JP2012009350A - Ｌｅｄ点灯回路およびそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源が複数のＬＥＤから成るＬＥＤ負荷回路を一括して定電流駆動するにあたって、ＬＥＤ断線時の故障の拡大を防止することができるＬＥＤ点灯回路を提供する。
【解決手段】直列複数段のＬＥＤ１３から成るＬＥＤ負荷回路１２が並列に複数接続されて成るＬＥＤモジュール１１に対して、直流電源１０が定電流で点灯駆動するようにしたＬＥＤ点灯回路において、直列複数段のＬＥＤ１３に対して、その端子間に直列に介在され、いずれかのＬＥＤ１３の断線時に、そのＬＥＤ１３に予め規定されたレベルの電流を通過させる回路として、抵抗値が正の温度特性を持つ半導体デバイスであるＰＴＣサーミスタ１を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ照明を行う配電システムに適したＬＥＤ点灯回路およびそれを用いる照明器具に関し、特に複数並列に設けられるＬＥＤを一括して定電流制御する際の断線対策に関する。

図２はＬＥＤ照明を行う配電システムの従来例である（特許文献１）。電力変換部５から出力される直流電力を直流給電路としての導電バー８を介して一旦直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）に給電して、該直流系機器ユニットからＬＥＤモジュール１１に電源を供給するため、１つの電力変換部５から１つ又は複数の直流系機器ユニットを経て複数のＬＥＤモジュール１１に電源を与えることが可能となり、複数のＬＥＤモジュール１１に容易に対応可能な配電システムを実現できる。しかも１つの照明負荷に１つの電源機器を対応させる場合に比して電力変換効率が向上し、その上、直流系機器ユニットを介在させることで、ＬＥＤモジュール１１の多様な点灯制御も直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）を通じて可能となる。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を照明器具に用いる場合のように、必要な光出力を得るために多数のＬＥＤを用いる場合、少電流のＬＥＤは効率が高く、同じ光出力を得るにもチップを細分化する場合、直列複数段のＬＥＤから成るＬＥＤ負荷回路が相互に並列に複数配置されて成るＬＥＤモジュールが発光部分に用いられることになる。そのようなＬＥＤモジュールに対して、所定の輝度となるように、直流電源が定電流で点灯駆動する。

図４（ａ）は、そのような構成の典型的な従来技術のＬＥＤ点灯回路を示している。この従来技術は特許文献２に示されたものである。このＬＥＤ点灯回路では、ＬＥＤ１３を多数直列に接続したＬＥＤ負荷回路１２を３回路並列に接続してＬＥＤモジュール１１が構成されている。そのＬＥＤモジュール１１には、各ＬＥＤ負荷回路１２への総通電電流値を抵抗１７ａで電圧変換して検出し、比較器１７ｂにおいて、その電圧を基準電圧と比較した結果が一定値になるように、ＰＷＭ制御回路１７ｃがＤＣ−ＤＣコンバータ１６を制御するように構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、直流電源からの整流電圧をスイッチンク素子１６ｂによってスイッチングしてトランス１６ａの１次側に与え、２次側出力を整流平滑回路１６ｃにて整流・平滑化した直流電圧を前記各ＬＥＤ負荷回路１２へ与えることで、電源側と負荷側とを絶縁する１石フライバックコンバータで構成されている。そして、このＬＥＤ点灯回路では、各ＬＥＤ負荷回路１２に図４（ｂ）に示すような定電流回路１４がそれぞれ直列に設けられており、各ＬＥＤ負荷回路１２間の電流、すなわち輝度が均等になるように構成されている。

特開２００８−０４３００１号公報 特開２００４−３１９５８３号公報

上述のような従来技術では、相互に並列に接続された各ＬＥＤ負荷回路１２におけるＬＥＤ１３の何れかに断線が生じると、そのＬＥＤ負荷回路に流れるベき電流が残余のＬＥＤ負荷回路に流れ、その残余のＬＥＤ負荷回路が過負荷状態で点灯し、故障が連鎖的に拡がってしまうという問題がある。たとえば、図４（ａ）のように３系統のＬＥＤ負荷回路１２の何れかで断線が生じ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ１６がそのまま定電流制御を行っていると、残余のＬＥＤ負荷回路には、３／２倍の電流が流れ込むことになる。

本発明の目的は、直流電源が複数のＬＥＤから成るＬＥＤ負荷回路を一括して定電流駆動するにあたって、ＬＥＤ断線時の故障の拡大を防止することができるＬＥＤ点灯回路とそれを用いた照明器具を提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１のＬＥＤ点灯回路は、図１に示すように、直列複数段のＬＥＤ１３から成るＬＥＤ負荷回路１２が並列に複数接続されて成るＬＥＤモジュール１１に対して、直流電源１０が定電流で点灯駆動するようにしたＬＥＤ点灯回路において、直列複数段のＬＥＤ１３に対して、その端子間に直列に介在され、いずれかのＬＥＤ１３の断線時に、そのＬＥＤ１３に予め規定されたレベルの電流を通過させる回路（ＰＴＣサーミスタ１）を含むことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１記載のＬＥＤ点灯回路において、前記ＬＥＤ１３に予め規定されたレベルの電流を通過させる回路は、抵抗値が正の温度特性を持つ半導体デバイスであるサーミスタを含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路において、前記ＬＥＤ１３に予め規定されたレベルの電流を通過させる回路は、前記１つまたは直列複数段のＬＥＤ１３に対して直列に設けられることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路において、前記直流電源は、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を内蔵するＬＥＤコントローラ６ａであり、前記ＬＥＤモジュール１１に流れる電力量を検出する電力検出手段２４と、前記ＬＥＤモジュール１１に流れる電力量の設定値入力手段２６と、前記電力検出手段２４からの検出結果と設定値を比較するための比較器２５を備え、前記比較器２５からの異常出力を受けて、異常表示または音の出力、もしくは上位制御部への通知を行う制御手段２１を備えて構成されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路を備えることを特徴とする照明器具である。

請求項１〜５の発明によれば、いずれかのＬＥＤの断線時において、残余のＬＥＤ負荷回路には、ワーストケースでは、ＬＥＤの絶対最大定格電流が流れてＬＥＤが破壊し、ＬＥＤ照明器具の消灯に至るのを容易に防止することができる。
また、請求項４の発明によれば、異常表示または音の出力、もしくは上位制御部への通知を行うことにより、異常状態を知らせ、早期対応が図れる利点を有する。

本発明の実施形態１のＬＥＤ点灯回路の回路図である。 本発明の実施形態２のＬＥＤ点灯回路を用いた配電システムの構成例を示すブロック回路図である。 本発明の実施形態２のＬＥＤ点灯回路を用いた配電システムにおけるＬＥＤコントローラの構成例を示すブロック回路図である。 特許文献２に開示された従来例の回路図であり、（ａ）は従来のＬＥＤ点灯回路の全体構成を示す回路図、（ｂ）はその要部構成を示す回路図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。このＬＥＤ点灯回路は、直列複数段のＬＥＤ１３から成るＬＥＤ負荷回路１２が並列に複数配置されて成るＬＥＤモジュール１１に対して、直流電源１０が定電流で点灯駆動するようにしたＬＥＤ点灯回路である。

図１の回路では、各ＬＥＤ負荷回路１２に抵抗値が正の温度特性を持った半導体デバイスであるＰＴＣサーミスタ１を直列に挿入したものである。ＰＴＣサーミスタとは、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒのことであり、抵抗値が正の温度特性を有する回路素子である。すなわち、周囲温度が上昇すると、抵抗値が上昇する特性を有している。

定電流電源１０は、コンデンサＣの直流電圧を入力電源として、ＬＥＤモジュール１１に定電流を供給する。ＺＮＲは過電圧防止素子、Ｄ１はダイオード、ＦＵＳＥは電流ヒューズである。定電流電源１０は、図４に示した構成と同じでも良いし、後述する図３に示すＬＥＤコントローラ６ａで置き換えても良い。

図１の回路によれば、直流電源１０が複数のＬＥＤ負荷回路１２を並列接続して成るＬＥＤモジュール１１を定電流で点灯駆動している場合に、いずれかのＬＥＤ１３またはＬＥＤ負荷回路１２に断線が生じると、残余のＬＥＤ負荷回路１２に最初は過剰な電流が流れ込んだ後、ＰＴＣサーミスタ１が高い抵抗分を持ち、断線前とは異なるレベル、但し、ＬＥＤ１３の絶対最大電流以下を満足する電流が流れるので、残余のＬＥＤ負荷回路１２に過剰な電流が流れ込んで過負荷状態で点灯し、故障が連鎖的に拡がってしまうことを防止することができる。つまり、いずれかのＬＥＤ１３またはＬＥＤ負荷回路１２のオープン異常の発生時において、残余のＬＥＤ負荷回路１２に定格電流以上の電流が流れ、温度が上昇すると、ＰＴＣサーミスタ１の抵抗値が上がるように動作し、定格電流以下となるか、または定格電流以上で絶対最大定格電流以下となるような電流が流れるようにする。これにより、残余のＬＥＤ負荷回路１２に故障が連鎖的に拡がってしまうという問題は生じない。

図４（ａ）の従来例では、図４（ｂ）のような定電流回路１４をＬＥＤ負荷回路１２と直列に挿入していた。この定電流回路１４では、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１に流れるベースバイアス電流によりトランジスタＱ１が導通し、そのエミッタ電流が抵抗Ｒ２を介して流れて、コンデンサＣ１にバイアス電圧が発生する。このコンデンサＣ１に発生するバイアス電圧が増加すると、トランジスタＱ２のベース・エミッタ間に流れるベース電流が増加し、トランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間の抵抗が減少するので、トランジスタＱ１のベースバイアス電流が減少し、トランジスタＱ１のコレクタ電流が減少する仕組みとなっている。しかしながら、図４（ｂ）のような回路１４を、各ＬＥＤ負荷回路１２とそれぞれ直列に接続しているので、全体として回路構成が複雑となり、実装面積も増えるという問題があった。

これに対して、本発明の図１の構成によれば、ＰＴＣサーミスタ１を直列に挿入するだけで良いので、回路構成が複雑となることはなく、実装面積の増加も抑制でき、小型・軽量なＬＥＤモジュール１１を実現できる。

図１の回路では、１つのＬＥＤモジュール１１を１つの定電流電源１０で定電流駆動する構成を示したが、実施形態２で説明するように、複数のＬＥＤモジュール１１を一括して定電流駆動する構成としても良い。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２のブロック回路図であり、ＬＥＤ照明を行う配電システムのＬＥＤモジュール１１に本発明のＬＥＤ点灯回路の構成を適用したものである。

本発明の配電システムで主要な構成である電力変換部５と、直流系機器ユニットを構成するＬＥＤコントローラ６ａ、ＬＥＤ照明端末としてのＬＥＤモジュール１１及びバッテリユニットＢの回路構成を図２に基づいて説明する。

まず、電力変換部５は、単相３線の２００Ｖの商用交流電源を整流平滑するとともに、所定の直流電圧に変換する整流回路５Ａと、この整流回路５Ａで得た直流電圧を降圧して所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂを備え、このＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂから導電バー８，８を介して各直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）に直流電力を給電するようになっている。

また、電力変換部５は、整流回路５ＡとＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂとの間の電路に抵抗Ｒを接続して該抵抗Ｒの両端電圧から商用交流電源の停電を検出するための電圧検出部５Ｃと、整流回路５Ａから出力される電流を検出する電流センサ５Ｄと、この電流センサ５Ｄが検出する電流から電力変換部５の入力電流を監視する電流監視部５Ｅとを備えるとともに、電圧検出部５Ｃで検出される電圧が所定以下になると、通信部５Ｆを通じてバッテリユニットＢに制御信号を送信し、且つ直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）に停電検出信号を送信する停電検出部としての機能、更に監視する入力電流が閾値を越えたことを電流監視部５Ｅが検出するとバッテリユニットＢに停電検出時と同様に通信部５Ｆを通じて制御信号を送信する機能、ＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂの動作を制御する機能を有する制御部５Ｇを備えている。

一方バッテリユニットＢは、二次電池群からなる蓄電池モジュール９Ａと、蓄電池モジュール９Ａを電力変換部５内の整流回路５ＡとＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂとの間の電路に接続するのをオン／オフするスイッチ回路９Ｂと、電力変換部５からの制御信号が通信部９Ｃを介して受信されている間、スイッチ回路９Ｂをオンさせる制御を行う電池制御部９Ｄとを備えており、スイッチ回路９Ｂをオンさせたときに、蓄電池モジュール９Ａの直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂに入力させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂから導電バー８，８を介して直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）に蓄電池モジュール９Ａの直流電力を給電するようになっている。尚電力変換部５の整流回路５Ａから直流が出力されている間は、該出力によりバッテリユニットＢ内の蓄電池モジュール５ＡにはダイオードＤを介して充電電流が流れて充電が行われる。スイッチ回路９Ｂは、蓄電池モジュール９Ａの正の電極の接続をオン／オフし、負の電極を充電のためにスルーしている。

ＬＥＤコントローラ６ａは、図３に示すように、導電バー８，８とＬＥＤモジュール１１を接続する給電線１５との間に挿入するスイッチ回路１８と、ＬＥＤモジュール１１をオン／オフしたり、調光する指示を与える情報入力用操作端末たる操作部１９からの信号を、インターフェースを介して取り込んで、その信号内容に応じてスイッチ回路１８をオン／オフ制御するとともに、電力変換部５からの停電検出信号を通信部２２で受信すると、予め設定している停電時の動作内容に応じてスイッチ回路１８を制御する制御部２１と、導電バー８，８を通じて入力される直流電源電圧を、制御部２１を含むＬＥＤコントローラ６ａ内の回路部の動作電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２３を備えている。

また、このＤＣ−ＤＣコンバータ２３を内蔵するＬＥＤコントローラ６ａは、ＬＥＤモジュール１１に流れる電力量を検出する電力検出手段２４と、前記ＬＥＤモジュール１１に流れる電力量の設定値入力手段としての電力量設定手段２６と、前記電力検出手段２４からの検出結果と設定値を比較するための比較器２５を備え、制御部２１は、前記比較器２５からの異常出力を受けて、異常表示部２７による異常表示、または、音声出力部２８による音の出力、もしくは通信部２２による上位制御部への通知を行う機能を付加されている。

本実施形態のＬＥＤモジュール１１は、図１に示したように、複数のＬＥＤ１３を直列接続したＬＥＤ負荷回路１２を複数並列接続して構成されるもので、この並列回路に供給される点灯電力量で各ＬＥＤ１３の光出力が決まるものであり、給電線１５に印加される直流電圧がＬＥＤコントローラ６ａのスイッチ回路１８のオン／オフによってパルス制御（デュティ比制御）されることで、点灯電力量が変化し、ＬＥＤ１３の点灯が調光制御される。

図２の配電システムにおいて、商用交流電力が電力変換部５によって直流電力に変換され、導電バー８、８を通じてＬＥＤコントローラ６ａに供給されている通常時にあっては、ＬＥＤコントローラ６ａは操作部１９を用いた操作指示に応じてＬＥＤモジュール１１の点灯を制御する動作を行うことができるのである。

つまり消灯中或いは調光点灯中において、操作部１９の操作によって全点灯の指示があると、ＬＥＤコントローラ６ａはスイッチ回路１８を連続的にオンさせて、最大の点灯電力量をＬＥＤモジュール１１に供給し、ＬＥＤを全点灯させる。逆に点灯中に消灯の指示があると、スイッチ回路１８をオフさせてＬＥＤモジュール１１への電力供給を止めて、ＬＥＤを消灯させる。

一方、点灯中において、操作部１９からアップ若しくはダウンの調光指示があると、その調光指示操作期間に応じてスイッチ回路１８のオンデュティを徐々に小さく或いは大きくしてＬＥＤモジュール１１に供給する点灯電力量を変化させ、ＬＥＤの点灯を調光制御するのである。

商用交流電源が停電すると、電力変換部５の電圧検出部５Ｃの検出電圧が所定以下となり、これにより制御部５Ｇは制御信号をバッテリユニットＢに通信部５Ｆを介して送るとともに、停電検出信号をＬＥＤコントローラ６ａに送る。

通信部９Ｃを通じて制御信号を受け取ったバッテリユニットＢの制御部９Ｄはスイッチ回路９Ｂをオンさせる。このオンにより蓄電池モジュール９Ａの直流電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂに入力する。このとき電力変換部５の各部の動作電源は蓄電池モジュール９Ａから供給され、動作を維持する。電圧検出部５Ｃは蓄電池モジュール９Ａの直流電圧を検出することになるが、整流回路５Ａからは電流が流れなくなるため、電流センサ５Ｄでは電流が検出されなくなり、電流監視部５Ｅの監視する入力電流が無くなるため制御部５Ｇは上述の制御信号をバッテリユニットＢへ送信する動作を維持してスイッチ回路９Ｂのオン状態を継続させる。

これによりバッテリユニットＢの直流電力がＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂから導電バー８、８を通じてＬＥＤコントローラ６ａに供給される。一方、ＬＥＤコントローラ６ａの制御部２１は停電検出信号を受け取っているため、予め設定されている停電時の動作内容に基づいてスイッチ回路１８を制御する。つまり、消費電力を減少させるために、所定の調光レベルとなるようにスイッチ回路１８を制御する。

或いは配電システムに複数のＬＥＤコントローラ６ａが接続されているような場合には、接続されているＬＥＤモジュール１１を消灯させるように動作内容を設定しているＬＥＤコントローラ６ａと、ＬＥＤモジュール１１を点灯させるように動作内容を設定しているＬＥＤコントローラ６ａとを予め決めておき、停電時には動作を間引きさせる。

停電時にはＬＥＤモジュール１１の点灯を調光させたり、或いは間引くことで、バッテリユニットＢによるバックアップ給電によって照明を確保できる時間を長くできる。

また、バッテリユニットＢによるバックアップ中に停電が回復すると、整流回路５Ａから電流が流れるため、電流監視部５Ｅから電流検出の信号が制御部５Ｇに入力すると、制御部５Ｇは通常時の動作に戻ることになり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂからは商用交流電力による直流電力の供給が開始される。また、ＬＥＤコントローラ６ａも停電検出信号が送られてこなくなるため、通常の状態に動作を復帰させる。

尚、バッテリユニットＢの蓄電池モジュール９Ａの電圧が放電により一定レベルに低下したことを電圧検出部５Ｃの検出電圧が示した場合、制御部５Ｇは過放電しないようにＤＣ／ＤＣコンバータ５Ｂの動作を停止させるとともに、制御信号の送信を止め、バッテリユニットＢのスイッチ回路９Ｂをオフさせる。

ところで、停電時におけるＬＥＤコントローラ６ａによるＬＥＤモジュール１１の点灯制御は専ら消費電力の低減を主眼としているが、停電が生じたことをユーザーに知らせるために、停電発生時にＬＥＤモジュール１１を所定の調光レベルで点灯させるようにＬＥＤコントローラ６ａの制御部２１がスイッチ回路１８を制御するようにしても良い。複数のＬＥＤコントローラ６ａが配電システムに接続されている場合には、特定のＬＥＤコントローラ６ａの配下のＬＥＤモジュール１１を所定の調光レベルで点灯させて識別性を高めても良い。また点滅させるようにスイッチ回路１８を制御して識別性をより高めてもよい。

上述のＬＥＤコントローラ６ａはＬＥＤモジュール１１に直流電力を供給するための直流電圧をスイッチ回路１８でオン／オフ制御することで、ＬＥＤモジュール１１の点灯電力量を制御して調光を行うようにしたものであるが、ＬＥＤコントローラ６ａ内に電流値を可変できて且つその電流値の定電流を制御信号としてＬＥＤモジュール１１へ流す定電流源を備え、操作部１９の操作で指示された調光レベル或いは停電検出時の調光レベルに対応した電流値の定電流をＬＥＤコントローラ６ａに流すようにしても良い。

このように、図２の配電システムでは、直流系機器ユニット（ＬＥＤコントローラ６ａ）から供給する直流電力を制御するだけで、ＬＥＤモジュール１１のＬＥＤの点灯を調光制御することができ、そのためＬＥＤモジュール１１側に調光制御のための手段を必要としない。

また、図１に示した実施形態１と同様に、ＬＥＤモジュール１１内のＬＥＤ負荷回路１２のＬＥＤ１３のいずれかに断線が生じると、ＰＴＣサーミスタ１の抵抗値が上昇することにより、残余のＬＥＤ負荷回路１２に故障が連鎖的に拡がってしまうという問題は生じない。さらに、ＬＥＤコントローラ６ａ内の電力検出手段２４により負荷側への供給電力量を検出し、電力量設定手段２６により設定された基準電力量と比較器２５により比較することで、負荷側の異常を検出すると、制御部２１では、異常表示部２７による異常表示、または音声出力部２７による音の出力、もしくは通信部２２による上位制御部への通知を行うことにより、異常状態を知らせ、早期対応が図れる利点を有する。

１ ＰＴＣサーミスタ
１１ ＬＥＤモジュール
１２ ＬＥＤ負荷回路
１３ ＬＥＤ

Claims (5)

1. 直列複数段のＬＥＤから成るＬＥＤ負荷回路が並列に複数接続されて成るＬＥＤモジュールに対して、直流電源が定電流で点灯駆動するようにしたＬＥＤ点灯回路において、直列複数段のＬＥＤに対して、その端子間に直列に介在され、いずれかのＬＥＤの断線時に、そのＬＥＤに予め規定されたレベルの電流を通過させる回路を含むことを特徴とするＬＥＤ点灯回路。
2. 前記ＬＥＤに予め規定されたレベルの電流を通過させる回路は、抵抗値が正の温度特性を持つ半導体デバイスであるサーミスタを含むことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯回路。
3. 前記ＬＥＤに予め規定されたレベルの電流を通過させる回路は、前記１つまたは直列複数段のＬＥＤに対して直列に設けられることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路。
4. 前記直流電源は、ＤＣ−ＤＣコンバータを内蔵するＬＥＤコントローラであり、前記ＬＥＤモジュールに流れる電力量を検出する電力検出手段と、前記ＬＥＤモジュールに流れる電力量の設定値入力手段と、前記電力検出手段からの検出結果と設定値を比較するための比較器を備え、前記比較器からの異常出力を受けて、異常表示または音の出力、もしくは上位制御部への通知を行う制御手段を備えて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ点灯回路を備えることを特徴とする照明器具。

Images