JP2010097880A - 発光ダイオード点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
降圧チョッパのスイッチング素子と直列接続するインピーダンス手段の電力損失をより一層低減でき、しかも温度特性が良好で、出力電流のばらつきが少ない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は、スイッチング素子Q1、インピーダンス手段Z1、第１のインダクタL1を直列に含む第１の回路A、第１のインダクタ、ダイオードD1を直列に含む第２の回路Bを備えた降圧チョッパSDCと、第１のインダクタに磁気結合した第２のインダクタL2を備え、そこに誘起した電圧をスイッチング素子の制御端子に印加して、そのスイッチング素子をオン状態に維持する自励形駆動信号発生回路DSGと、インピーダンス手段の電圧を検出して、その検出電圧が基準値を越えたときに出力する比較手段およびその出力でオンされて自励形駆動信号発生回路の出力端を短絡してスイッチング素子をターンオフさせるスイッチ素子を備えたターンオフ回路TOFとを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置に関する。

降圧チョッパを備えた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の図２に記載の降圧チョッパを備えた発光ダイオード点灯装置においては、第１のスイッチング素子であるＦＥＴ５と第１のインダクタ７との間に、抵抗値の小さい抵抗素子６１を接続し、この抵抗素子６１を第２のスイッチング素子であるバイポーラ形トランジスタ２１のベース・エミッタ間に接続している。前記トランジスタ２１のコレクタを前記ＦＥＴ５のゲート端子に接続している。

ＦＥＴ５がオン動作すると抵抗素子６１、第１のインダクタ７を介して電流が流れ、この電流が次第に増加するが、抵抗素子６１の両端間電圧がトランジスタ２１を動作するバイアスに達すると、トランジスタ２１がオン動作し、これによりＦＥＴ５はターンオフされる。抵抗素子６１の両端間電圧をトランジスタ２１のベースバイアスとし、この電圧が所定の電圧に達したときトランジスタ２１をオン動作してＦＥＴ５をターンオフさせるようにしているので、ターンオフのタイミングを第２のインダクタ１２に誘起される電圧値に影響されず常に正確に取ることができる。すなわち、ＦＥＴ５を常に正確にスイッチング動作できる。

また、トランジスタ２１をオン動作するベースバイアスはシリコントランジスタの場合で０．５Ｖと低く、このため、抵抗素子６１での消費電力はほとんど無く、無駄な電力消費を極力防止できる。

特許第４１２３８８６号公報

ところが、特許文献１の発光ダイオード点灯装置における第１のスイッチング素子と直列接続する抵抗素子の電力損失をより一層低減したいという要求がある。また、その温度特性がトランジスタ２１の温度特性で決まり、所望の温度特性を付与しにくいという問題がある。

本発明は、降圧チョッパのスイッチング素子と直列接続するインピーダンス手段の電力損失をより一層低減でき、しかも温度特性が良好で、出力電流のばらつきが少ない発光ダイオード点灯装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記に加えて負荷の発光ダイオードの異常時に対する過電圧保護機能を備えた発光ダイオード点灯装置を提供することを副次的な目的とする。

本発明の発光ダイオード点灯装置は、直流電源と；直流電源に接続した入力端、負荷を接続する出力端、スイッチング素子、インピーダンス手段および第１のインダクタを直列に含み入力端および出力端の間に接続した第１の回路、ならびに第１のインダクタおよびダイオードを直列に含み出力端に接続した第２の回路を備えた降圧チョッパと；降圧チョッパの出力端に負荷として接続する発光ダイオードと；降圧チョッパのインピーダンス手段の電圧を検出して、その検出電圧が基準値を越えたときに出力する比較手段および比較手段の出力でオンされて自励形駆動信号発生回路の出力端を短絡して第１のスイッチング素子をターンオフさせるスイッチ素子を備えたターンオフ回路と；を具備していることを特徴としている。

本発明は、以下の態様を許容する。

直流電源は、交流電源、例えば商用交流電源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降圧チョッパに供給する。整流の態様は、特段限定されないが、全波整流が好ましい。しかし、整流化直流電源だけでなく、バッテリーなどからなる直流電源であってもよい。

また、直流電源が整流化直流電源である場合、その出力端間に平滑コンデンサを接続して直流出力電圧を平滑化するように構成することができる。

本発明の整流化直流電源を用いる場合の好ましい態様として、交流電源電圧１００Ｖにおいて、平滑コンデンサの容量を１２〜２０μＦとし、かつ降圧チョッパの出力電圧を発光ダイオードの点灯中３５〜４８Ｖに設定する構成を採用することができる。この態様によれば、発光ダイオード点灯装置が２５Ｗ以下の入力電流の高調波規格（ＪＩＳ Ｃ６１０００−３−２ Class C）を満足するとともに、寿命中の平滑コンデンサの容量低下に対しても発光ダイオードに連続して電流を供給できるので、回路寿命をより長くすることができる。

降圧チョッパは、第１および第２の回路からなり、入力端にスイッチング素子および第１のインダクタを直列に接続し、第１のインダクタおよびダイオードが出力端に直列に接続してなる周知のチョッパ回路である。そして、スイッチング素子のオン時間をＴ_ＯＮ、オフ時間をＴ_ＯＦＦ、直流電源電圧をＶ_ＩＮ、出力電圧をＶ_ＯＵＴとすれば、出力電圧がＶ_ＯＵＴ＝Ｖ_ＩＮ・Ｔ_ＯＮ／（Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）となり入力電圧より低くなる関係があることで知られている。

本発明においては、降圧チョッパのスイッチング素子と直列にインピーダンス手段を接続していて、インピーダンス手段を流れる電流が所定値に到達したときに後述するターンオフ回路を動作させて、スイッチング素子をターンオフさせる。

発光ダイオードは、降圧チョッパの出力端に負荷として接続し、降圧チョッパの出力電流により付勢されて点灯する。降圧チョッパの出力端に接続される発光ダイオードは、その複数が直列接続した直列回路でもよいし、単独でもよい。また、これらの複数が並列接続して負荷回路を構成していてもよい。

また、発光ダイオードは、そ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。

自励形駆動信号発生回路は、降圧チョッパの第１のインダクタに磁気結合した第２のインダクタを備え、第２のインダクタに誘起した電圧をスイッチング素子の制御端子に駆動信号として印加して、そのスイッチング素子をオン状態に維持する。所望により第２のインダクタと上記制御端子の間に例えばコンデンサおよび抵抗の直列回路などのインピーダンス素子を介在させることができる。

ターンオフ回路は、比較手段およびスイッチ素子を備え、降圧チョッパのインピーダンス手段の電圧を検出して、その検出電圧が基準値を越えたときに発生する比較手段の出力でスイッチ素子をオンさせる。そして、スイッチ素子は、自励形駆動信号発生回路の出力端を短絡する。この短絡で降圧チョッパのスイッチング素子はターンオフする。

比較手段は、その入力電圧を、ターンオフ回路をスイッチ素子、例えばトランジスタにより構成して、そのスイッチ素子をオンするときのベース・エミッタ電圧より明らかに低い例えば０．３Ｖ以下の電圧に設定することができる。これにより、インピーダンス手段のインピーダンスを小さくしてそこに生じる電力損失を頗る小さい値にすることができる。

また、比較手段の出力電圧でスイッチ素子をオンさせるように、比較手段をインピーダンス手段とスイッチ素子との間に介在させることにより、降圧チョッパのターンオフの温度特性が比較手段の介在に伴いスイッチ素子の影響を受けなくなる。その結果、発光ダイオード点灯装置の温度特性が良好になる。すなわち、比較手段は、その入力電圧を内部に設定される基準電圧と比較して、入力電圧が基準電圧を越えている場合に入力電圧を高い電圧に増幅して出力する。なお、基準電圧は、ツェナーダイオードを用いて設定するのが一般的である。比較手段の温度特性は、基準電圧を設定するツェナーダイオードの温度特性によってほぼ決まるので、その温度特性をターンオフ回路の温度特性として好適なやや負特性ないしフラットな温度特性を有するツェナーダイオードを選ぶことは容易である。

さらに、降圧チョッパのスイッチング素子のターンオフ制御を比較手段の動作で行うので、降圧チョッパの出力電流のばらつき管理が容易で、しかもばらつきが低減する。

本発明において、比較手段およびスイッチ素子を備えたターンオフ回路を、オペアンプを用いた電圧比較器すなわちコンパレータを主体として構成することができる。この場合、コンパレータとその出力電圧でオンするスイッチ素子とでターンオフ回路を構成する第１の態様、ならびにシンク電流容量の比較的大きなコンパレータのみで上記ターン上記ターンオフ回路を構成する第２の態様のいずれであってもよい。なお、第２の態様においては、コンパレータ自体が、そのシンク電流容量が比較的大きいので、スイッチ素子の機能を奏するから、別設のスイッチ素子が不要になる。

本発明において、好ましい第３の態様は、以上説明の発光ダイオード点灯装置において、降圧チョッパの第１のインダクタに磁気結合する第３のインダクタを備え、第３のインダクタの誘起電圧が所定値を越えたときに降圧チョッパのスイッチング素子をオフさせる過電圧保護回路を具備している。

本態様においては、負荷異常に伴い出力電圧が過電圧になったときに、第３のインダクタに誘起される電圧が比例的に上昇する。これにより過電圧保護回路が作動して降圧チョッパのスイッチング素子をオフさせて回路を保護することができる。

過電圧保護回路には、コンパレータを用いて第３のインダクタの誘起電圧が異常に高くなったときに負の電圧を出力するように構成するのがよい。そして、上記の負の出力電圧を降圧チョッパのスイッチング素子の制御端子に印加する。これによりスイッチング素子がオフされて降圧チョッパ動作を停止して保護動作が行われる。

また、本発明の好ましい第４の態様は、以上の構成において、ターンオフ回路のコンパレータの基準電圧源にフォトカプラを並列接続し、ＰＷＭ方式の調光信号に応じてフォトカプラを駆動するように構成している。なお、調光信号がＰＷＭ方式でない場合には、調光信号をＰＷＭ信号に変換する変換回路を用いてＰＷＭ信号を得てからフォトカプラを駆動すればよい。

本態様によれば、調光機能を備えた発光ダイオード点灯装置を得ることができる。

本発明によれば、降圧チョッパのスイッチング素子をターンオフさせるターンオフ回路が、スイッチング素子に駆動信号を供給する自励形駆動信号発生回路の出力端を短絡するスイッチ素子と、降圧チョッパのスイッチング素子と直列のインピーダンス手段およびスイッチ素子の間に介在する比較手段とを備えていることにより、上記インピーダンス手段のインピーダンスを一層小さくしてインピーダンス手段の電力損失をより一層低減できるとともに、温度特性が良好で、しかも出力電流のばらつきが少ない発光ダイオード点灯装置を提供することができる。

また、降圧チョッパの第１のインダクタに磁気結合する第３のインダクタを備え、その誘起電圧が所定値を越えたときに降圧チョッパのスイッチング素子をオフさせる過電圧保護回路を具備していることにより、負荷異常で出力電圧が過電圧になったときには保護動作が行われるので、負荷の発光ダイオードが損傷を受ける前に消灯させることができる。

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。

図１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１の形態を示す回路図である。本形態において、発光ダイオード点灯装置は、直流電源ＤＣ、降圧チョッパＳＤＣ、発光ダイオードＬＥＤ、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧおよびターンオフ回路ＴＯＦを具備している。上記の各構成要素に加えて、起動回路ＳＴが付設されている。

直流電源ＤＣは、入力端が交流電源ＡＣに接続する全波整流回路ＤＢおよびコンデンサＣ１を備えている。平滑コンデンサＣ１は、全波整流回路ＤＢの出力端間に接続している。なお、全波整流回路ＤＢの入力端間に接続しているのは雑音防止用コンデンサＣ２である。

降圧チョッパＳＤＣは、直流電源ＤＣに接続した入力端ｔ１、ｔ２、負荷を接続する出力端ｔ３、ｔ４、スイッチング素子Ｑ１、インピーダンス手段Ｚ１および第１のインダクタＬ１を直列に含み、入力端ｔ１および出力端ｔ３の間に接続した第１の回路Ａ、ならびに第１のインダクタＬ１およびダイオードＤ１を直列に含み出力端ｔ３、ｔ４間に接続した第２の回路Ｂを備えて構成されている。また、出力端ｔ３、ｔ４間には平滑コンデンサＣ３が接続している。

本形態において、降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、そのドレイン、ソースが第１の回路Ａに接続される。そして、第１の回路ＡがコンデンサＣ３および／または後述する負荷回路ＬＣを介して第１のインダクタＬ１の充電回路を形成し、第２の回路Ｂが第１のインダクタＬ１およびダイオードＤ１がコンデンサＣ３および／または後述する負荷回路ＬＣを介して第１のインダクタＬ１の放電回路を形成している。なお、本形態において、インピーダンス手段Ｚ１は、抵抗器からなるが、所望により適度の抵抗成分を有するインダクタまたはコンデンサなどを用いることができる。

発光ダイオードＬＥＤは、その所望数が負荷回路ＬＣを形成し、降圧チョッパＳＤＣの出力端ｔ３、ｔ４間に接続して、付勢されて点灯する。

自励形駆動信号発生回路ＤＳＧは、降圧チョッパＳＤＣの第１のインダクタＬ１に磁気結合した第２のインダクタＬ２を備えている。そして、第２のインダクタＬ２に誘起した電圧をスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）とドレインの間に駆動信号として印加して、そのスイッチング素子Ｑ１をオン状態に維持する。なお、第２のインダクタＬ２の他端は、インピーダンス手段Ｚ１を介してスイッチング素子Ｑ１のソースに接続している。

本形態において、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧには、上記構成に加えてコンデンサＣ４と抵抗器Ｒ１の直列回路が第２のインダクタＬ２の一端とスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）との間に直列に介在している。また、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端間にツェナーダイオードＺＤ１が接続して、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）とドレインの間に過電圧が印加されてスイッチング素子Ｑ１が破壊されないよう過電圧保護回路を形成している。

ターンオフ回路ＴＯＦは、コンパレータＣＰ１、スイッチ素子Ｑ２、第１および第２の制御回路電源ＥＳ１、ＥＳ２を備えている。そして、コンパレータＣＰ１の端子Ｐ１は、その内部の基準電圧回路の基底電位側から導出されてインピーダンス手段Ｚ１と第１のインダクタＬ１の接続点に接続する。また、上記基準電圧回路は、コンパレータＣＰ１内に付設されていて、後述する第２の制御回路電源ＥＳ２から端子Ｐ４で電源の供給を受けて基準電圧を生成し、コンパレータＣＰ１内部の演算増幅器の非反転入力端子に基準電圧を印加する。同様に端子Ｐ２は、コンパレータＣＰ１の入力端子であり、第１のスイッチング素子Ｑ１とインピーダンス手段Ｚ１の接続点に接続して演算増幅器の反転入力端子に入力電圧を印加する。また、端子Ｐ３は、コンパレータＣＰ１の出力端子であり、後述する第２のスイッチング素子Ｑ２のベースに接続して出力電圧を第２のスイッチング素子Ｑ２に印加する。さらに、端子Ｐ５は、後述する第１の制御回路電源ＥＳ１に接続して、コンパレータＣＰ１に制御電源を供給する。

スイッチ素子Ｑ２は、トランジスタからなり、そのコレクタが第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子に接続し、エミッタがインピーダンス素子Ｚ１および第１のインダクタＬ１の接続点に接続している。したがって、スイッチ素子Ｑ２がオンすることによって、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端を短絡する。そうして、スイッチング素子Ｑ１はターンオフする。なお、スイッチ素子Ｑ２のベース・エミッタ間に抵抗器Ｒ２が接続している。

第１の制御回路電源ＥＳ１は、第２のインダクタＬ２の両端にダイオードＤ２およびコンデンサＣ５の直列回路を接続して構成されており、第１のインダクタＬ１が充電されるときに第２のインダクタＬ２に発生する誘起電圧でダイオードＤ２を経由してコンデンサＣ５が充電され、ダイオードＤ２およびコンデンサＣ５の接続点からプラスの電位を出力してコンパレータＣＰ１の出力端子に制御電圧を印加するように構成されている。

第２の制御回路電源ＥＳ２は、第１のインダクタＬ１に磁気結合する第３のインダクタＬ３の両端にダイオードＤ３およびコンデンサＣ６の直列回路を接続して構成されており、第１のインダクタＬ１が放電するときに第３のインダクタＬ３に発生する誘起電圧でダイオードＤ３を経由してコンデンサＣ６が充電され、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ６の接続点からプラスの電圧を出力して基準電圧回路に制御電圧を印加して基準電圧を生成するように構成されている。

起動回路ＳＴは、第１のスイッチング素子Ｑ１のドレイン・ゲート間に接続した抵抗器Ｒ３と前記自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ４に並列接続する抵抗器Ｒ１０との直列回路、第２のインダクタＬ２、ならびに前記降圧チョッパＳＤＣの第２の回路ＢのコンデンサＣ３および／または負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤからなる直列回路により構成され、直流電源ＤＣの投入時に主として抵抗器Ｒ３とＲ１０の抵抗値比で決まるプラスの起動電圧が第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加されて降圧チョッパＳＤＣが起動する。

次に、回路動作について説明する。

直流電源ＤＣが投入され、起動回路ＳＴにより降圧チョッパＳＤＣが起動すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、直流電源ＤＣから第１の回路Ａ内を平滑コンデンサＣ３または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して直線的に増加する増加電流が流れ出す。この増加電流により、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの第２のインダクタＬ２にはコンデンサＣ４側がプラスとなる電圧が誘起され、この誘起電圧がコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ１を経由してスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にプラスの電圧を印加するので、スイッチング素子Ｑ１はオン状態に維持され増加電流が流れ続ける。これと同時に、増加電流によりインピーダンス手段Ｚ１に電圧降下が生じ、その降下電圧がターンオフ回路ＴＯＦのコンパレータＣＰ１の端子Ｐ２に入力電圧として印加される。

上記増加電流の増大に伴いコンパレータＣＰ１の入力電圧が増加して基準電圧を超えると、コンパレータＣＰ１が動作して、端子Ｐ３にプラスの出力電圧が発生する。その結果、ターンオフ回路ＴＯＦのスイッチ素子Ｑ２がオンして自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの出力端を短絡するので、降圧チョッパＳＤＣのスイッチング素子Ｑ１がオフし、上記増加電流が遮断される。

スイッチング素子Ｑ１がオフすると、第１のインダクタＬ１に上記増加電流が流れることによってそこに蓄積されていた電磁エネルギーが放出されて、第１のインダクタＬ１およびダイオードＤ１を含む第２の回路Ｂの内部をコンデンサＣ３または／および負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤを経由して減少電流が流れ出す。この減少電流により、自励形駆動信号発生回路ＤＳＧの第２のインダクタＬ２にはコンデンサＣ４側がマイナスとなる電圧が誘起され、この誘起電圧がツェナーダイオードＺＤ１を経由してコンデンサＣ４にマイナスの電位を印加するとともに、スイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）にゼロ電位が印加されるので、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態に維持され減少電流が流れ続ける。

第１のインダクタＬ１内に蓄積されていた電磁エネルギーの放出が終了して減少電流が０になると、第１のインダクタＬ１に逆起電力が発生して、第２のインダクタＬ２に誘起される電圧が逆転し、コンデンサＣ４側が再びプラスに転じるので、この誘起電圧がコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ１を経由してスイッチング素子Ｑ１のゲートにプラスの電圧を印加すると、スイッチング素子Ｑ１は再びオン状態に反転して、再び増加電流が流れ出す。

以後、以上と同様の回路動作が繰り返されて、増加電流および減少電流が合成されて三角波形の負荷電流が流れることにより、負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤは点灯する。

以上の回路動作において、ターンオフ回路ＴＯＦの動作は、コンパレータＣＰ１およびスイッチ素子Ｑ２の２段階動作により遂行され、コンパレータＣＰ１は、入力電圧が０．３Ｖ以下でも安定かつ正確に動作する。このため、インピーダンス手段Ｚ１の抵抗値を小さくすることができるから、従来技術における入力電圧が０．５Ｖであるとしても、本発明によれば、従来技術におけるのよりインピーダンス手段Ｚ１の電力損失が４０％以上低減させることができる。

また、ターンオフ回路ＴＯＦの温度特性は、コンパレータＣＰ１側で決まり、コンパレータＣＰ１に対して所望の良好な温度特性を付与することができるので、従来のようにスイッチ素子Ｑ２の温度特性に起因する問題はなくなる。なお、コンパレータＣＰ１の温度特性は、例えば基準電圧回路に用いるツェナーダイオードとして、その温度特性が若干負特性ないしフラットな特性を有するものを選択することが容易であるから、このような特性をコンパレータＣＰ１の温度特性として寄与させることができる。これにより、温度特性が良好な発光ダイオード点灯装置を得ることができる。

さらに、ターンオフ回路ＴＯＦにコンパレータＣＰ１を配設することにより、スイッチ素子Ｑ２を安定に、かつ正確に動作させることができるので、発光ダイオード点灯装置の出力のばらつきが低減する。

図２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の形態を示す回路図である。なお、図中、図１と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。本形態は、過電圧保護回路ＯＶＰを付加している点で主として第１の形態と異なる。

過電圧保護回路ＯＶＰは、第２の制御回路電源ＥＳ２およびコンパレータＣＰ２を主体として構成されている。

第２の制御回路電源ＥＳ２は、図１に示す第１の形態におけるのと同様である。さらに、ダイオードＤ３およびコンデンサＣ６の接続点に抵抗器Ｒ４および抵抗器Ｒ５の直列回路と、抵抗器Ｒ６およびツェナーダイオードＺＤ２の直列回路と、の一端がそれぞれ並列接続している。

コンパレータＣＰ２は、その反転入力端子Ｐ６が抵抗器Ｒ４および抵抗器Ｒ５の接続点に接続し、抵抗器Ｒ４および抵抗器Ｒ５の直列回路が第２の制御回路電源ＥＳ２のコンデンサＣ６に並列接続している。なお、抵抗器Ｒ４および抵抗器Ｒ５は、電圧分圧回路を構成していて、分圧された抵抗器Ｒ５の端子電圧が反転入力端子Ｐ６に印加される。

また、非反転入力端子Ｐ７がコンパレータＣＰ１の基準電圧回路、したがってコンパレータＣＰ１の入力端子Ｐ２に接続している。コンパレータＣＰ１の基準電圧回路は、定電圧部および基準電圧出力部からなる。定電圧部は、抵抗器Ｒ６およびツェナーダイオードＺＤ２の直列回路からなり、第２の制御回路電源ＥＳ２のコンデンサＣ６に並列接続している。基準電圧回路の基準電圧出力部は、ツェナーダイオードＺＤ２に並列接続した抵抗器Ｒ７および抵抗器Ｒ８の分圧回路により構成され、分圧された抵抗器Ｒ８の端子電圧が基準電圧として出力される。この基準電圧は、コンパレータＣＰ１の演算増幅器の反転入力端子Ｐ６およびコンパレータＣＰ２の非反転入力端子Ｐ７に、それぞれ印加される。なお、図１の端子Ｐ１は、抵抗器Ｒ８およびツェナーダイオードＺＤ２のアノードの接続点である。

一方、コンパレータＣＰ１の演算増幅器は、その非反転入力端子が図１の端子Ｐ２に接続し、出力端子が端子Ｐ３に接続するとともに、抵抗器Ｒ９を介して端子Ｐ５に接続している。

そうして、本形態においては、負荷回路ＬＣの発光ダイオードＬＥＤが点灯中に何らかの理由で異常となり、降圧チョッパＳＤＣの出力が過電圧になると、第１のインダクタＬ１に磁気結合していて第１のインダクタＬ１が放電時の電圧のときに誘起される電圧が出力される第３のインダクタＬ３には降圧チョッパＳＤＣの出力電圧に比例するので、第２の制御回路電源ＥＳ２のコンデンサＣ６の端子電圧も比例して増大する。その結果、コンデンサＣ６の端子電圧が抵抗器Ｒ４、Ｒ５で分圧され、コンパレータＣＰ２の反転入力端子Ｐ６に入力する電圧が基準電圧を超えるので、マイナスの出力電圧が端子Ｐ９から出力される。このため、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）の電位がマイナスになり、第１のスイッチング素子Ｑ１がオフし、発光ダイオードＬＥＤが消灯して保護される。その後は、起動回路ＳＴの抵抗器Ｒ３およびＲ１０の抵抗値の設定により再起動できないように構成されている。その他の回路動作は、図１に示す第１の形態におけるのと同様である。

図３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３の形態を示す回路図である。なお、図中、図１および図２と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。本形態は、調光制御回路ＤＩＭを付加している点で主として第１の形態と異なる。

調光制御回路ＤＩＭは、フォトカプラＰＣの受光器側であるフォトトランジスタを基準電圧回路の抵抗器Ｒ８に並列接続し、図示しない発光器側を調光信号発生回路の出力端に接続して構成されている。

そうして、フォトカプラＰＣの発光器側においてＰＷＭ調光信号の発光が生じると、受光器側であるフォトトランジスタがこれを受光してオン・オフする。フォトトランジスタがオンしている期間は、基準電圧回路の出力が短絡されてほぼ０となり、スイッチ素子Ｑ２がオンし、スイッチング素子Ｑ１がオフするので、負荷回路ＬＣには電流が殆ど流れない。調光信号は、調光度合が進むにしたがってフォトカプラＰＣのオンデューティが大きくなる。

したがって、調光信号によりフォトカプラＰＣのオンデューティを変化させることにより、負荷回路ＬＣの発光ダイオードを調光点灯させることができる。

図４ないし図６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４の形態を説明するグラフである。本形態は、高調波歪が２５Ｗ以下の高調波規格を満足するとともに、実用的な回路効率を有するための手段を備えた発光ダイオード点灯装置である。なお、上記規格は、ＪＩＳ Ｃ６１０００−３−２ Class Ｃであり、入力電流ピークの位相θが６５°以下、第３次高調波が８６％以下、第５次高調波が６１％以下でなければならないことを規定している。

図４は、直流電源の平滑コンデンサの容量と入力電流ピークの位相および高調波成分の関係を示すグラフである。図において、横軸は平滑コンデンサＣ１（図１ないし図３）の容量Ｃin［μF］を、縦軸は左側が入力電流ピークの位相θ、右側が高調波成分を示す高調波［％］を、それぞれ示している。また、図中の曲線に付した「θ」は入力電流ピークの位相、「３次」は第３次高調波成分比率、「５次」は第５次高調波成分比率、をそれぞれ示している。

図から理解できるように、平滑コンデンサの容量が実際的な８〜２５μＦの場合、入力電流ピークの位相θは、いずれも６５°以下を満足するので、問題ない。第３次高調波成分比率「３次」は、平滑コンデンサの容量が約２２μＦ以下であれば問題ない。第５次高調波成分比率「５次」は、平滑コンデンサの容量が約２０μＦ以下であれば問題ない。

よって、本発明において、直流電源の平滑コンデンサの容量は、最適には１５μＦであり、部品ばらつきを考慮して１０〜２０μＦの範囲であれば、上記規格を満足する。なお、好適には１２〜１８μＦの範囲である。

図５は、降圧チョッパの出力電圧と回路効率の関係を説明するグラフである。図において、横軸は出力電圧ＶＬ［Ｖ］を、縦軸は回路効率ＷＬ／Ｗin［％］を、それぞれ示している。

図から理解できるように、約３６〜８６Ｖの範囲であれば実用的な８９％以上の回路効率が得られる。

図６は、直流電源の平滑コンデンサの容量と直流電源の電圧リップル最低値の関係を示すグラフである。図において、横軸は平滑コンデンサＣ１（図１ないし図３）の容量Ｃin［μF］を、縦軸は直流電源の電圧リップル最低値ＶＤＣ−min［Ｖ］を、それぞれ示している。なお、電圧リップル最低値は、平滑コンデンサの寿命末期時の低下した容量のときに得られる電圧リップル最低値である。

図から理解できるように、平滑コンデンサに用いる電解コンデンサは、寿命末期時には容量が低下し、これに応じて電圧リップル最低値が低くなる傾向があり、容量が約１０μＦのときの電圧リップル最低値が５３Ｖである。交流電源電圧１００Ｖに対して降圧チョッパの出力電圧は入力電圧以下となるが、入力電圧の電圧リップルが最低値のときにも動作を継続するためには、出力電圧が上記電圧リップル最低値以下でなければならない。しかも、降圧チョッパのスイッチングを安定して行うには、さらに５Ｖ以上の余裕が必要であるから、出力電圧を４８Ｖ以下に設定するのがよい。

以上を総合すれば、平滑コンデンサの容量を１０〜２０μＦ（好適には１２〜１８μＦ）とし、出力電圧を３５〜４８Ｖの範囲に設定すれば、高調波歪が２５Ｗ以下の高調波規格を満足するとともに、実用的な回路効率を有する発光ダイオード点灯装置を提供することができる。なお、本形態は、図１ないし図３に示す本発明の第１ないし第３の形態に適用するのが好ましいが、ターンオフ回路のコンパレータを含まない例えば特許文献１に記載の前記回路構成など図１ないし図３に示す以外の回路構成であってもよい。

本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第１の形態を示す回路図 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の形態を示す回路図 本発明の発光ダイオード点灯装置を実施するための第３の形態を示す回路図 直流電源の平滑コンデンサの容量と入力電流ピークの位相および高調波成分の関係を示すグラフ 降圧チョッパの出力電圧と回路効率の関係を説明するグラフ 直流電源の平滑コンデンサの容量と直流電源の電圧リップル最低値の関係を示すグラフ

符号の説明

ＤＣ…直流電源、ＤＢ…全波整流回路、Ｃ１…平滑コンデンサ、ＳＤＣ…降圧チョッパ、Ｑ１…スイッチング素子、Ｚ１…インピーダンス手段、Ｌ１…第１のインダクタ、Ａ…第１の回路、Ｂ…第２の回路、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…ダイオード、ＬＥＤ…発光ダイオード、ＬＣ…負荷回路、ＤＳＧ…自励形駆動信号発生回路、ＴＯＦ…ターンオフ回路、ＳＴ…起動回路、ＣＰ１、ＣＰ２…コンパレータ、Ｑ２…スイッチ素子、ＥＳ１…第１の制御回路電源、ＥＳ２…第２の制御回路電源

Claims (2)

1. 直流電源と；
   直流電源に接続した入力端、負荷を接続する出力端、スイッチング素子、インピーダンス手段および第１のインダクタを直列に含み入力端および出力端の間に接続した第１の回路、ならびに第１のインダクタおよびダイオードを直列に含み出力端に接続した第２の回路を備えた降圧チョッパと；
   降圧チョッパの出力端に負荷として接続する発光ダイオードと；
   降圧チョッパの第１のインダクタに磁気結合した第２のインダクタを備え、第２のインダクタに誘起した電圧をスイッチング素子の制御端子に駆動信号として印加して、そのスイッチング素子をオン状態に維持する自励形駆動信号発生回路と；
   降圧チョッパのインピーダンス手段の電圧を検出して、その検出電圧が基準値を越えたときに出力する比較手段および比較手段の出力でオンされて自励形駆動信号発生回路の出力端を短絡してスイッチング素子をターンオフさせるスイッチ素子を備えたターンオフ回路と；
   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。
2. 降圧チョッパの第１のインダクタに磁気結合する第３のインダクタを備え、その誘起電圧が所定値を越えたときにスイッチング素子をオフさせる過電圧保護回路を具備してい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。

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