カレントミラーでパワーLEDを調光

    電子工作
    04 /17 2015
    カレントミラーでLEDを点灯する例は多数あるが、パワーLEDを調光する例は殆んどないのでやってみた。 といってもカレントミラーなのは同じなので大差はありませんので大した話ではありません。

    カレントミラー回路についての説明はネット上に多数あるので省略します。
    効率は悪いですがPWMと違ってノイズは出ません。

    興味があったのは、パワートランジスタ(TO-220)を使うのだがこれが放熱器無しで使えるかである。 もしそうなら手軽な調光手段といえるから。

    但し、条件による。
    一番ありそうな?USB、USBバッテリー(モバイル電源)で点灯する場合で考えてみた。
     → 電源は5Vということ。
    電圧的にパワーLEDは1個になる。
    パワーLEDは1W品で考えてみる。

    いきなりですが最終回路図です。(設計の詳細は後)
    Current_mirror_P_LED2.png
    電流の可変範囲は計算上8~215mAです。

    Q1、Q2(TR)はTO-220タイプで3A以上流せる同じ型番のものにして下さい。
    同じ型番でないと特性が異なるのでコピーの精度、温度安定度が悪くなります。
     実はミラーなので1倍で使うのが正しく、倍率を持たせた時点で精度が低下しています。
    電流的には1A品でもよいのだがコレクタ飽和電圧が高く思うように電流が流れない。
    パッケージは1WのパワーLED(350mA)ならばTO-220(っぽいもの)なら何でもOKです。
     例: 2SD880L-Y 60V3A。30円
    もし、3WのパワーLED(700mA位)にしてもっと電流を流す場合は必ずTO-220で Pc=2W@Ta=25℃(放熱器無しで2W)のものにして下さい。
    電流も4A以上流せるものだとコレクタ飽和電圧が下がりより良いです。
     例: 2SC3851A 100V4A。40円
    いずれの場合もTRに放熱器は不要です。
     但し、充分空冷される場合なので余り狭いところに押し込んだり他の素子熱を受けにくいこと。

    オプションの部分はより暗くして常夜灯として使う為の回路で無くて構いません。

    今回カレントミラーを使う理由はパワーLEDの電流を可変する為である。
    パワーLEDに直列にVRを入れて調整できれば話は簡単なのだが低抵抗で大きなW数の物が必要なので今回の回路を使っている。
    1WのパワーLEDでは可能かも知れないが3W品では無理。
    それにそもそもVRの摺動子に流して良い電流値が不明というのもある。
    例えばVRを0Ωに絞れば電力は発生しないので幾らでも流せるかというとそんな訳はないはずなので本来は規定が必要なはず。
    基本的にVRは電圧を取り出すもので電流を取るものでは無い気はするが摺動子に流せる電流の規定が無いのもどうかな~と思います。
      
    カレントミラーは定電流の目的でも使いますが本来は電流をミラー(鏡)=コピーするものです。
     この回路ではコピー元の電流が電圧で変わるので定電流ではありません。
     定電流にするにはこの回路のR1+VRの部分を定電流回路にする必要があります。

    Current_mirror_P_LED4.png

    Current_mirror_P_LED5.png

    Current_mirror_P_LED6.png
    VRの値はシミュレーションでは5KΩだと変化量が多い気がしたが組んでみた。

    Current_mirror_P_LED1.jpg
    手持ちの関係で2個のTRは別物です。^^;
    4.7Ω 0.5wも無いので4.7Ω4本を並列+直列にしてます。

    2kのVRは無かったので10k//5kのVR=3.3kでやってみたが絞込み(最少電流)が物足りなかった。
    5kの方が変化量が多いがやり難いほどではなくこちらの方が良かった。
     感覚がからむものはやってみないと分からないものだと最認識しました。

    また、最少電流は10mA位で個人的にはこれでよいと思うのだが、もし常夜灯にもしたい場合はオプションの部分を足せばよい。

    3WLED等で他の電流値にしたい場合は上記を参考に行って下さい。
     ミニマム・マックス値で設計していないので各素子の電力には余裕を持ってください。
    パワーLEDに放熱器が必要かは各自でご判断下さい。
    1WのLEDだといまいちこの回路の有り難さが分かりにくいが3W品では有り難いと思います。

    以 上
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    更にロス削減したい

    Friendship 7さんの記事は詳細解説と実験データがあるので活用する時にとても参考になっています。

    もっとロスを減らせないかと考えてみました。
    下記リンクの「回路6」ではこの記事と同じ部品数で「回路4と比べて抵抗による電圧ロスを半分に出来る」と謳っています。私は試していませんが、これをパワーTr版で作れば効率改善になるのかもしれません。
    http://www.yes-online.jp/denkatsu/handicraft/LED_drive.htm

    でも、カレントミラー方式はもともとロスが少ない回路らしいので大幅な削減にはならないでしょうか。
    http://op316.sakura.ne.jp/tubes/datalib/crd2.htm

    自分の頭の中では下記リンクの「4.トランジスターの電流直接制御」はVce(sat)分のロスのみで一番ロスが少ないと感じています。FET電流をVRで調整出来て、2SK170を使えば電流を少し多く流せそうですがFriendship 7さんの記事ほどの電流は無理でしょうか。
    http://vicdiy.com/assy_knowhow/035/035.html

    mytoshi様

    ロスを減らせないかいうことですが、回路の右側に流れる電流は当然変えられませんので左の回路に流れる電流と電源電圧を下げることになります。
    R2を高くすれば左の回路の電流を減らせますが余り高くするベース電流が不足します。
    30倍までならどんなTRでも大丈夫だと思いますがそれ以上は大電流時(1Aとか)のhFEが高いものに限られます。
    電源電圧はパワーLEDのVfが3Vならば4V位(要は+1V位)までは下げられると思います。

    ご紹介頂いた回路はカレントミラーでなかったり別電源が必要だったりでピンと来るものがありませんでした。
    カレントミラーはロスが少ないというのは恐らく何かの回路と比較すればということではないでしょうか。
    最後にご紹介頂いたFETを使った回路は結局作者様もそのままでは実用化できなかったので無理ではないでしょうか。
    なお、FETの定電流特性を利用する回路はFETだけで最低3Vは必要なので低電圧な回路には向きません。

    Friendship 7

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