JP2011091017A - 平衡駆動型ｌｅｄ照明回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤは過大電流、逆電圧、静電気、サージ電流、熱などに弱い上に順電圧（Ｖｆ）に個体差がありばらつきも大きいという回路設計上の制約を抱えている。
【解決手段】コンデンサと並列に多段ＬＥＤを接続したもの（以下、点灯ユニットと呼称）の前段に整流ダイオードを直列に接続した４組の回路を、一般に広く用いられている全波整流ブリッジの４辺の整流ダイオードと置換し、ブリッジ入力に商用交流電源、ブリッジ出力に定電流源を接続する。コンデンサに大容量のもの、例えば電解コンデンサを用いることで、ブリッジの２つの平衡回路が交流の半周期ごとに交互にアクティブとなるのに同期してコンデンサの充電・放電を交互に行い全ＬＥＤを常時点灯せしめる。また、コンデンサの充電完了時には、多段ＬＥＤには定電流Ｉ_０が流れ、この値がＬＥＤに流れる最大電流や各コンデンサの最大電圧を一義的に決定する。
【選択図】図３

Description

本発明は商用電源を使用するＬＥＤ照明装置に関する。

ＬＥＤ照明装置の電力効率の高効率化技術に関する。

ＬＥＤ照明装置の長寿命化技術に関する。

近年、省エネルギー商品の一つとして商用交流電源を用いたＬＥＤ照明装置が注目されている。そこで使用されているＬＥＤの半導体素子としての弱点は、以下のようである。
（１）連続最大電流や瞬間最大電流を超えると寿命が極端に短くなる。
（２）高熱で寿命が短くなる。特に大電流を流す大面積のチップでは実装での熱抵抗のチップ面内の局所的なバラツキによりヒートスポットが発生する場合があり注意を要する。
（３）順電圧（以下Ｖｆと略記）は、可視光ＬＥＤを含め赤外線〜紫外線ＬＥＤで１．４〜５．６ＶでＬＥＤチップの発色光の色の波長により決まる。
（４）Ｖｆは個体差がありバラツキが大きい。そのため、素子同士の並列接続は出来ない。
（５）逆耐圧が５Ｖ以下と小さいものもあり整流用途には使えない。
（６）一部のＬＥＤは静電気やサージ電流に極端に弱い。
以上のような素子のデリケートな性質から、一般に以下のような工夫がなされている。
（１）トランスを用い電圧を下げる。
（２）定電流ダイオードを使用する。
（３）スイッチング電源を使用する。
しかし、（１）は、高価でかつ重量や容積が大きくなるという欠点がある。また（２）は、数十ｍＡ以上の大電流型は高価でかつ発熱し、電力効率が悪いという欠点を有する。また（３）は、電力効率は良く使い易いが、高価でかつスイッチングノイズの輻射を抑える工夫が必要となる。また、回路規模が増大し実装体積が大きくなりやすいという欠点がある。
特に、いずれも電源部、制御部、発光部を持ち照明回路が大規模で高価であるという点では、まだまだ課題が大きい。
そこで、本発明は以上の課題を解決し、安価でかつ電力効率が高く長寿命なＬＥＤ照明回路を提案することを課題とする。

商用電源の両端子間にブリッジ型に多段積みのＬＥＤを接続した回路を考える。
図１はそのような例で、一つの閉ループあたり、逆電圧での破壊防止のための整流ダイオードをブリッジの２つの入力側に各１個挿入している。交流電源のホット端子、コールド端子の等価性を利用して一つの閉ループを正負対象に組む回路は、平衡回路と呼ばれるが、ブリッジ回路はそのような平衡回路をホット・コールド両端子間の双方向の電流に対応するべく２組接続したもので広く全波整流ブリッジなどに使われている。
ＬＥＤは化合物半導体のＰＮ接合で出来ており、個々のＬＥＤの電流は電圧に対し指数関数的に変化する特性を持つから、多段積みしたＬＥＤの電流もその両端電圧に対し指数関数的に変化する。ＬＥＤ単体の電流電圧特性には個体差があり、多段積みではそのばらつきが加算されるから、ＬＥＤを定格電流内で安定動作させるためには定電流駆動が望ましい。図１は、ブリッジ出力に定電流源（以下、Ｉ_０と略記）を接続し、そのような順電圧（Ｖｆ）のばらつきを許容しながら定格電流以内でＬＥＤを駆動する例である。
図２は図１の回路の動作を説明するための電圧波形である。
多段積みＬＥＤを定電流Ｉ_０で点灯させるときのブリッジ各辺の全ＬＥＤの順電圧の和をＶｆＡ、ＶｆＢ、ＶｆＣ、ＶｆＤ、整流ダイオードの順電圧をＶｆＲ、定電流源がオンする電圧をＶｔとし、商用電源のホット側をプラス、コールド側をマイナスと定義すれば、一つの閉ループに電流が流れる商用電源のある半周期では電源電圧≧ＶｆＡ＋ＶｆＢ＋２ＶｆＲ＋ＶｔのときＡ辺、Ｂ辺のＬＥＤおよび定電流源はオンし、ＶｆＡ＋ＶｆＢ＋２ＶｆＲを超える電圧は定電流源が負担する。また次の半周期は電源電圧≦−（ＶｆＣ＋ＶｆＤ＋２ＶｆＲ＋Ｖｔ）のとき同様にＣ辺、Ｄ辺のＬＥＤおよび定電流源はオンし、｜ＶｆＣ＋ＶｆＤ＋２ＶｆＲ｜を超える電圧は定電流源が負担する。このようにこの回路は、Ｖｆばらつきの大きいＬＥＤの多段積みにおいて、ブリッジの出力に定電流源を接続したことで、そのばらつきを自己整合的に定電流源両端の電圧（ダイナミックレンジ）が吸収するという利点がある。また、回路全体をブリッジに組んだことによりブリッジの各辺は最大でも７０Ｖの負担で済み（何故なら、ＶｆＡ＋ＶｆＢ＋２ＶｆＲ＋定電流源電圧＝１４１Ｖ、ＶｆＣ＋ＶｆＤ＋２ＶｆＲ＋定電流源電圧＝１４１Ｖ）、７０Ｖ以下なら定電流源の負担との兼ね合いで、ＬＥＤにかける電圧は何Ｖでも設定可能という利点もある。しかし、全ＬＥＤは、１００Ｈｚ（東日本）または１２０Ｈｚ（西日本）で半周期毎に間欠的に点滅発光するだけであり、人が点滅を感知できず常時点灯しているように見えるとしてもＬＥＤの数の割には発光効率が悪くいただけない。
図３は上記の欠点を対策し常時点灯を実現する発明装置の回路図である。また、図４は発明回路の交流電源から見た回路の動作を説明する電圧波形図である。
図１の多段ＬＥＤの個数を減らし、これに並列に大容量のコンデンサ（電解コンデンサ等）を接続し、整流ダイオードとの間で整流機能、平滑機能、そして蓄電機能を持たせ、言わば直流バッテリー的な機能を実現する。このとき、交流電源のホット端子から電流が流れる一つの閉ループとコールド端子から電流が流れるもう一つの閉ループが半周期ごとに交互にアクティブとなる。
定常状態にあるアクティブとなった一つの閉ループは以下のように動作する。
［１］定電流源のオン期間（多段ＬＥＤが商用電源よりの電流で点灯する期間）
（１）コンデンサは、整流ダイオードのオン抵抗（非線形）とコンデンサの容量値の積で決まる時定数でその両端の電圧を上昇させる。この時定数が交流電圧の正弦波の変化時間より小さければ、交流電源電圧波形に追随して電圧は上昇し、大きければ遅れて上昇する。従って、各コンデンサの放電終了電圧をＶｔｈＡ〜ＶｔｈＤとすれば、電源電圧がこの電圧以上になるとコンデンサの充電が始まり、以後、上記のように電圧は上昇する。
（２）コンデンサの両端電圧の上昇に伴い、多段ＬＥＤに流れる電流は増大し、やがてＩ_０に達すると多段ＬＥＤの両端電圧は最大となりそれ以上の電圧は定電流源にかかるから定電流源はオンし、Ｉ_０は全て交流電源から供給されるようになる。このときの多段ＬＥＤの順電圧は、ＶｆＡ、ＶｆＢ、ＶｆＣ、ＶｆＤでコンデンサの充電電圧の上限を決める。このようにコンデンサの充電電圧の最大値は、各辺に交流電源からの駆動電流Ｉ_０が流れるときの多段ＬＥＤの順電圧ＶｆＡ〜ＶｆＤに一義的に決定される。これは、本発明の重要な特徴でＬＥＤが持つ順電圧の大きなばらつきを自己整合的にうまく吸収する。
以下、このコンデンサと多段ＬＥＤの並列回路を点灯ユニットと称する。
［２］定電流源のオフ期間（多段ＬＥＤがコンデンサよりの電流で点灯する期間）
（１）アクティブとなっている閉ループの交流電源電流が流れることにより多段ＬＥＤに発生させる電圧がＶｆＡ〜ＶｆＤ以下に下がり、定電流源がオフするとそれ以降、次にそのループに順バイアスがかかる上記［１］（２）に説明した期間までの間、点灯ユニットとその外部回路との間に電流は流れない。
（２）点灯ユニットではコンデンサの放電により多段ＬＥＤは点灯する。
（３）放電によりコンデンサの電圧は徐々に下がり多段ＬＥＤは少しずつ暗くなる。
（４）次の半周期に入り点灯ユニットが所属している閉ループが非アクティブとなっている間も（２）、（３）は継続する。
（５）他の関ループにより定電流源がオンするとこの点灯ユニットの電位は、強制的に接続している定電流源の電位にバイアスされるが、点灯ユニット内ではコンデンサの放電による多段ＬＥＤの点灯は継続し、この電位の影響は受けない。
以下、［１］、［２］は繰り返し、点灯ユニットは、商用電源とコンデンサで常時点灯し、コンデンサは一周期毎に充放電を繰り返す。尚、上記説明の中でのＶｔｈＡ〜ＶｔｈＤやＶｆＡ〜ＶｆＤは、交流電源の整流・平滑化と多段ＬＥＤでの点灯による電力消費により、多段ＬＥＤの個数が異なる図３のもので図１のものとは異なる点には注意を要す。
以上により本発明のブリッジ型駆動回路は、他の回路に比し多くの利点を持つ。
（１）直流バッテリーの機能がコンデンサでごく簡単に実現でき、その両端電圧は平滑化されるので、多段ＬＥＤの両端電圧は、定電流源がゼロＶから動作するとして最大７０Ｖの２／２π倍、最大で２２．３Ｖとなる。
（２）（１）により市場価格の安い２５Ｖ耐圧の電解コンデンサが使用可能となる。
（３）コンデンサは交流電源の半周期毎に２個ずつ充電され、ゆっくり放電しＬＥＤを点灯し続ける。
（４）電力ロスを生む定電流源の導通期間は、｜電源電圧｜≧（ＶｆＡ＋ＶｆＢ＋２ＶｆＲ＋ＶｔまたはＶｆＣ＋ＶｆＤ＋２ＶｆＲ＋Ｖｔ）の期間となり自動的に必要な最小期間になるから、いわば理想的なスイッチング電源となる。
（５）（３）、（４）より、電源の電力効率は高く実質的にはＬＥＤ自身の発熱で決まる。
（６）電圧に対し、電流は対数関数関係にあり、Ｉ_０は広範囲に可変できるので、Ｉ_０と比例関係にある照度の可変範囲も広い。
（７）コンデンサの最大使用電圧はＶｆＡ〜ＶｆＤに自己整合するので耐圧設計が簡単になる。
（８）常時点灯により装置全体の発光効率が良い。
（９）多段ＬＥＤの内部構成や４つの点灯ユニットの構成は、自由に組み合わせが可能で発色光の色彩は広範囲に自由選択が可能となり演色性を高めることが出来る。
（１０）定格の連続最大電流規格に対し、Ｉ_０を十分マージンを取って決定し、後に述べる必要な種々の安全対策や保護対策を施せば装置の高信頼性化・長寿命化が実現できる。
以上のような利点を有する本発明の要諦を説明する。
ブリッジの２つの閉回路はそれぞれ半波整流に対応している。したがって、一つの閉ループから取れる電力はロスがゼロとしても最大で実効値５０Ｖ相当となる。幸い、交流電源のホット・コールド両端子は正負等価でかつ低インピーダンスで駆動能力は十分ある。したがって、この２端子で平衡回路を構成して２端子に直接、２つの整流・平滑回路を接続することが出来る。当然、２つの整流・平滑回路それぞれは実効値で２５Ｖを超える電力を消費することは無い。したがって、４辺を一括合同して全波整流後に平滑すると必要であった１００Ｖ耐圧の電解コンデンサは、２５Ｖ耐圧のコンデンサ４個に分割でき、安価なＬＥＤ駆動が実現する。
４辺それぞれで直流化し多段ＬＥＤをその負荷とするから、この部分で実効値２５Ｖのぎりぎりまで消費するよう設計する。そして、ブリッジ出力にはわずかに使いきれない余剰の交流電力をはきだすようにし、ここに定電流源を接続する。こうして、全ＬＥＤに流す電流を最大でＩ_０に制限することで、Ｖｆのばらつきを不問にして無効化し過電流に弱いＬＥＤの高信頼度設計を可能にする。定電流源にデプレッション型ＭＯＳなどゼロＶから動作するものを使い、点滅用ＬＥＤ（後述）を最終工程で追加すれば電力ロスも極限まで切り詰めることができ、実質的にＬＥＤそのものの電力効率や発光効率次第となる。
図５は、以上のブリッジ型駆動回路から一つの平衡駆動回路を抜き取った回路である。
ブリッジ型駆動回路が全波整流に対応しているのに対し、この回路は半波整流に対応しているので、ＬＥＤの発光量はブリッジ駆動型の半分になる。

電力効率、発光効率が高く長寿命のＬＥＤ照明装置が少ない部品で安価に得られる。

この装置の信頼度をさらに上げる改良は、（１）定電流源のオン・オフのタイミングで発生するスイッチングノイズ対策、（２）コンデンサへの突入電流対策、（３）放置装置に人が触れることを想定した感電防止対策などである。（１）はブリッジ出力間に小容量のコンデンサを接続したり、直列にインダクタを挿入したりして行う。また、（２）は平滑コンデンサとＬＥＤにインダクタをシリーズに接続する。
（３）は電解コンデンサに並列にブリーダー抵抗を接続し、交流電源ＯＦＦ時には電解コンデンサをゆっくり放電しその両端の電圧を低下させる。

上述の諸対策を施した回路の一実施例を図６に示す。設計センターとして平均のＶｆ＝３．６ＶのＬＥＤ６個を直列接続し、定電流Ｉ_０＝１００ｍＡ、Ｉ_０を流すときの諸量を平滑コンデンサの容量ＣをＣ＝１０００μＦとして計算し、検証してみる。
点灯ユニットの両端電圧Ｖｆｍａｘは、Ｖｆｍａｘ＝３．６×６＝２１．６Ｖ
充電時にコンデンサに蓄積される電気量をＱクーロンとすると
Ｑ＝Ｃ・Ｖｆｍａｘ＝１０００×１０^−６×２１．６＝２１．６ｍＣ（ミリクーロン）
放電により低下するコンデンサ両端の電圧：ΔＶ
商用電源の一周期は、東日本での２０ｍｓｅｃ（５０Ｈｚ）が最長なので放電期間は当然２０ｍｓｅｃより短くなるが、仮に１周期ｔ＝２０ｍｓｅｃ放電したとしてもこの期間１００ｍＡを供給し続けるのに必要な電気量ΔＱ（放電する電気量の最大値）は
ΔＱ＝Ｉ_０×ｔ＝１００×１０^−３×２０×１０^−３＝２ｍＣ（ミリクーロン）
したがって、放電によりコンデンサの両端電圧がΔＶボルト下がるとすると
ΔＶ＝ΔＱ／Ｃ＝２×１０^−３／（１０００×１０^−６）より、電圧は２Ｖ低下する。
したがって６個のＬＥＤ一個あたりは３３３ｍＶ電圧が低下しＬＥＤは少し暗くなる。
平均Ｖｆが３．６ＶのＬＥＤは青色ＬＥＤで大きなバンドギャップを持つ化合物半導体である。バンドギャップが大きいということは、絶縁体に近い性質を持つのでシリコンに比較して大きいバルク抵抗（素材としての抵抗）を示す。電流電圧特性上、この抵抗はＰＮ接合に直列に接続された形となり、ＰＮ接合本来の指数関数的特性の傾斜を穏やかにする。したがって、上記の３３３ｍＶの電圧変化でも電流の変化はさほど顕著では無く、少し暗くなるという程度と考える。
電力消費量
実際とは異なるが、ＬＥＤは全数、常時１００ｍＡを流し点灯していると近似するとＬＥＤでの消費電力は、ブリッジ各辺あたり２１．６Ｖ×１００ｍＡ＝２．１６Ｗ、４辺で８．６４Ｗとなる。
一方、定電流源がオンし一つの閉ループに商用電源からの電流が流れている期間には、整流ダイオードや定電流源でもエネルギーが消費される。点灯ユニット以外で消費される電力は全て電力ロスになるが、仮に交流の全期間１００ｍＡを流したとしても電力ロスは１００Ｖ（実効値）×１００ｍＡ−８．６４＝１．３６Ｗにしかならない。コンデンサの容量を大きくし充電に要する時間を長く取れば図４のように、実際の導通角は９０度以下にすることも十分可能である。（導通角＝９０度のときの電力ロスは０．３４Ｗ）。また、定電流源のダイナミックレンジに余裕があれば、後述の点滅型の赤色ＬＥＤを、例えば青色発光化合物半導体と黄色蛍光体で構成される白色ＬＥＤで不足とされる赤色光の追加に数段追加すれば、定電流源の電力ロスは更に小さくすることも可能である。
かくして、本実施例では定電流源による駆動点灯とコンデンサによる放電点灯が、電源周波数の２倍のサイクルで２つの閉ループで交互に繰り返えされるから、人がそれを感知することもなく、常時点灯が可能になる。

ブリッジなどの平衡回路の出力端に接続される定電流源を抵抗に置き換えることは可能である。点灯ユニット全体の順電圧のばらつきは大きく、点灯ユニットに同じ電圧をかければ個々のユニットは指数関数的に異なる電流を流す。その大きくばらつく電流を出来るだけ抑える策の一つは、平衡回路出力に抵抗を接続する策である。また、コストミニマムの策でもある。平衡回路の負荷を抵抗にすることで流れる電流が大きければ抵抗両端の電圧が増加し点灯ユニット両端の電圧を下げその電流を低減するよう負帰還がかかる。逆もまた成立するので、一つの抵抗を選択して点灯ユニットに流れる電流がどのような組み合わせでも定格内に治まるように調整出来るのであれば特に問題はない。しかし、それを逸脱する組み合わせが生じるようであれば、その組み合わせの場合には片側のループだけ寿命が短くなる可能性がある。

図７に示すように平衡回路出力に点滅するＬＥＤを挿入することも可能である。
定電流源のダイナミックレンジに余裕があれば、その余裕電圧に相当するだけＬＥＤを多段積みして接続することが出来る。このＬＥＤは該ＬＥＤ照明装置の製造の最終工程で、定電流源のダイナミックレンジを測定後、プラスアルファとして少しだけ赤色の発色光を追加したり照度を上げたりする場合に最適である。
しかし、この平衡出力に接続するＬＥＤは並列に大容量のコンデンサを接続して常時点灯させるという芸当は出来ない。何故なら、そのような接続を行えば点灯ユニット内のＬＥＤにはそのコンデンサを充電するための過大な電流が流れ、それらのＬＥＤの寿命が短くなるからである。せいぜいブリッジ出力のスイッチングノイズを吸収する小さな値のコンデンサを接続するに留め、あくまで点滅させて使用する。

産業上の利用可能性を高めるファクターの一つはコストであり、本発明の一番のメリットもそこにある。現行の商用電源を用いるＬＥＤ照明装置の回路が一般的には電源部、制御部、発光部と分けられ多数の部品を使用しているのに対し、本発明の回路は電源部にそれらを集約し、回路がシンプルである。気になる部品価格も、計算例で取り上げた２５Ｖ１０００μＦの電解コンデンサは、２００個３５００円で通販にて入手可能で、他の部品も同様であった。チップ部品も揃っておりコンパクトで実装設計の自由度も高い。また、本発明は電力効率や発光効率も高く発熱もＬＥＤ以外は少なく出来、放熱設計も容易である。
商用電源を用いたＬＥＤ照明装置が拡大発展を遂げる上で、本発明を活用する可能性は極めて高いと考える。

多段ＬＥＤのブリッジ接続 商用電源から見た図１のブリッジの電圧と定電流源の両端電圧 回路の多段ＬＥＤや整流ダイオードの順電圧、定電流源のオン電圧を適正に選べば、半周期ごとに交互に２つの閉ループに電流が流れる。多段ＬＥＤと整流用ダイオードの順電圧でクリップされ、残り電圧は定電流源にかかる。平滑しないので＋１４１ＶをＡの多段ＬＥＤ、Ｂの多段ＬＥＤ、定電流源、２つの整流用ダイオードで分圧し、−１４１ＶをＣの多段ＬＥＤ、Ｄの多段ＬＥＤ、定電流源、２つの整流用ダイオードで分圧する。 本発明の原理を説明する回路図（ブリッジ駆動型ＬＥＤ照明回路） 商用電源から見た図３の発明回路の電圧変化と定電流源の電圧 本発明の原理を説明する回路図（平衡駆動型ＬＥＤ照明回路） 素子劣化防止や人の安全を考慮した本発明回路の具体的実施例 図６の５−６端子間に接続可能な回路

符合の説明

１ スイッチングノイズ吸収用コンデンサ
２ 突入電流抑制用インダクタ
３ 電源ＯＦＦ時の放電用ブリーダー抵抗（放置時の感電防止）
４ 点灯ユニットを充電時以外フローティングにする電位分離用ダイオード
５ ブリッジ出力（＋）
６ ブリッジ出力（−）

Claims (2)

1. 平滑機能のある蓄電手段と多段接続のＬＥＤの並列回路の前段に整流手段を直列に接続する構成を含む４組の回路を、一般に広く用いられている全波整流ブリッジの４辺の整流ダイオードと置換し、ブリッジ入力間に商用交流電源、ブリッジ出力間にＬＥＤに流れる電流の制御手段が接続されていることを特徴とするブリッジ駆動型ＬＥＤ照明回路
2. 平滑機能のある蓄電手段と多段接続のＬＥＤの並列回路２組を商用交流電源のホット・コールド両端子に接続してある整流手段の後段に極性を考慮して直列に接続し、それらの並列回路の他端子間にＬＥＤに流れる電流の制御手段が接続されていることを特徴とする平衡駆動型ＬＥＤ照明回路