昇圧回路を使うか、電源を増やして直列にするか。

質問

昇圧回路を使うか、電源を増やして直列にするか。

現在、パワーLEDライトの自作をしようと思っています。
9.3Vtyp 480mA 必要なLEDなのですが、これを充電電池（単3）で駆動しようと思います。

・1.2V 2700mAh の電池を8個直列にし、9.6V 2700mAh　電源とするか、
・4個直列にしたものを2つ並列接続し、4.8V 5400mAh→11Vに昇圧するか、

どちらにしようか迷っています。

LEDの定格ギリギリで、なおかつ電池8個を直列ともなると、電圧が下がってきてすぐLEDが消えてしまいそうです。

昇圧回路を使用するのであれば、余裕をもって電圧を上げてみようと思うのですが、
果たして、電池の持ちはどちらが良いのか疑問に思っています。

LEDを長く点灯できるのはどちらでしょうか。
ご教授下さい。

回答No.4

mtaka2 · ベストアンサー

> ベース電流生成に、半固定抵抗を用いる場合と、FETを用いる場合だと、消費電力が小さいのはどちらなんでしょう？？

トランジスタのベースに、「480÷hFE」mAを流すことで、
コレクタに480mAを流すように調整するわけですから、
ベース電流を同じにする以上、ベース側での消費電力はどんな回路で実現してもまったく同じです。

どちらを使う場合でも、
hFEが100なら、ベース電流5mA程度で、電圧11Vで消費電力は0.055W
hFEが320なら、ベース電流1.5mA程度で、電圧11Vで消費電力は0.017W
ということになります。

> 2SC1959-Y(F)　　http://www.marutsu.co.jp/user/shohin.php?p=40816
> これなんか、Ic=500mAギリギリですけど、Vce=0.1Vと優秀ですよね。
> Ic=1Aでいけば、2SC1383なんて、どうでしょう。
> https://www.marutsu.co.jp/user/shohin.php?p=92

1959はダメです。500mAを流す設計にの、500mAのトランジスタを使うのは絶対ダメ。
最大定格は「それ以上電流を流したら壊れる」という数値です。
通常は、2倍ぐらいの余裕を持たせる(定格の半分以下の電流を流すようにする)ものです。

2SC1383 は問題ないと思います。

お礼

もう、ホント、何から何までお世話になりました。

とても勉強になりました！！

丁寧な回答に感謝します。

消費電力が同じということで、FETについても勉強してみます・・・。

ありがとうございました。

回答No.3

mtaka2

> ・または、LED-トランジスタと並列に、抵抗だけ入れても大丈夫か

12V-ベース間を、FETによる定電流回路の代わりに、抵抗を入れるってことですね。
確かに、LEDの定電流駆動にそれほどこだわりがないなら、抵抗1本で十分だと思います。
ただし、トランジスタのhFE(増幅率)は素子ごとにかなりばらつきがありますので、
固定抵抗ではなく半固定抵抗にして、実際に組んだ状態でテスター(電流計)で電流を測りつつ調整した方がいいと思います。

> ・FET,トランジスタ,抵抗選定の方法
トランジスタは、NPNで500mA以上流せるものならどれでもいいでしょう。余裕をみて1A以上で探すぐらいで。
あとは、型番を先に決めてから入手手段を探すよりは、
入手できるトランジスタ一覧の中から目的にあったものを探す方がいいでしょう。
例えば、秋月電子なら
http://akizukidenshi.com/catalog/c/cnpn_dD/
ここを見たかぎりでは、2SD2012 なんかが、Vceが低いのでなかなか良さそうです。

ベース電流生成に抵抗を使う場合、
2SD2012 の hFE は 100～320となっていますから、
480mA駆動するためには、ベース電流は 4.8mA～1.5mAになります。
電源電圧11V、抵抗にかかる電圧を10.6V(11V-0.4V)とすると、
抵抗は2.2kΩ～7.1kΩとなりますから、10kΩぐらいの半固定抵抗でいいでしょう。

これで 電源電圧11V時に480mA流れるよう調節した場合、
電源電圧が9.7Vに落ちた時点で流れる電流は
抵抗にかかる電圧は12%減(9.3V→10.6V)で、LEDに流れる電流も12%減の420mAになります。

お礼

スミマセン。
調べが足りませんでした。

ゲルマニウムは、入手性が悪く、価格も高く、
NPNが少なく、Icは低く、hFEも低いという傾向がある気がしました。

なので、シリコンでVceの低いものを選ぼうと思います。

2SC1959-Y(F)　　http://www.marutsu.co.jp/user/shohin.php?p=40816
これなんか、Ic=500mAギリギリですけど、Vce=0.1Vと優秀ですよね。
Ic=1Aでいけば、2SC1383なんて、どうでしょう。
https://www.marutsu.co.jp/user/shohin.php?p=92

補足

またしても実際的なご指導、ありがとうございます。
hFEはそこまでバラツクものなんですね・・・半固定抵抗とは、思いつきませんでした。

ベース電流生成に、半固定抵抗を用いる場合と、FETを用いる場合だと、消費電力が小さいのはどちらなんでしょう？？

半固定抵抗のほうは0.05Wくらいかと思ったのすが、FETは確実にそれよりは消費電力多いですよね？

今のところ、半固定抵抗の方針で行こうと思います。

ちなみに、VceとVbeって別物ですか？？
Vbeをカットオフ電圧（シリコンで約0.65V）と理解してたんですが・・・

あと、このカットオフ電圧を低くしようと思って、ゲルマニウムトランジスタに手を出すのは愚かでしょうか。

回答No.2

mtaka2

昇圧回路の変換効率はそれほど高くありません。
個人で工作できるレベルだと、50%～80%といったところじゃないでしょうか。

また、ニッケル水素電池は、ギリギリまで1.2Vの電圧を維持でき、その後すとっと落ちるような放電特性を持っています。

エネループの放電特性を調べた人のページ
http://www.kansai-event.com/kinomayoi/battery3/eneloopR.html
の、500mA定電流放電のグラフを見ると、
1.16V(9.3V÷8)にまで落ちるのは3時間40分ぐらいのところで、
その時点でもうほぼ電池容量を使い切った感じになってます。

ですが、だからといって9.3V480mAのLEDを3時間40分駆動することはできません。480mAを流すための定電流回路が必要になります。
少なくとも、この程度の電圧差では、電流制限抵抗1本ですませるのは無理。
(0.6Ωの抵抗を使えば、9.6V時に500mAになりますが、セル電圧1.25V=電源電圧10V時には、1.2Aも流れてしまう計算になります)

出来るだけ低ドロップな定電流回路となると
http://vicdiy.com/assy_knowhow/034/034.html
このページの「定電流駆動のその他の方法」右図
のような、直列はトランジスタ1本だけの回路が必要になるでしょう。
トランジスタ1個分、+0.65Vの電圧が必要になりますから、
9.3+0.65=9.95V、セル1本あたり1.25Vが動作のリミットということになります。
そうなると、上述のグラフを見ると、稼働時間は3時間ぐらいと推測されます。

一方、4直列-2並列にした場合。
変換効率が80%とすると、11V500mAにするためには、元の電圧が平均1.25Vとして、5V-1380mAになります。
(11V500mA=5.5Wの出力で、変換効率80%とすると、入力は6.9W必要。6.9W÷5V=1380mA)

2並列なので、セルあたり690mAですから、消費電流は38%増。→稼働時間38%減
一方、上述の放電グラフを見て、終端電圧1Vまで使ったとすると、
3時間50分まで50分ほど(27%)延びています。

まとめると、効率80%で、1Vまで使い切ったら、
38%減と27%増で、差し引きすると8%減(1.27/1.38=0.92)になり、
2時間45分ぐらいは使える計算になります。

80%という高い変換効率を仮定してもこれですから、そうなると、
「0.7Vという低ドロップな定電流回路を作れる」のなら、
「わざわざ並列にしてから昇圧する」よりは、
昇圧回路なしに直結した方が長持ちなのは確実でしょう。

補足

詳細な回答に感謝します。　ありがとうございます。

電池8個直列で、電圧最大11Vちょっとありました。（実測）

昇圧の効率が気がかりだったのですが、やはり直列の方が良いんですね。
それで、紹介してもらったような回路を構成してみようと思います。

しかし、私の調べ方が悪いのか、どのトランジスタ・FET・抵抗を組み合わせれば良いのか、サッパリです。
ぶっちゃけ、並列になってるFET無くしてしまって、抵抗に4.3kΩとか入れたら、
LFE=100として、LEDには400～460mA（9.6～11V）流れるので、アリなんじゃないかって思うんですけど、
どうでしょうか。

整理すると、
・FET,トランジスタ,抵抗選定の方法
・または、LED-トランジスタと並列に、抵抗だけ入れても大丈夫か

という点を、再度教えていただけると、とても助かります。
（それか、勉強になるサイトなどがあれば、教えて下さい。）

回答No.1

kringon

面白そうなチャレンジですね。
自分も8直か4直×2のどちらが持つのか？？？？
昇圧回路の設計や電池の性能に結構依存しそうな感じです。
エネループとエボルタによっても違った結果がでるかも？
いずれにしても、9.3Vtyp 480mA ですからアップアップの状況ですね。

自分なら思い切って電圧マージンを十分にとって電池を10本直につないで昇圧回路なし（制限抵抗一本）にて点灯させると思います。
又はドライブ用のトランジスタとICで高速パルス点灯させて、電力消費を押さえ（見た目だけ明るく）させるのも手かと。
LED供給を200ｍA程度に制限すれば、単3乾電池でもかなり持ちそうな。
多分LEDですから20ｍA程度でも一応はそれなりに点灯しているでしょうし。
単3乾電池でどこまでできるのか？これはちょっとしたロマンですね。（単にこの世界の事を知らないだけのことですが）

補足

フラッシュICは思いつきませんでした！

挑戦してみたいですね。

どうでもいいことですけど、投稿日時がスゴいことになってますね。(笑)