LED発光回路

質問

LED発光回路を設計しています。回路はLEDに電流をできるだけ多く流すためエミッタフォロワの回路にしております。詳しく説明するとコレクタ側に供給電圧5[V]を加えベース側はグランドとの間にツエナーダイオード(3.9[V]), 5[V]との間に抵抗560[Ω]を接続して、エミッタ側はLED制限抵抗としてボリウムとLEDを接続しています。LEDには最大40[mA]位電流を流すこと、ボリウムの消費電力については満足した結果が得られているのですが、気になる点が2点あります。コレクタ-エミッタ間電圧がボリウムの値(10～200[Ω])を変更しても1.6[V]と値が変化しないこと, 供給電圧の変動5±0.5[V]でLED電流の変動が10[mA]位出てしまうことです。コレクタ-エミッタ間電圧についてはこのようになる理由をLED電流の変動については変動を半分にしたいのでその方法を教えて頂きたいです。(なお、基板のパターンは決まってしまっているので乗数変更のみで対応できる方法を教えて頂きたいです。)

回答No.6

inara

ANo.3です。
yamatokoryoさんの回路は擬似定電流回路で、定電圧電源に抵抗とLEDを直列に接続した構成になるので、LEDによって動作電圧のバラツキがあるとLED電流が変わってしまいます（発光色によって動作電圧がかなり変わる）。バラツキがあっても同じ電流を流すには、回路の変更になりますが、以下のようにすることをお勧めします。

'　┌─────┬─ Vcc
'　│　　　　　　　 │
'　R1　　　　　　　 LED
'　│　　　　　　　 │
'　├─┐　　　　 │
'　│　 │　　　　 C
'　ZD　VR←─B
'　│　 │　　　　 E
'　┷　 R3　　　　│
'　　　　│　　　　R2
’　　　 ┷　　　　┷　GND

ZD：ツェナーダイオード、VR：ボリウム、B/C/E：NPN Trのベース・コレクタ・エミッタ、┷：GND(0V)、Vcc：電源電圧(5V)

R1=220Ω、R2=80Ω、R3=220Ωにすれば、LED電流を 0～40mA まで可変できます。ボリウム位置を x (0≦x≦1)としたとき、LED電流 I [A] は次式で表されます。

I = (β+1)*{ (x*VR+R3)*Vz-(VR+R3)*VBE }/{ (1-x)*VR*(x*VR+R3)+(β+1)*(VR+R3)*R2 }
VBE = 0.6～0.7V（ベース－エミッタ間電圧）、Vz = 3.9V（ツェナー電圧）、β はTrの電流増幅率（数十～数百）。

R3を入れているのはボリウムを回しきったとき（x = 0のとき）にちょうど I = 0 とするためで、R3*Vz = (VR+R3)*VBE となるようにR3を選びます。Trによってβの値が変わると、x に対する電流の直線性が少し変わります。x = 1 のとき、LEDに流れる電流は Imax = (β+1)*(VR+R3)*(Vz-VBE)/{ (β+1)*(VR+R3)*R2 } なので、R3で最大電流を決めます (80ΩでI = 0.04A = 40mA)。β が大きければ Imax ～ (Vz-VBE)/R2 と近似できます。

なお、VRを大きくすると直線性（ xの変化に対するLED電流の変化）が悪化します。またR1、R3、VRをむやみに変えると、ツェナーダイオードにかかる電圧が3.9V未満になってツェナーダイオードが動作しなくなる（電源電圧が変わるとLED電流が変化してしまう）ので注意してください。近似的な計算ですが Vcc*(VR+R3)/(R1+VR+R3) > Vz (3.9V) となるようにします。

Vcc=5V、Vz=3.9Vでは、電源電圧が1V下がったときに、ツェナーダイオードが動作しなくなり、定電流回路として余裕がありません。Trの発熱が大きくなりますがVccをもっと高くしたほうがいいでしょう。もしVccが安定しているのなら、そもそもこんな回路にせず、抵抗とLEDを直列にしてVccにつなげればTrは不要ですが、（LEDのバラツキに対して）定電流にはなりません。

回答No.5

himara-hus

＃２です。今の回路で電圧変動により電流が変動する理由を補足します。
いくつか考えられますが、
１　ツェナー電圧変動
　　ツェナーダイオードへ流れる電流が２倍以上変動
　　５Ｖ時：（５－３．９）/５６０－Ｉb
　　４．５Ｖ時：（４．５－３．９）/５６０－Ｉb
　　この電圧変動は、ハンドブックまたは実測で確認ください。
　　Ｉｂが大きい（ＬＥＤに流す電流が多い時）ほど、比率的に
　　変動は大きくなる。

２　電流を決定しているボリュームにかかっている電圧が小さい
　　Ｖrv＝（３．９－０．６－２（発光ダイオードの電圧））Ｖ
　　　　＝１．３Ｖ
　　電圧変動による３．９Ｖの変動が（比率的に）大きく出てくる。
　　発光ダイオードの電圧がもっと高ければもっと変動が大きく出る。
　　その電圧の変動率だけ電流が変動する。

　上記のように、この回路は電源電圧５Ｖに対して余裕がなく変動に弱くなっています。また、この回路はトランジスタでも無駄な熱を発生します。

回答No.4

tadys

>コレクタ-エミッタ間電圧がボリウムの値(10～200[Ω])を変更しても1.6[V]と値が変化しない

これについては、No.2さんの回答の通りです。

＞供給電圧の変動5±0.5[V]でLED電流の変動が10[mA]位出てしまうことです。

ツエナーダイオードは定電圧回路では有りません。4V付近のツエナーダイオードは電流が10mA変化すると約1Vの電圧変化があります。この電圧変化が原因でしょう。

LEDのドライブをエミッタフォロワで行うのは全く良くありません。
エミッタフォロワは出力インピーダンスが低い、言わば定電圧回路ですが、
LEDのドライブは逆に出力インピーダンスが高い定電流回路で行うのが定石です。
定電流ダイオードを使う方法もありますが電源電圧が5Vで電流が40mAと言うと電源の影響が大きくなるのであまり良くありません。
簡単な定電流回路はトランジスタ２石で出来ますが今回パターンが決まっていると言うことでNGですね。

今回、パターン変更なしで対応できる可能性があるのはトランジスタを３端子レギュレータに置き換える方法です。
出力電圧3.3VのLDO（ロードロップアウト）レギュレータを使えば良いでしょう。
トランジスタのコレクタ→レギュレータの入力
トランジスタのエミッタ→レギュレータの出力
トランジスタのベース→レギュレータのグランド→グランド
発振防止の為にレギュレータの入出力にパスコンをつける必要があるかもしれません。
問題はパターンに有ったレギュレータが見つかるかです。

駄目な場合は、子基板を作って貼り付けるか、基板変更になります。

回答No.3

inara

>コレクタ-エミッタ間電圧がボリウムの値(10～200[Ω])を変更しても1.6[V]と値が変化しない

トランジスタ（Tr）が飽和領域で動作しているからです。この領域ではTrが単なる抵抗（スイッチ）になってしまうので、電源電圧を変動させるとエミッタ電圧も変動してしまい、LED電流もそれに応じて変動します。つまりこの回路は定電流動作していません。

１つ考えられる原因は、ツェナーダイオードがオープンになっていることです。このとき、ベース電流は(5V-4.1V)/560Ω=1.6mAとなってしまい、TrはON状態（飽和領域）になっているものと思われます。

電源電圧を変えたとき、ベース電圧が3.9Vの一定値になっているかチェックしてください。変動しているのなら、ツェナーダイオードがハンダ不良で浮いていないか、壊れていないか、本当に3.9Vのツェナーダイオードなのかチェックしてください。回路が正常に動作しているのなら、エミッタ電圧は、電源電圧に関係なく（ただしVcc>4.5V)、3.2V程度のはずです（これもチェック）。

なお、エミッタに入っているボリウムですが、ボリウムの可動接点に大きな電流を流すような使い方は避けてください（寿命が短くなります）。回路は変更できないとのことですが、どうしても制限抵抗を入れるなら10Ωの固定抵抗を入れて、ベース電圧をボリウムで可変にするほうがボリウムの接点に流れる電流がはるかに少なくてすみます（ボリウムの固定端子をツェナーダイオード出力とGNDに接続、可動端子をベースに接続）。

回答No.2

himara-hus

>コレクタ-エミッタ間電圧がボリウムの値(10～200[Ω])を変更しても1.6[V]と値が変化しないこと

トランジスタのベース電圧が３．９Ｖに固定されていますから、エミッタ電圧は（３．９－０．６）Ｖに固定されます。
ゆえに、（５－３．３）Ｖ＝１．７Ｖに固定されます。
０．１Ｖの差は、流れている電流が多いので０．６Ｖがもう少し高くなっていると思われます。（誤差）

＞LED電流の変動については変動を半分にしたいのでその方法

　トランジスタをＰＮＰタイプに変更します。エミッタを電源へ、コレクタをボリュームがわに、ベースは同じところに接続します。
　５６０Ωの抵抗とツェナーダイオードを、はずします。
　ツェナーダイオードがあった位置に、抵抗１ｋΩ程度をつけます。
　以上でＰＮＰタイプのスイッチング回路（オン状態）になり、誤差は電源とほぼ同じ±10％になります。
　コレクタ電圧は、５Ｖから０．２～０．３Ｖ程度下がった電圧になります。

回答No.1

hitunion

＞　コレクタ-エミッタ間電圧がボリウムの値(10～200[Ω])を変更しても1.6[V]と値が変化しないこと,

これは、ＬＥＤの順方向電圧が１．６Ｖであることから来ます。
簡単に言ってしまうと、ＬＥＤの順方向に発生する電圧は、これくらいの値に収まるということです。(ＬＥＤのサイズ等によって違いはあります。)
要は、ＬＥＤの順方向では、１．６Ｖのツェナーダイオードになると思ってください(ツェナーダイオードを知っていそうなので、このような説明にします。)。

＞　供給電圧の変動5±0.5[V]でLED電流の変動が10[mA]位出てしまうことです。

おそらく、ベース側は、V_{CC}→抵抗→D_{Z}→GNDとなっていることと思います。
エミッタフォロワの出力は、３．９Ｖの定電圧になるとは思いますが、ボリュームで電流を絞っているときは、エミッタの負荷によるフィードバックが十分ではなくなるため、電源の変動に影響されやすくなるのではないでしょうか？

回路パターンは決まっているとの事ですが、ＬＥＤに０～４０ｍＡを流したいのであれば、Ｊ－ＦＥＴやオペアンプを用いた定電流回路にするべきでした。