JP2011044678A - Led lighting device for commercial power source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は商用電源を使用する発光ダイオード照明装置において、高電圧駆動の発光ダイオードを用いることにより駆動回路を簡素化する構成に関するものである。The present invention relates to a configuration in which a driving circuit is simplified by using a high voltage driving light emitting diode in a light emitting diode lighting device using a commercial power source.
従来の発光ダイオードを用いた商用電源用の発光ダイオード照明装置は図1に示すような構成を有している。ダイオードによる全波整流後の電圧をスイッチング電源回路により発光ダイオードの駆動電圧近くの電圧まで降圧させ、その後、大容量の電解コンデンサにて平滑して定電流回路を経て定電流を発光ダイオードに供給している。この回路構成においては、駆動電流が大きいため複雑になり大容量の電解コンデンサが必要になり、寿命の面でも発光ダイオードが普及するための大きな制約要因になっている。A conventional light emitting diode illuminating device for a commercial power source using a light emitting diode has a configuration as shown in FIG. The voltage after full-wave rectification by the diode is stepped down to a voltage close to the driving voltage of the light emitting diode by the switching power supply circuit, then smoothed by a large capacity electrolytic capacitor and supplied to the light emitting diode through the constant current circuit. ing. In this circuit configuration, since the drive current is large, the circuit configuration becomes complicated and a large-capacity electrolytic capacitor is required, which is a major constraint factor for the spread of light-emitting diodes in terms of life.
白色発光ダイオードの普及に伴って商用電源を用いて小型の照明器具を実用化するニーズが高まってきている。特に白色発光ダイオードの高効率化に伴って白熱電球より圧倒的に効率が良いことによりその普及が望まれている。この様な背景のもとで発光ダイオードの駆動回路の低コスト化と小型化のニーズは極めて高いものである。この為には、特に、電解コンデンサのような大きく、寿命に制限のある部品を使わなくてもよい簡素な駆動回路の実用化が必要である。With the widespread use of white light emitting diodes, there is an increasing need for commercializing small lighting fixtures using commercial power sources. In particular, with the increase in efficiency of white light-emitting diodes, its widespread use is desired because it is overwhelmingly more efficient than incandescent bulbs. Under such circumstances, there is an extremely high need for cost reduction and miniaturization of a light emitting diode drive circuit. For this purpose, in particular, it is necessary to put into practical use a simple drive circuit that does not require the use of large, life-limited parts such as electrolytic capacitors.
発光ダイオード照明装置の普及の制約要因は発光ダイオードを効率よく駆動するための電源の部品点数の多さと電解コンデンサのように大きく、寿命の制限のある部品にある。商用電圧から発光ダイオードの駆動電圧まで降圧し、電圧を安定化させて、定電流を供給するために部品が多くなっている。発光ダイオードの駆動電圧は発光素子のバンドギャップ電圧で決まり、それ以上の高電圧で駆動することはできない。高電圧で動作する発光ダイオードが存在すれば、例えば商用交流電源から整流回路のような簡素な電源回路を経るだけで駆動できるようになり、またそれに伴い駆動電流を少なくすることができ駆動回路を簡素化できる。また、駆動電流が小さくなることにより小容量のコンデンサで回路を構成することができ、寿命に限界のある電解コンデンサの代わりに寿命に制約のないフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することができるようになる。しかし、現実的にはその様な、高電圧で作動する発光ダイオードは実用化されていない。The limiting factors for the widespread use of light-emitting diode illuminating devices lie in the large number of power supply components for efficiently driving the light-emitting diodes and large components such as electrolytic capacitors, which have limited lifetime. The number of parts is increased in order to reduce the voltage from the commercial voltage to the driving voltage of the light emitting diode, stabilize the voltage, and supply a constant current. The driving voltage of the light emitting diode is determined by the band gap voltage of the light emitting element, and cannot be driven at a higher voltage. If there is a light-emitting diode that operates at a high voltage, it can be driven from a commercial AC power supply through a simple power supply circuit such as a rectifier circuit, and the drive current can be reduced accordingly. It can be simplified. In addition, since the drive current is reduced, a circuit can be configured with a small-capacitance capacitor, so that a film capacitor or a ceramic capacitor with no lifespan can be used instead of an electrolytic capacitor with a limited lifespan. Become. However, practically, such a light emitting diode operating at a high voltage has not been put into practical use.
この様な課題とニーズに対応するために、本発明では、商用電源電圧近くの高電圧で駆動する発光ダイオードを使用して、商用電源から形成する高電圧用の電源回路を簡素化して、駆動電流を少なくすることにより定電流回路を簡素化するものである。これにより低コストで、小型で寿命に制約のない発光ダイオード照明装置を実現するものである。In order to respond to such problems and needs, the present invention uses a light emitting diode that is driven at a high voltage near the commercial power supply voltage to simplify and drive a high-voltage power supply circuit formed from the commercial power supply. The constant current circuit is simplified by reducing the current. As a result, a light-emitting diode illuminating device that is low in cost and has no limitation on the lifetime is realized.
高電圧駆動の発光ダイオードとしては、発光ダイオードを形成する基板上に電気的に絶縁された多数個の発光部を形成して、それらを多段に直列接続することにより高電圧で駆動できる素子を実現できる(特許文献1参照)。たとえば、駆動電圧4.5ボルトの発光素子を20個直列に構成することにより90ボルトで動作する発光素子を構成できる。この様にして高電圧駆動の発光ダイオード素子を実現することができる。また、駆動電流は一つの発光部を駆動する電流であり、同じ輝度を得るための駆動電流は直列接続の段数分だけ低くすることができる。20段の直列接続であれば、駆動電流は1/20と飛躍的に低くすることができる。すなわち20個の直列接続の発光素子の発光ダイオードでは、駆動電圧は20倍となり、駆動電流は1/20と少なくすることができる。As a high-voltage light-emitting diode, an element that can be driven at a high voltage is realized by forming a number of electrically isolated light-emitting parts on the substrate on which the light-emitting diode is formed and connecting them in series in multiple stages. Yes (see Patent Document 1). For example, it is possible to configure a light emitting element that operates at 90 volts by configuring 20 light emitting elements with a driving voltage of 4.5 volts in series. In this manner, a high voltage drive light emitting diode element can be realized. The drive current is a current for driving one light emitting unit, and the drive current for obtaining the same luminance can be lowered by the number of stages connected in series. With 20 stages of series connection, the drive current can be dramatically reduced to 1/20. That is, in the light emitting diodes of the 20 light emitting elements connected in series, the driving voltage is 20 times and the driving current can be reduced to 1/20.
本発明の構成では、発光ダイオードの駆動を高電圧にすることにより商用電源から簡素な回路で直流電源を構成することが可能になり、電源回路の部品点数が大幅に簡素化することができる。また、駆動電流が低くなることにより、電源安定化のためのコンデンサも電解コンデンサの様な大型部品が不要になり、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサのような小型部品で寿命に制限のない部品の使用が可能になる。同時に駆動電流が小さくなることにより、定電流回路としてジャンクションFET定電流素子のような簡素な定電流回路とすることができ部品点数を大幅に減らすことができる(特許文献2、非特許文献1を参照)。また、電源としてスイッチング電源を用いる場合においても駆動電流が減少することにより簡素な回路で実現が可能になる。In the configuration of the present invention, it is possible to configure a direct current power supply with a simple circuit from a commercial power supply by driving the light emitting diode to a high voltage, and the number of parts of the power supply circuit can be greatly simplified. In addition, the lower drive current eliminates the need for large components such as electrolytic capacitors for power supply stabilization, and the use of small components such as film capacitors and ceramic capacitors that do not have a limited lifespan. It becomes possible. At the same time, by reducing the drive current, the constant current circuit can be a simple constant current circuit such as a junction FET constant current element, and the number of components can be greatly reduced (see
本発明の発光ダイオード照明システムは、簡素な電源システムで駆動できるために、小型化、低コスト化ができ、発光ダイオードの持つ高効率な発光システムを小型で安価に提供することができるものである。また電解コンデンサの使用を不要にすることにより電源回路部品の寿命の制約をなくすることにより長寿命の発光ダイオードの特徴を発揮することができる。今後、発光効率の良い発光ダイオードが省エネルギーを背景として、家庭用の電灯の代わりになる時に本発明は産業界への影響が極めて大きい。Since the light-emitting diode illumination system of the present invention can be driven by a simple power supply system, it can be reduced in size and cost, and a high-efficiency light-emitting system possessed by the light-emitting diode can be provided in a small size at low cost. . Further, by eliminating the use of an electrolytic capacitor and eliminating the restriction on the life of the power supply circuit components, the characteristics of the long-life light emitting diode can be exhibited. In the future, the present invention will have a significant impact on the industry when light-emitting diodes with high luminous efficiency are used in place of energy savings to replace household lamps.
本発明の発光ダイオード照明装置の回路構成を図2に示す。図2−aはブロック図、図2−b、図2−cおよび図2−dは回路図である。図2−bにおいて10は交流電源、11はヒューズ、12は位相制御回路、13は全波整流回路A、14は全波整流回路B、15は波形合成回路、16は定電流回路素子、17は高電圧駆動発光ダイオードを示す。高電圧駆動発光ダイオード17の採用により、商用電源からの電源回路の簡素化が可能になり、駆動電流の低減により簡易な定電流素子16の採用を可能としている。全波整流回路A13の出力電圧波形に対して全波整流回路B14の電圧出力波形は位相制御回路12により90度位相の遅れた全波整流電圧を発生しており、その波形合成後の25点の波形は商用交流電源の4倍の周波数で脈動しつつ整流されている。駆動電流が少ないことにより、位相制御回路12のコンデンサはフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することができる。電圧波形の詳細は図7−dにて示す。The circuit configuration of the light-emitting diode illuminating device of the present invention is shown in FIG. 2-a is a block diagram, and FIGS. 2-b, 2-c and 2-d are circuit diagrams. 2B, 10 is an AC power source, 11 is a fuse, 12 is a phase control circuit, 13 is a full-wave rectifier circuit A, 14 is a full-wave rectifier circuit B, 15 is a waveform synthesis circuit, 16 is a constant current circuit element, 17 Indicates a high voltage drive light emitting diode. The adoption of the high voltage drive
図2−cは図2−bの実施例から位相制御回路としてインダクタを用いる例である。商用電源として200ボルトを用いる様な例では、図2−bの構成では使用するコンデンサの耐圧が高くなる為に、図2−cの様なインダクタを使用する方が有利になることが多い。回路の電圧波形の説明は図7において行うが、コンデンサを用いる場合においては商用電源より90度位相が遅れ、インダクタを持いる場合においては90度位相が進むが全波整流を用いる今回の事例ではこの90度の遅れ、進みが結果として同じ動作となり同様な効果が得られる。FIG. 2C shows an example in which an inductor is used as the phase control circuit from the embodiment of FIG. In an example in which 200 volts is used as a commercial power supply, it is often advantageous to use an inductor as shown in FIG. The voltage waveform of the circuit will be described with reference to FIG. 7. In the case of using a full-wave rectification, the phase is delayed by 90 degrees from the commercial power source when using a capacitor, and the phase is advanced by 90 degrees when having an inductor. This 90 degree delay and advance result in the same operation and the same effect is obtained.
図2−dは図2−cの実施例に対して電源回路にスイッチング電源を加えて定電流素子での熱損失を小さくして電源電力の効率を良くしたものである。高電圧駆動の発光ダイオードにより駆動電流が小さくなるためにスイッチング電源としては電流を負荷側へ流すためのMOSトランジスタ42を高速にスイッチングして、コンデンサCo44により平滑する簡易なスイッチング電源39で構成することができる。駆動電流が大幅に減少したことがこの様な簡素な回路で構成できるメリットである。さらに、この事例ではスイッチング回路と同じ部品であるMOSトランジスタを用いて定電流回路37を構成している。公知のカレントミラー構成の定電流回路である。この部分の動作は図7の説明に続いて行う。FIG. 2D shows an example in which a switching power supply is added to the power supply circuit to reduce the heat loss in the constant current element and the efficiency of the power supply power is improved with respect to the embodiment of FIG. Since the drive current is reduced by the high-voltage driven light emitting diode, the switching power supply is configured by a simple
図3において本発明の別の実施例を示す。図3−aにそのブロック図を示し、図3−b、図3−cにおいてその回路図を示す。図3−bにおいて50は商用電源、51はヒューズ、54は全波整流回路A、55は全波整流回路B、58は位相制御回路、66は波形合成回路、67は定電流回路素子、68は高電圧駆動発光ダイオードである。全波整流回路Aの出力である56点−77点間電圧と全波整流回路Bの出力である59点−60点間電圧は同じ位相の全波整流電圧であり、位相制御回路の抵抗出力63点−64点間電圧はそれと同相であり,コンデンサ出力の61点−62点間電圧は90度位相が遅れている。これにより、波形合成後の電圧波形65点−64点電圧は図7−dのようになる。この部分の詳細は図7において説明する。位相制御回路58におけるアバランシェダイオードは40ボルトの降伏電圧を持ちセラミックコンデンサの降伏電圧の軽減を行っているものである。耐圧のあるコンデンサを使用する場合には必ずしも必要ではない。図3−cは図3−bに対して全波整流回路を2重から1重にして位相制御回路の容量駆動と抵抗駆動を同じ全波整流回路70から得る構成とした事例である。71は位相制御回路、72は波形合成回路である。FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. The block diagram is shown in FIG. 3-a, and the circuit diagram is shown in FIGS. 3-b and 3-c. 3B, 50 is a commercial power source, 51 is a fuse, 54 is a full-wave rectifier circuit A, 55 is a full-wave rectifier circuit B, 58 is a phase control circuit, 66 is a waveform synthesis circuit, 67 is a constant current circuit element, 68 Is a high voltage drive light emitting diode. The voltage between 56 points and 77 points, which is the output of the full wave rectifier circuit A, and the voltage between 59 points and 60 points, which is the output of the full wave rectifier circuit B, are full wave rectified voltages having the same phase, and the resistance output of the phase control circuit. The voltage between 63 points and 64 points is in phase with it, and the voltage between 61 points and 62 points of the capacitor output is delayed by 90 degrees. Thereby, the voltage waveform 65-64 point voltage after waveform synthesis becomes as shown in FIG. Details of this portion will be described with reference to FIG. The avalanche diode in the
本発明に用いる高電圧発光ダイオードを図4に示す。図4−aは素子の平面図である。81は高電圧駆動発光ダイオードであり、20個の光マイクロセルが直列に接続され形成されている様子を示している(特許文献1参照)。個々の光マイクロセルが一つの発光素子であり駆動電圧がこの事例では4.5ボルトである。この事例では4列×5行に分離された光マイクロセルから構成されており、それらが直列接続されて一つの発光素子を構成している様子を示し、81はP型端子、82はN型端子を示している。この高電圧駆動発光ダイオードの駆動電圧Vdは発光素子20個の直列であり90ボルトである。駆動電流は一つの光マイクロセルの発光素子を駆動する電流値である。同じ輝度を得るのに従来の発光ダイオードに対して1/20と小さくすることができる。図4−bにおいて、83はその等価回路図を示す。A high voltage light emitting diode used in the present invention is shown in FIG. FIG. 4-a is a plan view of the element. Reference numeral 81 denotes a high voltage drive light emitting diode, which shows a state in which 20 optical microcells are connected in series (see Patent Document 1). Each light microcell is a light emitting element, and the drive voltage is 4.5 volts in this case. In this example, it is composed of optical microcells separated into 4 columns × 5 rows, and shows a state in which they are connected in series to constitute one light emitting element, 81 is a P-type terminal, and 82 is an N-type. Terminals are shown. The driving voltage Vd of the high voltage driving light emitting diode is 20 volts in series with 20 light emitting elements. The drive current is a current value for driving the light emitting element of one optical microcell. In order to obtain the same luminance, the conventional light emitting diode can be reduced to 1/20. In FIG. 4-b, 83 shows the equivalent circuit diagram.
図4−cにおいてパッケージに実装した発光ダイオードの断面図を示す。84はサファイアを基板とする発光ダイオードであり、85、86は光マイクロセル発光素子の簡易断面図の模式図である。発光素子はGaAlN系の半導体であり87が発光素子部の発光活性層である。この図では二つの素子85,86がサファイア基板上で分離されている様子を示しているが、実際には図4−aのように4列×5行のマトリックス上に素子が分離され配置されている(特許文献1参照)。個々の素子はこのサファイア基板上で相互に直列接続となるように配線がなされて回路図では81,82がフリップチップバンプ電極88、89を通じて取り出されてそれが、パッケージ基板90の導体電極91、92としてパッケージ外部に取り出されている。これがパッケージの側壁93とキャップ94により封止されている。発光部からの光はサファイア基板を通って蛍光体95に照射され、波長の長い光となって集光方向96の方向へ集められる。このパッケージを用いた事例では発光効率を良くするためにサファイア基板上に発光素子を形成して素子裏面から発光して、素子表面から電極を取り出し、フリップチップ電極技術により実装する構成としている(特許文献1参照)。この構成により熱抵抗を小さくしている。この事例では熱抵抗は5℃/ワットと小さい。照明用の発光ダイオードにおいては効率が良いといえども数ワットの発熱がするので熱抵抗の低いパッケージと実装技術が必要であり、この事例はその目的にあった実装方法をとっている。FIG. 4C shows a cross-sectional view of the light emitting diode mounted on the package.
この構成の高電圧駆動発光ダイオードによれば4.5ワットの発光ダイオードの場合、通常の駆動電圧の4.5ボルトの発光ダイオードを用いる場合には1アンペアの駆動電流が必要であるが、本発明の事例の20段直列接続した高電圧駆動発光ダイオードでは駆動電圧Vdは90ボルトであり、駆動電流は1/20の50ミリアンペアと少ないのが特徴である。According to the high voltage driving light emitting diode of this configuration, in the case of a 4.5 watt light emitting diode, a driving current of 1 ampere is required when using a 4.5 volt light emitting diode with a normal driving voltage. The high voltage drive light-emitting diodes connected in series in 20 stages according to the invention are characterized in that the drive voltage Vd is 90 volts and the drive current is as low as 1/20, 50 milliamperes.
図5において本発明に用いる定電流素子の構成を示す。駆動電流を小さくすることにより定電流回路の代わりに定電流素子を使うことが可能になる。図5−aにおいてはジャンクションFETの回路図を示す。負のスレッシュホールド電圧を持つFETのゲートをソースと接続することによりドレイン・ソース間に定電流が得られることは公知である。一定電流になる印加電圧Vf以上において定電流特性となる(特許文献2、非特許文献1参照)。Vfが通常1ボルト程度以下と小さい値である。図5−b図においてその電圧電流特性を示す。印加電圧が正の方向に対してはスレッショールド電圧や電子移動度、素子の大きさにより決まる。印加電圧が負の方向に対しては素子内部の寄生ダイオードのためにダイオードの順方向電流特性を示す。また、このジャンクションFETの素子サイズは図5−cに示すように0・5mm×0・5mm程度の小さなシリコン素子であり、表面からドレイン、裏面からソース・ゲートを取り出す構造が一般的であり、これが汎用のモールドパッケージに封止されている。(非特許文献1を参照)FIG. 5 shows the configuration of a constant current element used in the present invention. By reducing the drive current, a constant current element can be used instead of the constant current circuit. FIG. 5A shows a circuit diagram of the junction FET. It is known that a constant current can be obtained between the drain and the source by connecting the gate of the FET having a negative threshold voltage to the source. A constant current characteristic is obtained at an applied voltage Vf or higher which becomes a constant current (see
ジャンクションFET型定電流回路は小型汎用ダイオードのパッケージに封止されており10ミリアンペア程度の駆動能力のものが実用化されている。CRDという商品名で実用化されている(非特許文献1を参照)。しかし、照明に用いる発光ダイオードは5ワット程度必要であり、駆動電流は50ミリアンペア程度必要であり、この為に汎用パッケージ品を複数個のものを使う必要がある。またジャンクションFETの定電流値は製造工程のばらつきにより通常は10%程度のばらつきがある点と温度係数が大きいために発熱により定電流値が変化するという点の二つの問題を有する。複数個使用する時に、電流値を選別して組み合わせにより合計に公差を小さくすることができるがCRDの完成品でその選択使用することは煩雑である。The junction FET type constant current circuit is sealed in a small general-purpose diode package, and a circuit having a driving capability of about 10 milliamperes has been put into practical use. It is put into practical use under the trade name CRD (see Non-Patent Document 1). However, the light emitting diode used for illumination requires about 5 watts, and the drive current needs about 50 milliamperes. For this reason, it is necessary to use a plurality of general-purpose package products. Further, the constant current value of the junction FET has two problems, that is, the constant current value usually varies by about 10% due to the variation in the manufacturing process and the constant current value changes due to heat generation due to the large temperature coefficient. When using a plurality, the current value can be selected and combined to reduce the total tolerance, but it is complicated to select and use the CRD product.
図6においてはこの特性の悪さを改善した本発明で用いるジャンクションFETの構成を示している。図6−aにおいて、汎用のジャンクションFETを複数個並列に用いる回路図を示す。ドレイン1、ドレイン2にそれぞれ4個ずつの素子を用いる構成である。図6−bにおいて本発明で用いるパワーパッケージ100の構造を示す。101,106がドレイン1端子,103、104がドレイン2端子でありドレイン1、ドレイン2を実装時に接続して使用する構成である。102,105がソース・ゲート電極である。このパッケージは107のようにヒートシンクを持ち、熱抵抗は20℃/Wと低いパッケージである。図6−cはその透視図であり、ジャンクションFETが8素子すなわちa、b、c、d、e、f、g、hの8個素子が実装されている様子を示す。50mAを定電流で得るためには個々の素子の定電流値は6.25mAのものを使用する。108がその一つである素子hである。素子は表面にボンディングパットが形成されておりドレイン電極である。裏面がソース、ドレインの共通電極であり基板に接続されやすいように金メッキがほどこしてある。全ての素子がリードフレーム102,105にダイボンドされており全ての素子のソース・ゲートがリードフレーム102、105に各素子の基板を通じて接続されている。素子a、b、c、dのドレインがリードフレーム101、106にワイアボンドで接続されており、素子e、f、g、hのドレインがリードフレーム103、104にワイアボンドで接続されている。リードフレム101,106とリードフレーム103、104は実装基板上で接続されることによりa、b、c、d、e、f、g、hの8素子のドレインが一つに接続される。これらの素子は0.3mm×0.3mmメートル小さなシリコン素子であり、ウエーハ上から素子をダイボンドする時に個々の素子の定電流値を予め計測しておくことにより必要な合計定電流値にするように素子を組み合わせて実装することができる。この様にウエーハ上で特性がわかっている素子を組み合わせることにより、素子間では公差が10%のばらつきがあるものでも、8個の組み合わせで1%の公差のものを容易に作ることができる。使用する段階ではあたかも高精度のジャンクションFETが実現できることになる。図6−dはその等価回路図である。FIG. 6 shows the structure of a junction FET used in the present invention in which this poor characteristic is improved. 6A shows a circuit diagram in which a plurality of general-purpose junction FETs are used in parallel. In this configuration, four elements are used for each of the
図6−bのように熱抵抗の低いパッケージを用いること及びFET素子を分割することにより素子からリードフレームへの熱の伝達が分散でき、ヒートシンクへの熱抵抗が分割でき、素子の温度上昇を抑えることができる。この様に定電流素子としてマルチチップの実装方式とすることにより、公差の低減や熱抵抗の低減など、多くのメリットを創出することができる。この様にして本発明で用いるジャンクションFET型定電流素子は特性の公差が大きいという弱点と温度依存性が大きいという弱点を同時に補うものである。By using a package with a low thermal resistance as shown in FIG. 6B and dividing the FET element, the heat transfer from the element to the lead frame can be dispersed, the thermal resistance to the heat sink can be divided, and the temperature of the element can be increased. Can be suppressed. Thus, by adopting a multi-chip mounting system as a constant current element, many merits such as a reduction in tolerance and a reduction in thermal resistance can be created. Thus, the junction FET type constant current element used in the present invention simultaneously compensates for the weak point that the characteristic tolerance is large and the large temperature dependency.
本事例のように図2−b、図2−c、図3−b、図3−cで用いるジャンクションFET型定電流素子の特性は50ミリアンペアの電流駆動、30ボルト平均の電圧ドロップで1.5ワットの発熱に対して、20℃/ワットのパッケージでの温度上昇は30℃程度に抑制することができる。この程度であれば定電流の温度係数も実用上大きな問題にはならない。The characteristics of the junction FET type constant current element used in FIGS. 2B, 2C, 3B, and 3C as in this example are as follows: 50 mA current drive, 30 V average voltage drop. The temperature rise in the 20 ° C./watt package can be suppressed to about 30 ° C. for a heat generation of 5 watts. If it is this level, the temperature coefficient of a constant current will not become a big problem practically.
図7において本発明の構成による具体的な電源電圧波形・動作点の事例を示す。図7は図2の商用電源から全波小脈動整流回路の動作を形成する様子を説明する図である。図7−aは図2−bの全波整流回路A13の入力電圧信号、A波形とその逆相電圧の波形、B波形を示し、両方の波形の正電圧側の高い方の電圧、すなわち稜線電圧が全波整流回路A13の出力電圧であり、図7−cのE波形となるものである。図7−bにおいては図2−bの全波整流回路B14の入力電圧信号、すなわち位相制御回路の出力電圧、C波形とその逆相電圧、D波形を示し、両波形の正電圧側の高い方の電圧、すなわち稜線電圧が全波整流回路B14の出力電圧であり、図7−cのF波形となるものである。これらの図7−bに関係する出力は位相制御回路12により図7−aに対して90度位相が遅れている波形である。図7−cは波形合成回路の入力電圧波形すなわち、全波整流回路Aの出力、波形Eと90度位相が遅れている全波整流回路Bの出力、波形Fを示し、両波形の高い方の電圧、すなわち稜線電圧が波形合成回路の出力電圧である。図7−dにその波形、G波形を示す。この電圧波形はVmaxとVminの間で三角関数に従って脈動する。商用電源が交流の100ボルトの場合にはVmaxは141ボルトが公知の事実である。Vminは100ボルトとなる。これはVmaxを頂点とするサイン(SIN)とコサイン(COS)の出力値が一致する点から容易に計算することができる。FIG. 7 shows an example of specific power supply voltage waveforms and operating points according to the configuration of the present invention. FIG. 7 is a diagram for explaining how the operation of the full-wave small pulsation rectifier circuit is formed from the commercial power supply of FIG. FIG. 7A shows the input voltage signal of the full-wave rectifier circuit A13 of FIG. 2-B, the waveform of the A waveform and its negative phase voltage, and the B waveform. The higher voltage on the positive voltage side of both waveforms, that is, the ridge line The voltage is the output voltage of the full-wave rectifier circuit A13, which is the E waveform in FIG. 7B shows the input voltage signal of the full-wave rectifier circuit B14 of FIG. 2-B, that is, the output voltage of the phase control circuit, the C waveform and its opposite phase voltage, and the D waveform. The voltage, that is, the ridge line voltage, is the output voltage of the full-wave rectifier circuit B14, and has the F waveform in FIG. The output related to FIG. 7B is a waveform whose phase is delayed by 90 degrees with respect to FIG. FIG. 7-c shows the input voltage waveform of the waveform synthesis circuit, that is, the output of the full-wave rectifier circuit A, the output of the full-wave rectifier circuit B that is 90 degrees behind the waveform E, and the waveform F. The ridge voltage is the output voltage of the waveform synthesis circuit. FIG. 7-d shows the waveform, G waveform. This voltage waveform pulsates between Vmax and Vmin according to a trigonometric function. When the commercial power source is
この電圧波形が図2−bの25点−24点間の電圧であり定電流回路16と高電圧発光ダイオード17に印加される。また同様に図2−cの33点−31点間の電圧、図2−dの45点−35点間の電圧、図3−bの65点−64点間の電圧、図3−cの79点−76点間の高電圧発光ダイオードと定電流回路の間に印加される電圧である。この電圧を高電圧駆動発光ダイオードの駆動電圧Vd(90ボルト)と定電流素子のVf(約0.5ボルト)を加えた電圧すなわちVd+Vf以上に設定することにより安定的に発光をすることができる。This voltage waveform is a voltage between 25 and 24 in FIG. 2B and is applied to the constant
以上の電圧波形の説明は図2−aのコンデンサを用いた位相制御回路で説明したが、図2−c、図2−dのようなインダクタを用いた位相制御回路の動作も同様であり図7−dのG波形は全く同じである。コンデンサによる位相制御に代わりインダクタによる位相制御を行う場合には、図7−aに対して図7−bに相当する波形図は位相が逆に90度遅れるが、90度遅れと90度進みの差は180度であり、全波整流の波形を用いるためにその差は全くなくなる。容易に理解できることなので詳細説明は省略する。The above voltage waveforms have been described with reference to the phase control circuit using the capacitor of FIG. 2-a, but the operation of the phase control circuit using the inductor as shown in FIGS. 2-c and 2-d is similar. The 7-d G waveform is exactly the same. When phase control using an inductor is performed instead of phase control using a capacitor, the waveform diagram corresponding to FIG. 7B is 90 degrees behind the phase of FIG. 7A, but 90 degrees behind and 90 degrees ahead. The difference is 180 degrees, and since the full-wave rectification waveform is used, the difference is completely eliminated. Detailed explanation is omitted because it is easy to understand.
この様にVminが常にVd+Vfよりも大きいことにより発光ダイオードは常時点灯となる。VminがVd+Vfよりも小さい場合には発光ダイオードは商用電源の交流周波数の4倍の周波数で点灯する。これは照明の上では問題ないが電子カメラなどの駆動周期と同期してちらつきを生じて実用上不利な点が多く発生するものになる為に一般的には好ましくない。Thus, since Vmin is always larger than Vd + Vf, the light emitting diode is always lit. When Vmin is smaller than Vd + Vf, the light emitting diode is lit at a frequency four times the AC frequency of the commercial power supply. Although this is not a problem in terms of illumination, it is generally not preferable because flickering occurs in synchronization with the driving cycle of an electronic camera or the like and many disadvantages occur in practice.
図2−b、図2−c、図3−b、図3−cの事例のように定電流回路として簡素な定電流素子を用いる方式は低コスト化、小型化には最適である。しかしながら駆動電圧がVd+Vf以上では発光ダイオードを駆動するには電圧が無駄になる、すなわち、Vd+Vf以上の電圧は定電流回路で電力が消費されてしまう。この為にはVmaxとVd+Vfの間の電圧差はできるだけ小さい方が望ましく、本発明の電源回路の特徴は簡素な回路構成でありながらVmax,Vmin間の差を実質的に小さくすることができ、低コスト、小型化を目指した構成としては大きな特徴である。A method using a simple constant current element as a constant current circuit as in the case of FIGS. 2-b, 2-c, 3-b, and 3-c is optimal for cost reduction and miniaturization. However, when the drive voltage is Vd + Vf or more, the voltage is wasted to drive the light emitting diode, that is, when the voltage is Vd + Vf or more, power is consumed in the constant current circuit. For this purpose, it is desirable that the voltage difference between Vmax and Vd + Vf be as small as possible. The power supply circuit of the present invention has a simple circuit configuration and can substantially reduce the difference between Vmax and Vmin. It is a great feature for a configuration aimed at low cost and miniaturization.
一方で、発光ダイオードの照明効率を追求する用途の場合には、電源効率を少しでも良くすることが望まれる場合もある。図2−bよりは少し構成が複雑になるが、本発明の特徴である高電圧駆動発光ダイオードの使用により駆動電流を低減させて、電源回路の簡素化を図りながら、駆動電流が減少したことによる特徴を活かして簡素な構成のスイッチング電源と定電流回路を構成したのが図2−dである。On the other hand, it may be desired to improve the power supply efficiency as much as possible in the case of an application pursuing the illumination efficiency of the light emitting diode. Although the configuration is a little more complicated than in FIG. 2B, the drive current is reduced while the drive current is reduced by using the high-voltage drive light emitting diode, which is a feature of the present invention, and the power supply circuit is simplified. FIG. 2D shows a simple configuration of the switching power supply and the constant current circuit, taking advantage of the above feature.
図2−dにおいては定電流回路の駆動電圧が定電流動作に必要な最低電圧になるようにスイッチング電源を作動させる構成となっている。この事例においては、定電流の駆動電圧、49点電圧Viが1.5±0.2ボルトで動作するように設定している。Viが1.5ボルトより高いときにはMOSトランジスタ41をオフして電源供給用のMOSトランジスタ42をオフして印加電圧の供給を止める。これにより定電流は平滑コンデンサCo44の蓄積電荷により供給される。これによりVo、Viが低下して、Viが1.5ボルトより下がるときにはMOSトランジスタ41をオンして、電源供給用MOSトランジスタ42をオンして電源電圧の供給を行い、定電流の供給と平滑コンデンサCo44の充電を行うものである。これによりVo,Viが上昇してViが1.5ボルトより再び高くなるとMOSトランジスタをオフする。これが1周期となる。この周期を決める主要因が、抵抗r6とCdで決まる48点の時定数である。この事例では周期10μS、周波数100KHz、でV0が電圧振動する。電圧振幅はその周波数は定電流値とV0電圧平滑コンデンサCo44の値で決まる。このようにこの事例では振幅値0・2ボルト、周波数100kHzとしている。
V0点電圧はVd+1.5±0.2ボルトで電圧振動する。In FIG. 2D, the switching power supply is operated so that the driving voltage of the constant current circuit becomes the minimum voltage necessary for the constant current operation. In this example, a constant current drive voltage, 49-point voltage Vi, is set to operate at 1.5 ± 0.2 volts. When Vi is higher than 1.5 volts, the MOS transistor 41 is turned off and the power
The V 0 point voltage oscillates at Vd + 1.5 ± 0.2 volts.
この様に、Viは1.5ボルトを中心約0・2ボルト程度の振幅で制御されて定電流回路での熱損失を最小限に抑えることができるのである。熱損失は50ミリアンペア×1.5ボルトで75ミリワットと極めて少なく、熱損失は発光ダイオードでの消費電力と比べて無視できる。また、この様な高速のスイッチングを行えばコンデンサ44は1μF以下で良いため寿命に制限のないフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することできる。極めて効率のよいスイッチング電源回路である。In this way, Vi is controlled with an amplitude of about 0.2 volts centered on 1.5 volts, and heat loss in the constant current circuit can be minimized. The heat loss is very small at 75 milliwatts at 50 milliamperes × 1.5 volts, and the heat loss is negligible compared to the power consumption in the light emitting diode. Further, if such high-speed switching is performed, the
図2−dにおける定電流回路の動作とコンパレータ部分の補足説明を行う。定電流回路はMOSトランジスタの電流ミラー回路37とこのミラー回路を構成するMOSトランジスタの大きさの比と抵抗38の抵抗値r1により容易に作ることができる。コンパレータの電源と基準電圧46を決める電源40は簡易電源回路で5ボルトを形成している。The operation of the constant current circuit in FIG. The constant current circuit can be easily made by the
図2−dではMOSトランジスタを事例にした定電流回路とスイッチング電源を事例として示したが、汎用の回路でも構成は容易に可能である。いずれの回路構成においても駆動電流が少なくなったことにより、回路の簡素化と小型化が可能である。Although FIG. 2D shows a constant current circuit and a switching power source using MOS transistors as examples, a general-purpose circuit can be easily configured. In any circuit configuration, since the drive current is reduced, the circuit can be simplified and downsized.
図7−dに示すように交流の50Hzの場合には一周期が20ミリsecであり、出力波形はその1/4の周期、200Hzで脈動するが、発光ダイオードは安定して静的に発光する。減光が必要な場合にはこの脈動周波数より高い周波数で、なおかつ他の機器の影響を与えない高い周波数でデューティ比を変えて高電圧発光ダイオード全体を駆動することにより容易に光量を調整することができる。本技術は本発明とは直接は関係なく公知の技術なので言及はしない。As shown in FIG. 7-d, in the case of
図8において、本発明の適用事例の設計値の事例を示す。図8−aはその特性値の仕様例を示す。商用電源はAC100ボルト、電源の周波数は50Hz、発光ダイオードの印加電圧は90ボルト、発光ダイオードは4.5ボルト駆動を20段直列にして形成している。駆動定電流値は50ミリアンペア、消費電力は4.5ワットである。In FIG. 8, the example of the design value of the application example of this invention is shown. FIG. 8A shows a specification example of the characteristic value. The commercial power supply is 100 VAC, the frequency of the power supply is 50 Hz, the applied voltage of the light emitting diode is 90 volts, and the light emitting diode is formed by 20 stages of 4.5 volt drive in series. The driving constant current value is 50 milliamperes, and the power consumption is 4.5 watts.
図8−bにおいてこの条件における本発明の回路図2−bの場合の諸元を示す。発光ダイオード発熱4.5ワット、定電流素子の発熱約1ワットである。発光ダイオードパッケージの熱抵抗は5℃/Wであり素子温度は周囲温度に対して22.5℃の温度上昇と低く、定電流素子の熱抵抗は20℃/Wであり素子温度は周囲温度に対して30℃の温度上昇と低く、安定的に商用電源使用の発光システムとして利用できる。FIG. 8B shows specifications in the case of the circuit diagram 2-b of the present invention under these conditions. Light emitting diode heat generation is 4.5 watts, and constant current element heat generation is about 1 watt. The thermal resistance of the light emitting diode package is 5 ° C./W, the device temperature is as low as 22.5 ° C. with respect to the ambient temperature, the thermal resistance of the constant current device is 20 ° C./W, and the device temperature is the ambient temperature. On the other hand, the temperature rise is as low as 30 ° C., and it can be stably used as a light emitting system using a commercial power source.
スイッチング電源を用いる図2−dの場合には定電流部の熱損失は75ミリワットと極めて小さい。従って、発光ダイオード照明装置の全体としての効率を向上できる。図2−bの構成を採用するのか図2−dの構成を採用するのかはコスト、大きさ、効率に関して目的に合わせて使い分けるものである。In the case of FIG. 2D using a switching power supply, the heat loss of the constant current portion is as extremely small as 75 milliwatts. Therefore, the overall efficiency of the light emitting diode illumination device can be improved. Whether to adopt the configuration of FIG. 2-b or the configuration of FIG. 2-d depends on the purpose in terms of cost, size, and efficiency.
本事例においては商用電源として100Vを事例にしたが、それ以外の電圧の商用電源向けにも同様な構成をとることができる。例えば、200V向けには発光ダイオードの光マイクロセルの段数を20段から40段にすることにより180ボルト仕様の発光ダイオードが実現でき、これを用いることにより同様な効果を創出できる。In this case, 100 V is used as the commercial power source, but the same configuration can be adopted for commercial power sources having other voltages. For example, for 200V, a light-emitting diode of a 180 volt specification can be realized by changing the number of light-emitting diode optical microcells from 20 to 40, and a similar effect can be created by using this.
発光ダイオードの用途は省エネに向けてその用途が拡大している。本発明により、高電圧駆動の発光ダイオードを用いて、駆動回路を簡素化し小型化を実現できることは、今後、照明器具の省エネために発光ダイオードの普及を一層促すものである。特にE17口金に対応するような小型の電球の代替や照明機器のデザイン性を重視する閉空間において電球を使う用途においては低消費電力、小型かつ長寿命の発光源の実用化は極めて大きな意味を持つものである。Applications of light emitting diodes are expanding for energy saving. According to the present invention, the fact that the drive circuit can be simplified and reduced in size by using a high-voltage driven light emitting diode further promotes the popularization of the light emitting diode in order to save energy in the lighting fixture. In particular, the practical use of low-power consumption, small-sized and long-life light-emitting sources is extremely important in applications where light bulbs are used in closed spaces where importance is placed on the replacement of small-sized light bulbs that support E17 caps and the design of lighting equipment. It is what you have.
1・・・商用電源 2・・・ヒューズ 3・・・ダイオードブリッジ
4・・・スイッチング電源 5・・・電解コンデンサ 6・・・定電流回路
7・・・発光ダイオード 10・・・商用電源 11・・・ヒューズ
12・・・コンデンサによる位相制御回路
13・・・ダイオードフルブリッジ全波整流回路A
14・・・ダイオードフルブリッジ全波整流回路B 15・・・波形合成回路
16・・・定電流素子 17・・・高電圧駆動発光ダイオード
27・・・インダクタによる位相制御回路 36・・・高電圧駆動発光ダイオード
37・・・定電流回路 39・・・スイッチング電源回路
41・・・MOSトランジスタ 42・・・P型MOSトランジスタ
44・・・平滑コンデンサCo 47・・・コンパレータ 50・・・商用電源
51・・・ヒューズ 54・・・ダイオードフルブリッジA
55・・・ダイオードフルブリッジB
58・・・コンデンサと抵抗による位相制御回路 66・・・波形合成回路
67・・・定電流素子 68・・・高電圧駆動発光ダイオード
69・・・アバランシェ降伏ダイオード 70・・・ダイオードフルブリッジ
71・・・簡易位相制御回路 72・・・波形合成回路 73・・・定電流素子
74・・・高電圧駆動発光ダイオード 80・・・発光ダイオード素子の平面図
83・・・高電圧駆動発光ダイオードの回路図
84・・・高電圧駆動発光ダイオード素子
85、86・・・GaAlN発光素子 87・・・発光素子の活性層
88、89・・・フリップチップのバンプ 90・・・パッケージ基板
91、92・・・パッケージ電極 93・・・パッケージ側壁
94・・・キャップ 95・・・蛍光体 100・・・パワーパッケージ
101,106・・・ドレイン端子リードフレーム
102,105・・・ソース・ゲート端子リードフレーム
103,104・・・ドレイン端子リードフレーム 107・・・ヒートシンク
108・・・ジャンクションFET素子のh 109・・・ジャンクション素子の集合体DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
55 ... Diode full bridge B
58... Phase control circuit using capacitors and
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CN103836418A (en) * | 2014-03-07 | 2014-06-04 | 上海亚明照明有限公司 | High-light-effect and ultra-high-color-development high-voltage alternating-current warm white LED (light emitting diode) and acquisition method thereof |
CN103836418B (en) * | 2014-03-07 | 2016-06-08 | 上海亚明照明有限公司 | High-voltage alternating warm white LED and the preparation method thereof of high light efficiency superelevation colour developing |
JP2018538695A (en) * | 2015-12-07 | 2018-12-27 | レイセオン カンパニー | Laser diode driver using variable input voltage and variable diode string voltage |
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