google-site-verification: google3bd66dd162ef54c7.html
FC2ブログ

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)

化学反応式CO2発生装置、圧力計を追加

 圧力センサー(MPS20N0040D)の使い方が確認出来たので、いよいよCO2ガス発生装置(添加装置)に組み込んで、タンクのガス圧力を表示出来るようにします。

 ちなみに、全体はこんな物です。

▼水槽とCO2ガス発生装置
水槽と反応式CO2ガス供給装置
 左の小さな水槽に右の箱からCO2ガスを添加しています。(水槽の色が赤いのは、照明が夕日モードになっていたためです。)

 実はこの写真は圧力計を組み込んだ後に撮影しています。圧力の値は液晶画面に表示するので、外観的にはこれまでとほとんど変わっていません。

▼配管系統図
系統図
 重曹タンクの出口の配管を分岐して圧力センサーに接続しました。配管を一旦下げた後で上に上げているのは、圧力センサーに薬品が入ってしまうことを防止するためです。例え閉管の先でも、微妙な温度差で物質の移動・堆積が起こることがあるので、出来ることはやっておいた方が良いと思います。

▼回路図(図をクリックで別窓に拡大)
CO2供給装置回路図
 ちょっとずつ機能を追加していたら、こんなに大きな回路になってしまいました。今回追加したのは、下の方の圧力センサーの回路で、圧力のアナログ値をArduinoのアナログポート(A0)に入力しています。

▼圧力センサー基板
圧力センサー基板
 センサーとアンプを同じ基板に実装しました。ノイズの影響を受け易いので、後ろのプラケースで作ったシールドケースに入れて使います。なお、シールドは銅箔テープを貼って、はんだ付けで作りました。またこの銅箔は基板のグラウンドと接続しています(緑色の線です)。センサーへのコンタミ防止のため、この基板はケースの中の出来るだけ高い位置に置くようにします。

▼基板裏面
圧力センサー基板
 いきあたりばったりで配線していったのですが、うまく入りました。

 圧力の表示はソフト改造で行いましたが、その結果は以下の通りです。なお、元の表示の内容は、化学反応式CO2発生装置、ソフト解説編をご覧ください。

▼圧力の表示
通常表示(2行目に圧力表示)
 1行目はこれまでと同じで、次のショットまでの残り時間。2行目にはmmAq単位の圧力を表示させています。これはリークチェックをやっている時の写真なので高い圧力になっていますが、通常の使用状態では800~700mmAq程度です。

▼ポンプ時間と運転間隔
decボタンで2行目にポンプの動作時間と間隔
 dec (-) ボタンを押すと、ポンプの運転時間(ショット時間)と運転間隔を表示するようにしました。

 これまでは2行目にポンプの運転間隔を表示させていたのを、圧力表示に変えたので、ポンプ運転間隔が見れなくなってしまいました。この値は、Selectボタンを押してプログラムの内容を見れば判るのですが、ちょっと面倒です。そんなことで、ワンタッチで確認出来るようにするために、この機能を付けました。
 ちなみに、通常運転状態では(ー)ボタンには何の機能も割り当てていなくて、寂しかったのですが、これでメニューのバランスが良くなりました。

◆プログラムはこちら→CO2供給装置のプログラムV2.0 (Shift-JISでエンコードしています)

 これまでの記事のプログラムを合体しただけなので細かい説明は省略しますが、

 圧力計のテストの時点ではパラレルインタフェイスの液晶だったのを、I2Cインターフェイスに変更しました。このためのプログラムの変更は宣言部を修正しただけで、本体部分はそのまま使えたのは助かりました。

 readPress() の関数でADコンバーターの値を何度も読んで平均化していますが、ここの読み取り回数が892回と半端な値になっています。これは、この回数で実行時間が100msになり、電源波形の整数倍の時間になるので電源ノイズの影響を減らすことが出来る(はず)という狙いです(50Hzなら5サイクル、60Hzなら6サイクルに相当)。なお、コンパイラのバージョンによっては処理時間が変わるかも知れません。ちなみに、Arduino IDE 1.8.1 でコンパイルしました。

◆まとめ
 圧力計があると、運転状態を定量的に把握出来て便利です。特にストーンの違いやリークの有無が簡単に判ります。また、マイナスの圧力も測定出来るので、夜間にタンクが負圧になる様子も確認出来ました。

 圧力の表示の分解能を1mmAqとかなり細かくました。こんなに分解能を上げると、最小桁の値がふらつくのですが、それでも微妙な圧力の変化がすぐに判るので、これで正解でした。

 今回作った装置は、ガスの圧力をそのままストーンに供給しているので、圧力計の測定範囲の上限は約0.4kg/cm2にしています。もっと高い圧力、例えば1kg/cm2までタンクの圧力を上げ、そこからスピコンで絞ってガスを供給するのも面白そうです。でもそうすると、ホースを耐圧の物に変えないといけないし、安全弁も必要になるのでいろいろと厄介です。

 今回作った反応式CO2ガス発生装置(添加装置)の運転やメンテナンス方法については、ノウハウのような話がいろいろあるので、時期を見てまた記事にしたいと思います。
カレンダー
10 | 2018/11 | 12
- - - - 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 -
プロフィール

ラジオペンチ

Author:ラジオペンチ
電子工作を中心としたブログです。たまに近所(東京都稲城市)の話題など。60過ぎて視力や器用さの衰えを感じつつ日々挑戦!
コメントを入れる時にメールアドレスの記入は不要です。なお、非公開コメントは受け付けていません。

記事が気に入ったらクリックを!
最新記事
カテゴリ
最新コメント
リンク
FC2カウンター
検索フォーム
月別アーカイブ
RSSリンクの表示
QRコード
QRコード