低効率のMR16ハロゲンランプのLEDによる代替

説明

同様のアーティクルはマキシムの｢エンジニアリングジャーナルvol. 61｣ (PDF、1.01MB)にも掲載されました。

大幅なエネルギの節約を提供するLED照明

今日、照明は米国の電気消費の約5分の1を占めます¹。その大部分のアプリケーションは低効率(< 5%)の白熱電球をいまだ使っています。したがって、エネルギ効率の良い照明技術の配備は大幅なエネルギの節約、二酸化炭素の排出の削減、新しい発電所の需要の削減を約束します。

例えば、米国エネルギー省は、埋め込みダウンライトのLEDへの変換だけで年間電気量81.2兆ワット時間(TWh)節約できるであろうと推定しており、これは670万世帯の年間電気消費量に相当します。つまり、このひとつのアプリケーションのエネルギ節約で約13の1000MWの石炭発電所を建てなくてもよくなるのです²。

ハロゲンMR16ランプは小売および住宅の照明アプリケーションにおいて白熱電球のより効率のよい代替としてよく使用されています。最もよく使われるMR16ランプの消費電力は10W～50Wの範囲で、その照明出力は150ルーメン(lm)～800lmの範囲です。したがって、標準的なハロゲンMR16ランプはワット当り約15ルーメン(lm/W)の効率または15%の照明効率を提供します。非効率な白熱電球よりも改善されていますが、ハロゲンMR16ランプは求められている点が多く残っています。

今日のLED技術は、ハロゲンランプに対して、コスト効率の高いMR16互換のソリッドステートの代替を提供しています。例えば、LedEngin™社の最新世代の5W (シングルチップ、4mm x 4mmパッケージ)および10W (4チップ、7mm x 7mmパッケージ)ハイパワーLEDは、ジャンクション温度(TJ) +120℃、1000mAで45lm/W (typ)の効率です。実際の動作条件では、これらの仕様は5Wパッケージで155lm (1000mA、TJ = +120℃)、10Wパッケージで345lm (700mA、TJ = +120℃)の標準ルーメン出力レベルに等しくなります。これらのLEDの消費電力は同一輝度レベルでハロゲン電球よりも50%小さくなります。

加えて、標準ハロゲン電球の寿命は2000時間に制限されていますが、LedEnginはLEDの90% (10万時間、TJ = +120℃)の著しいルーメンの維持を予測しています。LEDの延長されたライフスパンは製品寿命を通し電球の置換の必要を効果的になくし、低いメンテナンスおよびライフサイクルコストにつながります。

LEDによるMR16リファレンス設計

図1に示すMR16 LEDリファレンス設計に関して、マキシムはLedEnginの5W白色LED (WLED)を選択してMAX16820の1000mAでの駆動能力を検証しました。表1と表2は、MR16リファレンス設計の部品リストと電気的仕様の詳細を示します。この電気的仕様は、多くのMR16アプリケーションにとって標準的な12VAC ±10%の入力電圧となっています。

MAX16820は、LEDドライバアプリケーション、とりわけLEDベースのMR16に目標を置いて特別に設計されています。それゆえ、このデバイスはMR16 LEDランプ回路のための正しい選択肢となります。MAX16820は、超小型、6ピンTDFNパッケージで提供され、4.5V～28Vの入力電圧範囲で動作し、広範囲のLED電流駆動能力に相応しい外付けの費用効果の高いMOSFETを駆動することができます。このデバイスは広い車載用動作温度範囲(-40℃～+125℃)での動作が保証されており、MAX16820をMR16照明器具の高温環境で安全に動作させることができます。MAX16820は最大25Wまたはそれ以上の電力レベルを制御可能で、また2MHz (typ)のスイッチング周波数は小型のインダクタとコンデンサを外付けするだけで済むため、ドライバ回路をMR16フォームファクタにはめ込むことができます。

図1は、整流器ブリッジ(D1～D4)、100µFフィルタコンデンサ(C1とC2)、およびバックコンバータ回路で構成される5W MR16 LEDランプドライバを示します。バックLEDコンバータは、MAX16820、バックインダクタ(L1)、パワーMOSFET(Q1)、フリーホイールダイオード(D5)、および検出抵抗器(R1)で構成されます。

5W高輝度LED (HB LED)は1Aの駆動電流を必要とします。バックLEDドライバは1AのDC電流を出力するように設計されています。ヒステリシス制御法がこのバックインダクタ電流の制御に使用され、これによってLEDに必要な1Aの電流が供給されます。MAX16820で行われるヒステリシス制御によって、LED電流精度が5%の簡素で強力なドライバを構成することができます。

5W HB LEDを全電源周波数期間に対して1Aの定電流で動作させるためには、DCバスフィルタコンデンサを追加してDCバス電圧リップルを制限します。全容量は少なくとも200µFであるものとし、低コストで220µF/25V定格のタンタルコンデンサまたは電解DCコンデンサを使用します。

出力電流の精度を十分に高く保つために、インダクタ電流の最大ΔI/ΔTを0.4A/µs以下に制限します。図1に示すように、インダクタの最大電圧降下はVL1MAXです。

次式を使用すると、インダクタL1の値を計算することができます。

V_{AC_IN} = 12V、δ = 10%、およびVO = 3.6Vの場合、L1は37µHよりも大きくなければなりません。したがって、39µHはL1として選定する標準値です。ここで、δは許容されるAC入力の変動(%)で、VOはLEDの順方向電圧です。

設計は、LedEnginの5W WLEDベースのMR16照明器具を使用して試験しました。図2はそのセットアップを示します。この設計に関するベンチテストの波形を図3～図6に示します。入力電圧は12VAC (公称)で、出力電流リップルは約10%です。

図4は、200µFのDCフィルタコンデンサを使用した場合に、DCバス電圧リップルが8.5Vであることを示します。MAX16820ベースのヒステリシス制御モードでは、非常に優れたラインレギュレーション性能が得られることが分かります。出力LED電流は、入力バス電圧の結果として変動がわずかです。5WのMR16 LEDランプドライバに関するベンチテストからは、AC入力のリップルと変動は8.5V以上になる可能性があるものの、出力LED電流は1Aの定電流に安定化されることが分かります。

HB LEDアプリケーションでは、100khr後に長期にわたる90%の光束維持性能が求められるとき、5W LedEngin LEDのジャンクション温度を+120℃以下に制限することが最も適切です。ヒートシンクは、LEDジャンクションで発生した熱を空気に逃がす低コストのソリューションです。5W MR16 LEDランプは、5WのLED電力を放散するヒートシンクを備えています。5W MR16 LEDランプドライバのPCBは、5W MR16 LEDランプのヒートシンクの裏面に取り付けられます。

注目すべきは、5W MR16 LEDランプアセンブリの独特なヒートシンク設計です。ランプの熱が主に周囲に放射されるハロゲンベースのアセンブリとは異なり、LEDベースの設計では(図2に示すように)熱がヒートシンクに伝えられた後、対流によって周囲の空気に移動します。

結論

低電力(1Wと3W) LEDソリューションの高電力、5W MR16 LEDリファレンス設計は、他のソリューションと比べて、利用可能な光量を著しく増加します。このため、この設計では、MR16性能レベルの10Wハロゲンソリューションを満足するのに必要な複数の放射体が不要になります。