JP5602781B2 - Ｌｅｄ素子の駆動方法及び駆動用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子の光度増大のためのＬＥＤ素子の駆動方法及び駆動用電源装置の改良に関するものである。

ＬＥＤ素子は定格電流において光度、効率、寿命等が最適となる素子であり、定格電流を下回る小電流を通電した場合にはより長寿、高効率となるがそれに伴って光度も低下する。逆に、定格電流よりも大電流を通電した場合、光度も増大するが効率が低下して発熱し、熱に弱いため短寿命となるという特性を持っている。光度を増大させたいとの考えによって大電流を通電してもＬＥＤ素子は破損してしまうので、定格以上の大電流を流すことは禁物なのである。

従って、ＬＥＤ素子駆動用電源装置として従来はＬＥＤ素子の特性から主として定電流回路が用いられているが、ＬＥＤ光源の光度を増大させる場合にはＬＥＤ素子の配置密度を高めることしか方法がない。なお、隣接技術に関して検索すると、特開２００６−５８９０９号があり、電気光学装置において表示品質の改善を図る発明を開示している。しかしこれは駆動電流に応じた光度で発光する電気光学素子を用いた電気光学装置を対象とするものであり、ＬＥＤ素子は駆動電流に応じた光度で発光するとはいえないものであるから、これを適用して光度増大を図ることは困難である。

このため本発明の出願人は、ＬＥＤ素子の光度増大のための技術開発を推進し、その成果に基づいて、先に、特開２０１０−４０６５９号を出願した。同号の発明では、多数のＬＥＤ素子を直列接続して使用するが、ＬＥＤ素子は電流の増加とともに消費する電圧も上昇するので、ＬＥＤ素子に流れる電流量が大小変化すると、ＬＥＤ素子の数が増えれば増えるほど各素子に供給される電圧に差が出てくる。この結果、電流が増加したときを基準に電圧を設定すると、電流が減少したときには多くの電力が電流制限抵抗等によって無駄に消費されることになり、その上、上記抵抗等で消費された電力は発熱の問題を引き起こすことが指摘された。このように、ＬＥＤ素子を複数個直列接続する、先の発明は電力の損失が大きく、製品化しても実用性の低いものに止まることが予測される。

そこで出願人は、先の発明と同様に、パルス駆動方式において駆動間隔を変えることによって光度を増大させることを基礎として、電力の無駄を無くすべく、更に、手段、装置の開発を継続し、その成果について出願をした（特開２０１２−０５４３５１号）。同号の発明は、多数のＬＥＤ素子を直列接続して使用する際の、定格順電流が流れているＬＥＤ素子列と、許容順電流が流れているＬＥＤ素子列との電圧差の問題を、予め効率良く作られた、二つの電圧の電源を用意しておき、それらを切り替えながら使用することで電力の消費の無駄を極力なくすもので、前記の問題をほぼ解決することができた。しかし、上記後者の発明では、二つの電源を用意するので、コストの上昇や占有体積の増大を招く結果を生じた。

特開２００６−０５８９０９号 特開２０１０−０４０６５９号 特開２０１２−０５４３５１号

このような状況において、本発明者はＬＥＤ素子の光度増大を目指して、さらに開発を継続し、先の発明と同様に、パルス駆動方式において駆動間隔を変えることによって光度を増大させることを基礎として、電力の無駄を無くすべく鋭意研究の結果、本発明に到達した。従って、本発明の基本的課題は、ＬＥＤ素子の破損を招くことなく光度の増大を見込むことができ、しかも、電力が電流制限抵抗等によって無駄に消費されることがないＬＥＤ素子の駆動方法及び駆動用電源装置を提供することである。本発明の他の課題は、多数のＬＥＤ素子を直列接続して使用する際の、定格順電流が流れているＬＥＤ素子列と、許容順電流が流れているＬＥＤ素子列との電圧差の問題を、二つの電源を用意するような不利を招くことなく解決することである。また、本発明の他の課題は、上記の電圧差を利用してＬＥＤ素子を発光させるようにすることで、無駄な電力損失とコストを極力抑え、効率良く、かつ、より安価に、光度増大が可能なＬＥＤ素子の駆動方法及び駆動用電源装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、任意の個数配置したＬＥＤ素子の列から成る少なくとも一つのブロックを有し、当該ブロックのＬＥＤ素子の作動を制御する信号電流を複数個に分割し、複数個の内の一つの信号電流によって、ＬＥＤ素子の破損を招くことなく光度の増大を見込むために、ＬＥＤ素子に通電する電流のオンとオフの時間比であるデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、複数個の内の他の信号電流によって、ＬＥＤ素子が破損しない定格順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、上記二種類の通電を周期的に行なうことによってＬＥＤ素子を駆動するものとし、かつ、上記ＬＥＤ素子により定格順電流と許容順電流に対応する電圧の差を作り出すという手段を講じたものである。上記構成要件における文言は、以下の意味で用いられている。
・定格順電流とは、ＬＥＤ素子が破損しない順電流をいうものとする。
・許容順電流とは、ＬＥＤ素子に通電する電流のオンとオフの時間比であるデューティー比対応の順電流をいうものとする。
・ＬＥＤ素子（の）列とは、任意の個数のＬＥＤ素子から成る１列をいうものとする。
・一つのブロックとは、一つ以上のＬＥＤ素子（の）列を総称するものとする。

上記ＬＥＤ素子の作動を制御する信号電流としてパルス電流を使用するために、上記パルス電流を発生するパルス電流発生手段と、上記パルス電流発生手段によって発生したパルス電流によってＬＥＤ素子の作動を制御するために、パルス電流のデューティー比によって決まる許容順電流を許容時間通電する、パルス電流の周期を単位として信号電流のスイッチングを行う信号電流振り分け手段と、上記信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が有る時間だけオンになり、振り分け個数に応じたデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子に通電する上記スイッチングのための回路と、信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が無い時間だけオンになり、ＬＥＤ素子が破損しない定格順電流をＬＥＤ素子に通電する上記スイッチングのための回路を具備してお
り、デューティー比に対応する許容順電流と定格順電流を上記スイッチングによって決まる許容時間ごとに、周期的に流すことによってＬＥＤ素子を駆動することと、定格順電流と許容順電流に対応する電圧の差を作り出すことをＬＥＤ素子で行うものとするという構成を具備する。

本発明の装置は、ＬＥＤ素子にかかる、定格順電流と許容順電流にそれぞれ対応する順電圧の差を作り出すために、定格順電流が流れる側のＬＥＤ素子列に、順電圧の差の分のＬＥＤ素子を具備する。上記において、「信号電流が有る」とはパルスが「ハイ」のと
き、「信号電流が無い」とはパルスが「ロー」のときを意味する。

上記の構成におけるパルス電流発生手段は、任意の周波数のパルス電流を発生するための手段であり、本発明においては、後述する各種の手段、構成を適用することができる。信号電流振り分け手段は、上記パルス電流発生手段によって発生したパルス電流を信号電流とするスイッチングを作動制御するために、パルス電流の周期を単位として信号電流のスイッチングを行う手段として設けられている。

本発明に係る電源装置は、信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が有る時間だけオンになり、振り分け個数に応じた許容順電流をＬＥＤ素子列に通電する上記スイッチングのための素子と、信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が無い時間だけオンになり、定格順電流を流す上記スイッチングのための素子を具備している。さらに本発明の装置では、ＬＥＤ素子列にかかる、定格順電流と許容順電流に、それぞれ対応する順電圧の差を作り出す目的で、定格順電流が流れる側のＬＥＤ素子列に、順電圧の差の分のＬＥＤ素子を接続している。従って本発明に係る電源装置は、デューティー比対応の許容順電流と定格順電流を周期的に許容時間通電することによってＬＥＤ素子を駆動する。このためＬＥＤ素子に掛かる負担増は無視できる程度とすることができ、全く同じＬＥＤ素子を使用しても効率低下をほとんど来たすことなく光度増大を図ることができる。

上記パルス電流発生手段は、信号電流を発生するクロック発生回路と、信号電流がある時間だけオンになる回路及び信号電流が無い時間だけオンになるように、反転回路を接続した回路から成るクロック信号振り分け回路とによって構成される。例えば、パルス電流発生手段は、クロック信号を発生するクロック発生回路と、クロック発生回路で発生させたクロック信号をパルス電流の１周期ずつ順次出力させるクロック信号振り分け回路と、定格順電流を通電する上記スイッチング素子のためのクロック信号を反転させる回路によって構成することができる。この構成によれば、現在入手し得るＬＥＤ素子を使用して、任意かつ好適な条件での光度増大が可能となる。

また、パルス電流発生手段は、クロック信号を発生するクロック発生回路と、クロック発生回路で発生させたクロック信号をパルス電流の１周期を２分割するとともに、２分の１周期ずらせて出力させる反転回路によって構成することができる。この構成によれば上記構成におけるクロック信号振り分け回路に対して、より簡素な構成によって目的を達成することができる。

また、パルス電流発生手段は、クロック信号を発生するクロック発生回路と、クロック発生回路で発生させたクロック信号のパルスの山の部分によってオンになる電子スイッチによって構成することができる。この構成は本発明に係る電源装置として最も簡素な形態で目的を達するものである。

また、パルス電流発生手段は、交流電源と、上記交流電源の電圧の周期を検出して信号とするような、外部の脈流電流の周期によって電子スイッチを制御する信号作成手段とによって構成しても良い。この場合、パルス電流発生手段は、交流電源と、交流電源の電流を半波整流し、上記半波整流された信号電流の電圧によって電子スイッチを制御する信号作成手段によって構成することも可能である。交流電流を半波整流して得られた信号電流からダイレクトにスイッチングを行い、スイッチング素子としてのトランジスタを信号電流振り分け手段としても利用する例であり、パルス電流発生簡素化できる例でもあるといえる。

本発明は以上のように構成されかつ作用して、許容順電流と定格順電流をスイッチングによって決まる許容時間ごとに周期的に通電するものであるから、ＬＥＤ素子の破損を招いたり、電力が電流制限抵抗等によって無駄に消費されたりすることもなく、安全かつ確実に光度の増大を見込むことができるという効果を奏する。また、本発明によれば上記の駆動方法で発生する定格順電流と許容順電流に、それぞれ対応する順電圧の差をなくすために接続される電流制限抵抗等によって、無駄に電力が消費されることがないＬＥＤ素子駆動用電源装置を提供することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、多数のＬＥＤ素子を直列接続して使用する際の、定格順電流が流れているＬＥＤ素子列と、許容順電流が流れているＬＥＤ素子列との電圧差の問題を、二つの電源を用意するような不利を招くことなく解決することができ、かつ、上記の電圧差を利用してＬＥＤ素子を発光させることで、無駄な電力損失とコストを極力抑え、効率良く、より安価に、光度増大が可能なＬＥＤ素子の駆動方法及び駆動用電源装置を提供することができる。

以下図示の実施形態を参照し、本発明に係るＬＥＤ素子駆動用電源装置について、より具体的に説明する。図１は、本発明に係る電源装置の例１を概念的に示すもので、信号電流であるパルスを発生するパルス電流発生手段としてクロック発生回路１１を具備し、クロック発生回路１１でクロック信号（ＣＬＫ１）を発生させ、そのクロック信号（ＣＬＫ１）を信号電流振り分け手段としてのクロック信号振り分け回路１２によりｎ個（ｎ＝は整数）に振り分け、パルス電流の１周期ずつをＱ１、Ｑ２…Ｑｎの信号の１個ずつに順次出力させるという構成を有している。クロック信号（ＣＬＫ１）は、発生時には電圧の山と谷で１周期であるが（図２のＩＣ１ＣＬＫ参照）、例１においてクロック信号振り分け回路１２より出力される信号Ｑについては、その１周期にかかる時間を全て電圧の山とする（図２のＩＣ２Ｑ１参照）。

上記クロック信号（ＣＬＫ１）の振り分け個数Ｑｎは１以上の任意の整数とする。図１におけるクロック信号（ＣＬＫ１）の振り分け個数Ｑｎが１０である場合のタイミングチャートを図２に示す。また、単位時間当たりの通電時間の比率（デューティー比）における許容順電流値の例は図７に示している。図２では、図１における各ポートの個数でもある信号電流の振り分け個数Ｑｎを１０個に設定しているが、その理由は、多くのＬＥＤ素子の場合、ＬＥＤ素子の破損を招くことなく最大電流を流せる最長の単位時間が、１単位時間を１秒として１０分の１秒（即ち、１０分の１単位時間）であるからである。故に、単に時間を１０分の１秒よりも短い時間で設計しても流せる最大電流は殆ど変化なく、ＬＥＤ素子や付随する部品点数が増えるだけであるから、選択肢とする必要性は低い。これに対し、使用するＬＥＤ素子１３の特性を考慮して、クロック信号の振り分け個数Ｑｎを１０以下の任意の整数に決定することは可能であり、ＬＥＤ素子１３の特性に適合した使用法であるから意義のあることである。

クロック信号振り分け回路１２によって信号線はｎ個に振り分けられ、クロック反転信号を出力するクロック信号反転回路１４と、振り分け個数に応じたデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子１３の列に通電する作動を制御するための素子１５、そしてＬＥＤ素子１３が破損しない定格順電流を通電する作動を制御するための素子１６に、それぞれ接続されている。図示の例において、許容順電流のための各スイッチング素子１５は、電子スイッチ（Ｔｒ１−１〜Ｔｒｎ−１）１７−１〜１７−ｎとしてのトランジスタである。クロック信号振り分け回路１２からの信号線はそれぞれのベースに接続されており、それぞれのコレクタにはＬＥＤ素子列からのカソードが接続され、それぞれのエミッタは接地されている。

また、定格順電流をＬＥＤ素子１３の列に通電するスイッチングのための素子１６は、電子スイッチ（Ｔｒ１−２〜Ｔｒｎ−２）１８−１〜１８−ｎとしてのトランジスタである。スイッチング素子１６では、クロック信号反転回路１４からの信号線がそれぞれのベースに接続されている。また、それぞれのコレクタにはＬＥＤ素子１３の列からのカソードが接続され、それぞれのエミッタには、順電圧の差を作り出すためのＬＥＤ素子１９−１、１９−ｎが接続されている。なお、図１に示すように一つのブロックは一つ以上のＬＥＤ素子１３（の）列から成っており、これは例えば第１回路１０−１のように記載される。

本発明の装置を実施する場合、クロック発生回路１１として集積回路ＩＣ１（５５５）を使用し、クロック信号振り分け回路１２として集積回路ＩＣ２（７４ＨＣ４０１７）を使用し、また、クロック信号反転回路１４として集積回路ＩＣ３（７４ＨＣＵ０４）を使用して構成することができる。上記は単なる例示であり、各集積回路と同等の回路を使用しても良いことは勿論である。上記同等の回路には、同効の集積回路のほかディスクリートで組まれた非集積回路も含まれる。なお、回路には電流、電圧の微調整のために必要に応じて抵抗器が配置される。

ここで、本発明に係る電源装置の例１によりその作用を説明する。例１の電源装置は、信号電流振り分け回路１２によって振り分けられた信号電流が有る時間だけオンになり、振り分け個数に応じたデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子１３の列に通電する上記スイッチングのための手段を有する第１回路１０−１ないし信号電流振り分け回路１２によって振り分けられた信号電流が無い時間だけオンになり、ＬＥＤ素子１３が破損しない定格順電流を通電する上記スイッチングのための手段を有する第ｎ回路１０−ｎを備えているので、上記デューティー比に対応する許容順電流と定格順電流を上記スイッチングによって決まる許容時間ごとに周期的に通電することによってＬＥＤ素子１３を駆動することができる。また、ＬＥＤ素子列のカソードには、定格順電流を通電するタイミングの時に発光させるＬＥＤ素子１９−１、１９−ｎが接続されている。即ち、図２のＬＥＤ１〜ＬＥＤ１０は信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流によって発光し、次の信号電流によってＬＥＤ２が発光し、そのようにしてＬＥＤ１０まで順次発光していく状態を示している。従って、ＬＥＤ１からＬＥＤ１０までがデューティー比対応の許容順電流で発光しているかのように見えるので、ＬＥＤ素子１３の破損を招くことなく光度の増大を見込むことができる。しかも、ＬＥＤ素子１９−１、１９−ｎが、許容順電流と定格順電流を通電するときに発生する順電圧の差を発光することで消費するので、電力が電流制限抵抗等によって無駄に消費されることがない。

次に、図３を参照し、本発明に係る電源装置の例２を説明する。例２は信号電流の振り分け個数Ｑｎが２個の場合に関するもので、信号電流であるパルスを発生するパルス電流発生手段としてクロック発生回路２１を具備し、クロック発生回路２１で発生させたクロック信号（ＣＬＫ１）を、パルス電流の１周期を２分割するとともに、２分の１周期ずつずらせて出力させるクロック信号反転回路２４によって構成する。このため、例２ではクロック発生回路２１と、クロック発生回路２１で発生させたクロック信号をパルス電流の１周期を２分割するとともに、２分の１周期ずらせて出力させる反転回路２４によって信号電流振り分け手段を構成するので、例１におけるクロック信号振り分け回路１２そのものは不要となる。

例２ではクロック信号は２分割される。第１回路２０−１、第２回路２０−２は振り分け個数に応じたデューティー比対応の許容順電流を通電する電子スイッチ１７−１、１７−２としてのトランジスタから成るスイッチング素子１５と、定格順電流を通電する電子スイッチ１８−１、１８−ｎとしてのトランジスタから成るスイッチング素子１６を有している。よって、２分割された上記クロック信号は、スイッチング素子１５、１６にそれぞれのベースに接続した信号線を通じて送信される。スイッチング素子１５、１６等に関する構成については、例１のものと同様で良いので夫々符号を援用し、詳細な説明を省略する。

例２において、電源Ｖ＋から供給された電流は、第１回路２０−１、第２回路２０−２のＬＥＤ素子１３の列によって消費される。上記各列にはスイッチング素子１５、１６が接続されており、この回路には必要に応じて電流微調整用の抵抗Ｒ１、Ｒ２がスイッチング素子１５のコレクタに挿入され、そのエミッタは接地されていて許容順電流が流れる。スイッチング素子１６からは、順電圧差を発生させるためのＬＥＤ素子ｘ２９で定格順電流が消費されてから、電流微調整用の抵抗Ｒｘを経て接地される。上記のように、例２の電源装置ではクロック発生回路２１で発生させたクロック信号（ＣＬＫ１）を、パルス電流の１周期を２分割し、２分の１周期ずつずらせて出力させるクロック信号反転回路２４によって信号電流振り分け手段を構成するので、例１におけるクロック信号振り分け回路そのものが無くても、パルス電流発生手段によって発生したパルス電流を信号電流とするスイッチングを作動制御することが可能であり、それによってデューティー比に対応する許容順電流と定格順電流を上記スイッチングによって決まる許容時間ごとに、交互に、周期的に通電することによってＬＥＤ素子を駆動することができる。

上記の例１及び例２で示した実施形態は、本発明の電源装置における基本的実施形態というべきものであり、これらに関して様々な形態変化を取ることができるので、変形例を図４以下により説明する。例３も例２と同様に、例１における信号電流の振り分け個数Ｑｎが２個の場合に関するもので、信号電流であるパルスを発生するパルス電流発生手段としてクロック発生回路３１を具備し、クロック発生回路３１で発生させたクロック信号（ＣＬＫ１）を、パルス電流の１周期を２分割するとともに、２分の１周期ずつずらせて出力させるクロック信号反転回路３４によって構成する。例３は、例２において定格順電流を通電するスイッチング素子１６として示されたスイッチングトランジスタ（Ｔｒ１−２）をダイオード（Ｄ１）３８−１に置き換えた点で例２と相違している。

これは一見、定格電流を常時供給する回路のように見えるが、そうではない。第１回路３０−１におけるＬＥＤ素子１３の列のカソード部分の電圧は、スイッチング素子（Ｔｒ１−１）１５がオンのときは０Ｖに近く、ＬＥＤ素子ｘ３９が必要とする電圧より低いので、ＬＥＤ素子ｘ３９に電流は流れず、このとき、第２回路３０−２ではスイッチング素子（Ｔｒ２−１）１６がオフなので、必然的にＬＥＤ素子ｘ３９の必要とする電圧が得られ、ダイオード（Ｄ２）３８−２を経て電流が流れる。仮に、ダイオード（Ｄ１）３８−１、（Ｄ２）３８−２が無いとすれば、第１回路３０−１と第２回路３０−２のそれぞれのスイッチング素子（Ｔｒ１−１）１７−１、（Ｔｒ２−１）１７−２がオンになったときに、ＬＥＤ素子ｘ３９のアノード部分の電圧が０Ｖに近くなって、ＬＥＤ素子ｘ３９には電流が流れなくなるのである。故に、例３におけるダイオードＤ１、Ｄ２は、事実上、電圧差の干渉を阻止するために働き、ＬＥＤ素子１３の列とＬＥＤ素子ｘ３９への電流制御はスイッチング素子（Ｔｒ１−１）１７−１とスイッチング素子（Ｔｒ２−１）１７−２をクロック信号に応じて制御する回路と同様になる。なお、例３として示した変形回路についても、その範囲内において、等価な素子を任意に選択することができる。

図５は本発明に係る例３の電源装置と同じ基本的構成を有し、それをさらに具体的に示したもので、これを例４として示す。従って、例４の電源装置は信号電流の振り分け個数Ｑｎが２個であり、第１回路３０−１、第２回路３０−２の各ＬＥＤ素子１３の列の光度を交互に増大させる構成である。クロック信号を発生するクロック発生回路３１には集積回路ＩＣ（５５５）を中心とする回路を使用し、クロック信号反転回路３４にはＮＰＮトランジスタ（２ＳＣ１８１５）を使用している。振り分け個数に応じたデューティー比に対応した許容順電流を流す電子スイッチ（Ｔｒ１−１、Ｔｒ２−１）１５、１５にも、ＮＰＮトランジスタ（２ＳＣ１８１５）を使用し、第１回路３０−１と第２回路３０−２の干渉を防ぎ、順電圧差を発生させるＬＥＤ素子ｘ３９に定格順電流を通電する目的のダイオードには１Ｓ４（Ｄ１）（Ｄ２）を使用している。順電圧の差を微調整するための抵抗（Ｒ１）、（Ｒ２）として２２Ωが電子スイッチ（Ｔｒ１−１、Ｔｒ２−１）１５、１５の前に接続されている。クロック発生回路（ＩＣ１）３１から出力された信号電圧又はベース電圧が高すぎる場合に、電子スイッチが制御できる程度の過不足ない電圧、電流にするために、抵抗Ｒ３からＲ５が設けられている。

例４の場合、クロック周期はクロック発生回路１１のＩＣ１（５５５）に接続された抵抗Ｒ７（４．７ＫΩ）と抵抗Ｒ８（４７０ＫΩ）、キャパシタＣ１（０．００２２μＦ）の組合せによって決まり、この例では約６８０Ｈｚの信号が３番ピンより出力される。信号電流は２つに振り分けられ、同じパルスがそれぞれトランジスタから成る電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１、クロック信号反転回路（Ｔｒ２−３）３４に流れる。上記電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１、（Ｔｒ２−３）３４はパルスがハイ（高）の間中はオンになり、コレクタからエミッタへ通電する。電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１がオンになると、電源（Ｖ＋２２Ｖ）から電力が供給され、電流は第１回路のＬＥＤ素子１３の列を流れてそれらが発光し、微調整用抵抗Ｒ１と電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１を経て接地する。この時、電子スイッチ（Ｔｒ２−３）３４もオンであるから、コレクタ部の電位は低く、電子スイッチ（Ｔｒ２−１）１７−２（１５）にはベース電流が供給されずオフである。また、電子スイッチ（Ｔｒ２−３）３４が信号反転回路として機能するので、第２回路３０−２では、同じく電源（Ｖ＋２２Ｖ）から電力が供給され、電流は第２回路３０−２のＬＥＤ素子１３の列を流れて発光し、ダイオード（Ｄ２）を経て、ＬＥＤ素子ｘ３９を発光させ接地する。

図５において、第１回路３０−１はＬＥＤ素子列６個と微調整用抵抗（Ｒ１、２２Ω）と電子スイッチ（Ｔｒ１−１）との直列接続回路であり、電源は２２Ｖであるから、微調整用抵抗（Ｒ１）約０．９Ｖと電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１の約０．１Ｖを引いて計算すると、ＬＥＤ素子１３一つ当たりの順電圧は約３．５Ｖである。故に図９より、対応する電流値を求めると、約４０ｍＡ流れることになる。第２回路３０−２は、同様にＬＥＤ素子列６個とダイオード（Ｄ２）３８−２とＬＥＤ素子ｘ３９との直列接続回路であり、電源は同じく２２Ｖであるから、ダイオード（Ｄ２）３８の０．３Ｖを引いて求めると、ＬＥＤ素子３１、ＬＥＤ素子ｘ３９一つ当たりの順電圧は約３．１Ｖである。図９より、対応する電流値を求めると、約２０ｍＡ流れることになる。

信号電流が無い（ロー：低）の時は、電子スイッチ（Ｔｒ１−１）１７−１、（Ｔｒ２−３）３４はオフになり、コレクタからエミッタへは遮断される。電子スイッチ（Ｔｒ２−３）３４がオフになると、コレクタ部の電位が高くなり、電子スイッチ（Ｔｒ２−１）１７−２はベース電流が供給されるのでオンになり、電源（Ｖ＋２２Ｖ）から電力が供給され、電流は第２回路のＬＥＤ素子列を流れて発光し、微調整用抵抗（Ｒ２）と電子スイッチ（Ｔｒ２−１）１７−２を経て接地する。この時、第１回路３０−１では、同じく電源（Ｖ＋２２Ｖ）から電力が供給され、第１回路３０−１のＬＥＤ素子１３の列を流れて発光し、ダイオード（Ｄ１）を経て、ＬＥＤ素子ｘ３９を発光させ接地する。即ち、第１回路と第２回路のそれぞれが、逆のクロックタイミングで動作することになる。

上記例４では、第１回路３０−１と第２回路３０−２の１列のＬＥＤ素子につき、１単位時間に対して１／２単位時間のみデューティー比対応の許容順電流約４０ｍＡが流れ、残りの１／２単位時間は定格電流約２０ｍＡが流れるようになっている。この動作が第１回路３０−１と第２回路３０−２のそれぞれの列のＬＥＤ素子１３で、１／２単位時間ずつずれて実施されるので、例４における動作タイミングのイメージをチャートで示すと、図６の如くである。例４におけるＬＥＤ素子２１の光度は、定格電流を１とした場合、定格電流の２倍時は約２倍程度となるので、例１の回路の場合には、第１回路３０−１と第２回路３０−２のＬＥＤ素子列をそれぞれ１個の光源とすれば、約５０％の光度向上となることがわかる（図７、図８参照）。ここで、例４におけるＬＥＤ素子１列に流れる電流量は以下のようにして算出される（図９参照）。即ち、検算方式によれば、
定格電流時：０≒２２Ｖ供給−Ｄ降下分０．３Ｖ−（ＬＥＤ３．１Ｖ(約２０ｍＡ時の順電圧)×７個）、
電流増大時：０≒２２Ｖ供給−Ｔｒ降下分０．１Ｖ−（ＬＥＤ３．５Ｖ(約４０ｍＡ時の順電圧)×６個）−（Ｒ降下分約４０ｍＡ×２２Ω）、
となる。

図５の例４におけるクロック周期は６８０Ｈｚの信号が３番ピンより出力される、と先に記載したが、この数値に特別の意味があるというものではない。既存のＬＥＤ素子でのパルス電流特性では、１単位時間を１秒として、概ねその１／１０単位時間を、最大電流を流せる時間としているので、信号電流の振り分け個数Ｑｎが１０個の場合は、最低でも１０Ｈｚより高い周期でなければならない。また、ＩＣ２（７４ＨＣ４０１７又はこれと同等品）をクロック信号振り分け回路１２として使用する場合は、最初の１周期のみ、Ｑ１に２周期分の時間の長さで信号を出力してしまう特性であるものが多いので、その場合にＬＥＤ素子の破損を避けるためにも、２０Ｈｚより高い周期が望まれる。更に高い周期を選択する場合は、使用するＬＥＤ素子の発熱と放熱との兼ね合いで決定するのが望ましい。クロック周期が高くなれば、その分、大きな電流が流れている時間と発熱している時間も短くなるが、放熱し切らないうちに次の周期が来てしまい、熱によってＬＥＤ素子を破損する可能性が出てくるからである。図３、図５の例においては、１／２単位時間なので、デューティー比５０％となり、最低１Ｈｚのパルスクロックである。しかしながら、信号電流の振り分け個数Ｑｎの個数に関わらず、あまり周期が遅いと、ちらつき（フリッカー）現象が起こるので、早すぎず遅すぎない周期が必要である。クロック発生回路１１として、例３、例４では集積回路ＩＣ１を用いたが、それに代えてトランジスタ２石程度のフリップフロップ回路等を用いて、シーソー状になる２つの出力をクロック信号とクロック反転信号として用いることも可能である。

ＬＥＤ素子１３の列を複数個直列（ないし並列）に接続すること、耐電圧、耐電流のための電子スイッチとして、トランジスタ（Ｔｒ：２ＳＣ１８１５）の代わりとなるＦＥＴ等４５をスイッチング素子として使用することは、例えば、本発明の例２に基づいて、任意に選択することができる事項である（図１０）。ＦＥＴも、この場合電子スイッチと呼んで支障はない。微調整用抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒｎ、Ｒｘは、用途や電圧差等の状況に合わせ、低電圧２Ｖ程度で駆動する、赤や黄色のＬＥＤ素子（ＬＥＤＲ、ＬＥＤｎＲ、ＬＥＤｘＲ）に置き換えることもできる（図１１）。この場合は、使用できる電圧が低いので、黄色ＬＥＤ素子等を用い、色温度を下げて電球色照明を演出する目的等に応用することも可能である。電子スイッチやＬＥＤ素子ｘを電源供給側に接続するハイサイドと呼ばれる接続方法も、本発明の効果を得られる（図１２）。いずれも変形回路の範囲内のことであり、本発明を実際に適用する段階において任意に選択することができる事項である。

図１３に示す回路は、第１回路３０−１と第２回路３０−２とから成るもので、本発明の例３に基づいており、電子スイッチ（Ｔｒ１−１、Ｔｒ２−１）４７−１（１５）、４７−２（１５）を制御する信号作成手段として、これらの電子スイッチ（Ｔｒ１−１、Ｔｒ２−１）がフリップフロップマルチバイブレータ回路として自己発振することで動作する例８である。第１回路３０−１はＬＥＤ素子１３の列と微調整用抵抗（Ｒ１）と電子スイッチ（Ｔｒ１−１）との直列接続回路であり、第２回路３０−２は、同様にＬＥＤ素子１３の列とダイオード（Ｄ２）３８−２と電子スイッチ（Ｔｒ２−１）及びＬＥＤ素子ｘ４９との直列接続回路である。上記マルチバイブレータ回路は、トランジスタ（Ｔｒ１−１、Ｔｒ２−１）４７−１（１５）、４７−２（１５）のベースに接続されたキャパシタの充放電によって、双方が交互にオンオフを繰り返す。なお、ダイオード（Ｄ１）３８−１、（Ｄ２）３８−２は定格順電流のための例３と同様のスイッチング素子としてのダイオードを示す。

図１４に示す回路は、信号電流の振り分け個数Ｑｎが最小限度である１個の場合に関する例９を示している。本例も、図３の例２におけるクロック発生回路２１、クロック信号反転回路と、スイッチングを行う電子スイッチ、それに接続されるＬＥＤ素子列と同様の構成を有している。そして、図３の例２においては、スイッチング回路、ＬＥＤ素子列は２ブロックあり（Ｑが２）、交互に許容順電流時と定格順電流時を繰り返すことにより、チラつきの原因になるフリッカーを極力除去したのであるが、図１４の例においては、そのブロック数が１（Ｑが１）である。よって、動作時にＬＥＤ素子の発光は、光度の強弱を伴うものとなる（図１５参照）。しかし、クロック信号の周波数として、例えば７００Ｈｚ程度に十分に高いものであれば、チラつきも目立つほどではない。よって、図１４の装置は本発明を最も簡素に実現するものとして、光度の揺らぎを許容できる範囲において有効である。

本発明のＬＥＤ素子駆動用電源装置の実施形態について、以上例１ないし例９を示して説明して来たが、これらの例は、全て、任意の個数配置したＬＥＤ素子の列から成る少なくとも一つのブロックを有し、当該ブロックのＬＥＤ素子の作動を制御する信号電流を複数個に分割し、複数個の内の一つの信号電流によって、デューティー比対応の許容順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、複数個の内の他の信号電流によって、ＬＥＤ素子が破損しない定格順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、上記二種類の通電を周期的に行なう
ことによってＬＥＤ素子を駆動するものとし、かつ、上記ＬＥＤ素子により定格順電流と許容順電流に対応する電圧の差を作り出すことを特徴とするＬＥＤ素子の駆動方法に属する。即ち、当該駆動方法の発明においてはＬＥＤ素子の列から成るブロックがただ１個の場合（Ｑが１）を含むが、その実施形態は上記の図１４の例９に記載した装置に示されている。この装置の場合、ただ１個のブロックを切り替えて信号電流をオンとオフ交互に流すことで、定格順電流とデューティー比対応の許容順電流をＬＥＤ素子にそれぞれ許容時間通電することを可能にしている。ＬＥＤブロックが２ブロックから成る例は（Ｑが２）図３の例２ないし図１３の例８に記載した装置に示されており、これらの装置の場合、２個のブロックを切り替えて２個の信号電流を交互に流すことで、定格順電流とデューティー比対応の許容順電流をＬＥＤ素子にそれぞれ許容時間通電することを可能にしている。そして、例１ではクロック発生回路１１でクロック信号（ＣＬＫ）を発生させ、そのクロック信号（ＣＬＫ）を信号電流振り分け手段としてのクロック信号振り分け回路１２によりｎ個（ｎ＝は整数）に振り分け、パルス電流の１周期ずつをＱ１・Ｑ２…Ｑｎの信号の１個ずつに順次出力させるという構成を取るものであり、最も実施上の自由度高いものということができる。ＬＥＤ素子を用いた照明で、光度を増大させるためにはＬＥＤ素子数を増やすのがこれまでの常套手段であった。そのため従来は、小型化に伴うスペースの関係等で、素子数を増やせないという問題に立ち至らざるを得なかった訳である。しかしながら、本発明によれば上記の如く、同じＬＥＤ素子を用いて、消費電力効率が良く、かつ同じスペースで光度を増加させることが可能であるから、実用上非常に有効である。

本発明に係るＬＥＤ素子駆動用電源装置の例１を示すブロック図である。 図１における動作タイミングのチャート図である。 同じく本発明に係る電源装置の例２を示すブロック図である。 同じく図１、図３における電子スイッチをダイオードに置き換えた回路を示す例３のブロック図である。 同じく例２におけるクロック発生回路と、クロック２分割のＬＥＤ駆動回路を実際に組み立てる場合に関する例４を示す回路図である。 図３の例２、図５の例４における動作タイミングのチャート図である。 同じく本発明に係るＬＥＤ素子における単位時間に対する比率(デューティー比)における許容順電流値の例を示すグラフである。 同じく本発明に係るＬＥＤ素子における許容順電流に対する相対光度の関係を示すグラフである。 順電流と順電圧の相関関係を示すグラフである。 同じく例４の電子スイッチをＦＥＴに置換した例５を示すブロック図である。 同じく例４の電流制限抵抗を低電圧で駆動するＬＥＤ素子に置換した例６を示すブロック図である。 同じく例４をハイサイド制御に置き換えた例７を示すブロック図である。 同じくパルス発生手段を電子スイッチが自己発振することで、スイッチングする回路の例８を示すブロック図である。 本発明に係る電源装置の例９を示すブロック図である。 図１４における動作タイミングのチャート図である。

１０−１、２０−１、３０−１ 第１回路
１０−ｎ、２０−２、３０−２ 第ｎ回路及び第２回路（ｎ＝２）
１１、２１、３１ クロック発生回路
１２ クロック信号振り分け回路
１３ ＬＥＤ素子
１４ クロック信号反転回路
１５ 許容順電流のためのスイッチング素子
１６ 定格順電流のためのスイッチング素子
１７−１〜１７−ｎ、１８−１〜１８−ｎ トランジスタ
１９、２９、３９ ＬＥＤ素子ｘ
３８−１、３８−２ スイッチング素子としてのダイオード
４５ スイッチング素子としてのＦＥＴ
４７−１、４７−２ 電子スイッチ

Claims (5)

1. 任意の個数配置したＬＥＤ素子の列から成る少なくとも一つのブロックを有し、当該ブロックのＬＥＤ素子の作動を制御する信号電流を複数個に分割し、複数個の内の一つの信号電流によって、ＬＥＤ素子の破損を招くことなく光度の増大を見込むために、ＬＥＤ素子に通電する電流のオンとオフの時間比であるデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、複数個の内の他の信号電流によって、ＬＥＤ素子が破損しない定格順電流をＬＥＤ素子に許容時間通電し、上記二種類の通電を周期的に行なうことによってＬＥＤ素子を駆動するものとし、かつ、上記ＬＥＤ素子により定格順電流と許容順電流に対応する電圧の差を作り出すことを特徴とするＬＥＤ素子の駆動方法。
2. ＬＥＤ素子の作動を制御する信号電流としてパルス電流を使用するために、上記パルス電流を発生するパルス電流発生手段と、
   上記パルス電流発生手段によって発生したパルス電流によってＬＥＤ素子の作動を制御するために、パルス電流のデューティー比によって決まる許容順電流を許容時間通電する、パルス電流の周期を単位として信号電流のスイッチングを行う信号電流振り分け手段と、
   上記信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が有る時間だけオンになり、振り分け個数に応じたデューティー比に対応する許容順電流をＬＥＤ素子に通電する上記スイッチングのための回路と、
   信号電流振り分け手段によって振り分けられた信号電流が無い時間だけオンになり、ＬＥＤ素子が破損しない定格順電流をＬＥＤ素子に通電する上記スイッチングのための回路を具備しており、
   デューティー比に対応する許容順電流と定格順電流を上記スイッチングによって決まる許容時間ごとに、周期的に流すことによってＬＥＤ素子を駆動することと、定格順電流と許容順電流に対応する電圧の差を作り出すことをＬＥＤ素子で行うことを特徴とするＬＥＤ素子駆動用電源装置。
3. パルス電流発生手段は、信号電流を発生するクロック発生回路と、信号電流がある時間だけオンになる回路及び信号電流が無い時間だけオンになるように、反転回路を接続した回路から成るクロック信号振り分け回路とによって構成されている請求項２記載のＬＥＤ素子駆動用電源装置。
4. パルス電流発生手段は、交流電源と、上記交流電源の電圧の周期を検出して信号とするような、外部の脈流電流の周期によって電子スイッチを制御する信号作成手段とによって構成されている請求項２記載のＬＥＤ素子駆動用電源装置。
5. 上記スイッチングのための素子が、自己発振することで、スイッチングを行う請求項２記載のＬＥＤ素子駆動用電源装置。

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