JP2017188380A

JP2017188380A - Ｌｅｄ駆動装置

Info

Publication number: JP2017188380A
Application number: JP2016078005A
Authority: JP
Inventors: 充孝佐藤; Mitsutaka Sato; 晋作田仲; Shinsaku Tanaka
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】高調波に対応でき、小型化可能なＬＥＤ駆動装置。【解決手段】交流電源１の交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２の出力両端に接続され、平滑コンデンサＣｏと平滑コンデンサＣｏを交流電源１の交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路５とが直列に接続された第１の直列回路と、平滑コンデンサＣｏの両端に接続され、一つ以上のＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流を流す定電流回路４とが直列に接続された第２の直列回路とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高調波に対応でき、小型化可能なＬＥＤ駆動装置に関する。

ＡＣ電圧を直接印加してＬＥＤを点灯させる方式の一つに、シリーズレギュレータ方式がある。図７は、従来のＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。

このＬＥＤ駆動装置は、交流電源１の交流電圧を整流回路２で整流して整流電圧を得る。この整流電圧は、平滑コンデンサＣｏで平滑されて、整流平滑電圧がＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４との直列回路に供給される。定電流回路４は、トランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１と定電流制御回路４１とからなり、ＬＥＤ列のＬＥＤ３ａ〜３ｃに定電流を流す。

図８は、従来のＬＥＤ駆動装置の全波整流電圧Ａ、整流平滑電圧Ｄ、ＬＥＤ電圧Ｖｆを示す図である。ＬＥＤ駆動装置の損失は、
ＬＥＤ電圧Ｖｆ以上の整流平滑電圧Ｄの面積×ＬＥＤ電流Ｉｆとなる。

なお、従来の技術として、例えば、特許文献１に記載されたＬＥＤ駆動回路が知られている。

特表２０１５−５１３１７７号公報

しかしながら、従来回路はコンデンサインプットとなるため、ＪＩＳＣ６１０００−３−２に基づく高調波規制への対応が困難となる。このまま高調波規制に対応させるためにはコンデンサの容量に上限があり、ちらつきのないＬＥＤ灯具を実現しようとすると、コンデンサ容量が不足し高出力化ができないという問題があった。

また、平滑コンデンサの容量が大きいため、平滑コンデンサの容量を低減することにより、回路の小型化が望まれていた。

本発明の課題は、高調波に対応でき且つ小型化を図ることができるＬＥＤ駆動装置を提供することにある。

本発明に係るＬＥＤ駆動装置は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とが直列に接続された第１の直列回路と、前記平滑コンデンサの両端に接続され、一つ以上のＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るＬＥＤ駆動装置は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とスイッチとが直列に接続された第１の直列回路と、前記平滑コンデンサと前記スイッチとの直列回路の両端に接続され、一つ以上のＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路とを備え、前記スイッチは、少なくとも前記整流回路の出力電圧が第１電圧未満で且つ前記ＬＥＤ電圧以下になる期間において、オン動作して前記平滑コンデンサの充電電圧を前記第２の直列回路へ放電させることを特徴とする。

また、本発明に係るＬＥＤ駆動装置は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とダイオードが直列に接続された第１の直列回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、ＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路と、前記ダイオードに並列に接続され、少なくとも前記整流回路の出力電圧が第１電圧未満で且つ前記ＬＥＤ電圧以下になる期間において、オン動作して前記平滑コンデンサの充電電圧を前記第２の直列回路へ放電させるスイッチとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、高調波に対応でき且つ小型化を図ることができるＬＥＤ駆動装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動装置の定電圧回路挿入時の入力電流波形及び入力電圧波形を示す図である。本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動装置の全波整流電圧、整流平滑電圧、ＬＥＤ電圧の各波形を示す図である。本発明の実施例２に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。本発明の実施例２に係るＬＥＤ駆動装置の全波整流電圧、整流平滑電圧、ＬＥＤ電圧の各波形を示す図である。本発明の実施例３に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。従来のＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。従来のＬＥＤ駆動装置の全波整流電圧、整流平滑電圧、ＬＥＤ電圧の各波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。図１に示すＬＥＤ駆動装置において、整流回路２は、ブリッジ接続された４つのダイオードからなり、交流電源１の交流電圧を全波整流する。

整流回路２の出力両端には、平滑コンデンサＣｏと平滑コンデンサＣｏを交流電源１の交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路５との第１の直列回路が接続されている。定電圧回路５は、例えば、ツェナーダイオードとトランジスタとにより構成される。

図１に示す例では、定電圧回路５が整流回路２の出力の一端に接続されているが、これに代えて、例えば、定電圧回路５が整流回路２の出力の他端に接続されるように構成しても良い。

また、交流電圧の実効値を例えば１００Ｖとした場合、最大値は、１４１Ｖであり、第１電圧は、１２８Ｖ以下である。第１電圧を１２８Ｖ以下に設定する理由については、後で図２を用いて説明する。

平滑コンデンサＣｏの両端には、直列に接続されたＬＥＤ列のＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４との第２の直列回路が接続されている。

定電流回路４は、トランジスタＴｒ１と抵抗Ｒ１と定電流制御回路４１とからなり、ＬＥＤ列のＬＥＤ３ａ〜３ｃに定電流を流す。トランジスタＴｒ１のコレクタはＬＥＤ３ｃのカソードに接続され、エミッタは抵抗Ｒ１の一端に接続される。

定電流制御回路４１は、抵抗Ｒ１に流れる電流を検出し、検出された電流に基づきトランジスタＴｒ１のベースに制御信号を出力することにより、検出された電流が定電流になるように制御する。

図１に示す例では、定電流制御回路４１がＬＥＤ３ｃのカソードに接続されているが、これに代えて、例えば、定電流制御回路４１がＬＥＤ３ａとＬＥＤ３ｂとの間に接続されるように構成しても良い。

次に、図２を参照しながら、交流電圧の実効値を１００Ｖとした場合に第１電圧を１２８Ｖ以下に設定する理由について説明する。図２は、本発明の実施例１に係るＬＥＤ駆動装置の定電圧回路５挿入時の入力電流Ｉｉの波形及び入力電圧Ｖｉの波形を示す図である。

規格ＪＩＳＣ６１０００−３−２に基づき、クラスＣ：照明機器で有効入力電力２５Ｗ以下の場合、クラスＤの限度値以下、あるいは図２に示す入力電流Ｉｉの波形が、正弦波である入力電圧Ｖｉの０°を起点に、６５°より前にピーク値Ｐｉを持ち、かつ９０°より後まで所定の電流が流れている必要がある。

このため、６５°以前に電流ピークを持つ場合には、交流電圧の実効値を例えば１００Ｖとした場合、９０°における交流電圧の瞬時値１４１Ｖに対して、６５°における瞬時値は１２８Ｖである。このため、ＬＥＤ電圧Ｖｆを第１電圧１２８Ｖ以下とし、かつ第１電圧１２８Ｖ以上の電圧領域において充電電流をカットするために定電圧回路の設定電圧を１２８Ｖ以下とする必要がある。もちろん、交流電圧が例えば２４０Ｖの場合には、６５°における瞬時値は３０７Ｖとなり、第１電圧は３０７Ｖ以下とする必要がある。

次に、このように構成された実施例１のＬＥＤ駆動装置の動作を図３に示す全波整流電圧Ａ、整流平滑電圧Ｂ、ＬＥＤ電圧Ｖｆの各波形を参照しながら説明する。

まず、時刻ｔｏ〜ｔ１において、整流回路２と平滑コンデンサＣｏによる整流平滑電圧Ｂは、ＬＥＤ電圧Ｖｆから上昇する。

次に、時刻ｔ１〜ｔ２において、整流平滑電圧Ｂは、定電圧回路５により第１電圧に維持され、平滑コンデンサＣｏへの充電電流がカットされる。

次に、時刻ｔ２〜ｔ３において、全波整流電圧Ａが整流平滑電圧Ｂ以下になると、平滑コンデンサＣｏの電荷がＬＥＤ列のＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４に放電されて、ＬＥＤ列のＬＥＤ３ａ〜３ｃに電流が流れる。放電期間Ｔ１は、時刻ｔ３−時刻ｔ２である。これにより、交流電源からの電流は時刻ｔ２まで伸びる。

このように実施例１のＬＥＤ駆動装置によれば、定電圧回路５を設けることにより、高調波規制に容易に対応でき、また、平滑コンデンサＣｏの耐圧を低減することができる。さらに、整流平滑電圧のピークをカットすることにより、高電圧からの放電によるロスと放電開始時期を遅らせることで放電ロスを低減することができる。

図４は、本発明の実施例２に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図である。図４において、整流回路２の出力両端には、平滑コンデンサＣｏと定電圧回路５と放電スイッチＳＷ１との第１の直列回路が接続されている。平滑コンデンサＣｏと放電スイッチＳＷ１との直列回路の両端には、ＬＥＤ列のＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４との第２の直列回路が接続されている。

放電スイッチＳＷ１は、少なくとも整流回路２の出力電圧が第１電圧未満で且つＬＥＤ３ａ〜３ｃ電圧Ｖｆ以下（ちらつき防止のため、ＬＥＤ電圧より少し高い電圧に設定してもよい）になる期間において、オン動作して平滑コンデンサＣｏの充電電圧を第２の直列回路へ放電させる。制御回路６は、整流回路２の出力電圧に基づき、少なくとも整流回路２の出力電圧がＬＥＤ３ａ〜３ｃ電圧Ｖｆ以下（ちらつき防止のため、ＬＥＤ電圧より少し高い電圧に設定してもよい）になる期間において、放電スイッチＳＷ１にオンオフ制御信号を出力する。

次に、このように構成された実施例２のＬＥＤ駆動装置の動作を図５に示す全波整流電圧Ａ、整流平滑電圧Ｃ、ＬＥＤ電圧Ｖｆの各波形を参照しながら説明する。

次に、時刻ｔ１〜ｔ２において、整流平滑電圧Ｂは、定電圧回路５により第１電圧の定電圧に維持され、平滑コンデンサＣｏへの充電電流がカットされる。時刻ｔ２〜ｔ２ａにおいては、全波整流電圧Ａが第１電圧以下になるが、整流平滑電圧Ｃは、充電電流が第１電圧に達した後に放電スイッチＳＷ１がオフになり、第１電圧の定電圧に維持される。

次に、時刻ｔ２ａ〜ｔ３において、全波整流電圧ＡがＬＥＤ電圧Ｖｆ以下になると、制御回路６により放電スイッチＳＷ１がオン動作して、平滑コンデンサＣｏの電荷がＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４に放電されて、ＬＥＤ３ａ〜３ｃに電流を供給する。放電期間Ｔ２は、時刻ｔ３−ｔ２ａである。放電期間Ｔ２は、図３に示す放電期間Ｔ１よりも短い。

このように実施例２のＬＥＤ駆動装置によれば、実施例１のＬＥＤ駆動装置の効果が得られるとともに、さらに、平滑コンデンサＣｏの充電エネルギーを効率的に活用でき、平滑コンデンサＣｏの容量を低減できることから、ＬＥＤ駆動装置の小型化を図ることができる。また、整流平滑電圧Ｃの波形を時刻ｔ２から時刻ｔ２ａまで伸ばすことができるので、入力電流の導通角が拡がり、力率を改善することができる。

なお、放電スイッチＳＷ１と並列にダイオードＤ１が設けられていても良く、放電スイッチＳＷ１がオフであれば平滑コンデンサＣｏからＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４とには、電荷は放電されない。ダイオードＤ１を設けることで、制御回路６による放電スイッチＳＷ１のオンオフ制御を複雑な制御をさせることなく（全波整流電圧Ａが第１電圧に達したら放電スイッチＳＷ１をオフ、全波整流電圧ＡがＬＥＤ電圧Ｖｆ以下になると放電スイッチＳＷ１をオン）、全波整流電圧ＡがＬＥＤ電圧Ｖｆを超えるか以下になると放電スイッチＳＷ１をオンまたはオフさせる簡易な制御で済ませることができる。

図６は、本発明の実施例３に係るＬＥＤ駆動装置の回路構成を示す図であり、実施例２の回路の接続の変形例である。なお、実施例３のＬＥＤ駆動装置の動作は、実施例２の図５に示す各部波形と同様となる。図６において、整流回路２の出力両端には、平滑コンデンサＣｏと定電圧回路５とダイオードＤ１との第１の直列回路が接続されている。

ダイオードＤ１のアノードは、定電圧回路５の一端及び放電スイッチＳＷ２の一端に接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、整流回路２の出力の一端及び放電スイッチＳＷ２の他端に接続されている。

整流回路２の出力両端には、ＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４との第２の直列回路が接続されている。

ダイオードＤ１には並列に放電スイッチＳＷ２が接続されている。放電スイッチＳＷ２は、整流回路２の出力電圧がＬＥＤ電圧Ｖｆ以下（ちらつき防止のため、ＬＥＤ電圧より少し高い電圧に設定してもよい）になる期間において、オン動作して平滑コンデンサＣｏの充電電圧を第２の直列回路へ放電させる。

制御回路６ａは、整流回路２の出力電圧がＬＥＤ３ａ〜３ｃ電圧Ｖｆ以下になる期間において、放電スイッチＳＷ２にオンオフ制御信号を出力する。

次に、このように構成された実施例３のＬＥＤ駆動装置の動作を説明する。まず、整流回路２と平滑コンデンサＣｏによる整流平滑電圧Ｂは、ＬＥＤ電圧Ｖｆから上昇すると、整流回路２→平滑コンデンサＣｏ→定電圧回路５→ダイオードＤ１→整流回路２の経路で電流が流れる。このとき、放電スイッチＳＷ２はオフである。

また、ＬＥＤ列ＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４の直列回路には、整流回路２→ＬＥＤ列ＬＥＤ３ａ〜３ｃ→定電流回路４→整流回路２の経路で電流が流れる。従って、実施例１，２と異なり、定電圧回路５にＬＥＤ列ＬＥＤ３ａ〜３ｃの電流は流れないので、定電圧回路５の電力負担は減り、代わりにその電流分の電力負担は定電流回路４へ移る事となる。これにより、定電圧回路５と定電流回路４とで電力を分けるので、熱分散を行うことができる。

次に、整流平滑電圧Ｂは、定電圧回路５により第１電圧に維持され、平滑コンデンサＣｏへの充電電流がカットされる。このとき、ダイオードＤ１が設けられているので、平滑コンデンサＣｏからＬＥＤ列ＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４とには、電荷は放電されない。

次に、全波整流電圧ＡがＬＥＤ電圧Ｖｆ以下（ちらつき防止のため、ＬＥＤ電圧より少し高い電圧に設定してもよい）になると、制御回路６ａにより放電スイッチＳＷ２がオン動作するので、放電スイッチＳＷ２によりダイオードＤ１が短絡される。このため、平滑コンデンサＣｏの電荷がＬＥＤ３ａ〜３ｃと定電流回路４に放電されて、ＬＥＤ３ａ〜３ｃに電流が流れる。放電期間Ｔ２は、時刻ｔ３−ｔ２ａである。なお、図示しないが、定電圧回路５の両端には逆バイアス電圧を防止するためのバイパスダイオードが備えられていてもよい。

実施例２の放電スイッチＳＷ１はハイサイドに接続されていたため、放電スイッチＳＷ１に高電圧が印加されることから、Ｎ型のトランジスタを使用すると、コレクタ−ベース間電圧又は、ドレイン−ゲート間電圧が余計に必要となり、放電スイッチＳＷ１のロスが大きくなっていた。

これに対して、実施例３のＬＥＤ駆動装置によれば、放電スイッチＳＷ２がローサイドに接続されているので、放電スイッチＳＷ２にＮ型トランジスタを使用してもベース又はゲートに低電圧を印加するのみで飽和領域で動作できることから、放電スイッチＳＷ２のロスを低減することができる。

なお、実施例３のＬＥＤ駆動装置では、ダイオードＤ１として、ＰＮ型のダイオードを用いたが、これに代えて、放電ＳＷ２に電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いれば、ドレイン−ソース間のボディダイオードをダイオードＤ１として代用できるため、部品点数を削減できる。

１交流電源
２整流回路
３ａ〜３ｃＬＥＤ
４定電流回路
５定電圧回路
６，６ａ制御回路
４１定電流制御回路
Ｃ０平滑コンデンサ
Ｒ１抵抗
Ｔｒ１トランジスタ
Ｄ１ダイオード
ＳＷ１，ＳＷ２放電スイッチ

Claims

交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とが直列に接続された第１の直列回路と、
前記平滑コンデンサの両端に接続され、一つ以上のＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路と、
を備えることを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とスイッチとが直列に接続された第１の直列回路と、
前記平滑コンデンサと前記スイッチとの直列回路の両端に接続され、一つ以上のＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路とを備え、
前記スイッチは、少なくとも前記整流回路の出力電圧が第１電圧未満で且つ前記ＬＥＤ電圧以下になる期間において、オン動作して前記平滑コンデンサの充電電圧を前記第２の直列回路へ放電させることを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力両端に接続され、平滑コンデンサと前記平滑コンデンサを前記交流電圧の最大値未満の第１電圧以下に充電する定電圧回路とダイオードが直列に接続された第１の直列回路と、
前記整流回路の出力両端に接続され、ＬＥＤと定電流回路とが直列に接続された第２の直列回路と、
前記ダイオードに並列に接続され、少なくとも前記整流回路の出力電圧が第１電圧未満で且つ前記ＬＥＤ電圧以下になる期間において、オン動作して前記平滑コンデンサの充電電圧を前記第２の直列回路へ放電させるスイッチと、
を備えることを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
前記ダイオードと前記スイッチは、ソースとドレインとを接続しダイオードとして動作させる電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項３記載のＬＥＤ駆動装置。