクロはピンをプルダウンできますが、R1抵抗はプルできますQ2を完全にオンにするために必要な最大5V。

マイクロが5Vの場合、より簡単な回路#5を使用してZ1を廃止し、マイクロの出力ピンを通常のプルアップ/プルダウンモードに設定できます-5VマイクロはQ2を単独で正常にオンにできます。

PWMまたはマイクロが接続されたので、どのようにデジタルライトコントロールを作成しますか? ライトの明るさを変更するには、「PWM」します。すばやく点滅(200 Hzが適切な速度)し、オン時間とオフ時間の比率を変更します。

これは、マイクロコントローラーのほんの数行のコードで実行できます。 「555」チップを使用してそれを行うには、この回路を試してください。 その回路を使用するには、M1、D3、およびR2を取り除きます。それらのQ1はQ2です。

ステップ9:別の調光方法

さて、マイクロコントローラを使いたくないのかもしれません。 「サーキット#1」の別の簡単な変更を次に示します。

LEDを暗くする最も簡単な方法は、現在の設定値を変更することです。 R3を変更します!

以下に示すように、R4とR3に並列のスイッチを追加しました。 したがって、スイッチが開いている場合、電流はR3によって設定され、スイッチが閉じられている場合、R4と並行してR3の新しい値によって電流が設定されます。 だから今、私たちは「ハイパワー」と「ローパワー」を持っています-懐中電灯に最適です。

おそらく、R3の可変抵抗ダイヤルを配置したいですか? 残念ながら、彼らはそのような低い抵抗値ではありませんので、それを行うにはもう少し複雑なものが必要です。

(コンポーネント値の選択方法については、回路#1を参照してください)

ステップ10:アナログ調整可能ドライバー

この回路により、輝度を調整できますが、マイクロコントローラーを使用しません。 完全にアナログです! それはもう少しかかります-約2ドルまたは合計2.50ドル-あなたが気にしないことを願っています。

主な違いは、NFETが電圧レギュレータに置き換えられていることです。 電圧レギュレータは、NFETと同様に入力電圧を降圧しますが、出力電圧が2つの抵抗(R2 + R4、およびR1)の比率によって設定されるように設計されています。

電流制限回路は以前と同じように機能します。この場合、R2の抵抗が減少し、電圧レギュレータの出力が低下します。

この回路では、ダイヤルまたはスライダーを使用してLEDの電圧を任意の値に設定できますが、安全のためにダイヤルを回すことができないように、以前と同様にLED電流を制限します。

私はこの回路をRGB Color Controlled Room / Spot照明プロジェクトで使用しました。

部品番号と抵抗値の選択については、上記のプロジェクトをご覧ください。

この回路は、5V〜28Vの入力電圧、および最大5アンペアの電流で動作できます(レギュレーターのヒートシンクを使用)

ステップ11:*さらにシンプルな*電流源

わかりましたので、定電流源を作るより簡単な方法があることがわかりました。 最初に入れなかった理由は、少なくとも1つの重大な欠点があるからです。

これはNFETやNPNトランジスタを使用せず、単一の電圧レギュレータを備えています。

2つのトランジスタを使用した以前の「単純な電流源」と比較して、この回路には次の機能があります。

-さらに少ない部品。
-2.4Vのはるかに高い「ドロップアウト」。1つのLEDのみに電力を供給する場合、効率が大幅に低下します。 5つのLEDのストリングに電力を供給している場合、おそらくそれほど大したことではありません。
-温度が変化しても現在の設定値は変化しない
-電流容量が少ない(5アンペア-多くのLEDでも十分です)


どうやって使うのですか:

抵抗R3は電流を設定します。 式は次のとおりです。LED電流(アンペア)= 1.25 / R3

550mAの電流の場合、R3を2.2オームに設定します
通常、電力抵抗器が必要です。R3ワット単位の電力= 1.56 / R3

この回路には、マイクロコントローラーまたはPWMで使用する唯一の方法は、パワーFETで全体をオン/オフすることであるという欠点もあります。

また、LEDの輝度を変更する唯一の方法はR3を変更することです。したがって、低/高電力スイッチの追加を示す「回路#5」の以前の回路図を参照してください。

レギュレータのピン配列:
ADJ =ピン1
OUT =ピン2
IN =ピン3


部品:
レギュレーター:LD1585CVまたはLM1084IT-ADJ
コンデンサ:10uから100uのコンデンサ、6.3ボルト以上(Panasonic ECA-1VHG470など)
抵抗:最小2ワットの抵抗(Panasonic ERX-2Jシリーズなど)

ほぼすべてのリニア電圧レギュレータでこれを構築できます。リストされている2つは一般的なパフォーマンスと価格が優れています。 古典的な「LM317」は安価ですが、ドロップアウトはさらに高く、このモードでは合計3.5ボルトです。 現在、低電流で使用するための超低ドロップアウトを備えた表面実装レギュレータが多数あります。バッテリから1つのLEDに電力を供給する必要がある場合、これらのレギュレータは検討する価値があります。

ステップ12:ハハ! さらに簡単な方法があります!

私は自分でこの方法を考えていなかったと言って恥ずかしいです、私はその中に高輝度LEDを備えた懐中電灯を分解したときにそれを学びました。

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PTC抵抗(別名「PTCリセット可能ヒューズ」)をLEDと直列に配置します。 ワオ。 それより簡単になることはありません。
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OK。 この方法には単純ですが、いくつかの欠点があります。

-駆動電圧は、LEDの「オン」電圧よりわずかに高くすることができます。 これは、PTCヒューズが大量の熱を除去するように設計されていないため、PTCの電圧降下をかなり低く抑える必要があるためです。 ptcを金属板に接着して少し助けてください。

-最大出力でLEDを駆動することはできません。 PTCヒューズには、非常に正確な「トリップ」電流がありません。 通常、それらは定格トリップポイントから2倍異なります。 したがって、500mAを必要とするLEDがあり、定格が500mAのPTCを取得する場合、500mAから1000mAのいずれかになることになります-LEDに対して安全ではありません。 PTCの唯一の安全な選択は、少し過小評価されています。 250mA PTCを入手すると、最悪の場合はLEDが処理できる500mAになります。

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例:
定格が約3.4Vおよび500mAの単一のLEDの場合。 定格約250 mAのPTCと直列に接続します。 駆動電圧は約4.0Vでなければなりません。

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