JP2011524621A - Led照明ユニットのための高調波補償回路及び方法 - Google Patents

Led照明ユニットのための高調波補償回路及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、LED光源1によってメイン電圧源2から引き出される入力電流Imainsの少なくとも三次の高調波を補償する高調波補償回路であって、LED光源1の入力電圧Vinに比例する第1の入力信号と、LED光源1のLED電流ILEDに比例する第2の入力信号Vshとを受け取るための信号入力部21、22と;補償電流Icompを出力するための信号出力部25と;第2の入力信号Vshを基準信号VRb、VR7と比較し、この比較に基づいて補償電流Icompを生成する処理ユニット24a、24bであって、補償電流IcompとLED電流ILEDとの和は、LED光源1の入力電圧Vinに比例しており、補償電流Icompは、LED光源1によってメイン電圧源2から引き出される入力電流Imainsの少なくとも三次の高調波を最小化するために供給される、処理ユニット24a、24bと;を有する高調波補償回路。

Description

本発明は、メイン電圧源からLED光源によって引き出される入力電流における少なくとも三次の高調波を補償する高調波補償回路及びこれに対応する方法に関する。更に、本発明は、LED照明ユニットにも関する。
特に、レトロフィットタイプの用途において、即ち古い白熱ランプ又はハロゲンランプ等と直接的に置き換わることができる新製品であって、同じ幾何学的な寸法及び器具(例えば、E14、E27)を有すると共に、家及び建物内の既存のインフラストラクチャを使用している新製品の用途において、ドライバの効率及び費用は、LED(発光ダイオード)ベースの光源を成功させるために重要である。この理由のために、LEDのストリングを、直列抵抗によって安定化されているのみである交流メイン電圧源に直接的に接続する思想が、現れている。このようなドライバの効率は約80%であり、非常に高いというわけではないが、依然として、価格の割合に整合していないフォームファクタ及び性能を与えている。
この取り組みの主に不利な点は、前記交流メイン電圧源から引き出される電流は、かなり大きい三次の高調波成分からの影響を受けることにある。現在、このことは、この電流を制限する規格が、25W未満の公称入力電力レベルを有する光源に適合していないので、問題とはなっていない。しかしながら、近い将来(到来する1―3年以内)、この境界は、5Wまで低下され、ソリッドステート光源も包含するように拡張され、これにより交流LEDの解決策の全体的な光出力を効果的に制限するであろう。
本発明の目的は、高調波補償回路及びこれに対応する方法、並びにこれにより少なくとも三次の高調波が将来の規格に適合するように十分に抑制されているLED照明ユニットを提供することにある。
本発明の第1の見地において、LED光源によってメイン電圧源から引き出される入力電流の少なくとも三次の高調波を補償するための高調波補償回路であって、
− 前記LED光源の前記入力電圧に比例する第1の入力信号と、前記LED光源のLED電流に比例する第2の入力信号とを受け取るための信号入力部と、
− 補償電流を出力するための信号出力部と、
− 前記第2の入力信号を基準信号と比較し、この比較に基づいて前記補償電流を生成する処理ユニットであって、前記補償電流と前記LED電流との和は、前記LED光源の前記入力電圧に比例しており、前記補償電流は、前記LED光源によって前記メイン電圧源から引き出される前記入力電流の少なくとも三次の高調波を最小化するために供給される、処理ユニットと、
を有する高調波補償回路が、提供される。
本発明の更なる見地において、対応する高調波補償方法は、添付の請求項14に記載のように提供される。
本発明の更なる見地において、
− LED光源と、
− メイン電圧源からの入力電圧及び入力電流を受け取るメイン電圧源入力部と、
− 前記LED光源によって前記メイン電圧源から引き出される前記入力電流の少なくとも三次の高調波を補償するための請求項1に記載の高調波補償回路であって、前記LED光源の入力電圧に比例する第1の入力信号と、前記LED光源の前記LED電流に比例する第2の入力信号とを受け取る前記LED光源に結合されている高調波補償回路と、
を有するLED照明ユニットが、提供される。
本発明の好ましい実施例は、添付の従属クレームに規定されている。添付請求項に記載の方法及びLED照明ユニットは、請求項1の従属請求項において規定されているように、類似の及び/又は同一の好ましい実施例を有していることを理解されたい。
本発明によれば、前記LED光源(ACLEDモジュールとも称される)のメイン入力電流の三次の高調波を効果的に抑制し、従って、新しい制限の導入後に現在の(従来の)LED光源を使用し続けることを可能にすると共に、光出力を非常に高い値まで増大させるのを可能にする簡単な電子的な回路が、提供される。
本発明は、前記LED光源の瞬間的な電流が測定され、基準電流と比較されるという思想に基づくものである。2つの前記電流間の差は、実際のLED光源と並列に接続されている更なる(例えば、プログラム可能な)電流源に引き出され、新たな規格が有効になるときを超えて、かつ、三次の高調波補償が実施されていない場合と比較して著しく増大された電力レベルにおいて、現在のLED光源の継続的な使用を可能にしている。
特に、本発明によれば、補償電流は、前記補償電流と元のLED電流との和が、好ましくは、前記LED光源の入力電圧に比例するが、少なくとも(他の高調波の制限に違反することなく)法的に要求されている最大値の制限未満である減少された三次の高調波電流成分を示すように、生成される及び出力される。
好ましい実施例において、前記第1の入力信号は、前記LED光源の入力電圧であり、前記第2の入力信号は、前記LED光源のLED電流から得られる。このことは、これらの2つの信号に基づいて、1の力率が達成されることができこの結果、前記三次の高調波だけでなく、より高い次数の高調波も補償されるという有利な点を有している。
他の実施例において、前記基準信号は、前記LED光源の入力電圧に比例している。このことは、生成される損失がより少なく、依然として、妥当な三次の高調波電流補償が達成可能であるという有利な点を有する。
好ましくは、前記処理ユニットは、如何なる反応性要素も有しておらず、費用効果的であり、実施化のために必要な物理的な空間が最小である。
有利には、前記処理ユニットは、前記LED電流を基準電流と比較する。このことは、この正しい基準電流によって、1の力率が達成されることができるという有利な点を有する。
実際の実施例において、前記処理ユニットは、前記LED電流と前記LED光源の入力電圧に比例している基準電流との間の差を表している電圧差を測定する第1のオペアンプを有している。
添付請求項に記載の回路の実施化において、前記処理ユニットは、前記第1のオペアンプの出力に結合されている第1のトランジスタと、前記LED電流が所定の最小電流より高い限り、前記第2のオペアンプを無効にするために前記第1のトランジスタのベース入力電圧をショートカットする第2のトランジスタとを有している。更に、前記処理ユニット、好ましくは、前記最小電流のしきい値を設定するための抵抗を有している。
他の実際の実施例において、前記処理ユニットは、前記LED電流に比例する電圧を基準電流と比較する比較器と、電圧/電流変換のための第2のオペアンプとを有しており、前記比較器は、前記LED電流が前記基準電流より大きい限り、この電圧/電流変換器を無効にする。このことは、前記補償電流が、前記LED光源を流れる前記電流が、或る最小電流未満である(即ち実質的にゼロである)場合にのみ生成されて、前記補償電流によって生成される前記更なる損失を制限するが、依然として三次の高調波電流の妥当な減衰も達成するという有利な点を有する。
好ましくは、前記処理ユニットは、振幅において前記LED電流及び/又は前記基準電流を増幅する又は減少させるために前記第1のオペアンプに付加される複数の抵抗と、電圧/電流変換のための第2のオペアンプとを有する。このことは、前記信号処理が、低い出力電圧レベルでなされることができるという有利な点を有する。必要とされる前記補償電流への変換は、アナログ信号処理チェーン内の最終ステップとして行われ、従って、更なる損失を最小化する。
LED照明ユニットの好ましい実施例において、高調波補償回路は、前記LED光源と並列にメイン電圧源に結合される。このことは、元のLED光源の性能は、(前記LED光源と直列の付加的な分路抵抗のごく僅かな効果に加えて)付加される補償回路によって妨げられないという有利な点を有する。
更に、交流メイン電圧入力を整流し、整流された前記メイン電圧入力を前記メイン電圧源入力に出力する整流回路が、設けられることができる。
LEDの簡単な等価電気回路及び典型的な電流波形を示している。 既知のLED照明ユニットの等価回路及び典型的な電圧及び電流波形を示している。 本発明によるLED照明ユニットのブロック図を示している。 本発明による高調波補償回路の第1実施例のブロック図を示している。 図4に示されている高調波補償回路を含んでいるLED照明ユニットの電圧及び電流信号の図を示している。 本発明による高調波補償の第2の実施例のブロック図を示している。 図6に示されている高調波補償回路を含んでいるLED照明ユニットの電圧及び電流信号の図を示している。
本発明のこれら及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。
図1aは、LEDの簡単な等価電気回路1を示しており、この等価回路は、ダイオードDと、内部抵抗Rintと、しきい値電圧Vthを供給する電圧源Vintとを有しており、これらの要素は、直列に接続されている。図1bは、LED光源1の典型的な電流波形ILED(t)を示している。
図2aは、LED光源1と、(整流された)メイン電圧Vmains(t)を供給する直流メイン電圧源2と、外部的なバラスト抵抗器Rextとを含む従来型のLED照明ユニット10の等価回路を示している。図2bは、LED照明ユニット10のメイン電圧Vmains(t)(=230Veff)と、典型的な電圧VLED(t)(=198Vdc)と、電流波形ILED(t)(ILED,mean=14mAを有する)を示している。
図2bに示されているLED電流ILED(t)は、5Wよりも大きい入力電力を有するSSL(ソリッドステート照明)装置のために、今から1―3年に有効になるであろうソリッドステート照明のための新しいメイン高調波の制限に適合していない。この理由のために、ひとたび、新たな規格が有効になると、今日存在しているLED照明ユニット(交流LEDモジュール)は、付加的なPFC(力率補正)手段がとられていない限り、5Wを超える入力電力を必要とする将来の用途のために使用可能ではない。しかしながら、これらのPFC手段が、付加的な高価な又はボリュームのある構成要素又は回路を必要とする場合、LED照明ユニットの単純さは、失われ、場合によっては、これらの現在の固有のセールスポイントを失うであろう。
本発明によれば、これにより前記メイン電圧源から引き出されるLED光源の入力電流の三次の高調波が著しく減衰されることができる簡単な付加的な電気回路が、提案される。図3は、本発明によるLED照明ユニット20の基本ブロック図である。高調波補償回路4は、実際のLED光源1と並列に接続されており、LED光源1は、メイン電圧源2からメイン電圧Vmains及びメイン電流Imainsを供給されている整流器3から(整流された)入力電圧Vin及び整流された入力電流Iinを供給されている。高調波補償回路4は、入力電圧Vinに加えて、LED電流ILED(t)に比例する付加的な入力信号Sを受け取る。これらの入力信号(Vin、I'LED(t))に基づいて、補償電流Icomp(t)が高調波補償回路4において生成され、この結果、他の電流高調波の最大電流制限を妥協することなく、メイン電流Imains(t)の高調波成分(例えば、この三次高調波成分)が最小化される。
これにより本発明の目的が達成されることができる本発明による補償回路4aの第1の実施例を含むLED照明ユニット20aの第1の実施例が、図4に示されている。高調波補償回路4aは、LED光源1の入力電圧Vinを受け取るための信号入力部21と、入力電圧信号Vshを受け取るための信号入力部22とを有しており、入力電圧信号Vshは、LED光源1のLED電流ILEDに比例していると共に、比較器として振る舞う第1のオペアンプOA1の反転入力に供給される。高調波補償回路4aは、更に、端子23における内部電圧信号VRbを有しており、内部電圧信号VRbは、入力電圧Vinに比例していると共に、第1のオペアンプOA1の非反転入力に供給される。VRbは、(オーム)基準電流IRbに比例している。適切に機能する制御ループが使用されている場合、IRb(VRb)は、ランプ入力電流Iinに正比例しているはずである(ランプ入力電流Iinは、1の力率のためVinに比例しているはずである)。
処理ユニット24aは、LED電流ILED(電圧Vshによって表される)を、(分圧回路Ra、Rbの一部である抵抗Rbの両端の基準電圧VRbによって表される)基準電流IRbと比較すると共に、メイン電圧源2からLED光源1によって引き出されるメイン電流Imainsの三次の高調波(照明標準IEC61000―3―2において与えられている制限にほとんどがしばしば違反する)が、他の電流高調波の最大電流制限を妥協することなく最小化されるような、オーム補償電流Icompを生成するために、設けられる。補償電流Icompは、基本的には、(前記信号処理電子回路の電流が、実際にこの場合である前記補償電流と比較してごくわずかであると仮定して)信号出力部25において出力される。
第1のオペアンプOA1は、差動アンプとして実施化されており、Rbの両端の基準電圧VRbとRshの両端の電圧Vshとの間の差(即ちVRb―Vsh)を測定する。この電圧の差は、電流ILED(t)と整流された交流入力電圧Vinに比例している基準電流IRb(抵抗Rbを流れる電流)との差を表している。抵抗R2、R1及び抵抗R4、R3によって、両方の電流の振幅が、増幅される又は減少されることができ、この結果、Vin*Rb/(Ra+Rb)*(R1+R2)/R1*R4/(R3+R4)−Vsh*R2/R1=Icomp*Re(ここで、Vsh=ILED*Rsh)であり、第2のオペアンプOA2は、(抵抗Re及びトランジスタTと共に)電圧/電流変換器として構成される。
従って、本発明によれば、抵抗Raを流れる電流が電流Icomp及びIinと比較して小さく、従って無視されることができると仮定して、電流ILEDとIcompとの和(ILED+Icomp=Iin)が入力電圧Vinに比例するように、付加的な電流Icompが、生成される。従って、付加的な電流Icompは、(入力電圧Vinが正弦波である限り)定義上、1の力率を有する。この完全な負荷は、入力電圧Vin(又はVmainsも)から見ると、抵抗的に振る舞い、即ち補償されるLED光源1と同じ電流を引き出す等価な負荷抵抗が、存在する。これは、電気供給者によって目指されている理想的な状態である。
図5は、図4に示されている高調波補償回路を含んでいるLED照明ユニット内の電圧及び電流信号の図を示している。特に、メイン電流Imains及び補償電流Icompが、示されている。この補償回路によって導入される更なる損失は、LED光源の公称入力電力の20%のオーダーである。
従って、本発明によれば、簡単な付加的な電気回路が提案され、この回路により、新しい制限が満たされるように、前記メイン電圧源から引き出される前記LED光源の入力電流の三次の高調波が著しく減少されることができる。図4に示されている回路の特定の場合において、この完全な回路の力率は、1にさえ近づき、三次の高調波だけでなく、全ての他の高調波も補償されることを意味する。この回路によって(この回路は、集積化にもかなり適している)、前記簡単なLED光源の設計が、変形を必要とすることなく使用され続けることができる。更に、使用可能な出力範囲は、非常により高いルーメンパッケージまで拡大されることができる。前記メイン電圧源から引き出される付加的な電流は、付加的な損失を僅かに生じるのみであり、この効率の劣化は、LEDの着実に向上しているルーメン有効性によってすぐに補償されるであろう(Haitzの法則)。
図6は、本発明による補償回路4bの第2の実施例を含んでいるLED照明ユニット20bの第2実施例である。この実施例において、補償回路4bは、(いくらか低い力率を有する)LED光源の公称入力電力の約8%を生成するのみである。(入力電圧Vinに比例する)この付加的な入力電流成形電流は、LED光源1を流れる電流ILEDが、低いしきい値電流未満である(ほぼゼロである)場合にのみ、引き出される。
図4に示されている回路とは異なり、図6の回路は、メイン入力電圧のみに比例している電流を生成する。この電圧/電流変換器段は、入力電圧Vin(分圧器Ra、Rb)に比例した電圧を受け取る。付加的なトランジスタT2は、トランジスタT1のベース入力電圧を短絡し(short circuit)、このLED(ストリング)を流れる電流ILEDが或る最小電流よりも高い限り、電圧/電流変換器OA2を効果的に無効にする。この最小電流しきい値は、所望のしきい値電流に比例している前記第1の比較器の基準電圧をプログラムしている抵抗R6、R7の選択によって設定されることができる。
高調波補償回路(図3、4参照)に必要な供給電圧Vccは、既知の回路を使用して生成されることができる。
図7は、図6に示されているような高調波補償回路を含んでいるLED照明ユニットにおける電圧及び電流信号の図を示している。特に、メイン電流Imains及び補償電流Icompが、示されている。
本発明は、好ましくは、LED(交流LED)の交流駆動において利用されることができるが、この用途に限定されるものではない。
要約すると、本発明は、LED光源のメイン入力電流の三次の高調波を効果的に抑制する簡単な電子的な回路であって、照明出力を非常により高い値まで増大することを可能にする電子的な回路を開示している。この付加的な回路によって導入される付加的な損失は、(lm/Wにおいて測定される)完全な光源の全体的な効率を僅かに低下させるのみである。
本発明は、添付図面及び上述において詳細に説明され記載されたが、このような説明及び記載は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであり、制限的なものとみなされるべきではなく、本発明は、開示されている実施例に限定されるものではない。開示されている実施例に対する他の変化は、添付図面、本明細書及び添付請求項の熟慮により、添付請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、行われることができる。
「有する」という語は、請求項に記載されていない構成要素又はステップの存在を排除するものではない。単数形の構成要素は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。単一の要素又は他のユニットが、前記請求項に列挙されている幾つかの項目の機能を実現しても良い。或る手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。
添付請求項における如何なる符号も、この範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

  1. メイン電圧源からLED光源によって引き出される入力電流の少なくとも三次の高調波を補償する高調波補償回路であって、
    前記LED光源の入力電圧に比例している第1の入力信号及び前記LED光源の前記LED電流に比例している第2の入力信号を受け取るための信号入力部と、
    補償電流を出力するための信号出力部と、
    前記第2の入力信号を基準信号と比較し、この比較に基づいて前記補償電流を生成する処理ユニットであって、前記補償電流と前記LED電流との和は、前記LED光源の前記入力電圧に比例しており、前記補償電流は、前記LED光源によって前記メイン電圧源から引き出される前記入力電流の少なくとも三次の高調波を最小化するために供給される、処理ユニットと、
    を有する高調波補償回路。
  2. 前記第1の入力信号は前記LED光源の前記入力電圧であり、前記第2の入力信号は前記LED光源の前記LED電流から得られる、請求項1に記載の高調波補償回路。
  3. 前記基準信号は、前記LED光源の前記入力電圧に比例している、請求項1記載の高調波補償回路。
  4. 前記処理ユニットは反応性要素を有していない、請求項1に記載の高調波補償回路。
  5. 前記処理ユニットは、前記LED電流を基準電流と比較する、請求項1に記載の高調波補償回路。
  6. 前記処理ユニットは、特に前記LED電流に比例する電圧を基準電流と比較するための第1のオペアンプを含む比較器と、電圧/電流変換のための第2のオペアンプとを有し、前記比較器は、前記LED電流が前記基準電流よりも大きい限り、この電圧/電流変換器を無効にする、請求項1に記載の高調波補償回路。
  7. 前記処理ユニットは、前記LED電流及び/又は前記基準電流の振幅を増大させる又は減少させるために前記比較器に付加される複数の抵抗を有する、請求項6に記載の高調波補償回路。
  8. 前記処理ユニットは、前記LED電流と基準電流との間の差を表している電圧差を測定する第1のオペアンプと、電圧/電流変換のための第2のオペアンプとを有している、請求項1に記載の高調波補償回路。
  9. 前記処理ユニットは、前記LED電流が所定の最小電流よりも大きい限り、前記第2のオペアンプを無効にするために、前記第1のオペアンプの出力に結合されている第1のトランジスタと前記第1のトランジスタの前記ベース入力電圧をショートカットする第2のトランジスタとを有する、請求項8に記載の高調波補償回路。
  10. 前記処理ユニットは、前記最小電流しきい値を設定するための抵抗を有している、請求項9に記載の高調波補償回路。
  11. LED光源と、
    メイン電圧源から入力電圧及び入力電流を受け取るためのメイン電圧源入力部と、
    前記メイン電圧源から前記LED光源によって引き出される前記入力電流の少なくとも三次の高調波を補償する請求項1に記載の高調波補償回路であって、前記LED光源の入力電圧に比例する第1の入力信号と、前記LED光源の前記LED電流に比例した第2の入力信号とを受け取るために前記LED光源に結合されている高調波補償回路と、
    を有するLED照明ユニット。
  12. 前記高調波補償回路は、前記LED光源と並列に前記メイン電圧源に結合されている、請求項11に記載のLED照明ユニット。
  13. 交流メイン電圧入力を整流し、整流された前記メイン電圧入力を前記メイン電圧源入力部に出力する整流回路を更に有する、請求項11に記載のLED照明ユニット。
  14. LED光源によってメイン電圧源から引き出される入力電流の少なくとも三次の高調波を補償する高調波補償方法であって、
    前記LED光源の入力電圧に比例する第1の入力信号を受け取るステップと、
    前記LED光源の前記LED電流に比例する第2の入力信号を受け取るステップと、
    前記第2の入力信号を基準信号と比較するステップと、
    この比較に基づいて補償電流を生成するステップであって、前記補償電流と前記LED電流との和は、前記LED光源の前記入力電圧に比例しており、前記補償電流は、前記LED光源によって前記メイン電圧源から引き出される前記入力電流の少なくとも三次の高調波を最小化するために供給される、ステップと、
    前記補償電流を出力するステップと、
    を有する方法。
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