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1セル乾電池で白色LED をフラッシュ点灯：Design Ideas ディスプレイとドライバ（1/2 ページ）

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。だが、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。

» 2014年01月29日 08時00分公開

[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機器、小型ビーコン装置などの他、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1：1セル乾電池で白色LEDをフラッシュ点灯する回路。1セル乾電池の端子電圧を昇圧して、白色LEDをフラッシュ点灯（点滅）させる。個別半導体素子を使って実現した（クリックで拡大）

　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^＊1）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。

＊1）入力信号の論理値のハイ/ロー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などに良く用いられている。入力信号をハイレベルと判断するしきい値（上側しきい値）と、ローレベルと判断するしきい値（下側しきい値）がある。

　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の仮定

　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、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^＊2）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。

＊2）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。

　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

　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秒当たり数千回も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から成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800mV～900mVになる。

　V_B2がこの値のときは、R₄に約300mV～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。