JP2011155101A

JP2011155101A - Ｌｅｄ点灯装置

Info

Publication number: JP2011155101A
Application number: JP2010015159A
Authority: JP
Inventors: Naoko Iwai; 直子岩井; Hajime Osaki; 肇大崎; Kenichi Asami; 健一浅見; Hitoshi Kono; 仁志河野; Masatoshi Kumagai; 昌俊熊谷
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】
商用交流電源に接続して点灯するＬＥＤ電球のような比較的小電力のＬＥＤ照明装置用として好適な小形化が可能なＬＥＤ点灯装置を提供する。
【解決手段】
ＬＥＤ点灯装置は、直流電源DCと、スイッチング素子Q1、インダクタL1、電流検出用インピーダンス素子Z1ならびに制御部CCを備え、制御部が、スイッチング素子がオンして電流検出用インピーダンス素子に流れる増加電流が第１の所定値に達したときにスイッチング素子をオフさせ、インダクタに流れる減少電流が第１の所定値より小さい第２の所定値になったときにスイッチング素子をオンさせることにより、動作周波数２０ｋＨｚ以上、降圧率０．０４３以上、スイッチング素子のオン時間０．４５μｓ以上、かつスイッチング素子の制御の反応時間が０．１５μｓ±２０％で動作する非絶縁形降圧チョッパSDCと、非絶縁形降圧チョッパの出力で点灯する発光ダイオードLEDとを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、非絶縁形降圧チョッパを備えたＬＥＤ点灯装置に関する。

非絶縁形降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置は、既知である（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の図２に記載の降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置においては、第１のスイッチング素子であるＦＥＴ５と第１のインダクタ７との間に、抵抗値の小さい抵抗素子６１を接続し、この抵抗素子６１を第２のスイッチング素子であるバイポーラ形トランジスタ２１のベース・エミッタ間に接続している。前記トランジスタ２１のコレクタを前記ＦＥＴ５のゲート端子に接続している。そして、第１のインダクタ７とフリーホイールダイオード１１とが出力端間に直列接続している。

ＦＥＴ５がオン動作すると、直流電源４から抵抗素子６１、第１のインダクタ７および負荷のＬＥＤ回路８に並列接続しているコンデンサ９を介して増加電流が流れて第１のインダクタ７が充電される。そうして、抵抗素子６１の両端間電圧がトランジスタ２１を動作するバイアスに達すると、トランジスタ２１がオン動作し、これによりＦＥＴ５はターンオフされる。抵抗素子６１の両端間電圧をトランジスタ２１のベースバイアスとし、この電圧が所定の電圧に達したときトランジスタ２１をオン動作してＦＥＴ５をターンオフさせるようにしているので、ターンオフのタイミングを第２のインダクタ１２に誘起される電圧値に影響されず常に正確に取ることができる。すなわち、ＦＥＴ５を常に正確にスイッチング動作できる。

ＦＥＴ５がオフすると、今度は第１のインダクタ７に蓄積された電磁エネルギーがフリーホイールダイオード１１を経由して放出されてコンデンサ９に引続き減少電流を流す。減少電流が０になると、再びＦＥＴ５がオン動作し、以上の動作を繰り返す。

そうして、コンデンサ９の充電電圧がＬＥＤ回路８の順方向電圧以上になると、ＬＥＤ回路８に電流が流れ、ＬＥＤ回路８のＬＥＤは点灯する。

非絶縁形降圧チョッパを備えたＬＥＤ点灯装置は、回路構成が比較的簡単で小形化が可能であるとともに回路効率が高く、しかも容易に所望の低電圧が得られることから、商用交流電源を電源として負荷電圧が低いＬＥＤを備えた照明装置の一形態であるＬＥＤ電球に搭載するのに好適である。ＬＥＤ電球は、近時省エネを目的として従来の白熱電球や電球形蛍光ランプを代替する光源として注目されている。

また、非絶縁形降圧チョッパの出力電流である増加電流および減少電流をそれぞれ抵抗で検出し、ダイオードで整流して制御回路のコントロール端子に入力することにより、定電流制御を行うことも既知である（例えば、特許文献２参照。）。

特許第４１２３８８６号公報特開２００５−１４２１３７号公報（特に段落００２９および図５）

商用交流電源は、各国で種々の値の電圧が採用されているが、日本では１００および２００Ｖである。これに対して、ＬＥＤ電球に用いられている発光ダイオード負荷は、順方向降下電圧（Ｖｆ）が全部で１２Ｖ程度である。したがって、非絶縁形降圧チョッパを用いて上記電圧間でＤＣ−ＤＣ電圧変換を行う場合、降圧率（出力電圧／入力電圧）を極めて小さな値に設定する必要がある。

一方、非絶縁形降圧チョッパにはインダクタを用いるので、全体の小形化のためには動作周波数を高くしてインダクタを小形化するのが好ましい。

ところが、以上の条件を満足させようとすると、制御の遅れが問題になり、降圧率および動作周波数に限界があり、所望の動作条件を設定することが困難であった。以下、図３を参照して制御の遅れによる降圧率および動作周波数に与える影響について説明する。増加電流Ｉ_Ｉが第１の所定値に達したときに制御の遅れｄ_offのために当該電流の遮断による立ち下がり開始が実線に示すように遅くなると、スイッチング素子のオン時間が、遅れのない点線で示す場合に比較して長くなるために、降圧率が大きくなってしまう。また、減少電流Ｉ_Dが第２の所定値である０になったときに制御の遅れｄ_onのためにスイッチング素子のオンに伴う増加電流の立ち上がりが遅れて電流０の時間がｄ_onの間生じるために、非絶縁形降圧チョッパの動作周波数が相応に低下してしまう。

本発明は、商用交流電源に接続して点灯するＬＥＤ電球のような比較的小電力のＬＥＤ照明装置用として好適な小形化が可能なＬＥＤ点灯装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ点灯装置は、交流電圧を整流して直流電圧を得る直流電源と；スイッチング素子およびインダクタを直列に含みスイッチング素子のオン時に増加電流が流れる第１の回路、インダクタおよびフリーホイールダイオードを直列に含みスイッチング素子のオフ時に減少電流が流れる第２の回路、少なくとも増加電流を検出する電流検出用インピーダンス素子ならびにスイッチング素子を制御する制御部を備え、制御部が、スイッチング素子がオンして電流検出用インピーダンス素子に流れる増加電流が第１の所定値に達したときにスイッチング素子をオフさせ、インダクタに流れる減少電流が第１の所定値より小さい第２の所定値になったときにスイッチング素子をオンさせることにより、動作周波数２０ｋＨｚ以上、降圧率０．０４３以上、スイッチング素子のオン時間０．４５μｓ以上、かつスイッチング素子の制御の反応時間が０．１５μｓ±２０％で動作する非絶縁形降圧チョッパと；非絶縁形降圧チョッパの増加電流および減少電流がともに流れる回路上の位置に接続された発光ダイオードと；を具備していることを特徴としている。

本発明において、直流電源は、どのような構成でもよいが、例えば整流回路を主体として構成され、また所望により平滑コンデンサなどからなる平滑回路を備えていることができる。この場合、整流回路は、好ましくはブリッジ形整流回路からなり、交流電源、例えば商用交流電源の交流電圧を全波整流して直流を得る。なお、スイッチング素子および制御部を単一パッケージを備えたＩＣとして構成する場合に、所望により上記整流回路を一緒にＩＣ化することができる。しかし、平滑コンデンサを用いる際には外付けにするのが好ましい。

非絶縁形降圧チョッパは、入力直流電圧をそれより低圧の直流電圧に変換して出力する周知の降圧チョッパ回路の一種であるが、入力端から出力端に至るまで回路が非絶縁構造をなしている。絶縁形降圧チョッパが絶縁形の出力トランスを備えているのに対して、上述のように非絶縁形降圧チョッパは絶縁形の出力トランスを用いないので、ＬＥＤ点灯装置の小形化に好適である。

非絶縁形降圧チョッパのパワー部すなわち負荷に供給する電力が通過する回路部は、スイッチング素子、電流検出用インピーダンス素子、インダクタおよびフリーホイールダイオードを含んで構成されている。そして、パワー部は、回路動作上第１の回路および第２の回路に分けることができる。第１の回路は、直流電源からインダクタに電磁エネルギーを蓄積させる回路であり、スイッチング素子、インダクタおよび負荷回路を備えた直列回路が直流電源に接続した構成を備えていて、スイッチング素子のオン時に直流電源から増加電流が流れてインダクタに電磁エネルギーが蓄積される。これに対して、第２の回路は、インダクタに蓄積された電磁エネルギーを放出する回路であり、フリーホイールダイオードおよび負荷回路の直列回路がインダクタに接続した構成を備えていて、スイッチング素子のオフ時にインダクタから減少電流が流れる。

上記において、電流検出用インピーダンス素子は、第１の回路に直列に挿入される第１の電流帰還態様と、第１および第２の回路においてそれぞれ共通に直列に挿入される第２の電流帰還態様のいずれであってもよい。第１の電流帰還態様の場合、電流検出用インピーダンス素子は、増加電流のみを検出する。これに対して、第２の電流帰還態様の場合、電流検出用インピーダンス素子は、増加電流および減少電流をそれぞれ検出する。

上記において、負荷回路は、後述するＬＥＤが負荷となるが、所望により発光ダイオードに並列的に接続する出力コンデンサを含むことができる。出力コンデンサは、主としてスイッチングに伴って発生する高周波を負荷の発光ダイオードに流さないようにバイパスする。

上記第１の電流帰還態様の場合、インダクタには、そこに磁気結合した２次巻線が配設される。そして、２次巻線を経由して制御部に対して制御電源の供給と電流帰還信号の供給とが行われる。この態様における電流帰還は、インダクタに増加電流および減少電流が流れると、後述するように２次巻線にそれぞれ電圧が誘起されるので、この電圧を制御部へ帰還信号として供給する。なお、２次巻線は、１個または複数個であることを許容する。制御部の構成に応じて２次巻線の数は適宜選択可能である。２次巻線は、増加電流が流れるときにはスイッチング素子の制御端子に対してプラス極性の電圧を誘起し、減少電流が流れるときに誘起電圧の極性が反転して上記制御端子に対して負極性の電圧を誘起する。また、減少電流が０になったときにインダクタの逆起電力によって上記と同様プラス極性の電圧を誘起する。そして、これらの電圧を制御部に供給する。

制御部は、増加電流が流れているときに２次巻線から供給されたプラス極性の電圧をスイッチング素子の制御端子に印加してオン状態を維持させるとともに、増加電流が第１の所定値に達したときにスイッチング素子をオフさせて増加電流を遮断する。この制御は、電流検出用インピーダンス素子から得られる電圧に基づいて行われる。また、制御部は、減少電流が流れているときに２次巻線から供給されたマイナス極性の電圧をスイッチング素子の制御端子に印加してオフ状態を維持させるとともに、第１の所定値より小さい第２の所定値に達したときに、２次巻線から供給されたプラス極性の電圧をスイッチング素子の制御端子に印加してスイッチング素子をオンさせる。

上記第２の電流帰還態様の場合、増加電流および減少電流のいずれの状態であってもスイッチング素子のオン、オフ制御は、電流検出用インピーダンス素子から得られる電圧に基づいて行われる。スイッチング素子のオンさせるときには、制御部で流検出用インピーダンス素子から得られる電圧を監視して、減少電流が第２の所定値に達したときにスイッチング素子にオン信号を供給してオンさせる。なお、第２の所定値は、減少電流が０になったときとしてもよいし、０より大きい電流値のときに設定することもできる。

また、制御部は、動作周波数２０ｋＨｚ以上、好ましくは８０ｋＨｚ以下、降圧率０．０４３以上、好ましくは０．８５以下、スイッチング素子のオン時間０．４５μｓ以上、好ましくは１．１μｓ以下で非絶縁形降圧チョッパを動作させるものとする。なお、降圧率は、非絶縁形降圧チョッパの出力電圧の入力電圧に対する比率をいう。そして、制御の反応時間を０．１５μｓ±２０％を満足するように制御部を構成している。なお、本発明において、制御の反応時間とは、スイッチング素子を流れる減少電流が第２の電流所定値に達したときの帰還信号からスイッチング素子の増加電流が立ち上がるまでの時間差を、ならびに増加電流が第１の所定値に達したときの帰還信号から増加電流を遮断する際の当該電流が立ち下がり始めるまでの時間差を、それぞれいう。

制御の反応時間が０．１５μｓ±２０％を満足させることにより、上記動作条件において降圧率および動作周波数が影響を受けることがなく、非絶縁形降圧チョッパが正常に動作することが分かった。しかし、制御の反応時間が０．１８μｓを超えると、非絶縁形降圧チョッパの降圧率や動作周波数が所望の値で動作し得なくなる。

すなわち、降圧率が低下する場合、例えば出力電圧１２Ｖを設定している場合に１６Ｖになってしまう。このようなときに、これを補償するためには、電流検出用インピーダンス素子の出力端に抵抗ドロッパ回路を介在させて帰還信号を応分に低減させる必要がある。また、定電流制御をする場合、降圧率が予定値より大きくなってしまうために、過負荷動作になり発光ダイオードの寿命が短くなる。さらに、非絶縁形降圧チョッパを臨界モードで設計している場合、制御モードが連続モードになったり不連続モードになったりする。なお、連続モードになると、スイッチング素子のスイッチング損失が増加して回路効率が低下するとともに、スイッチング素子などの回路部品が短寿命につながる可能性がある。

一方、制御の反応時間が０．１２μｓ未満の場合、非絶縁形降圧チョッパが所望の動作条件で動作し得なくなるようなことはないが、制御の反応時間を短縮するのにコストがかかりすぎて実用的でなくなる。なお、反応時間が０．１５μｓ±１０％であればより一層効果的であるために好適である。

制御の反応時間を短縮して上記条件を満足するには、スイッチング素子がＦＥＴの場合、そのオン時遅延時間ｔｄ（ｏｎ）およびオフ時遅延時間ｔｄ（ｏｆｆ）が所望に短いスイッチング素子を選択して採用するのが効果的である。また、スイッチング素子をオフさせるのに後述するコンパレータを用いる場合には、その伝搬遅延時間ｔ_ｐＤＨ（立ち上がり時）およびｔ_ｐＨＬ（立ち下がり時）が所望に短いコンパレータを選択して採用するのが効果的である。また、基板上の配線や部品配置に起因する反応時間の遅れに対しては、少なくともスイッチング素子および制御部が単一パッケージのＩＣを構成していることにより、導体パターンの抵抗やリアクタンスによる信号遅延の低減に効果的である。以上の各手段を適宜組み合わせることで制御の反応時間０．１５μｓ±２０％を満足させることができる。なお、上述の遅延時間は、オン時および立ち上がり時よりオフ時および立ち下り時の方が大きくなる傾向にある。

増加電流が第１の所定値に達したときにスイッチング素子をオフさせる回路手段としては、例えばスイッチング素子の制御端子を電流検出用インピーダンス素子の端子電圧に応動するバイポーラトランジスタなどのスイッチ素子で短絡する。また、スイッチ素子を上記のように応動させるために、電流検出用インピーダンス素子とスイッチ素子の間にコンパレータを介在させると、電流検出用インピーダンス素子の端子電圧が非常に小さな値であってもオフ動作を確実に行わせることが可能になる。その結果、電流検出用インピーダンス素子の電力損失が顕著に低減して回路効率が高くなるとともに、温度特性がスイッチ素子の影響を受けなくなり、温度特性が良好になる。そして、上記スイッチ素子およびコンパレータをインダクタの２次巻線から供給される制御電源で動作させることができる。

本発明において、スイッチング素子、電流検出用インピーダンス素子およびフリーホイールダイオードのパワー部を構成する回路部品のうち、少なくともスイッチング素子と上述の制御部とを、所望により単一パッケージを備えたＩＣとして構成することができる。なお、電流検出用インピーダンス素子は、種々の電源電圧に対応させるべく設計変更の対象部品とする理由によりＩＣに対して外付けするのがよい。所望により、フリーホイールダイオードおよび第１の電流帰還態様において、制御電源形成部をＩＣ内に加えることができる。

ＩＣは、パワー部と制御部とがそれぞれ別の半導体チップにより構成されていることを許容する。すなわち、パワー部の半導体チップを相対的に高電圧仕様にし、制御部の半導体チップを相対的に低電圧仕様にすることができる。なお、パワー部がスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを備えている場合、共通の半導体チップに集積されていてもよいし、別異の半導体チップが配設されるのであってもよい。

インダクタは、上記パワー部の各回路部品と同様にそこを負荷電力が通過するので、いわゆるパワー部品であるが、種々の電源電圧に対応させるべく設計変更の対象部品とする理由によりＩＣに対して外付けする。また、インダクタは、半導体部品に比べて大型化するので、ＩＣ化に馴染みにくいという理由もある。

制御電源形成部をＩＣ内に加える場合、制御部は、直流電源側から得た直流電圧に基づいてＩＣの内部で作成された制御電源の供給を受けて作動する。上記直流電圧は、制御部の制御電圧より高い電圧であり、ＩＣ内部にドロッパなどの制御電源作成部を配設して、制御電源を得て、これを制御部に供給する。直流電源側から直流電圧を得るには、ＩＣの内部のスイッチング素子の端子から電圧を得てもよいし、所望により制御電源作成部に接続する接続ピンをＩＣから導出させて、この接続ピンを直流電源に接続してもよい。

また、パワー部のうち、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードをＩＣ化するに際して、これら半導体デバイスに対して放熱手段を共有するように構成することにより、動作上相補関係にあるスイッチング素子およびフリーホイールダイオードを、放熱手段を介して熱結合させることができる。これにより、ＩＣの発熱量が電源電圧の変動にかかわらずほぼ一定化されるので、放熱手段を共有させることで、その小形化を図ることができる。

本発明においては、所望により後述する発光ダイオードとスイッチング素子とを熱結合させることができる。すなわち、発光ダイオードが故障モードになって異常発熱したときに、熱結合しているスイッチング素子の温度を過昇にして、スイッチング素子を破壊させることで回路がオープンモードになるように構成することができる。これにより、ＬＥＤ点灯回路のスイッチングを司るスイッチング素子に発光ダイオードの異常時に保護動作をも行わせることができる。

また、上記熱結合が発光ダイオードの放熱手段を経由して行われるように構成すれば、発光ダイオードと上記スイッチング素子との距離をある程度自由に設定することができ、その結果ＬＥＤ光源としての設計の自由度が向上する。

発光ダイオードは、非絶縁形降圧チョッパの増加電流と減少電流がともに流れる回路上の位置に接続することにより、非絶縁形降圧チョッパの定電流制御された出力電流によって付勢されて点灯する。発光ダイオードは、その複数が直列接続した直列回路でもよいし、単独でもよい。また、これらの複数が均一化分流回路などを介して並列接続して負荷回路を構成していてもよい。

また、発光ダイオードは、その発光特性およびパッケージ態様なども特段限定されないので、既知の各種発光特性、パッケージ態様および定格などを適宜選択して用いることができる。しかし、一般照明用としては白色発光タイプの発光ダイオードが一般的である。

本発明のＬＥＤ点灯装置を照明装置に組み込むことができる。なお、この場合、照明装置は、ＬＥＤ電球を含む概念であって、照明装置本体およびＬＥＤ点灯装置を具備して構成されている。照明装置は、ＬＥＤを光源としていて、その用途は照明目的が一般的であるが、これに限定されない。照明装置本体は、照明装置からＬＥＤ点灯装置を除去した残余の全ての部分をいう。

本発明においては、非絶縁形降圧チョッパの動作周波数２０ｋＨｚ以上、降圧率０．０４３以上、スイッチング素子のオン時間０．４５μｓ以上の動作条件において、スイッチング素子の制御の反応時間を０．１５μｓ±２０％で動作させることにより、上記範囲内で降圧率および動作周波数に限界がなくなり非絶縁形降圧チョッパが良好に動作してするので、ＬＥＤ電球のような商用交流電源に接続して点灯する比較的小電力のＬＥＤ照明装置用として好適な小形化が可能なＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供することができる。

本発明のＬＥＤ点灯装置を実施するための第１の形態の回路図である。本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第２の形態の回路図である。非絶縁形降圧チョッパにおける制御の遅れの影響を説明する模式的電流波形図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に示す第１の形態は、第１の発明に対応する。ＬＥＤ点灯装置は、直流電源ＤＣ、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣおよび発光ダイオードＬＥＤを具備している。

直流電源ＤＣは、入力端が例えば公称定格電圧１００Ｖまたは２００Vなどの商用交流電源などの交流電源ＡＣに接続する全波整流回路ＤＢおよび平滑コンデンサＣ１を備えている。平滑コンデンサＣ１は、全波整流回路ＤＢの出力端間に接続して全波整流回路ＤＢの直流出力を適度のリップルを含んだ平滑化電圧を形成することができる。また、全波整流回路ＤＢの入力端間に接続しているのは雑音防止用コンデンサＣ２である。

非絶縁形降圧チョッパＳＤＣは、第１の回路Ａ、第２の回路Ｂおよび制御部ＣＣを備えている。第１の回路Ａは、スイッチング素子Ｑ１、電流検出用インピーダンス手段Ｚ１およびインダクタＬ１を直列に含み、スイッチング素子Ｑ１のオン時に増加電流が流れるように直流電源ＤＣおよび後述する負荷の発光ダイオードＬＥＤに接続する。第２の回路Ｂは、インダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１を直列に含み、スイッチング素子Ｑ１のオフ時に減少電流が流れる。制御部ＣＣは、スイッチング素子Ｑ１を制御し、後述する２次巻線Ｌ２から制御電源が供給されて非絶縁形降圧チョッパＳＤＣを自励駆動させる。

また、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣは、その端子ＤおよびＥが直流電源ＤＣの出力端に接続し、端子Ｖｄｄが２次巻線Ｌ２の制御部ＣＣ側の一端に接続し、端子ｏｕｔがインダクタＬ１のフリーホイールダイオードＤ１側の一端に接続し、端子ＣＳが電流検出用インピーダンス素子Ｚ１のスイッチング素子Ｑ１側の一端に接続する。インダクタＬ１に接続する２次巻線Ｌ２の他端、電流検出用インピーダンス素子Ｚ１のフリーホイールダイオードＤ１側の他端は、それぞれ図示のように接続する。そして、インダクタＬ１の他端と端子Ｅが出力端子ｔ１、ｔ２に接続する。出力端子ｔ１、ｔ２には出力コンデンサＣ２が接続している。

さらに、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣは、上記端子Ｄ、Ｖｄｄ、ＣＳ、ｏｕｔおよびＡにより囲まれた図中点線で示す範囲を、単一パッケージを備えたＩＣ１０によって構成している。

本形態において、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、その一対の主端子（ドレイン、ソース）が第１の回路Ａに直列接続される。そして、第１の回路Ａが出力コンデンサＣ２および／または後述する負荷回路ＬＣを介してインダクタＬ１の充電回路を形成し、第２の回路ＢがインダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１が出力コンデンサＣ２を介してインダクタＬ１の放電回路を形成している。なお、本形態において、電流検出用インピーダンス手段Ｚ１は、抵抗器からなるが、所望により適度の抵抗成分を有するインダクタまたはコンデンサなどを用いることができる。

発光ダイオードＬＥＤは、その所望数が直列接続して出力コンデンサＣ２とともに並列接続して負荷回路ＬＣを形成し、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣの出力端ｔ１、ｔ２間に接続することで、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣの出力電流によって付勢されて点灯する。

制御部ＣＣは、スイッチング素子Ｑ１のオン、オフを制御する手段であり、非絶縁形降圧チョッパを動作周波数２０ｋＨｚ以上、降圧率０．０４３以上で動作させ、かつスイッチング素子の制御の反応時間が０．１５μｓ±２０％となるように構成されている。このため、特にスイッチング素子Ｑ１、後述するコンパレータＣＰ１およびスイッチ素子Ｑ２についてその立ち上がりおよび立ち下がり特性の良好なデバイスを選択して上記反応時間を満足させている。

また、制御部ＣＣは、スイッチング素子Ｑ１のオン、オフを制御するために、駆動回路ＧＤおよびターンオフ回路ＴＯffを含むとともに、インダクタＬ１に磁気結合した２次巻線Ｌ２から制御電源の供給を受けるとともに、２次巻線Ｌ２に誘起した電圧に基づいてスイッチング素子Ｑ１のオン、オフ信号を形成する。

駆動回路ＧＤは、増加電流が流れている期間中２次巻線Ｌ２に誘起した電圧をスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と一方の主端子（ドレイン）の間に駆動信号として印加して、そのスイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。なお、２次巻線Ｌ２の他端は、インピーダンス手段Ｚ１を介してスイッチング素子Ｑ１の他方の主端子（ソース）に接続している。また、上記構成に加えてコンデンサＣ３が２次巻線Ｌ２の一端とスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）との間に直列に介在している。さらに、制御部ＣＣの出力端間にツェナーダイオードＺＤ１が接続して、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と一方の主端子（ドレイン）の間に過電圧が印加されてスイッチング素子Ｑ１が破壊されないよう過電圧保護回路を形成している。

ターンオフ回路ＴＯffは、コンパレータＣＰ１、スイッチ素子Ｑ２、第１および第２の制御回路電源ＥＳ１、ＥＳ２を備えている。コンパレータＣＰ１は、その反転入力端子に基準電圧回路が接続する。なお、基準電圧回路は、ツェナーダイオードＺＤ２含み、第２の制御回路電源ＥＳ２から電源の供給を受けて基準電圧を生成して基準電圧を生成する。コンパレータＣＰ１の非反転入力端子には、第１のスイッチング素子Ｑ１と電流検出用インピーダンス手段Ｚ１の接続点が接続されてコンパレータＣＰ１に入力電圧を印加する。コンパレータＣＰ１の出力端子は、後述するスイッチ素子Ｑ２のベースに接続して出力電圧を印加して、これをオンさせる。なお、スイッチ素子Ｑ２のベースには、抵抗器Ｒ１を介して第１の制御回路電源ＥＳ１に接続して、コンパレータＣＰ１に制御電源を供給する。

スイッチ素子Ｑ２は、バイポーラトランジスタからなり、そのコレクタがスイッチング素子Ｑ１の制御端子に接続し、エミッタが電流検出用インピーダンス素子Ｚ１およびインダクタＬ１の接続点に接続している。したがって、スイッチ素子Ｑ２がオンすることによって、駆動回路ＧＤの出力端が短絡される。その結果、スイッチング素子Ｑ１がターンオフする。

第１の制御回路電源ＥＳ１は、２次巻線Ｌ２の両端にダイオードＤ２およびコンデンサＣ４の直列回路を接続して構成されており、インダクタＬ１が充電されるときに２次巻線Ｌ２に発生する誘起電圧でダイオードＤ２を経由してコンデンサＣ４が充電される。

第２の制御回路電源ＥＳ２は、２次巻線タＬ２の両端にダイオードＤ３およびコンデンサＣ５の直列回路を接続して上記と同様に構成されている。

起動回路ＳＴは、スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ゲート間に接続した抵抗器Ｒ２を備え、コンデンサＣ３、２次巻線Ｌ２、インダクタＬ１および出力コンデンサＣ２により構成され、直流電源ＤＣの投入時に主として抵抗器Ｒ２で決まるプラスの起動電圧がスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加されて非絶縁形降圧チョッパＳＤＣが起動する。

次に、回路動作について説明する。

直流電源ＤＣが投入され、起動回路ＳＴにより非絶縁形降圧チョッパＳＤＣが起動すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、直流電源ＤＣから第１の回路Ａ内を出力コンデンサＣ２または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して直線的に増加する増加電流が流れ出す。この増加電流により、２次巻線Ｌ２にはコンデンサＣ３側がプラスとなる電圧が誘起され、この誘起電圧がコンデンサＣ３を経由してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にプラスの電圧を印加するので、スイッチング素子Ｑ１はオン状態に維持され増加電流が流れ続ける。これと同時に、増加電流により電流検出用インピーダンス手段Ｚ１に電圧降下が生じ、その降下電圧がターンオフ回路ＴＯffのコンパレータＣＰ１の非反転入力端子に入力電圧として印加される。

上記増加電流の増大に伴いコンパレータＣＰ１の入力電圧が増加して第１の所定値を設定した基準電圧を超えると、コンパレータＣＰ１が動作して、その出力端子にプラスの出力電圧が発生する。その結果、ターンオフ回路ＴＯffのスイッチ素子Ｑ２がオンして駆動回路ＧＤの出力端を短絡するので、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１がオフし、上記増加電流が遮断される。この間の制御部ＣＣによる制御は、その反応時間が０．１５μｓ±２０％を満足するので、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣの動作が降圧率を不所望に大きな値に変化してしまうような問題はない。

スイッチング素子Ｑ１がオフすると、オン期間中に上記増加電流が流れることによってインダクタＬ１に蓄積されていた電磁エネルギーが放出されて、インダクタＬ１およびフリーホイールダイオードＤ１を含む第２の回路Ｂの内部を出力コンデンサＣ２または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して減少電流が流れ出す。このときスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）がマイナス電位になっているので、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態に維持され減少電流が流れ続ける。

インダクタＬ１内に蓄積されていた電磁エネルギーの放出が終了して減少電流が第２の所定値であるところの０になると、インダクタＬ１に逆起電力が発生して、２次巻線Ｌ２に誘起される電圧が逆転し、コンデンサＣ４側が再びプラスに転じるので、この誘起電圧がコンデンサＣ３を経由してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にプラスの電圧を印加すると、スイッチング素子Ｑ１は再びオン状態に反転して、再び増加電流が流れ出す。この間の制御部ＣＣによる制御は、その反応時間が０．１５μｓ±２０％を満足するので、非絶縁形降圧チョッパＳＤＣの動作が動作周波数を不所望に低下してしまうような問題はない。

以後、上記と同様の回路動作が繰り返されて、増加電流および減少電流が合成されて三角波形の負荷電流が流れることにより、負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤは点灯する。

なお、直流電源ＤＣは、その平滑コンデンサＣ１の静電容量が例えば比較的低い値に設定されていて、入力電流波形の５次高調波比率が６０％以下となり、その結果入力電流波形の高調波が日本の負荷が２５Ｗ以下の高調波規格（JIS C61000-3-2 Class C）を満足する。

次に、図２を参照して本発明のＬＥＤ点灯装置を実施するための第２の形態を説明する。なお、図１と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

本形態においては、インピーダンス素子Ｚ１が非絶縁形降圧チョッパＳＤＣの増加電流および減少電流がともに非平滑状態で流れる回路上の位置、例えばスイッチング素子Ｑ１およびフリーホイールダイオードＤ１の接続点とインダクタＬ１との間に直列に挿入されている。そして、スイッチング素子Ｑ１のオン、オフを制御が電流検出用インピーダンス素子Ｚ１に生じる電圧降下に応じて行われるように制御部ＣＣが構成されている。

また、ＩＣ１０の内部において、ドロッパ例えば直流電源ＤＣに接続した抵抗器Ｒ３、Ｒ４の直列回路からなる分圧器および抵抗器Ｒ４に並列接続したコンデンサＣ６を備え、コンデンサＣ６の両端から制御電源を得る制御電源作成部ＶｄＳが配設されていて、制御部ＣＣに制御電源を供給する。

制御部ＣＣは、スイッチング素子Ｑ１がオンして電流検出用インピーダンス素子Ｚ１に流れる増加電流が第１の所定値に達すると、スイッチング素子Ｑ１をオフさせ、そのオフ期間中に流れる減少電流が第１の所定値より小さい（例えば０）第２の所定値になると、スイッチング素子Ｑ１を再びオンさせ、以後スイッチング素子Ｑ１のオン、オフ制御を高周波で繰り返す。

１０…ＩＣ、Ａ…第１の回路、Ｂ…第２の回路、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｃ２…出力コンデンサ、ＣＣ…制御手段、ＣＰ１…コンパレータ、Ｄ１…フリーホイールダイオード、ＣＳ、Ｄ、Ｅ、ｏｕｔ、Ｖｄｄ…接続端子、Ｄ２、Ｄ３…ダイオード、ＤＣ…直流電源、ＤＢ…全波整流回路、ＤＧ…駆動回路、ＥＳ１…第１の制御回路電源、ＥＳ２…第２の制御回路電源、Ｌ１…インダクタ、Ｌ２…２次巻線、ＬＥＤ…発光ダイオード、ＬＣ…負荷回路、ＰＭ…パワーモジュール、Ｑ１…スイッチング素子、Ｑ２…スイッチ素子、ＳＤＣ…降圧チョッパ、ＳＴ…起動回路、ｔ１、ｔ２…出力端子、ＴＯff…ターンオフ回路、Ｚ１…電流検出用インピーダンス手段

Claims

交流電圧を整流して直流電圧を得る直流電源と；
スイッチング素子およびインダクタを直列に含みスイッチング素子のオン時に増加電流が流れる第１の回路、インダクタおよびフリーホイールダイオードを直列に含みスイッチング素子のオフ時に減少電流が流れる第２の回路、少なくとも増加電流を検出する電流検出用インピーダンス素子ならびにスイッチング素子を制御する制御部を備え、制御部が、スイッチング素子がオンして電流検出用インピーダンス素子に流れる増加電流が第１の所定値に達したときにスイッチング素子をオフさせ、インダクタに流れる減少電流が第１の所定値より小さい第２の所定値になったときにスイッチング素子をオンさせることにより、動作周波数２０ｋＨｚ以上、降圧率０．０４３以上、スイッチング素子のオン時間０．４５μｓ以上、かつスイッチング素子の制御の反応時間が０．１５μｓ±２０％で動作する非絶縁形降圧チョッパと；
非絶縁形降圧チョッパの増加電流および減少電流がともに流れる回路上の位置に接続された発光ダイオードと；
を具備していることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
照明装置本体と；
照明装置本体に配設された請求項１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装置。