JP2011150930A - 照明器用電子バラスト回路 - Google Patents

Abstract

【課題】トライアックによる電力の位相制御入力によって、電力変換部の出力に接続される負荷に所望の制御された電力を高精度に供給する。
【解決手段】トライアックで位相制御された交流電圧を入力する整流器と、前記整流器の出力端に接続される抵抗素子及び容量素子からなるフィルタと、前記フィルタの出力端に接続される電力変換部とを有する電子バラスト回路が開示される。前記フィルタに入力される電流は共振を生じないので、所望の電力供給調整を高精度に行うことが出来る。
【選択図】図６

Description

本発明は、照明器用電子バラスト回路（以下、電子バラストと略称する）に関する。

従来のトライアックで位相制御された交流電圧を入力電圧とするＬＥＤランプ用電子バラスト回路１００を図１に示す。このＬＥＤランプ用電子バラスト回路１００は、交流を直流に変換する整流器１２０、整流された電源から電流を消費する抵抗性のダミー負荷１３０、電力変換部のノイズを抑制するコイル１４１とコンデンサ１４２とからなるフィルタ１４０、及び電力変換部としてＤＣ−ＤＣコンバータ１５０を有する。

図１に示した回路の各構成要素の動作を以下に示す。トライアック１１０はＡＣラインの片側線に挿入され、ＡＣ周波数の位相に同期して通過電力を流通角幅で断続することで、トライアック１１０の負荷側への電力供給を調整する。整流器１２０はＡＣを整流して、ＬＥＤランプ１６０を点灯させるための直流入力を供給する。ダミー負荷１３０はトライアック１１０の点弧を継続するための最小動作電流を保つ機能を担う。図１の回路においては、トライアック１１０によって位相制御された電力が整流器１２０、フィルタ１４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５０を通過して負荷としてのＬＥＤランプ１６０に供給されることで、ＬＥＤランプ１６０の調光がなされる。従って、トライアックの電力供給量に応じてＬＥＤランプは調光されることになる。この回路においては、ダミー負荷１３０の消費電力がＬＥＤランプ１６０の点灯消費電力に比べて小さい時にはトライアック１１０の供給電力はＬＥＤの光量に凡そ比例する。

なお、コイル１４１とコンデンサ１４２からなるフィルタ１４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子により発生するノイズや高調波電流を交流入力側に還流することを抑制するために設けられる。

特開２００４−３２７１５２号公報

上述の従来の電子バラスト回路のフィルタ１４０はコイル１４１とコンデンサ１４２からなるため、トライアック側から見て共振周波数を有する回路となっている。この共振周波数は、トライアックの保持電流に影響を生じさせ、流通角幅を乱すので、トライアックによる位相制御が理想通りに動作しなくなる。結果として、ＬＥＤランプ１６０に流れる電流の精度の悪化を招来し、調光を不安定なものとする。本発明が解決しようとする課題は、この調光の不安定さを解決することである。

［従来回路の問題点］
まず問題点である調光不安定動作を説明する前に、トライアックによる供給電力調整が正常に行われる例を、図２、３を用いて説明する。

図２は、図１からフィルタ１４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５０、ＬＥＤランプ１６０を除いた回路であり、トライアックによる電力調整が正常に行われる場合を説明するための図である。図２の他の構成要素、即ち、交流電源、トライアック２１０、整流器２２０、及びダミー負荷２３０は図１と同じであるので、各構成要素の動作についての説明は省略する。図２において、Ｉｂ１はダミー負荷２３０に流れる電流を、Ｉｄ１，Ｉｅ１はトライアックに流れる電流を、Ｖａ１は整流器２２０の出力電圧を示す。

図３に、図２の回路において交流電源から入力される交流電圧をトライアック２１０で例として位相角９０度（流通角９０度）に制御値を設定して、トライアック２１０を点弧したときの、整流器２２０の出力部の電圧波形Ｖａ１、ダミー負荷２３０に流れる電流波形Ｉｂ１、トライアック２１０に流れる電流波形Ｉｄ１，Ｉｅ１を示す。ここで、Ｖａ１，Ｉｂ１，Ｉｄ１の波形は、トライアックの点弧後の流通を保持させるための一定値以上の電流（以下、最小保持電流と略称する）を考慮せず、トライアックに流れる電流がゼロになっても流通角の保持が出来るものと仮定した場合の電流波形であり、Ｉｅ１の波形は、トライアックの最小保持電流を考慮した場合の実際の電流波形である。

整流器２２０の出力部の電圧波形Ｖａ１は、交流電源から出力された交流電圧がトライアックで位相角９０度に制御値を設定し点弧され、整流器で負電圧を正電圧に変換されるため、図３のＶａ１で示した正弦波の1／４部分が並んだ波形となる。

ダミー負荷２３０に流れる電流波形Ｉｂ１は、整流器の出力電圧をダミー負荷の抵抗値で割った値となるのでＶａ１に比例した波形となり、図３のＩｂ１で示した波形となる。

トライアック２１０に流れる電流波形Ｉｄ１は、Ｉｂ１が整流器によって変換される前の電流であり、Ｉｂ１を１８０度ごとに正負にした波形となるので、図３のＩｄ１で示した波形となる。

上記Ｖａ１，Ｉｂ１，Ｉｄ１の波形については、トライアックの最小保持電流を考慮せず、トライアックに流れる電流がゼロであっても流通角を保持できる場合（以下、保持電流を無視した場合と表現する）を仮定して説明した。しかし実際には、トライアックを動作させるためには、トライアックには最小保持電流以上の電流が流れることが必要となる。このことを図３を用いて説明する。図３のＩｄ１には最小保持電流を考慮しない場合のトライアックから出力される電流波形（実線）、トライアックを動作させるための最小保持電流の値（＋−側にそれぞれ破線で示される）、及びこの電流波形と最小保持電流値との交点（黒丸部）が記載されている。電流値の絶対値が最小保持電流の絶対値を下回ると、トライアックの流通角は終了し、次のサイクルの９０度位相で位相角が開始する。よって、トライアックから出力される実際の電流波形は、図３のＩｅ１に実線で示すような波形となる。

なお、Ｖａ１，Ｉｂ１の実際の波形もトライアックから出力される電流の絶対値が必要保持電流の絶対値を下回っている区間においてゼロとなるが、図３のＶａ１，Ｉｂ１においてはこのゼロとなる区間を省略している。

上記のように、最小保持電流を必要とするトライアックでは位相角１８０度付近では１８０度より若干早めに流通角が終わることになる。しかしながら、１８０度付近の交流の谷は電力が少ない箇所であるので大きな問題は生じない。このように負荷としてのＬＥＤランプ１６０に対してトライアックの位相角設定によって流通角の幅に比例した電力供給調整を行うことが出来る。

次に調光不安定状態が発生する状況、即ちコイルとコンデンサからなるＬＣ回路フィルタを図２の整流器の出力に接続し、このＬＣ回路フィルタの出力にＤＣ−ＤＣコンバータを接続した場合の動作について図４，５を用いて説明する。

図４の各構成要素は、図１と同様であるので詳細な説明は省略する。また、図２と同様に、図４において、Ｉｂ２はダミー負荷４３０に流れる電流を、Ｉｃ２はフィルタ４４０に流れる電流を、Ｉｄ２，Ｉｅ２はトライアック４１０に流れる電流を示す。

ＬＣ回路フィルタに入力される電流Ｉｃ２は、フィルタ部がコイルとコンデンサを含むリアクタンス回路であるために、トライアック点弧時に過渡電流によりリアクタンス特性に内在する共振周波数で共振が生じる。

図５において、整流器４２０の出力部の電圧波形Ｖａ２、ダミー負荷４３０に流れる電流波形Ｉｂ２、トライアック４１０に流れる電流波形Ｉｄ２，Ｉｅ２を示す。また、図５においてＩｃ２は、ＬＣ回路フィルタに入力される電流波形を示す。図５におけるＶａ２，Ｉｂ２，Ｉｃ２，Ｉｄ２は、図３と同様に最小保持電流を無視した場合の波形であり、Ｉｅ２は最小保持電流を考慮した場合の波形である。

Ｖａ２及びＩｂ２は、図３に示した波形と同様の波形を示す。

共振電流Ｉｃ２の波形は、図５に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流の大きさと共振周波数のリップルとが重畳されたものになる。この共振電流のリップル振幅は、フィルタのリアクタンスのインピーダンス特性や、ＤＣ−ＤＣコンバータの処理電力次第で変化する。特にリアクタンスの共振インピーダンスが低い時やＤＣ−ＤＣコンバータへの消費電流が多い場合、リップルの谷は深くなる。

整流器の出力側にはＩｂ２とＩｃ２が加算された電流が流れる。従って、トライアックの出力電流Ｉｄ２は、図５に示すように、Ｉｂ２とＩｃ２を加算した電流を１８０度ごとに正負にした電流波形となる。

図５のＩｄ２には、図３のＩｄ１と同様に、最小保持電流を考慮しない場合のトライアックから出力される電流波形（実線）と、トライアックを動作させるための最小保持電流の値（＋−側にそれぞれ破線で示される）、及びこの電流波形と最小保持電流値との交点（黒丸部）を記載した。

図５のＩｄ２からも明らかな通り、この電流波形と最小保持電流値との交点は、トライアックが流通動作に入った直後に存在するので、トライアックの流通角の設定値よりも大幅に少ない流通角にて流通動作が終了することとなる。また動作終了後１８０度位相角内でトライアックが再点弧されることがあっても、上記と同じ電流波形が発生するので、わずかな流通角で流通動作が終了してしまうことを繰り返す。いずれにしても、位相角で点弧し１８０度直前で流通終了するという所望のトライアックの電力供給調整を行うことができない。

以上の通り、従来の電子バラスト回路では、流通動作に入った直後に流通動作を終了する現象が生じ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に接続される負荷に所望の電流を精度良く供給することが出来なかった。

上述した従来技術の課題を解決するべく鋭意研究を行った結果、整流器の出力と電力変換部の入力との間に抵抗素子及び容量素子からなるリアクタンス回路のフィルタを設置することにより、上記の課題を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明は以下の通りである。

本発明は、照明器に供給される電力を制御する電子バラスト回路であって、トライアックで位相制御された交流電圧を入力する整流器と、整流器の出力端に接続され、抵抗素子及び容量素子からなるフィルタと、フィルタの出力端に接続される電力変換部とを有することを特徴とする。

本発明の一実施形態は、抵抗性分流回路が、整流器とフィルタの間に並列に、又は整流器の入力側に接続されることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、照明器が、ＬＥＤランプ、白色電球、又は蛍光放電管のうちの何れかであることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、フィルタが、ＲＣ直列回路又はＲＣ直列多段回路であることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、電力変換部が、ＤＣ−ＤＣコンバータ又はＤＣ−ＡＣインバータであることを特徴とする。

本発明の一実施形態は、抵抗性分流回路が、抵抗素子からなる回路または定電流回路であることを特徴とする。

本発明によれば、トライアックによる電力の位相制御入力によって、電力変換部の出力に接続される負荷（例えばＬＥＤランプ）に所望の制御された電力を高精度に供給することを可能にする。

従来の電子バラスト回路を説明するための回路図である。 図１からフィルタ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＬＥＤランプを除いた回路図である。 図２の回路の各点における電流、電圧波形を示す図である。 従来の電子バラスト回路を説明するための回路図である。 図４の回路の各点における電流、電圧波形を示す図である。 本発明の実施形態に係る電子バラスト回路を説明するための回路図である。 図６の回路の各点における電流、電圧波形を示す図である。 本発明の実施形態に係る電子バラスト回路で使用するフィルタの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電子バラスト回路で使用する抵抗性分流回路の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」と言う。）について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の記載に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

［電子バラスト回路］
図６は、本実施形態に係る電子バラスト回路６００、トライアック６１０、電子バラスト回路６００の出力側に接続される負荷としてのＬＥＤランプ６６０、及びトライアック６１０の入力側に接続された交流電源からなる回路図である。電子バラスト回路６００は、トライアック６１０で位相制御された交流電圧が入力される整流器６２０と、整流器６２０の出力端に接続される抵抗６４１及びコンデンサ６４２からなるＲＣ回路フィルタ６４０と、整流器６２０とフィルタ６４０の間に接続される抵抗性分流回路６３０と、フィルタ６４０の出力端に接続される電力変換部として機能するＤＣ−ＤＣコンバータ６５０とから構成される。図６において、Ｉｂ３は抵抗性分流回路６３０に流れる電流を、Ｉｃ３はフィルタ６４０に流れる電流を、Ｉｄ３，Ｉｅ３はトライアック６１０に流れる電流を示す。

本実施形態の電子バラスト回路の各構成要素を以下に説明する。

［フィルタ］
本実施形態で用いるフィルタは抵抗素子及び容量素子からなるフィルタであれば特に制限されず、図８に示すＲＣ回路や、ＲＣ回路の直列多段回路などが使用できる。電力供給調整を高精度に行う観点から抵抗素子及び容量素子のみからなるフィルタであり、誘導素子を有さないフィルタであることが好ましい。

［抵抗性分流回路］
本実施形態で用いる抵抗性分流回路は整流器の入力側に接続されるトライアックの誤動作を防ぐために用いられ、トライアックから見て抵抗成分として認識されるものであれば特に制限されず、図９に示す抵抗素子からなる回路や定電流回路などが使用できる。また、抵抗性分流回路が接続される位置はトライアックから見て抵抗成分として認識されるものであれば良く、整流器とフィルタの間や、整流器の入力側に接続されることが好ましく、回路構成を単純にする観点から整流器とフィルタの間に接続されることがより好ましい。

［電力変換部］
本実施形態で用いる電力変換部としては、ＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣインバータを使用することができ、接続される負荷が直流電力により動作するものであればＤＣ−ＤＣコンバータを用いることが好ましく、接続される負荷が交流電力により動作するものであればＤＣ−ＡＣインバータを用いることが好ましい。

［負荷］
図６では、負荷としてＬＥＤランプ６６０が示されているが、電力変換部（図６では、ＤＣ−ＤＣコンバータ６５０）から出力される電力により動作するものであれば特に制限されず、白色電球、蛍光放電管なども使用することができる。高精度な電流供給が必要とされる観点から、本実施形態に係る電子バラスト回路により、ＬＥＤランプ、蛍光放電管を好適に使用できる。ＬＥＤランプは直流で動作する負荷の代表例であり、蛍光放電管は交流で動作する負荷の代表例である。

［電子バラスト回路の動作］
図６に示した本実施形態の電子バラスト回路を含む回路の動作について、図３及び図５と同様に交流電源から入力される交流電圧をトライアックで位相角９０度（流通角９０度）に制御値を設定し、点弧したときの例を、図７を用いて説明する。図７において、Ｖａ３，Ｉｂ３，Ｉｃ３，Ｉｄ３，Ｉｅ３は、図３及び図５と同様に、図６でそれぞれ示した箇所における電圧又は電流の波形である。図３及び図５と同様に、Ｖａ３，Ｉｂ３，Ｉｃ３，Ｉｄ３は最小保持電流を無視した場合の波形であり、Ｉｅ３は最小保持電流を考慮した場合の波形である。

Ｖａ３及びＩｂ３については、図３及び図５に示した波形と同様の波形を示す。

Ｉｃ３については、フィルタ６４０が抵抗素子として抵抗６４１及び容量素子としてコンデンサ６４２から構成されており、そのリアクタンス特性からトライアック点弧直後に過度の電流の増大は発生するものの、図５のＩｃ２で見られた共振リップルの谷は発生せず、トライアックが流通動作に入ることに伴い瞬時に増大し、その後滑らかに減衰している。この波形は、抵抗素子と容量素子から成るフィルタからのステップパルス応答にＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電流が重畳したものである。

Ｉｄ３については、図５の場合と同様にＩｂ３とＩｃ３を加算した電流を１８０度ごとに正負にした電流波形となり、トライアックに流れる電流Ｉｄ３の絶対値はトライアックが流通動作に入ることに伴い瞬時に増大し、その後滑らかに減少する。

Ｉｅ３については、トライアックが流通動作に入ることに伴い、トライアックに流れる電流Ｉｄ３の絶対値が瞬時に増大し、その後滑らかに減少するので、図３のＩｅ１に示したフィルタを含まない回路の場合と同様に、電流波形と最小保持電流の値との交点における角度は、トライアックの設定値（図７の例においては１８０度）の直前となる。このように、図６の回路によれば、フィルタ６４０に入力される電流が共振を生じないので、所望の電力供給調整を高精度に行うことが出来る。

図６に基づいて説明した電子バラスト回路は、接続する負荷としてＬＥＤランプを、電力変換部としてＤＣ−ＤＣコンバータを用いたが、接続する負荷を蛍光放電管とし、電力変換部をＤＣ−ＡＣインバータとした構成においてもトライアックによる高精度な位相制御点灯が可能である。ＤＣ−ＤＣとＤＣ−ＡＣの入力特性がトライアック側から見て同一特性になるからである。

本発明は、入力にトライアックで制御された電力を、出力に照明用ランプ負荷を接続する電子バラスト回路に適用する。特に入力電源として商用ＡＣ電源を用いる場合や負荷としてＬＥＤランプや蛍光放電管を用いる場合の電子バラスト回路に好適である。

１００、４００、６００：電子バラスト回路
１１０、２１０、４１０、６１０：トライアック
１２０、２２０、４２０、６２０：整流器
１３０、２３０、４３０：ダミー負荷
６３０：抵抗性分流回路
１４０、４４０、６４０：フィルタ
１４１、４４１：コイル
６４１：抵抗
１４２、４４２、６４２：コンデンサ
１５０、４５０、６５０：ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６０、４６０、６６０：ＬＥＤランプ

Claims (6)

1. 照明器に供給される電力を制御する電子バラスト回路であって、
   トライアックで位相制御された交流電圧を入力する整流器と、
   前記整流器の出力端に接続され、抵抗素子及び容量素子からなるフィルタと、
   前記フィルタの出力端に接続される電力変換部と
   を有することを特徴とする電子バラスト回路。
2. 抵抗性分流回路が、前記整流器と前記フィルタの間に並列に、又は前記整流器の入力側に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電子バラスト回路。
3. 前記照明器は、ＬＥＤランプ、白色電球、又は蛍光放電管のうちの何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子バラスト回路。
4. 前記フィルタは、ＲＣ直列回路又はＲＣ直列多段回路であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電子バラスト回路。
5. 前記電力変換部は、ＤＣ−ＤＣコンバータ又はＤＣ−ＡＣインバータであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電子バラスト回路。
6. 前記抵抗性分流回路は、抵抗素子からなる回路または定電流回路であることを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載の電子バラスト回路。

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