JP2011014836A - 半導体発光装置の駆動方法及び半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【目的】電源と発光部との間にAC-DCコンバータやドロッパなどの定電圧回路を何ら介在させることなく、発光部の半導体発光素子を高効率で発光させる。
【構成】周期的に変化する電圧を電源として、複数の半導体発光素子を有する発光部を備える半導体発光装置の駆動方法であって、発光部は第１の発光素子群と第２の発光素子群とを備え、電源の電圧に応じて、第１の発光素子群と第２の発光素子群とを併せた抵抗値が変化するように、電源に対する第１の発光素子群と第２の発光素子群の接続態様を変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光装置の駆動方法及び半導体発光装置に関する。

半導体発光素子を光源とする発光装置の開発が進められている。かかる発光装置を汎用機とするにはＡＣ１００Ｖを電源とすることが好ましい。
そのため従来では、交流電源と半導体発光素子との間にＡＣ−ＤＣコンバータを介在させ、１００Ｖの交流電源を半導体発光素子に必要な直流電圧に変換することが提案されている（特許文献１参照）。また、交流電源と半導体発光素子との間に抵抗器若しくはドロッパ方式の定電流回路を介在させている（特許文献２参照）。

特開２００７−２４２４９４号公報 特開２００５−２２９０３７号公報

ＡＣ−ＤＣコンバータを介在させる前者の方式を採用すれば、高い効率が確保されるものの、回路が複雑化かつ大型化するので、発光装置の製造コストを引き上げる。また、ＡＣ−ＤＣコンバータは電磁波ノイズを発生するおそれもあるので好ましくない。
他方、ドロッパ方式等の定電流回路を採用した場合には回路を単純化できるものの、高効率を確保しづらい。効率の悪さは発熱の問題も生じる。全波整流後の脈流が半導体発光素子のチラつきの原因ともなる。平滑コンデンサにより脈流の影響を除去することも考えられるが、一般的に平滑コンデンサには大きいな匡体が要求され、また、ＬＥＤからなる半導体発光素子に比べて耐久性が大きく劣る。
このように、ＡＣ−ＤＣコンバータを採用する方式及びドロッパ方式にはそれぞれ一長一短がある。

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討をした結果、下記この発明に想到した。即ち、
周期的に変化する電圧を電源として、複数の半導体発光素子を有する発光部を備える半導体発光装置の駆動方法であって、前記発光部は第１の発光素子群と第２の発光素子群とを備え、
前記電源の電圧に応じて、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とを併せた抵抗値が変化するように、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様を変化させる、ことを特徴とする半導体発光装置の駆動方法。

このように規定される第1の局面の発明によれば、電源電圧が比較的低電圧時には、電源に対して第1の発光素子群と第2の発光素子群とを例えば並列の接続状態とし、両者を併せた抵抗値を小さく保ち、電源の電圧が低い場合においても、各発光素子群を構成する発光素子へ電圧をできる限り高い状態で印加可能とする。電源電圧が低い場合は、その電圧を各発光素子群へ直接印加することにより、換言すれば、電源と各発光素子群との間に他の要素、回路を介在させないで、すなわち極めて高い効率で発光素子を発光させることが可能である。
電源電圧が上昇すると第1の発光素子群及び第2の発光素子群の発光素子に過剰な電流が流れるおそれがある。そこでこの第1の局面の発明によれば、電源電圧が比較的高電圧時に第1の発光素子群と第2の発光素子群とを電源に対して例えば直列の接続態様とし、両者を併せた抵抗値を大きくして、換言すれば発光素子自体の内部抵抗を利用して電圧降下（電圧調整）を行う。この場合においても、電源と発光素子群との間に他の要素、回路を介在させないので、高い発光効率を確保できる。

オンとなる発光素子の数を変化させることにより、第１の発光素子群と第2の発光素子群とを併せた抵抗値を変化させられる。例えば、比較的電圧が低いときには第1の発光素子群の発光素子の全部又は一部をオフとする。他方、比較的電圧が高いときには第1及び第2の発光素子群をともにオンとする。前者の場合、チラツキが視認されないようにオフとする発光素子の数を制限することが好ましい。
更には、第1の発光素子群と第2の発光素子群との少なくとも一方に抵抗回路を組み込み、電源電圧が比較的低電圧時には抵抗回路を低抵抗の状態とし、電源電圧が比較的高電圧時には抵抗回路を高抵抗の状態とするようにしてもよい。
何れの場合においても、この発明では、電源電圧の高低に応じて第1の発光素子群と第2の発光素子群とを併せた抵抗値をダイナミックに変化させることにより、電源と各発光素子群との間に他の要素（ＡＣ−ＤＣコンバータやドロッパ等の定電流回路）を介在させることなく、発光部に含まれる発光素子へ好適な電圧及び電流を印可可能となる。これにより、高い発光効率が確保され、かつ回路構成が簡素化される。

この発明の第2の局面は次のように規定される。即ち、
第1の局面で規定される半導体発光装置の駆動方法において、前記電源の電圧が第１の電圧以下のとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して並列の接続態様となり、前記電源の電圧が前記第１の電圧を超えるとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる。

このように規定される第2の局面の発明によれば、第1の電圧を基準として第1の発光素子群と第2の発光素子群との接続態様を切り替えるので、その切り替え制御が容易になる。即ち、簡易な制御回路（切換え回路）で第1及び第2の発光素子群の接続態様の切り替えが可能となる。これにより、半導体発光装置の小型化が可能となり、ひいては安価な半導体発光装置を提供できる。

この発明の第3の局面は次のように規定される。即ち、
第1又は第2の局面に規定の半導体発光装置の駆動方法において、前記発光部は第１の抵抗部を備え、該第１の抵抗部は、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様に応じてその抵抗値を変化させる。
このように規定される第3の局面の発明によれば、電源に対する第1及び第2の発光素子群の接続態様に応じて第1の抵抗部の抵抗値を変化させることにより、各発光素子群へ印加される電流を常に適正値に制御できる。

たとえば、第1の発光素子群に含まれる発光素子数に比べて第2の発光素子群に含まれる発光素子数が少ない場合（発光素子はすべて同じもの（即ち同一の内部抵抗を有するもの）とする）、低電圧時、即ち第1と第2の発光素子群が電源に対して並列であるとき、第1の発光素子群に比べて第2の発光素子群へより多くの電流が流れて後者に含まれる発光素子からの光出力が大きくなり、発光バランスが崩れる。かかる事態を避けるためには、第2の発光素子群の下流側に抵抗部を設けて、第1の発光素子群の抵抗と第2の発光素子群＋抵抗部の合計抵抗とを実質的に等しくすることが好ましい。他方、第1の発光素子群と第2の発光素子群＋抵抗部とを電源に対して直列接続したときにはその合計抵抗が過大となって、充分な電流が流れなくなることを避けるため、抵抗部の抵抗値を下げる（変化させる）ことが好ましい。

この発明の第4の局面は次のように規定される。即ち、第2の局面に規定の駆動方法において、
前記発光部は更に第３の発光素子群を備え、
前記電源の電圧が前記第１の電圧以下のとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して並列の接続状態となり、
前記電源の電圧が前記第１の電圧を超え、第２の電圧以下のとき、前記電源に対して前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は直列の接続態様となり、前記第３の発光素子群は前記電源に対して、前記第１及び第２の発光素子群と並列の接続態様となり、
前記電源の電圧が第２の電圧を超えるとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる。
このように規定される第4の局面の半導体発光装置の駆動方法によれば、変化する電源電圧に対して３つの発光素子群を備えて、それらの接続態様を調整することにより、各発光素子群へより適正な電流を印可可能となる。

この発明の第5の局面は次のように規定される。即ち、
周期的に変化する電圧を電源として、複数の半導体発光素子を有する発光部を備える半導体発光装置であって、
前記発光部は第１の発光素子群と第２の発光素子群とを備え、
前記電源の電圧に応じて、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とを併せた抵抗値が変化するように、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様を変化させる駆動制御部を有する、ことを特徴とする半導体発光装置。
このように規定される第5の局面の半導体発光装置によれば、第1の局面の発明と同様の作用及び効果が得られる。

この発明の第6の局面は次のように規定される。即ち、第5の局面で規定された半導体発光装置において、前記電源の電圧が第１の電圧以下のとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して並列の接続態様となり、前記電源の電圧が前記第１の電圧を超えるとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる。
このように規定された第6の局面の半導体発光装置によれば、第2の局面に規定の発明と同様の作用効果が得られる。

この発明の第7の局面は次のように規定される。即ち、第5又は第6の局面に規定の半導体発光装置において、前記発光部は第１の抵抗部を備え、該第１の抵抗部は、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様に応じてその抵抗値を変化させる。
このように規定される第7の局面に半導体発光装置によれば、第3の局面に記載の発明と同等の作用効果が得られる。

この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、第６の局面に規定の半導体発光装置において、前記発光部は更に第３の発光素子群を備え、
前記電源の電圧が前記第１の電圧以下のとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して並列の接続状態となり、
前記電源の電圧が前記第１の電圧を超え、第２の電圧以下のとき、前記電源に対して前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は直列の接続態様となり、前記第３の発光素子群は前記電源に対して、前記第１及び第２の発光素子群と並列の接続態様となり、
前記電源の電圧が第２の電圧を超えるとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる。
このように規定される第8の局面の半導体発光装置によれば、第4の局面に記載の発明と同等の作用効果を奏する。

図１はこの発明の実施形態の半導体発光装置のブロック図である。 図２は電源に対する発光素子群の接続態様を示すブロック図である。 図３は実施形態の半導体発光装置の回路である。

図１はこの発明の実施の形態の半導体発光装置１の構成を示すブロック図である。
この半導体発光装置１は電源部３、電源電圧比較部１０及び発光部２０を備える。
電源部３は汎用的な整流回路からなり、１００Ｖの交流を整流する。
電源電圧比較部１０は電源電圧の電圧値Ａ，Ｂ，Ｃに応じて、発光部２０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフを制御する。これにより、発光部２０に備えられる第１〜第3の発光素子群２１，２２及び２３の電源部３に対する接続態様が電圧値Ａ，Ｂ，Ｃに応じて切り換えられる。

電源電圧の値Ａ，Ｂ，ＣとスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオンオフ状態を表1に整理した。電圧値Ａ，Ｂ，Ｃは任意に設定可能であるが、この例ではＡ：７８Ｖ，Ｂ：１０３Ｖ，Ｃ：１４１Ｖとする。

発光部２０には第１の発光素子群２１、第2の発光素子群２２及び第3の発光素子群２３が備えられる。
この例では第1の発光素子群２１は８つのＬＥＤを備え、第2の発光素子群２２は12個のＬＥＤを備え、第3の発光素子群２３は16個のＬＥＤを備える。各ＬＥＤは同一定格の半導体発光素子であり、実質同一の内部抵抗を有する。各発光素子群においてこれらLEDは直列に接続されている。この例では、白色発光ダイオードを用いる。この白色発光ダイオードは青色を発光するIII族窒化物系化合物半導体発光素子を蛍光材料で被覆してなる。
各発光素子群に備えられる発光素子の数は任意に設定できる。発光素子群ごとに異なるタイプの発光素子を用いることができる。発光素子群内における発光素子の配列態様は任意であり、既述のように全てを直列とするほか、複数の直列ラインを並列に配置することもできる。

第１の発光素子群２１とグランドラインGとの間には第１の抵抗３１と第１のスイッチSW1が直列に配列されている。
第２の発光素子群２２とグランドラインGとの間に第２の抵抗３２と第２のスイッチSW２が直列に配置されている。第2の発光素子群２２と電源ラインPとの間には第3のスイッチSW3が備えられ、第1の発光素子群２１の出力ラインはダイオード２５を介して第2の発光素子群２２の入力ラインへ接続される。
第3の発光素子群２３とグランドラインGとの間には第1の抵抗部４０が介在される。第1の抵抗部４０は第3の抵抗４１と第5のスイッチSW５が並列に備えられる。第5のスイッチSW５は第4の抵抗４３と直列に配列される。第3の抵抗４１に比べて第4の抵抗４３は低い抵抗値に設定されている。第2の発光素子群２２の出力ラインはダイオード２７を介して第3の発光素子群２３の入力ラインへ接続される。

この例において、電源電圧がA（７８V）以下であるとき、電源電圧比較部１０によりスイッチSW１〜SW5は表１の状態となる。その結果、電源部３に対する第１〜第3の発光素子群２１，２２，２３の接続態様は並列となる（図２（A）参照）。
このとき、第1の抵抗３１、第2の抵抗３２及び第1の抵抗部４０（その第3の抵抗４１）はそれぞれ第1の発光素子群２１、第2の発光素子群２２及び第3の発光素子群２３と直列につながれており、各発光素子群２１，２２，２３に流れる電流を調整し、各発光素子群２１，２２，２３に含まれるLEDに流れる電流値が均等化される。よって、各LEDの発光状態が均一化する。

電源電圧がA（７８V）を超えてB(１０３V)以下であるとき、電源電圧比較部１０によりスイッチSW1〜SW5は表1の状態となる。その結果、電源部３に対して第1及び第2の発光素子群２１，２２は直列、第3の発光素子群は第1、第2の発光素子群のラインと並列に電源部３へ接続される（図２（B）参照）。
このとき、第2の抵抗３２は第１及び第２の発光素子群の直列体へ直列につながれ、第1の抵抗部４０（その第３の抵抗４１）は第３の発光素子群２３へ直列につながれる。これにより、第１及び第２の発光素子群の直列体及び第３の発光素子群２３に流れる電流を調整し、もって各発光素子の発光状態の均一化を図る。

電源電圧がB（１０３V）を超えてC（１４１V）以下であるとき、電源電圧比較部１０によりスイッチSW１〜SW５は表1の状態となる。その結果、電源部３に対して第1〜第3の発光素子群は直列状態となる（図２（C）参照）。なお、第１の抵抗部４０ではスイッチSW５がオンとなるので、その抵抗値は並列関係にある第3の抵抗４１と第4の抵抗４３の合成抵抗となり、スイッチSW５がオフの時に比べて低抵抗化されている。３つの発光素子群が直列状態のなるとその内部抵抗が大きくなるので、充分な電流を確保するため第１の抵抗部４０の抵抗値を低下させる必要があるからである。

図２（A）の接続態様より、第1の抵抗３１、第2の抵抗３２、及び第3の抵抗４１は次のように設計することが好ましい。
（第1の発光素子群２１の抵抗値＋第1の抵抗３１の抵抗値）＝（第2の発光素子群２２の抵抗値＋第2の抵抗３２の抵抗値）＝（第3の発光素子群２３の抵抗値＋第３の抵抗４１の抵抗値）
即ち、電源に対して並列接続され、そこに発光素子群を含むラインのそれぞれの合計抵抗を等しくすることが好ましい。
これにより、第1、第2及び第3の各発光素子群へ流れる電流が等しくなり、各LEDの発光状態を均一化できる。
抵抗は発光素子群を含むラインにおいて電流流れの下流側に配置することが好ましい。

このように構成された半導体発光装置１によれば、電源電圧の周期的な変動に連動してスイッチSW１〜SW5が切り換えられて、第1〜第3の発光素子群２１，２２，２３はそれぞれ図２の（A）〜（C）の接続態様となる。即ち、電源電圧の高低に応じて第1〜第3の発光素子群の合成抵抗を変化させる。これにより、電源電圧を調整するためのAC-DCコンバータやドロッパなどの定電流回路が不要となる。電源に対する発光素子群の接続態様を切り換えるにはスイッチが必要となるが、AC-DCコンバータに比べれば回路が簡易であり安価に製造できることはもとより、電磁波対策も不要である。また、電源電圧と発光素子群との間に抵抗を介在させることがないので、ドロッパを採用するシステムに比べて高い効率を維持できる。
上記の説明では、整流回路を含む電源部３も半導体発光装置１の構成要素としているが、電源部３は汎用的な構成であるので、これを汎用的な部品に置換し、電源電圧比較部10及び発光部２０から分離させることもできる。即ち、図１の例に基づくならば、電源電圧比較部１０と発光部２０とでこの発明を構成できる。

以下、この発明の実施例の半導体発光装置１の回路図を図３に示す。
図３において図１の要素と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図３に電源部３としてブリッジ整流回路１０３を採用している。
電源電圧比較部１０はブリッジ整流回路１０３の出力を定電流回路１０５により例えば１０Vの定電圧として、この１０Vの電圧を抵抗１１１〜１１５により更に調整して比較器１２１〜１２４へ入力する。他方、ブリッジ整流回路１０３の出力は抵抗１０７及び抵抗１０８により降圧されて、各比較器１２１〜１２４へ入力される。例えば、ブリッジ整流回路１０３の出力が７８Vのとき各比較器１２１〜１２４へ３Vが入力され、ブリッジ整流回路１０３の出力が１０３Vのとき各比較器１２１〜１２４へ４．１Vが入力されるように抵抗１０７及び抵抗１０８は調整されている。

図３の回路において、ブリッジ整流回路１０３の出力電圧、比較器１２１〜１２４の出力、スイッチSW１〜SW５のオンオフ状態を下記表２にまとめた。

このように構成された図３の半導体発光装置によれば、簡易なスイッチ回路を用いて電源に対する第１〜第3の発光素子群の接続態様を調整できるので、装置構成が簡易化できる。勿論電磁波を発生させることもない。よって、小型かつ安価な半導体発光装置の提供が可能となる。
本発明者のシミュレーション結果によれば、図3の半導体発光装置１の効率はおよそ８０％という高いものであった。
なお、電源電圧比較部及び発光部をドロッパ等の定電流回路へ接続することを何ら排除するものではない。
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。

１ 半導体発光装置
２ １００V交流電源
３ 電源部
１０ 電源電圧比較部
２０ 発光部
２１ 第1の発光素子群
２２ 第2の発光素子群
２３ 第3の発光素子群
４０ 第1の抵抗部

Claims (8)

1. 周期的に変化する電圧を電源として、複数の半導体発光素子を有する発光部を備える半導体発光装置の駆動方法であって、
   前記発光部は第１の発光素子群と第２の発光素子群とを備え、
   前記電源の電圧に応じて、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とを併せた抵抗値が変化するように、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様を変化させる、ことを特徴とする半導体発光装置の駆動方法。
2. 前記電源の電圧が第１の電圧以下のとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して並列の接続態様となり、前記電源の電圧が前記第１の電圧を超えるとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置の駆動方法。
3. 前記発光部は第１の抵抗部を備え、該第１の抵抗部は、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様に応じてその抵抗値を変化させる、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置の駆動方法。
4. 前記発光部は更に第３の発光素子群を備え、
   前記電源の電圧が前記第１の電圧以下のとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して並列の接続状態となり、
   前記電源の電圧が前記第１の電圧を超え、第２の電圧以下のとき、前記電源に対して前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は直列の接続態様となり、前記第３の発光素子群は前記電源に対して、前記第１及び第２の発光素子群と並列の接続態様となり、
   前記電源の電圧が第２の電圧を超えるとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置の駆動方法。
5. 周期的に変化する電圧を電源として、複数の半導体発光素子を有する発光部を備える半導体発光装置であって、
   前記発光部は第１の発光素子群と第２の発光素子群とを備え、
   前記電源の電圧に応じて、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群とを併せた抵抗値が変化するように、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様を変化させる駆動制御部を有する、ことを特徴とする半導体発光装置。
6. 前記電源の電圧が第１の電圧以下のとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して並列の接続態様となり、前記電源の電圧が前記第１の電圧を超えるとき、前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる、ことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記発光部は第１の抵抗部を備え、該第１の抵抗部は、前記電源に対する前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群の接続態様に応じてその抵抗値を変化させる、ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体発光装置。
8. 前記発光部は更に第３の発光素子群を備え、
   前記電源の電圧が前記第１の電圧以下のとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して並列の接続状態となり、
   前記電源の電圧が前記第１の電圧を超え、第２の電圧以下のとき、前記電源に対して前記第１の発光素子群と前記第２の発光素子群は直列の接続態様となり、前記第３の発光素子群は前記電源に対して、前記第１及び第２の発光素子群と並列の接続態様となり、
   前記電源の電圧が第２の電圧を超えるとき、前記第１、第２及び第３の発光素子群は前記電源に対して直列の接続態様となる、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。

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