JP2007005743A - Ｌｅｄ照明用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤで構成された発光手段に流す電流の検出手段、制御手段を省略して安定な電流を発光手段に供給する。商用電源のように比較的高い電圧源を用いて、発光手段に供給する電源装置の損失を小さくおさえた簡単な回路構成で、ＬＥＤを用いた照明装置に適した電源装置を実現する。
【解決手段】ＬＥＤで構成された発光手段と交流電源を、コンデンサまたはインダクタで直列に接続し、少なくとも１つ以上のＬＥＤで構成された前記発光手段のＬＥＤを直列に接続するＬＥＤの数を、前記発光手段に流れる電流が略定電流とみなされる特性を持つ領域で動作するように、交流電源電圧Ｅと、発光手段の端子間電圧の比を決めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明に用いられるＬＥＤを駆動するための電源装置に関する。

従来の白熱電球や蛍光灯は、点灯手段が単純でかつ構成部品の数も少ない。
従来の白熱電球や蛍光灯のような発光手段をＬＥＤに置き換えた場合、ＬＥＤを駆動する電源は複雑なものになる。
具体的には、通常ＬＥＤを駆動するには、定電流源もしくは定電流源に近い特性となるような手段を持つか（たとえば、特許文献１参照）、発光手段に流れる電流を検出し、発光手段に印加する電圧を制御することで、適正な電流となるような手段を持っている（たとえば、特許文献２参照）。また、別の方法として、インダクタを電流制限素子として、周波数を変えて発光素子に流れる電流を制御する方法もある（たとえば、特許文献３参照）。

ＬＥＤに流す電流を定電流で供給したり、電流を検出し、電流を制御する理由は、図１５，１６，１７で明らかなように、ＬＥＤ端子間に電圧Ｖｆを印加すると，Ｖｆのわずかな変化でＬＥＤを流れる電流Ｉｆが大きく変化する。また、ＬＥＤの明るさは一般的にＬＥＤを流れる電流Ｉｆで示される。また、ＬＥＤに電流Ｉｆを流した時に発生する端子間電圧Ｖｆは、電流Ｉｆを一定にしても、周囲の温度で変化する。したがってＬＥＤを駆動する場合、一般的に電圧源ではなく電流源を使用する。

ＬＥＤを駆動する従来技術は以下の特許文献１〜３に例示される。
特開２００４−１９２８３３（図７、図１２、図１３） 特開２００４−３９２８９（図３） 特開２００４−１１１１０４（図１）

発光手段を、定電流もしくは定電流源に近い形で駆動する方法としては、発光手段に直列に抵抗を接続し、発光手段に流れる電流を制限する方法や、電圧源を定電流源に換えて発光手段に電流を供給する方法や、発光手段に流れる電流を検出し、前記電流が一定となるように制御する方法が考えられている。

しかし、発光手段に直列に抵抗を接続し、発光手段に流れる電流を制限する方法では、電流制限手段としては簡単だが、商用電源を使用した場合、照明のように比較的大きな電流を流す場合では抵抗の発熱が大きくなる。

また、文献１、２のように、定電流源で発光手段を駆動したり、発光手段を流れる電流を検出して電流を制御する場合、構成する素子にトランジスタや定電流ダイオード、その他の素子が使用されるが、基本的に直流電源を使用する。電流検出回路と制御回路も同様に直流電源を必要とする。したがって、必然的に発光手段は直流で駆動される。また、発光手段を並列に追加する場合、定電流回路、または電流検出回路と制御回路手段がそれぞれの発光手段に必要となる。

また、文献３のように、発光手段に流れる電流をインダクタで制限する方法もあるが、インダクタを定電流素子として使用しているわけではないので、電流を制御する手段が別に必要となる。
以上のように従来技術では抵抗のみによる電流制限方法を除き、発光手段を流れる電流を定電流としたり、検出する手段と、前記電流を一定に保つ制御手段を持っている。

本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤを用いた発光手段に流す電流の検出手段や電流を一定に保つ手段を省略でき、損失の少ない電源を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、ＬＥＤで構成された発光手段と交流電源を、コンデンサまたはインダクタで直列に接続し、少なくとも１つ以上のＬＥＤで構成された前記発光手段のＬＥＤを直列に接続するＬＥＤの数を、前記発光手段に流れる電流が略定電流とみなされる特性を持つ領域で動作するように、交流電源電圧Ｅと、発光手段の端子間電圧の比を決めることを特徴とする。
たとえば、図１で示される回路において、交流電源７の電圧Ｅが一定とすると、発光手段１０に流れる電流Ｉと、少なくとも１つ以上のＬＥＤで構成された発光手段１０の端子間に現れる電圧Ｖとの関係は、直列に接続するＬＥＤの数を１，２，３、・・・・と増やしていくと、図５のような特性を示す。すなわち交流電源７の電圧Ｅと発光手段１０の端子間電圧Ｖの比、Ｖ／Ｅが小さいと、ＬＥＤに流れる電流はほぼコンデンサ８のインピーダンスと交流電源７の電圧Ｅで決まる略定電流特性を示すが、前記比Ｖ／Ｅが大きくなり、１に値に近づくほど発光手段に流れる電流が減少するとともに端子間電圧Ｖのわずかな変化で電流が大きく変化する。
発光手段に流れる電流＝Ｉ、電源電圧＝Ｅ、電源周波数＝ｆ、コンデンサの容量＝Ｃ、発光手段の端子間電圧＝Ｖ とすると、

ω＝２πｆ
となり、発光手段に流れる電流は、前記（１）式から算出することが出来る。

また、使用するＬＥＤの電流−電圧特性のばらつきや周囲温度の変化による電流−電圧特性変化をΔＶとすると、

となり、Ｖに対してＥを大きくするほどＬＥＤに流れる電流は、定電流性を示す。
また前記コンデンサＣの変わりにインダクタを使用した場合、
インダクタのインダクタンス＝Ｌとすると、

となり、コンデンサＣを使用した場合と同じように、Ｖに対してＥを大きくするほどＬＥＤに流れる電流は、定電流性を示す。

本発明の請求項１に係る電源装置によれば、発光手段を駆動する電源装置の構成部品はコンデンサまたはインダクタのみである。
コンデンサの損失はｔａｎδで表され、その数値は小さく、前記ＥをＶに対してコンデンサ８の両端子間の電圧が大きくてもコンデンサの損失による損失（発熱）は小さい。コンデンサ８を抵抗に置き換えてもよいが、抵抗には、抵抗両端子間にかかる電圧とＬＥＤに流れる電流の積に相当する電力が熱として発生する。また、トランジスタや定電流源ダイオードなどを使用した場合でも抵抗の時と同様の電力が熱として発生する。
したがって、従来の抵抗方式や半導体素子による定電流方式に比較して、本発明ではきわめて小さい損失で発光手段を駆動する電源装置を実現することが可能である。

本発明の請求項１に係る電源装置によれば、発光手段に直列にスイッチング素子を接続し、前記スイッチング素子のＯＮデュ−ティを可変し、発光手段を流れる電流を制御するような、制御手段を持った方式に比べ、本方式では電流を検出する手段や制御手段を持たず、コンデンサまたはインダクタ１個で、ＬＥＤを用いた発光手段に適した電源を構成することが出来る。

本発明の請求項５に係る電源装置によれば、コンデンサまたはインダクタと直列に少なくとも１つ以上の直列接続されたＬＥＤを、ユニットとすると、前記ユニットを複数個並列に交流電源に接続するだけで、ＬＥＤの数を増やすことが出来る。したがって、従来の方式のように、ユニット毎に電流検出手段と制御手段を必要とせず、簡単な電源構成を保つことが可能となる。

本発明の請求項２に係る電源装置によれば、交流電源の電圧を高くすることにより、（１）式から明らかなように、略定電流特性を変えずに容易に直列に接続するＬＥＤの数を増やすことが出来る。

本発明の請求項３に係る電源装置によれば、（１）式から明らかなように、インバータの周波数を商用周波数に比較して、高くすることにより、商用周波数を使用したときに流した電流と同じ電流を流すのに、発光手段と直列に接続するコンデンサの容量Ｃを小さく出来る。このことにより、コンデンサまたはインダクタの体積を小さく出来、ＬＥＤユニットをより容易に増やすことが出来る。
また、インバータと、インダクタとコンデンサによる低域通過フィルタを組み合わせることにより、インバータの電源電圧より高い電圧を発生させる昇圧機能とインバータで発生する高調波成分除去機能を併せ持たせることが出来る。高調波成分を除去することは、ＥＭＣの点で必要である。

本発明の請求項４に係る電源装置によれば、インバータの周波数を可変する手段により、（１）式から明らかなように、発光手段を流れる電流を可変することが出来、周波数を連続して変えれば、連続した調光を可能とする。

本発明の請求項５に係るものによれば、コンデンサまたはインダクタと発光手段を直列に接続したものをユニットとすることにより、容易にユニットを増やすことが出来る。

本発明の請求項６に係る電源装置によれば、交流を直流に変換するための整流ダイオードが無く、略定電流の電流にするコンデンサ８の損失は非常に小さい。したがって、ＬＥＤで構成された発光手段の電気−光変換効率を損なうことがない。また、前記電源を構成する部品がわずかな為、コストを抑え、故障の少ない照明装置を実現できる。

本発明に係る電源装置には、電流検出手段と制御手段を持たない。したがって、（１）式から明らかなように、発光手段に流れる電流は交流電源の電圧Ｅにより変化するが、従来の白熱電灯や蛍光灯も、同様に前記電圧Ｅによりその明るさが変化するが、一般の照明に使用する場合、なんら不都合を生じていないことはこれまでの経験から明らかである。
したがって、従来技術のような電流検出手段と制御手段を持たないことで、回路が簡単になり、より照明用に適した電源装置といえる。

この発明の実施形態に関して、以下の図で説明する。
図１は、交流電源７と、１個以上のＬＥＤを接続した発光手段２と、コンデンサ８で構成されている。交流電源は、たとえば商用電源が用いられる。商用電源と発光手段とはコンデンサ８で直列に接続されている。

商用電源７の電圧をＥ、発光手段２の端子間電圧をＶ，発光手段に流れる電流をＩとすると、Ｉは式（１）で表される電流が流れる。発光手段内のＬＥＤを直列に接続する段数を１段、２段・・・と増やすと、それに伴い発光手段の端子電圧が増加する。コンデンサ８の容量をＣ、電源電圧Ｅが一定とすると、このときの発光手段の端子間電圧Ｖと発光手段を流れる電流の関係をグラフで表したのが図５である。

図５からわかるように、発光手段２の端子間電圧Ｖと交流電源７の電圧Ｅの比Ｖ／Ｅが、ある範囲内に在るとき、端子間電圧Ｖが変動しても発光手段を流れる電流Ｉが略定電流となる領域の存在することがわかる。
したがって、発光手段内の、ＬＥＤを直列に接続する段数を、前記電圧比になるような段数に設定すると、発光手段を略定電流で動作できる。

コンデンサにはｔａｎδ、ＥＳＲ，ＥＳＬ等で表される損失成分が有り、コンデンサに電流が流れると、前記損失成分による損失が発生し、これが熱となる。素子が抵抗の場合、ＬＥＤを流れる電流、即ち抵抗を流れる電流と抵抗にかかる電圧の積が熱損失となる。電源電圧が商用電源のように比較的高く、ＬＥＤを流れる電流が大きい場合、その熱損失は大きく、また照明装置全体としての電気−光変換効率を下げることになる。しかし、素子がコンデンサの場合、一般的にそれらの損失は小さいため、発光手段に直列接続されたコンデンサ８で発生する電力損失は小さく、照明装置として消費する電力のほとんどが発光手段での消費であるので理想的な電源装置と言える。

ＬＥＤで構成された照明用発光手段で使用されるＬＥＤの電圧−電流特性は、その特性バラツキが有り、また温度により変化するが、式（２）で示されるようにＥ−Ｖを大きく取れば、前記した発光手段の端子間電圧のバラツキΔＶによる電流変化を十分に小さくすることが可能である。これが、図５における略定電流特性の領域を使用する効果である。

図１で構成されたコンデンサ８の機能の代わりに、インダクタで置き換えることも可能である。このときの回路図を図６に示す。
前記した発光手段を流れる電流Ｉは、図６においては式（３）で表され、

となるようにＬの値を決めると、図１における電流Ｉと同じ電流を発光手段に流すことが出来る。
また、図６におけるインダクタンス９も、図１におけるコンデンサ８と同様、インダクタンスで発生する損失は小さく、照明用電源装置として発生する電力損失の大部分は発光手段で発生するのみである。

本発明によれば、発光手段に流れる電流Ｉの検出手段、制御手段を必要としないので、図１１、図１２のように、ＬＥＤユニットを複数個並列接続しても電源装置が複雑にならない。

本発明における発光手段の構成は、図３であっても、図４であってもよい。
したがって、交流電源を直流に変換する必要はない。
また、図４における整流後の平滑コンデンサ６を省略してもよい。

図１、２、６、１１、１２は、本発明の交流電源として商用電源を使用した場合である。
商用電源を使用した場合、発光手段に流す電流を、コンデンサ８または、インダクタ９のみで安定に、任意の電流を流すことが出来る。式（１）から明らかなように商用電源７の電圧Ｅは任意に決められないので、発光手段内の直列接続するＬＥＤの数は制限されるが、より多くのＬＥＤを使用したい場合、図１１，１２に示されるように、ＬＥＤユニットを複数個並列接続すれば可能であり、従来技術のように複雑な電源とならない。また、図１２のように、ＬＥＤユニットに直列接続される素子がコンデンサのものと、インダクタのものを同数とすると力率が１となり、省エネに貢献できる。

本発明の実施例２を図７で説明する。
発光手段内の直列接続するＬＥＤの数を増やしたい場合、商用電源７の電圧Ｅをトランスで昇圧した電圧をＥｔとし
Ｅｔ＝ｎ×Ｅ ｎは係数 とすると
式（２）右辺第３項は

となり、定電流特性を同じに維持した場合、ｎ倍の個数のＬＥＤを直列に接続することが出来る。

本発明の実施例３を図９で説明する。
直流電源１３は、商用電源を整流後平滑したものである。制御回路１４とトランジスタ１７ａ、１７ｂでインバータを構成し、直流を数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの高周波に変換する。高周波に変換された矩形波出力は、コンデンサ２０で直流成分をカットする。直流成分をカットされた高周波はインダクタとコンデンサで構成される低域通過フィルタ２１を通る。この低域通過フィルタ２１は、高調波成分の無い正弦波形に変換された交流電源を作ると共に

でピークを持つ昇圧回路を形成することが出来る。

たとえば、インバータの周波数を１０ｋＨｚ、直流電源１３の電圧を１００ｖ、式（５）で表される低域通過フィルタの共振点ｆｏを１１．２ｋＨｚとなるようにインダクタＬと、コンデンサＣの値を決めると、インバータ２４の出力２５は振幅１００ｖの矩形波であるが、図１４でわかるように、低域通過フィルタを通過すると、インバータ出力の振幅１００ｖよりも高い正弦波交流電圧を発生させることが出来る。即ち図７における昇圧トランス１２を用いたと同じ効果を持たせることが出来る。

調光を行う場合について、本発明の実施例４を図１０で説明する。
式（１）で明らかなように、交流電源の周波数を可変することによりＬＥＤユニットに直列接続されたコンデンサの容量を変えずに、ＬＥＤユニットに流す電流を変化させることが出来る。インバータの出力には低域通過フィルタがあり、ここでも周波数に依存した出力が発生する。周波数を共振周波数より低くすると、低域通過フィルタの出力は低下し、またコンデンサ８、および直流カットコンデンサ２０のインピーダンスが上昇し、ＬＥＤユニットに流れる電流を小さく出来る。このようにして、インバータの周波数を可変することで調光を可能にする。

前記請求項５に係る実施例を図１８で説明する。
ＬＥＤで構成された発光手段と、コンデンサで構成されたものを一体としユニットとすれば、ユニットを容易に増設できる。たとえば、夜間工事の境界照明のように数十メートルの距離に等間隔に付けられた照明に、本ユニットを使用することが出来る。

本発明によるＬＥＤで構成された発光手段の駆動方法は、交流電源が比較的高い商用電源の場合、その構成部品が実施例１でわかるように、損失の少ない部品で実現可能であり、単純な回路構成、かつ非常に少ない部品数で実現可能である。したがって、実施例で示したように、多様な回路構成も容易であり、信頼性の上でも、従来技術以上に期待できる。
また、インバータを使用した方法においても、発光手段に流れる電流を検出する手段、電流を制御する手段を持たないので、従来技術よりも回路が単純化され、コスト、信頼性の向上が図れる。
本発明による電源とＬＥＤによる照明器具を組み合わせることにより、従来の白熱電球や蛍光灯の長所である構成部品の単純さと、ＬＥＤによる光変換効率の良さを損なわない照明装置を提供できる。

本発明の実施例１の回路図である。 本発明の実施例１の回路図である。 本発明の実施例に使用した発光手段の１例である。 本発明の実施例に使用した発光手段の１例である。 本発明の実施例に係る、略定電流特性を示す図である。 本発明の実施例１の回路図である。 本発明の実施例２の回路図である。 本発明の実施例２の回路図である。 本発明の実施例３の回路図である。 本発明の実施例４の回路図である。 本発明の実施例１の応用回路図である。 本発明の実施例１の応用回路図である。 本発明の実施例３の応用回路図である。 本発明の実施例４で使用の低域通過フィルタの周波数特性図である。 ＬＥＤの電圧−電流特性を示す１例である。 ＬＥＤの明るさ−電流特性を示す１例である。 ＬＥＤの電圧−周囲温度依存性を示す１例である。 本発明の実施例５の回路図である。

符合の説明

１ ＬＥＤ
２、３ 発光手段
４ 整流回路
５、１５ ダイオード
６、８、１９、２０ コンデンサ
７ 交流電源
９、１８、２１ インダクタ
１０ ＬＥＤのみで構成された発光手段
１１ インダクタを接続したＬＥＤユニット
１２ 昇圧トランス
１３ 直流電源
１４ 制御回路
１６、１７ａ、１７ｂ トランジスタ
２２ 可変抵抗器
２３ 整流回路と平滑コンデンサで構成された発光手段
２４ インバータ
２５ インバータ出力
２６ コンデンサを接続したＬＥＤユニット

Claims (6)

1. ＬＥＤで構成された発光手段に使用する照明用電源装置であって、コンデンサまたはインダクタ、を備え、交流電源と前記発光手段をコンデンサまたはインダクタで直列に接続し、前記交流電源の電圧と、前記発光手段の端子間電圧との比を、前記発光手段に流れる電流が略定電流とみなされる特性を持つ領域で動作するようにしたことを特徴とする電源装置。
2. ＬＥＤで構成された発光手段に使用する照明用電源装置であって、交流電源を昇圧するトランスと、コンデンサまたはインダクタと、を備え、前記トランスで昇圧された交流電源と前記発光手段をコンデンサまたはインダクタで直列に接続し、前記トランスで昇圧された交流電源の電圧と、前記発光手段の端子間電圧との比を、前記発光手段に流れる電流が略定電流とみなされる特性を持つ領域で動作するようにしたことを特徴とする電源装置。
3. 商用電源を直流に変換する手段と、直流を高周波に変換するインバータと、インダクタとコンデンサで構成される低域通過フィルタと、コンデンサまたはインダクタと、を備え、前記インバータの出力にインダクタとコンデンサで構成された低域通過フィルタを接続し、前記低域通過フィルタの出力に発生した電圧を前記請求項１記載の交流電源としたことを特徴とするＬＥＤで構成された発光手段に使用する電源装置。
4. 商用電源を直流に変換する手段と、直流を高周波に変換するインバータと、前記インバータの周波数を可変する制御手段と、インダクタとコンデンサで構成される低域通過フィルタと、コンデンサまたはインダクタと、を備え、前記インバータの出力にインダクタとコンデンサで構成された低域通過フィルタを接続し、前記低域通過フィルタの出力に発生した電圧を前記請求項１記載の交流電源とし、前記インバータの周波数を変えることにより前記発光手段に流す電流を変えることを特徴とする電源装置。
5. 前記請求項１のＬＥＤで構成された発光手段と、コンデンサまたはイングクタと、を直列に接続したものを一体としたことを特徴とする電源装置。
6. ＬＥＤで構成された発光手段に使用する照明用電源装置であって、請求項１記載の電源装置と、前記発光手段と、を備え、前記発光手段と前記電源装置とが、交流電源だけで構成されたことを特徴とする電源装置。

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