JP5773786B2 - 光源点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

この発明は光源を点灯させる光源点灯装置に関する。

発光ダイオード（以下ＬＥＤと称する）等の光源を点灯し、これを調光して照明する技術がある（例えば、特許文献１、文献２参照）。

特開２０１０−４０４００号（図１、図３参照。） 特開２００９−１２３６８１号（図１、図２参照。）

特許文献１の装置は、深い（暗い）調光を行った時に昇圧コンバータで形成される力率改善回路が負荷が軽いために間欠動作を行なってしまい、このため負荷の発光ダイオードがチラツクことを防止しようとする装置である。特許文献１の装置において、交流電源ＡＣは、力率改善回路のコイルＬ１およびスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１のスイッチング動作により、既知のごとく、コンデンサＣ１には昇圧した直流電圧として充電される。そしてこの直流電圧をバックコンバータのスイッチング素子Ｑ２，コイルＬ２、コンデンサＣ２，ダイオードＤ２の作用により変換して、負荷の発光ダイオードを点灯する。調光度が深く（暗く）なった時には、昇圧コンバータの動作を停止し発光ダイオードを点灯する。このときは交流電源を整流した直流が昇圧されず出力コンデンサを充電するので出力コンデンサの電圧は低くなる。このようにして、調光の深いとき（軽負荷時）は、力率改善回路の動作を停止することにより間欠動作を防止しチラツキを防ぐ。しかし力率改善回路の動作を停止してしまうので、コンデンサインプット形の整流回路と同じように、入力電流は電気角９０度近傍の狭い期間だけに急峻に流れる波形となり、力率が低下したり、入力電流の高調波成分が増加してしまう。また、ＬＥＤを調光を深く、すなわちＬＥＤ電流を減少していくとＬＥＤの順方向電圧降下が大きく低下し易いのでＬＥＤがチラついたり、複数のＬＥＤを直列に接続する時は発光するＬＥＤと発光しないものとが混在してしまうなどの課題がある。

また特許文献２の装置は、特許文献２の図１に示すように、（直流）電源２にＬＥＤ４を接続し、ＬＥＤ４の電流をトランジスタＱ１により制御するものであり、トランジスタＱ１は調光器１からの信号に応動する。この装置では、調光度によりＬＥＤ電流の波形を変えるようにしており、特許文献２の図２の（ロ）に示されるように所定の調光度までは通常のごとくＬＥＤ電流のピーク値を減じていく。このときＬＥＤ電流は、ピーク値は減じるが連続的に流れる。調光度が深くなると、それ以上はＬＥＤ電流のピーク値は減少させずに所定の繰返し周期で間欠的に電流を流す。この通電時間比率を変えることで調光度を変化させる。このようにしてＬＥＤの特性のバラツキを抑制し安定に点灯させようとするものである。このような調光装置においても、電源２を交流電源から生成する場合には交流から直流に変換する際に、力率改善回路の介在が必要となるので、深い調光状態にすると特許文献１と同様に、力率改善回路が軽負荷となり不安定な動作を生じやすいという課題があった。

特許文献１の装置では低調光（暗く）にしていくと、ＬＥＤ電流のピーク値を減少させるので、発光するＬＥＤと発光しないＬＥＤが混在した動作になってしまうという課題がある。また、特許文献２の装置では、（直流）電源２を交流電源から形成する場合に、低調光では力率改善回路の動作が不安定に成り易いという課題があった。

本発明は、低調光（調光度が小さい場合）でのＬＥＤの不安定な点灯を防ぎ、かつ力率改善回路の不安定な動作を防止するできるＬＥＤ点灯装置の提供を目的とする。

この発明の光源点灯装置は、
光源が接続される光源点灯装置において、
交流電圧を直流電圧に整流する整流装置と、
前記整流装置の出力端に並列に接続される複数の力率改善回路であって、制御を受けて独立して動作する複数の力率改善回路を有し、前記複数の力率改善回路のうちのいずれかの力率改善回路が動作する場合には、動作する力率改善回路によって力率が改善された電力を出力する力率改善装置と、
前記力率改善装置の出力端に接続され、前記光源が接続されると共に、定電流制御によって前記光源に略一定の電流を供給する定電流電源装置と、
調光度を指示する調光信号を入力し、前記調光信号の指示する前記調光度に応じて前記力率改善装置の複数の力率改善回路の中から動作させるべき力率改善回路を選択し、選択した力率改善回路を動作させる力率改善制御装置と
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、低調光にした時にもＬＥＤを安定に点灯し、さらに力率改善回路が軽負荷になろうとした場合にも負荷のＬＥＤを安定に点灯するＬＥＤ点灯装置を提供できる。

実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００を示す回路図。 実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００の動作を示す電流波形図。 実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００の動作例を示す図。 実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００の別の動作例を示す図。 実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００のさらに別の動作例を示す図。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００を示す回路図である。ＬＥＤ点灯装置１００の特徴は、力率改善制御装置３９及び力率改善装置３にある。力率改善装置３は、整流回路２（整流装置）の出力端に並列に接続される２つ（複数）のＰＦＣ回路（力率改善回路、以下ＰＦＣと記す）であって、力率改善制御装置３９からの制御を受けて独立して動作する２つのＰＦＣを有する。力率改善装置３は、２つのＰＦＣのうちのいずれかのＰＦＣが動作する場合には、動作するＰＦＣによって力率が改善された電力を出力する。力率改善制御装置３９は、調光度を指示する調光度指令（調光信号）を調光手段６から入力し、調光度に応じて２つのＰＦＣの中から動作させるべきＰＦＣを選択し、選択したＰＦＣを動作させる。

図１に示すように、ＬＥＤ点灯装置１００は、整流回路２（整流装置）、力率改善装置３、力率改善制御装置３９、定電流電源４（定電流電源装置）、調光手段６を備える。

力率改善装置３は、２つのＰＦＣとコンデンサ３１、コンデンサ３２を備える。第１ＰＦＣ３０１は、コイル３３−１、スイッチング素子３４−１、ダイオード３５−１からなる。また第２ＰＦＣ３０２は、コイル３３−２、スイッチング素子３４−２、ダイオード３５−２からなる。定電流電源４は、図１ではバックコンバータと称される装置で構成される。定電流電源４は、スイッチング素子４１、コイル４２、ダイオード４３、コンデンサ４４、電流検出手段４５、定電流制御装置４６を備える。

ＬＥＤモジュール５（光源）は、直列に接続された複数の発光ダイオード５１からなる。

図２は、２個のＰＦＣを動作させる力率改善装置３の動作電流を示す。図２（１）は、第１ＰＦＣ３０１のコイル３３−１の電流を示し、図２（２）は、第２ＰＦＣ３０２のコイル３３−２の電流波形を示す。この２個のＰＦＣは、インタリーブと称される交互動作を行うものであり、ここでは臨界モード動作を例に示す。図２（３）はコイル３３−１、コイル３３−２に流れる合成電流を示す図である。

図１のＬＥＤ点灯装置１００において、全光時は、片方の第１ＰＦＣ３０１を構成するコイル３３−１、スイッチング素子３４−１、ダイオード３５−１が、図２（１）のように電流を流す。図２（１）の実線は、スイッチング素子３４−１がオンしてスイッチング素子３４−１に流れる電流を示し、破線は、次にスイッチング素子３４−１がオフして、ダイオード３５−１を流れる電流を示しており、このダイオード３５−１を流れる電流がコンデンサ３２を充電する。

他方の第２ＰＦＣ３０２は、コイル３３−２、スイッチング素子３４−２、ダイオード３５−２で構成される。図２（２）に示すように、実線はスイッチング素子３４−２の電流、破線はダイオード３５−２の電流であり、第１ＰＦＣ３０１と同様に、ダイオード３５−２の電流がコンデンサ３２を充電する。

この２個のＰＦＣは、図２に示すように、スイッチング素子３４−１，３４−２に交互に電流が流れるので、同じ電力を生成するときに図２（３）のように、整流回路２の出力電流のリップルが小さくて済み、整流回路２の出力部のコンデンサ３１等のフィルタ部品の小形化などの利点が知られている。

（定電流電源）
定電流電源４は、力率改善装置３で生成された直流電圧に基づき、所定の電流を出力しＬＥＤを点灯する。定電流電源４のスイッチング素子４１は、高周波でオン・オフのスイッチング動作をするので、コイル４２を通じて電流がコンデンサ４４に充電されると共に、ＬＥＤモジュール５に電流が流れる。そして、定電流制御装置４６は、電流検出手段４５（電流検出抵抗）が検出した負荷電流（ＬＥＤ電流）を入力し、帰還制御を実行することで、所定の定電流を出力するように、例えばスイッチング素子４１のオン時間を変化するなどして定電流制御を実行する。

（調光手段６）
ここで調光手段６が、外部からの調光度指令（図示せず）あるいは調光手段６に備えた調光度設定手段からの調光度指令（図示せず）により、ＬＥＤの調光を行う場合は、調光手段６から調光度を示す調光度指令が力率改善制御装置３９と定電流制御装置４６とに入力される。定電流制御装置４６は、入力した調光度指令の示す調光度に応じて、ＡＭ調光（第１の調光方式）又はＰＷＭ調光（第２の調光方式）とのいずれかの調光方式でＬＥＤを点灯する。

定電流制御装置４６は、ＡＭ調光の時は調光度指令の示す調光度になるように電流のピーク値を変化させる。定電流制御装置４６は、ＰＷＭ調光のときは、後述する図３などに示すごとく、適当な周期Ｔと通電期間とでＬＥＤモジュール５を点灯する。周期Ｔは人間の目では感じないような周波数を選定する。

このとき力率改善制御装置３９は、調光度指令の示す調光度に応じて、あらかじめ設定された動作をＰＦＣに行わせる。すなわち力率改善制御装置３９は、調光手段６から調光度を指示する調光度指令（調光信号）を入力し、調光度指令の指示する調光度に応じて力率改善装置３の２つのＰＦＣの中から動作させるべきＰＦＣを選択し、選択したＰＦＣを動作させる。あるいは、力率改善制御装置３９は、調光度によっては、２つのＰＦＣとも動作させない場合もある。

図３〜図５を参照して、調光度とＰＦＣ動作との関係を説明する。図３〜図５は、力率改善制御装置３９が、調光度に応じてＰＦＣを動作させるそれぞれの動作例である。

図３は、閾値となる所定の調光度未満のときには、定電流制御装置４６がＰＷＭ調光を実施し、閾値以上の場合にＡＭ調光を実施し、力率改善制御装置３９は、調光度が閾値未満の場合（つまりＰＷＭ調光時）には、１台のＰＦＣのみを動作させ、調光度が閾値以上の場合（つまりＡＭ調光時）には、２台両方のＰＦＣを動作させる例を示している。図３は、図１における、発光ダイオード５１を含むＬＥＤモジュール５（以下ＬＥＤと称する）の電流ピーク値と、調光度との関係を示している。横軸は、図１に示した力率改善装置３を形成する２個のＰＦＣの組み合わせ動作を示す。

図３において、例えば全光状態でのＬＥＤ電流が図示の実線のピーク値となる。そして調光する場合は、定電流制御装置４６は、そのピーク値を減少させていくいわゆるＡＭ調光（振幅変調での調光）を行う。このとき２個のＰＦＣは負荷電力の総量の約１／２（５０％の電力）づつを分担している。調光をさらにすすめていき、例えば約２０％まではＡＭ調光を行う。これ以下の調光では、定電流制御装置４６は、もはやその電流ピーク値は減らさずに、通電時間比率を変化させる、いわゆるＰＷＭ調光を行う。これよりも低調光（暗く）にしていくには、その周期Ｔに対して通電時間比率を少なくすればよく、ＬＥＤ電流のピーク値は確保できるのでＬＥＤは安定に調光できる。定電流制御装置４６によりＰＷＭ調光に移行するときに、図３に示すように、力率改善制御装置３９は、２個のＰＦＣのうち、１個を停止させ、１個だけで直流電力を供給するように切り替える。これにより動作している側のＰＦＣは負荷電力が大きくなるので、軽負荷動作による不安定を防ぐことができる。図３の動作例では、力率改善制御装置３９は、調光がＡＭ調光からＰＷＭ調光に変わるときにＰＦＣを２個から１個に切り替えるので、制御動作が非常に明確になる。

図４は、ある調光度を境にして、ＰＦＣを２台から１台に切り替える動作例である。図４の動作例では、調光度と動作させるＰＦＣの個数との関係を以下のようにしている。すなわち全光から調光していく時に、調光度約４０％程度を境界として、動作しているＰＦＣを２個から１個に切り替える。全光では各ＰＦＣは約１／２の電力を分担しており、調光度約４０％の時に１個のＰＦＣで動作させても、そのＰＦＣは全光時の分担電力の約８割である。よって、調光度約４０％程度を境界に１台のみのＰＦＣを動作させたとしても過負荷にならない。この後にさらに低調光にしていくと、定電流制御装置４６が、調光方式をＡＭ調光からＰＷＭ調光に移行させることは図３と同様である。図４の動作例では、調光約４０％程度（必ず５０％以下とすべきである）からＰＦＣを１個にするので、使用頻度が高いであろう調光度３０％〜８０％程度の場合において、動作しているＰＦＣの負荷電力として効率の高い動作点を利用しやすい。

図５は、図４に対して、さらに、ＡＭ調光からＰＷＭ調光に切り替わるときに、２台のＰＦＣの両方を停止させる動作例である。図５の動作例では、調光度と動作させるＰＦＣの個数との関係を以下のようにしている。すなわち全光から調光していく時に、調光度約４０％程度で動作しているＰＦＣを２個から１個に切り替える。その後さらにＡＭ調光で電流を減少させていく。所定の調光度に達したら、定電流制御装置４６がＡＭ調光からＰＷＭ調光に切り替えるが、このとき力率改善制御装置３９が、動作中のＰＦＣも動作を停止させる。したがって、ＰＦＣとしては２個、１個、ＰＦＣ動作なしの３通りの状態となり、ＡＭ調光時は少なくとも１個のＰＦＣを動作させる。これにより極端に低調光にした場合での非常に軽い負荷でのＰＦＣ動作の安定性の問題を回避できる。

図３〜図５で述べたように、図３のＬＥＤ点灯装置１００ではＰＷＭ調光を行うときに、片方のＰＦＣの動作を停止させる。また図４の装置では調光度指令が約４０％になった時に片方のＰＦＣの動作を停止させる。さらに図５の装置では調光度指令が約４０％になったときに片方のＰＦＣの動作を停止させ、さらに低調光になりＰＷＭ制御で点灯する状態では両方のＰＦＣの動作を停止する。

以上のように、実施の形態１のＬＥＤ点灯装置１００では、インタリーブ動作を行う２個のＰＦＣを備えた力率改善装置３から、ＬＥＤを点灯する定電流電源４に直流を供給する。力率改善制御装置３９は、調光度に応じて２個のＰＦＣを適切に動作・停止させるので、力率改善装置３の動作を安定化でき、かつ定電流制御装置４６が調光度に応じて調光の方法（方式）をＡＭ調光、ＰＷＭ調光に切り替えるので、ＬＥＤを低調光まで使用する場合に、力率改善装置との組み合わせ動作を適切に行わせることが出来る。このため、ＬＥＤ点灯装置１００の省エネを図ることができる。

以上の説明では、力率改善装置のインタリーブ動作を臨界モードで図示したが、不連続モードや連続モードなど、当業者に周知の制御であっても同様な効果を得ることができる。複数のＰＦＣを使用する場合にインタリーブ動作は利点が多く、力率改善制御装置３９として、調光度に応じてＰＦＣを切り替え、かつ、２台のＰＦＣを動作させるときにはインタリーブ動作制御する機能を搭載した集積回路などを利用すれば、コイル、スイッチング素子、ダイオードのみ２個づつ用意すればよいので、力率改善装置３及び力率改善制御装置３９の部分を簡単に、かつ、小形に構成できる。しかし、別々に動作する２個のＰＦＣであっても、調光度に応じて片方を停止したり両方のＰＦＣを動作させるようにすれば類似の効果を得ることが出来る。

定電流電源４としては、バックコンバータで構成した例を説明したが、ＬＥＤに所定の電力（電流）を供給し点灯できる直流生成手段であれば、フライバックコンバータやその他の回路手段でもよいことはもちろんである。発光ダイオードは複数を直列に接続する場合を示したが、直列接続体をさらに並列に接続して点灯するなどは必要に応じて利用できる。

調光手段６は、ＬＥＤ点灯装置１００を組み込んだ照明器具と関連的に動作し、ＬＥＤの調光度を設定・可変するボリュームを備えたものなどや、リモコンによりＬＥＤ点灯装置１００に調光度指令を伝送するもの、或いは壁スイッチや分電盤のような箇所に設置されたり複数のＬＥＤ点灯装置に調光度指令を伝送できるものなど、ＬＥＤ点灯装置１００に調光度指令が入力できるものが利用できる。

１ 交流電源、２ 整流回路、３ 力率改善装置、４ 定電流電源、５ ＬＥＤモジュール、６ 調光手段、３３−１，３３−２ コイル、３４−１，３４−２ スイッチング素子、３５−１，３５−２ ダイオード、３９ 力率改善制御装置、４６ 定電流制御装置、１００ ＬＥＤ点灯装置、３０１，３０２ ＰＦＣ。

Claims (6)

1. 光源が接続される光源点灯装置において、
   交流電圧を直流電圧に整流する整流装置と、
   前記整流装置の出力端に並列に接続される二つの力率改善回路であって、スイッチング素子を有すると共に前記スイッチング素子への制御を受けて独立して動作する二つの力率改善回路を有し、前記二つの力率改善回路のうちのいずれかの力率改善回路が動作する場合には、動作する力率改善回路によって力率が改善された電力を出力する力率改善装置と、
   前記力率改善装置の出力端に接続され、前記光源が接続されると共に、定電流制御によって前記光源に略一定の電流を供給する定電流電源装置と、
   値が大きいほど全光に近いことを示す調光度を指示する調光信号を入力し、前記調光信号の指示する前記調光度に応じて前記二つの力率改善回路の中から動作させるべき力率改善回路を選択し、前記スイッチング素子を制御することにより、選択した前記力率改善回路を動作させる力率改善制御装置と
   を備え、
   前記力率改善制御装置は、
   前記調光信号の指示する前記調光度が特定の調光度と全光との間の範囲に存在する場合には、動作させるべき力率改善回路として二つの前記力率改善回路の両方を選択し、それぞれの前記力率改善回路の前記スイッチング素子を制御してそれぞれの前記力率改善回路を動作させる光源点灯装置。
2. 前記力率改善制御装置は、
   前記調光信号の指示する前記調光度が前記範囲に存在しない場合には、動作させるべき力率改善回路として一つの前記力率改善回路を選択し、選択した前記力率改善回路を動作させ、
   前記定電流電源装置は、
   前記調光信号を入力し、前記調光信号の指示する前記調光度が前記特定の調光度よりも小さい所定の閾値以上のときには第１の調光方式で前記光源を点灯させ、前記調光信号の指示する前記調光度が前記所定の閾値未満のときには第２の調光方式で前記光源を点灯させる定電流制御装置を備える請求項１に記載の光源点灯装置。
3. 前記力率改善制御装置は、
   前記調光信号の指示する前記調光度が前記範囲に存在せず、かつ、前記特定の調光度よりも小さい所定の閾値以上の値である場合には、動作させるべき力率改善回路として一つの前記力率改善回路を選択し、選択した前記力率改善回路を動作させ、前記調光信号の指示する前記調光度が前記所定の閾値よりも小さい値である場合には、二つの前記力率改善回路の動作を停止させ、
   前記定電流電源装置は、
   前記調光信号を入力し、前記調光信号の指示する前記調光度が前記所定の閾値以上のときには第１の調光方式で前記光源を点灯させ、前記調光信号の指示する前記調光度が前記所定の閾値未満のときには第２の調光方式で前記光源を点灯させる定電流制御装置を備える請求項１に記載の光源点灯装置。
4. 前記特定の調光度は、
   ５０％以下の値である請求項２または請求項３に記載の光源点灯装置。
5. 前記第１の調光方式と前記第２の調光方式とは、それぞれ、
   ＡＭ調光とＰＷＭ調光である請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の光源点灯装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光源点灯装置を備えた照明器具。

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