JP2013534025A - 発光装置及びそれを備える灯具 - Google Patents

Abstract

過大な逆電圧から発光ダイオードを保護する保護素子の大型化やコスト増を抑えることができる、発光装置の提供。基板と、前記基板に実装され、複数の発光ダイオードＤ１−Ｄ６が直列に接続されたＬＥＤ列と、前記ＬＥＤ列に直列に接続された電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）と、前記ＬＥＤ列内の少なくとも一組の発光ダイオード間の配線Ｎ（Ｎ１−Ｎ５）と電源ライン１３との間にそれぞれ置かれ、配線Ｎとアースとの間のインピーダンスよりも小さいインピーダンスを有する複数の保護コンデンサＣ（Ｃ１−Ｃ５）とを備える、発光装置。

Description

本発明は、直列に接続された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える発光装置及びそれを備える灯具に関する。

交流電源ラインに接続されて使用される電気機器の場合、ＩＥＣ６０５９８、ＵＬ１５９８、ＪＩＳ・Ｃ８１０５−１「照明器具-第一部：安全性追求事項通則」などの安全規格上の品質・安全確認試験として、絶縁抵抗試験及び耐電圧試験の実施が必要とされている。例えば、商用交流電源に接続されるＬＥＤ照明器具は、この絶縁抵抗試験及び耐電圧試験の対象器具である。

複数の発光ダイオードが構成されるＬＥＤ照明器具に関する先行技術文献として、例えば、特許文献１，２が存在する。

図１は、ＬＥＤ照明器具１００とそれに備えられる光源ボード１０を示す概略側面図である。ＬＥＤ照明器具１００は、直列に接続された複数の発光ダイオードＤ（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）を備える光源ボード１０と、光源ボード１０が取り付けられる筐体３０と、筐体３０の内部に固定された電源ユニット４０と、発光ダイオードＤの光を反射する反射板５０とを備えている。外部の交流電源に接続された電源ユニット４０によって生成された直流電圧が発光ダイオードＤの両端に印加されることによって、発光ダイオードＤの光が、図上、上方に照射される。

光源ボード１０は、発光ダイオードＤの放熱性を高めるため、放熱基板２０に発光ダイオードＤが実装されたものである。放熱基板２０の具体例として、ＭＣＰＣＢ（Metal Core Printed Circuit Board）が挙げられる。ＭＣＰＣＢは、銅配線１２ａ−１２ｆが形成される導電層１２と、熱伝導性絶縁層１１と、金属板１４とが、この順番で積層されたプリント基板である。例えば、発光ダイオードＤ１のアノード側の電極が銅配線１２ａに半田付けされ、カソード側の電極が銅配線１２ｂに半田付けされる。他の発光ダイオードＤ２，Ｄ３についても同様である。筐体３０は、発光ダイオードＤ及び電源ユニット４０の放熱性を高めるため、ヒートシンクとしても機能する。

上述の耐電圧試験及び絶縁抵抗試験等は、光源ボード１０単体で実施されたり、図１に示されるように、光源ボード１０を筐体３０に取り付けた状態で、ＬＥＤ照明器具１００全体として実施されたりする。高電圧ＡＣ電源２００が、放熱基板２０の銅配線と筐体３０（すなわち、ケースグランド）との間に、高電圧の交流電圧を印加することによって、光源ボード１０の放熱基板２０の電気的な絶縁性を確認することができる。

図２は、光源ボード１０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。光源ボード１０は、図１同様、複数の発光ダイオードＤ（Ｄ１−Ｄ６）が直列に接続されたＬＥＤ列が放熱基板２０に実装されたものである。互いに隣り合う発光ダイオード間の各銅配線Ｎ（Ｎ１−Ｎ５）とケースグランドとの間には、寄生容量ＣＰ（ＣＰ１−ＣＰ５）が存在する。ケースグランドは、図１に示した筐体３０又は金属板１４に相当し、銅配線Ｎ１−Ｎ５は、図１に示した銅配線１２ｂ−１２ｅに相当し、ＬＥＤ列の両端の銅配線Ｍ１（Ｍ２）は、図１に示した銅配線１２ａ（１２ｆ）に相当する。

耐電圧試験を実施する場合、ＬＥＤ列のカソード側端部に直列に接続される電源ライン１３ａの端部Ｍ３とＬＥＤ列のアノード側端部に直列に接続される電源ライン１３ｂの端部Ｍ４とは、共に、高電圧ＡＣ電源２００の正極側に接続される電源ライン２０１に接続される。高電圧ＡＣ電源２００の負極側に接続される電源ライン２０２は、筐体３０又は金属板１４に接続される。すなわち、高電圧ＡＣ電源２００と筐体３０（又は、金属板１４）とは、共通接地している。

この接続状態で高電圧ＡＣ電源２００から高電圧の交流電圧が出力されると、電源ライン１３（１３ａと１３ｂ）とケースグランドとの間は設計的には本来絶縁されているものの、寄生容量ＣＰを経由する電流経路が発生する。

図３は、光源ボード１０において、１０００Ｖ／５０Ｈｚの交流電圧を電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）とケースグランドとの間に印加したときの、各発光ダイオードの両端間に生ずる端子間電圧（電極間電圧）のシミュレーション結果を示した図である。その結果、発光ダイオードの電極間電圧は、最大約−８Ｖの逆電圧が観測される。最大の逆電圧が観測された発光ダイオードは、ＬＥＤ列の両端に位置する発光ダイオードＤ１とＤ６である。

ＬＥＤ列の一方の端部に位置する発光ダイオードＤ１の逆電圧が特に高く観測されるのは、高電圧の交流電圧の印加によって電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）の電位がケースグランドよりも高いときに、ＬＥＤ列の内側の発光ダイオードを通る経路よりもインピーダンスが低い寄生容量ＣＰ１の経路に電流が流れてしまうからと考えられる。ＬＥＤ列のもう一方の端部に位置する発光ダイオードＤ６の逆電圧が特に高く観測されるのは、高電圧の交流電圧の印加によって電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）の電位がケースグランドよりも低いときに、インピーダンスが低い寄生容量ＣＰ５の経路を通って発光ダイオードＤ６に電流が流れてしまうからと考えられる。

この過大な逆電圧による電気的なストレスから発光ダイオードを保護する保護回路として、図８に示されるように配置されたバイパス用コンデンサ６が考えられる。図８は、上掲の特許文献２で開示されたＬＥＤ回路７の構成図である。ＬＥＤ回路７の場合、合成容量が発光ダイオード５とアースＥとの間の浮遊容量Ｃｓよりも大きい複数のバイパス用コンデンサ６が、直列に接続された複数の発光ダイオード５の個々にそれぞれ並列的に接続されている。

しかしながら、図７の保護回路によって上述の過大な逆電圧から発光ダイオードの保護を図る場合、直列に接続される発光ダイオード５の個数が増えるにつれて、各発光ダイオード５のアノードとカソードとの間のインピーダンスを下げる必要があるため、バイパス用コンデンサ６それぞれの容量を増やさなければならない。その結果、パイパス用コンデンサ６が大型化し、コストも増加してしまう。

特開２００９−３０１９５２号公報 特開２０１０−８０８４４号公報

そこで、本発明は、発光ダイオードの直列数が増えても、過大な逆電圧から発光ダイオードを保護する保護素子の大型化やコスト増を抑えることができる、発光装置及びそれを備える灯具の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る発光装置は、
基板と、
前記基板に実装され、複数のＬＥＤが直列に接続されたＬＥＤ列と、
前記ＬＥＤ列に直列に接続された電源経路と、
前記ＬＥＤ列内の少なくとも一組のＬＥＤ間の配線と前記電源経路との間に置かれ、前記配線とアースとの間のインピーダンスよりも小さいインピーダンスを有する保護素子とを備えることを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る灯具は、
該発光装置と、前記基板が取り付けられる筐体とを備え、電圧印加により前記ＬＥＤを灯すことを特徴とするものである。

本発明によれば、過大な逆電圧から発光ダイオードを保護する保護素子の大型化やコスト増を抑えることができる。

ＬＥＤ照明器具１００とそれに備えられる光源ボード１０を示す概略側面図である。 光源ボード１０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。 光源ボード１０において、１０００Ｖ／５０Ｈｚの交流電圧を電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）とケースグランドとの間に印加したときの、各発光ダイオードの両端間に生ずる端子間電圧（電極間電圧）のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の発光装置の第１の実施形態である光源ボード６０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。 光源ボード６０において、１０００Ｖ／５０Ｈｚの交流電圧を電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）とケースグランドとの間に印加したときの、各発光ダイオードの両端間に生ずる端子間電圧（電極間電圧）のシミュレーション結果を示した図である。 耐電圧試験における光源ボードの回路の配置モデルである。 耐電圧試験における光源ボードの回路のインピーダンスモデルである。 本発明の発光装置の第２の実施形態である光源ボード７０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。 特許文献２で開示されたＬＥＤ回路７の構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図４は、本発明の発光装置の第１の実施形態である光源ボード６０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。光源ボード６０は、図１，２同様、複数の発光ダイオードＤ（Ｄ１−Ｄ６）が直列に接続されたＬＥＤ列が放熱基板２０に実装されたものである。光源ボード６０は、図１に例示したＬＥＤ照明器具に構成される部品であって、図２で示した光源ボード１０と同様に、筐体３０に取り付けられる。図１，２と同様の部分については、その説明を省略する。

電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）は、銅配線１２ａ等と同様に放熱基板２０の導体層１２に形成されたパターン部分と、電源ユニット４０又は高電圧ＡＣ電源２００との接続を容易にするため、当該パターンに電気的に接続される線材部分とから構成されている。

光源ボード６０は、上述の逆電圧からＬＥＤ列を保護する保護回路として、保護コンデンサＣ（Ｃ１−Ｃ５）が実装されている。各保護コンデンサＣは、図１に示した放熱基板２０上に、発光ダイオードＤと同一の実装面に実装される。耐電圧試験で発光ダイオードＤに過大な逆電圧が印加されないようにするためには、電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）とケースグランドとの間に高電圧の交流電圧を印加したときに、各発光ダイオードＤのアノードとカソードの間の電圧差を発生させないようにすればよい。

そこで、保護コンデンサＣが、少なくとも一組の発光ダイオード間の配線Ｎと電源ライン１３との間に挿入される。より好ましくは、保護コンデンサＣ（Ｃ１，Ｃ５）は、ＬＥＤ列の両端の発光ダイオードＤ（Ｄ１，Ｄ６）に隣接したそれぞれの配線Ｎ（Ｎ１，Ｎ５）と電源ライン１３との間に挿入される。最も好ましくは、保護コンデンサＣ（Ｃ１−Ｃ５）は、各発光ダイオードＤのアノードとカソードの間の電圧差を発生させないように、発光ダイオード間の各配線Ｎ（Ｎ１−Ｎ５）と電源ライン１３との間の電圧を同電位にするため、発光ダイオード間の全ての配線Ｎ（Ｎ１−Ｎ５）と電源ライン１３との間に挿入される。そして、電源ライン１３とケースグランドとの間に高電圧の交流電源が印加された状態でも、発光ダイオード間の各配線Ｎ（Ｎ１−Ｎ５）と電源ライン１３との間の電圧が零にできるだけ近づくように、各保護コンデンサＣのインピーダンスは、各寄生容量ＣＰのインピーダンスよりも非常に小さな値（寄生容量ＣＰの大きさは物の違いによって変わりうるが、例えば、１／１０００以下、より好ましくは、１／１００００以下）に設定されている。

図５は、光源ボード６０において、１０００Ｖ／５０Ｈｚの交流電圧を電源ライン１３（１３ａ，１３ｂ）とケースグランドとの間に印加したときの、各発光ダイオードの両端間に生ずる端子間電圧（電極間電圧）のシミュレーション結果を示した図である。各素子のインピーダンスの数値条件は、図６Ｂ（詳細は後述）に示した値である。図５に示されるように、図４のように保護コンデンサＣを配置することによって、耐電圧試験を行っても、各発光ダイオードＤに過大な逆電圧が印加されることを防ぐとともに、各発光ダイオードＤに流れる電流も抑えることができる。その結果、耐電圧試験によって、各発光ダイオードＤに印加されるストレスを抑えることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、耐電圧試験で高電圧の交流電圧が印加される光源ボードのモデル例を示す。図６Ａは、回路の配置モデルを示し、図６Ｂは、図６Ａの回路のインピーダンスモデルである。耐電圧試験では、５０−６０Ｈｚで６００−１５００Ｖがケースグランドと電源ラインとの間に印加される。発光ダイオードＤのインピーダンスは、電流が流れない状態で、約１００ＭΩになる。寄生容量ＣＰのインピーダンスは、５０−６０Ｈｚの範囲で、約２５０ＭΩになる。各寄生容量ＣＰの電気容量は、絶縁層の厚さ（各銅配線と金属板１４との距離）と各銅配線のパターン面積とに応じて変化する。つまり、寄生容量ＣＰの電気容量Ｃは、誘電率をε、配線パターンの面積をＳ、絶縁層の厚さをｄとすると、
Ｃ＝ε×（Ｓ／ｄ） ・・・（１）
で表すことができる。寄生容量ＣＰは、通常、１０ｐＦから１００ｐＦのオーダーである。保護コンデンサのインピーダンスは、発光ダイオードが過大な逆電圧が印加されないように選択される。そのためには、印加される交流電圧の周波数において、保護コンデンサＣのインピーダンスが、寄生容量ＣＰのインピーダンスよりも十分小さければよい。すなわち、保護コンデンサの電気容量が、寄生容量ＣＰの電気容量よりも十分大きければよい（例えば、電気容量が１０００倍以上あると好ましい）。例えば、図６Ａでは、５０−６０Ｈｚでのインピーダンスが３ｋΩ程度になるように電気容量が１．０μＦの保護コンデンサが使用される。

そして、ＬＥＤ列の両端の発光ダイオードの電極を、アノード側の電源ライン又はカソード側の電源ラインに電気的に接続することによって、各発光ダイオードの電極間電圧に電圧が生じないようにすることができる。なお、保護コンデンサの電気容量は、寄生容量ＣＰの電気容量に応じて決まるが、例えば、０．０１μＦ以上１０μＦ以下の範囲内であることが好ましい。

また、電源ライン１３と各銅配線Ｎとの間に保護コンデンサＣを挿入することによって各発光ダイオードのアノードとカソードとの間に電圧を発生させないようにしている。そのため、ＬＥＤ列の直列数を増やしても減らしてもＬＥＤ列内の発光ダイオードの個数にかかわらず、保護コンデンサＣの電気容量を調整する必要はないため、保護コンデンサＣの大型化やコスト増を抑えることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、図７は、本発明の発光装置の第２の実施形態である光源ボード７０の構成と耐電圧試験の実施方法を示した図である。図４の光源ボード６０は、カソード側の電源ライン１３ａに保護コンデンサＣ１−Ｃ３が接続され、アノード側の電源ライン１３ｂに保護コンデンサＣ４，Ｃ５が接続されているのに対して、図７の光源ボード７０は、カソード側の電源ライン１３ａのみに保護コンデンサＣ１−Ｃ５が接続されている。また、アノード側の電源ライン１３ｂのみに保護コンデンサＣ１−Ｃ５が接続されてもよい。

なお、図４において、電源ユニット４０の正極側が電源ライン１３ｂの端部Ｍ４に接続され且つ電源ユニット４０の負極側が電源ライン１３ａの端部Ｍ３に接続された通常のＬＥＤ灯具としての使用状態において、端部Ｍ３とＭ４との間に大きなサージ電圧が仮に発生した場合、「Ｍ３−保護コンデンサＣ３−銅配線Ｎ３−発光ダイオードＤ４−保護コンデンサＣ４−Ｍ４」の経路に過電流が流れるおそれがある。図７においても同様に、端部Ｍ３とＭ４との間に大きさサージ電圧が発生した場合、「Ｍ３−保護コンデンサＣ５−銅配線Ｎ５−発光ダイオードＤ６−Ｍ４」の経路に過電流が流れるおそれがある。これらの経路に過電流が流れるのは、他の経路よりもインピーダンスが低いからである。そのため、図４の発光ダイオードＤ４又は図７の発光ダイオードＤ６に過電流が流れないように、保護コンデンサＣ１０を設けることが好ましい。

また、上述の実施形態では、発光ダイオードを過大な逆電圧から保護する素子の具体例として保護コンデンサＣを挙げたが、抵抗素子、ツェナーダイオード等の保護素子でもよい。

また、保護コンデンサＣ等の保護素子は、部品の配置容易性や過電圧保護の観点から、放熱基板２０等の基板上に実装することが好ましいが、線材によって接続するなど、基板上に実装しない形態で、各発光ダイオード間の配線Ｎと電源ライン１３との間に挿入してもよい。

また、上述の実施形態では、発光ダイオードＤは単一の発光素子として図示されているが、これに限定されるものではなく、直列及び／又は並列等の接続による複数の発光素子からなる回路又はパッケージ等を用いて適宜設計変更をしても良い。

また、発光ダイオードＤ関しては、例えば、いわゆる白色可視光発光ダイオードを用いることが考えられるが、これに限定されるものではなく、青色、赤色若しくは緑色可視光発光ダイオード、又は、例えば、光変換蛍光体材料等と組み合わせられる紫外線光若しくは赤外線光等の可視光以外の光を発する発光ダイオードであってもよい。更には、発光ダイオードＤには、異なる発光ダイオードの組合せを用いても良い。

また、発光ダイオードＤが実装される基板は、放熱基板２０でなくてもよく、例えば、ＦＲ４ガラスエポキシ基板等のプリント基板やフレキシブル基板などの誘電体基板でもよい。

また、耐電圧試験や過電圧試験において電源ライン１３とケースグランドとの間に発生する過大な電圧に対してだけでなく、ＬＥＤ照明器具としての通常の使用状態で電源ライン１３とケースグランドとの間に発生するサージ等のノイズに対しても、保護コンデンサＣ等の保護素子は有効に機能する。

また、図１に示した電源ユニット４０は、外部から入力される交流電圧からＬＥＤ列に印加するための直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータを備えていればよいが、外部からの入力電圧が直流電圧の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータやスイッチングレギュレータを備えるものでもよい。また、電源ユニット４０をＬＥＤ照明器具に搭載せずに、外部で生成された直流電圧がＬＥＤ照明器具に入力されてＬＥＤ列に印加される形態でもよい。

また、本発明の発光装置及び灯具は、家屋等の建物に限らず、道路照明、街路灯及び信号機等の交通システム、自動車、看板、又は、投光器等の景観照明などの用途に適用可能である。

Ｃ 保護コンデンサ
ＣＰ 寄生容量
Ｄ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
Ｎ 銅配線
１０ 光源ボード
１１ 熱伝導性絶縁層
１２ａ−１２ｆ 銅配線
１３（１３ａ，１３ｂ） 電源ライン
１４ 金属板
２０ 放熱基板
３０ 筐体
４０ 電源ユニット
５０ 反射板
６０，７０ 光源ボード
１００ ＬＥＤ照明器具
２００ 高電圧ＡＣ電源
２０１，２０２ 電源ライン

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板に実装され、複数のＬＥＤが直列に接続されたＬＥＤ列と、
   前記ＬＥＤ列に直列に接続された電源経路と、
   前記ＬＥＤ列内の少なくとも一組のＬＥＤ間の配線と前記電源経路との間に置かれ、前記配線とアースとの間のインピーダンスよりも小さいインピーダンスを有する保護素子とを備える、発光装置。
2. 前記保護素子は、前記ＬＥＤ列の両端のＬＥＤに隣接したそれぞれの前記配線と前記電源経路との間にそれぞれ置かれる、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記保護素子は、前記ＬＥＤ列内の各ＬＥＤ間の配線と前記電源経路との間にそれぞれ置かれる、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記保護素子が、コンデンサである、請求項１から３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記電源経路が、前記ＬＥＤ列のアノード側電源経路と前記ＬＥＤ列のカソード側電源経路の少なくともいずれかである、請求項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の発光装置と、前記基板が取り付けられる筐体とを備え、電圧印加により前記ＬＥＤを灯す灯具。

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