JP5735728B2 - Led照明器具 - Google Patents

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Description

本発明は発光ダイオード(以下LEDという)を用いたLED照明器具に関するものである。
従来、LED照明器具においては、図9に示すように、LEDユニット2を収めた器具筐体7と、LED2a〜2dを発光するために出力を与える電源ユニット4とは別に配置される場合が多かった。この場合、現場において電源ユニット4を取り付けてから器具筐体7を取り付けて、両者をリード線5とコネクタ50で接続するという作業が必要となり、電源ユニット4とLEDユニット2が一体となった照明器具の場合よりも取り付け作業の時間が長く掛かっていた。
一方、特許文献1(特開2004−55800号公報)には、図10に示すように、電源ユニット4とLEDユニット2とが器具筐体7内に収められる一体型のLED照明器具が開示されている。器具筐体7は天井9に埋め込まれている。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ユニット2が配置されている。21はLED実装基板であり、LEDユニット2のLED2a〜2dを実装している。
この従来例では、器具内に取り付けられるLEDユニット2の実装基板21の裏側に器具筐体7に熱的に結合された放熱板71を設けていた。この放熱板71を介して、LED2a〜2dから発生する熱を放熱することでLED2a〜2dの温度を下げて、光出力を上げる効果がある。
特開2004−55800号公報
しかしながら、図10に示すように、電源ユニット4のプリント基板41をLEDユニット2に近接して配置すると、器具内の対流を妨げることになり、LED2a〜2dの放熱が阻害される要因となっていた。また、電源ユニット4は電解コンデンサ等の有寿命部品を含んでおり、LEDユニット2からの輻射熱の影響により温度が上昇すると、寿命が短くなるという問題があった。さらに、高出力化の要請に応えて、LEDを多灯化するにつれてLEDユニット2の発熱も増大し、電源ユニット4の部品ストレスも増大するという問題があった。
本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、電源ユニットを一体化したLED照明器具において、LEDユニットから電源ユニットへの輻射熱の影響を小さくすることを課題とする。また、電源ユニットの部品ストレスを軽減することを課題とする。
請求項1のLED照明器具は、上記の課題を解決するために、図3に示すように、実装基板21に搭載され同一数のLED2a〜2d,2e〜2hが直列接続されたLED直列回路を2つ有するLEDユニット2と、LEDユニット2で発生した熱を放熱させる放熱部7と、放熱部7に取り付けられる金属板6と、金属板6に取り付けられる電源ユニット4とを備え、電源ユニット4は、2つのLED直列回路の各々が接続される同一構成の2つのスイッチング電源と、商用交流電源Vsに接続される入力フィルタ回路3と、入力フィルタ回路3に接続された整流回路DBとを備え、2つのスイッチング電源は、それぞれインダクタL1,L2とスイッチング素子Q1,Q2、ダイオードD1,D2、電流検出抵抗R1,R2、制御部1,1‘よりなり、制御部1,1’が電流検出抵抗R1,R2に流れる電流を監視しながらスイッチング素子Q1,Q2のオン時間・オフ時間を制御することによりLED直列回路に電流を供給する降圧チョッパ回路であり、2つのスイッチング電源は、入力フィルタ回路3と整流回路DBとを共用し、整流回路DBの出力端にそれぞれダイオードD1,D2を介して接続されることを特徴とするものである。
請求項2の発明は、図3に示すように、実装基板21に搭載され同一数のLED2a〜2d,2e〜2hが直列接続されたLED直列回路を2つ有するLEDユニット2と、LEDユニット2で発生した熱を放熱させる放熱部7と、放熱部7に取り付けられる金属板6と、金属板6に取り付けられる電源ユニット4とを備え、電源ユニット4は、2つのLED直列回路の各々が接続される同一構成の2つのスイッチング電源と、商用交流電源Vsに接続される入力フィルタ回路3と、入力フィルタ回路3に接続された整流回路DBと、整流回路DBの出力に接続された力率改善回路10とを備え、2つのスイッチング電源は、それぞれインダクタL1,L2とスイッチング素子Q1,Q2、ダイオードD1,D2、電流検出抵抗R1,R2、制御部1,1‘よりなり、制御部1,1’が電流検出抵抗R1,R2に流れる電流を監視しながらスイッチング素子Q1,Q2のオン時間・オフ時間を制御することによりLED直列回路に電流を供給する降圧チョッパ回路であり、2つのスイッチング電源は、入力フィルタ回路3と整流回路DBと力率改善回路10とを共用し、力率改善回路10の出力端にそれぞれダイオードD1,D2を介して接続されていることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または2の発明において、2つのスイッチング電源は1枚のプリント基板に実装されていることを特徴とする。
本発明によれば、従来の電源別置型のLED照明器具に比べると施工が容易な一体型のLED照明器具でありながら、電源ユニットがLEDユニットから受ける輻射熱の影響を軽減できる効果がある。また、LEDの多灯化により高出力化した場合でも、電源ユニットの部品ストレスを軽減できる効果がある。
本発明の実施形態1のLED照明器具の概略構成を示す側面図である。 本発明の実施形態1のLED照明器具のLEDユニットの構成を示す正面図である。 本発明の実施形態1のLED照明器具の回路図である。 本発明の実施形態2のLED照明器具の回路図である。 本発明の実施形態3のLED照明器具の回路図である。 本発明の実施形態4のLED照明器具の回路図である。 本発明の実施形態5のLED照明器具の回路図である。 本発明の実施形態6のLED照明器具の回路図である。 従来の電源別置型のLED照明器具の断面図である。 従来の電源一体型のLED照明器具の断面図である。
(実施形態1)
図1は本発明のLED照明器具の概略構成を示す側面図である。このLED照明器具は、施工時には図9や図10の従来例と同様に、器具筐体7が天井9の開口部に収納されて、ダウンライトとして使用される。図9に示した電源別置型のLED照明器具に比べると、LEDユニット2と電源ユニット4は一体化されているので、施工が容易である。また、図10に示した従来の一体型のLED照明器具に比べると、電源ユニット4がLEDユニット2からの輻射熱や対流熱に影響されにくいという特徴がある。
図1に示すように、器具筐体7の下部にはLEDユニット2が装着されている。器具筐体7の上部には金属板6の一端下部が装着されている。金属板6は略水平に配置されている。金属板6の他端下部には電源ユニット4が装着されている。LED照明器具を上方から見たとき、LEDユニット2の中心部と電源ユニット4の中心部はずれている。したがって、電源ユニット4はLEDユニット2からの輻射熱や対流熱の影響を受けにくい。
器具筐体7の形状は限定するものではないが、例えば、図1に示されたように、上方ほど径が小さくなる砲弾型のランプセードのような形状でも良い。強度、コスト並びに放熱性の観点からアルミニウムなどの金属製とすることが好ましい。また、表面に放熱フィンなどを設けても良い。
LEDユニット2は下方から見ると、図2に示すような形状となっている。円形の実装基板21に8個のLED2a〜2hが搭載されている。図中の破線の部分で2つのLED回路に分割されており、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。また、LED2eからLED2h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の電源線5a、LED2dのカソード側にはマイナスの電源線5bが接続されることにより、各LED2a〜2dが発光する。LED2eのアノード側にはプラスの電源線5c、LED2hのカソード側にはマイナスの電源線5dが接続されることにより、各LED2e〜2hが発光する。
いずれも4個のLED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。
電源線5a,5bは接続部材51を介して、また、電源線5c,5dは接続部材52を介して、電源ユニット4からLEDユニット2に電流を供給している。接続部材51,52の下端はLEDユニット2の上面に、上端は金属板6の下端に装着されている。接続部材51,52は、例えば、金属製あるいは樹脂製のパイプでも良く、その場合、電源線5a,5b、電源線5c,5dは接続部材51,52の内部を貫通させれば良い。接続部材51,52は器具筐体7の内部に設けても良いし、外部に設けても良い。
電源ユニット4の回路構成の一例を図3に示す。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。ラインフィルタLFと雑音防止用コンデンサC1,C2及び非線形抵抗素子ZNRは入力フィルタ回路3を構成している。
ダイオードブリッジDBの直流出力端にはPFC回路10を介して平滑コンデンサC3が接続されている。PFC回路10は、例えば昇圧チョッパ回路などで構成される力率改善回路であり、商用交流電源Vsからの入力電流を入力電圧と略相似形とすることで入力電流歪みを低減するための回路である。PFC回路10の出力に接続されたコンデンサC3は平滑コンデンサであり、直流電圧が充電される。
平滑コンデンサC3にはダイオードD3,D4を介して同じ構成の2つのスイッチング電源が接続されている。第1のスイッチング電源は、インダクタL1とスイッチング素子Q1、ダイオードD1、電流検出抵抗R1、制御部1よりなる降圧チョッパ回路であり、第1群のLED2a〜2dに電流を供給する。第2のスイッチング電源は、インダクタL2とスイッチング素子Q2、ダイオードD2、電流検出抵抗R2、制御部1’よりなる降圧チョッパ回路であり、第2群のLED2e〜2hに電流を供給する。
以下、第1のスイッチング電源について説明する。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に流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、LED2a〜2d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→ダイオードD3→LED2a〜2d→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→LED2a〜2d→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、LED2a〜2d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。LED2e〜2hを駆動するための第2のスイッチング電源についても同様の動作である。
本実施形態によれば、スイッチング電源を2つ設けているので、万一、故障等により一方のLED群が不点灯となっても、他方のLED群は点灯するので、真っ暗にはならないという利点がある。また、スイッチング素子Q1,Q2やインダクタL1,L2、ダイオードD1,D2に負荷電流が分散されるので、回路部品のストレスが軽減されるという利点がある。複数のスイッチング電源は1枚のプリント基板に実装しても良い。
なお、図10の従来例のように、電源ユニット4のプリント基板41が器具筐体7の内部に収納されている場合には、器具筐体7を電源ユニット4のケースとして兼用できるが、図1(本発明)あるいは図9(従来例)のように、電源ユニット4が器具筐体7の外部に配置されている場合には、電源ユニット4のプリント基板を別途設けたケースに収納しておく必要がある。特に、電源ユニット4が図3のようなスイッチング電源である場合、高周波ノイズの放射を回避するために、電源ユニット4のプリント基板全体を金属ケースで覆うことにより、電磁的にシールドしておくことが好ましい。
(実施形態2)
図4は本発明の実施形態2の回路図である。本実施形態では、上述の実施形態1において、入力力率改善のために設けていたPFC回路10を省略し、代わりに、スイッチング電源自体に力率改善機能を有する昇降圧チョッパ回路(極性反転型チョッパ回路)を採用したものである。
平滑コンデンサC3にはダイオードD3,D4を介して同じ構成の2つのスイッチング電源が接続されている。第1のスイッチング電源は、インダクタL1とスイッチング素子Q1、ダイオードD1、コンデンサC4、電流検出抵抗R1、制御部1よりなる昇降圧チョッパ回路(極性反転型チョッパ回路)であり、第1群のLED2a〜2dに電流を供給する。第2のスイッチング電源は、インダクタL2とスイッチング素子Q2、ダイオードD2、コンデンサC5、電流検出抵抗R2、制御部1’よりなる昇降圧チョッパ回路(極性反転型チョッパ回路)であり、第2群のLED2e〜2hに電流を供給する。
以下、第1のスイッチング電源について説明する。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に流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、LED2a〜2d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→ダイオードD3→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→LED2a〜2d→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、LED2a〜2d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LED2a〜2dに電流を供給できるように、LED2a〜2dの直列回路と並列にコンデンサC4が接続されている。LED2e〜2hを駆動するための第2のスイッチング電源についても同様の動作である。
スイッチング素子Q1,Q2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、0.23〜0.47μF)のように小さく設定しておくことで、商用交流電源Vsの電圧が低い期間にも入力電流を引き込むことができるから、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を含む入力フィルタ回路3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。
本実施形態のように、スイッチング電源として昇降圧チョッパ回路(極性反転型チョッパ回路)を採用した場合には、突入電流防止対策が容易となる。すなわち、図4の回路では、LED2a〜2d、2e〜2hの向きがダイオードブリッジDBの整流出力に対して逆向きとなっているので、電源投入直後の不安定期にスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング電流が不用意に増大しても、LED2a〜2d、2e〜2hに対して突入電流が直接流れ込むことはないので、突入電流によるLEDの劣化を防止でき、LED照明器具の長寿命化を達成できる。
(実施形態3)
図5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を簡略化したものであり、入力力率改善のために設けていたPFC回路10を省略し、スイッチング電源としての降圧チョッパ回路に入力力率改善の役割を担わせている。本実施形態においても、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、0.23〜0.47μF)のように小さく設定しておくことで、整流後の出力電圧が負荷電圧以下となるまでは入力電流を引き込むことができるので、ある程度の入力力率改善効果が期待できる。降圧チョッパ回路では、スイッチング素子Q1のオン時に電源電圧と負荷電圧の差電圧がインダクタL1に印加されるので、LEDの直列個数が増加すると、入力電流が流れない期間が長くなり、入力力率が悪くなる。そこで、本実施形態では、LEDの直列個数を3〜4個程度に制限している。LEDの順方向電圧は3.5V程度であるので、直列接続個数が3〜4個程度であれば、負荷電圧は10.5V〜14V程度と低く制限することができる。
仮に8個のLEDを直列に接続した場合には、負荷電圧が2倍となるので、入力電流の休止期間が長くなり、クラスC高調波規制を満足できない可能性があるが、LEDの直列個数を4個までとし、必要に応じて並列接続するように構成すれば、多灯化しても入力力率の低下を抑制できる。
なお、図5において、インダクタL2を省略して、LED2a〜2dの直列回路とLED2e〜2hの直列回路を直接並列接続した場合には、LED直列回路の順方向電圧にばらつきがあると、一方のLEDの直列回路にばかり電流が流れるという不都合が生じる恐れがあるが、インダクタL1,L2を介在させることで、2つのLED直列回路に略均等に電流を流すことができる。
(実施形態4)
図6は本発明の実施形態4の回路図である。本実施形態では、実施形態3において、ダイオードD2とスイッチング素子Q2を追加し、LED2a〜2dのスイッチング電源とLED2e〜2hのスイッチング電源の独立性を高めたものである。実施形態3に比べると、2つのスイッチング素子Q1,Q2にスイッチング電流が分散されると共に、回生電流もダイオードD1,D2に分散されるので、回路部品のストレスを軽減できる効果がある。また、電流検出抵抗R1にはスイッチング素子Q1のスイッチング電流しか流れないので、スイッチング素子Q2の側では電流検出抵抗による電力ロスは生じない。図6の回路例では、LED2a〜2dに流れる平均電流が一定となるように制御することにより、結果的にLED2e〜2hに流れる平均電流も一定となるように制御しているが、後述の実施形態5,6のように、両方の負荷電流の合計または高い方の負荷電流を検出するように構成しても良い。
(実施形態5)
図7は本発明の実施形態5の回路図である。本実施形態では、実施形態4において、スイッチング素子Q1に流れる電流を検出する電流検出抵抗R1に、他方のスイッチング素子Q2の電流も流れるように接続したものである。電流検出抵抗R1にはスイッチング素子Q1,Q2に流れる電流の合計が検出されるので、実施形態4に比べると、両方の負荷電流の合計が一定となるように制御することができる。電流検出抵抗R1の抵抗値は、制御部1の構成が同じであれば、図6の電流検出抵抗R1の半分で良い。
(実施形態6)
図8は本発明の実施形態6の回路図である。本実施形態では、実施形態4において、スイッチング素子Q1に流れる電流を検出する電流検出抵抗R1のほかに、スイッチング素子Q2の電流を検出する電流検出抵抗R2を設け、両者の検出電圧のうち、高い方の電圧をダイオードD5,D6により選択して制御部1の電流検出端子に入力するように構成したものである。制御部1ではスイッチング素子Q1,Q2に流れる電流のうち高い方が検出されるので、実施形態4,5に比べると、高い方の負荷電流が一定となるように制御することができる。したがって、過大電流によるLEDの劣化を防止でき、LED照明器具の長寿命化を達成できる。
なお、実施形態3〜6では、スイッチング電源として降圧チョッパ回路を例示したが、スイッチング電源を昇降圧チョッパ回路(極性反転型チョッパ回路)とした場合にも適用できる。また、スイッチング電源はフライバックトランスを有する1石DC−DCコンバータ回路であっても良く、回路構成は限定されない。
2 LEDユニット
21 LED実装基板
2a〜2h LED
4 電源ユニット
6 金属板
7 器具筐体(放熱部)

Claims (3)

  1. 実装基板に搭載され同一数のLEDが直列接続されたLED直列回路を2つ有するLEDユニットと、
    前記LEDユニットで発生した熱を放熱させる放熱部と、
    前記放熱部に取り付けられる金属板と、
    前記金属板に取り付けられる電源ユニットとを備え、
    前記電源ユニットは、
    前記2つのLED直列回路の各々が接続される同一構成の2つのスイッチング電源と、
    商用交流電源に接続される入力フィルタ回路と、
    前記入力フィルタ回路に接続された整流回路とを備え、
    前記2つのスイッチング電源は、それぞれインダクタとスイッチング素子、ダイオード、電流検出抵抗、制御部よりなり、前記制御部が前記電流検出抵抗に流れる電流を監視しながら前記スイッチング素子のオン時間・オフ時間を制御することにより前記LED直列回路に電流を供給する降圧チョッパ回路であり、
    前記2つのスイッチング電源は、
    前記入力フィルタ回路と前記整流回路とを共用し、前記整流回路の出力端にそれぞれダイオードを介して接続されることを特徴とするLED照明器具。
  2. 実装基板に搭載され同一数のLEDが直列接続されたLED直列回路を2つ有するLEDユニットと、
    前記LEDユニットで発生した熱を放熱させる放熱部と、
    前記放熱部に取り付けられる金属板と、
    前記金属板に取り付けられる電源ユニットとを備え、
    前記電源ユニットは、
    前記2つのLED直列回路の各々が接続される同一構成の2つのスイッチング電源と、
    商用交流電源に接続される入力フィルタ回路と、
    前記入力フィルタ回路に接続された整流回路と、
    前記整流回路の出力に接続された力率改善回路とを備え、
    前記2つのスイッチング電源は、それぞれインダクタとスイッチング素子、ダイオード、電流検出抵抗、制御部よりなり、前記制御部が前記電流検出抵抗に流れる電流を監視しながら前記スイッチング素子のオン時間・オフ時間を制御することにより前記LED直列回路に電流を供給する降圧チョッパ回路であり、
    前記2つのスイッチング電源は、
    前記入力フィルタ回路と前記整流回路と前記力率改善回路とを共用し、前記力率改善回路の出力端にそれぞれダイオードを介して接続されていることを特徴とするLED照明器具。
  3. 請求項1または2において、
    前記2つのスイッチング電源は1枚のプリント基板に実装されていることを特徴とするLED照明器具。
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