JP6299364B2

JP6299364B2 - Ｌｅｄ駆動装置及びｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP6299364B2
Application number: JP2014084775A
Authority: JP
Inventors: 利浩中野
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: JP2015204270A

Description

本発明は、トライアック調光器を用いた調光動作が可能なＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置に関する。

主要な技術的先進国で照明用に使用される電気エネルギーは、各国における総発電量の約１５％に達すると言われ、地球環境問題の観点から電気エネルギーの削減が求められている。このような要求を背景に、従来の照明装置に用いられている白熱電球や蛍光灯よりも消費電力が少なく且つ寿命が長い光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を発光負荷として備えるＬＥＤ照明装置が注目されている。

また、従来のＬＥＤ照明装置として、例えば特許文献１に記載されるＬＥＤ照明装置が知られている。従来のＬＥＤ照明装置は、トライアック調光器とＬＥＤ駆動装置とＬＥＤとを備える。トライアック調光器は、交流電源から出力される交流入力電圧を位相制御することにより、断続的な交流電圧を出力するが、交流電源の全周期にわたって所定値以上の電流が供給されなければ、安定した動作を行うことができない。そのため、ＬＥＤ駆動装置にトライアック調光器を適用する場合、トライアック調光器に保持電流を流すためにブリーダ回路を設けることが知られている。

特開２０１１−００３３２６号公報

しかしながら、ブリーダ回路に流れる保持電流は、ＬＥＤ照明装置の効率を低下させてしまう。本発明は、トライアック調光器を適用することによる損失を低減させるＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置を提供する。

本発明の一態様によれば、ＬＥＤ駆動装置は、トライアックを含む調光器とＬＥＤ発光部との間に接続可能に構成されるＬＥＤ駆動装置であり、スイッチング素子とリアクトルとダイオードとを備え、前記スイッチング素子は、前記調光器に接続される第１の主端子と前記リアクトルの一端に接続可能に構成される第２の主端子とを含み、前記トライアックが導通状態であり、且つ、前記スイッチング素子が導通状態であるとき、前記リアクトルに電気エネルギーが蓄積され、前記トライアックが導通状態であって、且つ、前記スイッチング素子が遮断状態であるとき、前記リアクトルに蓄積された電気エネルギーが前記ＬＥＤ発光部と前記ダイオードとに供給され、前記トライアックが遮断状態であり、且つ、前記スイッチング素子が導通状態であるとき、前記調光器の保持電流が前記スイッチング素子を流れることを特徴とする。

本発明によれば、トライアック調光器を適用することによる損失を低減させるＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置の構成を示す構成図である。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置の動作を示す波形図である。本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置の詳細な動作を示す波形図である。本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置の構成を示す構成図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置の構成を示す構成図である。本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１００は、ＬＥＤ駆動装置１とＬＥＤ発光部３とを備える。ＬＥＤ照明装置１００は、トライアック２１とトリガ回路２２とを含む調光器２を介して交流電源ＶＡＣに接続される。ＬＥＤ発光部３は、少なくとも１つのＬＥＤ（Light Emitting Diode）を含む。

本実施形態に係るＬＥＤ駆動装置１は、トライアック２１を含む調光器２とＬＥＤ発光部３との間に接続され、スイッチング素子ＦＥＴと第１のリアクトルＬ１と第１のダイオードＤ１とを備える。トライアック２１が導通状態であり、且つ、スイッチング素子ＦＥＴが導通状態であるとき、第１のリアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積される。トライアック２１が導通状態であり、且つ、スイッチング素子ＦＥＴが遮断状態であるとき、第１のリアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーがＬＥＤ発光部３と第１のダイオードＤ１とに流れる。調光器２のトライアック２１が遮断状態であり、且つ、スイッチング素子ＦＥＴが導通状態であるとき、調光器２の保持電流がスイッチング素子ＦＥＴを流れる。

ＬＥＤ駆動装置１は、その入力側において調光器２に接続され、その出力側においてＬＥＤ発光部３に接続される。ＬＥＤ駆動装置１は、ダイオードブリッジＤＢとフィルタ回路とスイッチング回路とを備える。ダイオードブリッジＤＢは、周知の全波整流器である。フィルタ回路は、周知のローパスフィルタである。ダイオードブリッジＤＢの第１及び第２の入力端子は、調光器２の出力端子に接続される。フィルタ回路は、ダイオードブリッジＤＢの第１の出力端子とスイッチング回路の入力端子との間に接続される。スイッチング回路の出力端子は、ＬＥＤ発光部３に接続される。

スイッチング回路は、スイッチング素子ＦＥＴと駆動部ＤＲＶと第１のリアクトルＬ１と第１のダイオードＤ１と第１のコンデンサＣ１と第１の抵抗Ｒ１とを備える。スイッチング素子ＦＥＴは、ドレイン端子とソース端子とゲート端子とを含む。ドレイン端子は、本発明における第１の主端子であり、フィルタ回路の出力端子に接続される。ソース端子は、本発明における第２の主端子であり、第１のリアクトルＬ１の一端に接続される。ゲート端子は、本発明における制御端子であり、駆動部ＤＲＶに接続される。スイッチング素子ＦＥＴと駆動部ＤＲＶとは、単一の半導体集積回路ＩＣとして構成される。第１のリアクトルＬ１の一端は、第２の抵抗Ｒ２を介して、スイッチング素子ＦＥＴのソース端子と第１の抵抗Ｒ１の一端とに接続される。第１のリアクトルＬ１の他端は、ダイオードブリッジＤＢの第１の出力端子と第１のダイオードＤ１のアノード端子とに接続される。第１のダイオードＤ１のカソード端子は、第１のコンデンサＣ１の一端とＬＥＤ発光部３の一端とに接続される。第１のコンデンサＣ１の他端は、第１の抵抗Ｒ１の他端とＬＥＤ発光部３の他端と半導体集積回路ＩＣとに接続される。本実施形態におけるスイッチング回路は、スイッチング素子ＦＥＴのソース端子の電位を基準電位とするフローティング昇降圧チョッパ回路により構成される。第１の抵抗Ｒ１は、負荷電流検出部であり、ＬＥＤ発光部３に流れる電流に比例する電圧を負荷電流検出信号として半導体集積回路ＩＣに出力する。

また、スイッチング回路は、制御電源と過電流検出部と位相検出部とを備える。制御電源は、第２のダイオードＤ２と第３のダイオードＤ３と第３の抵抗Ｒ３と第２のコンデンサＣ２との直列接続体により構成される。制御電源は、第１のリアクトルＬ１に並列接続され、第２のコンデンサＣ２に蓄積された電荷を半導体集積回路ＩＣに供給する。過電流検出部は、第２の抵抗Ｒ２と第１のリアクトルＬ１との接続点に接続される、第４の抵抗Ｒ４と第３のコンデンサＣ３との直列接続体により構成される。過電流検出部は、第１のリアクトルＬ１に流れる電流に比例する電圧を過電流検出信号として半導体集積回路ＩＣに出力する。位相検出部は、第５乃至第８の抵抗Ｒ５〜Ｒ８と第４乃至第６のコンデンサＣ４〜Ｃ６と第４のダイオードＤ４とにより構成される。第５の抵抗Ｒ５と第４のコンデンサＣ４との直列接続体は、スイッチング素子ＦＥＴの両主端子間に接続される。第６乃至第８の抵抗Ｒ６〜Ｒ８の直列接続体は、第４のコンデンサに並列接続される。第４のダイオードＤ４は、第７及び第８の抵抗Ｒ７，Ｒ８の直列接続体に並列接続される。第５のコンデンサＣ５は、スイッチング素子ＦＥＴのソース端子と半導体集積回路ＩＣとの間に接続される。第６のコンデンサＣ６は、第８の抵抗Ｒ８に並列接続される。位相検出部は、調光器２から出力される断続的な交流電圧の位相に比例する第６のコンデンサＣ６の両端電圧を内部基準信号として生成する。

フィルタ回路は、第２のリアクトルＬ２と第７のコンデンサＣ７と第９の抵抗Ｒ９との直列接続体により構成される。ダイオードブリッジＤＢの第１及び第２の出力端子は、それぞれ当該直列接続体の両端に接続される。第２のリアクトルＬ２と第７のコンデンサＣ７との接続点は、フィルタ回路の出力端子であり、スイッチング素子ＦＥＴのドレイン端子に接続される。フィルタ回路の時定数は、スイッチング素子ＦＥＴが遮断状態に維持される期間にわたって、調光器２のトリガ回路２２の保持電流を流すことができるように設定される。また、第１０の抵抗Ｒ１０は、交流電源ＶＡＣが遮断されたときに第１のコンデンサＣ１に蓄積された電荷を放電するための放電抵抗である。

本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１００の動作について説明する。交流電源ＶＡＣが投入されると、交流入力電圧が調光器２を介してＬＥＤ照明装置１００に供給され始める。調光器２は、トライアック２１とトリガ回路２２とにより交流入力電圧を位相制御する。ダイオードブリッジＤＢは、位相制御された交流入力電圧を全波整流してフィルタ回路に出力する。全波整流された交流入力電圧は、フィルタ回路と図示されない起動回路とを介して第２のコンデンサＣ２を充電する。第２のコンデンサＣ２の充電電圧が所定のレベルに達すると、半導体集積回路ＩＣは駆動部ＤＲＶによるスイッチング素子ＦＥＴのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動を開始する。

スイッチング素子ＦＥＴが導通状態のとき、ダイオードブリッジＤＢ→第２のリアクトルＬ２→スイッチング素子ＦＥＴ→第１のリアクトルＬ１→ダイオードブリッジＤＢの経路に電流が流れる。このとき、電気エネルギーが第１のリアクトルＬ１に蓄積される。スイッチング素子ＦＥＴが遮断状態のとき、第１のリアクトルＬ１の他端→第１のダイオードＤ１→第１のコンデンサＣ１→第１の抵抗Ｒ１→第１のリアクトルＬ１の一端の経路に電流が流れる。このとき、第１のリアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーは、第１のダイオードＤ１を介して第１のコンデンサＣ１に充電される。ＬＥＤ駆動装置１は、上記の動作を繰り返すことにより、ＬＥＤ発光部３に直流電流を供給し、ＬＥＤ発光部３を発光させる。半導体集積回路ＩＣは、負荷電流検出部により生成される負荷電流検出信号と、位相検出部により生成される内部基準信号と、に基づき、スイッチング素子ＦＥＴの導通期間と遮断期間とを調整し、ＬＥＤ発光部３に流れる電流を所定のレベルに近づける。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置の動作を示す波形図である。波形Ｖ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴのドレイン端子の電圧を示す。波形Ｖ_Ｓは、スイッチング素子ＦＥＴのソース端子の電圧を示す。波形Ｉ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴのドレイン端子に流れる電流を示す。期間Ｔ１は、調光器２のトライアック２１が導通状態にある期間を示す。期間Ｔ２は、調光器２のトライアック２１が遮断状態にある期間を示す。

期間Ｔ１において、ダイオードブリッジＤＢにより全波整流された交流入力電圧は、フィルタ回路を介してスイッチング素子ＦＥＴのドレイン端子に印加される。ドレイン電圧Ｖ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴの駆動によらず、交流入力電圧と略等しい電圧となる。ソース電圧Ｖ_Ｓは、スイッチング素子ＦＥＴの導通時にドレイン電圧Ｖ_Ｄと略等しい電圧となり、スイッチング素子ＦＥＴの遮断時にドレイン電圧Ｖ_Ｄよりも低い電圧となる。ドレイン電流Ｉ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴの駆動状態に応じて制御される。期間Ｔ２において、ドレイン電圧Ｖ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴの駆動によらず、非常に低い正電位となる。ソース電圧Ｖ_Ｓは、期間Ｔ１と同様、スイッチング素子ＦＥＴの導通時にドレイン電圧Ｖ_Ｄと略等しい電圧となり、スイッチング素子ＦＥＴの遮断時にドレイン電圧Ｖ_Ｄよりも低い電圧となる。ドレイン電流Ｉ_Ｄは、期間Ｔ１のときのそれと比べて微小な電流であるが、期間Ｔ１と同様、スイッチング素子ＦＥＴの駆動状態に応じて制御される。

図３は、図２の期間Ｔ２における、本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置の詳細な動作を示す波形図である。期間Ｔ_ＯＮは、スイッチング素子ＦＥＴが導通状態にある期間を示す。期間Ｔ_ＯＦＦは、スイッチング素子ＦＥＴが遮断状態にある期間を示す。本実施形態の期間Ｔ_ＯＦＦにおいて、ソース電圧Ｖ_Ｓは、第１のリアクトルＬ１の他端の電位よりも低く、ドレイン電圧Ｖ_Ｄよりも最大で約２０Ｖ低い負電位となる。そのため、期間Ｔ_ＯＮにおいて、ドレイン電流Ｉ_Ｄは、スイッチング素子ＦＥＴを介して第１のリアクトルＬ１を流れる。このときのドレイン電流Ｉ_Ｄは、調光器２のトリガ回路２２を流れる保持電流を含む。従って、本実施形態に係るＬＥＤ駆動装置１は、調光器２の保持電流をスイッチング回路に流し、ＬＥＤ発光部３の発光に寄与させることができるため、調光器２を適用することによる損失を低減できる。また、本実施形態に係るＬＥＤ駆動装置１は、従来必要とされていたブリーダ回路を省略できるので、ＬＥＤ駆動装置１並びにＬＥＤ照明装置１００を小型且つ安価に構成することができる。また、本実施形態に係るフィルタ回路は、期間Ｔ_ＯＦＦにおいて調光器２の保持電流を流せるように構成されるため、調光器２は安定的な動作を維持することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るＬＥＤ駆動装置及びＬＥＤ照明装置の構成を示す構成図である。本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１００ａは、ＬＥＤ駆動装置１ａを設けた点に関してＬＥＤ照明装置１００と異なる。また、ＬＥＤ駆動装置１ａは、疑似共振型のスイッチング回路構成である点において、ＬＥＤ駆動装置１と異なる。

本実施形態に係るスイッチング回路は、電圧検出部を備える。電圧検出部は、第５のダイオードＤ５と第１１の抵抗Ｒ１１との直列接続体により構成される。電圧検出部は、第１のリアクトルＬ１の他端と半導体集積回路ＩＣとに接続され、第１のリアクトルＬ１の電圧に比例する電圧を電圧検出信号として半導体集積回路ＩＣに出力する。駆動部ＤＲＶは、電圧検出信号により、第１のリアクトルＬ１の電圧が正からゼロになるタイミングを検出し、スイッチング素子ＦＥＴを駆動する。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、スイッチング回路のトポロジは、昇降圧チョッパ方式に限定されず、周知のトポロジに置き換えられる。また、スイッチング素子ＦＥＴと駆動部ＤＲＶとは、それぞれ個別の半導体素子として構成されても良い。また、半導体集積回路ＩＣは、スイッチング素子ＦＥＴと駆動部ＤＲＶとに加え、その周辺に接続される任意の部品を取り込んで構成されても良い。また、第１のダイオードＤ１は、第１のコンデンサＣ１の他端と第１の抵抗Ｒ１の他端との間に接続されても良く、第１のリアクトルＬ１の一端と第１の抵抗Ｒ１の他端との間に接続されても良い。また、スイッチング素子ＦＥＴはＩＧＢＴ等の周知のスイッチング素子に置き換えられる。

１，１ａＬＥＤ駆動装置
２調光器
３ＬＥＤ発光部
２１トライアック
２２トリガ回路
１００，１００ａＬＥＤ照明装置
ＶＡＣ交流入力電圧
ＦＥＴスイッチング素子
ＤＲＶ駆動部
ＩＣ半導体集積回路
Ｌ１第１のリアクトル
Ｄ１第１のダイオード
Ｃ１第１のコンデンサ
Ｒ１第１の抵抗

Claims

トライアックを含む調光器とＬＥＤ発光部との間に接続可能に構成されるＬＥＤ駆動装置であって、
スイッチング素子とリアクトルとダイオードとを備え、
前記スイッチング素子は、前記調光器に接続される第１の主端子と前記リアクトルの一端に接続可能に構成される第２の主端子とを含み、
前記トライアックが導通状態であり、且つ、前記スイッチング素子が導通状態であるとき、前記リアクトルに電気エネルギーが蓄積され、
前記トライアックが導通状態であり、且つ、前記スイッチング素子が遮断状態であるとき、前記リアクトルに蓄積された電気エネルギーが前記ＬＥＤ発光部と前記ダイオードとに供給され、
前記トライアックが遮断状態であり、且つ、前記スイッチング素子が導通状態であるとき、前記調光器の保持電流が前記スイッチング素子を流れることを特徴とするＬＥＤ駆動装置。
前記調光器と前記スイッチング素子との間に接続されるフィルタ回路を備え、
前記スイッチング素子が遮断状態のとき、前記フィルタ回路に前記調光器の保持電流が流れることを特徴とする請求項１に記載されるＬＥＤ駆動装置。
前記スイッチング素子が遮断状態のとき、前記第２の主端子の電位は前記第１の主端子の電位よりも低くなることを特徴とする請求項２に記載されるＬＥＤ駆動装置。
前記トライアックが遮断状態であり、且つ、前記スイッチング素子が遮断状態であるとき、前記第２の主端子の電位は負電位であることを特徴とする請求項３に記載されるＬＥＤ駆動装置。
前記リアクトルの他端は前記ダイオードのアノード端子に接続され、
前記ダイオードのカソード端子は前記ＬＥＤ発光部の一端に接続され、
前記スイッチング素子の前記第２の主端子は、前記ＬＥＤ発光部の他端に接続されることを特徴とする請求項４に記載されるＬＥＤ駆動装置。
前記ＬＥＤ発光部と、前記請求項１乃至５に記載されるＬＥＤ駆動装置と、を備えることを特徴とするＬＥＤ照明装置。