JP2009527894A5 - - Google Patents

Description

ＬＥＤを変調するための回路配置及びＬＥＤの動作方法

本発明は、ＬＥＤの高周波変調のための回路配置、複数のＬＥＤの高周波変調のためのシステム、及びＬＥＤの動作方法に関する。

ＬＥＤは、低電力消費及び長寿命であるため、今日、多くの用途で使用されている。従って、何種類かのドライバ回路が、このようなＬＥＤを動作させるために利用可能である。

幾つかの用途に関し、ＬＥＤの変調を可能にすることが必要である。この問題の解決法は、先行技術において示されている。ＵＳ５，９５９，４１３（特許文献１）は、図８において、単一の電流源１９２によって駆動される３つのＬＥＤの直列配置を開示する。スイッチ１８６、１８８、１９０は、夫々のＬＥＤに並列に配置されており、代替の電流経路を可能にする。従って、夫々のＬＥＤは短絡され得、このようにして、オフ及びオンを切り替えられ得る。

示されるアプローチは、各ＬＥＤを通る一定電流を確かにするが、この回路の欠点は、ＬＥＤの高周波変調が、電流スパイクに関連する問題を引き起こしうることである。さらに、夫々のＬＥＤの両端のスイッチが閉じられる場合に、ＬＥＤの内在するキャパシタンスは短絡される。スイッチの開成時に、この内在するキャパシタンスは、ＬＥＤが照射される前に、再び充電される。従って、高い変調周波数を達成することは困難である。

ＷＯ０３／０２４５１９Ａ２（特許文献２）は、ツェナーダイオードが複数のＬＥＤに並列に接続され、ＬＥＤの１つが故障する場合に代替の電流経路を提供するところの耐故障性ＬＥＤディスプレイを開示する。

ＵＳ６，３２３，６３１Ｂ１（特許文献３）は、ディスプレイが付加的なプレ充電信号を必要とせずに均一に発光することを可能にするＯＬＥＤディスプレイパネル用低電流ドライバを示す。ＧＢ２１６２９３３Ａ（特許文献４）は、略一定の電圧を供給するよう常にバイアスをかけられたスイッチングトランジスタを有するＬＥＤ変調回路を開示する。ＥＰ０５６２６８４Ａ１（特許文献５）は、壁湯沸かし器用の回路配置を示す。この回路配置は、２つのＬＥＤと、温度検知素子と、ツェナーダイオードと、回路遮断器とを有する。従って、かかる配置は、湯沸かし器の６つの動作状態を表示することができる。
ＵＳ５，９５９，４１３ ＷＯ０３／０２４５１９Ａ２ ＵＳ６，３２３，６３１Ｂ１ ＧＢ２１６２９３３Ａ ＥＰ０５６２６８４Ａ１

本発明は、良好な変調特性を可能にする回路配置を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１に従う回路配置、請求項９に従う複数のＯＬＥＤの高周波変調のためのシステム、及び請求項１１に従うＯＬＥＤの動作方法によって、本発明に従って達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態に関する。

本発明に従う回路配置は、少なくとも１つのＬＥＤに並列な変調回路を有する。変調回路内には、スイッチングデバイス及び閾値デバイスが直列に配置される。変調回路は、ＬＥＤ及び変調回路の並列接続においてＬＥＤの順方向で印加される電流に対する代替の電流経路として働く。スイッチングデバイスは、変調回路の少なくとも閉成状態及び開成状態を可能にする。従って、スイッチが閉じられる場合には、ＬＥＤは原則的に照射されない。従って、スイッチングデバイスは、ＬＥＤの照射状態を切り替える手段として働く。とは言え、スイッチングデバイスは、完全な閉成状態に対応するほぼ０オームの抵抗を有する必要はない。さらに、閉成状態でさえ、供給される電流は完全に変調回路を通される必要はない。スイッチングデバイスが閉成状態にある場合に、ＬＥＤの順方向バイアス電圧は、ＬＥＤが原則的に照射されないレベルまで減じられる。ここで、「原則的に照射されない」とは、本文脈では、所与の環境条件の下で人の目に見えない輝度レベル含むと解される。スイッチングデバイスは、例えば、単純なスイッチ、リレー又は、望ましくは、半導体スイッチング部品のような、少なくとも開成状態及び閉成状態を提供する如何なる種類の電気素子であっても良い。

閾値デバイスは、スイッチングデバイスが閉成状態である場合に、変調回路において、ＬＥＤの両端に印加されるダイオード電圧Ｕｄを所定の閾値電圧レベルＵｚに制限する働きをする。これにより、ＬＥＤの内在するキャパシタンスは、この状態で完全には放電されない。スイッチングデバイスが再び開成状態に設定されると、内在するキャパシタンスは、依然として少なくとも部分的に充電されている。従って、ＬＥＤの充電及び応答時間は、有利に短縮化される。閾値デバイスは、自身に印加される電圧が所定の動作点に等しいか又はそれを超える場合に導通し、電圧が前出の所定の動作点を下回る場合に非導通となる如何なる種類の電気又は電子部品であっても良い。例えば、閾値デバイスは、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ又はツェナーダイオード（ｚ−ダイオード）でありうる。

本発明に従う回路配置は、高周波変調のみを可能にするわけではない。更なる利点として、ＯＬＥＤの内在するキャパシタンスが放電される場合に生ずる短く且つ大きな電流パルスは除去され、結果として、スイッチング損失は減少し、電磁両立性の程度は高められる。従って、本発明の回路配置は、航空宇宙及び自動車のようなＥＭＩ（電磁妨害）に敏感な用途に適する。可能となる高い変調レートにより、例えば送受信器のような電気通信分野における応用が可能である。さらに、変調によってＬＥＤの調光を行うために、照明分野で、本発明に従う回路配置を使用することが可能である。この場合に、数１０ｋＨｚの範囲にある高い変調レートが、滑らかな遷移効果を実現するために必要である。

スイッチングデバイスの閉成状態において、ＬＥＤの内在するキャパシタンスは完全に放電されず、一方、同時に、ＬＥＤは原則的に照射されないように、所定の閾値電圧Ｕｚは、一般に、利用されるデバイスの特性に依存して選択されるべきである。

ＬＥＤは、用途によって望まれる如何なる種類のものであっても良い。一般に、ＬＥＤ及び変調回路のデバイスは、変調回路のデバイスの結合された内在するキャパシタンスがＬＥＤの内在するキャパシタンスよりも小さくなるように、選択されるべきである。付加的なＬＥＤが、ＬＥＤに直列に又は並列に接続されても良い。この場合に、順方向バイアスは、ＬＥＤの全体的な結合された順方向バイアスであり、内在するキャパシタンスは、ＬＥＤの全体的な結合された内在するキャパシタンスである。

好ましい実施形態で、ＬＥＤは有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）である。ＯＬＥＤは、近年、表示及び一般的な照明用途のために使用されている。その積層構造及び平板コンデンサのような構成により、通常、ＯＬＥＤは、電極間のおおよそ５００ｎｍの典型的な層厚さに関して、１００〜５００ｐＦ／ｍｍ^２の大きなキャパシタンスを示す。高いキャパシタンスのために、本発明は、この場合に特に有利である。

更なる好ましい実施形態で、閾値デバイスはツェナーダイオードである。ツェナーダイオードは、ＬＥＤの両端の電圧を安定させるべく用いられ得る市販の電子部品である。ツェナーダイオードは、ＬＥＤの順方向バイアス方向と逆方向の順方向バイアス方向で配置されることが特に好ましい。この構成では、ツェナーダイオードは、ツェナー電圧Ｕｚよりも大きい電圧が印加される場合に導通する。電圧がＵｚを下回る場合には、ツェナーダイオードは導通しない。

本実施形態では、ツェナーダイオードは、スイッチングデバイスの閉成状態において使用される。この場合に、電流がＬＥＤの順方向で回路配置へ印加される場合には、ツェナーダイオードは、ダイオード電圧ＵｄをＵｚに一定に保つ。それによって、ツェナーダイオードは、ＬＥＤの内在するキャパシタンスの完全放電を防ぐ。

好ましくは、閾値デバイスの閾値電圧Ｕｚは、０．１×Ｕｆから１．５×Ｕｆの間で選択される。ここで、ＵｆはＬＥＤの順方向バイアス電圧である。１よりも多いＬＥＤが回路配置において直列に使用される場合に、ＵｆはＬＥＤの結合された順方向電圧である。実験に基づく結果によれば、この範囲によって相当により高い変調レートが得られることが示されている。しかし、留意すべきは、動作パラメータに対するＵｆの依存性のために、これは、限界動作条件又は経年劣化したＬＥＤが使用される場合には当てはまらないことがある点である。この場合には、Ｕｚは、使用される特定のＬＥＤのかかる影響を考慮して選択され得る。さらに好ましくは、Ｕｚは０．９×Ｕｆから１．２×Ｕｆの間である。それによって、ＵｚはＵｆより小さいことが特に好ましい。

本発明の進歩に従って、スイッチングデバイスは、駆動スイッチング部品及び、望ましくは、半導体スイッチング部品である。このような半導体スイッチング部品の典型的な例は、トランジスタ、特に、ＢＪＴ、ＦＥＴ、サイリスタ等である。スイッチングデバイスは、複数のＬＥＤが回路配置において並列接続で使用される場合に当てはまりうる高電流下でさえ、高いスイッチング周期及び適切な耐用年数を可能にすべきである。高変調レートを得るよう、スイッチングデバイスは、概して、低い内在キャパシタンスを示すべきである。

複数のＬＥＤを独立に変調するシステムでは、本発明に従う複数の回路配置は、単一の電流源へ直列に接続されている。複数のＬＥＤが単一の装置において使用される場合には、電流を低く保つことが望まれる。このように、直列アプローチは、寄生抵抗を通る電力損失を低減するために好ましい。

このような構成は、例えば、赤、緑及び青の３つのＬＥＤを有して、色混合が必要とされる用途において、幾つかのＬＥＤの夫々の輝度が互いに等しいことが望まれる場合に、特に有利である。さらに、ＬＥＤを含む複数の回路配置の直列接続は、各ＬＥＤの独立の変調制御を可能にする。上述されるように、回路配置における各ＬＥＤは、また、グループを形成して、例えば、夫々独立したグループの輝度を強めるよう、付加的なＬＥＤに付随して起こり得る。また、ＵＳ６，２４９，０８８又はＵＳ６，２０１，３５３に従う３次元の格子構造ＬＥＤ配列で複数の回路配置を配置することも可能である。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施例から明らかであり、また、それらの実施例を参照して説明される。

図１は、本発明に従う回路配置の実施例の回路図を示す。ここで、電流源１は、ＯＬＥＤ２及び変調回路３の並列接続へ電流Ｉ０＝５Ａを供給する。変調回路３は、ツェナーダイオード４及びスイッチ５を有する。スイッチ５は、スイッチングデバイスとして働き、少なくとも開成状態及び閉成状態を可能にする。閉成状態では、変調回路３は、ＯＬＥＤ２を短絡する。従って、ＯＬＥＤ２は照射されない。調光に関するＯＬＥＤ２の変調のために、スイッチ５は、周期的に、開成状態と閉成状態との間で変化する。ツェナーダイオード４は、ＯＬＥＤ２の順方向に対して逆バイアス方向で配置され、１Ａの対応するツェナー電流とともに、ツェナー電圧Ｕｚ＝５Ｖを示す。

図示されるように、電流Ｉ０が回路配置へ印加され、スイッチ５が開成状態である場合に、電流は、ＯＬＥＤ２の内在するキャパシタンスＣを充電する。内在するキャパシタンスＣが完全に充電されて、ＯＬＥＤ２に印加される電圧が順方向バイアス電圧Ｕｆに達すると、ＯＬＥＤ２は照射される。

例となるＯＬＥＤ２の等価回路は図２に示される。ここで、内在するキャパシタンスＣは、電流Ｉ＝Ｉ（Ｕｄ）を供給する等価電流源６へ並列に接続されている。抵抗Ｒｓは、キャパシタンスＣ及び電流源６に直列に設けられ、ＯＬＥＤ２の内在する抵抗を表す。ＯＬＥＤ２を通る電流フローは、以下の式：
Ｉ（Ｕｄ）＝ｇａｉｎ×（Ｕ−Ｕｆ）^２
によって決定される。なお、ｇａｉｎはｍｍ^２ごとの利得係数を表し、ＵｆはＯＬＥＤの順方向バイアス電圧である。ここで用いられるＯＬＥＤ２は、ｇａｉｎ＝０．３ｍＡ／ｍｍ^２／Ｖ^２の利得値と、Ｕｆ＝５Ｖの順方向バイアス電圧とを示す。この例となるＯＬＥＤ２の電圧／電流ダイアグラムは図３に示される。０．５ｍｍ^２の大きさを有するＯＬＥＤに関し、結果として得られる駆動電流はＩ＝５Ａである。２００ｐＦ／ｍｍ^２の標準的な特定のデバイスキャパシタンスにより、キャパシタンスＣはＣ＝１００μＦとなる。

上述されるように、スイッチ５は、ＯＬＥＤ２の調光のために、周期的にオン及びオフを切り替えられる。フリッカを減じるよう、周波数は１０ｋＨｚに選択される。図４ａ〜４ｄは、夫々、スイッチの幾つかのスイッチ周期に関し、スイッチ５の状態、ダイオード電圧Ｕｄ、ダイオード電流Ｉｄ、及びスイッチ電流Ｉｓｗを示す。スイッチ５が所与の時間ｔ０で閉成状態とされる場合に、ダイオード電圧ＵｄはＵｚを上回り、従って、ツェナーダイオード４は逆バイアス方向で導通する。従って、スイッチ電流Ｉｓｗのフローにより、ダイオード電圧Ｕｄは減少し、ツェナーダイオード４は、電圧を、理想的なスイッチ５が用いられる場合にＵｚ（＝５）である所定の動作点に制限し、そうでない場合には、ダイオード電圧ＵｄはＵｚ＋Ｕｓｗに制限される。なお、Ｕｓｗはスイッチ５の両端の電位差である。

Ｕｄは、ＯＬＥＤ２の内在するキャパシタンスＣが部分的に充電されたままであるように安定化されるが、ＯＬＥＤ２は照射されない（Ｕｄ≦Ｕｆ）。さらに、スイッチ電流Ｉｓｗは所定のレベルに制限され、ＯＬＥＤ２の内在するキャパシタンスの完全放電によって生ずる大規模な電流スパイクは回避される。この電流スパイクは、図４ｃの点線曲線Ｉｓｗ，ｐから明らかなように、先行技術の回路配置では数１０Ａを超えうる。それと比較して、曲線Ｉｓｗは、１Ａよりも小さい小規模な放電電流スパイクしか示さない。

図５は、図１に示される実施例に従う３つの回路配置の直列接続を用いて複数のＯＬＥＤ２１、２２、２３を変調するためのシステムの例を示す。このシステムは、各ＯＬＥＤ２１、２２、２３の一定輝度を得るよう、各ＯＬＥＤ２１、２２、２３において略一定である電流Ｉ０によって駆動される。ここで、ＯＬＥＤ２１、２２、２３は、夫々、赤、青及び緑の光を発する。これにより、ＲＧＢ色混合が可能となる。色混合のために、各ＯＬＥＤ２１、２２、２３の一定輝度は有利である。各ＯＬＥＤ２１、２２、２３に並列なスイッチ５１、５２、５３は、夫々各ＯＬＥＤ２１、２２、２３を調光するために配置され、各ＯＬＥＤ２１、２２、２３への代替の電流経路を形成する。ツェナーダイオード４１、４２、４３は、夫々のＯＬＥＤの両端の電圧Ｕｄを制限するよう、夫々のスイッチ５１、５２、５３に直列な代替の電流経路において配置される。それによって、ＯＬＥＤの内在するキャパシタンスは所定の充電レベルに保たれる。

図６は、複数のＯＬＥＤ２１、２２を変調するためのシステムの他の例を示す。ここで、２つの回路配置は直列に接続され、これによって、各回路配置は、２つの並列なＯＬＥＤ２１、２２のグループを有し、夫々別々に調光可能なグループにおいて輝度を強める。各グループにおけるＯＬＥＤ２１、２２の並列接続により、結合キャパシタンスはより一層高い。これにより、本発明は、この例で、特に効率的となる。

如何なる制限もなく、各グループで２よりも多いＯＬＥＤを配置することが可能である。この場合に、デバイスのパラメータは、特定のセットアップに適合されるべきである。図５の例では、容易に、３よりも少ない又は多い回路配置を直列に配置することが可能である。また、図５及び６の例を組み合わせ、互いに直列に、並列なＯＬＥＤのグループを配置することも可能である。

図７は、本発明に従う回路配置の他の実施例の回路図を示す。ここに示される実施例は、図１に示される実施例に類似するが、半導体スイッチングデバイス、すなわち、ＭＯＳＦＥＴ７がスイッチングデバイスとして使用される。ＭＯＳＦＥＴ７のゲート端子への制御接続（図示せず。）は、変調信号によってＯＬＥＤ２の調光状態を容易に制御することを可能にする。

以上の実施例は、本発明を限定するものではなく、本発明の説明を目的として示されている。特許請求の範囲での如何なる参照符号の使用も、各請求項の適用範囲を限定するものではない。

本発明に従う回路配置の実施例の回路図を示す。 図１の実施例で使用される例となるＯＬＥＤの等価回路を示す。 図１の実施例で使用される例となるＯＬＥＤの電圧／電流ダイアグラムを示す。 図１の実施例において経時的なスイッチの状態のグラフを示す。 図１の実施例において経時的なダイオード電圧Ｕｄのグラフを示す。 図１の実施例において経時的なダイオード電流Ｉｄのグラフを示す。 図１の実施例において経時的なスイッチ電流Ｉｓｗのグラフを示す。 複数のＯＬＥＤを変調するためのシステムの例の回路図を示す。 複数のＯＬＥＤを変調するためのシステムの更なる例の回路図を示す。 本発明に従う回路配置の他の実施例の回路図を示す。

Claims (11)

1. 少なくとも１つのＬＥＤと、変調回路とを並列接続において有し、
   前記変調回路は閾値デバイスに直列にスイッチングデバイスを有する、ＬＥＤの高周波変調のための回路配置。
2. 前記ＬＥＤは有機発光デバイスである、請求項１記載の回路配置。
3. 前記閾値デバイスはツェナーダイオードである、請求項１又は２記載の回路配置。
4. 前記ツェナーダイオードは、前記ＬＥＤの順方向バイアス方向と逆方向の順方向バイアス方向で配置される、請求項３記載の回路配置。
5. 前記閾値デバイスは、閾値電圧Ｕｚを上回る電圧が当該閾値デバイスに印加される場合に導通し、
   前記閾値電圧Ｕｚは、０．１×Ｕｆ≦Ｕｚ≦１．５×Ｕｆの範囲で前記ＬＥＤの順方向バイアス電圧Ｕｆに依存して選択される、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の回路配置。
6. 前記閾値電圧Ｕｚは０．９×Ｕｆ≦Ｕｚ≦１．２×Ｕｆであり、
   Ｕｆは、前記ＬＥＤの順方向バイアス電圧である、請求項５記載の回路配置。
7. 前記閾値電圧ＵｚはＵｚ≦Ｕｆであり、
   Ｕｆは、前記ＬＥＤの順方向バイアス電圧である、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の回路配置。
8. 前記スイッチングデバイスは駆動スイッチング部品である、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の回路配置。
9. 複数の請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の回路配置が電流源に直列に接続される、複数のＬＥＤの高周波変調のためのシステム。
10. 高周波変調によってＬＥＤを調光する照明装置における請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の回路配置の使用。
11. ＬＥＤ及び変調回路の並列接続に電流が印加され、
    前記変調回路は、直列接続でスイッチングデバイス及び閾値デバイスを有し、
    前記ＬＥＤは、閉成状態と開成状態との間で前記スイッチングデバイスを変えることによって高周波変調をされる、ＬＥＤの動作方法。