JP5994161B2 - Ledランプ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、LED(Light Emitting Diode;発光ダイオード)を用いて表示や照明を行うランプ装置に係り、特に、交流電源に直接接続(直結)可能なLEDランプ装置に関するものである。
事業所建物、集合住宅、公共施設建物等で用いられている各種表示灯、例えば消火栓灯、非常灯、あるいは券売機、自動販売機、エレベータ等の操作ボタンランプ等は今もってタングステンフィラメントを使用した白熱ランプが主流である。また、屋内の照明器具用ランプも、用途によってはまだまだ白熱ランプが主流である。
一方、近年の半導体素子技術の進展でLEDは、発光色の種類、輝度、耐久性、消費電力(発光効率)の観点から、上記白熱ランプを凌駕する性能に達しているにも拘わらず、上記用途にはほとんど使用されていないのが現状である。
表示や照明を行うランプは、通常、商用交流電源(日本国内:100V、米国:110V、欧州:230V等)に直結して使用するのが前提だからである。
すなわちLEDは、周知のように直流(DC)数Vの電源電圧で動作するものであり、したがって従来これを使用するには、商用交流電源をDC数Vに変換する電源装置部が別途必要となり、LEDランプ装置全体が高価かつ大形になるからである。
このような実情にあっても、従来から、LEDを何とかして商用交流電源に直結使用可能にしようとする試みがある。その例を図を用いて以下に説明する。
図23は、従来例1のLEDランプ装置を示す回路図である。
この図24において、2003はAC入力端子H(HOT LINE;ホットライン)、2004はAC入力端子C(COOL LINE;クールライン)、2002は全波整流用ダイオードブリッジ(BrD1)、2005はシリーズ抵抗(Rp)、2006は定電流素子(CRD;Current Regurated Diode)、2007はLEDランプである。
上記LEDランプ2007は、VF(順方向降下電圧)2V程度のLEDが2〜8個程度、直列接続されてなるものが多く、したがってVFは4〜16Vとなる。ダイオードブリッジ2002より送出される全波整流波形のせん頭電圧は実効値100Vの日本国内の場合、およそ140Vとなる。
必要な発光輝度を得るためのLEDのIF(順方向電流)をおよそ10mAとすると、LEDが仮に1個だとするとVFが2Vであるから、抵抗2005と定電流素子2006で負担することになる電圧は140V−2V=138Vとなり、138V×10mA=1.38Wが熱となって放出されてしまう。
一方、発光に寄与する電力は2V×10mA=0.02Wとなり、その効率は、0.02W/(1.38W+0.02W)=0.014となり、1.4%に過ぎず、99%近くが熱で放出されてしまうことになる。
図24は従来例2のLEDランプ装置を示す回路図である。
この図24において、2105は電圧レギュレータ(Vreg1)、2106は電流制限用抵抗(Rc)である。その他、図24において図23と同一符号は同一または相当部分を示す。
この従来例2では、全波整流AC波形の電圧変動分は電圧レギュレータ2105が平衡化するため、上述従来例1における定電流素子CRDは不要となり、発光も安定するが、電力効率的については、基本的には電圧のシリーズレギュレーションのため上述従来例1と全く同一(低効率)である。
上記のように従来技術では、何れも低効率、高損失であり、従来、この点の改善が要望されていた。
本発明の目的は、高効率、低損失の電源装置及びLEDランプ装置を提供することにある。
第1の発明は、入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装置部に接続される1個または直列接続された複数個のLEDを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記LEDに流れる電流を検知する電流検出回路部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の周波数でON、OFF制御するものであって、
且つ電流検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給して前記LEDを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
且つ電流検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給して前記LEDを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
第2の発明は、入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、前記前記LEDに流れる電流を検知する電流検出回路部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部と電流検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流になるようパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、前記前記LEDに流れる電流を検知する電流検出回路部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部と電流検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流になるようパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
第3の発明は、入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
第4の発明は、入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDランプとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部からの検知信号に基づいてON時の電圧が所定の値になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
第5の発明は、入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、前記スイッチング制御回路部は前記入力電圧検出部からの検知信号に基づいて入力端の電圧が所定の電圧値以上の期間中でのみ前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ電圧検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
置部の出力端に接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDラン
プとを備え、前記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整
流用ダイオードブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、前記スイッチング制御回路部は前記入力電圧検出部からの検知信号に基づいて入力端の電圧が所定の電圧値以上の期間中でのみ前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ電圧検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置である。
第6の発明は、前記各LEDランプにおいて1個または複数個のLEDチップが直列接続しているとともに、前記各LEDランプにはツェナーダイオードが並列接続しており、前記LEDおよびツェナーダイオードの並列ペアが複数個直列に接続され、前記ツェナーダイオードは前記LEDランプの順方向電圧に対して逆方向の向きに接続されており、前記各LEDランプにおいて1個または複数個のLEDチップが直列接続しているとともに、前記各LEDランプにはツェナーダイオードが並列接続しており、前記LEDランプおよびツェナーダイオードの並列ペアが複数個直列に接続され、前記ツェナーダイオードは前記LEDランプの順方向電圧に対して逆方向の向きに接続されていることを特徴とするLEDランプ装置である。
本発明によれば、高効率、低損失の電源装置及びLEDランプ装置を提供できるという効果がある。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第1実施形態を示す回路図である。
この図1において、102は全波整流用ダイオードブリッジ(BrD1)、103は定電圧素子、ここではツェナーダイオード(Dz1)、104はシリーズ抵抗(Rp)、105は定電流素子(CRD;Current Regurated Diode)1、106はLEDランプである。
尚、108はAC入力端子H(HOT LINE;ホットライン)、107はAC入力端子C(COOL LINE;クールライン)である。AC入力電圧は商用100Vである。
ここで、LEDランプ106は、アノードが定電流素子(CRD1)105、シリーズ抵抗104及び図示極性のツェナーダイオード103を順に直列に介して全波整流用ダイオードブリッジ102の正極出力端に接続され、カソードが同ダイオードブリッジ102の負極出力端に直結されている。また、LEDランプ106は1個または複数個直列接続されたLEDからなる。尚、LEDランプ106を除いた回路部分が電源装置部を構成する(以下の各実施形態において同じ)。
次に、上述第1実施形態の動作を、図2を併用して説明する。
図2は図1中のノードA107及びノードB1081の電圧波形図で、図中、縦軸が電圧(v)、横軸が時間(t)、201がノードA107の電圧波形、202がノードB1081の電圧波形を示す。
AC入力電圧のピーク値は約140V、ツェナーダイオード103のツェナー電圧Vzは100Vである。
図2から分るように、ここでは、AC入力電圧100Vがダイオードブリッジ102で全波整流され、ツェナーダイオード103により100Hz全波整流波形の100V以上の期間にてLEDランプ106が点灯(点滅点灯)する。
この時の点滅期間の割合、すなわちLEDランプ106のON,OFFデューティは6:4(100Hz)であり、発光にちらつきを感じさせない範囲での電力高効率化(低損失化)が図れる。
LEDランプ106への印加電圧のピーク値は、LEDランプ106、定電流素子105及びシリーズ抵抗103への印加電圧のピーク電圧が、ツェナー電圧Vzを超えた分だけであるから、ここでは約40Vである。
LEDランプ106への通電電流は、定電流素子105により定電流化が図られている。
LEDランプ106への通電電流は、定電流素子105により定電流化が図られている。
図3は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第2実施形態を示す回路図である。
この図3において、303はコンデンサ(C1)、304,305は分圧用の抵抗(R1,R2)、306は電源系1VddHライン、307は電流検出回路部(IDET)、308はGND(接地)ライン、309はゼロクロス対応の入力電圧検出回路(VDET)、310は発振・分周回路部(Osc・Div)、311〜313は作用線、314は電源系2VddLライン、315はインダクタ(コイル)、316はNチャンネル型MOSFETからなるスイッチング素子、317はフライホイールダイオード、322はスイッチング制御回路部(SWCont)である。その他、図3において図1と同一符号は同一または相当部分を示す。
ここで、抵抗304,305は直列接続されて全波整流用ダイオードブリッジ102の出力電圧を分圧するもので、その分圧点は入力電圧検出回路309の入力端及び発振・分周回路部310の作動電源入力端及び電源系2VddLライン314に接続されている。コンデンサ303は同分圧点及び接地間に接続されている。
LEDランプ106、インダクタ315及びスイッチング素子316は直列接続されて電源系1VddHライン306及びGNDライン308間に挿入されており、電流検出回路部307は電源系1VddHライン306中に挿入されている。LEDランプ106は、ここでは2〜8個のLEDを直列接続してなる。
フライホイールダイオード317はLEDランプ106及びインダクタ315の直列回路に並列に接続されている。
スイッチング制御回路部322は、電源系2VddLライン314から作動電源を受け、電流検出回路部307、入力電圧検出回路309及び発振・分周回路部310から信号を受けて、スイッチング素子316(LEDランプ106)を後述するようにON,OFF制御するものである。
次に、上述した第2実施形態の動作を、図4を併用して説明する。
図4は図3中のノードA107及びノードB321の電圧波形図で、図中、縦軸が電圧(v)、横軸が時間(t)、401がノードA107の電圧波形、402がノードB321の電圧波形を示す。
AC入力電圧のピーク値は約140Vである。ここでは、入力電圧(ノードA107の電圧)が0Vから40Vに上昇したときスイッチング制御回路部322が作動し、ピーク値を経て40Vに下降したときに同制御回路部322が作動停止する設定となされている。抵抗304,305の分圧点電圧(電源系2VddLライン314の電圧)は、ここでは5Vで、スイッチング制御回路部322は作動時のON電圧も5Vである。
図4から分るように、ここでは、AC入力電圧100Vがダイオードブリッジ102で全波整流され、スイッチング制御回路部322により全波整流波形の40V以上の期間にてスイッチング素子316がON,OFF制御(PWM制御)され、LEDランプ106が点灯(同実施形態を示す図5のコンデンサ501の説明にあるように、連続点灯、ないしは点滅点灯、ないしは脈波点灯)する。
上記スイッチング素子316のON,OFF周波数、すなわちLEDランプ106のON,OFF周波数は、ここでは40kHzであり、発光にちらつきを感じさせない範囲での電力高効率化(低損失化)が図れる。
LEDランプ106への通電電流はスイッチング制御回路部322により定電流化が図られており、負荷(LEDランプ106を構成するLEDの個数)が変化しても同一電流を流すことができる。
コンデンサ303には、抵抗304,305で分圧された電圧、ここでは約5Vが印加されるに過ぎないので、耐圧が低いもので済むし、入力電圧検出回路309、発振・分周回路部310及びスイッチング制御回路部322への電源供給機能を果たすだけなので容量も小さいもので済む。
更に、上記の「定電流」とは、平均電流での定電流を指すものであり、本実施形態では、発振回路部を用いてスイッチングしているので、例えば、10mAの定電流が必要な場合、ピーク電流を30mAとしデューティ比30%の駆動をすれば、平均で10mAとなる。LEDの発光用途としては、むしろこのような駆動方法の方が望ましい。なぜならば、人間の体感輝度に対してLEDの電流・輝度特性はリニアでなくいわゆるスーパーリニアという特性を示すからであり、例えば、電流を2倍にした場合に、一般に、輝度は2倍でなく2のn乗(nは1以上)倍になるからである。これは、人間の目はピークでの輝度を残像として残すので、同じ平均電流ならDC的電流よりピーク電流を高く設定したデューティ駆動(一般に、「パルス駆動」と称する)の方が明るく感じるというものだからである。このようなパルス駆動を用いれば、同じ体感輝度を得るためにより少ない電力で済む。ただし、同様の体感を得る上で100Hz以上でのパルス駆動でないと、今度はチラツキが認識できてしまうという不都合が生じることになるので、100Hz以上でのパルス駆動が望ましい。このようなパルス駆動は、後述する発振回路部を有する第3、5実施形態でも同様に有効であり、また、第4、第6実施形態でも発振回路部は有さないが、100Hz以上のACで動作させる限りにおいてはやはり同様に有効である。
また、ここでは、電源系2Vddを抵抗分割で簡易に構成したが、勿論別途能動的(スイッチング等)電源回路を構成(または使用)してもより動作が安定することになり、便利である。また、ここでは、入力ピーク電圧140Vに対して動作開始入力電圧VDETを40Vと設定したが、このように入力に対してVDETを数10%以上と設定することではスイッチングレギュレータとしてのON/OFFの比率(デューティ)を極端に小さく(下で数%とか)する必要がなくなり、回路的に設計上のマージンが楽に確保できる。一方、前述したように、スイッチング周波数とは別にあまりVDETを高くしていくと今度は、AC周波数、例えば100HZがちらつきとして現出することになり、入力AC周波数が例えば50HZ以下とかの場合そのちらつきを体感できるようになり、問題となってくる。その場合、動作開始入力電圧VDETを3〜40Vのように小さくすることでAC周波数が50HZ以下になっても全くちらつきの心配をすることなく、動作させることが可能となる。しかし、この場合、デューティが極端に小さく(最低数%以下となり、ほとんどスパイク状のパルスのことがあり得る)なることがある。前述した回路的な設計マージンはこのような場合の使用するインダクタ要素の特性(DC抵抗成分)やスイッチング素子の特性(スピード)を高性能のものにする必要があるということである。
もともと使用する各要素(素子)をある程度高性能にしておいて、デューティのこのようなダイナミックレンジの心配(下でスパイク状のパルスによること)やAC周波数の現出の心配をすることのないようVDETを3〜40Vにし、むしろVDETによる動作を発振回路部やスイッチング制御回路部の安定動作(これら回路部が正しく動作できる電圧になってから出力を出す制御をするということ)に役立てるものとするものでも充分有益であり、本実施形態の本質は変わるものではないものである。
尚、図5に上述第2実施形態での具体的な回路構成例を示しておく。この図5において、501はコンデンサ、502は1チップ(モノリシック)ICによる集積回路部を示す。このコンデンサ501の値によってはLEDの駆動電流波形は上述したようにパルス状の波形において、コンデンサ501を上げるに伴って、点滅点灯の形から、脈波状、さらにはDCに近いものにもなる。また、この集積回路部502中のスイッチング素子316部分は集積回路部502外に構成することもある。その他、図5において図3と同一符号は同一または相当部分を示す。
図6は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第3実施形態を示す回路図である。この図6において、609は入出力電圧検出回路、620はコンデンサ(C2)、621はシリーズ抵抗(Rs)である。その他、図6において図3と同一符号は同一または相当部分を示すが、ここでは、スイッチング素子316はPNP型トランジスタからなり、LEDランプ106から見て全波整流用ダイオードブリッジ102の正極出力端側に、そのエミッタ−コレクタ間を順方向に向けて挿入されている。一方、電流検出回路部307は同上ダイオードブリッジ102の負極出力端側に挿入されている。
また、インダクタ315は、上記トランジスタからなるスイッチング素子316及びLEDランプ106相互間に挿入されており、上記シリーズ抵抗621はそのインダクタ315及びLEDランプ106相互間に挿入されている。
入出力電圧検出回路609は、出力電圧を検出するもので、出力電圧の検出値は入力電圧の検出値と同様にスイッチング制御回路部322に与える。すなわち入出力電圧検出回路609は、ここでは出力電圧を検出してリミッタとしての役割を担っており、電源装置部(LEDランプ106を除いた回路部分)を、通常は電圧帰還型のスイッチング電源として機能させるが、LEDランプ106が接続された時には電流帰還型のスイッチング電源に切り替わって機能するようスイッチング制御回路部322を制御すべく構成されている。
即ち、入出力電圧検出回路609は、LEDランプに対する出力電圧を一定に保つための出力電圧レギュレータとして動作するもので、例えば、図6に示す回路では、出力電圧が16VでLEDランプが2Vの場合に、負荷が10mAを超えると出力電圧を2Vとする。換言すれば、出力電圧が2V乃至16Vの間では10mAの定電流動作をする。
尚、第3実施形態では、スイッチング素子316はNチャンネル型MOSFETまたはPNP型トランジスタの何れでもよい。
図7は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第4実施形態を示す回路図である。
この図7において、708はゼロクロス対策用の抵抗(R3)、711は作用線、712はON/OFF制御回路部(ON,OFFCont)、716はコンデンサ(C3)、717はコンデンサ(C4)である。その他、図7において図6と同一符号は同一または相当部分を示すが、ここではコンデンサ716はスイッチング素子316の出力電圧(ノードB715の電圧)の平滑化の機能を果たすが、コンデンサ717はシリーズ抵抗621と共に放充電回路を構成している。LEDランプ106は、ここでは2〜数100個直列接続されたLEDからなる。
更に、図6に示す第3実施形態における電流検出回路部307、発振・分周回路部310、フライホイールダイオード317等は備えておらず、他方、スイッチング制御回路部322に代えてON/OFF制御回路部712を備える。このON/OFF制御回路部712は、入出力電圧検出回路609から信号を受けてスイッチング素子316を後述するようにON,OFF制御するものである。
すなわちこの第4実施形態は、消費電流(電力)のさらなる低減のためにスイッチング素子316のOFF期間を延長し、そのOFF期間はコンデンサ716,717にて電源供給し、LEDランプ106を点灯させるようにしたものである。
またこの第4実施形態では、スイッチング素子316のON,OFF電圧はON/OFF制御回路部712にて設定、例えばON電圧30V、OFF電圧16Vというように設定でき、スイッチング素子316として耐圧の小さなトランジスタの使用を可能としている。
次に、上述第4実施形態の動作を、図8を併用して説明する。
図8は図7中のノードA107及びノードB715の電圧波形図で、図中、縦軸が電圧(v)、横軸が時間(t)、801がノードA107の電圧波形、802がノードB715の電圧波形を示す。
ON/OFF制御回路部712では、AC入力電圧のピーク値は約140Vであり、入力電圧(ノードA107の電圧)が0Vから30Vに上昇したときスイッチング素子がONになり、30Vを超えるとスイッチング素子がOFFになるように作動する。その後、ノードB電圧は下降していき、その下降時のノードBのある値(略上記30V)から16Vまでスイッチング素子はOFFのままであり、16Vを下回るとスイッチング素子は再びONする。ON/OFF制御回路部712では、以上の動作を繰り返す。
即ち、この第4実施形態では、AC入力電圧100Vがダイオードブリッジ102で全波整流され、ON/OFF制御回路部712により全波整流波形の30V以下の期間内で、かつ出力電圧(ノードB715の電圧)が16Vに下降するまでの期間にてスイッチング素子316がONされ、それ以降で全波整流波形の30Vに達する間はコンデンサ716,717にて電源供給し、LEDランプ106を低電力にて連続点灯させる。これによれば、発光にちらつきを生じさせずに電力高効率化(低損失化)が図れる。
また、ON/OFF制御回路部712の作動及び作動停止電圧は任意の個数のLEDの直列接続からなるLEDランプ106が点灯するのに必要な最低電圧に任意に設定できる。更に、同上LEDランプ106への供給電流もシリーズ抵抗621及びコンデンサ716,717の設定により任意に設定でき、大電流駆動が可能であるので、LEDランプ106を構成するLEDの直列接続個数は数100個まで可能となる。
また、ここでは、分かり易くするため、入力をACとして説明してきたが、入力がDCであっても本実施形態では、同様に所望の動作をすることは言うまでもない。
尚、図9に上述第4実施形態での具体的な回路構成例を示しておく。この図9において、図7と同一符号は同一または相当部分を示す。
図10は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第5実施形態を示す回路図である。
この図10において、1011は発振回路部(Osc)、1013はクロック信号制御回路部(CLKCont)、1018はスイッチドキャパシタ降圧回路部(SCConv)、1021,1023は作用線、1025はブリーダ抵抗(RB)である。その他、図9において図1,図6と同一符号は同一または相当部分を示すが、ここでは、LEDランプ106への電源供給のON,OFF制御、電圧降圧機能及び定電流制御をスイッチドキャパシタ降圧回路部1018で行うものである。
このスイッチドキャパシタ降圧回路部1018は、クロック信号制御回路部1013、電流検出回路部307からの信号を受けて定電流素子105からの全波整流用ダイオードブリッジ102の正極出力(HV)を制御し、直流出力DCOUTをLEDランプ106に与えて点灯するものである。
スイッチドキャパシタ降圧回路部1018は、HV入力端子1018a、HV出力端子1018b、LV出力端子1018c、クロック入力端子1018d、反転クロック入力端子1018e、接地端子1018fを備えてなる。
このうち、HV入力端子1018aは定電流素子105を介して正極出力端に、HV出力端子1018bはLEDランプ106のアノードに、LV出力端子1018cは電流検出回路部307を介してLEDランプ106のカソードに、各々接続される。またクロック入力端子1018d,反転クロック入力端子1018eはクロック信号制御回路部1013のクロック出力端子,反転クロック出力端子に各々接続され、接地端子1018fはGNDライン308に接続(接地)される。
ここで、発振回路部1011は、抵抗304,305の分圧出力が入力され、所定の繰り返し発振信号を作用線1023に出力するものである。クロック信号制御回路部1013は、作用線1021,1023から電流検出信号及び発振信号を受け電流検出信号値に応じてデューティが制御されたクロック信号をスイッチドキャパシタ降圧回路部1018に与えるものである。ブリーダ抵抗1025はLEDランプ106に並列接続されている。LEDランプ106は2〜8個直列接続されたLEDからなる。
以下、上記スイッチドキャパシタ降圧回路部1018の詳細について述べる。
図11はスイッチドキャパシタ降圧回路部1018の動作原理の説明図で、この図11において、SW1〜SW2nはスイッチ、CPT1〜CPTnはキャパシタ(コンデンサ)である。その他、図11において1018a〜1018fは各々図10と同様である。
ここで、クロック入力端子1018dにはスイッチSW1〜SW2nを各々“1”側(状態1)に切り替えるクロック信号が、反転クロック入力端子1018eにはスイッチSW1〜SW2nを各々“2”側(状態2)に切り替える反転クロック信号が各々入力される。
上記キャパシタCPT1〜CPTnは、状態1においては直列接続されてHV入力端子1018a及び接地端子1018相互間に挿入され、状態2においては並列接続されてHV出力端子1018b及びLV出力端子1018c相互間に挿入されるようスイッチSW1〜SW2nに接続されている。またスイッチSW1〜SW2nは、キャパシタCPT1〜CPTnが上記のように接続されるよう、各端子1018a〜1018c,1018fに接続されている。
このようなスイッチドキャパシタ降圧回路部1018の動作を図10を併用して説明すると、状態1においては、直列接続されたキャパシタCPT1〜CPTnがHV入力端子1018aを介して電源系1VddHライン306に接続され、接地端子1018に向けて通電されて各々充電される。
また状態2においては、並列接続されたキャパシタCPT1〜CPTnがHV出力端子1018bを介してLEDランプ106のアノードに接続され、LV出力端子1018cに向けて放電電流が流され、LEDランプ106を点灯する。
状態1,2は、クロック入力端子1018d及び反転クロック入力端子1018eに入力されるクロック信号,反転クロック信号により切替制御されるスイッチSW1〜SW2nにより所定の周波数(周期)で交互に繰り返される。従って、キャパシタCPT1〜CPTnの上述充放電動作が所定の周波数で繰り返されてLEDランプ106が点灯(点滅点灯)する。
上記LEDランプ106のON,OFF(点滅)周波数は、クロック信号制御回路部1013で例えば40kHzに設定され、発光にちらつきを感じさせない範囲での電力高効率化(低損失化)が図れる。
上記クロック信号制御回路部1013は、電流検出回路部307からの信号を受けて適正な周波数のクロック信号,反転クロック信号を設定する。また、スイッチドキャパシタ降圧回路部1018(HV出力端子1018b)の出力電圧は、キャパシタCPT1〜CPTnの容量等で適宜設定される。
従って、このようなスイッチドキャパシタ降圧回路部1018を用いた構成によれば、トランスやインダクタ315を用いることなく、また高耐圧スイッチング素子も用いることなく、商用電源電圧をLEDランプ106に適した低電圧に降圧してLEDランプ106に印加可能となる。尚、定電流素子105はなくてもよく、あるいはこれを抵抗に代えてもよい。
すなわち、電流フィードバック制御でなく、電圧フィードバック制御(クロック周波数変化)とすること(定電圧出力)で電圧レギュレータとなり、本実施例によれば、いわゆるACアダプタ電源の小型化、低コスト化も可能とするものである。しかも、トランスレスでありながら、アイソレート電源を構成することが可能であり極めて画期的である。
尚、図12に図11で説明したスイッチドキャパシタ降圧回路部1018の具体的な回路構成例を示しておく。この図12において、NMOS1〜NMOS3n−1は各々Nチャンネル型MOSFETを示す。その他、図12において図11と同一符号は同一または相当部分を示す。
このようなスイッチドキャパシタ降圧回路は、モノリシック半導体集積回路で実現するのに適している。つまり、より数多くの直列キャパシタを用意することで1つのキャパシタあたりの耐圧を低くすることができ、低くすることができれば、誘電体膜(絶縁膜)の厚みをより薄くすることができ、すなわち一つあたりの面積も縮小可能となるからである。
図13は、本発明による電源装置及びLEDランプ装置の第6実施形態を示す回路図である。
この図13において、105は定電流素子、106は2〜8個のLEDの直列接続からなるLEDランプ、108はAC入力端子H、107はAC入力端子C、1025はブリーダ抵抗である。また、1300は1チップ(モノリシック)ICによる集積回路部、1301,1302はスイッチドキャパシタ降圧回路部(SCConv)、1307,1308は逆流阻止ダイオード(Di1,Di2)である。尚、AC入力電圧は商用100Vである。
上記スイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302は、AC入力端子H108,C107からAC入力を得て直流出力DCOUTをLEDランプ106に与え、これを点灯するものである。
スイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302は、ACH入力端子1301a,1302a;ACL入力端子1301b,1302b、HV出力端子1301c,1302c、LV出力端子1301d,1302dを備えてなる。
このスイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302のACH入力端子1301a,1302a及びACL入力端子1301b,1302bは、AC入力に対して所謂たすき掛け接続されている。すなわち、スイッチドキャパシタ降圧回路部1301のACH入力端子1301a及びスイッチドキャパシタ降圧回路部1302のACL入力端子1302bは各々AC入力端子H108に、同回路部1301のACL入力端子1301b及び同回路部1302のACH入力端子1302aは各々AC入力端子Cに接続されている。
一方、スイッチドキャパシタ降圧回路部1301のHV出力端子1301cは逆流阻止ダイオード1307を介して、スイッチドキャパシタ降圧回路部1302のHV出力端子1302cは逆流阻止ダイオード1308を介して、各々LEDランプ106のアノードに接続されている。
また、スイッチドキャパシタ降圧回路部1301のLV出力端子1301d及びスイッチドキャパシタ降圧回路部1302のLV出力端子1302dは共通接続され、上記定電流阻止を介してLEDランプ106のカソードに接続されている。
上記ブリーダ抵抗1025は、一端側に上記定電流阻止を介してLEDランプ106に並列接続されている。LEDランプ106は2〜8個直列接続されたLEDからなる。
以下、上記スイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302の詳細について述べる。
図14はスイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302の具体的な回路構成例を示す図で、この図14において、PMOS1〜PMOS2nは各々Pチャンネル型MOSFETを示す。CPT1〜CPTnはキャパシタ、DiR1〜DiRn+1は整流ダイオードである。その他、図14において1301,1302、1301a〜1301d及び1302a〜1302dは各々図13と同様である。
ここで、Pチャンネル型MOSFET PMOS1〜PMOS2nは各々ゲートが正電圧でOFF、負電圧でONする。キャパシタCPT1〜CPTnは、AC入力の正側においては直列接続されてACH入力端子1301a,1302a及びACL入力端子1301b,1302b相互間に挿入され、AC入力の負側においては並列接続されてHV出力端子1301c,1302c及びLV出力端子1301d,1302d相互間に挿入されるようPチャンネル型MOSFET PMOS1〜PMOS2nに接続されている。また、Pチャンネル型MOSFET PMOS1〜PMOS2nは、キャパシタCPT1〜CPTnが上記のように接続されるよう、各端子1301a〜1301d,1302a〜1302dに接続されている。
このようなスイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302の動作を図13を併用して説明すると、スイッチドキャパシタ降圧回路部1301について、
AC入力の正側においては、直列接続されたキャパシタCPT1〜CPTnがACH入力端子1301aを介してAC入力端子H108に接続され、ACL入力端子1301bに向けて通電されて各々充電される。
AC入力の正側においては、直列接続されたキャパシタCPT1〜CPTnがACH入力端子1301aを介してAC入力端子H108に接続され、ACL入力端子1301bに向けて通電されて各々充電される。
またAC入力の負側においては、並列接続されたキャパシタCPT1〜CPTnがHV出力端子1301c及び逆流素子ダイオード1307を介してLEDランプ106のアノードに接続され、LV出力端子1301dに向けて放電電流が流され、LEDランプ106を50Hz(商用交流電源が50Hzの場合)で点灯(点滅点灯)する。
スイッチドキャパシタ降圧回路部1302についても、AC入力の正,負側において上記スイッチドキャパシタ降圧回路部1301とは逆に動作することを除いて同回路部1301と同様に動作し、LEDランプ106を同回路部1301による場合とは90゜位相を異にして50Hz(商用交流電源が50Hzの場合)で点灯(点滅点灯)する。
これによりLEDランプ106は100Hzで点灯(点滅点灯)し、発光にちらつきを感じさせない範囲での電力高効率化(低損失化)が図れる。
このスイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302は、Pチャンネル型MOSFET PMOS1〜PMOS2n自身でスイッチング(各ゲートが正電圧でOFF、負電圧でON)するので、制御用のパルス(クロック等)は不要である。スイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302(HV出力端子1301c,1302c)の出力電圧は、キャパシタCPT1〜CPTnの容量等で適宜設定される。
このようなスイッチドキャパシタ降圧回路部1301,1302を用いた構成によれば、トランスやインダクタ315を用いることなく、また高耐圧スイッチング素子も用いることなく、商用電源電圧をLEDランプ106に適した低電圧に降圧してLEDランプ106に印加可能となる。また、この実施形態では、全波整流用のダイオードブリッジも不用である。
すなわち、電流フィードバック制御でなく、電圧フィード制御とすることで、(定電出力)で電圧レギュレータとなり、第5実施形態と同様に、本実施形態によればいわゆるACアダプタ電源の小型化及び低コスト化も可能とするものである。しかも、トランスレスでありながら、アイソレート電源を構成することが可能であり、極めて画期的である。
尚、この第6実施形態(図13)において、定電流素子105はLEDランプ106のアノード側であってもよい。また、逆流阻止ダイオード1307,1308は省略してもよい。更に、ブリーダ抵抗1025及び定電流素子105は集積回路部1300外に構成(外付け)してもよい。
図15は、本発明によるLEDランプ装置の構造例を示す図で、(a)は正面図、(b)は背面図、(c)は右側面図、(d)は(c)中のD−D線断面矢視図である。ここでは、最小構造の例を示す。
各図において、1501はE−10タイプの口金、1502は口金1501に連なる合成樹脂またはガラス製の筒状のケース部、1503はケース部1502先端面を覆うように取り付けられたLEDランプモジュールで、全体としてE−10タイプの口金をもつ蛍光ランプ用グロースタータの外形状を模して形成されている。
LEDランプモジュール1503は、ここでは正面から見てモジュール1503中心から半径方向適宜位置の同心円上にほぼ等間隔に8個、LEDチップ1503aが配設されてなる。各LEDチップ1503aは直列接続され、その電源装置部(上述各実施形態におけるLEDランプ106を除いた回路部分)1504の出力端に接続されている。
電源装置部1504は、ここでは全波整流用ダイオードブリッジ部1504a、ICチップ部1504b、インダクタ部1504c及びこれら各部1504a〜1504cを搭載した回路基板1504dを備えてなる(第2〜4実施形態の場合)。第1,5,6実施形態の場合はインダクタ部1504cを備えていない。
尚、1504e,1504fはAC入力リード線、1504g,1504hはLEDランプモジュール電源リード線である。
このような構造の本発明装置において、口金1501を商用交流電源入力ソケット(図示せず)にねじこみ挿入すれば、当該商用交流電源がAC入力リード線1504e,1504fを介して電源装置部1504に供給され、LEDランプモジュール1503中の8個のLEDチップ1503aを同時点灯させ、発光表示あるいは照明をする。尚図15では、LEDランプモジュール1503において8個のLEDチップ1503aが配設されているが、このLEDチップは8個に限定されず、1個または複数個のLEDチップでも良い。
図16は、本発明によるLEDランプ装置の他の構造例を示す断面図で、ここでは、上述各実施形態におけるLEDランプ106を除いた電源装置部1504をフレキシブルプリント回路基板1601上に構成した例を示している。
図17は図16中のフレキシブルプリント回路基板1601部分のI−I線、II−II線及びIII−III線の各断面矢視図である。
これら図16,図17において、1604a,1604bはAC入力端子、1604c,1604dはLEDランプモジュール電源端子である。その他、図16において図15と同一符号は同一または相当部分を示す。
図示するように、ここでは回路基板としてフレキシブルプリント回路基板1601を用いており、それをS字状またはZ字状(図示例ではS字状)に屈曲形成され、省スペース化、ジャンパ線の省略が図られている。
また、AC入力端子1604a,1604b及びLEDランプモジュール電源端子1604c,1604d(基板上1601の半田付け用ランド若しくはパッド)は、図17に示すように配置されている。この配置は図18または図19のようにしてもよい。
すなわち、LEDランプモジュール電源端子1604c,1604dは、LEDランプモジュール1503近傍側に位置させ、かつ図示するように基板1601の裏表面側に分けて配置する。また、AC入力端子1604a,1604bは、図17〜図19に示すように、ケース部1502の前後方向(図中、上下方向)の離れた位置に、しかも基板1601の裏表面側に分けて配置する。
これによれば、各端子1604a,1604b,1604c,1604d相互間、特に高電圧が加わるAC入力端子1604a,1604b相互間の沿面距離を長くとることができ、絶縁性の確保や特性・信頼性の向上が図れる。
尚、上述実施形態において、第1〜3実施形態及び第5実施形態はAC入力に代えてDC入力でもLEDランプ106の点灯が可能である。
図20及び21を参照して第7実施形態を説明する。尚、図20の回路図及び以下に説明する第8実施形態にかかる図22の回路図において、第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付することによりその部分の詳細な説明を省略する。
図20に示すように、第7実施形態では、AC入力端子108と107との間に設けられた全波整流用ダイオードブリッジ102には、定電流素子105とLEDランプ106とが直列に接続されており、LEDランプ106に、ツェナーダイオード2001を並列に接続したものである。
この7実施形態では、LED106にかかる電圧が所定の電圧VFに達していない場合には、ツェナーダイオード2001に電流が流れるので、LED106の暗点灯を防止すると共に、LED106に過大電流が流れようとするとツェナーダイオード2001に電流が流れるので、過大電流からLED106を保護することができる。
即ち、図21にLEDランプ106とツェナーダイオード2001とにおける電流Iと電圧Vとの関係を示すように、領域Sでは電圧がLEDランプ106の順方向降下電圧VFよりも小さいため、LEDランプ106は通常の点灯をしないはずであるが、AC入力端子108と107におけるスイッチをOFFしても高インピーダンスにより数μA(例えば、100乃至500μA)の電流が回路に流れることがあるが、かかる定電流領域Sでは、ツェナーダイオード2001に電流がリークされ、LEDランプ106には流れないので、暗点灯が防止される。一方、電流Iが10mA程度、この場合に電圧がLED106のVFを超える一定の電圧範囲W(例えば、2Vから3V)では、LED106は点灯を行い、更に、電流Iが範囲Wを超える過大電流になるとその過大電流はツェナーダイオード2001に流れる。従って、暗点灯を防止すると共に過大電流からLED106を保護することができる。
この第7実施形態では、ツェナーダイオード2001のツェナー電圧は、ツェナーダイオードに並列に接続されているLEDランプのVF(順方向降下電圧)に対して10%以上30%以下の範囲で高いことが望ましい。10%よりも小さいと暗点灯を有効に防止できないと共に、30%を超えると過大電流からのLEDランプ106の保護が十分でなくなるからである。尚、LEDランプに配設されるLEDチップは1個または複数個である。また、ツェナーダイオードはLEDチップ毎に並列に接続し、LEDチップとツェナーダイオードの並列ペアが複数個直列に接続され、そのツェナーダイオードはLEDチップの順方向電圧に対して逆方向の向きに接続されていても、上記の内容と同様のことが言える。
図22に第8実施形態を示す。この第8実施形態では、複数のLEDランプ106(各LEDランプ106が1個または複数のLEDチップの単位であってもよい)を直列に接続すると共に各LEDランプ106に並列にツェナーダイオード2001を接続したものである。この第8実施形態では、複数あるLEDランプ106の何れかのLEDランプが切れて消灯(オープン)した場合であっても、定電流素子105があるので、電流は切れたランプ106に並列に接続しているツェナーダイオード2001をブレイクダウンさせて流れるので、残りのLEDランプ106の点灯を維持することができる。換言すれば、直列にLEDランプ106を接続していながら、並列に接続した場合と同様な効果を得ることができる。しかも、LEDランプ106を直列に接続した場合には、いうまでもなくトータルでの所要電力は並列に接続する場合よりも少なくできる。尚、LEDランプに配設されるLEDチップは1個または複数個である。また、ツェナーダイオードはLEDチップ毎に並列に接続し、LEDチップとツェナーダイオードの並列ペアが複数個直列に接続され、そのツェナーダイオードはLEDチップの順方向電圧に対して逆方向の向きに接続されていても、上記の内容と同様のことが言える。
尚、明細書の各部分に記載し説明した内容を記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことも言うまでもない。
以上のように、本発明は、表示灯、消火栓灯、非常灯、あるいは券売機、自動販売機、エレベータ等の操作ボタンランプ等の表示や照明を行う装置または電源装置として用いられる。
Claims (4)
- 入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装置部の出力端に
接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDランプとを備え、前
記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整流用ダイオード
ブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置。 - 入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装置部の出力端に
接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDランプとを備え、前
記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整流用ダイオード
ブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路部は前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ入力電圧検出部からの検知信号に基づいてON時の電圧が所定の値になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯することを特徴とするLEDランプ装置。 - 入力端から交流または直流電源が入力される電源装置部と、この電源装置部の出力端に
接続される1個または直列接続された複数個のLEDからなるLEDランプとを備え、前
記電源装置部は、入力端後に設けた整流用ダイオードブリッジと、前記整流用ダイオード
ブリッジ後の電圧を検知する入力電圧検出部と、所定周波数のパルス信号を発振する発振回路部と、発振回路部に接続されたスイッチング制御回路部と、スイッチング制御回路部に接続されたスイッチング素子とを備え、前記スイッチング制御回路部は前記入力電圧検出部からの検知信号に基づいて入力端の電圧が所定の電圧値以上の期間中でのみ前記発振回路部が発振の繰り返し信号を出力してスイッチング素子を100Hz以上の所定周波数でON、OFF制御するものであって、且つ電圧検出回路部からの検知信号に基づいて平均で所定の電流(電力)になるようにパルスあたりのON・OFF時間比率変調であるPWM制御したパルス信号を前記スイッチング素子に供給してLEDランプを点灯するものであることを特徴とするLEDランプ装置。
- 前記各LEDランプにおいて1個または複数個のLEDチップが直列接続しているとともに、前記各LEDランプにはツェナーダイオードが並列接続しており、前記LEDおよびツェナーダイオードの並列ペアが複数個直列に接続され、前記ツェナーダイオードは前記LEDランプの順方向電圧に対して逆方向の向きに接続されていることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載のLEDランプ装置。
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