(57)【要約】【課題】  入力電流の高調波成分を低減しながら、直流平滑電圧で点灯させた場合と同等の光出力が得られるＬＥＤ点灯装置を提供する。【解決手段】  ＬＥＤ点灯装置は、商用交流電源を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力端に並列接続される第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに入力端を並列接続されるスイッチング電源回路部と、前記スイッチング電源回路部の出力端に接続されるＬＥＤ発光部と、前記ＬＥＤ発光部に並列接続される第２のコンデンサとを備え、前記スイッチング電源回路部は、不連続モードで動作し、前記第１のコンデンサの容量が０．５μＦ以下であり、前記第２のコンデンサは前記ＬＥＤ発光部に流れる電流のリプル率が１未満になる容量に設定される。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が２００Ｖの商用交流電源を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力端に並列接続される第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに入力端を並列接続されるスイッチング電源回路部と、前記スイッチング電源回路部の出力端に接続されるＬＥＤ発光部と、前記ＬＥＤ発光部に並列接続される第２のコンデンサとを備え、前記スイッチング電源回路部は、不連続モードで動作し、前記第１のコンデンサの容量が０．５μＦ以下であり、前記第２のコンデンサは前記ＬＥＤ発光部に流れる電流のリプル率が１未満になる容量に設定されたことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。  
【請求項２】
前記第２の容量が前記第１の容量の１００倍以上の容量に設定される
請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば商用交流電源を用いて発光ダイオード（以下、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)と適宜、称する）を点灯させるＬＥＤ点灯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの光学性能が高くなってきており、ＬＥＤを用いた照明器具は寿命が長いなどの理由で従来の光源から置き換えられている。今後ＬＥＤの性能がますます向上していけば、さらに汎用の照明器具分野で採用されると考えられる。また、ＬＥＤの点灯装置も照明器具としての効率を上げるために、高効率化しようとしている。そのため点灯装置は特にスイッチング素子を用いたスイッチング電源方式の定電流型が採用されている。
【０００３】
図４に特許文献１（特開２００７−１８９８１９号公報）に開示された従来のＬＥＤ点灯装置の回路図を示す。図中、Ｖｓは商用交流電源、ＤＢは全波整流器、Ｃ２はコンデンサ、Ｔ１はトランスをそれぞれ示し、ＬＥＤ点灯装置は、１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２を備えている。Ｑ１はスイッチング素子、Ｄ１は整流ダイオード、１３はスイッチング素子Ｑ１の制御回路、２はＬＥＤ発光部、１４は定電流素子をそれぞれ示す。 
【０００４】
次に、図４に示す回路の動作を説明する。商用交流電源Ｖｓの交流電圧を全波整流器ＤＢで整流し、コンデンサＣ２で平滑し、トランスＴ１、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子Ｑ１で高周波矩形波交流電圧に変換し、整流ダイオードＤ１で整流して得られたパルス電圧に定電流素子１４、ＬＥＤ発光部２の直列回路を接続する。スイッチング素子Ｑ１は制御回路１３によってオン・オフ制御される。 
【０００５】
図５にトランスＴ１の２次側電圧Ｖｎ２と整流ダイオードＤ１で整流して得られたパルス電圧Ｖｐの波形を示す。パルス電圧Ｖｐがある時だけ定電流素子１４で規定された定電流ＩｃがＬＥＤ発光部２に流れてＬＥＤが点灯する。
【０００６】
定電流素子１４の特性例を図６に示す。横軸は印加電圧、縦軸は電流である。定電流素子１４にある電圧Ｖｃ以上の電圧を印加すると、印加電圧に関係なく一定の電流Ｉｃが流れる。電源電圧の変動、ＬＥＤの順方向電圧のばらつきは定電流素子１４に印加される電圧が電圧変動と順方向電圧のばらつきを吸収するように変化し、流れる電流はＩｃと一定に保たれる。したがって、消費電力は電源電圧の変動分だけ増減するが、ＬＥＤの輝度は変化しない。 
【０００７】
図４に示す回路ではパルス電圧Ｖｐが無いときはＬＥＤ発光部２が消灯するが、パルス電圧Ｖｐが数ｋＨｚ（キロヘルツ）以上の高周波であれば、消灯していることは人間の目では認知できないので、ＬＥＤ発光部２は点灯し続けているように見える。 
【０００８】
図５に示すパルス電圧Ｖｐの一周期Ｔに対するパルス電圧Ｖｐの割合（ｔ／Ｔ）を減少させると、ＬＥＤ発光部２の輝度が低下し、パルス電圧Ｖｐの割合（ｔ／Ｔ）を増加させると輝度が上昇しているように見える。パルス電圧Ｖｐの割合（ｔ／Ｔ）は制御回路１３で調整できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１８９８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のような定電流素子を用いる定電流電源では、出力電圧の平滑化がされなければ、定電流素子１４にある電圧Ｖｃ以上の電圧が保たれなくなる。つまり、定電流素子１４はダイオードのように電圧Ｖｃ以上の電圧があってこそ、流れる電流がＩｃと一定に保たれるものであるから、この従来例の回路では、トランスＴ１の１次側の全波整流器ＤＢの後段に設けたコンデンサＣ２で平滑を行っている。このコンデンサＣ２が無ければ、全波整流器ＤＢの出力電圧は全波の脈流電圧になるため、５０／６０Ｈｚの交流電源であれば、１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚの低周波のちらつきが発生することになる。しかし、このコンデンサＣ２が平滑化のために存在しているので、入力電流の高調波成分は大きなものとなり、照明機器で定められている高調波規制のガイドラインの規格値から外れるといった問題が生じる。 
【００１１】
また、トランスＴ１の２次側はパルス電圧Ｖｐで点灯させているが、照明器具の光出力（光束）を器具込みの入力電力で除した器具効率といった面からは効率が低下する方向となる。すなわち、ＬＥＤの特性はダイオードと同様、順方向電圧Ｖｆを超えることによってそれに応じた順電流Ｉｆが流れる。ＬＥＤの仕様上、出力の光効率（出力の光束を出力の消費電力で割ったもの）が最も良いのは、リプル率が略０の直流平滑電圧で直流電流Ｉｄｃを流したときである。従って、パルス電圧Ｖｐでパルス点灯させた場合、先の直流電流Ｉｄｃよりも平均化して少ない電流となり、出力の光束がそれに応じて小さくなってしまうという問題が生じる。さらに、パルス電圧Ｖｐを大きくしてパルスで流す電流の平均値を直流電流Ｉｄｃと同等にしようとすると、パルス電圧Ｖｐのピークを大きくせざるを得ないため、定電流素子１４の定格も大きくなり、コストの上昇の一因となり、さらにＬＥＤのピーク電流の絶対最大定格を超える可能性が生じるという問題がある。 
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、入力電流の高調波成分を低減しながら、直流平滑電圧で点灯させた場合と同等の光出力が得られるＬＥＤ点灯装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のＬＥＤ点灯装置は、電圧が２００Ｖの商用交流電源を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力端に並列接続される第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに入力端を並列接続されるスイッチング電源回路部と、前記スイッチング電源回路部の出力端に接続されるＬＥＤ発光部と、前記ＬＥＤ発光部に並列接続される第２のコンデンサとを備え、前記スイッチング電源回路部は、不連続モードで動作し、前記第１のコンデンサの容量が０．５μＦ以下であり、前記第２のコンデンサは前記ＬＥＤ発光部に流れる電流のリプル率が１未満になる容量に設定される。  
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＬＥＤ点灯装置は、例えば、第１のコンデンサの容量を０．５μＦ以下としているので、全波整流器からスイッチング電源回路部までの電圧波形は、ほぼ全波の脈流派形となる。このように、第１のコンデンサの容量が小さいために、商用交流電源からの入力電流の波形は従来例のようなコンデンサインプット型の電流波形ではなく、全波の谷部を除いたほぼ全域で電流が流れる波形となるため、照明機器で定められている高調波規制ガイドラインの規格値におさまるようになる。また、このままでは出力の電圧波形も脈流電圧となり、ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆ以下の電圧範囲では電流が流れなくなってしまうため、第１のコンデンサの容量の例えば１００倍以上の容量のコンデンサをＬＥＤ発光部の両端に並列接続し、ＬＥＤに流れる電流の変動幅を実効電流で除したリプル率を１未満にすることで光出力の低下を防ぐことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の基本構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明の実施形態の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施形態の動作波形図である。
【図４】従来例の回路図である。
【図５】従来例の動作波形図である。
【図６】従来例に用いる定電流素子の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。 
【００１７】
本発明の基本構成を図１に示す。Ｖｓは商用交流電源、ＤＢは商用交流電源を全波整流する全波整流器、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ、１はスイッチング素子を含んだスイッチング電源回路部、２はＬＥＤ発光部、３はフィルタ回路部をそれぞれ示す。ＬＥＤ発光部２の消費電力は例えば２０Ｗ（ワット）以下である。全波整流器ＤＢの出力端にコンデンサＣ１が並列接続される。スイッチング電源回路部１の入力端がコンデンサＣ１に並列接続される。スイッチング電源回路部１の出力端にＬＥＤ発光部２が並列接続され、ＬＥＤ発光部２にコンデンサＣ２が並列接続される。
【００１８】
図１の回路において、コンデンサＣ１（第１のコンデンサ）は、第１の容量として、例えば０．５μＦ（マイクロファラド）以下の容量を有するコンデンサである。なお、以下の説明では、コンデンサＣ１の容量を０．４７μＦとして説明する。コンデンサＣ１の容量は全波整流器ＤＢの出力電圧を平滑化するには小さい容量のため、ほぼ全波の波形の脈流電圧がスイッチング電源回路部１に印加され、内部のスイッチング素子により高周波でスイッチングされ、パルス電圧が出力される。このスイッチング電源回路部１の出力にはコンデンサＣ１の容量に比べ、後述する条件を満たした大きい容量（第２の容量）を有するコンデンサＣ２（第２のコンデンサ）が並列接続され、コンデンサＣ２によりパルス電圧の平滑化が行われる。このコンデンサＣ２に並列接続されたＬＥＤ発光部２には平滑電圧が印加される。 
【００１９】
このとき、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる電流は平滑化といっても完全にリプルが無くなるわけではない。本発明の実施形態では、電流の最大値Ｉｍａｘと最小値Ｉｍｉｎで規定される電流の変動幅Ｉｐｐ（＝Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）を、ＬＥＤに流れる電流の平均値Ｉａｖで除したリプル率（Ｉｐｐ／Ｉａｖ）が１未満となるように、出力コンデンサＣ２の容量を設定する。このことにより、図１の回路で得られる光出力は、平坦な直流電圧から流れる電流で得られる光出力と殆ど差が無くなる。
【００２０】
本発明の実施形態の回路図を図２に示す。この実施形態では、図１のスイッチング電源回路部１をフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としたものであり、このＤＣ−ＤＣコンバータ回路は１次側の制御回路１１と２次側の制御回路１２とにより制御される。これらの回路とフィルタ回路部３を含めて直流電源ユニット４としている。  
【００２１】
ＬＥＤ発光部２は、４個のＬＥＤ２ａ〜２ｄが搭載されており、ＬＥＤ２ａからＬＥＤ２ｄまでがアノードからカソードに直列接続された構成となっている。ＬＥＤ２ａのアノード側にはプラス、ＬＥＤ２ｄのカソード側にはマイナスの電圧が印加されることにより、各ＬＥＤ２ａ〜２ｄが発光する。ＬＥＤ２ａ〜２ｄ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ＬＥＤ２ａ〜２ｄを点灯させることが出来る。 
【００２２】
直流電源ユニット４の出力コネクタＣＮ２とＬＥＤ発光部２とが一対のリード線５で接続されている。直流電源ユニット４の入力コネクタＣＮ１は、商用交流電源Ｖｓからの交流電源電圧（例えば、ＡＣ(Alternating Current)２００Ｖ（ボルト）、５０／６０Ｈｚ）に接続される。 
【００２３】
商用交流電源Ｖｓに直流電源ユニット４のフィルタ回路部３が接続される。フィルタ回路部３はヒューズＦ、コンデンサＣ３、ラインフィルタＬＦからなり、商用交流電源Ｖｓの一端にヒューズＦが直列接続され、商用交流電源Ｖｓの他端およびヒューズＦの出力端に対して、コンデンサＣ３およびラインフィルタＬＦがそれぞれ並列接続される。 
【００２４】
フィルタ回路部３の出力には全波整流器ＤＢとコンデンサＣ１とがそれぞれ並列接続されている。トランスＴ１とスイッチング素子Ｑ１とが直列に接続された回路が、コンデンサＣ１に対して並列接続されている。スイッチング素子Ｑ１の両端には共振用コンデンサＣ４が並列に接続されている。トランスＴ１の２次巻線側には高電位側にダイオードＤ１が接続され、コンデンサＣ２、出力コネクタＣＮ２がダイオードＤ１を介して並列に接続されている。出力コネクタＣＮ２の低電位側とコンデンサＣ２の負極との間のラインに対して制御回路１２の入力端子（ＩＮ端子）が抵抗器Ｒ１を介して接続されている。抵抗器Ｒ１により出力電流Ｉｏが電圧値に変換される。
【００２５】
第１の制御回路１１はトランスＴ１の１次側に設けられ、フィードバック端子ＦＢからの入力値によりスイッチング素子Ｑ１のスイッチング信号を出力している。また、第２の制御回路１２はトランスＴ１の２次側に設けられ、出力電流Ｉｏを抵抗器Ｒ１により電圧に変換した値を入力とし、フィードバック信号を生成している。この第２の制御回路１２の出力には、第１の制御回路１１のフィードバック入力端子ＦＢが接続されている。 
【００２６】
以下、回路動作について説明する。このＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、例えば、不連続モードで動作する、いわゆるフライバック型の直流電源装置であり、スイッチング素子Ｑ１に並列接続されたコンデンサＣ４を持つ部分共振型である。商用交流電源Ｖｓから入力された電圧は入力コネクタＣＮ１を介しフィルタ回路部３を経て全波整流器ＤＢにて全波整流される。全波整流された電圧はコンデンサＣ１を介してトランスＴ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路に印加される。このときの印加電圧波形はコンデンサＣ１の容量が１．２μＦに設定されているため、ほぼ全波整流の脈流電圧となる。つまり、全波整流された電圧はコンデンサＣ１では平滑化されず、全波波形の脈流電圧がトランスＴ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路に印加される。スイッチング素子Ｑ１が閉じている場合、トランスＴ１には電流が流れるため磁気エネルギーとして充電され、スイッチング素子Ｑ１が開放になった場合にはその磁気エネルギーが２次巻線、ダイオードＤ１を介して出力側に放出される。 
【００２７】
その出力電圧はコンデンサＣ２によりリプル率が１未満となるまで平滑化され、出力コネクタＣＮ２を介して出力される。直流電源ユニット４から出力される電圧はＬＥＤ発光部２に供給され、各ＬＥＤ２ａ〜２ｄの順方向電圧Ｖｆの合計以上の電圧になった場合に各ＬＥＤ２ａ〜２ｄは点灯する。 
【００２８】
ここで、コンデンサＣ１の容量は０．４７μＦであるため、トランスＴ１の出力電圧も脈流波形となる。これをそのままＬＥＤ発光部２に印加すると、ＬＥＤ発光部２内のＬＥＤ２ａ〜２ｄの順電圧Ｖｆの総和以上の電圧のときのみ発光するため、リプルがないときと比べて光出力が小さくなってしまう。そこで、コンデンサＣ２の容量はコンデンサＣ１の容量に比べて大きく設定する。例えば、コンデンサＣ２の容量をコンデンサＣ１の１００倍以上（具体例としては、４７０μＦ）に設定する。このとき、出力電流のリプル率（電流の変動幅Ｉｐｐ、つまり最大電流値Ｉｍａｘ−最小電流値Ｉｍｉｎを平均電流値Ｉａで除したもの）は１未満となる。 
【００２９】
図３は本実施形態の動作波形であり、ＣＨ１はコンデンサＣ１の両端電圧波形、ＣＨ２は出力電流波形、ＣＨ４は入力電流波形である。ＣＨ２は１００ｍＡ（ミリアンペア）／１０ｍＶ（ミリボルト）レンジにて測定しており、電流の変動幅Ｉｐｐは１０ｍＡｐｐとなる。また、平均電流値は３４０ｍＡであるので、リプル率は０．０３で１未満となる。
【００３０】
各ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れた電流は出力コネクタＣＮ２を介し抵抗器Ｒ１に流れ、抵抗器Ｒ１は電流に応じた電圧を発生する。この電圧を第２の制御回路１２における制御用集積回路ＩＣ２のＩＮ端子でモニタし、基準電圧端子ＲＥＦの基準電圧と比較演算され、これによりＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる電流に応じた第２の制御回路１２のＯＵＴ端子の出力が決定し、第１の制御回路１１の制御用集積回路ＩＣ１のフィードバック端子ＦＢに制御電圧が帰還入力される。このとき、フィードバック端子ＦＢに入力された制御電圧に応じてスイッチング素子Ｑ１のＯＮ幅を決定する。このように動作することにより、ＬＥＤ２ａ〜２ｄに流れる電流を一定にする制御を行う。 
【００３１】
尚、その他の構成について述べておくと、第１の制御回路１１の電源Ｖｃｃは全波整流後の電圧ラインから供給される。また、第１の制御回路１１は擬似共振モード力率改善回路であり、ＯＣＰ端子は擬似共振信号入力端子であり、トランスＴ１のエネルギー放出のボトムを検出し、スイッチング素子Ｑ１が電流臨界モードで動作するようにしている。 
【００３２】
このような動作をすることにより従来の回路に比べ安価で高調波規制を満足でき、かつＬＥＤの絶対最大定格電流を超えることなく、直流平滑電圧で点灯させた場合に比べて光出力の低下を抑えることができる。 
【００３３】
尚、この実施形態においてはフライバック型の直流電源にて説明を行ったが、もちろん直流電源はどのようなタイプであっても直流電圧を出力するものであれば同様な効果が得られる。また、ＬＥＤ発光部２においても４個直列のＬＥＤ接続について説明したが、個数には関係なくアノードとカソードの方向さえ一致していれば並列接続しても構わない。
【符号の説明】
【００３４】
Ｖｓ・・・商用交流電源
ＤＢ・・・全波整流器
Ｃ１・・・第１のコンデンサ
Ｃ２・・・第２のコンデンサ
１・・・スイッチング電源回路部
２・・・ＬＥＤ発光部
３・・・フィルタ回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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