JP2006303165A - 発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の発光ダイオード素子を用いて、安定した光を長時間提供できるようにする。
【解決手段】 発光ダイオード照明装置１において、複数の発光ダイオード素子１６が直列接続される発光ダイオード列１８と、この発光ダイオード列１８に対して直列に接続される定電流制御素子２０と、を備えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発光ダイオード素子を用いた照明装置に関するものである。

近年、発光ダイオード素子を用いた照明装置が普及してきている。一般的に、発光ダイオード素子には定格電圧が存在するため、その発光ダイオード素子に対して直列に抵抗を接続することで、発光ダイオード素子に印加される電圧を調整することが一般的に行われている。また、発光ダイオード素子に供給される電流を検出して、供給電圧側にフィードバックすることで、電圧を制御することも行われている。
特開２００３−１５２２２４号公報

しかしながら、電流を検出しながら供給電圧等を制御する手法では、電流検出用の回路が別途必要になり、回路全体が複雑化すると共に、効率を低下させるという問題があった。

また、本出願時点では公知となっていないが、本発明者の研究によれば、数多くの発光ダイオード素子を直列又は並列接続する場合、複数の発光ダイオード素子間の本来的なばらつきや、配置位置、発熱の影響等によって、各発光ダイオード素子の特性が時間と共に個別に変動するので、フィードバックによって全体の電流を制御するだけでは、そのばらつきを吸収できないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、数多くの発光ダイオード素子を同時に点灯させる場合であっても、低消費電力を達成しつつ、長寿命となる発光ダイオード照明装置を提供することを目的としている。

上記目的は以下の手段によって達成されるものである。

（１）複数の発光ダイオード素子が直列接続される発光ダイオード列と、前記発光ダイオード列に対して直列に接続される定電流制御素子と、を備えることを特徴とする発光ダイオード照明装置。

（２）前記定電流制御素子として、定電流ダイオード素子が接続されていることを特徴とする上記（１）記載の発光ダイオード照明装置。

（３）前記定電流制御素子と前記発光ダイオード列を備えて構成される複数の照明モジュールが、並列接続されていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の発光ダイオード照明装置。

（４）複数の前記定電流ダイオード素子が並列接続された定電流ダイオード列が、前記発光ダイオード列に直列接続されていることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の発光ダイオード照明装置。

（５）隣接する複数の前記発光ダイオード素子間の距離が、２センチメートル以内であることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（６）隣接する複数の前記発光ダイオード素子間の距離が、略１センチメートルであることを特徴とする上記（５）記載の発光ダイオード照明装置。

（７）前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列の全体に対する印加電圧を一定に制御する定電圧制御手段を備えることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（８）前記定電圧制御手段が、前記印加電圧を略４８Ｖに維持することを特徴とする上記（７）記載の発光ダイオード照明装置。

（９）前記定電圧制御手段に供給される供給側電圧がＡＣ１００Ｖ以上且つＡＣ２４０Ｖ以下であることを特徴とする上記（７）又は（８）記載の発光ダイオード照明装置。

（１０）前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に印加する電気を生み出す太陽発電手段を備えることを特徴とする上記（１）乃至（９）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（１１）前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に供給する電圧を可変に制御する電圧調整手段を備えることを特徴とする上記（１）乃至（１０）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（１２）前記発光ダイオード列における前記発光ダイオード素子が、１０個以上直列接続されていることを特徴とする上記（１）乃至（１１）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（１３）前記発光ダイオード列における前記発光ダイオード素子が、３０個以上直列接続されていることを特徴とする上記（１２）記載の発光ダイオード照明装置。

（１４）前記定電流制御素子の消費電力が４０ｍＷ以上且つ７０ｍＷ以下に設定されていることを特徴とする上記（１）乃至（１３）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（１５）前記発光ダイオード素子の各消費電力が５５ｍＷ以上且つ６０ｍＷ以下に設定されていることを特徴とする上記（１）乃至（１４）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

（１６）前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に供給する電圧を可変に制御する電圧可変調整手段を備えることを特徴とする上記（１）乃至（１５）のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

本発明によれば、複数の発光ダイオードを、安定且つ長寿命の状態で発光させることができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード照明装置１の回路構成が示されている。

発光ダイオード照明装置１は、相互に並列接続される１０個の照明モジュール１０と、この照明モジュール１０に一定の電圧を印加するＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１２に電気を供給する２４Ｖの直流電源１４を備えている。

照明モジュール１０は、３０個の発光ダイオード素子１６が直列接続された発光ダイオード列１８、この発光ダイオード列１８に更に直列接続される定電流制御素子２０を備える。ここでは定電流制御素子２０として、２個の定電流ダイオード２２が並列接続された定電流ダイオード列が用いられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、いわゆるスイッチング電源であり、入力端子１２Ａと出力端子１２Ｂを備える。従って、入力側の２４Ｖの電圧が多少変動しても、出力側電圧は常に４８Ｖとなるように定電圧且つ昇圧制御される。

図２には、発光ダイオード照明装置１における、発光ダイオード素子１６の実際の配置状態が示されている。本発光ダイオード照明装置１では、回路基板３０に対して１５個×２０列の配列によって、３００個の発光ダイオード素子１６が配置されている。隣接する発光ダイオード素子１６との距離Ｌは略１センチメートルに設定されている。なお、各照明モジュール１０はそれぞれ３０個の発光ダイオード素子１６を備えているので、基板上の２列分に対して、一つの照明モジュール１０が相当するようにしている。

次に本発光ダイオード照明装置１の作用について説明する。

図３には、定電流ダイオード２２の個別の特性曲線が示されている。定電流ダイオード２２は、電圧が変動した場合であっても電流を出来る限り一定に維持する機能を有していることがわかる。この結果、各照明モジュール１０において、発光ダイオード素子１６が発熱したり、外部の温度環境が変動したりすることによって、発光ダイオード素子１６のインピーダンスが変化した場合であっても、各照明モジュール１０の内部で、定電流ダイオード２２側がそのインピーダンス変動を吸収し、発光ダイオード素子１６に流れる電流を出来る限り一定に維持するようになっている。

図４には、実際に発光ダイオード照明装置１を発光させた状態で、照明モジュール１０毎の、発光ダイオード列１８、定電流ダイオード２２の印加電圧、電流等の関係が示されている。ここで列番号とは、並列接続された照明モジュール１０に割り当てられた管理番号であり、一端から多端まで１から１０の番号が振られている。このように、複数の照明モジュール１０を並列接続して発光させた場合、中心側に位置する４番〜７番の照明モジュール１０の発光ダイオード列１８のインピーダンスが低下して、この発光ダイオード列１８に印加される電圧が低下してしまう。一方、それを補うようにして、定電流ダイオード２２のインピーダンスが上昇して自身の印加電圧を増大させる。

なお、このように並列接続される照明モジュール１０の電圧低下が、各照明モジュール１０間で不規則となるのは、各照明モジュール１０から発せられる熱が、自ずと基板３０の中央部に集中して局所的に温度が上昇することが原因となっていると考えられる。また、基板３０の中央部は、周縁部と比較して放熱能力が低いことも起因している。

又本実施例では、定電流ダイオード２２と発光ダイオード素子１６を組み合わせることで、その電流を一定に維持できることから、並列接続される照明モジュール１０内の定電流制御素子２０の消費電力が、４０ｍＷ以上且つ７０ｍＷ以下の変動範囲内に設定され、更に、各発光ダイオード素子１６の各消費電力が、５５ｍＷ以上且つ６０ｍＷ以下の変動範囲内に設定されている。従って、熱変化や外部環境変化が大きい場合であっても、消費電力を安定化させることが可能となり、それに伴って照明モジュール１０の寿命が延びるようになる。

更に本実施例のように、大量の発光ダイオード素子１６を発光される場合であっても、発光ダイオード列１８毎に定電流ダイオード２２を接続しておくことにより、列毎の個別の特性変化、特に物理的に高熱となりやすい場所に配置された発光ダイオード列１８の特性変化に対して個別且つ柔軟に対応することが可能となる。従って、長時間の発光や、夏場の発光などによって、各照明モジュール１０の熱環境が経時的に変動する場合であっても、定電流ダイオード２２の存在によって、熱暴走による発光ダイオード素子１６の損傷が回避され、全ての照明モジュール１０において、均一かつ安定した光を発することが可能となっている。

本発光ダイオード照明装置１では、定電流ダイオード２２を用いて個別に電流を一定にしていることから、回路の構造が簡潔となり、全体的な消費電力を低減させることができる。また、本実施例では、各照明モジュール１０内で、２個の定電流ダイオード２２が並列接続されていることから、各定電流ダイオード２２が負担する電流を約半分にすることが可能となる。この結果、発光ダイオード列１８の大きな特性変化（具体的にはインピーダンス変化）に対する、定電流制御素子２０の許容能力が増大させることができる。また既に図３で示したが、定電流ダイオード２２を、低電圧領域側で積極的に使用することが可能となり、平常時には、各定電流ダイオード２２の消費電力を低減させることができる。この結果、定電流ダイオード２２の寿命を長くしつつ、発光ダイオード列１８に悪影響を与えるような発熱を低減させることも可能になる。

また、このように発熱に対する耐久性が高められているので、発光ダイオード素子１６の配列間隔を１センチメートルに設定でき、コンパクトでありながら強力な光を発することが可能になる。特に、本発光ダイオード照明装置１を投光器用途として用いる際には、発光ダイオード素子１６の配列間隔を２センチメートル以内に設定しておくことが望ましい。

次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード照明装置１００の回路構成ついて説明する。なお、この発光ダイオード照明装置１００において、第１実施形態の発光ダイオード照明装置１と共通又は類似する部分・部材について、符号の下二桁を一致させることで具体的な説明を省略する。

この発光ダイオード照明装置１００は、相互に並列接続される１０個の照明モジュール１１０と、この照明モジュール１１０に一定の電圧を印加する電源１１４を備えている。照明モジュール１１０は、直列接続された１０個の発光ダイオード素子１１６と、更に直列接続される定電流ダイオード１２２を備える。照明モジュール１１０と電源１１４との間には、電圧の昇降圧回路、電圧検出回路、平滑回路などが備えられている。なお、この電源１１４は、特に図示しない太陽発電パネルによって発電した電気を蓄積したものである。

昇降圧回路は、電池などの電源１１４に接続される端子１４１、１４２と照明モジュール１１０の端子間に配置されており、照明モジュール１１０に印加する電圧を昇降するものである。具体的に昇降圧回路として、電源１４１と照明モジュール１１０との間にコイルなどのインダクタンス素子１３５が配置され、このインダクタンス素子１３５に流す電流変化で電圧を昇降するようにしている。この結果、交流電源１１４と照明モジュール１１０間に、抵抗素子などのインピーダンス素子を配置することが回避され、電力消費を低減している。

トランジスタなどのスイッチング素子１３４の一端は、インダクタンス素子１３５の一端に接続されると共に、このスイッチング素子１３４におけるベースやゲートとなる制御側端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路などの電圧検出回路１３１の出力端子（ＥＸＴ４）に接続される。この出力端子は、パルス幅が可変のパルス信号が出力され、スイッチング素子１３４の開閉時間を可変にすることができ、インダクタンス素子１３５に流す電流を変化させることができる。

スイッチング素子１３４の制御端子と電圧検出回路１３１の出力端子（ＥＸＴ４）との間には、抵抗素子１３２とコンデンサ１３３の並列回路が配置されており、高調波成分のノイズを除去して波形整形する。昇降圧回路は、例えば、インダクタンス素子１３５とスイッチング素子１３４とＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路から出力されるスイッチング信号で構成されることになる。

電圧検出回路１３１は、照明モジュール１１０印加される電圧を検出するものである。具体的に、電圧検出回路１３１としてＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路が用いられ、照明モジュール１１０間に印加される電圧を分圧した電圧、即ち、照明モジュール１１０の両端間に印加される電圧に比例する電圧を検出している。回路としては、直列に接続した抵抗素子１６１、１６３、１６４の列を、照明モジュール１１０の両端間に並列に接続し、その途中の分圧電圧を測定している。この内の１つの抵抗素子１６４を可変抵抗素子にして、検出電圧を変更可能としている。抵抗素子１６１には、コンデンサ１６２が並列に接続される。検出電圧は、電圧検出回路１３１の入力端子（Ｖｏｕｔ３）に入力される。電圧検出回路１３１は、検出電圧が高くなると、電圧検出回路１３１の出力端子（ＥＸＴ４）にパルス幅の小さなパルス信号が出力され、検出電圧が低くなると、電圧検出回路１３１の出力端子（ＥＸＴ４）にパルス幅の大きなパルス信号が出力される。

このようにして、照明モジュール１１０間に印加される電圧の変動は、電圧検出回路１３１の出力端子（ＥＸＴ４）に出力されるパルス幅を変動させ、スイッチング素子１３４の開閉時間を変化させ、インダクタンス素子１３５に流れる電流を変動させるので、結局、照明モジュール１１０間に印加される電圧を一定に保持することが可能になる。また、可変抵抗素子１６４の抵抗値を変えることにより、照明モジュール１１０の端子間に印加される電圧を可変に調整できる。

この結果、例えば、熱変動に応じて照明モジュール１１０全体のインピーダンス変動が起こった場合に、印加電圧を調整することも可能となり、定電流ダイオード１２２の電圧調整負担を軽減して、消費電力を低減させることができる。

電圧検出回路１３１の正電圧端子（ＶＤＤ２）には、ヴォルテージ・レギュレータ１０５が接続され、負電圧端子（Ｖｓｓ５）には、電源供給端子４２（アース）が接続される。ヴォルテージ・レギュレータ１０５の入力端子（ＶＩＮ２）には、電源供給端子１４１が接続される。この結果、例えば１２Ｖの電圧を５Ｖに変換して出力する。

平滑回路は、インダクタンス素子１３５に流れる電流の変化により発生する電圧の変動を平滑にするものである。平滑回路は、種々の回路が知られているが、例えば、インダクタンス素子１３５の端子と照明モジュール１１０の間の回路に配置したダイオード（平滑ダイオード）１２５と、照明モジュール１１０の両端子間に配置される平滑コンデンサ１２１で構成することができる。

この発光ダイオード照明装置１００によれば、各照明モジュール１１０内の定電流ダイオード１２２が電流を一定に維持しようとすることによって、発光ダイオード１１６の経時的な特性変化を吸収することが可能になる。更に、既に図３等で示したように、定電流ダイオード１２２が電流を一定に維持しようとすると、その電流／電圧特性の曲線に従って、多少の電流変化が生じる可能性があるが、例えば、照明モジュール１１０に印加する電圧自体を昇降圧回路によって可変に調整することで、照明モジュール１１０の全体の特性変化に応答させた詳細な制御が可能となる。特に、交流電源を採用することによる電流変動を定電流ダイオード１２２が吸収してくれることになり、発光ダイオード１１６のちらつきを防止することが可能になる。

なお、本実施形態では、電源として直流電源を用いる場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば交流１００Ｖ以上、２４０Ｖ以下の電源を用いることも可能であり、その際には、交流を直流に変換しつつ、その際のリップルを平滑回路によって平滑化して照明モジュールに供給することが好ましい。

尚、本発明の発光ダイオード照明装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の発光ダイオード照明装置は、投光器や街灯等、様々な用途に利用することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る発光ダイオード照明装置の回路構成を示す回路図 同発光ダイオード照明装置における発光ダイオード素子の基板配置を示す正面図 同発光ダイオード照明装置に用いられている定電流ダイオードの特性曲線を示す図 同発光ダイオード照明装置の利用中の照明モジュール毎の特性変動を示す模式図 本発明の第２実施形態に係る発光ダイオード照明装置の回路構成を示す回路図

符号の説明

１、１００ 発光ダイオード照明装置
１０、１１０ 照明モジュール
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４、１１４ 電源
１６、１１６ 発光ダイオード素子
１８ 発光ダイオード列
２０ 定電流制御素子
２２、１２２ 定電流ダイオード

Claims (16)

1. 複数の発光ダイオード素子が直列接続される発光ダイオード列と、
   前記発光ダイオード列に対して直列に接続される定電流制御素子と、を備えることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
2. 前記定電流制御素子として、定電流ダイオード素子が接続されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード照明装置。
3. 前記定電流制御素子と前記発光ダイオード列を備えて構成される複数の照明モジュールが、並列接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光ダイオード照明装置。
4. 複数の前記定電流ダイオード素子が並列接続された定電流ダイオード列が、前記発光ダイオード列に直列接続されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光ダイオード照明装置。
5. 隣接する複数の前記発光ダイオード素子間の距離が、２センチメートル以内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
6. 隣接する複数の前記発光ダイオード素子間の距離が、略１センチメートルであることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオード照明装置。
7. 前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列の全体に対する印加電圧を一定に制御する定電圧制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
8. 前記定電圧制御手段が、前記印加電圧を略４８Ｖに維持することを特徴とする請求項７記載の発光ダイオード照明装置。
9. 前記定電圧制御手段に供給される供給側電圧がＡＣ１００Ｖ以上且つＡＣ２４０Ｖ以下であることを特徴とする請求項７又は８記載の発光ダイオード照明装置。
10. 前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に印加する電気を生み出す太陽発電手段を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
11. 前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に供給する電圧を可変に制御する電圧調整手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
12. 前記発光ダイオード列における前記発光ダイオード素子が、１０個以上直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
13. 前記発光ダイオード列における前記発光ダイオード素子が、３０個以上直列接続されていることを特徴とする請求項１２記載の発光ダイオード照明装置。
14. 前記定電流制御素子の消費電力が４０ｍＷ以上且つ７０ｍＷ以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
15. 前記発光ダイオード素子の各消費電力が５５ｍＷ以上且つ６０ｍＷ以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。
16. 前記定電流制御素子及び前記発光ダイオード列に供給する電圧を可変に制御する電圧可変調整手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか記載の発光ダイオード照明装置。

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