JP2017079097A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の増加を抑制しつつ、ＬＥＤ素子の配置数量に左右されずにコントロール装置の共用化を図ることができる照明装置を提供すること。【解決手段】照明光源に一つ以上のＬＥＤ素子を含む負荷部を点灯するＬＥＤ照明装置であって、力率改善回路部と、負荷部に電力を供給するスイッチング電源部と、を備え、スイッチング電源部は、力率改善回路部を有する第１のスイッチング電源部と、ＬＥＤ素子を駆動するための所期電圧に設定する第２のスイッチング電源部と、を有し、力率改善回路部は、ＬＥＤ素子への入力電圧に係る実効値に対する目標値となるように、出力電圧を可変とした。【選択図】図２

Description

本発明は、照明光源にＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ照明装置は、高寿命かつ消費電力の削減に貢献するものとして、蛍光管や白熱電球等に替わる新たな照明装置として注目されている。

また、このようなＬＥＤ照明装置としては、交流電源電圧を入力するＡＣ入力部と、力率改善のためのＰＦＣコンバータ及び電圧制御のためのＤＣ／ＤＣコンバータを有する２コンバータ方式のスイッチング電源装置と、を搭載したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

２コンバータ方式のスイッチング電源装置は、前段に備えられたＰＦＣコンバータ回路と、その後段に備えられたＤＣ／ＤＣコンバータと、で構成される。

特開２０１４−０６８４２４号公報

ところで、ＬＥＤ照明装置は、高輝度化に伴ってＬＥＤ素子の大量配置化が望まれている。

しかしながら、上述した定電圧制御では、ＬＥＤ素子の配置数に応じたものを用いる必要がある。このため、ＬＥＤ素子の配置数に応じたＬＥＤ照明装置用のスイッチング電源装置を用意しなければならず、商品開発コストや部品管理コスト等のコストが高騰してしまうという問題が生じていた。

そこで、本発明は、消費電力の増加を抑制しつつ、ＬＥＤ素子の配置数量に左右されずにコントロール装置の共用化を図ることができるＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

課題を解決するため、本発明のＬＥＤ照明装置は、照明光源に一つ以上のＬＥＤ素子を含む負荷部を点灯するＬＥＤ照明装置であって、力率改善回路部と、前記負荷部に電力を供給するスイッチング電源部と、を備え、前記スイッチング電源部は、前記力率改善回路部を有する第１のスイッチング電源部と、前記ＬＥＤ素子を駆動するための所期電圧に設定する第２のスイッチング電源部と、を有し、前記力率改善回路部は、前記ＬＥＤ素子への入力電圧に係る実効値に関する所期値に基づき可変した電力を出力することを特徴とする。

本発明のＬＥＤ照明装置は、消費電力の増加を抑制しつつ、ＬＥＤ素子の配置数量に左右されずにスイッチング電源装置の共用化を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る照明装置に適用される２コンバータ方式の電源回路の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る照明装置に適用される２コンバータ方式の電源回路図である。 本発明の一実施の形態に係る照明装置に適用される力率改善回路部の出力特性のグラフ図である。

次に、本発明に係る一実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態として示すＬＥＤ照明装置１は、２コンバータ方式の電源回路に適用したものである。本実施の形態に係るＬＥＤ照明装置１は、力率改善回路（ＰＦＣ回路）を搭載している。

図１に示すように、ＬＥＤ照明装置１は、商用交流電源に接続した電源入力部２と、照明光源であるＬＥＤ素子を実装した負荷部としてのＬＥＤ基板３と、ＬＥＤ基板３に電力を供給するスイッチング電源部４と、を有する。スイッチング電源部４は、力率可変部６０を有する力率改善回路部３０と、ＬＥＤ素子を駆動するための所期電圧に設定するＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、を有する。力率改善回路部３０は、ＬＥＤ素子への入力電圧に係る実効値に関する所期値に基づき可変した電力を出力するために用いている。以下、本実施の形態に係るスイッチング電源部４の具体的な回路構成の一例を説明する。

図２に示すように、スイッチング電源部４は、入力側から順に、電源入力部２に接続した入力フィルター回路部１０と、入力フィルター回路部１０の出力側に接続した全波整流平滑回路部２０と、全波整流平滑回路部２０の出力側に接続した力率改善回路部３０と、力率改善回路部３０の出力側に接続したＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０の前段において力率改善回路部３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０を制御する制御部５０と、を有する。

入力フィルター回路部１０は、Ｘキャパシタンス１１と、ラインフィルター１２と、Ｘキャパシタンス１３と、を備える。入力フィルター回路部１０は、商用交流電源からの入力ライン上に生じるノイズを低減させるために設けている。

全波整流平滑回路部２０は、入力フィルター回路部１０の出力側に接続したブリッジダイオード２１と、平滑コンデンサ２３を備えている。全波整流平滑回路部２０は、入力側整流回路としての機能を備えている。

ブリッジダイオード２１の一対の入力端子は、入力フィルター回路部１０を介して、電源入力部２と接続している。ブリッジダイオード２１の一方の出力端子は力率改善回路部３０に接続している。

平滑コンデンサ２３はブリッジダイオード２１の一方の出力端子に接続し、ブリッジダイオード２１の他方の出力端子に接続している。平滑コンデンサ２３は、ブリッジダイオード２１によって全波整流された電圧を平滑化する。

力率改善回路部３０は、全波整流平滑回路部２０の出力側に接続したコイル３１と、コイル３１の出力側に接続したダイオード３２と、ダイオード３２の出力側に接続した第１の分圧抵抗３３及び第２の分圧抵抗３４と、コイル３１の出力側に接続したスイッチング素子３５と、平滑コンデンサ３７と、を備えている。

全波整流平滑回路部２０によって全波整流及び平滑化された電圧は、可変力率部６０に入力される。

スイッチング素子３５には、ＭＯＳＦＥＴを用いている。スイッチング素子３５のオン・オフを後に詳述する制御部５０によって制御することにより、スイッチング電源部４の力率を改善することができる。

（力率改善回路部）
力率改善回路部３０は、本実施形態ではブーストコンバータであって、第１のコイル３１、第１のスイッチング素子３５及び第１のダイオード３２を備えている。

第１のコイル３１は、磁性体に巻回されたコイルであって、その入力側端子がブリッジダイオード２１の正極側に接続され、出力側端子が第１のスイッチング素子３５に接続されている。

第１のスイッチング素子３５は、ＭＯＳトランジスタよりなり、第１端子が第１のコイル３１に接続され、第２端子が全波整流平滑回路部２０の負極側に接続されている。第１のスイッチング素子３５の制御端子には、制御部５０から第１駆動信号ＣＴ１が入力され、第１のスイッチング素子３５は、第１駆動信号ＣＴ１に基づいてスイッチング動作（オン・オフ動作）する。

本実施形態では、制御部５０は、第１のコイル３１の電流Ｉ１を検出する図示しない電流検出回路を有し、常時、第１のコイル３１の電流Ｉ１を検出している。
そして、制御部５０は、第１のコイル３１を流れる電流Ｉ１がゼロになった時、第１のスイッチング素子３５を、オフからオンさせる第１駆動信号ＣＴ１を生成し、第１のスイッチング素子３５に出力する。

このようにして、制御部５０が電流検出回路の電流検出に基づいて生成する第１駆動信号ＣＴ１は、商用電源よりも高い周波数の駆動信号となる。

第１のコイル３１の出力側端子と第１のスイッチング素子３５の第１端子との接続点には、第１のダイオードＤ１のアノード端子が接続されている。第１のダイオードＤ１は、逆止用のダイオードであり、そのカソード端子にコンデンサ３７の正極端子が接続されている。コンデンサ３７は、平滑用のコンデンサであって、その負極端子が第１のスイッチング素子３５の第２端子に接続されているとともに、全波整流平滑回路部２０の負極側に接続されている。

ここで、第１のスイッチング素子３５が、商用電源よりも高い周波数の第１駆動信号ＣＴ１にてスイッチング動作されていることから、第１のコイル３１は、第１のスイッチング素子３５のスイッチング動作によって、エネルギの蓄積と放出を繰り返す。そして、第１のコイル３１は、第１のスイッチング素子３５がオフのとき蓄積していたエネルギをコンデンサ３７に放出させる。これによって、コンデンサ３７は、商用電源の電源電圧よりも高い昇圧された直流電圧に充電される。

つまり、全波整流平滑回路部２０は、整流した電源電圧がコンデンサ３７の充電電圧より高いときには、全波整流平滑回路部２０を構成するダイオードに電流を流すことができる。反対に、全波整流平滑回路部２０は、整流した電源電圧がコンデンサ３７の充電電圧より以下のときには、ダイオードに電流を流すことができない。第１のコイル３１には所定の期間しか電流が流れないことになり、導通角が狭く電流波形は正弦波とかけ離れた波形となり、多くの高調波成分を含む電流となる。

そこで、第１のスイッチング素子３５をスイッチング動作させることによって、第１のコイル３１に、流れる電流波形を正弦波に近づけている。
コンデンサ３７の正極端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０に対する正極側に接続されている。一方、コンデンサ３７の負極側は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０に対する負極側に接続されている。

（ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部）
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０は、本実施形態では降圧型のバックコンバータであって、第２のスイッチング素子４２、第２のダイオード４４及び第２のコイル４１を備えている。第２のスイッチング素子４２は、ＭＯＳトランジスタよりなり、第１端子が第２のコイル４１の入力側端子と接続され、第２端子がＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０の負極側に接続されている。第２のスイッチング素子４２の制御端子には、制御部５０から第２駆動信号ＣＴ２が入力され、第２のスイッチング素子４２は第２駆動信号ＣＴ２に基づいてスイッチング動作（オン・オフ動作）する。

第２のコイル４１は、磁性体に巻回されたインダクタであって、その出力側端子がＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０の正極側出力端子Ｖｏｕｔに接続され、その正極側出力端子Ｖｏｕｔには負荷であるＬＥＤ基板３の正極側が接続される。

第２のコイル４１の入力側端子と第２のスイッチング素子４２の第１端子との接続点には、第２のダイオード４４のカソード端子が接続されている。第２のダイオード４４は、逆止用のダイオードであって、そのアノード端子がＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０の負極側に接続されている。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０の負極側は、負極側出力端子ＧＮＤを介して負荷であるＬＥＤ基板３の負極側に接続されている。

ここで、第２のスイッチング素子４２を商用電源の電源周波数よりも高い周波数の第
２駆動信号ＣＴ２にてスイッチング動作させる。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０に入力されてくる電流を第２のコイル４１によって限流し降圧することにより、ＬＥＤ基板３に印加する電圧を所望の電圧値にして供給する。

本実施形態では、制御部５０は、常時、負荷ＬＤに供給する電流Ｉ２を検出する図示しない電流検出回路を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部４０は、負荷ＬＤに供給される電流Ｉ２が予め定めた値になるように、第２のスイッチング素子４２をスイッチングさせる第２駆動信号ＣＴ２を生成し、出力する。

（力率可変部）
図２において、力率可変部６０は、詳細は図示しないが、定電圧ダイオードとトランジスタ及び抵抗やコンデンサなどの受動素子によって構成されている。力率可変部６０の入力部ＩＮには定電圧ダイオード（図示せず）が接続され、出力部ＯＵＴにはトランジスタ増幅回路（図示せず）が接続されている。

図３において、力率可変部６０の入力部ＩＮに入力される入力電圧をＰＶｉｎ、力率可変部６０の出力部ＯＵＴから出力される出力電圧をＰＶｏｕｔとする。領域Ａは入力電圧ＰＶＩＮが力率可変部６０を構成する定電圧ダイオードのツェナー電圧未満の可変動作領域である。この領域では、出力ＯＵＴに接続されているトランジスタ増幅回路を駆動するための電流が流れないので、力率可変部の電気回路が駆動しないため、この領域Ａ内では、入力電圧ＰＶＩＮが増加しても、出力電圧ＰＶｏｕｔは変化せず一定のままである。

次に、領域Ｂは入力電圧ＰＶＩＮが定電圧ダイオードのツェナー電圧を超えたときの領域である。この領域では、定電圧ダイオードから電流が出力されるためエミッタフォロワ回路が駆動する能動領域であり、入力電圧ＰＶｉｎに比例して力率可変部６０の出力部ＯＵＴから出力電圧ＰＶｏｕｔが出力される。入力電圧ＰＶｉｎと出力電圧ＰＶｏｕｔとの間の比例係数はエミッタフォロワ回路の増幅率により決定され、出力電圧ＰＶｏｕｔが所望の出力電圧に収まるような比例係数となっている。

最後に、領域Ｃは入力電圧ＰＶｉｎが定電圧ダイオードのツェナー電圧を超えており、トランジスタ増幅回路の飽和領域である。この領域では、能動領域以上の入力電圧ＰＶｉｎを入力しても出力電圧ＰＶｏｕｔが飽和してしまい、出力電圧ＰＶｏｕｔが一定となっている。この一定の電圧は所望の出力電圧の最大値Ｖｍａｘとしている。

このように、制御部５０は、出力電圧Ｖｏｕｔが最大出力値Ｖｍａｘにまで昇圧する過程において、出力電圧ＶｏｕｔをＬＥＤ素子の配置数に応じての消費電力がフィードバックされ入力電圧として力率可変部６０が動作するので、ＬＥＤ素子の配置数による入力電圧ＰＶＩＮが変化すると、出力電圧ＰＶｏｕｔが入力電圧ＰＶｉｎの領域ごとで力率が変化し、段階的ＬＥＤ素子の配置数に応じた最適な力率とすることができる。

以上説明したように、本発明に係る照明装置は、消費電力の増加を抑制しつつ、ＬＥＤ素子の配置数量に左右されずにコントロール装置の共用化を図ることができるという効果を有し、照明光源にＬＥＤ素子を用いたＬＥＤ照明装置全般に有用である。

１ ＬＥＤ照明装置
３ ＬＥＤ基板
４ スイッチング電源部
２０ 力率改善回路部
５０ 制御部
６０ 可変力率部

Claims (4)

1. 照明光源に一つ以上のＬＥＤ素子を含む負荷部を点灯するＬＥＤ照明装置であって、
   力率改善回路部と、
   前記負荷部に電力を供給するスイッチング電源部と、
   を備え、
   前記スイッチング電源部は、
   前記力率改善回路部を有する第１のスイッチング電源部と、
   前記ＬＥＤ素子を駆動するための所期電圧に設定する第２のスイッチング電源部と、
   を有し、
   前記力率改善回路部は、
   前記ＬＥＤ素子への入力電圧に係る実効値に対する目標値となるように、出力電圧を可変とした
   ことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記力率改善回路部は、前記ＬＥＤ素子への入力電圧が予め定めた値未満のときには、出力電圧が一定であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記力率改善回路部は、前記ＬＥＤ素子への入力電圧が予め定めた値以上のときには、出力電圧が前記入力電圧に比例することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記制御部は、
   前記出力電圧を段階的に前記目標値に近づけるように、前記閾値を複数有している
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１の請求項に記載のＬＥＤ照明装置。