発光ダイオード駆動装置
【課題】波高率と利用効率とを両立させた発光ダイオード駆動装置を提供する。
【解決手段】充放電コンデンサ３を充電するコンデンサ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回路５と、充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード６と、充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード７と、を備えており、充放電コンデンサ３と充電用ダイオード６とコンデンサ充電用定電流回路５とを経路上に配置した充電経路と、充放電コンデンサ３と放電用ダイオード７とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した放電経路と、充放電コンデンサ３を含まない、第一ＬＥＤ部１１とコンデンサ充電用定電流回路５とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した過渡経路とを構成する。
【解決手段】充放電コンデンサ３を充電するコンデンサ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回路５と、充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード６と、充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード７と、を備えており、充放電コンデンサ３と充電用ダイオード６とコンデンサ充電用定電流回路５とを経路上に配置した充電経路と、充放電コンデンサ３と放電用ダイオード７とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した放電経路と、充放電コンデンサ３を含まない、第一ＬＥＤ部１１とコンデンサ充電用定電流回路５とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した過渡経路とを構成する。
【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。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。
【０００３】
交流電源を用いてＬＥＤを点灯させるには、スイッチング電源を用いて直流に変換しＬＥＤに供給するのが一般的である。ただ、この場合はコイル、コンデンサ等の回路素子が必要となり、電源が大型で高価になる。そこで、スイッチング電源を用いることなく、交流電源をダイオードブリッジで整流した脈流のままＬＥＤを駆動させるべく、様々な駆動装置が考案されている。
【０００４】
例えば本発明者が考案した２個のトランジスタを用いた定電流ＬＥＤ駆動回路を図１９の回路図に示す。この定電流ＬＥＤ駆動回路は、商用電源ＡＰと、ダイオードブリッジで構成された整流回路９２と、ＬＥＤ部９１と、２つのトランジスタ９３、９４及び抵抗器９５、９６で構成された定電流回路とを備える。ＬＥＤ部９１は、複数のＬＥＤ素子を直列接続している。この定電流ＬＥＤ駆動回路では、複数のＬＥＤ素子の合計Ｖfが低いと、脈流のピーク電圧（国内では１４１Ｖ）との電圧差による定電流回路での損失が大きくなり、電源効率が悪いという問題があった。逆に、合計Ｖfを高くとると、ＬＥＤ部の駆動可能電圧範囲が狭くなり、一周期におけるＬＥＤ点灯期間が短くなってしまう。また、合計Ｖfを高くとるためには、直列に接続するＬＥＤ素子の数を増やす必要があり、コストアップと共にＬＥＤ利用効率、すなわち（ＬＥＤ実効消費電力）÷（直流定格電流駆動時のＬＥＤ消費電力）が悪化する。これらの関係を図２０のグラフに示す。この図において、横軸は定電流駆動させるＬＥＤ素子のＶfの合計値、縦軸は左側が電源効率及び利用効率、右側が波高率を、それぞれ示している。この図に示すように、Ｖfを上げるほど電源効率が悪くなる一方で、Ｖfを下げると利用効率が悪くなる。このため、これらを両立させることが困難となる。
【０００５】
さらに、電源周波数に同期して光出力の消灯期間が存在するため、照明の品質が低下するという望ましくない結果をもたらす。この客観的評価としては、周知のように波高率（＝最大値／実効値）が用いられ、この場合は光出力を測定して波高率を得る。上記の図１９に示した定電流駆動回路では、Ｖf＝１２０Ｖの時波高率＝１．７程度であり、白熱電球の１．０５、蛍光灯の１．３６、インバータ蛍光灯の１．１程度と比較して悪い。このことは、人によってはちらつきを感じたり、また回転体の照明において同期した場合、回転しているのに停止しているように見える等の現象（ストロボ現象）となって発現する。これを解決するためには、大容量コンデンサを使用し、脈流を平滑することで達成できるが、コンデンサへの急速充電電流による力率の悪化と、電源投入時の突入電流が懸念される。
【０００６】
このように、交流電源を使用し、整流後の脈流のままＬＥＤを駆動しようとした場合、電源効率、力率、ＬＥＤ利用効率、光出力波高率のバランスを図ることは容易でない。特に図２０から明らかな通り、電源効率とＬＥＤ利用効率は、ＬＥＤのＶfに対して相反する関係にあるため、現状ではほどほどのバランスを取った妥協点を見出すほかなかった。また、光出力波高率を改善しようとすれば、コンデンサの放電により点灯期間が延びてＬＥＤ利用効率が改善できるものの、コンデンサの充電電流により力率が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、波高率と利用効率とを両立させ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】
【０００９】
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の出力側と接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部１１と、を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、前記第一ＬＥＤ部１１と直列に接続された充放電コンデンサ３と、前記充放電コンデンサ３を充電するコンデンサ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回路５と、前記充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード６と、前記充放電コンデンサ３を放電するコンデンサ放電電流を定電流に制御するためのコンデンサ放電用定電流回路４と、前記充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード７と、を備えており、前記充放電コンデンサ３を充電するための経路であって、前記充放電コンデンサ３と、充電用ダイオード６と、コンデンサ充電用定電流回路５とを経路上に配置した充電経路ＣＰと、前記充放電コンデンサ３を放電するための経路であって、前記充放電コンデンサ３と、放電用ダイオード７と、コンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した放電経路ＤＰと、前記充放電コンデンサ３を含まない、前記第一ＬＥＤ部１１とコンデンサ充電用定電流回路５とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した過渡経路ＴＰとを構成できる。これにより、放電期間に限らず、充電期間においても充電経路に第一ＬＥＤ部を配置しているため、これを点灯させることができ、第一ＬＥＤ部の点灯時間を長くして利用効率を高めることができる。
【００１０】
また、第２の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、前記充電用ダイオード６と放電用ダイオード７とが、それぞれ前記第一ＬＥＤ部１１の両端に接続されると共に、前記充電用ダイオード６と放電用ダイオード７とが並列に接続することができる。これにより、充電経路と放電経路を区別しつつ、いずれの経路においても第一ＬＥＤ部が配置されているため、充電期間と放電期間のいずれでも第一ＬＥＤ部を発光できる利点が得られる。
【００１１】
さらに、第３の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、さらに前記充電経路ＣＰに、第二ＬＥＤ部１２を配置することができる。これにより、充電期間に点灯されるＬＥＤ部の数を増やすことができる。
【００１２】
さらにまた、第４の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、さらに前記放電経路ＤＰに、第三ＬＥＤ部１３を配置することができる。これにより、放電期間に点灯されるＬＥＤ部の数を増やすことができる。
【００１３】
さらにまた、第５の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を追加することができる。これにより、電源効率改善とＬＥＤ電圧Ｖfの設定の自由度を向上させることができる。
【００１４】
さらにまた、第６の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、整流電圧のピーク時に発光するＬＥＤ素子の数よりも、過渡期間に発光するＬＥＤ素子の数の方を大きくすることができる。これにより、入力電圧の高い、本来的に最も明るく発光する時期であるピーク時の発光量を抑制し、入力電圧の低い過渡期間の発光量を高めることで、光量の均一化を図り、波高率を改善できる。
【００１５】
さらにまた、第７の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、整流電圧のピーク時にＬＥＤ素子に通電される電流量を、過渡期間にＬＥＤ素子に通電される電流量よりも大きくすることができる。これにより、ピーク時に発光するＬＥＤ素子の数が小さくても、各ＬＥＤ素子の発光量は高い電流量によって維持され、ピーク時に暗くなることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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においてコンデンサの充電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図３】図１においてコンデンサの放電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図４】図１においてコンデンサの過渡期間の電流経路を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２に係る脈流電源電圧と電源電流波形を示すグラフである。
【図６】実施の形態２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７】図６においてコンデンサの充電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図８】図６においてコンデンサの放電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図９】図６においてコンデンサの過渡期間の電流経路を示すブロック図である。
【図１０】ＬＥＤ部が一つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１１】ＬＥＤ部が二つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１２】ＬＥＤ部が三つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１３】実施例１に係る発光ダイオード駆動装置の回路例を示す回路図である。
【図１４】実施例２に係る発光ダイオード駆動装置の回路例を示す回路図である。
【図１５】図１４の発光ダイオード駆動装置における充電期間の等価回路図である。
【図１６】図１４の発光ダイオード駆動装置における過渡期間の等価回路図である。
【図１７】図１４の発光ダイオード駆動装置における放電期間の等価回路図である。
【図１８】図１４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１９】定電流ＬＥＤ駆動回路を示す回路図である。
【図２０】図１９の回路において、定電流駆動させるＬＥＤの合計Ｖfを変化させた場合の各効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
（実施の形態１）
【００１８】
本発明の実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置１００のブロック図を図１に示す。この発光ダイオード駆動装置１００は、整流回路２と、第一ＬＥＤ部１１と、コンデンサ充電用定電流回路５と、コンデンサ放電用定電流回路４と、充電用ダイオード６と、放電用ダイオード７と、充放電コンデンサ３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、整流回路２で交流電圧を整流した整流電圧（脈流電圧）を得る。また交流電源ＡＰと整流回路２との間には、過電流阻止のためのヒューズ８１やサージ防護回路を設けることもできる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
この発光ダイオード駆動装置１００では、充放電コンデンサ３に対して充放電を行うための充電経路ＣＰと放電経路ＤＰを備えている。ここで図１の回路例について、充放電コンデンサ３を充電する充電期間の電流経路（充電経路ＣＰ）を図２に、放電期間の電流経路（放電経路ＤＰ）を図３に、過渡期間の電流経路（過渡経路ＴＰ）を図４に、それぞれ示すと共に、図１の回路の動作を説明する。
（充電経路ＣＰ）
【００２２】
まず充放電コンデンサ３への充電は、交流電源ＡＰの電源電圧が高い期間に行われる。充電電流は図２において矢印で示すように流れて、充放電コンデンサ３に対し充電され、充電電流は充電用定電流回路５により定電流に制御される。このとき、第一ＬＥＤ部１１と充放電コンデンサ３は直列に接続され、第一ＬＥＤ部１１のＶfが低く電源電圧との電圧差が大きくても、充放電コンデンサ３の充電電圧によって充電用定電流回路５の損失は緩和される。また、充放電コンデンサ３の充電電圧は充電終了時の電源電圧Ｖcheから第一ＬＥＤ部１１のＶfを差し引いた電圧Ｖc+となる。この充電電圧Ｖc+とＶfとの電圧差を利用して放電電流が流れる。充電が終了する（充電終了条件は実施例に後述）と、充電用定電流回路５を流れる電流が急激に少なくなり、これを検出した信号により放電用定電流回路４の動作を開始させる。
（放電経路ＤＰ）
【００２３】
次に、充放電コンデンサ３からの放電は、交流電源ＡＰの電源電圧が低い期間に行われる。放電電流は、図３において矢印で示すように流れて充放電コンデンサ３から放電され、放電電流は放電用定電流回路４により定電流に制御される。コンデンサ充電電圧Ｖc+とＶfとの差を数十Ｖに設定すれば、放電電流を定電流に制御している放電用定電流回路４の損失も適切に抑えながら、消灯期間を解消することができる。このとき、コンデンサ放電終了電圧Ｖc-＝Ｖf＋数Ｖ（放電用定電流回路４でロスする電圧分）となる。
（過渡経路ＴＰ）
【００２４】
ただし、充電から放電に移行するまでにコンデンサ充電電圧Ｖc+より電源電圧の高い期間があり、この期間内は図４の矢印に沿って電流が流れる。放電から充電に移行する間も同様の期間が存在する（この期間を「過渡期間」と呼ぶ。）。この過渡期間にＬＥＤに流れる電流は、放電用定電流回路４と充電用定電流回路５で設定された電流のどちらか低い方の電流に定電流制御される。本実施の形態では放電用定電流回路４をより低くしている。ここで、脈流電源電圧と電源電流波形とを図５に示す。このように、放電用定電流回路４を低く設定することで、電流波形を正弦波に近付けることができ、力率が改善される。本発明者らの行った試験によれば、従来技術に比較して５％程度の改善が見込める。このようにして、コンデンサ充電期間はコンデンサ充電電圧によって、回路の損失を抑えながら、電源電圧の低い期間もＬＥＤを点灯することができる。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、家庭用電源等の交流電源を用い、全波整流した後の周期的に変化する脈流電圧でＬＥＤ部を直接駆動するＬＥＤ駆動装置において、脈流電源電圧が高い期間においては、ＬＥＤ部と充放電コンデンサ３を直列に接続してＬＥＤの点灯と充放電コンデンサ３の充電を同時に行い、脈流電源電圧が低い期間においては充放電コンデンサ３を放電させることによってＬＥＤを点灯させることができる。また、コンデンサ充電期間、コンデンサ放電期間および上記二つの期間の間にある過渡期間のそれぞれの期間において点灯するＬＥＤの組み合わせを異ならせることもできる。
（実施の形態２）
【００２６】
具体的には、図１の例ではＬＥＤ部を１つ用いた例を説明したが、複数のＬＥＤ部を用いることも可能である。複数のＬＥＤ部を直列接続すると共に、充電経路ＣＰにＬＥＤ部を追加したり、放電経路ＤＰにＬＥＤを追加したり、あるいは充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれＬＥＤ部を追加することもできる。ここで実施の形態２として、充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を追加した回路例を図６に示す。このように、コンデンサ充電期間、コンデンサ放電期間およびこれらの期間の間にある過渡期間のそれぞれの期間において点灯するＬＥＤ部の組み合わせ（ＬＥＤ部の発光する数）を変化させることができる。これによって、さらに電源効率改善とＬＥＤ電圧Ｖfの設定の自由度を向上させることが可能となる。
【００２７】
上述の通り、Ｖc+＝Ｖche−Ｖf、Ｖc+＞ＶfよりＶche＞２Ｖfとなり、Ｖcheは最大でも電源電圧のピークである１４１Ｖであるため、７０Ｖ＞Ｖfという制約が生じる。また、図４の過渡期間における電流経路を見ると、放電用定電流回路４か充電用定電流回路５のいずれか小さい方の電流設定をされた定電流回路によるＬＥＤの定電流駆動であるため、従来技術の課題であった回路損失の大きいままの期間である。そこで実施の形態２では、充電期間、放電期間、過渡期間それぞれにおいて点灯するＬＥＤの組み合わせを変えることにより、特に過渡期間における損失を軽減する。この結果充放電期間にあっては、７０Ｖ＞Ｖfの制約を受容できるＬＥＤ駆動装置を実現できる。これによりＶfの設定を広げることができ、様々な照明器具やＬＥＤの仕様に対応できると同時に、電源効率の高い照明器具等のＬＥＤ駆動装置を提供することができる。
【００２８】
図１と同様、図６の発光ダイオード駆動装置２００においても、充電期間、放電期間、過渡期間それぞれにおける電流経路を、図７、図８、図９にそれぞれ矢印で示す。図７に示すように充電期間では、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２が点灯し、図８に示すように放電期間では、第三ＬＥＤ部１３と第一ＬＥＤ部１１が点灯し、過渡期間では３つの第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３すべてが直列に接続されて点灯する。これにより、過渡期間でのＶfが最大となり、上記７０Ｖ＞Ｖfの制約を受けずに設定可能となって、定電流回路の損失を減少させると同時に、ＬＥＤ部への電力供給が増加し、電源効率が改善される。また、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２の合計Ｖf12と、第一ＬＥＤ部１１と第三ＬＥＤ部１３の合計Ｖf13を、それぞれ７０Ｖ以下とすることで、コンデンサ充放電を可能としている。
【００２９】
ＬＥＤ部は、好ましくは充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ追加して、計３個とする。ここで、ＬＥＤ部を１つ又は２つとした場合との比較を、図１０〜図１２に示す。これらの図において、図１０はＬＥＤ部が一つのとき、図１１はＬＥＤ部が二つのとき、図１２はＬＥＤ部が三つのときのＬＥＤ利用効率をそれぞれ示している。これらの図に基づいて、ＬＥＤ利用効率に着目してＬＥＤ部の数を３個とした理由を説明する。ここでは簡単のため、３つの期間（充電期間、放電期間、過渡期間）の時間が全て等しく、３つの期間におけるＬＥＤへの電流設定も全て等しくＬＥＤ定格電流であると仮定する。まずＬＥＤ１つの場合の図１の構成では、全ＬＥＤが常時点灯するため、ＬＥＤ利用効率は１００％となる（図１０）。２つの場合、合計Ｖfを８０Ｖとし、それぞれのＬＥＤ部４０Ｖずつに２等分するとＬＥＤ利用効率６６％となる（図１１）。３つの場合、合計Ｖf＝８０Ｖ、Ｖf12＝６０Ｖ、Ｖf23＝６０Ｖに分けると、Ｖf1＝２０Ｖ、Ｖf2＝４０Ｖ、Ｖf3＝２０Ｖとなり、このとき、ＬＥＤ利用効率は８３％となる（図１２）。このように、ＬＥＤ利用効率は３個の場合が最も良好なことから、実施の形態２においては３つのＬＥＤ部としている。
【００３０】
またＬＥＤ部を３つにすることで、過渡期間にＬＥＤ部の直列数が多くなり、ＬＥＤ部に印加される電圧が大きくなるので、充電用定電流回路５に印加される電圧を小さくできる。すなわち、過渡期間における充電用定電流回路５の損失を抑制でき、ＬＥＤ部を効率よく発光させることができる。
【実施例１】
【００３１】
次に、図１の実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置１００を構成する回路の具体例を図１３の発光ダイオード駆動装置１００’に、同じく図６の実施の形態２に係る発光ダイオード駆動装置２００を構成する回路の具体例を図１４の発光ダイオード駆動装置２００’に、それぞれ示す。各回路例１００’、２００’において、基本動作の説明は上述の通りである。ここでは、実施例２に係る発光ダイオード駆動装置２００’の動作を主に説明する。なお実施例１の発光ダイオード駆動装置１００’の動作と実施例２の発光ダイオード駆動装置２００’の動作はほぼ同様であり、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を第一ＬＥＤ部１１に、Ｖf12、Ｖf23、Ｖf123をＶfにそれぞれ読み替えればよいので、実施例１については動作説明を省略する。また図１４の発光ダイオード駆動装置２００’における充電期間の等価回路を図１５に、過渡期間の等価回路を図１６に、放電期間の等価回路を図１７に、それぞれ示す。
【００３２】
まず充放電コンデンサ３の放電は、図１４、図１７に示すように、充放電コンデンサ３から放電電流検出抵抗４４、放電電流制御ＦＥＴ４６、第三ＬＥＤ部１３、第一ＬＥＤ部１１、放電用ダイオード７を通って充放電コンデンサ３に戻る経路である。電源電圧が上昇し、第一ＬＥＤ部１１から第三ＬＥＤ部１３までの全ＬＥＤの合計端子電圧＝Ｖf123を超えると、過渡期間に入り（図１６）、放電電流制御ＦＥＴ４６により制御された電流ですべてのＬＥＤ部が駆動される。
【００３３】
さらに電源電圧が上昇し、充放電コンデンサ３の端子電圧Ｖc-と第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２の合計端子電圧Ｖf12との合計電圧＝Ｖc-＋Ｖf12を超えると、充電を開始する。充電が開始されると同時に充電期間検出トランジスタ５９がＯＮして、放電用定電流回路４はＯＦＦとなる。この際、図１５に示すように充電電流により、この２つのＬＥＤ部が駆動される。このときの充電電流は、充電電流検出抵抗５５により検出され、充電電流検出制御トランジスタ５２のベース抵抗５４とベース電圧分圧抵抗５３により分圧され、放電電流より大きい電流に設定される。これによって上述の通り力率が良好が保たれる。また、充電電流の上限としては、充電期間を十分長くとり、電源電圧のピーク電圧時に充電が継続するよう設定される。これにより回路損失の大きい高い電圧のときに、コンデンサ端子電圧による緩和を受けることができ、電源効率向上に貢献する。
【００３４】
電源電圧がピークを過ぎて、上昇するコンデンサ端子電圧（Ｖc+まで上昇）とＶf12との合計電圧にまで下降すると充電が終了し、充電電流が急速に減少すると、再度過渡期間に入る。過渡期間に入ると同時に充電期間検出トランジスタ５９がＯＦＦして、放電用定電流回路４はＯＮとなる。さらに電源電圧が下降し、Ｖf123を下回ると充電電流検出抵抗５５を流れる電流は０となり、放電電流検出抵抗４４で設定された放電電流で放電が開始される。以上が、動作の１サイクルである。
【００３５】
ここで実施例２による光出力を図１８に示す。これによれば、ピーク時に対する暗いときの割合は約６０％、波高率１．１５と蛍光灯を上回り、照明品質が大きく向上したことが確認できる。充放電コンデンサ３を搭載しているにもかかわらず、コンデンサ充電電流を定電流回路で制御しているので、突入電流がない。特に大容量コンデンサを使用するほどこの効果が大きい。また充放電コンデンサ３とＬＥＤ部が直列に接続されて充電されることで、充電電圧が低く抑えられ、脈流電源ラインとＧＮＤ間に直接接続される構成に比べて定格電圧の低いコンデンサを使用できる利点も得られる。コンデンサ充放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たとしても長寿命を確保でき、製品の品質を向上できる。ＬＥＤ数を大幅に削減することが可能となり、コストメリットを生み出すと共に、ＬＥＤ利用効率を向上させることができる。ＬＥＤ利用効率と電源効率という相反する課題に対し、共に向上させることができる。従来技術による図２０のグラフによれば、Ｖf＝７５Ｖとした場合、電源効率、ＬＥＤ利用効率とも６５％程度、波高率１．２５程度となるが、本発明請求項２の実験ではいずれも８０％以上、波高率１．１５を達成し、消灯期間も解消できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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】
【００３７】
１００、２００、１００’、２００’…発光ダイオード駆動装置
２…整流回路
３…充放電コンデンサ
４…コンデンサ放電用定電流回路
５…コンデンサ充電用定電流回路
６…充電用ダイオード
７…放電用ダイオード
１１…第一ＬＥＤ部
１２…第二ＬＥＤ部
１３…第三ＬＥＤ部
４３…放電電流検出制御トランジスタ
４４…放電電流検出抵抗
４６…放電電流制御ＦＥＴ
５２…充電電流検出制御トランジスタ
５３…ベース電圧分圧抵抗
５４…ベース抵抗
５５…充電電流検出抵抗
５９…充電期間検出トランジスタ
８１…ヒューズ
９１…ＬＥＤ部
９２…整流回路
９３、９４…トランジスタ
９５、９６…抵抗器
ＡＰ…交流電源；ＣＰ…充電経路；ＤＰ…放電経路；ＴＰ…過渡経路
【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。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。
【０００３】
交流電源を用いてＬＥＤを点灯させるには、スイッチング電源を用いて直流に変換しＬＥＤに供給するのが一般的である。ただ、この場合はコイル、コンデンサ等の回路素子が必要となり、電源が大型で高価になる。そこで、スイッチング電源を用いることなく、交流電源をダイオードブリッジで整流した脈流のままＬＥＤを駆動させるべく、様々な駆動装置が考案されている。
【０００４】
例えば本発明者が考案した２個のトランジスタを用いた定電流ＬＥＤ駆動回路を図１９の回路図に示す。この定電流ＬＥＤ駆動回路は、商用電源ＡＰと、ダイオードブリッジで構成された整流回路９２と、ＬＥＤ部９１と、２つのトランジスタ９３、９４及び抵抗器９５、９６で構成された定電流回路とを備える。ＬＥＤ部９１は、複数のＬＥＤ素子を直列接続している。この定電流ＬＥＤ駆動回路では、複数のＬＥＤ素子の合計Ｖfが低いと、脈流のピーク電圧（国内では１４１Ｖ）との電圧差による定電流回路での損失が大きくなり、電源効率が悪いという問題があった。逆に、合計Ｖfを高くとると、ＬＥＤ部の駆動可能電圧範囲が狭くなり、一周期におけるＬＥＤ点灯期間が短くなってしまう。また、合計Ｖfを高くとるためには、直列に接続するＬＥＤ素子の数を増やす必要があり、コストアップと共にＬＥＤ利用効率、すなわち（ＬＥＤ実効消費電力）÷（直流定格電流駆動時のＬＥＤ消費電力）が悪化する。これらの関係を図２０のグラフに示す。この図において、横軸は定電流駆動させるＬＥＤ素子のＶfの合計値、縦軸は左側が電源効率及び利用効率、右側が波高率を、それぞれ示している。この図に示すように、Ｖfを上げるほど電源効率が悪くなる一方で、Ｖfを下げると利用効率が悪くなる。このため、これらを両立させることが困難となる。
【０００５】
さらに、電源周波数に同期して光出力の消灯期間が存在するため、照明の品質が低下するという望ましくない結果をもたらす。この客観的評価としては、周知のように波高率（＝最大値／実効値）が用いられ、この場合は光出力を測定して波高率を得る。上記の図１９に示した定電流駆動回路では、Ｖf＝１２０Ｖの時波高率＝１．７程度であり、白熱電球の１．０５、蛍光灯の１．３６、インバータ蛍光灯の１．１程度と比較して悪い。このことは、人によってはちらつきを感じたり、また回転体の照明において同期した場合、回転しているのに停止しているように見える等の現象（ストロボ現象）となって発現する。これを解決するためには、大容量コンデンサを使用し、脈流を平滑することで達成できるが、コンデンサへの急速充電電流による力率の悪化と、電源投入時の突入電流が懸念される。
【０００６】
このように、交流電源を使用し、整流後の脈流のままＬＥＤを駆動しようとした場合、電源効率、力率、ＬＥＤ利用効率、光出力波高率のバランスを図ることは容易でない。特に図２０から明らかな通り、電源効率とＬＥＤ利用効率は、ＬＥＤのＶfに対して相反する関係にあるため、現状ではほどほどのバランスを取った妥協点を見出すほかなかった。また、光出力波高率を改善しようとすれば、コンデンサの放電により点灯期間が延びてＬＥＤ利用効率が改善できるものの、コンデンサの充電電流により力率が悪化するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、波高率と利用効率とを両立させ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】
【０００９】
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の出力側と接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部１１と、を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、前記第一ＬＥＤ部１１と直列に接続された充放電コンデンサ３と、前記充放電コンデンサ３を充電するコンデンサ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回路５と、前記充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード６と、前記充放電コンデンサ３を放電するコンデンサ放電電流を定電流に制御するためのコンデンサ放電用定電流回路４と、前記充放電コンデンサ３及び第一ＬＥＤ部１１のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード７と、を備えており、前記充放電コンデンサ３を充電するための経路であって、前記充放電コンデンサ３と、充電用ダイオード６と、コンデンサ充電用定電流回路５とを経路上に配置した充電経路ＣＰと、前記充放電コンデンサ３を放電するための経路であって、前記充放電コンデンサ３と、放電用ダイオード７と、コンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した放電経路ＤＰと、前記充放電コンデンサ３を含まない、前記第一ＬＥＤ部１１とコンデンサ充電用定電流回路５とコンデンサ放電用定電流回路４とを経路上に配置した過渡経路ＴＰとを構成できる。これにより、放電期間に限らず、充電期間においても充電経路に第一ＬＥＤ部を配置しているため、これを点灯させることができ、第一ＬＥＤ部の点灯時間を長くして利用効率を高めることができる。
【００１０】
また、第２の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、前記充電用ダイオード６と放電用ダイオード７とが、それぞれ前記第一ＬＥＤ部１１の両端に接続されると共に、前記充電用ダイオード６と放電用ダイオード７とが並列に接続することができる。これにより、充電経路と放電経路を区別しつつ、いずれの経路においても第一ＬＥＤ部が配置されているため、充電期間と放電期間のいずれでも第一ＬＥＤ部を発光できる利点が得られる。
【００１１】
さらに、第３の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、さらに前記充電経路ＣＰに、第二ＬＥＤ部１２を配置することができる。これにより、充電期間に点灯されるＬＥＤ部の数を増やすことができる。
【００１２】
さらにまた、第４の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、さらに前記放電経路ＤＰに、第三ＬＥＤ部１３を配置することができる。これにより、放電期間に点灯されるＬＥＤ部の数を増やすことができる。
【００１３】
さらにまた、第５の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を追加することができる。これにより、電源効率改善とＬＥＤ電圧Ｖfの設定の自由度を向上させることができる。
【００１４】
さらにまた、第６の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、整流電圧のピーク時に発光するＬＥＤ素子の数よりも、過渡期間に発光するＬＥＤ素子の数の方を大きくすることができる。これにより、入力電圧の高い、本来的に最も明るく発光する時期であるピーク時の発光量を抑制し、入力電圧の低い過渡期間の発光量を高めることで、光量の均一化を図り、波高率を改善できる。
【００１５】
さらにまた、第７の側面に係る発光ダイオード駆動装置は、整流電圧のピーク時にＬＥＤ素子に通電される電流量を、過渡期間にＬＥＤ素子に通電される電流量よりも大きくすることができる。これにより、ピーク時に発光するＬＥＤ素子の数が小さくても、各ＬＥＤ素子の発光量は高い電流量によって維持され、ピーク時に暗くなることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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においてコンデンサの充電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図３】図１においてコンデンサの放電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図４】図１においてコンデンサの過渡期間の電流経路を示すブロック図である。
【図５】実施の形態２に係る脈流電源電圧と電源電流波形を示すグラフである。
【図６】実施の形態２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７】図６においてコンデンサの充電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図８】図６においてコンデンサの放電期間の電流経路を示すブロック図である。
【図９】図６においてコンデンサの過渡期間の電流経路を示すブロック図である。
【図１０】ＬＥＤ部が一つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１１】ＬＥＤ部が二つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１２】ＬＥＤ部が三つのときのＬＥＤ利用効率を示すグラフである。
【図１３】実施例１に係る発光ダイオード駆動装置の回路例を示す回路図である。
【図１４】実施例２に係る発光ダイオード駆動装置の回路例を示す回路図である。
【図１５】図１４の発光ダイオード駆動装置における充電期間の等価回路図である。
【図１６】図１４の発光ダイオード駆動装置における過渡期間の等価回路図である。
【図１７】図１４の発光ダイオード駆動装置における放電期間の等価回路図である。
【図１８】図１４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１９】定電流ＬＥＤ駆動回路を示す回路図である。
【図２０】図１９の回路において、定電流駆動させるＬＥＤの合計Ｖfを変化させた場合の各効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
（実施の形態１）
【００１８】
本発明の実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置１００のブロック図を図１に示す。この発光ダイオード駆動装置１００は、整流回路２と、第一ＬＥＤ部１１と、コンデンサ充電用定電流回路５と、コンデンサ放電用定電流回路４と、充電用ダイオード６と、放電用ダイオード７と、充放電コンデンサ３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、整流回路２で交流電圧を整流した整流電圧（脈流電圧）を得る。また交流電源ＡＰと整流回路２との間には、過電流阻止のためのヒューズ８１やサージ防護回路を設けることもできる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
この発光ダイオード駆動装置１００では、充放電コンデンサ３に対して充放電を行うための充電経路ＣＰと放電経路ＤＰを備えている。ここで図１の回路例について、充放電コンデンサ３を充電する充電期間の電流経路（充電経路ＣＰ）を図２に、放電期間の電流経路（放電経路ＤＰ）を図３に、過渡期間の電流経路（過渡経路ＴＰ）を図４に、それぞれ示すと共に、図１の回路の動作を説明する。
（充電経路ＣＰ）
【００２２】
まず充放電コンデンサ３への充電は、交流電源ＡＰの電源電圧が高い期間に行われる。充電電流は図２において矢印で示すように流れて、充放電コンデンサ３に対し充電され、充電電流は充電用定電流回路５により定電流に制御される。このとき、第一ＬＥＤ部１１と充放電コンデンサ３は直列に接続され、第一ＬＥＤ部１１のＶfが低く電源電圧との電圧差が大きくても、充放電コンデンサ３の充電電圧によって充電用定電流回路５の損失は緩和される。また、充放電コンデンサ３の充電電圧は充電終了時の電源電圧Ｖcheから第一ＬＥＤ部１１のＶfを差し引いた電圧Ｖc+となる。この充電電圧Ｖc+とＶfとの電圧差を利用して放電電流が流れる。充電が終了する（充電終了条件は実施例に後述）と、充電用定電流回路５を流れる電流が急激に少なくなり、これを検出した信号により放電用定電流回路４の動作を開始させる。
（放電経路ＤＰ）
【００２３】
次に、充放電コンデンサ３からの放電は、交流電源ＡＰの電源電圧が低い期間に行われる。放電電流は、図３において矢印で示すように流れて充放電コンデンサ３から放電され、放電電流は放電用定電流回路４により定電流に制御される。コンデンサ充電電圧Ｖc+とＶfとの差を数十Ｖに設定すれば、放電電流を定電流に制御している放電用定電流回路４の損失も適切に抑えながら、消灯期間を解消することができる。このとき、コンデンサ放電終了電圧Ｖc-＝Ｖf＋数Ｖ（放電用定電流回路４でロスする電圧分）となる。
（過渡経路ＴＰ）
【００２４】
ただし、充電から放電に移行するまでにコンデンサ充電電圧Ｖc+より電源電圧の高い期間があり、この期間内は図４の矢印に沿って電流が流れる。放電から充電に移行する間も同様の期間が存在する（この期間を「過渡期間」と呼ぶ。）。この過渡期間にＬＥＤに流れる電流は、放電用定電流回路４と充電用定電流回路５で設定された電流のどちらか低い方の電流に定電流制御される。本実施の形態では放電用定電流回路４をより低くしている。ここで、脈流電源電圧と電源電流波形とを図５に示す。このように、放電用定電流回路４を低く設定することで、電流波形を正弦波に近付けることができ、力率が改善される。本発明者らの行った試験によれば、従来技術に比較して５％程度の改善が見込める。このようにして、コンデンサ充電期間はコンデンサ充電電圧によって、回路の損失を抑えながら、電源電圧の低い期間もＬＥＤを点灯することができる。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、家庭用電源等の交流電源を用い、全波整流した後の周期的に変化する脈流電圧でＬＥＤ部を直接駆動するＬＥＤ駆動装置において、脈流電源電圧が高い期間においては、ＬＥＤ部と充放電コンデンサ３を直列に接続してＬＥＤの点灯と充放電コンデンサ３の充電を同時に行い、脈流電源電圧が低い期間においては充放電コンデンサ３を放電させることによってＬＥＤを点灯させることができる。また、コンデンサ充電期間、コンデンサ放電期間および上記二つの期間の間にある過渡期間のそれぞれの期間において点灯するＬＥＤの組み合わせを異ならせることもできる。
（実施の形態２）
【００２６】
具体的には、図１の例ではＬＥＤ部を１つ用いた例を説明したが、複数のＬＥＤ部を用いることも可能である。複数のＬＥＤ部を直列接続すると共に、充電経路ＣＰにＬＥＤ部を追加したり、放電経路ＤＰにＬＥＤを追加したり、あるいは充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれＬＥＤ部を追加することもできる。ここで実施の形態２として、充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を追加した回路例を図６に示す。このように、コンデンサ充電期間、コンデンサ放電期間およびこれらの期間の間にある過渡期間のそれぞれの期間において点灯するＬＥＤ部の組み合わせ（ＬＥＤ部の発光する数）を変化させることができる。これによって、さらに電源効率改善とＬＥＤ電圧Ｖfの設定の自由度を向上させることが可能となる。
【００２７】
上述の通り、Ｖc+＝Ｖche−Ｖf、Ｖc+＞ＶfよりＶche＞２Ｖfとなり、Ｖcheは最大でも電源電圧のピークである１４１Ｖであるため、７０Ｖ＞Ｖfという制約が生じる。また、図４の過渡期間における電流経路を見ると、放電用定電流回路４か充電用定電流回路５のいずれか小さい方の電流設定をされた定電流回路によるＬＥＤの定電流駆動であるため、従来技術の課題であった回路損失の大きいままの期間である。そこで実施の形態２では、充電期間、放電期間、過渡期間それぞれにおいて点灯するＬＥＤの組み合わせを変えることにより、特に過渡期間における損失を軽減する。この結果充放電期間にあっては、７０Ｖ＞Ｖfの制約を受容できるＬＥＤ駆動装置を実現できる。これによりＶfの設定を広げることができ、様々な照明器具やＬＥＤの仕様に対応できると同時に、電源効率の高い照明器具等のＬＥＤ駆動装置を提供することができる。
【００２８】
図１と同様、図６の発光ダイオード駆動装置２００においても、充電期間、放電期間、過渡期間それぞれにおける電流経路を、図７、図８、図９にそれぞれ矢印で示す。図７に示すように充電期間では、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２が点灯し、図８に示すように放電期間では、第三ＬＥＤ部１３と第一ＬＥＤ部１１が点灯し、過渡期間では３つの第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３すべてが直列に接続されて点灯する。これにより、過渡期間でのＶfが最大となり、上記７０Ｖ＞Ｖfの制約を受けずに設定可能となって、定電流回路の損失を減少させると同時に、ＬＥＤ部への電力供給が増加し、電源効率が改善される。また、第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２の合計Ｖf12と、第一ＬＥＤ部１１と第三ＬＥＤ部１３の合計Ｖf13を、それぞれ７０Ｖ以下とすることで、コンデンサ充放電を可能としている。
【００２９】
ＬＥＤ部は、好ましくは充電経路ＣＰと放電経路ＤＰにそれぞれ追加して、計３個とする。ここで、ＬＥＤ部を１つ又は２つとした場合との比較を、図１０〜図１２に示す。これらの図において、図１０はＬＥＤ部が一つのとき、図１１はＬＥＤ部が二つのとき、図１２はＬＥＤ部が三つのときのＬＥＤ利用効率をそれぞれ示している。これらの図に基づいて、ＬＥＤ利用効率に着目してＬＥＤ部の数を３個とした理由を説明する。ここでは簡単のため、３つの期間（充電期間、放電期間、過渡期間）の時間が全て等しく、３つの期間におけるＬＥＤへの電流設定も全て等しくＬＥＤ定格電流であると仮定する。まずＬＥＤ１つの場合の図１の構成では、全ＬＥＤが常時点灯するため、ＬＥＤ利用効率は１００％となる（図１０）。２つの場合、合計Ｖfを８０Ｖとし、それぞれのＬＥＤ部４０Ｖずつに２等分するとＬＥＤ利用効率６６％となる（図１１）。３つの場合、合計Ｖf＝８０Ｖ、Ｖf12＝６０Ｖ、Ｖf23＝６０Ｖに分けると、Ｖf1＝２０Ｖ、Ｖf2＝４０Ｖ、Ｖf3＝２０Ｖとなり、このとき、ＬＥＤ利用効率は８３％となる（図１２）。このように、ＬＥＤ利用効率は３個の場合が最も良好なことから、実施の形態２においては３つのＬＥＤ部としている。
【００３０】
またＬＥＤ部を３つにすることで、過渡期間にＬＥＤ部の直列数が多くなり、ＬＥＤ部に印加される電圧が大きくなるので、充電用定電流回路５に印加される電圧を小さくできる。すなわち、過渡期間における充電用定電流回路５の損失を抑制でき、ＬＥＤ部を効率よく発光させることができる。
【実施例１】
【００３１】
次に、図１の実施の形態１に係る発光ダイオード駆動装置１００を構成する回路の具体例を図１３の発光ダイオード駆動装置１００’に、同じく図６の実施の形態２に係る発光ダイオード駆動装置２００を構成する回路の具体例を図１４の発光ダイオード駆動装置２００’に、それぞれ示す。各回路例１００’、２００’において、基本動作の説明は上述の通りである。ここでは、実施例２に係る発光ダイオード駆動装置２００’の動作を主に説明する。なお実施例１の発光ダイオード駆動装置１００’の動作と実施例２の発光ダイオード駆動装置２００’の動作はほぼ同様であり、第一ＬＥＤ部１１、第二ＬＥＤ部１２、第三ＬＥＤ部１３を第一ＬＥＤ部１１に、Ｖf12、Ｖf23、Ｖf123をＶfにそれぞれ読み替えればよいので、実施例１については動作説明を省略する。また図１４の発光ダイオード駆動装置２００’における充電期間の等価回路を図１５に、過渡期間の等価回路を図１６に、放電期間の等価回路を図１７に、それぞれ示す。
【００３２】
まず充放電コンデンサ３の放電は、図１４、図１７に示すように、充放電コンデンサ３から放電電流検出抵抗４４、放電電流制御ＦＥＴ４６、第三ＬＥＤ部１３、第一ＬＥＤ部１１、放電用ダイオード７を通って充放電コンデンサ３に戻る経路である。電源電圧が上昇し、第一ＬＥＤ部１１から第三ＬＥＤ部１３までの全ＬＥＤの合計端子電圧＝Ｖf123を超えると、過渡期間に入り（図１６）、放電電流制御ＦＥＴ４６により制御された電流ですべてのＬＥＤ部が駆動される。
【００３３】
さらに電源電圧が上昇し、充放電コンデンサ３の端子電圧Ｖc-と第一ＬＥＤ部１１と第二ＬＥＤ部１２の合計端子電圧Ｖf12との合計電圧＝Ｖc-＋Ｖf12を超えると、充電を開始する。充電が開始されると同時に充電期間検出トランジスタ５９がＯＮして、放電用定電流回路４はＯＦＦとなる。この際、図１５に示すように充電電流により、この２つのＬＥＤ部が駆動される。このときの充電電流は、充電電流検出抵抗５５により検出され、充電電流検出制御トランジスタ５２のベース抵抗５４とベース電圧分圧抵抗５３により分圧され、放電電流より大きい電流に設定される。これによって上述の通り力率が良好が保たれる。また、充電電流の上限としては、充電期間を十分長くとり、電源電圧のピーク電圧時に充電が継続するよう設定される。これにより回路損失の大きい高い電圧のときに、コンデンサ端子電圧による緩和を受けることができ、電源効率向上に貢献する。
【００３４】
電源電圧がピークを過ぎて、上昇するコンデンサ端子電圧（Ｖc+まで上昇）とＶf12との合計電圧にまで下降すると充電が終了し、充電電流が急速に減少すると、再度過渡期間に入る。過渡期間に入ると同時に充電期間検出トランジスタ５９がＯＦＦして、放電用定電流回路４はＯＮとなる。さらに電源電圧が下降し、Ｖf123を下回ると充電電流検出抵抗５５を流れる電流は０となり、放電電流検出抵抗４４で設定された放電電流で放電が開始される。以上が、動作の１サイクルである。
【００３５】
ここで実施例２による光出力を図１８に示す。これによれば、ピーク時に対する暗いときの割合は約６０％、波高率１．１５と蛍光灯を上回り、照明品質が大きく向上したことが確認できる。充放電コンデンサ３を搭載しているにもかかわらず、コンデンサ充電電流を定電流回路で制御しているので、突入電流がない。特に大容量コンデンサを使用するほどこの効果が大きい。また充放電コンデンサ３とＬＥＤ部が直列に接続されて充電されることで、充電電圧が低く抑えられ、脈流電源ラインとＧＮＤ間に直接接続される構成に比べて定格電圧の低いコンデンサを使用できる利点も得られる。コンデンサ充放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たとしても長寿命を確保でき、製品の品質を向上できる。ＬＥＤ数を大幅に削減することが可能となり、コストメリットを生み出すと共に、ＬＥＤ利用効率を向上させることができる。ＬＥＤ利用効率と電源効率という相反する課題に対し、共に向上させることができる。従来技術による図２０のグラフによれば、Ｖf＝７５Ｖとした場合、電源効率、ＬＥＤ利用効率とも６５％程度、波高率１．２５程度となるが、本発明請求項２の実験ではいずれも８０％以上、波高率１．１５を達成し、消灯期間も解消できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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】
【００３７】
１００、２００、１００’、２００’…発光ダイオード駆動装置
２…整流回路
３…充放電コンデンサ
４…コンデンサ放電用定電流回路
５…コンデンサ充電用定電流回路
６…充電用ダイオード
７…放電用ダイオード
１１…第一ＬＥＤ部
１２…第二ＬＥＤ部
１３…第三ＬＥＤ部
４３…放電電流検出制御トランジスタ
４４…放電電流検出抵抗
４６…放電電流制御ＦＥＴ
５２…充電電流検出制御トランジスタ
５３…ベース電圧分圧抵抗
５４…ベース抵抗
５５…充電電流検出抵抗
５９…充電期間検出トランジスタ
８１…ヒューズ
９１…ＬＥＤ部
９２…整流回路
９３、９４…トランジスタ
９５、９６…抵抗器
ＡＰ…交流電源；ＣＰ…充電経路；ＤＰ…放電経路；ＴＰ…過渡経路
【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)の出力側と接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部(11)と、
を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第一ＬＥＤ部(11)と直列に接続された充放電コンデンサ(3)と、
前記充放電コンデンサ(3)を充電するコンデンサ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回路(5)と、
前記充放電コンデンサ(3)及び第一ＬＥＤ部(11)のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード(6)と、
前記充放電コンデンサ(3)を放電するコンデンサ放電電流を定電流に制御するためのコンデンサ放電用定電流回路(4)と、
前記充放電コンデンサ(3)及び第一ＬＥＤ部(11)のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード(7)と、
を備えており、
前記充放電コンデンサ(3)を充電するための経路であって、前記充放電コンデンサ(3)と、充電用ダイオード(6)と、コンデンサ充電用定電流回路(5)とを経路上に配置した充電経路(CP)と、
前記充放電コンデンサ(3)を放電するための経路であって、前記充放電コンデンサ(3)と、放電用ダイオード(7)と、コンデンサ放電用定電流回路(4)とを経路上に配置した放電経路(DP)と、
前記充放電コンデンサ(3)を含まない、前記第一ＬＥＤ部(11)とコンデンサ充電用定電流回路(5)とコンデンサ放電用定電流回路(4)とを経路上に配置した過渡経路(TP)と、
を構成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、
前記充電用ダイオード(6)と放電用ダイオード(7)とが、それぞれ前記第一ＬＥＤ部(11)の両端に接続されると共に、前記充電用ダイオード(6)と放電用ダイオード(7)とが並列に接続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、さらに、
前記充電経路(CP)に、第二ＬＥＤ部(12)を配置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、
前記放電経路(DP)に、第三ＬＥＤ部(13)を配置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５】
請求項１から４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、
充電経路(CP)と放電経路(DP)にそれぞれ第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)を追加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６】
請求項３から５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、
前記整流回路(2)で整流された整流電圧のピーク時に発光するＬＥＤ素子の数よりも、過渡経路(TP)上に配置されて過渡期間に発光するＬＥＤ素子の数の方が大きい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１から６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、
前記整流回路(2)で整流された整流電圧のピーク時にＬＥＤ素子に通電される電流量が、過渡経路(TP)上に配置され過渡期間にＬＥＤ素子に通電される電流量が小さい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)の出力側と接続される、少なくとも一のＬＥＤ素子を有する第一ＬＥＤ部(11)と、
を備える発光ダイオード駆動装置であって、さらに、
前記第一ＬＥＤ部(11)と直列に接続された充放電コンデンサ(3)と、
前記充放電コンデンサ(3)を充電するコンデンサ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回路(5)と、
前記充放電コンデンサ(3)及び第一ＬＥＤ部(11)のアノード側と接続され、コンデンサ充電電流を規制するための充電用ダイオード(6)と、
前記充放電コンデンサ(3)を放電するコンデンサ放電電流を定電流に制御するためのコンデンサ放電用定電流回路(4)と、
前記充放電コンデンサ(3)及び第一ＬＥＤ部(11)のカソード側と接続され、コンデンサ放電電流を規制するための放電用ダイオード(7)と、
を備えており、
前記充放電コンデンサ(3)を充電するための経路であって、前記充放電コンデンサ(3)と、充電用ダイオード(6)と、コンデンサ充電用定電流回路(5)とを経路上に配置した充電経路(CP)と、
前記充放電コンデンサ(3)を放電するための経路であって、前記充放電コンデンサ(3)と、放電用ダイオード(7)と、コンデンサ放電用定電流回路(4)とを経路上に配置した放電経路(DP)と、
前記充放電コンデンサ(3)を含まない、前記第一ＬＥＤ部(11)とコンデンサ充電用定電流回路(5)とコンデンサ放電用定電流回路(4)とを経路上に配置した過渡経路(TP)と、
を構成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、
前記充電用ダイオード(6)と放電用ダイオード(7)とが、それぞれ前記第一ＬＥＤ部(11)の両端に接続されると共に、前記充電用ダイオード(6)と放電用ダイオード(7)とが並列に接続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、さらに、
前記充電経路(CP)に、第二ＬＥＤ部(12)を配置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、
前記放電経路(DP)に、第三ＬＥＤ部(13)を配置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５】
請求項１から４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、
充電経路(CP)と放電経路(DP)にそれぞれ第二ＬＥＤ部(12)、第三ＬＥＤ部(13)を追加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６】
請求項３から５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、
前記整流回路(2)で整流された整流電圧のピーク時に発光するＬＥＤ素子の数よりも、過渡経路(TP)上に配置されて過渡期間に発光するＬＥＤ素子の数の方が大きい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１から６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、
前記整流回路(2)で整流された整流電圧のピーク時にＬＥＤ素子に通電される電流量が、過渡経路(TP)上に配置され過渡期間にＬＥＤ素子に通電される電流量が小さい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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２４４１３７（Ｐ２０１２−２４４１３７Ａ）
【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２０１１−１１６３８９（Ｐ２０１１−１１６３８９）
【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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