JP2011238439A - Ｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調光機能を有する絶縁型のＬＥＤ点灯装置。
【解決手段】交流入力電圧を位相制御するトライアック調光器３に接続されるスイッチングトランスＴの一次巻線Ｐとスイッチング素子Ｑ１との直列回路と、スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路１４と、トランスの二次巻線Ｓに発生する電圧を整流素子Ｄ１で整流し平滑素子Ｃ１で平滑する整流平滑回路と、整流平滑回路の出力に接続されるＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎに流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部１１ａと、トランスの二次巻線に発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出部７と、電流検出信号と電圧検出信号との誤差を制御回路に出力する誤差増幅器１３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ点灯装置に関する。

従来、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させるＬＥＤ点灯装置として、例えば特許文献１が知られている。

特許文献１は、図５に示すように、調光器としてのトライアックを有する非絶縁型のＬＥＤ点灯装置を開示している。図５に示す調光機能を有するＬＥＤ点灯装置において、トライアックＴＲ１により位相制御された交流入力電圧は、整流回路１０３を介して制御回路１１４に検出され、ＲＭＳ検出回路１０５によりＬＥＤ１０２に供給するＬＥＤ電流に対する目標電圧値Ｖｒｅｆに変換される。

コンパレータ１０９は、位相制御された交流入力電圧に基づく目標電圧値Ｖｒｅｆと検出抵抗Ｒ１で検出されたＬＥＤ電流による検出電圧値との誤差を求め、ＰＷＭ回路１１３は、この誤差が小さくなるようにスイッチング素子ＦＥＴ１をＰＷＭ制御する。

このように、従来のＬＥＤ点灯装置は、位相制御による入力電圧の変化がＬＥＤ電流に反映され、トライアックＴＲ１によるＬＥＤ照明の調光を実現できる。

特開２００４−３２７１５２号公報

一般的に、人が比較的容易に手を触れることができる民生品においては、感電防止等の安全性の要求から、商用電源と負荷との間を電気的に絶縁する必要がある。

しかしながら、図５に示すような従来の調光機能を有するＬＥＤ点灯装置にあっては、商用電源と負荷との間を電気的に絶縁する対策がなされていなかった。

本発明の課題は、調光機能を有する絶縁型のＬＥＤ点灯装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ点灯装置は、交流入力電圧を位相制御するトライアック調光器と、前記トライアック調光器に接続されるトランスの一次巻線とスイッチング素子との直列回路と、前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流素子で整流し平滑素子で平滑する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の出力に接続されるＬＥＤと、前記ＬＥＤに流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出部と、前記電流検出信号と前記電圧検出信号との誤差を前記制御回路に出力する誤差増幅器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電圧検出部が、トランスの二次巻線に発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力すると、誤差増幅器は、電流検出信号と電圧検出信号との誤差を制御回路に出力し、制御回路は、誤差に基づきスイッチング素子をオンオフ制御する。

従って、位相制御による入力電圧の変化がＬＥＤ電流に反映され、トライアックによるＬＥＤ照明の調光を実現できる絶縁型のＬＥＤ点灯装置を提供できる。

本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成図である。 本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成図である。 本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の電圧検出回路と誤差増幅器との詳細な構成図である。 本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置における各部の動作波形を示す図である。 従来のＬＥＤ点灯装置の具体例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ点灯装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成図である。図１に示すＬＥＤ点灯装置は、調光機能を有する絶縁型のＬＥＤ点灯装置である。

図１において、交流電源１は、交流入力電圧をトライアック調光器３に供給する。トライアック調光器３は、トライアックにより交流電源１からの交流入力電圧を位相制御する。全波整流回路５は、トライアック調光器３により位相制御された交流入力電圧を整流する。

全波整流回路５の出力端と１次ＧＮＤとの間には、スイッチングトランスＴの一次巻線ＰとＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続される。制御回路１４は、スイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御するもので、発振器１５、ＰＷＭ回路１７、ドライブ回路１９を有する。

スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓは、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐとは逆相に巻回されている。スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの両端にはダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路が接続される。ダイオードＤ１とコンデンサＣ１とで整流平滑回路を構成する。ダイオードＤ１とコンデンサＣ１との接続点と２次ＧＮＤとの間には、直列に接続されたＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎと抵抗７との直列回路が接続される。

抵抗７（電流検出部に対応）は、直列に接続されたＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎに流れる電流を検出して電流検出信号を誤差増幅器１３に出力する。

フォトカプラ９は、図示しないフォトダイオードとフォトトランジスタとからなる信号伝達手段からなり、全波整流回路５の出力端からの位相制御され且つ全波整流された交流入力電圧をスイッチングトランスＴの二次側に設けられた電圧検出回路１１に出力する。

電圧検出回路１１は、フォトカプラ９からの位相制御され且つ全波整流された交流入力電圧を検出し平均化してこの平均電圧を電圧検出信号として誤差増幅器１３に出力する。

誤差増幅器１３は、抵抗７からの電流検出信号と電圧検出回路１１からの電圧検出信号との誤差を増幅し、図示しないフォトカプラを介して誤差増幅信号をＰＷＭ回路１７に出力する。ＰＷＭ回路１７は、発振器１５からの基準信号と誤差増幅器１３からの誤差増幅信号とを比較することによりパルス信号のオンオフデューティを変えるＰＷＭ制御を行う。ドライブ回路１９は、ＰＷＭ回路１７からのＰＷＭ信号によりスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ駆動させる。

このように、実施例１のＬＥＤ駆動装置によれば、位相制御による入力電圧の変化がＬＥＤ電流に反映され、トライアックによるＬＥＤ照明の調光を実現できる。また、スイッチングトランスＴを用いることによりスイッチングトランスＴの一次側と二次側とを絶縁できるので、調光機能を有する絶縁型のＬＥＤ点灯装置を提供できる。

図２は本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成図である。図１に示す実施例１のＬＥＤ点灯装置が、位相制御された交流入力電圧をフォトカプラ９を介して電圧検出回路１１ａに出力したが、図２に示す実施例２のＬＥＤ点灯装置は、フォトカプラ９を削除し、ダイオードＤ１がオフのときにスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに発生する負の巻線電圧を電圧検出回路１１ａで検出したことを特徴とする。

電圧検出回路１１ａは、ダイオードＤ１がオフのときにスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに発生する位相制御された交流入力電圧に比例した高周波電圧を平滑し調光信号に変換して誤差増幅器１３に出力する。

図３は本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の電圧検出回路と誤差増幅器との詳細な構成図である。図３において、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの両端にはダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路が接続される。コンデンサＣ１の両端には、ＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎと抵抗Ｒ３との直列回路が接続される。

ＬＥＤ１ａと抵抗Ｒ３との接続点には演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子が接続され、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆとして例えば０．３Ｖが印加されている。演算増幅器ＯＰ１の出力端子は抵抗Ｒ２を介してダイオードＤ３のカソードが接続される。

ダイオードＤ３のアノードはフォトカプラのフォトダイオードＤ２を介してダイオードＤ１とコンデンサＣ１との接続点に接続される。フォトダイオードＤ２の信号は、ＰＷＭ回路１７に送られる。フォトダイオードＤ２の両端には、抵抗Ｒ１が接続され、フォトダイオードＤ２とダイオードＤ３との接続点には、ダイオードＤ４と抵抗Ｒ４との負電圧検出回路の一端が接続され、この負電圧検出回路の他端は演算増幅器ＯＰ２の出力端子に接続される。

演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子は演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子とＬＥＤ１ａのカソードと抵抗Ｒ３の一端とに接続される。演算増幅器ＯＰ１、演算増幅器ＯＰ２、抵抗Ｒ３，Ｒ４、ダイオードＤ４、基準電源Ｖｒｅｆとで誤差増幅器１３を構成する。
スイッチングトランスＴの二次巻線ＳにはダイオードＤ５とツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ５との負電圧検出回路の一端が接続され、この負電圧検出回路の他端は、トランジスタＴｒ３のエミッタに接続される。電源＋Ｂは抵抗Ｒ６を介してトランジスタＴｒ１のエミッタに接続され、トランジスタＴｒ１のコレクタは、トランジスタＴｒ１のベースとトランジスタＴｒ３のコレクタとに接続される。

電源＋Ｂは抵抗Ｒ７を介してトランジスタＴｒ２のエミッタに接続され、トランジスタＴｒ２のベースは、トランジスタＴｒ１のベースとコレクタとに接続される。トランジスタＴｒ２のコレクタは、コンデンサＣ２の一端と抵抗Ｒ９の一端と演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子とに接続される。コンデンサＣ２の他端と抵抗Ｒ９の他端とは、接地される。コンデンサＣ２と抵抗Ｒ９とは、平滑回路を構成する。電源＋Ｂは抵抗Ｒ８を介してトランジスタＴｒ４のコレクタとベースとトランジスタＴｒ３のベースとに接続され、トランジスタＴｒ４のエミッタは接地される。

トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２とで第１ミラー回路を構成し、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４とで第２ミラー回路を構成する。負電圧検出回路と第１ミラー回路と第２ミラー回路と抵抗Ｒ６〜Ｒ８と平滑回路とで電圧検出回路１１ａを構成する。

なお、第１ミラー回路及び第２ミラー回路が動作したときには、コンデンサＣ２の電圧は、基準電源Ｖｒｅｆの電圧よりも低い電圧から高い電圧まで変化するように設計されているものとする。

次にこのように構成された実施例２のＬＥＤ点灯装置の動作を図２、図３を参照しながら詳細に説明する。

まず、スイッチング素子Ｑ１がオフしたときには、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐのドット側（●）が正電位となり、二次巻線Ｓのドット側（●）が正電位となるため、二次巻線Ｓに発生した電圧によりＳの一端→Ｄ１→ＬＥＤ１ａ→Ｒ３→Ｓの他端で電流が流れて、ＬＥＤ１ａが点灯する。

このとき、抵抗Ｒ３に発生する電圧が基準電源Ｖｒｅｆの電圧よりも大きいので、演算増幅器ＯＰ１の出力はＬレベルとなり、Ｄ２→Ｄ３→Ｒ２→ＯＰ１の経路でフォトダイオードＤ２に電流が流れて、この電流に対応する誤差増幅信号がＰＷＭ回路１７に送られる。

次に、スイッチング素子Ｑ１がオンしたときには、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐのドット側（●）が負電位となり、二次巻線Ｓのドット側（●）が負電位となるため、ダイオードＤ１がオフとなる。このとき、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓには、位相制御された交流入力電圧に比例したスイッチング周波数を有する高周波電圧が発生する。

トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２とからなる第１ミラー回路と、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４とからなる第２ミラー回路は、位相制御された高周波電圧によってツェナーダイオードＺＤ１が導通すると、初めて動作する。

第２ミラー回路のトランジスタＴｒ３のエミッタ端子は、トランジスタＴｒ４の動作によってほぼ０Ｖに制御されるため、抵抗Ｒ５には、ＺＤ５−２次ＧＮＤ間に発生した電圧が印加される。

よって、位相制御された高周波電圧によってツェナーダイオードＺＤ１が導通すると、＋Ｂ→Ｒ６→Ｔｒ１→Ｔｒ３→Ｒ５→ＺＤ１→Ｓの経路で電流が流れる。また、＋Ｂ→Ｒ７やＴｒ２→Ｃ２（Ｒ９）→２次ＧＮＤの経路でも電流が流れる。位相制御された高周波電圧が十分高い場合は、抵抗Ｒ５に高い電圧が印加されるため、コンデンサＣ２を充電するプラスの電流が多くなり、また高周波電圧が低い場合には、抵抗Ｒ５に低い電圧しか印加されないため、プラスの電流は少なくなる。

即ち、位相制御された高周波電圧の大小が、カレントミラー回路によってプラスの電流の大小に変換される。さらにこのプラスの電流は、コンデンサＣ２に流れて平滑することで、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に印加され演算増幅器ＯＰ２の基準電圧となる。このコンデンサＣ２の電圧は、スイッチング周波数を有する高周波電圧で、スイッチングトランスＴの１次側での低周波数である調光信号を変換した電圧となる。

演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２の非反転入力端子がそれぞれの基準電圧となっており、また、出力はダイオードＤ３，Ｄ４のダイオードＯＲ構成となっている。このため、演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２は基準電圧が低いほうが優先的にＬＥＤ電流を制御できる。位相制御された高周波電圧の大小によつて、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子の電圧が、演算増幅器ＯＰ１の基準電圧Ｖｒｅｆ０．３Ｖよりも大小関係となる設定（例えば０．５Ｖと０．２Ｖ）とすることで、基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い電圧になったときに初めて演算増幅器ＯＰ２でＬＥＤ電流を制御できる。

演算増幅器ＯＰ１の出力はＬレベルとなり、Ｄ２→Ｄ３→Ｒ２→ＯＰ１の経路でフォトダイオードＤ２に電流が流れて、この電流に対応する誤差増幅信号がＰＷＭ回路１７に送られる。

演算増幅器ＯＰ２は、反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧０．２Ｖになるように動作する。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子の電圧が０．２Ｖとなると、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子の電圧も０．２Ｖとなる。このため、演算増幅器ＯＰ１の出力端子はＨレベルとなるため、ダイオードＤ３には電流は流れなくなる。

このとき、演算増幅器ＯＰ２の出力は、Ｌレベルとなるため、Ｄ２→Ｄ４→Ｒ４→ＯＰ２の経路で電流が流れる。このため、フォトダイオードＤ２に電流が流れて、この電流に対応する誤差増幅信号がＰＷＭ回路１７に送られる。

図４は本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置における各部の動作波形を示す図である。図４において、波形ａは全波整流回路５の出力電圧波形であり、波形ｂはスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧、波形ｃはスイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧、波形ｄはスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの巻線電圧、波形ｅは負の巻線電圧に基づきＬＥＤ照明を調光したときのＬＥＤ電流、波形ｆはＴ１〜Ｔ３の各期間における電圧検出回路１１ａの平滑電圧を示す。

また、期間Ｔ１はトライアック調光器３による位相制御が行われていない期間、期間Ｔ２、Ｔ３はトライアック調光器３による位相制御が行われている期間を示す。

期間Ｔ２及びＴ３において、トライアック調光器３により波形ａで示すように全波整流回路５の出力電圧が変化する。スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間には、波形ｃで示すように制御回路１４から出力されるゲート電圧と位相制御された交流入力電圧とに基づく電圧が印加される。

スイッチング素子Ｑ１のオンオフ動作により、波形ｄで示すようにスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓには正負の非対称な巻線電圧が生じる。正の巻線電圧は、ダイオードＤ１がオンのときに二次巻線Ｓに印加される電圧であり、ＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎを点灯させるために定電圧制御されている。

一方、負の巻線電圧は、ダイオードＤ１がオフのときに二次巻線Ｓに印加される電圧であり、交流入力電圧に応じて変化する電圧である。なお、正負いずれの巻線電圧もトライアック調光器３の導通期間に応じて二次巻線Ｓに印加される。従って、期間Ｔ２における巻線電圧の平滑電圧ｆの大きさ（絶対値）は期間Ｔ１よりも小さく、期間Ｔ３における巻線電圧の平滑電圧ｆの大きさ（絶対値）は期間Ｔ２よりも小さくなる。

前述のように、例えば平滑電圧（コンデンサＣ２の電圧）が、基準電源Ｖｒｅｆの電圧０．３Ｖよりも低くなると、演算増幅器ＯＰ１の出力はＨレベルとなり、演算増幅器ＯＰ２がＬＥＤ電流をより支配的に制御するようになる。そのため、交流入力電圧のピーク及びトライアック調光器３の導通期間に応じてＬＥＤ電流を制御することができる。

このように実施例２のＬＥＤ点灯装置によれば、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに発生する位相制御された交流入力電圧に比例した高周波電圧を電流変換などの極性変換回路によりプラスの電流に変換し、コンデンサＣ２で高周波電圧を平滑することにより、スイッチングトランスＴの一次側の低周波数の位相制御された調光信号に変換し、誤差増幅器１３に入力する。

誤差増幅器１３は、抵抗７からの電流検出信号と電圧検出回路１１からの電圧検出信号との誤差を増幅して誤差増幅信号をＰＷＭ回路１７に出力する。ＰＷＭ回路１７は、発振器１５からの基準信号と誤差増幅器１３からの誤差増幅信号とを比較することによりパルス信号のオンオフデューティを変えるＰＷＭ制御を行う。

従って、位相制御による入力電圧の変化がＬＥＤ電流に反映され、トライアックによるＬＥＤ照明の調光を実現できる。また、実施例１のＬＥＤ点灯装置に比較して、調光信号をスイッチングトランスＴの一次側から二次側に伝達するための信号伝達素子であるフォトカプラ９等が不要となり、より安価な絶縁型のＬＥＤ点灯装置を提供できる。

なお、本発明は前述した実施例１及び実施例２のＬＥＤ点灯装置に限定されない。実施例１及び実施例２のＬＥＤ点灯装置では、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとが逆相に巻回されていたが、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとが同相に巻回されていても良い。この場合でも、ダイオードＤ１がオフのときに、電圧検出回路１１ａは、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力すれば良い。ＰＷＭ制御に限らず、ＲＣＣ（リンギング・チョーク・コンバータ）、擬似共振、ＯＮ幅、ＯＦＦ幅の一方を固定し他方を可変する等、種々の制御方式と組み合わせできる。

本発明は、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ点灯装置やＬＥＤ照明に適用可能である。

１ 交流電源
３ トライアック調光器
５ 全波整流回路
７ 抵抗
９ フォトカプラ
１１，１１ａ 電圧検出回路
１３ 誤差増幅器
１４ 制御回路
１５ 発振器
１７ ＰＷＭ回路
１９ ドライブ回路
Ｔ トランス
Ｐ 一次巻線
Ｓ 二次巻線
Ｑ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
ＺＤ１ ツェナーダイオード
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗
ＯＰ１，ＯＰ２ 演算増幅器
Ｔｒ１〜Ｔｒ４ トランジスタ

Claims (5)

1. 交流入力電圧を位相制御するトライアック調光器と、
   前記トライアック調光器に接続されるトランスの一次巻線とスイッチング素子との直列回路と、
   前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、
   前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流素子で整流し平滑素子で平滑する整流平滑回路と、
   前記整流平滑回路の出力に接続されるＬＥＤと、
   前記ＬＥＤに流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、
   前記トランスの二次巻線に発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出部と、
   前記電流検出信号と前記電圧検出信号との誤差を前記制御回路に出力する誤差増幅器と、
   を有することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 前記電圧検出部は、前記トランスの二次巻線に発生する位相制御された交流入力電圧に比例した高周波電圧を平滑して前記誤差増幅器に出力することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記電圧検出部は、前記整流素子がオフのときに前記トランスの二次巻線に発生する位相制御された交流入力電圧に比例した高周波電圧を平滑して前記誤差増幅器に出力することを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 前記電圧検出部は、前記トランスの二次巻線に発生する位相制御された交流入力電圧に比例した負の高周波電圧を平滑して前記誤差増幅器に出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のＬＥＤ点灯装置。
5. 前記トランスの二次巻線は、前記トランスの一次巻線とは逆相に巻回されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のＬＥＤ点灯装置。
   

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