JP2017016979A

JP2017016979A - 活線挿抜保護回路、及び定電流電源装置

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Publication number: JP2017016979A
Application number: JP2015135366A
Authority: JP
Inventors: 健司藤城; Kenji Fujishiro
Original assignee: Toki Corp
Current assignee: Toki Corp
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】ＬＥＤや有機ＥＬ等の照明器具の活線挿抜時において、照明器具および作業者を保護する。【解決手段】第１電圧検出回路２３は、定電流電源装置の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する。第２電圧検出回路２４は、定電流電源装置の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する。第１スイッチＭ１は、第１電圧検出回路２３により上限電圧を超えた出力電圧が検出されたとき、または第２電圧検出回路２４により上限上昇速度を超えた出力電圧の上昇速度が検出されたとき、オフに制御される。【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や有機ＥＬ（Electroluminescence）等の照明器具の活線作業時において、照明器具および作業者を保護するための活線挿抜保護回路、及び定電流電源装置に関する。

近年、ＬＥＤ照明が普及してきている。ＬＥＤは、順方向降下電圧Ｖｆを超える順方向バイアス電圧を印加すると順方向に電流が流れて発光する。順方向降下電圧Ｖｆは素子によりバラツキがあり、また温度によっても変化する。従ってＬＥＤを安定して発光させるには、電圧が変動しても一定の電流を流し続けることができる定電流駆動が望ましい。

定電流電源装置は、ＬＥＤに供給している出力電流を監視し、出力電流を一定に保つようにフィードバック制御をかけている。従って出力電流が低下すると出力電流を増やすように、出力電圧を上昇させる制御が働く。

特開平１０−３０９０３５号公報特開２００９−１７１７３１号公報

ＬＥＤが定電流電源装置から電流供給を受けている状態（活線状態）でＬＥＤを定電流電源装置から取り外すと、定電流電源装置で検出される出力電流が急低下し、出力電圧を最大値にまで上昇させる制御が働く。この状態でＬＥＤを定電流電源装置に再接続するとＬＥＤに過電圧が印加されることになり、故障の原因となる。またＬＥＤを取り外した後、作業者が誤って定電流電源装置の出力端子に触れてしまうと感電の危険がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＥＤや有機ＥＬ等の照明器具の活線挿抜時において、照明器具および作業者を保護する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の活線挿抜保護回路は、順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具と、当該照明器具を定電流駆動する定電流電源装置との間に接続される活線挿抜保護回路であって、前記定電流電源装置から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、前記定電流電源装置の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する第１電圧検出回路と、前記定電流電源装置の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する第２電圧検出回路と、を備える。前記メインスイッチは、前記第１電圧検出回路により前記上限電圧を超えた出力電圧が検出されたとき、または前記第２電圧検出回路により前記上限上昇速度を超えた出力電圧の上昇速度が検出されたとき、オフに制御される。

本発明の別の態様もまた、活線挿抜保護回路である。この活線挿抜保護回路は、順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具と、当該照明器具を定電流駆動する定電流電源装置との間に接続される活線挿抜保護回路であって、前記定電流電源装置から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、前記定電流電源装置の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたとき前記メインスイッチをターンオフする電圧検出回路と、前記照明器具のカソード端子が接続されるべき本活線挿抜保護回路のローサイド出力端子に、アノード端子が接続される定電流ダイオードと、前記定電流ダイオードのカソード端子に第１端子が接続される確認スイッチと、前記確認スイッチの第１端子と、ローサイド基準電位との間に接続される抵抗と、前記確認スイッチをオンに制御した状態で、前記確認スイッチの第２端子の電圧を監視して、前記照明器具が接続されているか否かを確認する制御部と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、定電流電源装置である。この装置は、順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具に定電流を供給する定電流電源部と、前記照明器具と前記定電流電源部との間に接続される活線挿抜保護回路と、を備える。前記活線挿抜保護回路は、前記定電流電源部から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、前記定電流電源部の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する第１電圧検出回路と、前記定電流電源部の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する第２電圧検出回路と、を含む。前記メインスイッチは、前記第１電圧検出回路により前記上限電圧を超えた出力電圧が検出されたとき、または前記第２電圧検出回路により前記上限上昇速度を超えた出力電圧の上昇速度が検出されたとき、オフに制御される。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、照明器具の活線挿抜時において、照明器具および作業者を保護を保護できる。

定電流電源装置で照明器具を駆動する一般的な回路構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る、定電流電源装置で照明器具を駆動する回路構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る活線挿抜保護回路の回路構成例を示す図である。図３の活線挿抜保護回路の動作例を示すタイミングチャートである。変形例に係る定電流電源装置で照明器具を駆動する回路構成を示す図である。

図１は、定電流電源装置１０で照明器具３０を駆動する一般的な回路構成を示す図である。照明器具３０は少なくとも１つのＬＥＤを備える照明器具である。図１ではｎ個のＬＥＤ（第１ＬＥＤ３１〜第ｎＬＥＤ３ｎ）を直列接続して使用する例を示している。

定電流電源装置１０は、照明器具３０に定電流を流して照明器具３０を駆動する駆動装置である。定電流電源装置１０は、電圧に関わらず照明器具３０に定電流を流すことができるため、ＬＥＤの直列数が変わっても同じ光量で発光させることができる。従って定電流電源装置１０は定格電圧の範囲内において、直列に接続されるＬＥＤの数が異なる様々なタイプの照明器具３０を駆動することができる。

定電流電源装置１０はＡＣ−ＤＣコンバータ１１、定電流電源部１２及び調光操作部１７を備える。定電流電源部１２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３、電流検出部１４、電圧検出部１５及び制御部１６を含む。

ＡＣ−ＤＣコンバータ１１は、交流電源（商用電源）５から供給される交流電圧を直流電圧に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１３に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３はＡＣ−ＤＣコンバータ１１から供給される直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換して照明器具３０に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３はスイッチング電源で構成でき、例えばフォワード方式の絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用できる。なおスイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のデューティ比の制御により、出力の安定化フィードバック制御が可能なＤＣ−ＤＣコンバータであれば、いずれの方式のＤＣ−ＤＣコンバータを使用してもよい。

電流検出部１４は、照明器具３０に供給される定電流電源部１２の出力電流を検出し、制御部１６に出力する。電圧検出部１５は、照明器具３０に供給される定電流電源部１２の出力電圧を検出し、制御部１６に出力する。

制御部１６は、電流検出部１４により検出された出力電流が目標電流を維持するよう、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に含まれるスイッチング素子のデューティ比を制御する。具体的には出力電流が低下するとデューティ比を上げ、出力電流が上昇するとデューティ比を下げる。正常動作時において定電流電源部１２の出力電圧は、第１ＬＥＤ３１〜第ｎＬＥＤ３ｎの順方向降下電圧Ｖｆの総和に維持される。

調光操作部１７はユーザが操作した調光量を制御部１６に設定する。制御部１６は設定された調光量に応じて目標電流を調整する。なお制御部１６は、図示しない照度センサから入力される信号に応じて目標電流を調整してもよい。

図１では定電流電源装置１０が、交流電源（商用電源）５から電源供給を受ける構成を示したが、直流電源（電池）から電源供給を受ける構成であってもよい。その場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ１１は不要になる。

以上の回路構成において活線工事する場面を考える。具体的には定電流電源装置１０の動作を停止させずに照明器具３０を交換する例（ホットスワップ）を考える。蛍光灯や白熱電球の場合、１００Ｖ／２００Ｖの電圧に耐えられる仕様になっているため、活線工事により蛍光灯や白熱電球が大きなダメージを受けることは基本的に発生しない。

これに対してＬＥＤの場合、順方向降下電圧Ｖｆを超える大きな電圧が印加されると、ＬＥＤは大きなダメージを受け、使用不能になる場合もある。図１に示した定電流電源装置１０では、照明器具３０が取り外されると電流検出部１４が検出される出力電流が急低下するため、制御部１６は最大デューティ比でＤＣ−ＤＣコンバータ１３に含まれるスイッチング素子を駆動しようと制御する。これにより定電流電源装置１０の出力電圧が最大値まで上昇する。

この状態で照明器具３０を定電流電源装置１０の出力端子に装着すると、照明器具３０内のＬＥＤが大きなダメージを受ける可能性がある。特に定電流電源装置１０の最大出力電圧が高い場合（例えば、８０〜１００Ｖの場合）、ＬＥＤは耐圧オーバーとなり、大きなダメージを受ける。なお定電流電源装置１０の最大出力電圧が比較的低い場合であっても、直列接続されるＬＥＤの数が少ない照明器具３０に交換した場合、ＬＥＤが耐圧オーバーとなる可能性が高くなる。また照明器具３０が取り外された状態で、作業者が定電流電源装置１０の出力端子に触れてしまうと感電する危険がある。直流電流の場合、交流電流より人体への悪影響が大きいため感電保護の要請が強くなる。

図２は、本発明の実施の形態に係る、定電流電源装置１０で照明器具３０を駆動する回路構成を示す図である。本実施の形態では、定電流電源装置１０と照明器具３０との間に活線挿抜保護回路２０を接続する。

図３は、本発明の実施の形態に係る活線挿抜保護回路２０の回路構成例を示す図である。活線挿抜保護回路２０は、定電流電源装置１０から照明器具３０への通電／非通電を制御するためのメインスイッチとして機能する第１スイッチＭ１を備える。第１スイッチＭ１にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Efect-Transistor）を使用している。第１スイッチＭ１のドレイン端子は、照明器具３０に含まれるＬＥＤのカソード端子に接続され、第１スイッチＭ１のソース端子は、ローサイド基準電位（以下、グラウンド電位とする）に接続される。

照明器具３０に含まれるＬＥＤのアノード端子は定電流電源装置１０の出力端子と電気的に接続しており、第１スイッチＭ１がオン状態に制御されると当該ＬＥＤのカソード端子がグラウンドに導通し、当該ＬＥＤに電流が流れる。第１スイッチＭ１がオフ状態に制御されると、ＬＥＤに電流が流れなくなる。当該ＬＥＤと並列に、ファストリカバリダイオードＦＲＤが逆向きに接続される。ファストリカバリダイオードＦＲＤは、第１スイッチＭ１のターンオフ後の急激な逆起電力を抑える。

活線挿抜保護回路２０は、第１スイッチＭ１を駆動するためのスイッチ駆動回路２１を備える。スイッチ駆動回路２１は、第１定電流ダイオードＣＲ１、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２及び第１コンデンサＣ１を含む。

第１定電流ダイオードＣＲ１のアノード端子は、定電流電源装置１０のプラス側の出力端子と照明器具３０に含まれるＬＥＤのアノード端子とを繋ぐ電流路Ｌ１から分岐された電流路Ｌ２に接続される。第１定電流ダイオードＣＲ１は電流路Ｌ２から第２定電流ダイオードＣＲ２と第３定電流ダイオードＣＲ３と並列に電流を受ける。第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子とグラウンドとの間に、第１ツェナーダイオードＺ１と第２コンデンサＣ２が並列に接続され、第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子の電位が所定の電位にクランプされる。以下、第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子の電位を１３．０Ｖにクランプする例を想定する。

第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子は、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を介して第１スイッチＭ１のゲート端子に接続される。第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との接続点Ｎ１と、グラウンドとの間に第１コンデンサＣ１が接続される。第１抵抗Ｒ１には高抵抗（例えば、２．０ＭΩ）のものを使用する。

第１スイッチＭ１のターンオン時において、第１スイッチＭ１のゲート端子は、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２及び第１コンデンサＣ１の時定数で充電される。第１抵抗Ｒ１が高抵抗であるため時定数が大きくなり、第１スイッチＭ１のゲート電圧が緩やかに上昇する。例えば１．０〜１．５秒かけて第１スイッチＭ１をターンオンする。これにより照明器具３０から定電流電源装置１０への電圧フィードバックを促し、定電流電源装置１０の出力電圧の上昇を緩やかにし、照明器具３０に含まれるＬＥＤに最大パワーがかからないようにできる。このようなソフトスタートにより、ＬＥＤにかかる負担を軽減できる。

活線挿抜保護回路２０は、定電流電源装置１０の起動（電源投入）を検出する起動検出回路２２を備える。起動検出回路２２は、第１オペアンプＯＰ１、第３抵抗Ｒ３、第４抵抗Ｒ４、第５抵抗Ｒ５、第６抵抗Ｒ６及び第３コンデンサＣ３を含む。第１オペアンプＯＰ１はコンパレータとして機能する。

第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子とグラウンドとの間に、第３抵抗Ｒ３と第３コンデンサＣ３が直列に接続される。第３コンデンサＣ３と並列に、第３コンデンサＣ３の残留電荷を放電するための第４抵抗Ｒ４が接続される。また第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子とグラウンドとの間に、第５抵抗Ｒ５と第６抵抗Ｒ６が直列に接続される。第５抵抗Ｒ５と第６抵抗Ｒ６は分圧回路を構成する。

第３抵抗Ｒ３と第３コンデンサＣ３との間の接続点は第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続され、第３コンデンサＣ３は定電流電源装置１０の出力電圧を蓄え、第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に印加する。第５抵抗Ｒ５と第６抵抗Ｒ６との間の接続点は第１オペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続され、第５抵抗Ｒ５と第６抵抗Ｒ６で構成される分圧回路は、定電流電源装置１０の出力電圧を分圧して、第１オペアンプＯＰ１の反転入力端子に印加する。

第３コンデンサＣ３がフルに充電されている状態において、第３抵抗Ｒ３と第３コンデンサＣ３との間の接続点電圧が、第５抵抗Ｒ５と第６抵抗Ｒ６との間の接続点電圧より高くなるよう第３抵抗Ｒ３、第３コンデンサＣ３、第５抵抗Ｒ５及び第６抵抗Ｒ６の各定数が設定される。

図３に示す第１オペアンプＯＰ１の出力端子は、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より高いときハイインピーダンスとなり、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より低いときローレベルを出力する。通常時は非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より高くなるため、第１オペアンプＯＰ１の出力端子はハイインピーダンスとなる。定電流電源装置１０の起動時において第３コンデンサＣ３が充電されるまでの間、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より低い状態となる。この状態では第１オペアンプＯＰ１はローレベルを出力する。第３コンデンサＣ３の充電が完了すると、第１オペアンプＯＰ１の出力端子はハイインピーダンスになる。

第１オペアンプＯＰ１の出力端子は、第２スイッチＭ２のゲート端子に接続される。第２スイッチＭ２にはｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用している。第２スイッチＭ２のソース端子は第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子と接続される。第２スイッチＭ２のドレイン端子は、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２と第１コンデンサＣ１との接続点Ｎ１に接続される。第２スイッチＭ２のゲート端子とソース端子との間に第７抵抗Ｒ７が接続され、第２スイッチＭ２のゲート電圧がプルアップされる。

第２スイッチＭ２は、スイッチ駆動回路２１の時定数を切り替える時定数切替回路として機能する。起動検出回路２２により定電流電源装置１０の起動が検出されたとき、即ち第１オペアンプＯＰ１の出力がローレベルのとき第２スイッチＭ２はオン状態に制御される。この状態では第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子と接続点Ｎ１が導通し、高抵抗の第１抵抗Ｒ１がバイパスされる。従ってスイッチ駆動回路２１の時定数が低下し、第１スイッチＭ１のゲート電圧が急峻に立ち上がる。定電流電源装置１０の起動後は第１オペアンプＯＰ１の出力端子がハイインピーダンスになり、第２スイッチＭ２はオフ状態に制御される。この状態では第１抵抗Ｒ１が有効となり、第１スイッチＭ１のターンオン時には、第１スイッチＭ１のゲート電圧が緩やかに上昇するようになる。

定電流電源装置１０の起動直後は、照明器具３０から定電流電源装置１０へのフィードバックによる電圧情報が有効に伝達されないため、定電流電源装置１０の出力電圧が上昇しやすくなる。この状態で第１スイッチＭ１のゲート電圧を緩やかに上昇させてソフトスタートさせると、定電流電源装置１０の出力電圧が最大値まで上がってしまい、第１スイッチＭ１のターンオン完了時にＬＥＤが１度フラッシュしてからの通常運用になってしまう。

そこで起動検出回路２２及び第２スイッチＭ２を追加して、定電流電源装置１０の電源投入直後の１回だけ第１スイッチＭ１を高速にターンオンして、照明器具３０から定電流電源装置１０へ、ＬＥＤの順方向降下電圧Ｖｆを早く伝達する仕組みを導入している。マイクロコントローラは起動時間が必要であるため、定電流電源装置１０の電源投入直後に第２スイッチＭ２をターンオンする制御を担うことはできず、起動検出回路２２は上述のようなアナログ回路で実装する必要がある。

活線挿抜保護回路２０は、定電流電源装置１０の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する第１電圧検出回路２３を備える。第１電圧検出回路２３は、第２定電流ダイオードＣＲ２、第２ツェナーダイオードＺ２、第３スイッチＭ３、第８抵抗Ｒ８及び第３ツェナーダイオードＺ３を含む。

第２定電流ダイオードＣＲ２のアノード端子は電流路Ｌ２に接続され、第２定電流ダイオードＣＲ２は電流路Ｌ２から第１定電流ダイオードＣＲ１と第３定電流ダイオードＣＲ３と並列に電流を受ける。第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子は第２ツェナーダイオードＺ２のカソード端子に接続される。第２ツェナーダイオードＺ２のアノード端子は、第３スイッチＭ３のゲート端子に接続される。第３スイッチＭ３にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴを使用している。第３スイッチＭ３のソース端子はグラウンドに接続され、第３スイッチＭ３のドレイン端子は第１スイッチＭ１のゲート端子に接続される。

第２ツェナーダイオードＺ２の降伏電圧を許容上限電圧に設定する。即ち、定電流電源装置１０に接続する照明器具３０の最大運用電圧に設定する。直列に接続されるＬＥＤの数が多い照明器具３０もサポートする場合は、最大運用電圧を高めに設定する。例えば、９０〜１００Ｖに設定する。なお直列に接続されるＬＥＤの数が多い照明器具３０の接続を想定しない場合は最大運用電圧を中間的な値に設定する。例えば、４５〜５０Ｖに設定する。

定電流電源装置１０の出力電圧が許容上限電圧を超えると、第２ツェナーダイオードＺ２がブレークダウンし、第３スイッチＭ３がターンオンする。第３スイッチＭ３がターンオンすると第１スイッチＭ１のゲート端子にグラウンド電圧が印加されるため、第１スイッチＭ１がターンオフする。これにより定電流電源装置１０から照明器具３０への通電が停止する。

第３スイッチＭ３のゲート端子とグラウンドとの間に並列に、第８抵抗Ｒ８及び第３ツェナーダイオードＺ３が接続され、第３スイッチＭ３のゲート端子の電位が所定の電位にクランプされる。本実施の形態では５．１Ｖにクランプされる。また第３スイッチＭ３のゲート端子は制御部２５の第２入出力端子Ｐ２にも接続され、定電流電源装置１０の出力電圧が許容上限電圧を超えると制御部２５に通知される。制御部２５はマイクロコントローラで構成され、活線挿抜保護回路２０の全体制御を実行する。なお制御部２５はＡＳＩＣなどの専用の半導体ＩＣで構成されてもよい。

活線挿抜保護回路２０は、定電流電源装置１０の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する第２電圧検出回路２４を備える。第２電圧検出回路２４は第２オペアンプＯＰ２、第９抵抗Ｒ９、第１０抵抗Ｒ１０、第１１抵抗Ｒ１１、第１２抵抗Ｒ１２、第１３抵抗Ｒ１３、第１４抵抗Ｒ１４及び第４コンデンサＣ４を含む。第２オペアンプＯＰ２はコンパレータとして機能する。

定電流電源装置１０のプラス側の出力端子と照明器具３０に含まれるＬＥＤのアノード端子とを繋ぐ電流路Ｌ１と、グラウンドとの間に、第９抵抗Ｒ９と第１０抵抗Ｒ１０が直列接続された第１分圧回路が接続される。また電流路Ｌ１とグラウンドとの間に、第１１抵抗Ｒ１１と第１２抵抗Ｒ１２が直列接続された第２分圧回路が接続される。第１分圧回路の分圧点は第１３抵抗Ｒ１３を介して第２オペアンプＯＰ２の非反転入力端子に接続される。第２分圧回路の分圧点は第１４抵抗Ｒ１４を介して第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子に接続される。第１３抵抗Ｒ１３と第２オペアンプＯＰ２の非反転入力端子との接続点と、グラウンドとの間に第４コンデンサＣ４が接続される。

第１分圧回路の分圧点電圧が、第２分圧回路の分圧点電圧より高くなるよう第９抵抗Ｒ９、第１０抵抗Ｒ１０、第１１抵抗Ｒ１１及び第１２抵抗Ｒ１２の各抵抗値が設定される。第１３抵抗Ｒ１３と第１４抵抗Ｒ１４は同じ抵抗値に設定される。即ち、第１分圧回路は定電流電源装置１０の出力電圧を分圧して第２オペアンプＯＰ２の非反転入力端子に印加する。第２分圧回路は定電流電源装置１０の出力電圧を、第１分圧回路の分圧比と異なる（小さい）分圧比で分圧して第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子に印加する。

図３に示す第２オペアンプＯＰ２は、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より高いときハイレベルを出力し、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より低いときローレベルを出力する。通常時は非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧より高い状態で両電圧の差分が維持されながら、両電圧は定電流電源装置１０の出力電圧に応じて平行移動する。第２オペアンプＯＰ２の出力端子は制御部２５の第３入出力端子Ｐ３に接続される。

定電流電源装置１０の出力電圧が急峻に上昇したとき、非反転入力端子には第４コンデンサＣ４が接続されているため、非反転入力端子の電圧上昇が反転入力端子の電圧上昇に対して遅延する。これにより反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧を追い越すと第２オペアンプＯＰ２の出力がハイレベルからローレベルに反転する。反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧を追い越した後、第４コンデンサＣ４の容量値に応じた所定時間が経過すると、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧に追いつき追い越すと第２オペアンプＯＰ２の出力がローレベルからハイレベルに反転する。

第３定電流ダイオードＣＲ３のアノード端子は電流路Ｌ２に接続され、第３定電流ダイオードＣＲ３は電流路Ｌ２から第１定電流ダイオードＣＲ１と第２定電流ダイオードＣＲ２と並列に電流を受ける。第３定電流ダイオードＣＲ３のカソード端子は制御部２５の電源端子ＶＤＤに接続される。制御部２５の電源端子ＶＤＤとグラウンドとの間に、第４ツェナーダイオードＺ４と第５コンデンサＣ５が並列に接続され、制御部２５の電源端子ＶＤＤの電位が所定の電位にクランプされる。以下、制御部２５の電源端子の電位を５．１Ｖにクランプする例を想定する。

第２オペアンプＯＰ２の出力端子と制御部２５の第３入出力端子Ｐ３とを繋ぐ配線と、制御部２５の電源端子ＶＤＤとの間に第１５抵抗Ｒ１５が接続され、当該配線が制御部２５の電源電位にプルアップされる。

活線挿抜保護回路２０は、第２電圧検出回路２４により定電流電源装置１０の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたとき、第１スイッチＭ１をターンオフするための第４スイッチＭ４を備える。第４スイッチＭ４にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴを使用している。第４スイッチＭ４のゲート端子は制御部２５の第５入出力端子Ｐ５に接続され、第４スイッチＭ４のソース端子はグラウンドに接続され、第４スイッチＭ４のドレイン端子は第１スイッチＭ１のゲート端子に接続される。制御部２５は第２オペアンプＯＰ２の出力端子がローレベルに遷移し、第３入出力端子Ｐ３の電位がローレベルに遷移すると、第５入出力端子Ｐ５の電位をローレベルからハイレベルに遷移させる。これにより第４スイッチＭ４がターンオンし、第１スイッチＭ１のゲート端子にグラウンド電圧が印加されるため、第１スイッチＭ１がターンオフする。これにより定電流電源装置１０から照明器具３０への通電が停止する。

第１電圧検出回路２３のみによる定電流電源装置１０の出力電圧の監視では、照明器具３０の最大運用電圧に到達しないと第１スイッチＭ１をターンオフすることができない。そこで第２電圧検出回路２４を追加して、出力電圧の時間当たりの上昇率を監視する。異常な上昇率が検出されると制御部２５に通知され、制御部２５が第１スイッチＭ１をターンオフする。なお調光制御がなされると定電流電源装置１０の出力電圧が変動するが、調光による電圧変動では第２オペアンプＯＰ２が反応しないように第４コンデンサＣ４の容量値を設定する。従って第２電圧検出回路２４は調光制御の邪魔にはならない。

活線挿抜保護回路２０は、定電流電源装置１０に照明器具３０が接続されているか否かを確認するための接続状態確認回路２６を備える。接続状態確認回路２６は第４定電流ダイオードＣＲ４、第５スイッチＭ５、第１６抵抗Ｒ１６及び第１７抵抗Ｒ１７を含む。

照明器具３０のカソード端子が接続されるべき活線挿抜保護回路２０のローサイド出力端子と第１スイッチＭ１のドレイン端子を繋ぐ配線に、第４定電流ダイオードＣＲ４のアノード端子が接続される。第４定電流ダイオードＣＲ４のカソード端子に第５スイッチＭ５のドレイン端子が接続される。第５スイッチＭ５にはｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用している。第５スイッチＭ５のソース端子は、第１６抵抗Ｒ１６を介してグラウンドに接続される。第１６抵抗Ｒ１６は、第５スイッチＭ５のソース端子は制御部２５の第５入出力端子Ｐ５にも接続される。第５スイッチＭ５に流れる電流を電圧に変換して制御部２５に通知する電流−電圧変換回路として機能する。第５スイッチＭ５のゲート端子は、第１７抵抗Ｒ１７を介してグラウンドに接続され、第１７抵抗Ｒ１７によりゲート電圧がクランプされる。

以下、第５スイッチＭ５の駆動回路を説明する。当該駆動回路は第６スイッチＭ６、第７スイッチＭ７及び第１８抵抗Ｒ１８を含む。第６スイッチＭ６にはｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しており、第７スイッチＭ７にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴを使用している。

第６スイッチＭ６のソース端子は第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード端子に接続され、第６スイッチＭ６のゲート端子は第７スイッチＭ７のドレイン端子に接続され、第６スイッチＭ６のドレイン端子は第５スイッチＭ５のゲート端子に接続される。第６スイッチＭ６のゲート端子とソース端子は第１８抵抗Ｒ１８を介して接続され、第６スイッチＭ６のゲート電圧がプルアップされている。第７スイッチＭ７のソース端子はグラウンドに接続され、第７スイッチＭ７のゲート端子は制御部２５の第１入出力端子Ｐ１に接続され、第７スイッチＭ７のドレイン端子は第６スイッチＭ６のソース端子に接続される。

制御部２５は、照明器具３０の接続状態を確認する際、第１入出力端子Ｐ１のレベルをローレベルからハイレベルに遷移させる。これにより第７スイッチＭ７がターンオンし、第６スイッチＭ６のゲート端子にグラウンド電圧が印加されるようになり、第６スイッチＭ６がターンオンする。第６スイッチＭ６がターンオンすると、第１定電流ダイオードＣＲ１のカソード電位が第５スイッチＭ５のゲート端子に印加され、第５スイッチＭ５がターンオンする。

第５スイッチＭ５が導通した状態において、照明器具３０が接続されている場合、第４定電流ダイオードＣＲ４を介して第５スイッチＭ５及び第１６抵抗Ｒ１６に微弱な定電流が流れ、第５スイッチＭ５のソース端子に電圧が発生する。一方、照明器具３０が接続されていない場合、第５スイッチＭ５及び第１６抵抗Ｒ１６に電流が流れないため第５スイッチＭ５のソース端子に電圧が発生しない。従って制御部２５は第５入出力端子Ｐ５の電位を確認することにより、照明器具３０が活線挿抜保護回路２０を介して定電流電源装置１０に接続されているか否かを判定できる。

制御部２５による照明器具３０の接続確認は、定期的（例えば、１秒おき、１０秒おき）に実行される。検出されたデータは、制御部２５内のログ記録部（例えば、ＥＥＰＲＯＭ）に記録する。このように接続状態のログデータを記録することにより、ユーザによる照明器具３０の着脱履歴を、メーカ側で後から確認できるようになる。なお、制御部２５による照明器具３０の接続確認は第１スイッチＭ１がオフ状態（即ち、照明器具３０が接続されていない状態）のときのみ実行されてもよい。

接続状態確認回路２６を追加することにより、照明器具３０が取り外され、再接続された際に自動的に復旧することができる。接続状態確認回路２６を設けない場合、照明器具３０の再接続後に手動で復旧する必要が発生する。またＬＥＤと第５スイッチＭ５の間に第４定電流ダイオードＣＲ４を挿入することにより、第５スイッチＭ５のターンオン時にＬＥＤに大電流が流れることを防止でき、ＬＥＤを保護することができる。

図４は、図３の活線挿抜保護回路２０の動作例を示すタイミングチャートである。時刻Ｔ１において定電流電源装置１０の電源がオンされる。定電流電源装置１０から活線挿抜保護回路２０に電源が供給されると第１スイッチＭ１がターンオンする。定電流電源装置１０の電源投入時は起動検出回路２２及び第２スイッチＭ２の作用により、第１スイッチＭ１が高速にターンオンする。

時刻Ｔ２において第１スイッチＭ１がターンオンすると、定電流電源装置１０から照明器具３０への通電が開始する。照明器具３０への通電が開始されると活線挿抜保護回路２０の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝定電流電源装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔ）は、照明器具３０に含まれるＬＥＤの順方向降下電圧Ｖｆまで上昇し、そのレベルで安定する。

時刻Ｔ３において照明器具３０が取り外されると、定電流電源装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔが急上昇する。時刻Ｔ４において第２電圧検出回路２４が急峻な電圧上昇を検出し、制御部２５に通知する。具体的には第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子の電圧Ｖｉｎ（−）が非反転入力端子の電圧Ｖｉｎ（＋）を追い越すと、第２オペアンプＯＰ２の出力電圧Ｖｏｕｔがローレベルに遷移し、急峻な電圧上昇が制御部２５に通知される。制御部２５は第４スイッチＭ４をターンオンして第１スイッチＭ１のゲート電圧Ｖｇをローレベルに遷移させ、第１スイッチＭ１をターンオフする。これにより活線挿抜保護回路２０の出力電圧Ｖｏｕｔが無効（ハイインピーダンス）になり、照明器具３０に含まれるＬＥＤが過電圧から保護される。

なお許容上限電圧が低く設定されている場合は、第２電圧検出回路２４より先に第１電圧検出回路２３で定電流電源装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔの急上昇が検出される場合もある。

制御部２５は、定期的に第１入出力端子Ｐ１の電位をハイレベルに制御し、照明器具３０の接続状態を確認する。確認結果は第５入出力端子Ｐ５の電位により通知され、制御部２５は第５入出力端子Ｐ５の電位がローレベルの場合は非接続状態、ハイレベルの場合は接続状態と判定する。

時刻Ｔ５において照明器具３０が再接続され、制御部２５が照明器具３０の再接続を検出すると、制御部２５は第４スイッチＭ４及び第５スイッチＭ５をオフ状態に制御して、第１スイッチＭ１のゲート端子とグラウンドとを切り離す。第１スイッチＭ１のゲート電圧Ｖｇは、スイッチ駆動回路２１の作用により緩やかに上昇する。

活線挿抜保護回路２０の再起動中の時刻Ｔ６において再度、照明器具３０が取り外される。活線挿抜保護回路２０の再起動により下がり出した定電流電源装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔが再度急上昇する。第２電圧検出回路２４はこの急上昇を検出し、制御部２５に通知する。具体的には第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子の電圧Ｖｉｎ（−）が非反転入力端子の電圧Ｖｉｎ（＋）を追い越すと、第２オペアンプＯＰ２の出力電圧Ｖｏｕｔがローレベルに遷移し、急峻な電圧上昇が制御部２５に通知される。制御部２５は第４スイッチＭ４をターンオンして第１スイッチＭ１のゲート電圧Ｖｇをローレベルに低下させる。

時刻Ｔ７において照明器具３０が再接続され、制御部２５が照明器具３０の再接続を検出すると、制御部２５は第４スイッチＭ４及び第５スイッチＭ５をオフ状態に制御して、第１スイッチＭ１のゲート端子とグラウンドとを切り離す。第１スイッチＭ１のゲート電圧Ｖｇは、スイッチ駆動回路２１の作用により緩やかに上昇する。第１スイッチＭ１の緩やかな動作により、照明器具３０から定電流電源装置１０に適切な電圧フィードバックがなされつつ徐々に閉回路になるため、ＬＥＤへの負担が少ないソフトスタートを実現できる。時刻Ｔ８において照明器具３０が点灯すると、活線挿抜保護回路２０の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝定電流電源装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔ）は、照明器具３０に含まれるＬＥＤの順方向降下電圧Ｖｆで安定する。

以上説明したように本実施の形態によれば、定電流電源装置１０の出力電圧の絶対的なレベルを検出する第１電圧検出回路２３と、出力電圧の上昇速度を検出する第２電圧検出回路２４を併用することにより、活線挿抜時における保護を万全にできる。

第２電圧検出回路２４を設けることにより、様々な順方向降下電圧ＶｆのＬＥＤの活線挿抜保護を実現できる。例えば、小さな順方向降下電圧ＶｆのＬＥＤを接続する場合、その順方向降下電圧Ｖｆと、第１電圧検出回路２３に設定された上限電圧との乖離が大きくなるため、活線挿抜保護回路２０がＬＥＤへの通電を遮断する前にＬＥＤがダメージを受けるリスクが高まる。この点、第２電圧検出回路２４を設けることにより遮断タイミングを早めることができる。また接触不良等により、第１電圧検出回路２３に設定された上限電圧より低い電圧領域で、活線挿抜保護回路２０の出力電圧がチャタリングを起こしているような場合でも第２電圧検出回路２４を設けていれば、ＬＥＤへの通電を遮断できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。本実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図５は、変形例に係る定電流電源装置１０で照明器具３０を駆動する回路構成を示す図である。変形例では活線挿抜保護回路２０を定電流電源装置１０の中に内蔵させる。図２に示した回路構成との違いは、活線挿抜保護回路２０が定電流電源装置１０の筐体の中にあるか外にあるかの違いであり電気的特性は同じである。既存の定電流電源装置１０に対しては図２に示した回路構成を採用して外付けし、新規の定電流電源装置１０に対しては外付けでも内蔵でもよい。

これまで照明器具３０の中にＬＥＤを含める構成を説明したが、ＬＥＤの代わりに有機ＥＬ等の他の発光素子を用いてもよい。ダイオード特性を有し順方向バイアス電圧の印加により発光する発光素子であればよい。

上記図３に示した回路構成は一例であり適宜、等価回路に置き換えることができる。例えば、スイッチをＭＯＳＦＥＴで構成する例を示したが、ＩＧＢＴ、リレー等に置き換えることも可能である。

また上記図３に示した回路構成の一部を省略した構成も可能である。一部の作用効果が得られなくなるが、その分、回路構成をシンプル化できる。例えば、定電流電源装置１０の電源投入時のＬＥＤのフラッシュを許容すれば、起動検出回路２２及び第２スイッチＭ２を省略できる。また再接続後の自動復旧機能を搭載しない場合は、接続状態確認回路２６を省略できる。その場合は制御部２５も省略してオールアナログ構成も可能である。また活線挿抜の検出率の低下を許容すれば、第２電圧検出回路２４を省略することも可能である。

５交流電源、１０定電流電源装置、１１ＡＣ−ＤＣコンバータ、１２定電流電源部、１３ＤＣ−ＤＣコンバータ、１４電流検出部、１５電圧検出部、１６制御部、１７調光操作部、２０活線挿抜保護回路、２１スイッチ駆動回路、２２起動検出回路、２３第１電圧検出回路、２４第２電圧検出回路、２５制御部、２６接続状態確認回路、Ｍ１第１スイッチ、Ｍ２第２スイッチ、Ｍ３第３スイッチ、Ｍ４第４スイッチ、Ｍ５第５スイッチ、Ｍ６第６スイッチ、Ｍ７第７スイッチ、ＣＲ１第１定電流ダイオード、ＣＲ２第２定電流ダイオード、ＣＲ３第３定電流ダイオード、ＣＲ４第４定電流ダイオード、Ｒ１第１抵抗、Ｒ２第２抵抗、Ｒ３第３抵抗、Ｒ４第４抵抗、Ｒ５第５抵抗、Ｒ６第６抵抗、Ｒ７第７抵抗、Ｒ８第８抵抗、Ｒ９第９抵抗、Ｒ１０第１０抵抗、Ｒ１１第１１抵抗、Ｒ１２第１２抵抗、Ｒ１３第１３抵抗、Ｒ１４第１４抵抗、Ｒ１５第１５抵抗、Ｒ１６第１６抵抗、Ｒ１７第１７抵抗、Ｒ１８第１８抵抗、Ｃ１第１コンデンサ、Ｃ２第２コンデンサ、Ｃ３第３コンデンサ、Ｃ４第４コンデンサ、Ｃ５第５コンデンサ、ＯＰ１第１オペアンプ、ＯＰ２第２オペアンプ、Ｚ１第１ツェナーダイオード、Ｚ２第２ツェナーダイオード、Ｚ３第３ツェナーダイオード、Ｚ４第４ツェナーダイオード、ＦＲＤファストリカバリダイオード、３０照明器具、Ｌ１第１ＬＥＤ、Ｌｎ第ｎＬＥＤ。

Claims

順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具と、当該照明器具を定電流駆動する定電流電源装置との間に接続される活線挿抜保護回路であって、
前記定電流電源装置から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、
前記定電流電源装置の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する第１電圧検出回路と、
前記定電流電源装置の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する第２電圧検出回路と、を備え、
前記メインスイッチは、前記第１電圧検出回路により前記上限電圧を超えた出力電圧が検出されたとき、または前記第２電圧検出回路により前記上限上昇速度を超えた出力電圧の上昇速度が検出されたとき、オフに制御されることを特徴とする活線挿抜保護回路。
前記第２電圧検出回路は、
オペアンプと、
前記定電流電源装置の出力電圧を分圧して前記オペアンプの第１入力端子に印加する第１分圧回路と、
前記定電流電源装置の出力電圧を、前記第１分圧回路の分圧比と異なる分圧比で分圧し、前記オペアンプの第２入力端子に印加する第２分圧回路と、
前記第１入力端子または前記第２入力端子のいずれか一方と、所定の固定電位との間に接続されるコンデンサと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の活線挿抜保護回路。
前記照明器具のカソード端子が接続されるべき本活線挿抜保護回路のローサイド出力端子に、アノード端子が接続される定電流ダイオードと、
前記定電流ダイオードのカソード端子に第１端子が接続される確認スイッチと、
前記確認スイッチの第２端子と、ローサイド基準電位との間に接続される抵抗と、
前記確認スイッチをオンに制御した状態で、前記確認スイッチの第２端子の電圧を監視して、前記照明器具が接続されているか否かを確認する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の活線挿抜保護回路。
前記定電流電源装置の出力電圧を所定の時定数で、前記メインスイッチの制御端子に入力するスイッチ駆動回路と、
前記定電流電源装置の起動を検出する起動検出回路と、
前記起動検出回路により前記定電流電源装置の起動が検出されたとき、前記スイッチ駆動回路の時定数を低下させる時定数切替回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の活線挿抜保護回路。
前記起動検出回路は、
オペアンプと、
前記定電流電源装置の出力電圧を蓄えて前記オペアンプの第１入力端子に印加するコンデンサと、
前記定電流電源装置の出力電圧を分圧して前記オペアンプの第２入力端子に印加する分圧回路と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の活線挿抜保護回路。
順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具と、当該照明器具を定電流駆動する定電流電源装置との間に接続される活線挿抜保護回路であって、
前記定電流電源装置から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、
前記定電流電源装置の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたとき前記メインスイッチをターンオフする電圧検出回路と、
前記照明器具のカソード端子が接続されるべき本活線挿抜保護回路のローサイド出力端子に、アノード端子が接続される定電流ダイオードと、
前記定電流ダイオードのカソード端子に第１端子が接続される確認スイッチと、
前記確認スイッチの第１端子と、ローサイド基準電位との間に接続される抵抗と、
前記確認スイッチをオンに制御した状態で、前記確認スイッチの第２端子の電圧を監視して、前記照明器具が接続されているか否かを確認する制御部と、
を備えることを特徴とする活線挿抜保護回路。
順方向バイアス電圧の印加により発光する照明器具に定電流を供給する定電流電源部と、
前記照明器具と前記定電流電源部との間に接続される活線挿抜保護回路と、を備え、
前記活線挿抜保護回路は、
前記定電流電源部から前記照明器具への通電／非通電を制御するためのメインスイッチと、
前記定電流電源部の出力電圧が、設定された上限電圧を超えたか否かを検出する第１電圧検出回路と、
前記定電流電源部の出力電圧の上昇速度が、設定された上限上昇速度を超えたか否かを検出する第２電圧検出回路と、を含み、
前記メインスイッチは、前記第１電圧検出回路により前記上限電圧を超えた出力電圧が検出されたとき、または前記第２電圧検出回路により前記上限上昇速度を超えた出力電圧の上昇速度が検出されたとき、オフに制御されることを特徴とする定電流電源装置。