JP2016192292A - Ｌｅｄ点灯装置、ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路面積を増大することなく、入力電圧の変動に起因するＬＥＤへの出力電流の変動を防止する。【解決手段】実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置２は、ＬＥＤに電流を供給する点灯回路と、点灯回路からＬＥＤへの電流の供給を制御するＰＷＭ信号を生成する調光器７とを備え、調光器７は、ＬＥＤへの電流の供給を制御するＰＷＭ信号を、ＬＥＤに出力される出力電流と目標電流とを比較してフィードバック制御するとともに、商用電源１からの入力電圧の変動に応じてフィードフォワード制御する。【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ点灯装置、ＬＥＤ照明装置に関し、例えば、入力電圧の変動に対しＬＥＤのチラツキが発生しないＬＥＤ点灯装置、ＬＥＤ照明装置に関する。

ＬＥＤ点灯装置には、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換し、ＬＥＤに所定の電流を供給して調光を行うものが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の直流点灯装置は、商用電源の位相制御により、入力電圧の波形に比例した調光制御を行う。

この直流点灯装置では、入力電圧の変動によるＬＥＤのチラツキを低減させるため、商用電源の電圧変動吸収回路が設けられている。電圧変動吸収回路は、出力平滑回路により平滑できない低周波電圧・低周波電流に基づくリプルを吸収する。

特開２０１３−３０３７３号公報

特許文献１では、出力平滑回路の後段に、電圧変動吸収回路としてトランジスタを追加して、トランジスタのコレクタ電流が一定となるように制御することによりＬＥＤへの出力電流の変動を防止している。このように、特許文献１では、チラツキを防止するための回路の追加が必要となり、回路面積が増大するという問題がある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、ＬＥＤへの電流の供給を制御する制御信号が、ＬＥＤに出力される出力電流と目標電流とを比較してフィードバック制御されるとともに、商用電源の変動に応じてフィードフォワード制御される。

前記一実施の形態によれば、チラツキ防止用の回路を追加することなく、入力電圧の変動に起因するＬＥＤへの出力電流の変動を防止することが可能となる。

実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置の動作を説明する図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置の入力電圧変動時の動作を説明する図である。 実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置の入力電圧、ＰＭＷ信号、出力電流の波形を示す図である。 実施の形態２に係るＬＥＤ点灯装置の入力電圧変動時の動作を説明する図である。 ＰＦＣ機能を有するＬＥＤ点灯装置において、フィードバック制御の応答性を向上させた場合の効果について説明する図である。 ＰＦＣ機能を有するＬＥＤ点灯装置において、フィードバック制御の応答性を向上させた場合の効果について説明する図である。 チラツキ防止回路がない場合の、入力電圧変動時の出力電流の波形を示す図である。 比較例に係るＬＥＤ照明装置の構成を示す図である。

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。以下の実施の形態に示す具体的な値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、それに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

実施の形態は、商用電源からの交流電圧を直流電圧へと変換してＬＥＤに供給し、ＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯装置を備えるＬＥＤ照明装置に関する。実施の形態に係るＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤへの電流の供給を制御する制御信号を、ＬＥＤに出力される出力電流と目標電流とを比較してフィードバック制御することにより調光を行う。また、当該制御信号は、入力電圧の変動に応じてフィードフォワード制御され、入力電圧の変動に対するＬＥＤのチラツキを抑制する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態について説明する。
＜実施の形態１＞
実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係るＬＥＤ照明装置１０の構成を示す図である。図１に示すように、ＬＥＤ照明装置１０は、商用電源１、ＬＥＤ点灯装置２、ＬＥＤモジュール３を有している。

（点灯装置２）
ＬＥＤ点灯装置２は、商用電源１からの交流を直流に変換し、ＬＥＤモジュール３に直流電流を出力する。ＬＥＤ点灯装置２の入力側には、商用電源１が接続されている。また、ＬＥＤ点灯装置２の出力側には、ＬＥＤモジュール３が接続されている。

ＬＥＤ点灯装置２は、入力平滑回路４、インバータ回路５、出力平滑回路６、調光器７を備えている。入力平滑回路４、インバータ回路５、出力平滑回路６は、ＬＥＤに電流を供給する点灯回路である。また、調光器７は、点灯回路からＬＥＤへの電流の供給を制御する制御信号を生成する制御部である。

（入力平滑回路４）
入力平滑回路４は、整流回路Ｄ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ１を有している。整流回路Ｄ１は、４つのダイオードからなるダイオードブリッジである。整流回路Ｄ１の交流入力端に商用電源１が接続されている。整流回路Ｄ１は、商用電源１からの交流電圧を、脈流を含んだ直流電圧に変換する。整流回路Ｄ１は、商用電源１から供給される正弦波形の交流電圧を全波整流する。

整流回路Ｄ１の直流出力端には、抵抗Ｒ１及びＲ２と、コンデンサＣ１とが並列接続されている。コンデンサＣ１は、整流回路Ｄ１で整流された直流電圧を平滑化する。入力電圧となるこの直流電圧を測定するために、入力平滑回路４は、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して調光器７に接続されている。

（インバータ回路５）
インバータ回路５は、入力平滑回路４からの直流電圧を所定の直流電圧に変換する。インバータ回路５は、フライバックトランスＴＲ１、スイッチング素子Ｑ１、整流回路Ｄ２を有する。コンデンサＣ１の正極は、フライバックトランスＴＲ１の一次巻線の一端に接続されている。

フライバックトランスＴＲ１の一次巻線の他端は、ＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ１のドレイン電極に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソース電極は接地されて、コンデンサＣ１の負極に接続されている。入力平滑回路４からの脈流を有する直流電圧は、インバータ回路５のフライバックトランスＴＲ１の一次側に印加される。

入力平滑回路４からの直流電圧をスイッチング素子Ｑ１でチョッピングすることにより、フライバックトランスＴＲ１の二次側に所定の直流電圧が伝達される。スイッチング素子Ｑ１のゲート電極には、調光器７からのＰＷＭ信号が供給されている。ＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御して、ＬＥＤへの電流の供給を制御する制御信号である。例えば、ＰＷＭ信号がハイレベルの時にスイッチング素子Ｑ１がオンとなり、ロウレベルのときにスイッチング素子Ｑ１がオフとなる。

ここで、図２、３を参照して、フライバックトランスＴＲ１の動作について説明する。図２、３は、実施の形態１に係るＬＥＤ点灯装置のフライバックトランスＴＲ１の動作を説明する図である。図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、フライバックトランスＴＲ１の一次巻線に電流が流れる。これに起因して発生する磁界により、コアが磁化されエネルギーが蓄積される。

図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１がオフとなると、コアに蓄積されたエネルギーが解放され、二次巻線に電流が流れる。二次巻線からの電流は、整流回路Ｄ２を介して、ＬＥＤへと供給される。このように、調光器７によるスイッチング素子Ｑ１のオン・オフで出力電流の値が決まる。フライバックトランスＴＲ１の二次巻線の一端は、整流回路Ｄ２のアノードに接続されている。整流回路Ｄ２は、フライバックトランスＴＲ１の二次巻線からの電流を整流する。

（出力平滑回路６）
出力平滑回路６は、コンデンサＣ２を有する。出力平滑回路６は、フライバックトランスＴＲ１により伝達された直流を平滑化して必要な直流電圧にする。整流回路Ｄ２のカソードは、コンデンサＣ２の正極に接続されている。

コンデンサＣ２の負極は、フライバックトランスＴＲ１の二次巻線の他端に接続され、接地されている。コンデンサＣ２の両極間の電圧は、ＬＥＤモジュール３に出力される。ＬＥＤに所定の直流電圧が印加されることにより、ＬＥＤに一定の電流が流れ、一定の光出力が得られる。また、ＬＥＤのカソードでの出力電流を計測するために、ＬＥＤには調光器７の抵抗Ｒ３が直列に接続されている。

（調光器７）
調光器７は、ＬＥＤモジュール３の調光を行うために、スイッチング素子Ｑ１を制御する制御部である。調光器７は、ＬＥＤが所定の調光レベルになるように、ＬＥＤに出力される出力電流と調光レベルを示す目標電流とを比較して制御信号をフィードバック制御して修正制御信号を生成する。また、調光器７は、点灯回路に接続される商用電源１からの入力電圧の変動を検出し、入力電圧の変動に応じて修正制御信号をフィードフォワード制御する。

調光器７は、アナログデジタルコンバータ（以下、ＡＤＣとする）７１、フィードバック制御回路７２、ＡＤＣ７３、入力変動検出回路７４、ＰＷＭ信号生成回路７５を有するマイコン（Micro Control Unit）である。ＡＤＣ７１は、ＬＥＤからの出力電流をデジタルデータに変換する。フィードバック制御回路７２は、ＡＤＣ７１において変換されたデジタル値の出力電流と目標電流とを比較して、ＬＥＤ点灯装置２からＬＥＤに供給される直流電圧が所望の値に近づくようにスイッチング素子Ｑ１を制御する修正制御信号を生成する。

ＡＤＣ７３は、ＬＥＤ点灯装置２への入力電圧をデジタルデータに変換する。入力変動検出回路７４は、ＡＤＣ７３において変換されたデジタル値の入力電圧の変動を検出し、入力電圧の変動率に応じてＡＤＣ７３から出力される修正制御信号をフィードフォワード制御する。

ＰＷＭ信号生成回路７５は、フィードフォワード制御された制御信号から、ＰＷＭ信号を生成する。当該ＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ１に出力される。スイッチング素子Ｑ１は、ＰＷＭ信号のパルス周期及びデューティ比に応じてオン・オフが制御される。

ここで、図４、５を参照して、入力電圧が変動したときのＬＥＤ点灯装置２の制御方法について説明する。図４は、ＬＥＤ点灯装置２に設けられている調光器７の入力電圧変動時の動作を説明する図である。図５は、ＬＥＤ点灯装置の入力電圧、ＰＭＷ信号、出力電流の波形を示す図である。

ここでは、ＰＩ（Proportional-Integral）制御でフィードバック制御を行った例を示す。フィードバック制御回路７２は、現在の出力電流と目標電流との偏差の大きさに比例し、過去の偏差の積分値（累積値）の大きさに比例した修正制御信号を生成する。具体的には、フィードバック制御回路７２は、出力電流と目標電流との偏差にＰゲイン（比例係数）を乗じた比例項と、当該偏差にＩゲイン（積分係数）を乗じて前回値を加算した積分項とを加算して、修正制御信号を生成する。つまり、フィードバック制御回路７２は、目標電流と出力電流との偏差と、当該偏差の積分制御要素に基づいてＰＷＭ信号を生成する。

図４は、フィードバック制御のブロック図であり、一周期遅れの遅延素子を１／Ｚと示している。ａ１は積分係数（Ｉゲイン）であり、ａ２は比例係数（Ｐゲイン）である。ａ３は、入力電圧の変動があった場合に更新される係数である。

調光器７は、抵抗Ｒ３で計測した出力電流と目標電流との偏差がなくなるように、フィードバック制御を行う。また、調光器７は、抵抗Ｒ１で計測した入力電圧を全波整流した正弦波の半周期前の値と比較して、フィードフォワード制御を行う。フィードフォワード制御では、入力電圧の変動率の逆数を、フィードバック制御回路７２から出力される修正制御信号が示すＰＷＭ信号のオン幅に掛け合わせる。

入力電圧が大きくなった場合にはオン幅が小さくなり、入力電圧が小さくなった場合にはオン幅が大きくなる。このように、入力電圧の変動を相殺するように、ＰＷＭ信号のオン幅が変更される。図５に示すように、入力電圧が低下した場合、ＰＷＭ信号のＯＮ幅が大きくなり、出力電流の変動が抑えられる。

例えば、入力電圧が０．８倍となった場合、ａ３を１．２５（＝１／８）倍した値ａ３‘を新たな係数とする。その後、入力電圧が２倍となった場合には、ａ３’と０．５（１／２）倍した値ａ３’’が新たな係数となる。このようにＰＷＭ信号のオン幅が制御されることで、入力変動による出力電流の変化を抑制することが可能となる。

ここで、図９を参照して、チラツキ防止回路がない場合の、入力電圧変動時の出力電流の波形について説明する。商用電源を使用するＬＥＤ照明装置では、図９に示すように、ドライヤー等の他の家電機器の使用時等に商用電源の電圧が一時的に降下することが原因で、出力電流が低下し、ＬＥＤにチラツキが発生するという問題があった。

そこで、本発明者らは、図１０に示すように、インバータ回路５と出力平滑回路６との間にチラツキ防止回路９を設けた比較例を考案した。図１０に示す比較例では、調光器８は、ＡＤＣ８１、フィードバック制御回路８２、ＰＷＭ制御回路８３、ＡＤＣ８４、入力変動検出回路８５を有している。

この比較例では、調光器８は、入力電圧の変動を考慮せず、出力電流のみを観測し、ＰＷＭ信号をフィードバック制御する。調光器８、チラツキ対策として入力電圧を監視し、入力電圧の変動に応じてチラツキ防止回路９を制御するチラツキ制御信号を生成する。入力電圧の変動が観測された場合には、チラツキ防止回路９の負荷が変更され、出力電流が修正される。

しかしながら、図１０に示す比較例では、チラツキ防止回路９の追加が必要となり、回路面積が増大するという問題がある。また、チラツキ防止回路９が電力を消費するため、消費電力の低減についてさらに改善の余地が残る。

これに対し、実施の形態では、チラツキ防止回路を別途設けることなく、入力電圧の変動で出力電流が変化しないように、ＰＷＭ信号のオン幅を制御することができる。これにより、回路面積の増大を抑制することができる。また、チラツキ防止回路がないため、電力消費を抑えることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係るＬＥＤ点灯装置の入力変動時の動作について、図６を参照して説明する。図６は、ＬＥＤ点灯装置２に設けられている調光器７の入力電圧変動時の動作を説明する図である。実施の形態１の入力電圧変動時の制御方法では、入力電圧の変動が発生する度に、フィードバック制御の直流ゲイン（係数ａ３）が変化し、フィードバック制御の特性が変化する。また、フィードバック制御回路７２はデジタル制御を行っており、ＰＷＭ信号のデューティ比の変更に伴って分解能も変化する。実施の形態２では、これを改良する制御方法である。

なお、図６に示す例においても、ＰＩ制御でフィードバック制御を行うものとする。図６は、フィードバック制御のブロック図であり、一周期遅れの遅延素子を１／Ｚと示している。ａ１は積分係数（Ｉゲイン）であり、ａ２は比例係数（Ｐゲイン）である。Ｅ（ｎ）は、出力電流と目標電流の偏差（目標電流−出力電流）を示している。また、Ｘ（ｎ）は積分値であり、Ｙ（ｎ）は出力されるＰＷＭ信号である。

積分値Ｘ（ｎ）は、前回までの積分値（累積値）Ｘ（ｎ−１）に今回の偏差Ｅ（ｎ）を加算したものとなり、以下の式（１）で表される。
Ｘ（ｎ）＝Ｘ（ｎ−１）＋Ｅ（ｎ）・・・（１）
また、ＰＷＭ信号Ｙ（ｎ）は、以下の式（２）で表される。
Ｙ（ｎ）＝ａ１・Ｘ（ｎ）＋ａ２・Ｅ（ｎ）・・・（２）

実施の形態２では、入力電圧の変動が発生した場合のみに、修正制御信号に入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせるとともに、積分値Ｘ（ｎ）に対しても入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせる。すなわち、ＰＷＭ信号を入力電圧の変動率に応じて変化させると同時に、積分値Ｘ（ｎ）を同じ比率で変化させる。入力変動が発生した場合に変更されるＰＷＭ信号Ｙ（ｎ）’、積分値Ｘ（ｎ）’は、以下の式（３）、（４）でそれぞれ表される。
Ｙ（ｎ）’＝Ｙ（ｎ）・（１／Ｚ）・・・（３）
Ｘ（ｎ）’＝Ｘ（ｎ）・（１／Ｚ）・・・（４）

すなわち、入力変動検出回路７４は、フィードバック制御回路７２により生成された修正制御信号に入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせてＰＷＭ信号のオン幅を変更するとともに、積分制御要素に入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせて当該積分制御要素を更新する。このような制御方法により、入力電圧の変動が発生した時に更新される係数ａ３が不要となる。これにより、フィードバック制御の特性を変化させず、デジタル制御の分解能の低下を抑制することが可能となる。

次に、図７、８を参照して、ＬＥＤ点灯装置２が力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）機能を有する場合について説明する。図７、８は、ＰＦＣ機能を有するＬＥＤ点灯装置において、フィードバック制御の応答性を向上させた場合の効果について説明する図である。図７は力率の良い波形を示しており、図８は力率の悪い波形を示している。図７、８において、入力電圧が破線で示されており、入力電流が実線で示されている。

ＰＦＣ機能を有するＬＥＤ点灯装置２は、入力電圧に対する入力電流のずれに起因する力率の悪化や高調波の発生を抑制する。例えば、ＰＦＣ機能を有する回路として、商用電源１と整流回路Ｄ１との間にＡＣラインフィルタ回路を設けたり、インバータ回路５内に出力される直流電圧を所望の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを設けることができる。

このようなＰＦＣ機能を有するインバータ回路５では、各種の電圧及び電流を定期的にサンプリングし、入力電圧の正弦波に合わせて入力電流が出力される。図７に示すように力率がよい場合は、入力電圧と入力電流の位相が等しくなる。このようにＬＥＤ点灯装置２がＰＦＣ機能を有する場合は、フィードバック制御の応答特性を上げることは困難である。したがって、図７に示すように、入力電圧が変動した場合には、ＬＥＤ点灯装置２からの出力電圧が変動してしまう。

実施の形態では、入力電圧が変動した場合のみ、フィードフォワード制御を行い、ＰＷＭ信号のオン幅を変更して応答性を向上させている。このようにフィードバック制御の応答性を向上させた場合、図８に示すように、入力電圧の正弦波と入力電流の波形が合わず、力率が悪化するものの、フィードフォワード制御で入力電圧の変動を相殺するようにＰＷＭ信号のオン幅を変更することができる。これにより、ＬＥＤ点灯装置２がＰＦＣ機能を有する場合でも、出力電圧の変動を抑制し、ＬＥＤのチラツキを有効に防止することが可能となる。

なお、実施の形態１では、フィードバック制御としてＰＩ制御を行う例を示したが、ＰＩＤ制御等、他の制御方式を採用することも可能である。また、上述の実施の形態では、ＰＷＭ信号のオン幅を変更して入力電圧の変動を相殺したが、これに限定されるものではない。例えば、入力電圧が変動した場合に応答性の高いフィードバック制御を行うために、比例係数や積分係数を変更してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ 商用電源
２ ＬＥＤ点灯装置
３ ＬＥＤモジュール
４ 入力平滑回路
５ インバータ回路
６ 出力平滑回路
７ 調光器
７１ ＡＤＣ
７２ フィードバック制御回路
７３ ＡＤＣ
７４ 入力変動検出回路
７５ ＰＷＭ信号生成回路
１０ ＬＥＤ照明装置
Ｄ１ 整流回路
Ｄ２ 整流回路
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
ＴＲ１ フライバックトランス
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗
Ｑ１ スイッチング素子

Claims (6)

1. ＬＥＤに電流を供給する点灯回路と、
   前記点灯回路から前記ＬＥＤへの電流の供給を制御する制御信号を生成する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記ＬＥＤが所定の調光レベルになるように、前記ＬＥＤに出力される出力電流と、前記調光レベルを示す目標電流とを比較して前記制御信号をフィードバック制御するフィードバック制御部と、
   前記点灯回路に接続される商用電源からの入力電圧の変動を検出し、前記入力電圧の変動に応じて前記制御信号をフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部と、
   を有する、
   ＬＥＤ点灯装置。
2. 前記制御信号は、ＰＷＭ信号であり、
   前記ＰＷＭ信号のディユーティ比に従って、前記ＬＥＤへの出力電流が制御される、
   請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
3. 前記フィードフォワード制御部は、前記入力電圧の変動が発生した場合、前フィードバック制御部によりフィードバック制御された修正制御信号に前記入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせて、前記ＰＷＭ信号のオン幅を変更する、
   請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置。
4. 前記入力電圧の変動が発生した場合、
   前記フィードバック制御部は、前記目標電流と前記出力電流との偏差と、当該偏差の積分制御要素に基づいて前記ＰＷＭ信号を生成し、
   前記フィードフォワード制御部は、前記フィードバック制御部により生成された修正制御信号に前記入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせて前記ＰＷＭ信号のオン幅を変更するとともに、前記積分制御要素に前記入力電圧の変動率の逆数を掛け合わせて当該積分制御要素を更新する、
   請求項２に記載のＬＥＤ点灯装置。
5. 前記点灯回路は、前記商用電源の力率改善機能を有する、
   請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置。
6. 請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置と、
   前記ＬＥＤ点灯装置から電流が供給されるＬＥＤと、
   を備えるＬＥＤ照明装置。

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