LED調光器

LEDとPWM

LEDはすっかり普及し、様々な波長の様々な出力のものが販売されています。豆電球（白熱電球）よりも熱を持ちにくいのもいいところです。

一方で、豆電球と違って、調光（明るさの調整）がしにくいという特徴があります。LEDが光るためには一定の電圧が必要なので、ただ単に電源との間に可変抵抗を挟んだだけでは、思うように調光できないのです。光を絞っていくといきなり消灯してしまい、微妙な明るさを作り出すことができません。

そこで必要になるのがパルス幅変調＝PWMです。PWMの詳細な説明はググってもらうといいですが、思いっきり簡単に説明すると、電圧や電源はそのままに高速で明滅を繰り返すことで、明るさを調整する仕組みです。1秒間に数百回から数万回の明滅を繰り返しますので、それなりの回路を組む必要があります。

ArduinoとATtiny

そんなPWMを簡単に実現する方法があります。ワンボードマイコンのArduinoには、PWMの機能が組み込まれているのです。

Arduinoなら、C言語ライクなArduino言語でプログラミング可能で、パソコンからUSB経由でのプログラム書き込みも簡単。オープンソースなハードウェアなので、安価に入手可能です。さらに安価な類似製品も多く、それらは1個あたり$1.5程度で購入できます（たいてい個人輸入ですが）。

とにかくお手軽にPWM調光装置を作るならArduinoでもいいのですが、ATtinyシリーズのマイコンチップを使うと、更に小さくできます。Arduinoは名刺サイズ～親指サイズですが、ATtinyなら指の爪サイズ（よりも小さいサイズ）です。Arduino言語でのプログラミングも可能です。

ArduinoでもATtinyでもPWMの信号を作り出すことはできますが、単体で流せる電流はわずかで、高輝度のLEDをドライブするにはパワー不足です。そこで、トランジスタの一種であるパワーMOSFETを使って、大電流のon/offを切り替えます。

本稿では、ATTinyシリーズの中でも最小・最安のATTiny 13aを使ったPWM調光装置の作り方を、備忘録を兼ねて下記に紹介します。なお、私は顕微鏡用の照明装置として、このPWM調光器を作成して使用しています。今後、電気泳動ゲルの観察装置にも組み込む予定です。それでわかるように、PWMの応用範囲はとても広いのです。生物学者はPWMを使いこなすべきです（言い過ぎ）。

ソフトウェア

まずは、下記のコードをATtiny 13aに書き込みます。

私は自作した書き込みシールドをArduino UNOに装着し、これを書き込み装置として書き込みを行いました。その辺りの解説はネットに数多ありますので、ご参照ください。

とは言え、書き込み用の環境を整えるのは大変ですよね。アマチュアや任期付きの研究者、学生さんは、チップを送っていただければ私の方で書き込みを代行しますので、遠慮なく連絡してください。私がこの書き込みシールドを紛失しない限り、ですけど。

なお、PWMの実現にはArduino言語に標準装備されたanalogWrite()関数を使わず、コード内にも記載の通り、くろべこさんの高速PWMのhsPWM()関数をそのまま流用させてもらっています。

ポテンションメーター（いわゆるボリューム）につながったアナログピンA2で電圧を読み取って、過去20回分（0.5秒間）の読み取り値を平均し、明るさの設定値を求めています。ポテンションメーターで発生しがちなガリつきなどに影響されにくく、なめらかに明るさが変動するようにという工夫です。

ちなみに、下記のコードでATtiny 13aの小さなメモリ（わずか1KB！）を46%しか消費しません。まだまだ機能を盛り込めそうです。そんな機能は思いつきませんけどね。

#include <avr/io.h>

//過去20回分(0.5 sec)の計測値を格納する配列

int vals1[20] ;

//高速PWMのルーチンはくろべこさんのコードをそのまま流用

//https://kurobekoblog.com/attiny13_8bit_timer

uint8_t hsPWM(bool pin, int8_t pwm){

//＊内臓クロック9.6MHz

//TCNT0 = 0; // タイマ0の初期値

if(pin==0){ //pin0, 右下

DDRB |= 0b00000001;//PB0出力設定

TCCR0A |= 0b10000011;//PB0非反転出力,高速PWM

TCCR0B |= 0b00000010;//8bit高速PWM,8分周比

OCR0A = pwm;//8bitタイマ/カウンタ比較レジスタA

return OCR0A;

}else{ //pin1, 右下から2番目

DDRB |= 0b00000010;//PB1出力設定

TCCR0A |= 0b10000011;//PB0非反転出力,高速PWM

TCCR0B |= 0b00000010;//8bit高速PWM,8分周比

OCR0B = pwm;//8bitタイマ/カウンタ比較レジスタA

return OCR0B;

}

// the setup function runs once when you press reset or power the board

void setup() {

}

// the loop function runs over and over again forever

void loop() {

//配列に格納した過去の値を一つずつずらして空きを作る

for (int i=0; i <= 18; i++){

vals1[19-i] = vals1[19-i-1];

}

//A2ピンの電圧を読み取る

int j = analogRead( A2 );

//空いた先頭に読み取った値を格納する

vals1[0] = j;

//配列内の値の平均を計算する

int mavg1 = 0;

for (int i=0; i <= 19; i++){

mavg1 = mavg1 + vals1[i];

}

mavg1 = mavg1 / 20;

//最大値1023の値を最大値255に変換

int8_t val = map(mavg1, 0, 1023, 0, 255);

//高速PWM

hsPWM(0, val);

//25 milli seconds待つ

delay( 25 );

}

ハードウェア

下図のような回路を組みました。ブレッドボードでテストしてから、ユニバーサル基板にはんだ付けしました。

私がさしあたって使いたいのは12V駆動のLEDモジュールなので、12VのACアダプタを電源に使っています。12V電源を直接つなぐとATtinyが焼ききれてしまいますので、レギュレータで5Vに降圧して供給しています。LEDの電圧が5Vまでだったら、レギュレータを省いてOKです。ATtiny 13aの動作電圧範囲は1.8～5.5Vと広いので、あとは適当に抵抗などでLEDへの電流を制限してください。

図では3端子レギュレータ（右上の部品）ですが、実際には、手を抜いてモジュール化されたものを用いました（なので、コンデンサがありません。7805などの一般的な3端子レギュレータで作る場合は、発振防止・平滑化用のコンデンサを追加する必要があります）。

大電流のドライブには、NチャンネルのパワーMOSFETを使っています。実際に使ったのは、秋月電子で在庫処分特価になっていたTK4Q60DAですが、有名な2SK4017などで良いでしょう。

図では、同じATtinyシリーズのATtiny 85（13aの上位互換チップ）になっています。85でも同じように動くはずですが、安い13aで十分です。

ケースへの組み込みなど

（以下は、後日加筆予定）

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