JP2011100837A - 自励式ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】コントロールＩＣを使用せず、低コスト化に適するとともに、電圧変動の大きな非安定化直流入力電源に適応しながら、ＬＥＤを安定かつ効率良く点灯駆動することができる自励式ＬＥＤ駆動回路を提供する。
【解決手段】互いに磁気結合された第１コイルＬ１と第２コイルＬ２を有する発振トランスＴ１と、この発振トランスによって発振回路を形成する第１トランジスタＱ１と、この第１トランジスタＱ１の制御信号入力回路に並列に介在する第２トランジスタＱ２と、第１トランジスタと共通接地ライン間に直列に介在する電流検出用抵抗Ｒ２とにより、ＬＥＤ２１への通電電流を一定電流に制御させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、１または複数の直列接続されたＬＥＤ（発光ダイオード）に一定の点灯駆動電流を通電する自励式ＬＥＤ駆動回路に関し、たとえば、マンガン電池を用いた直流電源、あるいは交流電源を全波整流して簡単に粗平滑しただけの直流電源で、ＬＥＤを安定かつ効率良く点灯させるのに適したものに関する。

近年、照明光源に利用可能な高輝度ＬＥＤが比較的低コストに提供されるようになってきた。照明光源としてのＬＥＤは電力効率が良く、照明器具の小型化にも適している。
このＬＥＤは順方向に所定の定電流を通電することにより発光駆動される。通電は、ＬＥＤを１または複数直列接続した状態で行う。ＬＥＤの順方向電圧にはバラツキがあるが、直列接続して通電駆動すれば、順方向電圧にバラツキがあっても、各ＬＥＤに均等に電流を通電させることができる。

たとえば、照明光源として多く用いられる高輝度白色ＬＥＤの順方向電圧（Ｖｆ）は約３．２Ｖほどある。このＬＥＤをたとえば２０ｍＡの定電流通電によって発光駆動するためには、少なくともその順方向電圧を上回る電圧（＞３．２Ｖ）の直流電源を用意すればよい。複数のＬＥＤを直列接続してなる多直列ＬＥＤの場合、各ＬＥＤの順方向電圧の総和を上回る電圧の直流電源を用意すればよい。

図３および図４にＬＥＤ駆動回路の典型的な方式を示す。
まず、図３に示す回路方式は、たとえば懐中電灯などのように、電池電源を用いるＬＥＤライトにおいて良く採用される回路である。この回路では、直流入力電源Ｅ１にＬＥＤ２１と定電流回路１１を直列に接続したものであって、直流入力電源Ｅ１の電圧が、各ＬＥＤ２１の順方向電圧の総和＋定電流回路１１の動作電圧よりも高ければ、その定電流回路１１によって制御される一定電流を各ＬＥＤ２１に通電して点灯駆動することができる。

この場合、直流入力電源Ｅ１には、ＬＥＤ２１を確実に点灯させるために、そのＬＥＤ２１の順方向電圧の総和＋定電流回路１１の動作電圧に対して、十分な電圧余裕を持つ電源が使用される。ＬＥＤ２１に直列接続された定電流回路１１は、ＬＥＤ２１の通電電流が一定となるように制御する。つまり、定電流回路１１には、ＬＥＤ２１の通電電流を一定にするための電圧降下が生じる。このため、直流入力電源Ｅ１の電圧余裕分はすべて、定電流回路１１での電圧降下による損失分となってしまい、電力効率が悪くなる。

次に、図４に示す回路方式は、直流入力電源Ｅ１に、チョークコイルＬ０１とＬＥＤ２１とトランジスタＱ１を直列に接続するとともに、トランジスタＱ１をパルス信号でオン・オフさせるコントロールＩＣ１２を設ける。このコントロールＩＣ１２の動作電源は直流入力電源Ｅ１から得る。

トランジスタＱ１は、コントロールＩＣ１２からのパルス信号により、周期的にオン・オフさせられる。そのオン・オフのオン期間の割合または幅（デューティ）をコントロールＩＣ１２で可変制御することにより、ＬＥＤ２１の通電電流を一定に制御することができる。

トランジスタＱ１はパルス電流を通電するが、ＬＥＤ２１にはチョークコイルＬ０１が直列に接続されるとともに容量素子Ｃ２が並列に接続されている。これにより、ＬＥＤ２１には、完全な直流電流ではないが、ある程度に直流化された電流が通電される。

なお、これに外見が類似する回路としては、たとえば特開０７−１９４４７８号公報（特許文献１）に記載の発光ダイオード駆動装置がある。

特開０７−１９４４７８号公報

たとえば図４に示した回路では、トランジスタＱ１によるＬＥＤ２１の通電電流を、コントロールＩＣ１２からのパルス信号でスイッチング制御することにより、それほど大きな損失をともなうことなく、その通電電流を一定に制御することが可能である。
しかし、この回路を安定に動作させるためには、コントロールＩＣ１２が必要であることに加えて、そのコントロールＩＣ１２に所定電圧範囲の動作電源が安定に供給される必要がある。

コントロールＩＣ１２の使用は、ＩＣ自体の部品コストに加えて、そのコントロールＩＣ１２を安定に動作させるための動作電源（安定化電源または電圧安定化回路）を用意する必要があり、このために回路が複雑化してコスト性が悪くなるという問題が生じる。
また、直流入力電源Ｅ１の電圧が大きく変動すると、コントロールＩＣ１２の安定動作が保証できなくなって、その結果、ＬＥＤ２１を安定に点灯させることができなくなる。

本発明は以上のような背景を鑑みたものであって、その目的は、コントロールＩＣを使用せず、低コスト化に適するとともに、電圧変動の大きな非安定化直流入力電源に適応しながら、ＬＥＤを安定かつ効率良く点灯駆動することができる自励式ＬＥＤ駆動回路を提供することにある。

本発明は次のような手段を提供する。
第１の手段は、非安定化直流入力電源で動作し、１または複数の直列接続されたＬＥＤに一定の点灯駆動電流を通電する自励式ＬＥＤ駆動回路であって、次の構成手段（１）〜（８）を備えることを特徴とする。

（１）互いに磁気結合された第１コイルと第２コイルを有する発振トランスと、この発振トランスによって発振回路を形成する第１トランジスタと、この第１トランジスタの制御信号入力回路に並列に介在する第２トランジスタと、第１トランジスタと共通接地ライン間に直列に介在する電流検出用抵抗を有する。
（２）直流入力電源は、ＬＥＤの順方向、発振トランスの第１コイル、第１トランジスタ、電流検出用抵抗素子、および共通接地ラインを順次流れる電流経路に接続される。
（３）第１トランジスタと発振トランスの第１コイルおよび第２コイルは、第１トランジスタを周期的にオン・オフさせる自励発振回路を形成する。
（４）ＬＥＤは、第１コイルに直列接続されるとともに、両端に電流平滑用容量素子が並列に接続されている。
（５）第１コイルとＬＥＤの直列回路部にダイオードが並列接続されて、第１コイルの誘導電流をダイオードおよびＬＥＤにそれぞれ順方向に流す電流ループが形成される。
（６）第２コイルは、その一端が容量素子を介して第１トランジスタの電流制御端子に接続されるとともに、その他端が共通接地ラインに接続されている。
（７）第２トランジスタは、上記電流検出用抵抗素子の両端に生じる電流検出電圧が電流制御端子に印加されるとともに、その電流検出電圧によって導通制御される導通端子が第１トランジスタの制御端子と共通接地ライン間に並列接続されている。
（８）第１トランジスタの電流制御端子には直流入力電源からバイアス電圧を与えるためのバイアス抵抗素子が接続されている。
第２の手段は、第１の手段において、非安定化直流入力電源は、交流電源を全波整流及び粗平滑して得られる直流電源であることを特徴とする自励式ＬＥＤ駆動回路である。

コントロールＩＣを使用せず、低コスト化に適するとともに、電圧変動の大きな非安定化直流入力電源に適応しながら、ＬＥＤを安定かつ効率良く点灯駆動することができる自励式ＬＥＤ駆動回路を提供できる。

本発明による自励式ＬＥＤ駆動回路の第１実施形態を示す回路図である。 本発明による自励式ＬＥＤ駆動回路の第２実施形態を示す回路図である。 コントローラＩＣを使用しない非自励式ＬＥＤ駆動回路の一例を示す回路図である。 コントローラＩＣを使用する非自励式ＬＥＤ駆動回路の一例を示す回路図である。

図１は、本発明による自励式ＬＥＤ駆動回路の第１実施形態を示す。
同図に示す回路は、安定化処理されていない非安定化直流入力電源Ｅ１で動作し、複数の直列接続されたＬＥＤ２１に一定の点灯駆動電流を通電する自励式ＬＥＤ駆動回路１０である。
このＬＥＤ駆動回路１０は、発振トランスＴ１、第１および第２のトランジスタＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１、容量素子Ｃ２〜Ｃ４、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４などのディスクリート部品だけで構成され、ＩＣは使用していない。

発振トランスＴ１は、互いに磁気結合された第１コイルＬ１と第２コイルＬ２を有する。第１トランジスタＱ１はＮチャネルＭＯＳＦＥＴであって、発振トランスＴ１との組み合わせによって発振回路を形成する。第２トランジスタＱ２はＮＰＮ型バイポーラトランジスタであって、第１トランジスタＱ１の制御信号入力回路すなわちゲート信号入力回路に並列に介在する。

第１トランジスタＱ１のソースと共通接地ライン間には電流検出用抵抗素子Ｒ２が直列に介在されられている。この電流検出用抵抗素子Ｒ２の両端には、第１トランジスタＱ１のソース電流Ｉｓと抵抗素子Ｒ２の抵抗値との積に相当する電圧Ｖｓ（＝Ｉｓ×Ｒ２）が生じる。つまり、電流検出用抵抗素子Ｒ２は、第１トランジスタＱ１が流す電流を電圧変換して検出する。

直流入力電源Ｅ１は、ＬＥＤ２１の順方向、発振トランスＴ１の第１コイルＬ１、第１トランジスタＱ１、電流検出用抵抗素子Ｒ２、および共通接地ラインを順次流れる電流経路に接続されている。第１トランジスタＱ１と発振トランスＴ１の第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、第１トランジスタＱ１を周期的にオン・オフさせる自励発振回路を形成する。

ＬＥＤ２１は、第１コイルＬ１に直列接続されるとともに、両端に電流平滑用容量素子Ｃ２が並列に接続されている。第１コイルＬ１とＬＥＤ２１の直列回路部にはダイオードＤ１が並列接続されて、第１コイルＬ１の誘導電流をダイオードＤ１およびＬＥＤ２１にそれぞれ順方向に流す電流ループが形成されている。

第２コイルＬ２は、その一端が容量素子Ｃ４を介して第１トランジスタＱ１のゲート（電流制御端子）に接続されるとともに、その他端が共通接地ラインに接続されている。これにより、第１トランジスタＱ１と発振コイルＴ１とによって自励発振を生じさせる正帰還ループが形成されている。

第２トランジスタＱ２は、電流検出用抵抗素子Ｒ２の両端に生じる電流検出電圧Ｖｓが抵抗素子Ｒ３を介してベース（電流制御端子）に印加されるとともに、その電流検出電圧Ｖｓによって導通制御されるコレクタ・エミッタ（導通端子）が第１トランジスタＱ１のゲートと共通接地ライン間に並列接続されている。つまり、電流検出用抵抗素子Ｒ２の両端に生じる電流検出電圧Ｖｓが、第２トランジスタＱ２のベース・エミッタ間電圧以上に上昇すると、第２トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間が導通化して、第１トランジスタＱ１のゲート電圧がバイパスされるようになる。これにより、ＬＥＤ２１への通電電流が一定電流に制御されるようになる。

第１トランジスタＱ１のゲートには直流入力電源Ｅ１からバイアス電圧を与えるためのバイアス抵抗素子Ｒ１が接続されている。このゲート・バイアス電圧により第１トランジスタＱ１は活性状態になって発振動作を行うが、この第１トランジスタＱ１のソース電流が増大すると、第２トランジスタＱ２が導通化して第１トランジスタＱ１のゲート・バイアス電圧をバイパスすることにより、第１トランジスタＱ１の電流が抑制される。つまり、第１トランジスタＱ１は、所定のソース電流を通電するようにフィードバック制御され、この制御下で発振動作を行う。

この発振動作により第１トランジスタＱ１はオン・オフを繰り返し、オン時には、直流入力電源Ｅ１からＬＥＤ２１を経て第１コイルＬ１に誘導電流（インダクタ電流）が充電され、オフ時には、第１コイルＬ１に充電された誘導電流が、ダイオードＤ１およびＬＥＤ２１の各順方向をそれぞれ流れてＬＥＤ２１に通電される。このとき、そのＬＥＤ２１への通電電流は、電流平滑用容量素子Ｃ２により粗平滑されて直流化される。

以上のように 上述した第１実施形態の自励式ＬＥＤ駆動回路１０は、コントロールＩＣを使用せず、低コスト化に適するとともに、電圧変動の大きな非安定化直流入力電源Ｅ１に適応しながら、ＬＥＤ２１を安定かつ効率良く点灯駆動することができる。

図２は、本発明による自励式ＬＥＤ駆動回路の第２実施形態を示す。
図１に示した第１実施形態との相違に着目して説明すると、図２に示す第２実施形態では、非安定化直流入力電源Ｅ１して、交流電源ＡＣを整流及び粗平滑して得られる直流電源を用いている。交流電源ＡＣは、ブリッジ整流器Ｄｂで全波整流された後、小容量の容量素子Ｃ１で簡単に粗整流され、これが非安定化直流入力電源Ｅ１として自励式ＬＥＤ駆動回路１０に供給される。

自動式ＬＥＤ駆動回路１０部分の構成および動作は、図１に示したものと同じであるが、本発明では、図２に示した回路のように、交流電源ＡＣを整流及び粗平滑して得られる非安定化直流電源Ｅ１を用いても、ＬＥＤ２１を安定かつ効率良く点灯駆動することができる。

なお、上述した実施形態では、第１トランジスタＱ１にＭＯＳＦＥＴ、第２トランジスタＱ２にバイポーラトランジスタを使用したが、たとえばＱ１，Ｑ２共にＭＯＳＦＥＴあるいはバイポーラトランジスタを用いる構成であってもよい。

１０ 自励式ＬＥＤ駆動回路
Ｅ１ 非安定化直流入力電源
ＬＥＤ２１ 発光ダイオード
Ｔ１ 発振トランス
Ｌ１ 第１コイル
Ｌ２ 第２コイル
Ｑ１ 第１トランジスタ
Ｑ２ 第２トランジスタ
Ｄ１ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４ 容量素子
Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗素子
ＡＣ 交流電源
Ｄｂ ブリッジ整流器

Claims (2)

1. 非安定化直流入力電源で動作し、１または複数の直列接続されたＬＥＤに一定の点灯駆動電流を通電する自励式ＬＥＤ駆動回路であって、
   互いに磁気結合された第１コイルと第２コイルを有する発振トランスと、この発振トランスによって発振回路を形成する第１トランジスタと、この第１トランジスタの制御信号入力回路に並列に介在する第２トランジスタと、第１トランジスタと共通接地ライン間に直列に介在する電流検出用抵抗を有し、
   直流入力電源は、ＬＥＤの順方向、発振トランスの第１コイル、第１トランジスタ、電流検出用抵抗素子、および共通接地ラインを順次流れる電流経路に接続され、
   第１トランジスタと発振トランスの第１コイルおよび第２コイルは、第１トランジスタを周期的にオン・オフさせる自励発振回路を形成し、
   ＬＥＤは、第１コイルに直列接続されるとともに、両端に電流平滑用容量素子が並列に接続され、
   第１コイルとＬＥＤの直列回路部にダイオードが並列接続されて、第１コイルの誘導電流をダイオードおよびＬＥＤにそれぞれ順方向に流す電流ループが形成され、
   第２コイルは、その一端が容量素子を介して第１トランジスタの電流制御端子に接続されるとともに、その他端が共通接地ラインに接続され、
   第２トランジスタは、上記電流検出用抵抗素子の両端に生じる電流検出電圧が電流制御端子に印加されるとともに、その電流検出電圧によって導通制御される導通端子が第１トランジスタの制御端子と共通接地ライン間に並列接続され、
   第１トランジスタの電流制御端子には直流入力電源からバイアス電圧を与えるためのバイアス抵抗素子が接続されている、
   ことを特徴とする自励式ＬＥＤ駆動回路。
2. 請求項１において、非安定化直流入力電源は、交流電源を全波整流及び粗平滑して得られる直流電源であることを特徴とする自励式ＬＥＤ駆動回路。

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