JP2011062043A - 力率改善回路及びこれを用いたled照明器具 - Google Patents
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Abstract
【課題】力率を改善し、高調波規制対応が必要な電源を構成できる力率改善回路及びこれを用いたLED照明器具。
【解決手段】交流電源ACと、交流電源の交流電圧を整流する整流回路RC1と、一次巻線P1と二次巻線S1と三次巻線P2とを有するトランスT1と、整流回路の出力両端に接続され、トランスの一次巻線とスイッチング素子Q1とかなる直列回路と、トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路D1,C1と、整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号によりスイッチング素子をオン/オフさせる制御回路10とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】交流電源ACと、交流電源の交流電圧を整流する整流回路RC1と、一次巻線P1と二次巻線S1と三次巻線P2とを有するトランスT1と、整流回路の出力両端に接続され、トランスの一次巻線とスイッチング素子Q1とかなる直列回路と、トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路D1,C1と、整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号によりスイッチング素子をオン/オフさせる制御回路10とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、力率改善回路及びこれを用いたLED照明器具に関し、特に、力率を改善し且つノイズを抑制する技術に関する。
図9に従来の力率改善回路を備えた直流電源装置の回路図を示す(特許文献1)。図9に示す直流電源装置は、整流ブリッジ101の出力両端に通常接続される電解コンデンサからなる平滑コンデンサを削除したものである。図9において、交流電源ACの交流電圧は、整流ブリッジ101で整流されて全波整流電圧に変換される。全波整流電圧は、スイッチング制御回路105によりスイッチングされて、直流電源出力回路106に所定の直流電圧が得られる。
スイッチング制御回路105は、一次巻線Np、スイッチング素子であるMOSFET、1SHOTと時定数を決める素子(Ct,Rt)で構成されている。抵抗Rtを全波整流電圧ラインに接続することで、瞬時電圧が高い時にはコンデンサCtの充電が速くなり、パルス幅が減少する。瞬時電圧が低い時には逆にパルス幅が増加する。
図10は一次巻線Npを流れる電流波形を示し、三角形の斜線部分の角度は電圧上昇に伴い大きくなるが、Tonを電圧上昇に合わせて短くすることで、ピーク電流Ipを一定値にし、出力電圧は周波数制御により安定化されている。
補助電源回路102は、IC電源回路104に直流電源を供給し、かつ、直流電源出力回路106の電圧をモニターする。補助電源回路102の出力にPUTのゲートを制御させるための分圧抵抗を接続し、PUT発振回路103は補助電源回路102の出力電圧を一定にするように発振周波数を変えて、スイッチング制御回路105の1SHOTにトリガパルスを出力する。
しかしながら、従来の直流電源装置では、スイッチング電流のピーク電流Ipを平均化しているため、入力電流波形は台形波状の電流波形となり、力率は0.6程度となる。また、入力電流波形は台形波に近似しているため、電流の流れ始めと終わりは急峻な傾きとなる。このため、トランスから異音が発生したり、あるいは、力率が0.6程度になるため、ACアダプタ、照明器具などの高調波規制対応が必要な電源を構成できないという問題があった。
本発明の課題は、力率を改善し、高調波規制対応が必要な電源を構成することができる力率改善回路及びこれを用いたLED照明器具を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の力率改善回路は、交流電源と、前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン/オフさせる制御回路とを備えることを特徴とする。
本発明のLED照明器具は、交流電源と、前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、前記負荷に流れる出力電流を検出する電流検出回路と、前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン/オフさせるとともに前記電流検出回路で検出された出力電流を一定値に制御する制御回路と、前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間となるように設定され、前記制御回路は、前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路とを備えることを特徴とする。
本発明の力率改善回路によれば、全波整流波形の略1周期の入力電圧波形に関係なく、トランスの二次側からの直流電圧であるフィードバック信号に基づき生成された一定幅のオンパルス幅信号でスイッチング素子をオン/オフさせることにより、トランスの二次側の出力に電力を供給する。オンパルス幅信号は、オンパルス幅が一定であるので、入力電圧に応じて入力電流が流れる。従って、力率が大幅に改善される。
また、本発明のLED照明器具によれば、力率が大幅に改善されるとともに、二次側のダイオードのリカバリ電流をなくしてノイズの発生を抑制でき、しかも出力電流を一定値に制御できるので、LEDを均一に点灯させることができる。
以下、本発明の実施の形態の力率改善回路のいくつかを図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の実施例1に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図1において、交流電源ACの両端にはコンデンサCoとリアクトルL1とが接続され、リアクトルL1の出力には交流電源ACの交流電圧を整流する全波整流回路RC1の入力端が接続されている。
全波整流回路RC1の出力端には、トランスT1の一次巻線P1とMOSFETからなるスイッチング素子Q1との直列回路が接続されている。
トランスT1は、フライバックトランスからなり、一次巻線P1と二次巻線S1と三次巻線P2とを有している。
トランスT1の二次巻線S1の両端には、ダイオードD1と平滑コンデンサC1との直列回路が接続されている。ダイオードD1と平滑コンデンサC1とは、整流平滑回路を構成し、トランスT1の二次巻線S1に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を図示しない負荷に供給する。
平滑コンデンサC1の両端には、抵抗R2と抵抗R3との直列回路が接続され、抵抗R2と抵抗R3との接続点には誤差増幅器OP1の反転入力端子が接続されている。オペアンプOP1の非反転入力端子には基準電源Ref1が接続されている。誤差増幅器OP1の出力端子と平滑コンデンサC1の一端との間には抵抗R1とフォトカプラPC1のフォトダイオードとダイオードD2との直列回路が接続されている。誤差増幅器OP1は、平滑コンデンサC1の出力電圧を抵抗R2と抵抗R3とで分圧した分圧電圧と基準電源Ref1の電圧との差電圧を増幅して出力する。この差電圧に応じてフォトカプラPC1に電流が流れて、パルス幅制御回路12によりパルスのオン幅が制御される。
誤差増幅器OP1、基準電源Ref1、抵抗R2、抵抗R3は、出力電圧検出回路を構成する。
制御回路10は、フォトカプラPC1からの電圧(フィードバック信号)に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号によりスイッチング素子Q1をオン/オフさせる。
制御回路10は、トランスT1の三次巻線P2に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路11と、ゼロ電圧検出回路11で検出されたゼロ電圧によりスイッチング素子Q1をターンオンさせるためのオンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路12と、パルス幅制御回路12からのオンパルス幅信号に基づきスイッチング素子Q1をオン/オフさせるための駆動信号を生成するドライブ制御回路13とを備えている。
図2は本発明の実施例1に係る力率改善回路内のゼロ電圧検出回路及びパルス幅制御回路の詳細を示す回路図である。図2において、ゼロ電圧検出回路11は、コンパレータCP1、基準電源Vro、ワンショット回路111を有している。コンパレータCP1は、基準電源Vroの電圧とトランスT1の三次巻線P2に発生した電圧とを比較し、トランスT1の三次巻線P2に発生した電圧がゼロ電圧となったときにHレベルを出力する。
ワンショット回路111は、コンパレータCP1からHレベルを入力したときに負のワンショットパルスを生成し、この負のワンショットパルスをパルス幅制御回路12内のコンデンサCsに出力する。
パルス幅制御回路12は、電流源I1、電流源I2、コンパレータCP2、コンデンサCsで構成されている。コンパレータCP2の非反転入力端子とグランドとの間には、フォトカプラPC1のフォトトランジスタと位相補償用抵抗Rfと位相補償用コンデンサCfとの並列回路が接続され、コンパレータCP2の非反転入力端子には電流源I2が接続されている。
コンパレータCP2の反転入力端子には電流源I1とコンデンサCsの一端とが接続され、コンデンサCsの他端はグランドに接続されている。コンデンサCsの一端はワンショット回路111の出力に接続されている。コンパレータCP2の出力はドライブ制御回路13に接続されている。
なお、位相補償用抵抗Rfと位相補償用コンデンサCfとは、時定数回路を構成し、位相補償用抵抗Rfと位相補償用コンデンサCfとの時定数が、交流電源ACの交流電圧の整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間となるように設定されている。即ち、フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ間電圧が、交流電圧の全波整流波形の周期以内に大きく変動しないように(即ち、略一定となるように)前記時定数を選定する。
次に、制御回路10の動作を説明する。まず、パルス幅制御回路12のコンデンサCsに定電流源I1から所定の電流が流れ、コンデンサCsが充電される。また、位相補償用コンデンサCfと位相補償用抵抗RfとフォトカプラPC1との並列回路に定電流源I2から所定の電流が流れ、位相補償用コンデンサCfが充電される。
コンデンサCsは、定電流源I1に流れる電流により充電されて、コンデンサCsの電圧Vcsは、時間に比例して直線的に上昇する。
コンパレータCP2は、図3(a)に示すように、コンデンサCsの電圧Vcsと位相補償用コンデンサCfの電圧Vcf(フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ間電圧)とを比較し、位相補償用コンデンサCfの電圧VcfがコンデンサCsの電圧Vcs以下の期間に、オンパルス幅信号(CP2出力)を生成し、ドライブ制御回路13にHレベルを出力する。
なお、フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ間電圧は、トランスT1の二次側からのフィードバック信号により変化し、図1に示す例では、トランスT1の二次側の出力電圧が上昇すると、フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ電圧、即ちコンデンサCfの両端電圧Vcfが図3(a)に示す値から図3(b)に示す値に上昇する。このため、オンパルス幅信号(CP2出力)のオンパルス幅が広がる。
コンデンサCsの電圧Vcsが上昇して、フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ電圧を超えると、コンパレータCP2の出力はLレベルとなる。このため、ドライブ制御回路13の出力もLレベルとなり、スイッチング素子Q1はオフする。
このとき、トランスT1の一次巻線P1に蓄えられるエネルギーは、二次巻線S1及びダイオードD1を介して平滑コンデンサC1及び負荷に出力される。トランスT1の一次巻線P1に蓄えられたエネルギーの放出が完了すると、トランスT1の巻線電圧は低下し、リンキングを開始する。このため、このため、電圧の極性が反転してゼロ電圧に変化する。
ゼロ電圧検出回路11のコンパレータCP1は、トランスT1の三次巻線P2の電圧を基準電源の電圧Vro(ゼロ電圧より僅かに大きい電圧)と比較し、三次巻線P2の電圧がゼロ電圧になつた時にワンショット回路111にHレベルを出力する。ワンショット回路111は、入力されたHレベルに基づき1パルスのLレベルをコンデンサCsの一端に出力する。このため、コンデンサCsの電荷は放電するので、パルス幅制御回路12は、Hレベルのオンパルス幅信号をドライブ制御回路13に出力する。
ドライブ制御回路13は、オンパルス幅信号に基づきスイッチング素子Q1をオンさせる。
なお、フォトカプラPC1のコレクタ−エミッタ間電圧は、入力電圧の全波整流波形の周期以内に大きく変動しないように、位相補償用抵抗Rfと位相補償用コンデンサCfとの時定数が選定されている。具体的には、位相補償用抵抗Rfと位相補償用コンデンサCfとの時定数が入力電圧の全波整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間に選定されている。このため、パルス信号のオンパルス幅が一定になる。
即ち、全波整流波形の略1周期の入力電圧波形に関係なく、トランスT1の二次側からの直流電圧であるフィードバック信号に基づき生成された一定幅のオンパルス幅信号でスイッチング素子Q1をオン/オフさせることにより、トランスT1の二次側の出力に電力を供給する。オンパルス幅信号は、オンパルス幅が一定であるので、入力電圧に応じて入力電流が流れるので、力率が大幅に改善される。
図4(a)は交流電源の電圧が100Vで50%負荷時における交流入力電圧Vinと入力電流Idとを示し、図4(b)は交流電源の電圧が100Vで100%負荷時における交流入力電圧Vinと入力電流Idとを示している。図4(a)(b)からも、オンパルス幅が一定であるので、正弦波状の入力電圧Vinに応じて正弦波状のスイッチング電流からなる入力電流Idが流れており、力率が大幅に改善される。
図5に実施例1の力率改善回路においてAC100V入力時の入力電圧と入力電流との波形を示す。図6に実施例1の力率改善回路において各電圧に対する力率と効率とを示す。オンパルス幅の一定制御を行うことにより、図6に示すように、力率がAC100Vで0.99、AC240Vで0.935となり、0.9以上の力率を実現できる。
また、ゼロ電圧検出回路11により三次巻線P2の電圧がゼロ電圧であることを検出して、スイッチング素子Q1をターンオンさせるので、二次側のダイオードD1のリカバリ電流をなくしてノイズの発生を抑制することができる。
また、本願発明を、一般的な力率改善回路(PFC)とDC−DCコンバータとを組み合わせた電源と比較した場合、PFCと入力平滑コンデンサ(全波整流回路RC1の出力に接続される平滑コンデンサ)がなくなるので、部品を大幅に削減できる。
図7は本発明の実施例2に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図7に示す実施例2の力率改善回路は、図1に示す実施例1の力率改善回路にさらに、出力定電流回路20、ダイオードD3を追加したものである。出力定電流回路20は、電流検出回路に対応し、抵抗R4、誤差増幅器OP3、基準電源Ref2を有する。コンデンサC1の両端には例えばLEDなどの負荷RLが接続されている。
ダイオードD3は、フォトカプラPC1のフォトダイオードと誤差増幅器OP3の出力端子との間に接続されている。抵抗R4は、トランスT1の二次巻線S1の一端と負荷RLの一端との間に接続されている。
誤差増幅器OP3は、負荷RLを介して抵抗R4に流れる電流により生ずる電圧と基準電源Ref2の電圧との差電圧を増幅し、増幅された差電圧をダイオードD3及びフォトカプラPC1を介してパルス幅制御回路12に伝達する。
パルス幅制御回路12は、比較出力に基づいてオンパルス幅を制御する。即ち、パルス幅制御回路12は、負荷RLを介して抵抗R4に流れる電流により生ずる電圧が基準電源Ref2の電圧となるようにオンパルス幅を制御する。つまり、オンパルス幅を制御することにより、出力電流を一定値にすることができる。
なお、この力率改善回路は、負荷がLEDでこのLEDを点灯するLED照明器具に利用できる。この場合、出力電流を一定値に制御できるので、LEDを均一に点灯させることができる。
図8は本発明の実施例3に係る力率改善回路の構成を示すブロック図である。図8に示す実施例3の力率改善回路は、1次側電圧検出回路30をトランスT1の一次側の三次巻線P2に接続し、トランスT1の二次側回路を簡略化したものである。
1次側電圧検出回路30は、以下のように構成される。トランスT1の三次巻線P2の両端にはダイオードD2とコンデンサC2との直列回路が接続されている。ダイオードD2とコンデンサC2との接続点には抵抗R2と抵抗R3との直列回路が接続されている。
誤差増幅器OP1は、基準電源Ref1の電圧を、コンデンサC2の両端に発生した直流電圧を抵抗R2と抵抗R3とで分圧した電圧との差電圧を増幅し、増幅された差電圧をパルス幅制御回路12に出力する。パルス幅制御回路12は、オンパルス幅を制御することによりスイッチング素子Q1をオン/オフさせて出力電圧を一定値にすることができる。
なお、コンデンサC2、抵抗R2,R3による時定数は、入力電圧の全波整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間に選定されている。
本発明は、LED照明器具又はACアダプタ又は充電器などの電源装置に適用可能である。
AC 交流電源
RC1 全波整流回路
10 制御回路
11 ゼロ電圧検出回路
12 パルス幅制御回路
13 ドライブ制御回路
20 出力定電流回路
30 1次側電圧検出回路
111 ワンショット回路
Q1 スイッチング素子
D1,D2,D3 ダイオード
C0,C1,C2,Cs コンデンサ
Cf 位相補償用コンデンサ
Rf 位相補償用抵抗
L1 リアクトル
T1 トランス
P1 一次巻線
S1 二次巻線
P2 三次巻線
OP1〜OP3 誤差増幅器
CP1.CP2 コンパレータ
I1,I2 定電流源
PC1 フォトカプラ
RC1 全波整流回路
10 制御回路
11 ゼロ電圧検出回路
12 パルス幅制御回路
13 ドライブ制御回路
20 出力定電流回路
30 1次側電圧検出回路
111 ワンショット回路
Q1 スイッチング素子
D1,D2,D3 ダイオード
C0,C1,C2,Cs コンデンサ
Cf 位相補償用コンデンサ
Rf 位相補償用抵抗
L1 リアクトル
T1 トランス
P1 一次巻線
S1 二次巻線
P2 三次巻線
OP1〜OP3 誤差増幅器
CP1.CP2 コンパレータ
I1,I2 定電流源
PC1 フォトカプラ
Claims (4)
- 交流電源と、
前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、
前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、
前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、
前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン/オフさせる制御回路と、
を備えることを特徴とする力率改善回路。 - 前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、
前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間となるように設定されていることを特徴とする請求項1記載の力率改善回路。 - 前記制御回路は、
前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、
前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項2記載の力率改善回路。 - 交流電源と、
前記交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、
前記整流回路の出力両端に接続され、前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とかなる直列回路と、
前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた直流電圧を負荷に供給する整流平滑回路と、
前記負荷に流れる出力電流を検出する電流検出回路と、
前記整流平滑回路の直流電圧に基づき一定幅のオンパルス幅信号を生成し、このオンパルス幅信号により前記スイッチング素子をオン/オフさせるとともに前記電流検出回路で検出された出力電流を一定値に制御する制御回路と、
前記整流平滑回路の直流電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路及び前記制御回路に接続され、位相補償用抵抗と位相補償用コンデンサとを有する時定数回路とを有し、
前記位相補償用抵抗と前記位相補償用コンデンサとの時定数が、前記交流電源の交流電圧の整流波形の周期の1/2倍以上の応答時間となるように設定され、
前記制御回路は、
前記トランスの三次巻線に発生する電圧に基づきゼロ電圧を検出するゼロ電圧検出回路と、
前記ゼロ電圧検出回路で検出されたゼロ電圧により前記スイッチング素子をターンオンさせるための前記オンパルス幅信号を生成するパルス幅制御回路と、
を備えることを特徴とするLED照明器具。
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