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【発明の名称】 発光ダイオード定電流駆動回路
【発明者】 【氏名】平塚 利男

【氏名】大橋 靖生

【要約】 【課題】電源電圧の変化や発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキがあったとしても消費電力の増加を抑制し、発光ダイオードの輝度変化を防止でき、かつ発光ダイオードの発光波長を変化させずに輝度調整を行うことが可能な低コスト・小型・軽量、高効率の発光ダイオード定電流駆動回路を提供する。

【解決手段】一次巻線と二次巻線を有するトランス4と、一次巻線に直列接続されるスイッチング素子5と、スイッチング素子5をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路16と、二次巻線間に接続された、ダイオード6、定電流素子15、および発光ダイオード12とから成る直列接続回路と、を有する発光ダイオード定電流駆動回路であって、一次巻線4とスイッチング素子5間に直流電圧(コンデンサ3の電圧)を加えるようにした。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、前記二次巻線間に接続される、ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路と、を有する発光ダイオード駆動回路における前記ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路中に定電流素子を設けたことを特徴とする発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項2】
前記一次巻線と前記スイッチング素子間に直流電圧を加えることを特徴とする請求項1記載の発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項3】
二個のコンデンサの直列接続回路と二個のスイッチング素子の直列接続回路とを並列接続して成るブリッジ回路と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、一次巻線と中間タップ付二次巻線とを有するトランスとを有し、前記一次巻線を前記ブリッジ回路の各中間接続点間に挿入し、前記二次巻線の両端をそれぞれダイオードを介して接続(二次巻線接続点)し、前記二次巻線接続点と前記中間タップとの間に発光ダイオードを接続して成る発光ダイオード駆動回路における前記発光ダイオードに直列に定電流素子を接続したことを特徴する発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項4】
前記ブリッジ回路の入力側に直流電圧を加えることを特徴とする請求項3記載の発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項5】
スイッチング素子と発光ダイオードとの直列接続回路と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路とを有して成る発光ダイオード駆動回路の前記直列接続回路に定電流素子を挿入したことを特徴する発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項6】
前記前記直列接続回路の両端に直流電圧を加えることを特徴とする請求項5記載の発光ダイオード定電流駆動回路。
【請求項7】
前記オン・オフ制御回路が前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を制御するパルス幅制御を行うことを特徴する請求項1〜6のいずれか1項記載の発光ダイオード定電流駆動回路。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は発光ダイオード順方向電圧降下バラツキに関係なく電流駆動素子である発光ダイオードに定電流を供給しつつ、発光波長に影響を与えることなく、発光ダイオードの輝度を容易に調整できる低コストで、かつ小型・軽量、高効率な定電流駆動回路に関するものである。
【背景技術】
【0002】
発光ダイオードは消費電力が少なく、長寿命、低温動作が可能などの特長を有しており、今後ますます種々の照明器具分野で採用されていくものと考えられる。(例えば、特許文献1参照)。
発光ダイオードは電流駆動素子であり、駆動電流は信頼性の観点から20mA〜30mAが一般的である。これまでは発光ダイオードの電源としてはスイッチング電源を使用した定電圧ACアダプタなどが用いられており、発光ダイオードと直列に抵抗を接続して発光ダイオードの駆動電流が20mA〜25mA(一般的に絶対最大定格は30mA)となるように抵抗値を選定している。
【特許文献1】特開2003−173163号公報
【0003】
図8は、従来の発光ダイオードの駆動回路を示している。
1は商用電源、2はブリッジダイオード、3はコンデンサ、4はトランス、5はスイッチング素子、6は整流ダイオード、7はフリーホイールダイオード、8はインダクタ、9はコンデンサ、10はスイッチング素子5の制御回路、11は抵抗、12は発光ダイオードである。
【0004】
次に、図8に示す駆動回路の動作を説明する。
商用電源1の交流電圧をブリッジダイオード2で全波整流し、コンデンサ3で平滑し、MOS−FETなどのスイッチング素子5でコンデンサ3で平滑して得られた直流電圧V0を高周波で断続し、トランス4で直流的に絶縁された交流電圧に変換した後、ダイオード6、7で整流し、インダクタ8、コンデンサ9で構成される平滑フィルタ1−1で一定の直流電圧V1に変換する。直流電圧V1に抵抗11と発光ダイオード12の直列回路を接続し、発光ダイオード12を発光させる。トランス4、スイッチング素子5、整流ダイオード6、フリーホイールダイオード7、インダクタ8、コンデンサ9、制御回路10で構成される回路をDC−DCコンバータ1−2と称することとする。DC−DCコンバータ1−2の出力電圧である直流電圧V1は商用電源の交流電圧が変動した場合や出力電流が変化しても制御回路10によって一定に保たれる。
【0005】
発光ダイオード12を例えば白色発光ダイオードとすると、順方向電圧降下は3V〜4Vでありバラツキが比較的大きい。
一例としてDC−DCコンバータ1−2の出力電圧V1を24±0.12(±5%)V、発光ダイオード12の直列接続数を5個、発光ダイオード12の電流を20mAとした場合、直列接続された発光ダイオード12の順方向電圧降下が全て4Vとすると、発光ダイオード12の5個の電圧降下は20Vとなる。
DC−DCコンバータ1−2の出力電圧最低値V1=24−0.12=23.88Vで順方向電圧降下=4Vの時でも輝度を確保するため20mAが必要とすると、必要な抵抗値は(23.88−20)/0.02=194Ωとなる。
抵抗11と発光ダイオード12の消費電力の合計は23.88×0.02=0.478Wである。(電源電圧V1=24V一定である場合、(24−20)/0.02=200Ω、消費電力=24×0.02=0.48W)
発光ダイオード12の順方向電圧降下が全て3Vの場合、発光ダイオード12の5個の電圧降下は5×3=15Vとなる。
【0006】
したがって、発光ダイオード12の駆動電流はDC−DCコンバータ1−2の出力電圧が最大値の場合、(24.12−15)/194Ω=0.047A、すなわち、DC−DCコンバータ1−2の出力電流は20mAから47mAに増加し、抵抗11と発光ダイオード12の消費電力の合計は0.478Wから24.12×0.047=1.134Wに増加するばかりでなく、輝度が大きくなる。(電源電圧V1=24V一定である場合、(24−15)/200Ω=0.045A、消費電力=24×0.045=1.08W)
【0007】
以上のように、電源電圧の精度、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキを考慮すると、従来の駆動方法では発光ダイオードの駆動電流が大幅に変化するため、消費電力や輝度に大きな影響が出ることになる。また、駆動電流を絶対最大電流以下にすることができないことから信頼性上問題である。
【0008】
一方、発光ダイオード12の輝度を調整する場合はDC−DCコンバータ1−2の出力電圧を変化させて電流値を制御する方法が簡易であるが、発光ダイオード12が発生する発光波長が変化する欠点がある。
この欠点を除去する為に、図9に示す回路が適用されている。13はスイッチング素子、14はスイッチング素子13の制御回路である。DC−DCコンバータ1−2の出力電圧を例えば20kHz以上の周波数でスイッチング素子13を断続させてDC−DCコンバータ1−2の出力電圧をパルス電圧に変換する。この回路には動作周波数を一定にしスイッチング素子13のオン・オフ時間を制御回路14で制御しパルス電圧幅を変化させるパルス幅制御(Pulse Width Modulation;PWM)技術が適用されることが多い。この結果、パルス電圧がある時は発光ダイオード12には電流が流れ点灯するが、パルス電圧が無い時は消灯する。
【0009】
このように、高周波で点灯、消灯を繰り返すと、人間の目には点灯し続けているように見え、点灯する時間と消灯する時間の比を調整することで発光ダイオード12の発光波長を変化させることなく発光ダイオード12の輝度を調整することができる。
しかし、PWMを用いた発光ダイオードの輝度調整では、DC−DCコンバータ1−2の出力にPWM用のスイッチング素子13と制御回路14が必要になるので、電源のコストダウンや小型化が困難になるとともに、DC−DCコンバータ1−2とパルス幅制御回路を駆動回路とすれば、電源効率が低下することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
従来の定電圧電源と抵抗を用いる発光ダイオード駆動方式では電源電圧の精度、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキを考慮すると、駆動電流が大幅に変化するため、消費電力の増加や発光ダイオードの輝度が変化する問題があった。
また、抵抗で発光ダイオードの電流を規定値内に抑えることが困難であり、駆動電流を絶対最大電流以下にすることができないことから信頼性を考慮した設計が困難になる問題があった。
また、発光ダイオードの発光波長を変化させずに輝度調整を行う場合は、パルス幅制御回路を追加する必要があるが、電源コストの上昇や小型化の阻害要因になるばかりでなく、電源効率の低下をもたらす原因になる問題があった。
そこで、本発明の目的は、発光ダイオードの駆動電流を一定にし、電源電圧の変化や発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキがあったとしても、消費電力の増加を抑制し、発光ダイオードの輝度の変化を防止することができ、かつ発光ダイオードの発光波長を変化させずに輝度調整を行うことが可能な低コスト、小型・軽量、高効率発光ダイオード定電流駆動回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、発光ダイオード定電流駆動回路に係り、一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、前記二次巻線間に接続される、ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路と、を有する発光ダイオード駆動回路における前記ダイオードと発光ダイオードとの直列接続回路中に定電流素子を設けたことを特徴としている。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発光ダイオード定電流駆動回路において、前記一次巻線と前記スイッチング素子間に直流電圧を加えることを特徴としている。
【0012】
また、請求項3記載の発明は、発光ダイオード定電流駆動回路に係り、二個のコンデンサの直列接続回路と二個のスイッチング素子の直列接続回路とを並列接続して成るブリッジ回路と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路と、一次巻線と中間タップ付二次巻線とを有するトランスとを有し、前記一次巻線を前記ブリッジ回路の各中間接続点間に挿入し、前記二次巻線の両端をそれぞれダイオードを介して接続(二次巻線接続点)し、前記二次巻線接続点と前記中間タップとの間に発光ダイオードを接続して成る発光ダイオード駆動回路における前記発光ダイオードに直列に定電流素子を接続したことを特徴としている。
そして、請求項4記載の発明は、請求項3記載の発光ダイオード定電流駆動回路において、前記ブリッジ回路の入力側に直流電圧を加えることを特徴としている。
【0013】
また、請求項5記載の発明は、発光ダイオード定電流駆動回路に係り、スイッチング素子と発光ダイオードとの直列接続回路と、前記スイッチング素子をオン・オフ制御するオン・オフ制御回路とを有して成る発光ダイオード駆動回路の前記直列接続回路に定電流素子を挿入したことを特徴している。
また、請求項6記載の発明は、請求項5記載の発光ダイオード定電流駆動回路において、前記前記直列接続回路の両端に直流電圧を加えることを特徴としている。
【0014】
そして、請求項7記載の発明は、請求項1〜6のいずれか1項記載の発光ダイオード定電流駆動回路において、前記オン・オフ制御回路が前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間の比を制御するパルス幅制御を行うことを特徴している。
【発明の効果】
【0015】
上記のように、本発明によれば、電源部とPWM制御部が統合できるので、図8で示した従来回路必要としたインダクタ、コンデンサで構成されるフィルタ1−1と発光ダイオードの輝度を調整するPWM制御専用のスイッチング素子と制御回路が不要となる。
したがって、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード駆動回路の低コスト化、小型・軽量化、高効率化が実現できる。また、発光ダイオードの電流を抵抗で規定する方式から定電流素子を用いた定電流駆動方式に変えることにより、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキによる消費電力の増加を防止できるので発熱が抑えられ、発光ダイオードの駆動電流を規格内に抑えることができるので信頼性向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
<実施例1>
本発明に関わる発光ダイオードの定電流駆動回路の実施例1を図1に示す。
図において、1は商用電源、2ブリッジダイオード、3はコンデンサ、4はトランスで1次巻線4aと2次巻線4bを備えている。5はスイッチング素子、6は整流ダイオード、12は発光ダイオード、15は定電流素子、16はスイッチング素子5の制御回路である。
【0017】
次に、図1に示す回路の動作を説明する。
商用電源1の交流電圧をブリッジダイオード2で整流し、コンデンサ3で平滑し、トランス4、MOS−FETなどのスイッチング素子5で高周波矩形波交流電圧(パルス電圧)に変換し、整流ダイオード6で整流して得られたパルス電圧に定電流素子15、発光ダイオード12の直列回路を接続する。スイッチング素子5は制御回路16によって制御される。
【0018】
図2にトランス二次側電圧V4と整流ダイオード6で整流して得られたパルス電圧波形V6を示す。発光ダイオード12を流れる電流はパルス電圧V6がある時だけ定電流素子15で規定された定電流が流れ点灯する。
定電流素子15の特性例を図3に示す。横軸は印加電圧V14、縦軸は電流I14である。定電流素子15にある電圧V140以上の電圧を印加すると、印加電圧に関係なく一定の電流I140が流れる。電源電圧の変動、発光ダイオードの順方向電圧のバラツキは定電流素子に印加される電圧が電圧変動と順方向電圧のバラツキを吸収するように変化し、流れる電流はI140と一定に保たれる。したがって、消費電力は電源電圧の変動分だけ増減するが、発光ダイオードの輝度は変化しない。
図1に示す回路ではパルス電圧V6が無いときは発光ダイオード12は消灯するが、パルス電圧V6が数kHz以上の高周波であれば、消灯していることは人間の目では認知できないので発光ダイオード12は点灯し続けているように見える。図2に示すパルス電圧V6の一周期Tに対するパルス電圧V6の割合(t0/T)を減少させると発光ダイオード12の輝度が低下し、割合を増加させると輝度が上昇しているように見える。パルス電圧V6の割合(t0/T)は制御回路16で調整できる。
【0019】
<実施例2>
図4に本発明に関わる発光ダイオード定電流駆動回路の実施例2を示す。
高周波矩形波交流電圧に変換する回路にはハーフブリッジコンバータで使用する回路を適用している以外は図1で示した構成と基本的には同じである。1は商用電源、2ブリッジダイオード、3a、3b はコンデンサ、4はトランスで1次巻線4aと2次巻線4bと2次巻線に中間タップ4cを備えている。5a、5b はスイッチング素子、6a、6b はダイオード、12は発光ダイオード、15は定電流素子、16は制御回路である。
【0020】
次に図4に示す回路の動作を説明する。
商用電源1の交流電圧をブリッジダイオード2で整流し、コンデンサ3a、3b で平滑するとともに、電源電圧を分圧する。コンデンサ3a、3b の接続点電圧は電源電圧の1/2である。トランス4、MOS−FETなどのスイッチング素子5a、5b を交互にオン・オフさせることで高周波矩形波交流電圧に変換し、トランス4にセンタータップトランスを使用すればダイオード6a、6b で整流、センタータップトランスでなければダイオード6a、6b はブリッジダイオードに変更して整流する。
【0021】
図5にトランス4の2次側電圧V6、ダイオード6a、6bで整流して得られるパルス電圧波形V6a+V6bを示す。整流して得られたパルス電圧V6a+V6bに、定電流素子15、発光ダイオード12の直列回路を接続する。スイッチング素子5a、5b は制御回路16によって制御される。図1の回路ではパルス電圧の割合(t0/T)は0〜0.7程度であるが、図5のパルス電圧波形V6a+V6bは、(2t0/T)となるので0〜1と大きくでき、1の場合は一定の直流電圧と見做すことができる。発光ダイオード12を流れる電流はパルス電圧がある時だけ定電流素子15で規定した定電流が流れ点灯する。
【0022】
<実施例3>
図6に本発明に関わる発光ダイオード定電流電源駆動の実施例3を示す。
1は商用電源、2ブリッジダイオード、3はコンデンサ、5はスイッチング素子、12は発光ダイオード、15は定電流素子、16は制御回路である。
次に図6に示す回路の動作を説明する。商用電源1の交流電圧をブリッジダイオード2で整流し、コンデンサ3で平滑する。MOS−FETなどのスイッチング素子5をオン・オフさせることで高周波矩形波電圧に変換し、得られたパルス電圧に定電流素子15、発光ダイオード12の直列回路を接続する。スイッチング素子5は制御回路16によって制御される。図7に得られる矩形波パルス電圧波形V7を示す。図6の回路ではパルス電圧の割合(t0/T)は0〜1と大きくでき、1の場合は一定の直流電圧と見做すことができる。発光ダイオード12を流れる電流はパルス電圧がある時だけ定電流素子15で規定した定電流が流れ点灯する。
【0023】
以上、本発明によれば電源部とPWM制御部が統合できるので、図8で示した従来回路必要としたインダクタ、コンデンサで構成されるフィルタ1−1と発光ダイオードの輝度を調整するPWM制御専用のスイッチング素子と制御回路が不要となる。したがって、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード駆動回路の低コスト化、小型・軽量化、高効率化が実現できる。また、発光ダイオードの電流を抵抗で規定する方式から定電流素子を用いた定電流駆動方式に変えることにより、発光ダイオードの順方向電圧降下バラツキによる消費電力の増加を防止できるので発熱が抑えられ、発光ダイオードの駆動電流を規格内に抑えることができるので信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の実施例1に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。
【図2】図1の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。
【図3】定電流素子の特性例である
【図4】本発明の実施例2に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。
【図5】図4の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。
【図6】本発明の実施例3に係る発光ダイオード定電流駆動回路である。
【図7】図6の発光ダイオード輝度調整回路の動作波形である。
【図8】従来の発光ダイオード駆動回路と輝度調整回路を組合せた発光ダイオード定電流駆動回路である。
【図9】発光ダイオード輝度調整回路である。
【符号の説明】
【0025】
1 商用電源
2 ブリッジダイオード
3、3a、3b コンデンサ
4 トランス
5、5a、5b スイッチング素子
6、6a、6b ダイオード
12 発光ダイオード
15 定電流素子
16 スイッチング素子制御回路
【出願人】 【識別番号】506014491
【氏名又は名称】平塚 利男
【出願日】 平成18年1月12日(2006.1.12)
【代理人】 【識別番号】100105647
【弁理士】
【氏名又は名称】小栗 昌平

【識別番号】100105474
【弁理士】
【氏名又は名称】本多 弘徳

【識別番号】100108589
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 利光

【識別番号】100090343
【弁理士】
【氏名又は名称】濱田 百合子


【公開番号】 特開2007−189819(P2007−189819A)
【公開日】 平成19年7月26日(2007.7.26)
【出願番号】 特願2006−5204(P2006−5204)