JP2011513982A - 発光ダイオードの駆動 - Google Patents

Abstract

発光ダイオード４０―４２を駆動する装置１の入力段１０は、電源３０―３２から信号を受け取り、出力段２０は、発光ダイオード４０―４２に電流を供給する。前記電流の前記平均値によって除算された前記ピーク値は、比を形成する。この駆動効率は、平滑化コンデンサ／インダクタを使用する必要性を伴うことなく、前記信号の操作によってこの比を減少する配置１１を入力段１０に設けることによって改善される。この操作は、前記信号への周波数成分の付加又は前記信号の周波数成分の振幅の調整を含み得る。この周波数成分は、前記信号の基本周波数成分の第３の、第５の及び／又は第７の調和周波数成分であっても良い。この配置１１は、前記信号の前記周波数成分に同調される必要があり得る共振タンクを有していても良い。

Description

本発明は、発光ダイオードを駆動する装置、前記装置を有するデバイス、及び発光ダイオードを駆動する方法に関する。

このような装置の例は、発光ダイオードドライバであり、このようなデバイスの例は、消費者製品及び専門製品である。

米国特許第５，４２４，６８０号は、半導体レーザ及び発光ダイオードのような、非線形光学デバイスのための、一般化された周波数依存性のある前置歪み回路を開示している。この回路は、前置フィルタ及び後置フィルタを有しており、各フィルタは、周波数依存的な様式において位相及び振幅を任意に操作する等化積分フィルタである。各フィルタは、非線形光学デバイスに更に線形的な振る舞いを与えるために特定の複素周波数依存プロファイルに従って調整される又は組み込まれる合成フィルタである。

本発明の目的は、改善された効率によって発光ダイオードを駆動する装置を提供することにある。

本発明の更なる目的は、当該装置を有するデバイスと、改善された効率によって発光ダイオードを駆動する方法とを提供することにある。

第１の見地によれば、発光ダイオードを駆動する装置であって、
− 前記発光ダイオードに電流を供給する出力段であって、前記電流は平均値及びピーク値を有し、前記平均値によって除算された前記ピーク値が比を形成する、出力段と、
− 電源から信号を受け取る入力段であって、前記信号の操作によって前記比を減少させる配置（arrangement）を有する入力段と、
を有する。

当該装置の出力段は、前記発光ダイオードに電流を供給する。この電流は、平均値及びピーク値を有する。前記平均値によって除算された前記ピーク値が、比であるように規定される。前記装置の入力段は、電源から信号を受け取る。この入力段は、前記信号の操作によって前記比を減少するための配置を有している。即ち、前記配置は、前記信号を操作することによって前記比を低下させる。前記比の減少は、例えば、前記ピーク値を減少させると共に前記平均を実質的に一定に保持することによって、実現される。即ち、前記比は、前記ピーク値を減少させると共に、前記平均値を実質的に一定に保持することによって低下される。結果として、前記発光ダイオードは、同じ平均的電流に対して、前記入力段が、（電流発光ダイオードの垂下効果のために）使用されることなく、前記電源から直接的に前記発光ダイオードを駆動するのと比較してより多くの光を生成する。このようにして、前記発光ダイオードは、例えば、（例えば、抵抗バラストを使用して、前記メインから前記発光ダイオードを駆動する場合の）基本的には正弦波の電圧又は（例えば、共振電力コンバータからの）基本的には正弦波である電流によって発光ダイオードを駆動するのと比較して、改善された効率によって駆動される。

１つの発光ダイオードを駆動する代わりに、前記装置は、２つ以上の発光ダイオードを駆動しても良い。これらの２つ以上の発光ダイオードは、直列の発光ダイオード、並列の発光ダイオード又は部分的に直列及び部分的に並列接続の発光ダイオードであっても良い。発光ダイオードは、例えば、無機発光ダイオード、有機発光ダイオード又は発光レーザダイオードであり得るが、他の発光ダイオードを除外するものではない。

前記平均値によって除算された前記ピーク値によって規定される比を使用する代わりに、又はこの比に加えて、他の比が、使用されても良く、前記他の比は、前記出力段によって供給される前記電流の平均値によって除算された平均平方根の値によって規定される。

この配置は、１つ以上のサブ配置を有しても良い。各々場合によっては１つ以上のサブ配置を有する１つ以上の更なる配置は、除外されるべきではない。

当該装置の一実施例において、前述のような段は、平滑化コンデンサ及び平滑化インダクタを有さない。平滑化コンデンサ（インダクタ）又は直流蓄積コンデンサ（インダクタ）は、前記比を低下させるための他の解決策において使用されても良い。このようなコンデンサ（インダクタ）は、比較的多くのエネルギを扱わなければならず、比較的大きい構成要素の値を必要とし、使用可能な構成要素の選択を、高価である、大きい、重い、又は寿命が制限されている構成要素に限定する。一例は、回路の整流部（直流部）にエネルギを蓄積するための平滑化コンデンサとしての電解コンデンサの使用である。このようなコンデンサ（インダクタ）は、好ましくは、例えば、これらが寿命及び信頼性の問題を導入する、及び／又はこれらが当該装置のボリューム、大きさ及び費用を増大させるという事実により、前記平均値によって除算された前記ピーク値によって規定される前記比を低下させる前記出力段内で使用されるべきではない。更に、平滑化ユニットを使用する場合、前記発光ダイオードの（速いシーケンスによって前記電源を使用可能する及び無効にすることによる）高周波調光の性能が、影響を受ける。直流蓄積ユニットが前記発光ダイオードに結合されることなく、前記発光ダイオードの電流と、従って前記発光ダイオードの輝度とは、供給されたエネルギに急速に反応することができる。このことは、速い及び正確な調光を可能にする。大きい直流蓄積ユニットが前記発光ダイオードに結合されると、前記発光ダイオード電流の遅い増大及び減衰が提供され、この結果、劣った調光性能がもたらされる。

平滑化コンデンサ（インダクタ）は、本明細書において、他のパーセンテージを除外することなく、例えば、少なくとも１％だけ、例えば、少なくとも５％だけ、又は、例えば、少なくとも１０％だけ、前記比を低下させるコンデンサ（インダクタ）であるように規定される。

前記装置の実施例によれば、前記操作は、前記信号への周波数成分の付加又は前記信号の周波数成分の振幅の調整（adaptation）を有する。この信号は、前記信号への１つ以上の周波数成分の付加又は前記信号内に既に存在する１つ以上の周波数成分の振幅の調整によって、容易に操作されることができる。付加されるべき１つ以上の周波数成分の位相は、前記信号の基本周波数成分の位相に調整されることができ、この結果、得られる信号の前記比は減少される。

前記装置の更なる実施例によれば、前記信号の前記周波数成分は、前記信号の基本周波数成分の第３の、第５の及び／又は第７の高調波周波数成分を有する。基本周波数成分は、それぞれ、例えば、５０Ｈｚ（欧州におけるメイン）、６０Ｈｚ（米国におけるメイン）、１０ｋＨｚ、又は１００ｋＨｚ若しくは１ＭＨｚ（コンバータ）であり得て、この場合、前記第３の（第５の、第７の）高調波周波数成分は、それぞれ、１５０（２５０、３５０）Ｈｚ、１８０（３００、４２０）Ｈｚ、３０（５０、７０）ｋＨｚ、３００（５００、７００）ｋＨｚ、又は３（５、７）ＭＨｚである。再び、１つ以上の前記周波数成分の位相は、前記信号の基本周波数成分の位相に調整されることができる。０°よりも大きい位相角は、例えば、前記第３の高調波周波数成分に対して有利であり得る。

前記装置の他の実施例によれば、前記信号の前記基本周波数成分の振幅によって除算された前記信号の前記第３の、第５の及び／又は第７の周波数成分の振幅は、更なる比を形成し、前記更なる比は、０％よりも大きく、かつ、１００％よりも小さい。前記更なる比は、好ましくは、５％よりも大きくかつ５０％よりも小さく、より好ましくは、１０％と４０％との間にある。

当該装置の実施例によれば、前記信号は、交流電圧である。このような交流電圧は、前記入力段及び前記出力段を経て出力電流に変換されるべきである。

当該装置の実施例によれば、前記配置は、共振タンクを有する。このような共振タンクは、制御されている又は制御されていないタンクであり得て、前記信号の前記基本周波数成分の前記第３の、第５の又は第７の高調波周波数成分のような、前記信号の周波数成分に同調される必要があり得る。

前記装置の更に他の実施例によれば、前記出力段は、接続回路、変圧回路及び／又は整流回路を有する。このような接続回路は、１つ以上のワイヤを有していても良い一方で、前記変圧回路が、１つ以上のコイル及び／又は１つ以上の変圧器を有していても良く、前記整流回路は、１つ以上のダイオード又は１つ以上のトランジスタを有していても良い。

前記装置の更なる実施例によれば、前記配置は、前記接続回路、変圧回路及び／又は整流回路の反応特性（reactive property）を使用する共振タンクを有している。

前記装置の実施例は、更に、
− 前記入力段を前記電源の電力源に接続するためのコネクタ。（このようなコネクタは、例えば、前記入力段をメイン供給源に接続するために使用されても良い。この場合、前記信号は、例えば、正弦信号であり、周波数成分は前記信号に付加されなければならない。）
を有する。

前記装置の他の実施例は、更に、
− 前記信号を生成するための前記電源の電力源に結合されるべきであるコンバータ。（このようなコンバータは、メイン供給源から又は或る種類の電池から自身の電力を得ることができる。この場合、前記信号は、交流ブロック信号であっても良く、前記信号の周波数成分の振幅は、調整されなければならない。）
を有する。

前記装置の更なる実施例において、前記コンバータは、共振モードコンバータであり、前記信号の１つ以上の周波数成分の１つ以上の位相角は、前記コンバータを共振モードに保持するように配される。

第２の見地によれば、上述に規定された装置を有すると共に、前記出力段に結合されている前記発光ダイオードを更に有するデバイスが、提供される。

第３の見地によれば、発光ダイオードを駆動する方法であって、
− 出力段において、前記発光ダイオードに電流を供給するステップであって、前記電流は、平均値及びピーク値を有し、前記平均値によって除算された前記ピーク値が比を形成する、ステップと、
− 入力段における、電源から信号を受け取るステップ、及び前記比を低下させるために前記信号を操作するステップと、
を有する。

当該デバイス及び前記方法の実施例は、前記装置の実施例に対応している。

本発明は、発光ダイオードが、２倍の入力（倍の入力電流）に対して、２倍の出力を示さない（２倍の光の出力量ではない）非線形要素であるという認識に基づいている。本発明は、（出力段における）電流の平均値によって除算されたピーク値によって規定される比は、電源から生じる信号の操作によって（入力段において）減少されるべきであるという認識にも基づいている。

このことは、改善された効率によって発光ダイオードを駆動する装置を提供する問題を解決する。このことは、前記発光ダイオードと、前記入力段及び／又は前記出力段の１つ以上の他の部分との効率が改善されるという有利な点を有する。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

装置の第１実施例を示している。 配置の実施例を示している。 装置の第２実施例を示している。 第３の高調波の影響を示している。

図１は、入力段１０及び出力段２０を有する装置１の第１実施例を示している。この入力段１０は、配置１１と更なる配置１２との並列回路を有している。この並列回路の一方の側は、電力源３０（例えば、５０Ｈｚの電源）の第１の端子に結合されており、この並列回路の他方の側は、出力段２０の整流回路２１の第１の入力に結合されている。整流回路２１の第２の入力は、電力源３０の第２の端子に結合されている。整流回路２１の第１の出力は、発光ダイオード４０の陽極に結合されており、整流回路２１の第２の出力は、発光ダイオード４０の陰極に結合されている。この整流回路２１は、例えば、整流器ブリッジ内の４つのダイオードを有している。

図２は、インダクタ５１及びコンデンサ５２の直列回路の形態において共振タンクを有する配置１１の実施例を示している。少なくとも部分的に並列である回路のような、前記直列回路以外の配置、共振タンク及び回路は、除外されるべきではない。

図１に示されるこの装置１は、発光ダイオード４０を駆動する。この出力段２０は、発光ダイオード４０に電流を供給する。この電流は、平均値及びピーク値を有する。前記平均値によって除算された前記ピーク値は、比を形成する。この入力段１０は、電力源３０、交流電圧又はＡＣ電圧（例えば、５０Ｈｚの電圧信号）から信号を受け取る。この配置１１は、前記信号の操作によって前記比を低下させる。

この操作とは、例えば、前記信号の周波数成分の付加、又は、例えば、前記信号の周波数成分の振幅の調整を含む。前記信号のこの周波数成分は、例えば、当該信号の基本周波数成分の第３の、第５の又は第７の高調波周波数成分を有する。交流電圧（例えば、５０Ｈｚの電圧信号）の場合、従って、前記基本周波数成分は、５０Ｈｚの成分であり、前記第３の、第５の又は第７の高調波周波数成分は、１５０Ｈｚ、２５０Ｈｚ又は３５０Ｈｚの成分である。前記信号の前記基本周波数成分の振幅によって除算された前記信号の第３の、第５の又は第７の周波数成分の振幅は、更なる比を形成する。この更なる比は、例えば、０％よりも大きく、かつ、１００％よりも小さく、好ましくは、５％と５０％との間にあり、更に好ましくは、１０％と４０％との間にある。

電力源３０が、正弦形状を有する５０Ｈｚの電圧信号を供給する供給源である場合、配置１１の前記共振タンクは、この５０Ｈｚの電圧信号の前記第３の（１５０Ｈｚ）、第５の（２５０Ｈｚ）又は第７の（３５０Ｈｚ）高調波周波数成分に同調されるべきである。この場合、更なる配置１２は、例えば、抵抗器を有し得る。この更なる比は、配置１１及び１２の構成要素の寸法に依存する。

図３は、入力段１０及び出力段２０を有する装置１の第２実施例を示している。この入力段１０は、コンバータ３２に結合されている配置１１及び更なる配置１２の並列回路を有する。このコンバータ３２の第１の入力は、（車の）バッテリのような、電力源３１の第１の端子に結合されており、このコンバータ３２の第２の入力は、電力源３１の第２の端子に結合されている。前記並列回路の一方の側は、コンバータ３２の第１の出力に結合され、前記並列回路の他方の側は、出力段２０の変圧回路２２の第１の入力に結合されている。変圧回路２２の第２の入力は、コンバータ３２の第２の出力に結合されている。変圧回路２２の第１の出力は、発光ダイオード４１の陽極と発光ダイオード４２の陰極とに結合されており、変圧回路２２の第２の出力は、発光ダイオード４１の陰極と発光ダイオード４２の陽極とに結合されている。この変圧回路２２は、例えば、１つ以上のコイル及び／又は１つ以上の変圧器を有する。

特に、変圧回路２２の反応の振る舞い、特に、一般的に如何なる種類の回路の反応の振る舞いも、前記共振タンクの一部として使用されることができる。例えば、変圧器の浮遊インダクタンスは、前記共振タンクの一部を実現するのに使用されることができる。

図３に示されているこの装置１は、発光ダイオード４１及び４２を駆動する。この出力段２０は、発光ダイオード４１及び４２に電流を供給する。この電流は、平均値及びピーク値を有する。前記平均値によって除算された前記ピーク値は、比を形成する。この入力段１０は、電源３１、３２から信号を受け取る。この電力源３１は、例えば、直流電圧を供給し、コンバータ３２は、これを、例えば、１００ｋＨｚの交流ブロック信号に変換する。この配置１１は、前記交流ブロック信号の操作によって、前記比を低下させる。

この操作とは、例えば、前記信号への周波数成分の付加、又は、例えば、前記信号の周波数成分の振幅の調整を含む。前記信号のこの周波数成分は、例えば、前記信号の基本周波数成分の第３の、第５の又は第７の高調波周波数成分を有する。従って、１００ｋＨｚのブロック信号のような、交流ブロック信号の場合、前記基本周波数成分は、１００ｋＨｚの成分であり、前記第３の、第５の又は第７の高調波周波数成分は３００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ又は７００ｋＨｚの成分である。前記信号の前記基本周波数成分の振幅によって除算された前記信号の前記第３の、第５の又は第７の周波数成分の振幅は、更なる比を形成する。この更なる比は、例えば、０％よりも大きく、かつ、１００％よりも小さく、好ましくは５％と５０％との間に、より好ましくは１０％と４０％との間にある。

電源３１、３２が、ブロック形状を有する１００ｋＨｚの信号を供給する供給源である場合、配置１１の前記共振タンクは、この１００ｋＨｚのブロック信号の前記第３の（３００ｋＨｚ）、第５（５００ｋＨｚ）の又は第７の（７００ｋＨｚ）の高調波周波数成分に同調される。この場合、更なる配置１２は、例えば、配置１１の一つと類似であるが基本周波数成分（１００ｋＨｚ）に同調される他の共振タンクを有していても良い。この更なる比は、配置１１及び１２の構成要素の寸法に依存する。

このようにして、前記信号の操作によって前記比を低下させることが可能になった。前記比の減少は、例えば、前記ピーク値を減少させると共に、前記平均値を実質的に一定に保つことによって実現される。結果として、前記発光ダイオードは、改善された効率によって駆動される。更に、前記入力段及び／又は前記出力段の１つ以上の他の部分の効率が、同様に改善される一方で、平滑化／直流蓄積コンデンサ及び平滑化／直流蓄積インダクタは、使用されない。

図１において、例えば、発光ダイオードが、図３に示されているように逆並列の構成において配される場合、整流回路２１の代わりに接続回路が使用されても良い。図１において、変圧回路が、整流回路２１に加えて導入されても良い。図３において、変圧回路２２の代わりに接続回路が、使用されても良い。図３において、例えば、１つの発光ダイオードのみが設けられている場合、又は単一方向接続における発光ダイオードの直列及び／又は並列のストリングが設けられている場合等、整流回路が付加される必要があり得る。

更なる変圧器が装置１において使用されていない場合、変圧器が、電力源３０又は３１と入力段１０との間に設けられても良い。変圧器が装置１の他の場所において既に使用される場合、更なる変圧器が、電力源３０又は３１と入力段１０との間に設けられることができる。この入力段１０は、第一段であり、最小限の状況において、ピークを、発光ダイオードに供給される電流の平均的な比まで減少するように電源からの信号を操作する配置１１を有する。出力段２０は、第二段であり、最小限の状況において、前記発光ダイオードに前記電流を供給するための配線を有する。中間段のような、更なる段は、除外されるべきではない。

図４は、特定の種類の発光ダイオードについての（Ｉ）システムの効率（ｌｍ／Ｗ）、（ＩＩ）発光ダイオードの効率（ｌｍ／Ｗ）、（ＩＩＩ）（複数の）発光ダイオードによって生成される全光束（／ｌｍ）及び（ＩＶ）ドライバ効率に関して、第３の高調波の影響を示しており、全ては、前記出力段によって供給される５０Ｈｚの基本周波数成分の振幅によって除算された１５０Ｈｚの成分の振幅によって形成される比のパーセンテージ（＝前記更なる比）の関数として示されている。この特定の種類の発光ダイオードの場合、最適な値は、明らかに２０％周辺にある。

更に、この特定の種類の発光ダイオードに関して、この電流の平均値で除算された前記出力段によって供給される電流のピーク値によって規定される比は、容易に約１３％だけ減少されることができ、この電流の平均値で除算された前記出力段によって供給される電流の平均平方根値によって規定される比は、約５％だけ容易に減少されることができる。同じことは、各発光ダイオードを流れる電流と、前記電源によって供給される電流とに関しても当てはまる。このことは、図３に示されている回路と組み合わされた場合に特別に興味のあることである。ここで、共振コンバータとして動作するコンバータが、使用される。このことは、結果的に、例えば、前記コンバータ内のスイッチが切り替わらなければならない場合に実質的にゼロである前記コンバータの出力電流をもたらす。このことは、スイッチング損失を低減させる。このスイッチのこのような無負荷（unloading）は、当該提案される回路に依然として存在する。このコンバータは、依然として効率的な共振モードにおいて動作可能であり、更に、前記コンバータの出力電流のピーク値は、減少され、この結果、前記コンバータの更に良好な効率をもたらす。

要約すると、発光ダイオード４０―４２を駆動する装置１の入力段１０は、電源３０―３２からの信号を受け取り、出力段２０は、発光ダイオード４０―４２に電流を供給する。前記電流の前記平均値によって除算された前記ピーク値は、比を形成する。この駆動効率は、如何なる平滑化コンデンサ／インダクタの使用を必要とすることもなく、前記信号の操作によってこの比を減少させる配置１１を入力段１０に設けることによって改善される。この操作は、前記信号への周波数成分の付加又は前記信号の周波数成分の振幅の調整を有しても良い。この周波数成分は、前記信号の基本周波数成分の第３の、第５の及び／又は第７の高調波周波数成分であっても良い。この配置１１は、前記信号の前記周波数成分に同調されることを必要があり得る共振タンクを有していても良い。

本発明は、添付図面及び上述の記載において詳細に説明及び記載されたが、これらの図面及び記載は、例示的なもの又は例としてみなされるべきであり、限定的なものではなく、本発明は、開示されている実施例に限定されるものではない。例えば、本発明は、開示されている異なる実施例の異なる部分が、新しい実施例に組み合わされる実施例において実施されることもできる。

開示されている実施例に対する他の変形は、添付図面、本明細書及び添付請求項の熟慮により、添付請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、行われることができる。添付請求項において、「有する」なる動詞及びこの活用形の使用は、他の要素又はステップを除外するものではなく、単数形の構成要素は、複数の構成要素を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、添付請求項に列挙されている幾つかの項目の機能を実現しても良い。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又は他のハードウェアの一部として提供される光学記憶装置媒体又はソリッドステート媒体のような、適切な媒体において記憶される／配布されても良いが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するような、他の形態において配布されても良い。前記請求項における符号は、前記請求項の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

Claims (15)

1. 発光ダイオードを駆動する装置であって、
   − 前記発光ダイオードに電流を供給する出力段であって、前記電流は、平均値及びピーク値を有しており、前記平均値によって除算された前記ピーク値が比を形成する、出力段と、
   − 電源からの信号を受け取る入力段であって、前記信号の操作によって前記比を減少させる配置を有する入力段と、
   を有する装置。
2. 前記入力段及び前記出力段が、平滑化コンデンサ及び平滑化インダクタを有していない、請求項１に記載の装置。
3. 前記操作が、前記信号に対する周波数成分の付加又は前記信号の周波数成分の振幅の調整を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記信号の前記周波数成分は、前記信号の基本周波数成分の第３の、第５の及び／又は第７の高調波周波数成分を有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記信号の基本周波数成分の振幅によって除算された前記信号の前記第３の、第５の又は第７の周波数成分の振幅が、０％よりも大きく、かつ、１００％よりも小さい更なる比を形成する、請求項４に記載の装置。
6. 前記更なる比が、５％より大きく、かつ、５０％よりも小さい、請求項５に記載の装置。
7. 前記信号が交流電圧である、請求項１に記載の装置。
8. 前記配置が共振タンクを有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記出力段は、接続回路、変圧回路及び／又は整流回路を有する、請求項１に記載の装置。
10. 前記配置は、前記接続回路、変圧回路及び／又は整流回路の反応特性を使用する共振タンクを有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記入力段を前記電源の電力源に接続するためのコネクタを更に有する請求項１に記載の装置。
12. 前記信号を生成する前記電源の電力源に結合されているコンバータを更に有する請求項１に記載の装置。
13. 前記コンバータは、共振モードコンバータであり、前記信号の１つ以上の周波数成分の１つ以上の位相角は、前記コンバータを共振モードに保持するように配される、請求項１２に記載の装置。
14. 請求項１に記載の装置を有するデバイスであって、前記出力段に結合されている前記発光ダイオードを更に有するデバイス。
15. 発光ダイオードを駆動する方法であって、
    − 出力段において、前記発光ダイオードに電流を供給するステップであって、前記電流は、平均値及びピーク値を有し、前記平均値によって除算された前記ピーク値が比を形成する、ステップと、
    − 入力段における、電源から信号を受け取るステップ、及び前記比を減少させるように前記信号を操作するステップと、
    を有する方法。

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