(57)【要約】  一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）の動作を制御するためのラダー回路網の回路。この回路は、直列接続された複数区間を含む。各区間は、１つ以上のＬＥＤ接合部と、ＬＥＤ区間に結合された可変抵抗素子と、可変抵抗素子及びＬＥＤ区間に結合された、ＬＥＤの起動を制御するためのスイッチと、を含む。この区間は、スイッチと可変抵抗素子との間に結合されたトランジスタを含み得る。直列区間は、ＡＣ電源、整流器、及び調光回路に接続される。電源から電力を受けると、この区間が、この直列区間の全体にわたってＬＥＤを順次起動させる。調光回路は、選択された区間内のみのＬＥＤを順次起動するために、この区間のうちの１つ以上の選択の起動を制御することによって、ＬＥＤの調光及び調色の制御の両方をもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）の動作を制御するための回路であって、
直列接続された複数区間であって、前記区間が電源に接続するように構成され、各区間が、
少なくとも１つのＬＥＤと、
前記ＬＥＤ区間に結合された可変抵抗素子と、
可変抵抗素子及び前記ＬＥＤ区間に結合されたスイッチと、
を含む、複数区間を含み、
前記スイッチが、前記可変抵抗素子とともに、前記ＬＥＤ区間を起動させ、前記ＬＥＤを通る電流を制御し、
前記電源から電力を受けると、前記区間が、前記直列区間の全体にわたって前記ＬＥＤ区間を順次起動させる、回路。
【請求項２】
前記スイッチがトランジスタを含む、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記スイッチがデプレッション型ＦＥＴを含む、請求項２に記載の回路。
【請求項４】
各区間が複数のＬＥＤを含む、請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記直列区間に結合され前記電源に接続されるように構成された整流器を更に含む、請求項１に記載の回路。
【請求項６】
前記整流器に結合された調光回路を更に含み、前記電源から電力を受けると、前記調光回路が、前記区間のうちの１つ以上の選択の起動を制御して、前記選択された区間内のＬＥＤを順次起動させる、請求項５に記載の回路。
【請求項７】
前記調光回路がＴＲＩＡＣを含む、請求項６に記載の回路。
【請求項８】
前記調光回路が位相カット電気回路を含む、請求項６に記載の回路。
【請求項９】
一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）の動作を制御するための回路であって、
直列接続された複数区間であって、前記区間が電源に接続するように構成され、各区間が、
少なくとも１つのＬＥＤと、
前記ＬＥＤ区間に結合された可変抵抗素子と、
前記可変抵抗素子に結合されたトランジスタと、
前記ＬＥＤ区間、前記可変抵抗素子、及び前記トランジスタに結合されたスイッチと、
を含む、複数区間を含み、
前記スイッチが、前記可変抵抗素子及び前記トランジスタとともに、前記ＬＥＤ区間を起動させ、前記ＬＥＤを通る電流を制御し、
前記電源から電力を受けると、前記区間が、前記直列区間の全体にわたって前記ＬＥＤ区間を順次起動させる、回路。
【請求項１０】
前記トランジスタがエンハンスメント型ＦＥＴを含む、請求項９に記載の回路。
【請求項１１】
前記スイッチと前記可変抵抗素子との間に結合された第１の抵抗素子と、前記スイッチと前記トランジスタとの間に結合された第２の抵抗素子と、を更に含む、請求項９に記載の回路。
【請求項１２】
前記スイッチがトランジスタを含む、請求項９に記載の回路。
【請求項１３】
前記スイッチがデプレッション型ＦＥＴを含む、請求項１２に記載の回路。
【請求項１４】
各区間が複数のＬＥＤ接合部を含む、請求項９に記載の回路。
【請求項１５】
前記直列区間に結合され前記電源に接続されるように構成された整流器を更に含む、請求項９に記載の回路。
【請求項１６】
前記整流器に結合された調光回路を更に含み、前記電源から電力を受けると、前記調光回路が、前記区間のうちの１つ以上の選択の起動を制御して、前記選択された区間内のＬＥＤを順次起動させる、請求項１５に記載の回路。
【請求項１７】
前記調光回路がＴＲＩＡＣを含む、請求項１６に記載の回路。
【請求項１８】
前記調光回路が位相カット電気回路を含む、請求項１６に記載の回路。
【請求項１９】
前記スイッチと前記トランジスタとの間に結合されたキャパシタを更に含む、請求項９に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
一連の複数の直列発光ダイオード（ＬＥＤ）は、標準ＡＣ電源から直接ＡＣ駆動することが可能である。しかしながら、そのような直接駆動されるＬＥＤ回路は、著しい高調波歪みを呈し、望ましくない。また、調光機能が含まれる。一連のＬＥＤはまた、ＤＣ駆動することも可能であるが、その場合、標準ＡＣ電源をＤＣ電流に変換するための変換電気回路が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
したがって、低い駆動電圧でも最小限の高調波歪み及びほぼ高力率で電流が十分に流れるようにすることにより、特にＬＥＤ光交換白熱又は蛍光灯として、調光機能を持ち得る実施態様をもたらす、修正又は改良が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明による一連のＬＥＤの動作を制御するための第１の回路は、直列接続され電源に接続されるように構成された複数区間を含む。各区間は、１つ以上のＬＥＤ接合部と、ＬＥＤ区間に結合された可変抵抗素子と、可変抵抗素子及びＬＥＤ区間に結合されたスイッチと、を含む。スイッチは、可変抵抗素子とともに、ＬＥＤ区間の起動を制御する。電源から電力を受けると、この区間は、直列区間の全体にわたって順次起動される。
【０００４】
本発明による一連のＬＥＤの動作を制御するための第２の回路もまた、直列接続され電源に接続されるように構成された複数区間を含む。第２の回路の各区間は、１つ以上のＬＥＤ接合部と、ＬＥＤに結合された可変抵抗阻止と、可変抵抗阻止に結合されたトランジスタと、ＬＥＤ区間、可変抵抗阻止、及びトランジスタに結合されたスイッチと、を含む。スイッチは、可変抵抗素子及びトランジスタとともに、ＬＥＤ区間の起動を制御する。電源から電力を受けると、この区間は、一連の直列区間の全体にわたって順次起動される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなすものであって、説明文と併せて本明細書の利点と原理を説明するものである。
【図１】一連の直列ＬＥＤを駆動するためのシングルＦＥＴ回路（破線で囲んだ部分）の図。
【図２】一連の直列ＬＥＤを駆動するためのデュアルＦＥＴ回路の図。この回路は図１の破線で囲んだ回路を改良したものある。
【図３】シングル及びデュアルＦＥＴ回路について、トランジスタＴのゲートソース電圧対ＬＥＤ電圧を示すグラフ。
【図４】シングル及びデュアルＦＥＴ回路について、電流の上限を示すグラフ。
【図５】１８区間を有するＬＥＤラダーに関して、シングル及びデュアルＦＥＴ回路について、電力消費を示すグラフ。
【図６】デュアルＦＥＴ回路について全高調波歪み及び力率性能を示すグラフ。
【図７】デュアルＦＥＴ回路について電流スペクトルを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
ＬＥＤ駆動回路の実施形態によれば、ＡＣ電源用途において、複数の直列ＬＥＤを駆動電流における最小限の高調波歪み及びほぼ高力率で駆動することが可能となる。この回路によればまた、調光回路、例えば従来のＴＲＩＡＣ調光器による直接調光及び色変化が可能となる。更に、この回路は電源電圧サージ保護機能を有し、また不足電圧動作の影響を比較的受けにくい。
【０００７】
図１は、一連の直列ＬＥＤを駆動するためのＦＥＴ回路１０の図である。回路１０は、一連の直列接続された３つの（ｍ＝３）区間、すなわちＮ１、Ｎ２、及びＮ３を含む。各区間は、Ｎｍ  ＬＥＤ接合部を制御する。第１の区間は、１つのダイオードとして表されるＮ１  ＬＥＤ接合部１２、抵抗Ｒ１、及びトランジスタＴ１を含む。第２の区間は、１つのダイオードとして表されるＮ２  ＬＥＤ接合部１４、抵抗Ｒ２、及びトランジスタＴ２を含む。第３の区間は、１つのダイオードとして表されるＮ３  ＬＥＤ接合部１６、抵抗Ｒ３、及びトランジスタＴ３を含む。各区間において、デプレッション型トランジスタＴは、対応するＬＥＤ区間を起動又は非起動する（オン又はオフにする）ための、ノーマリオンスイッチとして機能する。デプレッション型トランジスタに要求されることの１つとして、ドレイン−ソース間チャネル抵抗Ｒｄｓが、ゲート−ソース間電圧ゼロ、すなわちＶｇｓ＝０の場合に、数オーム以下であることが挙げられる。トランジスタは、図１の第１の区間（Ｎ１）から最後の区間（Ｎ３）へとＬＥＤを順次起動するために、ラダー回路網を形成している。区間Ｎ１、Ｎ２、及びＮ３は、ＡＣ電源１９及び調光回路２０を含む整流器１８に接続されている。図１では、調光回路２０はＴＲＩＡＣとして表されているが、これは他の電源位相カット電気回路によるものであってもよい。実用的な１２０ＶＡＣの場合であれば、区間電圧を実用的な１０〜２０ボルトの範囲にするために、好ましくは３つより多い区間、場合によっては１０又は２０の区間が設けられる。
【０００８】
スイッチトランジスタＴ１、Ｔ２、及びＴ３はそれぞれ、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴ、例えばＢＳＰ１４９トランジスタによって実現できる。抵抗Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３はそれぞれ、例えば５０ｋΩポテンショメータ、又は他のタイプの可変抵抗素子によって実現できる。ＬＥＤ  １２、１４、及び１６はそれぞれ、異なる色で発光するが好ましくは同一の定格電流を有する、任意のタイプのＬＥＤによって実現することができる。
【０００９】
図１の回路１０は、以下のように動作する。第１の（下段の）Ｎ１区間は、直列のＦＥＴチャネルが低い抵抗経路を形成することから、低い駆動電圧Ｖｒで発光する。ポテンショメータ値Ｒは、動作子より上の最高値をＲｔ、動作子より下の最低値をＲｂとして、合計Ｒ＝Ｒｔ＋Ｒｂである。これをＲ１ポテンショメータに適用すると、Ｔ１のゲート−ソース電圧Ｖｇｓは等式（１）によって得られる。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
等式（１）によれば、ＬＥＤ電圧が増大するとＶｇｓは減少する。区間ＬＥＤ電圧（ＶＬＥＤ）が増大し続けると、トランジスタＴ１は、そのＶｇｓ値が閾値電圧より低くなった時点で、もはや主たる電流供給経路としては機能しなくなる。というのは、第２のＮ２  ＬＥＤ区間が徐々に第１のＮ１区間と同じ電流を伝導して発光し始めるからである。Ｖｒ電圧が更に上昇すると、このプロセスは第３の、また場合によっては更に上段のＬＥＤ区間へと伝わっていく。この連鎖的プロセスによって、抵抗性ＬＥＤ負荷の線形化が達成される。図１では３区間のみを示しているが、ラダーは、各区間ｍについて複数のＮｍＬＥＤ接合部を備えた、駆動電圧Ｖｒの最大値に対応する（ＬＥＤ接合部の総数は積Ｎｍ×ｍで得られる）任意のｍ区間まで、延長することが可能である。各区間はまた、図に示すようなＬＥＤ接合部を複数、好ましくは各区間に少なくとも３つのＬＥＤ接合部を含むことができる。複数のＬＥＤ接合部は、単一のＬＥＤ部品内又は数個のＬＥＤ部品中に収容され得る。最終段のトランジスタＴｍ（図１ではトランジスタＴ３）は、ＬＥＤ電流を制限する最終的な電源電圧サージ保護装置として機能する。この電流制限は、図４及び図６において最大平坦部として認められる。
【００１２】
極端な電源電力消費の際には、不足電圧状態が生じることがあり、そのために１つ以上の上段側ＬＥＤ区間が点灯しないことが生じ得る。しかしながら、残りの区間はそれぞれの定格電流で点灯し続けるため、不足電圧状態が光出力全体に与える影響は限定的である。
【００１３】
単一の（第１の）ＬＥＤ区間について修正を施した電気回路部分が、図２のデュアルＦＥＴ回路２２により示される。図１の回路１０と比較して、１つの追加的なエンハンスメント型ＦＥＴ  Ｑ１、２つの追加的な抵抗Ｒ４及びＲ５、並びに１つのキャパシタＣが、各ＬＥＤ区間Ｎ１〜Ｎｍに含まれている。ＦＥＴ  Ｑ１は、例えば２Ｎ７０００トランジスタで実現できる。抵抗Ｒ４及びＲ５は、１００ｋΩ程度の抵抗、又は他のタイプの抵抗素子によって実現することができる。Ｒ１の時計回りの回転方向（図２の「ｃｗ」）は、ＬＥＤ電流が増大する方向である。デュアルＦＥＴ回路は、いくつかの異なった形で現われる回路１０の不利益を解消する。
【００１４】
制御されたＩＬＥＤ電流フィードバック機構には、等式（２）中の電圧利得Ｇが関与するが、ここではこの「利得」｜Ｇ｜＜１である。この利得は、先に述べたシングルＦＥＴ回路では定数であった。デュアルＦＥＴの場合には、Ｇは変化し、エンハンスメント型（Ｑ）ＦＥＴのＲｄｓの関与（かつ適切なＲ１の選択）により、さまざまな性能向上の実現において利点がもたらされる。
【００１５】
【数２】
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【００１６】
図３は、Ｔ１のゲート−ソース電圧対ＬＥＤ電圧、及びシングルＦＥＴの実現とデュアルＦＥＴの実現との間の際立った差異を示している。シングルＦＥＴ回路の場合、Ｔ１のＶｇｓが徐々に減少するのに対して、デュアルＦＥＴの場合には高めのＬＥＤ電圧において切り替わり、Ｖｇｓは鋭角を描いて減少する。曲線の水平部分においては、トランジスタＴ１は低いＲｄｓ抵抗を維持して消散を最小限にとどめる。この結果、各ＬＥＤ区間についてのすべてのＴ型（デプレッション）トランジスタは、ＬＥＤを通る電流のオンとオフとを切り替える、より完全なスイッチとして動作する。
【００１７】
図４は、デュアルＦＥＴ回路における改良された電流制限能力を示し、シングルＦＥＴ回路に比較して、供給電圧にかかわらず、より厳格な電流制限が行われる。図４の垂直部分より左側では、電圧が印加されてもＬＥＤ区間は不活性である。垂直部分の右側では、ＬＥＤ区間は活性であり、電流は電気回路によって水平レベルに制限される。
【００１８】
回路２２の性能は、ＬＥＤの充電電流を制限することによって更に向上させることができる。簡略化した同等のＬＥＤ回路図は、抵抗と容量との並列接続からなり、容量は主として順方向バイアスされたダイオードの拡散容量からなる。この容量は、ＬＥＤ区間に電圧変化が生じると、電流を引き込む。このような充電電流はＡＣ線から供給され、ＡＣ電流振幅の上昇部のスパイク又はノイズとして現れる（図４参照）。放電はＬＥＤ内部に行われ、放電電流はＡＣ線電流の下降部には現れない。上昇部のスパイクは、電流の高調波部分の増大につながって望ましくない。
【００１９】
このような電流スパイクへの対処法は、図２に示すように、エンハンスメント型ＦＥＴ  Ｑ１のゲートに接続された小さなキャパシタＣを配置することを伴う。このキャパシタＣは、抵抗Ｒ５及びＲ１とともに、ＬＥＤに突然の電圧変化が生じた場合に、デプレッション型ＦＥＴ  Ｔ１のチャネル抵抗を一時的に増大させる高域通過フィルタを形成する。この結果、拡散容量に供給される充電電流が一時的に弱まり、上昇部の電流ノイズを低下させる。使用するＬＥＤの大きさ並びに抵抗Ｒ５及びＲ１の値によるが、Ｃの実用的な値は約１００ｐＦである。
【００２０】
デュアルＦＥＴの場合のもう一つの利点が図５に示されており、シングルＦＥＴの場合より電力消費のバランスがとれていることが分かる。この均一なバランスはまた、ＬＥＤ区間の発光の知覚に際しても明確に認められ、異なるＬＥＤ区間について、それらの発光出力の間に（主観的に）識別できるほどの違いは観測されなかった。図５のグラフは、ラダーに１８のＬＥＤ区間を用いた、総電力消費が約１０Ｗの実施態様で得られた。図５から得られる効率の数値によって、トランジスタによる消散が、シングルＦＥＴの場合は２．６Ｗであるのに対してデュアルＦＥＴの場合には０．５Ｗ未満にまで低減し、効率は、シングルＦＥＴの場合の７３％からデュアルＦＥＴの場合には９５％に上昇したことが示される。効率は、電源プラグに得られる電力に対する全ＬＥＤ電力の比率として定義される。
【００２１】
図６は、デュアルＦＥＴ回路についての全高調波歪みを示すグラフである。シングル及びデュアルＦＥＴ回路双方ともに、非常に小さい全高調波歪みを呈することが示された。更に、シングル及びデュアルＦＥＴ回路双方において、ラダー回路網によって線形に近い電流対電圧の負荷プロファイルが得られることが示された。
【００２２】
図７は、デュアルＦＥＴ回路についての電流スペクトルを表すグラフであり、これは非常に小さい高調波を示し、デュアルＦＥＴ回路の特定の実施態様については全高調波歪みが０．７％という結果が得られた。図７のスペクトルは、厳密に１／６０秒の１周期にわたって線電流Ｉ（ｔ）のデジタル化プロファイルを収集することによって得られた。このプロファイルに、ｊ＝√（−１）としてＩ（ｔ）のｊ倍のヒルベルト変換を加えた。その後、この複素数の和について高速フーリエ変換を行った結果、図７の、一方に偏ったスペクトルが得られた。
【００２３】
このラダー回路網は、ラダーの選択された数の区間のみを起動する調光回路２０による、調光機能を有している。この選択された数としては、第１の区間のみ（Ｎ１）、全区間（Ｎ１〜Ｎｍ）、又は第１の区間（Ｎ１）〜区間Ｎｍ〜ｎ（ｎ＜ｍ）の選択された部分を含み得る。その強度（調光）は、ラダー中のいくつの区間を起動するかを制御する調光回路により選択された特定強度でオンとなっているＬＥＤでいくつの区間が活性となっているかに基づいて制御される。
【００２４】
ラダー回路網はまた、調光回路２０の使用を通じて調色を可能にする。ＬＥＤにより全体として出力される色は、どの区間を活性とするか、選択された一連の区間、及び第１の区間から最後の区間までの区間におけるＬＥＤの配列を制御する調光器によって決定される。ラダーが順次オンとなるにつれて、ＬＥＤの配列によって、区間Ｎ１、Ｎ２、．．．Ｎｍ内のＬＥＤの色と相関する色１、２、．．．ｍで出力色調が決定される。出力色はまた、ラダー中の選択された一連の区間内の活性ＬＥＤ間の混色にもよる。
【００２５】
この回路によって、極めて優れた力率性能がもたらされる。力率ＰＦは、ちょうど整数個の周期にわたるＴ及び任意の定数τを用い、等式（３）に示す電源電圧Ｖ及び電流Ｉについての一般式を用いて評価される。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
このラダー回路網の回路によれば、０．９８以上の力率が容易に得られる。
【００２８】
回路１０及び２２の部品は、ＬＥＤとともに、又はそれとは別に、集積回路に実装することができる。ＬＥＤが分離している場合には、それらのＬＥＤをリードで接続することによって、固体照明機器内の駆動装置として使用することが可能となる。固体照明機器の実施例は、２００９年８月４日出願の米国特許出願第１２／５３５２０３号に記載されており、これは参照により、完全に明記されているかのように本明細書に組み込まれる。
【００２９】
シングルＦＥＴ及びデュアルＦＥＴの用語は、標示としてのみ用いられ、トランジスタラダー回路網を使用してＬＥＤを制御するために、同等の回路部品を代替的に用いることも可能である。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2013534035.tif 000013
2013534035.tif 000014