LED栽培の回路図

LED栽培の回路図
室内でLED栽培をしてみようと考えています。どうせなら自作してみようと考え、回路設計を試みましたが、何分ノウハウが全くないので、困っています（添付画像）。

例えば順電圧1.8～1.9V(20mA)のLEDを使用し、適当なアダプタ（出力15V/1A)を使用するとします。
以下のように考えましたが、この考え方でよろしいでしょうか？

（回路図の説明）
15Vだと8個直列に繋ぐと個々のLEDには1.875V 電圧がかかります。これで電圧に関しては1.8～1.9Vの範囲内に収まります。仮にこのとき20mA 電流が流れるとすると、アダプタは電流は1Aまで出力できるので、1÷20mA = 50で、50個まで並列つなぎできるということになります。


またコンデンサや抵抗など他パーツを、適所に使用したほうがいいのでしょうか？
アダプタは家に余っているものを適当に使用したいと思っていますが、選び方などありますでしょうか？
他に何か留意点などありましたら、ぜひともご教授ください。

あとLEDは連続照明するよりも、パルス駆動のほうが成長にはいいらしいです。後々はそれも試してみたいと思っていますが、何か良いアドバイスなどありますでしょうか？

よろしくお願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： inara1 回答日時： 2010/11/03 15:17

パルス点灯させる回路を添付します。

ブレッドボードに組んで動作することを確認しました。LEDが175個もなかったので、LEDの代わりに25Ωの抵抗を付け、0.6A の電流が流れることを確認しました。

ANo.2 で説明したように、LEDを７個直列に接続し、100Ω の抵抗でLED電流を 20mA に制限しています。これを25組並列接続して175個のLEDを点灯させます。LED電流を ON/OFF しているのは 2SJ334 というMOS-FET です。MOS-FET に流れる電流の総和は 20mA×25 = 0.5A になります。電源のACアダプタは、ここ（http://akizukidenshi.com/catalog/c/c15v/）のようなスイッチング方式のものであれば、定格近くの電流を取り出しても電圧変化は少ないです。

添付図の回路で点灯できるLEDは 175個ですが、これは電源の最大電流を 0.5A としたからで、電源の出力電流が大きければLEDの数をもっと増やすことができます。ここ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-01143/）のような 3A の電流を流せるスイッチングACアダプタを電源とすれば、7個直列にしたLED回路を150組並列に接続して、合計1050個のLEDを点灯させることができます。

点灯時間と点灯周期は抵抗 R1 と R2 で変えられます。点灯時間を a (秒)、点灯周期を b (秒) とするための抵抗値は
　　　R1 (Ω) = 1.44*( b - 2*a )/C、R2 (Ω) = 1.44*a/C
で計算できます。C は添付図のCと書かれたコンデンサの容量で、 F（ファラッド）単位の値です。この回路では、点灯時間を点灯周期の半分より長くすることはできません（ a < b/2 でなければならない）。a = 0.1秒、b = 1秒　とする場合、C = 10μF = 10^(-5) F とすれば
　　　R1 = 115415 Ω = 115kΩ、R2 = 14426Ω = 14.4kΩ
となります。実際にはこのような抵抗はないので、それに最も近い抵抗
　　　R1 = 100kΩ、R2 = 15kΩ
とします。このときの発光時間 ton と発光周期 T は
　　　ton = 0.693*R2*C = 0.104秒
　　　T = 1.44/{ ( R1 + 2*R2 )*C } = 1.25秒
になります。

パルス信号を作っているのはNE555というタイマー用ICです。これと同じ機能の IC に LMC555 というのがありますが、これは最大電源電圧が 15V と余裕がないので、最大電源電圧が 18V の NE555 のほうを使ってください（ LM555 というのでも可）。2SJ334 は ON抵抗が 0.03Ω　と小さいので、3A の電流を流しても発熱は 0.3W 程度です（ヒートシンクは必要ありません）。図の回路で、2SJ334 のゲート（G）の電圧が 15V のとき LED が消灯し、0V のとき点灯するので、NE555 を使わず、ゲート（G）の電圧だけで LED を ON/OFF することもできます。

抵抗は [1] のような小型のもので大丈夫です。NE555 の 1pin と 8pin 間の 1μF は [2] のような積層セラミックコンデンサを使ってください(容量は 0.1μF でも可）。発光時間を決めるコンデンサ C に、 [3] のような電解コンデンサを使うときは極性に注意してください（添付図に極性を示してあります）。積層セラミックコンデンサには極性はありません。

[1]　カーボン抵抗（1/6W)　http://akizukidenshi.com/catalog/c/crd16s/
[2]　積層セラミックコンデンサ　http://akizukidenshi.com/catalog/c/ccap3/
[3]　電解コンデンサ　http://akizukidenshi.com/catalog/c/cchemicon_p1/
NE555（5個入り100円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01496/
2SJ334 （150円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02846/

この回答へのお礼

ありがとうございます。ものすごく助かります。パルスは周期 400us, パルス幅 200us なので、この値になるように R1, R2, C を選べばよいのですね。

あと実はもうひとつオプションがあるのですが、LED光は赤(波長660nm)と青(波長450nm)が特に生育に影響するとされています。比率的には赤：青＝１０：１または５：１がよいとされているので、赤だけ点灯、赤：青＝１０：１の割合で点灯、赤：青＝５：１で点灯の３パターンをディップスイッチ等で切り替えられるようにしたいと考えています。またパルス駆動の有無も同様に切り替えられたらと思っています。このスイッチの切り替え時に大きな電圧がかからないように、コンデンサーか何かのパーツを使う必要があったような気がするのですが、どのようにすればよろしいでしょうか？いろいろとすいませんが、よろしくお願いします。

お礼日時：2010/11/03 20:43

No.19 回答者： inara1 回答日時： 2011/01/29 19:18

ちゃんと動作しましたか？

No.18 回答者： inara1 回答日時： 2010/12/13 20:47

ちゃんと動作するようになりましたか？

この回答への補足

ご連絡が遅れて申し訳ありません。実は例のオシロスコープがうまく動作できておらず、知人に調整してもらっているところです。準備が整った時点で、改めてご報告させていただきますね。

補足日時：2010/12/16 00:04

No.17 回答者： inara1 回答日時： 2010/12/03 23:45

NE555 の出力 pin が流せる電流は 200mA 程度なので、それ以上の電流を流すために、MOS-FET を電流ドライバとしています。

この回答へのお礼

なるほど、そういうことですね。了解しました。

お礼日時：2010/12/04 17:41

No.16 回答者： inara1 回答日時： 2010/12/01 20:31

植物栽培用のLED投光器（

http://www.kdenki.com/products/plant.html）が市販されていますが、赤（波長650nm）が64個、青（波長470nm）が6個という構成のようです。
その回路図がここ（http://www.kdenki.com/products/pdf/LEDLampV2.pdf）に出ています。市販の回路は電源電圧が 12V なので、直列接続するLED数は少ないですが、ANo.3 の回路と似ています（このサイトは最近見つけたもので、これを真似したわけではありません）。

LED投光器のページの左側に書かれていますが、KEN_2 さんがおっしゃるように、
　　通常のLEDランプに後からパルスドライバーをつけると、点灯時間が半分になり、光量も半減してしまいます。
　　パルス点灯の効果が1.2倍になっても光量が半分なので60%の効果しか発揮しなくなります。
ので、パルス光を照射するときは注意が必要です。電流制限抵抗を減らしてLEDのピーク電流を上げると、LEDの寿命が短くなるので、LEDユニットの数を増やす方法で光強度を上げたほうがいいと思います。

なお、ANo.3 の回路で連続発光させるには、NE555 の 4pin を +15V でなく、GND に接続すればいいです。添付図のように、連続発光とパルス発光をスイッチで切り替えられるようにするといいでしょう。

この回答への補足

基本的なことなのかもしれませんが、何故波形Bが出力されている３Pin,または７Pinを直接LED配列に繋ながないで、MOS-FET を使う必要があるのでしょうか？このことにはどういう意味があるのですか？

補足日時：2010/12/02 22:38

この回答へのお礼

なるほど、了解しました。オシロの調子が悪く、確認しずらいのですが、なんとかNo15らしき波形が確認できました。

ところで「完全制御型植物工場（高辻正基著）」によると、”光を必要とする時間だけ光を当てるような間欠照明を行えば、単位光量あたりの光合成速度を増大させることができるだろう。・・・クロロフィルP680の還元時間に200μsのかかり、この間は光照射が必要ない・・・ （p34下）”とありますので、電流を強くして輝度を上げる必要は無いと思います。おそらくパルス駆動にして省電力にすると、多少成長率は下がるものの、単位電力あたりのコストパフォーマンスでみれば、若干効率が良いということだと思います。なので、回路はそのままで、パルス駆動と連続照明との成長率を比較してみようと思います。

お礼日時：2010/12/02 19:33

No.15 回答者： inara1 回答日時： 2010/12/01 19:58

パルス周期 400μs、パルス幅 200μs とするには、ANo.3 の回路で、R1 = 1kΩ、R2 = 33kΩ、C = 0.01μF 程度にする必要があります。

NE555の各端子とGND間の、電圧や波形は以下のようになっているでしょうか。
　　1pin → 0V
　　2pin → 添付図 A の波形
　　3pin → 添付図 B の波形
　　4pin → +15V
　　5pin → 見なくていい
　　6pin → 添付図 A の波形
　　7pin → 添付図 B の波形
　　8pin → +15V
2SJ334の各端子とGND間の、電圧や波形は以下のようになっているでしょうか。
　　G → 添付図 B の波形
　　S → +15V
　　D → 添付図 C の波形
2SJ334 の端子は、型番が見える正面から見て、左から G、D、S ですが、これは合ってますね？

No.14 回答者： inara1 回答日時： 2010/11/30 21:12

2SJ334 のD端子とGNDの電位差が常に 15V というのは、2SJ334 のG端子の電圧が常に GND ( 0V ) になっているからですね。

ということは、NE555 は全く動作していないようです。

オシロスコープでなく、デジタルマルチメータDC電圧モードで NE555 の1～8pinの端子電圧を測定してみたらどうなってますか？5番端子は開放で間違いないです。平日は仕事なので頻繁にお答えできません。

No.13 回答者： KEN_2 回答日時： 2010/11/27 20:01

盛り上がっているところを申し訳ないですが、No.1,4 で回答した者です。

LEDのパルス駆動に付いて基本的に誤りがありますので、ご注意と対処方法をお伝えします。
下記の理由でパルス駆動をお勧めしないで、まず定常状態での点灯を実施して、回路技術が理解できてからパルス駆動採用と考えます。

LEDの定常状態で20mAであれば、パルス駆動の場合4・5倍の100mA程度を流す必要がありますので電流制限抵抗は先の計算値では、正面光度・1秒間に出てくる光子数（光量子束密度の比率）も全く異なってきます。
青色LED；R = 300Ω、赤色LED；R = 100ΩはLED直列数を再考ください。
（現在の定数でパルスは周期 400us, パルス幅 200us では輝度が発揮できません）

１.LEDの配列と配置密度を考慮ください。
２.LED電流制限抵抗と直列数は再考ください。電源容量も多く必要です。
３.駆動回路が正常に動作しない場合、最悪LEDを劣化・焼損させます。
＊他にも理由がありますが、約15％の成長速度向上のために回路の初心者にパルス駆動のリスクをお勧めできません。
　青色LEDにも下記の問題点があり、多数の直列接続LEDはばらつきが問題を発生させます。

青色LED（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01322/）
◆ＶＦ：２．９Ｖ～３．４Ｖ
※おことわり　ＬＥＤは順方向電圧降下（ＶＦ）と明るさにばらつきがございます、あらかじめご了承下さい。

この回答への補足

パルス駆動の場合４，５倍の電流を流す必要があるのですね！？20mAのままだと、全然明るさが足りないということなのでしょうか？とにかくまずはパルス駆動なしで動作させてみます。その後、パルス駆動のほうも実験してみます。

補足日時：2010/11/27 21:44

No.12 回答者： inara1 回答日時： 2010/11/26 05:23

オシロの結果はどうだったでしょうか。

この回答への補足

ご連絡が遅くなり申し訳ありません。オシロスコープの自作キットを購入したもので、製作に手間取っておありました。あと2日程度で完成すると思います。それからブレッドボードで回路を組んで、テストしてみようと思います。

補足日時：2010/11/27 21:36

この回答へのお礼

No3の回路をブレッドボードで組んでみましたが（ただしR2は16kを使用しています）、何度やってもうまくいきません。2SJ334 のD端子とGNDの電位差を計測すると、常に１５V一定値となります。LED回路を外しても同様です。5番端子は開放で間違いないでしょうか？すいませんが、よろしくお願いします。

お礼日時：2010/11/30 19:41

No.11 回答者： inara1 回答日時： 2010/11/13 05:13

回答に書いた部品は全て秋月通商から通販で買えます。

まずは１つのユニットだけで動作することを確認してみてください。

この回答への補足

パーツは購入しましたが、パルス駆動できているかどうか確認するためにオシロスコープを製作中です。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-03144/
これで動作確認してみようと思っています。

補足日時：2010/11/23 20:51