JP5357553B2 - 電源装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明はフルブリッジ回路を有する電源装置及びそれを用いた照明器具に関するものである。

有機ＥＬ素子は逆電圧を印加することにより寿命を回復させる効果があることが知られている（特許文献１）。そこで、従来は図５の回路のように、通常の点灯期間では、直流電源Ｖｄｃから抵抗Ｒを介して有機ＥＬ素子３に供給される電圧を、スイッチ回路ＳＷの常閉接点を介してコンデンサＣに充電しておき、回復期間では、スイッチ回路ＳＷを常開接点側に切り替えることにより、有機ＥＬ素子３に逆電圧を印加できるように構成していた。

しかしながら、図５の従来例では、有機ＥＬ素子３に逆電圧を印加する時間や、印加される電圧、電流を任意にコントロールすることが困難なため、有機ＥＬ素子３に過大なストレスが印加されたり、十分に特性を回復することができない問題点があった。

そこで、特許文献２では、フルブリッジ回路を用いて、通常の点灯期間では有機ＥＬ素子に順電圧を印加し、回復期間ではフルブリッジ回路の極性を切り替えて逆電圧を印加する構成が開示されている。また、その改良技術して、特許文献３では通常の点灯期間では降圧チョッパ動作を用いて有機ＥＬ素子に順電圧を印加し、回復期間では降圧チョッパ動作を用いずに電源からダイレクトに逆電圧を印加することが提案されている。

特許第２６６３６４８号公報 特開２００５−０７８８２８号公報 特開２００７−１４９４６３号公報

しかしながら、特許文献２，３の技術では、回復期間に有機ＥＬ素子に印加される逆電圧、逆電流を適切に設定することが困難であった。このため、回復期間に有機ＥＬ素子に過大なストレスを与える恐れがあり、必ずしも最大限の寿命改善効果を期待することは出来ない可能性があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、有機ＥＬ素子に適切な電圧、電流を適切な時間にわたり逆方向に印加することで有機ＥＬ素子の寿命改善効果を最大化できる電源装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源にフルブリッジ回路を介して有機ＥＬ素子３を接続し、フルブリッジ回路を構成する４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、有機ＥＬ素子３に対して逆方向となる２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の少なくとも一方と直列に有機ＥＬ素子３に印加される逆電圧を設定するための定電圧素子ＺＤを接続したことを特徴とするものである。また、請求項１の発明は、フルブリッジ回路の出力にインダクタＬを介して有機ＥＬ素子３を接続し、有機ＥＬ素子３に対して逆方向となる２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の少なくとも一方と逆並列に回生電流通電用のダイオードＤを接続し、通常の点灯期間では有機ＥＬ素子３に対して順方向となる２個のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のうちインダクタＬに蓄積されたエネルギーが流れる経路をダイオードＤおよび有機ＥＬ素子３と共に形成する一方をオンし、他方を高周波でオン・オフし、回復期間では有機ＥＬ素子３に対して逆方向となる２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をオンする制御部１を備えたことを特徴とする。

本願の別の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源にフルブリッジ回路を介して有機ＥＬ素子３を接続し、フルブリッジ回路を構成する４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、有機ＥＬ素子３に対して逆方向となる２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の少なくとも一方と直列に有機ＥＬ素子３に印加される逆電流を設定するための限流素子Ｒ２を接続したことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の定電圧素子ＺＤの機能を有機ＥＬ素子３に対して逆方向となる２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の少なくとも一方で兼用したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の電源装置を備える照明器具である。

本発明によれば、任意の電圧、電流を任意の時間にわたり有機ＥＬ素子に逆方向に印加できることにより、有機ＥＬ素子の寿命、性能を最適に回復させることが簡単な回路で実現できる。

本発明の実施形態１の回路図である。 本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態２の回路図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 従来例の回路図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。商用交流電源Ｖｓはダイオードブリッジ回路ＤＢにより全波整流されて、平滑用のコンデンサＣに直流電圧が充電される。コンデンサＣの正極には、ＰＮＰトランジスタよりなるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のエミッタが接続されている。スイッチング素子Ｑ１のコレクタには、ＮＰＮトランジスタよりなるスイッチング素子Ｑ２のコレクタが接続されている。スイッチング素子Ｑ２のエミッタは抵抗Ｒ１を介してグランドに接続されている。グランドにはコンデンサＣの負極が接続されている。

スイッチング素子Ｑ１のコレクタとスイッチング素子Ｑ３のコレクタの間には、インダクタＬと有機ＥＬ素子３の直列回路が接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１の両端には、回生電流通電用のダイオードＤが逆並列接続されている。スイッチング素子Ｑ３とインダクタＬ及びダイオードＤはバックコンバータ（降圧チョッパ回路）を構成している。

スイッチング素子Ｑ３のコレクタには、ツェナーダイオードＺＤを介して、ＮＰＮトランジスタよりなるスイッチング素子Ｑ４のコレクタが接続されている。スイッチング素子Ｑ４のエミッタは抵抗Ｒ２を介してグランドに接続されている。

抵抗Ｒ１は有機ＥＬ素子３に点灯期間に最適電流を流すための電流検出抵抗である。また、抵抗Ｒ２は有機ＥＬ素子３に逆電圧を印加する回復期間に限流抵抗として機能すると共に、スイッチング素子Ｑ４に流れる電流を監視するための抵抗である。抵抗Ｒ１，Ｒ２の非接地側端子の電圧は制御部１に入力されて監視されている。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４によりフルブリッジ回路が構成されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御電極であるベース端子は制御部１の出力に接続されており、そのオン・オフ状態を制御部１により切り替え制御可能となっている。なお、制御部１の動作電源はコンデンサＣから供給されている。

図２は実施形態１の動作説明のための波形図である。有機ＥＬ素子３に流れる負荷電流と、スイッチング素子Ｑ２の電流、ダイオードＤの電流、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ・ＯＦＦ状態を示している。

点灯期間では、スイッチング素子Ｑ３が常にＯＮとなっており、スイッチング素子Ｑ２に高周波のＰＷＭ信号が印加されている。スイッチング素子Ｑ２のＯＮ時は電流がコンデンサＣ→スイッチング素子Ｑ３→有機ＥＬ素子３→インダクタＬ→スイッチング素子Ｑ２→電流検出抵抗Ｒ１→グランドの経路で流れる。また、スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ時はインダクタＬに蓄積されたエネルギーがインダクタＬ→ダイオードＤ→スイッチング素子Ｑ３→有機ＥＬ素子３→インダクタＬの経路で流れる。この場合は、通常のスイッチングコンバータとして動作する。

次に、特性回復時の逆電圧印加動作は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をＯＦＦさせ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をＯＮさせることにより行う。この際、電流はコンデンサＣ→スイッチング素子Ｑ１→インダクタＬ→有機ＥＬ素子３→ツェナーダイオードＺＤ→スイッチング素子Ｑ４→限流抵抗Ｒ２→グランドの経路で流れる。

逆電圧の印加時間はスイッチング素子Ｑ４またはＱ１のＯＮ時間で調整できる。この際、直列に配置されたツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を適切に選定することにより、有機ＥＬ素子３に最適な逆電圧を印加することができる。また、ツェナーダイオードＺＤを省略し、スイッチング素子Ｑ４にツェナーダイオードＺＤの役目を持たせた回路としても良い。すなわち、制御部１からスイッチング素子Ｑ４の制御電極に供給される制御電圧・制御電流を調節することにより、スイッチング素子Ｑ４による電圧降下の大きさを適切に調節することができるから、スイッチング素子Ｑ４を不飽和領域で使用することによりツェナーダイオードＺＤの機能を兼用させることができる。

さらに、スイッチング素子Ｑ４と直列に接続された抵抗Ｒ２の抵抗値を選ぶことによって、有機ＥＬ素子３に最適な逆電流を流すことができる。また、抵抗Ｒ２を省略し、スイッチング素子Ｑ４に抵抗Ｒ２の役目を持たせた回路としても良い。つまり、抵抗Ｒ２の両端電圧を制御部１により検出し、その検出値が適切な値となるように、制御部１からスイッチング素子Ｑ４の制御電極に供給する制御電圧・制御電流を調節することにより、有機ＥＬ素子３に流れる逆電流を適切に調節することができる。つまり、スイッチング素子Ｑ４を不飽和領域で使用することにより抵抗Ｒ２の機能を兼用させることができる。

なお、回復期間に有機ＥＬ素子３に流れる逆電流は点灯期間に比べると大きな電流ではないので、スイッチング素子Ｑ４を不飽和領域で使用しても大きな電力ロスを生じさせることはないと言える。

図１のような回路構成で、制御部１より逆電圧印加信号を出すことにより、任意の時間にわたり、任意の電圧、任意の電流を有機ＥＬ素子３に逆方向に印加することができるため、有機ＥＬ素子３の寿命特性をストレスを加えずに十分に回復させることができる。

（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２の回路図である。本実施形態では、図１の回路において、スイッチング素子Ｑ１と逆並列接続されたダイオードＤを省略し、代わりに、ツェナーダイオードＺＤとスイッチング素子Ｑ４と抵抗Ｒ２の直列回路と逆並列にダイオードＤを接続している。

特性回復時の逆電圧印加動作は、実施形態１と同じである。通常の点灯期間において、実施形態１では、スイッチング素子Ｑ３が常にＯＮとなっており、スイッチング素子Ｑ２に高周波のＰＷＭ信号が供給されていたが、本実施形態では、通常の点灯期間において、スイッチング素子Ｑ２が常にＯＮとなっており、スイッチング素子Ｑ３に高周波のＰＷＭ信号が供給されている点が異なる。

スイッチング素子Ｑ３のＯＮ時は電流がコンデンサＣ→スイッチング素子Ｑ３→有機ＥＬ素子３→インダクタＬ→スイッチング素子Ｑ２→電流検出抵抗Ｒ１→グランドの経路で流れる。この動作は実施形態１と同じである。また、スイッチング素子Ｑ３のＯＦＦ時はインダクタＬに蓄積されたエネルギーがインダクタＬ→スイッチング素子Ｑ２→電流検出抵抗Ｒ１→ダイオードＤ→有機ＥＬ素子３→インダクタＬの経路で流れる。したがって、実施形態２では有機ＥＬ素子３に流れる負荷電流を抵抗Ｒ１により常時検出することができるから、実施形態１に比べると精度良く負荷電流を制御することができる。

（実施形態３）
図４は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１と逆並列にダイオードＤ１を接続すると共に、ツェナーダイオードＺＤとスイッチング素子Ｑ４と抵抗Ｒ２の直列回路と逆並列にダイオードＤ２を接続している。

特性回復時の逆電圧印加動作は、実施形態１と同じである。通常の点灯期間において、実施形態１，２では、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のうち一方が常にＯＮしており、他方に高周波のＰＷＭ信号が供給されていたが、本実施形態では、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に高周波のＰＷＭ信号が供給されている点が異なる。

スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のＯＮ時は電流がコンデンサＣ→スイッチング素子Ｑ３→有機ＥＬ素子３→インダクタＬ→スイッチング素子Ｑ２→電流検出抵抗Ｒ１→グランドの経路で流れる。この動作は実施形態１，２と同じである。また、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のＯＦＦ時はインダクタＬに蓄積されたエネルギーがインダクタＬ→ダイオードＤ１→コンデンサＣ→ダイオードＤ２→有機ＥＬ素子３→インダクタＬの経路で流れる。この場合は、インダクタＬの蓄積エネルギーの一部は平滑用のコンデンサＣに回生されることになるから、有機ＥＬ素子３の負荷電圧が低い場合でも回生電流の減衰速度を速くすることができ、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のＯＦＦ期間を短くすることができる。

（実施形態４）
本実施形態の回路構成は図４と同じであるが、通常の点灯期間中のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の制御に関して、実施形態１，２と実施形態３を適宜組み合わせて使用する点が異なる。例えば、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３が同時にＯＮしている第１の状態から、一方がＯＮしており、他方がＯＦＦしている第２の状態を経て、両方がＯＦＦしている第３の状態へと切り替わる動作を繰り返す。この場合、有機ＥＬ素子３に流れる負荷電流は、第１の状態では急速に上昇し、第２の状態では緩慢に減衰し、第３の状態では急速に減衰する動作となる。

また、回生電流が流れる第２の状態（一方がＯＮ、他方がＯＦＦの状態）と第３の状態（両方がＯＦＦの状態）の順番は入れ替えても良い。その場合、有機ＥＬ素子３に流れる負荷電流は、第１の状態では急速に上昇し、第３の状態では急速に減衰し、第２の状態では緩慢に減衰する動作となる。

このように、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン時間幅以外の制御要素として、回生電流が流れる第２の状態と第３の状態の時間比率や順番を変えることによっても、負荷電流の平均値を自由に制御することができる。これにより、インダクタＬを介して有機ＥＬ素子３に流れる負荷電流を電源電圧や負荷電圧に関わらず最適に制御することができる。

例えば、商用電源Ｖｓからの入力力率を改善するために、コンデンサＣの容量をわざと小さく設定し、完全に平滑されていない直流電圧を電源として用いる場合、電源電圧が変動することによりスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン時の負荷電流の上昇速度は変動することになる。このような場合、電源電圧の高い期間ではスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン期間を短くする必要があるので、実施形態１，２の回生動作を用いることにより回生電流を緩慢に減衰させる。また、電源電圧の低い期間では、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン期間を長くする必要があるので、実施形態３の回生動作を用いることにより回生電流を急速に減衰させる。このように制御すれば、スイッチング周波数を変えることなく、電源電圧の変動に対して負荷電流を最適に制御することができる。スイッチング周波数を変える必要が無いということはノイズ対策の点で有利となる。

なお、図４の構成において、ダイオードＤ１に回生電流が流れる実施形態１の動作とダイオードＤ２に回生電流が流れる実施形態２の動作を交互に実施すれば、各ダイオードＤ１，Ｄ２に流れる回生電流を半減できるので、ダイオードＤ１，Ｄ２の発熱を抑えることができる。

（その他の変形例）
以上の各実施形態において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３はＰＮＰトランジスタ、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はＮＰＮトランジスタで実現されているが、前者をｐチャンネルＭＯＳＦＥＴ、後者をｎチャンネルＭＯＳＦＥＴに置き換えても良い。また、高電位側のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３についてもトランスやハイサイドドライバーを介して駆動するのであれば、安価なｎチャンネルＭＯＳＦＥＴで置き換え可能である。

また、有機ＥＬ素子３と直列または並列に発光ダイオードを接続しても構わない。例えば、有機ＥＬ素子３の両端に発光ダイオードの直列回路を逆並列に接続しておけば、有機ＥＬ素子３の回復期間中にインジケータとして発光ダイオードを点灯させることができ、回復期間中であることを表示することができる。また、回復期間中においても最小限の明かりを確保することができる。さらに、発光ダイオードの直列個数を調節することにより、有機ＥＬ素子３に印加される逆電圧を最適に設定できる。

また、定電圧素子としてのツェナーダイオードＺＤの代わりに、１個または複数個のダイオードまたは発光ダイオードまたはその直列回路を接続しても良い。これらの定電圧素子は異なる種類を混在させて直列接続しても構わない。

さらに、定電圧素子としてのツェナーダイオードＺＤは低電位側のスイッチング素子Ｑ４と直列に接続しているが、高電位側のスイッチング素子Ｑ１と直列に接続しても良いし、スイッチング素子Ｑ１とＱ４の両方に定電圧素子を直列接続しても良い。限流素子Ｒ２についても同様である。

なお、直流電源として商用交流電源Ｖｓをダイオードブリッジ回路ＤＢにより全波整流し、平滑用のコンデンサＣで平滑した構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、ダイオードブリッジ回路ＤＢと平滑用のコンデンサＣの間にＰＦＣ回路（力率改善回路）を挿入しても良い。また、商用電源を整流・平滑した直流電源に代えて、蓄電池などの電池電源やその出力を電力変換した直流電源を用いても構わない。

（照明器具の実施形態）
本発明の電源装置を用いた照明器具では、有機ＥＬ素子を用いていることにより器具の薄型化・軽量化が可能となる。また、回復期間に有機ＥＬ素子に逆方向に適切な電圧、電流を適切な時間にわたり印加できることで、長寿命の照明器具とすることができる。

１ 制御部
３ 有機ＥＬ素子
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｌ インダクタ（誘導素子）
Ｄ ダイオード
Ｃ コンデンサ（直流電源）
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
ＺＤ ツェナーダイオード（定電圧素子）

Claims (3)

1. 直流電源にフルブリッジ回路を介して有機ＥＬ素子を接続し、前記フルブリッジ回路を構成する４個のスイッチング素子のうち、前記有機ＥＬ素子に対して逆方向となる２個の前記スイッチング素子の少なくとも一方と直列に前記有機ＥＬ素子に印加される逆電圧を設定するための定電圧素子を接続し、前記フルブリッジ回路の出力にインダクタを介して前記有機ＥＬ素子を接続し、前記有機ＥＬ素子に対して逆方向となる前記２個の前記スイッチング素子の少なくとも一方と逆並列に回生電流通電用のダイオードを接続し、通常の点灯期間では前記有機ＥＬ素子に対して順方向となる２個の前記スイッチング素子のうち前記インダクタに蓄積されたエネルギーが流れる経路を前記ダイオードおよび前記有機ＥＬ素子と共に形成する一方をオンし、他方を高周波でオン・オフし、回復期間では前記有機ＥＬ素子に対して逆方向となる前記２個の前記スイッチング素子をオンする制御部を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１の前記定電圧素子の機能を前記有機ＥＬ素子に対して逆方向となる前記２個の前記スイッチング素子の少なくとも一方で兼用したことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１または請求項２記載の電源装置を備える照明器具。

Images