JP6264562B2 - 電源装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、負荷を定電流制御する電源装置および照明装置に関する。

従来、負荷として光源を点灯させる電源装置では、定電流回路から光源に定電流を供給し、光源を点灯させている。そして、光源に直列に接続される検出抵抗によって光源に流れる電流を検出するとともに、その電流を電圧に変換した検出電圧と基準電圧とをオペアンプに入力し、それら検出電圧と基準電圧との差に応じたオペアンプの出力電圧に基づいて定電流回路をフィードバック制御することにより、光源の定電流制御を行っている。また、調光レベルに応じてオペアンプに入力される基準電圧を可変することにより、光源の調光を行っている。

オペアンプは、検出電圧と基準電圧とがそれぞれ入力される２つの入力端子間にオフセット電圧が存在し、基準電圧に対して検出電圧を一致させることができずにオフセット電圧の分だけばらつく特性を有することが知られている。

この場合、調光レベルが高く、光源が明るい場合にはオフセット電圧の影響は少ないが、調光レベルが低く、光源の明るさが暗くなる場合にはオフセット電圧の影響が大きくなる。例えば、調光レベルを下限とし、最も暗い状態で点灯させたい場合に光源が消灯してしまうおそれがある。

このようなオペアンプのオフセット電圧の影響を低減するため、調光レベルの下限でのオペアンプに入力する検出電圧および基準電圧の値を大きく設定することが行われている。これにより、調光レベルを下限とした場合でも、オフセット電圧の影響が少なく、光源が消灯してしまうのを防止している。

しかしながら、検出電圧の値を大きくするには、検出抵抗の抵抗値を大きくしなければならなくなるため、検出抵抗での回路損失が増大し、回路効率が悪化してしまう。

特開２００７−３０５５４７号公報

オペアンプのオフセット電圧の影響を低減しようとすると、回路効率が悪化してしまう課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、オペアンプのオフセット電圧の影響を低減するとともに、回路効率を向上できる電源装置および照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、定電流回路から負荷に定電流を供給する。検出回路は、負荷に直列に接続される検出抵抗を有し、負荷に流れる電流に比例した電圧を検出する。駆動回路は、検出回路からの検出電圧と基準電圧とを入力するオペアンプ、およびオペアンプの出力電圧に応じて定電流回路を制御する駆動部を有する。出力電圧可変手段は、オペアンプから出力されて駆動部に入力される出力電圧の平均値を可変する。制御部は、調光レベルに応じて出力電圧可変手段を制御する。

本発明によれば、オペアンプのオフセット電圧の影響を低減するとともに、回路効率を向上することが期待できる。

一実施形態を示す電源装置を備えた照明装置の回路図である。 同上電源装置の調光レベルと電流および電圧との関係を示す波形図である。

以下、一実施形態を、図１および図２を参照して説明する。

図１において、照明装置10は、負荷としての光源11、およびこの光源11を点灯させる電源装置12を備えている。

そして、光源11は、発光素子である。発光素子としては、ＬＥＤ15である。ＬＥＤ15は、１つでも複数でもよい。なお、発光素子としては、ＬＥＤ15に限らず、有機ＥＬ等の他の発光素子でもよい。

そして、電源装置12は、商用交流電源Ｅに接続される整流平滑回路18、この整流平滑回路18の出力側に接続される力率改善回路としての昇圧チョッパ回路19、この昇圧チョッパ回路19の出力側とＬＥＤ15との間に接続される降圧チョッパ回路20、ＬＥＤ15に流れる電流に比例した電圧を検出する検出回路21、およびこの検出回路21の検出電圧に応じて降圧チョッパ回路20を制御する駆動回路22を備えている。そして、降圧チョッパ回路20がＬＥＤ15に定電流を供給する定電流回路23として構成されている。

整流平滑回路18は、商用交流電源Ｅに接続された全波整流器REC1、および全波整流器REC1の出力端に接続された平滑コンデンサC1を備えている。

昇圧チョッパ回路19は、整流平滑回路18の出力端に接続されるチョッパチョークL1とＭＯＳＦＥＴ等の昇圧用のスイッチング素子Q1との直列回路を備えている。スイッチング素子Q1のベースには昇圧用の制御ＩＣ24が接続されている。さらに、スイッチング素子Q1と並列にダイオードD1および電解コンデンサである平滑コンデンサC2の直列回路が接続されている。そして、昇圧チョッパ回路19では、制御ＩＣ24によってスイッチング素子Q1のスイッチング動作を制御し、整流平滑回路18で整流平滑された電源電圧を所定の電源電圧に昇圧し、降圧チョッパ回路20に出力する。

降圧チョッパ回路20は、平滑コンデンサC2の両端に並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ等の降圧用（出力用）のスイッチング素子Q2とダイオードD2との直列回路を備えている。さらに、降圧チョッパ回路20は、スイッチング素子Q2とダイオードD2のカソードとの間に入力端が接続されたインダクタL2、およびインダクタL2の出力端に接続されるとともにＬＥＤ15と並列に接続される平滑コンデンサC3を備えている。そして、降圧チョッパ回路20では、駆動回路22によってスイッチング素子Q2のスイッチング動作を制御し、昇圧チョッパ回路19で昇圧された電源電圧を所定の電源電圧に降圧してＬＥＤ15に供給する。

検出回路21は、ダイオードD2のアノードと平滑コンデンサC3との間に接続された検出抵抗R1を有している。検出抵抗R1および平滑コンデンサC3の接続点とグランドラインとの間に抵抗R2，R3が接続され、これら抵抗R2，R3の接続点が駆動回路22に接続されている。そして、検出回路21では、ＬＥＤ15に流れる電流に比例した検出電圧ＶAを検出し、この検出電圧ＶAを駆動回路22に出力する。

駆動回路22は、オペアンプOP、および駆動部としてのドライバＩＣ25を有している。

駆動回路22のオペアンプOPの一方の入力端子である反転入力端子には、抵抗R2，R3の接続点が接続され、検出電圧ＶAが入力される。オペアンプOPの他方の入力端子である非反転入力端子には、基準電圧発生部26とグランドラインとの間に接続された抵抗R4，R5の接続点が接続され、基準電圧ＶBが入力される。基準電圧発生部26は予め設定された一定値の基準電圧を発生する。オペアンプOPの出力端子とグランドラインとの間にコンデンサC4が接続され、このオペアンプOPの出力端子がドライバＩＣ25に接続されている。

駆動回路22のドライバＩＣ25は、オペアンプOPから出力された出力電圧ＶCを入力し、出力電圧ＶCに応じてスイッチング素子Q2のスイッチング動作を制御する。すなわち、ドライバＩＣ25は、スイッチング素子Q2を駆動する周波数またはオンデューティを可変し、ＬＥＤ15に流れる電流が一定になるようにフィードバック制御による定電流制御を行う。

また、電源装置12は、基準電圧可変手段28、出力電圧可変手段29、調光信号入力手段30、および制御部31を備えている。

基準電圧可変手段28は、基準電圧可変用のスイッチング素子としてのトランジスタQ3で構成されている。トランジスタQ3のコレクタが抵抗R6を介して抵抗R4，R5の接続点とオペアンプOPの非反転入力端子との間に接続され、トランジスタQ3のエミッタがグランドラインに接地され、トランジスタQ3のベースが抵抗R7を介して制御部31に接続されている。

出力電圧可変手段29は、出力電圧可変用のスイッチング素子としてのトランジスタQ4で構成されている。トランジスタQ4のコレクタが抵抗R8を介してオペアンプOPの出力端子とドライバＩＣ25との間に接続され、トランジスタQ4のエミッタが接地され、トランジスタQ4のベースが抵抗R9を介して制御部31に接続されている。

調光信号入力手段30は、調光器32からの調光信号を整流する全波整流器REC2、およびこの全波整流器REC2の出力端に接続されたフォトカプラ33を備えている。フォトカプラ33は、フォトダイオード34およびフォトトランジスタ35を有し、フォトダイオード34が全波整流器REC2の出力端に接続され、フォトトランジスタ35のカソードが制御部31に接続されているとともにエミッタがグランドラインに接地されている。

制御部31は、マイコンによって構成されている。制御部31は、調光信号入力手段30から入力される調光信号に含まれる調光レベルに応じてトランジスタQ3，Q4のオンオフを制御する。

そして、制御部31は、調光レベルが低下するほどドライバＩＣ25に入力される出力電圧の平均値が低下するようにトランジスタQ4を制御する機能を有している。この場合、制御部31は、予め決められた所定の調光レベルより高い調光レベルではオペアンプOPから出力された出力電圧ＶCがそのままドライバＩＣ25に入力されるようにトランジスタQ4を制御し、予め決められた所定の調光レベルより低い調光レベルではドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値が低下するようにトランジスタQ4を制御する機能を有している。さらに、制御部31は、予め決められた所定の調光レベルより高い調光レベルでは調光レベルに応じた基準電圧ＶBになるようにトランジスタQ3を制御し、予め決められた所定の調光レベルより低い調光レベルでは予め決められた所定の調光レベルに応じた基準電圧ＶBを維持するようにトランジスタQ3を制御する機能を有している。

次に、本実施形態の動作を説明する。

商用交流電源Ｅから供給される交流電力を整流平滑回路18で整流平滑し、昇圧チョッパ回路19に供給する。昇圧チョッパ回路19では、制御ＩＣ24により昇圧用のスイッチング素子Q1がスイッチング動作し、整流平滑回路18で整流平滑された電源電圧を所定の電源電圧に昇圧し、降圧チョッパ回路20に供給する。

降圧チョッパ回路20では、駆動回路22のドライバＩＣ25により降圧用のスイッチング素子Q2がスイッチング動作し、昇圧チョッパ回路19から供給される電源電圧を所定の電源電圧に降圧し、ＬＥＤ15に供給する。これにより、ＬＥＤ15が点灯する。

そして、ＬＥＤ15の点灯状態においては、検出回路21によってＬＥＤ15に流れる電流を検出し、その電流を電圧に変換した検出電圧ＶAをオペアンプOPの反転入力端子に入力する。オペアンプOPの非反転入力端子には基準電圧ＶBを入力する。これら検出電圧ＶAと基準電圧ＶBとの差に応じた出力電圧ＶCをオペアンプOPの出力端子から出力する。そして、ドライバＩＣ25により、オペアンプOPから出力される出力電圧ＶCに応じてスイッチング素子Q2のスイッチング動作を制御し、ＬＥＤ15に流れる電流が一定になるようにフィードバック制御による定電流制御を行う。

また、調光器32からの調光信号を、調光信号入力手段30に入力し、制御部31が取得する。制御部31は、調光信号の調光レベルに応じて駆動回路22を制御し、ＬＥＤ15を調光する。例えば、検出回路21によってＬＥＤ15に流れる電流を検出し、その電流を電圧に変換した検出電圧ＶAをオペアンプOPの反転入力端子に入力する。調光レベルに応じた基準電圧ＶBをオペアンプOPの非反転入力端子に入力する。これら検出電圧ＶAと基準電圧ＶBとの差に応じた出力電圧ＶCをオペアンプOPの出力端子から出力する。そして、ドライバＩＣ25が、出力電圧ＶCに応じてスイッチング素子Q2の周波数またはオンデューティを制御し、調光レベルに応じた電流をＬＥＤ15に流し、ＬＥＤ15を調光点灯させる。

ところで、オペアンプOPは、検出電圧ＶAと基準電圧ＶBとがそれぞれ入力される２つの入力端子間にオフセット電圧が存在している。オフセット電圧は、例えば±０．０１Ｖ（１０ｍＶ）程度の場合もある。

検出抵抗R1の抵抗値が１Ωである場合、全光点灯時である１００％調光において、ＬＥＤ15に流れる電流が１Ａであるとすると、検出電圧ＶAは１Ｖとなる。この全光点灯の１００％調光時には、オペアンプOPのオフセット電圧が±０．０１Ｖであったとしても、オフセット電圧の影響は１％程度であるため、９９〜１００％調光の範囲でばらつきが生じるだけで、ＬＥＤ15の明るさへの影響はほとんどない。

一方、調光下限の例えば１％調光とする場合には、ＬＥＤ15に流れる電流は０．０１Ａ、検出電圧ＶAは０．０１Ｖとなる。この調光下限の１％調光時には、オペアンプOPのオフセット電圧が±０．０１Ｖであると、基準電圧ＶBを０．０１Ｖとしても、検出電圧ＶAは０〜０．０２Ｖの範囲でばらつくことになる。そのため、０〜２％調光の範囲でばらつきが生じることになり、調光下限の１％調光にしようとしているにもかかわらず、０％調光となってＬＥＤ15が消えてしまう虞がある。

そこで、従来は、オペアンプOPのオフセット電圧が±０．０１Ｖであれば、調光下限の１％調光におけるオペアンプOPに入力する検出電圧ＶAおよび基準電圧ＶBの値を高く設定し、例えば０．１Ｖ（１００ｍＶ）に設定している。これにより、調光下限の１％調光時に、オペアンプOPのオフセット電圧が±０．０１Ｖであると、基準電圧ＶBを０．１Ｖとすれば、検出電圧ＶAは０.９〜１.１Ｖの範囲でばらつくことになる。そのため、０．９〜１．１％調光の範囲でばらつくだけで、オフセット電圧の影響が少なくなり、ＬＥＤ15が消えてしまうのを防止できる。

しかしながら、調光下限の１％調光での検出電圧ＶAの値を０．１Ｖにすると、全光点灯の１００％調光では検出電圧ＶAが１０Ｖとなり、この検出電圧ＶAを得るためには検出抵抗R1に１０Ωの抵抗値が必要になる。そのため、全光点灯の１００％調光では、ＬＥＤ15には１Ａの電流を流すことから、１０Ωの検出抵抗R1で１０Ｗの損失が発生し、回路効率が悪化してしまう。

本実施形態では、検出抵抗R1の抵抗値が小さくても、オフセット電圧の影響を少なくすることを可能としている。例えば、検出抵抗R1の抵抗値が１Ω、全光点灯時の１００％調光においてＬＥＤ15に流れる電流が１Ａおよび検出電圧ＶAが１Ｖであっても、オフセット電圧の影響を少なくすることを可能としている。

ここで、図２の波形図を参照して説明する。波形図の横軸に調光レベルを示し、左側が全光点灯である１００％調光、右側が調光下限である１％調光である。波形図の縦軸にＬＥＤ15に流れる電流（ＬＥＤ電流）、検出電圧ＶA、基準電圧ＶB、および出力電圧ＶCをそれぞれ示す。

制御部31は、予め決められた所定の調光レベルｘ（以下、ｘ％調光ともいう）より高い調光レベルと、低い調光レベルとで、駆動回路22の制御を異ならせている。所定の調光レベルｘは、全光点灯の１００％と調光下限の１％との間の中間の調光レベルであり、任意に設定することが可能であるが、オペアンプOPのオフセット電圧の影響が出る調光レベルよりが高いことが好ましい。

そして、制御部31は、入力される調光信号の調光レベルが所定の調光レベルｘより高い調光レベルの範囲では、基準電圧可変手段28を制御し、調光レベルに応じて基準電圧ＶBを可変する。

すわなち、制御部31は、調光レベルが１００％調光のとき、基準電圧可変手段28のトランジスタQ3をオフ（０％オン）し、基準電圧発生部26から供給される基準電圧ＶBの値を維持させ、また、調光レベルが所定の調光レベルｘのとき、基準電圧可変手段28のトランジスタQ3を１００％オンし、所定の調光レベルｘに対応した基準電圧ＶBに低下させる。そして、調光レベルが１００％調光〜ｘ％調光の範囲において、調光レベルに応じて基準電圧可変手段28のトランジスタQ3のオンオフの周波数またはオンデューティを変化させる。これにより、調光レベルに応じて基準電圧ＶBが変化し、オペアンプOPの出力電圧ＶCが変化し、出力電圧ＶCの変化に応じてドライバＩＣ25がスイッチング素子Q2のオンオフの周波数またはオンデューティを制御し、調光レベルに応じた電流をＬＥＤ15に流し、ＬＥＤ15を調光する。

なお、制御部31は、入力される調光信号の調光レベルが所定の調光レベルｘより高い調光レベルの範囲では、出力電圧可変手段29のトランジスタQ4はオフ（０％オン）し、オペアンプOPの出力電圧ＶCがそのままドライバＩＣ25に入力されるようにする。

また、制御部31は、入力される調光信号の調光レベルが所定の調光レベルｘより低い調光レベルの範囲では、出力電圧可変手段29を制御し、調光レベルに応じてドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCを可変する。

なお、制御部31は、調光レベルが所定の調光レベルｘより低い調光レベルの範囲では、調光レベルにかかわらず、基準電圧可変手段28のトランジスタQ3を１００％オン状態に保持し、所定の調光レベルｘに応じた基準電圧ＶBを維持する。

制御部31は、調光レベルが所定の調光レベルｘより低い場合、オペアンプOPから出力された出力電圧ＶCをオンオフさせ、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値を可変する。すなわち、制御部31は、調光レベルに応じて出力電圧可変手段29のトランジスタQ4のオンオフの周波数またはオンデューティを変化させることにより、オペアンプOPから出力された出力電圧ＶCをオンオフし、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値を変化させる。そして、制御部31は、所定の調光レベルｘより高かった調光レベルが低下していく場合に、調光レベルが所定の調光レベルｘより低くなることで、出力電圧可変手段29のトランジスタQ4のオンオフを開始し、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値を徐々に低下させていき、調光レベルが調光下限の１％調光まで低下することにより、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値を最も低下させる。これにより、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値が低下し、出力電圧ＶCの平均値の低下に応じてドライバＩＣ25がスイッチング素子Q2のオンオフの周波数またはオンデューティを制御し、ＬＥＤ15に流れる電流を低下させ、ＬＥＤ15を暗くなるように調光する。このように、調光レベルに応じて、ドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値が変化し、出力電圧ＶCの平均値の変化に応じてドライバＩＣ25がスイッチング素子Q2のオンオフの周波数またはオンデューティを制御し、調光レベルに応じた電流をＬＥＤ15に流し、ＬＥＤ15を調光する。

このように、本実施形態の電源装置12は、調光レベルに応じて、ドライバＩＣ25に入力されるオペアンプOPからの出力電圧ＶCの平均値を可変するため、調光下限時のオペアンプOPの入力電圧を高く設定することなく、オペアンプOPのオフセット電圧の影響を低減できるとともに、回路効率を向上できる。

すなわち、予め決められた所定の調光レベルｘより高い調光レベルではオペアンプOPから出力された出力電圧ＶCがそのままドライバＩＣ25に入力されるように出力電圧可変手段29を制御し、予め決められた所定の調光レベルｘより低い調光レベルではドライバＩＣ25に入力される出力電圧ＶCの平均値が低下するように出力電圧可変手段29を制御するため、調光下限時のオペアンプOPの入力電圧を高く設定することなく、オペアンプOPのオフセット電圧の影響を低減できるとともに、回路効率を向上できる。

さらに、予め決められた所定の調光レベルｘより高い調光レベルでは調光レベルに応じた基準電圧ＶBになるように制御し、予め決められた所定の調光レベルｘより低い調光レベルでは予め決められた所定の調光レベルｘに応じた基準電圧ＶBを維持するように制御するため、調光下限時のオペアンプOPの入力電圧を高く設定することなく、オペアンプOPのオフセット電圧の影響を低減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 照明装置
11 負荷としての光源
12 電源装置
15 発光素子としてのＬＥＤ
21 検出回路
22 駆動回路
23 定電流回路
25 駆動部としてのドライバＩＣ
28 基準電圧可変手段
29 出力電圧可変手段
31 制御部
OP オペアンプ
R1 検出抵抗

Claims (5)

1. 負荷に定電流を供給する定電流回路と；
   前記負荷に直列に接続される検出抵抗を有し、前記負荷に流れる電流に比例した電圧を検出する検出回路と；
   前記検出回路からの検出電圧と基準電圧とを入力するオペアンプ、およびこのオペアンプの出力電圧に応じて前記定電流回路を制御する駆動部を有する駆動回路と；
   前記オペアンプから出力されて前記駆動部に入力される出力電圧の平均値を可変する出力電圧可変手段と；
   調光レベルに応じて前記出力電圧可変手段を制御する制御部と；
   を具備することを特徴とする電源装置。
2. 前記制御部は、調光レベルが低下するほど前記出力電圧の平均値が低下するように前記出力電圧可変手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記制御部は、予め決められた所定の調光レベルより高い調光レベルでは前記オペアンプから出力された出力電圧がそのまま前記駆動部に入力されるように前記出力可変手段を制御し、予め決められた所定の調光レベルより低い調光レベルでは前記出力電圧の平均値が低下するように前記出力電圧可変手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. 基準電圧を可変する基準電圧可変手段を具備し、
   前記制御部は、予め決められた所定の調光レベルより高い調光レベルでは調光レベルに応じた基準電圧になるように前記基準電圧可変手段を制御し、予め決められた所定の調光レベルより低い調光レベルでは予め決められた所定の調光レベルに応じた基準電圧を維持するように前記基準電圧可変手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の電源装置。
5. 前記負荷である発光素子と；
   請求項１ないし４いずれか一記載の電源装置と；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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