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自転車のLED点灯-もっと明るく

自転車のランプをLED化したが、明るさがいまいち。
http://jyougasaki-2.cocolog-nifty.com/blog/2016/10/led-927d.html
何とかせねばと構想を練っていた。

使っていたのは、秋月の、
定電流方式ハイパワーLEDドライバモジュール(3W1個点灯)
[OSMR16-W1213]
これは降圧DC/DCコンバーターで、定電流でLEDを駆動する。
しかも140円という、とても魅力的な商品だ。が、明るくない。

変換効率を計ってみると、何と、

   55% !?    これは酷すぎる。

入力7V、出力2.7Vというテストした条件が厳しくはあるが。
出力電圧が低いので、ダイオードのVfや、スイッチングFETの電圧ロスが大きく脚を引っ張っているのだろう。また、コイルも細い銅線なのでこれもロスの原因かもしれない。

そこで、これをいじってみることにした。

試しにコイルを交換してみたところ、55→65%と若干の好転があった。
FETによるロスも減らしてみよう。

セットされていたのはPT4205というICだが、類似品のCL6808が秋月で売られていたので、これを購入。
これで回路を組んでみたがやはり、変換効率65%。

そこで、さらに、これを制御ICとして利用して、チップタイプのパワーMOS-FETを駆動する回路を組んでみた。

Cl6808
(クリックで拡大します)
SSM3K324Rはon抵抗が56mΩと魅力的だ。ドライブ電圧も低いので使いやすい。
SBDはCMS01を利用した。入手しやすいSBDの中では最もVf電圧が低い。
極性変換のトランジスタには、最初2SK1062を利用したが、効率が上がらない。
オシロで見ると波形が美しくない。
回路基板の格好が悪くなったが2N7000に交換したところ、波形が改善され、パワーMOSを綺麗にドライブして効率がアップした。(1号機)
最終的にチップFETのSSM3K03FEとした(2号機)。これは小さすぎて老眼の目では細工が不可能。虫眼鏡を使ってやっと半田付けができた。
Dsc_0055
これは、銅基板を鉄ノコで回路を削り出したもの。さらに部品の取り付け穴を開けて、歯磨き粉で銅の表面を磨いて、部品を半田付けした。

最適化の最終段階はコイル。
これまで作り貯めたコイルを片っ端から供試し、また手巻きでインダクタンスを増減して、テストした。
最終結果は、47μH付近に最適値があることが判明。それ以下・以上でも機能するが効率が低下する。
またICの電流(電圧)制御にヒステリシスがあり、このあたりのタイミング(166KHz)でon-offすると、設計した電圧が得られる。
インダクタンスを減らして周波数を上げると、効率は低下するが、電流値は増える。
(data sheetにインダクタンスの指定が無い。回路例には68μHが使われている)。
Dsc_0056

手持ちの47μHのコイル。左から、大、中、手巻き、小、ミニ。
(右端は直径6.7mm)
これらを試してみた。いずれも高い効率を示した。
最も太いコイル(大)を利用した場合86%の効率であった。
中型と手巻きのコイル(たぶんコアが同じ)で85%だった。
小と、ミニ・コイル(秋月のセットに使われていたもの)では、81%と若干だが効率が落ちる。銅線の抵抗によるロスと思われる。波形は乱れていないのでコアの飽和ではなさそうだ。

スペースと妥協して手巻きのコイルを使用した。
電源の4.7μFの積層セラミックコンデンサはICの安定な動作に必須で、電解コンデンサも大きい方が効率が良い。これもスペースと妥協して大きさを決定した。
144mΩの抵抗は、2cm程度のニクロム線の両端に圧着スリーブを使ってリード線を結合して作製した。これで制御された700mAが出力される。(実測)

1号機をハブダイナモ機に、2号機をリムダイナモ機に取り付けた。

1WのLEDよりもかなり明るいので、たぶん計画に近い明るさになっていると思う。

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前にも記したように、ハブダイナモは2W以上の電力を取り出すのには低い電流×高い電圧で電力を取り出す必要がある。(5.5~5.8V、0.38A≒2W)
電力に余裕がないので、5Vから、LEDの点灯に必要な2.8Vへの電圧変換には高い効率が必要になる。

CL6808は安定な作動には6V以上の電圧が必要だが、5.5Vを整流すると7V程度の直流が得られ、何とかドライブできると期待した。
 しかし、両波整流だとダイオードを2回通過するので、電圧の余裕がギリギリで運営する回路では悩みが大きい。一般的なシリコンダイオードだとVfが0.7~0.9Vなので、それの2倍で1.5~2V近いロスになる。これだと、CL6808をドライブできない。選択肢は;
(1)ショットキバリア・ダイオード。型番によってはVfが大きく違う。CMS01が容易に入手できるものの中で最低の電圧であった。Vf 0.25V程度で、2個で0.5V程度のロスになる。何とか使えそうだ。
(2)倍電圧両波整流:ダイオード1個分の電圧ロスだが、コンデンサが小さいと、これによる電圧ロスが大きい。3000μF以上は必要。スペースが問題。
(3)秋月のセットに使われているICのPT4205:5Vから働くらしい。但し電流検出に0.2V必要。
今回は、電圧変換効率を可能な限り上げて、(1)を選択した。

実際には、CL6808には電源電圧が5.5Vを切ると動作が不安定になる。
自転車の走り出し(時速5km程度)には点灯が不安定で明るさが大きくちらつく。発電電力の脈流の変動が激しく、ICのon-offが起っているのだろう。

ジョッギング程度の速度(10km/hr)になると安定した明るい点灯となる。

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