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JP2018522364A - Led組立体のための効率的な照明回路 - Google Patents

Led組立体のための効率的な照明回路 Download PDF

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Abstract

照明回路と、照明回路を動作させる方法とが記載されている。整流器14は、交流電圧Vのための入力部を持つ。少なくとも第1及び第2LED組立体20、22は、前記整流器14から電力を供給されるよう接続される。前記第1LED組立体20は、前記整流器14の第1出力部26に電気的に接続されると共に、スイッチングコンバータ回路の入力部26と電気的に直列接続される。前記第2LED組立体22は、前記スイッチングコンバータ回路44の出力部48に電気的に接続される。制御装置30は、前記第1LED組立体20の動作を制御するために前記直列接続部におけるタップ46に接続される。

Description

本発明は、照明回路、及び照明回路を動作させる方法に関する。詳細には、本発明は、交流電圧のための入力部を備える整流器から電力を供給されるよう接続される少なくとも第1及び第2LED組立体を含む照明回路に関する。
LEDのための既知のタイプのドライバ回路は、タップ・リニアドライバ(tapped linear driver)である。タップ・リニアドライバ(TLD)構造においては、LEDは、典型的には、直列に配設され、整流された電源電圧などの変動する動作電圧供給される。スイッチ又は電流源などの制御装置は、タップ、即ち、直列接続部における接続点に接続される。適切な制御により、LED素子のグループは、瞬間的に利用可能な供給電圧に依存して動作される。
WO 2010/027254 A1は、各LEDユニットが1つ以上のLEDを有する2つ以上のLEDユニットの直列接続を有するLED組立体を記載する。各LEDユニットは、LEDユニットを短絡するための制御可能なスイッチを具備する。バックコンバータ又はブーストコンバータであり得るコンバータが、入力電源をLEDのための適切な電流源に変換することによって、LEDユニットに電力を供給する。制御ユニットが、供給電圧の電圧レベルを表わす信号を受信し、信号に従ってスイッチを制御する。
様々な動作条件下で優れた効率を備える単純且つ安価な照明回路を提供することが目的とみなされ得る。
この目的は、請求項1に記載の照明回路、及び請求項13に記載の動作方法によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい実施例について言及している。
本発明によれば、交流電圧、とりわけ、電源電圧のための入力部を備える整流器からLED組立体に電力が供給される。前記整流器は、例えばハーフブリッジなどの如何なるタイプのものであってもよいが、フルブリッジ整流器が好ましい。従って、好ましくは、前記整流器の出力部において供給される電圧は、整流された正弦波電圧であるだろう。
本文脈において、「LED組立体」という用語は、(発光ダイオード、OLEDなどを含むあらゆるタイプの固体照明素子であり得る)単一のLED素子、又は例えば、直列、並列、若しくは任意の直列/並列構成で電気的に接続される複数のこのようなLED素子を有する回路のいずれかを示すだろう。好ましくは、各LED組立体は、2つの端子、一般には、陽極及び陰極端子しか含まない。前記LED組立体が複数のLED素子を有する場合には、これらは、好ましくは、例えば電気的な直列接続などにおいて、一緒にしか動作できず、別々には動作できない。本発明の単純な実施例は第1及び第2LED組立体しか含まないかもしれないが、2つより多くの、例えば、3つ、4つ又はそれ以上の別々に動作可能なLED組立体を設けることは一般に好ましいだろう。
本発明によれば、前記第1LED組立体は、前記整流器の第1出力部に、とりわけ直列接続で、電気的に接続されると共に、更に、スイッチングコンバータ回路の入力部と直列に電気的に接続される。この「直列に」という用語は、前記第1LED組立体が、前記整流器の出力部又は前記スイッチングコンバータ回路のいずれか、又はその両方に、直接又は間接的に、接続されてもよく、即ち、間に他の回路又は構成要素が配設されてもよいような回路の一般的な構造を指す。幾つかの実施例においては、前記第1LED組立体は、前記整流器の出力部又は前記スイッチングコンバータ回路の入力部のいずれか、又はその両方に、直接、電気的に接続され得る。好ましくは、前記直列接続は、前記第1LED組立体を通る電流が、少なくとも前記第1LED組立体のアクティブな動作状態においては、前記スイッチングコンバータ回路の入力部に流れ込む電流と実質的に等しくなり得るようなものである。
前記スイッチングコンバータ回路は、少なくとも入力部及び出力部を有し、スイッチング動作によって、前記入力部において供給された入力電圧を前記出力部において出力される出力電圧に変換する役割を果たす。前記スイッチングコンバータは、例えば、バックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ、SEPICなどのようなあらゆる既知のタイプのものであり得る。一般に好ましくは、前記スイッチングコンバータ回路は、エネルギを蓄積することができる、コンデンサなどであるが、好ましくはインダクタであるリアクタンス素子を少なくとも1つ有する。前記スイッチングコンバータ回路は、更に好ましくは、例えば、トランジスタ、MOSFET、リレー又は他の既知の電子スイッチング素子などの少なくとも1つの制御可能なスイッチング素子と、前記制御可能なスイッチング素子を制御するための制御回路とを有する。前記制御回路は、繰り返し交互に導電状態と非導電状態とにするよう前記制御可能なスイッチング素子を制御することができ、これは、本文脈においては、前記非導電状態における抵抗が、前記導電状態における抵抗と比べて、著しく、少なくとも1桁高いというように理解される。制御されたスイッチング動作により、例えば、コンデンサの電圧及び/又は導体を通る電流などの、前記リアクタンス素子に蓄積されるエネルギの電気パラメータは、変えられることができ、故に、スイッチング動作を連続的に交互にすることによって、前記入力電圧から制御された出力電圧が得られ得る。前記出力電圧の大きさは、前記スイッチング動作のタイミングを変えることによって制御され得る。前記スイッチングコンバータ回路のトポロジに依存して、前記出力電圧は、例えば、(例えば、バックコンバータなどで)前記入力電圧より低いかもしれず、又は(例えば、ブーストコンバータなどで)前記入力電圧より高いかもしれず、又は(例えば、バックブーストコンバータなどで)動作のモードに依存して前記入力電圧より低い又は低いかもしれない。
本発明によれば、第2LED組立体は、前記スイッチングコンバータ回路の出力部に電気的に接続される。従って、前記第2LED組立体は、前記スイッチングコンバータ回路から電力を供給され得る。スイッチングコンバータ回路は、余剰電圧又は電力が、リニアドライバのように消費されず、利用可能な電圧及び/又は電力が、前記第2LED組立体の動作に適した値に変換されることから、一般に高い効率を持つ。好ましい実施例に関連して明らかになるだろうように、前記第2LED組立体は、前記スイッチングコンバータ回路によって排他的に給電されるよう接続されてもよく、又は他の例においては、前記第2LED組立体は、前記整流器の前記第1出力部と前記第1LED組立体との直列接続部からも電力を供給されるよう接続されてもよい。
更に、制御装置は、前記第1LED組立体の動作を制御するために、少なくとも、前記直列接続部における、前記第1LED組立体と前記スイッチングコンバータ回路の入力部との間のタップに接続され、設けられる。「制御装置」という用語は、ここでは、前記第1LED組立体の動作を制御するのに適した、とりわけ、前記LED組立体を通る電流を制御するのに好ましいあらゆる素子又は回路を指し得る。好ましい実施例に関連して明らかになるだろうように、あり得るタイプの制御装置は、例えば、前記第1LED組立体を制御可能にバイパスすることを可能にするスイッチング素子を含む制御可能なバイパス回路、又は制御される電流源であり得る。
前記制御装置は、前記直列接続部におけるタップに接続される。従って、本発明による回路の提案構造は、前記直列接続部に設けられる前記スイッチングコンバータ回路の入力部を加えた、タップ・リニアドライバ(TLD)の既知のトポロジに相当し得る。従って、制御ユニットは、好ましくは前記整流された電圧の瞬間的に利用可能な大きさに依存して、前記制御装置を制御するのに好ましい。とりわけ、前記制御ユニットは、或るしきい値レベルの前記整流された電圧が利用可能である場合に、又は或る電流しきい値レベルに到達した場合に、前記第1LED組立体を作動させるよう前記制御装置を制御し得る。例えば、電圧しきい値レベルは、前記第1LED組立体の順電圧に相当してもよく、又は前記第1LED組立体の順電圧より高く選ばれてもよい。
本発明者は、線形レギュレータを用いる既知のTLD回路においては、とりわけ、より高い入力電圧のために、著しい損失が生じ得ることに気づいた。電流及び/又は電圧の既知の線形制御の場合には、あらゆる電圧不整合(即ち、瞬間的に利用可能な電圧と、前記LED組立体による電圧降下との間の差)が、前記ドライバ回路において消費される電力の増大をもたらすだろう。スイッチングコンバータ回路の使用により、とりわけ電圧不整合の場合に、電力はより効率的に用いられ得る。
本発明による照明回路及び方法は、既知のTLD構造における他の問題、即ち、前記LED組立体の非常に異なる動作時間にも対処し得る。既知のTLDアーキテクチャにおいては、幾つかのLED組立体は、相対的に高いレベルの前記入力電圧でしか作動されない。従って、正弦波的に変化する入力電圧の場合には、これらのLED組立体の作動期間は、前記回路内の他のLED組立体の作動期間を著しく下回る。本発明によれば、前記スイッチングコンバータ回路が、前記第2LED組立体に電力を供給し得ることから、好ましい実施例から明らかになるだろうように、交流供給電圧の各半周期内の前記第2LED組立体の作動期間を増加させることが可能である。これは、生成される光のより良好な分布と、利用可能なLED組立体の使用の改善をもたらし得る。
本発明に従って提案される照明回路及び方法は、LEDに動作電力を供給するためにスイッチングコンバータのみを用いるものに比べて著しい利点も供給する。好ましくは、前記スイッチングコンバータ回路の出力部からの電力は、前記第2LED組立体には供給されるが、前記第1LED組立体には供給されない。従って、前記スイッチングコンバータ回路のレイアウト及び寸法決めは、前記第2LED組立体の動作電力に対する備えしかする必要がない。従って、前記第1及び第2LED組立体の両方に電力を供給するために必要とされるだろうものと比べて、より単純で、より高価ではないスイッチングコンバータ回路が用いられ得る。
本発明の好ましい実施例によれば、前記直列接続部における前記タップに接続される前記制御装置は、少なくとも導電状態及び非導電状態に制御可能なスイッチング素子を含み得る。前記スイッチング素子は、前記導電状態において前記第1LED組立体をバイパスするよう接続され得る。従って、前記非導電状態においては、前記直列接続部に流れる電流が、前記第1LED組立体を通過するだろう。
他の例においては、前記制御装置は、前記タップと前記整流器の第2出力部への帰還路との間に接続され得る制御可能な電流源回路を含み得る。好ましくは、検出抵抗器が、前記制御可能な電流源に電流フィードバック信号を供給し得る。前記検出抵抗器は、前記帰還路に設けられ得る。
上記のように、前記第1及び第2LED組立体に加えて、他の個々に動作可能なLED組立体を設けることは好ましいかもしれない。例えば、第3LED組立体が、前記直列接続部において、前記整流器の前記出力部と、前記スイッチングコンバータの前記入力部との間に電気的に接続され、設けられ得る。とりわけ、前記第1LED組立体に直列に、例えば、前記整流器の前記第1出力部と前記第1LED組立体との間又は前記第1LED組立体と前記スイッチングコンバータの前記入力部との間に、直接又は間接的に、1つ以上の他のLED組立体が接続され得る。前記第3LED組立体は、少なくとも前記第1LED組立体と一緒に、例えば、前記第3LED組立体の動作を制御するよう前記直列接続部におけるタップに接続されている前記第3LED組立体の動作を制御するための制御装置(例えば、制御可能な電流源又はバイパス回路のいずれか)と共に、TLD構成を形成するよう設けられ得る。この方法においては、全体的な回路構成は、前記直列接続部に設けられる前記スイッチングコンバータを加えた多段TLDに相当し得る。例えば第3LED組立体などの他のLED組立体の場合には、前記制御ユニットは、前記LED組立体が、前記瞬間的に利用可能な整流された電圧に依存して複数の段階で作動されるように、前記LED組立体と関連する前記制御装置を制御することが好ましい。例えば、第1しきい値未満の低い整流された電圧での第1段階においては、前記制御装置は、前記LED組立体のいずれも作動されないように、制御される。前記第1しきい値レベルに達するときに、例えば、前記第1LED組立体が、関連する制御装置をそれに応じて制御することによって、作動され得る。第2しきい値レベルに達するときに、前記第1LED組立体及び少なくとも1つの他のLED組立体が作動され得るなどである。
本発明の或る好ましい実施例においては、コンデンサが前記スイッチングコンバータ回路に接続され得る。好ましくは、前記スイッチングコンバータ回路は、少なくとも2つの入力端子を有し、前記コンデンサは、これらの2つの端子の間に接続され得る。前記コンデンサは、とりわけ、少なくとも前記第1LED組立体及び/又は前記第2LED組立体に電気的に直列接続され得る。例えば、前記コンデンサは、一方の側においては、前記直列接続部における、前記第1LED組立体と前記スイッチングコンバータ回路の前記入力部との間のタップに接続されることができ、他方の側においては、整流器の前記第2出力部への前記帰還路に接続されることができる。その場合、前記コンデンサは、前記スイッチングコンバータ回路のための入力電圧を安定させる役割を果たす。前記コンデンサが、直接又は間接的に、少なくとも前記第1LED組立体及び/又は前記第2LED組立体並びに前記帰還路と直列に電気的に接続される場合には、前記コンデンサの両端の電圧は、前記直列接続部内の前記第1LED組立体及びあり得る他のLED組立体による電圧降下を引いた(且つ電気経路内の、前記整流器、電流源及びあり得る他の構成要素による付加的な電圧降下を引いた)前記瞬間的に利用可能な入力電圧に等しいだろう。
前記コンデンサにわたる電圧は、前記回路、とりわけ、前記制御装置及び前記スイッチングコンバータ回路などの前記回路の制御可能な構成要素の動作に依存して、異なるように制御され得る。前記回路が、前記コンデンサにわたる残留電圧が実質的に一定のままであるように、前記コンデンサが、前記電源電圧の多くの半周期にわたって、この実質的に一定の電圧まで充電されたままであるように(即ち、半周期の間の電圧変動が実質的に全電圧未満であるように)、動作される場合には、前記コンデンサは、残留電圧コンデンサと呼ばれ得る。このモードの動作を達成するよう前記回路の制御を行うためには、前記残留電圧コンデンサに並列に制御可能な電流源を設けることは好ましいだろう。他の例においては、前記スイッチングコンバータが前記残留電圧コンデンサにわたって安定した平均電圧レベルを維持することを可能にするよう前記電流のフィードバック信号を供給し得る制御可能な電流源が、前記残留電圧コンデンサと直列に設けられ得る。
前記コンバータ回路は、前記コンデンサの両端の電圧を入力として用いて、前記第2LED組立体に電力を供給するよう動作することができ、これは、例えば線形レギュレータにおいては電圧を消費するのとは対照的に、効率を著しく向上させる。
他の好ましい実施例においては、少なくとも1つの安定化コンデンサが、前記LED組立体のうちの少なくとも1つと並列に接続され得る。前記安定化コンデンサは、より安定した光出力を達成するよう前記LED組立体にわたる電圧を安定させる役割を果たし得る。安定化コンデンサは、例えば、少なくとも前記第1LED組立体だけでなく、全ての他のLED組立体にも並列に、接続され得る。
本発明のとりわけ好ましい実施例においては、前記第2LED組立体が、前記第1LED組立体と電気的に直列接続され得る。従って、前記スイッチングコンバータの前記出力部から供給される電力は、前記直列接続部の少なくとも1つのLED組立体に供給され得る。電流の逆流を防止するために、前記スイッチングコンバータ回路の前記出力部からのフィードバック経路に、及び/又は前記LED組立体の直列接続部に、ブロッキングダイオードが設けられ得る。前記第2LED組立体は、例えば、直接又は間接的に、前記第1LED組立体と前記スイッチングコンバータ回路の前記入力部との間に電気的に接続され得る。従って、とりわけ好ましい実施例においては、前記第2LED組立体は、前記スイッチングコンバータ回路の入力部及び出力部の間に接続され得る。この構成においては、特に、入力電圧より出力電圧を供給することができるブースト又はバックブーストタイプのスイッチングコンバータ回路が好ましい。
他の好ましい実施例においては、少なくとも前記第1LED組立体と電気的に直列接続される電流源が、設けられ得る。前記電流源は、更に、他のLED組立体及び/又は前記第2LED組立体と直列に設けられ得る。前記電流源は、従来のTLD構成から知られているように前記直列接続部を通る電流を調整する役割を果たし得る。
下記の実施例を参照して、本発明のこれら及び他の態様を説明し、明らかにする。
本発明の第1実施例の回路図を示す。 本発明の第2実施例の回路図を示す。 本発明の第3実施例の回路図を示す。 本発明の第4実施例の回路図を示す。 本発明の第5実施例の回路図を示す。 本発明の第6実施例の回路図を示す。 本発明の第7実施例の回路図を示す。 本発明の第2実施例に対応する本発明の第8実施例の回路図を示す。 本発明の第8及び第9実施例による回路における時間にわたる電力の図を示す。 本発明の第8及び第9実施例による回路における時間にわたる電力の図を示す。 本発明の第9実施例の回路図を示す。 本発明の第9実施例の場合の時間にわたる電力を示す図を示す。 従来技術の回路の回路図を示す。 従来技術の回路の回路図を示す。 図12の回路の場合の時間にわたる電力の図を示す。
図12及び13は、電源電圧によって給電される整流器14の出力から複数のLED組立体、示されている例においては3つのLED組立体20、22、24を駆動するための広く知られているドライバ回路10及び12を示している。
回路10、12においては、LED組立体20、22、24は、タップ・リニアドライバ(TLD)の構成で配設されている。両方の回路10、12において、LED組立体20、22、24は、整流器14の2つの出力部の間に直列に接続される。リニアドライバ16、図12及び13の例においては制御可能な電流源回路は、整流器14の出力部の間でLED組立体20、22、24と直列に接続される。制御可能な電流源16は、帰還路31に接続される。
ここでは制御装置と呼ばれる電気素子/回路は、直列接続におけるタップ26、27、28、29、とりわけ、LED組立体20、22、24の間の接続点26、28に接続される。
単一電流源TLD回路を示している図12に示されている回路10の例においては、制御装置は、各々がLED組立体20、22、24に並列に接続される制御可能なスイッチ30、32、34である。従って、スイッチ30、32、34は、バイパス素子を形成し、個々のLED組立体20、22、24は、スイッチ30、32、34が導電状態にある場合には、対応するLED組立体20、22、24が作動しないようにされるように、スイッチ30、32、34によってバイパスされ得る。
制御ユニット(図示せず)が、いずれの場合においても、整流された電圧の瞬間値と、現在作動されているLED組立体20、22、24の順電圧の合計との間の電圧不整合が最小化されるように、LED組立体の適切な直列接続が、整流器14の出力部に接続されるように、整流された正弦波の電源電圧の瞬間的な大きさに依存してスイッチ30、32、34の動作を制御する。
複数電流源TLD回路を示している図13の回路12の例においては、制御装置は、制御可能な電流源16に加えて、制御可能な電流源40、42である。制御可能な電流源40、42、16は、各々、帰還路31に設けられる電流測定抵抗器(シャント)によって供給される電流測定信号に従って制御され得る。
異なる回路10、12の両方において、示されているタップ・リニアドライブ構成は、本質的限界を持つ。詳細には、LEDストリング電圧(LED組立体20、22、24の、作動されている場合の順電圧の合計)が、電源入力電圧振幅と整合させられる必要がある。あらゆる過電圧が、ドライバ、示されている例においてはリニア電流源16における損失の増大をもたらす。
図14は、電源電圧の半周期の間の時間tにわたって示される電力Pの図を示している。点線として示されているのは、平均公称入力電力Pnom,inである。実線として示されているのは、時間的に変化する公称入力電力Pnom,in (t)である。公称電源入力電圧が印加される場合には、リニアドライバ16における平均電力損失は、破線Pdiss,cs (t)で示されているように相対的に低いだろう。しかしながら、電源電圧が変動し、増加された電圧(高い電源)が印加される場合には、TLDドライバの総平均損失は、一点鎖線Pdiss,cs,high (t)で示されているように急激に増加する。例えば、公称電源時の平均総電力損失は、3.8Wであり得るが、高い電源(20%増加された振幅)時の総平均損失は、例えば9.4Wまで増加し得る。従って、図12の単一電流源回路10が関係するか、又は図13の複数電流源回路12が関係するかにかかわらず、TLDの概念は、とりわけ、高い電源などの、様々な動作条件に適切に応答しない。
図1は、第1実施例による回路18を示している。整流器14が、整流器出力部16、28において整流された電圧VRを出力するために、交流電圧V、とりわけ電源に接続される。
第1整流器出力部26には第1LED組立体20が接続される。(各LED組立体は、例えば、個別のLED素子の直列接続又は並列接続であり得る。)LED組立体20は、スイッチングコンバータ回路44(SMPS)の2つの入力部36、38の一方に接続される。従って、第1LED組立体20は、整流器14の出力部26と、スイッチングコンバータ回路44の入力部36との間の直列接続部において、接続される、示されている例においては、直接、即ち、間に他の構成要素なしに、接続される。従って、第1LED組立体20と、スイッチングコンバータ回路44の入力部36とが、整流器14の出力部26に直列に電気的に接続される。
スイッチング素子30が、制御装置として、第1LED組立体20に並列に接続される、即ち、一方の側において、整流器14の第1出力部26に接続されると共に、他方の側において、直列接続部における相互接続タップ46に接続される。スイッチング素子30は、LED組立体20が整流器14の出力部26から流れる電流によって動作させられ得るようにLED組立体20が作動される非導電状態と、スイッチング素子30が、バイパス経路を接続し、斯くして、LED組立体20を作動しないようにする導電状態とのいずれかを呈するよう、制御ユニット(図示せず)によって制御され得る制御可能なスイッチング素子である。
スイッチングコンバータ回路44は、例えば、バックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータなどのようなあらゆる既知のタイプ又はトポロジのものであり得る。スイッチングコンバータ回路44は、当業者には広く知られているように、(図1乃至7には示されていない)リアクタンス素子に接続されているスイッチング素子の連続的な切り替えによって、入力部36、38において供給される電圧を、出力部48、50において供給される出力電圧に変換する。スイッチングコンバータ回路44の特定の回路の例は、図8及び10に関連して更に記述されるだろう。
スイッチングコンバータ回路44の出力部48、50には第2LED組立体22が接続される。従って、スイッチングコンバータ回路44は、第2LED組立体22に電力を供給する。SMPS 44の入力部36、38に入力電圧が十分な大きさで供給される場合には、出力電圧VSWが、第2LED組立体22の動作に適した所定のレベルで制御される。
制御ユニット(図示せず)は、既知のTLD構成におけるスイッチング素子と同じように、即ち、整流された電圧VRの瞬間的な利用可能な値に依存して、又は他の例においては、第1LED組立体20を通る(若しくはスイッチ30が閉じられる場合にはスイッチ30を通る、即ち、タップ26からタップ36への)電流に依存して、スイッチング素子30を操作する。
VRの大きさは、電源電圧Vの各半周期内で、ゼロから正弦波的に変化する。電圧VRが、(上で説明したように、例えば、個別のLED素子の直列接続であり得る)LED組立体20の順電圧に相当し得るしきい値未満である間、スイッチング素子30は、LED組立体20が作動しないようにされるように、導電状態に設定される。従って、半周期の最初の期間においては、VRが上昇するので、スイッチングコンバータ回路44の入力端子36、38間の残留電圧も上昇する。スイッチングコンバータ回路44は、第2LED組立体22を駆動するために、この入力電圧をスイッチ出力電圧(switched output voltage)VSWに変換する。
整流された電圧VRの値がしきい値を上回る値まで増加するときに、スイッチン素子30は、制御ユニットによって非導電状態へ制御され、それによって、第1LED組立体20を作動させる。LED組立体20の順電圧は一定のままであることから、その後、スイッチングコンバータ回路44の入力部36、38の間には再び増加する残留電圧があるだろう。なぜなら、整流された電圧VRは更に増加するからである。残留電圧がスイッチングコンバータ回路44に供給するのに十分に大きい場合には、第2LED組立体22にも電力が供給される。
半周期の後半においては、電圧VRの値は絶え間なく減少する。VRがしきい値未満の値まで下落する場合には、スイッチング素子30は導電状態に設定される。この場合にもまた、スイッチングステップ中のあらゆる残留電圧が、第2LED組立体22に電力を供給するために、スイッチングコンバータ回路44によって出力電圧VSWに変換される。
電流に基づくスイッチ30の制御をもたらす他の実施例においては、電流値が測定される。スイッチ30が開いており(即ち、非導電状態にあり)、LED組立体20が動作している場合には、電流がモニタされる。第1電流しきい値に到達するときに、スイッチ30が閉じられる(即ち、導電状態に設定されるよう制御される)。スイッチ30が閉じられている状態では、スイッチ30が再び開けられる第2電流しきい値に到達するまで、電流が更にモニタされる。
第1実施例18に関連して図1において示し、上で説明したのと同じ基本概念が、図2に示されているような、第2実施例による回路52によっても実現され得る。ここでは、同様のパーツには同様の参照符号が用いられており、違いだけが更に説明されるだろう。
第2実施例による回路52は、第1LED組立体20の操作のための制御装置のタイプだけ、第1実施例による回路18と異なる。第2実施例による回路52は、第1LED組立体20及びスイッチングコンバータ回路44の入力部36の直列接続部におけるタップ46と、整流器14の第2出力部28への帰還路との間に接続される制御装置として、第1実施例におけるスイッチング素子30の代わりに、制御可能な電流源40を含む。制御可能な電流源40の制御は、類似のTLD回路と同じように(例えば、図13において示し、上で説明したのと同じように)行われ、電流源40は、帰還路内の検出抵抗器によって供給される電流値に従って制御される。従来技術の複数電流源TLD回路(図13)の電流源16が、SMPS 44に置き換えられる。
第1及び第2実施例による回路の両方とも、TLD駆動概念と同様のアーキテクチャを含むが、TLD構造の直列接続部内にスイッチングコンバータ(SMPS、スイッチング電源)を含むハイブリッドドライバの概念を実現する。完全にSMPSに頼るLEDドライバと比べて、サイズ及びコストは著しく減らされる。なぜなら、全出力電力の例えば約50%のような一部しかSMPSにおける電力変換を必要としないからである。更に、ハイブリッドドライバの概念は、LED組立体20、22の両方を同様の平均電流レベルで駆動することによって、LED組立体20、22の優れた利用を達成する。これは、熱をより良く拡散させるのに役立つと共に、より一様な光分布という利点も有する。LED組立体の一部を十分に活用しないことが防止される。
ハイブリッドドライバは、既知のTLDドライバと比べて、リニアドライバにおいて浪費される余分な損失なしに高い電源に対処するのにより適している。従って、SMPSにおける変換により変換によって電力損失が減らされるので、効率が改善される。
図3は、第3実施例による回路54を示している。第3実施例による回路54及び他の実施例における他の回路は、幾つかの部分において、上記の実施例による回路18、52に対応する。図3及び残りの図において、同様の参照符号は同様のパーツを指す。以下においては、個々の実施例の間の違いだけを更に説明する。
図3に示されている回路54においては、スイッチングコンバータ回路44の入力部36、38間に、コンデンサ56が、設けられ、接続される。コンデンサ56は、整流された電圧VRの、第1LED組立体20による電圧降下の差し引き後に残っている電圧まで充電されるだろう。コンデンサ56は、スイッチングコンバータ回路44の入力部36、38間の電圧を安定させるのに役立ち得る。リニアドライバにおいて残留電圧を浪費するのではなく、前記電圧が、SMPS 44を通して第2LED組立体22に給電するのに用いられる。
図4は、第4実施例による回路58を示している。図4に示されている回路58は、第1実施例による回路18と比べて、第1及び第2LED組立体20、22以外に、第3LED組立体24を有する。3つのLED組立体20、22、24全てが、(後で説明する、第1LED組立体20と第2LED組立体22との間の付加的なブロッキングダイオード60と共に)直列に電気的に接続される。スイッチング素子30、34は、各々のLED組立体20、24に並列に接続される。スイッチング素子32は、LED組立体22及びブロッキングダイオード60の直列接続部に並列に接続される。
リニア電流源16は、LED組立体20、22、24に直列に電気的に接続される。
図4に示されている回路58は、単一電流源ハイブリッドTLDドライバの実施の例である。第1、第2及び第3LED組立体20、22、24は、制御ユニット(図示せず)により、それらの各々のスイッチング素子30、32、34によって制御される。制御は、従来のTLDのために知られているように、即ち、整流された電圧VRの第1及び第2しきい値に従って、行われる。整流された電圧VRが、第1しきい値未満であるのか、第1及び第2しきい値の間であるのか、又は第2しきい値を上回るのかに依存して、スイッチ30、32、34の対応する制御によって、いずれも作動されない、第1LED組立体20だけが作動される、第1及び第2LED組立体20、22が作動される、又は第1、第2及び第3LED組立体20、22、24が作動される。
残っている余剰電圧は、効率的なSMPS 44によって変換され、前記SMPS 44の出力部48から、ブロッキングダイオード64を備えるフィードバック分岐62を通して、前記直列接続部におけるタップ66に戻される。従って、第2LED組立体22は、SMPS 44から電力を受け取る。ブロッキングダイオード60、64は、電流の逆流を防止する。
図4による回路58においては、フィードバック線62が、SMPSの出力部48を、前記SMPSの入力部36に、第2LED組立体22が間に接続されている状態で、接続する。従って、第2LED組立体22に電力を供給するためには、SMPS 44の出力電圧は、入力電圧より高くなければならない。この理由のため、この実施例においては、バックブーストコンバータタイプのSMPS 44が好ましい。
各半周期内の、LED組立体20、22、24の現在作動されている直列接続部が、瞬間的に利用可能な整流された電圧VRに厳密に整合される時点においては、著しい残留電圧はなく、故に、SMPS 44は作動していないかもしれない。しかしながら、TLD制御のステップ間においては、残留電圧が増加するので、SMPSが、第2LED組立体22に電力を供給するよう残留電圧を変換し、斯くして、効率を向上させる。
高い電源電圧Vが印加され、大きな不整合が存在する場合には、SMPS 44は、損失を防止するのにとりわけ有効であるだろう。
図5は、第5実施例による回路70を示している。回路70は、複数電流源ハイブリッドTLDの実施の例を示している。第4実施例による回路58と同様に、SMPS 44の出力48は、第2LED組立体22に電力を供給するよう、フィードバック線62を通してフィードバックされる。図5に示されている回路70においては、制御は、LED組立体20、24のための制御装置の役割を果たす制御可能な電流源40、41を通して行われる。
電流源40の電流検出抵抗器によって、回路70を通る全電流が測定される。各半周期の開始時には、電流源40は、低い電流値に設定されるだろう。電源ゼロ交差後、整流された電源電圧VRがLED組立体24の順電圧と等しくなるまで、電流は流れないだろう。
その後、LED組立体24を通る電流は、VRの増加と共に増加し続けるだろう。電圧VRが、LED組立体24及び20の順電圧の合計と等しい値に到達するときに、電流源41は導通し始めるだろう。
電流源41の電流は電流源40の電流検出抵抗器も流れることから、電流源40を通る電流は、電流源41によって供給される電流と同じ量だけ減らされるだろう。従って、LED組立体24を通る電流は、電流源41が引き継ぐので、変わらないだろう。
短い期間内、電流源41が前記電流を引き継ぎ、電流源40が作動しないようにされるだろう。
整流された電源電圧VRの最大瞬間電圧の近くでは、電流源の役割を果たすSMPS 44が、同じように、LED組立体20、22、24を通る全電流を引き継ぐだろう、即ち、帰還路に流れる全電流により、検出抵抗器が、電流源40、41が作動しないようにされるだろうような高い電流測定信号を供給するだろう。
図6は、第6実施例による回路72を示している。回路72は、構造において、図5の回路70に対応する。回路72においては、制御は、図5の回路70と同様に、制御可能な電流源40、41及び78によって行われる。以下においては、違いだけを更に説明する。
回路72においては、LED組立体20、22、24の各々に並列に安定化コンデンサ74が接続される。安定化コンデンサ74は、LED組立体20、22、24の光出力を安定させると共にフリッカを減らす役割を果たす。LED組立体20、22、24の動作中、安定化コンデンサ74は、各LED組立体20、22、24の順電圧まで充電される。小さい電圧又は電流変動がある場合には、LED組立体20、22、24の動作は、それによって安定させられる。
更に、回路72は、残留電圧コンデンサとして相対的に大きいコンデンサ56を有する。残留電圧コンデンサ56は、SMPS 44の入力部に並列に、即ち、SMPS 44の入力端子36、38の間に接続される電解コンデンサである。
更に、回路72は、帰還路において、SMPS 44の入力部36、38と直列に電気的に接続される第3の制御可能な電流源78を有する。
ブロッキングダイオード76は、電流の逆流を防止するようLED組立体20、22、24の直列接続部内に接続される。
直列接続される電流源78及び大きな残留電圧コンデンサ76を含む回路72は、平均電力ハイブリッドコンバータ、即ち、高い電源電圧時の電力損失を十分に減らしながら、小さいSMPSという点では最も大きな節減を達成するよう設計される本提案ハイブリッドTLD−SMPS構造の回路である。平均電力ハイブリッドコンバータは、高い電源の間、平均余剰電圧のレベルまで充電するだろう直列フィルイン・コンデンサ(series fill-in capacitor)56を有する。電源振幅変動が、一方の(半)周期でしか生じないが、一般に、電源電圧の多くの周期の間続くと仮定すると、コンデンサ56に充電される残留電圧は、多くの周期にわたって実質的に一定であるだろう、即ち、各(半)周期内の変動は、全体の値に比べて小さいだろう。この理由のため、この回路におけるコンデンサ56は、残留電圧コンデンサとみなされ得る。
回路72の制御は、残留電圧コンデンサ56の実質的に一定の電圧を達成するよう行われる。これは、例えば、制御可能な電流源78が、SMPS 44が残留電圧コンデンサの両端の平均電圧レベルを制御することを可能にするフィードバック信号をSMPS 44の制御部に供給する場合に、達成され得る。他の例においては、(例えば、下で更に説明する図7における電流源16について示されているように)残留電圧コンデンサ56に並列に制御可能なリニア電流源が設けられ得る。その場合、SMPS 44は、リニア電流源を通る電流及び電圧降下を直接測定し、それに応じて残留電圧コンデンサ56の両端の電圧を制御してもよい。
低い電源電圧においては、このコンデンサの両端の電圧は、非常に低くなり、通常、ゼロの近くになるだろう。高い電源電圧時には、コンデンサ56の両端の電圧は、残留電圧と等しく高くなる、即ち、電源電圧の高い振幅と電源電圧の公称振幅との間の差になるだろう。コンデンサの充電は、コンデンサ56がLED組立体20、22、24と直列に配置されるので、TLDドライバ制御ユニット(図示せず)によって制御され、残留電圧コンデンサ56の放電は、SMPSコンバータ44によって制御される。
平均電力ハイブリッドコンバータ回路72の主な利点は、高い電源電圧時の電力損失を減らす一方で、相対的に小さいサイズのSMPS 44しか必要としないという目的を達成しようとすることである。上で図14に関して記述したように、高い電源の間のピーク電力は、例えば10乃至20Wのように相対的に高くなり得る。図6に示されている平均電力ハイブリッドコンバータ回路72は、LEDの最後の段、即ち、第2LED組立体22に戻すよう連続的な平均電力を変換するために、相対的に高い静電容量56を用いる。この理由のため、SMPSコンバータ44は、ピーク消費電力の半分未満用にしか設計される必要がない。静電容量56が相対的に大きいことから、コンデンサ56は、コンデンサ56の両端にほぼ一定の電圧を持ち、故に、入力端子36の電位は、高い電源条件に対して調節するために制御されることができる。通常の及び高い電源の動作中、制御可能な電流源40、41、78を含むTLDドライバにおける損失は、ほぼ同様であるだろう。従って、平均電力ハイブリッドコンバータ回路72は、高い電源の間の良好な効率を得るための最小コストのソリューションである。
図7は、第7実施例による回路80を示している。回路80の構造は、3つのLED組立体20、22、24及び関連する並列に接続されるバイパススイッチ30、32、34を備える単一電流源ハイブリッドTLDコンバータのものである。第4実施例(図4)による回路58と同様に、電流源16は、SMPS 44の第1及び第2入力部36、38の間に、LED組立体20、22、24と直列に接続される。SMPS 44の出力部48において供給される出力電圧は、第2LED組立体22に動作電力を供給するために、フィードバック線62を通して直列接続部のタップ66にフィードバックされ、ブロッキングダイオード60、64が電流の逆流を防止する。
図7に示されているような回路80においては、コンデンサ56は、SMPS 44の入力部36、38の間に、制御可能な電流源16に並列に接続される。
第7実施例による回路80は、所定のピーク電力ハイブリッドTLDコンバータであり得る。ピーク電力ハイブリッドTLDコンバータ80は、平均電力ハイブリッドコンバータTLDコンバータ回路72(図6)と比較して、より高い電力のSMPSコンバータ44を必要とするが、公称動作条件における効率の改善を達成する。ピーク電力ハイブリッドTLDコンバータのためには、とりわけ、LED組立体20、22、24と直列に単一の電流源16を備えると共に、LED組立体20、22、24と並列にスイッチング素子30、32、34を備える回路80の示されている構造が好ましい。ピーク電力ハイブリッドTLDコンバータ回路は、一定の出力電力、又は高い電源整合性の最低コストでの実施のいずれかのために最適化され得る。高い電源時、出力電力が尊重される必要がある場合には、ハイブリッドTLDドライバの入力電流は、より高い電源電圧を基準にして低くされる必要がある。結果として、SMPS 44のピーク電力は2倍になる。しかしながら、SMPS 44のこのピーク電力は、公称条件下でLED組立体20、22、24に供給される総ピーク電力の30%にしか相当しないかもしれず、故に、この電力をフィードバック線62を通して第2LED組立体22にフィードバックすることによって効率は依然として向上され得る。
図9aは、電源電圧の半周期内の時間の関数としての出力電力の、従来のTLDドライバ(Pout,high,TLD、一点鎖線)と、ピーク電力コンバータを備えるハイブリッドTLDドライバ(Pout,hyb、点線)と、総入力電力(Pin,high、実線)との間の比較を示している。
ピーク電力ハイブリッドTLDドライバ回路80を構成要素コストに対して最適化するために、SMPS 44は可能な限り小さく設計されている。従って、ピーク電力ハイブリッドTLDドライバ回路80の設計は、公称電源に対して最適化されることができ、高い電源の間の出力電力は、SMPS 44の電力制約を満たすために制限され得る。
例として、図9bが、電源電圧Vの半周期の間の時間tにわたる電力Pのグラフを示している。実線として示されているのは、ハイブリッド回路80の総出力電力Pout,high,hypである。SMPSコンバータの出力電力Pout,high,SMPSは、点線として示されている。回路80のTLD部分の出力電力Pout,high,TLDは、一点鎖線として示されている。
図9bに示されているように、ハイブリッドTLDドライバのピーク電力が、公称電源電圧下で動作するための構成要素コストに対して最適化される場合には、総出力電力は、高い電源の間、公称電源条件と比べて40%も低下し得る。
図8は、図1に示されている回路18のより詳細な例として回路82を示している。
回路82においては、入力電源電圧Vは、入力フィルタ回路84においてフィルタにかけられ、整流器14において整流され、他のフィルタ回路86において再びフィルタにかけられる。結果として生じる、整流され、フィルタにかけられた電圧が、第1LED組立体20及びSMPS 44の直列接続部に印加される。
図8の例においては、第1LED組立体20は、2つの個別のLED素子の並列接続から成る。安定化コンデンサ74は、第1LED組立体20に並列に接続される。スイッチング素子30は、制御可能なバイパスを供給するよう第1LED組立体20に並列に接続される。ブロッキングダイオード86は、安定化コンデンサ74からの電流の逆流を防止するために第1LED組立体20に直列に接続される。
SMPS 44は、ブーストコンバータの既知のトポロジで配設される、インダクタンスLと、出力ダイオードDと、スイッチング素子SとしてのMOSFETとを有する。制御ユニット88は、検出抵抗器RSにわたる検出電圧VSのフィードバック信号に基づいてスイッチング素子Sを制御する役割を果たす。SMPS 44の制御回路88は、整流され、フィルタにかけられた入力電圧の大きさを表す分圧器R1、R2からの電圧信号を受信する。
ブーストコンバータ44は、出力端子48、50において出力電圧を供給し、前記出力電圧は、第2LED組立体22を動作させるために用いられ、安定化コンデンサ74によって安定させられる。示されている例においては、第2LED組立体22は、4つの個別のLED素子の並列接続である。
図10は、第9実施例による回路90の回路図を示している。回路90は、第4実施例による回路58の構造に対応するより詳細な例である。
回路58に加えて、安定化コンデンサ74が、電流の逆流を防止するために直列にブロッキングダイオード76を備えるLED組立体20、22、24の各々に並列に接続される。
図10に示されているように、回路90におけるSMPS 44は、インダクタンスLと、スイッチング素子SとしてのMOSFETと、出力ダイオードDとを含むバックブーストコンバータである。
SMPS 44の制御回路(図示せず)は、フィードバック線62を介してLED組立体20、22、24の直列接続部内のタップ66にフィードバックされる出力電圧を出力端子48において供給するためのスイッチング素子Sの制御のために供給される。
図11は、その上部においては、回路90のリニア電流源16による電圧降下Vを示している。
下部においては、電力Pが時間tにわたって示されている。SMPS 44がない場合、実線として示されている曲線が、リニア電流源16における損失に対応する。SMPS 44による電力の抽出により、実際に生じる損失は、著しく低くなり、一点鎖線として示されている。
これは、どのように、図10において示されているバックブーストコンバータ44を用いて、リニア電流源16における損失が著しく減らされることができ、結果として生じる電力が第2LED組立体22にフィードバックされるかを示している。これは、回路90の著しく改善された効率と、LEDの改善された使用とをもたらす。従来のTLD構造においては、第2LED組立体22は、各半周期内で最も少ない動作時間を持つだろう。SMPS 44からの出力電圧の使用により、第2LED組立体22の動作時間は増大され、光出力及び熱損失の両方の、LED組立体20、22、24の間での改善された配分をもたらす。
図面及び上記において、本発明を詳細に図示及び記載しているが、このような図示及び記載は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであり、限定するものとみなされるべきではなく、本発明は、開示されている実施例に限定されない。
例えば、単一電流源構造又は複数電流源構造、LED組立体に並列のスイッチング素子30、32、34、LED組立体20、22、24に並列に電気的に配設される安定化コンデンサ74、残留電圧コンデンサ56、フィードバック線62などのような、上の実施例において様々な構成で示されている個々の素子は、異なるように組み合わされ得る。SMPS 44は、代わりに、示されているブースト及びバックブーストコンバータ以外の、バックコンバータ、sepicコンバータ又は他のタイプのような異なるトポロジのスイッチングコンバータ回路で実現されてもよい。
請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外しない。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項における如何なる参照符号も、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

  1. 交流電圧のための入力部を備える整流器と、
    前記整流器から電力を供給されるよう接続される少なくとも第1及び第2LED組立体とを含む照明回路であって、
    前記第1LED組立体が、前記整流器の第1出力部と電気的に直列接続され、前記第1LED組立体が、更に、スイッチングコンバータ回路の入力部と電気的に直列接続され、
    前記第2LED組立体が、前記スイッチングコンバータ回路の出力部に電気的に接続され、
    前記第1LED組立体の動作を制御するための制御装置が、前記直列接続部におけるタップに接続される照明回路。
  2. 前記制御装置が、少なくとも導電状態及び非導電状態に制御可能なスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子が、前記導電状態において前記第1LED組立体をバイパスするよう接続される請求項1に記載の照明回路。
  3. 前記制御装置が、前記タップと前記整流器の第2出力部への帰還路との間に接続される制御可能な電流源を有する請求項1乃至2のいずれか一項に記載の照明回路。
  4. 前記スイッチングコンバータ回路が、少なくとも、リアクタンス素子、制御可能なスイッチング素子、及び繰り返し交互に導電状態と非導電状態とにするよう前記制御可能なスイッチング素子を制御するための制御回路を有する請求項1乃至3のいずれか一項に記載の照明回路。
  5. 少なくとも第3LED組立体が、前記直列接続部において、前記整流器の前記第1出力部と、前記スイッチングコンバータの前記入力部との間に電気的に接続され、
    前記第3LED組立体の動作を制御するための制御装置が、前記直列接続部におけるタップに接続される請求項1乃至4のいずれか一項に記載の照明回路。
  6. 前記スイッチングコンバータ回路が、少なくとも2つの入力端子を有し、
    前記2つの入力端子の間にコンデンサが接続される請求項1乃至5のいずれか一項に記載の照明回路。
  7. 前記コンデンサが、少なくとも前記第1LED組立体に電気的に直列接続される請求項6に記載の照明回路。
  8. 前記LED組立体のうちの少なくとも1つが、直列、並列又は直列/並列接続において電気的に接続される複数のLED素子を有する請求項1乃至7のいずれか一項に記載の照明回路。
  9. 安定化コンデンサが、前記LED組立体のうちの少なくとも1つと電気的に並列接続される請求項1乃至8のいずれか一項に記載の照明回路。
  10. 前記第2LED組立体が、前記第1LED組立体と電気的に直列接続される請求項1乃至9のいずれか一項に記載の照明回路。
  11. 前記第2LED組立体が、前記第1LED組立体と前記スイッチングコンバータ回路の入力部との間に電気的に接続される請求項1乃至10のいずれか一項に記載の照明回路。
  12. 電流源が、前記第1LED組立体と電気的に直列接続される請求項1乃至11のいずれか一項に記載の照明回路。
  13. 照明回路を動作させる方法であり、
    整流器に交流電圧を供給して、前記整流器から少なくとも第1及び第2LED組立体に電力を供給するステップを有する方法であって、
    前記第1LED組立体が、前記整流器の第1出力部と電気的に直列接続され、前記第1LED組立体が、スイッチングコンバータ回路の入力部と電気的に直列接続され、
    前記第2LED組立体が、前記スイッチングコンバータ回路の出力部に電気的に接続され、
    前記第1LED組立体の動作を制御するための制御装置が、前記直列接続部におけるタップに接続される方法。
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