JP5385815B2

JP5385815B2 - 点灯装置及びそれを用いた照明器具

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Publication number: JP5385815B2
Application number: JP2010029671A
Authority: JP
Inventors: 勝信濱本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-02-15
Also published as: JP2011165587A

Description

本発明は、発光ダイオード等の直流で点灯する電気的光源を直流点灯制御するための点灯装置及びそれを用いた照明器具に関するものである。

従来、照明用の光源として蛍光ランプが主流であり、インバータ点灯装置を用いて高周波点灯する照明器具が広く普及している。しかしながら、近年、蛍光ランプに代表される放電ランプ以外の電気的光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）が注目を浴びている。発光ダイオードは特に寿命の観点において蛍光ランプより優れており、今後の技術向上によってベース照明用の蛍光ランプとして主流であるＦＨＦ３２を越える効率も期待されている。しかしながら、発光ダイオードは放電ランプと異なり、直流電力を出力する点灯回路によって点灯されるため、従来のインバータ点灯装置をそのまま使用することはできず、発光ダイオードの特性と使用個数に合わせた専用の直流電源を必要とする。

直流電力を出力するための代表的な回路例として降圧チョッパ方式が知られている。降圧チョッパの基本構成として、特許文献１のようなスイッチング素子を直流電源のグランド側に接続する構成と、スイッチング素子を直流電源の正電位側に接続する構成がある。

特表２００６−５１１０７８号公報特開平１−２７４６７０号公報特開２００２−３５４７８３号公報

特許文献１のようなスイッチング素子を直流電源のグランド側に接続する構成は、スイッチング素子に駆動信号を出力する制御回路が簡単に構成できる利点があるが、発光ダイオードが高電位側に接続されるため、発光ダイオードの点灯装置への接続有無などの負荷異常検出が比較的困難であること、及び発光ダイオードのアノード、カソードの対地電圧が比較的高電位となるため、発生電圧に対応した絶縁対策などを行い、使用者の安全に配慮する必要がある。

一方、スイッチング素子を直流電源の正電位側に接続する構成では、発光ダイオードが低電位側に接続されるため、発光ダイオードの負荷異常検出が簡易化され、さらに発光ダイオードのアノード、カソードの対地電圧は比較的低電位となるため、絶縁対策などを簡素化してもより安全となる利点があるが、スイッチング素子の制御が困難になる課題がある。

特許文献２、３は、二つのスイッチング素子を直列に接続したときの高電位側スイッチング素子を制御する高圧側制御回路のための高圧側制御電源の生成に関する課題が開示されている。これらの従来文献では、高電位側スイッチング素子を制御する高圧側制御回路を安定に制御するために、低圧側に設けたスイッチング素子を利用することによって、高圧側制御電源を確実に生成して高圧側制御回路を安定に制御している。しかしながら、これらの従来文献の構成では、低圧側スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴなどに代表される高耐圧のスイッチング素子と制御回路が必要であるため、点灯装置が高価、かつ複雑なものとなる課題がある。

本発明は、スイッチング素子を直流電源の正電位側に接続しても簡単かつ安価な構成で高圧側制御電源を確実に生成して高圧側制御回路を安定に制御できる点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源部１の出力端間に接続されるとともにスイッチング素子Ｑ１と、インダクタＬ１と、直流点灯する電気的光源３とを直列接続して構成される電圧変換回路（降圧チョッパ部２）と、前記スイッチング素子Ｑ１をオンオフするための駆動信号を出力する制御部４と、前記直流電源部１の出力端に電圧が発生するのに応じて前記制御部４に制御電源Ｖｃｃを供給する制御電源部５とを備えた点灯装置において、前記スイッチング素子Ｑ１は前記直流電源部１の出力端の正電位側に接続され、前記直流点灯する電気的光源３は前記直流電源部１の出力端のゼロ電位側に接続され、前記スイッチング素子Ｑ１の駆動信号を生成するための制御電源用コンデンサＣ２が前記スイッチング素子Ｑ１のオフ時に前記制御電源部５から充電され、前記直流電源部１の出力端の正電位側または制御電源部５の少なくとも一方から前記直流点灯する電気的光源３へ直流電流を供給する経路に抵抗成分を持ったインピーダンス素子Ｒ１を接続され、前記制御部４は制御電源Ｖｃｃが供給された所定時間後に前記スイッチング素子Ｑ１をオンオフするための駆動信号を出力する遅延手段を有することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の点灯装置において、前記直流点灯する電気的光源３はソケットを介して着脱自在に接続されることを特徴とする（図８、図７）。

請求項３の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の点灯装置を備えることを特徴とする照明器具である（図５、図６、図７）。

請求項１の発明によれば、電気的光源が接続されている場合には、制御電源用コンデンサが充電されて、スイッチング素子の駆動信号が生成され、また、電気的光源が断線等により非接続状態になると、インピーダンス素子を介して電気的光源の正電位側の電位が上昇するので、制御電源用コンデンサが充電されなくなり、スイッチング素子の駆動信号が自動的に停止する利点がある。

請求項２の発明によれば、電気的光源が接続されている場合には、制御電源用コンデンサが充電されて、スイッチング素子の駆動信号が生成され、また、電気的光源が取り外されると、インピーダンス素子を介してソケットの接続端子の電位が上昇するので、制御電源用コンデンサが充電されなくなり、スイッチング素子の駆動信号が自動的に停止する利点がある。

請求項３の発明によれば、直流点灯する電気的光源が接続されている場合に、同光源を直流点灯できる照明器具を提供できる。

本発明の実施形態１の回路図である。本発明の実施形態１に用いるＬＥＤモジュールの電圧−電流特性を示す特性図である。本発明の実施形態１の動作を示すタイミングチャートである。本発明の実施形態２の回路図である。本発明の実施形態３の回路図である。本発明の実施形態３の点灯装置の外観を示す正面図である。本発明の実施形態３の点灯装置を用いた照明器具の外観を示す斜視図である。本発明の実施形態３に用いる電気的光源の概略構成を示す斜視図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。直流電源部１の出力端に、スイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１からなる降圧チョッパ部２が接続される。スイッチング素子Ｑ１は直流電源部１の正電圧出力端に接続されており、さらにインダクタＬ１、平滑コンデンサＣ１と直列接続される。コンデンサＣ１に並列に、複数個の発光ダイオードにて構成されるＬＥＤモジュール３が接続されている。

直流電源部１は例えば商用交流電源を全波整流器と昇圧チョッパ回路等を用いて直流電圧に変換して出力する構成としても良い。

以下、降圧チョッパ部２の動作を説明する。スイッチング素子Ｑ１がオンしているときに、直流電源部１からスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１を介してＬＥＤモジュール３に電流が流れる。スイッチング素子Ｑ１のオフ時には、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーはＬＥＤモジュール３、ダイオードＤ１を介して放出される。スイッチング素子Ｑ１のオンオフ周波数は数十ｋＨｚとすることが一般的である。

駆動制御部４は、蛍光灯用安定器に使用されるハーフブリッジ式インバータにおいて２個の直列接続されたスイッチング素子を交互にオンオフ制御するための駆動信号を出力する高耐圧ドライブＩＣのように、直流電源部１の正電圧出力端に接続されるスイッチング素子Ｑ１をオンオフするための駆動信号を供給する高耐圧ドライブの機能を有していればよく、端子Ｈｏｕｔから駆動信号が出力される。駆動制御部４の動作電源端子であるＶｃｃ端子には、制御電源部５から出力される制御電源電圧が供給される。Ｖｃｃ端子がグランド電位（直流電源部１の負電圧出力端の電位）に対して、所定の制御電源電圧となることで駆動制御部４は動作可能となる。

駆動制御部４はスイッチング素子Ｑ１へ駆動信号を出力する回路の制御電源を生成するためにＨＶｃｃ端子、及びＨｇｎｄ端子を有している。ＨＶｃｃ端子とＨｇｎｄ端子間にはコンデンサＣ２が接続され、Ｈｇｎｄ端子はスイッチング素子Ｑ１のソース側に接続されているため、スイッチング素子Ｑ１のソース電位が略０［Ｖ］付近まで低下することによって、コンデンサＣ２は制御電源部５からダイオードＤ２を介して、ほぼ制御電源電圧Ｖｃｃに等しい電圧に充電されることになる。このコンデンサＣ２に充電された電圧を電源としてスイッチング素子Ｑ１へ駆動信号を出力する回路は動作する。

以上のように、一般的な降圧チョッパ方式と同等の構成となっているが、本例では直流電源部１の正電圧出力端とＬＥＤモジュール３との間に抵抗Ｒ１を接続している。

降圧チョッパ部２の出力に、図２に示す電圧−電流特性のＬＥＤを複数個直列に接続した場合、所定の光束を出すための電圧をＶｆ２、電流をＩｆ２とすると、降圧チョッパ部２の出力電圧はＶｆ２×（ＬＥＤ直列接続の個数）となる。また、同図に示すようにＬＥＤはアノード・カソード間に電流を流すためのしきい値電圧Ｖｔｈを有しているため、降圧チョッパ部２の出力電圧が、Ｖｔｈ×（ＬＥＤ直列接続の個数）を下回ると、ＬＥＤの電流はほぼ０［Ａ］に等しく消灯することになる。

例えば、直流電源部１を一旦遮断して再度投入する場合、降圧チョッパ部２の出力電圧が低下することでＬＥＤモジュール３が一旦消灯すると、降圧チョッパ部２の出力段に接続された平滑コンデンサＣ１からＬＥＤモジュール３へ供給される電流はほぼ０［Ａ］となるために、平滑コンデンサＣ１の電荷は自然放電によって緩やかに放出されることになる。この平滑コンデンサＣ１の電荷放出が不十分のとき、例えば、平滑コンデンサＣ１の電圧が制御電源電圧よりも高い時に直流電源部１を再度投入すると、上述のように制御電源部５からダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２へ充電電流を供給できなくなってしまう。

ここで、図２に示すようなしきい値電圧Ｖｔｈに対し、直流電源部１を再度投入した後に直流電源部１の出力電圧が、Ｖｔｈ×（ＬＥＤ直列接続の個数）を超えるとＬＥＤモジュール３に電流が流れ始める。さらに、同図に示すようなしきい値電圧Ｖｔｈより高く、所定の光束を出すための電圧Ｖｆ２より低い電圧Ｖｆ１に対し、直流電源部１の出力電圧がＶｆ１×（ＬＥＤ直列接続の個数）に達すると、ＬＥＤモジュール３に流れる電流がＩｆ１に増大し、ＬＥＤモジュール３の等価インピーダンス値は大きく低下する。

このときのＬＥＤモジュール３の電圧が、Ｖｆ１×（ＬＥＤ直列接続の個数）＜（制御電源部５の制御電源電圧）の関係を満足することによって、制御電源部５→ダイオードＤ２→コンデンサＣ２→インダクタＬ１→ＬＥＤモジュール３の経路で電流が流れ始める。また、ＬＥＤモジュール３の電圧が、Ｖｆ１×（ＬＥＤ直列接続の個数）＜（制御電源部５の制御電源電圧−スイッチング素子Ｑ１のオン電圧）となると、スイッチング素子Ｑ１の駆動が可能となる。

以上、直流電源部１を遮断し、再投入する場合について説明したが、次に直流電源部１を初投入する際の各部波形について、図３のタイミングチャートを用いて説明する。

図３（ａ）に示すように、時間ｔ０で直流電源部１を投入する。制御電源部５は同図（ｂ）に示すように直流電源部１の投入に応じて生成される。直流電源部１の投入後、直流電源部１の出力電圧は徐々に高くなり、時間ｔ１において前述のようにＶｔｈ×（ＬＥＤ直列接続の個数）を超えることで、同図（ｃ）に示すようにＬＥＤモジュール３へ直流電源部１から抵抗Ｒ１を介して電流が流れ始める。また、同図（ｅ）に示すようにＬＥＤモジュール３に電流が流れ、ＬＥＤモジュール３の等価インピーダンスが低下することでコンデンサＣ２に電圧が充電される。コンデンサＣ２の充電時間は、ＬＥＤモジュール３の等価インピーダンスとコンデンサＣ２の容量によって決まる時間となる。さらにこのときのスイッチング素子Ｑ１のソース側電圧値は、スイッチング素子Ｑ１に駆動信号が供給されていないため、ＬＥＤモジュール３の両端に発生する電圧に略等しい。

制御電源電圧が所定電圧を超え、あらかじめ決められた所定時間が経過した時間ｔ２において、同図（ｄ）に示すように駆動制御部４から駆動信号が出力され、スイッチング素子Ｑ１はオンオフを繰り返すことになる。前述のように、スイッチング素子Ｑ１のオン時にインダクタＬ１に蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子Ｑ１のオフ時に放出されてダイオードＤ１が導通することで、スイッチング素子Ｑ１のソース電圧は略０［Ｖ］に低下し、同図（ｅ）のように駆動信号に応じてオンオフを継続する波形となる。

ここで、時間ｔ２を決めるタイマ手段の具体例は図示していないが、蛍光灯用安定器を制御する際に先行予熱などの時間を決めて動作周波数を変えたり、所定の時間を決めて動作停止するなどのタイマ制御が広く知られており、本例においても駆動制御部４に同様なタイマ手段を設ければよい。

スイッチング素子Ｑ１のオンオフ動作によって、コンデンサＣ２の電圧は略制御電源電圧に等しい電圧まで上昇し、降圧チョッパ部２が動作することでＬＥＤモジュール３に所定の電流Ｉｆ２が流れることになる。

以上の動作を行うことによって、降圧チョッパ部２を構成するスイッチング素子Ｑ１が直流電源部１の正電圧出力端に接続される場合においても安定に動作を継続することができる。

さらに万一、降圧チョッパ部２の出力端とＬＥＤモジュール３が配線の接続不良などの理由で接続されない場合や、あるいはＬＥＤモジュール３に断線が生じたような場合には、抵抗Ｒ１を介して平滑コンデンサＣ１の電圧は直流電源部１の出力電圧に略等しい電圧まで充電されるため、上述の理由により、コンデンサＣ２の電圧が充電されなくなり、スイッチング素子Ｑ１へ駆動信号が供給されなくなる。よって、特別な接続不良の検出回路を付加しなくてもスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を停止することができるため、駆動制御部４を安価な構成とすることもできる。

以上の説明、及び図１に示すＬＥＤモジュール３では、複数のＬＥＤを直列接続するものとしたが、ＬＥＤを多数使用し、これをすべて直列接続すると、図３における時間ｔ１からｔ２の間、ＬＥＤモジュール３の電圧が制御電源電圧よりも高くなることによって、上述の動作を行わなくなるため、時間ｔ１からｔ２の間のＬＥＤモジュール３の電圧が制御電源電圧より低くなる関係を満足するよう、ＬＥＤの使用個数に応じて直列接続と並列接続とを併用することが望ましい。

また、直流点灯する電気的光源としては、ＬＥＤモジュール３に代えて、ＬＥＤと同様に直流点灯することで知られる有機ＥＬを用いたモジュール構成としてもよい。さらに、抵抗Ｒ１は直流電流を流せるのであれば、抵抗に限らず例えばバイポーラトランジスタを能動領域にて使用して抵抗値を持たせたり、ツェナーダイオードなどを用いるような構成としてもよい。

さらに制御電源部５の具体構成や具体動作は省略したが、一般的に用いられる制御電源回路の構成でよく、図３（ｂ）に示すように、直流電源部１の出力電圧に応じて制御電源電圧を出力すればよい。例えば、直流電源部１の出力電圧を抵抗により分圧し、ツェナーダイオードにより定電圧化して直流低電圧を出力するような構成でも良い。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２の回路図である。基本構成は実施形態１と同じである。実施形態１では直流電源部１から供給される直流出力を抵抗Ｒ１を介してＬＥＤモジュール３へ供給したが、本実施形態では、制御電源部５から出力される直流出力をダイオードＤ３と抵抗Ｒ１との直列回路を介してＬＥＤモジュール３へ供給する。本実施形態では、直流電源部１の出力電圧＞制御電源部５の出力電圧であるために、図３の時間ｔ１からｔ２の間のＬＥＤモジュール３の電圧が制御電源電圧より低くなる関係を満足するようにＬＥＤを直列接続する個数を低減する必要があるが、時間ｔ２以降にはＬＥＤモジュール３の両端に発生する電圧＞制御電源部５の出力電圧となるために抵抗Ｒ１に電流が流れず、抵抗Ｒ１で余分に消費される電力を節約することができる。

（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態は、上述の実施形態１または２で説明したＬＥＤなどの直流点灯する光源と、蛍光ランプに代表される放電ランプとをいずれも点灯できる点灯装置である。図５では、放電ランプＬａを接続した例を示しており、放電ランプＬａと点灯装置とを電気的に接続可能なコネクタＣＯＮ１、ＣＯＮ２を有しており、実施形態１または２で説明したＬＥＤモジュール３を接続する際にはコネクタＣＯＮ２に接続する。

ＬＥＤモジュール３を接続した場合は、実施形態１または２と同じ構成である降圧チョッパ部２の出力端からコネクタＣＯＮ２の端子ｄ−ｃ間に直流電力が供給される。直流電源部１が投入された直後の動作は実施形態１または２と同じであり、直流電源部１の出力端から抵抗Ｒ１を介して直流出力をＬＥＤモジュール３へ供給する。

放電ランプＬａを接続した場合は、図５に示すように直流電源部１の出力端に接続され、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を有するインバータ部６において高周波出力が出力される。この高周波出力は、共振用インダクタＬ２、共振用コンデンサＣ５、直流カット用コンデンサＣ４で構成される共振部７へ入力されており、共振用コンデンサＣ５に蛍光ランプＬａが並列に接続されるように、上記コネクタＣＯＮ１、ＣＯＮ２が接続されている。共振用インダクタＬ２の２次巻線ｎ２の出力はコンデンサＣ６を介してコネクタＣＯＮ１の端子ａ−ｂ間に供給されており、放電ランプＬａの高電位側のフィラメントに予熱電流を供給する。

インバータ部６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、インバータ駆動制御部８のＨｏｕｔ端子、及びＬｏｕｔ端子から出力される駆動信号に応じて交互にオンオフ駆動される。また、Ｈｏｕｔ端子から出力される駆動信号を生成するための制御手段は、インバータ駆動制御部８のＨＶｃｃ端子とＨｇｎｄ端子間に接続されるコンデンサＣ３を電源としており、このコンデンサＣ３は、スイッチング素子Ｑ３のオン時にダイオードＤ３を介して制御電源電圧に略等しい電圧に充電される。

ここで、本発明の点灯装置は、図５に示す電子部品を少なくとも１枚のプリント基板上に実装し、この実装基板を図６に示すようなケース２０内に収納することで構成される。また、上述のコネクタＣＯＮ１、ＣＯＮ２は、装置外部で放電ランプＬａまたはＬＥＤモジュール３と接続可能なように配置されている。ＣＯＮ３は電源側のコネクタであり、商用交流電源を直流電源部１に供給するための配線が接続される。ケース２０は両端に固定用のねじ穴２１を備えている。このようなケース外郭に覆われた点灯装置は、図７に示す照明器具３０の器具本体３１に内蔵される。点灯装置のコネクタＣＯＮ１、ＣＯＮ２は放電ランプＬａの口金部が接続及び挿入可能であるソケット部３２へそれぞれ接続される。

ＬＥＤモジュール３は、このような照明器具に接続及び挿入可能なように、図８に示すような構成とすればよく、複数個のＬＥＤを基板上に実装し、放電ランプＬａと略同形状で透光性を持った筐体内に収め、放電ランプＬａと同形状の端子ａ、ｂ、ｃ、ｄを設ければよい。

このようなＬＥＤモジュール３と放電ランプＬａの接続判別は、コネクタＣＯＮ２の端子ｄ−ｃ間に接続される接続検出部１０と、接続検出部１０からの検出信号を入力してＬＥＤモジュール３と放電ランプＬａとのどちらの光源が接続されているかを判定し、判定結果に応じて駆動制御部４またはインバータ駆動制御部８のいずれか一方に動作開始を指示する動作切り替え部９において判定される。

動作切り替え部９の具体構成は図示していないが、例えばマイコンを用いて、接続検出部１０から入力される検出信号に応じて“Ｈ”または“Ｌ”の二値信号を駆動制御部４とインバータ駆動制御部８へ出力するように構成し、このとき駆動制御部４とインバータ駆動制御部８は、“Ｈ”信号入力時に動作し、“Ｌ”信号入力時に停止するよう構成すればよい。

蛍光ランプに代表される放電ランプＬａが接続されている場合、コネクタＣＯＮ２の端子ｄ−ｃ間にフィラメントが接続されることになり、市販される蛍光ランプのフィラメントの抵抗値はおよそ１０［Ω］より低い値となるため、比較的高抵抗値を持つ抵抗Ｒ２、Ｒ３で構成される接続検出部１０から出力される検出信号はほぼ０［Ｖ］に近い値になる。一方、ＬＥＤモジュール３が接続されている場合、ＬＥＤに電流が流れる前のＬＥＤモジュール３の等価抵抗はほぼ∞であるため、接続検出部１０から出力される検出信号は抵抗Ｒ２、Ｒ３の分圧比によって決まる電圧にほぼ等しくなる。さらにＬＥＤに電流が流れ始めた際はＬＥＤモジュール３の等価抵抗値が低くなるため、ＬＥＤモジュール３に電流が流れる直前の時間ｔ１までにＬＥＤモジュール３の接続判定を行うことが望ましい。

以上の説明のように、本発明の点灯装置を用いることで、放電ランプ用照明器具で必要とされる点灯装置の接続用端子やソケットの数を増やすことなく、放電ランプとＬＥＤモジュールとを自由に選択することができ、放電ランプ用照明器具の製造設備を用いて安価に照明器具を組み立てることができる。

１直流電源部
２降圧チョッパ部
３ＬＥＤモジュール
４駆動制御部
５制御電源部
Ｒ１抵抗
Ｑ１スイッチング素子
Ｌ１インダクタ
Ｃ２制御電源用コンデンサ

Claims

直流電源部の出力端間に接続されるとともにスイッチング素子と、インダクタと、直流点灯する電気的光源とを直列接続して構成される電圧変換回路と、前記スイッチング素子をオンオフするための駆動信号を出力する制御部と、前記直流電源部の出力端に電圧が発生するのに応じて前記制御部に制御電源を供給する制御電源部とを備えた点灯装置において、前記スイッチング素子は前記直流電源部の出力端の正電位側に接続され、前記直流点灯する電気的光源は前記直流電源部の出力端のゼロ電位側に接続され、前記スイッチング素子の駆動信号を生成するための制御電源用コンデンサが前記スイッチング素子のオフ時に前記制御電源部から充電され、前記直流電源部の出力端の正電位側または制御電源部の少なくとも一方から前記直流点灯する電気的光源へ直流電流を供給する経路に抵抗成分を持ったインピーダンス素子を接続され、前記制御部は制御電源が供給された所定時間後に前記スイッチング素子をオンオフするための駆動信号を出力する遅延手段を有することを特徴とする点灯装置。
前記直流点灯する電気的光源はソケットを介して着脱自在に接続されることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
請求項１または２のいずれかに記載の点灯装置を備えることを特徴とする照明器具。