JP2017103156A - 電源装置の保護装置および回路装置 - Google Patents

電源装置の保護装置および回路装置 Download PDF

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隆一 林
孝文 野中
Takafumi Nonaka
孝文 野中
順治 滝澤
Junji Takizawa
順治 滝澤
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Abstract

【課題】LED負荷部をLED電源装置に対して逆接した場合でもLED負荷部を保護して発光ダイオードが破壊されるのを防止すること。また、LED電源装置の出力側に誤って交流電源を接続した場合や、LED電源装置の出力側が短絡された場合、過大な電流が流れるのを防止してLED電源装置が破壊されるのを防止すること。【解決手段】LED電源装置10とLED負荷部11との間に保護装置20を設ける。保護装置20は、スイッチング素子FET1、過電流検知部RC、トランジスタQ1、Q2、抵抗RDと抵抗RE等で構成されている。LED負荷部11を逆接した場合、抵抗RDと抵抗REの分圧比によってゲート電圧を閾値電圧以下にしてスイッチング素子FET1をオフする。出力側が短絡された場合、抵抗RCに生じる電位差でトランジスタQ1をオンしてスイッチング素子FET1をオフする。【選択図】図1

Description

本発明は、負荷としての発光ダイオード(LED)を駆動点灯するLED電源装置に関するものであり、より詳しくはこのLED電源装置を保護するための電源装置の保護装置および回路装置に関するものである。
図9は、照明装置のブロック回路図を示し、負荷としてのLED負荷部11は、複数の発光ダイオード(以下、LEDと称する。)LED1、LED2〜LEDnが直列に接続された構成となっている。なお、LED負荷部11のLED1〜LEDnは、複数のLED1〜LEDnを直並列に接続されている場合でも良い。
上記LED負荷部11を駆動点灯するLED電源装置10の入力側の入力端子T1、T2には交流電源が接続され、LED電源装置10の出力側の出力端子T3、T4にはLED負荷部11が接続される。
LED電源装置10は、トランスL、ダイオードブリッジDB1及び定電流回路部12等で構成されており、スイッチSW、フューズFがトランスLの一次側に接続されている。また、トランスLの二次側はダイオードブリッジDB1の入力側が接続されている。
ダイオードブリッジDB1の出力側には平滑用の電解コンデンサC1が接続されていて、この電解コンデンサC1にLED負荷部11を定電流で駆動するための定電流回路部12が並列に接続されている。
LED電源装置10の入力端子T1、T2に交流電源を接続し、LED電源装置10の出力端子T3、T4にLED負荷部11を接続し、スイッチSWをオンすることで、LED負荷部11の各LED1〜LEDnは定電流で駆動されて点灯される。
照明装置は、上述のようにLED電源装置10とLED負荷部11とで構成されており、工場の出荷時では、LED電源装置10とLED負荷部11は分離されて出荷される。
そして、照明装置を実際に施工する現場では、LED電源装置10とLED負荷部11とは配線により接続され、また、LED電源装置10には交流電源が配線により接続されるようになっている。
そのため、図10に示すように、LED負荷部11をLED電源装置10に接続する場合に、LED1〜LEDnに流れる電流が逆になった状態で、LED負荷部11をLED電源装置10に逆接する場合が生じる。かかる場合には、LED負荷部11の各LED1〜LEDnに過大な逆電流が流れて、LED1〜LEDnを損傷、破壊をしてしまうという問題があった。
また、図11に示すように、LED電源装置10の出力端子T3、T4に間違って交流電源を接続する場合もあった。かかる場合には、LED電源装置10の部品を破壊するという問題もあった。
さらに、LED電源装置10の出力側が短絡された場合、LED電源装置10に過大な電流が流れてLED電源装置10を破壊される問題もある。
また、LED電源装置10に無負荷状態で不用意にLED負荷部11を接続すると、突入電流がLED負荷部11に流れてLED1〜LEDnを破損させるという問題もある。
さらに、スイッチSWのオン時に発生するLED電源装置10の急激な出力電圧V+の跳ね上がりにより、LED負荷部11のLED1〜LEDnを破損させてしまうという問題もあった。
すなわち、LED電源装置10は定電流制御であるため、その出力電圧V+は負荷の状態において変わる。電源の立ち上げ時は、フィードバック系の遅れ等により出力電圧V+が跳ね上がり、LED負荷部11のLED1〜LEDnの寿命に悪影響を与えることになる。
本発明は上述の問題点に鑑みて提供したものであって、少なくとも以下の目的を持った電源装置の保護装置および回路装置を提供するものである。
(1)LED負荷部をLED電源装置に対して逆接した場合でもLED負荷部を保護して発光ダイオードが破壊されるのを防止すること。
(2)LED電源装置の出力側に誤って交流電源を接続した場合に、LED電源装置が破壊されるのを防止すること。
(3)LED電源装置の出力側が短絡された場合、過大な電流が流れるのを防止してLED電源装置が破壊されるのを防止すること。
(4)無負荷状態から不用意にLED負荷部をLED電源装置に接続した場合に流れる突入電流をセーブしてLED負荷部を保護すること。
(5)LED電源装置の電源スイッチのオン時に発生するLED電源装置の急激な出力電圧の跳ね上がりからLED負荷部を保護すること。
そこで、本発明の請求項1に記載の電源装置の保護装置では、電源装置10と、前記電源装置10から電力の供給をうける負荷部11とを有し、前記電源装置10と前記負荷部11との間に保護装置20を介装し、前記保護装置20は、前記負荷部11を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子FET1と、前記スイッチング素子FET1の導通/非導通の切り替えを制御する制御信号を出力する制御部Q2とを備えており、前記保護装置20の出力側の電圧の変化を検出した前記制御部Q2からの制御信号により前記スイッチング素子FET1を非導通にしていることを特徴としている。
請求項2に記載の電源装置の保護装置では、前記保護装置20の出力側に電圧が印加された場合、前記制御部Q2が前記スイッチング素子FET1を非導通としていることを特徴としている。
請求項3に記載の電源装置の保護装置では、前記電圧は、交流電源の電圧であることを特徴としている。
請求項4に記載の電源装置の保護装置では、前記保護装置20には、前記負荷部11にかかる電圧の低下を検知する電圧検知部RD、REと、前記電圧検知部RD、REが電圧の低下を検知した場合に、前記スイッチング素子FET1を非導通にさせる非導通手段とを備えていることを特徴としている。
請求項5に記載の電源装置の保護装置では、前記電圧検知部RD、REの電圧降下は、前記負荷部11を前記保護装置20に逆接した場合であることを特徴としている。
請求項6に記載の電源装置の保護装置では、前記保護装置20には、過電流が流れたことを検知する過電流検知部RCと、前記過電流検知部RCが過電流を検知した場合に、前記スイッチング素子FET1を非導通にさせる過電流停止手段とを備えていることを特徴としている。
請求項7に記載の電源装置の保護装置では、前記過電流検知部RCは、前記スイッチング素子FET1に直列に接続された抵抗RCに生じる電位差に基づいて過電流の検知を行なうようにしていることを特徴としている。
請求項8に記載の電源装置の保護装置では、前記スイッチング素子FET1は、前記制御部Q2からの制御信号が入力される入力端子を有し、前記電圧検知部RD、REが電圧降下を検知して制御信号が停止した場合に前記前記スイッチング素子FET1が非導通状態となり、前記制御部Q2が電圧降下を検知する原因である、前記負荷部11の各LED1〜LEDnが部分的に短絡している状態または、前記保護装置20の出力端子T7、T8が短絡している状態が取り除かれない限り前記制御部Q2が制御信号を出力しないようにしていることを特徴としている。
請求項9に記載の電源装置の保護装置では、前記保護装置20は、前記電源装置10の出力電圧V+に対して、前記負荷部11が短絡の場合は前記スイッチング素子FET1を非導通に、前記負荷部11の一部が短絡または逆接続の場合は前記保護装置20の出力電流を制限する二種類の機能の制御を選択的に制御する回路であることを特徴としている。
請求項10に記載の電源装置の保護装置では、前記スイッチング素子FET1は、前記制御部Q2からの制御信号が入力される入力端子を有し、前記過電流検知部RCが過電流を検知した場合に、前記入力端子に蓄積された電荷を放電する放電部Q1を備え、該放電部Q1の放電により前記スイッチング素子FET1を非導通状態としていることを特徴としている。
請求項11に記載の電源装置の保護装置では、前記スイッチング素子FET1の制御を行なう制御電圧発生回路を有していることを特徴としている。
請求項12に記載の電源装置の保護装置では、前記過電流検知部RCは、該過電流検知部RCの検知結果を保持せず、該過電流検知部RCを流れる電流が該過電流検知部RCの検知限以下の電流になれば速やかに復帰するようにしていることを特徴としている。
請求項13に記載の電源装置の保護装置では、電源装置10と、前記電源装置10から電力の供給をうける負荷部11とを有し、前記電源装置10と前記負荷部11との間に保護装置20を介装し、前記保護装置20は、前記負荷部11を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子FET1と、前記スイッチング素子FET1の立ち上がり時間を、前記電源装置10の立ち上げ時の時間より遅く起動する起動回路を備えていることを特徴としている。
請求項14に記載の回路装置では、前記過電流検知部RCと、前記放電部Q1と、前記電圧検知部RD、REとが協調して動作し、全体として一連の保護協調が行なわれる回路構成であることを特徴としている。
本発明の請求項1に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20は、前記負荷部11を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子FET1と、前記スイッチング素子FET1の導通/非導通の切り替えを制御する制御信号を出力する制御部Q2とを備えており、前記保護装置20の出力側の電圧や電流の変化を検出した前記制御部Q2からの制御信号により前記スイッチング素子FET1を非導通にしているものであり、負荷部11側が短絡した場合や、保護装置20に負荷部11を誤って逆接した場合や、保護装置20の出力側に交流電源を誤って接続した場合や、無負荷状態で不用意に負荷部11を接続した場合など、保護装置20が出力側の電圧や電流の変化を検知してスイッチング素子FET1を非導通として保護装置20や負荷部11に電流が流れるのを防止し、負荷部11や電源装置10が破壊されるのを防止することができる。
請求項2に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20の出力側に電圧が印加された場合、前記制御部Q2が前記スイッチング素子FET1を非導通としていることで、例えば、保護装置20の出力側に交流電源が接続された場合、電源装置10に電流が流れるのを防いで該電源装置10が破壊されるのを防止することができる。
請求項3に記載の電源装置の保護装置によれば、前記電圧は、交流電源の電圧であることで、保護装置20の出力側に交流電源が接続された場合、電源装置10に電流が流れるのを防いで該電源装置10が破壊されるのを防止することができる。
請求項4に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20には、前記負荷部11にかかる電圧の低下を検知する電圧検知部RD、REと、前記電圧検知部RD、REが電圧の低下を検知した場合に、前記スイッチング素子FET1を非導通にさせる非導通手段とを備えているので、保護装置20に負荷部11が逆接された場合、スイッチング素子FET1を非導通にして負荷部11への過大な電流が流れるのを防ぐことができ、負荷部11の構成部材、例えば発光ダイオードが破壊されるのを防止することができる。
請求項5に記載の電源装置の保護装置によれば、前記電圧検知部RD、REの電圧降下は、前記負荷部11を前記保護装置20に逆接した場合であり、負荷部11を保護装置20に逆接した場合でも、スイッチング素子FET1を非導通にして負荷部11への過大な電流が流れるのを防ぐことができ、負荷部11の構成部材、例えば発光ダイオードが破壊されるのを防止することができる。
請求項6に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20には、過電流が流れたことを検知する過電流検知部RCと、前記過電流検知部RCが過電流を検知した場合に、前記スイッチング素子FET1を非導通にさせる過電流停止手段とを備えていることで、過電流検知部RCが過電流を検知すると、過電流停止手段がスイッチング素子FET1を非導通にして、過大な短絡電流が流れるのを防いで、電源装置10が破壊されるのを防止することができる。
請求項7に記載の電源装置の保護装置によれば、前記過電流検知部RCは、前記スイッチング素子FET1に直列に接続された抵抗RCに生じる電位差に基づいて過電流の検知を行なうようにしているので、過電流の検知を抵抗RCという安価な部材にて構成することができ、保護装置20全体を簡単な構成で、しかも安価に構成することができる。
請求項8に記載の電源装置の保護装置によれば、前記スイッチング素子FET1は、前記制御部Q2からの制御信号が入力される入力端子を有し、前記電圧検知部RD、REが電圧降下を検知して制御信号が停止した場合に前記前記スイッチング素子FET1が非導通状態となり、前記制御部Q2が電圧降下を検知する原因である、前記LED負荷部11の各LED1〜LEDnが部分的に短絡している状態または、前記保護装置20の出力端子T7、T8が短絡している状態が取り除かれない限り前記制御部Q2が制御信号を出力しないようにしていることで、負荷部11の構成部材である、例えば発光ダイオードが1個または数個が短絡している場合、負荷部11の順方向電圧VFが低下するためにこの電圧降下を電圧検知部RD、REが検知してスイッチング素子FET1を非導通にして負荷部11の発光ダイオードが破壊されるのを防止することができる。また、保護装置20の出力端子T7、T8が短絡している状態が取り除かれれば、負荷部11が正常に接続されている場合と同様になるので、自動復帰する。
請求項9に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20は、前記電源装置10の出力電圧V+に対して、前記負荷部11が短絡の場合は前記スイッチング素子FET1を非導通に、前記負荷部11の一部が短絡または逆接続の場合は前記保護装置20の出力電流を制限する二種類の機能の制御を選択的に制御する回路であり、負荷部11の、例えば直列に接続された発光ダイオードの1個または数個が短絡故障をした場合、電源装置10の出力電圧V+は低下するが、短絡状態には至らない。保護装置20は電源装置10を保護するため出力の「電力」を制御して電源装置10を保護する。したがって、この場合、回路を完全に遮断するのではなく、発生した状況によって照明器具として動作するように保護している。
このように、保護装置20は、短絡電流で回路を遮断し、その原因(ショート)が取り除かれれば自動復帰することと、負荷部11の直列に接続された発光ダイオードの1個または数個が短絡故障をした場合に回路を完全に遮断するのではなく、発生した状況によって照明器具として動作するように保護していることとを選択的に保護しているものである。
請求項10に記載の電源装置の保護装置によれば、前記スイッチング素子FET1は、前記制御部Q2からの制御信号が入力される入力端子を有し、前記過電流検知部RCが過電流を検知した場合に、前記入力端子に蓄積された電荷を放電する放電部Q1を備え、該放電部Q1の放電により前記スイッチング素子FET1を非導通状態としているので、過電流ないし短絡電流が流れるのを防止することができて、電源装置10内の部品が破損されるのを防止することができる。
請求項11に記載の電源装置の保護装置によれば、前記スイッチング素子FET1の制御を行なう制御電圧発生回路を有していることで、スイッチング素子FET1制御用の特別な制御電源を作成せず、例えば抵抗REとツエナーダイオードZDでスイッチング素子FET1をオンにするものであり、構成を簡単にでき、安価に構成することができる。
請求項12に記載の電源装置の保護装置によれば、前記過電流検知部RCは、該過電流検知部RCの検知結果を保持せず、該過電流検知部RCを流れる電流が該過電流検知部RCの検知限以下の電流になれば速やかに復帰するようにしていることで、該過電流検知部RCの検知限以上の電流に対しては過電流を確実に検知できて保護をすることができ、過電流が、無負荷状態で不用意に負荷部11を接続した場合などにより発生する突入電流等の一過性の場合は速やかに復帰して過電流の監視を行なう。
請求項13に記載の電源装置の保護装置によれば、前記保護装置20は、前記負荷部11を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子FET1と、前記スイッチング素子FET1の立ち上がり時間を、前記電源装置10の立ち上げ時の時間より遅く起動する起動回路を備えているので、電源装置10の電源立ち上がり特性を補償することになり、これにより、電源装置10の電源立ち上げ時の出力電圧V+が跳ね上がった場合でも、負荷部11の、例えば発光ダイオードに与える影響を無くすことができる。
請求項14に記載の電源装置の保護装置によれば、前記過電流検知部RCと、前記放電部Q1と、前記電圧検知部RD、REとが協調して動作し、全体として一連の保護協調が行なわれる回路構成であることで、少ない部品構成で、負荷部11側が短絡した場合や、保護装置20に負荷部11を誤って逆接した場合や、保護装置20の出力側に交流電源を誤って接続した場合や、無負荷状態で不用意に負荷部11を接続した場合などに対して保護ができ、また、電源の立ち上がり特性に対して保護ができ、全体を小型で安価な回路で提供することができる。
本発明の実施の形態における保護装置の具体回路図を含む正常な接続状態を示す照明装置のブロック回路図である。 本発明の実施の形態における電源立ち上げ時の動作を説明する場合のブロック回路図である。 本発明の実施の形態における等価回路図である。 本発明の実施の形態における等価回路図である。 本発明の実施の形態におけるLED負荷部を逆接した場合のブロック回路図である。 本発明の実施の形態における保護装置の出力側が短絡された場合のブロック回路図である。 本発明の実施の形態における保護装置の出力側に交流電源が接続された場合のブロック回路図である。 本発明の実施の形態における保護装置の出力側に交流電源が接続された場合の動作説明図である。 従来例の照明装置のブロック回路図である。 従来例のLED電源装置にLED負荷部を逆接した場合の照明装置のブロック回路図である。 従来例のLED電源装置の出力側に交流電源を接続した場合の照明装置のブロック回路図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の具体回路図を示しており、本発明の保護装置20は、従来例と同様の構成のLED電源装置10と、LED負荷部11との間に設けているものである。
保護装置20の入力側の入力端子T5、T6とLED電源装置10の出力端子T3、T4とをそれぞれ接続し、また、保護装置20の出力端子T7、T8にLED負荷部11が接続されるようになっている。
LED電源装置10からの出力電圧V+は、保護装置20の入力端子T5に印加され、LED電源装置10の出力端子T4は、保護装置20のアースラインとしての入力端子T6と接続されている。
ここで、説明の便宜上、保護装置20の入力端子T5と、出力端子T7との間のラインを陽極ライン21と称し、また、入力端子T6と、出力端子T8との間のラインを陰極ライン22と称する。
次に、保護装置20の構成について説明する。陽極ライン21にはダイオードD1が介装されており、このダイオードD1のアノードAが入力端子T5に接続され、ダイオードD1のカソードKが出力端子T7に接続されている。
入力端子T5、T6間にはダイオードD3が並列に接続されており、このダイオードD3のカソードKが陽極ライン21に接続され、ダイオードD3のアノードAが陰極ライン22に接続されている。
陰極ライン22には抵抗RCと、エンハンスメント型の電界効果トランジスタFET1とが直列に介装されており、電界効果トランジスタFET1のソースSと抵抗RCの一端とが接続され、抵抗RCの他端は入力端子T6に接続されている。また、電界効果トランジスタFET1のドレインDは出力端子T8に接続されている。
前記陽極ライン21と陰極ライン22との間には、抵抗REと、PNP型のトランジスタQ2と、ベース抵抗RBとの直列回路が接続されている。抵抗REの一端はトランジスタQ2のエミッタと接続され、抵抗RBの一端はトランジスタQ2のベースに接続されている。また、トランジスタQ2のエミッタ・ベース間にはダイオードD2が並列に接続されている。
トランジスタQ2のコレクタと、NPN型のトランジスタQ1のコレクタとが接続され、このトランジスタQ1のベースは抵抗RCの一端側の陰極ライン22に接続されている。また、トランジスタQ1のエミッタは抵抗RCの他端側の陰極ライン22に接続されている。
電界効果トランジスタFET1のゲートGはトランジスタQ2のコレクタに接続され、電界効果トランジスタFET1のゲートGとソースSとの間にツエナーダイオードZDが並列に接続されている。また、このツエナーダイオードZDに並列に抵抗RDが接続されている。
さらに、抵抗RCと電界効果トランジスタFET1との直列回路に、高抵抗RSが並列に接続されている。
LED負荷部11の正常接続時
次に、図1に示すように、保護装置20の入力端子T5、T6に交流電源が接続され、保護装置20の出力端子T7、T8にLED負荷部11が逆接ではなく正常に接続された場合の動作について説明する。
先ず、LED負荷部11が図1に示すように正常な接続である場合、LED電源装置10の電源スイッチSW(図9参照)をオンにすると、LED電源装置10から保護装置20に出力電圧V+が加えられた瞬間から、高抵抗RSを通じてトランジスタQ2のエミッタ・ベース間に僅かなベース電流が流れる。
トランジスタQ2のコレクタ電流は、該トランジスタQ2のベース電流が僅かなため、コレクタ電流も僅かな値であり、電界効果トランジスタFET1のゲートG・ソースS間の入力容量を急速に充電するに十分ではなく、電界効果トランジスタFET1のゲート電圧は、上記電界効果トランジスタFET1の入力容量と、抵抗REと抵抗RDの並列合成抵抗から決まる時定数で立ち上がる。
電界効果トランジスタFET1のゲート電圧の上昇に伴い、電界効果トランジスタFET1も非導通状態から徐々に導通状態へと移行する。電界効果トランジスタFET1が導通状態へと移行していき、この電界効果トランジスタFET1からトランジスタQ2に十分なベース電流が供給されるようになると、電界効果トランジスタFET1は完全導通状態となる。
電界効果トランジスタFET1が完全導通状態となることで、LED電源装置10からの定電流がダイオードD1を介してLED負荷部11に流れ、LED負荷部11の各LED1〜LEDnを点灯駆動する。
これにより、LED電源装置10とLED負荷部11との間に保護装置20を介装させても、電源オン時に、各LED1〜LEDnを正常に点灯させることができる。
電源立ち上げ時の動作(出力電圧V+の跳ね上がりからのLED負荷部11の保護)
ここで、電源立ち上げ時の動作について詳しく説明する。従来例でも説明したように、LED電源装置10は定電流制御であるため、その出力電圧V+は負荷の状態によって変わる。電源の立ち上げ時は、フィードバック系の遅れ等により出力電圧V+が跳ね上がり、LED負荷部11の各LED1〜LEDnの寿命に悪影響を与えてしまう。
そこで、本実施形態では、図2に示すように、LED負荷部11が正常な接続である場合、LED電源装置10から電圧が加えられた瞬間から高抵抗RSを通じてトランジスタQ2のエミッタ・ベース間に僅かなベース電流IBが流れる。
トランジスタQ2のコレクタ電流は、トランジスタQ2のベース電流が僅かなため、コレクタ電流も僅かな値であり、電界効果トランジスタFET1の入力容量(ゲートG・ソースS間の容量:図2参照)を急速に充電するに十分ではなく、ゲート電圧は、図3及び図4に示す回路定数から決まる時定数で立ち上がる。
ここで、図3に示すように、トランジスタQ2は電流源として動作するものであり、トランジスタQ2のコレクタ電流は、ベース電流の hfe倍流れるが、エ
ミッタ抵抗REが存在するため、コレクタ電流は実際にはエミッタ抵抗REで制限されてしまう。つまり、トランジスタQ2は単なるスイッチとして動作し、図3の等価回路を描くと図4のようになる。
図4において、Veは時定数回路にかかる実効電圧で、抵抗REと抵抗RDで分圧した電圧になる。Reは、抵抗REと抵抗RDの並列合成抵抗である。したがって、電界効果トランジスタFET1のゲート電圧が立ち上がる回路定数Tcは、Tc=Re×入力容量Ccとなる。
この電界効果トランジスタFET1のゲート電圧が立ち上がる時間を、電源の立ち上げ時の時間より遅く設定する。抵抗REと抵抗RDの並列合成抵抗Reと入力容量Ccの回路定数Tcで所謂ソフトスタート回路を構成している。
また、請求項13に記載の「起動回路」は、回路定数Tcに対応している。
上記の回路定数Tcで電界効果トランジスタFET1のゲート電圧が立ち上がっていき、このゲート電圧の上昇に伴い、電界効果トランジスタFET1も非導通状態から徐々に導通状態へと移行し、電界効果トランジスタFET1から十分なベース電流IBが供給されるようになると、電界効果トランジスタFET1は完全導通状態となる。
このように、電源の立ち上げ時の出力電圧V+が跳ね上がった場合でも、電界効果トランジスタFET1のゲート電圧が立ち上がる時間を、電源の立ち上げ時の時間より遅く設定することで、LED電源装置10の電源立ち上がり特性を補償することになる。これにより、LED電源装置10の電源立ち上げ時の出力電圧V+が跳ね上がった場合でも、LED負荷部11の各LED1〜LEDnに与える影響を無くすことができる。
ここで、請求項11に記載の「制御電圧発生回路」とは、特別な制御電源を作成せず、抵抗REとツエナーダイオードZDで電界効果トランジスタFET1をオンにする制御電圧発生装置のことで、具体的には抵抗REとツエナーダイオードZDで構成されている。
また、抵抗REは、上述のソフトスタート回路も構成しており、ツエナーダイオードZDは、電界効果トランジスタFET1のゲート電圧の異常上昇の保護を兼ねている。
電界効果トランジスタFET1の保護
ここで、図1に示すような正常な動作状態では、電界効果トランジスタFET1のゲートGに印加されるゲート電圧は、LED負荷部11の順方向電圧VFを抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧となる。そのため、この抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が、負荷によって電界効果トランジスタFET1のゲートG・ソースS間の絶対最大定格を超える場合があり得る。
この抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が、負荷によって電界効果トランジスタFET1のゲートG・ソースS間の絶対最大定格を超えないように、そのツエナー電圧を有するツエナーダイオードZDを接続している。すなわち、ツエナーダイオードZDは、負荷に依らずゲート電圧を絶対最大定格以内に抑える役割を持っている。この方法によれば、電界効果トランジスタFET1の制御電圧を別途作る必要がなく、安価な回路となる。
ここで、電界効果トランジスタFET1の制御電圧を別途作る必要がなく、安価な回路となるという理由について説明する。例えば、FET1を接合型の電界効果トランジスタまたはMOS型Pチャンネルを使用すれば、マイナスの電源を作る必要があり、NチャンネルMOS型でも20Vまたは30V以上の電圧を加えると電界効果トランジスタが破壊される。
本発明では、電界効果トランジスタFET1にNチャンネルMOS型を用いているものであり、したがって、制御電圧は0Vから20V未満が必要になるが、LED電源装置10の出力電圧V+は、50V〜200Vであり、ツエナーダイオードZDが1個で制御電圧(ツエナーダイオードZDのツエナー電圧)を得ることができる。
LED負荷部11を逆接した場合
ところで、電界効果トランジスタFET1には非導通状態と導通状態の境となるゲート電圧閾値がある。図5に示すように、保護装置20の出力端子T7、T8に間違ってLED負荷部11を逆に接続(逆接)した場合、LED負荷部11の両端の電圧である逆方向電圧VRは、順方向電圧VF(図1参照)の1/3〜1/5程度に低下する。
この出力端子T7、T8の両端に印加される逆方向電圧VRを、抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下になるように抵抗RDと抵抗REの定数を選ぶことで、電界効果トランジスタFET1を非導通状態とすることができ、LED負荷部11の各LED1〜LEDnに過大な逆方向の電流を流すのを防止することができる。
これにより、LED電源装置10にLED負荷部11を間違って逆に接続した場合でも、抵抗RDと抵抗REの定数を電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下になるように決めることで、電界効果トランジスタFET1を非導通状態にさせて、LED負荷部11の各LED1〜LEDnに逆方向の電流が流れるのを防止することができる。
したがって、LED負荷部11の各LED1〜LEDnに過大な電流が流れるのを防止することができて、各LED1〜LEDnが破壊、損傷するのを防ぐことができる。
LED負荷部11に流れる電流が遮断された場合
ここで、LED負荷部11に流れる電流が遮断された場合、例えば、LED負荷部11が保護装置20から外れた場合では以下のように動作する。図1において、LED負荷部11に流れる電流が何らかの原因で遮断されれば、LED電源装置10は出力電圧V+を上げて電流を流そうとするため、高抵抗RSを通じて電界効果トランジスタFET1へ流すベース電流が増え、電界効果トランジスタFET1は導通状態となるが、負荷電流が流れないため、LED負荷部11は保護されている状態となる。また、トランジスタQ2に流れる電流も抵抗REで制限されるため、過大な電流が流れることはなく、そのためトランジスタQ2や電界効果トランジスタFET1は保護される。
これにより、LED電源装置10とLED負荷部11とは保護されることになる。
LED負荷部11が短絡した場合
図6は、正常に点灯しているLED負荷部11を短絡した場合を示しており、LED負荷部11を短絡した場合は、瞬間的に短絡電流が流れ、陰極ライン22に介装した電流検出抵抗RCの両端に電位差が発生する。
この電位差がトランジスタQ1のベース電流を流すことができる電位差になれば、トランジスタQ1がオンして電界効果トランジスタFET1のゲートGとソースS間の電極を短絡し、電界効果トランジスタFET1の入力容量に蓄積した電荷を放電させてゲート電圧をソース電位まで低下させる。したがって、電界効果トランジスタFET1は非導通状態となり短絡電流が流れるのを防止する。
同時に、トランジスタQ2のエミッタ・ベース間電圧はダイオードD1の順方向降下電圧まで低下し、トランジスタQ2はオフ状態となり、電界効果トランジスタFET1のゲートGへの電圧供給が停止する。LED負荷部11が短絡状態である間は、トランジスタQ2はオフ状態を継続するため、短絡電流は流れない。
これにより、LED負荷部11が短絡した場合でも、短絡電流がLED電源装置10に流れるの阻止して、LED電源装置10内の部品が破損されるのを防止することができる。
ここで、請求項6に記載の「過電流停止手段」は、オンすることで電界効果トランジスタFET1を強制的にオフさせるトランジスタQ1をいう。
LED電源装置10の電源立ち上げ時にLED負荷部11が短絡している場合
また、LED電源装置10の電源の立ち上げ時に、既にLED負荷部11が短絡状態である場合、高抵抗RSを通じてトランジスタQ2のエミッタ・ベース間に僅かなベース電流が流れるが、トランジスタQ2のエミッタ・ベース間電圧はLED負荷部11が短絡の状態であるため、ダイオードD1の順方向降下電圧しか掛からず、十分なコレクタ電流を流すことができない。
したがって、電界効果トランジスタFET1のゲートGへの電圧供給が停止し、LED負荷部11が短絡状態である間はトランジスタQ2はオフ状態を継続するため、短絡電流は流れない。
これにより、LED電源装置10の電源の立ち上げ時に、既にLED負荷部11が短絡状態である場合であっても、短絡電流が流れるのを防止することができて、LED電源装置10を保護することができる。
LED負荷部11のLEDが1個または数個が短絡している場合
ところで、図1に示すように、LED負荷部11は通常は複数のLEDを直列に接続して使用される。その内の部分的、つまり1個または数個のLEDが短絡故障すれば、LED負荷部11の順方向降下電圧VFは低下するが、この順方向降下電圧VFを抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下にならない限りLED負荷部11に電流は流れ続ける。
しかし、LED負荷部11のLEDに流れる電流は、正常なLEDの灯数の時より増大するため、LEDの保護の観点から増大する電流を適当な値に制御する必要がある。この制限をかけたい電流に対する順方向降下電圧VFを、抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下になるように抵抗RDと抵抗REの定数を選ぶことで、電界効果トランジスタFET1を非導通状態にさせてLED負荷部11に電流が流れるのを防止することができる。
すなわち、LED負荷部11の各LED1〜LEDnが損傷や破壊されない程度では、抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以上となるように抵抗RDと抵抗REの抵抗値と設定すると共に、LEDが損傷や破壊される電流値となる過大な電流に対しては、順方向降下電圧VFを、抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下になるように抵抗RDと抵抗REの定数を選ぶようにしている。
なお、請求項4に記載の「非導通手段」は、順方向降下電圧VFを、抵抗RDと抵抗REで分圧した電圧が電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下になるように定数を設定した抵抗RDと抵抗REをいう。
これにより、複数のLEDを使用しているLED負荷部11の1個または複数個のLEDが短絡故障しても、LEDに大きな電流が流れるのを防止でき、LEDが破損するのを防止することができる。
このように抵抗RDと抵抗REの定数を電界効果トランジスタFET1の閾値電圧以下となるように設定することで、上述のLED負荷部11の極性逆接続の保護を損なうことなく、この目的を達成することができる。
ここで、負荷側(LED負荷部11側)が短絡した場合、通常の一般的な保護デバイス、例えばノーフューズブレーカは、短絡電流で回路を遮断し、復旧は人手による。本実施形態では、保護装置20は、短絡電流で回路を遮断し、その原因(ショート)が取り除かれれば、LED負荷部11が正常に接続されている場合と同様になるので、自動復帰する。
また、LED負荷部11の直列に接続されたLED1〜LEDnの1個または数個が短絡故障をした場合、LED電源装置10の出力電圧V+は低下するが、短絡状態には至らない。保護装置20はLED電源装置10を保護するため出力の「電力」を制御してLED電源装置10を保護する。
したがって、この場合、回路を完全に遮断するのではなく、発生した状況によって照明器具として動作するように保護している。
このように、保護装置20は、短絡電流で回路を遮断し、その原因(ショート)が取り除かれれば自動復帰することと、LED負荷部11の直列に接続されたLED1〜LEDnの1個または数個が短絡故障をした場合に回路を完全に遮断するのではなく、発生した状況によって照明器具として動作するように保護していることとを選択的に保護している。
電源立ち上げ時後にLED負荷部11を接続した場合
ところで、保護装置20にLED負荷部11を接続せずに、無負荷状態で電源を立ち上げれば電界効果トランジスタFET1は導通状態となる。また、出力電圧V+はLED電源装置10の能力いっぱいの高電圧を出力するため、この状態で不用意にLED負荷部11を接続すれば過大な電流がLED負荷部11の各LED1〜LEDnに流れ、LEDの寿命に悪影響を与える。
そこで、本実施形態では、この各LED1〜LEDnに流れる過大な電流を電流検出用抵抗RCで検出してトランジスタQ1をオンにし、電界効果トランジスタFET1のゲート電圧を下げて電流を制限し、電界効果トランジスタFET1を非導通状態にしている。
これにより、LED負荷部11へ過大な電流が流れるのを阻止して、LED負荷部11の各LED1〜LEDnを保護している。
ところで、過電流検知部RCにて過電流を検知して、その過電流が無負荷状態で不用意にLED負荷部11を接続した場合などにより発生する突入電流のような一過性ではない場合であっても、過電流検知部RCの検知限を超えて電流が流れることはできない。過電流検知部RCの検知限を僅かでも超えることで、トランジスタQ1がオン状態となって、電界効果トランジスタFET1を非導通状態にすることで、過大な短絡電流が流れるの防止している。
しかし、過電流が一過性の場合では、過電流検知部RCの両端の電位差はなくなり、その検知結果は保持せず、トランジスタQ1はオフとなり、電界効果トランジスタFET1を導通状態にしてLED負荷部11に定電流を流すべく速やかに復帰するようになっている。
これにより、一過性でない場合は過電流を確実に検知できて保護することができ、過電流が一過性の場合は速やかに復帰して過電流の監視を行なう。
保護装置20の出力側に交流電源を接続した場合
図7は、保護装置20の出力端子T7、T8に誤って交流電源を接続した場合を示しており、出力端子T7が高電位側で、出力端子T8が低電位側である状態では、逆流阻止用のダイオードD1が出力側(交流電源)からの電流流入を阻止してLED電源装置10を保護する。
また、出力端子T8が高電位側で、出力端子T7が低電位側である状態では、電界効果トランジスタFET1のゲートGにかかるG点でのゲート電圧は、電界効果トランジスタFET1のソースSのS点より低電位であるため、電界効果トランジスタFET1は非導通状態を保ち、交流電源からの電流流入を阻止する。
このように、保護装置20の出力側に交流電源が間違って接続された場合でも、ダイオードD1と電界効果トランジスタFET1により、交流電源からの電流がLED電源装置10へ流れるのを阻止し、LED電源装置10を保護することができる。
ここで、出力端子T8が高電位側で、出力端子T7が低電位側である状態では、電界効果トランジスタFET1のゲートGにかかるG点でのゲート電圧は、電界効果トランジスタFET1のソースSのS点より低電位となる理由について説明する。
図8に示すように、保護装置20のすべてのデバイスが理想的であれば、電流I1は、高電位側の出力端子T8から抵抗RB、ダイオードD2、抵抗RE、ダイオードD1を経て低電位の出力端子T7へと流れる。
また、電流I2は、出力端子T8、高抵抗RS、ダイオードD3、ダイオードD1を経て出力端子T7へと流れる。
この場合、G点とS点を通る電流はなく、S点はダイオードD3のアノードA側と同電位になる。抵抗RSは高抵抗であるため、ダイオードD3のアノードA側の電位は、出力端子T7より、ダイオードD1とダイオードD3の順方向電圧分だけ高くなり、約1.0V位になる。
また、トランジスタQ2のコレクタからベースに向かってはダイオード特性を示し、トランジスタQ2のベース電位は、電流I1によって抵抗REと抵抗RBで分圧された電位を持つ。したがって、トランジスタQ2のベース電位の方がコレクタより高くなり、トランジスタQ2を通る電流経路は遮断されることになる。
電界効果トランジスタFET1はオフの状態であるため、この電流経路も遮断される。しかし、現実の電界効果トランジスタは、S点(ソース電極)とドレイン電極間に容量を持っていて、この容量を通って電流I3に示すように、電界効果トランジスタFET1を介してツエナーダイオードZDと抵抗RDの並列回路、トランジスタQ1のベース・コレクタを経る2系統の回路を通してトランジスタQ2へと流れる。これにより、G点の電位がS点より低くなる。
なお、ダイオードD3は、交流電源を保護装置20の出力端子T7、T8に間違って接続した場合に、出力端子T8が高電位側である時に、LED電源装置10に逆電圧が浸入しないように出力端子T7側へバイパスする目的のダイオードである。しかし、LED電源装置10が出力回路にダイオードブリッジを備えている場合は、ダイオードD3は省略が可能である。
また、ダイオードD2は、同様に交流電源が出力端子T7、T8に接続された場合に、トランジスタQ2のエミッタ・ベース間に過大な逆電圧がかかる場合において、これをバイパスする目的のダイオードであり、トランジスタQ2を保護するものである。
このように本実施形態では、過電流検知部(過電流検知部)RCと、トランジスタ(放電部)Q1と、抵抗(電圧検知部)RD、REとが協調して動作し、全体として一連の保護協調が行なわれる回路構成としているものである。
これにより、少ない部品構成で、LED負荷部11側が短絡した場合や、保護装置20にLED負荷部11を誤って逆接した場合や、保護装置20の出力側に交流電源を誤って接続した場合や、無負荷状態で不用意にLED負荷部11を接続した場合などに対して保護ができ、また、電源の立ち上がり特性に対して保護ができ、全体を小型で安価な回路で提供することができる。
10 LED電源装置
11 LED負荷部
20 保護装置
FET1 電界効果トランジスタ(スイッチング素子)
Q1 トランジスタ(放電部)
Q2 トランジスタ(制御部)
RC 抵抗(過電流検知部)
RD 抵抗(電圧検知部)
RE 抵抗(電圧検知部)
T1 出力端子
T2 出力端子

Claims (14)

  1. 電源装置(10)と、前記電源装置(10)から電力の供給をうける負荷部(11)とを有し、
    前記電源装置(10)と前記負荷部(11)との間に保護装置(20)を介装し、
    前記保護装置(20)は、
    前記負荷部(11)を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子(FET1)と、
    前記スイッチング素子(FET1)の導通/非導通の切り替えを制御する制御信号を出力する制御部(Q2)とを備えており、
    前記保護装置(20)の出力側の電圧や電流の変化を検出した前記制御部(Q2)からの制御信号により前記スイッチング素子(FET1)を非導通にしていることを特徴とする電源装置の保護装置。
  2. 前記保護装置(20)の出力側に電圧が印加された場合、前記制御部(Q2)が前記スイッチング素子(FET1)を非導通としていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置の保護装置。
  3. 前記電圧は、交流電源の電圧であることを特徴とする請求項2に記載の電源装置の保護装置。
  4. 前記保護装置(20)には、前記負荷部(11)にかかる電圧の低下を検知する電圧検知部(RD)(RE)と、前記電圧検知部(RD)(RE)が電圧の低下を検知した場合に、前記スイッチング素子(FET1)を非導通にさせる非導通手段とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置の保護装置。
  5. 前記電圧検知部(RD)(RE)の電圧降下は、前記負荷部(11)を前記保護装置(20)に逆接した場合であることを特徴とする請求項4に記載の電源装置の保護装置。
  6. 前記保護装置(20)には、過電流が流れたことを検知する過電流検知部(RC)と、前記過電流検知部(RC)が過電流を検知した場合に、前記スイッチング素子(FET1)を非導通にさせる過電流停止手段とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置の保護装置。
  7. 前記過電流検知部(RC)は、前記スイッチング素子(FET1)に直列に接続された抵抗(RC)に生じる電位差に基づいて過電流の検知を行なうようにしていることを特徴とする請求項6に記載の電源装置の保護装置。
  8. 前記スイッチング素子(FET1)は、前記制御部(Q2)からの制御信号が入力される入力端子を有し、
    前記電圧検知部(RD)(RE)が電圧降下を検知して制御信号が停止した場合に前記前記スイッチング素子(FET1)が非導通状態となり、
    前記制御部(Q2)が電圧降下を検知する原因である、前記負荷部(11)の各(LED1)〜(LEDn)が部分的に短絡している状態または、前記保護装置(20)の出力端子(T7)(T8)が短絡している状態が取り除かれない限り前記制御部(Q2)が制御信号を出力しないようにしていることを特徴とする請求項6に記載の電源装置の保護装置。
  9. 前記保護装置(20)は、前記電源装置(10)の出力電圧(V+)に対して前記負荷部(11)が短絡の場合は前記スイッチング素子(FET1)を非導通に、前記負荷部(11)の一部が短絡または逆接続の場合は前記保護装置(20)の出力電流を制限する二種類の機能の制御を選択的に制御する回路であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の電源装置の保護装置。
  10. 前記スイッチング素子(FET1)は、前記制御部(Q2)からの制御信号が入力される入力端子を有し、
    前記過電流検知部(RC)が過電流を検知した場合に、前記入力端子に蓄積された電荷を放電する放電部(Q1)を備え、
    該放電部(Q1)の放電により前記スイッチング素子(FET1)を非導通状態としていることを特徴とする請求項6に記載の電源装置の保護装置。
  11. 前記スイッチング素子(FET1)の制御を行なう制御電圧発生回路を有していることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれかに記載の電源装置の保護装置。
  12. 前記過電流検知部(RC)は、該過電流検知部(RC)の検知結果を保持せず、該過電流検知部(RC)を流れる電流が該過電流検知部(RC)の検知限以下の電流になれば速やかに復帰するようにしていることを特徴とする請求項6〜請求項10のいずれかに記載の電源装置の保護装置。
  13. 電源装置(10)と、前記電源装置(10)から電力の供給をうける負荷部(11)とを有し、
    前記電源装置(10)と前記負荷部(11)との間に保護装置(20)を介装し、
    前記保護装置(20)は、
    前記負荷部(11)を介して流れる電流の経路に介装されているスイッチング素子(FET1)と、
    前記スイッチング素子(FET1)の立ち上がり時間を、前記電源装置(10)の立ち上げ時の時間より遅く起動する起動回路を備えている
    ことを特徴とする電源装置の保護装置。
  14. 前記過電流検知部(RC)と、前記放電部(Q1)と、前記電圧検知部(RD)(RE)とが協調して動作し、全体として一連の保護協調が行なわれる回路構成であることを特徴とする回路装置。
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