JP2012178292A - Ｌｅｄ点灯回路 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯時の突入電流からのＬＥＤ保護と低消費電力化を両立し、比較的動作電流の大きいＬＥＤの点灯を可能とするＬＥＤ点灯回路を提供する。
【解決手段】電源の一端とＬＥＤの一端との間に接続された容量性リアクタンス素子（４）と、第一制御端と一対の第一入出力端を有し、電源の他端とＬＥＤの他端との間に一対の第一入出力端を直列に接続された第一スイッチング素子（１８）と、ＬＥＤの一端と第一制御端との間に接続された抵抗器（１１）と、第一制御端と電源の他端との間に接続されたコンデンサ（１６）と、第二制御端と一対の第二入出力端を有し、一対の第二入出力端をコンデンサに対して並列に接続され、第二制御端を抵抗器とコンデンサの間の節点に接続された第二スイッチング素子（１５）を備えるＬＥＤ点灯回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明器具、照明装置関連技術分野における省エネルギー型で、比較的大きな動作電流を持つＬＥＤ（発光ダイオード）の点灯回路に関する。

ＬＥＤ点灯回路の従来技術としては、例えば特開平１１−９７７４７号公報（特許文献１）、特開２０００−３０６６８５号公報（特許文献２）、特開２００３―３３２６２５号公報（特許文献３）に開示された先行例が知られている。

特許文献１に開示された先行例は、電流制限用リアクタンスとしてコンデンサを利用しているため、電源投入時に突入電流が発生する。この突入電流からＬＥＤを保護する目的で直列に抵抗器を接続するのが一般的であるが、これによるエネルギー損失が起きる。特許文献２に開示された先行例も同様であり、電流制限用リアクタンスに対して直列に抵抗器が接続されている。この抵抗器によるエネルギー損失が発生するため、動作電流の小さいＬＥＤの点灯には有効であるが、比較的大きな動作電流のＬＥＤを点灯すると、直列に接続された抵抗の損失が大きくなり、省エネルギー化は難しくなる。

他方、特許文献３に開示された先行例は、抵抗器を省いて電流制限用コンデンサのみとしたものであり、コンデンサの損失は実質ゼロに近く、最高の効率となるが、電源投入時に発生する突入電流でＬＥＤが破壊されるおそれがあるため実用的とは言い難い。

特開平１１−９７７４７号公報 特開２０００−３０６６８５号公報 特開２００３―３３２６２５号公報

そこで本発明は、点灯時の突入電流からのＬＥＤ保護と低消費電力化を両立し、比較的動作電流の大きいＬＥＤの点灯も可能とするＬＥＤ点灯回路を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明に係る一態様のＬＥＤ点灯回路は、電源から供給される電力を利用してＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯回路であって、（ａ）前記電源の一端と前記ＬＥＤの一端との間に接続された容量性リアクタンス素子と、（ｂ）第一制御端と一対の第一入出力端を有し、前記電源の他端と前記ＬＥＤの他端との間に前記一対の第一入出力端を直列に接続されており、前記第一制御端へ電圧が印加されたときに前記一対の第一入出力端が導通する第一スイッチング素子と、（ｃ）前記ＬＥＤの一端と前記第一スイッチング素子の前記第一制御端との間に接続された抵抗器と、（ｄ）前記第一スイッチング素子の前記第一制御端と前記電源の他端との間に接続されたコンデンサと、（ｅ）第二制御端と一対の第二入出力端を有し、前記一対の第二入出力端を前記コンデンサに対して並列に接続され、前記第二制御端を前記抵抗器と前記コンデンサの間の節点に接続されており、前記第二制御端へ印加される電圧が実質的にゼロであるときに前記一対の第二入出力端が導通する第二スイッチング素子を備えることを特徴とする。

上記のＬＥＤ点灯回路では、電源投入時には、コンデンサの働きにより第一スイッチング素子の第一制御端の急激な電圧上昇が抑えられる。それにより、容量性リアクタンス素子に印加させる電圧を徐々に減少させることができるので、突入電流が流れることを回避できる。また、電源が切断された時には、第二スイッチング素子が導通状態となることにより、コンデンサに充電された電荷を急速に放電させることができる。それにより、電源のオンオフが短時間に繰り返された場合や電源に瞬断が生じた場合などにおける突入電流の発生を防ぐことができる。以上のことから、上記のＬＥＤ点灯回路では突入電流防止目的の直列抵抗器を用いずとも点灯時の突入電流からのＬＥＤ保護が実現される。そして、直列抵抗器が省かれることにより低消費電力化を達成できる。さらに、上記のＬＥＤ点灯回路によれば動作電流の大きなＬＥＤの駆動も可能となる。

本発明によれば、点灯時の突入電流からのＬＥＤ保護と低消費電力化を両立し、極めて高い効率のＬＥＤ点灯回路が実現できるため、使用電力を大幅に低減することが可能になり、温室効果ガスＣＯ_２削減に寄与できることはもとより、動作電流の大きいＬＥＤを効率良く点灯する回路へ応用することも可能となる。

図１は、本発明の一実施形態のＬＥＤ点灯回路の回路図である。 図２は、ＬＥＤ（動作電流５００ｍＡ）を５個使用した場合における実施例のＬＥＤ点灯回路の電源電圧と消費電力の関係を示すグラフである。 図３は、実施例のＬＥＤ点灯回路とそれにより駆動されているＬＥＤの外観写真である。 図４は、実施例における電源投入時と電源オフ時の波形図を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した一実施形態のＬＥＤ点灯回路の回路図である。図１に示す本実施形態のＬＥＤ点灯回路は、交流電源（又は商用電源）１から電力供給を受けてＬＥＤ１９を点灯させるためのものであり、主要な構成要素として容量性リアクタンス素子４およびスイッチ回路２１を含んで構成されている。

容量性リアクタンス素子４は、一端がヒューズ２を介して電源１と接続され、他端がダイオードブリッジ６、インダクタンス素子７およびスイッチ回路２１を介してＬＥＤ１９の接続されている。この容量性リアクタンス素子４は、定常状態におけるＬＥＤ１９に流れる電流値を決めるための電流制限素子であり、具体的には低損失のコンデンサである。

スイッチ回路２１は、交流電源１とＬＥＤ１９の間に接続されている。このスイッチ回路２１は、抵抗器１１、１３、コンデンサ１４、１６、ツェナーダイオード１２、１７、ジャンクション型ＦＥＴ１５、パワーＭＯＳＦＥＴ１８を有して構成されている。

抵抗器１１は、一端がＬＥＤ１９の一端と接続され、他端がツェナーダイオード１２、抵抗器１３およびコンデンサ１４からなる並列回路と接続されている。ツェナーダイオード１２等からなる並列回路は、図示のように一端が抵抗器１１と接続され、他端がコンデンサ１６と接続されている。コンデンサ１６は、一端がパワーＭＯＳＦＥＴ１８のソース電極と接続され、他端がパワーＭＯＳＦＥＴ１８のゲート電極と接続されている。ツェナーダイオード１７は、コンデンサ１６と並列に接続されている。図示のように、コンデンサ１６の他端とともにツェナーダイオード１７の一端はパワーＭＯＳＦＥＴ１８のゲート電極と接続されている。

ジャンクション型ＦＥＴ１５は、抵抗器１１とツェナーダイオード１２等の並列回路との間の節点にゲート電極が接続され、ツェナーダイオード１２等の並列回路とコンデンサ１６との間の節点にソース電極が接続され、コンデンサ１６およびツェナーダイオード１７の他端にドレイン電極が接続されている。

パワーＭＯＳＦＥＴ１８は、コンデンサ１６とツェナーダイオード１７の各一端にゲート電極が接続され、コンデンサ１６およびツェナーダイオード１７の他端にソース電極が接続され、ＬＥＤ１９の他端にドレイン電極が接続されている。

ここで、ＬＥＤ点灯回路に含まれる他の回路要素についても説明する。ヒューズ２は、ＬＥＤ点灯回路に不具合が発生した場合に流れる過大電流に備え、安全目的に使用されるものである。このヒューズ２は、電流動作型ヒューズに限らず温度動作型ヒューズを用いてもよい。バリスタ３は、交流電源１と並列にして一端がヒューズ２に接続され、他端が電源スイッチ２２と接続されており、ＬＥＤ点灯回路を過電圧から保護する。抵抗器５は、容量性リアクタンス素子４に充電された電荷を放電させるためのものであり、電撃防止を目的に容量性リアクタンス素子４と並列に接続されている。

ブリッジダイオード６は、電源１から供給される交流電力を全波整流して直流電力に変換する。インダクタンス素子７は、ＬＥＤ１９の一端とブリッジダイオード６との間に接続されている。インダクタンス素子９は、ＬＥＤ１９の他端とブリッジダイオード６との間に接続されている。これらのインダクタンス素子７、９は、外来ノイズ防止を目的に使用されている。ダイオード８は、インダクタンス素子７と並列に接続されている。同様にダイオード１０は、インダクタンス素子９と並列に接続されている。これらのダイオード８、１０は、電源オフ時の過電圧発生防止用である。バリスタ２０は、ＬＥＤ１９を保護する目的でＬＥＤ１９と並列に接続されている。

次に、本実施形態のＬＥＤ点灯回路の動作について詳細に説明する。

まず、電源投入時における動作は次のようになる。電源スイッチ２２がオン（閉状態）となると交流電源１から電力が供給される。このとき、パワーＭＯＳＦＥＴ１８のゲート電極とソース電極間に接続されたコンデンサ１６が急激なゲート電極の電圧上昇を抑え、徐々に増加させる。このため、容量性リアクタンス素子４を通して突入電流が流れることはない。以後、この動作を「スロースタート動作」と呼ぶ。

ゲート電極の電圧上昇の速度は、抵抗器１１の値、ツェナーダイオード１２の電圧、コンデンサ１６の値を適宜に設定することで調整することができる。パワーＭＯＳＦＥＴ１８のドレイン電極、ソース電極間の等価抵抗値は、ゲート電極とソース電極間の電圧の上昇に従って遮断時の高い値から飽和抵抗値Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}に向かって低くなる。このため、容量性リアクタンス素子４に印加される電圧も徐々に減少し、突入電流を流すことなく定常電流値に到達させることができる。

ところで、電源スイッチ２１の短時間のオンオフの繰り返し又は瞬断などに対しては、スロースタート動作が働かず、ＬＥＤ１９が破損するおそれがある。このため、電源スイッチ２２がオフ（開状態）となり、交流電源１の電圧の印加が無くなったときに、コンデンサ１６の電荷を放電させ、ＬＥＤ１９に流れる電流を急速に遮断させる必要がある。以後、この動作を「ファーストストップ動作」と呼ぶ。ジャンクション型ＦＥＴ１５はこのファーストストップ動作を実現するために用いられる。以下にその動作を説明する。

ＬＥＤ１９に定常電流が流れている状態においては、パワーＭＯＳＦＥＴ１８のゲート電極には、抵抗器１１と、抵抗器１３、コンデンサ１４並びにツェナーダイオード１２の並列回路を介してバイアス電圧が供給され、コンデンサ１６はツェナーダイオード１７の電圧まで充電されている。コンデンサ１４の値と抵抗器１３の値については、ＬＥＤ１９に定常電流が流れている間はジャンクション型ＦＥＴ１５がオンにならないように選ぶ必要がある。ツェナーダイオード１７の電圧は、パワーＭＯＳＦＥＴ１８が十分オンになる値とする。

このとき、ジャンクション型ＦＥＴ１５のゲート電極とソース電極間には、ツェナーダイオード１２の電圧が逆方向に印加されているため、ジャンクションＦＥＴ１５はオフの状態を保っている。なお、ツェナーダイオード１２は、ジャンクション型ＦＥＴ１５のカットオフ電圧より少し高い電圧のものを用いる。

電源スイッチ２２がオフになると、抵抗器１１を流れる電流が瞬時にゼロとなり、続いてジャンクション型ＦＥＴ１５のゲート電極とソース電極間の電圧がゼロとなり、ジャンクション型ＦＥＴが導通状態となる。それにより、コンデンサ１６の電荷を急速に放電させ、パワーＭＯＳＦＥＴ１８を遮断状態とすることができる。

このように、スロースタート動作とファーストストップ動作を実現可能なスイッチ回路２１を利用することにより、突入電流を防止するために従来用いていた抵抗器を省くことが可能となる。それにより、極めて効率が高く、大きな動作電流のＬＥＤの駆動に対応できるＬＥＤ点灯回路を実現できる。また、サイリスタ、トライアックなどの位相制御素子や高周波のインバータを用いないため、ノイズの発生の少ないＬＥＤ点灯回路を実現できる。

図２は、本発明の一実施例で、ＬＥＤ（動作電流５００ｍＡ）を５個使用した場合のＬＥＤ点灯回路の電源電圧と消費電力の関係を示すグラフである。図２に示すように、例えば電源電圧が１００Ｖにおける消費電力は７．５Ｗであり、非常に低消費電力であることが分かる。この実施例のＬＥＤ点灯回路とそれにより駆動されているＬＥＤの外観写真を図３に示す。また、この実施例における電源投入時と電源オフ時の波形図を図４に示す。図４（ａ）は電源投入時の波形図、図４（ｂ）は電源オフ時の波形図であり、それぞれ電源電圧の波形が図中の上段に示され、ＬＥＤに流れる電流の波形が下段に示されている。図４（ａ）に示すように、電源投入時には電源電圧の上昇から約３００ミリ秒経過した後にＬＥＤに電流が流れ始めている、すなわちスロースタート動作が実現されることが分かる。また、図４（ｂ）に示すように、電源オフ時には電源電圧の低下に対応してＬＥＤへの電流がすぐにゼロとなっている、すなわちファーストストップ動作が実現されていることが分かる。

なお、本発明は上記した内容に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施することができる。例えば、上記したＬＥＤ点灯回路におけるスイッチング素子としてのパワーＭＯＳＦＥＴは、バイポーラトランジスタに置き換えてもよい。また、上記したＬＥＤ点灯回路におけるジャンクション型ＦＥＴは、常閉接点（ｂ接点）を有する機械的リレー又は電子的リレーなどに置き換えてもよい。

本発明は、比較的動作電流の大きいＬＥＤの点灯回路への応用に特に適しているため、家庭用照明器具にとどまらず、公共施設、オフィス、工場などあらゆる分野で利用できるものである。併せて、極めて効率が高いので、エネルギー削減効果が期待される。

１ 交流電源
２ ヒューズ
３ バリスタ
４ 容量性リアクタンス素子（低損失コンデンサ）
５ 放電用抵抗器
６ ダイオードブリッジ
７ インダクタンス
８ ダイオード
９ インダクタンス
１０ ダイオード
１１ 抵抗器
１２ ツェナーダイオード
１３ 抵抗器
１４ コンデンサ
１５ ジャンクション型ＦＥＴ
１６ コンデンサ
１７ ツェナーダイオード
１８ パワーＭＯＳＦＥＴ
１９ ＬＥＤ
２０ バリスタ
２１ スイッチ回路
２２ 電源スイッチ

Claims (4)

1. 電源から供給される電力を利用してＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯回路であって、
   前記電源の一端と前記ＬＥＤの一端との間に接続された容量性リアクタンス素子と、
   第一制御端と一対の第一入出力端を有し、前記電源の他端と前記ＬＥＤの他端との間に前記一対の第一入出力端を直列に接続されており、前記第一制御端へ電圧が印加されたときに前記一対の第一入出力端が導通する第一スイッチング素子と、
   前記ＬＥＤの一端と前記第一スイッチング素子の前記第一制御端との間に接続された抵抗器と、
   前記第一スイッチング素子の前記第一制御端と前記電源の他端との間に接続されたコンデンサと、
   第二制御端と一対の第二入出力端を有し、前記一対の第二入出力端を前記コンデンサに対して並列に接続され、前記第二制御端を前記抵抗器と前記コンデンサの間の節点に接続されており、前記第二制御端へ印加される電圧が実質的にゼロであるときに前記一対の第二入出力端が導通する第二スイッチング素子、
   を備えることを特徴とするＬＥＤ点灯回路。
2. 前記第一スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載のＬＥＤ点灯回路。
3. 前記第二スイッチング素子がジャンクション型ＦＥＴである、請求項１又は２に記載のＬＥＤ点灯回路。
4. 前記抵抗器と前記コンデンサの間に接続されたツェナーダイオードを更に含む、請求項１〜３の何れか１項に記載のＬＥＤ点灯回路。