3Vの電源電圧でLEDフラッシュライトを実現

　安価なLEDフラッシュライト（懐中電灯）では、多くの場合、4.5Vの電源、つまり単3型または単4型の電池を3個使用する。白色LEDを駆動するには、3.3V〜3.5Vの電圧を必要とするからだ。本稿では、昇圧回路を用いて、3Vの電源で5〜10個ほどのLEDを駆動するフラッシュライトの実現方法を紹介する。

図1　LEDフラッシュライトを駆動するための昇圧回路　

　図1に示したのが本稿で取り上げる昇圧回路である。この回路は、わずか6個の部品で構成されており、1インチ（約2.54cm）平方以下の小型プリント配線板上に構成できる。ただし、使用する部品の種類とその特性には注意を要する。

　IC₁は米Atmel社のマイクロコントローラ「ATtiny13」であり、これによって昇圧制御に用いるチャージポンプ回路を構成している。同コントローラが内蔵する発振器の周波数は、電源電圧が3.5Vの場合で1.2MHzである。また、電源電圧は1.8Vまで下げることができ、消費電力も少ない。Q₁はnpnトランジスタ「ZTX618」であり、飽和電圧が低く、コレクタ電流は3Aまでとなっている。D₁はショットキーダイオードであり、順方向電圧が低く、高い効率が得られる。

図2　インダクタL₁に流れる電流の変化　Q₁がオンの時間にL₁にエネルギーが蓄積し、オフの時間にそのエネルギーがコンデンサC₂に移動する。

　IC₁に3Vの電源電圧を印加すると、PB2端子の出力がハイになり、Q₁がオンになる。これに伴い、Q₁のコレクタ電位はグラウンドレベルの近くまで落ちる。その結果、インダクタL₁に電流が流れ始める。この電流はPB2端子の出力がローに変化するまでは増大し、ピーク値I_PKに達する（図2）。このように動作するには、インダクタL₁が飽和しないことが条件となる。

　IC₁のPB2端子の出力がローになると、Q₁がオフになり、L₁のエネルギー放出が始まる。その結果、逆起電力が発生し、ダイオードD₁が導通状態になる。これにより、L₁に蓄積されていたエネルギーがコンデンサC₂に移動する。C₂には、LEDを点灯させるに十分なレベルまでエネルギーが蓄積される。電源電圧V_IN、インダクタL₁の値L、L₁に流れるピーク電流I_PK、PB2端子の出力がハイの期間T_ONの間には、次の関係が成り立つ。

リスト1　ATtiny13用のプログラム　

　電源電圧が3Vの場合に、L₁としてインダクタンスの値が公称10μH、飽和電流が1.5A以上のものを選ぶとしよう。その場合、T_ONの値は5μsとなる。リスト1に示したプログラムでは、トランジスタQ₁のオン時間がこの値になるようにしている（後述）。IC₁が備えるプログラム用メモリーの容量は1Kバイトだが、リスト1のプログラムはそのうちの22バイトしか使用しない。

　このプログラムでは、次のようにして昇圧回路を制御する。まず、PORTB2（PORTBのビット2）に対するSBI（ビットセット）命令によってPB2端子の出力をハイにするとトランジスタQ₁がオンになる。マイクロコントローラは内蔵発振器により1.2MHzの周波数で動作するので、その後はクロックサイクル（約0.8μs）ごとにNOP（No Operation）動作となる。NOP動作は6回繰り返されるので、トランジスタQ₁は約5μsの間オンになるということだ。その後、PORTB2に対するCBI（ビットクリア）命令によってPB2端子の出力がローになると、Q₁がオフになる。

　実験を行った結果、この昇圧回路は100kHzのスイッチング周波数で動作し、LEDが5個の場合には電圧が17Vで35mAの出力電流が得られ、LEDが10個の場合には電圧が32Vで20mAの出力電流が得られた。