LEDの調光回路（定電流＋PWM）について

質問

数百個のLEDを２４Vで駆動・調光する回路として、添え付けのような回路を考えています。（LEDの直列数は実際には７個、並列数も数十個あります。）

電流を均等に配分しながら輝度を調節することを目的としています。そのために、最初は制御系にのみLM３１７＋固定抵抗＋可変抵抗を用いて電流を調整し、残りの列はカレントミラー回路で複製することを考えたのですが、トランジスタの数が多すぎて熱結合が難しく、誤差の増大が避けられない、最悪の場合熱暴走するのではないかと考え、定電流＋PWMで調光するのが得策だという結論になりました。

定電流の方法として、定電流ダイオード（50ｍAには一列に付き３個は必要）がありますが高価なわりには誤差もあり、抵抗ではVfのばらつきに対応するのが難しいことから、精度も高く、比較的安価な３端子レギュレータを各列に用いたこのような回路にたどり着きました。

素人ながらいろいろと調べた末の結論ですが、このような組み合わせで正しく作動するのか、つまり、定電流（具体的には50mA）駆動をしながらパルス幅調整で輝度を調整する、という目的が達成できるのかどうか判断できずにいます。

知識名ある方にご教示を請いたいと思います。宜しくお願いいたします。

回答No.4

KEN_2 · ベストアンサー

ANo.1 です。

残念ながら添付の回路図では安定な動作は得られません。
VOUTピンとADJピンの間に抵抗を入れて高精度な電流源としても使用するのは良いアイデアですが、
理由：
１．LM317を含めREG_ICは入力電圧が安定である必要があります。
２．入出力のコンデンサは必須で、無ければ不安定になり発振します。
３．25Ωで定電流制御するとLM317で10Vの電圧降下が発生し、0.5Wの電力損失の発熱を処理する必要が発生します。
（VCC=24V、LEDのVf=を2Vx７個で14V、25Ωの抵抗で0.75Vの電圧降下により・・・）
よって、入出力にコンデンサを挿入出来ないPWM出力の電源供給で制御するのは実現不可能な方式です。

◎では、実現可能な方式を検討して見ましょう。
仕様：数百個のLEDを２４Vで駆動・調光する回路
電源供給電圧；24V、電流容量；7x50（並列数も数十個）x 50mA　17A以上必要
LED数；350個と仮定（数百個；並列数も数十個）・・・より
LEDのVf=を2Vと仮定する。（LEDがVf=2.1Vから2.3Vの可能性あり・・・・）Vf=2.3Vかな？
総合の消費電力を下げ、極力発熱を下げる。

□実現の回路方式は、
１．LEDの直列数を10個とする。（Vf=を2Vと仮定して）
２．電流制限抵抗でVccの約20%を負担させる。（4VとしてRL=は80Ω/0.5W使用）
３．並列数を40から50個とする。
４．PWM出力の制御はTr直列接続の制御とする。

□実回路は
１．PWMのデューテイ可変の発生回路とSW出力のドライブ回路ユニットを設ける。
２．LEDの直列数は10個、並列数も40から50個の制御はTr直列接続の制御とする。
＊この部分は、No.2 さんの回路で抵抗150Ωを80ΩとしてTrのコレクタ側にしてPWM制御とする。
#このあたりで検討してみてください。条件整備して仕様と方式を決定するのが定石となります。

LM３１７、
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM317.pdf#search='LM３１７'

お礼

詳しいご回答ありがとうございました。単純明快なご説明で、この回路が機能しないことはあっさりと納得できました。ただ、私の知識レベルでは、ご教示いただいた方法、「トランジスタの直列接続」をとるにしても、動作原理をもう少し勉強する必要があるように思います。

回答No.3

noname#116741

http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM317.pdf
　LM317ですが10μSほどで応答しているので2kHzのON/OFFはまず問題ないと思います。入出力電圧差は標準2.3VですがLM317では2V以上あれば動作しそうです。こんな使い方は見たことが無いのでやってみないと分かりませんが、データシートからは問題が無いように見えます。メーカーに聞けば、やめてくれといいそうですが。入力側のバイパスコンデンサはデータシートでは「必要」となっていますが、これは入れるわけにはゆかないでしょう。PWM出力に容量を入れることはPWMの負荷を無駄に大きくすることになり、入力電圧がゆっくり変化することはLM317の熱的な負荷も大きくなるでしょう。

　これを抵抗だけで単純にバランスされるのは抵抗の電圧が電源電圧の10％未満であり机の上で考えると厳しいところですが、世間にはこんな回路がたくさんあってちゃんと動いています。昔、あるLED工場が商品として組み立てた自動車のブレーキランプ用LEDユニットでは裸のLEDがただ並列に接続された部分がありました。バランスするんですか、と聞くと、担当者は大丈夫だと言ってにやにやしていました。Vfは温度上昇で低下するので熱暴走の方向であり危ないところですが、LEDメーカーだからそんなことが出来たのでしょう。

　私が赤文字のCADで描いた図面のトランジスタのベースは電流ではなく電圧で制御します。「（Vb－約0.6V）÷抵抗」で電流が決まる定電流回路ですが、Ibが流れ込む分(つまり1/hfe)だけ誤差になります。ダーリントントランジスタを使うことによってIbによる電流誤差を小さくすることが出来ます。各トランジスタのhfeのばらつきはベース電流のばらつきとなって現われますがベース電圧で制御するので問題がありません。電流誤差となって現われるのはVbeのばらつきの方で、こちらは実用的には充分に小さいのです。

お礼

ご丁寧なご回答、およびフォローアップに感謝いたします。ありがとうございました。ご教示いただいた方法は、もう少し強した上で、参考にさせていただこうと思います。

回答No.2

noname#116741

このままで動きそうですけどね。

　LEDのVfが2Vとすると7個で14V。電源電圧の40％は熱にして捨ててしまうことになります。これだけ電圧の余裕があれば抵抗だけで充分に定電流にできるんじゃないですか。200Ωで100％時に0.5Wですから1W以上の抵抗であればいいでしょう。色が変わるほど熱くなりますが・・・。同じ電力を消費させるなら半導体より抵抗の方が簡単に長寿命・高信頼性に作れます。

　別の方法。レギュレータや抵抗で簡単に電力を熱に変えて捨てながら、その上流では高価な大電流PWMというのはコスト面で矛盾ではあります。PWMの出力の40％は常に熱として捨てられる運命です。それくらいなら、PWMをやめてしまい、直列LEDそれぞれをトランジスタ一個の単純な定電流回路としてそのベースを一斉に制御すれば安価に同じことが実現できそうですがどうですか？　0～8Vの直流電圧で輝度を調整できます。

補足

申し遅れましたが、LEDのVfは3.1Vです。結果熱損失は一列につき115mW程度になるので、それほど懸念していません。むしろ、「可変レギュレータにPWMからの出力がうまく処理できるのか」、というのが、知識がないが故の不安点でしたが、こちらの方は問題ないと考えて良いのですね?　ちなみに、このPWMは出力80w程度で、2000円以下で組める簡易キットです。

ご提示いただいた方法、各列のトランジスタのベースを一斉に制御するというものですが、これは「ベース電流を制御」ということでしょうか？別途電源を用意するのは可能ですが、各トランジスタへの電流値をそろえたとしても、増幅率の個体差があり、電流値をそろえるのはやはり難しいのではないでしょうか？（間違っていたらすみません）

回答No.1

KEN_2

脳内エスパーしましたが、文面では理解できません。具体的な回路図を添付下さい。
>添え付けのような回路を考えています。（LEDの直列数は実際には７個、並列数も数十個あります。）

＊補足にURL記載か、画像に添付してください。

補足

すみません、画像のアップロードに手こずりました。少し見にくくなってしまいましたが、左上の大きな四角がPWM、各列の一番上の中くらいの四角が可変レギュレータ、その下の小さい四角が抵抗です。レギュレータの電圧降下は1.25V、各列の電流は50mAとなるよう、抵抗は25Ωにしています。