JP2011048985A - 発光ダイオード点灯装置及び照明器具及び照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】共振方式の回路によりＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯装置において、共振回路に発生する電圧が適切な範囲でＬＥＤ接続の有無を検知する発光ダイオード点灯装置を提供する。
【解決手段】発光ダイオード点灯装置１１０のインバータ制御回路５は、インバータ回路３の起動時に、負荷回路４（共振回路）が出力する電圧が発光ダイオード７がオンとなるオン電圧Ｖ_ｆ以上かつ負荷回路４を構成する部品の耐電圧に従って決定された所定の電圧以下となる起動周波数でインバータ回路３を起動し、このとき電流検出回路３が検出したＬＥＤ電流に対応する対応信号の値に基づいて、インバータ回路３を継続駆動するかどうかを判別する。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光ダイオードを点灯させる発光ダイオード点灯装置に関し、発光ダイオードが接続されているかどうかの検出を負荷回路の電圧が適正な範囲で行う技術に関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）点灯装置での発光ダイオードの接続検出は、特許文献１の請求項１に示すように、ＬＥＤに流れる電流を電流検出手段により検出し、検出した電流が所定の閾値を超えた場合にＬＥＤ光源が接続されていると判断していた。また、この請求項１においては、ＬＥＤがない場合は出力電圧を所定値まで減少させて待機モードで動作させるとの記述がある。

ＬＥＤの点灯回路に共振を用いた回路方式を採用した場合、特許文献１に示すＬＥＤ接続検出を行うと、特許文献１ではＬＥＤが点灯できる状態、つまり、共振の強い状態で接続検出を行うため、ＬＥＤの接続がない場合には回路に過大な電圧が発生し、回路の故障等を招くという課題がある。

特許第４１６９００８号

この発明は、共振回路に発生する電圧が適切な範囲において、ＬＥＤ接続の有無を検知する発光ダイオード点灯装置の提供を目的とする。

この発明の発光ダイオード点灯装置は、インダクタと共振コンデンサとを備え、接続される発光ダイオードに電圧を印加する共振回路と、上記共振回路に電流を流すインバータ回路と、上記インバータ回路に直流電圧を供給する直流電源回路と、上記発光ダイオードに流れる電流に対応する対応信号を検出する検出回路と、上記インバータ回路の起動時に、上記共振回路が出力する電圧が上記発光ダイオードがオンとなるオン電圧以上かつ上記共振回路を構成する部品の耐電圧に従って決定された所定の電圧以下となる起動周波数で上記インバータ回路を起動し、このときに上記検出回路が検出した上記対応信号の値に基づいて、上記インバータ回路を継続駆動するかどうかを判別するインバータ制御回路と
を備えたことを特徴とする。

この発明により、共振を用いた回路方式を採用するＬＥＤ点灯装置において、共振回路に発生する電圧が適切な範囲において、ＬＥＤ接続の有無を検知する発光ダイオード点灯装置を提供できる。

実施の形態１における発光ダイオード点灯装置１１０の回路図。 実施の形態１におけるＬＥＤ点灯時と不点灯時のＬＥＤ印加電圧と周波数の関係を示す図。 実施の形態１における発光ダイオード点灯装置１１０の動作フロー。 実施の形態３における発光ダイオード点灯装置１３０の回路図。 実施の形態３における抵抗２８に発生する電圧を示す図。 実施の形態４における発光ダイオード点灯装置１４０の回路図。 実施の形態４における抵抗２８に発生する電圧を示す図。

実施の形態１．
図１は、高周波インバータで発光ダイオード（ＬＥＤともいう）を点灯させる発光ダイオード点灯装置１１０の回路を示す。
（１）電源整流回路１は、ノイズフィルタ（図示しない）とダイオードブリッジで構成され、商用交流電源４０をもとに、電源電圧の整流及びノイズの除去を行う回路である。
（２）アクティブフィルタ回路２は、電源電圧波形に沿ってスイッチングを行うことにより、電源電圧を所定の直流電圧に昇圧すると共に入力電流波形を整形して力率および高調波を改善する回路である。電源整流回路１とアクティブフィルタ回路２とはインバータ回路３に直流電圧を供給する直流電源回路を構成する。
（３）インバータ回路３は、アクティブフィルタ回路２で昇圧された直流電圧を、インバータ制御回路５から出力される逆極性の電圧で、スイッチング素子のＦＥＴ（Ｑ１）８、及びＦＥＴ（Ｑ２）９を交互にスイッチングすることにより、高周波電圧を発生させる回路である。
（４）負荷回路４（共振回路ともいう）は、周波数によりインダクタ１０と共振コンデンサ１２の共振を変化させることにより直列に接続された発光ダイオード素子７に流れる電を調整するものである。コンデンサ１１は結合コンデンサである。
（５）整流回路６は、直列に接続された発光ダイオード素子７に直流電流を流すものである。
（６）コンデンサ１７は、発光ダイオード素子７に流す電流のリップルを取り除くための平滑コンデンサである。
（７）インバータ制御回路５は、インバータ回路３の動作周波数を制御するものである。
（８）電流検出回路３０（検出回路）は、電流検出抵抗１８、ダイオード２１、抵抗２２、コンデンサ２３、基準電圧１９、比較器２０により構成され、発光ダイオード素子７に流れる電流を検出するものである。発光ダイオード素子７に流れる電流を電流検出抵抗１８により電圧（対応信号）に変換し、その電圧の正方向をダイオード２１により取り出し、抵抗２２、コンデンサ２３により平均化し、比較器２０に入力する。比較器２０は前記電圧と基準電圧１９とを比較して、基準電圧以上である場合に、インバータ回路３を動作させ、基準電圧以下である場合にはインバータ回路３を停止させる。

図２は、ＬＥＤの点灯時（ＬＥＤの接続時）と不点灯時（ＬＥＤの非接続やオープン故障）のＬＥＤに印加される電圧と周波数の関係を示す。ＬＥＤ接続時は、インダクタ１０と共振コンデンサ１２の共振特性により、周波数が増加してＬＥＤに印加される電圧がＬＥＤの電圧降下を下回るとＬＥＤは消灯する。一方、ＬＥＤ非接続時は、共振回路中に抵抗成分がなくなり、共振のＱが高くなり回路に過大な電圧が発生する。図１に示すような、ＬＥＤの点灯回路に共振を用いた回路方式にした場合、先行事例として示した特許文献１のＬＥＤ接続検出を行うと、ＬＥＤが点灯できる状態、つまり、共振の強い状態で接続検出を行うため、ＬＥＤの接続がない場合に回路に過大な電圧が発生し、回路の故障等が発生するという課題がある。

以下の実施の形態では、この課題を解決するために、インバータ制御回路５を次のように動作させる。すなわち、図１に示す回路において電源をＯＮ（商用交流電源４０からの供給をＯＮ）にした場合、インバータ制御回路５は、図２に示すＬＥＤに印加される電圧がＬＥＤのＶ_ｆ（オン電圧）以上、かつ、ＬＥＤ非接続時の共振電圧において使用する共振回路の部品の定格電圧（耐電圧）以下となる起動周波数でインバータ回路３を発振させるように動作する。
図３は、発光ダイオード点灯装置１１０の動作を示すフローチャートである。図３を参照して具体的に説明する。

（１）起動時であるＳ０１において、インバータ制御回路５は、インバータ回路３のスイッチング素子のＦＥＴ（Ｑ１）８、ＦＥＴ（Ｑ２）９のスイッチングを開始してインバータ回路３を起動する。
（２）Ｓ０２において、電流検出回路３０が、発光ダイオード素子７に流れる電流を電流検出抵抗１８により電圧に変換して検出する。
（３）Ｓ０３において、電流検出回路３０の比較器２０は、抵抗２２とコンデンサ２３により平均化された電流検出抵抗１８の検出電圧と基準電圧１９とを比較し、比較結果をインバータ制御回路５に出力する。
（４）Ｓ０４において、インバータ制御回路５は、比較結果において平均化された検出電圧が基準電圧１９以上である場合にはＬＥＤ接続と判別して、インバータ回路３を継続して駆動させると共に、インバータ回路３を起動周波数から点灯周波数に移行し（Ｓ０６）、Ｓ０２からＳ０４を繰り返すことにより、比較器２０の比較結果を監視する。また、Ｓ０４において、比較結果が基準電圧１９以下である場合には、インバータ制御回路５はインバータ回路３を停止させる（Ｓ０５）。すなわちＳ０２からＳ０４のループでは、インバータ制御回路５は、発光ダイオードを点灯させるデューティ比の定格点灯周波数でインバータ回路３のスイッチング素子であるＦＥＴ（Ｑ１）８、ＦＥＴ（Ｑ２）９をスイッチングしており、電流検出回路３０が比較した比較結果に基づいてインバータ回路３のスイッチング素子のスイッチングを継続するかどうかを判別する。インバータ回路３を継続駆動すると判別するときはスイッチング素子のスイッチングを継続し（Ｓ０４のＹＥＳ）、継続駆動しないと判別するときはスイッチング素子のスイッチングを停止する（Ｓ０４のＮＯ）。このようにインバータ制御回路５は、電流検出回路３０によって検出された対応信号の値に基づいて、インバータ回路３を継続駆動するかどうかを判別する。

以上のようにオープン故障等のない正常なＬＥＤが接続されている場合は、ＬＥＤに電流が流れるため、電流検出抵抗１８に電圧が発生し、比較器２０の入力には、ダイオード２１により正方向の電圧が抵抗２２、コンデンサ２３により平均化されて入力される。この平均化電圧は、基準電圧１９を超える値となり、比較器２０はインバータ制御回路５から発振信号を出力し、インバータ回路３の発振を継続させる。ＬＥＤが接続されていない場合（オープン故障等のようにＬＥＤに電流が流れない場合も含む）は、ＬＥＤに電流が流れないため、電流検出抵抗１８に電圧は発生しない。よって、比較器２０に入力される平均化電圧は、基準電圧１９を下回り、比較器２０はインバータ制御回路５の発振を停止させる。ＬＥＤが接続されていない場合、図２に示すように負荷回路４（共振回路）に発生する電圧は、共振コンデンサ１２、ダイオードＤ１〜Ｄ４、コンデンサ１７等の負荷回路を構成する構成部品の定格電圧以下（所定の耐圧以下）に設定されている。このため、負荷回路４の構成部品に過大な電圧が印加され回路が故障する問題は発生しない。

（基準電圧１９について）
なお比較器２０に入力される基準電圧１９は、インバータ回路３が電圧Ｖ_ｆ以上かつ所定の耐圧以下となるような起動周波数で駆動するときに、ＬＥＤ接続時に電流検出抵抗１８に発生する検出電圧に対応して設定されている。

なお、図２において、起動周波数をＬＥＤに電流が流れる最小電圧Ｖ_ｆ以上に設定するのは、Ｖ_ｆ以下に設定した場合はＬＥＤ接続時も非接続時もＬＥＤに電流が流れないため、ＬＥＤの接続検出ができないからである。なお、ＬＥＤの非接続には、上記のようにＬＥＤのオープン故障も含まれる。

以上の実施の形態１の発光ダイオード点灯装置１１０では、インバータ制御回路５がインバータ回路３の起動時に、負荷回路４に発生する電圧が電圧Ｖ_ｆ以上かつ所定の耐圧以下となるような起動周波数でインバータ回路３を駆動するので、負荷回路４の構成部品に過大な電圧が印加され回路が故障することを防止できる。また、インバータ制御回路５は電流検出回路３０による電流検出抵抗の検出電圧と基準電圧との比較結果に基づいてＦＥＴ（Ｑ１）８、ＦＥＴ（Ｑ２）９のスイッチングを継続するかどうかを判別し、検出電圧が基準電圧を下回る場合（ＬＥＤ非接続の場合）はインバータ回路３の駆動を停止する。このため、ＬＥＤ非接続時にインバータ回路３の動作継続に伴う故障を防止できる。

実施の形態２．
次に実施の形態２を説明する。実施の形態２ではインバータ回路３の起動周波数を定格の点灯周波数で駆動する場合を説明する。図２に示すように、インバータ回路を定格の点灯周波数（定格点灯のデューティ比）で駆動すると、ＬＥＤ非接続時（図２ではＬＥＤ不点灯時）の場合は、部品の耐圧を超える電圧が発生してしまう。そこで実施の形態２では、起動周波数を点灯周波数に一致させた場合においても、起動時にはインバータ回路３の出力電圧が小さくなるように、インバータ制御回路５は、インバータ回路３の点灯周波数におけるデューティのＨレベルが短くなるように制御する。なおインバータ制御回路５は、ＬＥＤが接続されていると判別したときは、デューティ比を定格点灯のデューティ比に移行する。

このように、インバータ制御回路５は、インバータ回路３のスイッチング素子のスイッチング周波数のデューティ比を制御することにより、インバータ回路３を定格点灯周波数で起動しつつ共振回路（負荷回路）が出力する電圧を発光ダイオードのオン電圧Ｖ_ｆ以上かつ所定の耐圧以下とするので、起動周波数を点灯周波数と一致させた場合でも実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に図４、図５を参照して実施の形態３を説明する。実施の形態３は、インバータ制御回路５が実施の形態１あるいは実施の形態２の方式でインバータ回路３を起動する場合に、ＦＥＴ（Ｑ２）９に接続された抵抗２８から電圧を検出し、この検出電圧に従ってＬＥＤが接続されているかどうかを判別する実施形態である。すなわちインバータ制御回路５は、抵抗２８から電流検出回路３０によって検出された対応信号の値に基づいて、インバータ回路３を継続駆動するかどうかを判別する。

図４は、実施の形態３の発光ダイオード点灯装置１３０の回路図である。図１と共通な部分には共通な番号を付し、説明を省略する。図１の発光ダイオード点灯装置１１０の回路と異なる部分は、ＦＥＴ（Ｑ２）９に負荷回路４に流れる電流を検出する抵抗２８を接続し、電流検出回路３０がこの抵抗２８の検出電圧（対応信号）と基準電圧１９とを比較する点である。

図４に示すようにインバータ回路３は、ＦＥＴ（Ｑ１）８（第１のスイッチング素子）とＦＥＴ（Ｑ２）９（第２のスイッチング素子）とが直列接続されて構成されると共にＦＥＴ（Ｑ１）８が電源整流回路（電源整流回路１とアクティブフィルタ回路２とから構成される）の正極側に接続され、ＦＥＴ（Ｑ２）９を流れる電流が通過する抵抗２８を介してＦＥＴ（Ｑ２）９が直流電源回路の負極側に接続されている。電流検出回路３０（検出回路）は、抵抗２８に発生する電圧を検出し、検出した電圧と基準電圧１９とを比較する。そしてインバータ制御回路５は、実施の形態１、２と同様に、この比較結果に基づいて、ＬＥＤが接続されているかどうか、すなわちインバータ回路３の駆動を継続するかどうかを判別し、継続すると判別すると（Ｓ０４のＹＥＳ）、インバータ回路３を起動周波数から点灯周波数に移行し（Ｓ０６）、接続されていないと判別した場合は、インバータ回路３の駆動を停止する。

図５は抵抗２８に発生する電圧を示す図である。図５に示すように、抵抗２８にはＦＥＴ（Ｑ２）９のドレイン−ソース電流が流れる。このドレイン−ソース電流は、インダクタ１０に流れる負荷電流の一部を構成している。よって、ドレイン−ソース電流が０となる時間は回路の遅れ位相を示している。ＬＥＤが点灯中に取り外された場合やオープン故障した場合、共振コンデンサ１２に並列に接続された回路がなくなる。このため、共振コンデンサ１２の影響度が大きくなるため、遅れ位相が大きくなる。図５に示すように、同じ周波数で、遅れ位相がａからｂに大きくなると、自ずと負荷電流が大きくなる。前述のドレイン−ソース電流により抵抗２８に発生する電圧を検出し、ＬＥＤ接続時に発生する電圧Ｖ１とＬＥＤ非接続時に発生する電圧Ｖ２の中間に基準電圧１９を設定することにより、抵抗２８からの検出電圧が基準電圧を超えた場合は、比較器２０によりインバータ制御回路５を停止させる。

実施の形態４．
次に図６、図７を参照して実施の形態３の発光ダイオード点灯装置１４０を説明する。図６は実施の形態４の発光ダイオード点灯装置１４０の回路図である。図５と共通な回路には共通な番号を付し、説明を省略する。
発光ダイオード点灯装置１４０が図５の回路と異なる部分は、共振コンデンサ１２をなくすと共に、電流検出回路３０が位相検出回路４１（検出回路）に変化したことである。インバータ制御回路５は、抵抗２８から位相検出回路４１によって検出された負荷電流の位相（対応信号）の値に基づいて、インバータ回路３を継続駆動するかどうかを判別する。

実施の形態４は、実施の形態３と類似の回路構成の発光ダイオード点灯装置１４０が、実施の形態１あるいは実施の形態２の方式でインバータ回路３を起動する場合に、ＦＥＴ（Ｑ２）９に接続された抵抗２８から検出される電圧から位相差を検出し、この位相差に従ってＬＥＤが接続されているかどうかを判別する実施形態である。

図７は抵抗２８に発生する電圧を示す図であるが、発光ダイオード点灯装置１４０のように、発光ダイオード点灯装置１３０に対してＬＥＤが非接続で共振コンデンサ１２がない場合には、ＦＥＴ（Ｑ２）９のドレイン−ソース電流は図７に示す波形となる。これは、共振コンデンサ１２がないために、点灯中にＬＥＤが取り外された場合やＬＥＤがオープン故障した場合に、インダクタ１０とパターン間、負荷配線間の浮遊容量の数ｐＦとの共振となるが、この共振周波数は数百ｋＨｚと非常に高い。一方、発光ダイオード点灯装置１４０の点灯周波数は数十ｋＨｚのため、負荷回路４の共振周波数より動作周波数が低くなり、回路は進み位相で動作する。マイクロコンピュータ等を用いた位相検出回路４１は、負荷電流の位相（対応信号）を検出し、進み位相の場合は、ＬＥＤが取り外された若しくはオープン故障したと判断し、インバータ制御回路５を停止させる。

発光ダイオード点灯装置１４０によれば、共振コンデンサ１２を使用せずＬＥＤの非接続を検出するので、電力損失を抑えることができる。

なお、以上の実施の形態１〜４では発光ダイオード点灯装置１１０〜１４０を説明したが、発光ダイオード点灯装置１１０〜１４０のいずれかを備えたＬＥＤ照明器具の実施形態も可能である。また、発光ダイオード点灯装置１１０〜１４０のいずれかの点灯装置を備えたＬＥＤ照明器具を複数備えた照明システムの実施形態ももちろん可能である。すなわち、商用交流電源４０に並列接続された複数の前記ＬＥＤ照明器具を備えた照明システムの実施形態も可能である。

１ 電源整流回路、２ アクティブフィルタ回路、３ インバータ回路、４ 負荷回路、５ インバータ制御回路、６ 整流回路、７ 発光ダイオード、８ ＦＥＴ（Ｑ１）、９ ＦＥＴ（Ｑ２）、１０ インダクタ、１１ 結合コンデンサ、１２ 共振コンデンサ、１３，１４，１５，１６ ダイオード、１７ コンデンサ、１８ 電流検出抵抗、１９ 基準電圧、２０ 比較器、２１ ダイオード、２２ 抵抗、２３ コンデンサ、２８ 抵抗、３０ 電流検出回路、４０ 商用交流電源、４１ 位相検出回路、１１０，１２０，１３０，１４０ 発光ダイオード点灯装置。

Claims (8)

1. インダクタと共振コンデンサとを備え、接続される発光ダイオードに電圧を印加する共振回路と、
   上記共振回路に電流を流すインバータ回路と、
   上記インバータ回路に直流電圧を供給する直流電源回路と、
   上記発光ダイオードに流れる電流に対応する対応信号を検出する検出回路と、
   上記インバータ回路の起動時に、上記共振回路が出力する電圧が上記発光ダイオードがオンとなるオン電圧以上かつ上記共振回路を構成する部品の耐電圧に従って決定された所定の電圧以下となる起動周波数で上記インバータ回路を起動し、このときに上記検出回路が検出した上記対応信号の値に基づいて、上記インバータ回路を継続駆動するかどうかを判別するインバータ制御回路と
   を備えたことを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
2. 上記インバータ制御回路は、
   上記インバータ回路の駆動周波数のデューティ比を制御することにより、上記インバータ回路を定格点灯周波数で起動しつつ上記共振回路が出力する電圧を上記発光ダイオードの上記オン電圧以上かつ上記所定の電圧以下とすることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
3. 上記インバータ制御回路は、
   上記発光ダイオードを点灯させるデューティ比の定格点灯周波数で上記インバータ回路を駆動しているときには、上記検出回路が検出した上記対応信号の値に基づいて、上記インバータ回路を継続駆動するかどうかを判別することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光ダイオード点灯装置。
4. 上記インバータ回路は、
   第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とが直列接続されて構成されると共に上記第１のスイッチング素子が上記直流電源回路の正極側に接続され、上記第２のスイッチング素子を流れる電流が通過する抵抗を介して上記第２のスイッチング素子が上記直流電源回路の負極側に接続され、
   上記検出回路は、
   前記対応信号として、上記第２のスイッチング素子を流れる電流が通過する上記抵抗に発生する電圧を検出することを特徴とする請求項１〜３記載の発光ダイオード点灯装置。
5. 上記検出回路は、
   上記第２のスイッチング素子を流れる電流が通過する前記抵抗の電圧を検出し、検出した電圧から前記共振回路に流れる負荷電流の位相を前記対応信号として検出することを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード点灯装置。
6. 上記発光ダイオード点灯装置は、
   発光ダイオードを点灯するときの上記インバータ回路の定格点灯周波数と、上記インバータ回路の起動周波数と、上記共振回路の共振周波数との関係が、共振周波数＜定格点灯周波数＜起動周波数であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の発光ダイオード点灯装置を備えた照明器具。
8. 請求項７の照明器具を複数備えた照明システム。

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