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ＬＥＤ照明用電源について

2010年3月11日東芝ライテック株式会社技術本部 エレクトロニクス技術部平岡 敏行

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目次

• ＬＥＤ照明の必要性

• ＬＥＤの照明用電源への要求事項

• ＬＥＤの特徴と回路方式

• 実製品でのＬＥＤ照明電源回路

• ＬＥＤ照明の施工例

3出典 ： 省ｴﾈﾙｷﾞｰｾﾝﾀｰＨＰより

照明用消費電力量１２３２億ｋWh/年

家庭30.4%

業務用12.2%

商業用51.4%

道路用6.0%

家庭における消費電力量２３２６億ｋWh/年

ｴｱｺﾝ25.2%

冷蔵庫16.1%

照明16.1%

テレビ9.9%

その他32.7%

照明用の消費電力の割合 家庭における消費電力の割合

電力による排出

その他の電力

産業･運輸等での燃焼による排出

0% 20% 40% 60% 80% 100%

電力による排出量

総排出量

１２億８６００万トン

３億７２００万トン

照明用電力　５７００万トン

日本のCO2排出量と割合

「２５％削減」に照明で貢献する

１５．３％

２８．９％

照明のCO２

排出量は４．４％

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照明用消費電力量１２３２億ｋWh/年

家庭30.4%

業務用12.2%

商業用51.4%

道路用6.0%

照明用消費電力量約６百億ｋWh/年

道路用6.0%

商業用51.4%

業務用12.2%

家庭30.4%

削減

全既存照明をＬＥＤ照明への置き換えにより半減化が可能！

「２５％削減」に照明で貢献する

日本全体の

２．２％を削減可能

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市場規模

特性の向上 ・ 価格の低減

・オフィス照明・住宅照明

一般室内照明

・常夜灯・足下灯・ガーデンライト・非常誘導用照明

部分照明 ・スポットライト・ダウンライト

非照明市場・サイン／ディスプレー・自動車用（内まわり→外まわり）・信号機

装飾，演出照明色彩

ニッチ市場

２００７年

２０１０年

２０１５年

一般照明の応用

ＬＥＤの市場規模

ＬＥＤ電球はやがて照明の主なる部分で白熱電球などからの置き換え光源として確立すると予測される

約３００ｌｘ

見せるあかり

照らすあかり

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ＬＥＤの照明用電源への要求事項

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コスト低減

規格

LED個数

複数電圧が存在

電力

LEDの交換

異常保護調光範囲

基板面積

LED電流バランス

電源電圧

器具形状

部品点数

LED直並列数

調光方式

LEDモジュール 構造

組み立て 機能・性能仕様

寿命

自装率 調光

回路方式

部品形状

絶縁距離

設計

内部電圧

回路電流標準部品

部品構成

部品配置

IC化

絶縁／非絶縁

別置タイプ

ＬＥＤ照明用電源

■電源仕様に影響する特性要因図

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● ＬＥＤ照明用電源への要求（省エネ、小型化、安全）

・熱対策 →低ロスパワー半導体、放熱樹脂・集積ＩＣ →プラットホーム回路化・実装 →部品小型化・直流給電システム対応

小型・低背・高出力

電源を小さく、薄型に

・高効率 →回路の効率、ＬＥＤの発光効率・照度センサとの組合せでの光量コントロール

→センサ、マイコン技術・照度一定制御（初期照度補正）

省エネ・環境調和

もっと省エネに

・安全規格対応（国内外）／ＲｏＨＳ等環境対応・部品信頼性技術・ＬＥＤ寿命に対応した電源寿命（８万時間）

安全・信頼性

仕向け地、用途への対応

■重点項目

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■ＬＥＤ照明システム効率

商用交流

電源回路

Ａシステム入力電力

ＢＬＥＤ

入力電力

ＣＬＥＤ

出力光束

Ｄ器具

出力光束

照明器具

被照明空間

光束電力 電力

システム効率＝電源効率×ＬＥＤ効率×器具効率＝ × × ＝Ｂ Ｃ Ｄ ＤＡ Ｂ Ｃ Ａ

光束

lm／Ｗ lm／Ｗ

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ＬＥＤの特徴と回路方式

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●素子単体は、直流低電圧動作

ex. 順方向電圧は３Ｖ程度

●複数素子をモジュール化した場合は、

電圧電流に自由度が生じる

●電圧－電流特性は、指数関数的であり温度特性をもつ

●動作電圧にはバラツキがある

●効率の観点では、パルス点灯よりも

平滑直流点灯が望ましい など

■電源から見たLEDの特徴

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複数素子をモジュール化した場合は、電圧電流に自由度が生じる

■組み合わせの自由度

40.8V

350mA

20.2V

700mA

13.6V

1050mA

10.2V

1400mA

6.8V

2100mA

3.4V

4200mA

例えば、3.4V 350mAの素子12個を組み合わせた場合

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0

20

40

60

80

100

120

140

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

相対入力電力（％）相対ｌｍ／Ｗ（％） 平滑直流

全波整流波形

半波整流波形

●試験条件２

ＬＥＤへの供給波形は以下の３通り

(1)平滑直流（直流安定化電源）

(2)全波整流波形（交流安定化電源＋限流抵抗 約４４Ω＋ブリッジ整流器）

(3)半波整流波形（交流安定化電源＋限流抵抗 約４４Ω＋逆阻止ダイオード）

・どの点灯波形でも、投入電力を増加

させると効率（ｌｍ／Ｗ）は低下する。

・効率（ｌｍ／Ｗ）は点灯波形に依存し、

(1)平滑直流を１００％とすると、(2)全波整流波形では約８７％、(3)半波整流波形では６７％程度である。

●電源回路を検討する上では、点灯波形によるＬＥＤ自体の効率変化を見込む必要がある。

●試験条件１

ＮＳ６Ｌ０８３Ａ（日亜）＊４ｐ直列接続

横軸は、ＬＥＤへの相対投入電力、縦軸は相対効率（ｌｍ／Ｗ）を示す。

縦横軸ともに、平滑直流でＬＥＤに３００ｍＡ通電した状態を１００％としている）

■点灯波形と発光効率

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電圧

電流

点灯回路の負荷特性

負荷(LED)のＶ-Ｉ特性

動作点

Vo開放電圧

Is短絡電流

+10%-10%

-25℃

+75℃

0

動作点の変動領域

■電流制限回路の必要性

回路図

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(a)抵抗方式 (b)定電流回路方式 (c)ｽｲｯﾁﾝｸﾞ電源方式

LED

PW

M

■電流制限回路の例

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■電流制限回路の比較

●電流制限回路方式による優位差

(a)直列抵抗方式

(b)定電流回路方式

(c)スイッチング電源方式

(d)その他

×

△

○

－

△

○

○

ー

安価

高効率

電流制限回路 効率 定電流性 備考

電流制限回路方式の組み合わせは用途に応じた最適方式を選択する

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商用交流

LED

ＰＷＭ

(a)1-2次分離型回路の例

商用交流LED

ＰＷＭ

(b)1-2次非分離型回路の例

■効率を考慮した回路構成

回路効率 価格 安全性

やや低い

負荷電圧が低い場合は有利

やや高い

負荷側は、負荷電圧に応じた絶縁距離で

よい

高くできる条件：

負荷電圧が電源電圧に近い

場合

安くできる

負荷電圧が低くとも、交流入力電圧に対応する絶縁距離

必要

(a)１－２次分離

(b)１－２次非分離

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(a)直列点灯方式 (b)並列点灯方式

電源回路

LED

ﾓｼﾞｭｰﾙLED

ﾓｼﾞｭｰﾙ

LED

ﾓｼﾞｭｰﾙLED

ﾓｼﾞｭｰﾙLED

ﾓｼﾞｭｰﾙ

電源回路

LED

ﾓｼﾞｭｰﾙLED

ﾓｼﾞｭｰﾙLED

ﾓｼﾞｭｰﾙ

■ＬＥＤ数を多くする場合の課題

システム構成 拡張性 負荷の接続 電流バランス

直列点灯方式電源回路の電圧上限まで負荷の台数変更可能だが、安全性に配慮必要

やや面倒（ﾃﾞｲｼﾞｰﾁｪｰﾝ）

問題ない

並列点灯方式電源回路の電流容量の範囲で負荷の台数変更可能

容易（通常のｺﾝｾﾝﾄ

と同等）

個々のモジュールに電流バランスを取る機能を必要とする

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調光器

電源線

電源電圧波形

負荷電圧波形

■位相制御方式（２線式）による調光

白熱電球以外の製品では、深い調光まで絞ることが難しい

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調光信号波形

■専用制御方式（４線式）による調光

調光器

調光信号線

電源線

ｔ（mS）Duty＝（ｔ／Ｔ）＊100(%)

Ｔ(mS)

上記の例ｔ ＝6　(mS)Ｔ =10　(mS)

Duty =60　（%)

12V

深い調光が可能

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●ＬＥＤ照明システムを構成する不可欠な機能部として

電源を捉えることが必要である

●拡張性に考慮を払ったシステム構成が重要

●複数個のＬＥＤ素子を使う場合、直並列数を適切に選ぶことで

電源部の効率を高めることが可能である

●商用交流電源とＬＥＤ回路が絶縁トランスで分離されるか／非分離

かによって、安全規格の適用が大きく異なる

●負荷電圧を適切に選び、非分離回路方式を選ぶことで、高いシステ

ム効率を得られる可能性が大きい

●高調波抑制、調光などの機能への配慮が必要

●ＬＥＤの長寿命特性を活かすには，高信頼電源が必要

■まとめとその他注意事項

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実製品でのＬＥＤ照明電源回路

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ＬＥＤ電球 一般電球形 ４．６Ｗ ６．４Ｗ

高密度実装したＬＥＤモジュールの搭載により、白熱電球に近いひかり方になりました。

回路の小形化技術が、こだわりの電球形状を実現。器具適合性がＵＰします。

・従来フォルムを踏襲し、よりシンプルな形状にしました。・樹脂グローブを採用。

お客様ニーズにこたえよりリーズナブルなＬＥＤ電球スタンダードモデルを新発売

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ＬＥＤ電球の構造

前面カバー（ポリカーボネート）

ヒートシンク（ｱﾙﾐﾀﾞｲｷｬｽﾄ）

口金 （Ｅ２６）

電源回路

ＬＥＤ素子 （ＳＭＤまたはＣＯＢ）

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機能調光形Ｈｆ蛍光灯器具でしか実現できなかったあかりセンサや人感センサとの接続や照明制御システムとの組み合わせ使用が可能になります。省エネと共に安心・安全でかつ快適な光環境を提供します。

４線式調光器ＦＬコントルクスＰＤＤＦ－７０１６２－ＰＤ

Ｅ－ＣＯＲＥ６０調光形 Ｅ－ＣＯＲＥ６０調光形

※照度センサーと組み合わせてご使用になる場合は別途ご相談ください。

■４線式調光を利用した制御例

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ダウンライトの構造

電源収納部ヒートシンク

（ｱﾙﾐﾀﾞｲｷｬｽﾄ）

電源回路

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ご清聴ありがとうございました