JP2010016265A - 電流制御回路及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の温度が過度に上昇しないように駆動電流を減少させる制御を安定的に行う。
【解決手段】降下電圧が負の温度特性を有する半導体素子Ｄの駆動電流を制御する電流制御回路であって、半導体素子Ｄに駆動電流を供給する定電流発生回路２と、半導体素子Ｄの降下電圧を検出する電圧検出回路４と、降下電圧を横軸とし駆動電流を縦軸とした座標平面において、電圧検出回路４により検出された降下電圧の値と定電流発生回路２により供給される駆動電流の値とを持つ座標点が、半導体素子Ｄの電圧電流特性の傾きよりも小さい傾きを持った境界線上又は該境界線よりも降下電圧の値が小さい領域に存在するか否かを判定し、存在すると判定された場合に定電流発生回路２が供給する駆動電流を減少させる制御を行う制御回路６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電流制御回路及び照明装置に関する。

発光ダイオードのような半導体素子は、一般に、使用温度が１０℃上昇すると寿命が半分になるというアレニウス則に従うことが知られている。よって、所定の製品寿命を確保するためには、素子の温度を検出して、検出温度が所定の温度以上になったら駆動電流を減少させて電流による発熱を低減する制御を行うことが必要である。ここで、一定値の駆動電流を半導体素子に流した時、半導体素子における降下電圧は素子の温度に依存して決まる（通常は負の温度特性、即ち温度が上昇すると降下電圧が低下する温度特性を持つ）ので、降下電圧を計測することによって素子の温度を検出し、上記の電流制御を行うことが考えられる（特許文献１参照）。
特開２００６−２０６００１号公報

しかしながら、降下電圧に基づき素子温度を検出して電流制御を行う上記の方法では、次のような制御上の問題が発生する。即ち、上記制御方法では、降下電圧を計測して素子の温度がある設定温度を超えたと判定された場合に、駆動電流を減少させる。このとき、駆動電流が減少すると降下電圧が低下するが、半導体素子の降下電圧が負の温度特性を持っているため、降下電圧の低下により素子温度が更に上昇したと判定されることになる。すると、降下電圧に基づき検出される素子温度が上記の設定温度を超えたままの状態が続いて、駆動電流を減少させる制御がいつまでも持続する結果となる。つまり、上記の制御方法によれば、素子の温度が一旦設定温度を超えると駆動電流を安定させることができない正帰還の状態に陥ってしまうので、半導体素子を正常に駆動することが事実上不可能である。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の温度が過度に上昇しないように駆動電流を減少させる制御を安定的に行うことが可能な電流制御回路を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、温度が上昇すると降下電圧が低下する温度特性を有する半導体素子の駆動電流を制御する電流制御回路であって、前記半導体素子に駆動電流を供給する電流供給手段と、前記半導体素子の降下電圧を検出する電圧検出手段と、降下電圧を横軸とし駆動電流を縦軸とした座標平面において、前記電圧検出手段により検出された降下電圧の値と前記電流供給手段により供給される駆動電流の値とを持つ座標点が、前記半導体素子の電圧電流特性の傾きよりも小さい傾きを持った境界線上又は該境界線よりも降下電圧の値が小さい領域に存在するか否かを判定し、存在すると判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、上記の電流制御回路において、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された降下電圧Ｖに対する前記電流供給手段により供給される駆動電流Ｉの比Ｉ／Ｖを計算し、前記計算された比Ｉ／Ｖが所定の設定値以上か否かを判定し、所定の設定値以上と判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させることを特徴とする。

また、本発明は、上記の電流制御回路において、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された降下電圧Ｖ及び前記電流供給手段により供給される駆動電流Ｉから値（Ｉ−ｃ）／Ｖを計算（ｃは所定の値）し、前記計算された値（Ｉ−ｃ）／Ｖが所定の設定値以上か否かを判定し、所定の設定値以上と判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させることを特徴とする。

本発明の構成によれば、一定値の駆動電流Ｉで駆動される半導体素子の温度が上昇して降下電圧Ｖが低下し、図３において領域Ｒ１にあった座標点（Ｖ，Ｉ）が境界線Ｃ上へ移動すると、制御手段により駆動電流を減少させる制御が行われる。その結果、座標点（Ｖ，Ｉ）が境界線Ｃ上へ移動した時点の温度における電圧電流特性に従って降下電圧が減少し、当該温度の電圧電流特性を表わす直線ＩＶ_Ｃに沿って座標点（Ｖ，Ｉ）は移動するが、直線ＩＶ_Ｃの傾き（電圧電流特性の傾き）が境界線Ｃの傾きより大きいため、移動後の座標点（Ｖ，Ｉ）は再び領域Ｒ１内に存在することとなる。すると、制御手段による駆動電流の減少が停止され、駆動電流は元の電流値より所定量だけ小さい値に維持される。こうして、駆動電流を減少させた際に正帰還の状態に陥ることなく駆動電流が安定する制御が実現される。なお、上記のように駆動電流の減少が停止した状態において、その時の駆動電流での発熱がまだ過剰であり、素子温度が上昇を続ける場合には、再び上記と同様の制御が行われて更に駆動電流が減少していき、半導体素子の発熱と放熱のバランスがとれた電流値となった状態で、最終的に駆動電流は安定することになる。

このように、本発明によれば、半導体素子の温度が過度に上昇しないように駆動電流を減少させる制御を安定的に行うことが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電流制御回路を用いた照明装置の構成図である。本実施形態の照明装置は、定電流電源１と、バッテリＢと、発光ダイオードＤと、抵抗Ｒと、を含んで構成されており、定電流電源１は、定電流発生回路２と、本実施形態による電流制御回路３と、から構成されている。

バッテリＢは、定電流電源１に電力を供給する電源である。定電流電源１は、発光ダイオードＤを駆動するための定電流を定電流発生回路２により発生させて出力する。定電流発生回路２は、電流制御回路３による制御に従って定電流を発生させる回路である。

電流制御回路３は、電圧検出回路４と、電流検出回路５と、制御回路６と、を備えている。電圧検出回路４は、発光ダイオードＤの上流（アノード）側の電位Ｖ１と下流（カソード）側の電位Ｖ２の電位差Ｖ、即ち発光ダイオードＤの降下電圧Ｖを検出し、検出値Ｖを制御回路６へ出力する。電流検出回路５は、電圧Ｖ２と発光ダイオードＤの下流側に設けられた抵抗Ｒの抵抗値とから発光ダイオードＤを流れる定電流（駆動電流）Ｉを検出し、検出値Ｉを制御回路６へ出力する。制御回路６は、発光ダイオードＤの降下電圧Ｖと駆動電流Ｉとに基づいて、所定の条件（後述）で駆動電流を減少させる制御を行う。

図２は、発光ダイオードＤの素子温度と電圧電流特性との関係を示す図である。同図において、横軸は電圧、縦軸は電流であり、素子温度が２５℃、５０℃、７５℃、及び１００℃の時の電圧電流特性が示されている。この図から分かるように、発光ダイオードは素子温度が高いほど低い印加電圧で電流が流れる。そのため、ある一定値の駆動電流Ｉ_０で発光ダイオードを駆動した場合、素子温度が２５℃→５０℃→７５℃→１００℃と上昇していったとすると、降下電圧Ｖが低下していき、降下電圧Ｖと駆動電流Ｉで表される座標点（Ｖ，Ｉ）は、図２に示されるようにＰ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４のように移動していくことになる。

図３は、制御回路６による電流制御方法を説明する図である。同図において、初めに座標点（Ｖ，Ｉ）がＰで示される位置（境界線Ｃより右側）に存在していたとする。制御回路６は、このとき電圧検出回路４で検出された降下電圧Ｖと電流検出回路５で検出された駆動電流Ｉとから、その比α＝Ｉ／Ｖを計算する。ここで、比αの値は、座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）と原点とを結ぶ直線の傾きに相当している。発光ダイオードＤの素子温度が上昇していくと、降下電圧Ｖが低下することにより座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）は左方向へ移動して境界線Ｃに近付いていき、比αは分母Ｖが小さくなるのでその値が増加していく。

やがて、座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）はある温度（Ｔ_Ｃとする）で境界線Ｃ上の点Ｐ_Ｃの位置に到達する。ここで、図３において、境界線Ｃは点Ｐ_Ｃと原点とを結んだ傾きα_Ｃの直線であるとする。制御回路６は、適宜のサンプリング周期で比α＝Ｉ／Ｖを計算し、この比αがα≧α_Ｃの条件を満たすか否か（座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）が境界線Ｃ上又は境界線Ｃより左側の領域Ｒ２に存在するか否か）を判定する。当該条件が満たされる場合、制御回路６は、発光ダイオードＤの駆動電流を所定値ΔＩだけ減少させるように低電流発生回路２を制御する。

このとき、発光ダイオードＤの素子温度が変化していなければ、座標点Ｐは、点Ｐ_Ｃを通る（即ち温度Ｔ_Ｃにおける）電圧電流特性ＩＶ_Ｃの直線に沿って、点Ｐ_Ｃから点Ｐ’まで移動する。点Ｐ’は点Ｐ_ＣよりΔＩの分だけ下がった直線ＩＶ_Ｃ上の点である。ここで、図３から明らかなように、電圧電流特性ＩＶ_Ｃの直線の傾きは、点Ｐ_Ｃと原点とを結んだ直線である境界線Ｃの傾きα_Ｃよりも大きい。そのため、座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）の移動先である点Ｐ’は領域Ｒ１に存在しており、また、点Ｐ’に移動した時に制御回路６により計算される比αの値は、境界線Ｃの傾きα_Ｃよりも小さくなることとなる。したがって、制御回路６は、上記の条件判定の結果、駆動電流の減少を停止させる制御を行い、これにより、駆動電流は電流値Ｉ_０−ΔＩに維持される。

こうして、制御回路６が発光ダイオードＤの駆動電流を減少させる制御を行ったとき、正帰還の状態に陥ることなく、駆動電流の安定的な制御が実現される。

上記のように駆動電流を電流値Ｉ_０−ΔＩに下げたことによって発光ダイオードの発熱と放熱がバランスすれば、その後も駆動電流は電流値Ｉ_０−ΔＩのまま維持される。一方、駆動電流をＩ_０−ΔＩに下げても発熱がまだ過剰である場合には、発熱と放熱がバランスするまで、制御回路６による上述の制御が実施される。図４を用いてその状況を説明する。

即ち、図４において、駆動電流がＩ_０−ΔＩになった後も素子温度の上昇が続くと、座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）は点Ｐ’の位置から再び左方向へ移動し、比αも再び値が増加する。そして、座標点Ｐは境界線Ｃ上の点Ｐ_Ｃ１に到達して、比αの上記条件α≧α_Ｃが満たされる。すると、制御回路６は、再び、発光ダイオードＤの駆動電流を所定値ΔＩだけ減少させる制御を行う。これにより、座標点Ｐはその時の温度における電圧電流特性の直線に沿って点Ｐ_Ｃ１から領域Ｒ１の点Ｐ’_１へ移動し、比αの値も小さくなって、制御回路６が駆動電流の減少を停止させる。

以降、同様の制御が繰り返されて、図４において座標点ＰはＰ’_１→Ｐ_Ｃ２→Ｐ’_２→Ｐ_Ｃ３…と順次移動していき、駆動電流はΔＩずつ徐々に減少していく。最終的に、駆動電流が電流値Ｉ_ｆｉｎまで下がることで発光ダイオードＤの発熱が放熱とバランスしたとすると、座標点Ｐ（Ｖ，Ｉ）は、図４の点Ｐ’_３（素子温度はＴ_Ｓ）に到達した後、それ以上素子温度が上昇しないためそこに滞留する。こうして、発光ダイオードＤの駆動電流を安定的に電流値Ｉ_ｆｉｎまで減少させて、素子温度の過度な上昇を防止する電流制御が実現される。

なお、上記説明した制御において、駆動電流の減少量ΔＩは、電流制御に求められる諸々の性能を考慮して決定すればよい。例えば、電流値を細かく制御したい場合には、ΔＩを小さい値とすることが考えられる。また、素早く駆動電流を安定させたい場合には、逆にΔＩを大きくすることが考えられる。

また、上述したとおり、発光ダイオードＤの駆動電流を減少させる制御は素子温度がＴ_Ｃになったら開始されるが、この温度Ｔ_Ｃは発光ダイオードＤの寿命や用途などに応じて適宜設定することが可能である。そして、温度Ｔ_Ｃと駆動電流の初期値Ｉ_０が決まると図３の点Ｐ_Ｃが決まり、この点Ｐ_Ｃを通るようにして境界線Ｃを設定すればよい。

また、境界線Ｃは、図３のように点Ｐ_Ｃと原点を結ぶ直線に限らず、例えば図５に示すように、横軸（電圧Ｖの軸）の正の部分を横切るような直線Ｃ’としてもよい。この場合、点Ｐ_Ｃと境界線Ｃ’の距離が図３における点Ｐ_Ｃと境界線Ｃの距離より小さいので、点Ｐ_Ｃの状態から僅かに素子温度が上昇しただけで更にΔＩだけ駆動電流が減少させられることになる。よって、素子温度に対してより敏感な電流制御が可能である。

但し、境界線Ｃの傾きは、上述の説明から明らかなように電圧電流特性ＩＶ_Ｃの直線の傾きよりも小さくなければならない。この条件さえ満足されていれば、境界線Ｃを直線ではなく曲線としてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、上記実施形態の図１において、複数個の発光ダイオード（但し、各発光ダイオードの素子温度と電圧電流特性との関係は同一（又はほぼ同一）であるとする）を直列又は並列に接続した構成とし、そのうち１つの発光ダイオードの降下電圧Ｖと駆動電流Ｉを検出して、その検出結果に基づき、上記実施形態と同様の制御方法により全ての発光ダイオードの駆動電流を制御するようにしてもよい。
また、上記実施形態において、バッテリＢに代えて、他の電源装置を用いることもできる。例えば、商用の交流電源からの交流電流を直流電流に変換して用いても構わない。

本発明の一実施形態による電流制御回路を用いた照明装置の構成図である。 発光ダイオードの素子温度と電圧電流特性との関係を示す図である。 制御回路による電流制御方法を説明する図である。 制御回路による電流制御方法を説明する図である。 制御回路による電流制御方法を説明する図である。

符号の説明

１…定電流電源 ２…定電流発生回路 ３…電流制御回路 ４…電圧検出回路 ５…電流検出回路 ６…制御回路 Ｂ…バッテリ Ｄ…発光ダイオード Ｒ…抵抗

Claims (4)

1. 温度が上昇すると降下電圧が低下する温度特性を有する半導体素子の駆動電流を制御する電流制御回路であって、
   前記半導体素子に駆動電流を供給する電流供給手段と、
   前記半導体素子の降下電圧を検出する電圧検出手段と、
   降下電圧を横軸とし駆動電流を縦軸とした座標平面において、前記電圧検出手段により検出された降下電圧の値と前記電流供給手段により供給される駆動電流の値とを持つ座標点が、前記半導体素子の電圧電流特性の傾きよりも小さい傾きを持った境界線上又は該境界線よりも降下電圧の値が小さい領域に存在するか否かを判定し、存在すると判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させる制御を行う制御手段と、
   を備えることを特徴とする電流制御回路。
2. 前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された降下電圧Ｖに対する前記電流供給手段により供給される駆動電流Ｉの比Ｉ／Ｖを計算し、前記計算された比Ｉ／Ｖが所定の設定値以上か否かを判定し、所定の設定値以上と判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電流制御回路。
3. 前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された降下電圧Ｖ及び前記電流供給手段により供給される駆動電流Ｉから値（Ｉ−ｃ）／Ｖを計算（ｃは所定の値）し、前記計算された値（Ｉ−ｃ）／Ｖが所定の設定値以上か否かを判定し、所定の設定値以上と判定された場合に前記電流供給手段が供給する駆動電流を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電流制御回路。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１の項に記載の電流制御回路と、該電流制御回路によって駆動電流が制御される前記半導体素子としての発光ダイオードと、を備える照明装置。

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