WO2013031695A1 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

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秋山　貴
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シチズンホールディングス株式会社
シチズン電子株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/48—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs organised in strings and incorporating parallel shunting devices

Definitions

  • the present invention relates to an LED lighting apparatus including an LED array in which a plurality of LEDs are connected in series as a light source. More specifically, the number of series of LED arrays to be lit is switched according to a voltage applied to the LED array or a current flowing through the LED array.
  • the present invention relates to an LED lighting device.
  • a lighting device that lights an LED (also referred to as a light emitting diode) with a pulsating current obtained by full-wave rectification of a commercial AC power supply or a voltage waveform close to the pulsating current is known (hereinafter referred to as an LED lighting device).
  • This LED illumination device includes an LED array in which a plurality of LEDs are connected in series so as to withstand a high voltage.
  • This LED string has a threshold value, and when the threshold value is exceeded, a current flows through the LED string and lights up.
  • This threshold value is set to a value slightly lower than the peak voltage (about 140V) of the pulsating flow.
  • the threshold value is set to about 100 to 120V.
  • Individual LEDs have a threshold value called a forward voltage Vf, and when a voltage higher than the forward voltage Vf is applied, a current flows and lights up.
  • the threshold value of the LED string is the sum of the forward voltages Vf of the LEDs included in the LED string.
  • the light-emitting diode circuit 15 (LED array) is divided into six diode circuits 17 to 22, and the drive switches 30 to 35 are switched based on the pulsating current voltage.
  • a light-emitting diode lighting device (LED lighting device) for adjusting the number (the number of series stages) is shown.
  • the current flowing through the LED array is greatly reduced or greatly increased at the moment of switching the path. That is, the current value becomes discontinuous, causing various problems such as an increase in harmonic noise.
  • the LED drive circuit shown in FIG. 26 of Patent Document 2 measures the current flowing through the LED string, so that when the current exceeds a predetermined value, the number of series stages of the LED string increases and at the same time the current continuously increases. ing.
  • FIG. 8 there is an LED row composed of LED group 1, LED group 2, and LED group 3.
  • the FET Q1 bypasses the current flowing through the LED group 1 and the LED group 2, and no current flows through the LED group 3 (not lit).
  • the LED group 3 is weakly lit.
  • the FET Q1 is cut off, all the current flows through the LED group 3, and the LED group 3 together with the LED groups 1 and 2 is completely lit.
  • the reverse steps are taken.
  • the upper limit of the current is limited by the current limiting resistor R1.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and includes an LED array in which a plurality of LEDs are connected in series as a light source, and switches the number of LEDs to be lit according to the voltage or current applied to the LED array.
  • An object of the LED illumination device is to provide an LED illumination device in which LEDs included in an LED array operate efficiently.
  • the LED illumination device of the present invention includes an LED array in which a plurality of LEDs are connected in series as a light source, and an LED illumination device that applies a pulsating flow to the LED array,
  • the LED row has a part that illuminates for a long time and a part that illuminates only for a short period within the cycle of pulsating flow,
  • the element size of the LED included in the portion that is lit for a long period of time is different from the element size of the LED included in the portion that is lit only for a short period.
  • the LED included in the portion that is lit only for a short period of time has a small element size, the area utilization efficiency is high even if the light emission amount is small, and the light emission efficiency is good because the current amount per unit time is small. That is, by making the size of the LED included in the portion that is lit for a long time larger than the size of the LED included in the portion that is lit only for a short period of time for the LED elements included in one LED row, both portions are more efficient. The LED works well.
  • the element size of the LED included in the part that is lit for a long period of time may be larger than the element size of the LED included in the part that is lit only for a short period.
  • the LEDs included in the portion that is lit only for a short period are integrated.
  • a bypass circuit is provided at the connection between the part that lights for a long period and the part that lights only for a short period, so that the current flows from the part that lights for a long period until the current flowing in the part that lights for a short period exceeds the specified value. It is good to make it.
  • the bypass circuit may include a depletion type FET.
  • the LED lighting device of the present invention includes an LED array in which a plurality of LEDs are connected in series as a light source, and when switching the number of LEDs to be lit according to the voltage or current applied to the LED array, The included LEDs operate efficiently.
  • FIG. 2 is a circuit diagram for driving the light emitting unit shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a waveform diagram of the circuit shown in FIG. 5.
  • FIG. 6 is another circuit diagram for driving the light emitting unit shown in FIG. 1. It is a circuit diagram of the conventional LED drive circuit.
  • FIG. 1 illustrates a light emitting unit 100 included in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of the light emitting unit 100.
  • the 24 LEDs 102 are connected in series.
  • the anode of this LED row is connected to the terminal 107, and the cathode is connected to the terminal 106 and the lower terminal of the integrated LED 104.
  • the integrated LEDs 104 and 103 are connected in series, and the upper terminal of the integrated LED 103 is connected to the terminal 105.
  • FIG. 2 is a plan view of the integrated LEDs 103 and 104
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the integrated LEDs 103 and 104.
  • the LED 203 has a p-type semiconductor region 204 and an n-type semiconductor region 205.
  • the pad 201 is connected to the p-type semiconductor region 204 of the upper left LED 203 by a wiring 202.
  • the pad 206 is connected to the n-type semiconductor region 205 of the lower right LED 203 by the wiring 202.
  • the n-type semiconductor region 205 of each LED 203 is connected to the p-type semiconductor region 204 of the adjacent LED 203 by a wiring 202.
  • the die 200 is an insulating substrate such as sapphire and is cut out from the wafer.
  • the LED 203 has a structure in which a p-type semiconductor layer is stacked on an n-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor region 205 is formed by removing a part of the p-type semiconductor layer to expose the n-type semiconductor layer.
  • the light emitting layer is at the boundary between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and the planar shape thereof is substantially equal to the planar shape of the p-type semiconductor region 204.
  • the p-type semiconductor region 204 is the anode of the LED 203
  • the n-type semiconductor region 205 is the cathode of the LED 203.
  • the pad 201 is the anode of this diode array
  • the pad 206 is the cathode.
  • FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of the LED 102. 4A shows a plan view of the LED 102, and FIG.
  • the LED 102 includes a semiconductor multilayer structure 20 including a light emitting layer on an LED substrate 21 made of sapphire.
  • the semiconductor stacked structure 20 includes an n-type semiconductor layer 22, a light emitting layer 23, and a p-type semiconductor layer 24.
  • the n-type semiconductor layer 22 is provided with a negative electrode side terminal 27, and the p-type semiconductor layer 24 is provided with a positive electrode side terminal 26 via a transparent conductive layer 25 made of ITO.
  • the light emitting layer 23 emits light when a voltage equal to or higher than the threshold is applied to the side terminal 27.
  • the element size in this example corresponds to the area of the light emitting layer 23.
  • FIG. 5 is a circuit diagram for driving the light emitting unit 100 shown in FIG.
  • the LED lighting device 400 is connected to a commercial power source 406 and includes a bridge rectifier circuit 405, a bypass circuit 430, and a constant current circuit 440 in addition to the light emitting unit 100.
  • the light emitting unit 100 includes a partial LED row 407 in which LEDs 102 are connected in series and a partial LED row 408 in which LEDs 203 are connected in series.
  • the partial LED row 407 corresponds to the LED row of 24 LEDs 102 connected in series in FIG. 1, and shows that the anode is connected to the terminal 107 and the cathode is connected to the terminal 106.
  • the partial LED array 408 corresponds to the integrated LED 103 and the integrated LED 104 connected in series in FIG. 1, and is a series of 12 LEDs 203 shown in FIGS.
  • the partial LED row 408 is surrounded by a black frame to indicate that the partial LED 408 row is composed of the integrated LEDs 103 and 104.
  • Drawing the LED 203 smaller than the LED 102 indicates that the element size of the LED 203 is smaller than the element size of the LED 102. Further, it is shown that the anode of the partial LED array 408 is connected to the terminal 106 shown in FIG.
  • the bridge rectifier circuit 405 is a diode bridge composed of four diodes 401 to 404, and a commercial power source 406 is connected to the AC input side of the diode bridge.
  • Terminals A and B are a current outflow side terminal and a current inflow side terminal of the bridge rectifier circuit 405.
  • the terminal A is connected to the terminal 107 of the partial LED array 407, and the terminal B is connected to the negative terminal of the bypass circuit 430.
  • the bypass circuit 430 includes resistors 431 and 434, an n-type MOS transistor 432 (hereinafter referred to as FET), and an NPN bipolar transistor 433 (hereinafter referred to as transistor).
  • the + side terminal of the bypass circuit 430 is a connection portion between the upper end of the resistor 431 and the drain of the FET 432, and the ⁇ side terminal is a connection portion between the emitter of the transistor 433 and the lower end of the resistor 434.
  • the current detection terminal is a connection portion between the source of the FET 432, the base of the transistor 433, and the upper end of the resistor 434.
  • the + side terminal is connected to the terminal 106 of the partial LED arrays 407 and 408, and the ⁇ side terminal is connected to the terminal B of the bridge rectifier circuit 405.
  • the current detection terminal is connected to the negative terminal of the constant current circuit 440, and the current flowing from the constant current circuit 440 is directed to the terminal B of the bridge rectifier circuit 405 via the resistor 434 and the transistor 433.
  • the constant current circuit 440 includes resistors 441 and 444, an FET 442, and a transistor 443.
  • the positive side terminal of the constant current circuit 440 is a connection portion between the upper end of the resistor 441 and the drain of the FET 442, and is connected to the terminal 105 of the partial LED array 408.
  • the negative terminal is a connection between the emitter of the transistor 443 and the lower end of the resistor 444, and is connected to the current detection terminal of the bypass circuit 430.
  • FIG. 6A is a waveform diagram showing a voltage waveform at the terminal A when the terminal B of the bridge rectifier circuit 405 is used as a reference
  • FIG. 6B is a waveform diagram showing a current waveform from the terminal A to the terminal B in FIG. is there.
  • (A) shows one cycle of the pulsating flow
  • (a) and (b) have the same time axis.
  • the current waveform of (b) includes a period t1 in which no current flows, a period t2 in which the current increases rapidly, a period t3 in which the current becomes constant, and a period t4 in which the current further increases and decreases through a constant current state. If the rise and fall of the pulsating voltage are symmetrical about the peak, the current waveform is also generally symmetrical.
  • the circuit of FIG. 5 will be described in comparison with FIG.
  • the current I does not flow because the pulsating voltage is lower than the threshold value of the partial LED string 407. Since the forward voltage of the LED 102 is about 3V, the period t1 is a period until the pulsating voltage is changed from 0V to around 70V. Thereafter, in the period t2, as the pulsating voltage increases, the current I also increases rapidly. In the period t1, since the voltage at the upper end of the current detection resistor 434 does not reach 0.6V, the FET 432 is in the ON state.
  • the period t3 starts.
  • the pulsating voltage becomes higher than the sum of the threshold value of the partial LED string 407 and the threshold value of the partial LED string 408, and a current also flows through the partial LED string 408.
  • the sum of the currents flowing through the FET 432 and the partial LED array 408 is controlled to be constant.
  • the period t4 starts.
  • the current flowing through the partial LED string 408 increases and the voltage at the upper end of the resistor 434 increases.
  • the transistor 433 is saturated and the FET 432 is turned off.
  • the constant current circuit 440 starts to operate, and the current I is set to a constant value L2.
  • the present embodiment measures the current I flowing through the LED array when the number of LEDs to be included in the LED array is controlled according to the pulsating voltage, and the current I is equal to or less than a predetermined value.
  • Only the LED string 407 is lit (more precisely, the partial LED 408 is weakly lit at the timing of the end of the period t3).
  • the current I exceeds a predetermined value, both the partial LED 407 and the partial LED string 408 are lit. That is, the LEDs that are lit for a long period from the low period of the pulsating current voltage to the low period after the high period are included in the partial LED string 407, and the LEDs that are lit only during the high period of the pulsating voltage are included in the partial LED string 408. It will be.
  • the LEDs 203 that are lit only during periods of high pulsating voltage are integrated. This reduces the mounting area and reduces the manufacturing number. However, an LED that is lit only during a period when the pulsating voltage is high can achieve the effects of the present invention if the element size is small. Therefore, one LED may be formed on each die or may be packaged. Further, when the LEDs 203 are integrated, the size of the LEDs 203 can be further reduced. Accordingly, if the LED 102 is also downsized, the integration of the LED 203 is effective for an LED lighting device (low power type LED lighting device) having a small forward current If. The LED 102 may also be integrated. However, since the LEDs 102 emit light for a long time, it is better not to integrate them if it is preferable that they are dispersed in the substrate 101 (see FIG. 1).
  • the case where the element size of the LED 102 included in the portion that is lit for a long period is larger than the element size of the LED 203 included in the portion that is lit for a short period is described as an example. It is sufficient that the element size of the LED 102 included in the portion to be different from the element size of the LED 203 included in the portion that is lit only for a short period.
  • the current is detected to switch the number of series of LED strings, but the voltage may be detected to switch the number of series.
  • the current waveform has a sharp peak when the number of series stages is switched, and harmonic noise may be induced.
  • the harmonic noise, power factor, and distortion rate can be improved.
  • the number of series stages of LEDs 102 and 203 is 36.
  • the number of series stages may be 60 to 80 stages.
  • the LED array is divided into a partial LED array 407 and a partial LED array 408.
  • the number of dividing the LED row is not limited to 2, and for example, the LED row may be divided into three partial LED rows.
  • the element size of the LED included in the partial LED row that is lit for the longest time is the largest
  • the element size of the LED included in the partial LED row that is lit for the longest time is an intermediate value
  • the portion that is lit only for the shortest period The element size of the LED included in the LED array may be minimized.
  • FIG. 7 is a circuit diagram for driving the light emitting unit 100 shown in FIG. FIG. 7 differs from FIG. 5 only in a bypass circuit 630 and a constant current circuit 640.
  • the bypass circuit 630 includes resistors 631 and 634 and a depletion type n-type MOS transistor 632 (hereinafter referred to as FET).
  • the resistor 631 is a protective resistor for protecting the gate of the FET 632 from a surge
  • the resistor 634 is a resistor for detecting a current. When the current flowing through the resistor 634 increases, the source-drain current of the FET 632 is cut off.
  • the constant current circuit 640 includes resistors 641 and 644 and a depletion type n-type MOS transistor 642 (hereinafter referred to as FET).
  • the resistor 641 is a protective resistor for protecting the gate of the FET 642 from a surge
  • the resistor 644 is a resistor for detecting a current. Feedback is applied to the FET 632 so that the current flowing through the resistor 644 is constant.

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Abstract

　ＬＥＤ列に脈流を印加し、脈流の電圧値或いはＬＥＤ列に流れる電流値に基づいて点灯するＬＥＤの個数を変える場合、長期間点灯するＬＥＤと短期間だけ点灯するＬＥＤが混在し効率的でなかった。ＬＥＤ列には脈流の周期内で長期間点灯する部分ＬＥＤ列４０７と短期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列４０８がある。長期間点灯する部分ＬＥＤ列４０７に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列４０８に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズとは異なる。この結果、各ＬＥＤ列４０７，４０８において発光に係わる面積利用効率を等しくできるようになる。

Description

ＬＥＤ照明装置
　本発明は、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備えるＬＥＤ照明装置に関し、さらに詳しくは、ＬＥＤ列に印加する電圧又はＬＥＤ列を流れる電流に応じて点灯するＬＥＤ列の直列段数を切り換えるＬＥＤ照明装置に関する。
　商用交流電源を全波整流して得られる脈流または脈流に近い電圧波形でＬＥＤ（発光ダイオードともいう）を点灯させる照明装置が知られている（以下ＬＥＤ照明装置と呼ぶ）。このＬＥＤ照明装置は、高い電圧に耐えられるよう複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備えている。このＬＥＤ列は閾値を持ち、閾値を越えるとＬＥＤ列に電流が流れ点灯する。この閾値は脈流のピーク電圧（約１４０Ｖ）よりやや低い値に設定するので、商用電源の実効値が１００Ｖなら閾値を１００～１２０Ｖ程度にする。なお個別のＬＥＤは順方向電圧Ｖｆと呼ばれる閾値があり、順方向電圧Ｖｆ以上の電圧を印加すると電流が流れ点灯する。ＬＥＤ列の閾値は、ＬＥＤ列に含まれる各ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの和となる。
　単純に脈流電圧をＬＥＤ列に印加すると、脈流電圧が閾値電圧を越える期間だけしかＬＥＤ列が点灯しなくなる。このため、暗くなったりちらつきが目立ったりするばかりでなく、力率や歪率も悪化する。なお非点灯期間を短くしようとしてＬＥＤ列の直列段数を小さくすると、ＬＥＤ列と直列に挿入する電流制限回路の電力損失が大きくなり好ましくない。そこでＬＥＤ列に印加する電圧又はＬＥＤ列を流れる電流に応じて点灯するＬＥＤ列の直列段数を切り換え、前述の課題を解決しようとしたものがある（例えば特許文献１，２）。
　特許文献１の図１には、発光ダイオード回路１５（ＬＥＤ列）を６個のダイオード回路１７～２２に分割し、脈流電圧にもとづいて駆動スイッチ３０～３５を切り換え、点灯する発光ダイオード１４の個数（直列段数）を調整する発光ダイオード点灯装置（ＬＥＤ照明装置）が示されている。
　特許文献１のように脈流電圧に基づいて電流経路を切り換える回路は、経路を切り換えた瞬間にＬＥＤ列を流れる電流が大幅に減ったり、大幅に増えたりする。すなわち電流値が不連続となり、高調波ノイズの増加などさまざまな問題を起こす。これに対し特許文献２のＦＩＧ２６に示されるＬＥＤ駆動回路は、ＬＥＤ列に流れる電流を計測することにより、電流が所定値を超えたらＬＥＤ列の直列段数が増え、同時に電流も連続的に増加させている。
　特許文献２のＦＩＧ２６の回路を簡単に説明する（図８参照）。図８において、ＬＥＤグループ１、ＬＥＤグループ２及びＬＥＤグループ３からなるＬＥＤ列がある。ＬＥＤ列に流れる電流が少ないときは、ＬＥＤグループ１及びＬＥＤグループ２に流れる電流をＦＥＴＱ１がバイパスし、ＬＥＤグループ３には電流が流れない（点灯しない）。電流が増えるとＦＥＴＱ１に流れる電流とＬＥＤグループ３に流れる電流の和が一定になるよう動作する。このときＬＥＤグループ３が弱く点灯する。さらに電流が増え所定値を越えるとＦＥＴＱ１がカットオフし、全ての電流がＬＥＤグループ３を流れ、ＬＥＤグループ１，２とともにＬＥＤグループ３も完全に点灯する。なお電流が減るときは逆のステップを踏む。また電流の上限は電流制限抵抗Ｒ１で制限される。
　図８に示した特許文献２のＦＩＧ２６に示される回路でＬＥＤを点灯させると、脈流電圧が高くなればＬＥＤ列に流れる電流も増加し、脈流電圧が低くなればＬＥＤ列に流れる電流も減少するので、力率及び歪率が良いという特徴がある。
特許第４５８１６４６号公報　（図１） 国際出願ＷＯ２０１１／０２０００７号公報　（ＦＩＧ２６）
　しかしながら特許文献１の図１に示された発光ダイオード回路１５（ＬＥＤ列）のみならず、特許文献２のＦＩＧ２６に示されたＬＥＤグループ１，２，３（ＬＥＤ列）も、ＬＥＤ列の一部分は脈流電圧の低い期間から高い期間まで長い期間点灯しているのに対し、ＬＥＤ列の他の部分は脈流電圧の高い期間、すなわち短い期間だけしか点灯してない。つまりＬＥＤ列のなかで長時間点灯し効率的に動作している部分がある一方、短時間しか点灯せず非効率に動作している部分がある。非効率な部分があると、装置が大型化したりコストアップを招いたりして様々な問題を生じる。
　そこで本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備え、このＬＥＤ列に印加する電圧又は電流に応じて点灯するＬＥＤの個数を切り換えるＬＥＤ照明装置において、ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤが効率よく動作するＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。
　本発明のＬＥＤ照明装置は、光源として複数のＬＥＤが直列接続したＬＥＤ列を備え、該ＬＥＤ列に脈流を印加するＬＥＤ照明装置において、
　ＬＥＤ列に脈流の周期内で長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分があり、
　長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズとは異なることを特徴とする。
　（作用）
　ＬＥＤは電流が多くなると発光量は増加するが発光効率が低下する。つまり電流の増加に伴ってＬＥＤの素子面における単位面積あたりの発光量が増大することから面積利用効率が上昇する一方、投入するエネルギーに対し光として放射するエネルギーの比として表される発光効率は低下する。ＬＥＤ列に流す電流（順方向電流Ｉｆともいう）を適切に設定した場合、ＬＥＤ列において長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズを大きくすると、発光量が多いので面積利用効率を高く維持でき、さらに電流密度が下がり発光効率も高く維持できる。このとき短期間だけしか点灯しない部分に含まれるＬＥＤは、素子サイズが小さいので発光量が少なくても面積利用効率が高く、単位時間当たりの電流量が小さいため発光効率が良い。すなわちひとつのＬＥＤ列に含まれるＬＥＤ素子に対し、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤのサイズを、短期間しか点灯しない部分に含まれるＬＥＤのサイズより大きくすることによって、両方の部分でともに効率良くＬＥＤが動作する。
　長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズより大きくても良い。
　短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤが集積化していることが好ましい。
　長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分の接続部にバイパス回路を備え、短期間だけ点灯する部分に流れる電流が所定値を超えるまでは長期間点灯する部分からバイパス回路に電流が流れ込むようにすると良い。
　バイパス回路がディプレッション型ＦＥＴを含んでも良い。
　以上のように本発明のＬＥＤ照明装置は、光源として複数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を備え、このＬＥＤ列に印加する電圧又は電流に応じて点灯するＬＥＤの個数を切り換えるとき、ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤが効率よく動作する。
本発明の実施形態に含まれる発光部の回路図である。 図１に示す発光部に含まれる集積ＬＥＤの平面図である。 図２に示す集積ＬＥＤの回路図である。 ＬＥＤの構成を示す平面図及び断面図である。 図１に示す発光部を駆動するための回路図である。 図５に示す回路の波形図である。 図１に示す発光部を駆動するための他の回路図である。 従来のＬＥＤ駆動回路の回路図である。
　以下、添付図１～７を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また説明のため部材の縮尺は適宜変更している。さらに請求の範囲に記載した発明特定事項との関係をカッコ内に記載している。
　図１により本発明の実施形態に含まれる発光部１００を説明する。図１は発光部１００の回路図である。発光部１００において基板１０１上には２４個のＬＥＤ１０２と、２個の集積ＬＥＤ１０３，１０４と３個の端子１０５，１０６，１０７がある。２４個のＬＥＤ１０２は直列接続している。このＬＥＤ列のアノードは端子１０７と接続し、カソードは端子１０６及び集積ＬＥＤ１０４の下側の端子と接続している。集積ＬＥＤ１０４，１０３は直列接続し、集積ＬＥＤ１０３の上側の端子は端子１０５と接続している。
　図１の詳細な説明の前に図２，３により図１で示した集積ＬＥＤ１０３，１０４を説明する。図２は集積ＬＥＤ１０３，１０４の平面図であり、図３は集積ＬＥＤ１０３，１０４の回路図である。図２に示したようにダイ２００上にはパッド２０１，２０６、６個のＬＥＤ２０３があり、ＬＥＤ２０３にはｐ型半導体領域２０４とｎ型半導体領域２０５がある。パッド２０１は左上のＬＥＤ２０３のｐ型半導体領域２０４と配線２０２で接続している。同様にパッド２０６は右下のＬＥＤ２０３のｎ型半導体領域２０５と配線２０２で接続している。その他、各ＬＥＤ２０３のｎ型半導体領域２０５は隣接するＬＥＤ２０３のｐ型半導体領域２０４と配線２０２で接続している。
　ダイ２００はサファイアなどの絶縁基板であり、ウェハーから切り出されたものである。ＬＥＤ２０３はｎ型半導体層上にｐ型半導体層が積層した構造になっており、ｐ型半導体層の一部を削ってｎ型半導体層を露出させたものがｎ型半導体領域２０５である。発光層はｎ型半導体層とｐ型半導体層の境界部にあり、その平面形状は概ねｐ型半導体領域２０４の平面形状と等しい。
　ｐ型半導体領域２０４はＬＥＤ２０３のアノードであり、ｎ型半導体領域２０５はＬＥＤ２０３のカソードとなる。その結果、図３に示すように集積ＬＥＤ１０３，１０４では６個のＬＥＤ２０３が直列接続し、パッド２０１がこのダイオード列のアノード、パッド２０６がカソードとなる。
　再び図１に戻り発光部１００を説明する。集積ＬＥＤ１０３，１０４はＬＥＤ２０３（図２，３参照）が直列接続したものなので、発光部１００としては、端子１０７から端子１０５に向かってＬＥＤ列が形成される。ＬＥＤ１０２は個別のダイ又はパッケージ品であるため、ＬＥＤ２０３よりも素子サイズが大きい。なお素子サイズとはＬＥＤ１０２，２０３の半導体層の面積或いは発光層の面積に相当する。ここで、ＬＥＤの発光層の面積について具体的に説明する。図４はＬＥＤ１０２の平面図及び断面図である。図４（ａ）はＬＥＤ１０２の平面図を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａでの断面図を示す。図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０２はサファイアからなるＬＥＤ基板２１上に発光層を含む半導体積層構造２０を備えている。半導体積層構造２０は、ｎ型半導体層２２と、発光層２３と、ｐ型半導体層２４からなる。ｎ型半導体層２２には負極側端子２７が設けられており、ｐ型半導体層２４にはＩＴＯからなる透明導電層２５を介して正極側端子２６が設けられており、正極側端子２６と負極側端子２７との間に閾値以上の電圧を印加することに発光層２３が発光する。図８に示すように本実施例における素子サイズは発光層２３の面積に相当する。
　次に図５により本実施形態におけるＬＥＤ照明装置４００を説明する。図５は、図１に示す発光部１００を駆動するための回路図である。ＬＥＤ照明装置４００は、商用電源４０６と接続し、発光部１００に加え、ブリッジ整流回路４０５、バイパス回路４３０、定電流回路４４０を備えている。
　発光部１００は、ＬＥＤ１０２が直列接続した部分ＬＥＤ列４０７と、ＬＥＤ２０３が直列接続した部分ＬＥＤ列４０８からなる。部分ＬＥＤ列４０７は図１において直列接続した２４個のＬＥＤ１０２のＬＥＤ列に相当し、アノードが端子１０７、カソードが端子１０６に接続したものであることを示している。部分ＬＥＤ列４０８は図１において、直列接続した集積ＬＥＤ１０３と集積ＬＥＤ１０４に相当し、図２，３で示したＬＥＤ２０３が１２個直列接続したものである。なお図中、部分ＬＥＤ列４０８を黒枠で囲っているのは、部分ＬＥＤ４０８列が集積ＬＥＤ１０３，１０４からなることを示している。またＬＥＤ１０２よりＬＥＤ２０３を小さく描いているのは、ＬＥＤ２０３の素子サイズがＬＥＤ１０２の素子サイズより小さいことを示している。また部分ＬＥＤ列４０８のアノードは図１に示した端子１０６、カソードは端子１０５に接続していることを示している。
　ブリッジ整流回路４０５は４個のダイオード４０１～４０４からなるダイオードブリッジであり、ダイオードブリッジの交流入力側に商用電源４０６が接続する。端子Ａと端子Ｂはブリッジ整流回路４０５の電流流出側の端子と電流流入側の端子である。端子Ａは部分ＬＥＤ列４０７の端子１０７と接続し、端子Ｂはバイパス回路４３０の－側端子と接続している。
　バイパス回路４３０は、抵抗４３１，４３４、ｎ型ＭＯＳトランジスタ４３２（以下ＦＥＴと呼ぶ）、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ４３３（以下トランジスタと呼ぶ）からなる。バイパス回路４３０の＋側端子は抵抗４３１の上端とＦＥＴ４３２のドレインの接続部であり、－側端子はトランジスタ４３３のエミッタと抵抗４３４の下端の接続部である。電流検出端子はＦＥＴ４３２のソース、トランジスタ４３３のベース及び抵抗４３４の上端の接続部である。＋側端子は、部分ＬＥＤ列４０７，４０８の端子１０６と接続し、－側端子はブリッジ整流回路４０５の端子Ｂと接続している。電流検出端子は定電流回路４４０の－側端子と接続し、定電流回路４４０から流れ込む電流を抵抗４３４とトランジスタ４３３を経由してブリッジ整流回路４０５の端子Ｂに向かわせる。
　定電流回路４４０は、抵抗４４１，４４４、ＦＥＴ４４２、トランジスタ４４３からなる。定電流回路４４０の＋側端子は抵抗４４１の上端とＦＥＴ４４２のドレインの接続部であり、部分ＬＥＤ列４０８の端子１０５と接続する。－側端子はトランジスタ４４３のエミッタと抵抗４４４の下端の接続部であり、バイパス回路４３０の電流検出端子と接続する。
　次に図６を用いて図５の回路の動作を説明する。図６は図５の回路において、（ａ）がブリッジ整流回路４０５の端子Ｂを基準とした場合の端子Ａの電圧波形、（ｂ）が端子Ａから端子Ｂに向かう電流波形を示す波形図である。（ａ）は脈流の一周期を示しており、（ａ）と（ｂ）は時間軸が一致している。（ｂ）の電流波形には、電流の流れない期間ｔ１、電流が急激に上昇する期間ｔ２、電流が一定となる期間ｔ３、電流がさらに上昇し定電流状態を経て下降する期間ｔ４がある。なお脈流電圧の上昇と下降がピークを中心に対称であれば、電流波形も概ね対称になる。
　次に図６と比較しながら図５の回路について説明する。期間ｔ１では、脈流電圧が部分ＬＥＤ列４０７の閾値より低いため電流Ｉが流れない。ＬＥＤ１０２の順方向電圧は３Ｖ程度なので、期間ｔ１は脈流電圧が０Ｖから７０Ｖ前後になるまでの期間となる。その後期間ｔ２において脈流電圧の上昇にともない電流Ｉも急激に上昇する。期間ｔ１では電流検出用の抵抗４３４の上端の電圧が０．６Ｖに達しないため、ＦＥＴ４３２はＯＮ状態となっている。
　電流Ｉが所定の値Ｌ１に達し抵抗４３４の上端の電圧が０．６Ｖになると期間ｔ３が始まる。期間ｔ３ではトランジスタ４３３のベース・エミッタ間電圧が０．６Ｖを維持するようにフィードバックがかかり電流Ｉが定電流になる。期間ｔ３の最後の部分では脈流電圧が部分ＬＥＤ列４０７の閾値と部分ＬＥＤ列４０８の閾値の和より高くなり、部分ＬＥＤ列４０８にも電流が流れる。このときＦＥＴ４３２と部分ＬＥＤ列４０８に流れる電流の和が一定になるよう制御されている。
　さらに脈流電圧が上昇すると期間ｔ４が始まる。期間ｔ４が始まると部分ＬＥＤ列４０８に流れる電流が増加し抵抗４３４の上端の電圧が上昇する。この結果、トランジスタ４３３が飽和しＦＥＴ４３２がＯＦＦ状態となる。さらに脈流電圧が上昇すると定電流回路４４０が作動し始め、電流Ｉを一定値Ｌ２にする。なお脈流電圧が下降するときは逆の経路を辿る。
　以上のように本実施形態は、脈流電圧に応じてＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの点灯個数を制御する場合、ＬＥＤ列に流れる電流Ｉを計測し、電流Ｉが所定の値以下であるとき部分ＬＥＤ列４０７だけを点灯させ（より正確には期間ｔ３の終わりのタイミングでは部分ＬＥＤ４０８は弱く点灯する）、電流Ｉが所定の値を越えたら部分ＬＥＤ４０７と部分ＬＥＤ列４０８を共に点灯させている。つまり脈流電圧の低い期間から高い期間を経て再び低い期間に至る長い期間点灯するＬＥＤは部分ＬＥＤ列４０７に含まれるものとなり、脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤは部分ＬＥＤ列４０８に含まれるものとなる。
　本実施形態では脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤ２０３を集積化していた。このようにすると実装面積が小さくなり製造手番も軽減化する。しかしながら脈流電圧の高い期間だけ点灯するＬＥＤは、素子サイズが小さければ本発明の効果が得られるので、各ダイに一個ずつＬＥＤを形成したものでも良いし、パッケージ化したものでも良い。またＬＥＤ２０３を集積化するとＬＥＤ２０３の小型化をいっそう進めることができる。これに応じてＬＥＤ１０２も小型化すればＬＥＤ２０３の集積化は順方向電流Ｉｆが小さいＬＥＤ照明装置（低電力型のＬＥＤ照明装置）に有効になる。またＬＥＤ１０２も集積化しても良い。しかしＬＥＤ１０２は、長期間発光するので基板１０１（図１参照）内で分散していたほうが好ましい場合は集積化しない方が良い。
　本実施形態では、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズより大きい場合を例にとって説明したが、これには限られず、長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤ１０２の素子サイズが短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤ２０３の素子サイズとは異なっていればよい。
　本実施形態ではＬＥＤ列の直列段数を切り換えるのに電流を検出していたが、直列段数の切替えに電圧を検出しても良い。しかしながら電圧を検出して直列段数を切り換える方式では、直列段数の切り換え時に電流波形が鋭いピークを持ち高調波ノイズを誘発することがある。これに対し本実施形態のように電流を監視し、電圧の増減に応じて電流が追従するようにすると、高調波ノイズ、力率、歪率に対し良好な状態にできる。
　また本実施形態は商用交流電源として実効値が１００Ｖのものを想定していたため、ＬＥＤ１０２，２０３の直列段数を３６段としていた。商用電源が２００Ｖ～２４０Ｖの場合は直列段数を６０～８０段とすればよい。
　本実施形態では図５に示したようにＬＥＤ列を部分ＬＥＤ列４０７と部分ＬＥＤ列４０８に分割していた。しかしながらＬＥＤ列を分割する数は２に限られず、例えばＬＥＤ列を３個の部分ＬＥＤ列に分割しても良い。この場合、最も長く点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを最も大きくし、次に長く点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを中間の値とし、最も短い期間だけ点灯する部分ＬＥＤ列に含まれるＬＥＤの素子サイズを最も小さくすると良い。
　これまで説明してきたＬＥＤ照明装置４００はバイパス回路４３０及び定電流回路４４０がエンハンスメント型のＦＥＴトランジスタ４３２，４４２を使用していた。これに対しＦＥＴをディプレッション型にすると回路を簡単化できる。そこで図７によりディプレッション型ＦＥＴを使用した本発明の他の実施形態のＬＥＤ照明装置６００を説明する。図７は、図１に示す発光部１００を駆動するための回路図である。図７は、図５に対しバイパス回路６３０、定電流回路６４０だけが異なっている。
　バイパス回路６３０は、抵抗６３１，６３４、ディプレッション型のｎ型ＭＯＳトランジスタ６３２（以下ＦＥＴと呼ぶ）からなる。抵抗６３１はサージからＦＥＴ６３２のゲートを保護するための保護抵抗であり、抵抗６３４は電流を検出するための抵抗である。抵抗６３４を流れる電流が大きくなるとＦＥＴ６３２のソース－ドレイン間電流を遮断する。
　定電流回路６４０は、抵抗６４１，６４４、ディプレッション型のｎ型ＭＯＳトランジスタ６４２（以下ＦＥＴと呼ぶ）からなる。抵抗６４１はサージからＦＥＴ６４２のゲートを保護するための保護抵抗であり、抵抗６４４は電流を検出するための抵抗である。抵抗６４４を流れる電流が一定になるようＦＥＴ６３２にフィードバックがかかる。

Claims (5)

  1. 　光源として複数のＬＥＤが直列接続したＬＥＤ列を備え、該ＬＥＤ列に脈流を印加するＬＥＤ照明装置において、
    　前記ＬＥＤ列に前記脈流の周期内で長期間点灯する部分と短期間だけ点灯する部分があり、
    　前記長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズとは異なることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
  2. 　前記長期間点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズが前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤの素子サイズより大きいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
  3. 　前記短期間だけ点灯する部分に含まれるＬＥＤが集積化していることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
  4. 　前記長期間点灯する部分と前記短期間だけ点灯する部分の接続部にバイパス回路を備え、前記短期間だけ点灯する部分に流れる電流が所定値を超えるまでは前記長期間点灯する部分から前記バイパス回路に電流が流れ込むようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＬＥＤ照明装置。
  5. 　前記バイパス回路がディプレッション型ＦＥＴを含むことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ照明装置。
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