電池１本で白色 LED を光らせる回路

　以前 ＣＱ出版のハードウェア・セレクション・シリーズ 「高輝度／パワーLEDの活用テクニック」の Appendics 「電池１本で高輝度白色LEDを光らせる簡易回路」で 紹介させて頂いた回路を電池の持ち重視に変更したもので 「トランジスタ技術 2008年5月号」 の p.270 「0.71Vでも起動する高効率白色LED点灯回路」 にて掲載のものです。

　この回路はホーム・センタで購入した白色LEDペン・ライトの不安定な動作 にあきれて、低コスト用に設計した簡易的なものです(当時)。 今(2011年）では DIODES/ZETEX の ZXLD381 (1cell, 320mA, SOT23) などもあります。 信頼性が重要な場合にはリニアテクノロジの LTC3490 (1cell, 350mA) のような専用 IC をお使い下さい。 電圧だけで言えばニッケル水素やオキシライドやエボルタ乾電池でも動作 安全上、単４または単３型のマンガンまたはアルカリ乾電池または NiMH 二次電池を推奨します。 LEDの順方向電圧が低い赤・黄・緑色などのLEDでの使用には適しません。

注意

■ 電池は＋−を逆に入れない
■ 公称電圧が 1.5 V を超える電池を使用しない
🚫 守らないと破裂、発火、故障の原因となります。

■回路

簡易型回路なので出力は電池電圧により変動しますが、 帰還入力部 Q1, Q2 をカレントミラー風にしたことにより、 バイアスが安定し広い温度範囲や電源電圧範囲で安定した発振が 得られています。 また、出力トランジスタ Q3 のオフ時には Q1, Q1 のベースが 弱く逆バイアスされて帰還電流はR1側にしか流れないために 部品定数などの設定の自由度が高く、素子値がばらついても 発振停止しにくくなっています。

ローパワー版

■雑音

電力効率と実装面積とコストの観点から出力の平滑回路を端折って ます。磁界ノイズに関しては、実験回路では 電源のバイパスコンデンサ、インダクタ、スイッチングトランジスタ及び LED の囲む面積が小さくなるように配置配線して不要輻射が少なくなるように 配慮しています。 スイッチング周波数が100KHz前後と比較的高いので不要輻射が問題に なる場合には配線やシールド等に注意が必要です。

LED順方向電圧波形 (Ta=23℃)

Vcc=0.9V	Vcc=1.7V

■電池

電源の電圧範囲は単３型電池の 0.9〜1.7 V での使用を想定していますが、 実験では常温で 0.71V から動作しました。（電源電圧 対 電源電流 特性) このようにアルカリ乾電池の標準的な終止電圧 0.9 V を超え、 0.75Vくらいの低電圧まで使えるともうちょっと（＋５％くらい）エネルギー の有効活用が出来て、まさに電池を使いきるまで使えると言えます。 （ただし過放電による液洩れに注意。）

電源電圧 対 電源電流 特性

本誌では単３型電池１本で連続170時間(１週間+2h)と書いてありますが、Panasonic の単３型アルカリ乾電池 LR6XJ を使用した Ta=23℃前後の環境での実測例では発振停止まで約267.5時間でした。
それにしても最近のアルカリ乾電池って本当にすごいですね。 これくらいの電流での使い方だと余裕で2Ah以上 3Ah近くの電池容量です。地道ですが昔からは随分と進歩しています。

単３型アルカリ乾電池 (Panasonic LR6XJ) での放電終了間際の電圧変化

■実測とシミュレーション

実際の実験用回路とシミュレーション用回路図（ミディアムパワー版） Download leddrvmp.asc - simulation circuit for LTspice XVII

実測波形とシミュレーション波形（ミディアムパワー版）

実測波形 (Vbat=1.3V)	シミュレーション波形

ほんとは

「完全に一致！実測とシミュレーション 　#SPICE による #電子工作」

■故障と信頼性など

この回路は低電圧まで動作するため、電池メーカーの指定する終止電圧を越えて使用した場合に、電池によっては 過放電となり液洩れを起こす可能性があります。
実際にオキシライド乾電池では電池一本で使用しているにも関わらず液洩れを起こした事例がありました。 (2009年6月現在 オキシライド乾電池の生産は終了しています。) Panasonic の 電池の違いと主要機器別おすすめ(改定 2008年7月25) には LEDライトは「おすすめします◎」に 分類されていますが、この回路と同様に昇圧回路を内蔵している LEDライトの場合、過放電の恐れがあります。 非公式にですがアルカリ乾電池に比べ過放電で液洩れしやすいとのことでした。
使用しない時は電池を外し、またLEDが極端に暗くなったら速やかに電池を交換することを勧めます。

■おまけ

実用回路例

ポリスイッチと保護ダイオードで過電流と電池の逆接続保護、磁気シールド付きのコイルと出力コンデンサで EMC対策を行っています。
また、出力が無負荷になると過電圧になる恐れがあるため、負荷の LED列を 2列に分けて、片方の断線や LEDのオープンモード故障に対処しています。
LED列の22Ωの抵抗はバランス用抵抗で必須です。

応用例

上記回路を電車好きの息子の要望により列車模型のプラレール™の車内灯用に応用した例です。
これは息子の夏休みの自由工作になりました :-)

• 電池１本で赤/橙/黄色 LED を間欠閃光で光らせる回路
• LTspice — 周波数特性シミュレーション例 (4 kHz, フリーゲ型 BEF）
• LTspice — .include ディレクティブとトランスの使用例（Ni-MH 1-cell, LED 点灯回路）
• LTspice — 回路図中での関数と式の使用例（容量分割整合）
• LTspice — パラメータスイープの使用例（音声用 BPF）
• LTspice — 信号源のパルス幅の変更例（PWM 可変負電圧バイアス生成回路）
• LTspice — パラメータ中の式の使用例（セラミックはんだごてブースター）
• LTspice — パルス電圧源中での数式の使用例（低電圧 CMOS ロジック用レベルシフタ）
• LTspice — 回路素子での数式と関数の使用例（差動入出力 バイクァッド型 BPF）
• LTspice — メーカー製ライブラリの使用例（汎用フォトカプラの応答速度）
• LTspice — メーカー製ライブラリの使用例（基準電圧 IC 用プリレギュレータ）
• LTspice — 群遅延シミュレーション例（シングル MOS-FET ３次 LPF）
• LTspice — 群遅延シミュレーション例 (800 Hz, 直線位相, 3 次対 BPF）
• LTspice — フーリエ解析の使用例（バイポーラトランジスタ 4 石、電流帰還型アンプ）
• LTspice — フーリエ解析の使用例（バイポーラトランジスタ 4 石、多重帰還型差動出力アンプ）
• LTspice — 差動信号のフーリエ解析の例（多重帰還差動出力アンプ）
• LTspice — 高精度 DFT の使用例（JFET + Op.Amp. + Buffer 構成の低雑音アンプ）
• LTspice — 高精度 DFT 解析例（超低歪プリアンプ）
• LTspice — 過渡特性・周波数特性シミュレーション例（電圧帰還型オペアンプ）
• LTspice — 損失のある伝送線路の使用例（パッシブプローブ）
• LTspice — 伝送線路の使用例 (LV-CMOS の直列終端)
• LTspice — 極座標フォーマット (db,deg) のテキストを CSV に変換する方法

1. 社団法人 電池工業会 電池工業会発行書物
2. Panasonic 電池・電源