JP2007142139A - Ledの駆動制御装置 - Google Patents

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【課題】LEDを定電流駆動する駆動制御手段と共に、LEDの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現すること。
【解決手段】帰還線路F上の途中の接続点Bと接続点Aとの間には、ツェナーダイオードZD1と抵抗R3とを直列に有する第2帰還線路Jが接続されており、ツェナーダイオードZD1は、接続点Aから接続点Bに流れる電流I2の向きとは逆向きに挿入されている。適当数(少なくとも1つ)のLEDが短絡した場合には、接続点Aの電位が、平常時よりも上昇し、ツェナーダイオードZD1に掛かるカソード・アノード間電圧は降伏電圧に達するので、これによって、第2帰還線路J上には無視できない相応の電流I2が流れる。その結果、接続点Bの電位は、点A−B間に第2帰還線路Jが設けられていない場合に比べて上昇し、駆動トランジスタQ1のコレクタ電流は大幅に低下する。
【選択図】図1

Description

本発明は、1個または直列接続を構成する複数個のLEDの発光輝度を良好に確保するためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置に関する。
本発明は、消費電力の大きなLED照明の装置のコンパクト化と低コスト化、並びに、LEDの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に大いに有用なものである。
近年、LED照明の高出力化が進んでおり、照明装置に搭載される個々の各LEDの輝度や消費電力の上昇と共に、それらの照明装置に搭載されるLEDの個数なども増大されつつある。そして、この様なLED照明装置の大型化は、今後とも続いて行くものと考えられる。
一方、個々のLEDの閾値電圧(駆動電圧)には各個体によって差(ばらつき)があるので、通常、LED照明装置においては、複数個のLEDの発光輝度を良好に確保するためにLEDの直列接続が採用されている。その様な手法に基づいて、全LEDの発光輝度を高く安定させる従来技術としては、例えば下記の特許文献1〜3に記載されているものなどが公知である。
図3に従来の典型的な直列LED用の簡単な駆動制御装置900の回路図を例示する。この駆動制御装置900は、LED1〜LEDnより成る複数のLEDの直列接続に対して更に駆動トランジスタQ1を直列に接続し、その駆動トランジスタQ1を流れる電流Iを一定に維持する定電流制御によって、照明の明るさを一定に確保するものである。そして、この様な定電流制御は、帰還線路Fによって伝達される点Cの電位VC (=R1×I=帰還電位Vfeed)をオペアンプ10にフィードバックするフィードバック制御によって実現されている。
例えば、この駆動制御装置900の場合、点Cの電位VC (=帰還電位Vfeed)が所定の参照電位Vref に一致するまで、オペアンプ10は制御電圧(駆動トランジスタQ1のベース電圧)を上昇させるので、この駆動制御装置900を用いれば、各LEDの駆動電流IをVref /R1に一致させるフィードバック制御を実現することができる。
特開2004−51014 特開2005−116859 特開2005−142137
しかしながら、上記の従来技術においては、個々のLEDが短絡を起こした際の発熱の抑制方式に関しては、特段工夫されていない。
例えば、図3の従来技術の場合、図中の電源電位(VDD)からアースまでの電流路上の電流Iは、駆動トランジスタQ1に対するフィードバック制御(定電流制御)によって一定に維持されるため、LEDの短絡故障が発生した場合には、短絡故障したLEDの個数が増えるほど駆動トランジスタQ1のコレクタ・エミッタ間電圧VCEが上昇し、駆動トランジスタQ1における発熱量は増大する。また、近年、LED照明装置においては、個々のLEDの消費電力も増大しており、それらの直列接続を有する装置全体が大電流駆動されているため、短絡故障発生時の駆動トランジスタQ1における発熱量も益々増大しつつある。そして、この駆動トランジスタQ1からの発熱は、その発熱量によっては、更なる回路故障などのトラブルの原因にもなりかねない。
また、一般に、照明装置全体のコンパクト化や低コスト化を考えると、その様な発熱防止手段等は、比較的簡単に構成することができるアナログ指向の回路によって具現されることがより望ましいと考えられる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、LEDを定電流駆動する駆動制御手段と共に、LEDの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現することである。
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、1個または直列接続を構成する複数個のLEDに給電する電流を一定にするためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置において、上記のLEDに対して直列に接続されて、上記のLEDに流れる電流と同量の電流を通す駆動トランジスタと、この駆動トランジスタの通電電流を示す帰還電位と所定の参照電位との間の電位差に基づいてこの駆動トランジスタのゲート/ベース端子の電位を決定する制御回路と、上記の帰還電位をこの制御回路に入力する第1帰還線路と、上記の駆動トランジスタのドレイン/コレクタ端子に接続され、所定の電圧以上の電圧を印加しようとするとその端子間が定電圧となる半導体素子を備え、この半導体素子が導通状態の時に上記の制御回路に入力される上記の帰還電位を上昇させる第2帰還線路とを備えることである。
ただし、上記のトランジスタとしては、例えばバイポーラ型のトランジスタの他にも、電界効果トランジスタ(FET)などを用いることができる。また、上記のゲート/ベースは、FETについてはゲートを、バイポーラトランジスタについてはベースを意味する。また、上記のドレイン/コレクタは、FETについてはドレインを、バイポーラトランジスタについてはコレクタを意味する。これらの各対は、トランジスタ作用において同一の機能を有する部分であり、これらのトランジスタの種類は任意に選択して使用することができる。
また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、降伏作用を有する上記の半導体素子をツェナーダイオードから構成することである。
また、本発明の第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、上記の制御回路をオペアンプまたはシャントレギュレータから構成することである。
また、本発明の第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段の上記の第2帰還線路上に、上記の半導体素子に対して直列に接続された抵抗を設ける(即ち、挿入する)ことである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
適当数の(少なくとも1つの)LEDが短絡を起こすと、そのLEDによる電圧降下がなくなるので、上記の駆動トランジスタのドレイン/コレクタ端の電位は、その短絡発生前よりも上昇する。したがって、本発明の第1の手段において、この電位上昇に応じて上記の半導体素子に降伏作用が生じる様に、適当な降伏電圧を有する半導体素子を選択しておけば、適当数のLEDの短絡が発生した時にだけ、上記の第2帰還線路に電流を流すことができる。
そして、この第2帰還線路に電流が流れる短絡発生時には、回路のフィードバック作用が以下の様に変更される。即ち、この第2帰還線路に流れる電流によって、上記の制御回路においては、あたかも第1帰還線路で生成された正常時の帰還電位が上昇したかの様に写る。このため、その上昇分、駆動トランジスタを通る電流は、正常時よりも効果的に抑制される。即ち、この様な擬似的な作用に基づいて、上記適当数のLEDの短絡発生時には、駆動トランジスタを流れる電流Iの値を、正常時の通電電流の値(Vref /R1)よりも大幅に減少させることができる。そして、その結果、上記の第2帰還線路が動作する異常発生時においては、上記の駆動トランジスタに関する十分に大きな発熱抑制作用を得ることができる。
また、上記の第1の手段は、上記の半導体素子の追加などの僅かな改良だけで実施することが可能であるため、所望の駆動制御装置の大型化を招く恐れもない。
したがって、本発明によれば、直列LEDを定電流駆動する駆動制御手段と共に、LEDの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現することができる。
また、本発明を用いたLED照明装置に対して更にその他の負荷(例:その他の照明装置)を直列に接続する際には、本発明を用いたLED照明装置のLEDに短絡故障発生しても、これに直列接続された上記のその他の負荷に対して、安定した給電を継続することができる。即ち、本発明を用いたLED照明装置に対してその他の負荷を更に直列接続する場合にも、本発明は非常に有効である。
また、上記の半導体素子としては、ツェナーダイオードを用いる方式(本発明の第2の手段)が一般的だと考えられる。
また、上記の制御回路としては、オペアンプを用いる方式(本発明の第3の手段)が一般的だと考えられるが、その代わりとしては、例えばシャントレギュレータなどを用いても良い。
また、本発明の第4の手段によれば、回路の自由度の増加によって、例えば降伏電圧などの回路の各種のパラメータに関する設計(最適化)が容易となる。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
図1に、本実施例1の駆動制御装置100の回路図を示す。この駆動制御装置100は、直列接続を構成している複数の発光ダイオード(LED1〜LEDn;nは任意の自然数)の一端である最も高電位側のLED1のアノード端子に電源電位VDDを与え、当該回路(駆動制御装置100)を最も低電位側のLEDnのカソード端子とアースとの間に挿入・接続することによって、動作する装置である。
LEDnのカソード端子は、図中の接続点Aにおいて駆動トランジスタQ1のコレクタ端子に接続されている。駆動トランジスタQ1のエミッタ端子は抵抗R1の一端に接続されており、その抵抗R1のもう一端はシャーシーアースに接地されている。即ち、電源電位VDDを与える端子とアースとの間には、高電位側より順に、発光ダイオード(LED1〜LEDn)、駆動トランジスタQ1、及び抵抗R1を直列に有する直列接続回路Sが形成されている。
駆動トランジスタQ1のエミッタ端子と抵抗R1との接続点を以下、点Cと呼ぶ。この点Cと、オペアンプ10の帰還電位入力端子(−)との間には、帰還線路Fが接続されており、この帰還線路F上の途中には、接続点Bが位置している。この接続点は、抵抗R2と抵抗R4とを接続する点であり、抵抗R4の他端はオペアンプ10の帰還電位入力端子(−)に、抵抗R2の他端は点Cにそれぞれ接続されている。即ち、上記の帰還線路Fは、抵抗R2と抵抗R4との直列接続によって構成されている。
一方、上記の接続点Aと接続点Bとの間には、ツェナーダイオードZD1と抵抗R3とを直列に有する第2帰還線路Jが接続されている。即ち、ツェナーダイオードZD1のカソード端子とLEDnのカソード端子とが点Aにおいて接続されており、ツェナーダイオードZD1のアノード端子と接続点Bとの間に抵抗R3が接続されている。したがって、この構成によって、ツェナーダイオードZD1は、接続点Aから接続点Bに流れる電流I2の向きとは逆向きに挿入されている。
この電流I2は、発光ダイオード(LED1〜LEDn)が1つも短絡していない正常時には、無視することができる。
一方、適当数(少なくとも1つ)のLEDが短絡した場合には、そのLEDによる電圧降下がなくなるため、接続点Aの電位が平常時よりも上昇し、その結果、ツェナーダイオードZD1に掛かるカソード・アノード間電圧が降伏電圧に達するので、これによって、第2帰還線路J上には無視できない相応の電流I2が流れる。そして、この電流I2によって接続点Bの電位は、点A−B間に第2帰還線路Jが設けられていない場合に比べて上昇するので、オペアンプ10の帰還電位入力端子(−)に印加される帰還電位Vfeedは、点A−B間に第2帰還線路Jが設けられていない場合に比べて効果的に上昇する。したがって、駆動トランジスタQ1のコレクタ電流がそれに伴って効果的に低下する。
図2は、上記の駆動制御装置100の評価、即ち効果の検証シミュレーションに用いた等価モデルの回路図である。本図2中の抵抗R6は、図1に示した前述の所定の参照電位Vref を生成するために配設された抵抗である。また、シャントレギュレータTLと抵抗R5などから構成されている本図2中の回路10′によって、上記のオペアンプ10が代替的に構成されている。そして、シャントレギュレータTLのカソード端子は点Dに、アノード端子はアースに、参照端子は抵抗R4にそれぞれ接続されている。即ち、シャントレギュレータTLの参照端子が、上記のオペアンプ10の帰還電位入力端子(−)と同等の機能を奏する。
また、上記の点Dには、抵抗R6と抵抗R5が接続されており、この抵抗R5の他端が、上記のオペアンプ10の出力端子に相当している。即ち、この抵抗R5の他端は、駆動トランジスタQ1のベース端子に接続されている。
この等価モデルによる演算シミュレーションでは、回路または個々の素子に対して、以下の仕様または特性を仮定した。
(仮定条件)
n(LEDの直列数) : 6
各LEDの閾値電圧Vf : 3.4v
各LEDの電流 : 345mA(正常時)
回路駆動電圧VDD : 24v
ツェナーダイオードZD1の降伏電圧 : 4.7v
参照電位Vref : 1.24v
抵抗R1 : 3.6Ω
抵抗R2 : 1KΩ
抵抗R3 : 3.3KΩ
抵抗R4 : 100Ω
抵抗R5 : 1.5KΩ
抵抗R6 : 2.2KΩ
シャントレギュレータTL : TL431(:一般普及品の型式番号)
本シミュレーションでは、短絡が生じたLEDの個数毎に、LEDに流れる電流の値と、熱平衡時に発生する駆動トランジスタQ1からの発熱量について求めた。そのシミュレーション結果を以下の表1にまとめる。
Figure 2007142139
このシミュレーション結果より、例えば、何れかのLEDが1個だけ短絡した場合には、LED駆動電流は、345mAから65mAにまで大幅に減少することが分かる。また、これに伴って、駆動トランジスタQ1からの発熱量も0.83Wから0.54Wにまで効果的に抑制されることが分った。また、6個の全てのLEDが短絡した場合にも、駆動トランジスタQ1からの発熱量は、約2wに抑制できており、この値は、第2帰還線路が設けられていない場合の発熱量である約7.9w(=345mA×(VDD−Vref ))に比べて、約1/4近くにまで効果的に抑制されている。
以上のように、本発明に基づいて構成された直列LED用の駆動制御装置においては、LEDの短絡故障時において、駆動トランジスタから発生する発熱量を効果的に抑制することができる。
なお、上記の降伏電圧Vz は、次式(2)に基づいて決定しておくことが望ましい。
(降伏電圧の算定基準)
正常時のコレクタ・エミッタ間電位VCE + Vf ×(m−1) < Vz
< 正常時のコレクタ・エミッタ間電位VCE + Vf × m …(2)
ただし、ここで、自然数mは、当該回路保護機能を開始すべき時点でのLEDの短絡発生個数である。即ち、上記の降伏電圧(4.7v)は、m=1を仮定して決定したものである。
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、駆動制御装置100のフィードバック制御の感度調整は、抵抗R2の値や、抵抗R2と抵抗R3との比や、抵抗R2と抵抗R4との比などによって実施することができる。そして、これらの抵抗値や、第2帰還線路に用いる半導体素子(ツェナーダイオードなど)の降伏電圧の選択によって、駆動トランジスタからの発熱量の抑制作用を最適化することができる。
例えば、上記の駆動制御装置100では、接続点Bとオペアンプ10の帰還電位入力端子(−)との間に、オペアンプ10を保護する作用を有する抵抗R4を接続しているが、この抵抗はオペアンプ10の仕様によっては、省略できる場合もある。そして、その時の、R2に対するR4の比は0であるが、この比が小さい場合には、LED短絡故障発生時に第2帰還線路がもたらすフィードバック作用(即ち、駆動トランジスタからの発熱量の抑制作用)を大きく設定することができる。
(変形例2)
また、図1のR1は抵抗として記載されているが、ここにはその他の適当な負荷を代替的に用いても良い。この負荷の具体的な構成は任意でよく、例えばその他のLEDやその他の回路などでも良い。そして、この様な回路構成下においては、図中のLED1〜LEDnの少なくとも何れか1つが短絡故障した場合においても、その負荷(R1)に対して給電を安定的に継続することができる。
本発明は、LEDの直列接続を用いて構成される、例えば、照明、交通信号の信号機、イルミネーション(電飾)、車両のヘッドライト、車両のテールランプなどの任意の用途に適用することができる。
実施例1の駆動制御装置100の回路図 駆動制御装置100のシミュレーションに用いた等価モデルの回路図 従来の駆動制御装置900の回路図
符号の説明
100 : 駆動制御装置
10 : オペアンプ
Q1 : 駆動トランジスタ
ZD1 : ツェナーダイオード
TL : シャントレギュレータ

Claims (4)

  1. 1個または直列接続を構成する複数個のLEDに給電する電流を一定にするためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置において、
    前記LEDに対して直列に接続されて、前記LEDに流れる電流と同量の電流を通す駆動トランジスタと、
    前記駆動トランジスタの通電電流を示す帰還電位と所定の参照電位との間の電位差に基づいて、前記駆動トランジスタのゲート/ベース端子の電位を決定する制御回路と、
    前記帰還電位を前記制御回路に入力する第1帰還線路と、
    前記駆動トランジスタのドレイン/コレクタ端子に接続され、所定の電圧以上の電圧を印加しようとするとその端子間が定電圧となる半導体素子を備え、前記半導体素子が導通状態の時に前記制御回路に入力される前記帰還電位を上昇させる第2帰還線路と
    を有する
    ことを特徴とするLEDの駆動制御装置。
  2. 前記半導体素子は、
    ツェナーダイオードから構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載のLEDの駆動制御装置。
  3. 前記制御回路は、
    オペアンプまたはシャントレギュレータから構成されている
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のLEDの駆動制御装置。
  4. 前記第2帰還線路は、
    前記半導体素子に対して直列に接続された抵抗を有する
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のLEDの駆動制御装置。
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