(57)【要約】【課題】ＬＥＤを定電流駆動する駆動制御手段と共に、ＬＥＤの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現すること。【解決手段】帰還線路Ｆ上の途中の接続点Ｂと接続点Ａとの間には、ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ３とを直列に有する第２帰還線路Ｊが接続されており、ツェナーダイオードＺＤ１は、接続点Ａから接続点Ｂに流れる電流Ｉ２の向きとは逆向きに挿入されている。適当数（少なくとも１つ）のＬＥＤが短絡した場合には、接続点Ａの電位が、平常時よりも上昇し、ツェナーダイオードＺＤ１に掛かるカソード・アノード間電圧は降伏電圧に達するので、これによって、第２帰還線路Ｊ上には無視できない相応の電流Ｉ２が流れる。その結果、接続点Ｂの電位は、点Ａ−Ｂ間に第２帰還線路Ｊが設けられていない場合に比べて上昇し、駆動トランジスタＱ１のコレクタ電流は大幅に低下する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個または直列接続を構成する複数個のＬＥＤに給電する電流を一定にするためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置において、
前記ＬＥＤに対して直列に接続されて、前記ＬＥＤに流れる電流と同量の電流を通す駆動トランジスタと、
前記駆動トランジスタの通電電流を示す帰還電位と所定の参照電位との間の電位差に基づいて、前記駆動トランジスタのゲート／ベース端子の電位を決定する制御回路と、
前記帰還電位を前記制御回路に入力する第１帰還線路と、
前記駆動トランジスタのドレイン／コレクタ端子に接続され、所定の電圧以上の電圧を印加しようとするとその端子間が定電圧となる半導体素子を備え、前記半導体素子が導通状態の時に前記制御回路に入力される前記帰還電位を上昇させる第２帰還線路と
を有する
ことを特徴とするＬＥＤの駆動制御装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、
ツェナーダイオードから構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤの駆動制御装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
オペアンプまたはシャントレギュレータから構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤの駆動制御装置。
【請求項４】
前記第２帰還線路は、
前記半導体素子に対して直列に接続された抵抗を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のＬＥＤの駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１個または直列接続を構成する複数個のＬＥＤの発光輝度を良好に確保するためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置に関する。
本発明は、消費電力の大きなＬＥＤ照明の装置のコンパクト化と低コスト化、並びに、ＬＥＤの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に大いに有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ照明の高出力化が進んでおり、照明装置に搭載される個々の各ＬＥＤの輝度や消費電力の上昇と共に、それらの照明装置に搭載されるＬＥＤの個数なども増大されつつある。そして、この様なＬＥＤ照明装置の大型化は、今後とも続いて行くものと考えられる。
【０００３】
一方、個々のＬＥＤの閾値電圧（駆動電圧）には各個体によって差（ばらつき）があるので、通常、ＬＥＤ照明装置においては、複数個のＬＥＤの発光輝度を良好に確保するためにＬＥＤの直列接続が採用されている。その様な手法に基づいて、全ＬＥＤの発光輝度を高く安定させる従来技術としては、例えば下記の特許文献１〜３に記載されているものなどが公知である。
【０００４】
図３に従来の典型的な直列ＬＥＤ用の簡単な駆動制御装置９００の回路図を例示する。この駆動制御装置９００は、ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎより成る複数のＬＥＤの直列接続に対して更に駆動トランジスタＱ１を直列に接続し、その駆動トランジスタＱ１を流れる電流Ｉを一定に維持する定電流制御によって、照明の明るさを一定に確保するものである。そして、この様な定電流制御は、帰還線路Ｆによって伝達される点Ｃの電位ＶC （＝Ｒ１×Ｉ＝帰還電位Ｖfeed）をオペアンプ１０にフィードバックするフィードバック制御によって実現されている。
【０００５】
例えば、この駆動制御装置９００の場合、点Ｃの電位ＶC （＝帰還電位Ｖfeed）が所定の参照電位Ｖref に一致するまで、オペアンプ１０は制御電圧（駆動トランジスタＱ１のベース電圧）を上昇させるので、この駆動制御装置９００を用いれば、各ＬＥＤの駆動電流ＩをＶref ／Ｒ１に一致させるフィードバック制御を実現することができる。
【特許文献１】特開２００４−５１０１４
【特許文献２】特開２００５−１１６８５９
【特許文献３】特開２００５−１４２１３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の従来技術においては、個々のＬＥＤが短絡を起こした際の発熱の抑制方式に関しては、特段工夫されていない。
例えば、図３の従来技術の場合、図中の電源電位（ＶDD）からアースまでの電流路上の電流Ｉは、駆動トランジスタＱ１に対するフィードバック制御（定電流制御）によって一定に維持されるため、ＬＥＤの短絡故障が発生した場合には、短絡故障したＬＥＤの個数が増えるほど駆動トランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEが上昇し、駆動トランジスタＱ１における発熱量は増大する。また、近年、ＬＥＤ照明装置においては、個々のＬＥＤの消費電力も増大しており、それらの直列接続を有する装置全体が大電流駆動されているため、短絡故障発生時の駆動トランジスタＱ１における発熱量も益々増大しつつある。そして、この駆動トランジスタＱ１からの発熱は、その発熱量によっては、更なる回路故障などのトラブルの原因にもなりかねない。
【０００７】
また、一般に、照明装置全体のコンパクト化や低コスト化を考えると、その様な発熱防止手段等は、比較的簡単に構成することができるアナログ指向の回路によって具現されることがより望ましいと考えられる。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ＬＥＤを定電流駆動する駆動制御手段と共に、ＬＥＤの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、１個または直列接続を構成する複数個のＬＥＤに給電する電流を一定にするためのフィードバック制御手段を有する駆動制御装置において、上記のＬＥＤに対して直列に接続されて、上記のＬＥＤに流れる電流と同量の電流を通す駆動トランジスタと、この駆動トランジスタの通電電流を示す帰還電位と所定の参照電位との間の電位差に基づいてこの駆動トランジスタのゲート／ベース端子の電位を決定する制御回路と、上記の帰還電位をこの制御回路に入力する第１帰還線路と、上記の駆動トランジスタのドレイン／コレクタ端子に接続され、所定の電圧以上の電圧を印加しようとするとその端子間が定電圧となる半導体素子を備え、この半導体素子が導通状態の時に上記の制御回路に入力される上記の帰還電位を上昇させる第２帰還線路とを備えることである。
【００１０】
ただし、上記のトランジスタとしては、例えばバイポーラ型のトランジスタの他にも、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などを用いることができる。また、上記のゲート／ベースは、ＦＥＴについてはゲートを、バイポーラトランジスタについてはベースを意味する。また、上記のドレイン／コレクタは、ＦＥＴについてはドレインを、バイポーラトランジスタについてはコレクタを意味する。これらの各対は、トランジスタ作用において同一の機能を有する部分であり、これらのトランジスタの種類は任意に選択して使用することができる。
【００１１】
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、降伏作用を有する上記の半導体素子をツェナーダイオードから構成することである。
【００１２】
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、上記の制御回路をオペアンプまたはシャントレギュレータから構成することである。
【００１３】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段の上記の第２帰還線路上に、上記の半導体素子に対して直列に接続された抵抗を設ける（即ち、挿入する）ことである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【発明の効果】
【００１４】
適当数の（少なくとも１つの）ＬＥＤが短絡を起こすと、そのＬＥＤによる電圧降下がなくなるので、上記の駆動トランジスタのドレイン／コレクタ端の電位は、その短絡発生前よりも上昇する。したがって、本発明の第１の手段において、この電位上昇に応じて上記の半導体素子に降伏作用が生じる様に、適当な降伏電圧を有する半導体素子を選択しておけば、適当数のＬＥＤの短絡が発生した時にだけ、上記の第２帰還線路に電流を流すことができる。
【００１５】
そして、この第２帰還線路に電流が流れる短絡発生時には、回路のフィードバック作用が以下の様に変更される。即ち、この第２帰還線路に流れる電流によって、上記の制御回路においては、あたかも第１帰還線路で生成された正常時の帰還電位が上昇したかの様に写る。このため、その上昇分、駆動トランジスタを通る電流は、正常時よりも効果的に抑制される。即ち、この様な擬似的な作用に基づいて、上記適当数のＬＥＤの短絡発生時には、駆動トランジスタを流れる電流Ｉの値を、正常時の通電電流の値（Ｖref ／Ｒ１）よりも大幅に減少させることができる。そして、その結果、上記の第２帰還線路が動作する異常発生時においては、上記の駆動トランジスタに関する十分に大きな発熱抑制作用を得ることができる。
【００１６】
また、上記の第１の手段は、上記の半導体素子の追加などの僅かな改良だけで実施することが可能であるため、所望の駆動制御装置の大型化を招く恐れもない。
したがって、本発明によれば、直列ＬＥＤを定電流駆動する駆動制御手段と共に、ＬＥＤの短絡故障が発生した際の回路保護及び発熱防止に係わるコンパクトな安全対策手段を実現することができる。
【００１７】
また、本発明を用いたＬＥＤ照明装置に対して更にその他の負荷（例：その他の照明装置）を直列に接続する際には、本発明を用いたＬＥＤ照明装置のＬＥＤに短絡故障発生しても、これに直列接続された上記のその他の負荷に対して、安定した給電を継続することができる。即ち、本発明を用いたＬＥＤ照明装置に対してその他の負荷を更に直列接続する場合にも、本発明は非常に有効である。
【００１８】
また、上記の半導体素子としては、ツェナーダイオードを用いる方式（本発明の第２の手段）が一般的だと考えられる。
また、上記の制御回路としては、オペアンプを用いる方式（本発明の第３の手段）が一般的だと考えられるが、その代わりとしては、例えばシャントレギュレータなどを用いても良い。
【００１９】
また、本発明の第４の手段によれば、回路の自由度の増加によって、例えば降伏電圧などの回路の各種のパラメータに関する設計（最適化）が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本実施例１の駆動制御装置１００の回路図を示す。この駆動制御装置１００は、直列接続を構成している複数の発光ダイオード（ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ；ｎは任意の自然数）の一端である最も高電位側のＬＥＤ１のアノード端子に電源電位ＶDDを与え、当該回路（駆動制御装置１００）を最も低電位側のＬＥＤｎのカソード端子とアースとの間に挿入・接続することによって、動作する装置である。
【００２２】
ＬＥＤｎのカソード端子は、図中の接続点Ａにおいて駆動トランジスタＱ１のコレクタ端子に接続されている。駆動トランジスタＱ１のエミッタ端子は抵抗Ｒ１の一端に接続されており、その抵抗Ｒ１のもう一端はシャーシーアースに接地されている。即ち、電源電位ＶDDを与える端子とアースとの間には、高電位側より順に、発光ダイオード（ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ）、駆動トランジスタＱ１、及び抵抗Ｒ１を直列に有する直列接続回路Ｓが形成されている。
【００２３】
駆動トランジスタＱ１のエミッタ端子と抵抗Ｒ１との接続点を以下、点Ｃと呼ぶ。この点Ｃと、オペアンプ１０の帰還電位入力端子（−）との間には、帰還線路Ｆが接続されており、この帰還線路Ｆ上の途中には、接続点Ｂが位置している。この接続点は、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４とを接続する点であり、抵抗Ｒ４の他端はオペアンプ１０の帰還電位入力端子（−）に、抵抗Ｒ２の他端は点Ｃにそれぞれ接続されている。即ち、上記の帰還線路Ｆは、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４との直列接続によって構成されている。
【００２４】
一方、上記の接続点Ａと接続点Ｂとの間には、ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ３とを直列に有する第２帰還線路Ｊが接続されている。即ち、ツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子とＬＥＤｎのカソード端子とが点Ａにおいて接続されており、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード端子と接続点Ｂとの間に抵抗Ｒ３が接続されている。したがって、この構成によって、ツェナーダイオードＺＤ１は、接続点Ａから接続点Ｂに流れる電流Ｉ２の向きとは逆向きに挿入されている。
この電流Ｉ２は、発光ダイオード（ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ）が１つも短絡していない正常時には、無視することができる。
【００２５】
一方、適当数（少なくとも１つ）のＬＥＤが短絡した場合には、そのＬＥＤによる電圧降下がなくなるため、接続点Ａの電位が平常時よりも上昇し、その結果、ツェナーダイオードＺＤ１に掛かるカソード・アノード間電圧が降伏電圧に達するので、これによって、第２帰還線路Ｊ上には無視できない相応の電流Ｉ２が流れる。そして、この電流Ｉ２によって接続点Ｂの電位は、点Ａ−Ｂ間に第２帰還線路Ｊが設けられていない場合に比べて上昇するので、オペアンプ１０の帰還電位入力端子（−）に印加される帰還電位Ｖfeedは、点Ａ−Ｂ間に第２帰還線路Ｊが設けられていない場合に比べて効果的に上昇する。したがって、駆動トランジスタＱ１のコレクタ電流がそれに伴って効果的に低下する。
【００２６】
図２は、上記の駆動制御装置１００の評価、即ち効果の検証シミュレーションに用いた等価モデルの回路図である。本図２中の抵抗Ｒ６は、図１に示した前述の所定の参照電位Ｖref を生成するために配設された抵抗である。また、シャントレギュレータＴＬと抵抗Ｒ５などから構成されている本図２中の回路１０′によって、上記のオペアンプ１０が代替的に構成されている。そして、シャントレギュレータＴＬのカソード端子は点Ｄに、アノード端子はアースに、参照端子は抵抗Ｒ４にそれぞれ接続されている。即ち、シャントレギュレータＴＬの参照端子が、上記のオペアンプ１０の帰還電位入力端子（−）と同等の機能を奏する。
また、上記の点Ｄには、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ５が接続されており、この抵抗Ｒ５の他端が、上記のオペアンプ１０の出力端子に相当している。即ち、この抵抗Ｒ５の他端は、駆動トランジスタＱ１のベース端子に接続されている。
【００２７】
この等価モデルによる演算シミュレーションでは、回路または個々の素子に対して、以下の仕様または特性を仮定した。
（仮定条件）
ｎ（ＬＥＤの直列数）  ：        ６
各ＬＥＤの閾値電圧Ｖf   ：    ３．４ｖ
各ＬＥＤの電流  ：  ３４５ｍＡ（正常時）
回路駆動電圧ＶDD  ：      ２４ｖ
ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧  ：    ４．７ｖ
参照電位Ｖref ：  １．２４ｖ
抵抗Ｒ１  ：    ３．６Ω
抵抗Ｒ２  ：      １ＫΩ
抵抗Ｒ３  ：  ３．３ＫΩ
抵抗Ｒ４  ：    １００Ω
抵抗Ｒ５  ：  １．５ＫΩ
抵抗Ｒ６  ：  ２．２ＫΩ
シャントレギュレータＴＬ  ：  ＴＬ４３１（：一般普及品の型式番号）
【００２８】
本シミュレーションでは、短絡が生じたＬＥＤの個数毎に、ＬＥＤに流れる電流の値と、熱平衡時に発生する駆動トランジスタＱ１からの発熱量について求めた。そのシミュレーション結果を以下の表１にまとめる。
【表１】
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このシミュレーション結果より、例えば、何れかのＬＥＤが１個だけ短絡した場合には、ＬＥＤ駆動電流は、３４５ｍＡから６５ｍＡにまで大幅に減少することが分かる。また、これに伴って、駆動トランジスタＱ１からの発熱量も０．８３Ｗから０．５４Ｗにまで効果的に抑制されることが分った。また、６個の全てのＬＥＤが短絡した場合にも、駆動トランジスタＱ１からの発熱量は、約２ｗに抑制できており、この値は、第２帰還線路が設けられていない場合の発熱量である約７．９ｗ（＝３４５ｍＡ×（ＶDD−Ｖref ））に比べて、約１／４近くにまで効果的に抑制されている。
以上のように、本発明に基づいて構成された直列ＬＥＤ用の駆動制御装置においては、ＬＥＤの短絡故障時において、駆動トランジスタから発生する発熱量を効果的に抑制することができる。
【００２９】
なお、上記の降伏電圧Ｖz は、次式（２）に基づいて決定しておくことが望ましい。
（降伏電圧の算定基準）
正常時のコレクタ・エミッタ間電位ＶCE  ＋  Ｖf ×（ｍ−１）  ＜  Ｖz 
＜  正常時のコレクタ・エミッタ間電位ＶCE  ＋  Ｖf ×  ｍ    …（２）
ただし、ここで、自然数ｍは、当該回路保護機能を開始すべき時点でのＬＥＤの短絡発生個数である。即ち、上記の降伏電圧（４．７ｖ）は、ｍ＝１を仮定して決定したものである。
【００３０】
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
（変形例１）
例えば、駆動制御装置１００のフィードバック制御の感度調整は、抵抗Ｒ２の値や、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との比や、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４との比などによって実施することができる。そして、これらの抵抗値や、第２帰還線路に用いる半導体素子（ツェナーダイオードなど）の降伏電圧の選択によって、駆動トランジスタからの発熱量の抑制作用を最適化することができる。
【００３１】
例えば、上記の駆動制御装置１００では、接続点Ｂとオペアンプ１０の帰還電位入力端子（−）との間に、オペアンプ１０を保護する作用を有する抵抗Ｒ４を接続しているが、この抵抗はオペアンプ１０の仕様によっては、省略できる場合もある。そして、その時の、Ｒ２に対するＲ４の比は０であるが、この比が小さい場合には、ＬＥＤ短絡故障発生時に第２帰還線路がもたらすフィードバック作用（即ち、駆動トランジスタからの発熱量の抑制作用）を大きく設定することができる。
【００３２】
（変形例２）
また、図１のＲ１は抵抗として記載されているが、ここにはその他の適当な負荷を代替的に用いても良い。この負荷の具体的な構成は任意でよく、例えばその他のＬＥＤやその他の回路などでも良い。そして、この様な回路構成下においては、図中のＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの少なくとも何れか１つが短絡故障した場合においても、その負荷（Ｒ１）に対して給電を安定的に継続することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ＬＥＤの直列接続を用いて構成される、例えば、照明、交通信号の信号機、イルミネーション（電飾）、車両のヘッドライト、車両のテールランプなどの任意の用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の駆動制御装置１００の回路図
【図２】駆動制御装置１００のシミュレーションに用いた等価モデルの回路図
【図３】従来の駆動制御装置９００の回路図
【符号の説明】
【００３５】
１００  ：  駆動制御装置
１０  ：  オペアンプ
Ｑ１  ：  駆動トランジスタ
ＺＤ１  ：  ツェナーダイオード
ＴＬ  ：  シャントレギュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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