JP6803672B2 - Ｌｅｄ点灯装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、雷サージ等に対する保護機能を有するＬＥＤ点灯装置およびこのＬＥＤ点灯装置を備える照明装置に関する。

照明装置は、光源としてＬＥＤ等の半導体発光素子が用いられており、例えば複数個のＬＥＤを基板に実装したＬＥＤモジュールを配設している。ＬＥＤモジュールは、リード線により点灯装置に接続されている。点灯装置には、雷サージ等の異常電圧から整流回路などを保護するためにバリスタ等の保護回路が設けられている。

そのバリスタは、整流回路の入力端子間および出力端子間にそれぞれ設けられている。そして、整流回路の出力側バリスタの動作電圧（バリスタ電圧）を整流回路の入力側バリスタの動作電圧よりも高くするＬＥＤ点灯装置が提案されている（例えば特許文献1参照。）。このＬＥＤ点灯装置は、入力側バリスタに流れる電流に対する出力側バリスタに流れる電流比を５：１〜１００：１程度とすることができて、雷サージ印加時における整流回路の出力側の過電圧保護を担保しつつも整流回路の過電流防止を実現できるものである。これにより、雷サージによってＬＥＤ点灯装置が故障する確率を大幅に低減することができる。

特開２０１３−２１１１１９号公報（第６頁、第１図）

点灯装置は、その出力側が地絡することがある。例えば、照明装置への点灯装置の設置時に、点灯装置とＬＥＤモジュールとを接続するリード線の被覆の損傷によりリード線の基線（裸線）が露出することがある。この露出部分が接地されている装置本体に接触すると、点灯装置の出力側が装置本体を介して地絡する。

そして、点灯装置の高出力電位側が地絡すると、整流回路の出力側バリスタには、整流回路の出力電圧とＬＥＤの順方向電圧との合計電圧が継続して印加される。バリスタは、過電流が継続的に流れることにより、やがて焼損するという問題が生じる。

本実施形態は、サージ耐圧を保持しつつ地絡時のバリスタ焼損を回避可能なＬＥＤ点灯装置およびこのＬＥＤ点灯装置を備える照明装置を提供することを目的とする。

本実施形態のＬＥＤ点灯装置は、整流回路、電力変換回路、第１のバリスタおよび第２のバリスタを有して構成される。整流回路は、直流電源または交流電源を整流する。電力変換回路は、整流回路の出力電圧を所定の直流電圧に変換する。

第１のバリスタは、整流回路の入力端子間に接続され、第２のバリスタは、整流回路の出力端子間に接続される。そして、第２のバリスタは、電力変換回路の出力端子間に接続されるＬＥＤの順方向電圧と整流回路の出力電圧との合計電圧以上のバリスタ電圧を有する。第２のバリスタのバリスタ電圧は、第１のバリスタのバリスタ電圧の１．２１倍を上回るとともに２．５倍以下である。

本実施形態のＬＥＤ点灯装置によれば、第２のバリスタは、ＬＥＤの順方向電圧と整流回路の出力電圧との合計電圧以上のバリスタ電圧を有するので、電力変換回路の出力側が地絡したときに過電流が継続的に流れることがなく、これにより、地絡時の焼損を回避できることが期待できる。

本発明の実施形態に示す点灯装置の概略回路図である。 同じく、照明装置を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は一部切り欠き概略側面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態のＬＥＤ点灯装置１は、図１に示すように、整流回路２、電力変換回路３、制御部４、第１および第２のバリスタ５，６を有して構成されている。ＬＥＤ点灯装置１は、その入力側が例えば商用交流電源Ｖｓに接続され、交流電源を入力する。整流回路２は、入力した交流電源を整流し、電力変換回路３は、整流回路２の出力電圧を所定の直流電圧（直流電力）に変換して出力するように形成されている。また、ＬＥＤ点灯装置１は、商用交流電源Ｖｓが１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖのいずれにも対応可能に形成されている。なお、ＬＥＤ点灯装置１は、直流電源を入力するものであってもよく、整流回路２は、直流電源を整流するものであってもよい。

そして、本実施形態の電力変換回路３は、力率改善回路７および電力調整回路８に形成されている。制御部４による力率改善回路７および電力調整回路８の制御により、電力変換回路３から所定の直流電圧が出力される。電力変換回路３の出力端子３ｃ，３ｄは、ＬＥＤ点灯装置１の出力端子であり、ＬＥＤモジュール９に接続されている。出力端子３ｃ，３ｄは、リード線１０ａ，１０ｂによりＬＥＤモジュール９の入力端子９ａ，９ｂに電気接続されている。電力変換回路３から出力された所定の直流電圧は、入力端子９ａ，９ｂに入力される。

ＬＥＤモジュール９は、光源モジュールや発光モジュールとも称されており、不図示の基板に光源である複数個のＬＥＤ１１が実装されている。複数個のＬＥＤ１１は、直列接続されて入力端子９ａ，９ｂに電気接続されている。入力端子９ａは、ＬＥＤ１１の高電位側（アノード側）に接続され、入力端子９ｂは、ＬＥＤ１１の低電位側（カソード側）に接続されている。

ＬＥＤモジュール９は、入力端子９ａ，９ｂに直流電圧が入力すると、ＬＥＤ１１に直流電流が入力端子９ａ側から入力端子９ｂ側に流れる。ＬＥＤ１１は、点灯（発光）し、例えば白色光を放射する。このとき、入力端子９ａ，９ｂ間には、直列接続された複数個のＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆが発生する。なお、ＬＥＤモジュール９は、複数個のＬＥＤ１１が複数列に設けられてもよく、直並列接続されて設けられてもよく、また、１個のＬＥＤ１１を設けるものであってもよい。

ＬＥＤ点灯装置１において、整流回路２は、その入力端子２ａ，２ｂがフィルタ回路１２を介して商用交流電源Ｖｓに電気的に接続されており、入力した交流電源を整流し、出力端子２ｃ，２ｄから整流電圧（直流電圧）を出力する。整流回路２は、例えば４個の整流素子を組み合わせたダイオードブリッジの全波整流器である。なお、整流回路２は、半波整流器などでもよい。また、整流電圧は、全波整流された脈流でもよいし、半波整流された脈流でもよい。

フィルタ回路１２は、例えば商用交流電源Ｖｓから供給される交流電圧（交流電力）に含まれるノイズを抑制するとともに、ＬＥＤ点灯装置１でのスイッチング動作によって発生するノイズが商用交流電源Ｖｓ側に流出するのを防止する。

そして、整流回路２の入力端子２ａ，２ｂ間に第１のバリスタ５が接続され、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間に第２のバリスタ６が接続されている。第１のバリスタ５は、そのバリスタ電圧（動作電圧）が商用交流電源Ｖｓの交流電圧の電圧変動±１０％の最大値（ピーク値）よりも大きくなるように設定されている。本実施形態では、交流電圧（実効値）の１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖに対して、第１のバリスタ５のバリスタ電圧は、例えば２２０Ｖ、４７０Ｖ、４７０Ｖとなっている。

また、第２のバリスタ６は、そのバリスタ電圧（動作電圧）が直列接続された複数個のＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆと整流回路２の出力電圧（最大値）との合計電圧以上となるように設定されている。また、第２のバリスタ６のバリスタ電圧は、第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍を上回るとともに２．５倍以下であるように設定されている。ここで、整流回路２の出力電圧（最大値）は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧の電圧変動±１０％の最大値と同等である。本実施形態では、ＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆが例えば３００Ｖ（最大値）とすると、第２のバリスタ６のバリスタ電圧は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧（実効値）の１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖに対して、例えば４７０Ｖ、６２０Ｖ、６８０Ｖとなっている。

第１および第２のバリスタ５，６は、それらの両端間に印加する電圧が所定値になると、導通して電流が大きく流れるようになり、所定値より印加電圧が大きくなるにしたがい流れる電流値が大きくなる。本実施形態において、バリスタ電圧は、導通して電流が大きく流れる開始時点の印加電圧（前記所定値）を意味する。

第１のバリスタ５は、整流回路２の入力端子２ａ，２ｂ間の瞬時値電圧がバリスタ電圧以上になると導通する。これにより、整流回路２の入力端子２ａ，２ｂ間には、第１のバリスタ５のバリスタ電圧以上の瞬時電圧が入力されにくくなっている。また、第２のバリスタ６は、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間の瞬時値電圧がバリスタ電圧以上になると導通する。これにより、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間の電圧（瞬時値）が第２のバリスタ６のバリスタ電圧以下に抑制される。

そして、整流回路２の出力電圧（整流電圧）は、電力変換回路３の入力端子３ａ，３ｂを介して力率改善回路７に入力される。力率改善回路７は、電源周波数の整数倍の高調波の発生を抑制した一定電圧を出力するように形成され、本実施形態では、昇圧チョッパ回路に形成されている。すなわち、力率改善回路７は、整流回路２から出力された整流電圧（脈流電圧）を入力するインダクタＬ１および電界効果トランジスタＱ１の直列回路と、電界効果トランジスタＱ１に並列接続されたダイオードＤ１および平滑用コンデンサＣ１の直列回路を有してなる。

電界効果トランジスタＱ１は、制御部４によりスイッチング動作が制御される。制御部４は、整流回路２から出力された整流電圧（脈流電圧）を正弦波の半波波形に近づけるように電界効果トランジスタＱ１のスイッチング動作を制御することにより力率を改善する。そして、整流電圧は、ダイオードＤ１および平滑用コンデンサＣ１によって整流平滑される。平滑用コンデンサＣ１の両端間に一定の直流電圧が発生する。平滑用コンデンサＣ１は、直流電源となり、直流電圧（直流電力）を電圧調整回路８に入力する。

電流調整回路８は、本実施形態では、降圧チョッパ回路に形成されている。すなわち、電流調整回路８は、電界効果トランジスタＱ２およびダイオードＤ２の直列回路と、ダイオードＤ２の両端間に接続されたインダクタＬ２、コンデンサＣ２および抵抗Ｒ１の直列回路とを有してなり、電界効果トランジスタＱ２およびダイオードＤ２の直列回路の両端間に力率改善回路７から直流電圧（直流電力）が入力される。

電界効果トランジスタＱ２の制御端子（ゲート）は、制御部４に設けられた駆動回路１３に接続されている。駆動回路１３は、制御部４の制御により駆動電圧の出力し、駆動電圧の出力を停止するように形成されている。この駆動電圧の出力および停止により、電界効果トランジスタＱ２は、スイッチング制御される。電界効果トランジスタＱ２は、コンデンサＣ２の両端間に所定の直流電圧が発生するようにスイッチング制御される。

コンデンサＣ２は、その高電位側が電力変換回路３の出力端子３ｃに接続され、その低電位側が出力端子３ｄに接続されている。電力変換回路３が変換（生成）した所定の直流電圧（直流電力）は、リード線１０ａ，１０ｂを介してＬＥＤモジュール９の入力端子９ａ，９ｂに入力される。これにより、ＬＥＤ１１に所定の直流電流が流れて、ＬＥＤ１１が点灯する。

電力変換回路３の抵抗Ｒ１は、ＬＥＤ１１に流れる直流電流を電圧降下によって検出する。すなわち、ＬＥＤ１１に流れる直流電流は、抵抗Ｒ１によって検出電圧に変換される。この検出電圧は、制御部４に入力される。制御部４は、ＬＥＤ１１に所定の直流電流が流れるように、すなわち、コンデンサＣ２の両端間に所定の直流電圧が発生するように、駆動回路１３を介して電界効果トランジスタＱ２をスイッチング制御する。

また、電力変換回路３には、力率改善回路７の出力間に制御用電源回路１４が設けられている。制御用電源回路１４は、平滑用コンデンサＣ１に発生する直流電圧を制御部４の動作電圧に変換して制御部４に供給するように形成されている。制御部４は、制御用電源回路１４からの電力供給に応じて動作する。

制御部４は、不図示のマイコンや記憶部などを有して形成されている。本実施形態では、制御部４には、ＬＥＤ点灯装置１の製造時などにおいて、ＬＥＤ１１に流れる直流電流の検出値と比較する目標値が設定されており、この目標値を記憶部やプログラムなどに設けている。そして、制御部４は、電力変換回路８の抵抗Ｒ１が検出する検出電圧が目標値となるように駆動回路１３を介して電界効果トランジスタＱ２をスイッチング制御するように形成されている。

そして、制御部４には、調光回路１５が接続されている。調光回路１５は、例えば外部の調光器などから調光信号が入力される。調光回路１５は、入力した調光信号に基づいてＬＥＤ１１の調光レベルを示す調光制御信号を生成し、その調光制御信号を制御部４に入力する。調光制御信号は、例えば調光レベルに応じたデューティ比のＰＷＭ信号である。制御部４は、調光回路１５から入力した調光制御信号に基づいて、駆動回路１５を介して電力変換回路３の電界効果トランジスタＱ２を制御する。これにより、ＬＥＤモジュール９のＬＥＤ１１は、調光信号に応じた調光レベルで調光される。

図２は、本実施形態の照明装置２１を示す。なお、図２において、図１と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。照明装置２１は、天井面に直付けされるシーリングライトであり、図２（ｂ）に示すように、装置本体２２、ＬＥＤモジュール９およびＬＥＤ点灯装置１を有して構成されている。装置本体２２は、例えば冷間圧延鋼板によって、４辺に背丈の低い起立部２２ａを有する長方形の板状に形成されている。そして、装置本体２２は、図２（ａ）に示すように、短手方向中央部に長手方向に亘ってＶカバー２４を配設し、このＶカバー２４の両側に長手方向に亘って透光性カバー２５を配設している。

Ｖカバー２４は、薄鋼板により略Ｖ形の筒状に形成され、外表面２４ａが白色に形成されている。また、透光性カバー２５は、例えば透光性のポリカーボネート（ＰＣ）樹脂により略凹形の筒状に形成され、白色化されている。透光性カバー２５は、低い拡散性を有する。Ｖカバー２４の長手方向両端は、装置本体２２に起立して設けられた端板２６，２により塞がれ、透光性カバー２５の長手方向両端には、キャップ２７，２７が取り付けられている。端板２６は、薄鋼板により形成され、キャップ２７は、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂により形成されている。

ＬＥＤモジュール９は、図２（ｂ）に示すように、透光性カバー２５内において、装置本体２２に固定されている取付け板２８に不図示のねじにより取り付けられている。各透光性カバー２５内には、複数個例えば４個のＬＥＤモジュール９が設けられている。ＬＥＤモジュール９は、基板２９に複数個のＬＥＤ１１が２列に設けられ、列毎に直列接続されている。そして、ＬＥＤモジュール９は、不図示のリード線１０，１０ｂによりＬＥＤ点灯装置１に接続されている。

ＬＥＤ点灯装置１は、Ｖカバー２４内において、装置本体２２にねじにより着脱可能に取り付けられている。そして、ＬＥＤ点灯装置１は、不図示の入力線が外部の商用交流電源Ｖｓに接続されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。

照明装置２１は、商用交流電源Ｖｓが投入されると、ＬＥＤ点灯装置１が動作し、ＬＥＤ点灯装置１から所定の直流電流がＬＥＤモジュール９に供給される。ＬＥＤ１１は、点灯し、例えば白色光を放射する。白色光は、透光性カバー２５を透過して、床面側の空間を照明する。

そして、ＬＥＤ点灯装置１は、例えば落雷があると、電源ラインに雷サージが重畳する。整流回路２の入力端子２ａ，２ｂ間は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧例えばＡＣ１００Ｖにサージ電圧が重畳し、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間は、整流回路２の出力電圧（整流電圧）にサージ電圧が重畳する。

整流回路２の入力端子２ａ，２ｂ間に接続された第１のバリスタ５は、そのバリスタ電圧例えば２２０Ｖ以上のサージ電圧が印加されると導通する。、整流回路２には、第１のバリスタ５のバリスタ電圧を超えるサージ電圧が入力されなくなる。また、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間に接続された第２のバリスタ６は、そのバリスタ電圧例えば４７０Ｖ以上のサージ電圧が印加されると導通する。整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄおよび電力変換回路３の入力端子３ａ，３ｂには、第２のバリスタ６のバリスタ電圧を超えるサージ電圧が入力されなくなる。これにより、整流回路２および電力変換回路３等は、過度のサージ電圧が印加されなくなり、雷サージ等から保護される。

また、ＬＥＤ点灯装置１は、図１に示すように、電力変換回路３の出力端子３ｃ側が地絡することがある。すなわち、照明装置２１において、ＬＥＤ点灯装置１の交換など、装置本体２２にＬＥＤ点灯装置１を取り付けることがある。ＬＥＤ点灯装置１を取り付けた後、電力変換回路３の出力端子３ｃ，３ｄとＬＥＤモジュール９の入力端子９ａ，９ｂは、リード線１０ａ，１０ｂにより電気接続される。このとき、電力変換回路３の出力端子３ｃまたはＬＥＤモジュール９の入力端子９ａに金属細線などの外部導体が不本意に接触して保持されることがある。また、リード線１０ａの被覆を傷つかせて、リード線１０ａの基線（裸線）が露出することがある。装置本体２２は、接地されているので、外部導体やリード線１０ａの基線が装置本体２２に接触すると、電力変換回路３の出力端子３ｃ側が地絡する。すなわち、ＬＥＤ点灯装置１の高出力電位側が地絡する。

電力変換回路３の出力端子３ｃ側が地絡した状態で、ＬＥＤ点灯装置１に商用交流電源Ｖｓが投入されると、整流回路２の出力端子２ｃ，２ｄ間には、整流回路２の出力電圧とＬＥＤモジュール９の入力端子９ａ，９ｂ間の電圧、すなわち直列接続された複数個のＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆとの合計電圧が発生する。この合計電圧は、第２のバリスタ６に印加される。第２のバリスタ６は、当該合計電圧以上のバリスタ電圧を有するので、導通しない。すなわち、第２のバリスタ６は、電力変換回路３の出力端子３ｃ側が地絡しても導通しなく、焼損することがない。

仮に、第２のバリスタ６のバリスタ電圧が当該合計電圧を下回るものであると、第２のバリスタ６は、当該合計電圧の印加時に電流が流れる。電流は、バリスタ電圧と当該合計電圧との差分が大きいほど大電流となり、かつ、地絡し商用交流電源Ｖｓが投入している限り継続して流れる。これにより、第２のバリスタ６は、やがて焼損する。第２のバリスタ６は、地絡が取り除かれた後には、サージ電圧に対する保護機能を有しなくなる。ＬＥＤ点灯装置１は、サージ電圧に対する保護機能が第１のバリスタ５のみとなるので、使用不可となる。

そして、第２のバリスタ６は、そのバリスタ電圧が第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍を上回り２．５倍以下に設定されている。第１のバリスタ５は、整流回路２の入力側サージに対する保護を行うので、整流回路２への入力電圧よりも高いバリスタ電圧を有するものが使用される。第１のバリスタ５は、整流回路２の入力電圧に近いバリスタ電圧を有するものが好ましい。すなわち、バリスタ電圧は、商用交流電源Ｖｓの電圧変動±１０％の最大値（ピーク値）よりも幾分高いのが好ましい。本実施形態では、第1のバリスタ5は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧（実効値）１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖに対して、それぞれ２２０Ｖ、４７０Ｖ、４７０Ｖのバリスタ電圧を有する市販品が用いられる。

これに対し、第２のバリスタ６は、整流回路２の出力側サージに対する保護を行うとともに、ＬＥＤ点灯装置１の高出力電位側の地絡に対する第２のバリスタ６自身の保護を行う。第２のバリスタ６のバリスタ電圧は、ＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆと整流回路２の出力電圧の合計電圧以上であるが、当該合計電圧に近いほど好ましい。本実施形態では、第２のバリスタ６は、ＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆが３００Ｖとすると、商用交流電源Ｖｓの交流電圧（実効値）１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖに対して、それぞれ４７０Ｖ、６２０Ｖ、６８０Ｖのバリスタ電圧を有する市販品が用いられる。いずれの場合においても、第２のバリスタ６のバリスタ電圧は、第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍を上回り２．５倍以下となっている。

第２のバリスタ６のバリスタ電圧が第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍以下であると、第１のバリスタ５は、そのバリスタ電圧が高くなって、サージ電圧に対する保護機能が低下し、また、大型化やコスト高となる。また、第２のバリスタ６のバリスタ電圧が第１のバリスタ５のバリスタ電圧の２．５倍を上回ると、第２のバリスタ６は、第1のバリスタ5と同様に、そのバリスタ電圧が高くなって、サージ電圧に対する保護機能が低下するとともに、大型化やコスト高となる。第２のバリスタ６のバリスタ電圧が第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍を上回り２．５倍以下に設定されることにより、第1および第２のバリスタ６，６は、それぞれのサージ電圧に対する保護を好適に行うとともに、適合の市販品を使用可能となる。

本実施形態のＬＥＤ点灯装置１によれば、第２のバリスタ６は、ＬＥＤ１１の順方向電圧Ｖｆと整流回路２の出力電圧の合計電圧以上のバリスタ電圧を有するので、電力変換回路３の高出力電位側が地絡したときに、電流が流れなくて焼損を回避することができ、これにより、地絡を取り除くことにより、ＬＥＤ点灯装置１を継続して使用できるという効果を有する。

また、第２のバリスタ６のバリスタ電圧が第１のバリスタ５のバリスタ電圧の１．２１倍を上回るとともに２．５倍以下であることにより、第１および第２のバリスタ５，６は、それぞれ大型化やコスト高が抑制されて、それぞれのサージ電圧に対する保護を好適に行うことができるという効果を有する。

また、本実施形態の照明装置２１によれば、高出力電位側が地絡しても焼損しないＬＥＤ点灯装置１を具備するので、地絡を取り除くことにより、継続して使用することができるという効果を有する。

なお、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…ＬＥＤ点灯装置、 ２…整流回路、 ３…電力変換回路、 ５…第１のバリスタ、 ６…第２のバリスタ、 １１…ＬＥＤ、 ２１…照明装置、 ２２…装置本体

Claims (2)

1. 直流電源または交流電源を整流する整流回路と；
   この整流回路の出力電圧を所定の直流電圧に変換する電力変換回路と；
   前記整流回路の入力端子間に接続された第１のバリスタと；
   前記整流回路の出力端子間に接続され、前記電力変換回路の出力端子間に接続されるＬＥＤの順方向電圧と前記整流回路の出力電圧との合計電圧以上のバリスタ電圧を有する第２のバリスタと；
   を具備し、
   前記第２のバリスタのバリスタ電圧は、前記第１のバリスタのバリスタ電圧の１．２１倍を上回るとともに２．５倍以下であることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. ＬＥＤと；
   このＬＥＤを配設する装置本体と；
   前記ＬＥＤを点灯する請求項１記載のＬＥＤ点灯装置と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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