JP2014241202A - 車両用灯具におけるｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具において、安価な構成で車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流の防止して、ＬＥＤ光源の寿命を長くすることが可能なＬＥＤ点灯装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ光源にカスケードに接続して設けられ、複数の制御端を有する電流調整抵抗切替手段と、前記電流調整抵抗切替手段に接続され、前記バッテリからの入力電圧に対して、前記制御端と同数段の閾値電圧が設定された入力電圧検出手段とで構成されるＬＥＤ点灯装置とした【選択図】図１

Description

本発明は、車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具において、ＬＥＤ光源の電流制限用に抵抗器を用い、電源変動におけるＬＥＤ電流増加、つまり過電流を防止あるいは停止する装置に関する。

車両用灯具として、ＬＥＤ などの半導体発光素子を光源に用いたものが知られており、特にテールランプやストップランプといった尾灯については、急速に市場浸透が進んでいる。

この種の尾灯には、ＬＥＤの点灯制御回路が実装されているが、安定化電源装置を用いずに抵抗によって、ＬＥＤの点灯電流を調整しているのが普通である（以下、この種の作用をさせる為に用いる抵抗を電流調整抵抗と表記する）。従って、車両用バッテリからの動作入力電圧範囲は通常＋１０Ｖから＋１６Ｖであるために、バッテリ電圧の変動に伴って、ＬＥＤへの電流も変動することとなる。

図７は従来の尾灯の場合を示したものであって、車両用バッテリからの電圧入力端子と車両用保護手段４とＬＥＤ光源２と電流調整抵抗Ｒ１で構成されている。車両用保護手段４は電源間をバッテリ逆接防止用のダイオードＤ１を介して、自動車試験規格であるロードダンプ試験（サージ電圧試験、バッテリの端子がオルタネータの発電中にはずれることで生じるサージ電圧に対する耐性を確認するもの。）対策の為のパワーツェナーダイオードＺＤ１を接続したものである。ＬＥＤ光源２と電流調整抵抗Ｒ１は直列接続されて、該パワーツェナーデイオードＺＤ１と並列に接続される。
尚、図７に示すＬＥＤ光源２の例はＬＥＤ１乃至ＬＥＤ９の９個のＬＥＤが内部で纏められて、３個を並列接続したものを更に３直列に接続した所謂直並列方式に結線されているものである。この結線方式はＬＥＤ素子の１つがショートモードで故障しても直列に接続されている他の段の並列群が発光を続け、１つがオープンモードで故障しても故障した以外のＬＥＤ素子が発光を維持できるという利点があり、車両用灯具用のＬＥＤ光源として一般化しているものである。

前述の車両用バッテリの電圧変動に加えて、各自動車製造者では、バッテリの電圧異常状態を想定して車両信頼性試験として以下の様な過電圧試験が実施されている。
１２Ｖ形のバッテリ使用車の場合、
（イ）オルタネータに対する発電制御システム等の異常による過電圧に対する確認として、
＋１８Ｖの試験電圧を６０分間加えて作動させた後に装置の正常動作を確認する。
（ロ）車両をジャンプスタートさせた場合等で生ずる短期の過電圧に対する確認として
＋２４Ｖの試験電圧を１分間加えて作動させた後に装置の正常動作を確認する。
これらの試験を実施された場合、図７の例のように電流調整抵抗を用いてＬＥＤの点灯電流を調整している装置では、ＬＥＤへの過電流が流れ込み、光度低下や寿命劣化などのダメージを与えてしまう虞がある為に、上記試験による過電圧時においても過電流がながれないように定常時の電流を低く抑える必要がある。更に、過電流となるため電流調整抵抗Ｒ１は定格電力値の大きなものを採用する必要があった。

文献１では、電流調整抵抗を用いた場合に比較して省電力を低減させることが可能なものとして、車両用灯具の光源部として複数のＬＥＤを直列に接続した組列に電流調整抵抗を接続し、それを複数列用いた光源部をＰＷＭ制御回路にてスイッチングして電流を制御する構成が開示されている。

文献２は自転車用ＬＥＤ式ランプにおいて、ハブダイナモの発電電圧が走行速度とともに上昇して生じる過電流を防止するために、ＬＥＤに直列接続した抵抗器と制御部から周囲の明るさに応じた信号によりドライブするトランジスタＡと、前記ＬＥＤと抵抗器の間にベース（制御端）を接続したトランジスタＢに直列接続したバイパス手段である抵抗器を備えており、発電機の電力増加時にＬＥＤ電力が規定以上となるとバイパスへ電流を移行させて過電流を防止する構成が開示されている。

特開２００３−３１７９７８号報 特開２００７−１１２１７２号報

文献１において、電流調整抵抗の発熱防止のためのＰＷＭ制御回路部とスイッチング部を設けていることから、部品点数が多くコストアップの要因となり、ＭＴＴＦの悪化要因にもなる。
またＬＥＤを直列に接続した組列に抵抗を接続し、それを複数列用いた光源部専用としているため、需要者の多様なニーズに応えて、様々な態様のＬＥＤ光源を選択可能とするには不向きな構成となっている。

文献２において、発電機からの電力が規定値よりも増加した場合に、バイパス手段の抵抗器によって余分な電力を消費させて過電流を防止させているため抵抗器の消費電力増加や発熱が懸念される。
また前記抵抗器の発熱が懸念されるため、前記抵抗器とＬＥＤを十分に離して搭載しなければならず、実装形状が大きくなり、コストアップの要因となる。

本発明は、車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具において、上記問題を解決して、ＬＥＤ光源の態様に制限されず、安価な構成で車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流を電流削減あるいは電流停止の措置を図ることで、ＬＥＤ光源の寿命を長くすることが可能なＬＥＤ点灯装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置によれば、
車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具の点灯装置であって、前記ＬＥＤ光源にカスケードに接続して設けられ、複数の制御端を有する電流調整抵抗切替手段と、前記電流調整抵抗切替手段に接続され、前記バッテリからの入力電圧に対して、前記制御端と同数段の閾値電圧が設定された入力電圧検出手段とで構成されるＬＥＤ点灯装置とすることで、
ＬＥＤ光源の態様に制限されず、安価な構成で車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流を防止する措置を図ることが可能である。

上記目的を達成するため、本発明の請求項２に記載のＬＥＤ点灯回路によれば、
前記電流調整切替手段は、複数の抵抗器と該抵抗器の夫々に直列に接続されたスイッチング素子による複数の直列回路がさらに並列接続されており、複数の抵抗器の切替を各スイッチング素子による電流路の開閉で行うことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯回路とすることで、
車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流を防止するとともに、ロードダンプサージのように高い過渡電圧が印加された場合にはＬＥＤ光源への電流供給を停止することができ、通常はサージ保護用の挿入されているパワーツェナーダイオードを削除できる。

上記目的を達成するため、本発明の請求項３に記載のＬＥＤ点灯回路によれば、
前記電流調整切替手段は、複数の抵抗器と該抵抗器の夫々に並列に接続したスイッチング素子による複数の並列回路がさらに直列接続されており、各スイッチング素子の開閉により抵抗器の両端をシャントすることで複数の抵抗器の切替を行うことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯回路とすることで、
車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流を防止するとともに、ロードダンプサージのように高い過渡電圧が印加された場合にもＬＥＤ光源への電流供給を停止せず、点灯を継続させることができる。

本発明によれば、車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具において、ＬＥＤ光源の態様に制限されず、安価な構成で車両用バッテリの電圧変動に伴うＬＥＤ光源への過電流を防止し、ＬＥＤ光源の寿命を長くすることが可能なＬＥＤ点灯装置を提供することができる。

図１は本発明による第一の実施例を示す図である。 図２は入力電圧検出手段の内部ブロック図を示す図である。 図３は電圧検出回路について実施回路例を示す図である。 図４は第一の実施例における入力電圧とＬＥＤ電流特性図に関するシミュレーション結果を示すグラフ図である。 図５は本発明による第二の実施例を示す図である。 図６は第二に実施例における入力電圧とＬＥＤ電流特性図に関するシミュレーション結果を示すグラフ図である。 図７は従来の尾灯におけるＬＥＤ点灯制御回路を示す図である。

（第一の実施例）
図１は本発明による第一の実施例を示すもので、尾灯に使用するＬＥＤ駆動装置の場合を示したものである。ＬＥＤ光源２と車両用保護手段４は図７と同様である。違いとしては、光源の負極側にカスケードに接続された電流調整抵抗切替手段１１と、該電流調整抵抗切替手段１１に制御信号を出力する入力電圧検出手段３を設けている。電流調整抵抗切替手段１１を構成する電流設定抵抗Ｒ１１乃至Ｒ１３はスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ３と直列対となって３回路を構成する。前記スイッチング素子の制御端（図１ではトランジスタのベース）のＸ、Ｙ、Ｚとスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ３が接続されている。入力電圧検出手段３は入力電圧に応じた制御信号を制御端から出力する。

入力電圧検出手段３は前記スイッチング素子の制御端のＸ、Ｙ、Ｚへ、正常時のバッテリ入力電圧範囲において各スイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ３はＯＮ（通電）しており、過電圧入力時において、予め設定された閾値電圧に合わせてＱ１乃至Ｑ３の何れかのスイッチング素子をＯＦＦ（非通電）するように制御信号を出力するように設定されている。例えば、前記Ｘ，Ｙ，Ｚに合わせて三段の閾値電圧を設定し、Ｘ端子においては＋１６Ｖ以上（前述の過電圧試験（イ）、＋１８Ｖ印加時の過電流防止）でスイッチング素子Ｑ１をＯＦＦし、Ｙ端子においては＋２０Ｖ以上（前述の過電圧試験（ロ）、＋２４Ｖ印加時の過電流防止）でスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦし、Ｚ端子においては＋２４Ｖ以上（ロードダンプ試験によって生じる過電流防止）でスイッチング素子Ｑ３をＯＦＦさせる。
この他にも回路数を多く用いれば、より細かく設定電圧を決めることが可能となる。また電流調整抵抗切替手段１１を構成する設定電圧は、最低２回路から５回路程度が望ましい。

図２及び図３は図１に示した入力電圧検出手段３の実施例を示すものである。図２は入力電圧検出手段３の内部ブロック図を示すもので、３１乃至３３で示す３個の電圧検出回路が電源側Ｅと接地Ｆの間に３回路並ぶように設けられており、各回路の出力は電流調整抵抗切替手段１１における前記スィッチング素子の制御端のＸ、Ｙ、Ｚへの出力に対応している。

図３は図２で示した内部ブロック図の電圧検出回路３１について実施回路例を示すものである。３（ａ）では直列接続した二つの抵抗器Ｒ２１、Ｒ２２の中点にスイッチング素子Ｑ１１のベースを接続し、コレクタに抵抗Ｒ２３を介して電源側Ｅに、エミッタは接地Ｆに、そしてコレクタ出力は制御端Ｘに夫々接続される。図２の電圧検出回路３２（制御端Ｙへ出力）と電圧検出回路３３（制御端Ｚへ出力）は図３（ａ）に示した回路構成と同様であるが、検出電圧設定が異なるため抵抗定数が異なるものとなっている。

図３（ｂ）は電圧検出回路３１の別の実施回路例を示すもので、図３（ａ）のＲ２１の代わりにＲ３１とツェナーダイオードＺＤ２を直列接続したものであって、図３（ａ）よりも検出精度向上が図られている。この場合、電圧検出回路３２と電圧検出回路３３は、図３（ｂ）に示した回路構成と同様であるが、検出電圧設定が異なるためツェナー電圧を含めた定数が異なるものとなる。

次に本実施例で車両用バッテリからの入力電圧変動に伴うＬＥＤ電流の過電流防止のための制御方法について説明する。

図４は図１と図２および図３（ｂ）の実施例における入力電圧とＬＥＤ電流特性図に関するシミュレーション結果のグラフ図である。光源２はＬＥＤを３個並列接続したものを更に３直列接続した直並列方式に結線されており、入力電圧１２Ｖ（定格時）でのＬＥＤ電流を一個当り１００ｍＡとし全体で３００ｍＡと設定している。この電流設定は、定格時においてはスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ３の全てがＯＮしているため、電流調整抵抗切替手段１１にあるＲ１１乃至Ｒ１３による合成抵抗（Ｒｘ）によるものとなる。

図４のグラフでは入力電圧（Ｖｉｎ、車両用バッテリの出力電圧を想定）が徐々に増加すると、合成抵抗（Ｒｘ）によるＬＥＤ電流（Ｉｆ）が流れ始めて増加する。ポイントＡ（領域Ｐ１で示す変化点）において、つまり入力電圧が１６Ｖを超えたところで入力電圧検出手段３に含まれる実施回路例図３（ｂ）の電圧検出回路３１のトランジスタＱ１２がＯＮしてＧＮＤレベルの電位がＸ端子につながった電流調整抵抗切替手段１１のＱ１のベースに入力してＱ１をＯＦＦさせる。するとＱ１に繋がったＲ１１がオープンとなるので、合成抵抗（Ｒｘ）の値が上昇するので、ＬＥＤ電流は減少することとなる。尚、ポイントＡの閾値設定は一例であって動作入力電圧範囲は通常＋１０Ｖ〜＋１６Ｖであるために１６Ｖを超えたポイントを設定した。この閾値は、抵抗電力や発熱、周囲環境等の要件に応じて、適宜設定することができる。

同じようにポイントＢ（領域Ｐ２で示す変化点）において、つまり入力電圧が２０Ｖを超えた所で入力電圧検出手段３に含まれる電圧検出回路３２のトランジスタ（図示せず）がＯＮしてＧＮＤレベルの電位がＹ端子に繋がったＱ２のベースに入力してＱ２をＯＦＦさせる。するとＱ２に繋がったＲ１２がオープンとなるので、合成抵抗（Ｒｘ）の値が更に上昇するので、ＬＥＤ電流は更に減少することとなる。尚、２０Ｖの設定閾値はポイントＡの設定と同様で、一例であって動作過電圧試験を想定してポイントを設定したものである。

更にポイントＣ（領域Ｐ３で示す変化点）において、つまり入力電圧が２４Ｖを超えたところで入力電圧検出手段３に含まれる電圧検出回路３３のトランジスタ（図示せず）がＯＮしてＧＮＤレベルの電位がＺ端子に繋がったＱ３のベースに入力してＱ３をＯＦＦさせる。するとＱ３に繋がったＲ１３がオープンとなるので、合成抵抗（Ｒｘ）の値が無限大（オープン）となるため、ＬＥＤ電流は流れず消灯することとなる。尚、２４Ｖの設定閾値はポイントＡおよびポイントＢの設定と同様で、一例であって動作過電圧試験を想定してポイントを設定したものである。

このポイントＣの閾値電圧を超えた電圧で、ＬＥＤ光源２への電流供給を停止させることは、前述のロードダンプ試験対策の為に有効な手段であり、図１の車両保護手段４に含まれる効果なパワーツェナーダイオードを削除できる効果を有することとなる。

上記の電圧検出ポイントの３か所におけるＬＥＤ電流設定について具体例を上げる。
抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３が全て１００Ωとした場合、合成抵抗Ｒｘは３３．３Ωとなる。Ｐ１ではＲ１１がオープン（解放）であるため、Ｒ１２とＲ１３の合成抵抗は５０Ωとなる。ｐ２ではさらにＲ１２がオープン（解放であるため、Ｒ１３の１００Ωとなる。これらの抵抗値と各ポイントでの入力電圧、ＬＥＤの順方向電圧からＬＥＤ電流値が計算される。

（第二の実施例）
図５は本発明による第二の実施例で、図１同様に尾灯の場合を示したものである。図１に示した第一の実施例と同様に光源の負極側にカスケードに接続された電流調整抵抗切替手段１２と、該電流調整抵抗切替手段１２に制御信号を出力する入力電圧検出手段３を設けている。第二の実施例では、電流調整抵抗切替手段１２を構成する電流設定抵抗Ｒ４１乃至Ｒ４３とスイッチング素子Ｑ２１乃至Ｑ２３による各並列対が直列に接続した回路としている。前記スイッチング素子の制御端（図５ではトランジスタのベース）のＸ、Ｙ、Ｚには、図２、図３の実施例と同様の入力電圧検出手段３により入力電圧に応じて制御信号が入力される。通常のバッテリ入力電圧範囲において各スイッチング素子はＯＮ（通電）しており、それ過電圧入力時において、その閾値電圧に合わせてＯＦＦ(非通電)するように設計されている。

さらに前記並列対が直列に接続された回路は、電流設定抵抗Ｒ４４を介してＧＮＤ側に接続されている。この抵抗は、通常のバッテリ入力電圧範囲において、入力電圧検出手段３（第一の実施例に用いたものと同様の回路構成で良い）に含まれる電圧検出回路３１乃至３３のスイッチング素子（図３（ａ）または図３（ｂ）に示した電圧検出回路３１の例ではＱ１１もしくはＱ１２）がＯＦＦ（非導通）しているため、制御端Ｘ、Ｙ、Ｚには所定の制御信号が入力され、電流調整抵抗切替手段１２のスイッチング素子Ｑ２１乃至Ｑ２３が全てＯＮ（導通）して並列に接続されている電流設定抵抗Ｒ４１乃至Ｒ４３が短絡されて合成抵抗Ｒｘがゼロとなり、ＬＥＤ光源２への電流制御が不可能となることを避けるために設けているものである。

入力電圧検出手段３に含まれる電圧検出回路３１乃至３３の全ての閾値電圧を超える過電圧が入力された場合、スイッチング素子Ｑ２１乃至Ｑ２３の全てがＯＦＦするように入力電圧検出手段３から制御端Ｘ、Ｙ、Ｚに制御信号が入力される。前述の第一の実施例と異なり、本実施例では、スイッチング素子Ｑ２１乃至Ｑ２３の全てがＯＦＦした時は、ＬＥＤ光源２への電流が遮断されることにならず、電流設定抵抗Ｒ４１乃至Ｒ４４の直列合成抵抗によって電流が設定されることとなる。従って、異常電圧入力時にも消灯状態になることを防ぐことができ、そのようなレギュレーションが要求される場合、本実施例を用いるのが好ましい。

この実施例でも電流切替ポイントを３か所とした閾値電圧によって電流値を切替えているが、電圧検出の回路数を三回路に固定したものではなく、電流調整抵抗切替手段１２を構成する電圧検出の回路数を多くすればより細かくＬＥＤ電流の制御が可能となる。

次にの実施例について具体的例を上げる。抵抗Ｒ４１乃至Ｒ４４が全て３０Ωとした場合合成抵抗Ｒｘは１２０Ωとなる。動作入力電圧範囲内においては、スイッチング素子Ｑ２１乃至Ｑ２３が全てＯＮしているために合成抵抗ＲｙはＲ４４のみの３０Ωとなる。

この具体例を基に、図６は図４同様に、第二に実施例における入力電圧とＬＥＤ電流特性図に関するシミュレーション結果のグラフ図である。Ｐ１１ではＱ２１がオープン（開放）であるため、Ｒ４１とＲ４４の合成抵抗で６０Ωとなる。Ｐ１２ではさらにＱ２２がオープン（開放）であるため、Ｒ４１とＲ４２とＲ４４の合成抵抗で９０Ωとなる。最後にＱ２３がオープン（開放）であるため、Ｒ４１とＲ４２とＲ４３とＲ４４の合成抵抗で１２０Ωとなる。つまり入力電圧が上昇するにつれて、図２の第一の実施例と同様に電流設定抵抗の値が増加して、ＬＥＤ電流を抑制（電流減少）して過電流を防止することが可能となる。

以上の様に本発明によれば、車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具において、バッテリからの入力電圧検出閾値を電流設定抵抗に加わる電力や周囲環境等の要件に応じて適宜設定し、電流削減あるいは電流停止を図ることで、ＬＥＤへの過電流を防止し、ＬＥＤ光源部の寿命を長くすることが可能となり、さらに電流設定抵抗の電力増大や、抵抗を含めた装置全体の発熱増大を抑制させることが可能となる。

尚、本実施例では、スイッチング素子としてＮＰＮトランジスタを用いて説明しているが、これに拘るものではなく、例えばＮ型電界効果ＦＥＴを用いてもよく、更に当業者であれば、Ｐ型のトランジスタや電界効果トランジスタを用いても同主旨で同様に機能する装置とすることは容易である。

２ ＬＥＤ光源
３ 入力電圧検出手段
４ 車両用保護手段
１１、１２ 電流調整抵抗切替手段
３１、３２、３３ 電圧検出回路

Claims (3)

1. 車両用バッテリを電源としたＬＥＤ光源を有する車両用灯具の点灯装置であって、
   前記ＬＥＤ光源にカスケードに接続して設けられ、複数の制御端を有する電流調整抵抗切替手段と
   前記電流調整抵抗切替手段に接続され、前記バッテリからの入力電圧に対して、前記制御端と同数段の閾値電圧が設定された入力電圧検出手段とで構成されるＬＥＤ点灯装置。
2. 前記電流調整切替手段は、複数の抵抗器と該抵抗器の夫々に直列に接続されたスイッチング素子による複数の直列回路をさらに並列接続されており、複数の抵抗器の切替を各スイッチング素子による電流路の開閉で行うことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯回路。
3. 前記電流調整切替手段は、複数の抵抗器と該抵抗器の夫々に並列に接続したスイッチング素子による複数の並列回路をさらに直列接続されており、各スイッチング素子の開閉により抵抗器の両端を短絡することで複数の抵抗器の切替を行うことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯回路。

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