(57)【要約】    【課題】  発光素子に供給される電流を一定に保って発光素子の輝度を変動を少なくさせると共に、無駄な消費電力を少なくする。    【解決手段】  半波整流回路１１による半波整流波が、コンデンサ１２によりある程度の脈動を有する脈動波に平滑化される。トランジスタ１６は、シャントレギュレータ１５が発生させる定電圧をベースに印加され、ＬＥＤ２０に定電流を供給する。コンデンサ１２の端子間電圧の下限値が、ＬＥＤ１個当たりの順方向電圧と前記発光素子の個数との積よりも大きくなるように、前記コンデンサの容量Ｃ２が設定されている。    【選択図】  図１
2006073637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を整流波に変換する整流回路と、
前記整流波を平滑化するコンデンサと、
一定な第一電圧を供給する定電圧源と、
制御端子に前記第一電圧に等しい又は前記第一電圧に対応する一定の第二電圧を与えられ第一端子と第二端子との間に電流を流すトランジスタと
前記第一端子に接続され前記第二電圧に対応する一定の第三電圧が印加される抵抗と
を備え、
前記コンデンサの端子の一方と前記トランジスタの第二端子との間に複数個直列接続された発光素子を接続可能なように構成され、
前記コンデンサの端子の一方と前記第二端子との間の電圧が脈流となり、且つその下限値が、前記発光素子の１個当たりの順方向電圧と前記発光素子の個数との積よりも大きくなるように、前記コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする発光素子点灯制御回路。
【請求項２】
前記定電圧源と前記トランジスタの制御端子との間に接続され、前記トランジスタと熱結合された温度補償素子を更に備えた請求項１記載の発光素子点灯制御回路。
【請求項３】
前記コンデンサは、前記整流回路による整流波がピークを超えた後放電を開始し、前記整流波の電圧が前記コンデンサの端子間電圧以上となるまで放電を継続する請求項１記載の発光素子点灯制御回路。
【請求項４】
前記整流回路、前記電圧源及び前記トランジスタが同一のＳＯＩ半導体基板上に、互いに素子分離領域により分離されて形成された請求項１記載の発光素子点灯制御回路。
【請求項５】
交流を整流波に変換する整流回路と、
一定な第一電圧を供給する定電圧源と、
制御端子に前記第一電圧に等しい又は前記第一電圧に対応する一定の第二電圧を与えられ第一端子と第二端子との間に電流を流すトランジスタと
前記第一端子に接続され前記第二電圧に対応する一定の第三電圧が印加される抵抗と
を備え、
前記整流回路と前記トランジスタの第二端子との間に複数個直列接続された発光素子を接続可能なように構成され、且つ前記整流回路に前記整流波を脈流にするコンデンサが接続可能に構成され、
前記整流回路、前記定電圧源及び前記トランジスタが同一のＳＯＩ基板上に形成されると共に素子分離絶縁膜により互いに絶縁分離されていることを特徴とする発光素子点灯制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ等の発光素子の点灯を制御する発光素子点灯制御回路に関し、特に直流点灯制御を行う発光素子点灯制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、輝度が高く発光効率も高い白色発光ダイオードが開発されたこと等を契機として、電球や陰極管等に代えて、ＬＥＤを光源とした照明装置が提案されている。交通信号等では既にＬＥＤを光源としたものが普及しているが、今後は家庭用の照明器具にもＬＥＤが用いられるようになることが期待される。
【０００３】
ＬＥＤの点灯制御は、パルス点灯制御と直流（ＤＣ）点灯制御とに大別される。パルス点灯制御は、例えば交流電圧の１周期中の所定区間の電圧だけを利用してパルス点灯するものである。しかし、交流電圧の１周期に対するパルス駆動時間が短いため、必要輝度を達成するためにはＤＣ点灯制御に比べて大きな電流を流す必要がある。しかし、ＬＥＤの定格から流すことができる電流の大きさには上限がある。このため、パルス点灯制御は、ＤＣ点灯制御に比べてＬＥＤの輝度を高めるのが困難である。ＤＣ点灯制御の場合、交流電源等を整流し平滑化して、全区間の電圧を利用することができるので、パルス点灯制御に比べてＬＥＤの輝度を高めることが容易である。
【０００４】
しかし、ＤＣ点灯制御の場合、整流前の交流電源電圧が不安定であったり、交流電源の電圧がＬＥＤ点灯に必要な電圧よりも大幅に大きかったりすること等に起因して、（１）一定の電流が得られずＬＥＤの輝度が変動する、（２）消費電力が大きくなる、（３）点灯制御回路が大型化する、等の問題が生じる。例えば、最大値が１４１Ｖである商用交流電源の電圧を変圧器で下げ、これを整流・平滑化してＬＥＤに供給するものが知られている。しかし、商用交流電源に適応した変圧器はサイズが大きく、家庭用照明器具等に挿入すると器具の大型化を招き好ましくない。また、変圧器の場合、負荷であるＬＥＤが接続されていない場合でも変圧器の１次側に電流が流れ、鉄損等による無駄な消費電力が発生してしまう。
【０００５】
また、抵抗やインダクタを用いて電圧を下げてＬＥＤに供給する点灯制御回路も提案されている（例えば特許文献１、２参照）。抵抗を用いたものは、抵抗での消費電力が大きくなるという問題がある。また、インダクタを用いたものでは消費電力は小さいが、インダクタ自体が大型のものが必要となり、やはり照明器具の大型化を招くという問題がある。更に、商用交流電源は負荷変動により±１０％程度の電圧変動が生じることが想定されるため、これもＬＥＤの輝度の変動の原因となる。ＬＥＤは順方向電流の大きさが変わると輝度が変化し、順方向電流が増加すると順方向電圧も変化する。また温度によっても順方向電圧が変化する特性がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３１４７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、発光素子に供給される電流を一定に保って発光素子の輝度を変動を少なくさせると共に、無駄な消費電力を少なくすることができる発光素子点灯制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る発光素子点灯制御回路は、交流を整流波に変換する整流回路と、前記整流波を平滑化するコンデンサと、一定な第一電圧を供給する定電圧源と、制御端子に前記第一電圧に等しい又は前記第一電圧に対応する一定の第二電圧を与えられ第一端子と第二端子との間に電流を流すトランジスタとを備え、前記第一端子に接続され前記第二電圧に対応する一定の第三電圧が印加される抵抗と前記コンデンサの端子の一方と前記トランジスタの第二端子との間に複数個直列接続された発光素子を接続可能なように構成され、前記コンデンサの端子の一方と前記第二端子との間の電圧が脈流となり、且つその下限値が、前記発光素子の１個当たりの順方向電圧と前記発光素子の個数との積よりも大きくなるように、前記コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明の別の態様に係る発光素子点灯制御回路は、交流を整流波に変換する整流回路と、一定な第一電圧を供給する定電圧源と、制御端子に前記第一電圧に等しい又は前記第一電圧に対応する一定の第二電圧を与えられ第一端子に前記第二電圧に対応する一定の第三電圧が印加される抵抗が接続されたトランジスタとを備え、前記整流回路と前記トランジスタの第二端子との間に複数個直列接続された発光素子を接続可能なように構成され、且つ前記整流回路に前記整流波を脈流にするコンデンサが接続可能に構成され、前記整流回路、前記定電圧源及び前記トランジスタが同一のＳＯＩ基板上に形成されると共に素子分離絶縁膜により互いに絶縁分離されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、発光素子に供給される電流を一定に保って発光素子の輝度変動を少なくさせると共に、無駄な消費電力を少なくすることができる発光素子点灯制御回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、この実施の形態に係るＬＥＤ点灯制御回路１の構成を示している。この回路は、図１に示すように、半波整流回路１１と、平滑化コンデンサ１２と、抵抗１３と、ダイオード１４と、シャントレギュレータ１５と、トランジスタ１６と、抵抗１７とを備えており、ノードＮ１とＮ２との間に接続された複数個のＬＥＤ２０を点灯制御するものである。
【００１２】
半波整流回路１は、例えば図示の通り１つのダイオードから形成することができ、図２（Ａ）に示すような交流波形を、同図（Ｂ）に示すような半波整流波に変換する機能を有する。
【００１３】
また、平滑化コンデンサ１２は、半波整流回路１の出力としての半波整流波を適度な脈動率を持つように平滑化するためのものである。すなわち、この平滑化コンデンサ１２の容量Ｃ２は、その端子間電圧が、図２（Ｃ）の曲線Ｅ１２ｂのように完全には直流化された曲線ではなく、曲線Ｅ１２ｍのように、半波整流回路１による整流波（図２（Ａ））がピークを超えた後放電を開始し、整流波の電圧がコンデンサ１２の端子間電圧以上となるまで放電を継続する、脈動曲線となるように調整されている。具体的には、曲線Ｅ１２ｍで示されるように、コンデンサ１２の端子電圧が商用交流電源１０の電圧よりも低い間にも、平滑化コンデンサ１２の端子電圧の下限値Ｖｍｉｎが、ＬＥＤ２０が発光可能となる電圧Ｖｏｎ以上になるよう、平滑化コンデンサ１２の容量Ｃ２が調整される。なお、下限値Ｖｍｉｎは、商用交流電源１０の周波数及び波高値、ＬＥＤ２０を含む回路全体での消費電流等等の変化により変動するが、これらが一定である状況においては、平滑化コンデンサ１２の容量Ｃ２によって決定される。
【００１４】
抵抗１３、ダイオード１４、及びシャントレギュレータ１５は、互いに直列に接続され、全体として平滑化コンデンサ１２と並列接続されている。なお、ダイオード１４は必ずしも必要ではなく、後述するようにトランジスタ１６の温度補償のため、何らかの形式でトランジスタ１６と熱結合するように接続されているものである。また、シャントレギュレータ１５は、抵抗１５１と可変抵抗１５２とを直列接続してなる抵抗列を、ツェナーダオード１５３、及びコンデンサ１５４と直列接続して構成される。
【００１５】
トランジスタ１６は、ベース端子がダイオード１４のアノード（ノードＮ３）に接続され、シャントレギュレータ１５からの一定の出力電圧Ｖ１５とダイオード１４の順方向電圧Ｖ１４との和に等しい電圧ＶＢを、一定電圧としてベースに供給されている。また、エミッタには抵抗１７が接続され、コレクタにはＬＥＤ２０のカソードが接続されている。トランジスタ１６のベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅは、ダイオード１４の順方向電圧Ｖ１４と略等しく、また、温度係数も略同一とされる。このため、ダイオード１４は、トランジスタ１６の温度補償素子として機能し、シャントレギュレータ１５の出力電圧Ｖ１５（ノードＮ４）と、トランジスタ１６のエミッタ電圧Ｖｅ（ノードＮ５）は、温度に関係なく常に略等しくなる。
【００１６】
エミッタ電圧Ｖｅが一定に保たれるため、トランジスタ１６のエミッタ電流Ｉｅも一定とされる。従って、ＬＥＤ２０を流れる電流Ｉｆも一定となり、これにより、ＬＥＤ２０は、コンデンサ１２の端子電圧が変動しても、常にその輝度を一定に保つことができる。
なお、上記実施形態において、トランジスタ１６として、図１に示すようなバイポーラトランジスタに代えて、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いても良い。
また、トランジスタ１６の温度補償を考慮しなければ、温度補償を行うためのダイオード１４は省略することも可能である。この場合でも、温度変化による若干の変動はあるものの、トランジスタ１６のエミッタ電圧Ｖｅが略一定に保たれるため、トランジスタ１６のエミッタ電流Ｉｅは一定となる。従って、ＬＥＤ２０を流れる電流Ｉｆも一定となり、これにより、ＬＥＤ２０は、コンデンサ１２の端子電圧が変動しても、常にその輝度を一定に保つことができる。
【００１７】
ＬＥＤ２０が例えば順方向電圧ＶｆであるＭ個のＬＥＤの直列接続からなる場合、点灯に必要な最低限のノードＮ１−Ｎ２間電圧Ｖ２０は、Ｖ２０＝Ｖｆ×Ｍとなる。従って、この実施の形態では、コンデンサ１２の端子間電圧の下限値Ｖｍｉｎは、次の条件を満たす必要がある。
【００１８】
［数１］
Ｖｍｉｎ≧Ｖｏｎ＝Ｖｆ×Ｍ＋Ｖｃｅ＋Ｒｅ×Ｉｅ
ただし、Ｖｃｅはトランジスタ１６のエミッタ−コレクタ電圧
Ｖ１５≒Ｒｅ×Ｉｅ
【００１９】
換言すれば、ノードＮ１−Ｎ２間電圧Ｖ２０が、常に
【００２０】
［数２]
Ｖ２０≧Ｖｆ×Ｍ
【００２１】
を満たすことが必要となる。このＶｍｉｎと、平滑化コンデンサ１２の端子間電圧の最大値Ｖｍａｘとの差ΔＶは、ＬＥＤ電流Ｉｆと放電期間Δｔ（図２(Ｃ)）の積であらわされる電荷量と、コンデンサ１２の静電容量Ｃ２で決定できる。すなわち
【００２２】
[数３]
Ｃ＝Ｑ／ΔＶ
Ｑ＝Ｉｆ×Δｔ
【００２３】
容量Ｃ２が大きく、平滑化コンデンサ１２の端子間電圧が図２（Ｃ）の曲線Ｅ１２ｂに示すように略直流となる場合、トランジスタ１６のエミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅが最大で一定となり、損失はこのエミッタ−コレクタ間電圧Ｖｃｅとコレクタ電流（＝Ｉｆ）の積となる為、損失は図２(Ｄ)の曲線Ｗｃに示すように大きくなる。損失が大きい場合、ＬＥＤ２０の発光効率は高くても、回路の消費電力が大きい関係で、総合的な効率は低下する。
【００２４】
これに対しこの実施の形態では、曲線Ｅ１２ｍ（図２（Ｃ））に示すように、平滑化コンデンサ１２の端子電圧の定常化後の下限値Ｖｍｉｎが、ＬＥＤ２０が点灯するのに必要な最低限の電圧Ｖｏｎを下回らない脈流となるよう、コンデンサ１２の容量Ｃ２を調整している。このため、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの平均値が低下し、回路の消費電力は、図２(Ｄ)の曲線Ｗｃ０に示すように抑制される。
【００２５】
この図１に示すＬＥＤ点灯制御回路１は、図３に示すように、コンデンサ１２を除いた部分を同一の半導体基板１０１上に集積回路として形成するのが好適である。この際、この集積回路は、半導体基板１０１上にＳＯＩ絶縁膜１０２を形成し、更に各半導体素子を分離する素子分離絶縁膜１０３により分離して形成するのが好ましい。素子分離絶縁膜１０３により各素子が分離されることにより、整流回路１１のように交流電圧が印加される素子を１つの集積回路上に形成することができる。
【００２６】
また、集積回路により形成する場合、ディスクリート素子により形成する場合のいずれの場合にも、トランジスタ１６を、その温度補償素子としてのダイオード１４と隣接させて、両者を熱結合させるようにすることが好ましい。図４は、同一のフレーム４０上に、ダイオード１４とトランジスタ１６とを形成した例を示している。これにより、ダイオード１４の温度がトランジスタ１６の温度と常に略同一となり、温度補償が実行される。
【００２７】
この実施の形態のＬＥＤ点灯制御回路１を、家庭用照明器具に搭載した例を図５で説明する。この例では、この実施の形態のＬＥＤ点灯制御回路１及びＬＥＤ２０を、図示しないソケットに接続される口金５０に搭載し、これをブラケット２０で覆っている。ブラケット２０は、透明・半透明なものでもよいし、すりガラス状のものであってもよい。
【００２８】
このような本発明の一実施形態によれば、トランジスタの制御端子に与えられる一定電圧とトランジスタの第一端子に接続される抵抗とにより、トランジスタの第一及び第二端子間に一定の電流が流れ、これにより平滑化コンデンサの一方の端子とトランジスタの第二端子との間に接続される発光素子の輝度が一定に保たれる。また、平滑化コンデンサの容量が最適化されることにより、消費電力が抑えられ、全体として変換効率を高めることができる。
【００２９】
以上、発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の改変、追加及び置換等が可能である。例えば、上記実施の形態では、整流回路として半波整流回路１１を用いたが、全波整流回路としてもよいことは勿論である。この場合においても、全波整流波を脈流に平滑化し、その脈流の電圧下限値が、ＬＥＤ２０の順方向電圧Ｖｆと、その個数Ｍの積よりも高くなるように、平滑化コンデンサ１２の容量を選択すればよい。また、シャントレギュレータ１５の可変抵抗１５２を調整することにより、シャントレギュレータ１５の出力電圧を変化させ、これにより電流Ｉｅを変化させてＬＥＤ２０の輝度を調整するようにしてもよい。
また、電圧を安定化できるのであれば、シャントレギュレータ１５の代わりにダイオード、定電圧ダイオード等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯制御回路１の全体構成を示す。
【図２】図１に示すＬＥＤ点灯制御回路１における各部の電圧の変化を示す。
【図３】図１に示すＬＥＤ点灯制御回路１を集積回路として形成した例を示す。
【図４】図１に示すＬＥＤ点灯制御回路１を集積回路として形成した例を示す。
【図５】図１に示すＬＥＤ点灯制御回路１を家庭用照明器具に搭載した例を示す。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・商用交流電源、  １１・・・半波整流回路、  １２・・・平滑化コンデンサ、  １３・・・抵抗、  １４・・・ダイオード、  １５・・・シャントレギュレータ、  １６・・・トランジスタ、  １７・・・抵抗、  ２０・・・ＬＥＤ。  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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