JP5863282B2 - Ｌｅｄランプ、電源モジュール、トランス回路 - Google Patents

Description

本発明は、直管蛍光灯型のＬＥＤ［Light Emitting Diode］ランプ、並びに、これに用いることのできる電源モジュール及びトランス回路に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯に代わる光源として、長寿命で省電力のＬＥＤランプが普及し始めている。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開２０１０−１１０１５７号公報

ところで、直管蛍光灯型のＬＥＤランプでは、幅の狭い長矩形状のプリント回路基板に多数の部品を搭載しなければならないので、各部品はできるだけ小型化されていることが望ましい。しかし、電源モジュールに含まれるトランスは、巻線比を維持しながら小型化することが難しいので、プリント回路基板の大型化を招く要因となっていた。

本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、見かけ上の巻線比を維持しながらトランスを小型化することのできる直管蛍光灯型のＬＥＤランプ、並びに、これに用いることのできる電源モジュール及びトランス回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に係るＬＥＤランプは、ＬＥＤモジュールと、前記ＬＥＤモジュールに電力供給を行う電源モジュールと、を有し、前記電源モジュールは、前記ＬＥＤモジュールから接地端に至る電流経路を導通／遮断するスイッチ素子と、前記スイッチ素子に流れる電流が目標値と一致するように前記スイッチ素子のオン／オフ制御を行うスイッチング制御部と、前記ＬＥＤモジュールに流れる駆動電流を利用して前記スイッチング制御部への電力供給を行うトランス回路部と、を含み、前記トランス回路部は、一次巻線に流れる前記駆動電流に応じて二次巻線に現れる誘起電力を前記スイッチング制御部に供給するトランスと、前記トランスに直列接続された少なくとも一つのコイルと、を含む構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記コイルは、少なくとも一つが前記トランスに対して出力側に接続されている構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第１または第２の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記トランス回路部は、前記トランス及び前記コイルと共に共振回路を形成するキャパシタを含む構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第３の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記キャパシタは、前記トランスの一次巻線と前記コイルとの接続ノードに一端が接続されている構成（第４の構成）にするとよい。

また、上記第４の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記電源モジュールは、交流電力を直流電力に変換して前記ＬＥＤモジュールに供給するＡＣ／ＤＣ変換部をさらに含む構成（第５の構成）にするとよい。

また、上記第５の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記電源モジュールに含まれる回路要素は、長矩形状のプリント配線基板に搭載されている構成（第６の構成）にするとよい。

また、上記第６の構成から成るＬＥＤランプにおいて、前記トランスと前記コイルは、前記プリント配線基板の長手方向に沿って並べられた構成（第７の構成）にするとよい。

また、上記第７の構成から成るＬＥＤランプは、前記ＬＥＤモジュールの放熱を行う放熱板と、前記ＬＥＤモジュール、前記電源モジュール、及び、前記放熱板を収納する直管蛍光灯型のカバーと、をさらに有する構成（第８の構成）にするとよい。

また、本発明に係る電源モジュールは、負荷に電力供給を行う電源部と、前記負荷から接地端に至る電流経路を導通／遮断するスイッチ素子と、前記スイッチ素子に流れる電流が目標値と一致するように前記スイッチ素子のオン／オフ制御を行うスイッチング制御部と、前記負荷に流れる駆動電流を利用して前記スイッチング制御部への電力供給を行うトランス回路部と、を有し、前記トランス回路部は、一次巻線に流れる前記駆動電流に応じて二次巻線に現れる誘起電力を前記スイッチング制御部に供給するトランスと、前記トランスに直列接続された少なくとも一つのコイルを含む構成（第９の構成）とされている。

なお、上記第９の構成から成る電源モジュールにおいて、前記コイルは、少なくとも一つが前記トランスに対して出力側に接続されている構成（第１０の構成）にするとよい。

また、上記第９または第１０の構成から成る電源モジュールにおいて、前記トランス回路部は、前記トランス及び前記コイルと共に共振回路を形成するキャパシタを含んだ構成（第１１の構成）にするとよい。

また、上記第１１の構成から成る電源モジュールにおいて、前記キャパシタは、前記トランスの一次巻線と前記コイルとの接続ノードに一端が接続されている構成（第１２の構成）にするとよい。

また、本発明に係るトランス回路は、トランスと、前記トランスに直列接続された少なくとも一つのコイルと、を有する構成（第１３の構成）とされている。

なお、上記第１３の構成から成るトランス回路において、前記トランスは、一次巻線に流れる負荷の駆動電流を利用して二次巻線に誘起電力を発生し、前記コイルは、少なくとも一つが前記トランスに対して前記負荷側に接続されている構成（第１４の構成）にするとよい。

また、上記第１３または第１４の構成から成るトランス回路は、前記トランス及び前記コイルと共に共振回路を形成するキャパシタをさらに有する構成（第１５の構成）にするとよい。

また、上記第１５の構成から成るトランス回路において、前記キャパシタは、前記トランスの一次巻線と前記コイルとの接続ノードに一端が接続された構成（第１６の構成）にするとよい。

本発明によれば、見かけ上の巻線比を維持しながらトランスを小型化することのできる直管蛍光灯型のＬＥＤランプ、並びに、これに用いることのできる電源モジュール及びトランス回路を提供することが可能となる。

ＬＥＤランプ１の一構成例を示す回路図 電源モジュール２０の一構成例を示す平面図（基板表面） 電源モジュール２０の一構成例を示す平面図（基板裏面） ＬＥＤランプ１の模式的な断面図

＜回路図＞
図１はＬＥＤランプ１の一構成例を示す回路図である。本構成例のＬＥＤランプ１は、ＬＥＤモジュール１０と、電源モジュール２０と、を有する。

ＬＥＤモジュール１０は、昼光色（色温度５０００Ｋ程度）や電球色（色温度３０００Ｋ程度）の光を発するＬＥＤランプ１の光源であり、直列ないしは並列に接続された複数のＬＥＤ素子を含む。

電源モジュール２０は、商用交流電源（ＡＣ９０〜２２０Ｖ）から供給される交流電力を直流電力（ＤＣ５０Ｖ）に変換してＬＥＤモジュール１０に供給する回路ブロックであり、Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタＮ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２と、キャパシタＣ１〜Ｃ５と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、ツェナダイオードＺＤ１と、ダイオードブリッジＤＢ１と、フィルタトランスＦＬ１及びＦＬ２と、フューズＦ１と、バリスタＺ１と、スイッチング制御部ＣＴＲＬと、トランス回路部Ｘと、を含む。トランス回路部Ｘは、トランスＸ１と、コイルＸ２及びＸ３と、キャパシタＸ４と、を含む。

商用交流電源の第１出力端は、フューズＦ１とフィルタトランスＦＬ１及びＦＬ２の第１巻線を介してダイオードブリッジＤＢ１の第１入力端に接続されている。商用交流電源の第２出力端は、フィルタトランスＦＬ１及びＦＬ２の第２巻線を介してダイオードブリッジＤＢ１の第２入力端に接続されている。フィルタトランスＦＬ１の入力側には、その第１巻線と第２巻線との間にバリスタＺ１とキャパシタＣ１が並列接続されている。フィルタトランスＦＬ２の出力側には、その第１巻線と第２巻線との間にキャパシタＣ２が接続されている。ダイオードブリッジＤＢ１の第１出力端は、コイルＬ１の第１端に接続されている。コイルＬ１の第２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モジュール１０のアノードに接続されている。ダイオードブリッジＤＢ１の第２出力端は、接地端に接続されている。

キャパシタＣ３の第１端は、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。キャパシタＣ３の第２端は、接地端に接続されている。抵抗Ｒ１の第１端は、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。抵抗Ｒ１の第２端は、ダイオードＤ２のカソードとダイオードＤ３のアノードとツェナダイオードＤ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ２のアノードは、トランスＸ１を形成する二次巻線Ｘ１２を介して接地端に接続されている。ダイオードＤ３のカソードは、スイッチング制御部ＣＴＲＬの電源ピンに接続されている。ツェナダイオードＺＤ１のアノードは、接地端に接続されている。キャパシタＣ４の第１端は、ダイオードＤ３のカソードに接続されている。キャパシタＣ４の第２端は、接地端に接続されている。スイッチング制御部ＣＴＲＬの接地ピンは接地端に接続されている。

ダイオードＤ４のカソードは、ダイオードＤ１のカソードに接続されている。ダイオードＤ４のアノードは、トランジスタＮ１のドレインに接続されている。トランジスタＮ１のソースは、抵抗Ｒ２の第１端に接続される一方、スイッチング制御部ＣＴＲＬの帰還入力ピンにも接続されている。トランジスタＮ１のゲートは、スイッチング制御部ＣＴＲＬの制御出力ピンに接続されている。キャパシタＣ５の第１端は、ＬＥＤモジュール１０のアノードに接続されている。キャパシタＣ５の第２端は、ＬＥＤモジュール１０のカソードに接続されている。

トランスＸ１を形成する一次巻線Ｘ１１の第１端は、トランジスタＮ１のドレインに接続されている。一次巻線Ｘ１１の第２端は、コイルＸ２及びＸ３を介してＬＥＤモジュール１０のカソードに接続されている。キャパシタＸ４の第１端は、一次巻線Ｘ１１の第２端に接続されている。キャパシタＣ４の第２端は、接地端に接続されている。

次に、電源モジュール２０の動作について詳細に説明する。フューズＦ１、バリスタＺ１、キャパシタＣ１、フィルタトランスＦＬ１及びＦＬ２、並びに、キャパシタＣ２は、商用交流電源から供給される交流電力のノイズやサージなどを除去する。

ダイオードブリッジＤＢ１は、その前段でノイズやサージなどが除去された交流電力を全波整流する。コイルＬ１、ダイオードＤ１、及び、キャパシタＣ３は、ダイオードブリッジＤＢ１の出力を平滑化して直流電力を生成し、これをＬＥＤモジュール１０に供給する。このように、ダイオードブリッジＤＢ１、コイルＬ１、ダイオードＤ１、及び、キャパシタＣ３は、交流電力を直流電力に変換してＬＥＤモジュール１０に供給するＡＣ／ＤＣ変換部として機能する。

トランジスタＮ１は、ＬＥＤモジュール１０のカソードから接地端に至る電流経路を導通／遮断するスイッチ素子である。スイッチング制御部ＣＴＲＬは、トランジスタＮ１及び抵抗Ｒ２を介して接地端に流れる電流（ＬＥＤモジュール１０の駆動電流に相当）が目標値と一致するようにトランジスタＮ１のオン／オフ制御を行う半導体集積回路装置である。トランジスタＮ１がオンされているときには、ダイオードＤ１のカソードからＬＥＤモジュール１０、トランス回路部Ｘ、トランジスタＮ１、及び、抵抗Ｒ２を介して接地端に向けた電流が流れる。一方、トランジスタＮ１がオフされているときには、トランス回路部Ｘ、ダイオードＤ４、及び、ＬＥＤモジュール１０を介してループ電流が流れる。

抵抗Ｒ１（例えば数百ｋΩ〜数ＭΩ）は、スイッチング制御部ＣＴＲＬの起動時にダイオードＤ１のカソードからキャパシタＣ４の充電電流を引き込んで、スイッチング制御部ＣＴＲＬの電源電圧Ｖ１（１０Ｖ程度）を生成するために設けられている。スイッチング制御部ＣＴＲＬの起動後には、トランス回路部ＸからダイオードＤ２を介する電流経路でキャパシタＣ４の充電動作が行われ、スイッチング制御部ＣＴＲＬへの電源供給が継続される。なお、ダイオードＤ２及びＤ３は逆流電流防止素子（半波整流素子）であり、ツェナダイオードＺＤ１はクランプ素子である。

トランス回路部Ｘは、ＬＥＤモジュール１０に流れる駆動電流を利用してスイッチング制御部ＣＴＲＬへの電力供給を行う。ここで、トランス回路部Ｘは、一次巻線Ｘ１１に流れる駆動電流に応じて二次巻線Ｘ１２に現れる誘起電力をスイッチング制御部ＣＴＲＬに供給するトランスＸ１と、トランスＸ１に直列接続された少なくとも一つ（本構成例では２つ）のコイルＸ２及びＸ３と、トランスＸ１の一次巻線Ｘ１１とコイルＸ２との接続ノードに一端が接続されたキャパシタＸ４と、を含む。

このような構成とすることにより、トランスＸ１の巻線比を小さく設定してトランスＸ１の小型化を実現しつつ、トランス回路部Ｘ全体を一つのトランスとして見れば、見かけ上の巻線比を大きく設定することができる。例えば、巻線比１５０：１のトランスを一つの部品として実現した場合には、３辺の長さが各々４０ｍｍ程度の部品サイズとなる。一方、巻線比５０：１のトランスＸ１と６００μＨ程度のコイルＸ２及びＸ３とを用いて、見かけ上の巻線比が１５０：１となるトランス回路部Ｘを実現した場合には、いずれの部品についても、３辺の長さが各々１０〜１５ｍｍ程度の部品サイズとなる。従って、トランス回路部Ｘを一つのトランスで実現した場合と比べて、トランス回路部Ｘの厚みを小さくすることができるので、電源ユニット２０の薄型化に貢献することが可能となる。

なお、トランスＸ１の巻線比やコイルＸ２及びＸ３の個数については、トランス回路部Ｘ全体として実現すべき見かけ上の巻線比と電源ユニット２０に求められるサイズとを考慮して、適宜設計すればよい。すなわち、トランスＸ１に直列接続されるコイルの個数は２つに限定されるものではなく、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

また、コイルＸ２及びＸ３は、トランスＸ１に対して出力部Ｚ側に接続してもよいし、スイッチング制御部ＣＴＲＬ側に接続してもよいが、少なくとも一つは、トランスＸ１に対して出力部Ｚ側に接続することが望ましい。

また、本構成例のＬＥＤランプ１では、トランスＸ１とコイルＸ２及びＸ３にキャパシタＸ４を付加して、ＬＣ共振回路が形成されている。このような構成とすることにより、二次巻線Ｘ１２へのエネルギ伝達効率を高めることができるので、スイッチング制御部ＣＴＲＬの動作に必要な電力を供給することが可能となる。

なお、キャパシタＸ４の一端を接続する位置については、トランスＸ１と、トランスＸ１に直列接続されるコイルＸ２との間が最も望ましい。ただし、コイルが複数接続される場合には、コイル間（例えば図１のコイルＸ２とコイルＸ３との間）にキャパシタを接続してもエネルギ伝達効率を高めることが可能となる。

＜平面図＞
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、電源モジュール２０の一構成例を示す平面図である。なお、図２Ａは、プリント配線基板ＰＣＢの表面を示しており、図２Ｂは、プリント配線基板ＰＣＢの裏面を示している。

図２Ａ及び図２Ｂで示したように、電源モジュール２０に含まれる先出の回路要素は、いずれも、図２Ａ及び図２Ｂで示すように、幅の狭い長矩形状（帯状）のプリント回路基板ＰＣＢ（例えば長辺３０７ｍｍ、短辺１７．８ｍｍ）に搭載されている。プリント配線基板ＰＣＢの長辺方向の一端には、ＬＥＤランプ１を取り付けるための取り付け器具から電力供給を受け取るための入力部Ｙが設けられている。プリント配線基板ＰＣＢの長辺方向の他端には、電源モジュール２０で生成された直流電流をＬＥＤモジュール１０に供給するための出力部Ｚが設けられている。また、トランス回路部Ｘに含まれるトランスＸ１とコイルＸ２及びＸ３は、プリント配線基板ＰＣＢの長手方向に沿って直列に並べられている。このような構成とすることにより、トランス回路部Ｘを一つのトランスで実現した場合と比べて、プリント回路基板ＰＣＢの短辺サイズを縮小することが可能となる。また、キャパシタＸ４は、トランスＸ１とコイルＸ２との間であって、プリント配線基板ＰＣＢの短辺方向の中央部分に配置されている。

＜断面図＞
図３は、ＬＥＤランプ１の模式的な断面図である。本構成例のＬＥＤランプ１は、先出のＬＥＤモジュール１０と、電源モジュール２０と、を有するほか、さらに、放熱板３０と、カバー４０と、を有する。

放熱板３０は、ＬＥＤモジュール１０の放熱を行う金属部材である。ＬＥＤモジュール１０と電源モジュール２０は、放熱板３０の異なる面に各々設置されている。ＬＥＤモジュール１０と電源モジュール２０との間は、放熱板３０の端部において不図示のケーブルにより電気的に接続されている。なお、放熱板３０には、ＬＥＤモジュール１０及び電源モジュール２０をケース４０内に固定する支持部としての機能を併せ持たせてもよい。

カバー４０は、ＬＥＤモジュール１０、電源モジュール２０、及び、放熱板３０を収納し、ＬＥＤモジュール１０からの出射光を拡散しつつ透過する直管蛍光灯型（円筒状）の中空部材である。カバー４０の色味としては、柔らかくより広がりのある光が得られる乳白色カバーや、より照度の高い光が得られる半透明カバーを用いることができる。また、ＬＥＤランプ１の屋外使用を想定して、カバー４０を防水型とすることも可能である。

また、直管蛍光灯型のＬＥＤランプ１は、直管蛍光灯に代えて既存の取り付け器具に取り付けられるため、ケース４０の大きさには上限がある。図３で示したように、放熱板３０からケース４０の下端部までの高さＨ１が大きければ大きいほど、ＬＥＤモジュール１０からの光がケース４０によって散乱されるので、広い配光性を備えたＬＥＤランプ１となる。この場合、放熱板３０に対して上側に配置される電源ユニット２０の高さＨ２が問題となる。先にも述べた通り、本構成例のＬＥＤランプ１では、トランス回路部Ｘを一つのトランスで実現した場合と比べて、電源ユニット２０を薄型化することができるので、トランスＸ１を含め、電源ユニット２０全体としての高さＨ２が小さくなっている。このような構成とすることにより、放熱板３０をケース４０内のより高い位置に配置することができるので、ＬＥＤモジュール１０からケース４０内側の広い範囲に光が届くようになり、既存の蛍光灯により近い体感的な明るさを得ることが可能となる。

＜その他の変形例＞
なお、上記の実施形態では、直管蛍光灯型のＬＥＤランプに本発明を適用した構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、見かけ上の巻線比を維持しながらトランスを小型化する技術として、他の用途に供されるトランスにも広く適用することが可能である。

本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明に係るＬＥＤランプは、例えば、シーリングライトやタスクライトなどの光源として利用することが可能である。

１ ＬＥＤランプ
１０ ＬＥＤモジュール
２０ 電源モジュール
３０ 放熱板
４０ カバー
Ｎ１ Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ５ キャパシタ
Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード
ＺＤ１ ツェナダイオード
ＤＢ１ ダイオードブリッジ
ＦＬ１、ＦＬ２ フィルタトランス
Ｆ１ フューズ
Ｚ１ バリスタ
ＣＴＲＬ スイッチング制御部
Ｘ トランス回路部
Ｘ１ トランス
Ｘ１１ 一次巻線
Ｘ１２ 二次巻線
Ｘ２、Ｘ３ コイル
Ｘ４ キャパシタ
Ｙ 入力部
Ｚ 出力部
ＰＣＢ プリント回路基板

Claims (12)

1. ＬＥＤモジュールと、
   前記ＬＥＤモジュールのアノードに電力供給を行う電源モジュールと、
   を有し、
   前記電源モジュールは、
   前記ＬＥＤモジュールのカソードから接地端に至る電流経路を導通／遮断するスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子に流れる電流が目標値と一致するように前記スイッチ素子のオン／オフ制御を行うスイッチング制御部と、
   前記ＬＥＤモジュールに流れる駆動電流を利用して前記スイッチング制御部への電力供給を行うトランス回路部と、
   を含み、
   前記トランス回路部は、
   前記スイッチ素子と前記ＬＥＤモジュールのカソードとの間に接続された一次巻線に流れる前記駆動電流に応じて二次巻線に現れる誘起電力を前記スイッチング制御部に供給するトランスと、
   前記トランスの一次巻線と前記ＬＥＤモジュールのカソードとの間に接続されたコイル部と、
   を含むことを特徴とするＬＥＤランプ。
2. 前記コイル部は、前記トランスの一次巻線に直列接続された少なくとも一つのコイルを含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤランプ。
3. 前記トランス回路部は、前記トランス及び前記コイル部と共に共振回路を形成するキャパシタを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤランプ。
4. 前記キャパシタは、前記トランスの一次巻線と前記コイル部との接続ノードに一端が接続されていることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤランプ。
5. 前記電源モジュールは、交流電力を直流電力に変換して前記ＬＥＤモジュールに供給するＡＣ／ＤＣ変換部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤランプ。
6. 前記電源モジュールに含まれる回路要素は、長矩形状のプリント配線基板に搭載されていることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤランプ。
7. 前記トランスと前記コイル部は、前記プリント配線基板の長手方向に沿って並べられていることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤランプ。
8. 前記ＬＥＤモジュールの放熱を行う放熱板と、
   前記ＬＥＤモジュール、前記電源モジュール、及び、前記放熱板を収納する直管蛍光灯型のカバーと、
   をさらに有することを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤランプ。
9. 負荷の第１端に電力供給を行う電源部と、
   前記負荷の第２端から接地端に至る電流経路を導通／遮断するスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子に流れる電流が目標値と一致するように前記スイッチ素子のオン／オフ制御を行うスイッチング制御部と、
   前記負荷に流れる駆動電流を利用して前記スイッチング制御部への電力供給を行うトランス回路部と、
   を有し、
   前記トランス回路部は、
   前記スイッチ素子と前記負荷の第２端との間に接続された一次巻線に流れる前記駆動電流に応じて二次巻線に現れる誘起電力を前記スイッチング制御部に供給するトランスと、
   前記トランスの一次巻線と前記負荷の第２端との間に接続されたコイル部と、
   を含むことを特徴とする電源モジュール。
10. 前記コイル部は、前記トランスの一次巻線に直列接続された少なくとも一つのコイルを含むことを特徴とする請求項９に記載の電源モジュール。
11. 前記トランス回路部は、前記トランス及び前記コイル部と共に共振回路を形成するキャパシタを含むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電源モジュール。
12. 前記キャパシタは、前記トランスの一次巻線と前記コイル部との接続ノードに一端が接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の電源モジュール。

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