JP2013004585A - Led駆動回路およびled駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】使用するLEDの特性を厳密に選別することなく、LEDの明るさのばらつきを抑えることが可能であるとともに、LED駆動回路における損失の低減、部品点数の削減および耐障害性の向上を実現可能なLED駆動回路および駆動方法を提供することを目的とする。
【解決手段】LED駆動回路であって、複数のLEDと少なくとも1つの抵抗が直列接続されたLED列と、LED列を複数並列接続したLEDユニットと、LEDユニットを駆動するための電流を供給するLED駆動部と、LED駆動部に流れる電流を所定の電流値に設定する機能部と、を備え、抵抗の値は、LEDの直列数に応じて変化するLEDの順電圧のばらつきに基づいて設定される構成とした。
【選択図】図1
【解決手段】LED駆動回路であって、複数のLEDと少なくとも1つの抵抗が直列接続されたLED列と、LED列を複数並列接続したLEDユニットと、LEDユニットを駆動するための電流を供給するLED駆動部と、LED駆動部に流れる電流を所定の電流値に設定する機能部と、を備え、抵抗の値は、LEDの直列数に応じて変化するLEDの順電圧のばらつきに基づいて設定される構成とした。
【選択図】図1
Description
本発明は、発光ダイオード(以下、「LED」という)の駆動回路、および駆動方法に関する。
疑似白色LEDの出現と技術進歩に伴う発光効率の向上に伴い、LEDを光源に用いた照明装置の製品化に向けた各種試みがなされている。LEDを光源として用いることで、従来光源として多用されてきた白熱電球よりも、高いエネルギー効率を実現することができ、さらに装置の小型・軽量化や長寿命化が可能となる。
LEDは、電圧駆動される白熱電球と異なり、LEDに流れる電流を制御することにより、輝度や色調が調節される。そのため、白熱電球を光源とする照明装置の駆動回路とは異なる、LEDならではの駆動回路が必要となる。LEDの一般的な駆動回路としては、複数のLEDと電流制限抵抗とを直列接続した直列回路を、複数並列接続して駆動する抵抗型駆動回路が知られている。この抵抗型駆動回路では、直列回路内のLEDに定格電流が流れるよう、電流制限抵抗の値が設定される。
また、その他に、複数のLEDと定電流回路とを直列接続してLEDを定電流駆動する回路も知られている。特許文献1には、定電流回路を用いた駆動回路の一例が開示されている。特許文献1の駆動回路は、複数のLEDと、LEDに定電流を流すための定電流ドライバが直列接続されたLEDユニットを、複数並列接続して構成される。
LEDを光源に用いることで様々なメリットがあるものの、LEDは半導体であるがゆえに、その電気的・光学的特性には個体差がある。そのため、製造された製品の良否判断のみを行ってそのまま使用すれば、個々の製品に輝度や色調の差異が生じてしまう。具体的には、LEDの順電圧(以下、「Vf」という)にはばらつきがあるため、上記の抵抗型駆動回路においては、直列回路内のLEDを流れる電流にばらつきが生じ、列によって輝度の差異が生じたり、場合によっては駆動回路自体が動作しないこともある。また、電流制限抵抗における電圧降下による損失により、駆動回路において無駄な電力消費が生じてしまうといった問題もある。このようなばらつきを抑えるために、使用するLEDの特性を厳密に選別することも考えられるが、このような厳密な選別を行った場合には、生産性が低下し、製品原価の大幅な上昇を招く恐れがある。
また、特許文献1に記載されるように、定電流回路を用いてLEDを列毎に駆動する場合は、上記のようなばらつきはほとんど問題なくなるが、LED列の数と同数の定電流回路が必要となる。特に、多数のLEDを用いるLED照明装置においては、LEDの列数の増加に伴う部品点数の増加が顕著であり、上記の場合と同様に製品原価の大幅な上昇を招く恐れがある。また、列内のいずれかのLEDに障害が発生すると、列内の全てのLEDが点灯しなくなってしまい、照明装置の輝度に影響を与えてしまう。LEDの列数を減らすために(すなわち定電流回路の数を減らすために)、LEDの直列数を増やした場合には、影響を受けるLEDの数も多くなってしまう。
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、使用するLEDの特性を厳密に選別することなく、電流値のばらつきに起因するLEDの明るさのばらつきを抑えることが可能であるとともに、LED駆動回路における損失の低減、部品点数の削減および耐障害性の向上を実現可能なLED駆動回路および駆動方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明により、複数のLEDと少なくとも1つの抵抗が直列接続されたLED列と、LED列を複数並列接続したLEDユニットと、LEDユニットを駆動するための電流を供給するLED駆動部と、LED駆動部に流れる電流を所定の電流値に設定する機能部と、を備えるLED駆動回路が提供される。また、本発明のLED駆動回路における抵抗の値は、LEDの直列数に応じて変化するLEDの順電圧のばらつきに基づいて設定されることを特徴とする。
上記LEDの順電圧のばらつきは、LEDの直列数が増加することにより減少するものであっても良く、抵抗の値は、該抵抗による電圧降下値が、(Vfmax−Vfmin)×LEDの直列数 で求められる電圧値のk倍となるよう設定されるものであっても良い。尚、ここで、VfmaxおよびVfminは、それぞれLEDの数に応じて変化するLEDの順電圧のばらつきに基づいて求められる、順電圧の最大値および最小値である。
また、kは、3から10のいずれかに設定されても良く、好適には、5に設定される。
また、本発明により、複数のLEDと少なくとも1つの抵抗を直列接続したLED列を、複数並列接続してLEDユニットとすること、LEDユニットを駆動するための電流を供給すること、LEDユニットに流れる電流を所定の電流値に設定すること、抵抗の値を、LEDの直列数に応じて変化するLEDの順電圧のばらつきに基づいて設定すること、を含むLED駆動方法が提供される。
本発明の駆動回路では、下記のような効果を得ることができる。
(1)使用するLEDの特性を厳密に選別することなく、LEDの明るさのばらつきを抑えることが可能となるため、生産性の向上に寄与するとともに、製品原価の上昇を防ぐことが可能となる。
(2)LEDの数に応じたばらつきの変化に基づいて抵抗値を算出することにより、直列接続する抵抗値をできるだけ小さく抑えることが可能となり、抵抗における損失を少なくすることができる。
(3)直並列接続したLEDをユニットまたはブロック毎に駆動するため、LEDを駆動するための回路の数を削減することができ、製品原価を抑えることが可能となる。
(4)複数のLEDが直列接続されたLED列内のLEDの一つに障害が発生した場合も、並列接続されたその他のLED列に対する影響が少ないため、装置全体への影響を低く抑えることができる。
(5)直並列接続したLEDユニットをさらに任意数直列に、あるいは並列に、あるいは直並列に接続することで、容易にシステムの拡大が可能となる。
(1)使用するLEDの特性を厳密に選別することなく、LEDの明るさのばらつきを抑えることが可能となるため、生産性の向上に寄与するとともに、製品原価の上昇を防ぐことが可能となる。
(2)LEDの数に応じたばらつきの変化に基づいて抵抗値を算出することにより、直列接続する抵抗値をできるだけ小さく抑えることが可能となり、抵抗における損失を少なくすることができる。
(3)直並列接続したLEDをユニットまたはブロック毎に駆動するため、LEDを駆動するための回路の数を削減することができ、製品原価を抑えることが可能となる。
(4)複数のLEDが直列接続されたLED列内のLEDの一つに障害が発生した場合も、並列接続されたその他のLED列に対する影響が少ないため、装置全体への影響を低く抑えることができる。
(5)直並列接続したLEDユニットをさらに任意数直列に、あるいは並列に、あるいは直並列に接続することで、容易にシステムの拡大が可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るLED駆動回路について説明する。
図1は、本発明の実施形態におけるLED駆動回路100を示す回路図である。図1に示されるように、本実施形態におけるLED駆動回路100は、複数のLED1を含むLEDユニット10、LEDユニット10を駆動するための電流を供給するLED駆動部20、およびLED駆動部20に流れる電流を所定の値に設定する電流制御部30からなる。また、図1に示されるVDはLED用電源、VEは駆動部用電源である。
本実施形態では電流制御部30として、帰還型定電流回路を用いる。詳しくは、電流制御部30は、電流値を設定するための基準電圧設定部35を備えている。基準電圧設定部35は、可変抵抗Rvを備えており、可変抵抗Rvの値を変更することにより、基準電圧を変更することができる。すなわち、可変抵抗Rvによって、LEDユニット10に流す電流が所望の値となるよう設定される。また、電流制御部30は、増幅器31を備え、増幅器31は、基準電圧設定部35で設定される基準電圧を一方の入力とし、LEDユニット10に接続されたLED駆動部20の電流値の情報を、帰還用抵抗Rf1およびRf2からなる帰還回路を経由して他方の入力とする。
LED駆動部20は、駆動用トランジスタTrを備え、駆動用トランジスタTrのエミッタにエミッタ抵抗Reが、ベースにベース抵抗Rbがそれぞれ接続される。LEDユニット10に流れた電流値の情報は、エミッタ抵抗Reに発生する電圧として検出される。そして、検出された電圧値を帰還回路を経由して増幅器31に入力することにより、LEDユニット10に流れる電流が制御される。
LEDユニット10は、複数のLED1および1個の抵抗R10が直列接続されたLED列2が、複数、並列に接続されて構成される。LED列2内のLED1の直列数およびLED列2の並列数は2段以上であれば良く、装置に要求される輝度およびLEDの数に基づいて適宜設定される。ただし、LED1の直列数および並列数を増やすことにより電源電圧値が高くなるため、安全性の観点からは、電源電圧値が所定の値以下(例えば48V以下)となるよう、直列数および並列数を設定しても良い。
上述したように、LEDのVf(順電圧)には、個体差によるばらつきがあるため、単純にLEDを直並列に接続して定電流駆動を行った場合には、Vfの合計値が最も少ないLED列に電流が集中して流れてしまう。そして、これにより、一部のLED列だけが明るく点灯する一方、一部のLED列は殆ど光らない状態となってしまう。このような問題を防ぐため、本実施形態においては、抵抗R10を各LED列2に挿入することで、各LED列2に流れる電流の差が発生するのを抑えている。
図2は、LED1のVf値のばらつきの例を示す図である。一般的に、LED1個のVf値の分布は、図2のP11に示される正規分布と考えることができる。ここで、mはVfの平均値(定格値)を示す。この場合、LED1個のVf値は、±3σの範囲、すなわち0.3%〜99.7%の範囲に分布すると考えられる。そして、LED駆動回路100において、LED1がn段直列接続される場合、各LED列2において、最大で(Vfmax−Vfmin)×nの電圧の差が生じる。ここで、Vfmaxは、「m+3σ」で表わされるVfの最大値であり、Vfminは「m−3σ」で表わされるVfの最小値である。そのため、LED駆動回路100における抵抗R10の値は、抵抗R10による電圧降下値が上記電圧の差のk倍となるよう設定することが考えられる。
しかしながら、実際にLEDを複数個使用する場合には、各LEDのVf値の分布は、図2に示されるP21(LEDが2個の場合)またはP31(LEDが4個の場合)のように、P11(LEDが1個の場合)よりも幅の狭い正規分布として表わされる。詳しくは、LEDをn個使用する場合のVf値の分布が0.3%〜99.7%の範囲となるような、LED1個当たりのVf値の分布範囲Pは、下記のように求められる。
具体的には、nが2〜5の場合、LED1個当たりのVf値は下記の範囲に分布すると考えることができる。
n=2: 5.48%〜94.52%
n=3: 14.42%〜85.58%
n=4: 23.40%〜76.60%
n=5: 31.29%〜68.71%
n=2: 5.48%〜94.52%
n=3: 14.42%〜85.58%
n=4: 23.40%〜76.60%
n=5: 31.29%〜68.71%
そして、LED1個当たりのVf値のばらつきは、上記分布範囲および標準正規分布表に基づいて、下記のように求められる。
n=2: ±1.6σ
n=3: ±1.06σ
n=4: ±0.73σ
n=5: ±0.49σ
このように、1個のLEDを使用する場合のVf値のばらつきは±3σであるのに対し、複数のLEDを使用する場合には、上記のようにLED1個当たりのVfのばらつきが減少すると考えることができる。また、使用するLEDの数が増加することに伴い、ばらつきの幅は減少する。
n=2: ±1.6σ
n=3: ±1.06σ
n=4: ±0.73σ
n=5: ±0.49σ
このように、1個のLEDを使用する場合のVf値のばらつきは±3σであるのに対し、複数のLEDを使用する場合には、上記のようにLED1個当たりのVfのばらつきが減少すると考えることができる。また、使用するLEDの数が増加することに伴い、ばらつきの幅は減少する。
そこで、本実施形態においては、上記のように、LEDのばらつきが使用するLEDの数に応じて変化することを考慮し、抵抗R10の値を算出する。具体的には、例えば、LED列2にLED1が2個直列接続される場合(n=2の場合)、LED列2には、最大で(Vfmax−Vfmin)×2 の電圧の差が生じる。ここで、Vfmaxは、「m+1.6σ」で表わされるLED1のVfの最大値であり、Vfminは「m−1.6σ」で表わされるLED1のVfの最小値である。そして、直列接続する抵抗R10の電圧降下値が上記電圧の差のk倍となるよう設定することにより、Vfのばらつきを吸収することができる。また、LED列2にLED1が5個直列接続される場合(n=5の場合)には、((Vfmax:m+0.49σ)−(Vfmin:m−0.49σ))×5 で表わされるLED列2の電圧の差に基づいて、抵抗R10の値が設定される。
尚、kは、少なくとも3以上の値に設定することが望ましく、より大きく(例えば10前後に)することで、ばらつきがほとんど無視できるようになる。ただし、kを大きく設定することにより、抵抗R10による電圧の損失が大きくなることから、ばらつきの吸収と損失とのバランスを考慮し、kを5前後の値に設定することが実用的である。
上記のように、本実施形態では、LED1のVfのばらつきを抵抗R10によって吸収することにより、各LED列2に流れる電流の差を抑えることができ、装置全体の明るさのばらつきを抑えることが可能となる。また、LED1におけるVfのばらつきを使用するLEDの数に応じて求め、求められたばらつきを用いて抵抗R10の値を算出することにより、一般的なばらつき(±3σ)を用いる場合に比べ、より小さな抵抗でばらつきを吸収することが可能となる。これにより、抵抗R10における電圧降下による損失を少なくすることができ、LED駆動回路100における無駄な電力の消費を抑えることが可能となる。
さらに、抵抗R10によってLED1のVfのばらつきを吸収することができるため、事前にLEDを厳密に選別する必要もない。また、直並列接続した複数のLED1を含むLEDユニット10を、一つのLED駆動部20で駆動するため、列毎に定電流駆動を行う場合に比べ、駆動のための回路数を削減することができ、さらに、LED列内のいずれか一つのLEDに障害が発生した場合も、障害が発生したLEDが接続されるLED列以外のLED列に含まれるLEDは、障害の影響を受けることなく点灯し続けるため、装置全体に対しての影響を低く抑えることができる。
また、本発明は、図1に示される回路構成に限定されるものではなく、図3に示されるLED駆動回路110のように、複数のLEDユニット10を直列接続し、一つのブロックとしてLED駆動部20にて駆動することも可能である。このような構成とした場合には、図1のLED駆動回路100と同様の効果を有するとともに、より一層の部品点数の削減が可能となる。
また、図4は、本発明のより具体的なLED駆動回路120を示す回路図である。図4に示すLED駆動回路120は、複数の白色LED1Wが直並列接続された白色LEDユニット10W、複数の青色LED1Bが直並列接続された青色LEDユニット10B、複数の緑色LED1Gが直並列接続された緑色LEDユニット10Gおよび複数の赤色LED1Rが直並列接続された赤色LEDユニット10Rを駆動するための回路である。各LEDユニット10W、10B、10Gおよび10Rは、それぞれ、白色LED25個、青色LEおよび緑色LEDそれぞれ10個、ならびに赤色LED14個からなり、各LEDユニットの「LEDの直列数×LED列の並列数」は、それぞれ5×5、5×2、5×2、7×2となっている。
一般に、赤色LEDのVfは、その材質によりその他の色のLEDのVfに比べて低い。そこで、図4のLED駆動回路120では、各LEDユニットにおけるVf値のバランスをとるために、赤色LEDの直列数がその他の色のLEDの直列数(すなわち5段)に比べて多く(すなわち7段)設定されている。また、このように直列数の設定を行うことで、電流制御部30において負担する無駄な電力についても削減することが可能であり、また電源電圧の種類も削減することが可能となる。
各LEDユニット10W、10B、10Gおよび10Rは、白色LED駆動部20W、青色LED駆動部20B、緑色LED駆動部20Gおよび赤色LED駆動部20Rによってそれぞれ駆動され、電流制御部30W、電流制御部30B、電流制御部30Gおよび電流制御部30Rによって、色ごとに各LEDに供給される電流が設定される。また、各LEDユニット10W、10B、10Gおよび10Rにおける直列抵抗R10W、R10B、R10G、R10Rの値は、上記実施形態において説明したように、各色LEDのVfのばらつきを吸収できるような値に設定される。このような構成とした場合にも、図1のLED駆動回路100と同様の効果を有する。
さらに、図5は、図4に示されるLED駆動回路120の応用例を示す図である。図5に示されるLEDパッケージ200は、図4に示される白色LEDユニット10W、青色LEDユニット10B、緑色LEDユニット10Gおよび赤色LEDユニット10Rが実装されるLED基板である。また、制御部500は、図4に示される白色LED駆動部20W、青色LED駆動部20B、緑色LED駆動部20Gおよび赤色LED駆動部20R、電流制御部30W、30B、30Gおよび30R、LED用電源VD、ならびに駆動部用電源VEを含む駆動部である。
本応用例では、LEDパッケージ200を4枚直列に接続したものを1ブロックとし、ブロック毎に制御部500により駆動される。図5の例では、制御部500により4つのブロック(16枚のLEDパッケージ200)が駆動される。すなわち、制御部500には、各LED駆動部20W、20B、20Gおよび20Rが、それぞれ4個ずつ備えられている。尚、LEDパッケージ200の直列枚数は4枚に限定されるものではなく、システムに要求される輝度に応じて、より多いまたは少ない枚数を直列接続して1ブロックとすることも可能である。
このように、本発明では、LEDユニット単体において、多数のLEDを安定してかつ電流のばらつきを低減しつつ駆動することが可能となる。そのため、LEDユニットを複数直列接続してブロックとして駆動した場合においても、LEDユニット単体の場合と同様に安定してかつばらつきを低減しつつ駆動することができる。そのため、LEDユニットの接続数を任意に増やすことにより、容易にシステムの拡大を実現することが可能となる。
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態の具体的態様は、上記に説明したものに限定されず、特許請求の範囲の記載により表現された技術的思想の範囲内で任意に変更することができる。例えば、上記実施形態では、電流制御部30として、帰還型定電流回路を用いる構成としたが、これに限定されるものではなく、その他の既知の回路を電流制御部として用いることが可能である。また、上記実施形態では、LED列2において1個の抵抗R10を直列接続する構成としたが、2個以上の抵抗R10を直列または並列接続する構成としても良い。
さらに、上記実施形態では、LEDの直列接続数に基づいてばらつきを計算し、抵抗R10の値を算出する構成としたが、さらにLEDの並列接続数も考慮してばらつきを計算し、抵抗R10の値を算出することも可能である。このように構成することで、より小さな抵抗にてLED列2を流れる電流の差を吸収することができ、抵抗における損失を抑えることが可能となる。
1 LED
2 LED列
R10 抵抗
10 LEDユニット
20 LED駆動部
30 電流制御部
31 増幅器
35 基準電圧設定部
100 LED駆動回路
2 LED列
R10 抵抗
10 LEDユニット
20 LED駆動部
30 電流制御部
31 増幅器
35 基準電圧設定部
100 LED駆動回路
Claims (7)
- 複数のLEDと少なくとも1つの抵抗が直列接続されたLED列と、
前記LED列を複数並列接続したLEDユニットと、
前記LEDユニットを駆動するための電流を供給するLED駆動部と、
前記LED駆動部に流れる電流を所定の電流値に設定する機能部と、
を備え、
前記抵抗の値は、前記LEDの直列数に応じて変化する前記LEDの順電圧のばらつきに基づいて設定されることを特徴とする、LED駆動回路。 - 前記LEDの順電圧のばらつきは、前記LEDの直列数が増加することにより減少することを特徴とする、請求項1に記載のLED駆動回路。
- 前記抵抗の値は、該抵抗による電圧降下値が、(Vfmax−Vfmin)×前記LEDの直列数 で求められる電圧値のk倍となるよう設定されるものであり、
前記VfmaxおよびVfminは、それぞれ前記LEDの数に応じて変化する前記LEDの順電圧のばらつきに基づいて求められる、順電圧の最大値および最小値であることを特徴とする、請求項1または2に記載のLED駆動回路。 - 前記kは、3から10のいずれかに設定されることを特徴とする請求項3に記載のLED駆動回路。
- 前記kは、5に設定されることを特徴とする請求項3に記載のLED駆動回路。
- 複数のLEDと少なくとも1つの抵抗を直列接続したLED列を、複数並列接続してLEDユニットとすること、
前記LEDユニットを駆動するための電流を供給すること、
前記LEDユニットに流れる電流を所定の電流値に設定すること、および
前記抵抗の値を、前記LEDの直列数に応じて変化する前記LEDの順電圧のばらつきに基づいて設定すること、を含むLED駆動方法。 - 前記抵抗の値は、該抵抗による電圧降下値が、(Vfmax−Vfmin)×前記LEDの直列数 で求められる電圧値のk倍となるよう設定され、
前記VfmaxおよびVfminは、それぞれ前記LEDの数に応じて変化する前記LEDの順電圧のばらつきに基づいて求められる順電圧の最大値および最小値であることを特徴とする、請求項6に記載のLED駆動方法。
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