JP2006120910A - 半導体発光素子用電源および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流駆動型の半導体発光素子を効率よく、変調駆動可能な半導体発光素子用電源を提供する。
【解決手段】 電圧源１１に、ＬＥＤ３１と、ＬＥＤ３１を変調駆動するスイッチング素子３２と、ＬＥＤ３１を流れる平均電流を検出する平均電流検出部１２が接続されている。スイッチング素子３２によってＬＥＤ３１を変調駆動すると、ＬＥＤ３１が点滅あるいは光量が制御され、ＬＥＤ３１は変調光を放出する。このＬＥＤ３１の変調駆動によって、ＬＥＤ３１から放出される平均光量は低減するが、ＬＥＤ３１を流れる平均電流を平均電流検出部１２で検出し、ＬＥＤ３１を流れる平均電流がほぼ一定となるように電圧源１１の出力電圧を制御する。これによって、ＬＥＤ３１の変調の有無にかかわらず、平均光量をほぼ一定に保つことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の電流駆動型の半導体発光素子を点滅制御する際に用いる電源と、そのような電源を利用した照明装置に関するものである。

図４は、一般のＬＥＤの電圧電流特性の一例を示すグラフである。一般にＬＥＤの電圧電流特性は、図４に示すように、ダイオードの順方向特性そのものである。従って、所定のしきい値電圧を超えると、電源電圧が少し変わっても電流値が大きく変わることとなる。このため、従来のＬＥＤを点灯するための点灯回路は、出力電圧の変動やＬＥＤの順方向電圧特性のばらつきに対しても電流値があまり変わらないようにしている。

図５は、一般のＬＥＤ点灯回路の一例の説明図である。図中、５１は定電圧源、５２は電流制限用抵抗、５３はＬＥＤ、５４は定電流源である。図５（Ａ）に示すＬＥＤ点灯回路では、定電圧源５１へ電流制限用抵抗５２とＬＥＤ５３を直列に接続している。定電圧源５１から供給される電圧は一定であり、電流制限用抵抗５２の抵抗値を点灯時のＬＥＤ５３の抵抗値に比べて大きくしておくことによって、ＬＥＤ５３を流れる電流は、定電圧源５１の電圧と電流制限用抵抗５２の抵抗値によってほぼ決まる。従って、ＬＥＤの順方向電圧特性がばらついても、電流値をほぼ一定にすることができる。また、定電圧源５１の電圧が変動しても、電流制限用抵抗５２との関係でほぼ決まる電流値は、それほど変動せず、よってＬＥＤ５３を流れる電流値をほぼ一定に保つことができる。しかし、この方法では電流制限用抵抗５２によって無駄に消費される電力が大きくなるという問題がある。

図５（Ｂ）に示すＬＥＤ点灯回路では、定電流源５４にＬＥＤ５３を接続した構成を示している。定電流源５４を用いることによって、ＬＥＤ５３に流れる電流を一定に保つことができる。従って、ＬＥＤ５３を点灯し続けるだけであれば、図５（Ｂ）に示したＬＥＤ点灯回路は優れている。例えば特許文献１，２等でも、この定電流源を用いたＬＥＤ点灯回路が用いられている。

しかし、ＬＥＤ５３の光量を変化（変調）させたい用途においては、図５（Ｂ）に示すような定電流源５４を用いたＬＥＤ点灯回路では電流を変化させることができないため対応することができない。また、図５（Ａ）に示すＬＥＤ点灯回路であれば、電圧を変化させることによってＬＥＤの光量制御を行うことができる。しかしこの場合には、上述のように無駄に消費される電力が大きく、ＬＥＤの光量を効率よく制御できる電源装置はなかった。

また、最近はＬＥＤを照明光源として用いたものが開発されている。また、非特許文献１に記載されているように、照明光を変調してデータ伝送を行うことも考えられている。しかし、照明用のＬＥＤの点灯制御や光量制御を行うと、ＬＥＤから放出される平均光量は低下してしまう。そのため、データを送っているときと送っていないときとで照明光量が変動してしまうという問題があった。

特開平６−２０４５６４号公報 特開平９−８１２１１号公報 小峯 敏彦，田中 裕一，中川 正雄，「白色ＬＥＤ照明信号伝送と電力線信号伝送の融合システム」，電子情報通信学会技術研究報告，社団法人電子情報通信学会，２００２年３月１２日，Ｖｏｌ．１０１，Ｎｏ．７２６，ｐｐ．９９−１０４

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、電流駆動型の半導体発光素子を効率よく、変調駆動可能な半導体発光素子用電源を提供することを目的とするものである。また、そのような半導体発光素子用電源を用いた照明装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、ＬＥＤなどの電流駆動型の半導体発光素子を変調駆動可能な半導体発光素子用電源において、電圧の制御が可能な電圧源と、半導体発光素子を流れる平均電流を検出する平均電流検出回路を有し、平均電流検出回路によって検出した平均電流が略一定となるように電圧源の出力電圧を制御することを特徴とするものである。平均電流検出回路には、電流検出用抵抗と、平均化回路と、増幅器を設けて構成することができる。なお、電圧源の出力電圧は、最大出力電圧により制限しておくことが望ましい。

また本発明は、上述のような半導体発光素子用電源を用い、その半導体発光素子用電源から供給される電流により発光する電流駆動型の半導体発光素子と、外部から与えられるデータに従って半導体発光素子に与える電流を制御する変調手段を有する照明装置であり、変調手段により半導体発光素子を変調駆動しても半導体発光素子の平均発光量がほぼ一定となるように、半導体発光素子用電源の出力電圧を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体発光素子を流れる平均電流を検出して、この平均電流によって電圧源を制御する。これによって、半導体発光素子をほぼ定電流駆動することができ、半導体発光素子のばらつきや経年変化に対しても平均電流値が変わることは無い。このとき、半導体発光素子を変調駆動した場合でも、平均電流によって電圧源を制御することにより、ほぼ一定の電流を半導体発光素子に供給することができる。また、従来のような電流制限用抵抗を用いないため、無駄な電力が消費されず、効率よく半導体発光素子を駆動することができるという効果がある。

また、半導体発光素子を変更駆動しているときも変調駆動していないときでも、さらに、変調駆動を行う場合の変調方式にも関係なく、半導体発光素子に供給される平均電流をほぼ一定に保つことができる。これにより、例えば半導体発光素子を照明光源として利用している場合でも、照明光量の変動をほぼ一定に保つことができるという効果もある。

さらに、このような本発明の半導体発光素子用電源を用いて照明装置を構成することによって、変調手段により半導体発光素子を変調駆動してもしなくても、半導体発光素子の平均発光量がほぼ一定となるように制御することができる。例えば半導体発光素子を照明として用いている場合、半導体発光素子を変調駆動して照明光を変調しても、平均照明光量をほぼ一定に保って、照明としての機能に影響しないようにすることができるという効果がある。

図１は、本発明の実施の一形態を示す構成図である。図中、１１は電圧源、１２は平均電流検出部、２１は電流検出用抵抗、２２は積分回路、２３は増幅器、３１はＬＥＤ、３２はスイッチング素子である。図１に示す半導体発光素子用電源は、電圧源１１と平均電流検出部１２を含んで構成されており、この半導体発光素子用電源に、ＬＥＤ３１とスイッチング素子３２が直列に接続された例を示している。ＬＥＤ３１は、例えば照明用の大電力で点灯されるものでよい。スイッチング素子３２は、例えばＦＥＴやトランジスタなどで構成され、ＬＥＤ３１へ供給する電流を、ＦＥＴのゲートまたはトランジスタのベースに供給される情報信号によって制御する。これによって、ＬＥＤ３１の光量（点滅を含む）は、情報信号により変化することになり、よってＬＥＤ３１から放出される光は情報信号によって変調されることになる。この変調の速度が速ければ、光量の変動（あるいは点滅）は人間の目には分からず、照明を行いつつ情報を送信することができる。なお、ＬＥＤ３１は１つに限らず、複数存在していてよい。もちろんＬＥＤ以外の電流駆動型の半導体発光素子であってもよい。

電圧源１１は、外部からの電圧の制御が可能な電圧源であり、ここでは平均電流検出回路１２から出力される電圧によって電圧源１１の出力電圧が制御される。また電圧源１１は、無限に電圧が高くならないように、最大出力電圧制御機能を有している。

平均電流検出部１２は、ＬＥＤ３１を流れる平均電流を検出して、電圧源１１に対して制御電圧を出力する。平均電流検出回路１２としては、ここでは電流検出用抵抗２１、積分回路２２、増幅器２３を含んで構成されている。

電流検出用抵抗２１は、ＬＥＤ３１と直列に接続され、ＬＥＤ３１を流れる電流を検出するために設けられている。この電流検出用抵抗２１の両端での電圧を取得することにより、ＬＥＤ３１を流れる電流を間接的に得ることができる。なお、この電流検出用抵抗２１の抵抗値は、両端の電圧を取得できればよいので、従来の電流制限用抵抗より、はるかに小さくてよく、この電流検出用抵抗２１における消費電力は、従来の電流制限用抵抗における消費電力より、はるかに小さく抑えることができる。

積分回路２２は、電流検出用抵抗２１から取得される電圧値を平均化するために設けられている。ＬＥＤ３１に流れる電流は、スイッチング素子３２によって制御され、高速に変化する。この積分回路２２では、このような高速な電流の変化に追随して電圧源１１の電圧値が変化しないように、平均的なＬＥＤ３１を流れる電流に対応する電圧値を生成するために設けられている。この積分回路２２は、例えば図１に示すように、抵抗ＲとコンデンサＣを含む一般的な積分回路により構成することができる。もちろんＲＣ回路に限らず、任意の積分（平滑）回路を用いることができる。

増幅器２３は、電流検出用抵抗２１の両端で取得し、積分回路２２で平滑化された電圧を、電圧源１１の制御のための電圧に昇圧するためのものである。この増幅器２３の出力が電圧源１１の制御電圧となる。

次に、本発明の実施の一形態における動作の概要について説明する。図２は、ＬＥＤを流れる電流と電圧源が供給する電圧の関係の具体例の説明図である。ＬＥＤ３１が点灯し続けている状態では、ＬＥＤ３１にはほぼ一定の電流が流れており、平均電流検出回路１２もほぼ一定の検出結果を制御電圧として電圧源１１に入力し、電圧源１１もＬＥＤ３１の点灯に適したほぼ一定の電圧を出力する。この状態を図２の無変調期間として示している。

スイッチング素子３２に変調信号が入力されると、その変調信号に従ってスイッチング素子３２がＬＥＤ３１に供給される電流をＯＮ／ＯＦＦ制御し、あるいは電流量を制御する。これによってＬＥＤ３１は変調信号に従って点滅し、あるいは光量が変化し、ＬＥＤ３１からは変調光が発光されることになる。

また、このようなＬＥＤ３１に供給される電流量の変化は、平均電流検出回路１２によって検出される。このとき、ＬＥＤ３１を流れる電流は、ＯＦＦあるいは暗く制御されている間の分だけ常時点灯時よりも少なくなる。従って、ＬＥＤ３１が変調駆動している間は、平均電流は少なくなる。平均電流検出回路１２は、ＬＥＤ３１を流れる平均電流が少なくなると、その平均電流に対応する制御電圧を電圧源１１に与え、電圧源１１に対して出力電圧を上げるように制御する。このとき、平均電流検出回路１２内の積分回路２２の時定数に従って徐々に電圧源１１の出力電圧が上がる。このような制御によって、図２（Ｂ）に示すように、変調期間の開始とともに電圧源１１の出力電圧は徐々に上昇する。

このような電圧源１１の出力電圧が上昇することによって、ＬＥＤ３１の点灯時の電流量も増加することになり、平均した電流量も増加することになる。そして、無変調期間における平均電流とほぼ同等の平均電流量となるまで電圧源１１の出力電圧を増加させる。このようにして、図２の変調期間においても、無変調期間と同様の平均電流となるように制御される。

図２においては一定間隔のパルスが変調信号として入力された場合を示しているが、実際に送信するデータは、０と１が規則的に並ぶことは少ない。そのため、送信するデータに対応した変調信号によってＬＥＤ３１の点滅または光量を制御すると、ＬＥＤ３１の点滅間隔や光量の変動もデータに応じて変化し、ＬＥＤ３１を流れる平均電流もデータに応じて変化することになる。このような場合でも、変化する平均電流に従って電圧源１１に対する制御電圧を変化させるので、変調期間においては常に電圧源１１の出力電圧は変化することになる。

変調期間が終了して定常状態に戻る際には、ＬＥＤ３１は点灯状態となるので、変調期間よりも平均電流が増加する。この平均電流の増加を平均電流検出回路１２で検出し、電圧源１１に対して出力電圧を下げるように制御する。これによって、電圧源１１の出力電圧が下がり、ＬＥＤ３１を流れる電流が減少する。これによって、電圧源１１の出力電圧を定常状態に戻すことができ、ＬＥＤ１１を流れる電流を定常状態に戻すことができる。

このようにして、ＬＥＤ１１を流れる平均電流に従って電圧源１１の出力電圧を制御するので、定常状態の無変調期間でも、変調期間でも、ＬＥＤ３１の平均光量をほぼ一定に制御することができる。

なお、ＬＥＤ３１が破損したり、断線するなどによりＬＥＤ３１に電流が流れなくなった場合には、平均電流が０あるいは極端に少なくなることが考えられる。このような場合、平均電流検出回路１２で平均電流を検出して電圧源１１の出力電圧を制御し、平均電流を増加させようとすると、極端に電圧源１１の出力電圧が上昇してしまうことが考えられる。このような場合に対処するため、電圧源１１の出力電圧は所定電圧以上には増加しないようにしておくことが望ましい。

図３は、本発明の実施の一形態の応用例の説明図である。図中、４１は照明、４２は端末装置、４３は受光部である。照明４１には図１に示した本発明の実施の一形態の構成が含まれており、１ないし複数のＬＥＤ３１による発光光を照明光として利用することができる。

また、ＬＥＤ３１に供給する電流を、図１に示したスイッチング素子３２などでデータに応じて変調するすることによって、ＬＥＤ３１から放出される光も変調されることになる。この変調光を端末装置４２の受光部４３で受光し、電気信号に変換して復調することによって、端末装置４２はＬＥＤ３１から送信されたデータを受信することができる。このようにして、ＬＥＤ３１の発光光を利用して通信を行うことができる。このときのＬＥＤ３１の発光光は、上述のように照明光として利用可能である。

ＬＥＤ３１が変調駆動されることによって、ＬＥＤ３１の発光光は点滅あるいは光量が変化する。しかし、変調速度が例えば数ＭＨｚ以上といった高速であれば、ＬＥＤ３１の点滅や光量の変化は人間には視認できず、ちらつきなどの不具合は生じない。またこの場合に、ＬＥＤ３１の変調駆動によって平均光量は低下する。本発明では、平均電流検出回路１２による電圧源１１の制御を行うことによって、ＬＥＤ３１を流れる平均電流を安定させ、ＬＥＤ３１から放出される平均光量もほぼ一定に保つことができる。このとき、平均電流検出回路１２による電圧源１１の出力電圧の制御周期（積分回路２２の時定数の逆数）の値が、データによる変調の基本周期（例えば周波数で数ＭＨｚ）の値より十分大きく、かつＬＥＤ３１からの光がちらついて見える周期（数１０Ｈｚ）より十分小さい値、例えば周波数で数ｋＨｚ程度の周期を選ぶことによって、電圧源１１の制御によるＬＥＤ３１の光量変動もほとんど人間には感じられない程度に抑えることができる。

これによって、ＬＥＤ３１の発光光を照明に用いている場合でも、ＬＥＤ３１を変調駆動して照明光によるデータ転送を実現することができる。それとともに、ＬＥＤ３１を変調駆動したことによる光量変動を抑え、安定した照明光量を維持することができる。

本発明の実施の一形態を示す構成図である。 ＬＥＤを流れる電流と電圧源が供給する電圧の関係の具体例の説明図である。 本発明の実施の一形態の応用例の説明図である。 一般のＬＥＤの電圧電流特性の一例を示すグラフである。 一般のＬＥＤ点灯回路の一例の説明図である。

符号の説明

１１…電圧源、１２…平均電流検出部、２１…電流検出用抵抗、２２…積分回路、２３…増幅器、３１…ＬＥＤ、３２…スイッチング素子、４１…照明、４２…端末装置、４３…受光部、５１…定電圧源、５２…電流制限用抵抗、５３…ＬＥＤ、５４…定電流源。

Claims (6)

1. 電流駆動型の半導体発光素子を変調駆動可能な半導体発光素子用電源において、電圧の制御が可能な電圧源と、前記半導体発光素子を流れる平均電流を検出する平均電流検出回路を有し、該平均電流検出回路によって検出した平均電流が略一定となるように前記電圧源の出力電圧を制御することを特徴とする半導体発光素子用電源。
2. 前記電圧源の出力電圧は、最大出力電圧により制限されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子用電源。
3. 前記平均電流検出回路は、電流検出用抵抗と、平均化回路と、増幅器を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子用電源。
4. 前記半導体発光素子は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子用電源。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子用電源と、該半導体発光素子用電源から供給される電流により発光する電流駆動型の半導体発光素子と、外部から与えられるデータに従って前記半導体発光素子に与える電流を制御する変調手段を有していることを特徴とする照明装置。
6. 前記半導体発光素子用電源は、前記変調手段により前記半導体発光素子を変調駆動した場合でも、半導体発光素子の平均発光量がほぼ一定となるように出力電圧を制御することを特徴とする請求項５に記載の照明装置。

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