JP5488925B2 - Ｌｅｄ点灯装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、光源としての発光ダイオードを調光点灯するＬＥＤ点灯装置および照明装置に関する。

従来、劇場やスタジオ等の演出用の照明には、ハロゲン電球などの白熱電球や放電ランプを光源とするスポットライトなどが使用されていたが、近年の発光ダイオードの高出力化に伴って、また、発光ダイオードが省電力、長寿命であり、発熱量が比較的低いことなどにより、発光ダイオードを光源とする照明装置が用いられている。そして、発光ダイオードの調光制御は、その調光制御が比較的容易であるＰＷＭ（パルス幅変調）制御により行われている。

従来、白熱電球などの調光制御は、交流電圧の導通角を制御する位相制御型調光器を用いて行われてきた。白熱電球などの従来光源を有する照明装置と、発光ダイオードを光源とする照明装置とを併用する場合、当該位相制御型調光器は、発光ダイオードを光源とする照明装置に対しても使用されることになる。すなわち、費用や工事に伴う使用できない期間等の関係で、位相制御型調光器の交換および大規模な配線変更工事を極力避けることが得策である。このように、位相制御型調光器から位相制御された電力が供給されて、発光ダイオードを光源とする照明装置を調光点灯するものとして以下のものが提案されている。

その一例として、電源幹線に接続されて動作する白熱灯用調光器から調光信号を受け、電源幹線に接続され生成する直流定電圧電源部からの直流をＰＷＭ制御して、発光ダイオード照明器具に供給し、調光制御点灯する発光ダイオード用調光駆動装置が提案されている（特許文献１参照。）。この発光ダイオード用調光駆動装置によれば、直流定電圧電源部からの直流が発光ダイオード照明器具に供給されるので、発光ダイオードが深く調光されて軽負荷となったときに、白熱灯用調光器の位相制御素子に流れる電流が位相制御素子の保持電流以下になって位相制御素子のオン状態が不安定になるなどして、白熱灯用調光器の動作が不安定あるいは誤動作することが防止される。

また、ＬＥＤ電子回路が充分な負荷を供給しないときに、位相制御型減光装置に負荷を提供する動的ダミー負荷を備えるＬＥＤ点灯システムが提案されている（特許文献２参照。）。このＬＥＤ点灯システムは、従来、ＬＥＤ照明と並列に接続されている抵抗等のダミー負荷に替えて動的ダミー負荷を設けたものであり、動的ダミー負荷の電流消費とＬＥＤを有するＬＥＤ照明コンバータの電流消費の合計が位相制御型減光装置の保持電流を超えることにより、位相制御型減光装置の誤動作を防止するものである。すなわち、ダミー負荷は、常時、所定の電流消費をするのに対し、動的ダミー負荷は、その電流消費がＬＥＤ照明コンバータの電流消費に応じて増減され、前記電流消費の合計が位相制御型減光装置の保持電流を超えるようにするものである。これにより、動的ダミー負荷は、累計の電流消費（電力消費）が低減されることになり、ＬＥＤ点灯システムの電力消費が低減されるものである。

実用新案登録第３１５７９７２号公報（第５頁、第１図） 特表２００７−５３８３７８号公報（第６頁、第５、７図）

しかし、特許文献２に示す動的ダミー負荷は、その電流が減少されたときであっても常に電流が流れるものであり、その電力低減の余地が残されている。また、動的ダミー負荷は、ＬＥＤ照明コンバータから制御信号を受信して負荷を調整するなどの複雑かつ高機能を有する回路構成であるので、当該動的ダミー負荷を用いると、電源装置（点灯装置）がコストアップするという欠点を有する。

本発明は、位相制御型調光器に接続され、ダミー負荷での消費電力が極力抑制されるＬＥＤ点灯装置および照明装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態のＬＥＤ点灯装置は、ＡＣ−ＤＣ変換回路、ＰＷＭ制御回路および駆動回路を有して構成される。

ＡＣ−ＤＣ変換回路は、位相制御型調光器から出力された交流電圧を入力し、当該交流電圧を直流電圧に変換するように形成される。

ＰＷＭ制御回路は、発光ダイオードの調光度に対応する階調を有する調光信号を入力し、当該調光信号の階調に対応するＰＷＭ信号を出力するように形成される。

駆動回路は、ＰＷＭ制御制御から出力されたＰＷＭ信号を入力し、当該ＰＷＭ信号のオンデューティー期間にＡＣ−ＤＣ変換回路から発光ダイオードに電力を供給し、ＡＣ−ＤＣ変換回路から発光ダイオードに電力を供給しない期間にダミー負荷に接続するように形成される。

本発明の実施形態によれば、ＬＥＤ点灯装置は、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間にＡＣ−ＤＣ変換回路から発光ダイオードに電力を供給し、ＡＣ−ＤＣ変換回路から発光ダイオードに電力を供給しない期間にダミー負荷に電力を供給する駆動回路を備えているので、位相制御型調光器の位相制御素子にほぼ休止することなく安定した電流が流れて、位相制御素子が誤動作することを抑制できるとともに、ＡＣ−ＤＣ変換回路から発光ダイオード側に電流が供給されない期間にダミー負荷に電流が供給されて、ダミー負荷での消費電力が必要最小限に抑制されることが期待できる。

本発明の実施例１を示す照明装置の概略ブロック図である。 同じく、位相制御型調光器の概略回路図である。 同じく、発光ダイオードおよびダミー負荷に供給される電流のタイミングを示す説明図である。 同じく、位相制御型調光器の出力電流波形および出力電圧波形を示し、（ａ）は本発明のＰＷＭ制御による波形図、（ｂ）は従来技術のＰＷＭ制御による波形図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の実施形態の照明装置１は、図１に示すように、位相制御型調光器２、発光ダイオード３、ダミー負荷４、ＬＥＤ照明器具５および調光装置６を有して構成される。

位相制御型調光器２は、例えばテレビスタジオに設置されているものであり、多数の位相制御素子を備えており、本来、ハロゲン電球などの白熱電球を調光制御するものである。ここでは、位相制御型調光器２は、その位相制御素子をそれぞれ介して、白熱電球を光源とする白熱照明器具および発光ダイオード３を光源とするＬＥＤ照明器具５がそれぞれ１個ないし複数個接続されている。すなわち、ＬＥＤ照明器具５を電源幹線に接続すると、その配線接続工事や位相制御型調光器２の廃棄に多大の費用を要するものである。また、テレビスタジオ等においては、位相制御型調光器２は、一種の電源盤であり、これに白熱照明器具に替えてＬＥＤ照明器具５を接続することにより、配線接続工事を容易にできるものである。

図２において、位相制御型調光器２は、位相制御素子としてのサイリスタＳＲ１，ＳＲ２およびリアクタＬ１を有している。サイリスタＳＲ１，ＳＲ２は、互いに逆方向となるように並列接続され、これにリアクタＬ１が直列接続されている。そして、これらの直列回路にＬＥＤ照明器具５を直列接続して交流電源Ｖｓに接続されている。サイリスタＳＲ１，ＳＲ２のそれぞれのゲートＧ１，Ｇ２は、図示しない調光操作器に接続されており、調光操作器のつまみやフェーダなどの操作子を操作することにより、制御信号が入力される。これにより、サイリスタＳＲ１，ＳＲ２の導通のタイミングが可変して、交流電源Ｖｓの交流電圧の導通角が可変される。サイリスタＳＲ１，ＳＲ２は、保持電流を下回る電流が流れると、導通を維持できなくなる。

位相制御型調光器２は、上述したように、交流電源Ｖｓの交流電圧の導通角をサイリスタＳＲ１，ＳＲ２およびリアクタＬ１により可変して出力するものであるが、本実施形態では、交流電圧を位相制御することなく、ほぼ正弦波の交流電圧を出力するものである。すなわち、発光ダイオード３を位相制御型調光器２により調光制御しない。

このように、位相制御型調光器２は、非位相制御の略正弦波交流電圧を出力するものである。しかし、位相制御された交流電圧が出力されることを許容するものである。すなわち、多少位相制御された交流電圧が出力されても、後述する本実施形態の作用、効果が損なわれることはないものである。図１に示すように、位相制御型調光器２は、発光ダイオード３およびダミー負荷４に電流（電力）を供給するＬＥＤ点灯装置９に接続される。

発光ダイオード３は、ＬＥＤ照明器具５の光源であり、可視光を放射するように形成されている。そして、その複数個が図示しない基板に直列接続されるように実装されてＬＥＤ回路１０を形成している。発光ダイオード３は、ＬＥＤ点灯装置９により点灯制御される。

ダミー負荷４は、抵抗Ｒ１からなり、ＬＥＤ点灯装置９から電流（電力）が供給される。そして、抵抗Ｒ１の抵抗値は、ＬＥＤ点灯装置９から発光ダイオード３に電流が供給されていなくても、位相制御型調光器２のサイリスタＳＲ１，ＳＲ２に保持電流を流すことのできるように設定されている。なお、ダミー負荷４は、抵抗Ｒ１そのものでなくてもよく、フィラメントを有する電球などであってもよい。

ＬＥＤ照明器具５は、図示しない器具本体にＬＥＤ点灯装置９、発光ダイオード３およびダミー負荷４を配設している。ＬＥＤ照明器具５は、発光ダイオード３の放射光を所定の被照射物などに照射する例えばスポットライトに既知の構成で形成することができる。また、ダミー負荷４がＬＥＤ照明器具５と別置される例えば電球であるときには、ＬＥＤ点灯装置９からリード線を導出してダミー負荷４に接続してもよい。

調光装置６は、例えば調光卓であり、発光ダイオード３の調光度に対応する階調を有する調光信号例えば２５６階調の調光信号であるＤＭＸ信号を送信する。このＤＭＸ信号は、米国劇場技術協会（ＵＳＩＴＴ）が規格した演出分野などに用いられるデジタル信号であり、調光制御用の調光信号の規格として用いられているＤＭＸ５１２を指している。発光ダイオード３は、調光装置６から送信される調光信号に応じて調光点灯される。

そして、ＬＥＤ照明器具５に配設されている本発明の実施形態のＬＥＤ点灯装置９は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１、ＰＷＭ制御回路１２および駆動回路１３を有して構成される。

ＡＣ−ＤＣ変換回路１１は、位相制御型調光器２から出力された交流電圧を入力し、当該交流電圧を所定の直流電圧に変換するものであり、既知の直流電源回路で形成されている。例えば、商用交流電源Ｖｓを例えば整流器および平滑用コンデンサにより整流平滑した整流平滑回路、または商用交流電源Ｖｓを整流または整流平滑し、これに昇圧チョッパ回路、降圧チョッパ回路あるいは昇降圧チョッパ回路を接続した直流電源回路に形成することができる。そして、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１は、駆動回路１３、発光ダイオード３およびダミー回路４に電流（電力）を供給する直流電源となっている。

ＰＷＭ制御回路１２は、マイコン（ＣＰＵ）１４および記憶部１５を有してなり、調光装置６から送信された調光信号を入力し、当該調光信号の階調に対応するＰＷＭ信号を出力するように形成されている。ＰＷＭ制御回路１２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１に接続されており、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から供給される電力により動作している。

ＰＷＭ制御回路１２は、調光信号が入力されると、マイコン１４が当該調光信号の階調に対応する階調度を有するＰＷＭ信号を記憶部１５から読み出して、駆動回路１３に出力する。ここで、調光信号は、例えば２５６階調のＤＭＸ信号であり、ＰＷＭ信号は、例えば１０２４階調の階調度を有する。調光信号の２５６階調は、発光ダイオード３の調光度０〜１００％に対応していて、調光信号の階調度が大きくなるに従い発光ダイオード３の調光度が上昇する。また、ＰＷＭ信号の１０２４階調は、調光信号の２５６階調に対応付けられており、当該対応付けが記憶部１５に記憶されている。ＰＷＭ信号は、その階調度が大きくなるに従って、オンデューティー期間が長くなる。

駆動回路１３は、制御回路１６、ＮＰＮ形バイポーラトランジスタＱ１，Ｑ２およびコンデンサＣ１，Ｃ２を有して形成されている。そして、コンデンサＣ１およびトランジスタＱ１は、インダクタＬ２を介して直列接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１の出力間に接続されている。同様に、コンデンサＣ２およびトランジスタＱ２は、インダクタＬ３を介して直列接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１の出力間に接続されている。そして、トランジスタＱ１，Ｑ２のそれぞれのベースは、制御回路１６に接続され、コンデンサＣ１の両端間は、ＬＥＤ回路１０に接続され、コンデンサＣ２の両端間は、ダミー負荷４に接続されている。制御回路１６は、ＰＷＭ制御回路１２に接続されている。制御回路１６は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から電力が供給されて動作している。

制御回路１６は、ＰＷＭ制御回路１２から出力されたＰＷＭ信号を入力し、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間に亘ってトランジスタＱ１のベースに電流を供給し、トランジスタＱ２のベースには電流を供給しないように形成されている。これにより、トランジスタＱ１がオンして、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１の出力間にコンデンサＣ１およびこのコンデンサＣ１に並列接続しているＬＥＤ回路１０が接続される。

また、制御回路１６は、ＰＷＭ信号のオフデューティー期間に亘ってトランジスタＱ２のベースに電流を供給し、トランジスタＱ１のベースには電流を供給しないように形成されている。これにより、トランジスタＱ２がオンして、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１の出力間にコンデンサＣ２およびこのコンデンサＣ２に並列接続しているダミー負荷４が接続される。すなわち、ダミー負荷４は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１がコンデンサＣ１およびＬＥＤ回路１０に接続しない期間に、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１に接続される。

上述したように、駆動回路１３は、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間に亘ってＡＣ−ＤＣ変換回路１１をコンデンサＣ１および発光ダイオード３に接続し、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１を発光ダイオード３側に接続しない期間にダミー負荷４に接続するので、図３に示すように、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から供給される電流が交互にコンデンサＣ１およびコンデンサＣ２を充電して、発光ダイオード３の調光度に係らず、常時、駆動回路１３に電流（電力）が供給される。

なお、例えば、調光装置６から送信される調光信号に応じて、発光ダイオード３の調光度を上昇されるのではなく、逆に下降させるときには、駆動回路１３は、ＰＷＭ信号のオフデューティー期間にトランジスタＱ１をオンにし、トランジスタＱ２をオフにし、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間にトランジスタＱ１をオフにし、トランジスタＱ２をオンにするように形成してもよい。

次に、本発明の実施例１の作用について述べる。

ＬＥＤ点灯装置９のＰＷＭ制御回路１２は、外部の調光装置６から出力された調光信号（ＤＭＸ信号）を常時入力する。当該調光信号は、その階調が１周期時間（例えば２０ｍｓ）毎に更新される。そして、ＰＷＭ制御回路１２のマイコン（ＣＰＵ）１４は、入力した調光信号の階調に対応したＰＷＭ信号の階調度を記憶部１５から読み出して、当該階調度を有するＰＷＭ信号を駆動回路１３の制御回路１６に出力する。

制御回路１６は、ＰＷＭ信号の階調度に応じたオンデューティーの期間に亘って、トランジスタＱ１をオンにする。これにより、ＬＥＤ回路１０が並列接続しているコンデンサＣ１は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１に接続されて、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から供給される電流により充電される。発光ダイオード３は、コンデンサＣ１の充電電圧に応じた電流が流れて調光点灯する。

そして、ＰＷＭ信号の階調度が大きくなるに従い、ＰＷＭ信号のオンデューティーの期間が長くなり、発光ダイオード３に電流が流れる期間が長くなるので、発光ダイオード６の調光度（調光率）が上昇する。すなわち、発光ダイオード３の調光度０〜１００％は、ＰＷＭ信号の階調度例えば１０２４階調に応じて変化する。こうして、発光ダイオード３は、調光装置６から送信される調光信号に応じて細かに調光制御される。

そして、制御回路１６は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１をコンデンサＣ１およびＬＥＤ回路１０に接続しないＰＷＭ信号のオフデューティー期間に亘ってトランジスタＱ２をオンにする。これにより、ダミー負荷４が並列接続しているコンデンサＣ２は、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１に接続されて、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から供給される電流により充電される。ダミー負荷４には、コンデンサＣ２の充電電圧に応じた電流が流れる。

このように、駆動回路１３は、ＰＷＭ信号のオンデュ―ティー期間およびオフデューティー期間に応じて交互にトランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフ制御するので、ＰＷＭ信号の１サイクル期間にＡＣ−ＤＣ変換回路１１から流れる電流量が一定となる。すなわち、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１は、ＰＷＭ信号の調光度に係らず、駆動回路１３側に常に一定の電流を供給する。これにより、ＬＥＤ点灯装置９での消費電力も略一定となる。この結果、位相制御型調光器２からＬＥＤ点灯装置９に常に一定の電流が流れる。

そして、ダミー負荷４は、位相制御素子としてのサイリスタＳＲ１，ＳＲ２に保持電流以上の電流が流れるように、その抵抗値が設定されているので、駆動回路１３におけるＰＷＭ信号のオフデューティー期間が長いものであっても、すなわち発光ダイオード３の調光度が低いものであっても、サイリスタＳＲ１，ＳＲ２に保持電流以上の電流が流れるものである。また、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間が短く、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から駆動回路１３側に電流が流れる期間が短いときであっても、ＰＷＭ信号のオフデューティー期間において消費されたＡＣ−ＤＣ変換回路１１の整流平滑回路の平滑用コンデンサに、これを充電する電流が位相制御型調光器２から供給されるので、サイリスタＳＲ１，ＳＲ２には、保持電流以上の電流が流れるものである。

そして、発光ダイオード３の調光度が低くなって発光ダイオード３が軽負荷となったときに、図４（ａ）に示すように、位相制御型調光器２の出力電流が安定して流れるようになることが確認された。すなわち、本発明の実施形態でない従来技術の実施形態では、図４（ｂ）に示すように、位相制御型調光器２の出力電流がスパイク状に流れて不安定に流れるものである。

上述したように、本発明の実施形態によれば、ＬＥＤ点灯装置９は、ＰＷＭ信号のオンデューティー期間にＡＣ−ＤＣ変換回路１１をコンデンサＣ１および発光ダイオード３に接続してＡＣ−ＤＣ変換回路１１から発光ダイオード３に電力を供給し、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１を発光ダイオード３側に接続しない期間にコンデンサＣ２およびダミー負荷４に接続してＡＣ−ＤＣ変換回路１１からダミー負荷４に電力を供給する駆動回路１３を備え、ダミー負荷４は、位相制御型調光器２のサイリスタＳＲ１，ＳＲ２に保持電流以上の電流を流すことのできるように抵抗Ｒ１を有して形成されているので、位相制御型調光器２のサイリスタＳＲ１，ＳＲ２にほぼ休止することなく保持電量以上の安定した電流が流れて、サイリスタＳＲ１，ＳＲ２が誤動作することを抑制できるとともに、ＡＣ−ＤＣ変換回路１１から発光ダイオード３側に電流が供給されない期間にダミー負荷４に電流が供給されて、ダミー負荷４での消費電力を必要最小限に抑制することができるという効果を有する。

また、ダミー負荷４は、抵抗Ｒ１を有して形成されて、複雑かつ高機能を有する回路構成で形成されるものでないので、ＬＥＤ点灯装置９およびＬＥＤ照明器具５を安価に形成することができ、これにより、照明装置１も安価になるという効果を有する。

１…照明装置、 ２…位相制御型調光器、 ３…発光ダイオード、 ４…ダミー負荷、 ５…ＬＥＤ照明器具、 ６…調光装置、 ９…ＬＥＤ点灯装置、 １１…ＡＣ−ＤＣ変換回路、 １２…ＰＷＭ制御回路、 １３…駆動回路

Claims (2)

1. 位相制御型調光器から交流電圧を入力し、当該交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ変換回路と；
   発光ダイオードの調光度に対応する階調を有する調光信号を入力し、当該調光信号の階調に対応するＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御回路と；
   このＰＷＭ制御回路から出力されたＰＷＭ信号を入力し、当該ＰＷＭ信号のオンデューティー期間に前記ＡＣ−ＤＣ変換回路から前記発光ダイオードに電力を供給し、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路から前記発光ダイオードに電力を供給しない期間にダミー負荷に電力を供給するように形成された駆動回路と；
   を具備していることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
2. 交流電源の交流電圧の導通角を可変する位相制御素子を有し、請求項１記載のＬＥＤ点灯装置に交流電圧を出力する位相制御型調光器と；
   前記ＬＥＤ点灯装置によって点灯される発光ダイオードと；
   前記位相制御素子に保持電流以上の電流を流すことのできる抵抗を有して形成され、前記ＬＥＤ点灯装置によって電力が供給されるダミー負荷と；
   前記ＬＥＤ点灯装置と、前記発光ダイオードおよび前記ダミー負荷の少なくとも前記発光ダイオードとを配設しているＬＥＤ照明器具と；
   前記発光ダイオードの調光度に対応する階調を有する調光信号を前記ＬＥＤ点灯装置に送信する調光装置と；
   を具備していることを特徴とする照明装置。

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