シリーズレギュレート（直列制御）について

質問

お世話になります。
いままでパワーLEDの調光に直列制御方式で工作をしていましたが、秋月電子さんのLEDユニットを３個並列に接続して点灯させたところボリューム抵抗が焦げました。

今回使用したLED　白色ＬＥＤユニットＯＳＰＲ３ＸＷ３－Ｗ４ＸＭＥ１Ｃ１Ｅ
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-04160/
いつも使用している回路
http://okwave.jp/qa/q7027026.html
http://okwave.jp/qa/q7160872.html
前回使用した１０WLED
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-04477/

LEDユニットを３個並列接続した合計電流より流れる１０WLED(1400mA)を同じ回路で点灯させましたが、問題なく調光できました。セメント抵抗は１Ωのままですので１２Vの時は８００ｍAの電流までです。
なので、同じに考えて８００ｍA(LEDの電流)流せればと、思ったのですが・・・
電源は鉛バッテリーですので、フル充電時は13.5Vていどになるので、１４Vで試すと電流も１A程度になります。3個並列で最大は１．２Aですので「まあ、良しか」と思ったのですが、だめでした。
１０W(１．４A)の時は同じ条件でも問題なく調光できます。

現在は、出力に５Ωのセメント抵抗を付けました。これで調光できますが、なんとなく暗い感じがします。電流も回路全体の電流は600mA程度なのでLEDには500mA以下かと思います。

そこで、質問です。
１．LEDユニット3個並列(１A)と１０W(１．４A)の接続でなぜLEDユニットの並列接続の時にボリュームが焦げたのでしょうか。
２．直列制御方式は電流を制御するのですよね。なぜボリュームが焦げたのでしょうか。対策が有れば教えていただけますか？

分かりづらい、質問ですがお願いいたします。

回答No.5

inara1

＞この抵抗を小さくすると必要以上の電流が流れる事になるのでは
その通りですが、0.6Ωピッタリの抵抗値にしても、トランジスタ（2SA1015）のバラツキによって、電流リミットが働く電流は0.9A～1.1Aとばらつきが出るので、確実に1Aの電流まで流すのであれば、抵抗値を少し小さくしておくということです。そうすると、おっしゃるとおり、電流リミット値は1Aを少し越えてしまいますが、LEDは最大電流を少々超えてもすぐに壊れるわけではないので、「最大電流を少々超えてもいいから、なるべく明るくしたい」のであれば抵抗値を0.6Ωより少し小さくします。逆に、「最大電流は絶対超えたくない」のであれば、抵抗値を0.6Ωより少し大きくします。LEDに流れる正確な電流は、セメント抵抗の両端の電圧をテスター等で測定すれば
　　LED電流(A) = 抵抗の両端の電圧(V)/抵抗値（Ω）
で計算できるので、抵抗値をいろいろ変えてみて、ボリュームを最大にしたときのLED電流の最大値を測定し、最適な抵抗値を決めると良いと思います。

＞電圧が13.5Vなど高くなった時は電流量が多くなりました
この回路は「定電流回路」ですが、定電流なのは、「LEDの動作電圧が変わっても」という意味で、電源電圧が変わるとLED電流は少し変化します。「基準電圧発生IC」というのを使うと、電源電圧の変動に対するLED電流の変動を抑えることができます。追加部品は、基準電圧発生IC１個と抵抗１本だけです。ご要望があればその回路も添付します。

お礼

ご連絡ありがとうございます。
１．４AのLEDのセメント抵抗に1Ωを並列に2個付け0.5Ωにしましたが実際は１A程度でした。
これでinarai1様の「以下」の意味が分かりました。
実際に、1.4A流しましたが見た感じで、明るさに変化があまり無かったので安全と、バッテリーの消耗を考え、今回は「これで良し」にしました。

LED電流(A) = 抵抗の両端の電圧(V)/抵抗値（Ω）
この計算を、実際に試して見ます。

電圧の変化による回路の件は、私ですと3端子レギュレーターとコンデンサー2個(秋月さんの説明書とおり)なのですが「基準電圧発生IC１個と抵抗１本」が気になります。

お手数で無ければ、参考の為に教えて戴きたいのですが。

3端子レギュレータを使って12V固定にすれば、安心して計算できますね。
レギュレータを忘れていました。

よろしくお願い致します

回答No.4

inara1

＞と言う事は0.6Ω以上の抵抗を選択すれば良いということ
ANo.3で訂正しましたが、「0.6Ω以下」の抵抗とするのが正解です。

セメント抵抗の発熱量（消費電力）は以下で計算してください。
　　発熱量（W）=0.6*最大電流(A)
許容電流が1A（セメント抵抗値は0.6Ω）なら発熱量は0.6Wになりますが、余裕を見て、その倍の 1W 以上の許容電力の抵抗を使ってください。許容電流が 1.4A（セメント抵抗値は 0.3Ω ）なら、発熱量は0.84W になりますが、余裕を見て、その倍の 2W 以上の許容電力の抵抗を使ってください。

セメント抵抗は秋月電商だとここ（http://akizukidenshi.com/catalog/c/csreg/）にあるだけですが、ちょうど0.3Ωがなくても、0.1Ω・5W と 0.2Ω・5W を直列接続すればいいです（5W だとオーバスペックですが安全な方向なのでいいでしょう）。0.6Ω なら、0.5Ω と0.1Ω を直列にするとかいろいろ方法がありますが、0.6Ω の代わりに 0.5Ω だけでも良いです。許容電流は正確に合わせる必要はないので、±20%くらいの誤差があっても構いません（0.6Ω なら 0.48Ω～0.72Ω の抵抗、0.3Ω なら 0.24Ω～0.36Ω の抵抗）。

今回の調光回路は意外な落とし穴があったので、これから紹介するときは、ここの質問を紹介することにします。

お礼

すみません。「06Ω以下」と言う事は0.5Ω0.4Ωなど数字が小さくなる方向ですか？
この抵抗を小さくすると必要以上の電流が流れる事になるのでは。
基礎知識が全然無いもので・・・

実際に試して分かった事ですが電圧を12Vで動作させる時は最大電流値での計算で大丈夫なのですが、電圧が13.5Vなど高くなった時は電流量が多くなりました。
電源電圧が不安定な時(車やソーラーパネル等の発電装置を利用してのバッテリーを使用する場合)はセメント抵抗の数値を考慮したほうが良さそうです。
引き続き、色んなタイプのLEDを調光してみます。
ありがとうございました。

回答No.3

inara1

間違いがありました。
【誤】LEDユニットを並列接続したときは、トータルの電流/0.6 < R（Ω）となるようなセメント抵抗にしてください。
【正】LEDユニットを並列接続したときは、トータルの許容電流/0.6 ＞ R（Ω）となるようなセメント抵抗にしてください。

回答No.2

inara1

＞ボリュームを右に全開にまわして、ちょっとすると電流が急に大きくなり焦げ臭い匂いが漂ってくる
やはりそうですか。そういうことはまず起こらないと思っていたのですが。ボリュームを右に回しきると電流は増えないので電流リミットは働かないし、ボリュームを右に回しきらないうちに電流リミットが働くと、ボリュームの抵抗が残っているので過大電流は流れないと考えていました。しかし、ボリュームを右に回しきった状態で、何らかの原因でLED電流が増えると、電流リミットが働いて、ボリュームに過大電流が流れることはありますね（こちらの設計ミスでした）。

＞LEDユニットを3個並列に繋いでもトータルの消費電流で計算する
はい。LEDユニットを並列接続したときは、トータルの電流/0.6 < R（Ω）となるようなセメント抵抗にしてください。抵抗値は正確でなくてもいいです（LEDの許容電流を少しでも超えたからといってすぐにLEDが壊れるわけではないので）。

＞ちなみに、300mAのLEDでも10KΩは入れたほうが安全か
これは、セメント抵抗値によります。ボリュームを右に回しきったときに、偶然、電流リミットがかかるような抵抗値にした場合には、同じことが起こりえますので、念のために入れておいたほうがいいです。

＞10kΩは1/4Wなど小さな抵抗で良いでしょうか
10kΩの抵抗が消費する電力は、12V^2/1000Ω=144/10000=14.4mWとわずかなので、1/4Wなどの小型の抵抗でいいです。この消費電力は、電流リミットが働いたときの値で、ボリュームを回すとLEDの明るさが変わる範囲（電流リミットが働かない）での消費電力はほとんどゼロです。この抵抗は10kΩ～100kΩの範囲のものでいいです（精度は必要ありません）。

なお、追加する10kΩの抵抗は、基板の配線を変更して取り付ける必要はありません。ボリュームの３つの端子の真ん中の端子に10kΩを直結すればいいです。また何かありましたら質問してください。最近、パワーLED調光の質問が多いので、KODAKDEさんの質問をよく紹介しています。

お礼

ありがとうございます。

早速、10kならたくさんあるので試して見ます。
セメントの0.6や0.5などは手持ちがないので、秋葉原に行ってきます。

今までは1Ωを基準に電流計を見ながら実際に抵抗を付け替えていました。
inarai1様の計算方法でいきます。
ゲート電圧(0.6V)÷LED消費電流＝セメント抵抗
１A流したいLEDの場合
0.6V/1A＝0.6Ω
と言う事は0.6Ω以上の抵抗を選択すれば良いということですね。

定電流方式ハイパワーＬＥＤドライバモジュールなどを流用して調光する方法を聞いたのですが、パルスで調整するので気持ち的にはシリーズレギュレート方式のほうが安定して発光してそうです。

ちなみに、LED照明の照度を測る計測機器はパルスの周波数により、以前の計測機器だと正常に計測できないそうです。たしか50hz以下だと無理だそうです。
LED対応の計測器が出てきたそうです。

私も知り合いに聞かれた時に、このページを紹介しています。
本当に、ありがとうございました。

回答No.1

inara1

前の質問でお答えした者です。
ちょっと状況がよく分かりませんが、LEDの合計電流は1.4Aで、ボリュームが焦げたときのセメント抵抗は1Ωだったのでしょうか。ボリューム焦げたのは、ボリュームを右にほとんど回しきったところで、電流リミットが働いたためだと思います。

この回路は、ボリュームを右に回すほどLED電流が増えますが、LEDによって最大電流が決まっているので、それ以上の電流を流せないように、セメント抵抗とトランジスタ（2SA1015）を使った電流リミッタを入れています。具体的には、セメント抵抗の抵抗値R1（Ω）にLED電流I(A)をかけた R1*I が 0.6 以上になると、2SA1015がONになり、MOS-FET(2SJ334）のゲート電圧を上げて、LEDにそれ以上の電流を流さないようにしています。しかし、その電流リミットが働いたときに、ボリューム（VR）が右に回しきった位置（回路図では可動接点が下端にある）に非常に近くになっていると、ボリュームの可動接点とGND（0V）間の抵抗値が低い状態になっているので、添付図の左側に示したように、赤い線の経路で、大きな電流が流れて、ボリュームの可動接点が焦げる可能性があります。

これを防ぐには、添付図の右側に示したように、可動接点に過大電流が流れないように、10kΩ程度の抵抗を入れるのが良いです。こうすれば、電流リミッタが働いて2SA1015がONになっても、ボリュームの可動接点に大きな電流が流れません。

なお、セメント抵抗R1の抵抗値が大きいと、LEDに流せる最大電流が下がってしまうので、合計1.4Aまで流すのであれば、R1 < 0.6V/1.4A = 0.42Ωとしてください（添付回路では0.3Ωにしています）。

お礼

inarai1様
ありがとうございます。
おっしゃるとおり、動作検証でボリュームを右に全開にまわして、ちょっとすると電流が急に大きくなり焦げ臭い匂いが漂ってくるのです。
10WLEDの時に1Ωにしたのは、節電と安全性で考えたのですが試しに0.42Ωで組んでみます。

LEDユニットを3個並列に繋いでもトータルの消費電流で計算するのですよね。

ちなみに、300mAのLEDでも10KΩは入れたほうが安全でしょうか？
10kΩは1/4Wなど小さな抵抗で良いでしょうか。

この回路を分かっていたようで、勉強不足でした。

本当に、感謝しています。
ありがとうございました。