JP2010177131A

JP2010177131A - Ｌｅｄ照明器具

Info

Publication number: JP2010177131A
Application number: JP2009020697A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Mizukawa; 宏光水川; Yoshifumi Kuroki; 芳文黒木; Kazuhiro Kumada; 和宏熊田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: EP2213932A1; JP5735728B2; EP2213932B1

Abstract

【課題】電源ユニットを一体化したＬＥＤ照明器具において、ＬＥＤユニット２から電源ユニット４への輻射熱の影響を小さくする。
【解決手段】ＬＥＤ２ａ〜２ｈを実装基板２１に搭載したＬＥＤユニット２と、ＬＥＤユニット２で発生した熱を放熱させる放熱部７と、放熱部７に取り付けられる金属板６と、金属板６に取り付けられる電源ユニット４とを備える。電源ユニット４は入力フィルタ回路３と整流回路ＤＢを共用する複数の同一構成のスイッチング電源を有する。スイッチング電源は降圧チョッパ回路でも良いし、昇降圧チョッパ回路でも良い。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオード（以下ＬＥＤという）を用いたＬＥＤ照明器具に関するものである。

従来、ＬＥＤ照明器具においては、図９に示すように、ＬＥＤユニット２を収めた器具筐体７と、ＬＥＤ２ａ〜２ｄを発光するために出力を与える電源ユニット４とは別に配置される場合が多かった。この場合、現場において電源ユニット４を取り付けてから器具筐体７を取り付けて、両者をリード線５とコネクタ５０で接続するという作業が必要となり、電源ユニット４とＬＥＤユニット２が一体となった照明器具の場合よりも取り付け作業の時間が長く掛かっていた。

一方、特許文献１（特開２００４−５５８００号公報）には、図１０に示すように、電源ユニット４とＬＥＤユニット２とが器具筐体７内に収められる一体型のＬＥＤ照明器具が開示されている。器具筐体７は天井９に埋め込まれている。器具筐体７は、下端開放された金属製の円筒体よりなり、下端開放部は光拡散板８で覆われている。この光拡散板８に対向するように、ＬＥＤユニット２が配置されている。２１はＬＥＤ実装基板であり、ＬＥＤユニット２のＬＥＤ２ａ〜２ｄを実装している。

この従来例では、器具内に取り付けられるＬＥＤユニット２の実装基板２１の裏側に器具筐体７に熱的に結合された放熱板７１を設けていた。この放熱板７１を介して、ＬＥＤ２ａ〜２ｄから発生する熱を放熱することでＬＥＤ２ａ〜２ｄの温度を下げて、光出力を上げる効果がある。

特開２００４−５５８００号公報

しかしながら、図１０に示すように、電源ユニット４のプリント基板４１をＬＥＤユニット２に近接して配置すると、器具内の対流を妨げることになり、ＬＥＤ２ａ〜２ｄの放熱が阻害される要因となっていた。また、電源ユニット４は電解コンデンサ等の有寿命部品を含んでおり、ＬＥＤユニット２からの輻射熱の影響により温度が上昇すると、寿命が短くなるという問題があった。さらに、高出力化の要請に応えて、ＬＥＤを多灯化するにつれてＬＥＤユニット２の発熱も増大し、電源ユニット４の部品ストレスも増大するという問題があった。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、電源ユニットを一体化したＬＥＤ照明器具において、ＬＥＤユニットから電源ユニットへの輻射熱の影響を小さくすることを課題とする。また、電源ユニットの部品ストレスを軽減することを課題とする。

請求項１のＬＥＤ照明器具は、上記の課題を解決するために、図１、図２に示すように、ＬＥＤ２ａ〜２ｈを実装基板２１に搭載したＬＥＤユニット２と、ＬＥＤユニット２で発生した熱を放熱させる放熱部７と、放熱部７に取り付けられる金属板６と、金属板６に取り付けられる電源ユニット４とを備える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の発明において、図３に示すように、電源ユニット４は複数の同一構成のスイッチング電源を有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、図３に示すように、電源ユニット４は、商用交流電源Ｖｓに接続される入力フィルタ回路３と、入力フィルタ回路３に接続された整流回路ＤＢとを備え、複数のスイッチング電源は入力フィルタ回路３と整流回路ＤＢを共用したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、図３に示すように、電源ユニット４は、商用交流電源Ｖｓに接続される入力フィルタ回路３と、入力フィルタ回路３に接続された整流回路ＤＢと、整流回路ＤＢの出力に接続された力率改善回路１０とを備え、複数のスイッチング電源は入力フィルタ回路３と整流回路ＤＢと力率改善回路１０を共用したことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の発明において、複数のスイッチング電源は１枚のプリント基板に実装したことを特徴とする。

本発明によれば、従来の電源別置型のＬＥＤ照明器具に比べると施工が容易な一体型のＬＥＤ照明器具でありながら、電源ユニットがＬＥＤユニットから受ける輻射熱の影響を軽減できる効果がある。また、ＬＥＤの多灯化により高出力化した場合でも、電源ユニットの部品ストレスを軽減できる効果がある。

本発明の実施形態１のＬＥＤ照明器具の概略構成を示す側面図である。本発明の実施形態１のＬＥＤ照明器具のＬＥＤユニットの構成を示す正面図である。本発明の実施形態１のＬＥＤ照明器具の回路図である。本発明の実施形態２のＬＥＤ照明器具の回路図である。本発明の実施形態３のＬＥＤ照明器具の回路図である。本発明の実施形態４のＬＥＤ照明器具の回路図である。本発明の実施形態５のＬＥＤ照明器具の回路図である。本発明の実施形態６のＬＥＤ照明器具の回路図である。従来の電源別置型のＬＥＤ照明器具の断面図である。従来の電源一体型のＬＥＤ照明器具の断面図である。

（実施形態１）
図１は本発明のＬＥＤ照明器具の概略構成を示す側面図である。このＬＥＤ照明器具は、施工時には図９や図１０の従来例と同様に、器具筐体７が天井９の開口部に収納されて、ダウンライトとして使用される。図９に示した電源別置型のＬＥＤ照明器具に比べると、ＬＥＤユニット２と電源ユニット４は一体化されているので、施工が容易である。また、図１０に示した従来の一体型のＬＥＤ照明器具に比べると、電源ユニット４がＬＥＤユニット２からの輻射熱や対流熱に影響されにくいという特徴がある。

図１に示すように、器具筐体７の下部にはＬＥＤユニット２が装着されている。器具筐体７の上部には金属板６の一端下部が装着されている。金属板６は略水平に配置されている。金属板６の他端下部には電源ユニット４が装着されている。ＬＥＤ照明器具を上方から見たとき、ＬＥＤユニット２の中心部と電源ユニット４の中心部はずれている。したがって、電源ユニット４はＬＥＤユニット２からの輻射熱や対流熱の影響を受けにくい。

器具筐体７の形状は限定するものではないが、例えば、図１に示されたように、上方ほど径が小さくなる砲弾型のランプセードのような形状でも良い。強度、コスト並びに放熱性の観点からアルミニウムなどの金属製とすることが好ましい。また、表面に放熱フィンなどを設けても良い。

ＬＥＤユニット２は下方から見ると、図２に示すような形状となっている。円形の実装基板２１に８個のＬＥＤ２ａ〜２ｈが搭載されている。図中の破線の部分で２つのＬＥＤ回路に分割されており、ＬＥＤ２ａからＬＥＤ２ｄまでがアノードからカソードに直列につながれる構成となっている。また、ＬＥＤ２ｅからＬＥＤ２ｈまでがアノードからカソードに直列につながれる構成となっている。

ＬＥＤ２ａのアノード側にはプラスの電源線５ａ、ＬＥＤ２ｄのカソード側にはマイナスの電源線５ｂが接続されることにより、各ＬＥＤ２ａ〜２ｄが発光する。ＬＥＤ２ｅのアノード側にはプラスの電源線５ｃ、ＬＥＤ２ｈのカソード側にはマイナスの電源線５ｄが接続されることにより、各ＬＥＤ２ｅ〜２ｈが発光する。

いずれも４個のＬＥＤの順方向電圧Ｖｆの合計以上の電圧が印加されると、流れる電流の値に応じてＬＥＤから光束を得ることが出来る。順方向電圧Ｖｆは通常略３．５Ｖのため、４個直列に接続するのであれば、４×３．５Ｖ以上の直流電圧において点灯させることが出来る。

電源線５ａ，５ｂは接続部材５１を介して、また、電源線５ｃ，５ｄは接続部材５２を介して、電源ユニット４からＬＥＤユニット２に電流を供給している。接続部材５１，５２の下端はＬＥＤユニット２の上面に、上端は金属板６の下端に装着されている。接続部材５１，５２は、例えば、金属製あるいは樹脂製のパイプでも良く、その場合、電源線５ａ，５ｂ、電源線５ｃ，５ｄは接続部材５１，５２の内部を貫通させれば良い。接続部材５１，５２は器具筐体７の内部に設けても良いし、外部に設けても良い。

電源ユニット４の回路構成の一例を図３に示す。商用交流電源ＶｓにはラインフィルタＬＦを介してダイオードブリッジＤＢの交流入力端が接続されている。ラインフィルタＬＦの電源側には、雑音防止用コンデンサＣ１と非線形抵抗素子ＺＮＲの並列回路が接続されている。ラインフィルタＬＦの出力端には雑音防止用コンデンサＣ２が接続されている。ラインフィルタＬＦと雑音防止用コンデンサＣ１，Ｃ２及び非線形抵抗素子ＺＮＲは入力フィルタ回路３を構成している。

ダイオードブリッジＤＢの直流出力端にはＰＦＣ回路１０を介して平滑コンデンサＣ３が接続されている。ＰＦＣ回路１０は、例えば昇圧チョッパ回路などで構成される力率改善回路であり、商用交流電源Ｖｓからの入力電流を入力電圧と略相似形とすることで入力電流歪みを低減するための回路である。ＰＦＣ回路１０の出力に接続されたコンデンサＣ３は平滑コンデンサであり、直流電圧が充電される。

平滑コンデンサＣ３にはダイオードＤ３，Ｄ４を介して同じ構成の２つのスイッチング電源が接続されている。第１のスイッチング電源は、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、電流検出抵抗Ｒ１、制御部１よりなる降圧チョッパ回路であり、第１群のＬＥＤ２ａ〜２ｄに電流を供給する。第２のスイッチング電源は、インダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、電流検出抵抗Ｒ２、制御部１’よりなる降圧チョッパ回路であり、第２群のＬＥＤ２ｅ〜２ｈに電流を供給する。

以下、第１のスイッチング電源について説明する。制御部１はスイッチング電源用の制御用ＩＣであり、電流検出抵抗Ｒ１に流れる電流を監視しながら、スイッチング素子Ｑ１のオン時間・オフ時間を制御することにより、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる電流を制御するものである。スイッチング素子Ｑ１がオンのとき、平滑コンデンサＣ３→ダイオードＤ３→ＬＥＤ２ａ〜２ｄ→インダクタＬ１→スイッチング素子Ｑ１→電流検出抵抗Ｒ１→平滑コンデンサＣ３の経路で電流が流れる。このとき、インダクタＬ１に流れる電流は漸増して行き、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが、インダクタＬ１→ダイオードＤ１→ＬＥＤ２ａ〜２ｄ→インダクタＬ１の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。ＬＥＤ２ｅ〜２ｈを駆動するための第２のスイッチング電源についても同様の動作である。

本実施形態によれば、スイッチング電源を２つ設けているので、万一、故障等により一方のＬＥＤ群が不点灯となっても、他方のＬＥＤ群は点灯するので、真っ暗にはならないという利点がある。また、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２やインダクタＬ１，Ｌ２、ダイオードＤ１，Ｄ２に負荷電流が分散されるので、回路部品のストレスが軽減されるという利点がある。複数のスイッチング電源は１枚のプリント基板に実装しても良い。

なお、図１０の従来例のように、電源ユニット４のプリント基板４１が器具筐体７の内部に収納されている場合には、器具筐体７を電源ユニット４のケースとして兼用できるが、図１（本発明）あるいは図９（従来例）のように、電源ユニット４が器具筐体７の外部に配置されている場合には、電源ユニット４のプリント基板を別途設けたケースに収納しておく必要がある。特に、電源ユニット４が図３のようなスイッチング電源である場合、高周波ノイズの放射を回避するために、電源ユニット４のプリント基板全体を金属ケースで覆うことにより、電磁的にシールドしておくことが好ましい。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２の回路図である。本実施形態では、上述の実施形態１において、入力力率改善のために設けていたＰＦＣ回路１０を省略し、代わりに、スイッチング電源自体に力率改善機能を有する昇降圧チョッパ回路（極性反転型チョッパ回路）を採用したものである。

平滑コンデンサＣ３にはダイオードＤ３，Ｄ４を介して同じ構成の２つのスイッチング電源が接続されている。第１のスイッチング電源は、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ４、電流検出抵抗Ｒ１、制御部１よりなる昇降圧チョッパ回路（極性反転型チョッパ回路）であり、第１群のＬＥＤ２ａ〜２ｄに電流を供給する。第２のスイッチング電源は、インダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、コンデンサＣ５、電流検出抵抗Ｒ２、制御部１’よりなる昇降圧チョッパ回路（極性反転型チョッパ回路）であり、第２群のＬＥＤ２ｅ〜２ｈに電流を供給する。

以下、第１のスイッチング電源について説明する。制御部１はスイッチング電源用の制御用ＩＣであり、電流検出抵抗Ｒ１に流れる電流を監視しながら、スイッチング素子Ｑ１のオン時間・オフ時間を制御することにより、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる電流を制御するものである。スイッチング素子Ｑ１がオンのとき、平滑コンデンサＣ３→ダイオードＤ３→インダクタＬ１→スイッチング素子Ｑ１→電流検出抵抗Ｒ１→平滑コンデンサＣ３の経路で電流が流れる。このとき、インダクタＬ１に流れる電流は漸増して行き、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが、インダクタＬ１→ダイオードＤ１→ＬＥＤ２ａ〜２ｄ→インダクタＬ１の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１のオン時にダイオードＤ１が遮断状態となっている期間にもＬＥＤ２ａ〜２ｄに電流を供給できるように、ＬＥＤ２ａ〜２ｄの直列回路と並列にコンデンサＣ４が接続されている。ＬＥＤ２ｅ〜２ｈを駆動するための第２のスイッチング電源についても同様の動作である。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は商用交流電源Ｖｓの周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングされており、なおかつ、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３〜０．４７μＦ）のように小さく設定しておくことで、商用交流電源Ｖｓの電圧が低い期間にも入力電流を引き込むことができるから、商用交流電源Ｖｓからの入力力率は高くなる。その一方、入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩が問題となる。そこで、電源入力部にラインフィルタＬＦと雑音防止用コンデンサＣ１，Ｃ２を含む入力フィルタ回路３を設けることにより入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩を防止している。

本実施形態のように、スイッチング電源として昇降圧チョッパ回路（極性反転型チョッパ回路）を採用した場合には、突入電流防止対策が容易となる。すなわち、図４の回路では、ＬＥＤ２ａ〜２ｄ、２ｅ〜２ｈの向きがダイオードブリッジＤＢの整流出力に対して逆向きとなっているので、電源投入直後の不安定期にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング電流が不用意に増大しても、ＬＥＤ２ａ〜２ｄ、２ｅ〜２ｈに対して突入電流が直接流れ込むことはないので、突入電流によるＬＥＤの劣化を防止でき、ＬＥＤ照明器具の長寿命化を達成できる。

（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態では、実施形態１を簡略化したものであり、入力力率改善のために設けていたＰＦＣ回路１０を省略し、スイッチング電源としての降圧チョッパ回路に入力力率改善の役割を担わせている。本実施形態においても、スイッチング素子Ｑ１は商用交流電源Ｖｓの周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングされており、なおかつ、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３〜０．４７μＦ）のように小さく設定しておくことで、整流後の出力電圧が負荷電圧以下となるまでは入力電流を引き込むことができるので、ある程度の入力力率改善効果が期待できる。降圧チョッパ回路では、スイッチング素子Ｑ１のオン時に電源電圧と負荷電圧の差電圧がインダクタＬ１に印加されるので、ＬＥＤの直列個数が増加すると、入力電流が流れない期間が長くなり、入力力率が悪くなる。そこで、本実施形態では、ＬＥＤの直列個数を３〜４個程度に制限している。ＬＥＤの順方向電圧は３．５Ｖ程度であるので、直列接続個数が３〜４個程度であれば、負荷電圧は１０．５Ｖ〜１４Ｖ程度と低く制限することができる。

仮に８個のＬＥＤを直列に接続した場合には、負荷電圧が２倍となるので、入力電流の休止期間が長くなり、クラスＣ高調波規制を満足できない可能性があるが、ＬＥＤの直列個数を４個までとし、必要に応じて並列接続するように構成すれば、多灯化しても入力力率の低下を抑制できる。

なお、図５において、インダクタＬ２を省略して、ＬＥＤ２ａ〜２ｄの直列回路とＬＥＤ２ｅ〜２ｈの直列回路を直接並列接続した場合には、ＬＥＤ直列回路の順方向電圧にばらつきがあると、一方のＬＥＤの直列回路にばかり電流が流れるという不都合が生じる恐れがあるが、インダクタＬ１，Ｌ２を介在させることで、２つのＬＥＤ直列回路に略均等に電流を流すことができる。

（実施形態４）
図６は本発明の実施形態４の回路図である。本実施形態では、実施形態３において、ダイオードＤ２とスイッチング素子Ｑ２を追加し、ＬＥＤ２ａ〜２ｄのスイッチング電源とＬＥＤ２ｅ〜２ｈのスイッチング電源の独立性を高めたものである。実施形態３に比べると、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にスイッチング電流が分散されると共に、回生電流もダイオードＤ１，Ｄ２に分散されるので、回路部品のストレスを軽減できる効果がある。また、電流検出抵抗Ｒ１にはスイッチング素子Ｑ１のスイッチング電流しか流れないので、スイッチング素子Ｑ２の側では電流検出抵抗による電力ロスは生じない。図６の回路例では、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる平均電流が一定となるように制御することにより、結果的にＬＥＤ２ｅ〜２ｈに流れる平均電流も一定となるように制御しているが、後述の実施形態５，６のように、両方の負荷電流の合計または高い方の負荷電流を検出するように構成しても良い。

（実施形態５）
図７は本発明の実施形態５の回路図である。本実施形態では、実施形態４において、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を検出する電流検出抵抗Ｒ１に、他方のスイッチング素子Ｑ２の電流も流れるように接続したものである。電流検出抵抗Ｒ１にはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に流れる電流の合計が検出されるので、実施形態４に比べると、両方の負荷電流の合計が一定となるように制御することができる。電流検出抵抗Ｒ１の抵抗値は、制御部１の構成が同じであれば、図６の電流検出抵抗Ｒ１の半分で良い。

（実施形態６）
図８は本発明の実施形態６の回路図である。本実施形態では、実施形態４において、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を検出する電流検出抵抗Ｒ１のほかに、スイッチング素子Ｑ２の電流を検出する電流検出抵抗Ｒ２を設け、両者の検出電圧のうち、高い方の電圧をダイオードＤ５，Ｄ６により選択して制御部１の電流検出端子に入力するように構成したものである。制御部１ではスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に流れる電流のうち高い方が検出されるので、実施形態４，５に比べると、高い方の負荷電流が一定となるように制御することができる。したがって、過大電流によるＬＥＤの劣化を防止でき、ＬＥＤ照明器具の長寿命化を達成できる。

なお、実施形態３〜６では、スイッチング電源として降圧チョッパ回路を例示したが、スイッチング電源を昇降圧チョッパ回路（極性反転型チョッパ回路）とした場合にも適用できる。また、スイッチング電源はフライバックトランスを有する１石ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であっても良く、回路構成は限定されない。

２ＬＥＤユニット
２１ＬＥＤ実装基板
２ａ〜２ｈＬＥＤ
４電源ユニット
６金属板
７器具筐体（放熱部）

Claims

ＬＥＤを実装基板に搭載したＬＥＤユニットと、ＬＥＤユニットで発生した熱を放熱させる放熱部と、放熱部に取り付けられる金属板と、金属板に取り付けられる電源ユニットとを備えることを特徴とするＬＥＤ照明器具。
請求項１において、電源ユニットは複数の同一構成のスイッチング電源を有することを特徴とするＬＥＤ照明器具。
請求項２において、電源ユニットは、商用交流電源に接続される入力フィルタ回路と、入力フィルタ回路に接続された整流回路とを備え、複数のスイッチング電源は入力フィルタ回路と整流回路を共用したことを特徴とするＬＥＤ照明器具。
請求項２において、電源ユニットは、商用交流電源に接続される入力フィルタ回路と、入力フィルタ回路に接続された整流回路と、整流回路の出力に接続された力率改善回路とを備え、複数のスイッチング電源は入力フィルタ回路と整流回路と力率改善回路を共用したことを特徴とするＬＥＤ照明器具。
請求項１〜４のいずれかにおいて、複数のスイッチング電源は１枚のプリント基板に実装したことを特徴とするＬＥＤ照明器具。