JP4881275B2 - Ｌｅｄ点灯駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された複数個のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）からなるＬＥＤ照明ユニットの点灯制御を行うＬＥＤ点灯駆動装置に関する。特に、個々のＬＥＤの順方向降下電圧のばらつきに関わらずに、どのＬＥＤ照明ユニットに対しても定電流を供給し安定的に駆動（点灯）することができる簡易な構成のＬＥＤ点灯駆動装置に関する。

最近では、照明装置としてＬＥＤ（発光ダイオード）を多数用いたＬＥＤ照明装置が数多く見られるようになってきている。一般的に、通常のＬＥＤ照明装置においては複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ照明ユニットを採用しており、その発光輝度を良好かつ一定に保つために、直列接続した複数のＬＥＤに対して定電流を供給することによってＬＥＤ照明ユニットを安定的に駆動（点灯）することが従来から行われている。こうしたＬＥＤ点灯駆動装置の一例として、例えば下記に示す特許文献１又は特許文献２に記載されている技術が提案されている。
特開2006−108519号公報 特開2007−142139号公報

上記ＬＥＤ照明ユニットを駆動（点灯）する際に用いる電源を大別すると、１次電池や２次電池のような自立電源からの直流電圧（又は電流）を所望の大きさの直流電圧（又は電流）に変換する例えばＤＣ‐ＤＣコンバータなどの電源と、商用交流電源から出力される交流電圧（又は電流）を所望の大きさの直流電圧（又は電流）に変換する電源（所謂ＡＣ‐ＤＣ電源）とがある。ＡＣ‐ＤＣ電源の一例としては、交流電圧を変圧トランスで昇降圧し、整流回路や平滑回路及び出力電圧を一定に保つ安定化回路等を通して、変動のない直流電圧（又は電流）を得る直流安定化電源が従来から知られている。こうした直流安定化電源をＬＥＤ照明ユニット駆動用の電源として使用する場合においても、ＬＥＤ照明ユニットつまり直列接続された複数のＬＥＤに対して定電流を供給することが必要とされるのは勿論である。

そこで、直流安定化電源をＬＥＤ照明ユニット駆動用の電源として使用する場合における、従来の典型的なＬＥＤ点灯駆動装置のいくつかについてその概要図を図２に例示する。図２Ａに示す装置は直流安定化電源１の後に抵抗素子Ｒを配置して、この配置する抵抗素子Ｒの抵抗値の違いによって得られる定電流を、ＬＥＤ照明ユニットＵに対して供給する方式のものである。他方、図２Ｂに示す装置は、直流安定化電源１の後に定電流回路Ａを配置して必要とする定電流を得る方式のものである。前記定電流回路Ａとしては、例えば上述した特許文献１又は特許文献２に記載の電池や直流電源から出力される直流電圧（又は電流）を制御して定電流を得る技術を採用することが可能である。すなわち、直流安定化電源１から出力された変換後の直流電圧（又は電流）を、FETやトランジスタ等の多数の素子からなる定電流回路Ａにオペアンプから出力される信号を与えることによって調整することで、直列接続した複数のＬＥＤ１０からなるＬＥＤ照明ユニットＵに対して定電流を供給する。

ところで、ＬＥＤにあっては同じ素子で形成されており同じ特性を有するものであっても、順方向降下電圧（Ｖｆ）については各個体によってばらつく傾向がある（Ｖｆ±α：以下、ばらつき分をαで示す）。そのために、図２Ａに示した装置では、異なるＬＥＤ照明ユニットＵ間において、各ＬＥＤ照明ユニットＵに含まれる個々のＬＥＤ１０の順方向降下電圧のばらつき（Ｖｆ±α）により抵抗素子Ｒにかかる電圧が変動し得ることから、異なるＬＥＤ照明ユニット毎に抵抗素子Ｒの調整を行う必要がある。しかし、そうした抵抗素子Ｒの調整は難しく、またＬＥＤ照明ユニットＵ毎に調整を行うのは時間を要し面倒である、という問題がある。

一方、図２Ｂに示した装置では、個々のＬＥＤ１０の順方向降下電圧のばらつき（Ｖｆ±α）によって各ＬＥＤ照明ユニットＵ毎において必要となる駆動電流が異なりうることに鑑み、上記した特許文献１又は特許文献２に記載の技術を採用してどのＬＥＤ照明ユニットＵに対しても定電流を供給できるようにすれば、どのＬＥＤ照明ユニットＵであってもそれらを安定的に駆動（点灯）させることは可能である。ただし、そうした場合には定電流を得るために、FETやトランジスタ等の多数の素子からなる定電流回路Ａを直流安定化電源１とは別に動作させる必要がある。そのため、例え効率が８５％以上の直流安定化電源１を用いたとしても、後段に多数の素子からなる定電流回路Ａ（効率９０％以下）をさらに動作させることにより、ＬＥＤ点灯駆動装置全体としての効率が低下してしまい、熱をほとんど発生させることなく複数個のＬＥＤ１０を点灯させることが難しい、という問題が生じうる。

そこで、ＬＥＤ照明ユニット駆動用の電源として直流安定化電源１を用いて、どのＬＥＤ照明ユニットＵであっても効率よく（例えば８０％を超える高い効率で）安定的に駆動（点灯）することができるＬＥＤ点灯駆動装置が従来から望まれていたが、そうしたものは未だ提案されていない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、複数個のＬＥＤが直列接続されて構成されたＬＥＤ照明ユニットを駆動（点灯）する場合に、どのＬＥＤ照明ユニットであっても安定的に駆動（点灯）することができる簡易な構成のＬＥＤ点灯駆動装置を提供しようとするものである。

本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置は、複数個のＬＥＤを直列接続してなるＬＥＤ照明ユニットに接続されて、前記接続されたＬＥＤ照明ユニットを点灯駆動するＬＥＤ点灯駆動装置であって、前記ＬＥＤ照明ユニットに対して電力を供給する電源であって、出力する直流電圧を所定の外部信号に基づいて調整する電圧制御部と、前記出力する直流電圧を分圧し、分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御する分圧回路と、前記分圧回路の分圧点に前記外部信号を入力する電圧制御端子とを少なくとも含んでなるものと、前記ＬＥＤ照明ユニットの通電電流を検出し、該検出した電流値に応じた信号を前記外部信号として前記電圧制御端子に印加する電流検出手段とを具え、前記電流検出手段により検出される電流値に応じて前記分圧回路の分圧点の電圧を変動させ、この分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御することにより前記電源が出力する直流電圧の調整を行わせ、前記ＬＥＤ照明ユニットの通電電流を定電流化するように構成したことを特徴とする。

この発明によると、電流検出手段はＬＥＤ照明ユニットの通電電流を常時に検出しており、該検出した電流値を電源の電圧制御端子に対して出力する。ＬＥＤ照明ユニットに対して電力を供給する電源は、出力する直流電圧を電圧制御端子から入力された所定の外部信号（前記検出した電流値）に基づいて調整するものであり、前記出力する直流電圧を分圧し、分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御する分圧回路を含んでおり、前記電圧制御端子から入力された外部信号（前記検出した電流値）を前記分圧回路の分圧点に印加し、前記検出した電流値に応じて前記分圧回路の分圧点の電圧を変動させ、この分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御することにより前記出力する直流電圧の調整を行わせる。したがって、前記電流検出手段により検出される電流値に基づき電源が直接制御されて、前記ＬＥＤ照明ユニットの通電電流を定電流化する。加えて、検出した電流値が印加される分圧点の電圧によって電圧制御部を制御するので、検出した電流値が小さい場合でも、出力する直流電圧が異常に高圧化することがなく、安定した動作を行うことができ、また、検出した電流値の小さな変動にも応答して電圧制御部を適切に制御することができる。上記した構成の装置においては、電源の入力／出力効率とほぼ同じ効率で動作することができるので効率よく定電流化を図ることができ有利である。しかも、部品点数が少ない簡易な構成で済むことから、狭い範囲のわずかな空間に構成（配置）することができるだけでなく、消費電力がほとんど発生せずに装置自体が熱を発生しにくいことからも、装置自体を小型に製作することが容易である。

本発明によれば、常時に検出されるＬＥＤ照明ユニットの通電電流に従って電源を直接制御してＬＥＤ照明ユニットの通電電流の定電流化を図るようにしたことから、複数個のＬＥＤが直列接続されて構成されたＬＥＤ照明ユニットを駆動（点灯）する場合に、どのＬＥＤ照明ユニットであっても安定的に駆動（点灯）することが簡易な構成でできる、という優れた効果を奏する。また、検出した電流値が印加される分圧点の電圧によって電圧制御部を制御するので、検出した電流値が小さい場合でも、出力する直流電圧が異常に高圧化することがなく、安定した動作を行うことができ、また、検出した電流値の小さな変動にも応答して電圧制御部を適切に制御することができる、という優れた効果を奏する。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置の一実施例を示す全体構成図である。この図１に示すＬＥＤ点灯駆動装置は、大別すると、光源としてのＬＥＤ照明ユニットＵに対して電圧（又は電流）を供給する直流安定化電源１と、前記直流安定化電源１による電圧印加に応じて前記ＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉの電流値（電流情報）を検出して直流安定化電源１にフィードバックする電流検出回路３とから構成されている。前記ＬＥＤ照明ユニットＵは、同一素子からなるＬＥＤ１０を直列に複数個接続して構成されており（この実施例では３個）、その一端が直流安定化電源１に接続される一方で、他端が電流検出回路３に接続されている。

直流安定化電源１は交流入力電圧を直流出力電圧に変換する回路であって、ラインフィルタＬ、整流・平滑回路Ｓ、変圧トランスＥ等からなる交流／直流信号変換部と電圧制御部２とから構成されている。ラインフィルタＬ、整流・平滑回路Ｓ、変圧トランス（変圧器）Ｅ等からなる交流／直流信号変換部による交流入力電圧から直流出力電圧への電圧変換については公知であることから、ここでの説明を省略する。

電圧制御部２は、上記ラインフィルタＬ、整流・平滑回路Ｓ、変圧トランスＥを介して得られる変換後の直流出力電圧を、外部からの信号（詳しくは後述するが、ここではＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉ）に基づいて自動的に可変制御するための回路である。この実施例に示す電圧制御部２は一例として、ＰＷＭ電圧制御回路Ｐ、信号伝達素子Ｆ（例えばフォトカプラ）、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）、トランジスタＴ、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２等のその他の素子から構成されてなるものを示している。ＰＷＭ電圧制御回路ＰはＰＷＭ信号を出力してトランジスタＴをスイッチング操作するものであり、このＰＷＭ信号のデューティー比を調整することによりトランジスタＴのスイッチング操作態様が可変設定される。トランジスタＴのスイッチング操作態様が可変設定されることに応じて前記交流／直流信号変換部に対する制御が行われ、これにより直流安定化電源１から出力される直流出力電圧を可変制御することができるようになっている。

前記ＰＷＭ電圧制御回路Ｐから出力されるＰＷＭ信号のデューティー比の調整は、フォトカプラＦの受光素子Ｆ１（フォトトランジスタ）からの出力信号に基づいて行われるようになっている。フォトカプラＦにおいて受光素子Ｆ１と対に構成されている発光素子Ｆ２（発光ダイオード）は、その一端が直流安定化電源１の出力端子の一方（＋Ｖ側）に接続され、他端が電圧コントロールＩＣ（Ｃ）に接続される。電圧コントロールＩＣ（Ｃ）は、フォトカプラＦの発光素子Ｆ２の出力側の電圧（図中においてＶｏｕｔで示す）を決定する回路である。この電圧コントロールＩＣ（Ｃ）による発光素子Ｆ２の出力側の電圧決定制御に伴って、フォトカプラＦの受光素子Ｆ１（フォトトランジスタ）からの出力信号が制御される。すなわち、フォトカプラＦの発光素子Ｆ２の入力側の電圧（直流安定化電源１の出力端子の電圧＋Ｖ）と、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）により決定されたフォトカプラＦの発光素子Ｆ２の出力側における電圧（Ｖｏｕｔ）とが異なる場合に、フォトカプラＦの発光素子Ｆ２が通電して点灯する（勿論、発光素子Ｆ２の出力側の電位が低い）。この際に、発光素子Ｆ２の入力側の電圧（＋Ｖ）と出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）との差が大きいほど、発光素子Ｆ２から発光される光の光量が大きくなり、この光量に応じて受光素子Ｆ１からの出力信号が制御される。

このように、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）による発光素子Ｆ２の出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）の決定制御に応じて、フォトカプラＦの受光素子Ｆ１からの出力信号制御、ＰＷＭ電圧制御回路Ｐから出力されるＰＷＭ信号のデューティー比の調整、トランジスタＴのスイッチング操作態様の設定が順次に行われて、最終的に直流安定化電源１から出力される直流出力電圧を制御することができるようになっている。

電圧コントロールＩＣ（Ｃ）は電圧制御端子Ｂを有してなり、該電圧制御端子Ｂから入力される所定の外部信号に応じて発光素子Ｆ２の出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）の決定制御を行う。本実施例において、該電圧制御端子Ｂには電流検出回路３から出力された電流値が入力されており、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）は該入力された電流値と直流安定化電源１から出力された直流出力電流の電流値とに基づいて、発光素子Ｆ２の出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）を決定する。

電流検出回路３は、ＬＥＤ照明ユニットＵに流れる駆動電流Ｉの電流値を検出し、該検出した電流値（電流情報）を前記電圧コントロールＩＣ（Ｃ）の電圧制御端子Ｂへと出力する回路であって、ＬＥＤ照明ユニットＵに直列接続されている。図から理解できるように、電流検出回路３は、オペアンプＯＰと、ダイオードＤと、抵抗素子Ｒ３とからなる非常に簡易な構成の回路である。該電流検出回路３において、オペアンプＯＰの「＋端子」にはＬＥＤ照明ユニットＵが接続される。他方、オペアンプＯＰの「−端子」には、基準電圧（Ｖｏ-）を入力する電源が接続される。そして、オペアンプＯＰの出力端子には直流安定化電源１からの電流が逆流することを防止する逆流防止用のダイオードＤが接続され、さらにこのダイオードＤの先に直流安定化電源１の電圧制御端子Ｂが接続されている。

この構成において、オペアンプＯＰの「＋端子」には直流安定化電源１から出力された直流出力電圧（＋Ｖ）に比べて、各ＬＥＤ１０の順方向降下電圧を加算した分（ただし、順方向降下電圧にはばらつきがあるためにこの例では（Ｖｆ±α）×３個分）だけ低い電圧が入力される。一方、オペアンプＯＰの「−端子」には基準電圧（Ｖｏ-）が入力される。オペアンプＯＰによる上記各電圧値の比較に応じて、電流検出回路３から直流安定化電源１の電圧制御端子Ｂに対して、ＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉの実値として「（基準電圧Ｖｏ-）／（抵抗素子Ｒ３の抵抗値）」よりも小さい又は大きい電流値が出力されるようにしている。前記電流値は、電流検出回路３におけるオペアンプＯＰの出力電圧と、直流安定化電源１の電圧制御端子Ｂにおける電圧（抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２とにより分圧された電圧）との間に生じた電圧差により決まる。言い換えれば、そのようにオペアンプＯＰの「−端子」に入力する基準電圧（Ｖｏ-）の電圧値及び抵抗素子Ｒ３の抵抗値、さらには電圧制御部２において直流安定化電源１から出力される直流出力電圧を分圧するための抵抗素子Ｒ１及び抵抗素子Ｒ２の各抵抗値は決められている。すなわち、前記基準電圧（Ｖｏ-）の電圧値及び抵抗素子Ｒ３の抵抗値、さらには抵抗素子Ｒ１及び抵抗素子Ｒ２の各抵抗値はＬＥＤ１０の順方向降下電圧（Ｖｆ）を考慮して決定される（ただし、順方向降下電圧のばらつき（±α）分は考慮しなくてよい）。

電流検出回路３からＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉの実値として「（基準電圧Ｖｏ-）／（抵抗素子Ｒ３の抵抗値）」よりも小さい電流値が出力された場合、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）は、発光素子Ｆ２の出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）を下げるように調整する。これにより、直流安定化電源１から出力される直流出力電圧が上げられて、ＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉを増加させる（すなわち、定電流化が図られる）。一方、電流検出回路３からＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉの実値として「（基準電圧Ｖｏ-）／（抵抗素子Ｒ３の抵抗値）」よりも大きい電流値が出力された場合、電圧コントロールＩＣ（Ｃ）は、発光素子Ｆ２の出力側の電圧（Ｖｏｕｔ）を上げるように調整する。これにより、直流安定化電源１の直流出力電圧が下げられて、ＬＥＤ照明ユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉを減少させる（すなわち、定電流化が図られる）。

ＬＥＤ照明ユニットＵを安定的に効率よく駆動（点灯）するのに必要な駆動電流Ｉは、同じ素子からなる複数のＬＥＤ１０を直列接続したどのユニットＵにおいても、直流安定化電源１から供給される直流出力電圧（＋Ｖ）が同じだとしても（所謂定電圧駆動）に、各ユニットＵを構成する個々のＬＥＤ１０の順方向降下電圧（Ｖｆ）のばらつきによって変動しうる。そこで、本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置においては、上述したように、電流検出回路３によりユニットＵ内を流れる駆動電流Ｉの変化を検知して、これを基に直流安定化電源１から出力される直流出力電圧を、個々のＬＥＤ１０の順方向降下電圧（Ｖｆ）のばらつきに即して可変し、各ユニットＵに適した駆動電流Ｉを定電流化して供給することができるようにしている。すなわち、従来のように所定の定電流回路によって電源から出力された後の直流出力電圧を制御（昇圧／降圧）することによって、接続したユニットＵに適した駆動電流Ｉの定電流化を図るのではなく（いわば間接的な制御による定電流化といえる）、直流安定化電源１を制御して該電源１から出力される直流出力電圧を適宜に調整することによって、接続したユニットＵに適した駆動電流Ｉの定電流化を図っている（いわば直接的な制御による定電流化といえる）。

前記電流検出回路３は、上記したように数点のオペアンプＯＰとダイオードＤと抵抗素子Ｒ３とを組み合わせて構成される簡易な回路であるために非常に安価に製造することができるものである。また、本電流検出回路３を動作するには、オペアンプＯＰを動作させるためのわずかな電圧／電流（例えば、１ｍＡ〜５ｍＡ程度）だけで済む。したがって、上記した構成によれば、本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置は、直流安定化電源１の入力／出力効率とほぼ同じ効率で動作することができ、図２に示した従来の方法（回路）よりも高効率に定電流化を図ることができ有利である。しかも、部品点数が少なくて済むので狭い範囲のわずかな空間に構成（配置）することができ、さらに上記したように本ＬＥＤ点灯駆動装置を動作するための電圧／電流も微小の電流で済む。したがって、消費電力がほとんど発生せずに装置自体が熱を発生しにくいことから、ＬＥＤ点灯駆動装置自体を小型に製作することが容易である（つまり軽薄短小化がし易い）。

また、本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置の効率は直流安定化電源１の効率とほぼ同等となるために、直流安定化電源１の効率のみを勘案するだけで省エネを実現した装置として提供することが容易にできる。例えば直流安定化電源１の効率が９０％以上であれば、ＬＥＤ点灯駆動装置の効率を９０％以上とすることが可能であり、こうしたＬＥＤ点灯駆動装置は省エネを実現した従来にない装置である。

なお、本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置は電源として図１に示したような直流安定化電源１を用いる場合に限らず、電圧制御端子Ｂを備えてなり、該電圧制御端子Ｂから入力される所定の外部信号に基づき出力電圧（又は電流）を可変制御できる外部電源ならばどのようなものであってもよい。
なお、ＬＥＤ照明ユニットＵは、順方向降下電圧がわずかにばらつく特性を持つ同一素子からなるＬＥＤを複数個直列接続したものに限らず、順方向降下電圧が大きく異なる特性を持つ異なる素子からなるＬＥＤを複数個組み合わせたものであってもよい。

本発明に係るＬＥＤ点灯駆動装置の一実施例を示す全体構成図である。 従来の典型的なＬＥＤ駆動制御装置の一例を示す概要図であって、図２Ａは直流安定化電源の後に抵抗素子を配置した方式、図２Ｂは直流安定化電源の後に定電流回路を配置した方式を示す。

符号の説明

１…直流安定化電源、２…電圧制御部、３…電流検出回路、１０…ＬＥＤ（発光ダイオード）、Ａ…定電流回路、Ｂ…電圧制御端子、Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）…抵抗素子、Ｕ…ＬＥＤ照明ユニット、Ｌ…ラインフィルタ、Ｓ…整流・平滑回路、Ｔ…トランジスタ、Ｐ…ＰＷＭ電圧制御回路、Ｆ…信号伝達素子（フォトカプラ）、Ｆ１…受光素子（フォトトランジスタ）、Ｆ２…発光素子（発光ダイオード）、Ｃ…電圧コントロールＩＣ、ＯＰ…オペアンプ、Ｄ…ダイオード、Ｅ…変圧トランス

Claims (3)

1. 複数個のＬＥＤを直列接続してなるＬＥＤ照明ユニットに接続されて、前記接続されたＬＥＤ照明ユニットを点灯駆動するＬＥＤ点灯駆動装置であって、
   前記ＬＥＤ照明ユニットに対して電力を供給する電源であって、出力する直流電圧を所定の外部信号に基づいて調整する電圧制御部と、前記出力する直流電圧を分圧し、分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御する分圧回路と、前記分圧回路の分圧点に前記外部信号を入力する電圧制御端子とを少なくとも含んでなるものと、
   前記ＬＥＤ照明ユニットの通電電流を検出し、該検出した電流値に応じた信号を前記外部信号として前記電圧制御端子に印加する電流検出手段と
   を具え、
   前記電流検出手段により検出される電流値に応じて前記分圧回路の分圧点の電圧を変動させ、この分圧点の電圧によって前記電圧制御部を制御することにより前記電源が出力する直流電圧の調整を行わせ、前記ＬＥＤ照明ユニットの通電電流を定電流化するように構成したことを特徴とするＬＥＤ点灯駆動装置。
2. 前記電流検出手段は、ＬＥＤ照明ユニットに含まれる直列接続された個々のＬＥＤの順方向降下電圧に応じた通電電流を検出するオペアンプを少なくとも含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ点灯駆動装置。
3. 前記電源は交流電圧を直流電圧に変換する信号変換部を有してなり、前記信号変換部は前記電圧制御部の制御の元に出力する直流電圧を調整しながら交流／直流変換を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯駆動装置。

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