ＬＥＤの点灯回路について

質問

ご覧頂ありがとうございます。

ＬＥＤを縦に１２個ほど並べたものを横に15列ほど並べて、
一列ずつ点灯させられるような回路を作ろうとしています。
電源電圧：１２ｖ
（車載バッテリーを３端子レギュレータで安定化したもの）
////////////12v//////
////////////vcc//////
/////////////I///////
/////////////I///////
//////гггггггг
//////o///////////////o←ＬＥＤ
//////o///////////////o
//////o////(中略)/////o
//////o→→→→→→→ o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
//////o///////////////o
pin_B⊥←トランジスタ
//////C///////////////
//////Ｌ＿＿＿＿＿＿＿」
////////////I/////////
////////////I/////////
///////////GND////////

こんな感じの回路です。
点滅にはＡＶＲマイコンを利用する予定です。
また、ＬＥＤの各列の終端にトランジスタを配置し、
ＥにＬＥＤ、Ｂにマイコンのピン、ＣにＧＮＤで回路のオンオフを
させようと思ったのですが、トランジスタでマイナスコントロール
します。

質問１
ＬＥＤの閾値が2.0v、20mAだと、一度に直列で点灯できるのはおよそ
６個までだと思うので、これを２つ並列に接続したものを縦一列に配置
しようと思っています。
電圧は回路が分岐してもそれぞれ１２Ｖかかりますよね？
電流は分流されると思うのですが、枝分かれする回路の合成抵抗値が
同じなら、それぞれに等しい電流になって流れますよね？
(40mAで入力されたのなら20mA、20mAに分かれる)

質問２
マイコン側の電源は車載バッテリからＬＥＤ用の１２ｖ３端子レギュレータとは別の３端子レギュレータで５ｖに降圧させるつもりなのですが、トランジスタのＣはどこに接続すればいいのですか？
また、レギュレータ回路のＧＮＤ＝車体バッテリーのマイナス端子＝
ボディアースなので、Ｃから出た電流をそのままボディアースに逃がしても平気ですか？

質問３
３端子レギュレータには発振防止用のコンデンサが必要らしいのですが、
どの耐圧でどの容量のものにするのがベストですか？

質問４
回路に使うトランジスタ、３端子レギュレータで、この回路に求められる性能を持っているもの（用は使えるもの）の品名を教えて頂けませんか？
ちなみにバッテリー端子電圧は12～18ｖ程度で不安定です。

長くなってしまいましたが、よろしくお願いします。

回答No.7

mtaka2 · ベストアンサー

> 制限抵抗Ｒをマイナス側に装着するのにはなにか理由あるんですか？

いえ、深い意味はありません。発光ダイオード直列のラインの何処に入れてもいいです。
+9Vの直下に入れてもいいですし、発光ダイオードと発光ダイオードの間に入れてもOK。

> ＶＦっていうのは、下限から0.1ｖでも下回ると点灯
> しなくなってしまうんですか？

LEDの特性にもよりますのでいちがいには言えませんが、0.1Vも下回ると「光ってわいるけど明るくない」ぐらいにはなると思います。
まともに光らせるつもりなら、Vfだけの電圧を確保するのは必須です。

あとは、hs001120 さんからの指摘について

> >質問３
> 選択した３端子レギュレータの、説明書に書いてあるものを選択するのが基本です
> 「３端子レギュレータ用の発振防止コンデンサなんて、どんな３端子レギュレータでも同じだろう。」
> と考えて説明書をチェックしないのは、やめておいた方が無難です。

これは、その通りだと思います。私はいつも「どんな3端子レギュレータでも同じだろう」と適当にやってるのですが、初心者な方に推奨するような話じゃないですね。すみません。

> LEDのVFが低くなる下限のケースで計算し、
> それで算出した抵抗条件で、LEDのVFが高くなるケースで電流がどの程度になるか、さらに計算してみておく事をお勧めします。

これもその通りで、私は標準的なケースでの設計を勧めてますが、それは、
・20mAを流すのなら、発光ダイオードの最大定格は30mAぐらいあるものを利用する
といったことを想定したものです。
「最大定格20mAのLEDなら20mA流して光らせよう」なんて考えてはいけません。

もし最大定格20mAの発光ダイオードを使うなら、私なら、
15mAぐらい流すことを想定して、標準的なVfで設計し、
Vfのばらつきによってどれくらい電流が変わるか計算してみる、
という方針にすると思います。

> また、3本直列の条件で、12個15列なら20mAでも
> 20mA*(12/3*15)=1200mA
> 必要になります
> Max1A程度の3端子レギュレータでは不足ですから、こちらもご注意

三端子レギュレータの容量については、質問に
> ＬＥＤを縦に１２個ほど並べたものを横に15列ほど並べて、
> 一列ずつ点灯させられるような回路を作ろうとしています。
とあったので、「一列ずつ点灯させるなら、全て同時点灯させることはない」と読み取って
1Aの標準レギュレータで問題ないと判断したのですが、

もしかして「一列ずつ点灯」は「一列ごとに点灯消灯を制御できるようにする」という意味で、
全てのLEDが同時に点灯することがあるのでしたら、大容量品にするか複数のレギュレータを使用する必要はあると思います。

あるいは、制御側でダイナミック点灯(高速に順番に点灯させるように制御し、全てのLEDを点灯させてる場合も、ある瞬間には1列しか光っていないようにする)のであれば問題ありません。

お礼

お礼遅くなって申し訳ありませんでしたｍ－－ｍ

早速、皆様に教えて頂いた方法をつかって製作をしてみます

本当にありがとうございました。

回答No.6

hs001120

>2SC1815GRのトランジスタのデータシートを見てみたのですが、いまいち理解できませんでした・・・。
>一応、この回路で使う分には（耐圧なども考慮して）問題ありませんよね。
一応は問題ありません、
O<Y<GR<BL
の順でhFEが高く高感度です。ただし経験則的に高感度な方がデリケートで無理が掛かったときに壊れやすい
とか、適切な配線等しないとノイズ等に悩まされやすい。といった事もありますので
高いランクのものが必要無い場合に、無闇に高いランクのものを敢えて選択するのは止めておいた方が無難です。
既にGRが手元に大量にあって使い慣れていると言う場合には、敢えてYを買い足す必要もありませんけど

>あと、疑問に思ったのですが、トランジスタをマイナス側でコントロールさせずに増幅効果を持たせる意味で上流に配置した場合、ベース側からの
>電流によって増幅されるから９ｖ用３端子レギュレータのアンペアは気にしなくていいのでしょうか？

多分、いくつか勘違いされています。
・2SC1815等のNPNトランジスタの場合、エミッタを接地したときにもっとも高い増幅率になります。
(というか、接地したときもっとも高い増幅効果を得られる端子を"エミッタ"と呼びます)
・トランジスタのによる"増幅"とは100倍であれば、ベース-エミッタ間に1の電流を流したときに、
コレクタ-エミッタ間に100の電流を流すことが可能な計算になります。
あくまでも"可能"であって、電源の能力が不足なら流すことが出来ませんし、
コレクタにつながっている負荷が30の電流までしか耐えられないのであれば、
適切に制限してやる必要があります。
・上流に配置する場合、マイコンへの電源供給を負電源レギュレータで行い2SA1015等のPNPトランジスタを使う
選択もあります。

お礼

私の勘違いだったのですね＾＾；
これでなぞが解けてきました＾＾

ご指摘とご教授ありがとうございます。

回答No.5

hs001120

>電流制限抵抗はＬＥＤの閾値の下限値で計算するのがいいですか？
>それとも誤差の電圧降下を考えて上限値で計算するのがいいですか？

LEDのVFが低くなる下限のケースで計算し、
それで算出した抵抗条件で、LEDのVFが高くなるケースで電流がどの程度になるか、さらに計算してみておく事をお勧めします。

LEDのVFは温度によっても大きく変わりますから、
車用の場合、特に"温度"の条件を忘れないように注意が必要です、
冬場の夜間なら氷点下、夏場の露天駐車直後には60℃越えも珍しくないです。
日中の露天駐車直後に使うつもりがない、絶対にトンネルに入った時でも点灯しない。としても
40℃くらいの条件は配慮しておいた方が良いです。
ただ、安価な海外製だと商品説明が1ページだけで25℃条件のデータしかなく
詳細確認困難な場合もあるのですが
概ね、25℃条件で書いてあるVFの5%～10%減程度は覚悟しておいた方が良いです。
例えば25℃条件で最低1.8Vなら1.6Vなど
3本直列の条件で、LEDが3本ともVF=1.6Vなら抵抗には4V(=9-1.6×3-0.2)掛かります。
実際には安価な海外製と言ってもそこまでバラつくことはあまりありませんが、
今の季節に仮組みした物の電流が想定より少ないからと抵抗を小さく調整したりすると
夏場に破綻しますからご注意を

また、3本直列の条件で、12個15列なら20mAでも
20mA*(12/3*15)=1200mA
必要になります
Max1A程度の3端子レギュレータでは不足ですから、こちらもご注意

>質問１
>電流は分流されると思うのですが、枝分かれする回路の合成抵抗値が
>同じなら、それぞれに等しい電流になって流れますよね？
そうなのですが、現実にはバラツキがあるため、同じにならないです。
特にVFは温度が上昇すると下がるため、適当に電流を制限しなければ
下がったところへ電流が増加→さらに発熱→さらに電流増加→さらに発熱
の悪循環でLEDを痛める危険性があります。

>質問２
そもそも
>ＥにＬＥＤ、Ｂにマイコンのピン、ＣにＧＮＤで
単純な書き間違い?とは思いますが、
EとCが逆です。
また、マイコンのピンからBの間には4.7kΩ程度の抵抗が必要になります。

>質問３
選択した３端子レギュレータの、説明書に書いてあるものを選択するのが基本です
「３端子レギュレータ用の発振防止コンデンサなんて、どんな３端子レギュレータでも同じだろう。」
と考えて説明書をチェックしないのは、やめておいた方が無難です。

>質問４
既に回答がついていますが、普通の3端子レギュレータは必ず(入力電圧>出力電圧)になります
ロードロップタイプでも、入力が12Vの時は11.4V程度以下になってしまいますから、
エンジン停止中にも使うのであれば12V出力は無理があります。

9Vに下げる場合、無理に3端子レギュレータに拘らず
http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22K-02190%22&s=popularity&p=1&r=1&page=
などで9Vを得る。でも良いと思いますよ。
また、15列という事ですから安価に入手しやすい1Aタイプ3つで5列づつ分担させるという選択肢もアリだと思います。
http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-01178%22&s=popularity&p=1&r=1&page=
また、あくまでも選択肢の一つですが、ノートパソコンを車で使う時のためのアダプタ
http://store.shopping.yahoo.co.jp/denshi/0272.html
の様なものを使って電圧を15V等にして、LED直列6本+電流制限用抵抗で使用するという事も可能だとは思います。

トランジスタは私も入手しやすい2SC1815Yなどで充分と思います。

補足

回答ありがとうございます。

2SC1815GRのトランジスタのデータシートを見てみたのですが、いまいち理解できませんでした・・・。
一応、この回路で使う分には（耐圧なども考慮して）問題ありませんよね。

あと、疑問に思ったのですが、トランジスタをマイナス側でコントロールさせずに増幅効果を持たせる意味で上流に配置した場合、ベース側からの
電流によって増幅されるから９ｖ用３端子レギュレータのアンペアは気にしなくていいのでしょうか？

回答No.4

mtaka2

なるほど。そういうことでしたら、LED用電源は9Vのレギュレータで定電圧化ってことでいいと思います。

電流制限抵抗の設計方法ですが、
発光ダイオードのVfは「標準的な値」を想定して設定するのが基本です。
とくに今回の場合、発光ダイオードを直列にしていますから、
その全体での電圧降下の合計は、ほとんど平均からばらつかないことになります。

たとえば、電源9VにLEDのVfが2Vのを3本直列とした場合、
トランジスタの電圧降下0.6Vを入れると、
電流制限抵抗にかかる電圧は標準で2.4Vになるので、120Ωで20mAになりますが、その設計で
もしLEDが三本ともVf1.8Vなら抵抗には3.0V(=9-1.8×3-0.6)かかり電流は25mA、
もしLEDが三本ともVf2.2Vなら抵抗には1.8V(=9-2.2×3-0.6)かかり電流は15mA、
といったことになっちゃうわけですが、
3本が「1.8Vと2Vと2.2V」なら、電流は設計通りの20mAになります。
つまり、最悪でも±25%ぐらいしか変動しないし、実用上は確率的に変動幅はもっと小さくなります。

このぐらいだと、視覚上は違いはまずわからないと思いますし、
そもそも抵抗の方も±10%とかの誤差がありますから、
それ以上細かく設計するのはあまり意味がありません。

それでも明るさの違いが気になる場合は、
発光ダイオードのVfを測定して選別し、「3本足したらだいたい6Vになる」ような組み合わせを選ぶようにします。
その場合は、抵抗の方も選別する必要があります。
120Ω1本の代わりに、68Ωと56Ωを使って抵抗2本直列で抵抗値が揃うようにする、など

お礼

回答ありがとうございます・

なるほど。そういうバラツキって厄介ですね。

ＶＦっていうのは、下限から0.1ｖでも下回ると点灯
しなくなってしまうんですか？

回答No.3

mtaka2

たびたびすみません、画像添付にまた失敗したのでテキストで。
12V駆動の場合はこんな感じで。
4本直列のLEDにさらに抵抗を直列にしてから、
それを3つ並列にしてトランジスタに入れます。

▽はLEDのつもり。Rが電流制限抵抗です。

　　　　↑電源
　　　　├─┬─┐
　　　　▽　 ▽　 ▽
　　　　│　 │　 │
　　　　▽　 ▽　 ▽
　　　　│　 │　 │
　　　　▽　 ▽　 ▽　　　　　　×15
　　　　│　 │　 │
　　　　▽　 ▽　 ▽
　　　　│　 │　 │
　　　　R 　 R 　 R 電流制限抵抗 180Ω
　　　　│　 │　 │
　　　　├─┴─┘
AVR←TR
　　　　↓GND

補足

分かりやすい解説ありがとうございますｍ－－ｍ
初歩的？な疑問なのですが、制限抵抗Ｒをマイナス側に装着するのには
なにか理由あるんですか？

回答No.2

mtaka2

すみません、画像投稿に失敗したので再挑戦です。
LEDとトランジスタの接続回路については、添付の画像のようにしてください。

回答No.1

mtaka2

12Vのバッテリからは三端子レギュレータでは12Vは作れません。
ある程度の電圧差(通常で+2V～+3V、低ドロップタイプのICでも+0.6V)が必要です。
LEDを光らせるのが目的なら、LED側は三端子レギュレータによる定電圧化は不要でしょう。

少しぐらいの電圧変動なら、LEDの明るさが少し変わるぐらいで特に問題ないです。
どうしてもLEDの明るさを一定にしたいなら、9Vの三端子レギュレータを使ってください。

> 質問１
トランジスタによる電圧降下(およそ0.6V)と、電流を安定化させるための
電流制限抵抗にかかる電圧もあるので、12V電源で6個直列は無理です。
12個だったら、「LED4個直列」を、3並列にするしかないでしょう。

「4個直列のそれぞれに電流制限抵抗を付ければ」、それぞれに一定の電流を流せられます。
(「並列に接続するそれぞれに電流制限抵抗をつける」のはLEDを点灯させる場合は必須です)
12V(電源)-2V×4(LED)-0.6V(トランジスタ)で、電流制限抵抗には3.4Vがかかりますから、
180Ω(=3.4V/0.02A)で約20mAになります。

上述の9V三端子レギュレータを使うなら、「LED3個直列」を4並列に。
その場合は、電流制限抵抗には9V-2V×3-0.6=2.4Vがかかりますから、
120Ω(=2.4V/0.02A)で20mAになります。

> 質問２
ボディアースがバッテリのマイナス側なのなら、GNDをボディ直結でOKです。

> 質問３
３端子レギュレータには発振防止用のコンデンサが必要らしいのですが、
どの耐圧でどの容量のものにするのがベストですか？

何が「ベスト」かは簡単には言えませんが、
簡単・確実にいくなら、耐圧は電源の2倍ぐらいで、入力出力それぞれに100μFの電解コンデンサと0.1μFのセラミックコンデンサを入れればいいでしょう。

> 質問４
> 回路に使うトランジスタ、３端子レギュレータで、この回路に求められる性能を持っているもの（用は使えるもの）の品名を教えて頂けませんか？
> ちなみにバッテリー端子電圧は12～18ｖ程度で不安定です。

トランジスタは、2SC1815などの定番品で問題ないでしょう。
3端子レギュレータも、7805(5V)、7809(9V)などの定番品で問題ないです。

補足

説明不足でした。
バッテリー端子電圧はエンジン始動中ですと14～１８ｖに達します。
ですが、エンジン停止中の電圧なども考慮して、９ｖの利用も考えて見ます

＞LEDを光らせるのが目的なら、LED側は三端子レギュレータによる定電圧化は不要でしょう。

定電圧化しないと電圧が変動しますから、電流制限ダイオードを使用する必要がありました。しかしこの部品はやや高価なのでそれを使わないようにと１２ｖ定電源を考えた次第です。

あと、一点だけ詳しくお教え願いたいです。
＞「4個直列のそれぞれに電流制限抵抗を付ければ」、
電流制限抵抗はＬＥＤの閾値の下限値で計算するのがいいですか？
それとも誤差の電圧降下を考えて上限値で計算するのがいいですか？

よろしくお願いしますｍ－－ｍ