JP7017721B2

JP7017721B2 - Ｅｌ発光回路及びその制御方法

Info

Publication number: JP7017721B2
Application number: JP2018092220A
Authority: JP
Inventors: 鍾學李; 芳雄松中
Original assignee: 鍾學李; 李法宰; 芳雄松中; 井澤奈緒
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2022-02-09
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: JP2019197701A

Description

本発明はＥＬ発光回路において、エネルギー効率を高め、電源電圧が変動しても輝度が必要な水準で維持されるようにするＥＬ発光回路とその制御方法に関するものである。

ＥＬとは、エレクトロルミネッセンス（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）の略で、ＥＬには無機発光体（「無機ＥＬ」ともいう。）と有機発光体（「有機ＥＬ」ともいう。）がある。無機ＥＬとは、硫化亜鉛等を基質として使用し、そこに銅等の単色発光する物質を添加して製作した無機化合物の蛍光体に電圧を印加して発光させる交流駆動型の発光素子で、薄型軽量で、輝度が高くない均一な面発光の為、夜間の補助灯、携帯用電子機器の表示用照明としての用途がある。

ＥＬ発光体は、等価的なコンデンサであり、そのためコンデンサの特性上直流電源には全く反応せず交流電圧を与えた時だけ発光するが、発光時点は上昇区間と下降区間つまり電圧変化区間だけ発光する。
したがって、ＥＬ発光体を効率良く発光させるためには電圧変化区間にどのくらい猶予時間を与えればよいかによる。

従来のＥＬインバータの波形を図４に示した。
従来のＥＬ発光回路は、アナログ駆動式になっていて、トランジスタに流れる電流の上昇区間と下降区間に、ジュール（Ｊｏｕｌｅ）熱が発生して、エネルギー効率が落ちる短所がある。
また、従来のＥＬインバータには電圧が落ちた時の対策が施されていないため、電池電圧が下がれば消費電流は減少し輝度が急激に下がるという問題があった。

例えば、特許文献１に記載された従来のＥＬ発光回路に関して説明する。図３は、従来のＥＬ発光回路の回路図である。従来のＥＬ発光回路は、図３に示したとおり一つのトランジスタ（９）と、バイアス抵抗（１０、１１）と、コンデンサ（１２）と昇圧トランス（６）と、直流電源（５）とＥＬ発光体（７）で構成されている。
上記従来のＥＬ発光回路構成の接続関係を説明すると、直流電源（５）のＰｌｕｓ（＋）側はトランジスタ（９）のコレクタＣに接続されて、また、バイアス抵抗（１０）とバイアス抵抗（１１）を通じてトランジスタ（９）のベースＢに接続されて、トランジスタ（９）のエミッタＥは昇圧トランス（６）の１次コイル（６４）とベースコイル（６５）がお互いに会うように接続されて、直流電源（５）のＭｉｎｕｓ（－）は昇圧トランス（６）の１次コイル（６４）とＥＬ発光体（７）と接地（８）が同等に接続されている。
また、コンデンサー（１２）の一端は抵抗（１０）と抵抗（１１）がそれぞれＱＣに接続され、他の一端は昇圧トランス（６）のベースコイル（６５）と２次コイル（６６）等々に接続され、昇圧トランス（６）の２次コイル（６６）の他の一端はＥＬ発光体（７）の他の一端と接続されている。

次に、上記従来のＥＬ発光回路の各部について説明する。
図３において、トランジスタ（９）のベースＢとエミッタＥ間にはバイアス抵抗（１０、１１）によってベースバイアス電流が流れて、トランジスタ（９）のコレクタＣでエミッタＥに流れる。エミッタ電流が、昇圧トランス（６）の１次コイル（６４）を経て、接地に抜け出ている。
昇圧トランス：ｔｒａｎｓ（６）の１次コイル（６４）に電流が通ると、ベースコイル：ｂａｓｅｃｏｉｌ（６５）にも電圧が誘起されて、ベースコイル（６５）の一端とコンデンサ（１２）の一端が接続された端子の電圧が上昇して、コンデンサ（１２）の電位差を相殺させ、さらに進行すると、トランジスタ：ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（９）のエミッタＥとベースＢ間の電位差も消えて、トランジスタ（９）のベースＢにはむしろ逆バイアス：ｂｉａｓがかかって、結局、トランジスタ（９）はターンオフ（ＴｕｒｎＯｆｆ）する。
トランジスタ（９）がターンオフ（ＴｕｒｎＯｆｆ）すると、昇圧トランス（６）の１次コイル（６４）には、逆起電力が発生して、トランジスタ（９）のエミッタＥはマイナス（－）方向に戻って、－頂点を経て、またプラス（＋）方向に復帰する。この過程で、コンデンサ（１２）はトランジスタ（９）のエミッタＥ電圧がマイナス（－）頂上まで下降する間、最大値の充電をしながら、トランジスタ（９）のベースＥに逆バイアスを維持して、トランジスタ（９）がターンオフ（ＴｕｒｎＯｆｆ）状態にとどまっているようにする。反対に昇圧トランス（６）の１次コイル（６４）の逆起電力が－頂点以降、徐々に消滅してプラス（＋）方向に回復時、コンデンサ（１２）は放電を開始して、一定の時点が経過すると、トランジスタ（９）のベースＢバイアスを逆で正に転換させる。トランジスタ（９）のベースＢが再び正バイアスになると、トランジスタ（９）のコレクタＣでエミッタＥに再び電流が流れることになって、このような一連の作用を繰り返して、昇圧トランス（６）の２次コイル（６６）には約１００Ｖｒｍｓレベルの交流電圧が発生して、ＥＬ発光体（７）を点灯させる。

このように従来のＥＬ発光回路は、駆動方式が全面的にアナログ（Ａｎａｌｏｇ）方式である。アナログ（Ａｎａｌｏｇ）方式の回路では、トランジスタに流れる電流の上昇区間と下降区間に、ジュール（Ｊｏｕｌｅ）熱が発生して、エネルギー効率が大きく落ちる短所がある。
ジュール熱（Ｊ）＝Ｖｃｅ×Ｉｃ×ｔ
Ｖｃｅ：トランジスタのコレクタとエミッタ間の電圧。
Ｉｃ：トランジスタのコレクタでエミッタに流れる電流。
ｔ：トランジスタ動作時間。
ここで、Ｉｃはトランジスタに流れた電流と定義したが、厳密に区分すると、トランジスタ電流の勾配期間（上昇と下降）に限定する。

主に乾電池を電源として使用する小型、薄型のＥＬ発光回路はエネルギー効率を高め、乾電池寿命を高めることが最も重要な課題であるが、アナログ（Ａｎａｌｏｇ）方式の従来ＥＬ発光回路は、トランジスタでジュール熱（Ｊ）が発生し、エネルギー損失を防ぐことが、物理的にできない。
また、従来のＥＬ発光回路は電源電圧が低下すると、消費電流も比例的に減少して、それによって昇圧トランスの２次コイル電圧も下がっており、ＥＬ発光体の輝度が低下する問題があるが、輝度低下に対する準備策が具備されていない。

また、特許文献２には、可変出力のインバータを有しＥＬ素子の定電流制御を行う点灯回路と、調光制御用のパルス信号をそのデューティ比に応じた直流信号に変換するＤＣ変換回路と、その直流信号に従って前記インバータのトランスへの入力を変化させて調光を行う調光回路と、インバータのトランスに接続されたスイッチング素子の出力の変化からＥＬ素子の異常を検出する検出回路とを備え、不点灯防止回路を設けたＥＬ素子の点灯制御装置につい記載されている。
しかしながら、該特許は、負荷の異常、遮断や短絡を判断／検出する回路を持つ点灯制御装置であるため、それぞれの回路を稼働させれば消費電流は相当に必要なはずである。該特許の効果として、消費電力が小さい、即ち、効率が良いと記載されているが、アナログ方式に関する効率について記した通り、トランジスタでジュール熱（Ｊ）が発生し、エネルギー損失を防ぐことが、物理的にできないという問題点が依然として存在する。
そして、該特許の着眼点は、安定輝度を得るために定電流にすることにより輝度を維持するというものであるのに対して、本発明では電源電圧が低下しても消費電力を一定にすることに着眼し、そのために電流値（駆動信号）をコントロールして一定の照度を得られるようにした発明であるので、輝度を維持する為の手段（構成）が相違している。

本発明のＥＬ発光回路は、判断／検出をする回路は不要とした最良効率を追求した発明である。さらに本発明は、ＥＬ駆動消費電流が回路内消費電流とほぼ同一電流値でエネルギー効率が最高レベルということができる。
特に従来のアナログ方式のエネルギー損失を改善し、さらに消費電流を下げるためにどのタイミングで駆動信号を出力すれば効率が上がるかを追求した回路である。
特に乾電池を使用したインバータにおいて電圧が降下すれば照度も低下する従来の常識から電圧が降下しても一定の照度が得られるという全く新しいシステムであり、多くのインバータに波及する可能性を持っている。

ＥＬ発光体は、等価的にコンデンサ（ＣＡＰＡＣＩＴＯＲ）で表現され、コンデンサの特性上、直流電源には全く反応せず、交流電圧を認可した時だけ発光するが、発光は電圧の上昇区間と下降区間すなわち、電圧変化区間だけで発光する。
従来のＥＬ発光回路は、アナログ駆動式になっていて、トランジスタに流れる電流の上昇区間と下降区間に、ジュール（Ｊｏｕｌｅ）熱が発生して、エネルギー効率が落ちる短所がある。
また、従来のＥＬ発光回路は、電源用電池の電圧が落ちたときには、ＥＬ発光体の輝度低下を補完する対策が具備されておらず、乾電池で動作させる場合、電源用電池の電圧が落ちると、消費電流も同じように減少して輝度が低下する問題があった。

本発明は、昇圧トランスの２次コイルの出力電圧でＥＬ発光体を充電する際、制御部が２次コイルの出力電圧Ｅ０１の勾配を追跡して、最適の視点にトランジスタの駆動信号を出力して、最高のエネルギー効率を出すようにしたものである。即ち、本発明の目的は、使用電源の電圧が落ちたときには、自動的に消費電流を増加させ、ＥＬ発光体の輝度低下を補正するＥＬ発光回路及びその制御方法を提供することにある。

本発明は、相補型トランジスタや、制御部と、直流電源と、昇圧トランスで構成されたＥＬ発光回路を通じて、ＥＬ発光体を点灯させるのにおいて、制御部が相補型トランジスタに駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ａ、Ｔ＿ＯＦＦ＿Ａ、Ｔ＿ＯＮ＿Ｂ、Ｔ＿ＯＦＦ＿Ｂを出力すると、相補型トランジスタが昇圧トランスに電流を流して昇圧トランスの２次コイルに１００Ｖｒｍｓ相当の交流電圧が発生し、その交流電圧でＥＬ発光体を点灯させるＥＬ発光回路とその制御方法である。

本発明は、下記の（１）～（２）のＥＬ発光体の輝度低下を補正するＥＬ発光回路及びその制御方法を提供するものである。即ち、
（１）電流を流すと、低電圧を高い電圧に上げてくれる昇圧トランスと、該昇圧トランスを駆動させるための相補型トランジスタと、該相補型トランジスタを動作させるのに必要な駆動信号を出力する制御部と、交流電圧の入力を受けて点灯するＥＬ発光体と、回路動作に必要な直流電源、及び消費電流を測定する為の目的で、トランジスタに流れる電流を電圧に変換して制御部に戻すシャント抵抗とを具備してなるＥＬ発光回路であって、
前記制御部は、前記昇圧トランスの出力電圧でＥＬ発光体を充電する際、その出力電圧の勾配を追跡して、電圧勾配の極性が反対に変わろうとする瞬間に最適な視点と判断してトランジスタの駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿ＡあるいはＴ＿ＯＮ＿Ｂを出力し、更に、
前記制御部は、前記シャント抵抗により測定された相補型トランジスタのエミッタ電流を感知して、これを電源電圧に乘算した消費電力値を算出し、前記駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿ＡあるいはＴ＿ＯＮ＿Ｂの幅を加減することにより出力電圧を変化させて、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持できるようにしたことを特徴とするＥＬ発光回路。
（２）昇圧トランスを駆動させるための相補型トランジスタを作動させる上で、制御部が前記相補型トランジスタに出力する駆動信号のタイミングは、昇圧トランスの出力電圧勾配を追跡して、電圧勾配の極性が反対に変わろうとする瞬間に行われるようにしたことを特徴とする、（１）記載のＥＬ発光回路の制御方法。

本発明によると、昇圧トランスの２次コイルの出力電圧Ｅ０１とＥＬ発光体を充電する際、制御部は、２次コイルの出力電圧Ｅ０１の勾配を追跡して、最適の視点にトランジスタの駆動信号を出力するようにする制御方法を具備することにより、エネルギー効率を最大に出す効果がある。
また、制御部はシャント抵抗を通じて測定した電圧値を、リアルタイムでＡ／Ｄ変換して、消費電流値に換算して、これを電源電圧に乗算して、Ｐ＝ＥＩ（但し、Ｐは消費電力値、Ｅは電圧値、Ｉは消費電流値を表す。）がいつも同じ値となるよう、駆動信号の幅を調整して、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持する効果がある。

本発明のＥＬ発光回路の回路図。本発明のＥＬ発光回路の重要部分のタイミングを示すチャート図。従来のＥＬ発光回路の回路図。従来のＥＬ発光回路の重要部分のタイミングを示すチャート図。

本発明は、ＥＬ発光回路において、交流電圧によって発光するＥＬ発光体と、ＥＬ発光体に電圧を供給する直流電源と、１次コイルに電流を流せば２次コイル電圧が上昇する昇圧トランスと、昇圧トランスを駆動させるトランジスタや、消費電流を測定するための目的で前記トランジスタに流れる電流を電圧に変換して制御部に戻すシャント（Ｓｈｕｎｔ）抵抗と、前記トランジスタにＴ＿ＯＮ＿Ａ、Ｔ＿ＯＦＦ＿Ａ、Ｔ＿ＯＮ＿Ｂ、Ｔ＿ＯＦＦ＿Ｂの駆動信号を出力する制御部から構成されていることを特徴とするＥＬ発光回路である。
以下、本発明を一実施態様に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明について、図１を参照して説明する。
本発明における、実施態様に従ったＥＬ発光回路は、昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１とＥＬ発光体を充電する際、制御部（１）が２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１の勾配を追跡して、最適の視点にトランジスタ（２、３）の駆動信号を出力して、最高のエネルギー効率を出すことができるものである。
本発明のもう一つの特徴点は、トランジスタのエミッタ電流が事実上ＥＬ発光回路の主な消費電流なので、制御部でエミッタ電流を感知して、これを電源電圧に乘算した値を通じて、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持する機能を持つことができるものである。

ＥＬ発光回路の制御部（１）で、駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ａを出力すると、トランジスタ（２）がターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）し、昇圧トランス（６）の１次コイル（６１）に電流が流れて、昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１は、＋Ｖｐｐまで上昇する。次いでトランジスタ（２）には駆動信号Ｔ＿ＯＦＦ＿Ａが与えられて、トランジスタ（２）はＯＦＦ状態になる。この時昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１は－側に下降するが、－の頂点を通過し、再び＋方向に反転した矢先、制御部（１）でこれを捕捉して駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ｂを出力して、トランジスタ（３）をターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）させる。トランジスタ（３）がターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）になったら昇圧トランス（６）の１次コイル（６２）に電流が流れて、昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１は－Ｖｐｐまで下降する。次いでトランジスタ（３）には駆動信号Ｔ＿ＯＦＦ＿Ｂが与えられて、トランジスタ（３）はＯＦＦ状態になる。この時昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）の出力電圧Ｅ０１は、＋側に上昇するが、＋の頂点を通過し、再び－方向に反転した矢先、制御部（１）でこれを捕捉して駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ａを出力する。このような一連の動作が繰り返され、昇圧トランス（６）の２次コイル（６３）には１００Ｖｒｍｓに相当するＥ０１、交流電圧が発生して、これをＥＬ発光体（７）に供給してＥＬ発光体（７）を点灯させる。
前述したようにトランジスタがターンオフ（ＴｕｒｎＯｆｆ）になると、昇圧トランスの２次コイルの出力電圧Ｅ０１が上昇または下降をして、一定時点になれば、上昇または下降速度が鈍化しつつ、曲線が緩やかに変わる。その理由は昇圧トランスの２次コイルの出力電圧Ｅ０１がその負荷に該当するＥＬ発光体で行う充電作用が終わっていくからである。ＥＬ発光体は等価的にコンデンサに該当する。

“＋頂点（又は－頂点）”を通過して再び－方向（または＋方向）で、反転した時、制御部（１）でこれを捕捉して駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ａ（またはＴ＿ＯＮ＿Ｂ）を出力するとしたのは、頂点を通過後再び方向を反転した時にトランジスタをターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）させるのがエネルギー効率を高める最上の方法だからである。“頂点”は昇圧トランスで発生した電気エネルギーが部下であるＥＬ発光体（７）に渡された時点なので、この時を逃さず、その次の駆動信号を出力して動作をつないでいくのがエネルギー効率を最大化する核心ポイントとなる。
例えば、“頂点”以前にその次の駆動信号が出力されてトランジスタがターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）になったら、その頃から、頂点まで行く昇圧トランスの出力エネルギーが、トランジスタがターンオン（ＴｕｒｎＯｎ）した瞬間、熱で消えることになる。つまり、エネルギー効率が落ちることになる。

本発明の実施態様におけるもう一つのポイントは、トランジスタのエミッタ電流が事実上ＥＬ発光体の消費電流なので、制御部でエミッタ電流を感知して、これを電源電圧に乘算した値を通じて、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持する機能を持つことができる。

トランジスタ（２）とトランジスタ（３）のコレクタＣとエミッタＥの間に流れる電流は結局、シャント抵抗（４）を経て、接地へと流れている。シャント抵抗（４）に電流が流れれば、シャント抵抗（４）のどちらかに電位差が発生し、その値を制御部（１）でＡ／Ｄ変換して、必要に応じて昇圧トランスの出力電圧を増加、または減少させ、ＥＬ発光体（７）の輝度を調整する。ＥＬ発光体（７）の輝度を高めるためには昇圧トランス（６）の２次コイル電圧Ｅ０１を高めればいいが、昇圧トランス（６）の２次コイル電圧Ｅ０１を高めるためには制御部（１）で、トランジスタ（２）、トランジスタ（３）の導通時間Ｔ＿ＯＮ＿Ａ、Ｔ＿ＯＮ＿Ｂを増加させてくれる。

逆に、ＥＬ発光体（７）の輝度を下げるためには、昇圧トランス（６）の２次コイル電圧Ｅ０１を減らせばよいが、昇圧トランス（６）の２次コイル電圧Ｅ０１を減らすためには制御部（１）で、トランジスタ（２）、トランジスタ（３）の導通時間Ｔ＿ＯＮ＿Ａ、Ｔ＿ＯＮ＿Ｂを減らしてくれる。
制御部（１）はシャント抵抗（４）を通じて測定した電圧値を、リアルタイムでＡ／Ｄ変換して、消費電流値に換算して、これを電源電圧に乘算して、消費電力：Ｐ＝ＥＩがいつも同じ値となるよう、駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ａ、駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿Ｂの幅を調整して、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持する。

本発明のＥＬ発光回路とその制御方法は、ＥＬ発光回路において、エネルギー効率を高め、電源電圧が変動しても輝度が必要な水準で維持されるようにしたものであるから、無機ＥＬ発光体の輝度が補償されて乾電池の寿命が尽きるまで略一定の輝度が維持できるので、使い勝手が良くなり省資源にもなる為、輝度補償機能付き無機ＥＬ発光体を用いた照明器具の利用需要の可能性が高まり、無機ＥＬ発光体を用いた照明器具の技術分野の発展に寄与する。

１：制御部（駆動信号Ａ、駆動信号Ｂ、Ａ／Ｄ変換、制御用マイクロプロセッサ）。
２、３、９：トランジスタ
４：シャント（Ｓｈｕｎｔ）抵抗
５：直流電源
６：昇圧トランス
６１、６２、６４：昇圧トランスの１次コイル
６５：ベースコイル
６３、６６：昇圧トランスの２次コイル
７：ＥＬ発光体
８：接地（波形測定の基準点）
１０、１１：バイアス（Ｂｉａｓ）抵抗
１２：コンデンサ

特開平８－８８０８１号公報特開平２－２８８１８７号公報

Claims

電流を流すと、低電圧を高い電圧に上げてくれる昇圧トランスと、該昇圧トランスを駆動させるための相補型トランジスタと、該相補型トランジスタを動作させるのに必要な駆動信号を出力する制御部と、交流電圧の入力を受けて点灯するＥＬ発光体と、回路動作に必要な直流電源、及びトランジスタに流れる電流を電圧に変換して制御部に戻すシャント抵抗を具備してなるＥＬ発光回路であって、
前記制御部は、前記昇圧トランスの出力電圧でＥＬ発光体を充電する際、その出力電圧の勾配を追跡して、電圧勾配の極性が反対に変わろうとする瞬間に最適な視点と判断してトランジスタの駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿ＡあるいはＴ＿ＯＮ＿Ｂを出力し、更に、
前記制御部は、前記シャント抵抗により測定された相補型トランジスタのエミッタ電流を感知して、これを電源電圧に乘算した消費電力値を算出し、前記駆動信号Ｔ＿ＯＮ＿ＡあるいはＴ＿ＯＮ＿Ｂの幅を加減することにより出力電圧を変化させて、ＥＬ発光体の輝度を必要な水準で維持できるようにしたことを特徴とするＥＬ発光回路。
昇圧トランスを駆動させるための相補型トランジスタを作動させる上で、制御部が前記相補型トランジスタに出力する駆動信号のタイミングは、昇圧トランスの出力電圧勾配を追跡して、電圧勾配の極性が反対に変わろうとする瞬間に行われるようにしたことを特徴とする、請求項１記載のＥＬ発光回路の制御方法。