CN103098555B - Led照明装置 - Google Patents

Abstract

对LED列施加脉动电流，在基于脉动电流的电压值或流过LED列的电流值来改变点亮的LED的个数的情况下，有长期间点亮的LED和仅在短期间内点亮的LED混在一起而效率不高。LED列包括在脉动电流的周期内长期间点亮的部分LED列（407）和仅在短期间内点亮的部分LED列（408）。包含在长期间点亮的部分LED列（407）中的LED（102）的元件尺寸与包含在仅在短期间内点亮的部分LED列（408）中的LED（203）的元件尺寸不相同。从而，能够使各LED列（407）、（408）中与发光相关的面积利用效率相等。

Description

LED照明装置

技术领域

本发明涉及一种配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源的LED照明装置，更加详细地说，涉及一种根据施加到LED列的电压或流过LED列的电流来切换点亮的LED列的串联段数的LED照明装置。

背景技术

已知一种由对商用交流电源进行全波整流而得到的脉动电流或近似脉动电流的电压波形来使LED（也称发光二极管）点亮的照明装置（以下称为LED照明装置）。该LED照明装置配备有串联连接多个LED得到的LED列以耐高电压。该LED列具有阈值，当超过阈值，电流流过LED列而点亮。由于该阈值被设定为比脉动电流的峰值电压（约140V）稍低的值，因而若商用电源的有效值为100V则将阈值设为100～120V左右。另外，个别的LED有被称为正向电压Vf的阈值，当施加正向电压Vf以上的电压，电流流过而点亮。LED列的阈值为包含在LED列中的各LED的正向电压Vf的和。

当简单地将脉动电流电压施加到LED列上，LED列仅在脉动电流电压超过阈值电压的期间内点亮。因此，不仅会变暗或闪烁明显，功率因数或失真系数也会变差。另外，若为了缩短非点亮期间而减小LED列的串联段数，则与LED列串联地插入的限流电路的功率损耗会变大因而不优选。因而，就有了根据施加到LED列的电压或流过LED列的电流来切换点亮的LED列的串联段数，来解决上述问题的发明（例如专利文献1、2）。

专利文献1的图1中公开了一种将发光二极管电路15（LED列）分割成6个二极管电路17～22，基于脉动电流电压来切换驱动开关30～35，并调整点亮的发光二极管14的个数（串联段数）的发光二极管点亮装置（LED照明装置）。

如专利文献1所述的基于脉动电流电压来切换电流路径的电路中，在切换路径的瞬间流过LED列的电流大幅减少或大幅增加。即电流值变为不连续，会引起高次谐波噪声的增加等各种问题。对此，专利文献2的图26所示的LED驱动电路中，通过计测流过LED列的电流，若电流超过规定值则增加LED列的串联段数，同时也连续地增加电流。

简单对专利文献2的图26的电路进行说明（参照图8）。在图8中，有由LED组1、LED组2以及LED组3构成的LED列。当流过LED列的电流少时，流过LED组1以及LED组2的电流被FETQ1旁路，LED组3中没有电流流过（没有点亮）。当电流增加，进行动作以使流过FETQ1的电流与流过LED组3的电流的和保持恒定。此时LED组3微弱点亮。进而，当电流增加超过规定值，FETQ1截止，全部电流流入LED组3，LED组1、2以及LED组3都完全点亮。另外，当电流减小时进行相反的步骤。并且，电流的上限值由限流电阻R1来限制。

由于当由如图8所示的专利文献2的图26所示的电路来使LED点亮，若脉动电流电压变高则流过LED列的电流也增加，若脉动电流电压变低则流过LED列的电流也减少，因而具有功率因数以及失真系数优良的特征。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利第4581646号公报（图1）

专利文献2：国际申请W02011／020007号公报（图26）

发明内容

然而，不仅专利文献1的图1所示的发光二极管电路15（LED列），专利文献2的图26所示的LED组1、2、3（LED列）也都是LED列的一部分在从脉动电流电压低的期间到高的期间的长期间内一直点亮，而LED列的其它部分仅在脉动电流电压高的期间即短期间内点亮。即，在LED列中，既有长时间点亮并高效工作的部分，另一方面也有仅在短时间内点亮并低效工作的部分。当有低效的部分，就产生了导致装置大型化或成本增加等的种种问题。

因而，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种在配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源，且根据施加到该LED列的电压或电流来切换点亮的LED的个数的LED照明装置中，包含在LED列中的LED高效地进行动作的LED照明装置。

本发明的LED照明装置在配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源，并对该LED列施加脉动电流的LED照明装置中，LED列中包括在脉动电流的周期内长期间点亮的部分和仅在短期间内点亮的部分，包含在长期间点亮的部分中的LED的元件尺寸与包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED的元件尺寸不同。

（作用）

LED当电流增多，发光量增加但发光效率降低。即随着电流的增加，LED的元件表面上的每单位面积的发光量增大，因而面积利用效率上升，而另一方面，由光放射出的能量相对投入的能量之比表示的发光效率降低。在适当地设定流过LED列的电流（也称正向电流If）的情况下，当在LED列中使包含在长期间点亮的部分中的LED的元件尺寸变大，由于发光量多因而能够很高地维持面积利用效率，进而电流密度下降也能够很高地维持发光效率。此时，包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED，由于元件尺寸小因而即使发光量少面积利用效率也高，由于每单位时间的电流量小因而发光效率良好。即对于包含在一个LED列中的LED元件，通过使包含在长期间点亮的部分中的LED的尺寸大于包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED的尺寸，LED在两个部分都能高效率地工作。

包含在长期间点亮的部分中的LED的元件尺寸也可以比包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED的元件尺寸大。

包含在仅在短期间内点亮的部分的LED优选被集成化

在长期间点亮的部分与仅在短期间内点亮的部分的连接部配备有旁路电路，可以使电流从长期间点亮的部分流入到旁路电路，直到流过仅在短期间内点亮的部分的电流超过规定值。

旁路电路可以包含有耗尽型FET。

以上那样的本发明的LED照明装置配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源，在根据施加到该LED列的电压或电流来切换点亮的LED的个数时，包含在LED列中的LED高效地工作。

附图说明

图1是包含在本发明的实施方式中的发光部的电路图。

图2是包含在如图1所示的发光部的集成LED的俯视图。

图3是图2所示的集成LED的电路图。

图4是示出LED的构成的俯视图以及剖面图。

图5是用于驱动图1所示的发光部的电路图。

图6是图5所示的电路的波形图。

图7是用于驱动图1所示的发光部的其它电路图。

图8是以往的LED驱动电路的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图1～7详细地对本发明优选的实施方式进行说明。另外，在附图说明中，对相同或相当的要素附上相同的符号，省略重复的说明。并且，为了方便说明而适当变更构件的比例尺。此外，在括号内叙述与权利要求书所述的发明具体事项的关系。

通过图1对包含于本发明的实施方式的发光部100进行说明。图1是发光部100的电路图。在发光部100中，基板101上有24个LED102、2个集成LED103、104和3个端子105、106、107。24个LED102串联连接。该LED列的正极与端子107连接，负极与端子106以及集成LED104的下侧端子连接。集成LED104、103串联连接，集成LED103的上侧端子与端子105连接。

在对图1详细说明之前先通过图2、3对图1所示的集成LED103、104进行说明。图2是集成LED103、104的俯视图，图3是集成LED103、104的电路图。如图2所示，在晶片200上有衬垫201、206和6个LED203，LED203上有p型半导体区域204和n型半导体区域205。衬垫201通过配线202与左上方的LED203的p型半导体区域204连接。同样地，衬垫206通过配线202与右下方的LED203的n型半导体区域205连接。其它，各LED203的n型半导体区域205通过配线202与相邻的LED203的p型半导体区域204连接。

晶片200是蓝宝石等的绝缘基板，是由晶片切成的。LED203为p型半导体层层叠在n型半导体层上而成的构造，削掉p型半导体层的一部分而使n型半导体层暴露出来的是n型半导体区域205。发光层是n型半导体层和p型半导体层的边界部，其平面形状大致与p型半导体区域204的平面形状相同。

p型半导体区域204是LED203的正极，n型半导体区域205是LED203的负极。结果，如图3所示，集成LED103、104为6个LED203串联连接，衬垫201作为该二极管列的正极，衬垫206作为负极。

再次回到图1对发光部100进行说明。由于集成LED103、104是LED203（参照图2、3）串联连接而成的，作为发光部100，从端子107向着端子105地形成LED列。由于LED102是单个的晶片或组件品，元件尺寸比LED203大。另外，所谓元件尺寸，其与LED102、203的半导体层的面积或发光层的面积相当。在这里，具体地对LED的发光层的面积进行说明。图4是LED102的俯视图以及剖面图。图4（a）示出了LED102的俯视图，图4（b）示出了图4（a）的A－A的剖面图。如图4（b）所示，LED102在由蓝宝石构成的LED基板21上配备有包含发光层的半导体层叠构造20。半导体层叠构造20由n型半导体层22、发光层23、p型半导体层24构成。在n型半导体层22上设有负极侧端子27，在p型半导体层24上隔着由ITO构成的透明导电层25设有正极侧端子26，通过在正极侧端子26与负极侧端子27之间施加阈值以上的电压来使发光层23发光。如图8所示，本实施例中的元件尺寸与发光层23的面积相当。

然后，通过图5对本实施方式中的LED照明装置400进行说明。图5是用于驱动图1所示的发光部100的电路图。LED照明装置400与商用电源406连接，除发光部100，还配备有桥式整流电路405、旁路电路430、恒流电路440。

发光部100由LED102串联连接而成的部分LED列407和LED203串联连接而成的部分LED列408构成。图中示出：部分LED列407相当于在图1中串联连接的24个LED102的LED列，正极连接于端子107、负极连接于端子106。部分LED列408与图1中串联连接的集成LED103和集成LED104相当，由12个图2、3所示的LED203串联连接而成。另外，图中用黑框围住部分LED列408是表示部分LED408列由集成LED103、104构成。又，将LED203画得比LED102小是表示LED203的元件尺寸比LED102的元件尺寸小。还示出了：部分LED列408的正极与图1所示的端子106相连接，负极与端子105相连接。

桥式整流电路405为由4个二极管401～404构成的二极管电桥，二极管电桥的交流输入侧连接到商用电源406。端子A和端子B分别为桥式整流电路405的电流流出侧的端子和电流流过侧的端子。端子A与部分LED列407的端子107连接，端子B与旁路电路430的-侧端子连接。

旁路电路430由电阻431、434、n型M0S晶体管432（以下称为FET）、NPN型双极型晶体管433（以下称为晶体管）构成。旁路电路430的+侧端子为电阻431的上端与FET432的漏极的连接部，-侧端子为晶体管433的发射极与电阻434的下端的连接部。电流检测端子为FET432的源极、晶体管433的基极以及电阻434的上端的连接部。+侧端子与部分LED列407、408的端子106连接，-侧端子与桥式整流电路405的端子B连接。电流检测端子与恒流电路440的-侧端子连接，从恒流电路440流入的电流经由电阻434和晶体管433流向桥式整流电路405的端子B。

恒流电路440由电阻441、444、FET442、晶体管443构成。恒流电路440的+侧端子为电阻441的上端与FET442的漏极的连接部，并与部分LED列408的端子105连接。-侧端子为晶体管443的发射极与电阻444的下端的连接部，并与旁路电路430的电流检测端子连接。

然后，采用图6对图5的电路的动作进行说明。图6（a）是示出图5的电路中，以桥式整流电路405的端子B为基准的情况下的端子A的电压波形的波形图，图6（b）是示出图5的电路中，从端子A流向端子B的电流波形的波形图。（a）示出了脉动电流的一个周期，（a）和（b）的时间轴一致。（b）的电流波形中存在没有电流流过的期间t1，电流急剧上升的期间t2，电流达到恒定的期间t3，电流再次上升经恒流状态后下降的期间t4。另外，若脉动电流电压的上升和下降以波峰为中心地对称，则电流波形也大致对称。

然后，通过与图6比较来对图5的电路进行说明。期间t1中，由于脉动电流电压比部分LED列407的阈值低而没有电流I流过。由于LED102的正向电压为3V左右，期间t1为脉动电流电压从0V升到70V前后的期间。其后，在期间t2中随着脉动电流电压的上升电流I也急剧上升。期间t1中由于电流检测用的电阻434的上端的电压没达到0.6V，因而FET432为ON状态。

当电流I达到规定的值L1且电阻434的上端的电压达到0.6V，期间t3开始。期间t3中，为了使晶体管433的基极-发射极之间电压维持在0.6V，需要反馈并使电流I为恒流。在期间t3的最后的部分，脉动电流电压高于部分LED列407的阈值与部分LED列408的阈值的和，部分LED列408中也有电流流过。此时进行控制以使流过FET432和部分LED列408的电流的和为恒定。

进一步地，当脉动电流电压上升，期间t4开始。当期间t4开始，流过部分LED列408的电流增加且电阻434的上端的电压上升。结果，晶体管433饱和，FET432达到0FF状态。进一步地，当脉动电流电压上升，恒流电路440开始动作，将电流I定为恒定值L2。另外，当脉动电流电压下降时，沿着相反的路径进行。

以上所述的本实施方式，在根据脉动电流电压来控制包含在LED列中的LED的点亮个数的情况下，计测流过LED列的电流I，当电流I为规定的值以下时，仅使部分LED列407点亮（更准确地说，在期间t3结束的时刻部分LED408微弱点亮），当电流I超过规定的值，使部分LED407和部分LED列408一起点亮。即在从脉动电流电压低的期间经高的期间直到再次低的期间这样长期间内点亮的LED被包含在部分LED列407中，仅在脉动电流电压高的期间内点亮的LED被包含在部分LED列408中。

本实施方式中，对仅在脉动电流电压高的期间内点亮的LED203进行集成化。这样做的话，安装面积变小并减化制造程序。然而，仅在脉动电流电压高的期间内点亮的LED，由于只要元件尺寸小就能得到本发明的效果，因而可以在各个晶片上各形成一个LED，也可以进行封装化。并且，当对LED203进行集成化，能够更进一步地推进LED203的小型化。据此，若LED102也小型化，则LED203的集成化对正向电流If小的LED照明装置（低功率型的LED照明装置）有效。并且，LED102也可以集成化。但LED102由于长期间发光，在优选为在基板101（图1参照）内分散的情况下最好不进行集成化。

本实施方式虽然以包含在长期间点亮的部分中的LED102的元件尺寸比包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED203的元件尺寸大的情况为例进行了说明，但不限于此，只要包含在长期间点亮的部分中的LED102的元件尺寸与包含在仅在短期间内点亮的部分中的LED203的元件尺寸不相同即可。

本实施方式中虽然为了切换LED列的串联段数而检测电流，但也可以为了串联段数的切换而检测电压。然而，在通过检测电压来切换串联段数的方式中，有可能会在串联段数的切换时电流波形具有尖的波峰并诱发高次谐波噪声。对此，若像本实施形态的那样监视电流，使电流跟随电压的增减而变动，则能够达到一个对于高次谐波噪声、功率因数、失真系数均良好的状态。

并且，本实施方式由于假设有效值为100V的电源作为商用交流电源，因而将LED102、203的串联段数定为36段。在商用电源为200V～240V的情况下也可以将串联段数定为60～80段。

本实施方式中，如图5所示，将LED列分割成部分LED列407和部分LED列408。然而，分割LED列的数量不限于2，例如也可以将LED列分割成3个部分LED列。在该情况下，也可以使包含在最长地点亮的部分LED列中的LED的元件尺寸为最大，使包含在较长地点亮的部分LED列中的LED的元件尺寸为中间的值，使包含在仅在最短期间内点亮的部分LED列中的LED的元件尺寸为最小。

在到此为止已说明的LED照明装置400中，旁路电路430以及恒流电路440采用了增强型的FET晶体管432、442。与此相对地，若FET为耗尽型则能够简化电路。因而，通过图7对采用耗尽型FET的本发明的另一实施方式的LED照明装置600进行说明。图7是用于驱动图1所示的发光部100的电路图。图7相对于图5仅旁路电路630、恒流电路640不相同。

旁路电路630由电阻631、634、耗尽型的n型M0S晶体管632（以下称为FET）构成。电阻631是用于保护FET632的栅极不受电涌影响的保护电阻，电阻634是用于检测电流的电阻。当流过电阻634的电流变大，切断FET632的源极—漏极间的电流。

恒流电路640由电阻641、644、耗尽型的n型M0S晶体管642（以下称为FET）构成。电阻641为用于保护FET642的栅极不受电涌影响的保护电阻，电阻644为用于检测电流的电阻。为使流过电阻644的电流为恒定，FET632需要反馈。

Claims (9)

1.一种LED照明装置，其特征在于，

在配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源，并对该LED列施加脉动电流的LED照明装置中，

所述LED列中包括在所述脉动电流的周期内长期间点亮的部分和仅在短期间内点亮的部分，

包含在所述长期间点亮的部分中的LED的元件尺寸比包含在所述仅在短期间内点亮的部分中的LED的元件尺寸大。

2.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，

包含在所述仅在短期间内点亮的部分的LED被集成化。

3.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，

在所述长期间点亮的部分与所述仅在短期间内点亮的部分的连接部配备有旁路电路，使电流从所述长期间点亮的部分流入到所述旁路电路，直到流过所述仅在短期间内点亮的部分的电流超过规定值。

4.根据权利要求3所述的LED照明装置，其特征在于，

所述旁路电路包含有耗尽型FET。

5.根据权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，

所述长期间点亮的部分与所述仅在短期间内点亮的部分的连接部配备有旁路电路，使电流从所述长期间点亮的部分流入到和仅在短期间内点亮的部分的连接部具有旁路电路，使得电流从所述长期间点亮的部分向所述旁路电路流入，直到流过所述仅在短期间内点亮的部分的电流超过规定值。

6.如权利要求5所述的LED照明装置，其特征在于，

所述旁路电路包含有耗尽型FET。

7.一种LED照明装置，其特征在于，

在配备有由串联连接多个LED得到的LED列作为光源，并对该LED列施加脉动电流的LED照明装置中，

所述LED列中包括在所述脉动电流的周期内长期间点亮的部分和仅在短期间内点亮的部分，

包括在所述长期间点亮的部分中的LED为单个晶片，

包含在所述仅在短期间内点亮的部分中的LED被集成化于晶片。

8.如权利要求7所述的LED照明装置，其特征在于，

所述长期间点亮的部分与所述仅在短期间内点亮的部分的连接部配备有旁路电路，使电流从所述长期间点亮的部分流入到所述旁路电路和仅在短期间内点亮的部分的连接部具有旁路电路，使得电流从所述长期间点亮的部分向所述旁路电路流入，直到流过所述仅在短期间内点亮的部分的电流超过规定值。

9.如权利要求8所述的LED照明装置，其特征在于，

所述旁路电路包含有耗尽型FET。