最適な素子をおしえてください

質問

特性が（Vf 10V If 500mA）であるLED2個を徐々に減光させたいと思っています。
消灯までの時間は２秒～１８秒で可変とし、２個のLEDの振る舞いは極力同様にします。
下記ホームページの回路を参考にしようと考えていますが、最適な抵抗値、MOSFETの型番などをご教授いただけないでしょうか？
また、R3の役割をおしえてください。
宜しくお願いいたします。

回答No.7

inara1

スイッチをOFFにしてもある時間点灯し、その後直線的に減光する回路を参考URLに貼っておきました。この回路では点灯時間と減光時間を別々に調整できます。可変抵抗 VR1 を変えるとスイッチをOFFにしてからの点灯時間が0～21秒の範囲で変わり、可変抵抗 VR2 を変えると減光時間が0～17秒の範囲で変わります。コンデンサ C1 の容量を大きくすると最大点灯時間が長くなります（容量２倍で２倍）。コンデンサ C2 の容量を大きくすると最大減光時間が長くなります（容量２倍で２倍）。可変抵抗 VR3 は点灯時のLED電流を調整するもので、この回路ではVR3 を最大にしたときの電流は 0.5A程度 になっています。この最大電流はバッテリーの電圧が変わると、以下のように若干変わります。
　バッテリー電圧　最大電流
　　　10.5V　　　　　　0.37A
　　　11V　　　　　　　0.43A
　　　12V　　　　　　　0.47A
　　　13V　　　　　　　0.51V
LED電流を一定にするための電流検出抵抗（R1３、R15）の値を1Ωと小さくしました（電源電圧を有効に使うため）。そのため、抵抗の発熱も小さくなり、最大で0.2W程度になりますので、許容電力1/2W程度の抵抗で構いません。その他の抵抗は16Wや1/4Wで大丈夫です。

コンデンサ C2 には両極の電圧がかかるので無極性の積層セラミックコンデンサを使ってください。コンデンサ C1 は１方向の電圧しかかからないので電解コンデンサでもいいですが、C2と同じ容量なので積層セラミックコンデンサでも構いません。

同じ種類の部品のほうが部品集めが楽なので、抵抗値もなるべく同じ値になるようにしました。オペアンプやトランジスタのpin配置はデータシートでよく確認して間違わないようにしてください。ANo.6の回路と共通の部品を使っているので部品データはANo.6の末尾を参考にしてください。今回2SC181というトランジスタを新たに使ったので [7] の価格とデータシートを載せておきます。

[7]　2SC1815
　　　価格（20個入り100円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00881/
　　　データシート　http://akizukidenshi.com/download/2sc1815-gr.pdf

回答No.6

inara1

時間に対して直線的にLED電流が減少する回路とその減光特性を参考URLに貼っておきます（スイッチをOFFにした瞬間から減光する回路にしました）。オペアンプと MOS FET を２個ずつ使います。

これは定電流回路になっているので、２個のLEDのVＦにバラツキがあってもLEDに流れる電流は同じです（減光特性も同じ）。スイッチをONにしている間、LEDには一定の電流が流れます。このときのLED電流は可変抵抗 VR2 で調整できます。スイッチをOFFにした瞬間から、LEDに流れる電流は時間に対して直線的に減少していきます。スイッチをOFFにしてからLED電流が0になるまでの時間は可変抵抗 VR1 で調整できます（0～24秒）。

オペアンプに安価なLM358 [1] を使ったため、LEDの駆動はハイサイド（バッテリーの＋側）に変更しました。そのためMOS FETはNチャネルタイプにしました。LEDのアノード（＋）にはバッテリーの12Vが直接つながっているので、LEDの２つの端子が絶対にシャーシ(0V）に接触しないようにきちんと絶縁してください。LEDに0.5Aの電流を流すとLED自身が 5W もの熱を発生するので、LEDにはちゃんとした放熱器（ヒートシンク）をつけてください（メーカが推奨するヒートシンク形状は [2] に出ています）。LEDの基板は電気を通さないアルミナだと思いますが、できればLEDのヒートシンクもシャーシと接触しないようにしてください。

MOS FET は小型で安価な IRFW540A [3] としました。回路シミュレータで見てみると、FETの発熱は最大で 0.5W 程度なので、FET にヒートシンクをつけないでも大丈夫だと思います。電流モニタ用の抵抗（R7とR9）は、最大で0.4W程度の発熱量があるので、1Wクラスの抵抗 [4] を使ってください。減光時間を決めるコンデンサ C1 には無極性の積層セラミックコンデンサ [5] を使ってください。パスコンのC2, C3 は普通の積層セラミックコンデンサ、R7とR9以外の抵抗は 1/6W～1/4W の抵抗で構いません。ダイオード D1 はスイッチをONにしたときに瞬時にLEDを点灯させるためのものです（これがないとLEDの発光もゆっくりになる）。D2 は C1 に充電された電荷を逃がしてオペアンプを保護するためのものです。D1 と D2 は小信号用ダイオードなら何でも構いませんが、ここでは安価な 1S4148 [6] にしました。ダイオードは極性に気をつけてください（黒い線が入っている側がカソード）。

調整はまず、VR2を最小にした状態でスイッチをONにして、VR2を徐々に大きくしてLEDを点灯させ、丁度いいLEDの明るさのところになるように調整します。次にスイッチをOFFにした後の減光時間を VR1 で調整してください。LEDに流れる電流はバッテリー電圧で若干変化します。

[1]　LM358N（2回路入り）
　　　価格(5個100円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02324/
　　　データシート　http://www.fairchildsemi.com/ds/LM%2FLM358.pdf
[2]　ELAW-5AA0-B00の推奨ヒートシンク（5ページの Fig 4）　http://www.edison-opto.com.tw/material/products/Edison%20Opto_EdiLine%20Series%20Lighting%20Application%20Guide_Eng_v1.pdf
[3]　IRFW540A
　　　価格(4個200円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01191/
　　　データシート　http://www.fairchildsemi.com/ds/IR/IRFW540A.pdf
[4]　酸化金属被膜抵抗器　2Ω（1W）
　　　価格(20円）　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?toku=%25C4%25F1%25B9%25B3%25B8%25C7%25C4%25EA&cond8=and&dai=%25BB%25C0%25B6%25E2&chu=1&syo=&k3=0&pflg=n&list=
[5]　10μF積層セラミックコンデンサ
　　　価格(80円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00464/
[6] 1N4148
　　　価格（50本入り100円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00941/
　　　データシート　http://akizukidenshi.com/download/1n4148.pdf

お礼

とても丁寧に教えていただきありがとうございます。
No2で教えていただいた回路で製作してみましたが、どうやら、消灯時間が短い印象でした。
LEDに流れる電流とLEDの明るさが比例していないからかもしれません。
質問に追加しました画像のように、スイッチOFFから一定時間経過後に徐々に電流を減少させることは可能なものなのでしょうか？

回答No.5

inara1

＞一定の割合で減少させることも可能？
MOSFETだけを使った回路では難しいです。オペアンプを使えば直線的に電流が減少していくようなものは作れます。オペアンプといっても5個で100円（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02324/）と安いものです。

＞急激に電流が減少している領域の時間を長くすることは、周辺素子で調整可能？
ANo.2の回路だと、LEDが点灯する時間と減光する時間の関係が決まってしまうのですが、これもオペアンプを使えば別々に調整可能です。プッシュスイッチを一瞬押せば、ある時間（T1秒）だけLEDが点灯し、その後、ある時間（T2秒）かけて徐々に（時間に対して直線的に）LED電流が減少していくような回路は可能です。T1 と T2 はどれくらいの時間をお望みですか？ T1 と T2 の範囲が分かれば回路を考えてみます（平日は仕事なのですぐには回答できませんが）。

回答No.4

inara1

回路シミュレータでLED電流の変化をみた結果を参考URLに貼っておきました。
プッシュスイッチを一瞬押しただけの場合、点灯時間はこれより短くなります（短時間だけ点灯するときはそういう使い方もできます）。47μFのときは0.5秒以上、22μFのときは0.2秒以上ONしてからOFFにすれば参考URLのような変化になります。R1 の値を小さくすればこの時間を短くできますが、ONしたときにスイッチの接点に流れる電流（=12V/R1（Ω））が大きくなるので、1kΩより小さくしないほうがいいです。

補足

シミュレーション結果も添付いただき、分かりやすく解説ありがとうございます。大変参考になります。
LEDの電流をみますと、電流が減少する傾きが途中で変わるようですが、たとえば、一定の割合で減少させることも可能なのでしょうか？
FETの特性が出ているとおもいますので、一定の割合は難しいのかもしれませんが、急激に電流が減少している領域の時間を長くすることは、周辺素子で調整可能なものなのでしょうか？

回答No.3

inara1

画像が一部欠けていますが、その画像を右クリックし、コピーを選んでどこかに貼り付けるか、名前をつけて保存を選んでどこかに保存すれば欠けてない画像が見られます。

この投稿のマルチメディアは削除されているためご覧いただけません。

回答No.2

inara1

LEDは内部に複数のLEDが入っているだけのようですね（定電流回路など入っているとうまく減光できないので念のためどういうものかお聞きしました）。バッテリー駆動なので、直列でなく並列駆動としました。

R1 = 1kΩ、R2（可変抵抗）= 500kΩ、R3 = 1kΩ 程度がいいと思います。この回路だと可変抵抗（R2）の位置によって、ON時間（プッシュスイッチを使った場合）と減光時間の両方が以下のように変わります。この結果は回路シミュレータで見たものですが、LEDとMOSFETの特性によって実際にはこれとは異なるかもしれません。
　　VR位置　　ON時間　　減光時間
　　500kΩ　　　70秒　　　　　20秒
　　400kΩ　　　55秒　　　　　20秒
　　300kΩ　　　45秒　　　　　10秒
　　200kΩ　　　30秒　　　　　10秒
　　100kΩ　　　15秒　　　　　　5秒
C1 は 100μF としましたが、容量を大きくするとON時間も減光時間も長くなります（容量２倍で２倍が目安）。

電流制限用抵抗（R4, R5）はこの回路では5Ωとしていますが、実際には2Ω～10Ω程度の範囲の抵抗をいくつか準備して、その中から最適なものを選ぶのがいいでしょう（明るさの好みやLEDのVFのバラツキもそれで調整できますので）。R4とR5の調整は抵抗値の高いほうから始めてください（最初に低いほうの抵抗で試すとLEDの最大定格以上の電流が流れて劣化させてしまう恐れがある）。R4とR5を取り付けて光らせてみて、抵抗の両端の電圧をテスターで測定し電流が最大定格を越えていないか、その都度確認してください。 電流(A) = 抵抗両端の電圧(V)/抵抗値（Ω） です。これが 0.5A 以上とならないようにしてください。R4とR5はかなり発熱します。発熱量 (W) = 電流(A)×抵抗両端の電圧(V) なので、この２倍程度の許容電力の抵抗を使ってください（5Ωだと2.5Wの抵抗）。

C1 は耐圧16V以上の電解コンデンサ（＋側がバッテリーの＋側）としてください。MOSFETの足の配置（G, D, S）はデータシートで確認してください。R3 はMOSFETのゲート保護用です。MOSFETはPチャネル（2SJの型番）で、ON電圧が5V程度、電流がLED２個分で 1A 流れることを考えると、ON抵抗が 0.5Ω未満でTO-220パッケージのものがいいと思います。秋月の商品ならここ（http://akizukidenshi.com/catalog/c/c2sj/）から選ぶといいいでしょう。2SJ471 や 2SJ380 でいいと思います（MOSFETは詳しくないのでコメントありましたらどうぞ）。

2SJ471（Ron = 0.04Ω at Vgs = -4V）
　　　価格（1個200円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00034/
　　　データシート　http://documentation.renesas.com/jpn/products/transistor/rjj03g0970_2sj471ds.pdf
2SJ380（Ron = 0.25Ω at Vgs = -4V）
　　　価格（1個100円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00736/
　　　データシート　http://akizukidenshi.com/download/2sj380.pdf

回答No.1

inara1

・下記ホームページを教えてください。
　　・2個のLEDは同じものですか？
　　・振る舞いが極力同様というのは、2個とも同じ明るさを保ったまま減光させるという意味ですか（2個が同じLEDなら、直列接続すればそうなりますが）。

Vf = 10V というのが気になります。どういうLEDか分かれば教えてください。

お礼

Edison　という会社(?)の Ediline 5W　というLEDになります。
0.5Aを流すと実測で10V程度でした。

http://www.led-paradise.com/product/481

http://www.edison-opto.com.tw/products_detail.asp?category=1&cno=171

補足

ありがとうございます。

うっかりしており、ホームページを記載しておりませんでした。
http://www.audio-q.com/car/bs-006.htm

2個のLEDは同じものです。

2個とも同じ明るさを保ったまま減光させるという意味で間違いありません。
電源はバッテリーを想定しております。Vfが高いので、並列を考えていました。
LEDは全く同じ特性を持つと仮定すると、LEDと直列に入れる電流制限回路(たとえば抵抗)の特性に依存すると考えればよいでしょうか？