JP4687828B2 - 電源別置型のｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤユニットと別置型の電源ユニットとが好ましくは３線で接続された電源別置型のＬＥＤ点灯装置に関するものである。

特許文献１（特開２００５−１４２１３７号公報）には、ＬＥＤユニットと別置型の電源ユニットとが２線で接続された電源別置型のＬＥＤ点灯装置が開示されている。このＬＥＤ点灯装置は、一対の交流入力端子と一対の直流出力端子を備え、前記一対の交流入力端子に交流電源を接続されて前記一対の直流出力端子から一定の直流電流を出力する電源ユニットと、前記電源ユニットの直流出力端子に接続された一対の電源線を介して直流電流を供給されるＬＥＤの直列回路を備えるＬＥＤユニットとから構成され、電源ユニットとＬＥＤユニットは一対の電源線を介して接続されている。この特許文献１の技術によれば、電源ユニットに定電流機能を有しているので、灯数の異なる複数種類のＬＥＤユニットに対して、共通の電源ユニットを用いることができ、製品コストの低減に寄与するものである。

特許文献２（特開２００６−２９４５６１号公報）には、フィルタ回路を介して交流電源に接続された整流回路と、整流回路の直流出力端に接続された直流電圧変換回路と、直流電圧変換回路の出力に接続された交流電圧変換回路と、交流電圧変換回路の出力に接続されたランプ負荷とを備える照明器具において、点灯装置からの輻射ノイズ低減のために、整流回路の低電位側出力端もしくはランプ負荷の一端と器具筐体との間にアース用のコンデンサを接続した構成が開示されている。この特許文献２の技術は、ランプ負荷とその点灯装置とが１つの器具筐体内に収納された電源一体型の点灯装置であり、また、ランプ負荷は放電灯であったので、電源重畳ノイズによるランプ負荷の破壊は想定されていない。
特開２００５−１４２１３７号公報 特開２００６−２９４５６１号公報（図５）

特許文献１の技術では、電源ユニットが接続された交流電源にコモンモードのノイズ電圧（対地ノイズ電圧）が重畳されたときに、そのノイズ電圧が電源線を介してＬＥＤユニットにも伝搬されて、ＬＥＤの対地耐圧を越える場合があり、ＬＥＤが破壊される現象が起こり得ることが判明した。ＬＥＤが破壊される対地ノイズ電圧の大きさは２０００Ｖ付近と推測される。

なお、特許文献２では、交流電源に接続される点灯装置において、ノイズ低減のために、整流回路の低電位側出力端もしくはランプ負荷の一端と器具筐体との間にアース用のコンデンサを接続した構成が開示されているが、この特許文献２の技術は、ランプ負荷とその点灯装置とが１つの器具筐体内に収納された電源一体型の点灯装置であるから、照明器具ユニットと電源ユニットとが別置された電源別置型の点灯装置にそのまま適用できるものではない。また、ランプ負荷は放電灯であるので、電源重畳ノイズによるランプ負荷の破壊は想定されておらず、ランプ負荷の破壊を防止する条件となるランプ負荷の対地静電容量とアース用のコンデンサの容量との関連についても示唆されていない。

本発明は、ＬＥＤユニットと電源ユニットとが別置された電源別置型のＬＥＤ点灯装置において、電源ユニットが接続された交流電源にコモンモードのノイズ電圧（対地ノイズ電圧）が重畳された場合でもＬＥＤの破壊が生じない構成を提案することを課題とする。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、図１〜図６に示すように、一対の交流入力端子と一対の直流出力端子を少なくとも備える電源ユニット１と、前記電源ユニット１の直流出力端子に接続された一対の電源線３ａ，３ｂを介して直流電流を供給されるＬＥＤの回路を備え、ＬＥＤと誘電体を介して静電結合された導電部４を備えるＬＥＤユニット２とから構成されるＬＥＤ点灯装置であって、前記電源ユニット１はＤＣ−ＤＣコンバータ回路５を含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の２次側グランドＧ２または１次側グランドＧ１を第１のコンデンサＣ５を介してＬＥＤユニット２の前記導電部４と接続し、前記ＬＥＤユニット２の導電部４は器具筐体を兼ねるアルミ放熱板であることを特徴とするものである。

本発明によれば、交流電源に対地ノイズ電圧が印加されたときに、ＬＥＤユニットの浮遊容量を介して対地ノイズ電圧によるパルス電流が流れようとしても、ＬＥＤユニットの導電部が第１のコンデンサを介してＤＣ−ＤＣコンバータ回路の２次側グランドまたは１次側グランドに接続されていることにより、第１のコンデンサを介してパルス電流がバイパスされるから、ＬＥＤの耐圧を越えるパルス電流が流れることを防止でき、ＬＥＤの破壊は生じない。

また、本発明によれば、器具筐体を兼ねるアルミ放熱板を介して大地にノイズ電流が逃げやすい環境であっても、電源ユニットの対地ノイズ電圧バイパス用のコンデンサによりノイズ電流をバイパスする効果が期待できる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路構成を図１に示す。図示されたＬＥＤ点灯装置は、別置型の電源ユニット１とＬＥＤユニット２からなり、両ユニット間は一対の電源線３ａ，３ｂとアース線７の３線で接続されている。

以下、各ユニットの構成について説明する。電源ユニット１の入力側には一対の交流入力端子を備え、出力側には一対の直流出力端子を備えている。交流入力端子には、交流電源ＡＣが接続され、例えば１００Ｖ（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の商用交流電圧が印加される。この交流電源ＡＣにはコモンモードのノイズ（対地ノイズ電圧）が重畳される場合がある。

電源ユニット１の金属ケース６内には、一対の交流入力端子に接続されて交流電源ＡＣを全波整流する整流回路ＤＢと、整流回路ＤＢの出力電圧を電力変換して一対の直流出力端子間に直流電流を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路５とが収納されている。

本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ回路５は、高周波でスイッチングされるスイッチング素子Ｑ１と、前記スイッチング素子Ｑ１を介して平滑コンデンサＣ１に１次巻線を接続されたトランスＴ１と、前記スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時に導通する極性で前記トランスＴ１の２次巻線と直列に接続されたダイオードＤ１と、ダイオードＤ１を介して前記トランスＴ１の２次巻線に接続された平滑コンデンサＣ２と備えるフライバックＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。スイッチング素子Ｑ１の制御回路については図示しないが、例えば２次側グランドＧ２と電源線３ｂの間に直列に挿入した電流検出抵抗の電圧降下を検出し、その検出値が所定値となるように、スイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティをフィードバック制御するような回路で構成される。

このＤＣ−ＤＣコンバータ回路５では、整流回路ＤＢの出力に接続される１次側回路と直流出力端子に接続される２次側回路とがトランスＴ１により絶縁されているが、１次側グランドＧ１と２次側グランドＧ２の間に雑音防止用の結合コンデンサＣ３，Ｃ４を有しているので、１次側グランドＧ１と２次側グランドＧ２は結合コンデンサＣ３，Ｃ４の部分で高周波的に結合されており、１次側に印加された対地ノイズ電圧が２次側の直流出力端子に伝搬されることがある。

電源ユニット１の直流出力端子には、一対の電源線３ａ，３ｂを介してＬＥＤユニット２が接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５により制御された直流電流が出力される。本実施形態では、両ユニット間の配線として、一対の電源線３ａ，３ｂのほかに、電源ユニット１の金属ケース６とＬＥＤユニット２の非充電導電部４を接続するアース線７を備えている。このアース線７はリード線に限定されるものではなく、要するに、電源ユニット１の金属ケース６をＬＥＤユニット２の非充電導電部４と電気的に接続できるものであれば良い。ＬＥＤユニット２の非充電導電部４とは、例えば器具筐体を兼ねるアルミ放熱板のことであり、電源線３ａ，３ｂと電気的に接続されていないが、各ＬＥＤと誘電体を介して静電結合されている。

ＬＥＤユニット２は複数のＬＥＤチップをフレキシブル配線基板上で直列に接続したものであり、各ＬＥＤチップと器具筐体を兼ねるアルミ放熱板（導電部４）の間には絶縁物である誘電体シートが配置されているので、非充電導電部４であるアルミ放熱板と各ＬＥＤチップの間には浮遊容量Ｃｙが存在することになる。

この浮遊容量を介して対地ノイズ電圧によるパルス電流が流れると、ＬＥＤチップが破壊されることがある。そこで、本実施形態では、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の２次側グランドＧ２を前記金属ケース６に接続する対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５を設けるとともに、金属ケース６とＬＥＤユニット２の非充電導電部４とを接続するアース線７を設けたことを特徴とする。

ここで、対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５の静電容量は、ＬＥＤユニット２の非充電導電部４であるアルミ放熱板と各ＬＥＤチップの間に存在する合成浮遊容量Ｃｙよりも大きく設定しておく。これにより浮遊容量Ｃｙを介して対地ノイズ電圧によるパルス電流が流れようとしても、第１のコンデンサＣ５を介してパルス電流がバイパスされるから、ＬＥＤチップの破壊は起こらないのである。

なお、本実施形態では、好ましくは金属ケース６を大地にアースしておくことにより、対地ノイズ電圧が電源ユニット１内の第１のコンデンサＣ５を介して大地にバイパスされ、電源線３ａ，３ｂには伝搬されないようにしているが、よしんば金属ケース６が大地にアースされていない場合（大地から浮いている場合）であっても、アース線７を介してＬＥＤユニット２の非充電導電部４を金属ケース６と同一電位としておくことにより、ＬＥＤユニット２の非充電導電部４と電源線３ａ，３ｂの間にノイズ電圧が現れることは防止できる（この場合、電源線３ａ，３ｂとアース線７の全体に対地ノイズ電圧が重畳されることになる。）。これにより、非充電導電部４であるアルミ放熱板と各ＬＥＤチップの間に存在する浮遊容量Ｃｙを介して対地ノイズ電圧によるパルス電流が流れることはなく、ＬＥＤチップが破壊されることを防止できるものである。

本発明者らは電源ユニット１に接続される各種のＬＥＤユニット２について、対地静電容量（図１の浮遊容量Ｃｙ）を測定した。測定対象は４灯、８灯、１２灯などの灯数が異なるもののほか、器具形態が異なるものとして、ダウンライト型、スポットライト型、シーリングライト型、ユニット単体について測定した。その結果、１２灯のダウンライト型では４００ｐＦ程度と大きいが、その他は概ね１００ｐＦ以下の小さい容量であることが分かった。

そこで、図１の第１のコンデンサＣ５の容量を浮遊容量Ｃｙよりも大きい１０００ｐＦ以上に設定したところ、ノイズ電流は第１のコンデンサＣ５の容量を介してバイパスされ、ＬＥＤの破壊が起こらないことを確認できた。なお、結合コンデンサＣ３，Ｃ４は各３３００ｐＦとした。

本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５として、フライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、特許文献１に開示されているようなフィードフォワード型のＤＣ−ＤＣコンバータや、昇圧型、降圧型、昇降圧型のチョッパ回路を用いても構わない。要するに、１次側（入力側）に印加されたコモンモードのノイズ電圧が２次側（出力側）に伝搬する回路構成であれば、本発明を適用できる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路構成を図２に示す。先の実施形態１に比べると、本実施形態では、対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５をＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の１次側グランドＧ１と金属ケース６の間に配置した点が異なる。その他の構成及び動作については実施形態１と同様であり、同様の作用効果が得られる。

本実施形態では、地絡事故を防止するために、第１のコンデンサＣ５として２個のコンデンサの直列回路を用いている。先の実施形態１では、整流回路ＤＢの直流出力端子と金属ケース６との間に、結合コンデンサＣ３，Ｃ４と第１のコンデンサＣ５の直列回路が配置されていることになり、図１の構成は最も地絡事故が起こりにくい構成であることが分かる。

また、第１のコンデンサＣ５の静電容量を同じに設定するには、図２の構成では図１の構成に比べると２倍の容量のコンデンサが２個必要となるので、部品コスト、実装面積の点でも図１の構成が優れていると言える。

試作機では、図２の第１のコンデンサＣ５として３９００ｐＦのものを２個直列に接続して使用し、結合コンデンサＣ３，Ｃ４はいずれも３３００ｐＦとしたところ、ノイズ電流は第１のコンデンサＣ５の合成容量を介してバイパスされ、ＬＥＤの破壊が起こらないことを確認できた。

（実施形態３）
本発明の実施形態３の回路構成を図３に示す。先の実施形態１に比べると、本実施形態では、対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５をＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の１次側グランドＧ１と２次側グランドＧ２を結合するコンデンサＣ３，Ｃ４の接続点と金属ケース６の間に配置した点が異なる。その他の構成及び動作については実施形態１と同様であり、同様の作用効果が得られる。

本実施形態では、コンデンサＣ３，Ｃ５の直列回路が整流回路ＤＢの直流出力端子と金属ケース６との間に接続されることになるので、第１のコンデンサＣ５は２個直列でなくても良く、部品コスト、実装面積の点では図２の構成より優れていることになる。

もっとも、雷サージ電圧が印加された場合には、コンデンサＣ３，Ｃ５の直列回路で分圧する必要があり、図１のように、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃ５の直列回路で分圧する構成の方がコンデンサの耐圧を越える恐れが少なく、有利である。

試作機では、コンデンサＣ３，Ｃ５は雷サージ電圧に対する耐圧を考慮して各１０００ｐＦまで落とし、コンデンサＣ４は雑音対策上４７００ｐＦとした。

本実施形態は、１次側グランドＧ１の対地ノイズ電圧と２次側グランドＧ２の対地ノイズ電圧に対するバイパス効果が１個のコンデンサＣ５で得られる利点があり、雷サージ電圧に対する対策を別途講じるという前提であれば、実施形態１，２を同時に実施したのと同等の効果がある。

（実施形態４）
本発明の実施形態４の回路構成を図４に示す。先の実施形態２に比べると、本実施形態では、対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５を整流回路ＤＢの直流出力端子の高圧側と金属ケース６の間に配置した点が異なる。ここでも、実施形態２と同様に、地絡事故を防止するために、第１のコンデンサＣ５として２個のコンデンサの直列回路を用いている。その他の構成及び動作については実施形態２と同様であり、同様の作用効果が得られる。

整流回路ＤＢの直流出力端子の高圧側と低圧側との間には１次側回路の平滑コンデンサＣ１が接続されているので、１次側グランドＧ１と金属ケース６の間には、平滑コンデンサＣ１と第１のコンデンサＣ５の直列回路が接続されていることになり、その合成容量はＣ１・Ｃ５／（Ｃ１＋Ｃ５）となる。ただし、平滑コンデンサＣ１の容量は数百μＦ、第１のコンデンサＣ５の容量は数千ｐＦのオーダーであるので、実質的には第１のコンデンサＣ５の容量が１次側グランドＧ１と金属ケース６の間に配置されていることになる。

（実施形態５）
本発明の実施形態５の回路構成を図５に示す。先の実施形態１に比べると、本実施形態では、対地ノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５を平滑コンデンサＣ２の正極と金属ケース６の間に配置した点が異なる。その他の構成及び動作については実施形態１と同様であり、同様の作用効果が得られる。

図５の構成によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の２次側グランドＧ２と金属ケース６の間に、平滑コンデンサＣ２と第１のコンデンサＣ５の直列回路が接続されていることになり、その合成容量はＣ２・Ｃ５／（Ｃ２＋Ｃ５）となる。ただし、平滑コンデンサＣ２の容量は数百μＦ、第１のコンデンサＣ５の容量は数千ｐＦのオーダーであるので、実質的には第２のコンデンサＣ５の容量が２次側グランドＧ２と金属ケース６の間に配置されていることになる。

以上の各実施形態１〜５においては、電源ユニット１の金属ケース６とＬＥＤユニット２の導電部４の間を接続するアース線７が必要である。なぜなら、ＬＥＤユニット２の導電部４が大地にアースされている場合において、電源ユニット１の金属ケース６が大地にアースされていない状況では、ユニット間を接続するアース線７が無いと、たとえＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の２次側グランドＧ２または１次側グランドＧ１を第１のコンデンサＣ５により金属ケース６に接続してあっても対地ノイズ電圧は第１のコンデンサＣ５を介してバイパスされず、電源ユニット１をそのまま通過することになり、ＬＥＤユニット２の浮遊容量Ｃｙを介するパルス電流として流れるからである（以下の実施形態６の説明を参照）。

（実施形態６）
本発明の実施形態６の回路構成を図６に示す。先の実施形態１〜５に比べると、本実施形態では、電源ユニット１の金属ケース６とＬＥＤユニット２の導電部４の間を接続するアース線７を有していない。この場合、交流電源ＡＣにコモンモードのノイズが印加されると、電源ユニット１のＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の１次側グランドＧ１と２次側グランドＧ２の間の結合コンデンサＣ３，Ｃ４を介してノイズが伝搬されて、電源線３ａ，３ｂを介してＬＥＤユニット２に対地ノイズ電圧が印加されてしまう。このとき、ＬＥＤユニット２の導電部４がアースされていると、対地ノイズ電圧は浮遊容量Ｃｙを介してパルス電流として流れることになり、いずれかのＬＥＤを破壊することになる。

これを防止するには、ＬＥＤユニット２の低圧側あるいは高圧側と導電部４の間にノイズ電圧バイパス用のコンデンサＣ５，Ｃ５’を挿入すれば良い。また、ディスクリートの部品では実装面積を確保できない場合があるので、フレキシブル配線基板のＬＥＤ実装部以外の配線部分の銅箔パターンの面積を増大させるか、当該配線部分の誘電体の厚さを薄くするか、誘電率の高い材質を用いるなどの手段によりＬＥＤ実装部以外の配線部分と導電部４の間の分布容量を増大させることにより、ノイズ電圧をバイパスさせても良い。

また、この実施形態６のように、ＬＥＤユニット２の側にノイズ電圧バイパス用のコンデンサＣ５，Ｃ５’（ディスクリートあるいは分布容量）を備える構成を先の実施形態１〜５の構成と併用することも可能であり、より確実な対策と言える。

先の実施形態１〜５では、電源ユニット１の側に対策を集中させることにより、複数種類のＬＥＤユニット２のすべてに対策を施す必要を無くし、全体としてコストダウンを実現している。また、複数のＬＥＤユニット２を直列接続して使用するような場合にも、各ＬＥＤユニット２にノイズ電圧バイパス用のコンデンサを個別に内蔵するよりは、共通の電源ユニット１にノイズ電圧バイパス用のコンデンサＣ５を集中して搭載する対策の方が優れている。さらに、図６の構成に比べると、図１〜図５の構成によれば、電源線３ａ，３ｂにコモンモードのノイズがそもそも伝搬されないので、他の機器に対する誘導ノイズ等も低減できると言える。

（比較例１）
本発明に対する比較例１の回路構成を図７に示す。先の実施形態１〜５に比べると、本比較例１では、整流回路ＤＢの交流入力端子側を２個のコンデンサの直列回路を介して金属ケース６に接続してある。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の１次側グランドＧ１あるいは２次側グランドＧ２と金属ケース６の間のノイズ電圧をバイパスする効果は無く、したがって、交流電源ＡＣにコモンモードのノイズ電圧が印加されると、電源ユニット１を通過して電源線３ａ，３ｂにノイズ電圧が伝搬される。

この比較例１と先の実施形態１〜５を対比すれば分かるように、電源ユニット１の金属ケース６とＬＥＤユニット２の導電部４の間をアース線７で接続すれば良いというわけではなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路５の１次側グランドＧ１あるいは２次側グランドＧ２とＬＥＤユニット２の導電部４の間にノイズ電圧バイパス用の第１のコンデンサＣ５を配置する必要がある。さらに、この第１のコンデンサＣ５の静電容量は、ＬＥＤユニット２の浮遊容量Ｃｙよりも大きく設定することが好ましい。

これらの要件を具備することにより、ＬＥＤユニット２の浮遊容量Ｃｙを介して導電部４に流れるノイズ電流（ＬＥＤチップを破壊する原因となるインパルス電流）を第１のコンデンサＣ５を介してバイパスする効果が得られるのである。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態４の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態５の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態６の構成を示す回路図である。 本発明に対する比較例１の構成を示す回路図である。

１ 電源ユニット
２ ＬＥＤユニット
３ａ，３ｂ 電源線
４ 導電部
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
６ 金属ケース
７ アース線
ＤＢ 整流回路
Ｃ５ 第１のコンデンサ
Ｇ１ １次側グランド
Ｇ２ ２次側グランド
Ｃ３，Ｃ４ 結合コンデンサ

Claims (1)

1. 一対の交流入力端子と一対の直流出力端子を少なくとも備える電源ユニットと、
   前記電源ユニットの直流出力端子に接続された一対の電源線を介して直流電流を供給されるＬＥＤの回路を備え、ＬＥＤと誘電体を介して静電結合された導電部を備えるＬＥＤユニットとから構成されるＬＥＤ点灯装置であって、
   前記電源ユニットはＤＣ−ＤＣコンバータ回路を含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の２次側グランドまたは１次側グランドを第１のコンデンサを介してＬＥＤユニットの前記導電部と接続し、
   前記ＬＥＤユニットの導電部は器具筐体を兼ねるアルミ放熱板であることを特徴とする電源別置型のＬＥＤ点灯装置。

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