JP2017135024A - 電源装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電源装置に係り、ＬＥＤ光源を点灯させ、外部機器に動作電源を供給可能な電源装置およびそれを利用した照明器具に関し、光源の点灯機能と、外部装置への電源供給機能を備え、小型化が可能な電源装置を得ることを目的とする。【解決手段】交流電源を整流する整流器と、前記整流器の出力端に接続され、光源を点灯させるための電圧を生成するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の制御に使用される第１電圧を生成する制御電源と、前記第１電圧を第２電圧に変換する電源供給回路と、外部装置に前記第２電圧を供給するための第１接続部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に係り、ＬＥＤ光源を点灯させ、外部機器に動作電源を供給可能な電源装置およびそれを利用した照明器具に関する。

特許文献１には、ＬＥＤの点灯機能および、電子機器の充電機能を備えた電源装置が開示されている。

実用新案登録第３１７６０５４号公報

ＬＥＤの点灯機能および電子機器の充電機能を備えた電源装置において、点灯機能のための電源と、充電機能のための電源を別途に設ける場合、装置の小型化の妨げとなる。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は、光源の点灯機能と、外部装置への電源供給機能を備え、小型化が可能な電源装置を得ることである。
第２の目的は、本発明に係る電源装置を用いた照明器具を得ることである。

交流電源を整流する整流器と、前記整流器の出力端に接続され、光源を点灯させるための電圧を生成するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の制御に使用される第１電圧を生成する制御電源と、前記第１電圧を第２電圧に変換する電源供給回路と、外部装置に前記第２電圧を供給するための第１接続部と、を備える。

本発明における電源装置では、電源供給回路において、スイッチング回路の制御に使用される第１電圧から、第２電圧が生成される。このとき、電源供給回路において、高電圧である交流電源から第２電圧を生成する場合と比較して、電源供給回路を小型化することが出来る。

本発明の実施の形態１における照明器具の回路ブロック図である。 本発明の実施の形態１における電源供給ユニットの斜視図である。 本発明の実施の形態１における電源装置を実装した光源ユニットの斜視図である。

本発明の実施の形態に係る電源装置１００および照明器具５００について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における照明器具５００の回路ブロック図である。照明器具５００は、電源装置１００とＬＥＤ光源部５０を備える。電源装置１００は、光源５０１を点灯させる点灯装置１０と外部装置に電源を供給する電源供給ユニット６０を備える。ＬＥＤ光源部５０は、点灯装置１０の出力端に接続される。

点灯装置１０は端子部１４、４８、整流器１６およびスイッチング回路１１を備える。端子部１４を介して、外部電源である交流電源１２と整流器１６が接続される。整流器１６の出力端はスイッチング回路１１に接続される。

スイッチング回路１１において、整流器１６の高電位側の出力端には、コイル１８の一端が接続される。コイル１８の他端には、スイッチング素子２０のドレイン側およびダイオード２２のアノード側が接続される。スイッチング素子２０は、ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子２０のソース側は、基準電位となる回路グランド５４に接続される。また、スイッチング素子２０のゲートはＭＯＳＦＥＴドライバー３８と接続される。ダイオード２２のカソード側にはコンデンサ２８の正極が接続される。コンデンサ６７の負極は、回路グランド５４に接続される。

コイル１８、スイッチング素子２０およびダイオード２２は昇圧回路１９を構成する。昇圧回路１９は昇圧チョッパ回路である。交流電源１２の電圧は整流器１６で整流され、脈流電圧となる。脈流電圧は、昇圧回路１９によって昇圧され、コンデンサ２８に充電される。この結果、コンデンサ２８の両端に直流高電圧が発生する。昇圧回路１９は、スイッチング素子２０がオンのときにコイル１８に電荷が蓄積され、スイッチング素子２０がオフのときに、整流器１６からの出力とコイル１８に蓄積された電荷が重畳されてコンデンサ２８に充電される。

コンデンサ２８の両端に発生する電圧は、抵抗２４、２６によって分圧され、制御ＩＣ２５のＰ１端子に入力される。この結果、コンデンサ２８の両端に発生する電圧が一定になるように、制御ＩＣ２５のＶｇ１端子からスイッチング信号が出力される。制御ＩＣ２５はマイコンである。スイッチング信号は、Ｖｇ１端子からＭＯＳＦＥＴドライバー３８に入力される。マイコンの動作電圧はＭＯＳＦＥＴの駆動電圧よりも低いため、ＭＯＳＦＥＴドライバー３８を介して、スイッチング素子２０のオンオフの制御を行う。これにより、スイッチング素子２０に対して安定したスイッチング制御を行うことが出来る。なお、制御ＩＣ２５は、昇圧回路１９の出力電圧が内部メモリに設定した目標電圧値となるようにＭＯＳＦＥＴドライバー３８によりスイッチング素子２０をＯＮ、ＯＦＦするように定電圧制御してもよい。

コンデンサ２８には制御電源３１が接続される。制御電源３１は、制御電源回路部３０、降圧回路部３２およびコンデンサ３４を備える。制御電源３１において、コンデンサ２８の正極側に制御電源回路部３０が接続される。制御電源回路部３０は、コンデンサ２８の両端に発生する電圧を降圧する。制御電源回路部３０の出力端にはコンデンサ３４が接続される。制御電源回路部３０によって、コンデンサ３４の正極側には、第１電圧Ｖ１が生成される。

第１電圧Ｖ１は、ＭＯＳＦＥＴドライバー３８の電源に供給される。また、第１電圧Ｖ１は、降圧回路部３２によって降圧され、制御ＩＣ２５の電源ＶＤＤに供給される。さらに、第１電圧Ｖ１は第２接続部５２に供給される。本実施の形態では、第１電圧Ｖ１は１５Ｖである。また電源ＶＤＤに供給される電圧は５Ｖである。

コンデンサ２８の正極には、スイッチング素子３６のドレイン側が接続される。スイッチング素子３６は、ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子３６のソース側にはダイオード４０のカソード側が接続される。ダイオード４０のアノード側は、コンデンサ２８の負極側に接続される。スイッチング素子３６のゲートはＭＯＳＦＥＴドライバー３８と接続される。コイル４２、コンデンサ４６および抵抗４４がこの順に接続して直列回路を形成する。この直列回路はダイオード４０に並列に接続される。

スイッチング素子３６、コイル４２、ダイオード４０は降圧回路であるバックコンバータ回路を構成する。コンデンサ２８の両端に発生する電圧は、バックコンバータ回路によって降圧される。バックコンバータ回路の出力電圧は、コンデンサ４６で平滑される。以上より、スイッチング回路１１が構成される。

スイッチング回路１１の出力電圧は、端子部４８から出力される。端子部４８にはＬＥＤ光源部５０が接続される。ＬＥＤ光源部５０は、光源５０１であるＬＥＤを複数備える。従って、点灯装置１０の出力電圧が光源５０１に供給され、光源５０１が点灯する。

光源５０１を流れる電流は、抵抗４４によって電圧に変換される。この電圧は、制御ＩＣ２５のＰ３端子に入力される。この結果、制御ＩＣ２５のＰ３端子電圧が一定になるように制御ＩＣ２５のＶｇ２端子からスイッチング信号が出力される。昇圧チョッパ回路の場合と同様に、スイッチング信号は、ＭＯＳＦＥＴドライバー３８を介して、スイッチング素子３６をオンオフする。この結果、光源５０１を流れる電流は定電流制御される。なお、制御ＩＣ２５は、抵抗４４で検出された電圧に対応した電流値が内部メモリに設定した目標電流値となるようにＭＯＳＦＥＴドライバー３８によりスイッチング素子３６をＯＮ、ＯＦＦするように定電流制御してもよい。

制御電源３１において生成された第１電圧Ｖ１は、第２接続部５２に接続される。このため、第２接続部５２が備える制御電源端子５２１には、第１電圧Ｖ１が供給される。また、第２接続部５２は回路グランド５４と接続されるＧＮＤ端子を備える。第２接続部５２には、配線６２２を介して電源供給ユニット６０に接続される。

電源供給ユニット６０は第３接続部６２を備える。第３接続部６２は、配線６２２を介して第２接続部５２と接続される。第３接続部６２は、第２接続部５２に対応した端子を備える。第３接続部６２の制御電源端子６２１には、点灯装置１０側から第１電圧Ｖ１が供給される。第３接続部６２のＧＮＤ端子は、基準電位となる回路グランド６６に接続される。制御電源端子６２１およびＧＮＤ端子は、電源供給回路６１に入力される。

点灯装置１０と電源供給ユニット６０は、それぞれ別のプリント基板上に形成されている。さらに、点灯装置１０と電源供給ユニット６０は、第２接続部５２および第３接続部６２によって接続されている。このため、電源供給ユニット６０は第３接続部６２において、点灯装置１０から分離することが出来る。

電源供給回路６１において、制御電源端子６２１には、コンデンサ６４の正極側、コンデンサ７４の正極側、制御ＩＣ７０の電源Ｖｃｃおよびトランス７６の１次巻線の一端に接続される。コンデンサ７４の負極側は回路グランドに接続される。コンデンサ６４の負極側は回路グランド６６に接続される。

トランス７６の１次巻線の他端は、スイッチング素子６８のドレイン側と接続される。スイッチング素子６８はＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子６８のゲートは、制御ＩＣ７０のＶｇ端子と接続される。制御ＩＣ７０によって、スイッチング素子６８はスイッチング制御される。スイッチング素子６８のソース側は、回路グランド６６と接続される。トランス７６、スイッチング素子６８、制御ＩＣ７０はフライバック回路を構成する。

制御ＩＣ７０のオン時間決定端子７１には、抵抗１０４を介してフォトカプラ９６のトランジスタ側コレクタが接続される。フォトカプラ９６のトランジスタ側エミッタは回路グランド６６に接続される。また、制御ＩＣ７０の発振停止端子７３には、フォトカプラ９２のトランジスタ側エミッタが接続される。フォトカプラ９２のトランジスタ側コレクタには電源Ｖｃｃが接続される。

トランス７６の２次巻線の一端には、ダイオード８０のアノード側が接続される。トランス７６の出力電流は、ダイオード８０によって整流される。トランス７６の２次巻線の他端は回路グランド８１に接続される。ここで、トランス７６の１次巻き線側と２次巻き線側は絶縁されている。また、トランス７６の１次巻き線側の回路グランド６６と２次巻き線側の回路グランド８１はコンデンサ７８によって絶縁されている。

ダイオード８０のカソード側には、コンデンサ８４の正極側およびコイル８２の一端が接続される。コンデンサ８４の負極側は回路グランド８１に接続される。コイル８２の他端は、コンデンサ８６の正極側および、第１接続部１０２のＶＢＵＳ端子が接続される。コンデンサ８６の負極側は回路グランド８１に接続される。また、コンデンサ８６の負極側は抵抗９０を介して第１接続部１０２のＧＮＤ端子に接続される。ここで、第１接続部１０２は、汎用性の高いユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）端子である。第１接続部１０２に外部装置を接続することで、電源供給回路６１の出力電圧を外部装置に供給することが出来る。

コンデンサ８４、コイル８２、コンデンサ８６はπ型フィルタを構成する。π型フィルタによって、フライバック回路の出力電圧から安定な平滑電圧を生成することが出来る。特に、コイル８２およびコンデンサ８６により高周波成分を抑制することができる。従って、第１接続部１０２に接続された外部装置に、高周波電流を与えないようにすることが可能になる。

第１接続部１０２のＶＢＵＳ端子およびＧＮＤ端子間には、フォトカプラ９２のダイオード側とツェナダイオード９４の直列回路が接続される。フォトカプラ９２のダイオードとツェナダイオード９４の接続点にはトランジスタ８８のコレクタ側が接続されている。トランジスタ８８のエミッタ側は、回路グランド８１に接続される。また、トランジスタ８８のベースは第１接続部１０２のＧＮＤ端子側に接続される。さらに、第１接続部１０２のＶＢＵＳ端子およびＧＮＤ端子間には、フォトカプラ９６のダイオード側とツェナダイオード９８の直列回路が接続される。以上から、電源供給回路６１が構成される。

次に、電源供給回路６１の動作について説明する。点灯装置１０から第１電圧Ｖ１が供給されると、制御ＩＣ７０が動作を開始する。コンデンサ６４は容量の大きいコンデンサであり、本実施の形態では１００μＦである。コンデンサ６４は、フライバック回路がスイッチングするための電源となっている。また、コンデンサ７４は制御ＩＣ７０のＶｃｃ端子用のパスコンデンサである。コンデンサ７４は、ノイズ除去に用いられ、コンデンサ６４に比べて容量が小さい。

フライバック回路の出力電圧は、フォトカプラ９６とツェナダイオード９８で検出される。第１接続部１０２に印加される平滑電圧が、フォトカプラ９６のダイオードの順方向電圧とツェナダイオード９８のツェナ電圧から定まる電圧値を超えると、フォトカプラ９６のダイオード電流が大きくなる。この結果、フォトカプラ９６のトランジスタ側のコレクタ電流が大きくなる。

フォトカプラ９６のトランジスタ側のコレクタ電流が大きくなると、制御ＩＣ７０のオン時間決定端子７１の印加電圧が小さくなる。ここで、制御ＩＣ７０は、オン時間決定端子７１への印加電圧が高くなるとスイッチング素子６８のオン時間を長くし、印加電圧が低くなるとオン時間を短くする。また、制御ＩＣ７０は固定周波数で動作する。

以上から、平滑電圧値が上昇するとオン時間決定端子電圧が小さくなるため、スイッチング素子６８のオン時間は短くなる。この結果、平滑電圧を小さくすることができる。同様に、平滑電圧値が減少するとオン時間決定端子電圧が大きくなるため、スイッチング素子６８のオン時間は長くなる。この結果、平滑電圧を大きくすることができる。以上の動作が繰り返されることで、平滑電圧は定電圧を維持することができる。従って、フライバック回路では定電圧制御が実施される。

以上から、電源供給回路６１は、第１電圧Ｖ１から第１接続部１０２に印加される平滑電圧である第２電圧Ｖ２を生成する。第２電圧Ｖ２は、第１接続部１０２に接続される外部装置の電源となる。本実施の形態では、第１接続部１０２はＵＳＢ端子であり、第２電圧Ｖ２は５Ｖである。

なお、第１接続部１０２に外部装置を接続する場合に、使用者が第１接続部１０２を直接触れる可能性がある。このため交流電源が２００Ｖ以上の場合には、第１接続部１０２および整流器１６の間に強化絶縁を設ける必要がある。この時、電源供給ユニット６０のプリント基板、トランス７６、フォトカプラ９２及びフォトカプラ９６は、強化絶縁に耐える仕様のものを用いる。

次に、電源供給回路６１が備える保護機能について説明する。各部品が故障した場合、第１接続部１０２に高い電圧が印加される可能性がある。この時、第１接続部１０２に外部装置を接続すると、ＵＳＢ端子で低電圧使用を想定しているので、外部装置が故障する可能性がある。まず、第１接続部１０２への過電圧の印加を防ぐための、過電圧検出機能について説明する。

フォトカプラ９２のトランジスタ側は、制御ＩＣ７０の電源Ｖｃｃと発振停止端子７３に接続される。第１接続部１０２に印加される平滑電圧が、フォトカプラ９２のダイオード側の順方向電圧とツェナダイオード９４のツェナ電圧から定まる電圧値を超えると、フォトカプラ９２のダイオード電流が大きくなる。この結果、フォトカプラ９２のトランジスタ側のコレクタ電流が大きくなる。

フォトカプラ９２のトランジスタ側のコレクタ電流が大きくなると、電源Ｖｃｃから制御ＩＣ７０の発振停止端子７３に電流が流れる。この結果、制御ＩＣ７０は発振を停止する。ここで、フォトカプラ９６のダイオードの順方向電圧とツェナダイオード９８のツェナ電圧から定まる電圧値に対して、フォトカプラ９２のダイオードの順方向電圧とツェナダイオード９４のツェナ電圧から定まる電圧値が大きくなるように設定する。これにより、定常動作中において過電圧検出機能は動作しない。従って、第１接続部１０２に印加される平滑電圧が何らかの異常で高くなったときにのみ、過電圧検出機能を動作させる事が可能になる。

次に、第１接続部１０２を流れる電流が大きくなったときの過電流保護機能について説明する。抵抗９０は、第１接続部１０２を流れる電流を電圧に変換している。抵抗９０は、トランジスタ８８のベースに接続されている。第１接続部１０２を流れる電流が大きくなると、抵抗９０に印加される電圧が大きくなる。抵抗９０に印加される電圧が規定値よりも大きくなると、トランジスタ８８がオンする。トランジスタ８８がオンすると、フォトカプラ９２のダイオード側にダイオード電流が流れる。この結果、フォトカプラ９２のトランジスタ側にコレクタ電流が流れる。従って、過電圧検出機能の場合と同様に、制御ＩＣ７０は発振を停止する。

光源の点灯機能と、外部装置への電源供給機能を備えた電源装置を実現する方法として、点灯装置と電源供給ユニットに独立した電源回路を備える方法が考えられる。この場合、電源供給ユニットにおいて、ＡＣ１００Ｖ〜２４２Ｖの交流電源から第２電圧であるＤＣ５Ｖを生成することになる。従って、電源供給ユニットに、高耐圧で安全基準を満足するような大型の部品を備える必要がある。

これに対して、本実施の形態では、スイッチング素子２０、３６を制御するための第１電圧Ｖ１を電源供給ユニット６０および点灯装置１０で共用している。従って、電源供給ユニット６０では、第１電圧Ｖ１であるＤＣ１５Ｖから第２電圧Ｖ２であるＤＣ５Ｖを生成すればよい。このため、交流電源から降圧を行う場合と比較して、部品を小さくすることが可能になる。このように、第１電圧Ｖ１を共用することにより、電源装置１００を小型化および省部品化することが出来る。また、本実施の形態では、電源供給ユニット６０において交流電源から降圧を行う場合と比較して、電圧降下量が少ない。このため、電圧変換による損失を抑制し、回路効率を改善することが可能になる。

図２は、本実施の形態における電源供給ユニット６０の斜視図である。上述したように、電源供給ユニット６０は、第３接続部６２において点灯装置１０と分離可能に設けられている。また、図２に示すように、電源供給ユニット６０は、点灯装置１０とは別の筐体に収められている。このため、電源供給ユニット６０は、外部装置への電源供給機能を使用したい時にのみ、点灯装置１０に接続して使用することが出来る。従って、点灯装置１０を標準化することが可能になる。

図３は、本実施の形態における電源装置１００を実装した光源ユニット１２０の斜視図である。光源ユニット１２０は、電源装置１００およびＬＥＤ光源部５０を備える。光源ユニット１２０を壁または天井などに固定された設置部材に取り付けることで、照明器具５００が構成される。光源ユニット１２０では、光源カバー１２１の内部にＬＥＤ光源部５０が配置されている。ＬＥＤ光源部５０の上部には、点灯装置１０および電源供給ユニット６０が配置されている。

電源供給ユニット６０は、取り付け部材１２２にはめ込むことで光源ユニット１２０に固定される。従って、電源供給ユニット６０は、光源ユニット１２０と容易に着脱することが出来る。この構成では、照明器具が外部装置への電源供給機能を必要としない場合にも、電源供給ユニット６０を取り外すことで、照明器具を構成することが出来る。従って、照明器具を標準化することが可能になる。このため、コストを抑制することが出来る。

本実施の形態では、電源供給ユニット６０は、点灯装置１０と分離可能に設けられるものとした。本実施の形態の変形例として、電源装置１００において、点灯装置１０と電源供給ユニット６０は同一のプリント基板上に形成されるものとしてもよい。また、電源供給回路６１は、第１電圧Ｖ１を降圧して第２電圧Ｖ２を生成するものとしたが、第１電圧Ｖ１を昇圧して、第２電圧Ｖ２を生成するものとしてもよい。

１００ 電源装置、５００ 照明器具、１０ 点灯装置、１１ スイッチング回路、１２ 交流電源、１６ 整流器、１９ 昇圧回路、３１ 制御電源、５２ 第２接続部、６０ 電源供給ユニット、６１ 電源供給回路、６２ 第３接続部、７６ トランス、１０２ 第１接続部、５０１ 光源

Claims (9)

1. 交流電源を整流する整流器と、
   前記整流器の出力端に接続され、光源を点灯させるための電圧を生成するスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路の制御に使用される第１電圧を生成する制御電源と、
   前記第１電圧を第２電圧に変換する電源供給回路と、
   外部装置に前記第２電圧を供給するための第１接続部と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記整流器と、前記スイッチング回路と、前記制御電源と、前記第１電圧が供給される第２接続部と、を備えた点灯装置と、
   前記電源供給回路と、前記第１接続部と、前記第２接続部と接続された第３接続部と、を備え、前記第３接続部において前記点灯装置と分離可能に設けられた電源供給ユニットと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１接続部は、前記整流器と絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記第１接続部は、トランスによって前記整流器と絶縁されていることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記スイッチング回路は、昇圧回路を備え、
   前記制御電源は、前記昇圧回路の出力電圧を降圧して前記第１電圧を生成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電源装置。
6. 前記電源供給回路は、前記第１電圧を降圧して前記第２電圧を生成することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電源装置。
7. 前記電源供給回路は、前記第１電圧を昇圧して前記第２電圧を生成することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電源装置。
8. 前記第１接続部は、ユニバーサルシリアルバスであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電源装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載の電源装置を備えることを特徴とする照明器具。

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