JP5942256B2

JP5942256B2 - 点灯装置及び照明器具

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Publication number: JP5942256B2
Application number: JP2012131280A
Authority: JP
Inventors: 中田　克佳; 克佳中田; 伸夫浮田; 大西　久永; 久永大西
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: CN103491673B; EP2672783B1; JP2013254717A; US20130328497A1; CN103491673A; US9055638B2; EP2672783A1

Description

本発明は、固体発光素子からなる光源を点灯する点灯装置、及びその点灯装置を備える照明器具に関する。

近年、白熱ランプや蛍光ランプに代えて、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子などの固体発光素子を光源とする点灯装置及び照明器具が急速に普及してきている。例えば、特許文献１には、発光ダイオード(ＬＥＤ)を光源とし、調光器から与えられる調光信号に応じてＬＥＤの光量を調整(調光)する点灯装置(ＬＥＤ調光装置)が開示されている。

ところで、ＬＥＤの調光方式には、ＬＥＤに連続して流れる電流の大きさを変化させる調光方式(以下、ＤＣ調光方式と呼ぶ。)や、ＬＥＤへの通電を周期的にオン・オフし、通電期間の比率(オンデューティ比)を変化させる方式(以下、バースト調光方式と呼ぶ。)などがある。また、特許文献１記載の従来例のように、調光レベルが相対的に高い(明るい)ときはＤＣ調光方式を採用し、調光レベルが相対的に低い(暗い)ときはバースト調光方式を採用する場合もある。

特開２０１１−１０８６７１号公報

ところで、特許文献１記載の従来例のように、ＤＣ調光方式を採用した点灯装置や照明器具では、ＬＥＤに連続的に流す電流を減少させた場合にＬＥＤの光色が電流の大きさに応じて変化してしまうという問題があった。

また、ＬＥＤを点灯する点灯回路には、通常、スイッチング電源回路が用いられる。そして、バースト調光方式における調光レベルが低くなるにつれてスイッチング電源回路がスイッチング動作を行う通電期間も短くなり、通電期間内にスイッチング電源回路がスイッチング動作を行う回数のばらつきも大きくなる。その結果、調光レベルが低いときほど光量のばらつきが大きくなるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、光色と光量のばらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能にすることを目的とする。

本発明の点灯装置は、直流電圧を光源である固体発光素子に印加する電源部と、前記電源部を制御して前記直流電圧を断続することにより、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を、外部から指示される調光レベルに対応した値に調整する制御部とを備え、前記制御部は、前記平均値を所定の基準値以上に調整する場合、前記直流電圧を断続する周期を固定して前記直流電圧の印加期間を変化させ、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合、前記直流電圧の印加期間を固定して前記直流電圧の停止期間を変化させるものであり、前記基準値は、前記平均値の上限値よりも小さく且つ前記平均値の下限値よりも大きい値に設定され、さらに、前記制御部は、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合、前記調光レベルに応じて前記直流電圧の停止期間を段階的に変化させることを特徴とする。

この点灯装置において、前記制御部は、前記平均値を前記基準値以上に調整する場合の前記直流電圧の断続周期を、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合の前記断続周期よりも短くすることが好ましい。

この点灯装置において、前記制御部は、前記平均値を前記基準値以上に調整する場合、前記調光レベルに合わせて前記電源部の出力電流のピーク値を増減させることが好ましい。

本発明の照明器具は、固体発光素子と、前記何れかの点灯装置と、前記固体発光素子並びに前記点灯装置を保持する器具本体とを備えることを特徴とする。

本発明の点灯装置及び照明器具は、固体発光素子に電流を流す期間を調整することで調光し、且つ固体発光素子に流れる電流の平均値を基準値以下に調整する場合、直流電圧の印加期間を固定して前記直流電圧の停止期間を変化させるので、光色と光量のばらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能にすることができるいう効果がある。

本発明に係る点灯装置の実施形態を示す回路図である。 (ａ)，(ｂ)は同上の動作説明用の波形図である。 (ａ)，(ｂ)は同上における調光レベルとスイッチング周波数との関係を示す図である。本発明に係る点灯装置の別の実施形態の動作を説明するための波形図である。 (ａ)，(ｂ)は本発明に係る照明器具の実施形態を示す断面図である。

以下、発光ダイオードを光源とする点灯装置に本発明の技術思想を適用した実施形態について説明する。ただし、本発明に係る点灯装置によって点灯可能な固体発光素子は発光ダイオードに限定されず、例えば、有機ＥＬ素子などの他の固体発光素子であっても構わない。

(実施形態１)
本実施形態の点灯装置は、図１に示すように直流の入力電圧Ｖinを光源部３に印加可能な電圧に降圧する電源部１と、電源部１を制御する制御部２とを備える。光源部３は、複数個の発光ダイオード(図示せず)の直列回路、あるいは複数個の発光ダイオードの直列回路が並列に接続されて構成される。なお、光源部３の定格電圧は、発光ダイオードの順方向電圧に直列接続される個数を乗じた電圧となる。

電源部１は、従来周知である非絶縁型のバックコンバータで構成され、電界効果トランジスタからなるスイッチング素子Q1、チョークコイルL1、ダイオードD1、平滑コンデンサC1、コンデンサC2などを具備する。スイッチング素子Q1のドレインにダイオードD1のアノードとチョークコイルL1の一端とコンデンサC2の一端が接続され、スイッチング素子Q1のソースにコンデンサC2の他端と検出抵抗R1の一端が接続されている。また、チョークコイルL1の他端が平滑コンデンサC1の低電位側の一端と光源部３の一端(発光ダイオードのカソード)に接続されている。さらに、ダイオードD1のカソードが平滑コンデンサC1の高電位側の一端と光源部３の他端(発光ダイオードのアノード)に接続され、ダイオードD1のカソードと検出抵抗R1の他端との間に入力電圧Ｖinが印加される。なお、チョークコイルL1に流れる電流(チョーク電流)を検出するための検出巻線L2がチョークコイルL1に磁気結合されている。ただし、電源部１の回路構成は一例であって、入力電圧Ｖinを光源部３の定格電圧以下に降圧可能なスイッチング電源回路であれば、他の回路構成であっても構わない。

制御部２は、制御回路20、電流検出回路21、チョーク電流検出回路22、コンデンサ23、抵抗24などを具備する。電流検出回路21は、検出抵抗R1の両端電圧を検出することでスイッチング素子Q1に流れる電流を間接的に検出し、スイッチング素子Q1に流れる電流に比例した検出電圧を制御回路20に出力する。チョーク電流検出回路22は、検出巻線L2の両端電圧からチョーク電流(光源部３に流れる電流)を間接的に検出し、検出した電流の時間的な平均値(以下、電流平均値と呼ぶ。)を演算し、電流平均値に対応した検出電圧を制御回路20に出力する。コンデンサ23と抵抗24は積分回路を構成しており、PWM信号として外部から入力される調光信号を積分し、調光信号のオンデューティ比に対応した直流電圧信号を制御回路20に出力する。なお、調光信号は、調光レベルが低下(光量が減少)するほどオンデューティ比が短縮する周期的な方形波信号からなる(図２参照)。

ここで、調光レベルは、光源部３に定格電流を常時流して定格点灯するときを１００％としたときの光源部３の電流平均値の割合で表され、例えば、下限値が１０％に設定される。なお、本実施形態では調光レベル(電流平均値の割合)の基準値が２０％に設定される場合を例示するが、基準値を２０％に限定する趣旨ではなく、下限値(１０％)よりも高く且つ２０％未満の値、若しくは定格値(１００％)よりも低く且つ２０％よりも高い値であっても構わない。

次に、調光信号に応じた制御部２の動作について説明する。まず、調光レベルが基準値以上である調光信号が制御部２に入力される場合について説明する。制御部２は、調光器などから入力される調光信号を抵抗24とコンデンサ23からなる積分回路で積分することにより、調光信号の調光レベル(オンデューティ比)に対応した電圧を有する信号(以下、調光レベル信号と呼ぶ。)に変換して制御回路20に取り込む。つまり、調光レベル信号の信号電圧は、調光レベル(オンデューティ比)が高い程、高い値となる。

制御回路20は、調光レベル信号の信号電圧が調光レベルの基準値に対応した電圧値以上であれば、一定周期T1毎に調光レベルに対応したオン期間で電源部１のスイッチング素子Q1を高周波でスイッチングする。また、オフ期間(周期T1−オン期間)には、制御回路20はスイッチング素子Q1をスイッチングしない。すなわち、制御回路20は、スイッチング素子Q1のスイッチングを開始した後、チョーク電流検出回路22から出力される検出電圧に対応した電流平均値が、調光レベル信号に対応した電流平均値に到達した時点でスイッチング素子Q1のスイッチングを終了する(図２(ａ)参照)。ただし、スイッチング素子Q1のスイッチングの停止は、電流検出回路22から出力される検出電圧がゼロボルト、すなわち、スイッチング素子Q1に電流が流れていないときに行われる。

次に、調光レベルが基準値以下である調光信号が制御部２に入力される場合について説明する。制御回路20は、調光レベル信号の信号電圧が調光レベルの基準値に対応した電圧値以下であれば、オン期間を信号電圧が基準値に対応した電圧値のときの時間に固定した状態で、オフ期間を調光レベルに合わせて変化させる。すなわち、制御回路20は、オン期間の終了時点でスイッチング素子Q1のスイッチングを停止した後、チョーク電流検出回路22から出力される検出電圧に対応した電流平均値が、調光レベル信号に対応した電流平均値に到達した時点でスイッチング素子Q1のスイッチングを開始する(図２(ｂ)参照)。

例えば、光源部３の定格電流を１５０ｍＡ、電源部１のスイッチング周波数を５０kHz、調光レベルの基準値に対応する電流を３０ｍＡ、調光レベルの下限値に対応する電流を１５ｍＡとする。オン期間を固定せずに電流平均値を調光レベルの下限値に対応する電流(１５ｍＡ)にする場合、オン期間内のスイッチング回数が５回となり、スイッチング回数が４回又は６回になった場合の電流平均値の変動が±２０％となる。そのため、光源部３のちらつきが問題となる。

一方、本実施形態では、調光レベルの下限値に調光する場合、制御回路20は、オン期間とオン期間の割合を１：９にすることで電流平均値を１５ｍＡとする。このとき、オン期間内のスイッチング回数が１０回とすると、スイッチング周波数のばらつきなどに起因してスイッチング回数が９回又は１１回になったとしても、電流平均値の変動は±１０％以内に抑えられる。故に、オン期間を固定しない場合に比較して、光源部３の光のちらつきを抑制することができる。

上述のように制御部２は、電流平均値を基準値(調光レベルの基準値に対応した電流平均値の基準値。以下、同じ。)以上に調整する場合、直流電圧を断続する周期T1を固定して直流電圧の印加期間(オン期間)を変化させ、電流平均値を基準値以下に調整する場合、直流電圧の印加期間を固定して直流電圧の停止期間(オフ期間)を変化させる。その結果、ＤＣ調光方式を採用する従来例と比較して光色のばらつきを抑えることができ、また、調光レベルの下限までオン期間を変化させる場合と比較して光量のばらつきを抑えることができる。故に、本実施形態の点灯装置では、光色と光量のばらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能にすることができる。なお、制御部２は、電流平均値を基準値以上に調整する場合の直流電圧の断続周期T1を、電流平均値を基準値以下に調整する場合の断続周期よりも短くすることが好ましい。

また、制御部２は、電流平均値を基準値以下に調整する場合、調光レベルに応じてオフ期間を連続的に変化させてもよいし(図３(ａ)参照)、オフ期間を段階的に変化させてもよい(図３(ｂ)参照)。

ところで、電流平均値を基準値以上に調整する場合、調光レベルに合わせて電源部１の出力電流(チョーク電流)のピーク値を増減しても構わない。すなわち、制御部２が、図４に示すように調光レベルが低下してオン期間を短くなるにつれてチョーク電流のピーク値を減少させれば、チョーク電流のピーク値が固定されている場合と比較して、オン期間内におけるスイッチング回数を増やすことができる。ただし、チョーク電流のピーク値を変化させると光源部３の光色が変化してしまうので、光色の変化が認識され難い状況、すなわち、調光レベルが相対的に高い状況のみでチョーク電流のピーク値を変化させることが好ましい。

次に、本発明に係る照明器具の実施形態について説明する。

図５(ａ)に示す照明器具は、円板状の基板31に複数のＬＥＤ30が実装された光源部３を円筒形状の筐体40内に収納した光源ユニット４と、上述した点灯装置を箱形のケース50内に収納した電源ユニット５と、光源ユニット４と電源ユニット５を接続するケーブル６とを有する。筐体40は、開口端に外鍔を有する有底円筒形に形成された本体40Aと、透光性を有する材料で円板状に形成され、本体40Aの開口面を閉塞するカバー40Bとを有し、天井９に設けられた埋込孔に埋込配設される。また、本体40Aの底面中央からケーブル６が引き出されており、そのケーブル６の先端にコネクタ60が設けられている。電源ユニット５は天井裏に設置され、電源ユニット５から引き出されたケーブル６の先端に設けられたコネクタ60が、光源ユニット４から引き出されたケーブル６先端のコネクタ60に接続される。なお、筐体40とケース50が器具本体に相当する。

また別の実施形態として、図５(ｂ)に示す照明器具がある。この照明器具は、光源部３と点灯装置を一つの筐体７内に収納している点に特徴がある。筐体７は、有底円筒形状に形成されて天井９に埋込配設される器具本体70と、透光性を有する材料で円板状に形成され、器具本体70の開口面を閉塞するカバー71とを有する。器具本体70内には、カバー71と平行に対向する取付板72が設けられ、この取付板72の下面側に光源部３が取り付けられている。点灯装置は、電源部１や制御部２を構成する回路部品81が円板状のプリント配線板80に実装されてなり、器具本体70内における底面と光源部３との間に配置される。なお、プリント配線板80から導出される電線82が取付板72の中央に開口した貫通孔72Aを通して光源部３に接続される。

１電源部
２制御部
３光源部

Claims

直流電圧を光源である固体発光素子に印加する電源部と、前記電源部を制御して前記直流電圧を断続することにより、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を、外部から指示される調光レベルに対応した値に調整する制御部とを備え、前記制御部は、前記平均値を所定の基準値以上に調整する場合、前記直流電圧を断続する周期を固定して前記直流電圧の印加期間を変化させ、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合、前記直流電圧の印加期間を固定して前記直流電圧の停止期間を変化させるものであり、前記基準値は、前記平均値の上限値よりも小さく且つ前記平均値の下限値よりも大きい値に設定され、さらに、前記制御部は、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合、前記調光レベルに応じて前記直流電圧の停止期間を段階的に変化させることを特徴とする点灯装置。
前記制御部は、前記平均値を前記基準値以上に調整する場合の前記直流電圧の断続周期を、前記平均値を前記基準値以下に調整する場合の前記断続周期よりも短くすることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
前記制御部は、前記平均値を前記基準値以上に調整する場合、前記調光レベルに合わせて前記電源部の出力電流のピーク値を増減させることを特徴とする請求項１又は２記載の点灯装置。
固体発光素子と、請求項１〜３の何れかの点灯装置と、前記固体発光素子並びに前記点灯装置を保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。