JP5017251B2 - 保護回路及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ素子によって構成される照明装置のサージ保護を目的とする保護回路に関する。

近年、ＬＥＤ素子の高出力化が進み、蛍光灯やネオン管に変わり、照明装置に多く利用されるようになっている。特にＬＥＤ素子を駆動するための定電流化の素子も開発され、様々な用途に用いられている。

このＬＥＤ素子を光源とする照明装置を、看板に用いたものも知られている。このような照明装置として、表示基板上に所定形状を形成して多数個のＬＥＤを配設したＬＥＤ照明装置（特許文献１参照。）が知られている。

また、ガソリンスタンドなどロードサイド店舗の看板は、目立ちやすさ（誘目性の高さ）が要求される商用設備であるため、より大型の設備（特許文献２参照。）が用いられる。
特開平７−１９９８３０号公報 特開２００１−６７０２８号公報

このようなロードサイド看板にＬＥＤ素子からなる照明装置を適用する場合は、商用電源を一旦直流に変換し、これをＬＥＤ素子に供給することで照明装置を駆動する。この場合、従来の蛍光灯による照明器具のような安定器が存在しないため、誘導雷等を原因とするサージが照明装置に印加されることにより、ＬＥＤ素子が破損に至る場合がある。

また、サージ保護のために電源回路やＬＥＤ素子の駆動回路に保護回路を組み込むことも考えられるが、大形の看板の頂部付近に設置される場合は、その重量がかさみ、また、メンテナンス性も低下する。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、屋外に設置され、ＬＥＤ素子を用いる照明装置の保護回路において、小形、低コスト及び高メンテナンス性を備える保護回路を提供することを目的とする。

本発明は、ＬＥＤ素子を光源とする発光装置と、発光装置に電源ラインを介して直流電力を供給する電源装置と、を備える照明装置に用いられる保護回路であって、電源ラインに介挿され、電源ライン側に接続される第１の保護回路と、発光装置側に接続される第２の保護回路と、を備え、第１の保護回路は、放電によりサージを吸収する放電管を備え、第２の保護回路は、ゲート電圧に基づいて、発光装置に出力する電圧を一定電圧に制限するトランジスタと、トランジスタを導通状態とするためのゲート電圧を設定するツェナーダイオードと、電源ラインの負極に順方向に接続され、逆方向の電流を阻止する保護ダイオードと、を備えることを特徴とする。

本発明によると、例えば屋外の設備に設置されるＬＥＤ素子を光源とする発光装置からなる照明装置を、誘導雷を原因とするサージから保護することができると共に、メンテナンス性が高く、小型化が可能で製造コストも低減できる保護回路を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態の照明装置１０のブロック図である。

図１に示す照明装置１０は、発光ユニット２０、保護回路３０及び電源ユニット４０によって構成される。

発光ユニット２０は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ素子）２０ａとドライバ２１とにより構成され、これらが基盤２２に固定されている。ドライバ２１は、電源ユニット４０からの電力を受けて、これを各ＬＥＤ素子２０ａに適切に分配することにより、各ＬＥＤ素子２０ａの発光を制御する。

電源ユニット４０は、商用電源ライン４５からの電力（例えば、ＡＣ１００Ｖ）を直流電力（例えば、ＤＣ１２Ｖ）に変換する。変換された直流電力は、直流電源ライン３５を経由して、発光ユニット２０に供給される。

直流電源ライン３５の途中には、直流電源ライン３５に印加されるサージ等のノイズから発光ユニット２０を保護する保護回路３０が備えられる。この保護回路３０の詳細は、図３以降で説明する。

図２は、本発明の実施形態の照明装置１０を適用したロードサイド店舗１００の一例を示す説明図である。

ロードサイド店舗１００は、屋外構造物であるキャノピー２００とサインポール３００とからなる。

キャノピー２００は、その外周にキャノピーサイン２１０が備えられている。キャノピーサイン２１０の内部には、前述の照明装置１０が内式の光源として用いられる。

サインポール３００は、複数の情報表示板３１０（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ）が備えられている。これら情報表示板３１０の内部には、前述の照明装置１０が内式の光源として用いられる。

これらキャノピー２００及びサインポール３００は、看板の目立ちやすさ（誘目性の高さ）が要求される商用設備であるため、多くは屋外に設置され、その光源である照明装置１０は、キャノピー２００及びサインポール３００の高い位置（頂部付近）に設置される。このような場合、自然環境の影響を受けやすく、中でも、誘導雷による影響は、照明装置１０に深刻な影響を及ぼす場合が多い。

特に、ＬＥＤ素子２０ａを光源とする発光装置１０は、商用電源を直流化する電源ユニット４０をサインポール３００の基部や店舗内に設置し、電源ユニット４０から発光ユニット１０までの間を直流により送電を行う。この場合、キャノピー２００やサインポール３００の基部付近から頂部付近にかけて、直流電源ライン３５が延長されることになる。この直流電源ライン３５は１２Ｖから３００Ｖ程度の様々なものが用いられるが、従来から採用されている蛍光灯のような安定器が存在しない。

そのため、何らかの保護回路３０を備えていなければ、誘導雷等の要因により数百から数千Ｖのサージが発生し、照明装置１０に故障が発生する場合がある。

一方で、電源ユニット４０やＬＥＤ素子２０ａを駆動するドライバに保護回路３０を組み込むことも考えられるが、従来用いられているようなスイッチング式の保護回路を用いると、発光ユニット２０が大型化してしまう。特に、キャノピー２００やサインポール３００などの頂部付近に照明装置１０を設置する場合に、その重量が問題となるばかりでなく、メンテナンス性が低下し、コスト高に繋がる。

また、サーキットブレーカーなど、自己復帰型でない保護回路を採用することも可能であるが、このような保護回路をキャノピー２００やサインポール３００などの頂部付近に設置すると、やはりメンテナンス性が低下する。

そこで、本発明の実施形態では、照明装置１０をサージから保護するために、以下に説明するような保護回路３０を備えた。

図３（ａ）は、保護回路３０の回路の一例の説明図である。

この図３（ａ）に示す保護回路３０は、左側が直流電源の入力側であり、右側が負荷側（発光ユニット２０）側である。なお、この例は、直流電源ライン３５が１２Ｖ〜１８Ｖである場合に、サージを保護する回路である。

保護回路３０は、主に、放電管タイプのサージアブソーバ３０Ａ１からなる第１の保護回路と、半導体素子（ＦＥＴ）３０Ｍ１からなる第２の保護回路３２と、から構成される。

第１の保護回路３１は、サージアブソーバ３０Ａ１とコンデンサ３０Ｃ１とからなる。
サージアブソーバ３０Ａ１は、二端子間に所定のギャップを有し、この端子間電圧が所定の電圧を超えた場合に点弧して放電を行うことでサージを吸収する放電管である。すなわち、サージアブソーバ３０Ａ１は、直流電源ライン３５において所定の電圧を超えるサージが印加された場合に、これが発光ユニット２０に伝わることを規制する。

本発明の実施形態では、サージアブソーバ３０Ａ１に、例えば、入力電圧が１４５Ｖを超えると点弧し、端子電圧を１００Ｖ程度に規制する特性のものを用いる。これにより、１４５Ｖを超えるサージが直流電源ライン３５に印加された場合に、直流電源ライン３５の電圧を約１００Ｖまで規制する。

サージアブソーバ３０Ａ１には、並列にコンデンサ３０Ｃ１が接続されている。このコンデンサ３０Ｃ１は、サージアブソーバ３０Ａ１の放電により発生するノイズを平滑化すると共に、消弧を早め続流の発生を抑える目的で接続される。

第１の保護回路３１と第２の保護回路３２との間には、高周波用インダクタ３０Ｌ１及び保護ダイオード３０Ｄ１が介挿されている。

高周波用インダクタ３０Ｌ１は、サージ等に含まれるスパイクノイズや、サージアブソーバ３０Ａ１の点弧に伴い発生する高周波ノイズを吸収する。

保護ダイオード３０Ｄ１は、直流電源ライン３５の負極側に順方向に接続され、サージ等により発生する逆方向の電流を阻止する。

第２の保護回路３２は、スイッチとしての半導体素子（ＦＥＴ）３０Ｍ１と、ツェナーダイオード３０Ｄｚと、抵抗３０Ｒ１とから構成される。

ＦＥＴ３０Ｍ１は、ゲート電圧に基づいて、ソース−ドレン間の導通状態を制御する。ツェナーダイオード３０Ｄｚ及び抵抗３０Ｒ１は、ＦＥＴ３０Ｍ１のゲート電圧が所定の電圧となるように設定する。

このような構成により、ＦＥＴ３０Ｍ１のカソード側（ソース端子）の電圧は、ゲート電圧によって、常に一定の出力電圧（１２Ｖ）に制限される。

具体的には、正規の入力電圧が、直流電源ライン３５に印加されているとき、ツェナーダイオード３０Ｄｚのツェナー電圧Ｖｚは、次式のように設定される。

Ｖｚ［Ｖ］＝１２［Ｖ］＋Ｖｏｎ［Ｖ］

なお、Ｖｏｎは、ＦＥＴ３０Ｍ１が導通状態となるためのゲート・ソース間電圧である。

このように構成された保護回路３０は、次のように作用する。

雷等の原因により誘導雷が発生し、直流電源ライン３５にサージが印加されサージ電圧が１４５Ｖを超えた場合は、まず、第１の保護回路３１において、サージアブソーバ３０Ａ１が点弧することにより、直流電源ライン３５のライン電圧は１００Ｖ付近にまで抑えられる。

このとき、第２の保護回路３２において、回路入力電圧は一旦１４５Ｖに上昇した後、１００Ｖ程度となる。ここで、抵抗３０Ｒ１及びツェナーダイオード３０Ｄｚによりツェナー電圧Ｖｚは維持される。これにより、ＦＥＴ３０Ｍ１の導通状態は維持されると共に、カソード側の電圧は１２Ｖが維持される。

このように、図３（ａ）に示す保護回路３０は、直流電源ライン３５にサージ電圧が印可されたとしても、この保護回路３０によってサージを吸収すると共に、自己復帰して、発光ユニット２０をサージから保護する。

特に、この図３（ａ）に示す保護回路を構成する各素子は、いずれも従来から存在するものであり、素子の耐久性、信頼性において十分検証されているものである。そのため、保護回路３０の製造やメンテナンスのコストを低減することができる。

また、保護回路３０は自己復帰型であると共に、回路構成もシンプルであり、小型化することができる。そのため、発光ユニット２０の近傍に設置して、共に高所に設置したとしても重量増とならず、メンテナンス性を高めることができる。

なお、本発明の実施形態は、スイッチング素子として半導体素子（ＦＥＴ）を採用したが、これに限られることはなく、ＩＧＢＴ等、他のスイッチング素子を用いてもよい。

図３（ｂ）は、保護回路３０の回路の他の例の説明図である。

この図３（ｂ）に示す保護回路３０は、前述の図３（ａ）に示した保護回路３０と類似しているが、第２の保護回路３２の構成が異なる。

第２の保護回路３２において、ＦＥＴ３０Ｍ１のゲート端子には、ツェナーダイオード３０Ｄｚと抵抗３０Ｒ１とに加え、電池（直流電源）３０Ｂ１を直列に接続した。

このような構成によりＦＥＴ３０Ｍ１にゲートは、Ｖｚ＋Ｖｅの電圧がかかる。これにより、ＦＥＴ３０Ｍ１の出力は、前述のように１２Ｖに保たれ、ＦＥＴ３０Ｍ１が導通状態となる。

このとき、ＦＥＴ３０Ｍ１では、ドレン電流Ｉｄ及びソース−ドレン間の電圧降下Ｖｄｓは十分小さく抑えられるので、ＦＥＴ３０Ｍ１における消費電力Ｐ（Ｍ１）は、
Ｐ（Ｍ１）＝（Ｉｄ（Ｍ１）×Ｖｄｓ（Ｍ１））
となり、十分に小さく抑えられる。従って、ＦＥＴ３０Ｍ１の発熱も抑えられる。

また、この保護回路３０にサージが印加された場合は、前述の図３（ａ）の回路と同様に、ツェナーダイオード３０Ｄｚによりツェナー電圧Ｖｚは変化せず、ゲート電圧Ｖｚ＋Ｖｅにより、ＦＥＴ３０Ｍ１のカソード側電圧は常に１２Ｖに維持される。

これにより、前述の図３（ａ）の保護回路３０と同様に、直流電源ライン３５にサージ電圧が印可されたとしても、発光ユニット２０を保護することができる。

なお、この図３（ｂ）に示す例では、ＦＥＴ３０Ｍ１における電圧降下を小さくすることができるので、発光ユニット２０に供給する直流電力を小さくすることができ、電源ユニット４０を小さくすることができる。

図４（ａ）は、保護回路３０の回路のさらに他の例の説明図である。

この図４（ａ）に示す保護回路３０は、前述の図３（ａ）に示した保護回路３０に類似しているが、直流電源ライン３５が直流１００Ｖ〜１０６Ｖである場合に、サージを保護する回路である。

図３（ａ）に示す保護回路３０では、第１の保護回路３１において、入力電圧（１００Ｖ〜１０６Ｖ）が、サージアブソーバ３０Ａ１の点弧後の保持電圧（約１００Ｖ）よりも高い場合は、消弧後に持続電流（続流）が発生し、サージを吸収した後、保護回路３０における直流入力電圧が自動復帰しない。

そこで、この図４（ａ）に示す例では、二つのサージアブソーバ（３０Ａ１、３０Ａ２）を直列に接続した。また、このサージアブソーバ３０Ａ１、３０Ａ２それぞれに、同じ容量のコンデンサ３０Ｃ１、３０Ｃ２を並列に接続した。

個々のサージアブソーバ３０Ａ１、３０Ａ２にそれぞれ同じ容量のコンデンサ３０Ｃ１、３０Ｃ２を並列に接続することによってコンデンサ分圧回路が構成される。この構成により、個々のサージアブソーバ３０Ａ１、３０Ａ２にかかる電圧を保持電圧以下に設定することができ、続流を生じさせないようにすることができる。

なお、この図４（ａ）に示す例では、第２の保護回路３２、高周波用インダクタ３０Ｌ１及び保護ダイオード３０Ｄ１は、前述の図３（ａ）に示す例と同様である。ただし、ツェナー電圧及びＦＥＴ３０Ｍ１の特性は、出力電圧に対応して設定する必要がある。

これにより、前述の図３（ａ）の保護回路３０と同様に、直流電源ライン３５にサージ電圧が印可されたとしても、発光ユニット２０を保護することができる。

なお、図４（ａ）に示した例は、直流１００Ｖ〜１０６Ｖの場合を説明したが、例えば直流２００Ｖを用いる場合は、さらに、サージアブソーバ３０Ａを４つ備え、それぞれに並列にコンデンサ３０Ｃを挿入することにより、続流の発生を抑えることができる。これらは、使用電圧に応じて適宜変更することが可能である。

図４（ｂ）は、保護回路３０の回路のさらに他の例の説明図である。

この図４（ｂ）に示す保護回路３０は、前述の図４（ａ）に示した保護回路３０に類似しているが、直流電源ライン３５が直流５０Ｖないし６０Ｖのように、適当なツェナーダイオードの入手が難しい場合に、サージを保護する回路である。

前述の図３（ａ）から図４（ａ）に示した例では、ＦＥＴ３０Ｍ１のゲート電圧を規定するためにツェナーダイオード３０Ｄｚを用いた。これに対して、図４（ｂ）に示す例では、コンデンサ３２Ｃ１の静電容量と抵抗３０Ｒ１の抵抗値とにより定まる電圧により、ゲート電圧を規定している。

図４（ｂ）に示す例では、抵抗３０Ｒ１の抵抗値を５００ｋΩ程度とし、コンデンサ３２Ｃ１の静電容量を１〜１０μＦ程度とする。このように構成した場合は、ＦＥＴ３０Ｍ１のゲート電圧は入力電圧（５０Ｖ〜６０Ｖ）とほぼ等しくなり、ＦＥＴ３０Ｍ１は導通状態となる。

ここで、直流電源ライン３５にサージが印加された場合、保護回路３０の入力電圧は一旦１４５Ｖ付近まで上昇するが、サージアブソーバ３０Ａ１、３０Ａ２により、約１００Ｖ程度にまで規制される。このサージの持続時間中に、コンデンサ３２Ｃ１の電荷はほとんど変化しないため、コンデンサ３２Ｃ１の両端電圧で定まるゲート電圧は変化しない。

従って、ＦＥＴ３０Ｍ１のカソード電圧はほとんど変化なく、発光ユニット２０へのサージが規制される。

これにより、前述の図３（ａ）の保護回路３０と同様に、直流電源ライン３５にサージ電圧が印可されたとしても、発光ユニット２０を保護することができる。

図５（ａ）は、保護回路３０の回路のさらに他の例の説明図である。

この図５（ａ）に示す保護回路３０は、前述の図４（ａ）に示した保護回路３０に類似しており、直流電源ライン３５が直流５０Ｖ〜６０Ｖであることは共通だが、第２の保護回路３２の構成が異なる。

図５（ａ）に示す例では、ＦＥＴ３０Ｍ１のドレン端子とゲート端子との間に接続された抵抗３０Ｒ１に、ダイオード３２Ｄ１を並列に接続した。

直流電源ライン３５にサージが印加された場合、第２の保護回路３２において、ツェナーダイオード３０Ｄｚと、このツェナーダイオード３０Ｄｚに直列に接続されたダイオード３２Ｄ１とが発光ユニット２０に並列に存在することとなる。

このような構成により、保護ダイオード３０Ｄ１に若干の逆方向の漏れ電流が発生したとしても、発光ユニット２０側には、これらダイオードの順方向電圧の２倍以上の逆電圧が加わることがない。

これにより、前述の図３（ａ）の保護回路３０と同様に、直流電源ライン３５に逆極性（マイナス端子が高電圧となる）のサージ電圧が印可されたとしても、発光ユニット２０を保護することができる。

図５（ｂ）は、保護回路３０の回路のさらに他の例の説明図である。

この図５（ｂ）に示す保護回路３０は、前述の図４（ｂ）に示した保護回路３０に類似しており、直流電源ライン３５が直流５０Ｖであることは共通だが、第２の保護回路３２の構成が異なる。

図５（ａ）に示す保護回路３０は、前述の図４（ｂ）に示した保護回路３０と同様に、コンデンサ３２Ｃ１の静電容量と抵抗３０Ｒ１の抵抗値とにより、ゲート電圧を規定している。

そしてさらに、ＦＥＴ３０Ｍ１のドレン端子とゲート端子との間に接続された抵抗３０Ｒ１に、ダイオード３２Ｄ１を平行に接続し、コンデンサ３２Ｃ１と並列に、ダイオード３２Ｄ２を接続した。

このような構成により、保護ダイオード３０Ｄ１に若干の逆方向の漏れ電流が発生したとしても、発光ユニット２０側には、これらダイオードの順方向電圧の２倍以上の逆電圧が加わることがない。

これにより、前述の図３（ａ）の保護回路３０と同様に、直流電源ライン３５に逆極性のサージ電圧が印可されたとしても、発光ユニット２０を保護することができる。

図６は、保護回路３０の回路のさらに他の例の説明図である。

前述の図３（ａ）から図５（ｂ）に示した保護回路３０は、いずれも、直流電源ライン３５に印加されるサージから、発光ユニット２０を保護する。

これに対して、図６に示す保護回路３０は、交流電源に印加されるサージに対して保護するものである。

交流電源の場合は、第１の保護回路３１のみ、すなわち、サージアブソーバ３０Ａ１とコンデンサ３０Ｃ１と高周波用インダクタ３０Ｌ１とのみにより構成される。

このような構成により、サージが印加された場合に、サージアブソーバ３０Ａ１が点弧して所定電圧に抑える。また、交流の場合は続流の発生がないため、ダイオードやトランジスタ等からなる第２の保護回路は必要としない。

なお、この図６に示す保護回路３０は、図１の構成とは異なり、商用電源ライン４５に接続されることは言うまでもない。また、発光ユニット２０のドライバ２１に、交直流の変換装置を備える。

以上説明したように、本発明の実施形態では、ＬＥＤ素子２０ａを光源とする発光ユニット２０と、発光ユニット２０に直流電源ライン３５を介して直流電力を供給する電源ユニット３０と、から構成される照明装置１０において、直流電源ライン３５に介挿され、放電によりサージを吸収するサージアブソーバ３０Ａ１からなる第１の保護回路３１と、ＦＥＴ３０Ｍ１のゲート電圧により出力電圧を規制する第２の保護回路３２と、から保護回路３０を構成した。

このような構成により、シンプルな構成で自己復帰型の保護回路３０を構成することができるので、製造コストを低減することができる。

また、この保護回路３０は、小型化することが可能であるので、例えば、発光ユニット２０をキャノピー２００やサインポール３００等の頂部付近に設置する場合に、発光ユニット２０と共に設置することができる。さらに、自己復帰型でありメンテナンスにかかるコストを削減することができる。

従って、本発明の保護回路３０は、製造コスト及びメンテナンスコストを低減しつつ、ＬＥＤ素子２０ａを光源とする発光ユニット２０を、誘導雷によるサージによる影響から防ぐことが可能となる。

本発明の実施形態の照明装置のブロック図である。 本発明の実施形態の照明装置を適用したロードサイド店舗の一例の説明図である。 本発明の実施形態の保護回路の一例の説明図である。 本発明の実施形態の保護回路の他の例の説明図である。 本発明の実施形態の保護回路の他の例の説明図である。 本発明の実施形態の保護回路の他の例の説明図である。

符号の説明

１０ 照明装置
２０ 発光ユニット
２０ａ 発光ダイオード（ＬＥＤ素子）
３０ 保護回路
３０ 電源ユニット
３０Ａ１、３０Ａ２ サージアブソーバ（放電管）
３０Ｄｚ ツェナーダイオード
３０Ｄ１ 保護用ダイオード
３０Ｌ１ 高周波用インダクタ
３０Ｍ１ ＦＥＴ（半導体素子）
３１ 第１の保護回路
３２ 第２の保護回路
３５ 直流電源ライン
４０ 電源ユニット
４５ 商用電源ライン
１００ ロードサイド店舗
２００ キャノピー
３００ サインポール

Claims (6)

1. ＬＥＤ素子を備える発光装置と、前記発光装置に電源ラインを介して直流電力を供給する電源装置と、を備えた照明装置に用いられる保護回路であって、
   前記電源ラインに介挿され、前記電源ライン側に接続される第１の保護回路と、前記発光装置側に接続される第２の保護回路と、を備え、
   前記第１の保護回路は、放電によりサージを吸収する放電管を備え、
   前記第２の保護回路は、
   ゲート電圧に基づいて、前記発光装置に出力する電圧を一定電圧に制限するトランジスタと、
   前記トランジスタを導通状態とするための前記ゲート電圧を設定するツェナーダイオードと、
   前記電源ラインの負極に順方向に接続され、逆方向の電流を阻止する保護ダイオードと、を備えることを特徴とする保護回路。
2. 前記ゲート電圧は、ツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードに直列に接続される電池と、により設定されることを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
3. 前記ゲート電圧は、正極側に接続された抵抗と、負極側に接続されたコンデンサと、により設定されることを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
4. 前記第１の保護回路と第２の保護回路との間には、高周波成分を規制するインダクタが介挿されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の保護回路。
5. 屋外構造物の照明に用いられる照明装置であって、
   ＬＥＤ素子を備える発光装置と、
   前記発光装置に電源ラインを介して直流電力を供給する電源装置と、
   前記請求項１から４のいずれか一つに記載の保護回路と、
   を備え、
   前記保護回路が前記発光装置の近傍に設置されることを特徴とする照明装置。
6. 前記発光装置は、前記屋外構造物の頂部付近に備えられ、
   前記電源装置は、前記屋外構造物の基部付近に備えられ、
   前記保護回路が前記発光装置の近傍に設置されることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。

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