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zoom RSS 発光ダイオードの駆動回路(その2:定電流回路)

<<   作成日時 : 2014/03/20 22:01   >>

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 前回紹介した基本的な駆動回路では抵抗器を発光ダイオードと直列に接続しています。このとき電源電圧Vと発光ダイオードを流れる電流Iの関係は、前回も掲げた通り
   (1)
となります。ここでRは抵抗器の抵抗値、Vfは発光ダイオードの順方向電圧です。

 ところでこの順方向電圧は素子によってかなり異なります。順方向電圧はpn接合におけるp型とn型の不純物の分布に影響されるので、同じ条件で製造したつもりでも素子ごとの微妙な変化は避けられません。このため同じ製品でも順方向電圧のある程度のばらつきはあるものと考える必要があります。

 その場合、(1)式右辺のIRをVfより十分大きくなるようにしておいた方がよいと言えます。Vfが多少変動してもVとIの関係への影響が少なくなるからです。そのためには抵抗値Rを大きくします。電流と発光強度の関係は比較的変動が少ないので、これによって素子ごとの発光強度のばらつきが抑えられます。

 しかしRを大きくすると抵抗器で消費される電力が増えます。この電力は発光に寄与しないので、無駄な電力消費となり好ましくありません。
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 これを解決する手段が定電流回路です。図Aのように抵抗器の代わりに定電流回路(定電流源ということもあります)を挿入します。丸の矢印という記号が使われます。この回路ではVfが異なっても常に一定電流が流れます。発光ダイオードのところを抵抗器に置き換えても同じで、抵抗値が変化しても回路を流れる電流は一定に保たれます。

 電源電圧Vが一定である限り、定電流源の両端の電圧をVsとすると、常に
 
が成り立つ必要があります。したがってVfが変動した場合、その変動を打ち消すようにVsが変動しなければなりません。定電流源というのはそのような特性をもった回路です。

 このような特性をもった回路はトランジスタを使って実現できます。以前の記事を参照するとトランジスタには図Bのような特性があります。これはトランジスタを図Cのように接続した場合、コレクタ−ベース間の電圧VCBが変動してもコレクタを流れる電流ICはほとんど変動せず一定であることを示しています。この特性を利用すれば、定電流回路が実現できます。
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 発光ダイオードを定電流駆動する回路としては図Dのようなものが使われます。トランジスタのベースに流れ込む電流は小さいので、コレクタに流れ込むコレクタ電流ICとエミッタから流れ出るエミッタ電流IEはほぼ等しくなります。またベースの電位VBは電源電圧VCCを抵抗R1とR2で分圧した値に固定されます。
 
 発光ダイオードはコレクタにつながっているので、コレクタの電位は
 
となります。もし発光ダイオードの順方向電圧Vfが変動するとVCが変化し、コレクタ−ベース間の電位差VCBが変化します。しかし図Bの特性があるので、コレクタ電流すなわち発光ダイオードを流れる電流は変化せず一定電流に保たれます。

 この電流はエミッタの電位VEをR3で割った値になります。VEはベース電位からベース−エミッタ間電位差VBEを引いた値になるので、
 
となります。ここでVBEはダイオードの順方向電圧と同じで電流によらず一定(シリコントランジスタでは約0.6V程度)ですから、R3を選ぶことで発光ダイオードに流す一定電流を設定できることになります。
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 この回路はいわゆるベース接地回路です。ベース接地回路ではベースを「接地」することが重要なのではなく、ベースの電位を基準となるように固定することが重要です。ベース電位VBが一定に保つには、抵抗分割より優れた回路がいくつか知られています。R2を低電圧ダイオード(ツェナーダイオード)に置き換えると確実にベース電位を一定に保てます。図Eはその一例です(特開 2010-272840より)。
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 回路左上部は整流回路で電池でなく商用交流電源を使うためのものです。発光ダイオードLED1〜Nが複数直列に接続されています。図Dの場合と違ってトランジスタQ1のエミッタ側に接続されていますが、流れる電流は同じなのでどちらでも構いません。ZD1がツェナーダイオードでこれがベース電位を一定に保っています。抵抗分割の場合は電源電圧が変動すると、ベース電位も変動してしまいますが、ツェナーダイオードであればそのようなことはありません。




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