以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態及びその利点が詳細に説明されるが、様々な変更、置換および改変が本発明の範囲から逸脱することなく、なされ得ることが理解されるべきである。本発明の実施形態は、多様な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されることはない。本発明の実施形態は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。また、本発明を説明するにおいて、定義される各用語は、本発明での機能を考慮して定義したものであって、これは、当分野に携わる技術者の意図または慣例などによって変わり得るので、本発明の技術的構成要素を限定する意味として理解してはならない。
本発明の実施形態は、本明細書に開示されている。しかしながら、本明細書に開示された特定の構造及び機能の詳細は、本発明の例示的な実施形態を説明するための単なる代表例であり、本発明の例示的な実施形態は多くの代替形態で具現化することができ、ここに記載される実施形態の一例に限定されると解釈されるべきではない。
従って、本発明は、様々な修正および代替形態が可能であるが、特定の実施形態が図面に例として示されており、本明細書に詳細に説明される。しかし、開示された特定の形態に本発明を限定する意図がないことが理解されるべきであり、逆に、本発明は、すべての修正、均等物、および本発明の精神および範囲内に入る代替物を網羅するものである。参照番号は、図面の説明全体を通して同じ要素を指す。
「第1」、「第2」などの用語が様々な要素を説明するために使用され得るが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するために使用される。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第1の要素は、第2の要素と呼ぶことができ、同様に、第2の要素は、第1の要素と呼ぶことができる。本明細書において、用語「及び/又は」は、列挙された関連項目の一つまたは複数のあらゆる組合せを含む。
ある要素が別の要素に「接続」又は「結合」されていると言及されるとき、他の要素に直接接続又は結合され得る、或は介在する要素が存在し得ることもできることが理解される。逆に、要素が別の要素に「直接接続」又は「直接結合」されるといわれる場合は、介在要素は存在しない。要素間の関係を記述するために使用される他の単語(即ち、「間に」と「直接的に間に」、「隣接する」と「直接隣接する」、など)も同様に解釈されるべきである。
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためにのみ用いられ、本発明を限定することを意図するためのものではない。本明細書では、単数形の「a」、「an」および「the」は、文脈が明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、用語「comprises」、「comprising」、「includes」及び/又は「including」が本明細書で使用される場合、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び/又は構成要素の存在を特定、他の1つ以上に特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び/又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではないことが理解されるであろう。
特に定義しない限り、本明細書で使用される(技術用語および科学用語を含む)全ての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書で定義されている用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものであり、本明細書で明白に定義されない限り、理想化又は過度に形式的な意味に解釈されないことが理解されるであろう。
また、いくつかの代替実施形態では、機能(functions)/動作(acts)は、フローチャートにしめされた順序を外れることがあることに留意するべきである。例えば、連続して示す2つのブロックは、実質的に同時に行われてもよく、又は、そのブロックが該当する機能/動作に応じて逆の順序で実行されてもよい。
様々な例示的な実施形態を、幾つかの実施形態が示されている添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明は、異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底的かつ完全であり、十分に、当業者に本発明の範囲を伝えるように設けられている。用語は、本発明の機能を考慮して定義されており、また、それらは、ユーザの意図又は実行によって変わり得る。従って、これらの用語は、本発明の技術的構成要素を限定するものとして解釈されるべきではない。
第1の実施形態
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子を適用した照明装置の回路図である。
図1に示した照明装置は、4個の発光素子L1ないしL4を適用した照明装置の一例を示す。しかし、本発明は、発光素子の個数は限定されるものではなく、図1の照明装置が、直列に接続された少なくとも2個以上の発光素子、または直列または並列に接続された複数の発光チップを含む発光素子を適用した他の実施形態に変更・改造することは当業者にとって自明である。
図1に示したように、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を適用した照明装置は、整流部100、制御信号生成部110、スイッチ部120、電流制御部130、総電流制御部140及び発光部150を含んで構成されてもよい。
整流部100は、正負の値を有する交流電圧VACを整流し、これを脈流電圧の形態を有する駆動電圧Vinに変換することができる。整流部100としては、ダイオードからなるダイオードブリッジ回路などの当技術分野でよく知られている多様な整流回路を採用することができる。
制御信号生成部110は、駆動電圧Vinを受信し、スイッチ部120のオン/オフ動作を制御するためのスイッチ制御信号SW1ないしSW3を生成し、電流制御部130の動作を制御する電流制御信号SC1ないしSC4を生成し、総電流制御部140の出力である目標電圧Vtを決定するためのサンプリング信号COM0ないしCOM3を生成する。
スイッチ部120は、互いにに並列に接続された複数のスイッチ121、122、123を有し、スイッチ制御信号SW1ないしSW3に応答してオン/オフ動作を行う。その結果、駆動電圧Vinを各発光素子L2ないしL4に選択的に印加することができる。
電流制御部130は、それぞれの発光素子L1ないしL4のカソード端に接続され、電流制御信号SC1ないしSC4に応答して接続された発光素子の動作を制御する。また、電流制御部130には目標電圧Vtが印加される。印加される目標電圧Vtに応じて、電流制御部130に接続された発光素子L1ないしL4の電流量が決定される。このために、電流制御部130は、複数の駆動電流制御部131、132、133、134を有する。それぞれの駆動電流制御部131、132、133、134は互いにに並列に接続される。例えば、第1の駆動電流制御部131は、電流制御信号SC1及び目標電圧Vtを受信する。電流制御信号SC1に応答して第1の駆動電流制御部131が活性化または非活性化され、第1の駆動電流制御部131が活性化された場合、第1の駆動電流制御部131は、目標電圧Vtに対応する駆動電流が発光素子L1に流れるようにする。
総電流制御部140は、制御信号生成部110のサンプリング信号COM0ないしCOM3を受信し、これらのサンプリング信号COM0ないしCOM3をアナログ信号に変換する。変換されたアナログ信号は、目標電圧Vtの形態で電流制御部130に印加される。
発光部150は、複数の発光素子L1ないしL4と、複数のダイオードD1ないしD3とを有する。例えば、発光素子L1は、駆動電圧Vinと第1の駆動電流制御部131との間に接続される。また、残りの発光素子L2ないしL4は、スイッチ部120と各駆動電流制御部132、133、134との間に接続される。例えば、発光素子L1は、第1の発光グループとして表すことができ、残りの発光素子L2ないしL4は、第2の発光グループとして表すことができる。第1の発光グループは、駆動電圧Vinと直接接続されて発光動作を行ってもよい。一方、第2の発光グループは、スイッチ部120のスイッチ121、122及び123の各々が導通状態であるときのみに駆動電圧Vinを受信してもよい。
図2は、図1の制御信号生成部を示した回路図である。
図2を参照すると、制御信号生成部は、比較部112及び論理組み合わせ部114を有する。
比較部112は、整流部100から出力されたで駆動電圧Vinを受信し、この駆動電圧Vinを基準電圧VFと比較する。比較結果は、サンプリング信号COM0ないしCOM3のレベルで示される。このために、比較部112は、駆動電圧Vinと接地との間に直列に接続された複数の分圧抵抗Rs1ないしRs5を有する。また、各分圧抵抗Rs1ないしRs5間のノードから分岐した枝は、比較器1121ないし1124に入力される。比較器1121ないし1124の正の入力端には各分圧抵抗Rs1ないしRs5間のノードの電圧が印加され、比較器1121ないし1124の負の入力端には基準電圧VFが共通して入力される。
それぞれの比較器1121ないし1124の正の入力端に印加される各分圧抵抗Rs1ないしRs5間のノード電圧が負の入力端に印加される基準電圧VF以上である場合、比較器1121ないし1124はハイレベルを出力する。また、それぞれの比較器1121ないし1124の正の入力端に印加される各分圧抵抗Rs1ないしRs5間のノード電圧が負の入力端の基準電圧VF未満である場合、比較器1121ないし1124はローレベルを出力する。
論理組み合わせ部114は、第1のロジック部115及び第2のロジック部116を有する。
第1のロジック部115は、それぞれの比較器1121ないし1124から出力される各サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信し、サンプリング信号COM0ないしCOM3に対する論理組み合わせを実行して電流制御信号SC1ないしSC4を生成する。電流制御信号SC1ないしSC4は、図1の電流制御部130の動作を制御する。第1のロジック部115は、入力と出力の状態に応じて多様な論理素子の組み合わせで構成することができる。また、第1のロジック部115には、選択信号SELが入力されてもよい。選択信号SELは、演算の対象となるサンプリング信号を選択することができる。
第2のロジック部116は、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信し、サンプリング信号COM0ないしCOM3に対する論理組み合わせを実行してスイッチ制御信号SW1ないしSW3を生成する。スイッチ制御信号SW1ないしSW3は、図1のスイッチ部120をそれぞれ制御する。第2のロジック部116は、入力と出力の状態に応じて多様な論理素子の組み合わせで構成することができる。また、前記第2のロジック部116には、選択信号SELが入力されてもよい。選択信号SELは、演算の対象となる所定のサンプリング信号を選択することができる。
前記第1のロジック部115及び第2のロジック部116は、各論理素子の組み合わせで構成することができる。これは、入力されるサンプリング信号COM0ないしCOM3の状態と、出力されるスイッチ制御信号SW1ないしSW3または電流制御信号SC1ないしSC4の状態に応じて多様に選択することができる。例えば、2個のロジック部115、116の各々は、プログラマブル論理アレイを含んでもよく、プログラマブルアレイ論理を含んでもよい。
また、サンプリング信号の数には特別な制限がなく、出力されるスイッチ制御信号の数と電流制御信号の数に応じて多様に選択されてもよい。
図3は、図1の電流制御部のそれぞれの構成を示した回路図である。
図3に示した回路図は、電流制御部を構成する4個の駆動電流制御部のうち任意の一つを示している。
図3を参照すると、駆動電流制御部は、線形増幅器1301、バッファー1302、駆動トランジスタQd及び検出抵抗Rdを有する。
線形増幅器1301の負の入力端には、検出抵抗Rdによって検出された電圧が印加される。また、線形増幅器1301の正の入力端には目標電圧Vtが印加される。目標電圧Vtは、図1の総電流制御部140で生成された電圧である。線形増幅器1301の出力はバッファー1302に入力される。バッファー1302は、電流制御信号SC0ないしSC3に応答して活性化または非活性化される。
「活性化」は、動作の対象となる素子が入出力(I/O)機能を行うことを意味する。また、「非活性化」は、動作の対象となる素子が機能を行わず、オフ状態またはフローティング状態に進むことを意味する。したがって、非活性化モードでは、信号の処理や伝送は発生しない。以下では、本発明における活性化と非活性化の意味は、上述したように解釈すべきである。
活性化されたバッファー1302は、線形増幅器1301の出力を駆動トランジスタQdに伝達する。駆動トランジスタQdは、発光素子L1乃至L4の各々のカソード端と検出抵抗Rdとの間に接続される。また、駆動トランジスタQdは、ゲート端子に印加されるバッファー1302の出力に応答してオン/オフ動作を行う。バッファー1302としては、電流制御信号SCに応答してオン/オフ動作を行える素子であれば如何なる構成も可能である。したがって、バッファー1302はスイッチに取り替えられてもよい。
バッファー1302が活性化される場合、駆動トランジスタQd、線形増幅器1301及びバッファー1302で構成された負帰還が構成される。検出抵抗Rdでの検出電圧が目標電圧Vt未満であると、線形増幅器1301はハイレベルを出力する。これは、バッファー1302を経て駆動トランジスタQdのゲート端子に印加される。駆動トランジスタQdゲート−ソース電圧のVgsは、上昇した電圧レベルによって上昇する。したがって、検出抵抗Rdに流れる電流量は増加する。増加した電流量によって検出抵抗Rdでの検出電圧が上昇する。すなわち、検出抵抗Rdでの検出電圧は、目標電圧Vtに追従する特性を有する。
バッファー1302が非活性化される場合、バッファー1302は、ローレベルを出力する、又はフローティング状態に進み、駆動トランジスタQdをオフ状態にする。したがって、駆動電流制御部には電流が供給されない。
図4は、図1の総電流制御部を示したブロック図である。
図4を参照すると、総電流制御部は、図2に示した制御信号生成部110で生成されるサンプリング信号COM0ないしCOM3の入力を受け、サンプリング信号COM0ないしCOM3の状態に応じて事前に設定された目標値を出力するデジタル/アナログ変換器141を含む。例えば、デジタル/アナログ変換器141は、サンプリング信号COM0ないしCOM3のロジック値である0000ないし1111の入力を受け、各ロジック値である0000ないし1111に対して事前に設定された目標値に対応する電圧を出力することができる。この目標値に対応する電圧である目標電圧Vtは、バッファー143を経て駆動電流制御部131、132、133、134の線形増幅器1301の入力に提供される。
また、図4では、総電流制御部140の出力が一つである場合を示したが、これは例示に過ぎない。したがって、総電流制御部140の出力は、目標電圧Vtが入力される駆動電流制御部の個数に対応して複数で構成することもできる。また、複数出力される目標電圧Vtは、互いに異なる値であってもよい。
また、総電流制御部140には選択信号SELが入力されてもよい。選択信号SELが活性化される場合、総電流制御部140は、互いに異なる目標電圧Vtを出力してもよい。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る図1の照明装置の動作を説明するためのグラフである。
図5を参照すると、駆動電圧Vin、全ての発光素子に流れる総電流の大きさIT及び各発光素子に流れる電流の大きさILを示している。
ここでは、脈流電圧形態の駆動電圧Vinの一周期を示しており、駆動電圧Vinは、0Vとピーク電圧との間を周期的に増減する。図5に示したように、全ての発光素子L1ないしL4に流れる電流の和、すなわち、総電流の大きさITは一定に制御される。
スイッチ部120及び電流制御部130は、表1のように制御されてもよい。
表1に示される第1の実施形態の動作は、図1ないし図3に基づいて説明する。
また、説明の便宜上、図2において、抵抗Rs5は、除去される値であるか、微々たる値を有するものとする。したがって、駆動電圧Vinは、レベルの降下が起こらない状態で比較器1124に印加されると仮定する。
整流部100から出力される駆動電圧Vinが0Vから漸次増加して基準電圧VF以上、2VF未満になると、比較器1124の出力COM3はハイレベルになり、残りの比較器1121、1122、1123の各出力はローレベルになる。基準電圧VFは、それぞれの発光素子L1またはL4が発光動作を開始できる順方向電圧であってもよい。
比較部112の出力を受信した第1のロジック部115は、電流制御信号SC1ないしSC4を全て活性化させる。また、第2のロジック部116は、スイッチ制御信号SW1ないしSW3を全て活性化させる。したがって、スイッチ部120の全てのスイッチ121、122、123はターンオンされ、各駆動電流制御部131、132、133、134も全て活性化される。
すなわち、図2において、各サンプリング信号COM0ないしCOM3は、(0001)の形態で第1のロジック部115及び第2のロジック部116に入力される。サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信した第1のロジック部115は、電流制御信号SC1ないしSC4を全て活性化させる。例えば、電流制御信号SC1ないしSC4は全てハイレベルになる。また、第2のロジック部116は、スイッチ制御信号SW1ないしSW3を活性化させる。したがって、第1のスイッチ121ないし第3のスイッチ123はターンオンされる。ターンオンされた各スイッチ121、122、123及び活性化された各駆動電流制御部131、132、133、134により、全ての発光素子L1ないしL4は並列に接続される。
また、総電流制御部140のデジタル/アナログ変換器141は、制御信号生成部110の比較部112から出力されるサンプリング信号COM0ないしCOM3のロジック信号(例えば、0001)の入力を受け、このロジック信号に応答して事前に設定された目標値に対応する目標電圧Vtを生成する。このとき、全体の電流ITを一定に制御できるように、目標値は、全体の電流ITの1/4に該当する値であってもよい。
このような動作を通じて、駆動電流制御部131、132、133、134及びスイッチ121、122、123は、全て導通状態または活性化状態になり、駆動電流制御部131、132、133、134及びスイッチ121、122、123の状態により、複数の発光素子L1ないしL4は、相互に並列に接続されるようになる。したがって、各発光素子L1ないしL4には、全体の駆動電流ITが1/4ずつ分配されて流れるようになる。
以上の内容をまとめると、駆動電圧Vinが基準電圧VF以上になると、駆動電流制御部131、132、133、134のそれぞれのバッファー1302に制御信号生成部110からハイレベルの電流制御信号SC1ないしSC4が印加され、駆動電流制御部131、132、133、134のそれぞれの線形増幅器1301には、全体の駆動電流ITの1/4に該当する目標値に対応する目標電圧Vtが総電流制御部140から印加される。その結果、線形増幅器1301は、検出抵抗Rdに印加された電圧が目標電圧Vtと同一になるように駆動トランジスタQdのゲート電圧を調整するようになり、駆動トランジスタQdのソースとドレインとの間に全体の駆動電流ITの1/4に該当する電流が流れる状態になる。結果的に、各発光素子L1ないしL4には、全体の駆動電流ITの1/4に該当する電流ILが分配されて流れるようになる。
続いて、整流部100から出力される駆動電圧Vinの大きさが漸次増加して2VF以上、3VF未満になると、制御信号生成部110は、発光素子L1ないしL4のうち二つの発光素子間に直列接続を形成できるスイッチ制御信号を生成して出力する。すなわち、図2において、2個の比較器1123、1124がハイレベルを出力する。各比較器1121ないし1124の出力であるサンプリング信号COM0ないしCOM3は、(0011)の形態で出力される。
また、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信する第1のロジック部114は、電流制御信号SC2及びSC4を活性化させる。したがって、発光素子L2に流れる電流は第2の駆動電流制御部132に供給され、発光素子L4に流れる電流は第4の駆動電流制御部134に供給される。
また、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信する第2のロジック部116は、スイッチ制御信号SW2を活性化させる。したがって、第2のスイッチ122はターンオンされ、残りのスイッチ121、123はオフされる。
総電流制御部140は、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信する。入力される信号は、(0011)の形態を有する。入力されるサンプリング信号COM0ないしCOM3は、アナログ信号に変換されて、目標電圧Vtとして出力される。目標電圧Vtは、活性化された駆動電流制御部142、144の駆動電流ILが全体の電流ITの1/2になるようにする。
スイッチ部120及び電流制御部130の動作により、第2のスイッチ122はターンオンされ、第2の駆動電流制御部142及び第4の駆動電流制御部144は活性化される。したがって、発光素子L1、ダイオードD1、発光素子L2及び第2の駆動電流制御部142を含む電流経路が形成され、発光素子L3、ダイオードD3、発光素子L4及び第4の駆動電流制御部144を含む別の電流経路が形成される。
したがって、それぞれの電流経路には、全体の駆動電流ITが1/2ずつ分配されて流れるようになる。
続いて、整流部100から出力される駆動電圧Vinの大きさが3VF以上、4VF未満であると、制御信号生成部110は、各発光素子L1ないしL4のうち3つの発光素子間に直列接続を形成できるスイッチ制御信号SW1ないしSW3を生成し、電流制御信号SC1ないしSC4を出力する。
制御信号生成部110の比較部112の出力であるサンプリング信号COM0ないしCOM3は、(0111)の形態で出力される。これは、サンプリング信号COM0はローレベルであって、残りのサンプリング信号COM1ないしCOM3はハイレベルであることを意味する。
サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信した第1のロジック部115は、電流制御信号SC3を活性化させる。したがって、第3の駆動電流制御部133のみが活性化され、残りの駆動電流制御部131、132、134は非活性化される。
また、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信した第2のロジック部116は、全てのスイッチ制御信号SW1ないしSW3を非活性化させる。したがって、スイッチ部120の全てのスイッチ121、122、123はオフされる。
したがって、発光素子L1、ダイオードD1、発光素子L2、ダイオードD2、発光素子D3及び第3の駆動電流制御部133を含む電流経路が形成される。したがって、図1の3個の発光素子L1、L2及びL3は発光動作を行う。
また、総電流制御部140は、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信し、サンプリング信号COM0ないしCOM3を目標電圧Vtに変換する。すなわち、総電流制御部140は、ロジック信号(0111)を受信し、ロジック信号(0111)に応答して目標電圧Vtを生成する。生成された目標電圧Vtに応答して直列に接続された3つの発光素子L1、L2及びL3のみが動作するので、生成された目標電圧Vtのレベルは、全体の電流に対応する値を有してもよい。
また、発光素子L1、L2及びL3に直列接続されない発光素子L4は、選択的に発光してもよい。このため、制御信号生成部110の第1のロジック部115及び第2のロジック部116には、外部から選択信号SELが入力されてもよい。選択信号SELが活性化されると、第1のロジック部115は電流制御信号SC3及びSC4を活性化させる。したがって、第3の駆動電流制御部133及び第4の駆動電流制御部134は活性化される。また、第2のロジック部116は、活性化された選択信号SELを受信し、活性化された選択信号SELに対して論理演算をしてスイッチ制御信号SW1を活性化させる。その結果、第1のスイッチ120はオン状態になる。
したがって、発光素子L1、ダイオードD1、発光素子L2、ダイオードD2、発光素子L3及び第3の駆動電流制御部133を含む電流経路が形成され、発光素子L4及び第4の駆動電流制御部134を含む別の電流経路が形成される。
また、選択信号SELは総電流制御部140に入力されてもよい。総電流制御部140を構成するデジタル/アナログ変換器141は、制御信号生成部110のサンプリング信号COM0ないしCOM3以外に選択信号SELを受信してもよい。選択信号SELが活性化されると、総電流制御部140は2つの目標電圧を形成する。例えば、総電流制御部140は、サンプリング信号COM0ないしCOM3を処理して第3の駆動電流制御部133に供給される目標電圧Vt1を形成し、サンプリング信号及び選択信号SELを用いて第4の駆動電流制御部134に供給される目標電圧Vt2を形成してもよい。
第3の駆動電流制御部133に供給される目標電圧Vt1は、全体の駆動電流ITの3/4に該当する値に設定されてもよく、第4の駆動電流制御部134に供給される目標電圧Vt2は、全体の駆動電流ITの1/4に該当する値に設定されてもよい。
続いて、整流部100の出力電圧である駆動電圧Vinが基準電圧VFの少なくとも4倍以上である場合、制御信号生成部110の全ての比較器1121ないし1124はハイレベルの信号を生成する。したがって、サンプリング信号COM0ないしCOM3は、(1111)のロジック値を有する。
このサンプリング信号を受信する第1のロジック部115は、電流制御信号SC4を活性化させる。その結果、第4の駆動電流制御部134は活性化される。また、サンプリング信号COM0ないしCOM3を受信する第2のロジック部116は、全てのスイッチ制御信号を非活性化させる。その結果、スイッチ部120の全てのスイッチ121、122、123はオフされる。
したがって、図1において、発光素子L1、ダイオードD1、発光素子L2、ダイオードD2、発光素子L3、ダイオードD3、発光素子L4及び第4の駆動電流制御部134で構成された電流経路が形成される。
また、総電流制御部140は、制御信号生成部110の比較部112の出力であるサンプリング信号COM0ないしCOM3を受信し、サンプリング信号COM0ないしCOM3をアナログ信号である目標電圧Vtに変換する。前記目標電圧Vtは第4の駆動電流制御部134に印加され、第4の駆動電流制御部134は、全体の駆動電流ITに該当する電流を駆動する。
図5を参照すると、全体の電流ITの大きさを一つの矩形波の形態で一定に制御する。駆動電圧Vinが変化したとしても、全体の電流ITは適宜分配されてそれぞれの発光素子に提供される。それぞれの発光素子に流れる電流は、駆動電圧Vinのレベルに応じて変更される。上述の場合、それぞれのLEDに供給される平均電力量は互いに同一になり、力率及び臨界条件を満足させることができる。
図6は、本発明の第1の実施形態に係る図1の照明装置の動作を説明するための別のグラフである。
図6を参照すると、駆動電圧Vin、全体の発光素子に流れる総電流の大きさIT及び各発光素子に流れる電流の大きさILを示している。
上述した図5においては、全体の電流ITの大きさを一定に制御することを特徴とするが、図6においては、スイッチング条件が変化するにもかかわらず、各発光素子に流れる電流の大きさを一定に制御して発光量を一定に制御する。
スイッチング条件は表1と同一であるので、スイッチング条件についての説明は省略する。また、それぞれの発光素子に流れる電流量は同一であるので、各サンプリング信号を用いた目標電圧Vtの生成過程は省略される。したがって、総電流制御部140を使用する目標電圧Vtの生成以外に、別途の供給電圧を使用して目標電圧Vtをそれぞれの駆動電流制御部に131、132、133、134に印加することができる。
まず、整流部100から出力される駆動電圧Vinが0Vから漸次増加して基準電圧VF以上、2VF未満の値を有すると、4個の発光素子L1ないしL4が互いに並列に接続された構造が形成される。このとき、総電流制御部140は、事前に設定された基準電流Irefがそれぞれの駆動電流制御部131、132、133、134に流れるように目標電圧Vtを供給する。その結果、それぞれの発光素子には基準電流Irefが流れ、全体の電流量は4Irefになる。
続いて、整流部100から出力される駆動電圧Vinの大きさが2VF以上、3VF未満であると、互いに直列に接続された二つの発光素子L1とL2とのアレイと、互いに直列に接続された二つの発光素子L3とL4とのアレイとが互いに並列に接続された接続構造が形成される。このとき、総電流制御部140は、目標電圧Vtを第2の駆動電流制御部及び第4の駆動電流制御部に供給する。したがって、直列に接続されたL1とL2には基準電流Irefが流れ、直列に接続されたL3及びL4にも基準電流Irefが流れる。その結果、全体の電流量は2Irefである。
続いて、整流部100から出力される駆動電圧Vinの大きさが3VF以上、4VF未満であると、互いに直列に接続された三つの発光素子L1ないしL3からなるアレイと一つの発光素子L4とが互いに並列に接続された接続構造が形成される。総電流制御部140は、目標電圧Vtを第3の駆動電流制御部133及び第4の駆動電流制御部134に供給する。それぞれの駆動電流制御部133、134は、基準電流Irefを駆動する。その結果、全体の電流量は2Irefである。
続いて、整流部100から出力される駆動電圧Vinの大きさが4VF以上であると、全ての発光素子L1ないしL4は直列に接続される。総電流制御部140は、目標電圧Vtを第4の駆動電流制御部134に供給する。その結果、全体の電流量はIrefになる。
図6に示したように、全体の電流ITは、駆動電圧Vinの大きさに応じて変更される。また、一つの発光素子に流れる電流は、常に一定に制御することができる。この場合、それぞれのLEDに供給される平均電力量には互いに異なってもよいが、接続関係が変更されたとしても各発光素子の発光量が常に一定に維持されるので、照明装置は一定の明るさを維持することができる。
第2の実施形態
図7は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子を適用した照明装置の回路図である。
図7は、4個の発光素子を適用した照明装置の一例を示す。但し、本実施形態においては、発光素子の数は限定されるものではなく、それぞれの発光素子は、2個以上の発光素子が直列に接続された構造、2個以上の発光素子が並列に接続された構造、又は直列及び並列の混合構造をモデリングすることにより得られる一つの発光素子であってもよい。
また、本実施形態における照明装置は、整流部200、制御信号生成部210、スイッチ部220、電流制御部230、総電流制御部240及び発光部250を含む。
整流部200は、正負の値を有する交流電圧を整流し、交流電圧を脈流電圧の形態を有する駆動電圧Vinに変換する。整流部200としては、ダイオードを含むダイオードブリッジ回路などの当技術分野で知られている多様な整流回路が採用できる。
制御信号生成部210は、駆動電圧Vinを検出し、検出された駆動電圧Vinの大きさに応じて、サンプリング信号COM0ないしCOM3、スイッチ制御信号SW1ないしSW3及び電流制御信号SC1ないしSC4を生成する。サンプリング信号COM0ないしCOM3は総電流制御部240に入力され、スイッチ制御信号SW1ないしSW3はスイッチ部220に印加される。また、電流制御信号SC1ないしSC4は、電流制御部230のそれぞれの駆動電流制御部231ないし234に入力される。
スイッチ部220は、駆動電圧Vinと発光部250との間に構成される。また、スイッチ部220は複数のスイッチを有し、それぞれのスイッチは、スイッチ制御信号SW1ないしSW3に応答して短絡または開放される。
電流制御部230は、複数の駆動電流制御部231、232、233、234を有する。駆動電流制御部231、232、233、234は、発光素子L21、L22、L23、L24それぞれのカソード端に接続される。駆動電流制御部231、232、233、234には電流制御信号SC1ないしSC4が入力される。入力される電流制御信号SC1ないしSC4に応答して、駆動電流制御部231、232、233、234は活性化又は非活性化される。例えば、電流制御信号SC1ないしSC4がハイレベルに活性化されると、駆動電流制御部231、232、233、234は、所定の電流駆動能力を有して動作を行う。その一方、電流制御信号SC1ないしSC4がローレベルに非活性化されると、駆動電流制御部231、232、233、234は、ハイインピーダンス状態又はフローティング状態になって電流駆動動作を行わない。また、駆動電流制御部231、232、233、234には目標電圧Vt1ないしVt4が入力される。駆動電流制御部231、232、233、234が活性化状態にある場合、目標電圧Vt1ないしVt4は、照明装置を駆動する電流量を決定する。
電流制御部230を構成する駆動電流制御部231ないし234は、第1の実施形態で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。
したがって、電流制御信号SC1ないしSC4が活性化されると、バッファーは、活性化されて増幅器の出力を受信する。増幅器の出力は、バッファーを通じてトランジスタのゲート−ソース電圧Vgsを変更する。変更されたゲート−ソース電圧Vgsは駆動電流を変化させる。変更された駆動電流は検出抵抗に流れ、検出抵抗で感知された電圧は増幅器の負の入力端子に印加される。検出抵抗で感知された電圧は、増幅器の正の入力端子に印加される目標電圧に追従する特性を有する。その結果、目標電圧が上昇すると、各駆動電流制御部231ないし234で設定される駆動電流も増加するという特性を有する。
総電流制御部240は、制御信号生成部210のサンプリング信号COM0ないしCOM3を受信する。サンプリング信号COM0ないしCOM3はデジタルデータの形態で入力される。したがって、総電流制御部240は、デジタル―アナログ変換動作を行って、目標電圧Vt1ないしVt4を生成する。目標電圧Vt1ないしVt4はそれぞれの駆動電流制御部231、232、233、234に入力される。目標電圧Vt1ないしVt4は、互いに同一の値を有してもよく、互いに異なる値を有してもよい。
発光部250は、第1の発光素子L21、第2の発光素子L22、第3の発光素子L23及び第4の発光素子L24を有する。また、発光部250は、スイッチ部220と電流制御部230との間に接続される。発光素子L21、L22、L23、L24のカソード電極は、駆動電流制御部231、232、233、234にそれぞれ接続される。また、各発光素子L21、L22、L23、L24間にはダイオードD21、D22及びD23が接続される。各ダイオードD21、D22及びD23は、各発光素子L21、L22、L23、L24間で順方向の接続関係を有する。例えば、第1の発光素子L21及び第2の発光素子L22が電気的に直列に接続される場合、2個の発光素子L21及びL22間に接続されたダイオードD21は、順方向接続を通じて第1の発光素子L21から第2の発光素子L22に電流を供給する。また、各ダイオードD21、D22、D23及びD24は、スイッチ部220から電流制御部230に向かう電流経路で逆方向に接続される。その結果、スイッチ部220を介して供給される駆動電圧Vinが電流制御部230に直接印加されることは防止される。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る制御信号生成部210を示した回路図である。
図8を参照すると、制御信号生成部210は、比較部211及び論理組み合わせ部212を有する。
比較部211は、複数の比較器2110ないし2115を有し、比較器2110ないし2115それぞれの負の入力端には基準電圧VFが印加され、正の入力端には、抵抗によって駆動電圧Vinを分配することにより得られる電圧が印加される。その結果、それぞれの経路には2個の抵抗が直列に接続され、各抵抗間のノードで検出される電圧が比較器2110ないし2115それぞれの正の入力端に入力される。
比較器2110ないし2115は、比較動作を行ってサンプリング信号COM0ないしCOM5を生成する。
例えば、抵抗R21ないしR26にR26>R25>R24>R23>R22>R21の関係が成立し、駆動電圧Vinに接続された抵抗Rrefが所定の抵抗値を有し、それぞれの経路で同一の値を有する場合、駆動電圧Vinの上昇にともなって出力されるサンプリング信号COM0ないしCOM5は、(000000)から(111111)にまで変更することができる。
また、本実施形態の比較部211は、第1の実施形態の比較部112に取り替えることができる。出力されるサンプリング信号の数に応じて、第1の実施形態の比較部の直列抵抗の個数及び比較器の個数も変更可能である。
比較部211の出力である各サンプリング信号COM0ないしCOM5は、総電流制御部240に供給されて且つ論理組み合わせ部212に供給される。
論理組み合わせ部212は、比較部211の出力であるサンプリング信号COM0ないしCOM5を受信し、サンプリング信号COM0ないしCOM5に対する論理演算をする。この結果、スイッチ制御信号SW1ないしSW3及び電流制御信号SC1ないしSC4が生成される。
論理組み合わせ部212は、各論理素子の組み合わせで構成することができる。これは、入力されるサンプリング信号COM0ないしCOM5の状態と、出力されるスイッチ制御信号SW1ないしSW3または電流制御信号SC1ないしSC4の状態に応じて多様に選択することができる。例えば、論理組み合わせ部212は、プログラマブル論理アレイを含んでもよく、プログラマブルアレイ論理を含んでもよい。
また、サンプリング信号の数には特別な制限はなく、出力されるスイッチ制御信号の個数と電流制御信号の個数に応じて多様に選択可能である。
図9は、本発明の第2の実施形態に係るスイッチ部220を示した回路図である。
図9を参照すると、スイッチ部は、3個のスイッチ221、222、223を有し、それぞれのスイッチ221、222、223は、スイッチQW1ないしQW3及び制御トランジスタQS1ないしQS3を含む。
スイッチトランジスタQW1ないしQW3及び制御トランジスタQS1ないしQS3はMOSFETであることが望ましく、nタイプ導電型またはpタイプの導電型として選択的に使用することができる。スイッチトランジスタQW1ないしQW3がそれぞれn−MOSFETである場合、n−MOSFETのドレイン端子は駆動電圧Vinに接続され、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のドレイン端子とゲート端子との間には抵抗RZ1ないしRZ3が接続される。また、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子とソース端子との間にはツェナーダイオードDZ1ないしDZ3が備えられる。ツェナーダイオードDZ1ないしDZ3のゲート端子に瞬間的な高電圧であるサージ電圧が印加される場合、ツェナーダイオードDZ1ないしDZ3はこれを一定のレベルでクリッピングする。また、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子とドレイン端子との間では、抵抗RZ1ないしRZ3を使用して、制御トランジスタQS1ないしQS3のカットオフ状態でスイッチトランジスタQW1ないしQW3のスイッチング動作を行うことができる。
制御トランジスタQS1ないしQS3は、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子と接地との間に接続され、制御トランジスタQS1ないしQS3のゲート端子にはスイッチ制御信号SW1ないしSW3が入力される。
スイッチ制御信号SW1ないしSW3がハイレベルに活性化されると、制御トランジスタQS1ないしQS3はターンオンされる。したがって、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子にはローレベルに非活性化される。その結果、スイッチトランジスタQW1ないしQW3はオフされる。
また、スイッチ制御信号SW1ないしSW3がローレベルに非活性化されると、制御トランジスタQS1ないしQS3はオフされる。また、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子とドレイン端子との間に接続された抵抗RZ1ないしRZ3により、スイッチトランジスタQW1ないしQW3には所定レベルの電圧が印加される。特に、カットオフ状態である制御トランジスタQS1ないしQS3により、駆動電圧Vin及び抵抗RZ1ないしRZ3を含む電流経路は遮断される。したがって、スイッチトランジスタQW1ないしQW3のゲート端子には、駆動電圧Vinと実質的に同一のレベルの電圧が印加される。その結果、スイッチ部のスイッチトランジスタQW1ないしQW3はターンオンされる。
説明の便宜上、スイッチトランジスタをターンオンさせるのに適したスイッチ制御信号のレベルが印加される状態は、スイッチ制御信号が活性化された状態であると記述する。また、スイッチのトランジスタがオフされるのに適したスイッチ制御信号が印加される場合、スイッチ制御信号は非活性化された状態であると記述する。
スイッチ221、222、223がターンオンされる場合、駆動電圧Vinは、各ノードN1、N2、N3を介して各発光素子L21、L22、L23、L24に印加される。
また、本実施形態において、照明装置の動作は以下の表2を参照して説明することができる。
表2は、本実施形態に係る図7の照明装置の動作の一例を示す。
まず、スイッチ制御信号SW1が活性化され、残りのスイッチ制御信号は非活性化される。したがって、スイッチトランジスタQW1のみがターンオンされ、第1のスイッチ221は導通状態になる。駆動電圧Vinは、スイッチトランジスタQW1を介して第1のノードN1に印加される。
また、第1の駆動電流制御部231ないし第4の駆動電流制御部234は、入力される各電流制御信号SC1ないしSC4に応答して活性化される。また、第1の駆動電流制御部231ないし第4の駆動電流制御部234には、総電流制御部240によって印加される各目標電圧Vt1ないしVt4が印加される。各目標電圧Vt1ないしVt4は互いにに同一であってもよい。
したがって、ターンオンされた第1のスイッチ221により、第1のノードN1、第1の発光素子L21及び第1の駆動電流制御部231を含む電流経路が形成され、第1の発光素子L21は発光動作を行う。また、第1のノードN1、第2の発光素子L22及び第2の駆動電流制御部232を含む電流経路が形成され、第1のノードN1、第3の発光素子L23及び第3の駆動電流制御部233を含む電流経路が形成され、第1のノードN1、第4の発光素子L24及び第4の駆動電流制御部234を含む電流経路が形成される。これは、それぞれの発光素子L21ないしL24が互いにに並列に接続されて発光動作を行うことを意味する。
また、それぞれの各ノードと各発光素子L21ないしL24との間には、各ダイオードを別途に備えることができる。これは、各発光素子のアノード端とカソード端の間の逆方向電流を遮断するために備えられる。
また、スイッチ制御信号SW1及びSW2が活性化されると、第1のスイッチ221及び第2のスイッチ222はターンオンされる。したがって、ターンオンされた第1のスイッチ221を介して第1のノードN1には駆動電圧Vinが印加され、ターンオンされた第2のスイッチ222を介して第2のノードN2にも駆動電圧Vinが印加される。また、第1の駆動電流制御部231ないし第4の駆動電流制御部234には、活性化された各電流制御信号SC1ないしSC4が印加される。その結果、第1の駆動電流制御部231ないし第4の駆動電流制御部234は活性化される。また、それぞれの各駆動電流制御部231ないし234には各目標電圧Vt1ないしVt4が印加される。各目標電圧Vt1ないしVt4は、互いに同一の値を有してもよい。
したがって、発光素子L21及び第1の駆動電流制御部231を含む電流経路が形成される。電流経路には、第1のノードN1から駆動電圧Vinが印加され、第2のノードN2から駆動電圧Vinが印加される。また、発光素子L22及び第2の駆動電流制御部232を含む電流経路が形成される。また、発光素子L23は、第1のノードN1から駆動電圧Vinの供給を受け、第2のノードN2から駆動電圧Vinの供給を受ける。また、発光素子L24は第1のノードN1から駆動電圧Vinの印加を受ける。
したがって、スイッチ制御信号SW1及びSW2が活性化され、それぞれの駆動電流制御部231ないし234が活性化されると、それぞれの発光素子L21ないしL24は並列的な発光動作を行う。これは、発光素子L21ないしL24が隣接した他の発光素子の発光動作に影響を受けず、相互独立的に同時に発光動作を行うことを意味する。
また、各発光素子L21ないしL24間にはダイオードD21ないしD23が備えられる。ダイオードD21ないしD23は、隣接した各発光素子のアノード端子とカソード端子との間に逆方向バイアスが印加される場合、逆方向電流を遮断するために備えられる。
また、スイッチ制御信号SW2が活性化されると、第2のスイッチ222はターンオンされる。その結果、第2のノードN2には駆動電圧Vinが印加される。
また、電流制御信号SC2及びSC4が活性化される。したがって、第2の駆動電流制御部232及び第4の駆動電流制御部234は活性化される。活性化された各駆動電流制御部232、234には各目標電圧Vt2及びVt4が印加される。印加される各目標電圧Vt2及びVt4は互いに同一であってもよい。
スイッチ制御信号SW2及び電流制御信号SC2及びSC4に応答して、第2のノードN2、発光素子L21、ダイオードD21、発光素子L22及び第2の駆動電流制御部232を含む電流経路が形成される。また、第2のノードN2の駆動電圧Vinは前記電流経路に印加され、前記電流経路に流れる電流量は、第2の駆動電流制御部232に印加された目標電圧Vt2によって決定される。
前記電流経路と並列に、発光素子L23、ダイオードD23、発光素子L24及び第4の駆動電流制御部234を含む電流経路が形成される。第2のノードN2の駆動電圧Vinはこの電流経路に印加され、形成された電流経路に流れる電流量は、第4の駆動電流制御部234に印加される目標電圧Vt4によって決定される。
上述した動作は、2個の発光素子が直列に接続された構成により可能である。また、2つの直列に接続された構成が提供されて、これらが互いにに並列に接続されてもよい。
また、スイッチ制御信号SW3が活性化されると、第3のスイッチ223はターンオンになる。したがって、ターンオンされた第3のスイッチ223を介して第3のノードN3に駆動電圧Vinが印加される。
また、電流制御信号SC3は活性化され、残りの電流制御信号は非活性化される。したがって、第4の駆動電流制御部234のみが活性化され、電流駆動動作を行う。すなわち、発光素子L21、ダイオードD21、発光素子L22、ダイオードD22、発光素子L23、ダイオードD23、発光素子L24及び第4の駆動電流制御部234を含む電流経路が形成される。形成された電流経路は、直列に接続された4個の発光素子を含む。これに流れる電流は、第4の駆動電流制御部234に入力される目標電圧Vt4によって決定される。
上述した動作によって、各発光素子は、駆動電流制御部によって個々に直接駆動することができ、多様な形態の接続を通じて発光動作を行うことができる。
また、本実施形態において、総電流制御部によって決定される目標電圧は駆動電流制御部に印加される。目標電圧は、駆動電流制御部の駆動電流を決定する。図5及び図6を参照して説明した第1の実施形態のように、照明装置の総電流量を一定に設定する駆動をすることもでき、それぞれの電流経路に流れる電流量を一定に設定することもできる。これにより、消耗電力量を適宜分配したり、各発光素子の輝度を一定に制御することができる。
以上に説明したように、本発明の一実施形態において、複数の発光素子を駆動するための交流電圧の大きさ変動に応じて複数の発光素子間の電気的接続関係を適宜変更することによって、照明装置に適用された複数の発光素子を全て発光可能にすることができる。したがって、照明装置に適用された各発光素子のうち一部が他の発光素子よりも長く発光し、先に劣化するという現象を予防することができる。また、必要に応じて、発光素子全体に提供される電流の総和を一定に制御したり、各発光素子に提供される電流の大きさを一定に制御することができる。