JP5632732B2 - 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装置 - Google Patents

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装置に関するものである。

従来から、発光ダイオードを点灯させ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）。

この種の発光ダイオード点灯装置は、入力された直流電力又は交流電力を、発光ダイオードの点灯に適した直流電力に変換して出力するものである。

この種の発光ダイオード点灯装置として、図５に示すように、直流電源２から入力された直流電力を降圧して発光ダイオードアレイ３に出力する点灯回路４を備える発光ダイオード点灯装置１がある。

点灯回路４は、周知のいわゆるバックコンバータ（降圧チョッパ回路）からなる。すなわち、点灯回路４は、カソードを直流電源２の高電圧側の出力端に接続されたダイオードＤ１と、このダイオードＤ１のアノードと直流電源２の低電圧側の出力端との間に接続されたスイッチ装置４０と、一端がダイオードＤ１のカソードに接続されたコンデンサＣ１と、このコンデンサの他端に一端が接続されるとともに他端がダイオードＤ１とスイッチ装置４０との接続点に接続されたインダクタＬ１とを備え、コンデンサＣ１の両端が出力端として発光ダイオードアレイ３に接続されている。

スイッチ装置４０は、例えば、直流電源２の低電圧側の出力端とダイオードＤ１のアノードとの間に接続されたスイッチング素子と、このスイッチング素子を周期的にオンオフ駆動する駆動部とが、１チップに集積化された集積回路からなる。上記のスイッチング素子としては例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることができ、この場合には、ソースが直流電源２の低電圧側の出力端に接続され、ドレインがダイオードＤ１のアノードに接続される。また、上記の駆動部は、点灯回路４の出力電流を一定に維持するように上記のオンオフ駆動のオンデューティを随時変化させる。このようなスイッチ装置４０は周知であって市販もされているので詳細な図示並びに説明は省略する。

さらに、図５の例では、ある程度の大電流が流れたときにジュール熱で溶断して点灯回路４への直流電力の入力を停止させる回路遮断手段としてのヒューズ５が、直流電源２から点灯回路４への給電路に挿入されている。

特開２００７−１８９００４号公報

ここで、ヒューズ５としては、少なくともスイッチ装置４０のスイッチング素子がオフされない状態で点灯回路４の出力端間が短絡されたときには溶断されるものが用いられる。なお、ここでいう「スイッチング素子がオフされない状態」には、スイッチング素子がオンされたままとなる状態だけでなく、スイッチング素子に対してオフ制御の入力がされても十分に高い（つまり回路設計上で要求される程度の）インピーダンスが達成されない状態も含まれる。従って、何らかの故障により点灯回路４の出力電圧が異常に高くなった場合に、発光ダイオードアレイ３が破壊に至って点灯回路４の出力端間が短絡され、且つ、点灯回路４においてスイッチ装置４０のスイッチング素子のオフによる出力電流の抑制が行われなければ、ヒューズ５が溶断することで点灯回路４の各回路部品は電気的ストレスから保護される。上記のように点灯回路４の出力電圧が異常に高くなる故障としては、例えばスイッチ装置４０の短絡が考えられ、この場合には点灯回路４の出力電圧が直流電源２の出力電圧と同程度となる。

しかしながら、上記のように点灯回路４の出力電圧が異常に高くなった場合であっても、仮に発光ダイオードアレイ３が上記のような破壊に至らず、且つ、ヒューズ５が溶断に至らなかった場合、点灯回路４の各回路部品や発光ダイオードアレイ３に過剰な電圧がかかることにより、異常発熱が発生する可能性がある。

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、異常発熱が発生しにくい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装置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、入力された直流電力を降圧して発光ダイオードに出力することにより前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータからなる点灯回路と、前記点灯回路への給電路に挿入されて少なくとも前記点灯回路のスイッチング素子がオフされない状態で前記点灯回路の出力端間が短絡されたときには前記点灯回路への直流電力の入力を停止させる回路遮断手段と、前記点灯回路の出力電圧が所定の短絡閾値電圧以上となったときに前記点灯回路の出力端間を短絡させる保護回路とを備えることを特徴とする。

この発光ダイオード点灯装置において、少なくとも１個のスイッチング素子を含み前記点灯回路の前段に接続された力率改善回路を備え、前記力率改善回路は、少なくとも前記保護回路により前記点灯回路の出力端間が短絡されたときには動作を停止することが望ましい。

また、この発光ダイオード点灯装置において、前記点灯回路は、前記保護回路が前記点灯回路の出力端間を短絡させる前に動作を停止することが望ましい。

本発明の照明装置は、上記いずれかの発光ダイオード点灯装置と、前記点灯回路の出力によって点灯される少なくとも１個の発光ダイオードとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、点灯回路の出力電圧が異常に上昇した場合には、保護回路により点灯回路の出力端間が短絡されることで、回路遮断手段により確実に点灯回路への給電が停止されるから、保護回路が設けられない場合に比べて異常発熱が発生しにくい。

実施形態１を示す回路ブロック図である。 実施形態２を示す回路ブロック部である。 同上の変更例を示す回路ブロック部である。 同上の別の変更例を示す回路ブロック部である。 従来例を示す回路ブロック図である。

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。

（実施形態１）
本実施形態の基本構成は図５で説明した従来例と共通であるので、共通する部分についての説明は省略する。

図１に示すように、本実施形態の発光ダイオード点灯装置１は、点灯回路４の出力電圧（すなわちコンデンサＣ１の両端電圧）が所定の電圧（以下、「短絡閾値電圧」と呼ぶ。）を上回ったときに点灯回路４の出力端間を短絡する保護回路６を備える。

保護回路６は、アノードが点灯回路４の高電圧側の出力端に接続されるとともにカソードが点灯回路４の低電圧側の出力端に接続されたサイリスタＱ１と、このサイリスタＱ１のゲートと点灯回路４の高電圧側の出力端との間においてアノードをサイリスタＱ１側として接続されたツェナーダイオードＺＤとを備える。より具体的には、ツェナーダイオードＺＤは、サイリスタＱ１のゲートにアノードが直接接続されるとともに、カソードが抵抗Ｒ１を介して点灯回路４の高電圧側の出力端に接続されている。また、サイリスタＱ１のゲートは、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との並列回路を介して点灯回路４の低電圧側の出力端に接続されている。

すなわち、点灯回路４の出力電圧が短絡閾値電圧以上になると、サイリスタＱ１がオンされることで、点灯回路４の出力端間がサイリスタＱ１を介して短絡される。言い換えると、保護回路６において、サイリスタＱ１以外の回路素子は、点灯回路４の出力電圧が短絡閾値電圧以上となったときにサイリスタＱ１をオン制御するサイリスタ駆動部を構成している。上記の短絡閾値電圧は、保護回路６の抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧比の逆数（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２をサイリスタＱ１のゲートトリガ電圧に乗じた電圧に、ツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を加算した電圧となる。上記の短絡閾値電圧は、直流電源２の出力電圧よりも低く、且つ、点灯回路４の正常動作中の出力電圧（すなわち接続される発光ダイオードアレイ３の順方向降下電圧）よりも高くされる。

上記構成によれば、点灯回路４においてスイッチング装置４０のドレイン−ソース間の短絡などの異常が発生して出力電圧が異常に高くなった場合であっても、保護回路６により点灯回路４の出力端間が短絡される。また、ヒューズ５としては、少なくともスイッチ装置４０のスイッチング素子がオフされない状態で点灯回路４の出力端間が短絡されたときには溶断するものが用いられている。既に説明したように、ここでいう「スイッチング素子がオフされない状態」には、スイッチング素子がオンされたままとなる状態だけでなく、スイッチング素子に対してオフ制御の入力がされても十分に高い（つまり回路設計上で要求される程度の）インピーダンスが達成されない状態も含まれる。従って、点灯回路４において上記のスイッチング素子がオフされない状態となる短絡などの異常が発生しているときには、上記のような保護回路６による短絡で確実にヒューズ５が溶断して点灯回路４への給電が停止される。以上により、保護回路６が設けられない場合に比べて異常発熱が発生しにくい。

さらに、短絡閾値電圧を、発光ダイオードアレイ３が破壊に至らない程度に十分に低い電圧とすれば、保護回路６による短絡によって発光ダイオードアレイ３の破壊が防止される。

（実施形態２）
本実施形態の基本構成は実施形態１と共通であるので、共通する部分についての説明は省略する。

本実施形態では、スイッチ装置４０は、スイッチング素子Ｑ２と、このスイッチング素子Ｑ２をオンオフ駆動する駆動部４１とを備え、停止制御端子４１１は駆動部４１に設けられている。スイッチング素子Ｑ２は、例えばドレインがダイオードＤ１のアノードに接続されてソースが抵抗Ｒ３を介して直流電源２の低電圧側の出力端に接続されたＦＥＴからなる。スイッチング素子Ｑ２としては、上記のようなＦＥＴのほか、ＩＧＢＴなどの他の周知のスイッチング素子を使用してもよい。駆動部４１は、例えば１チップの集積回路からなり、スイッチング素子Ｑ２を繰り返しオンオフ駆動するものであって、点灯回路４の出力電流を一定に維持するようなフィードバック制御で上記オンオフ駆動のオンデューティを随時変更する。より具体的には例えば、駆動部４１は、コンデンサＣ１への出力電流が０となったときにスイッチング素子Ｑ２をオン制御し、その後、上記の抵抗Ｒ３の両端電圧が後述するオフ電圧に達したときにスイッチング素子Ｑ２をオフ制御する。上記のオフ電圧は、点灯回路４の出力電流が所定の目標電流よりも低いときには高くされ、点灯回路４の出力電流が目標電流よりも高いときには低くされるといったように、点灯回路４の出力電流に応じて随時変更されるものである。上記のような駆動部４１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。

また、本実施形態では、点灯回路４の出力電圧が所定の電圧（以下、「出力停止電圧」と呼ぶ。）以上となったときに、点灯回路４が動作を停止し、つまり点灯回路４のスイッチング素子Ｑ２がオフ状態に維持される。

具体的には、図２に示すように、点灯回路４のスイッチ装置４０として、フォトカプラ８ａの出力端子を介してグランド（すなわち直流電源２の低電圧側の出力端と同電位）に接続された停止制御端子４１１を有し、この停止制御端子４１１がグランドに接続されたときに動作を停止するものを用いる。さらに、上記のフォトカプラ８ａの入力端子を、保護回路６においてサイリスタＱ１のゲートとツェナーダイオードＺＤとの間に接続する。すなわち、出力停止電圧は、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れてフォトカプラ８ａがオンされるときの点灯回路４の出力電圧である。また、本実施形態における短絡閾値電圧は、フォトカプラ８ａの発光ダイオードの順方向降下電圧を、実施形態１における短絡閾値電圧に加算した電圧となる。

さらに、点灯回路４が停止されるタイミングは、保護回路６による短絡が行われるタイミングよりも前となっている。このような動作を実現する方法としては、例えば、サイリスタＱ１としてゲートトリガ電圧が十分に高いものを用いて出力停止電圧を短絡閾値電圧よりも低くするという方法や、保護回路６のコンデンサＣ２のキャパシタンスを十分に大きくするという方法などが考えられる。

本実施形態でも実施形態１と同様の効果が得られる。

ここで、点灯回路４の動作中に発光ダイオードアレイ３が取り外された場合を考える。すると、点灯回路４のスイッチ装置４０では短絡が発生していないにも関わらず、出力電流を一定に維持しようとするフィードバック動作により点灯回路４の出力電圧が徐々に高くなる。

実施形態１では、上記のような場合に保護回路６においてサイリスタＱ１がオンされて点灯回路４の出力端間が短絡されてしまう。保護回路６により点灯回路４の出力端間が短絡されても、点灯回路４においてスイッチング素子が適宜オフされることにより出力電流が抑制されれば、回路遮断手段の動作（ヒューズ５の場合は溶断）は避けられる。しかしながら、保護回路６が動作して（すなわち点灯回路４の出力端間を短絡させて）しまうから、復旧の際には保護回路６を復帰させる作業が必要となる。具体的には、保護回路６において点灯回路４の出力端間を短絡する素子であるサイリスタＱ１は自己消弧能力を有さないから、復旧の際には、保護回路６を復帰させる（すなわち、サイリスタＱ１をオフさせる）ために、サイリスタＱ１への電流を一旦停止させる作業（例えば電源のオフ）が必要となる。

これに対し、本実施形態では、上記のように点灯回路４自体が正常である場合には保護回路６による短絡が行われる前に点灯回路４が停止され、従って保護回路６が動作に至らないから、復旧の際に保護回路６を復帰させる作業が不要となる。

さらに、上記のような停止後、点灯回路４の出力電圧が所定の電圧（以下、「動作再開電圧」と呼ぶ。）未満に低下したときに点灯回路４が自動的に動作を再開するものとすれば、発光ダイオードアレイ３を再度接続するだけで復旧が可能となる。例えば、図２の例においてフォトダイオード８ａのオフ時に点灯回路４が動作を再開するものとすると、上記の動作再開電圧は出力停止電圧と等しくなる。すなわち、発光ダイオードアレイ３が接続されていない状態では、点灯回路４の停止後に点灯回路４の出力電圧が動作再開電圧未満にまで低下すると点灯回路４の動作が再開され、点灯回路４の出力電圧が再び出力停止電圧を超えたときに点灯回路４が停止されるという間欠動作が繰り返されるが、発光ダイオードアレイ３が接続されると、点灯回路４の出力電圧が出力停止電圧未満で安定することにより点灯回路４が連続動作に復帰する。

ここで、保護回路６が設けられていない場合、発光ダイオードアレイ３を取り外した後には点灯回路４の出力電圧が過剰に（例えば直流電源２の出力電圧程度にまで）高くなるので、そのまま点灯回路４に発光ダイオードアレイ３を接続すると発光ダイオードアレイ３に過剰な電気的ストレスがかかってしまう。これに対し、本実施形態では、発光ダイオードアレイ３が取り外された状態での点灯回路４の出力電圧は出力停止電圧程度となり少なくとも直流電源２の出力電圧よりは低くなるので、上記のような接続時に発光ダイオードアレイ３にかかる電気的ストレスが抑えられる。

なお、実施形態１と実施形態２とのそれぞれにおいて、発光ダイオードアレイ３として、図１，２では複数個の発光ダイオードからなる１個の直列回路を用いているが、発光ダイオードアレイ３としては上記のような直列回路同士又は１個ずつの発光ダイオード同士が複数個互いに並列に接続されたものを用いてもよい。また、発光ダイオードアレイ３に代えて１個の発光ダイオードのみが点灯回路４の出力端間に接続されていてもよい。

また、実施形態１と実施形態２とのそれぞれにおいて、点灯回路４の入力端に接続される直流電源２としては、周知の電池を用いることができるが、これに限られず、周知の直流電源回路を用いてもよい。例えば、直流電源２として、図３に示すように、外部の交流電源７から入力された交流電力を整流および平滑化する整流平滑回路を用いることができる。図３の例では、直流電源２は、交流電源７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２１と、ダイオードブリッジ２１の出力を平滑化する平滑コンデンサＣ０とを備え、ヒューズ５はダイオードブリッジ２１の一方の交流入力端に接続されている。平滑コンデンサＣ０としては例えば電解コンデンサを用いることができる。また、図３の例では、ヒューズ５はダイオードブリッジ２１と交流電源７との間に接続されている。さらに、図３の例では、点灯回路４のコンデンサＣ１と保護回路６との間と、直流電源２のダイオードブリッジ２１と平滑コンデンサＣ０との間とに、それぞれ抵抗Ｒ４，Ｒ５が接続されている。直流電源２のダイオードブリッジ２１と平滑コンデンサＣ０との間に接続された抵抗Ｒ５は、電源投入時の平滑コンデンサＣ０への突入電流を抑制するものであり、図３ではダイオードブリッジ２１の出力の低電圧側に接続されているが、高電圧側に接続されてもよい。また、点灯回路４と保護回路６との間の抵抗Ｒ４は、図３では点灯回路４の出力の低電圧側に接続されているが、高電圧側に接続されてもよい。ここで、図３の例において平滑コンデンサＣ０を省略して直流電源２をダイオードブリッジ２１すなわち整流回路のみで構成してもよい。

さらに、図４に示すように、直流電源２として、少なくとも１個のスイッチング素子（図示せず）を有する力率改善回路２２が、上記のダイオードブリッジ２１の後段に接続されたものを用いてもよい。上記のような力率改善回路２２としては、例えば周知のブーストコンバータ（昇圧チョッパ回路）を用いることができる。

また、図４の例では、力率改善回路２２は、フォトカプラ８ｂの出力端子を介してグランドに接続された停止制御端子２２１を有し、この停止制御端子２２１がグランドに接続されたときに動作（すなわち上記のスイッチング素子のオンオフ駆動）を停止する。上記のフォトカプラ８ｂの入力端子は、保護回路６においてサイリスタＱ１のゲートとツェナーダイオードＺＤとの間に接続されている。すなわち、点灯回路４の出力電圧が所定の電圧（以下、「前段停止電圧」と呼ぶ。）に達したときには、ツェナーダイオードＺＤに電流が流れて各フォトカプラ８ａ，８ｂがそれぞれオンされることにより、力率改善回路２２と点灯回路４とがそれぞれ停止される。図４の例における短絡閾値電圧は、２個のフォトカプラ８ａ，８ｂの発光ダイオードの順方向降下電圧の和を、実施形態１における短絡閾値電圧に加算した電圧となる。また、図４の例では前段停止電圧は出力停止電圧と等しくなるが、これらは互いに異なる電圧としてもよい。

ここで、力率改善回路２２の動作中には、力率改善回路２２の停止中よりも、直流電源２への単位時間当たりの入力電流が減少するから、保護回路６による短絡後にヒューズ５の溶断に時間がかかる可能性がある。そこで、図４の例では、速やかにヒューズ５の溶断（すなわち回路遮断手段の動作）が達成されるように、少なくとも保護回路６により点灯回路４の出力端間が短絡されるときには、力率改善回路２２を停止させることで点灯回路４への入力電流を増加させている。力率改善回路２２を停止させるタイミングは、保護回路６による短絡が行われるタイミングの前であってもよいし、保護回路６による短絡が行われるタイミングと同時であってもよい。なお、図４では力率改善回路２２と点灯回路４との両方についてフォトカプラ８ａ，８ｂを設けているが、力率改善回路２２と点灯回路４との一方又は両方についてフォトカプラ８ａ，８ｂを省略してもよい。

さらに、上記各種の発光ダイオード点灯装置１において、保護回路６よりも前段側の抵抗Ｒ３〜Ｒ５として、ある程度の大電流が流れたときに回路を遮断させるものを用いてもよい。特に、点灯回路４への給電路を構成する抵抗Ｒ３，Ｒ５がヒューズ５よりも先に回路を遮断させるものとした場合、その抵抗Ｒ３，Ｒ５が回路遮断手段となる。

上記各種の発光ダイオード点灯装置１は、点灯回路４の出力によって点灯される発光ダイオードアレイ３（又は１個の発光ダイオード）とともに照明装置を構成することができる。

１ 発光ダイオード点灯装置
３ 発光ダイオードアレイ
４ 点灯回路
５ ヒューズ（回路遮断手段）
６ 保護回路
２２ 力率改善回路
Ｑ２ スイッチング素子

Claims (4)

1. 入力された直流電力を降圧して発光ダイオードに出力することにより前記発光ダイオードを点灯させるバックコンバータからなる点灯回路と、
   前記点灯回路への給電路に挿入されて少なくとも前記点灯回路のスイッチング素子がオフされない状態で前記点灯回路の出力端間が短絡されたときには前記点灯回路への直流電力の入力を停止させる回路遮断手段と、
   前記点灯回路の出力電圧が所定の短絡閾値電圧以上となったときに前記点灯回路の出力端間を短絡させる保護回路とを備えることを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
2. 少なくとも１個のスイッチング素子を含み前記点灯回路の前段に接続された力率改善回路を備え、
   前記力率改善回路は、少なくとも前記保護回路により前記点灯回路の出力端間が短絡されたときには動作を停止することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
3. 前記点灯回路は、前記保護回路が前記点灯回路の出力端間を短絡させる前に動作を停止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. 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と、
   前記点灯回路の出力によって点灯される少なくとも１個の発光ダイオードとを備えることを特徴とする照明装置。

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