JP5462492B2 - Ｌｅｄ電源回路及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明はＤＣ−ＤＣ変換回路を有するＬＥＤ電源回路及びそれを用いた照明器具に関するものである。

近年、ＬＥＤの性能が高くなってきており、ＬＥＤを用いた照明器具は寿命が長いなどの理由で従来の光源から置き換えられる状態にある。今後ＬＥＤの性能がますます向上していけば、さらに汎用の照明器具分野で採用されると考えられる。また、回路効率を改善するためにＤＣ−ＤＣ変換回路を用いたＬＥＤ電源回路が提案されている。

特許文献１（特開２００８−１３０４３８号公報）では、商用交流電源をダイオードブリッジにより全波整流し、平滑コンデンサで平滑した直流電圧をＤＣ−ＤＣ変換回路により電力変換してＬＥＤに供給するＬＥＤ電源回路が開示されている。また、ＤＣ−ＤＣ変換回路の回路グランドをアース用コンデンサを介して器具アースに接続した構成が開示されている。しかしながら、平滑コンデンサとアース用コンデンサの容量の最適化については詳細な検討がなされていなかった。

特開２００８−１３０４３８号公報

ＤＣ−ＤＣ変換回路を有するＬＥＤ電源回路では、スイッチング雑音が入力電源ラインに漏洩しないように、電源入力部にノイズフィルタを設ける必要があるが、近年では、ＬＥＤの多灯化により雑音端子電圧が増加する傾向にある。雑音低減のためにＤＣ−ＤＣ変換回路の回路グランドを器具アースに接続することが考えられる。しかし、回路グランドと器具間の容量が増加することにより、雷サージ電圧（コモンモード）に対する耐量が低下する。そこで、雑音端子電圧を規制範囲内に抑制しながら、なおかつ雷サージ性能を満足するように容量を選択することが必要となる。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、ＤＣ−ＤＣ変換回路を用いたＬＥＤ電源回路において、入力電源ラインへ伝搬する高周波雑音を低減すると共に、雷サージ性能を向上させることを課題とする。

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、少なくとも雑音防止用コンデンサＣ１，Ｃ２とラインフィルタＬＦを含む入力フィルタ回路と、入力フィルタ回路に接続され交流電圧を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、ダイオードブリッジＤＢの出力に接続され、脈流電圧を平滑する１μＦ以下の容量である平滑コンデンサＣ３と、平滑コンデンサＣ３の両端に接続されるＤＣ−ＤＣ変換回路（ここでは降圧チョッパ回路）と、ＤＣ−ＤＣ変換回路の出力に接続されるＬＥＤ発光部２により構成されるＬＥＤ電源回路であって、ラインフィルタＬＦとダイオードブリッジＤＢ間の入力電源ラインから、アースＦＧに対してコンデンサＣ１１〜Ｃ１３を挿入し、入力電源ラインとアースＦＧとの間の総容量が平滑コンデンサＣ３の１／２００以下になるように設定したことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、同じ課題を解決するために、図５に示すように、少なくとも雑音防止用コンデンサＣ１，Ｃ２とラインフィルタＬＦを含む入力フィルタ回路と、入力フィルタ回路に接続され交流電圧を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、ダイオードブリッジＤＢの出力に接続され、脈流電圧を平滑する１μＦ以下の容量である平滑コンデンサＣ３と、平滑コンデンサＣ３の両端に接続されるＤＣ−ＤＣ変換回路（ここでは降圧チョッパ回路）と、ＤＣ−ＤＣ変換回路の出力に接続されるＬＥＤ発光部２により構成されるＬＥＤ電源回路であって、ダイオードブリッジＤＢの直流出力側の回路グランドＧから、アースＦＧに対してコンデンサＣ１１、Ｃ１２を挿入し、回路グランドＧからアースＦＧに対する総容量が平滑コンデンサＣ３の１／２００以下になるように設定したことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、ＤＣ−ＤＣ変換回路は降圧チョッパ回路であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または２の発明において、ＤＣ−ＤＣ変換回路はフライバックコンバータ回路であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ電源回路４を金属ケース７に収納して成る照明器具である（図７）。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣ変換回路を用いたＬＥＤ電源回路において、入力電源ラインへ伝搬する高周波雑音を抑制すると共に、コモンモードの雷サージ印加時の整流後の印加電圧を抑制し、ＤＣ−ＤＣ変換回路の制御回路やＬＥＤの破壊を防止することができる効果がある。

本発明の実施形態１の回路図である。 従来のＬＥＤ電源回路の雑音端子電圧の測定結果を示す図である。 本発明のＬＥＤ電源回路の雑音端子電圧の測定結果を示す図である。 本発明の実施形態１の雷サージ電圧の測定結果を示す図である。 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４の照明器具の断面図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。商用交流電源ＶｓにはラインフィルタＬＦを介してダイオードブリッジＤＢの交流入力端が接続されている。ラインフィルタＬＦの電源側には、雑音防止用コンデンサＣ１と非線形抵抗素子ＺＮＲの並列回路が接続されている。ラインフィルタＬＦの出力端には雑音防止用コンデンサＣ２が接続されている。雑音防止用コンデンサＣ２にはコンデンサＣ１１，Ｃ１２の直列回路が並列接続されている。コンデンサＣ１１，Ｃ１２の接続点はコンデンサＣ１３を介してアースＦＧに接続されている。

ダイオードブリッジＤＢの直流出力端には平滑コンデンサＣ３が接続されている。平滑
コンデンサＣ３はダイオードブリッジＤＢの直流出力端の脈流電圧を平滑するコンデンサ
である。平滑コンデンサＣ３の容量は１μＦ以下としている。

平滑コンデンサＣ３の負極は回路グランドＧに接続されている。平滑コンデンサＣ３の正極はＬＥＤ発光部２のアノード側に接続されている。ＬＥＤ発光部２のカソード側にはインダクタＬ１の一端が接続されている。インダクタＬ１の他端はダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードはＬＥＤ発光部２のアノード側に接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、ＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ１のドレイン電極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソース電極と回路グランドＧの間には、電流検出抵抗Ｒ１が接続されている。電流検出抵抗Ｒ１の非接地側端子は制御部１の検出端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のゲート電極は制御部１のＰＷＭ信号出力端に接続されている。

制御部１はスイッチング電源用の制御用ＩＣであり、電流検出抵抗Ｒ１により検出される電流を監視しながら、スイッチング素子Ｑ１のオン時間・オフ時間を制御することにより、ＬＥＤ発光部２に流れる電流を制御するものである。スイッチング素子Ｑ１がオンのとき、平滑コンデンサＣ３→ＬＥＤ発光部２→インダクタＬ１→スイッチング素子Ｑ１→電流検出抵抗Ｒ１→平滑コンデンサＣ３の経路で電流が流れる。このとき、インダクタＬ１に流れる電流は漸増して行き、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーが、インダクタＬ１→ダイオードＤ１→ＬＥＤ発光部２→インダクタＬ１の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、ＬＥＤ発光部２に流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。

スイッチング素子Ｑ１は商用交流電源Ｖｓの周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングされており、なおかつ、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３μＦ）と小さく設定しているので、商用交流電源Ｖｓからの入力力率は高くなる。その一方、入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩が問題となる。そこで、電源入力部にラインフィルタＬＦと雑音防止用コンデンサＣ１，Ｃ２を設けることにより入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩を防止している。

また、Ｙ字型に接続されたコンデンサＣ１１〜Ｃ１３を介して、入力電源ラインを器具アースＦＧに高周波的に接続することにより、大地と入力電源ラインの間に印加されるコモンモードの高周波雑音を低減している。器具アースＦＧは電源ブロックを収納する金属ケースに電気的に接続されており、金属ケースはアースされている。

図２はコンデンサＣ１１〜Ｃ１３が無い場合、図３はコンデンサＣ１１〜Ｃ１３が有る場合の雑音端子電圧レベルを計測した結果である。いずれも電源ブロックを収納する金属ケースをアースに接続した場合である。各コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の容量は２２０ｐＦ、平滑コンデンサＣ３の容量は０．２３μＦであった。

図２、図３において、直線で示すラインは雑音規制のラインである。コンデンサＣ１１〜Ｃ１３が無い図２の場合は雑音規制のラインを超える周波数帯域が存在する。これに対して、コンデンサＣ１１〜Ｃ１３が有る図３の場合は雑音規制のラインを超える周波数帯域は存在しないことが分かる。

次に、ダイオードブリッジＤＢによる整流後の雷サージ電圧を測定した結果を図４に示す。横軸はコンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３の総容量値（ｐＦ）であり、縦軸はコモンモードの雷サージ（５ｋＶ）を印加したときの整流後サージ電圧（Ｖ）の測定結果である。平滑コンデンサＣ３の容量は０．２３μＦであった。

図４を見ると、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が３００〜５００ｐＦを下回ると雷サージ電圧が劇的に改善されているようにも見えるが、実際には縦軸の目盛りは拡大されているので、測定誤差（ばらつき）の範囲内とも言える。ただ１つ確実に言えることは、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が数十ｐＦ〜数千ｐＦの範囲では、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が増加するにつれて、整流後サージ電圧は増加しており、概ね９００〜１１００Ｖの範囲に収まっていると言える。

図２と図３を対比すれば分かるように、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が増えると、雑音端子電圧は低下するが、増えすぎると、図４から分かるように、整流後サージ電圧が増大することになる。したがって、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値は、雷サージ電圧が許容範囲内で、なおかつ、雑音端子電圧を規制範囲内に抑制できるように選定するのが良いと言える。

本発明者らは、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３〜０．４７
μＦ）とした場合、概ねコンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が平滑コンデンサＣ３の容
量値の１／２００以下に設定されていれば、雷サージ電圧（整流後）を実用上問題の無い
範囲内（１ｋＶ前後）に抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低
減することができるとの知見を得た。

本発明では、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値を絶対値として規定するのではなく、平滑コンデンサＣ３の容量に対する相対値として規定している。その理由は、平滑コンデンサＣ３の容量が異なると、高周波雑音に対するインピーダンスが異なることで入力電源ラインに重畳する高周波雑音のレベルが変化したり、アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３との分圧により整流後のサージ電圧のレベルが変化する可能性を考慮したからである。アース用コンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値を平滑コンデンサＣ３の容量に対する相対値として規定することで、雷サージ電圧に対する分圧比を規定できるので、平滑コンデンサＣ３の容量の変化による影響を相殺することができる。

（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２の回路図である。実施形態１と同様の構成については説明を省略する。本実施形態では、回路グランドＧに接続されたダイオードブリッジＤＢの直流出力端の負極をコンデンサＣ１１，Ｃ１２の直列回路を介して器具アースＦＧに接続したものである。本実施形態においても、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３〜０．４７μＦ）とした場合、概ねコンデンサＣ１１，Ｃ１２の総容量値が平滑コンデンサＣ３の容量値の１／２００以下に設定されていれば、雷サージ電圧を抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができる。

（実施形態３）
図６は本発明の実施形態３の回路図である。本実施形態では、実施形態１において、ＤＣ−ＤＣ変換回路の構成を降圧チョッパ回路に代えてフライバックコンバータ回路としたものである。フライバックコンバータ回路の構成及び動作については周知のものである。

スイッチング素子Ｑ１がオンのとき、平滑コンデンサＣ３→トランスＴ１の１次巻線→スイッチング素子Ｑ１→電流検出抵抗Ｒ１→平滑コンデンサＣ３の経路で電流が流れる。このとき、トランスＴ１の１次巻線に流れる電流は漸増して行き、トランスＴ１に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、トランスＴ１に蓄積された電磁エネルギーが、トランスＴ１の２次巻線→ダイオードＤ１→ＬＥＤ発光部２→トランスＴ１の２次巻線の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、ＬＥＤ発光部２に流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１のオン時にダイオードＤ１が遮断状態となっている期間にもＬＥＤ発光部２に電流を供給できるように、ＬＥＤ発光部２と並列にコンデンサＣ４が接続されている。

本実施形態においても、平滑コンデンサＣ３の容量を１μＦ以下（例えば、０．２３〜０．４７μＦ）とした場合、概ねコンデンサＣ１１〜Ｃ１３の総容量値が平滑コンデンサＣ３の容量値の１／２００以下に設定されていれば、雷サージ電圧を抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができる。

なお、図示はしないが、実施形態２においても、ＤＣ−ＤＣ変換回路の構成を降圧チョッパ回路に代えてフライバックコンバータ回路としても良い。

（実施形態４）
図７は実施形態１〜３のいずれかのＬＥＤ電源回路を用いたＬＥＤ照明器具の断面図である。ＬＥＤ照明器具の器具筐体７は天井９に埋め込まれている。器具筐体７内に、ＬＥＤ発光部２と電源回路部４が内蔵されている。器具筐体７は、下端開放された金属製の円筒体よりなり、下端開放部は光拡散板８で覆われている。この光拡散板８に対向するように、ＬＥＤ発光部２が配置されている。２１はＬＥＤ実装基板であり、ＬＥＤ発光部２のＬＥＤ２ａ〜２ｄを実装している。

ＬＥＤ発光部２は、ここでは４個のＬＥＤ２ａ〜２ｄが搭載されており、ＬＥＤ２ａからＬＥＤ２ｄまでがアノードからカソードに直列につながれる構成となっている。ＬＥＤ２ａのアノード側にはプラス、ＬＥＤ２ｄのカソード側にはマイナスの電圧が印加されることにより、各ＬＥＤ２ａ〜２ｄが発光する。ＬＥＤ２ａ〜２ｄの順方向電圧Ｖｆの合計以上の電圧が印加されると、流れる電流の値に応じてＬＥＤから光束を得ることが出来る。順方向電圧Ｖｆは通常略３．５Ｖのため、４個直列に接続するのであれば、４×３．５Ｖ以上の直流電圧において点灯させることが出来る。

４１は電源回路基板であり、電源回路部４の電子部品を実装している。ＬＥＤ発光部２は、器具筐体７内において放熱板７１に接触するように設置されており、ＬＥＤ２ａ〜２ｄの発生する熱を器具筐体７に逃がすようになっている。また、ＬＥＤ発光部２と点灯回路部４は、この放熱板７１に設けられた穴を介して、リード線５で接続されている。放熱板７１はアルミ板や銅板のような金属板であり、放熱効果と遮蔽効果を兼ねている。放熱板７１は器具筐体７に電気的に接続されてアースされるが、リード線５のプラス側ならびにマイナス側とは電気的に分離された非充電部となっている。

２ ＬＥＤ発光部
ＤＢ ダイオードブリッジ
ＬＦ ラインフィルタ
Ｃ１，Ｃ２ 雑音防止用コンデンサ
Ｃ３ 平滑コンデンサ
Ｃ１１〜Ｃ１３ アース用コンデンサ

Claims (5)

1. 少なくとも雑音防止用コンデンサとラインフィルタを含む入力フィルタ回路と、
   入力フィルタ回路に接続され交流電圧を全波整流するダイオードブリッジと、
   ダイオードブリッジの出力に接続され、脈流電圧を平滑する１μＦ以下の容量である平滑コンデンサと、
   平滑コンデンサの両端に接続されるＤＣ−ＤＣ変換回路と、
   ＤＣ−ＤＣ変換回路の出力に接続されるＬＥＤ発光部により構成されるＬＥＤ電源回路であって、
   ラインフィルタとダイオードブリッジ間の入力電源ラインから、アースに対してコンデンサを挿入し、入力電源ラインとアースとの間の総容量が平滑コンデンサの１／２００以下になるように設定した
   ことを特徴とするＬＥＤ電源回路。
2. 少なくとも雑音防止用コンデンサとラインフィルタを含む入力フィルタ回路と、
   入力フィルタ回路に接続され交流電圧を全波整流するダイオードブリッジと、
   ダイオードブリッジの出力に接続され、脈流電圧を平滑する１μＦ以下の容量である平滑コンデンサと、
   平滑コンデンサの両端に接続されるＤＣ−ＤＣ変換回路と、
   ＤＣ−ＤＣ変換回路の出力に接続されるＬＥＤ発光部により構成されるＬＥＤ電源回路であって、
   ダイオードブリッジの直流出力側の回路グランドから、アースに対してコンデンサを挿入し、回路グランドからアースに対する総容量が平滑コンデンサの１／２００以下になるように設定したことを特徴とするＬＥＤ電源回路。
3. 請求項１または２において、ＤＣ−ＤＣ変換回路は降圧チョッパ回路であることを特徴とするＬＥＤ電源回路。
4. 請求項１または２において、ＤＣ−ＤＣ変換回路はフライバックコンバータ回路であることを特徴とするＬＥＤ電源回路。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ電源回路を金属ケースに収納して成る照明器具。

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