1A_単一電池4本・効率を考察

単一電池4本・電球使用の懐中電灯を改造するために効率を考察。
乾電池が四本になると、電池の電圧が6Vになる。 白色LEDが点灯する電圧は3.5Vである。 このため電圧を下げなければLEDが壊れます。
電池を効率良く使って、1番長く使うには、どの回路がよいのかを考察します。
単純に抵抗器だけで電圧を落とすのが簡単ですが、電圧が下がると光度も下がり、 この方法はうまくありません。電池の最終実用可能電圧を何Vにするかによって、 回路は変りますが、端子電圧0.9V、 四本で3.6Vから150mAを取り出すのは不可能でしょう。
昇電圧回路を用いて、LEDを直列に点灯する方法や、降電圧回路で効率良く 点灯するなど、多くの回路が浮かびますが、 どの方法が確実で効率がよいのでしょう。

オペアンプの定電流回路と、抵抗器使用の回路の電流

オペアンプを使った定電流回路と、抵抗器で電圧を落とした回路の電流 。
回路は比較の為に、白色LEDを5個点灯させ、100mAを消費するとします。
上記のデータは実験値です。

オペアンプを使った定電流回路は、綺麗なデータになり、光度は変化しません。 効率は、電池電圧が6Vの時に、3.5/6=58%です。
抵抗器だけで電圧を落とすのは簡単ですが、電圧が下がると光度も下がります。 光度の変化は、電流に比例するとすれば、6Vの時を100%と言えば、 3.5Vのときは20%です。 これでは実用的な明るさではありません。

効率を元に計算した、各電圧の時の所要電流

回路は比較の為に、白色LEDを5個点灯させ、100mA、 0.35Wを消費するとします。
上記のデータは計算値です。

白色LEDを点灯する方法には、直列につなぎ、昇電圧回路で点灯する方法と 並列に並べ、降電圧回路を使う方法があります。 1個のICで電圧を監視しながら、最初は降電圧、電池電圧が下がると昇電圧に 自動で変る回路もあります。

上の表は、出力0.35Wを取り出すための各電圧における必要電流です。 すべて計算値ですので、実験すると幾らか違います。 随分昔から使われている、昇電圧、降電圧、両方の回路ができるTL497を 使って実験すると、最悪は効率30%を切ります。最良で55%位です。

電池電圧が下がると、内部抵抗も増えて、3.6Vで150mAは 取り出せるのでしょうか、疑問です。
もし、最終電圧を1V、四本で4Vとするならば、苦労して作った回路の効率が 70%以下では浮かばれませんね!

ここで考えている物は、単一電池4本ですから、 多分、LEDは15〜20個ですので、必要電流は3〜400mAくらいです。 その為もっと効率は下がるでしょう。

ダウンコンバーター方式の考察

電源電圧がLEDの所要電圧より高い場合は、 降圧回路を使うと効率がよいと言われている。
本当かどうかの実験です。

白色LEDを4個点灯させ、信号は矩形波を入力した。周波数8129hz

白色LEDをパルス点灯させて、100%通電と同じ光度を得るには、
60%通電では、2.4倍
50%通電では、3倍
の電流を流す必要があります。
上記の回路では、20mAx4x3=80mAx3=240mA



Iinは電源電流、Iledはオシロスコープで見た抵抗R2の両端の波高値を 電流に換算したものです。
白色LEDをパルス点灯させると、食いますね。 定電流回路なら何時も80mAです。

ちなみに、手元にある市販の、単四2本で昇圧回路を内蔵したLED一個点灯の 懐中電灯はパルス点灯なので随分食います。
3V時に115mA、2.6V時に80mA、2.2V時に68mAです。
そして3V時に、63%通電で、LEDに45mA流しています。(2.2倍)