JP6273863B2 - 照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、照明器具に関する。

従来、例えば、特表２００９−５２６３６５号公報に開示されているように、フライバックコンバータ回路において高調波低減対策を施す技術が知られている。

特表２００９−５２６３６５号公報 特許第５１９８０５７号公報

上記従来の高調波低減対策を行ったフライバックコンバータ回路においてディザリング等によりスイッチングの周波数を変化させると、高調波低減に支障をきたしてしまうという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、フライバックコンバータ回路において周波数を可変しても高調波低減対策を行うことのできる照明器具を提供することを目的とする。

第１の発明にかかる照明器具は、発光素子と、前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
を備える。前記点灯回路は、フライバックコンバータ回路と制御回路とを備える。フライバックコンバータ回路は、一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含む。制御回路は、前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号の周波数を増加させたらオン時間を減少させ前記制御信号の周波数を減少させたら前記オン時間を増加させるように前記制御信号の周波数を変化させる。制御回路は、予め定めた一次関数に従って前記制御信号の周波数と前記オン時間を変更する。制御回路は、前記制御信号の周波数を前記制御信号の周波数を０Ｈｚよりも高く１７０ｋＨｚ以下の周波数範囲で変化させる。

第２の発明にかかる照明器具は、発光素子と、前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
を備える。前記点灯回路は、フライバックコンバータ回路と制御回路とを備える。フライバックコンバータ回路は、一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含む。制御回路は、前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号のオン時間を固定値とし前記制御信号の周波数を変化させる。制御回路は、前記制御信号の周波数を０Ｈｚよりも高く１７０ｋＨｚ以下の周波数範囲で変化させる。

第１の発明によれば、本願発明者が導出した一定の関係性を満たすように周波数およびオン時間を調整するようにしたので、フライバックコンバータ回路において高調波低減とディザリングを両立することができる。

本願発明者が導出した関係式によれば、オン時間を固定して周波数を変化させてディザリングを行うことによっても、その周波数範囲をある程度小さく設定すれば高調波低減とディザリングの両立が可能であることが判明している。この点、第２の発明によれば、周波数を変化させる範囲を一定範囲に制限したうえで、オン時間を固定しつつディザリングを行うことができる。

本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための波形図である。 本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための波形図である。 本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための電流波形図である。 本発明の実施の形態１にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための電流波形図である。 本発明の実施の形態２にかかる点灯回路および照明器具の動作を説明するための電流波形図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０を示す図である。照明器具３０は、ダイオードブリッジである整流回路３と、点灯回路２２と、点灯回路２２から電流の供給を受けて発光する発光素子１２とを備えている。商用交流電源１からの交流電圧が整流回路３で整流され、整流された脈流電圧が点灯回路２２に入力されている。商用交流電源１と整流回路３の間にはスイッチ２が介在しており、スイッチ２により電源のオンオフを行うことができる。

なお、本実施の形態では発光素子１２をＬＥＤとするが、ＬＥＤに代えて有機ＥＬとしてもよい。また、図では模式的に１つの発光素子１２を図示しているが、本発明はこれに限られない。複数の発光素子１２を直列、並列あるいは直並列に接続したものを点灯回路２２で点灯させてもよい。

点灯回路２２は、整流回路３と接続するコンデンサ４と、このコンデンサ４と接続するフライバックコンバータ回路２０と、フライバックコンバータ回路２０内のスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ８を制御する制御集積回路９とを備えている。また、点灯回路２２は、発光素子１２に流れるＬＥＤ電流を検出する電流検出抵抗１３と、ＬＥＤ電流を一定に保つように電流検出抵抗１３で検出したＬＥＤ電流の値を制御集積回路９にフィードバックするためのフィードバック回路１１と、絶縁性を確保しつつフィードバック回路１１と制御集積回路９の間を接続するフォトカプラ１０とを備えている。

フライバックコンバータ回路２０は、一次巻線５ａおよび一次巻線５ａと極性向きが反対である二次巻線５ｂとを備えた絶縁トランス５を備えている。一次巻線５ａの一端は、コンデンサ４と接続している。一次巻線５ａの他端は、ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン端子に接続している。コンデンサ４の他端およびＭＯＳＦＥＴ８のソース端子は接地されている。二次巻線５ｂの一端には、ダイオード６のアノードが接続している。

ダイオード６のカソードは出力平滑コンデンサ７の一端に接続している。二次巻線５ｂの他端および出力平滑コンデンサ７の他端は接地されている。発光素子１２は、出力平滑コンデンサ７と並列に接続している。発光素子１２のカソードには、前述した電流検出抵抗１３が接続されている。

制御集積回路９は、ＭＯＳＦＥＴ８のゲート端子に制御信号を供給する。制御集積回路９は、制御信号の周波数ｆを増加させたらオン時間ｔ_ｏｎを減少させ、周波数ｆを減少させたらオン時間ｔ_ｏｎを増加させるように、制御信号の周波数ｆを変化させる。本実施の形態ではより好ましい形態として、制御集積回路９は、制御信号の周波数ｆとオン時間ｔ_ｏｎの二乗とを積算した値Ｋが一定となるように制御信号を変更するものとする。

フライバックコンバータ回路２０の商用周波数での平均電流の式を求めると下記の式（１）が得られる。

ここで、係数Ｋを下記の式（２）のとおりに定める。
Ｋ＝ｆ×ｔ_ｏｎ ^２ ・・・（２）

図２は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための波形図である。コンデンサ・インプット型電源回路では、図２に示すように、入力される商用交流電圧Ｖ_ＡＣに対して入力電流波形Ｉ_１が大きく歪むことが知られており、これが電源高調波電流を発生させる原因である。この高調波電流を低減するためには、入力電流波形を商用電源電圧Ｖ_ＡＣと同じ正弦波の波形に近づけて図２の電流波形Ｉ_２のようにすることが有効である。

上記の式（１）から明らかなとおり、商用交流電圧Ｖ_ＡＣの波形と入力電流であるドレイン電流Ｉｄとの間にある係数Ｋは、周波数（ｆ）とオン時間の二乗（ｔ_ｏｎ ^２）を積算した値である。Ｌは絶縁トランス５の仕様で決まる固定値であり、商用交流電圧Ｖ_ＡＣも商用交流電源１による一定の正弦波電圧である。入力電流波形すなわちＩｄを商用電源電圧Ｖ_ＡＣと同じ正弦波の波形に近づけるためには、理想的には、係数Ｋが一定であればよい。

そこで、本実施の形態では、好ましい形態として係数Ｋを一定値に定め、式（２）を下記の式（３）のように変形する。周波数ｆとオン時間ｔ_ｏｎの関係を式（３）に示すような反比例的な関係に保持すればよい。すなわち、下記の式（３）に従って、周波数ｆを増加させたらオン時間ｔ_ｏｎを減少させ、逆に周波数ｆを減少させたらオン時間ｔ_ｏｎを増加させるように、制御信号の周波数ｆおよびオン時間ｔ_ｏｎを変化させればよい。

ところで、スイッチング時に発生するノイズ成分を抑制する技術の一つに、ディザリングというものがある。ディザリングは、スイッチング周波数を意図的に変化させることでノイズのピーク値を抑制する技術である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための図である。ノイズ成分の周波数スペクトルを示したものであり、縦軸がパワーである。一般的に図３に示すようにスイッチング周波数ｆｃをピークとするスペクトルが得られる。ディザリング前の特性カーブＣ１に対して、ディザリングを行うと特性カーブＣ２のようにノイズのピーク値を低く抑えることができる。

本実施の形態では、上述した式（１）〜（３）で説明した周波数ｆとオン時間ｔ_ｏｎとの関係を考慮しながらディザリングも行う。その結果、高調波電流低減とともにディザリングによるノイズピーク抑制をも行うことができる。

図４は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための波形図である。図４の上段には、制御集積回路９がＭＯＳＦＥＴ８のゲート端子に与える制御信号の波形であり、周期Ｔ（すなわち周波数ｆ＝１／Ｔ）かつオン時間ｔ_ｏｎのパルス波形が図示されている。図４の下段には、上段に図示した制御信号が印加されたときのＭＯＳＦＥＴ８のドレイン電圧を示す。

この周波数ｆを、式（３）に示す関係を維持しながら変化させる。例えば、時間の経過に応じて所定の上限周波数と所定の下限周波数との間で周波数の増加と現象を繰り返すようにする。このようにすることで、高調波電流を低減させつつ周波数ｆを変化させることができる。

図５は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための電流波形図である。図５は本願発明者が行った計算結果であり、正弦波の電源電圧波形に対して本実施の形態にかかる点灯回路２２がスイッチングを行ったときの２つの入力電流波形グラフｉ_ｋおよびｉ_ｎが示されている。電流波形グラフｉ_ｋは、本実施の形態にかかる制御すなわち係数Ｋを一定値とするように周波数ｆおよびオン時間ｔ_ｏｎを変化させたものである。これに対し、電流波形グラフｉ_ｎは、実施の形態にかかる制御を行わず、オン時間ｔ_ｏｎを一定にして周波数ｆを変化させたものである。電流波形グラフｉ_ｋは正弦波状であるのに対し、電流波形グラフｉ_ｎでは波形のプラス側ピークおよびマイナス側ピークにおいて周波数が変化しそれぞれ正弦波から電流波形が逸脱している。

図６は、本発明の実施の形態１にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための図である。図６は、ＭＯＳＦＥＴ８のゲート端子に供給する制御信号の、周波数ｆ［ｋＨｚ］、周期Ｔ［μｓ］、オン時間ｔｏｎ［μｓ］、およびデューティ比Ｄｕｔｙ［％］のＫ＝一定の場合の関係を示す。横軸の周波数に対するオン時間ｔｏｎの値に着目すると、周波数が２０ｋＨｚのときにオン時間を２０μｓに設定し、周波数が８０ｋＨｚのときにオン時間を１０μｓに設定することで、係数Ｋを一定にすることができる。

なお、上述した実施の形態１では、係数Ｋを一定として、入力電流波形すなわちＩｄを正弦波波形に近づけた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。一定でないとしても、所望の高調波電流低減が実現される程度にＩｄを実質的にＶ_ＡＣの正弦波波形に等しくするように係数Ｋが一定範囲内の値をとれば良い。係数Ｋを一定範囲内とするように、周波数ｆを増加させたらオン時間ｔ_ｏｎを減少させ、周波数ｆを減少させたらオン時間ｔ_ｏｎを増加させるように、制御信号の周波数ｆを変化させればよい。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる点灯回路および照明器具は、実施の形態１と同じ回路構成を備えており、制御集積回路９の出力する制御信号の内容が実施の形態１とは異なっている。したがって、以下の説明では実施の形態１と同一または相当する構成については同一の符号を付して説明を行うとともに、実施の形態１との相違点を中心に説明し、共通事項は説明を簡略化ないしは省略する。

図６に示したように、周波数ｆが増加するほどオン時間ｔ_ｏｎを低減することによって、係数Ｋを一定にすることができる。図６におけるオン時間ｔ_ｏｎのグラフは曲線であり、これは式（３）の右辺の分母がオン時間ｔ_ｏｎの二乗となっていることに起因している。実施の形態２では、式（３）の近似式を求めて演算を簡素化することにする。

ｘ＝ａ付近でのテイラー級数による近似式は、下記の式（４）である。
ｆ（ｘ） ≒ ｆ（ａ）＋ｆ´（ａ）×ｆ（ｘ−ａ） ・・・（４）

式（４）を用いて、下記のように近似式を求めることができる。

上記式（８）は、オン時間ｔ_ｏｎを周波数ｆの一次関数で表した近似式である。実施の形態２においては、制御集積回路９が、この式（８）に従って周波数ｆおよびオン時間ｔ_ｏｎを変化させる。

一次関数で近似させることで演算が簡素化されるので、制御集積回路９での演算が容易となる効果がある。また、集積回路ではなくアナログ演算回路を用いることによっても、周波数ｆとオン時間ｔ_ｏｎの計算を行うことが可能となる。

図７および図８は、本発明の実施の形態２にかかる点灯回路２２および照明器具３０の動作を説明するための電流波形図である。電流波形グラフｉ_ａは、実施の形態２にかかる制御すなわち近似式である式（８）に従って周波数ｆおよびオン時間ｔ_ｏｎを変化させたものである。電流波形グラフｉ_ｋおよびｉ_ｎは、実施の形態１の図５で述べたのと同じである。電流波形グラフｉ_ａ、ｉ_ｋ、ｉ_ｎを相互に比較することで、近似式に従って制御した電流波形グラフｉ_ａも、実施の形態１にかかる電流波形グラフｉ_ｋと遜色無いほどに正弦波状となっていることがわかる。

上記の近似式を用いる場合には、実施の形態１で述べた式（３）と実施の形態２における近似式との乖離が大きくなりすぎるのを防ぐために、ディザリングにより変化させる周波数ｆの範囲を所定周波数範囲に限定することが好ましい。その周波数範囲は、下記の基準によって定めることができる。

先ず、周波数範囲の上限は、１７０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、８０ｋＨｚ、７１ｋＨｚ、５５ｋＨｚ、または４５ｋＨｚとしてもよい。周波数範囲を１７０ｋＨｚ以下とした場合、１７０ｋＨｚ以上を避けることで雑音端子電圧の領域のノイズを低減し、３次高調波が５００ｋＨｚ以下とすることができる。周波数範囲を１００ｋＨｚ以下とした場合、１００ｋＨｚ以上を避けることで雑音端子電圧の領域のノイズを低減し、５次高調波が５００ｋＨｚ以下とすることができる。周波数範囲を８０ｋＨｚ以下とした場合、高周波化に伴いスイッチングロスが増えるので効率の低下を避けるように周波数を抑えることができる。周波数範囲を７１ｋＨｚ以下とした場合、７１ｋＨｚ以上を避けることで雑音端子電圧領域のノイズを低減し、７次高調波が５００ｋＨｚ以下とすることができる。周波数範囲を５５ｋＨｚ以下とした場合、５５．５ｋＨｚ以上を避けることで雑音端子電圧領域のノイズを低減し、９次高調波が５００ｋＨｚ以下とすることができる。周波数範囲を４５ｋＨｚ以下とした場合、４５ｋＨｚ以上を避けることで雑音端子電圧領域のノイズを低減し、１１次高調波が５００ｋＨｚ以下とすることができる。

以上のように限定する周波数範囲の上限値のバリエーションを上げたが、これらは基本動作周波数の奇数次高調波成分がノイズとして出力され易い特性に鑑みて定められている。特に３次，５次等の低い次数の奇数次高調波成分が大きく発生するので、それらの低い次数の成分を抑えることが好ましい。

次に、限定する周波数範囲の下限は、２０ｋＨｚまたは５０ｋＨｚとしてもよい。周波数範囲を２０ｋＨｚ以上とした場合、可聴範囲の２０ｋＨｚ以下を外すことで騒音問題を回避することができる。また、周波数範囲を５０ｋＨｚ以上とした場合、動作周波数の高周波化によりトランスの小型化が可能となる。

以上説明した上限値１７０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、８０ｋＨｚ、７１ｋＨｚ、５５ｋＨｚ、および４５ｋＨｚのいずれか１つと、下限値２０ｋＨｚおよび５０ｋＨｚのいずれか１つとを組み合わせて、上述した式（８）の近似式に従って変化させる周波数ｆの範囲を予め定めればよい。なお、所定周波数範囲を５０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下としてもよい。この場合には、周波数が高い領域はカーブが比較的なだらかになるので広範囲の周波数範囲で近似式を適用しても誤差が少ないという利点がある。

上述した実施の形態では、周波数ｆとオン時間ｔ_ｏｎの両方を可変としている。しかしながら、本発明はこれに限られない。オン時間ｔ_ｏｎを固定値とし、周波数ｆを上述した所定周波数範囲内で変化させてもよい。オン時間ｔ_ｏｎを固定して周波数ｆを変化させてディザリングを行うことによっても、その周波数範囲をある程度小さく設定する限り高調波低減とディザリングの両立が可能である。そこで、周波数ｆを変化させる範囲を一定範囲に制限したうえで、オン時間ｔ_ｏｎを固定しつつディザリングを行うことができる。

なお、上述した実施の形態１、２において制御信号のディザリングを行っているので、ディザリング時の周波数変更を利用して周波数変調信号を生成してもよい。これにより、フォトカプラなどの専用の絶縁素子を用いることなく、点灯回路内で信号を伝達することができる。例えば、ディザリング時に調光率の情報を載せた制御信号を周波数変調信号として調光器（図示せず）に入力するなどして、調光信号の伝達を行っても良い。このように照明器具の調光信号または消灯信号を伝達することで，明るさを制御することができる。

また、上記のディザリングによる周波数変調信号を例えば点検用回路（図示せず）に入力するなどして、ディザリングによる変調信号を点検信号の伝達に利用してもよい。典型的には実施の形態１、２にかかる照明器具３０を非常灯および誘導灯に用いる場合において点検信号を伝達し，点検動作を行うことができる。また、ディザリングによる周波数変調信号を照明光変調信号の伝達に利用してもよい。これにより照明光を通信に使用する際の信号を伝達することができる。また、ディザリングによる周波数変調信号をＨＥＭＳコントローラ（図示せず）に入力するなどして、ＨＥＭＳ信号の伝達を行っても良い。

１ 商用交流電源、２ スイッチ、３ 整流回路、４ 入力平滑コンデンサ、５ 絶縁トランス、５ａ 一次巻線、５ｂ 二次巻線、６ ダイオード、７ 出力平滑コンデンサ、８ ＭＯＳＦＥＴ、９ 制御集積回路、１０ フォトカプラ、１１ フィードバック回路、１２ 発光素子、１３ 電流検出抵抗、２０ フライバックコンバータ回路、２２ 点灯回路、３０ 照明器具

Claims (8)

1. 発光素子と、
   前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
   を備え、
   前記点灯回路は、
   一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含むフライバックコンバータ回路と、
   前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号の周波数を増加させたらオン時間を減少させ前記制御信号の周波数を減少させたら前記オン時間を増加させるように前記制御信号の周波数を変化させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、予め定めた一次関数に従って前記制御信号の周波数と前記オン時間を変更し、
   前記制御回路は、予め定められた下限値以上であり１７０ｋＨｚ以下の周波数範囲で前記制御信号の周波数を変化させる照明器具。
2. 発光素子と、
   前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
   を備え、
   前記点灯回路は、
   一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含むフライバックコンバータ回路と、
   前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号の周波数を増加させたらオン時間を減少させ前記制御信号の周波数を減少させたら前記オン時間を増加させるように前記制御信号の周波数を変化させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、予め定めた一次関数に従って前記制御信号の周波数と前記オン時間を変更し、
   前記制御回路は、予め定められた下限値以上であり１００ｋＨｚ以下の周波数範囲で前記制御信号の周波数を変化させる照明器具。
3. 前記下限値が５０ｋＨｚである請求項１または２に記載の照明器具。
4. 前記下限値が２０ｋＨｚである請求項１または２に記載の照明器具。
5. 発光素子と、
   前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
   を備え、
   前記点灯回路は、
   一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含むフライバックコンバータ回路と、
   前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号のオン時間を固定値とし前記制御信号の周波数を変化させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、予め定められた下限値以上であり１７０ｋＨｚ以下の周波数範囲で前記制御信号の周波数を変化させる照明器具。
6. 発光素子と、
   前記発光素子を点灯させる点灯回路と、
   を備え、
   前記点灯回路は、
   一次巻線および前記一次巻線と極性向きが反対である二次巻線とを備えた絶縁トランスと、一端が前記一次巻線に接続し他端が接地され前記一端と前記他端との間のスイッチングのための制御端子を備えるスイッチング素子と、を含むフライバックコンバータ回路と、
   前記制御端子に制御信号を供給し、前記制御信号のオン時間を固定値とし前記制御信号の周波数を変化させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、予め定められた下限値以上であり１００ｋＨｚ以下の周波数範囲で前記制御信号の周波数を変化させる照明器具。
7. 前記下限値が５０ｋＨｚである請求項５または６に記載の照明器具。
8. 前記下限値が２０ｋＨｚである請求項５または６に記載の照明器具。

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