LED調光器のパワーアップ

2017年1月2日の日記

皆様，どうも明けましておめでとうございます。本年もどうぞよろしくお願いします。

さて，今日は正月休みなので少し工作をします。

実は，以前，LED照明を購入して自作の調光器でワークベンチで使っています。とてもサイズがコンパクトで，磁石でくっつくし，明るいし，何より電球色というのも気に入って愛用しています。

使っているのはAmazonで購入したイルミカ東京さんが発売している，TK-12-600WWという照明で，全長600mmのものです。本来はショーウィンドウなど，店舗内の照明に使われるものですが，非常にスリムでコンパクトなのでワークベンチで使っています。 

ただ，もちろん，パソコン作業や読書には十分すぎる明るさなんですが，すでに老眼が進んでいるiruchanがアンプを作ったりすると少し手元が暗く，もう少し明るくしたい，と思っていました。

これは連結して使えるようになっていて，どんどんつないで長～く使えるようになっているので，もう1つ接続したら明るくなるはずです。

ところが，困ったことに前回製作した調光器が意外に発熱して，このまま2つ連結すると結構厳しそう，という感じです。

これは，前回の回路にあるとおり，原因はスイッチング用の制御素子にバイポーラTrを使っているためです。

残念ながら，このような電力制御に今，バイポーラTrを使うことはほとんどないと思います。鉄道模型のコントローラもMOS-FETを使うのが普通でしょう。

理由は簡単。断然MOS-FETの方が性能がよいし，値段も安いからです。

MOS-FETの方がスイッチング速度は10～100倍くらい速いし，また，損失の点でもバイポーラTrの1/10～1/100くらいと非常に小さいので，バイポーラを使う理由なんてありません。おまけにMOS-FETは電圧制御なので，Trよりドライブ回路が簡単です。そのほか，温度補償の点や2次破壊がないなど，メリットは多いです。昔だと，MOS-FETが高かったのでバイポーラを使う理由になりましたけど，今じゃ，MOS-FETの方が安いくらいで，あえてMOS-FETを使わない理由なんてないと思います。

iruchanはそれこそ中学の頃からはんだごて握っていますけど，その頃はまだMOS-FETが出たばかりで，非常に高くてとても中学生の小遣いじゃ買えなかったし，その上，静電気で壊れやすいとか，発振しやすいとか，いろいろあって素人には使いにくく，その辺が今でも気になって敬遠しちゃいます。

アンプに使っても，どうしてもMOS-FETは眠い音がするし，今でもあまり好きじゃありません。それに，何よりiruchanは何でも古いものが好きなので......。 やっぱ，電車といえば475系，機関車はEF81だし，アンプはもちろん，真空管。それも45や2A3のようなのが好きなので。半導体だとTO-3型の2SA627／D188とか，V-FETの2SJ18／K60がお気に入りですね!!!!

と言う次第で，いつも半導体や鉄道模型のコントローラを作るときはバイポーラTrを愛用しています。

ただ，今回は発熱を減らすのが目的なので，もはやバイポーラTrの出番じゃありません。

バイポーラTrはエミッタ～コレクタ間飽和電圧VCEsatが0.2～1.5V程度あります。アンプの設計だと1Vで計算したりします。このVCEsat×コレクタ電流が損失になるわけですし，今回のように1Aくらい流れる回路だと1W以上，熱が発生します。厄介なことに，VCEsatはコレクタ電流が増えるほど大きくなるので，損失がどんどん増えちゃいます。

また，PWM式コントローラを使うと，方形波のパルスを出力して理想的には損失は0なのですが，スイッチング速度が遅い，と言うことは，その立ち上がり，立ち下がりに時間がかかるので，その間，損失が出ます。

この点，MOS-FETだとスイッチング速度がきわめて高速なのでスイッチング損失は小さいし，また，飽和状態だとオン抵抗×ドレイン電流2 が損失になりますけど，オン抵抗は普通，mΩ単位なので非常に小さいです。

ちょっとシミュレーションして確かめてみませう。負荷電流は0.5Aとなるようにしました。スイッチング周波数は約20kHz，デューティ50％でシミュレーションしてみます。

 

 　　　　　　バイポーラTrのシミュレーション回路

 

　　　　　　MOS-FETのシミュレーション回路

結果はこうなりました。

 バイポーラTr

 MOS-FET

やはり損失はMOS-FETはバイポーラTrの約1/16です。ヒゲのように立ち上がりと立ち下がりで損失が出るのはどちらもスイッチング速度のせいです。Spiceは平均損失も簡単に表示してくれますが，バイポーラTrだと484mWになっていますけど，これはデューティがほぼ50％だからで，もし，100％だと平均損失で約1Wと言うことになっちゃいます。なんでこうか，というと，やはりVCEsatのせいで，素子がONのときにもバイポーラだとこうやって損失が発生しちゃいます。一方，MOS-FETだとこの間の損失がほぼ0です。2SK442だと少し，出てますけどね。もっと最新のMOS-FETだと無視できるくらい小さくなります。 やはり問題はPWMのON状態のときです。

と言う次第で，今回，出力の素子をMOS-FETに変更しました。

なお，素子は手元にたくさんある，東芝の2SK442を考えたのですが，やはり最新の同じ東芝製TK34E10N1を使いました。なんか，もう2SK○○○というJIS型番じゃないのに驚いちゃいますけどね。 とうとうディスクリート半導体なんて儲からなくなって，EIAJに登録するのも面倒くさくなっちゃったんでしょうか。おまけに，最近のTO-220パッケージはフルモールドといってコレクタやドレインが金属で露出してないものが多いんですけど，これは昔ながらのやつ。これだと絶縁のマイカやデンカシートが必要ですが，これがあると取付がめんどくさいため，自動車屋さんからクレームがついて最近はフルモールドばかりになったんじゃなかったでしょうか......。

VDS(V) ID(A)  　　PD(W) 　VDSon(V) オン抵抗(mΩ) 

2SK442  70 10  30 1.4    記載なし

TK34E10N1  100 75 103 0.2    7.9

 TK34E10N1（左）と2SK442（右）

2SK442は1980年代の製造だと思いますけど，それに比べると，なんか，あまりに技術が進歩しているのに驚いちゃいますね。同じTO-220なのに，TK34E10N1はドレイン損失が100Wを超えています。昔だったらTO-3型のパッケージになるんですけどね。

おまけにドレイン～ソース間飽和電圧が非常に小さく，わずか0.2Vです。ここに2SK442を使うとバイポーラ並みかそれ以上の損失を発生しちゃいます。

と言う次第で，やはり最新のTK34E10N1を使います。値段もせいぜい100円程度で，非常に安いです。 

 今回の回路

出力のTK34E10N1のソースに入っている0.47Ωは保護抵抗です。これを入れない人が多いですが，これを入れておくと過電流の時にTK34E10N1がカットオフするようになっていますので，入れておく方がよいと思います。 

12Vの出力なので逆転SWをつければもちろん，鉄道模型のPWM式コントローラとしても使えます.......(^^;)。

さて，実際に組み上がったら点灯してみます。

 

やっぱ，非常に明るい～～!!

それと，驚いたのは発熱。ほとんど発熱しません。一応，TO-220用の小型放熱器をつけてあるんですけど，ダブルで照明を点灯させてもほとんど熱くなりません。よく使われるTO-220型用の放熱器の熱抵抗は大体，20℃/Wなので，使えるのは2Wくらいまででしょう。前回の回路だと，照明1本でも結構熱くなりました。 これだと安心です。

と言う次第で，ワークベンチも明るくなったので，また真空管アンプでも組み立てることにしませう。 

 調光器

調光器もネオジム磁石で棚にくっつくようにしてあります。 

2020年5月30日追記

電源を交換しました。

使っていたのは12V，1.3Aの基板タイプのスイッチング電源でしたが，かなり発熱します。▲のスイッチング用のMOS-FETが発熱するならしかたないのですが.....。

電源自体が発熱し，夏は結構，ケースが熱くなります。

今まで，鉄道模型のコントローラ用の電源としても愛用していましたが，そのときも結構ケースが熱くなりました。 

そこで，前回，ファンレスPCの電源用に使用した，COSELのTUHS25F12と交換することにしました。定格も12V，2.1Aとパワーアップしていますし，何よりびっくりするほど小型です。

 こんなにサイズが違います。

これまで使っていた電源自体はもう製造中止になったようですが，発売は1985年のようなので，かなり古いです。TUHSシリーズは2014年の発売なので，30年ほどでこれほど進歩したわけです。 

2023年12月1日追記

どうもCOSELのスイッチング電源は突入電流が大きい，と思っていましたけど，やはりとうとうスイッチが逝っちゃいました。

どうも最近，電源on時にバチバチ言うな，と思っていたらとうとう点灯しなくなりました...... 

しかたないので，スイッチを交換中です。