JP2012147507A - Led点灯装置および、これを用いた照明器具 - Google Patents

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桂介 植田
Katsunobu Hamamoto
勝信 濱本
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真史 山本
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久也 滝北
Masayoshi Yasuda
正吉 安田
Yuji Yoshimoto
裕司 吉本
Shoichiro Nakayama
詔一朗 中山
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Abstract

【課題】通常動作時におけるスイッチング損失を低減することができるLED点灯装置および、これを用いた照明器具を提供する。
【解決手段】スイッチング素子Q1を有し、スイッチング素子Q1がスイッチング制御されることで、直流電源9からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部2と、スイッチング素子Q2,Q3を有し、スイッチング素子Q2,Q3からなる直列回路は昇圧部2の出力端間に接続され、低圧側に接続されたスイッチング素子Q3をオフした状態で、高圧側に接続されたスイッチング素子Q2がスイッチング制御されることで、昇圧部2の出力電圧を降圧して光源部8に印加する降圧部3と、スイッチング素子Q1,Q2,Q3のスイッチング制御を行う制御部とを備え、スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間寄生容量Cds2を、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース間寄生容量Cds3よりも大きくする。
【選択図】図1

Description

本発明は、LED点灯装置および、これを用いた照明器具に関するものである。
従来から、負荷に電力を供給する電源装置が知られており、例えば特許文献1に開示されている。
また、直流電源の出力端間に直列接続されたスイッチング素子を備え、ハイサイド側のスイッチング素子を駆動するための駆動用コンデンサの両端電圧が安定するまでにかかる時間を短縮することができる電源装置がある。この電源装置を従来例として図6を用いて説明する。
従来の電源装置は、直流電力を出力する直流電源Eの出力端間に接続されたスイッチング素子Q101とインダクタL101とコンデンサC101との直列回路と、インダクタL101とコンデンサC101とに並列接続されたダイオードD101とを備えている。また、ダイオードD101と並列にスイッチング素子Q102が接続されており、スイッチング素子Q101,Q102をスイッチング制御する駆動回路102を備えている。
そして、駆動回路102は、通常動作時はスイッチング素子Q102をオフ状態に維持し、スイッチング素子Q101をスイッチング制御することで直流電源Eの出力を降圧して、発光ダイオード(LED)で構成された光源部101に電力を供給する。
また、ハイサイド側に接続されたスイッチング素子Q101を駆動するための電源として用いる駆動用コンデンサC102を備えている。駆動用コンデンサC102は、一端がスイッチング素子Q101,Q102の接続点に接続されており、他端がダイオードD102を介してコンデンサC103に接続されている。コンデンサC103は直流電源Eに接続されており、随時充電されている。
そして、駆動回路102は、上記通常動作を開始する前に、スイッチング素子Q102を所定期間の間オン状態に維持する。それによって、コンデンサC103→ダイオードD102→駆動用コンデンサC102→スイッチング素子Q102の経路で電流が流れて駆動用コンデンサC102が充電される。したがって、駆動用コンデンサC102が充電されているので、通常動作開始時においてスイッチング素子Q101を確実に駆動することができる。さらに、駆動用コンデンサC102の充電経路にインダクタが含まれる場合に比べて、駆動用コンデンサC102の両端電圧が安定するまでにかかる時間を短縮することができる。
特開2002−354783号公報
スイッチング素子Q101,Q102はNチャネルMOSFETで構成されており、各端子間には寄生容量が存在する。したがって、通常動作時においてスイッチング素子Q101をスイッチング制御する際に、スイッチング素子Q101のドレイン−ソース間の寄生容量に電荷が蓄積される。そして、寄生容量に蓄積された電荷によってスイッチング損失が増大し、温度ストレスが発生するおそれがあった。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、通常動作時におけるスイッチング損失を低減することができるLED点灯装置および、これを用いた照明器具を提供することにある。
本発明のLED点灯装置は、少なくとも第1のインダクタおよび第1のスイッチング素子を有し、前記第1のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部と、少なくとも第2のインダクタおよび第2,第3のスイッチング素子を有し、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子とからなる直列回路は前記昇圧部の出力端間に接続され、低圧側に接続された前記第3のスイッチング素子をオフした状態で、高圧側に接続された前記第2のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、前記昇圧部の出力電圧を降圧して1乃至複数の発光ダイオードからなる光源部に印加する降圧部と、前記第1,第2,第3のスイッチング素子のスイッチング制御を行う制御部とを備え、前記第2,第3のスイッチング素子は、半導体スイッチング素子で構成されており、前記第2のスイッチング素子の両端間の寄生容量を、前記第3のスイッチング素子の両端間の寄生容量よりも大きくすることを特徴とする。
このLED点灯装置において、前記光源部に印加される電圧を検出する電圧検出部を備え、前記制御部は、前記電圧検出部の検出値が所定の閾値以上となった場合、前記第1のスイッチング素子をオフ状態に維持することが好ましい。
このLED点灯装置において、前記光源部に供給される電流を検出する電流検出部を備え、前記制御部は、前記電流検出部の検出値が所定の閾値以上となった場合、前記第1のスイッチング素子をオフ状態に維持することが好ましい。
このLED点灯装置において、前記光源部の状態を検出する負荷状態検出部を備え、前記制御部は、前記負荷状態検出部の検出結果に基づいて前記光源部が異常状態であると判断した場合、前記第3のスイッチング素子をオン状態に維持することが好ましい。
本発明の照明器具は、少なくとも第1のインダクタおよび第1のスイッチング素子を有し、前記第1のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部と、少なくとも第2のインダクタおよび第2,第3のスイッチング素子を有し、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子とからなる直列回路は前記昇圧部の出力端間に接続され、低圧側に接続された前記第3のスイッチング素子をオフした状態で、高圧側に接続された前記第2のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、前記昇圧部の出力電圧を降圧して1乃至複数の発光ダイオードからなる光源部に印加する降圧部と、前記第1,第2,第3のスイッチング素子のスイッチング制御を行う制御部とを備え、前記第2,第3のスイッチング素子は、半導体スイッチング素子で構成されており、前記第2のスイッチング素子の両端間の寄生容量を、前記第3のスイッチング素子の両端間の寄生容量よりも大きくするLED点灯装置と、当該LED点灯装置によって点灯する1乃至複数の発光ダイオードからなる光源部と、前記LED点灯装置および前記光源部を保持する器具本体とを備えることを特徴とする。
以上説明したように、本発明では、通常動作時におけるスイッチング損失を低減することができるという効果がある。
本発明の実施形態1のLED点灯装置の回路構成図である。 NチャネルMOSFETの回路図である。 同上の実施形態2の電圧検出部を備えたLED点灯装置の回路構成図である。 同上の電流検出部を備えたLED点灯装置の回路構成図である。 本発明の照明器具の外観外略図である。 従来のLED点灯装置の回路構成図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施形態1)
本実施形態のLED点灯装置1の回路構成図を図1に示す。本実施形態のLED点灯装置1は、昇圧部2と降圧部3と制御部4と制御電源5と駆動電源部6と負荷状態検出部7とで構成されている。
昇圧部2には、外部の直流電源部9からの出力電圧が入力される。直流電源部9は、交流電源91と、交流電源91から入力された交流電圧を全波整流して脈流電圧を出力するダイオードブリッジ92とで構成されている。
昇圧部2は、インダクタL1(第1のインダクタ)とスイッチング素子Q1(第1のスイッチング素子)とダイオードD1とコンデンサC1とで構成されている。ダイオードブリッジ92の出力端間にインダクタL1とスイッチング素子Q1との直列回路が接続されている。スイッチング素子Q1は、NチャネルMOSFET(半導体スイッチング素子)で構成されており、後述する制御部4の駆動回路41の駆動信号がゲートに出力されることで、オン・オフを繰り返すスイッチング制御がされる。また、スイッチング素子Q1と並列にダイオードD1とコンデンサC1との直列回路が接続されている。そして、上記構成によって昇圧部2は昇圧チョッパ回路を構成しており、スイッチング素子Q1がスイッチング制御されることで、直流電源部9から出力される脈流電圧を昇圧して、所定電圧の直流電圧をコンデンサC1の両端間に生成して降圧部3に出力する。
降圧部3は、スイッチング素子Q2,Q3(第2,第3のスイッチング素子)とダイオードD2とインダクタL2(第2のインダクタ)とコンデンサC2とで構成されている。昇圧部2の出力端間にスイッチング素子Q2とインダクタL2とコンデンサC2との直列回路が接続されており、インダクタL2およびコンデンサC2と並列にダイオードD2が接続されている。スイッチング素子Q2は、NチャネルMOSFET(半導体スイッチング素子)で構成されており、後述する制御部4の駆動回路41から駆動信号が出力されることでスイッチング制御される。また、ダイオードD2は、カソードがスイッチング素子Q2のソースに接続されている。そして、上記構成によって降圧部3は降圧チョッパ回路を構成しており、スイッチング素子Q2がスイッチング制御されることで、昇圧部2の出力電圧を降圧した直流電圧をコンデンサC2の両端間に生成し、後段の光源部8に出力する。
また、ダイオードD2と並列にNチャネルMOSFET(半導体スイッチング素子)で構成されたスイッチング素子Q3が接続されている。すなわち、スイッチング素子Q2,Q3からなる直列回路は、昇圧部2の出力端間に接続されており、スイッチング素子Q2はハイサイド側(高圧側)に接続され、スイッチング素子Q3はローサイド側(低圧側)に接続されている。また、スイッチング素子Q3は後述する制御部4の駆動回路41から駆動信号が出力されることでスイッチング制御される。
そして、制御部4の駆動回路41は、スイッチング素子Q3をオフ状態に維持し、スイッチング素子Q2を交互にオン・オフするスイッチング制御を行う通常動作時において、昇圧部2の出力電圧を降圧し、降圧した直流電圧を後段の光源部8に出力する。
光源部8は、発光ダイオード(LED)で構成されており、昇圧部2の出力によって点灯する。
制御部4は、各スイッチング素子Q1,Q2,Q3に駆動信号を出力する駆動回路41と、駆動回路41に停止信号を出力する停止回路42とで構成されている。停止回路42は、後述する負荷状態検出部7からの検出信号に応じてスイッチング素子Q1,Q2の駆動を停止するように指示する停止信号を駆動回路41に出力する。また、駆動回路41および停止回路42は、制御電源5から駆動用の電源電圧が供給されて駆動する。
制御部4の駆動回路41には、ハイサイド側に接続されたスイッチング素子Q2を駆動させるための電源となる駆動用コンデンサC3が接続されている。駆動用コンデンサC3は、一端がスイッチング素子Q2,Q3の接続点に接続され、他端は駆動電源部6を構成するダイオードD3を介して充電用コンデンサC4に接続されている。
駆動電源部6は、抵抗R1とダイオードD3と充電用コンデンサC4とで構成されている。充電用コンデンサC4は、駆動用コンデンサC3を充電する充電用電源として機能するものであり、充電用コンデンサC4の正極が抵抗R1を介してダイオードブリッジ92の出力の高圧側に接続され、負極がグランドに接続されている。したがって、充電用コンデンサC4は、ダイオードブリッジ92の出力によって、随時充電される。
そして、駆動回路41がスイッチング素子Q3をオンしている状態では、充電用コンデンサC4→ダイオードD3→駆動用コンデンサC3→スイッチング素子Q3の経路で電流が流れて駆動用コンデンサC3が充電される。本実施形態の駆動回路41は、電源がオンされて制御電源5から電源電圧の供給が開始されると、所定の遅延時間の間、スイッチング素子Q2をオフ状態に維持すると共に、スイッチング素子Q3をオン状態に維持する。それによって、上記の充電経路で駆動用コンデンサC3が充電され、遅延時間経過後の通常動作の開始時において、ハイサイド側に接続されたスイッチング素子Q2を確実に駆動することができる。
また、通常動作時におけるインダクタL2に電流が流れている期間は、充電用コンデンサC4→ダイオードD3→駆動用コンデンサC3→インダクタL2→コンデンサC2および光源部8の経路で電流が流れて駆動用コンデンサC3が充電される。したがって、通常動作時においても、スイッチング素子Q2を確実に駆動することができる。
負荷状態検出部7は、光源部8の状態を検出するものであって、例えば、光源部8に並列接続される複数の抵抗の直列回路で構成されている。そして、負荷状態検出部7は、光源8の両端に印加されている電圧を抵抗分圧し、検出信号として制御部4の停止回路42に出力する。停止回路42は、負荷状態検出部7が出力する検出信号が所定の閾値を上回ると、駆動回路41に停止信号を出力する。停止信号を受信した駆動回路41は、スイッチング素子Q1,Q2,Q3の駆動を停止し、光源部8への電力供給を停止することで、光源部8を保護することができる。
また、図2に示すようにNチャネルMOSFETは構成上、各端子間に寄生容量が存在する。すなわち、NチャネルMOSFETは、ゲート−ドレイン間寄生容量Cgd,ドレイン−ソース間寄生容量Cds,ドレイン−ソース間寄生容量Cdsが存在する。本実施形態では、スイッチング素子Q1,Q2,Q3がNチャネルMOSFETで構成されているので、各スイッチング素子Q1,Q2,Q3には上記寄生容量が存在している。なお、スイッチング素子Q2の両端間に存在するドレイン−ソース間寄生容量をCds2(以下、寄生容量Cds2と称す),スイッチング素子Q3の両端間に存在するドレイン−ソース間寄生容量をCds3(以下、寄生容量Cds3と称す)とする。
本実施形態において、スイッチング素子Q2の寄生容量Cds2は、スイッチング素子Q3の寄生容量Cds3よりも大きくなるように構成されている。
通常動作時において、スイッチング素子Q2,Q3がオフしている期間は、昇圧部2の出力電圧によってスイッチング素子Q2,Q3の寄生容量Cds2,Cds3にエネルギーが蓄積される。このとき、寄生容量Cds2,Cds3の各々の両端間に印加される電圧の比は、寄生容量Cds2,Cds3の逆数の比となる。したがって、寄生容量Cds2を寄生容量Cds3よりも大きくすることで、スイッチング素子Q2のオフ時における寄生容量Cds2の両端間に印加される電圧は、寄生容量Cds2が寄生容量Cds3よりも小さい場合に比べて小さくなる。それによって、寄生容量Cds2に蓄積されるエネルギーを減少させることができる。
そして、寄生容量Cds2に蓄積されるエネルギーが減少することによって、スイッチング素子Q2のターンオン時に、寄生容量Cds2によってスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間に流れる放電電流を低減することができる。したがって、寄生容量Cds2が寄生容量Cds3よりも小さい場合と比べて、寄生容量Cds2によってドレイン−ソース間に流れる放電電流によるスイッチングロスを低減することができる。それによって、通常動作時におけるスイッチング素子Q2の温度上昇が抑制され、スイッチング素子Q2の温度ストレスを小さくすることができる。
また、本実施形態では、駆動回路41は停止回路42から停止信号が出力された場合、スイッチング素子Q1,Q2,Q3をオフ状態に維持することで、光源部8への電力供給を停止しているが、これに限定するものではない。
例えば、駆動回路41は、停止回路42から停止信号が出力された場合、スイッチング素子Q1,Q2をオフ状態に維持すると共に、スイッチング素子Q3をオン状態に維持して、光源部8の両端間を短絡することで、光源部8を保護するように構成してもよい。
また、駆動回路41は、停止回路42から所定回数以上または所定時間以上継続して停止信号が出力された場合、光源部8への電力供給を停止するように構成してもよい。停止回路42から出力される停止信号が所定回数未満または所定時間未満である場合、駆動回路41はスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング制御を継続すると共にスイッチング素子Q3を所定期間オンする。それによって、サージ等による過電圧や過電流から光源部8を保護することができる。そして、スイッチング素子Q3をオフ状態に復帰させた後も、停止信号が出力されて、停止信号が所定回数以上または所定時間以上継続して出力される場合、駆動回路41は光源部8の異常状態と判断する。そして、駆動回路41が光源部8の異常状態と判断した場合、駆動回路41は、スイッチング素子Q1,Q2をオフ状態に維持すると共に、スイッチング素子Q3をオン状態に維持することで光源部8への電力供給を停止する。
(実施形態2)
本実施形態のLED点灯装置1の回路構成図を図3に示す。本実施形態のLED点灯装置1は、光源部8の両端に印加される電圧を検出する電圧検出部71を備えている。なお、実施形態1と同一構成には同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態の光源部8は、複数のLED81が直列接続されることで構成されている。また、電圧検出部71は光源部8に並列接続される複数の抵抗の直列回路で構成されている。そして、電圧検出部71は、光源部8の両端に印加される電圧を抵抗分圧し、得られた電圧を検出信号として制御部4の停止回路42に出力する。
そして、停止回路42は電圧検出部71から出力される検出信号に基づいて、光源部8が異常状態と判断した場合、停止信号を駆動回路41に出力して、光源部8への電力供給を停止する。例えば、光源部8のLED81が劣化等によって負荷電圧が上昇して、光源部8の両端に印加される電圧が過電圧となった場合、検出信号が上限閾値を上回り、停止回路42は停止信号を駆動回路41に出力する。それによって、駆動回路41がスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作を停止することで、光源部8への電力供給が停止され、光源部8を保護することができる。
また、光源部8に印加される電圧が過電圧となった場合だけでなく、電圧が減少した場合においても、停止回路42は検出信号が下限閾値を下回ると停止信号を出力するように構成してもよい。
なお、電圧検出部71は、光源部8に印加される電圧を検出することができればよく、上記構成に限定するものではない。
また、図4に示すように、電圧検出部71の代わりに電流検出部72を用いて光源部8の状態を検出するように構成してもよい。電流検出部72は、光源部8に直列接続された抵抗で構成されており、電流検出部72は、光源部8に供給される電流によって発生する抵抗の両端電圧を検出信号として制御部4の停止回路42に出力する。
そして、停止回路42は電流検出部72から出力される検出信号に基づいて、光源部8が異常状態と判断した場合、停止信号を駆動回路41に出力して、光源部8への電力供給を停止する。例えば、LED81の劣化や、光源部8の接触不良などによって光源部8に負荷電流が上昇し、光源部8に供給される電流が過電流となった場合、検出信号が上限閾値を上回り、停止回路41は停止信号を駆動回路41に出力する。それによって、駆動回路41がスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作を停止することで、光源部8への電力供給が停止され、光源部8を保護することができる。
また、光源部8に供給される電流が過電流となった場合だけでなく、電流が減少した場合においても、停止回路42は検出信号が下限閾値を下回ると停止信号を出力するように構成してもよい。
なお、電流検出部72は、負荷電流を検出することができればよく、上記構成に限定するものではない。例えば、スイッチング素子Q3のソースとダイオードD2のアノード間に電流検出部72が接続されていてもよい。
また、本実施形態の電流検出部72は抵抗で構成されているが、抵抗の代わりにカレントトランスを用いて光源部8に供給される電流を検出するように構成してもよい。
(実施形態3)
本実施形態の照明器具10の外観図を図5に示す。本実施形態の照明器具10は、上記実施形態1,2のいずれか1つのLED点灯装置(図示せず)と、光源部8と、LED点灯装置および光源部8を保持する器具本体11とで構成されている。
図5に示すように、器具本体11は、LED点灯装置を収納した長尺の箱体で構成されており、長手方向の両端部には、それぞれソケット12が機械的に保持されている。そして、光源部8が収納された直管型のLEDランプ13が、ソケット12に着脱自在に装着される。
また、器具本体11には、LEDランプ13からの光を反射して照明空間に照射するための反射体14が取り付けられている。反射体14は、例えばアルミ材等からなり、図5において、下面が開口すると共に下面側に向かうにつれて開口面席が大きくなる長尺の箱体に形成されている。この反射体14の内面は、反射材(図示せず)で塗装されており、これによりLEDランプ13からの光を下方へ反射する反射面が形成されている。
本実施形態の照明器具10は、上記実施形態1,2のいずれか1つのLED点灯装置1が用いられることにより、上記実施形態1,2のいずれか1つと同様の効果を奏するものである。もちろん、照明器具10の構成として、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1と、光源部8と、LED点灯装置1および光源部8を保持する器具本体11とを備えた構成であれば、他の構成であってもよい。
1 LED点灯装置
2 昇圧部
3 降圧部
4 制御部
5 制御電源
6 駆動電源部
7 負荷状態検出部
8 光源部
9 直流電源
41 駆動回路
42 停止回路
Q1,Q2,Q3 スイッチング素子(第1,第2,第3のスイッチング素子)
L1,L2 インダクタ(第1,第2のインダクタ)

Claims (5)

  1. 少なくとも第1のインダクタおよび第1のスイッチング素子を有し、前記第1のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部と、
    少なくとも第2のインダクタおよび第2,第3のスイッチング素子を有し、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子とからなる直列回路は前記昇圧部の出力端間に接続され、低圧側に接続された前記第3のスイッチング素子をオフした状態で、高圧側に接続された前記第2のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、前記昇圧部の出力電圧を降圧して1乃至複数の発光ダイオードからなる光源部に印加する降圧部と、
    前記第1,第2,第3のスイッチング素子のスイッチング制御を行う制御部とを備え、
    前記第2,第3のスイッチング素子は、半導体スイッチング素子で構成されており、前記第2のスイッチング素子の両端間の寄生容量を、前記第3のスイッチング素子の両端間の寄生容量よりも大きくすることを特徴とするLED点灯装置。
  2. 前記光源部に印加される電圧を検出する電圧検出部を備え、
    前記制御部は、前記電圧検出部の検出値が所定の閾値以上となった場合、前記第1のスイッチング素子をオフ状態に維持することを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
  3. 前記光源部に供給される電流を検出する電流検出部を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部の検出値が所定の閾値以上となった場合、前記第1のスイッチング素子をオフ状態に維持することを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
  4. 前記光源部の状態を検出する負荷状態検出部を備え、
    前記制御部は、前記負荷状態検出部の検出結果に基づいて前記光源部が異常状態であると判断した場合、前記第3のスイッチング素子をオン状態に維持することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のLED点灯装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のLED点灯装置と、当該LED点灯装置によって点灯する1乃至複数の発光ダイオードからなる光源部と、前記LED点灯装置および前記光源部を保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。
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