パワーLEDをLチカさせてみる【マイコンLチカ道場 Arduino編 1-10】

マイコンボードのArduino Nanoを使用して、パワーLEDをLチカさせてみる試みです。

パワーLEDは消費電流が大きいので、Arduino等のマイコンの出力ポートの電流では十分に駆動できません。
そこで、出力にMOSFETを使った回路で動作させてみました。

このページは「マイコンLチカ道場 Arduino編」の「1-10：パワーLEDをLチカ」に対応するページです。

回路図と部品
動作説明
シミュレーション確認
プログラム（スケッチ）
動作確認
まとめ

回路図と部品

回路図

今回の回路は下記になります。

マイコンボードはArduino Nanoの互換品を使用します。

Arduino Nanoの出力ピンの電流は最大40mAまでのため、出力ピンからの電流ではパワーLEDをフルで駆動することは出来ません。
そこで、外部のトランジスタやMOSFETが必要になります。
※今回はArduinoの5Vではなく、電源直の9V～12VでLEDを駆動します。

また、今回の回路ではPch(チャンネル)のMOSFETを使ってみました。
NchのMOSFETでももちろん可能です。

部品リスト

品名	参照名	数量	数値・仕様
抵抗	R1,R2,R3	3	10kΩ
抵抗	R4	1	50Ω（1W以上）
NPNトランジスタ	Q1	1	2SC1815
Pch MOSFET	Q2	1	東芝製、TJ11A10M3
パワーLED	D1	1	OptoSupply、OSW4XME1C1E 1W、白色

使用するパワーLEDについて

今回使用するパワーLEDは、共立電子で購入した「OptoSupply製1W級白色ハイパワーLED、OSW4XME1C1E」です。
ヒートシンク「1W用スター型アルミ基板、OSMCPCB8060B」も合わせて購入しました。
※秋月電子でも購入可能です。

LEDのリードにプラス・マイナスで極性が刻印されています。
プラスがアノード、マイナスがカソードです。

本当はLED裏面のパッドもはんだ付けするか、放熱用シリコングリスを塗るべきなんでしょうが、取り急ぎ熱伝導シートを挟み込んでみました。
大丈夫かな…、不安なのでマネしないで下さい。

データシートに載ってなかったので、IF-VF特性を測ってみました。
350mAでVFは約3.3Vです。ほぼスペックどおりですね。
100ｍA時のVFは約2.9Vです。

使用するPch MOSFETについて

共立電子で購入したPch MOSFET「東芝製、TJ11A10M3」です。
※秋月電子でも購入可能です。

【スペック】※秋月電子のHP上のデータシートより
・ドレーン・ソース間電圧：-100V
・ゲート・ソース間電圧：±20V
・ゲートしきい値電圧：-2V～-4V
・ドレーン・ソース間ON抵抗：typ100mΩ
・ドレーン電流：-11A（連続）、-22A（パルス）
・ピン配列：上の写真で見て、左からゲート・ドレーン・ソース（G・D・S）

動作説明

興味のある方は、下記をクリックして読んでください。

わかり難い動作説明

【PchMOSFETについて】

NチャンネルのMOSFETは、ゲート端子に電圧を印加すると、ドレーン・ソース間をONして電流を流すことが出来ます。

今回使用するPチャンネルのMOSFETは、Nチャンネルとは逆になります。
※一般的な説明では、ゲートソース間に負の電圧を印加するとONになると書いてあります。ややこしいですね。
電流の流れる方向も「ソースからドレーン」となり、Nチャンネルとは逆になります。さらにややこしくなってきました。

私なりの解釈で言い換えると、ゲート・ソース間の電位差を無くせばOFF、電位差があれば（ゲートの方が低ければ）ONとなります。

ということで、今回の回路の様にソースとドレーンをR3でプルアップして同じ電圧に吊り上げておけば、PチャンネルMOSFET（Q2）はOFFの状態になります。

これを、Aruduinoマイコンからの信号でトランジスタ（Q1）をONさせて、Q2のゲートをGNDにショートして電圧を下げてやると、PチャンネルMOSFETがONするという仕組みです。

現在はNチャンネルMOSFETの方が性能も良く使いやすいため主流の様です。（秋月電子での取扱数もかなりの差が有りますね）

ではなぜ今回Pチャンネルを使ったのか？と言われそうですが、ハイサイド側のスイッチとしては使いやすそうという理由と、興味本位（自分の勉強のため）です。

シミュレーション確認

実際に動かす前に、念のためLTSpiceによるシミュレーションをしてみました。

シミュレーション回路と入力波形の設定

下記の回路でシミュレーションしてみました。
とりあえずの動作確認のため、解析で使うパーツモデルはLTSpiceにデフォルトで入っていた有り合わせのモデルです。

基本は実際の回路と同じですが、
R5（0.01Ω）はMOSFETのゲートの電流が見たかったため追加。
R6（10kΩ）は放電用の抵抗です。これが無いとOFFの時にMOSFETのドレーン端子の電圧がスパッと落ちませんでした。（LEDの寄生容量による影響かな？）
はたして実機ではどうでしょうか。

入力波形の設定は主に下記になります。
・パルス波形
・Vinitial：0V　…OFF時の電圧
・Von：5V　…ON時の電圧
・Ton：10ms　…ONしている時間
・Tperiod：100ms　…１周期の時間

よって、5Vの矩形波で、100ms周期（10Hz）、Dutyは10％ということになります。

・シミュレーション結果

左下の波形：下は入力電圧V2（重なるので-6Vシフトしています）
　　　　　　上がMOSFETのドレーン端子の電圧（抵抗R4とLEDにかかる電圧）です。

右下の波形がLEDの電流です。ON時は約130mA流れています。

※参考までに、LTSpiceのシミュレーション用データをUPしておきます。

ZIPファイルダウンロード

プログラム（スケッチ）

LEDをPWM駆動するプログラムです。
プログラム自体は普通のLEDのLチカと同じ要領で動作させてみます。

PWMでふわっとLチカさせてみた時の、下記と同じプログラムで動作させてみました。
※今回は点滅時間を少しゆっくりに変更してみました。

ふわっとLチカ【マイコンLチカ道場 Arduino編 1-4】

このページは「マイコンLチカ道場 Arduino編」の「1-4：ふわっとLチカ」に対応するページです。LEDが繰り返しふわっと点滅するような動作をさせてみます。analogWrite関数を使用して、ArduinoのPWM出力を使う方法で試してみました。

const int LED1 = 9; //LEDを接続するピン(PWM出力490Hz：3,9,10,11、980Hz:5,6)
const int wait = 5; // 点滅の速さを決めるウェイト時間（ms）
int led_width = 0; //ledのPWM幅用の変数

void setup() {
  pinMode(LED1, OUTPUT); //LED1ピンを出力にする
}

void loop() {
  for (led_width = 0; led_width <= 255; led_width +=1){
    analogWrite(LED1, led_width); //LED1をPWMで点灯させる
    delay(wait); //ウェイト時間
  }
  for (led_width = 255; led_width >= 0; led_width -=1){
    analogWrite(LED1, led_width); //LED1をPWMで点灯させる
    delay(wait); //ウェイト時間
  }
}