JP5116089B2 - Ｌｅｄ発光方法とｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを点燈させるためのＬＥＤ発光方法と、同方法の実施に直接使用するＬＥＤ照明装置に関する。

近年、環境への配慮から省電力化への対応が種々の技術分野で推進されており、照明に関しても消費電力の小さい発光ダイオードを利用したＬＥＤ照明装置の実用化が進められている。
従来のＬＥＤ照明装置は、図１７に示すように、複数の発光ダイオードＬＥＤ１、２、…、ｎ−１、ｎを直列に接続してＬＥＤアレイを形成し、当該ＬＥＤアレイに電流を流して点燈する構成となっていた。例えば、特許文献１に開示されたＬＥＤ照明装置は、ＡＣ１００Ｖ商用電源を全波整流し、その電圧をＬＥＤアレイと電流制限用抵抗を直列に接続した回路の両端に印加することで点燈させている。
特開２０００−０３０８７７号公報

上記したように、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイの両端に全波整流した電圧を印加した場合、次のような欠点があることを本願発明者は発見した。すなわち、図１８に示すように、ＡＣ１００Ｖの商用電源が全波整流された電圧は山形の波形を示し、０Ｖから徐々に電圧が上昇していきピーク電圧（約１４１．４Ｖ）に達すると、次は徐々に電圧が下降していく。このような変化が繰り返されている。そして、直列に接続された複数の発光ダイオードからなるＬＥＤアレイの両端に、かかる電圧を印可した場合、当該印加電圧が、ＬＥＤアレイを構成する各発光ダイオードを発光させるために必要な順方向電圧の総和（図１８のＶａ）に達したとき、ＬＥＤアレイの各発光ダイオードは一斉に点燈する。続いて、印加電圧が、上記順方向電圧の総和（図１８のＶａ）よりも下がると、ＬＥＤアレイの各発光ダイオードは一斉に消灯する。
このため、電圧を印加していてもＬＥＤアレイが消灯している期間（図１８のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）が存在することとなり、供給電圧に対する光変換効率が悪いという欠点があった。

本発明は、このような問題を解決するためのなされたもので、その目的は、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを対象として、供給電圧に対する光効率的の向上を図り、省電力で明るいＬＥＤアレイの照明を実現することにある。

上記目的を達成するために、本発明方法は、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを点燈させるためのＬＥＤ発光方法であって、
交流電源を全波整流し、当該全波整流された電圧が、ＬＥＤアレイを構成するすべての発光ダイオードを点燈可能な値に満たないときは、ＬＥＤアレイを構成する個別の発光ダイオードに順次電流を流して当該発光ダイオードを順次発光させていくことを特徴とする。

このように、個別の発光ダイオードに順次電流を流して当該発光ダイオードを発光させていくことで、上述したような電圧を印加していてもＬＥＤアレイが消灯している期間（例えば、図１８のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を無くすことができ、その結果、供給電圧に対する光変換効率が向上する。

さらに、本発明方法では、全波整流された電圧が、ＬＥＤアレイを構成するすべての発光ダイオードを点燈可能な値を越えたときは、ＬＥＤアレイの一端から他端に向かって直列に電流が流れるよう制御することが好ましい。

また、本発明装置は、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを点燈させるためのＬＥＤ照明用装置であって、ＬＥＤアレイを発光させるためのＬＥＤ発光ユニットを有し、当該ＬＥＤ発光ユニットが、次の構成を備えることを特徴とする。
すなわち、ＬＥＤ発光ユニットは、
交流電源を全波整流するための全波整流回路と、
全波整流回路から出力された電流を、ＬＥＤアレイを構成する任意の発光ダイオードへ分岐して流す分岐路と、
分岐路を経由して任意の発光ダイオードに流れる電流を制限する分流制限手段と、
を備えた構成となっている。

かかるＬＥＤ発光ユニットは、例えば、次のような構成で具現化することができる。
すなわち、ＬＥＤ発光ユニットは、
交流電源を全波整流するための全波整流回路と、
全波整流回路の正極側出力端子にＬＥＤアレイのアノード側終端を接続するとともに、全波整流回路の負極側出力端子にＬＥＤアレイのカソード側終端を接続し、
さらに、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えて一番目に位置する発光ダイオードのアノードと、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えて一番目に位置する発光ダイオードのカソードとを分岐路で接続し、
同様にして、順次、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えてｎ番目（ｎは任意の自然数）に位置する発光ダイオードのアノードと、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えてｎ番目に位置する発光ダイオードのカソードとを分岐路で接続していき、
各分岐路に、当該分岐路を流れる電流を制限する分流制限手段を設けた構成とすることができる。

このように、全波整流回路から出力された電流を、分岐路を経由して任意の発光ダイオードへ流すことで、ＬＥＤアレイへの印加電圧が、ＬＥＤアレイを構成する各発光ダイオードを発光させるために必要な順方向電圧の総和（例えば、図１８のＶａ）に達しなくとも、任意の発光ダイオードを個別に発光させていくことができ、その結果、上述したような電圧を印加していてもＬＥＤアレイが消灯している期間（例えば、図１８のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を無くすことができ、供給電圧に対する光変換効率が向上する。

分流制限手段は、分岐路に流れる電流を、当該分岐路を経由して任意の発光ダイオードを発光させるために必要十分な値に制限する。これにより、発光ダイオードの損傷を防止するとともに、印加電圧の上昇に応じて電流を流す分岐路が順次増加していくため、印加電圧に対応して効率的に発光ダイオードを発光させていくことが可能となる。
この分流制限手段は、例えば、分岐路に設けた定電流回路によって構成することができる。

また、本発明装置は、ＬＥＤ発光ユニットを次のように構成することもできる。
すなわち、ＬＥＤ発光ユニットは、
交流電源を全波整流するための全波整流回路と、
全波整流回路から出力された電流を、ＬＥＤアレイを構成する任意の発光ダイオードへ分岐して流す分岐路と、
ＬＥＤアレイに流れる電流を制限する電流制限手段と
を備えた構成となっている。

かかるＬＥＤ発光ユニットは、例えば、次のような構成で具現化することができる。
すなわち、ＬＥＤ発光ユニットは、
交流電源を全波整流するための全波整流回路と、
全波整流回路の正極側出力端子にＬＥＤアレイのアノード側終端を接続するとともに、全波整流回路の負極側出力端子にＬＥＤアレイのカソード側終端を接続し、
さらに、ＬＥＤアレイのアノード側終端と、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えて一番目に位置する発光ダイオードのアノードとを分岐路で接続し、
同様にして、順次、ＬＥＤアレイのアノード側終端と、ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えてｎ番目（ｎは任意の自然数）に位置する発光ダイオードのアノードとを分岐路で接続していき、
且つ、ＬＥＤアレイに流れる電流を制限する電流制限手段と
を備えた構成とすることができる。

このような構成によって、全波整流回路から出力された電流を、分岐路を経由して任意の発光ダイオードへ流すことで、ＬＥＤアレイへの印加電圧が、ＬＥＤアレイを構成する各発光ダイオードを発光させるために必要な順方向電圧の総和（例えば、図１８のＶａ）に達しなくとも、任意の発光ダイオードを個別に発光させていくことができ、その結果、上述したような電圧を印加していてもＬＥＤアレイが消灯している期間（例えば、図１８のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を無くすことができ、供給電圧に対する光変換効率が向上する。

電流制限手段は、ＬＥＤアレイに流れる電流を、当該ＬＥＤアレイを構成する各発光ダイオードを発光させるために必要十分な値に制限する。これにより、発光ダイオードの損傷を防止するとともに、印加電圧の上昇に応じて電流の流れる分岐路が順次増加していくため、印加電圧に対応して効率的に発光ダイオードを発光させていくことが可能となる。
この電流制限手段は、例えば、ＬＥＤアレイのカソードから全波整流回路の負極側端子に至るまでの経路に設けた定電流回路によって構成することができる。

さらに、ＬＥＤアレイのアノード側終端と各分岐路との間に、全波整流回路から出力される電圧が、ＬＥＤアレイの全発光ダイオードを発光させるために必要な順方向電圧の総和に達したとき、各分岐路への電流の流れを遮断する電流経路選択手段を設けた構成とすれば、分岐路での抵抗による熱損失を回避していっそう効率的なＬＥＤの発光を実現することができる。

また、本発明装置は、上述した構成に加え、さらに交流電源から全波整流回路を経由して交流電源へ帰還する主電流回路に流れる主電流を制御するための調光ユニットを備えた構成とすることができる。
調光ユニットは、主電流回路へ直列逆接続されたスイッチング素子を備える主電流スイッチング回路と、この主電流スイッチング回路に流れる主電流を制御する制御部とで構成され、
制御部は、主電流回路の主電流が流れるスイッチング素子のゲート電荷を放電することによりオフ制御するゲート電荷放電回路と、主電流のオフ制御と同時にその主電流を逆位相側のスイッチング素子のゲートに通電し電荷を充電するゲート電荷充電回路と、ゲート電荷放電回路を所定のタイミングで作動させるゲート電荷放電回路と、タイミングを決定する放電タイミング設定回路とを備えた構成となっている。

以上説明したように、本発明によれば、複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを対象として、供給電圧に対する光効率的の向上を図り、省電力で明るいＬＥＤアレイの照明を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置の外観を示す斜視図、図２は同じくＬＥＤ照明装置の回路図である。
本実施形態に係るＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ発光ユニット１と調光ユニット２を含んでいる。ＬＥＤ発光ユニット１は、図１に示すように、多数の発光ダイオードを放熱用のセラミックシート３の上に配設し、光拡散用のカバー４で覆った外観形状をしており、図２に示すような回路を構成している。また、調光ユニット２は、図２に示すような回路構成をしており、ＬＥＤ発光ユニット１と電気的に接続されている。

まず、本発明の第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットについて説明する。
図３は図２の全体回路からＬＥＤ発光ユニットの回路部分を取り出して示す回路図である。また、図４は同ＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図である。
図３に示すように、このＬＥＤ発光ユニット１は、全波整流回路１０と、ＬＥＤアレイ１１と、複数の定電流回路部ＣＣ１、ＣＣ２、ＣＣ３、…とを含む回路構成となっている。ここで、全波整流回路１０は、一般家庭に配電されているＡＣ１００Ｖの商用電源Ｅ（交流電源）に接続され、商用電源Ｅの交流電圧を全波整流して出力している。

本実施形態では、全波整流回路１０にダイオードブリッジ回路を適用しており、入力される商用電源Ｅを全波整流する機能を有している。この全波整流回路１０は、図３中に示すブリッジ回路の上下端に接続される端子Ｅ１及び端子Ｕ１から電力が入力され、ブリッジ回路の左右端（以下では、図中の全波整流回路１０の右側を正極側、左側を負極側と称する）から全波整流した電力が出力される。この端子Ｕ１は、後述する調光ユニット２を介して、端子Ｕ２及び端子Ｅ２に接続しており、これによりＬＥＤ照明装置は２線式のＬＥＤ照明装置として構成される。

ＬＥＤアレイ１１は、アノード側の終端が全波整流回路１０の正極側出力端子に接続されるともに、カソード側の終端が定電流回路部ＣＣ１を介して全波整流回路１０の負極側出力端子に接続されている。
このＬＥＤアレイ１１は、複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと省略する）ＬＥＤ１、２、…、ｎを直列に接続した構成となっている。本実施形態では、例えば、これら各ＬＥＤ１、２、…、ｎは、約３．５Ｖの印加電圧をもって白色に発光する。

ここで、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端から数えて一番目に位置するＬＥＤ１のアノードと、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端から数えて一番目に位置するＬＥＤｎのカソードとを分岐路Ｂ１で接続してある。同様にして、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端から数えて二番目に位置するＬＥＤ２のアノードと、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端から数えて二番目に位置するＬＥＤｎ−１のカソードとを分岐路Ｂ２で接続してある。このように、順次、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端に近いＬＥＤ３、４、…のアノードと、カソード側終端に近いＬＥＤｎ−２、ｎ−３、…のカソードとを、分岐路Ｂ３、Ｂ４、…で接続してある。

この分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…により接続されるＬＥＤの数は、当該分岐路を経由してＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和が、ＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和に達するまでの数に設定してある。例えば、ＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和が１００Ｖとした場合、ＬＥＤ一個を発光させるために３．５Ｖ必要であれば、１００／３．５＝２８．５７で、さらに分岐路にて接続されるＬＥＤの数は偶数であるから、分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…により接続されるＬＥＤの数は３０個となる。ただし、商用電圧１００Ｖのピーク値は、１４１．４Ｖに達するのでＬＥＤ１個の最大許容電圧を考慮してＬＥＤの数を決定する。

定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…は、分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…を経由してＬＥＤに流れる電流を制限する分流制限手段として機能しており、各分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…に直列に挿入してある。これらの定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４…は、所定の電流量を流すように動作する内部回路が形成されている。本実施形態では、この定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…の内部回路を、二つのＮＰＮ型のバイポーラ・トランジスタＱと、二つの抵抗Ｒとを用いて形成している。具体的に、定電流回路部ＣＣ２に基づいて内部回路を説明すると、コレクタがＬＥＤアレイ１１に接続されているトランジスタＱ０３に対し、コレクタ−ベース間に抵抗Ｒ０３が挿入されるとともに、エミッタ−ベース間に対してトランジスタＱ０４のコレクタ−ベース間が相対するように接続される。即ちトランジスタＱ０３のベースがトランジスタＱ０４のコレクタに接続され、且つトランジスタＱ０３のエミッタがトランジスタＱ０４のベースに接続される。さらにトランジスタＱ０４は、エミッタがＬＥＤアレイ１１に接続されるとともに、エミッタ−ベース間に抵抗Ｒ０４が挿入される。以上の構成により定電流回路部ＣＣ２が形成される。

これらの定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…は、全波整流回路１０からの電流を、ＬＥＤ二個を発光させる電流分に制御する機能を有している。これによりＬＥＤアレイ１１の外側にあるＬＥＤ１とＬＥＤｎから順に、ＬＥＤ２とＬＥＤｎ−１、ＬＥＤ３とＬＥＤｎ−２、…のように次々と電流を供給していくことが可能となる。

なお、ＬＥＤアレイ１１の負極端子と全波整流回路１０の間に設けられる定電流回路部ＣＣ１は、他の定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…と同一の回路構成であるが、ＬＥＤ発光ユニット１全体に流れる電流を定電流化するための回路として用いている。よって、定電流回路部ＣＣ１は回路の全電流を制御するため、ＬＥＤアレイ１１の順方向電流値の最大値に設定してある。これに対して各定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…は、ＬＥＤアレイ１１のＬＥＤ１、２、…、ｎに応じて順方向電流値の最適値に設定してある。

ＬＥＤ発光ユニット１は、以上のような回路構成によって形成され、各ＬＥＤ１、２、…、ｎが発光することで照明装置として機能する。以下、このＬＥＤ発光ユニット１の動作について説明していく。
ＬＥＤ発光ユニット１に入力されるＡＣ１００Ｖの商用電源Ｅは、図４（ａ）に示すように電圧が交流波形で入力される。そしてこの商用電源Ｅが全波整流回路１０に入力されることで、図４（ｂ）に示すように全波整流される。これにより商用電源Ｅの電圧は、０Ｖから１４１．４Vまで上昇してまた０Ｖまで下がる山形の波形が繰り返されることになる。本実施形態のＬＥＤ発光ユニット１では、この商用電源Ｅの電圧波形の変化に応じて、ＬＥＤ二個分の順方向電圧を超えるたびに順次点燈させる構成としている。

具体的には、ＡＣ電圧がＬＥＤ二個分の順方向電圧（３．５V×２＝７V程度）を超えると、図３の最上段に配置されているＬＥＤｎから分岐路Ｂ１を経由して定電流回路部ＣＣ２に電流が流れる。さらに定電流回路部ＣＣ２では、抵抗Ｒ０３によりトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０３のコレクタ−エミッタ間がオン（導通状態）となる。その結果、抵抗Ｒ０４、ＬＥＤ１、定電流回路部ＣＣ１へと通電される。定電流回路部ＣＣ１では、抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０２のコレクタ−エミッタ間がオンとなる。その結果、電流が抵抗Ｒ０１を介して全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ１、ＬＥＤｎが共に点燈する。

しかし、このとき定電流回路部ＣＣ２の抵抗Ｒ０３によりトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０３がオンし、抵抗Ｒ０４に電流が流れ、抵抗Ｒ０４の両端電圧が０．６Ｖ以上になるとトランジスタＱ０４もオンとなり、トランジスタＱ０３のベース電流がトランジスタＱ０４のコレクタ−エミッタ間で短絡されるため、トランジスタＱ０３はオフとなり、ＬＥＤ１、ＬＥＤｎに流れる電流は、定電流回路部ＣＣ２により定電流制御される。
同様に、定電流回路部ＣＣ１の抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０２がオンし、抵抗Ｒ０１に電流が流れ、抵抗Ｒ０１の両端電圧が０．６Ｖ以上になるとトランジスタＱ０１もオンとなり、トランジスタＱ０２のベース電流がトランジスタＱ０１のコレクタ−エミッタ間で短絡されるため、トランジスタＱ０２はオフとなり、主電流回路の電流が定電流制御される。

次に、ＡＣ電圧が更に上昇してＬＥＤ四個分の順方向電圧（１４Ｖ程度）を超えると、最上段と次段に配置されているＬＥＤｎ、ＬＥＤｎ−１から分岐路Ｂ２を経由して定電流回路部ＣＣ３に電流が流れる。さらに定電流回路部ＣＣ３では、抵抗Ｒ０５によりトランジスタＱ０５のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０５のコレクタ−エミッタ間がオンとなる。その結果、抵抗Ｒ０６、ＬＥＤ２、ＬＥＤ１、定電流回路部ＣＣ１へと通電される。定電流回路部ＣＣ１では、前述と同様に抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０２のコレクタ−エミッタ間がオンとなる。その結果、抵抗Ｒ０１を介して全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤｎ−１、ＬＥＤｎは共に点燈する。

また前述と同様に、定電流回路部ＣＣ３の抵抗Ｒ０５によりトランジスタＱ０５のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０５がオンし、抵抗Ｒ０６に電流が流れ、抵抗Ｒ０６の両端電圧が０．６Ｖ以上になるとトランジスタＱ０６もオンとなり、トランジスタＱ０５のベース電流がトランジスタＱ０６のコレクタ−エミッタ間で短絡されるためトランジスタＱ５はオフとなり、ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤｎ−１、ＬＥＤｎに流れる電流は、定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３により定電流制御される。
同様に、定電流回路部ＣＣ１の抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れ、トランジスタＱ０２がオンし、抵抗Ｒ０１に電流が流れ、抵抗Ｒ０１の両端電圧が０．６Ｖ以上になるとトランジスタＱ０１もオンとなり、トランジスタＱ０２のベース電流がトランジスタＱ０１のコレクタ−エミッタ間で短絡されるため、トランジスタＱ０２はオフとなり、主電流回路の電流が定電流制御される。

さらに、ＡＣ電圧が上昇してＬＥＤ六個分、八個分、…と次々に順方向電圧を超えることで、分岐路Ｂ３、Ｂ４、…を順次経由して電流の流れるＬＥＤの数が増えていく。すなわち、ＡＣ電圧が約７Ｖ上昇する毎に、上段および下段の電流が流れたＬＥＤから順次点燈していく。

そして、全波整流回路１０から出力される電圧が、ＬＥＤアレイ１１の全発光ダイオードを発光させるために必要な順方向電圧の総和に達した付近から、ＬＥＤアレイ１１に流れる電流は、分岐路を経由せず、ＬＥＤアレイ１１のアノード側終端から直列に接続された各発光ダイオードＬＥＤｎ、ＬＥＤｎ−１、…、ＬＥＤ１を経由してＬＥＤアレイ１１のカソード側終端へと流れる。したがって、分岐路の抵抗による熱損失は最小限に抑えられている。

さらに、全波整流回路１０から出力される電圧がピーク電圧より下がり始めるときは、ＬＥＤアレイ１１の中間部に配置されているＬＥＤから各終端に位置するＬＥＤｎ、ＬＥＤ１に向けて順次消灯してゆくことになるが、商用電源（周波数を５０Ｈｚとした場合）を全波整流しているため、脈流電源の周波数は２倍（１００Ｈｚ）となっており、ＬＥＤのチラつきが視感されることはない。

ここで、ＬＥＤ発光ユニットに流れる電流波形は、図４（ｃ）に示すように電圧変化に対応した山形形状となり、電流が流れない期間がほとんどなくなる。なお、図４（ｄ）は、同図（ｃ）の電流波形を一部拡大して示す図である。同図に示すごとく、電流の流れるＬＥＤが増加または減少する毎に、段状に電流値は変化していく。

図５は、第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの電流波形と、従来のＬＥＤ照明装置の電流波形と比較する概略図である。
既述したように、本実施形態のＬＥＤ発光ユニット１はＡＣ電圧に追従する方式を採用しているため、供給する商用電源Ｅが低い電圧の状態でも、その電圧に応じたＬＥＤ分だけ点燈する。従って、ＬＥＤアレイ１１に入力される電流は、電圧の上昇とともに上昇していき、図５に示すように、電圧波形に応じた幅の広い電流面積を形成する。一方、従来のＬＥＤ照明装置は、商用電源Ｅの電圧がピーク電圧の近傍まで上昇しないとＬＥＤに電流が流れない。よって、幅の狭い電流面積が形成される。すなわち、本実施形態のＬＥＤ発光ユニット１は、供給電圧に対しての光変換効率が向上することになり、ＬＥＤアレイ１１の明るさはおよそ１．５倍となる。

次に本発明の第１実施形態に係る調光ユニット２について説明する。
図２に示すように、本実施形態のＬＥＤ照明装置は、交流電源から前記全波整流回路１０を経由して商用電源（交流電源）Ｅへ帰還する主電流回路に流れる主電流を制御するための調光ユニット２を備えている。
図６は、図２の全体回路から調光ユニットの回路部分を取り出して示す回路図であり、図７は、同調光ユニットの作用を模式的に示すブロック図である。
本実施形態の調光ユニット２は、図６、図７に示すように、主電流回路１２の商用電源（交流電源）ＥとＬＥＤ発光ユニット１との配線の途中、即ち主電流回路１２の途中に設けられる構成であり、図７の調光ユニット２は、逆位相装置２０と商用電源ＥとＬＥＤ発光ユニット１との結線を２線で行う構成としている。また逆位相装置２０は、主電流回路１２に接続される直列逆接続されたスイッチング素子を備える主電流スイッチング回路２１と、該主電流スイッチング回路２１に通電される主電流を制御する制御部２２とから構成されている。

図７に示すように、主電流スイッチング回路２１は、主電流回路１２に接続される直列逆接続されたスイッチング素子を備える。この主電流スイッチング回路２１は、主電流回路１２に接続される直列逆接続されたフライホイールダイオードＤ１，Ｄ２内蔵のスイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴ（もしくは、絶縁ゲートバイポーラ・トランジスタ（以下、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistorと略する）でもよい）Ｑ１，Ｑ２とから構成される回路である。

主電流スイッチング回路２１は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートに所定の電荷があらかじめ蓄えられている状態で、そのＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン側に交流波形の正側が加わると、ドレイン−ソース間がオンとなり、直列逆接続されている逆位相側のＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のダイオードＤ２を通じてＬＥＤ発光ユニット１に電流を流す。これによりＬＥＤアレイ１１のＬＥＤが点燈する。またＬＥＤ発光ユニット１に電流が流れている間にＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲート電荷が放電されると、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間がオフとなりＬＥＤ発光ユニット１への通電が停止される。

一方、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに所定の電荷が蓄えられている状態では、そのＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のドレイン側に交流波形の正側が加わると、ドレイン−ソース間がオンとなり、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のダイオードＤ１を通じてＬＥＤ発光ユニットＬに電流を流す。これによりＬＥＤアレイ１１のＬＥＤが点燈する。またＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲート電荷が放電されると、ＬＥＤ発光ユニット１への通電が停止される。

また、制御部２２は、スイッチング素子により主電流スイッチング回路２１を流れる主電流をオフ制御するゲート電荷放電回路２３と、主電流のオフ時に主電流を逆位相側のスイッチング素子のゲートに通電し電荷を充電するゲート電荷充電回路２４と、スイッチング素子のゲート電荷を放電するタイミングを決定する放電タイミング設定回路２５と、を備える。

制御部２２において、ゲート電荷放電回路２３は、ＮＰＮ型スイッチングトランジスタＱ３とコレクタ抵抗Ｒ３とＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲート間に接続されることからなるＭＯＳ−ＦＥＴＱ１側ゲート電荷放電回路と、ＮＰＮ型スイッチングトランジスタＱ４とコレクタ抵抗Ｒ４とＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲート間に接続されことからなるＭＯＳ−ＦＥＴＱ２側ゲート電荷放電回路と、から構成される。

ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１側ゲート電荷放電回路のトランジスタＱ３が、後述する放電タイミング設定回路２５で設定された調光のタイミングでオンすると、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートの電荷はトランジスタＱ３と抵抗Ｒ３を介して放電し、ＬＥＤ発光ユニット１への通電は停止される。またＭＯＳ−ＦＥＴＱ２側ゲート電荷放電回路のトランジスタＱ４がオンすると、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートの電荷はトランジスタＱ４と抵抗Ｒ４を介して放電し、ＬＥＤ発光ユニット１への通電は停止される。

ゲート電荷充電回路２４は、主電流回路１２の主電流の一部をＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに通電するための抵抗Ｒ１、整流用ダイオードＤ３からなるＭＯＳ−ＦＥＴＱ２側充電回路と、主電流回路１２の主電流の一部をＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートに通電するための抵抗Ｒ２、整流用ダイオードＤ４からなるＭＯＳ−ＦＥＴＱ１側充電回路と、から構成される。

ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２側充電回路は、放電タイミング設定回路２５で設定された調光のタイミングでＭＯＳ−ＦＥＴＱ１に通電する主電流がオフされた時、同時に逆位相側のＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに主電流の一部を通電し、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２の規定値電圧まで電荷を充電する。同様に、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１側充電回路は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２がオフされた時に逆位相側のＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートにその規定値電圧まで電荷を充電する。

放電タイミング設定回路２５は、ＮＰＮ型スイッチングトランジスタＱ６、ＰＮＰ型スイッチングトランジスタＱ５、抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９、Ｒ１０、ＬＥＤ発光ユニット１の明るさ調節（調光）用可変抵抗ＶＲ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、とから構成されるプログラマブルユニジャンクション回路（ゲート電荷を放電するタイミングをプログラマブルに設定できる回路）である。
放電タイミング設定回路２５において、トランジスタＱ５のコレクタとトランジスタＱ６のベースとが接続されている。放電タイミング設定回路２５は、トランジスタＱ５のエミッタ電圧（Ａ）とベース電圧（Ｇ）を常時比較し、エミッタ電圧よりもベース電圧が低くなったタイミングでコレクタ電流が流れるように設定されている。即ち、トランジスタＱ５，Ｑ６を共にオンさせることにより、抵抗Ｒ９に電流（Ｋ）を流し、調光のタイミングを決定できるようになっている。また、調光のタイミングの変更は、可変抵抗ＶＲ１の可変により行う。

次に、上記の調光ユニットの動作について詳細に説明する。
商用電源Ｅの電源側Ｅ１が正である場合、主電流は商用電源Ｅの電源側Ｅ１からＬＥＤ発光ユニット１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ５、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６、コンデンサＣ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２の内臓ダイオードＤ２を経て商用電源Ｅの電源側Ｅ２に流れ、コンデンサＣ１が充電される。また、商用電源Ｅの接地側Ｅ２が正である場合、主電流は商用電源Ｅの接地側Ｅ２から抵抗Ｒ２、ダイオードＤ６、コンデンサＣ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１の内臓ダイオードＤ１を経て商用電源Ｅの電源側Ｅ１に流れ、コンデンサＣ１が充電される。即ち、ダイオードＤ５，Ｄ６を通過した主電流は全波整流された脈流のある直流電源となり、コンデンサＣ１には全波整流された電圧で充電される。

また、商用電源Ｅの電源側Ｅ１が正である場合、主電流は商用電源Ｅの電源側Ｅ１からＬＥＤ発光ユニット１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ３、を経てＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートへと流れる。このとき、ゲート電圧は、ツェナーダイオードＺＤ２によりＭＯＳ−ＦＥＴＱ２の規定値電圧に制限された電圧でＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに電荷が充電される。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のドレイン−ソース間は、逆電圧となっているため、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに電荷が充電されても、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２はオンしない。
一方、商用電源Ｅの接地側Ｅ２が正である場合、主電流は商用電源Ｅの接地側Ｅ２から抵抗Ｒ２、ダイオードＤ４、を経て、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートへと流れる。このとき、ゲート電圧は、ツェナーダイオードＺＤ１によりＭＯＳ−ＦＥＴＱ１の規定値電圧に制限された電圧でＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートに電荷が充電される。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間は、逆電圧となっているため、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートに電荷が充電されても、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１はオンしない。

ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲート電荷が規定値電圧で充電された状態で、交流波形が次の周期に変化し商用電源Ｅの接地側Ｅ２が正になった場合は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のドレイン−ソース間がオンし、商用電源Ｅの接地側Ｅ２からＭＯＳ−ＦＥＴＱ２、ダイオードＤ１、ＬＥＤ発光ユニット１、商用電源Ｅの電源側Ｅ１へと流れ、ＬＥＤ発光ユニット１が点燈する。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲート電荷が規定値電圧で充電された状態で、交流波形が次の周期に変化し商用電源Ｅの電源側Ｅ１が正になった場合は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間がオンし、商用電源Ｅの電源側Ｅ１からＬＥＤ発光ユニットＬ、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、ダイオードＤ２、商用電源Ｅの接地側Ｅ２へと流れ、ＬＥＤ発光ユニット１が点燈する。

本発明では、放電タイミング設定回路２５でゲート電荷放電回路２３のトランジスタＱ３及びＱ４をオンさせるタイミングで調光のタイミングを決定する。
例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間がオン状態でＬＥＤ発光ユニット１が点燈している場合、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間電圧(順方向電圧約０．７Ｖ)は、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ５、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６を介してトランジスタＱ５のベースに順方向電圧の約０．７Ｖが加えられる。このとき、トランジスタＱ５のベース電圧よりもコンデンサＣ１に充電されている電圧が高いため、コンデンサＣ１の電荷は放電されることになる。コンデンサＣ１の放電により、トランジスタＱ５のベース電圧が低減しエミッタ電圧よりも下がったときにトランジスタＱ５、Ｑ６が共にオンする。トランジスタＱ５、Ｑ６が共にオンすると、トランジスタＱ６のエミッタ抵抗Ｒ９に電流が流れる。
図８において、（ａ）はトランジスタＱ５のエミッタ電圧波形であり、（ｂ）はトランジスタＱ５のベース電圧波形であり、（ｃ）はトランジスタＱ６のエミッタ電圧波形である。

エミッタ抵抗Ｒ９に電流が流れると、抵抗Ｒ８及び配線３０を介してゲート電荷放電回路２３のトランジスタＱ３、トランジスタＱ４のベースに電流が流れ主電流スイッチング回路２１のＭＯＳ−ＦＥＴＱ１側ゲート電荷を放電することにより、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１を半サイクルのある時点でオフすることができる。ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のオフと同時に、ゲート電荷充電回路２４によりＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートに通電し電荷の充電が可能となり、次の周期に変化した場合、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２がオンしＬＥＤ発光ユニット１の調光が可能となる。
図９において、（ａ）は調光９０度時のＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間電圧波形であり、（ｂ）はトランジスタＱ６のエミッタ電圧波形であり、（ｃ）は調光９０度時のＬＥＤ発光ユニット１の両端電圧波形である。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１は図９（ｂ）のトランジスタＱ６のエミッタ電圧波形（ヒゲ状のパルス）発生時にオフし、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のゲートは同図（ａ）の電圧で充電される。
調光のタイミングは、コンデンサＣ１の放電時間により決定される。コンデンサＣ１の放電時間の設定値は、コンデンサＣ１に並列に接続されている可変抵抗ＶＲ１及び抵抗Ｒ７により決定できる。

以上のように、スイッチング素子のゲートに蓄えられた電荷を調光のタイミングで放電することにより、ＬＥＤ発光ユニット１への通電を半サイクルの途中で止めることができる。また同時に、途中で通電を止められた主電流を逆位相側のスイッチング素子のゲートに通電し電荷を充電することにより、次の半サイクルが開始するときに、逆位相側のスイッチング素子をオンすることができる。これにより図４（ｅ）に示すように、ＬＥＤ発光ユニット１のＬＥＤアレイ１１に調光した電流波形を供給することが可能となり、動作を半サイクルごとに繰り返す調光が実施される。従って、従来のように電流トランスを使って電源部を設ける必要がなく、調光ユニットケースの小型化が可能となる。また、ＣＰＵ等による位相制御も必要なく、逆位相装置２０と商用電源ＥとＬＥＤ発光ユニット１との結線を２線で行うこともできる。
なお、本実施形態ではスイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを適用したが、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外にもＩＧＢＴなどを適用することができる。ＩＧＢＴを適用した場合、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン−ソース間は、コレクタ−エミッタ間に相当することになる。

以上のように、第１実施形態のＬＥＤ照明装置は、照明用ＬＥＤ二個分の順方向電圧（３．５Ｖ×２＝７V程度）を超える度に順次点燈することにより、商用電源Ｅの全サイクルの殆どで点燈する光変換効率の優れたＬＥＤ発光機能と、逆位相制御調光機能とを備えることとなる。このためＬＥＤ照明装置は、省エネルギーで経済的にも有益となる。また一般に、照明用白色ＬＥＤの寿命（光束維持率が７０％まで低下する期間）は４万時間とされており、一日に１０時間ＬＥＤを点燈したとして、１１年間以上交換の必要がないため経済効果が大きい。
なお、ＬＥＤ照明装置のＬＥＤ発光ユニット１は並列接続が可能であり、調光ユニット２もこの並列接続に合わせて設計することで、１０ユニット以上の接続が可能である。また発光色調の異なるＬＥＤを多数組み合わせることにより、従来の照明機器（電球、蛍光灯等）の代替とすることもできる。

本実施形態に係る調光ユニット２は、主電流回路１２の途中に逆位相装置２０を設けている。これにより、逆位相装置２０、交流電源Ｅ、およびＬＥＤ発光ユニット１の間の結線を２線で行えるため、従来から行われている屋内配線の変更は必要ない。
また調光ユニット２は、調光と同時に主電流回路１２を流れる主電流で逆位相側のスイッチング素子のゲートに電荷を蓄え、次の半サイクルで逆位相側のスイッチング素子をオンするものであるため、電流トランスを使用した電源部を用いる必要がなく、調光器ユニットケースを小型化にすることが可能となる。また、従来技術のようにＣＰＵ等による位相制御を使用としないため、簡単な回路として形成できる。これにより、調光器ユニットケースを一層小型化することが可能となるとともに、安価な調光ユニットが提供できる。

さらに、本実施形態の調光ユニット２は、直列逆接続するスイッチング素子からなる主電流スイッチング回路２１を使用し逆位相制御を行うため、高周波ノイズおよび可聴領域のノイズが低減し、低ノイズの逆位相装置２０として提供できる。また、ノイズ抑制用のチョークコイル等を使用せずに低ノイズ化が図れるため、調光器ユニットケースをより小型化にすることが可能となる。

なお、本実施形態のＬＥＤ照明装置の実験によれば、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１又はＱ２のゲート規定値電圧１５Ｖで電荷を蓄えた場合、その規定電圧でＭＯＳ−ＦＥＴＱ１又はＱ２のドレイン−ソース間をオンすることができた。また、５００Ｗの調光が可能であった。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例や応用例が可能なことは勿論である。例えば、ＬＥＤ照明装置のＬＥＤ発光ユニット１の回路構造として、以下にあげる変形例を適用することもできる。
〔変形例１〕
図１０は、第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例１を示す回路図である。
同図に示すように、ＬＥＤ発光ユニット１は、分流制限手段としての定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…に、定電流ダイオードＤを採用してもよい。この定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…の特徴は、第１実施形態において複数個のバイポーラ・トランジスタ及び抵抗で構成した回路を、一個の定電流ダイオードＤに代替し回路を単純化したところにある。定電流ダイオードＤの耐圧を考慮した設計を行えば、第１実施形態の定電流回路と同じ作用効果を得ることができる。また定電流ダイオードＤの代わりに抵抗器を使用し、ＬＥＤアレイ１１の段ごとに抵抗値を設定することにより、同等の動作をさせることもできる。

〔変形例２〕
図１１は、第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例２を示す回路図である。
同図に示すように、ＬＥＤ発光ユニット１は、ＬＥＤアレイ１１のＬＥＤ一個毎にＬＥＤアレイ１１のカソード側終端に繋がる分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…を設け、かつ各分岐路Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、…に定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…を接続し、順方向電圧（３．５Ｖ程度）を超える度に最上段のＬＥＤｎから順次点燈させる構成とすることができる。この場合も、分流制限手段としての定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…に、定電流ダイオードＤを適用し、その耐圧を考慮した設計を行えば第１実施形態による定電流回路と同じ作用効果を得ることができる。また定電流回路部ＣＣ２、ＣＣ３、ＣＣ４、…は、定電流ダイオードＤの代わりに、第１実施形態に示すようなトランジスタ回路の置き換えも可能であり、他にも抵抗器を使用し、ＬＥＤアレイ１１の段ごとに抵抗値を設定することにより、同等の動作をさせることもできる。

〔変形例３〕
図１２は、第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例３を示す回路図であり、図１３は、図１２のＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図である。
図１２に示すように、ＬＥＤ発光ユニット１は、分流制限手段としての定電流回路部に、電流制限回路とカットオフ付定電流回路を備えたものである（以下、当該定電流回路部をカットオフ付定電流回路部ＣＣ’と称する）。
図１２におけるカットオフ付定電流回路部ＣＣ２’に基づいて回路の構成を説明すると、トランジスタＱ０３はコレクタ−ベース間に抵抗Ｒ０３が挿入されるとともに、エミッタ−ベース間に対してトランジスタＱ０４のコレクタ−ベース間が相対するように接続される。即ち、トランジスタＱ０３のベースがトランジスタＱ０４のコレクタに接続され、且つトランジスタＱ０３のエミッタがトランジスタＱ０４のベースに接続される。さらにトランジスタＱ０４のエミッタ−ベース間には抵抗Ｒ０４が挿入される。またトランジスタ０４のコレクタ−エミッタ間には、トランジスタ０５のコレクタ−エミッタ間が並列となるように接続される。即ちトランジスタＱ０５のコレクタはトランジスタＱ０４のコレクタに接続され、トランジスタＱ０５のエミッタはトランジスタＱ０４のエミッタに接続される。さらにトランジスタ０５のベースは、抵抗Ｒ５を介してＬＥＤ２のアノード側に接続している。以上のようにカットオフ付定電流回路部ＣＣ２’が形成され、以下のカットオフ付定電流回路部ＣＣ３’、ＣＣ４’、…も同じように回路が構成される。なお、定電流回路部ＣＣ１は、第１実施形態と同様の回路を適用している。

以下、このＬＥＤ発光ユニット１の動作について説明する。ＡＣ電圧がＬＥＤ二個分の順方向電圧（３．５V×２＝７V程度）を超えると、図１２の最上段に配置されているＬＥＤｎからカットオフ付定電流回路部ＣＣ２’に電流が流れる。さらにカットオフ付定電流回路部ＣＣ２’の抵抗Ｒ０３によりトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、Ｑ０３がオンとなる。その結果、抵抗Ｒ０４、ＬＥＤ１、定電流回路部ＣＣ１へと通電される。定電流回路部ＣＣ１では、抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れトランジスタＱ０２がオンとなる。その結果、抵抗Ｒ０１を介して全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ１、ＬＥＤｎが共に点燈する。

ただし、カットオフ付定電流回路部ＣＣ２’の回路構成では、ＬＥＤ１、ＬＥＤｎには定電流制限された電流が流れ続けているが、電源電圧が時間経過と共に上昇し、ＬＥＤの順方向電圧四個分の電圧まで達すると、新たにＬＥＤ２、ＬＥＤｎ−１にも電流が流れ始めることになる。このことにより、トランジスタＱ０５のベースには抵抗Ｒ０５を介して電流が流れ込む。即ち、トランジスタＱ０５がオンとなり、トランジスタＱ０３がオフとなる。その結果、カットオフ付定電流回路部ＣＣ２’を介してＬＥＤ１、ＬＥＤｎに流れる電流がカットオフ（遮断）されることになる。しかし、ＬＥＤ２、ＬＥＤｎ−１、カットオフ付定電流回路部ＣＣ２’、定電流回路部ＣＣ１を介して流れる電流は、カットオフ付定電流回路部ＣＣ３’に流れることになり、電流経路がスムーズに移行される。

よって図１３に示すように、ＬＥＤ発光ユニット１に供給される商用電源Ｅの電流波形は、電圧が時間経過と共に上昇して順方向電圧二個分の電圧まで達する度に、ＬＥＤアレイ１１に流れる電流をカットオフ付定電流回路部ＣＣ２’経路、カットオフ付定電流回路部ＣＣ３’経路、カットオフ付定電流回路部ＣＣ４’経路、…という具合に電流の経路を切り替える波形を描く。その結果、ＬＥＤアレイ１１の上段および下段のＬＥＤから、よりスムーズに点燈させていくことが可能となる。

〔第２実施形態〕
図１４は、第２実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットを示す回路図である。
同図に示すように、本発明の第２実施形態に係るＬＥＤ発光ユニット１は、第１実施形態と同様に、全波整流回路１０及びＬＥＤアレイ１１を備えている。第２実施形態のＬＥＤ発光ユニット１において第１実施形態と異なる点は、ＬＥＤアレイ１１のアノード側終端と各ＬＥＤ１、２、…、ｎのアノードとをそれぞれ繋ぐ分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ−１’を設け、各分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ−１’に、分流制限手段としての分流回路部Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎ−１を配設したことである。
図１４のおける分流回路部Ｓ１に基づいてこの回路の構成を説明すると、トランジスタＱ０１は、コレクタ−ベース間に抵抗Ｒ０１が挿入されるとともに、エミッタ−ベース間に対してトランジスタＱ０２のコレクタ−エミッタ間が接続される。またトランジスタＱ０２は、エミッタがＬＥＤ１のアノード側に接続しており、ベースが抵抗Ｒ０２を介して、分流回路部Ｓ２に配設されるトランジスタＱ０４のエミッタに接続している。以上のように分流回路部Ｓ１が形成され、以下の分流回路部Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、…も同じように回路が構成される。なお、ＬＥＤアレイ１１の負極端子と全波整流回路１０の負極側との間には、ＬＥＤアレイ１１に流れる電流を制限する電流制限用抵抗Ｒ０が挿入されている。

以下、第２実施形態のＬＥＤ発光ユニット１の動作について説明する。ＡＣ電圧がＬＥＤ一個分の順方向電圧（３．５V程度）を超えると、図１４の最下段に配置されている分流回路部Ｓ１は、抵抗Ｒ０１によりトランジスタＱ０１のベースに電流が流れ、Ｑ０１がオンとなる。その結果、電流が全波整流回路１０の正極側、トランジスタＱ０１、ＬＥＤ１、電流制限用抵抗Ｒ０、全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ１が点燈する。

次にＡＣ電圧が上昇して照明用ＬＥＤ二個分の順方向電圧（７．０V程度）を超えると、次段に配置されている分流回路部Ｓ２において、抵抗Ｒ０３によりトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、Ｑ０３がオンとなる。よって分流回路部Ｓ０１では、抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れ、Ｑ０２がオンとなる。トランジスタＱ０２がオンとなると、Ｑ０１のベース−エミッタ間が短絡されることになるためＱ０１がオフとなり、分流回路部Ｓ１の電流がオフになる。しかし、このとき同時に２段目に配置されている分流回路部Ｓ２では、Q０３がオンとなっており、その結果、電流が全波整流回路１０の正極側、トランジスタＱ０３、ＬＥＤ２、ＬＥＤ１、電流制限用抵抗Ｒ０、全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ２及びＬＥＤ１がともに点燈することになる。

このようにＡＣ電圧が約３．５Ｖ上昇するたびに、電流の流れる分流回路部Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎ−１を切り替えていくことにより、ＬＥＤ１、２、…、ｎが下段から順次点燈することになる。このときＬＥＤ１、２、…、ｎに流れる電流は電流制限用抵抗Ｒ０のみを介してしか流れないので、抵抗による熱損失は最小限に抑えられている。
第２実施形態のＬＥＤ発光ユニット１は、ＡＣ電圧に追従する方式を採用しているため、ＬＥＤは即座に点燈を開始することとなり、供給電圧に対しての光変換効率がよくＬＥＤの明るさは増大する。また、ＡＣ電圧がピーク電圧より下がり始めるときは、最上部に配置されているＬＥＤｎから順次１つずつ消灯してゆくことになるが、商用電源Ｅ（周波数を５０Ｈｚとした場合）を全波整流しているため、脈流電源の周波数は２倍（１００Ｈｚ）となりＬＥＤのチラつきが視感されることはない。

〔第３実施形態〕
図１５は、第３実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットを示す回路図であり、図１６は、図１５のＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図である。
図１５に示すように、本実施形態に係るＬＥＤ発光ユニット１においても、全波整流回路１０の正極側出力端子にＬＥＤアレイ１１のアノード側終端を接続してある。また、ＬＥＤアレイ１１のカソード側終端は、ＬＥＤアレイ１１に流れる電流を制限する電流制限手段としての定電流回路部ＣＣを介して、全波整流回路１０の負極側出力端子に接続してある。
さらに、本実施形態では、ＬＥＤアレイ１１のアノード側終端と、ＬＥＤ１、２、…、ｎのアノードとを、分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ’で接続してある。各分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ’には、電流制限用抵抗ＣＬＲ１、ＣＬＲ２、…、ＣＬＲｎが挿入してある。
また、ＬＥＤアレイ１１のアノード側終端と、各分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ’に繋がる経路には、電流経路選択回路ＣＳが挿入してある。この電流経路選択回路ＣＳは、全波整流回路１０から出力される電圧が、ＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和に達したとき、各分岐路１’、Ｂ２’、…、Ｂｎ’への電流の流れを遮断する電流経路選択手段を構成する。

電流制限用抵抗ＣＬＲ１、ＣＬＲ２、…、ＣＬＲｎは、各ＬＥＤ１、２、…、ｎがそれぞれ３．５Ｖの電圧となるように同一の抵抗値に設定されている。例えば、各電流制限用抵抗ＣＬＲ１、ＣＬＲ２、…、ＣＬＲｎに対し５ｍＡの電流を流す場合、各ＬＥＤ１、２、…、ｎに３．５Ｖの電圧を印加するには、各電流制限用抵抗ＣＬＲを７００Ωとすればよい。

ここで、分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎにより接続されるＬＥＤの数は、当該分岐路を経由してＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和が、ＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和に達するまでの数に設定してある。例えば、ＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和を１００Ｖとした場合、ＬＥＤ一個を発光させるために３．５Ｖ必要であれば、１００／３．５＝２８．５７で、さらに分岐路にて接続されるＬＥＤの数は偶数であるから、分岐路Ｂ１’、Ｂ２’、…、Ｂｎにより接続されるＬＥＤの数は３０個となる。ただし、商用電圧１００Ｖのピーク値は、１４１．４Ｖに達するのでＬＥＤ１個の最大許容電圧を考慮してＬＥＤの数を決定する。
この数を超えるＬＥＤｎ＋１、ｎ＋２、…、ｎ＋ｍ（ＬＥＤアレイ１１のアノード側終端に近いＬＥＤ）には、分岐路は設けられていない。

電流経路選択回路ＣＳは、ＮＰＮ型のバイポーラ・トランジスタＱ０３、０４、抵抗Ｒ０３、０４、０５、定電流ダイオードＤ０２で構成されている。トランジスタＱ０３は、コレクタが全波整流回路１０の正極側とＬＥＤアレイ１１の正極端子の間に接続されている。またトランジスタＱ０３は、エミッタが抵抗Ｒ０３の一端に接続され、この抵抗Ｒ０３の他端は、電流制限用抵抗ＣＬＲの共通端子に接続されている。トランジスタＱ０３のベースは、定電流ダイオードＤ０２を介してトランジスタＱ０３のコレクタに接続されるとともに、さらにトランジスタＱ０４のコレクタに接続されている。このトランジスタＱ０４のエミッタは、抵抗Ｒ０３の他端と、電流制限用抵抗ＣＬＲの共通端子の間に接続されている。またトランジスタＱ０４のベースは、抵抗Ｒ０４、抵抗Ｒ０５の一端に接続されており、この抵抗Ｒ０５の他端は、ＬＥＤアレイ１１のＬＥＤｎ＋１カソード側とＬＥＤｎのアノード側の間に接続されている。発光ユニット１はこの様に構成することで、電流経路選択回路ＣＳに流れる電流経路Ｋ１と、ＬＥＤアレイに流れる電流経路Ｋ２とに電流の経路を選択的に変更することができる。

なお、抵抗Ｒ０４は、トランジスタＱ０４のバイアス電圧設定用であり、抵抗Ｒ０５は、トランジスタＱ０４のベース電流設定用であり、抵抗Ｒ０３はトランジスタＱ３のエミッタ抵抗である。またダイオードＤ０１は、電流経路Ｋ１が遮断された直後に電流制限用抵抗ＣＬＲｎを介して電流制限用抵抗ＣＬＲの共通端子に逆流するのを防止するために挿入されている。なお、各電流制限用抵抗ＣＬＲに電流が逆流する場合は、その他の電流制限用抵抗ＣＬＲにも直列にダイオードＤを挿入することが望ましい。

以下、このＬＥＤ発光ユニット１の動作について説明する。
全波整流回路１０からの出力電圧が、ＬＥＤ一個を発光させることができる順方向電圧（例えば、３．５V程度）を超えると、電流経路選択回路ＣＳでは、定電流ダイオードＤ０２を介してトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、Ｑ０３がオンとなる。その結果、電流が、抵抗Ｒ０３、分岐路Ｂ１’、電流制限用抵抗ＣＬＲ１、ＬＥＤ１、定電流回路部ＣＣを経由して流れる。定電流回路部ＣＣでは、抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れトランジスタＱ０２がオンとなる。その結果、電流が抵抗Ｒ０１を介して全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ１が点燈する。
次に、全波整流回路１０からの出力電圧が照明用ＬＥＤ二個分の順方向電圧（３．５Ｖ×２＝７V程度）を超えると電流経路選択回路ＣＳでは、定電流ダイオードＤ０２を介してトランジスタＱ０３のベースに電流が流れ、Ｑ０３がオンとなる。その結果、電流が、抵抗Ｒ０３、分岐路Ｂ１’、Ｂ２’電流制限用抵抗ＣＬＲ１、２、ＬＥＤ２、ＬＥＤ１、定電流回路部ＣＣを経由して流れる。定電流回路部ＣＣでは、抵抗Ｒ０２によりトランジスタＱ０２のベースに電流が流れトランジスタＱ０２がオンとなる。その結果、電流が抵抗Ｒ０１を介して全波整流回路１０の負極側に流れ、ＬＥＤ２、ＬＥＤ１は共に点燈する。

このように、ＬＥＤ発光ユニットは、電流が電圧の上昇時に電流経路Ｋ１を通ることで、ＡＣ電圧がＬＥＤ一個分の順方向電圧（３．５Ｖ程度）を超える度に、ＬＥＤ１からＬＥＤｎまで順次点燈させていく。

さらに、電流経路選択回路ＣＳは、全波整流回路１０からの出力電圧がＬＥＤアレイ１１の全ＬＥＤを発光させるために必要な順方向電圧の総和（例えば１００Ｖ）に達したとき、図１５における電流経路Ｋ２を通り、ＬＥＤアレイ１１に直列に電流を流す。これによりＬＥＤアレイ１１を構成するすべてのＬＥＤ１、２、…、ｎ−１、ｎ、…、ｎ＋ｍが点燈することになる。

また、電流経路Ｋ２を通りＬＥＤｎ＋１に電流が流れると、ＬＥＤｎ＋１のカソード側に接続されている抵抗Ｒ０５にも電流が流れる。電流経路選択回路ＣＳにおいて抵抗Ｒ０５は、トランジスタＱ０４のベースに接続されているので、この抵抗Ｒ０５を介してトランジスタＱ０４のベースに電流が流れ込み、トランジスタＱ０４がオンとなる。トランジスタＱ０４のコレクタは、トランジスタＱ０３のベースに接続されているため、トランジスタＱ０４がオンしたことにより、トランジスタＱ０３のベース−エミッタ間は短絡されて、トランジスタＱ３のベース電流は引き出されトランジスタＱ０３はオフとなる。その結果、電流経路Ｋ１は遮断されることになる。電流経路Ｋ１に流れる電流は、定電流ダイオードＤ０２に制限されるため３乃至４ｍＡと低減されることになり、つまり電流は、ＡＣ電圧がＬＥＤアレイ１１の設定電圧を越えた時点で電流経路Ｋ２を選択したことになる。

したがって、図１６に示すように、ＡＣ電圧がＬＥＤアレイ１１の設定電圧以下の場合は、電流経路Ｋ１を選択し、ＡＣ電圧がＬＥＤアレイ１１の設定電圧以上のときは、電流経路Ｋ２を選択した電流分布となる。このように電流経路を切り替えることにより、各抵抗の熱損失を低減することができ、省エネルギーで発光し、低コストで製作できる回路となる。

第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置の外観を示す斜視図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置の回路図である。 図２の全体回路からＬＥＤ発光ユニットの回路部分を取り出して示す回路図である。 第１実施形態のＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図であり、（ａ）は商用電源の電圧波形、（ｂ）は全波整流した電圧波形、（ｃ）はＬＥＤアレイに供給される電圧及び電流波形、（ｄ）は（ｃ）のＸ部拡大図、（ｅ）は調光ユニットで９０°調光した場合の電圧及び電流波形である。 第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの電流波形と、従来のＬＥＤ照明装置の電流波形と比較する概略図である。 図２の全体回路から調光ユニットの回路部分を取り出して示す回路図である。 第１実施形態の調光ユニットの作用を模式的に示すブロック図である。 第１実施形態の調光ユニットにおける各電圧の波形図であり、（ａ）はトランジスタＱ５のエミッタ電圧波形、（ｂ）はトランジスタＱ５のベース電圧波形、（ｃ）はトランジスタＱ６のエミッタ電圧波形である。 第１実施形態の調光ユニットにおける調光時の各電圧の波形図であり、（ａ）は調光９０度時のＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のドレイン−ソース間電圧波形、（ｂ）はトランジスタＱ６のエミッタ電圧波形、（ｃ）は調光９０度時のＬＥＤ発光ユニット１の両端電圧波形である。 第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例１を示す回路図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例２を示す回路図である。 第１実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットの変形例３を示す回路図である。 図１２のＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図である。 第２実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットを示す回路図である。 第３実施形態に係るＬＥＤ発光ユニットを示す回路図である。 図１６のＬＥＤ発光ユニットにおける電圧と電流の関係を示す波形図である。 従来のＬＥＤ照明装置の構成を示す回路図である。 従来のＬＥＤ照明装置が抱える課題を説明するための電圧−電流波形図である。

符号の説明

１：ＬＥＤ発光ユニット、２：調光ユニット、３：セラミックシート、４：カバー、
１０：全波整流回路、１１：ＬＥＤアレイ、１２：主電流回路路、
２０：逆位相装置、２１：主電流スイッチング回路、２２：制御部、２３：ゲート電荷放電回路、２４：ゲート電荷充電回路、２５：放電タイミング設定回路、３０：配線
Ｂ、Ｂ’：分岐路、ＣＣ：定電流回路部、ＣＣ’：カットオフ付定電流回路部、ＣＳ：電流経路選択回路、Ｅ：商用電源、ＬＥＤ：発光ダイオード、Ｑ：トランジスタ、Ｒ：抵抗、Ｓ：分流回路部

Claims (1)

1. 複数の発光ダイオードを直列に接続してなるＬＥＤアレイを点燈させるためのＬＥＤ照明用装置であって、
   前記ＬＥＤアレイを発光させるためのＬＥＤ発光ユニットを有し、当該ＬＥＤ発光ユニットは、
   交流電源を全波整流するための全波整流回路と、
   前記全波整流回路から出力された電流を、前記ＬＥＤアレイを構成する任意の発光ダイオードへ分岐して流す分岐路と、
   前記ＬＥＤアレイに流れる電流を制限する電流制限手段と、
   を備え、
   前記全波整流回路の正極側出力端子に前記ＬＥＤアレイのアノード側終端を接続するとともに、前記全波整流回路の負極側出力端子に前記ＬＥＤアレイのカソード側終端を接続し、
   さらに、前記ＬＥＤアレイのアノード側終端と、前記ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えて一番目に位置する発光ダイオードのアノードとを前記分岐路で接続し、
   同様にして、順次、前記ＬＥＤアレイのアノード側終端と、前記ＬＥＤアレイのカソード側終端から数えてｎ番目（ｎは任意の自然数）に位置する発光ダイオードのアノードとを前記分岐路で接続していくことを特徴とするＬＥＤ照明装置。

Images