JP5256113B2 - 定電流駆動式のｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続したものを定電流で駆動して点灯させる定電流駆動式のＬＥＤ照明装置に関する。

従来から、複数のＬＥＤを使用した照明装置では、直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続して点灯させる場合が多い（例えば、特許文献１）。図４は、直流電源間に、複数のＬＥＤ１〜ＬＥＤ９を直列および並列に接続し、各ＬＥＤ直列回路にそれぞれ電流制限抵抗体Ｒ１〜Ｒ３を直列に接続したＬＥＤ照明装置を示す回路図である。この場合、各ＬＥＤに順方向電圧（Ｖｆ）のばらつきがあると、各ＬＥＤ直列回路のＬＥＤを流れる電流にばらつきが生じる。

ＬＥＤ１〜ＬＥＤ９の順方向電圧をそれぞれＶｆ１〜Ｖｆ９としたとき、各ＬＥＤをそれぞれ流れる電流Ｉ１〜Ｉ９は、下式で計算される。
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝（Ｖ１−Ｖｆ１−Ｖｆ２−Ｖｆ３）÷Ｒ１
Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝（Ｖ１−Ｖｆ４−Ｖｆ５−Ｖｆ６）÷Ｒ２
Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝（Ｖ１−Ｖｆ７−Ｖｆ８−Ｖｆ９）÷Ｒ３

上式で例えば、Ｖｆ１〜Ｖｆ３＝２．９（Ｖ）、Ｖｆ４〜Ｖｆ６＝３．２（Ｖ）、Ｖｆ７〜Ｖｆ９＝３．０（Ｖ）のような順方向電圧のばらつきがあり、Ｒ１〜Ｒ３＝１００（Ω）、Ｖ１＝１２（Ｖ）としたとき、以下のように各電流が大きくばらつく。
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝（１２−２．９−２．９−２．９）÷１００＝３３（ｍＡ）
Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝（１２−３．２−３．２−３．２）÷１００＝２４（ｍＡ）
Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝（１２−３．０−３．０−３．０）÷１００＝３０（ｍＡ）
この電流のばらつきは、ＬＥＤの輝度のばらつきに結びつくため、複数のＬＥＤを用いて均一な照明を得る際の障害となる。

このため、従来から、図５のように、各ＬＥＤ直列回路に定電流回路を接続し、各ＬＥＤに流れる電流を定電流にする方法が知られている（例えば、特許文献２）。図５の回路は、直流電源のほかに、直列に接続した複数のＬＥＤとトランジスタとの直列回路を複数並列に接続し、かつ各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のベース（Ｂ）電極を共通に接続して、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３の直列回路の電流を略一致させる定電流回路（カレントミラー回路）と、直列に接続した２つの分圧抵抗体Ｒ４、Ｒ５を有しその接続点ａをトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のベース電極に接続した分圧回路とを有している。

図５において計算を簡略化するため、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３の直流電流増幅率ｈ_ＦＥが十分に大きな値とし、それぞれのベース電流を０として計算する。また、ベース（Ｂ）電極−エミッタ（Ｅ）電極間電圧は０．６Ｖとする。この場合、各ＬＥＤに流れる電流は下式で計算される。
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝（Ｖ１×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ１
Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝（Ｖ１×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ２
Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝（Ｖ１×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ３

上式でＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３としておけば、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ９はすべて同一の電流で駆動でき、均一な照明を得ることができる。例えばＲ１〜Ｒ３＝４７（Ω）、Ｒ４＝１０００（Ω）、Ｒ５＝２００（Ω）、Ｖ１＝１２（Ｖ）として上式に代入すると、各電流は以下のように計算されて同一の電流となる。
Ｉ１〜Ｉ９＝（１２×２００÷（１０００＋２００）−０．６）÷４７
＝３０（ｍＡ）

なお、各ＬＥＤの輝度のばらつきを防止するために、ばらつきの少ないＬＥＤを予め選別して使用することも考えられるが、各ＬＥＤの順方向電圧を個別に計測して選別する必要があり作業が煩雑になる。

ところで、例えば、画像処理装置用のＬＥＤ照明装置では、通常点灯時のほかにカメラ撮像の際に高輝度のストロボ点灯が必要になる場合がある。この場合、ＬＥＤの点灯と消灯の点灯比率を制限し、高輝度点灯時に通常点灯時よりも高い電圧を印加してＬＥＤに大きな電流を流すことにより、高い輝度を得る方法が知られている。例えば、図４の場合、通常点灯時の印加電圧１２Ｖに対して、ストロボ点灯時には１８Ｖを印加し、点灯比率を１０％以下に制限する。その場合、ＬＥＤに流れる電流は、以下のように計算される。
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝（１８−２．９−２．９−２．９）÷１００＝９３（ｍＡ）
Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝（１８−３．２−３．２−３．２）÷１００＝８４（ｍＡ）
Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝（１８−３．０−３．０−３．０）÷１００＝９０（ｍＡ）
ストロボ点灯時には、通常点灯時の１２Ｖを印加した場合の電流３０ｍＡに比べておよそ３倍の約９０ｍＡの電流が流れるため、短い点灯時間に制限されるものの、高い輝度を得ることができる。一般にこの機能をストロボ点灯機能と呼ぶ。

特開２００４−０３９２９０号公報 特開２００７−０９６２８７号公報

しかし、上記ストロボ点灯機能を図５の回路に適用しようとすると、その電流は下式のとおり、上記した図４におけるストロボ点灯時の約９０ｍＡの電流に比べて大幅に低下する。
Ｉ１〜Ｉ９＝（１８×２００÷（１０００＋２００）−０．６）÷４７
＝５１（ｍＡ）

このように、図５の回路により、ＬＥＤの通常点灯（Ｖ１＝１２Ｖ）時には輝度を均一にできるが、ストロボ点灯の高輝度（Ｖ１＝１８Ｖ）時には所望の電流が得られず、通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を保つことができないという問題があった。この場合、高輝度点灯用に別途回路を用意する必要があり煩雑となる。

本発明は、前記の問題点を解決して、複数のＬＥＤに輝度のばらつきがあっても均一な照明が可能であるとともに、通常点灯時と共通の回路で高輝度点灯が可能な定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤの通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を選択して供給可能な直流電源と、直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続して構成される発光部と、前記直列接続された複数のＬＥＤとそれぞれ直列に接続され、かつ各ベース電極が共通に接続されたトランジスタを有し、各ＬＥＤの電流を略一致させて定電流とする定電流回路と、第１の分圧抵抗体と第２の分圧抵抗体とが直列に接続されて、その接続点がトランジスタのベース電極に接続され、かつ、前記第１の分圧抵抗体がトランジスタのコレクタ電極側に接続された前記複数のＬＥＤと前記接続点との間に接続されて、トランジスタのベース電圧を分圧する分圧回路と、前記第１の分圧抵抗体と直列に接続されて、前記通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を降伏電圧分だけそれぞれ下げる定電圧ダイオードを有し、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流が流れるように、各印加電圧をそれぞれ所定電圧に調整する分圧回路調整手段とを有している。

この構成によれば、定電流回路は各直列接続された複数のＬＥＤの電流を略一致させて定電流とし、分圧回路調整手段は、分圧回路の第１の分圧抵抗体と直列に接続されて、ＬＥＤの通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を降伏電圧分だけそれぞれ下げる定電圧ダイオードを有し、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流が流れるように、各印加電圧をそれぞれ所定電圧に調整する。これにより、複数のＬＥＤに輝度のばらつきがあっても均一な照明が可能であるとともに、通常点灯時と共通の回路で高輝度点灯が可能となり、容易に通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を確保できる。

好ましくは、前記定電圧ダイオードの降伏電圧と、前記分圧回路の分圧比とがそれぞれ複数の任意の値に設定可能であり、前記分圧回路調整手段は、これら降伏電圧と分圧比の任意の値を組み合わせて調整することができる。したがって、上記組み合わせによってより容易に通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を確保できる。

好ましくは、前記第１分圧抵抗体が温度によって抵抗値が変化する特性を持つ抵抗体からなる。したがって、この第１分圧抵抗体の使用により、一般に温度が上昇すると輝度が低下するＬＥＤの温度特性を補償することが可能となる。

好ましくは、前記高輝度点灯時がカメラ撮像の際に使用されるストロボ点灯時である。したがって、画像処理装置におけるストロボ点灯をより容易に使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 第２実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 第３実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 従来のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。 従来のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。この定電流駆動型のＬＥＤ照明装置１は、例えば搬送される製品をカメラで撮像し、製品の撮像データを画像処理する画像処理装置用に使用される。本ＬＥＤ照明装置１は、直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続したものを定電流で駆動して点灯させるものであり、直流電源２、発光部３、定電流回路５、分圧回路６および分圧回路調整手段７を備えている。

前記直流電源２は、ＬＥＤの通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を選択して供給可能になっている。例えば１２Ｖは通常点灯時であり、１８Ｖの高輝度点灯時は前記画像処理装置においてカメラ撮像の際に使用されるストロボ点灯時である。この場合、印加電圧が１２Ｖと１８Ｖの２つの直流電源２を切り替え可能としてもよいし、直流電源２に電力変換器を設けて１２Ｖと１８Ｖの印加電圧に変換して選択供給するようにしてもよい。発光部３は、直流電源２間に直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続して構成され、例えば３個直列に接続されたＬＥＤ１〜ＬＥＤ３、ＬＥＤ４〜ＬＥＤ６およびＬＥＤ７〜ＬＥＤ９のＬＥＤ直列回路が３つ並列に接続されたものである。

前記定電流回路５は、前記直列接続された複数のＬＥＤとそれぞれ直列に接続され、かつ各ベース電極が共通に接続されたトランジスタを有し、各ＬＥＤの電流を略一致させて定電流とする。

この定電流回路５は、例えば、トランジスタＴｒ１のコレクタ（Ｃ）電極にＬＥＤ１〜ＬＥＤ３のＬＥＤ直列回路が、エミッタ(Ｅ)電極にエミッタ抵抗体Ｒ１がそれぞれ接続された第１の直列回路、トランジスタＴｒ２のコレクタ電極にＬＥＤ４〜ＬＥＤ６のＬＥＤ直列回路が、エミッタ電極にエミッタ抵抗体Ｒ２がそれぞれ接続された第２の直列回路、およびトランジスタＴｒ３のコレクタ電極にＬＥＤ７〜ＬＥＤ９のＬＥＤ直列回路が、エミッタ電極にエミッタ抵抗体Ｒ３がそれぞれ接続された第３の直列回路を有して、これら３つの直列回路が並列に接続されており、かつトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３の各ベース（Ｂ）電極は共通に接続されている（カレントミラー回路）。トランジスタは例えばＮＰＮ形のバイポーラトランジスタが使用される。

前記分圧回路６は、第１の分圧抵抗体Ｒ４と第２の分圧抵抗体Ｒ５とが直列に接続され、その接続点ａがトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のベース電極に接続されて、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のベース電圧を分圧する。第１の分圧抵抗体Ｒ４は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のコレクタ電極側に接続されたＬＥＤ直列回路と前記接続点ａとの間に接続される。つまり、第１の分圧抵抗体Ｒ４は、分圧計算において、その抵抗値を小さくすることで、分圧回路６によるトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のベース電圧の分圧によって前記第１〜第３の直列回路の各ＬＥＤの定電流を上昇させる側の分圧抵抗体である。

前記分圧回路調整手段７は、前記分圧回路６の第１の分圧抵抗体Ｒ４と直列に接続されて、前記通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を降伏電圧（逆電圧）分だけそれぞれ下げる定電圧（ツェナー）ダイオードＺＤ１を有して、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流が流れるように、各印加電圧をそれぞれ所定電圧に調整する。

また、定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧の値に加えて、分圧回路６の分圧比も第１分圧抵抗体Ｒ４および第２分圧抵抗体Ｒ５の抵抗値を変化させることにより複数の任意の値に設定可能である。前記分圧回路調整手段７は、これら降伏電圧と分圧比の任意の値を組み合わせて調整することができる。

上記構成を有する定電流駆動型のＬＥＤ照明装置の動作について以下に説明する。

図１において計算を簡略化するため、上記と同様に、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３の直流電流増幅率ｈ_ＦＥが十分に大きな値とし、それぞれのベース電流を０として計算する。また、ベース電極−エミッタ電極間電圧は０．６Ｖとする。この場合、ＬＥＤ１〜ＬＥＤ９をそれぞれ流れる電流Ｉ１〜Ｉ９は、分圧回路６の第１の分圧抵抗体Ｒ４および第２の分圧抵抗体Ｒ５、エミッタ抵抗体Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値および印加電圧Ｖ１のほかに定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧を用いて、次式（１）に示される。
Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ３＝（（Ｖ１−ＺＤ１）×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ１
Ｉ４＝Ｉ５＝Ｉ６＝（（Ｖ１−ＺＤ１）×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ２
Ｉ７＝Ｉ８＝Ｉ９＝（（Ｖ１−ＺＤ１）×Ｒ５÷（Ｒ４＋Ｒ５）−０．６）÷Ｒ３ ………（１）

例えば、定電圧ダイオードＺＤ１では降伏電圧＝８（Ｖ）で、分圧回路６ではＲ４＝２００（Ω）、Ｒ５＝２００（Ω）に設定される。この場合、分圧回路６の抵抗体Ｒ５における分圧比は１／２である（図５の同分圧比は１／６）。また、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝４７（Ω）で、通常点灯時におけるＶ１＝１２（Ｖ）のとき、（１）式にこれらの数値を代入すると、各電流は以下のように計算される。
Ｉ１〜Ｉ９＝（（１２−８）×２００÷（２００＋２００）−０．６）÷４７
＝３０（ｍＡ）
高輝度点灯時におけるＶ１＝１８（Ｖ）のとき、各電流は以下のように計算される。
Ｉ１〜Ｉ９＝（（１８−８）×２００÷（２００＋２００）−０．６）÷４７
＝９４（ｍＡ）

図１の回路では通常点灯時の電圧Ｖ１を印加したとき各ＬＥＤに所望の定電流が得られるとともに、高輝度点灯時の電圧Ｖ１を印加したときに、従来の図５ではなく図４の回路における各ＬＥＤを流れる電流に近づけることができ、ストロボ点灯のような高輝度点灯に所望の定電流が得られる。したがって、通常点灯時および高輝度点灯時に、図１の共通の回路で、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流を流すことができる。

これは、定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧を所定の大きさの値にすることにより、高輝度点灯時における高い電圧Ｖ１でのＬＥＤ１〜ＬＥＤ９に流れる電流と、通常点灯時における低い電圧Ｖ１でのＬＥＤ１〜ＬＥＤ９に流れる電流との比が大きくなることによる。また、定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧だけでなく、分圧回路６の分圧比を選択して組み合わせることにより、通常点灯時と高輝度点灯時において任意の前記電流比が得られる。

以上のように、本発明では、定電流回路５は各直列接続された複数のＬＥＤの電流を略一致させて定電流とし、分圧回路調整手段７は、分圧回路６の第１の分圧抵抗体Ｒ４と直列に接続されて、ＬＥＤの通常点灯時と高輝度点灯時の印加電圧を降伏電圧分だけそれぞれ下げる定電圧ダイオードＺＤ１を有し、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流が流れるように、各印加電圧をそれぞれ所定電圧に調整する。これにより、複数のＬＥＤに輝度のばらつきがあっても均一な照明が可能であるとともに、通常点灯時と共通の回路で高輝度点灯が可能となり、通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を確保できる。

また、定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧と分圧回路６の分圧比の任意の値を組み合わせることによって、より容易に通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を確保できる。

図２は第２実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。図２のように、第２実施形態は、第１実施形態のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３がＮＰＮ形であるのと異なり、ＰＮＰ形のバイポーラトランジスタを使用している。このＰＮＰ形のバイポーラトランジスタの使用に伴い、発光部３、分圧回路６および定電流回路５の構成が、図１と上下逆の配置になっている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、複数のＬＥＤに輝度のばらつきがあっても均一な照明が可能であるとともに、通常点灯時と共通の回路で高輝度点灯が可能となり、通常点灯時と高輝度点灯時の回路の互換性を確保できる。

図３は第３実施形態に係る定電流駆動型のＬＥＤ照明装置を示す回路図である。図３のように、第３実施形態は、第１実施形態の第１分圧抵抗体Ｒ４に温度によって抵抗値が変化する特性を持った例えばサーミスタのような抵抗体を使用している。その他の構成は、第１実施形態と同様である。第３実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、この第１分圧抵抗体Ｒ４（サーミスタ）の使用により、一般に温度が上昇すると輝度が低下するＬＥＤの温度特性を補償することが可能となる。

なお、上記各実施形態では、定電圧ダイオードＺＤ１の降伏電圧と分圧回路６の分圧比の任意の値を組み合わせて調整しているが、降伏電圧のみで分圧比を省略して調整するようにしてもよい。

１：定電流駆動型のＬＥＤ照明装置
２：直流電源
３：発光部
５：定電流回路
６：分圧回路
７：分圧回路調整手段
Ｔｒ１〜Ｔｒ３：トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３：エミッタ抵抗体
Ｒ４：第１の分圧抵抗体
Ｒ５：第２の分圧抵抗体
ＺＤ１：定電圧（ツェナー）ダイオード

Claims (4)

1. ＬＥＤの通常点灯時と高輝度点灯時の２つの供給電圧を選択して供給可能な直流電源と、
   直列に接続された複数のＬＥＤを複数並列に接続して構成される発光部と、
   前記直列接続された複数のＬＥＤとそれぞれ直列に接続され、かつ各ベース電極が共通に接続されたトランジスタを有し、各ＬＥＤの電流を略一致させて定電流とする定電流回路と、
   前記直流電源と並列に接続される分圧回路であって、第１の分圧抵抗体と第２の分圧抵抗体とが直列に接続されて、その接続点がトランジスタのベース電極に接続され、かつ、前記第１の分圧抵抗体がトランジスタのコレクタ電極側に接続された前記複数のＬＥＤと前記接続点との間に接続されて、トランジスタのベース電圧を分圧する分圧回路と、
   前記第１の分圧抵抗体と直列に前記直流電源と前記接続点との間に接続されて、前記通常点灯時と高輝度点灯時の２つの供給電圧を降伏電圧分だけそれぞれ下げる定電圧ダイオードを有し、各ＬＥＤにそれぞれ所望の定電流が流れるように、両点灯時における前記トランジスタのベース電圧に供給される２つの電圧を前記２つの供給電圧の電圧比とは異なる電圧比に調整する分圧回路調整手段と、
   を備えた定電流駆動式のＬＥＤ照明装置。
2. 請求項１において、
   前記定電圧ダイオードの降伏電圧と、前記分圧回路の分圧比とがそれぞれ複数の任意の値に設定可能であり、前記分圧回路調整手段は、これら降伏電圧と分圧比の任意の値を組み合わせて調整することができる、定電流駆動式のＬＥＤ照明装置。
3. 請求項１において、
   前記第１分圧抵抗体が温度によって抵抗値が変化する特性を持つ抵抗体からなる、定電流駆動式のＬＥＤ照明装置。
4. 請求項１において、
   前記高輝度点灯がカメラ撮像の際に使用されるストロボ点灯である、定電流駆動式のＬＥＤ照明装置。

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