JP2006012622A - Ｌｅｄ点灯装置、ｌｅｄ実装基板およびｌｅｄパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤユニット２に直流電圧を供給する直流電源装置１に接続される交流電源Ｖｓの電圧異常や、定電流回路を構成する部品の開放・短絡などによりＬＥＤに過剰な電流が流れた場合に、ＬＥＤの発熱や劣化を防止する。
【解決手段】交流電源Ｖｓを受けて直流電圧を出力する直流電源装置１を有し、その直流出力電圧で点灯するＬＥＤユニット２であって、ポジスタＰＴＣ１を直流電源装置１の交流電源Ｖｓ側に直列に接続され、前記ポジスタＰＴＣ１を配置した直流電源装置１とＬＥＤユニット２が同一筐体内に収納されている。または、ポジスタＰＴＣ２を前記ＬＥＤユニット２内のＬＥＤ電流が流れるループに配置し、直流電源装置１と前記ポジスタＰＴＣ２を配置したＬＥＤユニット２が同一筐体内に収納されている。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ点灯装置、ＬＥＤ実装基板およびＬＥＤパッケージに関するものである。

近年、ＬＥＤの高出力化によりＬＥＤの照明用途での使い方が多く提案されている。その中でＬＥＤを複数用いて更に光出力を増大させた高出力の器具の提案も多くなされている。ＬＥＤの特徴として、ＬＥＤ個々は小さく薄型であり、その端子間に直流電流を流すことで、ＬＥＤを点灯させることが出来るので、個々のＬＥＤを自由に設計されたプリント基板上に配置し、結線することで点灯回路が構成される。このようにして、自由な形態のＬＥＤ照明器具が設計できるので、小型・薄型の器具展開が容易に達成できる。その為に、ＬＥＤに直流電源を供給するべく、交流電源を直流電圧に変換する直流電源装置を器具とは別に配置して、そこから配線してＬＥＤ照明器具に直流電圧を供給する手段がよく用いられている。

上述のようなＬＥＤ照明器具と直流電源装置を別に配置した器具構成例の場合、その回路は図９のような構成になる。例えばＬＥＤを２５個直列接続した場合、ＬＥＤ回路の電圧が高いので、１００Ｖの商用交流電源を整流し、平滑した直流電源で簡単に点灯させることが出来る為に、図９のような簡単な回路構成にて実現出来る。図中、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２，…，ＬＥＤ２５は２５個の直列接続されたＬＥＤ素子である。ＬＥＤ素子は電流駆動型の素子であり、ＬＥＤの素子電圧Ｖｆがかなり大きくばらつくことから、素子電圧Ｖｆのばらつき、電源電圧のばらつきに対してＬＥＤ電流を略一定にするために、抵抗Ｒ１、定電圧ツェナーダイオードＺＤ１、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ２により定電流回路を構成している。

このような回路構成の場合、前記ＬＥＤ照明器具（ＬＥＤユニット２）には、ＬＥＤ素子と定電流回路を実装したプリント基板を内蔵し、交流電源Ｖｓを整流する整流器ＤＢとその整流出力を平滑する電解コンデンサＣ０は、直流電源装置１内に設けられて、配線によりＬＥＤ照明器具（ＬＥＤユニット２）に直流電圧を供給している。直流電源装置１には電源投入時の突入電流を低減する為の制限抵抗Ｒ０が整流器ＤＢの前に接続されている。

このような電源の場合、入力電源に間違って２００Ｖを印加された場合、定電流回路を構成していることから、ＬＥＤ素子には所定の電流が流れるが、過剰に供給された電圧はトランジスタＴｒ１が受け持つことになり、通常、トランジスタＴｒ１の許容電力をオーバーしてしまい、１００℃を越え、トランジスタＴｒ１のジャンクション温度近くまで温度が上がってしまう問題がある。また、定電流回路を構成する部品、トランジスタＴｒ１、抵抗Ｒ２が短絡されることで、ＬＥＤ電流が増大してＬＥＤ自身の発熱によりＬＥＤ素子の寿命が劣化するという問題もある。

ＬＥＤの寿命は光出力の低下により起こるが、ＬＥＤの光出力低下の要因としては、ＬＥＤチップをＬＥＤパッケージに実装する際に採用する接着剤の透明性の劣化により起こる。ＬＥＤの光は一般的に透明の接着剤を介してＬＥＤ実装面の反射による光も有効に使われており、その接着樹脂の透明度が低下すると反射による光出力の増加分が無くなるので、光出力低下を起こす要因となっている。接着樹脂の熱による変色の温度が約１２０℃と言われており、通常ＬＥＤのジャンクション温度を１００℃として温度管理を実施して温度上昇による光出力低下を無くすようにして設定された寿命を確保している。また、ＬＥＤチップ自身もジャンクション温度を越える温度で点灯させるとチップ自身の特性劣化による光出力低下の要因となる。

一方、ＬＥＤ点灯制御に温度依存素子を用いて低温時にＬＥＤ電流を少なくなるように制御して電源となる太陽電池蓄電手段の放電を少なくする手段が特開平９−３２５７１９号公報に開示されている（図１０）。太陽電池１０の発電電力は、整流器４２により整流され、蓄電器１６に蓄電される。蓄電された電力は、制御回路４４の制御下でトランジスタ４５を介してＬＥＤ２０に供給される。制御回路４４の出力端が抵抗４７を介してトランジスタ４５のベースに接続されている。このトランジスタ４５はＬＥＤ２０の駆動用のトランジスタであって、ベースと抵抗器４７の間の接続点Ｐ１と、抵抗器４９と制御回路４４の間の接続点Ｐ２の間には、温度依存素子である正特性サーミスタ（ＰＴＣ）５０が設けられている。温度が上がるとＬＥＤ２０に流れる電流は上昇し、温度が下がるとＬＥＤ２０に流れる電流は低下する。つまり、温度が高いときにはＬＥＤ２０に流れる電流値を大きくし、温度が低いときにはＬＥＤ２０に流れる電流値を小さくする。この従来例は、低温時に光度が増大する特性のＬＥＤ素子を使った時に蓄電池からの過放電を無くす為に低温時にＬＥＤ電流を少なくする手段として温度依存素子を用いてＬＥＤ電流を制御しているものである。
特開平９−３２５７１９号公報

上述のように、ＬＥＤを点灯させる１００Ｖ入力タイプの直流電源装置１に２００Ｖを印加したとき、または部品の開放・短絡によりＬＥＤに過剰な電流が流れ、ＬＥＤの接着樹脂の変色に至る温度に上昇することによるＬＥＤの光出力低下、もしくは過剰電流によるＬＥＤの発熱、チップ自身の劣化の問題がある。本発明はこのような問題を解決することを目的とするものである。

本発明のＬＥＤ点灯装置にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、交流電源Ｖｓを受けて直流電圧を出力する直流電源装置１を有し、その直流出力電圧で点灯するＬＥＤユニット２であって、ポジスタＰＴＣ２が前記ＬＥＤユニット２内のＬＥＤ電流が流れるループに配置され、前記ＬＥＤユニット２と同一筐体内に収納されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、直流電源装置に接続される交流電源の電圧異常や、部品の開放・短絡などによりＬＥＤに過剰な電流が流れようとしても、ポジスタの温度上昇により過剰な電流を制限し、ＬＥＤの発熱や劣化を防止できる効果がある。

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の回路図を示す。この実施形態においては、従来例で説明したように、ＬＥＤユニット２と直流電源装置１を分離して別配置し、その間を配線手段で接続する照明器具において、フューズＦ、整流器ＤＢ、平滑用の電解コンデンサＣ０にて構成される直流電源装置１の電解コンデンサＣ０への突入電流制限抵抗Ｒ０の代わりにポジスタＰＴＣ１を採用したことが一つの特徴であり、更に、ＬＥＤユニット２におけるＬＥＤ直列点灯回路部と直列にポジスタＰＴＣ２を挿入したことがもう一つの特徴である。このポジスタは、図２に示すように、温度が約１２０℃より低い場合には所定の略一定の抵抗値を有しているが、温度が従来例で説明したように上昇し、約１２０℃を越える温度になってくると、自分自身の抵抗値を温度上昇により増加させて自分自身に流れる電流を制限することが出来るものである。このポジスタのキュリー点の温度がＬＥＤ素子の樹脂の耐熱温度と略同じ温度（１２０℃）であることが特徴である。

このように、ＬＥＤ素子の寿命に影響するチップの接着温度、充填樹脂、または砲弾型ＬＥＤなどのレンズ部などの熱的な変形、変色温度と、ポジスタの動作温度（キュリー点）とが略同じ温度であり、そのポジスタをＬＥＤ電流が流れるループに直接挿入して、ＬＥＤ電流の増加を温度で検知し、ＬＥＤ寿命に影響しないように制御することが出来る。

また、直流電源装置１の突入電流制限用抵抗Ｒ０の代わりに用いられたポジスタＰＴＣ１により通常は所定の抵抗値に設定されているので、電源投入時に電解コンデンサＣ０への突入電流を制限でき、間違って２００Ｖを印加された時には温度上昇が生じ、自分自身の温度が１２０℃を超えようとすると自分自身で抵抗値を増加させるので、電流制限がかかり、温度上昇を抑えることが出来る特徴を有している。

（実施形態２）
図３に本発明の実施形態２の回路図を示す。実施形態１と異なる点は、回路構成的にはポジスタＰＴＣ２を無くした点が１つの特徴であるが、図１の直流電源装置１とＬＥＤユニット２とが同一筐体１２内に収納されている点が最大の相違点である。この電源においては、２００Ｖ印加時のような電源部の異常による部品（突入電流制限用抵抗など）の発熱、部品の開放・短絡時のＬＥＤ素子自身の電流増加による発熱、その周辺素子の温度上昇によるＬＥＤ素子の発熱を抑制する手段として、電源部の突入電流制限用抵抗Ｒ０の代わりに設けられたポジスタＰＴＣ１により制限出来ることが特徴である。また、同一筐体１２内の部品を熱伝導性の良い樹脂で充填すれば、発熱部品の熱がポジスタＰＴＣ１に伝達されて、電流制限がかかりやすくなる。

（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態では、スイッチング電源による直流電源方式を採用し、器具構成としては直流電源装置１とＬＥＤユニット２を別々に配置した実施形態にて説明する。本方式ではＬＥＤユニット２のＬＥＤ素子に直列にポジスタＰＴＣ１を設けている。異常時にＬＥＤ電流の増加による温度上昇によってＬＥＤ素子のジャンクション温度である１２０℃を超えようとすると、ＬＥＤに直列に接続されたポジスタＰＴＣ１が自分自身の抵抗値を増加させてＬＥＤ電流を低減させることが出来るという特徴を有している。

本実施形態におけるスイッチング電源の構成を説明する。本実施形態では、ＩＰＤ制御回路１３を採用した１石式フォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を用いている。ここで、ＩＰＤ（インテリジェントパワーデバイス：松下製）とは、スイッチング素子とその制御回路とを集積化したものであり、帰還入力端子としてのコントロール端子の電圧が略一定となるように、出力端子間のＯＮ・ＯＦＦを制御できるようにしたスイッチング電源用のパワー素子である。

平滑コンデンサＣ０には商用交流電源Ｖｓを整流器ＤＢにて全波整流した直流電圧が充電される。商用交流電源Ｖｓと整流器ＤＢの間にはフューズＦと雑音防止回路１１が接続されている。平滑コンデンサＣ０の両端には、トランスＴｆの１次巻線を介してＩＰＤ制御回路１３が接続されている。トランスＴｆの２次側に設けられた出力巻線にはダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１が接続されている。トランスＴｆの２次側に設けられた検出巻線にはダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２が接続されている。コンデンサＣ２はフォトカプラＰＣの受光素子を介してＩＰＤ制御回路１３のコントロール端子に接続されている。コンデンサＣ１には抵抗Ｒ４を介してツェナーダイオードＺＤ３が接続されている。抵抗Ｒ４の両端には、抵抗Ｒ３とフォトカプラＰＣの発光素子の直列回路が並列接続されている。抵抗Ｒ３，Ｒ４とツェナーダイオードＺＤ３及びフォトカプラＰＣは電圧検出手段を構成しており、コンデンサＣ１から出力端子を介してＬＥＤユニット２に出力される電圧を検出している。この電圧検出手段により検出される電圧が略一定となるように、ＩＰＤ制御回路１３はトランスＴｆの１次巻線に流れる電流をＯＮ・ＯＦＦ制御する。なお、トランスＴｆの１次巻線の両端には、過電圧防止用のツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の逆直列回路が並列接続されている。

本実施形態においても、直流電源装置１とＬＥＤユニット２を一体構造とし、同一筐体内に設けることで直流電源装置１の部品の発熱に対してもＬＥＤユニット２のポジスタＰＴＣ１でＬＥＤ電流を直接制限することが出来るので、ＬＥＤ自身の発熱を制限することが出来る特徴を有している。

（実施形態４）
実施形態２または３の具体的な器具構成の例を図５に示す。図中、２１はＬＥＤ実装基板、２２は器具本体、２３は器具固定片、２４は器具固定穴、２５は透明板、２６は裏蓋、２７は充填樹脂、３０は電源回路基板、３１はトランジスタ、３２はポジスタ、３３はコンデンサである。図中、ＬＥＤと標記された部品は、複数のＬＥＤチップを一つのパッケージに内蔵したＬＥＤパッケージであり、これを６個円形基板２１上に配置してＬＥＤユニット２とし、このＬＥＤユニット２の真下に電源回路基板３０を配置し、ＬＥＤユニット２、電源回路基板３０とも透明の充填樹脂２７で充填されることが特徴である。ＬＥＤユニット２と電源回路基板３０が同一箱内に充填されているので、充填樹脂２７により各部品の温度が略一定になるように発熱部品からの熱が充填樹脂２７内で拡散し、特定の発熱部品に関しては温度を下げる効果を有している。その為、実施形態１で説明したポジスタを直流電源装置１とＬＥＤユニット２とに分けていたものを、電源部のポジスタ一つで対策出来るという特徴を有している。電源部の回路構成としては、図３又は図４のいずれの構成を採用しても構わない。

仮に部品の開放・短絡によりＬＥＤ電流が増加してＬＥＤ自身の温度が上昇すると、充填樹脂２７への熱の拡散によりＬＥＤ自身の温度上昇を制限しつつ、樹脂温度を上昇させることで同じ樹脂２７に充填されたポジスタ３２を暖め、その温度がＬＥＤのジャンクション温度を越えるとポジスタ３２の抵抗値を上昇させてＬＥＤ電流を制限することでＬＥＤの温度上昇を制限することが出来る。

（実施形態５）
図６にＬＥＤ素子３とＰＴＣ素子４を１パッケージ化したＬＥＤパッケージ５の実施形態を示す。図６（ａ）は回路図、図６（ｂ）は実装図を示す。ＬＥＤ素子３は面実装タイプのＬＥＤ素子を用い、ＰＴＣ素子４を同基板上に配置した例である。ＬＥＤ素子は一般的にチップ温度が上昇すると、その素子電圧Ｖｆが低下する特性を有している為、定電圧電源で例えば抵抗素子と直列にＬＥＤ素子を接続して点灯すると、素子電圧Ｖｆが低下することによって、ＬＥＤ電流が増加する問題がある。そこでＬＥＤ素子と直列にＰＴＣ素子を同一パッケージに実装し、ＬＥＤ素子の素子電圧Ｖｆの低下をそのＰＴＣ素子の抵抗値の増加分で補い、ＬＥＤパッケージとしての素子電圧Ｖｆを一定にすることにより、ＬＥＤ電流を一定にすることが出来る特徴を有している。ここでＰＴＣ素子とは一般的に温度が上昇すると自分自身の抵抗値を増加させて流れる電流を低減することで温度を下げようとする素子である。

本実施形態では面実装ＬＥＤ素子１個に対してＰＴＣ素子を実装しているが、例えばＬＥＤ素子を複数用いた場合、もしくはＬＥＤチップを基板上にチップ実装し、樹脂充填、レンズ加工などを施したパッケージ上にＰＴＣ素子を実装しても同じ効果を得ることが出来る。入出力端子の形態、形状は特に本実施形態のものに限らない。

（実施形態６）
図７にＬＥＤ素子３とＮＴＣ素子６を１パッケージにしたＬＥＤパッケージ５の実施形態を示す。図７（ａ）は回路図、図７（ｂ）は実装図を示す。本実施形態においては、ＬＥＤ素子３の温度が上昇するとＮＴＣ素子６の抵抗値が低下することを特徴とし、例えばＬＥＤ点灯回路を構成している制御回路などでＬＥＤ素子６の温度を検出して抵抗を下げる制御をする場合にこのパッケージを使い、ＬＥＤ素子３の温度を直接検出することが出来るという特徴を有している。図７（ｂ）の構造図に示すように、それぞれ入出力端子を設け、ＬＥＤ素子３への回路と、ＮＴＣ素子６の回路を分断することで、別々に回路を構成して制御性の高い点灯回路が実現出来ることを特徴としている。

なお、ＬＥＤ素子とＰＴＣ素子とを組み合わせた実施形態５の構成において、図７（ｂ）に示すように、ＬＥＤ素子とＰＴＣ素子とを分離して実装しても良く、このように、ＬＥＤ素子への回路と、ＰＴＣ素子の回路を分断することで、別々に回路を構成して制御性の高い点灯回路が実現出来る。

（実施形態７）
図８にＬＥＤ素子３とダイオード素子７を１パッケージにしたＬＥＤパッケージ５の実施形態を示す。図８（ａ）は回路図、図８（ｂ）は実装図を示す。本実施形態においてはＬＥＤ素子３の温度が上昇するとダイオード素子７の素子電圧が低下することを特徴とし、例えばＬＥＤ点灯回路を構成している制御回路などでＬＥＤ素子３の温度を検出して制御をする場合にこのパッケージを使い、ＬＥＤ素子３の温度を直接検出することが出来るという特徴を有している。つまり、ダイオード素子７を温度検出素子として利用して、ＬＥＤ素子３の温度によりダイオード素子７のＯＮ電圧を可変させて他の制御回路への入力とすることが出来る。図８（ｂ）の構造図に示すように、それぞれ入出力端子を設け、ＬＥＤ素子３への回路と、ダイオード素子７の回路を分断することで、別々に回路を構成して制御性の高い点灯回路が実現出来ることを特徴としている。

以上のように、ＰＴＣ素子、ＮＴＣ素子、ダイオード素子などの温度検出素子と、ＬＥＤ素子を同一パッケージ、もしくは同一実装基板上に配置して、それぞれ温度検出素子とＬＥＤ素子の入出力端子を別々に設けることでＬＥＤ素子の点灯回路と温度検出素子が接続される回路とを別に構成することが出来るので、例えば温度検出素子の出力端子を制御回路に用いてＬＥＤ温度を受けて制御する手段としても活用出来る。

本発明の実施形態１の回路図である。 本発明に用いるポジスタの抵抗と温度の関係を示す特性図である。 本発明の実施形態２の回路図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 本発明の実施形態４の実装例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。 本発明の実施形態５を示す図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は概略構成図である。 本発明の実施形態６を示す図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は概略構成図である。 本発明の実施形態７を示す図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は概略構成図である。 第１の従来例の回路図である。 第２の従来例の回路図である。

符号の説明

１ 直流電源装置
２ ＬＥＤユニット
ＰＴＣ１，ＰＴＣ２ ポジスタ

Claims (9)

1. 交流電源を受けて直流電圧を出力する直流電源装置を有し、その直流出力電圧で点灯するＬＥＤユニットであって、ポジスタが前記ＬＥＤユニット内のＬＥＤ電流が流れるループに配置され、前記ＬＥＤユニットと同一筐体内に収納されたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 前記ポジスタはその動作領域と不動作領域の境界点の温度とＬＥＤ素子の寿命に影響する樹脂の温度が略同一であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記ＬＥＤユニットとポジスタが収納された同一筐体内に熱伝導性の良い樹脂を充填したことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 交流電源を受けて直流電圧を出力する直流電源装置を有し、その直流出力電圧で点灯するＬＥＤユニットであって、ポジスタを前記ＬＥＤユニット内のＬＥＤ電流が流れるループに配置し、直流電源装置と前記ポジスタを配置したＬＥＤユニットが同一筐体内に収納されたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
5. 交流電源を受けて直流電圧を出力する直流電源装置を有し、その直流出力電圧で点灯するＬＥＤユニットであって、ポジスタを直流電源装置の交流電源側に直列に接続され、前記ポジスタを配置した直流電源装置とＬＥＤユニットが同一筐体内に収納されたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
6. 温度検出素子とＬＥＤチップを同一パッケージ内に内蔵したことを特徴とするＬＥＤパッケージ。
7. 温度検出素子とＬＥＤ素子を同一基板上に実装したことを特徴とするＬＥＤ実装基板。
8. 前記温度検出素子とＬＥＤ素子の端子を別々に配置したことを特徴とする請求項７記載のＬＥＤ実装基板。
9. 前記温度検出素子とＬＥＤ素子を直列に接続したことを特徴とする請求項７記載のＬＥＤ実装基板。

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