JP6226276B2

JP6226276B2 - Ｌｅｄ電源装置

Info

Publication number: JP6226276B2
Application number: JP2014069520A
Authority: JP
Inventors: 桂介植田; 伸夫浮田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: US20150282263A1; JP2015191840A; US9345100B2

Description

本発明は、照明用の光源とされるＬＥＤに給電するためのＬＥＤ電源装置に関する。

近年、白熱ランプや蛍光ランプに代わる光源としてＬＥＤ(発光ダイオード)が注目されている。そして、特許文献１には、照明用の光源とされるＬＥＤに給電するためのＬＥＤ電源装置が開示されている。

特許文献１記載のＬＥＤ電源装置(以下、従来例と呼ぶ。)は、整流器、平滑回路、電力変換回路などを備える。整流器は、商用の交流電源から供給される交流電圧・交流電流を全波整流する。平滑回路は、整流器で全波整流された脈流電圧・脈流電流を平滑する。電力変換回路は、平滑回路で平滑された直流電圧・直流電流を、負荷であるＬＥＤに対応した直流電圧・直流電流に変換(降圧)する。

この従来例は、さらに、停止制御回路と、マスク回路とを備えている。停止制御回路は、電力変換回路の作動中にＬＥＤが取り外されたとき、つまり、無負荷となったときに電力変換回路を停止させるように構成される。なお、停止制御回路は、電力変換回路から出力される直流電流(負荷電流)を検知し、負荷電流が所定の下限値を下回れば、無負荷と判断して電力変換回路を停止するように構成される。

マスク回路は、平滑回路で平滑された直流電圧が所定値よりも高ければ、停止制御回路の作動を禁止し、前記直流電圧が所位置以下であれば、停止制御回路の作動を禁止しないように構成される。

したがって、特許文献１記載の従来例は、無負荷時における出力電圧の異常な上昇が抑制でき、且つ再接続時にＬＥＤに過大な電流を流さないようにできる。

特開２０１２−２４４７３７号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来例では、入力電圧及び出力電流を検知し、それらの検知結果から出力停止の可否を判断しているため、入力電圧(交流電源の電源電圧)の瞬時降下(瞬時停電を含む。)による誤判断(誤作動)が生じ易いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、瞬時降下に対する誤作動の抑制を図ることを目的とする。

本発明のＬＥＤ電源装置は、負荷であるＬＥＤが一対の出力端子間に着脱可能に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を制御する制御回路と、前記出力端子間に前記ＬＥＤが接続されていない無負荷状態を検出する無負荷検出回路とを備える。前記電力変換回路は、スイッチング素子とチョークコイルを有するチョッパ型のコンバータからなる。前記制御回路は、前記スイッチング素子をスイッチング制御し、且つ前記無負荷検出回路が無負荷状態を検出したときに前記スイッチング制御を中止するように構成される。前記無負荷検出回路は、インダクタンスと、インピーダンス素子と、スイッチ回路とを有する。前記インダクタンスは、前記チョークコイルと高電位側の前記出力端子との間に挿入され、且つ前記チョークコイルと磁気結合されるように構成される。前記インピーダンス素子は、前記インダクタンスの一端と高電位側の前記出力端子との間に直列に接続される。前記スイッチ回路は、高電位側の前記出力端子の電位が所定の基準値を超えたときにオンするように構成される。前記制御回路は、前記スイッチ回路がオンしているときに前記スイッチング制御を中止するように構成される。

このＬＥＤ電源装置において、前記制御回路に作動用の制御電源を供給する制御電源回路を備えることが好ましい。前記スイッチ回路は、オンした後、主電流が所定の下限値以下に低下するまでオン状態を維持するように構成されることが好ましい。且つ前記スイッチ回路は、前記制御電源回路から前記主電流が供給されるように構成されることが好ましい。

このＬＥＤ電源装置において、前記制御回路は、前記スイッチング素子をスイッチング制御するための回路が集積された汎用の集積回路で構成されることが好ましい。さらに、前記制御回路は、前記集積回路が有する複数の端子のうちで、前記集積回路が正常に作動しているときにハイレベルとなる端子が、前記スイッチ回路がオンすることでローレベルに変化するように構成されることが好ましい。

本発明のＬＥＤ電源装置は、無負荷となったときに高電位側の出力端子の電位が上昇して基準値を超えると無負荷検出回路が無負荷状態を検出してスイッチ回路がオンする。故に、本実施形態のＬＥＤ電源装置は従来例のように、入力電圧及び出力電流を検知し、それらの検知結果から出力停止の可否を判断する場合と比較して、瞬時降下に対する誤作動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ＬＥＤ電源装置の実施形態を示す回路構成図である。同上の無負荷状態の動作を説明するための出力電圧・出力電流の特性図である。

以下、本発明に係るＬＥＤ電源装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態のＬＥＤ電源装置は、図１に示すように負荷であるＬＥＤ(ＬＥＤモジュール８)が一対の出力端子１００，１０１間に着脱可能に接続される電力変換回路１を備える。また、このＬＥＤ電源装置は、電力変換回路１を制御する制御回路２と、出力端子１００，１０１間にＬＥＤが接続されていない無負荷状態を検出する無負荷検出回路３とを備える。電力変換回路１は、スイッチング素子１０とチョークコイル１１を有するチョッパ型のコンバータからなる。制御回路２は、スイッチング素子１０をスイッチング制御し、且つ無負荷検出回路３が無負荷状態を検出したときにスイッチング制御を中止するように構成される。無負荷検出回路３は、インダクタンス３０と、インピーダンス素子３１と、スイッチ回路３２とを有する。インダクタンス３０は、チョークコイル１１と高電位側の出力端子１００との間に挿入され、且つチョークコイル１１と磁気結合されるように構成される。インピーダンス素子３１は、インダクタンス３０の一端と高電位側の出力端子１００との間に直列に接続される。スイッチ回路３２は、高電位側の出力端子１００の電位が所定の基準値を超えたときにオンするように構成される。制御回路２は、スイッチ回路３２がオンしているときにスイッチング制御を中止するように構成される。

本実施形態のＬＥＤ電源装置では、無負荷となったときに高電位側の出力端子１００の電位が上昇して基準値を超えると無負荷検出回路３が無負荷状態を検出してスイッチ回路がオンする。故に、従来例のように、入力電圧及び出力電流を検知し、それらの検知結果から出力停止の可否を判断する場合と比較して、本実施形態のＬＥＤ電源装置は瞬時降下に対する誤作動の抑制を図ることができる。

また、本実施形態のＬＥＤ電源装置において、制御回路２に作動用の制御電源を供給する制御電源回路４を備えることが好ましい。スイッチ回路３２は、オンした後、主電流が所定の下限値以下に低下するまでオン状態を維持し、且つ制御電源回路４から前記主電流が供給されるように構成されることが好ましい。

本実施形態のＬＥＤ電源装置が上述のように構成されれば、スイッチ回路３２の回路構成の簡素化を図ることができる。

さらに、本実施形態のＬＥＤ電源装置において、制御回路２は、スイッチング素子１０をスイッチング制御するための回路が集積された汎用の集積回路で構成されることが好ましい。さらに、制御回路２は、前記集積回路が有する複数の端子のうちで、前記集積回路が正常に作動しているときにハイレベルとなる端子(ＣＯＭＰ端子)が、スイッチ回路３２がオンすることでローレベルに変化するように構成されることが好ましい。

本実施形態のＬＥＤ電源装置が上述のように構成されれば、制御回路２や無負荷検出回路３の製造コストの削減を図ることができる。

図１に示すように、負荷であるＬＥＤは、複数個のＬＥＤチップが直列接続されたＬＥＤモジュール８からなる。このＬＥＤモジュール８の定格電圧は、１個のＬＥＤチップの順方向電圧の定格値に、直列接続されている個数を乗じた値となる。そして、ＬＥＤモジュール８は、アノードが高電位側の出力端子(第１出力端子)１００に接続され、カソードが低電位側の出力端子(第２出力端子)１０１に接続される。

また、本実施形態のＬＥＤ電源装置は、ダイオードブリッジ５と平滑コンデンサ６を備えることが好ましい。ダイオードブリッジ５は、交流電源９から供給される交流電圧・交流電流を全波整流する。また、平滑コンデンサ６は、ダイオードブリッジ５で全波整流された脈流電圧・脈流電流を平滑する。

電力変換回路１は、従来周知の降圧チョッパ回路(降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ)であり、スイッチング素子１０と、チョークコイル１１と、ダイオード１２とを有する。なお、電力変換回路１の出力端間には、平滑用の電解コンデンサ７が接続されている。

スイッチング素子１０は、電界効果トランジスタからなり、ドレインが平滑コンデンサ６の高電位側の一端に接続され、ソースがダイオード１２のカソードに接続される。ダイオード１２のアノードは、平滑コンデンサ６の低電位側の一端(グランド)に接続される。チョークコイル１１は、一端がスイッチング素子１０のソースとダイオード１２のカソードの接続点に接続され、他端が電解コンデンサ７の高電位側の一端に接続される。

本実施形態のＬＥＤ電源装置は、制御電源回路４を備えることが好ましい。制御電源回路４は、交流電源９から供給される交流電力から、制御回路２の作動用の電源を作成するように構成される。さらに詳しく説明すると、制御電源回路４は、ダイオード４０と抵抗４１とコンデンサ４２の直列回路と、ツェナーダイオード４３とを有することが好ましい。ダイオード４０のアノードが平滑コンデンサ６の高電位側の一端に接続され、カソードが抵抗４１の一端に接続される。抵抗４１の他端は、コンデンサ４２の一端とツェナーダイオード４３のカソードに接続される。また、コンデンサ４２の他端はツェナーダイオード４３のアノードに接続される。ツェナーダイオード４３は、アノードが制御回路２(を構成する集積回路)のグランド端子(ＧＮＤ)に接続され、カソードが制御回路２(を構成する集積回路)の電源電圧入力端子(Ｖcc)に接続される。

つまり、制御電源回路４は、平滑コンデンサ６で平滑された後の直流電圧をツェナーダイオード４３で一定の電圧(ツェナー電圧)に降圧することで制御電源を作成するように構成される。

制御回路２は、スイッチング素子１０をスイッチング制御するための回路が集積された汎用の集積回路で構成されることが好ましい。このような集積回路は、例えば、ルネサスエレクトロニクス株式会社製のＬＥＤ照明用コントロールＩＣ(型番：Ｒ２Ａ２０１３４)などが好適である。このＬＥＤ照明用コントロールＩＣは、エラーアンプと、エラーアンプにリファレンス用の定電流を供給する定電流源とを有し、位相補償のために、エラーアンプの出力電流をＣＯＭＰ端子から外部に出力するように構成されている。ただし、このような制御回路２(集積回路)は従来周知であるから、詳細な回路構成及び動作の図示並びに説明は省略する。

無負荷検出回路３は、インダクタンス３０と、インピーダンス素子３１と、スイッチ回路３２とを有する。無負荷検出回路３は、さらに、ダイオード３３，３４，３７と、ツェナーダイオード３５と、コンデンサ３６とを有することが好ましい。

インダクタンス３０は、チョークコイル１１と第１出力端子１００との間に挿入される。さらに詳しく説明すると、インダクタンス３０は、一端がチョークコイル１１の一端(電解コンデンサ７の高電位側の一端)と接続され、他端がインピーダンス素子３１の一端に接続され、且つチョークコイル１１と磁気結合される。

インピーダンス素子３１は、高インピーダンス(例えば、１００キロΩ程度)の抵抗素子からなる。インピーダンス素子３１は、一端がインダクタンス３０の他端に接続され、他端が第１出力端子１００に接続される。

ダイオード３４は、アノードが電解コンデンサ７の高電位側の一端に接続され、カソードが第１出力端子１００に接続される。また、ダイオード３３は、アノードが第１出力端子１００に接続され、カソードがツェナーダイオード３５のカソードとコンデンサ３６の一端に接続される。

スイッチ回路３２は、第１トランジスタ３２０、第２トランジスタ３２１、複数の抵抗３２２，３２３，３２５，３２６，３２９、複数のコンデンサ３２４，３２７，３２８などで構成される。

第１トランジスタ３２０は、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタに、バイポーラトランジスタのベースに接続される入力抵抗と、バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間に挿入される抵抗とを内蔵した抵抗内蔵型のトランジスタからなる。第１トランジスタ３２０は、コンデンサ３２８の一端と制御電源回路４のツェナーダイオード４３のカソードにエミッタが接続され、コンデンサ３２８の他端と抵抗３２９の一端にベース(入力抵抗)が接続され、抵抗３２２の一端にコレクタが接続される。

第２トランジスタ３２１は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタからなる。第２トランジスタ３２１は、抵抗３２９の他端にコレクタが接続され、制御回路２のグランド端子及びコンデンサ３７の他端にエミッタが接続される。また、第２トランジスタ３２１のベースとエミッタの間に、抵抗３２６とコンデンサ３２７が並列に接続される。さらに、第２トランジスタ３２１のベースは、２つの抵抗３２３，３２５の直列回路を介してツェナーダイオード３５のアノードに接続される。

抵抗３２２は、一端が第１トランジスタ３２０のコレクタに接続され、他端が抵抗３２３，３２５の接続点とコンデンサ３２４の一端とに接続される。また、コンデンサ３２４の他端が第２トランジスタ３２１のエミッタに接続される。なお、第２トランジスタ３２１のコレクタがダイオード３７のカソードに接続され、このダイオード３７のアノードが制御回路２のＣＯＭＰ端子に接続されている。

而して、スイッチ回路３２は、３端子サイリスタの等価回路と共通の回路構成を有しており、ツェナーダイオード３５が導通することでトリガ信号が入力されてオフからオンとなる。そして、スイッチ回路３２は、制御電源回路４のツェナーダイオード４３と並列接続されており、一端オンした後は、制御電源回路４から供給される主電流が所定の下限値以下に低下するまでオン状態を維持するように構成される。言い換えると、スイッチ回路３２は、制御電源回路４から供給される主電流が前記下限値以下に低下すると、オンからオフに切り換わるように構成されている。

次に、本実施形態のＬＥＤ電源装置の動作を説明する。

まず、ＬＥＤモジュール８が出力端子１００，１０１間に接続されている状態(正常状態)の動作を説明する。

正常状態において、制御回路２は、例えば、電流臨界モードで電力変換回路１のスイッチング素子１０をスイッチング制御する。電流臨界モードとは、スイッチング素子１０のオフ時に、チョークコイル１１から負荷(ＬＥＤモジュール８)に流れる電流(回生電流)がゼロになったときにスイッチング素子１０を再びオンとする制御方式である。ただし、このような電流臨界モードの制御方式については、従来周知であるから詳細な説明は省略する。

正常状態において、電力変換回路１の出力電圧・出力電流は、電解コンデンサ７で平滑された後、無負荷検出回路３のダイオード３４を介してＬＥＤモジュール８に供給される。スイッチング素子１０のオフ時において、チョークコイル１１と磁気結合されているインダクタンス３０にも起電力が誘起される。しかしながら、インダクタンス３０と第１出力端子１００の間に高インピーダンスのインピーダンス素子３１が接続されているため、インダクタンス３０に誘起される起電力による電流は殆ど負荷(ＬＥＤモジュール８)には流れない。

ここで、無負荷検出回路３のツェナーダイオード３５のツェナー電圧は、正常状態における第１出力端子１００と制御回路２のグランド端子との電位差よりも高い電圧とされている。したがって、正常状態においてはツェナーダイオード３５が導通しないので、スイッチ回路３２はオフ状態に維持されてオンしない。

一方、点灯中のＬＥＤモジュール８が何らかの理由で第１出力端子１００及び第２出力端子１０１から外れ、正常状態から無負荷状態に移行したとする。無負荷状態に移行すると負荷電流が流れなくなるため、第１出力端子１００には、電解コンデンサ７の両端電圧(電力変換回路１の出力電圧)と、インダクタンス３０の誘起電圧(電力変換回路１の出力電圧にほぼ等しい電圧)とが印加される。その結果、第１出力端子１００と制御回路２のグランド端子との電位差がツェナーダイオード３５のツェナー電圧よりも高くなり、ツェナーダイオード３５が導通する。

ツェナーダイオード３５が導通すれば、スイッチ回路３２がトリガされてオンとなる。スイッチ回路３２がオンすると、制御回路２のＣＯＭＰ端子からダイオード３７を介して電流が流れるので、ＣＯＭＰ端子の出力電流の電流値が正常値を大きく超えることになる。その結果、制御回路２がスイッチング制御を中止し、電力変換回路１が停止する。また、スイッチ回路３２がオンすることにより、電解コンデンサ７の充電電荷がスイッチ回路３２を介して放電されるので、出力端子１００，１０１間の電圧が漸減してゼロとなる(図２参照)。なお、スイッチ回路３２は、電力変換回路１の停止後も制御電源回路４から主電流が供給されている間はオン状態を維持することができる。故に、交流電源９から給電されている状態で負荷(ＬＥＤモジュール８)が再度出力端子１００，１０１に接続されても、ＬＥＤモジュール８に過大な電流が流れることはない。

そして、交流電源９からの電源供給を停止すれば、制御電源回路４から主電流が供給されなくなり、スイッチ回路３２がオフとなる。故に、ＬＥＤモジュール８が出力端子１００，１０１に接続された状態で交流電源９が投入されれば、再び制御回路２がスイッチング制御を開始してＬＥＤモジュール８を点灯させることができる。

既に説明したように、特許文献１記載の従来例では、入力電圧及び出力電流を検知し、それらの検知結果から出力停止の可否を判断しているため、入力電圧(交流電源の電源電圧)の瞬時降下(瞬時停電を含む。)による誤判断(誤作動)が生じ易いという問題があった。また、特許文献１記載の従来例は、無負荷状態となってから無負荷を検出(判断)するまでに若干のタイムラグが生じてしまう。

一方、本実施形態のＬＥＤ電源装置は、上述のように無負荷状態に起因して出力端子１００の電圧が大きく上昇することから無負荷検出回路３が無負荷状態を検出するように構成されている。つまり、交流電源９の電源電圧が瞬時降下しても出力端子１００の電圧が上昇することはないから、本実施形態のＬＥＤ電源装置は、従来例と比較して、瞬時降下に対する誤作動の抑制を図ることができる。しかも、無負荷状態になると出力端子１００の電圧が直ちに上昇するので、無負荷検出回路３が無負荷状態を検出するまでの時間は、従来例に比べて短くなる。

さらに、本実施形態のＬＥＤ電源装置は、上述のように従来例と比較して無負荷状態となってから出力を停止するまでの時間が短くなっているので、無負荷状態の出力端子１００，１０１間に定格よりも高い電圧が印加される続けることがない。したがって、本実施形態のＬＥＤ電源装置は、従来例に比べて、安全性の向上を図ることができる。

ここで、無負荷検出回路３のスイッチ回路３２はサイリスタで構成されても構わない。ただし、本実施形態におけるスイッチ回路３２は、オン電圧を第２トランジスタ３２１のコレクタ−エミッタ間電圧によって非常に低い値に設定可能であるという利点がある。また、このスイッチ回路３２は、抵抗３２５，３２６の抵抗値によってトリガ信号に必要な電圧が任意に設定できるため、耐ノイズ性の向上を図ることができるという利点がある。ただし、スイッチ回路３２は、バイポーラトランジスタ以外のスイッチ素子、例えば、電界効果トランジスタなどで構成されてもよいし、マイクロコントローラで構成されても構わない。また、制御回路２のＣＭＯＰ端子以外の端子、例えば、出力端子ＯＵＴにスイッチ回路３２が接続されても構わない。

１電力変換回路
２制御回路
３無負荷検出回路
８ＬＥＤモジュール(ＬＥＤ)
１０スイッチング素子
１１チョークコイル
３０インダクタンス
３１インピーダンス素子
３２スイッチ回路
１００第１出力端子(出力端子)
１０１第２出力端子(出力端子)

Claims

負荷であるＬＥＤが一対の出力端子間に着脱可能に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を制御する制御回路と、前記出力端子間に前記ＬＥＤが接続されていない無負荷状態を検出する無負荷検出回路とを備え、
前記電力変換回路は、スイッチング素子とチョークコイルを有するチョッパ型のコンバータからなり、
前記制御回路は、前記スイッチング素子をスイッチング制御し、且つ前記無負荷検出回路が無負荷状態を検出したときに前記スイッチング制御を中止するように構成され、
前記無負荷検出回路は、インダクタンスと、インピーダンス素子と、スイッチ回路とを有し、
前記インダクタンスは、前記チョークコイルと高電位側の前記出力端子との間に挿入され、且つ前記チョークコイルと磁気結合されるように構成され、前記インピーダンス素子は、前記インダクタンスの一端と高電位側の前記出力端子との間に直列に接続され、前記スイッチ回路は、高電位側の前記出力端子の電位が所定の基準値を超えたときにオンするように構成され、
前記制御回路は、前記スイッチ回路がオンしているときに前記スイッチング制御を中止するように構成されることを特徴とするＬＥＤ電源装置。
前記制御回路に作動用の制御電源を供給する制御電源回路を備え、
前記スイッチ回路は、オンした後、主電流が所定の下限値以下に低下するまでオン状態を維持し、且つ前記制御電源回路から前記主電流が供給されるように構成されることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ電源装置。
前記制御回路は、前記スイッチング素子をスイッチング制御するための回路が集積された汎用の集積回路で構成され、
さらに、前記制御回路は、前記集積回路が有する複数の端子のうちで、前記集積回路が正常に作動しているときにハイレベルとなる端子が、前記スイッチ回路がオンすることでローレベルに変化するように構成されることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ電源装置。