1セル乾電池で白色LEDをフラッシュ点灯

2004年3月号

1セル乾電池で白色LEDをフラッシュ点灯

アンソニー・スミス	英サイテック社
Anthony Smith	Scitech

　1セルのアルカリ乾電池で駆動する携帯型機器などは、非常に低い電圧で動作できるように設計しておく必要がある。一般に、白色 LED＊の順方向電圧は3～5Vであるため、公称電圧が1.5Vのアルカリ乾電池1セルで駆動するのは難しい。1Vといったより低い電圧では、白色LEDの駆動はさらに難しくなる。
　今回は、1Vと低い電源電圧で白色LEDをフラッシュ点灯（点滅）させる回路を、個別半導体素子で実現する方法を紹介する（図1）。この回路を使えば、RC時定数によって設定した周期で白色LEDの点滅駆動が可能である。玩具やセキュリティー機器、小型ビーコン装置などのほか、1セル乾電池でフラッシュ点灯を利用したい機器に応用できる。

　図1において、トランジスタQ₁とQ₂、および抵抗R₃とR₄、R₅は簡単な シュミット・トリガー＊回路を形成している。このシュミット・トリガー回路と抵抗R₁、R₂、およびコンデンサーC₁によって白色LEDのフラッシュ点灯を制御する。
　トランジスタQ₄、Q₅とインダクターL₁、さらにそれらの周辺部品は昇圧回路として機能する。この昇圧回路は、1セル乾電池の端子電圧V_Sを白色LEDの駆動に十分な電圧まで高める役割を担う。トランジスタQ₃は昇圧回路の動作を、シュミット・トリガー回路によって決まる周期でオン/オフするスイッチとして機能する。
　昇圧回路の動作を理解するため、次のように仮定しよう。すなわちトランジスタQ₃は完全にオンしており、Q₄のエミッタ電圧は電池から供給される電圧V_Sにほぼ等しくなっている。このときQ₅には、Q₄とR₈を介してバイアス電圧が印加される。バイアス電圧が印加されるとQ₅がオンして、インダクターL₁を介して電流I_Lを引き込み始める。I_Lが立ち上がる際のスルー・レートは、V_SとL₁の値でほぼ決まる。I_Lが立ち上がる間、LED₁に加えてこれに直列接続したダイオードD₁は逆方向にバイアスされている。
　インダクターL₁に流れる電流は、ピーク値I_LPEAKに達するまで増え続ける。I_LPEAKに達すると、Q₅は電流の増加に対応できなくなる。するとL₁にかかっている電圧の極性が反転する。この結果、いわゆる フライバック電圧＊が発生する。フライバック電圧によって、LED₁の正極の電位はV_Sよりも高くなり、LED₁とD₁を順方向にバイアスできるようになる。
　同時に、フライバック電圧はC₃およびR₁₀を介してQ₄のベース端子にも供給される。これによってまずQ₄がオフし、続いてQ₅がオフする。この状態では、インダクターL₁に流れる電流I_LはL₁とLED₁、D₁を循環することになる。L₁に蓄積されていたエネルギーが減少するにしたがってI_Lは減少し、最終的にはゼロになる。するとL₁にかかっている電圧の極性が再び反転する。この変化はC₃を介して直ちにQ₄に伝わり、Q₄はオンする。続いてQ₅がオンすると、L₁を流れる電流が再び増加し始める。こうして最初の状態に戻り、同じ過程を繰り返す。
　昇圧回路の発振周波数は、V_SとL₁、R₈の値で決まるQ₅の順方向電流利得や、LED₁の順方向電圧などによって決まる。図1に示した回路では、発振周波数は50k～200kHzになる。この周波数で、ピークがI_LPEAKの電流パルスがLED₁に印加される。電流パルスは1秒当たり数1000回もLED₁に供給される。このため、LED₁は連続的に点灯しているように見える。
　シュミット・トリガー回路とその周辺部品は、低い周波数の発振器を構成している。この発振器で昇圧回路をオン/オフする。この動作を理解するため、Q₁がオフでQ₂がオンしていると仮定しよう。ここでQ₂の順方向電流利得がかなり大きいとすれば、ベース電流の影響を無視できる。すなわちQ₂のベース電圧V_B2は、V_Sの値と、R₃とR₅からなる抵抗分圧器の分圧比によって決まる。図1に示したR₃とR₅の抵抗値では、V_Sが1VのときにV_B2は約800m～900mVになる。
　V_B2がこの値のときは、R₄に約300m～400mVの電圧がかかる。この結果、Q₂のコレクタ電流は、R₄が20kΩの場合に少なくとも15μAになる。Q₂のコレクタ電流がQ₃のベース端子を駆動して、Q₃を飽和させる。すると昇圧回路がオンしてLED₁を点灯させる。LED₁が順方向にバイアスされると、C₄はある電位V_Pに達するまで充電される。ここで、V_PはV_Sよりもダイオード1個の電圧降下分だけ高い電位である。
　C₄に続いて、タイミング調整用に設けたコンデンサーC₁が、R₁を介して充電される。充電時の時定数は主に、V_PとR₁、R₂、C₁の値によって決まる。R₁とR₂の抵抗値の比を適切に設定しておけば、Q₁のベース電位V_B1はV_B2（シュミット・トリガー回路の上側しきい値電圧V_TUにほぼ等しい）よりも高くなる。この結果Q₁はオンになり、Q₂はオフになる。この時点でQ₃もオフになり、昇圧回路の動作は停止する。こうしてLED₁を消灯する。
　LED₁が消灯するとV_Pは急速に低下し始め、C₁は放電を開始する。この放電の時定数は、主にQ₁のベース電流とR₂、C₁で決まる。LED₁は、V_B2がシュミット・トリガー回路の下側しきい値電圧（V_TL）に達するまで消灯状態を維持する。V_B2がV_TLを下回るとQ₁がオフになり、Q₂がオンする。すると昇圧回路が再び動作を開始し、LED₁を点灯する。R₁、R₂、およびC₁の値を十分に大きくしておけば、LED₁は長い周期でフラッシュ点灯する。例えば、R₁とR₂の値をそれぞれ約1MΩ、C₁の値を1μF以上とすれば、1秒よりも長い周期で白色LEDを点滅させられる。
　ただし、R₁とR₂は、前述のようにQ₁のベース電圧V_B1を設定するための抵抗分圧器としても機能する。このためR₂の値はR₁よりも十分に大きくしておく。C₁が充電されたときに、VB1がシュミット・トリガー回路の上側しきい値電圧よりも確実に高くなるようにするためである。この点にだけ注意しておけば、所望の点滅周期を得るためのR₁とR₂、C₁の値は実験によって容易に見つけられる。
　V_Pの値はC₁の充放電に大きな影響を及ぼす。さらにV_Pの値は、電池の端子電圧V_Sによって変化してしまう。ただし、V_B2の値もV_Pと同様にV_Sによって変化する。このため、V_PのV_S依存性はある程度相殺される。それでもなお、白色LEDの点滅周期と点灯時間/消灯時間の割合（デューティー比）は、1セル乾電池の端子電圧が低下するにしたがって若干変化してしまう。
　例えば、R₁が2.2MΩ、R₂が10MΩ、C₁が1μFとする。V_Sが1.5Vのとき、点滅周期は約1.92秒、デューティー比は66%である。V_Sが1Vに低下すると、点滅周期は約1.33秒と短くなり、デューティー比は44%に下がる。シュミット・トリガー回路の下側/上側しきい値電圧であるV_TL/V_TUは、V_Sが1.5Vのときに約0.7V/約1.2Vで、V_Sが1Vになると約0.6V/約0.8Vに低下する。
　白色LEDの発光強度は順方向電流の平均値に比例する。従って発光強度は、インダクターL₁を流れる電流のピーク値I_LPEAKと白色LEDを流れる電流パルスの持続時間によって決まる。L₁が飽和しない限り、ピーク電流の値はQ₅が対応できるコレクタ電流の最大値に大きく依存する。V_Sが一定の場合には、コレクタ電流の最大値はQ₅の順方向電流利得に依存する。また、R₈の値もコレクタ電流の最大値に若干影響を与える。
　R₈を適切に選択すれば、V_Sが低くなった場合にも十分な発光強度を得られる。実験でR₈の値を変化させて、採用する白色LEDの発光強度を最大にできる値を選択すればよい。ただしピーク電流は、V_Sが最大値のときに白色LEDの最大定格電流を超えないように注意する。
　L₁の値はそれほど重要ではない。100μ～330μH程度の値を選択すれば良好な性能と効率を得られる。トランジスタの品種も重要ではない。試作した回路では、電流利得が中～高程度の汎用小信号デバイスを使って十分な動作特性を得られた。可能であれば、Q₃とQ₄、Q₅は低飽和型トランジスタを用いるのがよい。C₂は回路を動作させるのに必須の部品ではないが、Q₂のベース端子におけるスイッチング雑音を抑えるのに役立つ。
　C₄の主な役割は電荷を蓄えることである。LED₁点灯時に、C₁を充電するための電圧源となるV_Pを安定に保つ役割を果たす。充電電流はそれほど大きくない。このためC₄の値はかなり小さくできる。10nFが適当であろう。注意が必要なのはC₄の接続方法である。Q₅のコレクタ端子にかかるフライバック電圧を整流用ダイオード経由でC₄に印加する接続方法は使わない。図1に示したように、C₄は必ずD₁とLED₁の結線部に接続する。
　この接続方法を使う理由は、第1に、V_SからL₁とR₁を通ってQ₁のベース端子に至る経路の途中に白色LEDを配置できるからである。通常、白色LEDには最小でも3V程度の順方向電圧がある。この順方向電圧による電圧降下分を利用することで、前述の経路によってQ₁がオンしてしまうことを防止できる。こうしないと、白色LEDが消灯したまま回路の状態が固定されてしまう可能性がある。
　第2に、V_PはV_Sよりダイオード1個の電圧降下分だけしか高くならないからである。すなわち、C₁の充電電流を一定とすると、R₁の値を小さくできる。
　昇圧回路のオン/オフは、Q₄のベース電流を供給/遮断することでも制御できるように見えるだろう。もしそれが可能であるならばQ₃は不要になる。しかし、Q₄のベース電流を制御する方法は発振の恐れがあるので使えない。いったん昇圧回路を動作させると、Q₄のベースに直流バイアスを印加しなくても、帰還電流がC₃とR₁₀を経由してQ₄のベースに戻ってくることで発振状態が維持されてしまう可能性がある。このため、昇圧回路をオン/オフするために採用できるのは、図1のようにQ₃を制御する方法だけである。
　試作した回路では、V_Sが0.9Vという低い値でも回路が始動し、白色LEDの点滅を維持できた。ただしこの電圧では白色LEDの発光強度は弱かった。V_Sを1.5Vに設定すると白色LEDは良好な発光強度を示した。さらにV_Sを1Vに下げても実用的な発光強度を確保できた。

用語解説 / 会社情報

【LED】
light emitting diode
発光ダイオード

▲本文へ戻る

【シュミット・トリガー】
Schmitt trigger
入力信号の論理値の高/低を判断するしきい値が2つあるデジタル回路。単安定マルチバイブレーターなどによく用いられている。入力信号を高レベルと判断するしきい値（上側しきい値）と、低レベルと判断するしきい値（下側しきい値）がある。

▲本文へ戻る

【フライバック電圧】
fly-back voltage
インダクター（誘導性負荷）に流れる電流を急激に変化させることで発生する高電圧のこと。

▲本文へ戻る

「design ideas」への寄稿のお願い

米国EDN誌の日本語版「EDN Japan」は、米EDN誌と同様に「電子技術者の仕事に役立つ」誌面作りをモットーに掲げ、米EDN誌で注目を集めた記事の翻訳のほか、日本国内で独自に取材し執筆した記事を掲載して行く予定です。弊誌「EDN Japan」では、「design ideas」と呼ぶ1ページ前後のコラムを毎号6ページ～8ページ掲載しています。これは、米EDN誌の「名物コラム」で、電子回路設計などの現場で働く電子技術者の皆様からのご寄稿により成り立っています。そこで半導体メーカーや電子機器メーカーの電子技術者のほか、大学などの研究者、一般の方（コンサルタント業務に携わる方など）の皆様からの「design ideas」へのご寄稿を募集します。

【記事内容】
・	電気/電子回路の新たな提案とその説明。
・	半導体製品に組み込まれた新たな回路の紹介。
・	半導体/電子部品の面白い使い方。
・	半導体/電子回路の性能を引き出す、あるいは部品の弱点を補う回路の提案。など。
上記以外のテーマについては、別途ご相談ください。

【原稿の長さ】
・	原則として1～2ページ。文字数は約1000～1500、図版は1～3点程度です。

【原稿料】
・	採用原稿に対して、400字当たり3000円（税込み）。

【注意点など】
・	未発表のものに限定します。
・	ご寄稿いただいた原稿は、EDN Japan誌で選考させていただき、採用/不採用を決めさせていただきます。
・	掲載した原稿の著作権はEDN Japan誌に帰属します。
・	ご寄稿いただいた原稿は、EDN Japan誌のほか、米国EDN誌やEDN Asia誌、EDN China誌、EDN Europe誌に掲載される可能性があります。

原稿のご寄稿ほか、ご質問・ご要望などはこちらまで。


雑誌無償購読申込み	ニュースレター登録	この記事に対する感想/ご意見


	Reed Electronics Group
	Electronic BUSINESS Japan　\|　Design Ｎews Japan　\|　Semiconductor INTERNATIONAL　\|　DETAIL JAPAN


	EDN Japanについて　\|　広告掲載について　\|　サイトマップ　\|　お問合せ

		Copyright (C) 2000-2007 Reed Business Information Japan K.K.

	個人情報に関する方針　\|　著作権・リンクについて　\|　会社情報