JP2012169195A - Ｌｅｄ調光用点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調光回路に直列接続された複数個のＬＥＤチップについて、個々のＬＥＤチップの順方向しきい値電圧のバラツキに伴う発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上させることが可能なＬＥＤ調光用点灯装置を低コストに提供する。
【解決手段】ＬＥＤ調光用点灯装置１０は、調光回路１１と、調光回路１１に複数個のＬＥＤチップＤが直列接続されたＬＥＤモジュール回路１３と、調光回路１１の出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｔ未満の場合には、調光回路１１からＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流をバイパスさせ、ＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流をＬＥＤチップＤが発光する電流値Ｉmin未満にするバイパス回路１２とを備える。所定電圧Ｖｔは、ＬＥＤモジュール回路１３の中で順方向しきい値電圧が最大（Ｖmax）のＬＥＤチップＤが発光する電圧である。
【選択図】 図１

Description

本発明はＬＥＤ調光用点灯装置（ＬＥＤ調光システム）に関するものである。

照明器具では、直列接続された複数個のＬＥＤチップをアレイ状に配列することにより、所定の全光束および発光面積が得られるようしている。
特許文献１には、トライアックを用いた位相制御式調光器に接続されたＬＥＤチップに発生するチラツキや点滅を低減するために、トライアックのオン動作に伴って発生するパルス電流をバイパスさせてＬＥＤチップに流さないようにするためのバイパス回路を設けた技術が開示されている。

特開２０１０−２１２２６７号公報

調光機能を備える照明器具では、特に、低照度・低電流域で使用する場合に、直列接続された個々のＬＥＤチップの順方向しきい値電圧のバラツキにより、複数個のＬＥＤチップの中に発光（点灯）するものと未発光（消灯）のものとが混在する状態になるため、そのアンバランスな照明状態を見たユーザーは不自然に感じることから、照明品質が低下するという問題がある。
そこで、従来は、個々のＬＥＤチップの順方向しきい値電圧を予め測定してランク分けしておき、直列接続するＬＥＤチップにはランク毎に選別したものを使用していた。

しかし、ＬＥＤチップの発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上させるには、ＬＥＤチップのランク分けを細分化する必要があり、ＬＥＤチップの歩留まりが低下して製造コストが高くなるという新たな問題が生じていた。
ところで、前記問題は、特許文献１には一切開示されておらず示唆すらもされていないものであり、特許文献１の技術では全く解決できない。

本発明は前記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、調光回路に直列接続された複数個のＬＥＤチップについて、個々のＬＥＤチップの順方向しきい値電圧のバラツキに伴う発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上させることが可能なＬＥＤ調光用点灯装置を低コストに提供することにある。

本発明者は前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。

＜第１の局面＞
第１の局面は、調光回路と、前記調光回路に複数個のＬＥＤチップが直列接続されたＬＥＤモジュール回路と、前記調光回路の出力電圧が所定電圧未満の場合には、前記調光回路から前記ＬＥＤモジュール回路に流れる電流をバイパスさせ、前記ＬＥＤモジュール回路に流れる電流を前記ＬＥＤチップが発光する電流値未満にするバイパス回路とを備えたＬＥＤ調光用点灯装置であって、前記所定電圧は、前記ＬＥＤモジュール回路の中で順方向しきい値電圧が最大のＬＥＤチップが発光する電圧である。

バイパス回路は、調光回路の出力電圧が、順方向しきい値電圧が最大のＬＥＤチップが発光する所定電圧（ＬＥＤモジュール回路を構成する全てのＬＥＤチップが発光する電圧）未満の場合には、調光回路からＬＥＤモジュール回路に流れる電流をバイパスさせ、ＬＥＤモジュール回路に流れる電流をＬＥＤチップが発光する電流値未満にすることにより、全てのＬＥＤチップＤを未発光にさせる。
そして、バイパス回路は、調光回路の出力電圧が所定電圧以上の場合には、調光回路からＬＥＤモジュール回路に流れる電流からバイパス電流を差し引いた電流をＬＥＤモジュール回路に流し、ＬＥＤモジュール回路に流れる電流をＬＥＤチップが発光する電流値以上にすることにより、全てのＬＥＤチップを発光させる。

その結果、バイパス回路を設けることにより、ＬＥＤモジュール回路を構成するＬＥＤチップに発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上できる。
そして、バイパス回路を設ければ、順方向しきい値電圧に基づいてＬＥＤチップのランク分けを細分化する必要がなくなるため、ＬＥＤチップの歩留まりを高くして製造コストを低減できる。

＜第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、前記バイパス回路は、前記バイパスさせる電流を制御する電流制御素子と、前記電流制御素子の制御端子の電圧を設定して前記電流制御素子に流れる電流を調整するための可変抵抗とを備える。
そのため、ＬＥＤチップの発光・未発光の状態を目視確認しながら可変抵抗の可動端子を調整するだけの簡単な操作により、所定電圧を最適な電圧値に容易に設定できる。

＜第３の局面＞
第３の局面は、第２の局面において、前記可変抵抗の固定端子間を一定電圧以下に設定する電圧設定手段を備える。
そのため、可変抵抗による電流制御素子のバイパス電流の設定が容易になり、所定電圧の設定も容易になる。

＜第４の局面＞
第４の局面は、第１〜第３の局面において、前記ＬＥＤモジュール回路および前記バイパス回路が複数組備えられ、それら複数組の前記回路が前記調光回路に並列接続される。
そのため、複数組のＬＥＤモジュール回路およびバイパス回路毎に、所定電圧を最適化することにより、調光回路に並列接続された全てのＬＥＤモジュール回路についてＬＥＤチップの発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上できる。

本発明を具体化した第１実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置１０の回路図。 ＬＥＤモジュール回路１３を構成する複数個のＬＥＤチップＤのうち、順方向しきい値電圧が最小（Ｖmin）のＬＥＤチップ（図示「Ｄmin」）と、最大（Ｖmax）のＬＥＤチップ（図示「Ｄmax」）について、順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの関係を示す特性図。 本発明を具体化した第２実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置２０の回路図。 本発明を具体化した第３実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置３０の回路図。

以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実施形態において、同一の構成部材については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略してある。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、第１実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置１０は、調光回路１１、バイパス回路１２、ＬＥＤモジュール回路（発光部）１３から構成されている。
調光回路１１は、交流電源１、位相制御式調光器２、ダイオードブリッジＤＢ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３から構成されている。

位相制御式調光器２は、半固定抵抗Rvar１、コンデンサＣ１，Ｃ２、トライアックTri１、ダイアックDi１、インダクタＬ１から構成されており、半固定抵抗Rvar１を任意の抵抗値に設定することにより、その抵抗値に応じた電源位相角でトライアックTri１をオンさせ、コンデンサＣ１とインダクタＬ１による雑音防止回路により位相制御式調光器２から電源ラインに帰還する端子雑音を低減する。
そして、調光回路１１では、交流電源１から供給された交流電圧が、半固定抵抗Rvar１の抵抗値に応じた直流電圧（出力電圧Ｖｏ）に変換されてダイオードブリッジＤＢ１の出力端子（調光回路１１の出力端子）１１ａ，１１ｂ間から出力される。
尚、位相制御式調光器２とダイオードブリッジＤＢ１の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３が接続されており、ＬＥＤモジュール回路１３の各ＬＥＤチップＤに流す順方向電流ＩｆをＤＣ／ＤＣコンバータ３によって安定化している。
ちなみに、調光回路１１は、前記特許文献１（特開２０１０−２１２２６７号公報）に開示された一般的なものであるため、その動作についての説明は省略する。

バイパス回路１２は、ＮＰＮトランジスタＱ１、バイアス用抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３、ツェナーダイオードＺＤ１、可変抵抗ＶＲ１から構成されている。
調光回路１１の出力端子１１ａ，１１ｂ間には、直列接続された抵抗Ｒ１および可変抵抗ＶＲ１と、直列接続されたトランジスタＱ１および抵抗Ｒ２，Ｒ３とが並列接続されている。
可変抵抗ＶＲ１にはツェナーダイオードＺＤ１が逆方向に並列接続されている。
可変抵抗ＶＲ１の可動端子は、トランジスタＱ１のベースに接続されている。
ＬＥＤモジュール回路１３は、直列接続された複数個のＬＥＤチップＤから構成されており、調光回路１１の出力端子１１ａ，１１ｂ間にてバイパス回路１２に並列接続されている。

ここで、抵抗Ｒ３の両端間電圧（トランジスタＱ１のエミッタ電圧）を「Ｖｓ」、トランジスタＱ１のコレクタ電流を「Ｉｂ」、抵抗Ｒ３の抵抗値を「Ｒ３」、可変抵抗ＶＲ１の可動端子の電圧（トランジスタＱ１のベース電圧）を「Ｖref」、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧（降伏電圧）を「Ｖｚ」、可変抵抗ＶＲ１における低電位側の抵抗値比を「VR1(Ratio)」、トランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧を「ＶBE」とそれぞれ表記すると、数式１および数式２が成り立つ。

Ｖｓ＝Ｉｂ×Ｒ３ ………（数式１）

Ｖref＝Ｖｚ×VR1(Ratio)＝Ｖｓ＋ＶBE ………（数式２）

数式１より数式３が得られ、数式２より数式４が得られるため、数式３および数式４より数式５が得られる。

Ｉｂ＝Ｖｓ／Ｒ３ ………（数式３）

Ｖｓ＝Ｖｚ×VR1(Ratio)−ＶBE ………（数式４）

Ｉｂ＝｛（Ｖｚ×VR1(Ratio)−ＶBE｝／Ｒ３ ………（数式５）

従って、数式５に示すように、バイパス回路１２によれば、トランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｂを、可変抵抗ＶＲ１の可動端子の可動量に対応した抵抗値比VR1(Ratio)に基づいた所望の電流値に設定することができる。

図２は、ＬＥＤモジュール回路１３を構成する複数個のＬＥＤチップＤのうち、順方向しきい値電圧が最小（Ｖmin）のＬＥＤチップ（図示「Ｄmin」）と、最大（Ｖmax）のＬＥＤチップ（図示「Ｄmax」）について、順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの関係を示す特性図である。
単体のＬＥＤチップＤminは、順方向電圧Ｖｆが順方向しきい値電圧Ｖmin以上のときに順方向電流Ｉminが流れて発光し、順方向電圧ＶｆがＶmaxのときには順方向電流Ｉmaxが流れて発光を続ける。
単体のＬＥＤチップＤmaxは、順方向電圧Ｖｆが順方向しきい値電圧Ｖmax以上のときに順方向電流Ｉminが流れて発光する。

そのため、バイパス回路１２を設けない場合、調光回路１１の半固定抵抗Rvar１の抵抗値を調整して出力端子１１ａ，１１ｂ間の出力電圧Ｖｏを徐々に高くする際には、ＬＥＤチップＤminの両端子間電圧がＶmin以上になったタイミングで、ＬＥＤチップＤminが発光するのに対して、ＬＥＤチップＤmaxは未発光のままとなる。
また、バイパス回路１２を設けない場合、調光回路１１の出力電圧Ｖｏを徐々に低くする際には、ＬＥＤチップＤmaxの両端子間電圧がＶmax未満になったタイミングで、ＬＥＤチップＤmaxが未発光になるのに対して、ＬＥＤチップＤminは発光したままとなる。
従って、バイパス回路１２を設けない場合には、ＬＥＤモジュール回路１３を構成するＬＥＤチップＤに発光・未発光の混在状態が発生して照明品質が低下する。

そこで、バイパス回路１２におけるトランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｂを、電流Ｉmax，Ｉminの差電流Ｉmax−Ｉminに設定する（Ｉｂ＝Ｉmax−Ｉmin）。
このようにすれば、調光回路１１の出力電圧Ｖｏが、順方向しきい値電圧が最大（Ｖmax）のＬＥＤチップＤmaxが発光する所定電圧Ｖｔ未満の場合には、ＬＥＤチップＤに流れる電流がＩmin未満になるため、全てのＬＥＤチップＤが未発光の状態になる。
そして、調光回路１１の出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｔ以上の場合には、ＬＥＤチップＤに流れる電流がＩmin以上になるため、全てのＬＥＤチップＤが発光した状態になる。
ここで、所定電圧Ｖｔは、ＬＥＤモジュール回路１３を構成する全てのＬＥＤチップＤが発光する電圧であり、ＬＥＤモジュール回路１３全体の順方向しきい値電圧といえる。

すると、調光回路１１の出力電圧Ｖｏを徐々に高くする際に、ＬＥＤチップＤminの両端子間電圧がＶmin以上になったタイミングでは、ＬＥＤチップＤminを含めた全てのＬＥＤチップＤが未発光のままであり、ＬＥＤチップＤmaxの両端子間電圧がＶmax以上になったタイミングで、全てのＬＥＤチップＤが同時に発光する。
また、調光回路１１の出力電圧Ｖｏを徐々に低くする際に、ＬＥＤチップＤmaxの両端子間電圧がＶmax未満になったタイミングで、ＬＥＤチップＤminを含めた全てのＬＥＤチップＤが同時に未発光になる。

このように、バイパス回路１２は、調光回路１１の出力電圧Ｖｏが、順方向しきい値電圧Ｖが最大（Ｖmax）のＬＥＤチップＤmaxが発光する所定電圧（ＬＥＤモジュール回路１３を構成する全てのＬＥＤチップＤが発光する所定電圧）Ｖｔ未満の場合には、調光回路１１からＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流をトランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｂとしてバイパスさせ、ＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流をＩmin未満にすることにより、全てのＬＥＤチップＤを未発光にさせる。
そして、バイパス回路１２は、調光回路１１の出力電圧Ｖｏが所定電圧Ｖｔ以上の場合には、調光回路１１からＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流からトランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｂを差し引いた電流をＬＥＤモジュール回路１３に流し、ＬＥＤモジュール回路１３に流れる電流をＩmin以上にすることにより、全てのＬＥＤチップＤを発光させる。

その結果、バイパス回路１２を設けることにより、ＬＥＤモジュール回路１３を構成するＬＥＤチップＤに発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上できる。
そして、バイパス回路１２を設ければ、順方向しきい値電圧に基づいてＬＥＤチップＤのランク分けを細分化する必要がなくなるため、ＬＥＤチップＤの歩留まりを高くして製造コストを低減できる。
尚、所定電圧Ｖｔは、ＬＥＤチップＤの発光・未発光の状態を目視確認しながら可変抵抗ＶＲ１の可動端子を調整するだけの簡単な操作により、最適な電圧値に容易に設定可能である。

＜第２実施形態＞
図３に示すように、第２実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置２０において、第１実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置１０（図１参照）と異なるのは、ツェナーダイオードＺＤ１が省かれていることだけである。
従って、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用・効果が得られる。

但し、第１実施形態では、可変抵抗ＶＲ１にツェナーダイオードＺＤ１が並列接続されているため、前記数式５に示すように、可変抵抗ＶＲ１によるトランジスタＱ１のコレクタ電流（バイパス回路１２のバイパス電流）Ｉｂの設定が容易になり、順方向しきい値電圧が最大（Ｖmax）のＬＥＤチップＤmaxが発光する所定電圧（ＬＥＤモジュール回路１３を構成する全てのＬＥＤチップＤが発光する所定電圧）Ｖｔの設定も容易になる。
また、第２実施形態のようにツェナーダイオードＺＤ１を省くと、調光回路１１の出力電圧Ｖｏに比例してトランジスタＱ１のコレクタ電流Ｉｂが増加するため、ＬＥＤチップＤの順方向電流Ｉｆが低下すると共に、抵抗Ｒ２における電流損失が増加するという欠点があるが、第１実施形態ではこれら欠点が無いという優れた効果がある。

＜第３実施形態＞
図４に示すように、第３実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置３０は、第１実施形態のＬＥＤ調光用点灯装置１０（図１参照）のバイパス回路１２およびＬＥＤモジュール回路１３が複数組備えられ、それら複数組の回路１２，１３が調光回路１１の出力端子１１ａ，１１ｂ間に並列接続されている。

従って、第３実施形態においても、複数組の回路１２，１３毎に、そのＬＥＤモジュール回路１３の全てのＬＥＤチップＤが発光する所定電圧Ｖｔを可変抵抗ＶＲ１を調整して最適化することにより、調光回路１１に並列接続された全てのＬＥＤモジュール回路１３についてＬＥＤチップ（図示略）の発光・未発光の混在状態の発生を防止して照明品質を向上できる。
尚、図４に示す回路例では調光回路１１内に１個のＤＣ／ＤＣコンバータ３を設けているが、調光回路１１の出力端子１１ａ，１１ｂと個々のバイパス回路１２との間にそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ３を設けてもよい。

＜別の実施形態＞
本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。

［１］図１，図３に示す位相制御式調光器２に限らず、任意の直流電圧に変換可能な調光器であれば、どのような回路形式の調光器を用いてもよい。
［２］図１、図３に示すダイオードブリッジＤＢ１は両波整流器に置き換えてもよい。
［３］図１，図３に示すトランジスタＱ１は、制御端子（ベース端子、ゲート端子など）の電圧を調整することで流れる電流を制御可能な電流制御素子であれば、バイポーラトランジスタに限らず、どのような電流制御素子（例えば、Ｊ−ＦＥＴ（Junction-Field effect transistor) 、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＳＩＴ（Static induction transistor）など）に置き換えてもよい。
［４］図１に示すツェナーダイオードＺＤ１は、可変抵抗ＶＲ１の固定端子間を一定電圧以下に設定可能であれば、どのような電圧設定手段（例えば、定電圧放電管、定電圧回路など）に置き換えてもよい。
［５］前記各実施形態を適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた実施形態の作用・効果を合わせもたせることができる。

本発明は、前記各局面および前記各実施形態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。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。

１０，２０，３０…ＬＥＤ調光用点灯装置
１１…調光回路
１２…バイパス回路
１３…ＬＥＤモジュール回路
Ｑ１…ＮＰＮトランジスタ（電流制御素子）
ＶＲ１…可変抵抗
ＺＤ１…ツェナーダイオード（電圧設定手段）
Ｖｔ…所定電圧
Ｉmin…ＬＥＤチップＤが発光する電流値

Claims (4)

1. 調光回路と、
   前記調光回路に複数個のＬＥＤチップが直列接続されたＬＥＤモジュール回路と、
   前記調光回路の出力電圧が所定電圧未満の場合には、前記調光回路から前記ＬＥＤモジュール回路に流れる電流をバイパスさせ、前記ＬＥＤモジュール回路に流れる電流を前記ＬＥＤチップが発光する電流値未満にするバイパス回路と
   を備えたＬＥＤ調光用点灯装置であって、
   前記所定電圧は、前記ＬＥＤモジュール回路の中で順方向しきい値電圧が最大のＬＥＤチップが発光する電圧であるＬＥＤ調光用点灯装置。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ調光用点灯装置において、
   前記バイパス回路は、
   前記バイパスさせる電流を制御する電流制御素子と、
   前記電流制御素子の制御端子の電圧を設定して前記電流制御素子に流れる電流を調整するための可変抵抗と
   を備えたＬＥＤ調光用点灯装置。
3. 請求項２に記載のＬＥＤ調光用点灯装置において、
   前記可変抵抗の固定端子間を一定電圧以下に設定する電圧設定手段を備えたＬＥＤ調光用点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ調光用点灯装置において、
   前記ＬＥＤモジュール回路および前記バイパス回路が複数組備えられ、それら複数組の前記回路が前記調光回路に並列接続されたＬＥＤ調光用点灯装置。
   
   

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