自作

ダニ式超ウルトラ・スーパークール（白色ＬＥＤスポットライト）自作（２００３年３月記）

前々から気になってた白色ＬＥＤ。　これで照明を作るとどうなるのか？
え〜い！　作ってやれ！　てな事で作ってしまいました・・

さて、そもそもＬＥＤとはなんぞや？　って思ってるあなた！　目の前のパソコンの電源ランプがＬＥＤです。
携帯電話の照明もビデオデッキの表示ランプも、交差点の最新信号機もす〜べてＬＥＤです。
ＬＥＤとは、フィラメントに電流を流して発光する白熱電球や、メタハラや蛍光灯のような放電による発光とは全然違う半導体による発光物体なのです。
ＬＥＤの特徴は
　　・ほんのわずかな電流で光る。
　　・単色光ＬＥＤの場合、発光効率が良い！
　　・熱線が前に出ないので、水槽の水温上昇が少ない。
　　・赤外、赤、黄色、オレンジ、緑、青、紫外、白色の色バリエーションが有る。
　　・超小型
　　・低電圧で発光可能
　　・寿命は半永久的（使い方、種類による）
短所は
　　・ＬＥＤ１個当たりの光量は微々たる物。
　　・照度の割に高価
　　・非線形素子なので、電源を直接接続出来ない。　安定器みたいな物（電流制限回路）が必要。
　　・温度係数は負なので、設計ミスると熱暴走する。

どうです？　使ってみる価値有りでしょ？

−−−白色ＬＥＤについて−−−　
ＬＥＤは元々単色光源で、赤外線、赤色、黄色、緑色、橙色、青色、紫外線などが有ります。
あれ？？白色ＬＥＤは？とお思いでしょう。
実は白色発光するＬＥＤ素子は世の中には無いのです。
現在売られている白色ＬＥＤの中身は、実は青色なんです。
青色ＬＥＤの後ろに黄色蛍光体の反射板を組み合わせて、反射板に飛び込んだ光は黄色に変換されて前方へ飛び出します。
そして青色＋黄色が混ざって白っぽい光に見える訳なんです。
本来、白色の光を作るには青、赤、緑の３色（光の三原色）が必要なんですが、２色で無理矢理作った光ですので演色性が非常に悪い。
特に赤色の被写体の色がうまく出ません。
しかも黄色蛍光体で光を変換するのに、かなり光量が落ちますので単色ＬＥＤより効率が悪い。
但し最近になって緑色、赤色の蛍光体を使い、光の三原色で白色を作る高演色ＬＥＤが発表されたみたいですが、こちらはさらに効率が悪いみたいです。
また、反射板に塗られた蛍光体がＬＥＤの出す紫外線と熱で劣化し、使っている間に色温度が変化したり光量が落ちる現象が報告されてます。
特に中○製の安い白色ＬＥＤには気を付けた方が良さそうです。

白色ＬＥＤには「赤」、「青」、「緑」　の３個のＬＥＤチップを使って白色を出す物も有ります。
携帯電話のカメラ用補助ライトがそれですね。
３個のチップに流す電流をそれぞれ調整する事でいろんな色を出す事が出来ます。
これはさらに結構な値段が致しますので、今回のライトには使いませんでした。

−−−今回買ったＬＥＤ−−−
今回買ったのが日亜化学工業のＮＳＰＷ５００ＢＳです。
秋月電子通商でも売ってますよ〜！
秋月では安価な中国製も売っていますが、ちょっと品質がイマイチっぽいです。
詳しくはうつきさんのＨＰを見て下さい。

最近安くなったとは言え、赤や黄色のＬＥＤに比べて約１０倍の１本百数十円(-_-;)
１個の照度は屁みたいな物だから、今回は５４本並べました。
百数十円×５４本＝岩崎メタハラ２５０Ｗブルー球よりも高い！！(T_T)
何とかしてくださいよ日亜さん！
ま、ランニングコストは無茶苦茶安いけど・・・・・

アクア用に使うと言う事は、色温度が気になりますよね。
残念ながらＬＥＤには色温度データが無いので、実際の色温度は不明ですが、見た目ちょい青っぽい８０００Ｋぐらい・・かな？
これがＮＳＰＷ５００ＢＳの発光スペクトラムです。　青色と黄色にピークが有るでしょ？
青色はＬＥＤ本来の色で、黄色が反射板の色です。
凄いのは、紫外線も赤外線も熱線も殆ど出てないって事！　目に見えない無駄な光が無い！
ＬＥＤのデータシートはここをクリック
　　　　データシート１
　　　　データシート２


まずはＬＥＤの点灯回路を考えましょう！
ＬＥＤは白熱電球と違って非線形素子なる物です。
ＬＥＤの両端の電圧は順方向電圧と言う固有の物で、何ボルトかけても殆ど変わりません。
だから３．５ＶのＬＥＤに６Ｖの電源を接続する事は、３．５Ｖの電池と６Ｖの電池を並列に接続したような状態になり、過大な電流が流れショート状態になるのです。
良くＬＥＤに直接電源を接続してる人が居ますが、やめなはれ〜！　過大な電流が流れて居ますよ！　寿命が極端に短くなりますよ〜！

以下技術的な話しになりますので、興味無い人はすっ飛ばして読んでくだされ。
ＬＥＤには絶対最大定格と言う越えてはならない電流値が有ります。　
今回使用したＮＳＰＷ５００ＢＳは２５℃で３０ｍＡです。温度が４０℃では２３ｍＡまで下がってしまいます。
これを越えないように回路を設計すれば良い訳ですね。
では標準的な回路図

上にも書いたけど、ＬＥＤに直接電圧をかけると過電流が流れてしまいます。
ええ？だったらＬＥＤ固有の電圧Ｖｆと同じ電圧をかけてやれば問題無いのでは？　と、疑問に思う方もいらっしゃるでしょう。
残念ながらＬＥＤ固有の電圧Ｖｆは温度により変動するんですよ〜。
ぴったりの電圧をかけたつもりでも、温度変動によりＶｆが下がると過大電流が・・・

普通は図のように電流制限抵抗Ｒを直列に接続し、電圧では無く電流値で設定します。
ＮＳＰＷ５００ＢＳの場合、温度を２５℃　電流を２０ｍＡに設定すると、Ｖｆは約３．３Ｖ
電源Ｖｉｎを１２Ｖに設定すると、Ｒの両端にかかる電圧はＶｉｎ−Ｖｆだから１２−３．３＝８．７Ｖ
ＬＥＤに流れる電流が２０ｍＡなので、Ｒにも２０ｍＡ流れます
オームの法則により、Ｒ＝８．７÷２０ｍＡ
Ｒ＝４３５Ω

４３５Ωって抵抗は売っていないので、近い値の４３０Ωを直列に接続します。

普通はこれで良いんだけど・・・・これじゃ効率悪すぎ！
上の回路でＬＥＤでの消費は、３．３×２０ｍＡ＝６６ｍＷ
抵抗Ｒの消費は８．７×２０ｍＡ＝１７４ｍＷ
効率２７．５％・・・・これじゃ抵抗での消費の方が全然大きい！
対策は電源電圧を５Ｖ程度に落とすか、ＬＥＤの直列駆動です。
でもＬＥＤを５４個並べると抵抗も５４本。　こりゃめんどくさ過ぎ。

結局今回の回路は電源電圧を２４Ｖにして、ＬＥＤを６本並べる事にしました。
こんな感じ

電流を２０ｍＡに設定すると、Ｒ＝（２４−（３．３×６））÷０．０２
Ｒ＝２１０Ω
効率は８２．５％！！
電源電圧２４Ｖだと、７本直列出来るのですが、温度によるＶｆの減少を制限抵抗Ｒが吸収しきれなくなるので危険です。

欲を出してもちょっと光を強くする為に抵抗Ｒを１５０Ωで実際に光らせて見ると・・・・・時間と共に電流がどんどん増加！
ついに絶対最大定格越えても、どんどん増加・・・・・(T_T)
ＬＥＤを点灯させると、わずかですが熱が出ます。
熱が出ると、Ｖｆが下がって電流が増加します。
電流が増加すると熱が増えて・・熱が高くなると電流が増加して・・・・無限
これが熱暴走ですわ・・・
難しいですね〜


最終的な回路はこれ。


ＬＥＤが５４個！！！
設定電流は輝度より安全を重視して１５ｍＡ
実際電流を測定しながら抵抗を決めるとＲは３１０Ωでした。
計算通りにはなりませんねぇ。


大袈裟だけど、測定器を付けてデータ取り。
測定データは

電源投入から電流はどんどん上昇し、約２０分で安定してます。
これ普通の電球と逆なんです。
普通の電球は、電源投入時に突入電流が流れて、温度の上昇と共に電流は下がっていきます。
これＬＥＤが扱いにくい要因の一つですな。

一番良いのは抵抗による電流制限では無く、定電流回路を挿入する方法です。（下の図）
３．３Ｖ　３端子レギュレーターを使用した定電流回路。
３．３Ｖ三端子レギュレーターを使用した場合、電流の設定は
Ｒ＝３．３÷電流Ｉ
で求められます
２０ｍＡに設定すると、
Ｒ＝３．３÷２０ｍＡ
Ｒ＝１６５Ω
定電流回路による駆動の場合、温度によるＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの変動をレギュレーターがすべて吸収してくれるので、電流が安定します。
電流が安定すると言う事は、絶対最大定格電流の近くに電流を設定しても安全です。

その他にも定電流ダイオードを使用する方法が有ります
定電流ダイオードを使用した方法

図のＣＲＤと書いてある素子が定電流ダイオードです。
たとえば１５ｍＡの定電流ダイオードを直列に接続すれば、ＬＥＤに流れる電流はそのまま１５ｍＡになるのです。　ああ簡単
２０ｍＡに設定したい時は・・・２０ｍＡの定電流ダイオードなんて売ってないので、１０ｍＡ定電流ダイオードを並列に２個接続すればＯＫ
難点は、定電流ダイオードがなかなか手に入らない事と高価な事(>_<)
但し最近は秋月電子通商などで売られています。

やっと製作！

ユニバーサルボードにＬＥＤ５４個と抵抗を並べてみました。
なんじゃこりゃ〜

電源は秋月電子通商でＧＦ−ＮＴ２４って２４Ｖ１Ａのスイッチング電源を購入しました。
￥１２００です。　２４Ｗのスイッチング電源がこの価格。　安い・・・
パソコンのＡＣアダプターみたい

適当な灯具にＬＥＤを乗せた基板を取り付けると
それっぽいでしょ？

下側から見ると
灯具が大袈裟やな

水槽を照らしてみよう！
こな感じ
それっぽい！　クリックで、でかくなるよ！
結構スポットで直線的なな光です。
３．６Ｗの照明としては明るいと思いますが、２５０Ｗメタハラ点灯すると屁のような物ですね。
ま、消費電力１／７０近くなんだから仕方無いけど・・・

照度計で測定すると、ＬＥＤから約１５ｃｍで５０００ＬＵＸ
２５０Ｗブルー球が２０００００ＬＵＸだから、１／４０。
こんな物か・・・見た目はもちょっと明るい気がするんだけど・・・・

色は・・・
ＬＥＤの特性上、赤色と蛍光色が全然駄目です。
サンゴ向きでは無いですね。
魚用？

次回青色＆紫外線ＬＥＤに期待してくだされ。

戻る