JP5853190B2 - 固体発光素子駆動装置及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス素子などの固体発光素子を駆動する固体発光素子駆動装置、及びそれを用いた照明装置に関する。

近年、白熱ランプや蛍光ランプに代えて、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子を光源とする照明装置が普及してきている。

発光ダイオード(ＬＥＤ)を駆動(点灯)する駆動装置(照明装置)の従来例として、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１記載の従来例は、商用交流電源に接続された力率改善用の昇圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路の直流電圧を光源(複数個のＬＥＤの直列回路)の駆動電圧まで降圧する降圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路を制御する制御回路、降圧チョッパ回路を制御する制御回路などを備えている。

昇圧チョッパ回路は、商用交流電源の電源電圧がダイオードブリッジで全波整流された脈流電圧を所望の直流電圧に昇圧するものであって、スイッチング素子、チョークコイル(インダクタ)、ダイオード、平滑コンデンサなどで構成される。すなわち、ダイオードブリッジの脈流出力端間にチョークコイル、ダイオード、平滑コンデンサが直列接続されるとともに、ダイオードと平滑コンデンサにスイッチング素子が並列接続される。

制御回路は、スイッチング素子のオンデューティ比を調整することで出力電圧を所望の電圧値に一致させるように制御(ＰＷＭ制御)する。また制御回路は、チョークコイルに流れる電流がゼロになるタイミングでスイッチング素子をターンオンし、出力電圧が目標値に一致した時点でスイッチング素子をターンオフする、いわゆる臨界モードで制御する。

降圧チョッパ回路は、昇圧チョッパ回路から供給される直流電圧を光源の駆動電圧(＝ＬＥＤの順電圧×直列接続された個数)まで降圧するものであって、スイッチング素子、インダクタ、コンデンサ、ダイオード、検出抵抗などで構成される。すなわち、昇圧チョッパ回路の出力端間にスイッチング素子、インダクタ、コンデンサ、検出抵抗が直列に接続され、ダイオードがインダクタとコンデンサに並列接続され、コンデンサの両端に光源が接続される。

制御回路は、スイッチング素子のオンデューティ比を調整することで降圧チョッパ回路の出力電圧を駆動電圧に一致させるように制御(ＰＷＭ制御)する。また制御回路は、インダクタに流れる電流がゼロになるタイミングでスイッチング素子をターンオンし、検出抵抗に流れる電流(光源に流れる駆動電流)が目標値に一致した時点でスイッチング素子をターンオフする、いわゆる臨界モードで制御する。

特開２０１１−１７１２３２号公報

ところで、上記従来例においては、商用交流電源の電源電圧が瞬間的に低下あるいは停止(以下、瞬停と呼ぶ。)した後に復電した場合、昇圧チョッパ回路の出力電圧が意図しない低電圧にクランプされてしまう虞があった。以下、図５のタイムチャートを参照して詳しく説明する。

図５の(ａ)は商用交流電源の電源電圧VACを示し、(ｂ)の実線は昇圧チョッパ回路の出力電圧VDC、破線は降圧チョッパ回路の出力電圧Voをそれぞれ示している。また、図５(ｃ)は光源の状態(点灯、消灯)を示し、(ｄ)は降圧チョッパ回路のスイッチング素子の状態(オン、オフ)を示している。

正常動作時(時刻t1以前)においては、昇圧チョッパ回路の出力電圧VDCは電源電圧VAC(実効値100ボルト)よりも十分に高い高電圧(例えば、300〜400ボルト)まで昇圧され、降圧チョッパ回路の出力電圧Voは、光源の駆動電圧Vf(例えば、数十ボルト)に維持されている。そして、時刻t1に瞬停が発生すると、昇圧チョッパ回路の平滑コンデンサに蓄積されている電荷が徐々に放電されることで昇圧チョッパ回路の出力電圧VDCが徐々に低下する。一方、降圧チョッパ回路の出力電圧Voは、昇圧チョッパ回路の出力電圧VDCが低下してもスイッチング素子のオンデューティ比が100％に達するまでは駆動電圧Vfに維持される。そして、制御回路がスイッチング素子のオンデューティ比を100％にした後、降圧チョッパ回路の出力電圧Voが徐々に低下して駆動電圧Vfを下回り、時刻t2の時点で光源が消灯する。なお、昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路の制御回路に電源を供給している電源回路にも平滑コンデンサが使用されているので、停電後もしばらくの間は各制御回路に電源回路から動作電源が供給されて制御動作を行うことができる。

そして、平滑コンデンサの蓄積電荷が残っている状態で商用交流電源が復電すると(時刻t3)、昇圧チョッパ回路の出力電圧VDC及び降圧チョッパ回路の出力電圧Voがともに上昇する。このとき、光源が消灯して無負荷状態となっているので、各出力電圧VDC，Voは概ね等しい電圧値で上昇する。また、降圧チョッパ回路の制御回路は、入力電圧(昇圧チョッパ回路の出力電圧VDC)と出力電圧Voとの電位差が小さいため、降圧チョッパ回路のスイッチング素子の常時オン状態(オンデューティ比100％の状態)を継続する。

そして、時刻t4に降圧チョッパ回路の出力電圧Voが駆動電圧Vfを超えると駆動電流が流れて光源が点灯する。光源を点灯した後も降圧チョッパ回路のスイッチング素子が常時オン状態にあるため、昇圧チョッパ回路から降圧チョッパ回路へ常時出力電流が供給され続けることになる。

一方、昇圧チョッパ回路の制御回路は、復電してから光源が再点灯するまでの間(時刻t3〜t4)は通常通りにスイッチング素子をスイッチングするが、光源が再点灯した時刻t4以降は常時出力電流が流れるためにスイッチング素子をターンオンできなくなる。その結果、昇圧チョッパ回路の出力電圧VDCは、光源の駆動電圧Vfと出力電流(駆動電流)による降圧チョッパ回路内の電圧降下(主に検出抵抗による電圧降下)を足した電圧にクランプされてしまう。つまり、昇圧チョッパ回路の出力端間に光源と検出抵抗の直列回路が接続されたような状況となり、昇圧チョッパ回路の出力電圧が所望の電圧まで昇圧されないだけでなく、降圧チョッパ回路による駆動電流の制御も不能になってしまう。なお、光源が蛍光ランプであった場合、瞬停から復電した後に昇圧チョッパ回路の出力電圧VDCが所望の電圧値に上昇する前に蛍光ランプが再点灯することがないので、上述のような問題が生じることはない。なぜなら、蛍光ランプ用の点灯回路では、昇圧チョッパ回路の出力電圧が所望の電圧まで上昇した後、定常点灯時の電圧よりも遙かに高い始動電圧を蛍光ランプに印加して再点灯させるからである。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、瞬停から復電したときの不具合の発生を抑制することを目的とする。

本発明の固体発光素子駆動装置は、交流電源から供給される交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する交流直流変換部と、前記交流直流変換部の出力電圧を、１乃至複数の固体発光素子の駆動に必要な駆動電圧に降圧する直流直流変換部とを備え、前記直流直流変換部は、前記交流直流変換部の出力端間に接続されるスイッチング素子、インダクタ、コンデンサ、抵抗の直列回路と、前記抵抗を利用して前記固体発光素子に流れる駆動電流を検出し、前記駆動電流の検出結果に応じて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御部とを有し、前記コンデンサの両端間に前記固体発光素子が接続されてなり、前記制御部がスイッチング制御可能な状態において前記交流直流変換部の出力電圧が所定のしきい値を下回った場合、前記制御部に前記スイッチング素子をオフさせる強制オフ手段を備えることを特徴とする。

この固体発光素子駆動装置において、前記制御部は、前記スイッチング素子をオフさせた後、前記交流直流変換部の出力電圧が前記しきい値を下回っている間は前記スイッチング素子のオンデューティ比を所定値以下に制限し、前記出力電圧が前記しきい値を超えたら前記制限を解除することが好ましい。

この固体発光素子駆動装置において、前記制御部は、前記交流直流変換部の出力電圧が前記しきい値を下回っている間、前記スイッチング素子をオフ状態に維持することが好ましい。

この固体発光素子駆動装置において、前記強制オフ手段は、前記制御部に供給する動作電源電圧を、前記制御部が前記スイッチング素子のスイッチング制御を停止する電圧まで低下させることで前記スイッチング素子をオフさせることが好ましい。

本発明の照明装置は、１乃至複数個の固体発光素子からなる光源部と、前記何れかの固体発光素子駆動装置からなり、前記光源部を点灯する点灯装置とを有することを特徴とする。

本発明の固体発光素子駆動装置及び照明装置は、瞬停から復電したときの不具合の発生を抑制することができるという効果がある。

本発明に係る固体発光素子駆動装置及び照明装置の実施形態１を示す回路図である。 同上の瞬停時の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明に係る固体発光素子駆動装置及び照明装置の実施形態２を示す回路図である。 同上の瞬停時の動作を説明するためのタイムチャートである。 従来例の瞬停時の動作を説明するためのタイムチャートである。

以下、発光ダイオード(ＬＥＤ)を駆動する固体発光素子駆動装置、及びそれを用いた照明装置に本発明の技術思想を適用した実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、本発明の技術思想が適用可能な固体発光素子駆動装置及び照明装置は、ＬＥＤを固体発光素子とするものに限定されず、例えば、有機ＥＬ素子などのＬＥＤ以外の固体発光素子を駆動するための固体発光素子駆動装置及び照明装置であってもよい。

(実施形態１)
本実施形態の照明装置は、図１に示すように複数個(図示は３個のみ)のＬＥＤ50が直列接続されてなる光源部５と、光源部５を駆動(点灯)する固体発光素子駆動装置(ＬＥＤ点灯装置)とで構成されている。

ＬＥＤ点灯装置は、交流直流変換部１、直流直流変換部２、強制オフ制御部６などを備える。交流電源100の出力端間にフィルタ回路７を介して交流直流変換部１が接続されている。交流直流変換部１は、変換回路部10と平滑コンデンサ11で構成されている。

変換回路部10は、交流電源100の交流電圧VACを全波整流する全波整流器(図示せず)や従来周知の昇圧チョッパ回路(図示せず)及び昇圧チョッパ回路のスイッチング素子を制御する制御回路(図示せず)などを有している。なお、昇圧チョッパ回路及び制御回路については従来周知であり、且つ従来技術でも簡単に説明したので説明を省略する。

直流直流変換部２は、従来周知の降圧チョッパ回路３と、降圧チョッパ回路３を制御する制御部４とを有している。降圧チョッパ回路３は、交流直流変換部１の出力電圧VDCを光源部５の駆動電圧(＝ＬＥＤ50の順電圧×直列接続された個数)まで降圧するものであって、スイッチング素子30、インダクタ31、コンデンサ32、ダイオード33、検出抵抗34などで構成される。すなわち、交流直流変換部１の出力端間にコンデンサ32、インダクタ31、スイッチング素子30、検出抵抗34が直列に接続され、ダイオード33がインダクタ31とコンデンサ32に並列接続され、コンデンサの両端に光源部５が接続される。

制御部４は、スイッチング素子30のゲートに駆動信号を出力する信号出力部40、インダクタ31に流れる電流がゼロになったことを検出するゼロ電流検出部41、検出抵抗34に流れる電流(光源部５に流れる駆動電流)を検出するピーク電流検出部42などを具備する。なお、ゼロ電流検出部41は、インダクタ31に磁気結合された検出巻線35に誘起される誘起電圧に基づいてインダクタ31に流れる電流がゼロになったことを検出したときに検出信号を信号出力部40に出力する。またピーク電流検出部42は、駆動電流がピーク値に達したときに信号出力部40に検出信号を出力する。

信号出力部40は、ゼロ電流検出部41から検出信号が出力されると駆動信号をハイレベルに立ち上げてスイッチング素子30をターンオンし、ピーク電流検出部42から検出信号が出力されるとスイッチング素子30をターンオフする。つまり、制御部４は、従来例で説明した臨界モード(電流臨界モード)で降圧チョッパ回路３を制御している。なお、制御部４は、図示しない電源回路から動作電源(電源電圧Vcc)が供給されることで動作する。

強制オフ制御部６は、交流直流変換部１の出力電圧VDCを第１のしきい値Vth1及び第２のVth2(ただし、Vth1＜Vth2)と比較する比較部60と、比較部60の比較結果に応じて停止信号を出力する停止信号出力部61とを具備する。比較部60は、出力電圧VDC(実際は出力電圧VDCを分圧抵抗で分圧した電圧)が低下して第１のしきい値Vth1を下回ると検出信号を出力し、出力電圧VDCが上昇して第２のしきい値Vth2を上回ると検出信号の出力を停止する。停止信号出力部61は、比較部60から検出信号が出力されている間だけ、直流直流変換部２を構成する制御部４の信号出力部40に停止信号を与える。そして、信号出力部40は、停止信号が与えられている間は駆動信号を出力しないことでスイッチング素子30を強制的にオフ状態に維持し、停止信号が与えられなくなれば駆動信号の出力を再開する。

次に、交流電源100に瞬停が発生した場合の動作について、図２のタイムチャートを参照して詳しく説明する。

図２の(ａ)は交流電源100の電源電圧VACを示し、(ｂ)の実線は交流直流変換部１の出力電圧VDC、破線は直流直流変換部２の出力電圧Voをそれぞれ示している。また、図２(ｃ)は光源部５の状態(点灯、消灯)を示し、(ｄ)は降圧チョッパ回路３のスイッチング素子30の状態(オン、オフ)を示している。

正常動作時(時刻t1以前)においては、交流直流変換部１の出力電圧VDCは電源電圧VAC(実効値100ボルト)よりも十分に高い高電圧(例えば、300〜400ボルト)まで昇圧され、直流直流変換部２の出力電圧Voは、光源部５の駆動電圧Vf(例えば、数十ボルト)に維持されている。そして、時刻t1に瞬停が発生すると、交流直流変換部１の平滑コンデンサ11に蓄積されている電荷が徐々に放電されることで交流直流変換部１の出力電圧VDCが徐々に低下する。

一方、直流直流変換部２の出力電圧Voは、交流直流変換部１の出力電圧VDCが低下してもスイッチング素子30のオンデューティ比が100％に達するまでは駆動電圧Vfに維持される。そして、制御部４がスイッチング素子30のオンデューティ比を100％にした後、直流直流変換部２の出力電圧Voが徐々に低下して駆動電圧Vfを下回る。なお、変換回路部10の制御回路や制御部４に動作電源を供給している電源回路にも平滑コンデンサが使用されているので、停電後もしばらくの間は動作電源が供給される。

そして、交流直流変換部１の出力電圧VDCが第１のしきい値Vth1を下回ると(時刻t2)、比較部60から検出信号が出力されるので、停止信号出力部61から制御部４の信号出力部40に停止信号が与えられる。制御部４は停止信号が与えられると駆動信号の出力を停止してスイッチング素子30を強制的にターンオフする。スイッチング素子30がオフするとコンデンサ32の充電電荷が放電され、その結果、直流直流変換部２の出力電圧Voが急速に低下して光源部５が消灯する。

そして、平滑コンデンサ11の蓄積電荷が残っている状態で交流電源100が復電すると(時刻t3)、交流直流変換部１の出力電圧VDCが上昇する。このとき、制御部４の信号出力部40は強制オフ制御部６から与えられる停止信号によってスイッチング素子30をオフしているので、直流直流変換部２の出力電圧Voは上昇しない。

ここで、従来例と異なり、降圧チョッパ回路３のスイッチング素子30がオフしているので、交流直流変換部１から直流直流変換部２へは出力電流が流れない。よって、交流直流変換部１の出力電圧VDCは、光源部５の駆動電圧Vfと出力電流(駆動電流)による降圧チョッパ回路３内の電圧降下を足した電圧でクランプされることなく上昇を続けることができる。そして、交流直流変換部１の出力電圧VDCが第２のしきい値Vth2を上回ると、比較部60から検出信号が出力されなくなるので、停止信号出力部61から制御部４の信号出力部40に停止信号が与えられなくなる。その結果、制御部４が駆動信号を出力してスイッチング素子30のスイッチングを再開するので、直流直流変換部２の出力電圧Voが上昇して駆動電圧Vfを超えると駆動電流が流れて光源部５が点灯する(時刻t５)。このとき、交流直流変換部１の出力電圧VDCは既に所望の電圧まで上昇しているので、制御部４による降圧チョッパ回路３の制御動作は継続して正常に行われる。

上述のように本実施形態では、交流電源100が瞬停した場合に降圧チョッパ回路３のスイッチング素子30を強制的にオフしている。そのため、交流直流変換部１の出力電圧VDCが所望の電圧よりも低い電圧でクランプされることがなく、瞬停から復電したときの不具合の発生を抑制することができる。

なお、制御部４(信号出力部40)は、必ずしも強制オフ制御部６から停止信号が出力されている間中、スイッチング素子30をオフ状態に維持し続ける必要は無い。例えば、制御部４(信号出力部40)は、停止信号が与えられてスイッチング素子30をオフさせた後、スイッチング素子30のオンデューティ比を所定値以下に制限し、停止信号が与えられなくなれば制限を解除するようにしても構わない。

(実施形態２)
本実施形態は、図３に示すように、実施形態１における強制オフ制御部６の代わりに、制御部４に動作電源供給する電源回路８を強制オフ手段とした点に特徴がある。ただし、その他の構成は実施形態１と共通であるので、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における電源回路８は、汎用の３端子レギュレータＩＣからなり、交流直流変換部１の出力電圧VDCから動作電源を作成している。ただし、交流直流変換部１の出力電圧VDCは、３端子レギュレータＩＣの入力電圧としては相当に高電圧であるから、抵抗分圧などの適当な方法で出力電圧VDCを下げてから３端子レギュレータＩＣの入力端子に印加することが望ましい。

次に、交流電源100に瞬停が発生した場合の動作について、図４のタイムチャートを参照して詳しく説明する。

図４の(ａ)は交流電源100の電源電圧VACを示し、(ｂ)の実線は交流直流変換部１の出力電圧VDC、破線は直流直流変換部２の出力電圧Voをそれぞれ示している。また、図４(ｃ)は光源部５の状態(点灯、消灯)を示し、(ｄ)は降圧チョッパ回路３のスイッチング素子30の状態(オン、オフ)を示し、(ｅ)は電源回路８から供給される動作電源の電源電圧Vccを示している。

時刻t1に瞬停(図示例では電圧降下)が発生すると、平滑コンデンサ11に蓄積されている電荷が徐々に放電されることで交流直流変換部１の出力電圧VDCが徐々に低下する。一方、直流直流変換部２の出力電圧Voは、交流直流変換部１の出力電圧VDCが低下してもスイッチング素子30のオンデューティ比が100％に達するまでは駆動電圧Vfに維持される。制御部４がスイッチング素子30のオンデューティ比を100％にすると変換回路部10に常時出力電流が流れるため、交流直流変換部１の出力電圧VDCがクランプされる(時刻t2)。そして、交流電源100が復電しても(時刻t3)、交流直流変換部１の出力電圧VDCは低い電圧にクランプされたままとなる。

一方、交流直流変換部１の出力電圧VDCが低電圧にクランプされた場合、電源回路８から供給される電源電圧Vccが徐々に低下し、制御部４の発振停止電圧Vstopを下回った時点(時刻t4)で制御部４が動作を停止してスイッチング素子30が強制的にオフされる。その結果、直流直流変換部２が停止して光源部５が消灯する。

そして、スイッチング素子30がオフすると交流直流変換部１から直流直流変換部２に出力電流が流れなくなるので、交流直流変換部１の出力電圧VDCがクランプされなくなって上昇を開始する。交流直流変換部１の出力電圧VDCの上昇に伴って電源回路８から供給される電源電圧Vccも上昇し、制御部４の発振開始電圧Vstart(＞Vstop)を上回った時点(時刻t5)で制御部４が動作を再開する。ただし、電源電圧Vccが発振開始電圧Vstartを上回る前に出力電圧VDCが所望の電圧に達するように交流直流変換部１及び電源回路８の回路定数が設定されている。

制御部４が動作を再開して直流直流変換部２の出力電圧Voが上昇し、光源部５の駆動電圧Vfを超えると光源部５が点灯する(時刻t6)。このとき、交流直流変換部１の出力電圧VDCは既に所望の電圧まで上昇しているので、制御部４による降圧チョッパ回路３の制御動作は継続して正常に行われる。

上述のように本実施形態においても、交流電源100が瞬停した場合に降圧チョッパ回路３のスイッチング素子30を強制的にオフしている。そのため、交流直流変換部１の出力電圧VDCが所望の電圧よりも低い電圧でクランプされ続けることがなく、瞬停から復電したときの不具合の発生を抑制することができる。

１ 交流直流変換部
２ 直流直流変換部
３ 降圧チョッパ回路
４ 制御部
５ 光源部
６ 強制オフ制御部(強制オフ手段)
30 スイッチング素子
31 インダクタ
32 コンデンサ
34 検出抵抗(抵抗)
50 発光ダイオード(固体発光素子)

Claims (5)

1. 交流電源から供給される交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する交流直流変換部と、前記交流直流変換部の出力電圧を、１乃至複数の固体発光素子の駆動に必要な駆動電圧に降圧する直流直流変換部とを備え、前記直流直流変換部は、前記交流直流変換部の出力端間に接続されるスイッチング素子、インダクタ、コンデンサ、抵抗の直列回路と、前記抵抗を利用して前記固体発光素子に流れる駆動電流を検出し、前記駆動電流の検出結果に応じて前記スイッチング素子をスイッチング制御する制御部とを有し、前記コンデンサの両端間に前記固体発光素子が接続されてなり、前記制御部がスイッチング制御可能な状態において前記交流直流変換部の出力電圧が所定のしきい値を下回った場合、前記制御部に前記スイッチング素子をオフさせる強制オフ手段を備えることを特徴とする固体発光素子駆動装置。
2. 前記制御部は、前記スイッチング素子をオフさせた後、前記交流直流変換部の出力電圧が前記しきい値を下回っている間は前記スイッチング素子のオンデューティ比を所定値以下に制限し、前記出力電圧が前記しきい値を超えたら前記制限を解除することを特徴とする請求項１記載の固体発光素子駆動装置。
3. 前記制御部は、前記交流直流変換部の出力電圧が前記しきい値を下回っている間、前記スイッチング素子をオフ状態に維持することを特徴とする請求項２記載の固体発光素子駆動装置。
4. 前記強制オフ手段は、前記制御部に供給する動作電源電圧を、前記制御部が前記スイッチング素子のスイッチング制御を停止する電圧まで低下させることで前記スイッチング素子をオフさせることを特徴とする請求項１記載の固体発光素子駆動装置。
5. １乃至複数個の固体発光素子からなる光源部と、請求項１〜４の何れかの固体発光素子駆動装置からなり、前記光源部を点灯する点灯装置とを有することを特徴とする照明装置。

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