JP2013211119A - Ｌｅｄ点灯装置及びそれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノーマルモード雷サージ対策を強化したＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明装置を提供する。
【解決手段】本発明の交流電源からの給電を受けてＬＥＤを点灯するＬＥＤ点灯装置は、給電が入力される整流素子、整流素子の入力端子間に接続された第１のサージアブソーバ、整流素子の出力端子間に接続された第２のサージアブソーバ、整流素子の出力端子間に接続されたコンデンサ、及びコンデンサの電圧からＬＥＤ電流を生成してＬＥＤに投入する電流制御回路を備える。第１及び第２のサージアブソーバの電流電圧特性において、同一の電圧が印加される場合に第２のサージアブソーバに流れる電流は第１のサージアブソーバに流れる電流よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明装置に関し、特に、ノーマルモード雷サージに対する保護回路を備えたＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明装置に関する。

図６に従来のＬＥＤ点灯装置の回路図を示す。ＬＥＤ点灯装置１０は、ＡＣ電源電圧が入力される整流素子４、整流素子４の入力側に接続されたサージアブソーバ１２、サージアブソーバ１２に並列接続されたフィルタ用のコンデンサ３、整流素子４の出力側に接続された平滑用のコンデンサ６、及びコンデンサ６の電圧からＬＥＤ電流を生成してＬＥＤ８に投入する電流制御回路７を備える（例えば、特許文献１及び２参照）。

サージアブソーバ１２にはバリスタ等が用いられ、ノーマルモード（ライン間）で印加されるサージ電圧からＬＥＤ点灯装置１０を保護する。具体的には、ライン間のサージ電圧がサージアブソーバ１２の動作電圧に達すると、サージアブソーバ１２の内部抵抗が下がり、ライン間電圧（即ち、整流素子４の入力端子間電圧）が動作電圧近傍にクランプされる。点灯装置１０に対してＡＣ電源側はインピーダンスが低いので、ＡＣ電源のサージがなくなると整流素子４の入力端子間電圧も通常のＡＣ電圧値に戻る。サージがエネルギーの小さい（ピークが低く又は継続期間が短い）通常のものであれば、ライン間電圧はサージアブソーバ１２の動作電圧近傍までしか上昇しない。しかも、その上昇期間は短時間であり、整流素子４の出力側に印加されるエネルギーはコンデンサ６の容量に対して小さいため、コンデンサ６の電圧はほとんど上昇せず、又は上昇したとしても動作電圧までしか上昇しない。

特開２０１０−１７８５７１号公報 特開２０１０−２８７４５９号公報

しかし、上記の構成によると、雷サージのようなエネルギーの非常に大きいサージがＡＣ電源ラインに侵入した場合に問題が生じる。雷サージがライン間に印加される場合、サージアブソーバ１２には、通常のサージの場合と比べて５桁程度大きい電流が流れる。サージアブソーバ１２に一般的なバリスタを用いた場合について、図７にバリスタの電流電圧特性曲線（縦軸、横軸とも対数）の一例を示す。例えば、電流１ｍＡ時（動作開始時）の電圧が５００Ｖ程度であるバリスタの場合、電流１００Ａ時の電圧は１０００Ｖ程度となり、電流１ｍＡ時の約２倍となる。雷サージは一般に上記の電流１００Ａ・電圧１０００Ｖを発生させる程度のエネルギーを有している。ここで、電流制御回路７がスタンバイ状態（ＡＣ電源は投入されているがＬＥＤ８を点灯させない状態）のとき、ＡＣ電源側から見ると整流素子４の出力側のインピーダンスは高い。また、雷サージのエネルギーはコンデンサ６の容量に対して充分に大きい。従って、雷サージ電圧がライン間に印加されると、整流素子４の出力側のコンデンサ６にそのエネルギーが充電され、コンデンサ６の電圧が上昇する。

図８に図６のＬＥＤ点灯装置１０のライン間に雷サージが印加された場合の各部の電圧の変化を示す。図中の点線はサージアブソーバ１２を接続しない場合のライン間電圧の仮想曲線である。縦軸のＶｚはサージアブソーバ１２の動作電圧（例えば５００Ｖ）である。ｔ０に雷サージが印加されると、ライン間電圧が上昇していく。ｔ１にライン間電圧（即ち、サージアブソーバ１２の電圧Ｖ１２）が動作電圧Ｖｚに到達するとサージアブソーバ１２のクランプ動作が開始されるが、雷サージのエネルギーが非常に大きいため、サージアブソーバ１２の電流及び電圧は上昇していく。ｔ２に雷サージがピーク（Ｖｍａｘ）を過ぎると、サージアブソーバ１２の電圧Ｖ１２はそのクランプ動作により減少していく。

一方、ｔ０〜ｔ２にかけて雷サージ電圧がコンデンサ６に充電されると、ｔ２以降もコンデンサ６の電圧Ｖ６として電圧Ｖｍａｘが維持される。ｔ３以降は、雷サージ電圧が低下していくと、インピーダンスの低いＡＣ電源側の電圧とともにサージアブソーバ１２の電圧Ｖ１２も低下していく。しかし、整流素子４の出力側では、ＡＣ電源側の電圧が正常な状態に戻っても高い電圧Ｖｍａｘがコンデンサ６に充電された状態が継続されてしまう。このように、雷サージは短時間であるが、整流素子４の出力側の回路素子に過電圧が長時間にわたって印加されることにより、整流素子４、コンデンサ６又は電流制御回路７が故障する可能性がある。またさらに、電流制御回路７が非絶縁型の回路の場合にはＬＥＤ８が故障する可能性もある。

そこで、本発明は、雷サージがライン間に印加されても整流素子の出力側の回路を保護することができるようにノーマルモード雷サージ対策を強化したＬＥＤ点灯装置及びそれを用いた照明装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の側面は、交流電源からの給電を受けてＬＥＤを点灯するＬＥＤ点灯装置であって、交流電源からの給電が入力される整流素子、整流素子の入力端子間に接続された第１のサージアブソーバ、整流素子の出力端子間に接続された第２のサージアブソーバ、整流素子の出力端子間に接続されたコンデンサ、及びコンデンサの電圧からＬＥＤ電流を生成してＬＥＤに投入する電流制御回路を備え、第１及び第２のサージアブソーバの電流電圧特性において、同一の電圧が印加される場合に第２のサージアブソーバに流れる電流は第１のサージアブソーバに流れる電流よりも小さい。

ここで、第１及び第２のサージアブソーバがバリスタからなり、第２のサージアブソーバの動作電圧は第１のサージアブソーバの動作電圧よりも高い。

また、第１及び第２のサージアブソーバが同一素材のバリスタからなり、第２のサージアブソーバの動作電圧が第１のサージアブソーバの動作電圧の１．０５倍以上１．２１倍以下となるようにすることが好ましい。

またさらに、第１及び第２のサージアブソーバが同一素材のバリスタからなり、第２のサージアブソーバの動作電圧が第１のサージアブソーバの動作電圧の１．０５倍以上１．１０倍以下となるようにすることが好ましい。

また、第１及び第２のサージアブソーバを、ＪＩＳ Ｃ ５０６３標準数列のＥ２４系列におけるｎ番目及びｎ＋１番目の値の動作電圧をそれぞれ有する同一素材のバリスタとすることができる。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面のＬＥＤ点灯装置、ＬＥＤ点灯装置の出力端に接続されたＬＥＤ、及びＬＥＤ点灯装置を内包する筐体を備えた照明装置である。

本発明のＬＥＤ点灯装置を示す回路図である。 本発明のＬＥＤ点灯装置を説明する回路図である。 本発明のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。 本発明のＬＥＤ点灯装置を説明する図である。 本発明の照明装置を示す図である。 従来のＬＥＤ点灯装置を示す回路図である。 一般的なバリスタの特性を示す図である。 従来のＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。

図１に本発明の実施例によるＬＥＤ点灯装置を示す。ＬＥＤ点灯装置１は、交流電源ＡＣからの給電が入力される整流素子４、整流素子４の入力端子間に接続されたサージアブソーバ２、整流素子４の出力端子間に接続されたサージアブソーバ５、整流素子４の出力端子間に接続されたコンデンサ６、及びコンデンサ６の電圧からＬＥＤ電流を生成してＬＥＤ８に投入する電流制御回路７を備える。コンデンサ３はフィルタ用のコンデンサであり、整流素子４は全波整流器である。また、ＬＥＤ８として単一の素子を図示しているが、ＬＥＤ８は複数のＬＥＤ素子が直列接続される構成も含む趣旨で図示されている。

電流制御回路７には、一例として、図２に示すような降圧チョッパ回路を用いることができる。電流制御回路７は、ＰＷＭ制御回路７１、トランジスタ７２、コンデンサ７３、コイル７４、ダイオード７５及び電流検出抵抗７６を備える。トランジスタ７２がオン状態のときにダイオード８、コイル７４、トランジスタ７２及び電流検出抵抗７６を介して電流が流れ、トランジスタ７２がオフ状態のときにコイル７４に蓄えられたエネルギーを元に電流がダイオード７５及びＬＥＤ８に流れる。ＰＷＭ制御回路７１は、電流検出抵抗７６に発生する電圧、即ち、ＬＥＤ電流が所定値となるようにトランジスタ７２のオン幅を決定してトランジスタ７２を駆動する。電流制御回路７には、降圧チョッパ回路以外にも、絶縁トランスを用いたフライバック回路等の周知の回路構成を用いることができる。

本発明では、サージアブソーバ２及び５には、クランピングタイプの、即ち、サージ電圧印加時に電圧を一定の値に保つよう働く非線形抵抗性のサージアブソーバを用いるものとする。具体的には、サージアブソーバ２及び５として、本実施例では金属酸化物バリスタ（以下、「バリスタ２」及び「バリスタ５」という）を用いるが、ツェナーダイオード等を用いることも可能である。バリスタ５の動作電圧はバリスタ２の動作電圧よりも若干高いものが採用される。この理由については後述する。

図３に図１のＬＥＤ点灯装置のライン間に雷サージが印加された場合の各部の電圧を示す。図中の点線はバリスタ２及び５を接続しない場合の仮想のライン間電圧を示す曲線であり、縦軸のＶｚ２及びＶｚ５はそれぞれバリスタ２及び５の動作電圧である。ｔ０に雷サージが印加されると、ライン間電圧が上昇していく。ｔ１にライン間電圧が動作電圧Ｖｚ２に到達するとバリスタ２のクランプ動作が開始されるが、雷サージのエネルギーが非常に大きいため、バリスタ２の電流及び電圧は上昇していく。ｔ２にライン間電圧が動作電圧Ｖｚ５に到達するとバリスタ５のクランプ動作が開始される。ｔ３に雷サージがピーク（Ｖｍａｘ）を過ぎると、バリスタ２及び５の電圧Ｖ２及びＶ５もそれぞれのクランプ動作により減少していく。

ｔ４以降は、雷サージ電圧が低下していくと、ＡＣ電源側の電圧とともにバリスタ２の電圧Ｖ２も低下していく。また、バリスタ５の電圧Ｖ５は、その動作電圧Ｖｚ５に下がるまで、そのクランプ動作によりコンデンサ６の電圧とともに低下していく。ｔ５にバリスタ５の電圧Ｖ５が動作電圧Ｖｚ５まで下がると、その電圧がコンデンサ６に充電された状態が維持される。このように、ＡＣ電源側の電圧が正常な状態に戻れば、整流素子４の出力側はバリスタ５の動作電圧Ｖｚ５以下の電圧となる。従って、従来の図６の回路による図８の動作のように、コンデンサ６の電圧が雷サージピーク時の電圧Ｖｍａｘに維持されることはない。即ち、雷サージ時の整流素子４の出力側における過電圧保護が実現される。

ここで、バリスタ２とバリスタ５の関係について、仮にバリスタ２とバリスタ５が同じ仕様（同一の素材及び動作電圧）であるとすると、雷サージ印加時に双方に同一の電流が流れることになる。具体的には、図７に示すバリスタをバリスタ２及び５双方に用いた場合、それぞれに５０Ａ程度の電流が流れることになる。ここで、特に出力電力が数ワットの小型ＬＥＤ電流の場合、バリスタ５を流れる電流が整流素子４の電流容量（例えば１Ａ程度）を大きく超えることになり、整流素子４の故障をもたらす可能性がある。この過電流による故障は、電流制御回路７が動作中か待機中（スタンバイ状態）かにかかわらず起こり得る。

そこで、本発明では、バリスタ５の動作電圧がバリスタ２の動作電圧よりも高くなるように定数設定される。図４は、同一の素材からなる（動作電圧以外の仕様が同一の）バリスタＡ、Ｂ及びＣについての電圧電流特性曲線（縦軸、横軸とも対数）である。バリスタＡ、Ｂ及びＣは、ＪＩＳ Ｃ ５０６３標準数列のＥ２４系列におけるｎ番目、ｎ＋１番目、及びｎ＋２番目であるものとする。従って、バリスタＢの動作電圧はバリスタＡの動作電圧よりも約１０％高く、バリスタＣの動作電圧はバリスタＡの動作電圧よりも約２１％高い。

バリスタＡとバリスタＢを比較すると、同じ１０００Ｖ程度の印加電圧に対してバリスタＢに流れる電流は約１０Ａであり、バリスタＡに流れる電流（約１００Ａ）の１／１０程度となる。バリスタＡとバリスタＣを比較すると、同じ１０００Ｖ程度の印加電圧に対してバリスタＣに流れる電流は約１Ａであり、バリスタＡに流れる電流（約１００Ａ）の１／１００程度となる。また、バリスタＡよりも動作電圧が約５％高いバリスタＡ´（不図示）を想定した場合、同じ電圧値に対してバリスタＡ´に流れる電流はバリスタＡに流れる電流の１／５程度となると予想される。従って、印加電圧が１０００Ｖの場合、バリスタＡ´に流れる電流は２０Ａ程度となり、（整流素子４の電流耐量にもよるが）整流素子４に短時間流しても故障をもたらさない電流の上限に近づく。

このように、同一素材からなるバリスタ２及び５について、バリスタ５の動作電圧をバリスタ２の動作電圧よりも高くすることにより、雷サージ印加時に整流素子４を介してバリスタ５に流れる電流を軽減することができる。即ち、バリスタ５の動作電圧をバリスタ２の動作電圧の１．０５〜１．２１倍とすれば、バリスタ２に流れる電流に対するバリスタ５に流れる電流の比を５：１〜１００：１程度にすることができる。また、バリスタ５の動作電圧をバリスタ２の動作電圧の１．０５〜１．１０倍とすれば、バリスタ２に流れる電流に対するバリスタ５に流れる電流の比を５：１〜１０：１程度にすることができる。

また、バリスタ２とバリスタ５の動作電圧差が大きいと適正な過電圧保護機能の確保が難しくなる。例えば、バリスタ２の動作電圧が小さ過ぎると、保護が不要なピークの低いサージに対しても保護動作（バリスタ２のクランプ動作）が行われてしまい、バリスタ２の寿命が短縮されてしまう。一方、バリスタ５の動作電圧が高すぎると、整流素子４の出力側の過電圧保護機能が減殺されてしまう。従って、バリスタ５の動作電圧はバリスタ２の動作電圧の１．２１倍以下とすることが望ましく、１．１０倍以下とすることがより好ましい。

以上の観点から、一設計例として、ＡＣ電源電圧が２００Ｖの場合、バリスタ２の動作電圧を４３０Ｖ（公称値）、バリスタ５の動作電圧を４７０Ｖ（公称値）とする。具体的には、バリスタ２及び５の電圧が１０００Ｖである場合に、流れる電流はそれぞれ９０Ａ及び１０Ａ程度に分流される。これにより、バリスタ５の動作時も整流素子４の故障を防止することができる。また、ＡＣ電源電圧が１００Ｖの場合、バリスタ２の動作電圧を２００Ｖ（公称値）、バリスタ５の動作電圧を２２０Ｖ（公称値）とすればよい。

また、同一素材（動作電圧以外の仕様が同一）のバリスタについて、ＪＩＳ Ｃ ５０６３標準数列のＥ２４系列におけるｎ番目及びｎ＋１番目の値の動作電圧のバリスタ２及び５を採用すれば、バリスタ５の動作電圧をバリスタ２の動作電圧の約１．１０倍にすることができる。このように、同じ素材からなるバリスタを選定する際に、標準数列の隣接値を用いることにより設計を最適かつ容易にすることができる。

このように、バリスタ５の動作電圧をバリスタ２の動作電圧よりも５〜２１％、好ましくは５〜１０％高くすることにより、雷サージ印加時における整流素子４の出力側の過電圧保護を担保しつつも整流素子４の過電流防止を実現することができる。これにより、雷サージによってＬＥＤ点灯装置が故障する確率を大幅に低減することができる。

なお、実施例においては、同じ素材（動作電圧以外は同じ仕様）のバリスタをサージアブソーバ２及び５として用いたが、異なる素材のサージアブソーバを用いてもよい。即ち、１０００Ｖ程度の電圧が印加されるときに流れる電流比が５：１〜１００：１、好ましくは、５：１〜１０：１となる２つのサージアブソーバについて、電流値の大きい方をサージアブソーバ２に、電流値の小さい方をサージアブソーバ５に適用すればよい。

図５に上記実施例のＬＥＤ点灯装置１を搭載した照明装置の概略構成を示す。照明装置は、ＡＣ電源から配線Ｌ１及びＬ２を介して給電されるＬＥＤ点灯装置１、ＬＥＤ点灯装置１の出力端に接続されたＬＥＤ８、及びＬＥＤ点灯装置１を内包する筐体９を備える。なお、図５ではＬＥＤ点灯装置１とＬＥＤ８が一体化されたものを示しているが、ＬＥＤ８がケーブルを介してＬＥＤ点灯装置１及び筐体９から別置されるものであってもよい。

このように、雷サージ対策を強化したＬＥＤ点灯装置を搭載することにより、落雷の多い地域にも設置可能な照明装置を提供することができる。

１．ＬＥＤ点灯装置
２．サージアブソーバ
３．コンデンサ
４．整流素子
５．サージアブソーバ
６．コンデンサ
７．電流制御回路
８．ＬＥＤ
９．筐体

Claims (6)

1. 交流電源からの給電を受けてＬＥＤを点灯するＬＥＤ点灯装置であって、
   前記給電が入力される整流素子、
   前記整流素子の入力端子間に接続された第１のサージアブソーバ、
   前記整流素子の出力端子間に接続された第２のサージアブソーバ、
   前記整流素子の出力端子間に接続されたコンデンサ、及び
   前記コンデンサの電圧からＬＥＤ電流を生成して前記ＬＥＤに投入する電流制御回路
   を備え、
   前記第１及び第２のサージアブソーバの電流電圧特性において、同一の電圧が印加される場合に該第２のサージアブソーバに流れる電流が該第１のサージアブソーバに流れる電流よりも小さい、ＬＥＤ点灯装置。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置において、前記第１及び第２のサージアブソーバがバリスタからなり、該第２のサージアブソーバの動作電圧が該第１のサージアブソーバの動作電圧よりも高い、ＬＥＤ点灯装置。
3. 請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置において、前記第１及び第２のサージアブソーバが同一素材のバリスタからなり、該第２のサージアブソーバの動作電圧が該第１のサージアブソーバの動作電圧の１．０５倍以上１．２１倍以下であるＬＥＤ点灯装置。
4. 請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置において、前記第１及び第２のサージアブソーバが同一素材のバリスタからなり、該第２のサージアブソーバの動作電圧が該第１のサージアブソーバの動作電圧の１．０５倍以上１．１０倍以下であるＬＥＤ点灯装置。
5. 請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置において、前記第１及び第２のサージアブソーバが、ＪＩＳ Ｃ ５０６３標準数列のＥ２４系列におけるｎ番目及びｎ＋１番目の値の動作電圧をそれぞれ有する同一素材のバリスタからなるＬＥＤ点灯装置。
6. 請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置、該ＬＥＤ点灯装置の出力端に接続されたＬＥＤ、及び該ＬＥＤ点灯装置を内包する筐体を備えた照明装置。

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