JP2008034629A

JP2008034629A - Ｌｅｄ駆動装置

Info

Publication number: JP2008034629A
Application number: JP2006206392A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kobayashi; 崇司小林
Original assignee: ADO SYSTEM KK; SUNLIGHT CO Ltd
Current assignee: ADO SYSTEM KK; SUNLIGHT CO Ltd
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】大容量のコンデンサや大起電力の太陽電池を必要とすることなく、例えば高輝度ＬＥＤを効率よく点灯させることのできるＬＥＤ駆動装置を提供する。
【解決手段】１次側電源として用いられる電気二重層コンデンサ(10)と、電気二重層コンデンサの電圧を昇圧して２次側に出力し該２次側昇圧出力電圧をＯＮ・ＯＦＦ制御する機能を有するとともに、後述する抵抗回路の両端電圧を一定に制御する機能を有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ(16)と、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側出力に接続され、相互に直列に接続された複数のＬＥＤ(20)と、複数のうちの最終段のＬＥＤと接地との間に接続され、抵抗値を可変に構成された抵抗回路(22,23,24)と、電気二重層コンデンサの電圧の大きさを検出し、その検出出力に応じて抵抗回路の抵抗値を変化させる抵抗値制御回路(25,26,27,28)とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明はＬＥＤ駆動装置に関し、特に大容量のコンデンサや大起電力の太陽電池を必要とすることなく、例えば高輝度ＬＥＤを効率よく点灯させることのできるようにした駆動装置に関する。

最近、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）、例えば高輝度の白色ＬＥＤが実用化されたことを契機とし、従来の電球や陰極管などに代えてＬＥＤを各種装置の光源、例えば街灯、信号機、誘導灯などの光源に採用することが実用化されている。

この種のＬＥＤ駆動装置では電源電圧が変動してもＬＥＤの輝度が大きく変動しないように、一般的にＬＥＤの通電電流を一定に制御することが行われている（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。

また、昼間に太陽電池で太陽光を受光して起電力を発生させ、これによってコンデンサ、例えば電気二重層コンデンサに充電する一方、夜間になると、コンデンサの放電によってＬＥＤを点灯させるようにした装置も開発され実用化されている（特許文献４）。

特開２００６−７３６３７号公報特開２００２−２３１４７１号公報特開平１１−３０５１９８号公報特開平０４−３５７９０８号公報

しかし、特許文献４記載のＬＥＤ駆動装置において、高輝度ＬＥＤを夜間一定の高輝度で点灯させ続けるためには大きな容量の電気二重層コンデンサを必要とし、これを昼間に満充電させるためには大きな起電力の太陽電池を用いなければならず、装置が大型化しコスト高になってしまう。

本発明はかかる問題点に鑑み、大容量のコンデンサや大起電力の太陽電池を必要とすることなく、例えば高輝度ＬＥＤを効率よく点灯させることのできるようにしたＬＥＤ駆動装置を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係るＬＥＤ駆動装置は、コンデンサを１次側電源として用いてＬＥＤを発光させるようにしたＬＥＤ駆動装置において、１次側電源として用いられる電気二重層コンデンサと、該電気二重層コンデンサの電圧を昇圧して２次側に出力し該２次側昇圧出力電圧をＯＮ・ＯＦＦ制御する機能を有するとともに、後述する抵抗回路の両端電圧を一定に制御する機能を有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、該昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側出力に接続され、相互に直列に接続された複数のＬＥＤと、上記複数のうちの最終段のＬＥＤと接地との間に接続され、抵抗値を可変に構成された抵抗回路と、上記電気二重層コンデンサの電圧の大きさを検出し、その検出出力に応じて上記抵抗回路の抵抗値を変化させる抵抗値制御回路と、を備えたことを条件とする。

本発明の特徴の１つはＬＥＤを夜間一定輝度で発光させるのではなく、状況に応じて輝度を変化させればよいことに着目し、ＬＥＤと接地との間に接続された抵抗の値を変化させることにより、ＬＥＤの通電電流の大きさを制御し、ＬＥＤの輝度を変化させるようにした点にある。

これにより、電気二重層コンデンサの電圧に応じて抵抗の値を変化させ、電気二重層コンデンサの電圧状況に応じてＬＥＤを適切な輝度で効率よく発光させることができる。

その結果、大容量の電気二重層コンデンサを用いることなくＬＥＤを効率よく発光させることができ、又電気二重層コンデンサの充電に太陽電池を用いる場合にも大きな起電力の太陽電池を用いる必要がなく、コスト高を招来することもない。

昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータは電気二重層コンデンサの電圧を昇圧して２次側に出力し該２次側昇圧出力電圧をＯＮ・ＯＦＦ制御する機能を有するとともに、後述する抵抗回路の両端電圧を一定に制御する機能を有するものであればよく、例えばＴＯＲＥＸ社製ＸＣ９１０３／９１０４／９１０５シリーズの昇圧型ＤＣ／ＤＣコントローラを用いることができる。

抵抗回路は最終段のＬＥＤと接地との間に接続され、抵抗値を可変に構成されていればよく、例えば下記の実施形態に示されるように複数の抵抗を相互に並列に接続し、少なくとも１つの抵抗と接地の間にスイッチング素子を接続し、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦによって抵抗値を変化させるように構成することができるが、他の回路構成を採用することもできる。

上述のＬＥＤの輝度を変化させることに加え、一定の周期で輝度を繰り返し変化させる、いわゆる蛍点滅を行わせると、ＬＥＤの電力消費をより少なくできる結果、電気二重層コンデンサを更に小容量化できる。

即ち、ＬＥＤには蛍点滅用コンデンサを並列に接続し、蛍点滅用コンデンサには抵抗とツェナーダイオードの直列回路を並列に接続する一方、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側昇圧出力電圧を所定のデューティ比でＯＮ・ＯＦＦし、蛍点滅用コンデンサの充放電によってＬＥＤの輝度を繰り返し変化させるように構成するのがよい。

電気二重層コンデンサは商用電源によって充電するようにしてもよく、太陽電池の起電力によって充電するようにしてもよい。

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るＬＥＤ駆動装置の好ましい実施形態を示す。図において、１０は１次側電源として用いられる電気二重層コンデンサ、１１は太陽電池又は商用電源を用いて電気二重層コンデンサ１０を充電する充電回路、１２は電気二重層コンデンサ１０の充放電を切り換えるフォトトランジスタ、１３はバイアス抵抗、１４はゲートがフォトトランジスタ１２のコレクタとバイアス抵抗１３との接続点に接続されたＮ型ＭＯＳＦＥＴ（以下、「Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ」を単に「Ｎ型ＦＥＴ」という）、１５はプルアップ抵抗である。

また、１６は２次側出力端子ＯＵＴの出力信号をＯＮ・ＯＦＦ制御する機能を有するとともに、ＦＢ端子を一定電圧に保持する機能を有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータで、ＣＥ入力端子がプルアップ抵抗１５とＮ型ＦＥＴ１４のドレインとの接続点に接続されている。

さらに、１７はコイル、１８は整流ダイオード、１９はゲートが昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の２次側出力端子ＯＵＴに接続されたＮ型ＦＥＴ、２０は整流ダイオード１８のカソードに直列に接続された２つのＬＥＤ、２１はＤＣ／ＤＣコンバータ１６のコンバータ出力に接続された平滑コンデンサ、２２、２３は相互に並列に接続され、終段のＬＥＤ２０のカソードと接地との間に直列に接続された２つの抵抗である。

また、２４はドレインが一方の抵抗２３に接続されたＮ型ＦＥＴ、２５、２６は電気二重層コンデンサ１０の電圧を第１、第２の設定値（第１の設定値＞第２の設定値）と比較する第１、第２の比較回路、２７は第１の比較回路２５の出力信号を反転するＮＯＴ回路、２８はＮＯＴ回路２７の出力信号と第２の比較回路２６の出力信号の論理積をとり、出力端子がＮ型ＦＥＴ２４のゲートに接続されたＡＮＤ回路である。

以上の構成において、抵抗２２、２３及びＮ型ＦＥＴ２４が複数のうちの最終段のＬＥＤ２０と接地との間に接続され、抵抗値を可変に構成された抵抗回路となっており、又第１、第２の比較回路２５、２６、ＮＯＴ回路２７及びＡＮＤ回路２８が電気二重層コンデンサ１０の電圧の大きさを検出し、その検出出力に応じて抵抗回路の抵抗値を変化させる抵抗値制御回路を構成している。

次に、動作について説明する。昼間にはフォトトランジスタ１２が太陽光を受光してＯＮとなり、Ｎ型ＦＥＴ１４はＯＮとなっている。すると、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６のＣＥ入力端子の状態は“Ｌ”、２次側出力端子ＯＵＴの状態は“Ｌ”であり、Ｎ型ＦＥＴ１９はＯＦＦとなっており、ＬＥＤ２０は通電されないので発光せず、電気二重層コンデンサ１０は充電回路１１によって充電される。

夜間になると、フォトトランジスタ１２は太陽光を受光しなくなるので、ＯＦＦとなり、Ｎ型ＦＥＴ１４はＯＦＦとなり、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６のＣＥ入力端子の状態は“Ｈ”となる。すると、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の２次側出力端子ＯＵＴには“Ｈ”と“Ｌ”の信号が繰り返し出力され、Ｎ型ＦＥＴ１９もＯＮ・ＯＦＦを繰り返し、Ｎ型ＦＥＴ１９がＯＮからＯＦＦに立ち下がった時にコイル１７には所定の高電圧が誘起され、整流ダイオード１８を経て初段のＬＥＤ２０のアノードに電圧が印加されるとともに、平滑コンデンサ２１が充電され、誘起電圧が減衰すると平滑コンデンサ２１からＬＥＤ２０のアノードに電圧が印加される。

このとき、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６はＦＢ端子が一定電圧を保持するように制御するので、ＬＥＤ２０には抵抗２２、２３によって決まる電流が流れて発光する。

ところで、電気二重層コンデンサ１０の電圧が満充電の時には第１、第２の比較回路２５、２６の出力は“Ｈ”であるが、満充電の電圧から次第に低下し、第１の設定値未満になると、第２の比較回路２６の出力は“Ｈ”であるが、第１の比較回路２５の出力は“Ｈ”から“Ｌ”になる。さらに、電気二重層コンデンサ１０の電圧が第２の設定値未満に低下すると、第２の比較回路２６の出力も“Ｈ”から“Ｌ”となる。

すると、電気二重層コンデンサ１０の電圧が満充電の電圧から第１の設定値まで低下する間は、第１、第２の比較回路２５、２６の出力が“Ｈ”であるので、ＮＯＴ回路２７の出力は“Ｌ”、ＡＮＤ回路２８の出力は“Ｌ”となり、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＦＦとなり、直列接続した２つのＬＥＤ２０から抵抗２２のみに電流が流れ、ＬＥＤ２０は暗い輝度で発光する。

電気二重層コンデンサ１０の電圧が第１の設定値から第２の設定値までの範囲にある間は、第１の比較回路２５の出力が“Ｌ”、第２の比較回路２６の出力は“Ｈ”となるので、ＡＮＤ回路２８の出力は“Ｈ”となり、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＮとなり、直列接続した２つのＬＥＤ２０から並列接続された抵抗２２、２３に電流が流れ、ＬＥＤ２０は明るい輝度で発光する。

電気二重層コンデンサ１０の電圧が第２の設定値以下に低下すると、第１の比較回路２５の出力は“Ｌ”のままであるが、第２の比較回路２６の出力も“Ｌ”となるので、ＡＮＤ回路２８の出力は“Ｌ”となり、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＦＦとなり、直列接続した２つのＬＥＤ２０から抵抗２２のみに電流が流れ、ＬＥＤ２０は暗い輝度で発光する。

以上のように、明るく点灯させる必要がある時間帯を想定し、抵抗２２に対して抵抗２３を並列に接続すると、２つのＬＥＤ２０が明るい輝度で発光させることができる一方、他の時間帯には２つのＬＥＤ２０を暗く発光させることにより、ＬＥＤ２０を省電力駆動することができる。

今、電気二重層コンデンサ１０を容量１８０Ｆ、満充電の電圧５Ｖ、第１の比較回路２５の設定値を４Ｖ（５Ｖ〜４Ｖで“Ｈ”、４Ｖ未満で“Ｌ”）、第２の比較回路２６の設定値を３Ｖ（５Ｖ〜３Ｖで“Ｈ”、３Ｖ未満で“Ｌ”）とする。、また、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ではＦＢ端子の電圧を１Ｖに定電圧制御し、抵抗２２、２３はともに抵抗値１００Ω、ＬＥＤ２０はともにＶＦ３Ｖとし、フォトトランジスタ１２は明で低抵抗、暗で高抵抗とする。

以上の条件において、電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が５Ｖ〜４Ｖの範囲において、Ｎ型ＦＥＴ２４のゲートは“Ｌ”で、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＦＦであり、ＬＥＤ２０の電流はＩLED ＝１０ｍＡであり、ＬＥＤ２０の消費電力はＰ1 ＝１０ｍＡ×６Ｖ＝６０ｍＷ、となる。

電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が４Ｖ〜３Ｖの範囲においては、Ｎ型ＦＥＴ２４のゲートは“Ｈ”で、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＮであり、ＬＥＤ２０の電流はＩLED ＝２０ｍＡであり、ＬＥＤ２０の消費電力はＰ２＝２０ｍＡ×６Ｖ＝１２０ｍＷ、となる。

電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が３Ｖ未満においては、Ｎ型ＦＥＴ２４のゲートは“Ｌ”で、Ｎ型ＦＥＴ２４はＯＦＦであり、ＬＥＤ２０の電流はＩLED ＝１０ｍＡであり、ＬＥＤ２０の消費電力はＰ３＝１０ｍＡ×６Ｖ＝６０ｍＷ、となる。

一方、電気二重層コンデンサ１０の充電エネルギーについて見ると、全エネルギーは、Ｅ＝ＣＶ²・１／２＝１８０Ｆ×５²×１／２＝６２５ｍＷｈ、である。
電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が５Ｖ〜４Ｖの範囲では、
Ｅ_(5V-4V)＝１８０Ｆ×（５²×４²）＝８１０Ｊ＝２２５ｍＷｈ
である。
電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が４Ｖ〜３Ｖの範囲では、
Ｅ_(4V-3V)＝１８０Ｆ×（４²×３²）＝６３０Ｊ＝１７５ｍＷｈ
である。
電気二重層コンデンサ１０の電圧Ｖcap が３Ｖ未満では、
Ｅ_(3V-0)＝１８０Ｆ×３²＝８１０Ｊ＝２２５ｍＷｈ
である。

すると、ＬＥＤ２０の点灯時間は、
Ｅ_(5V-4V)／Ｐ１＝２２５／６０＝３．７５ｈ
Ｅ_(4V-3V)／Ｐ２＝１７５／１２０＝１．４５ｈ
Ｅ_(3V-0)／Ｐ３＝２２５／６０＝３．７５ｈ
となり、点灯開始から３．７５時間の経過後に１．４５時間の間明るく発光することとなる。

図２は第２の実施形態を示し、図において図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。本例では直列接続した２つのＬＥＤ２０と並列に蛍点滅用コンデンサ３０を接続し、蛍点滅用コンデンサ３０に抵抗３１とツェナーダイオード３２の直列回路を並列に接続する一方、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は２次側出力端子ＯＵＴに所定デューティ比でＯＮ・ＯＦＦを繰り返し出力するように設定している。

今、コンデンサ３０の容量を２０００μＦ、抵抗３１の抵抗値を１ＫΩ、ツェナーダイオード３２の電圧４Ｖとし、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の２次側出力端子ＯＵＴが１秒ＯＮ，３秒ＯＦＦを繰り返すものとすると、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の２次側出力端子ＯＵＴのＯＮ・ＯＦＦによってＬＥＤ２０が通電されるとともに、蛍点滅用コンデンサ３０が充電され、その充電カーブは図３に示されるようになる。今、抵抗２２に１０ｍＡの電流が流れるとすると、
Ｔ1 ＝Ｃ×Ｖ／Ｉ＝２ｍ×２Ｖ／１０ｍＡ≒０．４秒
となるので、０．４秒で充電される。他方、Ｔ2 はほぼ１０ＫΩで６Ｖから４Ｖに放電してゆく時定数となり、ＬＥＤ２０は約１秒で完全に消灯する。

また、抵抗２２、２３に２０ｍＡの電流が流れるとすると、蛍点滅用コンデンサ３０は０．２秒で充電された後、放電し、ＬＥＤ２０は約０．５秒で完全に消灯する。

但し、上述の計算式はコンデンサと抵抗の組合せだけの放電特性であるが、実際にはＬＥＤの「順方向電圧」対「通電電流」特性を利用し蛍点滅に似たゆるやかな輝度上昇・降下を創り出している。この為、厳密にはゆるやかな電圧の上昇・降下時にはＬＥＤに通電をしながら作動していることは当然である。

従って、本例では第１の実施形態における時間帯毎に輝度の制御を行えるとともに、各時間帯における発光がいわゆる蛍点滅、即ちＬＥＤ２０が発光してからその輝度を次第に低下させて消灯するという発光を繰り返すという制御を行うことができ、電気二重層コンデンサ１０の電気エネルギーを効率よく使用でき、省電力をより一層実現できる。

なお、第１の実施形態ではＬＥＤ２０の発光直後は暗く、所定の時間が経過したときに明るく、その後再び暗く発光させるようにしたが、本発明はこのような輝度の制御方法に限定されず、抵抗値制御回路を上記の実施形態と異なる論理回路に構成することにより明るい輝度を必要とする時間帯を任意に想定して輝度を制御するようにしてもよい。

本発明に係るＬＥＤ駆動装置の第１実施形態を示す回路構成図である。第２の実施形態を示す回路構成図である。上記実施形態における動作を説明するための図である。

符号の説明

１０電気二重層コンデンサ
１１充電回路
１２フォトトランジスタ
１３バイアス抵抗
１４Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１５プルアップ抵抗
１６昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７コイル
１８整流コンデンサ
１９Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２０ＬＥＤ
２１平滑コンデンサ
２２、２３抵抗
２４Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
２５第１の比較回路
２６第２の比較回路
２７ＮＯＴ回路
２８ＡＮＤ回路
３０蛍点滅用コンデンサ
３１抵抗
３２ツェナーダイオード

Claims

コンデンサを１次側電源として用いてＬＥＤを発光させるようにしたＬＥＤ駆動装置において、
１次側電源として用いられる電気二重層コンデンサと、
該電気二重層コンデンサの電圧を昇圧して２次側に出力し該２次側昇圧出力電圧をＯＮ・ＯＦＦ制御する機能を有するとともに、後述する抵抗回路の両端電圧を一定に制御する機能を有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
該昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側出力に接続され、相互に直列に接続された複数のＬＥＤと、
上記複数のうちの最終段のＬＥＤと接地との間に接続され、抵抗値を可変に構成された抵抗回路と、
上記電気二重層コンデンサの電圧の大きさを検出し、その検出出力に応じて上記抵抗回路の抵抗値を変化させる抵抗値制御回路と、
を備えたことを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
上記ＬＥＤには蛍点滅用コンデンサが並列に接続され、該蛍点滅用コンデンサには抵抗とツェナーダイオードの直列回路が並列に接続される一方、上記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが２次側昇圧出力電圧を所定のデューティ比でＯＮ・ＯＦＦし、上記蛍点滅用コンデンサの充放電によってＬＥＤの輝度が繰り返し変化されるように構成した請求項１記載のＬＥＤ駆動装置。