CAP1 : Power LED Driver


ありがとうございます。

■製品概要■


弊社Board1またはスイッチサイエンス社ESPrを装着するだけで、3chのパワーLEDをGPIOで制御できます。WiFi対応LED照明、自動色温度調節機能付きアクアリウム照明などを作れます。

LEDを最大300mAでドライブする回路を3チャンネル配置しました。電源電圧は最大24v、直列に接続した合計Vf=20vのLEDをドライブできます。

放熱に配慮した70μm厚銅箔(通常の2倍)の両面基板を使用しています。基板上に温度センサー(STTS751:アドレス0x38)も搭載しておりI2Cで表面温度を監視することができます。

3chありますので、RGBパワーLEDを接続できます。ホワイトLEDの場合は蛍光体の経年変化=寿命ですが、LED素子自体の寿命はそれより長いためRGB LEDの方が長期間使うことができます。ソフトウェアで色温度を自由にコントロールすることも可能です。例えば、アクアリウムの照明を時間帯に寄って波長と強度を自由に制御することができます。部屋の照明を勉強向きの青っぽい光から休息のための暖色系まで無段階に切り替えることができます。


もちろん、ホワイトLEDを3ch使用することもできます。ワームホワイト、クールホワイトを組み合わせて時間帯によって切り替える、なんて使い方は如何でしょうか。

また、Arduino、mbedやRaspberry Piなどその他のマイコンとも接続することが可能です。

■応用例■

マイコンなしでも300mA x 3chのLED定電流源として使用することができます(IO12, IO14, IO15を5vに接続)。

また、PIRセンサー(人感センサー)を使用すれば人の動きを感知して点灯するLED照明を作れます。マイコンなしで直接PIRセンサーを接続して動作させることもできます。

ESP-WROOM-02と組み合わせれば「20W スマフォ対応フルカラーLED電灯」を1万円以下で作ることができます(スマフォは別)。RGBを独立して制御できるので、たとえば水草水槽の照明として使えば、水草の成長を優先する時間帯と鑑賞する時間帯とで波長を切り替えることもできます。

■CAP1の他に必要なもの■

電源:
標準DCプラグ(センタープラス、2.1mm径)のACアダプタをお使いください。電圧はLEDのVf合計+5V程度、電流容量は2A以上をオススメします。1Aでも動作しますが、ACアダプタ(特に中のコンデンサ)は電流容量に余裕あるほうが長持ちします。

マイコンとコネクタ類:
弊社Board1, スイッチサイエンス社ESPrとの組み合わせがベストですが、その他3.3vまたは5v系マイコン、5v出力のPIRセンサーなどを、ピンヘッダやピンソケットなどで接続してください。ピンヘッドとピンソケットも必要です。

LED:
最大電流300mA以上(500mA以上のものをお勧めします)のパワーLEDを5.08mmピッチのコネクタ(ターミナルブロックなど)で接続してください。パワーLEDは放熱基板付きのものが扱いやすいです。

RGBタイプを利用する場合には、各LEDのピンが独立した6ピンタイプのものを使用してください。アノードまたはカソードコモンのものは使用できません(焼損します)。蛇足ですが、RGBタイプで検索するとWS2811/2812などマイコン内蔵のものがヒットしますが、これは使えません。

お勧めはこちらです。 放熱基板付6WハイパワーフルカラーRGBLED OSTCXBCBC1E。なお、この製品は放熱基板付きですが、放熱基板で消化できるのはせいぜい50mA程度で、300mA流すと数分で焼損します。大きな放熱器を別途ご用意ください(放熱基板付きのものは放熱器に取り付けしやすいです)。放熱器に取り付ける際には密着度を上げるためにシリコングリスを使います。シリコングリスは極力薄く均一に塗ってください(ときどきたっぷり厚く塗っているブログを目にしますがそれは間違いです)。

■温度センサーSTTS751■

ボード上には温度監視用にSTTS751を搭載しています。STTS751はシンプルな温度センサーで、I2C接続で使用できます。プルアップ抵抗の値でI2Cのアドレスを選択することができ、Cap1では20kΩでプルアップしていますので、アドレスは0x38です。

■接続方法:共通■

電源:
標準DCプラグを持つ9-24vの電源アダプタをDCジャックに接続してください。CAP1にDCジャックから電源を供給するとCAP1内蔵のDC/DCから5Vラインに対して安定化した5Vが供給されます。

LED:
LEDを+にアノード側、-にカソード側を接続します。LED出力の - はGNDではありません。GNDと- / カソードと接触しないよう十分ご注意ください。一瞬でも接続すれば焼損します。LED出力は3系統あります。

■接続方法:一般マイコンとの接続■

マイコンのPWM☓3本とIO12-CH1, IO14-CH2, IO15-CH3を接続し、GNDとGNDを接続します。温度センサを使用する場合には、I2C(SDA/SCL)を接続し外部から3V3端子へ3.3vを供給する必要があります。

■接続方法:弊社Board1と一緒に■


Cap1に16ピンのピンソケット、Board1に16ピンのピンヘッダ(写真)またはロングピンソケットをお使いください。ロングピンヘッダを使うとCap1にBoard1を重ねたままの状態でUSBシリアルと接続できるのでデバッグがラクです。高さ分邪魔ですが。

CAP1の上にBoard1を重ねることをお勧めしますが、Board1を下にして使うこともできます。Board1への電源はCAP1から供給されます。CAP1の温度センサーへの3.3v電源はBoard1から供給されます。USBシリアルとはGND, Tx-Rx, Rx-Txを接続してください。

各信号は ch1 = IO14, ch2 = IO15, ch3 = IO12, SDA = IO4, SCL = IO5 です。Board1のSDLとSCLのプルアップのためのジャンパをショートしてください。

ネジ穴の位置はBoard1と共通ですので、安定した状態で固定したい場合にはM3ネジとスペーサーなどを使用してください。

Board1をCAP1に取り付けたままでUSBシリアルからプログラムをアップロードする場合には、CAP1をACアダプタに接続した状態で、USBシリアルとはTx, Rx, GNDだけを接続してお使いください。Vinには何もつながないでください。USBシリアルの5v出力またはUSB電源端子とBoard1のVinを接続したままの状態でCap1にACアダプタを接続すると、壊れます。

なお、ACアダプタから給電していない状態であれば、CAP1にBoard1を装着したままUSBシリアルからVinにBoard1の電源を供給することが可能です。

■接続方法:スイッチサイエンス社 ESPrと一緒に■



10ピンのピンソケット/ピンヘッダを2組ご使用ください。ESPrへの電源はCAP1から供給されます。CAP1に搭載したままの状態でESPrにUSBを接続しないでください。ESPrをプログラミングする際にはCAP1から取り外した状態にしてからUSBに接続してください。

各信号は ch1 = IO14, ch2 = IO15, ch3 = IO12, SDA = IO4, SCL = IO5 です。

■接続方法:その他のESP8266/ESP-WROOM-02■

一般のマイコンと同様です。ただし、GPIO16はPWM出力として使用しないことをお勧めします。なぜなら、ESP8266/ESP-WROOM-02は、リセット時にGPIO16がHIGHになりますので、そこに接続したチャンネルが100% ONの状態で点灯してしまいます。

■接続方法:mbedなど3.3v系マイコンと■

一般のマイコンと同様です。PWM x 3chを各chの入力端子と接続し、GND同士を接続します。STTS751で温度をモニタする場合には、なお、Cap1ではI2Cをプルアップしていませんので、STTS751で基板上の温度をモニターしたい場合には2〜4.7kΩ程度の抵抗でVccでプルアップしてお使いください。

■接続方法:Arduinoと■

一般のマイコンと同様です。ArduinoのSDAとSCLは5vでプルアップされていますが、STTS751は5vトレラント入力なのでご心配なく。Arduinoへの電源はUSBから供給し、STTS751への電源はArduinoの3.3v出力から供給するのが無難です。

Arduinoに慣れている方なら問題ないと思いますが、私は久しぶりに使ってPWMとして使えるGPIOが制限されていることをすっかり忘れていました。同じ轍を踏まないようご用心くださいorz

■接続方法:Raspberry Piと■

ラズパイとも接続することはできますが、RPiではPWMが1ch(GPIO18)しか用意されていないため、そのままだと明るさを制御できるのは1chだけであとの2chは点灯/消灯しかコントロールすることができません。もちろんC言語などでGPIOを高速にon/offしてデューティー比を制御することは可能です。

STTS751で基板上の温度を調べるにはI2C(GPIO2:SDA, GPIO3:SCL)を接続します。RPiのI2Cはプルアップ抵抗は不要です。

■ESP8266/ESP-WROOM-02での問題■

ESP-WROOM-02の複数のanalogWriteを同時に書き換えると激しくチラつきます。解決方法は交互に切り替えるかdelayで少しウエイトを入れることです。

なお、Cap1+ESP(Arduino IDE)でRGB3色同時に明るさを変化させる場合には、以下の条件にするとほとんどちらつきや色ムラが生じません。半日かけてパラメータ割り出しました(笑)。

  • PWM周波数2000Hz
    低いと下記の間隔を長くする必要があり、4000hz以上だと階調のビット数が減ります。
  • analogWriteとanalogWriteの間隔1mSec
    1mSec以上であれば問題ないようです。
  • 値を変化させる周期毎秒30-50回
    30回以下だと遅くてチラつきますし50回以上だとanalogWriteが不安定に。

analogWrite(12, red); analogWrite(14, green); analogWrite(15,blue); delay(n);と書くとチラつきますが、analogWriteとanalogWriteの間にdelay(1)を入れるだけでチラつきが消えます。

以上、ご参考まで(2017年3月31日追記)。

■やってはいけないこと■

R4, R5, R6は電流センス抵抗で、現在0.33Ωが取り付けられています。この状態での各チャンネルあたりの駆動電流は300mAに制限されます。

並列に抵抗を取り付けて抵抗値を下げると電流制限値を上げることができます(合成値0.2Ω : 0.5A、合成値0.1Ω : 1A)が、ボードの発熱が大きくなりますので決してやってはいけません(ダチョウ倶楽部的な意味ではなく)。

■回路図など■

回路図

PCBパターン


EagleのデータとArduino用サンプルプログラムは以下に公開します。ご自由にお使いください。

■ご注意■

ボードもLEDも発熱します。発熱による火災等には十分注意してください。

本機はスイッチングによる電流制限なのでシリーズ方式より格段に発熱は少ないのですが、電源電圧と合計Vfとの差が大きいほど基板の発熱が大きくなります。基板の表面温度を計測するために温度センサーSTTS751を搭載していますので、基板表面の温度が高くなったら出力を落とす、等の処理を組み込むことをオススメします。

パワーLEDを50mA以上で点灯させる場合には、LED自体の放熱が必要です。大きめの放熱器を用意しましょう。作動温度が高くなると半導体素子の寿命は急激に短くなりますし、火災のリスクもあります。

本ボードは最大24vの電圧を扱います。回路が破損したり不注意でリード線が回路に触れることなどによって、USBシリアルを経由してPC/Macに致命的な高電圧がかかってしまう危険性は皆無ではありません。安全のため、Board1, ESPrおよびその他のマイコンをCAP1と接続しそのマイコンとPC/Macを接続している状態で、CAP1にACアダプタを接続しないでください。Board1およびESPrにUSBシリアルまたはUSBを接続する場合には必ずCAP1からACアダプタを抜いてください。ESP-WROOM-02に関しては、OTAでのご利用をお薦めします。

この製品はホビースト向けの実験用装置であり、この製品をご利用いただいた際に生じたいかなる事態についても弊社, 倉橋浩一および販売代理店は責任を負いかねます。予めご了承ください。

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