JP5807280B2

JP5807280B2 - Ｌｅｄ点灯回路

Info

Publication number: JP5807280B2
Application number: JP2012203877A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎酒井
Original assignee: クロイ電機株式会社
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: JP2014060238A

Description

この発明は、ＬＥＤ素子を駆動するＬＥＤ点灯回路に関し、特に、保護回路を備えたＬＥＤ点灯回路に関する。

ＬＥＤ点灯回路は、通常、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子に定電流を流すための定電流回路とを接続して構成されている。定電流回路は、ツェナーダイオード等の定電圧素子やＬＥＤ電流の電流制限抵抗を含み前記ＬＥＤ電流を一定に制御するものである。ツェナーダイオードに代えてシャントレギュレーターを接続する場合もある。

上記、ＬＥＤ点灯回路において、何らかの原因で電流制限抵抗が短絡したり、ツェナーダイオードやシャントレギュレーターが破壊するとＬＥＤ素子に流れる電流が過大となってＬＥＤ素子が破壊してしまう問題がある。

そこで、過大電流が流れても素子が破壊しないように工夫することが考えられる。例えば、電源回路の設計の最適化を図ることで過大電流でも素子が破壊しないようにしたり、ＬＥＤ素子に大きな放熱板を取り付けて放熱設計を最適化する。しかし、これらの対策では、設計が極めて困難であり、また大型化することでデザイン上の問題があったりする。そこで、この問題を解決するために保護回路を設けることが普及している。保護回路としての典型例はヒューズを接続する方法である（例えば特許文献１）。

特開２０１１−１２９３２３号

しかしながら、ヒューズ等の保護回路を接続する回路では以下の問題がある。

ヒューズの定格は、ＬＥＤ点灯回路のＬＥＤ定格電流の２倍程度に設定するため、例えばＬＥＤ定格電流が２５０ｍＡであると定格が５００ｍＡのヒューズが接続される。したがって、定電流回路の電流制限抵抗が短絡したときの電流値が６５０ｍＡ以上となればヒューズが溶断するため保護回路として正常な動作を保証できる。

ところが、ＬＥＤ点灯回路に、ＬＥＤ駆動素子に対してパルス状のＬＥＤ制御信号（例えばＰＷＭ信号）を入力して、ＬＥＤ素子の明るさを制御する調光機能を付加する場合、電流制限抵抗が短絡したときでもＬＥＤ制御信号のＯＮ期間が短いと短絡時の電流の実効値が小さくなる。上記の例では、短絡時の電流の実行値が６５０ｍＡ以上にならない。すると、ヒューズが溶断しなくなる。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ素子の明るさに関わらず、保護回路が確実に作動するＬＥＤ点灯回路を提供することを目的とする。

この発明は、ＬＥＤ素子と、パルス状のＬＥＤ制御信号が入力されるＬＥＤ駆動制御端子を有し前記ＬＥＤ素子に対してパルス状のＬＥＤ電流を供給するＬＥＤ駆動素子と、前記ＬＥＤ電流が流れる出力素子とが電源と基準電位間に直列に接続され、さらに、前記ＬＥＤ電流の電流制限抵抗を含み前記ＬＥＤ電流を一定に制御する定電流回路を備え、前記ＬＥＤ制御信号のＤｕｔｙ比に基づいて前記ＬＥＤ電流の大きさを定電流で制御するＬＥＤ点灯回路において、保護回路を次のように構成したものである。

すなわち、前記出力素子と前記定電流回路の前記電流制限抵抗との接続点に接続される第１制御端子を有し、該第１制御端子の電圧が基準電圧以下に低下したときにオフする第１のスイッチ素子と、抵抗素子を介して前記ＬＥＤ駆動素子の基準電位側に接続される第２制御端子を有し、前記基準電位と前記出力素子の出力制御端子間に接続される第２のスイッチ素子とを備え、
前記ＬＥＤ駆動素子がＯＮのときに、前記第１のスイッチ素子がオフすると前記ＬＥＤ駆動素子を介して前記第２制御端子に電圧が印加されて該第２のスイッチ素子がオンし、これにより前記出力制御端子を基準電位に低下させて前記出力素子をオフする。

以上の構成で、ＬＥＤ点灯制御が正常に行われているときは、次のように動作する。

ＬＥＤ制御信号がＨ（ハイレベル）のときは、前記電流制限抵抗で電圧降下が生じるため、第１のスイッチ素子がオンである。このとき、第２のスイッチ素子はオフとなり、保護回路による出力素子の保護動作がない状態でＬＥＤ素子が点灯する。上記ＬＥＤ制御信号がＬ（ローレベル）になると第１、第２のスイッチ素子、出力素子はともにオフである。また、上記ＬＥＤ制御信号がＬ→Ｈになると、再び第１のスイッチ素子がオン→第２のスイッチ素子がオフとなり、ＬＥＤ素子が点灯する。なお、もし、第２のスイッチ素子の第２制御端子が電源に直接接続されていると、上記ＬＥＤ制御信号がＬのときも第２のスイッチ素子がオン状態を維持する。すると、上記ＬＥＤ制御信号がＬ→Ｈとなったときに出力素子がオンしないことになって、ＬＥＤ素子の再起動が出来なくなる。この発明では、第２のスイッチ素子の第２制御端子が抵抗素子を介して前記ＬＥＤ駆動素子の基準電位側に接続されるため、上記ＬＥＤ制御信号がＬのときに第２のスイッチ素子がオフとなるから、上記ＬＥＤ制御信号がＬ→Ｈとなったときに出力素子が正しくオンする。

一方、前記電流制限抵抗が短絡したり、ツェナーダイオード等が内部短絡すると、出力素子と電流制限抵抗との接続点が基準電位になり、ＬＥＤ電流が大きくなろうとする。このとき、第１のスイッチ素子がオフする。すると、前記ＬＥＤ駆動素子の基準電位側に接続された抵抗素子を介して、第２のスイッチ素子の第２制御端子に電圧が印加されることになって、該第２のスイッチ素子がオンする。すると、出力素子の出力制御端子が基準電位に低下して該出力素子がオフする。このようにして出力素子の保護動作が行われ、大電流による出力素子等の破壊が防止される。

ＬＥＤ制御信号のオン期間が短い時に電流制限抵抗が短絡するなどの異常状態になっても確実に保護回路が作動する。

この発明の第１の実施形態の回路図この発明の第２の実施形態の回路図

図１は、この発明の第１の実施形態のＬＥＤ点灯回路の回路図である。

この点灯回路は、点灯素子のＬＥＤと、ＬＥＤに対してＬＥＤ電流を供給するＬＥＤ駆動素子ＱＢと、ＬＥＤ電流が流れる出力素子ＱＡとをこの順に直列に接続したＬＥＤ回路１と、このＬＥＤ回路１のＬＥＤ電流を一定に制御する定電流回路２と、第１のスイッチ素子Ｑ２及び第２のスイッチ素子Ｑ１を含む保護回路とを備えている。

ＬＥＤ駆動素子ＱＢのＬＥＤ駆動制御端子にはパルス状のＬＥＤ制御信号である調光用Ｄｕｔy信号が入力する。調光用Ｄｕｔy信号のＯＮの期間とＯＦＦの期間の比率（Ｄｕｔｙ）によりＬＥＤの調光を行う。

出力素子ＱＡに接続されている定電流回路２は、出力素子ＱＡのベース端子（出力制御端子）に接続されたツェナーダイオードＺＤと、出力素子ＱＡのエミッタとグラウンド電位（基準電位）間に接続された電流制限抵抗ＲＢとで構成されている。ツェナーダイオードＺＤは出力素子ＱＡのＢ−Ｅ間電圧＋ＲＢ降下電圧を一定に保ち、出力素子ＱＡに流れるＬＥＤ電流の定電流化を図る。

第１のスイッチ素子Ｑ２は、その第１制御端子が出力素子ＱＡと電流制限抵抗ＲＢとの接続点、すなわち、出力素子ＱＡのエミッタ端子に抵抗Ｒ３を介して接続され、第２のスイッチ素子Ｑ１は、その第２制御端子が抵抗Ｒ１を介してＬＥＤ駆動素子ＱＢの基準電位側に接続され、さらに、その出力端子（コレクタ端子）は出力素子ＱＡのベース端子に接続される。

次に動作を説明する。

（１）正常時の動作
調光用Ｄｕｔｙ信号はＬＥＤの設定明るさに応じたＤｕｔｙ比で入力する。ＬＥＤは流れる電流がパルス状であってもそのパルスに応答して点滅する訳ではなく、その電流の実効値に応じた明るさで点灯するため、ＯＮの期間が長いほどＬＥＤ電流の実効値が大きくなってＬＥＤが明るくなる。

Ｄｕｔｙ信号がＯＮのときは、定電流回路２によってＬＥＤおよび出力素子を流れるＬＥＤ電流が定電流化される。すなわち、ツェナー電圧Ｖ（ＺＤ）＝Ｖ（ＲＢ）+Ｖ（ＱＡ_Ｂ−Ｅ）であるため、Ｖ（ＲＢ）が定電圧であり、したがって、ＬＥＤ電流Ｉ（ＬＥＤ）は、Ｉ（ＬＥＤ）＝Ｖ（ＲＢ）／ＲＢとなる。Ｖ（ＲＢ）のため、第１のスイッチ素子Ｑ２はオンし、第２のスイッチ素子Ｑ１はオフする。したがって、保護回路は、出力素子ＱＡの動作に影響しない。

Ｄｕｔｙ信号がＯＦＦになると、ＬＥＤに電流が供給されなくなるため、ＬＥＤはオフする。

Ｄｕｔｙ信号がＯＦＦ→ＯＮになると、再び第１のスイッチ素子Ｑ２がオンし、第２のスイッチ素子Ｑ１がオフとなり、ＬＥＤに電流が供給される。なお、もし、第２のスイッチ素子Ｑ１の第２制御端子がＬＥＤ駆動素子ＱＢの基準電位側ではなくて電源に直接接続されていると、上記Ｄｕｔｙ信号がＬのときも第２のスイッチ素子Ｑ１がオン状態を維持する。すると、上記Ｄｕｔｙ信がＯＦＦ→ＯＮとなったときに出力素子ＱＡがオンしないことになる。これに対して図１では、第２のスイッチ素子Ｑ１の第２制御端子が抵抗Ｒ１を介してＬＥＤ駆動素子ＱＢの基準電位側に接続されるため、上記Ｄｕｔｙ信号がＯＦＦのときに第２のスイッチ素子Ｑ１がオフとなるから、上記Ｄｕｔｙ信号がＯＦＦ→ＯＮとなったときに出力素子ＱＡが正しくオンする。

（２）異常時の動作
Ｄｕｔｙ信号がＯＮのときに抵抗ＲＢが短絡すると、或いは、抵抗ＲＢが短絡しているときにＤｕｔｙ信号がＯＮになると、出力素子ＱＡと電流制限抵抗ＲＢとの接続点が基準電位になり、ＬＥＤ電流が大きくなろうとする。このとき、第１のスイッチ素子Ｑ２がオフする。すると、前記ＬＥＤ駆動素子ＱＢの基準電位側に接続された抵抗Ｒ１を介して、第２のスイッチ素子Ｑ１の第２制御端子にベース電圧が印加されることになって、該第２のスイッチ素子Ｑ１がオンする。すると、出力素子ＱＡのベースエミッタ間電圧が低下してＱＡのベース電流が供給がなくなり、該出力素子ＱＡがオフする。この結果、大電流による出力素子ＱＡの破壊を防止出来る。また、ツェナーダイオードＺＤが短絡したときも同様な動作により、第２のスイッチ素子Ｑ１がオンすることで大電流による出力素子ＱＡの破壊を防止出来る。

一方、抵抗ＲＢの短絡状態が回復したときは、上記（１）の正常動作に戻る。

このようにして、異常時には、保護回路によって出力素子ＱＡが保護される。なお、保護回路の上記の動作は、Ｄｕｔｙ信号のＯＮ／ＯＦＦの比率に無関係である。このため、ヒューズを用いる場合のように、ＯＦＦの比率が大きい結果、ＬＥＤ電流最大値が大きいが実効値が小さいために保護回路が作動しなくなるといった問題は生じない。また、抵抗ＲＢが何らかの原因で一時的に短絡状態になりその後回復したときは、保護回路の動作が停止し、元の正常動作に復帰する。

図２は、この発明の第２の実施形態のＬＥＤ点灯回路の回路図である。

構成において、図１と相違する部分は、ツェナーダイオードＺＤに代えてシャントレギュレータＩＣを用いた点である。シャントレギュレータＩＣは、アノード、カソード、リファレンスの３端子を有し、アノード端子は基準電位（グラウンド電位）に、カソード端子は出力素子ＱＡのベース端子に、リファレンス端子は出力素子ＱＡと電流制限抵抗ＲＢとの接続点に接続される。

（３）正常時の動作
Ｄｕｔｙ信号がＯＮのときは、定電流回路２によってＬＥＤおよび出力素子を流れるＬＥＤ電流が定電流化される。すなわち、ＬＥＤ電流Ｉ（ＬＥＤ）が大きくなってＶ（ＲＢ）が増大しようとすると、シャントレギュレータＩＣの両端電圧Ｖ（Ａ−Ｋ）が下がるため、ＱＡのベース電流が下がり、ＬＥＤ電流Ｉ（ＬＥＤ）が抑制される。つまり、Ｖ（ＲＢ）が一定になるように定電流制御が行われる。Ｄｕｔｙ信号がＯＦＦ／ＯＮにかかわらず保護回路が動作しないのは図１の実施形態と同じである。

（４）異常時の動作
異常時での保護回路の動作は図１の実施形態と同じである。

以上の実施形態で説明したように、第１のスイッチ素子Ｑ２と第２のスイッチ素子Ｑ１から構成される保護回路を設けることにより、ＬＥＤ電流がオン・オフを繰り返すパルス状であっても、そのＤｕｔｙ比にかかわらず、保護回路は正しく動作する。また、出力素子ＱＡ、ＬＥＤ駆動素子ＱＢ、抵抗ＲＢの耐圧を必要以上に大きくする必要がない。

ＱＢ―ＬＥＤ駆動素子
ＱＡ―出力素子
ＲＢ―電流制限抵抗
Ｑ２―第１のスイッチ素子
Ｑ１―第２のスイッチ素子

Claims

ＬＥＤ素子と、パルス状のＬＥＤ制御信号が入力されるＬＥＤ駆動制御端子を有し前記ＬＥＤ素子に対してパルス状のＬＥＤ電流を供給するＬＥＤ駆動素子と、前記ＬＥＤ電流が流れる出力素子とが電源と基準電位間に直列に接続され、さらに、前記ＬＥＤ電流の電流制限抵抗を含み前記ＬＥＤ電流を一定に制御する定電流回路を備え、前記ＬＥＤ制御信号のＤｕｔｙ比に基づいて前記ＬＥＤ電流の大きさを定電流で制御するＬＥＤ点灯回路において、
前記出力素子と前記定電流回路の前記電流制限抵抗との接続点に接続される第１制御端子を有し、該第１制御端子の電圧が基準電圧以下に低下したときにオフする第１のスイッチ素子と、抵抗素子を介して前記ＬＥＤ駆動素子の基準電位側に接続される第２制御端子を有し、前記基準電位と前記出力素子の出力制御端子間に接続される第２のスイッチ素子とを備える保護回路を備え、
前記ＬＥＤ駆動素子がＯＮのときに、前記第１のスイッチ素子がオフすると前記ＬＥＤ駆動素子を介して前記第２制御端子に電圧が印加されて該第２のスイッチ素子がオンし、これにより前記出力制御端子を基準電位に低下させて前記出力素子をオフするＬＥＤ点灯回路。
前記定電流回路は、前記出力素子の出力制御端子と基準電位間に接続されるツェナーダイオードを含む請求項１記載のＬＥＤ点灯回路。
前記定電流回路は、前記出力素子の出力制御端子と基準電位間に接続されるシャントレギュレータを含む請求項１記載のＬＥＤ点灯回路。