fumi's 144工房

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【CRDひとつで直列接続のLEDを幾つまで点灯できるか?】
ちょっと興味があったのでテストしてみました。
手元にテスターがないので、実際に点灯させてLEDの輝度の変化を目視で確認しようと思います。
電源は15V(0.4A)のACアダプタ、CRDはE-153(15mA)とE-103(10mA)を用いました。
なお画像にはLEDがひとつしか写っていませんが、実際には画像外に複数のLEDが直列につながれています。

■青色LEDとCRD(E-153)の組み合わせ ⇒ 5個点灯(>適正個数3〜4個)
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画像は1枚目から「1個,2個,3個・・・6個」の順に並んでいます。
電源電圧とLED/CRDとの関係は、
 ・電源電圧>CRDの肩特性電圧Vk+LEDの順方向電圧VF×個数
でなければならないので、LEDの適正な個数(最大数)は、
 ・適正個数=(電源電圧−CRDの肩特性電圧Vk)÷LEDの順方向電圧VF
CRDの肩特性電圧Vkを4.3V、LEDの順方向電圧VFを3.1Vとすれば、
 ・適正個数=(15V−4.3V)÷3.1V=3.5個
となり3〜4個が適正個数となるはずですが、実際には5個つないでもLEDの輝度はほとんど変わらず、6個までつないだところでほとんど点いていない状態となりました。

■赤色LEDとCRD(E-153)の組み合わせ ⇒ 6個点灯(>適正個数5個)
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赤色LEDの順方向電圧VFは2.2Vなので上記と同様に計算すると、
 ・適正個数=(15V−4.3V)÷2.2V=4.9個
よって5個が適正個数となりますが、実際には6個つないでも問題なく点灯、7個でやや暗くなり、8個でほとんど点灯しない状態となりました。

■赤色LEDとCRD(E-103)の組み合わせ ⇒ 7個点灯(>適正個数5個)
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CRDをE-153からE-103に変えてみました。E-103の肩特性電圧Vkは3.5Vなので、
 ・適正個数=(15V−3.5V)÷2.2V=5.2個
よって5個が適正個数となりますが、実際には7個つないでもLEDの輝度はほとんど変わらず、8個でやや暗くなり、9個でほとんど点灯しない状態となりました。

以上を一覧表にまとめると・・・
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■適正個数より多くつないでもちゃんと点灯するのは何故?
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グラフはCRDとLEDの特性を示したものです。先に書いた「LEDの適正個数」とは「CRDの印加電圧(両端電圧)がグラフの青い矢印の範囲におさまるLEDの数」のことを指し、その最大数は、
 ・LEDの最大数=(電源電圧−CRDの肩特性電圧Vk)÷LEDの順方向電圧VF
で求めますが、実際には今回のように計算で求めた個数以上のLEDを点灯できることが多いです。
これは「CRDの印加電圧が肩特性電圧※1を下回っても相応の電流が流れるから」なのですが、所定のピンチオフ電流※2は得られないため、電流値しだいではLEDが暗くなってしまう場合もあります。
(※1:一般的に肩特性電圧はピンチオフ電流×80%での電圧値を指します。)
(※2:LEDの順方向電流IFは20mAのものが多いので、ピンチオフ電流が10mAのE-103だと若干暗くなります。LED本来の明るさを得たい場合にはE-103を2個並列につなぎ20mA流せば良いでしょう。)

■CRDの消費電力と発熱
前述したとおり、CRDの印加電圧(両端電圧)が肩特性電圧を下回ると所定のピンチオフ電流は得られませんが、では印加電圧は高ければ高いほど良いのか?というと、CRDの消費電力が増えて発熱しやすくなってしまうためNGです。
CRDの最大定格(許容消費電力)はE-153/E-103ともに300mW@25℃ですが、温度依存性が強く、高温になるほど定格は落ちるので、模型のように熱のこもりやすい密閉空間にCRDを設置する場合には安全を見越して消費電力を1/2定格程度(150mW以下)に抑えるのがベターでしょう。
ちなみにCRDの消費電力は以下の計算式で求めます。
 ・CRDの消費電力(mW)
  =CRDの印加電圧(V)×CRDのピンチオフ電流Ip(mA)
  ={電源電圧(V)−LEDの順方向電圧(V)×個数}×CRDのピンチオフ電流Ip(mA)

【24V電源×E-153の消費電力】
例えば24V電源にE-153(Ip=15mA)と赤色LED(VF=2.2V)をつないだ場合を計算してみましょう。
LEDをこの条件での適正個数(最大数)である9個つないだ場合には、
 ・CRDの消費電力=(24V−2.2V×9個)×15mA=4.2V×15mA=63mW
となり、CRDの消費電力は1/2定格の150mW以下に収まるためまったく問題ありません。
ところがLEDを1個しかつながなかった場合には、
 ・CRDの消費電力=(24V−2.2V×1個)×15mA=21.8V×15mA=327mW
となり、1/2定格はおろか最大定格の300mWすらオーバーしてしまいます。

【電源電圧を24V→15Vにすると・・・】
15V電源とE-153(Ip=15mA)の組み合わせでLEDを1個しかつながなかった場合は、
 ・CRDの消費電力=(15V−2.2V×1個)×15mA=12.8V×15mA=192mW
となり、1/2定格はオーバーするものの最大定格の300mWは超えません。
24Vに比べて印加電圧が低くなるので消費電力が抑えられることが判ります。

【CRDをE-153→E-103にすると・・・】
24V電源とE-103(Ip=10mA)の組み合わせでLEDを1個しかつながなかった場合は、
 ・CRDの消費電力=(24V−2.2V×1個)×10mA=21.8V×10mA=218mW
となり、やはり1/2定格はオーバーするものの最大定格の300mWは超えません。
E-153(15mA)よりもピンチオフ電流が低いので消費電力が抑えられることが判ります。


〜備忘録(CRDはLEDを幾つまで点灯できるか?)〜

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