JP2012142132A - Ｌｅｄ点灯装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で且つ２灯並列に接続した各ＬＥＤランプの光出力の差を低減することのできるＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供する。
【解決手段】第１のスイッチング素子Ｑ１と、第１のインダクタＬ１及び第２のインダクタＬ２と、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２とを有し、複数の発光ダイオード５０，６０を備える第１のＬＥＤランプ５及び第２のＬＥＤランプ６に出力電圧を供給する電圧変換部である降圧部３を備え、降圧部３は、第１のインダクタＬ１及び第１のコンデンサＣ１を介した経路で第１のＬＥＤランプ５に点灯電力を供給するとともに、第２のインダクタＬ２及び第２のコンデンサＣ２を介した経路で第２のＬＥＤランプ６に点灯電力を供給し、第１のインダクタＬ１及び第２のインダクタＬ２には、それぞれ第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２が直列に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明器具に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）の発光効率の上昇に伴い、低消費電力且つ長寿命である発光ダイオードを照明装置の光源として用いることが可能になっており、発光ダイオードを光源とする照明装置が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の照明装置は、複数の発光ダイオードを一方の面に実装したＬＥＤ基板と、各発光ダイオードの順電流を一定にする定電流部を備える電源回路部品が実装された回路基板とを外管体の内部に保持したものである。

特開２００９−４３４４７号公報

ところで、上記従来例は、ＬＥＤ基板に複数の発光ダイオードを実装したものであり、このようなＬＥＤ基板を１つのＬＥＤモジュールとしてモジュール単位で直列接続、又は並列接続するものは従来から存在する。一方、このようなＬＥＤモジュールを管体に保持したＬＥＤランプを並列接続して点灯させるものは従来になかった。

ここで、例えばＬＥＤランプを２灯並列に接続して点灯させる場合、各ＬＥＤランプの発光ダイオードの順方向電圧にばらつきがあると、各ＬＥＤランプの管電圧にもばらつきが生じる。これにより、各ＬＥＤランプに流れるランプ電流にも差が生じ、各ＬＥＤランプの光出力に差が生じてしまうという問題があった。

また、発光ダイオードの順方向電圧のばらつき以外にも、点灯装置を構成する部品の性能のばらつきにより、各ＬＥＤランプに流れるランプ電流がばらつき、各ＬＥＤランプの光出力に差が生じるという問題があった。上記問題を解決するものとしては、ランプ電流が定電流となるように制御する点灯回路をＬＥＤランプ毎に設ける手段が考えられるが、この手段では点灯装置が高価になるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、安価で且つ２灯並列に接続した各ＬＥＤランプの光出力の差を低減することのできるＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤ点灯装置は、少なくとも１つのスイッチング素子と、第１のインダクタ及び第２のインダクタと、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサとを有し、前記スイッチング素子のオン／オフを切り替えることで入力電圧を所望の直流電圧に変換するとともに、変換した出力電圧をそれぞれ１乃至複数の発光ダイオードを備える第１のＬＥＤランプ及び第２のＬＥＤランプに供給する電圧変換部を備え、前記電圧変換部は、前記第１のインダクタ及び前記第１のコンデンサを介した経路で前記第１のＬＥＤランプに点灯電力を供給するとともに、前記第２のインダクタ及び前記第２のコンデンサを介した経路で前記第２のＬＥＤランプに点灯電力を供給し、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタには、それぞれ第１のダイオード及び第２のダイオードが直列に接続されることを特徴とする。

このＬＥＤ点灯装置において、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタは何れも二次巻線を有し、前記各二次巻線に誘起される二次巻線電圧より前記各インダクタを流れる主巻線電流のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を備え、前記電圧変換部は、前記ゼロクロス検出部からの出力信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動し、前記ゼロクロス検出部は、前記各インダクタのうち先に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングで前記電圧変換部へ前記出力信号を送信することが好ましい。

本発明の照明器具は、上記何れかのＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置及び前記各ＬＥＤランプを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする。

本発明は、安価な構成で２灯並列に接続した各ＬＥＤランプの光出力の差を低減することができるという効果を奏する。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態１を示す回路概略図である。 同上のＬＥＤ点灯装置における発光ダイオードの説明図で、（ａ）は発光ダイオード１個の順方向の電流−電圧特性を示す図で、（ｂ）は複数の発光ダイオードを接続したＬＥＤランプの一例を示す図で、（ｃ）は（ｂ）に示したＬＥＤランプの順方向の電流−電圧特性を示す図である。 複数の発光ダイオードから成るＬＥＤランプにばらつきがある場合の順方向の電流−電圧特性を示す図である。 同上のＬＥＤ点灯装置において第１のダイオード及び第２のダイオードを設けない場合を示す回路概略図である。 （ａ）は同上のＬＥＤ点灯装置において各ＬＥＤランプの順方向電圧にばらつきがある場合の順方向の電流−電圧特性を示す図で、（ｂ）は図４の回路構成において各ＬＥＤランプの順方向電圧にばらつきがある場合の順方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態２を示す回路概略図である。 同上のＬＥＤ点灯装置において第１のダイオード及び第２のダイオードを設けない場合を示す回路概略図である。 本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態３を示す回路概略図である。 同上のＬＥＤ点灯装置において第１のインダクタ及び第２のインダクタのインダクタンスにばらつきが無い場合の動作説明図である。 同上のＬＥＤ点灯装置において先にゼロクロスを検出したインダクタに基づいた場合の動作説明図である。 同上のＬＥＤ点灯装置において後にゼロクロスを検出したインダクタに基づいた場合の動作説明図である。 本発明に係る照明器具の実施形態を示す概略図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態１について図面を用いて説明する。本実施形態は、図１に示すように、整流部１と、昇圧部２と、降圧部３と、後述する各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ２０にそれぞれ駆動信号を与えるドライバ４とを備える。本実施形態の入力端には、外部の交流電源ＡＣ１と、交流電源ＡＣ１から本実施形態への電力供給経路のオン／オフを切り替えるスイッチＳＷ１とが接続されている。また、本実施形態の出力端には、それぞれ複数の発光ダイオード５０，６０を直列接続して成る第１のＬＥＤランプ５及び第２のＬＥＤランプ６が並列に接続されている。

整流部１は、図１に示すように、例えばダイオードブリッジから成り、交流電源ＡＣ１から入力された交流電圧を全波整流して脈流電圧を後段の昇圧部２に出力する。

昇圧部２は、図１に示すように、インダクタＬ２０及びスイッチング素子Ｑ２０の直列回路と、スイッチング素子Ｑ２０と並列に接続されるダイオードＤ２０及びコンデンサＣ２０の直列回路とから成る。スイッチング素子Ｑ２０は、Ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴから成り、ドライバ４から駆動信号を与えられることでオン／オフを制御される。したがって、昇圧部２は、スイッチング素子Ｑ２０のオン／オフを適宜制御することで整流部１からの脈流電圧を昇圧して、所定電圧の直流電圧に変換して後段の降圧部３に出力することで力率を改善する。

降圧部３は、図１に示すように、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２の直列回路を備える。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点には、第１のダイオードＤ１、第１のインダクタＬ１、第１のコンデンサＣ１の直列回路と、第２のダイオードＤ２、第２のインダクタＬ２、第２のコンデンサＣ２の直列回路とが並列に接続されている。また、第１のインダクタＬ１及び第１のコンデンサＣ１の直列回路には、回生電流を流すためのダイオードＤ３が並列に接続されている。同様に、第２のインダクタＬ２及び第２のコンデンサＣ２の直列回路には、回生電流を流すためのダイオードＤ４が並列に接続されている。なお、第１のコンデンサＣ１には、第１のＬＥＤランプ５が並列に接続されており、第２のコンデンサＣ２には、第２のＬＥＤランプ６が並列に接続されている。

第１のスイッチング素子Ｑ１は、Ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴから成り、ドライバ４から駆動信号を与えられることでオン／オフを制御される。したがって、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時には、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２、並びに第１のインダクタＬ１及び第２のインダクタＬ２を介して第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２を充電する。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１のオフ時には、ダイオードＤ３，Ｄ４を介して回生電流を流し、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２を放電することで、昇圧部２から供給される直流電圧を降圧して後段の各ＬＥＤランプ５，６に印加する。すなわち、本実施形態では、降圧部３及びドライバ４が入力電圧を所定の直流電圧に変換して各ＬＥＤランプ５，６に供給する電圧変換部を構成している。

なお、ドライバ４は、第１のスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を開始するために、動作開始前には第２のスイッチング素子Ｑ２をオンに切り替えることで、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２との中点電位を約０Ｖにする。スイッチング動作の開始後は、ドライバ４は第２のスイッチング素子Ｑ２をオフに切り替える。ここで、第２のスイッチング素子Ｑ２を設ける代わりに、第１のスイッチング素子Ｑ１のソース端子とグランドとの間に数１００ｋΩ程度の抵抗を挿入してもよい。この場合、スイッチング動作開始時の第１のスイッチング素子Ｑ１のソース電圧を約０Ｖとすることができるため、第２のスイッチング素子Ｑ２を設ける場合と同様の機能を果たすことができる。

以下、各ＬＥＤランプの順方向電圧にばらつきがある場合について説明する。図２（ａ）に示すのは、各ＬＥＤランプ５，６を成す発光ダイオード５０，６０の順方向の電流−電圧特性である。同図に示すように、発光ダイオード５０，６０の電圧変化に対する電流変化は急峻であり、例えば順方向電圧が２．０Ｖの場合と２．１Ｖの場合とでは、順方向電流が４０ｍＡも異なる。ここで、本実施形態のように各ＬＥＤランプ５，６はそれぞれ複数の発光ダイオード５０，６０から構成される。例えば、図２（ｂ）に示すように、２０個の発光ダイオードを直列に接続した直列回路を５列並列に接続したものがＬＥＤランプであれば、当該ＬＥＤランプの順方向の電流−電圧特性は図２（ｃ）に示すものとなる。このようなＬＥＤランプにおいて順方向電圧にばらつきがあることは、図３に示すように、順方向電圧に対する順方向電流が異なることを意味する。

ここで、図４に示すように、本実施形態から第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を除いた構成で各ＬＥＤランプ５，６を点灯させる場合について考える。各ＬＥＤランプ５，６の印加電圧は、第１のスイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数やオン時間に応じて供給される電流によって、各ＬＥＤランプ５，６の順方向電圧に応じた電圧となる。そして、図５（ａ）に示すように、各ＬＥＤランプ５，６の順方向電圧にばらつきがある場合、順方向電圧の大きい第１のＬＥＤランプ５から順方向電圧の小さい第２のＬＥＤランプ６へと電流が流れ込む（図４参照）。これにより、各ＬＥＤランプ５，６の印加電圧が等しくなり、第２のＬＥＤランプ６には第１のＬＥＤランプ５に比べて大きなランプ電流が流れる。結果として、図５（ｂ）に示す例では、第１のＬＥＤランプ５と第２のＬＥＤランプ６とでは１００ｍＡのランプ電流の差が生じる。このため、第１のＬＥＤランプ５と第２のＬＥＤランプ６とでは光出力に差が生じるため、各ＬＥＤランプ５，６の明るさが異なってしまう。

一方、本実施形態では、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を備えているので、各ＬＥＤランプ５，６の順方向電圧にばらつきがあったとしても、一方のＬＥＤランプから他方のＬＥＤランプへと電流が流れ込むのを防止することができる。したがって、各ＬＥＤランプ５，６の印加電圧は、それぞれ第１のスイッチング素子Ｑ１を介した供給電流と順方向電圧とに応じた電圧値となるため、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の差が低減される。

上述のように、本実施形態は、各ＬＥＤランプ５，６の順方向電圧にばらつきがあったとしても、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の差を低減することで、２灯並列に接続した各ＬＥＤランプ５，６の光出力の差を低減することができる。また、本実施形態は、電圧変換部である降圧部３に第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を設けるという安価な構成によって上記の効果を奏することができる。

（実施形態２）
以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図６に示すように、各ＬＥＤランプ５，６の低電位側に接続されて各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の和を検出する検出抵抗Ｒ１と、当該ランプ電流の和が所定値となるように制御信号をドライバ４に送信する制御部７とを備える。

ドライバ４は、例えば内部にオペアンプ（図示せず）を備え、制御部７からの制御信号に含まれる指令値と、検出抵抗Ｒ１で検出される電流値とが一致するようにフィードバック制御する。すなわち、ドライバ４は、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の和が所定の電流値となるように第１のスイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数やオン時間を制御する。

ここで、図７に示すように、本実施形態から第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を除いた構成で各ＬＥＤランプ５，６を点灯させる場合について考える。この場合、実施形態１でも述べたように、順方向電圧の大きい第１のＬＥＤランプ５から順方向電圧の小さい第２のＬＥＤランプ６へと電流が流れ込む。すると、ドライバ４が上記のフィードバック制御により各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の和が所定の電流値となるように制御するため、第２のＬＥＤランプ６に流れ込んだ電流の分だけ第１のＬＥＤランプ５を流れるランプ電流が小さくなる。

一方、本実施形態では、実施形態１と同様に第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を設けるという安価な構成で、各ＬＥＤランプ５，６の順方向電圧にばらつきがあったとしても、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の差を低減することができる。このため、本実施形態では、２灯並列に接続した各ＬＥＤランプ５，６の光出力の差を低減するとともに、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流の和を一定に保つことができる。

（実施形態３）
以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態３について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態２と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図８に示すように、第１のインダクタＬ１及び第２のインダクタＬ２にそれぞれ設けられる二次巻線と、これら二次巻線に誘起される二次巻線電圧に基づいてゼロクロスを検出するゼロクロス検出部８を備える。なお、本実施形態では、第２のスイッチング素子Ｑ２を設ける代わりに、第１のスイッチング素子Ｑ１のソース端子とグランドとの間に抵抗（図示せず）を挿入している。

ゼロクロス検出部８は、例えばダイオード等の整流素子や抵抗から構成され、各インダクタＬ１，Ｌ２の二次巻線に誘起される二次巻線電圧から各インダクタＬ１，Ｌ２を流れる主巻線電流のゼロクロスを検出する。すなわち、各インダクタＬ１，Ｌ２の二次巻線には、それぞれ各インダクタＬ１，Ｌ２の主巻線の電圧に応じた電圧が発生し、主巻線の主巻線電流が放出しきったゼロクロスのタイミングで極性が反転する。このため、ゼロクロス検出部８では、この各インダクタＬ１，Ｌ２の二次巻線に誘起される二次巻線電圧の極性が反転するタイミングを主巻線電流のゼロクロスとして検出する。

そして、ゼロクロス検出部８は、各インダクタＬ１，Ｌ２のうち先に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングでドライバ４にオン信号（出力信号）を送信する。ドライバ４は、ゼロクロス検出部８からのオン信号を受けると第１のスイッチング素子Ｑ１をオンに切り替え、検出抵抗Ｒ１で検出される電流値が制御部７からの制御信号に含まれる指令値に一致すると、第１のスイッチング素子Ｑ１をオフに切り替える。すなわち、ドライバ４は、ゼロクロス検出部８からのオン信号と、検出抵抗Ｒ１で検出される電流値とに基づいて臨界制御を行う。

以下、各インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンスにばらつきが無い場合の臨界制御について図９を用いて説明する。図９には、各インダクタＬ１，Ｌ２を流れる主巻線電流ＩＬ１，ＩＬ２の波形、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧の波形、各インダクタＬ１，Ｌ２の二次巻線に誘起される二次巻線電圧ＶＬ０の波形を示している。同図に示すように、各インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンスにばらつきが無い場合は、各主巻線電流ＩＬ１，ＩＬ２がほぼ同じタイミングでゼロクロスするため、各主巻線電流ＩＬ１，ＩＬ２を平滑化した各ランプ電流Ｉ１，Ｉ２が略等しくなる。

次に、各インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンスにばらつきが有り、且つ各インダクタＬ１，Ｌ２のうち後に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングでドライバ４にオン信号を送信する場合について図１１を用いて説明する。図１１には、第１のインダクタＬ１のインダクタンスが第２のインダクタＬ２のインダクタンスよりも大きい場合の各主巻線電流ＩＬ１，ＩＬ２の波形と、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧の波形とを示している。同図に示すように、先に主巻線電流ＩＬ１がゼロクロスした第１のインダクタＬ１には、第２のインダクタＬ２の主巻線電流ＩＬ２がゼロクロスするまでの間は主巻線電流ＩＬ１が流れない。このため、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間Ｔ１とオフ時間Ｔ２とを比較し、Ｔ１＜Ｔ２となる場合には、第１のインダクタＬ１に電流が流れない期間が長くなってしまう。結果として、各ランプ電流Ｉ１，Ｉ２の差が大きくなり、各ＬＥＤランプ５，６の光出力の差が大きくなってしまう。

ここで、本実施形態のように、各インダクタＬ１，Ｌ２のうち先に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングでドライバ４にオン信号を送信する場合について図１０を用いて説明する。図１０には、図１１と同様に、第１のインダクタＬ１のインダクタンスが第２のインダクタＬ２のインダクタンスよりも大きい場合の各主巻線電流ＩＬ１，ＩＬ２の波形と、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧の波形とを示している。同図に示すように、各インダクタＬ１，Ｌ２のうち後に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングでドライバ４にオン信号を送信する場合と比較して、各ランプ電流Ｉ１，Ｉ２の差が小さくなり、各ＬＥＤランプ５，６の光出力の差を小さく抑えることができる。

上述のように、本実施形態では、各ＬＥＤランプ５，６を流れるランプ電流Ｉ１，Ｉ２に最も寄与する各インダクタＬ１，Ｌ２のインダクタンスにばらつきが有る場合でも、各ＬＥＤランプ５，６の光出力の差を小さく抑えることができる。

以下、本発明に係る照明器具の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、図１２に示すように、上記実施形態１〜３の何れかのＬＥＤ点灯装置（図示せず）を収納した長尺の箱体から成る器具本体１００を備える。器具本体１００の長手方向の両端部には、それぞれ２対のソケット１０１，１０２が機械的に保持されており、直管型のＬＥＤランプ５，６がそれぞれ各ソケット１０１，１０２に着脱自在に装着される。

本実施形態は、上記実施形態１，２の何れかのＬＥＤ点灯装置が用いられることにより、上記実施形態１，２の何れかと同様の効果を奏することができる。勿論、照明器具の構成としては本実施形態の構成に限定されるものではなく、ＬＥＤ点灯装置と、ＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤランプを保持する器具本体とを備えた構成であれば他の構成であってもよい。

３ 降圧部（電圧変換部）
４ ドライバ（電圧変換部）
５ 第１のＬＥＤランプ
５０ 発光ダイオード
６ 第２のＬＥＤランプ
６０ 発光ダイオード
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
Ｌ１ 第１のインダクタ
Ｌ２ 第２のインダクタ
Ｑ１ 第１のスイッチング素子

Claims (3)

1. 少なくとも１つのスイッチング素子と、第１のインダクタ及び第２のインダクタと、第１のコンデンサ及び第２のコンデンサとを有し、前記スイッチング素子のオン／オフを切り替えることで入力電圧を所望の直流電圧に変換するとともに、変換した出力電圧をそれぞれ１乃至複数の発光ダイオードを備える第１のＬＥＤランプ及び第２のＬＥＤランプに供給する電圧変換部を備え、前記電圧変換部は、前記第１のインダクタ及び前記第１のコンデンサを介した経路で前記第１のＬＥＤランプに点灯電力を供給するとともに、前記第２のインダクタ及び前記第２のコンデンサを介した経路で前記第２のＬＥＤランプに点灯電力を供給し、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタには、それぞれ第１のダイオード及び第２のダイオードが直列に接続されることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタは何れも二次巻線を有し、前記各二次巻線に誘起される二次巻線電圧より前記各インダクタを流れる主巻線電流のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部を備え、前記電圧変換部は、前記ゼロクロス検出部からの出力信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動し、前記ゼロクロス検出部は、前記各インダクタのうち先に主巻線電流のゼロクロスを検出したタイミングで前記電圧変換部へ前記出力信号を送信することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置及び前記ＬＥＤランプを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。

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