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（2/2 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。

[Anthony Smith，Scitech]

LEDが消灯すると……

　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_B1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_B1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、V_B1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1.92s、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1.33s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。

発光強度は順方向電流の平均値に比例

　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。100μH〜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第1の理由は、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。

写真はイメージです

　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の理由は、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。

0.9Vという低い値でも回路が始動

　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。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

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【計測とテスト】：簡易テスターの設計例、旧式の計測装置の有効な活用法など

【信号源とパルス処理】：その他のユニークな回路

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。