JP5333769B2 - Ｌｅｄ点灯装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、調光可能なＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明装置に関する。

トライアックなどの位相制御素子を用いた２線式位相制御形の調光器は、白熱電球用の調光器として広く用いられている。そこで、この調光器を用いてＬＥＤを調光することができれば、既存の設備や配線を入れ替える必要がなくて、光源のみを交換するだけで低消費電力の調光対応照明システムを実現できるため、好都合であるが実際には以下の問題がある。

（１）ＬＥＤを低電流レベルで点灯時に調光器の位相制御素子の自己保持電流を確保できないため、明るさのちらつきが発生する。すなわち、同一の明るさで点灯させる場合、ＬＥＤは、流れる電流が白熱電球のそれより小さいため、ＬＥＤに流れる電流によって必要な自己保持電流を確保することができない。

（２）調光器は、その位相制御素子を所望の位相でオンさせるために、時定数回路からなるタイマ回路を備えているが、ＬＥＤの交流電源を投入した瞬間から、このタイマ回路を動作させるためのタイマ回路動作電流を調光器に供給することができない。このため、調光器が動作できない。なお、交流電源投入時にはＬＥＤを駆動するコンバータは、起動していないし、起動に時間を要する。

以上の問題を解決するために、調光器の位相制御された交流電圧を監視して、これに対応したＰＷＭ信号に変換し、かつコンバータを正特性フィードフォワード制御することにより、調光器の操作に対応してＬＥＤの点灯電流を変化させて調光する。これに加えて、コンバータに並列に配置されてコンバータから制御信号を受け取り、この制御信号に応答して負荷を調整する動的ダミー負荷を備えることにより、調光器の位相制御素子の自己保持電流およびタイマ回路動作電流をそれぞれの必要なときに流すようにしたＬＥＤ点灯装置は既知である（特許文献１）。

上記従来技術においては、調光器の導通角が大きくなって交流電圧が高くなると、コンバータのオンデューティを広げるので、ＬＥＤに流す電流が電源電圧の実効値に相応して増加し、その結果ＬＥＤの発光量が増える。反対に、調光器の導通角が小さくなると、オンデューティを狭くするので、ＬＥＤに流す電流が減少してＬＥＤの光量が低減る。

特表２００７−５３８３７８号公報

しかしながら、ＬＥＤ点灯回路に入力する交流電圧は、調光器による操作の他にも周囲の環境によって変動したり、電源電圧が定格よりも高い値で供給されたりすることがしばしば見受けられる。このように電源電圧が高い電源状態下において従来技術を使用すると、電源電圧の上昇による出力電流の増加に、当該電圧上昇に基づく正特性フィードフォワード制御による出力電流の増加が加算される。そのため、定格電源電圧のときに予定された出力電流の最大値を定格とすれば、電源電圧が何らかの理由により定格電源電圧より高くなると、出力電流が予定された定格値より大きくなってしまう。その結果、ＬＥＤが過負荷点灯となって短寿命になるばかりか、ＬＥＤ点灯回路の電子部品やＬＥＤを搭載する照明装置が大きな出力電流による温度上昇によって短寿命になり、さらには発熱によって破壊に至りやすくなるという問題がある。

本発明は、予め定めた所定値を超える交流電圧が入力したときに正特性フィードフォワード制御を停止させて出力電流の不所望な増加を抑制したＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供することを目的とする。

本発明のＬＥＤ点灯装置は、位相制御形の調光器を介して交流電源に交流入力端が接続する整流回路と；整流回路の直流出力電圧を変換してＬＥＤを点灯するコンバータと；入力端子から入力する交流電圧を監視して、当該交流電圧の値に応じてコンバータの出力電流を変化させる正特性フィードフォワード制御手段と；交流電圧が定格電圧より高い所定値になったときに正特性フィードフォワード制御手段による制御を制限する正特性フィードフォワード制御制限手段と；を具備しているものである。

本発明において、正特性フィードフォワード制御手段は、入力する交流電圧を正帰還して出力電流を制御する手段であればどのような回路構成であってもよい。例えば、入力交流電圧の高さに応じたＰＷＭ制御信号を発生して、コンバータのオンデューティを当該ＰＷＭ制御信号に基づいて決定する回路構成を採用することができる。そして、所望によりこの回路構成をＩＣ化することができる。また、入力交流電圧の高さに応じてコンバータの発信周波数を変化させることで、コンバータの出力電流を変化させるように構成することもできる。

また、正特性フィードフォワード制御のための交流電圧監視は、交流および直流のいずれの状態で監視してもよい。なお、直流状態で監視する場合には、コンバータを動作させるために交流を整流して直流を得るので、当該直流を利用することができる。

正特性フィードフォワード制御制限手段は、その回路構成が特段限定されない。例えば、正特性フィードフォワード制御の入力端子部分にツェナーダイオードを並列接続し、ツェナーダイオードのツェナー電圧を所定電圧に設定することで、予定のフィードフォワード制限を行うことができる。

また、正特性フィードフォワード制御制限を行う際の所定電圧は、電源電圧の定格値に限定されないので、所望により設定することができる。例えば、電源電圧の定格値の±１０％の範囲内で適宜設定することができる。なお、所定値の設定は、工場出荷時に予め行うのでもよいし、使用開始に際して設定するように構成してもよい。

次に、本発明の照明装置は、照明装置本体と；照明装置本体に配設された上記本発明のＬＥＤ点灯装置と；コンバータの出力端に接続するとともに照明装置本体に支持されたＬＥＤと；を具備していることを特徴としている。

本発明において、照明装置とは、ＬＥＤを光源として照明を行うための種々の装置を含む概念である。例えば、既存の照明用光源としての白熱電球、蛍光ランプおよび高圧放電ランプなどの各種ランプに代替し得るＬＥＤ電球やＬＥＤ光源を備えた照明器具や標識灯などである。また、照明装置本体は、照明装置からＬＥＤ点灯装置およびＬＥＤを除いた残余の部分を意味する。

本発明は、入力端から入力する交流電圧を監視して、当該交流電圧の値に応じてコンバータの出力電流を変化させる正特性フィードフォワード制御を行うとともに、交流電圧が定格電圧より高い所定値になったときに正特性フィードフォワード制御手段による制御を制限する正特性フィードフォワード制御制限手段を具備していることにより、予め定めた定格電圧より高い所定値を超える交流電圧が入力したときには正特性フィードフォワード制御が停止されることで出力電流の不所望な増加が抑制されるＬＥＤ点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供することができる。

本発明のＬＥＤ点灯装置を実施するための第１の形態に係わる回路図である。 同じく調光器の回路図である。 同じく電源電圧−出力電流特性の一例を説明するグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明を実施するための第１の形態におけるＬＥＤ点灯装置は、一対の入力端子ｔ１、ｔ２およびＬＥＤ点灯回路ＬＯＣを具備し、上記入力端子ｔ１、ｔ２が調光器ＤＭを介して交流電源ＡＣに接続し、ＬＥＤ点灯回路ＬＯＣの出力端にＬＥＤ２０を接続してこれを点灯する。

一対の入力端子ｔ１、ｔ２は、ＬＥＤ点灯装置としての入力端子であり、調光器ＤＭを直列に介して交流電源ＡＣに接続する。

調光器ＤＭは、図２に示すように、２線式位相制御形であり、一対の端子ｔ３、ｔ４、位相制御素子TRIAC、タイマ回路ＴＭおよびフィルタ回路ＦＣを備えている。一対の端子ｔ３、ｔ４は、交流線路に直列に挿入される。

位相制御素子TRIACは、例えば双方向性サイリスタまたは逆並列接続した一対のサイリスタなどからなり、その一対の主極が一対の端子ｔ３、ｔ４間に接続する。

タイマ回路ＴＭは、可変抵抗器Ｒ１およびコンデンサＣ１の直列回路を備え、位相制御素子TRIACに並列接続した時定数回路と、一端が時定数回路の出力端に接続したトリガー素子DIAC、例えばダイアックと、からなる。そして、トリガー素子DIACの他端は、位相制御素子TRIACのゲート極に接続している。

フィルタ回路ＦＣは、位相制御素子TRIACに直列接続したインダクタＬ１と、位相制御素子TRIACおよびインダクタＬ１の直列回路に並列接続したコンデンサＣ２とから構成されている。

そうして、調光器ＤＭの一対の入力端子ｔ３、ｔ４間に交流電圧が印加されると、時定数回路が最初に作動し、やがて時定数回路の出力端の電位がトリガー素子DIACのトリガー電圧に到達する。これにより時定数回路からゲート電流がトリガー素子DIACを経由して位相制御素子TRIACのゲート流入し、位相制御素子TRIACはターンオンする。このため、可変抵抗器Ｒ１を操作して可変抵抗器Ｒ１の抵抗値を変化させることで、時定数が変化するから、位相制御素子TRIACのターンオンの位相角すなわち導通角、したがって調光度が変化する。その結果、調光器ＤＭは、操作によって決定される調光度に応じてその出力電圧を変化させる。

ＬＥＤ点灯回路ＬＯＣは、本形態において図１に示すように、整流回路ＲＣ、コンバータ１０、ブリーダ電流引出手段ＢＣＳ、正特性フィードフォワード制御制限手段１４およびＬＥＤ駆動用ＩＣ１１を備えている。

整流回路ＲＣは、一対の入力端子ｔ１、ｔ２を経由して入力した調光器ＤＭによって位相制御された交流電圧を整流する。なお、所望により整流回路ＲＣに平滑化回路ＳＭＣを付加することができる。本形態において、平滑化回路ＳＭＣは、整流回路ＲＣの直流出力端間に接続した平滑コンデンサＣ３により構成されている。図１において、整流回路ＲＣの出力端と平滑コンデンサＣ３との間に挿入されているダイオードＤ１は、回り込み防止用である。したがって、本形態において、上記整流器ＲＣ、ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ３は、整流化直流電源ＲＤＣを構成している。

コンバータ１０は、整流回路ＲＣから得た直流電圧を負荷のＬＥＤ２０に適合するように変換動作をしてＬＥＤ２０を点灯する。本形態において、コンバータ１０は、降圧チョッパからなる。すなわち、コンバータ１０は、スイッチング素子、スイッチング素子の制御および駆動手段、インダクタＬ２、フリーホイールダイオードＤ２、出力コンデンサＣ４ならびに電流検出手段ＩＤを備えている。なお、上記構成要素のうちスイッチング素子と、その制御および駆動手段は、これらの両者または後者のみをＩＣ化してＬＥＤ駆動用ＩＣ１１をもって構成することができる。本形態において後述するＬＥＤ駆動用ＩＣ１１は、上記の両者を内蔵している。

すなわち、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１は、２線式位相制御形の調光器ＤＭを用いてＬＥＤ２０を調光点灯可能にするもので、その内部に上記スイッチング素子の制御および駆動機能、スイッチング素子機能ならびにブリーダ電流引出手段ＢＣＳの制御機能などを含んでいる。なお、スイッチング素子は、本形態においてＦＥＴによって構成されている。

スイッチング素子の制御および駆動機能は、調光器ＤＭにより位相制御された電源電圧を監視して、その値に応じてコンバータ１０の出力電流を正特性フィードフォワード制御によって、例えばオンデューティが可変のＰＷＭ信号に変換する正特性フィードフォワード制御手段と、この制御手段による制御に応じたスイッチング素子の駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、後述する定電流制御手段と、コンバータ１０の動作に連動して後述するブリーダ電流引出手段ＢＣＳを制御する制御手段とを備えている。

上記降圧チョッパは、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１に含まれるスイッチング素子機能端子、インダクタＬ２および出力コンデンサＣ４の直列回路が整流化直流電源ＲＤＣの出力端すなわち平滑コンデンサＣ３の両端に接続し、またインダクタＬ２、フリーホイールダイオードＤ２および出力コンデンサＣ４が閉回路を形成するように接続して構成されている。そして、上記直列回路には、スイッチング素子がオンしたときに整流化直流電源ＲＤＣから増加電流が流れてインダクタＬ２が充電される。ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１内のスイッチング素子が次にオフしたときに、インダクタＬ２からフリーホイールダイオードＤ２を経由して減少電流が流れて出力コンデンサＣ４が充電される。出力コンデンサＣ４の両端は、コンバータ１０の出力端となり、ここにＬＥＤ２０が接続する。

電流検出手段ＩＤは、小さな抵抗値を有する抵抗器Ｒ２からなり、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＳ端子とＧＮＤ端子との間に接続する。そして、整流化直流電源ＲＤＣからコンバータ１０に流入する電流を、コンバータ１０を流れる負荷電流に相当する電流として検出して、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１にそのＳ端子から制御入力する。これによって、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１降圧チョッパのオンデューティを制御するので、負荷のＬＥＤ２０を安定に点灯することができる。また、電流検出手段ＩＤは、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１と協働することによって後述するブリーダ電流引出手段ＢＣＳを制御するのにも寄与する。

なお、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１は、上記の他にも多数の端子を備えていて、例えば図１に示すように、Ｖｃｃ端子、ＤＲ端子、ＧＮＤ端子、ＢＲ端子、ＰＬ端子、ＷＢ端子およびＳＢ端子などがある。上記各端子の中でＶｃｃ端子は、整流化直流電源ＲＤＣの正極に接続した抵抗器Ｒ３およびコンデンサＣ５の直列回路の抵抗器Ｒ３およびコンデンサＣ５の接続点に接続して制御電源ＶｃｃをＬＥＤ駆動用ＩＣ１１に供給する。ＤＲ端子は、ＩＣ内部のスイッチング素子のドレインに接続している。ちなみに上述のＳ端子は、同じくソースに接続している。ＧＮＤ端子は、外部の安定電位に接続される。その他の端子については後述する。

本形態において、ブリーダ電流引出手段ＢＣＳは、第１および第２のブリーダ電流回路１２、１３からなり、いずれもコンバータ１０に対して並列接続されていて、ＬＥＤ２０に対しても調光器ＤＭが正常に作動するのに必要な以下の各電流をコンバータ１０の動作に連動して動的に引き出す手段である。

第１のブリーダ電流回路１２は、抵抗器Ｒ４の一端が整流回路ＲＣの正極に、他端がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＳＢ端子に、それぞれ接続して構成されている。そして、調光器ＤＭの位相制御素子TRIACをターンオンさせるためのタイマ回路ＴＭを作動させ得るブリーダ電流を交流電圧の立ち上がりから位相制御素子TRIACがターンオンするまでの期間中引き出す。

第２のブリーダ電流回路１３は、抵抗器Ｒ５の一端が整流回路ＲＣの正極に、他端がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＷＢ端子に、それぞれ接続している。そして、位相制御素子TRIACがターンオンから交流電圧の半波の終了時までのオン期間中位相制御素子TRIACの保持電流を引き出す。

正特性フィードフォワード制御制限手段１４は、分圧回路ＶＤ１およびツェナーダイオードＺＤ１を備えている。そして、分圧回路ＶＢ１は抵抗器Ｒ６およびＲ７の直列回路と抵抗器Ｒ７に並列接続したコンデンサＣ６からなり、抵抗器Ｒ６側の一端が整流回路ＲＣの直流出力端間に接続し、抵抗器Ｒ６およびＲ７の接続点がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＰＬ端子に接続している。ツェナーダイオードＺＤ１は、抵抗器Ｒ７およびコンデンサＣ６の並列回路に並列接続している。

なお、ＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＢＲ端子には、分圧回路ＶＤ２が接続している。分圧回路ＶＢ２は、抵抗器Ｒ８およびＲ９の直列回路と抵抗器Ｒ９に並列接続したコンデンサＣ７からなり、抵抗器Ｒ８側の一端が整流回路ＲＣの直流出力端間に接続し、抵抗器Ｒ６およびＲ７の接続点がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＰＬ端子に接続している。

次に、回路動作について説明する。

図１において、調光器ＤＭが操作されて適当な調光度に設定されている場合、交流電源ＡＣを投入すると、交流電圧の各半波において、ブリーダ電流引出手段ＢＣＳの第１のブリーダ電流回路１２がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１により制御されて作動するため、交流電源ＡＣから調光器ＤＭのタイマ回路ＴＭおよび抵抗器Ｒ４を経由して第１のブリーダ電流が引き出される。この第１のブリーダ電流が調光器ＤＭに供給されることによって、その調光度に対応する位相で位相制御素子TRIACがターンオンする。

次に、位相制御素子TRIACがターンオンすると、ブリーダ電流引出手段ＢＣＳの第２のブリーダ電流回路１３がＬＥＤ駆動用ＩＣ１１により制御されて作動するため、交流電源ＡＣから調光器ＤＭの位相制御素子TRIACおよび抵抗器Ｒ５を経由して第２のブリーダ電流が引き出される。この第２のブリーダ電流が調光器ＤＭに供給されることによって、位相制御素子TRIACの保持電流が確保される。このため、位相制御素子TRIACを通流するＬＥＤ２０の点灯電流が小さくて保持電流未満であったとしても、交流電圧のオン期間中保持電流を位相制御素子TRIACに流してオン状態を維持することができる。

調光器ＤＭにより位相制御された交流電圧は、一対の入力端子ｔ１、ｔ２からＬＥＤ点灯回路ＬＯＣに入力して整流回路ＲＣで整流されて、分圧回路ＶＤ１で分圧され、抵抗器Ｒ２の分圧された端子電圧がコンデンサＣ６を充電するとともにＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＰＬ端子に制御入力する。ＰＬ端子に入力した交流の各半波の導通された電圧をＬＥＤ駆動用ＩＣ１１がその内部で監視し、かつ正特性フィードフォワード制御を行って調光器ＤＭの導通角に対応したＰＷＭ信号に変換してコンバータ１０を作動させる。

以上の結果、コンバータ１０は、調光度に対応した直流電流をその出力端に接続したＬＥＤ２０に出力するので、ＬＥＤ２０は調光度に応じて調光点灯する。

しかし、一対の入力端子ｔ１、ｔ２から入力する交流電圧が予め設定した所定値を超えると、正特性フィードフォワード制御制限手段１４が作動してＬＥＤ駆動用ＩＣ１１のＰＬ端子に制御入力する交流電圧を所定値に固定する。すなわち、正特性フィードフォワード制御制限手段１４のツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧を所定値に選定しているので、電圧分圧器ＶＤ１の分圧が所定値に固定されることになる。

したがって、入力交流電圧が所定値を超えると、正特性フィードフォワード制御制限手段１４が正特性フィードフォワード制御を停止する。その結果、コンバータ１０の出力電流は、正特性フィードフォワード制御による増加がなくなる。これに対して、入力電圧の増加に応じてコンバータ１０の出力電圧が増加するだけとなるため、増加の程度が低く抑えられる。

次に、図３を参照して交流電圧Ｖinとコンバータ１０の出力電流Ｉoutとの関係を説明する。図において、横軸は交流電圧Ｖin（％）を、縦軸は出力電流Ｉoutを、それぞれ示す。また、横軸に付した数値は、１００が所定値を示し、９０が所定値に対して１０％低下した値を、１１０が１０％増加した値を、それぞれ示している。なお、縦軸は相対値により示されている。

図から理解できるように、交流電圧Ｖinが所定値までは正特性フィードフォワード制御が行われる。その結果、調光器ＤＭの調光度に対応してＬＥＤ２０が調光点灯する。

しかし、交流電圧Ｖinが所定値異常になると、正特性フィードフォワード制御が停止される。その結果、調光器ＤＭを操作しても調光度に対応してＬＥＤ２０を増光点灯させることができなくなる。なお、図中の点線は、正特性フィードフォワード制御制限手段１４を具備しない場合における交流電圧Ｖinとコンバータ１０の出力電流Ｉoutとの関係を示している。

１０…コンバータ、１４…正特性フィードフォワード制御制限手段、２０…ＬＥＤ、ＡＣ…交流電源、ＤＭ…調光器、ｔ１、ｔ２…入力端子、ＲＣ…整流回路、ＺＤ１…ツェナーダイオード

Claims (3)

1. 位相制御形の調光器を介して交流電源に交流入力端が接続する整流回路と；
   整流回路の直流出力電圧を変換してＬＥＤを点灯するコンバータと；
   入力端子から入力する交流電圧を監視して、当該交流電圧の値に応じてコンバータの出力電流を変化させる正特性フィードフォワード制御手段と；
   交流電圧が定格電圧より高い所定値になったときに正特性フィードフォワード制御手段による制御を制限する正特性フィードフォワード制御制限手段と；
   を具備していることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 正特性フィードフォワード制御制限手段はツェナーダイオードを備え、定格電圧より高い所定値はツェナーダイオードのツェナー電圧である
   ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 照明装置本体と；
   照明装置本体に配設された請求項１または２記載のＬＥＤ点灯装置と；
   コンバータの出力端に接続するとともに照明装置本体に支持されたＬＥＤと；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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