JP5967511B2 - Ｌｅｄ点灯装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明器具に関する。

従来から、負荷に電力を供給する電源装置が知られており、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の電源装置では、交流電源をダイオードブリッジより成る整流器により全波整流し、整流器から出力される脈流電圧を２石式の昇降圧チョッパ回路により電圧変換している。そして、昇降圧チョッパ回路から出力される直流電圧をインバータ回路によって高周波電力に電力変換し、インバータ回路から出力される高周波電力を負荷回路に供給するように構成されている。

昇降圧チョッパ回路は、前段に降圧部を有し後段に昇圧部を有するものであって、降圧部と昇圧部とでインダクタを兼用している。降圧部のスイッチング素子はドライバを介してＰＷＭ制御回路によりオン／オフされており、後段のスイッチング素子に同期してオン／オフされる。この昇降圧チョッパ回路では、インダクタが昇圧用に用いられるとともに、降圧用にも兼用され、入力電圧に対して昇圧だけでなく降圧も可能になっている。

特開２００２−３５４７８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電源装置では、降圧部のスイッチング素子が短絡した場合に、整流器から出力される電圧が降圧されずに負荷回路に印加されるため、負荷回路に過剰な電流（過電流）が流れてしまうという問題があった。例えば、発光ダイオードから成る光源部を負荷とし、電源装置をＬＥＤ点灯装置として用いた場合、光源部に過電流が流れると光源部の寿命が劣化し、場合によっては光源部が破壊される虞があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、降圧部のスイッチング素子が短絡した場合に光源部に過電流が流れるのを防止することのできるＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤ点灯装置は、少なくとも第１のインダクタ及び第１のスイッチング素子を有するとともに外部の直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部と、少なくとも第２のインダクタ及び第２のスイッチング素子を有するとともに前記昇圧部の出力電圧を降圧して１乃至複数の発光ダイオードから成る光源部に印加する降圧部と、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を駆動制御する制御部と、自身を流れる電流を制限する限流素子、及び前記昇圧部の前段において前記限流素子を介した経路と介さない経路とを切り替えるスイッチ要素を備えた限流部と、前記光源部に印加される負荷電圧を検出する電圧検出部とを備え、前記スイッチ要素には、前記第１のインダクタの二次巻線に誘起される誘導電圧が印加され、前記誘導電圧が一定以上になると、前記限流素子を介した経路から前記限流素子を介さない経路に切り替えるように構成され、前記制御部は、前記電圧検出部において前記光源部に印加される電圧が所定電圧を上回ることを検出すると前記第１のスイッチング素子の駆動を停止させ、前記スイッチ要素は、前記第１のスイッチング素子の駆動が停止されると前記限流素子を介した経路に切り替えることを特徴とする。

このＬＥＤ点灯装置において、前記昇圧部の前段は、前記直流電源の電源投入時には前記限流素子を介した経路であって、前記スイッチ要素は、前記昇圧部の動作が開始すると前記限流素子を介さない経路に切り替えることが好ましい。

このＬＥＤ点灯装置において、前記降圧部は、前記第２のスイッチング素子と直列に接続される第３のスイッチング素子を有し、前記制御部は、前記電圧検出部で検出された検出電圧が前記所定電圧を超えると前記第３のスイッチング素子をオンに切り替えることが好ましい。

本発明の照明器具は、上記何れかのＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置及び前記光源部を保持する器具本体とを備えたことを特徴とする。

本発明は、降圧部のスイッチング素子が短絡した場合に光源部に過電流が流れるのを防止することができるという効果を奏する。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態１を示す回路概略図である。 本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態２を示す回路概略図である。 本発明に係る照明器具の実施形態を示す概略図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態１について図面を用いて説明する。本実施形態は、図１に示すように、昇圧部２と、降圧部３と、複数の発光ダイオード４０を直列に接続して成る光源部４と、制御部５と、限流部６と、電圧検出部７とを備える。昇圧部２には、外部の直流電源部１からの出力電圧が入力される。直流電源部１は、交流電源ＡＣ１と、交流電源ＡＣ１から入力された交流電圧を全波整流して脈流電圧を出力するダイオードブリッジ１０とから成る。

昇圧部２は、第１のインダクタＬ１及び第１のスイッチング素子Ｑ１の直列回路と、第１のスイッチング素子Ｑ１と並列に接続されるダイオードＤ１及びコンデンサＣ１の直列回路とから成り、ダイオードブリッジ１０の出力端間に接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ１は、Ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴから成り、後述する制御部５の駆動回路５０から駆動信号を与えられることでオン／オフを制御される。したがって、昇圧部２は、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン／オフを適宜制御することで直流電源部１からの脈流電圧を昇圧し、所定電圧の直流電圧に変換して出力する。

降圧部３は、第２のスイッチング素子Ｑ２及びダイオードＤ２の直列回路と、ダイオードＤ２と並列に接続される第２のインダクタＬ２及びコンデンサＣ２の直列回路とから成り、昇圧部２の出力端間に接続されている。なお、ダイオードＤ２は、カソードが第２のスイッチング素子Ｑ２の低電位側に接続されている。第２のスイッチング素子Ｑ２は、Ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴから成り、後述する制御部５の駆動回路５０から駆動信号を与えられることでオン／オフを制御される。したがって、降圧部３は、第２のスイッチング素子Ｑ２のオン／オフを適宜制御することで昇圧部２の出力電圧を降圧し、降圧した直流電圧を後段の光源部４に印加する。

制御部５は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に駆動信号を与える駆動回路５０と、後述する電圧検出部７からの検出電圧に応じて各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の駆動を停止するように指示する停止信号を駆動回路５０に与える停止回路５１とから成る。これら駆動回路５０及び停止回路５１には、制御電源８から駆動用の電源電圧が供給されるようになっている。

ここで、制御部５の駆動回路５０には、第２のスイッチング素子Ｑ２を駆動するための電源となる駆動用コンデンサＣ３が接続されている。駆動用コンデンサＣ３は、その一端が第２のスイッチング素子Ｑ２のソース端子に接続されている。また、駆動用コンデンサＣ３の他端には、ダイオードＤ４及び充電用コンデンサＣ４の直列回路が接続されている。充電用コンデンサＣ４は、駆動用コンデンサＣ３を充電する充電用電源として機能するものであり、低電位側の一端がグランドに接続されている。また、充電用コンデンサＣ４の高電位側の一端は、抵抗Ｒ１を介してダイオードブリッジ１０の高電位側の一端に接続されている。このため、充電用コンデンサＣ４は、ダイオードブリッジ１０からの出力により随時充電される。駆動用コンデンサＣ３は、第２のインダクタＬ２に電流が流れている期間において、充電用コンデンサＣ４、ダイオードＤ４、駆動用コンデンサＣ３、第２のインダクタＬ２、コンデンサＣ２及び光源部４の並列回路で構成されるループに流れる電流で充電される。

限流部６は、昇圧部２の前段に設けられ、限流素子であるサーミスタＴＨ１と、サーミスタＴＨ１と並列に接続されるスイッチ要素ＳＷ１と、第１のインダクタＬ１と磁気結合する二次巻線Ｌ１０とを備える。サーミスタＴＨ１は、温度が上昇するとインピーダンスが増加する正特性の温度特性を有するポジティブサーミスタである。スイッチ要素ＳＷ１は、例えばサイリスタから成り、二次巻線Ｌ１０に誘起される誘導電圧がダイオードＤ３を介して印加されている。そして、スイッチ要素ＳＷ１は、二次巻線Ｌ１０の誘導電圧が一定以上になるとオンに切り替えられるようになっている。サーミスタＴＨ１は、ダイオードブリッジ１０の高電位側の一端と第１のインダクタＬ１との間に設けられている。したがって、スイッチ要素ＳＷ１がオフであれば、サーミスタＴＨ１を介した経路で電流が流れ、スイッチ要素ＳＷ１がオンであれば、サーミスタＴＨ１を介さない経路で電流が流れるようになっている。

電圧検出部７は、光源部４に印加される負荷電圧を検出するものであって、例えば複数の抵抗の直列回路を光源部４に並列に接続して成る。そして、電圧検出部７は、複数の抵抗で負荷電圧を分圧し、得られた電圧を検出電圧として制御部５の停止回路５１に入力する。停止回路５１では、電圧検出部７からの検出電圧値が所定の閾値を上回る、すなわち、負荷電圧が所定電圧を上回る（過電圧になる）と、停止信号を駆動回路５０に与えるようになっている。

以下、本実施形態の動作について図１を用いて説明する。先ず、交流電源ＡＣ１の電源を投入する、すなわち、直流電源部１の電源を投入すると、一時的に突入電流が流れる。この突入電流を防止するために、本実施形態では限流部６を設けている。直流電源部１の電源投入時においては、二次巻線Ｌ１０に誘導電圧が誘起されていないため、スイッチ要素ＳＷ１はオフとなっている。このため、突入電流はサーミスタＴＨ１を介した経路で流れるので、サーミスタＴＨ１によって突入電流が限流される。

その後、制御部５の駆動回路５０から各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に駆動信号が与えられることで各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が駆動し、昇圧部２及び降圧部３が動作することで光源部４に電圧が印加されて光源部４が点灯する。昇圧部２の動作が開始すると、二次巻線Ｌ１０に誘導電圧が誘起され、スイッチ要素ＳＷ１がオフからオンに切り替わる。すると、直流電源部１から出力される電流はサーミスタＴＨ１を介さない経路で流れるようになる。したがって、サーミスタＴＨ１は直流電源部１の電源投入時における突入電流のみを限流することができる。

次に、光源部４の発光ダイオード４０の劣化等によって負荷電圧が上昇して過電圧になった場合の動作について説明する。負荷電圧が過電圧になると、電圧検出部７で検出される検出電圧が所定の閾値を上回る。すると、制御部５の停止回路５１は停止信号を駆動回路５０に与え、駆動回路５０は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の駆動を停止させる。これにより、昇圧部２及び降圧部３の動作が停止するため、光源部４に過電圧が印加されなくなり、光源部４を保護することができる。

ここで、降圧部３の第２のスイッチング素子Ｑ２に異常が発生して破壊された場合、第２のスイッチング素子Ｑ２が短絡することで降圧部３が機能しなくなり、昇圧部２の出力電圧が光源部４に印加されるようになる。すると、光源部４の負荷電圧が上昇して過電圧となり、更に光源部４には所定電流を上回る過電流が流れるため、光源部４の寿命が劣化し、場合によっては光源部４が破壊される虞がある。従来例のように限流部６を設けない場合では、上述のように過電圧を検出した時点で制御部５が各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の駆動を停止させたとしても、第２のスイッチング素子Ｑ２が短絡しているために光源部４には依然として過電流が流れ続けてしまう。

一方、本実施形態では、第１のスイッチング素子Ｑ１の駆動が停止されると、二次巻線Ｌ１０に誘導電圧が誘起されなくなるため、誘導電圧が低下してスイッチ要素ＳＷ１がオフに切り替わるようになっている。スイッチ要素ＳＷ１がオフに切り替わると、直流電源部１から出力される電流がサーミスタＴＨ１を介した経路で流れるようになる。すると、サーミスタＴＨ１では、電流が流れることで自身の温度が上昇し、インピーダンスが増加する。このため、サーミスタＴＨ１によって直流電源部１から出力される電流が限流され、結果として光源部４を流れる負荷電流を限流し、過電流が流れるのを防止することができる。

上述のように、本実施形態では限流部６を設けているので、降圧部３の第２のスイッチング素子Ｑ２が短絡した場合に光源部４に過電流が流れるのを防止することができる。また、本実施形態では、限流部６を設けることで、直流電源部１の電源投入時の突入電流を限流することもできる。

（実施形態２）
以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態２について図面を用いて説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態は、図２に示すように、第２のスイッチング素子Ｑ２に第３のスイッチング素子Ｑ３を直列に接続したことに特徴がある。なお、ダイオードＤ２は第３のスイッチング素子Ｑ３と並列に接続される。

以下、本実施形態の動作について図２を用いて説明する。降圧部３の第２のスイッチング素子Ｑ２に異常が発生して破壊された場合、実施形態１と同様に、電圧検出部７で検出される検出電圧が所定の閾値を上回る。すると、制御部５の停止回路５１は停止信号を駆動回路５０に与え、駆動回路５０は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の駆動を停止させる。このとき、駆動回路５０は、同時に第３のスイッチング素子Ｑ３に駆動信号を与えて第３のスイッチング素子Ｑ３をオンに切り替える。すると、直流電源部１から出力される電流が、光源部４を介する経路と、第３のスイッチング素子Ｑ３を介する経路とに分岐して流れるようになる。したがって、本実施形態では光源部４を流れる負荷電流を分岐させることで、光源部４を優先的に保護することができる。

また、本実施形態では、制御部５の駆動回路５０は、直流電源部１の電源投入時に第３のスイッチング素子Ｑ３に駆動信号を与えてオンにすることで、第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチング動作を開始する前に駆動用コンデンサＣ３を充電させている。このため、駆動用コンデンサＣ３は、充電用コンデンサＣ４、ダイオードＤ４、駆動用コンデンサＣ３、抵抗Ｒ２及び第３のスイッチング素子Ｑ３の直列回路で構成されるループに流れる電流によって充電される。したがって、第２のインダクタＬ２を含まない充電経路で駆動用コンデンサＣ３を充電することができるので、充電経路に第２のインダクタＬ２が含まれる場合に比べて駆動用コンデンサＣ３の両端電圧が安定するまでにかかる時間を短縮することができる。

なお、本実施形態において、第３のスイッチング素子Ｑ３の寄生容量は第２のスイッチング素子Ｑ２の寄生容量よりも小さい方が望ましい。このように第３のスイッチング素子Ｑ３の寄生容量を小さくすることで、スイッチング動作時に寄生容量に蓄積される電荷を小さくすることができ、スイッチング損失を低減することができる。また、第３のスイッチング素子Ｑ３に直列に抵抗を接続し、この直列回路を第２のスイッチング素子Ｑ２のソースとグランド間に接続する構成であってもよい。

以下、本発明に係る照明器具の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、図３に示すように、上記実施形態１，２の何れかのＬＥＤ点灯装置（図示せず）を収納した長尺の箱体から成る器具本体１００を備える。器具本体１００の長手方向の両端部には、それぞれソケット１０１が機械的に保持されており、光源部４が収納された直管型のＬＥＤランプ１０２が、これらソケット１０１に着脱自在に装着される。また、器具本体１００には、ＬＥＤランプ１０２からの光を反射して照明空間に照射するための反射体１０３が取り付けられている。反射体１０３は、例えばアルミ材等から成り、図３における下面が開口するとともに下面側に向かうにつれて開口面積が大きくなる長尺の箱体に形成されている。この反射体１０３の内面は反射材（図示せず）で塗装されており、これによりＬＥＤランプ１０２からの光を下方へ反射する反射面が形成されている。

本実施形態は、上記実施形態１，２の何れかのＬＥＤ点灯装置が用いられることにより、上記実施形態１，２の何れかと同様の効果を奏することができる。勿論、照明器具の構成としては本実施形態の構成に限定されるものではなく、ＬＥＤ点灯装置と、ＬＥＤ点灯装置及び光源部４を保持する器具本体とを備えた構成であれば他の構成であってもよい。

２ 昇圧部
３ 降圧部
４ 光源部
４０ 発光ダイオード
５ 制御部
６ 限流部
７ 電圧検出部
Ｌ１ 第１のインダクタ
Ｌ２ 第２のインダクタ
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
ＳＷ１ スイッチ要素
ＴＨ１ サーミスタ（限流素子）

Claims (4)

1. 少なくとも第１のインダクタ及び第１のスイッチング素子を有するとともに外部の直流電源からの出力電圧を昇圧して出力する昇圧部と、少なくとも第２のインダクタ及び第２のスイッチング素子を有するとともに前記昇圧部の出力電圧を降圧して１乃至複数の発光ダイオードから成る光源部に印加する降圧部と、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子を駆動制御する制御部と、自身を流れる電流を制限する限流素子、及び前記昇圧部の前段において前記限流素子を介した経路と介さない経路とを切り替えるスイッチ要素を備えた限流部と、前記光源部に印加される負荷電圧を検出する電圧検出部とを備え、
   前記スイッチ要素には、前記第１のインダクタの二次巻線に誘起される誘導電圧が印加され、前記誘導電圧が一定以上になると、前記限流素子を介した経路から前記限流素子を介さない経路に切り替えるように構成され、
   前記制御部は、前記電圧検出部において前記光源部に印加される電圧が所定電圧を上回ることを検出すると前記第１のスイッチング素子の駆動を停止させ、前記スイッチ要素は、前記第１のスイッチング素子の駆動が停止されると前記限流素子を介した経路に切り替えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 前記昇圧部の前段は、前記直流電源の電源投入時には前記限流素子を介した経路であって、前記スイッチ要素は、前記昇圧部の動作が開始すると前記限流素子を介さない経路に切り替えることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記降圧部は、前記第２のスイッチング素子と直列に接続される第３のスイッチング素子を有し、前記制御部は、前記電圧検出部で検出された検出電圧が前記所定電圧を超えると前記第３のスイッチング素子をオンに切り替えることを特徴とする請求項１又は２記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のＬＥＤ点灯装置と、前記ＬＥＤ点灯装置及び前記光源部を保持する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。

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