JP2013149620A - Ledを使用した照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED素子を備えるLED回路が5段以上直列に接続されて構成されるLED群と、交流電力の供給を受けるための交流電源端子と、入力端子と出力端子とを有し入力端子に供給される交流電流を整流して出力端から出力する整流回路と、コンデンサとを備え、前記コンデンサと前記整流回路の前記入力端子とが、前記交流電源端子間に直列に接続され、前記コンデンサの充放電電流が前記整流回路を介して前記LED群に流れ、前記LED群が有する各LED素子を発光させるように成し、前記コンデンサの容量を0.5μF以上10μF以下とした照明装置。
【選択図】図1
Description
(1)以下に説明する実施例では、LED素子252に加えられる電圧が周期的に変化し、前記電圧変化に同期してLED素子が点灯と消灯とを繰り返す。このため発熱する期間と発熱しない期間が周期的に表れ、LED素子252の発熱量が抑えられ、またLED群250の温度上昇を抑制できる。LED素子の消灯時間を繰り返し確保することで電流の実効値を低減でき、LED素子の発熱を抑制できる。
(1)以下に説明する実施例では、コンデンサ222と整流回路230の入力端とが直列の関係で交流電源100に接続されていて、整流回路230の出力端にはLED群250が接続されていて、コンデンサ222の充放電電流が整流回路230を介してLED群250を構成するLED素子252を流れる。LED群250に供給される脈動電圧に対してLED素子252を流れる電流の遮断期間はLED群250を構成するLED回路254の直列接続の段数に大きく依存する。一方流れる電流値の大きさはコンデンサ222の容量に大きく依存する。従ってコンデンサ222の容量を適正に選択することにより、各LED素子252の発光量を適正に設定できる。なお、この場合であってもLED群250を構成するLED回路254の段数により電流遮断期間を確実に確保できる。例えばLED回路254の段数が5段、好ましくは9段以上であれば十分な電流遮断期間を確実に確保できる。従って段数を増やすことで、LED群250を流れる電流の実効値を抑制することができる。このことは発熱の抑制に大きく貢献する。
(1)以下に説明する実施例では、供給される交流電力を整流して前記LED群に加えており、交流波形に基づいて発生する脈流とLED群250を構成するLED回路254の段数とに基づいて、LED群250を流れる電流の通電期間と遮断期間とを適正に設定できる。このような構造でLED素子252の発熱を低減できるので、回路全体が大変シンプルである。これにより生産性の改善や装置の小型化が可能となる。
(1)以下に説明する実施例では、LED群250を構成するLED回路254の直列接続の段数を5段以上、好ましくは9段以上としているので、LED群250を流れる電流の遮断期間を確実に確保できる。一方で整流回路230に直列接続されているコンデンサ222の容量を適正に設定して、LED群250の通電期間中に大きな電流を流すことができる。このためLED群250の電流値の実効値を抑制しながらピーク発光量を大きくできる。このことにより人の目には明るい印象を与えるが、電流の実効値が抑制されているので発熱量を抑制できる効果がある。
(1)以下に説明する実施例では、LED群250を流れる電流の通電期間と遮断期間とを供給される交流電力の変化に同期して確保できるので、LED素子252の温度上昇を抑制できる。照明装置を家庭内で使用する場合に埃などが装置内に入り込むことや照明装置200に埃などが付着することが考えられる。部分的であれ、照明装置200に高温部分が存在すると埃などに対してたいへん危険である。また照明装置の電源を切らない状態で、照明装置の裏側やケースを外した状態の内部部品に、人が手を触れる恐れがある。この場合に火傷する恐れがある。以下に説明する実施例では、LED素子252の温度上昇を抑制できるので、埃などが仮に装置内に入り込むことになっても、あるいは照明装置200の周囲に埃などが付着しても、発火などの危険性が無い。さらに照明装置の裏側やケースを外した状態で内部部品に人が触れたとしても、火傷の恐れが無い。
次に図1を用いて照明装置200の電気回路を説明する。照明装置200の電気回路は、光を発生するLED群250と電力を供給する回路から構成されている。LED群250は後述する樹脂製基板に保持されており、LED素子252が少なくとも1個あるいは複数並列に接続されてLED回路254を構成し、さらにLED回路254が5個以上好ましくは9個以上直列接続されている。この明細書では、少なくとも1個あるいは複数並列に接続され回路部分をLED回路254と記し、直列接続された各LED回路254の数を段と呼ぶ。図1の実施例では、LED回路254は3個のLED素子252の並列接続で構成されている。またLED回路254が30個直列に接続されている、なおこの状態を、この明細書ではLED回路254が30段直列接続されていると記載する。図1ではLED回路254の一部のみ表示し、他は省略している。なお以下の図10以降の装置では、LED回路254の段数は31段であったり、あるいは10段であったり、あるいは14段であったり、とまちまちであるが、LED回路254が5段以上好ましくは9段以上直列接続されていれば、基本的な動作は同じである。一般家庭用の100ボルト電源では、LED回路254の段数が多すぎると通電できる時間が減少し過ぎ、発光量が確保し難くなる。100ボルト交流電源では40段以下が良く、好ましくは35段以下である。これ以上LED素子252の数を増やすには、図1に示す回路構成を新たに追加する方が良い。
LED素子252の特性について一部上述したが、図2を使用して再度説明する。LED素子252に純方向の電圧VLを加え、この電圧VLを図2の横軸に沿って略ゼロ(V)の状態から徐々に上昇させると、VLC(V)を超える状態から純方向に電流ILが流れ始め、発光を開始する。電流ILは電圧VLの増加と共に上昇するが一般のダイオードよりは傾斜が緩やかである。このことは、LED素子252は内部抵抗が大きいことを示しており、電流ILに基づく発熱が大きいことを示している。
図1のLED群250を構成するLED回路254を流れる電流について次に述べる。図3は照明装置200に供給される交流電源100の電圧波形V102に対するコンデンサ222の端子間の電圧波形V104を示す。また、図4は、前記交流電源100の供給電圧に基づく整流回路230の入力側の電流波形、すなわちヒューズ224を流れる電流i102の電流波形を示す。また図5は整流回路230の出力側の電流波形、すなわちLED群250を構成するLED回路254を流れる電流i104の電流波形を示す。LED回路254は3個のLED素子252の並列接続で構成されているので、各LED素子252には、図5に示す電流i104の約3分の1の電流が流れる。なお、図3と図4、図5に示す波形は、コンデンサ222を5μファラッド(μF)、抵抗220を1Mオーム、ヒューズ224の抵抗値を100オームとして、山梨大学が提供しているシミュレーションプログラムQUCSを使用してシミュレーションした結果である。
LED素子252の温度上昇を抑制し、利用者に対して照明装置を明るく感じさせるには、LED素子252を流れる電流の実効値を抑制し、ピーク電流値を大きくすることが1つの方法である。LED素子252の発熱は電流の実効値に依存する。一方照明の利用者は発光量の実効値だけではなく、最大発光値の影響を受ける。人の感覚は最大刺激値の影響を大きく受ける。明るい状態が繰り返し発生すると、明るい状態で入射した光に基づき視覚が反応する。この明るい状態が繰り返し発生することで、その途中に暗い状態があっても、利用者には同じ実効値による変動しない状態より周期的に明るくなる方が、より明るく感じる。従ってLED群250の電流遮断期間を確実に確保し、さらに所定値以上のピーク電流値を確保することが望ましい。なお、LED素子252の発光特性に関し、電流値と発光量は、厳密には電流の増加に対して発光量が少し低下する傾向を示すが、この低下は極微小であり、略比例関係にあるとみることができる。また家庭用電源など、商用電源では50ヘルツあるいは60ヘルツで極性が変わり、点灯領域あるいは消灯領域は、100ヘルツあるいは120ヘルツの周波数で発生する。この周波数は、視覚の残像特性に対して十分に短い周期であり、人間の視覚では連続して輝いているように感じる。
LED群250の電流遮断期間は、LED群250を構成するLED回路254の直列接続の数、すなわちLED回路254の段数に大きく依存する。例えばLED回路254を1個乃至数個(例えば2段以下)にすると、電流遮断期間はほとんどなくなる。図6はLED回路254を2個直列にした状態のLED群250を流れるi104の波形を示している。電流遮断期間が非常に少ない。
LED群250を流れる電流i104のピーク値は、コンデンサ222の容量に大きく依存する。図6と図7はいずれもコンデンサ222の容量を5(μF)とした場合にLED群250を流れる電流波形を示している。LED群250を構成するLED回路254の段数の違いにより、電流遮断期間が異なるが、電流のピーク値は略同じである。すなわちLED群250を流れる電流のピーク値はコンデンサ222の容量に大きく依存する。
以下の図10から図16に記載の照明装置200に使用する場合は、コンデンサ222として体積が小さいセラミックコンデンサを使用することが望ましい。しかしセラミックコンデンサは容量が電解コンデンサに比べて小さく、5(μF)のコンデンサを得ることが難しい。従って2.5(μF)のコンデンサを2個並列に接続する、あるいはさらに容量の小さいセラミックコンデンサを複数個並列接続することが望ましい。
図1でコンデンサ222の容量を可変にすると、表1や上述の図を用いて説明したごとく、LED群250を流れる電流値の大きさを変えることができる。図1でコンデンサ222として可変容量コンデンサを使用することで照明装置200の明るさを調整できる。可変容量コンデンサを用いなくても、容量の異なる複数のコンデンサの接続を選択的に切り替える機構を設け、整流回路230の入力端子232と交流電源端子210との間に接続されるコンデンサを切り替えるようにしても良い。容量可変機構226はつまみを回転することによりコンデンサの接続を切り替えることができる機構である。容量可変機構226により接続するコンデンサを変える構造とすることで照明装置200の明るさを調整することが可能となる。PWMによる電流のデューティを変える方法に比べ、コンデンサ222の容量を可変にする方法は回路の部品数が少なく、全体がシンプルとなる。表1に示す如くコンデンサ222の容量を容量可変機構226により切り替えることで、広範囲にLED群250を流れる電流を切り替えることが可能となり、明るさを広範囲に変えることが可能となる。
図10と図11は、照明装置200の一実施例であり、天井などに取り付けるダウンライトに本発明を適用した例である。図10は照明装置200の側面図の部分断面図、図11は平面図である。また図12は照明装置200の内部に収納されている平らな形状のプリント配線用の基板20である。照明装置200のハウジング400は、取り付け金具420と内側ケース422、外側ケース424、ガラスあるいは透明樹脂からなる内カバー426を備えている。このハウジング400の内部にLED群250を保持するための平らな板状の基板20がねじ432により固定されている。取り付け金具420と外側ケース424で天井などの固定部480を挟み、取り付け金具420に固定されたブラケット442に外側ケース424がねじ止めされることで、ハウジング400が天井などの固定部480に固定される。
図13あるいは図14に管状の照明装置200を示す。図13に示す照明装置200では、ブラケット442とブラケット444とにより、照明用の円筒管446が保持されている。照明用の円筒管446の内部に図15あるいは図16に示す電気部品30が挿入されて固定されている。電気部品30の基板20を保持する具体的な保持構造は、図17乃至図19で説明する。ブラケット442あるいはブラケット444は照明用の円筒管446を保持するだけでなく、どちらか一方から交流電力が供給される。照明用の円筒管446の内部に収納されている電気部品は高温になることが無いので、特に金属製の放熱板を必要としていない。従って構造は非常にシンプルであり、生産性に優れている。照明用の円筒管446はガラスを材料として使用したガラス管でも良いし、略透明の樹脂を使用した樹脂製の管、あるいは曇りまたは着色した樹脂製の管でも良い。
7.LED回路254の配線回路の構成
図20は、例えばダウンライトに使用するLED回路254のための配線基板の詳細図である。上述したように、LED回路254は、3つのLED素子の両端が接続されるための第1接続端子301と第2接続端子302が、各LED素子に対応して設けられている。図示していない各LED素子の一方の端子がそれぞれ第1接続端子301に接続されることにより上記各LED素子の一方の端子がそれぞれ並列に接続される。また、上記図示していない各LED素子の他方の端子がそれぞれ第2接続端子302に接続されることにより上記各LED素子の他方の端子がそれぞれ並列に接続される。このようにして、このLED回路254は、3個のLED素子252の並列接続で構成されている。このLED回路254には、さらに、第1接続端子301と第2接続端子302にそれぞれ接続される第1バイパス端子303と第2バイパス端子304が設けられている。これら第1バイパス端子303と第2バイパス端子304とを電気的に接続することにより、このLED回路254は、上記並列接続されたLED素子をバイパスするバイパス回路が作られることとなる。これにより、このLED回路254は第1バイパス端子303と第2バイパス端子304とを電気的に接続することで容易に短絡することができ、各LED回路254を使用するか否かによる最適段数のLED群250を容易に生産することができる。
Claims (9)
- 少なくとも1個のLED素子を備えるLED回路がN段直列に接続されて構成されるLED群と、
交流電力の供給を受けるための交流電源端子と、
入力端子と出力端子とを有し、前記入力端子に供給される交流電流を全波整流して前記出力端から出力する全波整流回路と、
コンデンサと前記コンデンサに並列に接続した抵抗とを備える並列回路と、
前記LED群と前記全波整流回路と前記コンデンサおよび前記抵抗を備える前記並列回路とを保持するための樹脂製回路基板と、
前記樹脂製回路基板を収納するハウジングと、を備え、
前記並列回路を構成する前記コンデンサの容量を0.5マイクロファラッド以上で10マイクロファラッド以下の範囲の値とすることにより、前記並列回路から前記LED群に供給されるLED電流のピーク値が前記コンデンサの容量に依存して定まるようになし、
さらに前記コンデンサの容量を増加させても前記並列回路のインピーダンスの値が変化しない状態と、前記コンデンサの容量を増加させた場合に前記コンデンサの容量の増加に基づいて前記並列回路のインピーダンスの値が減少する状態の内の、前記コンデンサの容量の増加に基づいて前記並列回路のインピーダンスの値が減少する状態となるように、前記コンデンサの容量を定め、
さらに前記LED群に前記LED電流を供給するために前記並列回路が供給する電流が遮断期間と通電期間を有すると共に、前記遮断期間より前記通電期間が長くなるようになし、
前記コンデンサと前記抵抗とを有する前記並列回路と前記全波整流回路の前記入力端子とが、前記交流電源端子間に直列に接続されることにより、前記並列回路が発生する前記コンデンサの充放電電流が、前記全波整流回路を介して前記LED群を前記LED電流として、脈動電流の状態で、しかも前記脈動電流のピーク値が前記コンデンサの容量に依存し且つ前記遮断期間より前記通電期間が長くなる状態で前記LED群を流れるようになし、
前記LED群を流れる前記LED電流の最大値が前記並列回路を構成する前記コンデンサの容量に依存して定まり、また前記コンデンサと前記抵抗を有する前記並列回路が供給する前記充放電電流が前記遮断期間を有しており、前記並列回路から供給されて前記LED群を流れる前記LED電流の前記遮断期間が前記LED回路の前記段数Nに基づいて定まり、前記全波整流回路の使用により前記LED群を流れる前記LED電流の前記遮断期間より前記LED群を流れる前記LED電流の前記通電期間の方が長くなるようになし、
前記LED回路の段数Nを5段以上で40段以下の範囲の数とし、これにより、全波整流されて前記LED群を流れる脈動電流の各脈動ごとの前記遮断期間が形成され、
前記コンデンサの容量を0.5マイクロファラッド以上で10マイクロファラッド以下の範囲の値とし、これにより全波整流されて形成された前記各脈動電流における電流ピーク値が設定され、前記電流ピーク値に基づいて明るく感知させる周期的な最大発光量が生成されるように設定されるものであり、
前記樹脂製回路基板が前記ハウジングに設けられることにより、前記樹脂製回路基板の両面に空隙が形成されると共に、前記樹脂製回路基板の両面がそれぞれ前記空隙内の空気に直接触れる状態とする、
ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。 - 請求項1に記載のLEDを使用した照明装置において、前記樹脂製回路基板の中央部に少なくとも前記コンデンサと前記抵抗とを備える前記並列回路と前記整流回路が配置され、前記中央部の外周に複数の円を描くように前記LED群を構成する前記LED回路が配置され、前記複数の円は互いに同心円を為すように配置されている、ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。
- 請求項1あるいは請求項2に記載のLEDを使用した照明装置において、前記各段を構成する前記各LED回路は、その一方側において第1接続配線により一方側の隣接するLED回路と接続され、その他方側において第2接続配線により他方側の隣接するLED回路と接続されることにより、互いに直列に接続され、
前記各LED回路は、前記第1接続配線に接続された一方側第1接続端子と一方側第2接続端子、および前記第2接続配線に接続された他方側第1接続端子と他方側第2接続端子、を有し、
前記一方側第1接続端子と前記他方側第1接続端子とが対向するように配置され、また前記一方側第2接続端子と前記他方側第2接続端子とが対向するように配置され、
互いに対向する前記一方側第1接続端子と前記他方側第1接続端子との間に1つのLED素子が接続され、互いに対向する前記一方側第2接続端子と前記他方側第2接続端子との間に他のLED素子が接続される、
ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。 - 請求項1あるいは請求項2に記載のLEDを使用した照明装置において、
前記各段を構成する前記各LED回路は、その一方側において第1接続配線により一方側の隣接するLED回路と接続され、その他方側において第2接続配線により他方側の隣接するLED回路と接続されることにより、互いに直列に接続され、
前記各LED回路は、前記第1接続配線に接続された一方側第1接続端子と一方側バイパス端子、および前記第2接続配線に接続された他方側第1接続端子と他方側バイパス端子、を有し、前記一方側バイパス端子と前記他方側バイパス端子を電気的に接続することにより、前記LED回路のバイパス回路が形成される、
ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。 - 請求項1乃至4の内の1に記載のLEDを使用した照明装置において、
前記ハウジングは一方の面に光を透過する光透過性カバーを有し、前記光透過性カバーに対向するように前記樹脂製回路基板が前記ハウジング内に配置され、
前記樹脂製回路基板の前記光透過性カバー側に前記LED群を配置した、
ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。 - 請求項5に記載のLEDを使用した照明装置において、前記樹脂製回路基板の前記光透過性カバー側に前記LED群に加えて前記コンデンサと前記抵抗とを備える前記並列回路と前記整流回路が配置されている、ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。
- 請求項6に記載のLEDを使用した照明装置において、前記ハウジングは、円筒部を有する第1ケースと円筒部を有する第2ケースとを有し、前記第1ケースの前記円筒部と前記第2ケースの前記円筒部とは互いに径の大きさが異なる形状を成して互いに重なり合うように配置され、前記第1ケースには円形の孔が形成され、前記第1ケースの前記孔の部分に前記光透過性カバーを配置した、ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。
- 請求項7に記載のLEDを使用した照明装置において、前記第2ケースに前記樹脂製回路基板がねじで固定されている、ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。
- 請求項1乃至4の内の1に記載のLEDを使用した照明装置において、
前記ハウジングは、ガラスあるいは樹脂を含む光透過性材料で形成された細長い筒で構成されており、
さらに前記細長い筒の両端にそれぞれ配置され、前記細長い筒の両端をそれぞれ支持する2つの端部支持体が設けられ、
前記2つの端部支持体はそれぞれ前記細長い筒の両端を挿入するための穴を有し、前記細長い筒の両端が前記各端部支持体の前記穴にそれぞれ挿入されて前記2つの端部支持体により固定され、
前記樹脂製回路基板は細長い形状を成して前記細長い筒の長手方向に沿うように挿入されて保持されており、前記樹脂製回路基板の一方の面において、前記LED群を構成するLED素子が前記細長い筒の長手方向に沿うように並べて配置されている、ことを特徴とするLEDを使用した照明装置。
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