(57)【要約】【課題】小占有面積で効率的な電流制限が可能なＬＥＤ電源を提供する。【解決手段】２，３の素子だけを使ってＡＣ源からの電流を制限するための、コストとスペース効率のよいダイオード回路構成であって、本回路は、ＡＣ源（１１０）に接続されたコンデンサ（１２０）と、極対面で並列接続された少なくとも２つのダイオード（１３０）を備える。本回路を様々なアプリケーションで利用することができる。例えば、本回路は、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）のための電気区画のスペースが制限された家庭用機器とエレクトロニクス、例えば、電気掃除機で使うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ＡＣ源と、
（ｂ）前記ＡＣ源に接続され、電流を制限するリアクタンス素子と、
（ｃ）前記リアクタンス素子に接続された少なくとも２つのダイオードであって、極対面で並列接続された、当該ダイオードを備える電流制限回路。
【請求項２】
前記リアクタンス素子はコンデンサである、請求項１の回路。
【請求項３】
前記ダイオードは発光ダイオードである、請求項１の回路。
【請求項４】
ダイオードの数は偶数である、請求項１の回路。
【請求項５】
関連するＡＣ源からの電流を制限するように調整された回路であって、
（ａ）前記関連するＡＣ源に接続され、電流を制限するコンデンサと、
（ｂ）前記コンデンサに接続された少なくとも２つの発光素子であって、極対面で並列接続された、当該発光素子を備える回路。
【請求項６】
前記発光素子は発光ダイオードである、請求項５の回路。
【請求項７】
（ａ）源に接続され、電流を制限するコンデンサと、
（ｂ）前記コンデンサに接続された少なくとも１ペアの発光素子であって、極対面で並列接続された、当該１ペアの発光素子を備える、電流制限回路。
【請求項８】
前記発光素子は発光ダイオードである、請求項７の回路。
【請求項９】
（ａ）源に接続され、電流を制限するコンデンサと、
（ｂ）前記コンデンサに接続された発光素子の２つのブランチであって、極対面で並列接続された、当該発光素子のブランチを備える電流制限回路。
【請求項１０】
前記発光素子は発光ダイオードである、請求項９の回路。
【請求項１１】
関連するＡＣ源から電力をダイオードに供給する方法であって、
（ａ）電量を制限するために、前記ＡＣ源に接続されたリアクタンス素子を提供する工程と、
（ｂ）前記リアクタンス素子に接続された少なくとも第１と第２のダイオードを提供する工程を備え、当該第１と第２のダイオードは、極対面で並列接続される方法。
【請求項１２】
前記リアクタンス素子はコンデンサである、請求項１１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、電気回路に関し、特に、発光ダイオードに流れる電流を制限する電気回路に関する。
【０００２】
白熱ランプは広範囲に渡る環境で使用されており、一般的に、様々な需要に合致して商業的に大きく成功している。近年、業界では、寿命が長く、機械振動や衝撃のあるアプリケーションでの過酷さ、即ち、白熱ランプで比較的壊れやすいフィラメントやコイルの問題に耐えられる別の光源を求めている。この種の環境で白熱ランプを使用する一例としては、電気掃除機等の家庭用機器がある。白熱ランプは、過去に電気掃除機で幅広く使われていた。しかしながら、白熱ランプは、電気掃除機の使用中に大きな機械的衝撃を受けて機械的に故障する。この結果、白熱ランプの寿命が短くなって、頻繁に交換する必要がある。
【０００３】
白熱ランプに代わる光源として、機械振動に耐えることができ、効率的な動作に関連して超寿命なロバスト構造をもつ発光ダイオード（ＬＥＤ）が提案されている。この環境では、ソース電流はＬＥＤの最大許容電流よりはるかに大きい。ＬＥＤを流れる電流を制限するために、例えばブリッジ整流器によって交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換する際に複数の抵抗を使用することは本技術分野では周知のことである。この方法に関する問題の１つは、その回路に関する熱問題である。何故ならば、抵抗が電気的エネルギーを散逸する際に抵抗が熱くなるからである。また、抵抗が故障する主要因は放熱の不適切さにあるので、適切に放熱することが必要である。従って、光源としてのＬＥＤを代替として使うことによって提供されるエネルギーの恩恵のうちの多くがなくなってしまう。
【０００４】
この方法の別の問題は、一般的には、家庭用機器には非常に限定された電気領域即ち区画しかないことである。従って、ダイオードと電流制限素子をこのコンパクトな領域内にフィットさせて、その領域をオーバーヒートさせることなく、また、素子を故障させないように構成する必要がある。
【０００５】
ＬＥＤに供給される電流を制限する別の提案による方法では、整流器をなくして、複数の抵抗を極対面配置のＬＥＤペアに直列に接続する。しかしながら、整流回路の非効率さの問題は解決されていない。何故ならば、依然として電流制限デバイスとして抵抗を使っているからである。
【０００６】
さらに別の電流制限方法では、極対面配置のＬＥＤペアと接続されたインダクタを使う。必要とされるインダクタは大きいので、スペース制限のあるところでの使用するにはこの方法は望ましくない。さらに、理想的なインダクタではＤＣ電圧を扱うことができないので、複数のダイオードの不均衡さを補正することができない。
【０００７】
従って、別の電流制限方法が必要である。
【０００８】
【発明の簡潔な概要】
本発明は、電流制限を行うコスト効率のよい電気回路を提供する。
【０００９】
本発明では数個の素子だけが必要であって、電気区画内でほとんどスペースを必要としない。
【００１０】
抵抗もしくは誘導性リアクタンスによるのではなく、コンデンサのリアクタンスによって電流が制限される。ダイオードに対する電流制限回路は、１つの負荷と少なくとも２つのダイオードに接続されたコンデンサを備え、それらのダイオードは極対面で平行に接続される。
【００１１】
別の実施形態では、コンデンサは、極対面で並列接続のダイオードの少なくとも１ペアに接続される。
【００１２】
さらに別の実施形態では、コンデンサは、複数のダイオードが極対面配置の並列ブランチに接続される。
【００１３】
本回路には従来技術を上回る多くのメリットがある。電流制限回路は、３つの素子、即ち、負荷もしくはＡＣ源に接続された１つのコンデンサと２つのＬＥＤだけを必要とする。本回路は従来技術の回路のどれよりも電気区画内の領域占有度が低い。
【００１４】
別のメリットは、コスト効率がよくＤＣ電圧の不均衡さを是正するコンデンサを使用することにある。
【００１５】
コンデンサは抵抗やインダクタよりも効率がよいので、さらに別のメリットがある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ここで、図を参照して本発明の複数の実施形態を示し説明する。本明細書の全体に渡って同じ要素を示すために同じ参照番号を用いている。図１は、本発明の電流制限回路の一実施形態の模式図である。
【００１７】
図１では、模範的な電流制限回路１００には、電流制限用リアクタンスデバイス、即ちコンデンサ１２０に直列接続されたＡＣ電源１１０もしくは負荷が含まれる。コンデンサ１２０は第１と第２の極対面配置のＬＥＤ１３０、１３５に直列接続される。ＬＥＤ１３０、１３５が同じ電気ポテンシャルを受けるようにＬＥＤ１３０、１３５は並列に配置され、各ダイオード１３０、１３５は各半サイクル毎に発光する。ＬＥＤ１３０、１３５は本技術分野では周知の方法で極対面配置されることが望ましい。
【００１８】
本発明の範囲と意図から逸脱しない、異なる定格の複数の電源を使用できるが、ＡＣ電源１１０は、一般的に、例えば１２０ボルトで６０ヘルツのＡＣ電源である。模範的な実施形態のＬＥＤ１３０、１３５は、約１．７ボルトから４．７ボルト（Ｖ）の間の順電圧が必要である。一般的に、ＬＥＤ１３０、１３５の最大逆電圧は約５Ｖである。白色ＬＥＤの順電圧は、約７０ミリアンペア（ｍＡ）で約４．７Ｖであって、過加熱なしで約７０ｍＡの最大電流を流せるようになっている。ＬＥＤ１３０、１３５を流れるＤＣ電流は、一般的に、約２０から４０ｍＡである。しかしながら、ＤＣ電流量は、所望の明るさのレベルに依存する。これらの素子の値は代表的なものではなく、限定するものであると考えるべきではない。
【００１９】
電流制限回路に必要なコンデンサ１２０の大きさは、ＬＥＤの所望の明るさのレベルに依存する。まず、所望の明るさに電流を制限するために必要なインピーダンスが計算される。このインピーダンスは、
【００２０】
【数１】
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【００２１】
と概算できる。ここで、ＩはＬＥＤ１３０、１３５を流れる平均電流であって、アンペアで表わされ、Ｖはボルトで表される実効電圧である。ＬＥＤ１３０、１３５の順電圧がソース電圧よりもずっと小さいならば、この電圧はソース電圧に凡そ等しい。
【００２２】
次に、上で計算されたインピーダンスに等価な容量性リアクタンスを得るために必要なコンデンサの大きさが選択される。容量性リアクタンスは例えば以下の公式を使って計算される。
【００２３】
Ｃ ＝ １／（２＊ｐｉ＊ｆ＊Ｘｃ）
ここで、ｆはヘルツ（Ｈｚ）で表される周波数であって、Ｘｃは、オームで表される容量性リアクタンスである。ＬＥＤ１３０、１３５を流れる電流が２０ｍＡである模範的な電流制限回路１００では、容量性リアクタンスは約２．７キロオームであって、コンデンサ１２０の容量は１μＦ（マイクロファラド）である。
【００２４】
電流制限回路１００は以下のように動作する。動作中に正弦波ＡＣ電圧が入力端子Ｎ１，Ｎ２に与えられる。与えられる電圧が変化するので、コンデンサ１２０は充放電する。コンデンサ１２０の誘電性（絶縁）部分には電流が流れないが、コンデンサ１２０の充放電によって、コンデンサ・プレートに接続された電流制限回路１００に電流が流れる。コンデンサ１２０からの電流は、ＬＥＤ１３０，１３５に到達し、その周波数はＡＣ電源１１０の供給電圧と同じである。従って、コンデンサ１２０は交流電流を供給してＬＥＤ１３０，１３５を通電し、コンデンサ１２０の大きさの選択によって、ＬＥＤ１３０，１３５に供給される交流電流は容量性リアクタンスに依存することになる。電流制限インピーダンス（この例では、２．７キロオーム）に等価な容量性リアクタンスのコンデンサ１２０を電流が流れる。各ダイオードを流れる平均電流は２０ｍＡであるので、極対面配置のＬＥＤ１３５を流れる電流が遮断されてＬＥＤ１３０が発光する。
【００２５】
コンデンサには、リーク電流や等価なシリーズ抵抗等によるパワー損失があるが、それらの損失は、それが伝送する電力に比べて非常に小さい。従って、ダイオードを流れる電流はより効率的に制限されるので、本回路を様々なアプリケーションで使うことができる。本回路は、電気掃除機や夜間灯等の電気区画のスペースが限定されている照明の用途で特に役に立つ。
【００２６】
図２は、動作中の電流制限回路１００内のコンデンサ１２０に流れる電流２００の波形を示す。Ｘ軸は、ミリ秒（ｍｓ）で表される時間を示し、Ｙ軸はミリアンペア（ｍＡ）で表される電流を示す。図からわかるように、コンデンサ１２０を流れる電流２００は、−６３ｍＡから６３ｍＡまでのほぼ正弦波である。
【００２７】
図３は、コンデンサ１２０を流れる平均電流３００を示す。Ｘ軸は、ミリ秒（ｍｓ）で表される時間を示し、Ｙ軸はｍＡで表される電流を示す。図からわかるように、コンデンサ１２０を流れる平均電流３００は、０ｍＡである。
【００２８】
図４と図５は、動作中の電流制限回路１００内のＬＥＤ１３０、１３５を流れる電流４００，５００の波形を示す。Ｘ軸は、ミリ秒（ｍｓ）で表される時間を示し、Ｙ軸はミリアンペア（ｍＡ）で表される電流を示す。第１のＬＥＤ１３０を流れる電流４００は、半サイクル区間でコンデンサ１２０を流れる電流２００のミラーとなっている。極対面配置のＬＥＤ１３５を流れる電流５００は、ＬＥＤ１３０を流れる１８０度位相シフトした電流４００にほぼ等しい。
【００２９】
図６と図７に示されており以下で詳細に説明される本発明の別の実施形態に対して、図２から図５に示されている波形は同じであることに注意されたい。
【００３０】
図６は、本発明の電流制限回路６００の第２の実施形態の図である。電流制限回路６００には、コンデンサ１２０に直列接続されたＡＣ電源１１０が含まれる。少なくとも１ペア６３０の極対面配置のＬＥＤ１３０，１３５が並列接続されている。ＬＥＤペア６３０は、無論、コンデンサ１２０に直列接続されている。
【００３１】
図７は、本発明の電流制限回路７００の別の実施形態の模式図である。電流制限回路７００には、コンデンサ１２０に直列接続されているＡＣ電源１１０が含まれている。コンデンサ１２０は、ＬＥＤ１３０，１３５の２つの極対面配置の並列ブランチ７３０に直列接続されている。各ブランチ７３０には、同様に極配置された無制限の数のＬＥＤ１３０，１３５が含まれていてもよい。極対面配置の各ブランチ７３０には等しい数のＬＥＤ１３０，１３５が含まれていることが望ましいが、極対面配置の各ブランチ７３０のＬＥＤ１３０もしくはＬＥＤ１３５にかかる電圧がほぼ同じである限り、異なる数のＬＥＤ１３０，１３５を備えていてもよい。コンデンサ１２０は、複数のブランチ７３０間の電圧の不均衡を考慮したものである。しかしながら、複数のブランチ間の７３０ＬＥＤ１３０やＬＥＤ１３５の分布の非一様さはＬＥＤ１３０、１３５で許容される逆電圧によって限定される。
【００３２】
要約すると、本発明は、外部の整流デバイス／素子がなくとも、ＡＣ源から効率的に電力をＬＥＤに供給する方法を提供するものである。本発明は、電流制限要素（即ち、コンデンサ）でのパワー損失を最小化する。電流を制限するために抵抗を使う従来の方法とは異なり、本発明ではリアクタンス素子を使って電流を制限する。本回路の特定のブランチのＬＥＤの数を変えてもよいことは理解できることであるが、本発明のアプリケーションは、偶数のＬＥＤに関するものである。
【００３３】
さらに、当業者であれば多くの修正や変更を簡単に行うことができるので、本発明は本願で示され説明された構成に正確に限定されることはない。従って、全ての修正とアピールされる等価物は請求項の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の電流制限回路の一実施形態の模式図である。
【図２】
図２は、図１の電流制限回路の動作中の波形を示す。
【図３】
図３は、図１の電流制限回路の動作中の波形を示す。
【図４】
図４は、図１の電流制限回路の動作中の波形を示す。
【図５】
図５は、図１の電流制限回路の動作中の波形を示す。
【図６】
図６は、本発明の電流制限回路の第２の実施形態の模式図である。
【図７】
図７は、本発明の電流制限回路の別の実施形態の模式図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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2004512697.tif 000013
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【国際調査報告】
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