JP7075839B2 - 微点灯防止機能付き照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、出力オフ後の発光素子の微点灯を防止または抑制することができる照明器具に関する。

近年、照明用光源としてＨＩＤランプに代えてＬＥＤランプを用いるケースが増えている。ＨＩＤランプの点灯用に開発された電源装置（安定器）をＬＥＤ照明器具の点灯用電源装置として用いる場合は、ＨＩＤランプの放電電圧よりもＬＥＤの順方向電圧（Ｖｆ）が低いことから、多数のＬＥＤを直列に接続した光源を用いて、点灯電圧がＨＩＤランプの放電電圧と同レベルになるようにしている。動作電流が少なくなるので、電流の二乗に比例する回路損失も小さくなり、高効率のＬＥＤ点灯用電源装置となる。

しかし、ＬＥＤランプの場合、ＬＥＤランプと、接地された放熱器との間には、いわゆる浮遊容量が形成されることから、電源装置の出力をオフした場合に漏れ電流がＬＥＤランプに流れて、ＬＥＤランプが微点灯してしまうという問題点があった。

特許文献１には、漏れ電流によるＬＥＤランプの点灯を防止する回路構成が示されているが、ＬＥＤ発光素子に並列接続させなければならないコンデンサーの数が多く、仮にコンデンサーの接続不良が一か所でも発生すると、再び微点灯が生じてしまうという問題点があった。

特許文献２にも、漏れ電流によるＬＥＤランプの点灯を防止する回路構成が示されているが、電源回路の出力端子(＋側および－側)に対して、非対称な回路構成になっているため、入力交流電源の瞬時極性によっては、微点灯が発生し易くなってしまうという問題点があった。

特許第６２０２４１９号（図３） 特許第５５１５９３１号（図８）

図８および図９に示すように、ＬＥＤ電源回路に交流電源が供給されている状態で、ＬＥＤ電源回路の出力をオフしたときに、ＬＥＤ照明器具の発光素子と、大地に接地された放熱器（基材部）との間の静電容量によって漏れ電流が発生し、発光素子が微点灯する現象がある。漏れ電流の流れを図中に矢印で示す。図８と図９との違いは、ＬＥＤ電源回路に電力を供給する交流電源の瞬時極性の違いである。

図７に、ＬＥＤ照明器具の発光素子と、大地に接地された放熱器との間の静電容量Ｃ０によって漏れ電流が発生し、ＬＥＤ照明器具の発光素子が微点灯する原理を模式的に示す。ハイサイド側から１番目の発光素子（ＬＥＤ）と放熱器との間に形成される静電容量Ｃ０は、１番目の発光素子の隣りのコンデンサーの回路記号で示される。２番目以降の発光素子についての静電容量Ｃ０も同様である。個々の静電容量Ｃ０、すなわち浮遊容量への漏れ電流Ｉ０が発光素子の数だけ累積することにより、発光素子を微点灯させる電流レベルに到達して発光してしまうという問題点があった。図７では、直列接続された６つの発光素子のうちのハイサイド側の１番目から４番目までの発光素子には、発光素子を微点灯させる電流レベル（Ｉ０の３倍）以上の蓄積された漏れ電流が流れるので、これらの発光素子は微点灯する。

電源回路による点灯電流の供給が停止されると、漏れ電流Ｉ０が発生する。外部の交流電源の瞬時極性が正である期間は、漏れ電流Ｉ０は、図８のように電源回路のハイサイド側の出力端から、各々の発光素子の浮遊容量Ｃ０に向けて流れる。外部の交流電源の瞬時極性が負である期間は、漏れ電流Ｉ０は、図９のように各々の発光素子の浮遊容量Ｃ０から、電源回路のローサイド側の出力端に向けて流れる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電源回路に交流電源が供給されている状態で電源回路の出力をオフした場合に、ＬＥＤ照明器具の発光素子が微点灯することを防止または抑制することができる照明器具を提供することにある。

本発明の動作原理を図１の回路構成の一例を用いて説明する。
複数の発光素子からなる直列回路部の途中に、漏れ電流のバイパスポイントを適宜設けて、漏れ電流の一部がバイパスコンデンサーＣ１１～Ｃ１４を通ってバイパスポイントに流れるようにして、漏れ電流の一部が幾つかの発光素子をバイパスするように構成した。なお、図１では、動作原理を分かり易くするために降圧コンバータ（電源回路）の代わりの抵抗Ｒを表示している。

図１に示すように、交流電源の瞬時極性が正である期間は、電源回路のハイサイド側からの漏れ電流（Ｉ０×６）が生じる。漏れ電流の一部（Ｉ０×２）は、分岐点Ｐ１から高電位側のバイパスコンデンサーＣ１１に向けて流れて、発光素子の直列回路部における２つ目のバイパスポイントＢＰ２に達する。同様に、分岐点Ｐ３からも漏れ電流の一部（Ｉ０×２）が高電位側の別のバイパスコンデンサーＣ１３に向けて流れて、発光素子の直列回路部における１つ目のバイパスポイントＢＰ１に達する。それぞれのバイパスポイントに達した漏れ電流は、対応する発光素子についての浮遊容量ＣＯを通って基材部に流れることになる。

また、交流電源の瞬時極性が負である期間は、交流電源からの漏れ電流（Ｉ０×６）が接地ルートを通って基材部に流れる。そして、各々の発光素子における浮遊容量ＣＯを逆向きに漏れ電流Ｉ０が流れることになる。漏れ電流の一部（Ｉ０×２）は、発光素子の直列回路部における２つ目のバイパスポイントＢＰ２から低電位側のバイパスコンデンサーＣ１２に向けて流れて、合流点Ｐ２を通って電源回路のローサイド側に達する。同様に、漏れ電流の他の一部（Ｉ０×２）は、発光素子の直列回路部における１つ目のバイパスポイントＢＰ１から低電位側の別のバイパスコンデンサーＣ１４に向けて流れて、合流点Ｐ４を通って電源回路のローサイド側に達する。

このように、漏れ電流の一部が、バイパスポイントとバイパスコンデンサーとで形成されたバイパスルートを通ることで、発光素子をバイパスすることになる。この結果、漏れ電流の累積数が少なくなって、発光素子を流れる漏れ電流は、その発光素子が微点灯しない程度までしか累積されず、発光素子の微点灯を防止することができる。
バイパスコンデンサーに流れる電流は、発光素子を通常に発光させる際の点灯電流に比べて、無視できる大きさの電流値である。

また、発光素子間のバイパスポイントに接続されたバイパスコンデンサーによる弊害として、電源回路の出力をオフ、または、外部の交流電源をオフした場合に、数秒間、発光素子が微点灯を継続してしまうが、これについては、バイパスコンデンサーに並列に抵抗を接続することによって解決することが可能である。

すなわち、本発明に係る照明器具は、
複数の発光素子を直列に接続して形成される該発光素子の直列回路部と、
前記発光素子を載せた基材部と、
前記発光素子の直列回路部の高電位側および低電位側の２つの端子を結んでいる高電位側のバイパスコンデンサーおよび低電位側のバイパスコンデンサーからなる直列回路部と、を備え、
複数の前記発光素子は、該発光素子と前記基材部との間に浮遊容量をそれぞれ形成し、
前記発光素子の直列回路部は、一つの前記発光素子又は連続する複数の前記発光素子を含む複数のグループを有し、また、隣り合う前記グループ同士の接続部を漏れ電流バイパスポイントとして有し、
前記バイパスコンデンサーの直列回路部は、前記漏れ電流バイパスポイントの数だけ設けられ、
前記漏れ電流バイパスポイントは、対応する前記バイパスコンデンサーの直列回路部における高電位側および低電位側のバイパスコンデンサー同士の接続部に接続されており、
前記発光素子の直列回路部における高電位側の端子から、各々の前記グループに含まれる発光素子の前記浮遊容量に向けて流れる漏れ電流の値の総和が、該グループに含まれる発光素子を微点灯させる電流値よりも小さくなるように、前記グループに含まれる発光素子の数が定められていることを特徴とする。

ここで、高電位側および低電位側の前記バイパスコンデンサーのうちの少なくとも一方には、該バイパスコンデンサーに対して並列に抵抗が接続されていることが好ましい。
さらに、前記発光素子の直列回路部へ点灯電流を供給可能な電源部を備え、前記電源部は、外部の交流電源に接続可能に設けられていることが好ましい。

本発明の照明器具に上記の内の点灯防止回路により、電源回路に交流電源が供給されている状態で電源回路の出力をオフしたときの、発光素子の微点灯を防止または抑制することができるという効果がある。

本発明に係る照明器具の一例である回路構成を用いてその動作原理を説明するための図である。 第一実施形態に係る前記照明器具の微点灯防止対策の原理図である（入力交流電力が正の極性である場合）。 前記照明器具の微点灯防止対策の原理図である（入力交流電力が負の極性である場合）。 第二実施形態に係る照明器具の動作原理（瞬時消灯）を示す図である。 第三実施形態に係る照明器具における並列接続による微点灯防止対策の原理図である。 変形例に係る照明器具の動作原理を示す図である（単相三線式交流電源を使用した場合）。 従来の照明器具における微点灯の動作原理を示す図である。 従来の照明器具において微点灯が発生する原理を示す図（正の極性）。 従来の照明器具において微点灯が発生する原理を示す図（負の極性）。

以下、図面に基づき本発明に係る照明器具の実施の形態について説明する。
＜第一実施形態＞
図２は、三相交流電源３０のＲ相およびＳ相（接地）に接続されたＬＥＤ電源回路２０、および、ＬＥＤ電源回路２０に接続されたＬＥＤ照明器具１０のそれぞれの構成を示す。

ＬＥＤ照明器具１０は、複数のＬＥＤ素子を直列に接続して形成された直列回路部１４と、複数のＬＥＤ素子を載せた放熱器１２と、ＬＥＤ素子の直列回路部１４の高電位側および低電位側の２つの端子を結んでいる高電位側のバイパスコンデンサーおよび低電位側のバイパスコンデンサーからなる直列回路部１６と、を備えている。なお、図２の放熱器１２は１枚であるが、複数個の放熱器にＬＥＤ素子を分配して載せてもよい。また、基板上に複数のＬＥＤ素子を載せて形成された、いわゆるＣＯＢ型やＳＭＤ型の発光モジュールを、本発明に係る個々の発光素子とみなして、本発明の照明器具を構成してもよい。

複数のＬＥＤ素子は、該ＬＥＤ素子と放熱器１２との間に浮遊容量をそれぞれ形成している。ＬＥＤ素子の直列回路部１４は、連続する複数のＬＥＤ素子を含む複数のグループ（図２のグループ数は５である。）を有し、また、隣り合うグループ同士の接続部を漏れ電流バイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）として有する。なお、一つのＬＥＤ素子からなるグループを設ける場合もある。

バイパスコンデンサーの直列回路部１６は、漏れ電流バイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）の数だけ設けられている。つまり、高電位側のバイパスコンデンサー（Ｃ１１，Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１７）および低電位側のバイパスコンデンサー（Ｃ１２，Ｃ１４，Ｃ１６，Ｃ１８）からなるコンデンサーの直列回路が４組あって、それぞれの直列回路がＬＥＤ素子の直列回路部１４に対して並列に接続されている。

漏れ電流バイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）は、高電位側のバイパスコンデンサー（Ｃ１１，Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１７）および低電位側のバイパスコンデンサー（Ｃ１２，Ｃ１４，Ｃ１６，Ｃ１８）の接続部に接続されている。例えば、バイパスポイントＢＰ１は、高電位側バイパスコンデンサーＣ１７と低電位側のバイパスコンデンサーＣ１８の接続部に接続されている。

図２中の矢印は、三相交流電源３０のＲ相がＳ相（接地）に対してプラス電位状態である場合の漏れ電流の流れを示す。つまり、ＬＥＤ電源回路２０に交流電源が供給されている状態でＬＥＤ電源回路２０の出力をオフ、つまりＦＥＴをオフした時の電流の流れである。ＦＥＴがオフ状態にあるので、漏れ電流は、Ｒ相からブリッジ・ダイオード２１を通り、二つの平滑用の電解コンデンサー２２，２３、ＬＥＤ素子間のバイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）に接続されたパイパスコンデンサー（Ｃ１１，Ｃ１３，Ｃ１５，Ｃ１７）を通り、それぞれのＬＥＤ素子の配線パターンと放熱器１２間の浮遊容量を通り、放熱器１２から大地(アース)を通り、三相交流電源３０のＳ相（接地）に到達する。

図３は、図２と同じ回路構成において、三相交流電源３０のＲ相がＳ相（接地）に対してマイナス電位状態である場合の漏れ電流の流れを示す。電流はＳ相（接地）から大地(アース)を通って放熱器１２に到達する。それぞれのＬＥＤ素子の配線パターンと放熱器１２間の浮遊容量を通り、ＬＥＤ素子間のバイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）に接続されたバイパスコンデンサー（Ｃ１２，Ｃ１４，Ｃ１６，Ｃ１８）を通り、ＬＥＤ電源回路２０のローサイド（グランドライン）に到達する。さらに、ブリッジ・ダイオード２１を通り、三相交流電源３０のＲ相に到達する。

ＬＥＤ素子の直列回路部１４における各グループに含めるＬＥＤ素子の数については、次のように定めている。すなわち、ＬＥＤ素子の各グループにおける高電位側のバイパスポイントから、そのグループに含まれるＬＥＤ素子のそれぞれの浮遊容量に向けて流れる漏れ電流の値の総和が、該グループに含まれるＬＥＤ素子（例えば、グループ内で最も高電位側にあるＬＥＤ素子）を微点灯させる電流値よりも小さくなるように、該グループに含まれるＬＥＤ素子の数を定める。

例えば、図２中のグループ３については、電源回路２０のハイサイド側からバイパスコンデンサーＣ１５を通ってバイパスポイントＢＰ２に至る漏れ電流の大きさに着目する。バイパスコンデンサーＣ１５からの漏れ電流の大きさが「Ｉ０×２」であるとすれば、その内の「Ｉ０×１」の大きさの漏れ電流は、グループ３の高電位側のＬＥＤ素子と放熱器１２との間の浮遊容量を介して放熱器１２へと流れる。残りの「Ｉ０×１」の大きさの漏れ電流は、高電位側のＬＥＤ素子を通過して、次のＬＥＤ素子に向かって流れる。この場合に、高電位側のＬＥＤ素子を通過する漏れ電流の値が、ＬＥＤ素子を微点灯させる電流値に達していれば、そのＬＥＤ素子が微点灯してしまうので、ＬＥＤ素子を微点灯させる電流値よりも小さくする必要がある。

言換えると、グループ内のＬＥＤ素子が多数ある場合には、それぞれのＬＥＤ素子に累積された大きさの漏れ電流が通過することになる。従って、それぞれのＬＥＤ素子を通過する漏れ電流の大きさが、そのＬＥＤ素子を微点灯させる電流値よりも小さくなるように、グループ内のＬＥＤ素子の数を決定すればよい。

微点灯防止対策のためにバイパスポイントに接続する漏れ電流バイパスコンデンサーの容量Ｃは、以下のように算出される。条件として、「コンデンサーのインピーダンス」が「ハイサイドまたはローサイドからバイパスポイントまでのＬＥＤ素子のインピーダンスの合計」より小さいとする。
１／（ωＣ）< Ｖｆ／Ｉｆ
Ｃ >Ｉｆ／（ωＶｆ）
Ｃ >Ｉｆ／（２×π×ｆ×Ｖｆ）

具体例として、次の数値を代入すると、コンデンサー容量Ｃは下記のようになる。
微点灯電流（Ｉｆ）： １ｍＡ、
ＬＥＤ素子（ＣＯＢ型の発光モジュール）の端子間電圧： ３０Ｖ、
直列ＬＥＤ素子の数： ２個、
電源周波数（ｆ）： ６０Ｈｚ、
とすると、
Ｃ > ０．００１／（２×３．１４×６０×３０×２）
Ｃ > ４．４２１×１０^－８
Ｃ >≒ ０．０５μＦ
となる。
なお、漏れ電流バイパスコンデンサーの容量Ｃは、１０００ｐＦから１．０μＦまでの範囲から選定することが好ましい。容量Ｃが少な過ぎると微点灯を防止することができなくなる。容量が大き過ぎると高価になるとともに配置スペースが大きくなり過ぎて好ましくない。

＜第二実施形態＞
図４に示す本実施形態のＬＥＤ照明器具１１０では、漏れ電流バイパスポイント（ＢＰ１～ＢＰ４）に設けられたバイパスコンデンサーＣ（Ｃ１１～Ｃ１８）に対してそれぞれ並列に抵抗Ｒ（Ｒ１１～Ｒ１８）が接続されている。その他の構成は、図２の構成に共通する。

動作方式は前述の実施形態と同じであるが、漏れ電流バイパスコンデンサーＣに抵抗Ｒを加えたことにより、ＬＥＤ電源回路２０の出力をオフした時の「消灯するまでの時間」を著しく短縮することができる。

消灯するまでの時間を短縮するためにバイパスコンデンサーＣに並列に接続する抵抗の数値Ｒは、次のように算出される。
ｔ ＝ ＣＲ（時定数）
Ｒ ＝ ｔ ／ Ｃ

具体例として、次の数値を代入すると、抵抗値Ｒは下記のようになる。
消灯時間（ｔ）： １．０秒以下、
容量（Ｃ）： ０．０５μＦ、
とすると、
Ｒ ＝ １．０ ／（０．０５×１０^－６）
＝ ２．０ × １０^７
＝ ２０ × １０^６
＝ ２０ ＭΩ
となる。なお、抵抗Ｒは、１ＭΩから２０ＭΩまでの範囲から選定することが好ましい。

このように、バイパスコンデンサーに抵抗Ｒを並列に接続することにより、バイパスコンデンサーに充電された電荷によって、消灯後も微点灯が続くことを防止または抑制することができる。抵抗Ｒを並列接続する代わりに、セラミック・コンデンサーの絶縁抵抗を利用することも可能である。

＜第三実施形態＞
図５に本実施形態のＬＥＤ照明器具２１０を示す。動作方式は前述の実施形態と同じであり、三相交流電源３０およびＬＥＤ電源回路２０については、図２の構成に共通する。図５のＬＥＤ照明器具２１０では、ＬＥＤ素子の直列接続数を減らし、その分を並列接続に割り振ることによって、漏れ電流ができるだけ累積しないように構成されている。従って、ＬＥＤ電源回路２０に交流電源が供給されている状態でＬＥＤ電源回路２０の出力をオフした時に、ＬＥＤ素子が微点灯することを回避することができる。

変形例として、単相三線式交流電源１３０を用いた場合のＬＥＤ電源回路２０との接続方法について図６に示す。ＬＥＤ照明器具１１０については図４の構成と同じである。

１０：ＬＥＤ照明器具（照明器具）
１２：放熱器（基材部）
１４：ＬＥＤ素子の直列回路部（発光素子の直列回路部）
１６：バイパスコンデンサーの直列回路部
２０：ＬＥＤ電源回路（電源装置照明器具）
ＢＰ：漏れ電流バイパスポイント
Ｃ０：ＬＥＤ素子の配線パターンと放熱器との間の浮遊容量
Ｃ１（Ｃ１１～Ｃ１８）：漏れ電流バイパスコンデンサー
Ｒ（Ｒ１１～Ｒ１８）：漏れ電流バイパスコンデンサーに平行に接続された抵抗

Claims (3)

1. 複数の発光素子を直列に接続して形成される該発光素子の直列回路部と、
   前記発光素子を載せた基材部と、
   前記発光素子の直列回路部の高電位側および低電位側の２つの端子を結んでいる高電位側のバイパスコンデンサーおよび低電位側のバイパスコンデンサーからなる直列回路部と、
   を備える照明器具であって、
   複数の前記発光素子は、該発光素子と前記基材部との間に浮遊容量をそれぞれ形成し、
   前記発光素子の直列回路部は、一つの前記発光素子又は連続する複数の前記発光素子を含む複数のグループを有し、また、隣り合う前記グループ同士の接続部を漏れ電流バイパスポイントとして有し、
   前記バイパスコンデンサーの直列回路部は、前記漏れ電流バイパスポイントの数だけ設けられ、
   前記漏れ電流バイパスポイントは、対応する前記バイパスコンデンサーの直列回路部における高電位側および低電位側のバイパスコンデンサー同士の接続部に接続されており、
   前記発光素子の直列回路部における高電位側の端子から、各々の前記グループに含まれる発光素子の前記浮遊容量に向けて流れる漏れ電流の値の総和が、該グループに含まれる発光素子を微点灯させる電流値よりも小さくなるように、前記グループに含まれる発光素子の数が定められていることを特徴とする照明器具。
2. 請求項１記載の照明器具において、
   高電位側および低電位側の前記バイパスコンデンサーのうちの少なくとも一方には、該バイパスコンデンサーに対して並列に抵抗が接続されていることを特徴とする照明器具。
3. 請求項１または２記載の照明器具において、さらに、
   前記発光素子の直列回路部へ点灯電流を供給可能な電源部を備え、
   前記電源部は、外部の交流電源に接続可能に設けられていることを特徴とする照明器具。

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