JP4955026B2 - Ｌｅｄ照明用保護回路、及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ照明用保護回路、及びこのＬＥＤ照明用保護回路を使用したＬＥＤ照明装置に係り、特に複数のＬＥＤ（発光ダイオード）を直列接続したＬＥＤ点灯ブロックを複数個備えるＬＥＤ照明装置において、あるＬＥＤ点灯ブロックに障害が生じても他のＬＥＤ点灯ブロックに影響を与えないようにすることができるＬＥＤ照明用保護回路、及びＬＥＤ照明装置に関する。

近年、照明装置として、複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ点灯ブロックを複数個備えるＬＥＤ照明装置が多用されるようになって来ている。
ここで、ＬＥＤ照明装置として複数のＬＥＤを直列接続すると、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆのばらつきにより各ＬＥＤ点灯ブロックに流れる電流がアンバランスになることがある。電流のアンバランスはＬＥＤ発光の照度のばらつきだけでなく、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆのより小さいＬＥＤ点灯ブロックへ電流が集中し、相対的にその他のＬＥＤ点灯ブロックへの電流が少なくなるのでその他のＬＥＤ点灯ブロックの照度は低下し、且つ、電流が集中するＬＥＤ点灯ブロックにおいても、電流集中により発熱するため、固有のＬＥＤ温度−照度特性に伴う発熱により照度が下がるという悪循環を招く問題があった。この問題を解決するものとして、特開２００４−３９６８４号公報（特許文献１）に開示されたものがある。
上記従来技術は、複数のＬＥＤが直列接続された第１と第２のＬＥＤ点灯ブロックを並列に構成したＬＥＤ回路、第１のＬＥＤ点灯ブロックに流れる電流で第２のＬＥＤ点灯ブロックに流れる電流を制御する第１のカレントミラー回路、及び、第２のＬＥＤ点灯ブロックに流れる電流で第１のＬＥＤ点灯ブロックに流れる電流を制御する第２のカレントミラー回路を備えたＬＥＤ照明装置を開示している。カレントミラー回路を組み合わせた上記従来技術によれば、各ＬＥＤ点灯ブロックへの電流アンバランスを解消することができる。

特開２００４−３９６８４号公報

しかしながら、上記従来技術には第１又は第２のカレントミラー回路を起動する回路または手段が開示されておらず、各カレントミラー回路に電流が流れ得ない回路構成となっている。
また、上記従来技術においては、カレントミラー回路のベース電流がＬＥＤ点灯ブロックの駆動電流として流れる構成になっており、更に上下に配置されている第１又は第２のカレントミラー回路のベース・エミッタ間電圧ＶｂｅがＬＥＤ点灯ブロックに直列に配置されることになるので、カレントミラー回路の電圧降下は２倍となりその損失は大きくなるという問題があった。
また、上記従来技術においてカレントミラー回路が適用されたＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤが１灯でも断線に至った場合は、正常なＬＥＤ点灯ブロックも異常な点灯状態（消灯や照度低下状態）になるという問題があった。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、カレントミラー回路の起動が正常に行え、カレントミラー回路による損失を半減し、いずれかのＬＥＤ点灯ブロックでＬＥＤが断線に至った場合でも、正常なＬＥＤ点灯ブロックに影響を及ぼさないようにすることができるＬＥＤ照明用保護回路、あるいはこのＬＥＤ照明用保護回路を使用したＬＥＤ照明装置を提供することにある。

本発明のＬＥＤ照明用保護回路は、第１のカレントミラー回路と、第２のカレントミラー回路と、ＬＥＤが順方向に複数個直列に接続され、且つ、アノード側が正電源ラインに接続されると共にカソード側が前記第１のカレントミラー回路の出力端子側を介して負電源ラインに接続された第１のＬＥＤ直列体と、ＬＥＤが順方向に複数個直列に接続され、且つ、カソード側が負電源ラインに接続されると共にアノード側が前記第２のカレントミラー回路の出力端子側を介して正電源ラインに接続された第２のＬＥＤ直列体と、前記第１のカレントミラー回路のバイアス電流端子側と前記第２のカレントミラー回路のバイアス電流端子側を共通に接続したカレントミラー回路の起動抵抗と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明のＬＥＤ照明用保護回路は、第１のカレントミラー回路が、コレクタ端子とベース端子が短絡されたバイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタと、ベース端子が前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続された出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタを含んで構成され、前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのエミッタ端子が負電源ラインに第１の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子が起動抵抗の一方の端子に接続され、前記出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのエミッタ端子は前記負電源ラインに第２の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は第１のＬＥＤ直列体のカソード側に接続され、前記第１のＬＥＤ直列体のアノード側が正電源ラインに接続され、第２のカレントミラー回路が、コレクタ端子とベース端子が短絡されたバイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタと、ベース端子が前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのベース端子に接続された出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタを含んで構成され、前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子が正電源ラインに第３の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は前記起動抵抗の他方の端子に接続され、前記出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子は前記正電源ラインに第４の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は前記第２のＬＥＤ直列体のアノード側に接続され、前記第２のＬＥＤ直列体のカソード側が負電源ラインに接続されたことを特徴とする。
また、本発明のＬＥＤ照明用保護回路は、前記第２の抵抗の値に対する第１の抵抗の値、及び前記第４の抵抗の値に対する第３の抵抗の値が、略同じ比率で大きな値になっていることを特徴とする。
また、本発明のＬＥＤ照明用保護回路は、前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタと前記出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタに代えてＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴに置き換え、前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタと前記出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタに代えてＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴに置き換えてもよい。
また、本発明のＬＥＤ照明用保護回路は、共通のバイアス電流が流れるバイアス電流回路を備えた第１及び第２のカレントミラー回路と、電源投入時の起動時に前記バイアス電流を流すことができるように接続された起動抵抗と、前記第１のカレントミラー回路の出力端子側に接続された第１のＬＥＤ直列体と、前記第２のカレントミラー回路の出力端子側に接続された第２のＬＥＤ直列体と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明のＬＥＤ照明装置は、上記ＬＥＤ照明用保護回路が複数組並列接続されたことを特徴とする。
また、本発明のＬＥＤ照明装置は、電流制限機能を有する直流電圧源に接続されたことを特徴とする。

本発明によれば、カレントミラー回路の起動が正常に行え、カレントミラー回路による損失が半減し、いずれかのＬＥＤ点灯ブロックでＬＥＤが断線に至った場合でも、正常なＬＥＤ点灯ブロックに影響を及ぼさないようにすることができるＬＥＤ照明用保護回路、あるいはこのＬＥＤ照明用保護回路を使用したＬＥＤ照明装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るＬＥＤ照明用保護回路を備えたＬＥＤ照明装置の構成図である。

図１は本発明の実施形態に係るＬＥＤ照明装置１０を示す図で、本実施形態によるＬＥＤ照明用保護回路は、ＬＥＤが複数直列接続された第１のＬＥＤ直列体の駆動電流を制御する第１のカレントミラー回路を備えた第１のＬＥＤ点灯ブロック、及び、ＬＥＤが複数直列接続された第２のＬＥＤ直列体の駆動電流を制御する第２のカレントミラー回路を備えた第２のＬＥＤ点灯ブロックを、第１、第２のカレントミラー回路のバイアス電流回路を共通化して起動抵抗で接続した点に特徴を有している。

ここで本実施形態は、第１のＬＥＤ直列体のカソード側（ＬＥＤ１ｎのカソード側）に第１のカレントミラー回路、第２のＬＥＤ直列体のアノード側（ＬＥＤ２１のアノード側）に第２のカレントミラー回路を図１のようにシンメトリーに交互に配置し、第１及び第２のカレントミラー回路のバイアス電流回路（抵抗Ｒ３−ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３−起動抵抗Ｒ５−ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１−抵抗Ｒ１で構成される直列回路）を共有化している。

図１に示したＬＥＤ照明用保護回路を備えたＬＥＤ照明装置１０は、第１のＬＥＤ点灯ブロック１、第２のＬＥＤ点灯ブロック２、第３のＬＥＤ点灯ブロック３、第４のＬＥＤ点灯ブロック４、第５のＬＥＤ点灯ブロック５、第６のＬＥＤ点灯ブロック６、起動抵抗Ｒ５、Ｒ１０、Ｒ１５から構成されている。そしてＬＥＤ照明装置１０の電源入力正極端子７、電源入力負極端子８間に、直流電圧源２０が接続されるようになっている。

第１、第３、第５の各ＬＥＤ点灯ブロック１、３、５は同じ回路構成となっており、また、第２、第４、第６の各ＬＥＤ点灯ブロック２、４、６は同じ回路構成となっている。そして、第１のＬＥＤ点灯ブロック１と第２のＬＥＤ点灯ブロック２、第３のＬＥＤ点灯ブロック３と第４のＬＥＤ点灯ブロック４、第５のＬＥＤ点灯ブロック５と第６のＬＥＤ点灯ブロック６がそれぞれペアとなって動作するよう構成されている。これらＬＥＤ点灯ブロックのペアは同様に動作するので、第１のＬＥＤ点灯ブロック１と第２のＬＥＤ点灯ブロック２で代表して回路構成とその動作を説明する。

第１のＬＥＤ点灯ブロック１は、ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎの複数のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列体が、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２で構成される第１のカレントミラー回路のＮＰＮバイポーラトランジスタＱ２と直列接続されている。すなわち、電源入力正極端子７が接続される正電源ラインにＬＥＤ１１のアノード端子が接続され、ＬＥＤ１１のカソード端子が次のＬＥＤ１２のアノード端子に接続され、・・・ＬＥＤ１ｎのカソード端子がＮＰＮバイポーラトランジスタＱ２のコレクタ端子に接続され、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ２のエミッタ端子が抵抗Ｒ２の一方の端子に接続され、抵抗Ｒ２の他方の端子が電源入力負極端子８が接続される負電源ラインに接続されている。また、コレクタ端子とベース端子が短絡されたＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１のコレクタ端子が起動抵抗Ｒ５の一方の端子に接続され、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１のエミッタ端子が抵抗Ｒ１の一方の端子に接続され、抵抗Ｒ１の他方の端子が電源入力負極端子８が接続される負電源ラインに接続されている。また、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１のベース端子とＮＰＮバイポーラトランジスタＱ２のベース端子は接続されている。

また、第２のＬＥＤ点灯ブロック２は、ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎの複数のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列体が、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３、Ｑ４で構成される第２のカレントミラー回路のＰＮＰバイポーラトランジスタＱ４と直列接続されている。すなわち、電源入力正極端子７が接続される正電源ラインに抵抗Ｒ４の一方の端子が接続され、抵抗Ｒ４の他方の端子がＰＮＰバイポーラトランジスタＱ４のエミッタ端子に接続され、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ４のコレクタ端子がＬＥＤ２１のアノード端子に接続され、ＬＥＤ２１のカソード端子が次のＬＥＤ２２のアノード端子に接続され、・・・ＬＥＤ２ｎのカソード端子が電源入力負極端子８が接続される負電源ラインに接続されている。また、電源入力正極端子７が接続される正電源ラインに抵抗Ｒ３の一方の端子が接続され、抵抗Ｒ３の他方の端子がコレクタ端子とベース端子が短絡されたＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３のエミッタ端子に接続され、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３のコレクタ端子が起動抵抗Ｒ５の他方の端子に接続されている。また、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３のベース端子とＰＮＰバイポーラトランジスタＱ４のベース端子は接続されている。

抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗比は、例えばＲ１：Ｒ２≒Ｒ３：Ｒ４≒１：１２０に設定され、カレントミラー回路のバイアス電流に対して第１、第２のＬＥＤ直列体を流れる駆動電流が約１２０倍（これは一例であって、その他の倍率に設定することは任意である）になるようになっている。したがってバイアス電流回路（抵抗Ｒ３−ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３−起動抵抗Ｒ５−ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１−抵抗Ｒ１で構成される直列回路）での損失は、第１、第２のＬＥＤ直列体に駆動電流を流すＮＰＮバイポーラトランジスタＱ２とＰＮＰバイポーラトランジスタＱ４で発生する損失に対して極めて少なくなっている。したがってＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３、Ｑ４で発生する合計の損失は、従来技術に対し略１／２に低減できる。

また、第１のＬＥＤ点灯ブロック１と第２のＬＥＤ点灯ブロック２は、従来技術のように、第１のＬＥＤ直列体に流れる電流で第２のＬＥＤ直列体に流れる電流を制御し、第２のＬＥＤ直列体に流れる電流で第１のＬＥＤ直列体に流れる電流を制御するようなカレントミラー回路ではなく、第１、第２のＬＥＤ直列体を流れる駆動電流はバイアス電流回路（抵抗Ｒ３−ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３−起動抵抗Ｒ５−ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１−抵抗Ｒ１で構成される直列回路）によって制御されるカレントミラー回路なので、いずれかのＬＥＤ直列体でＬＥＤが断線に至った場合でも、正常なＬＥＤ直列体の駆動電流に影響を及ぼすことはない。

また、電源投入時には、バイアス電流回路（抵抗Ｒ３−ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３−起動抵抗Ｒ５−ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１−抵抗Ｒ１で構成される直列回路）に電流が流れ、カレントミラー回路が確実に起動する。

また、起動抵抗Ｒ５は第１、第２のカレントミラー回路に共通に１つ使用すればよいので、部品点数を減らすことができる。また、起動抵抗の部品点数が半減したことにより起動抵抗で発生する損失も半減する。

次に、直流電圧源２に電流制限機能を持たせた場合の動作について説明する。
上記ＬＥＤ照明装置１は、並列接続されたＬＥＤ直列体毎にカレントミラー回路のバイアス電流回路によって制御される定電流駆動回路が設けらている構成になっている。すなわち、カレントミラー回路は、バイアス電流に従うカレントミラー回路と言い換えることができる。例えば各ＬＥＤ直列体が２０ｍＡで定電流駆動されているとする。これに対し直流電圧源２０に１５０ｍＡの電流制限を掛けたとする。上記実施形態の場合ＬＥＤ点灯ブロックが６ブロックあるので、直流電圧源２０には合計１２０ｍＡが流れる。この場合、直流電圧源２０の電流制限範囲内であるので問題は生じない。
ここで、各ＬＥＤ直列体の電流を１３０％（２０ｍＡ）まで増加させても問題なく使用可能であるとして、各ＬＥＤ直列体の電流制限を２６ｍＡに設定したとする。すると、ＬＥＤ点灯ブロックの６ブロック合計で１５６ｍＡの電流が流れようとするが、直流電圧源２０の電流制限機能により１５０ｍＡに制限される。このように直流電圧源２０の電流制限機能で電流が制限された駆動状態では、各ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆにより各ＬＥＤ直列体の電流にばらつきを生じるが、全体として１５０ｍＡで平衡する。この場合、直流電圧源２０の電流制限値１５０ｍＡを超えた分（１５６ｍＡ−１５０ｍＡ＝６ｍＡ）により、各ＬＥＤ点灯ブロックに多少の照度のばらつきが生じるが、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆのばらつきが小さい場合は、このような照度のばらつきを許容できる用途で十分使用することができる。

以上、本実施形態によれば、電源投入時に、抵抗Ｒ３−ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３−起動抵抗Ｒ５−ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１−抵抗Ｒ１で構成される直列回路に起動電流を流すことができるのでカレントミラー回路の起動が確実に行えるという効果を奏する。
また、従来技術ではＬＥＤ直列体の上下両方にカレントミラー回路のトランジスタが接続される構成となっていたが、本実施形態によれば、ＬＥＤ直列体に直列に接続されるカレントミラー回路のトランジスタを上又は下の１つにでき、更にカレントミラー回路のバイアス電流をＬＥＤ駆動電流に対して極めて小さくできるので、カレントミラー回路による損失を略半減することができるという効果を奏する。
また、本実施形態によれば、第１、第２のカレントミラー回路の出力である各ＬＥＤ直列体の駆動電流は互いに影響を与えない構成となっているので、片方のＬＥＤ直列体のＬＥＤに断線などの障害が生じてもバイアス電流には変動が起こらないため、他方のＬＥＤ直列体の駆動電流に影響が無く、正常なＬＥＤ点灯ブロックは正常に点灯し続けることができるという効果を奏する。

以上の実施形態で、本発明を具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは勿論である。例えば、ＬＥＤ点灯ブロックは６ブロックに限定されないで任意に設定できる。また、ＮＰＮバイポーラトランジスタＱ１、Ｑ２に代えてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ、ＰＮＰバイポーラトランジスタＱ３、Ｑ４に代えてＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用することもできる。また、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値、及び抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の抵抗値は、略同じ比で抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ３を任意に大きな値に設定すればバイアス電流を小さくでき損失を低減できる。

１・・・第１のＬＥＤ点灯ブロック
２・・・第２のＬＥＤ点灯ブロック
３・・・第３のＬＥＤ点灯ブロック
４・・・第４のＬＥＤ点灯ブロック
５・・・第５のＬＥＤ点灯ブロック
６・・・第６のＬＥＤ点灯ブロック
７・・・電源入力正極端子
８・・・電源入力負極端子
１０・・・ＬＥＤ照明装置
２０・・・直流電圧源
Ｒ１〜Ｒ４・・・抵抗
Ｒ５、Ｒ１０、Ｒ１５・・・起動抵抗
ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１ｎ、ＬＥＤ２１〜ＬＥＤ２ｎ・・・ＬＥＤ（発光ダイオード）
Ｑ１、Ｑ２・・・ＮＰＮバイポーラトランジスタ
Ｑ３、Ｑ４・・・ＰＮＰバイポーラトランジスタ

Claims (7)

1. 第１のカレントミラー回路と、
   第２のカレントミラー回路と、
   ＬＥＤが順方向に複数個直列に接続され、且つ、アノード側が正電源ラインに接続されると共にカソード側が前記第１のカレントミラー回路の出力端子側を介して負電源ラインに接続された第１のＬＥＤ直列体と、
   ＬＥＤが順方向に複数個直列に接続され、且つ、カソード側が負電源ラインに接続されると共にアノード側が前記第２のカレントミラー回路の出力端子側を介して正電源ラインに接続された第２のＬＥＤ直列体と、
   前記第１のカレントミラー回路のバイアス電流端子側と前記第２のカレントミラー回路のバイアス電流端子側を共通に接続したカレントミラー回路の起動抵抗と、
   を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明用保護回路。
2. 第１のカレントミラー回路が、コレクタ端子とベース端子が短絡されたバイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタと、ベース端子が前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのベース端子に接続された出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタを含んで構成され、
   前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのエミッタ端子が負電源ラインに第１の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子が起動抵抗の一方の端子に接続され、
   前記出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタのエミッタ端子は前記負電源ラインに第２の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は第１のＬＥＤ直列体のカソード側に接続され、
   前記第１のＬＥＤ直列体のアノード側が正電源ラインに接続され、
   第２のカレントミラー回路が、コレクタ端子とベース端子が短絡されたバイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタと、ベース端子が前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのベース端子に接続された出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタを含んで構成され、
   前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子が正電源ラインに第３の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は前記起動抵抗の他方の端子に接続され、
   前記出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタのエミッタ端子は前記正電源ラインに第４の抵抗を介して接続されると共にコレクタ端子は前記第２のＬＥＤ直列体のアノード側に接続され、
   前記第２のＬＥＤ直列体のカソード側が負電源ラインに接続されたことを特徴とするＬＥＤ照明用保護回路。
3. 前記第２の抵抗の値に対する第１の抵抗の値、及び前記第４の抵抗の値に対する第３の抵抗の値が、略同じ比率で大きな値になっていることを特徴とする請求項２に記載されたＬＥＤ照明用保護回路。
4. 前記バイアス電流端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタと前記出力端子側ＮＰＮバイポーラトランジスタに代えてＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴとし、
   前記バイアス電流端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタと前記出力端子側ＰＮＰバイポーラトランジスタに代えてＰチャンネルのＭＯＳＦＥＴとした
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一項に記載されたＬＥＤ照明用保護回路。
5. 共通のバイアス電流が流れるバイアス電流回路を備えた第１及び第２のカレントミラー回路と、
   電源投入時の起動時に前記バイアス電流を流すことができるように接続された起動抵抗と、
   前記第１のカレントミラー回路の出力端子側に接続された第１のＬＥＤ直列体と、
   前記第２のカレントミラー回路の出力端子側に接続された第２のＬＥＤ直列体と、
   を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明用保護回路。
6. 請求項１から請求項５に記載のＬＥＤ照明用保護回路が複数組並列接続されたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
7. 電流制限機能を有する直流電圧源に接続されたことを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。

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