■LEDを定電流で駆動する

 

　今回はトランジスタを利用して、LEDを定電流で駆動する回路を検討します。

 

●この回路の定電流となる仕組み
　Q1のコレクタ-エミッタ間に電流が流れていない場合、Q2のベースはエミッタと同じGND電位となります。そのためQ2のコレクタには電流は流れません。R1経由でQ1のベース-エミッタ間に電流が流れます。Q1のベース-エミッタ間に電流が流れると、そのhfe倍のコレクタ-エミッタ間電流が流れます。Q1のコレクタ-エミッタ間電流が流れるとR2にも電流が流れ、Q2のベース電圧がR2の電圧降下分上昇します。Q2ベース電圧が0.6V以上になるとQ2のコレクタ-エミッタ間に電流が流れ、Q1のベース電流が減少します。そのため、R2に設定された抵抗値に応じた定電流がQ1のコレクタ電流として流れます。

　以上の仕組みをシミュレーションで確認します。

 

 

　トランジスタを実際に入手できるものに変更しました。変更はトランジスタのアイコンをマウスの右ボタンでクリックし、表示される仕様の設定画面で「Pick New Transistor」ボタンをクリックして、次に示すトランジスタのリストから2N4401を選択しました。

 

 

　　2N4401は、2017年6月現在秋月電子通商で入手できます。

 

 

 

　この回路の電源が5Vで動作したときのようすを確認します。N001の電源電圧、N002のQ1のコレクタ電圧、N003のQ1のエミッタ電圧、N004のQ1のベース電圧を測定しました。電圧のスケールが400mVから5.2Vで400mV刻みのグラフとなっていたので、グラフの縦軸をマウスの右ボタンでクリックして、次に示すように軸の目盛りの設定ダイアログ・ボックスを表示して変更します。

　上端を示すTopを5.0Vにして刻み幅を500mVに、底辺を0Vに設定しました。併わせてLEDに流れる電流も表示しました。

 

　LEDはデフォルトのLEDを設定しています。このLEDの順方向電圧降下が0.7Vくらいです。

 

 

　実際のLEDでは順方向電圧が低い赤色のLEDでも1.7Vくらい、白色のものなどは3V以上になるので、LTspiceに組み込まれているダイオードのリストから日亜のNSPW500BSを次のように選択します。

 

 

 

　LEDに流れる電流は約18ｍAで、

で設定される値となっています。またこのNSPW500BSの順方向電圧降下は、

で3.3Vくらいになっています。

 

 

●電源電圧を変えてみる
　次は、この回路で電源電圧を2.7～10Vまで変化させたときの状況を調べてみます。電源電圧を変化させるのはDC Sweepのシミュレーションを選択することで行えます。
　回路図画面が選択されたときに表示されるメニュー・バーの、

　　
を選択すると、Edit Simulation Commandのウィンドウが表示されます。このウィンドウのDC Sweepのタグを選択すると、次に示すDC Sweepの設定が行えます。スイープする電源は3か所まで指定できます。

 

 

 

　電源電圧V(n001)、Q1のコレクタ電圧（n002）、Q1のエミッタ電圧（n003）、Q1のベース電圧V(n004)、Q1のベース電流Ib(Q1）、LEDに流れる電流I(D1)、Q1の消費電力をグラフ表示しました。Q1の消費電力はALTキーを押しながらマウスのカーソルをQ1の上に持っていくと温度計のマウス・ポインタに変わり、ベース電流とベース-エミッタ間電圧、コレクタ電流とコレクタ-エミッタ間電圧の積の和がグラフ表示されます。

 

 

　Q1のベース電流、Q2のコレクタ電流のようすと、LEDの順方向電圧降下をグラフに追加します。今のグラフに表示されている電流値とは2桁くらい少ない値なので、同じグラフに表示しても変化の詳細はわからないので、グラフ表示画面を追加します。グラフの追加は次に示すように、グラフ画面を選択した状態で、メニュー・バーの、

　　　
でグラフ表示面（Plot Plane）を追加し、新たに作成されたグラフ表示面を選択し、

　　　　　
でグラフに測定結果を表示します。

 

 

　電源電圧が4.1V以上になると、LEDに流れる電流がほぼ一定の値になっています。

 

 

　グラフ画面のみにして、もう少し詳しく見てみます。
　NSPW500BSのデータシートを確認すると順方向電流の最大定格は30mAで、実際の使用時は20mAくらいが安全です。2N4401のデータシートを確認しておきます。最大定格はVceo＝40V、Ic＝600mA、Pd＝625mWとなっていました。
　電源電圧が4.1Vを超えるとQ1、Q2のベース-エミッタ間電圧がそれぞれ0.6Vくらいになり、それぞれのコレクタ電流も流れ始めLEDへ流れる電流が定電流化されます。

 

 

 

　トランジスタの消費電力は、電源電圧の上昇に応じて増加しています。この定電流回路はリニア制御ですので、LEDで消費されない電力はすべてトランジスタが熱として消費します。効率よい制御を行うためには必要最小限の電源電圧に設定します。電流検出用抵抗をベース-エミッタ間に接続し電流の変化を検出する今回の回路の原理は、多くの場所で利用されています。

 

（2017/6/5 V1.0）

 

　<神崎康宏>