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JP2008235530A - 発光ダイオード駆動装置、及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

発光ダイオード駆動装置、及びそれを用いた照明装置 Download PDF

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JP2008235530A
JP2008235530A JP2007072309A JP2007072309A JP2008235530A JP 2008235530 A JP2008235530 A JP 2008235530A JP 2007072309 A JP2007072309 A JP 2007072309A JP 2007072309 A JP2007072309 A JP 2007072309A JP 2008235530 A JP2008235530 A JP 2008235530A
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Takashi Kunimatsu
崇 國松
Ryutaro Arakawa
竜太郎 荒川
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】ノイズを低減し、LEDに流れる電流波形を安定化できる発光ダイオード駆動装置、及び照明装置を提供する。
【解決手段】1個以上の発光ダイオードで構成されたLED光源2と、発光ダイオード2nのカソード端子と接続されたチョークコイル5と、アノード端子をチョークコイル5に接続され、カソード端子を発光ダイオード2aに接続されて、チョークコイル5に生じる逆起電力をLED光源2に供給するためのダイオード4と、発光ダイオード2aのアノード端子に接続され、LED光源2及びチョークコイル5に電圧を印加するための電源部1と、チョークコイル5とダイオード4のアノード端子の共通接続部と回路基準電位の間に接続され、LED光源2に流れる電流を定電流制御するためのスイッチング駆動回路8と、LED光源の両端子間に接続された容量素子、を備えた発光ダイオード駆動装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)駆動装置、及びそれを用いた照明装置に関する。
近年、発光ダイオードを駆動するための発光ダイオード駆動装置が開発され、実用化されている。図19を用いて、特許文献1の従来の発光ダイオード駆動回路について説明する。従来の発光ダイオード駆動回路は、発光ダイオード102と、発光ダイオード102に直列接続されたコイル103と、発光ダイオード102とコイル103に対して並列に接続されたダイオード104を有する。ダイオード104は、コイル103に生じた逆起電力を発光ダイオード102に供給するために設けられる。
さらに、発光ダイオード102、コイル103、およびダイオード104にパルス電圧を印加する直流電源101が設けられる。発光ダイオード102と直流電源101との間には、直流電源101の出力電圧の印加/非印加を切り替えるスイッチング素子105が接続される。スイッチング素子105は、例えばスイッチング・トランジスタと発振器で構成される。また、ダイオード104は、逆バイアスが印加されるように、カソード側が直流電源101の正極側に接続される。
従来の発光ダイオード駆動回路は、スイッチング素子105がオンのときに、直流電源101の出力電圧を発光ダイオード102に印加して、発光ダイオード102を発光させ、スイッチング素子105がオフのとき、コイル103の逆起電力を利用して、発光ダイオード102を発光させる(例えば、特許文献1参照)。
また別の例として、直流電源から入力される電圧を所定の直流電圧に変換してLED光源部に出力する点灯回路部と、点灯回路部からLED光源部への出力経路上に配置されるインダクタンス素子を有した保護回路部と、LED光源に印加される電圧を検出する電圧検出回路部とLED光源に流れる電流を検出する電流検出抵抗を備えたLED駆動装置が提供されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−8443号公報 特開2006−210271号公報
特許文献1に開示された従来の発光ダイオード駆動装置おいては、スイッチング素子が単にスイッチング・トランジスタと発振器との組み合わせであり、発振器のある所定のタイミングに基づいてスイッチング素子のオン/オフのタイミングが決定される。このためスイッチング素子がオンしている時間が長すぎると、LEDに流れる電流値が高くなりLEDに許容される最大電流値を超えて破壊する恐れがある。
また、LEDに流れる電流は脈流電流波形となるが、スイッチング素子がオフからオンに切り替わる際にはLEDやコイル自体の寄生容量を充放電するために瞬時的に過大な電流が発生してLED電流波形に重畳される。またスイッチング素子がオンからオフに切り替わる際には、スイッチング素子に流れる急激に減少する電流波形とコイルに生じた逆起電力によりダイオードに流れる急激に上昇する電流波形が交差するまでに時間的な遅延が生じるために、過渡的にLEDの電流波形は減少/増加し、振動電流となる。
このようにLEDに流れる電流波形が過渡的に変動するとLED自体がノイズ発生源となるために、直流電源に伝達される雑音端子電圧が増大したり、不要輻射ノイズが発生していた。
また、特許文献2に開示された従来の発光ダイオード駆動回路では、電源投入時等の過渡的な電圧の変動を抑制するために点灯回路とは別にLED光源への出力経路に保護回路を設ける必要があり、駆動装置が大型にならざるを得ない。
さらに定常動作中にLED光源から発生するノイズを低減するためには、更に複雑な保護回路を必要としている。
またコンバータをPWM制御するためにはLED光源に流れる電流と印加される電圧を検出した検出結果を点灯回路に帰還させる必要があるため、回路規模が大きくなる。
また、LEDに流れる電流を検出する方法として抵抗により直接検出しているため、電力損失が大きくなる。
本発明は、上記問題に鑑み、LEDに流れるピーク電流値を制御でき、LEDが発生するノイズを低減し、LEDに流れる電流波形を安定化でき、簡易な構成で電力損失の小さい発光ダイオード駆動装置、及びそれを用いた照明装置を提供するものである。
本発明は、少なくとも1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源と、チョークコイルと前記チョークコイルに発生する逆起電力を前記LED光源に供給する整流ダイオードと、前記発光ダイオードに流れる電流を制御するスイッチング駆動回路とを有し、前記LED光源の両端子間に容量素子を接続することを特徴とする発光ダイオード駆動装置である。
上記のスイッチング駆動回路は前記発光ダイオードへの電流の印加/非印加を決定するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン/オフのタイミングを制御して前記発光ダイオードに流れる電流を制御する制御回路ブロックを備える。スイッチング素子がオンして電流遮断期間から電流流通期間に移行する際には、発光ダイオードやチョークコイル自体の寄生容量に電流が流れるため、過渡的に過大な電流がチョークコイルに流れる。しかしこの場合、過渡的に過大な電流はLED光源の両端子間に接続された容量素子に流れて容量素子を充電するため、LED光源には過渡的な過大な電流は流れない。またスイッチング素子がオフして電流流通期間から電流遮断期間に移行する際には、チョークコイルに生じた逆起電力により整流ダイオードがLED光源に回生電流を流し始めるまでに時間的な遅延が生じるために、瞬時的にチョークコイルに流れる電流波形は減少/増加して振動電流となる。しかしこの場合、過渡的に変動した電流は、充電されている容量素子からの充放電電流によって供給されるため、LED光源は過渡的な電流変動の影響を受けない。
その結果、LED光源に流れる電流波形にはノイズ電流が重畳しないため、LED光源から発生するノイズが減少し、電圧源に伝達される雑音端子電圧を低減できる。また、LED光源から発生するノイズを低減するために複雑な保護回路を必要としないため、簡易で小型化が可能な発光ダイオード駆動装置を実現できる。
上記の発光ダイオード駆動装置において、前記発光ダイオードのアノード端子は電圧源に接続され、前記チョークコイルは、一端を前記発光ダイオードのカソード端子に接続され、前記整流ダイオードは、アノード端子を前記チョークコイルの他端に接続され、カソード端子を前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、前記スイッチング駆動回路は、前記チョークコイルの他端と基準電位との間に接続されても良い。
また、上記の発光ダイオード駆動装置において、前記発光ダイオードのカソード端子は基準電位に接続され、前記チョークコイルは、一端を前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、前記整流ダイオードは、カソード端子を前記チョークコイルの他端に接続され、アノード端子を前記発光ダイオードのカソード端子に接続され、前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、前記スイッチング駆動回路は、電圧源と前記チョークコイルの他端との間に接続されても良い。発光ダイオードのカソード端子が基準電位に固定されることにより、アノード端子には発光ダイオードの順方向電圧以上の電圧は印加されないため、LED光源の取り外しや取替え時に安全に作業することができる。
前記発光ダイオードのカソード端子は前記整流ダイオードのアノード端子に接続され、
前記整流ダイオードのカソード端子は前記電圧源と前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、前記スイッチング駆動回路は、前記チョークコイルの他端と基準電位に接続されても良い。
上記のスイッチング駆動回路はスイッチング素子を有し、昇降圧コンバータを構成する。昇降圧型コンバータを用いることにより、電源電圧以上の電圧をLED光源へ出力することが可能となる。上記のスイッチング駆動回路はスイッチング素子がオンの期間にチョークコイルに電流が流れ磁気エネルギーが蓄えられる。次にスイッチング素子がオフになると、チョークコイルに蓄えられた逆起電力は発光ダイオードと整流ダイオードに流れて、LED光源は発光する。そしてスイッチング素子がオフして電流遮断期間から電流流通期間に移行する際に発光ダイオードに電流変動が発生するが、この際に発生するノイズ電流は容量素子を充電するため、発光ダイオードには過渡的に過大な電流は流れない。また、スイッチング素子がオンして電流流通期間から電流遮断期間に移行する際には、整流ダイオードの逆回復期間の間に逆回復電流が整流ダイオードから発光ダイオードに流れる。しかし発光ダイオードの容量素子が並列接続されているため、過渡的な逆電流は容量素子に流れて発光ダイオードには流れない。その結果、LED光源に流れる電流波形にはノイズ電流が重畳しないため、LED光源から発生するノイズが減少し、電圧源に伝達される雑音端子電圧を低減できる。また、LED光源から発生するノイズを低減するために複雑な保護回路を必要としないため、簡易で小型化が可能な発光ダイオード駆動装置を実現できる。
前記発光ダイオードはアノード端子を基準電位に接続され、カソード端子を前記整流ダイオードのアノード端子に接続され、前記整流ダイオードのカソード端子は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、前記スイッチング駆動回路は、電圧源と前記整流ダイオードのカソード端子との間に接続されてもよい。発光ダイオードのアノード端子が基準電位に固定されることにより、カソード端子には発光ダイオードの順方向電圧以上の電圧は印加されないため、LED光源の取り外しや取替え時に安全に作業することができる。
また前記容量素子は、少なくとも前記発光ダイオードの順方向電圧の総和以上の耐電圧を有し、少なくとも前記スイッチング素子がオン/オフする際に発生するノイズ電流を吸収するための静電容量値を有するとよい。より具体的には0.01μF以上の静電容量値を有すると良い。このようにノイズ電流を吸収するための容量素子をLED光源の両端子間に接続することにより、前記発光ダイオードにノイズ電流が流れることを防止できる。
また前記容量素子は、少なくとも前記発光ダイオードの順方向電圧の総和以上の耐電圧を有し、前記発光ダイオードに流れる電流の急激な増加/減少を抑制するために必要な充放電能力を備えているとよい。より具体的には1μF以上の静電容量値を有すると良い。
このような容量素子をLED光源の両端子間に接続することにより、急激な増加電流が印加されても容量素子を充電するための電荷エネルギーに変換されるため、LED光源に流れる電流波形は曲線状の緩やかな増加波形になる。また急激な減少電流波形となっても、電荷エネルギーを蓄えていた容量素子が放電を開始するので、LED光源に流れる電流波形は曲線状の緩やかな減少波形になる。このようにLED光源に流れる電流波形を安定化することができるので不要輻射ノイズが低減する。また急激な電流の増加減が無いのでLED光源に印加される電気的なストレスが減少して、LED光源の長寿命化につながる。さらにLED光源に流れる平均電流値はLED光源に使用する発光ダイオードの定格電流値に近い値まで許容できる。
電圧源が交流電圧を出力する交流電源の場合は、前記交流電圧を整流する整流回路を更に有しても良い。また前記交流電源と前記整流回路の間に、少なくともリアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路を接続しても良い。前記整流回路の高電位側は整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサが接続されていてもよい。
リアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路はローパスフィルタを形成するのでスイッチング駆動回路のスイッチング素子がオン/オフする際に発生するスイッチングノイズを効率的に低減できる。また整流後の入力電圧を平滑する平滑コンデンサを接続することにより、スイッチング駆動回路は安定して動作することが可能となる。
前記スイッチング駆動回路は前記チョークコイルへエネルギーの増加/減少を決定するスイッチング素子と、前記整流回路の高電位側に一端を接続された定電流源と、前記定電流源の他端に接続され、前記定電流源の出力電圧が所定値以上であれば起動信号を出力し、前記定電流源の出力電圧が所定値未満であれば停止信号を出力するレギュレータと、前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、前記発光ダイオードに流れる電流が一定になるように、前記電流検出回路の出力信号に基づいて前記スイッチング素子を所定の発振周波数で断続的にオン/オフ制御する制御回路と、前記レギュレータからの起動信号及び停止信号に基づいて、前記制御回路の起動と停止を制御する起動/停止回路とを有しても良い。
前記レギュレータに一端を接続され、他端を前記整流回路の基準電位又は前記ダイオードのカソード端子と前記チョークコイルの接続点に接続されたコンデンサを更に有しても良い。
レギュレータを有することにより、制御回路の動作中の基準電圧を一定に保つことができ、スイッチング素子の安定した制御を実現できる。
また基準電圧が所定値よりも小さい間、制御回路はスイッチング素子のオン/オフ制御を実施しない。基準電圧が所定値に達してから制御回路が動作を開始するように制御するため、制御回路は安定した動作をすることが出来る。
前記整流回路の高電位側から出力された電圧を検出し、検出した電圧を所定値と比較することにより、前記発光ダイオードの発光または消光を制御する発光信号又は消光信号を出力する入力電圧検出回路を更に有し、前記起動/停止回路は、前記レギュレータが停止信号を出力している場合は前記停止信号を出力し、前記レギュレータが起動信号を出力している場合は、前記入力電圧検出回路の発光信号又は消光信号を出力する構成としても良い。
また前記入力電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧が直接、又は前記整流回路の高電位側と前記入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗、又は前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗のうちの一箇所を介して印加され、直列に接続された複数の抵抗と、前記複数の抵抗によって分圧された直流電圧をプラス入力端子に入力され、基準となる入力基準電圧をマイナス入力端子に入力されるコンパレータと、を有しても良い。
以上のような構成にすることにより、交流電源の周波数の倍周期中(一般商用電源を使用した場合は100Hz/120Hz)で、発光ダイオードを発光させる期間と消光させる期間を正確に規定できる。また、整流回路の高電位側と入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗の抵抗値を変更したり、前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗値を変更することにより、整流回路の出力する電圧の変化に対して、スイッチング素子のオン/オフ制御が可能となる電圧レベルを任意に設定できる。また整流回路の高電位側に平滑コンデンサを使用して入力電圧を平滑した場合は、電源電圧の急激な変動により過大な電圧が印加された際に、スイッチング駆動回路やLED光源を保護することが可能となる。これにより安全で複雑な光度調整が可能な、電力変換効率の高い発光ダイオード駆動装置を実現できる。
前記入力電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧が直接、又は前記整流回路の高電位側と前記入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗、又は前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗のうちの一箇所を介して印加され、第1の分圧電圧及び前記第1の分圧電圧よりも低い第2の分圧電圧を出力する複数の抵抗と、前記第1の分圧電圧をプラス入力端子に入力し、基準となる入力基準電圧をマイナス入力端子に入力する第1のコンパレータと、前記第2の分圧電圧をマイナス入力端子に入力し、前記入力基準電圧をプラス入力端子に入力する第2のコンパレータと、前記第1及び第2のコンパレータの出力信号を入力するAND回路と、を有しても良い。以上のような構成にすることにより、整流回路の出力する電圧の変化に対して、スイッチング素子のオン/オフ制御が可能となる電圧レベルの上限値と下限値を正確に設定できる。また、整流回路の高電位側と入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗の抵抗値を変更したり、前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗値を変更することにより、整流回路の出力する電圧の変化に対して、スイッチング素子のオン/オフ制御が可能となる電圧レベルの上限値と下限値を任意に設定できる。また抵抗に高抵抗を使用することにより、入力電圧検出回路の抵抗による電力損失を少なくすることができる。また整流回路の高電位側に平滑コンデンサを使用して入力電圧を平滑した場合は、電源電圧の急激な変動によりスイッチング駆動回路が誤動作する前に安全にスイッチング駆動回路を停止することができる。
前記電流検出回路は、前記スイッチング素子のオン電圧を基準となる検出基準電圧と比較することにより前記スイッチング素子に流れる電流を検出しても良い。
これにより、電力損失を低減して、スイッチング素子の電流、すなわち発光ダイオードに流れる電流を検出することができる。
前記スイッチング駆動回路は、前記スイッチング素子の高電圧印加端子に一端を接続され、前記制御回路から前記スイッチング素子と同一の制御をされてスイッチング動作し、前記スイッチング素子に流れる電流よりも小さく、且つ前記スイッチング素子に流れる電流に対して一定の電流比の電流が流れる他のスイッチング素子と、前記他のスイッチング素子の他端と基準電位との間に直列接続された抵抗と、を更に有し、前記電流検出回路は、前記抵抗の両端電圧を基準となる検出基準電圧と比較することにより前記スイッチング素子の電流を検出しても良い。
この構成によれば、抵抗により直接大電流を検出しないため、電力損失を低減して、スイッチング素子の電流すなわち発光ダイオードに流れる電流のピーク値を検出できる。
前記電流検出回路に接続された外部検出端子を更に有し、前記外部検出端子に入力される前記検出基準電圧の値を変えることにより、前記スイッチング素子の断続的なオン・オフ制御におけるオン期間を変えて、前記発光ダイオードに流れる定電流レベルを調整しても良い。これにより、調光機能を有する発光ダイオード駆動装置を実現できる。
本発明の照明装置は請求項1から20の何れかに記載の発光ダイオード駆動装置を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、発光ダイオードへのノイズ電流の低減を図る保護回路とスイッチング駆動回路が一体となった駆動装置によって、発光ダイオードに流れるピーク電流値を制御でき、LEDが発生するノイズを低減し、LEDに流れる電流波形を安定化できるので、簡易な構成で電力損失の小さい照明装置を実現できる。
本発明の別の照明装置は、前記少なくとも1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源と前記LED光源の両端子間に並列に接続した容量素子でモジュールを形成し、前記発光ダイオード駆動装置の他の部分と脱着が可能としても良い。
この構成によれば、LED光源と容量素子をモジュール化しているので、LED光源が故障した場合にはLED光源部だけを交換することができる。また発光ダイオード駆動装置とLED光源の距離が離れている場合でも、LED光源に流れる電流波形を安定化できるので、安全な照明装置を実現できる。
本発明によれば、複雑な保護回路を必要とすることなく、LED光源に流れる電流波形に重畳されるノイズ電流を低減することができる。また、LED光源に流れる電流波形を安定化させることが可能で、LED光源自体が発生する雑音端子電圧や不要輻射ノイズを低減する発光ダイオード駆動装置を実現できるという有利な効果が得られる。また簡易な構成でLED光源に流れる電流のピーク値を制御でき、調光制御が可能な、高電力変換効率の発光ダイオード駆動装置、及びそれを用いた照明装置を実現できる。
以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施形態について、図面を参照して説明する。
《第1の実施形態》
図1から図4を用いて、本発明の第1の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図1に、第1の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。第1の実施形態の発光ダイオード駆動装置は、1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源2と、発光ダイオード2nのカソード端子に一端を接続されたチョークコイル5、及びアノード端子をチョークコイル5の他端に接続され、カソード端子を直流電源1の高電位端子と発光ダイオード2aのアノード端子とに接続された整流ダイオード4を有する。整流ダイオード4は、チョークコイル5に発生する逆起電力をLED光源2に供給する。この整流ダイオード4には逆回復時間の短い(例えば100ns以下である)高速整流ダイオード(FRD,Fast Recovery Diode)を使用することが望ましい。またLED光源2の両端子間には容量素子3が接続される。この容量素子3の定格電圧(耐電圧)はLED光源2で使用している発光ダイオードの順方向電圧の合計値よりも高い必要がある。そして発光ダイオード2aのアノード端子は、電圧源である直流電源1の高電位端子に接続される。LED光源2は、複数個の発光ダイオードが直列接続された発光ダイオード群である。しかし、発光ダイオードの数は図1に限定されず、1個以上の発光ダイオードであれば良い。
発光ダイオード駆動装置は、LED光源2に流れる電流を制御するスイッチング駆動回路8をさらに有する。スイッチング駆動回路8は、チョークコイル5に一端を接続され、他端を直流電源1の低電位端子に接続されて、直流電源1の出力電圧の印加/非印加を切り替えるスイッチング素子6、及びスイッチング素子6の制御端子に接続して、スイッチング素子6のオン/オフのタイミングを制御する制御回路ブロック7を有する。制御回路ブロック7は、スイッチング素子6に流れる電流を検出して、所定の発振周波数で断続的にスイッチング素子6のオン/オフを制御する。本実施形態ではスイッチング素子6としてMOSFETを使用した場合を述べるが、スイッチング素子6はこれに限定されるものではなく、IGBT、バイポーラトランジスタ等、様々なデバイスを用いることができる。
次に、本実施形態の発光ダイオード駆動装置の動作を、図2を参照して説明する。
図2は本実施形態の発光ダイオード駆動装置のスイッチング素子6がオン/オフする際の各部の電圧、電流波形を示したものである。上から、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形をそれぞれ表している。尚この場合の容量素子3の静電容量は0.01μF程度とする。また図2はスイッチング素子6のオン/オフのタイミングはいわゆる連続モード(continuance-mode)で動作している場合を表しているが、これに限定されるものではなく、非連続モード(non-continuance mode)で動作していてもよい。
制御回路ブロック7で決定された所望のタイミングに基づいてスイッチング素子6がオフからオンに移行すると、直流電源1の出力電圧VINが発光ダイオード2及びチョークコイル5に印加され、スイッチング素子6の電圧VDはスイッチング素子6のオン電圧Vonまで低下する。そしてLED光源2と容量素子3の並列接続回路とチョークコイル5を介してスイッチング素子6に電流が流れて、チョークコイル5には流れる電流に見合った磁気エネルギーが蓄積される。
スイッチング素子6がオンの間、LED光源2→チョークコイル5→スイッチング素子6の経路に電流が流れ、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は、直流電源1の出力電圧とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に増加する傾きを持った電流波形となる。
次にスイッチング素子6がオンからオフに移行すると、スイッチング素子6に流れていた電流が遮断され、チョークコイル5に蓄積された磁気エネルギーにより逆起電力が発生する。そして、チョークコイル5の両端子間はLED光源2の順方向電圧VLEDと整流ダイオード4の順方向電圧VFの合計値(VLED+VF)の電位差が発生する。この結果、スイッチング素子6の電圧VDは電圧(VIN+VF)まで瞬時に上昇する。スイッチング素子6がオフの間はチョークコイル5の逆起電力により、チョークコイル5→整流ダイオード4→LED光源2→チョークコイル5の経路に電流が流れる。LED光源2に流れる電流ILEDの波形は、整流ダイオード4の順方向電圧VFとLED光源2の順方向電圧VLEDの合計電圧(VF+VLED)とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に減少する傾きをもった電流波形となる。
仮に、次にスイッチング素子6がオフからオンに移行するまでにチョークコイル5に蓄積された磁気エネルギーが全て放出されると、チョークコイル5に電流Icoilが流れない期間が発生して、非連続モードでの動作となる。
ここでスイッチング素子6がオフからオンに移行する際の電流波形に注目する。スイッチング素子6がオフの期間には、整流ダイオード4のアノード端子の電圧は(VIN+VF)で、カソード端子の電圧は(VIN)で両端子間には順方向の電圧VFが印加していたが、スイッチング素子6がオンに移行すると整流ダイオード4のアノード端子の電圧、即ちスイッチング素子6の電圧VDは(Von)まで低下する。このため整流ダイオード4には逆方向電圧(VIN−Von)が印加される。
整流ダイオードの一般特性として、順方向電圧が印加されていた状態から急激に逆方向電圧が印加されると、一定期間は逆方向の電流Irrが流れる。この逆方向に電流が流れている期間を「逆回復時間」、流れる電流を「逆回復電流」と呼び、高速整流ダイオードはこの逆回復時間が短い。図2ではマイナス方向に流れる電流として表わされ、スイッチング素子6に流れ込む。さらにチョークコイル5や発光ダイオード2自体が有する寄生容量(図示せず)を充放電するために、チョークコイル5には振動電流Ivib1が流れる。
この時、従来の発光ダイオード駆動装置のようにLED光源2の両端子間に容量素子3が接続されていないと、上述のチョークコイル5による振動電流Ivib1がLED光源2にも流れるため、LED光源2の電流波形に過渡的に過大な電流が重畳される。
しかし、本発明の実施形態のようにLED光源2の両端子間に容量素子3が接続されていると、図2に示すように容量素子3に流れる電流が発生する。チョークコイル5に流れる振動電流Ivib1は容量素子3を充放電する。このため、容量素子3の電流波形ICには過渡的に過大な電流が重畳されるが、LED光源2の電流波形ILEDには過渡的に過大な電流が重畳されない。
スイッチング素子6がオフからオンに移行する際にチョークコイル5に発生する振動電流Ivib1を容量素子3で全て吸収するためには、チョークコイル5や発光ダイオード2自体が有する寄生容量を全て合計しても数百pF以下であるので、容量素子3は0.01μF以上の静電容量を有していれば十分である。
次にスイッチング素子6がオンからオフに移行する際の電流波形に注目する。図3にスイッチング素子6がオンからオフに移行する際の各部の波形を示す。上から、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形をそれぞれ表している。なお電流IDの波形と電流IFRDの波形は同じ横軸上に表示している。スイッチング素子6の電圧VDは、(Von)から(VIN+VF)までtrの時間をかけて変動する。それに伴いスイッチング素子6に流れる電流IDは急激に減少する。一方整流ダイオードに流れる電流IFRDはスイッチング素子6に流れる電流IDの減少に対応して略正反対に急激に増加する。その結果、チョークコイル5に流れる電流Icoilは電流IDと電流IFRDが交差する点でID波形からIFRDに乗り換えたような波形となり、その後チョークコイル5の振動電流が重畳されつつ、時間と共に減少する一定の傾きをもった電流波形となる。
このようにスイッチング素子6に流れる急激に減少する電流波形とチョークコイル5に生じた逆起電力により整流ダイオード4に流れる急激に上昇する電流波形が交差するまでに時間的な遅延が生じ、さらにチョークコイル5による振動電流が重畳されるため、チョークコイル5に流れる電流波形は過渡的に減少/増加する大きな振動電流Ivib2が重畳される。
ところで容量素子3にはスイッチング素子6がオンしている期間に電荷エネルギーが蓄積されている。そこでチョークコイル5に発生した振動電流は容量素子3に蓄積された電荷エネルギーから供給される。また容量素子3に蓄積された電荷エネルギーが十分でない場合でも、容量素子3は直流電源1から更に充電するので、容量素子3の電流波形ICには過渡的に振動電流Ivib2が重畳されるが、LED光源2の電流波形ILEDには過渡的な振動電流は重畳されない。
本実施形態のようにLED光源2の両端子間に容量素子3を接続すれば、スイッチング素子5がオン/オフする際に発生するノイズ電流は容量素子3が吸収するため、LED光源2に過渡的に振動電流が重畳されることは無く、また過大な電流が流れることはない。
また容量素子3の静電容量を増やすと、容量素子3の電流波形ICとLED光源2の電流波形ILEDは図4(a)のように変化する。図4(a)のスイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形は図2と同一の波形であるが、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は図2と異なる。
スイッチング素子6がオンしている期間にチョークコイル5とスイッチング素子6に流れる電流IcoilとIDは時間と共に増加する一定の傾きを持った波形となるが、これらの電流は容量素子3を充電しながら流れるため、LED光源2には差分の電流が流れる。即ちスイッチング素子6がオンしている期間にLED光源2に流れる電流ILEDは次式で示される。
LED=Icoil−IC
容量素子3の静電容量値が大きいほど容量素子3に蓄積できる電荷エネルギーは大きくなる。その結果、容量素子3に流れる電流ICの増加分は大きくなり、LED光源2に流れる電流ILEDの増加分は少なくなる。その結果、ILEDの電流波形は、電流ICがマイナス方向からプラス方向に流れる時に最小値となり、その後は緩やかに増加する波形となる。
また、スイッチング素子6がオフしている期間にチョークコイル5と整流ダイオード4に流れる電流IcoilとIFRDは時間と共に減少する一定の傾きを持った波形となる。一方容量素子3に蓄積されていた電荷エネルギーが残存していた場合は放電を開始するので、電流ICは徐々に減少していき、遂には図1の矢印とは逆方向に電流が流れる。LED光源2に流れる電流ILEDは、IFRDとICの差分となるので、徐々に増加していき電流ICがプラス方向からマイナス方向に流れる時に最大値となり、その後はIFRDよりも高い電流を保ちつつ徐々に減少する波形となる。
次に容量素子3の静電容量を十分大きくした(例えば10μF以上)場合の、各部の波形を図4(b)に示す。この場合、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形は図2と同一の波形であるが、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形がさらに変化する。チョークコイル5に流れる電流Icoilのピーク値をIPL、ボトム値をIBLとすると、リップル電流幅ΔILは次式で表せる。
ΔIL=IPL−IBL
また容量素子3に流れる電流ICのピーク値をIPC、ボトム値をIBCとすると、リップル電流幅ΔICは次式で表せる。
ΔIC=IPC−IBC
容量素子3の静電容量を大きくするとスイッチング素子6がオンしている期間に蓄積できる電荷エネルギーが増大する。またスイッチング素子6がオフしている期間に放電できる電荷エネルギーも増大する。容量素子3の充放電能力が十分であると、チョークコイル5に流れる電流Icoilのリップル電流幅ΔILと容量素子3に流れる電流ICのリップル電流幅ΔICは略同一となり、またチョークコイル5に流れる電流Icoilと容量素子3に流れる電流ICの電流波形の傾きも略同一となる。その結果、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は平坦化される。
図5(a)と図5(b)は容量素子3の静電容量を変更した場合の容量素子3に流れる電流ICの波形とLED光源2に流れる電流ILEDの波形の変化の様子を示したオシロスコープ波形である。図5(a)は1μFの容量素子3を接続した場合、図5(b)は10μFの容量素子3を接続した場合の波形であり、共に上からスイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形を示す。電圧VDの波形の表示は200V/divで、電流Icoilの波形、電流ICの波形及び電流ILEDの波形の表示は全て200mA/divである。横軸は時間を示し、20μs/divである。図4(a)及び図4(b)と同様の傾向の波形となっているのが分かる。
ここで、LED光源2に流れる電流ILEDの波形を平坦化するために必要な容量素子3の静電容量は一律に決定されない。LED光源2の接続個数、チョークコイル5のインダクタンス値、スイッチング素子6のオン抵抗、スイッチング周波数等の条件により、チョークコイル5に流れる電流Icoilが異なるからである。ただし、LED光源を安定に点灯させるためにはLED光源2に流れる電流ILEDの波形を完全に平坦にする必要は無い。
さらにLED光源2に流れる電流ILEDの波形を平坦化することにより、以下の別の効果が得られる。従来の発光ダイオード駆動装置では発光ダイオードの定格電流値以下の値でスイッチング素子に流れる電流を検出してスイッチング素子をオフさせる必要があった。LED光源に流れる電流波形はスイッチング素子が検出した電流値がピーク値となる脈流波形であるため、LED光源に流れる平均電流値はピーク値からリップル電流幅の1/2だけ低い値になる。すなわち、本来LED光源に流すことができる電流値よりも低い値になってしまう。しかし本発明の実施形態の発光ダイオード駆動装置の場合、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は略平坦化することが可能なので、発光ダイオードの定格電流値以上の値でスイッチング素子に流れる電流を検出してスイッチング素子をオフさせても、発光ダイオードには定格電流値以上の電流が流れる心配がない。その結果、LED光源に流れる平均電流値は発光ダイオードの定格電流値付近まで上げることができるので、LED光源の能力を最大限に発揮することが可能となる。
なお本実施形態の図1においては、電圧源としての直流電源1を使用したが、これに限定されるものではなく、交流電源と交流電圧を整流する整流回路を使用してもよい。
また交流電源と整流回路の間に、少なくともリアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路を接続しても良い。また整流回路の高電位側は整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサが接続されていてもよい。
リアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路はローパスフィルタを形成するのでスイッチング駆動回路のスイッチング素子がオン/オフする際に発生するスイッチングノイズを効率的に低減できる。また整流後の入力電圧を平滑する平滑コンデンサを接続することにより、スイッチング駆動回路は安定して動作することが可能となる。これらの効果は以降に示す実施の形態においても同様である。
《第2の実施形態》
図6を用いて、本発明の第2の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。本発明の第2の実施形態の発光ダイオード駆動装置に含まれる構成要素は、第1の実施形態の発光ダイオード駆動装置に含まれる構成要素と同一であるが、各構成要素の接続関係が以下のように異なる。以降の説明において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。
本実施形態のスイッチング駆動回路8のスイッチング素子6の高電位側端子は直流電源1の高電位側端子に接続され、低電位側端子はチョークコイル5の一端に接続される。チョークコイル5の他端は発光ダイオード2aのアノード端子に接続される。整流ダイオード4はカソード端子をスイッチング素子6の低電位側端子とチョークコイル5に接続され、アノード端子を発光ダイオード2nのカソード端子に接続される。発光ダイオード2nのカソード端子と整流ダイオード4のアノード端子は、直流電源1の低電位側端子に接続される。そしてLED光源2の両端子間には容量素子3が接続される。
次に、本実施形態の発光ダイオード駆動装置の動作を説明する。制御回路ブロック7で決定された所望のタイミングに基づいてスイッチング素子6がオフからオンに移行すると、直流電源1の出力電圧VINが発光ダイオード2及びチョークコイル5に印加され、スイッチング素子6の低電位側端子と基準電位間の電圧を電圧Vsとすると、スイッチング素子6のオン電圧Vonだけ低い電圧となる。即ち電圧Vsの電位は(VIN−Von)となる。そしてスイッチング素子6に流れた電流はチョークコイル5を介してLED光源2と容量素子3の並列接続回路に流れ、チョークコイル5には流れる電流に見合った磁気エネルギーが蓄積される。
スイッチング素子6がオンの間、スイッチング素子6→チョークコイル5→LED光源2の経路に電流が流れ、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は、直流電源1の出力電圧とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に増加する傾きを持った電流波形となる。
次にスイッチング素子6がオンからオフに移行すると、直流電源1の出力電圧VINの印加が遮断され、スイッチング素子6に流れていた電流が遮断されるので、チョークコイル5に蓄積された磁気エネルギーにより逆起電力が発生する。そして、チョークコイル5の両端子間はLED光源2の順方向電圧VLEDと整流ダイオード4の順方向電圧VFの合計値(VLED+VF)の電位差が発生する。この結果、スイッチング素子6の電圧VDの電位は(−VF)となる。
スイッチング素子6がオフの間はチョークコイル5の逆起電力により、チョークコイル5→LED光源2→整流ダイオード4→チョークコイル5の経路に電流が流れる。LED光源2に流れる電流ILEDの波形は、整流ダイオード4の順方向電圧VFとLED光源2の順方向電圧VLEDの合計電圧(VF+VLED)とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に減少する傾きをもった電流波形となる。
発光ダイオード2nのカソード端子は直流電源1の低電位側端子に接続されており、常に基準電位である。
以上のように、スイッチング素子6、チョークコイル5、LED光源2に流れる電流波形は図2の第1の実施形態の場合と同様の波形となる。また容量素子3に流れる電流波形も同様であり、第1の実施形態の場合と同一の効果が期待できる。
さらに本実施形態では、LED光源2がスイッチング駆動回路8の低電位側と直流電源1の基準電位との間に接続されているため、発光ダイオード2nのカソード端子の電圧は基準電位に固定される。発光ダイオード2aのアノード端子には、LED光源2の順方向電圧VLED以上の電圧が印加されないため、発光ダイオードの取り外し、取替え時に安全に作業することができる。
《第3の実施形態》
図7から図9を用いて、本発明の第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図7に、第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。
第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置は、第1の実施形態と比較して以下の点が異なる。直流電源1の基準電位にスイッチング駆動回路8のスイッチング素子6の低電位側端子が接続され、スイッチング素子6の高電位側端子がチョークコイル5の一端に接続されるのは第1の実施形態と同様であるが、チョークコイル5の他端は直流電源1の高電位側端子に接続される。そしてスイッチング素子6の高電位側端子とチョークコイル5の一端に発光ダイオード2aのアノード端子が接続され、発光ダイオード2nのカソード端子に整流ダイオード4のアノード端子が接続され、整流ダイオード4のカソード端子は直流電源1の高電位側端子に接続される。そしてLED光源2の両端子間には容量素子3が接続される。なお、LED光源2と容量素子3の並列回路部と整流ダイオード4の直列接続順序が逆でも同様の効果が得られる。
次に、本実施形態の発光ダイオード駆動装置の動作を、図8を参照して説明する。
図8は本実施形態の発光ダイオード駆動装置のスイッチング素子6がオン/オフする際の各部の電流波形を示したものである。上から、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形をそれぞれ表している。第1の実施形態の図2と比較すると、スイッチング素子6に流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形、チョークコイル5に流れる電流Icoilの波形は同様の波形となるが、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、容量素子3に流れる電流ICの波形、LED光源2に流れる電流ILEDの波形は大きく異なる。尚、図8の容量素子3の静電容量は1μF程度とする。
制御回路ブロック7で決定された所望のタイミングに基づいてスイッチング素子6がオフからオンに移行すると、直流電源1の出力電圧VINがチョークコイル5に印加されスイッチング素子6の電圧VDはスイッチング素子6のオン電圧Vonまで低下する。そしてチョークコイル5を介してスイッチング素子6に電流が流れて、チョークコイル5には流れる電流に見合った磁気エネルギーが蓄積される。スイッチング素子6がオンの間、チョークコイル5とスイッチング素子6に流れる電流波形は直流電源1の出力電圧とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に増加する傾きを持った電流波形となる。
次にスイッチング素子6がオンからオフに移行すると、スイッチング素子6に流れていた電流が遮断され、チョークコイル5に蓄積された磁気エネルギーにより逆起電力が発生する。そして、チョークコイル5の両端子間はLED光源2の順方向電圧VLEDと整流ダイオード4の順方向電圧VFの合計値(VLED+VF)の電位差が発生する。この結果、スイッチング素子6の電圧VDは電圧(VIN+VLED+VF)まで瞬時に上昇する。スイッチング素子6がオフの間はチョークコイル5の逆起電力により、チョークコイル5→LED光源2→整流ダイオード4→チョークコイル5の経路に電流が流れる。LED光源2に流れる電流ILEDの波形は、LED光源2の順方向電圧VLEDと整流ダイオード4の順方向電圧VFの合計電圧(VLED+VF)とチョークコイル5のインダクタンス値Lで決定される、時間と共に減少する傾きをもった電流波形となる。
ここでスイッチング素子6がオンからオフに移行する際の電流波形に注目する。第1の実施の形態の場合と同様に、チョークコイル5に流れる電流Icoilは、スイッチング素子6に流れる急激に減少する電流波形とチョークコイル5に生じた逆起電力により整流ダイオード4に流れる急激に上昇する電流波形が交差するまでに時間的な遅延が生じたために発生する過渡的に減少/増加する波形と、チョークコイル5による振動電流が重畳される。従来の発光ダイオード駆動装置の場合、LED光源2と整流ダイオード4にはチョークコイル5による振動電流Ivib2'が重畳される。しかし、本発明の実施形態のようにLED光源2の両端子間に容量素子3が接続されていると、チョークコイル5の逆起電力は容量素子3を充電して電荷エネルギーとして蓄積される。またチョークコイル5の振動電流Ivib2’は容量素子3に流れる。そのため、スイッチング素子6がオンからオフに移行した直後の急激な電流変化は容量素子3を介して整流ダイオードに流れる。その後、逆起電力はチョークコイル4→LED光源2→整流ダイオード4→チョークコイル4の閉ループで消費されるので増加しない。そのため容量素子は蓄積された電荷エネルギーを放電する。これらの結果、LED光源2に流れる電流ILEDの波形はチョークコイル5に流れる電流Icoilから容量素子3に流れる電流ICを引いた電流波形となるので、急激な増加波形やノイズ電流が重畳されない。なお、整流ダイオード4に流れる電流IFRDは容量素子3に流れる電流ICとLED光源2に流れる電流ILEDの合成波形となるので、急激な電流変動と振動電流Ivib2’が重畳される。
次にスイッチング素子6がオフからオンに移行する際の電流波形に注目する。図9にスイッチング素子6がオフからオンに移行する際の各部の電圧及び電流波形を示す。上から、スイッチング素子6の高電位側端子と基準電位間の電圧VDの波形、スイッチング素子6の高電位側端子を流れる電流IDの波形、整流ダイオード4に流れる電流IFRDの波形である。
スイッチング素子6がオフの期間には、逆起電力によりチョークコイル5の両端子間は(VLED+VF)の電位差が発生する。そのため整流ダイオード4のアノード端子の電圧は(VIN+VF)で、カソード端子の電圧は(VIN)で両端子間には順方向の電圧VFが印加されていたが、スイッチング素子6がオンに移行すると発光ダイオード2aのアノード端子、即ちスイッチング素子6の電圧VDは(Von)まで低下する。このため整流ダイオード4とLED光源2の直列回路には逆方向電圧(VIN−Von)が印加される。
整流ダイオード4は順方向電圧が印加されていた状態から急激に逆方向電圧が印加されるので、第1の実施形態と同様に一定期間trrの間に逆回復電流Irrが流れる。図9では整流ダイオードに流れる電流IFRDの波形が急激に変化してから回復するまでの期間をtrr’、その期間に流れる電流値をIrr’として示す。従来の発光ダイオード駆動装置の場合、逆回復電流Irrが流れる経路は整流ダイオード→LED光源2→スイッチング素子6となり、スイッチング素子6に過渡的に過大な電流が重畳される。
ところで発光ダイオードに逆方向の電流が流れるのは一部の市販製品を除き許容されておらず、一般的に好ましくない。しかし、本発明の実施形態のようにLED光源2の両端子間に容量素子3が接続されていると、整流ダイオード4に流れる急激に変化する電流Irr’は容量素子3を充放電する。このため、容量素子3の電流波形ICには過渡的に過大な電流が重畳されるが、LED光源2の電流波形ILEDには過渡的に過大な電流が重畳されない。
容量素子3はスイッチング素子6がオンからオフに移行する際に発生する急激な電流Irr’と振動電流Ivib2’を吸収するために十分な静電容量値を必要とする。またLED光源2に流れる電流ILEDの波形の安定化のためには、スイッチング素子6がオンしている期間もLED光源2の順方向電圧「VLED」が印加されている必要があり、この期間に放電し続けることができるだけの静電容量値を必要とする。
本実施形態のようにLED光源2の両端子間に容量素子3を接続すれば、スイッチング素子5がオン/オフする際に発生するノイズ電流は容量素子3が吸収するため、LED光源2に過渡的に振動電流が重畳されることは無く、また過大な電流が流れることはない。また容量素子3の静電容量値を十分大きくすることにより、LED光源2に流れる電流ILEDの波形を安定化することができる。また本実施形態のスイッチング駆動回路は昇降圧コンバータを構成する。昇降圧型コンバータを用いることにより、電源電圧以上の電圧をLED光源へ出力することが可能となる。
《第4の実施形態》
図10を用いて、本発明の第4の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図10に、第4の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。第4の実施形態の発光ダイオード駆動装置に含まれる構成要素は、第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置に含まれる構成要素と同一であるが、各構成要素の接続関係が以下のように異なる。
本実施形態のスイッチング駆動回路8のスイッチング素子6の高電位側端子は直流電源1の高電位側端子に接続され、低電位側端子はチョークコイル5の一端に接続される。チョークコイル5の他端は直流電源1の基準電位に接続される。発光ダイオード2aのアノード端子は直流電源1の基準電位に接続され、発光ダイオード2nのカソード端子に整流ダイオード4のアノード端子が接続され、整流ダイオード4のカソード端子はスイッチング素子6の低電位側端子とチョークコイル5の一端に接続される。そしてLED光源2の両端子間には容量素子3が接続される。なお、LED光源2と容量素子3の並列回路部と整流ダイオード4の直列接続順序が逆でも同様の効果が得られる。
本実施形態の発光ダイオード駆動装置は第3の実施形態と比較してスイッチング駆動回路8の接続位置が異なるだけで、スイッチング素子6、チョークコイル5、LED光源2、容量素子3に流れる電流波形は第3の実施形態の場合と同様の波形となり、第3の実施形態の場合と同一の効果が期待できる。さらに本実施形態では、LED光源2がスイッチング駆動回路8の低電位側と直流電源1の基準電位との間に接続されているため、発光ダイオード2aのアノード端子の電圧は基準電位に固定される。発光ダイオード2nのカソード端子には、LED光源2の順方向電圧VLED以上の電圧が印加されないため、発光ダイオードの取り外し、取替え時に安全に作業することができる。
《第5の実施形態》
図11及び図12を用いて、本発明の第5の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図11に、第5の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。第5の実施形態は、第1の実施形態の制御回路ブロック7の一例を具体的に示すものである。
また、第5の実施形態における電圧源は第1の実施形態と異なり、交流電圧を発生する交流電源10を用い、交流電源10に整流回路9が接続される。整流回路9は、本実施形態において全波整流回路であり、全波整流した直流電圧VINを出力する。整流回路9の高電位側は、スイッチング駆動回路8の入力端子INと発光ダイオード2aのアノード端子と整流ダイオード4のカソード端子及び容量素子3の一端に接続され、整流回路9の低電位側はスイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEに接続される。
本実施形態のスイッチング駆動回路8は、入力端子IN、高電位側端子DRN、低電位側端子GND−SRCE、及び基準電圧端子VCCを有する。入力端子INは、整流回路9の高電位側に接続され、直流電圧VINを印加される。高電位側端子DRNは、チョークコイル5と整流ダイオード4のアノード端子の接続点に接続される。低電位側端子GND−SRCEは、制御回路ブロック7のグランド端子GNDと接続されてグランド電位(基準電位)となる。本実施形態の発光ダイオード駆動装置において、基準電圧端子VCCと低電位側端子GND−SRCEとの間にコンデンサ25が接続される。
スイッチング駆動回路8は、スイッチング素子6と制御回路ブロック7とを有する。スイッチング素子6は、高電位側端子DRNと低電位側端子GND−SRCEとの間に接続される。スイッチング素子6の制御端子は、制御回路ブロック7の出力端子GATEに接続される。
本実施形態の制御回路ブロック7は、直流電圧VINを入力し一定の基準電圧VCCを出力するための定電流源14及びレギュレータ19、スイッチング素子6に流れる電流を検出する電流検出回路12、基準電圧VCCを印加されて駆動し、電流検出回路12の出力に基づいてスイッチング素子6のオン/オフを制御する制御回路50、並びに、直流電圧VINに基づいて制御回路50の動作を制限する入力電圧検出回路18及び起動/停止回路11を有する。制御回路ブロック7は、さらにスイッチング駆動回路8の入力端子INに接続された入力端子VJを有する。
定電流源14は入力端子VJとレギュレータ19の一端との間に接続される。なお、定電流源14に接続される入力端子VJは、スイッチング駆動回路8の入力端子INの代わりに高電位側端子DRNに接続されても良い。定電流源14は電圧VJをレギュレータ19に出力する。
レギュレータ19の他端は基準電圧端子VCCに接続され、基準電圧端子VCCに基準電圧Vccを出力する。レギュレータ19は、電圧VJを所定の電圧値である起動電圧(図12の起動電圧VCC0)と比較して、電圧VJが起動電圧より小さければ電圧VJをそのまま基準電圧Vccとして出力し、電圧VJが起動電圧VCC0以上であれば一定の電圧値VCC0の基準電圧Vccを出力する。基準電圧Vccはコンデンサ25に蓄積される。制御回路ブロック7の内部回路は、基準電圧Vccが電圧値VCC0に達すると動作を開始する。
さらに、レギュレータ19は電圧VJが起動電圧VCC0よりも小さければ、停止信号であるロウ(L)信号を起動/停止回路11に出力し、起動/停止回路11がスイッチング素子6のオン/オフ制御を開始しないように制御する。また、レギュレータ19は電圧VJが起動電圧VCC0以上であれば、起動信号であるハイ(H)信号を起動/停止回路11に出力し、起動/停止回路11がスイッチング素子6のオン/オフ制御を開始するように制御する。
制御回路ブロック7は、さらにグランド電位となるグランド端子GNDを有する。グランド端子GNDは、スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEに接続される。
入力電圧検出回路18は、入力端子INとグランド端子GNDとの間に直列に接続された抵抗15及び抵抗16と、抵抗15及び抵抗16の中間接続点の電圧を所定値である入力基準電圧Vstと比較するコンパレータ17とを有する。抵抗15及び抵抗16は、入力端子INに入力された直流電圧VINを分圧し、分圧電圧VIN18を出力する。コンパレータ17のプラス入力端子は、抵抗15及び抵抗16の中間接続点に接続されて、分圧電圧VIN18を入力する。コンパレータ17のマイナス入力端子は、入力基準電圧Vstを入力する。コンパレータ17は分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vstより小さければロウ(L)信号を出力し、分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vst以上であればハイ(H)信号を出力する。入力電圧検出回路18の出力するロウ信号は、発光ダイオード2nを消光させるための消光信号であり、ハイ信号は発光ダイオード2nを発光させるための発光信号である。コンパレータ17の出力端子は起動/停止回路11に接続される。
起動/停止回路11は、レギュレータ19と入力電圧検出回路18のコンパレータ17の出力端子から出力される信号を入力する。起動/停止回路11の出力は、制御回路50のAND回路20に接続される。起動/停止回路11は、レギュレータ19から停止信号を入力している間は停止信号をAND回路20に出力し、レギュレータ19から起動信号を入力している間は入力電圧検出回路18の発光信号又は消光信号をAND回路20に出力する。すなわち、起動/停止回路11は、レギュレータ19と入力電圧検出回路18から入力された信号が両方ハイ信号のときにハイ信号を出力し、入力された信号のいずれかがロウ信号であればロウ信号を出力する。
電流検出回路12は、プラス入力端子を高電位側端子DRNに接続されて、スイッチング素子6のオン電圧Vonを入力し、マイナス入力端子に基準となる検出基準電圧Vsnを入力するコンパレータである。電流検出回路12は、オン電圧Vonが検出基準電圧Vsnよりも小さければロウ信号を出力し、オン電圧Vonが検出基準電圧Vsn以上であればハイ信号を出力する。スイッチング素子6のオン電圧Vonを電流検出回路12の検出基準電圧Vsnと比較することにより、スイッチング素子6に流れる電流IDは検出される。
制御回路50は、発振器13、AND回路20及び24、OR回路23、RSフリップフロップ回路22、及びオン時ブランキングパルス発生器21を有する。
発振器13は、マックスデューティ信号MXDTYとクロック信号CLKとを出力する。スイッチング素子6の発振周波数及びMAXオンデューティーは、発振器13のクロック信号CLK及びマックスデューティ信号MXDTYにより規定される。
AND回路24の入力端子は、電流検出回路12の出力端子とオン時ブランキングパルス発生器21の出力端子に接続され、AND回路24の出力端子はOR回路23の一方の入力端子に接続される。
OR回路23の他方の入力端子には、発振器13のマックスデューティ信号MXDTYの反転信号が入力される。
RSフリップフロップ回路22は、リセット信号端子RをOR回路23の出力端子に接続され、セット信号端子Sに発振器13のクロック信号CLKを入力される。
AND回路20の入力端子は、起動/停止回路11と、発振器13のマックスデューティ信号MXDTYを出力する出力端子と、RSフリップフロップ回路22の出力端子Qに接続される。
制御回路ブロック7は、スイッチング素子6の制御端子に接続される出力端子GATEを有し、AND回路20の出力端子が出力端子GATEに接続される。
オン時ブランキングパルス発生器21は、一端をAND回路20と出力端子GATEとの接続点に接続される。オン時ブランキングパルス発生器21は、AND回路20の出力信号を入力し、スイッチング素子6がオフからオンに切り替わってからある一定の時間(例えば数百nsec)ロウ信号を出力する。オン時ブランキングパルス発生器21は、それ以外はハイ信号を出力する。本実施形態は、オン時ブランキングパルス発生器21の出力信号と電流検出回路12の出力信号をAND回路24に入力することで、スイッチング素子6のオフ状態からオン状態に移行するときに発生するリンギングによるスイッチング素子6のオン/オフ制御の誤動作を防いでいる。
次に、図12を用いて、本実施形態の発光ダイオード駆動装置の動作を説明する。図12は本実施形態の発光ダイオード駆動装置における、整流回路9の出力する直流電圧VINの波形と、LED光源2に流れる電流ILEDの波形と、基準電圧VCCの波形を示した図である。図12の横軸は、時間である。整流回路9の出力する直流電圧VINは、図12のように交流電圧を全波整流した波形となる。
直流電圧VINが入力端子INを介して入力端子VJに印加されると、定電流源14の出力する電圧VJは電圧VINの上昇とともに上昇する。電圧VJが上昇すると、レギュレータ19により基準電圧Vccは上昇する。基準電圧Vccが起動電圧VCC0に達するまでの間、レギュレータ19は停止信号であるロウ信号を起動/停止回路11に出力しているため、スイッチング素子6のオン/オフ制御は行われない(停止期間T3)。
電圧VJが起動電圧VCC0に達すると、レギュレータ19は電圧値VCC0の基準電圧Vccを出力し、制御回路ブロック7の内部回路は動作を開始する(起動期間T4)。発振器13はマックスデューティ信号MXDTYとクロック信号CLKの出力を開始する。レギュレータ19は起動信号であるハイ信号を起動/停止回路11に出力する。これによりスイッチング素子6の制御が開始される。すなわち起動/停止回路11は入力電圧検出回路18から出力される発光信号又は消光信号に基づいて、発光ダイオード2nの発光期間T1又は消光期間T2を制御する。
入力電圧検出回路18のコンパレータ17は分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vstに達すると、起動/停止回路11に発光信号としてハイ信号を出力し、起動/停止回路11はハイ信号をAND回路20に出力する(発光期間T1)。これにより、制御回路50によるスイッチング素子6のオン・オフが制御され、発光ダイオード2nは発光する。
本実施形態において、電圧VJが電圧値VCC0に達する時の電圧VINの電圧値VIN2よりも分圧電圧VIN18が基準電圧Vstに達する時の電圧VINの電圧値VIN1のほうが高くなるように設定する。
入力電圧検出回路18のコンパレータ17は、分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vstを下回ると、起動/停止回路11に消光信号としてロウ信号を出力し、起動/停止回路11はロウ信号をAND回路20に出力する(消光期間T2)。これによりスイッチング素子6はオフ状態に保たれ、発光ダイオード2nは消光する。
すなわち、分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vst以上の発光期間T1に、スイッチング素子6の断続的なオン/オフ制御は実行され、発光ダイオード2nは発光する。分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vst以下の消光期間T2に、スイッチング素子6のオン/オフ制御は停止され、発光ダイオード2nは消光する。定電流ILEDは発光期間T1に発光ダイオード2nに流れ、消光期間T2には流れない。
レギュレータ19の出力する基準電圧Vccはコンデンサ25に蓄積される。レギュレータ19は電圧VJが起動電圧VCC0以上になる起動期間T4の間、基準電圧Vccが常に一定の電圧VCC0になるように制御する。また、レギュレータ19は、電圧VINが小さくなり電圧VJが再度電圧値VCC0よりも小さくなる起動期間T5において、基準電圧Vccが低下しないようにコンデンサ25の容量値を適切に設定する。基準電圧Vccが起動電圧VCC0に保たれている起動期間T4及びT5の間、スイッチング素子6のオン/オフ制御がなされ、発光ダイオード2は発光/消光を繰り返す。
次に、発光期間T1における、本実施形態の発光ダイオード駆動装置の定電流出力動作について説明する。発光期間T1における各電圧・各電流の波形は、図12のようになる。
発光期間T1における、スイッチング素子6の発振周波数及びMAXオンデューティーは、発振器13のクロック信号CLK及びマックスデューティ信号MXDTYにより規定される。
スイッチング素子6がオンの間、スイッチング素子6の電圧VDは電圧値Vonとなる。オン電圧Vonが電圧値Vsnに達すると、電流検出回路12はハイレベルの信号を出力する。このハイレベルの信号は、AND回路24を介してOR回路23に入力され、OR回路23はハイレベルの信号を出力する。また、オン電圧Vonが電圧値Vsnに達しなくても、マックスデューティ信号MXDTYの反転信号がハイレベルとなると、OR回路23はハイレベルの信号を出力する。このハイレベルの信号は、RSフリップフロップ22のリセット信号端子Rに入力される。RSフリップフロップ22はリセットし、AND回路20にロウレベルの信号を出力する。AND回路20がロウレベルの信号を出力することにより、スイッチング素子6はオフ状態になる。
発振器13のクロック信号CLKがRSフリップフロップ22のセット信号端子Sに入力されると、スイッチング素子6はオン状態になる。
オン時ブランキングパルス発生器21は、スイッチング素子6がオフからオンに切り替わってからある一定の時間ロウ信号を出力する。ロウ信号は、AND回路24に入力されるため、スイッチング素子6のオン/オフの制御は、電流検出回路12の出力信号に影響されない。一定の時間が経過すると、オン時ブランキングパルス発生器21はハイ信号を出力する。スイッチング素子6のオン/オフは、電流検出回路12の出力信号に基づいて、制御される。
スイッチング素子6のオン電圧Vonが電圧値Vsnに達するか、又はマックスデューティ信号MXDTYの反転信号がハイレベルとなると、OR回路23はハイレベルの信号を出力し、RSフリップフロップ22はリセットする。これにより、再びスイッチング素子6はオフ状態になる。
即ち、スイッチング素子6のオンデューティーは、発振器13のマックスデューティ信号MXDTYの反転信号と電流検出回路12の出力信号が入力されたOR回路23の出力信号により規定される。
以上のように、制御回路ブロック7によるスイッチング素子6の断続的なオン/オフ制御が図12の発光期間T1になされると、発光ダイオード2nに流れる電流ILEDは図2に示すようになる。
スイッチング素子6がオンのとき、LED光源2→チョークコイル5→スイッチング素子6の向きに電流ILEDがLED光源2に流れる。スイッチング素子6がオフのとき、電流ILEDはチョークコイル5→整流ダイオード4→LED光源2の閉ループを流れる。
ここで、本実施形態におけるLED光源2に流れる電流ILEDの波形は実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
なお、図11においては、検出基準電圧Vsnは所定の電圧値であったが、検出基準電圧Vsnを外部から入力するための外部検出端子(図示せず)をスイッチング駆動回路8に設けても良い。この場合、検出基準電圧Vsnの電圧値を任意に設定し変更することにより、スイッチング素子6に流れる電流IDのピーク電流値を変えることができる。これにより、LED光源2に流れる電流ILEDの電流値を変えることができ、調光機能を有する発光ダイオード駆動装置を実現できる。
また、入力基準電圧Vstは所定の電圧値であったが、入力基準電圧Vstを外部から入力するための外部接続端子(図示せず)をスイッチング駆動回路8に設けても良い。入力基準電圧Vsnの電圧値を任意に設定し変更することにより、発光ダイオード2nに電流ILEDが流れる発光期間T1の長さを簡単に調整できる。
また、交流電源10に商用電源を使用した場合、倍周期中(100Hz/120Hz)で発光期間T1と消光期間T2を簡単に調整でき、白色発光ダイオードの色度と光度を簡単に調整できる。
本実施形態の発光ダイオード駆動装置を使用した場合、さらに以下の効果がある。本実施形態のスイッチング駆動回路は、電力供給のための抵抗が不要なため、起動時の電力損失がない。一般的に、スイッチング駆動回路に対する電力供給は、入力電圧(高電圧)から直流的に抵抗を介して行われる。この電力供給は起動・停止のみならず、通常動作中も同じように行われるため、抵抗での電力損失が発生する。しかし、本実施の形態の構成によれば、このような抵抗は不要である。
さらに、LED光源2に流れる電流値を検出するための検出抵抗が不要となり、スイッチング素子6に流れる電流IDを、スイッチング素子6のオン電圧Vonを利用して電流検出回路12により検出するため、検出抵抗による電力損失は発生しない。
また、図11において、スイッチング駆動回路8をIC化することで、特にスイッチング駆動回路8中のスイッチング素子6と制御回路ブロック7を同一基板上に形成してIC化することで、発光ダイオード駆動装置の更なる小型化が実現できる。これは、以降に示す実施の形態においても同様である。
また、図11において、交流電圧を整流する手段として全波整流回路9を使用したが、半波整流回路を使用しても同様の効果が得られるのは明白である。これは、以降に示す実施の形態においても同様である。
なお、スイッチング素子6の高電位側端子DRNと低電位側端子GND−SRCEにツェナーダイオードなどのクランプ回路を並列接続してもよい。制御回路ブロック7によるスイッチング素子6の断続的なオン/オフ制御において、スイッチング素子6がオン状態からオフ状態へ移行するときに、スイッチング素子6の高電位側電圧VDが、配線容量や配線インダクタンスで生ずるリンギングによりスイッチング素子6の耐圧を超える電圧となる場合がある。この場合、スイッチング素子6の破壊につながるおそれがある。このような場合に、スイッチング素子6の耐圧よりも低いクランプ電圧を有するクランプ回路を並列に接続することで、スイッチング素子6の電圧VDをこのクランプ電圧でクランプし、スイッチング素子6の破壊を防ぐことが可能になる。これにより、更に安全性の高い発光ダイオード駆動装置を実現できる。以下の実施の形態においても同様に、クランプ回路を追加することで同様の効果を得ることができる。
なお、スイッチング素子6がオフ状態からオン状態に移行する過渡状態において、整流ダイオード4の逆回復時間(Trr)が遅いと電力損失が大きくなるため、本実施形態の整流ダイオード4の逆回復時間(Trr)は100nsec以下である。
また、交流電源10と整流回路9の間に、少なくともリアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路(図示せず)を接続しても良い。本実施形態の発光ダイオード駆動装置のスイッチング駆動回路のようにスイッチング素子6を一定周波数で動作させた場合は雑音端子電圧が増大しやすい。
そこで、リアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路を接続すると、ローパスフィルタを形成するのでスイッチング駆動回路のスイッチング素子がオン/オフする際に発生するスイッチングノイズを効率的に低減できる。
さらに、整流回路9の高電位側と低電位側に整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサ(図示せず)が接続されていてもよい。この場合、通常動作時において直流電圧VINはあるリップル電圧幅を持った直流電圧とみなすことができるため、図12の停止期間T3の後は発光期間T1の電圧に保持される。しかし、動作中に異常動作が発生して入力電圧が低下した場合には、入力電圧検出回路18によって直流電圧VINの低下を検出して、消光期間T2に移行できる。
この場合、起動/停止回路11は、上述したように再度分圧電圧VIN18が入力基準電圧Vst以上になるとハイ信号を出力して発光期間T1に移行するのではなく、一度消光期間T2となると交流電源が停止するなどして入力電圧VINが低下して基準電圧Vccが起動電圧VCC0よりも下がった後に、再度交流電源が印加されるなどして基準電圧Vccが起動電圧VCC0に達するまでロウ信号を保持してもよい。
起動/停止回路11の動作を上述のようにすると、発光ダイオード駆動装置の安全性が向上する。
これらの効果は以降に示す実施の形態においても同様である。
《第6の実施形態》
図13を用いて、本発明の第6の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図13に、第6の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。第6の実施形態は、第2の実施形態の制御回路ブロック7の一例を具体的に示すものである。すなわち、スイッチング駆動回路8の高電位側端子DRNと入力端子INは、整流回路9の高電位側に接続され、スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEはチョークコイル5の一端に接続され、チョークコイル5の他端は発光ダイオード2aのアノード端子に接続される。第6の実施形態の制御回路ブロック7の内部回路は、第5の実施形態の制御回路ブロック7の内部回路と同一である。
第6の実施形態における電圧源は第5の実施形態と同様に、交流電圧を発生する交流電源10を用い、交流電源10に整流回路9が接続される。整流回路9は、本実施形態において全波整流回路であり、全波整流した直流電圧VINを出力する。
本実施形態において、整流回路9の高電位側は、スイッチング駆動回路8の入力端子IN及び高電位側端子DRNに接続される。スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEはチョークコイル5の一端と整流ダイオード4のカソード端子に接続される。チョークコイル5の他端は発光ダイオード2aのアノード端子に接続される。発光ダイオード2nのカソード端子と整流ダイオード4のアノード端子は整流回路9の低電位側端子に接続される。容量素子3はLED光源2の両端子間に接続される。
スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEは、制御回路ブロック7のグランド端子GNDに接続されて、スイッチング駆動回路8の基準電位となる。基準電圧端子VCCと低電位側端子GND−SRCEの間にコンデンサ25が接続される。
以上のように構成することにより、スイッチング駆動回路8をLED光源2より高電位側に配置する回路構成においても、第3の実施形態と同一のスイッチング駆動回路7を使用することができる。本実施形態は、第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また発光ダイオード2aのアノード端子には、LED光源2の順方向電圧VLED以上の電圧が印加されないため、発光ダイオードの取り外し、取替え時に安全に作業することができる。
さらにスイッチング駆動回路8の基準電圧端子VCCと低電位側端子GND−SRCEの間に接続されているコンデンサ25と並列にスイッチを接続してもよい(図示せず)。
上述のスイッチをオンするとVCC端子電圧はGND−SRCEと同電位になるので、スイッチング素子6はオフ状態を維持する。この状態では、LED光源2の両端子が低電位となっているので、LED光源2を取り外す際に、感電の心配なしに安全に作業を行うことができる。
《第7の実施形態》
図14及び図15を用いて、本発明の第7の実施形態の発光ダイオード駆動装置について説明する。図14に、第7の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。本実施形態の発光ダイオード駆動装置は、図11に示す第5の実施形態と比較して、以下の点が異なる。
本実施形態の発光ダイオード駆動装置は、整流回路9出力部と基準電位の間に接続された複数の抵抗35、36を更に有する。入力端子INには抵抗35、36の分電圧が入力される。
また、スイッチング駆動回路8は、入力端子INとは別に、直流電圧VINを入力するための入力端子JFETを有する。入力端子JFETに入力端子VJが接続され、定電流源14は直流電圧VINを入力する。
本実施形態の入力電圧検出回路28は、入力端子INとグランド端子GNDとの間に直列に接続された3つの抵抗29、30、31と、抵抗29と抵抗30の接続点から出力される第1の分圧電圧VH28をプラス入力端子に入力し、入力基準電圧Vstをマイナス入力端子に入力する第1のコンパレータ32と、抵抗30と抵抗31の接続点から出力される第2の分圧電圧VL28をマイナス入力端子に入力し、入力基準電圧Vstをプラス入力端子に入力する第2のコンパレータ33と、第1のコンパレータ32および第2のコンパレータ33の出力端子に入力端子を接続されるAND回路34を有する。AND回路34の出力端子は起動/停止回路11に接続される。ここで、第1の分圧電圧VH28と第2の分圧電圧VL28には、常にVH28>VL28の関係がある。
本実施形態の制御回路ブロック7は、スイッチング素子26と抵抗27を更に有する。スイッチング素子26は、スイッチング素子6と並列に接続される。スイッチング素子26には、スイッチング素子6に流れる電流よりも小さい、一定の電流比の電流が流れる。スイッチング素子26の高電位側はスイッチング素子6の高電位側に接続される。スイッチング素子26の制御端子は、スイッチング素子6の制御端子と共通に制御回路ブロック7の出力端子GATEに接続される。抵抗27は、スイッチング素子26の低電位側とグランド端子GNDとの間に接続される。
電流検出回路12は、スイッチング素子26に流れる電流を抵抗27の両端の電圧で検出して、検出基準電圧Vsnと比較する。
本実施形態のスイッチング駆動回路8は外部検出端子SNをさらに有し、外部検出端子SNは調光用制御回路39に接続される。調光用制御回路39は固定抵抗37と可変抵抗38を直列に接続し、2つの抵抗で分圧された電圧Vsnを外部検出端子SNに入力する。ここで調光用制御回路39の構成は上述の回路に限ったものではない。例えば調光用制御回路39として、例えば8ビットマイコンを使用した場合、外部からの信号に応じて256段階の電圧Vsnの変更が可能になる。
上記以外の構成については、本実施形態は、図11に示す第5の実施形態と同じである。
このように構成される本実施形態の発光ダイオード駆動装置の動作について、図15を参照して説明する。図15は、LED光源2に流れる電流ILED、第1の分圧電圧VH28、及び第2の分圧電圧VL28の波形を示す図であり、横軸は時間tを示す。
第1の分圧電圧VH28が入力基準電圧Vstに達するまでの消光期間T2Aにおいて、第1のコンパレータ32は信号レベルがロウレベルの信号を出力する。一方、第2の分圧電圧VL28は入力基準電圧Vstよりも低いため、第2のコンパレータ33は信号レベルがハイレベルの信号を出力する。2つのコンパレータ32、33の出力信号が入力されるAND回路34の出力信号はロウレベルとなり、起動/停止回路11はAND回路20に消光信号であるロウ信号を出力する。制御回路ブロック7はスイッチング素子6の制御を停止する(消光期間T2A)。
直流電圧VINが上昇し、第1の分圧電圧VH28が入力基準電圧Vstに達すると、第1のコンパレータ32は信号レベルがハイレベルの信号を出力する。一方、第2の分圧電圧VL28は入力基準電圧vstよりも低いため、第2のコンパレータ33は信号レベルがハイレベルの信号を出力する。2つのコンパレータ32、33の出力信号が入力されるAND回路34の出力信号はハイレベルとなり、起動/停止回路11はAND回路20に発光信号であるハイ信号を出力する。制御回路ブロック8によるスイッチング素子6の断続的なオン/オフ制御が開始され、発光ダイオードは発光する(発光期間T1)。
さらに直流電圧VINが上昇し、第2の分圧電圧VL28が入力基準電圧Vstに達すると、コンパレータ33は信号レベルがロウレベルの信号を出力する。一方、第1の分圧電圧VH28は入力基準電圧Vstよりも高いため、第1のコンパレータ32は信号レベルがハイレベルの信号を出力し続ける。2つのコンパレータ32、33の出力信号が入力されるAND回路34の出力信号はロウレベルとなり、起動/停止回路11はAND回路20に消光信号であるロウ信号を出力する。制御回路ブロック8はスイッチング素子6の制御を停止する(消光期間T2B)。
その後、直流電圧VINが下降すると、再び第2の分圧電圧VL28は入力基準電圧Vstを下回り、スイッチング素子6は発振状態となる(発光期間T1)。
そして、第1の分圧電圧VH28が入力基準電圧Vstを下回ると、スイッチング素子6は停止状態となる(消光期間T2A)。
すなわち、図15に示すように、第1の分圧電圧VH28が入力基準電圧Vstよりも小さい消光期間T2A、制御回路ブロック7はスイッチング素子6のオン/オフ制御を停止して、スイッチング素子6のオフ状態を保持するため、LED光源2は消光する。一方、第1の分圧電圧VH28が入力基準電圧Vstよりも高く、かつ第2の分圧電圧VL28が入力基準電圧Vstよりも低い発光期間T1は、制御回路ブロック7によるスイッチング素子6のオン/オフ制御がなされ、LED光源2は発光する。さらに第2の分圧電圧VL28が入力基準電圧Vstよりも高い消光期間T2B、制御回路ブロック7はスイッチング素子6のオン/オフ制御を停止して、スイッチング素子6のオフ状態を保持するため、LED光源2は消光する。
本実施形態によれば、第1の実施形態及び第5の実施形態の効果に加え、さらに下記の効果を有する。直流電圧VINの変化に対して、スイッチング素子6のオン/オフ制御が可能となる電圧レベルの上限値と下限値を設定できる。入力電圧検出回路28は異常な高電圧が印加されたときの保護回路となり、本実施形態はより安全な発光ダイオード駆動装置を実現することができる。
また抵抗35に高抵抗を使用することにより、入力電圧検出回路28の抵抗29,30,31で発生する電力損失を少なくすることができる。さらに直流電圧VINを抵抗35,36で分圧して入力端子INに入力するので、入力端子INに低電圧を印加することができるので安全である。
また、抵抗35,36の抵抗比率を変更することにより、直流電圧VINの変化に対して、スイッチング素子6のオン/オフ制御が可能な電圧レベルの上限値と下限値を任意に設定できる。これにより、より安全で複雑な光度調整が可能な発光ダイオード駆動装置を実現できる。
なお、本実施形態の入力電圧検出回路28は、3つの直列接続された抵抗を有し、第1の分圧電圧VH28と第2の分圧電圧VL28を生成したが、これに限らず、入力電圧検出回路28の内部構成は、直流電圧VINの変化に対して、スイッチング素子6のオン/オフ制御が可能となる電圧レベルの上限値と下限値を規定できるような構成とすればよい。
また抵抗35,36の分圧を入力端子INに印加する場合、分電圧の安定化のために入力端子INと低電位側端子GND−SRCEの間にコンデンサを接続しても良い(図示せず)。
また、抵抗35,36を使用しない場合は、入力端子INと入力端子JFETは共通化することができる。その場合、入力電圧検出回路28の抵抗29の高電位側と入力端子VJは同じ入力端子IN(又はJFET)に接続することができる。
また調光用制御回路39の出力信号である検出基準電圧Vsnを徐々に増加させることにより、スイッチング素子6に流れる電流のピーク値を制御することができ、LED光源2に流れる電流ILED、即ちLED光源2の輝度を制御することができる。なお調光用制御回路39として固定抵抗37と可変抵抗38を使用して、基準電圧VCCの分圧を外部検出端子SNに印加する場合、分電圧の安定化のために外部検出端子SNと低電位側端子GND−SRCEの間にコンデンサを接続しても良い(図示せず)。
なお、整流回路9の高電位側と低電位側に整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサ(図示せず)を接続しても良い。整流回路9の高電位側と低電位側に平滑コンデンサを追加した場合、直流電圧VINはあるリップル電圧幅を持った直流電圧とみなすことができる。このような場合、入力電圧検出回路28は整流回路9や平滑コンデンサが破壊して直流電圧VINが異常な電圧となったときに、スイッチング駆動回路8を停止させ、スイッチング駆動回路8を保護する保護回路として作用する。
なお、本実施形態における抵抗35,36及びスイッチング駆動回路8の内部回路の構成は、図11に示す第5の実施形態においても適用できる。
《第8の実施形態》
図16に、本発明の第8の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。本発明の第8の実施形態の発光ダイオード駆動装置は、第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置のスイッチング駆動回路8の一例を具体的に示すものである。
また、第8の実施形態における電圧源は第3の実施形態と異なり、交流電圧を発生する交流電源10を用い、交流電源10に整流回路9が接続される。整流回路9は、本実施形態において全波整流回路であり、全波整流した直流電圧VINを出力する。整流回路9の高電位側は、チョークコイル5の一端と整流ダイオード4のカソード端子に接続される。また、整流回路9の高電位側と低電位側に整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサ(図示せず)が接続されていてもよい。
スイッチング駆動回路8の高電位側端子DRNはチョークコイル5の他端と発光ダイオード2aのアノード端子に接続され、スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEは整流回路9の低電位側に接続される。
スイッチング駆動回路8の構成は図11で示した第5の実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。またスイッチング駆動回路8の構成は図14で示した第7の実施形態と同様にしても良い。
本実施の形態の発光ダイオード駆動装置によれば、スイッチング駆動回路8をIC化することで、発光ダイオード駆動装置の更なる小型化が実現できる。
《第9の実施形態》
図17に、本発明の第9の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す。本発明の第9の実施形態の発光ダイオード駆動装置は、第4の実施形態の発光ダイオード駆動装置のスイッチング駆動回路8の一例を具体的に示すものである。
また、第9の実施形態における電圧源は第4の実施形態と異なり、交流電圧を発生する交流電源10を用い、交流電源10に整流回路9が接続される。整流回路9は、本実施形態において全波整流回路であり、全波整流した直流電圧VINを出力する。また、整流回路9の高電位側と低電位側に整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサ(図示せず)が接続されていてもよい。
スイッチング駆動回路8の高電位側端子DRNと入力端子INは、整流回路9の高電位側に接続され、スイッチング駆動回路8の低電位側端子GND−SRCEはチョークコイル5の一端に接続され、チョークコイル5の他端は整流回路9の低電位側に接続される。第9の実施形態のスイッチング駆動回路8の構成は図13で示した第6の実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。またスイッチング駆動回路8の構成は図14で示した第7の実施形態と同様にしても良い。
本実施の形態の発光ダイオード駆動装置によれば、スイッチング駆動回路8をIC化することで、発光ダイオード駆動装置の更なる小型化が実現できる。
さらにスイッチング駆動回路8の基準電圧端子VCCと低電位側端子GND−SRCEの間に接続されているコンデンサ25と並列にスイッチを接続してもよい(図示せず)。
上述のスイッチをオンするとVCC端子電圧はGND−SRCEと同電位になるので、スイッチング素子6はオフ状態を維持する。この状態では、LED光源2の両端子が低電位となっているので、LED光源2を取り外す際に、感電の心配なしに安全に作業を行うことができる。
《第10の実施形態》
本発明の第10の実施形態の照明装置は、本発明の第1から第9の実施形態の発光ダイオード駆動装置を使用した照明装置の一例を具体的に示すものである。
図18に本実施形態の照明装置の構成を示す。照明装置40はLED光源モジュール41と本体42とで構成される。
本体42は交流電源が入力され定電流を出力する駆動装置部43とレセプタクル44と配線45で構成される。レセプタクル44内には電流供給端子46bが設けられている。
ここで発光ダイオード駆動装置部43は例えば図11に示す第5の実施形態における発光ダイオード駆動装置において、交流電源10とLED光源2及び容量素子3を除いた部品で構成される。また、図14に示す第7の実施形態のように出力電流値を調整するための調光用制御回路39が追加されている場合には、調光用制御回路39の操作部39aが接続されていても良い。また本体42には交流電源から発光ダイオード駆動装置部43への電源の供給を決定するスイッチ(図示せず)が接続されていても良い。
LED光源モジュール41は少なくとも1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源2とLED光源2の両端子間に接続された容量素子3とを含み、さらにはLED光源2と容量素子3が実装される実装基板47と透明又は半透明のレンズ49と、実装基板47とレンズ49を収容した樹脂ケース48を有していても良い。さらにLED光源モジュール41はLED光源2と電気的に接続された電流入力端子46aを有し、上述のレセプタクル44内の電流供給端子46bと接続可能になっている。
但し、図示の構造は一例を示しているに過ぎず、実際には種々の外観及び構造のLEDモジュールを使用可能である。さらに照明装置40は一般的な白熱電球の形状のように、口金部から交流電圧が供給され、筐体内に本発明の実施形態の1から9の発光ダイオード駆動装置の何れかの構成で形成されて、本体42とLED光源モジュール41が一体化されていても良い。
以上の様に構成された本発明の実施形態の照明装置は、駆動回路の主要部を集積回路に含めることができるので構成部品数が少なく、駆動回路の小型化が容易に実現できる。このため、LED照明装置全体の設計自由度や外観デザインの自由度を高めることができる。
また街路灯や屋内天井等に配置する場合は、発光ダイオード駆動装置部43は人が操作しやすい位置に配置され、LED光源モジュール41は全体を照らすように高い場所に配置される。この場合、配線45が長くなるので、発光ダイオード駆動装置部43から出力された定電流がLED光源モジュール41に入力されるまでに、外来ノイズの影響を受けやすい。しかしLED光源2と近接して容量素子3を接続することによって、LED光源モジュール41に入力される電流波形にノイズ成分が重畳しても、安定した電流波形をLED光源2に供給することができる。
また照明装置40は本体42とLED光源モジュール41に分離できるので、発光ダイオード駆動装置部43若しくはLED光源モジュール41の取替えや修理が簡単にできる。
本発明は、発光ダイオードを使用した装置・機器全般に利用可能であり、特にLED照明機器として有用である。
本発明の第1の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 第1の実施形態における電圧及び各電流の波形を示す図 第1の実施形態におけるスイッチング素子がオンからオフに移行する際の各部の電圧及び電流波形を示す図 第1の実施形態における別の静電容量の容量素子を接続した場合の電圧及び各電流の波形を示す図 第1の実施形態における別の静電容量の容量素子を接続した場合の電圧及び各電流のオシロスコープ波形を示す図 本発明の第2の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 本発明の第3の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 第3の実施形態における電圧及び各電流の波形を示す図 第3の実施形態におけるスイッチング素子がオフからオンに移行する際の各部の電圧及び電流波形を示す図 本発明の第4の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 本発明の第5の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 第5の実施形態にいて、発光ダイオードに電流が流れる期間を示す図 本発明の第6の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 本発明の第7の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 第7の実施形態にいて、発光ダイオードに電流が流れる期間を示す図 本発明の第8の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 本発明の第9の実施形態の発光ダイオード駆動装置を示す回路図 本発明の第10の実施形態の照明装置の一例を示す概略図 従来の技術による発光ダイオード駆動装置の概略の構成を示す図
符号の説明
1 直流電源
2 LED光源
2a、2n 発光ダイオード
3 容量素子
4 整流ダイオード
5 チョークコイル
6、26 スイッチング素子
7 制御回路ブロック
8 スイッチング駆動回路
9 整流回路
10 交流電源
11 起動/停止回路
12 電流検出回路
13 発振器
14 定電流源
15、16、27、29、30、31,35,36,37 抵抗
38 可変抵抗
17、32、33 コンパレータ
18、28 入力電圧検出回路
19 レギュレータ
20、24、34 AND回路
21 オン時ブランキングパルス発生器
22 RSフリップフロップ回路
23 OR回路
25 コンデンサ
39 調光用制御回路
40 照明装置
41 LED光源モジュール
42 本体
43 発光ダイオード駆動装置部
44 レセプタクル
45 配線
46a 電流入力端子
46b 電流供給端子
47 実装基板
48 樹脂ケース
49 レンズ
50 制御回路

Claims (22)

  1. 少なくとも1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源と、
    チョークコイルと、
    前記チョークコイルに発生する逆起電力を前記LED光源に供給する整流ダイオードと、
    前記発光ダイオードへの電流の印加/非印加を決定するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のオン/オフのタイミングを制御して前記発光ダイオードに流れる電流を制御する制御回路ブロックとを備えたスイッチング駆動回路と、
    を有し、
    前記LED光源の両端子間に容量素子を並列に接続することを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
  2. 前記発光ダイオードのアノード端子は電圧源に接続され、
    前記チョークコイルは、一端を前記発光ダイオードのカソード端子に接続され、
    前記整流ダイオードは、アノード端子を前記チョークコイルの他端に接続され、カソード端子を前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、
    前記スイッチング駆動回路は、前記チョークコイルの他端と基準電位との間に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード駆動装置。
  3. 前記発光ダイオードのカソード端子は基準電位に接続され、
    前記チョークコイルは、一端を前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記整流ダイオードは、カソード端子を前記チョークコイルの他端に接続され、アノード端子を前記発光ダイオードのカソード端子に接続され、
    前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、
    前記スイッチング駆動回路は、電圧源と前記チョークコイルの他端との間に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード駆動装置。
  4. 前記発光ダイオードのカソード端子は前記整流ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記整流ダイオードのカソード端子は前記電圧源と前記チョークコイルの一端に接続され、
    前記チョークコイルの他端は前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、
    前記スイッチング駆動回路は、前記チョークコイルの他端と基準電位に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード駆動装置。
  5. 前記発光ダイオードはアノード端子を基準電位に接続され、カソード端子を前記整流ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記整流ダイオードのカソード端子は前記チョークコイルの一端に接続され、
    前記チョークコイルの他端は前記発光ダイオードのアノード端子に接続され、
    前記容量素子は前記発光ダイオードのアノード端子とカソード端子に接続され、
    前記スイッチング駆動回路は、電圧源と前記整流ダイオードのカソード端子との間に接続される、
    ことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード駆動装置。
  6. 前記容量素子は、少なくとも前記発光ダイオードの順方向電圧の総和以上の耐電圧を有し、少なくとも前記スイッチ素子がオン/オフする際に発生するノイズ電流を吸収するための静電容量値を有し、前記発光ダイオードにノイズ電流が流れることを防止する、
    ことを特徴とする請求項1から5に記載の発光ダイオード駆動装置。
  7. 前記容量素子は0.01uF以上の静電容量値を有する
    ことを特徴とする請求項6記載の発光ダイオード駆動装置。
  8. 前記容量素子は、少なくとも前記発光ダイオードの順方向電圧の総和以上の耐電圧を有し、前記発光ダイオードに流れる電流の急激な増加/減少を抑制するために必要な充放電能力を備えている、
    ことを特徴とする請求項1から5に記載の発光ダイオード駆動装置。
  9. 前記容量素子は1μF以上の静電容量値を有する
    ことを特徴とする請求項8記載の発光ダイオード駆動装置。
  10. 電圧源が交流電圧を出力する交流電源の場合は、前記交流電圧を整流する整流回路を更に有する請求項1に記載の発光ダイオード駆動装置。
  11. 前記交流電源と前記整流回路の間に、少なくともリアクタンス素子と容量素子から成る雑音電圧低減回路が接続されていることを特徴とする、
    請求項10に記載の発光ダイオード駆動装置
  12. 前記整流回路の出力部は整流後の入力電圧を平滑するための平滑コンデンサが接続されている、
    ことを特徴とする請求項10記載の発光ダイオード駆動装置。
  13. 前記制御回路ブロックは、
    前記整流回路の出力部に一端を接続された定電流源と、
    前記定電流源の他端に接続され、前記定電流源の出力電圧が所定値以上であれば起動信号を出力し、前記定電流源の出力電圧が所定値未満であれば停止信号を出力するレギュレータと、
    前記スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
    前記発光ダイオードに流れる電流が一定になるように、前記電流検出回路の出力信号に基づいて前記スイッチング素子を所定の発振周波数で断続的にオン/オフ制御する制御回路と、
    前記レギュレータからの起動信号及び停止信号に基づいて、前記制御回路の起動と停止を制御する起動/停止回路と、
    を有することを特徴とする請求項10に記載の発光ダイオード駆動装置。
  14. 前記レギュレータに一端を接続され、他端を前記整流回路の基準電位又は前記チョークコイルに接続されたコンデンサを更に有することを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオード駆動装置。
  15. 前記整流回路の出力部から出力された電圧を検出し、検出した電圧を所定値と比較することにより、前記発光ダイオードの発光または消光を制御する発光信号又は消光信号を出力する入力電圧検出回路を更に有し、
    前記起動/停止回路は、前記レギュレータが停止信号を出力している場合は前記停止信号を出力し、前記レギュレータが起動信号を出力している場合は、前記入力電圧検出回路の発光信号又は消光信号を出力することを特徴とする請求項13記載の発光ダイオード駆動装置。
  16. 前記入力電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧が直接、又は前記整流回路の高電位側と前記入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗、又は前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗のうちの一箇所を介して印加され、
    直列に接続された複数の抵抗と、
    前記複数の抵抗によって分圧された直流電圧をプラス入力端子に入力され、基準となる入力基準電圧をマイナス入力端子に入力されるコンパレータと、
    を有することを特徴とする請求項15に記載の発光ダイオード駆動装置。
  17. 前記入力電圧検出回路は、前記整流回路の出力電圧が直接、又は前記整流回路の高電位側と前記入力電圧検出回路の間に挿入された抵抗、又は前記整流回路の高電位側と低電位側に接続された複数の抵抗のうちの一箇所を介して印加され、
    第1の分圧電圧及び前記第1の分圧電圧よりも低い第2の分圧電圧を出力する複数の抵抗と、
    前記第1の分圧電圧をプラス入力端子に入力し、基準となる入力基準電圧をマイナス入力端子に入力する第1のコンパレータと、
    前記第2の分圧電圧をマイナス入力端子に入力し、前記入力基準電圧をプラス入力端子に入力する第2のコンパレータと、
    前記第1及び第2のコンパレータの出力信号を入力するAND回路と、
    を有することを特徴とする請求項15に記載の発光ダイオード駆動装置。
  18. 前記電流検出回路は、前記スイッチング素子のオン電圧を基準となる検出基準電圧と比較することにより前記スイッチング素子に流れる電流を検出することを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオード駆動装置。
  19. 前記スイッチング駆動回路は、
    前記スイッチング素子の高電圧印加端子に一端を接続され、前記制御回路から前記スイッチング素子と同一の制御をされてスイッチング動作し、前記スイッチング素子に流れる電流よりも小さく、且つ前記スイッチング素子に流れる電流に対して一定の電流比の電流が流れる他のスイッチング素子と、
    前記他のスイッチング素子の他端と基準電位との間に直列接続された抵抗と、
    を更に有し、
    前記電流検出回路は、前記抵抗の両端電圧を基準となる検出基準電圧と比較することにより前記スイッチング素子の電流を検出する
    ことを特徴とする請求項13に記載の発光ダイオード駆動装置。
  20. 前記スイッチング駆動回路は、前記電流検出回路に接続された外部検出端子を更に有し、前記外部検出端子に入力される前記検出基準電圧の値を変えることにより、前記スイッチング素子の断続的なオン・オフ制御におけるオン期間を変えて、前記発光ダイオードに流れる定電流レベルを調整することを特徴とする請求項18又は請求項19に記載の発光ダイオード駆動装置。
  21. 請求項1から20の何れかに記載の発光ダイオード駆動装置を備えていることを特徴とする照明装置。
  22. 前記少なくとも1つ以上の発光ダイオードで構成されたLED光源と前記LED光源の両端子間に並列に接続した容量素子でモジュールを形成し、前記発光ダイオード駆動装置の他の部分と脱着が可能である、
    ことを特徴とした請求項21記載の照明装置。
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