JP2013026176A

JP2013026176A - Ｌｅｄ点灯装置及びそれを用いた照明器具

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Publication number: JP2013026176A
Application number: JP2011162872A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yamamoto; 真史山本; Katsunobu Hamamoto; 勝信濱本; Hiroyuki Asano; 寛之浅野; Hisaya Takikita; 久也滝北; Hiroyuki Nakagawa; 浩之中川; Yuji Yoshimoto; 裕司吉本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-02-04
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP5853145B2

Abstract

【課題】製造コストの増大を抑えつつ発光ダイオードの調光下限の低下を図る。
【解決手段】制御回路２から出力される駆動信号のパルス幅がパルス幅短縮回路４によってTon1(=t3-t1)からTon2(=t3-t2)に短縮されるので、スイッチング素子10が実際にオンする時間も短縮されることになる。しかも、パルス幅短縮回路４は比較器47やバイポーラトランジスタ、ツェナーダイオード43、コンデンサ41、抵抗42，44〜46などの比較的に安価な部品のみで構成されている。したがって、パルス幅の最小値が小さい高機能な制御ICを制御回路２に採用する場合と比べて、製造コストの増大を抑えつつＬＥＤランプ100の調光下限の低下を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ(発光ダイオード)を点灯するＬＥＤ点灯装置、及びそれを用いた照明器具に関する。

近年、照明用の光源として蛍光ランプの代わりにＬＥＤが用いられるようになってきている。例えば、特許文献１には従来の直管形の蛍光ランプに近い形状を有するＬＥＤランプが開示されている。このＬＥＤランプは、帯板状の実装基板に多数のＬＥＤが実装されてなる光源ブロックと、光源ブロックを内部に収納する直管形のガラス管と、ガラス管の両端を閉塞する口金と、口金の側面より突出して光源ブロックに給電するための端子ピンとを備えている。このようなＬＥＤランプは、専用の照明器具に設けられているランプソケットに着脱自在に装着され、当該照明器具に搭載されているＬＥＤ点灯装置からランプソケットを介して電力(直流電力)が供給されることで点灯する。

また、ＬＥＤ点灯装置の従来例として、特許文献２に記載されているものがある。特許文献２記載の従来例は、商用交流電源に接続された力率改善用の昇圧チョッパ回路と、昇圧チョッパ回路の直流電圧をＬＥＤランプに応じた電圧に降圧する降圧チョッパ回路とを備えている。さらに、この従来例では、外部から入力される調光信号に応じて、降圧チョッパ回路がPWM(パルス幅変調)制御されることでＬＥＤランプの光出力が調光可能となっている。

降圧チョッパ回路のPWM制御には汎用の制御ICが用いられることが多い。この種の制御ICは、降圧チョッパ回路を構成するスイッチング素子の制御端子にパルス状の駆動信号を与えることでスイッチング素子をスイッチングし、且つパルスのオン時間(パルス幅)を調整することで降圧チョッパ回路の出力電圧を調整している。つまり、駆動信号のパルス幅が狭くなるほど降圧チョッパ回路の出力電圧が低下してＬＥＤランプの光出力が減少し、反対に駆動信号のパルス幅が広くなるほど降圧チョッパ回路の出力電圧が上昇してＬＥＤランプの光出力が増加することになる。

特開２００９−４３４４７号公報特開２０１０−２０５７７８号公報

ところで、ＬＥＤランプの調光下限は、制御ICから出力される駆動信号のパルス幅の最小値によって決まってしまう。例えば、使用する制御ICによって規定されるパルス幅の最小値が500ナノ秒である場合、制御ICのばらつきによって調光下限での動作が不安定になることを回避するために、スイッチング素子に与えられる駆動信号のパルス幅の最小値は、設計的な余裕を見て例えば700ナノ秒から1000ナノ秒程度に設定される。したがって、ＬＥＤランプの調光下限を下げるために駆動信号のパルス幅を狭くしようとすれば、パルス幅の最小値がさらに小さく安定に制御可能な制御ICを採用しなければならず、ＬＥＤ点灯装置の製造コストが大幅に増えてしまう虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、製造コストの増大を抑えつつ発光ダイオードの調光下限の低下を図ることを目的とする。

本発明のＬＥＤ点灯装置は、直流入力電圧を所定の直流出力電圧に降圧して発光ダイオードに供給する降圧チョッパ回路と、前記降圧チョッパ回路をパルス幅変調制御することで前記発光ダイオードを調光する制御回路とを備え、前記降圧チョッパ回路は、スイッチング素子とインダクタの直列回路を有し、前記制御回路は、前記インダクタに流れる電流を検出して当該電流がゼロとなるタイミングで前記スイッチング素子の制御端子にパルス状の駆動信号を出力して前記スイッチング素子をターンオンし、前記駆動信号のパルス幅を調整することで前記降圧チョッパ回路の直流出力電圧を変化させるものであって、前記制御回路から入力される前記駆動信号のパルス幅を短縮して前記スイッチング素子の制御端子へ出力するパルス幅短縮回路を備えることを特徴とする。

このＬＥＤ点灯装置において、前記パルス幅短縮回路は、前記制御回路から入力される前記駆動信号の立ち上がりを遅延させることで前記パルス幅を短縮することが好ましい。

このＬＥＤ点灯装置において、前記パルス幅短縮回路は、前記制御回路から入力される前記駆動信号によってオンするスイッチ要素と、前記スイッチ要素のオフ時に充電され、前記スイッチ要素のオン時に放電される積分回路と、前記積分回路の充電電圧と所定の基準電圧を比較して前記充電電圧が前記基準電圧を下回ったときに前記スイッチング素子の制御端子に前記駆動信号を出力する比較器とを有することが好ましい。

本発明の照明器具は、前記何れかのＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置並びに前記発光ダイオードを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする。

本発明のＬＥＤ点灯装置及び照明器具は、製造コストの増大を抑えつつ発光ダイオードの調光下限の低下を図ることができるという効果がある。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態を示し、(ａ)は概略回路図、(ｂ)はパルス幅短縮回路の回路図である。同上の動作説明用のタイムチャートである。本発明に係る照明器具の実施形態を示す斜視図である。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態の概略回路図を図１(ａ)に示す。本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、降圧チョッパ回路１と、降圧チョッパ回路１を制御する制御回路２と、外部から与えられる調光信号に応じた調光指令を制御回路２に出力する出力制御部３と、パルス幅短縮回路４とを備える。なお、本実施形態ではＬＥＤ点灯装置で点灯される発光ダイオードとして従来技術で説明したＬＥＤランプを例示するが、これに限定されるものではない。

降圧チョッパ回路１は、直流電源５の正極とＬＥＤランプ100の正極端子（アノード端子)の間に挿入されるスイッチング素子10とインダクタ11の直列回路と、整流用のダイオード12と、電解コンデンサからなる平滑コンデンサ13と、検出抵抗６とを具備する。ダイオード12は、電界効果トランジスタからなるスイッチング素子10のドレインにカソードが接続され、直流電源５の負極にアノードが接続される。平滑コンデンサ13は、インダクタ11とＬＥＤランプ100の正極端子の接続点と、直流電源５の負極との間に接続される。なお、直流電源５は、例えば、商用交流電源から商用交流電圧よりも高い直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路で構成される。

出力制御部３は、調光指令によって電流(ＬＥＤランプ100に流れる負荷電流)の目標値を制御回路２に指示する。すなわち、外部から与えられる調光信号の調光レベルが100％の場合、出力制御部３は負荷電流の目標値をＬＥＤランプ100の定格電流値とし、例えば、調光レベルが50％の場合、出力制御部３は負荷電流の目標値を定格電流値の半分とする。

制御回路２は、従来技術で説明した汎用の制御ICからなり、インダクタ11に流れる電流がゼロになるタイミングでパルス状の駆動信号を出力し、検出抵抗６に流れる電流(負荷電流)が出力制御部３から指示された目標値に一致した時点で駆動信号を停止する、臨界モードにて制御する。なお、制御回路２から出力される駆動信号はパルス幅短縮回路４を経由してスイッチング素子10の制御端子(ゲート端子)に与えられる。

パルス幅短縮回路４は、図１(ｂ)に示すように制御回路２から入力される駆動信号によってオンするスイッチ要素40、コンデンサ41及び抵抗42からなる積分回路、コンデンサ41の両端電圧と基準電圧Vrefとを比較する比較器47などを有している。比較器47の＋端子に基準電圧Vrefが入力され、コンデンサ41と、ツェナーダイオード43と、抵抗42及びスイッチ要素40の直列回路とが比較器47の−端子とグランドの間に並列接続されている。また、比較器47の−端子はプルアップ抵抗44を介して電源電圧Vccにプルアップされている。なお、比較器47の出力端がスイッチング素子10の制御端子に接続されている。スイッチ要素40はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタからなり、抵抗42の一端にコレクタが接続され、エミッタがグランドに接続され、ベースが分圧抵抗45，46の中点に接続されている。そして、制御回路２から出力される駆動信号が分圧抵抗45，46の両端に印加されることでスイッチ要素40がオンする。

次に、図２のタイムチャートを参照して、本実施形態の動作を説明する。ただし、図２では上から順番に、インダクタ電流、制御回路２から出力される駆動信号、比較器47の−端子の入力、スイッチング素子10の制御端子に入力される駆動信号を表している。

パルス幅短縮回路４において、スイッチ要素40がオフしている間は積分回路のコンデンサ41がツェナーダイオード43のツェナー電圧に等しい電圧まで充電され、比較器47の−端子の入力電圧が基準電圧Vrefを超えるために比較器47の出力がローレベルとなる。制御回路２は、インダクタ電流がゼロになるタイミング(t1)で駆動信号を出力し、パルス幅短縮回路４のスイッチ要素40をオンする。スイッチ要素40がオンするとコンデンサ41の充電電荷が抵抗42及びスイッチ要素40を介して放電されるので、比較器47の−端子の入力電圧が減少し、基準電圧Vrefを下回った時点(t2)で比較器47の出力がハイレベルとなる。つまり、パルス幅短縮回路４では、積分回路の時定数によって決まる遅延時間(=t2-t1)だけスイッチング素子10の制御端子に入力される駆動信号の立ち上がりを遅延させている。その後、負荷電流が目標値に一致すると、制御回路２が駆動信号を停止し(t3)、パルス幅短縮回路４のスイッチ要素40をオフする。スイッチ要素40がオフすると電源電圧Vccによってコンデンサ41が充電され、コンデンサ41の両端電圧が基準電圧Vrefを超えた時点で比較器47の出力がローレベルとなる。なお、スイッチ要素40がオフしてからコンデンサ41の両端電圧が基準電圧Vrefを超えるまでの時間は、スイッチ要素40がオンしたときの遅延時間に比べて無視できる程度に短い。

上述のように制御回路２から出力される駆動信号のパルス幅がパルス幅短縮回路４によってTon1(=t3-t1)からTon2(=t3-t2)に短縮されるので、スイッチング素子10が実際にオンする時間も短縮されることになる。例えば、制御回路２から出力される駆動信号のパルス幅の最小値を500ナノ秒とした場合、パルス幅短縮回路４で短縮されることにより、スイッチング素子10の制御端子に入力される駆動信号のパルス幅の最小値が300ナノ秒となる。しかも、パルス幅短縮回路４は比較器47やバイポーラトランジスタ、ツェナーダイオード43、コンデンサ41、抵抗42，44〜46などの比較的に安価な部品のみで構成されている。したがって、本実施形態のＬＥＤ点灯装置によれば、パルス幅の最小値が小さい高機能な制御ICを制御回路２に採用する場合と比べて、製造コストの増大を抑えつつＬＥＤランプ100の調光下限の低下を図ることができる。

なお、調光下限を低下する方法として、降圧チョッパ回路１を構成するインダクタ11のインダクタンスを大きくする方法もあるが、インダクタ11のインダクタンスを大きくした場合、PWM制御における駆動信号の周波数が低くなってしまう。一方、ＬＥＤ点灯装置では、ＬＥＤランプ100から放射される光が赤外線式のワイヤレス・リモートコントローラで使用される赤外線と干渉しないように、駆動信号の周波数を所定値(具体的に40キロヘルツ)以上としなければならない。したがって、インダクタ11のインダクタンスを大きくする方法では、ワイヤレス・リモートコントローラの赤外線と干渉させずに調光下限を低下させることは困難である。

これに対して本実施形態のＬＥＤ点灯装置では、周波数を低下させずに駆動信号のパルス幅のみを短縮することができる。なお、上述の説明では、制御回路２が臨界モード動作を行う事例としたが、駆動信号の周波数を固定とする制御を行ってもよい。

ところで、本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、例えば、図３に示す照明器具に搭載される。この照明器具は、天井に直付けされる器具本体130と、器具本体130に設けられた一対のランプソケット120，120とを備えている。器具本体130は、長尺の三角柱状に形成され、その内部にＬＥＤ点灯装置が収納されている。そして、器具本体130の２つの斜面における長手方向両端部にそれぞれランプソケット120，120が配設されている。そして、これら一対のランプソケット120にそれぞれ直管形のＬＥＤランプ100が装着される。

１降圧チョッパ回路
２制御回路
４パルス幅短縮回路
10 スイッチング素子
11 インダクタ

Claims

直流入力電圧を所定の直流出力電圧に降圧して発光ダイオードに供給する降圧チョッパ回路と、前記降圧チョッパ回路をパルス幅変調制御することで前記発光ダイオードを調光する制御回路とを備え、前記降圧チョッパ回路は、スイッチング素子とインダクタの直列回路を有し、前記制御回路は、前記インダクタに流れる電流を検出して当該電流がゼロとなるタイミングで前記スイッチング素子の制御端子にパルス状の駆動信号を出力して前記スイッチング素子をターンオンし、前記駆動信号のパルス幅を調整することで前記降圧チョッパ回路の直流出力電圧を変化させるものであって、前記制御回路から入力される前記駆動信号のパルス幅を短縮して前記スイッチング素子の制御端子へ出力するパルス幅短縮回路を備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
前記パルス幅短縮回路は、前記制御回路から入力される前記駆動信号の立ち上がりを遅延させることで前記パルス幅を短縮することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
前記パルス幅短縮回路は、前記制御回路から入力される前記駆動信号によってオンするスイッチ要素と、前記スイッチ要素のオフ時に充電され、前記スイッチ要素のオン時に放電される積分回路と、前記積分回路の充電電圧と所定の基準電圧を比較して前記充電電圧が前記基準電圧を下回ったときに前記スイッチング素子の制御端子に前記駆動信号を出力する比較器とを有することを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ点灯装置。
請求項１〜３の何れかのＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置並びに前記発光ダイオードを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。