HT7750A DC/DC コンバーターで白色LEDを定電流駆動 1:概要

    HT7750A関連
    01 /16 2014
    懲りずにHT7750A DC/DCコンバーターで白色LED(以下LED)の定電流駆動です。
    今回のはフェールセーフなので暴走する事はない。
    追記
     この記事の後、色々やっていますので一覧は目次を参照下さい
    追記終わり

    ・DC/DCを使っているので電池駆動の場合、電池を使い切ることができる。
     但し、ニッケル水素充電池は過放電になるので使用禁止。
     また、一次電池でもあまりに電池を使い切るので過放電(液漏れ)に注意してください。
    ・この回路ではDC/DCは自動的に必要最小限の電圧までしか昇圧しない
     白色LEDのVfは例えば2.9~3.6Vと幅があるが自動的に白色LEDの順方向電圧Vf+約0.6Vになる。 例えば3.7V
     5Vまで昇圧するのに比べて効率がよい。 例えば3.7V/5V=0.74で26%効率がよい。
     0.6Vは電流を決めるのに必要な電圧。
     昇圧比が低いので電圧の低い電池でも使える。
    ・定電流
     自動的に必要最小限の電圧までしか昇圧しないのは定電流で制御しているから
     普通は電圧値から抵抗1本で電流を決めるが、白色LEDの順方向電圧Vfはバラつきが多いので計算通りにはならないが、この回路では 約0.6V/R2 で決められる。
     基本的に電池の電圧のよらず明るさが一定である。
      あくまで「基本的に」であり、電池の電圧、LEDの本数、流す電流により変動する。
      実際の変動具合は以降の記事の電流のグラフを参照。
      なお、人間の目は明るさ(=電流)1/10で半分位の明るさになったと感じる。
      回路はそのときの条件で最大限明るくなるように動作する。
      
    そのような訳で電池で簡単に理想的な白色LEDの点灯ができる。
     2SDのゲルマニウムTRを使えば0.6Vを0.3Vにできロスがさら減らせるが
      現在は製造されていない。大昔の品が売られれいるが500円位と高価。
      そもそも温度変動に凄く敏感で、温度保障しないと使い物にならないので無理。

    勿論、DC/DCコンバーターの効率は重要。


    とりあえずLED1個の回路図です。下図の定数は一例です
    HT7750A_I1.gif
    LED電流が流れすぎるとTR(Q1)がHT7750Aを止めるように動く。
    LED電流=約0.6V/R2 
     R2に並列にすればLo、Mid、Highとかにできる。
     R2の切り替えではスイッチが一瞬オープンになりQ1のベースに過大な電流が流れて壊れる恐れがあるのでNGです。 (恐らく少しずつ劣化する。)
    HT7750Aには電圧監視させず、単なるスイッチング素子(VCO)として使っている。
    回路全体としては電流値でフィードバックがかかっている
    この為LEDの本数によらず基本回路は同じ。

    最大入力電圧は LEDの最小Vfの合計値+約0.6V以下 かつ 5V以下
    つまり、乾電池1~2本で白色LED1個以上、乾電池3本で白色LED2個以上繋ぐ必要がある。

    LED1個なのにHT7750A(5V品)を使っているのはHT7733A(3.3V品)だと入力電圧が3.3Vを超えるとスイッチングが止まってしまうし、7733が低入力電圧で動作開始する訳でもないため。 電池2本までならHT7733Aでも7750Aでも構わない。

    実験回路
    HT7750A_I2.jpg
    インダクターと白色LEDは前回と同じものです。
    SBDはこの記事で使ったSS2040FL に錫メッキ線で足を付けてあります。
    トランジスタは2SCなら945、1815等何でもよい。

    チョットやってみたところ動作は
    ・入力電圧が低く目的の電流以下ではTRがOFFでVOUTはほぼ電源電圧であり、LXは最高周波数でフリーラン。 最高スイッチング周波数はその時のVOUTの電圧で決まる。
     つまり、VOUT電圧に出力電圧は比例するということ。
    ・入力電圧が上がり目的の電流になるとVOUTはDCにリップルが乗ったような波形になる。
     ある周波数でスイッチングしているのだが、電流が流れ過ぎると微妙にTRがVOUTの電圧を下げて周波数を下げる動作を行う。
    ・さらに入力電圧が上がるとVOUTはリップルの谷が深く下がるようになり、最終的にはON/OFFになる。
     厳密にいうと、最終的にON/OFFになるかは電源電圧、出力電流とかの条件による。
     また、OFF(ショート)にならないようにした方が電流の無駄は少ない。
     →要はある条件で出力電圧のリップルをみても、入出力条件でHT7750Aのスイッチング動作が変わるということ。

    HT7750Aはスイッチングする/しないだけと考えていたのだがVCOみたいな動作もする。
     VOUTは電源入力でもあるのでこの電圧を下げればフリーラン(最高スイッチング)周波数も下がる。 つまりVOUTの電圧を変えるとスイッチング周波数を変えることができる。

    R2に発生するVbe電圧
     約0.6VのDCにリップルが少し乗っているようになるのがよい。
     基本的にはDCということ。
     つまり、C2の容量が十分でないと定電流効果が得られない。
      極端な話、C2がないとHT7750Aのスイッチングパルス毎にTRがON/OFFするがそれにHT7750Aは当然追従できない。
      結果、電源電圧が上がるに従いLEDの電流がどんどん増えていく。
      言い方を変えるとこの系(回路)の応答時間以上の放電時定数がないとうまく動かない。
     C2の最小値は電源電圧、スイッチング部(L、Dの性能)、LED部(本数、電流値)の関係で決まる。 まともに考えると凄く面倒なのだが、
       基本的に容量は大いに越した事はない
        最大でも1uFセラコン+数十uFの電解コンでよいのではないかと思う。
        電解コンが使えるのは充放電ではなくリップルなため。
       定電流効果が得られないようならC2の容量を増やす
      で良いと思う。
      簡単にいえばちゃんとしたDCになる容量が必要ということで当たり前。
       HT7750Aのデータシートにある22uFが目安かもしれない。
      
    R1
     HT7750Aは起動時に100uA強流れるらしい。(未確認)
     この電流で0.1Vの電圧降下を許すならばR1は1kΩ。
     HT7750Aの最小起動電圧が0.7Vならばそれが0.8Vになるということ。
     ただ、1kΩだと電源電圧が高い(電池の本数が多い)場合、無駄な電流がTRに流れるので抵抗値を高くした方がよい。 電池1本あたり1~1.5kΩ位か。

    次回、LED1個でデータ測定してみます。
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    浅く広くのハード屋です。 基本的に弱電ですが強電も多少分かります。
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