JP2005303175A - LED light source - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたLED光源を提供すること。
【解決手段】本発明は、直列に3個以上接続されたGaN系LEDの両端と並列にコンデンサが接続された構成により、簡単な構成で確実に静電気に対する耐性を高めたLED光源を提供することができる。
【選択図】図1To provide an LED light source having a simple structure and reliably increasing resistance to static electricity.
The present invention provides an LED light source that has a simple configuration and reliably increases resistance to static electricity by a configuration in which capacitors are connected in parallel with both ends of three or more GaN-based LEDs connected in series. Can do.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は静電気に対する耐性を高めたLED光源に関する。 The present invention relates to an LED light source with increased resistance to static electricity.
GaN系LEDは、静電気に対する耐圧が低く、従来から多くの耐圧向上に関する検討が行われてきた、例えば、従来のLED光源(チップ型発光素子)は、静電気に対する耐圧を高めるために、LEDの端子間に保護素子としてツェナーダイオードを並列に接続する例が示されている(例えば、特許文献1)。図5と図6は、特許文献1に記載された従来のLED光源(チップ型発光素子)を示すものである。
A GaN-based LED has a low withstand voltage against static electricity, and many studies have been made on improvement of withstand voltage. For example, a conventional LED light source (chip-type light emitting element) has a terminal of an LED in order to increase the withstand voltage against static electricity. An example is shown in which a Zener diode is connected in parallel as a protective element (for example, Patent Document 1). 5 and 6 show a conventional LED light source (chip-type light emitting element) described in
図6において、ツェナーダイオードチップ5は、LEDチップ3に並列に接続されている。回路図で示したのが、図5である。
しかしながら、LED1個あたりの光量は少なく、特に照明などの用途に使用するには、多数のLEDを使用する必要がある。そのため、図8の構成では、LEDチップ1個ごとにツェナーダイオードを接続する必要があり、LEDを多数使用する構成においては構成が複雑でかつ、部品点数が多くなるために。コスト的に現実的ではないという課題がある。 However, the amount of light per LED is small, and it is necessary to use a large number of LEDs for use in applications such as lighting. Therefore, in the configuration of FIG. 8, it is necessary to connect a Zener diode for each LED chip, and in the configuration using a large number of LEDs, the configuration is complicated and the number of parts increases. There is a problem that it is not realistic in terms of cost.
そこで、多数のLEDを使用するときにチェナーダイオードの数を減らすために、例えば32個の直列接続されたLEDの両端に1個だけツェナーダイオードを接続する場合を考える。LEDが点灯する方向に電流が流れるように電圧が印加された場合、ツェナーダイオードの両端に発生する電圧がLEDに印加されるが、LED1個あたりの定格電圧が3.6Vとすると3.6×32=115Vとなる。このように、高い電圧に対応できるツェナーダイオードは市販されていないので、実現不可能となる。 Therefore, in order to reduce the number of Zener diodes when a large number of LEDs are used, consider a case where only one Zener diode is connected to both ends of 32 series-connected LEDs, for example. When a voltage is applied so that a current flows in a direction in which the LED is lit, a voltage generated at both ends of the Zener diode is applied to the LED. However, if the rated voltage per LED is 3.6 V, 3.6 × 32 = 115V. Thus, since a Zener diode capable of handling a high voltage is not commercially available, it cannot be realized.
本発明は、上記課題を解決するためになされ、その目的とするところは、簡単な構成かつ少ない部品点数で確実に静電気に対する耐性を高めたLED光源を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an LED light source having a simple structure and a small number of parts, which reliably increases resistance to static electricity.
上記従来の課題を解決するため、本発明に係るLED光源は、直列に3個以上接続されたGaN系LEDの両端に並列にコンデンサが並列に接続されている。 In order to solve the above conventional problems, in the LED light source according to the present invention, capacitors are connected in parallel to both ends of GaN-based LEDs connected in series of three or more.
好適な実施形態において、前記コンデンサは100pF以上である。 In a preferred embodiment, the capacitor is 100 pF or greater.
以上のように、本発明は、直列に3個以上接続されたGaN系LEDの両端に並列にコンデンサが並列に接続されている構成により、簡単な構成でかつ少ない部品点数で確実に静電気に対する耐性を高めたLED光源を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a capacitor is connected in parallel to both ends of three or more GaN-based LEDs connected in series, so that it is simple and reliable with respect to static electricity with a small number of parts. It is possible to provide an LED light source with an improved height.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるLED光源の回路図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a circuit diagram of an LED light source according to the first embodiment of the present invention.
図1において、LED101は、GaN系であり、発光中心波長が350〜550nmのLEDである。LEDチップの大きさは、約0.3〜2mm角である。約3〜4Vで定格の光出力をする。LEDの定格電流は、発光層の面積に比例し、0.3mm角あたり10〜60mAの電流のものが適当である。本実施の形態のLED101は、発光中心波長が470nm、チップの大きさは、0.3mm角、定格は、3.6Vで20mAであるものを用いた。
In FIG. 1, an
LED101は、同種のものが32個直列に接続されており、コンデンサ102がLED光源の両端と並列に装着したものである。コンデンサ102は、セラミックコンデンサーであり容量は100p〜10000μFである。本実施の形態のコンデンサは、470pFのものを用いた。
32 LEDs of the same type are connected in series, and a
このLED光源の端子間には、直流100〜120V程度が印加されたとき、ほぼ定格点灯するように設計されている。 Between the terminals of this LED light source, when a direct current of about 100 to 120 V is applied, it is designed so that it is almost lit.
図2は、このLED光源の概観を示したものである。アルミニウム、セラミック、銅などの熱伝導率の高い材料を主成分とした基板201上に、上記LED101が、フリップチップで直接実装されている。ここで、直接実装とは、基板上の配線パタンとLEDが接続用の金属のみを通して実装されている状態のことを示す。基板上には、図1に示すLED光源が2並列構成されており、合計64個のLED101と2個のチップコンデンサ102で構成されている。LEDが実装されている範囲は20mm角である。またこの部分の基板面積あたりの実装密度は、16個/cm2である。また、発光部の基板面積あたりの電力は、約1.2W/cm2である。なお、前記実装密度は、1〜100個/cm2程度が用いられる。また、前記基板面積あたりの電力は、0.1〜10W/cm2程度が用いられる。
FIG. 2 shows an overview of the LED light source. The
本実施の形態では、基板には、アルミニウムを主成分とするコンポジット基板上にバンプを介してLED101がフリップチップ実装され、チップコンデンサが基板上に実装されている構成のものを用いた。
In the present embodiment, a substrate having a structure in which the
基板201は、大きさが約24×約29mmであり、厚みが約1mmである。厚みのほとんどはAlでできている。基板上には、給電用の端子202がLED実装面と同一面にあり、端子に電圧を印加することでLEDが点灯するようになっている。端子は2並列のため4個ある。また、コンデンサ102は、LEDが実装された基板面と同一面に実装されている。
The
また、図には示さないが、基板201上の配線パタンは、LEDと接続される部分と端子202の部分以外の表面は、絶縁層で覆われており、外部からの静電気が基板のパタン上に印加されないようになっている。
Although not shown in the drawing, the wiring pattern on the
このLED光源の静電破壊試験の内容を以下に説明する。この試験は、静電破壊試験の規格で決められているヒューマンボディーモデル(HBM:人体帯電モデル)の方法に基づいて行った。以下この実験方法について説明する。図3に試験装置の回路図を示す。図中の直流電源301の電圧を変化させ、スイッチ302を操作し、2つの端子間を1秒おきに3回往復させる。スイッチをCharge側にすると、電源301の電荷がコンデンサにチャージされ、スイッチ302をDischarge側にするとコンデンサに蓄えられた電荷が抵抗を通って、接続端子間303に接続されたLED光源に電荷が印加される。
The contents of the electrostatic breakdown test of this LED light source will be described below. This test was performed based on the method of the human body model (HBM: human body charging model) determined by the standard of the electrostatic breakdown test. This experimental method will be described below. FIG. 3 shows a circuit diagram of the test apparatus. The voltage of the
図2のLED光源の端子202と、図3の端子303を接続し、静電気破壊試験を行った。チェックの方法は、32個の直列に接続されたLEDに定格20mAに対して、1mAの電流を流し、点灯しないLED素子があった場合は、LED素子が破損したものとして判断した。直流電源301の電圧を徐々に高くして、上記実験を繰り返し、LED素子が1つも破損しない最大の電圧(電源301の電圧)を、LED光源の静電耐圧とした。
The
その結果、電圧の印加する方向が順方向の場合、耐圧は5kV、逆方向が5kVとなった。ここで、本実施の形態のLED光源は、一般照明など多様な用途に使用されることを考慮し、必要な耐圧は約1kVと考え検討を進めた。この結果より、十分な耐圧を持つことがわかる。 As a result, when the voltage application direction was the forward direction, the withstand voltage was 5 kV and the reverse direction was 5 kV. Here, considering that the LED light source according to the present embodiment is used for various purposes such as general lighting, the necessary breakdown voltage is about 1 kV, and the examination was advanced. From this result, it can be seen that it has a sufficient breakdown voltage.
これに対して、図4に示すように図1に示す本実施の形態のLED点灯回路からコンデンサ102を抜いたものを同様に静電破壊試験したところ、順方向が4kV、逆方向が600Vとなり、静電耐圧の要求を満たさない。なお、LED101の1個だけの場合の耐圧は、逆方向が200Vである。本実施の形態のLED光源は、LEDが32個直列で接続されているため、理論的には、LED1個あたりの耐圧の32倍の6.4kVの耐圧を示すはずであるが、実際は約3倍程度しか耐圧を持っていない。
On the other hand, as shown in FIG. 4, when the
なお、電流の入力側から順にD1、D2、…、D31,D32と番号をつけたとき、逆方向の電圧を印加した場合に破損するLEDは、D1、D2、D3とD30、D31、D32のLEDが破損し、直列接続の両端側が破損する傾向にある。一般的に定格電圧が同じLEDを直列接続した場合は、全LEDに均等に電圧が印加されるので、LEDが破損するのは、このような規則性が無いはずである。しかし、上記のように、直列接続したLEDの両端部分が集中的に破損するというのは、以下のような現象が起こっているものと考えられる。静電破壊試験は、コンデンサの電荷を瞬間的にLED素子に投入するため、瞬間的に大きな電圧、電流が印加される。このような過渡的な変化においては、LEDのもつ微小なコンダクタンスもしくはインダクタンスが影響を及ぼすようになり、直列したLEDの端部に集中的に負荷がかかるものと考えられる。 When the numbers D1, D2,..., D31, D32 are assigned in order from the current input side, the LEDs that are damaged when a reverse voltage is applied are D1, D2, D3 and D30, D31, D32. There is a tendency that the LED is damaged and both ends of the series connection are damaged. In general, when LEDs having the same rated voltage are connected in series, the voltage is equally applied to all the LEDs, so that there should be no such regularity that the LEDs are damaged. However, as described above, the fact that both end portions of LEDs connected in series are intensively damaged is considered to be caused by the following phenomenon. In the electrostatic breakdown test, a large voltage and current are instantaneously applied in order to instantaneously input the electric charge of the capacitor to the LED element. In such a transitional change, the minute conductance or inductance of the LED has an effect, and it is considered that a load is concentrated on the ends of the LEDs in series.
そこで、本実施の形態のように、直列接続の複数個のLEDの両端に並列してコンデンサを接続するだけで、静電耐圧の高いLED光源を得ることが出来る。 Therefore, as in this embodiment, an LED light source with high electrostatic withstand voltage can be obtained by simply connecting a capacitor in parallel to both ends of a plurality of LEDs connected in series.
なお、LED101は発光色が同じでなくとも、GaN系であれば静電耐圧が低い素子であるので、同様の効果を得ることが出来る。
Note that even if the
なお、本実施の形態の構成では、順方向と逆方向の両方の電圧について大きな効果を得ることができる。しかし、コンデンサ1個で静電耐圧を高くすることが出来るため、直列数が多いほど、LED数にたいする対策部品数を減らすことが出来る。3個以上の場合が特に好ましい。 In the configuration of the present embodiment, a great effect can be obtained for both forward and reverse voltages. However, since the electrostatic withstand voltage can be increased with one capacitor, the number of countermeasure parts for the number of LEDs can be reduced as the number of series increases. The case of 3 or more is particularly preferable.
なお、高光束を得ようとすると、なるべく高密度でLEDを並べる必要があるが、本実施の形態のように放熱性の高い基板に直接実装することにより、LEDからの熱が効率よく基板を通して排熱されるためLEDの実装密度を上げることが出来る。また、高密度で実装した場合、従来のようにLED1個ずつにツェナーダイオードが必要ないので、簡易な構成かつ低コストな構成となるとともに、実装密度を上げることが出来る。また、本実施の形態に示すように、フリップチップ実装することによって、LEDと基板を結ぶワイヤが不要となり、より高密度のLED実装密度を実現できる。 In order to obtain a high luminous flux, it is necessary to arrange the LEDs at as high a density as possible. However, by directly mounting on a substrate with high heat dissipation as in this embodiment, the heat from the LEDs efficiently passes through the substrate. Since the heat is exhausted, the mounting density of the LEDs can be increased. Further, when mounted at a high density, a Zener diode is not required for each LED as in the prior art, so that a simple configuration and a low cost configuration can be achieved, and the mounting density can be increased. Further, as shown in the present embodiment, by flip-chip mounting, a wire connecting the LED and the substrate becomes unnecessary, and a higher density LED mounting density can be realized.
ここで、コンデンサ701の容量を変化させて、耐圧試験を行った結果を図7に示す。この結果より、静電耐圧は容量に依存し、100pFを超えると耐圧が1kV以上となる。 Here, FIG. 7 shows the result of the withstand voltage test performed by changing the capacitance of the capacitor 701. From this result, the electrostatic withstand voltage depends on the capacitance, and when it exceeds 100 pF, the withstand voltage becomes 1 kV or more.
このように、LED光源の両端に並列に100pF以上のコンデンサを挿入することで、静電耐圧が劇的に向上し1kV以上となる。特に好ましいのは、470pF以上であり、静電耐圧が5kV以上となる。 Thus, by inserting a capacitor of 100 pF or more in parallel at both ends of the LED light source, the electrostatic withstand voltage is dramatically improved and becomes 1 kV or more. Particularly preferred is 470 pF or more, and the electrostatic withstand voltage is 5 kV or more.
なお、上記すべての実施の形態において、LEDは発光中心波長が350〜550nmのものを例示したが、LED周辺に蛍光体などの波長変換手段を用いたものも同様に効果を得られる。 In all of the above-described embodiments, the LED has an emission center wavelength of 350 to 550 nm. However, an LED using a wavelength conversion means such as a phosphor around the LED can achieve the same effect.
なお、上記すべての実施の形態において、LEDに付加するコンデンサは、実施の形態に示すように基板のLEDが実装されている面と同一面に実装されることが実装工程上好ましい。また、これらの素子もバンプを介して実装されることで放熱性が改善されるという効果も有する。 In all the above embodiments, the capacitor added to the LED is preferably mounted on the same surface as the surface on which the LED of the substrate is mounted as shown in the embodiment. In addition, these elements are also mounted through bumps, so that heat dissipation is improved.
なお、上記すべての実施の形態において、小型の基板にLEDを密集させて実装したLED点灯回路の例を示したが、このような構成とすることで、小型の光源を得ることが出来る。もちろん、この実施の形態に限定されない。 In all of the above-described embodiments, examples of LED lighting circuits in which LEDs are densely mounted on a small substrate have been described. With such a configuration, a small light source can be obtained. Of course, it is not limited to this embodiment.
また、上記すべての実施の形態において、基板にLEDを実装しただけのものについて説明したが、LED周辺に蛍光体、反射鏡、レンズなどの光学系を形成したものでも同様の効果を有する。とくに、青色LEDと黄色の蛍光体を用いて、蛍光体の周辺部に反射鏡と、レンズを形成することで白色の光源を得ることが出来るため照明などの用途に適した光源をえることが出来る。この例を図8に示す。図8は、LED光源の部分断面図であり、このような構成とすることで白色の集光された輝度の高い光源を得ることが出来る。 In all the embodiments described above, the LED is simply mounted on the substrate. However, a device in which an optical system such as a phosphor, a reflecting mirror, or a lens is formed around the LED has the same effect. In particular, by using a blue LED and a yellow phosphor, a white light source can be obtained by forming a reflecting mirror and a lens around the phosphor, so that it is possible to obtain a light source suitable for applications such as illumination. I can do it. An example of this is shown in FIG. FIG. 8 is a partial cross-sectional view of an LED light source. With such a configuration, a white focused light source with high luminance can be obtained.
本発明は、直列に3個以上接続されたGaN系LEDの静電気に対する耐性を簡単な構成で確実に高めることができるので、LEDを利用した照明や光源に特に有用である。 The present invention is particularly useful for illumination and light sources using LEDs because the resistance to static electricity of GaN LEDs connected in series of three or more in series can be reliably increased with a simple configuration.
101 LED
102 コンデンサ
201 基板
202 端子
301 直流電源
302 スイッチ
303 端子
101 LED
102
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004120127A JP2005303175A (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | LED light source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004120127A JP2005303175A (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | LED light source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005303175A true JP2005303175A (en) | 2005-10-27 |
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ID=35334285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004120127A Pending JP2005303175A (en) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | LED light source |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2005303175A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010021433A (en) * | 2008-07-11 | 2010-01-28 | Showa Denko Kk | Power supply device and illumination system with the same |
| JP2012503332A (en) * | 2008-09-16 | 2012-02-02 | オスラム・シルバニア・インコーポレイテッド | Lighting module |
| JP2013504868A (en) * | 2009-09-09 | 2013-02-07 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | Submount Zener diode protection network for LEDs connected in series |
| JP2014049332A (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Toshiba Lighting & Technology Corp | Lighting system |
-
2004
- 2004-04-15 JP JP2004120127A patent/JP2005303175A/en active Pending
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