JP6477056B2 - 点灯装置、照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、点灯装置、及び点灯装置を備えた照明器具に関する。

特許文献１には以下の点灯装置が開示されている。第１の制御モードでは、制御回路は、インダクタに臨界モードまたは不連続モードで電流が流れるように、所定の発振周波数およびオン時間で降圧チョッパ回路のスイッチング素子をオンオフ動作させる。第２の制御モードでは、制御回路は、スイッチング素子の発振周波数を略固定とし、オン時間を変化させる。第３の制御モードでは、制御回路は、スイッチング素子のオン時間を略固定とし、発振周波数を変化させる。第２の制御モードと第３の制御モードとは、調光比を複数に分けてなる区間ごとに割り当てられている。そして、制御回路は、第１の制御モードを選択することによって光源負荷を全点灯させ、調光比が指定されると当該調光比が該当する区間に応じて第２の制御モードと第３の制御モードとの一方を選択して光源負荷を調光点灯させる。

特開２０１３−１１８１３３号公報

しかしながら、上記特許文献には、第１の制御モードの際にインダクタに臨界モードまたは不連続モードで電流が流れるようにスイッチング素子の発振周波数を決定する具体的な方法が開示されていない。

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、バックコンバータ回路のインダクタに略臨界モードで電流を流すことができる点灯装置及び照明器具を提供することを目的とする。

本願の発明に係る点灯装置は、直流電源回路と、該直流電源回路の出力端に並列に接続された、スイッチング素子とダイオードを有する第１直列回路と、該ダイオードに並列に接続された、インダクタとコンデンサを有する第２直列回路と、を有するバックコンバータ回路と、該バックコンバータ回路への入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、該バックコンバータ回路の出力電流を検出する出力電流検出回路と、該バックコンバータ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、該スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御装置と、該インダクタのインダクタンス値と、該ダイオードの順方向電圧値と、該バックコンバータ回路の回路効率を記憶した記憶部と、を備え、該制御装置は、該入力電圧、該出力電流、該出力電圧、該記憶部に記憶された該インダクタンス値、該順方向電圧値、及び該回路効率に基づき、略臨界モードで該インダクタに電流が流れるように、該スイッチング素子の周波数を演算し、演算結果のとおり該スイッチング素子をオンオフする。

本発明によれば、検出回路で検出した値と、記憶部に予め書き込んだ情報に基づいてスイッチング素子の周波数を変調して、インダクタに略臨界モードで電流を流すことができる。

本発明の実施の形態１に係る照明器具の回路図である。 バックコンバータ回路の電流動作モードを示す図である。

本発明の実施の形態に係る点灯装置と照明器具について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る照明器具１００の回路図である。照明器具１００は複数のＬＥＤ２６を備えるＬＥＤモジュール２７を備えている。このＬＥＤモジュール２７を制御するために、点灯装置１と調光器２８が設けられている。点灯装置１は、直流電源回路２、バックコンバータ回路３及び制御装置４０を備えている。

直流電源回路２は、例えば昇圧チョッパ回路で構成されている。具体的には、直流電源回路２は、整流回路８、コンデンサ９、抵抗１０、１１が直列接続した分圧回路、インダクタ１２、スイッチング素子Ｑ１、ダイオード１４、抵抗１５、１６が直列接続した分圧回路、及びコンデンサ１７を備えている。

整流回路８は交流電源７の電圧を全波整流する。コンデンサ９は整流回路８の出力端子に並列に接続されている。抵抗１０、１１が直列接続した分圧回路は、このコンデンサ９に並列に接続されている。コンデンサ９の両端電圧が抵抗１０、１１を用いて分圧され、分圧電圧が制御装置４０に入力される。

インダクタ１２は、一端が整流回路８の高電位側に接続される。スイッチング素子Ｑ１は例えばＭＯＳＦＥＴであり、第１端子（ドレイン）、第２端子（ソース）及び第１、２端子間をスイッチングするための制御端子（ゲート）を備えている。スイッチング素子Ｑ１の第１端子がインダクタ１２の他端に接続されている。

ダイオード１４のアノードが、スイッチング素子Ｑ１の第１端子とインダクタ１２の他端との接続点に接続される。コンデンサ１７の正極は、ダイオード１４のカソードに接続され、負極は整流回路８の低電位側に接続される。コンデンサ１７は電解コンデンサである。抵抗１５、１６が直列接続した分圧回路は、コンデンサ１７に並列に接続される。コンデンサ１７の両端電圧が抵抗１５、１６を用いて分圧され制御装置４０に入力される。

直流電源回路２の出力端に設けられた抵抗１５、１６は、直流電源回路２の出力電圧検出に用いられる。制御装置４０は、抵抗１６による検出電圧に基づいて、直流電源回路２の出力電圧が一定になるようにスイッチング素子Ｑ１をオンオフする。なお、抵抗１５、１６は、バックコンバータ回路３への入力電圧を検出する入力電圧検出回路としての役割も有している。

次に、バックコンバータ回路３について説明する。バックコンバータ回路３は、スイッチング素子Ｑ２、ダイオード２０、インダクタ（チョークコイル）２２、コンデンサ２３、検出抵抗２４、及び抵抗２９、３０が直列接続した分圧回路を備えている。スイッチング素子Ｑ２とダイオード２０を有する回路（第１直列回路という）が、直流電源回路２の出力端（コンデンサ１７）に並列に接続されている。

スイッチング素子Ｑ２は、例えばＭＯＳＦＥＴであり、第１端子（ドレイン）、第２端子（ソース）及び第１、第２端子間をスイッチングする制御端子（ゲート）を備えている。スイッチング素子Ｑ２の第１端子はコンデンサ１７の正極と接続され、第２端子はダイオード２０のカソードに接続されている。

インダクタ２２、コンデンサ２３及び検出抵抗２４がこの順に接続して第２直列回路を構成している。第２直列回路はダイオード２０に並列に接続されている。検出抵抗２４はＬＥＤモジュール２７に流れるＬＥＤ電流の検出に用いられる。具体的には、検出抵抗２４はＬＥＤモジュール２７から流れてくる電流により発生する電圧を検出している。すなわち、検出抵抗２４はバックコンバータ回路３の出力電流を検出する出力電流検出回路として機能する。

検出抵抗２４で検出された検出電圧は制御装置４０に入力される。制御装置４０は、この検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール２７に流れる電流が一定になるようにバックコンバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。

抵抗２９、３０は、バックコンバータ回路３の出力端に設けられており、ＬＥＤモジュール２７の電圧検出に用いられる。すなわち、抵抗２９、３０は、バックコンバータ回路３の出力電圧を検出する出力電圧検出回路として機能する。抵抗２９、３０が直列接続した分圧回路はコンデンサ２３に並列に接続され、このコンデンサ２３の両端電圧が抵抗２９、３０を用いて分圧され制御装置４０に入力される。抵抗３０での検出電圧が制御装置４０に入力され、制御装置４０はこの検出電圧に基づいて、ＬＥＤモジュール２７の異常を検出する。

次に、制御装置４０について説明する。制御装置４０は、例えばデジタル電源用制御装置として提供されるマイコンで構成する。ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算装置で構成してもよい。制御装置４０は、内部バスを介して互いに接続された制御回路４１、４２、記憶部４３、Ａ／Ｄ変換回路４４、及び処理装置４５を備えている。

制御回路４１はスイッチング素子Ｑ１をスイッチングするＰＷＭ信号を出力し、制御回路４２はスイッチング素子Ｑ２をスイッチングするＰＷＭ信号を出力する。記憶部４３は例えば不揮発性メモリである。記憶部４３は、処理装置４５で実行すべき演算プログラム及び演算に用いられる各種データを記憶している。記憶部４３には更に、インダクタ２２のインダクタンス値と、ダイオード２０の順方向電圧値と、バックコンバータ回路３の回路効率などが記憶されている。記憶部４３に対して外部からデータの書き込みおよび読み出しが行われる。

処理装置４５は記憶部４３に記憶されたプログラムに従い演算を行うプロセッサである。処理装置４５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング制御におけるオン時間などを算出する。制御装置４０には、抵抗１０、１１で分圧された交流電源７を整流した電圧に応じた電圧、抵抗１５、１６（入力電圧検出回路）で分圧された直流電源回路２の出力電圧に応じた電圧、抵抗２９、３０（出力電圧検出回路）で分圧されたＬＥＤモジュール２７の出力電圧に応じた電圧、及び検出抵抗２４で検出したＬＥＤ電流に応じた電圧が入力される。Ａ／Ｄ変換回路４４でこれらの電圧値がデジタル値に変換され、そのデジタル値を用いて処理装置４５で演算処理が行われる。

処理装置４５は、抵抗１５、１６（入力電圧検出回路）で分圧された電圧が、予め記憶部４３に設定された目標電圧に一致するように、スイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整する。このような制御は定電圧制御と呼ばれる。

また、制御装置４０には、調光器２８から調光信号Ｉ／Ｆ回路４を介して調光指令値が入力される。処理装置４５は、この調光指令値に基づいて決定される目標電流と、検出抵抗２４で検知した検出電圧に応じたＬＥＤ電流が一致するように、スイッチング素子Ｑ２のオン時間を調整する。更に、以下で詳述するように、制御装置４０は、記憶部４３に予め書き込まれたバックコンバータ回路３の回路効率、インダクタ２２のインダクタンス値、ダイオード２０の順方向電圧値と、検出回路で検出したバックコンバータ回路３の出力電流、出力電圧、入力電圧に基づいてスイッチング素子Ｑ２の周波数を変調することで、略臨界モードでの定電流制御を行っている。

図２は、バックコンバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２を固定周波数で制御した場合の、電流動作モードを示す図である。縦軸にバックコンバータ回路３の出力電流を示し、横軸にバックコンバータ回路３の出力電圧を示す。なお、図２では、バックコンバータ回路３の回路効率、インダクタ２２のインダクタンス値、ダイオード２０の順方向電圧値、及びバックコンバータ回路３の入力電圧は一定としてグラフを描いている。

図２に示すとおり、バックコンバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２を固定周波数で制御する場合、バックコンバータ回路３の出力電流またはバックコンバータ回路３の出力電圧の変動により、バックコンバータ回路３は３つの動作モードになる。３つの動作モードとは、インダクタ２２に流れる電流がゼロとなる期間が所定期間継続する電流不連続モードと、インダクタ２２に流れる電流がゼロとなる期間のない電流連続モードと、インダクタ２２に流れる電流が一瞬だけゼロとなる電流臨界モードである。

本発明の実施の形態１に係る制御装置４０は、バックコンバータ回路３が電流臨界モード又は臨界モードに近い制御で動作するように、スイッチング素子Ｑ２をオンオフする。具体的には、制御装置４０は、入力電圧検出回路（抵抗１５、１６）により検出されたバックコンバータ回路３への入力電圧（以後単に入力電圧という場合がある）、出力電流検出回路（検出抵抗２４）によって検出された検出電圧に応じたバックコンバータ回路３の出力電流（以後単に出力電流という場合がある）、及び出力電圧検出回路（抵抗２９、３０）により検出されたバックコンバータ回路３の出力電圧（以後単に出力電圧という場合がある）を取得する。

そして、処理装置４５は、インダクタ２２のインダクタンス値と、ダイオード２０の順方向電圧値と、バックコンバータ回路３の回路効率を記憶部４３から読み込む。そして、制御装置（処理装置４５）は、上記の入力電圧、出力電流、及び出力電圧、並びに、記憶部４３に記憶されたインダクタンス値、順方向電圧値、及び回路効率に基づき、略臨界モードでインダクタ２２に電流が流れるように、スイッチング素子Ｑ２の周波数を演算する。そして、制御回路４２が、その演算結果のとおりスイッチング素子Ｑ２をオンオフする。

インダクタ２２に略臨界モードで電流を流すためのスイッチング素子Ｑ２の駆動周期Ｔは、スイッチング素子Ｑ２のオン時間Ｔ_ＯＮとオフ時間Ｔ_Ｏｆｆより求める。つまり、スイッチング素子Ｑ２の駆動周期Ｔは以下の式１により求める。

ＴｏｎとＴｏｆｆは以下の式２、３のとおりである。

Ｖｂｕｓとは入力電圧検出回路（抵抗１５、１６）により検出されたバックコンバータ回路３への入力電圧である。Ｉｏとは出力電流検出回路（検出抵抗２４）によって検出されたバックコンバータ回路３の出力電流である。Ｖｏは出力電圧検出回路（抵抗２９、３０）により検出されたバックコンバータ回路３の出力電圧である。また、ηはバックコンバータ回路３の回路効率であり、Ｌ_１はインダクタ２２のインダクタンス値であり、Ｖ_Ｆはダイオード２０の順方向電圧値である。式１〜式３により、駆動周期Ｔは以下の式４で表される。

駆動周波数ｆは以下の式５で表される。

処理装置４５は、上記のとおり、各検出回路で検出した値及び記憶部４３に予め書き込まれた値を用いて、スイッチング素子Ｑ２の駆動周波数ｆを算出する。そして、算出された駆動周波数ｆに基づいて制御回路４２がスイッチング素子Ｑ２を制御することで、インダクタ２２に略臨界モードで電流を流すことができるため、回路効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係る点灯装置と照明器具は様々な変形が可能である。例えば、入力電圧検出回路（抵抗１５、１６）、出力電流検出回路（検出抵抗２４）、及び出力電圧検出回路（抵抗２９、３０）はその目的を達成できるものであれば、別の構成をとってもよい。また、実施の形態１で述べた略臨界モードは、厳密な意味ではなく実質的に臨界モードとみなすことができる場合が含まれる。ＬＥＤモジュール２７は別の発光装置に置き換えても良い。これらの変形は以下の実施の形態に係る点灯装置及び照明器具にも応用できる。なお、以下の実施の形態に係る点灯装置と照明器具については、実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る照明器具の構成は実施の形態１の照明器具と同様である。実施の形態１では、記憶部４３に予め書き込んだバックコンバータ回路３の回路効率ηは固定値であるが、本実施の形態２では複数の回路効率ηを記憶した点灯装置について説明を行う。実施の形態２に係る記憶部４３には複数の回路効率ηが記憶されている。

バックコンバータ回路３の回路効率ηは、バックコンバータ回路３の出力電流Ｉｏ、出力電圧Ｖｏ、入力電圧Ｖｂｕｓにより変動するため、検出回路で検出するそれぞれの値に応じた適切な回路効率ηを記憶部４３に予め書き込んでおく。つまり、記憶部４３には、出力電流Ｉｏ、出力電圧Ｖｏ、及び入力電圧Ｖｂｕｓの値に対応した複数の回路効率が記憶されている。このように、Ｉｏ、Ｖｏ、Ｖｂｕｓの値に応じた回路効率ηを記憶部４３に書き込んでおく。例えば、回路効率ηは、出力電圧Ｖｏの変化に対して極大値を有する。

制御装置４０は、バックコンバータ回路３で検出された出力電流Ｉｏ、出力電圧Ｖｏ、及び入力電圧Ｖｂｕｓに基づき、記憶部４３に予め書き込まれた回路効率ηを選択するとともに、インダクタ２２のインダクタンス値Ｌ_１とダイオード２１の順方向電圧値Ｖ_Ｆを用いて、前記の式３よりスイッチング素子Ｑ２の駆動周波数ｆを算出する。したがって、適切な回路効率ηを用いて駆動周波数ｆを算出できる。

以上説明した本実施の形態によれば、制御装置４０は、検出回路で検出した値に応じて記憶部４３に予め書き込まれたバックコンバータ回路３の適切な回路効率ηを用いて、前記式１−５よりスイッチング素子Ｑ２の駆動周波数ｆを算出し、算出した周波数でスイッチング素子Ｑ２を制御することで、実施の形態１と比べてインダクタに略臨界モードで電流を流すことができるため、回路効率を向上することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態２に係る照明器具の構成は実施の形態１の照明器具と同様である。実施の形態１との相違点は、処理装置４５で算出する駆動周波数ｆの上限と下限を設ける点である。記憶部４３には、スイッチング素子Ｑ２の周波数ｆの上限値である上限周波数と、スイッチング素子Ｑ２の周波数ｆの下限値である下限周波数が記憶されている。上限周波数は例えばスイッチング素子Ｑ２の定格最大スイッチング周波数よりも低い周波数である。下限周波数は例えば可聴領域の周波数（２０ＫＨｚ以下）よりも高い周波数である。

制御装置４０（処理装置４５）は、演算結果（スイッチング素子の駆動周波数ｆ）が記憶部４３に記憶された上限周波数を超える周波数であるときは、上限周波数より小さい周波数でスイッチング素子Ｑ２をオンオフできるように演算結果を修正する。他方、演算結果（スイッチング素子の駆動周波数ｆ）が記憶部４３に記憶された下限周波数を下回る周波数であるときは、下限周波数より大きい周波数でスイッチング素子Ｑ２をオンオフできるように演算結果を修正する。下限周波数より大きい周波数とは例えば２０ＫＨｚを超える周波数である。

このように、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング周波数に上限と下限を設けることで、点灯装置１の動作を安定させることができる。なお、ここまでで説明した各実施の形態で説明した特徴は適宜組み合わせて用いてもよい。なお、制御装置４０は、演算したスイッチング素子Ｑ２の駆動周波数ｆが上限周波数を超えたときは、演算結果を上限周波数に修正し、この上限周波数にてスイッチング素子Ｑ２を制御するよう構成してもよい。同様に、演算したスイッチング素子Ｑ２の駆動周波数が下限周波数を下回ったときは、演算結果を下限周波数に修正し、この下限周波数にてスイッチング素子Ｑ２を制御するように構成してもよい。

１ 点灯装置、 ２ 直流電源回路、 ３ バックコンバータ回路、 ４０ 制御装置、 ４１,４２ 制御回路、 ４３ 記憶部、 ４５ 処理装置、 １００ 照明器具、 Ｑ１,Ｑ２ スイッチング素子

Claims (4)

1. 直流電源回路と、
   前記直流電源回路の出力端に並列に接続された、スイッチング素子とダイオードを有する第１直列回路と、前記ダイオードに並列に接続された、インダクタとコンデンサを有する第２直列回路と、を有するバックコンバータ回路と、
   前記バックコンバータ回路への入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
   前記バックコンバータ回路の出力電流を検出する出力電流検出回路と、
   前記バックコンバータ回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
   前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御装置と、
   前記インダクタのインダクタンス値と、前記ダイオードの順方向電圧値と、前記バックコンバータ回路の回路効率を記憶した記憶部と、を備え、
   前記制御装置は、前記入力電圧、前記出力電流、前記出力電圧、前記記憶部に記憶された前記インダクタンス値、前記順方向電圧値、及び前記回路効率に基づき、略臨界モードで前記インダクタに電流が流れるように、前記スイッチング素子の周波数を演算し、演算結果のとおり前記スイッチング素子をオンオフする点灯装置。
2. 前記記憶部には、前記入力電圧、前記出力電流、及び前記出力電圧の値に対応した複数の回路効率が記憶され、
   前記制御装置は、前記スイッチング素子の周波数を演算する際に、検出された前記入力電圧、前記出力電流、及び前記出力電圧の値に対応した回路効率を前記記憶部から抽出し、利用することを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 前記記憶部には、前記スイッチング素子の周波数の上限値である上限周波数と、前記スイッチング素子の周波数の下限値である下限周波数と、が記憶され、
   前記制御装置は、
   前記演算結果が前記上限周波数を超える周波数であるときは、前記上限周波数以下の周波数で前記スイッチング素子をオンオフし、
   前記演算結果が前記下限周波数を下回る周波数であるときは、前記下限周波数以上の周波数で前記スイッチング素子をオンオフすることを特徴とする請求項１又は２に記載の点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の点灯装置を備えた照明器具。

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