JP2017017126A - 温度検出方法、温度検出回路およびｌｅｄ電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】事前にＬＥＤの順方向電圧の温度特性等を計測・記憶することなく、ＬＥＤの温度を導出できる方法の提供。【解決手段】計測したＬＥＤの順方向電圧ＶｆとＬＥＤに流れる計測した電流Ｉｄとより次式によりＬＥＤの絶対温度Ｔを検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode)の温度を検出する温度検出方法、温度検出回路およびＬＥＤ電源装置に関するものである。

ＬＥＤは省エネルギーを目的として様々な分野で使用されている。ＬＥＤの一般的な特性として、光束が温度とともに変化することは知られている。この光束の温度特性例を図４（特許文献１参照）に示す。

光束を温度変化にかかわらず一定に保つために、ＬＥＤの温度を温度センサで監視し、この温度センサから得られる情報を基にＬＥＤに流れる電流を調整することは容易に考え得る方法である。しかしこの方法を用いると、温度センサを追加するためコストの増加を招く問題がある。

そこで、温度センサを追加することなくＬＥＤの温度を導出し、光束が一定になるように制御する技術が提案されている。特許文献１では予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度依存特性を計測・記憶する。この依存特性の例を図５（特許文献１参照）に示す。特許文献１では、点灯開始直後のみＬＥＤの順方向電圧Ｖｆを検出し、この電圧Ｖｆと予め計測していたＶｆの温度依存特性をもとにＬＥＤの温度変化を予測する。そして、予測したＬＥＤ温度変化から、適切な光束になるようにＬＥＤに流す電流を調整するものである。

特許文献２にも予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度依存特性を計測・記憶する記載がある。ここでは、ＬＥＤ点灯時にはＬＥＤの順方向電圧Ｖｆを常に計測し、この電圧Ｖｆと予め計測していたＶｆの温度依存特性を照らし合わせＬＥＤの温度を導出する。そして、この導出したＬＥＤ温度から、適切な光束になるようにＬＥＤに流す電流を調整するものである。

特開２０１４−０５３２５０号公報 特許第４３９８４１７号公報

しかし、特許文献１と特許文献２では、ＬＥＤの温度を導出するために、予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶しておく必要があるが、ＬＥＤの順方向電圧ＶｆはＬＥＤの種類によって異なり、さらに同じ種類のＬＥＤでも個体差を持って異なる。したがって、特許文献１と特許文献２の方法を用いてＬＥＤの温度を導出する場合、事前に必ず順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶する必要があり、ＬＥＤに電流を供給するＬＥＤ電源装置のコスト増加を招く問題がある。

本発明の目的は、事前にＬＥＤの順方向電圧の温度特性等を計測・記憶することなく、ＬＥＤの温度を導出でき、光束を所定値に制御できるようにすることである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の温度検出方法は、計測したＬＥＤの順方向電圧Ｖｆと該ＬＥＤに流れる計測した電流Ｉｄとより次式にからＬＥＤの絶対温度Ｔを検出することを特徴とする。

請求項２にかかる発明の温度検出回路は、ＬＥＤの順方向電圧を検出する手段と、前記ＬＥＤに流れる電流Ｉｄを検出する手段とを備え、次式により前記ＬＥＤの絶対温度Ｔを検出することを特徴とする。

請求項３にかかる発明のＬＥＤ電源装置は、出力端子間に１個又は複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ回路を負荷として接続したＬＥＤ電源装置において、入力電圧を直流−直流変換するＤＣ−ＤＣ変換装置と、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置を制御する制御装置を設け、該制御装置は、前記ＬＥＤ回路に印加する電圧を前記ＬＥＤの数で分圧した電圧をＶｆとし、前記ＬＥＤ回路に流れる電流をＩｄとするとき、

により得られた絶対温度Ｔに応じて、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置を制御して前記電流Ｉｄを調整し、前記ＬＥＤの光束を所定値に制御することを特徴とする。

請求項４にかかる発明は、請求項３に記載のＬＥＤ電源装置において、前記制御装置は、前記絶対温度Ｔが所定値を超えると異常発熱として、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置に対して前記ＬＥＤ回路に流れる電流Ｉｄを減少ないし停止させることを特徴とする。

本発明によれば、事前にＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶することなく、ＬＥＤの絶対温度を導出することができる。このため、順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶するために要するコストを低減することが可能となる。

本発明の実施例のＬＥＤ電源装置１０の回路図である。 図１のＬＥＤ電源装置におけるＬＥＤに流れる電流ＩｄとＬＥＤ電源装置１０の両出力端子１３、１４間の電位差Ｖｏｕｔの時間変化を示した特性図である。 ＬＥＤの実際の温度特性Ａと本発明で導出されたＬＥＤの温度特性Ｂを示した特性図である。 ＬＥＤの光束の温度依存特性を示した特性図である。 ＬＥＤの順方向電圧の温度依存特性を示した特性図である。 第２の実施例の制御のフローチャートである。

＜第１の実施例＞
以下に本発明の第１の実施例について説明する。図１はＬＥＤ電源装置１０を示す図である。このＬＥＤ電源装置１０は、ＰＦＣ装置（力率改善装置）２０と、ＤＣ−ＤＣ変換装置（直流−直流変換装置）３０と、制御装置４０とで構成され、ＬＥＤ回路５０に電流Ｉｄを供給する。交流電源Ｖｉｎが入力する入力電源端子１１と入力ニュートラル端子１２は、ＰＦＣ装置２０を通してＤＣ−ＤＣ変換装置３０に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換装置３０の正側出力端子３１は、ＬＥＤ電源装置１０の正側出力端子１３と制御装置４０の出力電圧計測端子４１に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換装置３０の負側出力端子３２は、ＬＥＤ回路５０に流れる電流Ｉｄを検出するシャント抵抗Ｒ１を経由して、ＬＥＤ電源装置１０の負側出力端子１４に接続される。シャント抵抗Ｒ１の両端は制御装置４０のＧＮＤ端子４２と電流検出端子４３に接続される。制御装置４０の制御出力端子４４はＤＣ−ＤＣ変換装置３０の制御入力端子３３に接続される。ＬＥＤ電源装置１０の正側出力端子１３はＬＥＤ回路５０のＬＥＤのアノードへ、負側出力端子１４はＬＥＤ回路５０のＬＥＤのカソードに接続される。なお、ＬＥＤ回路５０はｎ個のＬＥＤが直列接続されているものとする。また制御装置４０にはデジタル制御電源装置を用いる。

以下に本実施例の温度導出の理論を説明する。ＬＥＤ電源装置１０からＬＥＤ回路５０に流れる電流Ｉｄと、出力端子１３、１４の間の電位差Ｖｏｕｔとの間には、以下の関係式が成り立つ。

ただし、
Ｉｓ：ＬＥＤの逆方向飽和電流［Ａ］
Ｖｏｕｔ：ＬＥＤ電源装置の両出力端子間電位差［Ｖ］
ｎ：直列接続されたＬＥＤの個数
Ｖｔ：熱電圧［Ｖ]
Ｖｆ：ＬＥＤひとつあたりの順方向電圧［Ｖ]
ｑ：電子素量（１．６０２×１０^-19［ｑ］）
ｋ：ボルツマン定数（１．３８×１０^-23［ｍ²ｋｇ／ｓ²／Ｋ］）
Ｔ：ＬＥＤの絶対温度［Ｋ］
である。

式（１）の電流Ｉｄを電圧Ｖｆで微分すると、次の式（２）が得られる。

この式（２）より、絶対温度Ｔを求めると、次の式（３）となる。

電子素量ｑとボルツマン定数ｋは物理定数であるので、ＬＥＤ回路５０に流れる電流ＩｄとＬＥＤの順方向電圧Ｖｆ（＝Ｖｏｕｔ／ｎ）、つまり電流ＩｄとＬＥＤ電源装置１０の両出力端子１３、１４の間の電位差Ｖｏｕｔと直列接続されたＬＥＤの個数ｎが分かれば、制御装置４０に温度検出回路の構成要素として、ＬＥＤの順方向電圧を検出する手段とＬＥＤに流れる電流Ｉｄを検出する手段を内蔵させることにより、ＬＥＤの絶対温度Ｔを導出することができる。この式（３）にはＬＥＤ固有の逆方向飽和電流Ｉｓが含まれないため、ＬＥＤの種類に関係なくＬＥＤに流れる電流ＩｄとＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの情報だけで絶対温度Ｔを導出できる。

以下に具体的な温度導出過程を説明する。なお、ＬＥＤのパラメータは以下の通りと仮定する。
直列接続されたＬＥＤの個数ｎ＝２００
逆方向飽和電流Ｉｓ＝１．０×１０^-12［Ａ］
ＬＥＤの絶対温度Ｔ＝２９８［Ｋ］（＝２５［℃］）

本実施例の図１のＬＥＤ電源装置１０において、ＬＥＤ回路５０に流れる電流Ｉｄと両出力端子間１３、１４間の電位差Ｖｏｕｔを計測することでＬＥＤの絶対温度が導出される過程を説明する。

ＬＥＤに流れる電流Ｉｄと両出力端子１３、１４の間の電位差Ｖｏｕｔの時間変化の関係を図２に示す。図２に示すように、ＬＥＤに流れる電流Ｉｄはリプル成分を持つ正弦波である。リプル成分は交流電源Ｖｉｎが５０Ｈｚの場合、１００Ｈｚの周波数で現れる。

ここで、ＬＥＤに流れる電流Ｉｄをシャント抵抗Ｒ１で電圧変換し、その電圧を制御装置４０で計測することで、ＬＥＤに流れるピーク電流とボトム電流を得る。それぞれの電流は以下の通りである。
ピーク電流Ｉｄ１＝４．４５０[Ａ]
ボトム電流Ｉｄ２＝３．９５０[Ａ]

ピーク電流Ｉｄ１とボトム電流Ｉｄ２を得るのと同じタイミングで、ＬＥＤ電源装置１０の両出力端子１３、１４間の電位差Ｖｏｕｔを制御装置４０で計測する。ここで得られる計測値は以下の通りである。
ピーク電圧Ｖｏｕｔ１＝１５０．４１４[Ｖ]
ボトム電圧Ｖｏｕｔ２＝１４９．８０３[Ｖ]

なお、この両出力端子１３、１４間の電位差Ｖｏｕｔの真値は、式（１）をＶｏｕｔについて解くことで得られる。本実施例は真値を計測できたものとする。ここで直列接続されたＬＥＤの個数はｎ＝２００なので、ＬＥＤひとつあたりの順方向電圧Ｖｆは以下の通りである。
順方向電圧ピーク値Ｖｆ１＝Ｖｏｕｔ１／ｎ＝０．７５２０７０[Ｖ]
順方向電圧ボトム値Ｖｆ２＝Ｖｏｕｔ２／ｎ＝０．７４９０１５[Ｖ]

次に微分演算を実施する。本実施例では差分近似で微分値を得る例を示すが、ルンゲクッタ法などで高度な微分近似をしてもよい。

また、ピーク電流Ｉｄ１とボトム電流Ｉｄ２の平均値を、式（３）で用いるＬＥＤ電流Ｉｄとすると、

となる。

そこで、これらの値を式（３）に代入することで、ＬＥＤの絶対温度Ｔを得ることができる。

ＬＥＤのパラメータは、Ｔ＝２９８［Ｋ］（＝２５［℃]）であり、今回の方法を用いた場合の誤差はわずか０．１［℃］である。この誤差は微分の近似精度によるものである。

この方法を用いてＬＥＤの温度が時定数１０［ｍｉｎ］で２５［℃］から８５［℃］まで変化する場合での、ＬＥＤ温度の導出結果を図３に示す。図３の特性ＡがＬＥＤ温度の真値であり、特性Ｂが上記の計算過程で得られたＬＥＤ温度である。この図３に示すように、高い精度でＬＥＤの温度を導出できることがわかる。

この第１の実施例では、制御装置４０が順方向電圧ＶｆとＬＥＤに流れる電流Ｉｄを同時に計測し、式（４）で示したような微分演算を実施する。

従来技術では、ＬＥＤの温度を導出するために、予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶する必要があったが、第１の実施例では、事前にＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶することなく、ＬＥＤの温度を導出することができる。

＜第２の実施例＞
次に第２の実施例について説明する。第２の実施例は第１の実施例で導出したＬＥＤの温度から、ＬＥＤの光束を一定に制御するプログラムを実施するものである。本実施例では図６を用いてＬＥＤの光束を一定に保つ制御を説明する。まず、図４に示すようなＬＥＤの光束の温度依存特性を制御装置４０に保存する（Ｓ１）。この特性は必ずしも事前に計測する必要はなく、ＬＥＤのカタログ等を参照してもよい。そしてＬＥＤの点灯（Ｓ２）の後、第１の実施例の手法でＬＥＤ温度を導出する（Ｓ３）。その後、図４に示したように予め保存しておいた光束の温度依存特性より、ＬＥＤ光束を導出する（Ｓ４）。

光束はＬＥＤに流れる電流Ｉｄに比例して増減するため、導出された光束の増減に応じて、制御装置４０でＤＣ−ＤＣ変換装置３０を制御して、ＬＥＤに流れる電流Ｉｄを増減させる（Ｓ５）。ＬＥＤを消灯するまで、ＬＥＤの温度導出とＬＥＤに流れる電流Ｉｄの調整を繰り返す（Ｓ３〜Ｓ７）。このようにすることで、ＬＥＤの光束を一定に保つことができる。

従来技術では、ＬＥＤの光束を一定に制御するために、予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶する必要があったが、第２の実施例によれば、事前にＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶することなく、ＬＥＤの温度を導出し、光束を一定に制御することができる。

＜第３の実施例＞
次に第３の実施例について説明する。第３の実施例は第１の実施例で導出したＬＥＤの温度から、ＬＥＤの過熱保護プログラム（図示せず）を実施するものである。ＬＥＤは使用温度範囲があり、この温度範囲を超えて使用すると、突然の消灯など予期せぬ事態が発生する可能性がある。そこで、第３の実施例は制御装置４０で導出されたＬＥＤの温度が使用温度範囲を超えた場合または超えそうな場合、ＤＣ−ＤＣ変換装置３０に対して、ＬＥＤに流れる電流Ｉｄを減じる制御を加えるものである。

従来技術では、ＬＥＤの過熱保護のために予めＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶する必要があったが、第３の実施例によれば、事前にＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの温度特性を計測・記憶することなく、ＬＥＤの温度を導出し、過熱保護対策を実施することができる。

Ｖｉｎ：交流電源
Ｖｏｕｔ：出力電圧
１０：ＬＥＤ電源装置、１１：入力電源端子、１２：入力ニュートラル端子、１３：正側出力端子、１４：負側出力端子
２０：ＰＦＣ装置
３０：ＤＣ−ＤＣ変換装置、３１：正側出力端子、３２：負側出力端子、３３：制御入力端子
４０：制御装置、４１：出力電圧計測端子、４２：ＧＮＤ端子、４３：電流検出端子、４４：制御出力端子
５０：ＬＥＤ回路

Claims (4)

1. 計測したＬＥＤの順方向電圧Ｖｆと該ＬＥＤに流れる計測した電流Ｉｄとから次式によりＬＥＤの絶対温度Ｔを検出することを特徴とする温度検出方法。
   

   
2. ＬＥＤの順方向電圧を検出する手段と、前記ＬＥＤに流れる電流Ｉｄを検出する手段とを備え、次式により前記ＬＥＤの絶対温度Ｔを検出することを特徴とする温度検出回路。
   

   
3. 出力端子間に１個又は複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ回路を負荷として接続したＬＥＤ電源装置において、
   入力電圧を直流−直流変換するＤＣ−ＤＣ変換装置と、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置を制御する制御装置を設け、
   該制御装置は、前記ＬＥＤ回路に印加する電圧を前記ＬＥＤの数で分圧した電圧をＶｆとし、前記ＬＥＤ回路に流れる電流をＩｄとするとき、
   

   

   により得られた絶対温度Ｔに応じて、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置を制御して前記電流Ｉｄを調整し、前記ＬＥＤの光束を所定値に制御することを特徴とするＬＥＤ電源装置。
4. 請求項３に記載のＬＥＤ電源装置において、
   前記制御装置は、前記絶対温度Ｔが所定値を超えると異常発熱として、前記ＤＣ−ＤＣ変換装置に対して前記ＬＥＤ回路に流れる電流Ｉｄを減少ないし停止させることを特徴とするＬＥＤ電源装置。

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