JP5724516B2 - Ｌｅｄ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は照明用ＬＥＤ点灯装置の出力異常検出とその保護手段に関する。

近年になって、従来の白熱電球及び蛍光灯に代わって、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が普及し始めている。ＬＥＤは低消費電力及び長寿命という特性を有し、ＬＥＤを点灯するためのＬＥＤ点灯装置の研究開発が各社で行われている。

特開２００７−２３４４１４号公報

ＬＥＤ点灯装置は、負荷（ＬＥＤ）に所望の電流を流すように電流を限流制御（定電流駆動）してＬＥＤを点灯させるものである。一方、ＬＥＤ素子自体はほぼ定電圧特性を示し、端子電圧は実質的に一定である。

しかし、ＬＥＤ点灯装置は、出力コネクタの抜き差し、ＬＥＤの取り外し、接触不良などの短時間の負荷インピーダンスの変動（特に上昇）に対して、出力電圧が瞬間的に上昇することがある。これは上記したようにＬＥＤの定電流駆動によるものである。このようなとき、ＬＥＤ素子や点灯装置にダメージを与えることがある。

また、点灯装置に接続される負荷を間違える、すなわち適正負荷インピーダンス範囲外のＬＥＤを接続したり、ＬＥＤ素子の経年劣化などによって負荷インピーダンスが所望のインピーダンスよりも高くなっている場合、消費電力は所望の値よりも高くなり、点灯装置自身の温度が上昇したり内部の素子にダメージを与えるほか、灯具の温度も上昇することが想定される。

これらの不具合に対処するため、所望の電圧を超過したことを出力電圧回路で検出して、保護動作や報知動作させることが一般的である。しかし、前者（コネクタの抜き差しなど）における保護は、検出直後の即応性が要求される一方、後者（誤負荷使用など）においては、定格出力電圧に対して僅かな電圧上昇においても保護動作を要求するが、熱的な不具合を想定するため、検出後から保護動作までの時間は前者に対して長く設定しても問題ない。両者を満足するために検出値を後者の電圧値に設定すると、電源投入や瞬時停電などの通常使用範疇における過渡動作において保護動作が発生することがある。

保護の誤動作を嫌って、誤動作しない程度の高い電圧に検出電圧を設定した場合は、誤った負荷の接続や、ＬＥＤほか負荷として接続された部品の劣化に伴う負荷インピーダンスの増大に対して、温度的保護範囲が高くなってしまう。

本発明の実施形態は、保護動作の誤動作を防止すると共に、異常負荷による異常温度上昇から点灯装置を保護することを目的とする。

上記課題を対策するために実施形態では、少なくとも２つの検出電圧値を設定し、コネクタ抜き差しなど瞬時的に破壊するモードにおいては検出直後に保護動作に移行させ、誤った負荷の接続など熱的な不具合を想定する場合は、保護動作実行までの時間を前者に対して長く設定する。また、前者の検出電圧を誤動作しない程度の高い電圧に設定した第１の検出値と、後者の誤った負荷の接続を想定した可能な限り低い検出値で過電圧保護をさせるための第２の検出値を設定する。

すなわち一実施形態に係るＬＥＤ点灯装置は、交流電源電圧を直流電源に変換し、前記直流電源からスイッチング素子を介して直流電流を、出力端に接続されたＬＥＤに供給し、前記ＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ点灯装置であって、前記スイッチング素子のオン／オフを制御するドライブ回路と、出力端電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を第１基準電圧と比較する第１比較手段と、前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を前記第１基準電圧より低い第２基準電圧と比較する第２比較手段と、前記第１及び第２比較手段の一方から、前記出力電圧値が前記第１又は第２基準電圧を超えたことを通知されると、保護動作を実行するよう前記ドライブ回路を制御する制御手段とを具備し、前記第２比較手段は、前記出力電圧値が前記第２基準電圧を超えた状態が所定時間継続すると前記制御手段に通知することを特徴とする。

保護動作の誤動作を防止すると共に、異常負荷による異常温度上昇から点灯装置を保護することが可能となる。

第１実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の第１の作用を示すタイムチャートである。 第１実施形態の第２の作用を示すタイムチャートである。 第２実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。 第２実施形態の作用を示すタイムチャートである。 第３実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。

第１の実施例のＬＥＤ点灯装置は、交流電源電圧を直流電源に変換し、前記直流電源からスイッチング素子を介して直流電流を、出力端に接続されたＬＥＤに供給し、前記ＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ点灯装置であって、前記スイッチング素子のオン／オフを制御するドライブ回路と、出力端電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を第１基準電圧と比較する第１比較手段と、前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を前記第１基準電圧より低い第２基準電圧と比較する第２比較手段と、
前記第１及び第２比較手段の一方から、前記出力電圧値が前記第１又は第２基準電圧を超えたことを通知されると、保護動作を実行するよう前記ドライブ回路を制御する制御手段とを具備し、前記第２比較手段は、前記出力電圧値が前記第２基準電圧を超えた状態が所定時間継続すると前記制御手段に通知することを特徴とする。

第２の実施例のＬＥＤ点灯装置は第１の実施例のＬＥＤ点灯装置であって、前記保護動作は前記ＬＥＤへの出力低減、出力停止または点滅であることを特徴とする。

第３の実施例のＬＥＤ点灯装置は第１の実施例のＬＥＤ点灯装置であって、前記第１基準電圧は、定格出力電圧に対応する電圧に設定されることを特徴とする。

第４の実施例のＬＥＤ点灯装置は第１乃至３の実施例のいずれか１実施例記載のＬＥＤ点灯装置であって、前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を定格電圧よりも低い第３基準電圧と比較し、前記出力電圧が前記第３基準電圧より低下すると前記制御手段に通知する第３比較手段を更に具備することを特徴とする。

第５の実施例のＬＥＤ点灯装置は第１乃至４の実施例のいずれか１実施例記載のＬＥＤ点灯装置であって、調光動作したときに少なくとも前記第２基準値を可変させる手段を具備することを特徴とする。

以下、本発明に係るＬＥＤ点灯装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。

直流電源電圧Ｖ１は、商用交流電源１１から全波整流回路１２及びフィルタコンデンサ１３を用いて生成される。全波整流回路１２から供給される電流は、スイッチ素子１５（ＮｃｈＦＥＴトランジスタ）、コイル１７を介してコンデンサ１８及びＬＥＤ１９に供給される。ＬＥＤ１９は出力端子１９ａを介して本点灯装置に接続され、アノードがコイル１７に接続され、カソードがグランドに接続されている。尚、ＬＥＤ１９は複数のＬＥＤ素子が例えば直列及び並列に接続されている。

ドライブ回路１４は、スイッチ素子１６をオン／オフ制御するためのゲート信号をスイッチ素子１６のゲートに供給する。またドライブ回路１４は、例えば内部回路が１チップ上に形成されたＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）である。オン／オフ制御された電流はコイル１７のインダクタンスにより降圧され、コンデンサ１８により平滑化されると共にＬＥＤ１９を流れ、ＬＥＤ１９を発光させる。ＬＥＤ１９の出力端子１９ａ間の電圧Ｖ２は、直列接続されたＬＥＤ素子の数に応じて例えば３Ｖ〜１５０Ｖ程度である。ダイオード１６は、スイッチ素子１５がオフしたときコイル１７に対する電流経路を提供するフライホイールダイオードである。

電圧Ｖ２は分圧抵抗２１、２２により電圧Ｖ３に分圧される。比較回路２３はオペアンプ２６、フィードバック抵抗２５、基準電圧Ｖｒｅｆ１を発生する基準電源２３ａで構成される。オペアンプ２６の反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力され、非反転入力端子には電圧Ｖ３が入力される。比較回路２３の出力電圧Ｖ４は、ダイオード３６を介して抵抗３７に印加される。比較回路２３は例えば電源が投入されている状態で、ＬＥＤ１９のコネクタが抜き差しされた時、あるいはＬＥＤ１９が本点灯装置から取り外された時のように、瞬時的に発生する過電圧を検出するものである。基準電圧Ｖｒｅｆ１は、本点灯装置の定格出力電圧以上の電圧に対応する電圧に設定される。

比較回路２４はオペアンプ２８、フィードバック抵抗２７、基準電圧Ｖｒｅｆ２を発生する基準電源２４ａで構成される。オペアンプ２８の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力され、反転入力端子には電圧Ｖ３が入力される。基準電圧Ｖｒｅｆ２は比較回路２３の基準電圧Ｖｒｅｆ１より低い電圧である。比較回路２４は、負荷異常を検出するものである。この負荷異常とは、負荷インピーダンスが適正値より大きい不適切なＬＥＤ（誤負荷）及び寿命（劣化）により負荷インピーダンスが大きくなったＬＥＤ（異常負荷）を含む。

比較回路２４の出力電圧は、ツェナーダイオード２９のアノード、トランジスタ３１のベースに印加される。トランジスタ３１のエミッタは抵抗３０を介して電源Ｖｃｃに接続され、ツェナーダイオード２９のアノードは電源Ｖｃｃに直接接続される。トランジスタ３１のコレクタはツェナーダイオード３４のカソード及びコンデンサ３２の一方の端子に接続される。ツェナーダイオード３４のアノードはダイオード３５及び抵抗３７を介して接地され、コンデンサ３２の他方の端子も接地される。ツェナーダイオード２９、抵抗３０、トランジスタ３１、コンデンサ３２、ダイオード３５及び抵抗３７は、遅延回路３３を構成する。

次に第１実施形態に係る照明装置の作用を詳細に説明する。

図２は第１実施形態の第１の作用を示すタイムチャートであって、（ａ）は図１の回路におけるＬＥＤ端子電圧Ｖ２、（ｂ）は比較回路２３出力電圧Ｖ４及びＶ７、（ｃ）は制御回路２０出力電圧Ｖ８の波形を示す。

図２（ａ）の電圧Ｖ２の波形は、瞬時的に発生する過電圧を示す。電圧Ｖ２としてＶｒｅｆ１を超える過電圧が発生すると、この過電圧は比較回路２３により図２（ｂ）のように検出される。制御回路２０は通常、ＬＥＤ１９を所望の明るさで点灯するためのＰＷＭ波をドライブ回路１４に出力するが、電圧Ｖ７の論理１入力を過電圧発生と判断し、ドライブ回路１４にＬＥＤの保護動作を指令する。本例では図２（ｃ）のようにＰＷＭ波の出力を停止し、この結果ＬＥＤ１９は消灯される。保護動作として他の変更例としてはＬＥＤの出力低減または点滅でもよい。点滅させることにより、使用者に異常が発生したことを知らせることができる。

図３は第１実施形態の第２の作用を示すタイムチャートであって、（ａ）は図１の回路におけるＬＥＤ端子電圧Ｖ２、（ｂ）は比較回路２４の出力電圧Ｖ５、（ｃ）はトランジスタ３１のコレクタ電圧Ｖ６、（ｄ）は制御回路２０の入力電圧Ｖ７、（ｅ）は制御回路２０の出力電圧Ｖ８の波形である。

図３（ａ）の電圧Ｖ２の波形は、負荷インピーダンスが適正値より大きなＬＥＤが点灯装置に接続された場合に発生する通常より高くなったＬＥＤ端子電圧Ｖ２を示す。ＬＥＤ端子電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ２を超えると、比較回路２４は論理０を出力し、トランジスタ３１がオンする。このとき、ツェナーダイオード２９の作用により、コンデンサ３２は定電圧で電荷が充電され、コンデンサ３２の端子電圧Ｖ６は図３（ｃ）のように上昇する。

コンデンサ３２の端子電圧Ｖ６がツェナーダイオード２９のツェナー電圧Ｖｚを超えると、コンデンサ３２に充電された電荷はツェナーダイオード３４、ダイオード３５を介して抵抗３７を流れる。この結果、制御回路２０の入力電圧Ｖ７は図３（ｄ）のように論理１となる。コンデンサ３２の端子電圧Ｖ６がこの放電によりツェナー電圧Ｖｚ以下に降下すると、制御回路２０の入力電圧Ｖ７は論理０となる。制御回路２０は図３（ｅ）のように、入力電圧Ｖ７の立下りに応答して、ドライブ回路１４に保護動作（ＰＷＭ信号出力の停止または出力の低減あるいは点滅）を実行するための信号を出力する。本実施形態では、ＬＥＤ１９への出力電圧値Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ２を超過した状態が所定時間ｔ１以上継続した場合、超過状態が制御回路２０に通知され、保護動作が行われる。

尚、本実施形態では例としてオペアンプを使用して、基準値をＶｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２に分けて、異常電圧を判定した。しかし、マイコンなどで信号を取り込んでマイコン内部で２値の判定値を準備して同様に動作させてもよい。

［効果］
以上説明したように本実施形態によれば、瞬時的に発生する過電圧及び誤負荷あるいは異常負荷による異常温度上昇から装置を保護することができる。つまり、電気的及び熱的に耐性の高い部品を用いることなく、異常負荷の対策を施すことができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るＬＥＤ点灯装置について、図面を参照して説明する。

図４は第２実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。図１の第１実施形態と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、詳細な説明は割愛する。

第２実施形態は、図１の第１実施形態に加え、低電圧検出回路４０が設けられる。負荷インピーダンスが適正値より低いＬＥＤが点灯装置に接続されると、ＬＥＤは定電流駆動のため、所望の明るさで発光しない。この低電圧検出回路４０は、負荷インピーダンスが適正値より低いＬＥＤが接続されたこと、ならびに出力端子の短絡を検出する。

低電圧検出回路４０は、オペアンプ４１、基準電圧Ｖｒｅｆ３を発生する基準電圧源４１ａ、抵抗４２、ダイオード４３を含む。オペアンプ４１の非反転端子にはＬＥＤ１９の端子電圧を分圧した電圧Ｖ３が入力される。基準電圧Ｖｒｅｆ３は例えば定格電圧よりも低い電圧に対応する電圧である。オペアンプ４１の反転端子には基準電圧Ｖｒｅｆ３が入力される。オペアンプ４１の出力端子は、抵抗４２及びダイオード４３を介してトランジスタ３１のベースに接続される。

次に第２実施形態の作用を詳細に説明する。

図５は第２実施形態の作用を示すタイムチャートであって、（ａ）は図４の回路におけるＬＥＤ端子電圧Ｖ２を分圧した電圧Ｖ３、（ｂ）はオペアンプ４１の出力電圧Ｖ９、（ｃ）はコンデンサ３２の端子電圧Ｖ６、（ｄ）は制御回路２０の入力電圧Ｖ７、（ｅ）は制御回路２０の出力電圧Ｖ８の波形である。

出力端子が短絡あるいは負荷インピーダンスが適正値より低いＬＥＤが接続され、ＬＥＤの端子電圧Ｖ２が下がり、分圧した電圧Ｖ３が図５（ａ）のように基準電圧Ｖｒｅｆ３より下がると、オペアンプ４１の出力Ｖ９は図５（ｂ）のように論理１から論理０に立ち下がり、この結果トランジスタ３０がオンする。この後は図３の第１実施形態と同様に、ツェナーダイオード２９の作用により、コンデンサ３２は定電圧で電荷が充電され、コンデンサ３２の端子電圧Ｖ６は図５（ｃ）のように上昇する。コンデンサ３２の端子電圧Ｖ６がツェナー電圧Ｖｚを超えると、制御回路２０には図５（ｄ）のように論理１の信号が入力され、制御回路２０はドライブ回路１４に保護動作（ＰＷＭ信号出力の停止または出力の低減あるいは点滅）を実行するための信号を出力する。図５（ｅ）ではドライブ回路１４に対するＰＷＭ信号の出力を停止している。

［効果］
第２実施形態によれば、短絡による装置の損傷を防止すると共に、電力容量が小さなＬＥＤが接続されたことを使用者に知らせることができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係るＬＥＤ点灯装置について、図面を参照して説明する。

図６は第３実施形態に係るＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。図１の第１実施形態と同一の構成要素に同一の参照符号を付し、詳細な説明を割愛する。

第３実施形態は、図１の第１実施形態に加え、調光レベルに応じて検出電圧の基準電圧を可変する基準電圧可変回路５０が設けられる。基準電圧可変回路５０は、抵抗５１、全波整流回路５２、フォトトカプラ５３、抵抗５４及びコンデンサ５５を含む。

本点灯装置の制御部（図示されず）から入力されるＰＷＭ調光信号（交流）は、抵抗５１及び全波整流回路５２によって直流電流に変換され、フォトカプラ５３（ＬＥＤ５３ａ）を駆動する。このフォトカプラ５３によって、全波整流回路５２は点灯装置本体から絶縁され、フォトカプラ５３のフォトトランジスタ５３ｂにはＰＷＭ調光信号に応じた直流電流が流れる。

抵抗５４及びコンデンサ５５により構成されるＲＣ積分回路５６において、ＰＷＭデューティを直流電圧レベルに変換し、調光信号及び安全回路動作のレベルが可変される。調光によってＬＥＤ１９への出力電流を低下させると、これに応じてＬＥＤのＶｆ（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｖｏｌｔａｇｅ：順方向電圧）が低下するので、これに対応するように検出電圧（前述の実施例ではＶｒｅｆ２）を低下させる。

［効果］
第３実施形態によれば、調光機能を有するＬＥＤ点灯装置において、調光レベルに応じて異常負荷を検出するための基準電圧を適切に可変することが可能となる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。

１１…商用交流電源、１２、５２…全波整流回路、１３、１８、３２…コンデンサ、１４…ドライブ回路、１５…スイッチング素子、１６、３５、４３…ダイオード、２０…制御回路、２９、３４…ツェナーダイオード、１９…ＬＥＤ、２３、２４…オペアンプ、５３…フォトカプラ。

Claims (5)

1. 交流電源電圧を直流電源に変換し、前記直流電源からスイッチング素子を介して直流電流を、出力端に接続されたＬＥＤに供給し、前記ＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ点灯装置であって、
   前記スイッチング素子のオン／オフを制御するドライブ回路と、
   出力端電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を第１基準電圧と比較する第１比較手段と、
   前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を前記第１基準電圧より低い第２基準電圧と比較する第２比較手段と、
   前記第１及び第２比較手段の一方から、前記出力電圧値が前記第１又は第２基準電圧を超えたことを通知されると、保護動作を実行するよう前記ドライブ回路を制御する制御手段とを具備し、
   前記第２比較手段は、前記出力電圧値が前記第２基準電圧を超えた状態が所定時間継続すると前記制御手段に通知することを特徴とするＬＥＤ点灯回路。
2. 前記保護動作は前記ＬＥＤへの出力低減、出力停止または点滅であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記第１基準電圧は、定格出力電圧に対応する電圧に設定されることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 前記電圧検出回路から得られる出力電圧値を定格電圧よりも低い第３基準電圧と比較し、前記出力電圧が前記第３基準電圧より低下すると前記制御手段に通知する第３比較手段を更に具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のＬＥＤ点灯装置。
5. 調光動作したときに少なくとも前記第２基準電圧を可変させる手段を具備することを特徴とする請求１乃至４のいずれか１項記載のＬＥＤ点灯装置。

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