JP6853929B2

JP6853929B2 - Ｌｅｄ駆動電源装置

Info

Publication number: JP6853929B2
Application number: JP2016237280A
Authority: JP
Inventors: 雄三村井; 啓二佐藤; 拓杉木
Original assignee: 日本▲まき▼線工業株式会社
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP2018092851A

Description

本発明は、ＬＥＤの照明用電源として好適なＬＥＤ駆動電源装置に係り、特にＬＥＤの交流駆動点灯における高電圧時のＬＥＤ破損を防止する技術に関する。

従来の照明用電源としては、例えば特許文献１に開示された高周波点灯装置が知られている。この装置は、コアに一次巻線と二次巻線を巻き付けた電流トランスからなり、一次巻線が高周波電源に接続され、二次巻線が照明負荷に接続されている。そして、高周波電源から供給された入力電圧を電流トランスで変換し、照明負荷に定格の電流を供給することによって照明負荷が点灯するように構成されている。

特開平６−３２５８７９号公報

しかしながら、特許文献１の高周波点灯装置のような従来の照明用電源によると、以下のような問題があった。

（１）電源から供給される入力電圧が変化すると、電流トランスから供給される出力電流も変化してしまう。
（２）照明負荷の抵抗が変化すると、照明負荷に流れる電流も変化してしまう。
（３）入力電圧が一定のとき、出力電圧や電流を制御することができない（小さな電力で大きな電力を制御することができない）。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、入力電圧や負荷抵抗が変化しても出力電流を一定に保つことができ、特に高電圧時にＬＥＤ回路への過電流を阻止し、ＬＥＤの破損を防止することができるＬＥＤ駆動電源装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、交流電源からの電力を磁束制御トランスで変換してＬＥＤ回路に供給するＬＥＤ駆動電源装置であって、前記磁束制御トランスは、磁性体からなる第一のコア及び第二のコアと、前記第一のコア及び前記第二のコアの一次側に共通して巻き付けられた巻線からなり、前記交流電源に接続される入力巻線と、前記第一のコアの二次側に巻き付けられた巻線からなり、前記ＬＥＤ回路に接続される出力巻線と、前記第二のコアの二次側に巻き付けられた巻線からなり、前記ＬＥＤ回路に流れる電流を制御する電流制御回路に接続される制御巻線と、前記第一のコア及び前記第二のコアの一次側に共通して巻き付けられた巻線からなり、前記電流制御回路に電力を供給する電源巻線と、を備えて構成されており、前記入力巻線に印加される入力電圧が基準値以上の場合に、前記電流制御回路が動作して、前記制御巻線に印加される制御電圧の基準値以上の尖頭値部分をカットすることにより、前記出力巻線に印加される出力電圧の尖頭値部分がフラットになり、前記ＬＥＤ回路へと流れる過電流が防止されることを特徴とする。

また、本発明において、前記交流電源が三相交流電源であって、前記磁束制御トランスとしてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三つの磁束制御トランスを備え、前記Ｕ相の入力巻線、前記Ｖ相の入力巻線、及び前記Ｗ相の入力巻線がそれぞれ、前記三相交流電源のＵ−Ｖ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間、及びＷ−Ｕ入力端子間に接続され、前記Ｕ相の出力巻線、前記Ｖ相の出力巻線、及び前記Ｗ相の出力巻線がそれぞれ、前記ＬＥＤ回路に接続されるＵ−Ｖ出力端子間、Ｖ−Ｗ出力端子間、及びＷ−Ｕ出力端子間に接続され、前記Ｕ相の制御巻線、前記Ｖ相の制御巻線、及び前記Ｗ相の制御巻線がそれぞれ、前記電流制御回路に接続されるＵ−Ｖ制御端子間、Ｖ−Ｗ制御端子間、及びＷ−Ｕ制御端子間に接続され、前記Ｗ相の磁束制御トランスに設けられた電源巻線が前記電流制御回路に接続されるように構成することもできる。

本発明のＬＥＤ駆動電源装置によれば、以下のような効果が得られる。

（１）交流電源から供給される入力電圧が変化しても、ＬＥＤ駆動電源装置から供給される出力電流が変化しない。
（２）負荷抵抗が変化しても、負荷に流れる電流が変化しない。
（３）負荷電流よりも小さな制御電流をコントロールすることにより、小さな電力で大きな電力を制御することができる。

本発明のＬＥＤ駆動電源装置を単相交流電源に適用した例を示す図。本発明のＬＥＤ駆動電源装置における電流制御回路の一例を示す図。本発明のＬＥＤ駆動電源装置を三相交流電源に適用した例を示す図。本発明のＬＥＤ駆動電源装置における入力電圧と電流値の関係を示す図。本発明のＬＥＤ駆動電源装置における単相交流電源での動作電圧（電流）を示す図。本発明のＬＥＤ駆動電源装置における三相交流電源での動作電圧（電流）を示す図。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明のＬＥＤ駆動電源装置１は、交流電源２（本実施形態では単相交流電源２ａ）から入力された電力によりＬＥＤ回路３を駆動する電源装置であって、本実施形態ではトロイダル型トランスを採用した磁束制御トランス４で入力電圧を変換し、ＬＥＤ回路３に供給するように構成されている。この磁束制御トランス４は、リング状の磁性体（鉄芯）からなる第一のコア５と、同じくリング状の磁性体（鉄芯）からなる第二のコア６の二つのコアを備えて構成されている。なお、図の例ではリング状のコアからなるトロイダル型トランスを採用したが、これに代えて、Ｅ型コアとＩ型コアからなるＥＩ型トランスを採用しても良い。

第一のコア５は出力（Ｍａｉｎ）用のコアであり、第二のコア６は制御（Ｓｕｂ）用のコアである。この二つのコア５，６には、両者の一次側に共通して銅線をＮ回巻き付けた巻線（以下これを「入力巻線」という）７が設けられている。この入力巻線７は入力端子８を介して単相交流電源２ａに接続される。なお、図の例では第一のコア５は一つしか設けられていないが、出力（Ｍａｉｎ）用のコアは二つ以上設けられていても良い。

第一のコア５の二次側には、銅線をＮ_１回巻き付けた巻線（以下これを「出力巻線」という）９が設けられている。この出力巻線９は単相整流回路１０に接続された出力端子１１を介してＬＥＤ回路３に接続される。なお、本実施形態のＬＥＤ回路３は、複数個のＬＥＤを直列に接続してなるＬＥＤ照明機器である。

これに対し、第二のコア６の二次側には、銅線をＮ_２回巻き付けた巻線（以下これを「制御巻線」という）１２が設けられている。この制御巻線１２は単相整流回路１３に接続された制御端子１４を介して電流制御回路１５に接続されている。なお、本実施形態の電流制御回路１５は、ＬＥＤ回路３に接続されており、ＬＥＤに流れる電流を一定に制御する定電流回路である。この定電流回路は、図２に一例を示すように、バイアス抵抗（Ｒ１）、ＦＥＴ（Ｑ１）、トランジスタ（Ｑ２）、電流制限抵抗（Ｒ２）からなる電流値制限回路を採用することができる。

さらに、第一のコア５と第二のコア６には、両者の一次側に共通して銅線を巻き付けた巻線（以下これを「電源巻線」という）１６が入力巻線７とは別に設けられている。この電源巻線１６は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１７を介して電流制御回路１５に接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換回路１７にて交流から直流に変換された電力を電流制御回路１５に供給し、電流制御回路１５を駆動する電源生成トランス部として機能する。なお、第一のコア５と第二のコア６は異なる材料で構成されていても良い。また、第二のコア６について、ギャップを設けたり、透磁率が高い材質にすることにより、飽和磁束密度等の特性を変えることができる。

ここで、上述した実施形態では本発明のＬＥＤ駆動電源装置１を単相交流電源２ａに適用した例について説明したが、これに代えて、図３に示すような三相交流電源２ｂに適用することもできる。この例は並列方式を採用したＬＥＤ駆動電源装置１であって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三つの磁束制御トランス４ａ，４ｂ，４ｃを備えて構成されている。

三つの磁束制御トランス４ａ，４ｂ，４ｃのうち、Ｕ相の入力巻線７ａはＵ−Ｖ入力端子８ａ，８ｂ間に接続され、Ｖ相の入力巻線７ｂはＶ−Ｗ入力端子８ｂ，８ｃ間に接続され、Ｗ相の入力巻線７ｃはＷ−Ｕ入力端子８ｃ，８ａ間に接続される。Ｕ相の出力巻線９ａはＵ−Ｖ出力端子１１ａ，１１ｂ間に接続され、Ｖ相の出力巻線９ｂはＶ−Ｗ出力端子１１ｂ，１１ｃ間に接続され、Ｗ相の出力巻線９ｃはＷ−Ｕ出力端子１１ｃ，１１ａ間に接続されており、これらの出力端子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは三相整流回路１８を介してＬＥＤ回路３に接続されている。Ｕ相の制御巻線１２ａはＵ−Ｖ制御端子１４ａ，１４ｂ間に接続され、Ｖ相の制御巻線１２ｂはＶ−Ｗ制御端子１４ｂ，１４ｃ間に接続され、Ｗ相の制御巻線１２ｃはＷ−Ｕ制御端子１４ｃ，１４ａ間に接続されており、これらの制御端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃは三相整流回路１９を介して電流制御回路１５に接続されている。

また、Ｗ相の磁束制御トランス４ｃには電源巻線１６が設けられている。この電源巻線１６は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１７を介して電流制御回路１５に接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換回路１７にて交流から直流に変換された電力を電流制御回路１５に供給する。なお、その他の構成については上述した実施形態と同様であるので、同一部品には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本発明のＬＥＤ駆動電源装置１によれば、Ｓｕｂの第二のコア６に電流制御回路１５を設けたことにより、入力電圧Ｖが上昇しても規定値以上に制御電流Ｉ_２が上昇しない。このため、Ｍａｉｎに反映される出力電圧Ｖ_１の上昇が抑えられ、ＬＥＤ回路３を流れる出力電流Ｉ_１も制限されるのでＬＥＤの破損を防止することができる。以下この動作について図面を参照しながら説明する。

図４において、横軸に入力電圧Ｖを示し、縦軸に電流値を示す。入力電圧Ｖが小さいときには、Ｓｕｂの電流制御回路１５は動作していない（不動作領域）。このため、入力電圧Ｖの上昇に伴ってＳｕｂの制御電圧Ｖ_２と制御電流Ｉ_２、及びＭａｉｎの出力電圧Ｖ_１と出力電流Ｉ_１も上昇し、ＬＥＤ回路３のＬＥＤが点灯する。ここで、入力電圧Ｖが更に上昇して大きくなると、Ｓｕｂの電流制御回路１５が動作し、Ｓｕｂの制御電圧Ｖ_２が規定値になって上昇が停止し、制御電流Ｉ_２が設定された電流値で一定になる（定電流動作領域）。これにより、Ｍａｉｎの出力電圧Ｖ_１が規定値になって上昇が停止し、出力電流Ｉ_１も一定になる。よって、ＬＥＤ回路３に過電流が流れないため、ＬＥＤの破損を防止することができる。

また、本発明のＬＥＤ駆動電源装置１について、図５には単相交流電源２ａでの動作電圧（電流）を示し、図６には三相交流電源２ｂでの動作電圧（電流）を示す。両図ともに全波整流後の波形を示している。

図５（ａ）に示すように、入力電圧Ｖが電流制御回路１５で設定した基準値以上の場合には、電流制御回路１５が動作し、Ｓｕｂの制御電圧Ｖ_２（制御電流Ｉ_２）は基準値以上の尖頭値部分がカットされてフラットになる。そして、これに伴ってＭａｉｎの出力電圧Ｖ_１（出力電流Ｉ_１）も同様に尖頭値部分がフラットになるため、ＬＥＤ回路３へと流れる過電流が防止される。

また、図５（ｂ）に示すように、入力電圧Ｖが基準値の場合には、電流制御回路１５は動作寸前であるが動作していない。このため、Ｓｕｂの制御電圧Ｖ_２（制御電流Ｉ_２）とＭａｉｎの出力電圧Ｖ_１（出力電流Ｉ_１）は尖頭値のフラット部分がなくなり、Ｍａｉｎの単相整流回路１０で全波整流された電圧（電流）がＬＥＤ回路３へと印加される。なお、図５（ｃ）に示すように、入力電圧Ｖが基準値以下の場合には、電流制御回路１５が動作していないため、図５（ｂ）の場合と同様となる。

図６は三相交流電源２ｂの場合において、入力電圧Ｖが電流制御回路１５の基準値のときの動作電圧を示したものである。図に示すように、入力電圧Ｖが基準値の場合には、電流制御回路１５は動作していないため、Ｍａｉｎの三相整流回路１８で全波整流された電圧（電流）がＬＥＤ回路３へと印加される。なお、入力電圧Ｖが基準値以上、基準値以下の場合の動作は、図５に示した単相交流電源２ａの場合と同様である。

以上説明したとおり、本発明のＬＥＤ駆動電源装置１によれば、磁束制御トランス４のＳｕｂ側に電流制御回路１５を設けたことにより、入力電圧が高いときにはＭａｉｎ側に出力される駆動電圧（電流）が制限されるため、ＬＥＤ回路３に過電流が流れず、ＬＥＤの破損を防止することができる。また、電流制御回路１５を駆動する電源生成トランス部として、電源巻線１６を磁束制御トランス４に一体化したことにより、別電源を設けなくて済むため、装置全体の小型化を実現することができる。さらには、電流制御回路１５の電圧をＬＥＤの標準（推奨）値に設定することにより、エネルギーロスがないシステムを構築することができる。

なお、本発明によれば、海外の電力インフラの不備な国や地域、あるいは漁船に搭載された船舶発電機のように、電源変動の大きなＬＥＤ照明機器における電源として好適に利用することができる。例えば船舶発電機の場合、表記より高めでの発電電圧があるので、Ｓｕｂの電流制御回路１５の規定電流を小さく設定すれば、ＬＥＤの過電流破損を防ぐことができる。しかし、駆動電流が少ないため、ＬＥＤ照明機器の明るさが減少する。そこで、ＬＥＤの過電流破損と明るさの効率を考慮し、ＬＥＤの特性の定格値付近より計算される、電流制御回路１５の規定値を設定するのが最適である。

１：ＬＥＤ駆動電源装置
２：交流電源
２ａ：単相交流電源
２ｂ：三相交流電源
３：ＬＥＤ回路
４：磁束制御トランス
４ａ：Ｕ相の磁束制御トランス
４ｂ：Ｖ相の磁束制御トランス
４ｃ：Ｗ相の磁束制御トランス
５：第一のコア
６：第二のコア
７：入力巻線
７ａ：Ｕ相の入力巻線
７ｂ：Ｖ相の入力巻線
７ｃ：Ｗ相の入力巻線
８：入力端子
８ａ：Ｕ相の入力端子
８ｂ：Ｖ相の入力端子
８ｃ：Ｗ相の入力端子
９：出力巻線
９ａ：Ｕ相の出力巻線
９ｂ：Ｖ相の出力巻線
９ｃ：Ｗ相の出力巻線
１０：単相整流回路
１１：出力端子
１１ａ：Ｕ相の出力端子
１１ｂ：Ｖ相の出力端子
１１ｃ：Ｗ相の出力端子
１２：制御巻線
１２ａ：Ｕ相の制御巻線
１２ｂ：Ｖ相の制御巻線
１２ｃ：Ｗ相の制御巻線
１３：単相整流回路
１４：制御端子
１４ａ：Ｕ相の制御端子
１４ｂ：Ｖ相の制御端子
１４ｃ：Ｗ相の制御端子
１５：電流制御回路
１６：電源巻線
１７：ＡＣ−ＤＣ変換回路
１８：三相整流回路
１９：三相整流回路

Claims

交流電源からの電力を磁束制御トランスで変換してＬＥＤ回路に供給するＬＥＤ駆動電源装置であって、
前記磁束制御トランスは、磁性体からなる第一のコア及び第二のコアと、
前記第一のコア及び前記第二のコアの一次側に共通して巻き付けられた巻線からなり、前記交流電源に接続される入力巻線と、
前記第一のコアの二次側に巻き付けられた巻線からなり、前記ＬＥＤ回路に接続される出力巻線と、
前記第二のコアの二次側に巻き付けられた巻線からなり、前記ＬＥＤ回路に流れる電流を制御する電流制御回路に接続される制御巻線と、
前記第一のコア及び前記第二のコアの一次側に共通して巻き付けられた巻線からなり、前記電流制御回路に電力を供給する電源巻線と、を備えて構成されており、
前記入力巻線に印加される入力電圧が基準値以上の場合に、前記電流制御回路が動作して、前記制御巻線に印加される制御電圧の基準値以上の尖頭値部分をカットすることにより、前記出力巻線に印加される出力電圧の尖頭値部分がフラットになり、前記ＬＥＤ回路へと流れる過電流が防止されることを特徴とするＬＥＤ駆動電源装置。
請求項１に記載のＬＥＤ駆動電源装置において、
前記交流電源が三相交流電源であって、
前記磁束制御トランスとしてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三つの磁束制御トランスを備え、
前記Ｕ相の入力巻線、前記Ｖ相の入力巻線、及び前記Ｗ相の入力巻線がそれぞれ、前記三相交流電源のＵ−Ｖ入力端子間、Ｖ−Ｗ入力端子間、及びＷ−Ｕ入力端子間に接続され、
前記Ｕ相の出力巻線、前記Ｖ相の出力巻線、及び前記Ｗ相の出力巻線がそれぞれ、前記ＬＥＤ回路に接続されるＵ−Ｖ出力端子間、Ｖ−Ｗ出力端子間、及びＷ−Ｕ出力端子間に接続され、
前記Ｕ相の制御巻線、前記Ｖ相の制御巻線、及び前記Ｗ相の制御巻線がそれぞれ、前記電流制御回路に接続されるＵ−Ｖ制御端子間、Ｖ−Ｗ制御端子間、及びＷ−Ｕ制御端子間に接続され、
前記Ｗ相の磁束制御トランスに設けられた電源巻線が前記電流制御回路に接続されることを特徴とするＬＥＤ駆動電源装置。