マルツパーツ館 パーツまめ知識

パワーLED
基礎と定電流装置製作編

◎パワーLEDとは

近年のLEDは高輝度が主流になり、
駆動電流も数mAで十分明るいものになりました。
ただし、一般的なφ 3、φ 5サイズのLEDでは数個用いても
照明装置などでは明るさが不十分です。

これに対し、照明用などに利用される「パワーLED」と呼ばれるものがあります。
パワーLEDと一般的なLEDとの違いは駆動電流の大きさです。

一般的なLEDは数mA～数10mA程度ですが、
パワーLEDは数100mAの駆動電流でさらに高輝度になっています。

写真1に各種パワーLEDを示します。

大電流で駆動しますのでLED自身の発熱量も多くなり、形状が放熱構造になって
いるのも特徴の1つです。

写真1

パワーLEDの製品例

パワーLED(1Wタイプ)青

HPL-H77FB1BAの裏側

 

Linkman

放熱用アルミ板

 

HPL-H77FB1BA

 

パワーLED(3Wタイプ)青

一般的なLED（φ 3）

EM-3W

 

写真1の1WタイプのLED「HPL-H77FB1BA」は「スター型放熱板」が実装されている構造で、この部分を放熱器に取り付けます。

1Wタイプまたは3Wタイプとは許容されるLEDの電力を指します。

図1にLEDの消費電力の考え方を示します。

パワーLEDの場合、消費電力は数ワットの値になり、「1W-LED」、「3W-LED」
などと呼びます。

図1 LEDの消費電力計算例

 

 

 

 

 

 

a ) 一般的なLEDでの消費電力計算例

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

消費電力Pd IF VF 10mA3V 30mW

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b ) パワーLEDでの消費電力計算例

消費電力Pd IF VF 350mA3V 1.05W

◎駆動方法と放熱に注意

★電流制限抵抗による方法

一般的なLEDで良く用いられる「電流制限抵抗」による駆動方法を図2に示します。

図2 電流制限抵抗によるLEDの駆動

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電流 IF

 

 

 

 

R

E V F

   ①

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VF

I F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R 電流制限抵抗

 

 

 

 

 

 

 

 

 

この方法は必要な順電流IFが流れるように電流制限抵抗Rの値を決めます。

パワーLEDの場合も電流制限抵抗による駆動も可能ですが、この場合、注意
が必要です。

図3のように、この回路は電源Eおよび電流制限抵抗Rの値は固定値です。

①式を変形して

 

IF

E VF

 

   ②

R

 

 

パワーLEDは発熱しますので、この発熱によりLEDの順電圧VFは低下します。
EとRは固定値ですから②式から順電流IFは増加します。

IFが増加することによりさらに発熱し、場合によってはこの過程が循環し、LEDのジャンクション温度の最大定格を超えてしまう恐れがあります。

つまり、パワーLEDを電流制限抵抗で駆動する場合、このような悪循環に陥る危険性があり、なんらかの方法で温度上昇（発熱）、電流制限する必要があります。

（参考）
ダイオードなどのVFは周囲温度の変化に対して
一般的に 「-2mV/℃ ～ -2.5mV/℃」 の割合
で変化します。

マイナスの符号が付いているので温度が上がると
VFが小さくなる。

図3

最大定格を超えてしまう可能性がある

LEDの発熱

↓

VFが低下

↓

EとRが固定値なのでIFが増加

↓

電流増加によりさらに発熱

★定電流駆動と十分な放熱が必要

図3の電流制限抵抗による方法は電源電圧Eの変動、Rの誤差、VFのバラツキに
より、順電流IFが変化し、これにより明るさも変化します。

パワーLEDを安定に動作させるためには「定電流駆動」と「十分な放熱対策」が
必要です。

定電流とは図4のように常に一定電流を流す装置（回路、またはデバイス）です。

 

図4

定電流でLEDを駆動し、十分な放熱対策

 

 

 

A

 

 

 

定電流とはどのような負荷（LED)、

 

 

 

 

 

 

 

定電流

 

 

 

または負荷が変動しても常に

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

一定電流を流すもの

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

十分な放熱器

◎パワーLED用定電流装置の製作

★定電流装置があると実験に便利

LEDの点灯、明るさチェックなどの実験時に駆動電流を可変（設定）出来る装置があれば便利です。

図5のように電流制限抵抗を用いた場合、電流値を変えるには電源電圧Eを可変するか、Rの値を変えることが考えられます。

この場合、用いる電流制限抵抗の許容消費電力の大きなものを用いる必要が

あり、抵抗値も何種類も用意しておくのは現実的ではありません。

図5 電流値を変えるには

 

 

 

 

 

 

 

 

R = 5.7Ω

 

 

 

 

 

電流値の変更

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電流 IF

 

 

 

（Eが固定値の場合）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

350mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rの値を変更

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（Rが固定値の場合）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R には約0.8W消費される

Eの値を変えれば良いが、Rの消費

 

 

 

 

 

 

 

電力が大きくなる

 

 

 

 

 

 

 

2Wクラスの抵抗が必要

 

 

 

 

 

 

 

 

★オペアンプを用いた定電流回路

図5の方式では抵抗を何種類も用意する必要がありますが、
図6にオペアンプを用いた定電流回路の原理図を示します。

この方式は電流制限抵抗が不要です。

オペアンプの出力はトランジスタを経由してマイナス端子に接続されています。

つまり、この経路は「負帰還」がかかりますので、オペアンプのプラスとマイナス

端子はバーチャルショートが成立し、常に同電位です。

これにより基準電圧Vrefと抵抗Rsの両端電圧は同じ値です。
トランジスタのコレクタ電流とエミッタ電流を同じとすれば、コレクタ電流Ioは

Io = Vref / Rs

となって、常に定電流になります。

また、基準電圧Vrefを可変とすれば、任意に定電流値を設定することが出来ます。

この方式を用いたパワーLED用定電流装置を製作しましたので、以下、紹介します。

図6

オペアンプを用いた定電流回路（吸い込み型）

Vrefを可変することにより定電流値を任意に設定出来る

★回路

図7に製作した回路図を示します。

電源は外部からDC6V以上を供給し、LEDへの供給電源以外は内部にて5V動作です。

（定電流部）

D1が基準電圧(2.5V)です。
この電圧をVR1,VR2にて可変し、定電流値を可変します。

ボリュームは1個でも可ですが、設定値を細かく操作しやすいように、

VR1　→　FINE

VR2　→　MAIN

としています。

Vrefの可変範囲は0V～約1.2Vです。

R7 = 1Ω とすれば、定電流の設定範囲は　0A～1.2Aとなります。

定電流値の確認（測定）はR7の両端電圧を測定し、これを電流値に換算する
ことにより行います。

例えば

0.1V　→　0.1A

0.3V　→　0.3A

ただし、この方法は用いるR7の抵抗精度が誤差になります。 正確な電流値測定用としてJ1,J2を設けていますが、筆者の場合、J1,J2を ショートし、R7両端電圧を測定する方法で用いています。

Q1には放熱器が必要です。

図8 定電流出力部

R7を1Ωにすれば 0A～1.2Aの設定

 

R7の両端電圧を測定し、電流値に換算

 

0.1V → 0.1A

0.3V → 0.3A

（Q1の温度監視）

D2,IC2,IC3,LED1部はQ1の温度監視回路です。
定電流は1.2Aまで設定可能ですが、LEDの数、電源電圧値によりQ1はかなり熱くなります。

そこで、温度センサを用いて放熱器の表面温度を測定し、監視設定温度を
超えた場合、LEDを点滅動作させる機能を設けました。

 

 

図9

Q1（放熱器）の温度監視ブロック図

 

図7

回路図

 

 

 

 

 

★部品表

部品番号

品名

型番

メーカー

数量

C1,C2,C3

ケミコン 10μ F/25V

25YK10

Ruby-con

3

C4,C5,C6

セキセラ 0.1μ F/50V

CT4-0805B104K*10

Linkman

3

C7

セキセラ 0.47μ F/50V

CT4-0805Y474M*10

Linkman

1

C8

セキセラ 0.1μ F/50V

CT4-0805B104K*10

Linkman

1

D1,D2

基準電圧IC

TL431CLPE3

TI

2

F1

ヒューズ 1.5A(20mm)

FGMB125V1.5A

富士端子

1

IC1

オペアンプ

LMC6482AINNOPB

NS

1

IC2

アナログ温度センサ

LM19CIZNOPB

NS

1

IC3

タイマIC

LMC555CN-N

NS

1

IC4

3端子レギュレータ5V

 

 

1

J1

絶縁ターミナル

TM505ｱｶ

MSK

1

J2,J3

絶縁ターミナル

TM505ｼﾛ

MSK

2

J4

絶縁ターミナル

TM505ﾐﾄﾞﾘ

MSK

1

J5

絶縁ターミナル

TM505ｷ

MSK

1

J6

絶縁ターミナル

TM505ｸﾛ

MSK

1

J7

DCジャック

MJ14ROHS

マル信

1

LED1

Φ 3LED（赤）

 

 

1

Q1

FET

2SK2232(F)

東芝

1

R1,R8

カーボン抵抗 2.4K

 

 

2

R2

カーボン抵抗 22K

 

 

1

R3,R4

カーボン抵抗 1K

 

 

2

R5

カーボン抵抗 47K

 

 

1

R6

カーボン抵抗 10K

 

 

1

R7

2W 抵抗 1Ω

2WMOS(X)キンピR 1オーム

KOA

1

R9

カーボン抵抗 15K

 

 

1

R10,R11

カーボン抵抗 10K

 

 

2

R12

カーボン抵抗 470K

 

 

1

R13,R14

カーボン抵抗 47K

 

 

2

R15

カーボン抵抗 1K

 

 

1

VR1

φ 16ボリューム 1K,B

R1610N-QB1-B102

Linkman

1

VR2

φ 16ボリューム 20K,B

R1610N-QB1-B203

Linkman

1

XIC1

ICソケット丸ピン8P

21218NE

Linkman

1

XIC3

ICソケット丸ピン8P

21218NE

Linkman

1

XQ1

放熱器

T220N(55)-25ﾂｲｶｺｳ

水谷

1

XF1

ヒューズホルダ

MF525

マル信

1

 

ユニバーサル基板

LUPCB-7247-NS

Linkman

1

 

ケース

MB3

タカチ

1

 

つまみ　Φ 16 黒

K10016RLB

サトー

1

 

つまみ　Φ 22 黒

K10022RLB

サトー

1

 

つまみキャップ緑

K10016CLG

サトー

1

 

つまみキャップ青

K10022CLBL

サトー

1

 

ゴム足

BP42

タカチ

4

 

金属スペーサ、ビス類

 

 

１式

セキセラ、ゴム足の数量に注意

3端子レギュレータ(5V)はLDOタイプ。電流容量は100mAで可。

1Ω の抵抗は2Wタイプを用いたが、3Wタイプ以上が望ましい。

★製作

特に難しい部分はありませんが、IC2（温度センサ）は図10のように
「固まる放熱用シリコーン」を用いて放熱器に固定します。
この放熱用シリコーンは「ペースト状」ですが、時間経過により硬化し、部品固定されます。

サンハヤト

SCV22

図10 IC2の固定

IC2は「固まる放熱用シリコーン」 を用いて放熱器に固定

写真2にケース内部の様子を示します。
ケースのカバーには放熱穴（通気穴）が必要です。

写真2

ケース内部の様子

放熱器

Q1

IC2

（温度センサ）

◎まとめ

★操作方法

図11のようにMAINボリュームにて目標設定近くまで調整し、FINEボリュームにて目標値に設定します。

通常、電流値の測定（確認）はV-OUTのDC電圧を電流に換算することで十分 です。

正確に測定したい場合は、「DCI-/DCI+」にDC電流計を接続します。

図11 操作方法

フロント

★FETの消費電力

FET(Q1)の消費電力は用いる電源電圧で異なり、
図12に各電源電圧における消費電力の計算例を示します。

この計算ではLEDの順電圧を3Vとしましたが、用いるパワーLEDおよび発光色
で異なります。
今回の製作では小型の放熱器を用いましたので、この計算例のように電源
電圧はなるべく必要最小電圧を用います。

参考としてFET表面の温度上昇値の実測結果を以下に示します。

Pd = 3W　→　 Δ30℃

Pd = 4W　→　 Δ40℃

Pd = 5W　→　 Δ50℃

条件

ケースカバーを外した状態

ケースカバーを取り付けた状態ではこの値よりさらに上昇しますが、4Wの消費
までであればアラーム動作しないで使用できると思います。

アラームはFETの表面温度が80℃前後で動作しました。

大きな放熱器を用いれば、さらにFETで消費出来る電力は大きくなり、用いる
電源電圧の範囲が広がりますので、電源電圧を気にしないで使い勝手の良い
ものになります。

最近のデジタルテスタは「熱電対による温度測定機能」があるものがあります

ので、温度測定にはこのようなテスタを用いると良いです。

ちなみに、今回の温度測定には以下のデジタルテスタを用いました。

メーカー：Linkman 型番：LDM-81D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

図12

FETの消費電力

 

 

 

a ) LED1個 Vcc=6V

b ) LED1個 Vcc=12V

R7

0.35V

R7

0.35V

 

 

FETの消費電力

FETの消費電力

 

Pd = 2.65V×350mA = 0.9275W

Pd = 8.65V×350mA = 3.0275W

c ) LED2個 Vcc=9V

c ) LED2個 Vcc=12V

Vcc

= 9V

Vcc

= 12V

 

FETの消費電力

FETの消費電力

Pd = 2.65V×350mA = 0.9275W

Pd = 5.65V×350mA = 1.9775W

★使用感

MAINとFINEの２つのボリュームしたのは操作性が良く、FINEを用いれば10mA以下の設定も容易です。

電流値が大きいパワーLEDだけではなく、一般のLEDでの明るさチェックにも
使えます。

これで、パワーLEDの実験に必要な環境（道具）が少し整いましたので、実際の
応用に活用したいと思います。

写真3 使用風景