JP2006344919A - 発光ダイオード点灯回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 前項の問題に鑑み、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した照明器具や表示装置等のバックライトと称される照明装置に於いて、主駆動用の入力電圧あるいは駆動電力に対する比例発光領域を拡大し、特に微弱電力域に対する発光光度を向上させると共に、制御部を含めた照明装置等の発光効率を向上させることを課題とする。
【解決手段】 本発明は、ＬＥＤの順電圧ＶＦと順電流ＩＦの関係に於いて、微弱発光を含む発光開始電圧と基準発光領域の電圧および電流差に着目した。微弱発光開始電圧と電流を直流電源で供給し順電圧方向にバイアスし、その電圧に対して実発光用の駆動用交流電圧を印加し、交流変調電圧を重畳させる方法をとる。重畳させる方法は変圧器または変成器を活用し、駆動用交流電圧を一次側巻線に印加し、二次側巻線を重畳用巻線として直流バイアス電圧に駆動用交流電圧を重畳させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明用途に供する発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、以下ＬＥＤと称する）を発光点灯させるための制御駆動装置の最終駆動点灯回路に関する。

ＬＥＤは従来より表示灯の分野で使用されてきた。最近、青色ＬＥＤが実用化され、紫外線発光のＬＥＤが開発されるに従って、照明分野への応用が期待されるようになった。それらの照明分野には、乾電池で点灯する小型懐中電灯から、携帯型発電器等と組み合わせた照明器具、商用電源による照明器具、等々多種多様なものがある。

しかしＬＥＤは、印加する順電圧と、流れる順電流が、原点を基に比例関係に成らないという欠点を有している。図２は赤色発光ＬＥＤの順電圧ＶＦと順電流ＩＦの関係を示す一例であるが、標準順電流ＩＦ＝２０ｍＡを流すための順電圧ＶＦは約１．９Ｖ必要で、発光開始の電圧も１．６Ｖと高い。この電圧以下では微弱発光領域となり１Ｖ前後では発光しない領域となる。

特に照明分野に使用される白色光や紫外光を発光するＬＥＤは総じて順電圧ＶＦが高くなり、伴って発光開始電圧も高くなっている。図３は白色発光ＬＥＤの順電圧ＶＦと順電流ＩＦの関係を示す一例である。標準順電流ＩＦ＝２０ｍＡを流すために必要な順電圧ＶＦは約３．５Ｖ、発光開始ＩＦ＝１ｍＡの順電圧は約３Ｖである。微弱発光の開始を観ても約２．３〜２．４Ｖになる。この順電圧や発光開始電圧は、蛍光体を発光させるための高効率紫外発光ＬＥＤ等では更に高電圧化する傾向にある。

これらの順電圧特性は、乾電池使用時に於いては多大なロスを生じさせる。その対策には高価な昇圧型コンバーターを必要とし、効率と信頼性の問題そしてスイッチングノイズの問題等が付随する。また、携帯型発電機等による微弱発電領域については従来の白熱電球が減光点灯するのに対してＬＥＤは発光しないという問題があった。従来の白熱電球のように、機械的入力に比例して発光強度が得られるという自然感は得られない。特に低回転、低電圧、電流駆動型の発電機器と組み合わせる場合には複雑な電子回路ユニットを組み合わせる必要があった。

照明器具用として、例えばＬＥＤ１０個を直列接続して、全波整流回路で点灯した場合は約３５Ｖの印加電圧が必要で、約ＡＣ２５Ｖ（実効値）の電圧供給が必要となる。図４に従来の簡易型の点灯回路の一例を示す。電流制限コンデンサＣ２とダイオードブリッジＤＢと平滑コンデンサＣ３により整流と電圧調整を行い、ＬＥＤ電流制限抵抗器Ｒ３で電流調整を行う。更に高出力化するにはＬＥＤの直列接続個数と列数を増して出力を増やす事になり、図５に示すように、変圧器Ｔ２で降圧して二次電圧の調整を行って大電流を処理する。一方でこれらの回路は、各半サイクル毎に平滑コンデンサＣ３へ間歇的な充電電流が流れ、電源線路に対する高調波誘発等の問題が発生する。今後、高出力化が進展する場合には無視できなくなる。

また照明器具に於いては、従来の白熱電球と同等の調光動作も必要になるが、従来からの簡易的な位相制御型の調光器出力に対しては照度変化の連続性が失われ、品質感を欠いていた。その対策として電子降圧変圧器等との組み合わせが考えられるが、ＬＥＤ単品のコストに電子ユニットのコストが加わり、総じて高額商品となってＬＥＤ照明器具の普及を妨げていた。何れの場合も、ＬＥＤの印加電圧に対する非発光領域の存在と発光開始後の順電流ＩＦ増加が急峻であるというＬＥＤ固有の特性に起因する。

前項の問題に鑑み、発光ダイオードＬＥＤを使用した照明器具や、表示装置等のバックライトと称される照明装置に於いて、主駆動用の入力電圧あるいは駆動電力に対する比例発光領域を拡大し、特に微弱電力域に対する発光光度を向上させると共に、制御部を含めた照明装置等の発光効率を向上させることを課題とする。

問題を解決するための手段

本発明はＬＥＤの順電圧と順電流の関係に於いて、微弱発光を含む発光開始電圧ＶＦｏと基準発光領域の順電圧ＶＦおよび順電流ＩＦの差に着目した。一般的な白色ＬＥＤの場合には、微弱発光開始電圧ＶＦｏは約２．４Ｖ、基準順電流ＩＦ＝２０ｍＡ時の順電圧ＶＦは約３．５Ｖである。発光ダイオードＬＥＤは、この電圧差約１．１Ｖから最大値を含めて約２．０Ｖの範囲で実用的な発光をしている。この電圧差は多少の差はあるが、発光色が違っていても同様の傾向があり、約１．０Ｖ〜１．５Ｖの範囲にある。

以上から本発明は、微弱発光開始電圧ＶＦｏを直流電圧で供給し、その電圧に対して実発光用の駆動用交流電圧を印加させる事とした。具体的には発光開始電圧ＶＦｏを基準とした直流バイアス電圧に交流変調電圧を重畳させる方法をとる。重畳させる方法は変圧器または変成器を活用し、駆動用交流電圧を一次側巻線に印加し、二次側巻線を重畳用巻線として直流バイアス電圧に駆動用交流電圧を重畳させる。駆動用交流電圧は、小型携帯交流発電機出力や商用電源、直流電圧を基にした矩形波、等を使用する事ができる。

図１に本発明の基本回路を示す。発光ダイオードＬＥＤは、電流制限抵抗器Ｒ１、絶縁型の小型変成器Ｔ１の二次巻線、直流遮断コンデンサＣ１、の各部品を直列に接続して交流的閉回路を構成している。ＬＥＤは交流電圧で駆動するため、ＬＥＤへの逆電圧印加を避け、円滑に逆方向の電流を流すために逆流ダイオードＤ１を設けている。Ｄ１には電流制限抵抗器を設けていないが、実際には変成器巻線等の抵抗成分がその役を果たしている。このＤ１とＤ２によってＣ１両極間の円滑な電荷の移動を可能とし、無駄な電力消費を防いでいる。

本回路に於いては電池Ｂａｔｔの負（−）極が基準の接地極となる。直流遮断コンデンサＣ１の両端には、電池Ｂａｔｔと高抵抗値のバイアス電流制限抵抗器Ｒ２とバイアス電流逆流防止ダイオードＤ３が直列に接続されて、直流遮断コンデンサＣ１の非接地極側に微弱発光開始電圧ＶＦｏをバイアス電圧として充電し、蓄電している。この直流バイアス電圧は、小型変成器Ｔ１の二次巻線を通って発光ダイオードＬＥＤのアノード（Ａ）に印加される。電池Ｂａｔｔ、バイアス電流制限抵抗器Ｒ２、バイアス電流逆流防止ダイオードＤ３、二次巻線、電流制限抵抗器Ｒ１、発光ダイオードＬＥＤ、が直列に接続されて直流的閉回路を構成する。ＬＥＤには、電池Ｂａｔｔの電圧とＲ２の抵抗値とＬＥＤ固有の等価抵抗値に依って決まる微少電流が流れ、ＬＥＤは微弱発光状態で待機する。

直流バイアス用の電源電圧は、発光開始電圧ＶＦｏより高く設定する必要があるが、高精度である必要はない。５ＫΩ〜５０ＫΩの高抵抗値のバイアス電流制限抵抗器Ｒ２で供給することで、流れる連流に応じてＬＥＤの個体値による電圧に落ち着く。経験的にはバイアス電流を多めに設定する方が微少電力に対する反応は良好になる。一方、無入力時の微弱発光が問題となる場合はＬＥＤの両端または出力端子間に放電用の高抵抗器を設けてもよい。

電池Ｂａｔｔを接続した待機状態に於いて、電池Ｂａｔｔの負（−）極およびＬＥＤのカソード（Ｋ）を基準接地極として、小型変成器Ｔ１の二次巻線、直流遮断コンデンサＣ１の非接地極、電流制限抵抗器Ｒ１、ＬＥＤのアノード（Ａ）、逆流ダイオードＤ１のカソード（Ｋ）、が発光開始電圧ＶＦｏで充電され、順電圧をバイアスしている。
この状態で、例えば交流発電機の出力を交流入力として印加した場合、微弱発光開始電圧ＶＦｏで充電された直流遮断コンデンサＣ１を疑似電源として、小型変成器Ｔ１の二次巻線は交流電圧を重畳させる。重畳電圧が増加する交流サイクルの正（＋）側半サイクルは、重畳によって増加した順電圧に応じて順電流が流れてＬＥＤを発光させる。待機状態で微弱発光状態になっているので、僅かな重畳電圧の変化で順電流ＩＦが増え、比例的に発光量が増え、変化する。

次の負（−）側半サイクルは、Ｃ１から流出してＬＥＤを通過した電荷相当分が、Ｄ１を通ってＣ１の非接地極に戻されて電荷のバランスを保つと考えられる。このサイクルによって、直流バイアス用電源からの電流は小さくて済み、低電力での供給を維持する。この事は、交流入力の周波数を高め、例えば数十ＫＨｚの周波数と、小型変成器Ｔ１の二次巻線の誘導リアクタンス値と、直流遮断コンデンサの容量リアクタンス値とを適切に設定することで、準共振状態で発光ダイオードＬＥＤを駆動できる可能性を示し、更なる効率向上が期待できる。

この直流遮断コンデンサＣ１は、順共振状態以外では、直流的に疑似電源としてＬＥＤを十分に駆動する電流を供給する為の電荷を蓄積する必要があり、駆動周波数とも関係するがＬＥＤの駆動電流に見合った容量が必要になる。特に、使用する下限周波数に合わせた容量の設定を行う事で、その設定した下限周波数以上の広い周波数範囲で使用できる回路となる。その一方で、交流的には逆流ダイオードＤ１によって概ねバランスを保っていて、交流入力ＶＧｉｎを印可した点灯状態で電池Ｂａｔｔを取り去っても直ちに不点灯にはならない。バイアス供給電圧の低下と共に徐々に発光強度が低下し、ＶＧｉｎを減らせば発光しなくなる。再度、電池を接続すると徐々に発光が回復する。変化速度としては、直流遮断コンデンサＣ１の容量にもよるが回復時の方が早い。

図１の基本回路では半サイクル毎の発光になるため、低周波領域では点滅を感じて照明用として適当でない。その対策として図１の回路を二つ組み合わせた、全波整流形の対策回路を図６に示す。小型二出力巻線変成器Ｔ３の二次巻線の半サイクル毎の出力を順方向ダイオードＤ２で合成して、並列接続発光ユニットＬｕ１の電流制限抵抗Ｒ１を経て各々の発光ダイオードＬＥＤに供給する。逆方向電流は逆流ダイオードＤ１で通過させる。Ｄ１とＤ２はダイオードブリッジＤＢを用いても良い。何れの場合でも本回路では、ＬＥＤを除いた交流閉回路内に於いて整流素子は１箇所だけで済む。これは従来のダイオードブリッジＤＢ整流時と比較して、整流素子による電圧降下を半減する。更に、小型発電器等の出力電圧が低い事を考慮すると、順方向ダイオードＤ１や逆流ダイオードＤ２の整流ダイオードは順方向電圧降下の小さい整流素子が好ましい。

図６では直流バイアス電源として、電池の代わりに倍電圧整流回路を用いたバイアス電圧発生回路Ｖｂを組み込んでいる。整流回路入力は小型二出力巻線変成器Ｔ３の一次側から取り、倍電圧整流用ダイオードＤ４と倍電圧整流用コンデンサＣ４で、交流発電器入力ＶＧｉｎの電圧の約２倍以上の電圧を供給する。このバイアス電圧発生回路ＶｂもＤ４の順方向電圧降下の影響を受ける。微少発電領域ではバイアス電圧が不足する場合もあるが、バイアス電圧が２倍の昇圧比率で速やかに立ち上がるので実用的には問題のない程度に収まる。

小型二出力巻線変成器Ｔ３は二次側に二つの巻線を有するが、巻線の極性が相反するポイントに各々のバイアス電圧供給点を設定することで、直流バイアス電流による鉄芯の偏励磁を相殺することができる。これは鉄芯の早期の磁気飽和を防ぎ、小型化を計ることができる。特に今後の高出力化を考えると重要な要素となる。

また、微弱発光開始電圧ＶＦｏを発生させるバイアス電圧の接続は、負荷の発光ダイオードＬＥＤに対して、交流電圧を重畳させる小型二出力巻線変成器Ｔ３の二次巻線と疑似電源として働く直流遮断コンデンサＣ１が直列配置になるように接続する必要がある。具体的には図６に示すように、直流遮断コンデンサＣ１の非接地極とＴ３二次巻線の間に接続する。逆流ダイオードＤ１カソード極と二次巻線の間に接続すると、ＬＥＤに対して並列に接続されることになり、重畳効果が薄れる。

図７に、図６の回路による発光ダイオードＬＥＤの駆動波形の一例を示す。回路図には図示していない各回路部品の内部インピーダンス等により歪みを生じているが、概ね全波整流を基にした電圧と電流波形を示している。交流入力ＶＧｉｎが無い場合はＶＦｏ＝０となるが、ＶＧｉｎ＝１Ｖ程度から十分な微弱発光開始電圧ＶＦｏを供給開始して発光を始める。この発光開始電圧は、バイアス電圧発生回路Ｖｂの立ち上がり特性に左右され、具体的には倍電圧整流用ダイオードＤ４とバイアス電流逆流防止ダイオードＤ３の順電圧降下特性の影響を受ける。

このバイアス電圧発生回路Ｖｂの立ち上がり特性の影響を排除するには、図１の様に電池等の個別独立電源を利用するか、始動時の一瞬だけ発電器等の加速運転を行い倍電圧整流用コンデンサＣ４を充電すればよい。

発明の効果

図８に本発明の点灯回路と、従来の全波整流点灯回路の特性比較例を示す。本発明実施例とした回路は、図６を基に白色ＬＥＤ用５個直列点灯用に合わせたものである。１：１の変成器のため入力電圧は交流入力ＶＧｉｎを基準とする。従来例の回路は、図５を基に白色ＬＥＤ用５個直列点灯としたものである。入力電圧は変圧器二次巻線両端電圧である。

本発明の効果は図８から解る様に、ＬＥＤの標準順電流ＩＦを得るための実駆動電圧を大幅に引き下げられた事にある。特に順電圧ＶＦが高い白色発光ＬＥＤの駆動電圧に於いては概ね３０％〜４０％引き下げる事ができた。本発明の回路によれば、主発光駆動用交流電圧は約１．５Ｖ／個で済む。変成器の巻線抵抗低減等により、従来と比較して、駆動電圧半減の可能性もある。この事に依って駆動回路の負担低減が推進される。

更に本発明による最大の効果は、基準順電圧ＶＦ以下の低電圧領域に於いても、概ね駆動電圧に比例した発光強度が得られる事である。本発明の回路では、従来では発光しない携帯型発電器の微少電力領域での発電に対しても相応の比例した発光出力を示す。この事は、一度電池に充電した後でスイッチング素子を使用したコンバーター等で昇圧点灯する従来方式を不要とする。つまり、発電器の微少電力出力で直接ＬＥＤを点灯させることが可能となる。

重畳手段として、変圧器または変成器の巻線を活用する重畳のため、一次巻線の駆動電圧波形が比較的良好に二次側に出現する。この為、位相制御型調光器の入力波形であっても、そのまま比例してＬＥＤ駆動電流と成る。直流遮断コンデンサＣ１は交流結合コンデンサでもあり、可変電圧可変周波数入力に対応できる。この為、鉄芯の材質や巻線方法を使用周波数帯に合わせて吟味する事によって駆動入力は多岐に対応でき、携帯型の交流発電機の出力、バックライト用ＬＥＤのパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動電圧またはパルス振幅変調（ＰＡＭ）駆動電圧、商用電源電圧等、に対応できる。その際の高調波に対応して、入力巻線の一次側にはノイズフィルターの追加や、Ｃ１に対する高周波バイパスコンデンサの併設等々の部分的な対策は従来と同様に行う事ができる。そしてＰＷＭやＰＡＭの場合は、その駆動電圧を半減できることで制御駆動回路の負荷軽減が可能となって高効率化と省エネルギー化につながる。

これらの相乗効果で、商用電源に対する変圧器の設定にも依るが、個別独立電源等によって直流バイアス電圧の確保を行えば５％電圧からでも有効な調光動作を行う事が確認できた。このレベルは従来の商用電源で使用されている照明器具と混在して使用することを可能とし、スイッチング動作を行う能動部品が不要でノイズ発生も無く高信頼性である事、点灯装置が低価格で構成できる事、などから照明器具および照明装置等への発光ダイオードＬＥＤ普及を促進する事ができ、照明用エネルギーの低減に貢献する。

本発明に於ける交流駆動回路は、並列共振回路とも共通部分があるため、駆動用交流入力ＶＧｉｎの周波数を、可聴領域上限周波数付近あるいはそれ以上の高周波数化によって更なる効率改善を追求することもできる。高周波数化に依って、先ず、変成器や変圧器類およびコンデンサ類が小型化できる。更に、ディスプレイのバックライト等として使用する場合などでは、交流入力の周波数を高め、例えば数十ＫＨｚの周波数と、小型変成器Ｔ１の二次巻線の誘導リアクタンス値と、直流遮断コンデンサの容量リアクタンス値とを適切に設定することで、準共振状態で発光ダイオードを駆動できる可能性を示し、更なる効率向上が期待できる。

以上の様に本発明は、ＬＥＤと、信頼性の高い受動部品の機能および特性と、交直流回路の基本特性とを十二分に考慮されて簡潔な回路構成で成されたもので、ＬＥＤ（発光ダイオード）を点灯駆動する為の基本回路の一つに成り得ると共に、その応用範囲は極めて広いものである。

本発明は、発光ダイオードＬＥＤを点灯させる為の基本的な駆動方法の一つであるが、交流電力および交流成分を含んだ直流電力をＬＥＤの駆動源とする機器に適する。また、ＰＷＭやＰＡＭといった直流が断続する様な矩形波状駆動入力にも適する。これは各種の入力インピーダンスと整合させるためにトランスあるいは変成器を使用するために、一次側が直流電源の断続であっても、二次側には交流電力として供給されるためである。

最も簡潔な回路構成で実施する形態としては、携帯発電器や自転車の小型交流発電機によるＬＥＤの点灯である。これらは、発電器の駆動状態が幅広く変化し、電圧と周波数が変動して一定ではない。しかし、従来の白熱電球使用時に於いては、駆動状況に応じた発光強度が得られていた。本発明の回路方式によると駆動状況の強弱に応じた発光強度が得られるために、従来と同様の使い勝手が得られる。

他の最良の形態としては、商用電源を使用するＬＥＤ用照明器具への応用である。電圧が安定しているので、定出力でのＯＮ／ＯＦＦだけであれば従来の点灯方式でも問題はない。しかし実際の照明環境に於いては、演出照明や省エネルギーを目的とした調光動作が望まれる。更にＬＥＤを光源とする場合には、そのイメージから調光動作が要求される。その調光操作には従来から設置されている位相制御型調光器が使用される場合が多いが、本発明の点灯回路はそれに適応する。その調光入力は波形と電圧が大幅に変化するが、その入力波形を比較的素直にＬＥＤ駆動電流として供給する事ができる。

図６に、携帯型発電器や自転車用小型発電器等の交流入力を想定した発光ダイオードＬＥＤ点灯回路を示す。回路動作については前述したので省略する。この回路では、低電圧によりＬＥＤを並列接続により多灯点灯させる事を想定している。これは比較的小容量の照明用回路に適し、点灯ＬＥＤの数を切り替える事で段階的調光操作を行う事ができる。

従来のこの種の小型発電器でＬＥＤを点灯させるには基準順電圧ＶＦを得る為に発電器を高速回転させる事が必要で、その為の機構部品の駆動損失が過大となって効率を落としていた。低回転では十分な電圧が確保できずに急激に発光強度が低下し、発電器は回っているのに点灯しない等の不自然さが有った。

それに対して本発明の回路では、発電器の低回転領域からＬＥＤを点灯できるので、エネルーギー源である操作力に比例して発光光度が得られ、自然に感ずる事ができるし操作感が解りやすい。特に基準順電圧ＶＦ以下の領域での操作入力に対する効率が向上する。

図９と図１０に、発光ダイオードＬＥＤの精密制御を行う制御駆動回路ユニットＩＣを使用した場合の応用例を示す。ＩＣは、電力源の電池Ｂａｔｔから直流電流を取り込んで、制御信号または出力調整器ＶＲに依って設定された出力に合わせてＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作を行い、中間コネクターＣＮ３に矩形波出力を出す。その矩形波出力を小型二出力巻線変成器Ｔ３の一次側に印加する事で、二次側には矩形波に準じた交流電力が発生して、並列接続発光ユニットＬｕ１のＬＥＤを駆動する。

図９の例では、バイアス電圧発生回路Ｖｂの入力を小型二出力巻線変成器Ｔ３の入力側から取っているが、これは発光強度の変化が緩やかな場合に適する。例えば、電池を源源とする懐中電灯等に応用する場合である。ＬＥＤの点灯灯数で段階的調光と配光特性を変え、出力調整器ＶＲで連続調光等を行う事ができる。

図１０の例では、バイアス電圧発生回路Ｖｂの入力を、電池Ｂａｔｔから直接取っている。これはＬＥＤの立ち上がりを特性を重視する場合で、特に点滅を素早く行う表示器用光源の制御駆動回路ユニットＩＣ等に適する。電池Ｂａｔｔからの電流は、機器内スイッチＳＷ１と突入電流低減抵抗器Ｒ４を通って電圧平滑コンデンサＣ５を充電し、バイアス電流制限抵抗器Ｒ２とバイアス電流逆流防止ダイオードＤ３を通ってバイアス電圧を供給する。

両回路とも、本発明の点灯回路を組み合わせる事によって制御駆動回路ユニットＩＣ内で処理する電圧を下げる事ができ、電池Ｂａｔｔの使用効率を大幅に引き上げる事ができる。またスイッチング動作は降圧型動作のみで済み、損失が低下させる事ができる。昇圧が必要な場合は、小型二出力巻線変成器Ｔ３の一次対二次巻線比を変えて対応する事ができる。また、ＩＣでバイアス電圧および電流を制御する様にしても良い。これはバイアス電流による微弱発光の程度を使用環境や変化に合わせて切り替える事ができ、表示装置等のバックライト光源としての点灯回路に適する。

図１１と図１２に、商用電源を入力とした白色発光や電球色発光の発光ダイオードＬＥＤを使用した照明器具への応用例を示す。照明用の場合は、高出力の発光光度が必要になる為、高出力ＬＥＤを直列に接続し、更に並列に配置される場合が多い。本例では１０個直列接続を２列配置した直列接続発光ユニットＬｕ２を負荷として設定している。電流の微調整は電流制限抵抗器Ｒ３で行う。

１０個の直列接続を行った場合、一例ではあるが、順電圧ＶＦは約３５Ｖ、微弱発光開始電圧ＶＦｏは約２４Ｖに達する。本応用実施例では、ＶＦｏ＝２４Ｖを直流バイアス電圧としてバイアス電圧発生回路Ｖｂから供給し、ＬＥＤ駆動用の交流電圧は小型二出力巻線変圧器Ｔ４の二次巻線出力電圧＝１５Ｖより供給する。交流波形の尖塔値によって理論上は順電流最大値を超過する恐れがあるが、実際は巻線の直流抵抗と電流制限抵抗Ｒ３等に依って順電流が流れると共に駆動電圧が低下し、問題のない範囲に収まっている。また入力電流に於いても、歪みは生じているものの、間歇的な尖塔電流が発生する事もなく、送電線路に対する悪影響も軽度な範囲に収まる。

直列接続発光ユニットＬｕ２の高出力化に伴って、交流駆動電力も増えて各二次巻線毎の逆流ダイオードＤ１を貫通する電流は、巻線の直流抵抗分の減少と相まって瞬間的に大電流が流れる様になる。これは電源ラインに対する入力電流波形を歪ませる要因となる。この対策として、Ｄ１と直列に電流制限インピーダンスを追加する事が考えられる。本例では安直に逆流電流制限抵抗Ｒ５を追加している。商用電源の場合は周波数が一定の為、直流遮断コンデンサＣ１の容量リアクタンスを、二次巻線の誘導リアクタンスと準共振条件に成る様に設定して電流制限インピーダンスの一部に組み込む事も考えられる。

商用電源入力Ｖａｃでは高電圧のため、抵抗分圧によるバイアス電圧の設定は抵抗器による電力損失が増え適当でない。この対策として、図１１では電源側から電圧制限コンデンサＣ６を介してバイアス電圧発生回路Ｖｂの入力としている。このＣ６のインピーダンスにより、倍電圧整流用ダイオードＤ４や倍電圧整流用コンデンサＣ４が無意味な高電圧に曝される事が無くなり、部品の余裕率向上に繋がり信頼性も向上する。

図１２は、一次側と二次側を絶縁する為に、二次側にバイアス電圧発生回路Ｖｂ用の専用巻線を設けた小型三出力巻線変圧器Ｔ５を採用している。また、従来と同様にＴ５の一次側に力率改善コンデンサＣ７を設けている。この絶縁トランスの採用によって、ＬＥＤ光源を活かした小形軽量化と安全性の向上を具体化する事ができる。

この応用実施例の最大の利点は、商用電源入力Ｖａｃの約１０％電圧から調光点灯を行う事ができる事である。一般家庭や店舗照明に於ける既存の調光設備は、白熱電球を負荷とした位相制御型電圧可変調光器であるが、本応用実施例の回路はその調光電圧に反応する。調光回路と負荷容量の問題で、単独使用時には点滅動作や調光動作の不連続現象が生じるが場合もあるが、他の白熱電球が共通の負荷として存在する場合には問題なく動作する。

更に、本応用実施例では、ちらつきの少ない点灯が具体化できた。従来回路の例では、非発光領域を含めた順電圧ＶＦを商用電源入力Ｖａｃ電圧で調整することになる。ところが実際に発光する入力電圧範囲は、微弱発光開始電圧ＶＦｏ＝２．４Ｖ、標準電流時の順電圧ＶＦ＝３．５Ｖとすると入力電源Ｖａｃ電圧の約６６％以上の範囲で、０％〜１００％の光出力調整を行う必要があった。更に標準順電流ＩＦにおける順電圧ＶＦを超えた範囲では大きく電流が増え光出力も変動する。これらの事から、従来回路の例では電源電圧変動に対して過敏に光出力が変動することになり、電流制限抵抗の設定も困難を極めた。また、１１０％の過電圧に対する保護を考慮して電流制限抵抗値を設定すると、１００％や９０％電圧時に光出力の大幅な低下を招く事になっていた。例えば、電源電圧の５％の変化は順電圧ＶＦの０．１５Ｖ〜０．２Ｖの変化に相当し、順電流の変化は５０％〜１００％の変化となって光出力変動を大きくする。

本応用実施例に依れば、入力電圧に比例して順電流が増え、光出力も増加する。実際にＬＥＤが発光する順電圧領域を入力電圧の０％〜１００％の範囲に割り当てできる。
５％の入力電圧変動は順電圧ＶＦの０．０６Ｖ程度となり、順電流の変化は１５％〜３０％程度に圧縮されて、大幅に改善される。また、１１０％入力電圧に於いても変動幅が限られるために、電流制限抵抗器の負担を大幅に減らす事ができて、無駄な電力消費も減らす事ができる。総じて省エネルギーと効率向上に貢献する。

上述の、円滑な調光動作と電圧変動に対する改善は、従来の白熱電球形照明器具からの完全代替が可能である事を意味し、照明用電力の大幅な低減が可能となって環境問題対策の重要項目の一つと成り得るものである。

本発明の実施例の基本構成図である。 赤色発光ＬＥＤの順電圧対順電流特性の一例を示す図である。 白色発光ＬＥＤの順電圧対順電流特性の一例を示す図である。 従来の商用電源用コンデンサ入力型ＬＥＤ点灯回路の一例の構成図である。 従来の商用電源用変圧器入力型ＬＥＤ点灯回路の一例の構成図である。 本発明の実施例の携帯用小型発電器等の出力を入力とする構成例である。 図６の実施例に於けるＬＥＤ点灯時の動作波形の一例を示す図表である。 本発明実施例と全波整流型従来回路との低電圧領域の特性差を示す図表である。 本発明の一実施例で、携帯型照明機器等への組み込み例を示す構成図である。 本発明の一実施例で、携帯型表示端末機器等への組み込み例を示す構成図である。 本発明の一実施例で、商用電源用照明機器への組み込み例を示す構成図である。 本発明の一実施例で、商用電源用照明機器へ絶縁型としての組み込み例を示す構成図である。

符号の説明

ＶＧｉｎ 小型交流発電器等からの交流入力
Ｖａｃ 商用電源入力
Ｂａｔｔ 電池
Ｔ１ 小型変成器
Ｔ２ 小型変圧器
Ｔ３ 小型二出力巻線変成器
Ｔ４ 小型二出力巻線変圧器
Ｔ５ 小型三出力巻線変圧器
Ｃ１ 直流遮断コンデンサ
Ｃ２ 電流制限コンデンサ
Ｃ３ 平滑コンデンサ
Ｃ４ 倍電圧整流用コンデンサ
Ｃ５ 電圧平滑コンデンサ
Ｃ６ 電圧制限コンデンサ
Ｃ７ 力率改善コンデンサ
Ｄ１ 逆流ダイオード
Ｄ２ 順方向ダイオード
Ｄ３ バイアス電流逆流防止ダイオード
Ｄ４ 倍電圧整流用ダイオード
ＤＢ ダイオードブリッジ
Ｒ１ ＬＥＤ電流制限抵抗器
Ｒ２ バイアス電流制限抵抗器
Ｒ３ 直列接続時のＬＥＤ電流制限抵抗器
Ｒ４ 突入電流低減抵抗器
Ｒ５ 逆流電流制限抵抗器
ＬＥＤ 発光ダイオード
Ｌｕ１ 並列接続発光ユニット
Ｌｕ２ 直列接続発光ユニット
ＩＣ 制御駆動回路ユニット
Ｖｂ バイアス電圧発生回路
ＶＲ 出力調整器
ＳＷ１ 機器内スイッチ
ＳＷ２ 壁スイッチ
Ｆ ヒューズ
Ｃｎ１ 入力コネクターおよび配線
Ｃｎ２ 出力コネクターおよび配線
Ｃｎ３ 中間コネクターおよび配線
ＶＦｏ 微弱発光開始電圧
ＶＦ ＬＥＤの標準動作時の順電圧
ＩＦ ＬＥＤの標準動作時の順電流

Claims (6)

1. 赤外光から紫外光に至る領域で直接的及び間接的に光源として使用されるＬＥＤ（発光ダイオード，Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｍｇ Ｄｉｏｄｅ）を制御し点灯駆動する点灯装置等のＬＥＤ駆動回路部に於いて、ＬＥＤと電流制限抵抗器等を含めて直並列に組み合わされたＬＥＤ発光ユニットの入力電極両端に対して、微弱発光領域以下の電流となるように調整された高抵抗器を介して直流電圧を印加して順電圧方向のバイアス電圧を維持して待機すると共に、入力電力の交流電力成分をバイアス電圧に重畳させて重畳に依って増加した順電圧でＬＥＤを実用発光させることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. ＬＥＤ発光ユニットのカソード側を接地基準極として、少なくともバイアス電圧発生電源とバイアス電流制限用高抵抗器とバイアス電流逆流防止ダイオードと絶縁型変成器または変圧器の二次巻線とＬＥＤ発光ユニットのアノード側（電流制限抵抗器等を含む）が直列に接続されて直流的閉回路を構成すると共に、少なくとも直流遮断コンデンサと絶縁型変成器または変圧器の二次巻線とＬＥＤ発光ユニットのアノード側が直列に接続されて交流的閉回路を構成し、重複する絶縁型変成器または変圧器の二次巻線に依ってバイアス電圧と入力電圧を重畳させる事を特徴とする請求項１項記載のＬＥＤ点灯装置
3. ＬＥＤ発光ユニットのカソード側接地基準極とアノード側極の間に、逆方向に逆流用ダイオードを挿入し、直流遮断コンデンサの両極間の電荷移動を可能かつ容易にした事を特徴とする請求項１項および請求項２項記載のＬＥＤ点灯装置
4. 少なくともＬＥＤ発光ユニットのカソード側と直流遮断コンデンサと絶縁型変成器または変圧器の二次側駆動巻線とＬＥＤ発光ユニットのアノード側が直列に接続されて交流的閉回路を構成すると共にカソード側とアノード側に逆方向に逆流用ダイオードを設けた交流主駆動回路に於いて、駆動電流に高周波交流を用い、駆動巻線の誘導リアクタンスと直流遮断コンデンサの容量リアクタンスとを電流共振状態あるいは近似の準共振状態で駆動することで駆動効率を高める事を特徴とする請求項１項および請求項２項記載のＬＥＤ点灯装置。
5. 変圧器あるいは変成器の一次側から電流制限インピーダンスを介して取り込んだ交流電圧を倍電圧整流回路で直流電源化し順方向バイアス電圧を供給する事を特徴とする請求項１項および請求項２項記載のＬＥＤ点灯装置。
6. 複数の二次巻線を有する絶縁型変成器または変圧器を用いて、二組の重畳回路出力をダイオードで合成して全波整流型駆動電流をＬＥＤ発光ユニットに供給する事を特徴とする請求項１項および請求項２項記載のＬＥＤ点灯装置。

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