JP5289641B1 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ列に脈流を印加し、脈流の電圧値或いはＬＥＤ列に流れる電流値に基づいて点灯するＬＥＤの個数を変える場合、長期間点灯するＬＥＤと短期間だけ点灯するＬＥＤが混在し効率的でなかった。ＬＥＤ列には脈流の周期内で長期間点灯する部分ＬＥＤ列４０７と短期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列４０８がある。長期間点灯する部分ＬＥＤ列４０７に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列４０８に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズとは異なる。この結果、各ＬＥＤ列４０７，４０８において発光に係わる面積利用効率を等しくできるようになる。

Description

本発明は、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備えるＬＥＤ照明装置に関し、さらに詳しくは、ＬＥＤ列に印加する電圧又はＬＥＤ列を流れる電流に応じて点灯するＬＥＤ列の直列段数を切り換えるＬＥＤ照明装置に関する。

商用交流電源を全波整流して得られる脈流または脈流に近い電圧波形でＬＥＤ（発光ダイオードともいう）を点灯させる照明装置が知られている（以下ＬＥＤ照明装置と呼ぶ）。このＬＥＤ照明装置は、高い電圧に耐えられるよう複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備えている。このＬＥＤ列は閾値を持ち、閾値を越えるとＬＥＤ列に電流が流れ点灯する。この閾値は脈流のピーク電圧（約１４０Ｖ）よりやや低い値に設定するので、商用電源の実効値が１００Ｖなら閾値を１００〜１２０Ｖ程度にする。なお個別のＬＥＤは順方向電圧Ｖｆと呼ばれる閾値があり、順方向電圧Ｖｆ以上の電圧を印加すると電流が流れ点灯する。ＬＥＤ列の閾値は、ＬＥＤ列に含まれる各ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの和となる。

単純に脈流電圧をＬＥＤ列に印加すると、脈流電圧が閾値電圧を越える期間だけしかＬＥＤ列が点灯しなくなる。このため、暗くなったりちらつきが目立ったりするばかりでなく、力率や歪率も悪化する。なお非点灯期間を短くしようとしてＬＥＤ列の直列段数を小さくすると、ＬＥＤ列と直列に挿入する電流制限回路の電力損失が大きくなり好ましくない。そこでＬＥＤ列に印加する電圧又はＬＥＤ列を流れる電流に応じて点灯するＬＥＤ列の直列段数を切り換え、前述の課題を解決しようとしたものがある（例えば特許文献１，２）。

特許文献１の図１には、発光ダイオード回路１５（ＬＥＤ列）を６個のダイオード回路１７〜２２に分割し、脈流電圧にもとづいて駆動スイッチ３０〜３５を切り換え、点灯する発光ダイオード１４の個数（直列段数）を調整する発光ダイオード点灯装置（ＬＥＤ照明装置）が示されている。

特許文献１のように脈流電圧に基づいて電流経路を切り換える回路は、経路を切り換えた瞬間にＬＥＤ列を流れる電流が大幅に減ったり、大幅に増えたりする。すなわち電流値が不連続となり、高調波ノイズの増加などさまざまな問題を起こす。これに対し特許文献２のＦＩＧ２６に示されるＬＥＤ駆動回路は、ＬＥＤ列に流れる電流を計測することにより、電流が所定値を超えたらＬＥＤ列の直列段数が増え、同時に電流も連続的に増加させている。

特許文献２のＦＩＧ２６の回路を簡単に説明する（図８参照）。図８において、ＬＥＤグループ１、ＬＥＤグループ２及びＬＥＤグループ３からなるＬＥＤ列がある。ＬＥＤ列に流れる電流が少ないときは、ＬＥＤグループ１及びＬＥＤグループ２に流れる電流をＦＥＴＱ１がバイパスし、ＬＥＤグループ３には電流が流れない（点灯しない）。電流が増えるとＦＥＴＱ１に流れる電流とＬＥＤグループ３に流れる電流の和が一定になるよう動作する。このときＬＥＤグループ３が弱く点灯する。さらに電流が増え所定値を越えるとＦＥＴＱ１がカットオフし、全ての電流がＬＥＤグループ３を流れ、ＬＥＤグループ１，２とともにＬＥＤグループ３も完全に点灯する。なお電流が減るときは逆のステップを踏む。また電流の上限は電流制限抵抗Ｒ１で制限される。

図８に示した特許文献２のＦＩＧ２６に示される回路でＬＥＤを点灯させると、脈流電圧が高くなればＬＥＤ列に流れる電流も増加し、脈流電圧が低くなればＬＥＤ列に流れる電流も減少するので、力率及び歪率が良いという特徴がある。

特許第４５８１６４６号公報 （図１） 国際出願ＷＯ２０１１／０２０００７号公報 （ＦＩＧ２６）

しかしながら特許文献１の図１に示された発光ダイオード回路１５（ＬＥＤ列）のみならず、特許文献２のＦＩＧ２６に示されたＬＥＤグループ１，２，３（ＬＥＤ列）も、ＬＥＤ列の一部分は脈流電圧の低い期間から高い期間まで長い期間点灯しているのに対し、ＬＥＤ列の他の部分は脈流電圧の高い期間、すなわち短い期間だけしか点灯してない。つまりＬＥＤ列のなかで長時間点灯し効率的に動作している部分がある一方、短時間しか点灯せず非効率に動作している部分がある。非効率な部分があると、装置が大型化したりコストアップを招いたりして様々な問題を生じる。

そこで本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備え、このＬＥＤ列に印加する電圧又は電流に応じて点灯するＬＥＤの個数を切り換えるＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤが効率よく動作するＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤ照明装置は、光源として複数のＬＥＤが直列接続したＬＥＤ列を備え、該ＬＥＤ列に脈流を印加するＬＥＤ照明装置において、
ＬＥＤ列に脈流の周期内で長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分があり、
長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズとは異なることを特徴とする。

（作用）
ＬＥＤは電流が多くなると発光量は増加するが発光効率が低下する。つまり電流の増加に伴ってＬＥＤの素子面における単位面積あたりの発光量が増大することから面積利用効率が上昇する一方、投入するエネルギーに対し光として放射するエネルギーの比として表される発光効率は低下する。ＬＥＤ列に流す電流（順方向電流Ｉｆともいう）を適切に設定した場合、ＬＥＤ列において長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズを大きくすると、発光量が多いので面積利用効率を高く維持でき、さらに電流密度が下がり発光効率も高く維持できる。このとき短期間だけしか点灯しない部分に含まれるＬＥＤは、素子サイズが小さいので発光量が少なくても面積利用効率が高く、単位時間当たりの電流量が小さいため発光効率が良い。すなわちひとつのＬＥＤ列に含まれるＬＥＤ素子に対し、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤのサイズを、短期間しか点灯しない部分に含まれるＬＥＤのサイズより大きくすることによって、両方の部分でともに効率良くＬＥＤが動作する。

長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズより大きくても良い。

短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤが集積化していることが好ましい。

長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分の接続部にバイパス回路を備え、短期間だけ点灯する部分に流れる電流が所定値を超えるまでは長期間点灯する部分からバイパス回路に電流が流れ込むようにすると良い。

バイパス回路がディプレッション型ＦＥＴを含んでも良い。

以上のように本発明のＬＥＤ照明装置は、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備え、このＬＥＤ列に印加する電圧又は電流に応じて点灯するＬＥＤの個数を切り換えるとき、ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤが効率よく動作する。

本発明の実施形態に含まれる発光部の回路図である。 図１に示す発光部に含まれる集積ＬＥＤの平面図である。 図２に示す集積ＬＥＤの回路図である。 ＬＥＤの構成を示す平面図及び断面図である。 図１に示す発光部を駆動するための回路図である。 図５に示す回路の波形図である。 図１に示す発光部を駆動するための他の回路図である。 従来のＬＥＤ駆動回路の回路図である。

以下、添付図１〜７を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。

図１により本発明の実施形態に含まれる発光部１００を説明する。図１は発光部１００の回路図である。発光部１００において基板１０１上には２４個のＬＥＤ１０２と、２個の集積ＬＥＤ１０３，１０４と３個の端子１０５，１０６，１０７がある。２４個のＬＥＤ１０２は直列接続している。このＬＥＤ列のアノードは端子１０７と接続し、カソードは端子１０６及び集積ＬＥＤ１０４の下側の端子と接続している。集積ＬＥＤ１０４，１０３は直列接続し、集積ＬＥＤ１０３の上側の端子は端子１０５と接続している。

図１の詳細な説明の前に図２，３により図１で示した集積ＬＥＤ１０３，１０４を説明する。図２は集積ＬＥＤ１０３，１０４の平面図であり、図３は集積ＬＥＤ１０３，１０４の回路図である。図２に示したようにダイ２００上にはパッド２０１，２０６、６個のＬＥＤ２０３があり、ＬＥＤ２０３にはｐ型半導体領域２０４とｎ型半導体領域２０５がある。パッド２０１は左上のＬＥＤ２０３のｐ型半導体領域２０４と配線２０２で接続している。同様にパッド２０６は右下のＬＥＤ２０３のｎ型半導体領域２０５と配線２０２で接続している。その他、各ＬＥＤ２０３のｎ型半導体領域２０５は隣接するＬＥＤ２０３のｐ型半導体領域２０４と配線２０２で接続している。

ダイ２００はサファイアなどの絶縁基板であり、ウェハーから切り出されたものである。ＬＥＤ２０３はｎ型半導体層上にｐ型半導体層が積層した構造になっており、ｐ型半導体層の一部を削ってｎ型半導体層を露出させたものがｎ型半導体領域２０５である。発光層はｎ型半導体層とｐ型半導体層の境界部にあり、その平面形状は概ねｐ型半導体領域２０４の平面形状と等しい。

ｐ型半導体領域２０４はＬＥＤ２０３のアノードであり、ｎ型半導体領域２０５はＬＥＤ２０３のカソードとなる。その結果、図３に示すように集積ＬＥＤ１０３，１０４では６個のＬＥＤ２０３が直列接続し、パッド２０１がこのダイオード列のアノード、パッド２０６がカソードとなる。

再び図１に戻り発光部１００を説明する。集積ＬＥＤ１０３，１０４はＬＥＤ２０３（図２，３参照）が直列接続したものなので、発光部１００としては、端子１０７から端子１０５に向かってＬＥＤ列が形成される。ＬＥＤ１０２は個別のダイ又はパッケージ品であるため、ＬＥＤ２０３よりも素子サイズが大きい。なお素子サイズとはＬＥＤ１０２，２０３の半導体層の面積或いは発光層の面積に相当する。ここで、ＬＥＤの発光層の面積について具体的に説明する。図４はＬＥＤ１０２の平面図及び断面図である。図４（ａ）はＬＥＤ１０２の平面図を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａでの断面図を示す。図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０２はサファイアからなるＬＥＤ基板２１上に発光層を含む半導体積層構造２０を備えている。半導体積層構造２０は、ｎ型半導体層２２と、発光層２３と、ｐ型半導体層２４からなる。ｎ型半導体層２２には負極側端子２７が設けられており、ｐ型半導体層２４にはＩＴＯからなる透明導電層２５を介して正極側端子２６が設けられており、正極側端子２６と負極側端子２７との間に閾値以上の電圧を印加することに発光層２３が発光する。図８に示すように本実施例における素子サイズは発光層２３の面積に相当する。

次に図５により本実施形態におけるＬＥＤ照明装置４００を説明する。図５は、図１に示す発光部１００を駆動するための回路図である。ＬＥＤ照明装置４００は、商用電源４０６と接続し、発光部１００に加え、ブリッジ整流回路４０５、バイパス回路４３０、定電流回路４４０を備えている。

発光部１００は、ＬＥＤ１０２が直列接続した部分ＬＥＤ列４０７と、ＬＥＤ２０３が直列接続した部分ＬＥＤ列４０８からなる。部分ＬＥＤ列４０７は図１において直列接続した２４個のＬＥＤ１０２のＬＥＤ列に相当し、アノードが端子１０７、カソードが端子１０６に接続したものであることを示している。部分ＬＥＤ列４０８は図１において、直列接続した集積ＬＥＤ１０３と集積ＬＥＤ１０４に相当し、図２，３で示したＬＥＤ２０３が１２個直列接続したものである。なお図中、部分ＬＥＤ列４０８を黒枠で囲っているのは、部分ＬＥＤ４０８列が集積ＬＥＤ１０３，１０４からなることを示している。またＬＥＤ１０２よりＬＥＤ２０３を小さく描いているのは、ＬＥＤ２０３の素子サイズがＬＥＤ１０２の素子サイズより小さいことを示している。また部分ＬＥＤ列４０８のアノードは図１に示した端子１０６、カソードは端子１０５に接続していることを示している。

ブリッジ整流回路４０５は４個のダイオード４０１〜４０４からなるダイオードブリッジであり、ダイオードブリッジの交流入力側に商用電源４０６が接続する。端子Ａと端子Ｂはブリッジ整流回路４０５の電流流出側の端子と電流流入側の端子である。端子Ａは部分ＬＥＤ列４０７の端子１０７と接続し、端子Ｂはバイパス回路４３０の−側端子と接続している。

バイパス回路４３０は、抵抗４３１，４３４、ｎ型ＭＯＳトランジスタ４３２（以下ＦＥＴと呼ぶ）、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ４３３（以下トランジスタと呼ぶ）からなる。バイパス回路４３０の＋側端子は抵抗４３１の上端とＦＥＴ４３２のドレインの接続部であり、−側端子はトランジスタ４３３のエミッタと抵抗４３４の下端の接続部である。電流検出端子はＦＥＴ４３２のソース、トランジスタ４３３のベース及び抵抗４３４の上端の接続部である。＋側端子は、部分ＬＥＤ列４０７，４０８の端子１０６と接続し、−側端子はブリッジ整流回路４０５の端子Ｂと接続している。電流検出端子は定電流回路４４０の−側端子と接続し、定電流回路４４０から流れ込む電流を抵抗４３４とトランジスタ４３３を経由してブリッジ整流回路４０５の端子Ｂに向かわせる。

定電流回路４４０は、抵抗４４１，４４４、ＦＥＴ４４２、トランジスタ４４３からなる。定電流回路４４０の＋側端子は抵抗４４１の上端とＦＥＴ４４２のドレインの接続部であり、部分ＬＥＤ列４０８の端子１０５と接続する。−側端子はトランジスタ４４３のエミッタと抵抗４４４の下端の接続部であり、バイパス回路４３０の電流検出端子と接続する。

次に図６を用いて図５の回路の動作を説明する。図６は図５の回路において、（ａ）がブリッジ整流回路４０５の端子Ｂを基準とした場合の端子Ａの電圧波形、（ｂ）が端子Ａから端子Ｂに向かう電流波形を示す波形図である。（ａ）は脈流の一周期を示しており、（ａ）と（ｂ）は時間軸が一致している。（ｂ）の電流波形には、電流の流れない期間ｔ１、電流が急激に上昇する期間ｔ２、電流が一定となる期間ｔ３、電流がさらに上昇し定電流状態を経て下降する期間ｔ４がある。なお脈流電圧の上昇と下降がピークを中心に対称であれば、電流波形も概ね対称になる。

次に図６と比較しながら図５の回路について説明する。期間ｔ１では、脈流電圧が部分ＬＥＤ列４０７の閾値より低いため電流Ｉが流れない。ＬＥＤ１０２の順方向電圧は３Ｖ程度なので、期間ｔ１は脈流電圧が０Ｖから７０Ｖ前後になるまでの期間となる。その後期間ｔ２において脈流電圧の上昇にともない電流Ｉも急激に上昇する。期間ｔ１では電流検出用の抵抗４３４の上端の電圧が０．６Ｖに達しないため、ＦＥＴ４３２はＯＮ状態となっている。

電流Ｉが所定の値Ｌ１に達し抵抗４３４の上端の電圧が０．６Ｖになると期間ｔ３が始まる。期間ｔ３ではトランジスタ４３３のベース・エミッタ間電圧が０．６Ｖを維持するようにフィードバックがかかり電流Ｉが定電流になる。期間ｔ３の最後の部分では脈流電圧が部分ＬＥＤ列４０７の閾値と部分ＬＥＤ列４０８の閾値の和より高くなり、部分ＬＥＤ列４０８にも電流が流れる。このときＦＥＴ４３２と部分ＬＥＤ列４０８に流れる電流の和が一定になるよう制御されている。

さらに脈流電圧が上昇すると期間ｔ４が始まる。期間ｔ４が始まると部分ＬＥＤ列４０８に流れる電流が増加し抵抗４３４の上端の電圧が上昇する。この結果、トランジスタ４３３が飽和しＦＥＴ４３２がＯＦＦ状態となる。さらに脈流電圧が上昇すると定電流回路４４０が作動し始め、電流Ｉを一定値Ｌ２にする。なお脈流電圧が下降するときは逆の経路を辿る。

以上のように本実施形態は、脈流電圧に応じてＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの点灯個数を制御する場合、ＬＥＤ列に流れる電流Ｉを計測し、電流Ｉが所定の値以下であるとき部分ＬＥＤ列４０７だけを点灯させ（より正確には期間ｔ３の終わりのタイミングでは部分ＬＥＤ４０８は弱く点灯する）、電流Ｉが所定の値を越えたら部分ＬＥＤ４０７と部分ＬＥＤ列４０８を共に点灯させている。つまり脈流電圧の低い期間から高い期間を経て再び低い期間に至る長い期間点灯するＬＥＤは部分ＬＥＤ列４０７に含まれるものとなり、脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤは部分ＬＥＤ列４０８に含まれるものとなる。

本実施形態では脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤ２０３を集積化していた。このようにすると実装面積が小さくなり製造手番も軽減化する。しかしながら脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤは、素子サイズが小さければ本発明の効果が得られるので、各ダイに一個ずつＬＥＤを形成したものでも良いし、パッケージ化したものでも良い。またＬＥＤ２０３を集積化するとＬＥＤ２０３の小型化をいっそう進めることができる。これに応じてＬＥＤ１０２も小型化すればＬＥＤ２０３の集積化は順方向電流Ｉｆが小さいＬＥＤ照明装置（低電力型のＬＥＤ照明装置）に有効になる。またＬＥＤ１０２も集積化しても良い。しかしＬＥＤ１０２は、長期間発光するので基板１０１（図１参照）内で分散していたほうが好ましい場合は集積化しない方が良い。

本実施形態では、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズより大きい場合を例にとって説明したが、これには限られず、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズとは異なっていればよい。

本実施形態ではＬＥＤ列の直列段数を切り換えるのに電流を検出していたが、直列段数の切替えに電圧を検出しても良い。しかしながら電圧を検出して直列段数を切り換える方式では、直列段数の切り換え時に電流波形が鋭いピークを持ち高調波ノイズを誘発することがある。これに対し本実施形態のように電流を監視し、電圧の増減に応じて電流が追従するようにすると、高調波ノイズ、力率、歪率に対し良好な状態にできる。

また本実施形態は商用交流電源として実効値が１００Ｖのものを想定していたため、ＬＥＤ１０２，２０３の直列段数を３６段としていた。商用電源が２００Ｖ〜２４０Ｖの場合は直列段数を６０〜８０段とすればよい。

本実施形態では図５に示したようにＬＥＤ列を部分ＬＥＤ列４０７と部分ＬＥＤ列４０８に分割していた。しかしながらＬＥＤ列を分割する数は２に限られず、例えばＬＥＤ列を３個の部分ＬＥＤ列に分割しても良い。この場合、最も長く点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを最も大きくし、次に長く点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを中間の値とし、最も短い期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを最も小さくすると良い。

これまで説明してきたＬＥＤ照明装置４００はバイパス回路４３０及び定電流回路４４０がエンハンスメント型のＦＥＴトランジスタ４３２，４４２を使用していた。これに対しＦＥＴをディプレッション型にすると回路を簡単化できる。そこで図７によりディプレッション型ＦＥＴを使用した本発明の他の実施形態のＬＥＤ照明装置６００を説明する。図７は、図１に示す発光部１００を駆動するための回路図である。図７は、図５に対しバイパス回路６３０、定電流回路６４０だけが異なっている。

バイパス回路６３０は、抵抗６３１，６３４、ディプレッション型のｎ型ＭＯＳトランジスタ６３２（以下ＦＥＴと呼ぶ）からなる。抵抗６３１はサージからＦＥＴ６３２のゲートを保護するための保護抵抗であり、抵抗６３４は電流を検出するための抵抗である。抵抗６３４を流れる電流が大きくなるとＦＥＴ６３２のソース−ドレイン間電流を遮断する。

定電流回路６４０は、抵抗６４１，６４４、ディプレッション型のｎ型ＭＯＳトランジスタ６４２（以下ＦＥＴと呼ぶ）からなる。抵抗６４１はサージからＦＥＴ６４２のゲートを保護するための保護抵抗であり、抵抗６４４は電流を検出するための抵抗である。抵抗６４４を流れる電流が一定になるようＦＥＴ６３２にフィードバックがかかる。

Claims (5)

1. 光源として複数のＬＥＤが直列接続したＬＥＤ列を備え、該ＬＥＤ列に脈流を印加するＬＥＤ照明装置において、
   前記ＬＥＤ列に前記脈流の周期内で長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分があり、
   前記長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズとは異なることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズより大きいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤが集積化していることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記長期間点灯する部分と前記短期間だけ点灯する部分の接続部にバイパス回路を備え、前記短期間だけ点灯する部分に流れる電流が所定値を超えるまでは前記長期間点灯する部分から前記バイパス回路に電流が流れ込むようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記バイパス回路がディプレッション型ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ照明装置。

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