JP4588494B2 - 照明用発光ダイオード駆動回路 - Google Patents
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Description
LED照明は蛍光灯に比べ照度が簡単に変えられて長寿命で水銀等の有害物質を含まないといった利点を持つ。
図5において、整流電圧Vをn個のLEDを直列接続した回路に適当な安定抵抗または定電流素子等を挿入し印加させる単純な方法でLEDを駆動していた。複数のLEDを直列接続すると最小電流で駆動電圧を高く設定できるため、商用電源のような高電圧をダイオードで直接全波(または半波)整流したのちLEDを駆動させる場合に有利である(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
この高調波電流抑制対策方法としてアクティブフィルタ方式等が考案されているが、アクティブフィルタ方式の場合、昇圧コイルをスイッチングする際に発生する放射ノイズが問題となるため、これらの対策を厳重に施す必要があり小型軽量化の障害となる。
この方法は電流高調波の抑制策としては有効であるが、ダミー抵抗に流れる電流が大きいと無効電力の増大で発光効率が低下することとダミー抵抗の放熱対策が必要となる。
しかしながらAC−DCコンバータの高調波電流が問題になる。更にAC−DCコンバータから発生する放射ノイズも問題となるため、これらの対策を厳重に施す必要があり小型軽量化の障害になる。
即ち、LED直列回路を駆動する瞬時電圧vが、LED端子電圧VledmaxにLED直列接続数nを掛けた電圧以下になるとLEDの電流が急激に減少するため、LEDの電流の減少が始まる前後でLEDの直列接続数nを瞬時電圧vに対応し可変しLEDの電流減少を抑える方法である。
例えば、Vledmax=3.3Vでn=40の場合にはVs=132Vであるが、瞬時電圧が132V以下になった時点でn=30にするとVs=99Vまで電流は減少しないことになる。
以下同様に瞬時電圧が99V以下になった時点でn=20にするとVs=66Vまで、更に瞬時電圧が66V以下になった時点で、n==10にするとVs=33Vまで電流は減少しないことになる。この結果、瞬時電圧vの位相90±80度の範囲でLEDに電流を流すことができることになる。
LEDのカットオフ現象が発生する期間を狭くするためには、タップの数を複数個設けることで対応させることができる。タップの切換にはフォトカプラのように電流のオン・オフ動作の中間で電流制御ができるような切換器が望ましい。
またこの切換器を制御するには瞬時電圧vの電圧に応じてタップを切換える方法とタップを含むLED直列回路の総電流を電流帰還ループの中に入れて帰還制御電圧の量(オフセット電圧)に応じてタップを切換える方法を採り入れた。
また高調波電流を抑制するために、LEDの電流波形と瞬時電圧v波形が相似となるように瞬時電圧vを基準にした電流帰還制御を行うことで、限りなく電流波形歪みを抑制させることができるようにした。
具体的な解決手段は、以下のとおりである。
図1において、AC供給電源1とこれを整流し整流電圧Vを供給する整流器2とLED 3−1〜3−40を直列に接続したLED直列回路3とこのLED直列回路3の(+)端子と(−)端子間に、(−)端子側から順にT−1〜T−3とするLED直列数10個毎にタップを3個設け、このタップT−1〜T−3に対応する3組の安定抵抗4−1〜4−3と切換器8−1〜8−3と電圧設定器7−1〜7−3と、前記LED直列回路の電流を制御する電流制御器6と、この電流制御器6を制御する電圧比較器5と、前記整流器2の電圧Vを分圧設定する基準電圧設定器10と電流制御器6出力より前記整流器2に戻る負荷電流Iを検出する電流検出器9とを有しており、前記電圧比較器5の基準入力に前記基準電圧設定器10出力を、前記電圧比較器5の比較入力に電流検出器9出力を接続し、前記LED直列回路3の(−)端子と前記電流制御器6入力を安定抵抗4−0を経由し接続し、前記タップT−1〜T−3を切換器8−1〜8−3入力に安定抵抗4−1〜4−3を経由しそれぞれ接続し、切換器8−1〜8−3出力を前記電流制御器6の入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器5の出力を前記電流制御器6の制御入力と前記電圧設定器7−1〜7−3入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器7−1〜7−3出力を前記切換器8−1〜8−3の制御入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器7−1〜7−3出力を前記電流制御器6の電流制御量の小〜大に対応させて前記切換器8−1〜8−3の制御入力に出力するようにし、前記電流制御器6の電流制御量が小さい時には切換器8−1〜8−3は非導通で、電流制御量の大きくなるにつれて前記切換器8−1〜8−mが順に導通し、電流制御量が大きい時には切換器8−1〜8−3全てが導通状態となるように制御させている。
図2において、前記LED直列回路3のタップ間のLED直列接続数pを10とし、直列LED数が10個毎に新たにダイオード3a−1〜3をLED電流が流れる方向に挿入し、LED直列回路の(−)端子側を若い番号とするタップT−1〜3をダイオード3a−1〜3のアノード側に、また電圧供給タップTa−1〜3をダイオード3a−1〜3のカソード側となるように設け、更にこの電圧供給タップTa−1〜3へ電圧を供給する切換器8a−1、2とタップ間逆流防止ダイオード3b−1、3および3c−1、3とを新規に設け、この切換器8a−1、2の入力を前記LED直列回路3の(+)端子にそれぞれ接続し、切換器8a−1、2の制御入力を切換器8−1、2の制御入力にそれぞれ接続し、切換器8−1入力をタップT−2へ、切換器8a−1出力をタップTa−2へ接続し、切換器8−2入力をタップT−1とT−3へ、切換器8a−2出力をタップTa−1とタップTa−3へ対応するタップ間逆流防止ダイオード3c−1、3および3b−1、3を経由しそれぞれ接続する。
このようにLED直列回路3の全てのLEDに、タップ切換を行っても略々等しい電流が流れることになるためLED直列回路3の全LEDを均一に点灯させることができ、かつ、実施例1と同様に瞬時電圧vと瞬時電流iの比がほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記AC供給電源の高調波電流を極力抑制することができる。
図3において、回路構成を簡略化するために、前記LED直列回路3には中間にタップT−1、電圧供給タップTa−1、ダイオード3a−1のみを設け、これらに対応する切替器8−1、電圧供給切替器8a−1、電圧設定器7−1を設けて、図のように接続し、他は実施例1、実施例2と同様な回路構成である。
これでも各LEDにはタップ切換時も含め常に略々等しい電流が流れることになるため、LED直列回路3の全LEDを均一に点灯させることができ、かつ、実施例1と同様に瞬時電圧vと瞬時電流iの比がほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記AC供給電源の高調波電流を極力抑制するようにした照明用LED駆動回路である。
図4のLED電流波形のごとく、正弦波位相0±20度および180±20度の範囲がダミー抵抗4−4にて補間される領域となる。これによる電力消費量は全体の10%未満であるため、発光効率と回路規模のバランスを考えた設計が重要となる。
また、LED電流を可変しLEDの光度を可変させるには、電圧比較器5の入力となる基準電圧設定器10の出力電圧を可変することで、高調波電流の抑制を阻害することなく簡単に達成できる。
また複数のLED直列回路3またはそれに対応した安全抵抗を含む負荷回路を複数組並列接続し本実施例の様に駆動させた場合も全く同様な効果を発揮させることができる。
またLEDを部分的に直並列に接続した場合も同様である。
また切換器は、特性の揃ったフォトカプラを想定しているが、制御電圧で出力電流のオフ〜オンが可能なものであれば何でも良い。
また、切換器8の制御電圧を本実施例のように電圧設定器7の出力を基にするのではなく、整流器2の整流電圧Vを基に制御させても同様の効果が得られる。
なお、説明を省略したが、本LED駆動回路の各実施例で使用した電圧比較器5、電流制御器6、電圧設定器7、切換器8、電流検出器9、基準電圧設定器10等で必要により使用する直流電源は、LED直列回路に流れる電流に比べて微々たるものであれば、整流電圧Vを適当な電圧に分圧したのちDC電圧に変換し使用しても問題になることはない。
2 整流器
3 LED直列回路
3−1〜3−40 LED
3a−1〜3a−3 ダイオード
3b−1、3b−3 タップ間逆流防止ダイオード
3c−1、3c−3 タップ間逆流防止ダイオード
4−0〜4−3 安定抵抗
4−4 ダミー抵抗
5 電圧比較器
6 電流制御器
7−1〜7−4 電圧設定器
8−1〜8−4 切換器
8a−1〜8a−2 切換器
9 電流検出器
10 基準電圧設定器
(+) LED直列回路(+)電圧供給端子
(−) LED直列回路(−)電圧供給端子
T−1〜T−3 タップ
Ta−1〜Ta−3 電圧供給タップ
I 負荷電流の実効値
i 負荷電流の瞬時電流
V 整流電圧の実効値
v 整流電圧の瞬時電圧
Claims (3)
- AC供給電源とこれを整流し整流電圧Vを供給する整流器とn個の発光ダイオードを直列に接続したLED直列回路とこのLED直列回路の(+)端子と(−)端子間に(−)端子側から順にT−1〜m(但しm<n)とする少なくとも1個以上の任意のタップを設け、このタップT−1〜mに対応する切換器8−1〜mと電圧設定器7−1〜mと、前記LED直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Vを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Iを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記LED直列回路の(−)端子と前記電流制御器入力を接続し、前記タップT−1〜T−mを前記切換器8−1〜m入力にそれぞれ接続し、前記切換器8−1〜m出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器7−1〜m入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器7−1〜m出力を前記切換器8−1〜m制御入力にそれぞれ接続し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器7−1〜mの制御出力1〜mを前記切換器8−1〜m制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器8−1〜mは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器8−1〜mが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器8−1〜mがすべて導通となるように制御し、前記整流電圧Vの瞬時電圧vと前記負荷電流Iの瞬時電流iの比v/iがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記AC供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。
- AC供給電源とこれを整流し整流電圧Vを供給する整流器とn個の発光ダイオードを直列に接続したLED直列回路と、前記LED直列回路のタップ間のLED直列接続数をpとし、n/p=2m(但しmは整数)となるようにn、p、mをそれぞれ設定し、直列LED数がp個毎にLED直列回路の(+)端子と(−)端子間に、(−)端子側から順にダイオード3a−1〜(2m−1)をLED電流が流れる方向に挿入し、前記ダイオード3aの両端に対応するTa−1,T−1〜Ta−(2m−1),T−(2m−1)なるタップをそれぞれ設け、切換器8−1〜mと切換器8a−1〜mと電圧設定器7−1〜mと、タップ間逆流防止ダイオード3b−1〜(2m−1)および3c−1〜(2m−1)(但し3b−(2m)/2、3c−(2m)/2は不要で欠落)と、前記LED直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Vを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Iを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記LED直列回路の(−)端子と前記電流制御器入力を接続し、前記切換器8−1〜m出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器7−1〜m入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器7−1〜m出力を前記切換器8−1〜m、8a−1〜mの各制御入力にそれぞれ接続し、この切換器8a−1〜mの入力を前記LED直列回路(+)端子にそれぞれ接続し、前記電圧供給タップTa−1〜(2m−1)にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード3b−1〜(2m−1)のカソードを前記電圧供給タップT−1〜(2m−1)にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード3c−1〜(2m−1)のアノードを接続し、前記切換器8−1入力を前記タップT−(2m)/2へ、また前記切換器8a−1出力をタップTa−(2m)/2へ接続し、前記切換器8−2入力を前記タップT−(2m)/4とT−3(2m)/4へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード3c−(2m)/4と3c−3(2m)/4をそれぞれ経由して接続し、前記切換器8a−2出力を前記タップTa−(2m)/4とタップTa−3(2m)/4へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード3b−(2m)/4と3b−3(2m)/4をそれぞれ経由して接続(以下同様で説明は省略)し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器7−1〜mの制御出力1〜mを前記切換器8−1〜m、8a−1〜mの制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器8−1〜m,8a−1〜mは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器8−1,8a−1〜8−m,8a−mが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器8−1,8a−1〜8−m,8a−mがすべて導通となるように制御することで、各LEDには常にほぼ等しい電流が流れ前記LED直列回路の全LEDを均一に点灯させるようにし、前記整流電圧Vの瞬時電圧vと前記負荷電流Iの瞬時電流iの比v/iがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記AC供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。
- 請求項1又は請求項2において、さらにダミー抵抗とこの電流を制御する切換器とこの切換器を制御する電圧設定器とを有し、前記ダミー抵抗を前記LED直列回路の(+)端子と前記切換器の入力間に接続し、前記切換器出力を前記電流制御器の入力に接続し、前記切換器の制御入力と前記電圧設定器出力を接続し、前記電圧設定器入力を前記電圧比較器の出力に接続し、前記電圧設定器出力を請求項1又は請求項2における各電圧設定器出力の最大時に対応させることで、前記LED直列回路の全LEDがカットオフ現象またはその近傍の時に前記ダミー抵抗に電流が流れるようにし、前記整流電圧Vの瞬時電圧vと前記負荷電流Iの瞬時電流iの比v/iがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記AC供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。
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