JP6176570B2

JP6176570B2 - 点灯装置及びそれを用いた照明器具

Info

Publication number: JP6176570B2
Application number: JP2013170665A
Authority: JP
Inventors: 明則平松; 滋井戸; 長谷川　純一; 純一長谷川; 城戸　大志; 大志城戸
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: JP2015041428A

Description

本発明は、点灯装置及びそれを用いた照明器具に関するものである。

従来より、ＬＥＤ（発光ダイオード）モジュールに給電を行う給電アッセンブリが提供されている（例えば特許文献１参照）。この給電アッセンブリは、直流電源の両端間に接続されるダイオードと制御スイッチの直列回路と、制御スイッチに対してデュアルＰＷＭ信号を出力するコントローラとを備え、ダイオードの両端間にはインダクタとＬＥＤモジュールの直列回路が接続されている。

コントローラはパルス幅変調器を有し、このパルス幅変調器には、電流源からの電流基準信号、検知電流及び高周波のこぎり波信号が入力される。また、パルス幅変調器は、ＡＮＤゲートの一方の入力部に対して高周波ＰＷＭ信号を出力し、ＡＮＤゲートの他方の入力部には低周波ＰＷＭ信号が入力される。そして、ＡＮＤゲートは、高周波ＰＷＭ信号及び低周波ＰＷＭ信号を組み合わせたデュアルＰＷＭ信号を出力し、このデュアルＰＷＭ信号は増幅器を介して制御スイッチのゲートに入力される。

この給電アッセンブリでは、コントローラから制御スイッチへ出力されるデュアルＰＷＭ信号の低周波成分を変化させることによって、ＬＥＤモジュールから出力される光の強度を変化させることができる。

特表２００６−５１１０７８号公報

ところで、発光ダイオードは白熱灯や蛍光灯に比べて輝度が高いため、白熱灯や蛍光灯と同じ光束で発光させた場合、ユーザは白熱灯や蛍光灯よりも明るいと認識してしまう。したがって、見かけ上の明るさを白熱灯や蛍光灯と同じにするためには、発光ダイオードの駆動電流を抑えて光束を少なくする必要がある。

例えば、定格電流が３５０ｍＡの発光ダイオードを１個あるいは複数個備えた照明器具の場合、電流の下限値を数μＡ〜数ｍＡ以下に設定する必要がある。しかしながら、上述の特許文献１に示した給電アッセンブリのように、ＬＥＤモジュールに間欠的に負荷電流が流れるように調光する、所謂バースト調光方式では、上述のような微少電流の制御は困難であった。

また、発光ダイオードをフェードインさせたり、フェードアウトさせる場合、発光ダイオードの明るさを滑らかに変化させるために、微少な電流値から定格電流値までの広範囲に亘って発光ダイオードの駆動電流を制御する必要がある。

例えば、発光ダイオードの定格電流が３５０ｍＡの場合には、１００μＡ〜３５０ｍＡの範囲で駆動電流を調節する必要があり、１／１０００程度の分解能で駆動電流を制御しなければならない。そのため、上述の特許文献１に示した給電アッセンブリでは、発光ダイオードの明るさを滑らかに変化させることが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、より深い調光レベルまで発光素子を点灯可能で且つ発光素子の明るさを広範囲に亘って滑らかに変化可能な点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することにある。

本発明の点灯装置は、出力電流の振幅を制御する第１制御回路と電流を出力する期間と電流を出力しない期間の比率を制御する第２制御回路とを有する直流電源部と、前記直流電源部の出力端間に接続される発光素子及びスイッチ素子の直列回路と、前記スイッチ素子の制御端子に印加する電圧を変化させることで前記発光素子に流れる負荷電流を調整する電流調整部と、を備え、外部からの調光信号による調光レベルが所定値以上である場合には、前記負荷電流が規定値以上であれば前記第１制御回路により前記発光素子の明るさを制御し、前記負荷電流が前記規定値よりも小さければ前記第２制御回路により前記発光素子の明るさを制御し、前記調光レベルが前記所定値より小さい場合には、前記調光レベルが前記所定値である場合における前記第１制御回路と前記第２制御回路の少なくとも一方による制御状態を保ちつつ、前記電流調整部により前記発光素子の明るさを制御することを特徴とする。

この点灯装置において、前記所定値は、前記第１制御回路と前記第２制御回路の両方による調光制御の調光下限値であるのが好ましい。

また、この点灯装置において、前記所定値は、前記第１制御回路による調光制御の調光下限値であるのも好ましい。

本発明の照明器具は、上記の点灯装置を備えていることを特徴とする。

調光レベルが所定値以上である場合には直流電源部により調光制御を行ない、調光レベルが所定値より小さくなると直流電源部による調光制御に加えて電流調整部による調光制御を合わせて行なっている。その結果、より深い調光レベルまで発光素子を点灯させることができ、且つ発光素子の明るさを広範囲に亘って滑らかに変化させることができるという効果がある。

実施形態１の点灯装置の一例を示す回路図である。同上におけるゲート電圧と負荷電流の関係を示すグラフである。（ａ）〜（ｃ）は同上の動作を説明する説明図である。（ａ）〜（ｄ）は同上に用いられる直流電源部の一部回路図である。実施形態２の点灯装置におけるゲート電圧と負荷電流の関係を示すグラフである。（ａ）〜（ｃ）は同上の動作を説明する説明図である。実施形態１又は２の点灯装置を用いた照明器具の施工状態を示す断面図である。

以下に、点灯装置及びそれを用いた照明器具の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
図１は本実施形態の点灯装置１の一例を示す回路図であり、この点灯装置１は、直流電源部１１と、電流調整部１２と、調光制御部１３とを備え、調光器２から出力される調光信号Ｓ１に応じた調光レベルで発光部３を点灯させる。

発光部３は、直列に接続された複数（図１では４個）のＬＥＤ３１（発光素子）からなり、トランジスタＱ２（スイッチ素子）及び抵抗Ｒ１を介して直流電源部１１の出力端間に接続されている。なお、発光部３を構成するＬＥＤ３１の個数は１個でもいいし、２個、３個又は５個以上の複数であってもよい。また、複数のＬＥＤ３１を並列に接続することで発光部３を構成してもよい。

直流電源部１１は、４つのダイオードにより構成された所謂ダイオードブリッジＤＢ１を有し、ダイオードブリッジＤＢ１の出力端間には平滑コンデンサＣ１が接続されている。また、ダイオードブリッジＤＢ１の出力端間には、トランスＴｒ１の一次巻線ｎ１とトランジスタＱ１の直列回路が接続されている。また、トランスＴｒ１の二次巻線ｎ２の一端にはダイオードＤ１が接続され、さらに二次巻線ｎ２の両端間には平滑コンデンサＣ２が接続されている。

ここに本実施形態では、トランジスタＱ１としてＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴを用いており、トランジスタＱ１のゲートには駆動回路１１１が接続されている。この直流電源部１１では、平滑コンデンサＣ２の両端間に生じる直流電圧が直流電源部１１の出力電圧となる。

駆動回路１１１は、トランジスタＱ１のオン／オフを制御する回路であり、出力電流の振幅を制御する第１制御回路１１１ａと、電流を出力する期間と電流を出力しない期間の比率を制御する第２制御回路１１１ｂとで構成される。第１制御回路１１１ａは、調光制御部１３から出力される制御信号Ｓ３に応じてトランジスタＱ１のオンデューティ比を設定し、これにより出力電流の振幅を制御する。また、第２制御回路１１１ｂは、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を休止する休止期間を設定する。

電流調整部１２は、調光制御部１３から出力される制御信号Ｓ２に応じて出力電圧が可変する直流電圧源１２１を有し、直流電圧源１２１の正極はオペアンプ１２２の非反転入力端子に接続されている。また、直流電圧源１２１の負極は、直流電源部１１の負極に接続されている。また、トランジスタＱ２と抵抗Ｒ１の接続点は、オペアンプ１２２の反転入力端子に接続されている。さらに、オペアンプ１２２の出力端子は、トランジスタＱ２のゲート（制御端子）に接続されている。

ここに本実施形態では、トランジスタＱ２としてＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴを用いており、オペアンプ１２２より出力される電圧の大きさに応じてトランジスタＱ２のインピーダンスが変化する。これにより、発光部３に流れる電流の大きさを調整することができる。

調光制御部１３は、調光器２からの調光信号Ｓ１が入力されると、この調光信号Ｓ１に対応する制御信号Ｓ２，Ｓ３をそれぞれ生成し、制御信号Ｓ２を電流調整部１２に出力するとともに、制御信号Ｓ３を駆動回路１１１に出力する。ここに、調光信号Ｓ１は、発光部３に流すべき負荷電流の大きさ、すなわち発光部３の明るさを示す信号である。

次に、点灯装置１の動作について図２及び図３を参照しながら説明する。

図２は、電流調整部１２を構成するトランジスタＱ２のゲート電圧ｖ１と発光部３に流れる負荷電流ｉ１の関係を示すグラフである。このグラフによれば、負荷電流ｉ１がｉ１２より小さい範囲では負荷電流ｉ１が減少するに従ってゲート電圧ｖ１も減少し、負荷電流ｉ１がｉ１２以上の範囲ではゲート電圧ｖ１は一定値となっている。

また、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１制御回路１１１ａにより調光制御を行なっているときのトランジスタＱ１へのゲート信号Ｓ４である。負荷電流ｉ１＝ｉ１１のときは、図３（ａ）に示すようにゲート信号Ｓ４のオンデューティ比（ｔ１／Ｔ１）が大きく、負荷電流ｉ１＝ｉ１２（＜ｉ１１）のときは、図３（ｂ）に示すようにゲート信号Ｓ４のオンデューティ比が小さくなっている。このように、負荷電流ｉ１の大きさに応じてゲート信号Ｓ４のオンデューティ比を変えることで、発光部３の明るさを変えることができる。

調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルが全点灯を示す場合、直流電源部１１の出力電圧は発光部３の定格電圧に設定され、発光部３に流れる負荷電流ｉ１はｉ１１となる。これにより、発光部３は全点灯する。

この状態から、発光部３が暗くなるように、ユーザが調光器２を操作すると、調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルも小さくなる。調光制御部１３は、調光器２からの調光信号Ｓ１が入力されると、負荷電流ｉ１を減少させる制御信号Ｓ３を生成し、駆動回路１１１に出力する。なおこのとき、電流調整部１２に対して出力される制御信号Ｓ２は一定であり、そのため電流調整部１２から出力されるゲート電圧ｖ１は一定値となる。

駆動回路１１１は、調光制御部１３からの制御信号Ｓ３が入力されると、第１制御回路１１１ａが制御信号Ｓ３に従ってトランジスタＱ１のオンデューティ比を小さくし、これにより負荷電流ｉ１が減少するため、発光部３の明るさが低下する。なお、上述の動作は、負荷電流ｉ１がｉ１２以上で且つｉ１１より小さい範囲で行われる。

次に、発光部３がさらに暗くなるように、ユーザが調光器２を操作すると、調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルもさらに小さくなる。調光制御部１３は、調光器２からの調光信号Ｓ１が入力されると、駆動回路１１１に制御信号Ｓ３を出力するが、この場合、負荷電流ｉ１がｉ１２となる制御信号Ｓ３を出力する。また、調光制御部１３は、トランジスタＱ２のゲート電圧ｖ１を減少させる制御信号Ｓ２を生成し、電流調整部１２に出力する。

電流調整部１２は、調光制御部１３からの制御信号Ｓ２が入力されると、この制御信号Ｓ２に応じたゲート電圧ｖ１となるように直流電圧源１２１の出力電圧を調整する。これにより、発光部３に流れる負荷電流ｉ１が減少し、発光部３の明るさがさらに低下する。ここに本実施形態では、負荷電流ｉ１＝ｉ１２となるときの調光レベルが所定値であり、且つ、この所定値は第１制御回路１１１ａによる調光制御の調光下限値である。

上述のように、調光レベルが所定値以上である場合には直流電源部１１により調光制御を行ない、調光レベルが所定値より小さくなると直流電源部１１による調光制御に加えて電流調整部１２による調光制御を合わせて行なっている。その結果、より深い調光レベルまでＬＥＤ３１を点灯させることができ、且つＬＥＤ３１の明るさを広範囲に亘って滑らかに変化させることができる。

ところで、本実施形態では、ダイオードブリッジＤＢ１の出力電圧を、トランスＴｒ１を用いたフライバックコンバータにより降圧して発光部３に印加したが、フライバックコンバータの代わりに図４（ａ）に示す昇圧チョッパ回路１１２を用いてもよい。

また、フライバックコンバータの代わりに図４（ｂ）に示す昇降圧チョッパ回路１１３や、図４（ｃ）に示す降圧チョッパ回路１１４、図４（ｄ）に示すフォワードコンバータ回路１１５などを用いてもよい。何れの場合も、発光部３との間に電流調整部１２を設けることで同様の効果が得られる。

なお本実施形態では、負荷電流ｉ１がｉ１２以上で且つｉ１１よりも小さい範囲において第１制御回路１１１ａにより調光制御を行ったが、第２制御回路１１１ｂにより調光制御を行ってもよい。図３（ｃ）は、第２制御回路１１１ｂにより調光制御を行なっているときのトランジスタＱ１へのゲート信号Ｓ４である。このときのバースト周波数は数十Ｈｚ〜数十ｋＨｚに設定されており、ＰＷＭ制御を休止する休止区間Ｔ２（電流を出力しない区間）を変化させることで発光部３の調光レベルを調整することができる。

また本実施形態では、発光素子がＬＥＤの場合を例に説明したが、発光素子はＬＥＤに限定されるものではなく、例えば有機ＥＬ素子やレーザーダイオード（ＬＤ）などであってもよい。さらに本実施形態では、直流電源部１１が第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの両方を有している場合を例に説明したが、第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの少なくとも一方を有していればよく、本実施形態に限定されない。

点灯装置１は、直流電源部１１と、直流電源部１１の出力端間に接続されるＬＥＤ３１及びトランジスタＱ２の直列回路と、電流調整部１２と、を備える。直流電源部１１は、出力電流の振幅を制御する第１制御回路１１１ａと電流を出力する期間と電流を出力しない期間の比率を制御する第２制御回路１１１ｂの少なくとも一方を有する。電流調整部１２は、トランジスタＱ２のゲートに印加する電圧を変化させることでＬＥＤ３１に流れる電流を調整する。外部からの調光信号Ｓ１による調光レベルが所定値以上である場合には、第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの少なくとも一方によりＬＥＤ３１の明るさを制御する。また、調光レベルが所定値より小さい場合には、調光レベルが所定値である場合における第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの少なくとも一方による制御状態を保ちつつ、電流調整部１２によりＬＥＤ３１の明るさを制御する。

また、所定値は、第１制御回路１１１ａによる調光制御の調光下限値であるのが好ましい。

（実施形態２）
点灯装置１の実施形態２について図５及び図６を参照しながら説明する。なお、点灯装置１の回路構成については実施形態１と同様であるから、ここでは説明を省略し、必要がある場合には図１を参照する。

本実施形態の点灯装置１は、図１に示すように、直流電源部１１と、電流調整部１２と、調光制御部１３とを備え、調光器２から出力される調光信号Ｓ１に応じた調光レベルで発光部３を点灯させる。

図５は、電流調整部１２を構成するトランジスタＱ２のゲート電圧ｖ１と発光部３に流れる負荷電流ｉ１の関係を示すグラフである。このグラフによれば、負荷電流ｉ１がｉ１３より小さい範囲では負荷電流ｉ１が減少するに従ってゲート電圧ｖ１も減少し、負荷電流ｉ１がｉ１３以上の範囲ではゲート電圧ｖ１は一定値となっている。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１制御回路１１１ａにより調光制御を行なっているときのトランジスタＱ１へのゲート信号Ｓ４である。負荷電流ｉ１＝ｉ１１のときは、図６（ａ）に示すようにゲート信号Ｓ４のオンデューティ比（ｔ１／Ｔ１）が大きく、負荷電流ｉ１＝ｉ１２（＜ｉ１１）のときは、図６（ｂ）に示すようにゲート信号Ｓ４のオンデューティ比が小さくなっている。このように、負荷電流ｉ１の大きさに応じてゲート信号Ｓ４のオンデューティ比を変えることで、発光部３の明るさを変えることができる。

また、図６（ｃ）は第２制御回路１１１ｂにより調光制御を行なっているときのトランジスタＱ１へのゲート信号Ｓ４であり、負荷電流ｉ１がｉ１２よりも小さくなると第２制御回路１１１ｂによる調光制御が行われる。つまり本実施形態では、負荷電流ｉ１がｉ１２以上で且つｉ１１より小さい範囲では第１制御回路１１１ａにより調光制御が行なわれ、負荷電流ｉ１がｉ１３以上で且つｉ１２より小さい範囲では第２制御回路１１１ｂにより調光制御が行なわれる。

駆動回路１１１は、調光制御部１３からの制御信号Ｓ３が入力されると、第１制御回路１１１ａが制御信号Ｓ３に従ってトランジスタＱ１のオンデューティ比を小さくし、これにより負荷電流ｉ１が減少するため、発光部３の明るさが低下する。なお、上述の動作は、負荷電流ｉ１がｉ１２以上で且つｉ１１より小さい範囲で行なわれる。

次に、発光部３がさらに暗くなるように、ユーザが調光器２を操作すると、調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルもさらに小さくなる。調光制御部１３は、調光器２からの調光信号Ｓ１が入力されると、負荷電流ｉ１を減少させる制御信号Ｓ３を生成し、駆動回路１１１に出力する。なおこのとき、電流調整部１２に対して出力される制御信号Ｓ２は一定であり、そのため電流調整部１２から出力されるゲート電圧ｖ１は一定値となる。

駆動回路１１１は、調光制御部１３からの制御信号Ｓ３が入力されると、第２制御回路１１１ｂが制御信号Ｓ３に従ってＰＷＭ制御の休止期間を設定し、これにより負荷電流ｉ１が減少するため、発光部３の明るさがさらに低下する。なお、上述の動作は、負荷電流ｉ１がｉ１３以上で且つｉ１２より小さい範囲で行なわれる。

また、発光部３がさらに暗くなるように、ユーザが調光器２を操作すると、調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルもさらに小さくなる。調光制御部１３は、調光器２からの調光信号Ｓ１が入力されると、駆動回路１１１に制御信号Ｓ３を出力するが、この場合、負荷電流ｉ１がｉ１３となる制御信号Ｓ３を出力する。また、調光制御部１３は、トランジスタＱ２のゲート電圧ｖ１を減少させる制御信号Ｓ２を生成し、電流調整部１２に出力する。

電流調整部１２は、調光制御部１３からの制御信号Ｓ２が入力されると、この制御信号Ｓ２に応じたゲート電圧ｖ１となるように直流電圧源１２１の出力電圧を調整する。これにより、発光部３に流れる負荷電流ｉ１が減少し、発光部３の明るさがさらに低下する。ここに本実施形態では、負荷電流ｉ１＝ｉ１３となるときの調光レベルが所定値であり、且つ、この所定値は第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの両方による調光制御の調光下限値である。

なお本実施形態においても、トランスＴｒ１を用いたフライバックコンバータの代わりに、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すものを用いてもよく、何れの場合も、発光部３との間に電流調整部１２を設けることで同様の効果が得られる。また本実施形態においても、発光素子はＬＥＤに限定されるものではなく、例えば有機ＥＬ素子やレーザーダイオード（ＬＤ）などであってもよい。

さらに本実施形態では、発光部３の調光レベルを下げる際に第１制御回路１１１ａによるＰＷＭ制御を先に行なったが、第２制御回路１１１ｂによるバースト制御を先に行なってもよく、また同時であってもよい。

また、所定値は、第１制御回路１１１ａと第２制御回路１１１ｂの両方による調光制御の調光下限値であるのが好ましい。

（実施形態３）
照明器具Ａの実施形態について図７を参照しながら説明する。図７は本実施形態の照明器具Ａの施工状態を示す断面図であり、この照明器具Ａは、上述の実施形態１又は２で説明した点灯装置１と、発光部３と、器具本体４とを備える。点灯装置１は、調光器２との間が有線により接続されており、調光器２から出力される調光信号Ｓ１の調光レベルで発光部３を点灯させる。

器具本体４は、例えばアルミダイカスト製品であって、一面（図７中の下面）が開口する有底円筒状に形成されており、天井材１００に設けた埋込孔１００ａを通して天井に埋込配設される。この器具本体４の筒内には、複数（図７では３個）のＬＥＤ３１が実装された基板３２が収納されており、器具本体４の開口端縁には、ＬＥＤ３１からの光を拡散させる光拡散板３３が取り付けられている。ここに本実施形態では、ＬＥＤ３１が実装された基板３２と光拡散板３３とで発光部３が構成されている。

本実施形態の照明器具Ａでは、図７に示すように、発光部３を収納する器具本体４と点灯装置１とが間隔を空けて配置されており、発光部３と点灯装置１の間は、コネクタ６を介して電源線５により電気的に接続されている。このように、点灯装置１を器具本体４と別置きにした場合には、器具本体４の内部には発光部３のみを収納すればいいので、器具本体４の高さ寸法を低くすることができ、しかも点灯装置１の設置の自由度が向上するという利点がある。

上述のように、実施形態１又は２で説明した点灯装置１を用いることによって、より深い調光レベルまで発光部３を点灯可能で且つ発光部３の明るさを広範囲に亘って滑らかに変化可能な照明器具Ａを提供することができる。

なお、本実施形態では点灯装置１を器具本体４と別置きにしたが、器具本体４と一体に点灯装置１を設けてもよい。また、本実施形態では有線式の調光器２を用いたが、赤外線や電波等による無線式の調光器を用いてもよく、本実施形態に限定されない。

照明器具Ａは、点灯装置１を備えている。

１１直流電源部
１２電流調整部
３１ＬＥＤ（発光素子）
１１１ａ第１制御回路
１１１ｂ第２制御回路
Ｑ２トランジスタ（スイッチ素子）
Ｓ１調光信号

Claims

出力電流の振幅を制御する第１制御回路と電流を出力する期間と電流を出力しない期間の比率を制御する第２制御回路とを有する直流電源部と、
前記直流電源部の出力端間に接続される発光素子及びスイッチ素子の直列回路と、
前記スイッチ素子の制御端子に印加する電圧を変化させることで前記発光素子に流れる負荷電流を調整する電流調整部と、を備え、
外部からの調光信号による調光レベルが所定値以上である場合には、前記負荷電流が規定値以上であれば前記第１制御回路により前記発光素子の明るさを制御し、前記負荷電流が前記規定値よりも小さければ前記第２制御回路により前記発光素子の明るさを制御し、
前記調光レベルが前記所定値より小さい場合には、前記調光レベルが前記所定値である場合における前記第１制御回路と前記第２制御回路の少なくとも一方による制御状態を保ちつつ、前記電流調整部により前記発光素子の明るさを制御することを特徴とする点灯装置。
前記所定値は、前記第１制御回路と前記第２制御回路の両方による調光制御の調光下限値であることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
前記所定値は、前記第１制御回路による調光制御の調光下限値であることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載の点灯装置を備えていることを特徴とする照明器具。