JP2013229175A - 照明装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】高調波電流を抑制しつつ雑音レベルを低減させた照明装置及びそれを用いた照明器具を提供する。
【解決手段】非常用ユニット４は、商用電源２を整流して直流に変換する整流回路４１と、１次巻線Ｎ１の一端側が整流回路４１のプラス側に接続されるトランスＴ１と、トランスＴ１の１次巻線Ｎ１の他端側と整流回路４１のマイナス側との間に接続されるスイッチング素子４２と、整流回路４１の出力間に接続されるコンデンサＣ２と、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２に接続される充電回路４４と、充電回路４４によって充電される蓄電池４６と、商用電源の停電時に蓄電池４６の出力によってランプ６を点灯させる非常用点灯回路４５とを備える。そして、トランスＴ１の１次巻線Ｎ１は、上記一端側を巻き始めとして巻回される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置及びそれを用いた照明器具に関するものである。

商用電源の停電時に二次電池を電源として光源を点灯させる非常用の照明器具は、オフィスビルなどの非住宅向けの照明器具に分類される。オフィスビルのような非住宅の現場では、複数の電源電圧が存在することから、昨今の照明器具は、１００Ｖ〜２４２Ｖなどの幅広い電源電圧に対応できるよう、電子式の安定器やスイッチング式の降圧回路を内蔵するものが多い（例えば特許文献１参照）。

図５はその一例を示す概略構成図であり、この照明器具１は、商用電源２の出力によって動作してランプ６を点灯させる電子安定器３と、商用電源２の停電時にランプ６を点灯させる非常用ユニット４と、ランプ６の接続先を電子安定器３又は非常用ユニット４の何れか一方に切り替える切換回路５と、非常用ユニット４を介してランプ６に点灯電力を供給する蓄電池４６とで構成される。非常用ユニット４は、整流回路とスイッチング素子を具備して、商用電源２の出力を整流し、スイッチング素子をオン・オフすることで降圧動作を行う降圧回路５１と、降圧回路５１の出力によって蓄電池４６を充電する充電回路４４と、商用電源２の停電時に蓄電池４６の出力によってランプ６を点灯させる非常用点灯回路４５とを備える。

この照明器具１では、商用電源２の通電時には切替回路５によってランプ６の接続先が電子安定器３に切り替えられ、電子安定器３から供給される点灯電力によってランプ６が点灯する。また、商用電源２の停電時には切替回路５によってランプ６の接続先が非常用ユニット４に切り替えられ、非常用点灯回路４５を介して蓄電池４６から供給される点灯電力によってランプ６が点灯する。

特許第４３９６１３２号公報

上述の図５に示した照明器具１では、降圧回路５１が具備するスイッチング素子のスイッチング動作に起因する雑音の抑制が課題となる。図６は図５中の非常用ユニット４の一例を示す概略構成図であり、この非常用ユニット４は、ラインフィルタＬＦ１及びコンデンサＣ１で構成されるフィルタ回路４７と、ダイオードＤ１、コンデンサＣ３及び抵抗Ｒ１で構成されるスナバ回路４８とをさらに備える。この非常用ユニット４では、商用電源２を整流回路４１及びコンデンサＣ２で整流・平滑した直流に対して、スイッチング素子４２を数十〜数百ｋＨｚでスイッチング動作させており、その結果、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の巻数比に応じた電圧がトランスＴ１の２次側に発生する。そして、トランスＴ１の２次側に発生した電圧をダイオードＤ２及びコンデンサＣ４で平滑することで、蓄電池４６の充電に適切な低電圧へと変換される。また、スナバ回路４８は、スイッチング素子４２のスイッチング動作によってトランスＴ１の１次側に発生するサージ電圧を吸収し、フィルタ回路４７は、スイッチング素子４２のスイッチング動作に起因する雑音を吸収し、不要な雑音が商用電源２側へ帰還しないよう抑制する。

ところで、照明器具の雑音レベルは、電気用品安全法によってその限度値が定められており、上述の従来例では、この限度値を満足するように、フィルタ回路４７やスナバ回路４８周辺を適切に設計して雑音レベルの抑制を図っている。具体的には、雑音の発生源の１つであるスイッチング素子４２のスイッチング周波数に合わせてフィルタ回路４７の周波数特性を調整したり、プリント配線板におけるスイッチング素子４２やスナバ回路４８の配線の引き回しを短くしたりすることで雑音レベルを抑制する。

図７はトランスＴ１を構成する１次巻線Ｎ１及び２次巻線Ｎ２の巻き方の一例を示す模式図である。図６に示したトランスＴ１は降圧トランスであるため、２次巻線Ｎ２よりも１次巻線Ｎ１の方が巻数が多く、１次巻線Ｎ１を分割（図７（ａ）中のＮ１１、Ｎ１２）して２次巻線Ｎ２を挟み込むようにボビン１００に巻くことで、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の結合を高くして漏れインダクタンスを小さくすることができる。この漏れインダクタンスは、スイッチング素子４２がオフする際に発生する雑音のレベルに大きく影響するため、図７のような巻き方をすることによって、雑音の発生を抑制することができる。

また、商用電源系統に接続される機器は、ＪＩＳ Ｃ６１０００−３−２によって高調波電流発生限度値が定められており、例えば照明機器はクラスＣに分類され、有効入力電力が２５Ｗを超える場合はＪＩＳ Ｃ６１０００−３−２の表２を、有効入力電力が２５Ｗ以下の場合は表３を満たさなければならない。この限度値を満たすため、一般的には力率改善回路（ＰＦＣ回路）などが用いられる。図５中の電子安定器３についても力率改善回路を内蔵するものが大半であり、商用電源２の位相変化に追従して適切なスイッチング動作を行うことで、入力電流波形を略正弦波としている。

ここで、図５に示す照明器具１の非常用ユニット４は、商用電源２の通電時には蓄電池４６の充電のみを行っているので、入力電力は数Ｗ程度である。しかしながら、照明器具１としては電子安定器３と組み合わせて使用されるため、上記の限度値を満たすためには非常用ユニット４の高調波電流も抑制しなければならない。この場合、力率改善回路を用いることで高調波電流を抑制することはできるが、降圧回路５１のスイッチング素子に加えて新たなスイッチング素子が増えることになるため、雑音の発生源が増えることになり、雑音レベルの低減が難しくなるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、高調波電流を抑制しつつ雑音レベルを低減させた照明装置及びそれを用いた照明器具を提供することにある。

本発明の照明装置は、商用電源を整流して直流に変換する整流回路と、１次巻線の一端側が整流回路のプラス側に接続されるトランスと、トランスの１次巻線の他端側と整流回路のマイナス側との間に接続されるスイッチング素子とを備える。また照明装置は、整流回路の出力間に接続されるコンデンサと、トランスの２次巻線に接続される充電回路と、充電回路によって充電される充電要素と、商用電源の停電時に充電要素の出力によって光源を点灯させる非常用点灯回路と、光源とを備える。そして、トランスの１次巻線は、上記一端側を巻き始めとして巻回される。

この照明装置において、コンデンサは、スイッチング素子のスイッチング動作に起因するノイズを除去するのが好ましい。

本発明の照明器具は、上記照明装置と、商用電源から給電されて光源を点灯させる常用点灯回路とを備え、商用電源の通電時には常用点灯回路が光源を点灯させ、商用電源の停電時には非常用点灯回路が光源を点灯させる。

１次巻線の巻き始めを整流回路のプラス側に接続される一端側とすることで、巻線そのものがシールド材のような役割を果たし、雑音の発生を効果的に抑えることができる。また、コンデンサによる平滑レベルを低くした場合には、スイッチング動作に起因する高周波ノイズがコンデンサを介して回生するので、コンデンサの両端電圧は商用周波数の脈流に高周波のスイッチング波形が重畳した形になる。そしてこのとき、商用電源からの入力電流は力率改善回路を使用した場合の入力電流と同様の波形を実現でき、高調波電流を抑制することができる。

本実施形態の照明器具の一例を示す概略構成図である。 （ａ）は同上の整流回路の出力間に接続されたコンデンサによる平滑レベルが高い場合のコンデンサの両端電圧の波形図、（ｂ）は同上の整流回路の出力間に接続されたコンデンサによる平滑レベルが低い場合のコンデンサの両端電圧の波形図である。 同上の整流回路の出力間に接続されたコンデンサによる平滑レベルが低い場合の各種波形図を示し、（ａ）はコンデンサの両端電圧、（ｂ）は商用電源からの入力電流、（ｃ）はスイッチング素子の両端電圧である。 同上の他の例を示す概略構成図である。 従来の照明器具の一例を示す概略構成図である。 同上を構成する非常用ユニットの概略構成図である。 （ａ）（ｂ）は同上を構成する非常用ユニットのトランスの模式図である。

以下に、照明装置及び照明器具の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。

図１は本実施形態の照明器具１の一例を示す概略構成図である。この照明器具１は、ランプ（光源）６と、商用電源２の通電時にランプ６に点灯電力を供給する電子安定器（常用点灯回路）３と、商用電源２の停電時にランプ６に点灯電力を供給する非常用ユニット４と、切替回路５とを主要な構成として備える。切替回路５は、ランプ６の接続先を電子安定器３又は非常用ユニット４の何れか一方に切り替えるための回路であり、商用電源２の通電時にはランプ６の接続先を電子安定器３に切り替え、商用電源２の停電時にはランプ６の接続先を非常用ユニット４に切り替える。なお、電子安定器３については従来周知の構成を採用しており、ここでは詳細な説明を省略する。

非常用ユニット４は、整流回路４１と、トランスＴ１と、スイッチング素子４２と、制御回路４３と、充電回路４４と、蓄電池（充電要素）４６と、非常用点灯回路４５と、フィルタ回路４７と、スナバ回路４８と、切替スイッチ４９とを備える。

整流回路４１の入力側には、コンデンサＣ１とラインフィルタＬＦ１とで構成されたフィルタ回路４７が接続され、整流回路４１の出力側にはコンデンサＣ２が接続されている。フィルタ回路４７は、スイッチング素子４２のスイッチング動作に起因する雑音を吸収して、不要な雑音が商用電源２側へ帰還しないよう抑制する。

また、整流回路２のプラス側にはトランスＴ１の１次巻線Ｎ１の一端側が接続され、１次巻線Ｎ１の他端側と整流回路２のマイナス側の間にはスイッチング素子４２が接続されている。このスイッチング素子４２は、制御回路４３から出力される制御信号に従って、数十〜数百ｋＨｚの周波数でスイッチング動作を行う。トランスＴ１の１次巻線Ｎ１の両端間には、ダイオードＤ１、コンデンサＣ３及び抵抗Ｒ１で構成されたスナバ回路４８が接続されており、このスナバ回路４８はトランスＴ１の１次側に発生するサージ電圧を吸収する。

また、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２の両端間には、ダイオードＤ２とコンデンサＣ４とで構成された平滑回路が接続されるとともに、充電回路４４が接続されている。この充電回路４４は、商用電源２の通電時において蓄電池４６を充電するための回路であり、上記平滑回路により平滑化された電力が充電回路４４を介して蓄電池４６に充電される。

なお、図１では図示を省略しているが、本実施形態の非常用ユニット４は商用電源２の通電状態を監視する停電検出回路をさらに備えている。そして、この停電検出回路により停電が検出されると、切替スイッチ４９及び切替回路５の接点がともに非常用点灯回路４５側に切り替えられる。また、商用電源２の通電時には停電検出回路により停電が検出されていないため、切替スイッチ４９の接点は充電回路４４側に、切替回路５の接点は電子安定器３側にそれぞれ切り替えられる。ここに本実施形態では、非常用ユニット４とランプ６とで照明装置が構成されている。

続けて、本実施形態の照明器具１の動作について説明する。商用電源２の通電時には停電検出回路により停電が検出されていないため、非常用ユニット４の切替スイッチ４９の接点は充電回路４４側に、切替回路５の接点は電子安定器３側にそれぞれ切り替えられる。したがってこの場合には、充電回路４４を介して蓄電池４６が充電されるとともに、電子安定器３から供給される点灯電力によってランプ６が点灯する。

また、商用電源２の停電時には停電検出回路により停電が検出され、切替スイッチ４９の接点及び切替回路５の接点がともに非常用点灯回路４５側に切り替えられる。したがってこの場合には、蓄電池４６を電源として非常用点灯回路４５からランプ６に点灯電力が供給され、この点灯電力によりランプ６が点灯する。

ところで、高調波電流を抑制する手段として、力率改善回路が有効であることは上述の通りだが、専用ＩＣを使って高度な制御を行おうとすると、コストが高くなるばかりか、電子部品の点数も増えるため、装置の大型化を招いてしまう。そこで本実施形態では、力率改善回路を用いることなく高調波電流を抑制できるように、整流回路４１の出力間に接続されるコンデンサＣ２の容量を小さくしてコンデンサＣ２による平滑レベルを低くし、その代わりにトランスＴ１の２次側に設けられた平滑用のコンデンサＣ４を大容量にして平滑レベルを高めている。以下、図２及び図３を参照して具体的に説明する。

コンデンサＣ２の平滑レベルが高い場合には、図２（ａ）に示すように、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ１は若干のリップルがあるものの略一定の電圧となる。これに対して、コンデンサＣ２の平滑レベルが低い場合には、図２（ｂ）に示すように、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ１は大きく変動する。そして、スイッチング素子４２のスイッチング動作に起因する高周波ノイズはコンデンサＣ２を介して回生するため、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ１は、図３（ａ）に示すように商用周波数の脈流に高周波のスイッチング波形が重畳した波形になる。このとき、商用電源２からの入力電流Ｉ１は、図３（ｂ）に示すような波形になり、ＩＣを使用した一般的な力率改善回路と同様の波形を実現し、高調波電流を抑制することができる。

このように、整流後の平滑レベルが低く、脈流に対してスイッチング動作を行うような回路では、トランスＴ１の巻線極性を図１のようにすることで雑音の発生を抑制することができる。以下、図１を参照して具体的に説明する。

図１中のＰ１点は整流回路４１のプラス側とトランスＴ１の１次巻線Ｎ１の一端側との接続点であり、Ｐ１点の電位はコンデンサＣ２の両端電圧Ｖ１と同じである。一方、図１中のＰ２点はトランスＴ１の１次巻線Ｎ１の他端側とスイッチング素子４２との接続点であり、Ｐ２点の電位をＶ２とする。そして、Ｐ１点の電位Ｖ１とＰ２点の電位Ｖ２とを比較すると、コンデンサＣ２による平滑レベルが高い場合には、コンデンサＣ２で平滑されるＰ１点の電位Ｖ１よりもスイッチング素子４２に接続されているＰ２点の電位Ｖ２の方が電位の変動が大きい。これに対して、コンデンサＣ２による平滑レベルが低い場合には、商用周波数の脈流にスイッチング波形が重畳するＰ１点の電位Ｖ１（図３（ａ）参照）と、スイッチング素子４２に接続されているＰ２点の電位Ｖ２（図３（ｃ）参照）の電位差は小さくなる。これにより、トランスＴ１からＰ１点を介して商用電源２側に漏れていく雑音のレベルが大きくなる。この場合、整流回路４１のプラス側に接続されるトランスＴ１の１次巻線Ｎ１の一端側を巻き始めとすることで、巻線そのものがシールド材のような役割を果たし、雑音の発生を抑えることができる。

なお、上述のようにコンデンサＣ２による平滑レベルを低くした場合には、整流回路４１の出力電圧が安定しないため、制御回路４３に安定した電源を供給することができない。したがってこの場合には、図４に示すように、ダイオードＤ４及びコンデンサＣ５で構成される電源回路を別途設けるのが好ましく、商用電源２の瞬時停電が発生しても確実な制御を行うことができる。

また、コンデンサＣ５の容量が大きい場合には電源投入時の突入電流が課題となるが、主回路とは異なるループに流れるため、コンデンサＣ５に定常的に流れる電流は微少である。従って、電源投入時の突入電流のみ抑制すればよく、図４に示すようにダイオードＤ４とコンデンサＣ５の間にサーミスタＴＨ等の限流要素を挿入することで、小型の素子で効果的に突入電流を抑制することができる。また、主回路から外れているため、限流要素での発熱ロスも低減できる。

而して本実施形態によれば、１次巻線Ｎ１の巻き始めを整流回路４１のプラス側に接続される一端側とすることで、巻線そのものがシールド材のような役割を果たし、雑音の発生を効果的に抑えることができる。また本実施形態のように、コンデンサＣ２による平滑レベルを低くした場合には、スイッチング動作に起因する高周波ノイズがコンデンサＣ２を介して回生するので、コンデンサＣ２の両端電圧Ｖ１は商用周波数の脈流に高周波のスイッチング波形が重畳した波形になる。そしてこのとき、商用電源２からの入力電流Ｉ１は力率改善回路を使用した場合の入力電流と同様の波形を実現し、高調波電流を抑制することができる。

なお本実施形態では、充電要素として蓄電池４６を例に説明したが、充電要素は蓄電池４６に限定されるものではなく、例えば容量の大きいコンデンサなどであってもよい。

１ 照明器具
２ 商用電源
４ 非常用ユニット
６ ランプ（光源）
４１ 整流回路
４２ スイッチング素子
４４ 充電回路
４５ 非常用点灯回路
４６ 蓄電池（充電要素）
Ｃ２ コンデンサ
Ｎ１ １次巻線
Ｎ２ ２次巻線
Ｔ１ トランス

Claims (3)

1. 商用電源を整流して直流に変換する整流回路と、
   １次巻線の一端側が前記整流回路のプラス側に接続されるトランスと、
   前記トランスの前記１次巻線の他端側と前記整流回路のマイナス側との間に接続されるスイッチング素子と、
   前記整流回路の出力間に接続されるコンデンサと、
   前記トランスの２次巻線に接続される充電回路と、
   前記充電回路によって充電される充電要素と、
   商用電源の停電時に前記充電要素の出力によって光源を点灯させる非常用点灯回路と、
   前記光源とを備え、
   前記トランスの前記１次巻線は、前記一端側を巻き始めとして巻回されることを特徴とする照明装置。
2. 前記コンデンサは、前記スイッチング素子のスイッチング動作に起因するノイズを除去することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 請求項１又は２記載の照明装置と、商用電源から給電されて前記光源を点灯させる常用点灯回路とを備え、
   商用電源の通電時には前記常用点灯回路が前記光源を点灯させ、商用電源の停電時には前記非常用点灯回路が前記光源を点灯させることを特徴とする照明器具。

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