JP6533966B2 - 照明付電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明付電源装置に関する。

従来、例えば、特開２００４−５５３６１号公報に開示されているように、照明付の電源装置が知られている。この従来技術では、夜間などにおいて明かりを必要とするときに、電気機器の充電器を利用して電気機器を照明することができる照明装置を提供することを図っている。具体的には、この公報にかかる段落００１９には、装置本体の外周面に、充電器側コネクタを接続可能なコネクタと、中継用コネクタを接続可能なコネクタとが設けられており、さらに、制御装置とコネクタとのいずれかを選択してコネクタに接続する切換手段である切替スイッチが設けられている旨の記載がある。切替スイッチは、充電器を照明装置の電源に利用するのか携帯電話の充電に利用するのかを選択する選択スイッチとして用いられている。

特開２００４−５５３６１号公報

上記従来の技術は、電気機器の充電器により交流電源から直流電力を生成し、この直流電力を切替スイッチを介して照明装置と携帯電話のいずれか一方に択一的に給電するものである。従って、交流電源が得られない場合には電源装置を用いることができず、夜間などにおいて明かりを必要とするときにコンセント近傍で使用するなどの用途に限定されるものであった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、交流電源の遮断中であっても作動可能な照明付電源装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる照明付電源装置は、交流電源と接続するように構築された第一入力端と、前記第一入力端から入力される交流電圧を整流する整流器と、前記整流器の出力する直流電圧を受けるインダクタ要素およびスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記インダクタ要素の出力側に設けられた出力平滑コンデンサと、を備え前記直流電圧を変換する直流電源回路と、前記出力平滑コンデンサの正極端子の電圧を受ける第一端子と、基準電位に接続する第二端子と、を含み、電力の入力および出力を可能とするように構築されたユニバーサルシリアルバス端子部と、前記正極端子と前記第一端子との接続点に第二入力端が接続し、前記第二入力端を介して入力された電力を変換して、変換後の電力を出力端から出力する点灯回路と、前記点灯回路の前記出力端から電力を受け取って点灯するＬＥＤ光源と、を備える。

本発明によれば、平滑コンデンサを介して直流電源回路、光源を点灯させる点灯回路、および端子部が互いに電気的に接続されている。直流電源回路の停止中に外部電源を端子部に接続することで、点灯回路に電力を供給し、光源を点灯させることもできる。これにより、交流電源が遮断されている間も外部電源を用いて照明付電源装置を作動させることが可能となる。

本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置の正面図である。 本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置を示す回路図である。 本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置におけるＬＥＤ点灯回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置におけるＬＥＤ点灯回路に外部電源を接続した回路図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置１００の正面図である。照明付電源装置１００は、ＬＥＤ足元灯である。照明付電源装置１００は、ＬＥＤ５０を備える発光部１と、外郭２と、端子部３と、照度センサ４を備える。外郭２の内部には、図２に示す照明付電源装置１００の回路を構成する各種部品が実装された基板（図示しない）が設けられている。発光部１には１つ以上のＬＥＤ５０が配列され、発光部１からＬＥＤ光を照射することができる。端子部３は、ユニバーサルシリアルバス端子である。照度センサ４は、ＬＥＤ５０の点灯、消灯を制御するために周囲の明るさを検知する。なお、発光部１は、１つ以上の有機ＥＬ素子で構成しても良い。

図２は、本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置１００を示す回路図である。照明付電源装置１００は主な構成として、整流回路ＤＢと、直流電源回路１０と、ＬＥＤ点灯回路５と、端子部３と、端子処理部７と、保護回路１２と、検出回路１５と、光源としてのＬＥＤ５０と、を備えている。

具体的には、照明付電源装置１００は、整流回路ＤＢと、この整流回路ＤＢに接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２を備える。ダイオードブリッジである整流回路ＤＢは、商用電源ＡＣからの交流電圧を整流して、脈流の直流電圧（以下、整流電圧ともいう。）に変換する。コンデンサＣ１、Ｃ２は、整流回路ＤＢが出力する脈流の直流電圧を平滑する入力平滑コンデンサである。商用電源ＡＣと整流回路ＤＢの間には、商用電源ＡＣ間のコモンモードノイズを抑制するためのラインフィルタＬ１が接続される。コンデンサＣ１の負極端子は、コイルＬ２を介してコンデンサＣ２の負極端子と接続される。コンデンサＣ１、Ｃ２とコイルＬ２でパイ型のフィルター回路が形成される。これにより、直流電源回路１０が動作するときに発生する高周波ノイズを抑制することができる。

直流電源回路１０は、整流回路ＤＢが出力する整流電圧を変換して後段に伝えるスイッチングコンバータである。直流電源回路１０は、主な構成として、インダクタ要素としてのトランスＴＲ、ＭＯＳＦＥＴＱ１、ＭＯＳＦＥＴＱ１を制御する制御集積回路９、およびトランスＴＲの出力側に設けられた出力平滑コンデンサとしてのコンデンサＣ５、Ｃ６を備えている。

具体的には、直流電源回路１０は、コンデンサＣ２と並列に接続される。直流電源回路１０は、制御集積回路９を起動、動作させる起動抵抗Ｒ１を備え、制御集積回路９のＶｃｃ端子に接続される。直流電源回路１０は、いわゆるフライバック方式の定電圧回路であって、１次側と２次側回路がトランスＴＲで絶縁されており、ＭＯＳＦＥＴＱ１と、このＭＯＳＦＥＴＱ１をオン／オフ制御する制御集積回路９とを備えている。制御集積回路９には、Ｖｃｃ端子の他に、オン時間決定端子、発振停止端子、Ｖｇ端子が備えられている。起動抵抗Ｒ１は、整流電圧から制御集積回路９のＶｃｃ端子に接続され、電圧を安定化するコンデンサＣ３に電荷を蓄える。Ｖｃｃ端子は制御集積回路９の制御電源端子である。商用電源ＡＣからの交流電圧が入力されると、起動抵抗Ｒ１を介してＶｃｃ端子に制御電源が供給され、制御集積回路９が動作を開始する。

トランスＴＲ１は、フライバック回路の１次側である一次巻線Ｔ１と、この一次巻線との巻線比に応じた電圧が発生する二次巻線Ｔ２を備える。一次巻線Ｔ１は、片側に整流電圧が接続され、片側にはＭＯＳＦＥＴＱ１のドレインが接続される。フライバック回路の２次側である二次巻線Ｔ２はダイオードＤ１のアノードに接続している。二次巻線Ｔ２に発生する高周波電圧は、ダイオードＤ１で整流され、コンデンサＣ５、Ｃ６で平滑される。

なお、コンデンサＣ５の正極端子がコイルＬ３を介してコンデンサＣ６の正極端子と接続することでパイ型のフィルター回路が構成されている。このフィルター回路によれば、直流電源回路１０が動作するときに発生する高周波ノイズを、平滑電圧から除去することができる。また、フライバック回路の１次側と２次側間にコンデンサＣ４を備えることで、スイッチングノイズの除去および２次側回路電位の安定化を行うことができる。

端子部３は、直流電源回路１０に接続している。端子部３は、コンデンサＣ６の正極端子に接続したＶＢＵＳ端子と、コンデンサＣ６の負極端子（基準電位側とも称す）に接続したＧＮＤ端子とを備えている。端子部３は、ＶＢＵＳ端子およびＧＮＤ端子の他に、データ信号の通信端子であるＤ−端子とＤ＋端子を備えている。ＶＢＵＳ端子電圧は平滑電圧と等しく、本実施の形態では端子部３がユニバーサルシリアルバス端子であることからＶＢＵＳ端子電圧は５Ｖであるものとする。

端子処理部７は、Ｄ−端子およびＤ＋端子の処理を行う。ユニバーサルシリアルバス端子の機能として定められるＤ−端子、Ｄ＋端子は、データ信号の通信端子であるため、本発明では必須の構成ではない。しかしながら、携帯機器によってＤ−端子、及びＤ＋端子の端子処理を行う必要がある場合もある。携帯機器への応用を行うためには、照明付電源装置１００内で端子処理を行う必要がある。そこで、一例として抵抗Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６からなる端子処理部７によってＤ−端子およびＤ＋端子の処理を行っている。実際には適応する携帯機器毎に適宜設定される。

保護回路１２は、直流電源回路１０の保護回路として備えられた回路である。保護回路１２は、下記に述べるように「過電圧保護回路」と「過電流保護回路」を含んでいる。過電圧保護回路は、抵抗Ｒ５、Ｒ６、ツェナダイオードＤＺ２、およびトランジスタＱ２を備えている。過電流保護回路は、抵抗Ｒ１７およびトランジスタＱ３を備えている。フォトカプラＰＣ２は、過電圧保護回路と過電流保護回路とで共用される。フォトカプラＰＣ２はＬＥＤ部およびトランジスタ部を備えており、便宜上図１ではトランジスタ部を直流電源回路１０の内部に記載している。

過電圧保護回路は、抵抗Ｒ５、Ｒ６の直列接続が平滑電圧間に接続され平滑電圧の検出を行うものである。抵抗Ｒ５、Ｒ６の接続点とツェナダイオードＤＺ２のカソードとが接続され、ツェナダイオードＤＺ２のアノードとトランジスタＱ２のベースとが接続される。トランジスタＱ２のコレクタは、フォトカプラＰＣ２におけるＬＥＤ部のカソードに接続される。フォトカプラＰＣ２のトランジスタ部は、Ｖｃｃと制御集積回路９の発振停止端子間に接続される。なんらかの異常により平滑電圧が上昇するとき、抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗分圧値も高くなり、ツェナダイオードＤＺ２のツェナ電圧を超えると、トランジスタＱ２のベースに電流が流れる。トランジスタＱ２にベース電流が流れるとコレクタ電流が流れ、フォトカプラＰＣ２のＬＥＤ部に電流が流れる。この結果、フォトカプラＰＣ２のトランジスタ部にコレクタ電流が流れて、制御集積回路９の発振停止端子に電圧が印加されることで、直流電源回路１０のスイッチング動作が停止される。

過電流保護回路は、抵抗Ｒ１７が端子部３のＧＮＤ端子に接続され、端子部３から流れる電流を電圧に変換して検出を行うものである。抵抗Ｒ１７は、さらにトランジスタＱ３のベースに接続される。トランジスタＱ３のコレクタは、フォトカプラＰＣ２におけるＬＥＤ部のカソードに接続される。端子部３からの外部に供給される電流が大きいとき、抵抗Ｒ１７に発生する電圧が高くなり、トランジスタＱ３にベース電流が流れてオンする。トランジスタＱ３にベース電流が流れるとコレクタ電流が流れ、フォトカプラＰＣ２のＬＥＤ部に電流が流れる。以降の動作は過電圧保護回路の動作と同様にフォトカプラＰＣ２のトランジスタ部にコレクタ電流が流れて、制御集積回路９の発振停止端子に電圧が印加されて、直流電源回路１０の動作は停止する。

照明付電源装置１００は、検出回路１５を含んでいる。検出回路１５は、フォトカプラＰＣ１と、抵抗Ｒ８と、ツェナダイオードＤＺ１とを備えている。フォトカプラＰＣ１はＬＥＤ部およびトランジスタ部を備えており、便宜上図１ではトランジスタ部を直流電源回路１０の内部に記載している。検出回路１５は、コンデンサＣ５、Ｃ６の平滑電圧を検出して制御集積回路９に伝達する。

検出回路１５は、コンデンサＣ５、Ｃ６を介して出力されるべき予め定めた平滑電圧値を決定するために用いられる。抵抗Ｒ８とツェナダイオードＤＺ１の直列回路がコンデンサＣ６と並列に接続される。抵抗Ｒ８と並列にフォトカプラＰＣ１のＬＥＤ部が接続される。フォトカプラＰＣ１のトランジスタ部は、制御集積回路９のオン時間決定端子から電流制限用抵抗Ｒ２を介して接続される。平滑電圧値は、おおよそ、フォトカプラＰＣ１のＬＥＤ部の順方向電圧とツェナダイオードＤＺ１のツェナ電圧の合成値で決定することができる。

直流電源回路１０は、検出回路１５で検出した電圧値に基づいてコンデンサＣ５、Ｃ６の平滑電圧を定電圧制御する。具体的には、まず、平滑電圧が予め定めた所定値を超えると、フォトカプラＰＣ１のＬＥＤ部の電流が大きくなり、フォトカプラＰＣ１のトランジスタ部のコレクタ電流が大きくなる。この所定値は、フォトカプラＰＣ１のＬＥＤ部の順方向電圧とツェナダイオードＤＺ１のツェナ電圧から定まる。フォトカプラＰＣ１のトランジスタ部のコレクタ電流が増加すると、制御集積回路９のオン時間決定端子に印加される電圧が低下する。

制御集積回路９は、オン時間決定端子の印加電圧が高くなるとオン時間を広げ、低くなるとオン時間が短くする。制御集積回路９は固定周波数で動作する。平滑電圧値が上昇すると、フォトカプラＰＣ１のＬＥＤ部を流れる電流が増加する。これによりオン時間決定端子電圧が小さくなるため、ＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間は短くなる。その結果、直流電源回路１０の出力電圧が小さくなり、平滑電圧が低減される。逆に、平滑電圧が減少すると、上記とは逆の動作が起きることでＭＯＳＦＥＴＱ１のオン時間を長くすることができ、平滑電圧が増加される。これらの動作が能動的に繰り返されることで、平滑電圧が定電圧制御される。なお、抵抗Ｒ８は、ツェナダイオードＤＺ１に安定的に電流を流すためのバイパス抵抗である。このように、直流電源回路１０の動作により、コンデンサＣ６の平滑電圧を所望値に維持することができる。

図１および図２に示すように、ＬＥＤ点灯回路５は、接続点Ｐに接続している。接続点Ｐは、コンデンサＣ６の正極端子と端子部３のＶＢＵＳ端子とを電気的に接続する経路に設けた点である。ＬＥＤ点灯回路５は、接続点Ｐから電力を得てＬＥＤ５０を点灯させる。

図３は、本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置１００におけるＬＥＤ点灯回路５を示す回路図である。ＬＥＤ点灯回路５は、抵抗Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、トランジスタＱ４、Ｑ５、ダイオードＤ３、Ｄ４、および図１にも示した照度センサ４を備えている。

抵抗Ｒ１８と並列にダイオードＤ３、Ｄ４が接続され、平滑電圧に接続される。抵抗Ｒ１８はトランジスタＱ４のエミッタに接続される。ダイオードＤ４のカソードは、トランジスタＱ４のベースと抵抗Ｒ１９の接続点に接続される。抵抗Ｒ１９はトランジスタＱ５のコレクタに接続される。トランジスタＱ５のベースには、フォトダイオードＤ５および抵抗Ｒ２０からなる直列回路の一端が接続される。フォトダイオードＤ５を用いているのは一例であり、他の光センサを用いてもよい。トランジスタＱ４のコレクタにはＬＥＤ５０のアノードが接続される。

照度センサ４は、照明付電源装置１００の周囲の明るさを検知するためのフォトダイオードＤ５を備えている。フォトダイオードＤ５は、予め定めた所定照度を受けると電流が流れる素子である。

本実施の形態にかかる照明付電源装置１００は足元灯であり、足元灯は昼間の点灯が不要である。このため、照明付電源装置１００の周囲環境が明るいときにはフォトダイオードＤ５に電流が流れ、フォトダイオードＤ５に順方向電圧が発生する。この順方向電圧がトランジスタＱ５のオンする電圧よりも低く設定されているためトランジスタＱ５にベース電流が流れずオフする。トランジスタＱ５がオフしていると、トランジスタＱ４はベース電流を流すことができず、トランジスタＱ４はオフする。よって、トランジスタＱ４はコレクタ電流が流れず、ＬＥＤ５０は点灯しない。

照明付電源装置１００の周囲環境が暗くなると、フォトダイオードＤ５に電流が流れず、トランジスタＱ５に抵抗Ｒ２０からベース電流が流れてオンする。トランジスタＱ５がオンすると、トランジスタＱ４にベース電流が流れるため、トランジスタＱ４はオンする。トランジスタＱ４がオンすると、エミッタからコレクタに電流が流れ、ＬＥＤ５０は点灯する。

トランジスタＱ４のコレクタ電流、即ちＬＥＤ５０に流れる電流は、トランジスタＱ４のＨＦＥが十分大きいとすると、概略、次の式で表すことができる。
ＩｃＱ４＝（（ＶｆＤ３＋ＶｆＤ４）−ＶｂｅＱ４）÷Ｒ１８
この式からわかるようにＬＥＤ５０は、抵抗Ｒ１８とダイオードＤ３、Ｄ４及び、トランジスタＱ４のエミッタ−ベース特性により、予め定めた所定電流値を得ることができる。

以上のように、ＬＥＤ点灯回路５は、フォトダイオードＤ５の出力に応じてＬＥＤ５０の点灯と消灯とを切り替える。本実施の形態では、ＬＥＤ５０の点灯時と消灯時の両方において、ＶＢＵＳ端子とコンデンサＣ６の正極端子とが接続点Ｐで接続される。従って、ＬＥＤ５０の点灯状態に関わらず平滑電圧を端子部３に供給し続けることができる。

なお、本実施の形態では、ＬＥＤ点灯回路５として、ＬＥＤ５０に流れる電流を定電流制御する回路を例示したが、本発明はこれに限られない。ＬＥＤ点灯回路５は、ＬＥＤ５０に印加される電圧の定電圧制御を行う回路、またはＬＥＤ５０で消費する電力の定電力制御を行う回路であってもよい。

なお、足元灯では、約１〜１０ｌｘの明るさが必要であるため、光源には少なくとも約１０〜２０ｌｍの明るさがあることが好ましい。ユニバーサルシリアルバス端子の５Ｖからでも一般的なＬＥＤ５０の立ち上がり電圧である約３Ｖを取り出すことができ、回路として省部品で簡単な構成で足元灯に必要な電力を十分に供給できる。さらに、携帯機器の使用頻度が少なくなる夜間に充電を行うときに足元灯から充電を行うことができるため、携帯機器の周囲を足元灯の明かりで照らすことができる。本実施の形態によれば、昼間はＬＥＤ５０を消灯させ省エネを行いつつ、携帯機器を充電することが可能である。

図４は、本発明の実施の形態にかかる照明付電源装置１００におけるＬＥＤ点灯回路５に外部電源３０を接続した回路図である。図４には、ＬＥＤ点灯回路５に端子部３を介して外部電源３０からの外部電源電圧Ｖｉｎを供給する様子が図示されている。外部電源３０は、携帯機器などに内蔵された電池であってもよく、あるいはパーソナルコンピュータなどのユニバーサルシリアルバス給電可能な電気機器であってもよい。端子部３に供給される平滑電圧からＬＥＤ点灯回路５に電流を供給するようにすることで、停電時など商用電源ＡＣが遮断されているときでもＬＥＤ５０を予め定めた所定の明るさで点灯させることができる。

外部電源３０からの外部電源電圧Ｖｉｎは、ユニバーサルシリアルバス端子を使用しているため、ユニバーサルシリアルバス給電標準規格で定められた電圧（具体的には５Ｖ）が入力される。すると、ＬＥＤ点灯回路５には商用電源ＡＣが通電される定常時における平滑電圧と同じ大きさの電圧が供給されるので、定常時と同じ明るさでＬＥＤ５０を点灯させることができる。このように、停電時などでも明かりを得ることができ、使用者の利便性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、接続点Ｐを介して、直流電源回路１０、ＬＥＤ点灯回路５、および端子部３が互いに電気的に接続されている。直流電源回路１０の停止中に外部電源３０を端子部３に接続することで、ＬＥＤ点灯回路５に電力を供給し、ＬＥＤ５０を点灯させることもできる。これにより、直流電源回路１０の停止中でも外部電源３０を用いて照明付電源装置１００を作動させることができる。

詳細には、直流電源回路１０の作動状況、および端子部３へ外部電気機器と外部電源３０のいずれを接続するかに応じて、下記の第１〜３状態がそれぞれ実現される。すなわち、第１状態では、直流電源回路１０でコンデンサＣ５、Ｃ６を充電し、コンデンサＣ５、Ｃ６からの平滑電圧でＬＥＤ５０を点灯させることができる。第２状態では、端子部３を介してコンデンサＣ５、Ｃ６と外部電気機器を接続することで、コンデンサＣ５、Ｃ６の平滑電圧で外部電気機器を充電することができる。第３状態では、図４に示すように、直流電源回路１０の停止中に外部電源３０を端子部３に接続することで、ＬＥＤ点灯回路５に電力を供給し、ＬＥＤ５０を点灯させることもできる。これにより、直流電源回路１０の作動中のみならず、直流電源回路１０の停止中でも照明付電源装置１００を作動させることができる。

本実施の形態では直流電源回路１０、ＬＥＤ点灯回路５、および端子部３の間に特開２００４−５５３６１号公報で設けられているような切替スイッチを設けなくともよい。検出回路１５の検出した電圧に基づいて直流電源回路１０がコンデンサＣ５、Ｃ６の平滑電圧を定電圧制御するので、端子部３に外部の電気機器が接続されてこの電気機器への電力供給（充電）が行われているときでも、自動的にコンデンサＣ５、Ｃ６の電圧が制御される。

１ 発光部、２ 外郭、３ 端子部、４ 照度センサ、５ ＬＥＤ点灯回路、７ 端子処理部、９ 制御集積回路、１０ 直流電源回路、１２ 保護回路、１５ 検出回路、３０ 外部電源、１００ 照明付電源装置、ＤＢ 整流回路、ＤＺ１、ＤＺ２ ツェナダイオード、Ｌ１ ラインフィルタ、ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラ

Claims (4)

1. 交流電源と接続するように構築された第一入力端と、
   前記第一入力端から入力される交流電圧を整流する整流器と、
   前記整流器の出力する直流電圧を受けるインダクタ要素およびスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路と、前記インダクタ要素の出力側に設けられた出力平滑コンデンサと、を備え前記直流電圧を変換する直流電源回路と、
   前記出力平滑コンデンサの正極端子の電圧を受ける第一端子と、基準電位に接続する第二端子と、を含み、電力の入力および出力を可能とするように構築されたユニバーサルシリアルバス端子部と、
   前記正極端子と前記第一端子との接続点に第二入力端が接続し、前記第二入力端を介して入力された電力を変換して、変換後の電力を出力端から出力する点灯回路と、
   前記点灯回路の前記出力端から電力を受け取って点灯するＬＥＤ光源と、
   を備える照明付電源装置。
2. 前記出力平滑コンデンサの電圧を検出して前記制御回路に伝達する検出回路を含み、
   前記直流電源回路は、前記検出回路で検出した電圧値に基づいて前記出力平滑コンデンサの電圧を定電圧制御する請求項１に記載の照明付電源装置。
3. 前記点灯回路は、周囲の明るさを検知する光センサを含み、前記光センサの出力に応じて前記ＬＥＤ光源の点灯と消灯とを切り替え、
   前記ＬＥＤ光源の点灯時と消灯時の両方において前記ユニバーサルシリアルバス端子部の前記第一端子と前記出力平滑コンデンサの前記正極端子と前記点灯回路の前記第二入力端とが前記接続点を介して電気的に接続する請求項１または２に記載の照明付電源装置。
4. 前記点灯回路は、前記ＬＥＤ光源を流れる電流の定電流制御、前記ＬＥＤ光源に印加される電圧の定電圧制御、または前記ＬＥＤ光源で消費する電力の定電力制御を行う回路である請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明付電源装置。

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