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植物育成灯「あーりん!」の製作

水耕栽培の植物育成用にLEDライトを自作しました。


ポイントとしては

・植物に成長に必要な赤色+少々の青成分を用意
・光合成のタイミングにあわせる200μSecの点滅
・LEDの電源の電圧・電流の管理。なるべくロスを少なく
・簡素で安価で作りやすい回路

について意識して設計しています。

BNCT8HYCcAAOr-J.jpg



製作手順やポイントを紹介します。

リフレクターに使用したのはダイソーで売っているキッチン用のステンレス製ボール。
直径20cm程度で底面が平らになっているものが良さそうです。
使用するLEDの照射角が120度となっていますが、効率を考えるとビームは絞ってなるべくこぼさず葉っぱに当てたいところです。そのため、深めのものを選定しました。
ちなみに放熱を考えると熱伝導の良いアルミ製が良いのですが、安価で底面が平らなものが見つからなかったのと、ステンレスでも十分ではないかと判断(これが甘かった)したので、とりあえずダイソーのボールで製作します。

IMG_0696.jpg


IMG_0697.jpg
こんな感じでLED取り付け穴と放熱穴、吊り下げ用の穴をあけます。




LEDの取り付け
DSC_3804.jpg
そこそこ発熱するので配慮が必要です。
アルミ基板のLEDですが、ネジ止めすると電極部分にネジが触れそうになるので、あらかじめ該当部分をパターンカットしておきます。アルミ基板も導通するのでショートが心配ですが、気をつけてカットしましょう。ちなみに保護回路があるので万一、ショートしても大事には至らないはずです。
赤3個、青1個を直列にします。順番は関係ありません。使用したLEDは秋月電子にあるOSR5XME3C1SとOSB5XME3C1Sでいずれも1個300円です。



DSC_3800.jpg
当初はリフレクターが放熱板を兼ねる予定でしたが、底面部のみ熱くなり周辺に熱が分散しないため、急きょアルミアングルで放熱フィンを取り付けました。LEDおよび放熱フィンの取り付け部分には放熱グリスを塗布しました。

LED部分はこれで完成です。


DSC_3819.jpg



続いて駆動回路です。

駆動方式については何度も検討、実験しましたが、一般的な抵抗や定電流ダイオードを用いる方式ですと、どうしても損失(電力のムダ)が多くなってしまいます。しかもパルス発光と定電流回路を同時に組むのは大掛かりとなってしまうので、なんとか都合よく点灯する方法を考えました。


実験中の様子
DSC_3811.jpg


約2.5kHzのパルス点灯を行うためには、タイマーICの555で発振回路を組むのが簡単ですが、秋月電子で売っているPWM方式DCモーター速度可変キットがほぼそのまま使えることに気づいたので、このキットを使用しました。


回路図はこのとおり
LED_schematics.png

キットでは発振周波数が10kHzですので、発振周波数を決定するコンデンサ、C1を1000pFから4700pFに変更することで、約2.5kHz(200μSec間欠)にすることができます。

また、LED1個あたりのVfが約3Vで4個でほぼ12Vとなりますが、過電流保護でポリスイッチを挿入します。500mAタイプ(1000mA遮断)がちょうどよく動作します。


以下が実際に駆動したときの波形です。電流プローブは100mV/Aですので、80mVは800mAと読み替えてください。


デューティー比50%のとき
LEDduty50.jpg

この時の電流値は840mAと、LEDの直流点灯時の絶対最大定格800mAを目安に設定しました。ちなみにパルス点灯では1000mA(最大パルス幅10mSec、デューティ比1/10)となっています。


デューティー比を高くした場合
LEDduty95.jpg
デューティー比95%まで上げていくと、ポリスイッチが動作し始めます。
ON時の電流が840mAから584mAまで下がりました。直流点灯でも絶対最大定格を超えるような場合は電流が制限されます。


実際の使用では、発熱や素子の余裕をみてデューティー50%を少し下回るくらいが良さそうです。
LED300mA.jpg
デューティー34%で平均300mA、このくらいでどうでしょうか。
半固定抵抗の位置はおおよそ10時から11時の間くらいです。





電源制御回路「ももパワー」をケースに納めた様子
(秋月のターミナルが予想以上にでかかった!)

DSC_3795.jpg


DSC_3792.jpg


DSC_3789.jpg


平均300mA時のボリューム位置
DSC_3798.jpg



とりあえずこのくらいでテスト運用してみようと思います。


あーりん!!
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作ってみました

素人ですが、私も作ってみました。
どうしてコンデンサ、C1を1000pFから4700pFに替えると、10kHzから2.5kHzになるのでしょうか?
それと、基盤の裏の写真ですが、2cm程の赤のコードですが、発振させた+極をLOGICの+に入れてますが、黄色のコードからのまちがいではないでしょうか?

No title

コメントありがとうございます。

コンデンサのC1は発振の周期を決めるもので、これが大きくなるほど発振の周波数は小さくなります。
1000pFから4700pFなので4.7倍、その逆数で2.13kHz。コンデンサの値の区切りと、そこまで正確な値が必要でないこと、この手のコンデンサの精度はそこまで高くないことから、これで約2.5kHzということにしました。

赤のコードですが、配線の接続しやすさの都合上ダイオードのカソードに接続していますが、基板のパターンを辿ればわかりますように、結果的に同じ部分に接続されていますので大丈夫です。

写真は完成後の動作しているものですのでご安心ください。約1年ほど経ちますが、無事に動作しています。

ちなみにですが、パルス点灯の場合は全ての電灯を同じパルス源で点灯させないと、点滅の意味が無くなってしまいますのでご注意ください。

完成品の状況や、実際に育成できたかなどなど、またよろしければお話をお聞かせください。

LED基板についての質問

fixer様

こんばんは。
いきなり失礼いたします。
岡本と申します。

私も植物用のLED照明を自作いたしたく、ネットサーフィンしている中
御ブログにたどり着きました。大変貴重な内容であり、
ぜひノウハウをご教示頂けませんでしょうか。
つきましては、下記のご質問など、もしお時間がございましたら
ご回答を頂けますと幸いでございます。

①LED電源の基本的な考え方で恐縮ですが、LED4本直列が2並列になっているかと思いますが、それぞれVfが3V発生するので12Vを追加した36V供給する ということになるのでしょうか?

②IC555のOUT端子の出力パルス電圧なのですが、
①の36VのDuty50%パルスでよいでしょうか?

③自分でDuty50%固定の回路を設計中なのですが
御ブログでポリスイッチなど至らない部分が多いことを知り、
安全面でも危険を感じました。
もしございましたらP板.comなどで制作可能なCADデータなど
はお持ちではないでしょうか。fixer様の設計基板通りのものが
欲しいです。

長々と申し訳ございません。

No title

fixer様

追加ですみません。
岡本太郎です。

私の作成中の回路図を見て頂くことはできないでしょうか?
tinaでシミュレーションしながら回路図はDSPCBで作成中です。

画像でもお送りできればいいのですが

No title

岡本太郎さま

コメントありがとうございます。
この回路について、もう3年も前のことになるので記憶としては曖昧ですが記事を読みなおしたところご質問の内容も含めて必要事項は十分に記載されているようです。

電源電圧は記事の通りの12Vです。
とにかく記事の通り作れば大丈夫ですし、記事の通りでないのであれば全部設計しなおす必要があると思います。

基板はわざわざ作らなくとも、記事中にあるキットを使って同じように作れば十分かと思います。

よろしくお願いします。

No title

ここによると点滅のデューティ比は50%より点灯時間が短い33%くらいが良いって書いてある。
ブログに書いた作例でちょうどよかったぽい



第2章 豊かなくらしに寄与する光 2 光と植物-植物工場:文部科学省
http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu3/toushin/attach/1333537.htm

No title

fixer様

ご回答を頂きまして誠にありがとうございます。
記事内容を改めて読み返させて頂きました。
おっしゃる通りですべて書いてありました。
また、LEDについての知識が無かったこともあり
行き詰った原因となっていました。
また先に進めそうです。
とても助かりました。ありがとうございました。

No title

fixer様

ご回答ありがとうございました。

再度読み直しました。
同じように作り直します。
ありがとうございました。
プロフィール

fixer

Author:fixer
http://fixerhpa.web.fc2.com/
Twitter @fixerhpa
頒布中のバランスキット関連はこちら

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