JP2010198943A - 導通角制御式及び電圧可変式の調光器で調光可能な、ｌｅｄ照明装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤランプ等は身近にあるトライアック式調光器では、白熱電球のようには、上手く調光出来ない。
理由はトライアック式調光回路は一定以上の電流が通電しないと回路が正常に動作しないと言う事と、ＬＥＤは一定電圧を境に点灯・消灯する性質が有る爲である。

【解決手段】調光器の回路特性上の問題点は、調光器出力に定電流負荷回路を接続して解決する。
ＬＥＤ本来の特性上の問題点は、ＬＥＤにトライアック式調光器の調光電圧を直接加えるのでは無く、左記調光電圧に対応した電流を、LEDに通電させる回路で解決する。

【選択図】図１

Description

本発明は、LED照明に関するものである。

現在、地球温暖化防止のための広く省エネが求められており、白熱電球、ハロゲンランプ、蛍光管の代替として発光部にＬＥＤを利用し、かつ従来器具に装着可能な、いわゆる白熱電球形状ＬＥＤランプ、ハロゲンランプ形状ＬＥＤランプ、蛍光管形状ＬＥＤ管（以下ＬＥＤ照明ランプ類と称する）が開発・販売されている。

上記ＬＥＤ照明ランプ類は従来器具に装着して商用電源を入力して使用出来るようにする為にＬＥＤランプ類の内部には、ＬＥＤを安定して点灯するために定電圧回路、定電流回路や保護回路等が内臓されている。
上述のようにＬＥＤランプ類には各種電子回路が内臓されているため、調光器（導通角制御式、電圧制御式をとわず）からの調光電圧を入力しても、白熱電球のようには調光が行えない欠点が有った。
更にトライアック導通角制御式の調光器は其の回路構成上、ＬＥＤ照明のように消費電力が少ない負荷に接続した場合には調光器の回路が正常に動作せず調光が行えない欠点が有った。
又、上記電子回路が内臓されていない単純な構成のＬＥＤランプ類（単に整流器と抵抗とＬＥＤを直列に接続した構成）の場合も、ＬＥＤには、一定のＶＦ電圧を境に消灯・点灯する性質があるために調光器に接続しても、調光は困難であった。

上記の問題が存在するため、調光が必用な用途へのＬＥＤ照明ランプ類の導入には新規器具及び新規配線が必要となり導入費用の面で問題があった。

この改善策として、ＬＥＤ照明装置内に、既設のトライアック式調光器を正常に動作させる為の回路及び、上記調光器の出力電圧を取得する回路を設け、其の取得電圧データをもとに、ＬＥＤの通電電流を制御しＬＥＤの照度制御を行う方式で上記問題点を解決する手法を発明した。
特許文献2や特許文献３にはＬＥＤを調光する方法の記述は有るが、既設トライアック調光器を正常に動作させる方法は記述はなされていない。

特許文献３には請求項1の７行目以降に
『調光回路から出力される交流の電圧波形をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記デジタル電圧信号から前記調光回路で設定された導通角を求め』と有るが下記の問題点がある。
問題点1 トライアック調光回路の性質上、比較的低インピーダンス（白熱電球など）負荷が接続されていない場合は、トライアック調光回路が正常に動作せずトライアックの導通角に対応した、トライアック出力電圧波形が観測されない。
この現象は特に調光電圧が低電圧の時に顕著である。

特許文献３の負荷はＬＥＤおよびＡ/Ｄ変換回路であり、其の消費電力は白熱電球などの負荷に比べ著しく低いため、トライアック調光回路が正常に動作せず、特許文献３の言う導通角を求めることは不可能であった。
問題点2 トライアック制御回路の負荷が、純抵抗（白熱電球やヒーター）では無くコイル、コンデンサー負荷の場合には、トライアック出力電圧波形は、相当歪を持ち導通角を測定すことは不可能であった。

特許文献３の負荷はコイル・コンデンサー成分がかなり含まれており、同回路で実験を行ったところ、特許文献３の言う導通角を求めることは不可能であった。
問題点3 特許文献３は『Ａ/Ｄ変換回路、１チップマイコン』等の電子回路の動作電源に関しての記述が無いが、今回の発明では、別途電源を用意することなく、調光回路からの電力で、電子回路が動作するように考案した、このことは、白熱電球から、簡便にＬＥＤランプ類に取り替えるためには重要な要素である。
本発明は上記の問題点1・問題点2・問題点3を省エネも考慮しつつ解決したものである。

特開２００６−３１９１７２号公報 特開２００４−３３５１２８号公報 特開２００９―２６５４４号公報

なし

解決しようとする課題は、トライアック式調光器の負荷がＬＥＤ照明のように低負荷の場合に左記調光器が正常に動作しない問題を、コンパクトかつ低消費電力で解決することと、ＬＥＤのＶＦ電圧を境に照度が急変する性質を、あたかも調光器で白熱電球を調光したかのように、照度制御することである。
また上記解決の為の電子回路などの動作電源は、調光器からの電力を利用する。

調光器の特性に起因する問題点に対しては、ＰＷＭ制御式定電流負荷回路を設置し、省エネに留意してトライアック式調光回路が正常に動作す為の最低電流を通電させて解決する。
ＬＥＤ本来の特性に起因する問題点に対しては、ＬＥＤにトライアック式調光器の調光電圧を直接加えるのではなく、トライアック式調光器の出力電圧を測定し、其の調光電圧にもとずき、ＬＥＤの通電電流をＰＷＭ制御して照度の調整を行う構成とする。

本発明のＬＥＤランプ類は既設の調光器及び既設の配線及び既設の照明器具を利用して調光が可能な為、ＬＥＤの省エネ効果は理解するものの従来の調光器・配線・器具が利用できない為、導入を見送っていたケースでの導入が促進され、地球温暖化防止に役立つ。

図１は本発明のマイコン制御タイプの実施方法を示した説明図である。（実施例１） 図２は本発明のアナログ制御タイプの実施方法を示した説明図である。（実施例２） 図３は本発明のアダプタータイプの実施方法を示した説明図である。（実施例３） 図４は本発明のLED発光部外付けタイプの実施方法を示した説明図である。（実施例４） 図５は本発明の既存電球、蛍光管形状での実施方法を示した説明図である。（実施例５）

トライアック式調光器の出力に同調光器が、正常に動作するのに必要な電流を通電させるための、、PWM制御の定電流方式の回路を設ける、この回路により、左記調光器の出力電圧波形は導通角制御された理論波形と同等の波形が発生する。左記電圧波形を、１チップマイコンのA/D変換回路に入力し、取得データを演算し調光器の平均出力電圧を得る。
左記平均電圧に対応した、LED照度になるように、LEDの通電電流を制御して、LEDの調光を行う。

図１は、本発明装置の１実施例のブロック図であって、1は商用交流電源、2はトライアック式調光器、3は既設配線、4は既設器具口金、5は５０口金を持った電球型ＬＥＤランプであり、図1の様に接続されている。

1の商用電源に接続された、2の位相制御回路（調光器）から、調光された電圧は3の既設配線により、4の器具口金に接続され、5の50口金から、LEDランプに入力される。
上記入力電圧は51のD1ダイオードで全波整流され、C1で平滑されVCCとなり、52、53、55、56などに供給される。
VAAは60の分圧回路で分圧され、59の１チップマイコンの63のA/D変換回路に入力され、2の調光器の出力電圧波形が取り込まれる。
52の定電流回路は、53の定電流ＰＷＭ制御回路で制御される、この電流値は、2のトライアック調光器が正常に動作する為に必用な電流値を考慮して決定する。
実施例では、2のトライアック調光器の制御電力は1ＫＷ程度の物を想定しており、必用電流値は40ｍＡ程度であることから、53の定電流ＰＷＭ制御回路の設定電流は50ｍＡとした。
尚上記53のは基本周波数約50ＫＨｚでＰＷＭ動作を行っているが、AND回路の１入力である61端子にHi/Lo信号を入力することによりPWM制御を停止/実行することが可能である。
この61端子に59の１チップマイコンから50ＫＨｚより低い周波数（実施例では1KHｚ程度）のＰＷＭ信号を出力することで、52の定電流回路の電流調整を行うことが可能である。
次に、ワンチップマイコン用の電源であるが、実施例では3Ｖで1ｍＡ程度を消費するワンチップマイコンを使用するので、53の回路の内部電圧出力端子の電圧で、１チップマイコンは動作可能である。

55はＬＥＤ用の定電流ＰＷＭ制御回路であるが、実施例では56のＬＥＤはＬＥＤ単体のＶＦが3ＶでＩＦは50ｍＡであり、其のＬＥＤを６個直列接続にしたものを５列並列接続している事から、合成のＶＦ電圧は18Ｖ、ＩＦ電流は250ｍＡであるので、55の定電流設定値は250ｍＡとした。
尚上記55のは基本周波数は約50ＫＨｚでＰＷＭ動作を行っているが、AND回路の１入力である62端子にHi/Lo信号を入力することによりPWM制御を停止/実行することが可能である。
この端子に59の１チップマイコンから50ＫＨｚより低い周波数の（実施例では1KHｚ）の、VAA電圧に対応したＰＷＭ信号を55の62端子に入力し、ＬＥＤの照度調整を行っている。
具体的には、60で分圧された2の調光電圧を59の１チップマイコンのＡ/Ｄ変換器の63端子に入力し、左記調光電圧を0.18秒間0.001秒間隔でA/D変換し取得する、これは商用電源の50Hz,60Hzの0.5サイクルが0.018秒または0.02秒であることから，其の公倍数である0.18秒間のサンプリングとした。
上記取得データから平均電圧を算出し、ＬＥＤ調光テーブル（調光器の出力電圧に対する、白熱電球の照度とＬＥＤの照度が同等に成る為のＬＥＤの電流値とのテーブル）を参照し、55の62端子にＰＷＭ信号を送信して、ＬＥＤの調光制御を行っている。

57の照度センサーは外光を検出する様に設置されており、サンサー出力は59の１チップマイコンの64のＡ/Ｄ端子に入力され、55の62端子にＰＷＭ信号を出力して、外光の照度に応じてＬＥＤ照度を自動調整している。

58の温度センサーは、ＬＥＤの放熱器近傍に設置され、サンサー出力は59の１チップマイコンの65のＡ/Ｄ端子に入力される、温度データが一定温度を超えた場合は66の冷却ファンを作動させる。
66の冷却ファン作動後も温度が低下しない場合には、59の１チップマイコンから、55の62端子にＰＷＭ信号を出力して、ＬＥＤの照度を減少させる。

トライアック調光器内臓方式
図1の2のトライアック調光回路を正常に動作させる為に51、52、53を2のトライアック調光器の内部に設置することも可能である。

図２の実施例は、ＬＥＤの調光制御を１チップマイコンからアナログ回路に変えたものである。
具体的には、5のＤ１で全波整流された2の調光器の調光電圧を60の分圧・平滑回路をとうし、55のＬＥＤ定電流駆動回路の電圧比較器の比較電圧端子に入力し、上記調光電圧に比例した電流をLEDに通電されることで、照度制御を行っている。
56のC3はLEDのチラツキを押さえる為のコンデンサーである。

アダプター方式
図３の実施例３は図２の実施例２の51、52、53の調光器を正常動作させる為の回路を2の調光器とＬＥＤランプとの間に配置した、いわゆるアダプター方式である。当然図1の実施例1もこのような、形態をとることも可能である。

図４の実施例4は図２の実施例２の56のLED部に５０の口金を設けた形態であり、当然図1の実施例１もこのような形態をとることも可能である。

図5のＡの実施例は実施例1、実施例2を既存の電球形状にしたものである。
図5のＢは同様に蛍光管形状にしたものである。
当然に他の形状で実施しても良い。

現在白熱電球の製造中止を各メーカーが発表している、白熱電球は調光が必要に用途に多数採用されいるが、既存のＬＥＤ電球は既設の調光器・配線では調光できない為、其の取替えコストは多大なものとなる。
本発明は、既設調光器及び既設配線を利用してＬＥＤ照明の調光が可能となり、産業発展に貢献するものである。

１ 商用交流電源
２ トライアック式調光器
３ 既設配線
４ 照明器具のランプ用口金
５ ＬＥＤ照明ランプ
７ 定電流負荷アダプター
１１ トライアック
５０ 口金（規格）
５１ 整流・平滑回路
５２ 定電流負荷回路
５３ 定電流ＰＷＭ制御回路
５４ 定電流負荷回路
５５ 定電流ＰＷＭ制御回路
５６ ＬＥＤ発光部
５７ 照度センサー
５８ 温度センサ
５９ １チップマイコン
６０ 入力電圧分圧回路
６１ PWM出力AND端子
６２ PWM出力AND端子
６３ A/D入力1
６４ A/D入力2
６５ A/D入力3
６６ 冷却ファン

Claims (4)

1. LED発光部と
   導通角制御式の調光器で商用交流電源の導通角を制御された交流の電圧波形（導通角を制御されていない場合も含む）を整流して直流電圧とする整流回路と
   前記整流回路から出力される直流電圧を平滑する平滑回路と
   上記調光器からの出力波形を、接続される負荷が軽負荷時にも、左記調光器の設定導通角に応じた電圧波形に整える為のPWM制御式定電流負荷回路と
   上記『調光器の設定導通角に応じた電圧波形』を、デジタル電圧信号に変換する為のＡ/Ｄ変換回路と
   前記デジタル電圧信号データから上記調光器で設定された電圧の平均電圧を演算し、この平均電圧に対して予め設定されたLED発光照度となるように前記ＬＥＤに供給される電流の通電時間を第１のパルス幅変調（ＰＷＭ）で制御するためのＰＷＭ信号を生成する、ＰＷＭ信号発生回路と、
   前記ＬＥＤに供給される電流のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）を切り換える第１のスイッチング回路と、
   発光部に一定の電流が流れるように前記第１のスイッチング回路のスイッチング動作を第２のＰＷＭで制御するＰＷＭ制御回路と、
   前記ＰＷＭ信号発生回路から出力されるＰＷＭ信号のＰＷＭ波形がハイ（Ｈ）となる期間中に、前記ＰＷＭ制御回路による前記第１のスイッチング回路のスイッチング動作をオン（ＯＮ）にする第２のスイッチング回路とを備える、調光器で調光可能なＬＥＤ照明装置。
2. LED発光部と
   導通角制御式の調光器で商用交流電源の導通角を制御された交流の電圧波形（導通角を制御されていない場合も含む）を整流して直流電圧とする整流回路と
   前記整流回路から出力される直流電圧を平滑する平滑回路と
   上記調光器からの出力波形を、接続される負荷が軽負荷時にも、左記調光器の設定導通角に応じた電圧波形に整える為のPWM制御式定電流負荷回路と
   上記『調光器の設定導通角に応じた電圧波形』を、平均電圧に変換するアナログ回路と
   ＬＥＤの通電電流を上記の平均電圧に応じた、定電流に制御するＰＷＭ式定電流回路を備える、調光器で調光可能なＬＥＤ照明装置。
3. 請求項１及び請求項２の照明装置で、E26,E11,G13、等の規格口金を持ち、
   内臓の電子回路は口金からの入力電圧のみで動作するＬＥＤ照明装置。
4. 請求項１の照明装置で、E26,E11,G13、等の規格口金を持ち、
   内臓の電子回路は口金からの入力電圧のみで動作し、
   温度センサーを持ち、一定温度で、自動で消灯、減光する回路を持ち
   照度センサーを持ち、外光の照度に応じて自動調光する回路を持つＬＥＤ照明装置

Images