HiPowerLED

2013.09.07 ハイパワーLED電源の検討

去年の暮からハイパワーのLED電源を作りたいと思っていました。
ちゃんとした熱の計算をして作ろうと思いつつ後回しに....。

現行のLED電源から取り出せる電力を以前計算した時の結果と新たにハイパワーLED電源の放熱設計に
関しての検討結果をまとめてみました。

現在のLED電源は一体どこまでのパワーを出せるのか。
現在のLED電源でも5V 500mAまでなら取り出せます。

まず、放熱設計に関してNECのuPC7805（TO220パッケージ）を例に取って計算を行なった。

仕様書によると計算式は
式1　Tj＝（Rth（j-c）＋θc-HS＋θHS）×PD＋Taとなり

ここで

Rth（j-c）：接合-ケース間熱抵抗
θc-HS ：接触熱抵抗（絶縁シート使用の場合は絶縁シートの熱抵抗を含む）
θHS ：放熱器の熱抵抗
PD ：IC内部の消費電力（PD＝（Vin－Vo）×IO＋Vin×Ibias）
TA ：動作周囲温度

Tj は一般的な半導体のジャンクション温度から125℃とした、パワー系は150℃まで行けるが余裕を持たせた。
Rth（j-c）はuPC7805の仕様書から値は5
θc-HS はシリコンゴムシートの値が3.4であること実際には2くらいと決めた。TC-A Seriesなら0.75とかいうのもありますね。

θHS 水谷電機工業のヒートシンク PUE16-30の熱抵抗15.9K/W
PDは今回求める消費電力
Taはケース内の温度で30℃とした。

これらを式1に代入すると125=(5+2+15.9)×PD+30となり、

PD=4.1Wとなる。但しこれはジャンクションを125℃と置いているため、絶対最大定格と思って良い、この時ヒートシンクの
温度は100℃を超えていると思われる。（こんな状態で使ってはいいけません）

Tjを70℃ヒートシンクで60℃くらいが実際に使える範囲なので再計算すると

70=(5+2+15.9)×PD+30となり、PD=1.75W

余談だが、

どこまでヒートシンク無しで行けるかというと
Tj＝（Rth（j-a））×PD＋Taとなり
TJを125℃Taを25℃とすればヒートシンク無しの場合のRth（j-a）はデータシートから65なので
125=65×PD+25
PD=（125-25）/65　で約1.5となり1.5Wまでは放熱板無しで行けることになる（恐ろしい）

LED電源に関して誤解をされている方も多いので少し解説すると

LED電源から取り出せる電力は8V入力で5V出力の場合500mAを取り出すと5×0.5=2.5Wが取り出せる
18V入力で15V出力の場合500mAを取り出すと15×0.5=7.5Wだが、この熱量が問題なのではなく、

この時LED電源での発熱量は8-5=3V　3V×0.5A=1.5Wとなり、これがLED電源のトランジスタで発生する
熱でこの熱がどれだけ放熱出来るかによってLED電源から取り出せる電流量が決まる。
18V入力で15V出力の場合でも18-15=3Vなので3V×0.5A=1.5WとなりLED電源での発熱量は同じになる。

このへんのイメージは模式的に書いてみたので下図を参照してください、

LED電源もそのレギュレーター部を見れば3端子の素子と言えます、左から全体の電力が入って来て
右から取り出す電力が出て行きあまった電圧と電流をかけた物が熱となって出てきます。

LED電源の場合その構造から入ってくる電圧と出て行く電圧の差は2.5V以上必要です。
1Aの電流を取り出そうとした場合取り出す電圧に関係なく2.5Wの電力損失（熱）が生じてしまいます。

さて、それではハイパワーLED電源の仕様はどうしようか悩みどころです。

私的には15V 1Aが取り出せれば良いかなと思っています皆さんはどんな電源が欲しいですか？

1Aを取り出すということは3Wの熱が生じるのでヒートシンクをどんな物にするかが一番の課題です。
あまり大きい物にするとHENのケースとかには入らなくなるしヒートシンクの形もかっこいい物に
したいですね。ヒートシンクの価格もあまりバカ高い物ではなく1,000円でお釣りのくるくらいに
したいと思っています。

RSで売っている↓このあたりが良さげです。
http://jp.rs-online.com/web/p/heatsinks/1898476/

↓こんなのも良いかな
http://jp.rs-online.com/web/p/heatsinks/2993336/

このヒートシンクの場合熱抵抗は3.6K/Wですから
70=(5+2+3.6)×PD+30となり、PD=3.77W
LED電源の入出力の電位差を2.5Vとすれば3.77/2.5=1.5となり、1.5Aまでは取り出せます。

2Aを取り出そうと思った場合に必要になるヒートシンクの熱抵抗は
((70-30)/5)-(5+2)=θHSとなりθHSはなんと1℃/Wバカでかいヒートシンクが必要になります、ここでなんとか絶縁シート
の熱抵抗を1くらいの物が使えれば2℃/Wのヒートシンクが使えるのですが・・・・・。

↓1℃/Wだとこれくらい必要ですね。ヒートシンクだけで1,200円
http://jp.rs-online.com/web/p/heatsinks/1898274/
↓2℃/Wのヒートシンクなら500円くらいで手頃です。
http://jp.rs-online.com/web/p/heatsinks/1898864/

なんとかここでなんとか絶縁シートの熱抵抗を1くらいの物と思って探していると、信越シリコンに

TC-A Seriesなら0.75とかいうのもありますね。一般に手に入るかどうかは分かりませんが。
熱抵抗の小さいシートをご存知の方はいらっしゃいませんでしょうか。

掲示板の方でTC-30BGという熱抵抗0.55℃/Wの物を見つけてもらいましたのでヒートシンク探しです。

さてさて、RSに注文しておいたヒートシンクが届きました。
うーん、なんだかどれも帯に短し襷に長しの感じでピンと来ませんよ。
左から2番目のやつが1.3K/Wなんですね、これなら十分な放熱が出来ますがでかい。
横95mm×高さ75mmもあります。なんか好きくないなーこれ。