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FA-Mシリーズ LEDドライバのTips
回路図
回路図
回路説明
  • IC1は電圧コンパレーター(reset IC)で，バッテリー(電源電圧)が低い時にIC2に電源を供給します。
  • IC2Aは発振器。並列に接続されたIC2B〜IC2Dでバッファリングし，D3,D4のダプラー(倍電圧整流)で電源電圧をブーストした後，IC3に電源供給を行っております。
  • IC1とIC2で構成される回路にてパワーMOS-FETのゲート駆動電圧が閾値を下回らない様にしております。
  • IC3は臨界モードで動作するスイッチング電源用の集積回路で，ここでスイッチングされたエネルギーを+B上にフライッバックし，LEDへ供給しております。
  • LEDに流れる電流はモニタ抵抗R13,R27により電流電圧変換され，高コモンモードリジェクション(0.1%精度抵抗を使用)の作動増幅器IC4Bにより直流レベルシフトされます。(Vrefセンター)
  • これをエラーアンプIC4Aに入力し，IC3へ帰還させることで，LEDを定電流駆動しております。
  • 一般的によくあるMOS-FETのソースに挿入された電流モニター抵抗(ここではR10)の波形トップを一定に制御する様な電流駆動方式では，電源電圧の変化によりスイッチング回路の二次側に配されたLEDの駆動電流は，実は大きく変化してしまいます。この方式は一次側の電流値を一定に制御しているにすぎず，二次側からのフィードバックなしにワイド電源には対応できません。
  • IC3の2番ピンは内部エラーアンプの出力ピンとなっておりますが，これをエラーアンプとしては使わず，高精度のツェナー電圧(Vref)生成に使用しております。Q3はVrefのバッファーとなります。
  • LED出力端子(+)側をR23,R24にて分圧し，エラーアンプに割り込み帰還をかけることにより，LED端子が無負荷になった時の電圧制限(保護回路)としております。
  • LEDへの電流供給はインダクターL1とC11,C12により平滑しておりますが，電源電圧が低い時にはスイッチング周波数が低くなりますのでどうしても脈流となり，リップル含有率が高くなってしまいます。
  • 無負荷通電中にはLED出力端子電圧は前出の電圧リミッターに張り付いており，この状態でLEDを接続しますと，平滑コンデンサーC11，C12にたまった電荷がLEDへ突入放出されますので，LEDを破壊する結果となります。
  • 出力側にコネクターを配し，抜き差しができる様なアプリケーションをしなくてはならない場合には4端子接続とし，LED側に平滑コンデンサーを配する様にインターロック機能を設計追加してください。
  • LumiledsLighting社製のLuxeon1シリーズでは絶対最大定格Ifpが500mAとなっており当該LEDドライバーのリップル電流ピーク規格を僅か下回ります。(実力的には問題ありません)
  • リップルピーク電流を抑圧したい場合には，平滑コンデンサーの容量UPや二重平滑などの手段で回避可能ですので，この様な場合にはご相談ください。
  • 尚，Ifpにマージンがある日亜化学工業のNSJW036AT，NS6W083T等を推奨します。
  • パワーLEDは想像以上に壊れやすいものです。寿命が長いと聞いてLEDを採用したが故障が多く，思ったより短命で困っている，といった事例が多い様です。理由は電流集中が起きているからであり，蛍光灯などの普通の照明器具の様に考え，扱っていたのでは当然の結果です。LEDの故障特性はレーザー・ダイオードに近い挙動を示します。手前味噌でありますが，レーザー・ダイオードのAPC回路経験豊富な故にLEDの特徴である長寿命を余すところ無く引き出すアプリケーションが可能です。
LEDのIV波形＠電源電圧26VI-V波形at26Volt 電源電圧が26Vの時の10個直列に接続されたLEDの電圧(ch-1=黄色)と電流(ch4=緑)を0.1Ω抵抗で電圧変換した波形です。
電源電圧が高い時にはスイッチング周波数が高くなり，電圧および電流のリップルは少なくなります。
LEDのIV波形＠電源電圧13.5VI-V波形at13Volt 12Vバッテリーの標準的な電圧13.5VでのLEDの電圧・電流波形です。
電流リップルのピークは測定ノイズを含んで74mVとなり電流値換算で740mAに相当します。目測では50mV以内に収まっており，500mA以下のリップルピークとなります。LEDの絶対最大定格(パルス順電流Ifp)には注意が必要です。
LEDのIV波形＠電源電圧10VI-V波形at10Volt 電源電圧10VでのLEDの電圧・電流波形です。
温度上昇
300mALED 12pcs直列
コルクボード上自然対流
(画像クリックで拡大)→		 温度上昇atLED×12pcs
温度上昇
300mALED 9pcs直列
コルクボード上自然対流
(画像クリックで拡大)→		 温度上昇atLED×9pcs
温度上昇
無負荷(短絡/開放)
コルクボード上自然対流
(画像クリックで拡大)→		 温度上昇atNoLoad
Tips
  • 蛍光灯などの放電管が持つ負荷特性は負性抵抗といって，電流を増加させると電圧が下がるという不思議な性質を持っています。したがって電源(定電圧源)に放電管を直接繋ぐと電流暴走が発生してしまうことから，安定器(バラスト)が必要となります。
  • 一方，LEDは電流を増加させると電圧も増加する，正抵抗という性質を持っています。だたし，電流の増加に対して電圧の変化は僅かなものとなり，定電圧に近い特性を持っております。このことから，やはり電源に直接繋いだのでは電流が安定せず，正抵抗特性といえども放電管の様に安定器に相当する電流制限機能を持った，抵抗などの電流安定装置が必要となります。
  • 話を放電管に戻しますと，放電管は一般的に交流電源で駆動ができ，その安定器(バラスト)は交流インピーダンスを持ち，原理的に電力損失がおきないインダクタンスやコンデンサーを使う事ができます。(抵抗でもよいが損失が大きくなってしまう)
  • しかし，LEDは有極性な故，直流駆動をするものであって，放電管のバラストに相当する電流安定装置は原理的に電力損失を持つ「抵抗」という素子を使うしかなくなってしまいます。
  • LEDに使用する電流安定装置での電力損失を少なく抑えるには二つの方法があります。一つは安定度を犠牲にし，極限まで抵抗値を小さく，抵抗両端の電圧を極限まで小さくする方法です。(携帯電話のバックライトLEDなどに使われている方法です)この方法はLEDの順電圧Vfのバラツキによる影響や電源電圧の変動および電圧バラツキなどが問題となり，原理的にも損失をゼロに押さえ込むことはできません。もう一つの方法は電流安定装置にスイッチング回路を用いることです。スイッチはONとOFFしかなく，その中間の状態が無いことから，電力損失が原理的には生じません。欠点は回路規模が大きくなってしまうことです。
  • FA-Mシリーズはこのスイッチング方式を使ったもので，12V系電源でも24V系電源でも，さらに±10%程度の変動にも安定した電流をLEDに流し込むことができます。また，その損失も少なく，電源電圧の広い範囲で効率85%以上を実現しております。電気二重層キャパシターを電源として使う場合には放電と共に電圧が大きく降下しますが，この様なアプリケーションでも電圧安定装置を介在させることなく安定した運転が可能です。
Aqua
本当に
エコロジー？
  • LED照明のアクアリウムへの応用，および省エネの効用を考えてみましょう。
  • 60cm標準水槽の観賞魚用の市販灯具は20型蛍光灯1〜2灯で，20W〜40Wです。蛍光灯の発光効率は概ね100[lm/W](ルーメンス・パー・ワットと読む)ですので，2000[lm]〜4000[lm]に相当します。水草水槽ではその倍の4000[lm]〜8000[lm]を要してしまいます。ちなみに60cmに1灯の場合では，かなり暗く，水草はまず育ちません。
  • 小型LEDで考えてみます。LEDの発光効率を60[lm/W]，If=20[mA],Vf=3.5[V]としますと70[mW/個]，LED1個当たりの光束は4.2[lm/個]となり，2000[lm]を得るには476個必要となります。60cm×30cmの面に476個を並べなくてはなりません。
  • またLEDは蛍光灯の様に"あっちんちん"では動作できない為，総消費電力33[W]にもなるLEDの廃熱を考えねばなりません。
  • 現存する3[W]タイプのLEDでも同様に考えてみます。発光効率60[lm/W]，一個当たり180[lm/個]で，2000[lm]得るには12個のLEDが・・・8000[lm]を得るには45個ものLEDが必要となり,さらに45個では135[W]の廃熱を検討しなくてはならないことになります。
  • どうでしょうか，LEDが水槽の照明応用できるでしょうか。10年とはいいませんが3〜5年早い様な気がします。
まとめ・・・
  1. 2008年現在で白色LEDの発光効率は，最先端の実験室レベルでは100[lm/W]をレコードしている様ではありますが，市販されているパワーLEDは，30[lm/W]で蛍光灯の平均的発光効率90[lm/W]には及ばない。
  2. 蛍光灯は例えば60[cm]の発光長を1灯の蛍光灯で得られ，20[W]×n本あるいは55[W]という選択肢があるのに対し，LEDでは市販品のチャンピオンでも1個当たり3[W]が限界で，しかも放熱を要し，価格も蛍光灯1本より高価で，さらに点光源であることから同レベルの照明器具を構築するには6〜7個のLEDを並べて20[W]がやっと実現できる。
  3. LEDが「明るい」とか「省エネ」であるという概念は白熱電球やイルミネーション用の豆電球と比較して言っていることであって，蛍光灯やメタルハライド，水銀灯などの放電管と比較した場合，足下にも及ばないコスト・パー・フォーマンスである。
  4. つまり「セコロジー」にもならない「贋・エコ」といったところでしょう。まだまだ問題山積みなのであります。
以上2008LED照明のまとめ。(ボズシ)
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