発光ダイオード点灯装置及び照明器具及び照明システム

【課題】インバータ方式の発光ダイオード点灯装置において、発光ダイオードを流れる電流を精度よく検出し、検出結果に応じてインバータ回路を制御する発光ダイオード点灯装置を提供する。
【解決手段】発光ダイオード点灯装置１１０の帰還制御回路帰還制御回路３０は、整流回路６と結合コンデンサ１１との第一直列回路の整流回路６側に直列に接続したダイオード２１と一端をダイオード２１に接続し他端を基準電位に接続した電流検出抵抗１８とからなる第二直列回路と、ダイオード２１とは逆極性で第二直列回路に並列に接続した逆極性ダイオード２４とを備え、第二直列回路の電流検出抵抗１８に発生する電圧を発光ダイオード７に流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出する。インバータ制御回路５は、帰還制御回路３０から検出される電圧と基準電圧とに基づいて、インバータ回路３を制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光ダイオードを点灯させる発光ダイオード点灯装置に関し、発光ダイオードを流れる電流を精度よく検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード素子を高周波インバータで点灯させる場合、発光ダイオードに直流電流を流すために、負荷にダイオードブリッジが挿入される。インバータ方式の点灯装置において発光ダイオード素子を調光する場合に、発光ダイオード素子に流れる電流を検出し、その電流が調光目標値に一致するようにインバータ制御を行う必要がある。また、調光しない場合でも、発光ダイオード素子に流れる電流が一定になるようインバータを制御することにより、複数の照明器具間の出力のバラツキをなくすことができる。
【０００３】
下記の特許文献１の図８には、高周波インバータの出力側にダイオードブリッジを設け、発光ダイオード素子に直流電流を流す構成が示されている。この特許文献１においては、発光ダイオード素子に定電流を流す制御については述べられていない。
【０００４】
一般的に、絶縁トランスの２次側の電流を検出し１次側の動作を制御する場合や、上記のようにダイオードブリッジ内の発光ダイオード素子に流れる電流を検出し、インバータ制御を行う場合等、帰還制御回路における検出部と制御部で基準電圧が異なる場合には、特許文献２の図３に示すような回路構成が用いられている。
【０００５】
現在、発光ダイオード素子に流れる電流を検出し、この検出電流に基づきインバータ制御を行うとする場合、発光ダイオードを流れる電流を正確に検出できないという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１１１０４号公報
【特許文献２】特開２００７−８０７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、インバータ方式の発光ダイオード点灯装置において、発光ダイオードを流れる電流を精度よく検出し、検出結果に応じてインバータ回路を制御する発光ダイオード点灯装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の発光ダイオード点灯装置は、発光ダイオードに接続されてこの発光ダイオードに直流電流を流す整流回路とこの整流回路に直列に接続された結合コンデンサとこの結合コンデンサに直列に接続されたインダクタとを有する負荷回路と、スイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して上記負荷回路に高周波電圧を供給するインバータ回路と、上記整流回路と上記結合コンデンサとの第一直列回路の上記整流回路側に直列に接続したダイオードと一端を上記ダイオードに接続し他端を基準電位に接続した抵抗とからなる第二直列回路と、上記ダイオードとは逆極性で上記第二直列回路に並列に接続した逆極性ダイオードとを備え、上記第二直列回路の上記抵抗に発生する電圧を上記発光ダイオードに流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出する検出回路と、上記検出回路から検出されるダイオード電流対応電圧と基準電圧とに基づいて、上記インバータ回路を制御するインバータ制御回路とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明により、インバータ方式の発光ダイオード点灯装置において、発光ダイオードを流れる電流を精度よく検出し、検出結果に応じてインバータ回路を制御する発光ダイオード点灯装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１における帰還制御回路３０を用いた回路図。
【図２】実施の形態１における帰還制御回路３０がフォトカプラを使用しない構成を示す図。
【図３】実施の形態１における発光ダイオード点灯装置１１０の回路図。
【図４】実施の形態１における帰還制御回路３０−１の電流検出抵抗１８の配置を示す図。
【図５】実施の形態２における発光ダイオード点灯装置１２０の回路図。
【図６】実施の形態２における帰還制御回路３０−２の電流検出抵抗１８の配置を示す図。
【図７】実施の形態２における帰還制御回路３０−２の電流検出抵抗１８の別の配置を示す図。
【図８】実施の形態３における発光ダイオード点灯装置１３０の回路図。
【図９】実施の形態３における共振コンデンサ１２の機能を示す図。
【図１０】実施の形態４における発光ダイオード点灯装置１４０の回路図。
【図１１】実施の形態５における発光ダイオード点灯装置１５０の回路図。
【図１２】実施の形態６における発光ダイオード点灯装置１６０の回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、帰還制御回路をインバータ回路に適用した構成例を示す図である。図１を説明すれば次の様である。
【００１２】
（１）電源整流回路１は、ノイズフィルタ（図示しない）とダイオードブリッジで構成され、商用交流電源４０を基に、電源電圧の整流、及び、ノイズの除去を行う回路である。
（２）アクティブフィルタ回路２は、電源電圧波形に沿ってスイッチングを行うことにより、電源電圧を所定の直流電圧に昇圧すると共に入力電流波形を整形して力率および高調波を改善する回路である。
（３）インバータ回路３は、アクティブフィルタ回路２で昇圧された直流電圧を、インバータ制御回路５から出力される逆極性の電圧でスイッチング素子であるＦＥＴ（Ｑ１）８及びＦＥＴ（Ｑ２）９を交互にスイッチングすることにより、高周波電圧を発生させる回路である。
（４）負荷回路４は、周波数によりインダクタ１０のインピーダンスを変化させることにより直列に接続された発光ダイオード素子７に流れる電流を調整するものである。コンデンサ１１は結合コンデンサである。
（５）整流回路６は、直列に接続された発光ダイオード素子７に直流電流を流すものである。
（６）帰還制御回路３０は、直列に接続された発光ダイオード素子７に流れるＬＥＤ電流を電流検出抵抗１８により電圧に変換して検出する。
（７）Ｉ−Ｖ変換回路２８は、電流検出抵抗１８に発生した電圧に伴いフォトカプラ２７のフォトダイオードに電流を流すものである。これに伴い、フォトトランジスタが動作し、制御電源Ｖｃｃから供給される電圧は抵抗２５、コンデンサ２６により平均化された電圧が比較器２０に入力される。
（８）比較器２０は上記の入力と基準電圧１９との差分電圧をインバータ制御回路５に出力する。
（９）インバータ制御回路５は、インバータの動作周波数を制御するもので、比較器２０の出力に従って、インバータ回路３の動作周波数若しくは動作周波数におけるデューティを制御する。
【００１３】
図１の構成においては、フォトカプラ２７は、電流検出部（Ｉ−Ｖ変換回路）の基準電位が回路のグランドでないため絶縁の目的で挿入されるが、一般的にフォトカプラはＦＥＴなどに比べスイッチング特性が劣っているため、検出された電流値を比較器２０に正確に伝達できないと言う課題がある。
【００１４】
（フォトカプラを使用しない構成例）
図２は、図１に示した回路構成において、フォトカプラを用いないでＬＥＤ電流を検出する回路構成の例である。フォトカプラを用いることなく図１の回路構成でＬＥＤ電流の検出を行う場合は、一般的には図２に示す回路構成が考えられる。図１と図２とで異なる部分は、帰還制御回路３０の構成である。
【００１５】
図２の構成は、電流検出抵抗１８に発生する交流電圧をダイオード２１により正方向のみ取り出し、抵抗２２、コンデンサ２３により平均化して検出するものである。この方式においては、フォトカプラを用いることなく発光ダイオード素子に流れる電流を検出できるため、上記フォトカプラ使用時の問題は解消できるが、検出電圧からダイオード２１の電圧降下分だけ差し引かれるため、正確に検出できないと言う課題がある。
そこで、以下に示す発光ダイオード点灯装置１１０〜１６０によって上記の課題を解消する。
【００１６】
図３は、本実施の形態１における発光ダイオード点灯装置１１０の回路図である。発光ダイオード点灯装置１１０は、図１、図２に示した回路構成と類似であり、図１、図２と異なる部分は、帰還制御回路３０の構成である。以下の実施の形態では、「帰還制御回路３０−１」（実施の形態１、３、４）、「帰還制御回路３０−２」（実施の形態２、５、６）のように「−１」、「−２」を付けて、図１、図２の帰還制御回路３０と区別することとする。帰還制御回路３０−１あるいは帰還制御回路３０−２は、発光ダイオードに流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧を検出する検出回路である。また図１、図２と共通な部分には共通な番号を付し、説明は省略する。
【００１７】
（帰還制御回路３０−１の構成）
図３に示す帰還制御回路３０−１では、ダイオード２１及びダイオード２４が整流回路を構成する。そして、帰還制御回路３０−１は、電流検出抵抗１８の両端電圧（ダイオード電流対応電圧）を取り出し、抵抗２２、コンデンサ２３によりこの両端電圧を平均化して検出するものである。
【００１８】
図４は、帰還制御回路３０−１に関する主要な構成を抜き出した図である。図４を参照してさらに詳しく説明する。図４に示すように、帰還制御回路３０−１（検出回路）は、整流回路６と結合コンデンサ１１との第一直列回路の整流回路６側に直列に接続したダイオード２１と一端をダイオード２１に接続し他端を基準電位に接続した電流検出抵抗１８とからなる第二直列回路と、ダイオード２１とは逆極性で第二直列回路に並列に接続した逆極性ダイオード２４とを備え、第二直列回路の電流検出抵抗１８に発生する電圧を発光ダイオード７に流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出するものである。なお、ダイオード２１及びダイオード２４の極性は互いに逆であればよく、図４に対して、ダイオード２１とダイオード２４の極性が逆の場合でも構わない。
【００１９】
帰還制御回路３０−１の比較器２０は、抵抗２２、コンデンサ２３により平均化された検出電圧と、基準電圧１９との差分電圧をインバータ制御回路５に出力する。インバータ制御回路５は、比較器２０からの出力に従って、インバータ回路３のスイッチング素子であるＦＥＴ（Ｑ１）８、ＦＥＴ（Ｑ２）９の駆動を制御する。
【００２０】
図３、図４に示した方式においては、フォトカプラを用いることなく発光ダイオード素子に流れる電流を検出でき、かつ、検出電圧からダイオード（図２のダイオード２１）の電圧降下分を取り除くことができる。このため、背景技術及び課題に述べた点を解消することができる。
【００２１】
実施の形態２．
次に図５〜図７を参照して実施の形態２の発光ダイオード点灯装置１２０（帰還制御回路３０−２）を説明する。実施の形態１の帰還制御回路３０−１に対して、帰還制御回路３０−２は、電流検出抵抗１８を回路に組み込む構成が異なっている。図５は、本実施の形態２の発光ダイオード点灯装置１２０の回路図である。図３と共通な部分には共通な番号を付し、説明は省略する。また、図３と異なる部分は、帰還制御回路３０−２の構成である。
【００２２】
（帰還制御回路３０−２の構成）
帰還制御回路３０−２の構成は、整流回路６の基準電位側に接続されるダイオード１５若しくはダイオード１６に直列に電流検出抵抗１８を接続（図５ではダイオード１５に直列接続）することにより、電流検出抵抗１８の両端電圧を取り出し、抵抗２２、コンデンサ２３により平均化して検出するものである。
【００２３】
図６は、帰還制御回路３０−２に関する主要な構成を抜き出した図である。図６を参照してさらに詳しく説明する。図６に示すように、帰還制御回路３０−２（検出回路）は、ダイオードブリッジの整流回路６を構成する４つのダイオード１３〜１６のうち基準電位側に接続された２つのダイオード１５、１６のいずれか一方に直列接続された電流検出抵抗１８を有し、この電流検出抵抗１８に発生する電圧を発光ダイオード７に流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出する。なお、図７は、電流検出抵抗１８をダイオード１６に直列接続した場合の構成を示す図である。
【００２４】
実施の形態１の場合と同様に、帰還制御回路３０−２の比較器２０は、抵抗２２、コンデンサ２３により平均化された検出電圧と、基準電圧１９との差分電圧をインバータ制御回路５に出力する。インバータ制御回路５は、比較器２０からの出力に従って、インバータ回路３のスイッチング素子であるＦＥＴ（Ｑ１）８、ＦＥＴ（Ｑ２）９の駆動を制御する。
【００２５】
帰還制御回路３０−２では、フォトカプラを用いることなく発光ダイオード素子に流れる電流を検出でき、かつ、検出電圧からダイオードの電圧降下分を取り除くことができるため、背景技術に述べた課題を解消することができる。また、実施の形態１の帰還制御回路３０−１の構成に対して２素子のダイオード（図３のダイオード２１、２４）を省略することができるため、ダイオードの電圧降下とダイオードに流れる電流により発生するロスを減らすことができるので、帰還制御回路３０−１に比べ効率を改善できる。
【００２６】
実施の形態３．
図８、図９を参照して実施の形態３を説明する。図８は、実施の形態３の発光ダイオード点灯装置１３０の回路図である。発光ダイオード点灯装置１３０は、実施の形態１の発光ダイオード点灯装置１１０に、共振コンデンサ１２が接続された点のみが異なる。実施の形態１と共通な部分には共通な番号を付し、説明は省略する。図８に示すように、発光ダイオード点灯装置１３０では、一端がインダクタ１０と結合コンデンサ１１との中点に接続され、他端がインバータ回路３の低電位側に接続された共振コンデンサ１２を備える。
【００２７】
（共振コンデンサ１２の役割）
図９は、共振コンデンサ１２の役割を説明する図である。図９は、共振コンデンサ１２を用いるときと用いないときを比較したものであり、周波数（インバータ回路３のスイッチング周波数）の変化による発光ダイオード電流の変化を示す。インバータ方式の場合、発光ダイオードの明るさを減少させるにはインバータ回路３のスイッチング周波数を高くしてＬＥＤ電流を絞ることにより実施するが、この場合、スイッチング周波数がかなり高くなるためロスが発生する。このため共振コンデンサ１２を採用することで、インダクタ１０と共振コンデンサ１２との共振により、ＬＥＤ電流を絞る場合にスイッチング周波数の高くなることを抑制し、ロスを減少させることができる。さらに具体的には次の様である。
【００２８】
共振コンデンサ１２を用いない場合は、周波数の変化に伴うインダクタ１０のインピーダンス変化のみで電流が変化するため、図９に示すように、周波数の変化に対し電流の変化は非常に小さい。この場合、調光を行うと変化させる周波数が非常に大きくなり、高周波数でもスイッチングを行えるＦＥＴおよび制御回路を用いなくてはならない。一方、共振コンデンサ１２を用いることにより、発光ダイオード７に流れる電流はインダクタ１０と共振コンデンサ１２との共振により決定されるため、周波数の変化に対する電流の変化は、共振回路の設計次第で任意に調整でき、前述のように、高性能なＦＥＴや制御回路を選定しなくても良い。また、共振コンデンサ１２を結合コンデンサ１１、整流回路６、電流検出抵抗１８の直列回路に並列に挿入することにより、電流検出抵抗１８には共振コンデンサ１２に流れる電流が流れないため、発光ダイオード素子に流れる電流を正確に検出できるという効果がある。
【００２９】
実施の形態４．
図１０を参照して実施の形態４を説明する。図１０は、実施の形態４の発光ダイオード点灯装置１４０の回路図である。この発光ダイオード点灯装置１４０は、実施の形態３の発光ダイオード点灯装置１３０の共振コンデンサ１２の接続位置を変えた点のみが異なる。すなわち、図１０に示すように、発光ダイオード点灯装置１４０は、一端が結合コンデンサ１１と整流回路６の中点に接続され、他端がインバータ回路３の低電位側に接続された共振コンデンサ１２を備える構成である。共振コンデンサ１２採用の効果は、実施の形態３と同じである。
【００３０】
実施の形態５．
次に図１１を参照して実施の形態５を説明する。図１１は、実施の形態５の発光ダイオード点灯装置１５０の回路図である。発光ダイオード点灯装置１５０は、実施の形態２の発光ダイオード点灯装置１２０に、共振コンデンサ１２が接続された点のみが異なる。実施の形態２と共通な部分には共通な番号を付し、説明は省略する。図１１に示すように、発光ダイオード点灯装置１５０では、一端がインダクタ１０と結合コンデンサ１１との中点に接続され、他端がインバータ回路３の低電位側に接続された共振コンデンサ１２を備える。共振コンデンサ１２の接続状態は実施の形態３と同じである。共振コンデンサ１２採用の効果は実施の形態３と同じである。
【００３１】
実施の形態６．
次に図１２を参照して実施の形態６を説明する。図１２は、実施の形態６の発光ダイオード点灯装置１６０の回路図である。発光ダイオード点灯装置１６０は、実施の形態５の発光ダイオード点灯装置１５０の共振コンデンサ１２を、実施の形態４と同様に配置した構成である。実施の形態５の図１１と共通な部分には共通な番号を付し、説明は省略する。図１２に示すように、発光ダイオード点灯装置１６０は、一端が結合コンデンサ１１と整流回路６の中点に接続され、他端がインバータ回路３の低電位側に接続された共振コンデンサ１２を備える構成である。共振コンデンサ１２採用の効果は、実施の形態３と同じである。
【００３２】
なお、以上の実施の形態１〜６では発光ダイオード点灯装置１１０〜１６０を説明したが、発光ダイオード点灯装置１１０〜１６０のいずれかを備えたＬＥＤ照明器具の実施形態も可能である。また、発光ダイオード点灯装置１１０〜１６０のいずれかの点灯装置を備えたＬＥＤ照明器具を複数備えた照明システムの実施形態ももちろん可能である。すなわち、商用交流電源４０に並列接続された複数の前記ＬＥＤ照明器具を備えた照明システムの実施形態も可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１電源整流回路、２アクティブフィルタ回路、３インバータ回路、４負荷回路、５インバータ制御回路、６整流回路、７発光ダイオード、８ＦＥＴ（Ｑ１）、９ＦＥＴ（Ｑ２）、１０インダクタ、１１結合コンデンサ、１２共振コンデンサ、１３，１４，１５，１６ダイオード、１８電流検出抵抗、１９基準電圧、２０比較器、２１ダイオード、２２抵抗、２３コンデンサ、２４ダイオード、２５抵抗、２６コンデンサ、２７フォトカプラ、２８Ｉ−Ｖ変換回路、３０，３０−１，３０−２帰還制御回路、４０商用交流電源、１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０発光ダイオード点灯装置。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードに接続されてこの発光ダイオードに直流電流を流す整流回路とこの整流回路に直列に接続された結合コンデンサとこの結合コンデンサに直列に接続されたインダクタとを有する負荷回路と、
スイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して上記負荷回路に高周波電圧を供給するインバータ回路と、
上記整流回路と上記結合コンデンサとの第一直列回路の上記整流回路側に直列に接続したダイオードと一端を上記ダイオードに接続し他端を基準電位に接続した抵抗とからなる第二直列回路と、上記ダイオードとは逆極性で上記第二直列回路に並列に接続した逆極性ダイオードとを備え、上記第二直列回路の上記抵抗に発生する電圧を上記発光ダイオードに流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出する検出回路と、
上記検出回路から検出されるダイオード電流対応電圧と基準電圧とに基づいて、上記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と
を備えたことを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
【請求項２】
上記発光ダイオード点灯装置は、さらに、
一端がインダクタと結合コンデンサとの中点に接続され、他端が上記インバータ回路の低電位側に接続された共振コンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置
【請求項３】
上記発光ダイオード点灯装置は、さらに、
一端が上記結合コンデンサと上記整流回路の中点に接続され、他端が上記インバータ回路の低電位側に接続された共振コンデンサを備えることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード点灯装置。
【請求項４】
発光ダイオードに接続されてこの発光ダイオードに直流電流を流す整流回路であって４つのダイオードからなるダイオードブリッジの整流回路とこの整流回路に直列に接続された結合コンデンサとこの結合コンデンサに直列に接続されたインダクタとを有する負荷回路と、
スイッチング素子を有し、このスイッチング素子を介して上記負荷回路に高周波電圧を供給するインバータ回路と、
上記整流回路の上記４つのダイオードのうち基準電位側に接続された２つのダイオードのいずれか一方に直列接続された抵抗を有し、この抵抗に発生する電圧を上記発光ダイオードに流れる電流に対応するダイオード電流対応電圧として検出する検出回路と、
上記検出回路から検出されるダイオード電流対応電圧と基準電圧とに基づいて、上記インバータ回路を制御するインバータ制御回路と
を備えたことを特徴とする発光ダイオード点灯装置。
【請求項５】
上記発光ダイオード点灯装置は、さらに、
一端がインダクタと結合コンデンサとの中点に接続され、他端が上記インバータ回路の低電位側に接続された共振コンデンサを備えることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード点灯装置。
【請求項６】
上記発光ダイオード点灯装置は、さらに、
一端が上記結合コンデンサと上記整流回路の中点に接続され、他端が上記インバータ回路の低電位側に接続された共振コンデンサを備えることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオード点灯装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の発光ダイオード点灯装置を備えた照明器具。
【請求項８】
請求項７の照明器具を複数備えた照明システム。

【図１】