JP5948707B2

JP5948707B2 - 電源装置、照明装置及び照明器具

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Publication number: JP5948707B2
Application number: JP2012227688A
Authority: JP
Inventors: 裕司吉本; 詔一朗中山; 浅野　寛之; 寛之浅野; 嘉一瀧本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: JP2014082828A

Description

本発明は、電源装置、照明装置及び照明器具に関する。

従来、半導体スイッチング素子とチョークコイルを用いたスイッチング方式の電源装置(以下、スイッチング電源と呼ぶ。)が種種提供されている。例えば、特許文献１には、スイッチング電源の１種である降圧チョッパ回路から、負荷である発光ダイオードに直流電力を供給するようにした照明装置(ＬＥＤ点灯装置とＬＥＤランプを合わせたもの)並びに照明器具が開示されている。

特開２０１２−５９４２２号公報

ところで、スイッチング電源の問題として、シリーズ方式の電源装置に比べてノイズが大きいという問題がある。特に、チョークコイルから発生するノイズ(不要輻射)が他の電子機器に影響を及ぼす場合があり、このような不要輻射を抑制することが重要となる。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、従来よりも不要輻射の抑制を図ることを目的とする。

本発明の電源装置は、１次巻線と２次巻線を備えたチョークトランスと、前記チョークトランスの前記１次巻線に接続されて高周波でスイッチングされるスイッチング素子とを備え、前記２次巻線は、前記１次巻線を覆うように巻設され、前記２次巻線の一方の端末がグランドに接続されるとともに、前記２次巻線の他方の端末が開放されることを特徴とする。

この電源装置において、前記２次巻線は、前記１次巻線の外側に多層に巻設されることが好ましい。

本発明の照明装置は、前記電源装置と、前記電源装置から供給される電力で点灯する光源とを備えることを特徴とする。

本発明の照明器具は、前記電源装置と、前記電源装置から供給される電力で点灯する光源と、前記電源装置並びに前記光源を保持する器具本体とを備えることを特徴とする。

本発明の電源装置、照明装置及び照明器具は、従来よりも不要輻射の抑制を図ることができるという効果がある。

本発明に係るチョークトランス、電源装置、照明装置の実施形態を示す回路図である。 (ａ)，(ｂ)は同上の電源装置及び照明装置の動作説明用の波形図である。同上のチョークトランスを示し、(ａ)は磁心の平面図、(ｂ)は磁心とボビンの平面図である。同上のチョークトランスを示し、(ａ)は正面図、(ｂ)は側面図、(ｃ)は背面図である。 (ａ)，(ｂ)は同上の不要輻射の測定結果を示す波形図である。 (ａ)，(ｂ)は、２次巻線を多層巻きしたチョークトランスの側面図である。同上の不要輻射の測定結果を示す波形図である。同上の不要輻射の測定結果を示す波形図である。本発明に係る照明器具の実施形態を示す斜視図である。同上における電源装置を示し、(ａ)は一部省略した側面図、(ｂ)は斜視図である。

以下、発光ダイオードを光源とする照明装置並びに照明器具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電源装置、照明装置、照明器具は、発光ダイオードを光源とするものに限定されず、例えば、放電ランプや有機ＥＬ発光素子を光源とする照明装置及び照明器具、あるいは光源以外を負荷とするスイッチング方式の電源装置全般に適用可能である。

本実施形態の照明装置は、図１に示すように商用の交流電源100から供給される交流電力を直流電力に変換する電源装置と、電源装置から供給される直流電力で点灯(発光)するＬＥＤ光源３とを備える。なお、電源装置は、コネクタ101を介して交流電源100に接続されるとともにコネクタ102を介してＬＥＤ光源３と接続される。

電源装置は、フィルタ回路４、全波整流器５、力率改善(ＰＦＣ)回路６、降圧チョッパ回路１、制御部２などで構成される。フィルタ回路４は、交流電源100から流れ込む高調波ノイズ並びに電源装置から交流電源100に漏れる高調波ノイズを抑制するものである。交流電源100から供給される交流電圧・電流は、フィルタ回路４を介して全波整流器５で全波整流される。なお、全波整流器５は従来周知のダイオードブリッジからなる。

ＰＦＣ回路６は昇圧チョッパ回路とも呼ばれ、交流電源100から電源装置に供給される交流電圧を、昇圧した脈流電圧に変換することで力率を改善するものである。なお、ＰＦＣ回路６の出力端間に平滑コンデンサC1が接続されており、ＰＦＣ回路６から出力される脈流電圧が平滑コンデンサC1により平滑されて降圧チョッパ回路１に出力される。ただし、このようなＰＦＣ回路６は従来周知であるから詳細な回路構成の図示並びに動作説明は省略する。

降圧チョッパ回路１は、電界効果トランジスタからなるスイッチング素子Q1、ダイオードD1、本発明に係るチョークトランスT1、コンデンサC2、検出抵抗R1などで構成される。スイッチング素子Q1は、ドレイン端子が平滑コンデンサC1の高電位側の端子に接続され、ソース端子がダイオードD1のカソードに接続される。また、ダイオードD1のアノードがＰＦＣ回路６などと共通のグランドに接続される。チョークトランスT1は、１次巻線N1の一方の端末がスイッチング素子Q1のソース端子及びダイオードD1のカソードに接続され、１次巻線N1の他方の端末がコネクタ102を介してＬＥＤ光源３の一端に接続される。なお、チョークトランスT1の２次巻線N2は、一方の端末がグランドに接続されるとともに他方の端末が開放されている。

而して、スイッチング素子Q1がオンするとスイッチング素子Q1を介してチョークトランスT1の１次巻線N1に電流が流れ、スイッチング素子Q1がオフすると１次巻線N1に蓄積されたエネルギーが放出される。そして、スイッチング素子Q1が制御部２によって高周波でスイッチングされることにより、降圧チョッパ回路１で降圧された直流電圧・電流がＬＥＤ光源３に印加されて点灯する。

制御部２は、集積回路からなる制御回路20並びにドライバ回路21、マイコン22、基準電源23、調光信号出力部24、抵抗R3〜R6、コンデンサC3，C4などで構成される。ドライバ回路21は、オペアンプ210と、制御回路20から出力される駆動信号を高電位にレベルシフトするハイサイドドライバ211と、ＰＦＣ回路６を制御(ＰＷＭ制御)するＰＦＣ制御部212とが１つの高耐圧集積回路(ＨＶＩＣ)に集積化されてなる。なお、制御回路20とドライバ回路21とマイコン22を１つの集積回路で構成しても構わない。

調光信号出力部24は、図示しないリモコンや調光器などから指示される調光レベルに対応した調光信号をマイコン22に出力する。この調光信号は、周期が一定の方形パルス信号からなり、調光レベルが高く(明るく)なるほどオンデューティ比が大きくなるものである。なお、調光信号は有線で伝送されてもよいし、赤外線や電波などの無線媒体によって伝送されても構わない。また、タイムスケジュールに基づいて、予め設定された時刻に、設定された調光レベルの調光信号が出力されるようにしても構わない。

マイコン22は、メモリ(図示せず)に格納されたプログラムを実行することにより、信号変換部220やクロック信号発生部221などを実現している。信号変換部220は、調光信号出力部24から出力される調光信号を積分することにより、オンデューティ比に正比例した電圧レベルを有する直流信号に変換する。そして、信号変換部220で変換された後の調光信号により、基準電源23の電圧(基準電圧)が調整され、調光レベルが高くなるに従って基準電圧も上昇する。

クロック信号発生部221は、一定周波数のクロック信号を発生し、抵抗R5を介して制御回路20のZCD端子に入力している。このクロック信号は、後述するように制御回路20がスイッチング素子Q1をオンするタイミングを決定するために用いられる。したがって、クロック信号の周波数は、テレビなどの電気製品の赤外線リモコンで使用される周波数帯を避け、且つ駆動信号の最小パルス幅でより深い調光ができるように、パルス幅を極力広くするために42.7kHz程度に設定されることが好ましい。

制御回路20は、例えば、臨界モード制御機能を有する集積回路として市販されているものと同等の機能を有していればよい。制御回路20は、ZCD端子に入力する信号がしきい値を下回ったときにOUT端子から駆動信号を出力する。本実施形態においては、マイコン22のクロック信号発生部221から出力されるクロック信号が抵抗R5を介してZCD端子に入力される。また、制御回路20は、CS端子に入力する電圧と、COMP端子の端子電圧に応じて決まるしきい値電圧とを比較し、CS端子の入力電圧がしきい値電圧に達すると、駆動信号の出力を停止する。CS端子には、抵抗R6とコンデンサC4からなる積分回路を介して検出抵抗R1の両端電圧(検出電圧)が入力される。COMP端子は定電流のソースとシンクを両方行うことができ、抵抗R4を介してドライバ回路21のオペアンプ210の出力端に接続されている。

ドライバ回路21のオペアンプ210は、＋端子に基準電圧が入力され、−端子に検出抵抗R1の検出電圧が入力される。また、オペアンプ210の−端子と出力端子の間にコンデンサC3と抵抗R3の並列回路が接続されており、オペアンプ210とコンデンサC3及び抵抗R3とで積分回路が構成されている。

ＬＥＤ光源３に流れる電流が調光レベルに対応した目標値よりも大きい場合、オペアンプ210の−端子に入力する検出電圧が＋端子に入力する基準電圧よりも高くなるので、オペアンプ210の出力電圧が低下する。そして、オペアンプ210の出力電圧が低下すると、制御回路20のCOMP端子が定電流のシンクを行うため、COMP端子の端子電圧に応じて決まるしきい値電圧が低下する。しきい値電圧が低下すると、CS端子の入力電圧がしきい値電圧に達するまでの時間、すなわち、スイッチング素子Q1のオン期間が短くなるので、降圧チョッパ回路１からＬＥＤ光源３に供給される電流(負荷電流)が減少する。負荷電流が減少すると検出電圧が低下し、検出電圧と基準電圧が等しくなった時点でしきい値電圧の低下が止まる。

一方、ＬＥＤ光源３に流れる電流が調光レベルに対応した目標値よりも小さい場合、オペアンプ210の−端子に入力する検出電圧が＋端子に入力する基準電圧よりも低くなるので、オペアンプ210の出力電圧が上昇する。そして、オペアンプ210の出力電圧が上昇すると、制御回路20のCOMP端子が定電流のソースを行うため、COMP端子の端子電圧に応じて決まるしきい値電圧が上昇する。しきい値電圧が上昇すると、CS端子の入力電圧がしきい値電圧に達するまでの時間、すなわち、スイッチング素子Q1のオン期間が長くなるので、負荷電流が増加する。負荷電流が増加すると検出電圧が上昇し、検出電圧と基準電圧が等しくなった時点でしきい値電圧の上昇が止まる。

上述のようにしてＬＥＤ光源３に流れる電流が制御回路20によって調光レベルに対応した目標値に一致させられることにより、ＬＥＤ光源３の光出力が調光信号で指示される調光レベルに調光される。ここで、調光レベルが100％(定格値)に近い場合、図２(ａ)に示すようにチョークトランスT1の１次巻線N1に流れる電流がほぼゼロとなった時点でスイッチング素子Q1がオンとなり、１次巻線N1の電流に不連続な期間を生じない臨界モードで動作する。なお、本実施形態ではスイッチング素子Q1がオンとなる周期がクロック信号の周期に固定されるので、１次巻線N1の電流がゼロになる前にスイッチング素子Q1がオンしてしまう連続モードを回避できるように、１次巻線N1のインダクタンス値を設定する必要がある。

一方、調光レベルが低い場合、図２(ｂ)に示すように１次巻線N1の電流に不連続な期間が生じてしまうが、ＬＥＤ光源３に流れる負荷電流の電流値も低くなるため、降圧チョッパ回路１の出力段に接続されるコンデンサC2の静電容量は比較的に低い値(例えば、１μＦ)でよい。

ここで、ＬＥＤ光源３は、例えば、社団法人日本電球工業会で規格化された「Ｌ形ピン口金GX16t-5付直管形ＬＥＤランプシステム（一般照明用）」(JEL801：2010）の直管形ＬＥＤランプである。この直管形ＬＥＤランプには定格電力が異なる複数種類のものがあり、何れの種類も定格電流は０．３５アンペアで共通であるが、定格電圧は３７ボルト〜９５ボルトの範囲でそれぞれ異なっている。

次に、本発明に係るチョークトランスT1について説明する。チョークトランスT1は、マンガン−亜鉛フェライトからなる磁心10、インサート成形によって磁心10と一体に形成された合成樹脂製のボビン11、１次巻線N1及び２次巻線N2などで構成される。

磁心10は、図３(ａ)に示すように中央に磁気ギャップを有するＥＥ形磁心からなる。ボビン11は、図３及び図４に示すように筒状に形成されて磁気ギャップを含む磁心10の中央部を覆う巻胴部12と、巻胴部12の両端に設けられた一対の外鍔部13と、各外鍔部13の側端から突出し且つ複数(５本)の端子ピン15を保持する一対の保持部14とを有する。

１次巻線N1は、図４(ｂ)に示すようにポリウレタン銅線(UEW)を素線とするリッツ線がボビン11の巻胴部12に複数回(119回)巻回されてなる。リッツ線は、直径が０．１０mmの素線を７本縒りしたものが用いられる。この場合、１次巻線N1のインダクタンス値は約５７０μＨとなる。

２次巻線N2は、直径が０．２３mmのポリウレタン銅線が用いられ、１次巻線N1全体を覆うように複数回(30回)巻回されてなる(図４(ｂ)参照)。なお、１次巻線N1及び２次巻線N2の端末は、図４(ａ)に示すように各々異なる端子ピン15に接続される。また、５本の内の１本の端子ピン(図４(ａ)における右下の端子ピン15)には何れの巻線N1，N2の端末も接続されない。

ここで、臨界モードと不連続モードでは、降圧チョッパ回路１から同じ出力電流(平均電流)を出力する場合、通常、臨界モードに比べて不連続モードの方が、１次巻線N1に流れるピーク電流が大きくなることが知られている。例えば、臨界モードのときのピーク電流は平均電流の約２倍(０．７アンペア)であるのに対し、不連続モードのときのピーク電流は、出力電圧が最大値(９５Ｖ)の場合で約１．４６アンペアとなり、臨界モードのときの約２倍となる。したがって、１次巻線N1に流れる電流のピーク値が大きくなれば、１次巻線N1から放射される不要輻射(放射雑音)も当然増加する。

しかしながら、本実施形態では、１次巻線N1を覆った２次巻線N2の一方の端末がグランドに接続されるとともに他方の端末が開放されているので、２次巻線N2が電磁シールドの役割を果たすことで不要輻射の抑制を図ることができる。

ここで、本実施形態の照明装置において不要輻射を測定した結果を図５(ａ)に示す。この測定結果によれば、不要輻射の最大値は約７３ＭＨｚ近辺で５３dB(μＶ)であった。一方、本実施形態よりも線径(直径)の細い巻線を１次巻線N1の一部を覆わないように巻回して２次巻線N2を構成した場合、不要輻射の測定結果は図５(ｂ)に示すようになった。図５(ｂ)に示す測定結果では、不要輻射の最大値は約７４ＭＨｚ近辺で５８dB(μＶ)であった。つまり、２次巻線N2が１次巻線N1全体を覆うことにより、電磁シールドの効果が高くなって不要輻射がさらに抑制されたと考えられる。

また、図６(ａ)に示すように２次巻線N2を多層(図示例では２層)に巻回しても構わない。２次巻線N2の巻数を60回とした場合において、照明装置の不要輻射を測定したところ、図７に示す結果が得られた。図７に示す測定結果では、不要輻射の最大値は約８２ＭＨｚ近辺で５２dB(μＶ)であった。つまり、２次巻線N2を多層に巻設することにより、電磁シールドの効果が高くなって不要輻射がさらに抑制されたと考えられる。

さらに、図６(ｂ)に示すように２次巻線N2の線径を太くしても構わない。２次巻線N2の線径(直径)を０．４６mmとして30回の２層巻とした場合において、照明装置の不要輻射を測定したところ、図８に示す結果が得られた。図８に示す測定結果では、不要輻射の最大値は約８０ＭＨｚ近辺で５５dB(μＶ)であった。

図９は本発明に係る照明器具の実施形態を示す斜視図である。この照明器具は、天井に直付けされる器具本体７と、器具本体７に設けられて直管形ＬＥＤランプからなるＬＥＤ光源３が着脱自在に装着される一対のランプソケット８とを備える。

器具本体７は、いわゆる富士型と呼ばれるものであって、長手方向の両側面を除く面が反射面となっている。また、器具本体７の内部に、本実施形態の電源装置が収納される。この電源装置は、図１０に示すように降圧チョッパ回路１、制御部２、フィルタ回路４、全波整流器５、ＰＦＣ回路６、コネクタ101，102などが実装されたプリント配線板90と、プリント配線板90を内部に収納する金属製のケース91とを有する。

ケース91は、角樋状に形成されたケース本体910と、ケース本体910の上に被せられる箱形のケース蓋911とで構成される。ケース本体910は、長手方向の両端に合成樹脂製の一対の支持片912が設けられ、内側には絶縁シート913が取り付けられる。そして、プリント配線板90は、長手方向の両端部が各一対の支持片912に支持されてケース本体910内に収納され、ケース本体910上に被せられるケース蓋911で略全体が覆われる。ただし、コネクタ101，102が実装されているプリント配線板90の長手方向両端部はケース蓋911で覆われない(図１０(ｂ)参照)。なお、放熱性を向上するため、プリント配線板90と絶縁シート913との間にウレタン樹脂(図示せず)が充填される。

１降圧チョッパ回路
Q1 半導体スイッチング素子
T1 チョークトランス
N1 １次巻線
N2 ２次巻線

Claims

１次巻線と２次巻線を備えたチョークトランスと、前記チョークトランスの前記１次巻線に接続されて高周波でスイッチングされるスイッチング素子とを備え、前記２次巻線は、前記１次巻線を覆うように巻設され、前記２次巻線の一方の端末がグランドに接続されるとともに、前記２次巻線の他方の端末が開放されることを特徴とする電源装置。
前記２次巻線は、前記１次巻線の外側に多層に巻設されることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
請求項１又は２の電源装置と、前記電源装置から供給される電力で点灯する光源とを備えることを特徴とする照明装置。
請求項３の電源装置と、前記電源装置から供給される電力で点灯する光源と、前記電源装置並びに前記光源を保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。