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目次

PWM方式 LED調光器 1回路用キット

  • 八ヶ岳クラブ LED-PWM1
  • 消灯からフル発光までスムーズに制御できる。
  • インバータCMOS IC 4069を使ったPWM方式のLED調光器である。
  • 車載用の調光や三色LEDの調光などに使用可能である。
  • 本キットは1回路入りであるが、2回路入りのキットも別に用意されている。
  • 価格:\1,150
  • 使用電源電圧:9〜13.8V
  • 出力電流:最大100mA
  • 接続可能LED:最大3個
    • LEDに直列に入っている抵抗を小さくすることで、LED2〜3本(直列)を制御できる。
      • ただし、そのときの電源電圧はLEDのVF×3+0.7V以上が必要になる。よって、VFが3.2VのLED3子を電源電圧9Vで100%の輝度で点灯はできない。
  • LEDは付属していない。
  • 基板上のキットなので、半固定抵抗が付属している。
    • ケースに組み込みたい場合は、代わりに100kΩのボリュームを1個用意する。
  • 基板外形寸法:W45×D45mm
    • 基板はユニバーサル基板
    • プリント基板ではないので、制作時間は1時間。

パーツリスト

  • IC CMOS 4069
    • インバータ6個入り。
    • 4000シリーズのCMOSの電源電圧範囲は、3〜15Vである。よって、9〜12Vでも動作する。
  • トランジスタ
    • 2SC1851
  • ダイオード
    • 1SS133
  • 抵抗器
    • 47kΩ
    • 1kΩ×2
    • 10kΩ
    • 4.7kΩ
    • 470Ω
  • 可変抵抗器
    • 100kΩ(104)
  • コンデンサ
    • 0.0047μF(472)
    • 0.1μF(104)×2
    • 100μF、16V
  • ICソケット
    • 14pin
  • ユニバーサル基板

組み立て

組み立て前

組み立て後

配線図

半固定抵抗使用時

ボリューム使用時

回路図

PWM回路

  • LEDの調光を実現するには、.▲淵蹈以式とPWM方式がある。
    • アナログ方式は回路が簡単だが、照度を下げたときにその分を熱に変えて半導体や抵抗器で消費させるために発熱がある。
      • ある程度光っている輝度範囲では、アナログでの点灯であるから常時点灯しているためちらつきは発生しない。ただし、明るさを絞っていくと点灯と消灯の境目付近では一瞬ちらつきが発生することがある。
    • 一方、PWM方式は回路がやや複雑だが、発熱が少なく省エネである。
      • また、最大輝度から消灯までスムーズに可変できる。
      • しかし、最大輝度時以外の照度を絞ったときは、スイッチングを行っているので必ずちらつきが発生する。ただし、高速でのスイッチングを行っているので、肉眼ではちらつきを感じない範囲に設定してある。
  • 遅い周期でON/OFFすると、LEDがちらついて見えるので速い周期で制御している。
    • 本キットでは約2kHz(1秒間に2,000回ONしている)でLEDを制御している。
  • CMOS IC 4069を使って矩形波発振回路を構成し、トランジスタをON/OFFしている。
  • 半固定抵抗器により、ONになる時間とOFFになる時間(デューティー比)を変更できる。これにより、LEDの明るさを調節する。

抵抗の選定

 LEDに直列に抵抗を入れる。回路図でいうR6がその抵抗である。

 本キットでは暫定的に470Ω,1/4Wが使用されているが、調光するLEDによっては値の変更が必要である。

  • (抵抗値)=(電源電圧)−(トランジスタによる電圧降電圧)−(LEDのVF電圧)×(本数)/(LEDに流す電流)
  • (消費電力)=(電源電圧)−(トランジスタによる電圧降電圧)−(LEDのVF電圧)×(本数)×(LEDに流す電流)

[例]VF:3.2VのLEDを1個、最大輝度時にIF17mAで点灯する場合

  • (抵抗値)=(電源電圧)−(トランジスタによる電圧降電圧)−(LEDのVF電圧)×(本数)/(LEDに流す電流)
    • =12V-0.7V-3.2V×1/0.017A
    • =475Ω
  • (消費電力)=(電源電圧)−(トランジスタによる電圧降電圧)−(LEDのVF電圧)×(本数)×(LEDに流す電流)
    • =12V-0.7V-3.2V×1×0.017A
    • =0.138W

 抵抗値が475Ωの抵抗は存在しないので、近似値で470Ωとする。

 また、0.138Wは余裕を見て*1、0.25W(1/4W)を入れればよいことになる。

動作確認

第1回目:ユニバーサル基板上に実装

  • LEDや電源と接続するために、ブレッドボードを利用した。
  • 電源は9V電池、LEDは標準的な赤色LEDを使用した。
  • 最初動作確認をしたときにLEDが点滅しなかった。
    • 配線を確認しても問題なく、オシロスコープで調査するとどうやら発振さえしていなかった。
    • 30分ぐらい悩んでいたが、最終的にはGNDと電源側の配線を逆に取り付けていたというとんでもないミスが原因であることがわかった。
      • パターン面の図を見て、GNDと電源側の配線を逆に捉えてしまっていた。
      • 保護回路がないため最悪の場合ICが壊れていたところであったが、幸い問題なかった。
  • LEDは点滅するが、LEDは点灯し続けないという問題が発生した。
    • オシロスコープで改めて確認すると、矩形の波形が発生していなかった。
  • なお、電源を外してもしばらくLEDが点滅していた。

[補講]AMラジオのスイッチを入れて、できるだけ高い周波数(1,600kHz以上)に設定する。
 この辺りで、「ピー」という発信音が聞こえれば、PWMは正常に発振していると判断できる(波形の形はわからないが発振の有無はわかる)。発振音は周波数をぴったり合わせなくても、かなりの広範囲で聞こえる。
 ただし、信号が弱いので、ラジオの間近で確認しないと聞こえない。

 LEDが付かず、発振音が聞こえれば、トランジスタ周りやLEDの極性、ICの8pin周辺を確認する。
 一方、LEDが付かず、発振音も聞こえなければ、ICの9pinから13pinの間に繋がっている回路を確認する。 ◇

第2回目:ブレッドボード上に実装

  • 半固定抵抗の調整に従い、LEDの明るさを変化させることができた。


*1 200%くらい余裕を取る。