(57)【要約】【課題】ＬＥＤ照明装置を小容量の平滑用の電解コンデンサ１個で構成することが出来るようにする。【解決手段】ＬＥＤ(3)と、第１の整流回路(4)と、第１のＬＥＤ駆動回路(5)と、第２の整流回路(7)と、第２のＬＥＤ駆動回路(8)とで構成され、脈流の定電流(Io1)と、直流の定電流(Io2)とを重畳してＬＥＤ(3)に供給することにより、位相制御調光器(2)によるオン・オフ制御による調光も可能でありながら、直流の定電流(Io2)が脈流の定電流(Io1)の谷を埋め、ＬＥＤ(3)の点灯時のフリッカの影響を小さくしてチラツキを解消することが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤと、
交流電源から受け取った交流電圧、又は交流電源から受け取った交流電圧を位相制御した交流電圧を整流して脈流の直流電圧にする第１の整流回路と、
前記第１の整流回路の出力側に接続され、ＬＥＤに定電流を供給する定電流回路を具備し、ＬＥＤに脈流の定電流を供給する第１のＬＥＤ駆動回路と、
第１の整流回路の脈流の直流電圧を整流及び平滑にして直流電圧とする第２の整流回路と、
第２の整流回路の出力側に設けられ、前記直流の定電流をＬＥＤに供給する第２のＬＥＤ駆動回路とで構成されたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
【請求項２】
直流の定電流は脈流の定電流より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は商用交流電源からＬＥＤを点灯するＬＥＤ照明装置に関するものであり、特に位相制御調光器による調光動作可能なものも含む。
【背景技術】
【０００２】
ハロゲンランプに代表される従来の白熱電球に比べて、消費電力が低く且つ長寿命といった長所を有する発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっている。これに伴い、白熱電球、特にハロゲン電球の代替としてＬＥＤを使用したいというニーズが急速に高まっている。
【０００３】
処で、従来、白熱電球に供給する電流を減少（又は増加）させたり、或いは印加する電圧を減少（又は増加）させたりすることにより、白熱電球から放射される光量を漸減（又は漸増）させる「調光」がトライアックによる商用周波数電源のオンオフ制御により行われており、主に室内のダウンライト等に適用されている。
【０００４】
ＬＥＤの応答はハロゲンランプに比べて高速であり、単純な整流による脈流電圧は商用周波数（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）のゼロ電圧付近でＬＥＤ電流に欠落部が生じ、チラツキの要因になっていた。このことはトライアックによるオンオフ制御を行う場合、より顕著になる。対策として従来、図５に示すような谷埋め回路(41)を使用する例がある。谷埋め回路(41)は平滑用の電解コンデンサ(C43)(C44)が２個直列に接続されていて、それぞれ交流電圧(Vin)のピーク値の半分まで充電され、放電は交流電圧(Vin)のピーク値の半分から開始する。図６に従来例を説明する各部の波形（調光器(42)を接続しない場合）を示す。谷埋め回路(41)の電圧波形は(Vvf)で示す。
【０００５】
ＬＥＤ駆動回路(45)として典型的に図５のようなスイッチング素子(Q41)、ダイオード(D41)及びリアクタンス素子(L41)で構成する降圧のスイッチング回路が使用されるが、ＬＥＤ電圧(Vf)が交流電圧(Vin)のピーク値の半分以下であれば、平滑用の電解コンデンサ(C43)(C44)により欠落部が生じないように作用する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
http://monoist.atmarkit.co.jp/feledev/articles/powerdesign/05/powerdesign05b.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
谷埋め回路(41)は力率が高くてトライアック調光に適しており、欠落部を防止するのに効果的ではあるが、平滑用の電解コンデンサ(C43)(C44)が最低２個必要であり、回路が大きくなる欠点があった（特にハロゲンランプの代替用ＬＥＤランプのベース（口金部）はサイズが小さく、この小さいベース内に収納できるようにするためには小型の電源が要求されるという背景がある）。
【０００８】
またＬＥＤ電圧(Vf)は交流電圧(Vin)のピーク値の半分以下とする必要があり、ＬＥＤ電圧(Vf)が低くないと使えない。使用するＬＥＤ(43)が同じＬＥＤ電力であれば、ＬＥＤ電圧(Vf)が低いと駆動電流(Io)は多くなり、ＬＥＤ駆動回路(45)の各素子、即ち、スイッチング素子(Q41)、ダイオード(D41)及びリアクタンス素子(L41)で構成する降圧のスイッチング回路の損失は増える傾向になって電源の効率は不利になる。
【０００９】
図７の前記従来例において、調光器(42)を使用する場合の各部の波形を示す。同図(a)に示すように、調光器(42)の導通角が９０度以下で狭くなってくると、同図(b)に示すように、谷埋め回路(41)の放電時間が長くなり、ＬＥＤ電圧(Vf)より整流回路出力電圧(Vdc)が低くなりやすく、ＬＥＤ電流(Io)に欠落部が発生してチラツキの要因になる。これを改善しようとすると、平滑用の電解コンデンサ(C43)(C44)の容量は大きくなり、電源の小型化ができないという問題点がある。なお、整流器(40)のブリッジを組むダイオードを(D43)〜(D46)で、谷埋め回路(41)のダイオードを(D47)〜(D49)で、電流検出抵抗を(R41)、平滑コンデンサを(C41)で示す。
【００１０】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、消費電力が低く、且つ、長寿命といった長所を有するＬＥＤを使用するに当たって、商用周波数のゼロ電圧付近でＬＥＤ電流に欠落部が生じず、それ故、商用周波数の２倍の周波数で感知されるフリッカの影響がなく、しかもトライアックによるオンオフ制御の調光が可能でありながら、小容量の平滑用の電解コンデンサを１個で構成することが出来てハロゲンランプの代替用に適した小型のＬＥＤ照明装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ＬＥＤ照明装置(1)に関し、
ＬＥＤ(3)と、交流電源(9)から受け取った交流電圧(Vin)、又は交流電源(9)から受け取った交流電圧(Vin)を位相制御した交流電圧(Vi)を整流して脈流の直流電圧(Vdc1)にする第１の整流回路(4)と、
前記第１の整流回路(4)の出力側に接続され、ＬＥＤ(3)に定電流(Io1)を供給する定電流回路(T)を具備し、ＬＥＤ(3)に脈流の定電流(Io1)を供給する第１のＬＥＤ駆動回路(5)と、
第１の整流回路(4)の脈流の直流電圧(Vdc1)を整流及び平滑にして直流電圧(Vdc2)とする第２の整流回路(7)と、
第２の整流回路(7)の出力側に設けられ、直流の定電流(Io2)をＬＥＤ(3)に供給する第２のＬＥＤ駆動回路(8)とで構成されたことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、脈流の定電流(Io1)と、整流及び平滑化された直流の定電流(Io2)とを重畳してＬＥＤ(3)に供給するので、定電流(Io2)が脈流の定電流(Io1)の谷を埋め、ＬＥＤ(3)のチラツキを解消することになる。
【００１３】
請求項２は、請求項１の直流の定電流(Io2)は脈流の定電流(Io1)との関係に関し、直流の定電流(Io2)は脈流の定電流(Io1)より小さいことを特徴とするもので、これにより、チラツキ解消用の第２の整流回路(7)に用いられる平滑用の電解コンデンサ(C2)を１個で小型のものにすることができる。
【００１４】
なお、本明細書において、定電流(Io1)(Io2)はＬＥＤ(3)の点灯状態に影響を及ぼさない範囲で電流量に変動があったとしてもこれを含む概念として用いる。また、直流も多少のリップルがあったとしても、実質的に直流として働く場合は本発明ではこれを直流に含める。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＬＥＤ(3)の点灯時のフリッカの影響が少なく、位相制御調光器(2)によるオンオフ制御の調光も可能でありながら、ＬＥＤ照明装置(1)をハロゲンランプの代替用に適した小型のものとすることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の回路図である。
【図２】本発明の別の実施例のＬＥＤ駆動回路図である。
【図３】本発明を説明するための調光器を接続しない場合の各部の波形図である。
【図４】本発明を説明するための調光器を接続した場合の各部の波形図である。
【図５】従来例の回路図である。
【図６】従来例を説明するための調光器を接続しない場合の各部の波形図である。
【図７】従来例を説明するための調光器を接続した場合の各部の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を図示実施例に従って説明する。図１は位相制御調光器(2)を接続した場合の本発明の実施例であるＬＥＤ照明装置(1)の回路構成を示す。前記調光器(2)を接続しない場合も便宜上、図１を用いて説明する。図３は本発明を説明する各部の波形で、調光器(2)を接続しない場合の例を示す。図４は本発明を説明する各部の波形で調光器(2)を接続した場合の例を示す。導通角は９０°の例である。勿論、導通角は可変させることが出来る。
【００１８】
図１に示すＬＥＤ照明装置(1)の回路構成は、第１，２の整流回路(4)(7)、第１，２のＬＥＤ駆動回路(5)(8)及びＬＥＤ(3)とで構成される。ＬＥＤ照明装置(1)と商用交流電源(9)との間には必要に応じて位相制御調光器(2)が設けられる。以下、位相制御調光器(2)を設けない場合を説明する。
【００１９】
ＬＥＤ(3)は、順電圧(Vf)以上の電圧を順方向に印加して所定の電流(I0)を流すように制御されることにより光を出す半導体である。
【００２０】
第１の整流回路(4)は、商用交流電源(9)から受けた商用交流電圧(Vin)を整流して脈流の直流電圧(Vdc1)にする回路であり、本実施例では、商用交流電圧(Vin)を全波整流するための、４つの整流用ダイオード(D3)〜(D6)で構成されたブリッジ回路である。
【００２１】
第１のＬＥＤ駆動回路(4)は整流回路(4)から受けた脈流の直流電圧(Vdc1)を用いて、ＬＥＤ(3)を点灯する降圧回路であり、第１のダイオード(D1)、リアクタンス素子(L1)、第１の平滑コンデンサ(C1)、及び電流検出抵抗(R1)、スイッチング素子(Q1)及びＰＷＭ制御回路(6)によりなる定電流回路(T)とで構成されている。
【００２２】
スイッチング素子(Q1)は、本実施例では、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。
【００２３】
電流検出抵抗(R1)は、スイッチング素子(Q1)の出力側に直列接続された小さい抵抗であり、後述するように、当該電流検出抵抗(R1)で検出された検出電圧は、ＰＷＭ制御回路(6)の基準電圧(Vref)と比較される。
【００２４】
ＰＷＭ制御回路(6)は、予め設定した時間間隔でオンにするとともに、オンにした後、電流検出抵抗(R1)の電圧が基準電圧(Vref)を越えたタイミングでスイッチング素子(Q1)をオフにする。
【００２５】
リアクタンス素子(L1)は、電流検出抵抗(R1)とＬＥＤ(3)との間に配設されたコイル素子である。
【００２６】
第１のダイオード(D1)は、例えば、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚのスイッチングに適する高速ダイオードであり、そのカソードが、電流検出抵抗(R1)とリアクタンス素子(L1)との間に接続されており、そのアノードが、ゼロボルトライン(20)に接続されている。
【００２７】
第１の平滑コンデンサ(C1)は、一端がリアクタンス素子(L1)とＬＥＤ(3)との間に接続され、他端がゼロボルトライン(20)に接続されている。
【００２８】
第２の整流回路(7)は第２のダイオード(D2)と第２の平滑コンデンサ(C2)で構成され、第２のダイオード(D2)はＬＥＤ(3)に向かって直流電流(Io2)が流れるように、そのカソードがＬＥＤ(3)のアノード側に向くように接続されている。そして、第２の平滑コンデンサ(C2)は、その一端が第２のダイオード(D2)の出力側（カソード側）に接続され、他端がゼロボルトライン(20)に接続され、第２のダイオード(D2)から出力された脈流の電流(Io2)を平滑化する。
【００２９】
第２のＬＥＤ駆動回路(8)は、この実施例では、第２の平滑コンデンサ(C2)と、ＬＥＤ(3)との間に設けられた抵抗(R2)で構成されている。
【００３０】
次に、調光器(2)を用いずに、上述のＬＥＤ点灯回路を用いてＬＥＤ(3)を点灯させたときにおける各部の働きおよび電圧・電流波形について説明する。
【００３１】
商用交流電源(9)からの商用交流電圧(Vin)（図３(a)参照）が第１の整流回路(4)に供給されると、第１の整流回路(4)で全波整流されて脈流の直流電圧(Vdc1)になる。この脈流の直流電圧(Vdc1)は第１のＬＥＤ駆動回路(5)に与えられる。
【００３２】
第１のＬＥＤ駆動回路(5)に与えられた脈流の直流電圧(Vdc1)は、ＬＥＤ(3)に流れ、ゼロボルトライン(20)を通って第１の整流回路(4)に戻る。この時、電流検出抵抗(R1)で検出された検出電圧と基準電圧(Vref)とを比較し、前述のようにＰＷＭ制御回路(6)に入力してスイッチング素子(Q1)をオンオフ制御し、定電流のＬＥＤ駆動電流(Io1)を出力する。そして、このＬＥＤ駆動電流(Io1)がＬＥＤ(3)を駆動する主要な電流となる。
【００３３】
第１の整流回路(4)の出力電圧(Vdc1)の波形は図３(b)に示すように全波整流の脈流電圧になる。第１のＬＥＤ駆動回路(5)の出力電流(Io1)の波形は図３(c)のように交流電圧のゼロ電圧付近で欠落部（ＬＥＤ電圧(Vf)より低い電圧部分）のある脈流動作の電流になる。換言すれば、第１の駆動電圧(Vdc1)がＬＥＤ電圧(Vf)以下の領域でＬＥＤ(3)を駆動できないことを示している。本発明では敢えて電解コンデンサのような大容量平滑コンデンサを第１の整流回路(4)の出力側に使用せず、脈流動作を許容することで力率を比較的高く維持し、誤動作のない安定な調光動作を実現する。この事は、前述のように電解コンデンサなどの大容量による平滑コンデンサを使用していないので、小型化が可能である事を意味する。しかしながらこのままでは第１のＬＥＤ駆動回路(5)の出力電流(Io1)に欠落部が生じるので、ＬＥＤ(3)を駆動させた場合、チラツキを生じる。このチラツキを次に述べる第２のプラスライン(19)に設けた回路で解消することになる。
【００３４】
図１に示す第２の整流回路(7)は、第１の整流回路(4)の出力側にダイオード(D2)を介して平滑コンデンサ(C2)の一端に接続して構成する。平滑コンデンサ(C2)の他端は前述のようにゼロボルトライン(20)に接続されている。使用される平滑コンデンサ(C2)は典型的には電解コンデンサであり、整流後の電圧波形は図３(b)の破線(Vdc2)に示すように交流電圧(Vin)のピーク値に近い概ね直流電圧になる。
【００３５】
第２のＬＥＤ駆動回路(8)は簡単には図１に示すように抵抗(R2)である。第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)は図３(c)のように概ね直流電流である。この第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)のＬＥＤ(3)への印加により出力電流(Io1)の欠落部を埋めてチラツキを解消する。
【００３６】
ＬＥＤ(3)を流れる電流は図３(d)に示すように、第１、２のＬＥＤ駆動回路(5)(8)の出力電流(Io1)と(Io2)の合成波形(Io1+Io2)となる。なお、第１のＬＥＤ駆動回路(5)の出力電流(Io1)は、ＬＥＤ(3)の駆動電流の大半を占めており、通常スイッチング電源で構成する。
【００３７】
一方、第２のＬＥＤ駆動回路(8)は電流値が少ないので、簡単な抵抗(R2)でも適用可能であるとともに力率を比較的高く維持できる。
【００３８】
次に、図１に示す位相制御調光器(2)を交流電源と第１の整流器(4)の間に接続した場合について説明する。図４は調光器(2)の導通角９０度（勿論、導通角は可変である。）の場合の各部の波形を示す。第１のＬＥＤ駆動回路(5)の出力電流(Io1)の波形は、図４(c)のように交流電圧のゼロ電圧付近及び調光器(2)がオフの期間で欠落部のある脈流動作の駆動電流になる。
【００３９】
第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)は、前述のようにチラツキの要因を解決するための、最小限の電流で良いので、図４(c)のように、概ね直流電流の駆動電流(Io2)で足る。ＬＥＤ(3)の駆動電流は図４(d)に示すように第１の駆動電流(Io1)と第２の駆動電流(Io2)の合成波形になり、欠落部は生じない。
【００４０】
これにより、調光器(2)を接続した場合でも、上記のように力率が比較的高くて、安定な調光動作を維持しつつ、欠落部のない最小限の定電流を出力する第２の駆動回路を追加することで、チラツキの要因を解決する。
【００４１】
なお、第２のＬＥＤ駆動回路(8)は簡単な抵抗で、抵抗の損失はあるもののＬＥＤ照明装置(1)全体からみると大きな損失ではない。第２のＬＥＤ駆動回路(8)が抵抗の場合は簡単ではあるが、第２の整流回路(7)の出力電圧(Vdc2)の影響を受ける。例えば、交流電圧(Vin)が低下した場合、或いは調光器(2)の導通角が９０度以下に低くなった場合に、第２の整流回路(7)の出力電圧(Vdc2)も低下するので、第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)も低下する。この出力電流(Io2)がＬＥＤ電流(Io)を下回った時、チラツキが生じるおそれがある。
【００４２】
そこで、このような場合でもチラツキを解消できる第２のＬＥＤ駆動回路(8)の他の実施例回路を図２に示す。図２は第２のＬＥＤ駆動回路(8)の別の実施例で定電流回路である。
【００４３】
第２の整流回路(7)の出力は図２の接続点(P1)に、また図２の接続点(P2)はＬＥＤ(3)に接続される。接続点(P1),(P2)間の主要な電流経路はトランジスタ(Q3)と電流検出用抵抗(R4)の直列回路である。一方、抵抗(R3),トランジスタ(Q3), 電流検出用抵抗(R4)の経路で電流検出用抵抗(R4)に電流が流れてトランジスタ(Q2)のベース電位は上昇、トランジスタ(Q2)のベース・エミッタ電圧(VBE)が略０．６Ｖ以上になると、トランジスタ(Q2)のコレクタ・エミッタ電圧(VCE)が低下する。コレクタ・エミッタ電圧(VCE)が低下すると、トランジスタ(Q3)のベース電位が下がって、電流検出用抵抗(R4)の電流も低下する。この電流検出用抵抗(R4)を流れる電流の上昇、低下のバランスで電流検出用抵抗(R4)の電圧はほぼ一定に保持する。
【００４４】
第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)はトランジスタ(Q2)のベース・エミッタ電圧(VBE)と電流検出用抵抗(R4)でほぼ決まり、第２のＬＥＤ駆動回路(8)の出力電流(Io2)≒(VBE)/(R4)で与えられるので、交流電圧(Vin)が低下した場合、あるいは調光器(2)の導通角が９０度以下に低くなった場合でも、比較的安定な出力電流(Io2)を供給することができる。出力電流(Io2)がＬＥＤ電流(Io)を越える値に設定しておけば、交流電圧(Vin)の低下や調光器(2)の導通角が小さくなったとしてもチラツキの発生を抑えることが出来る。
【符号の説明】
【００４５】
(1)：ＬＥＤ照明装置，(3)：ＬＥＤ，(4)：第１の整流回路，(5)：第１のＬＥＤ駆動回路，(6)：ＰＷＭ制御回路，(7)：第２の整流回路，(8)：第２のＬＥＤ駆動回路，(9)：商用交流電源，(20)：ゼロボルトライン，(Vin)：交流電圧,(Q1)：スイッチング素子，(Io1)：電流，(R1)：電流検出抵抗,(Vdc1)：脈流の直流電圧,(Vdc2)：直流電圧
【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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【図７】
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