(57)【要約】    【課題】  調光が深くなって負荷が極めて軽くなったときでも発光ダイオードの点灯にちらつきが発生しないように改良された発光ダイオード点灯装を提供する。    【解決手段】  発光ダイオード点灯装置は、整流化直流電源RDCと、昇圧チョッパを主体として構成され、入力端が整流化直流電源に接続した力率改善回路PFIと、入力端が力率改善回路の出力端に接続した直流コンバータDCCと、直流コンバータの出力端に接続して点灯する発光ダイオードLEDと、調光信号出力手段DSGと、調光信号出力手段から出力される調光信号に応じて直流コンバータおよび力率改善回路の昇圧チョッパの少なくとも一方の出力を制御するとともに、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに力率改善回路の動作を停止して整流化直流電源の出力が直接直流コンバータに供給されるように制御する制御手段CCとを具備している。【選択図】図１
2010040400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流化直流電源と；
昇圧チョッパを主体として構成され、入力端が整流化直流電源に接続した力率改善回路と；
入力端が力率改善回路の出力端に接続した直流コンバータと；
直流コンバータの出力端に接続して点灯する発光ダイオードと；
調光信号出力手段と；
調光信号出力手段から出力される調光信号に応じて直流コンバータおよび力率改善回路の少なくとも一方の出力を制御するとともに、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに力率改善回路の動作を停止して整流化直流電源の出力が直接的に直流コンバータに供給されるように制御する制御手段と；
を具備していることを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードを調光可能に点灯することができる発光ダイオード点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードを調光可能に点灯する発光ダイオード点灯装置は既知である（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された点灯回路は、交流の整流電圧を昇圧チョッパで昇圧し、平滑化して複数が直列接続された発光ダイオードに供給して、これを点灯し、昇圧チョッパを制御して調光できるようにするとともに、力率も改善できるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−０６７４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、昇圧チョッパを主体とする力率改善回路を用いる場合、ある程度の範囲の負荷に対して適切な制御動作を行うので、調光可能であるが、深い調光になって負荷が極めて軽くなったときに、制御動作異常が発生して間欠発振が生じて出力が変動してしまう。昇圧チョッパの後段にさらに直流コンバータを備えている場合、当該直流コンバータが出力一定化制御を行うように動作させ得る状態であればよいが、その制御動作が電源変動すなわち力率改善回路の出力変動に追従できない場合には、発光ダイオードの光出力が変動してちらつきが発生してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、調光が深くなって負荷が極めて軽くなったときでも発光ダイオードの点灯にちらつきが発生しないように改良された発光ダイオード点灯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光ダイオード点灯装置は、整流化直流電源と；昇圧チョッパを主体として構成され、入力端が整流化直流電源に接続した力率改善回路と；入力端が力率改善回路の出力端に接続した直流コンバータと；直流コンバータの出力端に接続して点灯する発光ダイオードと；調光信号出力手段と；調光信号出力手段から出力される調光信号に応じて直流コンバータおよび力率改善回路の少なくとも一方の出力を制御するとともに、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに力率改善回路の動作を停止して整流化直流電源の出力が直接的に直流コンバータに供給されるように制御する制御手段と；を具備していることを特徴としている。
【０００７】
本発明は、以下の態様を許容する。
【０００８】
整流化直流電源は、交流電源、例えば商用交流電源の交流電圧を整流して発光ダイオードを点灯するための電力を直流の態様で後述する力率改善回路および直流コンバータに供給する。整流の態様は、特段限定されないが、全波整流が好ましい。
【０００９】
また、直流電源は、直流出力電圧が平滑化されていてもよい。しかし、後段の力率改善回路が平滑化手段を備えているので、交流電圧を整流しただけの非平滑な直流電圧を出力する構成で差し支えない。
【００１０】
力率改善回路は、本発明において昇圧チョッパを主体として構成されていて、交流電源から供給される交流電流の力率を所望の程度に改善する。昇圧チョッパにおいては、そのスイッチング素子の高周波スイッチングのオン動作のときにインダクタに充電され、オフ動作のときにインダクタに蓄積された電磁エネルギーが放出されることによって出力端に配設された平滑コンデンサが充電される回路動作を行うため、整流化直流電源電圧波形に比例的な入力電流が同期して流れるので、昇圧動作を行いながら力率も改善される。
【００１１】
また、力率改善回路は、その出力電圧を単独で、または後述する直流コンバータと協調して、後述する調光信号に応じて変化させることができる。
【００１２】
さらに、昇圧チョッパは、インダクタとスイッチング素子が直列接続し、スイッチング素子と並列にフライホイールダイオードおよび平滑コンデンサの直列回路を接続した回路構成からなる一般的な回路構成であることが許容される。また、用いるスイッチング素子は、特段限定されないので、電流制御形のスイッチング素子および電圧制御形のスイッチング素子のいずれであってもよい。しかし、例えばＦＥＴ（電界効果形トランジスタ）およびＩＧＢＴなどのゲート電圧制御形の電圧制御形スイッチング素子であると、変換効率が高くなるので、特に好適である。
【００１３】
さらにまた、力率改善回路は、その昇圧チョッパのスイッチング素子をＯＦＦ状態に維持すれば、昇圧動作が停止して平滑コンデンサがインダクタを経由して平滑化直流電源の出力電圧によって直接的に充電されるので、平滑化直流電源の出力電圧に等しい電圧が出力されるようになる。
【００１４】
直流コンバータは、力率改善回路の昇圧された直流出力電圧を電圧変換して負荷に適合する所望の出力電圧を得る回路手段である。また、直流コンバータの出力電圧を後述する調光信号に応じて可変にして発光ダイオードを調光点灯するように構成することができる。
【００１５】
また、直流コンバータは、本発明においてその具体的な回路方式が特段限定されない。例えば、降圧チョッパ、逆極性形コンバータ、フライバックコンバータなどのスイッチングコンバータを適宜選択して採用することができる。なお、直流コンバータのスイッチング素子には、昇圧チョッパにおけるのと同様な理由で適宜選択することができる。
【００１６】
発光ダイオードは、負荷として直流コンバータの出力端に接続し、その出力電流により付勢されて点灯する。直流コンバータの出力端に接続する発光ダイオードの数は特段限定されないので、１個および複数個のいずれであってもよい。また、発光ダイオードの発光特性およびパッケージ態様なども特段限定されないので、既知の各種発光特性、パッケージ態様および定格などを適宜選択して用いることができる。
【００１７】
調光信号出力手段は、調光信号を生成して出力する手段である。そして、その配設位置は、特段限定されない。すなわち、力率改善回路および直流コンバータを含む発光ダイオード点灯装置の主要部に近接した位置、例えば上記主要部と同一の配線基板に実装されている態様でもよい。また、上記主要部から離間した位置に配設されるのであってもよい。
【００１８】
また、調光信号出力手段は、出力する調光信号の形態が特段限定されない。例えば、調光度に応じてパルスのデューティが変化するデューティ信号、調光度をディジタル化したディジタル信号および調光度に応じて電圧値が変化する可変電圧信号などを選択的に適宜採用することができる。
【００１９】
制御手段は、調光信号出力手段から出力される調光信号に応じて直流コンバータおよび力率改善回路の少なくとも一方の出力を制御して発光ダイオードを調光点灯させるための調光制御動作を行う。また、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに、力率改善回路の動作を停止させて整流化直流電源の出力が直接的に直流コンバータに供給されるように制御する力率改善回路の保護動作を行う。
【００２０】
調光制御動作のための直流コンバータおよび力率改善回路の少なくとも一方に対する出力制御は、制御手段内に設定した所定の調光特性および調光信号出力手段から出力される調光信号の相関に基づいて行われる。なお、調光特性は、予め所望に応じて適宜設定しておくことができる。例えば、発光ダイオードの光量と調光度とが連続的、かつ直線的に変化してもよいし、発光ダイオードの光量と調光度とが連続的、かつ非直線的に変化してもよいし、段階的に変化してもよい。
【００２１】
力率改善回路の保護動作のために、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに、制御手段は、力率改善回路の動作を停止させる。そして、直流コンバータの入力端に対して力率改善動作を行うことなしに直流電圧を印加する。なお、発光ダイオードの光出力の所定レベルとしては、非調光時すなわち全光時の光出力に対して例えば４０％以下の範囲の中から選択した値にするなど適宜のレベルとすることができ、しかもそのレベルを固定的に、または可変に設定することができる。
【００２２】
また、制御手段は、発光ダイオードの光出力を直接検出するのに代えて、以上説明した発光ダイオード点灯回路の状態を電気的に検出することによって、発光ダイオードの光出力を間接的に検出して、力率改善回路の保護動作を行うように構成することができる。すなわち、制御手段は、直流コンバータの出力電圧、出力電流または出力電力を常時監視して、その電気信号が発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下したときに対応する値になったときに、力率改善回路の動作を停止させることができる。または、これと別の構成として、調光信号を監視して、調光度が所定値に到達したときにこれを検出して力率改善回路の動作をさせることもできる。
【００２３】
さらに、制御手段は、発光ダイオードの光出力が所定レベルに低下するまで力率改善回路の出力電圧をほぼ一定に維持するように構成することができる。これと異なる態様として、調光度が大きくなる（光出力が低下する）にしたがって力率改善回路の出力電圧が低減していくように構成することができる。なお、後者の態様において、調光可能範囲の全域にわたって力率改善回路の出力電圧が低減してもよいし、調光度がある程度大きい（光出力がある程度低下した）ときから力率改善回路の動作停止までの間においてのみ力率改善回路の出力電圧が低減するように構成することもできる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、調光により発光ダイオードの光出力が所定レベル以下になったときに、昇圧チョッパを主体とする力率改善回路が動作を停止して、力率改善作用が行われないで直流電圧が直流コンバータに入力されるので、深い調光になって負荷が極めて軽くなったときには力率改善回路の昇圧チョッパが間欠動作をしなくなるから、発光ダイオードの点灯にちらつきが発生しないとともに、力率改善作用がなされないときは負荷が軽いために影響が小さい発光ダイオード点灯装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００２６】
図１ないし図３は、本発明における第１の実施の形態を示し、図１は発光ダイオード点灯装置の回路図、図２は調光信号波形図、図３は調光特性と力率改善回路の出力電圧の関係を示すグラフである。
【００２７】
本形態において、発光ダイオード点灯装置は、整流化直流電源ＲＤＣ、力率改善回路ＰＦＩ、直流コンバータＤＣＣ、発光ダイオードＬＥＤ、調光信号出力手段ＤＳＧおよび制御手段ＣＣを具備して構成されていて、商用交流電源ＡＣから給電される。
【００２８】
整流化直流電源ＲＤＣは、その交流入力端が商用交流電源ＡＣに接続したブリッジ形全波整流回路Ｒｅｃからなり、非平滑直流電圧を出力する。
【００２９】
力率改善回路ＰＦＩは、昇圧チョッパを主体として構成されている。すなわち、整流化直流電源ＲＤＣの直流出力端に接続したインダクタＬ１およびスイッチング素子Ｑ１の直列回路、スイッチング素子Ｑ１に並列接続したフライホイールダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１の直列回路、ならびに出力電圧検出回路ＶＤを備えていて、後述する制御手段ＣＣの制御によって力率改善動作を行う。なお、スイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳＦＥＴからなる。出力電圧検出回路ＶＤは、平滑コンデンサＣ１に並列接続した電圧分圧回路から分圧された出力電圧を取り出して、後述する制御手段ＣＣに制御入力する。上記電圧分圧回路は、抵抗器Ｒ１およびＲ２の直列回路で構成され、抵抗器Ｒ２の端子電圧が出力される。
【００３０】
直流コンバータＤＣＣは、降圧チョッパを主体として構成されている。すなわち、力率改善回路ＰＦＩの出力端である平滑コンデンサＣ１の両端間に接続したスイッチング素子Ｑ２およびフライホイールダイオードＤ２の直列回路、フライホイールダイオードＤ２に並列接続したインダクタＬ２および平滑コンデンサＣ２の直列回路、ならびに負荷電流検出回路ＩＤを備えていて、後述する制御手段ＣＣの制御によって直流電圧変換動作を行う。負荷電流検出回路ＩＤは、後述する発光ダイオードＬＥＤと直列に挿入された抵抗器Ｒ３からなる。なお、スイッチング素子Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴからなる。
【００３１】
発光ダイオードＬＥＤは、その複数が直列接続し、負荷電流検出回路ＩＤを経由して直流コンバータＤＣＣの出力端である平滑コンデンサＣ２の両端に接続している。
【００３２】
調光信号出力手段ＤＳＧは、発光ダイオードＬＥＤを調光点灯するために調光信号を出力して、後述する制御手段ＣＣに制御入力する。本形態において、調光信号は、図２に波形を示すように調光割合に応じてデューティが変化する電圧パルス列からなる。なお、図中記号Ｔはパルスの周期、ｔはパルスのデューティ、をそれぞれ示す。そして、デューティレシオ：（ｔ／Ｔ）×１００％が調光点灯の設定信号となる。
【００３３】
制御手段ＣＣは、マイコンを主体として構成することができ、機能的には力率改善制御部ＣＰＦ、動作制御部ＣＰＡおよび直流コンバータ制御部ＣＤＣを備えている。力率改善制御部ＣＰＦは、動作制御部ＣＰＡおよび直流コンバータ制御部ＣＤＣとは別のマイコンにより昇圧チョッパと組み合わせて構成することができるが、昇圧チョッパからなる力率改善回路ＰＦＩのスイッチング素子Ｑ１にパルス電圧からなる駆動信号を供給する。また、昇圧チョッパの出力電圧検出回路ＶＤから制御入力される出力電圧が所定値になるように帰還制御して駆動信号のデューティを所定に制御する。
【００３４】
動作制御部ＣＰＡは、本形態においては調光信号出力手段ＤＳＧから出力される調光信号を監視して、そのデューティが、したがってこれに対応する発光ダイオードの光出力が予め定めた所定レベルに低下するときの値である所定値に到達すると、力率改善制御部ＣＰＦを制御して、昇圧チョッパの駆動信号の供給を停止させる。これにより、昇圧チョッパのスイッチング素子Ｑ１がＯＦＦ状態に維持されるため、力率改善回路ＰＦＩが動作を停止するので、整流化直流電源ＲＤＣから供給される非平滑の直流電圧で平滑コンデンサＣ１が充電される。
【００３５】
直流コンバータ制御部ＣＤＣは、降圧チョッパのスイッチング素子Ｑ２にパルス電圧からなる駆動信号を供給する。また、直流コンバータＤＣＣの負荷電流検出回路ＩＤから制御入力される負荷電流が一定になるように帰還制御するとともに、調光信号に応じて駆動信号をＰＷＭ制御する。
【００３６】
次に、本形態の発光ダイオード点灯装置の回路動作を説明する。すなわち、力率改善回路ＰＦＩの昇圧チョッパが動作することにより発光ダイオード点灯装置の力率改善され、かつ商用交流電源ＡＣの電圧より高くなるように昇圧され、かつ出力電圧検出回路ＶＤから得た帰還電圧を用いて帰還制御された直流電圧が力率改善回路ＰＦＩから出力される。
【００３７】
力率改善回路ＰＦＩの出力電圧は、直流コンバータＤＣＣの入力端に印加される。これにより、直流コンバータＤＣＣは、降圧動作を行うので、負荷の発光ダイオードＬＥＤに対して所要値に調整された直流電圧がその出力端に現れる。その結果、直流コンバータＤＣＣの負荷として出力端に接続された発光ダイオードＬＥＤに負荷電流が流れるので、発光ダイオードＬＥＤが点灯する。このときの点灯は、直流コンバータＤＣＣの負荷電流検出回路ＩＤと制御手段ＣＣの協働によって定電流制御下で行われる。
【００３８】
また、調光信号出力手段ＤＳＧから送出された調光信号が直流コンバータ制御部ＣＤＣに制御入力すると、直流コンバータ制御部ＣＤＣは調光信号に対応するＰＷＭ制御された駆動信号を生成して直流コンバータＤＣＣのスイッチング素子Ｑ２に供給する。その結果、負荷電流の定電流制御の基準値が調光信号に応じて変更されるため、発光ダイオードＬＥＤは、調光信号に対応する光出力の調光点灯を行う。
【００３９】
一方、制御手段ＣＣの動作制御部ＣＰＡは、調光信号を監視していて、調光信号が予め設定されたデューティを超えたときに力率改善制御部ＣＰＦによる駆動信号のスイッチング素子Ｑ１に対する供給を停止する。このため、発光ダイオードＬＥＤの光出力が小さくなって負荷が軽くなったときに、力率改善回路ＰＦＩが間欠発振するのを回避することができる。
【００４０】
本発明の第１の形態における調光特性は、図３に示すように例えば２０％程度づつ段階的に光出力が低下するように設定されている。そして、光出力が約４０％を超えると動作制御部ＣＰＡによる制御が働いて力率改善動作が停止するので、昇圧作用がなくなるために、力率改善回路ＰＦＩの出力電圧が無昇圧の整流化直流電源ＲＤＣの出力電圧に等しくなって低下する。
【００４１】
図４は、本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第２の形態における調光特性と力率改善回路の出力電圧の関係を示すグラフである。
【００４２】
本形態において、調光特性は、光出力が１００％から０％まで連続して直線的に変化する。また、力率改善回路ＰＦＩは、光出力が１００％から約７５％に低下するまでの間において昇圧作用が一定に維持される。光出力がさらに低下するにしたがい順次直線的に低下していき、光出力が約４０％を超えて保護動作制御部ＣＰＡによる制御が働くときの出力電圧が無昇圧の整流化直流電源ＲＤＣの出力電圧に等しくなる。
【００４３】
そうして、第２の形態によれば、力率改善動作が停止する際の前後において力率改善回路ＰＦＩの出力電圧が急変しないから、直流コンバータＤＣＣの制御が安定するとともに、円滑な調光を行うことができる。したがって、本形態は、連続的な調光特性を設定する場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における第１の実施の形態を示す発光ダイオード点灯装置の回路図
【図２】同じく調光信号波形図
【図３】同じく調光特性および制御特性を示すグラフ
【図４】本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第２の実施の形態における調光特性および制御特性を示すグラフ
【符号の説明】
【００４５】
ＣＣ…制御手段、ＣＤＣ…直流コンバータ制御部、ＣＰＡ…動作制御部、ＣＰＦ…力率改善制御部、ＤＣＣ…直流コンバータ、ＤＳＧ…調光信号出力手段、ＩＤ…負荷電流検出回路、ＬＥＤ…発光ダイオード、ＰＦＩ…力率改善回路、ＲＤＣ…整流化直流電源、ＶＤ…出力電圧検出回路
【図１】
2010040400.tif 000003
【図２】
2010040400.tif 000004
【図３】
2010040400.tif 000005
【図４】
2010040400.tif 000006