JP2008278640A - 電源装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した内部電源を得られるとともに、省電力化を実現できる安価な電源装置及び照明器具を提供する。
【解決手段】 単一の発光ダイオードの順方向電圧は、３．５Ｖ程度で、この順方向電圧は、入力側の電源変動などに対してもほぼ一定であることに着目して、発光ダイオード１７〜２０の直列回路に発生する直流電圧によりコンデンサ２１を充電し、このコンデンサ２１の充電電圧を制御回路２２の駆動電源として供給する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば発光ダイオードなどの発光素子の駆動に最適な電源装置及び照明器具に関するものである。

最近、発光ダイオードなどの発光素子の電源として、スイッチング素子を用いた直流の電源装置が多く用いられている。そして、発光ダイオードとして白色の発光ダイオードの普及にともない、その用途も一般照明にも使用されるなど拡大する傾向にある。

ところで、発光ダイオードを一般照明に使用するためには、点灯回路を備えた電源装置に高い回路効率、安定化した出力電流制御、調光などの種々の機能が要求され、これらの制御を実現する回路が組み込まれ、さらに、これら回路を動作させるための制御電源も必要とされている。

そこで、従来、例えば特許文献１に開示されるようにスイッチングトランスの別巻線に発生する交流電圧をダイオードで整流し、この整流出力により充電される平滑コンデンサの端子電圧を制御回路の駆動電源とするようにしたものや、特許文献２に開示されるように負荷である発光ダイオードと直列に接続される抵抗の端子電圧を制御回路にフードバックし、この抵抗の端子電圧を制御電圧として制御回路内部の基準電圧と比較し、この比較結果に基づいて半導体スイッチのスイッチングを制御するものなどが知られている。
特開２００３−８８１１９号公報 特開２００２−２４４１０３号公報

これら特許文献１及び２に開示された方法によれば、装置内部から比較的容易に制御電源を得ることができる。ところが、特許文献１は、スイッチングトランスの別巻線に発生する交流電圧から制御回路の駆動電源を生成しているため、仮に入力側の電圧変動や負荷電流の変動が生じると、平滑コンデンサの端子電圧が変動して制御回路に供給される電源電圧が変動してしまい、制御回路の動作が安定しないという問題を生じる。また、特許文献２についても、発光ダイオードと直列に接続される抵抗の端子電圧から制御回路の制御電源を得ているため、この場合も入力側の電圧変動や負荷電流の変動が生じると、抵抗の端子電圧が変動して制御回路に供給される制御電源が変動してしまい、制御回路の動作が安定しないという問題を生じる。

そこで、従来、このような装置の動作の安定化が要求される場合には、シリースレギュレータを用いて過渡的な電圧変動を補償する方法などが考えられている。しかし、このようなシリースレギュレータを用いることは、その分部品点数が増加してしまい、価格的に高価となり、さらに、シリースレギュレータにおいて消費する電力も大きなものになるという問題も生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安定した内部電源を得られるとともに、省電力化を実現できる安価な電源装置及び照明器具を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のスイッチング動作により直流出力を生成する直流出力生成手段と；前記直流出力生成手段より生成される直流出力が供給される負荷と；前記負荷を介して発生される出力より電源出力を発生する内部電源とを具備したことを特徴としている。

ここで、スイッチング手段には、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタなどのスイッチングトランジスタが用いられる。また、直流出力生成手段は、スイッチングトランジスタ、インダクタ（スイッチングトランス）および整流平滑回路などを備えている。負荷には、発光ダイオードなど入力側の電源変動などに対して端子電圧がほぼ一定の負荷が用いられる。そして、内部電源の「負荷を介して発生される出力より電源出力を発生する」とは、負荷に発生される電圧より電源出力を発生することを含む。

請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段を有し、前記内部電源の出力を前記制御手段の電源として供給可能としたことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載において、前記負荷に供給される直流出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段の検出信号により前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段を有し、前記内部電源の出力を前記出力検出手段の電源として供給可能としたことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一記載において、前記負荷は、１個以上の発光ダイオードからなり、前記１個以上の発光ダイオード間に発生する電圧を前記内部電源としたことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一記載の電源装置を適用した照明器具である。

本発明によれば、安定した内部電源を得られるとともに、省電力化を実現できる安価な電源装置及び照明器具を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の電源装置が適用される照明器具について簡単に説明する。図１及び図２において、１は器具本体で、この器具本体１は、アルミニウムのダイカスト製のもので、両端を開口した円筒状をしている。この器具本体１は、内部を仕切り部材１ａ、１ｂにより上下方向に３分割され、下方開口と仕切り部材１ａの間の空間は、光源部２に形成されている。この光源部２には、複数のＬＥＤ２ａと反射体２ｂが設けられている。複数のＬＥＤ２ａは、仕切り部材１ａ下面に設けられた円盤状の配線基板２ｃの円周方向に沿って等間隔に配置され実装されている。

器具本体１の仕切り部材１ａと１ｂの間の空間は電源室３に形成されている。この電源室３は、仕切り部材１ａ上部に配線基板３ａが配置されている。この配線基板３ａには、前記複数のＬＥＤ２ａを駆動するための本発明の電源装置を構成する各電子部品が設けられている。この直流電源装置と複数のＬＥＤ２ａは、リード線４により接続されている。

器具本体１の仕切り板１ｂと上方開口の間の空間は、電源端子室５に形成されている。この電源端子室５は、仕切り板１ｂに電源端子台６が設けられている。この電源端子台６は、電源室３の電源装置に商用電源の交流電力を供給するための端子台で、電絶縁性の合成樹脂で構成されたボックス６ａの両面に電源ケーブル用端子部となる差込口６ｂ、送りケーブル用端子部となる差込口６ｃ及び電源線及び送り線を切り離すリリースボタン６dなどを有している。

図３は、このように構成された照明器具の電源室３に組み込まれる本発明の電源装置の概略構成を示している。なお、図３は、昇圧型チョッパ回路を適用したものを示している。

図３において、１１は直流電源で、この直流電源１１には、例えば交流電源（商用電源）の交流出力を全波整流し、この全波整流した出力を平滑コンデンサにより平滑して直流出力として発生するものが用いられる。

直流電源１１の両端には、インダクタ１２とスイッチング手段としてのスイッチングトランジスタ１３の直列回路が接続されている。インダクタ１２は、スイッチングトランジスタ１３のオンの時に直流電源１１より電流が流れてエネルギーを蓄積し、スイッチングトランジスタ１３のオフで蓄積したエネルギーを放出する。

スイッチングトランジスタ１３には、並列に図示極性のダイオード１４と平滑コンデンサ１５からなる整流平滑回路１６１が接続されている。この整流平滑回路１６１は、スイッチングトランジスタ１３、インダクタ１２とともに直流出力生成手段を構成し、インダクタ１２のエネルギー放出により発生する交流出力をダイオード１４で整流し、この整流出力を平滑コンデンサ１５により平滑して直流出力として発生する。

平滑コンデンサ１５には、負荷として複数個（図示例では５個）直列に接続された発光ダイオード１６〜２０が接続されている。この場合、発光ダイオード１６のアノードがダイオード１４と平滑コンデンサ１５の接続点に、発光ダイオード２０のカソードが平滑コンデンサ１５とスイッチングトランジスタ１３の接続点にそれぞれ接続されている。また、発光ダイオード１７〜２０の直列回路の間には、内部電源としてコンデンサ２１が接続されている。このコンデンサ２１は、発光ダイオード１７〜２０の直列回路の両端に発生する直流電圧により充電される。コンデンサ２１の両端には、制御手段としての制御回路２２の電源端子２２ａ、２２ｂが接続されている。コンデンサ２１は、充電電圧を制御回路２２の駆動電源として供給する。

ところで、単一の発光ダイオードの順方向電圧は、３．５Ｖ程度で、この順方向電圧は、入力側の電圧変動や負荷電流の変動などに対してもほぼ一定であることが知られている。これにより図示例の４個の発光ダイオード１７〜２０の直列回路の場合、この直列回路の両端には、１４Ｖ程度の安定した直流電圧を発生させることができ、この直流電圧により充電されるコンデンサ２１は、入力側の電圧変動や負荷電流の変動などに影響されない安定した電源を制御回路２２に供給できる。

発光ダイオード１６〜２０の直列回路には、抵抗２３が並列に接続されている。この抵抗２３は、発光ダイオード１６〜２０の直列回路の両端電圧を検出する。また、抵抗２３は、制御回路２２の制御端子２２ｄに接続され、この制御端子２２ｄに検出電圧を入力する。

制御回路２２は、駆動端子２２ｃが抵抗２４を介してスイッチングトランジスタ１３のゲートに接続されている。制御回路２２は、コンデンサ２１の充電電圧を電源として動作するもので、抵抗２３の検出電圧と制御回路２２内部の基準電圧の比較結果によりスイッチングトランジスタ１３をオンオフさせてインダクタ１２をスイッチング駆動し、発光ダイオード１６〜２０に供給される直流出力の定電圧制御を行う。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

いま、制御回路２２によりスイッチングトランジスタ１３がオンオフされると、インダクタ１２がスイッチング駆動される。そして、スイッチングトランジスタ１３のオンで、インダクタ１２に直流電源１１より電流が流れてエネルギーを蓄積し、スイッチングトランジスタ１３のオフで蓄積したエネルギーを放出する。これにより整流平滑回路１６１を介して直流出力が発生して発光ダイオード１６〜２０に供給され、発光ダイオード１６〜２０が点灯される。

この場合、発光ダイオード１７〜２０の直列回路の両端には、発光ダイオード１７〜２０のそれぞれの順方向電圧により１４Ｖ程度の安定した直流電圧が発生しており、この直流電圧によりコンデンサ２１が充電される。このコンデンサ２１の充電電圧は、内部電源として制御回路２２の電源端子２２ａ、２２ｂに供給される。

一方、抵抗２３により発光ダイオード１６〜２０の直列回路の両端電圧が検出され、この検出電圧が制御回路２２の制御端子２２ｄに入力される。これにより、制御回路２２は、抵抗２３の検出電圧と制御回路２２内部の基準電圧の比較結果によりスイッチングトランジスタ１３をオンオフさせてインダクタ１２をスイッチング駆動し、発光ダイオード１６〜２０に供給される直流出力の定電圧制御を行う。

したがって、このようにすれば、単一の発光ダイオードの順方向電圧は、３．５Ｖ程度で、この順方向電圧は、入力側の電源変動などに対してもほぼ一定であることに着目して、発光ダイオード１７〜２０の直列回路に発生する直流電圧によりコンデンサ２１を充電し、このコンデンサ２１の充電電圧を制御回路２２の駆動電源として用いるようにした。これにより、制御回路２２は、入力側の電圧変動や負荷電流の変動に対しても常に安定している内部電源により駆動できるようになるので、常に安定した動作を行わせることができ、装置動作の安定化を図ることができる。

また、制御回路２２を安定した内部電源により駆動できることで、装置動作の安定化のため従来用いられていたシリースレギュレータの使用を回避できるので、シリースレギュレータを用いることによる部品点数の増加を阻止でき、価格的にも安価にできる。また、シリースレギュレータによる消費電力もなくなり省電力化を実現することもできる。

また、発光ダイオード１７〜２０を介して制御回路２２の駆動電源となるコンデンサ２１を充電しているので、発光ダイオード１７〜２０が未装着の場合、コンデンサ２１の充電は行われず制御回路２２は動作することなく装置全体を停止させることができるので、装置の安全性の面からも良好な状況を作り出すことができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図４は、第２の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示している。

図４において、３１は直流電源で、この直流電源３１には、例えば交流電源（商用電源）の交流出力を全波整流し、この全波整流した出力を平滑コンデンサにより平滑して直流出力として発生するものが用いられる。

直流電源３１の両端には、スイッチングトランス３２の一次巻線３２ａとスイッチング手段としてのスイッチングトランジスタ３３の直列回路が接続されている。スイッチングトランス３２は、一次巻線３２ａと磁気的結合された二次巻線３２ｂと補助巻線３２ｃを有している。

スイッチングトランス３２の一次巻線３２ａ両端には、コンデンサ３４と抵抗３５の並列回路と図示極性のダイオード３６の直並列回路からなるスナバ回路３７が接続されている。このスナバ回路３７は、スイッチングトランス３２の一次巻線３２ａに発生するフライバック電圧をコンデンサ３４による充電と抵抗３５の放電により吸収し、スイッチングトランス３２のリーケージインダクタンスにより発生するリンギング電圧をコンデンサ３４より吸収する。

スイッチングトランス３２の二次巻線３２ｂには、図示極性のダイオード３８と平滑コンデンサ３９からなる整流平滑回路４０が接続されている。この整流平滑回路４０は、スイッチングトランジスタ３３、スイッチングトランス３２とともに直流出力生成手段を構成し、スイッチングトランス３２の二次巻線３２ｂより発生する交流出力をダイオード３８で整流し、この整流出力を平滑コンデンサ３９により平滑して直流出力として発生する。

整流平滑回路４０には、抵抗４７を介して負荷としての複数個（図示例では５個）直列に接続された発光ダイオード４１〜４５が接続されている。

また、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の間には、抵抗４７を介して内部電源としてコンデンサ４６が接続されている。このコンデンサ４６は、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の両端に発生する直流電圧により充電される。コンデンサ４６の両端には、出力検出手段としての出力検出回路４８の電源端子４８ａ、４８ｂが接続されている。コンデンサ４６は、充電電圧を出力検出回路４８の駆動電源として供給する。

出力検出回路４８の入力端子には、抵抗４７の両端に接続されている。出力検出回路４８は、抵抗４７の端子電圧が入力され、発光ダイオード４１〜４５に流れる電流に応じた検出信号を出力する。出力検出回路４８の出力端子には、フォトカプラ５０の発光ダイオード５０１と抵抗４９の直列回路が接続されている。フォトカプラ５０は、発光ダイオード５０１とフォトトランジスタ５０２を同一パッケージに収容したもので、発光ダイオード５０１より発生する光をフォトトランジスタ５０２で受光し出力を発生する。ここでの発光ダイオード５０１は、出力検出回路４８の検出信号に応じた強さの光を発生する。フォトトランジスタ５０２については後述する。

一方、スイッチングトランス３２の補助巻線３２ｃの両端には、図示極性方向のダイオード５１と平滑コンデンサ５２の直列回路が接続されている。この平滑コンデンサ５２は、補助巻線３２ｃより交流出力が発生すると、この交流出力を整流するダイオード５１の出力により充電される。

平滑コンデンサ５２の両端には、制御手段としての制御回路５３の電源端子５３ａ、５３ｂが接続されている。制御回路５３は、駆動端子５３ｃをスイッチングトランジスタ３３のゲートに接続されている。この制御回路５３は、平滑コンデンサ５２の充電電圧を電源として動作するもので、その動作によりスイッチングトランジスタ３３をオンオフさせてスイッチングトランス３２をスイッチング駆動する。

制御回路５３の制御端子５３ｄには、上述したフォトカプラ５０のフォトトランジスタ５０２が接続されている。このフォトトランジスタ５０２は、発光ダイオード５０１より発生される光の強さに応じた出力を検出信号として制御回路５３に与える。制御回路５３は、この検出信号と制御回路５３内部の基準電圧の比較結果によりスイッチングトランジスタ３３をオンオフさせてスイッチングトランス３２をスイッチング駆動し、発光ダイオード４１〜４５に供給される直流出力の定電流制御を行う。

このような構成によると、制御回路５３によりスイッチングトランジスタ３３がオンオフされると、スイッチングトランス３２がスイッチング駆動される。そして、スイッチングトランジスタ１３のオンで、スイッチングトランス３２の一次巻線３２ａに直流電源３１より電流を流してエネルギーを蓄積し、スイッチングトランジスタ３３のオフで一次巻線３２ａに蓄積したエネルギーを、二次巻線３２ｂを通して放出する。これにより整流平滑回路４０を介して直流出力が発生し発光ダイオード４１〜４５が点灯される。この場合、制御回路５３には、補助巻線３２ｃに発生する交流出力を、ダイオード５１を通して充電する平滑コンデンサ５２の充電電圧が駆動電源として供給されている。

一方、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の両端には、発光ダイオード４２〜４５のそれぞれの順方向電圧により１４Ｖ程度の安定した直流電圧が発生しており、この直流電圧によりコンデンサ４６が充電される。このコンデンサ４６の充電電圧は、内部電源として出力検出回路４８の電源端子４８ａ、４８ｂに供給される。

この状態で、出力検出回路４８は、抵抗４７の端子電圧が入力され、発光ダイオード４１〜４５に流れる電流に応じた検出信号を出力する。この出力検出回路４８の検出信号は、フォトカプラ５０は、発光ダイオード５０１とフォトトランジスタ５０２を介して制御回路５３の制御端子５３ｄに入力される。これにより、制御回路５３は、出力検出回路４８の検出信号と制御回路５３内部の基準電圧の比較結果によりスイッチングトランジスタ３３をオンオフさせてスイッチングトランス３２をスイッチング駆動し、発光ダイオード４１〜４５に供給される直流出力の定電流制御を行う。

したがって、このようにすれば、発光ダイオード４２〜４５の直列回路に発生する直流電圧によりコンデンサ４６を充電し、このコンデンサ４６の充電電圧を出力検出回路４８の電源として用いるようにした。これにより、出力検出回路４８は、入力側の電圧変動や負荷電流の変動に対して常に安定している内部電源により駆動できるので、常に安定した動作を行わせることができる。これにより、第１の実施の形態で述べたと同様な効果を得ることができる。

なお、この実施の形態では、発光ダイオード４２〜４５の直列回路両端の直流電圧によりコンデンサ４６を充電し、この充電電圧を出力検出回路４８の電源として用いるようにしたが、出力検出回路４８の電源のみに限らず、制御回路５３の電源として同時に用いるようにしてもよい。こうすれば、制御回路５３の駆動電源も安定したものにできる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。

図５は、第３の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示すもので、図４と同一部分には同符号を付している。

この場合、直流電源３１の負極端がスイッチングトランス３２の二次巻線３２ｂと整流平滑回路４０の平滑コンデンサ３９との接続点に接続されている。また、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の間には、内部電源としてコンデンサ５４が接続されている。このコンデンサ５４は、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の両端に発生する直流電圧により充電される。コンデンサ５４の両端には、制御手段としての制御回路５３の電源端子５３ａ、５３ｂが接続されている。コンデンサ５４は、充電電圧を制御回路５３の駆動電源として供給する。また、制御回路５３は、駆動端子５３ｃが抵抗５５を介してスイッチングトランジスタ３３のゲートに接続されている。また、抵抗４７に流れる電流が検出信号として制御回路５３の制御端子５３ｄに入力される。

その他は、図４と同様である。

このようにすれば、発光ダイオード４２〜４５の直列回路の両端の直流電圧によりコンデンサ５４が充電され、このコンデンサ５４の充電電圧が制御回路５３の電源端子５３ａ、５３ｂに電源として供給される。一方、抵抗４７に流れる電流が検出信号として制御回路５３の制御端子５３ｄに入力される。これにより、制御回路５３は、検出信号と制御回路５３内部の基準電圧の比較結果によりスイッチングトランジスタ３３をオンオフさせてスイッチングトランス３２をスイッチング駆動し、発光ダイオード４１〜４５に供給される直流出力の定電流制御を行う。

したがって、このようにしても第１の実施の形態で述べたと同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、４個の発光ダイオードの直列回路により１４Ｖ程度の安定した直流電圧を得るようにしたが、これら発光ダイオードの直列回路の個数を選択することにより所望の直流電圧を得ることもできる。例えば、マイコンなどの電源の場合は、１個の発光ダイオードの端子電圧から３Ｖ程度の安定した直流電圧を得るようにすればよい。また、上述では、負荷として発光ダイオードの例を述べたが、レーザダイオードなど他の負荷を用いた場合にも適用できる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置が適用される照明器具を示す斜視図。 第１の実施の形態にかかる電源装置が適用される照明器具の断面図。 第１の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示す図。 本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示す図。

符号の説明

１…器具本体、２…光源部
２ａ…ＬＥＤ、４…リード線
５…電源端子室、６…電源端子台、
１１…直流電源、１２…インダクタ、
１３…スイッチングトランジスタ、１６１…整流平滑回路、
１６〜２０…発光ダイオード、２１…コンデンサ
２２…制御回路、３１…直流電源、３２…スイッチングトランス
３３…スイッチングトランジスタ、３７…スナバ回路
４０…整流平滑回路、４１〜４５…発光ダイオード、４６…コンデンサ、
４８…出力検出回路、５０…フォトカプラ、
５１…ダイオード、５２…平滑コンデンサ、５３…制御回路

Claims (5)

1. スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のスイッチング動作により直流出力を生成する直流出力生成手段と；
   前記直流出力生成手段より生成される直流出力が供給される負荷と；
   前記負荷を介して発生される出力より電源出力を発生する内部電源と；
   を具備したことを特徴とする電源装置。
2. 前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段を有し、前記内部電源の出力を前記制御手段の電源として供給可能としたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記負荷に供給される直流出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段の検出信号により前記スイッチング手段のスイッチング動作を制御する制御手段を有し、前記内部電源の出力を前記出力検出手段の電源として供給可能としたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
4. 前記負荷は、１個以上の発光ダイオードからなり、
   前記１個以上の発光ダイオード間に発生する電圧を前記内部電源としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一記載の電源装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一記載の電源装置を適用した照明器具。

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