JP2011113958A5

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Publication number: JP2011113958A5
Application number: JP2009285657A
Authority: JP
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-04-05

Description

ＬＥＤ点灯回路

本発明は、照明器具、照明装置関連技術分野における省エネルギー型で高効率な交流ＬＥＤ（発光ダイオード）点灯回路に関する。

従来技術として、交流ＬＥＤ点灯回路に関する先行技術文献を調査した。その結果、一部関連が有りそうなものとして次の特許文献１ないし７を発見した。以下、各特許文献に開示された回路図を引用しながら、各回路の欠点について説明する。なお、各回路図に使用される符号は、各特許文献に記載された符号をそのまま使用したものである。

（特許文献１）
図４に示すＬＥＤ点灯回路は、容量性リアクタンスを用い高効率化を目指している。具体的には、整流器５で全波整流したのち，定電圧ダイオード６で定電圧化することにより一定電圧を出力している。この電圧を損失の原因となる限流抵抗器１０を通して，ＬＥＤ７とブリーダ抵抗器８に供給している。このブリーダ抵抗器８は、回路を安定に動作させるため、無駄な電流を流す抵抗器である。さらに自動点滅回路用電源として，常時、定電圧ダイオード６に電流を流さなければならない。効率が低下する原因は、ブリーダ抵抗８及び限流抵抗器１０と定電圧ダイオード６にある。

またトランジスタ１５のベース回路に接続されたコンデンサ１６は、受光素子１３の周囲が暗くなるに伴い点灯動作に入る際に点滅を繰り返した後点灯するようになっているところ、この点滅の繰り返しを軽減する目的のものであると考えられる。周囲の明暗に関係なく、回路に交流電圧が印加された時に生ずる突入電流は，前述したように定電圧ダイオード６に流して，一定電圧にしているが、その後の定常状態においても流し続けていることは明らかである。

図５に示す回路おいても，整流器２５で全波整流を行い，定電圧ダイオード２６で安定化することにより一定電圧を出力している。ここで、周囲が暗い状態で交流電圧が印加された時に生じる突入電流に対しては，図４に示す回路と同様に定電圧ダイオード２６で対応している。しかし、ＬＥＤ２７にも突入電流が流れるため、このＬＥＤ２７と直列に限流抵抗器３０を挿入しなければならない。さらにＬＥＤ２７と並列に２８のブリーダ抵抗器が接続されているため、その分だけ損失が増加する欠点がある。

（特許文献２）
図６に示すＬＥＤ点灯回路では、ＬＥＤの電流制限抵抗器の代わりに容量性リアクタンス素子１２を使って効率向上を図っている。しかし，突入電流からＬＥＤ２を保護するため、全波整流器１１に接続されたＬＥＤ２と並列に定電圧ダイオード１３が接続されている。ここで定電圧ダイオード１３の電圧は、ＬＥＤ２の端子電圧より高くする必要がある。このため，突入電流は、端子電圧の低いＬＥＤ２を最初に流れる。電流が徐々に増して上昇したＬＥＤ２の端子電圧と定電圧ダイオード１３の端子電圧とが等しくなった時点で、初めて定電圧ダイオード１３に突入電流が流れるようになる。その後は定電圧ダイオード１３とＬＥＤ２の両方を流れてしまうので、ＬＥＤ２を突入電流から完全に保護することができない。このため、ＬＥＤ２が劣化する欠点がある。

また、定電圧ダイオード１３の特性のバラツキ、ＬＥＤ２の温度特性などの影響で、ＬＥＤ２の最大電流時の順方向電圧を越えると、本来ＬＥＤ２を流れる電流が定電圧ダイオード１３を流れてしまう危険性もある。

（特許文献３）
図７に示すＬＥＤ点灯回路回路では、ＬＥＤ３の電流制限素子として，コンデンサＣを利用して効率化を図っている。しかし，突入電流防止回路がないため、抵抗器Ｒ_１，Ｒ_２で分圧した後，整流器Ｄ _１，Ｄ _２で全波整流し、ＬＥＤ３を駆動している。そのため、抵抗器Ｒ _２の損失が大きくなり、消費電力が大きくなると共に、点灯開始時のＬＥＤ３に短い時間であるが定常時の電流より大きな電流が流れ、ＬＥＤ３の劣化の原因となる欠点がある。

（特許文献４）
図８に示すＬＥＤ点灯回路回路では、電流制限素子としてコンデンサ２を利用して，効率化を図っている。しかし、突入電流は初期時に必ず端子電圧の低いＬＥＤ４を流れてしまうため、電流制限抵抗器５をＬＥＤ４と直列に挿入する必要がある。そのため、抵抗器７の損失に電流制限抵抗器５の損失が加わり、効率を低下させると共に突入電流をＬＥＤ４に流してしまう欠点がある。

（特許文献５）
図９に示すＬＥＤ点灯回路は、電流制限素子としてコンデンサＣのみを用いる。このようシンプルな回路であるため極めて高い効率が得られることは確かである。しかし、点灯開始時に流れる突入電流によりＬＥＤが破壊される恐れが高く、このため実用化は難しい。また、ダイオードＤによる半波整流で得た電流でＬＥＤを点灯しているため，チラツキも問題である。

（特許文献６）
図１０に示すＬＥＤ点灯回路では、損失を低減し効率の向上を図る方法がこれまで説明したものと全く異なる。すなわち、ＬＥＤユニットを駆動するために定電流回路を用いる。そして，定電流回路に加える電圧は，定電流動作が可能な最低電圧を印加するように、最低電圧検出装置により自動的に制御して効率を高くしている。

（特許文献７）
図１１に示すＬＥＤ点灯回路では、効率向上を目指しているがそのための回路方式はこれまで説明したものと異なる。すなわち、スイッチング素子として，サイリスタ２ａを用いた位相制御回路により電力損失を少なくしている。

特開２００７−５９２４７号公報（図２）特開２００７−５９２４７号公報（図１）特開平１１−９７７４７号公報（図１）特開２００８−１０７３７０号公報（図１）特開２０００−３０６６８５号公報（図１）特開２００３−３３２６２５号公報（図１）特開２００６−２７８３０４号公報（図１）特開平６−２４２７３３号公報（図７）

温室効果ガスＣＯ_２削減により地球温暖化を防止することは、人類の責務である。照明の分野においても省エネルギー化を進めており、ＬＥＤを光源にした照明器具、照明装置に関する先行技術文献が発表され、製品も市販されている。しかし、従来の白熱電球に比べれば大幅に省エネルギー化されたものの、より効率化を考えるとまだ十分とは言い難い。本発明は、ＬＥＤを商用電源またはその他の交流電源で、ノイズの発生することなく、高効率に点灯するＬＥＤ点灯回路の提供を目的とするものである。

より詳細には、商用電源や交流電源を使用したＬＥＤ点灯回路において、容量性リアクタンス素子を利用することによる高効率化と、点灯開始時に過度的に流れる突入電流から、ＬＥＤを保護する安定な点灯回路を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため本発明は、ＬＥＤに流す定常時の電流値を決める電流制限素子として容量性リアクタンス（低損失のコンデンサ）を主体に用いる。しかし、ＬＥＤ点灯開始時に、容量性リアクタンス素子を充電するための過度的に大きな突入電流が流れ、前記した先行文献６が示すように、ＬＥＤが破損する。これを阻止する目的で、この突入電流を点灯開始時のみバリスタ素子でバイパスさせる。かつ定常時にはバリスタに電流を流さない様にしている。

すなわち本発明は、電源から供給される電力を利用してＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯回路であって、前記ＬＥＤと直列接続されるトランジスタと、前記ＬＥＤ及び前記トランジスタに対して並列接続されるバリスタと、前記ＬＥＤと前記トランジスタとの直列回路の一端と電源との間の電流路上に接続される容量性リアクタンス素子と、前記トランジスタの制御端子に接続される遅延回路と、を備えるＬＥＤ点灯回路である。

また、例えば前記バリスタは、そのバリスタ電圧の値が前記ＬＥＤの順方向電圧と前記トランジスタの飽和電圧の和よりも高い値である。

また、例えば前記遅延回路は、互いに直列接続された第１抵抗素子及びコンデンサと、前記コンデンサに対して並列接続された第２抵抗素子と、を有し、前記第１抵抗素子と前記コンデンサとの間の節点が前記トランジスタの制御端子に接続されている。

こうして、ＬＥＤに流れる電流は、過度的に突入電流が流れている間はＬＥＤに直列に接続されたトランジスタを遮断状態に保ち流さないようにしている。容量性リアクタンス素子の充電が完了した後は、ＬＥＤに定常状態の電流を流す様にしている。

このように、本発明は、前記した先行文献１、２、４及び５が示すように損失の要因となる電流制限抵抗器を使用することない。さらに、電流制限素子をほぼ容量性リアクタンスとしたことによる高効率化と、先行文献１、２、３、４及び５に示すように、突入電流をＬＥＤに流すことない。以上により、ＬＥＤを過度的な突入電流から保護するため、故障が少なく安全なＬＥＤ点灯回路を提供することができる。

また回路内に先行文献８に示すような位相制御回路、高周波スイッチング回路等を使用しないため、高周波ノイズを発生することがない。

一般の家庭等で常夜灯として利用されている豆電球は約５Ｗであり、同程度の明るさを得る本発明点灯回路使用時のＬＥＤ３個の消費電力は、図３に示すように、豆電球の消費電力の２０分の１の約０．２５Ｗである。その他の照明装置全般にも使用できる高効率の交流ＬＥＤ型電球用点灯回路が提供できるため、温室効果ガスＣＯ_２の削減に役立ち、地球温暖化防止に寄与できる。

一例を示すと、日本の世帯数約５０００万戸、各戸で常夜灯電球５Ｗを２個使用した時の全消費電力は５０万ｋＷとなる。本発明のＬＥＤ点灯回路でＬＥＤ３個の明るさで使用時の消費電力は、０．２５Ｗであり、２個使用すると０．５Ｗとなり、全所帯数では消費電力は２万５０００ｋＷである。差し引き４７万５０００ｋＷの削減効果が期待できる。

本発明の一実施例の回路図である。本発明の一実施例のＬＥＤ電球の外観。本発明の一実施例ＬＥＤ３個使用回路の電源電圧と消費電力の関係示すグラフである。特開２００７−５９２４７号公報の図２を引用した図である。特開２００７−５９２４７号公報の図１を引用した図である。特開平１１−９７７４７号公報の図１を引用した図である。特開２００８−１０７３７０号公報の図１を引用した図である。特開２０００−３０６６８５号公報の図１を引用した図である。特開２００３−３３２６２５号公報の図１を引用した図である。特開２００６−２７８３０４号公報の図２を引用した図である。特開平６−２４２７３３号公報の図７を引用した図である。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＬＥＤ点灯回路の回路図であり、電源から供給される電力を利用してＬＥＤを点灯させるように構成してある。符号３は定常状態におけるＬＥＤに流れる電流の値を決める容量性リアクタンス素子（低損失のコンデンサ）を示す。

符号８は、点灯開始時に過度的に流れる過大な突入電流をバイパスする目的で使用するバリスタを示す。バリスタ８のバリスタ電圧は、定常状態におけるＬＥＤ７の順方向電圧と、ＬＥＤ７に直列接続したトランジスタ９の飽和電圧の和の電圧より高い値を選び、定常時にはＬＥＤ７だけに電流を流し、バリスタ８には流さないようにしている。なお、バリスタ８は、ＬＥＤ７及びトランジスタ９に対して並列接続してある。

また、抵抗器１２はバリスタ８を流れる突入電流の最大値を決めるためのものである。バリスタ８のピーク許容電流値が大きいため、抵抗器１２の値は容量性リアクタンス３の値と比較して極めて低く設定できるため、高効率化が実現できる。なお、容量性リアクタンス３は、ＬＥＤ７とトランジスタ９との直列回路の一端と電源１との間の電流路上に接続してある。

抵抗器６及び抵抗器１０は、トランジスタ９のベース（制御端子）に接続されてベース電流を決める。これと共に、互いに直列接続された抵抗器６（第１抵抗素子）及びコンデンサ１１と、コンデンサ１１に対して並列接続した抵抗器１０（第２抵抗素子）を組み合わせて遅延回路を形成し、突入電流が流れている時間、トランジスタ９の導通開始を遅延させる。なお、抵抗器６とコンデンサ１１との間の接点は、トランジスタ９のベースに接続してある。

結果的には、突入電流１３が流れている間、トランジスタ９は遮断状態となり、ＬＥＤ７を突入電流から保護する。突入電流からの保護は、抵抗器６、抵抗器１０、コンデンサ１１及びトランジスタ９から構成した突入電流防止回路１５によって行われる。定常状態においては、ＬＥＤ７に定常電流１４を流し続ける。

なお、抵抗器１０は、トランジスタ９のベース電流と遅延時間を決めると共に、商用電源または他の交流電源への接続が切断された時、コンデンサ１１の電荷を放電させ、次の点灯開始時の突入電流に備えるためのものである。

コンデンサ１１と抵抗器６及び抵抗器１０から決定される充電時定数は、突入電流の流れている時間より大きく選び、放電時定数は、可能な限り小さくする。

点灯開始時に流れる突入電流の流れる時間は、概算、容量性リアクタンス素子３の静電容量値及び抵抗器１２の抵抗値、商用電源（交流電源）１のインピーダンスから求められる。

容量性リアクタンス素子３に並列接続した抵抗器４は、容量性リアクタンス素子３に充電された電荷を放電させるためのものであり、電撃防止を目的に接続している。

商用電源１の一端と容量性リアクタンス素子３の一端の間に配したヒューズ２は、ＬＥＤ点灯回路に不具合が発生した場合に流れる過大電流に備えるものであり安全目的に使用されている。ヒューズ２は電流動作型ヒューズに限らず、温度動作型ヒューズを用いても良い。符号５はダイオードによるブリッジ整流回路を示す。

バリスタ８は、前述したように過度的に流れる突入電流を流すものであり、双方向性または単方向性のノイズ吸収用ダイオードを用いても良い。また、トランジスタ９はスイッチング作用を奏しており、バイポーラトランジスタに限らずＦＥＴを利用しても良いのは当然である。

図１の実施例においてＬＥＤ７の数は、商用電源１００Ｖの場合は１〜２４個位まで対応可能である。当然２００Ｖラインにも対応できる。使用したＬＥＤ７の数により、容量性リアクタンス素子３の容量、バリスタ８の動作電圧の値、抵抗器６の抵抗値、コンデンサ１１の容量などを変更する必要がある。さらにＬＥＤ７の個数を増加させるには、ＬＥＤ点灯回路を複数個使用することが可能である。なお、図３は、ＬＥＤ点灯回路のＬＥＤを３個としたときの電源電圧対消費電力特性を示す。

本発明は、白熱電球に代わるＬＥＤ電球の新しい高効率の点灯回路として、家庭用照明器具、装置への利用は当然のことであるが、照明装置は、公共施設、オフィス、工場、交通機関などあらゆる分野で利用できるものであり、それぞれの分野において、エネルギー削減に大きく寄与できるものである。

１商用電源または他の交流電源
２普通溶断型または温度ヒューズ
３容量性リアクタンス素子（低損失コンデンサ）
４放電用抵抗器
５整流用ダイオードまたはダイオードブリッジ
６遅延時間及びバイアス電流設定用抵抗器
７ＬＥＤ
８バリスタまたはノイズ吸収用ダイオード
９トランジスタまたはＦＥＴ
１０放電用抵抗器
１１遅延時間設定用コンデンサ
１２突入電流最大値設定用抵抗器
１３突入電流の流れる方向
１４定常電流の流れる方向
１５突入電流防止回路
１６本発明点灯回路使用のＬＥＤ電球３種類の外観（図２）
１７本発明点灯回路ＬＥＤ３個の電源電圧対消費電力特性（図３）

Claims

電源から供給される電力を利用してＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯回路であって、
前記ＬＥＤと直列接続されるトランジスタと、
前記ＬＥＤ及び前記トランジスタに対して並列接続されるバリスタと、
前記ＬＥＤと前記トランジスタとの直列回路の一端と電源との間の電流路上に接続される容量性リアクタンス素子と、
前記トランジスタの制御端子に接続される遅延回路と、
を備える、ＬＥＤ点灯回路。
前記バリスタは、そのバリスタ電圧の値が前記ＬＥＤの順方向電圧と前記トランジスタの飽和電圧の和よりも高い値である、請求項１に記載のＬＥＤ点灯回路。
前記遅延回路は、
互いに直列接続された第１抵抗素子及びコンデンサと、
前記コンデンサに対して並列接続された第２抵抗素子と、
を有し、前記第１抵抗素子と前記コンデンサとの間の接点が前記トランジスタの制御端子に接続されている、請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯回路。