LEDの調光回路

ＬＥＤ（発光ダイオード）を調光（明るさを変える）する回路を考えてみました。

単純に可変抵抗器（ボリューム）を接続すればよいように思いますが、
ＬＥＤの明るさは、ボリュームの回転角度に比例しません。
ＬＥＤの電圧と電流の関係が、直線的ではないからです。 （こちらを参照ください。）

ボリュームを使った回路

上図の回路で、ＶＲ（ボリューム）をＢ１０ｋΩ、Ｒ（抵抗）を１００Ω、
ＶＣＣを３Ｖ（乾電池２本直列）として、実際に点灯させてみました。
（下図）

ボリュームを最小（抵抗を最大）にしても、うっすら光ります。
ボリュームの位置が３／４回転で半分以下の明るさです。
さらに、回すと急激に明るくなります。
ボリュームを使った回路は、実用的ではありません。

そこで、トランジスタを使った回路を考えてみます。
トランジスタは、ベース（Ｂ）−エミッタ（Ｅ）間の電流に比例して、
（数百倍の）コレクタ（Ｃ）−エミッタ（Ｅ）間電流が流れます。
ボリュームで、ベース電流を変化させて、コレクタに流れる電流を調整します。
これで、ＬＥＤを調光させます。

トランジスタを使った回路

ベース−エミッタにかかる電圧（＝Ｒ２にかかる電圧）をボリューム（ＶＲ）で調整し、
トランジスタのＯＦＦする電圧から、ＯＮする電圧になるように計算してみます。

上図で、Ｒ２にかかる電圧が最大になるのは、ボリュームの抵抗値が最小のときで、
その電圧をＶＯＮとします。
ボリュームの抵抗値が最大のとき、Ｒ２にかかる電圧は、最小になり、
その電圧をＶＯＦＦとします。
ボリュームの最大抵抗値をＲＶＲとすると、
それぞれ、つぎの式が成り立ちます。

ＶＯＮ＝ＶＣＣ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）−−−−−−−（１）

ＶＯＦＦ＝ＶＣＣ・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋ＲＶＲ）−−−−（２）

この連立方程式を解くと、

Ｒ１＝Ｒ２・（（ＶＣＣ／ＶＯＮ）−１）−−−−−−−−−−−（３）

Ｒ２＝ＲＶＲ・ＶＯＮ・ＶＯＦＦ／（ＶＣＣ・（ＶＯＮ−ＶＯＦＦ））−−−（４）

ここで、ボリュームをＢ１０ｋΩ（ＲＶＲ＝１０）を使うとして、計算してみます。
ＶＣＣ＝３Ｖ（乾電池２本直列）
ＶＯＮ＝０．８Ｖ（トランジスタが確実にＯＮになる電圧とします。）
ＶＯＦＦ＝０．５Ｖ（トランジスタが確実にＯＦＦになる電圧とします。）
これらを、（４）式に代入して、

Ｒ２＝４．４４４４、近いところで、４．７ｋΩを選定。

（３）式にＲ２＝４．７を代入して、

Ｒ１＝１２．９２５、近いところで、１２ｋΩを選定。

トランジスタの足（リード線）は、２ＳＣ１８１５の場合、
型番の印刷してある平らな面からみて、
左からエミッタ（Ｅ）、コレクタ（Ｃ）、ベース（Ｂ）です。
「エクボ」と、覚えましょう。

また、トランジスタには「ランク」があります。
これは、直流電流増幅率（ｈＦＥ）の大きさにより、各社記号で表示しています。
ｈＦＥとは、ベース電流の何倍のコレクタ電流が流れるかの比率です。
今回は、Ｙランクを使いましたが、ＧＲランクでも問題ないと思います。

ボリュームの端子は、つまみのある面からみて、
左から、１，２，３です。
端子２，３を使えば、左一杯に回すと抵抗が最大、
右一杯に回すと抵抗が最小になります。

ボリュームにはＡカーブ、Ｂカーブ、Ｃカーブがあります。
これは、ボリュームの回転角度に対する抵抗の変化率で、
今回は変化率が直線的な、Ｂカーブを使用しました。
ボリュームの定格電力は、０．１Ｗのもので充分です。

抵抗Ｒ１、Ｒ２は、炭素皮膜抵抗（カーボン抵抗）１／４Ｗを使います。
抵抗値は、カラーコードで表示されています。
カーボン抵抗は、４本の色の帯が印刷されています。
リード線に近いほうの帯の１，２，３本目が抵抗値で最後の４本目が誤差を表します。
カラーコードは、下表のとおりです。

４．７ｋΩなら、４７×１０^２Ωなので、黄−紫−赤−金です。
１２ｋΩなら、１２×１０^３Ωなので、茶−赤−橙−金です。
（カーボン抵抗は、誤差５％が一般的です。）

実際に、配線をして実験してみました。（下図）

抵抗Ｒ（トランジスタのコレクタとＬＥＤの間の抵抗）は、取り付けていません。
コレクタ−エミッタ間電圧（ＶＣＥ）とコレクタ電流（ＩＣ）の積（コレクタ損失ＰＣ）が、
定格の範囲なので省略しています。
ＰＣ＝ＶＣＥ×ＩＣ＝（ＶＣＣ−ＶＦ）×ＩＦ
ＶＦは、ＬＥＤの順方向電圧（≒２Ｖ）、ＩＦは、ＬＥＤの順方向電流（≒１０ｍＡ）です。
ＰＣ＝（３Ｖ−２Ｖ）×１０ｍＡ＝１０ｍＷ　＜　４００ｍＷ（２ＳＣ１８１５の場合）
コレクタ損失が大きい場合は、抵抗Ｒを挿入してください。

抵抗Ｒの計算式は、つぎのとおりです。

Ｒ＝（ＶＣＣ−ＶＦ−ＶＣＥsat）／ＩＦ

ここで、ＶＣＥｓａｔは、トランジスタの、エミッタ−コレクタ間飽和電圧で、
２ＳＣ１８１５の場合、約０．２Ｖです。

ボリュームを最小にして、ＬＥＤが消灯していても、回路には電流が流れています。
実用的な回路とするには、必ずスイッチ（ＳＷ）を取り付けてください。
スイッチ付きのボリュームもあります。

交流では、トランジスタが使えませんので、この回路では、調光できません。
サイリスタ、またはトライアックで回路を作る必要があります。