JP2013206710A - 点灯制御装置および照明制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数タップを有する絶縁トランスを用いた場合の装置全体の大形化、整流装置の出力側にバイパス回路を設けた場合の電力損失の増大化を防ぎ、小形化を図れるとともに電力損失の軽減化も図れる点灯制御装置を提供する。
【解決手段】分流装置１０１にて電流を分流（バイパス）し、残余の電流が整流装置１１０に入力するので、整流装置１１０における電力損失を低減できる。制御手段１５３は電流検出信号に応じて電力変換手段１２０のスイッチング素子１２２のオンオフ動作期間をＰＷＭ制御して固体発光素子１４０の光出力を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体発光素子を調光点灯可能な点灯制御装置およびこの点灯制御装置を交流定電流電源装置にて付勢するようにした照明制御装置に関する。

例えば空港の標識灯システムにおいては、交流定電流電源装置から可飽和形の絶縁トランスを介して複数個の標識灯に対して給電するようにしている。前記定電流電源装置は、夜間あるいは周囲の照度環境によっても標識灯が所望の明るさで標示できるよう出力電流値を変化可能に構成されている。

従来、前記標識灯の光源としてはハロゲン電球等の電球が主流であったが、近年においては省電力、長寿命等の観点から発光ダイオード（以下、ＬＥＤと称する。）等の固体発光素子を用いるものが提案されている。このＬＥＤのような固体発光素子は直流で点灯され、かつ、電球に比べて小さな電流で所要の光出力を得ることができる。このため、従来の電球用の交流定電流電源装置に固体発光素子使用の標識灯を接続しようとする場合、また、電球を用いた標識灯と共に固体発光素子使用の標識灯を接続しようとする場合には、固体発光素子に対しては交流定電流電源装置の出力を整流し電流値を低減して供給する必要があった。

例えば、特許文献１に記載のものでは、絶縁トランスの出力を切り換えるタップ切換回路を設け、交流定電流電源装置の出力電流値に応じて、固体発光素子（ＬＥＤ）への供給電力を切り換えるようにしている。

また、特許文献２に記載のものでは、整流装置の出力側に定電圧回路を設けるとともにバイパス回路を設けて、固体発光素子の点灯に余剰な電流をバイパス回路にバイパスさせることにより、固体発光素子（ＬＥＤ）への供給電圧を所定のものにするようにしている。

特許第4207759号公報 図３、［００４９］、［００５０］ 特開2006-139775号公報 図１、［００４６］、[００５７]

しかし、特許文献１のものは複数タップを有する絶縁トランス及びこれのタップ切換回路が必要であるため、装置全体が大きくなり、標識灯本体（筐体）に収納困難であるか標識灯本体を大形化してしまう虞がある。

また、特許文献２のものは、整流装置の出力側において余剰な電流をバイパスさせるものであるため、整流装置を構成する整流素子例えばダイオードにおける電力損失が無視できないものになる。すなわち、整流装置が４個のダイオードをブリッジ接続したものである場合、常時、２×入力電流×ダイオードの順方向電圧の電力損失が生じることになる。例えば、固体発光素子を使用した標識灯としては百ｍＡ単位程度の電流が必要であるところに、常時数Ａ程度の電流を整流装置に流すことは、過剰に電力損失を発生させることが明白であり、また、電力損失に加えて大容量の整流装置が必要になり、改善が要求されるところである。

本発明はこのような従来の問題を解決するためになされたもので、小形化を図れるとともに、電力損失の軽減化を図れる点灯制御装置およびこの点灯制御装置を用いた照明制御装置を提供することを目的とする。

本発明における一実施形態の点灯制御装置は、出力電流値を可変の交流定電流電源装置の出力を整流する整流装置、整流装置の出力を入力し直流電力を変化可能に出力する電力変換手段、電力変換手段の出力を供給されて点灯する固体発光素子を有する。そして、さらに、前記整流装置の入力側に設けられて交流定電流電源装置からの出力電流の一部を分流する分流装置、前記交流定電流電源装置の出力電流を検出し検出した出力電流値に応じて電力変換手段の出力を制御することによって前記固体発光素子の光出力を出力電流値に応じたものとする制御装置を有する。

分流装置としては、一部に抵抗を含むことを排除するものではないが、電力損失が少ない容量成分および／または誘導成分によって、あるいは容量成分および／または誘導成分を含んで構成するのが好ましい。また、形状、重量の小形化の点からは、容量成分を主として構成することが好ましい。容量成分としては電解コンデンサ特に無極性（二極性）の電解コンデンサを用いることができる。

本発明の一実施形態によれば、固体発光素子への供給電流の低減化（調整）のためのタップ付変圧器およびタップ切換回路を必須とするものではないため、装置全体の小形、軽量化が可能である。また、交流定電流電源装置の出力電流の一部を整流装置の入力側で分流するため、整流装置に流入する電流値を小さくできるので、この整流装置での電力損失を従来に比して軽減できる。分流装置での電力損失は、上述のように構成部品の選定より低減化が可能である。

本発明に係る点灯制御装置および照明制御装置の一実施形態を示す回路図。 同上一実施形態の作用を示す概略波形図。 本発明に係る点灯制御装置および照明制御装置の他の実施形態を示す回路図。 同上他の実施形態における要部を示す回路図。

以下、本発明の第一の実施形態を図１および図２を参照して説明する。

図１は本発明の点灯制御装置および照明制御装置の一実施形態を示す回路図、図２は作用を示す概略波形図である。図１において、１は交流定電流電源装置であり、この定電流電源装置１に例えば可飽和形の絶縁トランス１０を介して点灯制御装置１００が接続されている。これら絶縁トランス１０及び点灯制御装置１００は、複数個が互いに直列的関係に接続されている（図１ではそれぞれ１個のみを詳細に示している。）。絶縁トランス１０は、２次側の開放故障時には飽和して他の絶縁トランス１０ひいては点灯制御装置１００に給電可能としている。

交流定電流電源装置１は、飛行場の標識灯用電源装置の場合には、例えば、６．６Ａ、５．２Ａ、４．１Ａ、３．４Ａ、２．８Ａの５段階に出力電流値を変化可能に構成されている。また、このような交流定電流電源装置１としては、例示すると、ＳＣＲを用いて位相制御波形を出力する位相制御式のもの、正弦波を出力する共振形のもの、同じく正弦波を出力するインバータ制御形のものが使用可能であるが、もちろん、他の形式の交流定電流電源装置であってもよい。

前記絶縁トランス１０は、２次側あるいは負荷側の開放故障時には飽和あるいは導通して他の点灯制御装置１００に給電可能であればよく、したがって、この絶縁トランス１０に代えて別の可飽和素子あるいは電圧応動形の導通素子等を用いることも可能である。

点灯制御装置１００は、分流装置１０１を介して定電流電源装置１の出力を整流装置１１０に入力するようになっている。

前記分流装置１０１は無極性の電解コンデンサ１０２、１０３から構成されている。無極性の電解コンデンサ１０２、１０３のそれぞれは、等価的に、有極性の電解コンデンサ要素の同極性（例えば負極）どうしを向合せて接続した形式とされている。本実施形態では、それぞれ４７０マイクロＦの電解コンデンサ要素４個から形成している。

しかし、有極性のコンデンサの同極を互いに向合わせて接続して構成したり、上述したようにインダクタを用いたりあるいはインダクタと組合わせて構成してもよい。

分流比およびインピーダンス値の選定に関しては後述する。

整流装置１１０は例えばダイオードブリッジで構成されるが、場合によっては半波整流回路であってもよいし、ＳＣＲやトランジスタ等制御極付スイッチング素子とダイオードとを組合わせて構成されるものであってもよい。

整流装置１１０の出力側には、電力変換手段１２０が設けられ、この電力変換手段１２０の出力側には固体発光素子１４０が設けられている。

電力変換手段１２０は、出力電力を変化可能に構成されている。本実施形態では、前記整流装置１１０の出力を平滑する平滑手段１２１としての平滑コンデンサを有する。そして、平滑手段１２１の両出力端間に前記固体発光素子１４０と互いに直列的に接続されたスイッチング素子１２２例えば電界効果形トランジスタを有している。このような電力変換手段１２０は、前記スイッチング素子１２２を高周波でオンオフするとともにオンオフ動作期間を後述するようにパルス幅制御（ＰＷＭ）されることにより、出力電力を変化可能とされている。

また、本実施形態では、前記平滑手段１２１の出力を定電圧化するための定電圧化手段１２３を有している。この定電圧化手段１２３は、逆流防止用のダイオード１２４により平滑手段１２１と電気的に分離されて整流装置１１０の出力側に設けられたスイッチング装置１２５と、平滑手段１２１の両端電圧を検出する電圧検出装置１２６とを主として構成されている。

そして、前記電圧検出装置１２６の検出結果に応じて、後述する制御装置１５０により前記スイッチング装置１２５の導通が制御され、平滑手段１２１の出力電圧を定電圧化するようになっている。

ここで、整流装置１１０の入力電流は既に分流されて相対的に小さなものになっている。したがって、この点において、特許文献２のものとはバイパスすることの目的、程度が異なっている。

なお、定電圧化手段を用いる場合に、本実施形態のものに限られるものではなく、各種のものから適宜選択可能である。

前記固体発光素子１４０は例えばＬＥＤであり、２個または４個、あるいはそれ以外の所要の個数が直列接続、並列接続あるいは直並列接続されている。この固体発光素子１４０は有機ＥＬやその他の発光素子であってもよい。

１５０は制御手段であって、前記交流定電流電源装置１の出力電流を検出し、検出信号に応じて電力変換手段１２０の出力電力を制御するものである。本実施形態では、前記スイッチング素子１２２を高周波でオンオフ動作するとともに、この高周波オンオフ動作期間をパルス幅制御（ＰＷＭ）するようにしている。

交流定電流電源装置１の出力電流を検出するに当っての電流信号としては、交流定電流電源装置１の形式や出力波形等に応じて、実行値、平均値、導通位相等とすることができ、要するに交流定電流電源装置１の出力電流が示す出力レベルを検出するものである。このような電流検出手段１５１は、図１では電流検出トランスであり、この電流検出手段１５１の検出信号を波形整形回路１５２で適当な直流信号に変換している。

１５３は制御手段であって、前記波形整形回路１５２の出力に応じて電力変換手段１２０のスイッチング素子１２２の高周波オンオフ動作期間比（ＰＷＭの一周期中の動作期間／ＰＷＭの一周期）を制御する。例えば、図２に示すように、スイッチング素子１２２を高周波（例えば数百Ｈｚ〜数十ＭＨｚの間）でオンオフする（図２中のｔ期間）信号を出力するとともに、ＰＷＭ信号（例えば数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚの間）の一周期（図２中のＴ）における期間（ｔ）の時間割合を制御する。これにより、固体発光素子１４０への供給電力量を変化して光出力を変化させる。

このような制御手段１５３は、マイクロコンピュータやＩＣを主体として構成することが小形、軽量化の点で好適である。また、マイクロコンピュータを主として構成した場合には、固体発光素子おける供給電流量‐光出力特性を電球における供給電流量‐光出力特性に合致させるべく変換データを記憶したり、演算したりすることが容易である。しかし、もちろん、これらに限定されるものではない。

さらに、本実施形態においては、フィードバック制御手段を付加してもよい。例えば、固体発光素子１４０に流れる電流を検出し、調光度に応じた基準値と比較して所定の電流となるようにスイッチング素子１２２の高周波オンオフ動作期間（ｔ）、または、高周波オンオフの周波数やオンデューティを変化させるようにしてもよい。これにより、実際に固体発光素子１４０に流れる電流を調光度合に応じたものに制御して、光出力を精度よく一定化可能にすることができる。

なお、制御装置１５０の電源は、整流装置１１０の出力から、または電流検出手段１５１の出力から得るようにしたり、あるいは別個に降圧トランスを設けて得るようにしてもよい。

つぎに本実施形態の作用を説明する。今、交流定電流電源装置１が１００％の光出力を得るための出力、すなわち本実施形態において６．６Ａの電流を出力するように設定されていると、この６．６Ａの定電流が点灯制御装置１００に供給される。

各点灯制御装置１００では、まず、分流装置１０１にて前記６．６Ａの電流の内の幾らかの電流が分流（バイパス）し、残余の電流が整流装置１１０に入力する。

ここにおいて、分流装置１０１のインピーダンスと整流装置１１０以降の負荷側のインピーダンスとではそれぞれベクトルが異なることが多く、そのため、それぞれに流れる電流の位相は異なることが多い。このため、適切な分流比のための分流装置のインピーダンス値の計算は複雑になるが、計算上で求めることも可能である。また、概略の計算値を基に、実験等により適切なインピーダンス値を求めることも可能である。

本実施形態において、適切な分流比とは、１００％の光出力時においても所要の調光点灯範囲においても、固体発光素子１４０を所望に点灯でき、かつ、整流装置１１０における電力損失を低減できる電流を整流装置１１０に流入できる分流比の範囲である。本実施形態は分流装置１０１のインピーダンス値が固定の場合であるので、最小調光点灯時（最も暗い点灯時）に適切な電流が整流装置１１０に入力するように分流装置１０１のインピーダンスを設計すると、１００％点灯時には必要以上の電流が整流装置１１０に流入することになる。

しかし、それでも、分流装置１０１の存在により公知文献２のものより格段に整流装置１１０への流入電流を低減でき、それに伴って、整流装置１１０における電力損失を低減できる。本実施形態では、交流定電流電源装置１が１００％の光出力を得るために６．６Ａの電流を出力している場合に、整流装置１１０には１．３Ａの電流が入力するように設定した。

整流装置１１０から出力された直流電圧は平滑手段１２１により平滑され、所定の直流電圧に変換され、定電圧化手段１２３により一定化される。

この直流電圧は電力変換手段１２０を介して固体発光素子１４０に供給される。

一方、制御装置１５０は、交流定電流電源装置１の出力電流を電流検出手段１５１にて検出している。今は１００％の６．６Ａの電流が出力されているから、制御手段１５３は電力変換手段１２０のスイッチング素子１２２のオンオフ動作期間をＰＷＭ制御して、固体発光素子１４０に実効値的に例えば３５０mＡの電流を供給する。これにより、固体発光素子１４０は１００％の明るさで点灯する。

つぎに、交流定電流電源装置１の出力電流が２５％出力時の５．２Ａのときには、整流装置１１０には前記の１．３Ａより少ない電流が入力する。制御装置１５０では、電流検出手段１５１が前記５．２Ａの電流を検出して制御手段１５３に検出信号を与える。

制御手段１５３は、この検出信号に従い電力変換手段１２０のスイッチング素子１２２の高周波オンオフ動作期間をＰＷＭ制御する（１００％点灯時より期間ｔを短くする。）。これにより、固体発光素子１４０には実効値的に例えば８８ｍＡの電流が供給されるようになり、２５％の明るさで点灯する。

調光範囲をどのようにするかは任意設定可能であるが、本実施形態では、交流定電流電源装置１が５段階に出力電流値を変化可能に構成されているため、５段階の内の任意の階数の調光が可能である。しかし、これに限られるものではなく、例えば連続的に光出力を変化させるいわゆる連続調光であってもよい。

いずれの場合も、分流装置１０１は、最も暗い調光下限に対応する交流定電流電源装置１からの出力電流値であっても固体発行素子１４０が点灯可能な電流を整流装置１１０に入力させるように設計される。

次に、図３を参照して他の実施形態を説明する。本実施形態において、図１の実施形態と同じまたは対応する部分には同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、交流定電流電源装置１の出力電流値に応じて分流装置１０１´のインピーダンス値を変化可能にしたものである。

図４を参照して、インピーダンス値の具体的変化例を説明する。図４（ａ）は、インピーダンス値を２段階に変化する例であり、直列接続された異種あるいは同定格の２個の無極性電解コンデンサ４１、４２の一方を短絡可能にしたものである。短絡スイッチとしては、例えば電界効果形のトランジスタ４３を用いている。

この電界効果形のトランジスタ４３のゲートを制御手段１５３からの信号により制御することにより、分流装置１０１´のインピーダンス値を切換可能となる。すなわち、電流検出手段１５１の検出信号が所定値以上のとき、電界効果形のトランジスタ４３をオンすることにより分流装置１０１´のインピーダンスは無極性電解コンデンサ４１のみとなり、相対的に多くの電流を分流する。電界効果形のトランジスタ４３の逆方向の電流は機構的に内蔵している寄生ダイオードにより通流可能である。

一方、電流検出手段１５１の検出信号が所定値未満のときには、電界効果形のトランジスタ４３をオフして分流装置１０１´のインピーダンスを無極性電解コンデンサ４１お呼び４２として、分流する電流を相対的に少なくする。

本実施形態によれば、調光度に合い応じて（交流定電流電源装置１の出力電流値に応じて）分流する電流すなわち整流装置１１０に入力する電流を変化して、一層整流装置１１０における電力損失を低減できる。

なお、短絡スイッチとしては電界効果形のトランジスタの他、他の半導体スイッチング素子やリレー等を使用可能であり、電力損失を考慮して選定することができる。

図４（ｂ）は、インピーダンス値を多段階に変化する場合の例である。本例では、交流定電流電源装置１の出力が６．６Ａ、５．２Ａ、４．１Ａ、３．４Ａ、２．８Ａの５段階に変化する場合に対応して５段階にインピーダンス値を変化させるようにしている。

すなわち、同定格である１６個の無極性コンデンサＣ１〜Ｃ１６を直列接続するとともに、コンデンサＣ２と並列、Ｃ３〜Ｃ４と並列、Ｃ５〜Ｃ８と並列、Ｃ９〜Ｃ１６と並列にそれぞれスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を設けている。

そして、交流定電流電源装置１の出力が６．６Ａの場合にはスイッチＳ１〜Ｓ４をオンすることにより、分流装置１０１´のインピーダンスは無極性コンデンサＣ１だけとなり、より多くの電流を分流可能となる。また、交流定電流電源装置１の出力が５．２Ａの場合には、スイッチＳ１をオフし、スイッチＳ２〜Ｓ４をオンする。これにより、分流装置１０１´のインピーダンスは無極性コンデンサＣ１およびＣ２となり、インピーダンス値は前回の２倍になる。

同様に、交流定電流電源装置１の出力電流に応じてスイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフを制御することができ、交流定電流電源装置１の出力が最小の２．８Ａの場合には、スイッチＳ１〜Ｓ４の全てをオフすると、分流装置１０１´のインピーダンスは無極性コンデンサＣ１〜Ｃ１６となり、６．６Ａの場合の１６倍のインピーダンス値となる。

本例によれば、交流定電流電源装置１の出力が６．６Ａ、５．２Ａ、４．１Ａ、３．４Ａ、２．８Ａに応じた調光％である１００％、２５％、５％、１％、０．２％に対応して、分流装置１０１´のインピーダンス値を１００％、５０％、２５％、１２．５％、６．２５％と変化して、分流比を近似させることができる。

なお、本実施形態のように、分流装置１０１´のインピーダンス値を変化させる場合に、インピーダンス要素を直列接続する他、並列接続、直並列接続する等、各種の接続関係が採用可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態を中心に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、各種の変形を許容するものである。

たとえば、点灯制御装置は飛行場の標識灯用に限定されるものではなく、交流定電流電源装置を用いて調光点灯可能に付勢されるものであれば好適なものである。

また、電力変換手段は、固体発光素子への通流電流をオンオフするものの他、例えば降圧チョッパのようなスイッチング装置を備えるＤＣ‐ＤＣ変換装置を用い、制御装置により前記スイッチング装置のオンデューティやスイッチング周波数を制御して固体発光素子への供給電力を制御するものであってもよい。

１…交流定電流電源装置、１０…絶縁トランス、１００…点灯制御装置、１０１…分流装置、１１０…整流装置、１２０…電力変換手段、１４０…固体発光素子、１５０…制御装置、１５１…電流検出手段、１５３…制御手段。

Claims (4)

1. 出力電流値を可変の交流定電流電源装置から給電され、給電される電流値に応じて固体発光素子の光出力を変化させる点灯制御装置であって、
   交流定電流電源装置の出力を整流する整流装置と；
   整流装置の出力を入力し直流電力を変化可能に出力する電力変換手段と；
   電力変換手段の出力を供給されて点灯する固体発光素子と；
   整流装置の入力側に設けられ交流定電流電源装置からの出力の一部を分流する分流装置と；
   交流定電流電源装置の出力電流を検出し、検出した出力電流値に応じて電力変換手段の出力を制御することによって固体発光素子の光出力を出力電流値に応じたものとする制御装置と；
   を具備していることを特徴とする点灯制御装置。
2. 前記分流装置は前記交流定電流電源装置の出力電流値に応じて分流する電流量を変化可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の点灯制御装置。
3. 前記分流装置は無極性電解コンデンサにより構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の点灯制御装置。
4. 出力電流値を可変の交流定電流電源装置と；
   互いに直列接続された請求項１ないし３のいずれか一記載の複数個の点灯制御装置と；
   を具備していることを特徴とする直列負荷制御装置。

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