JP2012185998A - 照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードを用いた照明負荷を調光する際に、電源ラインに重畳するノイズに依らずチラツキの少ない安定した調光を行うことができる照明システムを提供する。
【解決手段】発光ダイオード１０Ａを備えた光源部を有する照明器具１と、照明器具１と商用電源ＡＣ１との直列回路に接続されるトライアックＱ１と、商用電源ＡＣ１の電源電圧の位相を制御することでトライアックＱ１の導通角を可変とする調光器２とを備え、照明器具１は、トライアックＱ１の導通角に基づいて光源部１０の調光を行い、調光器２は、トライアックＱ１を導通させる期間のうち一定期間、トライアックＱ１に駆動電流を継続して与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相制御により光源を調光点灯する照明システムに関する。

従来から、ＡＣ電源と、これをオン／オフ制御する３極双方向サイリスタであるトライアックを電気的に接続し、トライアックのオン／オフ制御により発光ダイオードランプの点灯をオン／オフ制御するものが知られており、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１に記載の従来例は、交流電源をオン／オフ制御するトライアックからの交流を直流に整流するダイオードブリッジ回路と、このブリッジ回路からの直流により点灯される発光ダイオードランプとを有している。

特開平５−６６７１８号公報

ところで、上記のようなトライアックをオン／オフ制御する場合には、トライアックを導通状態に切り替えるときのみ、トライアックのゲート端子にパルスを入力する、所謂パルストリガ方式が採用される。しかしながら、このパルストリガ方式では、商用電源の電源ラインにノイズが重畳すると、ノイズによりトライアックを流れる保持電流が一定値を下回ることでトライアックが不意に非導通状態に切り替わる（ターンオフする）場合がある。そして、これを繰り返すことで照明負荷の点灯にチラツキが生じるという問題があった。特に、近年、上記従来例のように照明負荷として用いられる発光ダイオードを調光する場合には、白熱灯を照明負荷として用いる場合に比較して商用電源の電源ラインにノイズが重畳され易く、上記の問題が生じ易い。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、発光ダイオードを用いた照明負荷を調光する際に、電源ラインに重畳するノイズに依らずチラツキの少ない安定した調光を行うことができる照明システムを提供することを目的とする。

本発明の照明システムは、固体発光素子を光源とする照明器具と、前記照明器具と外部電源との直列回路に接続される自己保持機能を有する双方向スイッチング素子と、前記外部電源の交流電圧の位相を制御することで前記双方向スイッチング素子の導通角を可変とする調光器とを備え、前記照明器具は、前記双方向スイッチング素子の導通角に基づいて前記光源の調光を行い、前記調光器は、前記双方向スイッチング素子を導通させる期間のうち一定期間、前記双方向スイッチング素子に駆動電流を継続して与えることを特徴とする。

この照明システムにおいて、前記照明器具は、前記調光器が前記双方向スイッチング素子に駆動電流を継続して与えている期間内で前記双方向スイッチング素子の導通角を検出する照明器具であることが好ましい。

この照明システムにおいて、前記照明器具は、前記双方向スイッチング素子の導通角が一定値を下回ると、前記導通角に依らず一定の調光率で前記光源の調光を行うことが好ましい。

この照明システムにおいて、前記調光器及び前記照明器具と並列に、前記双方向スイッチング素子に略ゼロクロスからの駆動電流を与えていない期間において前記双方向スイッチング素子の保持電流以上の電流を前記双方向スイッチング素子に流す第１の保持回路を設けることが好ましい。

この照明システムにおいて、前記調光器及び前記照明器具と並列に、前記双方向スイッチング素子に駆動電流を与えていない期間において前記外部電源から前記調光器に電流を流す経路を確保する第２の保持回路を設けることが好ましい。

本発明は、発光ダイオードを用いた照明負荷を調光する際に、電源ラインに重畳するノイズに依らずチラツキの少ない安定した調光を行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る照明システムの実施形態１を示す図で、（ａ）は概略図で、（ｂ）は動作を説明するための波形図である。 同上の照明システムにおける照明器具の概略図である。 調光動作の問題点を説明するための図で、（ａ）は通常時におけるトライアックの導通角の説明図で、（ｂ）は商用電源にノイズが重畳した場合におけるトライアックの導通角の説明図で、（ｃ）は光源部の調光率と導通角との相関図である。 本発明に係る照明システムの実施形態２を示す図で、（ａ）は調光上限におけるトライアックの導通角の説明図で、（ｂ）は調光下限におけるトライアックの導通角の説明図で、（ｃ）は光源部の調光率と導通角との相関図で、（ｄ）は照明器具の他の構成における光源部の調光率と導通角との相関図である。 本発明に係る照明システムの実施形態３を示す図で、（ａ）は概略図で、（ｂ）は第１の保持回路の回路図で、（ｃ）は波形図である。 （ａ）〜（ｃ）は同上の照明システムにおけるシステム構成の一例を示す図である。 同上の照明システムの他の構成を説明するための図で、（ａ）は第２の保持回路の回路図で、（ｂ）は波形図である。

（実施形態１）
以下、本発明に係る照明システムの実施形態１について図面を用いて説明する。本実施形態は、図１（ａ）に示すように、商用電源ＡＣ１から供給される交流電力を受けて点灯する光源部１０を有する照明器具１と、位相制御により照明器具１に供給される実効電力を変化させる調光器２とを備える。

照明器具１は、図２に示すように、直列に接続した複数の固体発光素子である発光ダイオード１０Ａ、及び電流制限用の抵抗Ｒ１を備える光源部１０と、光源部１０に直列に接続されて光源部１０への給電をオン／オフする調光スイッチ部１１とを備える。また、照明器具１は、商用電源ＡＣ１から供給される交流電圧を整流する整流部１２と、整流部１２の出力を平滑化して光源部１０に出力する平滑部１３と、整流部１２の出力電圧を検出する電圧検出部１４とを備える。更に、照明器具１は、電圧検出部１４で電圧が検出される期間に基づいて導通角を検出し、この導通角に基づくデューティ比で調光スイッチ部１１のオン／オフを切り替えることにより光源部１０を調光する調光制御部１５を備える。

整流部１２は、商用電源ＡＣ１から供給される交流電圧を全波整流するダイオードブリッジから成る。平滑部１３は、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ１を介して整流部１２の出力端間に接続される平滑コンデンサＣ１とから成る。電圧検出部１４は、整流部１２の出力端間に接続される抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路から成る。したがって、電圧検出部１４では、整流部１２の出力電圧が抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧され、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続点における電位に基づいて調光制御部２６が導通角を検出するようになっている。

調光器２は、図１（ａ）に示すように、入力端に接続されて雑音防止用のフィルタを構成するコンデンサＣ２及びインダクタＬ１と、自己保持機能を有する双方向スイッチング素子であるトライアックＱ１とを備える。このトライアックＱ１が導通状態（ターンオンしている状態）にあるとき、商用電源ＡＣ１から照明器具１へ交流電力が供給されるようになっている。また、調光器２は、商用電源ＡＣ１から供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジＤＢ１と、ダイオードブリッジＤＢ１の出力をダイオードＤ２を介して平滑化する平滑コンデンサＣ３と、平滑コンデンサＣ３からの出力電圧を定電圧に変換する電源ＩＣ２０とを備える。電源ＩＣ２０は、スイッチング電源であって、そのグラウンド端子にはダイオードＤ３が接続されている。

電源ＩＣ２０の出力端には、インダクタＬ２、コンデンサＣ４、ダイオードＤ４から成る閉回路が接続されている。この閉回路は、インダクタＬ２を流れる回生電流によりコンデンサＣ４を充電することで、トライアックＱ１のゲート端子の電位を他の２つの主端子の電位に対して低電位にする。すなわち、コンデンサＣ４がトライアックＱ１の導通／非導通を制御するために必要な制御電源となる。

ダイオードブリッジＤＢ１の出力端には、ダイオードＤ５を介して位相検出回路２１が接続されている。位相検出回路２１は、商用電源ＡＣ１から供給される交流電圧の位相に基づいて同期信号を生成し、後述する制御回路２２に出力する。本実施形態では、位相検出回路２１は、図１（ｂ）に示すように、ダイオードブリッジＤＢ１の出力電圧を検出することで商用電源ＡＣ１の電源電圧と所定の電圧値Ｖ１とを比較し、商用電源ＡＣ１の電源電圧が当該電圧値Ｖ１を上回る期間を同期信号とする。すなわち、同期信号は、商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を上回ると立ち上がり、所定の電圧値Ｖ１を下回ると立ち下がる。なお、図１（ｂ）において、破線は商用電源ＡＣ１の電源電圧を示している。

トライアックＱ１のゲート端子には、スイッチング素子Ｑ２が接続されている。スイッチング素子Ｑ２は、ｎｐｎ型トランジスタであって、コレクタ端子にトライアックＱ１のゲート端子が接続されている。また、スイッチング素子Ｑ２のエミッタ端子には、コンデンサＣ４が接続されており、ベース端子には、制御回路２２が接続されている。

制御回路２２は、位相検出回路２１から与えられる同期信号、及び調光器２の操作部（図示せず）から与えられる調光信号に基づいてスイッチング素子Ｑ２のオン／オフを切り替えるトリガ信号を生成する（図１（ｂ）参照）。トリガ信号の立ち上がり及び立ち下がりは、何れも同期信号の立ち上がりに基づいて決定される。このトリガ信号はスイッチング素子Ｑ２のベース端子に入力される。そして、トリガ信号がハイレベルのときにスイッチング素子Ｑ２がオンに切り替わり、トライアックＱ１のゲート端子の電位が他の２つの主端子の電位に対して低電位となることで、ゲート端子に電流が流れてトライアックＱ１が導通状態となる。

以下、本実施形態の動作について説明する。先ず、位相検出回路２１が、ダイオードブリッジＤＢ１の出力電圧を検出して同期信号を生成し、制御回路２２に出力する。制御回路２２は、与えられた同期信号に基づいてトリガ信号を生成し、スイッチング素子Ｑ２のベース端子に出力する。したがって、トリガ信号の立ち上がりとともにスイッチング素子Ｑ２がオンに切り替わり、トライアックＱ１が導通状態となる（ターンオンする）。これにより、図１（ｂ）に示すように、照明器具１に商用電源ＡＣ１の電源電圧が印加される。

なお、トリガ信号の立ち上がりは、調光器２の操作部から送られる電圧信号によって位相角が変化する。これにより、照明器具１に印加される電源電圧の導通期間が変化するため、調光を行うことができる。

その後、トリガ信号が立ち下がると、スイッチング素子Ｑ２がオフに切り替わることでトライアックＱ１のゲート端子に電流が流れなくなる。トライアックＱ１は、一定以上の保持電流が流れ続けている間は導通状態を維持するため、トリガ信号の立ち下がり後も暫くは照明器具１に商用電源ＡＣ１の電源電圧が印加され続ける（図１（ｂ）参照）。そして、商用電源ＡＣ１の電源電圧がゼロクロスに達すると、トライアックＱ１を流れる保持電流が一定以下となり、トライアックＱ１が非導通状態に切り替わる。これにより、照明器具１への商用電源ＡＣ１の電源電圧の印加が停止する。

照明器具１では、調光制御部１５が電圧検出部１４で電圧が検出される期間に基づいて導通角を検出する。すなわち、そして、調光制御部１５は、検出した導通角に基づくデューティ比で調光スイッチ部１１のオン／オフを切り替えることにより光源部１０を調光する。

ここで、図１（ｂ）に示すように、トリガ信号はパルストリガとは異なり、照明器具１に主たる電力を与える期間のうち一定期間は継続してハイレベルとなっている。これにより、スイッチング素子Ｑ２は、トリガ信号が立ち下がるまでオン状態を維持するので、トライアックＱ１のゲート端子にも継続して電流が流れる。すなわち、トライアックＱ１を導通させる期間のうち一定期間（トリガ信号のオン期間）、トライアックＱ１に駆動電流を継続して与える。このため、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳したとしても、ノイズによりトライアックＱ１が不意に非導通状態に切り替わることがないため、商用電源ＡＣ１の電源電圧が安定して照明器具１に印加される。

上述のように、本実施形態では、トリガ信号のオン期間においてトライアックＱ１に駆動電流が継続して与えられる。このため、発光ダイオード１０Ａを用いた照明負荷を調光する際に、商用電源ＡＣ１の電源ラインに重畳するノイズに依らずチラツキの少ない安定した調光を行うことができる。

なお、本実施形態の照明器具１の調光方式では、調光スイッチ部１１のオン／オフを切り替えることにより光源部１０を調光しているが、光源部１０に流れる電流を可変することにより調光を行う回路構成でも同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、本実施形態では、光源として発光ダイオード１０Ａを用いているが、これに限定される必要はなく、発光ダイオード以外の固体発光素子を光源として用いてもよい。

（実施形態２）
以下、本発明に係る照明システムの実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する箇所の説明は省略する。実施形態１では、トリガ信号のオン期間においてトライアックＱ１に駆動電流を継続して与えることで、商用電源ＡＣ１の電源ラインに重畳するノイズに関する問題点を解決した。しかしながら、トライアックＱ１に駆動電流を与えていない期間（トリガ信号のオフ期間）においては、次のような問題が生じ得る。

先ず、図３（ａ）に示すように、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳しない通常時においては、トリガ信号のオフ期間においてトライアックＱ１を流れる保持電流が一定以下になるまでは、トライアックＱ１は導通状態を維持する。なお、図３（ａ）において、破線は商用電源ＡＣ１の電源電圧を示している。ここで、照明器具１の調光制御部１５は、上述のように電圧検出部１４で電圧が検出される期間を導通角として検出している。したがって、通常時におけるトライアックＱ１の導通角は、トリガ信号が立ち上がってからトライアックＱ１を流れる保持電流が一定以下になる（すなわち、商用電源ＡＣ１の電源電圧がゼロクロスに達する）までの期間Ｔ１で表される。

一方、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳する場合は、ノイズによりトリガ信号のオフ期間の途中においてトライアックＱ１を流れる保持電流が一定以下となって非導通状態となり、商用電源ＡＣ１の電源電圧が照明器具１に印加されなくなる虞がある。この場合、図３（ｂ）に示すように、トライアックＱ１の導通角は期間Ｔ１よりも短い期間Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）で表される。なお、図３（ｂ）において、破線は商用電源ＡＣ１の電源電圧を示している。したがって、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳する場合は、導通角が変動することで照明器具１の点灯にチラツキが生じ、図３（ｃ）に示すように、導通角が調光率の下限値を下回ると不意に消灯する虞がある。

そこで、本実施形態の照明器具１は、調光器２がトライアックＱ１に駆動電流を継続して与えている期間内でトライアックＱ１の導通角を検出している。すなわち、調光制御部１５において、商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１以上となる期間を導通角として検出するようにしている。このため、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、トリガ信号のオン期間の最大値である期間Ｔ３が導通角の最大値、トリガ信号のオン期間の最小値である期間Ｔ４が導通角の最小値となる。なお、所定の電圧値Ｖ１は、トリガ信号が立ち下がるときの商用電源ＡＣ１の電源電圧値以上となるように設定する。

このため、本実施形態では、調光制御部１５は商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を下回る期間は導通角として検出しないため、当該期間において商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳しても導通角が変動することがない。したがって、本実施形態では、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳しても安定した調光を行うことができる。

なお、商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を下回る期間を導通角として検出するのではなく、図４（ｄ）に示すように、導通角が期間Ｔ１を下回ると調光制御部１５が導通角に依らず一定の調光率で光源部１０を調光するようにしてもよい。この場合も、上記と同様に、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳しても点滅せず、安定した調光を行うことができる。

（実施形態３）
以下、本発明に係る照明システムの実施形態３について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の基本的な構成は実施形態１と共通であるので、共通する箇所の説明は省略する。実施形態２でも説明したように、トリガ信号のオフ期間では、商用電源ＡＣ１の電源ラインに重畳するノイズによりトライアックＱ１が不意に非導通状態となり、照明器具１の点灯にチラツキが生じる虞がある。そこで、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、トリガ信号のオフ期間においてもトライアックＱ１に十分な保持電流が継続して流れるように、照明器具１及び調光器２と並列に第１の保持回路３を設けている。

第１の保持回路３は、図５（ｂ）に示すように、調光器２への充電回路３０と定電流回路３１とを備える。充電回路３０は、抵抗Ｒ４及び常閉接点型のリレー３０Ａの直列回路を備え、リレー３０ＡのリレーコイルＲＣ１と直列にツェナーダイオードＺＤ１が接続されている。したがって、第１の保持回路３に印加される商用電源ＡＣ１の電源電圧がツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧を下回っているときは、リレーコイルＲＣ１が通電せず、リレー３０Ａが閉成する。また、第１の保持回路３に印加される商用電源ＡＣ１の電源電圧がツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧を上回っているときは、リレーコイルＲＣ１が通電し、リレー３０Ａが開成する。ここで、本実施形態では、ツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧を所定の電圧値Ｖ１に設定している。

定電流回路３１は、抵抗Ｒ５及びツェナーダイオードＺＤ２の直列回路と、抵抗Ｒ６及びスイッチング素子Ｑ３及び抵抗Ｒ７の直列回路とを並列に接続して成る。スイッチング素子Ｑ３は、ｎｐｎ型トランジスタであって、そのベース端子にツェナーダイオードＺＤ２の両端電圧が印加されるようになっている。したがって、スイッチング素子Ｑ３のベース−エミッタ間電圧と、抵抗Ｒ７の両端電圧との和がツェナーダイオードＺＤ２の両端電圧とつりあうようにスイッチング素子Ｑ３に定電流が流れる。また、商用電源ＡＣ１の電源電圧がツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧を上回ると、スイッチング素子Ｑ３がオフして電流が流れなくなる。

以下、第１の保持回路３の動作について図面を用いて説明する。図５（ｃ）に示すように、トリガ信号が立ち下がる、すなわち商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を下回っている間は、リレー３０Ａが閉成しており、定電流回路３１の電流と抵抗Ｒ４を経由する電流とが調光器２を経由して流れる。商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を上回ると、リレー３０Ａが開成することにより抵抗Ｒ４に電流が流れなくなり、また、スイッチング素子Ｑ３がオフすることで定電流回路３１にも電流が流れなくなる。これにより、トリガ信号のオフ期間において第１の保持回路３に電流が流れることで、トライアックＱ１に十分な保持電流が継続して流れる。なお、図５（ｃ）において、破線は商用電源ＡＣ１の電源電圧を示している。

したがって、本実施形態では、商用電源ＡＣ１の電源ラインにノイズが重畳しても安定した調光を行うことができる。また、本実施形態では、トリガ信号のオフ期間のみ第１の保持回路３に電流を流しているので、常時電流を流す構成と比較して消費電力を低減することができる。

なお、本実施形態は、図６（ａ）に示すように、第１の保持回路３を調光器２に組み込んで構成してもよい。また、図６（ｂ）に示すように、第１の保持回路３を照明器具１に組み込んで構成してもよい。更には、図６（ｃ）に示すように、調光器２を３線式で構成してもよい。

ところで、第１の保持回路３の代わりに、図７（ａ）に示すように、定電流回路を兼用した充電回路のみで構成される第２の保持回路４を用いてもよい。したがって、第２の保持回路４に印加される商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を上回っているときは、リレーコイルＲＣ１が通電せず、リレー４０Ａが開成する。また、第２の保持回路４に印加される商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を下回っているときは、リレーコイルＲＣ１が通電し、リレー４０Ａが閉成する。

この構成では、図７（ｂ）に示すように、商用電源ＡＣ１の電源電圧が所定の電圧値Ｖ１を下回っている期間のみ第２の保持回路４を介して調光器２に電流を流す経路を確保することができる。したがって、当該期間において調光器２の制御電源であるコンデンサＣ４を充電させることができる。なお、図７（ｂ）において、破線は商用電源ＡＣ１の電源電圧を示している。

なお、本実施形態では、抵抗Ｒ４に電流を流す経路の開閉をリレー４０Ａを用いて行っているが、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子を用いて開閉を行ってもよく、この場合でも同様の効果を奏することは言うまでもない。

１ 照明器具
１０ 光源部
１０Ａ 発光ダイオード（固体発光素子）
２ 調光器
ＡＣ１ 商用電源（外部電源）
Ｑ１ トライアック

Claims (5)

1. 固体発光素子を光源とする照明器具と、前記照明器具と外部電源との直列回路に接続される自己保持機能を有する双方向スイッチング素子と、前記外部電源の交流電圧の位相を制御することで前記双方向スイッチング素子の導通角を可変とする調光器とを備え、前記照明器具は、前記双方向スイッチング素子の導通角に基づいて前記光源の調光を行い、前記調光器は、前記双方向スイッチング素子を導通させる期間のうち一定期間、前記双方向スイッチング素子に駆動電流を継続して与えることを特徴とする照明システム。
2. 前記照明器具は、前記調光器が前記双方向スイッチング素子に駆動電流を継続して与えている期間内で前記双方向スイッチング素子の導通角を検出する照明器具であることを特徴とする請求項１記載の照明システム。
3. 前記照明器具は、前記双方向スイッチング素子の導通角が一定値を下回ると、前記導通角に依らず一定の調光率で前記光源の調光を行うことを特徴とする請求項１記載の照明システム。
4. 前記調光器及び前記照明器具と並列に、前記双方向スイッチング素子に略ゼロクロスからの駆動電流を与えていない期間において前記双方向スイッチング素子の保持電流以上の電流を前記双方向スイッチング素子に流す第１の保持回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の照明システム。
5. 前記調光器及び前記照明器具と並列に、前記双方向スイッチング素子に駆動電流を与えていない期間において前記外部電源から前記調光器に電流を流す経路を確保する第２の保持回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の照明システム。

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