JP5067443B2

JP5067443B2 - Ｌｅｄ点灯装置

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Publication number: JP5067443B2
Application number: JP2010118240A
Authority: JP
Inventors: 研吾木村; 充達吉永
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: US8456108B2; JP2011249031A; CN102264179B; US20110285307A1; CN102264179A; KR20110128731A; KR101232693B1

Description

本発明は、複数のＬＥＤを駆動するＬＥＤ点灯装置に関する。

従来、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させるＬＥＤ点灯装置として、例えば特許文献１が知られている。

特許文献１は、図６に示すように、調光器としてのトライアックを有する非絶縁型のＬＥＤ点灯装置を開示している。図６に示す調光機能を有するＬＥＤ点灯装置において、トライアックＴＲ１により位相制御された交流入力電圧は、整流回路１０７を介して制御回路１１４に検出され、ＲＭＳ検出回路１０５によりＬＥＤ１０２に供給するＬＥＤ電流に対する目標電圧値Ｖｒｅｆに変換される。

コンパレータ１０９は、位相制御された交流入力電圧に基づく目標電圧値Ｖｒｅｆと検出抵抗Ｒ１で検出されたＬＥＤ電流による検出電圧値との誤差を求め、ＰＷＭ回路１１３は、この誤差が小さくなるようにスイッチング素子ＦＥＴ１をＰＷＭ制御する。

このように、従来のＬＥＤ点灯装置は、位相制御による入力電圧実効値の変化がＬＥＤ電流に反映され、トライアックＴＲ１によるＬＥＤ照明の調光を実現できる。

特開２００４−３２７１５２号公報

世界で使用されている商用電源は、１００Ｖ、１１０Ｖ、１１５Ｖ、１２０Ｖ、１２７Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖなど国や地域によってまちまちであり、また、１１０Ｖと２２０Ｖとを１つの国や地域の中で使用している場合や、１２０Ｖと２２０Ｖとを１つの国や地域の中で使用している場合などがある。

また、発電所の電力供給能力にもよるが、一般的に、商用電源は、その時の総電力使用量によって、±１０％程度の変動幅を有する。

しかしながら、図６に示すような従来の調光機能を有するＬＥＤ点灯装置にあっては、入力電圧実効値の変化がＬＥＤ電流に反映されるため、位相制御による入力電圧実効値の変化がＬＥＤ電流に反映されるとともに、交流入力電圧自体が変動した時もＬＥＤ電流に反映されてしまう。このため、使用する国や地域、時間帯によって明るさが変わってしまうという欠点があった。

本発明の課題は、入力電圧変動やワイド入力電圧にも対応した調光機能を有するＬＥＤ点灯装置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ＬＥＤ点灯装置は、交流入力電圧を位相制御するトライアック調光器と、前記トライアック調光器に接続される複数の巻線を有するスイッチングトランスの一次巻線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をオンオフ制御する制御回路と、前記トランスの二次巻線に発生する電圧を第１整流素子で整流し第１平滑素子で平滑する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の出力に接続されるＬＥＤと、前記ＬＥＤに流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、前記第１整流素子がオンのときに前記トランスの二次巻線又は前記トランスの二次巻線に比例した電圧を発生するｎ次巻線（ｎ≧３）に発生する交流入力電圧の位相比率に比例した電圧検出信号を出力する電圧検出部と、前記電流検出信号と前記電圧検出信号とに基づいた信号を増幅して前記制御回路に出力する増幅器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電圧検出部が、第１整流素子がオンのときにスイッチング用トランスの二次巻線又はｎ次巻線に発生する電圧ピーク値が負荷であるＬＥＤ電圧と略同一又は比例した高周波電圧を平滑した交流入力電圧の位相比率に比例した電圧検出信号を出力すると、増幅器は、電流検出信号と電圧検出信号とに基づいた信号を増幅して制御回路に出力し、制御回路は、増幅器からの信号に基づきスイッチング素子をオンオフ制御する。

従って、位相制御による入力電圧実効値の変化がＬＥＤ電流に反映されるが、交流入力電圧自体の変動は、ＬＥＤ電流に反映されないため、入力電圧変動やワイド入力電圧にも対応した、トライアックによるＬＥＤ照明の調光を実現できるＬＥＤ点灯装置を提供できる。

本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成図である。本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の電圧検出回路と誤差増幅器との詳細な構成図である。本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置における各部の動作波形を示す図である。本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成図である。本発明の実施例３のＬＥＤ点灯装置の構成図である。従来のＬＥＤ点灯装置の具体例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ点灯装置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のＬＥＤ点灯装置の構成図である。図１に示すＬＥＤ点灯装置は、調光機能を有する絶縁型のＬＥＤ点灯装置である。

図１において、交流電源１は、交流入力電圧をトライアック調光器３に供給する。トライアック調光器３は、トライアックにより交流電源１からの交流入力電圧を位相制御する。全波整流回路５は、トライアック調光器３により位相制御された交流入力電圧を整流する。

全波整流回路５の出力端と１次ＧＮＤとの間には、スイッチングトランスＴの一次巻線ＰとＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続される。制御回路１４は、スイッチング素子Ｑ１をＰＷＭ制御するもので、発振器１５、ＰＷＭ回路１７、ドライブ回路１９を有する。

スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓは、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐとは逆相に巻回されている。スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの両端にはダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路が接続される。ダイオードＤ１（第１整流素子）とコンデンサＣ１（第１平滑素子）とで整流平滑回路を構成する。ダイオードＤ１とコンデンサＣ１との接続点と２次ＧＮＤとの間には、直列に接続されたＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎと抵抗７との直列回路が接続される。

抵抗７（電流検出部に対応）は、直列に接続されたＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎに流れる電流を検出して電流検出信号を誤差増幅器１３に出力する。

電圧検出回路１１は、ダイオードＤ１がオンのときにスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに発生する交流入力電圧の位相比率に比例した電圧検出信号を誤差増幅器１３に出力する。

誤差増幅器１３は、抵抗７からの電流検出信号と電圧検出回路１１からの電圧検出信号とに基づいた信号を増幅し、増幅信号をＰＷＭ回路１７に出力する。ＰＷＭ回路１７は、発振器１５からの基準信号と誤差増幅器１３からの増幅信号とを比較することによりパルス信号のオンオフデューティを変えるＰＷＭ制御を行い、ＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎに流れる電流の一定値制御を行う。ドライブ回路１９は、ＰＷＭ回路１７からのＰＷＭ信号によりスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ駆動させる。

また、スイッチングトランスＴには二次巻線Ｓと同相で電磁結合する三次巻線Ｄが設けられ、三次巻線Ｄの両端にはダイオードＤ７（第２整流素子）とコンデンサＣ４（第２平滑素子）とからなる整流平滑回路が接続されている。

コンデンサＣ４の出力は電源として制御回路１４に接続され、全波整流回路５の出力と制御回路１４との間には起動抵抗Ｒ１２が接続される。即ち、起動時には起動抵抗Ｒ１２を介して全波整流回路５の出力を制御回路１４に供給し、起動後にはコンデンサＣ４の出力を制御回路１４に供給する。

図２は本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の電圧検出回路と誤差増幅器との詳細な構成図である。図２において、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの両端にはダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路が接続される。コンデンサＣ１の両端には、ＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎと抵抗Ｒ３との直列回路が接続される。

ＬＥＤ１ａと抵抗Ｒ３との接続点には演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子が接続され、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子には基準電源Ｖｒｅｆとして例えば０．３Ｖが印加されている。演算増幅器ＯＰ１の出力端子は抵抗Ｒ２とフォトカプラのフォトダイオードＤ２とを介してダイオードＤ１とコンデンサＣ１との接続点に接続される。フォトダイオードＤ２の信号は、ＰＷＭ回路１７に送られる。フォトダイオードＤ２の両端には、抵抗Ｒ１が接続される。演算増幅器ＯＰ１、抵抗Ｒ３、基準電源Ｖｒｅｆとで誤差増幅器１３を構成する。
スイッチングトランスＴの二次巻線ＳにはダイオードＤ６と抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１との直列回路が接続され、抵抗Ｒ１０と抵抗Ｒ１１との接続点には、抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ３との直列回路が接続される。抵抗Ｒ１２とコンデンサＣ３との接続点は、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に接続される。コンデンサＣ３の他端と抵抗Ｒ１１の他端とは、接地される。

演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子と出力端子とは、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子と基準電源Ｖｒｅｆの正極に接続される。

次にこのように構成された実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を図２び図３を参照しながら詳細に説明する。

図３は本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置における各部の動作波形を示す図である。図３において、波形ａは全波整流回路５の出力電圧波形であり、波形ｂはスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧、波形ｃはスイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧、波形ｄはスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓの巻線電圧、波形ｅはｔ１〜ｔ５の各期間における電圧検出回路１１の平滑電圧、波形ｆは正の巻線電圧に基づきＬＥＤ照明を調光したときのＬＥＤ電流を示す。

また、期間ｔ１、ｔ４はトライアック調光器３による位相制御が行われていない期間、期間ｔ２、ｔ３、ｔ５はトライアック調光器３による位相制御が行われている期間を示す。期間ｔ４、ｔ５は期間ｔ２、ｔ３よりも交流入力電圧が大きくなったときのトライアック調光器３による位相制御が行われている期間を示す。

期間ｔ２及びｔ３において、トライアック調光器３により波形ａで示すように全波整流回路５の出力電圧が変化する。スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間には、波形ｃで示すように制御回路１４から出力されるゲート電圧と位相制御された交流入力電圧とに基づく電圧が印加される。

スイッチング素子Ｑ１のオンオフ動作により、波形ｄで示すようにスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓには正負の非対称な巻線電圧が生じる。正の巻線電圧は、ダイオードＤ１がオンのときに二次巻線Ｓに印加される電圧であり、ＬＥＤ１ａ〜ＬＥＤ１ｎを点灯させるために定電圧制御されている。

一方、負の巻線電圧は、ダイオードＤ１がオフのときに二次巻線Ｓに印加される電圧であり、交流入力電圧に応じて変化する電圧である。なお、正負いずれの巻線電圧もトライアック調光器３の導通期間に応じて二次巻線Ｓに発生する。従って、期間ｔ２における巻線電圧の平滑電圧ｅの大きさ（絶対値）は期間ｔ１よりも小さく、期間ｔ３における巻線電圧の平滑電圧ｅの大きさ（絶対値）は期間ｔ２よりも小さくなる。

次に、スイッチング素子Ｑ１をオンオフしたときのＬＥＤ点灯装置の動作を説明する。まず、スイッチング素子Ｑ１がオフしたときには、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐのドット側（●）が正電位となり、二次巻線Ｓのドット側（●）も正電位となるため、ダイオードＤ１がオンする。このため、二次巻線Ｓに発生した電圧によりＳの一端→Ｄ１→ＬＥＤ１ａ→Ｒ３→Ｓの他端で電流が流れて、ＬＥＤ１ａが点灯する。

このとき、二次巻線Ｓに発生する正の高周波の巻線電圧は、ダイオードＤ６を介して抵抗Ｒ１０、抵抗Ｒ１１で分圧され、分圧電圧は、抵抗Ｒ１２を介してコンデンサＣ３により平滑される。コンデンサＣ３の平滑電圧（Ｖｒｅｆ０．３Ｖよりも低い例えば０．１Ｖ）は、ボルテージフォロワから構成される演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に入力される。

二次巻線Ｓに発生する正の高周波電圧の巻線電圧（図３の波形ｄの電圧）のピーク値は、ＬＥＤ１ａ〜１ｎの点灯電圧にダイオードＤ１の順方向電圧を加算した電圧になる。このため、ＬＥＤ１ａ〜１ｎが点灯している限り、二次巻線Ｓに発生する正の高周波電圧の巻線電圧のピーク値は、ＬＥＤ素子が急峻なＩＶ特性（電流電圧特性）を有することから、略一定値となる。

即ち、出力電圧がＬＥＤ素子の順方向電圧を超えると、電圧の僅かな変化で電流は大きく変化するため、調光時において二次巻線Ｓに発生する正の高周波電圧の巻線電圧のピーク値の変化が小さくなることによる。従って、図３の期間ｔ１と期間ｔ４のように、交流入力電圧が変動した場合でも、負荷であるＬＥＤの構成が同じであれば、正の高周波電圧の巻線電圧のピーク値は略一定値となる。

また、演算増幅器ＯＰ２は、コンデンサＣ３の平滑電圧を出力端子から演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に出力する。すると、演算増幅器ＯＰ１は、反転入力端子の電圧を非反転入力端子の電圧（例えば０．１Ｖ）となるように動作する。

このため、演算増幅器ＯＰ１の出力はＬレベルとなり、Ｄ２→Ｒ２→ＯＰ１の経路でフォトダイオードＤ２に電流が流れて、この電流に対応する増幅信号がＰＷＭ回路１７に送られる。

また、ダイオードＤ１がオンのときには、位相制御された交流入力電圧を平滑した平滑電圧が演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に入力されるので、ＬＥＤ１ａには、位相制御された交流入力電圧を平滑した平滑電圧に応じた電流が流れる。

なお、スイッチング素子Ｑ１がオンしたときには、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐのドット側（●）が負電位となり、二次巻線Ｓのドット側（●）も負電位となるため、ダイオードＤ１、Ｄ６がオフとなる。

このように、実施例１のＬＥＤ点灯装置によれば、電圧検出回路１１が、ダイオードＤ１がオンのときにスイッチング用トランスＴの二次巻線Ｓに発生する電圧ピーク値が負荷であるＬＥＤ電圧と略同一又は比例した高周波電圧を平滑した交流入力電圧の位相比率に比例した電圧検出信号を出力すると、誤差増幅器１３は、抵抗７に流れる電流を検出した電流検出信号と電圧検出信号とに基づいた信号を増幅して制御回路１４に出力し、制御回路１４は、誤差増幅器１３からの信号に基づきスイッチング素子Ｑ１をオンオフ制御する。

図４は本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成図である。図１に示す実施例１のＬＥＤ点灯装置は、二次巻線Ｓに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力したが、図４に示す実施例２のＬＥＤ点灯装置は、二次巻線Ｓと電磁的に結合する四次巻線Ｆと、四次巻線Ｆの両端に接続されるダイオードＤ８と抵抗Ｒ１３との直列回路とを有し、四次巻線Ｆに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力したことを特徴とする。

実施例２のＬＥＤ点灯装置によれば、四次巻線Ｆには、二次巻線Ｓに発生する電圧に比例した電圧を発生する。このため、四次巻線Ｆに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力することにより、実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作と同様の動作が行われので、同様な効果が得られる。また、ＬＥＤ１ａ〜１ｎの直列数が増加し、二次巻線Ｓに極端に高い電圧が印加される場合には、ダイオードＤ６の破壊等があるが、二次巻線Ｓの巻数よりも少ない巻数を持つ四次巻線Ｆを設けることで、ダイオードＤ６の破壊等を防止できる。

なお、実施例２のＬＥＤ点灯装置において、ダイオードＤ８をダイオードＤ６の代わりに用いることができる。

図５は本発明の実施例３のＬＥＤ点灯装置の構成図である。図１に示す実施例１のＬＥＤ点灯装置は、二次巻線Ｓに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力したが、図５に示す実施例３のＬＥＤ点灯装置は、二次巻線Ｓと電磁的に結合する三次巻線Ｄと、三次巻線Ｄの両端に接続されるダイオードＤ７とコンデンサＣ４との直列回路とを有し、三次巻線Ｄに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力したことを特徴とする。

また、実施例２のＬＥＤ点灯装置は、非絶縁型のＬＥＤ点灯装置であって、スイッチングトランスＴの一次側及び二次側は、共通のＧＮＤに接地される。

実施例３のＬＥＤ点灯装置によれば、三次巻線Ｄには、二次巻線Ｓに発生する電圧に比例した電圧を発生する。このため、三次巻線Ｄに発生する電圧を電圧検出回路１１に出力することにより、実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作と同様の動作が行われので、同様な効果が得られる。

なお、本発明は前述した実施例１乃至実施例３のＬＥＤ点灯装置に限定されない。実施例１乃至実施例３のＬＥＤ点灯装置では、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとが逆相に巻回されていたが、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとが同相に巻回されていても良い。

この場合でも、ダイオードＤ１がオンのときに、電圧検出回路１１は、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓ又は三次巻線Ｄ又は四次巻線Ｆに発生する電圧を検出して電圧検出信号を出力すれば良い。また、ＰＷＭ制御に限らず、ＲＣＣ（リンギング・チョーク・コンバータ）、擬似共振、ＯＮ幅、ＯＦＦ幅の一方を固定し他方を可変する等、種々の制御方式と組み合わせできる。

本発明は、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ点灯装置やＬＥＤ照明に適用可能である。

１交流電源
３トライアック調光器
５全波整流回路
７抵抗
１１電圧検出回路
１３誤差増幅器
１４制御回路
１５発振器
１７ＰＷＭ回路
１９ドライブ回路
Ｔスイッチングトランス
Ｐ一次巻線
Ｓ二次巻線
Ｄ三次巻線
Ｆ四次巻線
Ｑ１スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８ダイオード
Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ１０〜Ｒ１２抵抗
ＯＰ１，ＯＰ２演算増幅器

Claims

交流入力電圧を位相制御するトライアック調光器と、
前記トライアック調光器に接続される複数の巻線を有するスイッチングトランスの一次巻線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をオンオフ制御する制御回路と、
前記トランスの二次巻線に発生する電圧を第１整流素子で整流し第１平滑素子で平滑する整流平滑回路と、
前記整流平滑回路の出力に接続されるＬＥＤと、
前記ＬＥＤに流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、
前記第１整流素子がオンのときに前記トランスの二次巻線又は前記トランスの二次巻線に比例した電圧を発生するｎ次巻線（ｎ≧３）に発生する交流入力電圧の位相比率に比例した電圧検出信号を出力する電圧検出部と、
前記電流検出信号と前記電圧検出信号とに基づいた信号を増幅して前記制御回路に出力する増幅器と、
を有することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
前記トランスのｎ次巻線（ｎ≧３）に発生する電圧を第２整流素子で整流する整流回路を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
前記整流回路は、前記第２整流素子で整流された電圧を平滑する第２平滑素子を有し、前記第２平滑素子の出力を電源として前記制御回路に出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＬＥＤ点灯装置。