JP5486698B1

JP5486698B1 - Ｌｅｄ駆動回路

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Publication number: JP5486698B1
Application number: JP2013004078A
Authority: JP
Inventors: 洋治椋田
Original assignee: BRIDGE MARKET INC.
Current assignee: BRIDGE MARKET INC.
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP2014135252A; WO2014109383A1

Abstract

【課題】ＡＣ入力で直接駆動でき、フリッカの発生を抑制し、低消費電力を実現するＬＥＤ駆動回路を提供する。
【解決手段】直列接続された複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動するＬＥＤ駆動回路であって、交流入力を整流する整流器と、オペアンプと該オペアンプの出力段に分圧抵抗を介して接続された複数の駆動用トランジスタとを有する定電流回路と、複数の駆動用トランジスタのエミッタ間にそれぞれ挿入された電圧検出器としての抵抗と、を備え、整流器の出力側の一端をＬＥＤユニットの入力側に接続し、複数のトランジスタの出力側の一端をそれぞれ、ＬＥＤユニットにおける異なるＬＥＤ段数の接続ポイントに接続することにより、交流入力の電圧に応じて複数のトランジスタが選択的にＬＥＤユニットを駆動されると共に、選択的に駆動されるＬＥＤユニットを流れる電流も交流入力の電圧に応じて変動するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、広くＬＥＤ列を駆動するためのＬＥＤ駆動技術に関し、より具体的には、フリッカ（ちらつき）を抑制するＬＥＤ駆動技術に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用したＬＥＤ照明は、蛍光灯や白熱電球といった従来の照明器具に比べ、長寿命かつ低消費電力であるという特徴を有しており、環境への配慮に優れた次世代の照明機器として期待されている。しかしながら、本願の出願時点において、短期的な課題として電波として放射される雑音（以下、「雑音」という。）や交流入力に流れる高調波（以下、「高調波」という。）の低減に関する問題とコストの問題とが指摘されている。これらの問題は、現在多くのＬＥＤ照明装置が交流を直流に一旦変換し、内部的には直流にて駆動させるため、電源を含む複雑なＬＥＤ周辺回路が必要となる点が一因として挙げられる。

例えば、特許文献１には、従来のＬＥＤ駆動技術が開示されており、入力電流の高調波成分を低減させながら、直流平滑電圧で点灯させた場合と同等の光出力が得られるＬＥＤ点灯装置が開示されている。

より具体的には、商用交流電源Ｖｓを全波整流する全波整流器ＤＢと、全波整流器ＤＢの出力端に並列接続される第１のコンデンサＣ１と、第１のコンデンサＣ１に入力端を並列接続されるスイッチング電源回路部１と、スイッチング電源回路部１の出力端に接続されるＬＥＤ発光部２と、ＬＥＤ発光部２に並列接続される第２のコンデンサＣ２とを備え、第１のコンデンサＣ１の容量が１μＦ未満であり、第２のコンデンサＣ２はＬＥＤ発光部２に流れる電流のリプル率が１未満になる容量に設定したものである（特許文献１）。

一方で、発明者は、こうした回路の複雑さに起因するコストの問題を解決すべく、また、フリッカ発生の問題を解決すべく、ＡＣ入力で直接駆動できるような構成でありながらもフリッカの発生が抑制されるよう構成されたＬＥＤ駆動回路を提供した（特許文献２）。

すなわち、特許文献２には、直列接続された複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動するＬＥＤ駆動回路であって、交流入力を整流する整流器と、オペアンプと該オペアンプの出力段に分圧抵抗を介して接続された複数の駆動用トランジスタとを有する定電流回路と、を備え、整流器の出力側の一端をＬＥＤユニットの入力側に接続し、複数のトランジスタの出力側の一端をそれぞれ、ＬＥＤユニットにおける異なるＬＥＤ段数の接続ポイントに接続することにより、交流入力の電圧に応じて複数のトランジスタが選択的にＬＥＤユニットを駆動するように構成したこと、を特徴とするＬＥＤ駆動回路が開示されている。

特開２００９−１３４９４５号公報特願２０１１−１３１６０１号明細書

しかしながら、普及の促進を考慮した結果、発明者によって提供されたＬＥＤ駆動回路（特許文献２）においても、ＡＣ入力で直接駆動できるような回路構成を採用していることから、５０ＨｚのＡＣ入力電圧であれば、毎秒１００回にも及ぶ電圧の増減に対してより木目細やかに電流も追従可能な改善されたＬＥＤ駆動回路が望まれる。
また、特に多段のＬＥＤ列を駆動する場合など、ＡＣ入力電圧の変動によりＬＥＤ列が点灯しない期間が多く生じることにより発生しやすい人の眼に感じるフリッカをさらに抑制可能な駆動方式が求められる。

本発明は、ＡＣ入力で直接駆動できるような構成でありながらもフリッカや高調波の発生を更に抑制し、かつ、低消費電力を実現するＬＥＤ駆動回路を提供することを目的とする。

直列接続された複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動するＬＥＤ駆動回路であって、交流入力を整流する整流器と、オペアンプと該オペアンプの出力段に分圧抵抗を介して接続された複数の駆動用トランジスタとを有する定電流回路と、前記複数の駆動用トランジスタのエミッタ間にそれぞれ挿入された電流検出器としての抵抗と、を備え、前記整流器の出力側の一端を前記ＬＥＤユニットの入力側に接続し、前記複数のトランジスタの出力側の一端をそれぞれ、前記ＬＥＤユニットにおける異なるＬＥＤ段数の接続ポイントに接続することにより、前記交流入力の電圧に応じて前記複数のトランジスタが選択的に前記ＬＥＤユニットを駆動されると共に、前記選択的に駆動される前記ＬＥＤユニットを流れる電流も前記交流入力の電圧に応じて変動するように構成されたことを特徴とする。

また、前記複数のトランジスタの各々はバイポーラトランジスタであり、該複数のバイポーラトランジスタのコレクタ端子が、それぞれ、前記ＬＥＤユニットにおける異なるＬＥＤ段数の接続ポイントに接続されることを特徴とする。

また、前記複数のバイポーラトランジスタのベースには、それぞれベース抵抗が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、ＡＣ入力で直接駆動できるような構成でありながらもフリッカの発生を更に抑制し、かつ、低消費電力を実現するＬＥＤ駆動回路を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を説明する説明図である。本発明の一実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の電圧及び電流変動を説明するための説明図である。従来技術のＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形を説明する説明図である。本発明に係るＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形を説明する説明図である。脈流を平滑後に必要な直流電圧に変換しＬＥＤを点灯する方法を用いた場合のＬＥＤに流れる電流波形と交流に流れる電流波形との関係を説明する説明図である。脈流を平滑後に必要な直流電圧に変換しＬＥＤを点灯する方法を用いた場合のＬＥＤに流れる電流波形と交流に流れる電流波形との関係を説明する説明図である。本発明の他の実施形態に係る複数のＬＥＤ列を駆動するためのＬＥＤ駆動回路の構成を説明する説明図である。本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ列をｎ段で切り替え駆動するためのＬＥＤ駆動回路の構成を説明する説明図である。

本発明にかかるＬＥＤ駆動回路を実施するための形態について、図面を参照しながら詳述する。図１に、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の構成を示す。

図１に示すように、ＬＥＤ駆動回路１０は、全波整流器ＦＲ１を有しており、この全波整流器ＦＲ１を介して交流入力がＬＥＤ列１５の入力側の一端に入力される。
また、ＬＥＤ駆動回路１０は、オペアンプＯＰ１と、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ３と、抵抗Ｒ１１と、Ｒ１２およびＲ１３とを有しており、図１に示されるように、これらはＬＥＤ列１５を定電流駆動するための定電流駆動回路を構成する。
さらに、ＬＥＤ駆動回路１０においては、定電流駆動用のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３の各エミッタから抵抗Ｒ１２及びＲ１３を通ってオペアンプＯＰ１の入力端（−側）へ至る帰還回路が構成されている。一方、オペアンプＯＰ１の他方の入力端（＋側）には、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。

図１に示されるように、ＬＥＤ駆動回路１０は、ＬＥＤ列１５を駆動する為のトランジスタを複数有している（本実施形態では例示的にＴＲ１〜ＴＲ３の３つ）。ＬＥＤ駆動回路１０のＬＥＤ列１５は、Ｄ１〜Ｄ８まで計８個の直列ＬＥＤを有し、ＬＥＤ列１５の出力側はトランジスタＴＲ３のコレクタに接続されている。
他方、ＬＥＤ列１５のＤ２からの出力がトランジスタＴＲ１のコレクタに接続され、ＬＥＤ列１５のＤ５からの出力がＴＲ２のコレクタに接続されている。換言すると、トランジスタＴＲ１のコレクタは、ＬＥＤ列１５の２段目の接続ポイントに接続されており、トランジスタＴＲ２のコレクタは、ＬＥＤ列１５の５段目の接続ポイントに接続されているということができる。

また、オペアンプＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって分圧され、これら抵抗Ｒ１〜Ｒ３によって分圧された電圧によって、定電流駆動用のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３が駆動される。具体的な接続は、図１に示されるように、オペアンプＯＰ１の出力電圧が、抵抗Ｒ２３を介してトランジスタＴＲ３のベースに印加され、抵抗Ｒ１とＲ２間の電圧が、抵抗Ｒ２２を介してトランジスタＴＲ２のベースに印加され、抵抗Ｒ２とＲ３間の電圧が、抵抗Ｒ２１を介してトランジスタＴＲ１のベースに印加されるように、それぞれ接続される。

さらに、ＬＥＤ駆動回路１０は、電流検出器としての抵抗Ｒ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘを有している。すなわち、トランジスタＴＲ２のエミッタとトランジスタＴＲ３のエミッタとの間に抵抗Ｒ_２Ｘが挿入され、トランジスタＴＲ１のエミッタとトランジスタＴＲ２のエミッタとの間に抵抗Ｒ_３Ｘが挿入され、トランジスタＴＲ３のエミッタにＲ_１１が接続され、これにより、抵抗Ｒ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘは電流検出器として機能する。

次に、ＬＥＤ駆動回路１０の回路動作の概略を説明する。

［第１の特徴］
ＬＥＤ駆動回路１０は、交流入力がＬＥＤ列１５を駆動できる十分に高い電圧である場合には、ＬＥＤ列１５の全段数のＬＥＤ（Ｄ１〜Ｄ８）を点灯させるよう動作すると共に、交流入力の電圧がＬＥＤ列１５の全段数を駆動するに十分な電圧よりも低くなっても、トランジスタＴＲ１またはＴＲ２によって、段数の少ない数でＬＥＤ列１５中のＬＥＤを点灯させるように動作することが第１の特徴である。この構成により、交流入力の電圧が低くなった場合でもＬＥＤ列の点灯状態を維持できることとなるので、ＬＥＤ列１５が消灯する期間を極力短くすることができ、ヒトの目に感じるフリッカを解消することができる。

［第２の特徴］
さらに、ＬＥＤ駆動回路１０は、電流検出器としての抵抗Ｒ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘを有していることが第２の特徴である。この構成により、交流入力の電圧周期に伴った電流制御もなされることになるので、一層の高輝度低消費電力を達成することができ、フリッカと電流とに含まれる高調波を一層低減できるという効果を奏する。

上述の第１の特徴を示す回路動作の側面を更に具体的に説明すると、交流入力をＶｉｎとしたとき、Ｖｉｎが十分に高い状態にあり、ＬＥＤ列１５の全てのＬＥＤ（Ｄ１〜Ｄ８）を駆動できる場合にはトランジスタＴＲ３のベース・エミッタ間がＯＮとなり、トランジスタＴＲ３がＬＥＤ列１５を駆動することとなる。すなわち、オペアンプＯＰ１、抵抗Ｒ２３、トランジスタＴＲ３、抵抗Ｒ１１および負帰還回路によって定電流回路が形成され、ＬＥＤ列１５の駆動が行われる。

次に、交流入力Ｖｉｎが次第に低下し、ＬＥＤ列１５の全段数のＬＥＤを駆動できる電圧よりも低くなると、トランジスタＴＲ３のコレクタ・エミッタ間の電圧の低下により、トランジスタＴＲ３のコレクタ・エミッタ間は電流が駆動されない状態となる。この場合、オペアンプＯＰ１は定電流を駆動しようとするため、オペアンプＯＰ１の出力電圧は上昇し、トランジスタＴＲ２のベース・エミッタ間がＯＮし、トランジスタＴＲ２がＬＥＤ列１５を駆動し始める。トランジスタＴＲ２は、Ｄ１〜Ｄ５の５段分のＬＥＤを駆動する。

次に、交流入力Ｖｉｎが更に低下し、ＬＥＤ列１５のＤ１〜Ｄ５の５段分のＬＥＤを駆動できる電圧よりも低くなると、トランジスタＴＲ２のコレクタ・エミッタ間の電圧の低下により、トランジスタＴＲ２のコレクタ・エミッタ間は電流が駆動されない状態となる。この場合、オペアンプＯＰ１は定電流を駆動しようとするため、オベアンプＯＰ１の出力電圧はさらに上昇し、トランジスタＴＲ１のベース・エミッタ間がＯＮし、トランジスタＴＲ１がＬＥＤ列１５を駆動し始める。トランジスタＴＲ１は、Ｄ１〜Ｄ２の２段分のＬＥＤを駆動する。

そして、交流電圧Ｖｉｎが、ＬＥＤ列１５のＤ１、Ｄ２の２段分のＬＥＤを駆動できる電庄よりも低くなると、トランジスタＴＲ１もＬＥＤ列１５を駆動できない状態となり、ＬＥＤ列１５は消灯することになる。

一方、交流入力Ｖｉｎが上昇する周期に入った場合には、上述の状態遷移と逆の順番で各トランジスタＴＲ１〜ＴＲ３が動作することになる。すなわち、交流入力Ｖｉｎがゼロから上昇し、やがて一定電圧に到達するとトランジスタＴＲ１により２段分のＬＥＤ（Ｄ１，Ｄ２）が駆動されはじめ、更に交流入力Ｖｉｎが上昇すると、トランジスタＴＲ２により５段分のＬＥＤ（Ｄ１〜Ｄ５）が駆動され、更に交流入力Ｖｉｎが上昇すると、トランジスタＴＲ３により全段数のＬＥＤ（Ｄ１〜Ｄ８）が駆動される。
交流入力Ｖｉｎの電圧の変動周期（５０Ｈｚであれば、毎秒１００回の周期）により、上述の動作が繰り返される。

次に、上述の第２の特徴を示す回路動作の側面を更に具体的に説明する。第２の特徴を示すＬＥＤ駆動回路１０は、各素子のパラメータ特性として次の通りの特性を有する。すなわち、第２の特徴を示す駆動回路１０は、図１において、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３の特性を略同一のものとし、トランジスタＴＲ１のベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ１とし、トランジスタＴＲ２ベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ２とし、トランジスタＴＲ３ベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ３とし、Ｒ３に流れる電流をＩ_０とし、トランジスタＴＲ１のベース電流をＩ_Ｂ１、トランジスタＴＲ２のベース電流をＩ_Ｂ２、トランジスタＴＲ３のベース電流をＩ_Ｂ３とし、トランジスタＴＲ１のエミッタ電流をＩ_１、トランジスタＴＲ２のエミッタ電流をＩ_２、トランジスタＴＲ３のエミッタ電流をＩ_３としたとき、さらに、ベース抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３は、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ１、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ２、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ３となる（すなわち、Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_Ｂ３がＩ_０に影響を及ぼさない程度に小さくなる）ように設計されるものとして、次の（式１）〜（式３）を満たすようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３が調整されたＬＥＤ駆動回路である。

式１においては、トランジスタＴＲ１が作動している。トランジスタＴＲ２、トランジスタＴＲ３についても、回路として電流が流れる構成ではあるが、ＴＲ２、ＴＲ３共にベース−エミッタ間の電圧が低すぎて実質的に電流は流れない。Ｉ_１は一定である。

式２においては、トランジスタＴＲ２が作動している。トランジスタＴＲ１は回路的にＯＦＦの状態である。トランジスタＴＲ３は、回路として電流が流れる構成ではあるが、ベース−エミッタ間の電圧が低すぎて実質的に電流は流れない。Ｉ_２は一定である。
なお、Ｒ２・Ｉ_０は、ＴＲ２がＯＮからＯＦＦとなるときのＴＲ２のベース−エミッタ電圧の差（本実施形態では、２００ｍＶとした。）の近辺となるように設定するものとする。ここで、例として用いた２００ｍＶという基準値は、ＴＲ２がＯＮとなった時の電圧Ｖ_ＢＥ２からＴＲ２がＯＦＦとなった時の電圧Ｖ_ＢＥ２を減算したもので、使用する素子の特性や動作温度等の条件によって適宜修正される。

式３においては、トランジスタＴＲ３が作動している。ＴＲ１、ＴＲ２共に回路的にＯＦＦの状態である。Ｉ_３は、一定である。
なお、Ｒ１・Ｉ_０は、ＴＲ２がＯＦＦとなる時のＴＲ３のベース−エミッタ電圧の差（本実施形態では、２００ｍＶとした。）の近辺となるように設定するものとする。ここで、例として用いた２００ｍＶという基準値は、ＴＲ３がＯＮとなった時の電圧Ｖ_ＢＥ３からＯＦＦとなった時の電圧Ｖ_ＢＥ３を減算したもので、使用する素子の特性や動作温度等の条件によって適宜修正される。

上式１〜上式３において、演算増幅器ＯＰ１の出力電圧は、トランジスタＴＲ１のエミッタ電圧がＶｒｅｆ・（Ｒ１２＋Ｒ１３）／Ｒ１３となるように制御されるために、式１〜式３のＩ_０の値は、ＴＲ１〜ＴＲ３の動作状態によって異なる値をとる。しかしながら、Ｒ２やＲ３の値は、上式１から順次求めていくことで、それぞれ最適な値を決定することができる。

そして、駆動回路１０が上式１〜上式３を満たす場合には、（Ａ）ＴＲ３が動作する場合には、Ｄ１〜Ｄ８までの全てのＬＥＤがＯＮとなり、（Ｂ）ＴＲ２が動作する場合には、Ｄ１〜Ｄ５までのＬＥＤがＯＮ、Ｄ６〜Ｄ８までのＬＥＤはＯＦＦとなり、かつ、ＴＲ３動作時より電流値も減少し、（Ｃ）ＴＲ１が動作する場合には、Ｄ１〜Ｄ２までのＬＥＤがＯＮ、Ｄ３〜Ｄ８までのＬＥＤはＯＦＦとなり、かつ、ＴＲ２動作時より電流値も減少する。
このことは、特別に電子回路を付加することなく、ＬＥＤに流れる電流波形、即ち交流入力に流れる電流波形を正弦波により近い波形とする事が可能となることを意味する。

図２に、一実施形態に係るＬＥＤ駆動回路の電圧及び電流変動を示す。上述した特性を有するＬＥＤ駆動回路においては、図２に示すように、脈流電圧波形がＬＥＤ４段、６段、８段、１０段を点灯させるタイミングで変動するとき、ＬＥＤ４段の時の電流の強さを８とすると、ＬＥＤ６段の時の電流の強さは１０、ＬＥＤ８段の時の電流の強さは１２、ＬＥＤ１０段の時の電流の強さは１４というように電流も変動することとなり、これによって、従来型のＬＥＤ駆動回路を用いた場合よりも高輝度低消費電力であり、かつ、フリッカと交流に流れる電流の高調波を共により低減できるという有利な効果を奏する制御回路（交流制御回路）を実現することができる。

また、図３Ａ〜図３Ｄに、本発明に係るＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形と従来技術のＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形との比較例を示す。図３Ａは従来技術の交流を整流し脈流で点灯するＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形の模式図であり、図３Ｂは本発明に係るＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形の模式図であり、図３Ｃ、図３Ｄは現在多用されている、交流を整流・ＬＥＤ点灯時のフリッカや輝度等の問題を解消する目的でスイッチング方式の電源を用い、前記脈流を平滑後に必要な直流電圧に変換しＬＥＤを点灯する方法を用いた場合のＬＥＤに流れる電流波形と交流に流れる電流波形の模式図である。交流の電流波形は脈流の平滑に用いるコンデンサの容量が大きいと図３Ｃに示すような電流波形となり、脈流の平滑に用いるコンデンサの容量が小さいと図３Ｄに示すような電流波形となる。

従来の電流波形は、図３Ａに示すように電流変化が急激であり点灯時間も短くフリッカの原因となりやすい特性を有しているのに対し、本発明に係るＬＥＤ駆動回路によって制御された電流波形は、図３Ｂに示すように点灯時間が長く正弦波に近い形で緩やかに変化するので、フリッカを低減可能な特性を有し、また、電流波形も、尖頭値が高く高調波を多量に含む波形とは全く異なり、フィルタ等の回路を用いずとも正弦波に近いものとなる事が容易に理解できるであろう。

以上説明した通り、ＬＥＤ駆動回路１０は、交流入力がＬＥＤ列の全段数を駆動できない電圧に低下しても、ＬＥＤ列１５の全段数よりも少ないＬＥＤの段数でＬＥＤ列１５を駆動することができる。つまり、ＬＥＤ駆動回路１０によれば、交流入力でＬＥＤ列を駆動する場合であっても、ＬＥＤ列が消灯状態となる期間を極力短くすることができ、さらに、交流入力電圧の強さに応じて、ＬＥＤに流れる電流も制御されるため、ＬＥＤのフリッカ現象を良好に抑制することが可能であるとともに、ＬＥＤ照明装置としての輝度を一層高くできる。

なお、図１で示したＬＥＤ駆動回路１０のＬＥＤ列１５のＬＥＤの段数は、説明の便宜上、８段としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、交流入力に応じてＬＥＤの段数を適宜設計することができる。例えば、交流入力が１００Ｖである場合にはＬＥＤ列の段数は約４０段とし、交流入力が２００Ｖである場合にはＬＥＤ列の段数は約８０段とすることができる。

また、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のコレクタに接続するＬＥＤの段数についても、様々な段数を採用することができる。図１のＬＥＤ駆動回路１０では、例示的に、計３つの駆動用のトランジスタ（ＴＲ１〜ＴＲ３）を用いて、ＬＥＤ列の３つの接続ポイントをそれぞれ駆動するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、駆動用のトランジスタの数（すなわち、ＬＥＤ列への接続ポイントの数）は、２つ、４つ等様々な構成を採用することができる。

［デジタル回路での構成］
上述した通り、本発明に係るＬＥＤ駆動回路は、アナログ回路を用いて説明したが、これをデジタル回路によっても構成可能であることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。本発明に係るＬＥＤ駆動回路をデジタル回路によって実現する場合においても、上記実施例と同様に、定電流機能と電流検出機能と電流切替え機能とを組み合わせて実現できる。例えば、定電流機能は、超高速の論理と超高速のアナログ−デジタル変換器とを用いて電流値を検出し、所望の電流値となるように超高速デジタル・アナログ変換器出力を制御することで実現可能である。
また、ＬＥＤの切替えにおいてデジタル回路を採用する場合には、デジタル論理回路の特性を活かし、入力の脈流の瞬時値を計測してＬＥＤ段数を算出し、所定の段数以上となったらデジタル電流切替え器を用いてＬＥＤ段数の切替え制御を行うように構成することができる。

したがって、上述した本発明の技術的範囲に含まれるアナログ回路と機能的に等価なデジタル回路で一部又は全部を置き換えた駆動回路も本発明の技術的範囲に含まれる。

［複数のＬＥＤ列での構成］
また、図１のＬＥＤ駆動回路１０は、一列のＬＥＤ列を駆動するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のＬＥＤ列を駆動する回路構成も実現することが可能である。図４に本発明の他の実施形態に係る複数のＬＥＤ列を駆動するためのＬＥＤ駆動回路（デジタル回路構成）を示す。図４に示したＬＥＤ駆動回路は、１０段のＬＥＤ列の３列構成である。また、交流入力の周期によって、４段、６段、８段、１０段のＬＥＤを点灯させることができる構成となっている。
図４では、上記の通り、３列１０段のＬＥＤ列を各列において４段階の輝度制御を行いながら駆動させるために、各列に対して、４つずつの電流検出器を接続し、これら電流検出器の測定結果に基づいて電流値を切替えるよう電流値切替機能部が接続され、これをＬＥＤ駆動制御部が制御するように構成されている。

［ＬＥＤ列をｎ段で切り替える構成］
さらに、図１のＬＥＤ駆動回路１０は、ＴＲ１〜ＴＲ３を用いてＬＥＤ列を３段切り替えする構成としたが、ＬＥＤ列をｎ段で切り替える場合の構成を以下に説明する。

図５は、本発明の他の実施形態に係るＬＥＤ列をｎ段で切り替え駆動するためのＬＥＤ駆動回路の構成である。図５において、複数の駆動用トランジスタがＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎのｎ個で構成された場合において、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎの特性を略同一のものとし、分圧抵抗をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、Ｒｎとし、電流検出器としての抵抗をＲ_ＮＸ、Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}、Ｒ_{（Ｎ−２）Ｘ}、・・・・Ｒ_３Ｘ、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_1Ｘとし、トランジスタＴＲ１からトランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）とし、ベース抵抗をＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・、Ｒ２ｎとし、オペアンプＯＰ１とトランジスタＴＲ1〜ＴＲｎとが形成する負帰還回路は抵抗Ｒ１２、Ｒ１３と前述の電流検出器の抵抗Ｒ_ＮＸ、Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}、・・・・Ｒ_２Ｘ、Ｒ_1Ｘで構成されており、分圧抵抗Ｒｎに流れる電流をＩ_０とし、トランジスタＴＲ１からトランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのベース電流をＩ_Ｂｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）とし、トランジスタＴＲ１からトランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのエミッタ電流をＩ_ｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）としたとき、さらに、ベース抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・、Ｒ２ｎ、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎは、Ｉ_ｉ＞＞Ｉ_Ｂｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）となる（すなわち、Ｉ_ＢｉがＩ_０に影響を及ぼさない程度に小さくなる）ように設計されるものとして、次の式（１）〜（ｎ）を満たすようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、Ｒｎが調整されたことを特徴とする。

（式（３）〜式（ｎ−１）までは、式（１）、式（２）より規則的に導けることが明らかであるので、省略する。）

なお、Ｒｉ・Ｉ_０（但し、ｉ＝１〜ｎ−１までの自然数）は、ＴＲｎ＋１−ｉがＯＮからＯＦＦとなるときのＴＲｎ＋１−ｉのベース−エミッタ電圧の差の近辺となるように設定されるものとする。

図５に示したＬＥＤ列のｎ段切替え動作時の抵抗値の算出手順について、改めて以下に説明する。

まず、ＬＥＤへ供給する脈流の電圧が０Ｖから上昇し、ＴＲ１に接続されたＬＥＤのＬ１段に電流Ｉ_１が流れ始めたときに
Ｒｎ・Ｉ_０＝Ｖ_ＢＥ１＋（Ｒ_ＮＸ＋Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}＋・・・＋Ｒ_１Ｘ）Ｉ_１
＝Ｖ_ＢＥ１＋Ｖｒｅｆ・（Ｒ１３＋Ｒ１２）／Ｒ１３
を満足するようにＲｎを定め、更にＴＲ１のベースに流入する電流値がＩ_０に影響を及ぼさない様に抵抗Ｒ２１の値を定める。なお、この時、Ｉ_０駆動素子（ここではＴＲ１）の容量成分とＩ_０で定まる時定数がＯＰ１周辺の動作に影響を及ぼさないように考慮する必要がある。

次に、Ｉ_１・Ｒ_ＮＸ＋ΔＶ_ＢＥ＝Ｒｎ-1・Ｉ_０となる様にＲｎ-1を定める。ここで、ΔＶ_ＢＥは、ＯＮ状態のΔＶ_ＢＥからＯＦＦ状態のΔＶ_ＢＥを差し引いたものとする。また、ＴＲ１のベースに流入する電流値がＩ_０に影響を及ぼさない様に抵抗Ｒ２１の値を定める。

次に、ＬＥＤへ供給する脈流の電圧が更に上昇すると、ＴＲ２に接続されたＬＥＤのＬ２段に電流Ｉ_２が流れ始めるが、この時に（Ｒｎ-1＋Ｒｎ）・Ｉ_０＝Ｖ_ＢＥ２＋（Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}＋Ｒ_{（Ｎ−２）Ｘ}＋・・・＋Ｒ_１Ｘ）Ｉ_２
＝Ｖ_ＢＥ２＋Ｖｒｅｆ・（Ｒ１３＋Ｒ１２）／Ｒ１２
を満足するＩ_０を求める。そして、Ｉ_２・Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}＋ΔＶ_ＢＥ＝Ｒｎ-２・Ｉ_０となる様にＲｎ-２を定める。ここでΔＶ_ＢＥの定義、ならびに、Ｉ_０決定時に考慮すべき事項は上記と同じである。また、ＴＲ３のベースに流入する電流値がＩ_０に影響を及ぼさない様に抵抗Ｒ２３の値を定め、更にＴＲ２のベースに流入する電流値がＩ_０に影響を及ぼさない様に抵抗Ｒ２２の値を定める

次に同様の手順でＬＥＤへ供給する脈流の電圧が更に上昇しＬＥＤのＬ３段に電流Ｉ_３が流れ始めた時のＲｎ-３とＲ２３を決定する。

以降も同様にして、Ｒｎ-４〜Ｒ１、Ｒ２４〜Ｒ２ｎの値を順次決定することができる。

［その他の構成例］
図１のＬＥＤ駆動回路１０では、オペアンプＯＰ１の基準電圧用のバッテリーが設けられているが、交流入力の整流回路から基準電圧を生成する構成としても良い。この場合、基準電圧用のバッテリーを設ける必要が無いというメリットがある。

図１のＬＥＤ駆動回路１０では、バイポーラトランジスタを用いる構成となっているが、電界効果トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ等）を用いる場合には、各トランジスタの電圧Ｖ_ＢＥをゲート〜ソース電圧Ｖ_ＧＳとして数値を計算する。図１のＬＥＤ駆動回路においてＭＯＳトランジスタを用いる場合には、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３は省略されても良い。また、上述の実施形態ではＬＥＤ駆動回路を構成する負帰還増幅回路に正相増幅回路を用いるものとして説明を行ったが、負帰還増幅回路に反転増幅回路を用いても、あるいは差動増幅回路を用いても同様の効果を得ることができる。

１０ＬＥＤ駆動回路
ＦＲ１全波整流器
１５ＬＥＤ列
ＴＲ１〜ＴＲ３トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３抵抗
Ｒ１２〜Ｒ１３抵抗
Ｒ２１〜Ｒ２３抵抗
Ｒ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘ電流検出器（抵抗）
ＯＰ１オペアンプ
Ｖｒｅｆ基準電圧

Claims

直列接続された複数のＬＥＤを有するＬＥＤユニットを駆動するＬＥＤ駆動回路であって、
交流入力を整流する整流器と、
オペアンプと該オペアンプの出力段に直接あるいは分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・Ｒｎの接続点に接続された複数の駆動用トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎとを有する定電流回路と、
前記複数の駆動用トランジスタのエミッタ間にそれぞれ挿入された電流検出器としての抵抗Ｒ _１１、Ｒ _２Ｘ、Ｒ _３Ｘ、・・・、Ｒ _ＮＸと、を備え、
前記分圧抵抗は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・Ｒｎまで直列に接続され、Ｒｎが駆動用トランジスタＴＲ１に対する分圧抵抗となり、直列接続されたＲｎ及びＲｎ−１が駆動用トランジスタＴＲ２に対する分圧抵抗となり、以降、前記直列に接続された分圧抵抗を１つずつ加えた直列接続された分圧抵抗を順次前記駆動用トランジスタのベース側に接続することにより分圧抵抗として割り当て、
前記整流器の出力側の一端を前記ＬＥＤユニットの入力側に接続し、前記複数のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎのコレクタ側の一端をそれぞれ、前記ＬＥＤユニットにおける低次の段数から高次の段数へと段階的にＬＥＤの接続段数が増大するように、前記ＬＥＤユニットの複数の接続ポイントに接続することにより、前記交流入力の電圧に応じて前記複数のトランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎが動作して前記ＬＥＤユニットを選択的に駆動すると共に、前記選択的に駆動される前記ＬＥＤユニットを流れる電流も前記交流入力の電圧に応じて変動するように構成された
ことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
前記複数のトランジスタの各々はバイポーラトランジスタであり、該複数のバイポーラトランジスタのコレクタ端子が、それぞれ、前記ＬＥＤユニットにおける異なるＬＥＤ段数の接続ポイントに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路。
前記複数のバイポーラトランジスタのベースには、それぞれベース抵抗が配置されることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ駆動回路。
前記複数の駆動用トランジスタがＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３の３つで構成された場合において、
前記トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３の特性を略同一のものとし、前記分圧抵抗をＲ１、Ｒ２、Ｒ３とし、前記電流検出器としての抵抗をＲ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘとし、前記トランジスタＴＲ１のベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ１とし、前記トランジスタＴＲ２のベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ２とし、前記トランジスタＴＲ３ベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥ３とし、前記ベース抵抗をＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３とし、前記オペアンプＯＰ１と前記トランジスタＴＲ１〜ＴＲ３とが形成する負帰還回路は抵抗Ｒ１２、Ｒ１３とＲ_１１、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_３Ｘより成り、前記分圧抵抗Ｒ３に流れる電流をＩ_０とし、前記トランジスタＴＲ１のベース電流をＩ_Ｂ１、前記トランジスタＴＲ２のベース電流をＩ_Ｂ２、前記トランジスタＴＲ３のベース電流をＩ_Ｂ３とし、前記トランジスタＴＲ１のエミッタ電流をＩ_１、前記トランジスタＴＲ２のエミッタ電流をＩ_２、前記トランジスタＴＲ３のエミッタ電流をＩ_３としたとき、さらに、前記ベース抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、前記トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３は、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ１、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ２、Ｉ_０＞＞Ｉ_Ｂ３となる（すなわち、Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_Ｂ３がＩ_０に影響を及ぼさない程度に小さくなる）ように設計されるものとして、次の（式１）〜（式３）を満たすようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３が調整されたことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ駆動回路。

なお、Ｒ２・Ｉ_０は、ＴＲ２がＯＮからＯＦＦとなるときのＴＲ２のベース−エミッタ電圧の差の近辺となるように設定され、Ｒ１・Ｉ_０は、ＴＲ２がＯＦＦとなる時のＴＲ３のベース−エミッタ電圧の差の近辺となるように設定されるものとする。
前記複数の駆動用トランジスタがＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎのｎ個で構成された場合において、
前記トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎの特性を略同一のものとし、前記分圧抵抗をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、Ｒｎとし、前記電流検出器としての抵抗をＲ_ＮＸ、Ｒ_{（Ｎ−１）Ｘ}、Ｒ_{（Ｎ−２）Ｘ}、・・・・Ｒ_３Ｘ、Ｒ_２Ｘ、Ｒ_1Ｘとし、前記トランジスタＴＲ１から前記トランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのベース‐エミッタ間電圧をＶ_ＢＥｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）とし、前記ベース抵抗をＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・、Ｒ２ｎとし、前記オペアンプＯＰ１と前記トランジスタＴＲ1〜ＴＲｎとが形成する負帰還回路は抵抗Ｒ１２、Ｒ１３とＲ１ｘ〜ＲＮｘで構成され、前記分圧抵抗Ｒｎに流れる電流をＩ_０とし、前記トランジスタＴＲ１から前記トランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのベース電流をＩ_Ｂｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）とし、前記トランジスタＴＲ１から前記トランジスタＴＲｎまでの各トランジスタのエミッタ電流をＩ_ｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）としたとき、さらに、前記ベース抵抗Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・、Ｒ２ｎ、前記トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３、・・・、ＴＲｎは、Ｉ_ｉ＞＞Ｉ_Ｂｉ（但し、ｉ＝１〜ｎまでの自然数）となる（すなわち、Ｉ_ＢｉがＩ_０に影響を及ぼさない程度に小さくなる）ように設計されるものとして、次の（式１）〜（式ｎ）を満たすようにＲ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・、Ｒｎが調整されたことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ駆動回路。

なお、Ｒｉ・Ｉ_０（但し、ｉ＝１〜ｎ−１までの自然数）は、ＴＲｎ＋１−ｉがＯＮからＯＦＦとなるときのＴＲｎ＋１−ｉのベース−エミッタ電圧の差の近辺となるように設定されるものとする。