JP5280913B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
http://www.ednjapan.com/content/issue/2006/09/idea/idea01.html
<構成>
図1は、本発明の実施形態に係る電球形の照明装置の概略構成を示す一部切り欠き図である。
照明装置1は、白熱電球に模した外観形状を有している。円筒状のケース2は、樹脂等の絶縁材料で形成されており、その一端にはE型口金3が設けられ、他端には円板状のヒートシンク5が設けられている。口金3とヒートシンク5で封塞されたケース2の内部空間には、点灯装置4が収容されている。ヒートシンク5のケース封塞面とは反対側の面には発光モジュール6が搭載されていると共に、発光モジュール6を覆うグローブ7が取着されている。
図2は、本発明の実施形態に係る照明回路の構成を示す回路図である。
照明回路10では、ダイオードブリッジDB2がトライアック15を介して交流電源ACに接続されている。ダイオードブリッジDB2のプラス端子には、LED1からLED8までの8組、合計45個のLEDが直列に接続されている。各組に含まれるLEDの個数は次の通りである。
LED2:8個
LED3:7個
LED4:7個
LED5:6個
LED6:5個
LED7:3個
LED8:1個
LED1の末端のノードN1はスイッチ素子FET1を介してダイオードブリッジDB2のマイナス端子に接続されている。ノードN2からノードN8についても同様である。
N=Veff×1.1×√2/Vf
ここでは、交流電源の電圧実効値をVeff[V]、LED単体に仕様電流を流したときに誘起される電圧をVf[V]とする。なお、仕様電流とは、LEDの発光効率を最適に維持できる電流値、または、照明器具設計をする場合の、使用環境下による放熱設計やあかり条件に適した電流値をいう。
図5に、図4に記憶されたテーブルに従ってFETのオンオフ制御をした場合における、交流電源ACに直列接続されるLEDの個数の変化を示す。ここでは、0[deg]から90[deg]までの範囲(交流電源の半周期の前半に相当)が示されている。また、図中の破線は、ピーク電圧が141[V]の交流電源の電圧を示している。
位相が12[deg]から22[deg]までの第2区間では、テーブルに従ってFET2がオンされ、FET1,3−8がオフされる。このとき、LED1とLED2に含まれる16個のLEDが交流電源ACに直列に接続される。
また、テーブルから明らかなように、91[deg]から180[deg]までの範囲(交流電源の半周期の後半に相当)では、位相が増加するにつれて、直列接続されるLEDの個数が減少していく。
本実施形態では、LEDを交流(厳密には全波整流された脈流)で点灯させるので、平滑用の電解コンデンサを必要としない。したがって、電球形の照明装置のケースの寸法を小さくすることができ、結果的に、照明装置の小型化を図ることができる。また、電解コンデンサは電源回路の寿命の長短を決定させる主要素子である。これを使用しないことから電源回路の寿命を安定的に長くすることができる。
<動作>
次に、マイコンの動作について説明する。図6は、マイコンの動作を示すフロー図である。図7は、交流電源の周期と電圧のサンプリング間隔との関係を示す図である。
次に、交流電源の周波数を検出し(ステップS12)、電源投入直後に交流波形をサンプリングし、周波数を自動算出する。周波数が50[Hz]なら(ステップS13:50Hz)、位相90[deg]を5[ms]に対応付け(ステップS14)、周波数が60[Hz]なら(ステップS13:60Hz)、位相90[deg]を4.16[ms]に対応付ける(ステップS15)。
次に、交流電源の電圧のゼロクロスを検出する(ステップS19)。ゼロクロスが検出されたら(ステップS19:YES)、一定のサンプリング間隔だけ待機し(ステップS20)、交流電源の電圧が立ち上がったか否かを判定する(ステップS21)。電圧が立ち上がっていなければ(ステップS21:NO)、位相が180[deg]に達していない限り(ステップS22:NO)、サンプリング間隔の待機(ステップS20)と電圧の立ち上がりの判定(ステップS21)とを繰り返す。電圧の立ち上がりが検出されないまま位相が180[deg]に達してしまえば、ステップS17に戻す。
次に、検出された時間Δtに対応する位相を特定し、図4に示されたテーブルを参照してオンすべきFETn(nは1以上8以下の整数)を特定し(ステップS24)、特定されたFETnをオンさせる(ステップS25)。時間Δtから位相を特定するときには、ステップS13−S15の結果を利用する。
図8に、上記動作を実行したときにおける、交流電源に直列接続されるLEDの個数の時間変化を示す。LEDの個数の時間変化に併せて、トライアックゲート信号および照明装置への供給電圧も表す。
図8(c)は、調光レベルの設定が最小の場合を示している。トライアック15を用いた場合には、調光レベルの設定を最小にしたとき、半周期の終期付近で電圧が立ち上がり、わずかな期間だけ電力が供給される。この電力から直流電圧で15[V]程度は確保できるので、調光レベルの設定が最小の場合でもマイコン12は動作可能である。
また、本実施形態では、半周期に含まれる区間毎にLEDの個数が定められ、タイマーに示される時間が各区間の始期に達するたびに、区間毎に定められた個数のLEDを直列接続させている。これに対し、別の制御方法として、交流電源の電圧瞬時値を検出し、電圧瞬時値に応じた個数のLEDを直列接続させる方法が考えられる。ところが、電圧瞬時値を利用する方法では、交流電源の電圧が公差の範囲内で低下した場合、LED8やLED7に含まれるLEDが常時不点灯になることがある。これは、発光モジュールのある特定の箇所が常時不点灯になることから、照度むらの原因となる。また、電源ノイズの影響により交流電源の電圧が瞬間的に変動した場合、マイコンの演算処理が間に合わずに動作が不安定になることがある。一方、本実施形態のように時間に応じてLEDの個数を切り替える場合には、そのような問題がない。
(1)実施形態では、配線に45個のLEDが直列に挿入されており、ノードN0がダイオードブリッジDB2のプラス端子に接続され、ノードN1−N8がそれぞれ別個のスイッチ素子FET1−FET8を介してダイオードブリッジDB2のマイナス端子に接続されている。しかしながら、本発明は、複数の発光素子と少なくとも1つのスイッチ素子とを含み、スイッチ素子のオンオフにより交流電源に直列に接続される発光素子の個数が切り替わるように構成された回路であれば、これに限らない。例えば、ダイオードブリッジDB2のプラス端子とマイナス端子との間に8本の配線を並列に設け、各配線に1または複数のLEDを直列に挿入すると共にスイッチ素子を挿入し、配線毎に直列に挿入されるLEDの個数を異ならせたものとしてもよい。また、45個のLEDに対し45個のスイッチ素子を設け、直列接続されるLEDの個数を1個単位で切り替え可能な回路構成としてもよい。
(2)実施形態では、ダイオードブリッジDB2により交流電圧を全波整流し、全波整流された電圧をLEDのアレイに供給しているが、本発明は、これに限らない。例えば、図9に示すように、ダイオードブリッジDB2を排除し、正負の交流電圧をそのままLEDのアレイに供給することとしてもよい。正極点灯回路(LED1−LED8)において、FET1−FET8の各ソース端子はノードN22に接続されている。また、負極点灯回路(LED9−LEDG)において、FET9−FET16の各ソース端子はノードN21に接続されている。すなわち、正極点灯回路と負極点灯回路とが交流電源に逆並列に接続されている。マイコン22は、交流電源の電圧が正の半周期では、FET1−8を順次オンにしつつ、FET9−16の何れもオフとする。一方、交流電源の電圧が負の半周期では、FET9−16を順次オンにしつつ、FET1−8の何れもオフとする。
(3)実施形態では、半周期を16区間に区分しているが、本発明は、これに限らない。区間の数を多くすれば、区間が切り替わる際の輝度の変動を抑制することができる。また、区間の数を少なくすれば、処理速度の低い廉価なマイコンを利用することができる。
(4)実施形態では、半周期の各区間を略等間隔にしているが、本発明は、これに限らない。例えば、位相変化に対して電圧変化が大きな領域(位相0−45[deg])では区間間隔を短くし、位相変化に対して電圧変化が小さな領域(位相46−90[deg])では区間間隔を長くするなどしてもよい。これにより、区間が切り替わる際の輝度の変動を抑制することができる。例として、連続する2つの区間でLEDの個数の差が大きい場合に(例えば、LED1とLED2と8個の差)、これらの区間をさらに細かく2分すれば、輝度差は1/2に半減されることになる。特に、ゼロクロス点直後からの電圧の立ち上がりが急峻なところを細分化すると効果的である。
(5)実施形態では、電球形の照明装置としているので、トライアックが照明装置の外部に存在しているが、本発明は、これに限らない。例えば、トライアックを内蔵する照明装置としてもよい。この場合、簡易な構成で調光を実現することができる。
(6)実施形態では、ゼロクロス点からの電圧の立ち上がり検出をマイコンのアナログ入力端子で電圧変化を見ながら検出しているが、デジタル入力端子を用いて、ある閾値電圧による検出としてもよい。この場合、マイコンにアナログ入力端子を必要にしないため、安価なマイコンを使用することができる。
(7)実施形態では、分圧抵抗R1,R2をダイオードブリッジDB2よりも交流電源側に配し、交流電圧を検出することとしているが、本発明は、これに限らない。例えば、ダイオードブリッジDB2よりも負荷側に分圧抵抗R1,R2を配し、全波整流された交流電圧を検出することとしてもよい。また、実施形態では、電圧検出には分圧抵抗による比電圧を検出する方法が採用されているが、これに限らず、ツェナーダイオードとフォトカプラによる微分検出方法を採用することとしてもよい。
(8)実施形態では、動作フローにより順次処理を実行しているが、処理速度を上げるために、ゼロクロス検出による割込み処理によるマルチタスク制御にしてもよい。但し、ゼロクロス割込みでは稀に発生の可能性がある異常信号などによる不定期のゼロクロスにより誤動作を招くおそれがあるため、動作フロー初期で検出した周波数情報を用いて、不定期に生じるゼロクロスはゼロクロスとして検出しないようにすることとしてもよい。
(9)実施形態では、1つの区間を10に分割して得られる間隔をサンプリング間隔としているが、本発明はこれに限らない。例えば、点灯と消灯のタイミングの精度を上げるために、分割数を100や1000などに増やしてもよい。
(10)トライアック15は、2次側に負荷が接続されているときに動作が安定する。LEDが点灯している期間には点灯しているLEDが負荷となるのでトライアック15が安定動作することができる。一方、LEDが消灯している期間にはLED1−LED8の何れも負荷として働かないのでトライアック15の動作が不安定になるおそれがある。そこで、LEDが消灯している期間でもトライアック15を安定動作させるために、トライアック15の2次側に抵抗や発光素子やダイオードを直列か並列に挿入し、数十[mA]の負荷電流を流すようにしてもよい。
2 ケース
3 E型口金
4 点灯装置
5 ヒートシンク
6 発光モジュール
6a 基板
6b LED
6c 樹脂成型部材
7 グローブ
10 照明回路
11 直流電源部
12,22 マイコン
13 切替スイッチ
14 ポリスイッチ
15 トライアック
121 アナログデジタルコンバータ
122 タイマー
123 CPU
124 ROM
125 RAM
126 入力ポート
127 出力ポート
Claims (8)
- 位相制御された交流電源から電力供給を受ける照明装置であって、
複数の発光素子と少なくとも1つのスイッチ素子とを含み、前記スイッチ素子のオンオフにより前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が切り替わるように構成された回路と、
前記交流電源の電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出手段と、
前記交流電源の電圧の立ち上がりを検出する立ち上がり検出手段と、
前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されたときから次に電圧のゼロクロスが検出されるまでの期間に、前回ゼロクロスが検出されたときからの経過時間に応じて、前記交流電源の半周期の前半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が前記交流電源の電圧の瞬時値に応じて増加していき、前記交流電源の半周期の後半では前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数が前記交流電源の電圧の瞬時値に応じて減少していくように、前記交流電源の半周期を等間隔に分割した区間毎に前記スイッチ素子のオンオフを制御するスイッチ制御手段と
を備えることを特徴とする照明装置。 - 前記回路は、さらに、前記交流電源に接続されたダイオードブリッジを含み、前記複数の発光素子は配線に直列に挿入されており、前記配線の一端が前記ダイオードブリッジのプラス端子に接続され、前記配線の他端と前記配線の一端から他端までの複数の分岐点とがそれぞれ別個のスイッチ素子を介して前記ダイオードブリッジのマイナス端子に接続されており、
前記スイッチ制御手段は、
前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数を増加させる場合には、前記配線の一端から他端に向かう順番にスイッチ素子を選択的にオンしていき、前記交流電源に直列に接続される発光素子の個数を減少させる場合には、前記配線の他端から一端に向かう順番にスイッチ素子を選択的にオンしていくこと
を特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記スイッチ制御手段は、
前記交流電源の半周期の前半の最後および前記交流電源の半周期の後半の最初に何れかのスイッチ素子をオンする場合には、前記配線の他端と前記ダイオードブリッジのマイナス端子との間にあるスイッチ素子をオンすること
を特徴とする請求項2に記載の照明装置。 - 前記複数の発光素子の総数をN[個]、交流電源の電圧実効値をVeff[V]、発光素子単体に仕様電流を流したときに誘起される電圧をVf[V]としたとき、
N=Veff×1.1×√2/Vf
が満たされていること
を特徴とする請求項3に記載の照明装置。 - さらに、前記交流電源の電圧のゼロクロスが検出されたときにリセットされるタイマーと、
前記交流電源の半周期を等間隔に分割した区間と、直列に接続される発光素子の個数とを対応付けており、前記交流電源の半周期の前半には経過時間が長くなるほど直列に挿入すべき発光素子の個数が増加する傾向を示し、前記交流電源の半周期の後半には経過時間が長くなるほど直列に挿入すべき発光素子の個数が減少する傾向を示すテーブルを保持する保持手段とを備え、
前記スイッチ制御手段は、
前記交流電源の電圧の立ち上がりが検出されたときから次に電圧のゼロクロスが検出されるまでの期間に、前記タイマーに示される経過時間が前記各区間に達するたびに、前記テーブルを参照し、該当する区間に対応する個数の発光素子が前記交流電源に直列に接続されるように前記スイッチ素子のオンオフを制御すること
を特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記回路は、さらに、前記交流電源と前記複数の発光素子とを結ぶ配線に挿入された過電流保護素子を含むこと
を特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - さらに、動作地域の周波数を検出する周波数検出手段を備え、
前記ゼロクロス検出手段は、検出された周波数を用いて、不定期に発生するゼロクロスについてはゼロクロスとして検出しないこと
を特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記回路において、前記スイッチ素子は、制御回路と絶縁されていること
を特徴とする請求項1に記載の照明装置。
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