JP2012049273A - 直流電源装置およびｌｅｄランプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを安定的に制御しつつ、点灯回路の回路効率を向上した直流電源装置を提供する。
【解決手段】電源部36からの電源電圧を昇圧する直流電源回路37を備える。直流電源回路37の出力電圧を降圧した直流電圧を負荷に供給する点灯回路38を備える。ＬＥＤ25の電圧と電流との少なくともいずれか一方に応じて点灯回路38を制御するとともに、ＬＥＤ25の電圧に対して出力電圧が予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路37を制御する制御回路39を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流電源回路の出力電圧を降圧した直流電圧を負荷に供給する負荷制御回路を有する直流電源装置およびこれを備えたＬＥＤランプシステムに関する。

一般に、例えば直管形、あるいは電球形などの蛍光ランプに代えて使用可能な光源として、低消費電力でかつ長寿命なＬＥＤを用いたランプ装置が提案されている。このようなランプ装置は、直流電源回路と、この直流電源回路から出力された直流電源によりＬＥＤを点灯させる点灯回路とを有している。そして、このランプ装置は、接続されるＬＥＤの電圧あるいは電流を検出して点灯回路をフィードバック制御することによりＬＥＤを安定的に点灯制御する。その際、直流電源回路は、出力電圧が一定値、あるいはＬＥＤの電圧に拘らず可変させる。

特開２０１０−１１０１５７号公報

ＬＥＤを負荷として用いる場合、点灯回路は降圧チョッパ回路とすることが多い。そして、このような降圧チョッパ回路を点灯回路として用いる場合の点灯回路の回路効率を向上することが望まれている。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、負荷を安定的に制御しつつ、負荷制御回路の回路効率を向上した直流電源装置およびこれを備えたＬＥＤランプシステムを提供することを目的とする。

実施形態の直流電源装置は、電源電圧を昇圧する直流電源回路を備える。また、直流電源装置は、この直流電源回路の出力電圧を降圧した直流電圧を負荷に供給する負荷制御回路を備える。さらに、直流電源装置は、負荷の電圧と電流との少なくともいずれか一方に応じて負荷制御回路を制御するとともに、負荷の電圧に対して出力電圧が予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路を制御する制御回路を備える。

本発明によれば、負荷の電圧と電流との少なくともいずれか一方に応じて負荷制御回路を制御するとともに、負荷の電圧に対して出力電圧が予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路を制御することにより、負荷を安定的に制御しつつ、負荷制御回路の入出力電圧差を抑制して負荷制御回路の回路効率を向上できる。

一実施形態の直流電源装置を示す回路図である。 同上ＬＥＤランプ用電源装置を備えたＬＥＤランプシステムの側面図である。

以下、一実施形態の構成を図１および図２を参照して説明する。

図２において、11はＬＥＤランプシステムを示し、このＬＥＤランプシステム11は、例えば、直管形蛍光ランプ１灯用相当のものであり、システム本体としての長尺な器具本体12、この器具本体12の両端に互いに対向して配設された一対（一方および他方）の光源取付手段としてのソケット13、これら一対のソケット13間に接続される直管形の光源すなわちランプとしての（直管状）ＬＥＤランプ14、および、器具本体12内に配置されてＬＥＤランプ14に電力を供給してＬＥＤランプ14を点灯させる点灯装置としての専用電源である直流電源装置15を備えている。

本実施形態のＬＥＤランプシステム11は、例えば、直管形蛍光ランプを使用する既設の照明器具の器具本体12をそのまま使用し、ＬＥＤランプ14および直流電源装置15を使用するＬＥＤランプシステム11としてリニューアルするものである。あるいは、ＬＥＤランプ14および直流電源装置15を使用するＬＥＤランプシステム11を新規に設置する場合でも、直管形蛍光ランプを使用する既存の照明器具構造の器具本体12およびＬＥＤランプシステム11専用のソケット13を流用し、ＬＥＤランプ14および直流電源装置15を使用するＬＥＤランプシステム11として設置するものである。

ソケット13は、器具本体12の本体部の両端に取り付けられている。一方のソケット13には、端子が内蔵されて直流電源装置15が接続されており、他方のソケット13は、ＬＥＤランプ14の保持のみに使用、または、ＬＥＤランプ14のアース接続を確保するために使用するなど、適宜構成することができる。

ＬＥＤランプ14は、例えば、透光性を有する円筒状で直管形の管体21、この管体21内に収容された発光モジュール（図示せず）、および、管体21の両端に設けられた取付部である接続部23を備えている。

管体21は、透光性および拡散性を有するガラスや樹脂材料によって、直管形蛍光ランプと略同じ管長および管径で直管形蛍光ランプと略同じ外観の長尺な円筒状に形成され、両端には接続部23が設けられている。

発光モジュールは、管体21の管軸方向に沿って細長い基板（図示せず）、および、この基板の長手方向に沿って実装された負荷としてのＬＥＤ25を備えている。この発光モジュールは、基板を平板状とし、その基板の一面にＬＥＤ25を実装して、主に管体21の所定の方向から光が放射されるようにしてもよいし、あるいは、基板を多角形の筒状とし、その基板の周面にＬＥＤ25を実装して、管体21の全周から光が放射されるようにしてもよい。ＬＥＤ25は、青色光を発光するＬＥＤチップが、青色光で励起されて黄色光を放出する蛍光体を含有した透明樹脂で封止されており、この透明樹脂の表面から白色系の光が放射される。なお、図１において、ＬＥＤ25は複数を直列に接続しているが、例えば１つのみでもよい。

さらに、図２に示す接続部23は、ソケット13に対して接続されるもので、例えば、絶縁性を有する合成樹脂材料によって、直管形蛍光ランプの口金と同様の形状に形成され、管体21の端部に被着して固定されている。また、この接続部23の端面には、直管形蛍光ランプのランプピンと同様の受電部としての一対のランプピン（図示せず）が突設されている。なお、接続部23は、一対のランプピンに限らず、１本のランプピンでもよく、あるいは他の構成でもよく、ソケット13に対して電気的接続や支持が可能であればどのような構成でも構わない。また、この接続部23は、例えばアダプタなどを介してソケット13に電気的および物理的に接続してもよい。

そして、ＬＥＤランプ14は、例えば既存の直管形蛍光ランプと外径および全光束が略同等なものである。

また、直流電源装置15は、商用交流電源ｅに接続された電源部36と、この電源部36に接続され直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路である直流電源回路37と、この直流電源回路37に電気的に接続された降圧チョッパ回路である負荷制御回路としての点灯回路38と、これら直流電源回路37および点灯回路38を制御する制御回路39とを有している。

電源部36は、ノイズフィルタ回路41と、このノイズフィルタ回路41に接続された整流平滑回路42とを備えている。

ノイズフィルタ回路41は、コンデンサC1、コモンモードチョークL1およびコンデンサC2によって構成されたラインフィルタである。このノイズフィルタ回路41は、直流電源回路37および点灯回路38などから発生する高周波ノイズを商用交流電源ｅ側へと出力させないためのものである。

また、整流平滑回路42は、ノイズフィルタ回路41の出力側に接続されたブリッジダイオードなどの全波整流素子RECと、この全波整流素子RECからの出力電力を平滑する平滑コンデンサC3とを備えている。

全波整流素子RECは、例えば整流素子である４つのダイオードD1〜D4によるブリッジ回路である。

また、直流電源回路37は、電源部36からの出力電圧を所望の電圧に変換する昇圧チョッパ回路すなわち力率改善（ＰＦＣ）回路であり、交流正弦波または交流矩形波の交流電力を直流変換してソケット13を通じてＬＥＤランプ14のランプピンに供給する。なお、直流電源回路37は、例えば商用交流電源からの交流電力を交流電力として出力する蛍光ランプ用の点灯装置などの交流電源の出力側に接続してもよい。

この直流電源回路37は、整流平滑回路42の出力側に、点灯回路38との間に昇圧用のトランスであるチョッパチョークL2と逆阻止用のダイオードD5との直列回路が電気的に接続されているとともに、チョッパチョークL2とダイオードD5のアノードとの接続点に（第１）スイッチング素子としてのチョッピング用スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴQ1が電気的に並列に接続され、出力側であるダイオードD5のカソード側に、平滑コンデンサである電解コンデンサC4，C5の直列回路が電気的に接続されている。

チョッパチョークL2は、一次巻線が全波整流素子RECの出力側とダイオードD5のアノードとの間に電気的に接続されているとともに、図示しない二次巻線の一端側がグランド電位に電気的に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴQ1は、ドレイン端子がチョッパチョークL2とダイオードD5のアノードとの接続点に電気的に接続されているとともに、出力側であるソース端子がグランド電位に電気的に接続され、かつ、制御端子であるゲート端子が制御回路39に電気的に接続されている。

また、点灯回路38は、直流電源回路37の両端間に電気的に接続された（第２）スイッチング素子としての点灯用スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴQ2とダイオードD6との直列回路と、これらＭＯＳＦＥＴQ2とダイオードD6との接続点に電気的に接続されたインダクタL3と、このインダクタL3に電気的に接続され出力電流を平滑する平滑コンデンサC6とを備えており、例えば１４１Ｖ〜４１５Ｖ程度の直流電源回路37の出力電圧を、４５Ｖ〜１００Ｖ程度に降圧させて所定の定電流を出力する降圧チョッパ回路、すなわちダイオード整流式の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである。そして、ＭＯＳＦＥＴQ2とダイオードD6とは、直流電源回路37とともに、昇降圧型の直流電源部を構成し、インダクタL3と平滑コンデンサC6とは、ＬＥＤ25の点灯用の主回路を構成している。

ＭＯＳＦＥＴQ2の制御端子であるゲート端子は、ドライブ素子であるスイッチング制御手段（ハイサイドドライバ）45に電気的に接続され、このスイッチング制御手段45からの信号によってＭＯＳＦＥＴQ2が高速でオンオフされるように構成されている。このスイッチング制御手段45は、制御回路39に電気的に接続されている。

また、ダイオードD6は、アノードが接地され、カソードがＭＯＳＦＥＴQ2に電気的に接続されている。すなわち、このダイオードD6は、ＭＯＳＦＥＴQ2がオフの状態のときに、インダクタL3と、平滑コンデンサC6およびＬＥＤ25とにより閉回路を形成するように構成されている。

また、制御回路39は、例えばマイコンなどであり、直流電源回路37の入力電圧Ｖin、直流電源回路37の出力電圧Ｖout、および、ＬＥＤ25の電圧Ｖ（および電流Ｉ）を検出可能となっており、この電圧Ｖ（および／または電流Ｉ）に基づき点灯回路38をフィードバック制御するとともに、電圧Ｖに基づき直流電源回路37を制御するように構成されている。具体的に、制御回路39は、ＬＥＤ25の電圧Ｖに応じてスイッチング制御手段45による点灯回路38のＭＯＳＦＥＴQ2のスイッチング周波数を制御するとともに、この電圧Ｖに対して直流電源回路37の出力電圧Ｖoutが予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1のスイッチング周波数を制御する。

なお、ＬＥＤ25の電圧Ｖとは、本実施形態では互いに直列に接続されたＬＥＤ25全体の電圧をいうものとする。換言すれば、ＬＥＤ25の電圧Ｖは、点灯回路38から出力される直流電圧に等しい。したがって、電圧Ｖは、ＬＥＤ25が１つのみである場合にはその１つのＬＥＤ25の電圧となる。

次に、一実施形態のＬＥＤランプシステム11の動作を説明する。

ＬＥＤランプシステム11を起動させると、制御回路39が起動し、この制御回路39が所定のスイッチング周波数で直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1をスイッチング動作させることにより、ノイズフィルタ回路41によりノイズが除去され整流平滑回路42によって整流平滑された電源部36からの出力電圧が直流電源回路37で昇圧され、電解コンデンサC4，C5により平滑された直流電圧である出力電圧Ｖoutが出力され、この出力電圧Ｖoutが点灯回路38へと入力される。直流電源回路37では、同時に力率も改善される。なお、直流電源回路37は、入力電圧Ｖinが大きい（小さい）ほど出力電圧Ｖoutが大きく（小さく）なる（出力電圧Ｖoutが連続的に大きく（小さく）なる）、または、入力電圧Ｖinが予め設定された所定の上限閾値（この上限閾値は互いに異なる複数設定してもよい）を上回る（下回る）場合に出力電圧Ｖoutが大きくなる（出力電圧Ｖoutが段階的に大きく（小さく）なる）。

次いで、点灯回路38では、制御回路39により生成された周波数信号によってスイッチング制御手段45が駆動されることにより、ＭＯＳＦＥＴQ2が所定のスイッチング周波数でオンオフ動作され、さらに、平滑コンデンサC6により平滑されて、入力された直流電圧（出力電圧Ｖout）が降圧された直流電圧（電圧Ｖ）に変換され、この直流電圧が供給されたＬＥＤ25が点灯する。

そして、制御回路39では、検出したＬＥＤ25の電圧Ｖ（および／または電流Ｉ）に基づき、スイッチング制御手段45へと供給される周波数信号を生成することにより、点灯回路38の出力電流が一定となるようにフィードバック制御がなされる。したがって、ＬＥＤ25が定電流で安定的に点灯される。

また、制御回路39では、検出したＬＥＤ25の電圧Ｖに対して直流電源回路37の出力電圧Ｖoutが予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1のスイッチング周波数を制御する。例えばＬＥＤ25の電圧Ｖが相対的に小さい（大きい）ときには、制御回路39が直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1のスイッチング周波数を相対的に低下（増加）させて、直流電源回路37の出力電圧Ｖoutを相対的に低下（増加）させる。

このように、ＬＥＤ25の電圧Ｖと電流Ｉとの少なくともいずれか一方に応じて点灯回路38を制御するとともに、ＬＥＤ25の電圧Ｖに対して出力電圧Ｖoutが予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路37を制御することにより、電圧Ｖの変化に対して直流電源回路37の出力電圧Ｖoutを連続的に対応させることができ、ＬＥＤ25を安定的に点灯制御しつつ、点灯回路38の入出力電圧差（出力電圧Ｖoutと電圧Ｖとの差）を抑制して点灯回路38の回路効率を向上できる。

そして、ＬＥＤ25を安定的に点灯制御しつつ、点灯回路38の回路効率を向上した直流電源装置15を備えることにより、ＬＥＤランプシステム11の信頼性を向上できる。

なお、上記一実施形態において、制御回路39は、ＬＥＤ25の電圧Ｖと予め設定された所定の閾値Ｖthとの大小関係に応じて、直流電源回路37の出力電圧Ｖoutを増減させるように直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1のスイッチング周波数を制御してもよい。すなわち、制御回路39は、電圧Ｖが所定の閾値Ｖth未満（以上）であるときに、直流電源回路37のＭＯＳＦＥＴQ1のスイッチング周波数を低下（増加）させて、直流電源回路37の出力電圧Ｖoutを低下（増加）させるようにするなど、電圧Ｖに応じて直流電源回路37の出力電圧Ｖoutを段階的に変化させてもよい。ここで、所定の閾値Ｖthは、互いに異なる複数設定してもよい。この場合には、ＬＥＤ25を安定的に点灯制御しつつ、点灯回路38の入出力電圧差（出力電圧Ｖoutと電圧Ｖとの差）を抑制して点灯回路38の回路効率を向上できるとともに、制御回路39による直流電源回路37の制御を、より簡略化できる。

また、制御回路39は、例えば図示しない調光制御回路からの調光信号に応じて、点灯回路38から出力される定電流値を可変させるように構成してもよい。

また、ＬＥＤランプ14は、直管形でなくてもよく、例えば円環形、あるいは電球形などであっても対応できる。

さらに、一対のソケット13を複数組以上用いた複数灯形の照明器具でもよい。また、天井直付け形照明器具に限らず、埋込形照明器具などでもよい。

また、ソケット13からＬＥＤランプ14への電力供給は、例えば一対のソケット13の両方から行ってもよいし、一方のみから行ってもよい。一方のソケット13のみから電力供給する場合には、他方のソケット13側ではＬＥＤランプ14の端部を支持するのみでもよく、あるいは、他方のソケット13から例えば調光信号をＬＥＤランプ14に伝送し、ＬＥＤランプ14に内蔵された調光回路によってＬＥＤ25の点灯状態を調光するようにしてもよい。また、ソケット13を利用せず、器具本体12側に配置した非接触送電部からＬＥＤランプ14側に配置された非接触受電部に対して誘電結合などの方法により非接触で電力供給するようにしてもよい。さらに、ソケット13はＬＥＤランプ14の支持のみに使用し、ＬＥＤランプ14に対しては別の給電方法を用いてもよい。

さらに、負荷としてはＬＥＤ25に限らず、直流電圧により駆動する任意の負荷を用いることができる。

また、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、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。

11 ＬＥＤランプシステム
15 直流電源装置
25 負荷としてのＬＥＤ
37 直流電源回路
38 負荷制御回路としての点灯回路
39 制御回路

Claims (3)

1. 電源電圧を昇圧する直流電源回路と；
   この直流電源回路の出力電圧を降圧した直流電圧を負荷に供給する負荷制御回路と；
   負荷の電圧と電流との少なくともいずれか一方に応じて負荷制御回路を制御するとともに、負荷の電圧に対して出力電圧が予め設定された所定の一定割合となるように直流電源回路を制御する制御回路と；
   を具備していることを特徴とする直流電源装置。
2. 制御回路は、負荷の電圧と予め設定された所定の閾値との大小関係に応じて出力電圧を増減させるように直流電源回路を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
3. 請求項１または２記載の直流電源装置と；
   この直流電源装置の負荷制御回路からの直流電圧により点灯される負荷としてのＬＥＤと；
   を具備していることを特徴とするＬＥＤランプシステム。

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