JP2011009383A - Ｌｅｄ点灯装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】
入力電源および負荷の少なくとも一方の微小変動の復帰時に出力電流がＬＥＤのパルス電流を超えないようにしたＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明器具を提供する。
【解決手段】
ＬＥＤ点灯装置は、少なくとも１つのスイッチング素子Q2を備え出力電流によってＬＥＤ5を点灯する直流変換装置1と、直流変換装置の出力電流を検出する負荷電流検出手段2と、出力電流検出手段の検出出力ならびに入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動に基づいて直流変換装置の出力を遅れのある帰還制御により一定化するとともに、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する制御手段3とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを点灯するＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明器具に関する。

スイッチング素子を備えた直流変換装置を用いてＬＥＤを点灯するＬＥＤ点灯装置は既知である（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたＬＥＤ点灯装置は、交流の整流電圧を昇圧チョッパで昇圧し、かつ平滑化して複数の発光ダイオードからなる直列回路の複数を並列接続したＬＥＤ照明灯に供給して点灯し、昇圧チョッパを制御回路で制御して調光できるようにするとともに、力率も改善できるようにしている。

ＬＥＤ照明灯の直列数および使用する電源電圧によっては降圧チョッパを主体とするＬＥＤ照明灯点灯回路を用いてＬＥＤ照明灯を点灯することもできるし、昇圧チョッパと降圧チョッパとを縦続接続して組み合わせてもよい。

直流変換装置を用いてＬＥＤを点灯する際に、入力電源および負荷の変動に伴って負荷のＬＥＤが影響を受けないように直流変換装置の出力を定電流化するのが一般的である。また、入力電源および負荷の微小な変動に対して安定した出力を供給するために、帰還制御に適度の遅れを付与している。例えば、入力電源電圧が低下したときに適度の時間遅れの後に直流変換装置のスイッチング素子のオン期間を広げて電圧低下に伴う出力電流の減少を補償する。

特開平１１−０６７４７１号公報

しかしながら、従来技術は、上記変動の復帰時に帰還制御の時間遅れによって直流変換装置のスイッチング素子のオン期間が広がった状態が続いていると、過大なピーク電流が直流変換装置およびＬＥＤに流入することになる。その結果、上記ピーク電流がＬＥＤのパルス電流定格を超えると、ＬＥＤの寿命が短縮または破壊されるという課題がある。

本発明は、入力電源および負荷の少なくとも一方の変動の復帰時に出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないようにしたＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明器具を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のＬＥＤ点灯装置は、少なくとも１つのスイッチング素子を備え出力電流によってＬＥＤを点灯する直流変換装置と；直流変換装置の出力電流を検出する負荷電流検出手段と；出力電流検出手段の検出出力に基づいて直流変換装置の出力電流を、時間遅れのある帰還制御により一定化するとともに、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する制御手段と；を具備していることを特徴としている。

本発明において、制御手段は、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制すればよいので、そのための具体的な手段は、特段限定されない。例えば、以下の態様を採用することができる。

第１の態様は、制御手段が、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置のスイッチング素子をＯＦＦさせて、直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する。

第２の態様は、制御手段が、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに所定期間帰還制御幅を制限して、上記変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する。

第３の態様は、制御手段が、入力電圧および負荷の少なくとも一方が変動したときに所定期間帰還回路の基準電圧を低下させて、上記変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する。

本発明の照明器具は、照明器具本体およびＬＥＤ点灯装置を具備している。照明器具は、ＬＥＤを光源として備えていればよく、その用途は照明目的であるのが一般的であるが、これに限定されない。照明器具本体は、照明器具からＬＥＤおよびＬＥＤ点灯装置を除去した残余の全ての部分をいう。ＬＥＤ点灯装置は、上述の本発明のＬＥＤ点灯装置である。

本発明は、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する制御手段を備えていることにより、上記変動が復帰したときにＬＥＤにそのパルス電流定格を超えた電流が流れなくなるので、ＬＥＤの寿命短縮または破壊を防止するＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明器具を提供することができる効果を奏する。

本発明を実施するための第１の形態に係わる回路図である。 同じく直流変換装置の入力電源電圧および出力電流の波形図である。 同じく入力電源電圧の各状態に対応する直流変換装置のスイッチング素子の駆動信号の波形図である。 本発明を実施するための第２の形態に係わる回路図である。 同じく直流変換装置の入力電源電圧および出力電流の波形図である。 同じく入力電源電圧の各状態に対応する直流変換装置のスイッチング素子の駆動信号の波形図である。 本発明を実施するための第３の形態に係わる回路図である。 同じく直流変換装置の入力電源電圧および出力電流の波形図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明の第１の形態は、回路構成が図１に示すとおりである。すなわち、ＬＥＤ点灯装置は、必須回路手段として直流変換装置１、出力電流検出手段２および制御手段３を具備していて、直流変換装置１の出力端には負荷としてのＬＥＤ４が接続している。また、補助的回路手段として直流変換装置１の入力側に」整流化直流電源５を具備している。

本形態において、直流変換装置１は、昇圧チョッパ１１および降圧チョッパ１２を備えている。そして、これら両チョッパ１１、１２が後述する整流化直流電源４と負荷のＬＥＤ５との間に縦続接続することで直流変換装置１が構成されている。

昇圧チョッパ１１は、後述する整流化直流電源５の直流出力端に接続したインダクタＬ１およびスイッチング素子Ｑ１の直列回路、スイッチング素子Ｑ１に並列接続したフライホイールダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１の直列回路を備えていて、後述する制御手段３の制御によって昇圧動作および力率改善動作を行う。なお、スイッチング素子Ｑ１は、一例としてＭＯＳＦＥＴからなる。

降圧チョッパ１２は、昇圧チョッパ１１の出力端である平滑コンデンサＣ１の両端間に接続した電流制御素子としてのスイッチング素子Ｑ２およびフライホイールダイオードＤ２の直列回路、フライホイールダイオードＤ２に並列接続したインダクタＬ２およびコンデンサＣ２の直列回路を備えていて、後述する制御手段３の制御によって降圧動作を行い、ＬＥＤ４に所望の直流電流を出力する。なお、スイッチング素子Ｑ２は、一例としてＭＯＳＦＥＴからなる。

出力電流検出手段２は、フライホイールダイオードＤ２およびコンデンサＣ２の間に直列に挿入された電流検出素子としての抵抗器Ｒ１を備えている。そして、直流変換装置１の出力電流を抵抗器Ｒ１の電圧降下を利用して検出することで、出力電流の検出出力を制御手段３に制御入力するように構成されている。

制御手段３は、昇圧チョッパ１１および降圧チョッパ１２を、主としてそれらのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に対して所要に制御された駆動信号を供給することにより、以下の制御を行う手段である。すなわち、出力電流検出手段２の検出出力に基づいて直流変換装置１の出力を時間遅れのある帰還制御により一定化するとともに、入力電圧およびＬＥＤ４の負荷の少なくとも一方が変動して復帰したときに、直流変換装置１からの出力電流のピーク値がＬＥＤ４のパルス電流定格を超えないように抑制する。

本形態において、制御手段３は、第１の電圧比較器３１、第１および第２の駆動信号発生回路３２、３３、第２の電圧比較器３４およびＯＦＦ制御回路３５を備えていて、入力電圧およびＬＥＤ４の負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに、直流変換装置１のスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦさせて、直流変換装置１の出力電流のピーク値がＬＥＤ４のパルス電流定格を超えないように抑制する。

第１の電圧比較器３１は、オペアンプ３１ａを主体として構成されていて、出力電流検出手段２の出力端をオペアンプ３１ａの非反転入力端子に接続している。また、第１の基準電圧源Ｅ１を反転入力端子に接続して比較のための基準電圧を第１の電圧比較器３１に提供する。なお、第１の基準電圧源Ｅ１は、電圧変動の発生を感知するのに必要な基準電圧をオペアンプ３１ａの反転入力端子に印加する。したがって、第１の電圧比較器３１は、交流電圧の変動を検知して後述する第２駆動信号発生回路３３を制御する。

さらに、オペアンプ３１ａの出力端と反転入力端子との間にはコンデンサＣ３を接続して、帰還制御に適度の時間遅れを付与している。そうして、オペアンプ３１ａの出力端から得られる帰還信号は、第２の駆動信号発生回路３３に入力して、降圧チョッパ１２のスイッチング素子Ｑ２に対して制御された駆動信号を発生して直流変換装置１の出力電流を負帰還制御する。

第１の駆動信号発生回路３２は、昇圧チョッパ１１のスイッチング素子Ｑ１に供給する駆動信号を発生する。なお、第１の駆動信号発生回路３２は、ユニット化された昇圧チョッパデバイスに内蔵されている機能を用いることでこれを構成することができる。しかし、所望により制御手段３の全体をユニット化された制御デバイスとしての例えばマイコンやＩＣなどの半導体デバイスを用いて構成することもできる。

第２の駆動信号発生回路３３は、第１の電圧比較器３１により制御されて降圧チョッパ１２のスイッチング素子Ｑ２に供給する駆動信号を発生する。すなわち、電源電圧変動が発生していないときには平常状態のデューティで駆動信号を発生して降圧チョッパ１２のスイッチング素子Ｑ２に供給してこれを駆動する。第１の電圧比較器３１が電源電圧変動による電圧低下を感知すると、適度の時間遅れを伴って駆動信号のデューティを大きくする。

第２の電圧比較器３４は、オペアンプ３４ａを主体として構成されていて、その非反転入力端子が出力電流検出手段２の出力端に接続している。また、反転入力端子に第２の基準電圧源Ｅ２が接続している。オペアンプ３４ａの出力端は、後述するＯＦＦ制御回路３５を制御する。オペアンプ３４ａは、オペアンプ３１ａにおけるようなコンデンサが接続されていないために、時間遅れ特性が付与されていないので、出力電流検出手段２の出力に敏速に反応する。なお、第２の基準電圧源Ｅ２は、第１の基準電圧より電位が高く設定されていて、ＬＥＤ４のパルス電流定格以下で、かつこれに近い値の出力電流を感知するように設定される。

ＯＦＦ制御回路３５は、第２の電圧比較器３４が出力を生じたときに作動して、第２の駆動信号発生回路３４に優先して降圧チョッパ１２のスイッチング素子Ｑ２をその駆動信号のオンデューティの時間幅を狭めるようにＯＦＦさせる。その結果、第２のスイッチング素子Ｑ２のデューティが狭くなり、直流変換装置１の出力電流が抑制される。

ＬＥＤ４は、直流変換装置１の負荷として作用し、例えばその複数が直列接続した状態で直流変換装置１の出力端、したがって降圧チョッパ１２の出力端に接続している。なお、所望により、複数のＬＥＤからなる直列回路の複数を並列的に直流変換装置１の出力端に接続することができる。ただし、この場合、複数の直列回路にそれぞれ定電流回路を組み入れて、各直列回路に流れる負荷電流が等しくなように制御するのが望ましい。

整流化直流電源５は、本形態において、その交流入力端が商用交流電源６に接続したブリッジ形全波整流回路からなり、交流電圧を全波整流して非平滑直流電圧を出力して、昇圧チョッパ１１に直流入力電圧を供給する。

次に、図１ないし図３を参照して本発明の第１の形態における回路動作について説明する。なお、図２は、電源電圧変動とこれに伴う出力電流の変化の関係を示す波形図であり、（ａ）は電源電圧波形図、（ｂ）は出力電流波形図である。図３は、直流変換装置１のスイッチング素子Ｑ２に供給される駆動信号で、出力電流の状態に応じてデューティが変化している駆動信号波形図を示し、（ｃ）は平常状態の駆動信号波形、（ｄ）は電源変動時の駆動信号波形、（ｅ）は電源変動復帰時の駆動信号波形である。

最初に、図１を参照してＬＥＤ点灯装置全体の回路動作について説明する。すなわち、商用交流電源６の交流電圧は、整流化直流電源５で全波整流されて非平滑の直流電圧に変換される。この直流電圧は、昇圧チョッパ１１の入力電圧となる。位相角によって瞬時値が変化する直流電圧波形に対応して昇圧チョッパ１１のデューティ比を制御することで、全波整流波形が平滑化され、かつ昇圧した直流電圧が平滑コンデンサＣ１の両端間に出力されると同時に、入力電流の高調波成分が最小化される。

昇圧チョッパ１１の直流出力電圧が降圧チョッパ１２の入力端に入力電圧として供給されて、降圧チョッパ１２が降圧動作を行い、負荷のＬＥＤ４に適合するように定電流化された直流電流が出力すると、ＬＥＤ４が付勢されて点灯する。

ところで、ＬＥＤ４の点灯中に図２（ａ）に示すように、出力電流がＩのとき、時間ｔ１で交流電源電圧が短時間低下する変動ｆが発生した場合、図２（ｂ）に示すように、直流変換装置１の出力電流Ｉが減少してＩfになるので、出力電流検出手段２の検出出力がＩfとなり、電源電圧変動を検出する。そして、出力電流検出手段２からの検出出力が制御手段３の第１および第２の電圧比較器３１、３４に入力する。

第１の電圧比較器３１は、その非反転入力端子の電位が時間遅れの後の時間ｔ２で基準電圧Ｅ１より低下するので、そのときに変動ｆに応動して、第２の駆動信号発生回路３３から発生する駆動信号のデューティを図３（ｄ）に示すように大きくする。その結果、降圧チョッパ１２の出力のオンデューティが時間ｔ２で増大するから、変動ｆの影響が補償されて出力電流がＩとなり、平常状態と同じレベルになる。

第２の電圧比較器３４は、基準電位源Ｅ２の基準電位が高いので、変動ｆの発生時には応動しない。

次に、変動ｆが時間ｔ３で平常状態に復帰すると、第１の電圧比較器３１の時間遅れの影響により降圧チョッパ１２の駆動信号のデューティがまだ大きいので、直流変換装置１の出力電流が平常状態時のそれより大きくなって過大なピーク電流が流れる。このときの出力電流も出力電流検出手段２がこれ検出して、その検出出力が制御手段３の第１および第２の電圧比較器３１、３４に入力する。そして、第２の電圧比較器３４が基準電圧を超えるので、出力が生じてＯＦＦ制御回路３５を動作させる。その結果、降圧チョッパ１２に供給される駆動信号のデューティが図３（ｅ）に示すように強制的に狭められるから、直流変換装置１の出力電流が、図２（ｂ）に示すように絞られてＬＥＤ４のパルス電流定格以下のピーク電流Ｉtに抑制され、点線で示す同定格を超える過大なピーク電流Ｉt´がＬＥＤ４に流れるのを阻止する。

そうして、第１の電圧比較器３１の時間遅れの後の時間ｔ３で、第２の駆動信号発生回路３３は、第１の電圧比較器３１により制御されて降圧チョッパ１２のスイッチング素子Ｑ２に供給する駆動信号のデューティを平常状態のそれに戻すので、直流変換装置１の出力電流Ｉとなって、図２（ｂ）に示すように平常状態に復帰する。なお、微小変動ｆの持続時間が以上の説明より短くて、第１の電圧比較器３１の時間遅れ以下の場合には、時間ｔ２で出力電流が平常時の値Ｉに補償されることなしに復帰時にＬＥＤ４のパルス定格電流以下のピーク電流Ｉtが時間遅れの間流れる。

次に、図４ないし図６を参照して、本発明の第２の形態を説明する。なお、図１ないし図３と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。第２の形態において、その回路構成は、図４に示すように、電源電圧検出手段７が配設されるとともに制御手段３が電源電圧検出手段７により制御される。

電源電圧検出手段７は、その入力端が整流化直流電源４の交流入力端に並列接続していて、電源電圧変動を検出して制御手段３を制御する。

制御手段３は、電源電圧検出手段７が電源電圧変動を検出したときに第２の駆動信号発生回路３２が発生する駆動信号のデューティを所定範囲内に狭める。

図５および図６を参照して回路動作を説明する。図５（ａ）に示すように、時間ｔ１で電源電圧の微小変動ｆが発生すると、電源電圧検出手段７がこれを検出して第２の駆動信号発生回路３２を制御する。その結果、図６（ｄ）に示すように、第２の駆動信号発生回路３２から発生する駆動信号は、そのデューティが微小変動ｆの復帰時に流れるピーク電流がＬＥＤ４のパルス電流定格以下になるような値まで狭められる。このため、微小変動ｆの発生中において時間遅れの後の時間ｔ２で流れる出力電流Ｉ´は、図５（ｂ）に示すように、微小変動ｆ発生前の電流Ｉより低いが、ＬＥＤ４の明るさに大きな影響を与えない程度までは補償されるので、実際的な影響は非常に小さくなる。

そうして、電源電圧が微小変動ｆから復帰すると、第２の電圧比較器３１の時間遅れの間に第２の駆動信号発生回路３２から発生する駆動信号は、図６（ｅ）に示すように、同（ｄ）とデューティが同じなので、そのとき流れる出力電流のピーク電流が図５（ｂ）のＩt´に示すように、ＬＥＤ４のパルス電流定格以下に抑制される。

次に、図７ないし図９を参照して、本発明の第３の形態を説明する。なお、図１ないし図３と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。第３の形態において、その回路構成は、図７に示すように、電源電圧検出手段７が配設されるとともに制御手段３が電源電圧検出手段７により制御される点で第２の形態におけるのと同様であるが、制御手段３の電源電圧検出手段７に応動する部分が異なる。すなわち、第１の電圧比較器３１の基準電圧源Ｅ１を制御して、その基準電圧を電源電圧検出手段７からの検出出力に応じて可変にしている。

すなわち、基準電圧源Ｅ１の基準電圧は、電源電圧検出手段７が微小変動ｆを検出すると、制御されて、図８（ｃ）に示すように低下する。このため、降圧チョッパ１２の駆動信号は、そのデューティの最大値が、復帰時に流れる過大な電流がＬＥＤ４のパルス電流定格以下になるような値まで狭められる。

図８を参照して回路動作を説明する。図８（ａ）に示すように、時間ｔ１で電源電圧の微小変動ｆが発生すると、電源電圧検出手段７がこれを検出して第２の駆動信号発生回路３２の基準電圧を低下させる。その結果、第２の駆動信号発生回路３２から発生する駆動信号のデューティが微小変動ｆの復帰時に流れるピーク電流がＬＥＤ４のパルス電流定格以下になるような値に狭められる。このため、微小変動ｆの発生中において時間遅れの後の時間ｔ２で流れる出力電流Ｉtは、第２の形態におけるのと同様で図８（ｂ）に示すように、微小変動ｆ発生前のレベルまで補償されないもののＬＥＤ４の明るさに大きな影響を与えない程度までは補償されるので、実際的な影響は非常に小さくなる。

そうして、電源電圧が微小変動ｆから復帰すると、第２の電圧比較器３１の時間遅れの間に第２の駆動信号発生回路３２から発生する駆動信号は、デューティが同じなので、流れる出力電流のピーク電流が図８（ｂ）のＩtに示すように、ＬＥＤ４のパルス電流定格以下に抑制される。

１…直流変換装置、２…電流検出手段、３…制御手段、４…ＬＥＤ、５整流化直流電源、６…商用交流電源、７…電源電圧検出手段、１１昇圧チョッパ、１２…降圧チョッパ、３１…第１の電圧比較器、３１ａ、３３ａ…オペアンプ、３２…第１の駆動信号発生回路、３３…第２の駆動信号発生回、３４…第２の電圧比較器、３５…ＯＦＦ制御回路、Ｃ３…コンデンサ、Ｅ１、Ｅ２…基準電圧源

Claims (4)

1. 少なくとも１つのスイッチング素子を備え出力電流によってＬＥＤを点灯する直流変換装置と；
   直流変換装置の出力電流を検出する出力電流検出手段と；
   出力電流検出手段の検出出力に基づいて直流変換装置の出力電流を、時間遅れのある帰還制御により一定化するとともに、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに帰還制御の時間遅れによって直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する制御手段と；
   を具備していることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 制御手段は、入力電圧および負荷の少なくとも一方の変動が復帰したときに直流変換装置のスイッチング素子をＯＦＦさせて、直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 制御手段は、入力電圧および負荷の少なくとも一方が変動したときに所定期間帰還制御幅を制限して、直流変換装置の出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 照明器具本体と；
   照明器具本体の配設されたＬＥＤと；
   ＬＥＤを点灯する請求項１ないし３のいずれか一記載のＬＥＤ点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする照明器具。

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