JP2012195221A - 定電圧生成回路および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】実際に供給される商用電源の電圧が、上下非対称の波形であったり、周波数が揺らいでいたり、ノイズ成分が印加された汚い波形であっても、ちらつくことなく安定的に点灯を続けるLEDランプを実現する。
【解決手段】時間と共に電圧が変化する電力源から、ターゲット電圧を生成するための定電圧生成回路であって、定電圧生成手段２２と、選択出力手段２３とを有し、定電圧生成手段２２は、電力原から入力する電圧の大きさに応じて、駆動状態と非駆動状態を取り、駆動状態のときに所定の電圧を出力するものであり、選択出力手段２３は、定電圧生成手段２２が駆動状態のとき、その出力電圧を選択して出力し、定電圧生成手段２２が非駆動状態のとき、電力源の電圧を選択して出力するものである。
【選択図】図１６

Description

本発明は、従来から存在する「グロースタート式蛍光灯灯具」を利用して、固体発光素子ランプに適用可能な定電圧生成回路およびこれを用いる照明器具に関する。

固体発光素子の一つとして、ＬＥＤが知られている。以下、この明細書中において、固体発光素子をＬＥＤと表記する。

従来から、企業や一般家庭の照明装置として蛍光ランプが広く使用されている。蛍光ランプの発光原理は、放電で発生した紫外光を蛍光体に当てて可視光に変換するもので、他の照明装置よりも効率や寿命などの点で優れている。
しかしながら、蛍光ランプには微量な水銀が使用されている。水銀は有害物質であり、摂取すると体内に蓄積して神経障害を引き起こすことが報告されている。
それ故、近年の環境意識の向上に基づき、欧州ではRoHS(Restriction of use of certain Hazardous Substance in electrical and electronic equipment)規制など、水銀の使用を制限する動きが現実のものとなっている。
また蛍光ランプの寿命は、他の電球照明よりも長いものの約６０００〜１２０００時間程度であり、しばしば交換しなければならない。先に説明した通り、蛍光ランプには有害物質が含まれており交換作業は慎重に行わなければならない。それ故、ビルや工場といった多量の蛍光ランプを使用している場所では、蛍光ランプの交換に多くの手間と時間を費やしている。

この様な状況を鑑みて、蛍光ランプよりも寿命の長いＬＥＤを光源に利用した照明装置が提案されている。一般的なＬＥＤの寿命は４００００時間以上とされ交換の手間を大幅に減らすことが出来る。さらに水銀などの有害物質を含まないことから、環境に優しい照明装置としても認知され始めている。

現在、一般に使用されている蛍光灯の点灯方式として、点灯管を用いた「グロースタート式蛍光灯灯具」が知られている。かつて一般用灯具、業務用灯具として最も普及した形式で、現在でも広く用いられている。

図１が、その基本回路図である。
符号１が蛍光管を示し、そのほかが蛍光灯灯具の回路である。商用電源ＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖ（実際にはＡＣ８０Ｖ〜２６５Ｖ）が、端子Ａ，Ｂに印加される。
蛍光管１の内部両端にフィラメント５があり、これらフィラメント５に電子放出のためのエミッター塗料が塗られている。

「始動時の動作」
スイッチ２をオンにすると、端子Ａから、フィラメント５を介してグロー点灯管３へ、また端子Ｂから、スイッチ２、銅鉄安定器４、フィラメント５を介してグロー点灯管３へ電流が流れ、グロー点灯管３の両端に電圧がかかって、グロー点灯管３内部でグロー放電が起き、発光する。

グロー放電がしばらく続くと、放電熱によってグロー点灯管３内のバイメタルが作動し、両方の金属板が接触して閉回路を構成し、発光が止まる。
この状態で、端子Ａから端子Ｂまで回路がつながり、蛍光管内部の両端のフィラメント５に電流が流れ、フィラメント５を予熱する（蛍光ランプの両端がオレンジ色に光る）。

グロー点灯管３内部の放電はすでに止まっているので、バイメタルは自然に冷え、元の位置に復帰し、グロー点灯管３を経由する閉回路が開放される。
すると銅鉄安定器４のコイルがもつ自己誘導作用により「キック電圧」と称する高電圧が発生する。
このキック電圧をきっかけにして、温められていたフィラメント５に塗られたエミッター塗料から電子が放出され、蛍光ランプ１の内部に封入されている水銀原子に電子が衝突して紫外線を発生させる。この紫外線が、蛍光管１の内壁に塗られた蛍光体を照射し、蛍光体が発光し、蛍光ランプ１が点灯する。

蛍光ランプ１は、点灯前と点灯後でインピーダンスが異なるため、蛍光ランプ１が点灯している間は、グロー点灯管３の両端にかかる電圧は、点灯管の放電開始電圧以下に下がる。したがって、グロー点灯管３が再び動作することはない。

なお銅鉄安定器４は、１００Ｖ３０Ｗ以下および２００Ｖ４０〜６５Ｗはチョークコイル形安定器を用いるが、１００Ｖ３２〜６５Ｗと１００Ｖ／２００Ｖ５２Ｗでは「放電を維持する電圧」まで昇圧する必要があるので、単巻磁気漏れ変圧器形安定器を用いて、２倍の電圧まで昇圧して使用する。従って一般オフィスで使用される１００Ｖ４０Ｗ蛍光灯の口金にかかる電圧はＡＣ２００Ｖとなっている。

始動にかかる時間は、従来型の点灯管を使用した場合は３秒程度で、蛍光灯の中では遅いが、グロー点灯管３内部を電子回路で置き換えた電子点灯管に交換すると、約０．６〜１．２秒と通常よりも早く点灯する。
なお、図１に示すコンデンサ６は、グロー放電時に発生するノイズがラジオ受信などに悪影響を及ぼすことを防止するためにつけられる雑音防止コンデンサである。

上記の如きグロースタート式蛍光灯照明装置をＬＥＤランプで代替するには、グロースタート式蛍光灯を何ら改良、改造を加えず、蛍光管だけをはずしてＬＥＤランプをそのまま装着し、点灯できる方式が好ましい。
このような要求を実現できるＬＥＤ照明装置が考案されている(特許文献１)。

特許文献１に記載された照明装置の基本構成を図２に示す。
蛍光管と同じ形状を有する蛍光管型本体７の内部に、ＬＥＤドライバー回路９と、ＬＥＤ群１３が配置されている。口金ピン８から供給された電圧は、ＬＥＤドライバー回路９内部の整流回路１０により整流され、デジタルチョッパー式のＡＣ／ＤＣ変換器１１により直流化された信号１２を生成する。
この信号１２をＬＥＤ群１３に供給して点灯させる。
デジタルチョッパー式のＡＣ／ＤＣ変換器は、現在一般に広く用いられている。かつては、ＡＣ電源アダプターといえば、銅鉄トランスが入った重たいアナログ式のものが主流であったが、現在はデジタル的に処理する軽量の前記ＡＣ／ＤＣ変換器が用いられており、Ｎｏｔｅ ＰＣ用の電源アダプターなどで、よく見かけられる。

世界で用いられている商用電源電圧は、ＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖである。
以下では、ＡＣ１００Ｖを例に説明する。
電圧の波形は、図３に示すような正弦波で表され、実効値±１００Ｖに対し、ピークはそのルート２倍の±１４１Ｖになる。これを整流してＤＣ電源に利用する場合には、一般に、図４に示す如き「整流ダイオード４個を用いたブリッジ整流回路」を用い、図３のマイナス側に振られた電圧を、図５のようにプラス側に折り返して用いる全波整流方式が用いられる。

全波整流された波形を、デジタルチョッパー式のＡＣ／ＤＣ変換器で、図６のようにサンプリングしていくと、結果的に図７のような「疑似直流電圧」が得られるが、図６から判るように「正弦波の立ち上がり部分では、必要とされるＤＣ１００Ｖに電圧が達していない」ため、図７のような電圧０の期間が長くなってしまう。

これを回避するために、一般的なデジタルチョッパー式のＡＣ／ＤＣ変換器では、初段に昇電圧回路を用意し、図８のように入力電圧を２倍に上げてからサンプリングする方法が取られる。これにより図９のような「電圧０の期間」が短い、高さが均一な疑似直流電圧を得ることができる。
なお、一般オフィスで使用される１００Ｖ４０Ｗ蛍光灯では、その口金にかかる電圧は、上述の如くＡＣ２００Ｖとなっているため、このような昇電圧回路は不要である。

図９のような疑似直流電圧で、ＬＥＤを駆動する場合を考える。
ＬＥＤを駆動する場合には、駆動電圧をＤＣ２４Ｖ程度に落としてＬＥＤに印加するが、疑似直流電圧であるため、ＬＥＤが点灯している期間と、ＬＥＤが消灯している期間が交互に現れてしまう。

人間の目の網膜には、ＬＥＤが消灯している期間にも、その前の点灯時の光が残像として残るために、人間の脳は、連続して点灯しているものとして認識する。

ところで、現実の商用電源の電圧は、図３のような「上下対称なきれいな正弦波」であることはまれであり、電圧の波形に歪みがあれば、それをデジタルチョッパーで整流したに後の波形の周期は微妙にずれる。

また、商用電源周波数自体も微妙に揺らいでいるのが現状で、その揺らぎはジッター成分となり、これもデジタルチョッパーした後の波形の「周期乱れ」につながる。

さらに、同じ建物内の別の場所で、掃除機などのモーター類を突然動かしたりすると、
いままで安定していた商用電源の電圧波形が突然乱れる。これをデジタルチョッパーで処理したものは「波形の周期の乱れや電圧レベルの乱れ」を起こす。

上記「波形周期のずれや乱れ」や電圧レベルの乱れはノイズとして作用して「ＬＥＤランプのちらつき」を引き起こし、不快感、吐き気、頭痛等の原因となる。特許文献１の照明装置は、ノイズに対する対策の面で問題なしとしない。

全波整流した電圧は、図５のように「すべての山の形が同じ波形」であることが理想であるが、現実には、図１０に示すような「上下非対称の正弦波形状」となることが珍しくない。
図１０に示す例では、プラス側のピークが１４１Ｖ、マイナス側のピークは−７０Ｖである。このような波形を、上述の単巻磁気漏れ変圧器型安定器を用いて２倍の電圧まで昇圧しても、図１１のように、プラス側のピークは２倍の２８２Ｖになるが、マイナス側のピークは例えば−７０Ｖのままになっていることが経験上知られている。

図１１のような電圧波形を、図４に示すようなブリッジ整流回路で整流すると、図１２に示すような「周期的に高さの異なる電圧」になってしまう。このような電圧を、デジタルチョッパー処理すると、もともと１００Ｖのところでスライスしているため、図１３に示すように、低いほうの「電圧ピーク７０Ｖの山」では回路が反応しない。従って、結果的に、図１４のように、電圧ピークの低い側の周期では電圧０であるような、著しく品位の劣る疑似直流電圧となる。
このような擬似直流電圧では、商用周波数の半分の周期期間でＬＥＤランプが消灯しているので、ちらつきが確実に目で認知できる「著しく品位の落ちたＬＥＤランプ」となってしまう。

本発明は、上記の問題に鑑み、実際に供給される商用電源の電圧が、上下非対称の波形であったり、周波数が揺らいでいたり、ノイズ成分が印加された「汚い波形」であっても、ちらつくことなく安定的に点灯を続けるＬＥＤランプを実現することを課題とする。

この発明の定電圧生成回路は「時間と共に電圧が変化する電力源から、ターゲット電圧を生成するための定電圧生成回路」である。
ターゲット電圧は、前述した「擬似直流電圧」の電圧であり、この擬似直流電圧における「電圧０となる時間」を有効に短縮し、さらには「電圧０となる時間」をなくすようにするのである。
請求項１記載の定電圧生成回路は以下の如き特徴を有する。
即ち、定電圧生成回路は、定電圧生成手段と、選択出力手段とを有する。
「定電圧生成手段」は、電力原から入力する電圧の大きさに応じて、駆動状態と非駆動状態を取り、駆動状態のときに所定の電圧を出力する。この定電圧生成手段としては、上に説明した、従来から知られたものを用いることができる。
「選択出力手段」は、定電圧生成手段が駆動状態のとき、その出力電圧を選択して出力し、「定電圧生成手段が非駆動状態」のとき、電力源の電圧を選択して出力する。
請求項１記載の定電圧生成回路は「選択出力手段が出力した電圧を平滑化する平滑化手段」を有することが好ましい（請求項２）。
請求項１または２記載の定電圧生成回路は、「定電圧生成手段の駆動電圧の上限とターゲット電圧との差分に相当する電圧分」だけ、電力源の電圧を降下させて、定電圧生成手段の駆動電圧とする電圧降下手段を有することができる（請求項３）。
この発明の照明器具は、請求項１〜３の任意の１に記載の定電圧生成回路を有する照明器具であり、ＬＥＤを発光させるものである。
明器具である。

請求項１の発明によれば、定電圧生成手段が駆動していなくとも、電力を供給し続けることが出来る。
請求項２記載の発明によれば、急峻な電圧変動を抑え、電圧をより一定に出来る。
請求項３の発明によれば、電力源の電圧がターゲット電圧以上、未満での切り替えが可能となるため、急峻な電圧変動を抑えることが出来る。
請求項４記載の発明によれば、実際に供給される商用電源の電圧が、上下非対称の波形であったり、周波数が揺らいでいたり、ノイズ成分が印加された汚い波形であっても、ちらつくことなく安定的に点灯を続けるＬＥＤランプを実現することができる。

従来から知られたグロースタート式蛍光灯灯具の基本回路図である。 従来技術を説明するための図である。 理想的な商用電源電圧の波形を示す図である。 交流電圧を直流電圧に変換するためのブリッジ整流回路を示す図である。 図４のブリッジ整流回路で全波整流した電圧波形を示す図である。 全波整流した電圧を、デジタルチョッパーでサンプリングする様子を示す図である。 図６のサンプリング処理により得られる疑似直流電圧を示す図である。 昇電圧回路を用いて２倍に電圧を増大させたものを全波整流し、その電圧をデジタルチョッパーでサンプリングする様子を示す図である。 図８により得られる疑似直流電圧を示す図である。 実際に起こりうる商用電源電圧の波形の１例を示す図である。 図１０の電圧を、昇電圧回路を用いて２倍に電圧を増大させた波形を示す図である。 図１１の波形を持つ電圧を、ブリッジ整流回路で全波整流した電圧波形を示す図である。 図１２の電圧波形を、デジタルチョッパーでサンプリングする様子を示す図である。 図１３のサンプリング処理により得られる疑似直流電圧を示す図である。 直管形固体発光素子ランプの実施の１形態の全体概要図である。 定電圧生成回路の実施の１形態を説明するための図である。

図１５に、照明器具としてのＬＥＤランプの実施の１形態を示す。
このＬＥＤランプは、グロースタート式蛍光灯灯具に何ら改良、改造を加えず、ＬＥＤランプに取り換え可能な、直管形ＬＥＤランプであり、大きさは既存のガラス水銀蛍光灯と同じである。

全体は、口金１４と本体１５で構成される。
口金１４は、蛍光灯灯具から照明器具に電源を導入するためのもので、本体１５の両端に設けられる。口金１４は、既存の蛍光灯のものと同形の端子ピン８を備え「既存の蛍光灯灯具」から電源を導入するとともに、ＬＥＤランプを蛍光灯灯具にホールドするための役割を持つ。
本体１５はＬＥＤを発光させその光を外部に放射するためのもので、放熱フレーム１６と透光板カバー１７、基板１８、基板１９から構成される。

放熱フレーム１６は、本体１５で発生した熱を大気中に放熱するためのもので、例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い物質を成形して作られる。この実施形態においては軽量化のため、ハーフパイプ状の中空構造を採用している。

透光板カバー１７は、基板１８、基板１９を保護するためのもので、例えばアクリル樹脂やガラス、ポリカーボネート等の透光性を有する物質を成形して作られる。本実施形態においてはハーフパイプ状に成形されているが、他の形状でも良い。

基板１８は、ＬＥＤチップまたはパッケージである発光素子２０を実装するためもので、放熱フレーム１６と透光カバー１７によって形成される中空構造の内側で、かつ、発光面が透光カバー１７と対向する向きに配置される。一般的なＬＥＤ素子は、発光時に多量の熱を出すため、基板１８は熱伝導率の高い材質を用いることが好ましい。

発光素子は、電気を光に変換するためのもので、本実施例においてはＬＥＤを用いる。例えば、本発明の照明装置を一般照明として使用する場合、ＬＥＤの発光色はＪＩＳＺ９１１２「蛍光ランプの光源色及び演色性による区分」の４．２「色度範囲」に規定された昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色が好ましい。

基板１９は、発光素子２０の駆動回路を実装するためのもので、筐体内部で、かつ、発光素子からの光を遮らない場所に配置される。本実施形態では、放熱フレーム１６の中空構造の中に設置した。

図１６に、回路構成の例を示す。
バッテリ２１は、固定電圧例えばＤＣ２０Ｖである。これは、入力端子Ａに印加された電源電圧から「一定レベルの電圧を差し引く役割」を持つ。即ち、バッテリ２１は、請求項３記載の「電圧降下手段」である。
バッテリ２１により「電源電圧から一定レベルの電圧を差し引かれた電圧」が、ドライバーＩＣ２２の電源入力２６に与えられる。
ドライバーＩＣ２２は「定電圧生成手段」であり、電力入力２６に入力される電圧が、例えば５０Ｖ〜４００Ｖで駆動する特性があり、それ以外の電圧では駆動しない。
即ち、ドライバーＩＣ２２は、入力される電圧が「５０Ｖ〜４００Ｖ」であるとき「駆動状態」となり、入力される電圧が「５０Ｖ〜４００Ｖ」以外のときは「非駆動状態」となる。
ＩＣドライバー２２は駆動状態のとき、所定の電圧（ＤＣ７０Ｖとする。）が出力され、スイッチ２３の端子S２に入力される。
ドライバーＩＣ２２からは、スイッチ２３を切り替える信号２５が出力される。
入力端子Ａの電圧が７０Ｖ以上のとき、信号２５は、スイッチ２３を端子S２側とし、入力端子Ａの電圧が７０Ｖ未満のときには、端子S１側に切り替える。

ここで、電源電圧として、図１２に示すような「山のピーク電圧の大小が交互に現れるような電圧」が入力端子Ａに与えられた場合を考える。
大きな山側の電圧（７０Ｖ以上）が印加されるときは、印加電圧からバッテリ２１の固定電圧ＤＣ２０Ｖを引いた値は５０Ｖ以上で、ドライバーＩＣ２２が駆動状態となる電圧である。
従って、このときは、上記所定の電圧である７０Ｖが出力される。このとき、スイッチ２３は端子Ｓ２側に閉じており、上記７０Ｖの電圧が端子Ｃを介してＩＣ回路２８に印加される。
逆に「小さな山側の電圧（７０Ｖ未満）」が印加されるときは、バッテリ２１の固定電圧ＤＣ２０Ｖを差し引いた値が５０Ｖ未満になる。
この電圧が電力入力２６に印加されても、ドライバーＩＣ２２は駆動されず「非駆動状態」となる。このとき、信号２５により、スイッチ２３は端子Ｓ１の側に切り替わる。
従って、電源電圧がそのまま端子Ｃに与えられる。この「７０Ｖ以下に下がった区間」では、入力端子Ａの電圧に「電解コンデンサ２４に貯められていた電圧が補てん」されるため、結果的にほぼ全期間ＤＣ７０Ｖの定電圧が与えられる。
即ち、電解コンデンサ２４は請求項２の「平滑化手段」である。

ＩＣ回路２８は「ＬＥＤに流す電流を一定に保つための素子」である。
ＬＥＤを発光させるためには、ある閾値以上の電圧(順電圧）を印加する必要があるが、順電圧は「製造上のばら付きや温度変化」で変動し、印加電圧が順電圧を超えると、電流量が急激に増すことが知られている。
ＬＥＤには、流し得る最大電流が決められており、それ以上の電流を流すと破損や著しい寿命低下を引き起こす。このため「ＬＥＤの駆動制御」は、定電圧ではなく、定電流で行うのが一般的である。

本発明の照明器具は、与えられた商用電源全てを無駄なく使用することが大きな特徴となっている。デジタルチョッパー式のＡＣ／ＤＣ変換器を用いた回路構成の場合、結果的に得られる信号は、図７、図９、図１４のような疑似直流電圧に過ぎず、チョッパーのサンプリング周波数をあげても、所詮はデジタル的にＯＮ／ＯＦＦされた不完全な直流電圧にしかならない。

また、上述の如く、供給される現実の商用電源は、まことに不安定でノイズが乗った崩れた正弦波であるのが一般的である。このような元々不安定な商用電源であっても、本発明においてはＬＥＤランプの照明品質を落とさず、ちらつかず、不点灯を起こさない。
図７、図９、図１４のような疑似直流電圧に比べ、はるかに安定した電圧が連続的に、アナログ量としてＬＥＤ群１３に与えられる効果は絶大である。

本発明の概要例において、バッテリやスイッチは、半導体やＩＣなどで構成することも可能である。また、突発的なノイズ混入に対応するためノイズ除去回路を付加すれば、さらに照明品質を上げられる。

１ 従来のガラス水銀蛍光管
２ 照明スイッチ
３ グロー点灯管
４ 銅鉄式安定器
５ フィラメント
６ 雑音防止コンデンサ
７ 蛍光管型本体
８ 口金ピン
９ ＬＥＤドラオイバー回路
１０ 整流回路
１１ デジタルチョッパー式ＡＣ−ＤＣ変換器
１２ 直流化された信号
１３ ＬＥＤ群
１４ 口金
１５ 本発明実施例の本体
１６ 放熱フレーム
１７ 透光カバー
１８ ＬＥＤ基板
１９ ＬＥＤドライバー基板
２０ ＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージ
２１ バッテリ
２２ ＬＥＤドライバーＩＣ
２３ 電圧切り替えスイッチ
２４ 電解コンデンサ
２５ 電圧切り替えスイッチの切り替え信号
２６ ＬＥＤドライバーＩＣ電源入力
２７ ＬＥＤドライバーＩＣ出力
２８ 定電流制御ＩＣ

特開２００４−１９２８３３号公報

Claims (4)

1. 時間と共に電圧が変化する電力源から、ターゲット電圧を生成するための定電圧生成回路であって、
   定電圧生成手段と、選択出力手段とを有し、
   前記定電圧生成手段は、電力原から入力する電圧の大きさに応じて、駆動状態と非駆動状態を取り、駆動状態のときに所定の電圧を出力するものであり、
   前記選択出力手段は、前記定電圧生成手段が駆動状態のとき、その出力電圧を選択して出力し、前記定電圧生成手段が非駆動状態のとき、前記電力源の電圧を選択して出力するものであることを特徴とする定電圧生成手段。
2. 請求項１記載の定電圧生成回路において、
   選択出力手段が出力した電圧を平滑化する平滑化手段を有することを特徴とする定電圧生成回路。
3. 請求項１または２記載の定電圧生成回路において、
   定電圧生成手段の駆動電圧の上限とターゲット電圧との差分に相当する電圧分だけ、電力源の電圧を降下させて、前記定電圧生成手段の駆動電圧とする電圧降下手段を有することを特徴とする定電圧生成回路。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の定電圧生成回路を有する照明器具。

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