JP5559264B2 - 高効率ａｃｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）に関し、より詳細には、電力を交流源からＬＥＤへ供給する電子回路に関する。

ＬＥＤの、白熱電球と比較した光源としての多くの潜在的な利点により、ＬＥＤは間もなく、現在白熱電球を用いている大部分の用途の代替物となる可能性がある。ＬＥＤは、光量が増加するように開発がされており、現在利用可能なＬＥＤの中には、従来の６０ワット電球と同量の照明を提供するものがある。また、ＬＥＤは比較的効率的であり、最近のＬＥＤの試作品では、電力を２０ｍＡのみ消費する一方でワット当たり１３１ルーメンの白色光効率が示されている。

さらに、ＬＥＤが発する光の色について改良がなされており、また、ＬＥＤは寿命に関して白熱電球を凌ぐ大きな利点を有する。ＬＥＤの中には約１０００００時間持ちこたえることが可能なものがあるからである。ＬＥＤ照明の現在の導入コストは大分高いが、ＬＥＤ照明のコストは間違いなく白熱照明と競争力のあるものになる。

ＬＥＤ照明に関する別の問題は、ＬＥＤに電力を供給するための電気回路に関する。加えられる電流の極性にかかわらず作動する白熱電球とは異なり、ＬＥＤは、電圧源が正極性で用いられるときにのみ、即ち、ＬＥＤが順方向バイアスである場合にのみ発光する。ＬＥＤはダイオードであるので、ＬＥＤの両端間に印加した電圧は電流に対して対数的である。電力は一般的に電流に比例すると考えられるので、ＬＥＤの電源は一定電力を維持する電流源であるべきである。

携帯電話等の少数のＬＥＤのみを必要とする低電力用途では、必要なＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）電力はバッテリ源により簡単に供給することができる。しかしながら、ＤＣ源の必要性は、例えば建物の照明等、大量の光出力を必要とする用途で問題を生じる可能性がある。

現在の実施例の１つとしては、リニアまたはスイッチング電源を用いてＡＣ（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）電力をＤＣ定電流へ変換することがある。しかしながらそのような電源は、例えば変圧器、インダクタ、キャパシタなどの大規模な構成要素を必要とする。これにより、限られた空間で用いる照明の選択肢としてＬＥＤが除外される可能性がある。加えて、ＡＣからＤＣへ変換する複雑さは本質的に電力損失を招く。

さらに、もしＤＣ電力を長距離伝送するとすれば、システムの複雑さとコストは一般的に増大する。これらの理由から、ＡＣ電力源から直接にＬＥＤ照明を駆動することが望ましい。ＡＣの他の望ましい特徴としては、変圧器を用いて電圧の段階的な増大または減少が容易に可能なことである。しかしながら、ＡＣ電力が供給されるＬＥＤは、パワーサイクルの正電圧部分の間でのみ作動し、ＡＣ供給源の周波数とともにＬＥＤが点灯したり消えたりすることになる。

本発明による、発光ダイオードに電力を供給する交流駆動回路の一実施形態は一般に、交流源に接続された第１の回路部を備える。第１の回路部は、第１のキャパシタに接続さ
れた第１のダイオードを備える。第２の回路部は、前記第１の回路部と並列に接続され、かつ前記交流源に接続されている。前記第２の回路部は、第２のキャパシタに接続された第２のダイオードを備える。前記発光ダイオードは、前記第１の回路部と前記第２の回路部との間に接続されている。

本発明による、複数の発光ダイオードに電力を供給する交流駆動回路の別の実施形態は、交流源の第１の端子への接続のための電流制限キャパシタを備える。第１の回路部が、前記電流制限キャパシタと前記交流源の第２の端子との間に接続されている。前記第1の
回路部は、第１の電力キャパシタに直列に接続された第１の整流ダイオードを備える。第２の回路部が、前記電流制限キャパシタと前記交流源の前記第２の端子との間に、前記第１の回路部に並列に接続されている。前記第２の回路部は、第２の電力キャパシタに直列に接続された第２の整流ダイオードを備える。前記複数の発光ダイオードは、前記第１の回路部と前記第２の回路部との間に接続されている。

本発明による、第１の発光ダイオード及び第２の発光ダイオードへ電力を供給する交流駆動回路の実施形態は、交流源へ接続された第１の回路部を備え、前記第１の回路部は、第１のキャパシタに接続された第１のダイオードを備える。第２の回路部が、前記交流源に前記第１の回路部と並列に接続されている。前記第２の回路部は、第２のキャパシタに接続された第２のダイオードを備える。前記第１の発光ダイオードは、前記第１の回路部内において前記第１のキャパシタに並列に接続されている。前記第２の発光ダイオードは、前記第２の回路部内において前記第２のキャパシタに並列に接続されており、前記第１の発光ダイオードと反対の極性である。

本発明による、第１の複数の発光ダイオード及び第２の複数の発光ダイオードへ電力を供給する交流駆動回路の実施形態は、交流源の第１の端子への接続となる電流制限キャパシタを備える。第１の回路部が、前記電流制限キャパシタと前記交流源の第２の端子との間に接続されている。前記第１の回路部は、第１の電力キャパシタに直列に接続された第１の整流ダイオードを備える。第２の回路部が、前記電流制限キャパシタと前記交流源の第２の端子との間に前記第１の回路部に並列に接続されている。前記第２の回路部は、第２の電力キャパシタに直列に接続された第２の整流ダイオードを備える。前記第１の複数の発光ダイオードは、前記第１の回路部内において前記第１の電力キャパシタに並列に接続されている。前記第２の複数の発光ダイオードは、前記第２の回路部内において前記第２のキャパシタに並列に接続されており、前記第１の発光ダイオードと反対の極性を備える。

本発明のこれら及びその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および本発明の特徴を例示する添付図面から明らかとなるだろう。

本発明の一実施形態により構成された、発光ダイオードに電力を供給するための交流駆動回路の概略図である。 本発明の第２の実施形態により構成された、発光ダイオードに電力を供給するための交流駆動回路の概略図である。

本発明は概して、ＡＣ電源により発光ダイオードに電力を供給する新技術および駆動回路を提供する。本発明の駆動回路は、効率の向上、フリッカ（ｆｌｉｃｋｅｒ）の除去、および容易な拡張性という柔軟性の提供により、光源としてのＬＥＤの利用可能性を著しく向上させる。

一実施形態において、電力を発光ダイオードへ供給する交流駆動回路は、交流源の第１の端子への接続のための電流制限（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔｉｎｇ）キャパシタと、電流制限キャパシタと交流源の第２の端子との間に接続された第１の回路部であって、第１の電力キャパシタに直列に接続されている第１の整流ダイオードを備える第１の回路部と、電流制限キャパシタと交流源の第２の端子との間に第１の回路部と並列に接続された第２の回路部であって、第２の電力キャパシタに直列に接続されている第２の整流ダイオードを備える第２の回路部とを備える。

発光ダイオードは、第１の回路部と第２の回路部との間に接続されている。第１の整流ダイオードおよび第２の整流ダイオードは、反対の極性で接続されており、したがって、電流源の正の半サイクルのそれぞれの間では、電流が第１の整流ダイオードを通過して第１の電力キャパシタの充電および発光ダイオードへの電力供給を行い、電流源の負の半サイクルのそれぞれの間では、電流が第２の整流ダイオードを通過して第２の電力キャパシタの充電および発光ダイオードへの電力供給を行う。

単一の発光ダイオードの代わりに、回路は、第１の回路部と第２の回路部との間に直列に接続された複数の発光ダイオードを備えることができる。より詳細な実施形態では、複数の発光ダイオードのターンオン電圧の合計が、回路によって複数の発光ダイオードに供給される電圧を超えないように選択される。

本発明による駆動回路は、多くの異なる部品により多くの異なる方法で構成することが可能である。別の交流駆動回路は、第１の発光ダイオードおよび第２の発光ダイオードに電力を供給し、交流源の第１の端子への接続のための電流制限キャパシタを備える。第１の回路部は、電流制限キャパシタと交流源の第２の端子との間に接続され、第１の電力キャパシタに直列に接続されている第１の整流ダイオードを備える。

第２の回路部は、電流制限キャパシタと交流源の第２の端子との間に第１の回路部に並列に接続されており、第２の電力キャパシタに直列に接続された第２の整流ダイオードを備える。第１の発光ダイオードは、第１の回路部内において第１の電力キャパシタに並列に接続され、第２の発光ダイオードは、第１の発光ダイオードとは反対の極性で、第２の回路部内において第２の電力キャパシタに並列に接続されている。

第１の整流ダイオードおよび第２の整流ダイオードは、反対の極性で接続されており、したがって、電流源の正の半サイクルのそれぞれの間では、電流が第１の整流ダイオードを通過して第１の電力キャパシタの充電および第１の発光ダイオードへの電力供給を行う。電流源の負の半サイクルのそれぞれの間では、電流が第２の整流ダイオードを通過して第２の電力キャパシタの充電および第２の発光ダイオードへの電力供給を行う。さらに、正の半サイクルのそれぞれの間では、第２の電力キャパシタが放電して電力を第２の発光ダイオードに供給し、負の半サイクルのそれぞれの間では、第１の電力キャパシタが放電して電力を第１の発光ダイオードに供給する。

より詳細な実施形態では、第１の発光ダイオードは、第１の回路部内において直列に接続され、かつ第１の電力キャパシタと並列に接続された第１の複数の発光ダイオードに増加され、第２の発光ダイオードは、第２の回路部内において直列に接続され、かつ第２の電力キャパシタと並列に接続された第２の複数の発光ダイオードと置換される。第１の複数の発光ダイオードのターンオン電圧の合計は、回路により第１の複数の発光ダイオードに供給される電圧を超えないよう選択され、第２の複数の発光ダイオードのターンオン電圧の合計は、回路により第２の複数の発光ダイオードに供給される電圧を超えないよう選択される。

本発明は、特定の実施形態を参照して本明細書に説明されるが、本発明は多くの異なる形態において具現することが可能であり、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈すべきではない。ある要素または部品が、別の要素または部品に「接続されている」又は「結合されている」と言及される場合、他の要素または部品に直接に接続または連結されているか、または介在要素が存在することができることが理解される。

様々な要素、部品、および／または、区分を説明するために、第１、第２等の用語が本明細書で用いられる場合があるが、これらの要素、部品、および／または、区分をこれらの用語により限定してはならない。これらの用語は、１つの要素、部品、または区分を他から区別するためにのみ用いられている。したがって、以下で説明される第１の要素、部品、または区分は、本発明の教示から逸脱すること、第２の要素、部品、また区分と称することができたものである。

本発明の一実施形態が図１に示されおり、図１は、１連のＬＥＤ１００、１０２、及び１０４に電力供給を行う交流（ＡＣ）駆動回路の概略図である。
電流制限キャパシタ１０６は、ＡＣ源１１０の第１の端子１０８に接続されている。ＬＥＤ１００、１０２、及び１０４のターンオン電圧とＡＣ源１１０の電圧および周波数を考慮して、ＬＥＤに流れる電流を最適化するようにキャパシタ１０６の値を選択する必要がある。

第１の回路部１１２は、キャパシタ１０６と交流源１１０の第２の端子１１４との間に接続されている。第１の回路部１１２は、第１の電力キャパシタ１１８に直列に接続された第１の整流ダイオード１１６を備える。

第１の回路部１１２と並列に設けられた第２の回路部１２０も、キャパシタ１０６と端子１１４との間に接続されている。第２の回路部１２０は、第２の電力キャパシタ１２４に直列に接続された第２の整流ダイオード１２２を備える。

ＬＥＤ１００、１０２、及び１０４は、第１の回路部１１２と第２の回路部１２０との間に接続され、第１のダイオード１１６および第２のダイオード１２２は、極性が反対の状態で接続されている。この構成により、ＡＣ源１１０により供給される正の半サイクルのそれぞれの間、電流が第１のダイオード１１６を通過して第１の電力キャパシタ１１８およびＬＥＤ１００〜１０４へ流れ、その結果、ＬＥＤを発光させるために電力供給を行いながらキャパシタ１１８を充電することになる。

同様に、ＡＣ源により供給される負の半サイクルのそれぞれの間、電流が第２のダイオード１２２を通過して第２の電力キャパシタ１２４およびＬＥＤ１００〜１０４へ流れ、その結果、ＬＥＤを発光させるために電力供給を行いながらキャパシタ１２４を充電することになる。

さらに、電力の正の半サイクルのそれぞれの間、第２の電力キャパシタ１２４は放電して発光ダイオードに追加の電力供給を行う。同様に、負の半サイクルのそれぞれの間、第１の電力キャパシタ１１８は放電して発光ダイオードに電力供給を行う。

第１の電力キャパシタ１１８および第２の電力キャパシタ１２４の値は、負の半サイクルのそれぞれの間は第１の電力キャパシタにより、また正の半サイクルのそれぞれの間は第２の電力キャパシタにより発光ダイオードに供給される電力を最適化するように選択する必要がある。

当業者なら理解するように、回路内の発光ダイオードの数は、用途に適するように、か
つ／または使用されるＬＥＤに適するように調節可能であり、少ない場合は１個である。使用されるＬＥＤの数がいくつであっても、一連のＬＥＤのターンオン電圧の合計は、回路によりＬＥＤに供給される電圧を上回ってはならない。

図１と同様に、本発明の第２の実施形態は図２に示されており、図２は、ＬＥＤに電力供給を行うＡＣ駆動回路の概略図である。しかしながら、この実施形態では、回路は、第２の一連のＬＥＤ２２６、２２８、及び２３０とともに、第１の一連のＬＥＤ２００、２０２、及び２０４に電力供給を行うように構成されている。

電流制限キャパシタ２０６は、ＡＣ源２１０の第１の端子２０８に接続されている。ＬＥＤ２００、２０２、２０４、２２６、２２８、及び２３０のターンオン電圧とＡＣ源２１０の電圧および周波数を考慮して、ＬＥＤに供給される電流を最適化するようにキャパシタ２０６の値を選択する必要がある。

第１の回路部２１２は、キャパシタ２０６とＡＣ源２１０の第２の端子２１４との間に接続されている。第１の回路部２１２は、第１の電力キャパシタ２１８に直列に接続された第１の整流ダイオード２１６を備える。

第２の回路部２２０は、キャパシタ２０６と端子２１４との間に第１の回路部２１２と並列に接続されている。第２の回路部２２０は、第２の電力キャパシタ２２４に直列に接続された第２の整流ダイオード２２２を備え、その極性は第１の整流ダイオード２１６の極性と反対である。

第１の一連のＬＥＤ２００〜２０４は、第１の回路部２１２内に第１の電力キャパシタ２１８と並列に接続されている。第２の一連のＬＥＤ２２６〜２３０は、第２の回路部２２０内に第２の電力キャパシタ２２４と並列に接続されており、第１の一連のＬＥＤ２００〜２０４の極性と反対である。

回路素子のこのような配置により、ＡＣ源２１０により供給される正の半サイクルのそれぞれの間、電流が第１のダイオード２１６を通過して第１の電力キャパシタ２１８およびＬＥＤ２００〜２０４へと流れ、その結果、ＬＥＤを発光させるために電力供給を行いながらキャパシタ２１８を充電する。

同様に、ＡＣ源により供給される負の半サイクルのそれぞれの間、電流が第２のダイオード２２２を通過して第２の電力キャパシタ２２４およびＬＥＤ２２６〜２３０へと流れ、その結果、ＬＥＤを発光させるために電力供給を行いながらキャパシタ２２４を充電する。

さらに、電力の正の半サイクルのそれぞれの間、第２の電力キャパシタ２２４が放電して、第２の一連の発光ダイオード２２６〜２３０に追加の電力供給を行う。同様に、電力の負の半サイクルのそれぞれの間、第１の電力キャパシタ２１８が放電して、第１の一連の発光ダイオード２００〜２０４に電力供給を行う。

負の半サイクルのそれぞれの間は第１の電力キャパシタにより、また正の半サイクルのそれぞれの間は第２の電力キャパシタにより発光ダイオードに供給される電力を最適化するように、第１の電力キャパシタ２１８および第２の電力キャパシタ２２４の値を選択する必要がある。

図１に示された実施形態のように、回路内の発光ダイオードの数は、用途に適するように、かつ／または用いられる特定のＬＥＤに適するするように調整でき、少ない場合は第
１の一連および第２の一連にそれぞれ１個のときである。用いられるＬＥＤの数がいくつであっても、各一連のＬＥＤのターンオン電圧の合計は、回路によりその一連のＬＥＤに供給される電圧を上回ってはならない。

本発明の好適な実施形態を先に説明した。しかしながら、修正および追加の実施形態が、当業者には疑念なく明らかだろう。例えば、部品を回路に追加して力率を改善することが望ましい場合がある。さらに、ヒューズ、サーミスタ等の要素が、突入電流（ｉｎ−ｒｕｓｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）用の安全策として取り入れられる可能性がある。また、電源に戻ってくる例えば電磁干渉等の高周波ノイズを除去する部品を追加してもよい。さらに、ＬＥＤの調光ができるようにしてもよい。そのようにすることは、照明用途において望ましい。

さらに、本明細書で説明されたものの代わりに等価な素子を用いたり、部品や接続を逆転させたり別のものに置き換えたり、本発明における特定の特徴を他の特徴と無関係に利用してもよい。したがって、例示的実施形態は包括的というよりはむしろ例示的と考えるべきであり、添付の特許請求の範囲が本発明の完全な範囲を示すものである。

Claims (6)

1. 電力を複数の発光ダイオードへ供給するための交流駆動回路であって、
   交流源の第１の端子に接続するための電流制限キャパシタと、
   前記電流制限キャパシタと前記交流源の第２の端子との間に接続された第１の回路部であって、第１の電力キャパシタに直列に接続された整流ダイオードを含む第１の回路部と、
   前記交流源に前記第１の回路部と並列に接続された第２の回路部であって、前記電流制限キャパシタと前記交流源の第２の端子との間に接続され、第２の電力キャパシタと直列に接続される第２の整流ダイオードを備える第２の回路部と、を備え、
   前記複数の発光ダイオードは、前記第１の回路部と前記第２の回路部との間に接続される
   ことを特徴とする交流駆動回路。
2. 請求項１に記載の交流駆動回路において、
   前記電流源の正の半サイクルのそれぞれの間では、電流が前記第１の整流ダイオードを通過して前記第１の電力キャパシタの充電及び前記複数の発光ダイオードへの電力供給を行い、前期電流源の負の半サイクルのそれぞれの間では、電流が前記第２の整流ダイオードを通過して前記第２の電力キャパシタの充電及び前記複数の発光ダイオードへの電力供給を行うように、前記第１の整流ダイオード及び前記第２の整流ダイオードは反対の極性で接続されている、
   ことを特徴とする交流駆動回路。
3. 請求項２に記載の交流駆動回路において、
   正の半サイクルのそれぞれの間、前記第２の電力キャパシタは、放電して前記複数の発光ダイオードに電力を供給し、
   負の半サイクルのそれぞれの間、前記第１の電力キャパシタは、放電して前記複数の発光ダイオードに電力を供給し、
   前記第１の電力キャパシタ及び前記第２の電力キャパシタの値は、負の半サイクルのそれぞれの間では前記第１の電力キャパシタにより、正の半サイクルのそれぞれの間では前記第２の電力キャパシタにより、前記複数の発光ダイオードに供給される電力を最適化するように選択されている
   ことを特徴とする交流駆動回路。
4. 請求項１に記載の交流駆動回路において、
   前記複数の発光ダイオードは、第１の複数の発光ダイオード及び第２の複数の発光ダイオードを含み、
   前記第１の複数の発光ダイオードは、前記第１の回路部において前記第１の電力キャパシタに並列に接続され、
   前記第２の複数の発光ダイオードは、前記第２の回路部において前記第１の複数の発光ダイオードの極性とは反対の極性で前記第２の電力キャパシタに並列に接続される、
   ことを特徴とする交流駆動回路。
5. 請求項４に記載の交流駆動回路において、
   前記電流源の正の半サイクルのそれぞれの間では、電流が前記第１の整流ダイオードを通過して前記第１の電力キャパシタの充電及び前記第１の複数の発光ダイオードへの電力供給を行い、前期電流源の負の半サイクルのそれぞれの間では、電流が前記第２の整流ダイオードを通過して前記第２の電力キャパシタの充電及び前記第２の複数の発光ダイオードへの電力供給を行うように、前記第１の整流ダイオード及び前記第２の整流ダイオードは反対の極性で接続されている、
   ことを特徴とする交流駆動回路。
6. 請求項５に記載の交流駆動回路において、
   正の半サイクルのそれぞれの間、前記第２の電力キャパシタは、放電して前記第２の複数の発光ダイオードに電力を供給し、前記第２の電力キャパシタの値は、正の半サイクルのそれぞれの間で前記第２の電力キャパシタにより前記第２の複数の発光ダイオードに供給される電力を最適化するように選択されており、
   負の半サイクルのそれぞれの間、前記第１の電力キャパシタは、放電して前記第１の複数の発光ダイオードに電力を供給し、前記第１の電力キャパシタの値は、負の半サイクルのそれぞれの間で前記第１の電力キャパシタにより前記第１の複数の発光ダイオードに供給される電力を最適化するように選択されている
   ことを特徴とする交流駆動回路。

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