JP2006244848A

JP2006244848A - 照明用発光ダイオード駆動回路

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Publication number: JP2006244848A
Application number: JP2005058638A
Authority: JP
Inventors: Mineo Mizukami; 嶺雄水上; Masahito Fukumizu; 雅仁福泉
Original assignee: Jamco Corp
Current assignee: Jamco Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-03
Also published as: JP4588494B2

Abstract

【課題】供給電力を有効に活用しつつ、高調波電流の発生を抑制する発光ダイオード駆動回路を提供すること。
【解決手段】ＡＣ供給電源１と整流器２と発光ダイオード直列回路３と、この直列回路３に設けた任意数のタップＴ−１〜ｍと、切換器８−１〜ｍと電圧設定器７−１〜ｍと電流制御器６と電圧比較器５と基準電圧設定器１０と負荷電流検出器９とを有し、電流制御器６の電流制御量に応じた電圧設定器７−１〜ｍの制御出力を切換器８−１〜ｍ制御入力に出力するようにして、切換器８−１〜ｍの導通・非導通を順に制御し、整流電圧の瞬時電圧ｖと負荷電流の瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御して、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、室内照明用として使用する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅで以下ＬＥＤと称す）を交流供給電源で稼動させる際に発生する高調波電流を抑制するようにした照明用ＬＥＤ駆動回路に関する。

ＬＥＤの高輝度、高効率化に伴い、室内照明用としてＬＥＤを使用したものが最近出現してきた。
ＬＥＤ照明は蛍光灯に比べ照度が簡単に変えられて長寿命で水銀等の有害物質を含まないといった利点を持つ。

また、様々な発光色のＬＥＤや赤、緑、青の３色または２色を自由に組合せることで様々な色を発光させることもできる。

一般に、ＬＥＤを照明に使用するための駆動回路は、使う環境条件に合ったものがあれば最適であるが、安定で安価なものが絶対条件となる。ＬＥＤの数や使用する電源の種類、電圧によってこの選択肢が狭まってくる。

また、最近蛍光灯のインバータ回路でも問題視されるようになった負荷回路の力率改善と高調波電流の抑制を考慮すると、ＬＥＤ駆動回路はさらに選択肢が狭くなる。

また、直流電源を使ってＬＥＤ照明を駆動した場合には、交流電源を直流電源に変換するコンバータの高調波電流が問題となる。

従来から存在する一般的なＬＥＤの駆動方法としては、最大供給電源電圧ＶｓでＬＥＤの最大許容電流に対応するＬＥＤ端子電圧Ｖｌｅｄｍａｘで割った数ｎ（＝Ｖｓ／Ｖｌｅｄｍａｘ）の近傍の直列接続で稼動するのが定石となっている。この方法は電圧を有効に活用し電流を最小にすることができるため、電源効率を最も高くすることができる。

直列回路には、電流制限抵抗（安定抵抗）や定電流回路や定電流素子等をＬＥＤと直列に挿入する場合が普通である。ＬＥＤの数を増やす場合には、縦列段数ｎのＬＥＤの並列接続数ｈを増やすことによってｎ×ｈのＬＥＤを使った構成のＬＥＤ駆動回路を実現させることができる。

ＬＥＤの光度（単位はカンデラ）は、ＬＥＤに流す電流に比例するが、ある値以上で飽和する。飽和の一歩手前が所謂推奨（または定格）電流（一例：２０ｍＡ程度）である。その時のＬＥＤの端子電圧は、ＬＥＤの種類、発光色によって大幅に異なっている。

また、ＬＥＤの光度の規定としては、規定直流電流のもとで一定範囲に入るように仕様書に書かれている。（ＬＥＤ駆動方法として定格電流方式が適している理由はここからきている。）交流（以下ＡＣと略す）電圧を整流しＬＥＤを駆動する場合には、瞬時電圧が正弦波状に変化するため、瞬時電圧の最大でＬＥＤ定格電流を越えないようにするのが安全である。この場合、ＬＥＤの光度は直流駆動に比べて下がるが、フリッカはＡＣ電源周波数が５０／６０Ｈｚ以上で全波整流駆動した場合には目の残像効果で気にならない。

図５は従来から存在する一般的な照明用発光ＬＥＤ駆動回路の一例を示す構成図である。
図５において、整流電圧Ｖをｎ個のＬＥＤを直列接続した回路に適当な安定抵抗または定電流素子等を挿入し印加させる単純な方法でＬＥＤを駆動していた。複数のＬＥＤを直列接続すると最小電流で駆動電圧を高く設定できるため、商用電源のような高電圧をダイオードで直接全波（または半波）整流したのちＬＥＤを駆動させる場合に有利である（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

このような駆動方法では、ＬＥＤのダイオード特性によりＬＥＤに加わる瞬時電圧の低下と共にＬＥＤ電流が急激に減少し、電圧があるにもかかわらず電流が流れないカットオフ現象が発生する。

ＬＥＤのダイオード特性から算出したＬＥＤ電流の一例を図６に示す。整流電圧Ｖは、交流電圧の実効値で全波整流した瞬時電圧ｖは、ｖ＝√２×Ｖ×｜ｓｉｎθ｜で表される。この瞬時電圧ｖは、正弦波位相９０度の時に最大値となり±９０度で零になる。図６に示すように理想的な抵抗負荷では、この瞬時電圧ｖと相似の瞬時電流ｉが流れ、ｉ＝√２×Ｉ×｜ｓｉｎθ｜で表される。しかしながらＬＥＤ直列回路に流れる瞬時電流ｉは、ｖの最大値から±２０度の範囲ではＬＥＤに定格電流以上の電流を流すことができるが、±５０度以上では電流が流れないカットオフ現象が発生していることを示している。この様な電流波形は、基本波の整数倍の高調波成分（主に奇数次）を多く含んでおり、これが電力系統に流れることにより、受電用設備のコンデンサ、リアクトルの焼損や隣接機器の誤動作、異常音、振動などの障害が発生する恐れがあり、国際規格であるＩＥＣ１０００−３−２に基づいて規制が行われている。

また高調波歪み率（ＴＨＤ：ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）と力率（ＰＦ：ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒ）についてはＰＦ＝１／√（１＋ＴＨＤ^２）の関係がある。そこで高調波電流の抑制は力率改善とも呼ばれている。この様なカットオフは、白熱電球では有得なかったことであり、力率が低下し電力の有効活用に反しするばかりか、電流波形が歪み高調波電流を多分に含むことになり、高調波電流抑制規定に適合させることができないため、対応策が待ち望まれていた。

図５に示すようなＡＣを直接整流し整流電圧ＶでＬＥＤ直列回路を駆動する場合に発生する高調波電流を抑制するためには、ＡＣ電源の代りにＤＣ電源を使用する以外に以下のような幾つかの解決方法が考えられる。

１）整流電圧Ｖをコンデンサで平滑したのちＬＥＤ負荷回路に供給した場合には、ＬＥＤに流れる電流の高調波電流成分は激減するが、平滑コンデンサに流れる充電電流がパルス状になるためＡＣ供給電源電流に歪みが発生し、高調波電流が問題になる。
この高調波電流抑制対策方法としてアクティブフィルタ方式等が考案されているが、アクティブフィルタ方式の場合、昇圧コイルをスイッチングする際に発生する放射ノイズが問題となるため、これらの対策を厳重に施す必要があり小型軽量化の障害となる。

２）ＬＥＤに流れる電流が所定電圧以下で低下するため、この低下分に見合った電流を他の負荷、例えばダミー抵抗等で負担する方法が考えられる。
この方法は電流高調波の抑制策としては有効であるが、ダミー抵抗に流れる電流が大きいと無効電力の増大で発光効率が低下することとダミー抵抗の放熱対策が必要となる。

３）一般的なＡＣ−ＤＣコンバータ（例えばスイッチング電源等）を使ってＡＣをＤＣに変換してからＬＥＤを駆動する方法が考えられる。
しかしながらＡＣ−ＤＣコンバータの高調波電流が問題になる。更にＡＣ−ＤＣコンバータから発生する放射ノイズも問題となるため、これらの対策を厳重に施す必要があり小型軽量化の障害になる。
特開平５−７５１６６号公報特開平７−２７３３７１号公報

本発明は、以上のような点に鑑み、ＡＣを直接整流した整流電圧でＬＥＤ直列回路を駆動する瞬時電圧が、低電圧時でも、供給電力を有効に活用しつつ、高調波電流の発生を極力抑制する発光ダイオード駆動回路を提供することを目的とする。

４）これは、本発明が採用した解決方法であり、その概要を次のとおりである。
即ち、ＬＥＤ直列回路を駆動する瞬時電圧ｖが、ＬＥＤ端子電圧ＶｌｅｄｍａｘにＬＥＤ直列接続数ｎを掛けた電圧以下になるとＬＥＤの電流が急激に減少するため、ＬＥＤの電流の減少が始まる前後でＬＥＤの直列接続数ｎを瞬時電圧ｖに対応し可変しＬＥＤの電流減少を抑える方法である。
例えば、Ｖｌｅｄｍａｘ＝３．３Ｖでｎ＝４０の場合にはＶｓ＝１３２Ｖであるが、瞬時電圧が１３２Ｖ以下になった時点でｎ＝３０にするとＶｓ＝９９Ｖまで電流は減少しないことになる。
以下同様に瞬時電圧が９９Ｖ以下になった時点でｎ＝２０にするとＶｓ＝６６Ｖまで、更に瞬時電圧が６６Ｖ以下になった時点で、ｎ＝＝１０にするとＶｓ＝３３Ｖまで電流は減少しないことになる。この結果、瞬時電圧ｖの位相９０±８０度の範囲でＬＥＤに電流を流すことができることになる。

本発明は、発光効率とノイズ排除の観点からこの方法を採用し、そのために、ＬＥＤの直列接続数ｎの途中に電圧を供給するためのタップを設け、瞬時電圧ｖに対応させる方法を採り入れた。
ＬＥＤのカットオフ現象が発生する期間を狭くするためには、タップの数を複数個設けることで対応させることができる。タップの切換にはフォトカプラのように電流のオン・オフ動作の中間で電流制御ができるような切換器が望ましい。
またこの切換器を制御するには瞬時電圧ｖの電圧に応じてタップを切換える方法とタップを含むＬＥＤ直列回路の総電流を電流帰還ループの中に入れて帰還制御電圧の量（オフセット電圧）に応じてタップを切換える方法を採り入れた。
また高調波電流を抑制するために、ＬＥＤの電流波形と瞬時電圧ｖ波形が相似となるように瞬時電圧ｖを基準にした電流帰還制御を行うことで、限りなく電流波形歪みを抑制させることができるようにした。
具体的な解決手段は、以下のとおりである。

上記の目的を達成するために、本発明の発光ダイオード駆動回路は、ＡＣ供給電源とこれを整流し整流電圧Ｖを供給する整流器とｎ個の発光ダイオードを直列に接続したＬＥＤ直列回路とこのＬＥＤ直列回路の（＋）端子と（−）端子間に（−）端子側から順にＴ−１〜ｍ（但しｍ＜ｎ）とする少なくとも１個以上の任意のタップを設け、このタップＴ−１〜ｍに対応する切換器８−１〜ｍと電圧設定器７−１〜ｍと、前記ＬＥＤ直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Ｖを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Ｉを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記ＬＥＤ直列回路の（−）端子と前記電流制御器入力を接続し、前記タップＴ−１〜ｍを前記切換器８−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記切換器８−１〜ｍ出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器７−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜ｍ出力を前記切換器８−１〜ｍ制御入力にそれぞれ接続し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器７−１〜ｍの制御出力１〜ｍを前記切換器８−１〜ｍ制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器８−１〜ｍは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器８−１〜ｍが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器８−１〜ｍがすべて導通となるように制御し、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにしたことを特徴とする。

また本発明の発光ダイオード駆動回路は、ＡＣ供給電源とこれを整流し整流電圧Ｖを供給する整流器とｎ個の発光ダイオードを直列に接続したＬＥＤ直列回路と、前記ＬＥＤ直列回路のタップ間のＬＥＤ直列接続数をｐとし、ｎ／ｐ＝２^ｍ（但しｍは整数）となるようにｎ、ｐ、ｍをそれぞれ設定し、直列ＬＥＤ数がｐ個毎にＬＥＤ直列回路の（＋）端子と（−）端子間に、（−）端子側から順にダイオード３ａ−１〜（２^ｍ−１）をＬＥＤ電流が流れる方向に挿入し、前記ダイオード３ａの両端に対応するＴａ−１，Ｔ−１〜Ｔａ−（２^ｍ−１），Ｔ−（２^ｍ−１）なるタップをそれぞれ設け、切換器８−１〜ｍと切換器８ａ−１〜ｍと電圧設定器７−１〜ｍと、タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−１〜（２^ｍ−１）および３ｃ−１〜（２^ｍ−１）（但し３ｂ−（２^ｍ）／２、３ｃ−（２^ｍ）／２は不要で欠落）と、前記ＬＥＤ直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Ｖを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Ｉを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記ＬＥＤ直列回路の（−）端子と前記電流制御器入力を接続し、前記切換器８−１〜ｍ出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器７−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜ｍ出力を前記切換器８−１〜ｍ、８ａ−１〜ｍの各制御入力にそれぞれ接続し、この切換器８ａ−１〜ｍの入力を前記ＬＥＤ直列回路（＋）端子にそれぞれ接続し、前記電圧供給タップＴａ−１〜（２^ｍ−１）にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−１〜（２^ｍ−１）のカソードを前記電圧供給タップＴ−１〜（２^ｍ−１）にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード３ｃ−１〜（２^ｍ−１）のアノードを接続し、前記切換器８−１入力を前記タップＴ−（２^ｍ）／２へ、また前記切換器８ａ−１出力をタップＴａ−（２^ｍ）／２へ接続し、前記切換器８−２入力を前記タップＴ−（２^ｍ）／４とＴ−３（２^ｍ）／４へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード３ｃ−（２^ｍ）／４と３ｃ−３（２^ｍ）／４をそれぞれ経由して接続し、前記切換器８ａ−２出力を前記タップＴａ−（２^ｍ）／４とタップＴａ−３（２^ｍ）／４へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−（２^ｍ）／４と３ｂ−３（２^ｍ）／４をそれぞれ経由して接続（以下同様で説明は省略）し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器７−１〜ｍの制御出力１〜ｍを前記切換器８−１〜ｍ、８ａ−１〜ｍの制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器８−１〜ｍ，８ａ−１〜ｍは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器８−１，８ａ−１〜８−ｍ，８ａ−ｍが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器８−１，８ａ−１〜８−ｍ，８ａ−ｍがすべて導通となるように制御することで、各ＬＥＤには常にほぼ等しい電流が流れ前記ＬＥＤ直列回路の全ＬＥＤを均一に点灯させるようにし、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにしたことを特徴とする。

また上記のそれぞれにおいて、さらにダミー抵抗とこの電流を制御する切換器とこの切換器を制御する電圧設定器とを有し、前記ダミー抵抗を前記ＬＥＤ直列回路の（＋）端子と前記切換器の入力間に接続し、前記切換器出力を前記電流制御器の入力に接続し、前記切換器の制御入力と前記電圧設定器出力を接続し、前記電圧設定器入力を前記電圧比較器の出力に接続し、前記電圧設定器出力を請求項１又は請求項２における各電圧設定器出力の最大時に対応させることで、前記ＬＥＤ直列回路の全ＬＥＤがカットオフ現象またはその近傍の時に前記ダミー抵抗に電流が流れるようにし、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤ直列回路の途中から少なくとも１個以上の任意のタップを設け、このタップを経由しＬＥＤに電流が流れるように切換器を設けておき、ＬＥＤ直列回路へ供給する整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖが所定電圧以上の場合には、切換器でタップを切断し電流を通さないが、所定電圧以下になるとタップを経由してＬＥＤ電流が流れるようにする。更に瞬時電圧ｖが低下した場合には、更に上流のタップを経由して電流が流れるようにすることで、瞬時電圧ｖが低電圧時でも供給電力を有効に活用しつつ、更に前記の高調波電流の規制問題を解決するために電流制御器を設け、負荷回路の電圧波形と電流波形とが相似となるように帰還制御させて、高調波電流の発生を極力抑制させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。

図１は、本考案によるＬＥＤ駆動回路の実施例１の構成を示す。
図１において、ＡＣ供給電源１とこれを整流し整流電圧Ｖを供給する整流器２とＬＥＤ３−１〜３−４０を直列に接続したＬＥＤ直列回路３とこのＬＥＤ直列回路３の（＋）端子と（−）端子間に、（−）端子側から順にＴ−１〜Ｔ−３とするＬＥＤ直列数１０個毎にタップを３個設け、このタップＴ−１〜Ｔ−３に対応する３組の安定抵抗４−１〜４−３と切換器８−１〜８−３と電圧設定器７−１〜７−３と、前記ＬＥＤ直列回路の電流を制御する電流制御器６と、この電流制御器６を制御する電圧比較器５と、前記整流器２の電圧Ｖを分圧設定する基準電圧設定器１０と電流制御器６出力より前記整流器２に戻る負荷電流Ｉを検出する電流検出器９とを有しており、前記電圧比較器５の基準入力に前記基準電圧設定器１０出力を、前記電圧比較器５の比較入力に電流検出器９出力を接続し、前記ＬＥＤ直列回路３の（−）端子と前記電流制御器６入力を安定抵抗４−０を経由し接続し、前記タップＴ−１〜Ｔ−３を切換器８−１〜８−３入力に安定抵抗４−１〜４−３を経由しそれぞれ接続し、切換器８−１〜８−３出力を前記電流制御器６の入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器５の出力を前記電流制御器６の制御入力と前記電圧設定器７−１〜７−３入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜７−３出力を前記切換器８−１〜８−３の制御入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜７−３出力を前記電流制御器６の電流制御量の小〜大に対応させて前記切換器８−１〜８−３の制御入力に出力するようにし、前記電流制御器６の電流制御量が小さい時には切換器８−１〜８−３は非導通で、電流制御量の大きくなるにつれて前記切換器８−１〜８−ｍが順に導通し、電流制御量が大きい時には切換器８−１〜８−３全てが導通状態となるように制御させている。

図１において更に、ダミー抵抗４−４とこの電流を制御するダミー抵抗切換器８−４とこれを制御する電圧設定器７−４とを有し、ダミー抵抗４−４をＬＥＤ直列回路３の（＋）端子と切換器８−４入力間に接続し、切換器８−４出力を電流制御器６の入力に接続し、切換器８−４制御入力と電圧設定器７−４出力を接続し、電圧設定器７−４入力を電圧比較器５の出力に接続し、電圧設定器７−４出力を前記電圧設定器７−１〜７−３出力の最大時に対応させることで、ＬＥＤ直列回路３の全ＬＥＤがカットオフ状態またはその近傍の時にダミー抵抗４−４に電流が流れるようにしている。

以下に本実施例１の整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖに対しどのように負荷の瞬時電流ｉが制御されるかについて説明する。

瞬時電圧ｖが３３Ｖ付近に上昇するとタップＴ−３を経由し電流が流れ始める。このため瞬時電流ｉは増大し電圧比較器５の出力電圧は電流を抑制するように出力電圧を下げる。その結果、電圧設定器７−４は切換器８−４を導通状態からオフにする制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが６６Ｖ付近に上昇するとタップＴ−２を経由して電流が流れ始める。このため瞬時電流ｉは増大し電圧比較器５の出力電圧は電流を抑制するように出力電圧を下げる。その結果、電圧設定器７−３は切換器８−３を導通状態からオフにする制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが９９Ｖ付近に上昇するとタップＴ−１を経由して電流が流れ始める。このため瞬時電流ｉは増大し電圧比較器５の出力電圧は電流を抑制するように出力電圧を下げる。その結果、電圧設定器７−２は切換器８−２を導通状態からオフにする制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが１３２Ｖ付近に上昇すると（−）端子を経由して電流が流れ始める。このため瞬時電流ｉは増大し電圧比較器５の出力電圧は電流を抑制するように出力電圧を下げる。その結果、電圧設定器７−１は切換器８−１を導通状態からオフにする制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが１６３Ｖの最大値付近に到達すると、（−）端子から流れる電流は増大するが、電圧比較器５は、電流制御器６に対して電流を抑制するように制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが１６３Ｖより降下すると、（−）端子から流れる電流は減少するが、電圧比較器５は、電流制御器６に対して電流を増強するように制御出力を出す。

瞬時電圧ｖが１３２Ｖ付近より降下すると、（−）端子から流れる電流が減衰する。このため瞬時電流ｉは不足し電圧比較器５の出力電圧は電流を促進するように出力電圧を上げる。その結果、電圧設定器７−１は切換器８−１をオフから導通状態にする制御出力を出すためタップＴ−１を経由し電流が流れ始める。

瞬時電圧ｖが９９Ｖ付近より降下すると、タップＴ−１を経由する電流が減衰する。このため瞬時電流ｉは不足し電圧比較器５の出力電圧は電流を促進するように出力電圧を上げる。その結果、電圧設定器７−２は切換器８−２をオフから導通状態にする制御出力を出すためタップＴ−２を経由し電流が流れ始める。

瞬時電圧ｖが６６Ｖ付近より降下すると、タップＴ−２を経由する電流が減衰する。このため瞬時電流ｉは不足し電圧比較器５の出力電圧は電流を促進するように出力電圧を上げる。その結果、電圧設定器７−３は切換器８−３をオフから導通状態にする制御出力を出すためタップＴ−３を経由し電流が流れ始める。

瞬時電圧ｖが３３Ｖ付近より降下すると、タップＴ−３を経由する電流が減衰する。このため瞬時電流ｉは不足し電圧比較器５の出力電圧は電流を促進するように出力電圧を上げる。その結果、電圧設定器７−４は切換器８−４をオフから導通状態にする制御出力を出すためダミー抵抗４−４を経由し電流が流れ始める。

以上述べたような動作を瞬時電圧ｖの周期ごとに繰返すことで、本実施例１では、負荷回路となるＬＥＤ直列回路が瞬時電圧ｖに対応しタップとダミー抵抗の切換を行いながら、電流帰還制御されるため、瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの比がほぼ定数にすることができるため、前記ＡＣ供給電源１の高調波電流を極力抑制させることができる。

図２は本考案による照明用ＬＥＤ駆動回路の実施例２の構成を示す。
図２において、前記ＬＥＤ直列回路３のタップ間のＬＥＤ直列接続数ｐを１０とし、直列ＬＥＤ数が１０個毎に新たにダイオード３ａ−１〜３をＬＥＤ電流が流れる方向に挿入し、ＬＥＤ直列回路の（−）端子側を若い番号とするタップＴ−１〜３をダイオード３ａ−１〜３のアノード側に、また電圧供給タップＴａ−１〜３をダイオード３ａ−１〜３のカソード側となるように設け、更にこの電圧供給タップＴａ−１〜３へ電圧を供給する切換器８ａ−１、２とタップ間逆流防止ダイオード３ｂ−１、３および３ｃ−１、３とを新規に設け、この切換器８ａ−１、２の入力を前記ＬＥＤ直列回路３の（＋）端子にそれぞれ接続し、切換器８ａ−１、２の制御入力を切換器８−１、２の制御入力にそれぞれ接続し、切換器８−１入力をタップＴ−２へ、切換器８ａ−１出力をタップＴａ−２へ接続し、切換器８−２入力をタップＴ−１とＴ−３へ、切換器８ａ−２出力をタップＴａ−１とタップＴａ−３へ対応するタップ間逆流防止ダイオード３ｃ−１、３および３ｂ−１、３を経由しそれぞれ接続する。

これにより、実施例１と同様な動作で、切換器８−１がオフから導通状態になるとタップＴ−２より電流が流れると同時に切換器８ａ−１もオフから導通状態になり、Ｔａ−２から略々等しい電流が流れることになる。同様に切換器８−２がオフから導通状態になるとタップＴ−１、Ｔ−３より電流が流れると同時に切換器８ａ−２がオフから導通状態になりＴａ−１、３から略々等しい電流が流れることになる。
このようにＬＥＤ直列回路３の全てのＬＥＤに、タップ切換を行っても略々等しい電流が流れることになるためＬＥＤ直列回路３の全ＬＥＤを均一に点灯させることができ、かつ、実施例１と同様に瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの比がほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を極力抑制することができる。

なお図２の回路構成は、発光ダイオードの全直列接続数ｎを４０個、タップ間の直列接続数ｐを１０個、ｍを２として、タップをＴａ−１，Ｔ−１〜Ｔａ−３，Ｔ−３のように、各々３個設けた基本回路例であるが、これに限らず、印可電圧、発光効率、高調波電流の抑制レベルに応じてｎ／ｐ＝２^ｍ（ｍは整数）の関係になるようにｎ、ｐ、ｍを設定することで、最適な回路を構成することができる。

図３は、前項のｎ、ｐ、ｍを４０，２０，１に設定した場合の本考案による照明用ＬＥＤ駆動回路の実施例３の構成を示す。
図３において、回路構成を簡略化するために、前記ＬＥＤ直列回路３には中間にタップＴ−１、電圧供給タップＴａ−１、ダイオード３ａ−１のみを設け、これらに対応する切替器８−１、電圧供給切替器８ａ−１、電圧設定器７−１を設けて、図のように接続し、他は実施例１、実施例２と同様な回路構成である。
これでも各ＬＥＤにはタップ切換時も含め常に略々等しい電流が流れることになるため、ＬＥＤ直列回路３の全ＬＥＤを均一に点灯させることができ、かつ、実施例１と同様に瞬時電圧ｖと瞬時電流ｉの比がほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を極力抑制するようにした照明用ＬＥＤ駆動回路である。

実施例３においては、タップ切換を簡略化しているが、これによる発光効率の劣化をＬＥＤのダイオード特性から算出したＬＥＤ電流の一例を図４に示す。
図４のＬＥＤ電流波形のごとく、正弦波位相０±２０度および１８０±２０度の範囲がダミー抵抗４−４にて補間される領域となる。これによる電力消費量は全体の１０％未満であるため、発光効率と回路規模のバランスを考えた設計が重要となる。

以上の各実施例では、いずれもＬＥＤの数を４０個としているが、ＬＥＤの数は使用するＬＥＤや使用条件や要求内容で決まるもので４０個に限定する必要はない。
また、ＬＥＤ電流を可変しＬＥＤの光度を可変させるには、電圧比較器５の入力となる基準電圧設定器１０の出力電圧を可変することで、高調波電流の抑制を阻害することなく簡単に達成できる。
また複数のＬＥＤ直列回路３またはそれに対応した安全抵抗を含む負荷回路を複数組並列接続し本実施例の様に駆動させた場合も全く同様な効果を発揮させることができる。
またＬＥＤを部分的に直並列に接続した場合も同様である。
また切換器は、特性の揃ったフォトカプラを想定しているが、制御電圧で出力電流のオフ〜オンが可能なものであれば何でも良い。
また、切換器８の制御電圧を本実施例のように電圧設定器７の出力を基にするのではなく、整流器２の整流電圧Ｖを基に制御させても同様の効果が得られる。
なお、説明を省略したが、本ＬＥＤ駆動回路の各実施例で使用した電圧比較器５、電流制御器６、電圧設定器７、切換器８、電流検出器９、基準電圧設定器１０等で必要により使用する直流電源は、ＬＥＤ直列回路に流れる電流に比べて微々たるものであれば、整流電圧Ｖを適当な電圧に分圧したのちＤＣ電圧に変換し使用しても問題になることはない。

実施例１の照明用ＬＥＤ駆動回路である。実施例２の照明用ＬＥＤ駆動回路である。実施例３の照明用ＬＥＤ駆動回路である。実施例３のＬＥＤ電流波形図である。従来の照明用ＬＥＤ駆動回路である。従来の照明用ＬＥＤ駆動回路のＬＥＤ電流波形図である。

符号の説明

１ＡＣ供給電源
２整流器
３ＬＥＤ直列回路
３−１〜３−４０ＬＥＤ
３ａ−１〜３ａ−３ダイオード
３ｂ−１、３ｂ−３タップ間逆流防止ダイオード
３ｃ−１、３ｃ−３タップ間逆流防止ダイオード
４−０〜４−３安定抵抗
４−４ダミー抵抗
５電圧比較器
６電流制御器
７−１〜７−４電圧設定器
８−１〜８−４切換器
８ａ−１〜８ａ−２切換器
９電流検出器
１０基準電圧設定器
（＋）ＬＥＤ直列回路（＋）電圧供給端子
（−）ＬＥＤ直列回路（−）電圧供給端子
Ｔ−１〜Ｔ−３タップ
Ｔａ−１〜Ｔａ−３電圧供給タップ
Ｉ負荷電流の実効値
ｉ負荷電流の瞬時電流
Ｖ整流電圧の実効値
ｖ整流電圧の瞬時電圧

Claims

ＡＣ供給電源とこれを整流し整流電圧Ｖを供給する整流器とｎ個の発光ダイオードを直列に接続したＬＥＤ直列回路とこのＬＥＤ直列回路の（＋）端子と（−）端子間に（−）端子側から順にＴ−１〜ｍ（但しｍ＜ｎ）とする少なくとも１個以上の任意のタップを設け、このタップＴ−１〜ｍに対応する切換器８−１〜ｍと電圧設定器７−１〜ｍと、前記ＬＥＤ直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Ｖを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Ｉを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記ＬＥＤ直列回路の（−）端子と前記電流制御器入力を接続し、前記タップＴ−１〜Ｔ−ｍを前記切換器８−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記切換器８−１〜ｍ出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器７−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜ｍ出力を前記切換器８−１〜ｍ制御入力にそれぞれ接続し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器７−１〜ｍの制御出力１〜ｍを前記切換器８−１〜ｍ制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器８−１〜ｍは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器８−１〜ｍが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器８−１〜ｍがすべて導通となるように制御し、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。
ＡＣ供給電源とこれを整流し整流電圧Ｖを供給する整流器とｎ個の発光ダイオードを直列に接続したＬＥＤ直列回路と、前記ＬＥＤ直列回路のタップ間のＬＥＤ直列接続数をｐとし、ｎ／ｐ＝２^ｍ（但しｍは整数）となるようにｎ、ｐ、ｍをそれぞれ設定し、直列ＬＥＤ数がｐ個毎にＬＥＤ直列回路の（＋）端子と（−）端子間に、（−）端子側から順にダイオード３ａ−１〜（２^ｍ−１）をＬＥＤ電流が流れる方向に挿入し、前記ダイオード３ａの両端に対応するＴａ−１，Ｔ−１〜Ｔａ−（２^ｍ−１），Ｔ−（２^ｍ−１）なるタップをそれぞれ設け、切換器８−１〜ｍと切換器８ａ−１〜ｍと電圧設定器７−１〜ｍと、タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−１〜（２^ｍ−１）および３ｃ−１〜（２^ｍ−１）（但し３ｂ−（２^ｍ）／２、３ｃ−（２^ｍ）／２は不要で欠落）と、前記ＬＥＤ直列回路の電流を制御する電流制御器と、この電流制御器を制御する電圧比較器と、前記整流電圧Ｖを分圧設定した基準電圧設定器と前記電流制御器出力より前記整流器に戻る負荷電流Ｉを検出する電流検出器とを有しており、前記電圧比較器基準入力に前記基準電圧設定器出力を、前記電圧比較器比較入力に前記電流検出器出力を接続し、前記ＬＥＤ直列回路の（−）端子と前記電流制御器入力を接続し、前記切換器８−１〜ｍ出力を前記電流制御器入力にそれぞれ接続し、前記電圧比較器出力を前記電流制御器の制御入力と前記電圧設定器７−１〜ｍ入力にそれぞれ接続し、前記電圧設定器７−１〜ｍ出力を前記切換器８−１〜ｍ、８ａ−１〜ｍの各制御入力にそれぞれ接続し、この切換器８ａ−１〜ｍの入力を前記ＬＥＤ直列回路（＋）端子にそれぞれ接続し、前記電圧供給タップＴａ−１〜（２^ｍ−１）にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−１〜（２^ｍ−１）のカソードを前記電圧供給タップＴ−１〜（２^ｍ−１）にそれぞれ前記タップ間逆流防止ダイオード３ｃ−１〜（２^ｍ−１）のアノードを接続し、前記切換器８−１入力を前記タップＴ−（２^ｍ）／２へ、また前記切換器８ａ−１出力をタップＴａ−（２^ｍ）／２へ接続し、前記切換器８−２入力を前記タップＴ−（２^ｍ）／４とＴ−３（２^ｍ）／４へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード３ｃ−（２^ｍ）／４と３ｃ−３（２^ｍ）／４をそれぞれ経由して接続し、前記切換器８ａ−２出力を前記タップＴａ−（２^ｍ）／４とタップＴａ−３（２^ｍ）／４へ対応する前記タップ間逆流防止ダイオード３ｂ−（２^ｍ）／４と３ｂ−３（２^ｍ）／４をそれぞれ経由して接続（以下同様で説明は省略）し、前記電流制御器の電流制御量の小〜大に対応した前記電圧設定器７−１〜ｍの制御出力１〜ｍを前記切換器８−１〜ｍ、８ａ−１〜ｍの制御入力に出力するようにし、前記電流制御器の電流制御量が小さい時には前記切換器８−１〜ｍ，８ａ−１〜ｍは非導通で、電流制御量が増大するにつれて前記切替器８−１，８ａ−１〜８−ｍ，８ａ−ｍが順に導通し、電流制御量が最大の時には前記切換器８−１，８ａ−１〜８−ｍ，８ａ−ｍがすべて導通となるように制御することで、各ＬＥＤには常にほぼ等しい電流が流れ前記ＬＥＤ直列回路の全ＬＥＤを均一に点灯させるようにし、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。
請求項１又は請求項２において、さらにダミー抵抗とこの電流を制御する切換器とこの切換器を制御する電圧設定器とを有し、前記ダミー抵抗を前記ＬＥＤ直列回路の（＋）端子と前記切換器の入力間に接続し、前記切換器出力を前記電流制御器の入力に接続し、前記切換器の制御入力と前記電圧設定器出力を接続し、前記電圧設定器入力を前記電圧比較器の出力に接続し、前記電圧設定器出力を請求項１又は請求項２における各電圧設定器出力の最大時に対応させることで、前記ＬＥＤ直列回路の全ＬＥＤがカットオフ現象またはその近傍の時に前記ダミー抵抗に電流が流れるようにし、前記整流電圧Ｖの瞬時電圧ｖと前記負荷電流Ｉの瞬時電流ｉの比ｖ／ｉがほぼ定数となるように電流帰還制御し、前記ＡＣ供給電源の高調波電流を抑制するようにした照明用発光ダイオード駆動回路。