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LED定電流ドライブ回路のシミュレーション

 正月も三日目、そろそろ回路いじりを始めたいと思うのですが、まだハンダコテまで使う気になりません。

 ということで、箱根駅伝をテレビで見ながらLEDの定電流駆動回路のシミュレーションをやってみました。オペアンプを使えば完璧な定電流駆動が出来ますが、それではちょっと大げさすぎます。ということで、トランジスタを二つ使った定電流回路のシミュレーションをやってみます。なお使用条件としては、普通のUSBから電源供給する場合の電源電圧5V、電流500mAを想定しています。

 まずはNPNトランジスタを二つ使った回路。

▼NPNトランジスタを二つ使った定電流回路
NPNトランジスタ駆動回路
 この回路は以前の記事の100円ショップのUSBフレキシブルLEDライトをパワーアップと同じです。ただ、2SC3964のデバイスモデルが手に入らないため似ていそうなトランジスタ(FZT849)で代用しています。

 主回路のトランジスタのベースのバイアス抵抗(R2)をパラメータとしてシミュレーションした結果が下記です。

▼NPNトランジスタ方式のシミュレーション結果
NPNトランジスタシ駆動のミュレーション結果
 横軸は電源電圧。上側のグラフはQ1のベース電圧で、下のグラフはLED電流です。

 電源電圧が変化してもLEDに一定の電流を流すことがこの回路の目標ですが、R2を1kΩ以下にしないと定電流特性にならないことが判ります。なお、実際に使った2SC3964のhFEは500以上あるのでR2はもう少し高くても大丈夫だと思います。まあともかくR2が1kΩ以下で電源電圧4V以上あれば定電流駆動になっています。

 ところで、2SC3964はパッケージサイズがTO-220よりふたまわりくらい小さいので、狭い場所に押し込むのにはいいのですが、温度上昇の点では不利なので注意が必要です。

 次はNch-パワーMOS FETを使った回路です。

▼Nch-パワーMOS FETを使った定電流回路
nMOS駆動回路
 2SK2232は秋月で手に入るので私にとっては定番のパワーMOS FETです。パッケージもTO-220なのでヒートシンク無しでも1Wくらいは処理できます。

▼シミュレーション結果
nMOS FET駆動のシミュレーション結果
 バイアス抵抗(R2)を1kΩから1MΩまで千倍も変化させても定電流特性が破綻しないのは流石です。この抵抗値が高いほど低い電源電圧で定電流領域に入っており、R2=1MΩでは電源電圧3.6Vでも定電流特性が得られています。

 高い抵抗値で大丈夫と言っても、むやみに高い抵抗を使うと基板の絶縁抵抗との関係が怪しくなるので、ここは500kΩあたりが良さそうな気がします。

◆まとめ
 NPNトランジスタを使うよりパワーMOS FETを使った方が、低い電源電圧まで一定電流特性が得られました。無駄なバイアス電流も流さないで済むのパワーFETを使った回路の方が優れていると思います。

 ちなみに、air_variableさんが、「ずっと同じ明るさを保持するLEDランタン」という記事で、Pch-パワーMOS FETを使った作例を公開されています。こちらも参考になります。

 ところで、USBから電源を取るということは電圧は安定化されている訳で、実はあまり細かいことを考える必要ありません。まあ、LTspiceの練習として面白いし、電池駆動する場合に役立つはずなのでシミュレーションやってみました。
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