ＬＥＤ光源装置

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【発明の名称】	ＬＥＤ光源装置
【発明者】	【氏名】鎌田征彦【氏名】清水恵一【氏名】笹井敏彦【氏名】三田一敏【氏名】高橋雄治【氏名】松本晋一郎【氏名】小塚日出夫
【要約】	【課題】効率がよく安価でちらつきの少ないＬＥＤ光源装置を提供することである。【解決手段】ＬＥＤ負荷１は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路２を２並列以上接続して形成され、このＬＥＤ負荷１には定電圧レギュレータ６から電力が供給される。制御手段７は、各々のＬＥＤ直列回路２には定電流回路である回路要素３が直列接続され、この定電流回路の負担電圧がＬＥＤ直列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ６を制御する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路、または複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路を２並列以上接続して形成されたＬＥＤ負荷と；ＬＥＤ負荷に電力を供給する電源部と；各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路に直列接続された回路要素と；前記回路要素の負担電圧がＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように前記電源部を制御する制御手段と；を備えたことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧の１／１０以下に制御することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が最小値である前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路における回路要素の負担電圧を実質的に零に制御することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
【請求項４】複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路、または複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路を２並列以上接続して形成されたＬＥＤ負荷と；ＬＥＤ負荷に電力を供給する電源部と；前記電源部に指令を出力してＬＥＤ負荷の負荷電流を制御する制御手段と；各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列に直列接続された少なくとも１つの過電流遮断素子と；を備えたことを特徴とするＬＥＤ光源装置。
【請求項５】前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路は１個または複数個の着脱可能なユニットで形成され、前記ユニットはＬＥＤ列に直列接続された少なくとも１個の過電流遮断素子を備えたことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ光源装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記ＬＥＤ負荷に供給される負荷電流が予め定めた一定値になるように制御することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ光源装置。
【請求項７】前記制御手段は、各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列の負荷電流のうちの最小値が予め定めた一定値になるように前記ＬＥＤ負荷の負荷電流を制御することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ光源装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数個のＬＥＤを発光素子として用いたＬＥＤ光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード（以下ＬＥＤという）はＰＮ接合を有する半導体であり一種のダイオードとして動作する。従って、順方向電圧は数ボルト以下と比較的低く、その駆動用電源としては、３～１５Ｖ程度の低電圧の直流電源が用いられる。
【０００３】近年、ＬＥＤの発光効率が高まり照明灯の光源への応用が検討されてきている。現行の照明用ランプからの置き換えを考える場合、商用電源に接続できる構成が望まれる。一般に、商用電源は５０～６０Ｈｚの交流であり、電圧も１００Ｖ～２４２Ｖである。そこで、商用電源でＬＥＤを点灯する場合、抵抗器を電流制限要素として用いた点灯回路が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、点灯回路に抵抗器を使用した場合には、抵抗器での電力損失が大きく、光源としてのエネルギー効率が悪い。また、交流電源に接続した場合、ＬＥＤはダイオードであるので、交流の半サイクルでしか発光せず、ちらつきになってしまうという問題があった。電流制限要素としてコンデンサを使用した場合には、電力損失の問題は解決するが依然として電流安定性は改善できない。
【０００５】そこで、特開平１１－６７４７１号公報に示されるものでは、昇圧チョッパ回路の平滑コンデンサに、複数個のＬＥＤを直列接続した回路を２個並列接続し、平滑コンデンサ電圧を入力電圧のピーク値より高く、ＬＥＤの順方向電圧の総和に等しくしている。これにより、入力電流の高調波を低減し、また電流限流要素などの電力損失をほぼ零にしている。
【０００６】しかし、ＬＥＤのうちの一つが短絡破壊した場合には、破壊したＬＥＤ直列回路の順方向電圧の総和が小さくなり、この回路のみに短絡電流が流れることになる。平滑電圧値が一定に制御されている場合には、破壊したＬＥＤ直列回路には過大な電流が流れる。過電流状態ではＬＥＤの温度は上昇し、発光効率を下げることはもちろん、ＬＥＤの寿命を短くすることも有り得る。
【０００７】本発明の目的は、効率がよく安価でちらつきの少ないＬＥＤ光源装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路、または複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路を２並列以上接続して形成されたＬＥＤ負荷と；ＬＥＤ負荷に電力を供給する電源部と；各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路に直列接続された回路要素と；前記回路要素の負担電圧がＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように前記電源部を制御する制御手段と；を備えたことを特徴とする。
【０００９】本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００１０】ＬＥＤ負荷とは、照明灯として形成されたＬＥＤ回路であり、電源が投入されたときＬＥＤが発光する。ＬＥＤ負荷は、直流電源用として、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路を２並列以上接続して形成される。また、交流電源用として、複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路を２並列以上接続して形成される。ＬＥＤ逆並列回路にはＬＥＤ直列回路を逆並列接続されたものも含まれる。
【００１１】電源部とは、ＬＥＤ負荷に電力を供給する電源およびその調整部であり、例えば、単相交流電源、その単相交流電源に接続される全波整流回路、出力電圧を調整制御する定電圧レギュレータから構成される。また、単相交流電源、その単相交流電源に接続される全波整流回路、定電流レギュレータから構成される。また、単相交流電源および全波整流回路に代えて直流電源が用いられる場合も含む。
【００１２】定電圧レギュレータは、調整可能な一定電圧を出力する。定電流レギュレータは、調整可能な一定電流を出力する。定電圧レギュレータや定電流レギュレータには、昇圧型定、降圧型、ハーフブリッジ型インバータが含まれる。ハーフブリッジ型インバータは、ＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ負荷に電源を供給する。
【００１３】回路要素は、定電流回路やインピーダンス素子であり、インピーダンス素子には、抵抗器やリアクトルが含まれる。
【００１４】定電流回路は入力電圧の大きさに関係なく一定電流を流す回路であり、電源部が電圧レギュレータである場合にＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路に直列接続される。インピーダンス素子は入力電流に応じて逆電圧を発生する素子であり、電源部が電圧レギュレータである場合に定電流回路に代えて直列接続され、電源部が電流レギュレータである場合にＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路に直列接続される。
【００１５】制御手段は、電源部の出力電圧または出力電流を制御する。この場合、回路要素の負担電圧がＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように制御する。これにより、回路要素での電力消費量はＬＥＤ列による電力消費量より小さくなり効率が向上する。ＬＥＤフォワード電圧とはＬＥＤが動作するに必要な最小電圧であり、ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧とは、ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路を形成するＬＥＤ列における各々のＬＥＤのフォワード電圧の総和である。
【００１６】請求項２の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧の１／１０以下に制御することを特徴とする。
【００１７】回路要素での電力消費量の低減のためには、回路要素の負担電圧は小さい（実質的に零に近い値）ほど望ましい。本発明では、電源変動、温度変化、ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路によるばらつき等を考慮して、ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列のフォワード電圧の１／１０以下としている。
【００１８】請求項３の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記回路要素の負担電圧が最小値である前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路における回路要素の負担電圧を実質的に零に制御する。
【００１９】本発明では、各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路における回路要素の負担電圧を監視し、そのうちの最小値を検出する。そして、その最小値のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路における回路要素の負担電圧を零に制御する。これにより、回路要素での電力消費量のさらなる低減が図れる。
【００２０】請求項４の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路、または複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路を２並列以上接続して形成されたＬＥＤ負荷と；ＬＥＤ負荷に電力を供給する電源部と；前記電源部に指令を出力してＬＥＤ負荷の負荷電流を制御する制御手段と；各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列に直列接続された少なくとも１つの過電流遮断素子と；を備えたことを特徴とする。
【００２１】過電流遮断素子は、ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤが短絡破壊して過電流が流れたときにその過電流を遮断する素子である。例えば、ガラスヒューズ、パターンヒューズ、低電力抵抗器などが用いられる。過電流遮断素子は、ＬＥＤ直列回路に対しては、直列接続されたＬＥＤ列に対して直列接続され、また、ＬＥＤ逆並列回路に対しては、逆並列接続された各々の直列接続部分のＬＥＤ列に対して直列接続される。
【００２２】請求項５の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、請求項４の発明において、前記ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路は１個または複数個の着脱可能なユニットで形成され、前記ユニットはＬＥＤ列に直列接続された少なくとも１個の過電流遮断素子を備えたことを特徴とする。
【００２３】ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路は、１個または複数個のユニットで構成される。ＬＥＤ直列回路のユニットは、直列接続されたＬＥＤ列に対して少なくとも１個の過電流遮断素子が直列接続され、また、ＬＥＤ逆並列回路のユニットは、逆並列接続された各々の直列接続部分のＬＥＤ列に対して少なくとも１個の過電流遮断素子が直列接続される。これにより、ＬＥＤが短絡破壊して過電流遮断素子が動作した場合に、ユニット単位で取り替え可能とする。
【００２４】請求項６の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、請求項４の発明において、前記制御手段は、前記ＬＥＤ負荷に供給される負荷電流が予め定めた一定値になるように制御することを特徴とする。
【００２５】制御手段は、ＬＥＤ負荷の各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路の負荷電流の合計値が予め定めた一定値となるように制御する。これにより、ＬＥＤが短絡破壊したＬＥＤ列に対して並列数分の合計負荷電流が流れることになり、ＬＥＤ短絡破壊時に過電流遮断素子を確実に動作させる。
【００２６】請求項７の発明に係わるＬＥＤ光源装置は、請求項４の発明において、前記制御手段は、各々のＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路の各ＬＥＤ列の負荷電流のうちの最小値が予め定めた一定値になるように前記ＬＥＤ負荷の負荷電流を制御することを特徴とする。
【００２７】制御手段は、ＬＥＤ負荷の各ＬＥＤ列の負荷電流の最小値が一定値になるように制御する。これにより、負荷電流がほぼ零になる破壊していないＬＥＤ列の電流を増やすように制御され、短絡破壊しているＬＥＤ列にはさらに大きな電流が流れることになるので過電流遮断素子は確実に動作する。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。
【００２９】ＬＥＤ負荷１は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路２を２並列以上接続して形成されている。また、ＬＥＤ負荷１の各々のＬＥＤ直列回路２には回路要素３が直列接続されている。図１では、回路要素３として定電流回路が直列接続されており、定電流回路は各々のＬＥＤ直列回路２の入力電圧の大きさに関係なく、そのＬＥＤ列に一定電流を流すことになる。
【００３０】このＬＥＤ負荷１には、単相交流電源４の電源電圧を整流器５で整流し定電圧レギュレータ６で調整された直流電圧が印加される。この定電圧レギュレータ６は昇圧チョッパ付きの昇圧型であり、制御手段７により制御され、ＬＥＤ負荷に供給する一定電圧を調整して出力する。比較手段８は、各々のＬＥＤ直列回路２の回路要素３の負担電圧のうちの最小値を検出するものであり、その検出した最小値を制御手段７に出力する。
【００３１】制御手段７は、回路要素３の負担電圧がＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ６を制御する。この場合、各々の回路要素３の負担電圧にはばらつきがあるので、比較手段８で検出された各々の回路要素３の入力電圧のうちの最小値がＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列のフォワード電圧よりも小さくなるように定電圧レギュレータ６を制御する。
【００３２】これにより、回路要素３の負担電圧はＬＥＤ直列回路２の負担電圧より小さくなるので、ＬＥＤ発光効率が向上する。
【００３３】この場合、制御手段７は、回路要素３の負担電圧がＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列のフォワード電圧の１／１０以下になるように制御する。また、制御手段７は、ＬＥＤ列のフォワード電圧が確立し各々のＬＥＤ直列回路２が点灯したときは、回路要素３の負担電圧の最小値を実質的に零に制御する。これにより、回路要素３での電力消費量のさらなる低減が図れる。
【００３４】図２は、本発明の第２の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の説明図であり、図２（ａ）はその構成図、図２（ｂ）は回路要素３の回路図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、定電圧レギュレータ６は昇圧チョッパに代えてトランスを設けた電圧レギュレータとしたものである。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３５】回路要素３は、図３（ｂ）に示すように、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、トランジスタＴｒ、定電圧素子ＺＤから構成され、トランジスタＴｒに流れる電流（ＬＥＤ列）は抵抗器Ｒ２に発生する電圧が定電圧値Ｖ０となる値に一定制御される。この第２の実施の形態の場合も第１の実施の形態と同様に、回路要素３で消費される電力が低減できるので、ＬＥＤ発光効率が向上する。
【００３６】図３は、本発明の第３の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、単相交流電源４に代えて直流電源９とし、定電圧レギュレータ６に代えて定電流レギュレータ１０を設け、回路要素３として抵抗器を用いたものである。
【００３７】この定電流レギュレータ１０は降圧チョッパ付きの降圧型であり、制御手段７により制御され、ＬＥＤ負荷に供給する一定電流を調整して出力する。回路素子３は各ＬＥＤ枝路のフォワード電圧のばらつきによる電流ばらつきを抑制するために設けられる。比較手段８は、各々のＬＥＤ直列回路２の回路要素３の負担電圧のうちの最小値を検出するものであり、その検出した最小値を制御手段７に出力する。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３８】この第３の実施の形態の場合も第１の実施の形態と同様に、回路要素３としての抵抗器で消費される電力が低減できるので、ＬＥＤ発光効率が向上する。
【００３９】図４は、本発明の第４の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図３に示した第３の実施の形態に対し、定電流レギュレータ１０に代えてハーフブリッジ型インバータ１１を設け、回路素子３としてリアクトル（コイル）を用いたものである。また、ハーフブリッジ型インバータ１１は高周波電源となることから、ＬＥＤ負荷１は、複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路１２を２並列以上接続して形成される。その他の構成は、図３に示す第３の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４０】この第４の実施の形態の場合は、回路要素３としてのリアクトルの負担電圧が最小値となる負荷電流で動作するので、ＬＥＤ発光効率が向上する。
【００４１】図５は、本発明の第５の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。この第５の実施の形態は、各々のＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列に少なくとも１つの過電流遮断素子１３を直列接続したものである。
【００４２】ＬＥＤ負荷１は、複数個のＬＥＤが直列接続されたＬＥＤ直列回路２を２並列以上接続して形成されている。また、ＬＥＤ負荷１の各々のＬＥＤ直列回路２には過電流遮断素子１３が直列接続されており、ＬＥＤ直列回路２のＬＥＤが短絡破壊して過電流が流れたときにその過電流を遮断する。また、電流制限素子としての回路要素３が各々のＬＥＤ直列回路２をまとめて設けられている。
【００４３】ここで、各々のＬＥＤ直列回路２は着脱可能なユニットで形成され、このユニットには少なくとも１個の過電流遮断素子１３を備えるようにする。これにより、ＬＥＤが短絡故障した場合に、故障したＬＥＤを含むＬＥＤ直列回路２を交換できるようにしている。
【００４４】ＬＥＤ負荷１には、単相交流電源４の電源電圧を整流器５で整流し定電圧レギュレータ６で調整された直流電圧が印加される。この定電圧レギュレータ６は昇圧チョッパ付きの昇圧型であり、制御手段７により制御され、ＬＥＤ負荷１に供給する一定電圧を調整して出力する。すなわち、制御手段７はＬＥＤ負荷１の全体に流れる全負荷電流を電流検出手段１４で検出し、ＬＥＤ負荷１の全負荷電流が一定値になるように制御する。
【００４５】従って、ＬＥＤが短絡破壊したＬＥＤ直列回路２がある場合には、その短絡破壊したＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列に対して並列数分の合計負荷電流が流れることになり、そのＬＥＤ列に直列接続された過電流遮断素子１３を確実に動作させる。
【００４６】このように、短絡破壊の生じたＬＥＤ直列回路を過電流遮断素子１３により遮断するので、破壊したＬＥＤ直列回路には過大な電流が流れることを防止でき、ＬＥＤの温度上昇や発光効率を下降を防止できる。
【００４７】図６は、本発明の第６の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図５に示した第５の実施の形態に対し、定電圧レギュレータ６に代えて定電流レギュレータ１０を設け、各々のＬＥＤ直列回路２を複数個（図６では２個）の着脱可能なユニットで形成し、このユニットに少なくとも１個の過電流遮断素子１３を備えるようにしたものである。
【００４８】ＬＥＤ負荷１には、単相交流電源４の電源電圧を整流器５で整流し定電流レギュレータ１０で調整された直流電流が印加される。この定電流レギュレータ１０は、制御手段７により制御され、ＬＥＤ負荷１に供給する一定電流を調整して出力する。すなわち、制御手段７はＬＥＤ負荷１の全体に流れる全負荷電流を電流検出手段１４で検出し、ＬＥＤ負荷１の全負荷電流が一定値になるように制御する。
【００４９】従って、ＬＥＤが短絡破壊したＬＥＤ直列回路２がある場合には、その短絡破壊したＬＥＤ直列回路２のＬＥＤ列に対して並列数分の合計負荷電流が流れることになり、そのＬＥＤ列に直列接続された過電流遮断素子１３を確実に動作させる。これにより、短絡破壊の生じたＬＥＤ直列回路２を過電流遮断素子１３により遮断できるので、破壊したＬＥＤ直列回路には過大な電流が流れることを防止でき、ＬＥＤの温度上昇や発光効率を下降を防止できる。
【００５０】図７は、本発明の第７の実施の形態に係わるＬＥＤ光源装置の構成図である。この第７の実施の形態は、図６に示した第６の実施の形態に対し、定電流レギュレータ１０に代えてハーフブリッジ型インバータ１１を設け、ハーフブリッジ型インバータ１１は高周波電源となることから、ＬＥＤ負荷１は、複数個のＬＥＤが逆並列接続されたＬＥＤ逆並列回路１２を２並列以上接続して形成したものである。また、各々のＬＥＤ並列回路１２のＬＥＤ列に電流検出手段１４を設け、制御手段７は、各々のＬＥＤ並列回路１２のＬＥＤ列の負荷電流のうちの最小値が予め定めた一定値になるようにＬＥＤ負荷１の負荷電流を制御するようにしている。
【００５１】このことから、負荷電流がほぼ零になる破壊していないＬＥＤ列の電流を増やすことになる。従って、短絡破壊しているＬＥＤ列にはさらに大きな電流が流れることになるので、そのＬＥＤ列に直列接続された過電流遮断素子１３は確実に動作する。
【００５２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、各ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路によるフォワード電圧のばらつきなどがあっても、各ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ電流を安定としながら、回路要素での電流損失を最小限にできる。
【００５３】また、各ＬＥＤ直列回路またはＬＥＤ逆並列回路のＬＥＤ列の直列に電流遮断素子を接続するので、ＬＥＤが短絡故障した場合にその短絡故障したＬＥＤ列を除去できる。

【出願人】	【識別番号】０００００３７５７【氏名又は名称】東芝ライテック株式会社
【出願日】	平成１２年６月１９日（２０００．６．１９）
【代理人】	【識別番号】１００１００５１６【弁理士】【氏名又は名称】三谷惠
【公開番号】	特開２００２－８４０９（Ｐ２００２－８４０９Ａ）
【公開日】	平成１４年１月１１日（２００２．１．１１）
【出願番号】	特願２０００－１８２８４５（Ｐ２０００－１８２８４５）