(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＥＤ電球の更なる省エネを図ると共に、ＬＥＤ素子周辺機器の長寿命化を達成する。【解決手段】交流電圧を直流電圧に整流する整流回路４と、複数のＬＥＤ素子から構成されるＬＥＤ光源２０と、ＬＥＤ光源２０を駆動する降圧チョッパ回路と、周囲温度の上昇に応じてＬＥＤ光源２０の消費電力が大きくなるよう降圧チョッパ回路を制御する制御回路８を備え、ＬＥＤの温度特性に合わせ電源投入から温度飽和までの間、ＬＥＤ電力を低下させると共に、温度飽和時の所定の明るさを確保する。ＬＥＤ電力制御は、温度変化に応じて抵抗値の変化するサーミスタあるいは感温抵抗を用いて行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と；
複数のＬＥＤ素子から構成されるＬＥＤ光源と；
前記直流電圧をスイッチング素子及びコイルを用いて降圧し、前記ＬＥＤ光源を駆動する降圧チョッパ回路と、
前記ＬＥＤ光源の光出力が周囲温度に関わらず所定値を維持するために、周囲温度の上昇に応じて、前記ＬＥＤ光源の消費電力が大きくなるように、前記降圧チョッパ回路を制御する制御部と；
を具備することを特徴とするＬＥＤ電球。
【請求項２】
前記制御部は、前記降圧チョッパ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、基準電圧設定値を設定する基準電圧設定部とを具備し、前記出力電圧と前記基準電圧設定値が等しくなるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記出力電圧検出部は、前記降圧チョッパ回路の出力電流の大きさに応じて前記出力電圧検出値を提供する抵抗要素を含み、
前記抵抗要素は、抵抗とサーミスタを具備することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ電球。
【請求項３】
前記抵抗要素は、抵抗とサーミスタの並列回路、抵抗とサーミスタの直列回路、又は抵抗とサーミスタの並列回路に直列に接続される抵抗素子を含む直並列回路を具備することを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ電球。
【請求項４】
前記サーミスタは、ＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタであることを特徴とする請求項２又は３記載のＬＥＤ電球。
【請求項５】
前記制御部は、前記降圧チョッパ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、基準電圧設定値を設定する基準電圧設定部とを具備し、前記出力電圧と前記基準電圧設定値が等しくなるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記基準電圧設定部は、基準電圧生成部と該基準電圧生成部にて生成された基準電圧を分圧して前記基準電圧設定値を提供する２つの抵抗要素を含み、
前記２つの抵抗要素のうち一方は、抵抗とサーミスタを具備することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ電球。
【請求項６】
前記２つの抵抗要素のうち一方は、抵抗とサーミスタの並列回路、抵抗とサーミスタの直列回路、又は抵抗とサーミスタの並列回路に直列に接続される抵抗素子を含む直並列回路を具備することを特徴とする請求項５記載のＬＥＤ電球。
【請求項７】
前記２つの抵抗要素のうち前記基準電圧生成部の正側端子に接続される抵抗要素は、抵抗とＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタを具備することを特徴とする請求項５又は６記載のＬＥＤ電球。
【請求項８】
前記２つの抵抗要素のうち前記基準電圧生成部の負側端子に接続される抵抗要素は、抵抗とＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタを具備することを特徴とする請求項５又は６記載のＬＥＤ電球。
【請求項９】
前記サーミスタは前記ＬＥＤ光源が搭載される基板上に設けられていることを特徴とする請求項２〜８のうち１項記載のＬＥＤ電球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、商用交流電圧を直流電圧に変換し、該直流電圧を複数のＬＥＤからなるＬＥＤ光源に印加して発光するＬＥＤ電球に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にＬＥＤは、２５℃時の光出力を１００％とした場合、電流値が同一であっても−２５℃で１０５％、５０℃で９５％、７５℃で９０％、というように光出力が変化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＬＥＤ電球の光出力値（ｌｍ：ルーメン）はランプ自体が温度飽和したとき、すなわち周囲温度が一般に２５℃でＬＥＤ温度が定常状態になったとき、既定の値となるように設定されている。
【０００４】
ＬＥＤ電球の中には温度飽和までに１時間以上かかるものがある。つまり、温度飽和するまで、光出力は既定の値より高くなっており、既定の光出力で発光するときに比べ、エネルギーのロスがある。発熱電球の代替としてＬＥＤ電球を、例えばトイレ等の短時間使用される場所に適用した場合には、常に明る過ぎた状態で発光することになりエネルギーをロスする。
【０００５】
本発明の実施形態は、ＬＥＤ電球の更なる省エネを図ると共に、ＬＥＤ素子周辺機器の長寿命化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＬＥＤの温度特性に合わせ電源投入から温度飽和までの間、ＬＥＤ電力を低下させると共に、温度飽和時の所定の明るさを確保する。ＬＥＤ電力制御は、温度変化に応じて抵抗値の変化するサーミスタあるいは感温抵抗を用いて行う。
【０００７】
すなわち本発明の実施形態によれば、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と；複数のＬＥＤ素子から構成されるＬＥＤ光源と；前記直流電圧をスイッチング素子及びコイルを用いて降圧し、前記ＬＥＤ光源を駆動する降圧チョッパ回路と、前記ＬＥＤ光源の光出力が周囲温度に関わらず所定値を維持するために、周囲温度の上昇に応じて、前記ＬＥＤ光源の消費電力が大きくなるように、前記降圧チョッパ回路を制御する制御部と；を具備することを特徴とす。
【発明の効果】
【０００８】
電源投入から温度飽和までの間、低電力で所定の光出力を得るので、省エネを図ることができる。また、電源投入から低電力で動作するので、温度飽和にいたる時間が長くなり、周辺電子部品が高温に晒される時間も短くなり、信頼性の向上や長寿命化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係るＬＥＤ電球の回路構成を示す図である。
【図２】図１の回路各部の電圧波形を示す図である。
【図３】図１の回路各部の電圧波形を示す図である。
【図４】４種類のＬＥＤ Ｌ１〜Ｌ４の発光特性を示す図である。
【図５】従来の駆動回路で駆動されたＬＥＤの温度、消費電力、光出力特性を示す図である。
【図６】抵抗とサーミスタからなる抵抗要素Ｒｅの構成を示す図である。
【図７】一実施形態の駆動回路で駆動されたＬＥＤの温度、電力、光出力特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
第１実施例のＬＥＤ電球は、交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と；複数のＬＥＤ素子から構成されるＬＥＤ光源と；前記直流電圧をスイッチング素子及びコイルを用いて降圧し、前記ＬＥＤ光源を駆動する降圧チョッパ回路と、前記ＬＥＤ光源の光出力が周囲温度に関わらず所定値を維持するために、周囲温度の上昇に応じて、前記ＬＥＤ光源の消費電力が大きくなるように、前記降圧チョッパ回路を制御する制御部と；を具備することを特徴とする。
【００１１】
第２実施例のＬＥＤ電球は第１実施例のＬＥＤ電球であって、前記制御部が、前記降圧チョッパ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、基準電圧設定値を設定する基準電圧設定部とを具備し、前記出力電圧と前記基準電圧設定値が等しくなるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御し、前記出力電圧検出部は、前記降圧チョッパ回路の出力電流の大きさに応じて前記出力電圧検出値を提供する抵抗要素を含み、前記抵抗要素は、抵抗とサーミスタを具備することを特徴とする。
【００１２】
第３実施例のＬＥＤ電球は、第２実施例のＬＥＤ電球であって、前記抵抗要素が、抵抗とサーミスタの並列回路、抵抗とサーミスタの直列回路、又は抵抗とサーミスタの並列回路に直列に接続される抵抗素子を含む直並列回路を具備することを特徴とする。
【００１３】
第４実施例のＬＥＤ電球は、第２又は３実施例のＬＥＤ電球であって、前記サーミスタが、ＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタであることを特徴とする。
【００１４】
第５実施例のＬＥＤ電球は、第１実施例のＬＥＤ電球であって、前記制御部が、前記降圧チョッパ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、基準電圧設定値を設定する基準電圧設定部とを具備し、前記出力電圧と前記基準電圧設定値が等しくなるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御し、前記基準電圧設定部が、基準電圧生成部と該基準電圧生成部にて生成された基準電圧を分圧して前記基準電圧設定値を提供する２つの抵抗要素を含み、前記２つの抵抗要素のうち一方が、抵抗とサーミスタを具備することを特徴とする。
【００１５】
第６実施例のＬＥＤ電球は、第５実施例のＬＥＤ電球であって、前記２つの抵抗要素のうち一方が、抵抗とサーミスタの並列回路、抵抗とサーミスタの直列回路、又は抵抗とサーミスタの並列回路に直列に接続される抵抗素子を含む直並列回路を具備することを特徴とする。
【００１６】
第７実施例のＬＥＤ電球は、第５又は６実施例のＬＥＤ電球であって、前記２つの抵抗要素のうち前記基準電圧生成部の正側端子に接続される抵抗要素が、抵抗とＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタを具備することを特徴とする。
【００１７】
第８実施例のＬＥＤ電球は、第５又は６実施例のＬＥＤ電球であって、前記２つの抵抗要素のうち前記基準電圧生成部の負側端子に接続される抵抗要素が、抵抗とＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタを具備することを特徴とする。
【００１８】
第９実施例のＬＥＤ電球は、第２〜８実施例のうちの一実施例のＬＥＤ電球であって、前記サーミスタが前記複数のＬＥＤ素子が搭載される基板上に設けられていることを特徴とする請求項２〜８のうち１項記載のＬＥＤ電球。  
以下、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ電球について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本実施形態に係るＬＥＤ電球の回路構成を示す図であり、図２及び３は図１の回路各部の電圧波形を示す図である。
【００２０】
図１において、ＬＥＤ電球は複数のＬＥＤを含むＬＥＤ光源２０及びＬＥＤ光源２０を駆動するＬＥＤ駆動回路２１からなる。整流回路４は、商用交流電源１から入力端子２及びコンデンサ３を介して入力される図２（ａ）のような交流電圧を全波整流して直流電圧を提供する。図２（ａ）では、時刻ｔ０に交流電源が投入されている。整流回路４から提供される直流電圧は、コイル５及びコンデンサ６により一定直流電圧Ｖｄｃに平滑化される。ここで、コンデンサ３及びコイル５はノイズフィルタを構成し、整流回路４及びコンデンサ８は全波整流回路２３を構成する。
【００２１】
直流電圧Ｖｄｃは、スイッチング部２４、抵抗要素Ｒｅ１及びコイル１２を介してコンデンサ１３に供給される。このスイッチング部２４はスイッチング素子Ｑ１及びコンデンサ７を含み、スイッチング素子Ｑ１は制御回路８からのオンオフ制御信号Ｖｓｗに応じてオンオフ（スイッチング）する。コンデンサ７はスイッチング素子Ｑ１のスイッチング時に生じることがあるスパイクノイズを吸収するために設けられる。
【００２２】
コイル１２の第1端子１２ａとＧＮＤ間にはダイオード１１が接続され、コイル１２の第２端子１２ｂとＧＮＤ間にはコンデンサ１３及び抵抗１７が接続される。スイッチング部２４、抵抗要素Ｒｅ１、ダイオード１１、コイル１２及びコンデンサ１３は降圧チョッパ回路２５を構成する。図２（ｂ）はコンデンサ１３のマイナス側をＧＮＤとしたときの第1端子１２ａの電圧Ｖ２の電源投入後電圧波形を示す。電圧Ｖ２に重畳している交流波形の周期は、制御信号Ｖｓｗの周期に一致する。
【００２３】
降圧チョッパ回路２５により降圧及び平滑化された電圧Ｖ３は、出力端子１５を介してＬＥＤ光源２０に供給される。図２（ｃ）は電圧Ｖ３の電圧波形を示す。尚、抵抗１７は出力端子１５が解放された時、出力端子１５に過電圧が発生することを防止するために設けられる。スイッチング部２４及び抵抗要素Ｒｅ１の接続点の電圧は出力電圧検出値Ｖｄとして制御回路８に入力される。電源部９は直流電圧Ｖｄｃから制御部８及び基準電圧源１０に対する電源を供給する。
【００２４】
基準電圧源１０の負側端子はコイル１２の第1端子１２ａに接続される。基準電圧源１０は電源部９から抵抗１６を介して供給される電力から、直流の一定基準電圧Ｖｒｅｆ１を発生する。図３（ａ）は、基準電圧Ｖｒｅｆ１の電源投入後電圧波形を示す。この結果、基準電圧源１０の正側端子ＧＮＤに対する電圧Ｖ４は、「Ｖ２＋Ｖｒｅｆ１」となる。
【００２５】
基準電圧Ｖｒｅｆ１は分圧抵抗要素Ｒｅ２、Ｒｅ３により分圧され、分圧された電圧が電圧設定値Ｖｒｅｆ２として制御回路８に入力される。図３（ｂ）は電圧Ｖｒｅｆ２を示す図である。電圧Ｖｒｅｆ２すなわち抵抗要素Ｒｅ２端子間電圧は、抵抗要素Ｒｅ２、Ｒｅ３の抵抗値をそれぞれＲ２、Ｒ３とすると、次式により表される。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
制御回路８は、電圧検出値Ｖｄ（抵抗要素Ｒｅ１端子間電圧）と電圧設定値Ｖｒｅｆ２（抵抗要素Ｒｅ２端子間電圧）とを比較し、電圧検出値Ｖｄが電圧設定値Ｖｒｅｆ２より小さい時、スイッチング制御信号Ｖｓｗとして論理１を出力し、スイッチング素子Ｑ１をオンする。また制御回路８は、電圧検出値Ｖｄが電圧設定値Ｖｒｅｆ２より大きい時、論理０を出力しスイッチング素子Ｑ１をオフする。この結果、電圧検出値Ｖｄは、常に電圧設定値Ｖｒｅｆ２と同電圧となるよう制御される。 
図４は４種類のＬＥＤ Ｌ１〜Ｌ４の発光特性を示す図であり、横軸はＬＥＤの周囲温度、縦軸は光束比である。
【００２８】
図４（ａ）は昼光色（略白色）ＬＥＤ Ｌ１、Ｌ２の発光特性を示し、負荷電流は３５０ｍＡ一定、周囲温度２５℃のときの光束を１００％としている。この昼光色ＬＥＤは、青色ＬＥＤに例えばレモン色の蛍光体を塗布して形成されている。ＬＥＤ Ｌ１、Ｌ２とも、２５℃時の光束は同一で、温度が高いほど光束は減少する。
【００２９】
図４（ｂ）は電球色ＬＥＤ Ｌ３、Ｌ４の発光特性を示し、負荷電流は３５０ｍＡ一定である。この電球色ＬＥＤは、昼光色ＬＥＤに更にオレンジ色の蛍光体を塗布して形成される。周囲温度２５℃のとき、ＬＥＤ Ｌ３の光束を１００％とすると、ＬＥＤ Ｌ４の光束は８６．２％であって、ＬＥＤ Ｌ３、Ｌ４ともに、温度が高いほど光束は減少する。
【００３０】
図５は従来の駆動回路で駆動されたＬＥＤの温度、消費電力、光出力特性を示す図である。
【００３１】
図５（ａ）は、周囲温度２５℃で電源投入した後のＬＥＤ温度特性を示す。電源投入後、数十分間は温度上昇率（傾き）は大きいが、４０分後あたりから温度飽和して一定温度を維持する。
【００３２】
図５（ｂ）は、電源投入後の消費電力を示す図である。消費電力は、常に定格消費電力１００％を維持する。
【００３３】
図５（ｃ）は、電源投入後の光出力特性を示す。ＬＥＤは図４で示したように、温度が低いほど光出力は大きく、ＬＥＤの仕様は一般に周囲温度２５℃で規定されている。すなわち、周囲温度２５℃以下では、ＬＥＤは規定値より大きな光出力で発光している。このような発光は省エネの観点からいうと望ましくない状態である。
【００３４】
そこで本発明の一実施形態では、一般的なＬＥＤ負荷の温度特性に合わせ、周囲温度が低温では低電力に、高温では高電力になる構成とする。すなわち、ＬＥＤの光出力が周囲温度に関わらず規定値を超えないよう、つまり規定値を維持するように印加電圧を調節してＬＥＤを駆動し、低消費電力化を達成する。
【００３５】
図１において、抵抗要素Ｒｅ１〜Ｒｅ３のうち、少なくとも１つは抵抗とサーミスタから構成できる。抵抗とサーミスタから構成された抵抗要素は、周囲温度に応じて合成抵抗値が変化する。サーミスタとしては、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタあるいはＮＴＣ（negative temperature coefficient）サーミスタを用いる。ＰＴＣサーミスタは温度が上がると抵抗値が大きくなる特性を有し、ＮＴＣサーミスタは温度が上がると抵抗値が小さくなる特性を有している。またＰＴＣサーミスタは、温度が所定温度（キュリー温度）で急激に抵抗値が増加するものと、温度変化に対して線形に抵抗値が変化するものがある。ＮＴＣサーミスタは温度変化に対して概略線形に抵抗値が変化するものが多い。
【００３６】
図６は抵抗とサーミスタからなる抵抗要素Ｒｅ（Ｒｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３）の構成を示す図である。サーミスタはＬＥＤ温度に忠実に応答するために、ＬＥＤ光源が搭載された基板上に設けられている。
【００３７】
図６（ａ）の抵抗要素Ｒｅは、抵抗ＲａとサーミスタＲｔｈを並列に接続して構成され、合成抵抗Ｒｃｏｍ１は、抵抗Ｒａの抵抗値をＲａ、サーミスタＲｔｈの抵抗値をＲｔｈとすると、次式により示される。
【００３８】
【数２】
2013062215.tif 000004
【００３９】
図６（ｂ）の抵抗要素Ｒｅは、抵抗ＲａとサーミスタＲｔｈを直列に接続して構成され、合成抵抗Ｒｃｏｍ２は次式により示される。
【００４０】
【数３】
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【００４１】
図６（ｃ）の抵抗要素Ｒｅは、抵抗ＲａとサーミスタＲｔｈの並列回路に抵抗Ｒｂを直列に接続して構成され、抵抗Ｒｂの抵抗値をＲｂとすると、合成抵抗Ｒｃｏｍ３は次式により示される。
【００４２】
【数４】
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【００４３】
抵抗要素Ｒｅ１又はＲｅ３を抵抗及びサーミスタを用いて構成する場合、サーミスタとしては温度上昇と共に抵抗値が小さくなるＮＴＣサーミスタを用いる。抵抗要素Ｒｅ２を抵抗及びサーミスタを用いて構成する場合、サーミスタとしては温度上昇と共に抵抗値が大きくなるＰＴＣサーミスを用いる。
【００４４】
図７は図１及び図５に示されるような本発明の一実施形態に係る駆動回路で駆動されたＬＥＤの温度、電力（消費電力）、光出力特性を示す図である。
【００４５】
図７（ａ）は、周囲温度２５℃で電源投入した後のＬＥＤ温度特性を示す。電源投入後の温度上昇率は、従来の図５（ａ）に比べ小さい。
【００４６】
図７（ｂ）は、電源投入後の消費電力を示す図である。消費電力は、電源投入からＬＥＤが温度飽和するまでは、従来の図５（ｂ）に比べて小さい。特に電源投入直後は従来に比べ１０％以上削減されている。これは、サーミスタと抵抗で構成された抵抗要素Ｒｅにより、ＬＥＤ光源２０の印加電圧が温度飽和するまで、従来より低く抑えられているためである。
【００４７】
図７（ｃ）は、電源投入後の光出力特性を示す。ＬＥＤの光出力は、電源投入直後からの経過時間に関わらず常に規定値を維持する。
【００４８】
ＬＥＤ光源２０を図７（ｃ）のように光出力一定で発光させるために、抵抗要素Ｒｅ１〜Ｒｅ３のうち１つまたは２つあるいは全てを、図６に示すように抵抗とサーミスを用いて構成する。また、ＬＥＤ光源２０が図７（ｃ）のように光出力一定で発光するように、抵抗要素Ｒｅの抵抗及びサーミスタの接続構成が図６（ａ）〜（ｃ）の中から選択され、抵抗Ｒａ、Ｒｂの抵抗値が選択される。
【００４９】
尚、上記実施形態の説明では、抵抗要素Ｒｅとして抵抗とサーミスタを用いた例を示したが、サーミスタの代わりに、温度変化に応じて抵抗値が変化する感温抵抗器を用いてもよい。
【００５０】
以上説明したように本発明の一実施例によれば、電源投入から温度飽和に到達するまでの間、ＬＥＤを低電力で、しかも既定の光出力で発光させるので、省エネを図ることができる。また、電源投入時から低電力で動作するので、ＬＥＤが温度飽和にいたるまでの時間が長くなり、ＬＥＤ周辺の電子部品が高温に晒される時間も短くなり、ＬＥＤ電球の信頼性向上や長寿命化が期待できる。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１…交流電源、２…入力端子、４…整流回路、５、１２…コイル、９…電源部、８…制御回路、１０…基準電圧源、１５…出力端子、２０…ＬＥＤ光源、２４…スイッチング部、Ｒｅ１〜Ｒｅ３…抵抗要素、Ｑ１…スイッチング素子。
【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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