JP5233042B2

JP5233042B2 - Ｌｅｄ駆動回路

Info

Publication number: JP5233042B2
Application number: JP2007123350A
Authority: JP
Inventors: 崇司小林
Original assignee: アドシステム株式会社
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: JP2008282855A

Description

この発明はＬＥＤ駆動回路に関し、例えば独立型のＬＥＤ街路灯において送電線の直流抵抗損失を低減してＬＥＤを高い効率でもって安定に駆動できるようにした駆動回路に関する。

最近、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）、例えば高輝度の白色ＬＥＤが実用化されたことを契機とし、従来の電球や陰極管などに代えてＬＥＤを各種装置の光源、例えば街路灯、信号機、誘導灯などの光源に採用することが実用化されている。

この種のＬＥＤ駆動回路では電源電圧が変動してもＬＥＤの輝度が大きく変化しないように、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと制限抵抗によってＬＥＤの通電電流を一定に制御することが行われている（特許文献１）。

また、昼間に太陽電池で太陽光を受光して起電力を発生させ、これによってコンデンサ、例えば電気二重層コンデンサに充電する一方、夜間になるとコンデンサからの電力によってＬＥＤを点灯させる技術も開発され実用化されている（特許文献２）。

前述の太陽電池を活用することにより、街路灯、信号機、誘導灯などを独立型、即ち自発光装置として構築することが可能となり、ＬＥＤの普及が更に期待される。

特開２００６−３２４５３４号公報特開平０４−３５７９０８号公報

ところで、独立型のＬＥＤ街路灯を構築する場合、蓄電池とコントローラについては作業者が容易にメンテナンスできるように低い位置に設置し、光源である灯具はポール先端など、数メートルの高さに設置することが多い。かかる場合、送電線の直流抵抗による電力損失が大きい。

また、ＬＥＤの順方向電圧は素子ごとによりあるいは温度変化によりばらつきや変動が大きいため、制限抵抗での電圧損失を大きく設定しており、電力損失が大きい。

従来のＬＥＤ駆動回路では送電線の直流抵抗及び制限抵抗に起因して電力損失が大きく、この点が独立型のＬＥＤ街路灯を実用化する場合の難点となっていた。

本発明はかかる問題点に鑑み、街路灯など、蓄電池及びコントローラと灯具との間の送電線が長くなるような場合であっても電力損失を大幅に少なくできるようにしたＬＥＤ駆動回路を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係るＬＥＤ駆動回路は、昼間に太陽電池から蓄電池に充電し、蓄電池に充電された電力で夜間照明するようにした光源システムにおいて、蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラと、灯具筐体に設けられ、１又は直列に接続された複数のＬＥＤからなり、蓄電池の電力によって夜間点灯されるＬＥＤ光源と、灯具筐体に内蔵され、太陽電池の１日の発電量を積算する積算回路と、灯具筐体に内蔵され、ＣＥ端子への“Ｈ”信号の入力によってＥＸＴ端子に所定周波数の信号を出力するＤＣ／ＤＣコンバータにおける上記ＥＸＴ端子がＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、該Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのドレインがインダクターを介して上記ＬＥＤ光源のアノード側端子に接続され、上記ＤＣ／ＤＣコンバータのＦＢ端子がＬＥＤ光源のカソード側端子に接続されて該ＦＢ端子とグラウンド間を一定電圧に制御し、蓄電池の電力を上記インダクターの誘導電圧によって電圧降下させて上記ＬＥＤ光源に与える一方、上記ＬＥＤ光源のカソード側端子とグランドとの間には抵抗が接続されるとともに、該抵抗には第２の抵抗及びスイッチング素子の直列接続回路が相互に並列に接続され、上記積算回路の積算値に対応して上記スイッチング素子がＯＮ・ＯＦＦされることによって上記ＬＥＤ光源の通電電流値が設定されるようになっている降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、蓄電池からの電力を高電圧でもって上記ＤＣ／ＤＣコンバータに送電する送電線と、を備えたことを特徴とする。

本発明の１つの特徴は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を用い、蓄電池の電力を高電圧で送電し、電圧降下させてＬＥＤ光源に与えるようにした点にある。

これにより、蓄電池からの電力を高い電圧でもって降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路まで送電することができる結果、街路灯などのように送電線が長い場合であっても送電線の直流抵抗による電力損失は少なく、独立型のＬＥＤ街路灯などに適用するのに最適である。

降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は入力電圧を降下させて出力するものであればよいが、電流値可変の定電流を出力するものが好ましい。これにより、ＬＥＤの順方向電圧の固体差や温度変動が大きい場合にも実質的にＬＥＤ順方向電圧でもってＬＥＤを駆動できる。

また、筐体には太陽電池の１日の発電量を積算する積算回路を設け、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を積算値に対応して設定するのがよい。

積算回路及び降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路はＬＥＤ光源の筐体に設けるようにすると、積算回路、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路及びＬＥＤ光源間の信号線の距離を短くできる結果、耐ノイズ性能をも向上できる。

降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータは例えばトレックス社製ＸＣ９２２０を採用することができる。

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図６は本発明に係るＬＥＤ駆動回路の好ましい実施形態を示す。図１は本例のＬＥＤ駆動回路の全体構成を示し、これは街路灯に適用した例である。図１において、１０は太陽光を受けて発電する太陽電池、１１は１又は複数のＬＥＤからなるＬＥＤ光源、１２は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、１３は太陽電池の１日の発電量を積算する積算回路、１４はＬＥＤ光源１１、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２及び積算回路１３を内蔵する灯具筐体、１５は鉛蓄電池、１６は鉛蓄電池１５の充電及び放電を制御するコントローラ、１７は鉛蓄電池１５からの電力を高い電圧で送電する送電線である。

図２は灯具筐体１４内の積算制御回路用の電源回路の１例を示し、後述の充電・積分パワーモジュール回路（図５）からの電圧ＳＬ（＋）（≒１２Ｖ）を入力とし、定電圧ＩＣ２０によって５Ｖの定電圧ＶＤＤに変換して出力する一方、夜明け時などには電圧ＳＬ（＋）の入力がふらついてもコンデンサ２１の容量による電圧保持によって一定時間、例えば数十秒は電源電圧ＶＤＤを保持するようになっている。

図３の(a)は灯具筐体１４内の積分制御回路の１例を示し、出力Ｑｍを設定周期、例えば６００秒周期で出力するバイナリカウンタ３０を備え、ワンショットマルチバイブレータ３１から充電制御信号“Ｈ”を出力し、例えばその１０分間毎に充電電圧信号が瞬間的に“Ｌ”に立ち下がり、これに同期して積分制御信号が“Ｈ”に立ち上がるようになっている（図７のタイミングチャート参照）。

図３の(b)は灯具筐体１４内の積分リセット回路の１例を示し、コントローラ１６からの点灯電力信号ＬｉｇｈｔＰＷの立ち上がり立ち下がりに同期した電圧ＶＩＮを入力とし、夜明け時に約２０秒間の間、積分リセット信号を出力するようになっている。

図４は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路及びＬＥＤ光源の１例を示す。降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は点灯電力信号ＬｉｇｈｔＰＷを入力とし、点灯電力信号ＬｉｇｈｔＰＷの“Ｈ”で出力端子ＥＸＴにオン信号を、“Ｌ”で出力端子ＥＸＴにオフ信号を出力し、回路の出力端子ＶｏｕｔからＬＥＤ光源１１を介して通電してＦＢ端子−ＧＮＤ間が一定電圧、例えば０．９Ｖの一定電圧になるように制御するようになっており、これによりＬＥＤ光源１１に定電流を通電するようになっている。

また、積分回路の電圧信号ＣＣＳＩＧが設定値以下の時にはＦＢ端子−ＧＮＤ間に抵抗Ｒ１のみが接続され、設定値を超えると抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２がＦＢ端子−ＧＮＤ間に並列接続され、これによってＬＥＤ光源４１の定電流値が変更されるようになっている。

図５は灯具筐体１４内の充電／積分パワーモジュール回路（積分回路）の１例を示し、太陽電池１０の出力端子（＋）（−）に接続される一方、１２Ｖの電圧ＳＬ（＋）を出力し、又積分制御信号がある度に積分コンデンサ５０に充電し、充電制御信号がある間は積分コンデンサ５０への充電を休止させて充電電圧を保持させる一方、積分コンデンサ５０の充電電圧を検知回路５１で検知し、設定値、例えば１．５Ｖ以下で“Ｌ”、１．５Ｖを超えると“Ｈ”の電圧信号ＣＣＳＩＧを出力し、又積分リセット信号の入力によって積分コンデンサ５０を放電させるようになっている（図７のタイミングチャート参照）。

図６はコントローラ１６の機能を示す図である。図７は駆動回路の動作タイミングのチャート図である。

昼間、太陽電池１０からコントローラ（モーニングスター社製；ＳＬ−１０Ｌ−１２Ｖ）１６を介して鉛蓄電池（例えば、１２Ｖ定格）１５を充電する。夜間には鉛蓄電池１５に充電した電力がコントローラ１５を介して送られ、ＬＥＤ光源１１を点灯させる。

本例では太陽電池１０の出力が“Ｈ”となる夜明け時から５分間遅延して点灯電力信号ＬｉｇｈｔＰＷが“Ｌ”となり、日没から５分間遅延して点灯電力信号ＬｉｇｈｔＰＷは“Ｈ”となる。実際にはコントローラ１６の機能にタイマー機能などがあるので、積算回路１３の十分な電源電圧の保持時間を設けている。図２の電源回路及び図３の積分制御回路における回路定数を設計によって数十秒の保持が可能である。

降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ４０にはトレックス社製；ＸＣ９２２０が採用され、入力電圧１１〜１６Ｖに対応し、出力は０．５Ａ〜1 Ａ範囲の定電流出力において高い変換効率を実現している。定電流の切替は本例では２段切替を採用し、電圧信号ＣＣＳＩＧのＨレベルのときは抵抗Ｒ１，Ｒ２の並列駆動によりＬＥＤ光源４１の通電電流を大きく設定することにより、ＬＥＤ光源１１を明るく点灯させることができる。

太陽電池１０から鉛蓄電池１５に充電する回路を極めて短い時間遮断して、その遮断期間に回路をバイパスして積分コンデンサ５０を充電している。昼間に太陽電池１０から積分制御・積分リセット回路（図３）、積分回路（図５）やその電源回路（図２）に電源供給し、太陽電池１０の発電時の電流を積分コンデンサ５０に直接通電し充電するため、回路構成が簡単である。

積分値の精度は高くはないが、充填時の鉛蓄電池１０の電圧は概ね１３Ｖ程度で安定しているため、太陽電池１０の電流値を積算することで概ね１日の総出力を換算できる。また、昼間一定間隔で積分回路への充電を継続するため、出力変動は平均化され、概ね満充電にあるか否かの判定性能は問題がないと判断できる。

ここで、変換効率を実測すると、入力１２．４Ｖ、０．６Ａとし、出力８．４５Ｖ、０．７５Ａとすると、変換効率は８５％で、従来のＬＥＤ駆動回路の効率６８％に比して向上していることが分かる。

また、１日の夜間の蓄電池消費量を５０Ｗｈ〔５Ｗ×１０時間）とすると、１日の太陽電池１０からの充電が５０Ｗｈ（≒４Ａｈ）以上必要になる。図３の積分制御回路におけるバイナリカウンタ３０の出力Ｑｎを６００秒周期に設定して、ワンショットマルチバイブレータ３１のパルス出力を６０ｍＳに設定し、積分回路の積分コンデンサ５０を１Ｆとし、太陽電池１０の曇天時の出力電流値を０．４Ａ、１日の日照時間を１０時間とすると、１日の積分回路への通電回数、つまり積分回数は６００秒／回＝６０回、積分時間のトータルは６０回×６０ｍＳ／回＝３６００ｍＳ（３．６秒）となり、上記条件のときの１日の充電電圧はＶ＝（Ｉ×Ｔ）÷Ｃ＝（０．４Ａ×３．６秒）÷１Ｆ≒１．４４Ｖ、つまり、検知回路５１の１．５Ｖの電圧検出ＣＭＯＳの出力で満充電しているか否かの判定が可能であり、定電流値を決定すればよいことになる。

本発明に係るＬＥＤ駆動回路の好ましい実施形態における全体構成を示す図である。上記実施形態におけるコントローラ内の電源回路の例を示す図である。上記実施形態におけるコントローラ内の積分制御及び積分リセットの回路例を示す図である。上記実施形態における降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路及びＬＥＤ光源の例を示す図である。上記実施形態における積分回路の例を示す図である。上記実施形態におけるコントローラの機能を示す図である。上記実施形態における動作タイミングを示すチャート図である。

１０太陽電池
１１ＬＥＤ光源
１２降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３積分回路
１４筐体
１５鉛蓄電池
１６コントローラ
１７送電線

Claims

昼間に太陽電池から蓄電池に充電し、蓄電池に充電された電力で夜間照明するようにした光源システムにおいて、
蓄電池の充電及び放電を制御するコントローラと、
灯具筐体に設けられ、１又は直列に接続された複数のＬＥＤからなり、蓄電池の電力によって夜間点灯されるＬＥＤ光源と、
灯具筐体に内蔵され、太陽電池の１日の発電量を積算する積算回路と、
灯具筐体に内蔵され、ＣＥ端子への“Ｈ”信号の入力によってＥＸＴ端子に所定周波数の信号を出力するＤＣ／ＤＣコンバータにおける上記ＥＸＴ端子がＰ型ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、該Ｐ型ＭＯＳＦＥＴのドレインがインダクターを介して上記ＬＥＤ光源のアノード側端子に接続され、上記ＤＣ／ＤＣコンバータのＦＢ端子がＬＥＤ光源のカソード側端子に接続されて該ＦＢ端子とグラウンド間を一定電圧に制御し、蓄電池の電力を上記インダクターの誘導電圧によって電圧降下させて上記ＬＥＤ光源に与える一方、上記ＬＥＤ光源のカソード側端子とグランドとの間には抵抗が接続されるとともに、該抵抗には第２の抵抗及びスイッチング素子の直列接続回路が相互に並列に接続され、上記積算回路の積算値に対応して上記スイッチング素子がＯＮ・ＯＦＦされることによって上記ＬＥＤ光源の通電電流値が設定されるようになっている降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
蓄電池からの電力を高電圧でもって上記ＤＣ／ＤＣコンバータに送電する送電線と、
を備えたことを特徴とするＬＥＤ駆動回路。