JP4461576B2 - Led光源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個のLEDを発光素子として用いたLED光源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(以下LEDという)はPN接合を有する半導体であり一種のダイオードとして動作する。従って、順方向電圧は数ボルト以下と比較的低く、その駆動用電源としては、3〜15V程度の低電圧の直流電源が用いられる。
【0003】
近年、LEDの発光効率が高まり照明灯の光源への応用が検討されてきている。現行の照明用ランプからの置き換えを考える場合、商用電源に接続できる構成が望まれる。一般に、商用電源は50〜60Hzの交流であり、電圧も100V〜242Vである。そこで、商用電源でLEDを点灯する場合、抵抗器を電流制限要素として用いた点灯回路が使用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、点灯回路に抵抗器を使用した場合には、抵抗器での電力損失が大きく、光源としてのエネルギー効率が悪い。また、交流電源に接続した場合、LEDはダイオードであるので、交流の半サイクルでしか発光せず、ちらつきになってしまうという問題があった。電流制限要素としてコンデンサを使用した場合には、電力損失の問題は解決するが依然として電流安定性は改善できない。
【0005】
そこで、特開平11−67471号公報に示されるものでは、昇圧チョッパ回路の平滑コンデンサに、複数個のLEDを直列接続した回路を2個並列接続し、平滑コンデンサ電圧を入力電圧のピーク値より高く、LEDの順方向電圧の総和に等しくしている。これにより、入力電流の高調波を低減し、また電流限流要素などの電力損失をほぼ零にしている。
【0006】
しかし、LEDのうちの一つが短絡破壊した場合には、破壊したLED直列回路の順方向電圧の総和が小さくなり、この回路のみに短絡電流が流れることになる。平滑電圧値が一定に制御されている場合には、破壊したLED直列回路には過大な電流が流れる。過電流状態ではLEDの温度は上昇し、発光効率を下げることはもちろん、LEDの寿命を短くすることも有り得る。
【0007】
本発明の目的は、効率がよく安価でちらつきの少ないLED光源装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係わるLED光源装置は、複数個のLEDが直列接続されたLED直列回路または複数個のLEDが逆並列接続されたLED逆並列回路を2並列以上接続して形成されたLED負荷と、LED負荷が点灯可能となる電力を供給する電源部と;各々のLED直列回路またはLED逆並列回路に直列接続された回路要素と;各々の前記回路要素の負担電圧を検出して各々の前記回路要素の負担電圧のうちの最小値を検出する比較手段と;前記比較手段によって検出された前記回路要素の負担電圧のうちの最小値がLED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧よりも小さくなるように前記電源部を制御する制御手段と;を備えたことを特徴とする。
【0009】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【0010】
LED負荷とは、照明灯として形成されたLED回路であり、電源が投入されたときLEDが発光する。LED負荷は、直流電源用として、複数個のLEDが直列接続されたLED直列回路を2並列以上接続して形成される。また、交流電源用として、複数個のLEDが逆並列接続されたLED逆並列回路を2並列以上接続して形成される。LED逆並列回路にはLED直列回路を逆並列接続されたものも含まれる。
【0011】
電源部とは、LED負荷に電力を供給する電源およびその調整部であり、例えば、単相交流電源、その単相交流電源に接続される全波整流回路、出力電圧を調整制御する定電圧レギュレータから構成される。また、単相交流電源、その単相交流電源に接続される全波整流回路、定電流レギュレータから構成される。また、単相交流電源および全波整流回路に代えて直流電源が用いられる場合も含む。
【0012】
定電圧レギュレータは、調整可能な一定電圧を出力する。定電流レギュレータは、調整可能な一定電流を出力する。定電圧レギュレータや定電流レギュレータには、昇圧型定、降圧型、ハーフブリッジ型インバータが含まれる。ハーフブリッジ型インバータは、LEDが逆並列接続されたLED負荷に電源を供給する。
【0013】
回路要素は、定電流回路やインピーダンス素子であり、インピーダンス素子には、抵抗器やリアクトルが含まれる。
【0014】
定電流回路は入力電圧の大きさに関係なく一定電流を流す回路であり、電源部が電圧レギュレータである場合にLED直列回路またはLED逆並列回路に直列接続される。インピーダンス素子は入力電流に応じて逆電圧を発生する素子であり、電源部が電圧レギュレータである場合に定電流回路に代えて直列接続され、電源部が電流レギュレータである場合にLED直列回路またはLED逆並列回路に直列接続される。
【0015】
制御手段は、電源部の出力電圧または出力電流を制御する。この場合、回路要素の負担電圧がLED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧よりも小さくなるように制御する。これにより、回路要素での電力消費量はLED列による電力消費量より小さくなり効率が向上する。LEDフォワード電圧とはLEDが動作するに必要な最小電圧であり、LED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧とは、LED直列回路またはLED逆並列回路を形成するLED列における各々のLEDのフォワード電圧の総和である。
【0016】
請求項2の発明に係わるLED光源装置は、請求項1の発明において、前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が前記LED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧の1/10以下に制御することを特徴とする。
【0017】
回路要素での電力消費量の低減のためには、回路要素の負担電圧は小さい(実質的に零に近い値)ほど望ましい。本発明では、電源変動、温度変化、LED直列回路またはLED逆並列回路によるばらつき等を考慮して、LED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧の1/10以下としている。
【0018】
請求項3の発明に係わるLED光源装置は、請求項1の発明において、前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が最小値である前記LED直列回路またはLED逆並列回路における回路要素の負担電圧を実質的に零に制御する。
【0019】
本発明では、各々のLED直列回路またはLED逆並列回路における回路要素の負担電圧を監視し、そのうちの最小値を検出する。そして、その最小値のLED直列回路またはLED逆並列回路における回路要素の負担電圧を零に制御する。これにより、回路要素での電力消費量のさらなる低減が図れる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図である。
【0029】
LED負荷1は、複数個のLEDが直列接続されたLED直列回路2を2並列以上接続して形成されている。また、LED負荷1の各々のLED直列回路2には回路要素3が直列接続されている。図1では、回路要素3として定電流回路が直列接続されており、定電流回路は各々のLED直列回路2の入力電圧の大きさに関係なく、そのLED列に一定電流を流すことになる。
【0030】
このLED負荷1には、単相交流電源4の電源電圧を整流器5で整流し定電圧レギュレータ6で調整された直流電圧が印加される。この定電圧レギュレータ6は昇圧チョッパ付きの昇圧型であり、制御手段7により制御され、LED負荷に供給する一定電圧を調整して出力する。比較手段8は、各々のLED直列回路2の回路要素3の負担電圧のうちの最小値を検出するものであり、その検出した最小値を制御手段7に出力する。
【0031】
制御手段7は、回路要素3の負担電圧がLED直列回路2のLED列のフォワード電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ6を制御する。この場合、各々の回路要素3の負担電圧にはばらつきがあるので、比較手段8で検出された各々の回路要素3の入力電圧のうちの最小値がLED直列回路2のLED列のフォワード電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ6を制御する。
【0032】
これにより、回路要素3の負担電圧はLED直列回路2の負担電圧より小さくなるので、LED発光効率が向上する。
【0033】
この場合、制御手段7は、回路要素3の負担電圧がLED直列回路2のLED列のフォワード電圧の1/10以下になるように制御する。また、制御手段7は、LED列のフォワード電圧が確立し各々のLED直列回路2が点灯したときは、回路要素3の負担電圧の最小値を実質的に零に制御する。これにより、回路要素3での電力消費量のさらなる低減が図れる。
【0034】
図2は、本発明の第2の実施の形態に係わるLED光源装置の説明図であり、図2(a)はその構成図、図2(b)は回路要素3の回路図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、定電圧レギュレータ6は昇圧チョッパに代えてトランスを設けた電圧レギュレータとしたものである。その他の構成は、図1に示す第1の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【0035】
回路要素3は、図2(b)に示すように、抵抗器R1、R2、トランジスタTr、定電圧素子ZDから構成され、トランジスタTrに流れる電流(LED列)は抵抗器R2に発生する電圧が定電圧値V0となる値に一定制御される。この第2の実施の形態の場合も第1の実施の形態と同様に、回路要素3で消費される電力が低減できるので、LED発光効率が向上する。
【0036】
図3は、本発明の第3の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図である。この第3の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、単相交流電源4に代えて直流電源9とし、定電圧レギュレータ6に代えて定電流レギュレータ10を設け、回路要素3として抵抗器を用いたものである。
【0037】
この定電流レギュレータ10は降圧チョッパ付きの降圧型であり、制御手段7により制御され、LED負荷に供給する一定電流を調整して出力する。回路素子3は各LED枝路のフォワード電圧のばらつきによる電流ばらつきを抑制するために設けられる。比較手段8は、各々のLED直列回路2の回路要素3の負担電圧のうちの最小値を検出するものであり、その検出した最小値を制御手段7に出力する。その他の構成は、図1に示す第1の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【0038】
この第3の実施の形態の場合も第1の実施の形態と同様に、回路要素3としての抵抗器で消費される電力が低減できるので、LED発光効率が向上する。
【0039】
図4は、本発明の第4の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図である。この第4の実施の形態は、図3に示した第3の実施の形態に対し、定電流レギュレータ10に代えてハーフブリッジ型インバータ11を設け、回路素子3としてリアクトル(コイル)を用いたものである。また、ハーフブリッジ型インバータ11は高周波電源となることから、LED負荷1は、複数個のLEDが逆並列接続されたLED逆並列回路12を2並列以上接続して形成される。その他の構成は、図3に示す第3の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【0040】
この第4の実施の形態の場合は、回路要素3としてのリアクトルの負担電圧が最小値となる負荷電流で動作するので、LED発光効率が向上する。
【0041】
図5は、本発明の参考例1に係わるLED光源装置の構成図である。この参考例1は、各々のLED直列回路2のLED列に少なくとも1つの過電流遮断素子13を直列接続したものである。
【0042】
LED負荷1は、複数個のLEDが直列接続されたLED直列回路2を2並列以上接続して形成されている。また、LED負荷1の各々のLED直列回路2には過電流遮断素子13が直列接続されており、LED直列回路2のLEDが短絡破壊して過電流が流れたときにその過電流を遮断する。また、電流制限素子としての回路要素3が各々のLED直列回路2をまとめて設けられている。
【0043】
ここで、各々のLED直列回路2は着脱可能なユニットで形成され、このユニットには少なくとも1個の過電流遮断素子13を備えるようにする。これにより、LEDが短絡故障した場合に、故障したLEDを含むLED直列回路2を交換できるようにしている。
【0044】
LED負荷1には、単相交流電源4の電源電圧を整流器5で整流し定電圧レギュレータ6で調整された直流電圧が印加される。この定電圧レギュレータ6は昇圧チョッパ付きの昇圧型であり、制御手段7により制御され、LED負荷1に供給する一定電圧を調整して出力する。すなわち、制御手段7はLED負荷1の全体に流れる全負荷電流を電流検出手段14で検出し、LED負荷1の全負荷電流が一定値になるように制御する。
【0045】
従って、LEDが短絡破壊したLED直列回路2がある場合には、その短絡破壊したLED直列回路2のLED列に対して並列数分の合計負荷電流が流れることになり、そのLED列に直列接続された過電流遮断素子13を確実に動作させる。
【0046】
このように、短絡破壊の生じたLED直列回路を過電流遮断素子13により遮断するので、破壊したLED直列回路には過大な電流が流れることを防止でき、LEDの温度上昇や発光効率を下降を防止できる。
【0047】
図6は、本発明の参考例2に係わるLED光源装置の構成図である。この参考例2は、図5に示した参考例1に対し、定電圧レギュレータ6に代えて定電流レギュレータ10を設け、各々のLED直列回路2を複数個(図6では2個)の着脱可能なユニットで形成し、このユニットに少なくとも1個の過電流遮断素子13を備えるようにしたものである。
【0048】
LED負荷1には、単相交流電源4の電源電圧を整流器5で整流し定電流レギュレータ10で調整された直流電流が印加される。この定電流レギュレータ10は、制御手段7により制御され、LED負荷1に供給する一定電流を調整して出力する。すなわち、制御手段7はLED負荷1の全体に流れる全負荷電流を電流検出手段14で検出し、LED負荷1の全負荷電流が一定値になるように制御する。
【0049】
従って、LEDが短絡破壊したLED直列回路2がある場合には、その短絡破壊したLED直列回路2のLED列に対して並列数分の合計負荷電流が流れることになり、そのLED列に直列接続された過電流遮断素子13を確実に動作させる。これにより、短絡破壊の生じたLED直列回路2を過電流遮断素子13により遮断できるので、破壊したLED直列回路には過大な電流が流れることを防止でき、LEDの温度上昇や発光効率を下降を防止できる。
【0050】
図7は、本発明の参考例3に係わるLED光源装置の構成図である。この参考例3は、図6に示した参考例2に対し、定電流レギュレータ10に代えてハーフブリッジ型インバータ11を設け、ハーフブリッジ型インバータ11は高周波電源となることから、LED負荷1は、複数個のLEDが逆並列接続されたLED逆並列回路12を2並列以上接続して形成したものである。また、各々のLED並列回路12のLED列に電流検出手段14を設け、制御手段7は、各々のLED並列回路12のLED列の負荷電流のうちの最小値が予め定めた一定値になるようにLED負荷1の負荷電流を制御するようにしている。
【0051】
このことから、負荷電流がほぼ零になる破壊していないLED列の電流を増やすことになる。従って、短絡破壊しているLED列にはさらに大きな電流が流れることになるので、そのLED列に直列接続された過電流遮断素子13は確実に動作する。
【0052】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、各LED直列回路またはLED逆並列回路によるフォワード電圧のばらつきなどがあっても、各LED直列回路またはLED逆並列回路のLED電流を安定としながら、回路要素での電流損失を最小限にできる。
【0053】
また、各LED直列回路またはLED逆並列回路のLED列の直列に電流遮断素子を接続するので、LEDが短絡故障した場合にその短絡故障したLED列を除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係わるLED光源装置の説明図。
【図3】本発明の第3の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図。
【図4】本発明の第4の実施の形態に係わるLED光源装置の構成図。
【図5】本発明の参考例1に係わるLED光源装置の構成図。
【図6】本発明の参考例2に係わるLED光源装置の構成図。
【図7】本発明の参考例3に係わるLED光源装置の構成図。
【符号の税明】
1…LED負荷、2…LED直列回路、3…回路要素、4…単相交流電源、5…整流器、6…定電圧レギュレータ、7…制御手段、8…比較手段、9…直流電源、10…定電流レギュレータ、11…ハーフブリッジ型インバータ、12…LED逆並列回路、13…過電流遮断素子、14…電流検出手段
Claims (3)
- 複数個のLEDが直列接続されたLED直列回路または複数個のLEDが逆並列接続されたLED逆並列回路を2並列以上接続して形成されたLED負荷と、
LED負荷が点灯可能となる電力を供給する電源部と;
各々のLED直列回路またはLED逆並列回路に直列接続された回路要素と;
各々の前記回路要素の負担電圧を検出して各々の前記回路要素の負担電圧のうちの最小値を検出する比較手段と;
前記比較手段によって検出された前記回路要素の負担電圧のうちの最小値がLED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧よりも小さくなるように前記電源部を制御する制御手段と;
を備えたことを特徴とするLED光源装置。 - 前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が前記LED直列回路またはLED逆並列回路のLED列のフォワード電圧の1/10以下に制御することを特徴とする請求項1に記載のLED光源装置。
- 前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が最小値である前記LED直列回路またはLED逆並列回路における回路要素の負担電圧を実質的に零に制御することを特徴とする請求項1に記載のLED光源装置。
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