JP2015005482A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯装置と光源とが離間して配置されている場合にも配線による電力ロスを抑えて光源に対して所定の電力を供給できる照明装置を提供する。【解決手段】点灯装置３０のＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときには相対的に大きくする。配線による寄生容量および寄生インダクタによる電力ロスを低く抑えることにより、スイッチング素子３５等回路部品や配線等の容量増加分を低く抑えることができる。繰返し周波数を小さくしても点灯期間が長いので、光源５１のちらつき（フリッカ）の問題を無くすか小さくすることがきる。【選択図】図１

Description

本発明の一実施形態は、ＰＷＭ出力により光源を調光点灯する照明装置に関する。

従来、光源をＰＷＭ出力にて調光点灯する照明装置は既に知られている。例えば、特許文献１（特開2011-70957号公報）に記載される発明が提案されている。特許文献１の照明装置は、ＰＷＭ（パルス幅制御）出力により光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）を調光制御するもので、調光度に応じて調光度が低い（相対光出力が小さい）場合にはＰＷＭの繰返し周波数を小さく、調光度が高い（相対光出力が大きい）場合にはＰＷＭの繰返し周波数を大きくしている。これにより、調光度が低い（相対光出力が小さい）場合の階調数を多くでき、光源の明るさ変化を滑らかにすることができる。

また、例えば特許文献２（特許第4122607号公報）には空港の標識灯装置に用いられる照明装置が示されており、光源としてのＬＥＤをＰＷＭ点灯するようにしている。そして、定電流電源装置から供給される可変の電流値（例えば５段階に切換えられる電流値）に応じて、ＰＷＭ出力を制御してＬＥＤの光出力を５段階に変化可能にしている。

特開２０１１−７０９５７号公報 特許第４１２２６０７号公報

特許文献１、２のものは、それぞれ光源としてのＬＥＤを所望に調光点灯することができるものである。

しかし、点灯装置と光源とが離間して配置されている場合には、点灯装置と光源とを接続する電気配線における寄生容量、寄生インダクタの影響により所定どおりのＰＷＭ出力を光源に供給できないことがある。

点灯装置からのＰＷＭ出力の繰返し周波数は、人間の目にちらつきを与えないように５０〜６０Ｈｚ以上で大きめの例えば１００Ｈｚ〜数十ｋＨｚに設定されるのが一般的である。この場合に点灯装置と光源とが例えば十ｍ以上離間していると、前記の寄生容量、寄生インダクタによりＰＷＭ出力が減衰してしまう。

上記の特許文献２のような空港用の標識灯装置では、ＰＷＭ制御部を有する点灯装置と光源を有する標識灯との間が数十ｍ〜数百ｍに及ぶものであり、長いものでは１ｋｍ以上になることもある。この場合、ＰＷＭ出力の減衰量はさらに顕著である。

したがって、光源に対して所定の電力を供給するためには、配線による減衰（電力ロス）分を加味して大きめのＰＷＭ出力を送出する必要がある。しかし、この場合には、点灯装置のＰＷＭ制御用のスイッチング素子等回路部品や配線等を、大きめの出力に適合するように大容量のものにしなければならず装置全体が大形、高価格になるという問題が生じる。

本発明の実施形態は、このような従来の問題を解消するためになされたもので、点灯装置と光源とが離間して配置されている場合にも配線による電力ロスを抑えて光源に対して所定の電力を供給できる照明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は、ＰＷＭ出力を変化可能な点灯装置と、点灯装置から離間して配置され点灯装置からのＰＷＭ出力により点灯される光源と、ＰＷＭ出力およびＰＷＭの繰返し周波数を制御する制御装置とを有する。制御装置は、ＰＷＭ出力を調光信号に応じて制御して光源を調光点灯する。また、制御装置は、ＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きくする。

点灯装置は、ＰＷＭ出力を変化可能に出力するものであればよく、バッテリ等の直流電源電圧をＰＷＭ制御するもの、交流電源の出力を整流、平滑した電圧をＰＷＭ制御するもの等どのようなものであってもよい。

また、調光点灯は、光出力を段階的に変化させるもの、連続的に変化させるものの何れであってもよい。そして、調光信号は、無線、有線を介して供給されるもの、電源線に重畳されるもの、交流電源電圧を位相制御または振幅制御したもの、点灯装置内で生成されるもの等どのような形態であってもよい。

さらに、ＰＷＭの繰返し周波数の変化は、相対的に大小の２段階または３段階以上に変化させるものの何れであってもよい。

本発明における他の一実施形態は、出力電流値を複数段階に切換え可能な定電流電源装置と、それぞれの入力部を定電流電源装置の出力側に互いに直列的に接続された複数個の可飽和手段と、各可飽和手段に対応して設けられ可飽和手段の出力を入力してＰＷＭ出力を変化可能に出力する複数個の点灯装置と、対応する点灯装置から離間して配置され点灯装置からのＰＷＭ出力により点灯される光源を有する複数個の灯体と、ＰＷＭ出力およびＰＷＭの繰返し周波数を制御する制御装置とを有する。制御装置は、各点灯装置に対応して設けられ、可飽和手段から入力される定電流値に応じて点灯装置のＰＷＭ出力を制御して光源を調光点灯する。また、制御装置は、ＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きくする。

本発明における一実施形態は、空港における標識灯制御システムに用いて好適なものであるが、これに限定されるものではなく、演出照明、表示装置、屋外用照明等点灯装置と光源とが離間して配置されるものであればどのようなものにも適用可能である。

ここで、離間の程度は、ＰＷＭの繰返し周波数や光源への供給電力によっても変動するが、ＰＷＭ出力の繰返し周波数が５０Ｈｚ〜数十ｋＨｚの間で、光源がＬＥＤのような固体発光素子で比較的小容量の場合には例えば十ｍ以上である。
あるいは、電力ロスの観点からすれば、点灯装置および光源との間の配線により例えば１０％以上電力ロスが生じる距離（配線長）である。

本発明におけるさらに他の一実施形態は、点灯装置と光源との間に周波数特性を変化可能なフィルタ手段を設け、制御手段がＰＷＭの繰返し周波数を変化させるのに伴ってフィルタ手段の周波数特性を変化させるようになされている。

なお、本発明において、直列的、並列的とは、他の部品を介して直列（あるいは並列）に接続されている場合、他の部品を介さないで直列（あるいは並列）に接続されている場合の何れをも含むものである。

本発明の一実施形態によれば、ＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きくするので、ＰＷＭ出力が大きいときの寄生容量および寄生インダクタによる電力ロスを低く抑えることができる。これにより、電力ロス分を加味した場合の点灯装置のＰＷＭ制御用のスイッチング素子等回路部品や配線等の容量増加分を低く抑えることができる。また、ＰＷＭ出力が大きい（オンデューティが大きい）ときであるから、繰返し周波数を小さくしても点灯期間が長いので、ちらつき（フリッカ）の問題を無くすか小さくすることができる。

ＰＷＭ出力が小さいときには、繰返し周波数を相対的に大きくするので、ちらつき（フリッカ）の問題を無くすか小さくすることができる。なお、この場合、寄生容量および寄生インダクタによる電力ロスが増大する。しかし、このとき光源に所定の電力を供給するために電力ロス分を加味した多めの出力にするとしても、大出力時に適合させたＰＷＭ制御用のスイッチング素子等回路部品や配線等の容量を上回らないようにすることが容易である。

本発明の一実施形態を示す回路図。 同じく作用を説明するＰＷＭ出力の一例を示す波形図。 同じく作用を説明する定電流電源装置の出力の一例を示す波形図。 同じく作用を説明する定電流電源装置の出力の他の例を示す波形図。

以下、図１ないし図４を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態を示す回路図、図２は作用を説明するＰＷＭ出力の一例を示す波形図、図３は作用を説明する定電流電源装置の出力の一例を示す波形図、図４は作用を説明する定電流電源装置の出力の他の例を示す波形図である。
本実施形態は、空港等の標識灯制御システムとして好適な例である。

１０は定電流電源装置で、この定電流電源装置１０の出力側に複数個の可飽和手段２０が直列的に接続されている。可飽和手段２０は例えば絶縁形のトランスであるが、非絶縁形のトランス、所定電圧値以上の電圧を印加されて導通するように構成された半導体装置等であってもよい。本発明では、所定値以上の電圧値を印加されることにより低インピーダンス状態（実質的に零を含む）で導通するものを可飽和手段と定義する。

本実施形態における前記定電流電源装置１０は、例えば位相制御形であり、互いに逆極性に並列接続された一対のサイリスタからなり商用周波数の正弦波交流電源ｅの出力電圧を位相制御する位相制御装置１１、この位相制御装置１１の導通位相を制御する導通位相制御装置１２を主体として構成されている。

導通位相制御装置１２には、周囲環境に応じて標識灯の光出力を異ならせるために例えば５段階の調光指令信号Ｓが入力されるようになっている。例えば、定電流電源装置１０の出力電流値が、６．６Ａ、５．２Ａ、４．１Ａ、３．４Ａ、２．８Ａと５段階に変化するようにしている。これにより、位相制御装置１１は、図３に示すように調光指令信号Ｓに応じて交流電源ｅの各半サイクルの点弧位相を変化される。

また、定電流電源装置１０は、出力トランス１３、電流フィードバック制御等のための電流検出装置１４、位相制御装置１１をバイパスして小電流を通流するインダクタ１５、位相制御装置１１に直列に設けられて位相制御装置１１の導通時の電流立上りを緩和するインダクタ１６等を有している。

しかし、定電流電源装置１０としては、上記の位相制御形式のものに限られず他の形式のものであってもよい。例えば、インバータ等を用いて商用周波数程度の低周波数の正弦波を出力する形式のものであってもよい。この場合には、定電流を達成するために前記インバータのスイッチング手段を制御すればよい。これにより、図４のように交流電圧の各半サイクルの振幅を制御した出力を供給できる。

点灯装置３０は、可飽和手段２０から必要に応じて設けられる変流器４０を介して給電され、離間して配置される個別な標識灯の灯体５０内の光源５１、５１をＰＷＭ出力により調光点灯可能にしている。

なお、本実施形態の場合、変流器４０の出力側には互いに直列的に接続された第２、第３の変流器４１、４２を設けている。

また、前記光源５１、５１は、ＬＥＤ、有機ＥＬ、半導体レーザ等の固体発光素子あるいは他の発光体からなり、互いに直列的に接続されている。

前記点灯装置３０は、変流器４０の出力を入力する整流装置３１、整流装置３１の出力側に設けられ出力を制御するためのスイッチング手段３２を有している。そして、このスイッチング手段３２には逆流防止用のダイオード３３を介して平滑コンデンサ３４が並列的に接続されている。

この点灯装置３０は、光源５１、５１への供給電力をＰＷＭ制御するために、本実施形態では、平滑コンデンサ３４の両端間に光源５１、５１と直列的に接続されたスイッチング手段３５である例えば電界効果形トランジスタを有している。

また、点灯装置３０は、平滑コンデンサ３４の出力を定電圧化するための電圧安定化手段を有している。この電圧安定化手段は、前記スイッチング手段３２と、平滑コンデンサ３４の両端電圧を検出する電圧検出装置３６とを主として構成されている。

そして、電圧検出装置３６の検出結果に応じて、後述する制御装置６０によりスイッチング装置３２の導通が制御され、平滑コンデンサ３４の出力電圧を定電圧化するようになっている。

また、標識灯装置として、固体発光素子からなる光源５１、５１を有する標識灯（灯体５０＋光源５１）と、従来の電球を光源とする標識灯（図示省略）とを共通の定電流電源装置１０から付勢することがある。この場合、定電流電源装置１０が、電球用に６．６Ａ〜２．８Ａの範囲で５段階に設定された相対的に大きい電流を出力するのに対し、固体発光装置からなる光源５１、５１の所要電流はせいぜい数十ｍＡ〜数百ｍＡ程度でよい。このため、これら電流の差分を減流するのが好適であるが、この機能をスイッチング手段３２で果たすようにしてもよい。すなわち、上記差分に相当する電流をスイッチング手段３２を介してバイパスさせればよい。

前記制御装置６０は、定電流電源装置１０の出力電流（前記６．６Ａ〜２．８Ａの範囲の５段階の何れか）に応じてスイッチング手段３５をパルス幅制御（ＰＷＭ）する。

定電流電源装置１０の出力電流を検知する出力電流信号は、定電流電源装置１０の形式や出力波形等に応じて、実行値、平均値、導通位相等から得ることができ、要するに定電流電源装置１０の出力電流値のレベルを示すものである。この定電流電源装置１０の出力電流信号を検出する電流検出手段６１は、図１では前記第３の変流器４２の出力側に設けられている。この電流検出手段６１の出力電流信号を前記制御装置６０に入力するようにしている。

そして、制御装置６０は、入力される出力電流信号に応じてスイッチング手段３２を前記減流機能を果すために制御し、スイッチング手段３５を光源５１、５１の光出力を出力電流信号に応じたものにするためにＰＷＭ制御する。これにより、平滑コンデンサ３４の充電量を制御するとともに、光源５１、５１への供給電力量を変化して光出力を変化させる。

また、制御装置６０は、ＰＷＭ出力の大きさに応じてＰＷＭの繰返し周波数を変化させる。本実施形態では２段階に変化させる。例えば、図２（ａ）に示すように、ＰＷＭ出力が大きい場合（定電流電源装置１０の出力電流値が６．６Ａでオンデューティが約１００％の場合）にはＰＷＭの繰返し周波数を１００Ｈｚとする。一方、ＰＷＭ出力が小さい場合（定電流電源装置１０の出力電流値が６．６Ａより小さい他の４段階の場合）にはＰＷＭの繰返し周波数を２００Ｈｚとする。すなわち、一例として示す図２（ｂ）のように、定電流電源装置１０の出力電流値が４．１Ａの場合には、オンデューティが１２．５％でＰＷＭの繰返し周波数を２００Ｈｚとする。

しかし、５段階の電流値変化に応じてＰＷＭの繰返し周波数を５段階に変化させるようにしてもよい。

さらに、本実施形態において、点灯装置３０と光源５１、５１との間にはフィルタ手段７０が設けられている。フィルタ手段７０は、例えばコンデンサ、インダクタ等の組合せからなり、これらコンデンサ、インダクタの定数を変化させることにより、周波数特性を変化可能に構成されている。すなわち、点灯装置３０と光源５１との間の電気配線における寄生容量、寄生インダクタを考慮して、設定されるＰＷＭの繰返し周波数に対する電力通過特性を切換え可能になっている。

フィルタ手段７０の具体的構成としては、上記のものに限られず他の部品にて構成されるものでもよく、さらにはディジタル形のフィルタであってもよい。

そして、制御装置６０が点灯装置３０のＰＷＭ出力の繰返し周波数を変化するとき、制御装置６０によってその周波数に対して電力の通過特性が良好になるようにインピーダンス定数を変化するようになっている。これにより、設定されるＰＷＭの繰返し周波数に応じて光源５１、５１への電力伝達効率を良好にできる。

前記のように各種の制御を行う制御装置６０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、光源５１、５１の供給電流量−光出力特性を電球の供給電流量−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、本実施形態の点灯装置３０としては、フィードバック制御手段を付加してもよい。例えば、光源５１、５１に流れる電流を電流検出手段３７で検出し、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手段３５のオンデューティを調整させるようにしてもよい。これにより、実際に光源５１、５１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。

第２の変流器４１の出力側には整流器、電圧安定化回路等から構成される電源手段６２が設けられ、前記制御装置６０等所要の手段に電力を供給するようになっている。

以上のように本実施形態は、空港等における標識灯制御システムを構成しており、前記光源５１および灯体５０を備えた標識灯は例えば誘導路、滑走路等に埋設され、点灯装置３０、可飽和手段２０および変流器４０〜４２等はハンドホール等に設置される。標識灯とハンドホールとの間は通常数十ｍ〜数百ｍ離間している。
なお、標識灯（灯体５０＋光源５１）は、共通の点灯装置３０に対して２個の場合の他、１個でも３個以上であってもよい。

次に、本実施形態の作用を説明する。定電流電源装置１０から所望の例えば最大の光出力を得るための電流値、すなわち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の定電流が可飽和手段２０を介して各点灯装置３０に供給される。

各点灯装置３０では、整流装置３１から出力された直流電圧がスイッチング手段３２により制御されて平滑コンデンサ３４に印加され、所定の直流電圧に変換される。また、前記スイッチング手段３２、電圧検出装置３６および制御装置６０からなる定電圧化手段により所定の電圧値に一定化される。この直流電圧はスイッチング手段３５を介して光源５１、５１に供給される。

一方、制御装置６０は、定電流電源装置１０の出力電流信号を電流検出手段６１から入力される。今は最大の６．６Ａの電流が出力されているから、制御装置６０はスイッチング手段３５のオンオフ動作期間をオンデューティが約１００％になるようにＰＷＭ制御するとともにＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さい１００Ｈｚとする（図２（ａ））。
また、フィルタ手段７０の周波数特性を１００Ｈｚでの光源５１、５１への電力伝達効率が良好となるようにインピーダンスを切換える。

点灯装置と光源とを接続する電気配線における寄生容量、寄生インダクタによる影響は周波数に依存するが、この場合、周波数が相対的に小さいために、ＰＷＭ出力の減衰を抑えることができる。
さらに、フィルタ手段７０により、このときの周波数１００Ｈｚに好適な通過特性になっているため、一層電力の減衰を低減することができる。

これにより、光源５１、５１に所定の例えば実効値的に３５０ｍＡの電流を供給するために、配線による減衰分を加味してＰＷＭ出力を送出するようにしたとしても、点灯装置３０の回路部品や配線の容量増加を小さく抑えることができる。

また、図２（ａ）のように、この場合、オンデューティが約１００％と光源５１、５１が点灯している期間が長いため、ちらつきの発生を抑えることができている。

つぎに、定電流電源装置１０からの電流値が４．１Ａすなわち本実施形態において５段階の内、３番目の明るさを得る電流を出力するように設定されていると、この４．１Ａの定電流が可飽和手段２０を介して各点灯装置３０に供給される。

各点灯装置３０では、整流装置３１から出力された直流電圧がスイッチング手段３２により制御されて平滑コンデンサ３４に印加され、所定の直流電圧に変換される。また、前記スイッチング手段３２、電圧検出装置３６および制御装置６０からなる定電圧化手段により所定の電圧値に一定化される。制御装置６０はスイッチング手段３５をＰＷＭ制御して光源５１、５１を調光点灯する。

このとき、制御装置６０は、３番目の４．１Ａの電流に応じてスイッチング手段３５のオンオフ動作期間をオンデューティが１２．５％になるようにＰＷＭ制御するとともにＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きい２００Ｈｚとする。

また、フィルタ手段７０の周波数特性を２００Ｈｚでの光源５１、５１への電力伝達効率が良好となるようにインピーダンスを切換える。

これにより、点灯装置と光源とを接続する電気配線における寄生容量、寄生インダクタによる影響は周波数が大きくなった分大きくなる。しかし、フィルタ手段７０により、このときの周波数２００Ｈｚに好適な通過特性になっているため、電力の減衰を低減することができる。

そして、この場合、オンデューティが１２．５％と光源５１、５１が点灯している割合は小さいが、周波数が大きいため、ちらつきの発生を抑えることができている。

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、各実施形態の組合せや置換が可能であったり、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。

１０…定電流電源装置、２０…可飽和手段、３０…点灯装置、４０、４１、４２…変流器、５０…灯体、５１…光源、６０…制御装置、７０…フィルタ手段。

Claims (3)

1. ＰＷＭ出力を変化可能な点灯装置と；
   点灯装置から離間して配置され点灯装置からのＰＷＭ出力により点灯される光源と；
   点灯装置のＰＷＭ出力を調光信号に応じて制御することにより光源を調光点灯するとともに、ＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きくする制御手段と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。
2. 出力電流値を複数段階に切換え可能な定電流電源装置と；
   それぞれの入力部を定電流電源装置の出力側に互いに直列的に接続された複数個の可飽和手段と；
   各可飽和手段に対応して設けられ、可飽和手段の出力を入力してＰＷＭ出力を変化可能に出力する複数個の点灯装置と；
   対応する点灯装置から離間して配置され点灯装置からのＰＷＭ出力により点灯される光源を有する複数個の灯体と；
   各点灯装置に対応して設けられ、可飽和手段から入力される定電流値に応じて点灯装置のＰＷＭ出力を制御することにより灯体の光源を調光点灯するとともに、ＰＷＭ出力が大きいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に小さく、ＰＷＭ出力が小さいときにはＰＷＭの繰返し周波数を相対的に大きくする制御手段と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。
3. 前記点灯装置および光源の間に周波数特性を変化可能なフィルタ手段を設け、前記制御手段は、ＰＷＭの繰返し周波数を変化させるのに伴ってフィルタ手段の周波数特性を変化させるようになされていることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。

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