JP2010218811A - Ｌｅｄ点灯回路。 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回路にトライアックを使用した位相制御型調光器が使用されていても、LEDランプの明るさを調光でき、かつ、LEDランプを安定に点灯することができるようにすること。
【解決手段】電源回路から供給される交流電圧は整流回路5で全波整流される。
入力電圧が低く、LED４に電流が流れない領域では、バイパス回路6に一定の電流が流れる。入力電圧が高くLED4に電流が流れる領域では、LED4 に流れる電流を電流制御回路8が検出して、バイパス回路6に流れる電流を減少させ、電源効率を良くすることができる。また、フィルタ回路7は、入力電圧にパルス電圧が重畳されていても、パルス電圧を吸収し、平滑化するため、LED4 が不連続点灯をすることがない。つまり、電源回路にトライアックを使用した位相制御型調光器が使用されていても、その全出力に亘り点灯回路3に電流が流れる為、位相制御型調光器の動作を不安定にすることがない。
【選択図】 図3

Description

本発明は、発光ダイオード（LED）を光源とするLEDランプをちらつきなく、確実に点灯ささることができるLED点灯回路に関する。

近年、電力消費の少ないことと、長寿命であること等の理由により、照明の光源として、LED（発光ダイオード）を用いたランプ（以下、LEDランプという）が使用されるようになってきている。

例えば、特許文献１には照明用途に供するLEDランプの点灯回路が記載され、例えば、その図5には複数のLEDを点灯させる点灯回路の一例が示されている。
図７に特許文献１の図5に示される点灯回路を示す。同図に示すように、複数のLEDを直接接続し、変圧器T2 で降圧した交流電圧を整流回路DBで整流して、コンデンサーC3 で平滑し、電流制限用の抵抗R3を介して上記直並列接続されたLEDに印加して点灯させる。

LED は直流駆動で有り、交流電源を用いてLEDを点灯させる場合には、特許文献1に記載されるように交流電圧を整流して直流に変換する。
上記変圧器T2には、一般に商用の交流電圧100Vを供給し、LEDに流す電流に応じて、変圧器T2で降圧する。
つまり、商用100Vの電圧を供給して、LEDランプを調光するためには可変変圧器を用いる必要があるが、近年では装置の小型化などを図る為、従来から使用されているコイルを巻いた可変変圧器に代えて、トライアックを利用した位相制御型調光器（以下、位相制御型調光器という）が使用されるようになってきている。

図8に位相制御型調光器の構成例を示す。
同図に示すように、電圧100Vの商用交流電圧が負荷を通し、位相制御回路９に供給される。
抵抗R1と可変抵抗器VR1を通してコンデンサーC1に充電電流が流れて、コンデンサーC1の両端電圧が高くなると、トライアックTRIAC1がONし、負荷のインピーダンスが十分小さくて、トライアックTRIAC1の保持電流以上の電流が流れている間、トライアックTRIAC1はONを維持する。入力電圧が低くなり、トライアックTRIAC1に流れる電流が、トライアックTRIAC1の保持電流以下になるとトライアックTRIAC1はOFFする。

ところで、従来から店舗などの照明設備においては、タングステンランプ等のランプが使用されており、上記位相制御型調光器等を含む電源回路が壁などに設置され、天井に設けられたソケット等からランプに供給している。
近年では、消費電力が少ないことから、上記タングステンランプに代え、LEDランプをを使用したいというニーズがあり、タングステンランプの電源設備をそのまま利用して、タングステンランプの替わりにLEDランプを点灯点灯させることも要望されている。

特開２００６−３４４９１９号公報

商用交流電圧でランプを点灯させ、調光させる場合、電源回路に可変変圧器が使用され、近年では、小型化のため、位相制御型調光器を使用することが多い。
位相制御型調光器を用いた場合、LEDランプが不連続点灯になったり、調光できないという問題があった。
これは、LEDの低電圧領域では、位相制御型調光器に動作を保持する電流が流れないためと考えられる。
図９にLEDとタングステンランプの電圧―電流特性を示す。同図に示すように、タングステンランプは印加された電圧に応じた電流が流れるが、LEDは低電圧領域では電流が流れず、ある程度以上の電圧が加わらないと電流が流れない。
このため、LEDランプの電源として、位相制御式調光器を使用した場合、十分な負荷電流が流れず、動作を保持することができない。

タングステンランプを点灯、調光させるための既存の照明設備に、タングステンランプに替えてLEDランプを取り付けて、点灯させることも考えられる。
この場合LEDランプは正常に点灯せず、LEDランプが故障しているなどの誤解を生ずる可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、本発明は、電源回路の回路構成に関わらず、LEDランプを安定的に点灯させることができるLED点灯回路を提供することである。

位相制御型調光器でLEDを動作させるには、LEDに電流がほとんど流れない低電圧領域でも、位相制御型調光器に動作を維持するための保持電流を流す必要があり、位相制御型調光器に保持電流以上の電流が流れないと、安定して動作しない。
本発明では、上記問題を解決解決するため、位相制御型調光器の負荷側となるLED点灯回路に、バイパス回路を設ける。これにより、位相制御型調光器の全出力電圧に亘り、保持電流以上の電流を流し、位相制御型調光器の動作が停止しないようにする。
また、LEDに電流が流れたとき、バイパス回路に流れる電流を、減少させる電流制御回路を設け、上記バイパス回路の電流を減少せしめる。これにより、電源効率を改善することができる。
また、位相制御型調光器のトライアックに電流が流れ始めたとき発生する、パルス電圧を吸収する為の、フィルター回路を、バイパス回路とLEDの間に設けることにより、LEDの不連続点灯をなくすことができる。

すなわち、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
LEDと、交流電源との間に接続されるLED点灯回路において、上記交流電源をを整流し、LEDに直流電圧を供給する整流回路と、整流回路の出力側に並列に接続され、全電圧範囲に亘り、電流を流すバイパス回路と、前記バイパス回路の負荷電流を減少せしめる電流制御回路、及び、パルス電圧を吸収する為のフィルター回路を設ける。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
・ LED点灯回路に、入力電圧の全範囲に亘って電流を流すことができるバイパス回路を設けたので、LEDランプの商用電源供給部に位相制御式調光器が使用されていても、LEDランプを調光することができる。
・ パルス電圧を吸収するフィルター回路を設けているので、パルス電圧が印加されても、LEDランプをちらつき無く点灯させることができる。
・ LEDに電流が流れたとき、上記バイパス回路に流れる電流を、減少せしめる電流制御回路を設けているので、常時バイパス回路に電流が流れることがなく、電力の利用効率を高めることができる。

調光器と本発明の点灯回路を含むLEDランプの全体構成を示す図 本発明のLED点灯回路と、LEDから構成されるLEDランプの基本構成を示すブロック図 本発明の第1の実施形態の点灯回路の構成を示す図 本発明の第1の実施形態の動作時の各部電圧波形の概要を示すタイムチャート 本発明の第2の実施形態の点灯回路の構成を示す図 本発明の第3の実施形態の点灯回路の構成を示す図 従来の図5に示される点灯回路を示す図 位相制御型調光器の構成例を示す図 LEDとタングステンランプの電圧―電流を特性を示す図

図1は、電源回路と本発明の点灯回路を含むLEDランプの点灯装置の全体構成を示す。
図2は、本発明のLED点灯回路とLED から構成されるLEDランプの基本構成を示すブロック図である。

図1に示すように、AC100V の商用電源が位相制御型調光器から構成される電源回路に供給され、位相制御された交流電圧に変換される。この交流電圧は、図2に示す本発明の点灯回路を通し、LEDに供給される。
上記電源回路は、例えば壁などに設置され、上記点灯回路などを含むLEDランプは、例えば天井面などに設けられた、ねじ込み式（スクリュー式）あるいはピン接続式の供給部を介して接続される。

点灯回路は、図2に示すように上記電源回路が出力する交流電圧をを整流し、 直流電圧を供給する整流回路5と、保持電流を流すバイパス回路6と、このバイパス回路6に並列に接続され、LED4に電圧を供給するすると共に、パルス電圧を吸収するフィルタ回路7と、LED4に電流が流れたとき、バイパス回路6に流れる電流を減少せしめる電流制御回路8を備える。

図2において、整流回路5は、電源電圧が出力する交流電圧を全波整流する。
電源回路の出力が低いとき、バイパス回路6を通し、電流I1が流れ、出力が高くなるとLEDに電流I2が流れる。
さらに、LEDに電流I2が流れると、これを電流制御回路8が検出して、バイパス回路6に流れる電流を減少せしめる。
フィルタ回路7は、電源回路からのパルス電圧を吸収して、LEDのちらつきを防止している。
つまり、位相制御型調光器の全出力電圧に亘って点灯回路に電流が流れるため、位相制御型調光器が安定して動作するため、調光できないとか、LEDがちらつくなどの問題が生じない。
次に、本発明の点灯回路の具体的な構成例について説明する。

図3は、本発明の第1の実施形態を示す図である。
バイパス回路4はスィッチング素子とツェナーダイオード、抵抗で構成されており、電流制御が可能である。
フィルタ回路7は、コンデンサーと、抵抗で構成されている。
電流制御回路8はトランジスタのミラー回路で構成されている。
図3において、整流回路5には、全波整流回路を構成する整流ダイオードD1,D2,D3,D4が設けられ、給電部2から供給される交流電圧は全波整流され直流電圧となる。
バイパス回路6は抵抗R2とツェナーダイオードZD1 の直列回路と、抵抗R2とツェナーダイオードZD1 の接続点にベースが接続され、エミッタに抵抗R1が接続されたスィッチング素子Q1 から構成され、上記整流回路5に並列に接続されている。
また、上記電流制御回路8は、コレクタがQ1 のベースに接続され、エミッタに抵抗R4 が接続されたスィッチング素子Q2 とベースとコレクタがQ2のベースに接続されエミッタに抵抗R5 が接続されたスィッチング素子Q3で構成されている。
フィルタ回路７は、上記バイアス回路６に並列に接続されている。

入力電圧のON時間が1周期に対して短い（デューティが小さい）時は、フィルタ回路７の出力電圧が低いなり、LED４に電流に流れない。LED４に電流に流れない領域では、スィッチング素子Q1のベース電圧が、ツェナーダイオードZD１により一定電圧に保たれているため、抵抗R1には一定の電流が流れる。
つまり、入力電圧のデューティが小さくLED4に電流が流れない領域では、スィッチング素子Q1に流れる電流I2は、ツェナーダイオード電圧をVz、スィッチング素子のベース・エミッタ冠電圧をVbeとすると、
I2＝（Vz―Vbe）／R1
となる。
次に、入力電圧のON時間が1周期に対して長い（デューティが大い）時は、フィルタ回路７の出力電圧が高くなり、LED4に電流が流れる。LED4に電流が流れる領域では、スィッチング素子Q2 とQ3のベース電位が同じであるから、スィッチング素子Q2には、LED4に流れる電流に比例した電流が流れる。
つまり、スィッチング素子Q2に流れる電流I4は、LED4に流れる電流をI5とすると、
I4=I5（R5／R6）
となる。
その時、I4は抵抗R2を通じて供給されるため、抵抗R2に流れる電流も増大する。抵 抗R2に流れる電流I3が増え、スィッチング素子Q1のベース電位が低下するとスィッチング素子Q1に流れる電流I2は減少する。
すなわち、抵抗R2にながれる電流I3が増えるが、スィッチング素子Q1に流れる電流I2が減少し、電流I2に比較して電流I3は十分少ない値なので、電流I3の増大分は無視でき、スィッチング素子Q2、Q3は無駄に電力を消費することを防いでいる。

フィルタ回路７は、抵抗R3,R4の直列回路と、抵抗R3と抵抗R4の接続点にコンデンサーC1が接続され、上記バイパス回路６に並列に接続されている。
パルス電圧を含む入力電圧は、上記フィルター回路7で平滑化され、LED4に供給されるため、LED4が不連続点灯することが無い

図4は、本発明の第1の実施形態の動作時の各部の伝初波形の概要を示すタイムチャートであり、横軸は時間を示す。
同図において、(a)は位相制御型調光器から本実施形態の点灯回路に入力される入力波形を示し、ピーク電圧はE1である。
（b）は整流回路5による整流後の電圧波形を示し、整流回路5により電圧が降下しているため、整流回路5による電圧降下をVdownとすると、ピーク電圧E2は、
E2=E1−Vdown
となる。
(c)はコンデンサーC!1の両端電圧で、抵抗R3、R4、コンデンサーC1 から構成されるフィルタ回路７が、調光器のトライアックがONした時、発生するパルス電圧を平滑化している。
(d)は、LED4 の両端電圧である。
位相制御型調光器から、パルス電圧が発生しても、フィルタ回路７が電圧を平滑化しているため、LED４が不連続点灯することがない。
また、位相制御型調光器からの出力電圧のデューティが小さい為、フィルタ回路7からの出力電圧がLED４のVfより 小さくて、LED4 に電流が流れなくても、バイパス回路に電流が流れる為、調光器の動作が停止することがない。

図5は、本発明の第2の実施形態を示す図である。
バイパス回路6に基準電圧発生回路機能を有する集積回路IC1とスィッチング素子Q1用いている。
フィルター回路７には、コイルL１と抵抗R3、コンデンサーC1を用いている。
電流制限回路８にはフォトカプラPC1を用いている。
その動作は、基本的に前図４に示したものと同じである。

図5において、整流回路5により、給電部２から供給される交流電圧は全波整流され直流電圧となる。
バイパス回路6は、抵抗R2と集積回路IC1のVout端子が接続され、スィッチング素子Q1のベースが、集積回路IC1のVout端子に接続されている。スィッチング素子Q1のエミッタに抵抗R１が接続され、集積回路IC1のREF端子は、スィッチング素子Q1のエミッタに接続されている。
また、上記電流制御回路8は、LEDとフォトランジスタから成るフォトカプラPC1で構成され、フォトカプラPC1のLEDのアノードが、LED4のカソードに接続され、フォトカプラPC1のフォトトランジスタのコレクタがバイパス回路6のスィッチング素子Q1のベースに接続されている。

入力電圧のON時間が1周期に対して短い（デューティが小さい）時は、フィルタ回路７の出力電圧が低いなり、LED４に電流に流れない。LED４に電流に流れない領域では、R1の両端電圧が集積回路IC1の機能により一定の電圧Vrefに保たれるため、抵抗R1に一定の電流が流れる。
つまり、入力電圧のデューティが小さくLED４に電流が流れない領域領域では、スィッチング素子Q1に流れる電流I2は、集積回路IC1の基準電圧をVrefとすると
I2=Vref ／R1
となる。

次に、入力電圧のON時間が1周期に対して長い（デューティが大きい）時は、フィルタ回路７の出力電圧が高くなり、LED4に電流が流れる。LED4に電流が流れる領域では、LED4に流れる電流I5に比例した電流I4 がフォトカプラPC1のフォトトランジスタに流れる。
つまり、フォトカプラPC1のフォトトランジスタに流れる電流I4 はフォトカプラPC1の電流伝達率をCTRとすると、
I4=I5×CTR
となる。
その時、I4は抵抗R2を通じて供給されるため、抵抗R2に流れる電流も増大する。抵 抗R2に流れる電流I3が増え、スィッチング素子Q1のベース電位が低下するとスィッチング素子Q1に流れる電流I2は減少する。
すなわち、抵抗R2にながれる電流I3が増えるが、スィッチング素子Q1に流れる電流I2が減少し、電流I2に比較して電流I3は十分少ない値なので、電流I3の増大分は無視でき、スィッチング素子Q2、Q3は無駄に電力を消費することを防いでいる。

フィルタ回路７は、コイルL1と抵抗R3の直列回路と、コイルL1と抵抗R３の接続点にコンデンサーC1が接続されており、上記バイパス回路６に並列に接続されている。
パルス電圧を含む入力電圧は、上記フィルター回路7で平滑化され、LED4に供給されるため、LED4が不連続点灯することが無い

以上ののように、本実施形態では、図3の第1の実施形態と同様に電力消費を低減することができ、LED4をちらつきなく点灯することができる。

図6は、本発明の第3の実施形態を示す図であり、前記図3において、LED4に流れる電流を、バイパス回路６のスィッチング素子Q1のエミッタ側に接続された抵抗R1に帰還することにより、LED４に電流が流れたとき、スィッチング素子Q1に流れる電流を減少させ、前記図3に示した電流制御回路8を簡略化したものであり、その動作は基本的に前記図3に示したものと同じである。

図6において、整流回路5により、給電部2から供給される交流電圧は全波整流され直流電圧となり、バイパス回路6に直流電圧が印加される。
バイパス回路6は抵抗R2とツェナーダイオードZD1 の直列回路と、抵抗R2とツェナーダイオードZD1 の接続点にベースが接続されエミッタと直列に抵抗R1が接続されたスィッチング素子Q1 から構成され、上記整流回路5に並列に接続されている。

フィルタ回路７は、抵抗R3と抵抗R4の直列回路と、抵抗R3と抵抗R４の接続点にコンデンサーC1が接続されている。

入力電圧のON時間が1周期に対して短い（デューティが小さい）時は、フィルタ回路７の出力電圧が低いなり、LED４に電流に流れない。LED４に電流に流れない領域では、スィッチング素子Q1のベース電圧が、ツェナーダイオードZD１により一定電圧に保たれているため、抵抗R1には一定の電流が流れる。
つまり、入力電圧が小さくLED4に電流が流れない領域では、スィッチング素子Q1に流れる電流I2は、ツェナーダイオード電圧をVz、スィッチング素子のベース・エミッタ冠電圧をVbeとすると、
I2＝（Vz―Vbe）／R1
となる。
次に、次に、入力電圧のON時間が1周期に対して長い（デューティが大きい）時は、フィルタ回路７の出力電圧が高くなり、LED4に電流が流れる。LED4に電流が流れる領域では、、スイッチング素子Q1に流れる電流I2とLED4 に流れる電流I5 の和が抵抗R1に流れる電流I3と等しくなる。つまり、
I2=I４−I５
である。
また、
I４= （Vz―Vbe）／R1
であるから、
I2= （Vz―Vbe）／R1−I5
となり、スィッチング素子Q1に流れる電流I2は減少する。
前記図3の第1の実施形態と同様、は無駄に電力を消費することを防いでいる。

フィルタ回路７は、抵抗R3,R4の直列回路と、抵抗R3と抵抗R4の接続点にコンデンサーC1が接続されて、前記バイパス回路６に並列に接続されている。
パルス電圧を含む入力電圧は、上記フィルター回路7で平滑化され、LED4に供給されるため、LED4が不連続点灯することが無い

１ 調光器
２ 給電部
３ 点灯回路
４ LED （発光ダイオード）
５ 整流回路
６ バイパス回路
７ フィルタ回路
８ 電流制御回路
９ 位相制御回路
D1〜D4 ダイオード
Q1〜Q3 スィッチング素子
C1、C3 コンデンサ
L1 コイル
R1〜R5 抵抗
ZD1 ツェナーダイオード
IC1 集積回路
PC1 フォトカプラ
Cn1〜Cn2 給電部端子
T2 変圧器
VR1 可変抵抗
DIA1 ダイアック
TRAC1 トライアック

Claims (2)

1. LEDと交流電源との間に接続されるLED点灯回路であって、 上記交流電源を整流するための整流回路と、前記整流回路と並列に接続され、電流が流入するバイパス回路と、上記LEDに電流が流れたとき前記バイパス回路に流れる電流を減少させる電流制御回路を備えることを特徴とするLED点灯回路。
2. パルス電圧を吸収し、平滑化するフィルタ回路を備えることを特徴とする請求項１に記載のLED点灯回路。
   

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