発光ダイオード駆動装置
【課題】正弦波に近似した入力電流波形を乱すことなく、消灯期間を低減して波高率を改善する。
【課題手段】ＬＥＤ集合体１０と、ＬＥＤ集合体１０への通電を制御するＬＥＤ駆動手段３と、ＬＥＤ集合体１０と並列に接続された充放電コンデンサ１１１と、充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、コンデンサ充電経路上に配置され、充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部１１０とを備え、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、充電経路を通じて充放電コンデンサに充電電流を充電し、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、放電経路を通じて充放電コンデンサから放電電流を放電し、ＬＥＤ集合体に通電する。
【課題手段】ＬＥＤ集合体１０と、ＬＥＤ集合体１０への通電を制御するＬＥＤ駆動手段３と、ＬＥＤ集合体１０と並列に接続された充放電コンデンサ１１１と、充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、コンデンサ充電経路上に配置され、充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部１１０とを備え、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、充電経路を通じて充放電コンデンサに充電電流を充電し、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、放電経路を通じて充放電コンデンサから放電電流を放電し、ＬＥＤ集合体に通電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを点灯駆動させる駆動回路に関し、特に交流電源を用いて駆動させる発光ダイオード駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、照明用の光源として、白熱電球や蛍光灯に比べ低消費電力で駆動可能な発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう。）が注目されている。ＬＥＤは小型で耐衝撃性にも強く、球切れの心配がないといった利点がある。
【０００３】
このような照明機器用の電源としては、家庭用電源等交流を電源として用いることが望まれる。一方、ＬＥＤは直流駆動素子であり、順方向の電流でのみ発光する。また、照明用途として現在多用されているＬＥＤの順方向電圧Ｖfは３．５Ｖ程度である。ＬＥＤはＶfに達しなければ発光せず、逆にＶfを超えると過度の電流が流れてしまう特性を有する。したがってＬＥＤに対しては直流による駆動が適しているといえる。
【０００４】
この相反する条件に応えるため、交流電源を用いたＬＥＤの駆動回路が、種々提案されている。例えば、変化する電圧値に応じてＶfの合計値を変化させるようにＬＥＤを切り替える方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、図６の回路図に示すように、多段に直列接続されたＬＥＤをブロック１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６に分け、整流波形の入力電圧の電圧値に応じてＬＥＤブロック１６１〜１６６の接続を、マイクロコンピュータで構成されたスイッチ制御部１６７で切り替えることで、段階的にＶfの合計値を変化させる。この結果、図７のタイミングチャートに示す電圧波形のように、整流波形に対して複数の方形波でＬＥＤを点灯できるため、単一の方形波のみでのＯＮデューティに比べ、ＬＥＤの利用効率を改善できる。
【０００５】
一方で本出願人は、複数のＬＥＤ素子を直列接続してブロック化したＬＥＤブロックを複数段、直列に接続した多段回路を、交流の全波整流で駆動するＡＣ多段回路を開発した（特許文献２）。このＡＣ多段回路は、図８に示すように、交流電源ＡＰをブリッジ回路２で全波整流し、ＬＥＤブロックの多段回路に対して印加する。ＬＥＤブロックの多段回路は、第一ＬＥＤブロック１１と、第二ＬＥＤブロック１２と、第三ＬＥＤブロック１３とを直列に接続している。第一ＬＥＤブロック１１の通電量に基づいて、第二ＬＥＤブロック１２をバイパスする第一バイパス経路ＢＰ１のＯＮ／ＯＦＦを第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ａで切り替え、また第一ＬＥＤブロック１１及び第二ＬＥＤブロック１２の通電量に基づいて、第三ＬＥＤブロック１３をバイパスする第二バイパス経路ＢＰ２のＯＮ／ＯＦＦを第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ａで切り替える。このＡＣ多段回路は、電源効率を維持しつつ、ＬＥＤ利用効率及び力率を改善することができる。
【０００６】
また本願出願人は、図９に示すようにＬＥＤを多段に接続しつつ、高調波成分を抑制した発光ダイオード駆動装置を開発した。この発光ダイオード駆動装置で得られる電流波形のグラフを図１０に示す。このように、高調波歪の発生が抑制され、正弦波に近い電流波形でＬＥＤを駆動できる。
【０００７】
一方、発光素子にＬＥＤでなく従来の白熱電球を用いた場合の電流波形も、同様にほぼ正弦波となる。ただ白熱電球の場合は、フィラメントの白熱による発光のため、電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に応答せず明滅が生じない。これに対して、発光素子にＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤの高い応答性によって電源周波数に対応した明滅を繰り返すという問題がある。この様子を、図１１の正弦波多段駆動回路の光出力波形に示す。これらの客観的評価の指標としては、波高率（＝最大値／実効値）が用いられており、１に近いほど優れている。図１１の光出力の波高率を計算すると、波高率＝１．５以上となり、他の発光素子の波高率と比べると、白熱電球の１．０５、蛍光灯の１．３６、インバーター蛍光灯の１．１程度と比較して劣る。このことは、人によっては光の明滅によってちらつきを感じたり、また回転体の照明において回転速度と同期した場合、回転しているのに停止しているように見えるなど、照明品質を落とすことになる。したがって、図９の発光ダイオード駆動装置をさらに高品質な照明に用いるには、消灯期間をなくし、波高率を改善する必要がある。
【０００８】
点滅期間を無くすには、コンデンサを用いた平滑化が考えられる。すなわち、電源電圧の高い期間にコンデンサに充電し、電圧の低い期間に放電させることが考えられる。しかしながら、コンデンサを用いると短い充電期間中に急速充電されることとなるため、充電電流が大きくなる。充電電流は、一般にコンデンサの容量が大きくなるほど大きくなる傾向にあるため、このような平滑化の用途に適う大容量のコンデンサの場合は、充電電流が一層大きくなって力率の悪化を招くと共に、高調波歪の規格に不適合となる。また、力率改善のためのアクティブフィルタＩＣなどを使用する場合もあるが、このような素子は高価であり、また高周波スイッチングによるノイズが発生するなど弊害もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１４７９３３号公報
【特許文献２】特開２０１１−４０７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、正弦波に近似した入力電流波形を乱すことなく、消灯期間を低減して波高率を改善した発光ダイオード駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
以上の目的を達成するために、第１の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、交流電源ＡＰに接続可能で、該交流電源ＡＰの交流電圧を整流した整流電圧を得るための整流回路２と、前記整流回路２の出力側と直列に接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部１１、及び少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第二ＬＥＤ部１２を直列に接続したＬＥＤ集合体１０と、前記ＬＥＤ集合体１０への通電を制御するＬＥＤ駆動手段３と、を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、前記ＬＥＤ集合体１０と並列に接続された充放電コンデンサ１１１と、前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部１１０と、を備え、前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、前記充電経路を通じて前記充放電コンデンサに充電電流を充電し、前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、前記放電経路を通じて前記充放電コンデンサから放電電流を放電し、前記ＬＥＤ集合体に通電することができる。これにより、充放電コンデンサを用いて、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高いときに充電した電荷を、整流電圧が低いときに放電してＬＥＤ集合体に通電することで、ＬＥＤ集合体への電流量の高低差を抑制して、波高率を改善できる利点が得られる。また、充電経路にコンデンサ充電用定電流部を設けることで、充放電コンデンサへの突入電流を抑制して、力率の低下を回避できる。
【００１２】
また、第２の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電するための充電電流を通電させる充電用ダイオード１１６と、前記コンデンサ放電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを放電するための放電電流を通電させる放電用ダイオード１１７とを備えることができる。これにより、充電経路及び放電経路にそれぞれ充電電流、放電電流が正しい向きに通電されて充放電コンデンサを充放電でき、動作の安定化が図られる。
【００１３】
さらに、第３の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、前記コンデンサ充電用定電流部１１０を、複数のトランジスタで構成することができる。
【００１４】
さらにまた、第４の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第二ＬＥＤ部１２と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第三ＬＥＤ部１３を備えることができる。
【００１５】
さらにまた、第５の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第二ＬＥＤ部１２と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１への通電量を制御するための第一手段２１と、前記第三ＬＥＤ部１３と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１及び前記第二ＬＥＤ部１２への通電量を制御するための第二手段２２と、前記第三ＬＥＤ部１３と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２及び第三ＬＥＤ部１３への通電量を制御するための第四手段２４と、前記第一手段２１を制御するための第一電流制御手段３１と、前記第二手段２２を制御するための第二電流制御手段３２と、前記第四手段２４を制御するための第四電流制御手段３４と、前記第一ＬＥＤ部１１から第三ＬＥＤ部１３が直列接続される出力ラインＯＬ上を流れる電流量に基づく電流検出信号を検出するための電流検出手段４とを備えることができる。
【００１６】
さらにまた、第６の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記整流回路２から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成するための高調波抑制信号生成手段６を備え、前記第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２及び第四電流制御手段３４が、前記電流検出手段４で検出された電流検出信号と、前記高調波抑制信号生成手段６で生成された高調波抑制信号電圧とを比較して、高調波成分を抑制するように前記第一手段２１、第二手段２２及び第四手段２４をそれぞれ制御することができる。これにより、入力側の高調波成分と、得られたＬＥＤ駆動電流との対比によって、出力波形を調整する制御が可能となり、効果的な高調波成分の抑制が実現できる。
【００１７】
さらにまた、第７の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第三ＬＥＤ部１３と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第四ＬＥＤ部１４と、前記第四ＬＥＤ部１４と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３への通電量を制御するための第三手段２３と、前記第三手段２３を制御するための第三電流制御手段３３とを備え、前記第四手段２４が、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３及び第四ＬＥＤ部１４への通電量を制御するよう構成できる。これにより、整流電圧の高い期間にコンデンサを充電し、整流電圧の低い期間に放電してＬＥＤ集合体を発光させて、ＬＥＤ集合体の消灯期間をなくすと共に、波高率を改善することができる。また、発光ダイオード駆動装置の高調波歪の抑制や高力率の維持に影響を与えることなく動作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置を示すブロック図である。
【図２】図１の発光ダイオード駆動装置の一回路例を示す回路図である。
【図３】実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置のコンデンサ充放電電流及び電圧波形を示すグラフである。
【図４】実施例１に係る発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を示すグラフである。
【図５】実施例１で得られた光出力の波形を示すグラフである。
【図６】マイクロコンピュータを使用したＬＥＤ点灯回路例を示す回路図である。
【図７】図６のＬＥＤ点灯回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の発光ダイオード駆動装置を示す回路図である。
【図９】本出願人が先に開発した発光ダイオード駆動装置を示す回路図である。
【図１０】図９の発光ダイオード駆動装置の入力電流波形を示すグラフである。
【図１１】図９の発光ダイオード駆動装置の光出力波形を示すグラフである。
【図１２】図９の発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光ダイオード駆動装置を例示するものであって、本発明は発光ダイオード駆動装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
【００２０】
発光ダイオード駆動装置を高調波電流規格に適合させるためには、白熱電球と同様に正弦波の電流波形になるよう設計することが望まれる。そこで本実施の形態に係る発光ダイオード駆動装置では、ＬＥＤ電流制御手段の基準電圧に正弦波を重畳させることで、ＬＥＤ駆動電流波形を正弦波に近似した波形とし、２５Ｗ以上の高調波電流規格に適合させた安価でコンパクトな発光ダイオード駆動装置を提供するものである。
【実施例１】
【００２１】
図１に実施例１に係る発光ダイオード駆動装置１００のブロック図を示す。この発光ダイオード駆動装置１００は、整流回路２と、ＬＥＤ集合体１０と、第一手段２１〜第四手段２４と、第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３と、電流検出手段４とを備える。この発光ダイオード駆動装置１００は、交流電源ＡＰに接続されて、交流電圧を整流した整流電圧（脈流電圧）を得るための整流回路２と、複数のＬＥＤ部で構成されたＬＥＤ集合体１０とを、出力ラインＯＬ上で各々直列に接続している。ここではＬＥＤ部を４つ使用しており、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を直列に接続して、ＬＥＤ集合体１０を構成している。さらに出力ラインＯＬには、ＬＥＤ集合体１０と、ＬＥＤ駆動手段３と、電流検出手段４とを直列に接続している。
【００２２】
また第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４には、各々両端に通電量を制御するための第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３が接続される。第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３は、それぞれＬＥＤ部に対して並列に設けられているため、通電量を調整するバイパス経路を構成する。すなわち、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３によってバイパスされる電流量を調整できるので、結果的に各ＬＥＤ部の通電量を制御できる。図１の例では、第二ＬＥＤ部１２と並列に第一手段２１が接続され、第一バイパス経路ＢＰ１を形成する。また第三ＬＥＤ部１３と並列に第二手段２２が接続され、第二バイパス経路ＢＰ２を形成する。さらに第四ＬＥＤ部１４と並列に第三手段２３が接続され、第三バイパス経路ＢＰ３を形成する。なお本明細書においては、出力ライン上に接続されたＬＥＤ部等をバイパスするバイパス経路にも、出力電流が流れることがあるため、この意味で出力ラインに含めて使用する。
（電流制御手段）
【００２３】
また定電流駆動を行うため、定電流回路の制御用に電流制御手段が設けられる。この回路例では第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４とで、一種の定電流回路が構成される。
【００２４】
各電流制御手段は第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と接続されており、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４のＯＮ／ＯＦＦや電流量連続可変といった動作を制御する。具体的には、第一手段２１の動作を制御する第一電流制御手段３１と、第二手段２２の動作を制御する第二電流制御手段３２と、第三手段２３の動作を制御する第三電流制御手段３３と、第四手段２４の動作を制御する第四電流制御手段３４が設けられる。第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、電流検出手段４に接続されてＬＥＤの電流量をモニタし、その値に基づいて第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４の制御量を切り替える。
【００２５】
各ＬＥＤ部は、一又は複数のＬＥＤ素子を直列及び／又は並列に接続したブロックである。ＬＥＤ素子は、表面実装型（ＳＭＤ）や砲弾型のＬＥＤが適宜利用できる。またＳＭＤタイプのＬＥＤ素子のパッケージは、用途に応じて外形を選択でき、平面視が矩形状のタイプ等が利用できる。さらに、複数のＬＥＤ素子をパッケージ内で直列及び／又は並列に接続したＬＥＤをＬＥＤ部として使用することも可能であることは言うまでもない。
【００２６】
各ＬＥＤ部に含まれるＬＥＤ素子の順方向電圧の加算値である小計順方向電圧は、直列接続されたＬＥＤ素子の個数によって決まる。例えば順方向電圧３．６ＶのＬＥＤ素子を６個使用する場合の小計順方向電圧は、３．６×６＝２１．６Ｖとなる。
【００２７】
この発光ダイオード駆動装置１００は、電流検出手段４で検出した電流値に基づいて各ＬＥＤ部に対する通電のＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを切り替える。いいかえると、整流電圧の電圧値でなく、現実に通電される電流量に基づいた電流制御であるため、ＬＥＤ素子の順方向電圧のばらつきに左右されず、適切なタイミングで正確なＬＥＤ部の切り替えが実現され、信頼性の高い安定した動作が見込まれる。なお電流値の検出には、電流検出手段４等が利用できる。
【００２８】
図１の例では、第一電流制御手段３１が第一ＬＥＤ部１１の通電量に基づいて、第一手段２１による第一ＬＥＤ部１１への通電制限量を制御する。具体的には、第一手段２１及び第二手段２２、第三手段２３がＯＮの状態で、通電量が予め設定された第一基準電流値に達したとき、第一手段２１は第一ＬＥＤ部１１を定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２を共に駆動できる電圧に達すると、第二ＬＥＤ部１２に電流が流れ始め、さらにその電流値が第一基準電流値を超えると、第一手段２１はＯＦＦとなる。さらに第二電流制御手段３２が第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２の通電量に基づいて、第二手段２２による第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２への通電制限量を制御する。具体的には、通電量が予め設定された第二基準電流値に達すると、第二手段２２は第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２を定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３とを共に駆動できる電圧に達すると、第三ＬＥＤ部１３に電流が流れ始め、さらにその電流値が第二基準電流値を超えると、第二手段２２はＯＦＦとなる。
【００２９】
さらに第三電流制御手段３３が第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３の通電量に基づいて、第三手段２３による第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３への通電制限量を制御する。具体的には、通電量が予め設定された第三基準電流値に達すると、第三手段２３は第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３とを定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３と第四ＬＥＤ部１４を共に駆動できる電圧に達すると、第四ＬＥＤ部１４に電流が流れ始め、さらにその電流値が第三基準電流値を超えると、第三手段２３はＯＦＦとなる。最後に第四手段２４及び第四電流制御手段３４は、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を定電流駆動させる。
【００３０】
ここで、第一基準電流値＜第二基準電流値＜第三基準電流値となるよう設定することで、第一ＬＥＤ部１１から第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４への順で、ＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを順次切り替えることができる。
【００３１】
以上のように発光ダイオード駆動装置１００は、家庭用電源等の交流電源ＡＰを用いて、その交流を全波整流した後に得られる周期的に変化する脈流電圧に合わせて、直列に配置されたＬＥＤ素子を適切な個数だけ点灯させるように構成した複数の定電流回路を備えており、各定電流回路を各々適切に動作させるように複数のＬＥＤ電流検出回路を動作させることができる。
【００３２】
この発光ダイオード駆動装置１００は、第１の電流値で第一ＬＥＤ部１１を通電させ、第１の電流値よりも大きい第２の電流値で第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２を通電させ、さらに第２の電流値よりも大きい第３の電流値で第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を通電させ、さらにまた第３の電流値よりも大きい第４の電流値で第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を通電させる。特に各ＬＥＤ部への通電量を定電流制御によって制限することで、電流量に応じてＬＥＤ部のＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを切り替えることができ、脈流電圧に対して効率よくＬＥＤを点灯駆動できる。
【００３３】
さらに図１の例では、第四手段２４と並列にＬＥＤ駆動手段３が接続されており、第四手段２４に流れる電流の一部をＬＥＤ駆動手段３で分岐させることによってＬＥＤ駆動手段３が第四手段２４の負荷を低減している。
（高調波抑制信号生成手段６）
【００３４】
さらに第一電流制御手段３１〜第四電流制御手段３４は、高調波抑制信号生成手段６と接続される。高調波抑制信号生成手段６は、整流回路２から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成する。ここでは、高調波抑制信号生成手段６は、整流回路２で整流された整流電圧を適当な大きさに圧縮し、第一電流制御手段３１〜第四電流制御手段３４に送出して参照信号とし、ＬＥＤ電流検出信号と比較する。各電流制御手段はこの比較結果を基に、それぞれの第一手段２１〜第四手段２４を介して適切なタイミングと電流で、それぞれのＬＥＤ部を駆動する。
（平滑化回路）
【００３５】
さらに図１に示す発光ダイオード駆動装置は、ＬＥＤの消灯期間を低減するための平滑化回路を備える。平滑化回路は、コンデンサ１１１、コンデンサ充電用定電流回路１１０、充電用ダイオード１１６、放電用ダイオード１１１を備える。
（コンデンサ充電回路）
【００３６】
コンデンサ充電用定電流回路１１０は第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３で生成されるＬＥＤ駆動の正弦波電流よりも小さな定電流に設定される。このコンデンサ充電電流とＬＥＤ駆動電流が合成されて、第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３で正弦波電流に制御される。これにより、元来正弦波に近似した電流波形で制御されている発光ダイオード駆動装置全体の電流に影響することなくコンデンサ充電が行える。
（コンデンサ放電回路）
【００３７】
一方で、コンデンサ１１１の放電回路は、放電用ダイオード１１７を介して第一ＬＥＤ部１１から第四ＬＥＤ部１４まで直列に接続されたＬＥＤ集合体１０に接続される。このコンデンサ放電回路は、コンデンサ充電用定電流回路１１０や充電用ダイオード１１６など介せずに、コンデンサ１１１に溜まった電荷を放電する。コンデンサ１１１の充電電圧は、ＬＥＤ集合体１０を構成する直列接続された第一ＬＥＤ部〜第四ＬＥＤ部のＶfを足し合わせた値となるので、コンデンサ充電時にＬＥＤ集合体１０に流れる電流以上の電流でコンデンサ１１１が放電されることはない。
（実施例１の回路例）
【００３８】
次に、図１の発光ダイオード駆動装置１００を半導体素子を用いて実現した具体的な回路の構成例を、図２に示す。この発光ダイオード駆動装置１００’は、交流電源ＡＰに接続された整流回路２としてダイオードブリッジを用いている。また交流電源ＡＰと整流回路２との間には、保護抵抗８１が設けられる。さらに整流回路２の出力側には、バイパスコンデンサ８２が接続される。なお交流電源ＡＰと整流回路２との間には、図示しないが過電流阻止のためのヒューズとサージ防護回路を設けてもよい。
（交流電源ＡＰ）
【００３９】
交流電源ＡＰは、１００Ｖや２００Ｖの商用電源が好適に利用できる。この商用電源の１００Ｖ又は２００Ｖは実効値であり、全波整流された整流波形の最大電圧は約１４１Ｖ又は２８２Ｖとなる。
（ＬＥＤ集合体１０）
【００４０】
ＬＥＤ集合体１０を構成する各ＬＥＤ部は、相互に直列に接続すると共に、複数のブロックに分け、ブロック同士の境界からは端子を引き出して、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と接続している。図２の例では、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４の４つのグループでＬＥＤ集合体１０を構成している。
【００４１】
図２に示す各ＬＥＤ部１１〜１４は、一のＬＥＤシンボルが複数のＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージ１を表している。この例では、各ＬＥＤパッケージ１は、１０個のＬＥＤチップを実装している。各ＬＥＤ部の発光ダイオード接続数、あるいはＬＥＤ部の接続数は、順方向電圧の加算値、すなわち直列接続されたＬＥＤ素子の総数と、使用する電源電圧とで決定される。例えば商用電源を使用する場合は、各ＬＥＤ部のＶfの合計である合計順方向電圧Ｖfallが、１４１Ｖ程度、又はそれ以下となるように設定される。
【００４２】
なおＬＥＤ部は、一以上の任意の数のＬＥＤ素子を備えている。ＬＥＤ素子は、一個のＬＥＤチップや、複数個のＬＥＤチップを一パッケージに纏めたものを利用できる。この例では、図示する一のＬＥＤ素子として、それぞれ１０個のＬＥＤチップを含むＬＥＤパッケージ１を使用している。
【００４３】
また図２の例では、４つのＬＥＤ部のＶfを同一となるように設計している。ただこの例に限られず、上述の通りＬＥＤ部数を３以下、あるいは５以上としてもよい。ＬＥＤ部数を増やすことで、定電流制御の数を増やしてより細かなＬＥＤ部間の点灯切り替え制御が可能となる。さらに各ＬＥＤ部のＶfは同一としなくとも良い。
（第一手段２１〜第四手段２４）
【００４４】
第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４は、各ＬＥＤ部に対応して、定電流駆動するための部材である。このような第一手段２１〜第四手段２４としては、トランジスタ等のスイッチング素子で構成される。特にＦＥＴは、ソース−ドレイン間飽和電圧がほぼゼロであるため、ＬＥＤ部への通電量を阻害することがなく好ましい。ただ、第一手段２１〜第四手段２４はＦＥＴに限定されるものでなく、バイポーラトランジスタ等でも構成できることはいうまでもない。
【００４５】
図２の例では、第一手段２１〜第四手段２４としてＬＥＤ電流制御トランジスタを利用している。具体的には、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４、ＬＥＤ駆動手段３には、それぞれ第一手段２１〜第四手段２４である第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ｂ、第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ｂ、第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３Ｂが接続される。各ＬＥＤ電流制御トランジスタは、その前段のＬＥＤ部の電流量に応じて、ＯＮ状態や定電流制御が切り替わる。ＬＥＤ電流制御トランジスタがＯＦＦになると、バイパス経路に電流が流れなくなって、ＬＥＤ部に通電される。すなわち、各第一手段２１〜第四手段２４によってバイパスされる電流量を調整できるので、結果的に各ＬＥＤ部の通電量を制御できることになる。図２の例では、第二ＬＥＤ部１２と並列に第一手段２１が接続され、第一バイパス経路ＢＰ１を形成する。また第三ＬＥＤ部１３と並列に第二手段２２が接続され、第二バイパス経路ＢＰ２を形成する。さらに第四ＬＥＤ部１４と並列に第三手段２３が接続され、第三バイパス経路ＢＰ３を形成する。さらにまた第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂが接続され、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３及び第四ＬＥＤ部１４への通電量を制御する。
【００４６】
ここで第一ＬＥＤ部１１は、並列に接続されたバイパス経路や第一手段〜第四手段を設けていない。第二ＬＥＤ部１２と並列に接続された第一手段２１が、第一ＬＥＤ部１１の電流量を制御するからである。また第四ＬＥＤ部１４については、第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂが電流制御を行う。
【００４７】
また図２の例では、抵抗３をＬＥＤ駆動手段３としている。この例では、ＬＥＤ駆動手段３に並列に第四手段であるトランジスタを接続することで、電流量が大きくなる際に電流をバイパスして、第四手段への負荷を軽減するよう構成している。ただ、ＬＥＤ駆動手段３を省略してもよい。
【００４８】
図２の例では、ＬＥＤ電流制御トランジスタとして、ＦＥＴを使用している。なお、第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ｂや第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ｂ、第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３Ｂ、第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂを用いて、ＬＥＤ部単位でＯＮ／ＯＦＦの切り替えを制御する構成では、各段のＬＥＤ電流制御トランジスタを構成するＦＥＴ等の制御用半導体素子が各々ＬＥＤ部の両端に接続されているため、制御用半導体素子の耐圧はＬＥＤ部の小計順方向電圧にて保護されることとなる。このため、耐圧の低い小型の半導体素子を使用できる利点が得られる。
（第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４）
【００４９】
第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、各ＬＥＤ部と対応する第一手段２１〜第四手段２４が、適切なタイミングで定電流駆動を行うよう制御する部材である。第一電流制御手段３２〜第四電流制御手段３４も、トランジスタ等のスイッチング素子が利用できる。特にバイポーラトランジスタは、電流量の検出に好適に利用できる。この例では第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、オペアンプで構成される。なお電流制御手段も、オペアンプに限定されるものでなく、コンパレータ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも構成可能であるのはいうまでもない。
【００５０】
図２の例では、電流制御手段は、各々ＬＥＤ電流制御トランジスタの動作を制御する。すなわち、各電流検出オペアンプがＯＮ／定電流制御／ＯＦＦすることで、ＬＥＤ電流制御トランジスタをＯＦＦ／定電流制御／ＯＮに切り替える。
（電流検出手段４）
【００５１】
電流検出手段４は、ＬＥＤ部を直列接続したＬＥＤ集合体１０に通電される電流を電圧降下等により検出することによって、ＬＥＤ部を構成するＬＥＤ素子の定電流駆動を行う。この電流検出手段４は、ＬＥＤの保護抵抗としても機能する。また定電流駆動を行うため、定電流回路の制御用に電流制御手段が設けられる。この回路例では第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４で、一種の定電流回路が構成される。
【００５２】
各ＬＥＤ電流検出抵抗の抵抗値は、各電流制御手段のＯＮ／ＯＦＦをどの電流のタイミングで行うかを規定する。ここでは、第一〜第四電流検出手段３１〜３４であるオペアンプの順でＯＮされるよう、各ＬＥＤ電流検出抵抗の抵抗値が設定されている。
（基準電流値）
【００５３】
ここでは、第一電流検出手段３１が第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１をＯＮからＯＦＦに切り替える第一基準電流値を、第二電流検出手段３２が第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２をＯＮからＯＦＦに切り替える第二基準電流値よりも低く設定する。また第三電流検出手段３３が第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３をＯＮからＯＦＦに切り替える第三基準電流値を、第二基準電流値よりも高く設定する。さらに第四電流検出手段３４が第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４をＯＮからＯＦＦに切り替える第四基準電流値を、第三基準電流値よりも高く設定する。このように第一基準電流値＜第二基準電流値＜第三基準電流値＜第四基準電流値となるよう設定することで、整流回路２で整流された入力電圧の上昇に伴い、第一ＬＥＤ部１１から第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４への順で、ＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを順次切り替えることができる。また入力電圧の下降時には、逆の順序でＬＥＤが消灯される。
（高調波抑制信号生成手段６の動作説明）
【００５４】
以下、図２を参照しながら、発光ダイオード駆動装置１００’における高調波抑制信号生成手段６の動作を説明する。図２の回路例では、電流制御手段は、オペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂで構成される。これらオペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂは、高調波抑制信号生成手段６により制御される。
【００５５】
具体的にオペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂは、定電圧電源７により駆動される。定電圧電源７は、オペアンプ電源用トランジスタ７０、ツェナーダイオード７１、ツェナー電圧設定抵抗７２で構成される。この定電圧電源７は、交流電源ＡＰを整流回路２で整流した後の整流電圧が、ツェナーダイオード７１のツェナー電圧を超えている期間だけ、オペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂに電源を供給する。この期間は、ＬＥＤの点灯期間を包含するよう設定される。すなわち、ＬＥＤ点灯中にオペアンプを動作させて、点灯を制御する。
【００５６】
高調波抑制信号生成手段６は、高調波抑制信号生成抵抗６０、６１で構成される。高調波抑制信号生成抵抗６０、６１は、整流回路２で整流された整流電圧を分圧する。いいかえると、整流電圧を適当な大きさに圧縮する。各オペアンプの＋側入力端子には、高調波抑制信号生成抵抗６０、６１から出力される、圧縮された正弦波である高調波抑制信号が入力される。
【００５７】
一方、各オペアンプの負入力端子には、電流検出抵抗で検出された電圧が入力される。電流検出分圧抵抗４の電圧は、それぞれのオペアンプが制御を担当する期間に、すなわち各オペアンプの＋側入力端子に印加される正弦波に沿って電流制御されるよう設定される。これにより、整流回路２で整流された脈流の正弦波をオペアンプの＋側入力端子に入力することができる。このため、正弦波に沿って電流制御動作を行うため、ＬＥＤ駆動電流が正弦波に近似された波形となる。
【００５８】
なおＬＥＤ部はそれぞれ、複数の発光ダイオード素子を相互に直列に接続して構成できる。これにより、整流電圧を複数の発光ダイオード素子で効果的に分圧できる上、発光ダイオード素子毎の順方向電圧Ｖfや温度特性のばらつきをある程度吸収してブロック単位での制御を均一化できる。ただ、ＬＥＤ部の数や各ＬＥＤ部を構成する発光ダイオード素子数等は、要求される明るさや入力電圧等によって任意に設定でき、例えばＬＥＤ部を一の発光ダイオード素子で構成したり、ＬＥＤ部の数を多くしてより細かな制御を行うこと、あるいは逆にＬＥＤ部を２つのみとして制御をシンプルにすることも可能であることは言うまでもない。
【００５９】
また、上記構成ではＬＥＤ部の構成数を４としたが、ＬＥＤ部の数を２又は３としたり、又は５以上とすることもできることはいうまでもない。特に、ＬＥＤ部の数を増やすことで、階段状の電流波形をより細かくした制御が可能となり、一層の高調波成分の抑制が可能となる。また図１の例では、各ＬＥＤ部がＯＮ／ＯＦＦされる切り替え動作を、入力電流に対してほぼ均等に分割しているが、均等にする必要は必ずしも無く、異なる電流でＬＥＤ部を切り替えてもよい。
【００６０】
さらに上記の例では、ＬＥＤを４つのＬＥＤ部に分け、各ＬＥＤ部がそれぞれ同一のＶfとなるよう構成しているが、同一のＶfでなくても良い。例えばＬＥＤ部１のＶfをできるだけ低く、すなわちＬＥＤ一個分の３．６Ｖ程度に設定できれば、電流の立ち上がりタイミングを早く、立下りタイミングを遅くできる。このことは、高調波を減少させるのにさらに有利となる。またこの方法を使用すれば、ＬＥＤ部の数とＶf設定を自由に選択でき、さらに電流波形を正弦波に近似できるため、より柔軟性を高めて高調波抑制を実現することが容易となる。
【００６１】
さらにまた、隣り合うオペアンプの負入力端子同士の最小電圧差は、オペアンプのオフセット電圧以上であれば良く、例えば数ｍＶ程度の差で設定できる。このことは、回路設計上有利となる。例えば図８で示したＡＣ多段回路のように、電流制御手段をトランジスタで構成する場合には、半導体部品を実装した回路基板上の、場所による温度変化に起因する設定電流の変動を考慮して、数十ｍＶ以上の差を必要としていた。これに対して、実施例１の回路例では、トランジスタで電流制御手段を構成する場合に比べ、十分の一程度の電位差で設定できることになる。このため、実施例１の構成によれば、ＬＥＤ部の電流設定を細かく設定でき、ＬＥＤ部の増加等にも自由に対応可能であることを意味し、部品費等のトレードオフがあるとしても正弦波への近似がさらに精密にできるメリットを享受できる。
（電流検出信号付与手段５）
【００６２】
電流検出信号付与手段５は、図１に示すように電流検出手段４で検出される電流検出信号を、第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４に送出する。図２の回路例では、電流検出信号付与手段５は電流検出信号付与抵抗５Ａ〜５Ｄに相当する。
（電圧変動抑制信号送出手段８）
【００６３】
さらに発光ダイオード駆動装置は、電圧変動抑制信号を生成して電流検出信号付与手段５へ送出する電圧変動抑制信号送出手段８を付加することもできる。図２において、電圧変動抑制信号生成手段８は破線で囲んだ領域で構成され、電圧変動抑制信号を積分した上で、電流検出信号に加算している。これにより、脈流電圧が変動しても平均電流が一定になるように制御される。
（コンデンサ充電用定電流回路１１０）
【００６４】
図２に示す発光ダイオード駆動装置において、コンデンサ充電用定電流回路１１０は、充電電流制御トランジスタ１１２、充電用電流検出制御トランジスタ１１３、充電電流検出抵抗１１５、コレクタ抵抗１１４で構成される。このコンデンサ充電用定電流回路１１０は、充電電流制御トランジスタ１１２によって定電流制御される。
（コンデンサ１１１への充電）
【００６５】
図２に示す発光ダイオード駆動装置の電流波形は、図１０で示した電流波形と同じである。コンデンサ１１１への充電は、電源ラインからコンデンサ１１１、充電電流制御トランジスタ１１２、充電電流検出抵抗１１５、充電用ダイオード１１６、第４逆流防止ダイオード１２４、第４電流制御ＦＥＴ２４を通じて行われる。そして充電電流は、上述の通りコンデンサ充電用定電流回路１１０の充電電流制御トランジスタ１１２で定電流制御される。この充電電流は、第４電流制御ＦＥＴ２４によって制御される電流よりも小さく設定される。また充電電流は、ＬＥＤ集合体１０を流れるＬＥＤ電流と合成され、この合成電流が第４電流制御ＦＥＴ２４により正弦波となるよう電流制御される。これによって、図９の回路例で実現される高調波歪抑制機能を阻害することなく、コンデンサ１１１への充電を行うことができる。
【００６６】
一方で、コンデンサ充電中のＬＥＤ電流は、コンデンサ充電電流が差し引かれる分、減少する。第４電流制御ＦＥＴ２４が正弦波電流制御する期間は、図９の回路例では、第一ＬＥＤ部１１から第四ＬＥＤ部１４までのすべてのＬＥＤが点灯される期間、すなわち電源電圧のピーク近傍の期間となる。また、この期間において光出力もピークとなる。この期間のＬＥＤ電流を削減できれば、光出力のピークを抑えることができ、波高率を低減できる。したがって、この期間にコンデンサ１１１に充電することで、光出力のピークを抑え、且つコンデンサに蓄えた電力を電源電圧の低い時に放電し光出力を得ることで、波高率の改善効果が二重に得られる。
【００６７】
コンデンサ充電時間は、第４電流制御ＦＥＴ２４の動作期間が最大となる。この期間中充電を継続することで、充電の定電流設定を増減して自由に調整できる。
（コンデンサ１１１からの放電）
【００６８】
次にコンデンサ１１１からの放電について説明する。図２の発光ダイオード駆動装置において、コンデンサ１１１の放電回路は、第一ＬＥＤ部１１〜第四ＬＥＤ部１４で構成されるＬＥＤ集合体１０と、放電用ダイオード１１７で構成される。このようにすべてのＬＥＤ部が放電対象となるが、放電電流は正弦波多段駆動回路に流れず、その動作には影響を与えない。
【００６９】
コンデンサ充放電電流及び電圧波形を図３に示す。この図において、コンデンサ充放電電流をＩ、コンデンサ充放電電圧波形をＶで、それぞれ示している。コンデンサの端子電圧は、上述のようにすべてのＬＥＤ部が点灯された状態でのＬＥＤ電流、すなわち第４電流制御ＦＥＴ２４による制御電流からコンデンサ充電電流を差し引いた電流ＩfaによるＬＥＤ端子電圧Ｖfaにほぼ等しく充電される。したがって、コンデンサの放電を定電流制御しなくても、ＬＥＤ端子電圧Ｖfaによって制限され、Ｉfaより大きな放電電流は流れないことになる。
【００７０】
コンデンサ充電終了直後は、充電電流がなくなりＬＥＤ駆動電流が上がり、ＬＥＤ端子電圧も上昇するため放電は起こらない。電源電圧がさらに下がり、正弦波多段駆動回路による第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２の２グループのＬＥＤ群を正弦波電流駆動（正弦波多段駆動回路では第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４は消灯）に移る付近からＬＥＤ端子電圧をコンデンサ端子電圧が上回り、放電を開始する。この放電電流は、図９の正弦波電流駆動に重畳されＬＥＤに流れるため、ＬＥＤ端子電圧は上昇し、放電電流を抑える方向に働き、過度な電流がＬＥＤには流れることはない。電源電圧が下降するのに伴い、正弦波多段駆動回路により駆動されるＬＥＤ部は減少し、駆動電流によるＬＥＤ端子電圧変動分も減少する。
【００７１】
このように、ＬＥＤ端子電圧は駆動電流の増減に伴って増減する。すなわち、多段駆動回路により駆動されているＬＥＤ部の端子電圧は、駆動されていないときよりも上昇する。したがって、より多くのＬＥＤ部が多段駆動回路により駆動されている期間は、ＬＥＤ端子電圧が高くなり、この結果コンデンサ端子電圧を上回る期間は、コンデンサ１１１は放電されない。その一方、コンデンサ１１１は多段駆動回路と分け合った電流で充電されるため、そのときのＬＥＤ駆動電流はコンデンサ充電用定電流回路１１０がない場合よりも低いＩfaとなる。すなわち、充電完了したコンデンサ端子電圧は、すべてのＬＥＤ部に対して最大Ｉfaで放電できる電圧Ｖfaでしか充電されていない。電源電圧が下降し、多段駆動回路で駆動されるＬＥＤ部が減ると、ＬＥＤ端子電圧は減少しコンデンサ１１１の放電が開始される。なお多段駆動回路で駆動されるＬＥＤ部の数が少ないほどＬＥＤ端子電圧は下がり、コンデンサ１１１からの放電電流は上がるが、上記のように充電期間のＬＥＤ駆動電流Ｉfaを超えることはない。
【００７２】
このようにＬＥＤ部の駆動状況に応じてコンデンサ１１１は逐次放電され、図９のような正弦波多段駆動回路のみでは消灯している期間でも、ＬＥＤ部を点灯することができる。また、コンデンサの放電は正弦波多段駆動回路と無関係に、すなわち高調波歪抑制効果や高力率を毀損することなく行われる。このため、高調波抑制と高力率を維持しつつも、正弦波多段駆動回路の追加によって消灯期間を低減して、光出力の波高率を大幅に改善することが可能となる。
【００７３】
ここで、実施例１に係る発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を、図４に示すと共に、対比のため本出願人が先に開発した図９の発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を、図１２に示す。図９の構成では電流が低い領域、図１２において矢印で示す区間では、第一ＬＥＤ部が消灯していた。また第一ＬＥＤ部の駆動波形は、ほぼ正弦波に近い波形を示している。これに対し、図１２に示す実施例１では電源電圧ピーク時（図１２において水平方向の矢印で示す区間）に、コンデンサ充電を行うことでＬＥＤ電流を削減させる一方、正弦波多段駆動回路により駆動されるＬＥＤ部の電流が減少するのに応じてコンデンサ放電電流を増加させることで（図１２において縦方向の矢印）、従来は消灯されていた区間でも第一ＬＥＤ部を点灯させて光出力を得ることができ、この結果ＬＥＤ部が完全に消灯される期間を無くしていることが確認できた。このように、ピークカットした分の電流を本来の消灯期間に回すことで、点灯量を平滑化してちらつきを抑えた高品質なＬＥＤ部の発光が可能となる。
【００７４】
さらに実施例１で得られた光出力の波形を図５のグラフに示す。この図に示すように、光出力のピーク時に対する暗い時の割合は約６０％に抑えることができ、波高率が１．２となって蛍光灯を上回り、照明品質が大きく向上したことが確認できる。
【００７５】
またこの構成によれば、大容量のコンデンサ１１１を搭載しているにもかかわらず、コンデンサ１１１に定電流充電回路を付加したことで大きな突入電流の発生を回避できる。さらにコンデンサ両端がＬＥＤ集合体の両端に接続されているため、図３に示したように充放電による端子電圧差を数Ｖに抑えて、充電用定電流回路の損失を極減できる。加えて、コンデンサ充電電流が定電流回路で制御されるので、急速充電と比較してコンデンサリップル電流が非常に小さい。このため、ＬＥＤ素子の寿命に比較して短寿命とされるアルミ電解コンデンサを使用しても長寿命を確保でき、発光ダイオード駆動装置の品質と信頼性を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上の発光ダイオード駆動装置は、ＬＥＤ素子を備えているため、ＬＥＤ素子とその駆動回路を同一の配線基板に配置することで、家庭用交流電源を投入して点灯可能な照明装置や照明器具として利用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００’…発光ダイオード駆動装置
２…整流回路
３…ＬＥＤ駆動手段
４…電流検出手段
５…電流検出信号付与手段；５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ…電流検出信号付与抵抗
６…高調波抑制信号生成手段
７…定電圧電源
８…電圧変動抑制信号送出手段
１０…ＬＥＤ集合体
１１…第一ＬＥＤ部
１２…第二ＬＥＤ部
１３…第三ＬＥＤ部
１４…第四ＬＥＤ部
２１…第一手段；２１Ａ、２１Ｂ…第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２２…第二手段；２２Ａ、２２Ｂ…第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２３…第三手段；２３Ｂ…第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２４…第四手段；２４Ｂ…第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ
３１…第一電流制御手段；３１Ｂ…オペアンプ
３２…第二電流制御手段；３２Ｂ…オペアンプ
３３…第三電流制御手段；３３Ｂ…オペアンプ
３４…第四電流制御手段；３４Ｂ…オペアンプ
６０…高調波抑制信号生成抵抗
６１…高調波抑制信号生成抵抗
７０…オペアンプ電源用トランジスタ
７１…ツェナーダイオード
７２…ツェナー電圧設定抵抗
８１…保護抵抗；８２…バイパスコンデンサ
１１０…コンデンサ充電用定電流回路
１１１…コンデンサ
１１２…充電電流制御トランジスタ
１１３…充電用電流検出制御トランジスタ
１１４…コレクタ抵抗
１１５…充電電流検出抵抗
１１６…充電用ダイオード
１１７…放電用ダイオード
１２４…第４逆流防止ダイオード
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６…ＬＥＤブロック
１６７…スイッチ制御部
ＡＰ…交流電源；ＢＰ１…第一バイパス経路；ＢＰ２…第二バイパス経路；ＢＰ３…第三バイパス経路；ＯＬ…出力ライン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを点灯駆動させる駆動回路に関し、特に交流電源を用いて駆動させる発光ダイオード駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、照明用の光源として、白熱電球や蛍光灯に比べ低消費電力で駆動可能な発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう。）が注目されている。ＬＥＤは小型で耐衝撃性にも強く、球切れの心配がないといった利点がある。
【０００３】
このような照明機器用の電源としては、家庭用電源等交流を電源として用いることが望まれる。一方、ＬＥＤは直流駆動素子であり、順方向の電流でのみ発光する。また、照明用途として現在多用されているＬＥＤの順方向電圧Ｖfは３．５Ｖ程度である。ＬＥＤはＶfに達しなければ発光せず、逆にＶfを超えると過度の電流が流れてしまう特性を有する。したがってＬＥＤに対しては直流による駆動が適しているといえる。
【０００４】
この相反する条件に応えるため、交流電源を用いたＬＥＤの駆動回路が、種々提案されている。例えば、変化する電圧値に応じてＶfの合計値を変化させるようにＬＥＤを切り替える方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、図６の回路図に示すように、多段に直列接続されたＬＥＤをブロック１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６に分け、整流波形の入力電圧の電圧値に応じてＬＥＤブロック１６１〜１６６の接続を、マイクロコンピュータで構成されたスイッチ制御部１６７で切り替えることで、段階的にＶfの合計値を変化させる。この結果、図７のタイミングチャートに示す電圧波形のように、整流波形に対して複数の方形波でＬＥＤを点灯できるため、単一の方形波のみでのＯＮデューティに比べ、ＬＥＤの利用効率を改善できる。
【０００５】
一方で本出願人は、複数のＬＥＤ素子を直列接続してブロック化したＬＥＤブロックを複数段、直列に接続した多段回路を、交流の全波整流で駆動するＡＣ多段回路を開発した（特許文献２）。このＡＣ多段回路は、図８に示すように、交流電源ＡＰをブリッジ回路２で全波整流し、ＬＥＤブロックの多段回路に対して印加する。ＬＥＤブロックの多段回路は、第一ＬＥＤブロック１１と、第二ＬＥＤブロック１２と、第三ＬＥＤブロック１３とを直列に接続している。第一ＬＥＤブロック１１の通電量に基づいて、第二ＬＥＤブロック１２をバイパスする第一バイパス経路ＢＰ１のＯＮ／ＯＦＦを第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ａで切り替え、また第一ＬＥＤブロック１１及び第二ＬＥＤブロック１２の通電量に基づいて、第三ＬＥＤブロック１３をバイパスする第二バイパス経路ＢＰ２のＯＮ／ＯＦＦを第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ａで切り替える。このＡＣ多段回路は、電源効率を維持しつつ、ＬＥＤ利用効率及び力率を改善することができる。
【０００６】
また本願出願人は、図９に示すようにＬＥＤを多段に接続しつつ、高調波成分を抑制した発光ダイオード駆動装置を開発した。この発光ダイオード駆動装置で得られる電流波形のグラフを図１０に示す。このように、高調波歪の発生が抑制され、正弦波に近い電流波形でＬＥＤを駆動できる。
【０００７】
一方、発光素子にＬＥＤでなく従来の白熱電球を用いた場合の電流波形も、同様にほぼ正弦波となる。ただ白熱電球の場合は、フィラメントの白熱による発光のため、電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に応答せず明滅が生じない。これに対して、発光素子にＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤの高い応答性によって電源周波数に対応した明滅を繰り返すという問題がある。この様子を、図１１の正弦波多段駆動回路の光出力波形に示す。これらの客観的評価の指標としては、波高率（＝最大値／実効値）が用いられており、１に近いほど優れている。図１１の光出力の波高率を計算すると、波高率＝１．５以上となり、他の発光素子の波高率と比べると、白熱電球の１．０５、蛍光灯の１．３６、インバーター蛍光灯の１．１程度と比較して劣る。このことは、人によっては光の明滅によってちらつきを感じたり、また回転体の照明において回転速度と同期した場合、回転しているのに停止しているように見えるなど、照明品質を落とすことになる。したがって、図９の発光ダイオード駆動装置をさらに高品質な照明に用いるには、消灯期間をなくし、波高率を改善する必要がある。
【０００８】
点滅期間を無くすには、コンデンサを用いた平滑化が考えられる。すなわち、電源電圧の高い期間にコンデンサに充電し、電圧の低い期間に放電させることが考えられる。しかしながら、コンデンサを用いると短い充電期間中に急速充電されることとなるため、充電電流が大きくなる。充電電流は、一般にコンデンサの容量が大きくなるほど大きくなる傾向にあるため、このような平滑化の用途に適う大容量のコンデンサの場合は、充電電流が一層大きくなって力率の悪化を招くと共に、高調波歪の規格に不適合となる。また、力率改善のためのアクティブフィルタＩＣなどを使用する場合もあるが、このような素子は高価であり、また高周波スイッチングによるノイズが発生するなど弊害もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１４７９３３号公報
【特許文献２】特開２０１１−４０７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、正弦波に近似した入力電流波形を乱すことなく、消灯期間を低減して波高率を改善した発光ダイオード駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
以上の目的を達成するために、第１の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、交流電源ＡＰに接続可能で、該交流電源ＡＰの交流電圧を整流した整流電圧を得るための整流回路２と、前記整流回路２の出力側と直列に接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部１１、及び少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第二ＬＥＤ部１２を直列に接続したＬＥＤ集合体１０と、前記ＬＥＤ集合体１０への通電を制御するＬＥＤ駆動手段３と、を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、前記ＬＥＤ集合体１０と並列に接続された充放電コンデンサ１１１と、前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部１１０と、を備え、前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、前記充電経路を通じて前記充放電コンデンサに充電電流を充電し、前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、前記放電経路を通じて前記充放電コンデンサから放電電流を放電し、前記ＬＥＤ集合体に通電することができる。これにより、充放電コンデンサを用いて、ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高いときに充電した電荷を、整流電圧が低いときに放電してＬＥＤ集合体に通電することで、ＬＥＤ集合体への電流量の高低差を抑制して、波高率を改善できる利点が得られる。また、充電経路にコンデンサ充電用定電流部を設けることで、充放電コンデンサへの突入電流を抑制して、力率の低下を回避できる。
【００１２】
また、第２の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電するための充電電流を通電させる充電用ダイオード１１６と、前記コンデンサ放電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを放電するための放電電流を通電させる放電用ダイオード１１７とを備えることができる。これにより、充電経路及び放電経路にそれぞれ充電電流、放電電流が正しい向きに通電されて充放電コンデンサを充放電でき、動作の安定化が図られる。
【００１３】
さらに、第３の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、前記コンデンサ充電用定電流部１１０を、複数のトランジスタで構成することができる。
【００１４】
さらにまた、第４の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第二ＬＥＤ部１２と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第三ＬＥＤ部１３を備えることができる。
【００１５】
さらにまた、第５の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第二ＬＥＤ部１２と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１への通電量を制御するための第一手段２１と、前記第三ＬＥＤ部１３と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１及び前記第二ＬＥＤ部１２への通電量を制御するための第二手段２２と、前記第三ＬＥＤ部１３と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２及び第三ＬＥＤ部１３への通電量を制御するための第四手段２４と、前記第一手段２１を制御するための第一電流制御手段３１と、前記第二手段２２を制御するための第二電流制御手段３２と、前記第四手段２４を制御するための第四電流制御手段３４と、前記第一ＬＥＤ部１１から第三ＬＥＤ部１３が直列接続される出力ラインＯＬ上を流れる電流量に基づく電流検出信号を検出するための電流検出手段４とを備えることができる。
【００１６】
さらにまた、第６の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記整流回路２から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成するための高調波抑制信号生成手段６を備え、前記第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２及び第四電流制御手段３４が、前記電流検出手段４で検出された電流検出信号と、前記高調波抑制信号生成手段６で生成された高調波抑制信号電圧とを比較して、高調波成分を抑制するように前記第一手段２１、第二手段２２及び第四手段２４をそれぞれ制御することができる。これにより、入力側の高調波成分と、得られたＬＥＤ駆動電流との対比によって、出力波形を調整する制御が可能となり、効果的な高調波成分の抑制が実現できる。
【００１７】
さらにまた、第７の側面に係る発光ダイオード駆動装置によれば、さらに前記第三ＬＥＤ部１３と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第四ＬＥＤ部１４と、前記第四ＬＥＤ部１４と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３への通電量を制御するための第三手段２３と、前記第三手段２３を制御するための第三電流制御手段３３とを備え、前記第四手段２４が、前記第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３及び第四ＬＥＤ部１４への通電量を制御するよう構成できる。これにより、整流電圧の高い期間にコンデンサを充電し、整流電圧の低い期間に放電してＬＥＤ集合体を発光させて、ＬＥＤ集合体の消灯期間をなくすと共に、波高率を改善することができる。また、発光ダイオード駆動装置の高調波歪の抑制や高力率の維持に影響を与えることなく動作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置を示すブロック図である。
【図２】図１の発光ダイオード駆動装置の一回路例を示す回路図である。
【図３】実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置のコンデンサ充放電電流及び電圧波形を示すグラフである。
【図４】実施例１に係る発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を示すグラフである。
【図５】実施例１で得られた光出力の波形を示すグラフである。
【図６】マイクロコンピュータを使用したＬＥＤ点灯回路例を示す回路図である。
【図７】図６のＬＥＤ点灯回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の発光ダイオード駆動装置を示す回路図である。
【図９】本出願人が先に開発した発光ダイオード駆動装置を示す回路図である。
【図１０】図９の発光ダイオード駆動装置の入力電流波形を示すグラフである。
【図１１】図９の発光ダイオード駆動装置の光出力波形を示すグラフである。
【図１２】図９の発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光ダイオード駆動装置を例示するものであって、本発明は発光ダイオード駆動装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
【００２０】
発光ダイオード駆動装置を高調波電流規格に適合させるためには、白熱電球と同様に正弦波の電流波形になるよう設計することが望まれる。そこで本実施の形態に係る発光ダイオード駆動装置では、ＬＥＤ電流制御手段の基準電圧に正弦波を重畳させることで、ＬＥＤ駆動電流波形を正弦波に近似した波形とし、２５Ｗ以上の高調波電流規格に適合させた安価でコンパクトな発光ダイオード駆動装置を提供するものである。
【実施例１】
【００２１】
図１に実施例１に係る発光ダイオード駆動装置１００のブロック図を示す。この発光ダイオード駆動装置１００は、整流回路２と、ＬＥＤ集合体１０と、第一手段２１〜第四手段２４と、第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３と、電流検出手段４とを備える。この発光ダイオード駆動装置１００は、交流電源ＡＰに接続されて、交流電圧を整流した整流電圧（脈流電圧）を得るための整流回路２と、複数のＬＥＤ部で構成されたＬＥＤ集合体１０とを、出力ラインＯＬ上で各々直列に接続している。ここではＬＥＤ部を４つ使用しており、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を直列に接続して、ＬＥＤ集合体１０を構成している。さらに出力ラインＯＬには、ＬＥＤ集合体１０と、ＬＥＤ駆動手段３と、電流検出手段４とを直列に接続している。
【００２２】
また第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４には、各々両端に通電量を制御するための第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３が接続される。第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３は、それぞれＬＥＤ部に対して並列に設けられているため、通電量を調整するバイパス経路を構成する。すなわち、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３によってバイパスされる電流量を調整できるので、結果的に各ＬＥＤ部の通電量を制御できる。図１の例では、第二ＬＥＤ部１２と並列に第一手段２１が接続され、第一バイパス経路ＢＰ１を形成する。また第三ＬＥＤ部１３と並列に第二手段２２が接続され、第二バイパス経路ＢＰ２を形成する。さらに第四ＬＥＤ部１４と並列に第三手段２３が接続され、第三バイパス経路ＢＰ３を形成する。なお本明細書においては、出力ライン上に接続されたＬＥＤ部等をバイパスするバイパス経路にも、出力電流が流れることがあるため、この意味で出力ラインに含めて使用する。
（電流制御手段）
【００２３】
また定電流駆動を行うため、定電流回路の制御用に電流制御手段が設けられる。この回路例では第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４とで、一種の定電流回路が構成される。
【００２４】
各電流制御手段は第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と接続されており、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４のＯＮ／ＯＦＦや電流量連続可変といった動作を制御する。具体的には、第一手段２１の動作を制御する第一電流制御手段３１と、第二手段２２の動作を制御する第二電流制御手段３２と、第三手段２３の動作を制御する第三電流制御手段３３と、第四手段２４の動作を制御する第四電流制御手段３４が設けられる。第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、電流検出手段４に接続されてＬＥＤの電流量をモニタし、その値に基づいて第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４の制御量を切り替える。
【００２５】
各ＬＥＤ部は、一又は複数のＬＥＤ素子を直列及び／又は並列に接続したブロックである。ＬＥＤ素子は、表面実装型（ＳＭＤ）や砲弾型のＬＥＤが適宜利用できる。またＳＭＤタイプのＬＥＤ素子のパッケージは、用途に応じて外形を選択でき、平面視が矩形状のタイプ等が利用できる。さらに、複数のＬＥＤ素子をパッケージ内で直列及び／又は並列に接続したＬＥＤをＬＥＤ部として使用することも可能であることは言うまでもない。
【００２６】
各ＬＥＤ部に含まれるＬＥＤ素子の順方向電圧の加算値である小計順方向電圧は、直列接続されたＬＥＤ素子の個数によって決まる。例えば順方向電圧３．６ＶのＬＥＤ素子を６個使用する場合の小計順方向電圧は、３．６×６＝２１．６Ｖとなる。
【００２７】
この発光ダイオード駆動装置１００は、電流検出手段４で検出した電流値に基づいて各ＬＥＤ部に対する通電のＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを切り替える。いいかえると、整流電圧の電圧値でなく、現実に通電される電流量に基づいた電流制御であるため、ＬＥＤ素子の順方向電圧のばらつきに左右されず、適切なタイミングで正確なＬＥＤ部の切り替えが実現され、信頼性の高い安定した動作が見込まれる。なお電流値の検出には、電流検出手段４等が利用できる。
【００２８】
図１の例では、第一電流制御手段３１が第一ＬＥＤ部１１の通電量に基づいて、第一手段２１による第一ＬＥＤ部１１への通電制限量を制御する。具体的には、第一手段２１及び第二手段２２、第三手段２３がＯＮの状態で、通電量が予め設定された第一基準電流値に達したとき、第一手段２１は第一ＬＥＤ部１１を定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２を共に駆動できる電圧に達すると、第二ＬＥＤ部１２に電流が流れ始め、さらにその電流値が第一基準電流値を超えると、第一手段２１はＯＦＦとなる。さらに第二電流制御手段３２が第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２の通電量に基づいて、第二手段２２による第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２への通電制限量を制御する。具体的には、通電量が予め設定された第二基準電流値に達すると、第二手段２２は第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２を定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３とを共に駆動できる電圧に達すると、第三ＬＥＤ部１３に電流が流れ始め、さらにその電流値が第二基準電流値を超えると、第二手段２２はＯＦＦとなる。
【００２９】
さらに第三電流制御手段３３が第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３の通電量に基づいて、第三手段２３による第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３への通電制限量を制御する。具体的には、通電量が予め設定された第三基準電流値に達すると、第三手段２３は第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３とを定電流駆動する。その後入力電圧が上昇して、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２と第三ＬＥＤ部１３と第四ＬＥＤ部１４を共に駆動できる電圧に達すると、第四ＬＥＤ部１４に電流が流れ始め、さらにその電流値が第三基準電流値を超えると、第三手段２３はＯＦＦとなる。最後に第四手段２４及び第四電流制御手段３４は、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を定電流駆動させる。
【００３０】
ここで、第一基準電流値＜第二基準電流値＜第三基準電流値となるよう設定することで、第一ＬＥＤ部１１から第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４への順で、ＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを順次切り替えることができる。
【００３１】
以上のように発光ダイオード駆動装置１００は、家庭用電源等の交流電源ＡＰを用いて、その交流を全波整流した後に得られる周期的に変化する脈流電圧に合わせて、直列に配置されたＬＥＤ素子を適切な個数だけ点灯させるように構成した複数の定電流回路を備えており、各定電流回路を各々適切に動作させるように複数のＬＥＤ電流検出回路を動作させることができる。
【００３２】
この発光ダイオード駆動装置１００は、第１の電流値で第一ＬＥＤ部１１を通電させ、第１の電流値よりも大きい第２の電流値で第一ＬＥＤ部１１及び第二ＬＥＤ部１２を通電させ、さらに第２の電流値よりも大きい第３の電流値で第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を通電させ、さらにまた第３の電流値よりも大きい第４の電流値で第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４を通電させる。特に各ＬＥＤ部への通電量を定電流制御によって制限することで、電流量に応じてＬＥＤ部のＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを切り替えることができ、脈流電圧に対して効率よくＬＥＤを点灯駆動できる。
【００３３】
さらに図１の例では、第四手段２４と並列にＬＥＤ駆動手段３が接続されており、第四手段２４に流れる電流の一部をＬＥＤ駆動手段３で分岐させることによってＬＥＤ駆動手段３が第四手段２４の負荷を低減している。
（高調波抑制信号生成手段６）
【００３４】
さらに第一電流制御手段３１〜第四電流制御手段３４は、高調波抑制信号生成手段６と接続される。高調波抑制信号生成手段６は、整流回路２から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成する。ここでは、高調波抑制信号生成手段６は、整流回路２で整流された整流電圧を適当な大きさに圧縮し、第一電流制御手段３１〜第四電流制御手段３４に送出して参照信号とし、ＬＥＤ電流検出信号と比較する。各電流制御手段はこの比較結果を基に、それぞれの第一手段２１〜第四手段２４を介して適切なタイミングと電流で、それぞれのＬＥＤ部を駆動する。
（平滑化回路）
【００３５】
さらに図１に示す発光ダイオード駆動装置は、ＬＥＤの消灯期間を低減するための平滑化回路を備える。平滑化回路は、コンデンサ１１１、コンデンサ充電用定電流回路１１０、充電用ダイオード１１６、放電用ダイオード１１１を備える。
（コンデンサ充電回路）
【００３６】
コンデンサ充電用定電流回路１１０は第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３で生成されるＬＥＤ駆動の正弦波電流よりも小さな定電流に設定される。このコンデンサ充電電流とＬＥＤ駆動電流が合成されて、第一電流制御手段３１〜第三電流制御手段３３で正弦波電流に制御される。これにより、元来正弦波に近似した電流波形で制御されている発光ダイオード駆動装置全体の電流に影響することなくコンデンサ充電が行える。
（コンデンサ放電回路）
【００３７】
一方で、コンデンサ１１１の放電回路は、放電用ダイオード１１７を介して第一ＬＥＤ部１１から第四ＬＥＤ部１４まで直列に接続されたＬＥＤ集合体１０に接続される。このコンデンサ放電回路は、コンデンサ充電用定電流回路１１０や充電用ダイオード１１６など介せずに、コンデンサ１１１に溜まった電荷を放電する。コンデンサ１１１の充電電圧は、ＬＥＤ集合体１０を構成する直列接続された第一ＬＥＤ部〜第四ＬＥＤ部のＶfを足し合わせた値となるので、コンデンサ充電時にＬＥＤ集合体１０に流れる電流以上の電流でコンデンサ１１１が放電されることはない。
（実施例１の回路例）
【００３８】
次に、図１の発光ダイオード駆動装置１００を半導体素子を用いて実現した具体的な回路の構成例を、図２に示す。この発光ダイオード駆動装置１００’は、交流電源ＡＰに接続された整流回路２としてダイオードブリッジを用いている。また交流電源ＡＰと整流回路２との間には、保護抵抗８１が設けられる。さらに整流回路２の出力側には、バイパスコンデンサ８２が接続される。なお交流電源ＡＰと整流回路２との間には、図示しないが過電流阻止のためのヒューズとサージ防護回路を設けてもよい。
（交流電源ＡＰ）
【００３９】
交流電源ＡＰは、１００Ｖや２００Ｖの商用電源が好適に利用できる。この商用電源の１００Ｖ又は２００Ｖは実効値であり、全波整流された整流波形の最大電圧は約１４１Ｖ又は２８２Ｖとなる。
（ＬＥＤ集合体１０）
【００４０】
ＬＥＤ集合体１０を構成する各ＬＥＤ部は、相互に直列に接続すると共に、複数のブロックに分け、ブロック同士の境界からは端子を引き出して、第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と接続している。図２の例では、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４の４つのグループでＬＥＤ集合体１０を構成している。
【００４１】
図２に示す各ＬＥＤ部１１〜１４は、一のＬＥＤシンボルが複数のＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージ１を表している。この例では、各ＬＥＤパッケージ１は、１０個のＬＥＤチップを実装している。各ＬＥＤ部の発光ダイオード接続数、あるいはＬＥＤ部の接続数は、順方向電圧の加算値、すなわち直列接続されたＬＥＤ素子の総数と、使用する電源電圧とで決定される。例えば商用電源を使用する場合は、各ＬＥＤ部のＶfの合計である合計順方向電圧Ｖfallが、１４１Ｖ程度、又はそれ以下となるように設定される。
【００４２】
なおＬＥＤ部は、一以上の任意の数のＬＥＤ素子を備えている。ＬＥＤ素子は、一個のＬＥＤチップや、複数個のＬＥＤチップを一パッケージに纏めたものを利用できる。この例では、図示する一のＬＥＤ素子として、それぞれ１０個のＬＥＤチップを含むＬＥＤパッケージ１を使用している。
【００４３】
また図２の例では、４つのＬＥＤ部のＶfを同一となるように設計している。ただこの例に限られず、上述の通りＬＥＤ部数を３以下、あるいは５以上としてもよい。ＬＥＤ部数を増やすことで、定電流制御の数を増やしてより細かなＬＥＤ部間の点灯切り替え制御が可能となる。さらに各ＬＥＤ部のＶfは同一としなくとも良い。
（第一手段２１〜第四手段２４）
【００４４】
第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４は、各ＬＥＤ部に対応して、定電流駆動するための部材である。このような第一手段２１〜第四手段２４としては、トランジスタ等のスイッチング素子で構成される。特にＦＥＴは、ソース−ドレイン間飽和電圧がほぼゼロであるため、ＬＥＤ部への通電量を阻害することがなく好ましい。ただ、第一手段２１〜第四手段２４はＦＥＴに限定されるものでなく、バイポーラトランジスタ等でも構成できることはいうまでもない。
【００４５】
図２の例では、第一手段２１〜第四手段２４としてＬＥＤ電流制御トランジスタを利用している。具体的には、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４、ＬＥＤ駆動手段３には、それぞれ第一手段２１〜第四手段２４である第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ｂ、第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ｂ、第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３Ｂが接続される。各ＬＥＤ電流制御トランジスタは、その前段のＬＥＤ部の電流量に応じて、ＯＮ状態や定電流制御が切り替わる。ＬＥＤ電流制御トランジスタがＯＦＦになると、バイパス経路に電流が流れなくなって、ＬＥＤ部に通電される。すなわち、各第一手段２１〜第四手段２４によってバイパスされる電流量を調整できるので、結果的に各ＬＥＤ部の通電量を制御できることになる。図２の例では、第二ＬＥＤ部１２と並列に第一手段２１が接続され、第一バイパス経路ＢＰ１を形成する。また第三ＬＥＤ部１３と並列に第二手段２２が接続され、第二バイパス経路ＢＰ２を形成する。さらに第四ＬＥＤ部１４と並列に第三手段２３が接続され、第三バイパス経路ＢＰ３を形成する。さらにまた第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂが接続され、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３及び第四ＬＥＤ部１４への通電量を制御する。
【００４６】
ここで第一ＬＥＤ部１１は、並列に接続されたバイパス経路や第一手段〜第四手段を設けていない。第二ＬＥＤ部１２と並列に接続された第一手段２１が、第一ＬＥＤ部１１の電流量を制御するからである。また第四ＬＥＤ部１４については、第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂが電流制御を行う。
【００４７】
また図２の例では、抵抗３をＬＥＤ駆動手段３としている。この例では、ＬＥＤ駆動手段３に並列に第四手段であるトランジスタを接続することで、電流量が大きくなる際に電流をバイパスして、第四手段への負荷を軽減するよう構成している。ただ、ＬＥＤ駆動手段３を省略してもよい。
【００４８】
図２の例では、ＬＥＤ電流制御トランジスタとして、ＦＥＴを使用している。なお、第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１Ｂや第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２Ｂ、第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３Ｂ、第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４Ｂを用いて、ＬＥＤ部単位でＯＮ／ＯＦＦの切り替えを制御する構成では、各段のＬＥＤ電流制御トランジスタを構成するＦＥＴ等の制御用半導体素子が各々ＬＥＤ部の両端に接続されているため、制御用半導体素子の耐圧はＬＥＤ部の小計順方向電圧にて保護されることとなる。このため、耐圧の低い小型の半導体素子を使用できる利点が得られる。
（第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４）
【００４９】
第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、各ＬＥＤ部と対応する第一手段２１〜第四手段２４が、適切なタイミングで定電流駆動を行うよう制御する部材である。第一電流制御手段３２〜第四電流制御手段３４も、トランジスタ等のスイッチング素子が利用できる。特にバイポーラトランジスタは、電流量の検出に好適に利用できる。この例では第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４は、オペアンプで構成される。なお電流制御手段も、オペアンプに限定されるものでなく、コンパレータ、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等でも構成可能であるのはいうまでもない。
【００５０】
図２の例では、電流制御手段は、各々ＬＥＤ電流制御トランジスタの動作を制御する。すなわち、各電流検出オペアンプがＯＮ／定電流制御／ＯＦＦすることで、ＬＥＤ電流制御トランジスタをＯＦＦ／定電流制御／ＯＮに切り替える。
（電流検出手段４）
【００５１】
電流検出手段４は、ＬＥＤ部を直列接続したＬＥＤ集合体１０に通電される電流を電圧降下等により検出することによって、ＬＥＤ部を構成するＬＥＤ素子の定電流駆動を行う。この電流検出手段４は、ＬＥＤの保護抵抗としても機能する。また定電流駆動を行うため、定電流回路の制御用に電流制御手段が設けられる。この回路例では第一手段２１、第二手段２２、第三手段２３、第四手段２４と第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４で、一種の定電流回路が構成される。
【００５２】
各ＬＥＤ電流検出抵抗の抵抗値は、各電流制御手段のＯＮ／ＯＦＦをどの電流のタイミングで行うかを規定する。ここでは、第一〜第四電流検出手段３１〜３４であるオペアンプの順でＯＮされるよう、各ＬＥＤ電流検出抵抗の抵抗値が設定されている。
（基準電流値）
【００５３】
ここでは、第一電流検出手段３１が第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ２１をＯＮからＯＦＦに切り替える第一基準電流値を、第二電流検出手段３２が第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ２２をＯＮからＯＦＦに切り替える第二基準電流値よりも低く設定する。また第三電流検出手段３３が第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ２３をＯＮからＯＦＦに切り替える第三基準電流値を、第二基準電流値よりも高く設定する。さらに第四電流検出手段３４が第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ２４をＯＮからＯＦＦに切り替える第四基準電流値を、第三基準電流値よりも高く設定する。このように第一基準電流値＜第二基準電流値＜第三基準電流値＜第四基準電流値となるよう設定することで、整流回路２で整流された入力電圧の上昇に伴い、第一ＬＥＤ部１１から第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４への順で、ＯＮ／定電流制御／ＯＦＦを順次切り替えることができる。また入力電圧の下降時には、逆の順序でＬＥＤが消灯される。
（高調波抑制信号生成手段６の動作説明）
【００５４】
以下、図２を参照しながら、発光ダイオード駆動装置１００’における高調波抑制信号生成手段６の動作を説明する。図２の回路例では、電流制御手段は、オペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂで構成される。これらオペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂは、高調波抑制信号生成手段６により制御される。
【００５５】
具体的にオペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂは、定電圧電源７により駆動される。定電圧電源７は、オペアンプ電源用トランジスタ７０、ツェナーダイオード７１、ツェナー電圧設定抵抗７２で構成される。この定電圧電源７は、交流電源ＡＰを整流回路２で整流した後の整流電圧が、ツェナーダイオード７１のツェナー電圧を超えている期間だけ、オペアンプ３１Ｂ〜３４Ｂに電源を供給する。この期間は、ＬＥＤの点灯期間を包含するよう設定される。すなわち、ＬＥＤ点灯中にオペアンプを動作させて、点灯を制御する。
【００５６】
高調波抑制信号生成手段６は、高調波抑制信号生成抵抗６０、６１で構成される。高調波抑制信号生成抵抗６０、６１は、整流回路２で整流された整流電圧を分圧する。いいかえると、整流電圧を適当な大きさに圧縮する。各オペアンプの＋側入力端子には、高調波抑制信号生成抵抗６０、６１から出力される、圧縮された正弦波である高調波抑制信号が入力される。
【００５７】
一方、各オペアンプの負入力端子には、電流検出抵抗で検出された電圧が入力される。電流検出分圧抵抗４の電圧は、それぞれのオペアンプが制御を担当する期間に、すなわち各オペアンプの＋側入力端子に印加される正弦波に沿って電流制御されるよう設定される。これにより、整流回路２で整流された脈流の正弦波をオペアンプの＋側入力端子に入力することができる。このため、正弦波に沿って電流制御動作を行うため、ＬＥＤ駆動電流が正弦波に近似された波形となる。
【００５８】
なおＬＥＤ部はそれぞれ、複数の発光ダイオード素子を相互に直列に接続して構成できる。これにより、整流電圧を複数の発光ダイオード素子で効果的に分圧できる上、発光ダイオード素子毎の順方向電圧Ｖfや温度特性のばらつきをある程度吸収してブロック単位での制御を均一化できる。ただ、ＬＥＤ部の数や各ＬＥＤ部を構成する発光ダイオード素子数等は、要求される明るさや入力電圧等によって任意に設定でき、例えばＬＥＤ部を一の発光ダイオード素子で構成したり、ＬＥＤ部の数を多くしてより細かな制御を行うこと、あるいは逆にＬＥＤ部を２つのみとして制御をシンプルにすることも可能であることは言うまでもない。
【００５９】
また、上記構成ではＬＥＤ部の構成数を４としたが、ＬＥＤ部の数を２又は３としたり、又は５以上とすることもできることはいうまでもない。特に、ＬＥＤ部の数を増やすことで、階段状の電流波形をより細かくした制御が可能となり、一層の高調波成分の抑制が可能となる。また図１の例では、各ＬＥＤ部がＯＮ／ＯＦＦされる切り替え動作を、入力電流に対してほぼ均等に分割しているが、均等にする必要は必ずしも無く、異なる電流でＬＥＤ部を切り替えてもよい。
【００６０】
さらに上記の例では、ＬＥＤを４つのＬＥＤ部に分け、各ＬＥＤ部がそれぞれ同一のＶfとなるよう構成しているが、同一のＶfでなくても良い。例えばＬＥＤ部１のＶfをできるだけ低く、すなわちＬＥＤ一個分の３．６Ｖ程度に設定できれば、電流の立ち上がりタイミングを早く、立下りタイミングを遅くできる。このことは、高調波を減少させるのにさらに有利となる。またこの方法を使用すれば、ＬＥＤ部の数とＶf設定を自由に選択でき、さらに電流波形を正弦波に近似できるため、より柔軟性を高めて高調波抑制を実現することが容易となる。
【００６１】
さらにまた、隣り合うオペアンプの負入力端子同士の最小電圧差は、オペアンプのオフセット電圧以上であれば良く、例えば数ｍＶ程度の差で設定できる。このことは、回路設計上有利となる。例えば図８で示したＡＣ多段回路のように、電流制御手段をトランジスタで構成する場合には、半導体部品を実装した回路基板上の、場所による温度変化に起因する設定電流の変動を考慮して、数十ｍＶ以上の差を必要としていた。これに対して、実施例１の回路例では、トランジスタで電流制御手段を構成する場合に比べ、十分の一程度の電位差で設定できることになる。このため、実施例１の構成によれば、ＬＥＤ部の電流設定を細かく設定でき、ＬＥＤ部の増加等にも自由に対応可能であることを意味し、部品費等のトレードオフがあるとしても正弦波への近似がさらに精密にできるメリットを享受できる。
（電流検出信号付与手段５）
【００６２】
電流検出信号付与手段５は、図１に示すように電流検出手段４で検出される電流検出信号を、第一電流制御手段３１、第二電流制御手段３２、第三電流制御手段３３、第四電流制御手段３４に送出する。図２の回路例では、電流検出信号付与手段５は電流検出信号付与抵抗５Ａ〜５Ｄに相当する。
（電圧変動抑制信号送出手段８）
【００６３】
さらに発光ダイオード駆動装置は、電圧変動抑制信号を生成して電流検出信号付与手段５へ送出する電圧変動抑制信号送出手段８を付加することもできる。図２において、電圧変動抑制信号生成手段８は破線で囲んだ領域で構成され、電圧変動抑制信号を積分した上で、電流検出信号に加算している。これにより、脈流電圧が変動しても平均電流が一定になるように制御される。
（コンデンサ充電用定電流回路１１０）
【００６４】
図２に示す発光ダイオード駆動装置において、コンデンサ充電用定電流回路１１０は、充電電流制御トランジスタ１１２、充電用電流検出制御トランジスタ１１３、充電電流検出抵抗１１５、コレクタ抵抗１１４で構成される。このコンデンサ充電用定電流回路１１０は、充電電流制御トランジスタ１１２によって定電流制御される。
（コンデンサ１１１への充電）
【００６５】
図２に示す発光ダイオード駆動装置の電流波形は、図１０で示した電流波形と同じである。コンデンサ１１１への充電は、電源ラインからコンデンサ１１１、充電電流制御トランジスタ１１２、充電電流検出抵抗１１５、充電用ダイオード１１６、第４逆流防止ダイオード１２４、第４電流制御ＦＥＴ２４を通じて行われる。そして充電電流は、上述の通りコンデンサ充電用定電流回路１１０の充電電流制御トランジスタ１１２で定電流制御される。この充電電流は、第４電流制御ＦＥＴ２４によって制御される電流よりも小さく設定される。また充電電流は、ＬＥＤ集合体１０を流れるＬＥＤ電流と合成され、この合成電流が第４電流制御ＦＥＴ２４により正弦波となるよう電流制御される。これによって、図９の回路例で実現される高調波歪抑制機能を阻害することなく、コンデンサ１１１への充電を行うことができる。
【００６６】
一方で、コンデンサ充電中のＬＥＤ電流は、コンデンサ充電電流が差し引かれる分、減少する。第４電流制御ＦＥＴ２４が正弦波電流制御する期間は、図９の回路例では、第一ＬＥＤ部１１から第四ＬＥＤ部１４までのすべてのＬＥＤが点灯される期間、すなわち電源電圧のピーク近傍の期間となる。また、この期間において光出力もピークとなる。この期間のＬＥＤ電流を削減できれば、光出力のピークを抑えることができ、波高率を低減できる。したがって、この期間にコンデンサ１１１に充電することで、光出力のピークを抑え、且つコンデンサに蓄えた電力を電源電圧の低い時に放電し光出力を得ることで、波高率の改善効果が二重に得られる。
【００６７】
コンデンサ充電時間は、第４電流制御ＦＥＴ２４の動作期間が最大となる。この期間中充電を継続することで、充電の定電流設定を増減して自由に調整できる。
（コンデンサ１１１からの放電）
【００６８】
次にコンデンサ１１１からの放電について説明する。図２の発光ダイオード駆動装置において、コンデンサ１１１の放電回路は、第一ＬＥＤ部１１〜第四ＬＥＤ部１４で構成されるＬＥＤ集合体１０と、放電用ダイオード１１７で構成される。このようにすべてのＬＥＤ部が放電対象となるが、放電電流は正弦波多段駆動回路に流れず、その動作には影響を与えない。
【００６９】
コンデンサ充放電電流及び電圧波形を図３に示す。この図において、コンデンサ充放電電流をＩ、コンデンサ充放電電圧波形をＶで、それぞれ示している。コンデンサの端子電圧は、上述のようにすべてのＬＥＤ部が点灯された状態でのＬＥＤ電流、すなわち第４電流制御ＦＥＴ２４による制御電流からコンデンサ充電電流を差し引いた電流ＩfaによるＬＥＤ端子電圧Ｖfaにほぼ等しく充電される。したがって、コンデンサの放電を定電流制御しなくても、ＬＥＤ端子電圧Ｖfaによって制限され、Ｉfaより大きな放電電流は流れないことになる。
【００７０】
コンデンサ充電終了直後は、充電電流がなくなりＬＥＤ駆動電流が上がり、ＬＥＤ端子電圧も上昇するため放電は起こらない。電源電圧がさらに下がり、正弦波多段駆動回路による第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２の２グループのＬＥＤ群を正弦波電流駆動（正弦波多段駆動回路では第三ＬＥＤ部１３、第四ＬＥＤ部１４は消灯）に移る付近からＬＥＤ端子電圧をコンデンサ端子電圧が上回り、放電を開始する。この放電電流は、図９の正弦波電流駆動に重畳されＬＥＤに流れるため、ＬＥＤ端子電圧は上昇し、放電電流を抑える方向に働き、過度な電流がＬＥＤには流れることはない。電源電圧が下降するのに伴い、正弦波多段駆動回路により駆動されるＬＥＤ部は減少し、駆動電流によるＬＥＤ端子電圧変動分も減少する。
【００７１】
このように、ＬＥＤ端子電圧は駆動電流の増減に伴って増減する。すなわち、多段駆動回路により駆動されているＬＥＤ部の端子電圧は、駆動されていないときよりも上昇する。したがって、より多くのＬＥＤ部が多段駆動回路により駆動されている期間は、ＬＥＤ端子電圧が高くなり、この結果コンデンサ端子電圧を上回る期間は、コンデンサ１１１は放電されない。その一方、コンデンサ１１１は多段駆動回路と分け合った電流で充電されるため、そのときのＬＥＤ駆動電流はコンデンサ充電用定電流回路１１０がない場合よりも低いＩfaとなる。すなわち、充電完了したコンデンサ端子電圧は、すべてのＬＥＤ部に対して最大Ｉfaで放電できる電圧Ｖfaでしか充電されていない。電源電圧が下降し、多段駆動回路で駆動されるＬＥＤ部が減ると、ＬＥＤ端子電圧は減少しコンデンサ１１１の放電が開始される。なお多段駆動回路で駆動されるＬＥＤ部の数が少ないほどＬＥＤ端子電圧は下がり、コンデンサ１１１からの放電電流は上がるが、上記のように充電期間のＬＥＤ駆動電流Ｉfaを超えることはない。
【００７２】
このようにＬＥＤ部の駆動状況に応じてコンデンサ１１１は逐次放電され、図９のような正弦波多段駆動回路のみでは消灯している期間でも、ＬＥＤ部を点灯することができる。また、コンデンサの放電は正弦波多段駆動回路と無関係に、すなわち高調波歪抑制効果や高力率を毀損することなく行われる。このため、高調波抑制と高力率を維持しつつも、正弦波多段駆動回路の追加によって消灯期間を低減して、光出力の波高率を大幅に改善することが可能となる。
【００７３】
ここで、実施例１に係る発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を、図４に示すと共に、対比のため本出願人が先に開発した図９の発光ダイオード駆動装置における第一ＬＥＤ部の電流波形を、図１２に示す。図９の構成では電流が低い領域、図１２において矢印で示す区間では、第一ＬＥＤ部が消灯していた。また第一ＬＥＤ部の駆動波形は、ほぼ正弦波に近い波形を示している。これに対し、図１２に示す実施例１では電源電圧ピーク時（図１２において水平方向の矢印で示す区間）に、コンデンサ充電を行うことでＬＥＤ電流を削減させる一方、正弦波多段駆動回路により駆動されるＬＥＤ部の電流が減少するのに応じてコンデンサ放電電流を増加させることで（図１２において縦方向の矢印）、従来は消灯されていた区間でも第一ＬＥＤ部を点灯させて光出力を得ることができ、この結果ＬＥＤ部が完全に消灯される期間を無くしていることが確認できた。このように、ピークカットした分の電流を本来の消灯期間に回すことで、点灯量を平滑化してちらつきを抑えた高品質なＬＥＤ部の発光が可能となる。
【００７４】
さらに実施例１で得られた光出力の波形を図５のグラフに示す。この図に示すように、光出力のピーク時に対する暗い時の割合は約６０％に抑えることができ、波高率が１．２となって蛍光灯を上回り、照明品質が大きく向上したことが確認できる。
【００７５】
またこの構成によれば、大容量のコンデンサ１１１を搭載しているにもかかわらず、コンデンサ１１１に定電流充電回路を付加したことで大きな突入電流の発生を回避できる。さらにコンデンサ両端がＬＥＤ集合体の両端に接続されているため、図３に示したように充放電による端子電圧差を数Ｖに抑えて、充電用定電流回路の損失を極減できる。加えて、コンデンサ充電電流が定電流回路で制御されるので、急速充電と比較してコンデンサリップル電流が非常に小さい。このため、ＬＥＤ素子の寿命に比較して短寿命とされるアルミ電解コンデンサを使用しても長寿命を確保でき、発光ダイオード駆動装置の品質と信頼性を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上の発光ダイオード駆動装置は、ＬＥＤ素子を備えているため、ＬＥＤ素子とその駆動回路を同一の配線基板に配置することで、家庭用交流電源を投入して点灯可能な照明装置や照明器具として利用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００’…発光ダイオード駆動装置
２…整流回路
３…ＬＥＤ駆動手段
４…電流検出手段
５…電流検出信号付与手段；５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ…電流検出信号付与抵抗
６…高調波抑制信号生成手段
７…定電圧電源
８…電圧変動抑制信号送出手段
１０…ＬＥＤ集合体
１１…第一ＬＥＤ部
１２…第二ＬＥＤ部
１３…第三ＬＥＤ部
１４…第四ＬＥＤ部
２１…第一手段；２１Ａ、２１Ｂ…第一ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２２…第二手段；２２Ａ、２２Ｂ…第二ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２３…第三手段；２３Ｂ…第三ＬＥＤ電流制御トランジスタ
２４…第四手段；２４Ｂ…第四ＬＥＤ電流制御トランジスタ
３１…第一電流制御手段；３１Ｂ…オペアンプ
３２…第二電流制御手段；３２Ｂ…オペアンプ
３３…第三電流制御手段；３３Ｂ…オペアンプ
３４…第四電流制御手段；３４Ｂ…オペアンプ
６０…高調波抑制信号生成抵抗
６１…高調波抑制信号生成抵抗
７０…オペアンプ電源用トランジスタ
７１…ツェナーダイオード
７２…ツェナー電圧設定抵抗
８１…保護抵抗；８２…バイパスコンデンサ
１１０…コンデンサ充電用定電流回路
１１１…コンデンサ
１１２…充電電流制御トランジスタ
１１３…充電用電流検出制御トランジスタ
１１４…コレクタ抵抗
１１５…充電電流検出抵抗
１１６…充電用ダイオード
１１７…放電用ダイオード
１２４…第４逆流防止ダイオード
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６…ＬＥＤブロック
１６７…スイッチ制御部
ＡＰ…交流電源；ＢＰ１…第一バイパス経路；ＢＰ２…第二バイパス経路；ＢＰ３…第三バイパス経路；ＯＬ…出力ライン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源(AP)に接続可能で、該交流電源(AP)の交流電圧を整流した整流電圧を得るための整流回路(2)と、
前記整流回路(2)の出力側と直列に接続される、
少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部(11)、及び
少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第二ＬＥＤ部(12)
を直列に接続したＬＥＤ集合体(10)と、
前記ＬＥＤ集合体(10)への通電を制御するＬＥＤ駆動手段(3)と、
を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記ＬＥＤ集合体(10)と並列に接続された充放電コンデンサ(111)と、
前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、
前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、
前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部(110)と、
を備え、
前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、前記充電経路を通じて前記充放電コンデンサに充電電流を充電し、
前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、前記放電経路を通じて前記充放電コンデンサから放電電流を放電し、前記ＬＥＤ集合体に通電してなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電するための充電電流を通電させる充電用ダイオード(116)と、
前記コンデンサ放電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを放電するための放電電流を通電させる放電用ダイオード(117)と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発光ダイオード駆動装置であって、
前記コンデンサ充電用定電流部(110)が、複数のトランジスタで構成されてなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第二ＬＥＤ部(12)と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第三ＬＥＤ部(13)を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第二ＬＥＤ部(12)と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)への通電量を制御するための第一手段(21)と、
前記第三ＬＥＤ部(13)と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)及び前記第二ＬＥＤ部(12)への通電量を制御するための第二手段(22)と、
前記第三ＬＥＤ部(13)と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)及び第三ＬＥＤ部(13)への通電量を制御するための第四手段(24)と、
前記第一手段(21)を制御するための第一電流制御手段(31)と、
前記第二手段(22)を制御するための第二電流制御手段(32)と、
前記第四手段(24)を制御するための第四電流制御手段(34)と、
前記第一ＬＥＤ部(11)から第三ＬＥＤ部(13)が直列接続される出力ライン(OL)上を流れる電流量に基づく電流検出信号を検出するための電流検出手段(4)と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項６】
請求項５に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記整流回路(2)から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成するための高調波抑制信号生成手段(6)を備え、
前記第一電流制御手段(31)、第二電流制御手段(32)及び第四電流制御手段(34)が、前記電流検出手段(4)で検出された電流検出信号と、前記高調波抑制信号生成手段(6)で生成された高調波抑制信号電圧とを比較して、高調波成分を抑制するように前記第一手段(21)、第二手段(22)及び第四手段(24)をそれぞれ制御することを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第三ＬＥＤ部(13)と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第四ＬＥＤ部(14)と、
前記第四ＬＥＤ部(14)と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)への通電量を制御するための第三手段(23)と、
前記第三手段(23)を制御するための第三電流制御手段(33)と、
を備え、
前記第四手段(24)が、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)及び第四ＬＥＤ部(14)への通電量を制御するよう構成されてなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項１】
交流電源(AP)に接続可能で、該交流電源(AP)の交流電圧を整流した整流電圧を得るための整流回路(2)と、
前記整流回路(2)の出力側と直列に接続される、
少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部(11)、及び
少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第二ＬＥＤ部(12)
を直列に接続したＬＥＤ集合体(10)と、
前記ＬＥＤ集合体(10)への通電を制御するＬＥＤ駆動手段(3)と、
を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記ＬＥＤ集合体(10)と並列に接続された充放電コンデンサ(111)と、
前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを充電するためのコンデンサ充電経路と、
前記充放電コンデンサと接続された、該充放電コンデンサを放電するためのコンデンサ放電経路と、
前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電する充電電流を定電流に制御するためのコンデンサ充電用定電流部(110)と、
を備え、
前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が高くなると、前記充電経路を通じて前記充放電コンデンサに充電電流を充電し、
前記ＬＥＤ集合体に印加される整流電圧が低くなると、前記放電経路を通じて前記充放電コンデンサから放電電流を放電し、前記ＬＥＤ集合体に通電してなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記コンデンサ充電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを充電するための充電電流を通電させる充電用ダイオード(116)と、
前記コンデンサ放電経路上に配置され、前記充放電コンデンサを放電するための放電電流を通電させる放電用ダイオード(117)と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発光ダイオード駆動装置であって、
前記コンデンサ充電用定電流部(110)が、複数のトランジスタで構成されてなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第二ＬＥＤ部(12)と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第三ＬＥＤ部(13)を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第二ＬＥＤ部(12)と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)への通電量を制御するための第一手段(21)と、
前記第三ＬＥＤ部(13)と並列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)及び前記第二ＬＥＤ部(12)への通電量を制御するための第二手段(22)と、
前記第三ＬＥＤ部(13)と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)及び第三ＬＥＤ部(13)への通電量を制御するための第四手段(24)と、
前記第一手段(21)を制御するための第一電流制御手段(31)と、
前記第二手段(22)を制御するための第二電流制御手段(32)と、
前記第四手段(24)を制御するための第四電流制御手段(34)と、
前記第一ＬＥＤ部(11)から第三ＬＥＤ部(13)が直列接続される出力ライン(OL)上を流れる電流量に基づく電流検出信号を検出するための電流検出手段(4)と、
を備えることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項６】
請求項５に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記整流回路(2)から出力される整流電圧に基づいて、高調波抑制信号電圧を生成するための高調波抑制信号生成手段(6)を備え、
前記第一電流制御手段(31)、第二電流制御手段(32)及び第四電流制御手段(34)が、前記電流検出手段(4)で検出された電流検出信号と、前記高調波抑制信号生成手段(6)で生成された高調波抑制信号電圧とを比較して、高調波成分を抑制するように前記第一手段(21)、第二手段(22)及び第四手段(24)をそれぞれ制御することを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【請求項７】
請求項６に記載の発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第三ＬＥＤ部(13)と直列に接続される少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第四ＬＥＤ部(14)と、
前記第四ＬＥＤ部(14)と直列に接続され、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)への通電量を制御するための第三手段(23)と、
前記第三手段(23)を制御するための第三電流制御手段(33)と、
を備え、
前記第四手段(24)が、前記第一ＬＥＤ部(11)、第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)及び第四ＬＥＤ部(14)への通電量を制御するよう構成されてなることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４３７４５（Ｐ２０１２−２４３７４５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６３９０（Ｐ２０１１−１１６３９０）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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