JP4908709B2 - 照明用の格子構造ｌｅｄアレイ - Google Patents

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Description

【０００１】
本発明は、概して照明システムに係り、更に特定的には照明源として用いられる発光ダイオードについての改善されたアレイ構造に関する。
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流が流されると電磁放射を発する特にｐ−ｎ接合といった一種の半導体装置である。一般的には、発光ダイオードは、適切に選択されたガリウム−ヒ素−燐化合物である半導体材料からなる。発光ダイオードによって発せられる光の波長は、ヒ素に対する燐の割合を変化させることによって調整されうる。
【０００３】
半導体材料及び光学技術の進歩により、発光ダイオードは照明のために使用されることが多くなっている。例えば、現在、自動車信号、交通信号及び交通標識、大型ディスプレイ等のために明るさの高い発光ダイオードが使用されている。これらの適用の殆どについて、多くの量のルーメンを生じさせるよう多数の発光ダイオードがアレイ構造で接続される。
【０００４】
図１は、直列接続された発光ダイオード１乃至ｍの一般的な配置を示す図である。電源４は、ダイオード中の電流信号の流れを制御する抵抗器Ｒ１を介して発光ダイオードへ高圧信号を供給する。このように接続された発光ダイオードは、通常は高い効率性と少ない量の熱応力で電源へ導かれる。
【０００５】
時々、発光ダイオードは故障することがある。発光ダイオードの故障は、開回路故障又は短絡故障のいずれかでありうる。例えば、短絡故障モードでは、発光ダイオード２は短絡回路として作用し、電流が発光ダイオード１から３へ発光ダイオード２を通じて光を発することなく進行することを可能とする。一方、開回路故障モードでは、発光ダイオード２は開回路として作用し、図１に示されるアレイ全体を消灯させる。
【０００６】
この状況について扱うために、発光ダイオードの他の配置が提案されている。例えば、図２ａは、並列接続された発光ダイオード１０、２０、３０及び４０の多数の枝路からなる発光ダイオードの他の一般的な配置を示す図である。各枝路は、直列接続された発光ダイオードからなる。例えば、枝路１０は、直列接続された発光ダイオード１１乃至ｎ１からなる。電源１４は、抵抗器Ｒ２を介して発光ダイオードへ電流信号を供給する。
【０００７】
このように接続された発光ダイオードは、図１に示される配置に従って接続された発光ダイオードよりも信頼性が高い。開回路故障モードでは、１つ枝路の発光ダイオードが故障した場合はその枝路の全ての発光ダイオードが消灯し、残る枝路の発光ダイオードには大きな影響はない。しかしながら、特定の枝路の全ての発光ダイオードが単一の発光ダイオードの開回路故障によって消灯するということは、やはり望ましくない結果である。短絡故障モードでは、第１の枝路の発光ダイオードの故障により、その枝路は他の枝路と比較して高い電流の流れを有するようになる。単一の枝路を通って流れる電流が増加することは、残る枝路の発光ダイオードとは異なるレベルで点灯させ、これもまた望ましくない結果である。
【０００８】
この問題を解決するため、発光ダイオードの他の配置が提案されている。例えば、図２ｂは、従来技術の照明システムによって使用される発光ダイオードの他の典型的な配置を示す図である。図２ａに示される配置のように、図２ｂは、並列接続された発光ダイオード５０、６０、７０及び８０の４つの枝路を示す。各枝路は、直列接続された発光ダイオードを更に含む。例えば、枝路５０は、直列接続された発光ダイオード５１乃至ｎ５を含む。電源５４は、抵抗器Ｒ３を介して発光ダイオードへ電流信号を供給する。
【０００９】
図２ｂに示される配置は、隣接する発光ダイオードの枝路の間に分路を含む。例えば、分路５５は、枝路５０の発光ダイオード５１と５２の間と、枝路６０の発光ダイオード６１と６２の間とに接続される。同様に、分路７５は、枝路７０の発光ダイオード７１と７２の間と、枝路８０の発光ダイオード８１と８２の間とに接続される。
【００１０】
このように接続された発光ダイオードは、図１又は図２ａに示される配置によって接続された発光ダイオードよりも更に信頼性が高い。これは開回路故障モードでは、枝路全体は、その枝路の中の単一の発光ダイオードの故障によっては消灯しないためである。代わりに、故障した発光ダイオードを迂回するよう電流は分路を介して流れる。
【００１１】
短絡故障モードでは、故障する発光ダイオードには電圧がかかっていないため、故障した発光ダイオードを有する枝路を電流全体が流れる。例えば、発光ダイオード５１が短絡した場合、電流は上側の枝路を通って流れる。従って、図２ｂの配置では、単一の発光ダイオードが短絡すると、他の各枝路の対応する発光ダイオード６１、７１、及び８１もまた消灯する。
【００１２】
図２ｂに示される配置は他の問題を経験する。例えば、配置の中に全ての発光ダイオードが同じ明るさを有することを確実とするために、配列は、並列接続された発光ダイオードが一致した順方向電圧特徴を有することを必要とする。例えば、並列接続された発光ダイオード５１、６１、７１及び８１は、非常によく一致した順方向電圧特徴を有さねばならない。さもなければ、発光ダイオードを通って流れる電流信号は変化し、発光ダイオードは異なる明るさを有することとなる。
【００１３】
異なる明るさの問題を回避するため、各発光ダイオードの順方向電圧特徴について使用前に試験せねばならない。更に、同様の電圧特徴を有する発光ダイオードの組は厳密にまとめられた組（即ち順方向電圧特徴が殆ど同一である発光ダイオードの組）に入れられねばならない。厳密にまとめられた発光ダイオードの組は、相互に並列に発光ダイオードの配置の中に設置されねばならない。このような組に入れる処理は費用がかかり、時間がかかり、非効率である。
【００１４】
従って、上述のような従来技術の問題を受けない改善された発光ダイオード配置を提供する必要がある。
【００１５】
本発明の１つの実施例によれば、照明システムは複数の発光ダイオードを含む。照明システムは更に、複数の並列に配置された導電性の枝路を通って電流信号を流す電流駆動回路を含む。１つの枝路の各発光ダイオードは残る枝路の対応する発光ダイオードと共に、セルユニットを定める。各セルでは、１つの枝路の各発光ダイオードの陽極端子が分路を介して隣接する枝路の対応する発光ダイオードの陰極端子に結合される。各分路は、更に他の発光ダイオードを含む。このように、各セルは２つの枝路を含み、従って４つの発光ダイオードを有してもよく、又は、２つ以上の枝路を有しうる。
【００１６】
本発明による発光ダイオードの配置は、幾つかの異なる順方向電圧特徴を有する発光ダイオードを使用することを可能とすると共に、配置の中の全ての発光ダイオードが実質的に同じ明るさを有することを確実とする。有利には、本発明の照明システムは、枝路の１つの発光ダイオードが故障したときに、その枝路の残る発光ダイオードが消灯しないよう構成される。他の実施例では、照明システムは、縦続する少なくとも２つのセルを含み、縦続接続されるセルは、枝路の中の各発光ダイオードの陰極端子が次の連続するセルの同じ枝路の発光ダイオードの陽極端子に結合されるよう順次に結合される。
【００１７】
望ましい実施例では、照明システムの各枝路は、例えば各枝路の最初の素子及び最後の素子として結合される抵抗器といった電流調整素子を含む。
【００１８】
本発明は、添付の図面を参照して以下の説明をよむことにより更に理解されよう。
【００１９】
図３は、本発明の１つの実施例による照明システムによって使用される発光ダイオードの配置１００を示す図である。照明システムは、複数の導電性の枝路を含む。各枝路は、直列接続されたダイオードを有する。全ての枝路の一組の対応する発光ダイオードは、セルを定める。図３に示される配置は、発光ダイオードの縦続接続されるセル１０１（ａ）、１０１（ｂ）乃至１０１（ｎ）を示す。尚、本発明の様々な実施例によれば、任意の数のセルが形成されうる。
【００２０】
配置１００の各セル１０１は、枝路１０２の第１の発光ダイオード（例えば発光ダイオード１１０）と、枝路１０３の第１の発光ダイオード（例えば発光ダイオード１１１）とを含む。発光ダイオードを有する各枝路は、最初は（即ち、第１のセルの前は）抵抗器（例えば抵抗器１０５及び１０６）を介して並列に結合される。抵抗器は、各枝路によって等しい量の電流が受け取られることを確実とするよう同じ抵抗値を有することが望ましい。
【００２１】
各枝路の発光ダイオードの陽極端子は、隣接する枝路の対応する発光ダイオードの陰極端子に結合される。例えば、発光ダイオード１１０の陽極端子は、発光ダイオード（例えば発光ダイオード１１２）が接続された第１の分路（例えば分路１１４）によって発光ダイオード１１１の陰極端子に接続される。更に、発光ダイオード１１１の陽極端子は、発光ダイオード（例えば発光ダイオード１１３）が接続された第２の分路（例えば分路１１５）によって発光ダイオード１１０の陰極端子に接続される。電源１０４は、抵抗器１０５及び１０６を介して発光ダイオードへ電流信号を供給する。更なる抵抗器１０７及び１０８は、図示される配置の最後の発光ダイオードの陰極端子において配置１００に使用される。
【００２２】
図３に示される配置に従って接続された発光ダイオードは、図２ｂに示される配置に従って接続された発光ダイオードと比較して信頼性が高い。これは、開回路故障モードでは、その枝路の発光ダイオードの故障によっては枝路全体は消灯しないためである。代わりに、電流は故障した発光ダイオードを迂回するため分路１１４又は１１５を介して流れる。例えば、図３の発光ダイオード１１０が故障した場合、電流は下側の枝路１３０及び発光ダイオード１１３を介して発光ダイオード１２０へ流れる（従って点灯させる）。更に、上側の枝路からの電流は分路１１４を介して隣接する枝路へ流れる。
【００２３】
更に、短絡故障モードでは、他の枝路の発光ダイオード及び分路は、１つの枝路の発光ダイオードの故障によっては消灯しない。これは、発光ダイオードが並列接続されていないためである。例えば、発光ダイオード１１０が短絡した場合、電流は電圧降下のない上側の枝路１０２を通って流れると共に分路１１４中の発光ダイオード１１２を通って流れる。発光ダイオード１１２は、これを通って流れる電流がわずかな量だけ降下するため、図２ｂの配置の場合とは異なって、点灯したままである。
【００２４】
更に、発光ダイオードの配置１００は、従来技術の発光ダイオード配置の他の問題も軽減する。例えば、本発明の発光ダイオード配置１００は、１つの実施例によれば、発光ダイオードの順方向電圧特徴が厳密に一致することを必要とせずに、配置の全ての発光ダイオードが同じ明るさを有することを確実とする。例えば、図３に示される配置の発光ダイオード１１０、１１１、１１２及び１１３は、図２ｂに示される配置の発光ダイオード５１、６１、７１、及び８１の順方向電圧特徴ほどは厳密に一致していない順方向電圧特徴を有しうる。これは、従来技術の配置とは異なり、配置１００のセル１０１の発光ダイオードが互いに並列接続されていないからである。
【００２５】
各セルの発光ダイオードは並列接続されていないため、ダイオードの両端の電圧降下は同じである必要はない。従って、各発光ダイオードの順方向電圧特徴は、同じ量の照明を与えるために、互いに等しい必要はない。換言すれば、順方向電圧降下が低い発光ダイオードを通って流れる電流は、発光ダイオードの順方向電圧を他の発光ダイオードの高い順方向電圧と等しくするために、増加されない。
【００２６】
厳密に一致した順方向電圧特徴を有する発光ダイオードは必要でないため、本発明は発光ダイオードを厳密に一致した電圧特徴とまとめる必要性を軽減する。従って、本発明は、従来技術の発光ダイオード配置まとめる作業に必要とされる追加的な製造費用及び時間を減少させる。
【００２７】
尚、本発明は、１つの実施例によれば、２つ以上の枝路を有するセルを使用しうる。図４は、照明システムによって用いられる本発明の他の実施例による発光ダイオードの配置２００を示す図である。この照明システムは、複数の導電性の枝路を含み、各枝路は直列接続された発光ダイオードを有する。全ての枝路の一組の対応する発光ダイオードは、セルユニットを定める。図４に示される配置は、発光ダイオードの縦続接続されるセル１０１（ａ）、１０１（ｂ）乃至１０１（ｎ）を示す。尚、本発明の様々な実施例によれば、任意の数のセルが形成されうる。
【００２８】
図４に示されるように、順次に接続されたとき、配置２００の各セル２０１は、複数の対応する発光ダイオード（例えば発光ダイオード２１０、２１１及び２１６）を含む。複数の発光ダイオードの枝路は、抵抗器（例えば抵抗器２０５、２０６及び２０７）といった電流調整素子を介して最初は（即ち最初のセルの前は）並列接続される。
【００２９】
望ましい実施例では、抵抗器２０５は抵抗器２０７と同じ抵抗値を有し、抵抗器２０８は抵抗器２０９（ｂ）と同じ抵抗値を有する。更に、抵抗器２０６は、抵抗器２０５又は２０７の抵抗値の三分の二である抵抗値を有する。同様に、抵抗器２０９（ａ）は、抵抗器２０８又は２０９（ａ）の抵抗値の三分の二である抵抗値を有することが有利である。抵抗器２０６及び２０９（ａ）の低い相対抵抗値は、これらが各セルの３つの発光ダイオードへ電流を供給する枝路２０３に結合されており、一方、枝路２０２に結合された抵抗器２０５及び２０８と、枝路２０４に結合された抵抗器２０７及び２０９（ｂ）とは、各セルの２つの発光ダイオードにのみ電流を与えるためである。
【００３０】
更に、各枝路の発光ダイオードの陽極端子は、隣接する枝路の対応する発光ダイオードの陰極端子に結合される。例えば、発光ダイオード２１０の陽極端子は分路２１４によって発光ダイオード２１１の陰極端子に接続される。分路２１４には発光ダイオード２１２が接続される。更に、発光ダイオード２１１の陽極端子は、分路２１５によって発光ダイオード２１０の陰極端子に接続される。分路２１５には発光ダイオード２１３が接続される。
【００３１】
更に、発光ダイオード２１１の陽極端子は、分路２１９（ａ）によって発光ダイオード２１６の陰極端子にも接続される。分路２１９（ａ）には発光ダイオード２１７が接続される。更に、発光ダイオード２１６の陽極端子は、分路２１９（ｂ）によって発光ダイオード２１１の陰極端子に接続される。分路２１９（ｂ）には発光ダイオード２１８が接続される。電源２０４は、抵抗器２０５、２０６及び２０７を介して発光ダイオードへ電流を供給する。更なる抵抗器２０８、２０９（ａ）及び２０９（ｂ）は、配置２００の中で配置の最後の発光ダイオードの陰極において使用されている。
【００３２】
図４に示される配置に従って接続される発光ダイオードもまた信頼性が高い。開回路故障モードでは、枝路の１つの発光ダイオードの故障によっては、枝路の他の発光ダイオードは消灯されない。代わりに、故障した発光ダイオードを迂回するために、電流は分路２１４又は２１５、又は、分路２１９（ａ）及び２１９（ｂ）を介して流れ、同じセルの残る発光ダイオード及び隣接する縦続接続されたセルの残る発光ダイオードもまた消灯されない。例えば、図４の発光ダイオード２１１が故障した場合、電流は分路２１４及び２１８を介して発光ダイオード２２１へ流れる（従って点灯させる）。更に、電流はなお隣接する枝路の発光ダイオードへ流れる。
【００３３】
更に、短絡故障モードでは、セルの他の発光ダイオードは、いずれかの発光ダイオードが短絡したことによっては消灯しない。電流は、セルの他の各発光ダイオードを通って流れ続ける。例えば、発光ダイオード２１１が短絡した場合、電流は電圧降下のない上側の枝路２０３を通って流れると共に分路２１５及び２１９（ａ）の発光ダイオード２１３及び２１７を通って流れる。発光ダイオード１１２は、これを通って流れる電流がわずかな量だけ降下するため、図２ｂの配置の場合とは異なって、点灯したままである。発光ダイオード２１０、２１２、２１６及び２１８もまた、それを通る電流が枝路２０２及び２０４を介して維持されるため、点灯したままである。
【００３４】
図４に示される発光ダイオード配置は、図３に示される発光ダイオード配置に関して上述したように、発光ダイオードの順方向電圧特徴が厳密に一致する必要性を減少させる。例えば、発光ダイオードの順方向電圧を他の発光ダイオードのより高い順方向電圧と等しくさせるために、より低い順方向電圧を有する発光ダイオードを通って流れる電圧を増加させるよう、配置２００のセル２０１の発光ダイオード、特に発光ダイオード２１０乃至２１８は、相互に並列接続されていない。再び、本発明は従来技術の発光ダイオード配置をまとめる動作により必要とされていた追加的な製造費用及び時間を減少させる。
【００３５】
本発明の特定の実施例について図示し説明したが、当業者は、本発明を逸脱することなく変更及び変形が可能であること、従って、請求の範囲は本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変更及び変形を網羅することを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の照明システムによって使用されるような発光ダイオードの典型的な配置を示す図である。
【図２ａ】 従来技術の照明システムによって使用されるような発光ダイオードの他の典型的な配置を示す図である。
【図２ｂ】 従来技術の照明システムによって使用されるような発光ダイオードの他の典型的な配置を示す図である。
【図３】 本発明の１つの実施例による照明システムによって使用される発光ダイオードの配置を示す図である。
【図４】 本発明の他の実施例による照明システムによって使用される発光ダイオードの配置を示す図である。

Claims (10)

  1. 電源と、
    上記電源に結合された複数の並列接続された導電性の枝路と、
    複数の分路とを含み、
    各枝路は、前記電源に対してそれぞれ順方向に接続される少なくとも１つの発光ダイオードを含み、
    各分路は上記枝路上の１つの発光ダイオードの陽極端子を隣接する枝路の対応する発光ダイオードの陰極端子に結合させ、
    一組の対応する発光ダイオードは対応する結合させるための分路と共にセルを定める、照明システム。
  2. 上記分路は前記電源に対してそれぞれ順方向に接続される発光ダイオードを含む、請求項１記載の照明システム。
  3. 上記各枝路は電流調整素子を更に含む、請求項１又は２記載の照明システム。
  4. 上記電流調整素子は抵抗器である、請求項３記載の照明システム。
  5. 上記各枝路において、上記抵抗器は最初の素子である、請求項４記載の照明システム。
  6. 上記各枝路において、上記抵抗器は最後の素子である、請求項４記載の照明システム。
  7. 上記各セルの発光ダイオードは、異なる順方向電圧特徴を有する、請求項１記載の照明システム。
  8. 当該照明システムが２つ以上の上記セルを含み、上記セルが直列に接続されている、請求項１に記載の照明システム。
  9. 前記枝路は、隣接する前記セル間においてノードを有する、請求項８に記載の照明システム。
  10. 当該照明システムは３つの前記枝路を含み、
    前記ノードのうちの少なくとも１つは、前記ノードへ接続される４つの対応する前記分路を有し、前記４つの対応する前記分路のうちの２つは、前記隣接するセルのうちの１つにあり、前記４つの対応する前記分路の残りの２つは他の隣接するセルにある、請求項９に記載の照明システム。
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