JP2015149136A - Ｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流共振コンバータ回路でＬＥＤを点灯させる方式のＬＥＤ点灯装置に関し、特に安全にＬＥＤ点灯装置を保護することが可能なＬＥＤ点灯装置を得る。
【解決手段】本発明のＬＥＤ点灯装置は、
ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタ５と、前記インダクタ５により検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、正常時よりも低い電圧を出力する集積回路１４と、前記集積回路１４により出力された低電圧をもとに、予め設定された動作上限周波数を超えるように点灯周波数を移行させて、間欠発振するスイッチング制御回路１６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、電流共振（ＣＵＲＲＥＮＴ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ）コンバータ回路でＬＥＤを点灯させる方式のＬＥＤ点灯装置において、ＬＥＤの異常状態を検出して、安全にＬＥＤ点灯装置を保護することが可能な技術に関する。

電流共振コンバータ回路は光源に対して高効率で高出力することが可能なため、照明装置のスイッチング電源装置として広く採用されている。この電流共振コンバータ回路に接続される負荷がＬＥＤの場合、一定の明るさを得るためには、ＬＥＤに流れる電流を定電流制御することが一般的であり、電流共振コンバータ回路では、スイッチング周波数のパルス周波数変調制御により、所望のＬＥＤ電流を検出して、ＬＥＤに流れる電流が一定となるようその検出値に応じてスイッチング動作を制御することが実施されている。

定電流制御の場合、負荷が短絡した際は過負荷にならないため、一般的には、定電流での制御を継続させることが多い。ただし、高出力のＬＥＤ照明の場合、ＬＥＤ電流もしくは電圧が、非常に大きくなるため、負荷が短絡した際、その異常状態を検出して、この検出結果に基づきスイッチング電源装置を保護することが望ましい。

下記の特許文献１に示すように、電流共振コンバータを備えたスイッチング電源装置は、負荷のショート等の異常発生時にスイッチング動作を停止して装置を保護するための技術が示されている。

この特許文献１は、電流共振コンバータを有するスイッチ素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、電流共振コンバータで得られた直流電圧を検出し、その検出値に応じた出力信号をスイッチング制御部に出力する出力電圧検出部で構成されている。スイッチング制御部は、出力電圧検出部からの出力信号に基づいて、所定の出力電圧とするための、スイッチ素子のスイッチング周波数を導出するとともに、導出されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング電源装置の異常動作の発生を判定し、異常動作が発生したと判定した場合、前記スイッチ素子のスイッチング動作を停止させる。

電流共振コンバータ回路方式では、負荷インピーダンスの変化は共振特性に大きく影響を与える。特に、ＬＥＤ照明のようにＬＥＤを負荷とした場合は、光源の明るさを変える調光モードでの制御があるため、通常、負荷インピーダンスの変動は非常に大きくなる。正常点灯時には、点灯装置を保護する必要は無く、むしろその点灯状態をそのまま維持することが必要とされるが、そのような正常点灯時にいかなる場合も保護動作しない上限周波数と下限周波数とを選定するには、周波数範囲が幅広くなる。したがって、ＬＥＤを負荷とする電流共振コンバータにおいて、周波数によって正常点灯時と異常点灯時とを区別するのは、非常に困難である。

特開２０１３−４６４６２号公報（段落［０００４］、図１）

定電流で制御しているＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤが開放された場合、出力電圧が増大し、過負荷になる。一方、ＬＥＤが短絡した場合や複数個のＬＥＤが実装されるＬＥＤモジュールにおいて、数個のＬＥＤが短絡して出力電圧が低下した場合は、正常点灯時よりも大きな電力が発生しないため、保護動作させず定電流で制御するのが一般的である。しかし、このような場合に保護動作せず定電流で制御していると、例えばＬＥＤモジュールとＬＥＤ点灯装置を接続するコネクタ等の異電圧間で、アーク放電が生じた際に、アーク放電が継続する恐れがある。アーク放電が継続すると、近傍に可燃物質がある場合、発煙、発火等の危険な状態に陥ることがある。そのため、ＬＥＤ点灯装置にアーク放電を継続させない機構が備わっていると、より安全性が向上することになる。特に、電流共振コンバータ回路は、高電力のＬＥＤ点灯装置に採用されることが多いため、危険度は増すことになる。

この発明は、電流共振コンバータ回路でＬＥＤを点灯させる方式のＬＥＤ点灯装置において、簡易にＬＥＤの異常状態を判定して、安全にＬＥＤ点灯装置を保護することが可能な構成及びその制御方法の提供を目的とする。

本発明の第１の発明は、
ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、正常時よりも低い電圧を出力する集積回路と、前記集積回路により出力された低電圧をもとに、予め設定された動作上限周波数を超えるように点灯周波数を移行させて、間欠発振するスイッチング制御回路とを備えた。

本発明の第２の発明は、
ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、一定周期の短波形の電圧を出力する集積回路と、前記集積回路により出力された短波形電圧と同期するようなタイミングで間欠発振するスイッチング制御回路とを備えた。

本発明の第３の発明は、第２の発明の構成において、
前記スイッチング制御回路は、ＬＥＤ電流を低下させるように周波数を高い領域に移行して、ＬＥＤを点滅させる。

本発明の第４の発明は、
ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、スイッチング制御回路用の電源回路への動作信号を停止する集積回路とを備えた。

この発明により、電流共振コンバータ回路でＬＥＤを点灯させる方式のＬＥＤ点灯装置において、簡易にＬＥＤの異常状態を判定して、安全にＬＥＤ点灯装置を保護することが可能になる。

実施の形態１におけるＬＥＤ点灯装置の回路図である。 負荷インピーダンスの違いによる共振特性を示す図である。 実施の形態２におけるＬＥＤ電流と集積回路出力電圧の波形を示す図である。 実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置の回路図である。

実施の形態１．
定電流で制御しているＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤが開放された場合、出力電圧が増大し、過負荷になる。一方、ＬＥＤが短絡した場合や複数個のＬＥＤが実装されるＬＥＤモジュールにおいて、数個のＬＥＤが短絡して出力電圧が低下した場合は、正常点灯時よりも大きな電力が発生しなくなるため、保護動作させずに定電流で制御する方法が一般的である。

しかしながら、このような方法で保護動作せずに定電流で制御していると、例えばＬＥＤモジュールとＬＥＤ点灯装置を接続するコネクタ等の異電圧間で、アーク放電が生じた際に、アーク放電が継続してしまう恐れがある。アーク放電が継続すると、近傍に可燃物質があるような場合、発煙、発火等の危険な状態に陥ることがある。そのため、ＬＥＤ点灯装置にアーク放電を継続させない機構が備わっていると、より安全性が向上することになる。特に、電流共振コンバータ回路は、高電力のＬＥＤ点灯装置に採用されることが多いため、危険度が増す傾向にある。

実施の形態１では、ＬＥＤ短絡などによる出力電圧の低下を検出し、ＬＥＤの異常状態を判定して、安全にＬＥＤ点灯装置を保護することができる構成及びその制御方法について、具体的に説明する。
図１は、実施の形態１におけるＬＥＤ点灯装置の回路図である。第一の直流電圧１は、例えば力率改善用のＰＦＣ回路から出力される一定の直流電圧である。

電流共振コンバータ回路２は、第一の直流電圧１を第一のスイッチング素子３と第二のスイッチング素子４で交互にスイッチングさせ、第一のインダクタ５と第二のインダクタ６のインダクタ成分と第一のコンデンサ１７のキャパシタ成分により共振させ、第二のインダクタ６に発生する磁束に応じた誘導電力を、第三のインダクタ７に伝送して、ダイオードブリッジ１８により整流する回路からなる。

ＬＥＤ１０は、第二のコンデンサ９で平滑した直流電圧と直流電流が出力されることで点灯する。ＬＥＤ１０は、単体もしくは複数個からなる。定電流検出回路１２は、ＬＥＤ１０と直列に接続する電流検出抵抗１１で検出した電圧を例えばフォトカプラ等の絶縁素子により絶縁して、ＬＥＤ１０に流れた電流に応じて可変する電圧を生成する。

ここでは、ＬＥＤ１０に流れる電流の検出方式は、電流検出抵抗１１とフォトカプラを用いて説明しているが、例えば、カレントトランスのような、絶縁が担保されてかつ電流を検出できる部品で構成する場合であっても同様の効果がある。比較器１５は、定電流検出回路１２で検出した電圧と集積回路１４から入力する基準電圧の差分を出力する。

スイッチング制御回路１６は、比較器１５に入力する差分の電圧がなくなるように電流共振コンバータ２の第一のスイッチ素子３と第二のスイッチ素子４のスイッチング動作の周波数を可変して、ＬＥＤ電流が所望の電流で一定になるよう制御する。第四のインダクタ８は、ＬＥＤ１０の出力電圧の変化に応じた電圧が発生する。

集積回路１４は、このＬＥＤ１０の出力電圧に対して、閾値の電圧を有している。閾値以上の電圧が集積回路１４に入力された場合、集積回路１４は、ＬＥＤ１０の出力電圧が正常と認識して、所望のＬＥＤ電流になるよう基準電圧を比較器１５に出力する。

ＬＥＤ１０が短絡した場合や複数個のＬＥＤ１０が実装されるＬＥＤモジュールにおいて、複数個のＬＥＤ１０が短絡して出力電圧が低下した場合は、正常点灯時より低い電圧が第四のインダクタ８に発生する。この電圧が集積回路１４の閾値以下になると、集積回路１４は、比較器１５に対して、正常時より低い電圧を出力する。スイッチング制御回路１６は、比較器１５に入力される電圧が同一になるよう周波数を可変して、ＬＥＤ電流が正常点灯時より少なくなるよう制御する。

図２は負荷インピーダンスの違いによる共振特性のカーブである。
縦軸がＬＥＤ電流、横軸が点灯周波数になる。曲線１は、正常点灯時のＬＥＤ電流-点灯周波数特性を示しており、一般的には、５０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでを使用することが多い。例えば、全光時は、点灯周波数５０ｋＨｚに対してＬＥＤ電流５００ｍＡとなり、調光下限時は点灯周波数１００ｋＨｚに対してＬＥＤ電流５０ｍＡになることを示している。

曲線２は、異常状態の負荷インピーダンスの曲線で、ＬＥＤの短絡に近い状態を模擬している。この曲線２は、電流共振コンバータの特徴として、短絡に近い状態になるとＬＥＤ電流-点灯周波数特性は、高い周波数に以降されることを示している。曲線２のＬＥＤの短絡に近い状態で、正常点灯時と同様に定電流制御を継続した場合、全光時は、点灯周波数２００ｋＨｚに対してＬＥＤ電流５００ｍＡとなり、点灯周波数３５０ｋＨｚに対して５０ｍＡになる。

また、図２の境界となる点線は、スイッチング制御回路１６の動作上限周波数で、ここでは、動作上限周波数を３００ｋＨｚとして説明する。一般的に、スイッチング制御回路１６は、動作上限周波数が決まっており、この動作上限周波数を超えると、間欠発振になる特性を持っている。

上記で説明したＬＥＤ短絡等の出力電圧の低下を検出してＬＥＤ電流が正常点灯時より低下させる電流値を５０ｍＡに設定すると、点灯周波数を３５０ｋＨｚまで以降させてスイッチング制御しなければならないため、スイッチング制御回路１６は、動作上限周波数を超えて間欠発振となる。

このように、この実施の形態では、ＬＥＤの短絡等の出力電圧の低下時に、ＬＥＤ電流を軽減させスイッチング制御回路１６の動作上限周波数以上に設定することで、ＬＥＤ１０を点滅させることを目的としている。この点滅動作は、例えば、複数個のＬＥＤが実装されるＬＥＤモジュールにおいて、数個のＬＥＤが短絡して出力電圧の低下を検出した際に、エンドユーザにＬＥＤを点滅させることができるので、寿命を告知することができる。

また、この点滅動作は、全光点灯時で点滅させることより、調光下限等の明るさで点滅させることができるので、エンドユーザへの不快感を減らすことができる。また、ＬＥＤモジュールとＬＥＤ点灯装置を接続するコネクタ等の異電圧間で、アーク放電が生じても、間欠発振により、アーク放電を継続することがなく、より安全性を向上することができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２におけるＬＥＤ電流と集積回路出力電圧の波形である。
基本動作と回路構成は、実施の形態１と同一であるため、異なる箇所のみ説明する。
実施の形態１で説明した保護方式は、スイッチング制御回路１６の上限周波数を利用して、間欠発振をする場合であるが、実施の形態２における保護方式は、集積回路１４が、短絡等の出力電圧の低下を検出して、比較器１５に対して、ある一定の周期で矩形波の電圧を出力して、その矩形波の電圧と同期してスイッチング制御回路１６が間欠発振し、間欠したＬＥＤ電流を流して、ＬＥＤ点灯装置を保護することを特徴としている。

図３にて詳細を説明する。正常時は、集積回路１４の出力電圧が５Ｖに対して、５００ｍＡのＬＥＤ電流を流す。集積回路１４は、ＬＥＤの短絡等の出力電圧の低下を検出すると、矩形波の１Ｖの電圧を出力する。スイッチング制御回路１６は、ＬＥＤ電流を低下させるため、周波数を高い領域に移行して、５０ｍＡの間欠したＬＥＤ電流を流す。

この実施の形態では、正常時に全光点灯時よりもＬＥＤ電流を低下させて制御することにより、高周波でのスイッチングロスや、各部品のストレス等を軽減することができる。

なお、実施の形態１、２では、異常状態が自動的に解除された場合は、正常点灯の状態に戻ることが可能となり、保護動作の復帰に例えば商用電源のＯＮ、ＯＦＦ等の外部からのリセット動作が必要なくなるという効果もある。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３におけるＬＥＤ点灯装置の回路図である。
基本動作は、実施の形態１と同一であるため、異なる箇所のみ説明する。電源回路１９は、集積回路１４からスイッチング制御回路１６が駆動するための電源を供給する回路である。集積回路１４は、第四のインダクタ８に発生する電圧が閾値以上であれば、集積回路１４から電源回路１９に信号を出力して、スイッチング制御回路１６が駆動する。

一方、ＬＥＤの短絡等の出力電圧の低下を第四のインダクタ８が検出して、集積回路１４に発生する電圧が閾値以下になると、集積回路１４は、電源回路１９への動作信号を停止する。電源回路１９からの供給が停止したスイッチング制御回路１６は、動作を停止することで、安全にＬＥＤ点灯装置を保護することができる。

実施の形態３によれば、完全にスイッチング制御回路１６の動作を停止して、保護することができるので、実施の形態１、２よりも、安全性を向上させることができる。

１ 第一の直流電圧、２ 電流共振コンバータ回路、３ 第一のスイッチング素子、４ 第二のスイッチング素子、５ 第一のインダクタ、６ 第二のインダクタ、７ 第三のインダクタ、８ 第四のインダクタ、９ 第二のコンデンサ、１０ ＬＥＤ、１１ 電流検出抵抗、１２ 定電流検出回路、１３ 保護検出回路、１４ 集積回路、１５ 比較器、１６ スイッチング制御回路、１７ 第一のコンデンサ、１８ ダイオードブリッジ、１９ 電源回路。

Claims (5)

1. ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、正常時よりも低い電圧を出力する集積回路と、前記集積回路により出力された低電圧をもとに、予め設定された動作上限周波数を超えるように点灯周波数を移行させて、間欠発振するスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、一定周期の短波形の電圧を出力する集積回路と、前記集積回路により出力された短波形電圧と同期するようなタイミングで間欠発振するスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
3. 前記スイッチング制御回路は、ＬＥＤ電流を低下させるように周波数を高い領域に移行して、ＬＥＤを点滅させることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置。
4. ＬＥＤの短絡などで出力電圧が低下し、その低下電圧を検出するインダクタと、前記インダクタにより検出された低下電圧が予め設定された閾値電圧より小さいと検出した場合、スイッチング制御回路用の電源回路への動作信号を停止する集積回路とを備えたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
5. 請求項１〜４記載の点灯装置を備えたことを特徴とする照明装置。

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