JP2014023225A - 電源装置、固体発光素子点灯装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を抑制できるとともに、簡単な構成で高力率が得られる電源装置、これを有するＬＥＤ点灯装置、およびこれを備えた照明装置を提供する。
【解決手段】電源装置25は、全波整流器REC1、電力変換回路23および部分平滑回路24を備える。電力変換回路23は、少なくとも一つのスイッチング素子Q1を備え、このスイッチング素子Q1のスイッチング動作により全波整流器REC1の出力を直流電圧に変換する。部分平滑回路24は、コンデンサC1と全波整流器REC1の出力極性と逆極性に接続された第１のダイオードD1とを直列に備え、全波整流器REC1の出力側に電力変換回路23と並列的に設けられている。部分平滑回路24は、電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じてコンデンサC1が充電されるとともに、全波整流器REC1の出力電圧の谷部分においてコンデンサC1の充電電荷を、第１のダイオードD1を介して電力変換回路23に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、スイッチング素子のスイッチング動作により全波整流器の出力から負荷へと電力を変換する電力変換回路を備える電源装置、これを有する固体発光素子点灯装置、および、これを備える照明装置に関する。

従来、電力変換回路として一般的に用いられるスイッチングレギュレータやインバータ回路においては、商用交流電源のゼロクロス点近傍でも電力を供給するために平滑回路を用いることが一般的である。

最も簡単な構成としては、コンデンサインプット型の整流平滑回路が用いられるものの、この回路の場合、平滑電圧は電源電圧のピーク電圧まで充電可能で、出力電圧を一定とすることができる一方で、入力電流の導通角が狭くなることから尖頭波形電流が生じ、入力力率を低下させるほか、入力電流高調波が高くなる問題が生じる。

特に、近年、照明装置では、位相制御調光が行われるため、この位相制御調光に対応するために、調光器内のスイッチング素子であるサイリスタ(トライアック)の保持電流を確保するように、入力電流導通角を広くすることが望まれる。

そこで、各種の力率改善回路を用いて入力電流導通角を確保する構成が知られている。

特開２００１−３５１７８９号公報 特表２００７−５３８３７８号公報 特開２０１１−１０８６４５号公報

力率改善回路として、例えば放電用のダイオードとコンデンサとの直列回路一対を充電用ダイオードによりブリッジ状に接続した、いわゆる谷埋め(バレーフィル)回路を用いる場合には、２つのコンデンサが直列状態で充電されるため、これらのコンデンサの容量がほぼ等しければ、これらのコンデンサには電源電圧のピーク電圧の１／２の電圧まで充電される。そして、電源電圧の瞬時値が１／２以上のときには電源から電力変換回路へと給電されるため、電流導通角が拡大され、電源電圧の瞬時値が１／２以下(１／２未満)のときには、充電されたコンデンサから電力変換回路へと給電されるので、ゼロクロス点近傍においても安定的に電力変換回路から負荷に給電できる。しかしながら、この構成の場合には、入力電流波形には電源電圧のピーク近傍で尖頭電流が発生するだけでなく、電源投入時に突入電流が発生するため、これらに対する対策回路などが必要となる。

また、力率改善回路として、例えば昇圧型の力率改善回路を用いる場合には、この昇圧型力率改善回路と電力変換回路との２段のコンバータとなるため、電源装置のコストが高くなるとともに、回路規模が大きくなる。

そこで、電力変換回路として例えばフライバックコンバータを用い、フライバックトランスの二次側に流れる電流を検出し、その検出した電流に対応する信号を、フライバックトランスの一次側のスイッチング素子をオンオフ制御する制御回路に対してフォトカプラなどによりフィードバックすることで、定電流制御を可能とした構成が広く用いられるものの、この構成の場合には、調光器がオフしている期間は電源から制御回路にエネルギーが供給されず、出力制御ができない。

本発明が解決しようとする課題は、突入電流を抑制できるとともに、簡単な構成で高力率が得られる電源装置、これを有する固体発光素子点灯装置、および、これを備える照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、整流器、電力変換回路、および、部分平滑回路を備える。整流器は、交流電圧を整流する。電力変換回路は、少なくとも一つのスイッチング素子を備え、このスイッチング素子のスイッチング動作により整流器の出力を直流電圧に変換する。部分平滑回路は、コンデンサおよび整流器の出力極性と逆極性に接続されたダイオードを直列に備え、整流器の出力側に電力変換回路と並列的に設けられている。また、この部分平滑回路は、電力変換回路のスイッチング素子のスイッチング動作に応じてコンデンサが充電されるとともに、整流器の出力電圧の谷部分においてコンデンサの充電電荷を、ダイオードを介して電力変換回路に供給する。

本発明によれば、コンデンサは電力変換回路のスイッチング素子のスイッチング動作に応じて充電され、直接的に交流電源から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、交流電源のゼロクロス点近傍においても充電されたコンデンサの充電電荷を、ダイオードを介して電流変換回路に供給できるので、簡単な構成で高力率が得られる。

第１の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 同上固体発光素子点灯装置の位相制御式調光器を示す回路図である。 同上固体発光素子点灯装置の電圧および電流の波形図である。 同上固体発光素子点灯装置を備える照明装置を示す斜視図である。 第２の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第３の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第４の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 同上固体発光素子点灯装置の電圧および電流の波形図である。 第５の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 同上固体発光素子点灯装置の電圧および電流の波形図である。 第６の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第７の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第８の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第９の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置を示す回路図である。 第１０の実施形態の電源装置を有する固体発光素子点灯装置の位相制御式調光器を示す回路図である。 同上固体発光素子点灯装置の電圧および電流の波形図である。

以下、第１の実施形態の構成を図１ないし図４を参照して説明する。

図４に示すように、照明装置10は、例えば電球形ランプであり、この照明装置10は、発光モジュール11、この発光モジュール11に電力を供給する固体発光素子点灯装置としてのＬＥＤ点灯装置である点灯回路12、点灯回路12を内包するとともにランプ軸方向（グローブ14と口金15とを結ぶ方向）の一端側に発光モジュール11を配置する装置本体としての基体13、発光モジュール11を覆って基体13の一端側に取り付けられたグローブ14、および基体13の他端に取り付けられた口金15を備えている。そして、この照明装置10は、ランプ軸方向の長さおよびランプ軸方向に直交する方向の最大外径が一般照明用白熱電球と同等の寸法で、全体として白熱電球の形状に近似した形状に形成されている。

発光モジュール11は、モジュール基板としての円板状の基板18、および、この基板18の一端側の面に配置された発光部19を有しており、この発光部19に、負荷としての固体発光素子である発光ダイオード(ＬＥＤ)20が複数配置されている。これら発光ダイオード20は、例えば電気的に直列に接続されている。

また、点灯回路12は、図１ないし図４に示すように、交流電源である商用交流電源ｅに対して口金15を介してこの商用交流電源ｅの(交流)電圧V1を全波整流する整流器である全波整流器REC1が電気的に接続され、この全波整流器REC1の出力端に対して、コンデンサC1と第１のダイオードD1との直列回路22と、１つのスイッチング素子Q1を有しこのスイッチング素子Q1のスイッチング動作により全波整流器REC1の出力を直流電圧(直流電力)に変換する電力変換回路23とがそれぞれ電気的に並列的に接続され、これら直列回路22と電力変換回路23とが第２のダイオードD2により電気的に接続されて部分平滑回路24を構成した電源装置(スイッチングレギュレータ)25を備えている。さらに、この点灯回路12は、位相制御式調光器(ディマー)26を介して商用交流電源ｅから給電されるようになっている。そして、この点灯回路12は、一対のリード線27を介して口金15と電気的に接続されているとともに、図示しない配線を介して発光モジュール11の発光部19(発光ダイオード20)と電気的に接続されている。

コンデンサC1は、全波整流器REC1から電力変換回路23へと供給される電圧V2を、電圧が相対的に低いときにのみ、すなわち谷部分で部分的に平滑(谷埋め)するものであり、例えば電解コンデンサが用いられる。

第１のダイオードD1は、商用交流電源ｅの電圧V1(全波整流器REC1の全波整流電圧)の瞬時値が所定値以下(所定値未満)となったときにコンデンサC1から電力変換回路23へと給電するようにコンデンサC1の充電電荷を放電させるものであり、このコンデンサC1を放電する方向、すなわち全波整流器REC1の出力極性と逆極性にて全波整流器REC1の出力端の一端(高圧側)と電気的に接続されている。

また、第２のダイオードD2は、電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じてコンデンサC1を充電するためのものであり、このコンデンサC1を充電する方向に電気的に接続されている。

また、電力変換回路23は、スイッチング素子Q1と第３のダイオードD3との直列回路28と、このスイッチング素子Q1と第３のダイオードD3との接続点と第２のダイオードD2との間に電気的に接続されたインダクタL1と、このインダクタL1の中間タップＣに接続された出力コンデンサC2とを備えたＤＣ−ＤＣコンバータすなわち降圧チョッパ回路であり、出力コンデンサC2が発光ダイオード20(発光部19)と電気的に並列に接続されている。この電力変換回路23は、スイッチング素子Q1、インダクタL1および出力コンデンサC2が全波整流器REC1の出力端間に電気的に接続されている。そして、この電力変換回路23は、スイッチング素子Q1がオンしたときに直線的に増加する増加電流が全波整流器REC1からインダクタL1に流れて、インダクタL1に電磁エネルギーが蓄積され、スイッチング素子Q1がオフしたときにインダクタL1に蓄積された電磁エネルギーが第３のダイオードD3により形成される閉回路内に放出されてインダクタL1から直線的に減少する減少電流が増加電流と同一方向に流れるように構成され、出力コンデンサC2の両端間に、商用交流電源ｅの電圧V1のピーク値よりも小さい電圧を出力するようになっている。

インダクタL1は、一次巻線L1aの巻数が例えばn1に設定され、この一次巻線L1aと電気的に接続された二次巻線L1bの巻数がn2に設定されている。一次巻線L1aは、スイッチング素子Q1と第３のダイオードD3との接続点と電気的に接続され、二次巻線L1bは、第２のダイオードD2と電気的に接続されている。

また、位相制御式調光器26は、調光制御に対応して商用交流電源ｅのゼロクロス点から発光ダイオード20への電力の出力をオンするまでの遅延時間ｔを設定する、いわゆるリーディングエッジ型のものであり、商用交流電源ｅに対して自己保持性素子としてのサイリスタであるトライアックTRが電気的に直列に接続され、このトライアックTRにタイマ回路31が電気的に接続されている。さらに、トライアックTRの両端には、フィルタ回路32が電気的に接続されている(図２)。なお、以下、位相制御式調光器26を単に調光器26と記載するものとする。

タイマ回路31は、トライアックTRと電気的に並列に接続され調光制御に対応して抵抗値が可変設定される可変抵抗VRとコンデンサC3との直列回路である時定数回路と、一端が時定数回路の出力端である可変抵抗VRとコンデンサC3との接続点と電気的に接続され他端がトライアックTRの制御端子と電気的に接続されたトリガ素子としてのダイアックDIとを備えている。

また、フィルタ回路32は、コンデンサC4とコイルLaとにより構成されており、ノイズが商用交流電源ｅ側に漏れないようになっている。

そして、調光器26は、商用交流電源ｅから電圧V1が印加されると、コンデンサC3が充電され、このコンデンサC3の出力端の電圧がダイアックDIのブレークオーバー電圧に到達することで、ゲート電流がダイアックDIを経由してトライアックTRの制御端子に流入し、トライアックTRがターンオンすることにより、発光ダイオード20側に電流を供給する。トライアックTRは、このトライアックTRが有する固有の保持電流以下となるまで導通を持続して電流を供給しつつ、電源電圧がゼロクロス点近傍となるとトライアックTRを流れる電流が減少しトライアックTRがオフする。そして、商用交流電源ｅの極性が反転した次の半サイクルでは、コンデンサC3が逆極性に充電され、同様にダイアックDIがブレークオーバーし、トライアックTRを点弧させる。以下、この動作を繰り返す。このため、例えば壁面などに設置された図示しないつまみなどを介して可変抵抗VRを操作して可変抵抗VRの抵抗値を変化させることで、時定数(遅延時間ｔ)が変化するから、トライアックTRのターンオンの導通角(位相角)、すなわち調光度が変化する。その結果、調光器26は、使用者の操作によって決定される調光度に応じてその出力電圧を変化させることが可能となっている。

また、基体(筐体)13は、例えば樹脂、あるいは金属などにより有蓋円筒状に形成されている。この基体13の一端側には、発光モジュール11の基板18が配置され、基体13の他端側からは一対のリード線27が導出されている。

また、口金15は、一般照明電球用のソケットに接続可能なもので、周面に沿ってねじ山が形成されたシェル、シェルの他端側の面に設けられた絶縁部、および絶縁部の頂部に設けられたアイレットを有している。そして、口金15を基体13に取り付ける際に、一対のリード線27のうちの一方のリード線27がシェルに接続され、他方のリード線27がアイレットに接続される。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。

照明装置10は、口金15を図示しないソケットにねじ込んで装着することで、商用交流電源ｅの電圧が調光器26を介してソケットから口金15を通じて点灯回路12に供給される。

このとき、まず、調光器26において、商用交流電源ｅの電圧V1の半サイクル毎に時定数回路のコンデンサC3の出力端の電圧がダイアックDIのブレークオーバー電圧に到達することで、ゲート電流がダイアックDIを経由してトライアックTRの制御端子に流入し、トライアックTRがターンオンすることで、出力電圧が変化する。この出力電圧は、点灯回路12の全波整流器REC1に入力され、この全波整流器REC1によって全波整流されることで、全波整流器REC1の出力端に電圧V2(図３)が生じ、電力変換回路23に入力される。なお、図３において、例えば実線は調光器26がない状態を示し、想像線は所定の調光状態を示す。

電力変換回路23では、スイッチング素子Q1のオンオフを商用交流電源ｅの周波数よりも充分大きい高周波で切り替えることで、出力コンデンサC2により平滑された直流電圧である負荷電圧V3が発光ダイオード20に供給され、発光ダイオード20が点灯し、この発光ダイオード20からの光がグローブ14を透過して外部に照射される。

このとき、部分平滑回路24では、コンデンサC1が、スイッチング素子Q1がオンしたときに、第２のダイオードD2を介して充電される。このコンデンサC1の充電電圧V4(図３)は、負荷電圧V3とインダクタL1の一次巻線L1aと二次巻線L1bとの巻数比とにより決定され、V4＝V3・(n1＋n2)／n1となる。すなわち、充電電圧V4は、負荷電圧V3よりも大きく設定されている。そして、電力変換回路23は、電圧V2の瞬時値が所定値であるコンデンサC1の充電電圧V4よりも低いときに、第１のダイオードD1を介して放電したコンデンサC1から電源側の電圧V1のピーク値よりも低い電圧で給電され、電圧V2の瞬時値が充電電圧V4よりも高いときに、電源側、すなわち全波整流器REC1の出力側から給電される。この結果、全波整流器REC1から出力される電圧V2が部分平滑されるとともに、電流導通角が拡大される。すなわち、充電電圧V4の値が低いほど電流導通角が広がることとなる。

このように、降圧チョッパ回路である電力変換回路23のスイッチング素子Q1の高周波スイッチング動作を利用してコンデンサC1を充電することにより、部分平滑回路24のコンデンサC1が直接的に電源電圧から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、この充電したコンデンサC1の充電電荷を全波整流器REC1の出力電圧(電圧V2)の谷部分において第１のダイオードD1によって電力変換回路23に供給することで全波整流器REC1から電力変換回路23へと出力される電圧V2を部分平滑することにより、例えばアクティブフィルタ回路などを用いた別途の力率改善回路を備える構成と比較して、簡単な構成で高力率が得られる。

また、調光器26からの位相制御出力からオン位相や出力電圧値などを検出し、この検出信号に応じて電力変換回路23の出力を変化させることにより、調光点灯が可能になる。この場合の検出手段や電力変換回路23の出力変換手段については、図示を省略したが、既知の検出手段、スイッチング素子Q1のスイッチング制御手段などを用いて適宜構成可能である。

なお、上記第１の実施形態において、図５に示す第２の実施形態のように、高圧側と低圧側との電気的な接続を入れ替えた構成、すなわち、直列回路22において、コンデンサC1を高圧側、第１のダイオードD1を低圧側とし、かつ、直列回路28において、第３のダイオードD3を高圧側、スイッチング素子Q1を低圧側としても、同様の作用効果を奏することができる。

次に、第３の実施形態を図６を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

第３の実施形態の照明装置10の点灯回路12は、図５に示す第２の実施形態の全波整流器REC1と電力変換回路23との間に、定電流回路であるブリーダ回路35が接続されているものである。

このブリーダ回路35は、調光器26のトライアックTRをターンオンさせるためのタイマ回路31を作動させ得る、あるいはトライアックTRを自己保持させるブリーダ電流を電圧V1(全波整流器REC1の出力電圧)が所定値より小さい期間に引き出すものである。このブリーダ回路35は、抵抗R1とツェナダイオードZDとの直列回路(定電圧回路)と、これら抵抗R1とツェナダイオードZDとの接続点に制御端子が電気的に接続されたＦＥＴなどのスイッチング素子Q2、抵抗R2およびＮＰＮ型のバイポーラトランジスタなどのスイッチング素子Q3との直列回路と、抵抗R3，R4の直列回路とがそれぞれ全波整流器REC1の出力端間に電気的に並列に接続され、かつ、抵抗R3，R4の接続点に制御端子が電気的に接続されたＮＰＮ型のバイポーラトランジスタなどのスイッチング素子Q4がスイッチング素子Q2と抵抗R2との接続点と一端が電気的に接続された抵抗R5の他端およびスイッチング素子Q3の制御端子と電気的に接続されて構成されている。さらに、このブリーダ回路35は、逆流防止用のダイオードDaを介して電力変換回路23と電気的に接続されている。

そして、この点灯回路12は、調光器26が操作されて適当な調光度に設定されている場合、商用交流電源ｅを投入すると、電圧V1の各半サイクル中、調光器26のタイマ回路31の時定数回路、全波整流器REC1、および、抵抗R3，R4の直列回路の閉回路に交流電圧が印加され、抵抗R3，R4の直列回路にブリーダ電流が流れ、さらに、電圧V1がツェナダイオードZDのツェナ電圧を超えると、スイッチング素子Q2がオンすることで、スイッチング素子Q2、抵抗R2およびスイッチング素子Q3の直列回路にも電圧が印加され、スイッチング素子Q3がオンして、ブリーダ電流が流れる。この結果、調光器26のタイマ回路31が動作を開始して、コンデンサC3が充電される。なお、この時点では抵抗R3，R4の直列回路に流れるブリーダ電流が小さいため、スイッチング素子Q4はオンされない。

次いで、コンデンサC3が充電されて、ダイアックDIのブレークオーバー電圧に到達すると、ダイアックDIが導通することで、コンデンサC3から電流がトライアックTRの制御素子に流入し、トライアックTRがターンオンする。その結果、電圧V1の半サイクルにおいて、トライアックTRがターンオンした位相角以降の電圧が全波整流器REC1の入力端間に印加され、全波整流される。

この全波整流された電圧V2が出力端間に生じると、調光器26による電圧降下が殆どなくなり、抵抗R3，R4間に所定電圧以上の高い電圧が印加されることで、これら抵抗R3，R4間に流れるブリーダ電流によりスイッチング素子Q4がオンすることでスイッチング素子Q3がオフされ、スイッチング素子Q2、抵抗R5およびスイッチング素子Q4の直列回路に、抵抗R2を介する場合と比較して僅かな電流しか流れない。したがって、この期間の電力損失を軽減できる。次に、電圧V1の半サイクルにおいて、電圧V1が低下していくと、再びスイッチング素子Q4がオフし、スイッチング素子Q3がオンして抵抗R2を介するブリーダ電流が流れる。このため、トライアックTRのオン状態が保持される。

このように、調光器26のトライアックTRの保持電流を得るためのブリーダ回路35を備えることにより、点灯電流が小さい発光ダイオード20を用いる点灯回路12においても、調光器26をより安定的に動作させることができる。

次に、第４の実施形態を図７および図８を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

第４の実施形態の照明装置10の点灯回路12は、電力変換回路23が、全波整流器REC1の出力端間に接続された直列回路22の両端間に接続されたチョークコイルL2とスイッチング素子Q1との直列回路37と、スイッチング素子Q1の両端間に接続された逆流防止用の第４のダイオードD4および平滑コンデンサC5との直列回路38とを備えたＤＣ−ＤＣコンバータ、すなわち昇圧チョッパ回路であり、かつ、調光器26の出力側にノイズフィルタリング用の雑防コンデンサC6が電気的に接続されているものである。そして、この電力変換回路23は、スイッチング素子Q1をオンオフさせることで、チョークコイルL2の自己誘導を利用して、平滑コンデンサC5の両端間に商用交流電源ｅの電圧V1よりも大きい所定の負荷電圧V3を発生するように構成されている。

チョークコイルL2(一次巻線L2a)は、全波整流器REC1の出力端の一端(高圧側)に対してコンデンサC1と第１のダイオードD1との直列回路22と電気的に並列に接続されている。また、このチョークコイルL2(一次巻線L2a)には、二次巻線L2bが磁気結合されている。この二次巻線L2bは、一端がチョークコイルL2(一次巻線L2a)の入力側、すなわち全波整流器REC1の出力端の一端と電気的に接続され、他端が第２のダイオードD2と電気的に接続されている。さらに、このチョークコイルL2(一次巻線L2a)は、巻数が例えばn3に設定され、二次巻線L2bの巻数が、例えばn4に設定されている。

そして、商用交流電源ｅの投入により、点灯回路12では、全波整流器REC1の出力端に電圧V2(図８)が生じ、電力変換回路23に入力される。なお、図８において、例えば実線は調光器26がない状態を示し、想像線は所定の調光状態を示す。

電力変換回路23では、スイッチング素子Q1のオンオフを商用交流電源ｅの周波数よりも充分大きい高周波で切り替えることで、平滑コンデンサC5により平滑された直流電圧である負荷電圧V3が発光ダイオード20に供給され、発光ダイオード20が点灯し、この発光ダイオード20からの光がグローブ14を透過して外部に照射される。

このとき、部分平滑回路24では、コンデンサC1が、スイッチング素子Q1がオンしたときに、第２のダイオードD2を介して充電される。このコンデンサC1の充電電圧V4は、負荷電圧V3とチョークコイルL2(一次巻線L2a)と二次巻線L2bとの巻数比とにより決定され、V4＝V3・n4／n3となる。そして、電力変換回路23は、電圧V2の瞬時値が所定値であるコンデンサC1の充電電圧V4よりも低いときに、すなわち電圧V2の谷部分で、第１のダイオードD1を介して放電したコンデンサC1から電源側の電圧V1よりも高い電圧で給電され、電圧V2の瞬時値が充電電圧V4よりも高いときに、電源側、すなわち全波整流器REC1の出力側から給電される。この結果、全波整流器REC1から出力される電圧V2が部分平滑されるとともに、電流導通角が拡大される。

このように、昇圧チョッパ回路である電力変換回路23のスイッチング素子Q1の高周波スイッチング動作を利用して部分平滑回路24のコンデンサC1を充電することにより、コンデンサC1が直接的に電源電圧から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、この充電したコンデンサC1の充電電荷を全波整流器REC1の出力電圧(電圧V2)の谷部分において第１のダイオードD1によって電力変換回路23に供給することで全波整流器REC1から電力変換回路23へと出力される電圧V2を部分平滑することにより、例えばアクティブフィルタ回路などを用いた別途の力率改善回路を備える構成と比較して、簡単な構成で高力率が得られる。

次に、第５の実施形態を図９および図１０を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

第５の実施形態の照明装置10の点灯回路12は、電力変換回路23が、チョークコイルL3と、このチョークコイルL3の一次側である一次巻線L3aの一端と電気的に直列に接続されたスイッチング素子Q1と、チョークコイルL3の二次側、すなわち一次巻線L3aと磁気結合されて電気的に絶縁された(第１)二次巻線L3b1と電気的に接続された整流用(逆流防止用)の第５のダイオードD5および出力コンデンサC7を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ、すなわちフライバックコンバータであるものである。そして、この電力変換回路23は、スイッチング素子Q1をオンオフさせることで、チョークコイルL3の自己誘導を利用して、二次巻線L3b1の両端間に接続された出力コンデンサC7の両端間に商用交流電源ｅの電圧V1よりも大きい所定の負荷電圧V3を発生するように構成されている。

チョークコイルL3の一次巻線L3aと電気的に接続された二次側である(第２)二次巻線L3b2は、第２のダイオードD2と電気的に接続されている。さらに、このチョークコイルL3は、一次巻線L3aの巻数が、例えばn5に設定され、二次巻線L3b1の巻数が、例えばn6に設定され、かつ、二次巻線L3b2の巻数が、例えばn7に設定されている。

そして、商用交流電源ｅの投入により、点灯回路12では、全波整流器REC1の出力端に電圧V2(図１０)が生じ、電力変換回路23に入力される。なお、図１０において、例えば実線は調光器26がない状態を示し、想像線は所定の調光状態を示す。

電力変換回路23では、スイッチング素子Q1のオンオフを商用交流電源ｅの周波数よりも充分大きい高周波で切り替えることで、出力コンデンサC7により平滑された直流電圧である負荷電圧V3が発光ダイオード20に供給され、発光ダイオード20が点灯し、この発光ダイオード20からの光がグローブ14を透過して外部に照射される。

このとき、部分平滑回路24では、コンデンサC1が、スイッチング素子Q1がオンしたときに、第２のダイオードD2を介して充電される。このコンデンサC1の充電電圧V4は、負荷電圧V3とチョークコイルL3の一次巻線L3aと二次巻線L3b2との巻数比とにより決定され、V4＝V3・n7／n5となる。そして、電力変換回路23は、電圧V2の瞬時値が所定値であるコンデンサC1の充電電圧V4よりも低いときに、すなわち電圧V2の谷部分で、第１のダイオードD1を介して放電したコンデンサC1から電源側の電圧V1よりも高い電圧で給電され、電圧V2の瞬時値が充電電圧V4よりも高いときに、電源側、すなわち全波整流器REC1の出力側から給電される。この結果、全波整流器REC1から出力される電圧V2が部分平滑されるとともに、電流導通角が拡大される。

このように、フライバックコンバータである電力変換回路23のスイッチング素子Q1の高周波スイッチング動作を利用して部分平滑回路24のコンデンサC1を充電することにより、コンデンサC1が直接的に電源電圧から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、この充電したコンデンサC1の充電電荷を全波整流器REC1の出力電圧(電圧V2)の谷部分において第１のダイオードD1によって電力変換回路23に供給することで全波整流器REC1から電力変換回路23へと出力される電圧V2を部分平滑することにより、例えばアクティブフィルタ回路などを用いた別途の力率改善回路を備える構成と比較して、簡単な構成で高力率が得られる。

なお、上記第５の実施形態において、図１１に示す第６の実施形態のように、高圧側と低圧側との電気的な接続を入れ替えた構成、すなわち、直列回路22において、第１のダイオードD1を高圧側、コンデンサC1を低圧側とし、かつ、スイッチング素子Q1を高圧側、チョークコイルL3を低圧側としても同様の作用効果を奏することができる。

また、上記第５の実施形態において、図１２に示す第７の実施形態のように、チョークコイルL3の一次巻線L3aにダイオードDb、抵抗R6およびコンデンサC8からなりチョークコイルL3の一次巻線L3aに流れる電流を回生するスナバ回路41を電気的に接続するとともに、第２のダイオードD2を、チョークコイルL3の一次巻線L3aに対して磁気結合されかつ電気的に絶縁された二次巻線L3b2と電気的に接続しても、同様の作用効果を奏することができる。

次に、第８の実施形態を図１３を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

第８の実施形態の照明装置10の点灯回路12は、第５の実施形態において、第５のダイオードD5がチョークコイルL3とスイッチング素子Q1との接続点と接続されているとともに、出力コンデンサC7が第５のダイオードD5の出力側とチョークコイルL3の一次巻線L3aとの間に接続されているものである。

そして、商用交流電源ｅの投入により、点灯回路12では、全波整流器REC1の出力端に電圧V2(図８)が生じ、電力変換回路23に入力される。

電力変換回路23では、スイッチング素子Q1のオンオフを商用交流電源ｅの周波数よりも充分大きい高周波で切り替えることで、出力コンデンサC7により平滑された直流電圧である負荷電圧V3が発光ダイオード20に供給され、発光ダイオード20が点灯し、この発光ダイオード20からの光がグローブ14を透過して外部に照射される。

このとき、部分平滑回路24では、コンデンサC1が、スイッチング素子Q1がオンしたときに、第２のダイオードD2を介して充電される。このコンデンサC1の充電電圧V4は、負荷電圧V3とチョークコイルL3の一次巻線L3aと二次巻線L3b2との巻数比とにより決定され、V4＝V3・n7／n5となる。そして、電力変換回路23は、電圧V2の瞬時値が所定値であるコンデンサC1の充電電圧V4よりも低いときに、すなわち電圧V2の谷部分で、第１のダイオードD1を介して放電したコンデンサC1から電源側の電圧V1よりも高い電圧で給電され、電圧V2の瞬時値が充電電圧V4よりも高いときに、電源側、すなわち全波整流器REC1の出力側から給電される。この結果、全波整流器REC1から出力される電圧V2が部分平滑されるとともに、電流導通角が拡大される。

このように、フライバックコンバータである電力変換回路23のスイッチング素子Q1の高周波スイッチングを利用して部分平滑回路24のコンデンサC1を充電することにより、コンデンサC1が直接的に電源電圧から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、この充電したコンデンサC1の充電電荷を全波整流器REC1の出力電圧(電圧V2)の谷部分において第１のダイオードD1によって電力変換回路23に供給することで全波整流器REC1から電力変換回路23へと出力される電圧V2を部分平滑することにより、例えばアクティブフィルタ回路などを用いた別途の力率改善回路を備える構成と比較して、簡単な構成で高力率が得られる。

なお、上記第８の実施形態において、図１４に示す第９の実施形態のように、高圧側と低圧側との電気的な接続を入れ替えた構成、すなわち、直列回路22において、第１のダイオードD1を高圧側、コンデンサC1を低圧側とし、かつ、スイッチング素子Q1を高圧側、チョークコイルL3を低圧側としても同様の作用効果を奏することができる。

そして、上記第１、第２、および、第４ないし第９の実施形態の少なくとも一つは、調光器26のトライアックTRの保持電流を流すための回路を設けていないため、この回路による回路効率の低下や温度上昇の増加などに起因する信頼性の低下を抑制できるとともに、省エネルギーに寄与できる。

そして、以上説明した少なくとも一つの実施形態では、調光制御に対応して商用交流電源ｅのゼロクロス点から発光ダイオード20への電力の出力をオンするまでの遅延時間ｔを設定するリーディングエッジ型の調光器26を用いた。ここで、リーディングエッジ型の調光器26を一般的なコンデンサインプット型の平滑回路を備えた電源装置に適用する場合、調光器26のトライアックTRがターンオンしたとき、回路に流れ込む入力電流のピークは定常入力電流の実効値に対して数十倍に達することもあるため、配線容量が大きくなるとともに、調光器26内の部品にストレスを与えることが懸念され、さらには、電源周期で尖頭電流が流れることにより騒音が発生する。そこで、電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作によってコンデンサC1を充電して部分平滑を図ることにより、リーディングエッジ型の調光器26を用いる場合でも、調光器26を安定に動作させることができ、突入電流を抑制するための構成などを別途設けて部品点数およびコストの増加を防止できるとともに、温度上昇や騒音を抑制でき、小型化が可能で信頼性を向上できる。

なお、上記第１、第２、および、第４ないし第９の実施形態の少なくともいずれかにおいて、調光器26は、図１５および図１６に示す第１０の実施形態のように、調光制御に対応して商用交流電源ｅのゼロクロス点から発光ダイオード20への電力の出力をオフするまでの遅延時間ｔを設定する、いわゆるトレーリングエッジ型のものとしてもよい。

この調光器26は、具体的に、商用交流電源ｅと全波整流器REC1の入力端の一端との間に入力端が接続された全波整流器REC2と、この全波整流器REC2の出力端間に接続された平滑用のコンデンサC9と、この平滑用のコンデンサC9の両端間に接続されたスイッチング素子Q5と、このスイッチング素子Q5の両端間に接続されたダイオードDc、抵抗R7およびコンデンサC10の直列回路である補助電源回路43と、このコンデンサC10により給電されスイッチング素子Q5のスイッチングを制御する制御回路44とを備えている。また、この調光器26と全波整流器REC1との間には、ノイズフィルタリング用の雑防コンデンサC11が接続されている。

そして、照明装置10の動作時、点灯回路12では、まず、調光器26において、スイッチング素子Q5のオフ期間にダイオードDcおよび抵抗R7を介して全波整流器REC2の出力電圧によって充電されたコンデンサC10からの給電により制御回路44が動作し、使用者の操作によって決定される調光度に応じた遅延時間ｔでスイッチング素子Q5をオンすることにより、出力電圧が変化する。この出力電圧は、全波整流器REC1に入力され、この全波整流器REC1によって全波整流されることで、全波整流器REC1の出力端に電圧V2(図１６)が生じ、電力変換回路23に入力される。

電力変換回路23では、スイッチング素子Q1のオンオフを商用交流電源ｅの周波数よりも充分大きい高周波で切り替えることで負荷電圧V3が発光ダイオード20に供給され、発光ダイオード20が点灯し、この発光ダイオード20からの光がグローブ14を透過して外部に照射される。

このとき、部分平滑回路24では、コンデンサC1が、スイッチング素子Q1がオンしたときに、第２のダイオードD2を介して充電される。そして、電力変換回路23は、電圧V2の瞬時値が所定値であるコンデンサC1の充電電圧V4よりも低いときに、すなわち電圧V2の谷部分で、第１のダイオードD1を介して放電したコンデンサC1から電源側の電圧V1よりも低い電圧で給電され、電圧V2の瞬時値が充電電圧V4よりも高いときに、電源側、すなわち全波整流器REC1の出力側から給電される。この結果、全波整流器REC1から出力される電圧V2が部分平滑されるとともに、電流導通角が拡大される。

このように、調光制御に対応して商用交流電源ｅのゼロクロス点から発光ダイオード20への電力の出力をオフするまでの遅延時間ｔを設定するトレーリングエッジ型の調光器26を用いた。ここで、トレーリングエッジ型の調光器26を一般的なコンデンサインプット型の平滑回路を備えた電源装置に適用する場合、調光器26が遮断しても入力電流が０となっている期間では、雑防コンデンサC11に蓄積された電荷を放電する経路を有さず、電荷が残留するとともに、スイッチング素子Q5が遮断した期間においては、調光器26内のコンデンサC10を充電するために漏れ電流が流出するので、調光器26の出力電圧が低下しない。これら雑防コンデンサC11の電荷や漏れ電流を引き込むために例えばブリーダ回路などを設ける場合、ブリーダ回路は電源装置25の回路効率の低下を防止するために所定電圧以下で動作するように構成されているので、比較的電源電圧が高い位相で調光器26が遮断した場合には、ブリーダ回路による放電動作が用意でなく、また、常時電流を流す構成とする場合には、回路効率の低下が避けられない。そこで、電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作によってコンデンサC1を充電して部分平滑を図ることにより、トレーリングエッジ型の調光器26を用いる場合でも、電流導通角が大きいため、雑防コンデンサC11の電荷や漏れ電流を容易に引き込むことができ、調光器26の出力電圧を安定させることができるとともに、ブリーダ回路などを設ける必要がなく、回路効率をより向上できる。

そして、以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じて充電されたコンデンサC1の充電電荷を、全波整流器REC1の出力電圧(電圧V1)の谷部分において第１のダイオードD1を介して電力変換回路23に供給する部分平滑回路24を備えることで、コンデンサC1が直接的に電源電圧から充電されることがないため、突入電流を抑制できるとともに、全波整流器REC1から電力変換回路23へと出力される電圧V2が部分平滑されるので、１段のコンバータのみで力率を改善でき、簡単な構成で高力率が得られる。

具体的に、電源装置25は、全波整流器REC1の出力側に、コンデンサC1とこのコンデンサC1を放電する方向であって全波整流器REC1の極性と逆極性に接続された第１のダイオードD1との直列回路22と、少なくとも一つのスイッチング素子Q1を備え、このスイッチング素子Q1のスイッチング動作により全波整流器REC1の出力から発光ダイオード20へと電力を変換する電力変換回路23とを並列的に接続するとともに、この電力変換回路23のスイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じて第２のダイオードD2を介してコンデンサC1を充電する。この結果、突入電流を抑制できるとともに、簡単な構成で高力率が得られる。

したがって、小型で、かつ、低価格な電源装置25、点灯回路12および照明装置10を提供できる。

特に、コンデンサC1は、電源電圧により直接的に充電されないので、耐圧が低い、小型のものを用いることができ、電源装置25、点灯回路12および照明装置10をより小型化できる。

また、電源装置25は、電流導通角を拡大できるので、調光器26との親和性が高いとともに、コンデンサC1によって電圧V2を谷埋めすることで、調光器26がオフしている期間においても電源電圧を確保でき、出力制御が容易に可能となる。

さらに、電源装置25は、発光ダイオード20に連続的に電流を流すことが可能であるため、発光ダイオード20を安定して発光させることができる。

そして、コンデンサC1を、インダクタL1、あるいはチョークコイルL2，L3を用いて充電しているので、インダクタL1、あるいはチョークコイルL2，L3の一次側と二次側との巻数比を変えるだけでコンデンサC1の充電量を容易に制御できる。

なお、上記各実施形態において、照明装置10は、電球形ランプに限定されず、例えばダウンライト、スポットライト、あるいは直管形ランプなど、発光ダイオード20を用いる任意の照明装置とすることができる。

また、電源装置25は、照明装置10および点灯回路12に用いるものに限定されない。

さらに、電力変換回路23は、全波整流器REC1の出力側に並列的に接続すれば、全波整流器REC1との中間に他の部品が介在されていてもよい。同様に、部分平滑回路24と電力変換回路23とは並列的であれば、他の部品が介在されていても、介在されていなくてもよい。

そして、固体発光素子としては、発光ダイオードに限定されず、例えば有機ＥＬ素子などを用いることが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 照明装置
12 固体発光素子点灯装置としての点灯回路
13 装置本体としての基体
20 負荷としての固体発光素子である発光ダイオード
23 電力変換回路
24 部分平滑回路
25 電源装置
Ｃ 中間タップ
C1 コンデンサ
C2，C7 出力コンデンサ
C5 平滑コンデンサ
D1 第１のダイオード
D2 第２のダイオード
D3 第３のダイオード
D4 第４のダイオード
D5 第５のダイオード
L1 インダクタ
L2，L3 チョークコイル
L2b，L3b1，L3b2 二次巻線
Q1 スイッチング素子
REC1 整流器である全波整流器

Claims (7)

1. 交流電圧を整流する整流器と；
   少なくとも一つのスイッチング素子を備え、このスイッチング素子のスイッチング動作により整流器の出力を直流電圧に変換する電力変換回路と；
   コンデンサおよび整流器の出力極性と逆極性に接続されたダイオードを直列に備え、整流器の出力側に電力変換回路と並列的に設けられ、電力変換回路のスイッチング素子のスイッチング動作に応じてコンデンサが充電されるとともに、整流器の出力電圧の谷部分においてコンデンサの充電電荷を、ダイオードを介して電力変換回路に供給する部分平滑回路と；
   を具備していることを特徴とする電源装置。
2. 交流電圧を整流する全波整流器と；
   この全波整流器の出力側に接続されたコンデンサとこのコンデンサを放電する方向であって全波整流器の極性と逆極性に接続された第１のダイオードとの直列回路と；
   全波整流器の出力側に直列回路と並列的に接続され、少なくとも一つのスイッチング素子を備え、このスイッチング素子のスイッチング動作により全波整流器の出力を負荷に供給する直流電力に変換する電力変換回路と；
   この電力変換回路のスイッチング素子のスイッチング動作に応じてコンデンサを充電する第２のダイオードと；
   を具備していることを特徴とする電源装置。
3. 電力変換回路は、スイッチング素子と第３のダイオードとの直列回路と、このスイッチング素子と第３のダイオードとの接続点に一端が接続され他端が第２のダイオードと接続されたインダクタと、このインダクタの中間タップに接続され、かつ負荷と並列に接続された出力コンデンサとを備えた降圧チョッパ回路である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 電力変換回路は、チョークコイルとスイッチング素子との直列回路と、スイッチング素子の両端間に接続された第４のダイオードと平滑コンデンサとの直列回路とを備えた昇圧チョッパ回路であり、
   チョークコイルに磁気結合され一端がこのチョークコイルの入力側と接続され他端が第２のダイオードと接続された二次巻線を具備している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
5. 電力変換回路は、チョークコイルと、このチョークコイルの一次側の一端と直列に接続されたスイッチング素子と、チョークコイルの二次側と接続された第５のダイオードおよび出力コンデンサとを備えたフライバックコンバータであり、
   チョークコイルに磁気結合され一端がこのチョークコイルの入力側と接続され他端が第２のダイオードと接続された二次巻線を具備している
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
6. 負荷としての固体発光素子と；
   この固体発光素子に給電してこの固体発光素子を点灯させる請求項１ないし５いずれか一記載の電源装置と；
   を具備していることを特徴とする固体発光素子点灯装置。
7. 装置本体と；
   この装置本体に配置された請求項６記載の固体発光素子点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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