以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施形態)
図1は、本実施形態の発光素子点灯装置の構成を示す。発光素子点灯装置は、照明器具1と調光器2との直列回路が、商用電源10(交流電源)の両端間に接続して構成される。そして、調光器2は、商用電源10の電源電圧(交流電圧)を位相制御することによって、商用電源10から照明器具1に供給される電力を調整する。
照明器具1は、図2に示すように、入力フィルタ回路1aと、電力変換回路1bと、位相検出回路1cと、調光回路1dと、出力フィードバック回路1eと、ブリーダ回路1fと、光源部1hとを備える。
入力フィルタ回路1aは、コンデンサ、インダクタ等で構成され、電源ラインに伝播するノイズや、空間へ輻射するノイズを抑制する機能を有する。
電力変換回路1bは、図3に示すように、整流回路DB1と、コンデンサC1,C2と、トランスT1と、スイッチング素子Q1と、制御回路K1と、ダイオードD1とを備えて、非絶縁型のフライバックコンバータを構成する。この電力変換回路1bは、損失低減、雑音低減のために、擬似共振回路を構成しており、さらに、商用電源10の力率を改善する力率改善機能を有する。
まず、整流回路DB1は、ダイオードをフルブリッジ接続して構成され、商用電源10の電源電圧を全波整流する。
コンデンサC1は、整流回路DB1の出力端間に接続したフィルムコンデンサであって、スイッチング素子Q1のターンオン時に発生する電圧・電流スパイクを抑制する。このコンデンサC1は、平滑用コンデンサに比べて容量が小さく、平滑作用を考慮したものではない。すなわち、電力変換回路1bは、電解コンデンサ等の容量が大きい平滑コンデンサを入力手段に備えておらず、コンデンサインプット型の電源回路を構成するものではない。
トランスT1は、一次巻線N1、二次巻線N2、三次巻線N3を備えて、各巻線は互いに磁気的に結合している。そして、一次巻線N1とスイッチング素子Q1との直列回路が、整流回路DB1の出力端間に接続し、二次巻線N2の一端には、ダイオードD1が介挿されており、二次巻線N2とダイオードD1との直列回路には、平滑用のコンデンサC2が並列接続している。
そして、制御回路K1は、スイッチング素子Q1をオン・オフ駆動することによって、商用電源10から一次巻線N1に流れる電流を導通・遮断する。スイッチング素子Q1のオン時において、一次巻線N1およびスイッチング素子Q1の直列回路に電流が流れ、一次巻線N1に磁気エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子Q1がオフすると、一次巻線N1の磁気エネルギーによって、二次巻線N2に誘起電圧が発生し、コンデンサC2の両端間に電圧が生じる。
この制御回路K1は、スイッチング素子Q1をスイッチング制御することによって、電力変換回路1bの出力を所定値に制御し、さらには商用電源10の力率を改善させる。なお、フライバックコンバータによる力率改善動作については、周知技術であり、詳細な説明は省略する。
光源部1hは、直列接続または並列接続した複数のLED素子または有機EL素子から構成されており、コンデンサC2の両端間に接続している。
位相検出回路1cは、整流回路DB1の各入力端にアノードを接続したダイオードDa,Dbの各カソードに接続しており、調光器2によって位相制御された電源電圧を全波整流した電圧Vd(全波整流電圧Vd)が入力される。そして、位相検出回路1cは、照明器具1に入力される電源電圧の導通角(全波整流電圧Vdの導通角)を検出し、この検出した導通角に応じたデューティ比に設定した2値の信号(デューティ信号S1)を、調光回路1dへ出力する。
調光回路1dは、デューティ信号S1のデューティ比に応じた負荷電流の目標値を設定し、この負荷電流の目標値に応じた電圧信号(目標信号S2)を、出力フィードバック回路1eへ出力する。
出力フィードバック回路1eは、光源部1hに直列接続した抵抗等によって、光源部1hに流れる負荷電流を検出する。また、出力フィードバック回路1eは、調光回路1dから入力された目標信号S2によって、負荷電流の目標値を取得する。そして、出力フィードバック回路1dは、負荷電流の検出値と目標値とに基づくフィードバック信号S3(例えば、負荷電流の検出値と目標値との誤差)を制御回路K1へ出力する(図3参照)。
制御回路K1は、フィードバック信号S3に応じて、スイッチング素子Q1の導通期間(オン期間)を設定することによって、負荷電流が目標値に一致するように定電流制御を行う。
次に、調光器2は、図1に示すように、雑音防止用のフィルタを構成するコンデンサC81及びインダクタL81と、自己保持機能を有する双方向スイッチング素子であるトライアックQ81とを備える。コンデンサC81は、調光器2の入力端間に接続し、コンデンサC81には、トライアックQ81とインダクタL81との直列回路が並列接続している。そして、トライアックQ81がオンしている導通状態にあるとき、商用電源10から電力変換回路1bへ交流電力が供給される。
また、調光器2は、電源部4を備える。電源部4は、調光器2の各部(後述の調光制御部3等)を動作させるための制御電源を生成するものであり、トライアックQ81に並列接続されている。
この電源部4は、ダイオードD81と、コンデンサC82と、電源回路K81と、コンデンサC83とを備える。
ダイオードD81は、照明器具1からの電源ラインに接続しており、コンデンサC82は、ダイオードD81を介してトライアックQ81に並列接続している。電源回路K81は、コンデンサC82の両端電圧を制御電圧Vsに変換して出力する。コンデンサC83は、電源回路K81の出力端間に接続された平滑用コンデンサである。ここで、コンデンサC83の低圧端子は、回路グランドに接続している。
さらに、調光器2は、調光制御部3を備える。調光制御部3は、同期信号生成部K82、制御回路K83、操作部K84を備えており、トライアックQ81をオン制御することで、商用電源10の電源電圧の導通角を可変とする位相制御を行う。
まず、照明器具1からの電源ライン(ダイオードD81のアノード側)には、ダイオードD82を介して同期信号生成部K82が接続されている。同期信号生成部K82は、グランド端子を回路グランドに接続しており、商用電源10から供給される電源電圧の位相に基づいて、図7(a)に示す同期信号を生成し、制御回路K83に出力する。具体的に、同期信号生成部K82は、ダイオードD82を介して商用電源10の電源電圧を検出することによって、商用電源10の電源電圧と所定の閾値Vt1とを比較し、電源電圧が閾値Vt1を上回る期間をHレベルとした同期信号を生成する。すなわち、同期信号は、電源電圧が閾値Vt1を上回ると立ち上がり、閾値Vt1を下回ると立ち下がる。なお、図7(a)〜(c)において、破線は商用電源10の電源電圧の波形を示している。
制御回路K83は、同期信号生成部K82から与えられる同期信号、および操作部K84から与えられる調光信号に基づいて、トライアックQ81をターンオンさせるトリガ信号を生成する(図7(b)参照)。トリガ信号の立ち上がりおよび立ち下がりは、何れも同期信号の立ち上がりを基準にして決定される。制御回路K83は、トライアックQ81のゲートにトリガ信号を出力することによって、トライアックQ81のゲートに駆動電流が流れてトライアックQ81が導通状態となる。ここで、制御回路K83は、トライアックQ81をオンさせて導通させる期間のうち所定期間、トライアックQ81をオンさせるトリガ信号を継続して供給する、所謂DCトリガ方式を用いている。
すなわち、調光制御部3は、DCトリガ方式を用いてトライアックQ81をオン制御することによって、照明器具1に印加する電源電圧を位相制御している。
以下、本実施形態の調光動作について説明する。まず、同期信号生成部K82が、同期信号を生成し、制御回路K83に出力する。また、操作部K84は、ユーザ操作に応じた調光信号を制御回路K83に出力する。制御回路K83は、同期信号および調光信号に基づいてトリガ信号を生成し、トライアックQ81のゲートに出力する。トライアックQ81は、トリガ信号の立ち上がり時にターンオンし、導通状態となる。したがって、図7(c)に示すように、照明器具1には、商用電源10の電源電圧が位相制御されて印加される。なお、トリガ信号の立ち上がりは、ユーザが操作する操作部K84から出力される電圧信号によって位相角が変化する。これにより、照明器具1に印加される電源電圧の導通角が変化するため、調光を行うことができる。
その後、トリガ信号が立ち下がると、トライアックQ81のゲートに駆動電流が流れなくなる。トライアックQ81は、アノード電流が保持電流を上回っている間は導通状態を維持するため、トリガ信号の立ち下がり後も暫くは照明器具1に商用電源10の電源電圧が印加され続ける(図7(c)参照)。そして、トライアックQ81のアノード電流が保持電流以下になると、トライアックQ81は非導通状態(オフ状態)に切り替わる。これにより、照明器具1への商用電源10の電源電圧の印加が停止する。
照明器具1では、位相検出回路1cが、照明器具1に入力される電源電圧の導通角を検出し、この検出した導通角に応じたデューティ信号S1を調光回路1dへ出力する。調光回路1dは、デューティ信号S1のデューティ比に応じて負荷電流の目標値を設定し、この目標値に応じた目標信号S2を出力する。出力フィードバック回路1eは、負荷電流の検出値と目標値とに基づくフィードバック信号S3を制御回路K1へ出力する。制御回路K1は、フィードバック信号S3に応じて、スイッチング素子Q1の導通期間(オン期間)を設定することによって、負荷電流が目標値に一致するように定電流制御を行い、光源部1hを調光する。
ここで、図7(b)に示すように、トリガ信号はパルストリガとは異なり、照明器具1に点灯用の電力を与える期間のうち一定期間は継続してHレベルとなっている。これにより、トライアックQ81のゲートには、トリガ信号が立ち下がるまで継続して駆動電流が流れる。すなわち、トライアックQ81を導通させる期間のうち一定期間(トリガ信号のHレベル期間)、トライアックQ81に駆動電流を継続して与える。
また、照明器具1は、力率改善機能を有する電力変換回路1bを用いており、図7(d)に示すように、照明器具1の入力電流は正弦波状となり、商用電源10の力率が改善されている。すなわち、商用電源10の電源電圧の振幅がピークを過ぎて低下し、ゼロクロス付近に達した場合でも、トライアックQ81のアノード電流を確保できる。したがって、商用電源10の電源電圧のゼロクロス近傍において、商用電源10の電源ラインにノイズが重畳したとしても、トライアックQ81の導通期間の変動を抑制でき、光源部1hの点灯にチラツキが生じたり、不意に消灯する可能性を低減できる。
而して、本実施形態の発光素子点灯装置は、電源電圧のゼロクロス近傍において、商用電源10の電源ラインにノイズが重畳しても、トライアックQ81が不意にオフすることなく、安定した調光を行うことができる。
さらに、本実施形態では、トリガ信号のオフ期間においても、トライアックQ81に、保持電流を上回る十分なアノード電流が継続して流れるように、電力変換回路1bの入力側に並列にブリーダ回路1fを設けている(図2参照)。また、このブリーダ回路1fは、トライアックQ81のオフ時に、調光器2の電源部4に電力を供給する機能も併せて有する。
まず、ブリーダ回路1fは、図4に示すように、整流回路DB1の各入力端にアノードを接続したダイオードDa,Dbと、ダイオードDa,Dbの各カソードと整流回路DB1の整流出力の低圧側との間に接続した電流引込部1gとを備える。すなわち、ブリーダ回路1fは、照明器具1の入力端間に並列接続したものと等価的に考えることができる。
図4に示す電流引込部1gは、FET素子Q71、抵抗R71、抵抗R72の直列回路が、ダイオードDa,Dbの各カソードと整流回路DB1の整流出力の低圧側との間に接続している。FET素子Q71のドレインは、ダイオードDa,Dbの各カソードに接続し、FET素子Q71のソースは、抵抗R71,R72の直列回路に接続している。さらに、FET素子Q71のゲートは、位相検出回路1cに接続している。また、FET素子Q71のゲートと整流回路DB1の整流出力の低圧側との間には、ツェナダイオードZD71が接続している。
そして、位相検出回路1cは、照明器具1に入力される電源電圧の導通角を検出している。具体的に、位相検出回路1cは、電源電圧を全波整流した全波整流電圧Vd(図8(a)参照)が、ダイオードDa,Dbを介して入力されており、この全波整流電圧Vdを、閾値Vt2と比較することによって、導通角に応じたデューティ比に設定した2値のデューティ信号S1を生成している。デューティ信号S1は、電源電圧の振幅が閾値Vt2以上の場合、Lレベルとなり、電源電圧の振幅が閾値Vt2未満の場合、Hレベルとなる(図8(b)参照)。位相検出回路1cは、このデューティ信号S1を電流引込部1gのFET素子Q71のゲートに印加する。
そして、FET素子Q71は、デューティ信号S1がHレベルのとき、すなわち全波整流電圧Vdの振幅が閾値Vt2未満のときにオンし、ダイオードDaまたはDb、FET素子Q71、抵抗R71,R72を介してバイパス電流Ibが流れる。このバイパス電流Ibは、商用電源10を供給源として、商用電源10、ブリーダ回路1f、調光器2で構成される閉回路を流れる。
以下、このブリーダ回路1fによる動作を、図9(a)〜(d)を用いて説明する。なお、以下の説明では、バイパス電流Ibの発生期間によって、バイパス電流Ib1,Ib2の符号を付している。なお、図9(a)(b)において、破線は商用電源10の電源電圧の波形を示している。
まず、電源電圧がゼロクロスを通過した時点では、全波整流電圧Vdの振幅が閾値Vt2未満であり(図9(b)参照)、デューティ信号S1がHレベルとなって(図9(c)参照)、FET素子Q71がオンし、バイパス電流Ib1が発生する(図9(d)参照)。このとき、調光器2のトライアックQ81はオフしており、バイパス電流Ib1は、調光器2のダイオードD81を介して、コンデンサC82を充電する。すなわち、電源部4は、バイパス電流Ib1を用いて制御電圧Vsを生成しており、簡易な構成で制御電源を確保できる。
そして、トリガ信号が立ち上がり(図9(a)参照)、トライアックQ81が導通すると、商用電源10の電源電圧が照明器具1に印加される。全波整流電圧Vdが閾値Vt2以上となった時点で(図9(b)参照)、デューティ信号S1がLレベルとなって(図9(c)参照)、FET素子Q71がオフし、バイパス電流Ib1はゼロになる(図9(d)参照)。
そして、電源電圧の振幅が、ピーク値まで増加した後に低下し、トリガ信号が立ち下がると(図9(a)参照)、トライアックQ81のゲートに駆動電流が流れなくなるが、トライアックQ81は、アノード電流が保持電流を上回っている間、導通状態を維持する。
そして、本実施形態では、全波整流電圧Vdが閾値Vt2未満になった場合(図9(b)参照)、デューティ信号S1がHレベルとなって(図9(c)参照)、FET素子Q71がオンし、バイパス電流Ib2が発生する(図9(d)参照)。このバイパス電流Ib2が、トリガ信号が立ち下がった後に導通状態を維持しているトライアックQ81を流れることによって、アノード電流が保持電流以上に維持される。
したがって、電源電圧のゼロクロス近傍において、商用電源10の電源ラインにノイズが重畳しても、トライアックQ81が不意にオフすることなく、安定した調光を行うことができる。
また、図9に示す実施形態では、閾値Vt2を比較的高く設定することによって、トリガ信号が立ち下がる以前に、デューティ信号S1がHレベルに切り替わって、バイパス電流Ib2が流れ始めるので、耐ノイズ性がさらに向上している。
なお、トリガ信号が立ち下がった後に、デューティ信号S1がHレベルに切り替わって、バイパス電流Ib2を流し始めてもよい。この場合、バイパス電流Ib2を流す期間を短くすることによって、回路損失をより低減できる。
さらに、本実施形態では、力率改善機能を有する電力変換回路1bを用いることによって、コンデンサインプット型の電力変換回路を用いる場合に比べて、必要なバイパス電流Ibを抑制でき、回路損失の低減を図ることができる。
また、電力変換回路1bによる力率改善によって、負荷電流が高い位相角の領域(電源電圧が高い位相角の領域)では、バイパス電流Ibを流す必要がないので、さらなる回路損失の低減を図ることができる。
また、電流引込部1gは、FET素子Q71のゲート−ソース間電圧と、抵抗R71,R72の直列回路の両端電圧との和が、ツェナダイオードZD71のツェナ電圧と一致するように、FET素子Q71のドレイン電流が定電流制御される。すなわち、電流引込部1gによって、バイパス電流Ibは定電流制御されており、バイパス電流Ibは、必要な保持電流を大幅に上回ることがなく、回路損失の低減に寄与している。
次に、照明器具1は、各部に制御電圧を供給するために、第1〜第4の制御電源回路PS1〜PS4を備えている。
第1の制御電源回路PS1は、図3に示すように、トランスT1の三次巻線N3と、ダイオードD2との直列回路で構成される。そして、三次巻線N3とダイオードD2との直列回路には、コンデンサCaが並列接続されている。コンデンサCaの両端電圧Vccは、三次巻線N3から供給される電力によって、第1の制御電圧Vcc1となる。また、コンデンサCaの両端間には、放電用の抵抗Raが接続している。
具体的には、電力変換回路1bが動作中で、スイッチング素子Q1がオン状態のとき、一次巻線N1に磁気エネルギーが蓄積され、次に、スイッチング素子Q1がオフすると、一次巻線N1の磁気エネルギーによって、三次巻線N3に誘起電圧が発生する。この誘起電圧によって、コンデンサCaは、ダイオードD2を介して充電され、コンデンサCaの両端間に第1の制御電圧Vcc1が発生する。すなわち、コンデンサCaの両端電圧Vccは、第1の制御電源回路PS1から供給される電力によって、第1の制御電圧Vcc1となる。
第2の制御電源回路PS2は、図5に示すように、抵抗R21と、ツェナダイオードZD21と、トランジスタQ21と、コンデンサC21と、ダイオードD21とで構成される。そして、抵抗R21とツェナダイオードZD21との直列回路は、全波整流電圧Vdが印加される。トランジスタQ21のベースは、抵抗R21とツェナダイオードZD21との接続中点に接続し、トランジスタQ21のコレクタには全波整流電圧Vdが印加されている。さらに、トランジスタQ21のエミッタは、コンデンサC21を介して整流回路DB1の整流出力の低圧側に接続し、さらにダイオードD21を介してコンデンサCaの正極に接続している。
そして、第2の制御電源回路PS2において、トランジスタQ21のベース−エミッタ間電圧と、コンデンサC21の両端電圧との和が、ツェナダイオードZD21のツェナ電圧と一致する。コンデンサC21の両端電圧は、定電圧制御されており、ダイオードD21を介してコンデンサCaを充電する。すなわち、コンデンサCaの両端電圧Vccは、第2の制御電源回路PS2から供給される電力によって、第2の制御電圧Vcc2となる。なお、第2の制御電圧Vcc2は、第1の制御電圧Vcc1より低い。
第3の制御電源回路PS3は、図3に示すように、抵抗R11,R12と、ツェナダイオードZD11と、トランジスタQ11と、コンデンサC11とで構成される。抵抗R11とツェナダイオードZD11との直列回路は、電力変換回路1bの二次側のコンデンサC2に並列接続している。トランジスタQ11のベースは、抵抗R11とツェナダイオードZD11との接続中点に接続し、トランジスタQ11のコレクタは、コンデンサC2の正極に接続している。さらに、トランジスタQ11のエミッタは、コンデンサC11を介して、コンデンサC2の負極に接続し、抵抗R12がコンデンサC11に並列接続している。
そして、第3の制御電源回路PS3において、トランジスタQ11のベース−エミッタ間電圧と、コンデンサC11の両端電圧との和が、ツェナダイオードZD11のツェナ電圧と一致する。コンデンサC11の両端電圧は、定電圧制御されており、第3の制御電圧Vcc3となる。すなわち、第3の制御電源回路PS3は、コンデンサC2の両端電圧を第3の制御電圧Vcc3に変換して出力する。
第4の制御電源回路PS4は、図5に示すように、コンデンサC31,C32と、三端子レギュレータREG31とで構成される。三端子レギュレータREG31の入力側にはコンデンサC31が並列接続し、三端子レギュレータREG31の出力側にはコンデンサC32が並列接続している。そして、コンデンサC31には、コンデンサCaの両端電圧Vccが印加され、コンデンサC32には、一定電圧に制御された電圧が発生する。このコンデンサC32の両端電圧が、第4の制御電圧Vcc4となる。すなわち、第4の制御電源回路PS4は、コンデンサCaの両端電圧Vccを第4の制御電圧Vcc4に変換して出力する。
ここで、第1の制御電圧Vcc1>第2の制御電圧Vcc2>第4の制御電圧Vcc4>第3の制御電圧Vcc3に設定されている。例えば、第1の制御電圧Vcc1=24V、第2の制御電圧Vcc2=18.6V、第4の制御電圧Vcc4=7V、第3の制御電圧Vcc3=4.5Vとなる。
次に、第1〜第4の制御電源回路PS1〜PS4が生成する制御電圧Vcc1〜Vcc4による動作を、(1)発光素子点灯装置の立ち上がり期間、(2)発光素子点灯装置の定常動作期間、(3)発光素子点灯装置の停止時の各場合について説明する。
(1)発光素子点灯装置の立ち上がり期間(商用電源10からの電力供給が開始されてから、第1の制御電圧Vcc1が第2の制御電圧Vcc2を上回るまでの期間)
まず、商用電源10から照明器具1および調光器2への電力供給が開始されると、第2の制御電源回路PS2は、ダイオードDa,Dbを介して全波整流電圧Vdが供給され、第2の制御電圧Vcc2を出力する。この時点で、電力変換回路1bのスイッチング素子Q1はオフ状態であり、第1の制御電源回路PS1は第1の制御電圧Vcc1を生成していない。而して、コンデンサCaの両端電圧Vccは、第2の制御電圧Vcc2となる。
コンデンサCaの両端に発生した第2の制御電圧Vcc2は、ダイオードDcを介して位相検出回路1cの制御電源となる。
位相検出回路1cは、図6に示すように、全波整流電圧Vdが印加される抵抗R41、ツェナダイオードZD41、抵抗R42の直列回路を備え、コンデンサC42が抵抗R42に並列接続している。さらに、トランジスタQ41のゲートが、ツェナダイオードZD41と抵抗R42との接続中点に接続している。トランジスタQ41のコレクタは、抵抗R43、ダイオードDcを介して、コンデンサCaの両端電圧Vcc(立ち上がり期間において、Vcc=Vcc2)に接続し、トランジスタQ41のエミッタは、回路グランドに接続する。また、トランジスタQ41のコレクタ−エミッタ間には、抵抗R44が接続されている。そして、トランジスタQ41のコレクタ電圧が、デューティ信号S1となる。
この位相検出回路1cにおいて、全波整流電圧Vdが閾値Vt2未満である場合(図8参照)、トランジスタQ41がオフし、トランジスタQ41のコレクタ電圧が第2の制御電圧Vcc2になって、デューティ信号S1がHレベルになる。また、全波整流電圧Vdが閾値Vt2以上である場合(図8参照)、トランジスタQ41がオンし、トランジスタQ41のコレクタ電圧が略0Vになって、デューティ信号S1がLレベルになる。
すなわち、位相検出回路1cは、立ち上がり期間において、第2の制御電源回路PS2が生成した第2の制御電圧Vcc2を用いてデューティ信号S1を生成する。そして、このデューティ信号S1を入力されたブリーダ回路1fはバイパス電流Ibを流す。調光器2の電源部4は、バイパス電流Ibを用いて制御電圧Vsを生成し、トライアックQ81を制御することで、商用電源10の電源電圧の導通角を可変とする位相制御を開始する。このように、ブリーダ回路1fは、第2の制御電圧Vcc2を用いて生成されたデューティ信号S1によって、バイパス電流Ibの生成動作を起動している。
ブリーダ回路1fは、本来、バイパス電流IbによってトライアックQ81を安定動作させる機能を有している。そして、このブリーダ回路1fに、始動時における調光器2の制御電源の生成機能を兼用させることによって、始動時における調光器2の制御電源を簡易な構成で生成することができる。なお、本実施形態における調光器2の始動時とは、商用電源10からの電力供給が開始されてから、トライアックQ81のターンオン動作が開始されるまでの期間である。
さらに、第2の制御電圧Vcc2は、第4の制御電源回路PS4に入力され、第4の制御電源回路PS4は、第4の制御電圧Vcc4を生成して調光回路1dに供給する。
調光回路1dは、図6に示す回路構成を備える。まず、FET素子Q51を入力段に備えており、FET素子Q51のゲートにデューティ信号S1が入力される。FET素子Q51のドレインは、抵抗R51を介して第4の制御電圧Vcc4が印加される。さらに、FET素子Q51のドレイン−ソース間には、抵抗R52,R53の直列回路が接続され、コンデンサC51(調光用コンデンサ)が抵抗R53に並列接続している。このFET素子Q51、抵抗R51,R52,R53、コンデンサC51が、1段目のRC充放電回路を構成している。
また、調光回路1dは、FET素子Q52も入力段に備えており、FET素子Q52のゲートにデューティ信号S1が入力される。FET素子Q52のドレインは、抵抗R54を介してコンデンサC51の両端電圧が印加される。さらに、FET素子Q52のドレイン−ソース間には、抵抗R55,R56の直列回路が接続され、コンデンサC52(調光用コンデンサ)が抵抗R56に並列接続している。このFET素子Q52、抵抗R54,R55,R56、コンデンサC52が、2段目のRC充放電回路を構成している。なお、オペアンプOP51,OP52の各電源も、第4の制御電圧が供給されている。
そして、電源電圧の導通角が減少し、デューティ信号S1のオンデューティ比が増加するにつれて(調光レベルが低下するにつれて)、コンデンサC51,C52の両端電圧は低下する。この電源電圧の導通角に対するコンデンサC52の両端電圧の変化は、上述の1段目および2段目のRC充放電回路によって、2次の多項式で表される曲線になる。なお、図6では、RC充放電回路を2段構成にしているが、RC充放電回路の段数を増やすことによって、電源電圧の導通角に対するコンデンサC52の両端電圧の変化は、より高次の多項式で表される。
次に、コンデンサC52の両端電圧は、オペアンプOP51、抵抗R57〜R60で構成される増幅回路で増幅される。オペアンプOP51は、コンデンサC52の両端電圧が抵抗R57を介して非反転入力に接続される。さらに、オペアンプOP51は、反転入力と回路グランドとの間に抵抗R59を接続し、反転入力と出力との間に抵抗R58を接続している。すなわち、オペアンプOP51は非反転増幅器として機能し、コンデンサC52の両端電圧を増幅した増幅信号を、抵抗R60を介して出力する。そして、オペアンプOP51の出力電圧は、オペアンプOP51の出力に抵抗R60を介して設けたツェナダイオードZD51によって、上限を制限される。すなわち、ツェナダイオードZD51を用いて、オペアンプOP51の出力電圧の上限を設定することによって、調光上限を決めている。
次に、オペアンプOP51の出力電圧は、オペアンプOP52、抵抗R61〜R66で構成される減算回路に入力される。オペアンプOP51の出力電圧は、抵抗R61,R62の直列回路で分圧されて、オペアンプOP52の非反転入力に接続される。抵抗R63,R64の直列回路の両端間には、第4の制御電圧Vcc4が印加され、抵抗R63,R64の接続中点は、オペアンプOP52の反転入力に抵抗R65を介して接続される。さらに、オペアンプOP52の反転入力と出力との間に、抵抗R66を接続している。そして、オペアンプOP52の出力電圧は、オペアンプOP52が減算回路として機能することによって下限を制限されている。すなわち、オペアンプOP52の出力電圧の下限を設定することによって、調光下限を決めている。
そして、オペアンプOP52の出力は、抵抗R67,R68の直列回路によって分圧され、抵抗R67,R68の接続中点の電圧が、目標信号S2となる。
ここで、デューティ信号S1の周波数は、商用電源10の商用周波数50Hz/60Hzの2倍である100Hz/120Hzとなる。したがって、調光回路1dのRC充放電回路に用いるコンデンサC51,C52は、数μF〜数10μF程度の比較的大きい容量が必要となる。
しかしながら、本実施形態では上述のように、1段目のRC充放電回路のコンデンサC51、2段目のRC充放電回路のコンデンサC52は、立ち上がり期間に、第2の制御電圧Vcc2から生成される第4の制御電圧Vcc4によって充電される。すなわち、第2の制御電圧Vcc2は、第4の制御電源回路PS4によって第4の制御電圧Vcc4に変換されて、立ち上がり期間におけるコンデンサC51,C52の充電にも用いられている。したがって、立ち上がり期間において、目標信号S2が生成されるまでの時間を短くでき、電力変換回路1bの始動に要する時間を短くできる。特に、調光レベルが低く、電源電圧の導通角が短い場合であっても、コンデンサC51,C52の各充電に要する時間を短くできるため、効果的である。
そして、第4の制御電圧Vcc4は、ダイオードDfを介して出力フィードバック回路1eにも供給され、出力フィードバック回路1eは、第4の制御電圧Vcc4を用いて、目標信号S2に応じたフィードバック信号S3を出力する。
また、コンデンサCaの両端電圧Vcc(立ち上がり期間において、Vcc=Vcc2)は、制御回路K1の動作電源となって、制御回路K1が、スイッチング素子Q1のオン・オフ駆動を開始する。スイッチング素子Q1がスイッチング動作を開始すると、三次巻線N3に誘起電圧が発生し、第1の制御電源回路PS1が第1の制御電圧Vcc1を生成する。また、スイッチング素子Q1がスイッチング動作を開始すると、二次巻線N2に誘起電圧が発生し、第3の制御電源回路PS3が第3の制御電圧Vcc3を生成する。
すなわち、立ち上がり期間において、第1の制御電源回路PS1が第1の制御電圧Vcc1を生成する以前に、第2の制御電源回路PS2が第2の制御電圧Vcc2を生成している。したがって、発光素子点灯装置の立ち上がり期間におけるコンデンサCaの充電は、第2の制御電源回路PS2の第2の制御電圧Vcc2を用いる(Vcc=Vcc2)。そして、電力変換回路1bのスイッチング動作が開始され、第1の制御電圧Vcc1が第2の制御電圧Vcc2を上回ると、第1の制御電圧Vcc1によってコンデンサCaが充電される(Vcc=Vcc1)。したがって、立ち上がり期間において、コンデンサCaの充電時間を短縮することができ、始動に要する時間を短くすることができる。
また、位相検出回路1cは、立ち上がり期間に供給される第2の制御電圧Vcc2からデューティ信号S1を生成しており、この構成によっても始動に要する時間を短くできる。
また、調光回路1dは、立ち上がり期間に供給される第2の制御電圧Vcc2から生成したデューティ信号S1によって動作しており、この構成によっても始動に要する時間を短くできる。
(2)発光素子点灯装置の定常動作期間(商用電源10から電力供給が開始されて、第1の制御電圧Vcc1が第2の制御電圧Vcc2を上回った後の期間)
定常動作期間の照明器具1は、第1の制御電源回路PS1が生成した第1の制御電圧Vcc1によって動作する。なお、立ち上がり期間から定常動作期間に切り替わるタイミング(第1の制御電圧Vcc1が第2の制御電圧Vcc2を上回るタイミング)は、光源部1hの点灯前、点灯後を問わない。
第1の制御電圧Vcc1は、第2の制御電圧Vcc2に比べて、高い電圧値に生成されている。したがって、スイッチング素子Q1がスイッチング動作を開始し、第1の制御電圧Vcc1が第2の制御電圧Vcc2を上回れば、第2の制御電源回路PS2によるコンデンサCaの充電は停止し、第1の制御電源回路PS1によってコンデンサCaが充電される。而して、コンデンサCaの両端電圧Vcc=Vcc1となる。
そして、第4の制御電源回路PS4は、ダイオードDcを介して供給される第1の制御電圧Vcc1を用いて、第4の制御電圧Vcc4を生成し、位相検出回路1cは、第1の制御電圧Vcc1を用いて、デューティ信号S1を生成する。また、第1の制御電圧Vcc1は、制御回路K1の動作電源となって、制御回路K1が、スイッチング素子Q1のオン・オフ駆動を継続する。
このように、発光素子点灯装置の定常動作時において、照明器具1は、第2の制御電圧Vcc2より高い第1の制御電圧Vcc1を制御電源として用いる。そして、第1の制御電源回路PS1の入出力電圧の差分(入力電圧−出力電圧)は、第2の制御電源回路PS2の入出力電圧の差分より小さいので、第1の制御電圧Vcc1を制御電源として用いることによって、制御電圧生成時の損失を低減できる。
なお、他の各部の動作は、(1)発光素子点灯装置の立ち上がり期間における動作と同様であり、説明は省略する。
(3)発光素子点灯装置の停止時(商用電源10からの電力供給が遮断されるとき)
商用電源10から照明器具1および調光器2への電力供給が遮断されると、コンデンサCaは抵抗Raによって放電し、制御電圧Vccは瞬時に低下する。したがって、制御電圧Vccの放電時間は短時間となる。また、全波整流電圧Vdがゼロになるので、位相検出回路1cのトランジスタQ41はオフ状態となる。
一方、第3の制御電源回路PS3は、電力変換回路1bの二次側のコンデンサC2の残留電荷によって、第3の制御電圧Vcc3を生成する。そして、この第3の制御電圧Vcc3が、ダイオードDdを介して、調光回路1dのFET素子Q51,Q52の各ゲートに印加され、FET素子Q51,Q52がオンする。したがって、調光回路1dのコンデンサC51の電荷は、抵抗R52、FET素子Q51を介して放電する。さらに、調光回路1dのコンデンサC52の電荷は、抵抗R55、FET素子Q52を介して放電する。
而して、電力供給の遮断後、コンデンサC51,C52の各電荷が短時間のうちに放電される。したがって、消灯から再始動までの時間間隔が短い場合であっても、コンデンサC51,C52の残留電荷は少ないので、再始動時の調光レベルが必要以上に高くなって、光出力が一時的に大きくなる始動光飛び出しという現象が抑制される。
なお、コンデンサC51の電荷は抵抗R53を介しても放電され、コンデンサC52の電荷は抵抗R56を介しても放電される。しかしながら、抵抗R53の抵抗値は、抵抗R52の抵抗値に比べて大きく、抵抗R56の抵抗値は、抵抗R55の抵抗値に比べて大きいため、抵抗R53,R56を介した各放電量は、抵抗R52,R55を介した各放電量より小さい。すなわち、発光素子点灯装置の停止時にFET素子Q51,Q52を介した放電経路が生成されることは、コンデンサC51,C52の各放電時間を短縮するために効果的な構成となり、この効果は、RC充放電回路の段数が多いほど有効になる。
さらに、第3の制御電圧Vcc3は、ダイオードDeを介して出力フィードバック回路1eにも供給される。
上述のように、第1〜第4の制御電源回路PS1〜PS4が生成する制御電圧Vcc1〜Vcc4によって、本発光素子点灯装置が始動、動作、停止する。
次に、図10は、調光回路1dによる調光特性を示す調光カーブであり、電源電圧の導通角と負荷電流との関係を示す。なお、図10では、トリガ信号の立ち上がり時の位相角α(図9参照)に負荷電流を対応させている。
この調光カーブの位相角α1〜α2の領域において、負荷電流は、位相角αが大きくなるにつれて曲線状に低減しており、この曲線は、2次の多項式で表される。すなわち、位相角αが大きくなるにつれて(導通角が短くなるにつれて)、調光カーブが低下する傾きが小さくなる。したがって、直線的な調光制御とするのではなく、調光レベルが高い領域では光出力の変化を急にして、調光レベルが低い領域では、ノイズによるチラツキを人の目が認識できない程度に光出力の変化を緩くすることによって、自然な減光特性を実現している。特に、調光レベルが低いときに(位相角が小さいときに)、細やかな調光制御が可能となり、さらには調光レベルの変化に対する人の目の違和感を抑制して、自然な調光変化を実現できる。
なお、図10では、位相角α1以上、位相角α2以下の領域において、負荷電流は、2次の多項式で表される曲線に沿って変化しているが、この曲線は、人間の目の感度に合わせたLOGスケールで表される曲線、またはこれに近い特性を示す曲線であってもよい。また、調光レベルが低い領域におけるノイズによるチラツキを許容する場合であれば、位相角α1以上、位相角α2以下の領域の調光特性を直線で表してもよい。
また、調光回路1dは、ツェナダイオードZD51を用いて、オペアンプOP51の出力電圧の上限を設定することによって、位相角0°〜α1の領域(導通角が大きい領域)で、負荷電流の上限を一定の最大値Imaxに設定している。
さらに、調光回路1dは、オペアンプOP52の出力電圧の下限を設定することによって、位相角α2〜180°の領域(導通角が小さい領域)で、負荷電流の下限を一定の最小値Iminに設定している。
また、本実施形態の照明器具1の調光方式では、スイッチング素子Q1のオン・オフにより光源部1hを調光しているが、光源部1hに流れる電流を可変することにより調光を行う回路構成でも同様の効果を奏することはいうまでもない。
また、光源部1hに用いるLED素子、有機EL素子は、従来の放電灯と異なり、特に始動性、再始動性が求められるものであり、上述のように始動、再始動に要する時間を短くする構成は有効な手段となる。
また、本実施形態では、光源部1hとしてLED素子または有機EL素子を用いているが、これに限定される必要はなく、他の固体発光素子を光源部1hに用いてもよい。