LEDの温度係数

LEDの温度係数に関するトピックをいくつかまとめて書きました。

  • LEDはVFの個体差と温度係数により並列にできない
  • 実測から温度係数が負であることを確認した
  • LTspiceのモデルには不備がありそう


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LEDは並列接続できない


GaN系LEDの並列接続についてによると、LEDを個別の電流制限抵抗無しに並列接続することは推奨されません。これはLEDの順電圧VFと順電流IFの関係が非線形であり、順電圧の個体差による順電流のアンバランスが無視できないほど大きくなりうるためです。


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fig.1: LEDの並列化は推奨されない


さらに、LEDの温度係数が負である事もアンバランスに拍車をかけます。fig.2は白色LEDNSCW100の周囲温度-順電圧特性グラフです。


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fig.2: NSCW100の周囲温度-順電圧特性


LEDに順電流が多く流れているほど、発熱による温度上昇も大きなものとなります。
したがって、ばらつきによって順電圧が小さかった個体のほうが電流が大きくなり、温度上昇するため、順電圧が下がりやすい傾向にあります。

基準電圧源として使う


さて、LEDは広い駆動電流範囲にたいして狭い順電圧特性を持っています。そのためツェナーダイオード代わりの簡単な基準電圧源として使われることがあります。以前製作した5-500mA定電流電子負荷でもLEDを基準電圧源としています。

このアプリケーションでは、電流値の設定は可変抵抗で行うためLEDの順電圧の確度自体は重要ではありません。しかしながら、目標電流値設定後のドリフトは、出力電流の変動に直結するため問題となります。

(余談ですが、この定電流電子負荷をLTspiceをもちいて負帰還安定性判別してみたところ、発振する不安定な回路であると言う結果が出てしまいました。実際には製作しない方がいいと思います。すでに作ってしまった方はごめんなさい。負帰還安定性判別の詳細も後ほどエントリにまとめる予定です。)

温度試験


こういった背景から、今回のエントリでは温度変化に対するLEDの順電圧変動に関する定性的な評価を行います。

fig.3に示す実験回路を作成しLEDの順電圧を測定しました。
測定対象のLEDは、手元にあった型番もメーカーも不明な赤色LEDです。
Dummy Loadは、5-500mA定電流電子負荷を使用しました。


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fig.3: 実験回路構成


温度を測定する方法が無いので、測温はしていませんが、30秒あたりから65秒あたりまでドライヤーで温風を当てた際の順電圧VFと順電流IFの測定結果をfig.4に示します。


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fig.4: 順電圧の測定結果


大雑把に1.85Vに対して0.1Vと考えると、約5.6%の変動です。定電流回路のための基準電圧源とすればかなり大きい方だと思いますが、前述の電子負荷の設計思想から考えればまあまあの値だと思います。

LTspiceモデルの温度特性


ところで、LTspiceには各種LEDのモデルが標準で付属していますが、これらのLEDの温度特性のモデル化は成されていないようです。
以下に、LTspiceを用いたLEDの温度特性に関するシミュレーション結果を示します。


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fig.5: スケマティック

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fig.6: 温度特性が正になっている


シミュレーションに用いたLEDのモデルは、fig.2に特性を示したNSCW100です。
ここでfig.6とfig.2を比較すると温度に対する順電圧の変化が逆の傾向を持っていることがわかります。LTspiceに標準で登録されているLEDモデルを用いた温度解析は出来そうにありません。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイル、実測データ、回路図ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


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tag: HP6632A LTspice R6452A 定電流 電子負荷 LED 温度解析 

METEX P-10 電流レンジのばらつき

3つのMETEX P-10(Red/Yellow/Green)に関して、電流レンジの誤差のばらつきを測定しました。その結果、オートレンジの切り替え前後で測定の不連続がはっきりと見えました。

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○複数テスタの個体間の差
以前DCDCコンバータの変換効率の測定を4つのデジタルテスタで行った際、テスタの位置を入れ替えると組み合わせによっては効率が100%を超えてしまった、と言う話を聞いたことがあります。当然ながらテスタの表示には誤差が含まれていて、それらの誤差は固体によってばらばらです。

私の手元には、秋月電子通商で購入したMETEXのP-10が3台あります。
本エントリでは、METEX-P10の大きい方の電流レンジ(mA)レンジについてこれら3台のばらつきをR6452Aを基準に測定します。

○基本確度
P10の基本確度はMETEXの該当ページによると

±2.0%+4dgts

です。
±2.0はrdg.だと思いますが、言及がありません。rdg.だと信じることとします。

○測定回路

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fig.1: 測定回路


測定には蒸気の直列回路を用いました。識別のため、P-10にはコードネーム(Red/Yellow/Green)をつけました。
システム電源HP6632AのCCモードは低電流域では電流を絞りきれなさそうだったので、自作の電子負荷を用いました。

○測定結果
以下に示すのが測定結果です。横軸にR6452Aで測定した電流、縦軸にP-10とR6452Aの差(I{P10}-I{R6452})をとりました。


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fig.2: R6452Aとの差


○トレンドと不連続点に関する考察
fig.2をみると3つとも40mA付近に不連続点があります。Greenの不連続点は特に顕著です。
これは、P-10のmA電流レンジには、0-40mAと40mA-200mAの2レンジ存在し、これがオートレンジ機能によって切り替わったためと考えられます。

Greenに関しては、150mA付近からトレンドが変化しているように見えますが、これは何が原因であるか分かりません。

○基本確度の公称値との比較
以下に示すのは、前述の測定データに加えて、P-10の基本確度から求めた誤差の最悪値を実線としてプロットしたグラフです。


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fig.3: 基本確度との比較


(R6452Aの測定値が正しいとするならば)METEX P-10の電流レンジの確度はそこそこの値に収まっていると考えることができます。

○関連エントリ


○参考URL


○付録
このエントリの測定データとBSch3Vの回路図ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


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tag: HP6632A R6452A P-10 電子負荷 

EJ No.3にちょこっと写真が載りました。

エレキジャックNo.3にほんのちょっとですけど、私の作った回路が載りました。

定電流電子負荷(許容損失2.5W/5-500mA)です。



これは以前EJ No.2付録基盤作品募集というのをやっていたので、投稿したものです。要領のところに書いてあるとおり載ったといっても写真と作品概要だけなんですけどね。

さてお題のEJ No.2 付録蛇の目基板ですが、サイズが小さいので、簡単な回路しか組めません。正直最初は発振回路でLEDピカピカぐらいしか思い浮かばなかったのですが・・・発振回路やLEDピカピカが激戦区であろうことは想像に難くありませんでした。

実際にその予想は大当たりで、私以外の4名の投稿者の方のうち2名がLEDピカピカでもう2名が発振回路という・・・流石に掲載されるだけあって皆さん一ひねりしてあります。とても興味深いです。それぞれの投稿者様の名前でGoogle検索をしてみると、皆さんウェブページをお持ちの方ばかりです。こういった縁で見つけたウェブページはまさにエレキジャック(電子工作仲間!)という感じですね。(私が勝手に思ってるだけですがw)

記事掲載の順番に紹介すると次のようになります。
澤田淳一さん  BWT Lab. 該当ページ
おんちゃんさん おんちゃんの電子工作室 該当ページなし
智田聡丞さん  怪盗列車/Sailors Presents 該当ページ
櫻井俊一さん  エレ工房さくらい 該当ページ

ヒカリもののお二方はエレキジャック内で十分な解説がなされています。おんちゃんさんのウェブページは残念ながら最近は更新が止まっているようですが、メインはマイコンのソフトウェアでしょうから作ろうと思えば何とかなるでしょう。一方、智田さんのページには丁寧な解説があります。

智田さんの矩形波発振器ですが、なかなかに興味深いです。あの大きさの基板に14pin DIPをもってきたのも驚きですけど、周波数可変とDuty比可変を選べるというのが便利そうです。インバータとRとCで周波数可変発振器が、Dを加えてDuty比可変発振器が作れるのは知ってましたけどボリュームのつなぎ方を変えてそれらを両立させるというのは考えませんでした。私だったらすぐ誘惑に負けてマイコンを使ってしまうところです。ここで4000シリーズを使うことで電源電圧が広く取れるのがミソですね。

定電流電子負荷(許容損失2.5W/5-500mA)

EJ No.3に掲載された写真の回路図は、以下のものになります。


しかしLM358の出力電圧範囲の都合で電源電圧3.3Vでは500mAは吸い込めないことに後から気がついたので、今から本当に作る人はこちらの回路図を参考にしてください。



回路の説明

回路の説明は改良版の回路図に基づいて行います。基本的にはEJ No.3の写真のバージョンでも同じです。

・電源用ローパスフィルタ
入力のノイズ除去用につけた簡単なCRローパスフィルタです。制御部全体の消費電流分の電圧降下がR7の両端に発生するので、制御部の消費電流とOPアンプの最低動作電圧などからR7の値を決定します。私はたまたま手元にあった51Ωのチップ抵抗を使いました。
C3の容量は必要なローパスフィルタに必要な時定数から決定します。用途によりますが、おそらくここで使う電解コンデンサの耐圧が回路全体の耐圧のうちで最も低い部分になるでしょう。私は16Vの物を使いました。

・約5mA LED駆動用定電流源
基準電圧源に使うLEDを駆動するための定電流回路になります。私は手元にあったPch J-FETで作りましたが、わざわざ買うなら定電流ダイオードのほうがいいと思います。

・目標電流設定用基準電圧源
LEDのVfが電流にかかわらずほぼ一定であることを利用した基準電圧源です。LEDの色は赤か黄色を選んでください。Vfの大きい青や白色では動作可能電圧が上がってしまいます。
私はパイロットランプも兼ねられるかと思いLEDを使いましたが、素直にTL431のような基準電圧専用ICを使ってもよいでしょう。

・電流検出抵抗
誤差アンプでフィードバックをかけるための電流値を検出するための抵抗です。500mAで0.5Vの電圧を得るため1Ωを利用しています。500mA流したときの電流検出抵抗での損失は0.25Wとなるので1/4W以上の許容損失のものを使います。

・誤差アンプ
電流検出抵抗の両端に発生する電圧と目標電流値を比較し、フィードバックするアンプです。ゲインは何の根拠もなく100倍、R3-R6の値や発振防止用に入れたC4の値も手元にあったものを適当に入れただけなのでまじめな性能を求めるならパラメータは要検討です。
OPアンプの選択の条件としては単電源動作でGNDレベルまで入力できることと、電源電圧3V以上で動作することです。幸いにしてLM358が非常に廉価で入手性に関しても非常に優れています。

・負荷用トランジスタ
電力を熱に変えて消費する、実質的な負荷です。したがって動作中は温度が上がります。5Vで500mA吸わせているときはかなり熱くなるので触らないでください。2SC3709AなどのTO-220パッケージは大抵ヒートシンクなしで2.5Wまでの損失が許容されますが、連続使用を想定するなら簡単な金属片でもよいのでヒートシンクをつけるほうが無難です。

想定する用途

主な目的はEJ No.3にも書いてあるとおりマイコンなどの電源回路の特性試験用です。
5V電源が主な対象ですが、電流値が小さくてもよいならアナログ用の12Vなどの試験にも使えるでしょう。3.3V電源の試験にも使えないことはないでしょうが、電流を取り出すことにより電源が電圧降下を起こすと電子負荷側の挙動が怪しくなるのであまり現実的ではないかもしれません。

また、単純に電圧源を電流源に変換する回路であるとも考えられるので、5V前後のドロップが許容されるなら定電流駆動する負荷に対する簡単な定電流電源とすることも考えられます。
具体的にいうと、LEDのVfのばらつきを測定するための電流源など。あるいはmΩオーダーの抵抗に電流を流して両端の電圧を測定すれば、抵抗値のばらつきぐらいは見られるかもしれません。

最後に

当然ながら、動作は無保証です。部品は汎用的なものを選んだので入手には困らないと思いますが、LM358の入力オフセット電圧や2SK30Aの定電流回路などは部品のばらつきにより挙動が変わってくるかもしれません。正直あまり再現性の高い回路とはいえないでしょう。そのあたりの調整は作る人ががんばってください。

EJ No.3にもまた小さな蛇の目基盤がつきましたね。またこのような募集はあるのでしょうか?もしもあるなら、また挑戦してみたいです。といっても、まったくいいネタが思い浮かびませんがw

最後になりましたが、面白い機会を与えてくださったEJ編集部の皆様ありがとうございました。

tag: 定電流 トランジスタ 電子負荷 

簡易電子負荷

むしゃくしゃしていたので電子負荷を作りました。




まじめに考えずに決めた仕様は
(1)最小電圧:3.3V
(2)最大電圧:12V ぐらい
(3)最小電流:5mA
(4)最大電流:3A ぐらい
(5)最大電力:壊れない程度

回路図は以下のとおりです。




使わないときはケースにしまっときます。




設計に際して気にした点は
・3.3Vからソースパワーで動作。
・手元にある部品だけで作れる。
です。だからヒートシンクとかは買った覚えが無いのに家に転がっていたやつです。2SA1451Aの消費電力なんかは簡単に定格オーバーしてしまうと思いますけど、短時間なら壊れないでしょ。きっと。という精神に則っています。

よって、ヒートシンクがすぐにあっちっちになるのは許せるとしても、配置が悪いおかげでOPアンプまで簡単にあっちっちになります。まぁ、これも気にしない。

ってか、アナログ回路なめてました。サーセンwwww
最初超適当に作ったらあっちこっち発振して手がつけられませんでした。上に上げた回路図は仕方ないからいろいろなところに抵抗やらコンデンサやらを入れてなんとかしたやつですけど、実を言うとまだオペアンプが発振してますwwwww

ってなわけで、(もしもいるなら)参考にしようと思っている方は各種パラメータとか熱設計とかかなり気をつけて作ってくださいね。

以前のサークル現役時代ならこいつを使ってNiMH充電池の放電特性を調べたりしたと思うんですが・・・今なら何に使おうかな・・・

tag: 定電流 トランジスタ 電子負荷 

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