JP6810844B2

JP6810844B2 - 照明装置用の照度一定制御回路

Info

Publication number: JP6810844B2
Application number: JP2016092539A
Authority: JP
Inventors: 潤一大久保; 直史諸橋; 羽田　正二; 正二羽田
Original assignee: 株式会社新陽社; Ａｎｐ株式会社
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-05-02
Also published as: JP2017201586A

Description

この発明は、電源に直流電圧を用いる、直流を給電するシステムに特化した照明装置の照度を一定に制御する回路に関するものである。

近年のＬＥＤ（発光ダイオード）技術の進化に伴い、ＬＥＤ照明装置は、様々なものが使用されている。そのため、ＬＥＤ照明装置には、小型化、高効率化、低価格化等が要求されている。

直流電圧を電源とするＬＥＤ照明装置の電源供給元は、一つとは限らず、近年の省エネ意識の高まりにより、再生可能エネルギーである太陽光発電電力や、各種バッテリー電力等、多岐にわたる。

これらの電源から出力される直流電圧の違いに対しては、電源変換ユニットを用いることで対応していた。しかし、電源変換ユニットを用いる構成は、変換によるロスが発生し、効率が低下する問題があった。

また、電源変換ユニットの多くは、ある周波数でスイッチングして、出力を一定に保つ構成である。この様な電源変換ユニットは、スイッチング動作により、電磁ノイズが発生するという大きなデメリットがあった。

一方、電源変換ユニットを使用しない構成では、一定の範囲の直流電圧に対しては、ＬＥＤに流れる電流を一定に保つことは可能であるが、直流電圧の僅かな変動に対して、ＬＥＤに流れる電流が大きく変化してしまう。そのため、ＬＥＤ照明から出力される光の質が低下したり、ＬＥＤの寿命が短縮される。また、電圧が低下するとＬＥＤが消灯してしまうため、広範囲の電源電圧に対応させることができないという難点があった。

従って、電源変換ユニットを用いることなく、幅広い電源電圧に対応可能なＬＥＤ照明装置の制御回路が望まれている。特許文献１及び２では、電源電圧の増減に合わせてＬＥＤの点灯と消灯を制御することによって幅広い電源電圧に対応しながらＬＥＤに流れる電流を一定に保つ構成が開示されている。

特開２０１３−１７９２７９号公報特開２０１６−４６２２８号公報

しかしながら、これらの特許文献１及び２の構成では、電源電圧が低下すると、一定電流を保ちながら電圧下位から上位へ順にＬＥＤが消灯していくため、ＬＥＤ照明装置の明るさが変動する、すなわち、照度が落ちてしまう不都合があった。

そこで、この発明は、上述の課題を解決するものとして、幅広い電源電圧に対応可能で、かつ、ＬＥＤ照明装置の明るさが一定となる照明装置用の制御回路を提供することを目的としたものである。

請求項１の発明は、
照明装置用の照度一定制御回路であって、
直流電源を設け、
前記直流電源の一方には、前記直流電源による電圧の印加によって常時点灯する半導体発光素子と、点灯又は消灯する半導体発光素子が直列に設けられた第１電流路を接続し、
点灯又は消灯する前記各半導体発光素子には、半導体素子を並列に設け、
前記直流電源の他方には、第２電流路を接続し、
前記第１電流路と第２電流路の間に、半導体制御素子を設け、
前記直流電源から導出させた第３電流路の端部を、前記半導体制御素子のベース側に設けた第１ツエナーダイオードと第１抵抗素子の間に接続し、前記第１ツエナーダイオード側には前記半導体制御素子の導通に必要な最小限の電圧が印加され、前記第１抵抗素子側には、前記最小限の電圧より大きな電圧が印加されるように、分圧させた、照明装置用の照度一定制御回路とした。

また、請求項２の発明は、
照明装置用の照度一定制御回路であって、
直流電源による電圧の印加によって常時点灯する半導体発光素子と、点灯又は消灯する半導体発光素子を直列に設けると共に、点灯又は消灯する前記各半導体発光素子には、半導体素子を並列に設けて成る、複数個の半導体発光素子ブロックを、前記直流電源に対し直列に設け、
いずれの前記半導体発光素子ブロックよりも電位が低い位置に、半導体制御素子を設け、
前記直流電源から導出させた電流路の端部を、前記半導体制御素子のベース側に設けた第１ツエナーダイオードと第１抵抗素子の間に接続し、前記第１ツエナーダイオード側には前記半導体制御素子の導通に必要な最小限の電圧が印加され、前記第１抵抗素子側には、前記最小限の電圧より大きな電圧が印加されるように、分圧させた、照明装置用の照度一定制御回路とした。

また、請求項３の発明は、
前記第３電流路又は前記電流路に、第２抵抗素子及び第２ツエナーダイオードを直列に設け、前記第２ツエナーダイオードは、前記直流電源によって印加された電圧に係る電流を通す、請求項１又は２に記載の照明装置用の照度一定制御回路とした。

請求項１及び２の発明によれば、電源が変わったり、電源電圧が変動したりしても、ＬＥＤ照明装置の明るさを一定に保つことができる。従って、家庭やオフィス等の常時人がいる環境や、明るさが変動してはいけない環境においても使用することができる。また、この照明装置の環境内にいる人は、ＬＥＤ照明装置を直視しない限り、明るさが変動しないため電源電圧が変わってもそれに気づくことがない。それ故電源の変動を意識することなく過ごすことができる。

また、電源が変わったり、電源電圧が変動したりしても、それに合わせて電流が変動するため、消費電力を一定に保つことができる。

また、電源の電圧範囲を想定して、明るさが一定となる範囲を決めることができるため、ある一定の電圧以下になった時に明るさを一定とせず、極端に明るさを落とすことが可能である。これにより、停電時の非常時にバッテリーから電力を供給する場合は、必要最小限の明るさに落とすことで消費電力を抑え、限られたバッテリー電力で長時間点灯させることが可能になる。

また、この発明は、電源変換ユニットを使用しない構成である。そのため、照明装置の小型化、高効率化、低価格化が実現できる。また、電磁ノイズが発生せず、病院や精密機械室等の電磁ノイズを嫌う環境でも使用可能である。更に照明装置の故障リスクも低減できる。

また、請求項３の発明によれば、請求項１及び２の上記効果に加え、直流電源の電圧低下時に、小さな電圧変化を大きな電流変化にする構成としているため感度をアップさせ、照度の一定保持を確実にしている。

この発明の構成概念図である。この発明の実施の形態例１の構成回路図である。この発明の実施の形態例２の構成回路図である。この発明の実施の形態例２の実験結果を示すグラフ図である。

まず、この発明の構成概念図である図１に基づいて説明する。
この発明の照明器具用の照度一定制御回路は、直流電源５０の印加により常時点灯するＬＥＤ発光素子５１及び前記電源の電圧値によって点灯又は消灯するＬＥＤ発光素子５２を同一極性方向に直列に設け、また、前記ＬＥＤ発光素子５２を、電圧値の変動によって点灯又は消灯させるＬＥＤ点灯・消灯制御部５３を設け、さらに、前記直流電源５０の電圧を監視する電源電圧監視部５４を設け、当該電源電圧監視部５４の電圧低下の検出により前記ＬＥＤ発光素子５１、５２に流す電流値を制御する電流値制御部５５を設けた構成となっている。

この制御回路により、直流電源５０から供給される直流電圧によりＬＥＤ発光素子５１及び５２は点灯しているが、電源の変動等により直流電圧が下がると、これを電源電圧監視部５４が検知し、電流値制御部５５により、ＬＥＤ点灯・消灯制御部５３が動作し、ＬＥＤ発光素子５２が消灯する。従って、ＬＥＤ発光素子５１のみが点灯する。その際、前記電流値制御部５５により、前記ＬＥＤ発光素子５１に流れる電流値が、電圧低下前の電流値より増大し、ＬＥＤ発光素子５１の照度が増す。この様にして、電源電圧の変動があっても、当該制御回路を有する照明装置全体としては、照度を一定に保持できるものである。

（実施の形態例１）
以下、この発明の実施の形態例１の照度一定制御回路Ａの構成を図２に基づいて説明する。

図２に示すように、直流電源１の両側に、ＬＥＤから成る半導体発光素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ５が同一極性方向に直列接続された電流路２と、抵抗素子Ｒ１が設けられた電流路３とがそれぞれ接続されている。また、前記電流路２の端部と前記電流路３の端部との間に、電流値制御部４が設けられている。

また、前記電流値制御部４において、前記電流路２の半導体発光素子ＬＥＤ５のカソード側と接続された抵抗素子Ｒ２及び前記電流路３の抵抗素子Ｒ１と接続された半導体制御素子Ｔｒ１が直列接続されている。また、当該電流値制御部４は前記抵抗素子Ｒ２と前記半導体制御素子Ｔｒ１との間で接地されている（図示省略）。

上記半導体発光素子ＬＥＤ３〜５の各アノード及びカソード間には半導体素子ＦＥＴ３〜５が夫々並列に接続されている。各半導体素子ＦＥＴ３〜５の各ゲートは、前記電流値制御部４の半導体制御素子Ｔｒ１のコレクタと、整流素子Ｄ３〜５を介して夫々接続されている。これらの整流素子Ｄ３〜５のアノードが前記半導体制御素子Ｔｒ１のコレクタと接続され、整流素子Ｄ３〜５のカソードが前記各半導体素子ＦＥＴ３〜５のゲートと夫々接続されている。また、各半導体素子ＦＥＴ３〜５の各ソース端とゲート端との間には、抵抗素子Ｒ３〜５が夫々設けられている。

また、前記電流値制御部４の前記抵抗素子Ｒ２と前記半導体発光素子ＬＥＤ５のカソードとの間と、前記半導体制御素子Ｔｒ１のベース端子とが接続された電流路５に、前記抵抗素子Ｒ２に近い順に、抵抗素子Ｒ６、ツエナーダイオードＺＤ１及び抵抗素子Ｒ７が直列接続されている。また、当該電流路５の抵抗素子Ｒ７とツエナーダイオードＺＤ１との間と、前記抵抗素子Ｒ２と半導体制御素子Ｔｒ１との間とを結ぶ電流路６に抵抗素子Ｒ８が設けられている。

そして、前記直流電源１と前記抵抗素子Ｒ１との間から導出した電流路７の端部が、前記電流値制御部４の抵抗素子Ｒ６とツエナーダイオードＺＤ１との間の電流路５に接続されている。また、当該電流路７には、前記直流電源１に近い順に抵抗素子Ｒ９及びツエナーダイオードＺＤ２が直列に接続されている。

次に、当該照度一定制御回路Ａの動作について説明する。直流電源１から供給される直流電圧が所定の電圧値の場合は、前記半導体発光素子ＬＥＤ１〜ＬＥＤ５は全て点灯している。この状態では、前記半導体制御素子Ｔｒ１のベースが順バイアスされ、半導体制御素子Ｔｒ１は導通状態となる。よってコレクタは基準電位と同電位となり、前記半導体素子ＦＥＴ５〜３は非導通である。

一方、この直流電源１の電圧値が低下すると、前記半導体制御素子Ｔｒ１のベースが順バイアスされず、コレクタの電位が上昇する。これに伴って前記半導体素子ＦＥＴ５〜３が半導体素子ＦＥＴ５から順に（前記電位上昇度合いに応じて）オンとなって各半導体素子ＦＥＴのドレイン、ソース間に電流が流れ、これらに相応する半導体発光素子ＬＥＤ５〜３が順に消灯する。

その際、電流路７にも電流が流れ、当該電流路７と接続された電流路５のツエナーダイオードＺＤ１と抵抗素子Ｒ６とで分圧される。この時、ツエナーダイオードＺＤ１側は電圧が小さく、抵抗素子Ｒ６へ電圧が大きく分圧される。そして、抵抗素子Ｒ２で大きく電圧降下され、これに伴って電流が大となり、点灯している半導体発光素子ＬＥＤ１、２等に大きな電流が流れる。

従って、点灯している半導体発光素子ＬＥＤ１、２等の照度が増す。他の半導体発光素子ＬＥＤ５〜４又はＬＥＤ５〜３は消灯しているが、前記点灯している半導体発光素子ＬＥＤ１、２等の照度が上がるため、１個の照明装置としては、全部の半導体発光素子ＬＥＤ１〜５が点灯している時と略同じ照度が得られる。

また、上記の動作の際、電流路７に設けたツエナーダイオードＺＤ２により一定電圧が確保され、その上で抵抗素子Ｒ９により電圧降下される。その際の電圧降下による電圧変化率を大きくして、小さな電圧変化を大きな変化にしている。従って、小さな電圧低下でも電流をより大きく変化させて感度アップを図っている。

（実施の形態例２）
図３は、この発明の実施の形態例２の照度一定制御回路Ｂを示す。

図３に示すように、直流電圧を印加する直流電源１０と、ＬＥＤが発光するＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂと、当該各ＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂの電流を制御する電流値制御部１２とから主として構成されている。これらの隣接するブロック及び電流値制御部は電気的に接続されている。そして、図３に示すように直流電源１０に近い、電位が高い位置にＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂが配置され、直流電源１０から遠く、いずれのＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂよりも電位が低い位置に電流値制御部１２が配置されている。

また、直流電源１０と、ＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂ及び電流値制御部１２に配置された回路素子により閉回路を構成している。なお、本実施の形態例では２つのＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂを用いる構成を示したが、この構成に限定されるものではなく、ＬＥＤ発光ブロックは、単数又は２個以上の複数であってもよい。なお、ＬＥＤ発光ブロックが一つの場合が、上記実施の形態例１である。

ＬＥＤ発光ブロック１１ａの具体的構成は、直流電源１０の両側に、ＬＥＤから成る半導体発光素子ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１４が同一極性方向に直列接続された電流路１３と、抵抗素子Ｒ１１が設けられた電流路１４とがそれぞれ接続されている。また、前記電流路１３の端部と前記抵抗素子Ｒ１１の端部との間に、ＬＥＤ発光ブロック１１ｂを介して前記電流値制御部１２が設けられている。なお、前記ＬＥＤ発光ブロック１１ａと１１ｂとは同じ構成である。

また、前記電流値制御部１２において、前記ＬＥＤ発光ブロック１１ｂの半導体発光素子ＬＥＤ１４のカソードと接続された抵抗素子Ｒ１２及び前記電流路１４の抵抗素子Ｒ１１と接続された半導体制御素子Ｔｒ２が直列接続されている。また、当該電流値制御部１２は前記抵抗素子Ｒ１２と半導体制御素子Ｔｒ２との間で接地されている（図示省略）。

上記半導体発光素子ＬＥＤ１３及びＬＥＤ１４の各アノード及びカソード間には半導体素子ＦＥＴ１３及びＦＥＴ１４が夫々並列に接続されている。各半導体素子ＦＥＴ１３及びＦＥＴ１４の各ゲートは、後述する光導電素子１５の受光素子１６のコレクタと、整流素子Ｄ１３及びＤ１４を介して夫々接続されている。これらの整流素子Ｄ１３及びＤ１４のアノードが前記受光素子１６のコレクタと接続され、整流素子Ｄ１３及びＤ１４のカソードが前記各半導体素子ＦＥＴ１３及びＦＥＴ１４のゲートと夫々接続されている。また、各半導体素子ＦＥＴ１３及びＦＥＴ１４の各ソース端とゲート端との間には、抵抗素子Ｒ１３及びＲ１４が夫々設けられている。

また、前記電流値制御部１２の前記抵抗素子Ｒ１２と、前記ＬＥＤ発光ブロック１１ｂの半導体発光素子ＬＥＤ１４のカソードとの間から前記半導体制御素子Ｔｒ２のベース端子まで接続された電流路１７に、前記抵抗素子Ｒ１２に近い順に、抵抗素子Ｒ１６、ツエナーダイオードＺＤ１１及び抵抗素子Ｒ１７が直列接続されている。また、当該電流路１７の抵抗素子Ｒ１７とツエナーダイオードＺＤ１１との間と、前記抵抗素子Ｒ１２と半導体制御素子Ｔｒ２との間とを結ぶ電流路１８に抵抗素子Ｒ１８が設けられている。

また、前記電流路１４の抵抗素子Ｒ１１と前記電流値制御部１２の半導体制御素子Ｔｒ２のコレクタとが接続され、これらの抵抗素子Ｒ１１と半導体制御素子Ｔｒ２との間の電流路１４に、前記光導電素子１５が２個直列に設けられている。また、これらの各光導電素子１５は、前記各ＬＥＤ発光ブロック１１ａ又は１１ｂの各電流路１３とループを成す電流路１９にも接続されている。即ち、各光導電素子１５の発光素子２０は前記電流路１４に接続され、受光素子１６は電流路１９に接続されている。

そして、前記各受光素子１６のコレクタと前記各整流素子Ｄ１３及びＤ１４のアノードとが各電流路１９を介して接続されている。また、各ＬＥＤ発光ブロック１１ａ及び１１ｂの電流路１９には抵抗素子Ｒ１９が設けられている。

そして、前記直流電源１０と前記抵抗素子Ｒ１１との間から導出した電流路２１の端部が、前記電流値制御部１２の抵抗素子Ｒ１６とツエナーダイオードＺＤ１１との間の電流路１７に接続されている。また、当該電流路２１には、前記直流電源１０に近い順に抵抗素子Ｒ２０及びツエナーダイオードＺＤ１２が直列に接続されている。

次に、当該照度一定制御回路Ｂの動作について説明する。直流電源１０から供給される直流電圧が所定の電圧値の場合は、各ＬＥＤ発光ブロック１１ａ及び１１ｂの前記半導体発光素子ＬＥＤ１１〜ＬＥＤ１４は全て点灯している。

この状態においては、電流値制御部１２の半導体制御素子Ｔｒ２のベースは順バイアスされ、半導体制御素子Ｔｒ２は導通状態となり、コレクタ、エミッタ間に電流は流れる。そして、光導電素子１５の発光素子２０が発光し、受光素子１６でこれを受光する。これにより当該受光素子１６のコレクタの電位は上がらず、ＬＥＤ発光ブロック１１ａ、１１ｂの半導体素子ＦＥＴ１３、１４はオフ状態で、各半導体素子ＦＥＴ１３、１４のドレインとソース間に電流は流れない。

一方、この直流電源１の電圧値が所定の電圧値から降下すると、前記電流値制御部１２の半導体制御素子Ｔｒ２のベースが順バイアスされず、当該半導体制御素子Ｔｒ２のコレクタ、エミッタ間の電流が減少する。これにより、電流路１４の光導電素子１５の発光素子２０の発光も減少し、受光素子１６はオフ状態になる。そこで、当該受光素子１６のコレクタ、エミッタ間の電圧が上昇し、この電圧上昇に伴って前記半導体素子ＦＥＴ１４、１３が半導体素子ＦＥＴ１４から順にオンとなって各半導体素子ＦＥＴのドレイン、ソース間に電流が流れ、これらと並列に接続された半導体発光素子ＬＥＤ１４、１３が順に消灯する。

その際、電流路２１にも電流が流れ、当該電流路２１と接続された電流路１７のツエナーダイオードＺＤ１１と抵抗素子Ｒ１６とで分圧される。この時、ツエナーダイオードＺＤ１１側は電圧が小さく、抵抗素子Ｒ１６へ電圧が大きく分圧される。そして、抵抗素子Ｒ１２で大きく電圧降下され、これに伴って電流が大となり、点灯している半導体発光素子ＬＥＤ１１、１２等に大きな電流が流れる。

また、上記の動作の際、電流路２１に設けたツエナーダイオードＺＤ１２により一定電圧が確保され、その上で抵抗素子Ｒ２０により電圧降下される。その際の電圧降下による電圧変化率を大きくして、小さな電圧変化を大きな変化にしている。従って、小さな電圧低下でも電流をより大きく変化させている。

次に図４は前記実施の形態例２の制御回路を用いたＬＥＤ照明器具の実験結果を示すグラフ図である。点線は従来例（前記特許文献２のもの）を示し、実線はこの発明の前記実施の形態例２のものを示す。

電圧３８０Ｖを基準として、電圧が３００Ｖまで降下した場合、従来例では電流値は一定であるが、光源光束は大きく落ちている。この実施の形態例２のものは、電流は上昇しており、光源光束の値、すなわち、照度はあまり変化していないことが分かる。

なお、この発明の照度を一定とする電圧の範囲や基準電圧は、任意に設定可能である。

１直流電源２電流路
３電流路４電流値制御部
５電流路６電流路
７電流路
ＬＥＤ１〜５半導体発光素子ＦＥＴ３〜５半導体素子
Ｄ３〜５整流素子Ｒ１〜９抵抗素子
Ｔｒ１半導体制御素子
ＺＤ１、ＺＤ２ツエナーダイオード
１０直流電源
１１ａ、１１ｂＬＥＤ発光ブロック
１２電流値制御部１３電流路
１４電流路１５光導電素子
１６受光素子１７電流路
１８電流路１９電流路
２０発光素子２１電流路
ＬＥＤ１１〜１４半導体発光素子
ＦＥＴ１３、１４半導体素子Ｄ１３、Ｄ１４整流素子
Ｒ１１〜２０抵抗素子Ｔｒ２半導体制御素子
ＺＤ１１、ＺＤ１２ツエナーダイオード
５０直流電源５１ＬＥＤ発光素子
５２ＬＥＤ発光素子５３ＬＥＤ点灯・消灯制御部
５４電源電圧監視部５５電流値制御部

Claims

照明装置用の照度一定制御回路であって、
直流電源を設け、
前記直流電源の一方には、前記直流電源による電圧の印加によって常時点灯する半導体発光素子と、点灯又は消灯する半導体発光素子が直列に設けられた第１電流路を接続し、
点灯又は消灯する前記各半導体発光素子には、半導体素子を並列に設け、
前記直流電源の他方には、第２電流路を接続し、
前記第１電流路と第２電流路の間に、半導体制御素子を設け、
前記直流電源から導出させた第３電流路の端部を、前記半導体制御素子のベース側に設けた第１ツエナーダイオードと第１抵抗素子の間に接続し、前記第１ツエナーダイオード側には前記半導体制御素子の導通に必要な最小限の電圧が印加され、前記第１抵抗素子側には、前記最小限の電圧より大きな電圧が印加されるように、分圧させたことを特徴とする、照明装置用の照度一定制御回路。
照明装置用の照度一定制御回路であって、
直流電源による電圧の印加によって常時点灯する半導体発光素子と、点灯又は消灯する半導体発光素子を直列に設けると共に、点灯又は消灯する前記各半導体発光素子には、半導体素子を並列に設けて成る、複数個の半導体発光素子ブロックを、前記直流電源に対し直列に設け、
いずれの前記半導体発光素子ブロックよりも電位が低い位置に、半導体制御素子を設け、
前記直流電源から導出させた電流路の端部を、前記半導体制御素子のベース側に設けた第１ツエナーダイオードと第１抵抗素子の間に接続し、前記第１ツエナーダイオード側には前記半導体制御素子の導通に必要な最小限の電圧が印加され、前記第１抵抗素子側には、前記最小限の電圧より大きな電圧が印加されるように、分圧させたことを特徴とする、照明装置用の照度一定制御回路。
前記第３電流路又は前記電流路に、第２抵抗素子及び第２ツエナーダイオードを直列に設け、前記第２ツエナーダイオードは、前記直流電源によって印加された電圧に係る電流を通すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の照明装置用の照度一定制御回路。