LED照明用PWM電源の設計

はじめに

本連載 第1回は、LEDの電流制限抵抗の求め方を説明しました。

今回は、白色LEDを駆動する実験用のスイッチング電源を作ります。スイッチング制御には、汎用の定番タイマIC "555"（TLC555、NE555L、LMC555など）を使います。アナログ・デバイセズ製の電子回路シミュレータ"LTspice"で作った回路ファイルを公開したので、ぜひご自身のパソコンで動作を確認してみてください。

時間でレベルを調整する"PWM"

"L"と"H"の2値でアナログ信号を生成する

PWMは、一定の周期（または周波数）で、ON時間とOFF時間が制御された2値信号（ディジタル信号）を平滑してアナログ信号を得る技術です。

LレベルとHレベルの2値しか出力できないコンピュータでも、連続的（アナログ的）にレベルが変化する信号を生成できます。マイコンやFPGAとの相性がよいため、LEDの調光以外でも多くのシステムで利用されています。

具体的には、マイコンのプログラミングで周期一定の信号を生成し、1周期のうちのONとOFFの比率を調整して、アナログ信号の電圧レベルを制御します。ONとOFFの時間比を「デューティ（duty）比」と呼びます。

PWMを使う理由1：色合いを変えずに輝度を調節できる

LEDの明るさは、電流制限抵抗を可変抵抗に交換して、順方向電流の大きさを調節すれば連続的に変化させることができます。

LEDの明るさは、順方向電流の大きさに対して線形に変化しますが、同時に発光色（色度）も変化してしまいます。そこでLED照明のメーカは、順方向電流を一定にしつつ明るさを調節できるパルス幅変調技術"PWM"（Pulse Width Modulation）を利用しています。

ON時間とOFF時間が数秒などと長すぎると、LEDがちらついて見えて、照明用として実用性がありませんが、周期を数m～数μsに短くして高速に点滅させると、目の残像効果によってデューティ比の変化がそのまま明るさの変化として感じられます。

PWMを使う理由2：高効率な小型電源を作れる

PWM信号は、ONとOFFの2つの状態しかありません。電力を制御するパワー・トランジスタがONのときは電圧0V、OFFのときは電流が0Aなので、原理的には常に電力消費がありません。

このようにPWM方式の電源は電力変換効率が高いため、消費電流の大きい高輝度LEDでもコンパクトな回路で駆動できます。

調光可能な実験用LED電源回路を作る

タイマIC 555を使ったハードウェア構成

PWM信号は、マイコンの内蔵回路をソフトウェアで制御すれば生成できますが、タイマICを使えば、プログラミングは不要です。タイマICの定番は、ブザー音の生成などに利用される古くからある定番の「タイマIC 555」（ゴーゴーゴー）です。

タイマIC 555の内部回路

図4 にタイマIC 555の内部回路を示します。

THRES（Threshold）端子とTRG（Trigger）端子の入力信号の電圧レベルを"L"にしたり"H"にしたりすると、内部のRSフリップフロップ回路がON/OFF動作します。外部に接続したキャパシタを充放電による入力電圧の上昇と下降によってON/OFFします。

THRES端子とTRG端子の内側には、基準電圧と入力電圧を比較する「コンパレータ（comparator）」が内蔵されています。

DISCH（Discharge）端子には、ON/OFF動作するトランジスタがあり、充電されたキャパシタの電荷をグラウンドに放電します。

PWM周波数の設定

図5 に、タイマIC 555で作った調光可能な照明用LED電源回路を、図6 に部品表を示します。

50kΩの可変抵抗器を回すと、白色LED（LED₁）に流れる電流の大きさと輝度が変わります。

タイマIC 555が出力するPWM信号の周波数は、キャパシタへの充放電の周期を決めるC₁とVR₂で設計します。計算式は次のとおりです。

T = 0.693 × (R₁ + VR₂) × C₁ = 0.693 × (1k + 50k) × 0.1μF = 3.57ms

f = 1 / T = 1 / (3.57 × 10^-3) = 280Hz

照明がちらつく現象「フリッカ」が気になり始める周波数は100Hz前後です。商用電源の周波数（東日本は50Hz、西日本は60Hz）の逓倍（100Hzや120Hz）に設定すると、特にちらつきが大きくなりますから避けます。

各部品の定数の意味

C₁とVR₂

入手性のよい C₁=0.1μF、VR₁=50kΩを選びました。部品の入手性を優先した結果、PWM周波数は一般的な駆動周波数より低い 280Hzになりますが、ちらつきなどは感じられないでしょう。

駆動周波数は、ダイオード（D₁とD₂）の順方向電圧（V_F）の品種による違いなどが原因でばらつきます。C₁の充放電に要する時間の影響で、PWM信号のデューティ比は、0％ちょうど、または100％ちょうどまで変化させることはできません。

D₁とD₂

整流用なら品種はなんでもOKです。ツェナー・ダイオードは整流に使えないので選ばないでください。

C₂

タイマIC 555の内部にある抵抗分圧回路の電圧安定化用です。0.01μ～0.1μFが適当です。0.1μFがよく使われます。

LED

OSW54K5B61A（OptoSupply製）を選びました。データシートから V_F=2.9V、推奨電流（I_LED）は30mAです。

R_LED

次式から電流制限抵抗 R_LEDを200Ωにしました。

R_LED = (V_DD - V_F) / I_led = (9 - 2.9) / 0.03 = 203Ω

R₃

スイッチング動作するトランジスタ（Tr₁）のベース抵抗です。

増幅率"h_FE"が120のYグレードの2SC1815を使います。LED電流（I_LED）を30mA以上流すためには、0.25mA（=30mA ÷ 120）以上のベース電流を流し込む必要があります。

今回は、部品の品種が増えないよう、R₁と同じく、R₃=1kΩとしました。ベース電流（I_B=(9-0.6)/1000）は約8.4mAで、0.25mAよりかなり大きいですが、2SC1815の最大定格I_Bmax=50mA以下なので問題ありません。

電子回路シミュレータ LTspiceで動作確認

電子回路シミュレータ（LTspiceなど）でも検証してみてください。タイマIC 555は定番なので、たいていの電子回路シミュレータがモデルを備えています。

動作確認

プリント基板に部品を実装し、006Pの乾電池を接続して可変抵抗を回すと、白色LEDの明るさが変化します。このとき、タイマIC 555の出力端子"OUT"の波形をオシロスコープで観測すると、PWM信号のON時間が長いほど、白色LEDが明るく光ります。

発振周波数の計算値は 約280Hzでしたが、実際には250～260Hzになりました。この結果は前述のLTspiceシミュレーションとほぼ一致します。

高出力化する方法

LEDに供給する電流を大きくしたい

LEDには、バイポーラ・トランジスタ 2SC1815のコレクタ電流の絶対最大定格（150mA）以上の電流を供給できません。

コレクタ電流の絶対最大定格が1A～数Aのパワー・トランジスタに交換すればより大きな電流を供給できますが、必要な大きさのベース電流をタイマIC 555が供給できません。この課題は、2個のトランジスタをダーリントン接続して電流増幅率（h_FE）を増すことで解決できます。この回路はパソコンの冷却ファンの速度制御（静音化）などに応用できるでしょう。

タイマIC 555の定格を超える電圧でLED点灯回路を駆動したい

本回路の電源電圧の上限は、タイマIC 555の最大定格（15V）で決まっています。

LED点灯回路に 24Vを供給したいときは、図12 に示すように、バイポーラ・トランジスタの後段にMOSFETを追加するとよいでしょう。

MOSFETは、ゲート-ソース間しきい値電圧（V_th）以上の電圧をゲートに加えると、ドレイン-ソース間がONするため、タイマIC 555のOUT端子の出力電圧がV_thより十分に高いなら、バイポーラ・トランジスタは不要です。

図12 のモータと並列に接続されているダイオードは、MOSFETがONからOFFに切り替わった直後に、モータのコイルから生じる電流を電源に戻します。このダイオード（フリーホイール・ダイオードと呼ぶ）がないとMOSFETが破壊します。

出典：
https://www.p-ban.com/technical/ele_ltr/ZEP/vol1/vol1_2.html