JP2014143018A - 発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 点灯開始直後から発光ダイオードの光束を確保でき、且つ、無駄な電力消費が抑えられる発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明器具を提供する。
【解決手段】 直流電力を出力するブーストコンバータ１と、ブーストコンバータ１の出力電圧を降圧して発光ダイオード３に出力することで発光ダイオード３を点灯させるバックコンバータ２とを備える。ブーストコンバータ１は、発光ダイオード３の点灯が開始されてから所定時間が経過するまでの出力上昇期間における出力電力を、出力上昇期間の経過後である定常期間における出力電力よりも高くする。ブーストコンバータ１の出力電力が一定とされる場合に比べ、発光ダイオード３の点灯開始直後である出力上昇期間での光束を確保しながらも、定常期間における無駄な電力消費が抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明器具に関するものである。

従来から、ブーストコンバータ（昇圧型コンバータや昇圧チョッパ回路とも呼ばれる）の後段にバックコンバータ（降圧型コンバータや降圧チョッパ回路とも呼ばれる）が接続されてなる発光ダイオード点灯装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

ブーストコンバータは、例えば、交流電力がダイオードブリッジにより全波整流された直流電力（脈流電力）を入力されて所定の直流電力を出力するものであり、力率改善を目的として設けられる。

特開２０１１−２４９１７４号公報

ここで、発光ダイオードに一定電流が入力される場合において、該発光ダイオードの両端電圧Ｖｆと温度との関係の例を、図８に示す。図８の例では、温度が４０℃のときには、温度が−４０℃のときに比べ、上記の一定電流を流すために必要な電圧Ｖｆが約１０％低くなっている。このように、発光ダイオードに一定の電流を流す（つまり発光ダイオードを一定の明るさで点灯させる）ために必要な電力は、低温時（つまり点灯開始直後）には高温時（つまり定常状態）よりも高くなる。さらに、バックコンバータは、ブーストコンバータの出力電力以上の電力を出力することができない。

従って、点灯開始直後から発光ダイオードの光束を確保しようとした場合、ブーストコンバータの出力は、発光ダイオードの点灯に必要な電力の最大値、つまり、低温時（すなわち点灯開始直後）に必要な電力とする必要があった。

しかしながら、点灯開始からある程度の時間が経過して発光ダイオードの温度が安定した状態では、上記の電力は無駄に高いことになる。つまり、ブーストコンバータの出力が一定とされる構成では、無駄な電力消費が多かった。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、点灯開始直後から発光ダイオードの光束を確保でき、且つ、無駄な電力消費が抑えられる発光ダイオード点灯装置及び該発光ダイオード点灯装置を用いた照明器具を提供することにある。

本発明の発光ダイオード点灯装置は、直流電力を出力するブーストコンバータと、前記ブーストコンバータの出力電圧を降圧して発光ダイオードに出力することで前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータとを備え、前記ブーストコンバータは、前記発光ダイオードの点灯が開始されてから所定の切替時間が経過するまでの出力上昇期間における出力電力を、前記出力上昇期間の経過後である定常期間における出力電力よりも高くすることを特徴とする。

また、本発明の他の発光ダイオード点灯装置は、直流電力を出力するブーストコンバータと、前記ブーストコンバータの出力電圧を降圧して発光ダイオードに出力することで前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータとを備え、前記ブーストコンバータは、前記発光ダイオードの温度が所定の切替温度未満である出力上昇期間における出力電力を、前記発光ダイオードの温度が前記切替温度以上である定常期間における出力電力よりも高くすることを特徴とする。

上記いずれかの発光ダイオード点灯装置において、前記ブーストコンバータは、直流電力が入力される入力端間に接続されたインダクタとスイッチング素子との直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続されたダイオードとコンデンサとの直列回路と、前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路とを有し、前記スイッチング素子に流れる電流の電流値が高いほど高い検出電圧を前記駆動回路に入力する電流検出回路を備え、前記駆動回路は、前記検出電圧が所定の閾値に達したときに前記スイッチング素子をオフし、前記インダクタの両端電圧が所定値を下回ったときに前記スイッチング素子をオンするものであって、前記電流検出回路は、前記定常期間における前記電流値に対する前記検出電圧の比を、前記出力上昇期間における前記電流値に対する前記検出電圧の比よりも高くするものであってもよい。

また、上記いずれかの発光ダイオード点灯装置において、前記発光ダイオードの異常の有無を判定する負荷異常判定回路を備え、前記ブーストコンバータは、前記負荷異常判定回路によって異常があると判定されている期間における出力電力を、前記負荷異常判定回路によって異常がないと判定されている期間における出力電力よりも低くすることが望ましい。

本発明の照明器具は、上記いずれかの発光ダイオード点灯装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ブーストコンバータの出力電力が、出力上昇期間には定常期間よりも高くされるので、ブーストコンバータの出力電力が一定とされる場合に比べ、発光ダイオードの点灯開始直後である出力上昇期間での光束を確保しながらも、定常期間における無駄な電力消費が抑えられる。

本発明の実施形態を示す回路ブロック図である。 同上におけるブーストコンバータの出力電力の時間変化の一例を示す説明図である。 （ａ）は同上の出力上昇期間における駆動回路への入力電圧Ｖｄの時間変化の例を示し、（ｂ）は同上の定常期間における駆動回路への入力電圧Ｖｄの時間変化の例を示す。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ同上のブーストコンバータの出力電力の時間変化の別の例を示す説明図であり、（ａ）（ｂ）は互いに異なる例を示す。 同上の変更例を示す回路ブロック図である。 同上の別の変更例を示す回路ブロック図である。 同上の更に別の変更例を示す回路ブロック図である。 発光ダイオードに一定の電流が入力される場合において、該発光ダイオードの両端電圧と温度との関係の一例を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態は、図１に示すように、直流電力を出力するブーストコンバータ１と、ブーストコンバータ１の出力電圧を降圧して発光ダイオード３に出力することで発光ダイオード３を点灯させるバックコンバータ２とを備える。

さらに、本実施形態は、外部の交流電源ＡＣから入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、ダイオードブリッジＤＢの出力端間に接続されたコンデンサＣ０とを備える。ダイオードブリッジＤＢの低電圧側の出力端はグランドに接続される。

ブーストコンバータ１は、ダイオードブリッジＤＢの直流出力が上記のコンデンサＣ０によって平滑化された直流電力を昇圧する。

具体的に説明すると、ブーストコンバータ１は、一端がダイオードブリッジＤＢの高電圧側の出力端に接続されたインダクタＬ１と、インダクタＬ１の他端にアノードが接続されたダイオードＤ１とを備える。また、ブーストコンバータ１は、一端がダイオードＤ１のカソードに接続されて他端がダイオードブリッジＤＢの低電圧側の出力端に接続されたコンデンサＣ１（以下、「出力コンデンサ」と呼ぶ。）を備え、出力コンデンサＣ１の両端を出力端としている。さらに、ブーストコンバータ１は、インダクタＬ１とダイオードＤ１との接続点に一端が接続されたスイッチング素子Ｑ１を備える。スイッチング素子Ｑ１の他端は、電流検出用の抵抗（以下、「検出用抵抗」と呼ぶ。）Ｒ１を介して、ダイオードブリッジＤＢの低電圧側の出力端に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、ドレインをインダクタＬ１に接続され、ソースを検出用抵抗Ｒ１に接続されている。

すなわち、スイッチング素子Ｑ１がオンされている期間にはインダクタＬ１にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子Ｑ１がオフされている期間には入力電圧にインダクタＬ１の両端電圧が重畳された電圧により出力コンデンサＣ１が充電される。

さらに、ブーストコンバータ１は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動する駆動回路１０を備える。

駆動回路１０は、インダクタＬ１に設けられた二次巻線Ｎ１の両端電圧が所定値を下回ったとき（すなわち、インダクタＬ１の両端電圧が所定値を下回ったとき）にスイッチング素子Ｑ１をオンする。また、駆動回路１０は、制御端子を有し、制御端子に入力された電圧Ｖｄが所定の閾値（以下、「オフ電圧」と呼ぶ。）Ｖｔｈ（図３（ａ）参照）に達したときにスイッチング素子Ｑ１をオフする。上記の制御端子には、検出用抵抗Ｒ１の両端電圧が高いほど高い電圧（すなわち、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流の電流値が高いほど高い電圧。以下、「検出電圧」と呼ぶ。）Ｖｄが入力される。

次に、バックコンバータ２について説明する。バックコンバータ２は、ブーストコンバータ１の出力端間に接続されたコンデンサ（以下、「出力コンデンサ」と呼ぶ。）Ｃ２とインダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ２と抵抗Ｒ２との直列回路を備える。そして、出力コンデンサＣ２の両端がバックコンバータ２の出力端として発光ダイオード３に接続されている。スイッチング素子Ｑ２は例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、ドレインがインダクタＬ２に接続され、ソースが抵抗Ｒ２を介してグランドに接続されている。さらに、バックコンバータ２は、アノードがフェライトビーズＦＢ１を介してインダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ２との接続点に接続されてカソードがブーストコンバータ１と出力コンデンサＣ２との接続点に接続されたダイオードＤ２を備える。また、スイッチング素子Ｑ２の両端間には、フェライトビーズＦＢ２とコンデンサＣ２１との直列回路が接続されている。また、出力コンデンサＣ２の両端間には放電用の抵抗Ｒ２１が接続されている。図において、放電用の抵抗Ｒ２１は、３個の素子からなる直列回路で構成されている。

すなわち、バックコンバータ２においては、スイッチング素子Ｑ２がオンされている期間にはインダクタＬ２にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子Ｑ２がオフされている期間にはインダクタＬ２を電源としダイオードＤ２を介して出力コンデンサＣ２が充電される。

また、インダクタＬ２には二次巻線Ｎ２が設けられている。バックコンバータ２は、インダクタＬ２の二次巻線Ｎ２の両端電圧が所定値を下回ったときにスイッチング素子Ｑ２をオンし、抵抗Ｒ２の両端電圧が所定の閾値に達したときにスイッチング素子Ｑ２をオフする駆動回路２０を有する。これにより、バックコンバータ２の出力電流を略一定に維持するフィードバック制御が達成される。

以下、本実施形態の特徴部分について説明する。

本実施形態は、図２に示すように、発光ダイオード３の温度が低いと推定される期間（以下、「出力上昇期間」と呼ぶ。）Ｐ１には、その他の期間（以下、「定常期間」と呼ぶ。）Ｐ２よりも、ブーストコンバータ１の出力電力を増加させる点を特徴とする。言い換えると、出力上昇期間Ｐ１の経過後にはブーストコンバータ１の出力電力が低減される。

上記の出力上昇期間Ｐ１は、例えば、発光ダイオード３の点灯が開始されてから（すなわちブーストコンバータ１が動作を開始してから）の経過時間（以下、「動作時間」と呼ぶ。）が所定時間（以下、「切替時間」と呼ぶ。）に達するまでの期間である。上記の切替時間は、想定される使用条件において発光ダイオード３の点灯が開始されてから発光ダイオード３の温度が安定するまでの時間とされる。

具体的には、ブーストコンバータ１は、上記の動作時間を計時するタイマ回路１１と、検出用抵抗Ｒ１の両端電圧とタイマ回路１１の出力とに応じた電圧を検出電圧Ｖｄとして駆動回路１０の制御端子に入力する電圧変換回路１２とを備える。タイマ回路１１は、動作時間が切替時間に達するまで（つまり出力上昇期間Ｐ１中）は出力をＨレベルとし、動作時間が切替時間に達した後（つまり定常期間Ｐ２中）は出力をＬレベルとする。電圧変換回路１２は、タイマ回路１１の出力がＨレベルである期間（つまり出力上昇期間Ｐ１）には検出用抵抗Ｒ１の両端電圧をそのまま検出電圧Ｖｄとして駆動回路１０に入力し、タイマ回路１１の出力がＬレベルである期間（つまり定常期間Ｐ２）には検出用抵抗Ｒ１の両端電圧に一定の電圧Ｖｕを加算した電圧を検出電圧Ｖｄとして駆動回路１０に入力する。つまり、定常期間Ｐ２においては、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流の電流値に対する検出電圧Ｖｄの比（すなわち検出電圧Ｖｄを上記の電流値で除した値。以下、「検出比」と呼ぶ。）は、出力上昇期間Ｐ１における検出比（検出用抵抗Ｒ１の抵抗値）よりも高くなる。すなわち、検出用抵抗Ｒ１と電圧変換回路１２とが電流検出回路を構成している。上記のようなタイマ回路１１や電圧変換回路１２は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

検出電圧Ｖｄの時間変化の一例を、出力上昇期間Ｐ１について図３（ａ）に示し、定常期間Ｐ２について図３（ｂ）に示す。定常期間Ｐ２には上記のように検出電圧Ｖｄが変換されることで、出力上昇期間Ｐ１よりも、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティが小さくされ、すなわちブーストコンバータ１の出力電力が低減される。

上記構成によれば、ブーストコンバータ１の出力電力が一定とされる場合に比べ、発光ダイオード３の点灯開始直後である出力上昇期間Ｐ１での光束を確保しながらも、定常期間Ｐ２における無駄な電力消費が抑えられる。

なお、出力上昇期間Ｐ１中のブーストコンバータ１の出力電力は、図２のように一定とする代わりに、図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように定常期間Ｐ１での出力電力まで徐々に低減させてもよい。このような動作は、例えば、電圧変換回路１２が、出力上昇期間Ｐ１中から検出用抵抗Ｒ１の両端電圧に電圧（以下、「加算電圧」と呼ぶ。）を加算した電圧を検出電圧Ｖｄとして駆動回路１０に入力し、上記の加算電圧を定常期間Ｐ２中の値Ｖｕまで徐々に高くすることで実現することができる。この場合、出力上昇期間Ｐ１における検出比は、定常期間Ｐ２における検出比まで徐々に高くされることになる。

また、ブーストコンバータ１の出力電力を切り替える手段としては、上記のような電圧変換回路１２を設ける代わりに、電流検出用の抵抗Ｒ１を図５に示すように２個の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の直列回路で構成するとともに、一方の抵抗Ｒ１２に並列にスイッチング素子Ｑ１１を接続し、このスイッチング素子Ｑ１１がタイマ回路１１の出力でオンオフされるようにしてもよい。図５において上記のスイッチング素子Ｑ１１はＮＰＮトランジスタからなり、ベースがタイマ回路１１に対し抵抗を介して接続されるとともにグランドに対し抵抗とコンデンサとの並列回路を介して接続されている。駆動回路１０に入力する検出電圧Ｖｄとしては、上記抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の直列回路の両端電圧をそのまま用いる。すなわち、出力上昇期間Ｐ１中にはスイッチング素子Ｑ１１がオンされ、定常期間Ｐ２中にはスイッチング素子Ｑ１１がオフされることで、一定の電流に対する検出電圧Ｖｄは出力上昇期間Ｐ１において定常期間Ｐ２よりも低くなる。つまり、出力上昇期間Ｐ１における検出比（１個の抵抗Ｒ１１の抵抗値）は、定常期間Ｐ２における検出比（２個の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値の和）よりも低くなる。これにより、検出電圧Ｖｄに基いた動作の結果としてのブーストコンバータ１の出力電力は、出力上昇期間Ｐ１において定常期間Ｐ２よりも高くなる。図５の例においては、スイッチング素子Ｑ１１と抵抗Ｒ１１，Ｒ１２とが電流検出回路を構成している。

また、発光ダイオード３の温度が所定値（以下、「切替温度」と呼ぶ。例えば４０℃）未満である期間を出力上昇期間Ｐ１としてもよい。例えば、図６に示すように、発光ダイオード３の温度が切替温度未満であるときに出力をＨレベルとし、発光ダイオード３の温度が切替温度以上であるときに出力をＬレベルとする温度検出回路１３を設ける。このような温度検出回路１３は、発光ダイオード３に近接配置される周知の感温素子（例えばサーミスタ）を用いて周知技術により実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。すなわち、図６の例では、発光ダイオード３の点灯開始から切替時間が経過するまでの期間だけではなく、発光ダイオード３の温度が切替温度未満である期間も、出力上昇期間Ｐ１に含まれる。なお、図６の例においてタイマ回路１１を省略してもよく、その場合には、発光ダイオード３の温度が切替温度未満である期間だけが出力上昇期間Ｐ１となる。さらに、発光ダイオード３の温度に応じて出力電圧が連続的に変化するような温度検出回路１３を用い、温度検出回路１３によって検出された温度に応じてブーストコンバータ１の出力電力が連続的に変化するようにしてもよい。

さらに、発光ダイオード３の異常の有無を判定する負荷異常判定回路（図示せず）を設け、負荷異常判定回路によって発光ダイオード３に異常があることが判定されたときにブーストコンバータ１の出力電力が低減されるようにしてもよい。具体的には、負荷異常判定回路は、バックコンバータ２の出力電圧と出力電流との少なくとも一方を検出し、出力電圧と出力電流とのうち検出されたものがいずれも所定の正常範囲内であるときに発光ダイオード３に異常がないと判定し、バックコンバータ２の出力電圧または出力電流が正常範囲外となったときに発光ダイオード３に異常があると判定する。具体的には、バックコンバータ２の出力電圧が正常範囲の上限値よりも高いときや、バックコンバータ２の出力電流が正常範囲の下限値よりも低いときには、異常としての無負荷状態が発生していると判定できる。また、バックコンバータ２の出力電圧が正常範囲の下限値よりも低いときや、バックコンバータ２の出力電流が正常範囲の上限値よりも高いときには、異常としての短絡が発生していると判定できる。上記のような負荷異常判定回路は周知技術によって実現可能であるので、図示並びに詳細な説明は省略する。駆動回路１０は、負荷異常判定回路によって異常があると判定されたとき、ブーストコンバータ１の出力電力を低減させるように動作する。ブーストコンバータ１の出力電力を低減させる際の駆動回路１０の具体的な動作としては、オフ電圧Ｖｔｈを低下させてもよいし、スイッチング素子Ｑ１の駆動を停止してもよい。

また、バックコンバータ２の異常の有無を判定する回路異常判定回路を設け、回路異常判定回路によってバックコンバータ２に異常があると判定されたときにブーストコンバータ１の出力電力が低減されるようにしてもよい。回路異常判定回路としては、例えば、図７に示すように、非反転入力端子にバックコンバータ２の電流検出用の抵抗Ｒ２の両端電圧が入力され、反転入力端子に所定の基準電圧が入力されたコンパレータＣＰを用いることができる。コンパレータＣＰの出力は例えばブーストコンバータ１の駆動回路１０に入力される。上記の基準電圧は、例えば駆動回路２０の電源電圧Ｖｃの分圧により生成され、バックコンバータ２の駆動回路２０がスイッチング素子Ｑ２をオフする電圧よりも高く（例えば１．２倍に）される。バックコンバータ２に異常がなければ、コンパレータＣＰの出力はＬレベルに維持され、つまりバックコンバータ２には異常がないと判定される。また、バックコンバータ２においてスイッチング素子Ｑ２と駆動回路２０とのいずれかに異常が発生してスイッチング素子Ｑ２に過剰な電流が流れると、コンパレータＣＰの出力がＨレベルとなり（すなわちバックコンバータ２に異常があると判定され）る。駆動回路１０は、回路異常判定回路によって異常があると判定されたとき（つまりコンパレータＣＰの出力がＨレベルになったとき）、ブーストコンバータ１の出力電力を低減させるように動作する。ブーストコンバータ１の出力電力を低減させる際の駆動回路１０の具体的な動作としては、オフ電圧Ｖｔｈを低下させてもよいし、スイッチング素子Ｑ１の駆動を停止してもよい。

なお、図示した回路が適宜の等価回路に置換可能であることはいうまでもない。例えば、ブーストコンバータ１の出力コンデンサＣ１が、複数個のコンデンサの並列回路で構成されていてもよい。

上記各種の発光ダイオード点灯装置は、例えば、バックコンバータ１やブーストコンバータ２の各回路部品をそれぞれ収納及び保持するとともに発光ダイオード３を保持する適宜形状の器具本体（図示せず）とともに、照明器具を構成することができる。

１ ブーストコンバータ
２ バックコンバータ
１０ 駆動回路
１２ 電圧変換回路（電流検出回路の一部）
Ｃ１ 出力コンデンサ
Ｌ１ インダクタ
Ｐ１ 出力上昇期間
Ｐ２ 定常期間
Ｑ１ スイッチング素子
Ｑ１１ スイッチング素子（電流検出回路の一部）
Ｒ１ 検出用抵抗（電流検出回路の一部）
Ｒ１１，Ｒ１２ 抵抗（電流検出回路の一部）

Claims (5)

1. 直流電力を出力するブーストコンバータと、
   前記ブーストコンバータの出力電圧を降圧して発光ダイオードに出力することで前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータとを備え、
   前記ブーストコンバータは、前記発光ダイオードの点灯が開始されてから所定の切替時間が経過するまでの出力上昇期間における出力電力を、前記出力上昇期間の経過後である定常期間における出力電力よりも高くすることを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
2. 直流電力を出力するブーストコンバータと、
   前記ブーストコンバータの出力電圧を降圧して発光ダイオードに出力することで前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータとを備え、
   前記ブーストコンバータは、前記発光ダイオードの温度が所定の切替温度未満である出力上昇期間における出力電力を、前記発光ダイオードの温度が前記切替温度以上である定常期間における出力電力よりも高くすることを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
3. 前記ブーストコンバータは、直流電力が入力される入力端間に接続されたインダクタとスイッチング素子との直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続されたダイオードとコンデンサとの直列回路と、前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動回路とを有し、
   前記スイッチング素子に流れる電流の電流値が高いほど高い検出電圧を前記駆動回路に入力する電流検出回路を備え、
   前記駆動回路は、前記検出電圧が所定の閾値に達したときに前記スイッチング素子をオフし、前記インダクタの両端電圧が所定値を下回ったときに前記スイッチング素子をオンするものであって、
   前記電流検出回路は、前記定常期間における前記電流値に対する前記検出電圧の比を、前記出力上昇期間における前記電流値に対する前記検出電圧の比よりも高くすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発光ダイオード点灯装置。
4. 前記発光ダイオードの異常の有無を判定する負荷異常判定回路を備え、
   前記ブーストコンバータは、前記負荷異常判定回路によって異常があると判定されている期間における出力電力を、前記負荷異常判定回路によって異常がないと判定されている期間における出力電力よりも低くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光ダイオード点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード点灯装置を備えることを特徴とする照明器具。
   

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