JP6507621B2

JP6507621B2 - Ｌｅｄ点灯装置及び照明器具

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Publication number: JP6507621B2
Application number: JP2014255866A
Authority: JP
Inventors: 西川　弘明; 弘明西川; 工飯島; 健治濱▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2019-05-08
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: JP2016115639A

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯するＬＥＤ点灯装置及び照明器具に関する。

例えば４５Ｖ〜９５Ｖの範囲内で負荷電圧の異なるＬＥＤを点灯可能なＬＥＤ点灯装置において、点灯時の負荷電圧に応じて保護動作の閾値を変えることで、ＬＥＤが外れた場合などに適切に保護動作させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１６０３２２号公報

従来の方法では点灯時の負荷電圧に応じて閾値を変えるため、制御回路の電源電圧の制約を受け、対応可能な負荷電圧の範囲内が狭くなる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は広範囲の負荷電圧に対応できるＬＥＤ点灯装置及び照明器具を得るものである。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤモジュールに負荷電流を供給して点灯させる電源回路と、前記ＬＥＤモジュールの負荷電圧に対応する保護電圧を生成する保護電圧生成回路と、前記電源回路と前記保護電圧生成回路を制御する制御回路とを備え、前記電源回路は、スイッチング素子のスイッチング動作で前記負荷電流の電流値を調整し、前記制御回路は、前記電源回路の負荷電流に対応する調光電圧と前記電源回路のスイッチング動作のデューティ比に応じて前記保護電圧生成回路の前記負荷電圧に対する前記保護電圧の出力特性を変え、前記保護電圧が閾値を逸脱した場合に前記電源回路に安全動作を行わせることを特徴とする。

本発明では、電源回路のスイッチング動作のデューティ比に応じて保護電圧生成回路の負荷電圧に対応する保護電圧の出力特性を変える。そして、保護電圧が閾値を逸脱した場合に電源回路に安全動作を行わせる。これにより、制御回路の電源電圧の制約を受けずに広範囲の負荷電圧に対応できる。

本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置を示す回路図である。本発明の実施の形態に係る検出電圧可変回路を示す回路図である。固定出力タイプのＬＥＤ電源の場合の出力電流とスイッチング動作のデューティ比の関係を示す図である。連続調光タイプのＬＥＤ電源の場合の出力電流とスイッチング動作のデューティ比の関係を示す図である。

図１は本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置を示すブロック図であり、図２は本発明の実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置を示す回路図である。ＬＥＤ点灯装置１の入力端子ＩＮに交流電源Ｖａｃが接続され、出力端子ＯＵＴにＬＥＤモジュール２が接続される。ＬＥＤ点灯装置１はＬＥＤモジュール２に直流電流を流して点灯させる。ＬＥＤモジュール２は所要の光量を得るために複数のＬＥＤを有し、その数などによって負荷電圧が異なる。ＬＥＤ点灯装置１は所定範囲の負荷電圧のＬＥＤモジュール２に対応可能である。

ＬＥＤ点灯装置１は、入力端子ＩＮ、ノイズ抑制回路３、整流回路４、昇圧チョッパ回路５、降圧チョッパ回路６、保護電圧生成回路７、制御回路８、及び出力端子ＯＵＴを備えている。

ノイズ抑制回路３はＬ型やΠ型のノイズフィルタなどであり、ここではコンデンサＣ１，Ｃ２とインダクタＬ１を有する。整流回路４は交流電源Ｖａｃからの交流電圧を全波整流するダイオードブリッジである。

昇圧チョッパ回路５は、インダクタＬ２、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）からなるスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ３、及び抵抗Ｒ１，Ｒ２を有する。インダクタＬ２の一端が整流回路４の高電位側に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、インダクタＬ２の他端と整流回路４の低電位側の間に接続されている。ダイオードＤ１のアノードがスイッチング素子Ｑ１とインダクタＬ２の接続点に接続されている。平滑コンデンサＣ３の正極がダイオードＤ１のカソードに接続され、負極が整流回路４の低電位側に接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路が平滑コンデンサＣ３に並列に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１は、交流電源Ｖａｃの電源周波数よりも十分に高い周波数（例えば数百ｋＨｚ）で制御回路８によりオン／オフされる。スイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせると、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬ２に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にダイオードＤ１を介して放出される。そして、整流回路４からの出力にインダクタＬ２から放出されるエネルギーが重畳される形で平滑コンデンサＣ３が充電されるため、平滑コンデンサＣ３の両端電圧を整流回路４の出力電圧よりも昇圧することができる。

平滑コンデンサＣ３の両端電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いて分圧し、抵抗Ｒ２の両端電圧が制御回路８に入力される。制御回路８は、この入力された電圧に基づいて平滑コンデンサＣ３の両端電圧の平均値が一定になるようにスイッチング素子Ｑ１をオン／オフする。制御回路８は例えばマイコンである。

降圧チョッパ回路６は、いわゆる非絶縁の降圧型コンバータと称される回路であり、入力された平滑コンデンサＣ３の平滑電圧を低い直流電圧に変換する。降圧チョッパ回路６は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ２、降圧チョッパ回路駆動部１０、ダイオードＤ２、チョークコイルＬ３、平滑コンデンサＣ４と、及び抵抗Ｒ３を有する。スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２の直列回路が昇圧チョッパ回路５の平滑コンデンサＣ３と並列に接続されている。チョークコイルＬ３、平滑コンデンサＣ４、及び抵抗Ｒ３の直列回路がダイオードＤ２と並列に接続されている。また、制御回路８からのスイッチング信号を降圧チョッパ回路駆動部１０を介してスイッチング素子Ｑ２に入力する。

降圧チョッパ回路６は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間に入力から出力へ電流が流れるとともに、チョークコイルＬ３にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｑ２のオフ期間に、チョークコイルＬ３に蓄えられたエネルギーによりダイオードＤ２を介してＬＥＤモジュール２のＬＥＤに電流を流す。即ち、降圧チョッパ回路６は、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング動作でＬＥＤ電流の電流値を調整する。平滑コンデンサＣ４により高周波リップルを抑制し、ＬＥＤ電流を平均値化する。

抵抗Ｒ３はＬＥＤモジュール２に流れる電流を検出する。制御回路８はこの検出電圧に基づいてＬＥＤモジュール２に流れる電流が一定電流になるように降圧チョッパ回路６のスイッチング素子Ｑ２をオン／オフする。また、この検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール２がＬＥＤ点灯装置１に接続されているか否か判断する。なお、これに限らず、特許文献１に記載の方法などでＬＥＤモジュール２の接続を判断してもよい。

保護電圧生成回路７は、降圧チョッパ回路６の出力端に接続するＬＥＤモジュール２の負荷電圧に対応する保護電圧を生成する。保護電圧生成回路７は抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と検出電圧可変回路９を有する。抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６からなる直列回路が、降圧チョッパ回路６のチョークコイルＬ３と平滑コンデンサＣ４の接点と、グランドとの間に接続され、ＬＥＤモジュール２の負荷電圧を分圧する。検出電圧可変回路９は抵抗Ｒ６と並列に接続され、抵抗Ｒ６に印加される電圧を分圧して制御回路８に出力する。

図３は、本発明の実施の形態に係る検出電圧可変回路を示す回路図である。検出電圧可変回路９は、抵抗Ｒ７〜Ｒ１１、コンデンサＣ５，Ｃ６、及びトランジスタＱ３を有する。抵抗Ｒ７、Ｒ８の直列回路が保護電圧生成回路７の抵抗Ｒ６と並列に接続されている。抵抗Ｒ８に並列に接続されているコンデンサＣ５はノイズ除去用である。

制御回路８から端子Ｃを介して入力した電圧を抵抗Ｒ１０，Ｒ１１で分圧し、トランジスタＱ３のベースにバイアスする。端子Ｃとグランドの間に接続されているコンデンサＣ６はノイズ除去用である。トランジスタＱ３がオンすると、抵抗Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９の分圧電圧が端子Ｄを介して制御回路８に入力される。一方、トランジスタＱ３がオフすると、抵抗Ｒ７，Ｒ８の分圧電圧が制御回路８に入力される。即ち、トランジスタＱ３のオン／オフにより、負荷電圧に対応する保護電圧の出力特性を変えることができる。

ＬＥＤ点灯装置１に交流電源Ｖａｃから電圧が入力されると、制御回路８は昇圧チョッパ回路５を駆動させ、降圧チョッパ回路６を起動させる。次に、ＬＥＤモジュール２の電流を検出する抵抗Ｒ３からの検出電圧より、ＬＥＤモジュールの接続有無を確認する。ＬＥＤモジュール２の接続有りの場合、降圧チョッパ回路６を駆動させる。一方、ＬＥＤモジュール２の接続無しの場合、昇圧チョッパ回路５と降圧チョッパ回路６のスイッチング動作を停止する。

固定出力タイプのＬＥＤ電源の場合、降圧チョッパ回路６を駆動させた後、制御回路８は、ＬＥＤに一定電流が流れるように、降圧チョッパ回路６のスイッチング動作を行う（スイッチング周波数は一定でデューティ比を変える）。このデューティ比の値を格納し、数サイクル分の値を平準化する。この平準化した値を予め格納された閾値Ｖｔｈ（ＣＯＮ）と比較する。平準化した値が閾値Ｖｔｈ（ＣＯＮ）を超えた場合、端子ＣにＨｉｇｈ電圧を出力する。一方、閾値Ｖｔｈ（ＣＯＭ）を下回っている場合、端子ＣにＬｏｗ電圧を出力する。このように、制御回路８は、降圧チョッパ回路６のスイッチング動作のデューティ比に応じて保護電圧生成回路７の負荷電圧に対する保護電圧の出力特性を変える。

連続調光タイプのＬＥＤ電源の場合、降圧チョッパ回路６を駆動させた後、制御回路８は、ＬＥＤに調光電圧に応じた一定電流が流れるように、降圧チョッパ回路６のスイッチング動作を行う（スイッチング周波数は一定でデューティ比を変える）。このデューティ比の値を格納し、数サイクル分の値を平準化する。この平準化した値を、予め格納された調光電圧に応じてＬＥＤ電流の値毎に定められた閾値Ｖｔｈ（ＤＩＭ）と比較する。平準化した値が閾値Ｖｔｈ（ＤＩＭ）を超えた場合、端子ＣにＨｉｇｈ電圧を出力する。一方、閾値Ｖｔｈ（ＤＩＭ）を下回っている場合、端子ＣにＬｏｗ電圧を出力する。このように、制御回路８は、降圧チョッパ回路６の負荷電流に対応する調光電圧とスイッチング動作のデューティ比に応じて保護電圧生成回路７の負荷電圧に対応する保護電圧の出力特性を変える。

平準化した値と閾値Ｖｔｈ（ＣＯＮ）又は閾値Ｖｔｈ（ＤＩＭ）と比較することで、電源回路の負荷電圧を試算する。その結果を基に、制御回路８に入力される保護電圧（端子Ｄ）が、異なる負荷電圧のＬＥＤモジュールが点灯しても、概略同じ電圧が入力されるように、検出電圧可変回路９のトランジスタＱ３をオン／オフさせる。また、概略同じ電圧が入力されるように、抵抗Ｒ４〜Ｒ９の定数は選定する。制御回路８は、保護電圧が閾値を逸脱した場合に降圧チョッパ回路６と昇圧チョッパ回路５に安全動作を行わせる。即ち、降圧チョッパ回路６と昇圧チョッパ回路５のスイッチング動作を停止させる。

例えば、ＬＥＤモジュール２を点灯させている時にＬＥＤモジュール２がＬＥＤ点灯装置１から外された場合、降圧チョッパ回路６が一定電流を流そうとする結果、降圧チョッパ回路６の出力電圧が上昇する。昇圧チョッパ回路５の出力電圧は最大値として降圧チョッパ回路６の出力電圧まで上がるが、その前に降圧チョッパ回路６と昇圧チョッパ回路５のスイッチング動作を停止させる。これにより出力電圧をＬＥＤ電圧に対して過度に大きな値としないことで、ＬＥＤモジュール２が再び接続された際に過大なサージ電流がＬＥＤに流れるのを防止できる。

図４は、固定出力タイプのＬＥＤ電源の場合の出力電流とスイッチング動作のデューティ比の関係を示す図である。表１は固定出力タイプのＬＥＤ電源の場合の特性値を示す表である。スイッチング動作のデューティ比からＬＥＤモジュールＡ，Ｂを判別することができる。

図５は、連続調光タイプのＬＥＤ電源の場合の出力電流とスイッチング動作のデューティ比の関係を示す図である。表２は連続調光タイプのＬＥＤ電源の場合の特性値を示す表である。負荷電流に対応する調光電圧とスイッチング動作のデューティ比からＬＥＤモジュールＡ，Ｂを判別することができる。

降圧チョッパ回路６のスイッチング動作のオン時間Ｔｏｎは数式１により求まる。降圧チョッパ回路６は、所望の出力電流となるように、スイッチング動作のオン時間Ｔｏｎを変化させる。

ここで、Ｌはインダクタンス、Ｔは周期（＝１／ｆ）、ｆは動作周波数（固定周波数）、ηは回路効率、Ｖ_ｄｃはＰＦＣ出力電圧、Ｉｏは出力電流（負荷電流）、Ｖｏは出力電圧（負荷電圧）である。Ｌ，Ｔ，η，Ｖｄｃは制御回路８に予め設定されている。ηはＬＥＤモジュール２や調光電圧毎に設定される。Ｉｏは、固定出力タイプの場合は制御回路８に予め設定され、連続調光タイプの場合は調光電圧に応じて可変する。ＶｏはＬＥＤモジュール２に応じて異なり、制御回路８にとっては未知数である。同じ出力電流でも出力電圧によりＴｏｎは異なる。

また、スイッチング動作のデューティ比Ｄｕｔｙ（デューティ比）は数式２により求まる。

出力電流Ｉｏは数式３により求まる。また、数式３より、同じ出力電流でも出力電圧が違うとスイッチング動作のオン時間が異なることが分かる。よって、スイッチング動作のオン時間から、又はスイッチング動作の周期が固定の場合はスイッチング動作のデューティ比から、負荷電圧が異なるＬＥＤモジュールＡ，Ｂを判別することができる。

よって、降圧チョッパ回路６のスイッチング動作のデューティ比を確認することで、ＬＥＤモジュールＡ，Ｂを判別することができる。そこで、本実施の形態では、降圧チョッパ回路６のスイッチング動作のデューティ比に応じて保護電圧生成回路７の負荷電圧に対応する保護電圧の出力特性を変える。そして、保護電圧が閾値を逸脱した場合に降圧チョッパ回路６に安全動作を行わせる。これにより、制御回路８の電源電圧の制約を受けずに広範囲の負荷電圧に対応できる。

また、出力電流によってスイッチング動作のオン時間が異なるため、連続調光タイプについては制御回路８は降圧チョッパ回路６の負荷電流に対応する調光電圧とスイッチング動作のデューティ比に応じて保護電圧生成回路７の負荷電圧に対応する保護電圧の出力特性を変える。これにより、制御回路８の電源電圧の制約を受けずに広範囲の負荷電圧に対応できる。

なお、負荷電圧の異なる複数のＬＥＤモジュール２に対応するため、検出電圧可変回路、閾値Ｖｔｈ（ＣＯＮ）と、閾値Ｖｔｈ（ＤＩＭ）を複数設けてもよい。

１ＬＥＤ点灯装置、２ＬＥＤモジュール、６降圧チョッパ回路（電源回路）、７保護電圧生成回路、８制御回路、Ｑ２スイッチング素子

Claims

ＬＥＤモジュールに負荷電流を供給して点灯させる電源回路と、
前記ＬＥＤモジュールの負荷電圧に対応する保護電圧を生成する保護電圧生成回路と、
前記電源回路と前記保護電圧生成回路を制御する制御回路とを備え、
前記電源回路は、スイッチング素子のスイッチング動作で前記負荷電流の電流値を調整し、
前記制御回路は、前記電源回路の負荷電流に対応する調光電圧と前記電源回路のスイッチング動作のデューティ比に応じて前記保護電圧生成回路の前記負荷電圧に対する前記保護電圧の出力特性を変え、前記保護電圧が閾値を逸脱した場合に前記電源回路に安全動作を行わせることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置を備えることを特徴とする照明器具。