JP2023127378A - 点灯装置および照明器具 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度な保護動作が可能な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、交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるAC-DC変換回路と、前記交流電源から前記AC-DC変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、前記AC-DC変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記AC-DC変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さい。【選択図】図4
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、LED点灯装置が開示されている。このLED点灯装置は、少なくとも1つのスイッチング素子を備え出力電流によってLEDを点灯する直流変換装置を備える。出力電流検出手段は、直流変換装置の入力電圧が変動したことを、直流変換装置の出力電流により検出する。制御手段は、出力電流検出手段の検出出力に基づいて、直流変換装置の入力電圧が低下したことを検出した場合には、直流変換装置の出力電流を、時間遅れを伴ってスイッチング素子のスイッチング駆動信号のデューティを大きくすることにより増加させる。また、制御手段は、入力電圧の変動が復帰したときに、直流変換装置の出力電流を、スイッチング素子のスイッチング駆動信号のデューティを狭めて減少させることにより、出力電流のピーク値がLEDのパルス電流定格を超えないように抑制する。
交流電圧を整流して、力率改善型のスイッチング動作により光源を点灯させる点灯装置がある。このような点灯装置では、一般にフィードバック周期を交流電圧の周期よりも遅くする必要がある。このとき、交流電圧が何かしらの事象により低下し、その後正常電圧に復帰した場合、LEDに過電流が発生するおそれがある。特許文献1では、このような入力電圧変動について、過電流を抑制し、LEDが故障することを抑制している。
しかし特許文献1では、LED電流を検出することで入力電圧の復帰を検出して、出力電流を減少させる。このため、LED電流に変化が起こった後に保護動作を行うこととなる。従って、高精度な保護動作ができないおそれがある。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、高精度な保護動作が可能な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、交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるAC-DC変換回路と、前記交流電源から前記AC-DC変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、前記AC-DC変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記AC-DC変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さい。
本開示に係る点灯装置では、制御回路は、入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、AC-DC変換回路の出力電圧を定常状態よりも低下させる。従って、高精度な保護動作が可能となる。
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。
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、点灯装置10と、光源40とを備える。点灯装置10は、スイッチング素子Q1、Q2のオンオフにより光源40を点灯させる点灯回路と、点灯回路を制御する制御回路30を備える。光源40は、直列に接続された複数のLEDを備える。複数のLEDは並列または直並列に接続されていても良い。光源40は、LEDに代えて有機EL等の他の発光素子を備えても良い。
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、点灯装置10と、光源40とを備える。点灯装置10は、スイッチング素子Q1、Q2のオンオフにより光源40を点灯させる点灯回路と、点灯回路を制御する制御回路30を備える。光源40は、直列に接続された複数のLEDを備える。複数のLEDは並列または直並列に接続されていても良い。光源40は、LEDに代えて有機EL等の他の発光素子を備えても良い。
点灯回路は、商用電源ACを整流する整流器DBと、昇圧チョッパ回路12と、バックコンバータ回路20を備えている。昇圧チョッパ回路12は、整流器DBで全波整流された脈流電圧を変換して、コンデンサC2に所定の直流高電圧を充電する。整流器DBおよび昇圧チョッパ回路12は、交流電源を供給されて、スイッチング素子Q1のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を40点灯させるAC-DC変換回路に該当する。
昇圧チョッパ回路12は、コイルL1、スイッチング素子Q1、ダイオードD1で構成される。スイッチング素子Q1は例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。コンデンサC2に充電される電圧は、抵抗R5、R6の抵抗分圧により制御回路30のP1端子に入力される。これにより、制御回路30は、コンデンサC2の電圧に比例した電圧を検出することができる。コンデンサC2に充電された直流電圧、つまりAC-DC変換回路の出力電圧をV1とする。
制御回路30は、AC-DC変換回路の出力電圧をフィードバック制御する。具体的には、制御回路30は、コンデンサC2に充電されている電圧を所定の直流電圧にするため、即ち、制御回路30のP1端子電圧が一定電圧になるように、フィードバック制御を行う。制御回路30は、Vg1端子からスイッチング素子Q1を動作させるスイッチング信号を出力する。一般にマイコンの動作電源電圧は、MOSFETの駆動電圧よりも低い。このため、制御回路30のVg1端子から一旦MOSFETドライバー18にスイッチング信号を入力する。MOSFETドライバー18は、制御回路30よりも高い電圧を出力することができる。このため、スイッチング素子Q1を安定してスイッチングできる。
スイッチング素子Q1のソース端子には図示しない検出抵抗が接続され、この検出抵抗の電圧は制御回路30に入力される。スイッチング素子Q1がオンした時に流れる電流を検出抵抗で電圧変換することで、スイッチング素子Q1の電流値を検出することができる。
昇圧チョッパ回路12は商用電源ACから出力される力率を高力率にする力率改善回路動作をする。力率改善回路動作では、スイッチング素子Q1のオン幅が商用電源ACの周期において一定に制御される。これにより、スイッチング電流の平均値が商用電源ACの位相に比例する。このとき、昇圧チョッパ回路12におけるフィードバック制御のフィードバック周期は、商用電源ACの全波整流電圧の周期よりも長い。
また、整流器DBで全波整流された電圧はコンデンサC1によって平滑化され、昇圧チョッパ回路12が動作する電源となる。コンデンサC1に発生する電圧は、昇圧チョッパ回路12の動作により、全波整流電圧となる。
バックコンバータ回路20は、コンデンサC2の電圧を変換して光源40を点灯させる。バックコンバータ回路20は、スイッチング素子Q2、コイルL2、ダイオードD2から構成される。スイッチング素子Q2は例えばMOSFETである。バックコンバータ回路20が出力する高周波電圧は、光源40と並列に接続するコンデンサC3で平滑化される。これにより、光源40に直流電圧が供給される。
コンデンサC3および光源40には抵抗R4が接続される。抵抗R4には、バックコンバータ回路20が出力するスイッチング電流が流れる。抵抗R4に流れた電流は電圧に変換され、制御回路30のP2端子に入力される。抵抗R4に流れる電流は、バックコンバータ電流であり、その平均値は光源40に流れるLED電流に等しい。制御回路30は、抵抗R4に発生する電圧が一定になるように、Vg2端子からスイッチング素子Q2を動作させるスイッチング信号を出力する。よって、定電流制御により光源40は点灯する。このように、バックコンバータ回路20は、AC-DC変換回路の出力電圧を供給されて、光源40を点灯させる定電流回路である。
制御回路30のVg2端子からのスイッチング信号は、昇圧チョッパ回路12と同様に、MOSFETドライバー18を介して、スイッチング素子Q2に入力される。これにより、スイッチング素子Q2を安定してスイッチングできる。
コンデンサC2に蓄えられた電荷は、制御電源回路部14で変換され、コンデンサC4で平滑されて、MOSFETドライバー18の制御電源として供給される。この制御電源の電圧をV2とする。V2は例えば15Vである。さらに電圧V2は降圧回路部16を介して、制御回路30のVDD端子に入力され、制御回路30の制御電源となる。VDD端子の電圧は例えば5Vである。制御電源回路部14は、バックコンバータ回路などの降圧コンバータ回路でも良く、フライバック回路などの昇降圧コンバータ回路でも良い。
コンデンサC1には、抵抗R1、R2が接続される。抵抗R1、R2で抵抗分圧された電圧は、制御回路30のP3端子に入力される。このように制御回路30は、商用電源ACの電圧を検出して、制御に反映することができる。抵抗R1、R2により構成される分圧回路は、交流電源からAC-DC変換回路への入力電圧Vinを検出する電圧検出回路に該当する。
次に商用電源ACが何かしらの事情で電圧低下が発生したときの動作を説明する。図2は、実施の形態1の比較例に係る点灯装置10の電圧波形およびスイッチング素子Q1のオン幅を示す図である。比較例では、単に昇圧チョッパ回路12の出力電圧が目標電圧となるようにフィードバック制御が行われる。
時刻T1にて商用電源ACの電圧低下が発生したとする。このときの電圧の低下量を降下電圧ΔVと呼ぶ。商用電源ACの低下に伴い、昇圧チョッパ回路12の出力電圧V1は低下する。時刻T2にて制御回路30はP1端子電圧が低下したことを検出する。これにより制御回路30は、出力電圧V1を目標電圧に戻すようにフィードバック制御を行う。制御回路30は、スイッチング素子Q1のオン幅を大きくすることで、出力電圧V1を目標電圧に戻す。このフィードバック制御は、フィードバック周期が商用電源ACの全波整流電圧の周期よりも長いため、時刻T1に対して遅延する。時刻T3にて、スイッチング素子Q1は、商用電源ACが低下している状態で出力電圧V1が目標電圧になるようなオン幅に設定される。従って、出力電圧V1は目標電圧に戻る。
時刻T4にて、商用電源ACが正常な電圧に戻る。このとき、スイッチング素子Q1のオン幅は、電圧低下状態で出力電圧V1が目標電圧になるように設定されている。このため、商用電源ACが復帰すると、出力電圧V1は目標電圧よりも上昇する。つまり、出力電圧V1にオーバーシュートが発生する。
時刻T5にて、制御回路30は、P1端子電圧が上昇したことを検出する。制御回路30は、出力電圧V1を目標電圧に戻すようにフィードバック制御を行う。しかし、上述した通りフィードバック制御は、フィードバック周期による遅延のため、時刻T4から遅れる。制御回路30は、スイッチング素子Q1のオン幅を小さくし、時刻T1以前の状態とする。時刻T6にて、スイッチング素子Q1は、商用電源ACが定常な電圧で出力電圧V1が目標電圧になるようなオン幅に設定される。
このように、商用電源ACに何かしらの事情で電圧低下が発生したときには、フィードバック制御の遅延により、オーバーシュートが発生するおそれがある。このオーバーシュートにより回路部品に過度な負荷が掛かる可能性がある。また、オーバーシュートを想定して部品を選定することとなり、部品が大型化するおそれがあった。
また、図2では、降下電圧ΔVのレベルが異なるパターン1~3が示されている。パターン3のようにΔVが大きいほど、出力電圧V1のオーバーシュートが大きくなる。このため、さらに部品が大型化するおそれがある。
図3は、実施の形態1に係る点灯装置10の電圧波形およびスイッチング素子Q1のオン幅を示す図である。本実施の形態の制御回路30は、入力電圧Vinが定常状態よりも予め定められた降下電圧ΔV以上低下した状態が、予め定められた電圧降下時間ΔTだけ継続すると、AC-DC変換回路の出力電圧V1を定常状態よりも低下させる。また、制御回路30はP3端子で、商用電源ACの全波整流電圧に比例した入力電圧Vinを検出する。
時刻T1にて商用電源ACの電圧低下が発生する。商用電源ACの低下に伴い、昇圧チョッパ回路12の出力電圧V1が低下する。時刻T2において、制御回路30はP3端子から、商用電源ACの電圧低下が予め定められた電圧降下時間ΔTだけ継続したことを検出する。電圧降下時間ΔTは、時刻T1から時刻T2までの時間である。これにより制御回路30は、昇圧チョッパ回路12の動作を停止させる。つまり制御回路30は、スイッチング素子Q1をオフ状態に維持する。時刻T3にて、商用電源ACが復帰して正常な電圧に戻る。制御回路30はP3端子により入力電圧Vinの復帰を検出する。これにより制御回路30は、スイッチング素子Q1を再び動作させる。時刻T4において、昇圧チョッパ回路12の動作は正常な状態に戻る。以降、制御回路30は、出力電圧V1が目標電圧になるように制御を行う。
このように本実施の形態では、入力電圧Vinが定常状態よりも降下電圧ΔV以上低下した状態が電圧降下時間ΔTだけ継続すると、昇圧チョッパ回路12の出力電圧V1を定常状態よりも低下させる。このため、商用電源ACが正常電圧に復帰したときに、出力電圧V1のオーバーシュートを抑制できる。また、本実施の形態では、商用電源ACの低下に伴い予め出力電圧V1を低下させる。このため、商用電源ACの復帰を検出してから点灯回路の動作を制限する場合よりも、精度よくオーバーシュートを抑制できる。従って、高精度な保護動作が可能となる。また、回路部品の負荷を小さくすることができ、過剰な部品の大型化を回避できる。これにより、省エネ、かつ、省資源な点灯装置を提供できる。
また、本実施の形態では、例えばLED電流を検出して間接的に商用電源ACの低下を検出するのでは無く、整流器DBの出力から直接的に入力電圧Vinを検出する。従って、商用電源ACの変動に対して、高精度な保護動作が可能となる。また、LED電流に変化が起きる前に保護動作することができる。即ち、光の変化を抑制でき、使用者の違和感を抑制できる。
本実施の形態の制御回路30は、時刻T2にて昇圧チョッパ回路12の動作を停止させる。このため、時刻T2から時刻T3までの出力電圧V1は、商用電源ACの全波整流電圧に等しい。これに限らず、時刻T2において制御回路30は、昇圧チョッパ回路12の出力電圧V1を定常状態よりも低下させれば良い。定常状態とは、入力電圧Vinが定常値であり、出力電圧V1が目標電圧に一致した状態である。時刻T2におけるスイッチング素子Q1のオン幅は、入力電圧Vinの復帰時にオン幅が過剰に大きくならないように制限されれば良い。
図4は、実施の形態1の変形例に係る電圧降下時間ΔTと降下電圧ΔVの関係を示す図である。図5は、実施の形態1の変形例に係る点灯装置10の電圧波形およびスイッチング素子Q1のオン幅を示す図である。降下電圧ΔVが大きいほど電圧降下時間ΔTは小さくても良い。降下電圧ΔVが大きくなるほど出力電圧V1のオーバーシュートは大きくなり易い。このため、降下電圧ΔVが大きいほど保護動作の検出時間である電圧降下時間ΔTを短くすると良い。
図4に示されるように、電圧降下時間ΔTと降下電圧ΔVを逆数のような関係とするのが望ましい。これにより、降下電圧ΔVが大きいほど電圧降下時間ΔTを早めることができる。従って、より安全な制御を実現できる。電圧降下時間ΔTと降下電圧ΔVの関係性は、部品の定格、制御の応答性、入出力電圧等を考慮して自由に設定できる。
逆に降下電圧ΔVが小さい場合、出力電圧V1のオーバーシュートが小さい。このため、電圧低下が継続する時間が短い場合は昇圧チョッパ回路12の動作を停止させなくてよい。これにより瞬間的なノイズによる誤動作を回避できる。また、停止動作による光源40のちらつきを抑制できる。従って、使用者にとって快適な環境を作ることできる。
図5において、保護を行うタイミングがVslで示されている。図5の例では、パターン3のみで昇圧チョッパ回路12の動作を停止させるようなΔTとΔVが設定されている。
次に、降下電圧ΔVと商用電源ACの関係について説明する。商用電源ACには例えばAC100V、200V、242Vなど、さまざまな電圧がある。本実施の形態の昇圧チョッパ回路12は、このような複数の種類の交流電源を供給されて、予め定められた出力電圧V1を出力可能である。昇圧チョッパ回路12は例えばAC100Vから242Vまでの入力電圧Vinに対して、動作周波数またはオンDUTYを変更することで、予め定められた出力電圧V1を出力できる。
降下電圧ΔVはできるだけ小さいほうが、商用電源ACの電圧低下に対する保護動作として効果的である。昇圧チョッパ回路12に入力が許容される商用電源ACの最大値をV3=242Vとして、最小値をV4=100Vとする。このとき、降下電圧ΔVは最小値V4よりも小さいことが望ましい。つまり、ΔV<V4である。降下電圧ΔVが100Vよりも大きいと、商用電源ACが100Vのときには商用電源ACが降下しても保護動作をすることができないためである。このように、降下電圧ΔVは、AC-DC変換回路に入力され得る複数の種類の交流電源のうち、最小の交流電源の電圧よりも小さいと良い。
制御回路30は、IC(Integrated Circuit)、マイコン等で構成できる。制御回路30は、例えばプロセッサ等の制御部、メモリおよびタイマを備える。メモリは、図4に示される降下電圧ΔVと電圧降下時間ΔTの関係を記憶する。タイマは、入力電圧Vinが低下してから経過した時間を計測する。制御部は、ΔVとΔTの関係と、入力電圧Vinが低下してから経過した時間に基づき、スイッチング素子Q1のオン幅を制御する。
なお、本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良い。
10 点灯装置、12 昇圧チョッパ回路、14 制御電源回路部、16 降圧回路部、18 MOSFETドライバー、20 バックコンバータ回路、30 制御回路、40 光源、100 照明器具、AC 商用電源、C1、C2、C3、C4 コンデンサ、D1、D2 ダイオード、DB 整流器、L1、L2 コイル、Q1、Q2 スイッチング素子、R1、R2、R4、R5、R6 抵抗
Claims (5)
- 交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるAC-DC変換回路と、
前記交流電源から前記AC-DC変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記AC-DC変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記AC-DC変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、
前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さいことを特徴とする点灯装置。 - 前記フィードバック制御のフィードバック周期は、前記交流電源の全波整流電圧の周期よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の点灯装置。
- 前記AC-DC変換回路は、複数の種類の前記交流電源を供給されて予め定められた出力電圧を出力可能であり、
前記降下電圧は、前記複数の種類の交流電源のうち最小の交流電源の電圧よりも小さい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AC-DC変換回路の前記出力電圧を供給されて、前記光源を点灯させる定電流回路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。
- 請求項1から4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。
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