JP6617544B2 - 点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置、及び、その点灯装置を備える照明器具に関し、特に、力率改善回路を備える点灯装置等に関する。

交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置では、ＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣ等の高調波電流規制を満たすために、電源（入力）の力率を１に近づけるための力率改善回路が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、点灯装置は、昇圧回路を有する力率改善回路を備え、昇圧回路が、整流回路で生成された脈流を昇圧するとともに、入力された脈流の電圧に近似した波形となるように入力電流を制御することで、力率を高めている。

特開２０１２−１７５８８７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、様々な定格電力の負荷が点灯装置に接続された場合には、負荷の種類によっては、力率が低下し、高調波電流規制を満たさなくなるケースが発生し得るという問題がある。例えば、最大の定格電力の負荷が点灯装置に接続された場合にクラスＣを満たすように力率改善回路を設計した場合には、入力電力が２５Ｗ以下の負荷に対しては、もはやクラスＣを満たさなくなってしまう。これは、力率改善回路では、スイッチング素子によるスイッチングによって昇圧が行われるが、低い負荷が点灯装置に接続された場合には、スイッチングの周波数が高くなり、スイッチングと停止を繰り返す等の不安定動作が生じるからである。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、様々な定格電力の負荷が接続された場合であっても従来よりも良好な力率を保つ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。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る点灯装置は、交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置であって、前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電圧を用いて前記発光素子に電流を印加する電源部と、前記電源部での動作を制御する制御部とを備え、前記電源部は、スイッチング素子を有する回路であって、前記スイッチング素子によるスイッチングによって、前記整流回路から出力される前記直流電圧を昇圧する力率改善回路を有し、前記制御部は、前記スイッチング素子を前記交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をする制御回路を有し、前記制御回路は、所定の定格電力を超える定格電力の発光素子に電流を印加する第１動作モードと、前記所定の定格電力以下の定格電力の発光素子に電流を印加する第２動作モードとを有し、前記第１動作モードでは、前記交流電源から当該点灯装置に入力される電流の瞬時値である入力電流と前記交流電圧の瞬時値である入力電圧との関係が、前記入力電流が前記入力電圧に略比例する関係となるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をし、前記第２動作モードでは、前記入力電圧がゼロクロスする位相を０度とした場合に、前記入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相のときに前記入力電流がピークとなるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をする。

また、本発明の一形態に係る照明器具は、発光素子と、前記発光素子に電流を印加する上記点灯装置とを備える。

本発明に係る点灯装置及び照明器具により、様々な定格電力の負荷が点灯装置に接続された場合であっても、従来よりも良好な力率を保つことができる。

本発明の実施の形態における点灯装置の回路図 実施の形態におけるオン時間の範囲を示す図 実施の形態におけるＰＦＣ用制御回路による入力電流の波形の改善例を示すタイミングチャート 実施例１に係るＰＦＣ用制御回路によるオン時間の制御例を示すタイミングチャート 図４Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャート 実施例１の変形例におけるＰＦＣ用制御回路によるオン時間の制御例を示すタイミングチャート 図５Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャート 実施例２に係るＰＦＣ用制御回路によるオン時間の制御例を示すタイミングチャート 図６Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャート 実施の形態の変形例１における制御によって実現される入力電圧と入力電流との関係を示す波形図 実施の形態の変形例２における制御によって実現される入力電圧と入力電流との関係を示す波形図 実施の形態及び変形例における点灯装置を備える照明器具の一例を示す外観図 実施の形態及び変形例における点灯装置を備える照明器具の他の一例を示す外観図 実施の形態及び変形例における点灯装置を備える照明器具の他の一例を示す外観図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

図１は、本発明の実施の形態における点灯装置１０の回路図である。なお、本図では、点灯装置１０に交流電力を供給する交流電源２、及び、点灯装置１０の負荷（つまり、点灯装置１０から電流が印加される発光素子４）も併せて図示されている。交流電源２は、例えば、ＡＣ１００Ｖを供給する商用電源である。発光素子４は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）である。

点灯装置１０は、交流電源２に接続され、発光素子４に電流を印加する点灯回路であって、整流回路１２、電源部１４及び制御部１６を備える。

整流回路１２は、交流電源２から入力される交流電圧を直流電圧に変換する回路であり、例えば、入力された交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ等である。

電源部１４は、整流回路１２から出力される直流電圧を用いて発光素子４に電流を印加する回路であり、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；力率改善）回路２０及び降圧コンバータ３０で構成される。

ＰＦＣ回路２０は、スイッチング素子２３を有する回路であって、スイッチング素子２３によるスイッチングによって、整流回路１２から出力される直流電圧を昇圧する回路（昇圧チョッパ）である。ＰＦＣ回路２０が昇圧チョッパで構成される理由は、出力電圧に交流電圧の波高値より高い値を選ぶことで、０Ｖから波高値まで、全ての位相で交流電流を流すことができ、力率が改善できるからである。また、入力リプル電流が小さくなるので、入力コンデンサの容量が小さくて済む。

このＰＦＣ回路２０は、入力コンデンサ２１、インダクタ２２、スイッチング素子２３、ダイオード２４及び出力コンデンサ２５で構成される。入力コンデンサ２１は、ＰＦＣ回路２０に入力された整流回路１２からの脈流の出力電圧及び電流を平滑化するコンデンサである。インダクタ２２は、一次巻線２２ａと二次巻線２２ｂとから構成される復巻コイルであり、スイッチング素子２３がオンしたときに一次巻線２２ａに流れる電流によって蓄積したエネルギーを、スイッチング素子２３がオフしたときにダイオード２４に向けて放出する。二次巻線２２ｂは、インダクタ２２に流れる電流を検出するための電流センサである。スイッチング素子２３は、ＰＦＣ用制御回路１６ｂからの制御信号に従ってスイッチングする素子であり、例えば、ＭＯＳＦＥＴである。ダイオード２４は、スイッチング素子２３がオフしたときにインダクタ２２に蓄積されていたエネルギーを回生させる整流素子である。出力コンデンサ２５は、ＰＦＣ回路２０の出力電圧及び電流を平滑化するコンデンサである。

降圧コンバータ３０は、ＰＦＣ回路２０から出力された電圧を発光素子４に印加する電圧に変換（降圧）するとともに、発光素子４に一定電流を印加する回路であり、スイッチング素子３１、ダイオード３２、インダクタ３３及び抵抗３４で構成される。スイッチング素子３１は、降圧コンバータ用制御回路１６ｃからの制御信号に従ってスイッチングする素子であり、例えば、ＭＯＳＦＥＴである。ダイオード３２は、スイッチング素子３１がオンしたときにインダクタ３３に蓄積されていたエネルギーを回生させる整流素子である。インダクタ３３は、スイッチング素子３１がオンしたときに流れる電流によって蓄積したエネルギーを、スイッチング素子３１がオフしたときに発光素子４に向けて放出するコイルである。抵抗３４は、直列に接続されたインダクタ３３及び発光素子４に流れる電流を検出するための抵抗素子である。

制御部１６は、電源部１４での動作を制御する回路であり、入力電力検出回路１６ａ、ＰＦＣ用制御回路１６ｂ及び降圧コンバータ用制御回路１６ｃで構成される。

入力電力検出回路１６ａは、点灯装置１０に接続された発光素子４の定格電力が所定の定格電力（ここでは、２５Ｗ）を超えるか否かを検出する回路である。そのために、入力電力検出回路１６ａは、点灯装置１０に入力されている交流電圧（入力交流電圧）と入力されている交流電流（入力交流電流）を検出する。具体的には、入力電力検出回路１６ａは、整流回路１２の出力に接続された配線及び電流センサ（図示せず）等によって整流回路１２から出力される脈流電圧及び脈流電流を検出し、それぞれを入力交流電圧及び入力交流電流としてＰＦＣ用制御回路１６ｂに出力する。なお、入力電力検出回路１６ａは、本図のように、整流回路１２の出力における脈流電圧及び脈流電流を検出する方式に限られず、整流回路１２に入力される交流電圧及び交流電流を検出してもよい。

ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、ＰＦＣ回路２０のスイッチング素子２３を、入力交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をする制御回路である。ここでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、ＢＣＭ（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ）でスイッチング素子２３をオンオフさせることで、ＰＦＣ回路２０の出力電圧（ダイオード２４のカソード側の電圧）が一定となるように制御する。つまり、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、二次巻線２２ｂからの電圧によってインダクタ２２に流れる電流がゼロになったことを検出するとスイッチング素子２３をオンさせる。その後、ＰＦＣ回路２０の出力電圧を一定に維持するためのオン時間の経過後にスイッチング素子２３をオフする。このようなスイッチング素子２３のオンオフ制御を繰り返す。その結果、ＰＦＣ回路２０の各スイッチング周期においてインダクタ２２に流れる電流は、三角波形状となるが、入力コンデンサ２１によって平滑化される。インダクタ２２に流れる電流は、スイッチング素子２３のオン時間に、その時点での入力交流電圧の瞬時値を乗じて得られる値に比例した値となる。

このＰＦＣ用制御回路１６ｂは、上記のようなスイッチング制御において、次のような特徴的な制御を行う。つまり、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、所定の定格電力（ここでは、２５Ｗ）を超える定格電力の発光素子４に電流を印加する第１動作モードと、所定の定格電力（ここでは、２５Ｗ）以下の定格電力の発光素子４に電流を印加する第２動作モードとを有する。点灯装置１０に接続された発光素子４の定格電力については、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、点灯装置１０に発光素子４が接続されてフル点灯（全点灯）した時点で入力電力検出回路１６ａによって検出される入力交流電圧と入力交流電流とから判断する。つまり、入力交流電圧と入力交流電流とを乗じた値（入力電力Ｐｉｎ）が所定の定格電力（ここでは、２５Ｗ）よりも大きいか否かで判断する。なお、定格電力の判断のタイミングとしては、例えば、降圧コンバータ用制御回路１６ｃにより、点灯装置１０に電源が投入された直後の一定時間に発光素子４をフル点灯させ、その間に、ＰＦＣ用制御回路１６ｂが発光素子４の定格電力を判断する。

第１動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力交流電流の瞬時値である入力電流と入力交流電圧の瞬時値である入力電圧との関係が、入力電流が入力電圧に略比例する関係となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。一方、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧がゼロクロスする位相を０度とした場合に、入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相（ここでは、６５度）のときに入力電流がピークとなるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

なお、本明細書では、入力電圧の位相は、ゼロクロスする位相を０度としているので、０〜１８０度を繰り返すものとしている。また、本実施の形態では、所定位相を６５度としているのは、ＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣでは、有効入力電力が２５Ｗ以下の場合に、６５度あるいはそれより前に入力電流がピークになることが要求されているからである。よって、所定位相は、６５度に限られず、６５度よりも小さい値（０度以上６５度未満の値）であってもよい。

これにより、２５Ｗを超える負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、入力電流が入力電圧に略比例する関係となるようにスイッチング制御が行われ、力率が略１に近い値に維持され、かつ、高調波電流が抑制される。一方、２５Ｗ以下の負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、入力電圧が６５度のときに入力電流がピークとなるようにスイッチング制御が行われ、スイッチング素子が不安定な動作をする従来に比べ、力率が改善され、高調波電流が抑制される。その結果、幅広い負荷（定格電力が２５Ｗを跨ぐ負荷）に対応可能で、ＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣ等の高調波電流規制を満たす点灯装置１０が実現される。

降圧コンバータ用制御回路１６ｃは、外部からの調光指示等に従って、降圧コンバータ３０が発光素子４に一定の電流を印加するようにスイッチング素子３１のスイッチングを制御する回路である。そのために、降圧コンバータ用制御回路１６ｃは、抵抗３４で生じる電圧降下の値（つまり、発光素子４に流れる電流）が一定となるように、スイッチング素子３１をオンオフさせるオンデューティを制御するフィードバック制御を行う。

次に、以上のように構成された本実施の形態の点灯装置１０の特徴的な動作について、説明する。

まず、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの第２動作モードでの制御の詳細について、説明する。

ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、上述したように、第２動作モードでは、半周期ごとに、入力電圧の位相が所定位相（ここでは、６５度）のときに入力電流がピークとなるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。そのために、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第２動作モードでは、以下の式１が成立するように、オン時間を制御する。

Ｔｏｎ（θ）×ｓｉｎ（θ）＜Ｔｏｎ（θｐ）×ｓｉｎ（θｐ） （式１）

ここで、θは、入力電圧の位相（０≦θ≦１８０）である。Ｔｏｎ（θ）は、入力電圧の位相がθであるときのスイッチング素子２３のオン時間である。θｐは、所定位相（ここでは、６５度）である。

上記式１は、下記式２のように、書き換えることができる。

Ｔｏｎ（θ）＜Ｔｏｎ（θｐ）×ｓｉｎ（θｐ）／ｓｉｎ（θ） （式２）

図２は、上記式２におけるＴｏｎ（θ）の範囲を示す図である。ここでは、所定位相θｐを６５度とし、オン時間Ｔｏｎ（６５度）を１とした場合における、入力電圧の位相θ（横軸）に対するオン時間Ｔｏｎ（θ）（つまり、Ｔｏｎ比）の領域（ハッチング箇所）が示されている。

ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、オン時間Ｔｏｎ（６５度）を１とした場合に、入力電圧の位相θが６５度を除く他の位相（０度〜１８０度）では、図２のハッチングで示される領域のオン時間Ｔｏｎ（θ）でスイッチング素子２３をオンさせる。

このようなＰＦＣ用制御回路１６ｂによるオン時間Ｔｏｎ（θ）の制御により、点灯装置１０への入力電流の波形は、図３に示されるように、改善される。図３は、ＰＦＣ用制御回路１６ｂによる入力電流の波形の改善例を示すタイミングチャートである。図３の（ａ）は、従来の点灯装置において、入力電力Ｐｉｎが３５Ｗである場合の入力電流の波形の例を示し、図３の（ｂ）は、従来の点灯装置において、入力電力Ｐｉｎが１５Ｗである場合の入力電流の波形の例を示す。図３の（ｃ）は、本実施の形態の点灯装置１０において、入力電力Ｐｉｎが３５Ｗである場合の入力電流の波形の例を示し、図３の（ｂ）は、本実施の形態の点灯装置１０において、入力電力Ｐｉｎが１５Ｗである場合の入力電流の波形の例を示す。

図３から分かるように、本実施の形態の点灯装置１０によれば、２５Ｗを超える負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、力率及び高調波電流は、従来とほとんど変わらない（図３の（ａ）及び（ｃ）参照）。しかしながら、２５Ｗ以下の負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、本実施の形態の点灯装置１０によれば、半周期ごとに、入力電圧の位相θが６５度のときに入力電流がピークとなる。その結果、力率及び高調波電流が、従来よりも改善される（図３の（ｂ）及び（ｄ）参照）。よって、本実施の形態の点灯装置１０によれば、幅広い負荷（定格電力が２５Ｗを跨ぐ負荷）に対して、ＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣ等の高調波電流規制を満たす点灯装置１０が実現される。

次に、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの具体的な制御例として、実施例１及び２を説明する。

（実施例１）
実施例１として、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの第２動作モードでの制御について、上記式１を満たす具体的な制御の一例を、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、実施例１に係るＰＦＣ用制御回路１６ｂによるオン時間Ｔｏｎ（θ）の制御例を示すタイミングチャートである。図４Ｂは、図４Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャートである。

本実施例では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、図４Ａに示されるグラフに従って、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎ（θ）を制御する。つまり、入力電圧の位相θが０度以上で、かつ、所定位相θｐ（ここでは、６５度）以下である期間では、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎ（θ）が一定の第１オン時間Ｔｏｎ１（ここでは、１とする）となるように、オン時間を制御する。また、入力電圧の位相θが所定位相（ここでは、６５度）より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、スイッチング素子２３のオン時間がＴｏｎ１×ｓｉｎ（θｐ）よりも小さい第２オン時間Ｔｏｎ２（ここでは、一定値０．８）となるように、オン時間を制御する。なお、オン時間Ｔｏｎ（θ）＝１は、例えば、第１動作モードにおけるオン時間Ｔｏｎ（θ）と同一の値とする。

入力電流は、オン時間Ｔｏｎ（θ）に入力電圧を乗じて得られる値に比例することから、図４Ａに示される制御の結果、図４Ｂに示されるように、入力電圧の位相θが０≦θ≦６５において、正弦波の立ち上がりと同様の傾向で増加し、６５度でピークとなる。そして、入力電圧の位相θが６５＜θ≦１８０において、入力電流は、正弦波の値（ｓｉｎ（θ））と同様の傾向で増加し、その後（位相が９０度を超えると）、減少していく。

このように、本実施例によれば、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの第２動作モードにおいて、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎは、入力電圧の位相θが、０≦θ≦６５では一定の第１オン時間Ｔｏｎ１に維持される。そして、入力電圧の位相θが、６５＜θ≦１８０では、Ｔｏｎ１×ｓｉｎ（６５度）よりも小さい第２オン時間Ｔｏｎ２（ここでは、一定値０．８）に維持される。これにより、２５Ｗ以下の負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、半周期ごとに、入力電圧の位相θが６５度のときに入力電流がピークとなる。その結果、力率及び高調波電流が、従来よりも改善される。

なお、本実施例では、オン時間Ｔｏｎ（θ）として、入力電圧の位相θが０≦θ≦６５では第１オン時間Ｔｏｎ１として１にし、入力電圧の位相θが６５＜θ≦１８０では０．８にしたが、このような値に限定されない。

図５Ａは、実施例１の変形例におけるＰＦＣ用制御回路１６ｂによるオン時間Ｔｏｎ（θ）の制御例を示すタイミングチャートである。図５Ｂは、図５Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャートである。

図５Ａに示されるように、入力電圧の位相θが０≦θ≦６５では、第１オン時間Ｔｏｎ１として、１を超える値（ここでは、１．１７）にしてもよい。このときには、入力電圧の位相θが６５＜θ≦１８０では、Ｔｏｎ１×ｓｉｎ（６５度）よりも小さい第２オン時間Ｔｏｎ２、例えば、０．９４が選択される。この結果、図５Ｂに示されるように、上記実施例に比べ、入力電流が増加し、入力電流のピークも平均電流も増加する。

この変形例のように、オン時間Ｔｏｎ（θ）として、上記実施例のときよりも大きな値を選択することで、入力電圧の位相θが６５＜θ≦１８０において入力電流が抑制されることによる入力電力の抑制が解消される。

（実施例２）
次に、実施例２として、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの第２動作モードでの制御について、上記式１を満たす具体的な制御の他の一例を、図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、実施例２に係るＰＦＣ用制御回路１６ｂによるオン時間Ｔｏｎ（θ）の制御例を示すタイミングチャートである。図６Ｂは、図６Ａによる制御によって得られる入力電流の波形例を示すタイミングチャートである。

本実施例では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、図６Ａに示されるグラフに従って、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎ（θ）を制御する。つまり、入力電圧の位相θが０度以上で、かつ、所定位相θｐ（ここでは、６５度）以下である期間では、実施例１と同様である。つまり、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎ（θ）が一定の第１オン時間Ｔｏｎ１（ここでは、１とする）となるように、オン時間を制御する。しかしながら、実施例１と異なり、入力電圧の位相θが所定位相（ここでは、６５度）より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、入力電圧の位相θが増加するに従って減少する第２オン時間Ｔｏｎ２となるように、オン時間を制御する。ここでは、第２オン時間Ｔｏｎ２は、入力電圧の位相θの増加に伴って減少する直線である。

入力電流は、オン時間Ｔｏｎ（θ）に入力電圧を乗じて得られる値に比例することから、図６Ａに示される制御の結果、図６Ｂに示されるように、入力電圧の位相θが０≦θ≦６５において、正弦波の立ち上がりと同様の傾向で増加し、６５度でピークとなる。そして、入力電圧の位相θが６５＜θ≦１８０において、入力電流は、上記第２オン時間Ｔｏｎ２と正弦波の値（ｓｉｎ（θ））との積で示される曲線に従って、減少していく。

このように、本実施例によれば、ＰＦＣ用制御回路１６ｂの第２動作モードにおいて、スイッチング素子２３のオン時間Ｔｏｎは、入力電圧の位相θが、０≦θ≦６５では一定の第１オン時間Ｔｏｎ１に維持される。そして、入力電圧の位相θが、６５＜θ≦１８０では、オン時間Ｔｏｎは、入力電圧の位相θが増加するに従って減少する。これにより、２５Ｗ以下の負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、半周期ごとに、入力電圧の位相θが６５度のときに入力電流がピークとなる。さらに、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、実施例１よりも入力電流が抑制され、入力電圧が６５度のときに入力電流がピークとなることがより顕著となり、実施例１よりも力率が改善される。つまり、力率及び高調波電流が、従来よりも改善される。

以上のように、本実施の形態における点灯装置１０は、交流電源２に接続され、発光素子４に電流を印加する点灯装置であって、交流電源２から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１２と、整流回路１２から出力される直流電圧を用いて発光素子４に電流を印加する電源部１４と、電源部１４での動作を制御する制御部１６とを備える。電源部１４は、スイッチング素子２３を有する回路であって、スイッチング素子２３によるスイッチングによって、整流回路１２から出力される直流電圧を昇圧するＰＦＣ回路２０を有する。制御部１６は、スイッチング素子２３を交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をするＰＦＣ用制御回路１６ｂを有する。ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、所定の定格電力を超える定格電力の発光素子４に電流を印加する第１動作モードと、所定の定格電力以下の定格電力の発光素子４に電流を印加する第２動作モードとを有する。第１動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、交流電源２から点灯装置１０に入力される電流の瞬時値である入力電流と交流電圧の瞬時値である入力電圧との関係が、入力電流が入力電圧に略比例する関係となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。一方、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧がゼロクロスする位相を０度とした場合に、入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相のときに入力電流がピークとなるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

これにより、所定の定格電力を超える負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、入力電流が入力電圧に略比例する関係となるようにスイッチング制御が行われ、力率が略１に近い値に維持され、かつ、高調波電流が抑制される。一方、所定の定格電力以下の負荷（発光素子４）が点灯装置１０に接続された場合には、入力電圧が所定位相（＜９０度）のときに入力電流がピークとなるようにスイッチング制御が行われ、スイッチング素子が不安定な動作をする従来に比べ、力率が改善され、高調波電流が抑制される。よって、様々な定格電力の負荷が点灯装置１０に接続された場合であっても、点灯装置１０は、従来よりも良好な力率を保つことができる。

また、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第２動作モードでは、入力電圧の位相をθとし、入力電圧の位相がθであるときのスイッチング素子２３のスイッチングにおけるオン時間をＴｏｎ（θ）とし、所定位相をθｐとした場合に、Ｔｏｎ（θ）×ｓｉｎ（θ）＜Ｔｏｎ（θｐ）×ｓｉｎ（θｐ）を満たすように、オン時間を制御する。

これにより、入力電圧の位相θが所定位相θｐのときに入力電流がピークとなることが確実に実現される。

また、所定位相θｐは、６５度である。

これにより、有効入力電力が２５Ｗ以下の場合に、６５度あるいはそれより前に入力電流がピークになることが要求するＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣの要求が確実に満たされる。

また、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下である期間では、スイッチング素子２３のオン時間が一定の第１オン時間Ｔｏｎ１となり、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、スイッチング素子２３のオン時間がＴｏｎ１×ｓｉｎ（θｐ）よりも小さい第２オン時間Ｔｏｎ２となるように、オン時間を制御する。

これにより、所定位相を境界に、２種類のオン時間を切り替えることで、入力電圧が所定位相のときに入力電流がピークとなることが実現される。

また、上記実施例１では、第２オン時間Ｔｏｎ２は、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、一定である。

これにより、第１オン時間及び第２オン時間ともに、一定値となるので、オン時間を２種類の値のいずれかに切り替えることで、入力電圧が所定位相のときに入力電流がピークとなることが実現され、簡易にＰＦＣ用制御回路１６ｂによる制御が実現される。

また、上記実施例２では、第２オン時間Ｔｏｎ２は、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、入力電圧の位相が増加するに従って減少する値である。

これにより、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、実施例１よりも入力電流が抑制され、入力電圧が所定位相のときに入力電流がピークとなることがより顕著となる。

また、所定の定格電力は、２５Ｗである。

これにより、有効入力電力が２５Ｗ以下の場合に、６５度あるいはそれより前に入力電流がピークになることを要求するＩＥＣ６１０００−３−２規格のクラスＣの要求を満たす点灯装置１０が実現される。

なお、上記実施の形態では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第１動作モードでは、入力電流が入力電圧に略比例する関係となり、第２動作モードでは、入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相のときに入力電流がピークとなるように、スイッチング素子２３のオン時間を制御した。このようなＰＦＣ用制御回路１６ｂによる制御は、別の見方で表現することができる。つまり、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、以下の２つの変形例として実現してもよい。

（変形例１）
上記実施の形態におけるＰＦＣ用制御回路１６ｂは、実質的に、次の制御をしていると言える。つまり、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第１動作モードでは、交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。そして、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが略容量性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

ここで、「略抵抗性」とは、入力電流の位相θｉが入力電圧の位相θｖと略等しいことを意味し、例えば、θｖ−１０≦θｉ≦θｖ＋１０が成り立つ範囲、より限定的には、θｖ−５≦θｉ≦θｖ＋５が成り立つ範囲である。また、「略容量性」とは、入力電流の位相θｉが入力電圧の位相θｖよりも進んでいることを意味し、例えば、θｉがθｖよりも２５度以上進んでいる状態である。

図７Ａは、本変形例における制御によって実現される入力電圧と入力電流との関係を示す波形図である。第１動作モードでは、入力電流の位相が入力電圧の位相と略等しい。一方、第２動作モードでは、入力電流の位相が入力電圧の位相よりも進んでいる。このような制御の具体例は、上記実施例１及び実施例２における制御が該当する。

このように、本変形例では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、所定の定格電力を超える定格電力の発光素子４に電流を印加する第１動作モードと、所定の定格電力以下の定格電力の発光素子４に電流を印加する第２動作モードとを有する。第１動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。一方、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力インピーダンスが略容量性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

このような制御によっても、上記実施の形態と同様の効果が奏される。つまり、第１動作モードでは、入力電流の位相が入力電圧の位相と略等しい状態となり、力率が略１に近い値となる。また、第２動作モードでは、入力電流の位相が入力電圧の位相よりも進む状態となり、入力電圧の位相が９０度よりも小さいときに入力電流がピークとなり、スイッチング素子が不安定な動作をする従来に比べ、力率が改善され、高調波電流が抑制される。よって、様々な定格電力の負荷が点灯装置１０に接続された場合であっても、点灯装置１０は、従来よりも良好な力率を保つことができる。

（変形例２）
また、別の見方として、上記実施の形態におけるＰＦＣ用制御回路１６ｂは、実質的に、次の制御をしていると言える。つまり、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第１動作モードでは、交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。そして、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間における交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下の期間における入力インピーダンスよりも抵抗性が大きくなるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

ここで、「抵抗性が大きい」とは、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間における入力電流が、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下の期間における入力電流のピークよりも小さくなる意味である。

図７Ｂは、本変形例における制御によって実現される入力電圧と入力電流との関係を示す波形図である。第１動作モードでは、上記変形例１と同様に、入力電流の位相が入力電圧の位相と略等しい。一方、第２動作モードでは、入力電圧の位相が所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間における入力電流が、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下の期間における入力電流のピーク（ここでは、所定位相における入力電流）よりも小さくなっている。このような制御の具体例は、上記実施例１及び実施例２における制御が該当する。

このように、本変形例では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、第１動作モードでは、交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。一方、第２動作モードでは、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間における交流電源２から見た点灯装置１０の入力インピーダンスが、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下の期間における入力インピーダンスよりも抵抗性が大きくなるように、スイッチング素子２３をスイッチングさせる制御をする。

このような制御によっても、上記実施の形態と同様の効果が奏される。つまり、第１動作モードでは、入力電流の位相が入力電圧の位相と略等しい状態となり、力率が略１に近い値となる。また、第２動作モードでは、入力電圧の位相が０度以上で、かつ、所定位相以下の期間において入力電流がピークとなり、スイッチング素子が不安定な動作をする従来に比べ、力率が改善され、高調波電流が抑制される。よって、様々な定格電力の負荷が点灯装置１０に接続された場合であっても、点灯装置１０は、従来よりも良好な力率を保つことができる。

なお、上記実施の形態及び変形例における点灯装置１０は、各種照明器具に適用できる。図８Ａ〜図８Ｃは、上記実施の形態及び変形例における点灯装置１０を備える各種照明器具２００ａ〜２００ｃの外観図である。図８Ａに示される照明器具２００ａは、ダウンライトであり、図８Ｂに示される照明器具２００ｂ及び図８Ｃに示される照明器具２００ｃは、スポットライトである。照明器具２００ａ〜２００ｃは、回路ボックス２０１及び灯体２０２を有し、照明器具２００ａ及び２００ｂは、さらに、配線２０３を有する。回路ボックス２０１は、上記実施の形態及び変形例における点灯装置１０を収納しているボックスである。灯体２０２は、発光素子４を収納している。配線２０３は、回路ボックス２０１と灯体２０２の収納された発光素子４とを電気的に接続している。このような照明器具２００ａ〜２００ｃによれば、上記実施の形態及び変形例における点灯装置１０が備えられるので、様々な定格電力の負荷が点灯装置１０に接続された場合であっても、従来よりも良好な力率が保たれる。

以上、本発明の点灯装置及び照明器具について、実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態及び変形例に限定されない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態及び変形例に施したものや、実施の形態及び変形例における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、電源部１４は、降圧コンバータ３０を有したが、必ずしも降圧コンバータ３０は必須ではない。ＰＦＣ回路２０の出力端子に直接、発光素子４を接続する構成であっても、発光素子４に電流が供給され、かつ、従来よりも力率が改善される。

また、上記実施の形態では、ＰＦＣ回路２０の後段に、降圧コンバータ３０が設けられたが、後段に設けられる回路としては、降圧コンバータに限られず、昇圧コンバータ、昇降圧コンバータ等の回路であってもよい。いずれのタイプのコンバータを選択するかは、ＰＦＣ回路２０の出力電圧と、発光素子４に印加すべき直流電圧の大きさとの関係で、適宜、選択すればよい。

また、上記実施の形態では、制御部１６に入力電力検出回路１６ａが設けられたが、必ずしも入力電力検出回路１６ａは必須ではない。例えば、入力電力検出回路１６ａに代えて、点灯装置１０に接続された負荷（発光素子４）が所定の定格電力を超えるか否かをＰＦＣ用制御回路１６ｂに伝えるための手動のスイッチが設けられてもよい。

また、上記実施の形態では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、入力電圧が所定位相のときに入力電流がピークとなるように、スイッチング素子２３のオン時間を制御したが、このような制御に限られない。一定周期でスイッチング素子２３をオンオフさせる際のオンデューティを制御したり、スイッチング素子２３をオンオフさせる周波数を制御したりすることで、入力電流のピークを制御してもよい。

また、上記実施の形態では、ＰＦＣ用制御回路１６ｂは、ＢＣＭでスイッチング素子２３をオンオフさせたが、このようなモードに限られない。ＣＣＭ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）あるいはＤＣＭ（Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｄｅ）でスイッチング素子２３をオンオフさせてもよい。

２ 交流電源
４ 発光素子
１０ 点灯装置
１２ 整流回路
１４ 電源部
１６ 制御部
１６ｂ ＰＦＣ用制御回路（制御回路）
２０ ＰＦＣ（力率改善）回路
２３ スイッチング素子
２００ａ〜２００ｃ 照明器具

Claims (10)

1. 交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置であって、
   前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧を用いて前記発光素子に電流を印加する電源部と、
   前記電源部での動作を制御する制御部とを備え、
   前記電源部は、スイッチング素子を有する回路であって、前記スイッチング素子によるスイッチングによって、前記整流回路から出力される前記直流電圧を昇圧する力率改善回路を有し、
   前記制御部は、前記スイッチング素子を前記交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をする制御回路を有し、
   前記制御回路は、
   所定の定格電力を超える定格電力の発光素子に電流を印加する第１動作モードと、前記所定の定格電力以下の定格電力の発光素子に電流を印加する第２動作モードとを有し、
   前記第１動作モードでは、前記交流電源から当該点灯装置に入力される電流の瞬時値である入力電流と前記交流電圧の瞬時値である入力電圧との関係が、前記入力電流が前記入力電圧に略比例する関係となるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をし、
   前記第２動作モードでは、前記入力電圧がゼロクロスする位相を０度とした場合に、前記入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相のときに前記入力電流がピークとなるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をする
   点灯装置。
2. 前記制御回路は、前記第２動作モードでは、前記入力電圧の位相をθとし、前記入力電圧の位相がθであるときの前記スイッチング素子のスイッチングにおけるオン時間をＴｏｎ（θ）とし、前記所定位相をθｐとした場合に、Ｔｏｎ（θ）×ｓｉｎ（θ）＜Ｔｏｎ（θｐ）×ｓｉｎ（θｐ）を満たすように、前記オン時間を制御する
   請求項１記載の点灯装置。
3. 前記所定位相θｐは、６５度である
   請求項２記載の点灯装置。
4. 前記制御回路は、前記入力電圧の位相が０度以上で、かつ、前記所定位相以下である期間では、前記スイッチング素子のオン時間が一定の第１オン時間Ｔｏｎ１となり、前記入力電圧の位相が前記所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、前記スイッチング素子のオン時間がＴｏｎ１×ｓｉｎ（θｐ）よりも小さい第２オン時間Ｔｏｎ２となるように、前記オン時間を制御する
   請求項２又は３記載の点灯装置。
5. 前記第２オン時間Ｔｏｎ２は、前記入力電圧の位相が前記所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、一定である
   請求項４記載の点灯装置。
6. 前記第２オン時間Ｔｏｎ２は、前記入力電圧の位相が前記所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間では、前記入力電圧の位相が増加するに従って減少する値である
   請求項４記載の点灯装置。
7. 前記所定の定格電力は、２５Ｗである
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の点灯装置。
8. 交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置であって、
   前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧を用いて前記発光素子に電流を印加する電源部と、
   前記電源部での動作を制御する制御部とを備え、
   前記電源部は、スイッチング素子を有する回路であって、前記スイッチング素子によるスイッチングによって前記整流回路から出力される前記直流電圧を昇圧する力率改善回路を有し、
   前記制御部は、前記スイッチング素子を前記交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をする制御回路を有し、
   前記制御回路は、
   所定の定格電力を超える定格電力の発光素子に電流を印加する第１動作モードと、前記所定の定格電力以下の定格電力の発光素子に電流を印加する第２動作モードとを有し、
   前記第１動作モードでは、前記交流電源から見た当該点灯装置の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をし、
   前記第２動作モードでは、前記入力インピーダンスが略容量性となるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をする
   点灯装置。
9. 交流電源に接続され、発光素子に電流を印加する点灯装置であって、
   前記交流電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧を用いて前記発光素子に電流を印加する電源部と、
   前記電源部での動作を制御する制御部とを備え、
   前記電源部は、スイッチング素子を有する回路であって、前記スイッチング素子によるスイッチングによって前記整流回路から出力される前記直流電圧を昇圧する力率改善回路を有し、
   前記制御部は、前記スイッチング素子を前記交流電圧の周波数よりも高い周波数でスイッチングさせる制御をする制御回路を有し、
   前記制御回路は、
   所定の定格電力を超える定格電力の発光素子に電流を印加する第１動作モードと、前記所定の定格電力以下の定格電力の発光素子に電流を印加する第２動作モードとを有し、
   前記第１動作モードでは、前記交流電源から見た当該点灯装置の入力インピーダンスが略抵抗性となるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をし、
   前記第２動作モードでは、前記交流電圧の瞬時値である入力電圧がゼロクロスする位相を０度とした場合に、前記入力電圧の位相が９０度よりも小さい所定位相より大きく、かつ、１８０度以下の期間における前記交流電源から見た当該点灯装置の入力インピーダンスが、前記入力電圧の位相が０度以上で、かつ、前記所定位相以下の期間における前記入力インピーダンスよりも抵抗性が大きくなるように、前記スイッチング素子をスイッチングさせる制御をする
   点灯装置。
10. 発光素子と、
    前記発光素子に電流を印加する請求項１〜９のいずれか１項に記載の点灯装置とを備える
    照明器具。

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