JPH0878731A - 発光素子駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単で、無駄な電力を低減できる発光素子駆
動回路を提供する。 【構成】 駆動手段１０は入力信号ａに同期して動作す
る。制御手段１１も入力信号ａに同期した制御信号ｃ
１、ｃ２を出力する。電源８と駆動手段１０、ＬＥＤ２
の間にあるチャージポンプ回路による電圧変換手段１２
も、制御信号ｃ１、ｃ２により動作するため、入力信号
ａに同期して動作する。電圧変換手段１２は入力信号ａ
がローの時（非発光時）は電源８から直列に接続された
コンデンサに充電し、ハイの時（発光時）になると内部
のコンデンサの接続を並列に切り換え電圧を１／２にし
た上で、ＬＥＤ２側へ放電するため、電力効率が高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパルス状の入力信号によ
る、発光素子、特にＬＥＤ・レーザーダイオード等の半
導体発光素子（以下、単にＬＥＤという）の駆動回路に
関し、特にその低消費電力化に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、小型あるいは携帯用機器にお
いて、表示・照明・伝送等のために、小型・低消費電力
・長寿命等の特徴を有するＬＥＤが多用されている。
又、そのＬＥＤを駆動するための回路も様々なものが提
案、利用されている。中でも、バーコードリーダ・光電
スイッチ・光通信等の分野ではＬＥＤをパルス状の信号
で駆動することが多い。以下、従来のＬＥＤの駆動回路
とその動作について図５と図６により説明する。

【０００３】図５に第１の従来例を示す。ここで、１は
入力信号が加えられる入力端子、２は発光素子であるＬ
ＥＤ、３はＬＥＤ駆動用のトランジスタ、４はＬＥＤの
電流制限抵抗、５はトランジスタ３の入力電流制限抵
抗、Ｖｆ１はＬＥＤの動作電圧、Ｖｒ１はＬＥＤ以外の
電圧降下、８は電源ライン、ａは入力信号、である。こ
の回路の動作は、入力信号ａがハイレベル（多くの場合
ほぼ電源電圧）の時、トランジスタ３がＯＮし電流が流
れ、ＬＥＤ２が発光する。入力信号１がローレベル（多
くの場合ほぼ０Ｖ）なら、ＬＥＤ２は発光しない。

【０００４】図６に第２の従来例を示す。ここで、２−
１〜２−４はＬＥＤ群、３−１と３−２はＬＥＤ駆動用
のトランジスタだが差動回路になっており、９−１と９
−２は基準電圧設定用の電圧分割抵抗、他の符号は第１
の実施例と同様である。高速な駆動が要求される場合に
よく利用される回路である。動作は差動トランジスタに
より出力が反転される点が異なるが、他は同様である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで再び図５に注目
する。例えば電源電圧（以下、Ｖｃｃと略す）が５Ｖ
で、Ｖｆ１が１．５Ｖとすると、Ｖｒ１は３．５Ｖにな
る。ＬＥＤ２の動作電流（以下、Ｉｏｐと略す）が０．
１Ａとすると、この回路の消費電力は０．５Ｗ（＝Ｖｃ
ｃ×Ｉｏｐ）であるが、この内ＬＥＤ２で消費されるの
は０．１５Ｗ（＝Ｖｆ１×Ｉｏｐ）のみである。残り
０．３５Ｗ（＝Ｖｒ１×Ｉｏｐ）は捨てられてしまう。
つまり、効率は３０％（＝０．１５Ｗ／０．５Ｗ）にす
ぎない。

【０００６】次に、図６の回路は、ＬＥＤ２−１〜２−
４が２組各々２つずつ直列になっている点でいくぶん電
流が有効に利用されているように見える。差動トランジ
スタのＬＥＤ側だけ考えれば、前と同様の条件下で効率
は６０％になる（ＬＥＤを直列に２つ接続していること
で約２倍になっている）。ただし、差動回路は、一方の
側の電流が増えれば、他方の側が減る、という様に動作
し、消費される電流はトータルでは常に一定である。従
って、実際の効率は３０％（＝６０％／２）になり、前
の従来例と同じである。又、この例の様にＬＥＤを直列
にすると必要なＶｆ２は当然Ｖｆ１の２倍になり、それ
に伴い要求される電源電圧Ｖｃｃの下限も上昇せざるを
得ない。これは、特に電池動作機器にとっては（連続動
作時間の短縮を招くため）好ましくない傾向である。

【０００７】上記した基本的回路に対して、効率を改善
しよう（直接それを狙ったものでなくとも）とする試み
は文献中に見られる。例えば、特開平３−１２９８８４
号ではチャージポンプ回路の昇圧によりＬＥＤを駆動す
る回路が示されているが、入力信号に応答して表示する
ための回路にはなっていない。又、特開平６−１９６７
５８号にも電源電圧より高い電圧で駆動するための回路
が示されているが、逆に電源電圧より低い駆動電圧を得
るやり方については何ら記載がない。

【０００８】以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、電
源電圧が高くても、簡単で、しかも無駄な電力を低減で
きる発光素子駆動回路を提供することにある。さらに、
電池動作機器の連続動作時間を延ばすために、電源電圧
を検出して、高い効率を維持する発光素子駆動回路を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、パルス状の入力信号に従って点滅する
発光素子駆動回路において、 ・発光素子と前記入力信号に同期して前記発光素子を駆
動する駆動手段とからなる発光手段と、 ・前記入力信号に同期した１つ以上の制御信号を出力す
る制御手段と、 ・一方が電源に、他方が前記発光手段に接続される電源
スイッチング手段と、前記発光手段と前記電源スイッチ
ング手段との接続点に接続されるチャージブロックとか
らなる電圧変換手段とを有し、 ・前記チャージブロックは、２つのコンデンサと前記制
御信号により動作する１つ以上の接続切換手段とを有
し、前記発光手段が非発光時には前記電源スイッチング
手段を通して直列に接続された２つのコンデンサを充電
し、発光時には２つのコンデンサを並列に接続し直して
発光手段へ放電する、ことを特徴とする。

【００１０】

【作用】電圧変換手段は、発光素子が発光していない期
間に電源から充電され、発光時には必要に応じ電圧を変
換して発光素子側に放電することで、無駄な電力消費を
抑制する。さらに、電源電圧を検出して、発光素子への
供給電圧を切り換えることにより、電源電圧の低下を補
償する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の複数の実施例を図面に基づい
て詳細に説明するが、従来例と同一部分には同一番号を
付し、説明は省略する。

【００１２】図１は、本発明に係わる第１の実施例の回
路である。ここで、４’はＬＥＤ電流制限抵抗である点
では従来例と同じだが、その抵抗値は異なる。１０は駆
動手段で、ＬＥＤ４’と合わせて発光手段（図示せず）
を形成する。１は制御手段、１２は電圧変換手段、１３
は遅延手段、１４は信号伸張手段、１５は論理否定手
段、１６−１と１６−２はチャージ用のコンデンサ、１
６−３は平滑用のコンデンサ、１７−１〜１７−５は制
御入力がハイの時にＯＮ、ローの時にＯＦＦとなる電子
スイッチで、その中の電子スイッチ１７−１は電源スイ
ッチング手段（発光手段側へは間接的に接続されてい
る）、ａは入力信号、ｂは遅延手段１３から出力される
駆動信号、ｃ１は電子スイッチ１７−１、１７−２を作
動させる制御信号、ｃ２は電子スイッチ１７−３〜１７
−５を作動させる制御信号、ｄは電源側に接続される電
子スイッチ１７−１と負荷側（ＬＥＤ２）に接続される
電子スイッチ１７−５とが接続される中間点、ｅは電圧
切換手段１２の出力である供給点、を表す。

【００１３】以上の構成による発光素子駆動回路の動作
を、図２に示した動作タイミングチャートも併用しなが
ら説明する。ただし、遅延手段１３と信号伸張手段１４
については単純なため、詳細は省略する。

【００１４】図２の期間Ａ−１においては、入力信号ａ
はローであり、信号伸張手段１４は働いていない。この
時、制御信号ｃ２はローになり、電子スイッチ１７−
３、１７−４はＯＦＦになる。一方、制御信号ｃ１はハ
イになり、電子スイッチ１７−１、１７−２はＯＮにな
る。これにより、コンデンサ１６−１、１６−２は直列
接続の状態で電子スイッチ１７−１を介して電源に接続
される。中間点ｄの電圧（以下Ｖｄと略）はほぼ電源電
圧になり、従って、両コンデンサ１６−１、１６−２に
は各々電源電圧Ｖｃｃの１／２の電圧が印加されること
になる。又、電子スイッチ１７−５はＯＦＦになってお
り、Ｖｃｃがコンデンサ１６−３やＬＥＤ２に印加され
ない様に遮断している。

【００１５】次に、入力信号ａが入ると、期間Ｂに移
る。制御信号ｃ１はローに、ｃ２はハイになる。これに
より、電子スイッチ１７−２はＯＦＦに、電子スイッチ
１７−３、１７−４はＯＮになるため、コンデンサ１６
−１、１６−２は並列に接続される。又、電子スイッチ
１７−１はＯＦＦになるため、各コンデンサ１６−１、
１６−２、１６−３は電源から遮断される。ここで、中
間点ｄの電圧Ｖｄはコンデンサ１６−１、１６−２の電
圧、すなわちＶｃｃの１／２となる。電子スイッチ１７
−５はＯＮになるため、コンデンサ１６−１、１６−２
からコンデンサ１６−３に電流が流れ込み、３つのコン
デンサの電圧は互いにほぼ等しくなる。なお、この期間
Ｂは、各部品が十分高速であれば、無くとも動作上の支
障はない。

【００１６】次に、入力信号ａに対して遅延された駆動
信号ｂが駆動手段１０に印加されると、期間Ｃに移る。
ここで、トランジスタ３がＯＮになり、コンデンサ１６
−１〜１６−３から電流が供給され、ＬＥＤ２が点灯す
る。当然ながら、コンデンサ１６−１〜１６−３の電圧
は放電により下がっていく。

【００１７】次に、信号遅延手段１４からの駆動信号ｂ
が切れると、期間Ｄに移る。この期間は、駆動手段１０
や各電子スイッチの遅延時間、あるいは制御手段１１の
制御タイミングのバラツキによる一時的ショート（によ
る電力ロス）を回避するために設けたものである。もし
各部品が十分に高速であれば、期間Ｄが無い様に設定し
てもよい。

【００１８】最後に、信号伸張手段１４の伸張時間が終
わると、再び期間Ａ（図中Ａ−２）に戻る。コンデンサ
１６−１、１６−２は直列に再構成されるが、期間Ｄで
の放電により電圧が低下しているため、両者の合計電圧
（＝Ｖｄ）はＶｃｃには戻らない。そこで、電源から電
子スイッチ１７−１を通して電流が流れ込み、コンデン
サ１６−１、１６−２の再充電が行われる。

【００１９】ここで、本実施例における効率を、従来例
の場合と同様な条件（Ｖｃｃ＝５Ｖ、Ｉｏｐ＝０．１
Ａ）で比較する。供給点ｅの電圧（以下Ｖｅと略）はＶ
ｃｃの１／２弱（図２より）なので、仮に平均して約
２．３Ｖとする。ＬＥＤ２の発光中の消費電力はＶｆ１
×Ｉｏｐ＝０．１５Ｗと従来例と同じである。一方、供
給点ｅからＬＥＤ２側を見た消費電力（＝供給電力）
は、Ｖｅ×Ｉｏｐ＝０．２３Ｗとなる。ここで、電圧変
換手段１２内の各コンデンサでは電力のロスはほとんど
ない。又、各電子スイッチにおけるロスも無視できる程
度である。すると他にロスする所はないので、電源から
見た平均の消費電力は前記供給電力とほぼ同様になるは
ずである。従って、効率は約６５％（＝０．１５Ｗ／
０．２３Ｗ）となる。第１の従来例の効率と比較して、
効率が約２倍になっていることがわかる。

【００２０】なお、本実施例においては、電源から見た
時、電源スイッチング手段、チャージブロック、平滑用
の電子スイッチとコンデンサ、発光手段（ＬＥＤ、駆動
手段）の順に並んでいるが、これ以外にも構成は可能で
ある。例えば、発光手段の中のＬＥＤと駆動手段を入れ
換えてもよい（駆動手段はＰＮＰトランジスタにす
る）。あるいは、電源から見た時、発光手段、平滑用の
電子スイッチとコンデンサ、チャージブロック、電源ス
イッチング手段と逆にしてもよい（この場合は請求項の
「電力供給源」はグランドになる）。その際、もし制御
信号の極性を反転させる必要があるものは、制御信号ｃ
１かｃ２のいずれか必要な方から取ればよい。なお、前
記したように、各部品が十分に高速であれば期間ＢとＤ
が省略可能であり、その場合回路上では遅延手段１３と
信号伸張手段１４は不要になる。又、コンデンサ・ＬＥ
Ｄ・電子スイッチを設計上の要求（電源電圧、光度等）
に応じて複数に並列化・直列化してもよいことは、言う
までもない。

【００２１】図３は、本発明に係わる第２の実施例の回
路である。まず、２０の電源電圧検出手段回りである
が、ｆは基準電圧点で、ここの基準電圧はＶｓとする。
ｇは比較電圧点でここの比較電圧はＶｃとする。２１は
基準電圧用の抵抗、２２はツェナーダイオード、２３−
１と２３−２は比較電圧用分圧抵抗、２４はコンパレー
タとして使うオペアンプ、２８はチャタリング防止用正
帰還抵抗、ｈは動作許可信号、である。２５は停止手段
としての論理積手段、２６は制御手段、ｃ４とｃ５は制
御信号、である。

【００２２】次に、５２のＬＥＤの駆動手段回りである
が、５１は電流制御手段、３２はＬＥＤ駆動用のｎ型Ｆ
ＥＴ、３４は第１実施例と異なり電流制限抵抗ではなく
電流検出抵抗であり（抵抗値は極めて小さくてよい）、
電流の制限はＦＥＴ３２が行う。４２は直流遮断用のコ
ンデンサ、ｍはゲート信号、３３はバイアス抵抗、ｊは
ＬＥＤに流れた電流値を示す検出信号、３６は検出信号
ｊのピーク値を保持するためのコンデンサ、３５は発光
時のピーク時の電流をコンデンサ３６に伝達するための
電子スイッチ、ｋはコンデンサ３６で保持されている保
持信号、ｐは設定基準点（この点の設定電圧はＶｐと略
す）、３９−１と３９−２は駆動電流を設定するための
設定電圧用分圧抵抗、４０はオペアンプ、３７は積分用
抵抗、３８は積分用コンデンサ、ｑはピーク値制御信
号、４１は駆動信号ｂのピーク値に対してのみフィード
バックをかけるためのダイオード、５０は信号圧縮手
段、ｎは検出信号ｊをコンデンサ３６に転送するタイミ
ングを制御する転送信号、である。

【００２３】３つ目に、２７の電圧変換手段回りだが、
３０は第１の実施例では電子スイッチ１７−１に相当す
るｐ型ＦＥＴ、１８はチャージブロック、３１−１と３
１−２は第１の実施例の電子スイッチ１７−１と１７−
２に相当するダイオード（図ではショットキー型を使
用）、ｉは供給点（この点の供給電圧はＶｉと略す）、
である。

【００２４】以上の構成による発光素子駆動回路の動作
を、図４に示した動作タイミングチャートも併用しなが
ら説明する。ただし、第１の実施例と異なり、初めに電
流制御手段５１回りについて、主に図３の回路上の信号
の流れに沿って説明する。

【００２５】入力信号ａに対する駆動信号ｂのタイミン
グについては、第１の実施例と同様である。駆動信号ｂ
は、コンデンサ４２で直流分がカットされてゲート信号
ｍになり、ＦＥＴ３２に印加される。すると、ゲート信
号ｍのピーク値に応じたドレイン電流が流れてＬＥＤ２
が点灯し、検出信号ｊが得られる。検出信号ｊが立ち上
がり、ピークに達した所で、信号圧縮手段５０（動作は
単純なため詳細は略す）からの転送信号ｎが立ち上がる
よう設定しておく。それにより電子スイッチ３５がＯＮ
する。すると、その検出信号ｊの電圧はコンデンサ３６
に加わる。そして、検出信号ｊのピークが終わる前に、
電子スイッチ３５をＯＦＦにする。これにより、コンデ
ンサ３６の電圧は検出信号ｊのピーク値を保持する。オ
ペアンプ４０と抵抗３７とコンデンサ３８により構成さ
れる積分器は、設定電圧Ｖｐに対して保持信号ｋが低け
れば高くする方向に、高ければ低くする方向に出力を振
る。この様にして得られたピーク制御信号ｑに対して、
ゲート信号ｍのピーク部分の電圧は、ダイオード４１が
あるため、ピーク制御信号ｑよりピーク部分の電圧が高
くなろうとしても、オペアンプ４０側に電流が流れ（い
わゆる”引き込まれる”）、抑えられてしまう。以上の
様なループの動作により、ＬＥＤ駆動電流が安定する。

【００２６】次に、チャージブロック１８についてであ
るが、図１と比較すると、接続切換手段として電子スイ
ッチ１７−３、１７−４の代わりに、ダイオード３１−
１、３１−２が使われている点が異なる。しかし、この
動作は図１と同様であり、充電時、つまり外部から電流
を流し込もうとする時には、供給電圧Ｖｉによりダイオ
ード３１−１、３１−２の逆方向に電圧が印加された状
態になり、ダイオード３１−１、３１−２に電流は流れ
ない（”ＯＦＦ”）。逆に放電時には供給電圧Ｖｉの方
がコンデンサ１６−１、１６−２の電圧より低くなるた
め、ダイオード３１−１、３１−２は導通する（”Ｏ
Ｎ”）。つまり、両ダイオードは電子スイッチ１７−２
のスイッチング動作に従属してスイッチング動作を行
う。又、図１と異なり、ＦＥＴ３０への制御信号ｃ４が
電子スイッチ１７−２への制御信号ｃ５と反転している
（図１では共にｃ１）が、これはＦＥＴ３０自身が（ｐ
型なので）ローでＯＮするため、電子スイッチ１７−２
と動作論理が反転しているためである。

【００２７】３つ目に電源電圧検出手段２０についてで
あるが、電池の充電直後等の電源電圧が高い時（図４の
期間Ｆ）は基準電圧Ｖｓより比較電圧Ｖｃが高く、動作
許可信号ｈはハイになっている。この状態では停止手段
２５は制御信号ｃ３をそのまま出力側（ｃ４）に出すた
め、あたかも存在していないように見える。従って、制
御信号ｃ４、ｃ５は図１のｃ２、ｃ１と同様の波形とな
る。しかし、電源電圧が低下すると（図４の期間Ｇ）、
動作許可信号ｈはローになり、制御信号ｃ４はローに、
ｃ５はハイに固定されてしまう。この状態では電圧変換
手段２７は動作が停止し、供給電圧Ｖｉは電源電圧と同
じになる。

【００２８】本実施例では、ＬＥＤの電流が安定化され
ているため、発光出力が安定化するという効果が期待で
きる。又、第１の実施例と比較して、電子スイッチ１７
ー５（チャージブロック充電時に負荷側へ電源電圧が印
加されるのを防ぐ）とコンデンサ１６ー３（充電時に負
荷側へ電力を供給する平滑用コンデンサ）が無いが、こ
の駆動回路５２はチャージブロック１８が充電中は動作
していない（非発光状態）なので、無くても問題ない。
特に、本実施例の様に、平滑用のコンデンサが無く、出
力変動が大きくなりやすい場合、ＬＥＤの電流安定化は
効果的である。さらに、電源電圧が低下した場合は、電
圧変換手段２７が停止し電源電圧が直接供給されるため
電池寿命いっぱいまでＬＥＤ２を駆動できる。

【００２９】なお、本実施例はすべてがハードウェアで
実現されているが、回路は単純なブロックから構成され
ているため多くの部分はマイクロコンピュータ（図示な
し、以下マイコンと略す）＋プログラムで実現してもよ
い。マイコンの入力ポートにアナログ電圧を入力できる
部分が有れば、そこに電源を接続して内部で判定（図３
の電圧検出手段２０相当）し、それに応じて出力ｈを切
り換えればよい。又、電流制御手段５１をマイクロコン
ピュータにやらせてもよい。つまり、出力ポートにアナ
ログ電圧を出力できる部分も有していれば、検出信号ｊ
を入力ポートから入れて内部で積分して、ゲート制御信
号ｑを出力すればよい。あるいはゲート信号ｍまで直接
合成して出力してもよい。各部の制御信号（ｃ１〜ｃ
５）については、マイコン内部で作った入力信号ａに対
して適当な遅延ルーチンを通して出力ポートをハイ／ロ
ーすれば容易に得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、従来に比べ回路が単純でしかも発光素子の駆動によ
る無駄な消費電力を低減できる。又、電源電圧の低下等
にかかわらず高い効率を維持できるため、電池動作機器
の連続動作時間を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる第１の実施例の回路図。

【図２】第１の実施例の動作タイミングチャート。

【図３】本発明に係わる第２の実施例の回路図。

【図４】第２の実施例の動作タイミングチャート。

【図５】第１の従来例の回路図。

【図６】第２の従来例の回路図。

【符号の説明】

２、２−１〜２−６ ＬＥＤ １０ 駆動手段 １１ 制御手段 １２ 電圧変換手段 １６−１〜１６−２ 電圧変換用コンデンサ １７−１〜１７−４ 電子スイッチ １８ チャージブロック ２５ 停止手段 ２７ 電圧変換手段 ａ 入力信号 ｂ 駆動信号 ｃ１〜ｃ５ 制御信号 ｄ 中間点 ｅ 供給点

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス状の入力信号に従って点滅する発
   光素子駆動回路において、 ・発光素子と前記入力信号に同期して前記発光素子を駆
   動する駆動手段とからなる発光手段と、 ・前記入力信号に同期した１つ以上の制御信号を出力す
   る制御手段と、 ・一方が電力供給源に、他方が前記発光手段側に接続さ
   れる電源スイッチング手段と、前記電源スイッチング手
   段の前記発光手段側との接続点に接続されるチャージブ
   ロックとを含む電圧変換手段とを有し、 ・前記チャージブロックは、２つのコンデンサと前記制
   御信号により動作する１つ以上の接続切換手段とを有
   し、前記発光手段が非発光時には前記電源スイッチング
   手段を通して直列に接続された２つのコンデンサを充電
   し、発光時には２つのコンデンサを並列に接続し直して
   発光手段へ放電する、ことを特徴とする発光素子駆動回
   路。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、電源電圧検出手段と、
   電源電圧に応じて電圧変換手段の動作を停止する停止手
   段とを有することを特徴とする請求項１記載の発光素子
   駆動回路。
3. 【請求項３】 前記接続切換手段は、前記制御信号によ
   り動作する１つの電子スイッチと２つのダイオードとか
   らなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発
   光素子駆動回路。
4. 【請求項４】 前記駆動手段は、前記制御信号に同期し
   て動作し前記発光素子の発光時のピーク電流を安定化す
   る電流制御手段を有することを特徴とする請求項１から
   請求項３記載の発光素子駆動回路。