JP2012227051A

JP2012227051A - 点灯装置及び照明器具

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Publication number: JP2012227051A
Application number: JP2011095034A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsuda; 賢治松田; Ryosuke Nakamura; 亮介中村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: CN102752907B; EP2515611A1; EP2515611B1; CN102752907A; US8680775B2; US20120293087A1; JP5810305B2

Abstract

【課題】固体発光素子を低出力で点灯させる場合でも、ちらつきやフリッカ現象を抑制する。
【解決手段】照明器具は、複数の固体発光素子ＬＤ１からなる光源２と、制御信号Ｓ１に応じて光源２を制御する点灯装置１とを備える。点灯装置１は、直流電源４からの出力をスイッチングして平滑化する絶縁フライバック回路５と、絶縁フライバック回路５のスイッチング素子Ｑ１によるスイッチング動作を制御する制御回路３とを備える。制御回路３は、基準信号生成部８が出力する基準信号に制御信号Ｓ１に応じた周波数成分を与え、この基準信号と光源２を流れる電流I1の検知結果に応じて、スイッチング素子Ｑ１を駆動する駆動制御部１２を停止する停止期間を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体発光素子を点灯させる点灯装置及び、この点灯装置を備える照明器具に関する。

従来、上述の固体発光素子を点灯させる点灯装置として、定電流を固体発光素子に供給する制御用スイッチを有し、この制御用スイッチのオン／オフ期間を制御して、設定された調光レベルで固体発光素子を点灯させる点灯装置が提供されている。

例えば、特許文献１に開示された点灯回路では、光源の調光レベルを示す調光制御値に応じたオンデューティのＰＷＭ信号により、スイッチング素子のオン／オフを制御する駆動回路を駆動するスイッチング動作を行う。また、この点灯回路では、交流電源の半周期に相当する第１の周期で、且つ、調光制御値に応じたオンデューティで、上述のスイッチング動作を開始・停止させる。すなわち、この点灯回路では、スイッチング素子のオン／オフをバースト制御することにより、設定された調光レベルで光源となる発光ダイオードを点灯させている。

特開２０１１−７０９６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された点灯回路からの出力は、スイッチング動作を行っているオン期間は増加し、スイッチング動作を停止しているオフ期間は低下するため、出力電圧や光出力にリップル波形が生じることになる。特に固体発光素子の応答速度は他の光源（蛍光灯など）に比べて速いため、調光レベルが低い場合や、バースト制御の周期（第１の周期）が長くなると、光出力の変化を目視で確認することができてしまう可能性があった。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、固体発光素子を低出力で点灯させる場合でも、ちらつきやフリッカ現象を抑制することが可能な点灯装置及び照明器具を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願の点灯装置では、直流電源からの入力をスイッチング素子によりスイッチングした後、平滑化して固体発光素子に出力する点灯回路と、調光レベルに応じたオンデューティの制御信号に基づいて、スイッチング素子のスイッチング動作を制御して固体発光素子への出力を調整する調光制御回路とを備え、調光制御回路は、スイッチング素子をＰＷＭ制御する駆動制御部と、固体発光素子への出力に応じたフィードバック信号が入力され、基準信号に対するフィードバック信号の大きさと所定の閾値との高低に応じて、駆動制御部によるＰＷＭ制御に休止期間を設けるバースト制御部とを有し、基準信号に所定の周波数成分を設けることを特徴とする。

この点灯装置においてバースト制御部は、制御信号の周波数に応じた基準電位の基準信号を出力することが好ましく、この場合には、制御信号の周波数の下限値を300Hzとし、制御信号の周波数の上限値を1000Hzとすることが好ましい。

また本願の照明器具は、固体発光素子と、上述の点灯装置とを備えることを特徴とする。

本願の点灯装置及び照明器具では、固体発光素子を低出力で点灯させる場合でも、ちらつきやフリッカ現象を抑制することが可能となる。

本願の実施の形態にかかる照明器具を示す概略回路図である。同照明器具の要部を示す概略回路図である。同照明器具の動作を説明する為のグラフである。同照明器具の動作を説明する為のグラフである。同照明器具の動作を説明する為のグラフである。

以下に本願の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本実施の形態に係る照明器具は、図１に示すように、光源２と、この光源２の点灯状態を制御する点灯装置１とを備える。光源２は、発光ダイオードからなる固体発光素子ＬＤ１が１乃至複数個接続されており、本実施の形態では２個の固体発光素子ＬＤ１、ＬＤ１が直列に接続されている。なお、固体発光素子ＬＤ１の個数及び接続方法は本実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じてその個数及び接続方法を調整することができる。また、固体発光素子ＬＤ１を発光ダイオードに限定するものではなく、有機ＥＬなどの他の発光素子であったもよい。

点灯装置１は、直流電源４と、直流電源４からの出力をスイッチングして光源２を点灯させる絶縁フライバック回路５と、絶縁フライバック回路５を構成するスイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を制御する制御回路３とを備える。また点灯装置１は、電流検出部６、７を備え、電流検出部６により光源２を流れる電流I1を検出し、電流検出部７によりスイッチング素子Ｑ１のドレイン電流I2を検出する。

直流電源４は、直流の定電流電源であり、例えば、商用電源ＡＣからの交流電力を全波整流して直流電力に変換する整流回路４ａと、整流回路４ａの出力端子間に接続されたコンデンサＣ０を備える。なお直流電源４は、直流電力を出力する直流定電源にＤＣ／ＤＣコンバータを設けた構成としてもよく、直流定電源のみの構成であってもよい。

絶縁フライバック回路５は、絶縁トランス（以下、トランスと称す）Ｔ１と、トランスＴ１の一次巻線側に接続されたスイッチング素子Ｑ１と、トランスＴ１の二次巻線側に接続れたコンデンサＣ１及びダイオードＤ１をその構成要素として備える。コンデンサＣ１は、トランスＴ１の二次巻線側の端子間に、光源２と並列に接続されている。

制御回路３は、使用者が照明器具の操作部（図示せず）を用いて設定した調光レベルに応じてオンデューティが変化するＰＷＭ信号からなる制御信号Ｓ１が入力され、この制御信号Ｓ１に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン／オフを制御する。

図２に示す回路は、この制御回路３の具体例であり、外部から入力される制御信号Ｓ１に応じた基準信号を出力する基準信号生成部８と、基準信号生成部８からの基準信号を反転入力とし、電流検出部６からの出力を非反転入力とするオペアンプＯＰ１を備える。このオペアンプＯＰ１からの出力は、制御回路３が備えるフォトカプラＰＣ１の発光素子側に入力される。

基準信号生成部８は、抵抗Ｒ１を介してベース端子に制御信号Ｓ１が入力されるトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のコレクタ端子がベース端子に接続されたトランジスタＱ３とを備える。トランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間には、抵抗Ｒ２を介して直流電圧V1が印加されており、トランジスタＱ３のコレクタ−エミッタ間には、直流電圧V1を抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧した電圧が印加され、抵抗Ｒ４と並列にコンデンサＣ２が接続されている。このコンデンサＣ２の両端電圧がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。

ここで、オペアンプＯＰ１の反転入力端子の電位（すなわち、図２の点Ａにおける電位）を基準電位Vaとすると、制御信号Ｓ１がＨレベルの場合には、トランジスタＱ２がオン、トランジスタＱ３がオフとなる。これにより、基準電位Vaは徐々に上昇する。また制御信号Ｓ１がＬレベルの場合には、トランジスタＱ２がオフ、トランジスタＱ３がオンとなるので、基準電位Vaは徐々に低下する。これが制御信号Ｓ１の信号レベルの変化に合わせて繰り返され、基準電位Vaは、制御信号Ｓ１と同じ周期で上昇・下降を繰り返す。

すなわち、基準信号生成部８は、制御信号Ｓ１と同じ周波数の周波数成分を持った信号を基準信号としてオペアンプＯＰ１に出力しており（図４を参照）、オペアンプＯＰ１からの出力にも基準信号の周波数成分が含まれる。

また制御回路３は、汎用的なＩＣからなり、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフを制御する制御ＩＣ１０を備える。制御ＩＣ１０は、図３に示すように、駆動部１１、スタータ部１３、零電位検出部１４、比較器１５、レベルシフト部１６、及び、ＲＳフリップフロップからなる駆動制御部１２をその構成要素として備える。また制御ＩＣ１０には、ＦＢ端子Ｐ１、ＩＳ端子Ｐ２、ＺＣＤ端子Ｐ３、及び、ＯＵＴ端子Ｐ４の４つの端子が少なくとも設けられている。

ＦＢ端子Ｐ１には、フォトカプラＰＣ１の出力側が接続されており、フォトカプラＰＣ１への入力が大きくなるほど、ＦＢ端子Ｐ１の電位が下がるように設定されている。またＦＢ端子Ｐ１は、レベルシフト部１６を介して比較器１５の基準電位側に接続されており、ＦＢ端子Ｐ１の電位が下がると比較器１５の基準電位が低下する。したがって、フォトカプラＰＣ１への入力が大きくなるほど、比較器１５の基準電位が低下するよう設定されている。

ＩＳ端子Ｐ２には、電流検出部７が接続され、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電流I2に応じた電位の出力が比較器１５に入力される。ここで比較器１５からの出力は、駆動制御部１２のリセット端子に入力されており、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電流I2に応じた電位が、比較器１５の基準電位よりも大きくなると、駆動制御部１２にリセット信号が入力される。

ＺＣＤ端子Ｐ３には、例えばトランスＴ１に設けられた検出巻線の電圧Vsubを、ＣＲ回路９により遅延させた電圧信号が入力されている。このＺＣＤ端子Ｐ３に入力される電位が、零電位検出部１４の閾値よりも小さくなると、スタータ部１３から短パルス波が駆動制御部１２のセット端子にセット信号として入力される。

ＯＵＴ端子Ｐ４には、スイッチング素子Ｑ１のゲート電極が接続されており、スイッチング素子Ｑ１は、ＯＵＴ端子Ｐ４を介して入力される駆動部１１からの駆動信号に応じて、オン／オフが切り替えられる。

ここで、図２に示す回路の動作について説明を行う。まず制御ＩＣ１０は、ＺＣＤ端子Ｐ３に入力された電位が零電位検出部１４の閾値よりも小さくなると（図３の時間ｔ１）、スタータ部１３から短パルス波が出力され、駆動制御部１２のセット端子に短パルス波が入力される。これにより駆動制御部１２は駆動部１１を動作させ、絶縁フライバック回路５のスイッチングＱ１をオンさせる。

絶縁フライバック回路５は、スイッチング素子Ｑ１がオンされると、トランスＴ１のコア（図示せず）が磁化されて、トランスＴ１の一次側に流れる電流が徐々に増加する。これにより、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電流I2が徐々に上昇していく（図３（ａ）を参照）。

その後、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電流I2が大きくり、電流検出部７からの出力が所定の閾値よりも大きくなると、ＩＳ端子Ｐ２からの入力に応じて比較器１５からリセット信号が駆動制御部１２に入力される。これにより、駆動制御部１２は駆動部１１を停止して、スイッチング素子Ｑ２をオフさせる（図３の時間ｔ２）。

時間ｔ２においてスイッチング素子Ｑ１がオフされると、上述の動作によって蓄積されたトランスＴ１のエネルギーに基づいて、トランスＴ１の二次側に電流Id1が流れる（図３（ｂ）を参照）。なお、図３（ｂ）に示すように、この電流Id1は時間経過とともに徐々に低下する。

また、トランスＴ１のエネルギーが解放されて検出巻線の電圧Vsubが徐々に低下し、トランスＴ１の一次側に流れる電流がほぼゼロになると、ＺＣＤ端子Ｐ３への入力に応じて、駆動制御部１２のセット端子にスタータ部１３からの短パルス波が入力される。すなわち、スイッチング素子Ｑ１が再びオンされる。以上の動作を繰り返し行うことで、ＰＷＭ制御が行われる。

上述のように、スイッチング素子Ｑ１がスイッチング動作を行うことによって、コンデンサＣ１には略一定の直流電圧が発生し、コンデンサＣ１により平滑化された電圧が光源２に供給され、光源２が点灯する。なお、光源２からの光出力は、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作におけるオン期間とオフ期間との比率（オンデューティ）によって決定される。

ここで、設定された調光レベルが低い低負荷時には、フォトカプラＰＣ１への入力が増加してＦＢ端子Ｐ１から引き抜かれる電流が大きくなると、比較器１５の基準電圧が低下する。制御回路３は、この基準電圧が所定の停止スレッシュ電圧Vthよりも低くなると、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を停止し、所定の停止スレッシュ電圧Vthよりも高くなると、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を再開する。

またフォトカプラＰＣ１への入力は、オペアンプＯＰ１からの出力であり、基準信号生成部８から出力され、制御信号Ｓ１と同じ周波数の周波数成分を持つ基準信号と、光源２を流れる電流I1との差である。したがって、フォトカプラＰＣ１へは、設定された調光レベルが低いほど大きく、調光レベルが高いほど低く、且つ、基準信号と同じ周波数（制御信号Ｓ１と同じ周波数）で所定の範囲内で変化する電位が入力される。

したがって、調光レベルが低くなると、比較器１５の基準電位は、停止スレッシュ電圧Vthよりも低下する期間が発生し、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作に所定の停止期間が発生する（図５を参照）。例えば、調光下限において、停止スレッシュ電圧Vthが0.4Vであるのに対して、ＦＢ端子Ｐ１の電位が最大値0.5V、最小値0.3Vの変動幅で規則正しく変動し、0.4Vを上回ればスイッチング動作が行われ、0.4Vを下回ればスイッチング動作が停止する。

このように制御回路３は、低い調光レベルに設定された低負荷時には、スイッチング素子Ｑ１をいわゆるバースト制御することで、光源２からの光出力が使用者により設定された調光レベルに応じた出力となるように制御している。なお、制御回路３によるバースト制御の周波数は、上述のように、基準信号生成部８から出力される基準信号の周波数に設定されている。

以上述べたように、光源２を低出力で点灯させる際においても、制御回路３によるバースト制御の周波数を所定の周波数に固定することができ、ちらつきやフリッカ現象を抑制することが可能となる。

また、制御信号Ｓ１とオペアンプＯＰ１に出力する基準信号の周波数は、制御信号Ｓ１と同じ周波数に設定されているので、制御信号Ｓ１の周波数を1kHzとすれば、バースト制御の周波数も1khzに固定できる。これにより、光出力の変化も1kHzとなるから、ちらつきやフリッカ現象を抑制することが可能となる。

このとき、制御信号Ｓ１の周波数の下限値は300Hzとすることが好ましく、上限値は1000Hzとすることが好ましい。これにより、人の目で認識が可能な範囲のちらつきやフリッカ現象を抑制することができる。

１点灯装置
２光源
３制御回路（調光制御回路）
４直流電源
５絶縁フライバック回路（点灯回路）
８基準信号生成部
１０制御ＩＣ
１１駆動部
１２駆動制御部
Ｃ１コンデンサ
ＬＤ１固体発光素子
Ｓ１制御信号

Claims

直流電源からの入力をスイッチング素子によりスイッチングした後、平滑化して固体発光素子に出力する点灯回路と、調光レベルに応じたオンデューティの制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御して固体発光素子への出力を調整する調光制御回路とを備え、
前記調光制御回路は、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御する駆動制御部と、前記固体発光素子への出力に応じたフィードバック信号が入力され、基準信号に対する前記フィードバック信号の大きさと所定の閾値との高低に応じて、前記駆動制御部による前記ＰＷＭ制御に休止期間を設けるバースト制御部とを有し、前記基準信号に所定の周波数成分を設けることを特徴とする点灯装置。
前記バースト制御部は、前記制御信号の周波数に応じた基準電位の前記基準信号を出力することを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
前記制御信号の周波数の下限値を300Hzとし、前記制御信号の周波数の上限値を1000Hzとすることを特徴とする請求項２記載の点灯装置。
前記固体発光素子と、請求項１〜３の何れか一項に記載の点灯装置とを備えることを特徴とする照明器具。