JP2013109844A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で力率を改善した照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】整流回路と、部分平滑回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、照明負荷と、を備えた照明装置が提供される。前記整流回路は、交流電圧を整流する。前記部分平滑回路は、第１のコンデンサと、第１のダイオードと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、第３のダイオードとを有し、前記整流回路により整流された電圧を平滑化する。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記部分平滑回路により平滑化された電圧を降圧する。前記照明負荷は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷回路として接続される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、照明装置に関する。

近年、照明装置において、照明光源は白熱電球や蛍光灯から省エネルギー・長寿命の光源、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）への置き換えが進んでいる。また、例えば、ＥＬ（Electro-Luminescence）や有機発光ダイオード（Organic light-emitting diode：ＯＬＥＤ）など新たな照明光源も開発されている。これらの照明光源の光出力は流れる電流値に依存するため、照明を点灯させる場合は、定電流を供給する電源回路が必要になる。ＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源は、高効率で省電力・小型化に適した電源として、コンデンサインプット形の整流・平滑回路とともに用いられる。

特開２００２−１５８９１号公報

しかし、スイッチング電源は、スイッチング動作に伴い高調波電流を発生し、またコンデンサインプット形の整流・平滑回路とともに用いた場合は、機器の動作障害や、力率低下による無効電力が増加するなどの問題がある。
本発明の実施形態は、簡易な構成で力率を改善した照明装置を提供することを目的とする。

実施形態の照明装置は、整流回路と、部分平滑回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、照明負荷と、を備える。前記整流回路は、交流電圧を整流する。前記部分平滑回路は、第１のコンデンサと、第１のダイオードと、第２のコンデンサと、第２のダイオードと、第３のダイオードとを有し、前記整流回路により整流された電圧を平滑化する。前記第１コンデンサは、前記整流回路の出力のハイサイド側に接続され、前記脈流電圧で充電されて、前記照明負荷に供給される電圧よりも高い電圧まで放電する。前記第１のダイオードは、前記整流回路の出力のローサイド側に、前記第１のコンデンサと直列に逆バイアスの方向で接続され、前記第１のコンデンサの放電電流を流す。前記第２のコンデンサは、前記整流回路の出力のローサイド側に接続され、前記脈流電圧で充電されて、前記照明負荷に供給される電圧よりも高い電圧まで放電する。前記第２のダイオードは、前記整流回路の出力のハイサイド側に、前記第２のコンデンサと直列に逆バイアスの方向で接続され、前記第２のコンデンサの放電電流を流す。前記第３のダイオードは、前記第１のコンデンサと前記第１のダイオードとの接続点と、前記第２のダイオードと前記第２のコンデンサとの接続点との間に、前記第１のダイオードから前記第２のダイオードに向かう方向を順方向として接続され、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとに充電電流を流す。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記部分平滑回路により平滑化された電圧を降圧する。前記照明負荷は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷回路として接続される。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成で力率を改善した照明装置が提供される。

第１の実施形態に係る照明装置を例示する回路図である。 部分平滑回路により平滑化された電圧ＶＤＣの波形図である。 電圧ＶＤＣにおける谷部電圧の最小値ＶＭＩＮの第１及び第２のコンデンサの静電容量依存性を例示する特性図である。 照明装置の主要な信号の波形図であり、（ａ）は交流電圧ＶＩＮと交流電流ＩＩＮ、（ｂ）は照明負荷に供給される電流ＩＯＵＴである。 第２の実施形態に係る照明装置を例示する部分断面図である。

以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る照明装置を例示する回路図である。
図１に表したように、照明装置１は、照明電源２と、照明電源２の負荷回路として接続された照明負荷３と、を備えている。

照明電源２は、交流電圧を整流する整流回路４と、チョークコイル５と、整流回路４により整流された電圧ＶＲＥを平滑化する部分平滑回路６と、部分平滑回路６により平滑化された直流電圧ＶＤＣを降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ７と、を有する。照明電源２は、交流電源８から供給される交流電圧ＶＩＮを降圧した出力電圧ＶＯＵＴを出力する。

整流回路４は、例えばダイオードブリッジであり、一対の入力端子９、１０を介して交流電源８から供給される交流電圧ＶＩＮを整流して、脈流電圧ＶＲＥとして出力する。
なお、本実施形態においては、整流回路４としてダイオードブリッジによる構成を例示したが、交流電圧ＶＩＮを全波整流できればよく、他の構成でもよい。また、交流電源８は、例えば商用電源であり、交流電圧ＶＩＮは、例えば１００〜２４０Ｖである。

部分平滑回路６は、第１のコンデンサ１３と、第１のダイオード１４と、第２のダイオード１５と、第２のコンデンサ１６と、第３のダイオード１７とを有する。
第１のコンデンサ１３は、整流回路４のハイサイド側にチョークコイル５を介して接続される、第１のダイオード１４は、第１のコンデンサ１３と直列にローサイド側に接続される。第２のダイオード１５は、整流回路４のハイサイド側にチョークコイル５を介して接続される。第２のコンデンサ１６は、第２のダイオード１５と直列にローサイド側に接続される。第３のダイオード１７は、第１のコンデンサ１３と第１のダイオード１４との接続点１８と、第２のダイオード１５と第２のコンデンサ１６との接続点１９との間に、第１のダイオード１４から第２のダイオード１５の方向を順方向として接続される。

第１のコンデンサ１３と第２のコンデンサ１６とは、第３のダイオード１７を介して直列に接続されて、整流回路４の脈流電圧ＶＲＥにより充電される。また、第１のコンデンサ１３は第１のダイオード１４を介して、第２のコンデンサ１６は第２のダイオード１５を介して、互いに並列に接続されて、それぞれ放電する。

すなわち、脈流電圧ＶＲＥが、第１のコンデンサ１３の充電電圧及び第２のコンデンサ１６の充電電圧よりも上昇すると、第１のコンデンサ１３と第２のコンデンサ１６とは、直列に接続されて、充電される。
また、脈流電圧ＶＲＥが、第１のコンデンサ１３の充電電圧及び第２のコンデンサ１６の充電電圧よりも低下すると、第１のコンデンサ１３と第２のコンデンサ１６とは、互いに並列に接続されて、放電する。

したがって、部分平滑回路６により平滑化された電圧ＶＤＣは、第１のコンデンサ１３と第２のコンデンサ１６とが放電するときの谷部電圧と、谷部電圧以上の脈流電圧ＶＲＥに等しい電圧との間で変動する。

本実施形態においては、谷部電圧の最小値ＶＭＩＮが、後段のＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作するために必要な電圧以上に設定される。すなわち、第１のコンデンサ１３の静電容量Ｃ１と第２のコンデンサ１６の静電容量Ｃ２とは、放電時に谷部電圧の最小値ＶＭＩＮが、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作するために必要な電圧以上となるように設定される。また、照明負荷３に供給される出力電圧ＶＯＵＴは、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作するために必要な電圧以下に設定される。

図２は、部分平滑回路により平滑化された電圧ＶＤＣの波形図である。
なお、交流電源８の交流電圧ＶＩＮは１２０Ｖ、第１のコンデンサ１３の静電容量Ｃ１及び第２のコンデンサ１６の静電容量Ｃ２はともに６．５μＦに設定している。
図２に表したように、電圧ＶＤＣは、谷部電圧の最小値ＶＭＩＮが約６５Ｖ、最大値ＶＭＡＸが約１６０Ｖであり、最小値ＶＭＩＮと最大値ＶＭＡＸとの間で大きく変動している。

図３は、電圧ＶＤＣにおける谷部電圧の最小値ＶＭＩＮの第１及び第２のコンデンサの静電容量依存性を例示する特性図である。
図３に表したように、谷部電圧の最小値ＶＭＩＮは、第１及び第２のコンデンサ１３、１６の静電容量Ｃ１、Ｃ２（＝Ｃ１）に依存する。静電容量Ｃ１が大きいと、最小値ＶＭＩＮは大きくなる。例えば、静電容量Ｃ１が６．５μＦ以上のとき、最小値ＶＭＩＮは５５Ｖ以上になる。また、第１のコンデンサ１３や第２のコンデンサ１６の製造ばらつきや、寿命による容量低下を考慮すると、静電容量Ｃ１は４μＦ以上のとき、最小値ＶＭＩＮは４７Ｖ以上になる。

第１及び第２のコンデンサ１３、１６を小型化すると、照明装置を小型化することができる。そのため、第１及び第２のコンデンサ１３、１６として、例えば電解コンデンサが用いられる。電解コンデンサは、外形寸法により、静電容量の最大値が規定される。例えば、最小形状のφ６．３×１１ｍｍの電解コンデンサの静電容量の最大値は、６．５μＦであり、φ８×９ｍｍの電解コンデンサの静電容量の最大値は、９μＦである。

本実施形態においては、照明負荷３の消費電力に応じて、第１及び第２のコンデンサ１３、１６として、例えば静電容量Ｃ１が６．５μＦの最小形状の電解コンデンサを用いることができる。また、静電容量Ｃ１が９μＦのφ８×９ｍｍの電解コンデンサを用いることもできる。またさらに、静電容量が１０μＦ以上のφ１０×１２．５ｍｍの電解コンデンサを用いることもできる。

再度図１に戻ると、ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、例えばチョッパ回路であり、部分平滑回路６により平滑化された電圧ＶＤＣを降圧する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７が高電位出力端子１１と低電位出力端子１２との間に出力する電圧は、照明電源２の出力電圧ＶＯＵＴである。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、電圧ＶＤＣを入力して、電圧ＶＤＣを降圧した電圧ＶＯＵＴを出力できればよく、どのような構成でもよい。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、高電位出力端子１１と低電位出力端子１２との間に接続された、出力コンデンサ２０を有している。

上記のとおり、部分平滑回路６からＤＣ−ＤＣコンバータ７に供給される電圧ＶＤＣは、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が動作するために必要な電圧以上に設定されている。その結果、部分平滑回路６から供給される電圧ＶＤＣが大きく変動しても、ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、交流電圧ＶＩＮの全位相において動作し、電圧ＶＤＣを降圧した電圧ＶＯＵＴを出力する。

そして、照明負荷３は、例えばＬＥＤなどの照明光源２１を有し、照明電源２から出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴを供給されて点灯する。なお、出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴの値は、照明光源に応じて規定される。例えば、照明光源２１がＬＥＤの場合は、出力電圧ＶＯＵＴは、照明光源２１の順方向電圧になる。

図４は、照明装置の主要な信号の波形図であり、（ａ）は交流電圧ＶＩＮと交流電流ＩＩＮ、（ｂ）は照明負荷に供給される電流ＩＯＵＴである。
図４（ａ）に表したように、交流電源８から供給される交流電圧ＶＩＮの半周期に対して、交流電流ＩＩＮは２段階でピーク電流が流れ、力率が改善されている。例えば、本具体例においては、交流電圧ＶＩＮが１２０Ｖ、交流電流ＩＩＮが７５．５９ｍＡで入力電力が８．０９Ｗ、出力電圧ＶＯＵＴが３７．２７Ｖ、出力電流ＩＯＵＴが１０３．３６ｍＡで出力電力が７．２１Ｗに設定されている。このとき、力率は８９．０６％であり、回路効率は８９．１０％である。

なお、本具体例においても、第１及び第２のコンデンサ１３、１６の静電容量Ｃ１、Ｃ２（＝Ｃ１）は、ともに６．５μＦに設定されている。また、出力コンデンサ２０の静電容量Ｃ３は２．２μＦに設定されている。

近年、環境保護のため電気製品全般の省エネルギーが求められている。例えば、アメリカ環境保護局が推進するＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲにおいては、消費電力５Ｗ以上のＬＥＤランプの力率７０％以上を要求している。例えば、部分平滑回路６を用いない場合は、力率が６０％程度となり、ＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲの要求を満たさない。

本実施形態においては、簡易な構成でＥＮＥＲＧＹ ＳＴＡＲの要求する力率７０％以上を満たすことができる。
また、本実施形態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ７が交流電圧ＶＩＮの全位相で電力を供給するため、照明負荷３は、ちらつき無く安定に点灯する。

図５は、第２の実施形態に係る照明装置を例示する部分断面図である。
図５に表したように、本実施形態は、第１の実施形態に、ベース１０１と筐体１０２と透光シールド１０３とが追加されている。すなわち、照明装置１ａは、ベース１０１、筐体１０２、透光シールド１０３、照明電源２、照明負荷３を備える。ベース１０１と筐体１０２と透光シールド１０３とは、電球形状に形成されている。

照明電源２は、第１の実施形態に係る照明電源２と同様であり、整流回路４、部分平滑回路６、ＤＣ−ＤＣコンバータ７を有する。なお、図５においては、図を見やすくするために、実装基板や各素子などの図示を省略し、簡略化している。

照明電源２は、長手方向が、筐体１０２の仮想的な中心軸に平行に設けられる。また、中心軸から外側に一定距離だけオフセットして設けられてもよい。この場合、第１及び第２のコンデンサ１３、１６などの相対的に大型の背の高い素子を実装することが容易になる。

また、熱伝導性の高いシリコーンなどが筐体１０２の内部に埋め込まれてもよく、照明電源２を筐体１０２に固定するとともに筐体１０２に熱接続させてもよい。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の放熱性が改善される。

ベース１０１は、照明電源２の一部を収納するとともに、照明電源２の一対の入力端子９、１０を交流電源に接続する。
筐体１０２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属で形成され、照明電源２と、照明電源２の上に設けられた照明基板（図示せず）を収納する。
透光シールド１０３は、照明基板上に設けられた照明光源２１ａ、２１ｂから放射される光を拡散して透過するとともに、照明基板を保護する。なお、本実施形態においては、照明負荷３が、照明光源２１ａ、２１ｂを有する構成を例示しているが、照明光源の数は、光出力に応じて任意数設けることができる。

本実施形態においては、照明電源２を筐体１０２に収納しているため、力率を改善しつつ照明装置１ａを比較的小さい電球形状とすることができる。
また、本実施形態においては、照明光源２１ａ、２１ｂを有する照明負荷３ａに照明電源２を介して電力を供給するため、照明光源２１ａ、２１ｂは、ちらつき無く安定に点灯する。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明したが、それらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記の具体例においては、消費電力が７．２１Ｗ、順方向電圧が３７．２７ＶのＬＥＤを光源とする照明負荷と、第１及び第２のコンデンサ１３、１６の静電容量Ｃ１、Ｃ２（＝Ｃ１）が、ともに６．５μＦの構成を例示した。しかし、消費電力が他のＬＥＤを光源とする照明負荷の構成も可能である。例えば、消費電力が１０Ｗ以下のＬＥＤを光源とする照明負荷と、第１及び第２のコンデンサ１３、１６の静電容量Ｃ１、Ｃ２がともに６μＦ〜９μＦの構成としてもよい。例えば、消費電力が７〜９Ｗ、順方向電圧が５０Ｖ以下のＬＥＤを光源とする照明負荷と、第１及び第２のコンデンサ１３、１６の静電容量Ｃ１、Ｃ２（＝Ｃ１）が、ともに４μＦ〜６．５μＦの構成としてもよい。

また、照明光源２１、２１ａ、２１ｂはＬＥＤに限らず、ＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷３には、複数個の照明光源２１が直列又は並列に接続されていてもよい。照明負荷３の順方向電圧が、所定値以下、例えば５０Ｖ以下であればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１ａ…照明装置、 ２…照明電源、 ３、３ａ…照明負荷、 ４…整流回路、 ５…チョークコイル、 ６…部分平滑回路、 ７…ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ８…交流電源、 ９、１０…入力端子、 １１…高電位出力端子、 １２…低電位出力端子、 １３…第１のコンデンサ、 １４…第１のダイオード、 １５…第２のダイオード、 １６…第２のコンデンサ、 １７…第３のダイオード、 １８、１９…接続点、 ２０…出力コンデンサ、 ２１、２１ａ、２１ｂ…照明光源、 １０１…ベース、 １０２…筐体、 １０３…透光シールド

Claims (6)

1. 交流電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路により整流された電圧を平滑化する部分平滑回路と、
   前記部分平滑回路により平滑化された電圧を降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷回路として接続された照明負荷と、
   を備え、
   前記部分平滑回路は、
   前記整流回路の出力のハイサイド側に接続され、前記脈流電圧で充電されて、前記照明負荷に供給される電圧よりも高い電圧まで放電する第１のコンデンサと、
   前記整流回路の出力のローサイド側に、前記第１のコンデンサと直列に逆バイアスの方向で接続され、前記第１のコンデンサの放電電流を流す第１のダイオードと、
   前記整流回路の出力のローサイド側に接続され、前記脈流電圧で充電されて、前記照明負荷に供給される電圧よりも高い電圧まで放電する第２のコンデンサと、
   前記整流回路の出力のハイサイド側に、前記第２のコンデンサと直列に逆バイアスの方向で接続され、前記第２のコンデンサの放電電流を流す第２のダイオードと、
   前記第１のコンデンサと前記第１のダイオードとの接続点と、前記第２のダイオードと前記第２のコンデンサとの接続点との間に、前記第１のダイオードから前記第２のダイオードに向かう方向を順方向として接続され、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサとに充電電流を流す第３のダイオードと、
   を有する照明装置。
2. 前記部分平滑回路の出力電圧は、前記照明負荷に供給する電圧よりも高く、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記交流電圧の全位相において前記照明負荷に電力を供給する請求項１記載の照明装置。
3. 前記照明負荷の消費電力は１０Ｗ以下であり、
   前記第１及び第２のコンデンサの静電容量は、それぞれ６μＦ〜９μＦである請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記照明負荷の消費電力は９Ｗ以下であり、
   前記第１及び第２のコンデンサの静電容量は、それぞれ４μＦ〜６．５μＦである請求項１または２に記載の照明装置。
5. 前記照明負荷に供給する電圧は、５０Ｖ以下であり、
   前記第１のコンデンサの静電容量は、４μＦ〜６．５μＦである請求項１または２に記載の照明装置。
6. 前記照明負荷から出力される照明光を透過する透過シールドと、
   商用電源から前記整流回路に交流電圧を供給するベースと、
   前記透過シールドと前記ベースとの間に設けられ、前記整流回路と前記部分平滑回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記照明負荷とを収容する筐体と、
   をさらに備え、
   前記透過シールドと前記ベースと前記筐体とは、電球型に形成されてなる請求項１〜５のいずれか１つに記載の照明装置。

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