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[Erfindungsgebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lampenschalteinrichtung, die einen Strom an ein lichtemittierendes Festkörperelement wie eine LED (Leuchtdiode) liefert, und eine Leuchte, die die Lampenschalteinrichtung enthält.
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[Allgemeiner Stand der Technik]
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Da LEDs eine hohe Effizienz und lange Lebensdauer besitzen, sind LEDs als Lichtquellen beispielsweise in Beleuchtungsvorrichtungen eingesetzt worden. Beleuchtungsvorrichtungen, die LEDs enthalten, verwenden generell ein Dimmsystem, in welchem die Lichtabgabe durch Verstellen der Stärke des an die LEDs gelieferten Stroms verstellt wird. Eine Lampenschalteinrichtung, die einen Buck-Boost-DC-DC-Wandler wie einen SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) enthält, ist als eine Lampenschalteinrichtung vorgeschlagen worden, die in der Lage ist, die Stärke des an die LEDs zu liefernden Stroms einzustellen (beispielsweise Patentliteratur 1). Beispielsweise kann der Leistungsfaktor verbessert werden und eine dimmbare Lampenschalteinrichtung kann erhalten werden durch Eingeben einer Ausgangsspannung einer Vollwellengleichrichtungsschaltung in einen Buck-Boost-DC-DC-Wandler.
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[Entgegenhaltungsliste]
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[Patentliteratur]
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- [PTL 1] Ungeprüfte Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012-221700
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[Kurze Darstellung der Erfindung]
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[Technisches Problem]
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In dem Buck-Boost-DC-DC-Wandler wie einer SEPIC-Schaltung wird die Stärke eines Ausgangsstroms unter Verwendung eines kontinuierlichen Strommodus, in dem ein Strom kontinuierlich abgegeben wird, oder eines diskontinuierlichen Strommodus, der eine Periode beinhaltet, während der kein Strom abgegeben wird, verstellt.
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Im Falle der Verwendung eines Grenzstrommodus, der ein Beispiel für den kontinuierlichen Strommodus ist, wird der Ausgangsstrom durch Reduzieren der Schaltperiode des Buck-Boost-DC-DC-Wandlers reduziert. Aufgrund von beispielsweise einer Verzögerungszeit in einer Steuerschaltung, die den DC-DC-Wandler steuert, ist das Einstellen der Schaltperiode auf einen vorbestimmten Wert (beispielsweise ungefähr 500 ns) oder weniger jedoch problematisch. Dementsprechend kann der DC-DC-Wandler, der den Grenzstrommodus verwendet, den Ausgangsstrom nicht auf den vorbestimmten Wert oder weniger verstellen. Mit anderen Worten hat der Grenzstrommodus einen schmalen Dimmbereich.
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Auf der anderen Seite können im Falle der Verwendung des diskontinuierlichen Strommodus die Länge der Periode, während der ein Strom abgegeben wird, und die Länge der Periode, während der kein Strom abgegeben wird, flexibel verstellt werden. Daher kann der Ausgangsstrom des DC-DC-Wandlers im diskontinuierlichen Strommodus auf einen Wert verstellt werden, der geringer ist als der im Grenzstrommodus. Selbst wenn der Ausgangsstrom des DC-DC-Wandlers im diskontinuierlichen Strommodus kontinuierlich verstellt wird, indem die Länge der Periode, während der ein Strom abgegeben wird, variiert wird, variiert jedoch die Stärke des Ausgangsstroms. Daher kann der Ausgangsstrom nicht kontinuierlich verstellt werden. Das liegt daran, dass der Ausgangsstrom freie Oszillation in der Periode, während der kein Strom abgegeben wird beinhaltet und die Stärke des Ausgangsstroms gemäß der Phase der freien Oszillation in dem Moment variiert, in dem eine Stromabgabe neu startet.
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Die vorliegende Erfindung wurde ausgedacht, um solche Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Lampenschalteinrichtung, die einen großen Dimmbereich besitzt und Variationen im Ausgangsstrom beim Dimmen reduziert, und einer Leuchte, welche die Lampenschalteinrichtung enthält.
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[Problemlösung]
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Um die obige Aufgabe zu lösen, enthält eine Lampenschalteinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Folgendes: Vollwellengleichrichtungsschaltung, die einen von der AC-Stromversorgung gelieferten AC-Strom vollwellengleichrichtet; einen Buck-Boost-DC-DC-Wandler, der ein Schaltelement enthält und der den vollwellengleichgerichteten Strom von der Vollwellengleichrichtungsschaltung empfängt; und eine Steuerschaltung, die das Schaltelement ein- und ausschaltet. Die Steuerschaltung steuert das Schaltelement in einem Grenzstrommodus, wenn die Steuerschaltung einen Effektivwert eines Ausgangsstroms vom Buck-Boost-DC-DC-Wandler auf einen Wert größer oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert verstellt. Auf der anderen Seite steuert die Steuerschaltung das Schaltelement in einem diskontinuierlichen Strommodus, wenn die Steuerschaltung den Effektivwert des Ausgangsstroms auf einen niedrigeren Wert als den vorbestimmten Schwellenwert verstellt. Wenn die Steuerschaltung einen Steuermodus des Schaltelements zwischen dem Grenzstrommodus und dem diskontinuierlichen Strommodus umschaltet, variiert die Steuerschaltung diskontinuierlich eine Schaltfrequenz des Schaltelements, um den Effektivwert des Ausgangsstroms kontinuierlich zu variieren.
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[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
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Die vorliegende Erfindung liefert eine Lampenschalteinrichtung, die einen breiten Dimmbereich besitzt und Variationen im Ausgangsstrom beim Dimmen reduziert, und eine Leuchte, welche die Lampenschalteinrichtung enthält.
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[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
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1 ist ein Schaltplan einer Lampenschalteinrichtung und einer Leuchte, die die Lampenschalteinrichtung enthält, gemäß einer Ausführungsform.
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2 ist ein Schaltplan eines herausgezogenen Hauptteils eines DC-DC-Wandlers gemäß der Ausführungsform.
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3 ist ein Graph, der schematisch die zeitliche Wellenform eines Stroms darstellt, der in einem Grenzstrommodus durch ein Schaltelement des DC-DC-Wandlers gemäß der Ausführungsform fließt.
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4 veranschaulicht Graphen von beispielhaften zeitlichen Wellenformen von Strömen, die durch entsprechende Elemente in dem DC-DC-Wandler gemäß der Ausführungsform fließen.
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5 veranschaulicht Graphen von beispielhaften zeitlichen Wellenformen von Strömen, die durch das Schaltelement in der Lampenschalteinrichtung gemäß der Ausführungsform fließen.
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6 veranschaulicht Graphen von anderen beispielhaften zeitlichen Wellenformen von Strömen, die durch das Schaltelement in der Lampenschalteinrichtung gemäß der Ausführungsform fließen.
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7 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen der Schaltfrequenz des Schaltelements und einem Effektivwert eines Ausgangsstroms in der Lampenschalteinrichtung gemäß der Ausführungsform veranschaulicht.
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[Beschreibung einer Ausführungsform]
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die unten beschriebene Ausführungsform ein spezifisches bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Zahlenwerte, Formen, Materialien, Strukturelemente, die Anordnung und Verbindung der Strukturelemente, Schritte und die Reihenfolge der in der folgenden Ausführungsform genannten Schritte sind lediglich ein Beispiel und nicht dazu bestimmt sind, die vorliegende Erfindung zu beschränken. Unter den Strukturelementen in der folgenden Ausführungsform werden diejenigen, die nicht in irgend einem unabhängigen Anspruch aufgeführt sind, der das generischste Konzept der vorliegenden Ausführungsform aufweist, als beliebige Strukturelemente beschrieben.
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Man beachte, dass die Zeichnungen schematische Zeichnungen sind und daher nicht notwendigerweise genaue Abbildungen sind. In jeder Zeichnung teilen im Wesentlichen die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen und überlappende Beschreibungen werden weggelassen oder vereinfacht.
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(Ausführungsform)
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[Allgemeine Konfiguration der Lampenschalteinrichtung und der Leuchte]
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Zunächst wird eine Gesamtkonfiguration einer Lampenschalteinrichtung und einer Leuchte gemäß einer Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Schaltplan einer Lampenschalteinrichtung 1 und einer Leuchte 4, die die Lampenschalteinrichtung 1 enthält, gemäß der Ausführungsform. 1 veranschaulicht auch eine AC-Stromversorgung 3, die einen AC-Strom an die Lampenschalteinrichtung 1 liefert.
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Wie 1 veranschaulicht, enthält die Leuchte 4 gemäß der Ausführungsform die Lampenschalteinrichtung 1 und eine LED 2.
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Die LED 2 ist ein lichtemittierendes Festkörperelement, das einen Strom von der Lampenschalteinrichtung 1 empfängt. Die LED 2 kann einen einzelnen LED-Chip oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete LED-Chips beinhalten.
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Die Lampenschalteinrichtung 1 ist ein Bauelement, das an die AC-Stromversorgung 3 angeschlossen ist und einen Strom an die LED 2 liefert. Wie 1 veranschaulicht, enthält die Lampenschalteinrichtung 1 eine Vollwellengleichrichtungsschaltung 19, einen DC-DC-Wandler 20 und eine Steuerschaltung 10.
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Die AC-Stromversorgung 3 ist eine Stromversorgung, die eine AC-Spannung abgibt, und ist eine Systemstromversorgung wie eine handelsübliche Stromversorgung, die beispielsweise eine AC-Spannung in einem Bereich von 100 V bis 242 V abgibt.
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Die Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 ist eine Schaltung, die den von der AC-Stromversorgung 3 gelieferten AC-Strom vollwellengleichrichtet. Die Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 enthält beispielsweise eine Diodenbrücke.
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Der DC-DC-Wandler 20 ist ein Buck-Boost-DC-DC-Wandler, der den vollwellengleichgerichteten Strom von der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 empfängt, und enthält ein Schaltelement 14. Der Ausgangsstrom des DC-DC-Wandlers 20 wird an die LED 2 geliefert. In der Ausführungsform ist der DC-DC-Wandler 20 vom SEPIC-Typ. Wie 1 veranschaulicht, enthält der DC-DC-Wandler 20 zusätzlich zum Schaltelement 14 einen ersten Induktor 11, einen zweiten Induktor 12, einen ersten Kondensator 13, einen zweiten Kondensator 15, eine Diode 16, einen dritten Kondensator 17 und einen Widerstand 18.
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Der Verbindungsstatus der Elemente in dem DC-DC-Wandler 20 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Wie 1 veranschaulicht, ist der erste Kondensator 13 mit einem Ausgangsanschluss der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 verbunden. Eine erste Reihenschaltung 31, die den ersten Induktor 11 und das Schaltelement 14 enthält, die in Reihe geschaltet sind, ist an den Ausgangsanschluss der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 angeschlossen. Eine zweite Reihenschaltung 32, die den zweiten Kondensator 15, die Diode 16 und den dritten Kondensator 17 enthält, die in Reihe geschaltet sind, ist an die Anschlüsse am Schaltelement 14 angeschlossen. Der zweite Induktor 12 besitzt einen ersten Anschluss, der an einen Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Kondensator 15 und der Diode 16 angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 14 und dem dritten Kondensator 17 angeschlossen ist. Die Spannung, die an den dritten Kondensator 17 abgegeben wird, wird an die LED2 angelegt. Der Widerstand 18 besitzt einen ersten Anschluss, der an einen Verbindungspunkt zwischen dem dritten Kondensator 17 und dem zweiten Induktor 12 angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss, der an den niederpotentialseitigen Ausgangsanschluss der Lampenschalteinrichtung 1 angeschlossen ist.
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Das Schaltelement 14 ist ein Element, das als Reaktion auf ein Signal von der Steuerschaltung 10 umschaltet (das heißt, es schaltet wiederholt ein und aus). Das Schaltelement 14 gemäß der Ausführungsform enthält einen n-Kanal-MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor).
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Die Steuerschaltung 10 ist eine Schaltung, die das Schaltelement 14 des DC-DC-Wandlers 20 ein- und ausschaltet. Die Steuerschaltung 10 enthält beispielsweise einen Mikrocomputer. Die Steuerschaltung 10 enthält als Eingangsanschlüsse einen Anschluss DS, einen Anschluss VD, einen Anschluss ZCD und einen Anschluss FB. Die Steuerschaltung 10 enthält einen Anschluss GD als einen Ausgangsanschluss.
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Der Anschluss DS ist ein Anschluss, in den ein Dimmsignal von außerhalb der Lampenschalteinrichtung 1 eingegeben wird. Die Steuerschaltung 10 steuert das Schaltelement 14 als Reaktion auf das durch den Anschluss DS eingegebene Dimmsignal.
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Der Anschluss VD ist ein Anschluss, in den eine von der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 ausgegebene Spannung eingegeben wird. Durch Steuern des Schaltelements 14 als Reaktion auf die durch den Anschluss VD eingegebene Spannung ist die Steuerschaltung 10 in der Lage, die Stärke eines an die LED 2 zu liefernden Stroms konstant zu halten, selbst wenn beispielsweise die Ausgangsspannung der AC-Stromversorgung 3 von 100 V bis 240 V variiert wird.
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Der Anschluss ZCD ist ein Anschluss, in den ein dem durch die Diode 16 fließenden Strom entsprechendes Signal eingegeben wird. Die Steuerschaltung 10 detektiert, dass der durch die Diode 10 fließende Strom Null geworden ist, als Reaktion auf das durch den Anschluss ZCD eingegebene Signal.
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Der Anschluss FB ist ein Anschluss, in den ein dem durch die LED 2 fließenden Strom entsprechendes Signal eingegeben wird. In der Ausführungsform wird eine Spannung, die an den Widerstand 18 angelegt wird, als Signal verwendet. Die Steuerschaltung 10 führt als Reaktion auf das durch den Anschluss FB eingegebene Signal eine Rückkopplungssteuerung am Schaltelement 14 durch, sodass der durch die LED 2 fließende Strom einen dem Dimmsignal entsprechenden Wert besitzt.
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Der Anschluss GD ist ein Anschluss, durch den ein Steuersignal an das Schaltelement 14 ausgegeben wird. Die Steuerschaltung 10 verstellt den Ausgangsstrom von der Lampenschalteinrichtung 1 durch Verstellen der Taktung, mit der das Schaltelement 14 ein- und ausgeschaltet wird.
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[Grundbetrieb der Lampenschalteinrichtung]
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Als nächstes wird ein Grundbetrieb der Lampenschalteinrichtung 1 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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2 ist ein Schaltplan eines herausgezogenen Hauptteils des DC-DC-Wandlers 20 gemäß der Ausführungsform.
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3 ist ein Graph, der schematisch die zeitliche Wellenform des Stroms I14 darstellt, der durch das Schaltelement 14 fließt, wenn der DC-DC-Wandler 20 gemäß der Ausführungsform in einem Grenzstrommodus gesteuert wird. 3 veranschaulicht in einer gestrichelten Linie auch den Strom I16, der durch die Diode 16 fließt.
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Die Eingangsspannung, der Eingangsstrom, die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom in der in 2 veranschaulichten Schaltung werden jeweils als V1, I1, V2 und I2 bezeichnet. Im Folgenden werden die Grundzüge eines Betriebs des DC-DC-Wandlers 20 beschrieben, wenn dieser im Grenzstrommodus gesteuert wird.
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Wenn der DC-DC-Wandler 20 im Grenzstrommodus gesteuert wird, variiert der durch das Schaltelement 14 fließende Strom I14 mit der Zeit, wie in der durchgehenden Wellenform in 3 angezeigt. Die gepunktete Linie in 3 zeigt den groben Umriss der zeitlichen Wellenform der Eingangsspannung V1, die eine Sinuswellenform ist. Ein spezifischer Betrieb des DC-DC-Wandlers 20 im Grenzstrommodus wird beschrieben. Wenn das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, fließt ein Strom von dem ersten Induktor 11 und dem zweiten Kondensator 15 in das Schaltelement 14 und der Strom I14, der durch das Schaltelement 14 fließt, steigt. Wenn das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, wird eine Sperrvorspannung an die Diode 16 angelegt und kein Strom fließt durch die Diode 16. In diesem Fall bewirkt jedoch auch das Entladen des dritten Kondensators 17, dass ein Strom vom DC-DC-Wandler 20 abgegeben wird.
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Andererseits geben, wenn das Schaltelement 14 nach dem Ablauf einer vorbestimmten Ein-Zeit Ton ausgeschaltet wird, der erste Induktor 11 und der zweite Induktor 12 Ströme ab, um Energien zu entladen, die sich angesammelt haben, während das Schaltelement 14 eingeschaltet war. Dementsprechend fließt ein Strom vom zweiten Induktor 12 in die Diode 16. Der Strom I16, der durch die Diode 16 fließt, variiert mit der zeitlichen Wellenform, wie in der gestrichelten Linie in 3 angezeigt, und nimmt mit der im zweiten Induktor 12 gespeicherten Energie ab. Wenn die Steuerschaltung 10 detektiert, dass der Strom I16, der durch die Diode 16 fließt, Null geworden ist, gibt die Steuerschaltung 10 ein Signal aus, das das Schaltelement 14 einschaltet. Wenn das Schaltelement 14 ausgeschaltet ist, gibt der DC-DC-Wandler 20 einen Strom ab, der durch das Glätten des durch die Diode 16 fließenden Stroms erhalten wird.
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Die Steuerschaltung 10 schaltet das Schaltelement 14 wiederholt ein- und aus, wie oben beim Grenzstrommodus beschrieben. Dementsprechend haben die Stromwellenformen der Ströme I14 und I16, die jeweils durch das Schaltelement 14 und die Diode 16 fließen, eine Sägezahnwellenform, wie in 3 veranschaulicht.
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Als nächstes werden jeweilige Operationen des im Grenzstrommodus und im diskontinuierlichen Strommodus gesteuerten DC-DC-Wandlers 20 unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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4 veranschaulicht Graphen von beispielhaften vorübergehenden Wellenformen von Strömen, die durch entsprechende Elemente in dem DC-DC-Wandler 20 gemäß der Ausführungsform fließen. 4 veranschaulicht die Ströme I11, I12, und I14, die jeweils durch den ersten Induktor 11, den zweiten Induktor 12 und das Schaltelement 14 fließen. 4 veranschaulicht in einer gestrichelten Linie auch den Strom I16, der durch die Diode 16 fließt. 4 veranschaulicht auch Effektivwerte der Ströme, die durch den ersten Induktor 11 und den zweiten Induktor 12 fließen, als Strichpunktlinien. 4 veranschaulicht beispielhafte zeitliche Wellenformen, die erhalten werden, wenn der DC-DC-Wandler 20 im diskontinuierlichen Strommodus gesteuert wird.
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Während das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, wenn der DC-DC-Wandler 20 in einem der Strommodi gesteuert wird, wie 4 veranschaulicht, steigen Strom I11 und Strom I12, die jeweils durch den ersten Induktor 11 und den zweiten Induktor 12 fließen. Während dieser Periode fließt der Strom I14, der der Summe aus Strom I11 und Strom I12 entspricht, durch das Schaltelement 14.
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Nachdem es während der Ein-Zeit Ton eingeschaltet gehalten wurde, wird das Schaltelement 14 von der Steuerschaltung 10 ausgeschaltet. Während das Schaltelement 14 ausgeschaltet ist, gibt jeder Induktor einen Strom ab, um die Energie zu entladen, die sich angesammelt hat, während das Schaltelement 14 eingeschaltet war. Während dieser Periode nehmen der Strom I11 und der Strom I12 jeweils von dem Spitzenstromwert Ip1 und dem Spitzenstromwert Ip2 ab. Der Strom, der von dem zweiten Induktor 12 abgegeben wird, fließt durch die Diode 16. Daher nimmt der Strom I16, der durch die Diode 16 fließt ebenfalls in ähnlicher Weise ab wie der durch den zweiten Induktor 12 fließende Strom (siehe die gestrichelte zeitliche Wellenform in 4).
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An dieser Stelle gibt in dem Fall, wo der DC-DC-Wandler 20 wie oben beschrieben im Grenzstrommodus gesteuert wird, wenn die Steuerschaltung 10 detektiert, dass der Strom I16, der durch die Diode 16 fließt, gleich Null geworden ist, die Steuerschaltung 10 ein Signal aus, das das Schaltelement 14 einschaltet. Danach führt der DC-DC-Wandler 20 auf ähnliche Weise wiederholt die Operationen im Ein-Zustand und im Aus-Zustand durch. Mit anderen Worten entspricht, wenn Toff1 eine Zeitperiode ab dem Zeitpunkt ist, wenn das Schaltelement 14 ausgeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom I16 Null wird, die Schaltperiode T1 im Grenzstrommodus der Summe aus der Ein-Zeit Ton und der Aus-Zeit Toff1.
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Andererseits hält in dem Fall, dass der DC-DC-Wandler 20 im diskontinuierlichen Strommodus gesteuert wird, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 ausgeschaltet, bis eine vorbestimmte Zeitperiode Toff2 abläuft, nachdem der durch die Diode 16 fließende Strom I16 Null wird. Nachdem der Strom I16 Null wird, schwingen die Stärken des Stroms I11 und des Stroms I12, die jeweils durch den ersten Induktor 11 und den zweiten Induktor 12 fließen, um jeweils vorbestimmte Werte (Ib und –Ib in den Beispielen in 4). Man beachte, dass 4 nicht die Schwingung des Stroms veranschaulicht. Wie oben beschrieben ist im diskontinuierlichen Strommodus die Aus-Zeit Toff (= Toff1 + Toff2) des Schaltelements 14 länger als die Zeit Toff1 ab der Zeit, zu der das Schaltelement 14 ausgeschaltet wird, bis da, wo der Strom I16 Null wird. Die Schaltperiode T im diskontinuierlichen Strommodus entspricht der Summe aus Ein-Zeit Ton und Aus-Zeit Toff.
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Danach werden Stromwerte und dergleichen von entsprechenden Elementen im DC-DC-Wandler 20 ausführlich beschrieben. In den in 4 veranschaulichten Beispielen steigt, während das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, der durch den ersten Induktor 11 fließende Strom I11 vom Stromwert Ib auf den Stromwert Ip1. Das Ausmaß der Zunahme Ipp1 (= Ip1 – Ib) des Stroms I11 wird durch Gleichung 1 unten ausgedrückt.
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[Gleichung 1]
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Ipp1 = V1 / L1Ton = V2 / L1Toff1 Gleichung 1
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Hier ist L1 eine Induktivität des ersten Induktors 11, Ton ist eine Zeitperiode, während der das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, und Toff ist eine Zeitperiode ab der Zeit, zu der das Schaltelement 14 ausgeschaltet wird, bis zu der Zeit, zu der durch die Diode 16 fließende Strom Null wird.
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Auf ähnliche Weise steigt, während das Schaltelement 14 eingeschaltet ist, der durch den zweiten Induktor 12 fließende Strom I12 vom Stromwert –Ib auf den Stromwert Ip2. Das Ausmaß der Zunahme Ipp2 (= Ip2 + Ib) des Stroms I12 wird durch Gleichung 2 unten ausgedrückt.
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[Gleichung 2]
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Ipp2 = V1 / L2Ton = V2 / L2Toff1 Gleichung 2
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Hier ist L2 eine Induktivität des zweiten Induktors 12. Wie oben beschrieben entspricht der durch das Schaltelement 14 fließende Strom I14 der Summe der durch den ersten Induktor 11 und den zweiten Induktor 12 fließenden Ströme. Dementsprechend kann der Höchstwert des durch das Schaltelement 14 fließenden Stroms I14 als Ipp1 + Ipp2 ausgedrückt werden.
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[Schaltbetrieb der Steuerungsmodi der Lampenschalteinrichtung]
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Als nächstes wird ein Schaltbetrieb von Steuerungsmodi der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform beschrieben. In der Ausführungsform steuert, wenn die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms vom DC-DC-Wandler 20 auf einen Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert Ith verstellt, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im Grenzstrommodus. Andererseits steuert, wenn die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms auf einen kleineren Wert als den Schwellenwert Ith verstellt, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im diskontinuierlichen Strommodus. Weiterhin variiert, wenn die Steuerschaltung 10 den Steuermodus des Schaltelements 14 zwischen dem Grenzstrommodus und dem diskontinuierlichen Strommodus umschaltet, die Steuerschaltung 10 diskontinuierlich die Schaltfrequenz f des Schaltelements 14, um den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms kontinuierlich zu variieren. Im Folgenden wird der Schaltbetrieb der Steuerungsmodi unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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5 veranschaulicht Graphen von beispielhaften zeitlichen Wellenformen der durch das Schaltelement 14 in der Lampenschalteinrichtung 1 fließenden Ströme I14 gemäß der Ausführungsform. 5 veranschaulicht als gestrichelte Linien auch den Strom I16, der durch die Diode 16 fließt. 5 veranschaulicht den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung 1 als Strichpunktlinien. Wie +dem Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms in 5 entnommen werden kann, veranschaulichen (a) bis (d1) in 5 Stromwellenformen, die erhalten werden, wenn die Lampenschalteinrichtung 1 so betrieben wird, dass verschiedene Ausgangsströme (das heißt verschiedene Dimmpegel) geliefert werden. In der Reihenfolge von (a) bis (d1) in 5 nimmt der Ausgangsstrom sequentiell ab (das heißt, der Dimmpegel wird tiefer).
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In der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform steuert, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms größer oder gleich dem Schwellenwert Ith ist, wie (a) und (b) in 5 veranschaulichen, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 des DC-DC-Wandlers 20 im Grenzstrommodus. Im Grenzstrommodus verstellt die Steuerschaltung 10 den Ausgangsstrom durch Verstellen der Ein-Zeit Ton des Schaltelements 14.
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Andererseits steuert in der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms kleiner als der Schwellenwert Ith ist, wie (c) und (d1) in 5 veranschaulichen, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 des DC-DC-Wandlers 20 im diskontinuierlichen Strommodus. In den Beispielen in 5 verstellt die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms durch Verstellen der Ein-Zeit Ton des Schaltelements 14, während die Schaltperiode für den diskontinuierlichen Strommodus auf einem konstanten Wert (Tc) gehalten wird.
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Das Verstellverfahren des Ausgangsstroms im diskontinuierlichen Strommodus ist nicht auf das obige Beispiel beschränkt. Ein weiteres Verstellverfahren des Ausgangsstroms im diskontinuierlichen Strommodus wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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6 veranschaulicht die Graphen von weiteren Beispielen der zeitlichen Wellenformen des durch das Schaltelement 14 in der Lampenschalteinrichtung 1 fließenden Stroms I14 gemäß der Ausführungsform. In ähnlicher Weise wie in 5 veranschaulicht 6 den durch die Diode 16 fließenden Strom I16 als gestrichelte Linien und den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung 1 als Strichpunktlinien. Wie dem Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms in 6 entnommen werden kann, veranschaulichen (c) und (d2) in 6 Stromwellenformen, die erhalten werden, wenn die Lampenschalteinrichtung 1 so betrieben wird, dass verschiedene Ausgangsströme (das heißt, verschiedene Dimmpegel) geliefert werden. Der Ausgangsstrom in (d2) in 6 ist niedriger als der in (c) in 6 (das heißt, der Dimmpegel in (d2) in 6 ist tiefer als der in (c) in 6).
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In den Beispielen in 6 verstellt die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms durch Verstellen der Schaltperiode, während die Ein-Zeit Ton des Schaltelements 14 konstant gehalten wird. In dem Beispiel in (d2) aus 6 macht die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms kleiner als den in (c), indem sie die Schaltperiode in (d2) zur Schaltperiode Td2 macht, die länger ist als die Schaltperiode Tc in (c).
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Das von der Steuerschaltung 10 durchgeführte Verfahren des Steuerns des Ausgangsstroms im diskontinuierlichen Strommodus ist nicht auf das obige Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 10 den Effektivwert des Ausgangsstroms durch Verstellen sowohl der Schaltperiode als auch der Ein-Zeit Ton verstellen.
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Als nächstes wird ein Betrieb, der durchgeführt wird, wenn ein Steuermodus in der Lampenschalteinrichtung 1 umgeschaltet wird, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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7 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Schaltfrequenz f des Schaltelements 14 und dem Effektivwert des Ausgangsstroms in der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform veranschaulicht. 7 veranschaulicht auch das für den Menschen hörbare Band (ungefähr 20 Hz bis 20 kHz) und das Infrarot-Kommunikationsband (ungefähr 35 kHz bis 40 kHz), das für Fernsteuerungen und dergleichen verwendet wird.
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Zunächst wird ein Fall beschrieben, in dem die Lampenschalteinrichtung 1 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms vom Höchstwert auf den Schwellenwert Ith reduziert. Wie die Volllinie von A nach B in 7 veranschaulicht, reduziert die Steuerschaltung 10 in der Lampenschalteinrichtung 1 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms durch Erhöhen der Schaltfrequenz f, während das Schaltelement 14 im Grenzstrommodus gesteuert wird. Wie oben beschrieben wird, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms größer oder gleich dem Schwellenwert Ith ist, das Schaltelement 14 im Grenzstrommodus gesteuert. Dementsprechend ist die Lampenschalteinrichtung 1 in der Lage, Variationen im Ausgangsstrom während des Dimmens zu reduzieren.
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Als nächstes wird ein Fall beschrieben, in dem die Lampenschalteinrichtung 1 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms vom Schwellenwert Ith auf einen kleineren Wert als den Schwellenwert Ith reduziert. Wie oben beschrieben schaltet die Steuerschaltung 10 den Steuermodus vom Grenzstrommodus in den diskontinuierlichen Strommodus um. Hier variiert beim Umschalten des Steuermodus zwischen dem Grenzstrommodus und dem diskontinuierlichen Strommodus, wie Punkt B und Punkt C in 7 zeigen, die Steuerschaltung 10 diskontinuierlich die Schaltfrequenz des Schaltelements 14, um den Effektivwert des Ausgangsstroms kontinuierlich zu variieren. Damit variiert der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung 1 kontinuierlich selbst während des Dimmens, während dessen der Dimmpegel von Punkt B zu Punkt C in 7 geändert wird.
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Wenn die Lampenschalteinrichtung 1 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms auf einen kleineren Wert als beispielsweise den Schwellenwert Ith variiert, wie die gerade Linie von Punkt C zu Punkt D1 in 7 anzeigt, wird der Ausgangsstrom reduziert durch Reduzieren der Ein-Zeit Ton, während die Schaltfrequenz f konstant gehalten wird (siehe die oben gegebene Beschreibung mit Bezug auf (c) und (d1) in 5). Wie die gestrichelte Linie von Punkt C zu Punkt D2 in 7 anzeigt, kann der Ausgangsstrom reduziert werden durch Erhöhen der Schaltfrequenz f, während die Ein-Zeit Ton konstant gehalten wird (siehe die oben gegebene Beschreibung mit Bezug auf 6). Wie oben beschrieben ermöglicht, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung 1 auf einen kleineren Wert als den Schwellenwert Ith variiert werden soll, das Steuern des DC-DC-Wandlers im diskontinuierlichen Strommodus die Durchführung eines tieferen Dimmens als dem im Grenzstrommodus.
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Hier wird ein Verfahren zum diskontinuierlichen Variieren der Schaltfrequenz, um den Effektivwert des Ausgangsstroms kontinuierlich zu variieren, beschrieben. Im Grenzstrommodus wird der Effektivwert Ioeff1 des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung
1 durch Gleichung 3 unten dargestellt. [Gleichung 3]
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Hier ist in Gleichung 3 oben Vac ein Effektivspannungswert der AC-Stromversorgung 3 und Lc ist eine Gesamtinduktivität des ersten Induktors 11 und des zweiten Induktors 12. Die Gleichung 4 unten stellt die Gesamtinduktivität Lc dar.
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[Gleichung 4]
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Lc = L1·L2 / L1 + L2 Gleichung 4
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A wird durch die Gleichung 5 unten ausgedrückt. [Gleichung 5]
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Hier ist Voeff ein Effektivwert der Ausgangsspannung der Lampenschalteinrichtung 1.
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Andererseits wird im diskontinuierlichen Strommodus der Effektivwert Ioeff2 des Ausgangsstroms der Lampenschalteinrichtung 1 durch Gleichung 6 unten dargestellt.
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[Gleichung 6]
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Ioeff2 = η·Vac²·Ton² / 2Lc·T·Voeff Gleichung 6
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Hier ist η eine Schaltungseffizienz (Ausgangsleistung/Eingangsleistung) des DC-DC-Wandlers 20.
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Aus den obigen Gleichungen 3 bis 6 können die Parameter (Ein-Zeit Ton und Schaltperiode T) zum Umschalten eines Steuermodus zwischen dem Grenzstrommodus und dem diskontinuierlichen Strommodus erhalten werden. Beispielsweise ist beim Umschalten des Steuermodus vom Grenzstrommodus zum diskontinuierlichen Strommodus der Effektivwert Ioeff2 des Ausgangsstroms zum Zeitpunkt des Umschaltens in Gleichung 6 umgepolt und die Ein-Zeit Ton und die Schaltperiode T können bestimmt werden, um die Gleichung 6 zu erfüllen. Der Spitzenwert des durch das Schaltelement 14 fließenden Stroms kann durch die Ein-Zeit Ton bestimmt werden. Daher wird beispielsweise die Ein-Zeit Ton bestimmt auf der Grundlage der Strom-Widerstands-Kennlinie des Schaltelements 14 und die Schaltperiode T, die der Ein-Zeit Ton entspricht, kann aus der Gleichung 6 erhalten werden. Weiterhin ist es durch Verstellen der Ein-Zeit Ton bis zu einem Wert kleiner oder gleich dem Höchstwert der im Grenzstrommodus verwendeten Ein-Zeit Ton nötig, dass das Schaltelement 14 eine reduzierte Strom-Widerstands-Kennlinie aufweist. Mit anderen Worten kann die Strom-Widerstands-Kennlinie, die für das Schaltelement 14 benötigt wird, ungefähr auf die gleiche eingestellt werden wie die, die für ein Schaltelement benötigt wird, das in einem nur im Grenzstrommodus gesteuerten SEPIC-DC-DC-Wandler verwendet wird.
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Im Gegensatz dazu beispielsweise kann beim Umschalten des Steuermodus vom diskontinuierlichen Strommodus zum Grenzstrommodus die Ein-Zeit Ton bestimmt werden durch Umpolen des Effektivwerts Ioeff1 des Ausgangsstroms zum Zeitpunkt des Umschaltens in Gleichung 3.
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Wie 7 veranschaulicht, ist das Band der Schaltfrequenz f nahe am Infrarot-Kommunikationsband. Wenn die Schaltfrequenz f im Infrarot-Kommunikationsband liegt, kann die Lampenschalteinrichtung 1 ein Rauschen verursachen, das die durch eine Fernsteuerung und dergleichen verwendete Infrarot-Kommunikation beeinträchtigt. Daher stellt, wie 7 veranschaulicht, die Steuerschaltung 10 die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz ein, die über dem Infrarot-Kommunikationsband liegt, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms größer oder gleich dem Schwellenwert Ith ist. Andererseits stellt die Steuerschaltung 10 die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz ein, die unter dem Infrarot-Kommunikationsband liegt, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms unter dem vorbestimmten Schwellenwert Ith liegt.
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Weiterhin liegt die Schaltfrequenz f auch nahe am hörbaren Band. Die Schaltfrequenz f im hörbaren Band veranlasst die Lampenschalteinrichtung 1 zum Erzeugen eines Tons. Daher stellt, wie 7 veranschaulicht, die Steuerschaltung 10 die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz ein, die über dem hörbaren Band liegt.
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[Vorteilhafte Wirkungen usw.]
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Wie oben beschrieben enthält die Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform Folgendes: die Vollwellengleichrichtungsschaltung 19, den Buck-Boost-DC-DC-Wandler 20, der das Schaltelement 14 enthält und den vollwellengleichgerichteten Strom von der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 empfängt, und die Steuerschaltung 10. Wenn die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms vom DC-DC-Wandler 20 auf einen Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Ith verstellt, steuert die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im Grenzstrommodus. Andererseits steuert, wenn die Steuerschaltung 10 den Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms auf einen kleineren Wert als den Schwellenwert Ith verstellt, die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im diskontinuierlichen Strommodus. Zudem variiert, wenn die Steuerschaltung 10 den Steuermodus des Schaltelements 14 zwischen dem Grenzstrommodus und dem diskontinuierlichen Strommodus umschaltet, die Steuerschaltung 10 diskontinuierlich die Schaltfrequenz f des Schaltelements 14, um den Effektivwert Ioeff kontinuierlich zu variieren.
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Damit steuert die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im diskontinuierlichen Strommodus, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms kleiner als der Schwellenwert Ith ist, wobei die Lampenschalteinrichtung 1 in der Lage ist, ein tiefes Dimmen durchzuführen. Mit anderen Worten kann die Lampenschalteinrichtung 1 einen breiteren Dimmbereich besitzen. Zudem steuert in der Lampenschalteinrichtung 1 die Steuerschaltung 10 das Schaltelement 14 im Grenzstrommodus, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms größer oder gleich dem Schwellenwert Ith ist. Daher ist die Lampenschalteinrichtung 1 in der Lage, die Variationen im Ausgangsstrom während des Dimmens zu reduzieren.
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Zudem enthält in der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform der DC-DC-Wandler 20 weiterhin den ersten Kondensator 13, den zweiten Kondensator 15, den dritten Kondensator 17, den ersten Induktor 11, den zweiten Induktor 12 und die Diode 16. Der erste Kondensator 13 ist mit einem Ausgangsanschluss der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 verbunden. Die erste Reihenschaltung 31, die den ersten Induktor 11 und das Schaltelement 14 enthält, die in Reihe geschaltet sind, ist an den Ausgangsanschluss der Vollwellengleichrichtungsschaltung 19 angeschlossen. Die zweite Reihenschaltung 32, die den zweiten Kondensator 15, die Diode 16 und den dritten Kondensator 17 enthält, die in Reihe geschaltet sind, ist an die Anschlüsse am Schaltelement 14 angeschlossen. Der zweite Induktor 12 besitzt einen ersten Anschluss, der an einen Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Kondensator 15 und der Diode 16 angeschlossen ist, und einen zweiten Anschluss, der an einen Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement 14 und dem dritten Kondensator 17 angeschlossen ist. Die Spannung, die an den dritten Kondensator 17 abgegeben wird, wird an die LED 2 angelegt.
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In der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform kann die Steuerschaltung 10 die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz einstellen, die größer als das Infrarot-Kommunikationsband ist, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms größer oder gleich dem Schwellenwert Ith ist. Die Steuerschaltung 10 kann die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz einstellen, die unter dem Infrarot-Kommunikationsband liegt, wenn der Effektivwert Ioeff des Ausgangsstroms kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Ith ist.
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Dementsprechend ist die Lampenschalteinrichtung 1 in der Lage, nachteilige Effekte auf die Infrarot-Kommunikation aufgrund des Rauschens von der Lampenschalteinrichtung 1 zu reduzieren.
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In der Lampenschalteinrichtung 1 gemäß der Ausführungsform kann die Steuerschaltung 10 die Schaltfrequenz f auf eine Frequenz einstellen, die über dem hörbaren Band liegt.
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Dementsprechend kann die Erzeugung von Tönen durch die Lampenschalteinrichtung 1 reduziert werden.
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(Variation, usw.)
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Die Lampenschalteinrichtung und die Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung sind auf der Grundlage der obigen Ausführungsform beschrieben worden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsform beschränkt.
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Beispielsweise wird in der obigen Ausführungsform der SEPIC-DC-DC-Wandler als ein Buck-Boost-DC-DC-Wandler verwendet; der Buck-Boost-DC-DC-Wandler ist jedoch nicht auf das Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann ein DC-DC-Sperrwandler verwendet werden.
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Zudem werden in der obigen Ausführungsform die Ein-Zeit Ton und dergleichen des Schaltelements 14 auf der Grundlage eines Signals gesteuert, das dem durch die LED 2 fließenden Strom entspricht. Jedoch ist das Verfahren des Steuerns der Ein-Zeit und dergleichen des Schaltelements 14 nicht auf das Beispiel beschränkt. Der Ausgangsstrom der Lampenschalteinrichtung 1 hängt beispielsweise von der Eingangsspannung am DC-DC-Wandler 20 ab, wie aus Gleichung 1, Gleichung 2 und dergleichen hervorgeht. Daher können die Ein-Zeit und dergleichen des Schaltelements 14 auf der Basis eines detektierten Werts der Eingangsspannung gesteuert werden.
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Weiterhin wird in der obigen Ausführungsform die LED 2 als ein lichtemittierendes Festkörperelement verwendet; ein organisches Elektrolumineszenzelement (EL-Element) kann jedoch ebenfalls verwendet werden.
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Der Fachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass viele Modifikationen an der Ausführungsform und andere Ausführungsformen durch willkürliches Kombinieren einiger der Strukturelemente und Funktionen von verschiedenen Ausführungsformen möglich sind, ohne dass wesentlich von der neuartigen Lehre und den Vorteilen der vorliegenden Offenbarung abgewichen wird. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass alle diese Modifikationen im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lampenschalteinrichtung
- 2
- LED (lichtemittierendes Festkörperelement)
- 3
- AC-Stromversorgung
- 4
- Leuchte
- 10
- Steuerschaltung
- 11
- erster Induktor
- 12
- zweiter Induktor
- 13
- erster Kondensator
- 14
- Schaltelement
- 15
- zweiter Kondensator
- 16
- Diode
- 17
- dritter Kondensator
- 19
- Vollwellengleichrichtungsschaltung
- 20
- DC-DC-Wandler
- 31
- erste Reihenschaltung
- 32
- zweite Reihenschaltung
