JP5322849B2 - 発光ダイオードの駆動回路、それを用いた発光装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードの駆動技術に関する。

近年、蛍光ランプに代えて、高効率、長寿命が期待される発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下、ＬＥＤと略す）を照明器具として利用する技術が提案されている。たとえば特許文献１には、商用交流電圧を整流し、平滑キャパシタを含む平滑回路によって平滑化して、負荷であるＬＥＤのアレイに供給するＬＥＤ点灯装置が開示される。

特開２００４−２７３２６７号公報

商用交流電圧は、１００Ｖや２００Ｖ程度の所定の定格電圧で供給されるが、実際には変動することが知られている。ＬＥＤアレイを安定した輝度で駆動するためには、ＬＥＤアレイの駆動経路上に定電流回路を設け、駆動電流を一定として輝度を安定化させる必要がある。商用交流電圧を平滑化してＬＥＤアレイを駆動する場合、商用交流電圧が定電流回路の動作電圧より低下すると、所望の輝度を得るために必要な駆動電流を生成できなくなってしまう。

この問題を解決するために、商用交流電圧が低下することを前提として、定格時における定電流回路の両端間の電圧（電圧降下）をマージンを付加して高く設計することも考えられる。しかしながらこの場合、定電流回路における消費電力が大きくなってしまうという別の問題が発生する。この観点から、低電圧で動作可能な定電流回路（駆動回路）が望まれている。

また、定電流回路としてＬＥＤアレイに直列に接続された定電流ダイオードを用いる場合、ＬＥＤアレイに供給できる駆動電流が、定電流ダイオードの定格電流に制限されるという問題が発生する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的のひとつは、安定した輝度でＬＥＤを駆動する技術の提供にある。

本発明のある態様は、直列に接続された複数の発光ダイオードを含む発光ダイオードアレイを駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、発光ダイオードアレイに駆動電圧を供給する電源と、発光ダイオードアレイの駆動経路上であって、発光ダイオードアレイの一端と基準電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第１抵抗と、発光ダイオードアレイの他端と第１トランジスタの制御端子の間に設けられた定電流源と、第１トランジスタの制御端子と基準電圧端子の間に設けられ、その制御端子に第１抵抗の電圧降下に応じた電圧が印加された第２トランジスタと、を備える。

この態様によれば、発光ダイオードアレイに、電源電圧に依存しない安定した駆動電流を供給することができる。また駆動回路における主たる電力損失は、第１トランジスタおよび第２抵抗によって発生し、その電力は、駆動電流と、第１トランジスタおよび第２抵抗の合成抵抗の積で与えられるところ、この態様では、第１トランジスタおよび第２抵抗の電圧降下を小さくでき、消費電力を低減できる。

ある態様の駆動回路は、発光ダイオードアレイの他端と第１トランジスタの制御端子の間に、定電流源と直列に設けられた第２抵抗をさらに備えてもよい。
この態様によれば、定電流源を保護することができる。

ある態様の駆動回路は、第１トランジスタと第１抵抗の接続点と、第１トランジスタの制御端子との間に設けられた第３抵抗をさらに備えてもよい。この態様によれば、第１トランジスタのゲートソース間電圧（ベースエミッタ間電圧）をクランプすることができ、駆動回路を好適に保護することができる。

第１トランジスタは電界効果トランジスタであり、第２トランジスタはバイポーラトランジスタであってもよい。

本発明の別の態様も、発光ダイオードアレイの駆動回路に関する。この駆動回路は、発光ダイオードアレイに駆動電圧を供給する電源と、発光ダイオードアレイの駆動経路上であって、発光ダイオードアレイの一端と基準電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第１抵抗と、発光ダイオードアレイの他端と第１トランジスタの制御端子の間に、定電流源の代わりに設けられた第２抵抗と、第１トランジスタの制御端子と基準電圧端子の間に設けられ、その制御端子に第１抵抗の電圧降下に応じた電圧が印加された第２トランジスタと、を備える。

駆動回路は、発光ダイオードアレイの他端と第１トランジスタの制御端子の間に、第２抵抗と直列に設けられた定電流源をさらに備えてもよい。

本発明のさらに別の態様は、発光装置である。この装置は、直列に接続された複数の発光ダイオードを含む発光ダイオードアレイと、発光ダイオードアレイを駆動する上述のいずれかの態様の駆動回路と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、照明装置である。この装置は、上述の発光装置を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、電源電圧の変動に対し、安定した輝度でＬＥＤを駆動できる。

実施の形態に係る発光装置の構成を示す回路図である。 図１の駆動回路の電圧電流特性を示す図である。 変形例に係る駆動電流生成部の構成を示す回路図である。 図３の第１トランジスタの動作特性を示す図である。 別の変形例に係る駆動電流生成部の構成を示す回路図である。 別の変形例に係る駆動電流生成部の構成を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る発光装置２００の構成を示す回路図である。発光装置２００は、ＬＥＤアレイ２と、駆動回路１００を備える。発光装置２００はたとえば室内照明、車両のヘッドライト、電光掲示板などとして利用可能であるが、その用途は特に限定されない。

ＬＥＤアレイ２は、直列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）のＬＥＤモジュール４＿１〜４＿ｎ（以下、単にＬＥＤ４と総称する）を備える。図１において各ＬＥＤ４は単一のＬＥＤとして示されているが、それぞれが、直列および／または並列に接続された複数のＬＥＤを含んでもよい。各ＬＥＤ４は、その内部に直列に接続されるＬＥＤの個数に応じた順方向電圧Ｖｆを有している。高輝度が得られるハイパワー用のＬＥＤ４としては、Ｖｆ＝１０．４Ｖ（３５０ｍＡ）程度のものが、ローパワー用のＬＥＤ４としては、Ｖｆ＝３Ｖ程度のものが市販されている。以下では、Ｖｆ＝１０Ｖ程度のハイパワー用のＬＥＤ４を用いる場合について説明する。

駆動回路１００はＬＥＤアレイ２を駆動する。具体的には、駆動電圧Ｖｄｒｖを供給し、ＬＥＤアレイ２に流れる駆動電流Ｉｄｒｖを輝度に応じて設定、制御する。

駆動回路１００は、基本的な構成要素として、駆動電流生成部１０、電源３０を備える。

電源３０は、ＬＥＤアレイ２に駆動電圧Ｖｄｒｖを供給する。たとえば電源３０は、交流電源３４、整流回路３６、平滑用キャパシタＣｓを含む。交流電源３４は交流電圧Ｖａｃを生成し、整流回路３６は交流電圧Ｖａｃを整流する。整流回路３６としてたとえばダイオードブリッジを用いてもよい。この場合、整流回路３６によって交流電圧Ｖａｃが全波整流される。交流電圧Ｖａｃとして、商用交流電圧を利用する場合、交流電源３４は駆動回路１００の外部に設けられる。

整流回路３６の出力端子には、平滑用キャパシタＣｓが接続される。平滑用キャパシタＣｓにより、全波整流された交流電圧Ｖａｃが平滑化されて、直流の駆動電圧Ｖｄｒｖが生成される。定格１００Ｖの交流電圧Ｖａｃを整流して得られる駆動電圧Ｖｄｒｖは、１４１Ｖ程度となる。

ＬＥＤアレイ２に含まれるＬＥＤ４の個数ｎは、順方向電圧Ｖｆと、駆動電圧Ｖｄｒｖの関係に応じて設計される。Ｖｄｒｖ≒１４１Ｖ、Ｖｆ≒９．５Ｖのとき、ｎ＝１４となる。

駆動電流生成部１０は、ＬＥＤアレイ２に供給する駆動電流Ｉｄｒｖを発生する。駆動電流生成部１０は、第１トランジスタ１２、第２トランジスタ１４、第１抵抗Ｒ１、定電流源１６を含む。

第１トランジスタ１２および第１抵抗Ｒ１は、ＬＥＤアレイ２の駆動経路上であって、ＬＥＤアレイ２の一端（第２端子）Ｐ２と基準電圧端子（接地端子）Ｐ３の間に直列に設けられる。第１抵抗Ｒ１は、可変抵抗素子であることが望ましい。この場合、第１抵抗Ｒ１の抵抗値を調節することで、駆動電流Ｉｄｒｖを調節することができる。

具体的には第１トランジスタ１２はＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。第１トランジスタ１２のドレインはＬＥＤアレイ２の第２端子Ｐ２と接続され、そのソースは第１抵抗Ｒ１と接続される。

定電流源１６は、ＬＥＤアレイ２の他端（第１端子Ｐ１）と第１トランジスタ１２の制御端子（ゲート）の間に設けられる。定電流源１６は、所定の定電流Ｉｃ１を生成する。定電流源１６はたとえばＣＲＤ（CRD:Current Regulative Diode）であってもよい。この場合回路を簡素化できる。あるいはその他の構成の定電流源を用いてもよい。

第２トランジスタ１４は、たとえばＮＰＮ型バイポーラトランジスタであり、第１トランジスタ１２の制御端子（ゲート）と基準電圧端子Ｐ３の間に設けられ、その制御端子（ベース）に第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１に応じた電圧が印加される。つまり第２トランジスタ１４のベースエミッタ間には、第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１が印加されている。

以上が発光装置２００の基本的な構成である。

図２は、図１の駆動回路１００の電圧電流特性を示す図である。図２は３つの領域に分けて考えることができる。

（I） 第１領域
駆動電圧ＶｄｒｖがＬＥＤアレイのしきい値電圧より低い領域では、ＬＥＤアレイ２がオンしないため、駆動電流Ｉｄｒｖは実質的にゼロである。

（II） 第２領域
駆動電圧ＶｄｒｖがＬＥＤアレイのしきい値電圧を越えると、ＬＥＤアレイ２に駆動電流Ｉｄｒｖが流れ始める。第１抵抗Ｒ１には、駆動電流Ｉｄｒｖに比例した電圧降下ＶＲ１＝Ｉｄｒｖ×Ｒ１が発生する。駆動電圧Ｖｄｒｖの上昇にともない、第２トランジスタ１４のオンの程度が強まっていく。第２領域において、駆動電流Ｉｄｒｖは、ＬＥＤアレイ２の電圧電流特性に従って増加する。

（III） 第３領域
駆動電流が所望の電流値に到達すると、第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１は０．７Ｖ付近で安定化される。その結果、第１トランジスタ１２のバイアス電圧は一定となり、それにともない駆動電流Ｉｄｒｖが広範囲にわたり一定に保たれる。

以上が駆動回路１００の動作である。
駆動電流生成部１０は、第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１が０．７Ｖに達すると、安定的な駆動電流ＩｄｒｖをＬＥＤアレイ２に供給することができる。つまり駆動電流生成部１０の電圧降下を従来よりも小さくすることができ、消費電力を低減することができる。

駆動電流Ｉｄｒｖに着目すると、その値は、定電流源１６が生成する定電流Ｉｃに影響されず、幅広い範囲の駆動電流Ｉｄｒｖを安定的に生成することができる。

さらに第１トランジスタ１２のバイアス状態が、第１抵抗Ｒ１および第２トランジスタ１４によって安定化されているため、熱暴走が起こりにくいという利点を有する。

図３は、変形例に係る駆動電流生成部１０ａの構成を示す回路図である。駆動電流生成部１０ａは、図１の駆動電流生成部１０に加えて、第２抵抗Ｒ２および第３抵抗Ｒ３をさらに備える。

第２抵抗Ｒ２は、ＬＥＤアレイ２の第１端子Ｐ１と第１トランジスタ１２の制御端子（ゲート）の間に、定電流源１６と直列に設けられる。図１では、ＬＥＤアレイ２の両端間の電圧が、ほとんど定電流源１６に印加されることになる。したがって、駆動電圧Ｖｄｒｖが１００Ｖを越えるようなアプリケーションでは、定電流源１６に非常に高い耐圧が要求される。これに対して図３の変形例では、ＬＥＤアレイ２の両端間の電圧の約半分が、第２抵抗Ｒ２に印加されるため、定電流源１６に印加される電圧を低下させることができ、定電流源１６の耐圧を下げることができる。別の観点から見れば、第２抵抗Ｒ２を設けることにより定電流源１６を過電圧から保護することができる。

第３抵抗Ｒ３は、第１トランジスタ１２と第１抵抗Ｒ１の接続点（つまり第１トランジスタ１２のソース）と、第１トランジスタ１２の制御端子（ゲート）の間に設けられる。定電流源１６により生成された定電流Ｉｃは、第２トランジスタ１４と第３抵抗Ｒ３に分岐する。定電流Ｉｃは、第２トランジスタ１４がオフした状態では第３抵抗Ｒ３に流れ、第２トランジスタ１４がオンすると第２トランジスタ１４に流れる。

図４は、図３の第１トランジスタ１２の動作特性を示す図である。縦軸は第１トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓを、横軸は駆動電圧Ｖｄｒｖを示す。実線が図３の回路の、破線が図１の回路の特性である。下図は上図の縦軸を拡大した図である。

まず破線を参照して、第３抵抗Ｒ３を設けない図１の回路の動作を説明する。第３抵抗Ｒ３を設けない場合、駆動電圧Ｖｄｒｖの上昇にともなって、第１トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓは上昇していく。したがってゲートソース間の絶対最大定格が想定されるゲートソース間電圧Ｖｇｓよりも高いトランジスタを選択する必要があり、設計の自由度が低いという問題があった。また駆動電圧Ｖｄｒｖが１００Ｖを越えるようなアプリケーションでは、第１トランジスタ１２の信頼性が損なわれるおそれもある。

続いて実線を参照し、第３抵抗Ｒ３を設けた図３の回路の動作を説明する。第２トランジスタ１４がオフした状態では、定電流源１６が生成した定電流Ｉｃは第３抵抗Ｒ３に流れる。つまり、第１トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓは、抵抗値Ｒ３と電流値Ｉｃの積（Ｒ３×Ｉｃ）で与えられる。図３では、Ｒ３×Ｉｃ≒７Ｖとなり、ゲートソース間電圧Ｖｇｓを抑制できる。

駆動電圧Ｖｄｒｖがあるしきい値を越えると、ＬＥＤアレイ２がオンし、第１トランジスタ１２に電流が流れ、第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１が０．７Ｖ程度に安定化され、第２トランジスタ１４がオンする。第２トランジスタ１４がオンすると、定電流源１６が生成した定電流Ｉｃは、第３抵抗Ｒ３ではなく第２トランジスタ１４に流れ、実質的に図１の回路と等価となる。

つまり第３抵抗Ｒ３を設けることにより、第２トランジスタ１４がオフ状態のとき、第１トランジスタ１２のゲートソース間電圧Ｖｇｓをクランプすることができ、第１トランジスタ１２を保護することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

当業者であれば、図１の回路において、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴとＰチャンネルＭＯＳＦＥＴの置換、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタとＰＮＰ型バイポーラトランジスタの置換が可能であることが理解できる。

図５は、別の変形例に係る駆動電流生成部１０ｂの構成を示す回路図である。図５の駆動電流生成部１０ｂは、図３の駆動電流生成部１０ａのトランジスタを置換し、天地反転した構成となっている。図５の駆動電流生成部１０ｂを使用し、図３の駆動電流生成部１０ａと同様の機能、作用、効果を得ることができる。

図６は、さらに別の変形例に係る駆動電流生成部１０ｃの構成を示す回路図である。駆動電流生成部１０ｃは、図３の駆動電流生成部１０ａに加えて、第４抵抗Ｒ４、第５抵抗Ｒ５をさらに備える。第２トランジスタ１４の制御端子（ベース）には、第１抵抗Ｒ１の電圧降下ＶＲ１に応じた電圧として、電圧降下ＶＲ１を抵抗Ｒ４、Ｒ５によって分圧した電圧が印加されている。また第１抵抗Ｒ１を可変抵抗素子とするかわりに、第４抵抗Ｒ４が可変抵抗素子となっている。第５抵抗Ｒ５を可変抵抗素子としてもよい。

図６の駆動電流生成部１０ｃによっても、図３の駆動電流生成部１０ａと同様の機能、作用、効果を得ることができる。

図３、図５、図６の回路において、定電流源１６を省略した構成も、本発明の態様として有効である。あるいは図３、図５、図６の回路において、第２抵抗Ｒ２を省略した構成も本発明の態様として有効である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１００…駆動回路、２…ＬＥＤアレイ、４…ＬＥＤ、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｐ３…基準電圧端子、１０…駆動電流生成部、１２…第１トランジスタ、１４…第２トランジスタ、１６…定電流源、Ｒ１…第１抵抗、Ｒ２…第２抵抗、Ｒ３…第３抵抗、３０…電源、Ｃｓ…平滑キャパシタ、３６…整流回路、２００…発光装置。

Claims (5)

1. 直列に接続された複数の発光ダイオードを含む発光ダイオードアレイを駆動する駆動回路であって、
   前記発光ダイオードアレイに駆動電圧を供給する電源と、
   前記発光ダイオードアレイの駆動経路上であって、前記発光ダイオードアレイの一端と基準電圧端子の間に直列に設けられた第１トランジスタおよび第１抵抗と、
   前記発光ダイオードアレイの他端と前記第１トランジスタの制御端子の間に設けられた定電流源と、
   前記第１トランジスタの制御端子と前記基準電圧端子の間に設けられ、その制御端子に前記第１抵抗の電圧降下に応じた電圧が印加された第２トランジスタと、
   前記発光ダイオードアレイの前記他端と前記第１トランジスタの制御端子の間に、前記定電流源と直列に設けられた第２抵抗と、
   を備えることを特徴とする駆動回路。
2. 前記第１トランジスタと第１抵抗の接続点と、前記第１トランジスタの制御端子との間に設けられた第３抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記第１トランジスタは電界効果トランジスタであり、前記第２トランジスタはバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動回路。
4. 直列に接続された複数の発光ダイオードを含む発光ダイオードアレイと、
   前記発光ダイオードアレイを駆動する請求項１から３のいずれかに記載の駆動回路と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
5. 請求項４に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。

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