JP4472640B2

JP4472640B2 - 発光ダイオード定電流駆動回路

Info

Publication number: JP4472640B2
Application number: JP2006005204A
Authority: JP
Inventors: 利男平塚; 靖生大橋
Original assignee: 未来環境開発研究所株式会社
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2026-01-12
Also published as: JP2007189819A

Description

本発明は発光ダイオード順方向電圧降下バラツキに関係なく電流駆動素子である発光ダイオードに定電流を供給しつつ、発光波長に影響を与えることなく、発光ダイオードの輝度を容易に調整できる低コストで、かつ小型・軽量、高効率な定電流駆動回路に関するものである。

発光ダイオードは消費電力が少なく、長寿命、低温動作が可能などの特長を有しており、今後ますます種々の照明器具分野で採用されていくものと考えられる。（例えば、特許文献１参照）。
発光ダイオードは電流駆動素子であり、駆動電流は信頼性の観点から２０ｍＡ〜３０ｍＡが一般的である。これまでは発光ダイオードの電源としてはスイッチング電源を使用した定電圧ＡＣアダプタなどが用いられており、発光ダイオードと直列に抵抗を接続して発光ダイオードの駆動電流が２０ｍＡ〜２５ｍＡ（一般的に絶対最大定格は３０ｍＡ）となるように抵抗値を選定している。
特開２００３−１７３１６３号公報

図８は、従来の発光ダイオードの駆動回路を示している。
１は商用電源、２はブリッジダイオード、３はコンデンサ、４はトランス、５はスイッチング素子、６は整流ダイオード、７はフリーホイールダイオード、８はインダクタ、９はコンデンサ、１０はスイッチング素子５の制御回路、１１は抵抗、１２は発光ダイオードである。

次に、図８に示す駆動回路の動作を説明する。
商用電源１の交流電圧をブリッジダイオード２で全波整流し、コンデンサ３で平滑し、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子５でコンデンサ３で平滑して得られた直流電圧Ｖ０を高周波で断続し、トランス４で直流的に絶縁された交流電圧に変換した後、ダイオード６、７で整流し、インダクタ８、コンデンサ９で構成される平滑フィルタ１−１で一定の直流電圧Ｖ１に変換する。直流電圧Ｖ１に抵抗１１と発光ダイオード１２の直列回路を接続し、発光ダイオード１２を発光させる。トランス４、スイッチング素子５、整流ダイオード６、フリーホイールダイオード７、インダクタ８、コンデンサ９、制御回路１０で構成される回路をＤＣ−ＤＣコンバータ１−２と称することとする。ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧である直流電圧Ｖ１は商用電源の交流電圧が変動した場合や出力電流が変化しても制御回路１０によって一定に保たれる。

発光ダイオード１２を例えば白色発光ダイオードとすると、順方向電圧降下は３Ｖ〜４Ｖでありバラツキが比較的大きい。
一例としてＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧Ｖ１を２４±０．１２（±５％）Ｖ、発光ダイオード１２の直列接続数を５個、発光ダイオード１２の電流を２０ｍＡとした場合、直列接続された発光ダイオード１２の順方向電圧降下が全て４Ｖとすると、発光ダイオード１２の５個の電圧降下は２０Ｖとなる。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧最低値Ｖ１＝２４−０．１２＝２３．８８Ｖで順方向電圧降下＝４Ｖの時でも輝度を確保するため２０ｍＡが必要とすると、必要な抵抗値は（２３．８８−２０）／０．０２＝１９４Ωとなる。
抵抗１１と発光ダイオード１２の消費電力の合計は２３．８８×０．０２＝０．４７８Ｗである。（電源電圧Ｖ１＝２４Ｖ一定である場合、（２４−２０）／０．０２＝２００Ω、消費電力＝２４×０．０２＝０．４８Ｗ）
発光ダイオード１２の順方向電圧降下が全て３Ｖの場合、発光ダイオード１２の５個の電圧降下は５×３＝１５Ｖとなる。

したがって、発光ダイオード１２の駆動電流はＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧が最大値の場合、（２４．１２−１５）／１９４Ω＝０．０４７Ａ、すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電流は２０ｍＡから４７ｍＡに増加し、抵抗１１と発光ダイオード１２の消費電力の合計は０．４７８Ｗから２４．１２×０．０４７＝１．１３４Ｗに増加するばかりでなく、輝度が大きくなる。（電源電圧Ｖ１＝２４Ｖ一定である場合、（２４−１５）／２００Ω＝０．０４５Ａ、消費電力＝２４×０．０４５＝１．０８Ｗ）

以上のように、電源電圧の精度、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキを考慮すると、従来の駆動方法では発光ダイオードの駆動電流が大幅に変化するため、消費電力や輝度に大きな影響が出ることになる。また、駆動電流を絶対最大電流以下にすることができないことから信頼性上問題である。

一方、発光ダイオード１２の輝度を調整する場合はＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧を変化させて電流値を制御する方法が簡易であるが、発光ダイオード１２が発生する発光波長が変化する欠点がある。
この欠点を除去する為に、図９に示す回路が適用されている。１３はスイッチング素子、１４はスイッチング素子１３の制御回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧を例えば２０ｋＨｚ以上の周波数でスイッチング素子１３を断続させてＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力電圧をパルス電圧に変換する。この回路には動作周波数を一定にしスイッチング素子１３のオン・オフ時間を制御回路１４で制御しパルス電圧幅を変化させるパルス幅制御（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＷＭ）技術が適用されることが多い。この結果、パルス電圧がある時は発光ダイオード１２には電流が流れ点灯するが、パルス電圧が無い時は消灯する。

このように、高周波で点灯、消灯を繰り返すと、人間の目には点灯し続けているように見え、点灯する時間と消灯する時間の比を調整することで発光ダイオード１２の発光波長を変化させることなく発光ダイオード１２の輝度を調整することができる。
しかし、ＰＷＭを用いた発光ダイオードの輝度調整では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２の出力にＰＷＭ用のスイッチング素子１３と制御回路１４が必要になるので、電源のコストダウンや小型化が困難になるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１−２とパルス幅制御回路を駆動回路とすれば、電源効率が低下することになる。

従来の定電圧電源と抵抗を用いる発光ダイオード駆動方式では電源電圧の精度、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキを考慮すると、駆動電流が大幅に変化するため、消費電力の増加や発光ダイオードの輝度が変化する問題があった。
また、抵抗で発光ダイオードの電流を規定値内に抑えることが困難であり、駆動電流を絶対最大電流以下にすることができないことから信頼性を考慮した設計が困難になる問題があった。
また、発光ダイオードの発光波長を変化させずに輝度調整を行う場合は、パルス幅制御回路を追加する必要があるが、電源コストの上昇や小型化の阻害要因になるばかりでなく、電源効率の低下をもたらす原因になる問題があった。
そこで、本発明の目的は、発光ダイオードの駆動電流を一定にし、電源電圧の変化や発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキがあったとしても、消費電力の増加を抑制し、発光ダイオードの輝度の変化を防止することができ、かつ発光ダイオードの発光波長を変化させずに輝度調整を行うことが可能な低コスト、小型・軽量、高効率発光ダイオード定電流駆動回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、発光ダイオード定電流駆動回路に係り、一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子を高周波でオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、前記二次巻線間に接続される、ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路と、を有する発光ダイオード駆動回路であって、前記ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路中に定電流素子を設け、かつ、前記一次巻線と前記スイッチング素子間に直流電圧を加え、前記オン・オフ制御回路により前記スイッチング素子のオン時間だけ高周波矩形波電圧を前記発光ダイオードに印加し、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を変えることで前記発光ダイオードの輝度を変えることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、発光ダイオード定電流駆動回路に係り、二個のコンデンサの直列接続回路と二個のスイッチング素子の直列接続回路とを並列接続して成るブリッジ回路と、前記スイッチング素子を高周波でオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、一次巻線と中間タップ付二次巻線とを有するトランスとを有し、前記一次巻線を前記ブリッジ回路の各中間接続点間に挿入し、前記二次巻線の両端をそれぞれダイオードを介して接続（二次巻線接続点）し、前記二次巻線接続点と前記中間タップとの間に発光ダイオードを接続して成る発光ダイオード駆動回路における前記発光ダイオードに直列に定電流素子を接続し、かつ前記ブリッジ回路の入力側に直流電圧を加え、前記オン・オフ制御回路により前記スイッチング素子のオン時間だけ高周波矩形波電圧を前記発光ダイオードに印加し、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を変えることで前記発光ダイオードの輝度を変えることを特徴としている。

上記のように、本発明によれば、電源部とＰＷＭ制御部が統合できるので、図８で示した従来回路必要としたインダクタ、コンデンサで構成されるフィルタ１−１と発光ダイオードの輝度を調整するＰＷＭ制御専用のスイッチング素子と制御回路が不要となる。
したがって、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード駆動回路の低コスト化、小型・軽量化、高効率化が実現できる。また、発光ダイオードの電流を抵抗で規定する方式から定電流素子を用いた定電流駆動方式に変えることにより、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキによる消費電力の増加を防止できるので発熱が抑えられ、発光ダイオードの駆動電流を規格内に抑えることができるので信頼性向上を図ることができる。

＜実施例１＞
本発明に関わる発光ダイオードの定電流駆動回路の実施例１を図１に示す。
図において、１は商用電源、２ブリッジダイオード、３はコンデンサ、４はトランスで１次巻線４ａと２次巻線４ｂを備えている。５はスイッチング素子、６は整流ダイオード、１２は発光ダイオード、１５は定電流素子、１６はスイッチング素子５の制御回路である。

次に、図１に示す回路の動作を説明する。
商用電源１の交流電圧をブリッジダイオード２で整流し、コンデンサ３で平滑し、トランス４、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子５で高周波矩形波交流電圧（パルス電圧）に変換し、整流ダイオード６で整流して得られたパルス電圧に定電流素子１５、発光ダイオード１２の直列回路を接続する。スイッチング素子５は制御回路１６によって制御される。

図２にトランス二次側電圧Ｖ４と整流ダイオード６で整流して得られたパルス電圧波形Ｖ６を示す。発光ダイオード１２を流れる電流はパルス電圧Ｖ６がある時だけ定電流素子１５で規定された定電流が流れ点灯する。
定電流素子１５の特性例を図３に示す。横軸は印加電圧Ｖ１４、縦軸は電流Ｉ１４である。定電流素子１５にある電圧Ｖ₁₄₀以上の電圧を印加すると、印加電圧に関係なく一定の電流Ｉ₁₄₀が流れる。電源電圧の変動、発光ダイオードの順方向電圧のバラツキは定電流素子に印加される電圧が電圧変動と順方向電圧のバラツキを吸収するように変化し、流れる電流はＩ₁₄₀と一定に保たれる。したがって、消費電力は電源電圧の変動分だけ増減するが、発光ダイオードの輝度は変化しない。
図１に示す回路ではパルス電圧Ｖ６が無いときは発光ダイオード１２は消灯するが、パルス電圧Ｖ６が数ｋＨｚ以上の高周波であれば、消灯していることは人間の目では認知できないので発光ダイオード１２は点灯し続けているように見える。図２に示すパルス電圧Ｖ６の一周期Ｔに対するパルス電圧Ｖ６の割合（ｔ０／Ｔ）を減少させると発光ダイオード１２の輝度が低下し、割合を増加させると輝度が上昇しているように見える。パルス電圧Ｖ６の割合（ｔ０／Ｔ）は制御回路１６で調整できる。

＜実施例２＞
図４に本発明に関わる発光ダイオード定電流駆動回路の実施例２を示す。
高周波矩形波交流電圧に変換する回路にはハーフブリッジコンバータで使用する回路を適用している以外は図１で示した構成と基本的には同じである。１は商用電源、２ブリッジダイオード、３ａ、３ｂはコンデンサ、４はトランスで１次巻線４ａと２次巻線４ｂと２次巻線に中間タップ４ｃを備えている。５ａ、５ｂはスイッチング素子、６ａ、６ｂはダイオード、１２は発光ダイオード、１５は定電流素子、１６は制御回路である。

次に図４に示す回路の動作を説明する。
商用電源１の交流電圧をブリッジダイオード２で整流し、コンデンサ３ａ、３ｂで平滑するとともに、電源電圧を分圧する。コンデンサ３ａ、３ｂの接続点電圧は電源電圧の１／２である。トランス４、ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子５ａ、５ｂを交互にオン・オフさせることで高周波矩形波交流電圧に変換し、トランス４にセンタータップトランスを使用すればダイオード６ａ、６ｂで整流、センタータップトランスでなければダイオード６ａ、６ｂはブリッジダイオードに変更して整流する。

図５にトランス４の２次側電圧Ｖ６、ダイオード６ａ、６ｂで整流して得られるパルス電圧波形Ｖ６ａ＋Ｖ６ｂを示す。整流して得られたパルス電圧Ｖ６ａ＋Ｖ６ｂに、定電流素子１５、発光ダイオード１２の直列回路を接続する。スイッチング素子５ａ、５ｂは制御回路１６によって制御される。図１の回路ではパルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）は０〜０．７程度であるが、図５のパルス電圧波形Ｖ６ａ＋Ｖ６ｂは、（２ｔ０／Ｔ）となるので０〜１と大きくでき、１の場合は一定の直流電圧と見做すことができる。発光ダイオード１２を流れる電流はパルス電圧がある時だけ定電流素子１５で規定した定電流が流れ点灯する。

＜実施例３＞
図６に本発明に関わる発光ダイオード定電流電源駆動の実施例３を示す。
１は商用電源、２ブリッジダイオード、３はコンデンサ、５はスイッチング素子、１２は発光ダイオード、１５は定電流素子、１６は制御回路である。
次に図６に示す回路の動作を説明する。商用電源１の交流電圧をブリッジダイオード２で整流し、コンデンサ３で平滑する。ＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子５をオン・オフさせることで高周波矩形波電圧に変換し、得られたパルス電圧に定電流素子１５、発光ダイオード１２の直列回路を接続する。スイッチング素子５は制御回路１６によって制御される。図７に得られる矩形波パルス電圧波形Ｖ７を示す。図６の回路ではパルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）は０〜１と大きくでき、１の場合は一定の直流電圧と見做すことができる。発光ダイオード１２を流れる電流はパルス電圧がある時だけ定電流素子１５で規定した定電流が流れ点灯する。

以上、本発明によれば電源部とＰＷＭ制御部が統合できるので、図８で示した従来回路必要としたインダクタ、コンデンサで構成されるフィルタ１−１と発光ダイオードの輝度を調整するＰＷＭ制御専用のスイッチング素子と制御回路が不要となる。したがって、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード駆動回路の低コスト化、小型・軽量化、高効率化が実現できる。また、発光ダイオードの電流を抵抗で規定する方式から定電流素子を用いた定電流駆動方式に変えることにより、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキによる消費電力の増加を防止できるので発熱が抑えられ、発光ダイオードの駆動電流を規格内に抑えることができるので信頼性向上を図ることができる。

本発明の実施例１に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。図１の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。定電流素子の特性例である本発明の実施例２に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。図４の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。本発明の実施例３に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。図６の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。従来の発光ダイオード駆動回路と輝度調整回路を組合せた発光ダイオード定電流駆動回路である。発光ダイオード輝度調整回路である。

符号の説明

１商用電源
２ブリッジダイオード
３、３ａ、３ｂコンデンサ
４トランス
５、５ａ、５ｂスイッチング素子
６、６ａ、６ｂダイオード
１２発光ダイオード
１５定電流素子
１６スイッチング素子制御回路

Claims

一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子を高周波でオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、前記二次巻線間に接続される、ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路と、を有する発光ダイオード駆動回路であって、前記ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路中に定電流素子を設け、かつ、前記一次巻線と前記スイッチング素子間に直流電圧を加え、前記オン・オフ制御回路により前記スイッチング素子のオン時間だけ高周波矩形波電圧を前記発光ダイオードに印加し、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を変えることで前記発光ダイオードの輝度を変えることを特徴とする発光ダイオード定電流駆動回路。
二個のコンデンサの直列接続回路と二個のスイッチング素子の直列接続回路とを並列接続して成るブリッジ回路と、前記スイッチング素子を高周波でオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、一次巻線と中間タップ付二次巻線とを有するトランスとを有し、前記一次巻線を前記ブリッジ回路の各中間接続点間に挿入し、前記二次巻線の両端をそれぞれダイオードを介して接続（二次巻線接続点）し、前記二次巻線接続点と前記中間タップとの間に発光ダイオードを接続して成る発光ダイオード駆動回路における前記発光ダイオードに直列に定電流素子を接続し、かつ前記ブリッジ回路の入力側に直流電圧を加え、前記オン・オフ制御回路により前記スイッチング素子のオン時間だけ高周波矩形波電圧を前記発光ダイオードに印加し、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を変えることで前記発光ダイオードの輝度を変えることを特徴とする発光ダイオード定電流駆動回路。