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LEDをパルス点灯させた場合の見掛けの明るさ、実験結果

 居酒屋ガレージ日記さんの、Arduino UNOでLEDの駆動デューティーを変えてみる の記事を見て、「LEDをパルス点灯させるとDC点灯より明るく見える」という話を思い出しました。7セグLEDなどの点灯方法の解説にもにもよく書かれているのですが、ダイナミック点灯させると、直流点灯より明るく見えるという話です。

 この話には時々出くわしていて、私が最近気になっているチャーリープレクシング回路の解説の中にも出て来ました。また、チャーリープレクシングとは書かれていませんが、MICROCHIP社のComplementary LED driveの資料にも同じ話が出てきます。

 ただ本当にそんなことがあるのか、以前からちょっと「まゆつば」だなーと思っていたので自分で確認してみることにしました。

 DCとパルス点灯した場合の明るさを比較するために、次のような回路を考えました。

▼確認回路
LEDパルス/DCドライブ明るさ比較回路
 点灯させるのはLEDが一つだけで、これをQ1でDC点灯、Q2でパルス点灯させる回路です。DC点灯を基準とし、パルス点灯させた場合の見掛けの明るさが同じに見えるようにVR1を調整します。流れる電流はシャント抵抗で検出し、フィルターで平均値を出す回路になっています。視線の移動無しで、同じLEDを見ているだけで済むので、比較的小さな明るさの変化でも判るはずです。

 スイッチを押すと直流点灯、離すとパルス駆動になるので、LEDを見ながらスイッチをON/OFFさせ、VR1を調整することで見掛けの明るさを一致させます。これ、回路としては簡単なロジックなのでArduinoを使うまでも無かったのですが、最初はパタパタと自動切換えなどを考えていたのでこんなことになっています。なお、パルスは自作のパルスジェネレーターで発生させています。

▼回路全体
測定回路
 左上が自作のパルスジェネレーター。明るさ調整と書いてあるツマミがパルス駆動の明るさ調節(VR1)で、操作性を良くするためにありあわせの木の板に取り付けました。

LEDと切り替えスイッチ
 確認用のLEDと切り替え用の押しボタンです。LEDを見ながらボタンを押して明るさの違いが無くなるように調整つまみを廻します。なお使ったのは赤色のLEDで秋月で買った超高輝度の物です。

▼測定結果
測定結果
 駆動周波数は30Hzから10kHz、デューティーは95~1%の範囲で変化させました。なお、表内の値は10Ωの抵抗の両端電圧をmVで表しているので、実際の電流はこの1/10倍mAになります。

▼グラフ
LEDパルスドライブ測定結果グラフ
 デューティーを下げると電流の値が小さくなっています。つまり、同じ明るさににするための電流は小さくなっています。大雑把な傾向で言うと、デューティー10%以下なら60%の電流で同じ明るさに見えるということです。

 この結果、にわかには信じ難いですが、事実みたいです。ただ、周波数が10kHzでも同じ傾向になっていて、人間の目がこんなに高速で変化する明るさの変化に影響を受けるとは考え難いです。ということで、回路的なメカニズムやLEDの発光の特性が見えている可能性があります。

▼CDSで明るさをチェック
CDSで確認
 簡単に出来るセンサーを使った明るさのチェック、ということでCDSをLEDの上に載せて抵抗(= 明るさ)を測ってみました。表の右下の一点だけのチェックですが、センサーで測ってもDCとパルス点灯で明るさの違いは認められませんでした。つまり、センサーで見ても明るさは同じだが、消費電流は約40%少ないという現象は再現していました。(ただ、人間の目で同じ明るさに見えていてもセンサーで測ると20%くらいは明るさが違っていたりします。)

◆考察
 さて、この結果をどう見るかです。素直に結果を受け入れれば、LEDをパルス点灯すれば、60%の電流でも同じ明るさを得ることが出来る、ということになります。消費電力が問題になる場合、これは大きなメリットになります。

 ところで、LEDの発光効率を上げるのにものすごい努力(投資)が行われています。これをパルス点灯するだけで何割も改善が出来るなら、みんなが飛び付きそうな話です。でも現実はそうなっていないので、何か問題というか、どこかに考え間違えがあるのかも知れません。もう少し検討してみたいと思います。

◆関係がありそうな用語、資料
 ・ブロッカ・ザルツァー (Broca - Sulzer) 効果
 ・トールボット・プラトー (Talbot - Plateau) の法則
 ・パルス駆動による視覚心理効果を用いたLED照明の高効率化技術(愛媛大学)

チャーリープレクシング (Charlieplexing) の回路図

 今年のMake2018自作のLEDバッチを持って行ったので、それをネタにしていろいろな方からお話を聞くことが出来ました。そこで知ったのですが、たくさんのLEDを出来るだけ少ないポート数で点滅させたい場合は、チャーリープレクシングでやるのが定石のようです。

 実はその時はチャーリープレクシングを知らなかったので帰ってから調べて、なるほどと思いました。特に ikkei さんの書かれた多くの解説記事が参考になりました(charlieplexing ikkei で検索するといっぱい出てきます)。ちなみにikkeiさんとはMFT2018でお会いして資料まで頂きました。

 あと、最近の居酒屋ガレージ日記さんの、電波チェッカ用12LEDレベル表示回路と言う記事にも同じテクニックが解説されています。こちらでは、MICROCHIP のアプリケーションノートの、Complementary LED Drive というタイトルが紹介されています。

 チャーリープレクシングというネーミングは、「チャーリーさんが考案した、少ないピン数でLEDをマルチプレクスして光らせる方法」というところだと思います。でも、人の名前を使うより、MICROCHIPのドキュメントのように Complementary LED Drive と、その技術の名前で呼んだ方がしっくりきます。

 ともかく、そんなことを考えながらチャーリープレクシングの回路について、自分なりにおさらいしてみました。

▼4ポートチャーリープレクシングの回路図
チャーリープレクシング
 4ポートあればこの接続で12個のLEDを自在に点灯させることが出来ます。これ、いきなり見せられると配線ルールを発見するのにちょっと時間がかかりますが、要はポートの全てのペアの間に逆並列にLEDが入っています。

 この回路では、点灯させたいLEDに電流が流れるように、繋がっているポートをHighとLow、それ以外のポートをHi-Zにすれば一つのLEDを狙い撃ちで点灯させることが出来ます。なお、狙ったLEDと並列に、2つ以上のLEDが直列になったパスがいくつか存在します。でも、Vfの関係でそちらのパスには電流は流れないので、狙ったLED以外が点灯することはありません。

 チャーリープレクシングで表示出来るLEDとポートの数(N)の間には、LED数 = N*(N-1) の関係があります。これを図で示すと、次のようになります。

▼多角形の頂点を結ぶ線
ピン数に対する組み合わせ数
 頂点がポートのピンで、その間を結ぶ線の数がペアの数。一つの線にLEDを2個逆並列で接続するので、接続出来るLEDの数は線の数の2倍ということになります。(4ピンなら線の数は6本なので、LEDの数はその2倍の12個)

 数についてはこの考え方が判り易いと思います。ちなみに、順列組み合わせが得意な方なら、コンビネーションを使って 2 x 4C2とやって求める方法もあります。

 これで理屈は判りました。あとは配線をどうするかですが、ここは回路図をマトリクス形式で書いた方が、見通しが良くなることが多いです。

▼マトリクス形式で書く
格子状配線とその変形
 左がマトリクス形式で書いた回路図で、この記事の最初の回路図と同じ接続になっています。これでもいいのですが、交差した位置にLEDが無いので、この配置のまま表示に使うと、隙間が出来てよろしくありません。

 そこで、右の図のように右上のLEDを下にシフトさせれば隙間は無くなります。ただこの場合、半分のLEDの向きを逆にする必要があります。これ、間違えないように注意して実装すればいいのですが、細かいことを言うとLEDの光の中心がパッケージに対して上下対称に出ている保証は無いので表示ムラが出そうです。ということでちょっと心配なやり方です。
 
 もっとうまい配線方法が無いかと思って調べてみたら、ありました。サイズが大きいですが、Spark Fun LED Arrey -8x7の配線方法です。

▼SparkFun LED Arrey - 8x7 の回路図
8x7 チャーリープレクシング
 これは SparkFun のweb にある schematics を書き直したものです。これならLEDの向きは全部同じになり、配線も判り易いです。また、これを元にアレイのサイズを変えるのも簡単でしょう。

◆ダイナミック表示に伴う明るさの低下
 チャーリープレクシングではダイナミック点灯させるので、見掛けの明るさが低下します。でも最近のLEDの発光効率は高いので、これは問題になり難くくなっていると思います。

 ちなみに、上のSparkFun LED Arrey - 8x7 ではLEDの電流制限抵抗は82Ωで、これが両側に入るので合計164Ωということになります。これを1/56のデューティで点灯すると、等価的な電流制限抵抗は9.2kΩで、何とか許せる範囲だと思います。

 あと、電源の電圧とLEDのVfのカーブ、あとポート出力のVI特性などを注意深く選んで、電流制限抵抗無しという使い方もあります。この場合、LED単位では無くライン単位に駆動する手もあると思います。

◆まとめ
 チャーリープレクシングについてまとめてみました。なかなか面白い回路だと思いますが、トライステートのドライバーの出力の使い方としては当たり前で、個人名を付けるほどユニークなアイディアかと言われると、ちょっと疑問です。

 この記事の最初の方にちょっと書いたように、例えば「オールペア・コンプリメンタリー駆動方式」などと、使っている技術の名前で命名した方が、判り易かった気がします。

AliExpressからSMDタイプのパワーLEDが届いた

 ダイソーのLED型電球を改造したアクアリウムライトを作りましたが、電球色なのが気に入りません。LEDを白色の物に交換すればいいのですが、国内には適当な物が見つかりませんでした。探してみると、AliExpress に良さそうな物があったので注文しておいたのですが、それが先日届きました。

▼AliExpressの商品の画面
LGのバックライト用SMDパワーLED
 いつまであるか判りませんが、AliExpress の実際のページはこちら

 LG製の 3528 のSMDパッケージのLEDで、パワーは1Wで色温度は7000-10000K、演色性指数はたぶん80。テレビのバックライト用に作られている物らしいです。

 このパワーのLEDが100個で送料込みで 2.43$ とはとんでもない安さです。何か裏があるのでは無いか、と一抹の不安があったのですが、届いたものを調べると、寿命までは判りませんが仕様通りの優れ物でした。ということで、以下その内容を紹介します。

▼届いた3528のパワーLED
LGのバックライト用SMDパワーLED

▼SMDマウンタ用のテープに入っています
SMDパワーLED
 100個分で切断されたテープで送られてきました。送付方法はチャイナ ポストのトラッキング無しの郵便小包です。

 早速特性を測ってみます。パワーを入れるために小さな銅板にはんだ付けし、その銅板を大きなヒートシンクにねじ止めしました。電圧を正確に測るために、電圧端子をはんだ付けで出しておきます。

▼テスト用に接続したパワーLED
ヒートシンクを付けて測定
 アノード側にチップが搭載されているので、そちら側を銅板にはんだ付けしています。写真の奥側の線が電源につながっていて、手前側の線で電圧を測定します。

▼全体
ヒートシンク
 長さが15cmくらいの大きなヒートシンクなので、LEDから見ると無限大放熱板に接続されているようなものです。

▼点灯
測定中
 激しくまぶしいので直視しないように注意します。

 このようにして電圧電流特性を測定しました。その結果を次のグラフに示します。

▼特性
パワーLEDの特性
 LED電流のプロットが測定結果です。今回の測定では0.8Aまで流してみました。ちなみに、仕様上の最大順電流(DC)は350mA(もしくは400mA)となっています。流石に0.8Aも流すとVfは4.1Vくらいまで上昇していますが、これでも壊れないのはたいしたものです。

 右下がりの直線は、電源電圧5Vで電流制限抵抗を 5, 10, 15, 20Ωと変えた場合のロードラインで、LED電流との交点が動作点になります。LEDの電流制限抵抗の値を求める簡易計算式をよく見掛けますが、ちゃんとやりたい場合はこういうグラフを書く必要があります。(もしくはシミュレーション)

◆まとめ
 とんでもなく安いので少し心配だったのですが、ちゃんと使い物になるSMDタイプのパワーLEDが手に入りました。中華マーケット恐るべしです。

 同じ仕様の物が国内で手に入るといいのですが、秋月、千石、マルツ、aitendo あたりをざっと探した限りでは発見できませんでした。ちなみに 3528 のSMD LEDの20mAの物ならあちこちで売られていますが、パワーが入らないので今回の私の用途には使えません。

 このLEDのサイズは国内の呼び方だと 3528 となるはずですが、中華マーケットでは、2835 あるいは1210 とも呼ばれているようです。探す時はこういう番号も検索すると良いと思います。
 
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