JP2007538378A - Ｌｅｄ照明コンバータ用の動的緩衝 - Google Patents

Abstract

個々に記述される本発明は、位相制御型減光装置をＬＥＤ照明と共に使用できるようにする動的ダミー負荷である。本発明は、ＬＥＤ電子回路が作動に又は回路のリンギングに起因して充分な負荷を提供しないときに減光装置に負荷を提供するように動的ダミー負荷を設ける。動的ダミー負荷は、ＬＥＤとそのコンバータ回路が減光装置から充分な電流を引くとき、電流を低減させる。一般に、システムは、位相制御型減光装置に電気接続された電源であって、減光装置が減光装置のＡＣ電力出力をＬＥＤ照明のためのＤＣ電力出力へ変換するコンバータ回路に接続された電源と、コンバータ回路に並列に接続された動的ダミー負荷であって、コンバータ回路の動作に応答してその引く電流を変える動的ダミー負荷とを備える。

Description

本発明はＬＥＤ照明に関するものであり、特に、低電流ＬＥＤ照明を減光スイッチと共に動作させる回路に関する。
関連出願
本願は、２００４年５月１９日に出願され且つ本願に組み込まれる米国仮特許出願第６０／５７２５５７号に基づく優先権を主張する。

発明の背景
本発明は、白熱ランプ用壁面減光の応用に広く用いられている位相制御型減光装置と両立する、ＬＥＤ照明に用いられるＡＣ／ＤＣコンバータの製造に関する。図１は減光装置の典型的な回路を示している。

図１に示すように、減光装置１は電気的負荷２と電源３との間に直列に電気接続される。この例においては、電源は、典型的な家庭用減光装置の用途に見出されるように、家庭用ＡＣ電流で動作する。この例における負荷２は白熱電球であるが、当業者は認識するように、他の負荷を用いてもよい。減光は、減光装置１の導通角を調節し、負荷２の両端間のＲＭＳ電圧を導通角の調整と共に変化させることによって達成される。負荷２が白熱電球である場合、電球の照明強度は電球の両端間のＲＭＳ電圧の変化と共に変化する。電球の両端間のＲＭＳ電圧が下がると、電球は暗くなる。

図２に示すように、減光装置は、導通角の調整に依存して負荷の両端間に異なる波形を生成する。図２に示す第１の例２０は、減光装置がないときの１１５ボルト、６０Ｈｚの家庭用ＡＣ電力供給の波形を示している。図２の第２の例２１及び第３の例２２は、１１５ボルト、６０Ｈｚの家庭用ＡＣ電力線が位相制御型減光装置によって調節されたときに生成される出力波形を示している。要するに、減光装置はゼロ交叉後の所定期間にわたって波形をカットするので、出力におけるＲＭＳ電圧を低減する。当業者は認識するように、減光装置は図２に示すのとは異なる時間且つ異なる量だけ波形をカットしてもよい。

減光機能を達成することができる回路技術は広く存在するが、典型的な位相制御型減光装置内で電力のオン、オフを制御するスイッチ又は回路素子は、典型的には、トライアックとして知られている一種のサイリスタ装置である。一般に、トライアックは複数の供給元から入手可能であり、良く理解された特性を有する。トライアックの例は、（ホームページ・アドレスhttp://onsemi.comにおいて見つけることができる）オン・セミコンダクタ社から入手可能なモデルＭＡＣ１２Ｖ、ＭＡＣ１２Ｍ及びＭＡＣ１２Ｎである。一般に、ここで検討するトライアックは入手可能なトライアックを表しているが、本発明の範囲を限定するものではない。

一般に、トライアックは第１の主端子ＭＴ１、第２の主端子ＭＴ２及びゲート端子Ｇを備える。当業者には知られているように、一般にトライアックは以下のような基本特性を示す。
−主端子を通る双方向導通（これによりＡＣを通過させる）
−ゲート端子Ｇと第２の主端子ＭＴ２との間にトリガが存在するとき、トライアックはオンとなり、主端子間が導通する
−トリガされると、トライアックはＡＣ電力線のゼロ交叉までオンの状態を維持し、ゼロ交叉の時点でトライアックはオフとなり、次のトリガ・パルス又はＡＣ電力線のゼロ交叉を待つ。この特性により、位相角制御が達成できる。

トライアックは、ＬＥＤ照明に直接関係する１つ以上の重要なパラメータ、すなわち保持電流を有する。トライアックは、トリガ後には、主端子間を通る保持電流よりも大きな電流なしにはオンの状態を維持することができない。保持電流が必要であるため、トライアックは、主端子間に低電流が流れるとき、例えばＬＥＤ照明の場合に、オンを維持することが困難である。トライアックＭＡＣ１２Ｄのデータシートを参照すると、典型的には保持電流は２０ミリアンペアである。

ＬＥＤ照明、特に低電力ＬＥＤ照明に対して減光装置が問題を生じさせる理由は複数存在する。これらの理由のうちの幾つかを以下に記す。
１．ＬＥＤ照明は白熱照明よりもエネルギー効率がよいので、ずっと小さな電流しか使わない。典型的な白熱電球は導通期間に２００ｍＡを越える電流を簡単に流してしまう。この値は典型的な減光装置の保持電流を大きく超える。したがって、通常は白熱電球の減光には問題がない。一般に、ＬＥＤ照明は、回路設計に依存して、典型的には１０〜１５０ｍＡの範囲にわたる、少ない電流を流す。

低電流レベル時には、減光装置が導通すると、負荷電流は装置すなわちトライアックの保持電流要件を満足せず、減光装置は再トリガ状態に入ってＬＥＤ照明をちらつかせる。この問題は、ＬＥＤ照明の両端間に並列にダミー負荷を接続し、減光装置におけるトライアックの保持電流を越える充分な電流引き出しを提供することによって解決される。しかし、これは望ましいオプションではない。ＬＥＤ照明はエネルギー効率的であることを意味するので、ＬＥＤ照明装置の両端間にダミー負荷を置くことによって、ダミー負荷による電力消費に起因するエネルギー効率の低下や、内部電力回路の熱管理に対しては望ましくないＬＥＤ照明内での発熱といった問題を生じる。

２．減光可能なＬＥＤ照明は電子的ＡＣ／ＤＣコンバータを動作させることを必要とする。基本的に、ＡＣ／ＤＣコンバータは、ＡＣ入力電力をＬＥＤ発光器を駆動する低電圧・大電流へ変換するステップダウン・スイッチ・モードの電力供給装置である。代表的な回路を図３に示す。図１における回路と同様に、図３の回路は電源３、減光装置１及び負荷を直列に接続した回路を含む。代表的な回路における負荷は、ＡＣをＤＣへ変換するＬＥＤ照明電子回路６とＬＥＤ７である。また、図はワイヤの特性に起因して存在する小さなインダクタンスを示している。コンバータ電子回路の内部には、減光装置が導通を開始したときに負荷電流をリンギングさせる少量のコンデンサ８が存在する。図４は、減光装置の出力電流波形１０と、減光装置のファイアリング時すなわち作動時にリンギングが存在するときの減光装置の出力波形１１とを示している。リンギングが充分大きくて電流をトライアックの保持電流閾値１２よりも小さくさせるならば、減光装置の導通は停止し、ＬＥＤ照明に点滅を生じさせる。

３．減光装置の内部の制御回路は、減光装置を電力を供給するための電源として、小さなバイアス電流を必要とする。これは、減光装置に対して与えられるＬＥＤ照明負荷が最小の電流を提供しなければならないということを意味する。しかし、通常、ＬＥＤコンバータ内部の電子的コンバータは電流消費が極めて小さい。このため、減光装置の回路は適切にファイアリングできず、再びリンギングを生じる。

４．ＬＥＤコンバータは起動に時間を要するので、その電流消費は、減光装置の保持電流を越えるレベルに達するのに有限の時間を必要とする。充分な電流を提供する際のこうした遅延は、いずれの回路においても考慮されなければならない。

こうした欠点に鑑みて、位相制御型減光装置及びＬＥＤ照明と共に使用するための動的負荷であって、適切な時間に減光装置に対して充分な負荷を提供し、充分な保持電流を提供するとともに回路のリンギングを防止する動的負荷を備えることが望ましい。

発明の概要
ここに記述される発明は、位相制御型減光装置及びＬＥＤ照明と共に使用するための動的負荷回路又は緩衝回路である。動的負荷は充分な電流を減光装置回路に提供すると共に、減光装置の電流要求に依存して変わる電流を提供する。

好ましい実施の形態の詳細な説明
図５に示すように、本発明の動的負荷回路３０はＡＣ電源３２に接続され、ＡＣ電源３２は減光装置３３に電気接続され、減光装置３３はブリッジ整流器ＢＲ１に電気接続される。ＬＥＤ３６を有するＬＥＤ照明コンバータ３５はブリッジ整流器ＢＲ１に並列に電気接続される。動的ダミー負荷４０はＬＥＤ照明コンバータ３５に並列に配置される。フィードバック・チャネル４５がＬＥＤ照明コンバータ３５とダミー負荷４０との間に設けられ、ダミー負荷４０は必要時には適切な負荷を提供し、不要時には小さな負荷となって電力を保存する。照明コンバータ３５は、ブリッジ整流器ＢＲ１から受け取った電力を調整する電子回路を備えると共に、動的ダミー負荷４０に制御信号又はフィードバック信号を提供する電子回路を備える。動的ダミー負荷４０によって電源又はブリッジ整流器ＢＲ１に与えられる負荷は制御信号に基づいて変動し、こうして、動的ダミー負荷４０によって流される又は引き出される電流の量を変える。

図６は、減光装置４０の電圧出力５０、ダミー負荷４０を通る電流５１、及び、ＬＥＤ照明コンバータ３５からダミー負荷４０に与えられるフィードバック信号又は制御信号５２を時間に対して表すグラフを示している。当業者は認識するように、制御信号５２は電圧信号又は電流信号であり得る。例えば、図６に示すグラフを参照すると、ダミー負荷４０は、本願の背景の部分において検討したように、動作前に減光装置回路に対して適切なバイアス電流５５を提供する。つまり、ダミー負荷４０は減光装置の導通前には大きな電力を消費しない。これは、電力消費は、減光装置がオフのときには、減光装置回路を通る小さな電流によって制限されているからである。しかし、ダミー負荷４０が存在しなかったとすると、ＬＥＤはバイアス電流レベルでは導通しないので、導通は存在しない。

５７で減光装置が作動すると、動的ダミー負荷４０は、ＬＥＤ照明コンバータ３５の電流消費と組み合わされたときに、減光装置３３を通して引かれる充分な電流を提供して減光装置３３の保持電流を越えるよう追加の電流消費５９を提供する。ダミー負荷４０を通して提供される電流は、ＬＥＤ照明コンバータ３５が起動するまで充分大きな値にとどまり、その電流消費は減光装置の保持電流を越える。この時点６０において、フィードバック・チャネル４５を介してフィードバック信号５２が動的ダミー負荷４０へ送られて動的ダミー負荷４０の電流を低減する（６０）。典型的なプロフィールは図８に示されている。フィードバック信号５２が充分なレベルに保持されている（６０）かぎり、ダミー負荷４０の電流は低いレベル６３に、好ましくはバイアス電流レベル５５よりも小さく維持される。減光装置３３の出力がゼロ交叉６５に達すると、制御信号５２は低減され（７０）、ダミー負荷４０はバイアス・レベル電流５５を流すことができる。減光装置４０が７２において再び作動すると、上記プロセスが反復される。

オプションの実施の形態においては、図５に示すサージ制限回路５０を、ブリッジ整流器ＢＲ１とＬＥＤ照明コンバータ３５との間に直列に設けることができる。サージ制限回路５０は、減光装置が作動すると電流ピークを制限し、リンギング電流の大きさを低減させる。これにより、大きなダミー負荷電流の必要を減らす。サージ制限回路の例は定電流源であり得る。

また、図５に示すように、ダイオードＤ１が入力側の整流器回路のＤＣ出力とバイパス・コンデンサとの間に接続される。このダイオードは電流がＬＥＤ照明コンバータ３５のバイパス・コンデンサＣ１から逆流するのを防止する。ダイオードＤ１はＬＥＤ照明コンバータ３５のバイパス・コンデンサＣ１から電流が逆流してブリッジ整流器ＢＲ１に入るのを防止するので、リンギングの大きさを著しく低減する。ダイオードＤ１は、逆バイアスされたときに小さな接合容量を示し、電流逆流の傾向があるときにＬＥＤ照明コンバータ３５に認められる等価容量を大幅に小さくするタイプに属するものであることが好ましい。

図７には、本発明の動的ダミー負荷を利用する回路の実施形態の概略図が示されている。図には減光装置は示されていないが、当業者は認識するように、減光装置は端子ＣＮ１と端子ＣＮ４との間に設けられる。同様に、ＬＥＤが図示されていないが、ＬＥＤは端子ＣＮ２と端子ＣＮ３との間に設けられる。

図７を参照すると、動的ダミー負荷はＭＯＳＦＥＴ Ｑ６とトランジスタＱ５とを含む電流源である。動的ダミー負荷の電流変調は、ＬＥＤコンバータの補助電源からダイオードＤ１２とダイオードＤ９との接続点を経て導入される。抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ１２の時定数によって、小さな時間遅延が生成される。

ＬＥＤコンバータが起動する前には、抵抗Ｒ１３を通って電流は流れず、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ６とトランジスタＱ５とを含むダミー負荷電流源はその最大電流をシンクしている。図示しない減光装置が作動すると、ＬＥＤコンバータが動作を開始し、変圧器Ｔ１の電流比によって規定されるＬＥＤ電圧から導出された電圧に等しい電圧が、ダイオードＤ１２とダイオードＤ９とのカソード接合部に生成される。この電圧は制御ＩＣ Ｕ１に電力供給すると共に、導出された補助電圧と抵抗Ｒ１２、Ｒ１３の抵抗値とによって決定される電流を注入する。ダミー負荷の電流源の動作は抵抗Ｒ１４での所定の電圧降下を維持することにあるから、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ６以外の電流源からの電流の注入は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ６を流れる電流を低減させ、コンバータが作動すると電流は低減される。

抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ１２とにより導入される小さな遅延は、ＬＥＤコンバータが作動しても電流がすぐに低下することのないようにし、こうしてリンギング電流の大きさを低減する。ダイオードＤ１３は電流が逆流してＬＥＤコンバータ電子回路からブリッジ整流器ＢＲ１へ入るのを防止し、リンギングの大きさを低減させる。

図８は、ここで記述される発明の代替の実施の形態を示している。図には減光装置は図示されていないが、端子ＣＮ１と端子ＣＮ４との間に電源に対して直列に接続される。本回路は、減光装置の出力に接続されてＡＣ電流をＤＣ電流へ変換するブリッジ整流器８０を備えている。ブリッジ整流器８０は電流をダミー負荷８１及びＬＥＤコンバータ電子回路８２に供給する。ダミー負荷８１は、電流を通る最大電流を制限するよう動作するサージ制限回路８２に電気接続される。図８はＬＥＤを図示していないが、ＬＥＤはＬＥＤコンバータ電子回路８２の端子ＣＮ５と端子ＣＮ６との間に接続されることになる。フィードバック・チャネル９０はＬＥＤコンバータ電子回路と動的ダミー負荷８１との間に設けられる。

上記に回路素子を形成するのに使用される種々のデバイスの機能を当業者は理解しているけれども、回路素子の理解を助けるために、主要な素子についての簡単な説明を含めることにする。ＬＥＤ照明コンバータ電子回路８２は、調整されたＤＣ電流をコンバータＩＣ Ｕ１に提供するために、調整可能な電圧レギュレータＵ２と、それに関連したダイオードＤ７、Ｄ８及び抵抗Ｒ２２、Ｒ２３とを備えている。ＩＣ Ｕ１はＬＥＤ端子ＣＮ５、ＣＮ６に供給される電流のレギュレータとして機能する。また、コンバータＩＣ Ｕ１はＭＯＳＦＥＴ Ｑ１に接続された出力を備えており、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１はコンバータＩＣ Ｕ１によって制御される主スイッチとして機能する。

変圧器Ｔ１は、変圧器Ｔ１に入力された電圧を、端子ＣＮ５と端子ＣＮ６との間に接続されたＬＥＤに電力供給するための低い電圧へステップダウンする高周波変圧器であることが好ましい。また、変圧器Ｔ１は、この実施の形態においてはダイオードＤ９と抵抗Ｒ２７を含むフィードバック・チャネル９０を介して、動的ダミー負荷８１にフィードバック信号を提供する。変圧器Ｔ１の出力は整流器Ｄ６、Ｄ３に電気を供給するよう電気接続される。整流器Ｄ６、Ｄ３は高周波ＡＣ出力を整流してＤＣ電流にし、端子ＣＮ５、ＣＮ６においてＬＥＤに供給する。整流器Ｄ６、Ｄ３によって供給されるＤＣ出力は変動しているから、コンデンサＣ３を整流器出力とグランドとの間に接続して整流器Ｄ６、Ｄ３からの出力をフィルタ処理して平滑化する。

回路素子であるダイオードＤ５及びコンデンサＣ５は変圧器Ｔ１の他の出力に接続され、コンバータＩＣ Ｕ１に対して補助電力を供給し、それによって線形レギュレータＵ２の電力損失を低減する。コンデンサＣ４、抵抗Ｒ２及びダイオードＤ２は主スイッチＭＯＳＦＥＴ Ｑ１における高電圧スパイクを抑圧するよう動作する。

ダミー負荷８１は２トランジスタ電流源を備えており、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ２を通る電流は抵抗Ｒ２８とトランジスタＱ３のベース−エミッタ間電圧降下とによって決定される量によって調整される。サージ制限回路は動的ダミー負荷８１とブリッジ整流器８０とに電気接続される。サージ制限回路はＭＯＳＦＥＴ Ｑ４とトランジスタＱ５とから形成される２トランジスタ電流源を備える。サージ制限回路はＬＥＤコンバータ電子回路を通る許容最大電流を制限する。サージ制限回路は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４のゲートとソースとの間の電圧が安全レベルに維持されるよう機能するツェナーダイオードＤ１２を備える。

ここで記述した実施の形態は本発明の実施の単なる例示であって、発明の範囲を限定するものではない。当業者は認識するように、他の実現形態も本発明を達成する。

電源と負荷との間に直列に電気接続された位相制御型減光装置を示す基本回路図である。 家庭用ＡＣ波形と、家庭用供給電力に位相制御型減光装置を適用した結果生じる波形とを示す図である。 ＬＥＤ照明及びコンバータ電子回路と共に使用される減光装置を示す代表的な回路である。 減光装置の電流出力とリンギングを示す出力の波形とを示す図である。 動的緩衝素子を備える減光可能なＬＥＤ照明回路のブロック図である。 減光装置電圧出力、減光装置負荷電流及び制御信号の時間に対する関係を示す図である。 本発明の好ましい実施の形態を概略的に示す図である。 サージ制限回路を備える、本発明の代替の実施の形態を概略的に示す図である。

Claims (15)

1. 電源とＬＥＤ照明コンバータとの間に直列に接続された減光装置を備える電気回路であって、
   前記ＬＥＤ照明コンバータに並列に配置され、前記ＬＥＤ照明コンバータから制御信号を受け取り、該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電気回路。
2. 前記電源及び前記ＬＥＤ照明コンバータと直列のサージ制限回路を更に備える、請求項１に記載の電子回路。
3. 前記サージ制限回路が定電流源である、請求項２に記載の電子回路。
4. 前記制御信号が電流信号である、請求項１に記載の電子回路。
5. 前記ＬＥＤ照明コンバータがＡＣ−ＤＣコンバータを備える、請求項１に記載の電子回路。
6. 減光装置がバイアス電流を示し、前記動的ダミー負荷が前記減光装置の作動前に前記バイアス電流に対して負荷を提供する、請求項１に記載の電子回路。
7. 前記動的ダミー負荷が減光装置の作動時に電流増を示す、請求項６に記載の電子回路。
8. ＬＥＤと共に位相制御型減光装置を使用して該ＬＥＤの減光を行う方法であって、
   電源に接続された位相制御型減光装置を設ける段階と、
   前記減光装置に直列に電気接続されたＬＥＤを設ける段階と、
   前記ＬＥＤと並列に動的ダミー負荷を設ける段階と、
   前記減光装置の作動時に前記減光装置の保持電流を越えて前記減光装置から電流を引くよう前記動的ダミー負荷を変え、その後、前記ＬＥＤによって引かれる電流が前記保持電流を越えるとき、引く電流を低減するよう前記動的ダミー負荷を変える段階と、
   を備える減光方法。
9. 前記動的ダミー負荷へ制御信号を提供する段階を更に備える、請求項８に記載の減光方法。
10. 減光可能なＬＥＤ照明システムであって、
    位相制御型減光装置に電気接続された電源であって、前記位相制御型減光装置がそのＡＣ電力出力をＬＥＤ照明に電力供給するためのＤＣ電力出力へ変換するコンバータ回路に電気接続された電源と、
    前記コンバータ回路に並列に電気接続された動的ダミー負荷であって、前記コンバータ回路の動作に応答してその引く電流を変える動的ダミー負荷と、
    を具備するＬＥＤ照明システム。
11. 前記ＬＥＤに提供される電流に応答して前記コンバータ回路によって生成された制御信号を運ぶために前記コンバータ回路から前記動的ダミー負荷へ至る制御チャネルを更に備える、請求項１０に記載のＬＥＤ照明システム。
12. 前記減光装置と前記コンバータ回路との間に電気接続されたブリッジ整流器を更に備える、請求項１０に記載のＬＥＤ照明システム。
13. 前記コンバータ回路が、前記減光装置から提供される電圧を低減する変圧器を備える、請求項１０に記載のＬＥＤ照明システム。
14. 前記変圧器が前記制御信号を生成する、請求項１３に記載のＬＥＤ照明システム。
15. 前記動的ダミー負荷に電気接続されたサージ制限回路を更に備える、請求項１０に記載のＬＥＤ照明システム。

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