(57)【要約】【課題】  直流電圧を効率よく１／２に降圧し、発光ダイオードの輝度の変化を防止でき、低コスト、小型・軽量の発光ダイオード定電流駆動回路を提供する。【解決手段】  ２個のコンデンサ１７ａ、１７ｂの直列接続回路と２個のスイッチング素子１８ａ、１８ｂの直列接続回路をそれぞれ並列接続し、コンデンサ同士の接続点にダイオード１９のアノードとダイオード２０のカソードを接続し、スイッチング素子同士の接続点にダイオード２１のアノードとダイオード２２のカソードを接続し、ダイオード１９のカソードとダイオード２１のカソードの接続点とダイオード２０のアノードとダイオード２２のアノードの接続点間に定電流素子１１と発光ダイオード１２の直列回路を接続した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコンデンサと第２のコンデンサの直列接続回路と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続回路をそれぞれ並列接続し、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの接続点に第１のダイオードのアノードを接続し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の接続点に第２のダイオードのアノードを接続し、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードを互いに接続するとともに、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの接続点に第３のダイオードのカソードを接続し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の接続点に第４のダイオードのカソードを接続し、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのアノードを互いに接続するとともに、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードの接続点と前記第３のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのアノードの接続点の間に定電流素子と発光ダイオードの直列回路を接続し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】
前記並列接続した回路の両端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】
前記第１のスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比または前記第２の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ことにより、前記発光ダイオードの輝度を調整することを特徴する請求項１または２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】
本発明は商用電源を直接整流して得られた直流電圧を効率よく１／２に降圧でき、しかも発光ダイオードの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、高効率な発光ダイオード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。
発光ダイオードは電流駆動素子であり、一般の発光ダイオードの駆動電流は信頼性の観点から２０〜２５ｍＡ（一般的に絶対最大定格は３０ｍＡ）となるように設計されている。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定電流素子を接続して、発光ダイオードの駆動電流が２０〜２５ｍＡとなるように定電流素子の電流を設定している。
【０００３】
発光ダイオードの定電流駆動回路の従来例を図３に示す。
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は定電流素子、１２は発光ダイオードである。
【０００４】
次に、図３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で全波整流し、コンデンサ３で平滑すると約１４０Ｖの直流電圧Ｖ０が得られる。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高周波交流電圧に変換、降圧または昇圧した後、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に定電流素子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１−２はＤＣ−ＤＣコンバータと呼ばれている。
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。発光ダイオード１２は定電流素子１１によって設定された定電流で駆動されるので、発光ダイオード１２の順方向電圧降下にバラツキがあっても、発光ダイオード１２の輝度は一定に保たれる。
【０００５】
定電流素子１１の特性例を図４に示す。横軸は印加電圧Ｖ２、縦軸は電流Ｉ２である。定電流素子１１にある電圧Ｖ140以上の電圧を印加すると、印加電圧Ｖ２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１２の順方向電圧バラツキは定電流素子１１に印加される電圧が電圧変動と発光ダイオード１２の順方向電圧バラツキを吸収するように変化し、流れる電流は一定電流Ｉ140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１２の輝度は変化しない。
【０００６】
一方、発光ダイオード１２の輝度を調整する場合は定電流素子１１の設定電流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定電流駆動回路を本出願人は先に開発した。
図５はその先行発明に係る定電流駆動回路を示している。
図において、１−２は図３のＤＣ−ＤＣコンバータを図示省略している。このＤＣ−ＤＣコンバータの出力側にある１３はスイッチング素子、１４はスイッチング素子１３のＰＷＭ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。輝度を調整するために動作周波数を一定にしスイッチング素子１３のオン時間とオフ時間の比を制御回路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。
パルス電圧が無いとき、すなわちスイッチング素子１３がオフしている時は発光ダイオード１２は消灯するが、パルス電圧が数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。パルス電圧がある期間の発光ダイオード１２の駆動電流は定電流素子１１の設定電流であり、かつ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の発光波長は変化す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。
【０００７】
図６は図５で得られるパルス電圧波形Ｖ３を示している。
パルス電圧波形Ｖ３の波高値はスイッチング素子１３の電圧降下を無視すればＶ１に等しい。図５の回路ではスイッチング素子１３のオンしている時間をｔ０、一周期をＴとすれば、パルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）を０〜１に制御できる。パルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）が１の場合はスイッチング素子１３の電圧降下を無視すれば直流電圧Ｖ１と見做すことができる。
ｔ０／Ｔ＝１からｔ０／Ｔ＝０に変化させると発光ダイオード１２の輝度は低下して行く。ｔ０／Ｔ＝０の場合は発光ダイオード１２は消灯する。
しかし、ＰＷＭを用いた発光ダイオード１２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ＰＷＭ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。
【０００８】
さらに、上記の問題点を解決する定電流駆動回路を本出願人は先に開発した。
図７はその先行発明に係る定電流駆動回路を示している。
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、１１は定電流素子、１２は発光ダイオード、１５はスイッチング素子、１６はスイッチング素子１５の制御回路である。
【０００９】
次に、図７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１５をオン・オフさせることで直流電圧Ｖ４を高周波パルス電圧（例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数）に変換し、得られたパルス電圧に定電流素子１１、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の回路では図３で必要としたトランス４、ダイオード７、平滑フィルタ１−１、制御回路１０、図５で示したスイッチング素子１３、ＰＷＭ制御回路１４が不要となるので、コストダウンや小型・軽量化が可能となり、かつ電源効率の低下も防止できる。
【００１０】
図８に図７の回路で得られるパルス電圧波形Ｖ５を示す。
図７の回路でも図４の回路と同様にパルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）は０〜１であり、ｔ０／Ｔ＝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１１で設定した定電流が流れ一定の輝度で点灯し、パルス電圧がない時は消灯する。パルス電圧の割合（ｔ０／Ｔ）を０〜１内で可変することにより、一定の輝度で点灯する時間と消灯時間の比が高周波で変わり、人間の眼は残像現象により高周波の点灯・消灯に追随できず、結果として、輝度が変化しているように見える。
【００１１】
図７の回路では商用電源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で平滑した直流電圧は図３のＶ０と同じで約１４０Ｖとなり、損失の観点から定電流素子１１での損失増加や発光ダイオード１２の個数の選定自由度が低下する問題があった。
対策として電圧を下げるために商用電源１に直列に抵抗を挿入するか、ブリッジダイオード２の出力に抵抗を挿入する方法があるが、電力損失の増加による効率低下や発熱のため小型化が阻害される問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図３に示したスイッチング電源を用いる定電圧電源と定電流素子による発光ダイオード定電流駆動回路では、定電圧電源の構成が複雑であり、また、発光ダイオードの輝度調整を波長を変化させずに行う場合は、パルス幅制御回路を追加する必要があることから、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、電源効率が低下する問題があった。
これらの問題を解決するために提案された先行発明の発光ダイオード定電流駆動回路では電圧が約１４０Ｖになるため、損失の観点から定電流素子１１と発光ダイオード１２の個数の選定自由度が低下するという問題があった。
この対策として抵抗を用いた電圧低減方法では、電力損失の増加による効率の低下や冷却に必要とするスペースのため小型化が困難になる問題があった。
そこで、本発明の目的は商用電源を直接整流して得られた直流電圧を効率よく１／２に降圧するとともに、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、発光ダイオードの駆動電流を一定にして、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輝度調整を波長を変化させずに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】
【００１３】
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、第１のコンデンサと第２のコンデンサの直列接続回路と第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列接続回路をそれぞれ並列接続し、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの接続点に第１のダイオードのアノードを接続し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の接続点に第２のダイオードのアノードを接続し、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードを互いに接続するとともに、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの接続点に第３のダイオードのカソードを接続し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の接続点に第４のダイオードのカソードを接続し、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのアノードを互いに接続するとともに、前記第１のダイオードのカソードと前記第２のダイオードのカソードの接続点と前記第３のダイオードのアノードと前記第４のダイオードのアノードの接続点の間に定電流素子と発光ダイオードの直列回路を接続し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、前記並列接続した回路の両端子間に直流電圧を加えることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発光ダイオード定電流駆動回路において、前記第１のスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比または前記第２の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ことにより、前記発光ダイオードの輝度を調整することを特徴している。
【発明の効果】
【００１４】
以上の構成から判るように、本発明によれば、図３および図５で示した回路で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ＰＷＭ制御回路が不要となる。
さらに、図７で示した回路で困難であった「降圧」が容易に行えるので、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード定電流駆動回路の低コスト化、高効率化、小型・軽量化、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】
【００１５】
本発明に関する発光ダイオードの定電流駆動回路の実施例を図１に示す。
図において、１は商用電源電源、２はブリッジダイオード、１１は定電流素子、１２は発光ダイオード、１７ａ、１７ｂはコンデンサ、１８ａ、１８ｂはスイッチング素子、１９〜２２はダイオード、２３はスイッチング素子１８ａ、１８ｂの制御回路である。
次に、図１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で整流した電圧をコンデンサ１７ａとコンデンサ１７ｂを直列に接続した回路で平滑するとともに、スイッチング素子１８ａとスイッチング素子１８ｂを直列に接続した回路を平滑した電圧と並列に接続する。
コンデンサ１８ａとコンデンサ１８ｂの接続点Ａにダイオード１９のアノードとダイオード２１のカソードを接続し、スイッチング素子１８ａとスイッチング素子１８ｂの接続点Ｂにダイオード２１のアノードとダイオード２２のカソードを接続し、ダイオード１９のカソードとダイオード２１のカソードを接続し、ダイオード２０のアノードとダイオード２２のアノードを接続する。
ダイオード１９のカソードとダイオード２１のカソードの接続点Ｃとダイオード２０のアノードとダイオード２２のアノードの接続点Ｄに定電流素子１１と発光ダイオード１２の直列回路を接続し、スイッチング素子１８ａまたはスイッチング素子１８ｂがオンのとき発光ダイオード１２を定電流素子１１で定電流駆動する。
コンデンサ１７ａとコンデンサ１７ｂはブリッジダイオード２で整流された電圧を平滑するとともに電圧を分圧する機能を有する。平滑された電圧Ｖ６は図３のＶ０と図７のＶ４と同じ約１４０Ｖとなるが、コンデンサ１７ａとコンデンサ１７ｂの容量を同じとすればコンデンサ１７ａとコンデンサ１７ｂの接続点Ａの電圧は約７０Ｖになる。スイッチング素子１８ａがオン、スイッチング素子１８ｂがオフの場合は接続点Ｂは約１４０Ｖ、接続点Ａは約７０Ｖであるから、スイッチング素子１８ａ、ダイオード２０、ダイオード２１の順方向電圧降下を無視すれば、接続点Ｃと接続点Ｄ間、すなわち定電流素子１１と発光ダイオード１２の直列回路には平滑された電圧Ｖ６の１／２の約７０Ｖが印加され定電流が流れる。
同様に、スイッチング素子１８ａがオフ、スイッチング素子１８ｂがオンの場合は接続点Ｂは０Ｖ、接続点Ａは約７０Ｖであるから、スイッチング素子１８ｂ、ダイオード１９、ダイオード２２の順方向電圧降下を無視すれば、接続点Ｃ接続点Ｄ間、すなわち定電流素子１１と発光ダイオード１２の直列回路には平滑された電圧Ｖ６の１／２の約７０Ｖが印加され定電流が流れる。
【００１６】
接続点Ａと接続点Ｂ間の電圧波形と接続点Ｃ接続点Ｄ間の電圧波形を図２に示す。スイッチング素子１８ａとスイッチング素子１８ｂは制御回路２３によって高周波（例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数）で交互にオン・オフさせる。
【００１７】
以上のように、本発明によれば、図３で示した従来回路で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。
さらに、図５で示した先行発明の回路では困難であった降圧が容易に行えるので、電源の構成が極めて簡易になり、発光ダイオード定電流駆動回路の低コスト化、高効率化、小型・軽量化、信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の発光ダイオード定電流駆動回路の実施例である。
【図２】図１のパルス電圧波形である。
【図３】発光ダイオード駆動回路と定電流素子を組合せた従来の発光ダイオード定電流駆動回路である。
【図４】定電流素子の定電流特性である。
【図５】先行発明１に係る発光ダイオード輝度調整回路である。
【図６】図５のパルス電圧波形である。
【図７】先行発明２に係る発光ダイオード定電流駆動回路の実施例である。
【図８】図７のパルス電圧波形である。
【符号の説明】
【００１９】
１  商用電源電源
２  ブリッジダイオード
１１  定電流素子
１２  発光ダイオード
１７ａ、１７ｂ  コンデンサ
１８ａ、１８ｂ  スイッチング素子
１９〜２２  ダイオード
２３  スイッチング素子制御回路
【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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【図８】
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