JP6694408B2 - Ｌｅｄ電源装置及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

この発明は、ＬＥＤ負荷に電力を供給するためのＬＥＤ電源装置、及びこの電源装置が用いられたＬＥＤ照明装置に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いたＬＥＤ照明装置の電源装置として、出力電流を安定にするために、例えば特許文献１等のように、入力変動、負荷変動の影響を受けない制御方式のもの従来より知られている。

その一つとして、フィードバック制御方式の電源装置がある。このフィードバック制御方式の電源は、高周波スイッチングによる制御が基本であり、図４に基本構成を示すように、フィルタ部１０１、スイッチング部１０２、ＬＥＤ負荷１０３からなる出力部、制御部１０４等を有し、ＬＥＤ負荷１０３の電流を検出部１０５により検出し、ＬＥＤ負荷１０３の電流が一定になるようにスイッチング部１０２の周波数を制御部１０４により制御する。なお、図４に示す符号１０６は商用電源、１０７は整流部、１０８は平滑コンデンサ、１０９はダイオードである。

しかし、このフィードバック制御方式のＬＥＤ電源装置は、ノイズが出やすい、部品点数が多く価格が高い、形状が大きくなるといった欠点がある。

また、他の種類のＬＥＤ電源装置として、ヒステリシス制御方式（臨界モード制御方式を含む）によるものがある。この電源装置は図５に基本構成を示すように、フィルタ部１１１、スイッチング部１１２、ＬＥＤ負荷１１３からなる出力部、制御部１１４等を有し、制御部１１４はスイッチング部１１２の出力が一定電圧となるようにオンとオフを繰り返す。

このヒステリシス制御方式のＬＥＤ電源装置は、フィードバック制御方式の電源装置に較べて、ＬＥＤ負荷の電流検出は不要であるとともに制御部１１４の構成が簡素化されるが、やはりスイッチング部１１２が存在することからノイズが出やすく部品点数が多いといった欠点がある。

更に他の種類のＬＥＤ電源装置として、直列制御方式の電源装置がある。この電源装置は図６に基本構成を示すように、ＬＥＤ負荷１２１からなる出力部と、ＬＥＤ負荷１２１の電流を一定にするための定電流素子１２２と、定電流素子１２２を制御するための制御部１２３を備えている。

この直列制御方式の電源装置は、フィードバック制御方式やヒステリシス制御方式に較べて、構成が大幅に簡素化されるが、定電流素子１２２での損失が大きいため効率が悪いうえ、放熱対策が必要となるため価格が高く、形状も大きくなるといった欠点がある。

特開２０１１−１６５９２０号公報

このように、従来のＬＥＤ電源装置は、ノイズが出やすいとか、部品点数が多く価格が高いとか、形状が大きいといった欠点があり、またノイズが出ず構成が簡素なものは効率が悪いうえ、放熱対策が必要で形状が大きくなる、といった問題があった。

この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、簡単な構成でありながら小型化が可能で安価なＬＥＤ電源装置及びＬＥＤ照明装置の提供を課題とする。

上記課題は、以下の手段によって解決される。
（１）商用電源からの入力を整流する整流回路と、ＬＥＤ負荷と、前記整流回路の出力における所定電位以下の部位のみの電力を、前記ＬＥＤ負荷に供給する電力供給部と、前記整流回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、前記ＬＥＤ負荷と直列に接続された定電流回路と、前記定電流回路の電流入力側の電圧と電流出力側の電圧の差を検出する電圧検出部と、を備え、前記平滑コンデンサは、直列に接続された前記ＬＥＤ負荷と定電流回路に対する前記電力供給部を構成し、前記所定電位は、前記電圧検出部により検出された前記定電流回路の電圧の差が、第１の基準値まで上昇したときに前記スイッチング素子をオフにし、第２の基準値まで低下したときに前記スイッチング素子をオンにすることによって設定されることを特徴とするＬＥＤ電源装置。
（２）前記所定電位はＬＥＤ負荷の順方向電圧よりも１Ｖ〜５０Ｖ高く設定されている前項１に記載のＬＥＤ電源装置。
（３）前項１または２に記載のＬＥＤ電源装置を備えたＬＥＤ照明装置。

前項（１）に記載の発明によれば、商用電源からの入力を整流する整流回路と、ＬＥＤ負荷と、整流回路の出力における所定電位以下の部位のみの電力を、ＬＥＤ負荷に供給する電力供給部と、を備えているから、高周波のスイッチング部は不要でありノイズの問題が無いうえ構成も簡素になる。しかも、ＬＥＤ負荷に供給される電力は、整流回路の出力における所定電位以下の部位のみの電力であるから、損失を小さくできて効率が良いうえ
、放熱対策も不要であるから安価で小型化を図ることができる。
また、所定電位は、電圧検出部により検出された前記定電流回路の電圧の差が、第１の基準値まで上昇したときに前記スイッチング素子をオフにし、第２の基準値まで低下したときに前記スイッチング素子をオンにすることによって設定されるから、所定電位を安定的に設定することができる。

前項（２）に記載の発明によれば、所定電位はＬＥＤ負荷の順方向電圧よりも１Ｖ〜５０Ｖ高く設定されているから、損失を可及的に小さくしつつＬＥＤ負荷の安定した動作を保証することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、前項（１）または（２）に記載のＬＥＤ電源装置が奏する効果を発揮することができるＬＥＤ照明装置となる。

この発明の一実施形態に係るＬＥＤ照明装置の回路図である。 （Ａ）は整流回路の出力波形図、（Ｂ）は平滑コンデンサの両端電圧Ｖｃの波形図、（Ｃ）は電圧検出部の出力Ｖ２の波形図、（Ｄ）は第１制御部からの制御信号Ｖ３の波形図である。 図２（Ｂ）の時刻Ｔ２〜Ｔ５の様子を拡大して示す波形図である。 従来のＬＥＤ電源装置の基本構成を示す回路図である。 従来の他のＬＥＤ電源装置の基本構成を示す回路図である。 従来のさらに他のＬＥＤ電源装置の基本構成を示す回路図である。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係るＬＥＤ電源装置を備えたＬＥＤ照明装置１の構成を示す回路図である。このＬＥＤ照明装置１は、整流回路１１と、平滑コンデンサ１２と、スイッチング素子１３と、スイッチング素子１３を制御する第１制御部１４と、ＬＥＤ負荷１５と、定電流回路１６と、電圧検出部１７等を備えている。

整流回路１１は、商用交流電源２からの交流入力を全波整流する回路である。なお、商用交流電源２と整流回路１１との間には電源スイッチ３が設けられている。

平滑回路１２は整流回路１１による全波整流後の入力電圧を平滑化する役割を果たし、一端が整流回路１１の正側端子に、他端がスイッチング素子１３に接続されている。

スイッチング素子１３は例えばトランジスタやこの実施形態のように第１ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる。以下の説明ではスイッチング素子を第１ＦＥＴともいう。第１ＦＥＴ１３のドレインを平滑コンデンサ１２の負側端子に、ソースを整流回路１１の負側端子にそれぞれ接続されている。第１ＦＥＴ１３は後述するように、ゲートに接続された第１制御部１４からの制御信号に基づいてオンまたはオフを切り替えることにより、平滑コンデンサ１２の両端電圧を制御する。

ＬＥＤ負荷１５は、１個または直列接続された複数個のＬＥＤからなり、アノード側を平滑コンデンサ１２の正側端子に、カソード側を定電流回路１６に接続されている。

定電流回路１６は、ＬＥＤ負荷１５を流れる電流を一定値とするための回路であり、定電流素子である第２ＦＥＴ１６１と、第２ＦＥＴ１６１を制御する第２制御部１６２を備えている。第２ＦＥＴ１６１は、ドレインをＬＥＤ負荷１５のカソード側に、ソースを第１ＦＥＴ１３のドレインにそれぞれ接続されている。なお、第２ＦＥＴ１６１に代えてトランジスタなどの他の定電流素子を用いても良い。

第２制御部１６２は、第２ＦＥＴ１６１のゲートに駆動信号を入力して第２ＦＥＴを能動領域で動作させ、ＬＥＤ負荷１５を流れる電流が一定になるように制御する。

電圧検出部１７は、平滑コンデンサ１２の両端電圧からＬＥＤ負荷１５の順方向電圧Ｖｆを除いた電圧である、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓを検出し、検出結果に基づいて第１制御部１４を制御するものであり、この実施形態では第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間の電圧Ｖｄｓに応じてＨレベルとＬレベルの信号を出力する比較器によって構成されている。

次に、図１に示したＬＥＤ照明装置１の動作を、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す波形図を参照しつつ説明する。

図２（Ａ）は整流回路１１の出力波形を示す図であり、商用交流電源２からの入力電圧Ｖ０が全波整流されている。この実施形態では、整流回路１１の出力電圧Ｖ０により充電された平滑コンデンサ１２の電荷が、ＬＥＤ負荷１５と定電流回路１６の第２ＦＥＴ１６１との直列回路を通って放電されることにより、換言すれば、平滑コンデンサ１２がＬＥＤ負荷１５と第２ＦＥＴ１６１との直列回路に対する電力供給源として機能することにより、ＬＥＤ負荷１５が点灯駆動される。そして、この実施形態では、同図（Ａ）に示すように、整流回路１１の出力におけるピーク値Ｖｐよりも小さい所定電位Ｖ１以下の部位のみの電力を、ＬＥＤ負荷１５と第２ＦＥＴ１６１との直列回路に供給するように設定されている。

図２（Ｂ）は平滑コンデンサの両端電圧Ｖｃの波形図であり、同図（Ｃ）は電圧検出部１７の出力Ｖ２の波形図であり、同図（Ｄ）は第１制御部１４の出力である第１ＦＥＴ１３に対する制御信号Ｖ３の波形図である。

電圧検出部１７の出力Ｖ２は、同図（Ｃ）に示すように、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが上昇して基準電圧Ｖ４に達するとＬレベルとなり、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが低下して基準電圧Ｖ５に達するまではＬレベルを維持し、基準電圧Ｖ５に達するとＨレベルとなり、次に基準電圧Ｖ４に達するまでＨレベルを維持するパルス信号を出力する。そして、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が増加して所定の電位Ｖ１に達したタイミングで、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４に達するように、また整流回路１１の出力電圧Ｖ０がピークＶｐから減少して所定の電位Ｖ１に達したタイミングで、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５に達するように、基準電圧Ｖ４、Ｖ５が設定されている。

従ってこの実施形態では、所定電位Ｖ１は第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓによって設定されることになる。これによって所定電位Ｖ１を安定的に設定することができる。このような設定により、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１を超えている間は、電圧検出部１７の出力Ｖ２はＬレベルとなり、出力電圧Ｖ０が所定の電位Ｖ１以下の間はＨレベルとなる。

なお、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４に達したときの整流回路１１の出力電圧と、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５まで低下したときの整流回路１１の出力電圧が、いずれもほぼＶ０になるように基準電圧Ｖ４、Ｖ５を設定したが、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４に達したときの整流回路１１の出力電圧と、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５まで低下したときの整流回路１１の出力電圧は異なっていても良い。

第１制御部１４から出力される制御信号Ｖ３は、同図（Ｄ）に示すように、電圧検出部１７の出力Ｖ２がＬレベルの時はＬレベルの、Ｈレベルの時はＨレベルであり、第１制御部１４はこの制御信号Ｖ３を第１ＦＥＴ１３のゲートに出力する。この第１制御部１４からの制御信号Ｖ３に基づいて、第１ＦＥＴ１３はオンオフを切り替える。具体的には、制御信号Ｖ３がＨレベルでは第１ＦＥＴ１３はオンとなり、Ｌレベルでは第１ＦＥＴ１３はオフとなる。従って、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１を超えている間は、第１ＦＥＴ１３はオフとなり、出力電圧Ｖ０が所定の電位Ｖ１以下の間は、第１ＦＥＴ１３はオンとなる。

電源スイッチ３の投入後、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が上昇し、平滑コンデンサ１２の両端電圧が上昇し、平滑コンデンサ１２の充電電荷がＬＥＤ負荷１５に供給されてＬＥＤ負荷１５は点灯駆動され、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓは上昇する。図２に示すように、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが時刻Ｔ１で基準電圧Ｖ４に達すると電圧検出部１７の出力Ｖ２はＬレベルとなり、第１制御部１４からの制御信号Ｖ３もＬレベルとなる。このとき、整流回路１１の出力電圧Ｖ０の値はほぼＶ１に等しい。

第１制御部１４からの制御信号Ｖ３がＬレベルになると、スイッチング素子である第１ＦＥＴ１３はオフとなり、整流回路１１から平滑コンデンサ１２への充電は停止される。一方、平滑コンデンサ１２の充電電荷はＬＥＤ負荷１５に供給され続けるから、平滑コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃは図２（Ｂ）に示すように徐々に低下する。

平滑コンデンサ１２の両端電圧ＶｃがＬＥＤ負荷１５の順方向電圧Ｖｆに近づいた時刻Ｔ２で、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５まで低下すると電圧検出部１７はＨレベルとなり、第１制御部１４からの制御信号Ｖ３もＨレベルとなる。このとき、整流回路１１の出力電圧Ｖ０の値はほぼＶ１に等しい。

第１制御部１４からの制御信号Ｖ３がＨレベルに変化すると、第１ＦＥＴ１３がオンとなり、整流回路１１から平滑コンデンサ１２、第１ＦＥＴ１３を通って整流回路１１へと戻る閉回路が形成され、平滑コンデンサ１２は整流回路１１の出力電圧Ｖ０によって充電される。時刻Ｔ３で、平滑コンデンサ１２の出力電圧Ｖｃが整流回路１１の出力電圧に等しくなったとすると、この時点では整流回路１１の出力電圧Ｖ０は低下領域にあり、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４まで上昇していないから、電圧検出部１７の出力Ｖ２はＨレベルのままであり、第１制御部１４からの制御信号Ｖ３もＨレベルのままである。

時刻Ｔ３の経過後、平滑コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃは整流回路１１の出力電圧Ｖ０の低下とＬＥＤ負荷１５への電力供給により徐々に低下するが、整流回路１１の出力電圧Ｖ０の次の半波が開始された後の時刻Ｔ４からは、整流回路１１の出力電圧Ｖ０の上昇に伴い、徐々に上昇し、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓも上昇する。

第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが、時刻Ｔ５で基準電圧Ｖ４に達すると、電圧検出部１７はＬレベルとなり、第１制御部１４からの制御信号もＬレベルとなり、第１ＦＥＴ１３はオフに切り替わる。すると、整流回路１１の出力電圧Ｖ０による平滑コンデンサ１２への充電は停止され、時刻Ｔ５の経過後は平滑コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃは徐々に低下する。この間、ＬＥＤ負荷１５には定電流回路１６により一定電流が流れ、ＬＥＤ負荷１５の点灯制御が安定的に行われる。

以後、時刻Ｔ１から時刻Ｔ５までの状態が繰り返される。

以上の説明から理解されるように、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４に達した時刻Ｔ１から、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５まで低下した時刻Ｔ２までは、第１ＦＥＴ１３はオフであり、整流回路１１の出力電圧Ｖ０による平滑コンデンサ１２への充電は行われない。

また前述したとおり、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１に達したタイミングと、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ４に達したタイミングがほぼ同じになるように、また整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１まで低下した達したタイミングと、第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓが基準電圧Ｖ５まで低下したタイミングがほぼ同じになるように、基準電圧Ｖ４、Ｖ５が設定されている。従って、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１にほぼ達したときに第１ＦＥＴ１３がオフになり、整流回路１１の出力電圧Ｖ０が所定電位Ｖ１までほぼ低下したときに第１ＦＥＴ１３がオンになるから、平滑コンデンサ１２の両端電圧ＶｃはＶ１を超えない。つまり、整流回路１１の出力電圧Ｖ０のうち所定電位Ｖ１を超える部分については、ＬＥＤ負荷１５への電力供給に使用されず、整流回路１１の出力電圧Ｖ０における所定電位Ｖ１以下の部位のみの電力が、ＬＥＤ負荷１５に供給されることになる。

図３は、図２（Ｂ）の時刻Ｔ２〜Ｔ５の様子を拡大して示す波形図である。図３中、平滑コンデンサ１２の両端電圧ＶｃとＬＥＤ負荷１５の順方向電圧Ｖｆの差が、電圧検出部１７で検出される第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓである。そして、ハッチングで示したドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓの領域が、第２ＦＥＴ１６１による電力損失となる。

上述の通り、平滑コンデンサ１２の両端電圧Ｖｃは所定電位Ｖ１を超えないから、整流回路１１の出力の全部の電力をＬＥＤ負荷１５に供給する場合に較べて、電力損失を低減することができ効率が良くなる。しかもこの実施形態では、平滑コンデンサ１２の電圧Ｖｃの最低値は、ＬＥＤ負荷１５の順方向電圧Ｖｆと基準電圧Ｖ５を加算した値であって、順方向電圧Ｖｆを下回らないから、ＬＥＤ負荷１５の電流不足による点灯ちらつきがなく、安定した点灯動作を実現できる。

ここで、電力損失の低減効果をより有効に発揮させるためには、所定電位Ｖ１の値は、ＬＥＤ負荷の順方向電圧Ｖｆよりも１Ｖ〜５０Ｖ高く設定されるのが良い。１Ｖ未満では、商用電源電圧に不本意な変動が生じたときにＬＥＤ負荷へ十分な電力を供給できず、点灯ちらつきが発生する恐れがあり、５０Ｖを超えると電力損失の低減効果が乏しくなる恐れがある。

なお基準電圧Ｖ５はゼロであっても良く、ゼロ以上であれば良い。また、電圧検出部１７は平滑コンデンサ１２の電位からＬＥＤ負荷１５の順方向電圧Ｖｆを除いた第２ＦＥＴ１６１のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓを直接に検出するのではなく、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓに相当する電圧を検出する構成であっても良い。

１ ＬＥＤ照明装置
２ 交流電源
１１ 整流回路
１２ 平滑コンデンサ
１３ スイッチング素子（第１ＦＥＴ）
１４ 第１制御部
１５ ＬＥＤ負荷
１６ 安定化回路
１６１ 第２ＦＥＴ
１６２ 第２制御部
１７ 電圧検出部

Claims (3)

1. 商用電源からの入力を整流する整流回路と、
   ＬＥＤ負荷と、
   前記整流回路の出力における所定電位以下の部位のみの電力を、前記ＬＥＤ負荷に供給する電力供給部と、
   前記整流回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサと直列に接続されたスイッチング素子と、
   前記ＬＥＤ負荷と直列に接続された定電流回路と、
   前記定電流回路の電流入力側の電圧と電流出力側の電圧の差を検出する電圧検出部と、
   を備え、
   前記平滑コンデンサは、直列に接続された前記ＬＥＤ負荷と定電流回路に対する前記電力供給部を構成し、
   前記所定電位は、前記電圧検出部により検出された前記定電流回路の電圧の差が、第１の基準値まで上昇したときに前記スイッチング素子をオフにし、第２の基準値まで低下したときに前記スイッチング素子をオンにすることによって設定されることを特徴とするＬＥＤ電源装置。
2. 前記所定電位はＬＥＤ負荷の順方向電圧よりも１Ｖ〜５０Ｖ高く設定されている請求項１に記載のＬＥＤ電源装置。
3. 請求項１または２に記載のＬＥＤ電源装置を備えたＬＥＤ照明装置。

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