JP2013508915A - ソリッドステート照明装置、ドライバ回路、及び関連するソフトウェア - Google Patents

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Abstract

本発明によるＬＥＤ照明装置は、特に、周囲環境センシング、自己温度モニタリング、センサベースの電力管理、通信、及び／又はプログラマビリティを可能にする。直列接続の発光ダイオード等の電気負荷のために構成されるドライバ回路及び照明回路が開示される。ＰＦＣステージ及びドライバステージの実施形態は、電源として使用するために組み合わせられ、共通回路基板に構成される。照明装置として、力率補正及びドライバ回路が１又は複数の照明素子と組み合わされる。ヒステリシス力率補正スタートアップの方法も述べられる。

Description

本発明は、半導体照明に関し、より詳細には、直列接続の発光ダイオード(「ＬＥＤ」)等の電気負荷のために構成されるソリッドステート照明装置、力率補正回路、及びドライバ回路に関しており、インテリジェント制御のためのさまざまなセンサを含んでいる。
なお、本出願は、２００８年４月３０日に出願された米国特許出願番号１２／１１２,１０１の一部継続出願である、２００９年１０月２０日に出願された米国特許出願番号１２／５８２，６５４号の利益を主張するものであり、その出願の教示全体を参照によってここに援用する。
また、本出願は、「力率補正及びドライバ回路（Power Factor Correction and Driver Circuits）」と題される、２００８年４月３０日付出願の米国特許出願シリアル番号１２／１１２,１０１の一部継続出願であり、その出願の内容全体を参照によってここに援用する。
さらに、本明細書及び図面には、著作権保護の対象になる物が含まれている。著作権者は、特許庁のファイル又はレコードに記録される本特許書類が、任意の人により複写されることには異存はないが、その他についてはいかなる著作権もすべて留保する。
照明システムは一般に、公共の場を明るくするのに用いられる。屋外照明システムの光源は、低周囲光条件（例えば、日没後)に反応して点灯し、高周囲光条件(例えば、日照時間中)は消灯されるのが通常である。周囲光条件に反応する自動オンオフ制御システム付の屋外照明システムの多くは、光伝導セル(すなわち、光電セル)を備えている。
自動オンオフ制御付の既知の屋外照明器具は、可視光に敏感な光電セルを備えている。光電セルは、周囲光と照明器具によって生じた光との区別ができない。光電セルが照明器具によって生じた光の影響を受ける(例えば、トリガされる)ことを回避するためには、光電セルは、照明器具から出る光を避ける向きに指向(すなわち、照準)されなければならない。その結果、光電セルは問題のある条件の場所に配置されることが多い。
照明システムは、不十分な又は最適以下の力率補正（ＰＦＣ）からも悪い影響を受ける。ＰＦＣのパフォーマンスが低いと、部品の寿命の低減につながる。ＰＦＣのパフォーマンスが低いと、電力が熱として消耗されて不経済であり、それに伴い熱を外部に放出する必要も生じる。
このような状態は、ＬＥＤを含むようなソリッドステート照明装置等の照明システムに高圧電力が用いられるときに特に問題になる可能性がある。したがって、照明技術の向上が求められている。
本発明は、回路を含む技術及びシステムを対象としており、直列接続の発光ダイオード(「ＬＥＤ」)などの電気負荷のために構成されるソリッドステート照明装置、力率補正回路、及びドライバ回路を提供し、本発明はインテリジェント制御のためのさまざまなセンサを含む。本出願により開示される回路を含む技術及びシステムは、向上したより均一の電力及び電流の調整により、電気部品に比較的高い電圧を提供することができる。
本発明の一態様は、とりわけ、周囲環境センシング、自己温度モニタリング、センサベースの電力管理、通信、及び／又はプログラマビリティの属性／機能性から任意の所望の選択を可能にするＬＥＤ照明器具又は照明装置を対象としている。
本発明の一態様は周囲光センシング機能を含む。照明装置の実施形態は、太陽光又は他の周囲光条件を感知して、適宜に、例えば日照時間中は、光出力をオフにする機能を備えている。
本発明の一態様は動作検出機能を含む。照明装置の実施形態は動作を検知し光出力を制御して、低電力(薄暗：dim)状態からフル電力状態まで推移させる。
本発明の一態様はＬＥＤ温度センシング機能を有する。照明装置の実施形態は、自身のＬＥＤの温度を感知して、必要であればそれらを保護するために電力を低減する機能を有する。
本発明の別の態様は、ドライバ回路温度センシング機能を含む。照明装置の実施形態は、ドライバ回路の温度を検出して、必要であればそれを保護するために電力を低減する機能を有する。
本発明の他の態様は通信／制御機能を有する。照明装置は、ＳＳＤ及びＳＳＬの間に配置されたモジュールを介して通信／制御する機能を有する。
本発明のさらに別の態様は、機能性を再プログラミングする機能を含む。照明装置の実施形態は、例えばＩＲリモート又はＲＦリモートを用いて、関連ドライバ及び／又は光基板マイクロコントローラの再プログラミング、あるいは、運転パラメータの変更を可能にする。
本発明のさらに他の態様は、電流設定値の選択機能を有する。照明装置の実施形態は、電流設定値をＳＳＬとの通信を介して受信し、このような通信がない場合はあらかじめプログラミングされた設定値で作動するドライバを備えている。
本発明のさらなる態様は、定電流機能を有する。照明装置の実施形態は、０〜４５ＶのＬＥＤ順電圧で定電流をもたらすドライバを備えている。
本発明の他の態様は、効率の増強機能及び部品ストレスの低減機能を有する。実施形態は、力率補正(「ＰＦＣ」)昇圧電圧を調整するためのファームウェアを備えている。
本発明の別の態様は、ヒステリシスＰＦＣスタートアップ機能を有する。
本発明の例示的な実施形態では、本発明は、例えば、所望数の適宜のＬＥＤの直列接続等、ＬＥＤの配置の作業及び制御のために使用可能である。
ＰＦＣステージ即ち回路及びドライバステージ即ち回路の例示的な実施形態が、組み合わせ回路で構成され。このような実施形態は、電源として使用することができ、例えば共通回路基板の対向する両側等、共通回路基板上に構成される。
本発明のその他の態様、実施形態、及び詳細は、添付図面を参照して以下に記す説明を読めば明らかになるであろう。
なお、図面はもともと例示であり、本発明を限定するものではない。図面は必ずしも尺度を合わせておらず、重点は本発明の原理を示すことに置かれている。
本発明の例示的な実施形態に係るＬＥＤ照明装置の正面図である。 動作センサ及び関連する取付板を備えた本発明の別の実施形態を示す図である。 本発明の例示的な実施形態に係る照明装置における、２本の直列接続のＬＥＤの回路図を示している。 本発明の例示的な実施形態に係るソリッドステートドライバ(ＳＳＤ)回路の回路部を示す図である。 本発明の例示的な実施形態に係るソリッドステートドライバ(ＳＳＤ)回路の回路部を示す図である。 本発明の例示的な実施形態に係るソリッドステートドライバ(ＳＳＤ)回路の回路図である。 本発明の例示的な実施形態に係るソリッドステートドライバ(ＳＳＤ)回路の回路図である。 本発明の例示的な実施形態に係るソリッドステートドライバ(ＳＳＤ)回路の回路図である。 本発明の例示的な実施形態に係るヒステリシス力率補正(「ヒステリシスＰＦＣ」)スタートアップの方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態に係る光センシング回路の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る光センシング回路の実施形態を示す図である。 本発明の例示的な実施形態に係る動作検出回路の回路図である。 本発明の例示的な実施形態に係る照明装置ＬＥＤパネルの拡大断面図である。 Ａ〜Ｃは、本発明の例示的な実施形態に係る動作センサモジュール及びセンサモジュール取付板を有する照明装置の図である。
図面には特定の実施形態が示されているが、該実施形態は例示であり、その変形の本明細書に記載の他の実施形態と同様に、本発明の技術的範囲内で想定及び実施することができる。
また、図面には特定の部品の値／又は部分／モデルの数が示されているが、本発明の技術的範囲内で適宜の値及び評価値を有する部手の適宜の部品／要素を用いてもよいことは、当業者であれば分かるであろう。
本発明は、特に、周囲環境センシング、自己温度モニタリング、センサベースの電力管理、通信、及び／又はプログラマビリティを可能にする、ＬＥＤ照明器具又は照明装置を対象としている。
本発明態様及び実施形態は、以下の属性／機能性からの任意の所望の選択を提供するＬＥＤ照明器具又は照明装置を提供する。
Ａ．周囲光センシング：照明装置は、太陽光又は他の周囲光条件を感知して、適切なときは、例えば日照時間中は、光出力をオフにする機能を有する。
Ｂ．動作検出：電力がオンのとき、照明装置は、動作を検知し光出力を制御して、低電力(薄暗い)状態からフル電力状態まで推移させる。
Ｃ．ＬＥＤ温度センシング：照明装置は、自身のＬＥＤの温度を感知して、必要であればそれらを保護するために電力を低減する機能を有する。
Ｄ．ドライバ温度センシング：照明装置は、内部ドライバ回路の温度を感知して、必要であればそれを保護するために電力を低減する機能を有する。
Ｅ．通信／制御：照明装置は、ＳＳＤ及びＳＳＬの間に配置されたモジュールを介して通信／制御する機能を有する。
Ｆ．機能性の再プログラミング：照明装置は、例えばＩＲリモート又はＲＦリモートを用いて、ＳＳＬ又はＳＳＤのマイクロコントローラの再プログラミング、又は、運転パラメータの変更を可能にする。
Ｇ．電流設定値選択：照明装置は、電流設定値をＳＳＬとの通信を介して受信する。このような通信がない場合は、ドライバ（ＳＳＤ）があらかじめプログラミングされた設定値で作動する。
Ｈ．定電流：照明装置は、０〜４５ＶのＬＥＤ順電圧で定電流を供給するＳＳＤを含む。
Ｉ．効率の増強及び部品ストレスの低減：ファームウェアを用いてＰＦＣ(力率補正)昇圧電圧を調整する。
Ｊ．ヒステリシスＰＦＣスタートアップ：希望のオンタイムを比較的早く達成するＰＦＣの向上がもたらされる。
本発明の実施形態の態様は、本明細書の記載を添付図面と合わせて読むことでより完全に理解できるであろう。図面はもともと例示であり、本発明を限定するものではない。図面では、描かれている回路の実施形態の目立つ特徴には参照文字が与えられ(例えば、図３Ａのトランジスタ３３３)、それに関連する説明でもそのように称されているが、特別ではない特徴には、図面における参照文字や説明における付記はない。しかし、発明の詳細な説明で述べられる図においては、理解を容易にするために、示されている回路の機能部品に、それぞれ印加電圧入力及び接地の記号及び回路素子の記号及び文字(通常の標準に従って)、及び代表的な定格、ピン番号、及び／又は値(例えば、図３Ｄに示されている、公称キャパシタンス１２０μＦ、定格３０Ｖの電解キャパシタＣ１５)が示されている。図面には特定の部品の値／又は部分／モデルの数が示されているが、本発明の技術的範囲内で別の適宜の部分／部品を別の適宜の値及び定格とともに用いてもよいことが、当業者であれば理解するであろう。
図１Ａは、本発明の例示的な実施形態に係るＬＥＤ照明装置１００の正面図を示している。照明装置１００は、ハウジング１０２及びフロントカバー１０４を含み、これは所望の波長レンジの光(例えば、可視光)に対して透過的である。ハウジング１０２は、適宜の物質(例えば、シートメタル)からなる。フロントカバーは、例えば、ガラス、ポリカーボネート、アクリル等の適宜の透明な物質で構成される。照明装置は、多数の個々の反射ポケット１０８（Ｎ）とともに構成かつ配置されたリフレクタ１０６を含み、これらは多数のＬＥＤ１１０（Ｎ）からの光をカバー１０４の外に向けるように設計されている。照明装置は、適宜の制御及び電力電子装置（control and power electronics）１１２を含み、例えば、多数のＬＥＤ並びに制御及び電力装置を支持するための１又は複数の回路基板である。以降で、本発明の他の図面に関連してさらに詳細に説明する。
図１Ｂは、照明装置の代替的な実施形態１００Ｂを示しており、動作センサ１２０及びそれに付随する取付板１２２を含む。取付板は、センサ及び関連するセンサ回路基板を照明装置のハウジングに取り付けるためのものである。
図２は、本発明の例示的な実施形態に係る照明装置の２系統に直列接続されたＬＥＤ２０２Ａ、２０２Ｂの回路図２００Ａ〜２００Ｂを示している。ＬＥＤ２０２Ａ、２０２Ｂは、同様なものであっても異なるものであってもよい。ＬＥＤ２０２Ａ及び２０２Ｂは、例示的な実施形態では単一のプリント基板の対向する面にある(境界線１により示されるように)。例示的な実施形態では、ＬＥＤ２０２Ａ及び２０２Ｂは、Ｎｉｃｈｉａ製のＮＳ６Ｗ ＬＥＤ又はＯｓｒａｍ製のＧｏｌｄｅｎＤｒａｇｏｎ ＬＥＤである。代替的な実施形態では、ＬＥＤは、Ｎ列の並列でそれぞれＭ個の直列のＬＥＤからなるように接続することもできる。例えば、一実施形態は１２８個のＬＥＤを有し、それぞれが６４個のＬＥＤの２列の並列として構成されるＳＳＬを備えている。
図３Ａ〜図３Ｅは、本発明の例示的な実施形態に係る、ソリッドステートドライバ「ＳＳＤ」回路３００のいくつかのサブ回路の概略図を示している。回路３００は、図３Ａに示されるように、コントローラ３０４を具備する主コントロール回路３０２を含むいくつかの機能部を含む。例示的な実施形態では、図３Ａ〜図３Ｅに示されている回路は、例えば図1の照明装置１００とともに単一のプリント基板に配設することができる。例示的な実施形態では、Amtel社により市販されているＡＴ９０ＰＷＭ３１６コントローラをコントローラ３０４として用いることができる。このようなコントローラは、ランプバラスト及びモータ制御のアプリケーション向けに設計されており、１６Ｋバイトのフラッシュメモリ、１０チャネルの高性能ＰＷＭ、１１チャネル１０ビットのＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）、１０ビットのＤＡＣ（Ｄ／Ａコンバータ）、４ビット分解能向上及びＤＡＬＩプロトコルサポートをもつ３つの１２ビット高速ＰＳＣ(パワーステージコントローラ)、並びに内部コンパレータ及びＡ／Ｄコンバータを有している。コントローラ３０４は多数のピン、すなわち、ピン３０６(「LED_PWM」)、３０８(「ACMP_LED1」)、及び３１０(「AD_LED1」)を有している。
図３Ｂは、端子３２２及び３２４の間に接続される電気負荷、例えば図２ＡのＬＥＤ２０２Ａ、への電力を制御かつ調整するためのＳＳＤ回路３００の、制御及び電力調整回路３２０を示している。図示の例示的な実施形態において、該回路３２０は、バックレギュレータを含むか、又はバックレギュレータとして機能する。出力電圧は、いくつかのアプリケーションでは５００Ｖの直流である。トレース３２６(「LED_PWM」)、３２８(「ACMP_LED1」)、及び３３０(「AD_LED1」)は、コントローラ３０４(図３Ａ)の対応するピンに接続される。
引き続き図３Ｂを参照する。トレース３２６の信号が高レベルとなると、トランジスタスイッチ３３２はターンオンし、出力端子３２２及び３２４の間に接続された例えばＬＥＤの列等の電気負荷に電流が流れる。電流は並列の一対の抵抗３３３にも流れる。コントローラ３０２の内部のコンパレータ(例示的な実施形態にある)と連携して、ＲＣ回路３３１及び３２９はともにローパスフィルタとして機能する。ＲＣ回路３３１の時定数は、ＲＣ回路３２９の時定数よりも長い。これにより、ハードウェア及び／又はファームウェアは、回路動作を必要最低限のソフトウェア管理（oversight）(例えば、割り込み)で制御することが可能になり、ソフトウェアリソースを他の用途のために解放することができる。
次に、図３Ｃ及び図３Ｄを参照する。ＳＳＤ回路３００は、ＥＭＩフィルタ回路３４０、及び昇圧回路(例えば、昇圧プレコンバータトポロジ又は回路で構成される)を含む力率補正(ＰＦＣ)ステージ３７０を含んでいる。ＥＭＩフィルタ回路３４０は、示されているように、電源ライン、中性線及びアース線を伴う通常の１２０ボルト交流電源により供給される交流電力を受信するように構成される。図示のように、ＥＭＩフィルタ回路３４０は、ＥＭＩシールド／フィルタリングのために、バリスタ３４２、ヒューズ３４４、複数のキャパシタ３４６及び３５２（1）〜３５２(3)、及び１又は複数のコイル（インダクタ）３５０(1)〜３５０(2)を含んでいる。さらに、ＥＭＩフィルタ回路３４０は、出力端子３５８から整流された交流を生成するための整流器３５６を含んでいる。トレース３６０は、ＥＭＩフィルタ回路３４０をコントローラ３０４に接続する。例示的な実施形態では、Diodes社により市販されている公称定格８Ａ、６００Vの整流器ブリッジであるＧＢＵ８０６ダイオードが整流器３５６として用いられる。
図３Ｄに示すように、例示的なアプリケーション及び実施形態では、ＰＦＣステージ３７０は、臨界導通モード（ＣＲＭ）で動作するように構成される。ＰＦＣステージ３７０は、示されているように、ＥＭＩフィルタ回路３４０から整流された交流を受け取るように配置され、電力調整回路３２０へ給電するための昇圧回路用に、整流された電圧及び電流を生成する。
ＰＦＣステージ３７０はＰＦＣコイル３７２を含み、端子３８０に、５００Ｖ直流等の所望の昇圧された電圧を生成する。例示的な実施形態では、ＰＦＣコイルは、ＰＦＣ昇圧のための定格４００マイクロヘンリの４８１０１４４Ｒインダクタであり、これはアメリカ合衆国サウスダコタ州５７２０１−５０１２、ウォータータウン、9番アベニューＳＷ １６００所在のMinntronix社により市販されている。トレース３７４(「AD_ACIN」)、３７６(「ACMP_ＰＦＣ_ZC」)、３７８(「ＰＦＣ_PWM)、及び３８２(AD_BOOST」)は、コントローラ、例えば図３ＡのＰＦＣ制御のためのコントローラ３０２へ接続される。このようなＰＦＣ制御は、図４に関連して詳述するようなヒステリシスＰＦＣスタートアップ動作を含む。
コントローラ３０４等におけるファームウェアを用いて、ＰＦＣステージ３７０により生じたＰＦＣ(力率補正)昇圧電圧が調整される。調整可能な昇圧電圧の実現により、効率の増強及び部品ストレスの低減がもたらされる。昇圧電圧は、ピーク入力電圧及び出力電圧のどちらよりも大きいことが望ましい。高い一定の昇圧電圧が必要とされていない時にそのような電圧で運転すると、効率の悪化及び部品ストレスの増加が生じてしまう。入力電圧が高ければ、高い昇圧が必要である。しかし、ＳＳＤが１２０Ｖ交流入力で動作していて、中間出力が例えば２４０Ｖ直流であるような場合がよくある。このような場合、ピーク交流入力及び出力のいずれか高い方を６０Ｖ(又はその程度)上回る昇圧電圧の場合には、効率面や部品ストレスの低減において好適である。一方、昇圧電圧を低くしすぎると、状況によってはＥＭＩのフロントエンドをオーバーロードさせてしまう。ＰＦＣＭＯＳＦＥＴ電流のモニタリングは、この状況の回避、及び昇圧電圧の調整のために用いられる。上述したように、コントローラ３０４及び制御回路がヒステリシスＰＦＣスタートアップを提供する。図４に関連して説明するように、ヒステリシスＰＦＣスタートアップは、ＰＦＣのパフォーマンス及び動作の向上を可能にする。
図３Ｅを参照する。ＳＳＤ回路３００は、関連する照明素子(例えば、図２のＬＥＤ２０２)がオフ状態にあるときの、プリント基板の回路部品のための電源３９０を備えている。コントローラ３９１は、出力される電流を制限するので、ショート状態及び安全の面で有益である。図示のように、オフラインスイッチング電源３９２及びコントローラ３９３が、回路３００には含まれている。リニア電圧レギュレータ３９４が例示的な実施形態では含まれている。
引き続き図３Ｅを参照すると、通信回路３９５も、ＳＳＤ回路３００に含まれている。通信回路３９５は、ＬＩＮトランシーバ３９６を含んでいる。ＬＩＮトランシーバ３９６は、単線３９７を介してＳＳＬボード上の対応部分と通信するように構成され、例えば、ＳＳＬボードのマスタ部品により制御されるスレーブ部品として通信するよう構成される。回路３９６(又は使用される別の通信回路)は、ＳＳＤ及びＳＳＬの間に配置されたモジュールを介して通信／制御する機能を照明装置に与える。このようなモジュールは、さまざまな通信方法／プロトコルを提供する。プロトコルは、ＤＡＬＩ、０〜１０Ｖアナログ、４〜２０ｍaＡアナログ、ＬＩＮ、ＣＡＮ、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４８５、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｆｌｅｘｒａｙ、Ｚｉｇｂｅｅ、ＤＡＳＨ７を含む。ただし、これらに限定されるものではない。回路３００はさらに、示されているように、標準ヘッダ３９８を含む。
図４は、本発明の例示的な実施形態に係るヒステリシス力率補正(「ヒステリシスＰＦＣ」)スタートアップの方法４００を示している。昇圧ＰＦＣの設定は、その特性上、徐々に変更しなければ効率的にならない。優れた臨界導通モード昇圧ＰＦＣのための鍵になるのは、いくつかの交流サイクルにわたる一定のＭＯＳＦＥＴオンタイムである。これは定常状態の動作においては可能である。しかし、スタートアップの間は、適切なオンタイムを素早く達成しなければならない。これには、いくつかの方法がある。単一チップの解決法では、補償されたフィードバックネットワークに昇圧電圧を監視させることによりこれに対処する。また、本発明の実施形態により提供される「ヒステリシスＰＦＣ」スタートアップと本明細書で称されている別の方法では、マイクロコントローラ、例えば図３Ａのマイクロコントローラ３０２、でこれを行うこともできる。方法４００は、例示的な実施形態において、ソフトウェア及び／又はファームウェアに(任意の適宜の言語の適宜のコンピュータ／マシン可読命令で)記憶される。
引き続き図４を参照する。ボックス４０２に記されているように、出力電流オフ(バックレギュレータオフ)の状態で、ＰＦＣは公称定格で作動して昇圧キャパシタを充電し始める。ボックス４０４では、所定の高電圧、例えば４７５Ｖに到達すると、バック(buck)は低い値で、例えば２００ｍＡでオンになり、ＰＦＣはオフになる。すると昇圧キャパシタは、負荷に給電するように放電する。所定の低電圧、例えば４２５Ｖまで放電すると、ＰＦＣは再びオンになる。ボックス４０６に示されているように、これが複数回生じ、そしてその間に、ボックス４０８(「第１の電圧及び第２の電圧間のランプアップ電圧の時間がランプダウン電圧の時間と等しくなるように調整する」)に記されているように、４２５Ｖ〜４７５Ｖへの遷移時間が４７５Ｖ〜４２５Ｖへの遷移時間と等しくなるように、オンタイムが調整される。下降時は、負荷は昇圧キャパシタにより給電されている。一方、上昇時は、ＰＦＣ回路が負荷及びキャパシタの両方に給電している。ボックス４１０に記されているように、上昇時間及び下降時間の比は、定常状態動作で必要とされるオンタイムを正確に予測できるように形成される。このモードは定常状態値に到達すると終了する。この技術の利点は、浮動小数点演算が不要であるために非常に単純なマイクロコントローラを用いることができ、安定性がよく、安定状態に迅速に到達することができることである。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の実施形態に係る光検出回路（光センサ回路）５００Ａ及び５００Ｂを示している。光検出回路５００Ａ、５００Ｂはそれぞれ、「光」センサとも称される光学センサ５０２Ａ、５０２Ｂ、及びマイクロコントローラ５０４Ａ、５０４Ｂを備えている。光検出回路５００Ａ及び５００Ｂは、同種であるとして示されており、例えば、図２の各ボード２００Ａ及び２００Ｂ等、特定のタイプのＳＳＬボードとともに用いるようにそれぞれが最適化されている。光検出回路５００Ａ、５００Ｂは、電圧調整部５０６Ａ、５０６Ｂを備えている。例示的な実施形態は、ライントランシーバ即ちＬＩＮトランシーバ５０８Ａ、５０８Ｂを備えており、例えば、図３Ｅに示されているように、ＳＳＤのスレーブＬＩＮトランシーバ３９６のマスタとして動作する等、対応部分と通信する。ＬＩＮトランシーバは、とりわけ、データをセンサ５０２Ａ、５０２Ｂから通信するためのタイムスライスプロトコルを設定する。回路５００Ａ、５００Ｂにも、例えば、図６に関して示され説明されるような動作検出回路のための接続が示されている。このようなセンサは、適宜のコントローラ(例えば、図３Ａの３０２)に接続され、ＬＥＤの光出力(例えば、図２ＡのＬＥＤ２０２)は、光学センサ５０２により光が検出されると、薄暗又はオフにされる。
引き続き図５Ａ〜５Ｂを参照する。例えば光センサ５０２Ａは任意の適宜の光センサであり、センサの検出波長レンジは、例えばセンサの材料を適宜選択することにより、所望のレンジが選択される。例示的な実施形態では、フォトダイオード及び／又はフォトトランジスタが用いられる。例示的な実施形態では、例えば図２のＬＥＤ２０２である光センサが、関連するＬＥＤから発光される波長レンジの外の可視光又は赤外線を感知する。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、好適な光学センサの１つは、Osram社により市販されているOSRAM Opto Semiconductor製 SFH 320 FA-4-Z フォトトランジスタＩＲチップシリコンNPNトランジスタ 980nm 2-Pin PLCCである。
図６は、本発明の例示的な実施形態に係る、動作検出回路６００の回路図を示している。上述したように、本発明の照明装置及び照明部品は、動作検出センシングを可能にし、１又は複数の光学センサ６０２、６０４を含む動作検出回路６００を備えている。例示的な実施形態では、光学センサ６０２は、中波赤外線検出器、又は遠赤外線検出器である。適宜の光学検出器には、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製のＡＭＮ１１１１２が含まれ、これは内蔵型電子装置を有するのでその抵抗がＰＣＢ上の増幅器をバイパスできるものであり、また、Perkin Elmer LHi 1128も含まれ、これは内蔵型電子装置を有していないので動作検出回路６００の増幅器を必要とする。例示的な実施形態は、アプリケーションによっては、異なるセンサ６０２、６０４を切り替える特性を備える。例えば、図５Ｂの光検出回路５００Ｂへの接続に適するような、通信端末６０６も示されている。
図６をさらに参照する。好ましい赤外線波長レンジのいくつかはガラスによりフィルタリングされてしまうので、動作検出回路６００は、別の回路基板に配置されて、例えばポリエチレン等の非ガラスのレンズ／カバーを介して、関心対象の赤外線波長を受け取ることができるようにする。いくつかのアプリケーションでは、動作検出回路６００を保持する回路基板は、照明装置のハウジング(例えば、シートメタルからなるもの)の開口の近くに位置される。
図７は、本発明の例示的な実施形態に係る照明装置ＬＥＤパネル７００の拡大断面図である。多数のＬＥＤ７０２が、プリント基板７０６に取り付けられたフォトダイオード(光学センサ)７０４とともに示されている。３本１組のリード７０８は、フォトダイオード７０４、及びコントローラ７１２を備えた関連回路のためのものである。２本１組のリード７１０は、ＬＥＤ７０２へ給電する(例えば、５００Ｖで)ためのものである。
図８Ａ〜Ｃは、本発明の例示的な実施形態に係る、動作センサを有する照明装置の実施形態８００Ａを示している。図８のＡ〜Ｃは、特に、光／光学センシング又は光出力、並びに、例えば雨や雪への環境抵抗を提供するための、動作センサ(又は別の部品)のリフレクタ又はハウジングへの取り付けに特徴を有している。
図８Ａは、図１Ｂの切断面Ａ―Ａに対応している。照明装置８００Ａは、動作センサ用のボード８０４上に動作センサ８０２を備えている。動作センサ用ボード８０４は、例えば図６に示され説明された動作検出回路を含み、ＳＳＬボードへの接続、例えば図５Ｂの５１０Ｂへの接続のための適宜の接続プラグ又は接続機構を有している。また、センサ８０２(ボード８０４とまとめてセンサモジュールと称される)の成形シール８０８も含まれる。成形シールは、任意の適宜の材料からなる。例示的な実施形態には、例えば、エチレンプロピレンジエンモノマー(Ｍクラス)ゴム（ＥＰＤＭ）、シリコン、等の高分子材料が含まれる。動作センサ用ボード８０４は、適宜の留め具又は結合によりセンサモジュール取付板８０６に付けられる。例示的な実施形態では、ネジ結合（threaded connections）８１０（図８Ｃにより詳細に示されている）を用いて、ボード８０４が取付板８０６に留められる。同様にして、センサモジュール取付板８０６自身も、適宜の結合によりハウジング又はレンズフレーム８１４に取り付けられる。例示的な実施形態では、ネジ結合８１２が用いられて、取付板８０６がフレーム８１４に取り付けられる。
図８Ｂは、照明装置８００Ａのセンサモジュールの一部の詳細図を示している。動作センサ８０２及びガスケット８０８に加えて、レンズフレーム８１４に対する取付板８０６及び取付板の縁部８０６Aが示されている。
図８Ｃは、単体のセンサモジュール８０１(明確にするためにセンサは省かれている)を示している。センサは位置８０２’に配置される。図示のように、例示的な実施形態ではセンサボード８０４及び取付板８０６間の結合８１０は、ガスケットの突出部又は盛り上がった部分８１７に囲われた、リベット又はネジ８１５及びネジ付(例えば、メタルの)シリンダ８１６を含む。連結部８２０が示されている。
このように、本発明の実施形態は、とりわけ、周囲環境センシング、自己温度モニタリング、センサベースの電力管理、通信、及び／又はプログラマビリティを可能にする。本発明の態様及び実施形態は、以下の属性／機能性からの任意所望の選択を提供するＬＥＤ照明器具又は照明装置を提供する。
周囲光センシング：照明装置は、太陽光又は他の周囲光条件を感知して、適切なときは、例えば日照時間中は、光出力をオフにする。
動作検出：電力がオンのとき、照明装置は、動作を検知し光出力を制御して、低電力(薄暗)状態からフル電力状態まで推移させる。
ＬＥＤ温度センシング：照明装置は、自身のＬＥＤの温度を感知して、必要であればそれらを保護するために電力を低減する。
ドライバ温度センシング：照明装置は、内部ドライバ回路の温度を感知して、必要であればそれを保護するために電力を低減する。
通信／制御：照明装置は、ＳＳＤ及びＳＳＬの間に配置されたモジュールを介して通信しまた制御する。
機能性再プログラミング：照明装置は、例えばＩＲリモート又はＲＦリモートを用いて、ＳＳＬ又はＳＳＤのマイクロコントローラの再プログラミング、又は、運転パラメータの変更を可能にする。
電流設定値選択：照明装置は、電流設定値をＳＳＬとの通信を介して受信するドライバを有する。このような通信機能がない場合はあらかじめプログラミングされた設定値でドライバが作動する。
定電流：照明装置は、０〜４５ＶのＬＥＤ順電圧で定電流をもたらすＳＳＤを含む。
効率の増強及び部品ストレスの低減：ファームウェアを用いてＰＦＣ(力率補正)昇圧電圧を調整する。
ヒステリシスＰＦＣスタートアップ：所望のオンタイムを比較的早く達成するという、ＰＦＣの向上がもたらされる。
さらに、本発明による実施形態は、直列接続のＬＥＤ(又は別の光源)への電力が比較的高い電圧(例えば、４２５Ｖ〜５００Vの直流)のアプリケーションに用いることができ、そしてこれらは多くの産業及びアプリケーションで用いられているものである。このようなＬＥＤは２．５Ｖ〜４．５Ｖの印加電圧を必要とするのが通常である。ＬＥＤは、任意の種類、色(例えば、意図する照明配置に必要な、任意の色又は白色の光、あるいは有色及び白色の混合光を発光するもの)及び、輝度能力（luminance capacity）又は強度であり、可視スペクトル内のものが好ましい。ＬＥＤは、意図する一連の色を生成する、任意の半導体の配置及び材料又は組み合わせ(合金)からなる。ＬＥＤは、ＬＥＤに内蔵される又はＬＥＤを覆う屈折レンズを有するか、又は屈折レンズを有していなくてもよく、そして、代替的に又はそれに加えて、低角度及び中間角度のＬＥＤ光を外向きに方向を変える周囲リフレクタを有していてもよい。
本明細書には特定の実施形態を記載したが、当業者であれば、本発明の方法、システム、及び装置は、本発明の技術思想から逸脱しない範囲で他の特定の形態で実施できるということが分かるであろう。例えば、本明細書において態様及び実施形態は、特定の入力又は出力電圧及び電流に関連して説明されたが、当然ながら他のものが本発明の範囲内で実現かつ使用されてもよい。
またさらに、本発明の実施形態は、直列接続のＬＥＤからなる電気負荷への電力供給に関連して説明されたが、電気負荷をＬＥＤとしたこの記述は例示にすぎず、本発明の範囲はそれに限定されるものではない。本発明は事実上任意のタイプの電気負荷とともに用いることができる。当業者であれば、本発明の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの任意の組み合わせ、及び1又は複数の通信ネットワーク又はリンクに実装できることが分かるであろう。さらにまた、本発明の実施形態は、さまざまな信号に含まれる又はそれらにより搬送されることができ、例えば、ワイヤレスＲＦ又はＩＲ通信リンクを介して伝送される、又はインターネットからダウンロードすることができる。
したがって、本明細書に記載され、添付の請求項に係る実施形態は、あらゆる点で本発明の例示であり制限的なものではないと見なされるべきである。

Claims (31)

  1. 固体照明装置のドライバ回路であって、
    交流電源から交流入力を受け取るＥＭＩフィルタと、
    ＥＭＩフィルタに接続され、ＥＭＩフィルタから交流電力を受け取って整流された電流を生成する整流器と、
    整流器に接続された昇圧回路を含む力率補正(ＰＦＣ)装置であって、昇圧回路が、整流された電流を受け取って交流電源の交流入力よりも高い電圧をもつ力率補正された出力を生成する力率補正(ＰＦＣ)ステージと、
    ＰＦＣステージから電力を受け取って、複数のＬＥＤへ給電するために電力を調整するバックレギュレータと、
    ヒステリシスＰＦＣスタートアップのためにバックレギュレータ及びＰＦＣステージを制御するコントローラと
    を備えることを特徴とするドライバ回路。
  2. 請求項１記載のドライバ回路において、コントローラは、コンパレータを含むことを特徴とする回路。
  3. 請求項１記載のドライバ回路において、昇圧回路は、臨界導通モードトポロジに構成されていることを特徴とする回路。
  4. 請求項１記載のドライバ回路において、コントローラは、(i)ＰＦＣステージの電流がオフ状態であり、かつバックレギュレータがオフ状態のとき、ＰＦＣステージを公称定格で作動させ昇圧キャパシタの充電を開始させ、(ii)所望の高い所定電圧に到達したときに、バックレギュレータを低い電流値でオフにし、ＰＦＣ状態をオフにし、(iii)第１の電圧及び第２の電圧間のランプアップ電圧の時間が、第１の電圧及び第２の電圧間のランプダウン電圧の時間と等しくなるようにランプアップ電圧時間を調整し、かつ(iv)定常状態動作で必要とされるオンタイムを予測するために上昇時間及び下降時間の比を形成するように構成されていることを特徴とするドライバ回路。
  5. 請求項１記載のドライバ回路において、コントローラは、Ａ／Ｄコンバータを含むことを特徴とするドライバ回路。
  6. 請求項１記載のドライバ回路において、電圧レギュレータはさらに、ダイオード及び接地の間に接続される蓄積キャパシタを含むことを特徴とするドライバ回路。
  7. 請求項１記載のドライバ回路において、ＥＭＩフィルタは、１２０Ｖの交流入力を受け取るように構成され、昇圧回路は、約５００Ｖの直流出力を生成するように構成されていることを特徴とするドライバ回路。
  8. 請求項１記載のドライバ回路において、コントローラは、バックレギュレータのＰＷＭ制御を行うよう構成されていることを特徴とするドライバ回路。
  9. 請求項１記載のドライバ回路において、該回路はさらに、固体照明(ＳＳＬ)回路と通信するように構成された通信回路を備えることを特徴とするドライバ回路。
  10. 請求項９記載のドライバ回路において、通信回路は、ＤＡＬＩ、０〜１０Ｖアナログ、４〜２０ｍａＡアナログ、ＬＩＮ、ＣＡＮ、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４８５、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｆｌｅｘｒａｙ、Ｚｉｇｂｅｅ、ＤＡＳＨ７からなるグループから選択されるプロトコルで動作することを特徴とするドライバ回路。
  11. 請求項１記載のドライバ回路において、該回路はさらに、電源を備えることを特徴とするドライバ回路。
  12. 請求項１１記載のドライバ回路において、該回路はさらに、リニア電圧レギュレータを備えることを特徴とするドライバ回路。
  13. 照明装置用の電源装置であって、
    (i)ＰＦＣステージであって、
    交流電源から交流入力を受けとるＥＭＩフィルタと、
    ＥＭＩフィルタ部に接続され、ＥＭＩフィルタから交流電力を受け取って整流された電流を生成する整流器と、
    整流器に接続され、整流された電流を受け取って交流電源の交流入力よりも高い電圧をもつ力率補正された出力を生成する昇圧部と
    を含むＰＦＣステージと、
    (ii)ＰＦＣステージからの出力を受信して、出力電力として電気負荷に供給するドライブ回路であって、バックレギュレータを含むドライバ回路と、
    (iii)ヒステリシスＰＦＣスタートアップのためにバックレギュレータ及びＰＦＣステージを制御するコントローラと
    を備えることを特徴とする電源装置。
  14. 請求項１３記載の電源装置において、コントローラは、(i)ＰＦＣステージステージの電流がオフ状態で、かつバックレギュレータがオフ状態のとき、ＰＦＣステージを公称定格で作動させ昇圧キャパシタの充電を開始させ、(ii)所定の高い定電圧に到達すると、バックレギュレータを低い電流値でオフにし、ＰＦＣ状態をオフにし、(iii)第１の電圧及び第２の電圧間のランプアップ電圧の時間が、第１の電圧及び第２の電圧間のランプダウン電圧の時間と等しくなるように調整し、かつ(iv)定常状態動作で必要とされるオンタイムを予測するために上昇時間及び下降時間の比を形成する
    ように構成されていることを特徴とする電源装置。
  15. 請求項１３記載の電源装置において、コントローラは、コンパレータを含むことを特徴とする電源装置。
  16. 請求項１３記載の電源装置において、昇圧部は、臨界導通モードトポロジで動作するよう構成されていることを特徴とする電源装置。
  17. 請求項１３記載の電源装置において、コントローラは、Ａ／Ｄコンバータを含むことを特徴とすることを特徴とする電源装置。
  18. 照明装置であって、
    (i)ＰＦＣステージであって、
    交流電源から交流入力を受け取るＥＭＩフィルタと、
    ＥＭＩフィルタに接続され、ＥＭＩフィルタから交流電力を受け取って整流された電流を生成する整流器と、
    整流器に接続され、整流された電流を受け取って交流電源の交流入力よりも高い電圧をもつ力率補正された出力を生成する昇圧部と
    を含むＰＦＣステージと、
    (ii)バックレギュレータを含み、ＰＦＣステージからの出力を受け取って、出力電力として電気負荷に供給する電力調整回路であって、ドライバコントローラを含む電力調整回路と、
    (iii)ヒステリシスＰＦＣスタートアップのためにバックレギュレータ及びＰＦＣステージを制御するコントローラと、
    (iv)電力調整回路から電力が供給される１又は複数の照明素子と
    を備えることを特徴とする照明装置。
  19. 請求項１８記載の照明装置において、コントローラは、(i)ＰＦＣステージの電流がオフ状態であり、かつバックレギュレータがオフ状態で、ＰＦＣステージを公称定格で作動させ、昇圧キャパシタの充電を開始させ、(ii)所定の高い固定電圧に到達すると、バックレギュレータを低い電流値でオフにし、ＰＦＣ状態をオフにし、(iii)第１の電圧及び第２の電圧間のランプアップ電圧の時間が、第１の電圧及び第２の電圧間のランプダウン電圧の時間と等しくなるように調整し、かつ(iv)定常状態動作で必要とされるオンタイムを予測するために上昇時間及び下降時間の比を形成する
    ように構成されていることを特徴とする照明装置。
  20. 請求項１８記載の照明装置において、１又は複数の照明素子は、１又は複数のＬＥＤを含んでいることを特徴とする照明装置。
  21. 請求項２０記載の照明装置において、ＬＥＤは、直列接続された複数のＬＥＤであることを特徴とする照明装置。
  22. 請求項２０記載の照明装置において、ＬＥＤは、２群の複数のＬＥＤを備えており、各群のＬＥＤは直列接続されていることを特徴とする照明装置。
  23. 請求項１８記載の照明装置において、ＬＥＤの各群は単一のプリント基板の別の面に配置されていることを特徴とする照明装置。
  24. 請求項１８記載の照明装置において、照明装置はさらに、周囲光を検出する光学センサを備えることを特徴とする照明装置。
  25. 請求項１８記載の照明装置において、照明装置はさらに、動作を検出する動作検出器を備えることを特徴とする照明装置。
  26. 請求項２１記載の照明装置において、複数のＬＥＤは、長方形配列に配置されていることを特徴とする照明装置。
  27. 請求項２６記載の照明装置において、照明装置はさらに、光出力を所定の方向に向けるように、複数のＬＥＤの周り配置されたリフレクタを備えることを特徴とする照明装置。
  28. 請求項２７記載の照明装置において、リフレクタは、複数のＬＥＤのための複数のポケットを備えることを特徴とする照明装置。
  29. 請求項２５記載の照明装置において、照明装置はさらに、該装置の開口付きハウジング及び該ハウジングに接続された動作センサモジュール板を備え、動作センサは、動作センサモジュール板に接続された動作センサ回路基板上に配置され、かつ動作センサモジュール板は動作センサモジュール用のシールを備えることを特徴とする照明装置。
  30. ＬＥＤ照明装置のためのヒステリシス力率補正(ＰＦＣ)スタートアップを提供する方法であって、該方法は、
    (i)ＰＦＣステージの電流がオフ状態で、かつバックレギュレータがオフ状態のとき、ＰＦＣステージを公称定格で作動させ昇圧キャパシタの充電を開始させるステップと、
    (ii)所定の高い固定電圧に到達すると、バックレギュレータを低い電流値でオフにし、ＰＦＣ状態をオフにするステップと、
    (iii)第１の電圧及び第２の電圧間のランプアップ電圧の時間が、第１の電圧及び第２の電圧間のランプダウン電圧の時間と等しくなるように調整するステップと、
    (iv)定常状態動作で必要とされるオンタイムを予測するために上昇時間及び下降時間の比を形成するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
  31. 請求項２９記載の方法において、該方法はさらに、ステップ(i)及び(ii)を繰り返すことを特徴とする方法。
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