JP4907078B2 - 発光ダイオード用電気供給装置および同装置を有するランプ - Google Patents

Description

本発明は、すべての発光ダイオードに共通の電流源を備えてなる、直列に接続した発光ダイオード用、さらに詳しくは、照明装置用電気供給装置に関する。

以下、発光ダイオードを、ＬＥＤと略して記載する。

照明装置、特に、自動車用ロービームもしくはハイビームのヘッドライトを実現するには、十分な光束を得るために、多くの例えば１０個程度のＬＥＤを使用する必要がある。

ＬＥＤの動作電圧、特に３．３Ｖ近辺について考えた場合、一つの解決策として、直列につなげた２，３個のＬＥＤに、自動車用のＤＣ１２Ｖを流す方法が挙げられる。ＬＥＤの動作電圧は変化する可能性があるため、一般的に平衡抵抗器が必要である。このような接続は、順電圧のばらつきに対しては、非常に敏感である。

電流のリスクは好ましくないため、最悪の場合を考えて構成する必要があり、一般的に電流が小さすぎてダイードが十分に用いられていないことが多い。従って、ＬＥＤのいくつかは、最適の状態以下で動作することがある。さらに、ＬＥＤが破断すると、回路が開き他のＬＥＤすべてが消えてしまう。

例えば１ワットまたは２ワットのパワーＬＥＤの場合、ＬＥＤは、過電流に弱く、寿命が相当に短縮されてしまうため、電源には電流調整器を設けるのが好ましい。このように、電流供給を調整するようにしないと、ＬＥＤ製造元からの保障は得られない。

従って、ＬＥＤが少数、例えば１グループ２または４個のダイオードの組を数組設けた場合、電流調整器は各組に必要となり、コストが上がる。

また、ＬＥＤごとに、安定抵抗器を挟んだ電流源を設け、抵抗器の前に設けた、ＬＥＤの定格順電圧により近い供給電圧を供給する共通の降変圧器によって供給されるようになっている電源も知られている。

従来のものは、上流の変換器に加え、ＬＥＤごとに１つの変換器を必要とするという欠点を有していた。効率は、次に示す理由により原則的に低下する。
−低電圧の降変圧器（ＩｎＧａＮダイオードの場合、約４Ｖ）が非常に効率的ではない（構成要素では高電流）；
−ＬＥＤの順電圧のばらつきは、抵抗器、もしくは定格電流より高い一時的な電流を使って補償される。現在製造されているパワーＬＥＤの場合、このばらつきは大きい（ＩｎＧａＮ ＬＥＤの場合、３〜４Ｖ）。

特に、本発明の目的は、製造元が推奨する最適な条件下（すなわち定格電流）で動作する、数個のパワーＬＥＤを有する装置、特に、自動車の照明装置用のＬＥＤを、安価に提供可能とすることにある。

また、本発明の別の目的は、１個のＬＥＤが破断して開回路となっても、他のＬＥＤの動作に影響を与えることなく、すなわち、すべてのＬＥＤが消えてしまうことがないようにすることにある。

本発明によると、上記のような、ＬＥＤを直列に接続する電気供給装置は、それぞれ、ＬＥＤの端末において電圧に対して高い感度を有し、ＬＥＤが動作中は非導電状態であり、ＬＥＤの端末の電圧が所定の限度を超えたときに、不可逆に短絡するように構成された手段を備えていることを特徴とする。

この高感度手段は、ＬＥＤが動作しなくなったときには切断されるように、ベースとエミッタの間に接続することにより、ＬＥＤが動作中には、オフ状態のトランジスタで実現される回路を備えるものとすることができる。この接続は、ヒューズ、特に、微小電流のみ許容し、ＬＥＤが動作しないことにより、ＬＥＤの端末の電圧が上昇すると、破断するように構成された信号ダイオードによって構成することができる。

あるいは、ヒューズを、定格ヒューズとすることもできる。

この装置は、ヒューズが隣接するＬＥＤ段からの分岐されたトランジスタ用のバイアス電流を、恒久的に流すように構成されている。

ＬＥＤの端末における電圧は、ツェナーダイオードで検出してもよく、これによると、ＬＥＤが破断すると、このＬＥＤの端末の電圧が、ツェナー電圧を超えるとともに、ツェナーを通る電流が、ヒューズが許容する数値よりも大きくなり、ヒューズが破断する。

耐漏洩ダイオードを設けることにより、バイアス電流が、ベースからトランジスタのエミッタに流れずに、ツェナーダイオードを流れて戻ることのないように防ぐことも可能である。

ヒューズが、オフセット電圧を必要とするダイオードで構成されている場合は、Ｖｄダイオードを設けることにより、補償をし、トランジスタのベースに電流が流れないよう、防ぐことができる。

ｎ＋１個のＬＥＤを、直列にｎ＋１段（０からｎ）接続した装置では、ＬＥＤ ０からｎ−１に相当する各段のトランジスタ回路は、ＮＰＮ型のトランジスタを備え、エミッタに対するベースのバイアスは、上位の段から得ることができる。

ＬＥＤ Ｌｎに相当する最終段では、上位の段によってバイアスが得られないため、逆電圧で動作する他の型であるＰＮＰ型のトランジスタを有する回路を設け、ＬＥＤ Ｌｎ段のこのＰＮＰトランジスタのバイアス電圧は、下位の段のＬＥＤ Ｌｎ−１段のトランジスタのエミッタからとるという二重の解決策が取られる。

あるいは、トランジスタの型を逆にすることも可能である。その場合、ＬＥＤ Ｌ１からＬｎの段に、ＰＮＰ型トランジスタを設け、ＬＥＤ Ｌ０の段に、ＮＰＮ型トランジスタを設け、バイアス分岐はそれに準じて設ける。

ＬＥＤが破断すると、通電状態となるＯＦＦ状態のトランジスタを含む回路の代わりに、通常の動作では非導電状態であり、過電圧の影響で短絡する耐溶融型の構成要素を使用してもよい。

さらに、トランジスタ回路は、実質的には電流を消費しないＭＯＳトランジスタを有する論理回路の形態で組み込むこともできる。ＬＥＤの端末の電圧は、一つの入力端子が電圧基準に接続されている比較器の別の入力端子に供給される。比較器の出力は、ラッチを制御し、ラッチの出力がＭＯＳトランジスタのゲートを制御する。浮遊電源が設けられ、そのマイナス端子は、一般のマイナス端子以外の電圧となっている。

電流調整を実行するためにＬＥＤに流れる電流の関数として、出力電圧の制御を行うＤＣ／ＤＣ昇圧変圧器を設けることができる。制御信号は、ＬＥＤと直列に接続した抵抗器の端末で取り出す。

また、本発明は、照明灯または信号灯のような自動車用の照明装置に関し、直列に接続した数個の発光ダイオードと、先に定義したような電源供給装置を備える。また本発明の照明装置は、直列に接続した１０個の発光ダイオードを備えているのが好ましい。

上記の条件の他、添付の図面に基づく詳細な説明においては、他の多数の条件を有するが、それらは本発明を限定するものではない。

図１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）Ｌ０，Ｌ１，．．Ｌｎ−１，Ｌｎ用の電源装置Ａを示す。

４個のＬＥＤを示している。各段がそれぞれのＬＥＤに相当する。ＬＥＤ Ｌ０，Ｌ１，．．．Ｌｎ−１の段と同一の可変数の段を設けてある。ＬＥＤ Ｌ０．．．Ｌｎは、ＤＣ電流源１のプラス端子と電流源１のマイナス端子が接続されるアースの間において、直列に接続されている。

ロービームまたはハイビームの自動車用ヘッドライトを実現するため、直列に接続された約１０個のＬＥＤが、有利に設けられている。各ＬＥＤが、電圧４Ｖ（白色光ＬＥＤの場合）で動作するため、電流源１が必要とする合計電圧は４０Ｖとなる。

ＬＥＤを直列に接続した本発明の装置を設けない場合、１個のＬＥＤが破断すると、回路は破壊され、すべてのＬＥＤは消えてしまう。

この欠点を克服するため、本装置では、各ＬＥＤ用として、回路Ｂ０，Ｂ１，．．．Ｂｎを設けた。対応するＬＥＤの端子の電圧に対して高い感度を有する手段（２）（５）（９）：（１５）（５）（９）を設けてある。この手段は、ＬＥＤが動作している間は通電せず、ＬＥＤの端子の電圧が所定の限度を超えると短絡するように構成されている。この過電圧は、ＬＥＤが破断して、回路が開いた場合に起きる。

ＬＥＤ Ｌ０，．．．Ｌｎ−１の各高感度手段（２）（５）（９）は、対応するＬＥＤが動作中には、ベース３とエミッタ４の間の電気接続によってＯＦＦとなるＮＰＮ型トランジスタ２で実現される回路を備えている。図１の場合、微小電流のみを許容しる信号ダイオード６によって構成され、より大きい電流が流れると、破断するように構成されたヒューズ５によって電気接続がなされる。

あるいは、ヒューズ５を、信号ダイオード６より高価ではあるが、定格ヒューズによって構成することも可能である。

このような信号ダイオード６をヒューズとして使用した場合、ダイオード６の端子間にオフセット電圧が存在する。ベース３を電流が流れないようにするため、陰極をベース３に接続し、陽極をダイオード６の陽極に接続したダイオード７を設ける。

トランジスタ２のコレクタ８は、ＬＥＤ Ｌ０の陽極に接続される。ＬＥＤ Ｌ０の端子の電圧検出のために、陰極がコレクタ８とＬ０の陽極に接続されているツェナーダイオード９を設けてある。耐漏洩ダイオード１０の陽極は、ツェナーダイオード９の陽極に接続されている。ダイオード１０の陰極は、ダイオード６および７の陽極に接続されている。この耐漏洩ダイオード１０は、バイアス電流が、ベース３からトランジスタ２のエミッタ４に流れる代わりに、ツェナーダイオード９を通って戻ることがないように防ぐ。

ＬＥＤ Ｌ１からＬｎ−１の段は、ＬＥＤ Ｌ０の段と同じ方法で実現される。同一の構成要素は、同一の符号で示してある。

ＮＰＮ型トランジスタ２のベース３のバイアスは、このトランジスタ用のエミッタに対して正方向でなければならない。よって、ＬＥＤ Ｌ０のトランジスタ２のベース３のバイアスは、共通点１１をダイオード６および７と、より上位の段のＬＥＤ Ｌ１の陽極の電位であるポイント１２に接続することによって得ることができる。接続は、コンダクタ１３とバイアス抵抗器１４によって実現する。

ＬＥＤ Ｌ０の通常の動作において、バイアス電流は、ヒューズ６を通って流れ、ベース３は、実質的にエミッタ４と同電位であるため、トランジスタ２はＯＦＦとなる。

ＬＥＤ Ｌ０が破断して開回路となると、ＬＥＤ Ｌ０の端子の電圧が増加して、ツェナーダイオード９のツェナー電圧、例えば、４Ｖを超える。分岐９，１０，６には、より高い電流が流れるため、信号ダイオード６は破断する。すると、ベース３とエミッタ４の間の接続は切断され、ベース３のエミッタ４に対する電圧は増加する。トランジスタ２は、導電状態、好ましくは飽和状態となる。電源回路は、上記の理由からＯＮ状態を保つ他のＬＥＤ Ｌ１−Ｌｎに対しては使用できる状態を保つ。

回路Ｂ０では、ヒューズ５が破断するため、ＬＥＤの端子の電圧が所定の限度を超えると、不可逆的に短絡する。

破断する可能性のあるダイオードＬ１．．．Ｌｎ−１のいずれかに対しても、同じ原理が適用される。

ＬＥＤ Ｌｎに対応する回路の最終段に関しては、より下位の段に対し、より上位の段を使用してＮＰＮ型のトランジスタのベースのバイアスを提供することはできない。

この最終段に対しては、ＬＥＤ Ｌｎの端子の電圧に対して感度が高い手段として、二重の解決策が選択され、低い回路の二重回路を設けている。この回路は、エミッタ１６が電流源１のプラス端子に接続されたＰＮＰ型トランジスタ１５を備え、電流源のコレクタ１７は下位の段のトランジスタ２のコレクタに接続されているとともに、そのベース１８はダイオード７の陽極に接続され、ダイオード７は、下位の段と比較して反対方向に接続されている。

ヒューズ５は、ダイオード７の陰極をエミッタ１６に接続する。このヒューズ５は、信号ダイオード６によって有利に構成されている。この信号ダイオードは、陽極がエミッタ１６に接続され、陰極がダイオード７の陰極に接続されたポイント１９に接続されている。

最終段のツェナーダイオード９の陰極をポイント１９に接続するとともに、その陽極を耐漏洩ダイオード１０の陽極に接続してある。ダイオード１０の陰極は、コレクタ１７に接続されている。ポイント１９は、抵抗器２１を備えたライン２０によって、すぐ下位の段にあるトランジスタ２のエミッタに接続されている。この接続２０は、ヒューズ５が破断したときに、エミッタ１６に対して負のバイアスをベース１８に与える。よって、トランジスタ１５は、ＬＥＤ Ｌｎが破断すると、導電するようになる。装置の操作については、上記の説明から明らかと思う。

ＬＥＤが破断すると、それは不良の段となり、この段のトランジスタ２、１５が、不良のＬＥＤを短絡させることができるようになる。トランジスタ２、１５のバイアス制御により、トランジスタを確実に飽和させる。上位の段による各トランジスタ２の耐溶融回路のバイアスによって、完全な浮遊回路を実現することができるようになる。

ヒューズとして信号ダイオード６を使用することにより、応答時間が非常に早くなるとともにコストが低くなる。

ツェナーダイオード９の代わりに、ＶＤＲ型抵抗器（電圧依存抵抗器）を使用することもできる。

トランジスタ２、１５回路を耐溶融構成要素と表現できる理由は、ヒューズは通常の操作では導電し、過電圧、過電流の場合に開回路となり、逆にトランジスタ２，１５回路は、通常の操作では導電せず、過電圧、過電流の場合に短絡するからである。トランジスタ回路の代わりに、同じ動作を行う構成要素を利用してもよい。

図２は、図１の装置の線図を形成するブロック線図である。図２における符号は、図１の符号に相当する。

図３は、調整した電流源１を単純に実現している様子を示す。

この電流源は、例えば、自動車の電池など、１２Ｖの電圧を供給するＤＣ電圧源２２を備えている。ＤＣ／ＤＣ昇圧変圧器２３は、その入力端子を電圧源２２の入力端子に接続してある。変換器２３の出力電圧は、例えば４０Ｖである。変換器２３のプラスの出力端子は、直列の最終段のＬＥＤ Ｌｎの陽極に接続してある。

ＬＥＤ Ｌ０の陰極は、抵抗器２４によって、変換器２３のマイナスの出力端子に直列に接続してあり、調整用の電圧信号の生成を可能にする。制御信号は、抵抗器２４の端子において、線２５によって取り出される。線２５は、変換器２３に組み込まれた調整器の入力端子に情報を供給する。調整器により、ＬＥＤ Ｌｎ，．．．Ｌ０を通過する電流の大きさを一定に保つことができるようになる。この実現は簡単である。

また、段Ｌ１からＬｎのトランジスタは、各トランジスタのベースが下位の段からバイアスされるＰＮＰ型でもよく、第１段のＬＥＤ Ｌ０は、ベースがＬＥＤ Ｌ１よりすぐ上位の段からバイアスされるＮＰＮ型トランジスタでもよい。

図４は、ＬＥＤ Ｌｎ−ｐ用の図１に示すトランジスタ回路を、実質的に電流の消費しないＭＯＳトランジスタ２６を有する論理回路Ｂｐに置き換えた変形例を示す。

回路Ｂｐは、非反転入力端子をＬＥＤ Ｌｎ−ｐの陽極に接続した比較器２７を備えており、反転入力端子を、例えば、ツェナーダイオードのような電圧基準を構成するエレメント２９の端子２８に接続してある。この場合、バイアス抵抗器を必要とする。

エレメント２９の別の端子は、ＬＥＤ Ｌｎ−ｐの陰極に接続する。端子２８は、マイナス端子をＬＥＤ Ｌｎ−ｐの陰極に接続した浮遊電源３０のプラス端子にも接続されている。増幅器２７の出力端子は、出力端子がＭＯＳトランジスタ２６のゲートに接続したラッチ３１の入力端子Ｓに接続されている。ラッチ３１の入力端子Ｒ（ゼロにリセット）は、端子２８に接続してあり、入力端子Ｒは、使用しないが、ラッチの状態が、ラッチのタイプに従って、線図に示した接続により、パワーアップした入力端子Ｒであることを確認する必要がある。

ＭＯＳトランジスタ２６は、そのドレインをＬＥＤ Ｌｎ−ｐの陽極に接続してあり、その電圧源をそのＬＥＤの陰極に接続してある。

よって、ＬＥＤ Ｌｎ−ｐの端子の電圧は、比較器２７の一つの入力端子に印加され、その他方の入力端子は、電圧基準２９に接続される。ＬＥＤの端子の電圧が基準電圧を超えると、比較器２７は、その出力端子にラッチ３１の状態の変更を指示する信号を出す。このラッチの出力は、破断したＬＥＤ Ｌｎ−ｐを導電、および短絡させるトランジスタ２６のゲートを制御する。

このような回路により、破断したＬＥＤの交換後に初期化しなおすことができる。

図１の実施の例では、ＰＮＰトランジスタをｐ−チャネルＭＯＳトランジスタと交換し、ＮＰＮトランジスタ２をｎチャネルＭＯＳトランジスタと交換することができる。例えば、ＬＥＤ Ｌ０ｎ用のトランジスタ２をＭＯＳトランジスタと交換し、ダイオード７を使わずにゲートをポイント１１に直接接続し、ドレインをＬ０の陽極に接続し、電源をＬ０の陰極に接続することができる。

ツェナーダイオード９、ダイオード１０、およびダイオード６（ヒューズ５）は、図１の接続に従って維持され、ゲートと電源を短絡させるためのヒューズを設ける。さらに、抵抗器をゲートとＭＯＳトランジスタの電源の間に接続することにより、ＬＥＤ Ｌ０が破断し、続いて、ダイオード６が破断したときに、電流をゲートと電源の間に一時的に流すことができるようになる。この抵抗器は、抵抗器１４の値の値より著しく大きい。

本発明により、定電流で、電圧効率のよい昇圧変圧回路を有し、簡単で安価な構成で、安定器などの部品を必要とせず、不良を引き起こすことのない最適な電源を提供することができる。

本発明による、直列に接続したＬＥＤの電源装置の線図である。 図１に示した装置のブロック線図である。 ＤＣ／ＤＣ電圧変換器および調整器を有する電流源の概略線図である。 耐溶融装置を実現するためのＭＯＳトランジスタを有する論理回路の線図である。

符号の説明

Ａ 電源装置
Ｂ０，Ｂ１．．．Ｂｎ 回路
１ 電流源
３ ベース
４ エミッタ
６ 信号ダイオード
５ ヒューズ
７ ダイオード
８ コレクタ
９ ツェナーダイオード
１０ 耐漏洩ダイオード
１１ 共通点
１２ ポイント
１３ コンダクタ
１４ バイアス抵抗器
９，１０，６ 分岐
１６ エミッタ
１５ ＰＮＰ型トランジスタ
１７ コレクタ
１８ ベース
１９ ポイント
２０ 接続
２１ 抵抗器
２２ ＤＣ電圧源
２３ ＤＣ／ＤＣ昇圧変圧器
２４ 抵抗器
２５ 線
２６ ＭＯＳトランジスタ
２７ 比較器、増幅器
２８ 端子
２９ エレメント、電圧基準
３０ 浮遊電源
３１ ラッチ
Ｓ 入力端子
Ｒ 入力端子

Claims (10)

1. 照明装置において直列に接続された発光ダイオード（Ｌ０）．．．（Ｌｎ）用の電気供給装置であって、すべての発光ダイオードに共通な電流源（１）を備え、各ＬＥＤは、ＬＥＤ（Ｌ０）（Ｌ１）．．．（Ｌｎ）の端子において、この手段は、ＬＥＤが順調な動作状態にあるときには非導電状態であり、ＬＥＤの端子の電圧が所定の限度を超えると、不可逆的に短絡するように構成された、電圧に高感度な手段（２）（５）（９）；（１５）（５）（９）を有し、高感度な手段（２）（５）（９）；（１５）（５）（９）は、ＬＥＤ（Ｌ０）．．．（Ｌｎ−１）（Ｌｎ）が順調な動作状態にあるときには、ＯＦＦとなるトランジスタ（２）（１５）によって、ベース（３）；（１８）とエミッタ（４）；（１６）とを接続（５）し、ＬＥＤが順調な動作状態でなくなった時に、破断するように構成された回路を備え、接続を、ヒューズ（５）によって行うようにし、ヒューズ（５）は、上位または下位の段からの分岐から流れるトランジスタ（２）（１５）用のバイアス電流を恒久的に流すようになっていることを特徴とする装置。
2. ヒューズ（５）は、信号ダイオード（６）によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ダイオード（７）を設けて補償し、トランジスタのベースに電流が流れないように防ぐようになっていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ＬＥＤ（Ｌ０）（Ｌ１）．．．（Ｌｎ）の端子の電圧検出にツェナーダイオード（９）を設け、ＬＥＤが破断すると、このＬＥＤの端子の電圧が、ツェナー電圧を超えるとともに、ツェナー（９）を流れる電流が、ヒューズ（５）の許容電流を超えて、ヒューズを破断させるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 耐漏洩ダイオード（１０）を設けて、バイアス電流がツェナーダイオード（９）を通って戻らないように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 照明装置において直列に接続された発光ダイオード（Ｌ０）．．．（Ｌｎ）用の電気供給装置であって、すべての発光ダイオードに共通な電流源（１）を備え、各ＬＥＤは、ＬＥＤ（Ｌ０）（Ｌ１）．．．（Ｌｎ）の端子において、この手段は、ＬＥＤが順調な動作状態にあるときには非導電状態であり、ＬＥＤの端子の電圧が所定の限度を超えると、不可逆的に短絡するように構成された、電圧に高感度な手段（２）（５）（９）；（１５）（５）（９）を有し、高感度な手段（２）（５）（９）；（１５）（５）（９）は、ＬＥＤ（Ｌ０）．．．（Ｌｎ−１）（Ｌｎ）が順調な動作状態にあるときには、ＯＦＦとなるトランジスタ（２）（１５）によって、ベース（３）；（１８）とエミッタ（４）；（１６）とを接続（５）し、ＬＥＤが順調な動作状態でなくなった時に、破断するように構成された回路を備え、ｎ＋１個のＬＥＤが、ｎ＋１段（０からｎ）に直列に接続されて設けられ、ＬＥＤ ０からｎ−１に対応する各段のトランジスタ回路は、ＮＰＮ型トランジスタ（２）を有し、エミッタ（４）に対するベース（３）のバイアスは、それより上位の段から行われ、最終段（ＬＥＤ Ｌｎ）では、回路に他の型のトランジスタ（１５）ＰＮＰが設けられ、このＰＮＰトランジスタのバイアス電圧は、下位の段（ＬＥＤ Ｌｎ−１）のトランジスタのエミッタから得るようになっていることを特徴とする装置。
7. トランジスタ回路は、組み込んだ形態で実現されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. ＬＥＤを流れる電流の関数として出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣ昇圧変圧器（２３）を備え、これによって電流調整を行い、かつ制御信号をＬＥＤと直列に接続した抵抗器（２４）の端子で取り出すようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の電気供給装置を備える、直列に接続した数個の発光ダイオードを有する照明灯もしくは信号灯などのような自動車用照明装置。
10. １０個の発光ダイオードが直列に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。

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