JP2012221561A

JP2012221561A - Ｌｅｄ点灯装置及びｌｅｄ電球

Info

Publication number: JP2012221561A
Application number: JP2011082521A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nishizawa; 義男西沢; Tomohiro Shiraki; 知広白木; Yuya Yamazaki; 祐哉山崎
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-04
Also published as: JP5664973B2

Abstract

【課題】電源電圧変動があってもＬＥＤ電流が一定に維持されるＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤ電球を提供する。
【解決手段】電源電圧を整流する整流回路、整流回路の出力を受けてＬＥＤに流れるＬＥＤ電流をＰＷＭ制御する降圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路のスイッチング電流を検出する検出回路、及び検出されたスイッチング電流が一定となるように降圧チョッパ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路を備えたＬＥＤ点灯装置において、ＰＷＭ制御回路が、電流検出回路の出力電圧をフィルタリングするフィルタ回路、基準電圧を生成する基準電圧生成回路、フィルタ回路の出力電圧と基準電圧との比較の結果に応じて降圧チョッパ回路の通電期間を決定する比較駆動回路、及び電源電圧を検出する電源電圧検出回路を備え、基準電圧生成回路が、所定の電源電圧範囲において、電源電圧検出回路によって検出された電源電圧に対して基準電圧が単調減少するように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明はＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤ電球に関する。

近年、ＬＥＤの高輝度化が進み、白熱電球や電球型蛍光灯に代わりＬＥＤ電球が普及しつつある。ＬＥＤ電球用の点灯装置には、小型化に有利な非絶縁タイプの降圧チョッパ回路が主に用いられる（特許文献１）。

図６及び７に従来のＬＥＤ点灯装置を示す。図６の点灯装置は、整流回路２及び電解コンデンサ３からなる整流平滑回路、トランジスタ５、ダイオード７、コイル８及びコンデンサ９からなる降圧チョッパ回路、並びに電流検出抵抗６の検出電圧に応じて降圧チョッパ回路のトランジスタ５をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路４０を備える。整流平滑回路によって電源１の入力電圧が整流平滑され、整流平滑回路の出力を受けて降圧チョッパ回路はＬＥＤ１０に供給する電流を制限する。電流検出抵抗６によって検出されたトランジスタ５のスイッチング電流が一定となるようにトランジスタ５がＰＷＭ制御回路４０によってＰＷＭ制御される。なお、ＰＷＭ制御回路４０の制御電源（図７の定電圧源Ｖｒｅｆ）は不図示の配線及び回路を介して整流平滑回路の出力からＰＷＭ制御回路４０に引き込まれる。

図７にＰＷＭ制御回路４０の具体的構成を示す。定電圧源Ｖｒｅｆには分圧抵抗４０４及び４０５が接続され、その分圧出力が基準電圧として比較器４０３の正入力端子に入力される。電流検出抵抗６に発生する電圧はコンデンサ４０６及び抵抗４０７からなるフィルタ回路を介して比較器４０３の負入力端子に入力される。フィルタ回路は、急峻なノイズ電圧やノイズ電流によって比較器４０３が誤動作しないように設けられるものであり、ノイズをフィルタリングするのに充分な時定数の積分回路で構成される必要がある。比較器４０３、ロジック部４０２、及びゲートドライバ４０１は、電流検出抵抗６の電圧が基準電圧よりも低いときにトランジスタ５を導通させ、基準電圧に達すると非導通とするよう動作する。このようなＰＷＭ制御により、図８Ａに示すように、スイッチング電流のピーク値がＩｓとなるように制御され、ＬＥＤ電流の実効値が一定となるように制御される。

特開２０１０−２８７４３０号公報

しかし、図７に示すような回路には以下のような問題がある。
電源１が商用電源である場合、通常は電源電圧として定格値（例えば、約１０１Ｖ）が供給されるが、この電圧値は電力事情等によって変動し得る。ここで、商用電源１の電圧が定格値よりも高くなると、トランジスタ５に流れるスイッチング電流の勾配（ｄｉ／ｄｔ）が大きくなる。これにより、フィルタ回路（コンデンサ４０６、抵抗４０７）の影響により制御に遅れが生じ、図８Ｂに示すように、トランジスタ５を非導通とする瞬間の電流が当初の設定値Ｉｓよりも高いＩｓ´となり、ＬＥＤ１０に供給される電流も設定値よりも増加してしまう。反対に、電源１の電圧が定格電圧よりも低くなると、トランジスタ５に流れるスイッチング電流の勾配（ｄｉ／ｄｔ）が小さくなり、トランジスタ５を非導通とする瞬間の電流が当初の設定値Ｉｓよりも低くなり、ＬＥＤ１０に供給される電流も設定値に対して減少してしまう。

即ち、フィルタ回路にノイズ除去に充分な時定数をもたせ、定格電源電圧の供給を想定してＬＥＤ電流を設定し、そのＬＥＤ電流に対応した基準電圧を電源電圧変動に対して一定とした場合、図９に示すようにＬＥＤ電流は電源電圧に比例して増加してしまう。従って、従来のＬＥＤ点灯装置には、電源電圧変動に対して光出力を一定に制御することができないという問題があった。

本発明は、ＰＷＭ制御にノイズ耐性を持たせつつも、電源電圧変動があってもスイッチング電流（ＬＥＤ電流）が一定になるようにＰＷＭ制御を行うための安価な構成を導入し、電源電圧が変動しても光出力を一定に維持できるＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤ電球を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、電源電圧を整流する整流回路、整流回路の出力を受けてＬＥＤに流れるＬＥＤ電流をＰＷＭ制御する降圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路のスイッチング電流を検出する検出回路、及び検出されたスイッチング電流が一定となるように降圧チョッパ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路を備えたＬＥＤ点灯装置であって、ＰＷＭ制御回路が、電流検出回路の出力電圧をフィルタリングするフィルタ回路、基準電圧を生成する基準電圧生成回路、フィルタ回路の出力電圧と基準電圧との比較の結果に応じて降圧チョッパ回路の通電期間を決定する比較駆動回路、及び電源電圧を検出する電源電圧検出回路を備え、基準電圧生成回路が、所定の電源電圧範囲において、電源電圧検出回路によって検出された電源電圧に対して基準電圧が単調減少するように構成されたＬＥＤ点灯装置である。

ここで、基準電圧生成回路が、定電圧源に接続された分圧回路、トランジスタであってコレクタが前記分圧回路の出力点に接続されるとともにエミッタが抵抗を介して接地されたトランジスタ、及びトランジスタのベースと電源電圧検出回路の出力点の間にアノードをベースに向けて接続された定電圧ダイオードを備え、定電圧ダイオードによって所定の電源電圧範囲の下限値が決定される構成とした。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面のＬＥＤ点灯装置、ＬＥＤ、ＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤが搭載されるハウジング、並びにＬＥＤ点灯装置に電源電圧を供給するための口金を備えたＬＥＤ電球である。

本発明の実施例によるＬＥＤ点灯装置の回路図である。図１のＬＥＤ点灯装置におけるＰＷＭ制御回路を示す図である。本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。本発明の実施例によるＬＥＤ電球を示す図である。従来のＬＥＤ点灯装置の回路図である。図６のＬＥＤ点灯装置におけるＰＷＭ制御回路を示す図である。一般的なＰＷＭ制御回路の動作を説明する図である。従来のＰＷＭ制御回路の動作を説明する図である。従来のＰＷＭ制御回路の動作を説明する図である。

図１は本発明の実施例によるＬＥＤ点灯装置の回路図である。図１のＬＥＤ点灯装置において、ＰＷＭ制御回路４以外の構成は図６に示す従来のＬＥＤ点灯装置のものと同様である。即ち、ＬＥＤ点灯装置は、電源１からの電源電圧を整流する整流回路（整流回路２及び電解コンデンサ３）、整流回路の出力を受けてＬＥＤ１０に流れるＬＥＤ電流をＰＷＭ制御する降圧チョッパ回路（トランジスタ５、ダイオード７、コイル８及びコンデンサ９）、降圧チョッパ回路のスイッチング電流を検出する検出抵抗６、及び検出されたスイッチング電流が一定となるように降圧チョッパ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路４を備える。なお、ＰＷＭ制御回路４の制御電源（図２の定電圧源Ｖｒｅｆ）は不図示の配線及び回路を介して整流平滑回路からＰＷＭ制御回路４に引き込まれるものとする。

図２に、図１のＬＥＤ点灯装置におけるＰＷＭ制御回路４の具体的構成を示す。ＰＷＭ制御回路４は、電流検出抵抗６の出力電圧をフィルタリングするフィルタ回路（コンデンサ４０６及び抵抗４０７）、基準電圧を生成する基準電圧生成回路（トランジスタ４０８、抵抗４０９、抵抗４１０、定電圧ダイオード４１１及び抵抗４１２）、フィルタ回路の出力電圧と基準電圧とを比較して比較結果に応じてトランジスタ５の通電期間を決定する比較駆動回路（ゲートドライバ４０１、ロジック部４０２及び比較器４０３）、及び電源電圧を検出する電源電圧検出回路（抵抗４１３及び４１４）を備える。

定電圧源Ｖｒｅｆには分圧抵抗４０４及び４０５が接続され、その分圧出力が比較器４０３の正入力端子に入力される。電流検出抵抗６に発生する電圧はコンデンサ４０６及び抵抗４０７からなるフィルタ回路を介して比較器４０３の負入力端子に入力される。従来例と同様に、フィルタ回路は、急峻なノイズ電圧やノイズ電流によって比較器４０３が誤動作しないように設けられるものであり、ノイズをフィルタリングするのに充分な時定数の積分回路で構成される。ロジック部４０２が比較結果に応じてゲートドライバ４０１に駆動制御信号を出力し、駆動制御信号に応じてゲートドライバ４０１がトランジスタ５を駆動する。これにより、電流検出抵抗６の電圧が基準電圧よりも低いときにトランジスタ５が導通し、基準電圧に達すると非導通となり、この動作が繰り返される。なお、比較器４０３の入力における正負とロジック部４０２の論理を本実施例と逆にしてもよい。

電源電圧検出回路（抵抗４１３及び４１４）の出力点が抵抗４１２及び定電圧ダイオード４１１を介してトランジスタ４０８のベースに接続される。トランジスタ４０８のエミッタは抵抗４０９を介して接地され、コレクタは分圧抵抗４０４及び４０５の出力点に接続される。

定電圧ダイオード４１１のツェナー電圧は、電源電圧検出回路の出力点の電圧が、基準電圧制御を行うべき電源電圧変動範囲の下限値（以下、「制御下限値」という）となったときに、定電圧ダイオード４１１が導通するような電圧に設定される。即ち、電源電圧が下限値以上の範囲である場合に、電源電圧が高くなるのに比例してトランジスタ４０８のベース電流が増加する。そして、トランジスタ４０８のエミッタに接続された抵抗４０９により、トランジスタ４０８の直流増幅率（ｈ_ＦＥ）のばらつきの影響を受けず、ベース電流により不飽和状態のトランジスタ４０８のコレクタ−エミッタ間のインピーダンスを制御することが可能となる。これにより、電源電圧が高くなるのに比例してトランジスタ４０８のコレクタ−エミッタ間のインピーダンスが低下し、比較器４０３の正入力端子に入力される基準電圧が低下することになる。従って、下限値以上の電源電圧範囲において、電源電圧検出回路によって検出された電源電圧に対して基準電圧が単調減少する。

図３に、本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を示す。図示するように、電源電圧が下限値以上の範囲にある場合に、電源電圧の上昇に応じて基準電圧が減少し、従来例（図８、図９）においては増加していたスイッチング電流分が相殺され、電源電圧変動に対してＬＥＤ電流は一定となる。

上記実施例により、フィルタ回路に充分なノイズ除去能力を持たせつつ、電源電圧変動があってもスイッチング電流（ＬＥＤ電流）が一定になるようにＰＷＭ制御を行うための安価な構成が達成され、電源電圧が変動しても光出力を一定に制御・維持できる。言い換えると、フィルタ回路（コンデンサ４０６、抵抗４０７）の時定数を充分に長く設定しても応答の遅れによるスイッチング電流への影響をなくすことができるため、さらにノイズ耐性を強化することができる。

なお、上述のように制御下限値は定電圧ダイオード４１１によって設定される。一方、トランジスタ４０８が完全に導通状態となる電源電圧が、基準電圧制御を行うべき上限電源電圧（以下、「制御上限値」という）に対応するように、トランジスタ４０８、抵抗４０９及び４１２並びに定電圧ダイオード４１１を選定してもよい。また、電源電圧検出回路の抵抗４１４に定電圧ダイオード（不図示）を、カソードを抵抗４１３側にして並列接続することにより、制御上限値を設定することもできる。即ち、定電圧ダイオード４１１や他の回路定数を適切に設定することにより、基準電圧の制御を行うべき電源電圧範囲を設定することができる。

例えば、定格ＬＥＤ電流に対して、ＬＥＤ電流が減少することによる照度低下は問題とならないが増大することによるＬＥＤ素子や回路素子のストレスや寿命が問題となるような場合、図４Ａに示すように、定電圧ダイオード４１１によって決まる制御下限値を定格電源電圧に設定して基準電圧の制御が定格電源電圧以上で行われるようにしてもよい。
また逆に、定格ＬＥＤ電流に対して、ＬＥＤ電流が増大することには問題ないが減少することが問題となるような場合、例えば、最低限の照度さえ確保できればよい場合等は、図４Ｂに示すように、制御上限値を定格電源電圧に設定して、基準電圧の制御が定格電源電圧以下の範囲で行われるようにしてもよい。

またさらに、定電圧ダイオード４１１及び他の回路定数を適宜設定して、図４Ｃに示すように定格電源電圧付近の所望の範囲を動作範囲として設定してもよい。
制御下限値及び制御上限値については、例えば、確実に給電される範囲として商用１００Ｖ電源の場合は１０１±６Ｖ、商用２００Ｖ電源の場合は２０２±２０Ｖ（電気事業法施行規則第４４条（供給電圧の適正維持）参照）に対応させてもよいし、設計仕様に応じて電源電圧の８５％以上１１０％以下等としてもよい。

図５に、上記のＬＥＤ点灯装置を搭載したＬＥＤ電球を示す。ＬＥＤ電球は、上述したＬＥＤ点灯装置６０、ＬＥＤ素子１０、ＬＥＤ点灯装置６０及びＬＥＤ素子１０を保持するハウジング７０、ハウジング７０に取り付けられたカバー７５、並びにハウジング７０に結合されるとともに整流回路２の入力端が配線６１及び６２を介して電気的に接続される口金８０を備える。なお、ＬＥＤ電球の仕様に応じてカバー７５はあってもなくてもよい。なお、図面（特に、ハウジング７０の内部に配置されるＬＥＤ点灯装置６０、配線６１及び６２並びにＬＥＤ素子１０）は模式的に示したものであり、配置、形状及び大きさは図示したものに限定されない。

本発明によると、ノイズ耐性を担保しつつも電源電圧変動があっても一定の照度が得られるＬＥＤ電球を提供することができる。また、従来例（図７参照）に対する追加回路（トランジスタ４０８、抵抗４０９、４１０、４１２、４１３、４１４、定電圧ダイオード４１１）も小規模なもので済み、ＬＥＤ電球の小型化を妨げるものとはならないので好適である。

なお、上記実施例では電源１として商用１００Ｖ電源を主な例として説明したが、本発明は、回路素子を適切に選定することにより、ＡＣ１１０Ｖ、ＡＣ２００Ｖ、ＡＣ２４０Ｖ等の他の定格の電源用のＬＥＤ点灯装置及びＬＥＤ電球にも適用できる。また、電源１は商用電源に限らず、構内電源、自家発電等の電源が適用されてもよい。

２．整流回路
３．電解コンデンサ
４．ＰＷＭ制御回路
５．トランジスタ
６．電流検出抵抗
７．ダイオード
８．コイル
９．コンデンサ
１０．ＬＥＤ
４０１．ゲートドライバ
４０２．ロジック部
４０３．比較器
４０４、４０５、４０６、４０７、４０９、４１０、４１２、４１３、４１４．抵抗
４０８．トランジスタ
４１１．定電圧ダイオード

Claims

電源電圧を整流する整流回路、該整流回路の出力を受けてＬＥＤに流れるＬＥＤ電流をＰＷＭ制御する降圧チョッパ回路、該降圧チョッパ回路のスイッチング電流を検出する検出回路、及び検出された該スイッチング電流が一定となるように該降圧チョッパ回路をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路を備えたＬＥＤ点灯装置であって、
前記ＰＷＭ制御回路が、前記電流検出回路の出力電圧をフィルタリングするフィルタ回路、基準電圧を生成する基準電圧生成回路、該フィルタ回路の出力電圧と該基準電圧とを比較して該比較の結果に応じて前記降圧チョッパ回路の通電期間を決定する比較駆動回路、及び前記電源電圧を検出する電源電圧検出回路を備え、
前記基準電圧生成回路が、所定の電源電圧範囲において、前記電源電圧検出回路によって検出された電源電圧に対して前記基準電圧が単調減少するように構成されたＬＥＤ点灯装置。
請求項１記載のＬＥＤ点灯装置において、前記基準電圧生成回路が、
定電圧源に接続された分圧回路、
トランジスタであってコレクタが前記分圧回路の出力点に接続されるとともにエミッタが抵抗を介して接地されたトランジスタ、及び
前記トランジスタのベースと前記電源電圧検出回路の出力点の間に、アノードを該ベースに向けて接続された定電圧ダイオード
を備え、
前記定電圧ダイオードによって前記所定の電源電圧範囲の下限値が決定されるＬＥＤ点灯装置。
請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯装置、前記ＬＥＤ、該ＬＥＤ点灯装置及び該ＬＥＤが搭載されるハウジング、並びに該ＬＥＤ点灯装置に電源電圧を供給するための口金を備えたＬＥＤ電球。