JP2022061263A

JP2022061263A - 点灯装置および照明器具

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Publication number: JP2022061263A
Application number: JP2020169162A
Authority: JP
Inventors: 浩士鈴木; Hiroshi Suzuki; 雄也平本; Yuya Hiramoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-04-18
Anticipated expiration: 2040-10-06
Also published as: JP7501294B2

Abstract

【課題】損失を抑制しながら制御の精度を向上できる点灯装置および照明器具を得ることを目的とする。【解決手段】本開示に係る点灯装置は、光源に出力電流を出力し、該光源を点灯させる点灯回路と、該出力電流を検出値として検出する検出回路と、該検出値を増幅させる増幅回路と、外部から入力される調光度に応じた目標値と、該増幅された検出値とが一致するように該点灯回路を制御する制御回路と、を備え、該制御回路は、該調光度が低いほど該増幅回路の増幅率を大きく設定する。【選択図】図５

Description

本開示は、点灯装置および照明器具に関する。

特許文献１には、力率改善回路と、入力端が力率改善回路の出力端に接続した直流コンバータと、直流コンバータの出力端に接続して点灯する発光ダイオードを備える点灯装置が開示されている。この点灯装置は、調光信号出力手段から出力される調光信号に応じて直流コンバータの出力を制御する制御手段を備える。制御手段は、直流コンバータの負荷電流検出回路から入力される負荷電流が一定になるように帰還制御する。また、制御手段は、調光信号が入力されると、調光信号に対応するＰＷＭ制御された駆動信号を生成して直流コンバータのスイッチング素子に供給する。その結果、負荷電流の定電流制御の基準値が調光信号に応じて変更されるため、発光ダイオードは、調光信号に対応する光出力の調光点灯を行う。

特許第５２６３５０３号公報

ＬＥＤ電流の検出方法として、一般にＬＥＤに流れる電流を抵抗で電圧に変換し、制御回路の検出端子で検出することがある。このとき、検出電圧が高いほど、抵抗の損失が大きくなる。このため、制御回路の動作可能な範囲で、検出電圧はできる限り低い方が損失を抑制できる。一方で、マイコンには一般にＡＤ変換の絶対最大誤差がある。また、オペアンプには一般にオフセット電圧がある。検出電圧が小さいと、これらの誤差の影響を受けやすくなる。このとき、制御の精度が低下し、消灯に至るおそれがある。

また、抵抗で検出した電圧を増幅器により増幅してから制御回路で検出することが考えられる。これにより、前述の誤差の影響を軽減できる。しかしながら本方法では、制御回路での全光時の検出電圧が増幅されるため、制御回路での損失が上昇するおそれがある。また、使用するマイコンまたはＩＣ検出端子の最大定格により、増幅率が制限される可能性がある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、損失を抑制しながら制御の精度を向上できる点灯装置および照明器具を得ることを目的とする。

本開示に係る点灯装置は、光源に出力電流を出力し、該光源を点灯させる点灯回路と、該出力電流を検出値として検出する検出回路と、該検出値を増幅させる増幅回路と、外部から入力される調光度に応じた目標値と、該増幅された検出値とが一致するように該点灯回路を制御する制御回路と、を備え、該制御回路は、該調光度が低いほど該増幅回路の増幅率を大きく設定する。

本開示に係る点灯装置では、調光度が低いほど増幅回路の増幅率を大きく設定する。このため、損失を抑制しながら制御の精度を向上できる。

実施の形態１に係る照明器具の回路ブロック図である。増幅率が１倍時の調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。図２の拡大図である。増幅率が４倍時の調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。実施の形態１における調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。図５の拡大図である。実施の形態２に係る照明器具の回路ブロック図である。実施の形態２における調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。

各本実施の形態に係る点灯装置および照明器具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。また、以下で接続という場合には、電気的な接続を含むものとする。

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２７と、点灯装置１を備える。ＬＥＤモジュール２７は光源として複数のＬＥＤ２６を備える。複数のＬＥＤ２６は直列、並列または直並列に接続される。ＬＥＤモジュール２７が備えるＬＥＤ２６の数は限定されない。また、光源はＬＥＤ以外の発光素子であっても良い。

点灯装置１は、昇圧チョッパ回路２、バックコンバータ回路３、制御電源回路４、制御装置５、調光Ｉ／Ｆ回路６を備える。制御装置５には外部の調光器５１から調光Ｉ／Ｆ回路６を通して、調光信号が入力される。昇圧チョッパ回路２とバックコンバータ回路３は、光源に出力電流を出力し光源を点灯させる点灯回路を構成する。

昇圧チョッパ回路２は、力率改善を行う昇圧コンバータ回路である。昇圧チョッパ回路２は、整流回路８と、コンデンサ９と、抵抗３１、３２と、インダクタ１０と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオード１４と、コンデンサ１７と、抵抗１５、１６を備えている。

整流回路８は交流電源７と接続している。コンデンサ９は、整流回路８の出力端子に並列に接続する。抵抗３１、３２が直列接続した分圧回路は、コンデンサ９に並列に接続される。コンデンサ９の両端電圧が抵抗３１、３２で分圧され、制御装置５に入力される。

インダクタ１０は、一端が整流回路８の高電位側に接続される。インダクタ１０の他端にはスイッチング素子Ｑ１の第１端子が接続される。スイッチング素子Ｑ１は、第１端子、第２端子および第１、２端子間をスイッチングするための制御端子を有する。スイッチング素子Ｑ１は例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ－ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチング素子Ｑ１がＭＯＳＦＥＴのとき、第１端子はドレイン端子、第２端子はソース端子、制御端子はゲート端子である。スイッチング素子Ｑ１の第２端子は整流回路８の低電位側に接続される。スイッチング素子Ｑ１の制御端子は駆動回路４１に接続される。

ダイオード１４は、アノードがスイッチング素子Ｑ１の第１端子とインダクタ１０の他端との接続点に接続される。コンデンサ１７は、ダイオード１４のカソードに正極が接続され、整流回路８の低電位側に負極が接続される。コンデンサ１７は例えば電解コンデンサである。抵抗１５、１６が直列接続した分圧回路は、コンデンサ１７に並列に接続される。コンデンサ１７の両端電圧は抵抗１５、１６を用いて分圧され、制御装置５に入力される。

バックコンバータ回路３は、スイッチング素子Ｑ２と、ダイオード２１と、インダクタ２２と、コンデンサ２３と、検出抵抗２４を備えている。スイッチング素子Ｑ２とダイオード２１からなる直列回路が、昇圧チョッパ回路２のコンデンサ１７と並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ２は、例えばＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ２の第１端子は、コンデンサ１７の正極と接続され、第２端子はダイオード２１のカソードと接続される。スイッチング素子Ｑ２の制御端子は、駆動回路４２に接続される。インダクタ２２、コンデンサ２３および検出抵抗２４は、この順に接続して直列回路を形成する。この直列回路はダイオード２１と並列に接続される。

検出抵抗２４は、バックコンバータ回路３に設けられており、ＬＥＤモジュール２７に流れるＬＥＤ電流を検出する。検出抵抗２４は点灯回路の出力電流を検出値として検出する検出回路である。検出抵抗２４からの検出電圧は、制御装置５に入力される。制御装置５は検出抵抗２４の検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール２７に流れる電流が一定電流になるように、バックコンバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。

デジタル電源用の制御装置５として提供されるマイコンは、既に各種のものが公知である。これら公知のマイコンを制御装置５に適宜に使用することができる。一例として図１に示される制御装置５は、内部バスを介して互いに接続された駆動回路４１、４２、増幅器４３、Ａ／Ｄ変換回路４４、処理装置４５、記憶部４６および調光検出回路４７を備えている。

駆動回路４１、４２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をスイッチングするＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号をそれぞれ出力する。記憶部４６は、不揮発性メモリなどからなる。記憶部４６は、処理装置４５で実行すべき演算プログラムおよび演算に用いられる各種データが書込、読出可能に記憶されている。

処理装置４５は、ＬＥＤ電流の検出値と目標値の差分を演算し、差分がゼロになるようスイッチング素子Ｑ２のオン時間を決定する。これにより、処理装置４５はＬＥＤ電流が目標値に対応する電流になるよう調整する。増幅器４３は、検出抵抗２４による検出値を増幅させる増幅回路である。また、調光検出回路４７は、外部から入力される調光信号に応じて、点灯回路の出力電流の目標値を変更する。

制御装置５には、抵抗１５、１６で分圧された電圧、抵抗３１、３２で分圧された電圧および検出抵抗２４で検出したＬＥＤ電流に応じた検出電圧が入力される。これらの電圧値は、Ａ／Ｄ変換回路４４でデジタル値に変換される。このデジタル値を用いて、処理装置４５は演算を行う。

制御装置５には、調光Ｉ／Ｆ回路６を介して調光器５１からの調光信号が入力される。制御装置５は、ＬＥＤ電流が調光信号に基づいて決定される目標電流に一致するように、検出抵抗２４で検出した検出値に基づいてスイッチング素子Ｑ２のオン幅を調整する。これにより、制御装置５は点灯回路を定電流制御している。

本実施の形態では、調光器５１から入力される調光信号に応じて、処理装置４５の目標値および増幅器４３の増幅率が変更される。これにより、全光時の損失を抑制しつつ、下限調光時のＬＥＤ電流の精度を向上できる。次に、処理装置４５および増幅器４３の具体的な制御方法について説明する。

調光器５１から点灯装置１に調光信号が入力されると、調光Ｉ／Ｆ回路６および調光検出回路４７を経て、処理装置４５が調光信号を検出する。処理装置４５は、調光信号が示す調光度が予め定められた閾値より高いか低いかを判別する。調光度が閾値より高いとき、処理装置４５は増幅器４３へ増幅率Ａの指示を送信する。また、処理装置４５は自己の目標値を予め定められた調光度に応じた値に更新する。調光度が閾値より低いとき、処理装置４５は増幅器４３へ増幅率Ｂの指示を送信する。また、処理装置４５は自己の目標値を予め定められた調光度に応じた値に更新する。

図２は、増幅率が１倍時の調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。図３は、図２の拡大図である。以降で説明する計算は、フィードバック動作が理想的に行われていることが仮定されている。すなわちＬＥＤ電流の検出値と目標値が等しい状態で点灯装置１が動作していることが仮定されている。

図２、３には、増幅器４３の増幅率を１倍に固定した場合の計算結果が示されている。計算において、調光度が１００％から１％のときのＬＥＤ電流は５００ｍＡから５ｍＡであるものとした。また、検出抵抗２４は１．５Ωであり、制御装置５の電源である基準電圧は３．３Ｖであるものとした。また、Ａ／Ｄ変換回路４４は、分解能が１０２４ｂｉｔである１０ｂｉｔＡＤＣであり、絶対最大誤差が±７ｂｉｔであるものとする。

図３に示されるように、絶対最大誤差を考慮した場合、調光度３．３％付近で検出値を絶対最大誤差が上回る。このため、低調光時にＬＥＤモジュール２７が消灯するおそれがあることが分かる。

図４は、増幅率が４倍時の調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。図４には、増幅器４３の増幅率を４倍に固定し、図２、３と同様の条件で計算した場合の計算結果が示されている。この場合、絶対最大誤差を考慮しても調光度の全範囲で動作可能となる。しかし、全光時の検出ｂｉｔ数が９３０ｂｉｔとなる。このとき、制御装置５において、検出抵抗２４の両端電圧が約３．０Ｖであり、検出抵抗２４での損失が６Ｗである場合と同等の損失が発生する。高効率化が求められるＬＥＤ電源において、このような損失は現実的ではない。

図５は実施の形態１における調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。図６は、図５の拡大図である。図５、６には、調光度の閾値を２５％、増幅率Ａを１倍、増幅率Ｂを４倍とした場合の計算結果が示されている。本実施の形態において、全光時の検出値は２３０ｂｉｔである。このとき、制御装置５の損失は、検出抵抗２４の損失が０．３７Ｗ程度である場合と同等である。また、１％調光時の検出値は９ｂｉｔであり、絶対最大誤差を考慮しても動作可能である。

また、絶対最大誤差が±７ｂｉｔより小さい場合でも、低調光時の増幅率を高くすれば良い。これにより、低調光時の検出値の絶対値が大きくなり、絶対最大誤差の影響を相対的に小さくすることができる。

本実施の形態の処理装置４５は、外部から入力される調光度に応じて目標値を算出し、算出した目標値と増幅器４３により増幅された検出値が一致するように点灯回路を制御する制御回路である。処理装置４５は、調光度が低いほど増幅器４３の増幅率と目標値を大きく設定する。具体的には、処理装置４５は、調光度が予め定められた閾値よりも低いとき、調光度が閾値よりも高いときと比較して、増幅率と目標値を大きく設定する。このとき、処理装置４５は、増幅率と目標値を同じ割合で変化させる。

以上から、損失を抑制しながら、調光制御の精度を向上できる。また、制御可能なＬＥＤ電流の下限値を拡張することができる。

処理装置４５におけるフィードバック制御の具体的な方法として、ＰＩ（比例積分）制御が挙げられる。処理装置４５は、目標値と検出値の偏差に比例係数であるＰゲインを乗じた比例項と、当該偏差に積分係数であるＩゲインを乗じて操作量の前回値を加算した積分項とを加算し、今回の操作量を算出する。ここで、本実施の形態において操作量はスイッチング素子Ｑ２のオン時間である。これにより処理装置４５は、目標値と検出値との差分が小さくなるよう点灯回路を制御する。

このように、処理装置４５は、増幅された検出値と目標値との比較結果に応じて調光指令値を算出し、点灯回路に調光指令値を出力して点灯回路を制御する。ここで、調光指令値は例えばスイッチング素子Ｑ２のオン時間である。

増幅率を変更するのに伴い、目標値についても増幅率と同じ割合で変更することが好ましい。このとき、ＰＩ制御に使用される値も変更されても良い。つまり、処理装置４５は、増幅率を変更するとき、調光指令値の演算に用いられる係数を変更しても良い。調光指令値の演算に用いられる係数は、例えばＰゲイン、Ｉゲイン等のゲイン係数である。

増幅率を切り替えるタイミングと、目標値およびゲインを切り替えるタイミングがずれると、ＬＥＤ電流が大きく変動する可能性がある。このため、増幅率の切り替えのタイミングでは、例えば増幅率、目標値、ゲインのすべてが切り替わるまで、オン時間の演算を停止するウェイト期間を設けても良い。つまり、処理装置４５は、増幅率と目標値とゲインの変更を開始してから変更が完了するまで、調光指令値を前回の値に固定する。

また、例えば処理装置４５において、高出力状態から低出力に変わったフラグが検出されている場合は、オン時間を高くする演算結果は切り捨てても良い。処理装置４５は、調光度の変化後の一定期間において、調光度の変化と逆方向の演算結果を切り捨てても良い。つまり、処理装置４５は、調光度が低下すると出力電流を上昇させる調光指令値は切り捨てて点灯回路を制御し、調光度が上昇すると出力電流を低下させる調光指令値は切り捨てて点灯回路を制御する。なお、フラグは例えば制御装置５が外部から検出した信号に応じて立てれば良い。

以上の制御によれば、増幅率、目標値およびゲインを切り替えるタイミングがずれて、ＬＥＤ電流が大きく変動することを抑制できる。ここでは、ＰＩ制御を例として増幅率、目標値およびゲインを切り替える場合の動作を説明したが、制御方法によっては増幅率のみまたは増幅率と目標値のみが切り替わるものとしても良い。

処理装置４５におけるフィードバック制御は、ＰＩ制御に限らずＰＩＤ（比例積分微分）制御であっても良い。処理装置４５における制御は、検出値と目標値の差分をゼロにするような制御であれば、どのような制御でも良い。

また、増幅率は３段階以上で切り替えられても良い。また、増幅器４３の増幅率は、下限調光時の処理装置４５の検出値が絶対最大誤差よりも大きくなるように設定されても良い。また、本実施の形態では制御装置５をマイコンで構成するものとした。これに限らず、制御装置５の一部が別の制御装置として構成されても良い。

これらの変形は、以下の実施の形態に係る点灯装置および照明器具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および照明器具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、ＬＥＤモジュール２７と、点灯装置２０１を備える。点灯装置２０１では制御装置５と増幅回路の構成が実施の形態１の構成と異なる。

本実施の形態では、増幅回路として、増幅器４３に代えて、オペアンプ４８、可変抵抗４９、抵抗５０で非反転増幅回路が形成される。増幅回路は、制御装置５外に設けられる。また、オペアンプ４８の出力には、ＬＥＤドライバ５２が接続される。ＬＥＤドライバ５２は、オペアンプ５３と駆動回路４２を備える。オペアンプ５３の一方の入力は、オペアンプ４８の出力に接続される。オペアンプ５３の他方の入力は、処理装置４５に接続される。オペアンプ５３の出力は、駆動回路４２を介してスイッチング素子Ｑ２の制御端子に接続される。オペアンプ５３はエラーアンプとして動作する。駆動回路４２は内部にＰＷＭ発信器を有し、エラーアンプの出力に合わせてオン時間を変更する。

このように、本実施の形態では制御装置５からバックコンバータ回路３の制御部分が切り離されている。増幅回路は、アナログ回路として形成される。

制御装置５は、ＬＥＤドライバ５２にＬＥＤ電流の目標値を入力する。また、制御装置５は可変抵抗４９の抵抗値を設定する。可変抵抗４９の抵抗値により、オペアンプ４８の増幅率は変化する。このように、処理装置４５は増幅率と目標値を設定している。

図８は、実施の形態２における調光度に対するＬＥＤ電流と検出値の関係を示すグラフである。本実施の形態では処理装置４５は、調光度に対して増幅率を連続して変化させる。処理装置４５は、調光度が低いほど増幅率を大きく設定する。

本実施の形態において処理装置４５は、調光度の変化に対してＬＥＤドライバ５２の検出値が一定となるように、増幅回路の増幅率を変化させることができる。つまり、図８に破線で示されるように、調光度の変化に対して検出値と目標値を一定にしながら、ＬＥＤ電流を変化させることができる。

本実施の形態ではオペアンプ５３のオフセット電圧の影響を、低調光時の増幅率を上げることで抑制することが可能である。このように、本実施の形態においても、調光度が低いほど増幅率が大きく設定されることで、損失を抑制しながら制御の精度を向上できる。また、本実施の形態では調光度の変化に対して増幅率が大きく変わるような変化点がない。このため、実施の形態１で説明した増幅率および目標値の切り替え時のウェイト等の制御が不要になる。

なお、実施の形態１の制御装置５のようなマイコンでも、増幅率を細かく設定することで、増幅率を図８に示されるように連続して変化させることができる。しかし、マイコンでこのような制御を実現するには大容量のメモリが必要となる可能性がある。また、本実施の形態においても、実施の形態１のように増幅率を調光度に応じて段階的に切り替えても良い。

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。

１点灯装置、２昇圧チョッパ回路、３バックコンバータ回路、４制御電源回路、５制御装置、６調光Ｉ／Ｆ回路、７交流電源、８整流回路、９コンデンサ、１０インダクタ、１４ダイオード、１５、１６抵抗、１７コンデンサ、２１ダイオード、２２インダクタ、２３コンデンサ、２４検出抵抗、２７ＬＥＤモジュール、３１、３２抵抗、４１、４２駆動回路、４３増幅器、４４Ａ／Ｄ変換回路、４５処理装置、４６記憶部、４７調光検出回路、４８オペアンプ、４９可変抵抗、５０抵抗、５１調光器、５２ＬＥＤドライバ、５３オペアンプ、１００、２００照明器具、２０１点灯装置、Ｑ１、Ｑ２スイッチング素子

Claims

光源に出力電流を出力し、前記光源を点灯させる点灯回路と、
前記出力電流を検出値として検出する検出回路と、
前記検出値を増幅させる増幅回路と、
外部から入力される調光度に応じた目標値と、前記増幅された検出値とが一致するように前記点灯回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記調光度が低いほど前記増幅回路の増幅率を大きく設定することを特徴とする点灯装置。
前記制御回路は、前記調光度が予め定められた閾値よりも低いとき、前記調光度が前記閾値よりも高いときと比較して、前記増幅率を大きく設定することを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記調光度が低いほど前記目標値を大きく設定す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。
前記制御回路は、前記増幅率と前記目標値を同じ割合で変化させることを特徴とする請求項３に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記増幅された検出値と前記目標値との比較結果に応じて調光指令値を算出し、前記点灯回路に前記調光指令値を出力して前記点灯回路を制御し、前記増幅率を変更するとき前記調光指令値の演算に用いられる係数を変更することを特徴とする請求項３または４に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記増幅された検出値と前記目標値との比較結果に応じて調光指令値を算出し、前記点灯回路に前記調光指令値を出力して前記点灯回路を制御し、前記増幅率と前記目標値の変更を開始してから前記変更が完了するまで前記調光指令値を前回の値に固定することを特徴とする請求項３から５の何れか１項に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記増幅された検出値と前記目標値との比較結果に応じて調光指令値を算出し、前記点灯回路に前記調光指令値を出力して前記点灯回路を制御し、前記調光度が低下すると前記出力電流を上昇させる前記調光指令値は切り捨てて前記点灯回路を制御し、前記調光度が上昇すると前記出力電流を低下させる前記調光指令値は切り捨てて前記点灯回路を制御することを特徴とする請求項３から６の何れか１項に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記調光度に対して前記増幅率を連続して変化させることを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
前記制御回路は、前記調光度の変化に対して前記増幅された検出値が一定となるように、前記増幅率を変化させることを特徴とする請求項８に記載の点灯装置。
請求項１から９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。