JP2018520471A - グロー低減が改善されたｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

本発明は、発光ダイオード光源であって、電源電圧供給源への接続のための入力端子（Ｋ１、Ｋ２）と、電源電圧供給源により供給される電源電圧を整流するため入力端子に結合された、整流器出力端子を有する整流器（ＲＢ）と、整流された電源電圧から直流電流を生成するための、整流器出力端子に接続されたコンバータ入力端子と、第１のコンバータ出力端子（Ａ）及び第２のコンバータ出力端子（Ｂ）と、を有する直流−直流コンバータ（ＣＯＮＶ）と、発光ダイオード負荷（ＬＬ）であって、その陽極が、該陽極から第１のコンバータ出力端子へと流れる電流を遮断するための第１の電流制御要素（Ｄ５）を介して第１のコンバータ出力端子に結合され、その陰極は、発光ダイオード光源がスタンバイモードにある場合に、第１の制御可能なスイッチ（Ｍ１）を非導通状態にするための第１の制御回路に結合された制御電極を持つ第１の制御可能なスイッチ（Ｍ１）を介して、第２のコンバータ出力端子に結合され、該陰極は、第１の制御可能なスイッチ（Ｍ１）から発光ダイオード負荷の該陰極へと流れる電流を遮断するための第２の電流制御要素（Ｄ）を介して第１の制御可能なスイッチ（Ｍ１）に結合された、発光ダイオード負荷とを有する発光ダイオード光源に関する。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源の分野に関する。更に詳細には、本発明は、スタンバイ機能を備えたＬＥＤ光源、言い換えれば、電源(mains supply)がＬＥＤ光源に接続されたままで該ＬＥＤ光源の動作が停止されることができるようなＬＥＤ光源に関する。

ＬＥＤに基づく照明システムは、ますます広範囲に亘って用いられている。ＬＥＤは、高い効率と長い寿命を持つ。多くの照明システムにおいて、ＬＥＤは他の光源よりも高い光学的な効率をも提供する。その結果、ＬＥＤは、蛍光灯、高輝度放電ランプ又は白熱灯といった良く知られた光源に対する、興味深い代替を提供する。

ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ光源の動作が制御命令により制御されるような照明システムに含まれることが多い。斯かる制御命令は、ＬＥＤ光源を起動するための命令及びＬＥＤ光源の動作を停止させるための命令、即ちＬＥＤ電流の生成を開始させる命令及びＬＥＤ電流の生成を停止する命令、を含む。後者の場合には、電源へのＬＥＤ光源の接続を遮断することによってではなく、例えばＬＥＤ光源に含まれるコンバータ回路の動作を停止することによって、動作が停止される。該後者の場合には、ＬＥＤ光源はスタンバイモードにあると言える。該スタンバイモードにおいては、電源がＬＥＤ光源に依然として接続されているため、ＬＥＤ光源は依然として更なる命令を受信しこれら命令を処理することが可能である。しかしながら同時に、電源が、ＬＥＤ光源に含まれる寄生容量及びＬＥＤ負荷（の一部）を通る漏れ電流を引き起こし得る。該漏れ電流は、ＬＥＤ列がグロー効果に帰着する少量の光を生成することを引き起こし、このことはしばしば望ましくないことである。

本願と同一出願人による、国際特許出願公開第WO2013/132379号公報は、動作の間、ＬＥＤに供給する電流が、電流制御要素を通り、更に導電状態に保持された第１の制御可能なスイッチをも通って流れることを可能にするＬＥＤ光源に関する。コンバータによりＬＥＤ負荷に供給されるＬＥＤ電流が停止させられた場合には、ＬＥＤ光源がスタンバイ状態となり、第１の制御可能なスイッチが非導電状態とされる。その結果、電源から寄生容量を通ってＬＥＤ負荷へと流れる漏れ電流が効果的に抑制され、それによりＬＥＤはスタンバイ状態の間に少量の光を生成しなくなる。しかしながら、驚くことに、国際特許出願公開第WO2013/132379号公報に述べられるＬＥＤ光源は、ある条件下で動作の間に望ましくないグロー効果に依然として悩まされ得る。

とりわけ、斯かるＬＥＤ光源は、保護接地への比較的高い容量を持つＬＥＤ基板及び比較的低い容量を持つＬＥＤ基板と組み合わせると適切に機能するが、斯かるＬＥＤ光源が適度な(moderate)寄生容量を持つＬＥＤ基板と組み合わされる場合、いくらかのグロー効果が生じ得る。

本開示において、ＬＥＤ負荷と称されるものは、１つのＬＥＤ又は複数のＬＥＤを含んでもよい。ＬＥＤ負荷が直列構成の複数のＬＥＤを含む場合、ＬＥＤ負荷の陽極と称されるものは、電流が流されるべき当該直列構成の最初のＬＥＤの陽極であり、ＬＥＤ負荷の陰極と称されるものは、電流が流されるべき当該直列構成の最後のＬＥＤの陽極である。同様に、ＬＥＤ負荷が並列構成の複数のＬＥＤ（複数の並列分岐の各々が直列に配置された複数のＬＥＤを含み得る）を含む場合、斯かる構成の陽極と称されるものは、電流が流されるべき各並列分岐の最初のＬＥＤの陽極と同電位の電気的ノードであり、斯かる構成の陰極と称されるものは、電流が流されるべき各並列分岐の最後のＬＥＤの陰極と同電位の電気的ノードである。言い換えれば、ＬＥＤ負荷の陽極は、その最も正側のノード(most positive node)であり、陰極は、最も負側のノード(most negative node)である。

本発明の目的は、とりわけ国際特許出願公開第WO2013/132379号公報に述べられるＬＥＤ光源と比較してグロー低減(glow reduction)が改善されたＬＥＤ光源を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、発光ダイオード光源であって、
− 電源電圧供給源への接続のための入力端子と、
− 前記電源電圧供給源により供給される電源電圧を整流するため前記入力端子に結合された、整流器出力端子を有する整流器と、
− 前記整流された電源電圧から直流電流を生成するための、前記整流器出力端子に接続されたコンバータ入力端子と、第１のコンバータ出力端子及び第２のコンバータ出力端子と、を有する直流−直流コンバータと、
− １つ以上の発光ダイオードを有する発光ダイオード負荷であって、その最も正側のノードとしての陽極及びその最も負側のノードとしての陰極を持つ、発光ダイオード負荷と、
を有し、
前記発光ダイオード負荷の前記陽極は、該陽極から前記第１のコンバータ出力端子へと流れる電流を遮断するための第１の電流制御要素を介して前記第１のコンバータ出力端子に結合され、前記発光ダイオード負荷の前記陰極は、前記発光ダイオード光源がスタンバイモードにある場合に、第１の制御可能なスイッチを非導通状態にするための第１の制御回路に結合された制御電極を持つ第１の制御可能なスイッチを介して、前記第２のコンバータ出力端子に結合され、前記発光ダイオード負荷の前記陰極は、前記第１の制御可能なスイッチから該陰極へと流れる電流を遮断するための第２の電流制御要素を介して前記第１の制御可能なスイッチに結合された、
発光ダイオード光源が提供される。

斯くして、第１の電流制御要素及び第２の電流制御要素は、用いられるＬＥＤ基板の構成(configuration)にかかわらず、グロー効果に帰着する可能性のあるいかなる望ましくない電流も負荷を流れないようにする。

本発明の他の態様によれば、前記第２の電流制御要素はダイオードを有することができる。

本発明の他の態様によれば、前記第１の電流制御要素はダイオードを有することができる。

本発明の他の実施形態において、前記発光ダイオード光源は、保護接地端子を備え、優勢容量素子(predominantly capacitive element)が、前記保護接地端子と、前記第１の制御可能なスイッチ及び前記第２の電流制御要素を結合するノードとの間に結合されることができる。

本発明の他の実施形態において、少なくとも前記直流−直流コンバータは、第１のプリント回路基板(PCB)に位置付けられ、前記第１の電流制御要素及び/又は前記第２の電流制御要素が、前記第１のプリント回路基板に位置付けられることができる。

本発明の他の実施形態において、少なくとも前記発光ダイオード負荷は、第２のプリント回路基板に位置付けられ、前記第１の電流制御要素及び/又は前記第２の電流制御要素が、前記第２のプリント回路基板に位置付けられることができる。

本発明の他の実施形態において、前記第１の電流制御要素及び前記第２の電流制御要素は各々、前記第１の制御可能なスイッチ間の寄生容量より小さい寄生容量を持つことができる。

本発明のこれらの及び他の特徴及び利点は、例示且つ非限定的な例としてのみ与えられた、以下に説明される好ましい実施例の詳細な説明及び添付の図面を考慮に入れより明らかとなるであろう。

グロー低減回路を有さない、先行技術において知られたＬＥＤ光源を示す。 先行技術において知られた、グロー低減回路を有するＬＥＤ光源を示す。 本発明の例示の実施形態における、改善されたグロー低減回路を備えるＬＥＤ光源を示す。 図２に示されるグロー低減回路を有するＬＥＤ光源における寄生容量に起因する電圧波形を示す図である。

図１において、Ｋ１及びＫ２は、電源に対する接続のための入力端子である。ダイオードＤ１乃至Ｄ４は、整流器出力端子を有する整流器ＲＢを形成する。該整流器出力端子は、整流された電源電圧から直流（ＤＣ）電流を生成するための、ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶの対応するコンバータ入力端子に接続される。コンバータＣＯＮＶは、第１のコンバータ出力端子Ａ、及び第２のコンバータ出力端子Ｂを有する。コンバータ入力端子同士はコンデンサＣｉｎにより接続され、第１のコンバータ出力端子と第２のコンバータ出力端子とはコンデンサＣｏｕｔにより接続される。

コンバータＣＯＮＶは、ＤＣ−ＤＣコンバータに含まれるコンバータ制御回路の動作を起動又は停止し、それによりそれぞれ、ＬＥＤ光源の動作を開始又はＬＥＤ光源をスタンバイモードに移行させる制御信号を受信するための、入力端子Ｋ３を備える。該制御信号は例えば、ＬＥＤ光源を一部として含む照明システムにおける照明制御回路により生成されることができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶは、１つ以上のコンバータ段を有してもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータが複数の段を有する場合、第１の段は、ＬＥＤ光源を供給電源と整合させる、力率補正(PFC)段であってもよく、１つ以上の出力段は、コンバータをＬＥＤ負荷と整合させる、段であってもよい。

第１のコンバータ出力端子Ａは、ＬＥＤ負荷ＬＬの陽極に接続される。図１において、ＬＥＤ負荷ＬＬは、２つのＬＥＤ即ちＬＥＤ１及びＬＥＤ２により模式的に表されている。実際には、ＬＥＤ負荷は一般に、はるかに多い数のＬＥＤを有する。ＬＥＤ負荷ＬＬの陰極は、第２のコンバータ出力端子Ｂに接続される。

図１に示されるＬＥＤ光源は、照明器具において使用されるのに非常に適している。安全性の理由から、斯かる照明器具は通常、保護接地ＰＥに接続され、該保護接地ＰＥは次いで、電源の「中性端子」("neutral")に接続される。保護接地ＰＥを電源の「中性端子」に結合することは、図１に描写される直接接続によりなされる必要は必ずしもない。斯かる結合は、電力系統レベル(utility-grid level)でなされてもよく、いわゆる"Ｙ ｃａｐ"等のラインフィルタコンデンサ(line filter capacitor)を介してなされてもよい。ＬＥＤ負荷は、照明器具と結合され、斯くして、図１においてＣｐａｒ１、Ｃｐａｒ２及びＣｐａｒ３として模式的に表されている寄生容量によって保護接地ＰＥとも結合され得る。

図１に示されるＬＥＤ光源の通常動作の間は、電源電圧が整流器ＲＢにより整流され、ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶは、該整流された電源電圧から、ＬＥＤ負荷ＬＬに供給されるＤＣ電流を生成する。該ＤＣ電流は、ＬＥＤに光を発生させる。

しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる制御信号が端子Ｋ３において受信された場合、ＬＥＤを流れるＤＣ電流はもはや生成されず、ＬＥＤ光源はスタンバイモードに入る。

ＬＥＤ光源の入力端子が依然として電源に接続されているため、保護接地をＬＥＤ負荷に結合する寄生容量が、ＡＣ漏れ電流を流れさせる。

電源サイクルの第１の部分の間は、第１の電流が、端子Ｋ２から、寄生容量Ｃｐａｒ３及びダイオードＤ３を通って、入力端子Ｋ１へと流れる。第２の電流は、入力端子Ｋ２から、Ｃｐａｒ２、ＬＥＤ２及びダイオードＤ３を通って、入力端子Ｋ１へと流れる。第３の電流は、端子Ｋ２から、寄生容量Ｃｐａｒ１、コンデンサＣｏｕｔ及びダイオードＤ３を通って、入力端子Ｋ１へと流れる。これらの電流は、寄生容量を充電する。

電源サイクルの第２の部分の間は、電流が、端子Ｋ１から、ダイオードＤ１及びコンデンサＣｉｎを通って、コンバータ出力端子Ｂへと流れる。コンバータ出力端子Ｂからは、第１の電流が、コンデンサＣｏｕｔ及び寄生容量Ｃｐａｒ１を通って、入力端子Ｋ２へと流れる。第２の電流は、コンバータ出力端子Ｂから、コンデンサＣｏｕｔ、ＬＥＤ１及び寄生容量Ｃｐａｒ２を通って、入力端子Ｋ２へと流れる。第３の電流は、コンバータ出力端子Ｂから、寄生容量Ｃｐａｒ３を通って、端子Ｋ２へと流れる。これらの電流は、寄生容量を放電する。

斯くして、漏れ電流が寄生容量及び部分的にＬＥＤを通って流れ、それによりＬＥＤに望ましくないと考えられる少量の光を発生させる。

図２に示されるＬＥＤ光源は、上述した国際特許出願公開第WO2013/132379号公報に述べられている。図２のＬＥＤ光源は更に抵抗Ｒ１及びＲ２、ダイオードＤ５、第１の制御可能なスイッチＭ１並びにツェナーダイオードＺ１を有する点において、図２に示されたＬＥＤ光源は、図１に示されたＬＥＤ光源とは異なる。図２に示された実施形態においては、第１の制御可能なスイッチはＦＥＴである。ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶのコンバータ出力端子同士は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の直列構成によって接続される。抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の共通端子は、第１の制御可能なスイッチＭ１の制御電極に接続され、抵抗Ｒ２は、ツェナーダイオードＺ１により分路される。抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びツェナーダイオードＺ１はあわせて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作が停止されＬＥＤ光源がスタンバイモードとなった場合に、制御可能なスイッチＭ１を非導通状態とするための、第１の制御回路を形成する。

図２に示されるＬＥＤ光源の通常動作の間は、コンデンサＣｏｕｔの両端電圧、及び従って抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の直列構成の両端電圧は、第１の制御可能なスイッチＭ１を導通状態に維持するのに十分に高い。その結果、ダイオードＤ５及び制御可能なスイッチＭ１はＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶにより生成されるＤＣ電流を通すため、図２に示されるＬＥＤ光源の通常動作は、図１に示された先行技術のＬＥＤ光源の通常動作と非常に類似したものとなる。

ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶが、通常動作からスタンバイモードへの切り換えのための制御信号を端子Ｋ３において受信した場合、該ＤＣ−ＤＣコンバータの動作は停止させられ、ＬＥＤ負荷に電力供給するＤＣ電流はもはや生成されず、コンバータ出力端子間の電圧が減少して、それにより第１の制御可能なスイッチＭ１は非導通状態となる。ダイオードＤ５及び制御可能なスイッチＭ１の本体ダイオードは、漏れ電流を遮断し、それにより、ＬＥＤ光源がスタンバイモードにあるときに、寄生容量はもはや充電及び放電されず、ＬＥＤは少量の光を生成しなくなり、そのためグロー効果が効果的に抑制される。

ダイオードＤ５が省かれると、ＬＥＤは依然として少量の光を生成するであろうことに留意されたい。このことは、端子Ｋ２における電圧が端子Ｋ１における電圧よりも高いときに、電源電圧の瞬間的に高い値のため、ＬＥＤの陰極から陽極へ流れる逆電流をＬＥＤが担持するためである。該電流は、寄生容量を充電する。ＬＥＤは次いで、端子Ｋ１における電圧が端子Ｋ２における電圧よりも高いときに、寄生容量を放電させ、ＬＥＤの陽極から陰極へと流れる電流を担持する。図２に示された実施形態においては、ＬＥＤを流れる逆電流は、第１の電流制御要素として働く、ダイオードＤ５により遮断される。

しかしながら、図２に示されたＬＥＤ光源は、図３及び図４を参照して以下より詳細に説明されるように、ある状況下でいくらかのグロー効果を依然として呈する恐れがある。

図３は、本発明の例示の実施形態における改善されたグロー低減回路を備えるＬＥＤ光源を示す。図３は図２とよく似ており、図３に示されるほとんどの要素は、図２を参照して説明済みである。図２とは異なり、図３は更に、制御可能なスイッチＭ１のドレイン電極を保護接地ＰＥに結合する優勢容量素子である、いわゆる"Ｙコンデンサ"Ｙｃａｐ等の典型的なラインフィルタコンデンサを開示する。さらに、制御可能なスイッチＭ１自体が、該制御可能なスイッチＭ１のドレイン電極及びソース電極間に、図３においてＣｐａｒとして表されている、寄生容量を持つ。本発明者は、制御可能なスイッチＭ１の寄生容量が、制御可能なスイッチＭ１が非導通状態であるにもかかわらずグロー効果に帰着する望ましくない電流の流れの根本原因であることを特定した。図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶの第２の出力端子Ｂ及び保護接地ＰＥ間の電圧差の波形を示す。Ｃｐａｒ及びＹｃａｐが、第２の出力端子Ｂ及び保護接地ＰＥ間の電圧差に対する容量分圧器を形成する。しかしながら、制御可能なスイッチＭ１のドレイン及び保護接地ＰＥ間の電圧差の残る大きさ(remaining magnitude)が、依然としてＬＥＤ負荷ＬＬを通る電流に帰着するほど高くなり得、該ＬＥＤ負荷にグロー発光させる可能性がある。図３に示されるように、優勢容量素子は、保護接地ＰＥと、第１の制御可能なスイッチＭ１及び第２の電流制御要素Ｄを結合するノードとの間に結合されてもよい。これは、グロー電流低減を一層改善する有利な技術的効果を持つ。

本発明は、第２の電流制御要素が、第１の制御可能なスイッチＭ１からＬＥＤ負荷ＬＬの陰極へと流れる電流を遮断するため用いられることを提案する。図３により示される例示の実施形態において、第２の電流制御要素は、好ましくはダイオードＤにより形成されているが、例えば、サイリスタ、サイダック又はツェナーによって形成されてもよい。ダイオードＤの陽極は、ＬＥＤ負荷ＬＬの陰極に電気的に結合され、ダイオードＤの陰極は、制御可能なスイッチＭ１のドレインに電気的に結合される。

第２の電流制御要素の技術的機能は、ＬＥＤ基板の寄生容量Ｃｐａｒ３と共にＣｐａｒＤとして表され得るその寄生容量が、低いリップル電圧しか該ＬＥＤ基板に残らないように、制御可能なスイッチＭ１のドレイン及び保護接地ＰＥ間の電圧差の更なる容量分圧器を形成することにある。リップル電圧がＬＥＤ負荷ＬＬの順方向電圧より低い場合、目に見えるグロー光はないであろう。好ましくは、第１の電流制御要素及び第２の電流制御要素は、第１の制御可能なスイッチＭ１間の寄生容量Ｃｐａｒ、すなわち、制御可能なスイッチＭ１のソース及びドレイン間の容量より小さい寄生容量を各々持つように選択される。

ある実施形態において、ＬＥＤ光源の全ての構成要素は、同一のプリント回路基板（ＰＣＢ）に搭載されてもよい。

他の例示の実施形態において、ＤＣ−ＤＣコンバータＣＯＮＶ、及び可能であれば整流器ＲＢ、更にはコンデンサＣｉｎ及びＣｏｕｔは、第１のＰＣＢ、いわゆる"ドライバＰＣＢ"に物理的に位置付けられてもよく、ＬＥＤ負荷ＬＬは、第２のＰＣＢ、上述した"ＬＥＤ基板"に物理的に位置付けられてもよい。第１の電流制御要素Ｄ５及び/又は第２の電流制御要素Ｄは、第１のＰＣＢ又は第２のＰＣＢのいずれかに物理的に搭載されてもよい。

本発明は図面及び以上の記述において説明され記載されたが、斯かる説明及び記載は説明するものであって限定するものではないとみなされるべきであり、本発明は開示された実施例に限定されるものではない。図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (7)

1. 発光ダイオード光源であって、
   電源電圧供給源への接続のための入力端子と、
   前記電源電圧供給源により供給される電源電圧を整流するため前記入力端子に結合された、整流器出力端子を有する整流器と、
   前記整流された電源電圧から直流電流を生成するための、前記整流器出力端子に接続されたコンバータ入力端子と、第１のコンバータ出力端子及び第２のコンバータ出力端子と、を有する直流−直流コンバータと、
   １つ以上の発光ダイオードを有する発光ダイオード負荷であって、その最も正側のノードとしての陽極及びその最も負側のノードとしての陰極を持つ、発光ダイオード負荷と、
   を有し、
   前記発光ダイオード負荷の前記陽極は、該陽極から前記第１のコンバータ出力端子へと流れる電流を遮断するための第１の電流制御要素を介して前記第１のコンバータ出力端子に結合され、前記発光ダイオード負荷の前記陰極は、前記発光ダイオード光源がスタンバイモードにある場合に、第１の制御可能なスイッチを非導通状態にするための第１の制御回路に結合された制御電極を持つ第１の制御可能なスイッチを介して、前記第２のコンバータ出力端子に結合され、前記発光ダイオード負荷の前記陰極は、前記第１の制御可能なスイッチから該陰極へと流れる電流を遮断するための第２の電流制御要素を介して前記第１の制御可能なスイッチに結合された、
   発光ダイオード光源。
2. 前記第２の電流制御要素はダイオードを有する、請求項１に記載の発光ダイオード光源。
3. 前記第１の電流制御要素はダイオードを有する、請求項１又は２に記載の発光ダイオード光源。
4. 前記発光ダイオード光源は、保護接地端子を備え、優勢容量素子が、前記保護接地端子と、前記第１の制御可能なスイッチ及び前記第２の電流制御要素を結合するノードとの間に結合された、請求項１、２又は３に記載の発光ダイオード光源。
5. 少なくとも前記直流−直流コンバータは、第１のプリント回路基板に位置付けられ、前記第１の電流制御要素及び/又は前記第２の電流制御要素が、前記第１のプリント回路基板に位置付けられた、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光ダイオード光源。
6. 少なくとも前記発光ダイオード負荷は、第２のプリント回路基板に位置付けられ、前記第１の電流制御要素及び/又は前記第２の電流制御要素が、前記第２のプリント回路基板に位置付けられた、請求項１、２又は３に記載の発光ダイオード光源。
7. 前記第１の電流制御要素及び前記第２の電流制御要素は各々、前記第１の制御可能なスイッチ間の寄生容量より小さい寄生容量を持つように選択される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光ダイオード光源。

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