JP5220487B2 - 発光装置及びそれを備えた照明システム - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた発光装置及びそれを備えた照明システムに関する。

近年、電球や蛍光ランプに代えて、高効率、長寿命が期待される発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下、ＬＥＤと略す）を照明器具として利用する技術が提案されている。このようなＬＥＤは、順方向に電流が流れた際に発光し、逆方向に電流が流れた場合には発光しないという特性を有している。また、ＬＥＤは、一般的な整流用ダイオードと比較して、逆方向にかかる電圧（逆電圧）に対する耐性が低いことが知られている。

ここで、一般的な商用電源は交流を採用しているため、交流に直接ＬＥＤを接続した場合には、周期的にＬＥＤに過大な逆電圧がかかってしまい、ＬＥＤの点灯不良を招くおそれがある。
このため、商用電源等の交流を直流に変換した後に、ＬＥＤに供給する技術が種々提案されている。

公報記載の技術として、例えばダイオードブリッジ回路を用いて商用交流電源を全波整流し、直列接続された複数のＬＥＤに供給する交流電源用発光装置において、直列接続される複数のＬＥＤに対してキャパシタを並列接続し、各ＬＥＤでの明滅（フリッカ）を抑制する技術が存在する（特許文献１参照）。
また、別の公報記載の技術として、例えばダイオードブリッジ回路を用いて交流電源を全波整流し、直列接続された複数の発光ダイオードに供給する発光ダイオード表示素子において、交流電源とダイオードブリッジ回路とを電気的に接続・切断するためのスイッチを設け、スイッチのオン・オフによって各発光ダイオードを点灯・消灯させる技術が存在する（特許文献２参照）。

特開２００７−１２８０８号公報 特開平５−６６７１８号公報

しかしながら、交流を直流に変換してＬＥＤに供給を行う場合において、例えばＬＥＤを点灯させるためにスイッチをオンする際に、ＬＥＤに逆電圧がかかってしまうという現象が発生することがあった。また、交流を直流に変換してＬＥＤに供給を行う場合において、例えばＬＥＤを点灯させないようにスイッチをオフにしている間に、ＬＥＤに逆電圧がかかってしまうという現象が発生することがあった。
そして、このような現象が発生すると、直列接続された複数のＬＥＤのうち、接続方向の両端側に配置されたＬＥＤが発光しなくなってしまうおそれがあった。

本発明は、直列接続される複数の発光ダイオードに対して逆電圧が印加された場合においても、複数の発光ダイオードのうち、接続方向両端に配置される発光ダイオードの発光不良の発生を抑制することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明が適用される照明システムは、極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード列と、交流電源から供給される交流を直流に変換して発光ダイオード列に供給する交直流変換部と、交流電源と交直流変換部との電気的な接続および切断を行うスイッチと、発光ダイオード列において接続方向の一端に設けられた一端側の発光ダイオードに並列接続され、一端側の発光ダイオードを逆電圧から保護する一端側の保護素子と、発光ダイオード列において接続方向の他端に設けられた他端側の発光ダイオードに並列接続され、他端側の発光ダイオードを逆電圧から保護する他端側の保護素子とを含み、発光ダイオード列のうち、一端側の発光ダイオードおよび他端側の発光ダイオードを除く残りの発光ダイオードは、残りの発光ダイオードを逆電圧から保護する保護素子を並列接続せずに直列接続されることを特徴としている。

このような照明システムにおいて、交直流変換部は、交流電源に接続される１次側と発光ダイオード列に接続される２次側とを絶縁しない非絶縁型であることを特徴とすることができる。
また、交流電源から供給される交流がＡＣ１００Ｖ（実効値）の場合に、発光ダイオードの順方向電圧が＋２．８Ｖ以上であり、直列接続される発光ダイオードの数が３０個以上であることを特徴とすることができる。
さらに、スイッチは、交流電源からの交流の供給に使用される２本の給電線のうち、いずれか一方の給電線を接続および切断することを特徴とすることができる。
さらにまた、一端側の保護素子は、一端側の発光ダイオードとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなり、他端側の保護素子は、他端側の発光ダイオードとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなることを特徴とすることができる。
また、一端側の保護素子は、抵抗素子からなり、他端側の保護素子は、抵抗素子からなることを特徴とすることができる。
さらに、一端側の保護素子は、一端側の発光ダイオードと一端側の発光ダイオードに隣接して一端側の発光ダイオードに直列接続される他の発光ダイオードとに対して並列接続され、他端側の保護素子は、他端側の発光ダイオードと他端側の発光ダイオードに隣接して他端側の発光ダイオードに直列接続されるさらに他の発光ダイオードとに対して並列接続されることを特徴とすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明が適用される発光装置は、基板と、基板に搭載され、それぞれが単数の発光ダイオードまたは極性が揃えられた複数の発光ダイオードを備え、極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光チップと、基板に搭載され、複数の発光チップのうち、接続方向の一端に設けられた一端側の発光チップに並列接続され、一端側の発光チップを逆電圧から保護する一端側の保護素子と、基板に搭載され、複数の発光チップのうち、接続方向の他端に設けられた他端側の発光チップに並列接続され、他端側の発光チップを逆電圧から保護する他端側の保護素子とを含み、複数の発光チップのうち、一端側の発光チップおよび他端側の発光チップを除く残りの発光チップは、残りの発光チップを逆電圧から保護する保護素子を並列接続せずに直列接続されることを特徴としている。

このような発光装置において、発光チップが複数の発光ダイオードを備える場合に、発光チップにおいて複数の発光ダイオードが直列接続されることを特徴とすることができる。
また、発光ダイオードの発光層がガリウムおよび窒素を含むことを特徴とすることができる。
さらに、一端側の保護素子は、一端側の発光チップとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなり、他端側の保護素子は、他端側の発光チップとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなることを特徴とすることができる。
さらにまた、一端側の保護素子は、抵抗素子からなり、他端側の保護素子は、抵抗素子からなることを特徴とすることができる。

さらに、他の観点から捉えると、本発明は、極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光ダイオードを備えた発光装置において、複数の発光ダイオードのうち、接続方向両端側に設けられた単数の発光ダイオードまたは複数の発光ダイオードは、それぞれ、単数の発光ダイオードまたは複数の発光ダイオードとは極性が逆向きのダイオードを並列接続した状態で直列接続され、複数の発光ダイオードのうち、接続方向中央側に設けられた残りの発光ダイオードは、逆向きのダイオードを並列接続せずに直列接続されることを特徴としている。

本発明によれば、直列接続される複数の発光ダイオードに対して逆電圧が印加された場合においても、複数の発光ダイオードのうち、接続方向両端に配置される発光ダイオードの発光不良の発生を抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本実施の形態が適用される照明システムの全体構成の一例を示す図である。
この照明システムは、例えば街灯や室内灯として用いられる照明装置１０と、ＡＣ１００Ｖ（実効値）で電力供給を行う交流電源の一例としての商用電源２０と、商用電源２０から供給される交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換装置３０と、商用電源２０と交流−直流変換装置３０とを電気的に接続および切断するスイッチ４０とを備えている。

本実施の形態において、交直流変換部の一例としての交流−直流変換装置３０は、４つのダイオード３１〜３４にて構成されたダイオードブリッジ３５と、ダイオードブリッジ３５の両出力端と電気的に接続される照明装置１０に並列接続されるコンデンサ３６とを備えている。なお、コンデンサ３６は電解コンデンサで構成される。そして、この交流−直流変換装置３０では、商用電源２０から入力されてくるＡＣ１００Ｖの入力電圧を、ＤＣ１００Ｖの出力電圧に変換するようになっている。このため、交流−直流変換装置３０は、ＡＣ１００Ｖを一旦別の交流電圧に変換するためのトランスを有しておらず、結果として、１次側（商用電源２０側）と２次側（照明装置１０）とが、トランス等によって絶縁されない非絶縁型となっている。

なお、非絶縁型の交流−直流変換装置３０には、１次側と２次側とを例えばトランスで接続することにより絶縁し、且つ、制御回路についても１次側と２次側とを例えばフォトカプラで接続することにより絶縁を行うもの以外のすべてが含まれる。

また、スイッチ４０は、商用電源２０からの電力供給に使用される２本の配線のうちのいずれか１本の接続または切断を行うことで、照明装置１０の点灯、消灯を切り換える所謂片切りスイッチで構成される。

図２は、照明装置１０の構成の一例を説明するための図である。ここで、図２（ａ）は照明装置１０を被照射側からみた正面図であり、図２（ｂ）は照明装置１０の側面図である。
この照明装置１０は、基板５１の表面に複数の発光チップ５２および複数の保護ダイオード５３を搭載して構成された発光装置１１と、凹字状の断面形状を有し、凹部内側の底部に発光装置１１が取り付けられるように構成されたシェード１２とを備える。なお、照明装置１０には、必要に応じて、発光チップ５２から出射される光を均一にするための拡散レンズ等を設けるようにしてもよい。

基板５１は、例えばガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板（ガラエポ基板）等で構成され、長方形状の形状を有している。そして、基板５１の内部には複数の発光チップ５２や複数の保護ダイオード５３を電気的に接続するための配線が形成され、その表面には白色レジスト膜が塗布形成されている。なお、シェード１２の凹部内側も白色に塗装されている。なお、白色レジスト塗装膜に代えて、蒸着等により金属膜を形成するようにしてもよい。
また、発光チップ５２は、基板５１に、基板５１の短手方向に２列且つ長手方向に１５列の合計３０個が取り付けられている。
さらに、保護ダイオード５３は、基板５１に、基板５１の短手方向に２列且つ長手方向に１５列の合計３０個が、各発光チップ５２に隣接するように取り付けられている。

そして、発光装置１１においては、図中左側の１０個（２列×５列）の発光チップ５２および１０個の保護ダイオード５３によって第１発光グループＧｒ１が、図中中央側の１０個（２列×５列）の発光チップ５２および１０個の保護ダイオード５３によって第２発光グループＧｒ２が、図中右側の１０個（２列×５列）の発光チップ５２および１０個の保護ダイオード５３によって第３発光グループＧｒ３が、それぞれ構成されている。なお、これら第１発光グループＧｒ１、第２発光グループＧｒ２および第３発光グループＧｒ３は、後述するように回路構成の単位となっている。また、本明細書において、「保護ダイオード」とは、保護素子としてダイオードを用いたものをいう。

図３は、発光チップ５２の構成を説明するための図である。ここで、図３(ａ)は発光チップ５２の上面図を、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIＢ−IIIＢ断面図を、それぞれ示している。
この発光チップ５２は、一方の側に凹部６１ａが形成された筐体６１と、筐体６１に形成されたリードフレームからなる第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４および第４リード部６５と、凹部６１ａの底面に取り付けられた第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８と、凹部６１ａを覆うように設けられた封止部６９とを備えている。なお、図３（ａ）においては、封止部６９の記載を省略している。

筐体６１は、第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４および第４リード部６５を含む金属リード部に、白色の熱可塑性樹脂を射出成型することによって形成されている。

第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４および第４リード部６５は、０．１〜０．５ｍｍ程度の厚みをもつ金属板であり、加工性、熱伝導性に優れた金属として例えば鉄／銅合金をベースとし、その上にめっき層としてニッケル、チタン、金、銀などを数μｍ積層して構成されている。

そして、本実施の形態では、第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４および第４リード部６５の一部が、凹部６１ａの底面に露出するようになっている。また、第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４および第４リード部６５の一端部側は筐体６１の外側に露出し、且つ、筐体６１の外壁面から裏面側に折り曲げられている。また、本実施の形態では、第１青色ＬＥＤ６６が第１リード部６２に、第２青色ＬＥＤ６７が第２リード部６３に、そして第３青色ＬＥＤ６８が第３リード部６４にそれぞれ取り付けられている。

そして、発光チップ５２内では、第１青色ＬＥＤ６６のアノードが第１リード部６２に接続され、第１青色ＬＥＤ６６のカソードが第２青色ＬＥＤ６７のアノードに接続される。また、第２青色ＬＥＤ６７のカソードが第３青色ＬＥＤ６８のアノードに接続され、第３青色ＬＥＤ６８のカソードが第４リード部６５に接続される。すなわち、発光チップ５２において、第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８は、第１リード部６２をアノード側、第４リード部６５をカソード側として直列に接続されている。

なお、発光ダイオードの一例としての第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８の発光層はＧａＮ（窒化ガリウム）を含む構成を有しており、第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８は同じ波長の青色光を出射するようになっている。ただし、同じ波長といっても完全同一である必要はなく、例えば±１０ｎｍ程度の違いがあってもよい。

封止部６９は、可視領域の波長において光透過率が高く、また屈折率が高い透明樹脂にて構成される。また、封止部６９の表面側は平坦面となっている。封止部６９を構成する耐熱性、耐候性、及び機械的強度が高い特性を満たす樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂を用いることができる。そして、本実施の形態では、封止部６９を構成する透明樹脂に、第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８から出射される青色光の一部を、緑色光および赤色光に変換する蛍光体を含有させている。なお、このような蛍光体に代えて、青色光の一部を黄色光に変換する蛍光体、あるいは、青色光の一部を黄色光および赤色光に変換する蛍光体を含有させるようにしてもよい。

図４は、発光装置１１における回路構成の一例を説明するための図である。なお、ここでは、第１発光グループＧｒ１を例として説明を行うが、他の第２発光グループＧｒ２および第３発光グループＧｒ３も、第１発光グループＧｒ１と同じ構成を有している。

第１発光グループＧｒ１は、上述したように１０個の発光チップ５２と１０個の保護ダイオード５３とで構成される。なお、以下の説明においては、１０個の発光チップ５２を、それぞれ第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０と呼び、１０個の保護ダイオード５３を、それぞれ第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０と呼ぶことにする。

第１発光グループＧｒ１は、電力供給用の２個の電極すなわち第１電極５４と第２電極５５とを有している。そして、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０は、第１電極５４から第２電極５５に向けて、番号順に直列に接続されている。このとき、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０は、第１青色ＬＥＤ６６のアノードすなわち第１リード部６２（図３参照）が第１電極５４側となり、第３青色ＬＥＤ６８のカソードすなわち第４リード部６５（図３参照）が第２電極５５側となるように、それぞれ接続される。したがって、第１発光グループＧｒ１では、発光ダイオード列として機能する計３０個の青色ＬＥＤが、直列接続されていることになる。そして、第１電極５４と第１発光チップ５２_１との間には、直列に電流制限抵抗５６が接続されている。この電流制限抵抗５６は、第１発光グループＧｒ１を構成する各青色ＬＥＤに流れる順方向電流を所定の大きさに制限する機能を有している。なお、電流制限抵抗５６に代えて、例えば定電流ダイオード（ＣＲＤ）やトランジスタを用いた定電流回路等を、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０に直列接続するようにしてもよい。

また、第１電極５４と第２電極５５との間には、交流−直流変換装置３０（図１参照）より、第１電極５４側が正極、第２電極５５側が負極となるように、ＤＣ１００Ｖが供給される。そして、本実施の形態では、第１発光グループＧｒ１〜第３発光グループＧｒ３の第１電極５４同士が接続され、且つ、第２電極５５同士も接続される。したがって、第１発光グループＧｒ１〜第３発光グループＧｒ３は、交流−直流変換装置３０（図１参照）に対し並列に接続されることになる。このため、本実施の形態では、第１発光チップ５２_１の第１青色ＬＥＤ６６が一端側の発光ダイオードとして機能し、第１０発光チップ５２_１０の第３青色ＬＥＤ６８が他端側の発光ダイオードとして機能している。また、第１発光チップ５２_１の第２青色ＬＥＤ６７が他の発光ダイオードとして機能し、第１０発光チップ５２_１０の第２青色ＬＥＤ６７がさらに他の発光ダイオードとして機能している。さらに、本実施の形態では、第１発光チップ５２_１が一端側の発光チップとして機能し、第１０発光チップ５２_１０が他端側の発光チップとして機能している。

一方、第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０は、対応する同番号の第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０に対し、それぞれ並列に接続されている。例えば第１保護ダイオード５３_１は、第１発光チップ５２_１の第１青色ＬＥＤ６６のアノードと第３青色ＬＥＤ６８のカソードとに接続される。このとき、第１保護ダイオード５３_１は、そのアノードが第３青色ＬＥＤ６８のカソードに、そのカソードが第１青色ＬＥＤ６６のアノードに、それぞれ接続される。したがって、第１発光チップ５２_１を構成する第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８と第１保護ダイオード５３_１とでは、それぞれの順方向電流の向きが逆向きとなっている。なお、他の第２発光チップ５２_２〜第１０発光チップ５２_１０および他の第２保護ダイオード５２_２〜第１０保護ダイオード５３_１０においても、同様の接続がなされている。なお、本実施の形態では、第１保護ダイオード５３_１が一端側の保護素子として、また、第１０保護ダイオード５３_１０が他端側の保護素子として、それぞれ機能している。

なお、第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８は、２５℃の環境下において＋３．２Ｖの順方向電圧Ｖ_FLを印加した際に、２０ｍＡの順方向電流Ｉ_FLが流れるようになっている。また、第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８の逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格は−５．０Ｖとなっている。

一方、保護ダイオード５３は、２５℃の環境下において＋０．７Ｖの順方向電圧Ｖ_FPを印加した際に、２ｍＡの順方向電流Ｉ_FPが流れるようになっている。また、保護ダイオード５３の逆方向電圧Ｖ_RPの絶対最大定格は−８０Ｖとなっている。

では、図１に示す照明システムの動作を、上述した図１〜図４を参照しつつ説明する。
最初に、スイッチ４０をオンすることにより、商用電源２０と交流−直流変換装置３０とを電気的に接続する。これにより、商用電源２０は交流−直流変換装置３０にＡＣ１００Ｖを供給する。

次に、交流−直流変換装置３０は、供給されてくるＡＣ１００Ｖをダイオードブリッジ３５で全波整流することによって直流に変換する。ただし、ダイオードブリッジ３５からの出力はリップルの大きい脈流となっているため、この脈流をコンデンサ３６にて平滑化する。これにより、交流−直流変換装置３０は、リップルが平滑化されたＤＣ１００Ｖを照明装置１０に出力する。

そして、照明装置１０では、発光装置１１の基板５１に設けられた第１発光グループＧｒ１〜第３発光グループＧｒ３に、交流−直流変換装置３０から送られてきたＤＣ１００Ｖが並列に供給される。すると、例えば第１発光グループＧｒ１では、直列接続される１０個の発光チップ５２に、第１発光チップ５２_１から第１０発光チップ５２_１０に向かう方向に直流の順方向電流Ｉ_FLが流れる。

このとき、例えば第１発光チップ５２_１では、直列接続される第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８にそれぞれ順方向電流Ｉ_FLが流れ、その結果、これら第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８は青色に発光する。そして、第１発光チップ５２_１では、第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８の発光で生じた青色光の一部が、封止部６９内に存在する蛍光体により、緑色および赤色に変換される。その結果、第１発光チップ５２_１の封止部６９からは、青色光、緑色光および赤色光を含む白色光が出射される。なお、発光に伴って第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７、第３青色ＬＥＤ６８で発生した熱は、それぞれが取り付けられた第１リード部６２、第２リード部６３、第３リード部６４を介して第１発光チップ５２_１の外部に放出される。

また、第１発光グループＧｒ１を構成する第２発光チップ５２_２〜第１０発光チップ５２_１０も、第１発光チップ５２_１と同様のプロセスを経て、青色光、緑色光および赤色光を含む白色光を出射する。また、第２発光グループＧｒ２および第３発光グループＧｒ３をそれぞれ構成する第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０も、同様のプロセスを経て、青色光、緑色光および赤色光を含む白色光を出射する。

そして、第１発光グループＧｒ１〜第３発光グループＧｒ３をそれぞれ構成する第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０から出射された白色光は、直接あるいは基板５１やシェード１２で反射した後に、所定の空間あるいは対象物に向けて照射される。

その後、スイッチ４０をオフにすると、商用電源２０と交流−直流変換装置３０とが電気的に切断される。これにより、商用電源２０から交流−直流変換装置３０にはＡＣ１００Ｖが供給されなくなり、これに伴って交流−直流変換装置３０からＤＣ１００Ｖが出力されなくなる。その結果、照明装置１０の発光装置１１を構成するすべての発光チップ５２において、第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８が消灯する。

なお、この例では、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０を構成する第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８に、それぞれ２０ｍＡの順方向電流Ｉ_FLを流している。したがって、直列接続された３０個の青色ＬＥＤを有する第１発光グループＧｒ１全体では、第１電極５４と第２電極５５との間で、３．２Ｖ×３０個＝９６Ｖに、電流制限抵抗５６で生じる電圧降下を加えた分だけ電圧降下が生じる。ここで、電流制限抵抗５６で生じる電圧降下を４Ｖ程度とすれば、第１発光グループＧｒ１全体で生じる電圧降下は、交流−直流変換装置３０から供給されるＤＣ１００Ｖとほぼ一致する。これにより、本実施の形態にかかる照明システムでは、交流−直流変換装置３０において商用電源２０から供給されるＡＣ１００Ｖを、交直変換前に昇圧あるいは降圧させるためのトランスを不要としている。

また、この例において、発光チップ５２_１〜５２_１０に並列接続される保護ダイオード５３_１〜５３_１０には、それぞれ、第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８における電圧降下（３．２Ｖ×３個＝９．６Ｖ）に対応する逆方向電圧Ｖ_RPが印加されることになる。ただし、この逆方向電圧Ｖ_RPの値は各保護ダイオード５３_１〜５３_１０の逆方向電圧Ｖ_RPの絶対最大定格よりも著しく小さいことから、保護ダイオード５３_１〜５３_１０に電流は流れない。

ところで、例えば日本で一般的に使用される商用電源すなわち単相２線式のＡＣ１００Ｖ電源は、通常、次のような手順を経て供給される。まず、送電線を用いて高圧（６，６００Ｖ等）で供給される交流電圧を、柱上トランスや屋内外の変圧設備などで、接地電位を含む単相３線式のＡＣ２００Ｖとしてオフィスや一般家庭に給電する。そして、この単相３線式のＡＣ２００Ｖを、中点を介して２系統の単相２線式のＡＣ１００Ｖに分離し、上述した照明装置１０等の各種電気・電子機器に給電している。そして、単相２線式の交流電源の２線のうち、一方は中性線（ニュートラル側）として変電設備において接地され、他方は活性線（ライブ側）としてＡＣ１００Ｖの活電線となる。

また、本実施の形態の照明システムでは、図１に示したように、スイッチ４０が所謂片切りスイッチで構成されている。一般に、スイッチ４０はライブ側に接続されることが好ましいが、ニュートラル側に接続されることもある。

図５は、図１に示すスイッチ４０を商用電源２０のライブ側に接続した場合に、照明装置１０（発光装置１１）の第１発光グループＧｒ１を構成する各青色ＬＥＤのアノード−カソード間に印加される電圧波形を示している。ただし、図５は、第１発光グループＧｒ１を、第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０を取り付けることなく、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０を直列接続して構成した場合に得られた電圧波形を示している。

ここで、図５（ａ）は第１発光グループＧｒ１において最も順方向上流側すなわち第１電極５４に近い側に取り付けられる第１発光チップ５２_１の第１青色ＬＥＤ６６（１番目のＬＥＤと呼ぶ）の電圧波形、図５（ｂ）は第１発光チップ５２_１の第２青色ＬＥＤ６７（２番目のＬＥＤと呼ぶ）の電圧波形、図５（ｃ）は第１発光チップ５２_１の第３青色ＬＥＤ６８（３番目のＬＥＤと呼ぶ）の電圧波形をそれぞれ示している。また、図５（ｄ）は第１発光グループＧｒ１において中間部に取り付けられる第５発光チップ５２_５の第３青色ＬＥＤ６８（１５番目のＬＥＤと呼ぶ）の電圧波形、図５（ｅ）は第１発光グループＧｒ１において最も順方向下流側すなわち第２電極５５に近い側に取り付けられる第１０発光チップ５２_１０の第３青色ＬＥＤ６８（３０番目のＬＥＤと呼ぶ）の電圧波形をそれぞれ示している。

スイッチ４０を商用電源２０のライブ側に接続した場合、スイッチ４０がオフに設定される非点灯期間Ｔ１において、各青色ＬＥＤに印加される電圧はほぼ０Ｖとなる。また、スイッチ４０がオンに設定される点灯期間Ｔ２において、各青色ＬＥＤに印加される電圧は順方向電圧Ｖ_FL＝＋３．２Ｖとなり、各青色ＬＥＤには順方向電流Ｉ_FLが流れる。

これに対し、時刻ｔｓでスイッチ４０をオフからオンに切り換える際に、交流−直流変換装置３０において負のインパルス電圧が発生する。これに伴い、第１発光グループＧｒ１の先端に位置する１番目のＬＥＤには図５（ａ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−３０Ｖが、２番目のＬＥＤには図５（ｂ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−２５Ｖが、３番目のＬＥＤには図５（ｃ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−１２Ｖが、それぞれ印加される。また、第１発光グループＧｒ１の後端に位置する３０番目のＬＥＤには図５（ｅ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−０．５Ｖが印加される。一方、第１発光グループＧｒ１のほぼ中間に位置する１５番目のＬＥＤには図５（ｄ）に示すようにこのような負の突入電圧はみられない。

ここで、本実施の形態で用いた青色ＬＥＤの逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格は上述したように−５．０Ｖである。したがって、１番目のＬＥＤ、２番目のＬＥＤおよび３番目のＬＥＤには、スイッチ４０をオフからオンに切り換える際に、逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格を超える負の電圧が印加されてしまうことになる。

また、図６は、図１に示すスイッチ４０を商用電源２０のニュートラル側に接続した場合に、照明装置１０（発光装置１１）の第１発光グループＧｒ１を構成する各青色ＬＥＤのアノード−カソード間に印加される電圧波形を示している。ただし、図６は、上述した図５と同様に、第１発光グループＧｒ１を、第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０を取り付けることなく、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０を直列接続して構成した場合に得られた電圧波形を示している。

ここで、図６（ａ）は上記１番目のＬＥＤの電圧波形、図６（ｂ）は上記２番目のＬＥＤの電圧波形、図６（ｃ）は上記３番目のＬＥＤの電圧波形をそれぞれ示している。また、図６（ｄ）は上記１５番目のＬＥＤの電圧波形、図６（ｅ）は上記３０番目のＬＥＤの電圧波形をそれぞれ示している。

スイッチ４０を商用電源２０のニュートラル側に接続した場合、スイッチ４０がオフに設定される非点灯期間Ｔ１においても、各青色ＬＥＤには周期的な負の電圧が印加される。これに伴い、１番目のＬＥＤには図６（ａ）に示すように最大で約−３０Ｖの電圧が、２番目のＬＥＤには図６（ｂ）に示すように最大で約−２５Ｖの電圧が、３番目のＬＥＤには図６（ｃ）に示すように最大で約−１２Ｖの電圧が、それぞれ印加される。また、３０番目のＬＥＤには図６（ｅ）に示すように最大で約−３０Ｖの電圧が印加される。一方、１５番目のＬＥＤには図６（ｄ）に示すようにこのような負の電圧はみられない。

なお、この周期的な負の電圧は、スイッチ４０を切断した状態においても、商用電源２０のライブ側が発光装置１１と接続されることにより、接地がなされない不安定な状態で、発光装置１１に電圧の供給が行われることに起因して生じるものと考えられる。

また、時刻ｔｓでスイッチ４０をオフからオンに切り換える際にも、交流−直流変換装置３０における負のインパルス電圧の発生に伴い、１番目のＬＥＤには図６（ａ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−３０Ｖが、２番目のＬＥＤには図６（ｂ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−２５Ｖが、３番目のＬＥＤには図６（ｃ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−１２Ｖが、それぞれ印加される。また、３０番目のＬＥＤには図６（ｅ）に示すように瞬間的に負の突入電圧Ｖ_Ｉ＝約−０．５Ｖが印加される。一方、１５番目のＬＥＤには図６（ｄ）に示すようにこのような負の突入電圧はみられない。

ここで、本実施の形態で用いた青色ＬＥＤの逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格は−５．０Ｖとなっている。したがって、１番目のＬＥＤ、２番目のＬＥＤおよび３番目のＬＥＤには、スイッチ４０をオフとしたままであっても、逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格を超える逆電圧が印加されてしまうことになる。また、１番目のＬＥＤ、２番目のＬＥＤおよび３番目のＬＥＤには、スイッチ４０をオフからオンに切り換える際にも、逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格を超える負の電圧が印加されてしまうことになる。

そこで、本実施の形態では、例えば第１発光グループＧｒ１を構成する第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０に対し、それぞれ、極性が逆向きの第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０を、それぞれ並列接続するようにした。これにより、例えば第１発光グループＧｒ１の第１電極５４と第２電極５５との間に負の電圧が印加された場合であっても、この負の電圧を第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０を介して逃がすことにより、第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０をそれぞれ構成する第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８に負の高電圧が印加されなくなり、破壊等が生じにくい状態となる。

なお、本実施の形態では、例えば第１発光グループＧｒ１を構成する第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０に、それぞれ、保護素子の一例としての第１保護ダイオード５３_１〜第１０保護ダイオード５３_１０を並列接続していたが、これに限られるものではない。

ここで、図７は、発光装置１１における回路構成の他の例を説明するための図である。この例においては、例えば第１発光グループＧｒ１の両端側すなわち順方向上流側の第１発光チップ５２_１〜第３発光チップ５２_３および順方向下流側の第８発光チップ５２_８〜第１０発光チップ５２_１０にのみ逆向きのダイオードの一例としての保護ダイオード５３（５３_１、５３_２、５３_３、５３_８、５３_９、５３_１０）を設けている。

このように、すべての発光チップ５２にそれぞれ保護ダイオード５３を設けない場合であっても、設けた第１保護ダイオード５３_１、第２保護ダイオード５３_２、第３保護ダイオード５３_３、第８保護ダイオード５３_８、第９保護ダイオード５３_９および第１０保護ダイオード５３_１０における順方向電圧Ｖ_FPおよび電圧降下量を、第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８の逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格を超えない範囲で適宜大きく設定することで、各青色ＬＥＤに過大な負電圧が印加される事態を回避することができる。

また、図８に示すように、例えば第１発光グループＧｒ１の第１発光チップ５２_１〜第１０発光チップ５２_１０に、それぞれ、保護素子の一例としての保護抵抗５７（具体的には第１保護抵抗５７_１〜第１０保護抵抗５７_１０）を並列接続するようにしてもよい。

ＬＥＤは、一般に、逆電圧に対して非常に高い抵抗値を示す特性を有している。このため、保護抵抗５７を発光チップ５２に並列接続することにより、発光チップ５２にかかる逆電圧を保護抵抗５７側に逃がすことが可能となり、発光チップ５２を構成する第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８を効果的に保護することができる。ここで、保護抵抗５７の抵抗値については、ＬＥＤの保護という観点からすれば小さい方が好ましいが、この場合には、照明装置１０を点灯させた際に保護抵抗５７に多くの電流が流れ込むことになり、消費電力が増大につながってしまう。そこで、第１保護抵抗５７_１〜第１０保護抵抗５７_１０の抵抗値については、１０ｋΩ以上とすることが好ましく、さらには１００ｋΩ以上とすることが好ましい。

さらに、図９に示すように、例えば第１発光グループＧｒ１の両端側すなわち順方向上流側の第１発光チップ５２_１〜第３発光チップ５２_３および順方向下流側の第８発光チップ５２_８〜第１０発光チップ５２_１０にのみ保護抵抗５７（５７_１、５７_２、５７_３、５７_８、５７_９、５７_１０）を設けるようにしてもよい。

また、図１０は、発光装置１１における回路構成の他の例を説明するための図である。この例においては、例えば第１発光グループＧｒ１の両端すなわち順方向最上流側の第１発光チップ５２_１および順方向最下流側の第１０発光チップ５２_１０にのみ逆向きのダイオードの一例としての保護ダイオード５３（５３_１、５３_１０）を設けている。また、第１保護ダイオード５３_１および第１０保護ダイオード５３_１０に、抵抗素子の一例としての第１保護抵抗５７_１および第１０保護抵抗５７_１０を、それぞれ直列接続している。

このように、両端の第１発光チップ５２_１および第１０発光チップ５２_１０にのみ第１保護ダイオード５３_１および第１０保護ダイオード５３_１０を設けた場合であっても、それぞれに直列接続される第１保護抵抗５７_１および第１０保護抵抗５７_１０の抵抗値を、その電圧降下量が第１発光チップ５２_１および第１０発光チップ５２_１０を構成する第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８の逆方向電圧Ｖ_RLの絶対最大定格を超えない範囲で適宜大きく設定することで、各青色ＬＥＤに過大な負電圧が印加される事態を回避することができる。

なお、本実施の形態では、発光装置１１を用いて照明装置１０を構成する例について説明を行ったが、これに限られるものではなく、上述した発光装置１１を例えば信号機や各種表示装置にも適用することができる。

また、本実施の形態では、保護素子の一例としての保護ダイオード５３を用いて負の電圧に対する青色ＬＥＤの電気的な保護を行っていたが、これに限られるものではなく、例えばツェナーダイオード、抵抗等のインピーダンス素子、サージを吸収するコンデンサ、所定の電圧値で導通（オン）するスイッチング素子、さらにはこれらを組み合わせたものを用いてもよい。

また、本実施の形態では、１つの発光チップ５２が３個の青色ＬＥＤを搭載する例について説明を行ったが、これに限られるものではなく、１つの発光チップ５２に搭載する青色ＬＥＤの数については、単数または複数から適宜設計変更することができる。

また、本実施の形態では、青色ＬＥＤを搭載した発光チップ５２を例として説明を行ったが、これに限られるものではなく、例えば紫外ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、あるいは赤外ＬＥＤを搭載するものであってもよく、また、異なる色のＬＥＤを複数搭載するものであってもよい。

また、本実施の形態では、発光チップ５２と保護ダイオード５３とを別体で構成していたが、これに限られるものではなく、発光チップ５２に保護ダイオード５３を内蔵させるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、発光チップ５２毎すなわち直列接続される第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８に対して１つの保護ダイオード５３を並列接続するようにしていたが、これに限られるものではなく、第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８に対してそれぞれ個別に保護ダイオード５３を並列接続するようにしてもよい。ここで、本実施の形態では、直列接続される３個の青色ＬＥＤに対して１個の保護ダイオード５３を並列接続するようにしていたが、１個の保護ダイオード５３に対応して直列接続される青色ＬＥＤの数については、適宜選択して差し支えない。ただし１個の保護ダイオード５３に対して４個以上の青色ＬＥＤを直列接続した場合には、負の電圧の印加時に順方向最上流側の青色ＬＥＤにかかる負の電圧が高くなりすぎる場合があるため、３個以下とすることが好ましい。

また、本実施の形態では、発光チップ５２内において第１青色ＬＥＤ６６、第２青色ＬＥＤ６７および第３青色ＬＥＤ６８を直列接続するようにしていたが、これに限られるものではなく、例えば並列接続するようにしてもよい。この場合には、各発光チップ５２内では第１青色ＬＥＤ６６〜第３青色ＬＥＤ６８が並列接続される一方、発光チップ５２同士は直列接続されることになる。

また、本実施の形態では、交流−直流変換装置３０において、ダイオードブリッジ３５を用いて交流を全波整流するようにしていたが、これに限られるものではなく、例えば２つのダイオードを用いて交流を半波整流するものであってもよい。

また、本実施の形態においては、スイッチ４０として商用電源２０のライブ側あるいはニュートラル側を接続・切断する所謂片切りスイッチを用いていたが、これに限られるものではなく、ライブ側およびニュートラル側の両者を接続・切断する所謂両切りスイッチであってもよい。ここで、スイッチ４０として両切りスイッチを用いた場合には、図６を用いて説明したような非点灯期間Ｔ１における負の電圧は発生しにくくなるが、図５を用いて説明したようなスイッチオン時の負のインパルス電圧は発生するおそれがある。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

本実施の形態が適用される照明システムの全体構成の一例を示す図である。 照明装置の構成の一例を説明するための図である。 (ａ)は発光チップの上面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIIＢ−IIIＢ断面図である。 発光装置における回路構成の一例を説明するための図である。 スイッチを商用電源のライブ側に接続した場合に、第１発光グループを構成する各青色ＬＥＤのアノード−カソード間に印加される電圧波形を示す図である。 スイッチを商用電源のニュートラル側に接続した場合に、第１発光グループを構成する各青色ＬＥＤのアノード−カソード間に印加される電圧波形を示す図である。 発光装置における回路構成の他の例を説明するための図である。 発光装置における回路構成の他の例を説明するための図である。 発光装置における回路構成の他の例を説明するための図である。 発光装置における回路構成の他の例を説明するための図である。

符号の説明

１０…照明装置、１１…発光装置、１２…シェード、２０…商用電源、３０…交流−直流変換装置、３５…ダイオードブリッジ、３６…コンデンサ、４０…スイッチ、５１…基板、５２…発光チップ、５３…保護ダイオード、５４…第１電極、５５…第２電極、６１…筐体、６６…第１青色ＬＥＤ、６７…第２青色ＬＥＤ、６８…第３青色ＬＥＤ、６９…封止部、Ｇｒ１…第１発光グループ、Ｇｒ２…第２発光グループ、Ｇｒ３…第３発光グループ

Claims (13)

1. 極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光ダイオードを有する発光ダイオード列と、
   交流電源から供給される交流を直流に変換して前記発光ダイオード列に供給する交直流変換部と、
   前記交流電源と前記交直流変換部との電気的な接続および切断を行うスイッチと、
   前記発光ダイオード列において接続方向の一端に設けられた一端側の発光ダイオードに並列接続され、当該一端側の発光ダイオードを逆電圧から保護する一端側の保護素子と、
   前記発光ダイオード列において接続方向の他端に設けられた他端側の発光ダイオードに並列接続され、当該他端側の発光ダイオードを逆電圧から保護する他端側の保護素子とを含み、
   前記発光ダイオード列のうち、前記一端側の発光ダイオードおよび前記他端側の発光ダイオードを除く残りの発光ダイオードは、当該残りの発光ダイオードを逆電圧から保護する保護素子を並列接続せずに直列接続されることを特徴とする照明システム。
2. 前記交直流変換部は、前記交流電源に接続される１次側と前記発光ダイオード列に接続される２次側とを絶縁しない非絶縁型であることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
3. 前記交流電源から供給される交流がＡＣ１００Ｖ（実効値）の場合に、
   前記発光ダイオードの順方向電圧が＋２．８Ｖ以上であり、直列接続される当該発光ダイオードの数が３０個以上であることを特徴とする請求項２記載の照明システム。
4. 前記スイッチは、前記交流電源からの交流の供給に使用される２本の給電線のうち、いずれか一方の給電線を接続および切断することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の照明システム。
5. 前記一端側の保護素子は、前記一端側の発光ダイオードとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなり、
   前記他端側の保護素子は、前記他端側の発光ダイオードとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の照明システム。
6. 前記一端側の保護素子は、抵抗素子からなり、
   前記他端側の保護素子は、抵抗素子からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の照明システム。
7. 前記一端側の保護素子は、前記一端側の発光ダイオードと当該一端側の発光ダイオードに隣接して当該一端側の発光ダイオードに直列接続される他の発光ダイオードとに対して並列接続され、
   前記他端側の保護素子は、前記他端側の発光ダイオードと当該他端側の発光ダイオードに隣接して当該他端側の発光ダイオードに直列接続されるさらに他の発光ダイオードとに対して並列接続されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の照明システム。
8. 基板と、
   前記基板に搭載され、それぞれが単数の発光ダイオードまたは極性が揃えられた複数の発光ダイオードを備え、極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光チップと、
   前記基板に搭載され、前記複数の発光チップのうち、接続方向の一端に設けられた一端側の発光チップに並列接続され、当該一端側の発光チップを逆電圧から保護する一端側の保護素子と、
   前記基板に搭載され、前記複数の発光チップのうち、接続方向の他端に設けられた他端側の発光チップに並列接続され、当該他端側の発光チップを逆電圧から保護する他端側の保護素子とを含み、
   複数の前記発光チップのうち、前記一端側の発光チップおよび前記他端側の発光チップを除く残りの発光チップは、当該残りの発光チップを逆電圧から保護する保護素子を並列接続せずに直列接続されることを特徴とする発光装置。
9. 前記発光チップが複数の発光ダイオードを備える場合に、当該発光チップにおいて当該複数の発光ダイオードが直列接続されることを特徴とする請求項８記載の発光装置。
10. 前記発光ダイオードの発光層がガリウムおよび窒素を含むことを特徴とする請求項８または９記載の発光装置。
11. 前記一端側の保護素子は、前記一端側の発光チップとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなり、
    前記他端側の保護素子は、前記他端側の発光チップとは極性が逆向きに設定されたダイオードからなることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項記載の発光装置。
12. 前記一端側の保護素子は、抵抗素子からなり、
    前記他端側の保護素子は、抵抗素子からなることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項記載の発光装置。
13. 極性が揃えられた状態で直列接続される複数の発光ダイオードを備えた発光装置において、
    前記複数の発光ダイオードのうち、接続方向両端側に設けられた単数の発光ダイオードまたは複数の発光ダイオードは、それぞれ、当該単数の発光ダイオードまたは当該複数の発光ダイオードとは極性が逆向きのダイオードを並列接続した状態で直列接続され、
    前記複数の発光ダイオードのうち、接続方向中央側に設けられた残りの発光ダイオードは、前記逆向きのダイオードを並列接続せずに直列接続されること
    を特徴とする発光装置。

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