JP6314559B2 - 点灯装置および照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、点灯装置および照明器具に関する。

従来、例えば、特開２００９−２７８９５号公報に開示されているように、Ｈブリッジ回路をスイッチング電源に利用した点灯装置が知られている。

特開２００９−２７８９５号公報

Ｈブリッジ回路において、コイル電流が上限値と下限値との間で往復的に増減するようにスイッチング素子を制御するいわゆるバンバン（Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ）制御を実施することが考えられる。バンバン制御では、コイル電流が検出できないとスイッチング素子のオンオフタイミングを検出できない。コイル電流を検知できずスイッチング素子をオフすべきタイミングが検知されないと、スイッチング素子がオンに維持され続けてしまい、Ｈブリッジ回路の部品故障を招くおそれがある。

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、部品故障を抑制できる点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。

本発明にかかる点灯装置は、コイルおよび前記コイルの両端にそれぞれ接続した複数のスイッチング素子を備え前記コイルに前記スイッチング素子のオンオフに応じたコイル電流が流れるＨブリッジ回路と、前記コイル電流を検出する検出回路と、前記スイッチング素子の制御端子にスイッチング信号を供給する制御回路と、を備え、前記制御回路は、起動時に前記スイッチング信号のオン時間幅および周期を固定して前記スイッチング素子をオンオフする第１制御を実行した後に、前記コイル電流が上限値と下限値との間を往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする第２制御に切り替えるように構築され、前記制御回路は、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知しない場合には保護動作を行い、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知したら前記第１制御を前記第２制御に切り替えるように構築されたものである。

本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装置と、を備え、前記点灯装置は、コイルおよび前記コイルの両端にそれぞれ接続した複数のスイッチング素子を備え前記コイルに前記スイッチング素子のオンオフに応じたコイル電流が流れるＨブリッジ回路と、前記コイル電流を検出する検出回路と、前記スイッチング素子の制御端子にスイッチング信号を供給する制御回路と、を備え、前記制御回路は、起動時に前記スイッチング信号のオン時間幅および周期を固定して前記スイッチング素子をオンオフする第１制御を実行した後に、前記コイル電流が上限値と下限値との間を往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする第２制御に切り替えるように構築され、前記制御回路は、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知しない場合には保護動作を行い、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知したら前記第１制御を前記第２制御に切り替えるように構築されたものである。

本発明によれば、起動時に先ずスイッチング信号のオン時間幅および周期を固定する制御を行う期間を設けたので、部品故障を抑制できる。

本発明の実施の形態にかかる点灯装置および照明器具を示す回路図である。 実施の形態にかかる点灯装置のマイコンの構成を示すブロック図である。 実施の形態にかかる点灯装置の動作を説明するための波形図である。 点灯装置において短絡経路が発生する故障を説明するための回路図である。 実施の形態にかかる点灯装置の動作を説明するための波形図である。 実施の形態にかかる点灯装置の動作を説明するための波形図である。

図１は、本発明の実施の形態にかかる点灯装置１０および照明器具１を示す回路図である。照明器具１は、ＬＥＤモジュール２および点灯装置１０を備えている。ＬＥＤモジュール２は、複数のＬＥＤ素子２ａを直列接続したものである。点灯装置１０は、出力端子を介してＬＥＤモジュール２と接続し、交流電源４の交流電圧を直流電圧に変換し、ＬＥＤ素子２ａを点灯させる。ＬＥＤモジュール２は、少なくとも１つのＬＥＤ素子２ａを含むものであればよく、また複数のＬＥＤ素子２ａが並列あるいは直列と並列を組み合わせた形態に接続されたものであってもよく、ＬＥＤ素子２ａに代えて有機ＥＬ素子を用いてもよい。

点灯装置１０は、交流電源４と接続し交流電圧を整流する典型的にはダイオードブリッジである整流回路６と、整流回路６の出力端子に並列に接続したコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１と並列に接続した抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧回路と、整流回路６で全波整流された直流電流を受けるＨブリッジ回路１４とを備えている。交流電源４と整流回路６との間には、電源スイッチ（図示せず）が介在している。

Ｈブリッジ回路１４は、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ１と、コイルＬ１と、ダイオードＤ２と、スイッチング素子Ｑ２を備え、これらがＨブリッジ型に接続されたものである。なお、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、本実施の形態ではＭＯＳＦＥＴを用いているがスイッチング素子であればこれに限定されない。スイッチング素子Ｑ１の第１端子（本実施の形態ではドレイン）は、整流回路６の高圧側出力端子に接続している。スイッチング素子Ｑ１の第２端子（本実施の形態ではソース）は、ダイオードＤ１のカソードと接続している。ダイオードＤ１のアノードは、整流回路６の低圧側出力端子に接続している。コイルＬ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１の第２端子（本実施の形態ではソース）とダイオードＤ１のカソードとの接続点に接続している。コイルＬ１の他端は、ダイオードＤ２のアノードとスイッチング素子Ｑ２の第１端子（本実施の形態ではドレイン）との接続点に接続している。スイッチング素子Ｑ２の第２端子（本実施の形態ではソース）は抵抗Ｒ３を介して接地されている。ダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ２の一端に接続している。ダイオードＤ１のアノードにはコイル電流検出用の抵抗Ｒ３の一端が接続し、抵抗Ｒ３の他端はスイッチング素子Ｑ２の第２端子（ソース）に接続している。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御端子（本実施の形態ではゲート）に駆動回路２０からの駆動信号が供給されることでスイッチングが実現される。駆動回路２０は、マイコン２２からスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフをそれぞれ指示するスイッチング信号Ｑ１／ＳＷ、Ｑ２／ＳＷを受けて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２それぞれの駆動信号を生成する。Ｈブリッジ回路１４は、降圧モード、昇圧モード、および昇降圧モードという３つのモードで駆動することができる。降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンオフし、かつスイッチング素子Ｑ２をオフに維持することで実現される。昇圧モードは、スイッチング素子Ｑ１をオンに維持し、かつスイッチング素子Ｑ２をオンオフすることで実現される。昇降圧モードは、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２の両方をオンオフすることで実現される。

Ｈブリッジ回路１４の出力側には、電解コンデンサであるコンデンサＣ２が設けられている。コンデンサＣ２の他端は抵抗Ｒ３を介して接地されている。コンデンサＣ２に対して並列に、ＬＥＤモジュール２および電流検知抵抗Ｒ６の直列回路が接続している。点灯装置１０は、抵抗Ｒ４、Ｒ５からなる分圧回路を備えており、この分圧回路で電圧検知を行うことができる。抵抗Ｒ４の一端がダイオードＤ２のカソードと接続し、抵抗Ｒ４の他端が抵抗Ｒ５の一端に接続してこの接続点の電圧が検知電圧としてマイコン２２に入力され、抵抗Ｒ５の他端は抵抗Ｒ３を介して接地されている。

マイコン２２は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧回路を用いて検出した入力電圧Ｖｉｎと、抵抗Ｒ４、Ｒ５の分圧回路を用いて検出した出力電圧Ｖｏｕｔと、調光器３０からの調光信号とをそれぞれ受信する。マイコン２２は、抵抗Ｒ３の電圧に基づいてコイル電流ＩＬを検出し、電流検知抵抗Ｒ６の電圧に基づいてＬＥＤ電流Ｉｏｕｔを検出する。マイコン２２は、その内部でＰＷＭ信号Ｉｒｅｆｗを生成し、マイコン２２の外部に設けた直列抵抗Ｒ７およびこれにシャント接続したコンデンサＣ３に入力する。これにより脈流化された上限電流値ＩＬ＊ｍａｘを生成することができる。この上限電流値ＩＬ＊ｍａｘはマイコン２２に入力され、後述するバンバン（Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ）制御の上限電流値として利用される。なお、上記では、上限目標値は、ＰＷＭ信号Ｉｒｅｆｗを生成し、外部に設けた直列抵抗Ｒ７およびコンデンサＣ３で脈流化したが、本発明はこれに限られず、マイコン内部または外部のＤＡ変換器を用いて生成する構成でもよい。

図２は、マイコン２２の構成を示すブロック図である。マイコン２２は、スイッチング信号生成部２３と、ＡＤ変換回路２４と、ＣＰＵ２５と、タイマー２６を備えている。各要素の詳細を説明すると、先ずスイッチング信号生成部２３は、コンパレータ２３ａと、コンパレータ２３ｂと、タイマー２３ｃを備えている。コンパレータ２３ａは、上限電流値ＩＬ＊ｍａｘとコイル電流ＩＬとが一致したら強制停止信号を出力する。コンパレータ２３ｂは、下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗとコイル電流ＩＬとが一致したらリスタート信号を出力する。タイマー２３ｃは、強制停止信号およびリスタート信号を受けてスイッチング信号Ｑ１／ＳＷ、Ｑ２／ＳＷをそれぞれ生成および出力する。ＡＤ変換回路２４は、例えば交流電圧が全波整流されることで生成された脈流入力電圧Ｖｉｎと、出力電圧Ｖｏｕｔと、ＬＥＤ電流Ｉｏｕｔとを受信する。ＡＤ変換回路２４は、それらの値をＡＤ変換してＣＰＵ２５に伝達する。ＣＰＵ２５は、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ、Ｉｏｕｔ、および調光信号を含む入力値に基づいてＩｏｕｔの目標値である目標出力電流値Ｉｏｕｔ１を算出し、これに基づいてタイマー２６を制御する。タイマー２６はＰＷＭ信号を生成するオンオフタイミングを計るものであり、ＣＰＵ２５によりオン時間、周波数を制御されてＰＷＭ信号Ｉｒｅｆｗを生成する。ＣＰＵ２５は、下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗをコンパレータ２３ｂに伝達する。なお、上記では、マイコン内部にコンパレータ等が内蔵されている場合の例を示したが、本発明はこれに限られず、図２に示した制御系の一部の機能をマイコン外部のアナログ回路で実現してもよい。

図３は、実施の形態にかかる点灯装置１０の動作を説明するための波形図である。図３は、いわゆるバンバン（Ｂａｎｇ−Ｂａｎｇ）制御の内容を説明するための波形図である。ここでは一例として昇圧モード時の動作を説明する。昇圧モードではスイッチング素子Ｑ１はオンに維持され、スイッチング素子Ｑ２がオンオフされる。この場合、バンバン制御では、上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗとの間をコイル電流ＩＬが往復的に増減するように、マイコン２２はスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。スイッチング信号Ｑ２／ＳＷがハイとなりスイッチング素子Ｑ２がオンとなることでコイル電流ＩＬが増大すると、コイル電流ＩＬは脈流状に形成された上限電流値ＩＬ＊ｍａｘに達する。このときコンパレータ２３ａが強制停止信号を発することでスイッチング信号Ｑ２／ＳＷはローとなりスイッチング素子Ｑ２はオフとなる。その後コイル電流ＩＬは減少していき、コイル電流ＩＬは一定値に定められた下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗに達する。このときコンパレータ２３ｂがリスタート信号を発することでスイッチング信号Ｑ２／ＳＷは再びハイとなりスイッチング素子Ｑ２が再びオンとなる。このような動作を繰り返すようにマイコン２２がスイッチング信号Ｑ２／ＳＷを生成することで、上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗとの間をコイル電流ＩＬが往復的に増減する。このときコイル電流ＩＬはいわゆる臨界モードでの動作となる。

（短絡故障）
図４は、点灯装置１０において短絡経路１００が発生する故障を説明するための回路図である。短絡経路１００は点灯装置１０が正常である時には存在しない。短絡経路１００が発生する故障があると、抵抗Ｒ３が短絡してしまい、コイル電流ＩＬが検出できなくなる。コイル電流ＩＬが検出できないとスイッチング素子Ｑ２のオンオフタイミングを検出できない。典型的には、電源投入直後にスイッチング素子Ｑ２をオンした後、本来であればコイル電流ＩＬが上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと交差しスイッチング素子Ｑ２をオフとするタイミングが到来するべきである。しかし短絡経路１００がありコイル電流ＩＬを検知できないとそのスイッチング素子Ｑ２をオフすべきタイミングが到来せず、スイッチング素子Ｑ２がオンに維持され続けてしまい、Ｈブリッジ回路１４の部品故障を招くおそれがある。

（スイッチング制御内容の切替）
図５および図６は、実施の形態にかかる点灯装置１０の動作を説明するための波形図である。図５は、短絡経路１００が発生しておらず、正常に起動したときの点灯装置１０の動作を示す波形図である。実施の形態にかかる点灯装置１０では、マイコン２２は、起動時（つまり電源投入直後）の期間Ｔ１に、スイッチング信号Ｑ２／ＳＷの周波数ｆおよびオン時間幅ｔｏｎが固定されたスイッチング信号Ｑ２／ＳＷを生成し、このスイッチング信号Ｑ２／ＳＷでスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。これにより、コイル電流ＩＬにかかわらず、スイッチング素子Ｑ２が確実にオンオフされる。その後、所定のタイミング、好ましくはコイル電流ＩＬが正常に検出されて短絡経路１００が生じていないことが確認できたタイミングで、バンバン制御を開始する。コイル電流ＩＬの検出は様々な形態が可能であり、コイル電流ＩＬの有無、大きさ、あるいは変化を検出することで行うことができる。例えば、図示しないがマイコン２２の内部あるいは外部にコイル電流ＩＬの有無、大きさ、あるいは変化を検出する検出回路を設けてもよい。また、例えば、スイッチング素子Ｑ２をオンしてから、コイル電流ＩＬが１回または複数回往復的に増減しているか否かを検知してもよい。図５に破線で示す脈流状波形はコイル電流ＩＬのピーク値の軌跡である。バンバン制御への切り替えを行うための好ましい形態として、マイコン２２は図５に示すようにコイル電流ＩＬのピーク値が最小値となった次回のスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングで、周波数ｆおよびオン時間幅ｔｏｎ固定の制御をバンバン制御へと切り替える（図５における期間Ｔ１→期間Ｔ２への切替）。期間Ｔ２ではバンバン制御が開始され、マイコン２２がスイッチング信号Ｑ２／ＳＷを生成することで、上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと下限電流値ＩＬ＊ｌｏｗとの間をコイル電流ＩＬが往復的に増減する。

（保護停止機能）
図６は、短絡経路１００が発生した故障時の動作を説明するための図であり、点灯装置１０において起動時（つまり電源投入直後）に保護停止する動作を示す波形図である。本実施の形態では、好ましい形態として、マイコン２２が、起動時に、上述した周波数ｆを固定しオン時間幅ｔｏｎを固定したスイッチング信号Ｑ２／ＳＷでのスイッチング制御を行うとともに、コイル電流ＩＬが正常に検出されない場合にはマイコン２２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護停止する。コイル電流ＩＬの検出は様々な形態が可能であり、コイル電流ＩＬの有無、大きさ、あるいは変化を検出することで行うことができる。例えば、図示しないがマイコン２２の内部あるいは外部にコイル電流ＩＬの有無、大きさ、あるいは変化を検出する検出回路を設けてもよい。また、例えば、マイコン２２の内部においてはコンパレータ２３ａ、２３ｂそれぞれのコイル電流ＩＬが入力されるので、コンパレータ２３ａ、２３ｂの出力に基づいてコイル電流ＩＬの正常な検出がされているかを判定してもよい。また、例えば、スイッチング素子Ｑ２をオンしてから、コイル電流ＩＬが少なくとも１回往復的に増減しているか否かを検知し、コイル電流ＩＬの往復的増減が検出されない場合、マイコン２２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護停止してもよい。また、例えばスイッチング素子Ｑ２をオンしてから予め定めた時間を越えてもコイル電流ＩＬが上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと交差しない場合に、マイコン２２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護停止してもよい。この予め定めた時間は、図５の期間Ｔ１におけるオン時間幅ｔｏｎよりも短くしてもよい。これにより上述した短絡経路１００があったとしても、保護停止機能により点灯装置１０を安全停止させることで部品故障を抑制できる。なお、ここで説明した保護停止機能は、上記の「スイッチング制御内容の切替」とは別に単独で実施してもよい。期間Ｔ２においてこの保護停止機能を実施してもよく、バンバン制御の実行中にスイッチング素子Ｑ２（あるいはＱ１）をオンしてから予め定めた時間を超えてもコイル電流ＩＬが上限電流値ＩＬ＊ｍａｘと交差しない場合には保護停止を行うようにしてもよい。

なお、上記実施の形態では一例として昇圧モードにおいてスイッチング信号Ｑ２／ＳＷのみについて期間Ｔ１（周波数ｆおよびオン時間幅ｔｏｎ固定制御）から期間Ｔ２（バンバン制御）への制御内容の切替を行っているが、本発明はこれに限定されるものではない。降圧モードおよび昇降圧モードにおいてもいずれのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフするかの違いを除いては上記と同様に制御を行えばよい。昇降圧モードにおいては、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を同時にオンオフ制御するので、スイッチング信号Ｑ１／ＳＷ、Ｑ２／ＳＷの両方に対して期間Ｔ１、Ｔ２の制御内容の切替を行えばよい。降圧モードでは、スイッチング素子Ｑ１をオンオフし、かつスイッチング素子Ｑ２をオフに維持するので、スイッチング信号Ｑ１／ＳＷに対して期間Ｔ１、Ｔ２の制御内容の切替を行えばよい。

１ 照明器具、２ ＬＥＤモジュール、２ａ ＬＥＤ素子、４ 交流電源、６ 整流回路、１０ 点灯装置、１４ Ｈブリッジ回路、２０ 駆動回路、２２ マイコン、２３ スイッチング信号生成部、２３ａ、２３ｂ コンパレータ、２３ｃ、２６ タイマー、２４ ＡＤ変換回路、３０ 調光器

Claims (4)

1. コイルおよび前記コイルの両端にそれぞれ接続した複数のスイッチング素子を備え前記コイルに前記スイッチング素子のオンオフに応じたコイル電流が流れるＨブリッジ回路と、
   前記コイル電流を検出する検出回路と、
   前記スイッチング素子の制御端子にスイッチング信号を供給する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、起動時に前記スイッチング信号のオン時間幅および周期を固定して前記スイッチング素子をオンオフする第１制御を実行した後に、前記コイル電流が上限値と下限値との間を往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする第２制御に切り替えるように構築され、
   前記制御回路は、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知しない場合には保護動作を行い、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知したら前記第１制御を前記第２制御に切り替えるように構築された点灯装置。
2. 前記制御回路は、前記第１制御で実現される前記コイル電流のピーク値が最小値に達した後のオンタイミングで前記第１制御を前記第２制御に切り替える請求項１に記載の点灯装置。
3. 前記第２制御の実行中にスイッチング素子をオンしてから予め定めた時間を超えてもコイル電流が前記上限値と交差しない場合には保護動作を行う請求項１に記載の点灯装置。
4. 発光素子と、
   前記発光素子を点灯させる点灯装置と、
   を備え、
   前記点灯装置は、
   コイルおよび前記コイルの両端にそれぞれ接続した複数のスイッチング素子を備え前記コイルに前記スイッチング素子のオンオフに応じたコイル電流が流れるＨブリッジ回路と、
   前記コイル電流を検出する検出回路と、
   前記スイッチング素子の制御端子にスイッチング信号を供給する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、起動時に前記スイッチング信号のオン時間幅および周期を固定して前記スイッチング素子をオンオフする第１制御を実行した後に、前記コイル電流が上限値と下限値との間を往復的に増減するように前記スイッチング素子をオンオフする第２制御に切り替えるように構築され、
   前記制御回路は、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知しない場合には保護動作を行い、前記第１制御の実行中に前記検出回路で前記コイル電流の増減を検知したら前記第１制御を前記第２制御に切り替えるように構築された照明器具。

Images