JP5678903B2 - Led駆動回路 - Google Patents
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Description
LEDを用いた照明器具で十分な光量を得るには、複数個のLEDを直列接続したLEDストリングを複数個並列接続する手法がとられるが、1個の定電流電源から全てのLEDストリングに電流を供給する場合には、各LEDストリングに均等な電流が流れることを保証できない。
そこで、LEDストリング毎に定電流電源を個別に設ける構成が考えられるが、定電流電源を複数個用意するとなるとコストが増大することになる。
また、特許文献1には、各LEDストリングに抵抗素子を直列接続し、各抵抗素子の抵抗値を調節することにより、1個の定電流電源から各ストリングに流れる駆動電流を均等化する技術が開示されている。
電流フィードバック抵抗は、駆動トランジスタのエミッタ抵抗に一端が接続され、他端が定電流電源に接続されている。
定電流制御回路は、電流フィードバック抵抗に発生する電圧から、各LEDストリング(直列回路部)に流れる駆動電流の総和に相当する総和電流を検知し、この総和電流が略一定の定電流となるように、定電流電源を制御する。
尚、特許文献1には、定電流電源の出力電圧に係る動作点について一切記載されていない。
第1の局面は、
出力電流が一定電流値になるような出力電圧を出力する1個の定電流電源と、
1個または直列接続された複数個のLEDから成り、前記定電流電源に対して並列接続された複数個のLEDストリングと、
前記定電流電源の出力電流を分割し、その分割した出力電流を、前記複数個のLEDストリングに流れる前記LEDの駆動電流とする電流分割回路と
を備えたLED駆動回路であって、
前記電流分割回路は、前記複数個のLEDストリング毎に設けられた定電流回路がリング状に接続されて構成され、
前記定電流回路は、前記LEDストリングに直列接続されて前記駆動電流が流れる駆動トランジスタを備え、前記駆動トランジスタに流れる電流が一定電流値になるように制御することにより、前記LEDストリングの前記LEDを定電流駆動し、
前記リング状に接続された各定電流回路は、前段の定電流回路の前記駆動トランジスタに流れる電流により、後段の定電流回路の前記駆動トランジスタに流れる電流を設定するLED駆動回路。
また、第1の局面によれば、簡単な回路構成でLED駆動回路を実現可能であるため、低コスト化を図ることができる。
第2の局面は、第1の局面において、
前記起動回路は、
前記定電流電源の電源投入時に出力電圧を徐々に上昇させて一定電圧値に安定化させることにより、定電流電源の動作点である出力電圧の電圧値を設定すると共に、
前記定電流電源の出力電圧が必要最低限の電圧値になるように、前記電流分割回路の動作点である前記駆動トランジスタに流れる電流値を設定する。
第3の局面は、第1または第2の局面において、前記電流分割回路は前記定電流電源から電源が供給される。
第3の局面によれば、電流分割回路に電源を供給するための専用電源を設ける必要が無いため、低コスト化を図ることができる。
第4の局面は、第1〜3の局面において、前記駆動トランジスタの出力側端子には、その駆動トランジスタに流れる電流の設定用抵抗が接続されている。
第4の局面では、駆動トランジスタに流れる電流の設定用抵抗の抵抗値を適宜設定することにより、駆動トランジスタに流れる電流を所望の電流値にして、定電流電源の出力電流を所望の分割比で分割することができる。
第5の局面は、第2〜4の局面において、前記起動回路は、前記定電流電源の出力電圧または出力電流が変動したときに、前記定電流電源の動作点および前記電流分割回路の動作点を設定し直す。
第6の局面は、第1〜5の局面において、前記定電流回路は、前記駆動トランジスタを制御するオペアンプを備え、前記オペアンプの反転入力端子には、前記駆動トランジスタの出力側電圧が印加され、前記オペアンプの非反転入力端子には、前記前段の定電流回路の前記駆動トランジスタの出力側電圧が印加される。
第6の局面によれば、簡単な回路構成で定電流回路を実現可能であるため、低コスト化を図ることができる。
第7の局面は、第6の局面において、前記オペアンプは、前記定電流電源から電源が供給される。
第7の局面によれば、オペアンプに電源を供給するための専用電源を設ける必要が無いため、低コスト化を図ることができる。
第8の局面は、第1〜7の局面において、前記電流分割回路は、前記リング状に接続された複数個の定電流回路の発振を防止するための積分型位相補償回路を備える。
第8の局面によれば、リング状に接続された複数個の定電流回路が発振回路を構成して発振を起こすのを防止できる。
定電流電源11は市販の定電流電源ユニットであり、直流の出力電流が一定電流値になるような出力電圧Voを出力端子から出力する。
トランジスタQ4のエミッタはアースに接続され、トランジスタQ4のコレクタは抵抗R1を介して定電流電源11の出力端子に接続されている。トランジスタQ4のベースは、抵抗R2からコンデンサC1を介して定電流電源11の出力端子に接続されると共に、抵抗R2から逆方向接続されたダイオードD1を介してアースに接続されている。
すなわち、LED駆動回路10は、3〜5個のLED17を直列接続したLEDストリング13〜15を3個並列接続している。
そして、LEDストリング13〜15は、定電流電源11に対して並列接続されている。
定電流回路18aは、LEDストリング13のカソード側にコレクタが接続されたNPNトランジスタ(駆動トランジスタ)Q1と、トランジスタQ1のエミッタとアースとの間に接続された抵抗R6と、オペアンプOP1とから構成されている。
オペアンプOP1は、反転入力端子がトランジスタQ1のエミッタに接続され、出力端子が抵抗R7を介してトランジスタQ1のベースに接続され、非反転入力端子がコンデンサC2を介してアースに接続されると共に抵抗R5を介してトランジスタQ3のエミッタに接続されている。
オペアンプOP2は、反転入力端子がトランジスタQ2のエミッタに接続され、出力端子が抵抗R9を介してトランジスタQ2のベースに接続され、非反転入力端子が抵抗R3を介してトランジスタQ1のエミッタに接続されている。
オペアンプOP3は、反転入力端子がトランジスタQ3のエミッタに接続され、出力端子が抵抗R11を介してトランジスタQ3のベースに接続され、非反転入力端子が抵抗R4を介してトランジスタQ2のエミッタに接続されている。
オペアンプOP1〜OP3は、プラス側電源端子が定電流電源11の出力端子に接続され、マイナス側電源端子がアースに接続されており、定電流電源11の出力電圧Voによって単電源動作を行う。
駆動トランジスタQ1〜Q3は、定電流電源11からLEDストリング13〜14を介してコレクタ電流が供給される。
そのため、電流分割回路16は、定電流電源11から電源が供給されることになる。
[電流分割回路16の動作]
次に、電流分割回路16の動作について説明する。
定電流回路18aは、定電流電源11からLEDストリング13へ直流電源が供給されているとき、オペアンプOP1の反転入力端子に入力された駆動トランジスタQ1のエミッタ電圧(負帰還電圧)が、オペアンプOP1の非反転入力端子に入力される基準電圧(参照電圧)Vr1と同じになるように、オペアンプOP1の出力電圧(駆動トランジスタQ1のベース電圧)を制御することにより、駆動トランジスタQ1に流れる電流(LEDストリング13に流れるLED17の駆動電流)が、基準電圧Vr1を抵抗R6の抵抗値R6で除算して得られる設定電流値(Vr1/R6)と同じになるようにフィードバック制御する。
その結果、LEDストリング13のLED17は定電流回路18aによって定電流駆動され、LEDストリング13のLED17の明るさは一定に維持される。
その結果、LEDストリング14のLED17は定電流回路18bによって定電流駆動され、LEDストリング14のLED17の明るさは一定に維持される。
その結果、LEDストリング15のLED17は定電流回路18cによって定電流駆動され、LEDストリング15のLED17の明るさは一定に維持される。
また、定電流回路18bの基準電圧Vr2は、前段の定電流回路18aの駆動トランジスタQ1のエミッタ電圧であり、駆動トランジスタQ1に流れる電流(LEDストリング13の駆動電流)によって設定される。
そして、定電流回路18cの基準電圧Vr3は、前段の定電流回路18bの駆動トランジスタQ2のエミッタ電圧であり、駆動トランジスタQ2に流れる電流(LEDストリング14の駆動電流)によって設定される。
そのため、抵抗R6,R8,R10を全て同じ抵抗値(例えば、50Ω)に設定した場合には、定電流回路18a〜18cが動作を開始した後に十分な時間が経過し、電流分割回路16の動作が安定して駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流が安定状態になった時点では、基準電圧Vr1〜Vr3は同じ電圧値になり、駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流も同じ電流値になる。
その結果、電流分割回路16によれば、抵抗R6,R8,R10を全て同じ抵抗値に設定した場合、定電流電源11の出力電流を1/3に等分割した電流値の駆動電流をLEDストリング13〜15に流すことができる。
また、定電流回路18a〜18cの間に接続されている抵抗R3〜R5はそれぞれ、オペアンプOP2,OP3,OP1の非反転入力端子の入力電流を最適化するために設けられており、全て同じ抵抗値(例えば、1kΩ)に設定されている。
また、定電流回路18a〜18cにおいて、駆動トランジスタQ1〜Q3のベースに接続されている抵抗R7,R9,R11は、駆動トランジスタQ1〜Q3のベース電流を最適化するために設けられており、全て同じ抵抗値(例えば、10kΩ)に設定されている。
しかし、実際には、定電流電源11から電源が供給されるオペアンプOP1〜OP3の消費電流(例えば、2〜3mA)にバラツキがあることに加え、駆動トランジスタQ1〜Q3の電力損失にもバラツキがあるため、LEDストリング13〜15の駆動電流を厳密に均等化することは困難である。
LEDストリング13〜15の駆動電流を更に高精度に均等化するには、低消費電流のオペアンプOP1〜OP3を使用したり、駆動トランジスタQ1〜Q3として、電流駆動素子で電力損失の多いバイポーラトランジスタではなく、電力駆動素子で電力損失の少ないFET(Field Effect Transistor)を使用すればよい。
次に、起動回路12の動作について説明する。
起動回路12は、定電流電源11の電源投入時に出力電圧Voを徐々に上昇させて所定時間(例えば、10msec)の経過後に一定電圧値に安定化させることにより、定電流電源11の動作点(出力電圧Voの電圧値)を設定する。
また、起動回路12は、出力電圧Voが必要最低限の電圧値になるように、電流分割回路16の動作点(駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流値)を設定する。
そして、起動回路12は、定電流電源11の動作点および電流分割回路16の動作点が設定されると、起動回路12の起動機能を自動停止させる。
そのため、定電流電源11の出力電圧Voがたまたま高い電圧値の状態で、定電流電源11の動作点および電流分割回路16の動作点が固定すると、LEDストリング13〜15の駆動電流(駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流)が正確に均等化できていたとしても、電流分割回路16の電力損失(駆動トランジスタQ1〜Q3の電力損失)が大きくなる。
すると、LED駆動回路10の電力効率が悪化する上に、放熱が不十分であると駆動トランジスタQ1〜Q3の故障を引き起こすおそれがある。
尚、起動回路12による出力電圧Voの上昇速度は、電流分割回路16の応答速度(電流分割回路16の動作が安定して駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流が安定状態になる速度)よりも遅ければ十分であり、電流分割回路16の電流分割数(LEDストリングの個数)に依存するが、3個のLEDストリング13〜15であれば数十msec/秒程度であればよい。
そのため、LED駆動回路10の動作は、以下の順番で行われる。
[2]トランジスタQ4のコレクタ電流が減少する。ここで、定電流電源11の出力電流から、トランジスタQ4のコレクタ電流を差し引いた差分が、LEDストリング13〜15へ供給されて駆動電流となる。
[3]定電流電源11の出力電圧Voが徐々に上昇する。
[4]電流分割回路16が電流分割動作を行いながら、LEDストリング13〜15の駆動電流が徐々に増大する。
[5]トランジスタQ4のベース電流がゼロになる。
[6]起動回路12に流れる電流がゼロになり、起動回路12が自動停止する。
[7]定電流電源11の出力電流が全て、LEDストリング13〜15の駆動電流およびオペアンプOP1〜OP3の消費電流となる。
[8]電流分割回路16の動作が安定し、駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流が安定状態になり、電流分割回路16の動作点が設定される。
[9]定電流電源11の出力電圧Voが必要最低限の電圧値で安定し、定電流電源11の動作点が設定される。ここで、出力電圧Voが必要最低限の電圧値で安定すれば、駆動トランジスタQ1〜Q3の電力損失は最小になる。
つまり、3個のLED17から構成されたLEDストリング13に接続された駆動トランジスタQ1の電力損失が最も大きくなり、5個のLED17から構成されたLEDストリング15に接続された駆動トランジスタQ3の電力損失が最も小さくなる。
そのため、定電流電源11の電源投入時における出力電圧Voは、定電流電源11の出力電流と抵抗R1の抵抗値との乗算値である約7.5V(=150mA×50Ω)になる。
このように、駆動トランジスタQ3の電力損失が約8mWと小さな電力値になったため、定電流電源11の出力電圧Voが必要最低限の電圧値で、定電流電源11の動作点および電流分割回路16の動作点が設定されていることが分かった。
本実施形態のLED駆動回路10によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
定電流回路18a〜18cは、LEDストリング13〜15に直列接続されてLED17の駆動電流が流れる駆動トランジスタQ1〜Q3を備え、駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流が一定電流値になるように制御することにより、LEDストリング13〜15のLED17を定電流駆動する。
また、本実施形態によれば、簡単な回路構成でLED駆動回路10を実現可能であるため、低コスト化を図ることができる。
従って、電流分割回路16(特に、オペアンプOP1〜OP3)に電源を供給するための専用電源を設ける必要が無いため、低コスト化を図ることができる。
従って、簡単な回路構成で定電流回路18a〜18cを実現可能であるため、低コスト化を図ることができる。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
図2に示す起動回路12は、NPNトランジスタQ4〜Q8、PNPトランジスタQ9,Q10、抵抗R1,R21〜R33、コンデンサC1〜C3、ダイオードD1〜D4、ツェナーダイオードD5、オペアンプOP4から構成されている。
定電流電源11に電源を供給している元電源(図示略)の電圧変動などの外乱により、定電流電源11の出力電圧Vo(または出力電流)が短期間低下した場合に、出力電圧Vo(または出力電流)が大きく低下すると、電流分割回路16の動作点が変動し、電流分割回路16による電流分割機能が損なわれるおそれがある。
図3に示すLEDストリング13〜15では、同じ抵抗値(例えば、100MΩ)のブリーダ抵抗R40が全てのLED17に並列接続されている。
しかし、前記実施形態は、電流分割回路16による分割電流値(LEDストリング13〜15の駆動電流)を固定していないため、出力電流値を可変可能な定電流電源11を使用することもできる。
しかし、抵抗R6,R8,R10の抵抗値を適宜設定することにより、駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流を所望の電流値にして、定電流電源11の出力電流を所望の分割比で分割してもよい。
すなわち、トランジスタQ1に流れる電流:トランジスタQ2に流れる電流:トランジスタQ3に流れる電流=1/R6:1/R8:1/R10 となる。
つまり、駆動トランジスタQ1〜Q3のエミッタ(出力側端子)に接続された抵抗R6,R8,R10は、駆動トランジスタQ1〜Q3に流れる電流(LEDストリング13〜15の駆動電流)の設定用抵抗として機能する。
11…定電流電源
12…起動回路
13〜15…LEDストリング
16…電流分割回路
17…LED
18a〜18c…定電流回路
19…積分型位相補償回路(抵抗R5、コンデンサC2)
Q1〜Q3…駆動トランジスタ
OP1〜OP3…オペアンプ
R6,R8,R10…設定用抵抗
Claims (7)
- 出力電流が一定電流値になるような出力電圧を出力する1個の定電流電源と、
1個または直列接続された複数個のLEDから成り、前記定電流電源に対して並列接続された複数個のLEDストリングと、
前記定電流電源の出力電流を分割し、その分割した出力電流を、前記複数個のLEDストリングに流れる前記LEDの駆動電流とする電流分割回路と、
起動回路と
を備えたLED駆動回路であって、
前記電流分割回路は、前記複数個のLEDストリング毎に設けられた定電流回路がリング状に接続されて構成され、
前記定電流回路は、前記LEDストリングに直列接続されて前記駆動電流が流れる駆動トランジスタを備え、前記駆動トランジスタに流れる電流が一定電流値になるように制御することにより、前記LEDストリングの前記LEDを定電流駆動し、
前記リング状に接続された各定電流回路は、前段の定電流回路の前記駆動トランジスタに流れる電流により、後段の定電流回路の前記駆動トランジスタに流れる電流を設定し、
前記起動回路は、前記定電流電源の電源投入時に出力電圧を徐々に上昇させて一定電圧値に安定化させることにより、前記定電流電源の動作点である出力電圧の電圧値を設定すると共に、前記定電流電源の出力電圧が必要最低限の電圧値になるように、前記電流分割回路の動作点である前記駆動トランジスタに流れる電流値を設定するLED駆動回路。 - 前記電流分割回路は前記定電流電源から電源が供給される、請求項1に記載のLED駆動回路。
- 前記駆動トランジスタの出力側端子には、その駆動トランジスタに流れる電流の設定用抵抗が接続されている、請求項1または請求項2に記載のLED駆動回路。
- 前記起動回路は、前記定電流電源の出力電圧または出力電流が変動したときに、前記定電流電源の動作点および前記電流分割回路の動作点を設定し直す、請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
- 前記定電流回路は、前記駆動トランジスタを制御するオペアンプを備え、
前記オペアンプの反転入力端子には、前記駆動トランジスタの出力側電圧が印加され、
前記オペアンプの非反転入力端子には、前記前段の定電流回路の前記駆動トランジスタの出力側電圧が印加される、請求項1〜4のいずれか1項に記載のLED駆動回路。 - 前記オペアンプは、前記定電流電源から電源が供給される、請求項5に記載のLED駆動回路。
- 前記電流分割回路は、前記リング状に接続された複数個の定電流回路の発振を防止するための積分型位相補償回路を備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
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