照明装置 【技术领域】
本发明涉及具备 LED( 发光二极管 ) 等发光元件的照明装置, 特别是涉及使发光元 件点亮的点灯电路。背景技术
近年来, 从省能的考虑出发, 提出了许多代替白炽灯的灯泡形的 LED 照明装置。 LED 照明装置的点灯电路具备对交流电力进行整流的整流电路 (Rectifier Circuit)、 连接 于整流电路的输出侧的升降压变换器 (Buck-Boost Converter)、 连接于升降压变换器的输 出侧的发光模块、 以及控制升降压变换器的控制电路等 ( 参照例如专利文献 1)。
专利文献 1 : 日本特开 2008-235530 号公报
向来, 对白炽灯进行调光的手段广泛采用使用三端双向可控硅开关元件 (TRIAC) 的调光器。因此希望在 LED 照明装置中也能够沿用已有的调光器。 但是在已有的 LED 装置中, 使用已有的调光器的情况下, 存在不能够在调光电平 小的范围 ( 即照度低的范围 ) 调整照度的问题。这是因为如果调光器的调光电平小, 则提 供给 LED 照明装置的电力与此相应减小, 因此不能够确保使控制升降压变换器的控制电路 正常工作所必须的电压。其结果是, 控制电路的动作停止, LED 熄灭。
发明内容 本发明的目的在于, 提供一种能够用调光器进行调光并且在照度低的范围也能够 调整照度的照明装置。
本发明的照明装置是通过调光器从交流电源接受电力供给的照明装置, 它具备对 通过所述调光器所供给的电力进行整流的整流电路、 连接于所述整流电路的输出侧的升降 压变换器、 连接于所述升降压变换器的输出侧的发光模块、 检测所述调光器的调光电平的 调光电平检测电路、 以及控制电路, 该控制电路控制所述升降压变换器, 以使得与所述调光 电平检测电路检测出的调光电平相应的电流提供给所述发光模块, 使所述控制电路工作的 电力从所述升降压变换器的输出侧提供。
如果采用上述结构, 则控制电路能够对发光模块提供与调光器的调光电平相应的 电流。从而, 能够使用调光器进行调光。而且如果采用上述结构, 则使控制电路动作的电力 由升降压变换器的输出侧提供。 即使在调光电平低而提供给照明装置的电力相应减少的情 况下, 升降压变换器也能够保持输出电压恒定。因此即使是在照度低的范围也能够使控制 电路正常工作, 因此能够调整照度。
附图说明
图 1 是表示本发明的实施方式的照明装置的结构的剖面图。
图 2 是本发明的实施方式的照明装置的点灯电路的电路图。
图 3(a) 表示调光电平为最大值时的整流电路的输出电压, (b) 表示调光电平为最大值时的升降压变换器的节点 N2 的电压, (c) 表示调光电平为中间值时的整流电路的输出 电压, (d) 表示调光电平为中间值时的升降压变换器的节点 N2 的电压。
图 4 表示升降压变换器的输入电压和输出电压的图。
图 5 是表示使调光器的调光电平改变时的照明装置的照度变化的测定结果的曲 线图。
符号说明
1 照明装置
3LED 模块
5 搭载构件
7 外壳
9 球形灯罩
11 点灯电路
13 电路支架
15 灯头构件
17 绝缘基板
19 封装体
21 螺丝
23 粘接剂
25 绝缘基板
27 配线
31 整流电路
33 噪声滤波电路
35 功率因数改善电路
37 升降压变换器
39 调光电平检测电路
41 控制电路
43LED 驱动器
45 交流电源
47 调光器 具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
< 外形 >
图 1 是表示本发明的实施方式的照明装置的结构的剖面图。
照明装置 1 具备 : 具有作为光源的 LED( 相当于 “发光元件” ) 的 LED 模块 ( 相当于 “发光模块” )3、 搭载 LED 模块 3 的搭载构件 5、 一端具备搭载构件 5 的外壳 7、 覆盖 LED 模块 3 的球形灯罩 9、 使 LED 点亮的点灯电路 11、 将点灯电路 11 收纳于内部而且配置于外壳 7 内 的电路支架 13、 以及设置于外壳 7 的另一端的灯头构件 15。
LED 模块 3 具备安装有 LED 的绝缘基板 17 以及在绝缘基板 17 上被覆 LED 的封装体 19。封装体 19 由例如透明材料和能够将从 LED 发射的光线的波长变换为规定的波长的 变换材料构成。具体地说, 是在硅树脂中分散荧光体颗粒后成型的构件。
搭载构件 5 是由热传导性高的材料构成的圆盘状构件, 借助于螺丝 21 与电路支架 13 连结。作为热传导性高的材料, 可以采用例如铝等的金属材料。由于搭载构件 5 的外周 面与外壳 7 的内周面接触, 因此在 LED 模块 3 产生的热量通过搭载构件 5 传递给外壳 7。
外壳 7 是热辐射性能高的材料构成的筒状构件。作为热辐射性能高的材料, 可以 采用例如铝等的金属材料。在外壳 7 的内部容纳电路支架 13。
球形灯罩 9 被嵌入将搭载构件 5 与外壳 7 组合时形成的槽部, 通过在该槽部充填 粘接剂 23 被固定于搭载构件 5 和外壳 7 上。
点灯电路 11 是在绝缘基板 25 安装各种电子零部件的电路, 被固定于电路支架 13 的内表面。点灯电路 11 的输出端子与 LED 模块 3 的输入端子利用配线 27 电气连接。
电路支架 13 由绝缘性材料构成。作为绝缘性材料, 可采用例如合成树脂 ( 具体地 说, 是聚对苯二甲酸二丁酯 (PBT))。
灯头构件 15 是安装于照明器具的插座上, 用于通过该插座接受所供给的电力的 构件。具体地说, 可以采用爱迪生 ( エジソソ ) 式的灯头。灯头构件 15 被固定于电路支架 13。灯头构件 15 与点灯电路 11 的输入端子利用配线电气连接。 < 电路结构 >
图 2 是本发明的实施方式的照明装置的点灯电路的电路图。
照 明 装 置 1 主 要 具 备 整 流 电 路 (Rectifier Circuit)31、 噪 声 滤 波 (Noise Filter) 电 路 33、 功 率 因 数 改 善 (Power Factor Correction) 电 路 35、 升降压变换器 (Buck-Boost Converter)37、 调光电平检测电路 39、 控制电路 41 以及 LED 模块 3。照明装 置 1 通过采用三端双向可控硅开关元件 (TRIAC) 的调光器从交流电源 45 接受电力供给。
整流电路 31、 噪声滤波电路 33、 功率因数改善电路 35、 以及升降压变换器 37 依照 这一顺序级联 (cascade connection)。LED 模块 3 是将由 24 个 LED 串联连接构成的串联 连接体 2 组 ( 相当于 40W 的产品 ) 或 4 组 ( 相当于 60W 的产品 ) 并联连接形成的模块。调 光电平检测电路 39 是检测调光器 47 的调光电平用的电路。控制电路 41 是控制升降压变 换器 37 以将与调光电平检测电路 39 检测出的调光电平相应的电流提供给 LED 模块 3 用的 电路。还有, 升降压变换器 37 中包含的开关元件 M1 与控制电路 41 也可以利用封装于 1 个 组件中的 LED 驱动器 43。例如作为 LED 驱动器 43, 可以采用 MIP551 或 MIP552( 松下公司 制造 )。使控制电路 41 工作的电力从升降压变换器 37 的输出侧提供。
下面对升降压变换器 37、 调光电平检测电路 39、 以及控制电路 41 进行详细说明。
升降压变换器 37 由电感器 L1、 开关元件 M1、 整流元件 FRD、 电容 C8、 以及电阻元件 R6 构成。电感器 L1 的第 1 端子连接于整流电路 31 的正极侧的输出端子 ( 以下称为 “正端 子” ), 电感器 L1 的第 2 端子通过开关元件 M1 连接于整流电路 31 的负极侧的输出端子 ( 以 下称为 “负端子” )。电容 C8 的第 1 端子连接于电感器 L1 的第 1 端子, 电容 C8 的第 2 端子 通过整流元件 FRD 连接于电感器的第 2 端子。整流元件具体地说是反向恢复时间短的高速 整流二极管 (Fast Recovery Diode)。电阻元件 R6 的第 1 端子连接于电容 C8 的第 1 端子, 电阻元件的 R6 的第 2 端子连接于电容 C8 的第 2 端子。
调光电平检测电路 39 由电阻元件 R1、 R2、 R5、 晶体管 Tr1、 Tr2、 电容 C6、 正极性热
敏电阻 PTC 构成。晶体管 Tr2 的集电极端子通过电阻元件 R5 连接于整流电路 31 的正端 子, 晶体管 Tr2 的射极端子连接于整流电路 31 的负端子, 晶体管 Tr2 的基极端子连接于集 电极端子。又, 晶体管 Tr1 的集电极端子通过电阻元件 R1 连接于恒压端子 VDD, 晶体管 Tr1 的射极端子连接于整流电路 31 的负端子, 晶体管 Tr2 的基极端子连接于晶体管 Tr1 的基极 端子。晶体管 Tr1、 Tr2 构成电流镜 (Current Mirror) 电路。电容 C6 的第 1 端子连接于控 制电路 41 的控制输入端子 EX, 同时通过电阻元件 R2 连接于节点 N1, 电容 C6 的第 2 端子连 接于整流电路 31 的负端子。正极性热敏电阻 PTC 是温度越升高则电阻值越以非线性升高 的元件。这一元件被插入连结晶体管 Tr1 的集电极端子与节点 N1 的配线中, 作为根据温度 改变 LED 模块 3 的照度的温度控制开关发挥作用。
控制电路 41 具备电源输入端子 Vin、 恒压端子 VDD、 控制输入端子 EX、 控制输入端 子 L。电源输入端子 Vin 是接受使控制电路 41 工作的电力供给的端子。在本实施方式中, 电压输入端子 Vin 的最小输入电压采用 45V。电源输入端子 Vin 连接于电容 C8 的第 2 端子 ( 即升降压变换器 37 的输出端子中高电位侧的输出端子 )。恒压端子 VDD 是将控制电路 41 内部的恒压电源生成的恒电压 ( 例如 5.8V) 输出的端子。控制输入端子 EX 是接受表示调 光器 47 的调光电平的电压的端子。控制电路 41 具有在从交流电源 45 输入的电压超过上 限的情况下或低于下限的情况下使动作停止的功能。控制输入端子 L 是接受用于设定该上 限和下限的电压的端子。 在本实施方式中, 以根据调光电平输入电压发生变动为前提, 因此 做成不设定输入电压的上限和下限的规格。这可以通过适当设定电阻元件 R3、 R4 的电阻值 实现。控制电路 41 可以通过用高频 ( 例如 44kHz) 对开关元件 M1 的开关进行控制, 使恒定 电流流入 LED 模块 3。 在本实施方式中, 做成为对控制输入端子 EX 输入的电压越高, 则恒定 电流越小。
< 电路动作 >
下面对照明装置 1 的电路动作进行说明。
升降压变换器 37 的输出电压设定为与 LED 模块 3 的正向电压大致相同。在本实 施方式中, 在 LED 模块 3 内 24 个 LED 串联连接。LED 的每一个的正向电压为 3.2V 时, LED 模块 3 的正向电压为 76.8V。
利用控制电路 41 的控制使开关元件 M1 从截止转向导通时, 整流电路 31 的输出电 压被施加于电感器 L1, 电流通过电感器 L1 流入开关元件 M1。在开关元件 M1 导通的期间, 流入电感器 L1 的电流以一定的比例增加。该比例由整流电路 31 的输出电压和电感器 L1 的电感量决定。由于电流流入电感器 L1, 在电感器 L1 中积蓄了磁能。
反之, 借助于控制电路 41 的控制, 使开关元件 M1 从导通转移到截止时, 流向开关 元件 M1 的电流被切断。基于积蓄于电感器 L1 的磁能产生反电动势, 电流依序流向电感器 L1、 整流元件 FRD、 LED 模块 3、 电感器 L1。在开关元件 M1 截止期间, 流入 LED 模块 3 的电流 按一定比例减少。该比例由 LED 模块 3 的正向电压与整流元件 FRD 的正向电压之和以及电 感器 L1 的电感量决定。
控制电路 41 控制开关元件 M1 的开关, 使与对控制输入端子 EX 输入的电压相应的 电流流入 LED 模块 3。在本实施方式中, 输入到控制输入端子 EX 的输入电压越高, 则流入 LED 模块 3 的电流越小。
在调光电平检测电路 39 中, 与整流电路 31 的输出电压变动相应的脉动电流(Pulsating Current) 流入电阻元件 R5。 该脉动电流被电流镜电路拷贝, 因此电阻元件 R1 也流入相同的脉动电流。借助于电阻元件 R2 和电容 C6 构成的积分电路, 节点 N1 的电压被 平均化后被输入到控制电路 41 的控制输入端子 EX。用调光器 47 进行调光点灯的情况下, 整流电路 31 的输出电压平均值降低, 因此流入电阻元件 R1、 R5 的脉动电流的平均值下降, 节点 N1 的电压的平均值仅对应地上升该份额。也就是说, 节点 N1 的电压平均值可以说就 是表示调光器 47 的调光电平的电压。控制电路 41 根据向控制输入端子 EX 输入的电压改 变流入 LED 模块 3 的电流, 因此能够相应于调光器 47 的调光电平改变照度。
图 3(a) 表示调光电平为最大值时的整流电路的输出电压, (b) 表示调光电平为最 大值时的升降压变换器的节点 N2 的电压, (c) 表示调光电平为中间值时的整流电路的输出 电压, (d) 表示调光电平为中间值时的升降压变换器的节点 N2 的电压。
调光器 47 的输出电压在交流的半周期中从 0 交叉开始到经过延期时间 Td 为止维 持于 0, 如果经过延迟时间 Td 则以正弦波形变化。调整延迟时间 Td 相当于调整调光电平。
整流电路 31 的输出电压如图 3(a)、 (c) 所示, 在交流的半周期中, 首先上升到到达 电压 Va, 从到达电压 Va 开始到经过延迟时间 Td 为止维持于电压 Va, 如果经过延迟时间 Td, 则以正弦波形变化, 电压 Va 是功率因数改善电路 35 产生的电压上升份额。 还有, 如图 3(a) 所示, 在调光器 47 中, 即使是使调光电平为最大值, 延迟时间 Td 也不会是 0ms。 升降压变换器 37 中的节点 N2 的电压如图 3(b)、 (d) 所示, 以略微的变动幅度发生 变动。但是, 升降压变换器 37 的输出电压由于利用电容器 C8 平滑化, 因此是稳定的直流电 压。
图 4 是表示升降压变换器的输入电压和输出电压的图。输入电压 IN 相应于调光 电平发生变化。另一方面, 输出电压 OUT 在调光电平从最大 (MAX) 到最小 (MIN) 的范围内 维持 76.8V。
假如将控制电路 41 的电源输入端子 Vin 连接于升降压变换器 37 的输入侧的情况 下 ( 相当于已有技术 ), 使调光电平从最大值降低下去, 则输入到电源输入端子 Vin 的输入 电压也随之降低。然后在输入到电源输入端子 Vin 的输入电压达到 45V 时, 控制电路 41 停 止工作, LED 模块 3 熄灯。因此, 只有在调光电平从最大值到 d1 为止的范围能够进行调光。
与此相对, 将控制电路 41 的电源输入端子 Vin 连接于升降压变换器 37 的输出侧 的情况下 ( 相当于本实施方式 ), 在调光电平从最大值到最小值的范围内, 对控制输入端子 Vin 的输入电压维持于 76.8V, 不低于 45V。 从而, 能够在从调光电平的最大值到最小值的范 围进行调光。
如上所述, 根据本实施方式, 则控制电路 41 能够将与调光器 47 的调光电平相应的 电流提供给发光模块。从而能够采用调光器稳定地进行调光。而且, 从升降压变换器 37 的 输出侧提供使控制电路 41 工作的电力。升降压变换器 37 的输出电压即使在调光电平小, 提供给照明装置 1 的电力与此相应降低的情况下, 也能够维持于控制电路 41 的最小输入电 压 (45V) 以上。从而, 即使是在照度低的范围, 也能够使控制电路 41 稳定地工作, 因此能够 相应于调光器 47 的调光电平调整照度。
< 验证 >
发明人测定了使调光器 47 的调光电平改变时照明装置 1 的照度变化。图 5 是表 示该测定结果的曲线图。根据图 5 可知, 越是使延迟时间 Td 增大 ( 越是减小调光电平 ), 就
越是能够使照度下降。控制电路 41 的最小照明装置 1 的照度随延迟时间 Td 线性变化。这 是因为即使是将延迟时间 Td 设定为最小 ( 使调光电平为最小 ), 升降压变换器 37 的输出电 压也不会低于控制电路 41 的最小输入电压 (45V)。 从而可知在照度低的范围内不会发生由 于控制电路 41 的输入电压不足造成 LED 模块 3 突然熄灯的情况, 在广大的照度范围内能够 对照度进行调整。
< 其他特征 >
(1) 升降压变换器的电感器
在使用三端双向可控硅开关 (TRIAC) 的调光器 47 中, 即使是使调光电平为最小 值, 输出电压也不为 0, 而是输出有效值 (root mean square ; 均方根值 ) 数十 V 左右的电压 ( 电源电压为 100V 的情况下 )。
在升降压变换器 37 中, 设定电感器 L1 的电感值, 使得调光器 47 的调光电平为最 小时, 电容器 C8 的第 2 端子上产生的电压不小于使控制电路 41 工作用的最小输入电压 (45V)。所谓电容器 C8 的第 2 端子上产生的电压是输入到控制电路 41 的电源输入端子 Vin 的电压。借助于此, 使调光电平降低时在 LED 模块 3 熄灯之前能够使控制电路 41 稳定地工 作。
(2) 照明装置闪烁的防止
在升降压变换器 37 中, 电容 C8 的电容量等于或大于 80μF。 这样可以使升降压变 换器 37 的输出电压平滑, 可以防止照明装置的闪烁。
又, 在调光电平检测电路 39 中, 电容 C6 的电容量等于或大于 0.1μF, 等于或小于 0.5μF(0.1μF ≤ C6 的电容量≤ 0.5μF)。 借助于此, 能够使节点 N1 的电压适当地平均化, 能够防止照明装置的闪烁。
(3) 过热保护功能 (Over Temperature Protection)
在调光电平检测电路 39 中, 作为温度控制开关具有正极性热敏电阻 PTC。 从而, 在 LED 模块 3 或控制电路 41 异常发热的情况下, 正极性热敏电阻 PTC 动作, 能够限制流入电 阻元件 R1 的电流。借助于此, 能够减少流入 LED 模块 3 的电流, 其结果是, 能够抑制发热, 保护照明装置 1。还有, 这样的异常发热在照明装置 1 使用于通常环境的情况下不会发生, 而在异常高温环境 ( 例如将照明装置 1 设置于密闭的器具内等情况 ) 使用的情况下可能发 生。正极性热敏电阻 PTC 可以采用例如具有在温度低于 95℃时几乎没有电阻, 而在 95℃以 上时电阻急剧增加到 4.7kΩ 以上的物质。
(4)LED 模块的正向电压
LED 模块 3 的正向电压为 76.8V。而 LED 模块 3 的熄灯电压为 50V。这两个电压都 比调光器 47 的调光电平为最小时的调光器 47 的输出电压 ( 有效值, 数十 V 左右 ) 高。在 已有技术的情况下, 这样的情况下容易发生在照度低的范围不能够调整照度的问题。在本 实施方式中, 即使是这样的情况下, 也能够在照度低的范围调整照度。
(5) 确保调光器的正常动作
在整流电路 31 的输入侧连接电阻 Ra、 Rb。电阻 Rb 是使调光器 47 的保持电流 (Holding Current) 流过用的电阻元件。电阻元件 Rb 的电阻值采用例如 80Ω。这样能够 确保调光器 47 的正常工作。
(6) 控制电路的电源电压照明装置 1 中采用能够将市电的电源电压输入到电源输入端子 Vin 的 LED 驱动器 43。例如 MIP551 和 MIP552 的输入电压为 80 ~ 280V。借助于此, 不需要准备生成 LED 驱动 器的电源电压用的电路, 能够减少零部件数目。
< 变形例 >
以上根据实施方式对本发明的结构进行了说明, 但是本发明不限于上述实施方 式。例如可以举出如下所述的变形例。
(1) 在实施方式中作为温度控制开关, 具备正极性热敏电阻 PTC, 这是实现过热保 护功能用的选项。也可以不具备温度控制开关。又, 在实施方式中, 温度控制开关采用正极 性热敏电阻 PTC, 但是不限于此, 也可以采用温度熔断器等。特别是如果采用低于规定温度 则导通而在规定温度以上则截止的元件, 则在规定温度以上的情况下可以停止对 LED 模块 3 的电流供应。
(2) 在实施方式中, 整流电路 31 的输出侧上连接噪声滤波电路 33, 但是不限于此, 也可以采用连接在整流电路 31 的输入侧的方法。
(3) 在实施方式中, 在升降压变换器 37, 开关元件 M1 被连接于比电感器 L1 更靠低 电位侧的地方, 但是不限于此, 也可以是开关元件 M1 连接于比电感器 L1 更靠高电位侧的地 方。在这种情况下, 电感器 L1 的第 1 端子通过开关元件 M1 连接于整流电路 31 的正端子, 电感器 L1 的第 2 端子连接于整流电路 31 的负端子。 (4) 在实施方式中, 具备功率因数改善电路 35, 这是实现功率因素改善功能用的 选项。也可以不具备功率因数改善电路 35。
(5) 在实施方式中, 整流电路 31 是全波整流电路, 但是并不限于此, 也可以是半波 整流电路。
(6) 在实施方式中, 开关元件采用 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 晶体管, 但是 并不限于此, 也可以采用 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、 双极晶体管等。
(7) 在实施方式中, 构成电流镜电路的晶体管采用双极晶体管, 但是并不限于此, 也可以采用 MOS 晶体管。
(8) 在实施方式中, 在 LED 模块 3 中, LED 的串联数目为 24 个, 将其两组或四组并 联连接, 但是本发明不限于此, LED 的个数只要根据所需要的亮度适当决定即可。
(9) 在实施方式中, LED 驱动器 43 采用 MIP551 或 MIP552, 但是本发明不限于此。 又, 在实施方式中, 举出了最小输入电压等的具体的数值, 但是这只是例示。
(10) 在实施方式中, 即使是调光电平最小时, 也将升降压变换器的输出电压维持 于 76.8V, 但是本发明不限于此。 调光电平最小时的升降压变换器的输出电压如果比控制电 路的最小输入电压和 LED 模块的熄灯电压中的较高的电压还高, 则可以在调光电平从最大 到最小的范围进行调光。例如在本实施方式中, 若调光电平最小时升降压变换器的输出电 压如果比 50V 高, 则可以在调光电平从最大到最小的范围进行调光。调光电平最小时的升 降压变换器的输出电压可以通过调整电感器的电感值适当进行调整。
工业应用性
本发明可使用于一般照明。