JP5462969B2 - Led電源回路及びそれを用いた照明器具 - Google Patents
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Description
本発明はDC−DC変換回路を有するLED電源回路及びそれを用いた照明器具に関するものである。
近年、LEDの性能が高くなってきており、LEDを用いた照明器具は寿命が長いなどの理由で従来の光源から置き換えられる状態にある。今後LEDの性能がますます向上していけば、さらに汎用の照明器具分野で採用されると考えられる。また、回路効率を改善するためにDC−DC変換回路を用いたLED電源回路が提案されている。
特許文献1(特開2008−130438号公報)では、商用交流電源をダイオードブリッジにより全波整流し、平滑コンデンサで平滑した直流電圧をDC−DC変換回路により電力変換してLEDに供給するLED電源回路が開示されている。また、DC−DC変換回路の回路グランドをアース用コンデンサを介して器具アースに接続した構成が開示されている。しかしながら、平滑コンデンサとアース用コンデンサの容量の最適化については詳細な検討がなされていなかった。
DC−DC変換回路を有するLED電源回路では、スイッチング雑音が入力電源ラインに漏洩しないように、電源入力部にノイズフィルタを設ける必要があるが、近年では、LEDの多灯化により雑音端子電圧が増加する傾向にある。雑音低減のためにDC−DC変換回路の回路グランドを器具アースに接続することが考えられる。しかし、回路グランドと器具間の容量が増加することにより、雷サージ電圧(コモンモード)に対する耐量が低下する。そこで、雑音端子電圧を規制範囲内に抑制しながら、なおかつ雷サージ性能を満足するように容量を選択することが必要となる。
本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、DC−DC変換回路を用いたLED電源回路において、入力電源ラインへ伝搬する高周波雑音を低減すると共に、雷サージ性能を向上させることを課題とする。
請求項1の発明は、上記の課題を解決するために、図1に示すように、少なくとも雑音防止用コンデンサC1,C2とラインフィルタLFを含む入力フィルタ回路と、入力フィルタ回路に接続され交流電圧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の出力に接続され、脈流電圧を平滑する1μF以下の容量である平滑コンデンサC3と、平滑コンデンサC3の両端に接続されるDC−DC変換回路(ここでは降圧チョッパ回路)と、DC−DC変換回路の出力に接続されるLED発光部2により構成されるLED電源回路であって、ラインフィルタLFとダイオードブリッジDBとの間の入力電源ライン間にコンデンサC11,C12を直列接続し、コンデンサC11,C12の接続中点とアースFGとの間にコンデンサC13を挿入し、入力電源ラインとアースFGとの間の総容量が平滑コンデンサC3の1/200以下になるように設定したことを特徴とするものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載のLED電源回路4を金属ケース7に収納して成る照明器具である(図7)。
本発明によれば、DC−DC変換回路を用いたLED電源回路において、入力電源ラインへ伝搬する高周波雑音を抑制すると共に、コモンモードの雷サージ印加時の整流後の印加電圧を抑制し、DC−DC変換回路の制御回路やLEDの破壊を防止することができる効果がある。
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1の回路図である。商用交流電源VsにはラインフィルタLFを介してダイオードブリッジDBの交流入力端が接続されている。ラインフィルタLFの電源側には、雑音防止用コンデンサC1と非線形抵抗素子ZNRの並列回路が接続されている。ラインフィルタLFの出力端には雑音防止用コンデンサC2が接続されている。雑音防止用コンデンサC2にはコンデンサC11,C12(第1,第2のコンデンサ)の直列回路が並列接続されている。コンデンサC11,C12の接続点はコンデンサC13(第3のコンデンサ)を介してアースFGに接続されている。
図1は本発明の実施形態1の回路図である。商用交流電源VsにはラインフィルタLFを介してダイオードブリッジDBの交流入力端が接続されている。ラインフィルタLFの電源側には、雑音防止用コンデンサC1と非線形抵抗素子ZNRの並列回路が接続されている。ラインフィルタLFの出力端には雑音防止用コンデンサC2が接続されている。雑音防止用コンデンサC2にはコンデンサC11,C12(第1,第2のコンデンサ)の直列回路が並列接続されている。コンデンサC11,C12の接続点はコンデンサC13(第3のコンデンサ)を介してアースFGに接続されている。
ダイオードブリッジDBの直流出力端には平滑コンデンサC3が接続されている。平滑コンデンサC3はダイオードブリッジDBの直流出力端の脈流電圧を平滑するコンデンサである。平滑コンデンサC3の容量は1μF以下としている。
平滑コンデンサC3の負極は回路グランドGに接続されている。平滑コンデンサC3の正極はLED発光部2のアノード側に接続されている。LED発光部2のカソード側にはインダクタL1の一端が接続されている。インダクタL1の他端はダイオードD1のアノードに接続されている。ダイオードD1のカソードはLED発光部2のアノード側に接続されている。ダイオードD1のアノードは、MOSFETよりなるスイッチング素子Q1のドレイン電極に接続されている。スイッチング素子Q1のソース電極と回路グランドGの間には、電流検出抵抗R1が接続されている。電流検出抵抗R1の非接地側端子は制御部1の検出端子に接続されている。スイッチング素子Q1のゲート電極は制御部1のPWM信号出力端に接続されている。
制御部1はスイッチング電源用の制御用ICであり、電流検出抵抗R1により検出される電流を監視しながら、スイッチング素子Q1のオン時間・オフ時間を制御することにより、LED発光部2に流れる電流を制御するものである。スイッチング素子Q1がオンのとき、平滑コンデンサC3→LED発光部2→インダクタL1→スイッチング素子Q1→電流検出抵抗R1→平滑コンデンサC3の経路で電流が流れる。このとき、インダクタL1に流れる電流は漸増して行き、インダクタL1に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Q1がオフすると、インダクタL1に蓄積された電磁エネルギーが、インダクタL1→ダイオードD1→LED発光部2→インダクタL1の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、LED発光部2に流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。
スイッチング素子Q1は商用交流電源Vsの周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングされており、なおかつ、平滑コンデンサC3の容量を1μF以下(例えば、0.23μF)と小さく設定しているので、商用交流電源Vsからの入力力率は高くなる。その一方、入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩が問題となる。そこで、電源入力部にラインフィルタLFと雑音防止用コンデンサC1,C2を設けることにより入力電源ラインへの高周波雑音の漏洩を防止している。
また、Y字型に接続されたコンデンサC11〜C13を介して、入力電源ラインを器具アースFGに高周波的に接続することにより、大地と入力電源ラインの間に印加されるコモンモードの高周波雑音を低減している。器具アースFGは電源ブロックを収納する金属ケースに電気的に接続されており、金属ケースはアースされている。
図2はコンデンサC11〜C13が無い場合、図3はコンデンサC11〜C13が有る場合の雑音端子電圧レベルを計測した結果である。いずれも電源ブロックを収納する金属ケースをアースに接続した場合である。各コンデンサC11〜C13の容量は220pF、平滑コンデンサC3の容量は0.23μFであった。
図2、図3において、直線で示すラインは雑音規制のラインである。コンデンサC11〜C13が無い図2の場合は雑音規制のラインを超える周波数帯域が存在する。これに対して、コンデンサC11〜C13が有る図3の場合は雑音規制のラインを超える周波数帯域は存在しないことが分かる。
次に、ダイオードブリッジDBによる整流後の雷サージ電圧を測定した結果を図4に示す。横軸はコンデンサC11,C12,C13の総容量値(pF)であり、縦軸はコモンモードの雷サージ(5kV)を印加したときの整流後サージ電圧(V)の測定結果である。平滑コンデンサC3の容量は0.23μFであった。
図4を見ると、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値が300〜500pFを下回ると雷サージ電圧が劇的に改善されているようにも見えるが、実際には縦軸の目盛りは拡大されているので、測定誤差(ばらつき)の範囲内とも言える。ただ1つ確実に言えることは、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値が数十pF〜数千pFの範囲では、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値が増加するにつれて、整流後サージ電圧は増加しており、概ね900〜1100Vの範囲に収まっていると言える。
図2と図3を対比すれば分かるように、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値が増えると、雑音端子電圧は低下するが、増えすぎると、図4から分かるように、整流後サージ電圧が増大することになる。したがって、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値は、雷サージ電圧が許容範囲内で、なおかつ、雑音端子電圧を規制範囲内に抑制できるように選定するのが良いと言える。
本発明者らは、平滑コンデンサC3の容量を1μF以下(例えば、0.23〜0.47μF)とした場合、概ねコンデンサC11〜C13の総容量値が平滑コンデンサC3の容量値の1/200以下に設定されていれば、雷サージ電圧(整流後)を実用上問題の無い範囲内(1kV前後)に抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができるとの知見を得た。
本発明では、アース用コンデンサC11〜C13の総容量値を絶対値として規定するのではなく、平滑コンデンサC3の容量に対する相対値として規定している。その理由は、平滑コンデンサC3の容量が異なると、高周波雑音に対するインピーダンスが異なることで入力電源ラインに重畳する高周波雑音のレベルが変化したり、アース用コンデンサC11〜C13との分圧により整流後のサージ電圧のレベルが変化する可能性を考慮したからである。アース用コンデンサC11〜C13の総容量値を平滑コンデンサC3の容量に対する相対値として規定することで、雷サージ電圧に対する分圧比を規定できるので、平滑コンデンサC3の容量の変化による影響を相殺することができる。
(実施形態2)
図5は本発明の実施形態2の回路図である。実施形態1と同様の構成については説明を省略する。本実施形態では、回路グランドGに接続されたダイオードブリッジDBの直流出力端の負極をコンデンサC11,C12の直列回路を介して器具アースFGに接続したものである。本実施形態においても、平滑コンデンサC3の容量を1μF以下(例えば、0.23〜0.47μF)とした場合、概ねコンデンサC11,C12の総容量値が平滑コンデンサC3の容量値の1/200以下に設定されていれば、雷サージ電圧を抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができる。
(実施形態3)
図6は本発明の実施形態3の回路図である。本実施形態では、実施形態1において、DC−DC変換回路の構成を降圧チョッパ回路に代えてフライバックコンバータ回路としたものである。フライバックコンバータ回路の構成及び動作については周知のものである。
図5は本発明の実施形態2の回路図である。実施形態1と同様の構成については説明を省略する。本実施形態では、回路グランドGに接続されたダイオードブリッジDBの直流出力端の負極をコンデンサC11,C12の直列回路を介して器具アースFGに接続したものである。本実施形態においても、平滑コンデンサC3の容量を1μF以下(例えば、0.23〜0.47μF)とした場合、概ねコンデンサC11,C12の総容量値が平滑コンデンサC3の容量値の1/200以下に設定されていれば、雷サージ電圧を抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができる。
(実施形態3)
図6は本発明の実施形態3の回路図である。本実施形態では、実施形態1において、DC−DC変換回路の構成を降圧チョッパ回路に代えてフライバックコンバータ回路としたものである。フライバックコンバータ回路の構成及び動作については周知のものである。
スイッチング素子Q1がオンのとき、平滑コンデンサC3→トランスT1の1次巻線→スイッチング素子Q1→電流検出抵抗R1→平滑コンデンサC3の経路で電流が流れる。このとき、トランスT1の1次巻線に流れる電流は漸増して行き、トランスT1に電磁エネルギーが蓄積される。スイッチング素子Q1がオフすると、トランスT1に蓄積された電磁エネルギーが、トランスT1の2次巻線→ダイオードD1→LED発光部2→トランスT1の2次巻線の経路で放出される。この動作を高周波で繰り返すことにより、LED発光部2に流れる平均電流が所望の電流となるように制御される。なお、スイッチング素子Q1のオン時にダイオードD1が遮断状態となっている期間にもLED発光部2に電流を供給できるように、LED発光部2と並列にコンデンサC4が接続されている。
本実施形態においても、平滑コンデンサC3の容量を1μF以下(例えば、0.23〜0.47μF)とした場合、概ねコンデンサC11〜C13の総容量値が平滑コンデンサC3の容量値の1/200以下に設定されていれば、雷サージ電圧を抑制しながら、入力電源ラインへ伝搬する雑音を規制範囲内に低減することができる。
なお、図示はしないが、実施形態2においても、DC−DC変換回路の構成を降圧チョッパ回路に代えてフライバックコンバータ回路としても良い。
(実施形態4)
図7は実施形態1〜3のいずれかのLED電源回路を用いたLED照明器具の断面図である。LED照明器具の器具筐体7は天井9に埋め込まれている。器具筐体7内に、LED発光部2と電源回路部4が内蔵されている。器具筐体7は、下端開放された金属製の円筒体よりなり、下端開放部は光拡散板8で覆われている。この光拡散板8に対向するように、LED発光部2が配置されている。21はLED実装基板であり、LED発光部2のLED2a〜2dを実装している。
(実施形態4)
図7は実施形態1〜3のいずれかのLED電源回路を用いたLED照明器具の断面図である。LED照明器具の器具筐体7は天井9に埋め込まれている。器具筐体7内に、LED発光部2と電源回路部4が内蔵されている。器具筐体7は、下端開放された金属製の円筒体よりなり、下端開放部は光拡散板8で覆われている。この光拡散板8に対向するように、LED発光部2が配置されている。21はLED実装基板であり、LED発光部2のLED2a〜2dを実装している。
LED発光部2は、ここでは4個のLED2a〜2dが搭載されており、LED2aからLED2dまでがアノードからカソードに直列につながれる構成となっている。LED2aのアノード側にはプラス、LED2dのカソード側にはマイナスの電圧が印加されることにより、各LED2a〜2dが発光する。LED2a〜2dの順方向電圧Vfの合計以上の電圧が印加されると、流れる電流の値に応じてLEDから光束を得ることが出来る。順方向電圧Vfは通常略3.5Vのため、4個直列に接続するのであれば、4×3.5V以上の直流電圧において点灯させることが出来る。
41は電源回路基板であり、電源回路部4の電子部品を実装している。LED発光部2は、器具筐体7内において放熱板71に接触するように設置されており、LED2a〜2dの発生する熱を器具筐体7に逃がすようになっている。また、LED発光部2と点灯回路部4は、この放熱板71に設けられた穴を介して、リード線5で接続されている。放熱板71はアルミ板や銅板のような金属板であり、放熱効果と遮蔽効果を兼ねている。放熱板71は器具筐体7に電気的に接続されてアースされるが、リード線5のプラス側ならびにマイナス側とは電気的に分離された非充電部となっている。
2 LED発光部
DB ダイオードブリッジ
LF ラインフィルタ
C1,C2 雑音防止用コンデンサ
C3 平滑コンデンサ
C11〜C13 アース用コンデンサ
DB ダイオードブリッジ
LF ラインフィルタ
C1,C2 雑音防止用コンデンサ
C3 平滑コンデンサ
C11〜C13 アース用コンデンサ
Claims (2)
- 少なくとも雑音防止用コンデンサとラインフィルタを含む入力フィルタ回路と、
前記入力フィルタ回路に接続され交流電圧を全波整流するダイオードブリッジと、
前記ダイオードブリッジの出力に接続され、脈流電圧を平滑する1μF以下の容量である平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの両端に接続されるDC−DC変換回路と、
前記DC−DC変換回路の出力に接続されるLED発光部により構成されるLED電源回路であって、
前記ラインフィルタと前記ダイオードブリッジとの間の入力電源ライン間に第1のコンデンサ,第2のコンデンサを直列接続し、前記第1のコンデンサ,前記第2のコンデンサの接続中点とアースとの間に第3のコンデンサを挿入し、前記入力電源ラインと前記アースとの間の総容量が前記平滑コンデンサの1/200以下になるように設定した
ことを特徴とするLED電源回路。 - 請求項1に記載のLED電源回路を金属ケースに収納して成る照明器具。
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