JP2014207190A

JP2014207190A - Ｌｅｄ照明装置

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Publication number: JP2014207190A
Application number: JP2013085171A
Authority: JP
Inventors: 雄三村井; Yuzo Murai; 啓二佐藤; Keiji Sato
Original assignee: NIPPON MAKISEN KOGYO KK
Current assignee: NIPPON MAKISEN KOGYO KK
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: JP5586732B1

Abstract

【課題】直流電源と同程度の照度が得られ、長寿命であり、かつ、大型施設での大電力の照明設備として利用するのに好適なＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】本発明のＬＥＤ照明装置１は、三相交流電源４のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相に接続され、各相の交流電圧をそれぞれ全波整流する三相の全波整流回路５と、三相の全波整流回路５の各々に接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが互いに近接配置された三相のＬＥＤ照明回路３と、を備え、三相交流電源４から三相の全波整流回路５を介して三相のＬＥＤ照明回路３に重畳的に直流電圧を供給することにより、三相のＬＥＤ照明回路３を構成する複数のＬＥＤモジュールの少なくともいずれか一つを常に点灯させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流電源を利用したＬＥＤ照明装置であって、特に大型施設の照明設備として好適なＬＥＤ照明装置に関する。

従来、ＬＥＤ照明用の電源として、一般に直流安定化電源と単相全波整流電源が利用されている。

直流安定化電源は、図８に示すように、整流回路と、平滑回路と、安定化回路から構成されている。この電源は、整流回路で交流電圧を直流電圧に変換し、平滑回路で脈流を平滑化した後、安定化回路で電圧変動を取り除いて安定化した直流電圧を負荷のＬＥＤに出力するものである。

単相全波整流電源は、図９に示すように、変圧器とブリッジ型の全波整流回路から構成されている。この電源は変圧器で交流電源の入力電圧を降圧し、全波整流回路で交流電圧を整流した後、脈流電圧を負荷のＬＥＤに出力するものである。

しかしながら、従来の直流安定化電源と単相全波整流回路は、その構成上、以下のような問題点があった。

まず、直流安定化電源の場合には、交流から直流への変換時にスイッチングノイズが発生する。また、平滑回路に電解コンデンサを用いているため、ＬＥＤの寿命に比べて電源の寿命が短くなる。さらには、ＬＥＤに適合する安定化回路の入手が難しく、大型施設での大電力の照明設備に使用する場合には、サイズやコストの面で不利である。

これに対し、単相全波整流回路の場合には、図９の出力波形を見ると分かるように、電流が流れない時間が発生するため、ＬＥＤが点灯と消灯を繰り返すパルス点灯になり、照明にちらつきが発生する。また、直流電源に比べて照度が少なく、照明が暗くなってしまう。このため、直流電源と同程度の照度を得るには、最大電流値を大幅に上げなければならない。

なお、本発明に関する先行技術文献を調査したところ、特許文献１のトンネルの照明装置が発見された。この照明装置は、三相交流電源を全波整流する整流回路を備え、整流回路の出力側にＬＥＤ直列回路とスイッチング素子とコイルとからなる直列回路を設け、コントロール回路によりスイッチング素子を切り換えてＬＥＤを点灯するように構成されている。しかし、この照明装置はスイッチング素子を使用しているため切換時にノイズが発生する恐れがあり、また、コンデンサを使用しているため電源の寿命が短くなるという欠点がある。

特開２０１１−０７７００９号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、直流電源と同程度の照度が得られ、長寿命であり、かつ、大型施設での大電力の照明設備として利用するのに好適なＬＥＤ照明装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明のＬＥＤ照明装置は、三相交流電源のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相に接続され、各相の交流電圧をそれぞれ全波整流する三相の全波整流回路と、前記三相の全波整流回路の各々に接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが互いに近接配置された三相のＬＥＤ照明回路と、を備え、前記三相交流電源から前記三相の全波整流回路を介して前記三相のＬＥＤ照明回路に重畳的に直流電圧を供給することにより、前記三相のＬＥＤ照明回路を構成する複数のＬＥＤモジュールの少なくともいずれか一つを常に点灯させるようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明のＬＥＤ照明装置において、前記三相の全波整流回路の各々に接続され、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流を制御する電流制御回路、または、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流の波形を調整する電流波形調整回路を更に備えていても良い。ここで、前記電流制御回路または前記電流波形調整回路は、前記全波整流回路に第一のバイアス抵抗を介して接続された第一のトランジスタからなる導通角調整回路と、前記全波整流回路に第二のバイアス抵抗を介してゲートが接続され、かつ、前記ＬＥＤ照明回路にドレインが接続されたＦＥＴ、前記第二のバイアス抵抗にコレクタが接続され、かつ、前記ＦＥＴのソースにベースが接続された第二のトランジスタ、並びに前記ＦＥＴのソースに一端が接続され、かつ、前記第一のトランジスタのエミッタ及び前記第二のトランジスタのエミッタに他端が接続された電流制限抵抗からなる電流値制限回路と、を備えて構成されていても良い。

また、本発明のＬＥＤ照明装置において、前記三相交流電源のＵ−Ｖ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間、Ｗ−Ｕ入力端子間に、それぞれ入力導線を介して巻線が直列に接続され、当該巻線の始端と終端の間の巻数を複数に分割した個別巻線であって、前記三相交流電源の各相の交流電圧を分割、低電圧化して出力する三相の電圧分割トランスを更に備え、前記電圧分割トランスの個別巻線の両端に分割出力導線が接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが前記全波整流回路を介して前記分割出力導線間の各々に接続されているとともに、これら複数のＬＥＤモジュールが互いに近接配置され、かつ、各相交互に並べて配置されていても良い。

本発明によれば、三相交流電源を利用することにより、従来の直流安定化電源のように脈流を平滑化するための電解コンデンサを使用しなくて済むため、電源の寿命が大幅に向上するとともに、大型施設の照明設備として長期にわたり安定した大電力を供給することができる。また、出力電圧の変動幅が小さいため、従来の単相全波整流電源のようにＬＥＤがパルス点灯にならず、最大電流値を上げなくても直流電源と同程度の照度を得ることができ、ちらつきを抑え、安定した明るい照明を実現することができる。

本発明によるＬＥＤ照明装置の一構成例を示す回路図である。図１の装置の設置状態を示す説明図である。図１の装置の出力波形図である。本発明によるＬＥＤ照明装置の変形例を示す回路図である。電流制御回路または電流波形調整回路の一例を示す回路図である。本発明によるＬＥＤ照明装置の他の変形例を示す回路図である。図６の装置の設置状態を示す説明図である。従来の直流安定化電源の回路図である。従来の単相全波整流電源の回路図と出力波形図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明のＬＥＤ照明装置は、三相交流電源を用いて大型施設における大電力型照明設備に有効に利用できるように開発されたものであり、その用途としては、例えば植物工場における植物栽培用ＬＥＤ照明や、高層ビルにおける全フロアのＬＥＤ照明化などが考えられる。

まず、図１は本発明によるＬＥＤ照明装置の一構成例を示したものである。図１に示すＬＥＤ照明装置１は、三相交流電源回路２とＬＥＤ照明回路３を備えて構成されている。

三相交流電源回路２は、互いに位相が１２０°ずれたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三系統の交流からなる三相交流電源４と、図のように結線された三相交流電源４のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相に接続され、各相の交流電圧（ＡＣ２００Ｖ）を全波整流して出力する三相のダイオードブリッジ型の全波整流回路５とから構成されている。

全波整流回路５には、各々にＬＥＤ照明回路３が接続されている。このＬＥＤ照明回路３は、複数個のＬＥＤを直列に接続してなるＬＥＤモジュールを３列備えたものであり、それぞれのＬＥＤモジュールは全波整流回路５の出力端子に直列に接続されている。また、ＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の三相に対応しており、図２に示すように、ＬＥＤ照明装置１から照明ポイントＰまでの距離ＨがＬＥＤモジュール同士の距離Ｌに比べて非常に大きく（Ｈ≫Ｌ）なるように、互いに近接して配置されている。

本実施形態のＬＥＤ照明装置１によれば、前記のように構成されているため、三相交流電源４から供給された交流電圧が各相の全波整流回路５で整流され、三相のＬＥＤ照明回路３に重畳的に直流電圧が供給される。これにより、ＬＥＤ照明回路３を構成する３列のＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃがそれぞれ個別に点灯するが、照明ポイントＰにおいて、ＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃを点灯した場合には、それぞれの明るさが等しくなる。

ここで、各相のＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃを同時に点灯した場合、その電圧と電流の出力波形は図３に示すようになり、ＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃは少なくともいずれか一つが常に点灯している状態になる。したがって、照明ポイントＰではＬＥＤ照明回路３から光が照射されないタイミングがなくなり、これにより直流電源と同程度の照度が得られるようになっている。

また、前記の構成からなるＬＥＤ照明装置１において、図４に示すような変形例も考えられる。図４のＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤ照明回路３に流れる電流を制御する電流制御回路６を設けたものであり、この電流制御回路６は三相の全波整流回路５の出力端子に接続されている。このように、ＬＥＤ照明回路３の各々に電流制御回路６を設けることにより、各ＬＥＤモジュールＡ、Ｂ、Ｃに流れる電流値を制御すれば、照明ポイントＰにおける照度の変動を小さく抑えることが可能になる。なお、図４の例では電流制御回路６を設けたが、これに代えて、ＬＥＤ照明回路３に流れる電流の波形を調整する電流波形調整回路を設けても良い。

ここで、電流制御回路６または電流波形調整回路の一例として、図５のような構成を採用することもできる。図５の回路は、第一のバイアス抵抗（Ｒ１）及び第一のトランジスタ（Ｑ１）からなる導通角調整回路と、第二のバイアス抵抗（Ｒ２）、ＦＥＴ（Ｑ２）、第二のトランジスタ（Ｑ３）、及び電流制限抵抗（Ｒ３）からなる電流値制限回路を備えて構成されている。このような構成によれば、導通角調整回路で各相の電流の導通角（オン時間）を調整しつつ、電流値制限回路で各相の電流の重複部分の電流値を制限することにより、三相を合成した電流波形をより直流に近づけることができ、照度の変動を抑えることが可能になる。

さらに、他の変形例として、図６に示すように三相交流電源４と等電圧分配（ＥＶＤ：Equal Voltage Distributor）方式の電源回路（特許第4657382号）を組み合わせた三相交流電源回路２としても良い。図６のＬＥＤ照明装置１は、三相交流電源回路２において、三相交流電源４の各相の交流電圧（ＡＣ２００Ｖ）を均等（ＡＣ１００Ｖ×２）に分割する電圧分割トランス７を設けたものである。

ここで、電圧分割トランス７はすべて単巻トランスからなり、Ｕ−Ｖ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間にそれぞれ入力導線８を介して巻線９が直列に接続されており、巻線９の始端と終端の間の巻数が均等（図６の例では２等分）に分割され、その分割された個別巻線１０，１０，…の両端に分割出力導線１１，１１，…が接続されている。また、分割出力導線１１の端部には、それぞれＵ−Ｖ出力端子、Ｖ−Ｗ出力端子、Ｗ−Ｕ出力端子が設けられ、各出力端子間には、図１と同様に、全波整流回路５を介してＬＥＤ照明回路３が接続されている（図示略）。ＬＥＤ照明回路３は、複数個のＬＥＤを直列接続し、かつ、互いに近接配置したＬＥＤモジュールから構成されている。

そして、図７に示すように、三相のＬＥＤ照明回路３は、各相それぞれ複数に分割されたＬＥＤモジュールＡ１，Ｂ１，Ｃ１，…により構成されており、これらのＬＥＤモジュールＡ１，Ｂ１，Ｃ１，…が、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の順に各相交互に並べて配置されている。このような構成によれば、照度の変動幅がより小さくなるので、図７に示すように照明ポイントＰ１〜Ｐ４から見た照明を、直流電源による点灯に更に近づけることが可能になる。

以上説明したように、本発明のＬＥＤ照明装置１によれば、三相交流電源４を利用することにより、従来の直流安定化電源のように脈流を平滑化するための電解コンデンサを使用しなくても済むため、電源回路の寿命が大幅に向上し、長期にわたり安定した大電力を供給することが可能になる。また、図３の出力波形から明らかなように、出力電圧の変動幅Ｗが小さいため、従来の単相全波整流電源のようにＬＥＤがパルス点灯にならず、照明のちらつきが発生しない。このため、最大電流値を上げなくても直流電源と同程度の照度を得ることができ、安定した明るい照明装置を提供することができる。

なお、前記の実施形態はあくまで本発明を実施するための例示であって、その要旨を逸脱しない範囲で各種の設計変更が可能である。例えば、出力電圧の変動幅が小さいので、安定化回路や定電流回路を使用しやすくなり、各々の全波整流回路５の出力端子に安定化回路や定電流回路（図示略）を接続することもできる。また、全波整流回路５の入力端子に電流センサ（図示略）を設け、交流を検出してフィードバック制御するようにしても良い。さらに、電圧分割トランス７は三相交流電源４の交流電圧を２等分に分割するものとしたが、分割数はこれに限定されず、負荷の定格電圧に応じて分割数を変えて出力電圧を調整することも可能である。

１：ＬＥＤ照明装置
２：三相交流電源回路
３：ＬＥＤ照明回路
４：三相交流電源
５：全波整流回路
６：電流制御回路
７：電圧分割トランス
８：入力導線
９：巻線
１０：個別巻線
１１：分割出力導線

前記の目的を達成するため、本発明のＬＥＤ照明装置は、三相交流電源のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相に接続され、各相の交流電圧をそれぞれ全波整流する三相の全波整流回路と、前記三相の全波整流回路の各々に接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが互いに近接配置された三相のＬＥＤ照明回路と、を備え、前記三相交流電源から前記三相の全波整流回路を介してコンデンサを用いることなく前記三相のＬＥＤ照明回路に重畳的に直流電圧を供給することにより、前記三相のＬＥＤ照明回路を構成する複数のＬＥＤモジュールの少なくともいずれか一つを常に点灯させるようにしたＬＥＤ照明装置において、前記三相の全波整流回路の各々に接続され、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流を制御する電流制御回路、及び、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流の波形を調整する電流波形調整回路を更に備え、前記電流制御回路及び前記電流波形調整回路は、前記全波整流回路に第一のバイアス抵抗を介して接続された第一のトランジスタからなる導通角調整回路と、前記全波整流回路に第二のバイアス抵抗を介してゲートが接続され、かつ、前記ＬＥＤ照明回路にドレインが接続されたＦＥＴ、前記第二のバイアス抵抗にコレクタが接続され、かつ、前記ＦＥＴのソースにベースが接続された第二のトランジスタ、並びに前記ＦＥＴのソースに一端が接続され、かつ、前記第一のトランジスタのエミッタ及び前記第二のトランジスタのエミッタに他端が接続された電流制限抵抗からなる電流値制限回路と、を備えて構成されていることを特徴とするものである。

Claims

三相交流電源のＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相に接続され、各相の交流電圧をそれぞれ全波整流する三相の全波整流回路と、
前記三相の全波整流回路の各々に接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが互いに近接配置された三相のＬＥＤ照明回路と、を備え、
前記三相交流電源から前記三相の全波整流回路を介して前記三相のＬＥＤ照明回路に重畳的に直流電圧を供給することにより、前記三相のＬＥＤ照明回路を構成する複数のＬＥＤモジュールの少なくともいずれか一つを常に点灯させるようにしたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記三相の全波整流回路の各々に接続され、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流を制御する電流制御回路、または、前記三相のＬＥＤ照明回路に流れる電流の波形を調整する電流波形調整回路を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
前記電流制御回路または前記電流波形調整回路は、
前記全波整流回路に第一のバイアス抵抗を介して接続された第一のトランジスタからなる導通角調整回路と、
前記全波整流回路に第二のバイアス抵抗を介してゲートが接続され、かつ、前記ＬＥＤ照明回路にドレインが接続されたＦＥＴ、前記第二のバイアス抵抗にコレクタが接続され、かつ、前記ＦＥＴのソースにベースが接続された第二のトランジスタ、並びに前記ＦＥＴのソースに一端が接続され、かつ、前記第一のトランジスタのエミッタ及び前記第二のトランジスタのエミッタに他端が接続された電流制限抵抗からなる電流値制限回路と、
を備えて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
前記三相交流電源のＵ−Ｖ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間、Ｗ−Ｕ入力端子間に、それぞれ入力導線を介して巻線が直列に接続され、当該巻線の始端と終端の間の巻数を複数に分割した個別巻線であって、前記三相交流電源の各相の交流電圧を分割、低電圧化して出力する三相の電圧分割トランスを更に備え、
前記電圧分割トランスの個別巻線の両端に分割出力導線が接続され、複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤモジュールが前記全波整流回路を介して前記分割出力導線間の各々に接続されているとともに、これら複数のＬＥＤモジュールが互いに近接配置され、かつ、各相交互に並べて配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ照明装置。