JP5153578B2 - Led点灯装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば照明器具や液晶のバックライト等に使用されるLED(発光ダイオード)を点灯するためのLED点灯装置に関する。
LEDを照明器具や大型のフラットディスプレイ等に使用する場合は、複数個のLEDを直列接続して駆動するのが一般的である。下記特許文献1には、直流電源とLED直列回路との間に定電流素子を直列に接続し、1乃至複数のLEDを定電流駆動する構成が示されている。しかし、そのような構成では、その点灯回路で許容する最大個数のLEDを接続した場合と、それよりも少数のLEDを接続した場合とで、LED直列回路及び定電流素子における全体の消費電力が同じであるため、LED直列回路におけるLEDの数が少ないほど定電流素子が分担する消費電力が増大し、発熱の問題が生じる。
そのような発熱の問題を解決するために、下記特許文献2においては、LED定電流点灯ユニットにおいて定電流制御回路と定電圧制御回路と組み合わせて具備し、該LED定電流点灯ユニットの出力側に負荷としてLED直列回路を接続し、該LED直列回路を流れる電流を検出・フィードバックしてこの電流が所定の定電流となるように定電流制御回路によりLED定電流点灯ユニットの出力電圧を制御し、かつ、該LED定電流点灯ユニットの出力電圧が所定電圧以上にならないように定電圧制御回路により制御している。
一方、下記特許文献3においては、直流電源とLED直列回路との間に定電流制御用トランジスタのコレクタ−エミッタを直列に接続し、複数のLEDを定電流駆動する構成において、該トランジスタのコレクタ電圧が所定電圧以上のときに導通するツェナーダイオードを設け、該ツェナーダイオードが導通したとき定電流動作を解除してLED駆動電流を下げることにより、定電流制御用トランジスタの発熱を回避するようにしたことが示されている。しかし、このような構成では、LED直列回路におけるLEDの数が変動したとき、LEDの定電流駆動が行えない、という不都合がある。
特開2005−109025号公報 特開2007−4995号公報 特開2007−142139号公報
ところで、上記特許文献2のようなタイプのLED定電流点灯ユニットにおいては、LEDの点灯/消灯を制御するスイッチは、LED定電流点灯ユニットの出力側にLED直列回路に直列に設けることはできなかった。その理由は、そのようにスイッチを設けたとすると、スイッチがOFFのときはユニット内の定電流制御回路を構成する半導体素子は動作状態となっておらず、スイッチONに応じてLED直列回路に駆動電流が流れた後に該駆動電流の検出・フィードバック信号に基づき該半導体素子の動作が開始するため、該半導体素子の動作遅れにより、スイッチOFFからONに切り替わった直後の短時間の間、定電流動作が正常に行われないからである。その場合、その間は、ユニット開放電圧がLED直列回路に印加され、過大な電流がLEDに流れ、LEDへのストレスあるいは損傷といった問題が生じる。
しかし、照明器具にLEDを多用する傾向になると、LED定電流点灯ユニットとLED直列回路との距離が離れ、その間にスイッチを設ける、といった使い方が要求されることになる。そのような要求に応えることができるようにするには、LED点灯/消灯制御用のスイッチを、LED定電流点灯ユニットの出力側にLED直列回路と直列に設けることができるようにする必要がある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、LED直列回路におけるLEDの数が変動した場合でも定電流駆動を行うことができると共に発熱の問題が生じないLED点灯装置を提供しようとするものである。更には、LED点灯/消灯制御用のスイッチをLED直列回路と直列に設けることを可能にする構成からなるLED点灯装置を提供しようとするものである。
本発明は、1乃至複数のLEDを直列接続したLED直列回路に対して電力を供給するLED点灯装置であって、前記LED直列回路に直列接続され、該LED直列回路を流れる電流を所定の定電流に制御する定電流回路と、前記LED直列回路に電力を供給する安定化電源回路であって、該LED直列回路に対する出力電圧をフィードバックして該フィードバックされた電圧が所定電圧を超えないように制御するものと、前記定電流回路の電圧を所定の定電圧に制御するよう前記安定化電源回路にフィードバック信号を供給する出力電圧制御回路とを備え、前記安定化電源回路では、前記出力電圧のフィードバック経路に前記出力電圧制御回路から供給される前記フィードバック信号を追加することで、該フィードバック信号の追加に応じて前記出力電圧を可変制御するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、定電流回路は、LED直列回路に直列接続され、該LED直列回路を流れる電流を所定の定電流に制御し、安定化電源回路は、LED直列回路に対する出力電圧が所定電圧を超えないように制御して該LED直列回路に電力を供給する。これにより、安定化電源回路の出力電圧の前記所定電圧の範囲内で任意の複数のLEDをLED直列回路に接続して、これらのLEDを定電流駆動できる。更に、出力電圧制御回路により、前記定電流回路の電圧を所定の定電圧に制御するよう前記安定化電源回路にフィードバック信号を供給し、安定化電源回路では、出力電圧のフィードバック経路に該フィードバック信号を追加することで該フィードバック信号の追加に応じて前記出力電圧を可変制御することにより、定電流回路の電圧を所定の定電圧に制御することが実現される。従って、定電流回路の電圧が上昇しようとするときに安定化電源回路の出力電圧を低下させることでその上昇を防ぎ、該定電流回路の消費電力を一定に保つことができ、これにより、LED直列回路に接続するLEDの数が減少したときに発熱の問題が生じないようになる。また、定電流回路は、LED直列回路に直列接続されて、該LED直列回路を流れる電流を所定の定電流に制御することを直接行うので、動作時間遅れがない。従って、LED点灯/消灯制御用のスイッチをLED直列回路に直列に設けたときに、動作時間遅れなしに定電流制御を行うことができ、LEDの劣化や損傷を防ぐことができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明しよう。
図1は本発明の一実施例に係るLED点灯装置1の回路図である。LED点灯装置1は、大別して、安定化電源回路10と、定電流回路20と、出力電圧制御回路30とで構成され、商用交流電源ACを入力して交直変換を行い、直流の出力電圧+Vを出力端子T1から出力する。LED点灯装置1の2つの出力端子T1,T2の間に、1乃至複数個のLEDを直列接続したLED直列回路2が接続される。また、出力端子T1の側においてLED直列回路2に直列にスイッチ3が設けられる。更に、スイッチ3に対して直列にかつLED直列回路2に対して並列にサージ吸収用のコンデンサ4を設けるとよい。図2は、定電流回路20及び出力電圧制御回路30、並びに安定化電源回路10の一部、を拡大して示す回路図である。
定電流回路20は、出力端子T2を介してLED直列回路2に直列接続され、該LED直列回路2を流れる電流を所定の定電流に制御するものである。詳しくは、図2に示すように、トランジスタQ1のコレクタ−エミッタ接合と抵抗R1,R2とによって直列回路が構成され、トランジスタQ1のコレクタ側が出力端子T2に接続されることで、Q1,R1,R2の直列回路がLED直列回路2に直列接続される。トランジスタQ1のベースには抵抗R3を介して安定化電源回路10の主電源出力ライン11からの直流電圧(出力電圧+V)が電源電圧として印加され、かつ、トランジスタQ1のベースにはシャントレギュレータIC1のカソードが接続される。シャントレギュレータIC1のリファレンスには、Q1,R1,R2直列回路における抵抗R1,R2の電圧降下Vrが印加される。シャントレギュレータIC1のアノードは、0ボルト(0v)に接地される。
スイッチ3がオンされているとして、定電流回路20の定電流制御動作について説明する。シャントレギュレータIC1のリファレンスに加わる抵抗R1,R2の電圧降下VrがシャントレギュレータIC1の基準電圧以下のときは、シャントレギュレータIC1のカソード−アノード間は不導通(オフ)である。このとき、トランジスタQ1のコレクタに流せる最大電流は、「抵抗R3を流れる電流」×「Q1のHfe(エミッタ接地電流増幅率)」である。抵抗R1,R2の電圧降下VrがシャントレギュレータIC1の基準電圧よりも大きくなると、シャントレギュレータIC1のカソード−アノード間が導通(オン)し、抵抗R3からトランジスタQ1のベースに流れる電流を抑制してQ1のコレクタ電流icを抑制し、これに伴い抵抗R1,R2の電圧降下Vrが低くなるようにする。電圧降下Vrが基準電圧まで低下すると、シャントレギュレータIC1がオフする。こうして、抵抗R1,R2の電圧降下VrがシャントレギュレータIC1の基準電圧に等しくなるように制御され、コレクタ電流icつまりLED直列回路2を流れるLED駆動電流は、「シャントレギュレータIC1の基準電圧」÷「R1+R2」に相当する値に定電流制御される。
ところで、従来のように、出力電圧制御回路30を設けずに、安定化電源回路10により出力電圧+Vを定電圧制御したとすると、LED直列回路2に設けられるLEDの数の違いによって、LED直列回路2が分担する電圧が変動するので、定電流回路20が分担する電圧が変化する。特に、LEDの数が少なくなると、LED直列回路2が分担する電圧が小さくなり、その分だけ定電流回路20が分担する電圧が増大し、定電流回路20での電力消費が無駄に増加し、発熱の問題が生じる。例えば、出力電圧+V=20(V:ボルト)、定電流値=1(A:アンペア)で、LED1個当りの電圧降下Vf=3(V)、とするとき、LED直列回路2のLEDが5個の場合の定電流回路2の消費電力は(20−15)×1=5(W:ワット)であるのに対して、LED直列回路2のLEDが1個の場合の定電流回路2の消費電力は(20−3)×1=17(W)となる。このように、LED直列回路2に直列に定電流回路20を設けるだけでは、LED直列回路2に接続するLEDの数が少なくなるほど、電力損失が多くなり、発熱も大となる。このような問題を解決するために、本発明では、出力電圧制御回路30を設けている。
出力電圧制御回路30は、定電流回路20の電圧Vcを所定の定電圧に制御するよう安定化電源回路10にフィードバック信号を供給する。詳しくは、図2に示すように、定電流回路20のQ1,R1,R2直列回路の電圧Vc(つまりQ1のコレクタ電圧)に対応する電圧を、コンデンサC1と抵抗R4のCR並列回路を介して、比較器(オペアンプ)31の+入力に入力している。比較器31の−入力には、抵抗R5,R6,R7及びツェナーダイオードZ1からなる基準電圧発生回路で発生される比較基準電圧が入力される。すなわち、安定化電源回路10の副電源出力ライン12と接地ライン13との間に抵抗R5,R6,R7の直列回路が接続され、抵抗R5とR6の接続点と接地ライン13との間にツェナーダイオードZ1が接続され、抵抗R6,R7の接続点が比較器31の−入力に接続されている。これにより、定常状態において抵抗R5とR6の接続点の電圧はツェナーダイオードZ1のツェナー電圧によって規定される一定電圧となり、この一定電圧を抵抗R6,R7で分圧した電圧が比較基準電圧として比較器31の−入力に入力される。比較器31の出力は、抵抗R8、ダイオードD1を介して、安定化電源回路10に対してフィードバック信号FBとして出力される。
出力電圧制御回路30の動作について説明する。比較器31の+入力に加わる定電流回路20の電圧Vcに対応する電圧が、比較器31の−入力に入力される比較基準電圧よりも小さいときは、比較器31の出力は0である。比較器31の+入力に加わる定電流回路20の電圧Vcに対応する電圧が、比較器31の−入力に入力される比較基準電圧よりも大きくなると、比較器31の出力からは所定のプラス電圧が出力される。比較器31から出力されたプラス電圧のフィードバック信号FBは、次に述べるように、安定化電源回路10の主電源出力ライン11の出力電圧+Vを可変制御する(詳しくは、低下させる)ように、該安定化電源回路10に対して供給される。
安定化電源回路10は、LED直列回路2に対する主電源出力ライン11の出力電圧+Vをフィードバックして該フィードバックされた電圧が所定電圧を超えないように制御するものであり、かつ、この出力電圧+Vのフィードバック経路に出力電圧制御回路30から出力されるフィードバック信号FBを追加することで、該フィードバック信号FBの追加に応じて出力電圧+Vを可変制御する(低下させる)。このように、フィードバック信号FBに応じて出力電圧+Vを可変制御する(低下させる)ことで、定電流回路20の電圧Vcを所定の定電圧に維持する。
詳しくは、図2に示すように、安定化電源回路10は、主電源出力ライン11と接地ライン13との間に抵抗R9,R10,R11の直列回路を接続し、抵抗R10,R11の接続点をシャントレギュレータIC2のリファレンスに入力している。これにより、通常は、主電源出力ライン11の電圧+VをR11/(R9+R10+R11)の比で分圧した電圧VrrがシャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される。抵抗R9,R10,R11の直列回路は、主電源出力ライン11の出力電圧+Vをフィードバックするためのフィードバック経路を形成しており、シャントレギュレータIC2は、該フィードバック経路を介してフィードバックされた電圧が所定電圧を超えないように制御するための比較手段として機能する。出力電圧制御回路30から出力されるフィードバック信号FBは、フィードバック経路における抵抗R10,R11の接続点に印加される。これにより、主電源出力ライン11の電圧+VをR11/(R9+R10+R11)の比で分圧した電圧に出力電圧制御回路30からのフィードバック信号FBが追加(加算)され、加算された電圧がシャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される。
シャントレギュレータIC2のカソードには、抵抗R12,R13を介して副電源出力ライン12からの直流電圧が電源電圧として印加され、アノードは接地ライン13に接続される。抵抗R13に並列にフォトカプラ14の発光ダイオード14aが接続される。これにより、シャントレギュレータIC2が導通(オン)するとき、フォトカプラ14の発光ダイオード14aが点灯し、フォトトランジスタ14bを導通する。安定化電源回路10においては、通常知られているように、フォトカプラ14のフォトトランジスタ14bのオン・オフに応じてトランス15(図1)に対するAC電源の供給をスイッチング制御し、交直変換後の出力電圧(フィードバック経路を介してフィードバックされた電圧)が所定電圧を超えないように制御する。なお、安定化電源回路10の構成それ自体は公知のものを用いてよいため、詳細説明を省略する。
安定化電源回路10における定電圧制御動作について説明する。まず、出力電圧制御回路30からのフィードバック信号FBが0である場合について説明する。その場合は、従来より知られた安定化電源の定電圧制御動作と同様である。すなわち、主電源出力ライン11の電圧+VをR11/(R9+R10+R11)の比で分圧した電圧VrrがシャントレギュレータIC2の基準電圧より大きくなると、シャントレギュレータIC2がオンし、フォトカプラ14のフォトトランジスタ14bをオンして交直変換後の出力電圧+Vを下げるようにする。出力電圧+Vの低下によってフィードバックされる電圧Vrrが基準電圧より低下するとシャントレギュレータIC2がオフする。これにより、フィードバック経路における抵抗R10,R11の接続点からシャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される電圧VrrがシャントレギュレータIC2の基準電圧を超えないように、主電源出力ライン11の出力電圧+Vが定電圧制御される。すなわち、出力電圧+Vは、+V=「IC2の基準電圧」×(R9+R10+R11)/R11となるように定電圧制御される。
出力電圧制御回路30からのフィードバック信号FBがプラス電圧である場合は、シャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される電圧Vrrは、主電源出力ライン11の電圧+VをR11/(R9+R10+R11)の比で分圧した電圧に出力電圧制御回路30からのフィードバック信号FBを加算したものとなる。これにより、上記と同様に、シャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される電圧VrrがシャントレギュレータIC2の基準電圧を超えないように、主電源出力ライン11の出力電圧+Vが制御されるのであるが、制御の結果得られる出力電圧+Vの値は、フィードバック信号FBが0の場合に比べて、フィードバック信号FBのプラス電圧が出力電圧+Vのフィードバック電圧に加算されている場合の方が、小さな値となる。すなわち、フィードバック信号FBの追加に応じて出力電圧+Vが低下するように可変制御されることになる。出力電圧+Vの低下にともない、定電流回路20が分担する電圧Vcも低下し、比較器31の+入力に加わる電圧が低下する。これにより、比較器31の+入力に加わる定電流回路20の電圧Vcに対応する電圧が、比較器31の−入力に入力される比較基準電圧よりも小さくなると、比較器31の出力が0となり、出力電圧制御回路30からのフィードバック信号FBが0となる。こうして、定電流回路20の電圧Vcが、比較器31の−入力に入力される比較基準電圧に対応する所定の定電圧になるように定電圧制御される。一方、フィードバック信号FBが0になると、シャントレギュレータIC2のリファレンスに入力される電圧Vrrが低下するので、シャントレギュレータIC2はオフし、主電源出力ライン11の出力電圧+Vはその状態で安定し、低下した値の出力電圧+Vを安定的に維持する。
例えば、LED直列回路2において最大で5個のLEDが接続できるように安定化電源回路2が設計されているとし、そのときの出力電圧+Vが20(V)、定電流値が1(A)、LED1個当りの電圧降下Vfが3(V)、定電流回路20の電圧Vcが5(v)、とする。LED直列回路2のLEDを4個に減らすと、LED直列回路2が分担する電圧が12(v)となり、定電流回路20の電圧Vcを5(v)に維持するために、出力電圧+Vが17(V)に低下される。同様に、LED直列回路2のLEDを3個にすると、LED直列回路2が分担する電圧が9(v)となり、定電流回路20の電圧Vcを5(v)に維持するために、出力電圧+Vが14(V)に低下される。また、LED直列回路2のLEDを2個にすると、LED直列回路2が分担する電圧が6(v)となり、定電流回路20の電圧Vcを5(v)に維持するために、出力電圧+Vが11(V)に低下される。また、LED直列回路2のLEDを1個にすると、LED直列回路2が分担する電圧が3(v)となり、定電流回路20の電圧Vcを5(v)に維持するために、出力電圧+Vが8(V)に低下される。いずれの場合も、定電流回路20の電圧Vcは5(v)、電流は1(A)、であり、消費電力は最低の5(W)に維持される。従って、消費電力の無駄がなく、発熱の問題も生じない。
次に、LED直列回路2に直列に設けられたスイッチ3をオフからオンに切り替えたときの動作について説明する。安定化電源回路2の出力電圧+Vは設計上定められた最大数のLEDに対応する値で出力され、また、定電流回路20のトランジスタQ1のベース−エミッタはバイアスされているので、スイッチ3がオフからオンに切り替わると同時にLED直列回路2及び定電流回路20からなる直列回路に駆動電流icが流れる。ここで、駆動電流icが所定の定電流を超えようとすると、即座にシャントレギュレータIC1がオンし、定電流制御がなされる。従って、定電流制御の動作時間遅れは問題にならない。また、このとき、サージ電流が発生したとしても、LED直列回路2に並列に設けられたコンデンサ4で吸収される。そして、LED直列回路2に設けられたLEDの数に応じて、該LEDの数が少ない場合は、定電流回路20の電圧Vcは当初は一瞬大きな値を示すが、上述した出力電圧制御回路30による定電圧制御動作によって、速やかに出力電圧+Vを低下させて電圧Vcを定電圧に制御する。
なお、点灯/消灯制御用のスイッチ3を、点灯装置1の出力とLED直列回路2との間に設けることは、本発明の必須の要素ではなく、どこに設けてもよい。また、スイッチ3を設けずに、AC電源に対するコンセントの抜き差しで点灯/消灯制御を行うものであってもよい。しかし、上記実施例のように、点灯/消灯制御用のスイッチ3を点灯装置1の出力とLED直列回路2との間に設ければ、使い勝手がよくなるので、有利である。そのような使い勝手のよさは、本発明に係るLED点灯装置1を採用することによって初めて実現されるものである。
また、シャントレギュレータIC1,IC2は、IC素子からなるものに限らず、オペアンプを比較器として用いた回路構成からなるものを用いてもよい。
また、安定化電源回路2の方式及び回路構成は図示したものに限らず、どのような方式及び回路構成を用いてもよい。
本発明の一実施例に係るLED点灯装置の回路図である。 図1における定電流回路及び出力電圧制御回路、並びに安定化電源回路の一部、を拡大して示す回路図である。
符号の説明
1 LED点灯装置
2 LED直列回路
3 スイッチ
4 コンデンサ
10 安定化電源回路
20 定電流回路
30 出力電圧制御回路
IC1,IC2 シャントレギュレータ

Claims (4)

  1. 1乃至複数のLEDを直列接続したLED直列回路に対して電力を供給するLED点灯装置であって、
    前記LED直列回路に直列接続され、該LED直列回路を流れる電流を所定の定電流に制御する定電流回路と、
    前記LED直列回路に電力を供給する安定化電源回路であって、該LED直列回路に対する出力電圧をフィードバックして該フィードバックされた電圧が所定電圧を超えないように制御するものと、
    前記定電流回路の電圧を所定の定電圧に制御するよう前記安定化電源回路にフィードバック信号を供給する出力電圧制御回路と
    を備え、前記安定化電源回路では、前記出力電圧のフィードバック経路に前記出力電圧制御回路から供給される前記フィードバック信号を追加することで、該フィードバック信号の追加に応じて前記出力電圧を可変制御するようにしたことを特徴とするLED点灯装置。
  2. 前記出力電圧制御回路は、前記定電流回路の電圧を取り出して基準電圧と比較する比較器を含み、該比較器の出力を前記フィードバック信号として前記安定化電源回路に供給し、
    前記安定化電源回路は、前記出力電圧に対応するフィードバック電圧に前記出力電圧制御回路から供給される前記フィードバック信号を加算することで、修正したフィードバック電圧を生成する回路を含み、該修正したフィードバック電圧が前記所定電圧を超えないように前記出力電圧を可変制御することを特徴とする請求項1に記載のLED点灯装置。
  3. 前記LED点灯装置の出力と前記LED直列回路との間に該LED直列回路に対する電力の供給を制御するスイッチを設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載のLED点灯装置。
  4. 前記スイッチに直列かつ前記LED直列回路に並列にサージ吸収用コンデンサを設けたことを特徴とする請求項3に記載のLED点灯装置。
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