LEDの異常を検出できるドライバー回路

2004年11月号

LEDの異常を検出できるドライバー回路

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

　LEDは各種の表示装置や、フォトカプラーの発光素子として広く使われている。用途によっては、LEDは主装置から離れた場所に設置されることが多い。具体例としては、自動車のダッシュボードに組み込まれたインジケーターや工業用の光センサーが挙げられよう。こうした用途では、LEDがきちんと動作しているかどうかをLEDのドライバー回路側から監視できるようにしておく必要がある。
　図1は、LEDに異常が発生していないか、すなわち、開放状態や短絡状態が発生していないかどうかを監視する機能を備えたLEDドライバー回路である。4個のトランジスタと6個の抵抗だけで構成した。1個のLEDを一定の電流で駆動するほか、制御信号V_CONTでLEDの点灯と消灯を切り替える機能も備えている。V_CONTの論理レベルが高レベル（5V）のときはLEDが消灯し、低レベル（0V）のときはLEDが点灯する。

　ほとんどのLEDでは最小でも1.2Vの順方向電圧降下が生じる。LED回路に異常がなければ、この電圧降下によってQ₃に適当なベース電圧が印加され、Q₃はオン状態になる。Q₃がオンするとQ₂にコレクタ電流が流れる。Q₂が動作することでQ₄にもバイアス電圧が供給される。するとQ₄がオンして、異常検出信号（/FAULT）の出力論理レベルが高レベルになる。LEDが正常に動作している限り、異常検出信号は高レベルを維持し続ける。
　LEDに異常がないとき、Q₂とQ₄はともにオン状態である。従ってQ₁のベース電位は、電源電圧（VS）からトランジスタ2個のベース・エミッタ電圧降下（V_BE×2）程度低い値になる。またR₁にかかる電圧はトランジスタ1個のベース・エミッタ電圧降下（V_BE）程度である。ここでV_BEを約0.6Vとすれば、R₁が68Ωであることから、Q₁によってLEDに供給される電流は約10mAと計算できる。R₂の値はLEDの抵抗成分と比べて十分に大きいので、Q₁のコレクタ電流がR₂を介してQ₃のベースに流れ込むことはない。
　LEDに異常が発生し、開放（オープン）状態になると、Q₁のコレクタからみた負荷はQ₃のベースと直列接続されたR₂だけになる。R₂の抵抗値はR₁よりもはるかに大きいので、Q₁は飽和してエミッタ電流がほとんど流れなくなる。このためR₁にかかる電圧は約20mVまで低下し、Q₁とQ₂のエミッタの電位は電源電圧（VS）にほぼ等しくなってしまう。この状態ではQ₄のベースに十分なバイアス電圧が供給されず、Q₄はオフ状態になる。この結果、異常検出信号（/FAULT）が低レベル（0V）に変化して異常状態を通知する。
　一方、LEDが短絡（ショート）状態になった場合は、Q₃が直ちにオフし、Q₂のコレクタ電流を遮断する。このときQ₂のベース・エミッタ接合はダイオードのように機能し、主にR₃とR₄の比とQ₂のV_BE電圧降下で決まる電圧にQ₁のベース電圧をクランプ（制限）する。R₄の値はR₃より小さいので、Q₂のエミッタ電位がVSに近づく。この場合もQ₄がオフ状態になり、異常検出信号を低レベルに変化させて異常状態の発生を通知する。
　回路中の抵抗値を図1のように選んでおけば、Q₁のベース電圧は約4Vにクランプされる。このためR₁にかかる電圧は200m～300mV程度である。従って、LEDが短絡状態に陥ったときの電流は正常状態のときの1/3未満に抑えられ、無駄な電力を消費せずに済む。
　LEDが正常に点灯している状態では、Q₁にはQ₂よりも大きな電流が流れる。このためQ₁のV_BE電圧降下はQ₂よりもやや大きくなる。この結果、R₁にかかる電圧は、標準的なダイオードの順方向電圧降下の値よりいくらか小さくなる。従ってLEDの駆動電流を所望の値に設定するためには、実験によってR₁の抵抗値を適当な値に設定する必要があるだろう。
　R₃は、LEDを点灯させている状態（V_CONTが低レベルのとき）でQ₁とQ₂に適当なベース電流が流れるように選ぶ。実際に回路を試作して実験した結果、R₃が39kΩのときにうまく動作した。ただし、LEDを駆動する電流の大きさやQ₁とQ₂の電流利得によっては、もっと小さい抵抗が適切な場合もあるだろう。
　LEDが点灯しているときは、Q₂とQ₃は完全にオン状態になる。このため、各トランジスタのコレクタ電流を最大定格電流以下に抑えるためには、R₅の値をある程度大きくしておく必要がある。ただしR₅を大きくし過ぎると、R₄とQ₄のベースに流れる電流をQ₂が供給できなくなってしまう。まずR₅をR₄の4～5倍程度にしておいて、徐々に大きくしていくのがよい。
　図1では電源電圧を5Vとした。回路中の抵抗値の計算をやり直せば、異なる電源電圧で動作させることも可能である。Q₁が飽和しない程度のエミッタ電圧を確保できる範囲であれば、低い電源電圧で動作させられる。ただしLEDに青色LEDや白色LEDを用いる場合には、順方向電圧降下が比較的大きいため、注意が必要だ。

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