JP2012009772A

JP2012009772A - 電源装置および照明器具

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Publication number: JP2012009772A
Application number: JP2010146564A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Terasaka; 博志寺坂; Hajime Osaki; 肇大崎; Masahiko Kamata; 征彦鎌田; Naoko Iwai; 直子岩井
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12
Also published as: KR20120001620A; EP2416481A2; KR101277412B1; CN102300363A; EP2416481A3; US20110316444A1

Abstract

【課題】アークの継続を防止しつつ半導体発光素子の動作むらを抑制したＬＥＤランプの専用電源を提供する。
【解決手段】照明器具は、器具本体と、半導体発光素子25を有する直管形ＬＥＤランプ16と、半導体発光素子25を点灯させる専用電源17とを備える。専用電源17は、ピーク部分の期間が１サイクルの５４％以上の台形波状の電流を出力することにより半導体発光素子25を点灯させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電流を出力することにより負荷を動作させる電源装置およびこれを備えた照明器具に関する。

従来、例えば負荷として発光ダイオード（ＬＥＤ）を複数直列に接続した発光モジュールを搭載した照明器具がある。このような照明器具では、電源回路から発光モジュールに直流の定電流を供給してＬＥＤを略均一に点灯させるように構成される。

しかしながら、回路中の各接続部の着脱、接触不良あるいは断線などの際に、回路中にアークが発生すると、直流の定電流を供給しているため、アークを消滅させることが容易でない。

そこで、電源回路の出力にアークを消弧させるための出力低減期間を設けて、アークの継続を防止する構成がある。

特開２００９−１０１００号公報

しかしながら、出力に出力低減期間を設けると、負荷の動作むら、特にＬＥＤの場合にはちらつき（フリッカ）が発生するおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、アークの継続を防止しつつ負荷の動作むらを抑制した電源装置およびこれを備えた照明器具を提供することを目的とする。

実施形態の電源装置は、最大値の期間が１サイクルの５４％以上の台形波状の電流を出力することにより負荷を動作させる電源回路を備える。

本発明によれば、電源回路が、最大値の期間が１サイクルの５４％以上の台形波状の電流を出力することにより負荷を動作させることで、１サイクル毎に出力電流値が相対的に小さくなる期間を設けてアークの継続を防止しつつ、出力電流のリプル率を低減して負荷の動作むらを抑制できる。

第１の実施形態を示す電源装置の回路図である。同上電源装置を備えた照明器具の斜視図である。 (a)ないし(c)は同上電源装置の負荷の制御に対応する出力電流の波形を示す説明図である。同上電源装置の出力電流波形のリプル率の計算過程を示す説明図である。同上照明器具の光出力と電源装置の出力電流制御との関係を示すグラフである。同上電源装置の出力電流の最大値の期間の１サイクルに対する割合と半導体発光素子のちらつきを感じた被験者の割合との対応を示す表である。 (a)ないし(c)は第２の実施形態の電源装置の負荷の制御に対応する出力電流の波形を示す説明図である。

以下、本発明の第１の実施形態を図１ないし図６を参照して説明する。

図２において、11は照明器具を示し、この照明器具11は、天井直付け形照明器具で、天井に設置される図示しない本体部およびこの本体部に取り付けられる逆富士形の反射体12を有する器具本体13、この器具本体13の両端に互いに対向して配設された一対の光源取付手段としてのソケット14、これら一対のソケット14間に接続される直管形の光源すなわちランプとしてのＬＥＤランプである直管形ＬＥＤランプ16、およびこの直管形ＬＥＤランプ16に電力を供給して直管形ＬＥＤランプ16を点灯させる電源装置（電源回路）としての専用電源17を備えている。この照明器具11は、２灯用であり、一対のソケット14が２組用いられ、２本の直管形ＬＥＤランプ16が使用される。

本実施形態の照明器具11は、直管形蛍光ランプを使用する既設の照明器具構造の器具本体13およびソケット14をそのまま使用し、直管形ＬＥＤランプ16および専用電源17を使用する照明器具11としてリニューアルするものである。あるいは、直管形ＬＥＤランプ16および専用電源17を使用する照明器具11を新規に設置する場合でも、直管形蛍光ランプを使用する既存の照明器具構造の器具本体13およびソケット14を流用し、直管形ＬＥＤランプ16および専用電源17を使用する照明器具11として設置するものである。

直管形ＬＥＤランプ16は、例えば、透光性を有する円筒状で直管形の管体21、この管体21内に収容された発光モジュール22、および管体21の両端に設けられた接続部23を備えている。

管体21は、透光性および拡散性を有するガラスや樹脂材料によって、直管形蛍光ランプと略同じ管長および管径で直管形蛍光ランプと略同じ外観の長尺な円筒状に形成され、両端には取付部である接続部23が設けられている。

発光モジュール22は、管体21の管軸方向に沿って細長い基板（図示せず）、およびこの基板の長手方向に沿って実装された例えばＬＥＤ素子などの負荷としての複数の半導体発光素子25を備えている。この発光モジュール22は、基板を平板状とし、その基板の一面に半導体発光素子25を実装して、主に管体21の所定の方向から光が放射されるようにしてもよいし、あるいは、基板を多角形の筒状とし、その基板の周面に半導体発光素子25を実装して、管体21の全周から光が放射されるようにしてもよい。半導体発光素子25は、例えばＬＥＤ素子の場合、青色光を発光するＬＥＤチップが、青色光で励起されて黄色光を放出する蛍光体を含有した透明樹脂で封止されており、この透明樹脂の表面から白色系の光が放射される。

接続部23は、ソケット14に対して接続されるもので、例えば、絶縁性を有する合成樹脂材料によって、直管形蛍光ランプの口金と同様の形状に形成され、管体21の端部に被着して固定されている。また、この接続部23の端面には、直管形蛍光ランプのランプピンと同様の受電部としての一対のランプピン26が突設されている。なお、接続部23は、一対のランプピン26に限らず、１本のランプピンでもよく、あるいは他の構成でもよく、ソケット14に対して電気的接続や支持が可能であればどのような構成でも構わない。また、この接続部23は、例えばアダプタなどを介してソケット14に電気的および物理的に接続してもよい。

そして、直管形ＬＥＤランプ16は、例えば既存の直管形蛍光ランプ４０Ｗ形（ＦＬ４０形、ＦＨＦ３２形）と外径および全光束が略同等なものであり、管軸方向の全長が１３００ｍｍ未満、１０００ｍｍ以上の範囲であり、全光束が２０００ｌｍ以上の定格特性を有している。

また、図１に示すように、商用交流電源ｅ（例えば１００ＶＡＣ、５０／６０Ｈｚ）を供給する一対の電源線31が器具本体13内を通じて専用電源17の入力側に接続され、この専用電源17の出力側と各ソケット14とが接続線35で接続されている。なお、図１には、一方の直管形ＬＥＤランプ16のみを示すが、他方の直管形ＬＥＤランプ16についても同様である。

この場合、専用電源17は、例えば、商用交流電源ｅからの交流電力を整流するブリッジダイオードなどの全波整流素子37、この全波整流素子37からの出力電力を平滑する平滑コンデンサなどの（第１）平滑素子38、昇圧手段としての昇圧回路39、および、降圧手段としての降圧回路40などを備え、交流正弦波または交流矩形波の交流電力を直流変換してソケット14を通じて直管形ＬＥＤランプ16のランプピン26に供給する。なお、専用電源17は、例えば商用交流電源ｅからの交流電力を交流電力として出力する蛍光ランプ用の点灯装置などの交流電源の出力側に接続してもよいし、全波整流素子37との間にラインフィルタなどを設けてもよい。

昇圧回路39は、例えば昇圧チョッパ回路などの既知の回路であり、平滑素子38の出力側に電気的に接続されている。なお、この昇圧回路39は任意に構成できるので、詳細な構成を省略する。

また、降圧回路40は、例えば降圧チョッパ回路であり、昇圧回路39の出力側に電気的に接続されたＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子41とフライホイールダイオードとなるダイオード42との直列回路、このダイオード42に並列に電気的に接続されたインダクタ43とコンデンサなどの（第２）平滑素子44との直列回路を有しており、制御手段45によりスイッチング素子41がスイッチング制御されることにより降圧動作を行うものである。

そして、専用電源17は、例えば図３(a)ないし図３(c)に示すような台形波状の出力電流を出力し、スイッチング素子41のスイッチング制御（スイッチング周波数およびデューティ比）によって出力電流（電流波形）を制御可能となっている。そして、この専用電源17では、台形波状の最大値、すなわちピーク部分の期間d1が１サイクルの５４％以上に設定されている。なお、図３に示す出力電流の波形は、あくまで理想的な（計算上の）形状を示しており、実際の出力電流の波形は多少の形状誤差を含む。

ここで、上記のピーク部分の期間d1は、出力電流のリプル率RFによって規定されている。リプル率RFとは、電流の変動幅Ａを平均値（実効電流値）Ｉaにより除したものであり(RF＝Ａ／Ｉa)、リプル率RFが小さいほど、出力電流に含まれる脈流が小さいことを意味する。例えば出力電流が図４の想像線に示すような矩形波である場合、電流の変動幅Ａは矩形波の最大値となるため、１サイクルに対する矩形波の幅（オンデューティ）をd2とすると、リプル率RFは、Ａ／（Ａ・d2）＝１／d2となる。この専用電源17は、リプル率RFを１．３以下に設定するため、１／d2≦１．３より、d2≧０．７６９…を得る。そして、本実施形態のように、出力電流が台形波状であるとき、図４の想像線に示す矩形波に近似させると、d1＝d2−（１−d2）＝２・d2−１となるため、上記のd2≧０．７６９…を代入することで、d1≧０．５３８…を得る。したがって、本実施形態の専用電源17は、出力電流のリプル率RFを１．３以下とするために、出力電流の台形波のピーク部分の期間d1、換言すればオンデューティを１サイクルの５４％以上とする。

さらに、専用電源17は、制御手段45によるスイッチング素子41の制御により半導体発光素子25へ出力する出力電流を制御することで、半導体発光素子25の制御すなわち調光が可能となっている。ここで、専用電源17は、上記のように出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上としているため、出力電流を小さくして深い調光を得る際には、最大値を低減するように構成されている。すなわち、図５のグラフに示すように、専用電源17は、全光点灯状態、すなわち光出力１００％（調光率０％）に対応する最大出力電流値（図３(a)）から、所定の光出力P1（１００％未満）に対応する所定出力電流値（図３(b)）までの間は、最大値を所定値に固定し、ピーク部分の期間d1を増減させることで光出力を制御し（グラフ中の折線L1）、所定の光出力P1よりも小さい光出力に対応する電流値、すなわち所定出力電流値以下の電流値まで出力電流を制御するとき、換言すれば調光率をさらに増加させるときは、ピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％に固定して最大値（変動幅Ａ）を増減させる（図３(c)）ように構成されている（グラフ中の折線L2）。換言すれば、所定の光出力P1は、専用電源17の台形波状の出力電流のピーク部分の期間d1が１サイクルの５４％で、かつ、最大値が上記所定値となっているときの半導体発光素子25の出力となっている。

なお、出力電流のピーク部分の期間d1と最大値との増減は、必ずしもリニアに制御しなくてもよい。また、本実施形態において、専用電源17は、５０／６０Ｈｚの商用交流電源ｅを全波整流素子37により全波整流しているため、出力電流に含まれる脈流の周波数は１００／１２０Ｈｚとなっているが、例えば出力電流に含まれる脈流が１００Ｈｚ以上の周波数であれば、同様に対応して用いることができる。

そして、専用電源17では、昇圧回路39により昇圧された昇圧電圧に対して、降圧回路40において制御手段45がスイッチング素子41をオンすることにより、インダクタ43に増加電流が流れて磁気エネルギが蓄積され、スイッチング素子41をオフすることにより、インダクタ43に蓄積された磁気エネルギがダイオード42を経由して放出され、減少電流が流れて平滑素子44が充電される。以下、同様の回路動作の繰り返しにより、本実施形態では図４に示す台形波状の電流波形を有する定電流が専用電源17から出力され、この出力電流が接続線35、ソケット14および接続部23のランプピン26を介して発光モジュール22の半導体発光素子25に供給されて、半導体発光素子25が点灯する。

このとき、専用電源17の出力電流を台形波状としているので、各接続部分の着脱、接触不良、断線などによって回路中に仮にアークが発生した場合でも、直管形ＬＥＤランプ16に供給する出力電圧（出力電流）が１サイクル毎に０になることでアークの継続を防止できる。また、専用電源17は、台形波状の出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上に設定していることにより、専用電源17の出力電流のリプル率RFが１．３以下となる。このため、半導体発光素子25の動作むら、すなわちちらつき、換言すれば使用者が目視可能なレベルの発光量の変化を抑制でき、特に、高照度の環境下でのフリッカを少なくできる。

ここで、複数の被験者に対して台形波状の出力電流のピーク部分の期間が異なるランプを見せ、ちらつきを感じたかどうかを実験した結果を図６に示す。上記第１の実施形態に対応する実施例１および実施例２では、台形波状の出力電流のピーク部分の期間d1をそれぞれ５４％、８２％とし、従来例に対応する比較例では３３％とした。換言すれば、実施例１および実施例２は、出力電流のそれぞれリプル率RFを１．３、１．１とし、比較例は出力電流のリプル率RFを１．５とした。図６に示すように、比較例の場合、５０％以上の被験者がちらつきを感じたのに対して、実施例１および実施例２の場合には、ちらつきを感じた被験者がそれぞれ１０％、５％となった。すなわち、本実施形態では、台形波状の出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上とすることにより、出力電流のリプル率RFを低減して半導体発光素子25のちらつきを効果的に抑制できることが分かる。

特に、出力電流に含まれる脈流の周波数が比較的小さい範囲、例えば１００Ｈｚ程度の周波数においては、人間の目により半導体発光素子25のちらつきを検出可能であるため、使用者がちらつきを感じやすい。このため、１００Ｈｚ以上の脈流を含む出力電流を出力する専用電源17において、台形波状の出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上に設定することで、使用者がちらつきを感じやすい周波数帯域の脈流を含む出力電流により点灯する半導体発光素子25であっても、使用者がちらつきを感じにくくなり、ちらつきに起因する不快感を低減できる。

また、この直管形ＬＥＤランプ16と適合する照明器具11では、専用電源17を器具本体13側に配置することにより、直管形ＬＥＤランプ16を安価に構成できるとともに、既存の直管形蛍光ランプと同様に交換できるので、直管形ＬＥＤランプ16の交換が容易となる。さらに、この直管形ＬＥＤランプ16の交換時の費用的な負担を低減でき、また、専用電源17が半導体発光素子25から熱的影響を受けるのを低減でき、専用電源17の信頼性や寿命を向上できる。

さらに、台形波状の電流のピーク部分の期間を１サイクルの５４％以上の範囲で増減させることにより最大出力電流値からこの最大出力電流値よりも小さい所定出力電流値の間で半導体発光素子25への出力電流を制御するとともに、この出力電流を所定出力電流値以下に制御するときは最大値の期間を１サイクルの５４％に固定して最大値を増減させることで、アークの継続を防止し、出力電流のリプル率を低減して半導体発光素子25の動作むら（ちらつき）を抑制しながら、より効果的な半導体発光素子25の制御、すなわち半導体発光素子25の調光幅を広げることが可能になり、半導体発光素子25の深い調光が可能になる。

次に、第２の実施形態を図７を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成および作用効果については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態は、上記第１の実施形態と同様の構成を有しているが、専用電源17の出力電流の制御が異なるものである。

具体的に、専用電源17は、出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上の所定期間に固定し（スイッチング素子41のオンデューティを所定のオンデューティに固定し）、出力電流を大きくする際には、最小値を増加させるように構成されている。すなわち、専用電源17は、最大光出力、すなわち光出力１００％（調光率０％）に対応する最大出力電流値（図７(a)）から、所定の光出力P2（１００％未満）に対応する所定出力電流値（図７(b)）までの間は、最小値、すなわち台形波状の出力電流のサイクル間の谷の部分を増減させることで光出力を制御し、所定の光出力P2よりも小さい光出力に対応する電流値、すなわち所定出力電流値以下の電流値まで出力電流を制御するとき、換言すれば調光率をさらに増加させるときは、出力電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上の所定期間に固定したまま、最大値（変動幅Ａ）を増減させる（図７(c)）ように構成されている。なお、最小値は各接続部分の着脱、接触不良、断線などによって回路中に発生したアークを消弧させることができる範囲で制御するものとする。この範囲は、照明器具11（専用電源17）中の各接続部分の距離などにより所定の範囲に予め設定される。

そして、台形波状の電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上の所定値に固定して最小値を増減させることにより最大出力電流からこの最大出力電流よりも小さい所定出力電流値の間で負荷への出力電流を制御するとともに、この出力電流を所定出力電流値以下に制御するときは最大値の期間を上記所定値に固定して最大値を増減させることで、アークの継続を防止し、出力電流のリプル率を低減して負荷の動作むらを抑制しながら、より効果的な半導体発光素子25の制御、すなわち半導体発光素子25の調光幅を広げることが可能になり、半導体発光素子25の深い調光が可能になる。

なお、上記各実施形態において、専用電源17は、台形波状の出力電流の最大値の期間d1を５４％以上に設定すれば、例えば１サイクル毎に出力電圧（出力電流）が０Ｖ（０Ａ）となるように構成してもよい。この場合には、例えば直管形ＬＥＤランプ16内の回路中の各接続部分の着脱、接触不良、断線などによって回路中にアークが発生した場合でも、直管形ＬＥＤランプ16に供給する出力電圧（出力電流）が１サイクル毎に０になることでアークの継続を防止できる。

また、照明器具11としては、例えば一対のソケット14を１組用いた１灯形の照明器具でもよいし、一対のソケット14を３組以上用いた複数灯形の照明器具でもよい。また、天井直付け形照明器具に限らず、埋込形照明器具などでもよい。

さらに、ランプとしては、直管形ＬＥＤランプ16に限らず、例えば電球形のＬＥＤランプなどでもよい。したがって、ランプの構成は専用電源17により点灯されて発光する半導体発光素子25を備える任意の構成とすることができる。

そして、半導体発光素子25は、例えば有機ＥＬなどでもよい。

また、ソケット14から直管形ＬＥＤランプ16への電力供給は、例えば一対のソケット14の両方から行ってもよいし、一方のみから行ってもよい。一方のソケット14のみから電力供給する場合には、他方のソケット14側では直管形ＬＥＤランプ16の端部を支持するのみでもよく、あるいは、他方のソケット14から例えば調光信号を直管形ＬＥＤランプ16に伝送し、直管形ＬＥＤランプ16に内蔵された調光回路によって半導体発光素子25の点灯状態を調光するようにしてもよい。また、ソケット14を利用せず、器具本体13側に配置した非接触送電部から直管形ＬＥＤランプ16側に配置された非接触受電部に対して誘電結合などの方法により非接触で電力供給するようにしてもよい。さらに、ソケット14は直管形ＬＥＤランプ16の支持のみに使用し、直管形ＬＥＤランプ16に対しては別の給電方法を用いてもよい。

さらに、負荷としては、直流駆動する半導体発光素子25以外の任意の負荷を用いることができる。

そして、上記各実施形態の制御を互いに組み合わせてもよい。すなわち、専用電源17は、最大出力電流からこの最大出力電流よりも小さい所定出力電流値の間で負荷への出力電流を制御するときには、台形波状の電流のピーク部分の期間d1を１サイクルの５４％以上の範囲で増減させたり、５４％以上の所定値に固定して最小値を増減させたりし、この出力電流を所定出力電流値以下に制御するときは最大値の期間を１サイクルの５４％、あるいは上記所定値に固定して最大値を増減させる制御などとしても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

11 照明器具
13 器具本体
16 ランプとしての直管形ＬＥＤランプ
17 電源装置（電源回路）としての専用電源
25 負荷としての半導体発光素子

Claims

最大値の期間が１サイクルの５４％以上の台形波状の電流を出力することにより負荷を動作させる電源回路
を具備していることを特徴とする電源装置。
電源回路は、台形波状の電流の最大値の期間を１サイクルの５４％以上の範囲で増減させることにより最大出力電流値からこの最大出力電流値よりも小さい所定出力電流値の間で負荷への出力電流を制御し、この出力電流を所定出力電流値以下に制御するときは最大値の期間を１サイクルの５４％に固定して最大値を増減させる
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
電源回路は、台形波状の電流の最大値の期間を１サイクルの５４％以上の所定値に固定して最小値を増減させることにより最大出力電流からこの最大出力電流よりも小さい所定出力電流値の間で負荷への出力電流を制御し、この出力電流を所定出力電流値以下に制御するときは最大値の期間を所定値に固定して最大値を増減させる
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
器具本体と；
負荷としての半導体発光素子を有するランプと；
半導体発光素子を点灯させる請求項１ないし３いずれか一記載の電源装置と；
を具備していることを特徴とする照明器具。