JP5526095B2

JP5526095B2 - Ｌｅｄ点灯装置

Info

Publication number: JP5526095B2
Application number: JP2011204066A
Authority: JP
Inventors: 充弘門田; 浩幸庄司; 篤史畠山
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN103024980B; CN103024980A; JP2013065487A

Description

本発明は、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）の点灯装置に関する。

ＬＥＤは、環境性に優れた光源として注目されており、ＬＥＤ照明として住宅やオフィスの一般照明としても利用されるようになった。ＬＥＤ照明の中に、白熱電球と同様の口金を備え、白熱電球用の器具に取り付けて利用する電球形ＬＥＤ照明がある。また、白熱電球の調光手段として用いられてきた位相制御方式の調光器に対応する製品も見られる。

ＬＥＤの光出力は、ＬＥＤに流れる電流（以下、ＬＥＤ電流と記す）によって決まる。ＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤ電流を制御することによって、ＬＥＤの光出力を制御する。

ＬＥＤは、発光に際して発熱を伴う。また、多くの場合、ＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤの近くで、かつ、筺体内部などの密閉された空間に配置される。したがって、ＬＥＤ点灯装置が周囲温度によらずＬＥＤ電流を一定に制御すると、周囲温度が高温であるときにＬＥＤ及びＬＥＤ点灯装置（以下、ＬＥＤも含めてＬＥＤ点灯装置として記す）の温度は相当に高くなり、これらの短寿命化が問題になる。なお、周囲温度とは、上記のＬＥＤ照明に触れる外気の温度であり、また、ＬＥＤ照明がそれを取り付ける器具や壁面によって密閉される場合は、密閉された空間の温度が周囲温度である。

上記の問題を解決するためには、周囲温度が高温であるときにＬＥＤ電流を減少させ、ＬＥＤ点灯装置の温度上昇を低く抑える過熱保護機能を備えたＬＥＤ点灯装置が望ましい。過熱保護機能を備えるＬＥＤ点灯装置として、例えば特許文献１に記載の装置がある。特許文献１に記載の装置では、ＬＥＤに給電する主回路としてリニア方式の定電流回路を挙げており、電源から定電流回路を介してＬＥＤに給電する構成であり、感温素子であるサーミスタを備えた周辺回路によって定電流回路の電流を制御する。周囲温度が高温であるときには、サーミスタの抵抗値が変化し、ＬＥＤ電流が減少する構成となっている。

特開２０１０−６２３４９号公報

しかし、定電流回路の方式としては、特許文献１に記載のリニア方式に限らず、より効率の高いスイッチング方式の回路も考えられる。したがって、幅広い主回路方式に対応できる汎用性の高い過熱保護機能が必要になる。

また、本発明では、位相制御方式の調光器を利用する場合についても考える。調光器を接続する場合、調光器内の半導体素子がターンオンした直後に、ＬＥＤ点灯装置に突入電流が流れ込む。この突入電流によって、突入電流防止抵抗、入力フィルタ用チョークコイル、入力平滑用コンデンサといった部品の発熱が増大し、これらの短寿命化が問題になる。したがって、調光器を接続した場合においてもＬＥＤ点灯装置の短寿命化を防ぐためには、調光器を接続しない場合と比べてＬＥＤ電流の減少分をより大きくする必要がある。もちろん、ＬＥＤ電流の減少分を大きくすれば、ＬＥＤの光出力も減少してしまう。

ここで、調光器に対応するとしても、調光器に接続されずに使用される場合も考えられる。また、調光器に対応する製品と対応しない製品とで、ＬＥＤ点灯装置の構成や使用部品を極力共通化したいという要求も考えられる。調光器の接続有無に対応し、短寿命化の回避と光出力の確保を両立させたい場合、過熱保護機能の中でも、調光器を接続した場合では、接続しない場合と比べてＬＥＤ電流の減少分がより大きくなる機能を実現することが望ましい。

本発明は、ＬＥＤ点灯装置の短寿命化を回避する過熱保護機能のうち、幅広い主回路方式に適用できる汎用性の高い過熱保護機能であって、また、調光器の接続有無に応じて電力の減少分を変えることによって、短寿命化の回避と光出力の確保を両立した過熱保護機能を実現するＬＥＤ点灯装置の提供を目的とする。

上記の問題を解決するために本発明は、交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記直流電圧を変換してＬＥＤ負荷に給電するＤＣ−ＤＣ変換回路と、前記直流電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出回路と、感温素子を備え、前記電圧検出信号に基づいて前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の電流設定値を出力する感温回路と、を備えたＬＥＤ点灯装置であって、前記電圧検出回路は、前記直流電圧が所望の閾値より高いときにＨレベルとなり、前記直流電圧が前記閾値より低いときにＬレベルとなるような前記電圧検出信号を出力し、前記感温回路は、前記感温素子を含むＲＣフィルタを構成し、周囲温度が高温であるときに、前記ＲＣフィルタの時定数が変化し、前記電流設定値を減少させることを特徴とするＬＥＤ点灯装置を構成する。

本発明のＬＥＤ点灯装置によれば、周囲温度が高温であるときにＬＥＤ点灯装置の電力を減少させ、ＬＥＤ点灯装置の短寿命化を回避する過熱保護機能のうち、幅広い主回路方式に適用できる汎用性の高い過熱保護機能であって、また、調光器の接続有無に応じて電力の減少分を変えることによって、短寿命化の回避と光出力の確保を両立した過熱保護機能を実現できる。

本発明におけるＬＥＤ点灯装置のブロック図である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置のブロック図（調光器接続）である。電圧検出信号の一例である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置（感温回路の具体例）である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置の温度特性である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置の動作波形（調光器接続）である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置の動作波形（調光器なし）である。電圧検出信号の一例である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置（ＤＣ−ＤＣ変換回路などの具体例）である。本発明におけるＬＥＤ点灯装置（ＤＣ−ＤＣ変換回路などの具体例）である。感温回路の別例である。感温回路の別例である。感温回路の別例である。感温回路の別例である。感温回路の別例である。感温回路の別例である。

本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明におけるＬＥＤ点灯装置のブロック図である。図１において、整流回路１０１から右側が本発明のＬＥＤ点灯装置である。本発明のＬＥＤ点灯装置は、整流回路１０１とＤＣ−ＤＣ変換回路１０２とＬＥＤ負荷１０３と電圧検出回路１０４と感温回路１０５とから構成されている。交流電源１００と整流回路１０１は接続されており、交流電源１００から供給される交流電源電圧を、整流回路１０１によって直流電圧に変換する。整流回路１０１によって変換された直流電圧を整流回路１０１と接続されたＤＣ−ＤＣ変換回路１０２によって変換して、ＤＣ−ＤＣ変換回路１０２と接続されたＬＥＤ負荷１０３に給電する。整流回路が出力する直流電圧を、以下では整流電圧と記す。ＬＥＤ負荷１０３について、ＬＥＤの個数や接続形態は問わず、また、保護用素子などを内蔵したＬＥＤモジュールを含んでもよい。

図２は、図１のＬＥＤ点灯装置において、交流電源１００と整流回路１０１の間に調光器１０６を接続したものである。図２においても、整流回路１０１から右側が本発明のＬＥＤ点灯装置である。図２では、調光器１０６の出力電圧が交流電源電圧となって、ＬＥＤ点灯装置に供給される。調光器１０６は、位相制御方式の調光器と呼ばれるものであり、半導体素子のオン・オフ制御によって交流電源１００と整流回路１０１との間の導通・非導通を制御する。

電圧検出回路１０４は、整流回路１０１の直流出力側に接続されており、整流回路１０１が生成した整流電圧を検出し、電圧検出信号を出力する。電圧検出回路１０４の具体的な動作、及び、それによって決まる電圧検出信号として複数が考えられる。例えば、整流電圧が閾値である略ゼロより高くなる期間においてＨレベルとなり、整流電圧が閾値である略ゼロより低くなる期間においてＬレベルとなる信号を、電圧検出信号として出力する構成が考えられる。

図３（ａ）は、図２のように調光器１０６が接続される場合の、整流電圧と電圧検出信号の波形である。図３（ａ）のように、電圧検出信号は、調光器１０６のオン期間においてＨレベルとなるような矩形波信号となる。このような電圧検出信号を適宜平滑化するなどしてＤＣ−ＤＣ変換回路１０２の電流設定値とすれば、調光器１０６のオン期間に応じたＬＥＤ電流の制御、すなわち調光が可能になる。

図３（ｂ）は、図１のように調光器が接続されない場合の、整流電圧と電圧検出信号の波形である。上記のように閾値を略ゼロとすれば、電圧検出信号は常にＨレベルになる。特に、ＤＣ−ＤＣ変換回路１０２の入力側にコンデンサを入れるなどして平滑要素とすれば、電圧検出信号は常にＨレベルになる。また、電圧検出回路１０４の入力部にコンデンサを入れて、わずかに平滑する機能を持たせてもよい。

電圧検出回路１０４の別例を説明する。まず、上記の閾値は必ずしも略ゼロである必要はなく、所望の電圧値であってもよい。このような電圧検出回路１０４は、コンパレータを用いて簡単に実現できるが、詳細な回路構成については問わない。電圧検出回路の動作としては他にも考えられる。例えば、図８のように整流電圧を所望の電圧値でクランプする回路であってもよいし、整流電圧を分圧する回路であってもよい。また、これまでに上げた閾値との比較、クランプ、分圧などを組み合わせた回路であってもよい。

感温回路１０５は、感温素子を備えた回路であって、前記電圧検出回路１０４に接続される。また、感温回路１０５は、ＤＣ−ＤＣ変換回路１０２の電流設定値を出力する。感温素子の例として、ＰＴＣサーミスタやＮＴＣサーミスタなどの感温抵抗や、温度によって静電容量が変化するコンデンサ（以下、感温コンデンサと記す）などがある。周囲温度が高温である場合に感温回路がＤＣ−ＤＣ変換回路１０２の電流設定値を減少させることで、ＬＥＤ電流ひいてはＬＥＤ点灯装置の電力が減少し、過熱保護の効果が発生する。

図４は、図２に示したブロック図のうち、感温回路１０５を具体的に示したものである。なお、感温回路１０５のうち、平滑回路１０７の有無は任意である。電流設定値を平滑する平滑回路１０７があることによって、電流設定値は交流電源の一周期にわたって略一定となり、ちらつきの原因となるＬＥＤ電流の脈動を抑制できる。平滑回路の他に、電圧値調整のための分圧回路や増幅回路を接続することも任意である。また、調光器１０６を接続せず、図１のように交流電源１００を直接整流回路１０１に接続してもよい。以下では、調光器１０６を接続する場合と接続しない場合の両方について説明する。電圧検出回路１０４の動作としては、上記のように複数考えられるが、以下の説明では図３に示した動作とする。

図４の感温回路１０５について説明する。電圧検出回路１０４の出力端とグラウンド（ＧＮＤ）の間に、ダイオード１０９と抵抗１１０と抵抗１１１の直列体がこの順番となるよう接続されており、抵抗１１０と抵抗１１１との接点が平滑回路１０７に接続される。このとき、ダイオード１０９のカソードが電圧検出回路１０４側を向くように接続する。ダイオード１０９と抵抗１１０の直列体と並列に、感温素子であるＰＴＣサーミスタ１０８が接続される。抵抗１１１と並列にコンデンサ１１２が接続される。平滑回路１０７が無い場合は、抵抗１１０と抵抗１１１の接点が感温回路１０５の出力となる。

感温回路１０５のうち、平滑回路１０７より前段に接続される回路は、ＲＣフィルタと分圧の２つの機能を備える。まず、ＰＴＣサーミスタ１０８とダイオード１０９と抵抗１１０とコンデンサ１１２によってＲＣフィルタが構成される。ダイオード１０９があるために、このＲＣフィルタの時定数は、電圧検出信号の立ち上がりと立ち下がりで異なる。電圧検出信号の立ち上がりでは、ＰＴＣサーミスタ１０８とコンデンサ１１２によって時定数が決まる。一方、電圧検出信号の立ち下がりでは、ＰＴＣサーミスタ１０８と抵抗１１０とコンデンサ１１２によって時定数が決まる。次に、ＰＴＣサーミスタ１０８と抵抗１１１によって抵抗分圧回路が構成され、電圧検出信号が分圧される。

ＰＴＣサーミスタ１０８の抵抗値は、その温度に対して図５のように変化する。なお、図５では、ＬＥＤ点灯装置の電力とＰＴＣサーミスタ１０８の温度との関係を破線で示したが、これについては後で説明する。一般に、ＰＴＣサーミスタでは、ある温度（図５のＴｃ）より低温においては、抵抗値は温度に依らず略一定であるが、ある温度（図５のＴｃ）より高温においては、温度上昇と共に抵抗値が急激に増大する。以下の説明では、ＰＴＣサーミスタ１０８の温度がＴｃになるときの周囲温度を、基準温度として定義する。周囲温度が基準温度よりも低温（以下、単に低温と記す）または高温（以下、単に高温と記す）であるとき、ＰＴＣサーミスタ１０８の温度は、例えば図５に示す温度ＴａまたはＴｂとなる。基準温度を何度に設定するかについては、ＬＥＤ照明製品の仕様（特に電力や構造）に依存するものであり、この仕様に応じて最適な温度特性を有するＰＴＣサーミスタを選定する。例えば、Ｔａ＝８０℃、Ｔｂ＝１２０℃、Ｔｃ＝１００℃などが考えられ、この場合でも消費電力、放熱構造、回路の部品配置などによりそれぞれ±２０℃くらいは変わる可能性がある。

位相制御方式の調光器が接続され、かつ周囲温度が低温または高温であり、ＰＴＣサーミスタ１０８の温度が例えば図５のＴａまたはＴｂであるときの電圧検出信号、平滑回路１０７の入力信号、ＤＣ−ＤＣ変換回路の電流設定値は、それぞれ図６（ａ）または（ｂ）となる。上記から、平滑回路１０７の入力信号とは抵抗１１１の電圧であり、この平均値が電流設定値になる。図６において、平滑回路１０７の入力信号と電流設定値については、電圧検出信号を破線で重ねて示した。図６のように、平滑回路１０７の入力信号は、電圧検出信号が分圧され、かつ、ＲＣフィルタの時定数にしたがって立ち上がりと立ち下がりが遅れた波形となる。低温から高温になり、ＰＴＣサーミスタ１０８の抵抗値が増大すると、ＰＴＣサーミスタ１０８と抵抗１１１による分圧比が変化し、平滑回路１０７の入力信号の平均値、すなわち電流設定値が減少する。また、電圧検出信号の立ち上がりにおいて、ＲＣフィルタの時定数が増大することによって電流設定値はさらに減少する。すなわち、分圧比の変化と、ＲＣフィルタ時定数の増大という２つの効果によって電流設定値が減少する。

図７は、調光器を接続しない場合の電圧検出信号、平滑回路１０７の入力信号、電流設定値である。このとき、図３でも示したように、電圧検出信号は常にＨレベルとなるため、ＲＣフィルタとしての効果は現れず、ＰＴＣサーミスタ１０８と抵抗１１１による分圧比が変化する効果のみによって電流設定値が減少する。したがって、図６に示すように、調光器が接続される場合と比較すると、電流設定値ひいては電力の減少分が小さくなる。以上によって、調光器の接続有無に応じて電力の減少分が変わる過熱保護機能を実現でき、短寿命化の回避と光出力の確保を両立することができる。

図９は、図４に示したＬＥＤ点灯装置のうち、整流回路１０１やＤＣ−ＤＣ変換回路１０２の構成を具体的に示したものである。図９にて、ダイオードブリッジ１１５を備える全波整流回路が図４の整流回路１０１に相当し、ダイオード１１６、コンデンサ１１７、電流制御回路１１８、ダイオード１１９、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ１２０、チョークコイル１２１、コンデンサ１２２、抵抗１２３から構成される降圧チョッパ回路が図４のＤＣ−ＤＣ変換回路１０２に相当する。なお、図４では省略した要素として、突入電流防止用の抵抗１１３と入力フィルタ用チョークコイル１１４を示した。この他にも、ヒューズやフィルタ用のコンデンサなどを追加してもよい。ＬＥＤ負荷１０３の電圧によっては、降圧チョッパ回路ではなく昇降圧チョッパ回路や昇圧チョッパ回路といったチョッパ回路全般、また、絶縁が必要であればフライバックコンバータなど、他の回路を用いてもよい。スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴに限らずバイポーラトランジスタやＩＧＢＴなど他種の素子を用いてもよい。

図９において、電流制御回路１１８は、抵抗１２３から検出されるＭＯＳＦＥＴ１２０の電流を平滑回路１０７が出力する電流設定値にしたがって制御するように、ＭＯＳＦＥＴ１２０を駆動する。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１２０の電流が、電流設定値に達するまでＭＯＳＦＥＴ１２０をオンにする制御が考えられる。このような電流制御回路１１８は、市販されているＬＥＤ向け制御ＩＣを用いて簡単に構成できる。もちろん、制御ＩＣを用いず、コンパレータなどのディスクリート部品を組み合わせて構成してもよい。

本発明は、上記したスイッチング方式のＤＣ−ＤＣ変換回路だけでなく、リニア方式のＤＣ−ＤＣ変換回路にも対応できる。図１０は、ＭＯＳＦＥＴ１２０、抵抗１２３、オペアンプ１２４で構成されるリニア方式の定電流回路を用いる場合の図である。このように、本発明の過熱保護機能は、広範なＤＣ−ＤＣ変換回路に適用できる汎用性の高いものである。ただし、回路効率の点では、上記のチョッパ回路が有利であると考えられる。

ここで、感温回路１０５のうち、平滑回路１０７より前段に接続される回路についての別例を示す。まず、図１１のように、図４の回路に対して、ＰＴＣサーミスタ１０８と直列に抵抗１２５を挿入した回路が考えられる。また、図示はしないが、ＰＴＣサーミスタ１０８と並列に抵抗を接続してもよい。このように抵抗を追加することは、部品点数では不利になるものの、抵抗値の調整が可能になる点で有効である。もちろん、ＰＴＣサーミスタ１０８に限らず、抵抗１１０や抵抗１１１についても、抵抗値を調整するための抵抗を直列または並列に接続してよい。なお、以下で説明する全ての回路について、同じ要領で抵抗を接続することができる。また、図１４のように、図４の回路にダイオード１２６を追加した回路であってもよい。

次に、図１２のように、図４の回路から抵抗１１１を削除した回路が考えられる。抵抗１１１を削除したことにより図１２の回路には、図４の回路のように抵抗分圧比の変化によって電力を低下させる機能はない。したがって、調光器を接続せず、電圧検出信号が常にＨレベルになる場合では、過熱保護の効果が現れない。調光器を接続し、ＬＥＤ点灯装置に突入電流が流れる場合にのみ、電力を低下させたい場合に有効である。また、図４の回路に比べて部品点数が少なく済む。

次に、図１３のように、図４の回路からダイオード１０９と抵抗１１０とコンデンサ１１２を削除した回路が考えられる。図１３の回路には、図４の回路のようにＲＣフィルタの時定数変化によって電力を低下させる機能はなく、抵抗分圧比の変化によってのみ電力を低下させる。したがって、調光器の有無によらず、同程度の電力低下を実現したい場合に有効である。また、図４や図１２の回路と比べて、部品点数が少なく済む。

以上で説明した感温回路では、感温素子としてＰＴＣサーミスタを利用したが、ＮＴＣサーミスタを利用してもよい。ＮＴＣサーミスタは、温度上昇に対して抵抗値が減少する特性を有する感温素子である。図１５の回路では、ＰＴＣサーミスタの代わりにＮＴＣサーミスタが利用されており、低温から高温になると、電圧検出信号の立ち下がりにおいてＲＣフィルタの時定数が減少し、電流設定値が減少する。また、図１６の回路においてもＮＴＣサーミスタが利用されており、低温から高温になると、抵抗１１０とＮＴＣサーミスタ１２８による分圧比が変化し、電流設定値が減少する。

以上、感温回路の別例を説明したが、高温時において電流設定値を減少させる回路であれば、具体的な回路構成については問わない。

１００交流電源
１０１整流回路
１０２ＤＣ−ＤＣ変換回路
１０３ＬＥＤ負荷
１０４電圧検出回路
１０５感温回路
１０６調光器
１０７平滑回路
１０８ＰＴＣサーミスタ
１０９ダイオード（１１６、１１９、１２６も同様）
１１０抵抗（１１１、１１３、１２３、１２５も同様）
１１２コンデンサ（１１７、１２２も同様）
１１４チョークコイル（１２１も同様）
１１５ダイオードブリッジ
１１８電流制御回路
１２０ＭＯＳＦＥＴ
１２４オペアンプ
１２７ＮＴＣサーミスタ（１２８も同様）

Claims

交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
前記直流電圧を変換してＬＥＤ負荷に給電するＤＣ−ＤＣ変換回路と、
前記直流電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出回路と、
感温素子を備え、前記電圧検出信号に基づいて前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の電流設定値を出力する感温回路と、を備え、
前記電圧検出回路は、前記直流電圧が所望の閾値より高いときにＨレベルとなり、前記直流電圧が前記閾値より低いときにＬレベルとなるような前記電圧検出信号を出力し、
前記感温回路は、前記感温素子を含むＲＣフィルタを構成し、周囲温度が高温であるときに、前記ＲＣフィルタの時定数が変化し、前記電流設定値を減少させることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記感温回路は、所望の温度を基準温度として、周囲温度が前記基準温度より低温であるとき、前記電流設定値を略一定とし、周囲温度が前記基準温度より高温であるとき、周囲温度が高いほど前記電流設定値を減少させることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯装置において，
前記感温回路は、周囲温度が高温であるときに，前記電圧検出信号の立ち上がりにおける前記ＲＣフィルタの時定数が増大することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載のＬＥＤ点灯装置において、
前記感温回路は、前記電圧検出回路の出力端子に接続されるダイオードと第１の抵抗と第２の抵抗の直列体と、前記ダイオードと前記第１の抵抗の直列体と並列に接続される前記感温素子としての感温抵抗と、前記第２の抵抗と並列に接続されるコンデンサとを備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
交流電源電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記直流電圧を変換してＬＥＤ負荷に給電するＤＣ−ＤＣ変換回路とを備えたＬＥＤ点灯装置であって、
前記直流電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出回路と、該電圧検出回路に接続される感温回路とを備え、
該感温回路は、感温素子を備え、前記ＤＣ−ＤＣ変換回路の電流設定値を出力し、周囲温度が高温であるときに前記電流設定値を減少させ、
前記感温回路は、前記電圧検出回路の出力端子に接続されるダイオードと第１の抵抗と第２の抵抗の直列体と、前記ダイオードと前記第１の抵抗の直列体と並列に接続される前
記感温素子としての感温抵抗と、前記第２の抵抗と並列に接続されるコンデンサとを備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。