JP2014007356A - Led電源回路及びそれを用いたled照明装置 - Google Patents

Led電源回路及びそれを用いたled照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】初期照度補正機能によるLEDの減光の程度をユーザに通知することができるLED電源回路及びそれを用いたLED照明装置を提供する。
【解決手段】交流入力電圧を直流変換して変換出力をLEDに供給する電流供給回路、及びLEDの累積点灯時間に基づいて変換出力を定格出力よりも低減させる初期照度補正機能を有する制御部を備えたLED電源回路において、制御部は、定格出力値を累積点灯時間に基づいて低減した補正出力値を決定し、所定期間経過前は定格出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御し、所定期間経過後は補正出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御するように構成される。
【選択図】図1

Description

本発明はLED電源回路及びそれを用いたLED照明装置に関し、特に、初期照度補正機能を有するLED電源回路及びそれを用いたLED照明装置に関する。
近年、調光機能付きのLED照明が広く使用されている。一般にLEDの性質として、使用時間、即ち、累積点灯時間が増加するにつれて照度が低下していくことが知られている。これは、LEDの点灯時間が増加するにつれて、発光に寄与する格子欠陥が変化すること及び青色光を白色光に変換するYAG系の蛍光体が劣化することによって発光効率が低下することに起因する。言い換えると、LEDに定格電流を流すと、使用初期は必要以上の照度が出力されていることになる。
LED照明装置に搭載されるLED電源回路には、このような照度の変化を補償するために、いわゆる初期照度補正機能が設けられる場合がある。初期照度補正機能とは、LEDの使用初期はLED電流を定格電流よりも低減しておき、累積点灯時間が進むにつれてLED電流を増加させて定格電流に近づけていく機能である。これにより、LED使用開始当初から使用時間の経過にかかわらず一定の照度が得られることになる。また、初期照度補正機能によって、使用初期に不要に高い照度で点灯が行われてしまうことを防止することができ、省エネ及びLEDの長寿命化を実現することができる。
特許文献1は初期照度補正機能を備える電源装置及び照明装置を開示する。同文献によると、電源装置への特定の動作の入力に従って、電源装置はその出力モードを、初期照度補正機能が有効化された補正出力モードと、初期照度補正機能が無効化された定格出力モードとの間で切り替えるように構成される。これにより、補正出力モードが適用されている場合でも、特定動作により一旦定格出力モードに戻し、定格出力時に行うべき確認作業や調整作業を行うことができることが開示されている。
特開2012−22880号公報
ところで、初期照度補正機能を有する一般的なLED照明においては、ユーザにおいて、LEDの照度が最大出力時に比べてどの程度補正(減光)されているのかが分からないという問題があった。言い換えると、ユーザは使用中のLEDの寿命がどの程度進んでいるのかを知ることができない。
また、特許文献1の装置のように、初期照度補正機能の有効化/無効化の切替えをユーザ等に委ねる構成には、以下のような問題ががる。例えば、ユーザが初期照度補正機能を無効化した後に有効化する動作を忘れた場合、あるいは、ユーザが明るい設定を好み、敢えて初期照度補正を無効化してしまう場合、またさらに、ユーザが初期照度補正機能の有効化/無効化の動作を単なる調光機能と誤解してしまい、選択的に同機能を無効化してしまう(ユーザは全光点灯と認識している)場合が想定される。このように、初期照度補正機能を無効化した状態で点灯が継続されてしまう可能性があり、この場合、初期照度補正機能の本来の目的である省エネやLEDの長寿命化を実現できなくなる。また、照明の専門家ではないユーザが上記の特定動作の技術的意義を理解してそれを適切に利用するのは困難であるため、初期照度補正機能に関する特定の操作をユーザに要求するのは好ましくない。
そこで、本発明は、ユーザに特別な操作を要求することなく、初期照度補正機能によるLEDの減光の程度又はLEDの寿命の進み度合いをユーザに通知することができるLED電源回路及びそれを用いたLED照明装置を提供することを課題とする。
本発明のLED電源回路は、交流入力電圧を直流変換して変換出力をLEDに供給する電流供給回路、及びLEDの累積点灯時間に基づいて変換出力を定格出力よりも低減させる初期照度補正機能を有する制御部を備え、制御部は、定格出力値を累積点灯時間に基づいて低減した補正出力値を決定し、所定期間経過前は定格出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御し、所定期間経過後は補正出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御するように構成される。
さらに、外部からの調光信号に基づいて決定される調光指令値を制御部に出力する調光回路を備え、制御部が、定格出力値及び調光指令値に基づいて第1の調光出力値を決定し、調光指令値及び累積点灯時間に基づいて第1の調光出力値よりも低減される第2の調光出力値を決定し、所定期間経過前は第1の調光出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御し、所定期間経過後は第2の調光出力値を出力の目標値として電流供給回路を制御するように構成されるようにしてもよい。
ここで、上記所定期間は1秒以上10秒以下であることが望ましい。
また、所定期間経過後に変換出力が徐々に低下するように構成されるようにしてもよい。
本発明の第2の側面は、上記のLED電源回路、LED電源回路から給電されるLED、及び少なくともLED電源回路を内包する筐体を備えたLED照明装置である。
本発明の第1の実施例によるLED電源回路を示す図である。 本発明の第1の実施例によるLED電源回路の動作を説明する図である。 本発明の第2の実施例によるLED電源回路を示す図である。 本発明の第2の実施例によるLED電源回路の動作を説明する図である。
実施例1.
図1に本発明の第1の実施例によるLED電源回路1の回路構成図を示す。LED電源回路1は、直流電源回路2、電流制限回路3、制御電源生成回路5、第1の制御回路7及び第2の制御回路8を備える。なお、直流電源回路2及び電流制限回路3をまとめて電流供給回路といい、制御回路7及び8をまとめて制御部というものとする。また、実際の回路素子が上記のどの回路に属するかは便宜的なものであり、上記の区分けが本発明を拘束するものではない。このLED電源回路1、LED4、及び少なくともLED電源回路1が実装された基板を内包する筐体(不図示)によりLED照明装置が構成される。LED4はLED電源回路1と同じ基板に実装される等して一体化されていてもよいし、ケーブルを介して別置されてもよい。
本実施例では、初期照度補正機能を実行可能な制御部が、LEDの点灯開始後の所定期間は初期照度補正機能を無効化し、所定期間経過後に同機能を有効化するように構成される。なお、本明細書においては、LEDの寿命を1つのスパンとした場合のLED照明装置の使用開始に関連する時期を「使用初期」及び「使用開始当初」の文言で表現し、LEDの1回の点灯及び消灯における点灯の開始点に関連する時間を「点灯開始」の文言で表現する。以下各部の構成について説明する。
直流電源回路2は、整流回路21、昇圧チョッパ部22及び平滑コンデンサ23を備える。整流回路21はダイオードブリッジ等からなり、入力AC電源(例えば、商用電源)を全波整流する。昇圧チョッパ部22及び平滑コンデンサ23は昇圧及び平滑し、力率改善回路としても機能する。
電流制限回路3はトランジスタ31、コイル32、ダイオード33、コンデンサ34及び電流検出抵抗35を備え、降圧コンバータ回路を構成する。トランジスタ31がONのとき、電流は主に、平滑コンデンサ23の充電電圧から、トランジスタ31、コイル32、LED4及び抵抗35に流れる。トランジスタ31がOFFのとき、電流は主に、コイル32に蓄えられたエネルギーから、LED4、電流検出抵抗35及びダイオード33に流れる。ここで、後述する制御回路8が、電流検出抵抗35に流れる電流、即ち、LED電流が目標値に一致するようにトランジスタ31のON幅を制御し、PWM制御を行う。なお、後述する調光制御(特に低調光率における制御)においては、トランジスタ31の制御はPWMだけでなく周波数制御を行ってもよい。周波数制御の場合、トランジスタ31のスイッチング周波数が高いほどコイル32のインピーダンスが高くなり、LED電流が絞られる。
即ち、直流電源回路2及び電流制限回路3からなる電源供給回路は交流入力電圧を直流変換して変換出力をLED4に供給する。なお、本実施例ではLED4の光出力(即ち、照度)がLED電流に比例するものとする。
制御電源生成回路5は電圧レギュレータ等からなり、平滑コンデンサ23の出力電圧を降圧して、10〜15Vdc程度の定電圧を生成する。制御電源生成回路5は制御部に制御電源を供給する。
制御回路7は、CPU71、メモリ72、カウンタ73、補正出力決定手段74、切替え手段75及びタイマ76を備え、これらはコントロールバス70によって相互に接続される。制御回路7は下記の各手段の機能を備えたマイコン等で構成される。
CPU71は制御回路7内の信号のやりとりを制御し、メモリ72はプログラム及びデータを記憶する。メモリ72は不揮発性メモリを備える。
カウンタ73はLED4の点灯開始時からの経過時間をカウントし、メモリ72には過去のカウント値からの累積値が格納される。即ち、カウンタ73及びメモリ72によって累積点灯時間が特定される。累積点灯時間は、例えば、LED電源回路1又はLED照明装置の製造工程において、初期点灯試験の後に初期状態にリセットされるようにすればよい。また、LED4がユーザによって交換可能な場合には、ユーザが累積点灯時間をリセットできるように、外部スイッチ(不図示)を設ける構成としてもよい。
補正出力決定手段74は、メモリ72に格納される累積点灯時間をインデックスとして、メモリ72に記憶されるテーブルを索引して初期照度補正機能を実行するためのLED電流値(以下、「補正電流値」という)を決定する。上記テーブルは、累積点灯時間の増加に対して補正電流値が上昇し、寿命末期には定格電流値となるように作成されている。言い換えると、使用初期においては、LED電流は定格電流値に対して低減されて減光点灯が行われる。上記所定期間はタイマ76によって計時され、1秒以上10秒以下の範囲で予め設定される。なお、定格電流値とは、LED4の寿命後期〜末期において定格照度が得られるように設定されるLED電流値である。
切替え手段75は、メモリ72に記憶された定格電流値又は補正出力決定手段74によって決定された補正電流値のいずれかを制御回路8に出力するように構成される。切替え手段75は、LED4の点灯開始後の所定期間においては、定格電流値を選択し、所定期間経過後には補正電流値を選択するように構成される。
制御回路8はドライバ81及び誤差増幅手段82を備える。オペアンプ等からなる誤差増幅手段82は、制御回路7(切替え手段75)によって出力される電流値を目標値として、電流検出抵抗35に発生する検出値が目標値に一致するようにドライバ81にPWM制御信号(及び必要に応じて周波数制御信号)を出力する。即ち、制御回路8は、制御回路7からの定格電流値又は補正電流値に従ってトランジスタ31をPWM制御(及び必要に応じて周波数制御)してLED電流を電流制御する。
図2に図1のLED電源回路1の動作を示す。
t0においてAC電源がLED電源回路1に投入され、t1において電流供給部及び制御部が起動し、LED電流が上昇される。
t2からt3までの期間においては、LED電源回路1は定格電流値を目標値としてLED電流を制御する。即ち、制御回路7は切替え手段75によって選択された定格電流値を制御回路8に出力し、制御回路8の誤差増幅手段82は定格電流値を目標値として電流フィードバック動作を行う。
t4以降は、LED電源回路1は補正電流値を目標値としてLED電流を制御する。即ち、制御回路7の切替え手段75は補正出力決定手段74によって決定された補正電流値を制御回路8に出力し、制御回路8の誤差増幅手段82は補正電流値を目標値として電流フィードバック動作を行う。
上述したようにt2からt3までの期間長は1秒以上10秒以下の範囲で設定される。これは、t2からt3の期間が1秒未満であると、ユーザが全光期間を認識し難く、即ち、t3の段差に気付かない可能性があり、逆に10秒を超えると、ユーザがt3時を待つことが難しくなり、使い勝手が悪くなるからである。
また、t3とt4の間の期間は所定の傾斜でLED電流が低減される。例えば、制御回路7の切替え手段75が、出力値の切替えをなだらかに行ってもよいし、切替え手段75と誤差増幅手段82の間に所望の時定数をもった積分回路を設けてもよい。
このように、t2からt3までの期間では初期照度補正機能が無効化される。従って、ユーザは、t3までとt4以降との間の照度差(照度低下の段差)によって、初期照度補正機能による減光の程度を感覚的に実感することができる。これにより、ユーザは点灯毎に確実にLED4の寿命の進み度合いを知ることができる。また、t3〜t4の段差をなだらかにすることにより、急に照度が低下することによる違和感を緩和することができる。このように照度が徐々に低下する構成とすることによって、ユーザは、出力値切替え時の段差が装置の不具合によるものではないことを感覚的に知得することができる。
以上のように、本実施例のLED電源回路1は、ユーザに特別な操作を要求することなく、初期照度補正機能によるLEDの減光の程度又はLEDの寿命の進み度合いをユーザに通知することができる。また、このようなLED電源回路をLED照明装置に搭載することにより、使い勝手の良いLED照明装置を提供することができる。
実施例2.
第1の実施例では全光点灯を前提とする構成を示したが、本実施例では調光機能付きLED電源回路の場合の構成を示す。
図3は本実施例によるLED電源回路1の回路構成図を示す。直流電源回路2、電流制限回路3、制御電源生成回路5及び第2の制御回路8の構成は第1の実施例(図1)と同様であるのでその説明を省略する。本実施例のLED電源回路1は調光回路6を備え、それに関連して制御回路7が実施例1のものとは異なる。
調光回路6は、調光信号入力回路61、調光信号正規化回路62及び積分回路63を備え、制御電源生成回路5等から制御電源を供給される。調光信号入力回路61は、外部からのPWM調光信号を受け、例えば、フォトカプラ等の絶縁回路によってLED電源回路1のグランドを基準としたPWM調光信号を生成する。調光信号正規化回路62は調光信号入力回路61からのPWM調光信号を正規化する。例えば、調光信号正規化回路62では、最も高い調光率(全光)を示す調光信号が入力された場合には、最大のON幅のPWM正規化調光信号が生成され、最も低い調光率を示す調光信号が入力された場合には、最小のON幅のPWM正規化調光信号が生成される。このように、調光信号正規化回路62では、調光率に応じたPWM正規化調光信号が生成される。なお、ここでは調光率に対してPWM正規化調光信号のON幅が単調増加する構成を示すが、後述する制御回路7における論理の極性に応じて、調光率に対してPWM正規化調光信号のON幅が単調減少するようにしてもよい。積分回路63は調光信号正規化回路62のPWM出力を積分して平滑化する。即ち、積分回路63では、調光率に比例又は逆比例した直流化調光信号(以下、「調光指令値」という)が生成される。
なお、本明細書においては、調光率が高いほど(100%に近づくほど)明るい点灯が行われ、調光率が低いほど(0%に近づくほど)暗い点灯が行われるものとして調光率が定義される。
制御回路7はCPU71、メモリ72、カウンタ73、補正出力決定手段74、切替え手段75、タイマ76、調光指令入力手段77、及び調光出力決定手段78を備え、これらはコントロールバス70によって相互に接続される。なお、CPU71、メモリ72、カウンタ73及びタイマ76の構成は第1の実施例(図1)のものと同様であるのでその説明を省略する。
調光指令入力手段77は調光回路6からの調光指令値を受け付ける。調光出力決定手段78は調光指令値に基づいて調光LED電流値を決定する。本実施例では、調光LED電流値は、初期照度補正機能を無効化した場合の全光定格電流値を調光指令値に従って減少させた電流値(以下、「調光電流値」(第1の調光電流値)という)である。即ち、調光指令値の示す調光度が100%(全光)の場合は、定格電流値と調光電流値は事実上同一の値となる。言い換えると、本実施例の構成は全光点灯時についても同様に適用できる。
補正出力決定手段74は、メモリ72に格納される累積点灯時間及び調光指令入力手段77から入力される調光指令値をインデックスとして、メモリ72に記憶されるテーブルを索引して初期照度補正機能を実行するためのLED電流値(以下、「補正調光電流値」(第2の調光電流値)という)を決定する。あるいは、補正出力決定手段74は、メモリ72に格納される累積点灯時間をインデックスとして、メモリ72に記憶されるテーブルを索引して初期照度補正機能を実行するための補正率を特定し、上記の調光電流値に補正率を乗じて補正調光電流値を演算するようにしてもよい。上記テーブルは、各調光率について、累積点灯時間の増加に対して補正調光電流値が上昇し、寿命末期には調光電流値となるように作成されている。言い換えると、使用初期においては、LED電流は調光電流値よりも低減されて減光点灯が行われる。
切替え手段75は、調光出力決定手段78によって決定された調光電流値又は補正出力決定手段74によって決定された補正調光電流値のいずれかを制御回路8に出力するように構成される。切替え手段75は、LED4の点灯開始後の所定期間においては、調光電流値を選択し、所定期間経過後には補正調光電流値を選択するように構成される。上記所定期間はタイマ76によって計時され、1秒以上10秒以下の範囲で予め設定される。
図4に本実施例におけるLED電源回路1の動作を示す。
t0においてAC電源がLED電源回路1に投入され、t1において電流供給部及び制御部が起動し、LED電流が上昇されていく。
t2からt3までの期間においては、LED電源回路1はその時点での調光率における調光電流値を目標値としてLED電流を制御する。即ち、制御回路7の切替え手段75は調光出力決定手段78によって決定された調光電流値を制御回路8に出力し、制御回路8の誤差増幅手段82は調光電流値を目標値として電流フィードバック動作を行う。ここでも、t2からt3までの期間長は1秒以上10秒以下の範囲で設定される。
t3以降は、LED電源回路1は補正調光電流値を目標値としてLED電流を制御する。即ち、制御回路7の切替え手段75は補正出力決定手段74によって決定された補正調光電流値を制御回路8に出力し、制御回路8の誤差増幅手段82は補正調光電流値を目標値として電流フィードバック動作を行う。
このように、t2からt3までの期間では初期照度補正機能が無効化される。従って、ユーザは、調光時始動時においても、t3時の照度低下の段差によって、初期照度補正機能による減光の程度を感覚的に実感することができる。これにより、ユーザは調光時においても点灯毎に確実にLEDの寿命の進み度合いを知ることができる。なお、本実施例では、調光時の小さい段差をユーザが視認しやすいように、t3時の段差は急峻なものとしているが、第1の実施例と同様の理由によりこの段差を緩やかなものとしてもよい。
以上のように、本実施例の構成によると、調光機能付きのLED電源回路及びLED照明装置においても、第1の実施例と同様に、ユーザに特別な操作を要求することなく、初期照度補正機能によるLEDの減光の程度又はLEDの寿命の進み度合いをユーザに通知することができる。また、このようなLED電源回路をLED照明装置に搭載することにより、使い勝手の良いLED照明装置を提供することができる。
上記実施例は本発明の最も好適な例を示すものであるが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で以下のように適宜変更可能である。
例えば、上記実施例においては、制御部におけるフィードバック制御として負荷電流をフィードバック制御する構成を示したが、負荷電力をフィードバック制御する構成としてもよい。この場合、LED電源回路1が、LED電圧(即ち、直流電源回路2の出力電圧)を検出する電圧検出回路を備える構成とし、誤差増幅手段82がLED電流とLED電圧の積が目標値に等しくなるようにドライバ81をPWM(又は周波数)制御する構成とすればよい。この場合、制御回路7に関して、上記実施例の「定格電流」、「定格電流値」、「補正電流値」、「調光電流値」及び「補正調光電流値」をそれぞれ「定格電力」、「定格電力値」、「補正電力値」、「調光電力値」及び「補正調光電力値」と読み替えるものとする。また、「定格電流」と「定格電力」をまとめて「定格出力」といい、「定格電流値」と「定格電力値」をまとめて「定格出力値」といい、「補正電流値」と「補正電力値」をまとめて「補正出力値」といい、「調光電流値」と「調光電力値」をまとめて「調光出力値」といい、「補正調光電流値」と「補正調光電力値」をまとめて「補正調光出力値」というものとする。
また、LED4の寿命がある程度進み、補正電流値と定格電流値の差又は調光電流値と補正調光電流値の差が所定の閾値以下となった場合は、t3時の段差がユーザには知覚できない可能性があるため、初期照度補正機能の無効化の動作を省略するようにしてもよい。
なお、上記実施例では、制御回路7と制御回路8を個別の制御回路で構成したが、双方を1つの制御部として統合してもよい。また、各制御回路をマイコンで構成することもできるし、D/A変換器、A/D変換器、比較回路、誤差増幅器等の要素を適宜組合せて構成することもできる。
また、上記実施例では、電流制限回路3として降圧チョッパ回路を示したが、フライバックコンバータ、フォワードコンバータ等の他の形式のスイッチング電源回路を用いてもよい。またさらに、本発明の原理はLED点灯用の電源回路及び照明装置だけでなく、蛍光灯、高圧放電灯等、初期照度補正機能が適用される他の光源にも適用可能である。
1.LED電源回路
2.直流電源回路
3.電流制限回路
4.LED
5.制御電源生成回路
6.調光回路
7、8.制御回路
71.CPU
72.メモリ
73.カウンタ
74.補正出力決定手段
75.切替え手段
76.タイマ
77.調光指令入力手段
78.調光出力決定手段
81.ドライバ
82.誤差増幅手段

Claims (5)

  1. LED電源回路であって、
    交流入力電圧を直流変換して変換出力をLEDに供給する電流供給回路、及び
    前記LEDの累積点灯時間に基づいて前記変換出力を定格出力よりも低減させる初期照度補正機能を有する制御部
    を備え、
    前記制御部が、前記定格出力値を前記累積点灯時間に基づいて低減した補正出力値を決定し、前記所定期間経過前は該定格出力値を出力の目標値として前記電流供給回路を制御し、該所定期間経過後は該補正出力値を出力の目標値として該電流供給回路を制御するように構成されたLED電源回路。
  2. 請求項1に記載のLED電源回路であって、外部からの調光信号に基づいて決定される調光指令値を前記制御部に出力する調光回路をさらに備え、
    前記制御部が、前記定格出力値及び前記調光指令値に基づいて第1の調光出力値を決定し、前記調光指令値及び前記累積点灯時間に基づいて該第1の調光出力値よりも低減される第2の調光出力値を決定し、前記所定期間経過前は該第1の調光出力値を出力の目標値として前記電流供給回路を制御し、該所定期間経過後は該第2の調光出力値を出力の目標値として該電流供給回路を制御するように構成されたLED電源回路。
  3. 請求項1に記載のLED電源回路において、前記所定期間が1秒以上10秒以下である、LED電源回路。
  4. 請求項1に記載のLED電源回路であって、前記所定期間経過後に前記変換出力が徐々に低下するように構成されたLED電源回路。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載のLED電源回路、該LED電源回路から給電される前記LED、及び少なくとも該LED電源回路を内包する筐体を備えたLED照明装置。
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