JP2018055787A - 点灯装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングノイズの影響を低減することができる点灯装置および照明装置を提供する。【解決手段】制御装置は、基板上に実装され、第１点灯回路と第２点灯回路との間に配置され、第１点灯回路および第２点灯回路を制御する。制御装置は、第１発光素子と第２発光素子を同じ調光度で点灯する場合に、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを互いに異なる周波数でスイッチングする。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、点灯装置および照明装置に関する。

色温度の異なる複数のＬＥＤ（light emitting diode）を同時に点灯して調色および調光を行える照明装置がある。

特許第５９３６０８６号公報

実施形態によれば、スイッチングノイズの影響を低減することができる点灯装置および照明装置を提供する。

実施形態の点灯装置は、基板と、前記基板上に実装された直流電源と、前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、第１発光素子を点灯する第１点灯回路と、前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、前記第１発光素子と同じ順電圧をもつ第２発光素子を点灯する第２点灯回路と、前記基板上に実装され、前記第１点灯回路と前記第２点灯回路との間に配置され、前記第１点灯回路および前記第２点灯回路を制御する制御装置と、を備えている。前記第１点灯回路は、前記直流電源と前記第１発光素子との間に接続された第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第１発光素子との間に接続された第１インダクタとを有する。前記第２点灯回路は、前記直流電源と前記第２発光素子との間に接続された第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子と前記第２発光素子との間に接続され、前記第１インダクタとは異なるインダクタンスをもつ第２インダクタとを有する。前記制御装置は、前記第１発光素子と前記第２発光素子を同じ調光度で点灯する場合に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを互いに異なる周波数でスイッチングする。

実施形態によれば、スイッチングノイズの影響を低減することが可能となる。

実施形態の照明装置の回路ブロック図。 実施形態の点灯回路の回路図。 実施形態の点灯回路におけるインダクタ電流の時間変化を示す図。 実施形態の点灯回路におけるスイッチング素子の動作タイミングチャート。 実施形態の照明装置の調光調色範囲図。 実施形態の点灯装置のブロック図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１は、実施形態の照明装置５０の回路ブロック図である。

実施形態の照明装置５０は、点灯装置１０と、第１発光素子１と、第２発光素子２とを備えている。点灯装置５０は、直流電源１３と、第１点灯回路１１と、第２点灯回路１２と、制御装置４とを備えている。

点灯装置１０の入力端は交流電源５に接続され、点灯装置１０の出力端に負荷である第１発光素子１および第２発光素子２が接続されている。

直流電源１３の入力端は交流電源５に接続されている。第１点灯回路１１および第２点灯回路１２は、共通の直流電源１３に接続され、その直流電源１３から同じ直流電力の供給を受ける。

第１点灯回路１１は、第１発光素子１に接続され、第１発光素子１を点灯する。第２点灯回路１２は、第２発光素子２に接続され、第２発光素子２を点灯する。

第１発光素子１は、例えば、ＬＥＤと蛍光体層とを組み合わせた構成を有する。複数のＬＥＤが、第１点灯回路１１の出力端に直列接続されている。

例えば、青色光を発光するＬＥＤと、その青色光（励起光）を吸収して黄色光、緑色光、赤色光などに変換する蛍光体を含む蛍光体層との組み合わせにより、擬似的に白色や電球色などの光が得られる。

第２発光素子２も、ＬＥＤと蛍光体層とを組み合わせた構成を有する。複数のＬＥＤが、第２点灯回路１２の出力端に直列接続されている。第１発光素子１のＬＥＤと第２発光素子２のＬＥＤは同じＬＥＤであり、同じ順電圧をもつ。第１発光素子１の蛍光体層の構成と第２発光素子２の蛍光体層の構成は異なり、したがって、第１発光素子１と第２発光素子２は色温度（光色）が異なる。

第１発光素子１および第２発光素子２に供給される電流変化で、光出力（明るさ）を調整できる。また、例えば、第１発光素子１の色温度は第２発光素子２の色温度よりも高く、第１発光素子１は青みが相対的に多い白色（Ｗ色）を発光し、第２発光素子２は赤みが相対的に多い電球色（Ｌ色）を発光する。第１発光素子１および第２発光素子２を同時に点灯して、第１発光素子１および第２発光素子２に供給される電流の比率を変化させることで、Ｗ色とＬ色との間の色温度を得ることができる。

第１点灯回路１１および第２点灯回路１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、さらに具体的には降圧チョッパ回路である。

図２（ａ）は第１点灯回路１１の回路図である。

第１スイッチング素子Ｑ１、第１インダクタ２１、および出力コンデンサ３１の直列回路が、直流電源１３の出力端に接続されている。

直流電源１３の直流電圧Ｖ_ＤＣが供給される高電位側と、低電位側（グランド）との間に、ダイオード３２、第１スイッチング素子Ｑ１、および電流検出用の抵抗３３が直列接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１は、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field effect transistor）構造を有する。

ダイオード３２のカソードは直流電源１３の高電位側に接続されている。ダイオード３２のアノードは、第１インダクタ２１の一端および第１スイッチング素子Ｑ１の第１端子に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１の第２端子と直流電源１３の低電位側との間に抵抗３３が接続されている。

出力コンデンサ３１は、第１インダクタ２１の他端およびダイオード３２のカソードに接続され、第１インダクタ２１、ダイオード３２、および出力コンデンサ３１は閉回路を形成している。出力コンデンサ３１の両端は、第１点灯回路１１の出力端であり、その出力コンデンサ３１の両端に負荷となる第１発光素子１が接続されている。

図２（ｂ）は第２点灯回路１２の回路図である。

第２点灯回路１２も第１点灯回路１１と同様に構成される。第２スイッチング素子Ｑ２、第２インダクタ２２、および出力コンデンサ３１の直列回路が、直流電源１３の出力端に接続されている。

直流電源１３の直流電圧Ｖ_ＤＣが供給される高電位側と、低電位側（グランド）との間に、ダイオード３２、第２スイッチング素子Ｑ２、および電流検出用の抵抗３３が直列接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２は、説明の便宜上、第１スイッチング素子Ｑ１とは異なる符号を付しているが、第１スイッチング素子Ｑ１と同じスイッチング素子である。

ダイオード３２のカソードは直流電源１３の高電位側に接続されている。ダイオード３２のアノードは、第２インダクタ２２の一端および第２スイッチング素子Ｑ２の第１端子に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２の第２端子と直流電源１３の低電位側との間に抵抗３３が接続されている。

出力コンデンサ３１は、第２インダクタ２２の他端およびダイオード３２のカソードに接続され、第２インダクタ２２、ダイオード３２、および出力コンデンサ３１は閉回路を形成している。出力コンデンサ３１の両端は、第２点灯回路１２の出力端であり、その出力コンデンサ３１の両端に負荷となる第２発光素子２が接続されている。

第２点灯回路１２における第２インダクタ２２のインダクタンスは、第１点灯回路１１における第１インダクタ２１のインダクタンスと異なる。

図１に示すように、制御装置４は、第１点灯回路１１および第２点灯回路１２を制御する第１制御部（制御ＩＣ（integrated circuit））４ａと、第１制御部４ａに制御目標値を与える第２制御部（ＭＣＵ（microcontroller unit））４ｂとを有する。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１制御部４ａは、第１スイッチング素子Ｑ１のゲート端子に制御信号ＤＳＧ１を与え、第２スイッチング素子Ｑ２のゲート端子に制御信号ＤＳＧ２与える。

また、第１制御部４ａには、第１点灯回路１１における第１インダクタ２１の端子電圧および抵抗３３の端子電圧が電流帰還のための検出信号として入力し、第２点灯回路１２における第２インダクタ２２の端子電圧および抵抗３３の端子電圧が電流帰還のための検出信号として入力する。

図３は、第１インダクタ２１および第２インダクタ２２に流れるインダクタ電流Ｉ_Ｌの時間変化を示す図である。
図４（ａ）は、第１スイッチング素子Ｑ１のオンオフの動作タイミングチャートであり、図４（ｂ）は、第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフの動作タイミングチャートである。

第１制御部４ａから送られる制御信号ＤＳＧ１により、第１スイッチング素子Ｑ１は図４（ａ）に示すように、オンとオフが繰り返される（スイッチングされる）。第１制御部４ａから送られる制御信号ＤＳＧ２により、第２スイッチング素子Ｑ２は図４（ｂ）に示すように、オンとオフが繰り返される（スイッチングされる）。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンの期間ｔ_ｏｎ、直流電源１３からインダクタ２１、２２に直線的に増加する増加電流が流れ、インダクタ２１、２２に電磁エネルギーが蓄積する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフの期間ｔ_ｏｆｆ、インダクタ２１、２２は蓄積したエネルギーを放出し、インダクタ２１、２２、ダイオード３２、および出力コンデンサ３１の閉回路に直線的に減少する減少電流が流れる。このような動作が繰り返され、出力コンデンサ３１の両端間に、直流電源１３の出力電圧Ｖ_ＤＣを降圧した直流電圧が出力され、発光素子１、２に順電流が供給される。

発光素子１、２は所望の調光度（光出力）で点灯される。その調光度に応じて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の動作周波数（スイッチング周波数）を変える。このスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数の変化により、点灯回路１１、１２の出力電流、すなわち発光素子１、２に供給される順電流が、調光度に応じて変化し、発光素子１、２の光出力（明るさ）が変化する。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数が低くなると、発光素子１、２の光出力は大きくなり、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数が高くなると、発光素子１、２の光出力は小さくなる。

直流電源１３は第１点灯回路１１および第２点灯回路１２に共通に設けられ、第１発光素子１の順電圧と第２発光素子２の順電圧は同じである。したがって、第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度（光出力）で点灯させる場合、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数と第２スイッチング素子Ｑ２の周波数を同じにすればよい。

第１制御部４ａは、インダクタ電流Ｉ_Ｌ検出して、その検出結果に基づいてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを制御し、図３に示すようないわゆる臨界制御を行う。ここで、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数、すなわちオンオフのタイミングが同じ動作が続くと、例えば、第１インダクタ２１のインダクタ電流を検出するときなどに、第２スイッチング素子Ｑ２の動作によるノイズの影響を受けやすくなる。逆に、第２インダクタ２２のインダクタ電流を検出するときなどに、第１スイッチング素子Ｑ１の動作によるノイズの影響を受けやすくなる。

実施形態によれば、第１制御部４ａは、第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度（光出力）で点灯する場合に、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２とを互いに異なる周波数でスイッチングする。すなわち、第１制御部４ａは、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフのタイミングをずらす。

ここで、インダクタの特性は、（１）式で表せる。Ｌはインダクタのインダクタンス、Ｉ_{Ｌｐｅａｋ}はインダクタ電流のピーク値、Ｖ_Ｌはインダクタの端子電圧を表す。

そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオンの期間ｔ_ｏｎのインダクタ特性は（２）式で表され、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフの期間ｔ_ｏｆｆのインダクタ特性は（３）式で表される。Ｖ_ＤＣは直流電源１３の直流電圧を、Ｖ_ＬＥＤは発光素子１、２の順電圧を表す。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数ｆは、（４）式で表される。

第１点灯回路１１と第２点灯回路１２は同じＶ_ＤＣと同じＶ_ＬＥＤをもつ。したがって、第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度（Ｖ_ＬＥＤ）で点灯する場合に、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフのタイミングをずらすために、第１インダクタ２１のインダクタンスと第２インダクタ２２のインダクタンスを異ならせている。

このように実施形態によれば、第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度で点灯する場合に、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２とを互いに異なる周波数でスイッチングすることで、第１点灯回路１１の動作が第２点灯回路１２の動作によるノイズの影響を受けにくく、逆に、第２点灯回路１２の動作が第１点灯回路１１の動作によるノイズの影響を受けにくい。これは、照明装置の高精度な調光制御および調色制御を可能にする。

図５は、実施形態の照明装置の調光調色範囲図である。

横方向は光色（色温度）を表し、左側ほど色温度が低く、右側ほど色温度が高い。縦方向は調光度（光出力）を表す。Ａ点は、Ｌ色（第２発光素子２）の１００％点灯状態を表す。Ｃ点は、Ｗ色（第１発光素子１）の１００％点灯状態を表す。Ｂ点は、Ｌ色（第２発光素子２）の１００％点灯状態、且つＷ色（第１発光素子１）の１００％点灯状態、すなわち全光状態を表す。Ａ点、Ｂ点、およびＣ点をむすぶ線は、調光上限を表す。

第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度（光出力）で点灯する場合に、例えば、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数を第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数よりも高くすることで、それら両スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数を異ならせている。

そのような点灯状態から、例えば色温度を高くする場合には、第１発光素子１の光出力を上げるために第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数を低くする。そうすると、Ｗ色側の範囲において、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数と第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数とが同じになる、すなわち、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２が同じタイミングでオンオフするポイントが存在することがある。

そこで、実施形態によれば、図４（ａ）に示すように、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数にジッターをもたせている。他方の第２スイッチング素子Ｑ２は、調光度に対応した一定周波数でスイッチングされる。

例えば、１００ｋＨｚでスイッチングしている第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数を、ある特定区間（例えば１ｍｓｅｃ）の間で、１００ｋＨｚプラスマイナス３ｋＨｚ程度変動させる。

または、第１発光素子１と第２発光素子２を同じ調光度（光出力）で点灯する場合に、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数よりも高くすることで、それら両スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数を異ならせてもよい。

そのような点灯状態から、例えば色温度を低くする場合には、第２発光素子２の光出力を上げるために第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数を低くする。そうすると、Ｌ色側の範囲において、第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数と第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数とが同じになる、すなわち、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２が同じタイミングでオンオフするポイントが存在することがある。

そのような場合、第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数にジッターをもたせる。他方の第１スイッチング素子Ｑ１は、調光度に対応した一定周波数でスイッチングされる。

第１スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周波数と第２スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数が重なる場合のみ、一方のスイッチング周波数にジッターをもたせる。または、図５に示すすべての範囲で一方のスイッチング周波数にジッターをもたせる。

このような一方のスイッチング素子にジッターを持たせる制御により、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフのタイミングが重なることによるノイズの影響を抑制することができる。

図６は、実施形態の点灯装置１０のブロック図である。

直流電源１３、第１点灯回路１１、第２点灯回路１２、第１制御部（制御ＩＣ）４ａ、および第２制御部（ＭＣＵ）４ｂが、同じ基板（プリント配線板）１００上に実装されている。

直流電源１３、第１点灯回路１１、第２点灯回路１２、第１制御部４ａ、および第２制御部４ｂは、基板１００に形成された配線パターンによって電気的に接続されている。

第１点灯回路１１および第２点灯回路１２を制御する第１制御部４ａは、第１点灯回路１１と第２点灯回路１２との間に配置されている。

第１制御部４ａが第１点灯回路１１および第２点灯回路１２の両方に近い位置に配置され、第１制御部４ａと第１点灯回路１１との間をつなぐ配線パターン、および第１制御部４ａと第２点灯回路１２とをつなぐ配線パターンの両方の長さを短くすることができる。

このように第１制御部４ａと第１点灯回路１１との間、および第１制御部４ａと第２点灯回路１２との間の配線パターンを短くすることで、第１制御部４ａが第１点灯回路１１の例えばインダクタ電流を検出するときにおける第２点灯回路１２の動作によるノイズの影響を低減することができる。逆に、第１制御部４ａが第２点灯回路１２の例えばインダクタ電流を検出するときにおける第１点灯回路１１の動作によるノイズの影響を低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…第１発光素子、２…第２発光素子、４…制御装置、４ａ…第１制御部、４ｂ…第２制御部、１０…点灯装置、１１…第１点灯回路、１２…第２点灯回路、２１…第１インダクタ、２２…第２インダクタ、５０…照明装置、１００…基板、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に実装された直流電源と、
   前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、第１発光素子を点灯する第１点灯回路と、
   前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、前記第１発光素子と同じ順電圧をもつ第２発光素子を点灯する第２点灯回路と、
   前記基板上に実装され、前記第１点灯回路と前記第２点灯回路との間に配置され、前記第１点灯回路および前記第２点灯回路を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第１点灯回路は、前記直流電源と前記第１発光素子との間に接続された第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第１発光素子との間に接続された第１インダクタとを有し、
   前記第２点灯回路は、前記直流電源と前記第２発光素子との間に接続された第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子と前記第２発光素子との間に接続され、前記第１インダクタとは異なるインダクタンスをもつ第２インダクタとを有し、
   前記制御装置は、前記第１発光素子と前記第２発光素子を同じ調光度で点灯する場合に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを互いに異なる周波数でスイッチングする点灯装置。
2. 前記制御装置は、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の一方のスイッチング素子のスイッチング周波数にジッターをもたせている請求項１記載の点灯装置。
3. 前記一方のスイッチング素子のスイッチング周波数は、他方のスイッチング素子のスイッチング周波数よりも高い請求項２記載の点灯装置。
4. 第１発光素子と、前記第１発光素子と同じ順電圧をもつ第２発光素子と、点灯装置と、を備えた照明装置であって、
   前記点灯装置は、
   基板と、
   前記基板上に実装された直流電源と、
   前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、前記第１発光素子を点灯する第１点灯回路と、
   前記基板上に実装され、前記直流電源に接続され、前記第２発光素子を点灯する第２点灯回路と、
   前記基板上に実装され、前記第１点灯回路と前記第２点灯回路との間に配置され、前記第１点灯回路および前記第２点灯回路を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記第１点灯回路は、前記直流電源と前記第１発光素子との間に接続された第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第１発光素子との間に接続された第１インダクタとを有し、
   前記第２点灯回路は、前記直流電源と前記第２発光素子との間に接続された第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子と前記第２発光素子との間に接続され、前記第１インダクタとは異なるインダクタンスをもつ第２インダクタとを有し、
   前記制御装置は、前記第１発光素子と前記第２発光素子を同じ調光度で点灯する場合に、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを互いに異なる周波数でスイッチングする照明装置。
5. 前記第１の発光素子と前記第２の発光素子は色温度が異なる請求項４記載の照明装置。

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