JP2019145395A - 点灯装置、照明器具および照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、点灯装置、照明器具および照明システムに関し、サージ電圧の印加可能回数を向上できる点灯装置、照明器具および照明システムを得ることを目的とする。【解決手段】本発明に係る点灯装置は、電源から電力の供給を受ける一対の入力端と、光源を点灯させる電力変換回路と、該一対の入力端から該電力変換回路に電力を伝送する入力回路と、を備え、該入力回路は、該一対の入力端と並列に接続され、第１動作電圧を有する第１サージアブソーバと、該第１サージアブソーバと該電力変換回路の間で該電力変換回路と並列に接続され、該第１動作電圧よりも低い第２動作電圧を有する第２サージアブソーバと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、点灯装置、照明器具および照明システムに関する。

特許文献１には、雷サージに対する保護回路を備えたＬＥＤ点灯装置が開示されている。このＬＥＤ点灯装置は、交流電源からの給電が入力される整流素子と、整流素子の入力端子間に接続された第１のサージアブソーバと、整流素子の出力端子間に接続された第２のサージアブソーバとを備える。第２のサージアブソーバの動作電圧は、第１のサージアブソーバの動作電圧の１．０５倍以上１．１０倍以下である。

特許第５９２９４２４号公報

ＬＥＤ照明器具の電源として、スイッチング手段を用いた電源装置が用いられることがある。この種の電源装置において、商用電源などの低周波交流を全波整流回路により整流するとともに、平滑コンデンサで平滑化して直流に変換し、この直流出力をスイッチング素子またはＬＥＤに供給する場合がある。この場合、平滑コンデンサは、一般に直流出力に含まれる高次の電流成分、つまり高調波電流が抑制される容量に設定される。

このような電源装置では、入力側で外来サージである雷サージが発生し、雷サージによる過電圧であるサージ電圧が全波整流回路を介して装置内に侵入すると、スイッチング素子などの回路要素が破損する可能性がある。このため、一般に平滑コンデンサに過電圧のサージエネルギーを吸収する機能を持たせ、雷サージから回路要素を保護することが考えられている。

ところが、高調波電流を抑制させるために、一般に平滑コンデンサとして比較的小さな容量のコンデンサが使用される。しかし、容量の小さなコンデンサは、大きなサージエネルギーを吸収しきれず、回路要素を保護できない場合がある。一方、サージエネルギーの吸収量を大きくするために平滑コンデンサの容量を大きくすると、高調波電流を十分抑制することができない場合がある。

これに対し、容量の小さなコンデンサに加えて容量の大きなコンデンサを設ける構成が考えられる。しかし、容量の小さなコンデンサと容量の大きなコンデンサを共に接続することで、部品の増加および電源装置の大型化が生じる可能性がある。これは、世論の小型化思考に反しており、電源の変換効率の悪化にもつながる可能性がある。

また、一般に、サージアブソーバでは流れる電流の大きさにより雷サージの印加可能回数が決まる。特許文献１では、第２のサージアブソーバの動作電圧を第１のサージアブソーバの動作電圧より大きく設定し、第２のサージアブソーバに流れる電流を軽減している。この場合、第１のサージアブソーバを流れる電流が増加し、ＬＥＤ点灯装置としての雷サージの印加可能回数が減少する可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、サージ電圧の印加可能回数を向上できる点灯装置、照明器具および照明システムを得ることを目的とする。

本発明に係る点灯装置は、電源から電力の供給を受ける一対の入力端と、光源を点灯させる電力変換回路と、該一対の入力端から該電力変換回路に電力を伝送する入力回路と、を備え、該入力回路は、該一対の入力端と並列に接続され、第１動作電圧を有する第１サージアブソーバと、該第１サージアブソーバと該電力変換回路の間で該電力変換回路と並列に接続され、該第１動作電圧よりも低い第２動作電圧を有する第２サージアブソーバと、を備える。

本発明に係る点灯装置では、第２サージアブソーバの動作電圧が第１サージアブソーバの動作電圧よりも低い。このため、第１サージアブソーバを流れる電流を低減でき、点灯装置へのサージ電圧の印加可能回数を向上できる。

実施の形態１に係る照明器具の回路ブロック図である。 コンビネーション波形の短絡回路電流を示す図である。 コンビネーション波形の開放回路電圧を示す図である。 実施の形態１に係る第１サージアブソーバを流れる電流の時間変化を示す図である。 実施の形態１に係る第２サージアブソーバを流れる電流の時間変化を示す図である。 実施の形態１の変形例に係る照明システムを示す図である。 実施の形態２に係る照明器具の回路ブロック図である。

本発明の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システムについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る照明器具１００の回路ブロック図である。照明器具１００はＬＥＤモジュール２と、電源３からの給電を受ける点灯装置１とを備えている。点灯装置１は電源３から電力の供給を受け、ＬＥＤモジュール２が有する光源２ａを点灯させるＬＥＤ点灯装置である。電源３は例えば商用電源等の交流電源である。

ＬＥＤモジュール２は直列に接続された複数の光源２ａを有する。光源２ａはＬＥＤである。光源２ａはこれに限らず有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）等でも良い。ＬＥＤモジュール２は、光源２ａを１つ以上有していれば良い。また、複数の光源２ａは並列または直並列に接続されても良い。

点灯装置１は、一対の入力端１１、入力回路３０、電力変換回路５０および一対の出力端１２を備える。一対の入力端１１は電源３に接続され、電源３から電力の供給を受ける。入力回路３０は、一対の入力端１１に接続され、一対の入力端１１から電力変換回路５０に電力を伝送する。

電力変換回路５０の入力端子は一対の入力端１１および入力回路３０を介して電源３に接続される。電力変換回路５０の出力端子は、一対の出力端１２に接続される。一対の出力端１２にはＬＥＤモジュール２が接続される。電力変換回路５０は、電源３から電力の供給を受け、光源２ａを点灯させる。

入力回路３０では、一対の入力端１１の一方にヒューズ３１の一端が接続される。ヒューズ３１は一対の入力端１１のうち高電位側であるプラス極に接続される。ヒューズ３１の他端には、第１サージアブソーバ３２の一端、コンデンサ３３の正極およびブリッジを構成した整流素子３４が接続される。第１サージアブソーバ３２は例えばバリスタである。第１サージアブソーバ３２は第１動作電圧を有する。第１サージアブソーバ３２の他端とコンデンサ３３の負極は、一対の入力端１１の他方、つまり低電位側であるマイナス極に接続される。整流素子３４は一対の入力端１１と並列に接続される。整流素子３４の入力端子間には、第１サージアブソーバ３２とコンデンサ３３が並列に接続されている。

整流素子３４の高電位側の出力端子にはノーマルチョークコイル３５の一端が接続される。ノーマルチョークコイル３５の他端には、コンデンサ３６の正極、第２サージアブソーバ３７の一端が接続される。第２サージアブソーバ３７は例えばバリスタである。第２サージアブソーバ３７は、第１動作電圧よりも低い第２動作電圧を有する。コンデンサ３６の負極および第２サージアブソーバ３７の他端は整流素子３４の低電位側の出力端子に接続される。整流素子３４の出力端子間には、第２サージアブソーバ３７とコンデンサ３６が並列に接続されている。第２サージアブソーバ３７には、電力変換回路５０が並列に接続される。

電力変換回路５０には、一例として、図１に示すような降圧チョッパ回路を用いることができる。電力変換回路５０は、スイッチング素子５１と、ダイオード５２と、インダクタ５３と、コンデンサ５４と、検出抵抗５５を備えている。スイッチング素子５１は、本実施の形態ではＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチング素子５１は、第１端子、第２端子および第１、第２端子間をスイッチングするための制御端子を有する。本実施の形態では、第１端子はドレイン、第２端子はソース、制御端子はゲートである。

第１端子はコンデンサ３６の正極およびノーマルチョークコイル３５と接続される。第２端子には、ダイオード５２のカソードと検出抵抗５５の一端が接続される。制御端子は制御装置５６に接続される。ダイオード５２のアノードは、コンデンサ３６の負極に接続される。電力変換回路５０ではスイッチング素子５１とダイオード５２からなる直列回路が、コンデンサ３６と並列に接続されている。

また、検出抵抗５５の他端にはインダクタ５３の一端が接続される。インダクタ５３の他端には、コンデンサ５４の正極が接続される。コンデンサ５４の負極はダイオード５２のアノードと接続される。電力変換回路５０では検出抵抗５５、インダクタ５３及びコンデンサ５４がこの順に接続して直列回路を形成している。この直列回路はダイオード５２に並列に接続されている。コンデンサ５４は一対の出力端１２に接続される。ＬＥＤモジュール２はコンデンサ５４と並列に接続されている。

検出抵抗５５は、ＬＥＤモジュール２に流れるＬＥＤ電流の検出に用いられる。検出抵抗５５の一端は、制御装置５６に接続される。検出抵抗５５に印加されるＬＥＤ電流に対応した検出電圧は制御装置５６に入力される。制御装置５６はこの検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール２に流れる電流が一定電流になるように制御指令値を制御する。制御装置５６は制御指令値に基づいてスイッチング素子５１をオンオフする。以上から、電力変換回路５０は、光源２ａに流れる電流を定電流制御する定電流回路である。

次に、入力回路３０の機能について説明する。第１サージアブソーバ３２は第１動作電圧以上の電圧が印加されると低インピーダンスとなる。同様に、第２サージアブソーバ３７は第２動作電圧以上の電圧が印加されると低インピーダンスとなる。従って、一対の入力端１１にサージ電圧が印加されると、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７は低インピーダンスとなる。

このとき、サージ電流は第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７を流れ、電源３側に戻される。従って、入力回路３０に対して一対の入力端１１と反対側にある回路に大電流が流れることを防止できる。このように、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７により、電源ライン間に印加されるノーマルモードのサージ電圧から電力変換回路５０およびＬＥＤモジュール２を保護できる。

コンデンサ３３は例えばフィルタ用のコンデンサである。また、コンデンサ３６は平滑コンデンサである。コンデンサ３６は、整流素子３４と電力変換回路５０の間で、電力変換回路５０と並列に接続される。コンデンサ３６の容量は、例えば高調波電流規格を満足させるように設定される。コンデンサ３６により、整流素子３４の出力に含まれる高調波電流が電力変換回路５０に伝播することを抑制できる。

ヒューズ３１は、定格電流値を超える電流が流れると溶断する。これにより、点灯装置１に大電流が流れ続けることを防止できる。また、ノーマルチョークコイル３５は、ノーマルモードノイズを抑制する。

次に、本実施の形態に係る点灯装置１に雷サージが印加された場合の動作について説明する。一般に雷サージのような高エネルギーのサージが印加された場合の動作については、印加させる対象物のインピーダンスが高い場合にはサージ電圧、インピーダンスが低い場合にはサージ電流を印加することで検証できる。しかし、サージ電圧とサージ電流の双方の印加を行う事およびいずれかを対象物に応じて選択することは、一般に困難である。

従って、雷サージ波形として、ＩＥＣ６１０００−４−５で規定されたコンビネーション波形が照明器具１００に印加された場合について説明する。ＩＥＣ６１０００−４−５は、落雷時に生じる誘導雷による電子機器の耐性を規定した試験規格である。

図２は、コンビネーション波形の短絡回路電流を示す図である。コンビネーション波形において短絡時は、１０％の電流から９０％の電流に上昇するまでの期間が８μｓであり、１０％の電流を超えてから５０％の電流に低下するまでの期間が２０μｓである。図３は、コンビネーション波形の開放回路電圧を示す図である。コンビネーション波形において開放時は、３０％の電圧から９０％の電圧に上昇するまでの期間が１．２μｓであり、３０％の電圧を超えてから５０％の電圧に低下するまでの期間が５０μｓである。

図４は、実施の形態１に係る第１サージアブソーバ３２を流れる電流の時間変化を示す図である。図５は、実施の形態１に係る第２サージアブソーバ３７を流れる電流の時間変化を示す図である。図４の実線８１は、コンビネーション波形が点灯装置１に印加されたときの第１サージアブソーバ３２の電流波形である。図５の実線８３は、コンビネーション波形が点灯装置１に印加されたときの第２サージアブソーバ３７の電流波形である。

実線８１、８３は、一例として第１動作電圧を２７０Ｖ、第２動作電圧を２２０Ｖに設定し、２ｋＶのコンビネーション波形を印加した場合の電流波形である。また、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ２７は動作電圧以外の仕様が同じバリスタであるものとする。このとき、図４に示すように、第１サージアブソーバ３２には、約４００Ａの電流が約３０μｓの間流れる。また、図５に示すように、第２サージアブソーバ３７には約９Ａの電流が約９０μｓの間流れる。

図４の点線８２は比較例の電流波形であり、第１動作電圧が第２動作電圧と同一であるときの第１サージアブソーバ３２の電流波形である。図５の点線８４は比較例の電流波形であり、第１動作電圧が第２動作電圧と同一であるときの第２サージアブソーバ３７の電流波形である。点線８２、８４は、一例として第１動作電圧と第２動作電圧を共に２２０Ｖに設定し、２ｋＶのコンビネーション波形を印加した場合の電流波形である。このとき、図４に示すように、第１サージアブソーバ３２には約６５０Ａの電流が約３０μｓの間流れる。また、図５に示すように、第２サージアブソーバ３７には約８Ａの電流が約８０μｓの間流れる。

一般に、バリスタ等のサージアブソーバでは印加電流と印加時間からサージ電圧の印加可能回数が決定される。このため、印加電流が小さく、印加時間が短い方が、印加可能回数が増える傾向にある。さらに、サージアブソーバでは一般に、動作電圧が高いほどサージ電圧の印加時に流れる電流値が小さくなる。従って、動作電圧が高いほど印加回数が増える傾向にある。

ここで、図４、５に示したように、一対の入力端１１に第１動作電圧よりも大きい電圧が印加された場合、第１サージアブソーバ３２を流れる電流値は、第２サージアブソーバ３７を流れる電流値よりも大きい。従って、点灯装置１への雷サージの印加可能回数は、第１サージアブソーバ３２の印加可能回数で決定される。よって、第１サージアブソーバ３２を流れる電流値が小さく、第１動作電圧が高い方が、点灯装置１への雷サージの印加可能回数を増やすことができる。

図４に示したように、第１動作電圧が第２動作電圧より高いと、第１動作電圧と第２動作電圧が等しい場合と比較して、第１サージアブソーバ３２を流れる電流値が小さくなる。従って、第１動作電圧と第２動作電圧が等しい場合と比較して、点灯装置１へのサージ電圧の印加可能回数を向上できる。

また、第１動作電圧が第２動作電圧より高いと、第１動作電圧と第２動作電圧が等しい場合と比較して、第２サージアブソーバ３７を流れる電流値が大きくなる。しかし、図４、図５に示すように、第１動作電圧が第２動作電圧より高い場合においても、第２サージアブソーバ３７を流れる電流は、第１サージアブソーバ３２を流れる電流よりも十分小さい。このため、点灯装置１への雷サージの印加可能回数が、第２サージアブソーバ３７の印加可能回数で決定されることを防止できる。

また、雷サージに対する保護を第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７によって実施できるため、コンデンサ３６にサージエネルギーを吸収する機能を持たせる必要がない。このため、コンデンサ３６の容量を大きくする必要がなく、コンデンサ３６の容量を、高調波電流規格を満足させるように設定できる。

また、入力回路３０にサージエネルギーを吸収する容量の大きなコンデンサを設ける必要がないため、点灯装置１を省部品化および小型化できる。これにより、点灯装置１を低コストで製造でき、さらに省スペース化も可能になる。

このように、本実施の形態では、整流素子３４の入力端子間に第１サージアブソーバ３２とコンデンサ３３が並列に接続され、整流素子３４の出力端子間に第２サージアブソーバ２７とコンデンサ３６が並列に接続される。これにより、高調波電流規格を満足しつつ、低コストかつ省スペースで、点灯装置１への雷サージの印加可能回数を増加させることができる。

また、入力回路３０は第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７との間に接続されたインダクタンス要素であるノーマルチョークコイル３５を備える。ノーマルチョークコイル３５が有するインダクタンスにより、点灯装置１の力率の向上およびノイズの低減が可能になる。しかしながら、サージ電流が流れた場合、ノーマルチョークコイル３５のインダクタンスによりコンデンサ３６に印加される電圧が上昇する場合がある。この場合も、第２サージアブソーバ３７により電圧の上昇を抑制できる。

また、入力回路３０は、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７の間に接続された整流素子３４を備える。図４、５に示されるように、サージ電圧による電流は、第１サージアブソーバ３２では抑制し切れず、整流素子３４側に伝播する。第２サージアブソーバ３７により、整流素子３４と電力変換回路５０の間で、サージ電圧による電流をさらに抑制できる。このため、サージ電圧からの保護を強化できる。

本実施の形態は、雷サージに限らず、点灯装置１にあらゆるサージ電圧が印加される場合に適用できる。例えば、サージ電圧には、例えば大型機械の電源投入、遮断時に発生するエネルギーの過渡サージ等が含まれる。

また、第１サージアブソーバ３２、第２サージアブソーバ３７はバリスタに限らず、動作電圧以上の電圧が印加されると抵抗値が低下するものであれば良い。第１サージアブソーバ３２、第２サージアブソーバ３７は、例えばマイクロギャップ式サージアブソーバ、アレスタ、Ｓｉ系電圧素子であっても良い。また、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７は、同一素材から形成されても良い。

また、入力回路３０の構成は図１に示されるものに限らず、第１サージアブソーバが一対の入力端１１と並列に接続され、第２サージアブソーバ３７が第１サージアブソーバ３２と電力変換回路５０の間で電力変換回路５０と並列に接続されていれば良い。入力回路３０に含まれる第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７以外の部品は、用途に応じて変更、削除または追加されても良い。

また、電力変換回路５０は図１に示されるものに限らず、電源３から電力の供給を受け、光源２ａを点灯させる回路であれば良い。電力変換回路５０は例えば、昇圧チョッパ回路等を備えても良い。

図６は、実施の形態１の変形例に係る照明システム１０１を示す図である。照明システム１０１は、複数の照明器具１００と制御部９０を備える。各々の照明器具１００は例えば、器具本体と、器具本体に取り付けられたＬＥＤモジュール２を備える。器具本体には点灯装置１が設けられている。制御部９０は、外部からの信号等に応じて複数の照明器具１００を制御する。このような照明システム１０１に本実施の形態を適用しても良い。

これらの変形は以下の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システムについて適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システムについては実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る照明器具２００の回路ブロック図である。照明器具２００は点灯装置２０１を備える。点灯装置２０１は入力回路２３０の構成が実施の形態１と異なる。また、電源３ａは直流電源である。点灯装置２０１は直流電源から給電を受ける。これ以外は、実施の形態１と同様である。

入力回路２３０は、整流素子３４の代わりに整流素子３４ａ、３４ｂを備えることが入力回路３０と異なる。これ以外の構成は、入力回路３０と同様である。ヒューズ３１の他端、第１サージアブソーバ３２の一端およびコンデンサ３３の正極には整流素子３４ａのアノードが接続される。整流素子３４ａのカソードは、整流素子３４ｂのカソードおよびノーマルチョークコイル３５の一端に接続される。整流素子３４ｂのアノードはコンデンサ３３の負極に接続される。

整流素子３４ａは、一対の入力端１１に電源３ａが誤って接続された場合に、回路要素を保護する。誤って接続された場合とは、例えば、一対の入力端１１に電源３ａが逆の極性で接続された場合を示す。整流素子３４ｂは整流素子３４ａのカソードと一対の入力端１１の低電位側であるマイナス極との間に接続される。整流素子３４ｂは、マイナス極側の外来ノイズから電力変換回路５０を保護するために設けられる。

直流電源からの給電を受ける場合、点灯装置２０１において高調波電流規格を考慮する必要がない。このため、サージ電圧から点灯装置２０１を保護するために、容量の大きなコンデンサを接続することが考えられる。しかし、容量の大きなコンデンサを搭載すると、一般に突入電流を抑制する追加回路が必要になる。この場合、基板上に追加回路用のスペースが必要となる。また、容量の大きなコンデンサを搭載すると、回路の応答性が低下する可能性がある。

これに対し、本実施の形態では、第１サージアブソーバ３２と第２サージアブソーバ３７により、サージ電圧から点灯装置２０１を保護する。このため、容量の大きなコンデンサを設ける必要がなく、突入電流を抑制する追加回路を省くことができる。従って、低コストで点灯装置２０１を製造できる。また、点灯装置２０１を小型化および省スペース化できる。さらに、容量の大きなコンデンサを省くことで、回路の応答性を向上できる。また、実施の形態１と同様に点灯装置２０１への雷サージの印加可能回数を増加させることができる。

なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。

１０１ 照明システム、１００、２００ 照明器具、１、２０１ 点灯装置、２ ＬＥＤモジュール、２ａ 光源、３、３ａ 電源、１１ 入力端、１２ 出力端、３０、２３０ 入力回路、３１ ヒューズ、３２ 第１サージアブソーバ、３３ コンデンサ、３４、３４ａ、３４ｂ 整流素子、３５ ノーマルチョークコイル、３６ コンデンサ、３７ 第２サージアブソーバ、５０ 電力変換回路、５１ スイッチング素子、５２ ダイオード、５３ インダクタ、５４ コンデンサ、５５ 検出抵抗、５６ 制御装置、９０ 制御部

Claims (8)

1. 電源から電力の供給を受ける一対の入力端と、
   光源を点灯させる電力変換回路と、
   前記一対の入力端から前記電力変換回路に電力を伝送する入力回路と、
   を備え、
   前記入力回路は、
   前記一対の入力端と並列に接続され、第１動作電圧を有する第１サージアブソーバと、
   前記第１サージアブソーバと前記電力変換回路の間で前記電力変換回路と並列に接続され、前記第１動作電圧よりも低い第２動作電圧を有する第２サージアブソーバと、
   を備えることを特徴とする点灯装置。
2. 前記一対の入力端に前記第１動作電圧よりも大きい電圧が印加された場合、前記第１サージアブソーバを流れる電流値は、前記第２サージアブソーバを流れる電流値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 前記入力回路は、前記第１サージアブソーバと前記第２サージアブソーバとの間に接続されたインダクタンス要素を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の点灯装置。
4. 前記入力回路は、前記第１サージアブソーバと前記第２サージアブソーバの間に接続された整流素子を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の点灯装置。
5. 前記整流素子と前記電力変換回路の間で、前記電力変換回路と並列に接続されたコンデンサを備えることを特徴とする請求項４に記載の点灯装置。
6. 前記第１サージアブソーバと前記第２サージアブソーバは動作電圧以外の仕様が同じバリスタであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の点灯装置。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の点灯装置と、
   前記光源と、
   を備えることを特徴とする照明器具。
8. 請求項７に記載の照明器具を複数備えることを特徴とする照明システム。

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