JP2008103470A

JP2008103470A - Ｌｅｄ駆動回路

Info

Publication number: JP2008103470A
Application number: JP2006283612A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Ohashi; 光男大橋; Iwao Sagara; 岩男相良
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】直列接続するＬＥＤの数を増加し、これに関連して電源電圧Ｖccをスイッチング素子の印加可能最大電圧Ｖceo以上に増加することができる、経済的なＬＥＤ駆動回路を提供する。
【解決手段】多数のＬＥＤを直列接続し、ＬＥＤの通電電流のオン・オフを制御するスイッチング素子を備えた駆動回路において、スイッチング素子１３に並列に抵抗器等の回路素子１５を接続したことを特徴とする。スイッチング素子１３に並列に接続した回路素子１５には、スイッチング素子１３のオフ時に電流Ｉが流れる。この電流ＩはＬＥＤが点灯しない程度の微少電流であるが、直列接続したＬＥＤ１１に電位降下を生じさせ、この電位降下によりスイッチング素子１３への印加電圧Ｖswが低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ直列接続回路の通電電流をオン・オフし、多数のＬＥＤの一括点灯・消灯を行うＬＥＤ駆動回路に関する。

従来から、照明装置などにおいては、多数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ直列接続回路を複数列並列に接続し、その通電電流のオン・オフを駆動回路のスイッチング素子（トランジスタ）を用いて行い、多数のＬＥＤの点灯・消灯を一括制御することが行われている（例えば特許文献１、２、３、４）。
特開２００１−１５２７８号公報特開２００３−１００４７２号公報特開２００３−１３９７１２号公報特開２００５−５０７０４号公報

図６は、従来の一般的なＬＥＤ駆動回路の例である。直列に多数（ｎ個）のＬＥＤを接続してＬＥＤ直列接続回路１１を構成し、これに直流電源１２とスイッチング素子（トランジスタ）１３とを直列に接続する。スイッチング素子１３には制御回路１４が制御端子（ベース）に接続され、スイッチング素子１３をオン・オフ制御する制御信号が供給される。スイッチング素子１３にオン信号電圧が供給されると、スイッチング素子１３のコレクタ・エミッタ間はオン状態となり、電源１２から通電電流が流れ、多数のＬＥＤは一括で点灯する。スイッチング素子１３にオフ信号電圧が供給されると、スイッチング素子１３のコレクタ・エミッタ間はオフ状態となり、電源１２からの通電電流が遮断され、多数のＬＥＤ１３は一括で消灯する。

従来のＬＥＤ駆動回路では、スイッチング素子１３がオフ状態の時に、直流電源１２の電源電圧Ｖccとほぼ同程度の電圧がスイッチング素子１３のコレクタ・エミッタ間に印加される。このため、より明るくする等の目的でＬＥＤの直列接続個数ｎを増加すると、「電源電圧Ｖcc＞ＬＥＤ数（ｎ）×ＬＥＤの順方向電圧（Ｖf）」、を満たす必要があるため、必要な電源電圧Ｖccが増加する。ここで、スイッチング素子へ印加可能な最大電圧Ｖceoが、
Ｖceo＜Ｖcc
という条件になるまで、電源電圧Ｖccを増加すると、通電電流がオフ時に、電源電圧Ｖccとほぼ同程度の電圧がスイッチング素子１３に印加され、スイッチング素子の印加可能最大電圧Ｖceoを超え、スイッチング素子１３が破壊するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、直列接続するＬＥＤの数を増加し、これに関連して電源電圧Ｖccをスイッチング素子の印加可能最大電圧Ｖceo以上に増加することができる、経済的なＬＥＤ駆動回路を提供することを目的とする。

多数のＬＥＤを直列接続し、ＬＥＤの通電電流のオン・オフを制御するスイッチング素子を備えた駆動回路において、スイッチング素子に並列に抵抗器等の回路素子を接続したことを特徴とする。スイッチング素子に並列に接続した回路素子には、スイッチング素子のオフ時に電流Ｉが流れる。この電流ＩはＬＥＤが点灯しない程度の微少電流であるが、直列接続したＬＥＤに電位降下を生じさせ、この電位降下によりスイッチング素子への印加電圧が低減する。

本発明のＬＥＤ駆動回路では、スイッチング素子に並列に回路素子を追加接続したことにより、オフ時におけるスイッチング素子への印加電圧が低減するため、スイッチング素子の印加可能最大電圧Ｖceoよりも高い電源電圧ＶccをＬＥＤ駆動回路に印加することが可能になり、従来よりも多くのＬＥＤを直列接続して一括点灯することが可能となる。また、仮にＬＥＤ数が同じだった場合には、スイッチング素子に従来よりも最大印加可能電圧Ｖceoが低いスイッチング素子も選択可能となるため、スイッチング素子の選択肢が広がりコスト低減や回路性能向上等の効果が期待される。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の一実施形態のＬＥＤ駆動回路を示し、図２は駆動対象のＬＥＤアレイを示す。図１に示すＬＥＤ駆動回路は、図２に示す多数のＬＥＤを直並列接続したＬＥＤアレイ１１に通電電流をオン・オフして、全ＬＥＤを一括して点灯／消灯する回路である。ＬＥＤアレイ１１は、例えば２０個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ直列接続回路を３０列並列接続し、合計６００個のＬＥＤを一括して点灯／消灯する２端子回路である。６００個のＬＥＤはマトリクス状に基板上に面状に配置され、面光源を構成している。なお、図１においては、ＬＥＤ直列接続回路の一列分のみを記載している。

図２において、ＬＥＤの直列接続数を「ｎ」とし、並列接続数を「ｍ」とすると、「ｎ、ｍ」は「１、２、３、４・・・・」の様に任意の自然数でＬＥＤアレイを構成可能である。図２において、各ＬＥＤ直列接続回路中に、抵抗器を挿入することが好ましい。これにより、各ＬＥＤ直列接続回路のＬＥＤ順方向電圧Ｖｆにバラツキが存在しても、各ＬＥＤ直列接続回路にほぼ均等な通電電流を流すことができ、面光源としての輝度の均一性を確保することができる。

ＬＥＤアレイ１１は、直流電源１２とスイッチング素子（トランジスタ）１３とに直列接続され、スイッチング素子１３がオン状態となると各ＬＥＤ直列接続回路にほぼ均等に通電電流が流れ、全ＬＥＤが点灯状態となり、スイッチング素子１３がオフ状態となると通電電流が遮断され、全ＬＥＤが消灯状態となる。制御回路１４は、輝度信号等の入力信号を受け、スイッチング素子１３のベース電極にオン信号電圧およびオフ信号電圧を供給する。このため、直流電源１２の電源電圧Ｖccは、一列分のｎ個のＬＥＤの点灯電圧（順方向電圧Ｖf×ｎ個）とスイッチング素子１３のオン電圧との合計電圧以上となることが必要である。

ここで、スイッチング素子１３のエミッタに接続した電流設定用抵抗１６の抵抗値をＲとすると、スイッチング素子１３のエミッタ電流Ｉeは、電気回路の性質から、「Ｉe＝（Ｖ_BON−Ｖ_BE）／Ｒ」の関係が成り立つ。
但し、Ｖ_BON＝オン信号電圧、
Ｖ_BE＝スイッチング素子のベース・エミッタ間電圧
Ｖ_BEはスイッチング素子の固有値であり、バイポーラトランジスタの場合約０．７〜１Ｖ程度であり、抵抗値Ｒは回路定数なので固定値とすると、エミッタ電流Ｉeはオン信号電圧Ｖ_BONで制御可能となる。

本発明のＬＥＤ駆動回路においては、スイッチング素子１３と並列に追加の回路素子１５を接続している。この回路素子１５は、例えば抵抗器であるが、スイッチング素子１３のオフ時に回路素子１５に微少電流が流れ、スイッチング素子１３に印加される電圧を低減する。すなわち、ＬＥＤ駆動回路の出力段のスイッチング素子１３に対し、並列に抵抗器等の回路素子１５を挿入すると、スイッチング素子１３のオフ時には、ＬＥＤ直列接続回路１１と回路素子１５とが直列に接続され、微少電流Ｉが流れる。これにより、常に「微少電流Ｉ＞０」となるため、ＬＥＤ直列接続回路１１の各ＬＥＤの電圧Ｖを、「Ｖ＞０」とすることができ、スイッチング素子１３への印加電圧Ｖswを低減できる。

すなわち、図３（日亜化学工業(株)の製品カタログより引用）に示すように、青色ＬＥＤの順電圧−順電流特性は、順電流が１ｍＡで順電圧が２．８Ｖ程度であり、μＡレベルの微少電流を流すことで、一段当たり２Ｖ程度の順方向電圧を形成できる。

本発明者等の実験によれば、青色ＬＥＤを２０個直列に接続し、回路素子１５として４７０ｋΩの抵抗器を用い、電源電圧Ｖccを８４Ｖとした場合、スイッチング素子１３がオフ時に、スイッチング素子１３への印加電圧Ｖswが３６Ｖであるという結果が得られた。この結果から、スイッチング素子１３のリーク電流をゼロとすれば（参考迄に製品カタログでは０．１μＡ以下）、回路素子１５に流れる電流Iは７６μＡ程度であり、ＬＥＤ直列接続回路の両端電圧は、４８Ｖであり、ＬＥＤ一段当たりの電圧は２．４Ｖ程度が形成されていることになる。

なお、スイッチング素子１３が定格電流でオン時には、スイッチング素子１３への印加電圧Ｖswが１４Ｖであった。この結果から、ＬＥＤ点灯時の順方向電圧はＬＥＤ一段当たり３．５Ｖであり、製品カタログのＶfのｔｙｐ値と一致した。

従って、スイッチング素子１３の印加可能最大電圧Ｖceoは、回路素子１５を接続しない場合には電源電圧Ｖcc以上（８４Ｖ以上）が必要であったが、４７０ｋΩの抵抗器からなる回路素子１５を接続することで、これを３６Ｖに低減することができることが実験的に確かめられた。なお、並列に追加接続する回路素子１５に流れる電流で、ＬＥＤが点灯しないように、回路素子１５の抵抗値を設定する。回路素子１５に流れる電流はＬＥＤが点灯しない範囲で極力大きい程、ＬＥＤ直列接続回路部分の電圧分担分を大きくすることができ、スイッチング素子１３の印加可能最大電圧がより低いものの採用が可能である。

また、スイッチング素子１３の印加可能最大電圧Ｖceoを変更しなければ、回路素子１５を追加接続することにより、スイッチング素子１３への印加電圧Ｖswが低減するため、高い電源電圧Ｖccを印加可能になり、従来よりも多くのＬＥＤを直列接続し点灯することが可能となる。これにより、スイッチング素子の選択肢が広がりコスト低減や明るさ向上等の効果が期待される。

回路素子１５の例としては、抵抗器に限らず、ＬＥＤ直列接続回路に微少電流を流せるものでよく、例えば定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）を用いることができる。上記の実験例では、３６Ｖの降伏電圧を有するツェナーダイオードを用いることで、スイッチング素子１３への印加電圧Ｖswは３６Ｖ以上に上昇せず、スイッチング素子１３の印加可能最大電圧Ｖceoを３６Ｖ以上に低減することができる。

同様に、回路素子１５としては、図４に示す定電流ダイオードを用いることができる。ＦＥＴのソース・ゲート電極を短絡することで定電流特性が得られる。また、図５に示す電圧制限回路を用いてもよい。この回路は、定電圧ダイオードとトランジスタとを組み合わせ、一定電圧でツェナーダイオードが降伏し、トランジスタがオン状態となり、そのトランジスタで電流を吸収するものである。この電圧制限回路によれば、定電圧ダイオード特性を有しつつ、ツェナーダイオードと比較して大きな電流容量を有するので、大容量のＬＥＤアレイ等の駆動回路に好適である。

なお、上記実施形態ではスイッチング素子の例としてバイポーラトランジスタを用いる例について説明したが、ＭＯＳＦＥＴ等を用いることもできる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態のＬＥＤ駆動回路の回路図である。ＬＥＤアレイの一例を示す回路図である。青色ＬＥＤの順方向電圧−電流特性を示す図である。定電流ダイオードの一例を示す図である。電圧制限回路の一例を示す図である。従来のＬＥＤ駆動回路の回路図である。

符号の説明

１１ＬＥＤアレイ（ＬＥＤ直列接続回路）
１２直流電源
１３スイッチング素子（トランジスタ）
１４制御回路
１５回路素子
１６電流設定用抵抗

Claims

多数のＬＥＤを直列接続し、前記ＬＥＤの通電電流のオン・オフを制御するスイッチング素子を備えた駆動回路において、
前記スイッチング素子に並列に回路素子を接続したことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
前記回路素子を、抵抗器としたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
前記回路素子を、定電圧ダイオードとしたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
前記回路素子を、定電流ダイオードとしたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
前記回路素子を、定電圧ダイオードとトランジスタとを組み合わせ、一定電圧以上で大きな電流容量を有する電圧制限回路としたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
順方向電圧ＶfのＬＥＤをｎ個直列接続し、前記ＬＥＤの通電電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を備えた駆動回路において、
電源電圧Ｖccが、Ｖcc＞Ｖf×ｎである直流電源と、
前記スイッチング素子に並列に接続した回路素子と、
印加可能最大電圧Ｖceoが、Ｖceo＜Ｖccであるスイッチング素子と、
を備えたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。