JP5359931B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子等の固体発光素子を光源とする発光装置に係り、特に、電源高調波電流の抑制技術に関する。

近年、ＬＥＤ素子の高出力化技術の進歩に伴い、照明の分野では、ＬＥＤ素子を使用して光源を構成した各種の照明装置が実用化されている。この種の照明装置を商用電源で点灯させる場合、ＬＥＤ素子が直流駆動されるものであることから、交流電圧を直流電圧に変換してＬＥＤ素子に印加して点灯する、いわゆる直流点灯制御方式が広く用いられている。

この直流点灯制御方式においては、電源高調波電流を抑制するために、ＬＥＤ素子にトランジスタを直列に接続し、当該トランジスタのオン／オフを制御することで、ＬＥＤ素子への入力電流を正弦波に近づける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに近年では、トランジスタのオン／オフを制御する制御回路などを必要とせずに、簡単な回路構成で電源高調波電流を抑制する技術として、次のような技術が提案されている。すなわち、幾つかのＬＥＤ素子を直列に接続した複数の直列回路を並列に接続し、各直列回路のＬＥＤ素子の個数や固有電圧を異ならせた光源を構成することにより、交流電圧を整流した脈流電圧に対して点灯期間を複数個の直列回路毎に異ならせ、結果的に複数個の直列回路に電流の流れる期間を異ならせることで、合成した電流の時間波形がほぼ正弦波に近い形状とする技術である（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−７３６３７号公報 特開２００９−１８２０７４号公報

しかしながら、幾つかのＬＥＤ素子を直列に接続した複数の直列回路を並列に接続して構成した光源においては、いずれかのＬＥＤ素子が故障した場合、故障したＬＥＤ素子を含む直列回路の全体が不点灯となることから、故障したＬＥＤ素子の数が１個でも光出力が大きく低下する、という問題がある。さらに、不点灯の直列回路には電流が流れる事がないため、合成した電流が正弦波形からずれて電源高調波電流の抑制効果が薄れる、という問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、いずれかの固体発光素子に故障が発生した場合でも、この故障の為に不点灯となる固体発光素子の数を減らし、なおかつ、電源高調波電流の抑制効果を維持できる発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路から出力された電圧によって点灯する複数の固体発光素子を有する発光部とを備えた発光装置において、１又は所定個数の固体発光素子を直列に接続した１又は複数の単位回路と、限流要素とを互いに直列に接続した複数の直列ユニット回路を備え、前記直列ユニット回路の単位回路の直列数を１個ずつ異ならせ、前記直列ユニット回路のそれぞれを前記単位回路の直列数の順に並列接続し、前記全波整流回路の電位線から同一段目の前記単位回路同士を並列接続したことを特徴とする。

また本発明は、上記発光装置において、前記直列ユニット回路の間で、前記全波整流回路のアース電位線から同一段目の前記単位回路同士を並列接続したことを特徴とする。

また本発明は、上記発光装置において、前記単位回路を前記段ごとに順番にライン状に配置してライン状の光源部を構成したことを特徴とする。

本発明によれば、直列ユニット回路の単位回路の直列数を１個ずつ異ならせ、直列ユニット回路のそれぞれを単位回路の直列数の順に並列接続し、全波整流回路の電位線から同一段目の単位回路同士を並列接続する構成であるため、全波整流回路からの入力電圧の変動に応じて電位線から同一段目の単位回路同士が１段目から順番に点灯・消灯するため、発光部に流れる電流値の時間波形をステップ状に変化させて正弦波形に近づけることができる。
また、単位回路が備えるいずれかの固体発光素子が故障した場合でも、他の単位回路が不点灯となることがないから、不点灯となる固体発光素子の数を減らすることができる。これに加え、固体発光素子の故障により不点灯となった単位回路と同一段目の他の単位回路は不点灯となることがないため、発光部に流れる電流値のステップ状変化のステップ数に変わりはなく、電源高調波電流の抑制効果を維持できる。

本発明の実施形態に係る発光装置の構成を示す回路図である。 発光部への入力電圧と電流値の時間波形を示す図である。 マイナス電位線からみてｍ番目のＬＥＤ単位回路に流れる電流Ｉｆｍ（ｍ＝１〜ｎ）の時間波形を示す図である。 本発明の応用例に係るライン型照明装置の構成を示す斜視図である。 ライン型照明装置の回路図である。 ＬＥＤ単位回路ユニットの回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る発光装置１の構成を示す回路図である。
発光装置１は、単相の交流電力を供給する商用電源２に接続され、当該交流電力により点灯するものであり、商用電源２との接続コネクタ４と、ダイオードブリッジ６と、発光部８とを備えている。
ダイオードブリッジ６は、商用電源２からの交流電圧を整流し、直流の入力電圧Ｖａ（図２）を出力する全波整流回路である。このダイオードブリッジ６が出力する出力電圧は、交流成分を含み波打つ波形の脈流となる。当該ダイオードブリッジ６のプラス電位線７Ａと、発光装置１の基準電位（アース電位）に接続されたマイナス電位線（アース電位線）７Ｂとに、発光部８が接続されて当該発光部８に入力電圧Ｖａが印加される。このダイオードブリッジ６と接続コネクタ４の間には、商用電源２からの過度の電流入力から回路を保護する保護回路としてのヒューズ１０が介挿されている。

発光部８は、所定個数（例えば８個）の固体発光素子たるＬＥＤ素子１１を直列に接続したＬＥＤ単位回路１４を備え、当該ＬＥＤ単位回路１４を１〜複数個直列に接続して複数個のＬＥＤ直列ユニット回路１６を構成し、各ＬＥＤ直列ユニット回路１６をプラス電位線７Ａとマイナス電位線７Ｂの間に並列接続するとともに、各ＬＥＤ直列ユニット回路１６の間で隣接する各ＬＥＤ単位回路１４同士をプラス電位線７Ａに並列接続した、いわゆるＬＥＤ単位回路１４の直並列接続により構成されている。

ＬＥＤ直列ユニット回路１６のそれぞれは、ＬＥＤ単位回路１４の直列数が異なっており、各ＬＥＤ直列ユニット回路１６の間で、ＬＥＤ単位回路１４の直列数が１個を基準に１個ずつ順次増えるように構成されている。
そして、これらのＬＥＤ直列ユニット回路１６が、ダイオードブリッジ６のプラス電位線７Ａとマイナス電位線７Ｂの間に、ＬＥＤ単位回路１４の直列数が少ない順に並列接続され、さらに、マイナス電位線７Ｂから数えて同一段目のＬＥＤ単位回路１４同士が各ＬＥＤ直列ユニット回路１６に亘って並列に接続されて発光部８が構成されている。
換言すれば、ＬＥＤ単位回路１４をプラス電位線７Ａに対して並列接続したＬＥＤ並列ユニット回路１７を、当該ＬＥＤ単位回路１４の並列数を１個ずつ異ならせて複数設け、マイナス電位線７ＢからみてＬＥＤ単位回路１４の並列数の順（本実施形態では多い順）に並ぶように各ＬＥＤ並列ユニット回路１７を直列接続して発光部８が構成されているとも言える。

かかる構成により、発光部８においては、入力電圧Ｖａの上昇に伴い、マイナス電位線７Ｂからみて１段目のＬＥＤ並列ユニット回路１７から後段にかけて段階的に点灯し、これとは逆に、入力電圧Ｖａの下降に伴い、マイナス電位線７Ｂからみて最後段のＬＥＤ並列ユニット回路１７から１段目にかけて段階的に消灯する。
詳述すると、ＬＥＤ直列ユニット回路１６の並列数ｎが６列の場合、図１に示すように、マイナス電位線７Ｂからみて１段目のＬＥＤ並列ユニット回路１７には、６個のＬＥＤ単位回路１４が並列接続される。したがって、１段名のＬＥＤ並列ユニット回路１７の各ＬＥＤ単位回路１４は、これら６並列のＬＥＤ単位回路１４の各順電圧を合成した点灯電圧Ｖｆ１を入力電圧Ｖａが超えたときに点灯する。
同様に、マイナス電位線７Ｂからみてｍ（≦ｎ）段目のＬＥＤ並列ユニット回路１７は、当該ｍ段目〜１段目に含まれる各ＬＥＤ単位回路１４の順電圧を合成した点灯電圧Ｖｆｍ（ｍ＝１〜ｎ）を入力電圧Ｖａが超えたときに点灯する。
このとき、点灯電圧Ｖｆｍは、ｍ−１番目の点灯電圧Ｖｆｍ−１よりも大きくなることから、図２に示すように、脈動する入力電圧Ｖａが点灯電圧Ｖｆ１からＶｆ６を順次超えるごとに、１段目から順番に各段のＬＥＤ並列ユニット回路１７が点灯し、これとは逆に、入力電圧Ｖａが点灯電圧Ｖｆ６から順次低下するごとに、ｍ＝ｎ段目から順番に各段のＬＥＤ並列ユニット回路１７が消灯することとなる。

各ＬＥＤ直列ユニット回路１６には、図１に示すように、１又は複数のＬＥＤ単位回路１４に対してプラス電位線７Ａの側（すなわち、各段のＬＥＤ並列ユニット回路１７とプラス電位線７Ａとの間）に、限流要素たる定電流回路１８が直列接続されている。各定電流回路１８の定電流値Ｉｄｎ（ｎ＝１〜６）は、１番目からｍ＝ｎ番目にかけてＬＥＤ単位回路１４が順に点灯したときに発光部８に流れる電流値Ｉの時間波形が正弦波形に近付くように設定されている。

図３は、マイナス電位線７Ｂからみてｍ段目に含まれるＬＥＤ単位回路１４に流れる電流Ｉｆｍ（ｍ＝１〜ｎ）の時間波形を示す図である。
ｍ段目のＬＥＤ単位回路１４には、（ｎ−ｍ＋１）個のＬＥＤ単位回路１４が並列に接続されることから、１個のＬＥＤ単位回路１４には、Ｉｆｍ＝Ｉｄｍ／（ｎ−ｍ＋１）の電流が流れる。また、ｍ段目のＬＥＤ単位回路１４の点灯時には、このＩｆｍの電流が（ｍ−１）段目の各ＬＥＤ単位回路１４に分岐して流れる。したがって、（ｍ−１）段目の各ＬＥＤ単位回路１４には、当該（ｍ−１）段目のＬＥＤ単位回路１４の並列数が（ｎ−（ｍ−１）＋１）個であることから、Ｉｆ（ｍ−１）＝［Ｉｆｍ×（ｎ−ｍ＋１）＋Ｉｄ（ｍ−１）］／（ｎ−（ｍ−１）＋１）の電流が流れることとなる。

このように、１段目からｍ＝ｎ段目のＬＥＤ単位回路１４が順次点灯するごとに、既に点灯している各段のＬＥＤ単位回路１４の電流値が増加し、また、ｍ＝ｎ段目から１段目にかけてＬＥＤ単位回路１４が順次消灯するごとに、未だ点灯している各段のＬＥＤ単位回路１４の電流値が減少することから、各段のＬＥＤ単位回路１４の電流値Ｉｆｍの時間波形は、いずれかの段の点灯／消灯のタイミングでステップ状に変化する波形となる。
このとき、発光部８に流れる電流値Ｉの時間波形は、１段目のＬＥＤ単位回路１４の電流値Ｉｆ１と相似形となり、図２に示すように、ダイオードブリッジ６の入力電圧Ｖａの上昇及び下降に伴ってステップ状に変化し擬似的な正弦波形となる。これにより、電源高調波電流が抑制されることとなる。

このとき、電流値Ｉの時間波形におけるステップ数は、発光部８が備えるＬＥＤ並列ユニット回路１７の段数ｍによって決まり、当該段数ｍを多くすることで、正弦波形により近づけることができる。また、電流値Ｉの各ステップでの変化量は、各定電流回路１８の設定値によって調整することができる。本実施形態では、定電流回路１８に対してＬＥＤ単位回路１４が並列に接続されるため、定電流回路１８の損出を抑えて電力使用効率を高めることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＬＥＤ直列ユニット回路１６のＬＥＤ単位回路１４の直列数を１個ずつ異ならせ、ＬＥＤ直列ユニット回路１６のそれぞれをＬＥＤ単位回路１４の直列数の順に並列接続し、ダイオードブリッジ６のマイナス電位線（アース電位線）７Ｂから同一番目のＬＥＤ単位回路１４同士を並列接続する構成であるため、ダイオードブリッジ６からの入力電圧Ｖａの変動に応じてマイナス電位線７Ｂから同一段目のＬＥＤ単位回路１４が１段目から順番に点灯・消灯するため、発光部８に流れる電流値Ｉの時間波形をステップ状に変化させて正弦波形に近づけることができ、電源高調波電流を抑制できる。

これに加え、発光部８においては、ＬＥＤ単位回路１４をそれぞれ直並列に接続した構成としているため、いずれかの１個のＬＥＤ素子１１が故障したとしても、故障したＬＥＤ素子１１を含むＬＥＤ単位回路１４が不点灯となるに留まり、他のＬＥＤ単位回路１４が不点灯となることはない。
さらに、ＬＥＤ素子１１の故障により、いずれかのＬＥＤ単位回路１４が不点灯となった場合でも、このＬＥＤ単位回路１４と同一段の他のＬＥＤ単位回路１４が不点灯となることがないため、発光部８の電流値Ｉのステップ状変化のステップ数に変わりはなく、電源高調波電流の抑制効果を維持できる。
また、各ＬＥＤ単位回路１４が直並列に接続される構成であるため、ＬＥＤ直列ユニット回路１６ごとに設けた定電流回路１８の損出を少なくでき電力使用効率を高めることができる。

また、ＬＥＤ直列ユニット回路１６の間で、ダイオードブリッジ６のマイナス電位線７Ｂから同一段目のＬＥＤ単位回路１４同士を並列接続する構成（すなわち、各ＬＥＤ並列ユニット回路１７を、マイナス電位線７ＢからみてＬＥＤ単位回路１４の並列数の多い順に並ぶように直列接続した構成）とした。これにより、入力電圧Ｖａの変動に伴い、ＬＥＤ単位回路１４の数が多い段から順次点灯し、また少ない段から順次消灯することとなるから、プラス電位線７Ａからみて同一段目のＬＥＤ単位回路１４同士を並列接続した場合に比べ、明るさの時間平均値を高めることができる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。

例えば、固体発光素子の一例としてＬＥＤ素子１１を例示したが、これに限らず、ＬＤ素子等の素子であってもよい。
また例えば、限流要素として、定電流回路１８を例示したが、これに限らず、抵抗素子や定電流素子を用いてもよい。また全波整流回路としてダイオードブリッジ６以外の回路を用いてもよい。

また本発明は、直流点灯制御方式で点灯されるＬＥＤ素子を光源とした発光装置であれば、例えば検査用、プロジェクタ用、表示用、照明用などの各種の用途の発光装置に適用することができる。以下では、本発明をライン型照明装置に応用した場合を説明する。
図４は本発明の応用例に係るライン型照明装置５０の一端部の構成を示す斜視図であり、図５はライン型照明装置５０の回路図である。なお、これらの図において、実施形態で説明した部材については同一の符号を付して、その説明を省略する。
ライン型照明装置５０は、図４に示すように、細長いバー状の基体５２を有し、基体５２の両端部には、基体５２を壁面や天井にネジ止めするための取付板５４が設けられている。また、基体５２には長手方向に沿ってＬＥＤ単位回路１４が略等間隔に配置され、これにより発光部８が構成されている。各ＬＥＤ単位回路１４は、直線状に配置された８個のＬＥＤ素子１１を備えて構成されている。ＬＥＤ単位回路１４のそれぞれの一端側には、定電流回路としての電流制限回路５６が設けられている。また１組のＬＥＤ単位回路１４及び電流制限回路５６を同一の基板に設けてＬＥＤ単位回路ユニット５８が構成されている。

図６は、ＬＥＤ単位回路ユニット５８の回路図である。
同図に示すように、ＬＥＤ単位回路ユニット５８は、８個のＬＥＤ素子１１及び電流制限回路５６を直列に接続して構成され、ユニット接続端子として、入出力側のそれぞれにアノード（Ａ）接続端子６０、カソード（Ｋ）接続端子６１、プラス電位接続端子６２、及びマイナス電位（アース電位）接続端子６３が設けられている。
電流制限回路５６は、２つのトランジスタＱ１、Ｑ２と、定電流ダイオードＣＺ１と、トランジスタＱ１に流れる電流値を規定する抵抗Ｒ１とを備えた定電流回路である。

このＬＥＤ単位回路ユニット５８においては、前後段のＬＥＤ単位回路ユニット５８のアノード（Ａ）接続端子６０同士、及びカソード（Ｋ）接続端子６１同士を接続した場合には、それらＬＥＤ単位回路ユニット５８が並列接続される。またＬＥＤ単位回路ユニット５８のアノード（Ａ）接続端子６０及びカソード（Ｋ）接続端子６１を、それぞれ後段のＬＥＤ単位回路ユニット５８のカソード（Ｋ）接続端子６１及びアノード（Ａ）接続端子６０に接続した場合には、前後段のＬＥＤ単位回路ユニット５８が直列に接続される。

図５に示すように、このライン型照明装置５０においては、５段のＬＥＤ並列ユニット回路１７を直列に接続するとともに、各段のＬＥＤ並列ユニット回路１７をプラス電位線７Ａに接続して発光部８が構成されている。また１段目のＬＥＤ並列ユニット回路１７の最端のＬＥＤ単位回路ユニット５８においては、出力側のユニット接続端子のうち、カソード（Ｋ）接続端子６１とマイナス電位接続端子６３とを接続して導通が図れ、これにより、図１の回路において段数ｍを５段にした場合と等価な回路として構成されている。

またライン型照明装置５０においては、図１に示す発光装置１と同様に、ＬＥＤ直列ユニット回路１６の間で、ダイオードブリッジ６のマイナス電位線７Ｂから同一段目のＬＥＤ単位回路ユニット５８同士が並列接続される構成、すなわちＬＥＤ並列ユニット回路１７を、マイナス電位線７ＢからみてＬＥＤ単位回路１４の並列数の多い順に並ぶように直列接続した構成となっている。
これにより、入力電圧Ｖａの変動に伴い、ＬＥＤ単位回路１４の数が多い段のＬＥＤ並列ユニット回路１７から順次点灯し、また少ない段のＬＥＤ並列ユニット回路１７から順次消灯する。このとき、基体５２には、ＬＥＤ並列ユニット回路１７が段ごとに順番にライン状に配置されているため、ＬＥＤ単位回路ユニット５８が最も少ない段であって、点灯時には最後に点灯し消灯時には最初に消灯する段のＬＥＤ並列ユニット回路１７が基体５２の端部に配置されることとなり、ライン状の配光を維持することができる。

１ 発光装置
２ 商用電源
６ ダイオードブリッジ（全波整流回路）
７Ａ プラス電位線
７Ｂ マイナス電位線（アース電位線）
８ 発光部
１１ ＬＥＤ素子（固体発光素子）
１４ ＬＥＤ単位回路（単位回路）
１６ ＬＥＤ直列ユニット回路（直列ユニット回路）
１７ ＬＥＤ並列ユニット回路
１８ 定電流回路（限流要素）
５０ ライン型照明装置
５６ 電流制限回路（限流要素）
５８ ＬＥＤ単位回路ユニット
６２ プラス電位接続端子
Ｉ 電流値
Ｉｄ、Ｉｄｎ、Ｉｄ１〜Ｉｄ６ 定電流値
Ｉｆ、Ｉｆｍ、Ｉｆ１〜Ｉｆ６ 電流値
Ｖａ 入力電圧
Ｖｆ、Ｖｆｍ、Ｖｆ１〜Ｖｆ６ 点灯電圧
ｍ 段数
ｎ 並列数

Claims (3)

1. 交流電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路から出力された電圧によって点灯する複数の固体発光素子を有する発光部とを備えた発光装置において、
   １又は所定個数の固体発光素子を直列に接続した１又は複数の単位回路と、限流要素とを互いに直列に接続した複数の直列ユニット回路を備え、
   前記直列ユニット回路の単位回路の直列数を１個ずつ異ならせ、前記直列ユニット回路のそれぞれを前記単位回路の直列数の順に並列接続し、前記全波整流回路の電位線から同一段目の前記単位回路同士を並列接続したことを特徴とする発光装置。
2. 前記直列ユニット回路の間で、前記全波整流回路のアース電位線から同一段目の前記単位回路同士を並列接続したことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記単位回路を前記段ごとに順番にライン状に配置してライン状の光源部を構成したことを特徴とする請求項３に記載の発光装置。

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