JPWO2015128986A1

JPWO2015128986A1 - Ｌｅｄ発光装置

Info

Publication number: JPWO2015128986A1
Application number: JP2014512196A
Authority: JP
Inventors: 剛士石川; 光晴石原; 彌永　秋彦; 秋彦彌永
Original assignee: ADVANCED MECHICAL INC.; UNION ELECTRONICS INDUSTRIAL CO., LTD.; Tops Co Ltd
Current assignee: ADVANCED MECHICAL INC.; UNION ELECTRONICS INDUSTRIAL CO., LTD.; Tops Co Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2017-03-30
Also published as: WO2015128986A1

Abstract

【課題】本願発明は、ＡＣ−ＤＣコンバータを使用せず、アナログ回路のみで構成したＬＥＤ発光装置を提供する。【解決手段】本願発明は、交流電源２を整流する整流回路３と、それぞれが、発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０及びその発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０に並列に接続され対応する発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０をオンオフするスイッチ手段Ｑ１〜Ｑ４０によって構成されるとともに、前記整流回路３の端子４，５間に直列に接続される発光部６〜４５と、直列に接続された複数の発光部６〜４５の下流側に直列に接続された定電流回路５０と、前記定電流回路５０に並列に接続され、該定電流回路５０の最低電圧に設定された電圧保持手段Ｄ４５とによって少なくとも構成されることにある。【選択図】図１

Description

本願発明は、複数の発光ダイオードを効率的に発光させるＬＥＤ発光装置に関する。

特許文献１（実用新案登録第３１６７９２７号公報）は、駆動装置の回路アークテクチャーを大幅に簡素化し、十分な電力を利用し、電力損失を減らし、且つ電磁干渉をなくす定電流ＬＥＤランプを提供することを目的とする。このため、定電流ＬＥＤランプは、駆動装置を設置し、少なくとも二直列連接の発光ダイオードか、若しくはパッケージングした多結晶直列の発光ダイオードを駆動するのに用いられるものであり、整流回路、フィルター回路、電圧安定回路及び定電流回路から構成される。前記整流回路は、交流電源を受け、且つ交流電源を直流電源に転換するために用いられる。前記フィルター回路は、前記整流回路に連接され、直流電源の電圧振幅の差を縮小する。このように、この考案の駆動装置は、各発光ダイオードの直列電圧を入力電圧に近づけ、入力電源で各発光ダイオードを動かし、十分に電力利用して電力ロスを減らし、且つ電磁波の干渉をなくすことができるものである。

特許文献２（特開２０１０−５６３１４号公報）は、広い電圧範囲で、ＬＥＤを安定に駆動する発光ダイオードの駆動回路、それを用いた発光装置および照明装置を開示する。この駆動回路は、直列に接続された複数のＬＥＤを含むＬＥＤアレイを駆動するもので、この電源は、複数のＬＥＤに直流の駆動電圧を供給する。第１定電流回路は、複数のＬＥＤの駆動経路上に設けられ、ＬＥＤに流れる駆動電流を安定化させ、バイパススイッチは、複数のＬＥＤの少なくとも１つのＬＥＤと並列に設けられ、制御部が、バイパススイッチをオンオフ制御するものである。この装置において、駆動電圧が低下するにしたがい、定電流回路の両端間の電圧が小さくなって所定の定電流を生成できなくなり、個々の発光ダイオードの電圧降下が低下して輝度が低下し始めるが、発光ダイオードの少なくとも１つをバイパスすることによって、定電流回路の両端間の電圧が大きくなり、個々の発光ダイオードの電圧降下が増大するため、個々の発光ダイオードの輝度を維持することができるものである。

特許文献３（特表２０１３−５４２５５０号公報）は、全高調波歪みバイパス回路を有する半導体照明ドライバ及びシステムを開示する。このシステムは、電流駆動回路と、バイパス回路とを有する照明駆動回路であり、前記電流駆動回路は、出力サイクルを有する交流電源に結合され、第１照明セグメントと第２照明セグメントとを有する半導体ランプへ電流を供給するように駆動回路が構成されている。第２照明セグメントの入力は第１照明セグメントの出力に直接的に結合され、バイパス回路は電流駆動回路に接続されて、第２照明セグメントの入力に結合されるように構成され、出力サイクル中の時間に駆動回路からのバイパス電流を第２照明セグメントへ供給するようにバイパス回路が構成されている。これによって、駆動電圧が低いときには、全高調波歪みバイパス回路がＬＥＤの第１照明セグメントをバイパスして第２照明セグメントに通電するので、半導体乱舞は出力サイクルの大部分で光線を発して全高調波ゆがみを減少させることができるものである。

特許文献４（特開２００７−２４２４９４号公報）は、商標電源に接続されるＡＣ−ＤＣコンバータと、ＡＣ−ＤＣコンバータで変換されたＤＣ電源によって発光する発光ダイオードが配列されているＬＥＤ素子基板と、各発光ダイオードからの光を拡散する導光体と、商標電源との電気的接続がなされているときに充電されており、この電気的接続が断たれたときに発光ダイオードに向けて放電するバッテリ電源と、ＬＥＤ素子基板と商用電源との間に発光ダイオードに対して定電流を供給する定電流供給手段と、定電流供給手段の出力電流値を制御する制御手段とを備えるＬＥＤ発光標識装置を提供する。

実用新案登録第３１６７９２７号公報特開２０１０−５６３１４号公報特表２０１３−５４２５５０号公報特開２００７−２４２４９４号公報

上述したように、従来のＬＥＤ発光装置は、特に特許文献１〜３に記載されたＬＥＤ発光装置は、入力電圧の変動に伴って発光するダイオードの量を変化させて対応するようにしたものであり、引用文献４に記載されたＬＥＤ発光装置は、ＡＣ−ＤＣコンバータを用いて一定電圧（電流）で駆動するようにしたものである。

しかしながら、ＡＣ−ＤＣコンバータを使用した場合、スイッチングノイズの発生があるため、高周波ノイズを避けなければならない病院や研究施設などでは使用できないという不具合が生じる。また、ＡＣ−ＤＣコンバータの変換効率による発熱、回路部品点数の増大（コストアップ）、変換効率によるロスがあるという不具合もある。

また、従来は、定電流回路を用いた回路では電源電圧が高いと、定電流回路ロスが大きくなり、この分消費電流が増えるという不具合があり、また電源電圧が低いと定電流回路の設定電流まで届かず、ＬＥＤが暗くなるという不具合があった。さらに、定電流ＤＣコンバータを用いた回路では、電源電圧が高いとＤＣコンバータに流れる平均電流が減少し、電源電圧が低いと電流が増加してＬＥＤ側の消費電力を一定に保っていたが、この場合ＤＣコンバータを用いているためこのスイッチングのノイズが発生するという不具合が生じた。また、ＤＣコンバータの変換効率を９０％とすれば、１０％は熱ロスとなっていた。

以上のことを鑑みて、本願発明は、ＡＣ−ＤＣコンバータを使用せず、アナログ回路のみで構成したＬＥＤ発光装置を提供することにある。

したがって、本願発明は、交流電源を整流する整流回路と、それぞれが、発光ダイオード及びその発光ダイオードに並列に接続され対応する発光ダイオードをオンオフするスイッチ手段によって構成されるとともに、前記整流回路の端子間に直列に接続される発光部と、直列に接続された複数の発光部の下流側に直列に接続された定電流回路と、前記定電流回路に並列に接続され、該定電流回路の最低電圧に設定された電圧保持手段とによって少なくとも構成されることにある。

これによって、整流回路の端子間に発生する電圧の変動によって、たとえば整流された交流波形の電圧の上昇に合わせて、前記発光部を順次発光させることができるので、電源電圧の力率を１にすることができるものである。

また、前記スイッチ手段は、電界効果トランジスタであることが望ましい。

さらに、前記電圧保持手段は、ツェナーダイオードであることが望ましい。

さらにまた、前記複数の発光部の上流側に、発光ダイオードが直列に接続されて構成された発光ダイオード群が配置されることが望ましい。

本願発明によれば、入力電圧に応じて点灯するＬＥＤの数を制御することができるので、変動する電源の力率を１にすることができるものである。また、ＡＣ−ＤＣコンバータを使用しないので、上述したＡＣ−ＤＣコンバータに由来する問題点をすべて回避できるものである。

本願発明の実施例１に係るＬＥＤ発光装置の回路図である。本願発明の実施例２に係るＬＥＤ発光装置の回路図である。本願発明の実施例３に係るＬＥＤ発光装置の回路図である。本願発明の実施例１に係るＬＥＤ発光装置の動作を説明するためのグラフ図である。本願発明の実施例２に係るＬＥＤ発光装置の動作を説明するためのグラフ図である。

以下、本発明について図面により説明する。

たとえば図１に示すような本願発明に実施例１に係るＬＥＤ発光装置１は、フューズＦ１を介してＡＣ電源２に接続された整流回路３を具備する。この整流回路３は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４により構成されている。これによって、整流回路３の出力端子４，５間に生じる電圧Ｅｍは、交流が整流されて図４で示されるような波形となる。

発光部６〜４５は、それぞれ前記出力端子４から直列に接続される発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０と、この発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０のそれぞれに並列に接続され、発光ダイオードＬＤ１をオンオフする電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１〜Ｑ４０とによって構成される。前記発光部６の発光ダイオードのＬＤ１のアノード端子は出力端子４に接続され、発光ダイオードＬＤ１のカソード端子は、次の発光部７の発光ダイオードＬＤ２のアノード端子と接続され、順次発光ダイオードが直列に接続される。

発光部６〜４５のＦＥＴＱ１〜Ｑ４０は、発光部６〜４５の発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０のそれぞれに並列に接続される。また、それぞれのＦＥＴＱ１〜Ｑ４０のゲート−ソース間には、電圧維持抵抗Ｒ２〜Ｒ４１が設けられ、さらにゲート端子には、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＤ４５によって設定された最低電圧（たとえば４Ｖ）が印加される。また、ＦＥＴＱ１〜Ｑ４０のゲート端子には、ダイオードＤ５〜Ｄ４５が、ＦＥＴＱ１〜Ｑ４０のゲート−ドレイン間の耐圧を超えないように設けられる。ただし、Ｒ２〜Ｒ４１によってゲート−ドレイン間は同電位にクランプされている。

この実施例１において、定電流回路５０は、電界効果トランジスタＱ４１、トランジスタＱ４２、抵抗Ｒ４２及びＲ４３によって構成され、前記発光部６〜４４の下流側に接続される。

以上の構成のＬＥＤ発光装置１において、図４で示すように、整流回路３の出力端子４，５間の電圧Ｅｍは、商用電源ＡＣ１００Ｖの場合は０Ｖ〜１４１Ｖまでの間で変化する。電圧Ｅｍが、抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＤ４５とによって定電流回路５０の最低電圧に設定された電圧Ｖｄ（たとえば４Ｖ）＋発光ダイオードの駆動電圧Ｖｆ（たとえば３Ｖ）以下であれば、発光ダイオードＬＤ１〜ＬＤ４０は発光しない。

次に、電圧Ｅｍが、たとえば１０Ｖに上昇した場合、発光ダイオードＬＤ１のアノード電圧が１０Ｖとなりカソード電圧が７Ｖとなり、電圧ＶｄよりもＦＥＴＱ１のゲートは高電位となるため、ＦＥＴＱ１がＯＦＦとなり発光ダイオードＬＤ１が点灯する。発光ダイオードＬＤ２のアノード電圧は７Ｖとなり、カソード電圧は４Ｖとなり、ＦＥＴＱ２のソース電圧も４Ｖとなる。これにより、ＦＥＴＱ２のゲート電圧が定電流回路５０の電圧Ｖｄと同一となるため、ＦＥＴＱ２はＯＦＦして発光ダイオードＬＤ２は点灯する。次に、発光ダイオードＬＤ３のアノード電圧４Ｖであるため、電流が流れると発光ダイオードＬＤ３のカソード電圧は１Ｖとなる。この場合、電圧Ｖｄがこのカソード電圧よりも３Ｖ高いため、ＦＥＴＱ３がＯＮするので、発光ダイオードＬＤ３は消灯する。この動作が、発光部４〜４０に順に生じるため、発光ダイオードＬＤ４〜４０は順次消灯する。

このように、入力電圧Ｅｍが上昇するについて、順次発光ダイオードが発光していくことにある。また、入力電圧Ｅｍが下降する場合には、順次発光ダイオードが消灯していくことなる。この点灯と消灯が、１秒当たり、５０サイクル交流では１００回、６０サイクル交流では１２０回繰り返されることになるので、全体として十分な照度を維持できるものである。さらに、電圧の変動に対応して発光ダイオードが自動的に選択されて発光することになるので、電源の力率を１にすることができるものである。

本願発明の実施例２に係るＬＥＤ発光装置１Ａは、図２に示すように、整流回路３の出力端子４，５間に充電用のコンデンサＣ２を具備すること、所定数の発光ダイオードＬＤ４１〜ＬＤ７０が直列に接続された発光ダイオード群６０を具備することを特徴とする。これにより、入力電圧Ｅｍが０Ｖまで降下してもコンデンサＣ２により充電された電圧ＶＡにより、発光ダイオード群６０は常時点灯するものである。また、前記発光ダイオード群６０の下流側には、発光部６１〜７４が直列に接続され、さらにその下流側には定電流回路５０Ａが接続される。尚、発光部６１〜７４は、発光ダイオードＬＤ７１〜ＬＤ８２、ＦＥＴＧ４３〜Ｑ５４、抵抗Ｒ４５〜Ｒ５６及びダイオードＤ５０〜Ｄ６１によってそれぞれ構成されている。

また、図５に示すようなコンデンサＣ２のリップル成分ＶＢが、実施例１で説明された動作により発光部６１〜７４によって制御される。この場合の力率は０．６〜０．７程度である。

このように、実施例２に係るＬＥＤ発光装置１Ａでは、コンデンサＣ２によって生じる電圧ＶＡによって発光ダイオード群６０が常時点灯し、このコンデンサＣ２によるリップル電圧ＶＢは発光ダイオード群６０に直列に接続された発光部６１〜７４によって制御されるものである。言い換えると、この発光部６１〜７４は、リップル電圧ＶＢの上下に追随して順次発光し順次消灯する。これによって実施例２に係るＬＥＤ発光装置１Ａも、実施例１のＬＥＤ発光装置１と同様の効果を奏することができるものである。

本願発明の実施例３に係るＬＥＤ発光装置１Ｂは、実施例２に係るＬＥＤ発光装置１Ａと同様に、充電用のコンデンサＣ３と、直列に接続された発光ダイオードＬＤ８３〜ＬＤ１１７からなる発光ダイオード群８０と、発光ダイオード群８０の下流側に直列に接続された発光部８１〜８８と、発光部８１〜８８の下流側に接続された定電流回路５０Ｂとによって構成される。

この実施例３に係るＬＥＤ発光装置１Ｂの特徴は、実施例３に係る発光部８１〜８８が、実施例１及び実施例２の発光部のからゲート−ソース間の抵抗及びダイオードを省略したものである。これは、前記リップル電圧ＶＢの変動に対して直列に接続されたＦＥＴＱ６１〜Ｑ６８のゲート−ソース間の電圧Ｖ_Ｇ−Ｓの耐圧内で制御するようにしたものである。これによって発光部８１〜８８の部品点数を減少させるという効果を有するものである。

以上説明したように、本願発明は、電圧の変化によって発光ダイオードの発光を制御できるという構造を有することから、電圧制御のプログラムを組むことによって、複数の発光ダイオードの発光を制御することができるため、電圧を供給する一対の配線のみによって広告灯や、表示灯などを制御することができる。また、このプログラムは簡単に構成できるためにＣＰＵへの負担が低いという効果を奏する。

１，１Ａ，１ＢＬＥＤ発光装置
２交流電源
３整流回路
４，５出力端子
６〜４５，６１〜７４，８１〜８８発光部
５０，５０Ａ，５０Ｂ定電流回路

Claims

電圧が変動する電源と、
それぞれが、発光ダイオード及びその発光ダイオードに並列に接続され対応する発光ダイオードをオンオフするスイッチ手段によって構成されるとともに、前記整流回路の端子間に直列に接続される発光部と、
直列に接続された複数の発光部の下流側に直列に接続された定電流回路と、
前記定電流回路に並列に接続され、該定電流回路の最低電圧に設定された電圧保持手段とによって少なくとも構成されることを特徴とするＬＥＤ発光装置
前記スイッチ手段は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ発光装置。
前記電圧保持手段は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項１又は２記載のＬＥＤ発光装置。
前記複数の発光部の上流側に、発光ダイオードが直列に接続されて構成された発光ダイオード群が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のＬＥＤ発光装置。