JP7067307B2 - 照明システム - Google Patents

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Description

本発明は、点灯装置、照明器具および照明システムに関する。
特許文献1には、入力電力を求めることのできる照明器具が開示されている。この照明器具は、光源負荷と、電力変換部と、制御部と、電圧検出部と、負荷電力演算部と、入力電力推定部とを備える。電力変換部は、光源負荷に供給する負荷電力を調整する。制御部は、光源負荷に流れる負荷電流が一定値となるように電力変換部の動作を制御する。電圧検出部は、光源負荷に印加される負荷電圧を検出する。負荷電力演算部は、電圧検出部で検出した電圧検出値と補正係数を用いて光源負荷の負荷電力を求める。入力電力推定部は負荷電力と回路損失とを用いて入力電力を推定する。この照明器具では、実測値に対して-3.5%~+3.5%の誤差の範囲で入力電力を求めることができる。
特開2014-26737号公報
一般に、消費電力を表示することができる照明制御システムがある。表示された消費電力は、使用者または設備の管理者が例えば節電等に役立てる。このような照明制御システムの電力表示は、1台の照明器具の消費電力aWに、システム内に接続された照明器具の台数nを掛けた値aW×nである場合がある。この電力表示は概略値である。故障またはランプが装着されていない等の理由で照明器具が点灯していない場合でも、点灯している前提で消費電力が表示される。このため、消費電力が正確ではない可能性がある。
また、特許文献1では負荷電力および回路損失を用いて、入力電力を求めている。一般に点灯回路では、負荷の状態、入力電圧、周囲温度等の複数の条件により回路内部の発熱状態が変わる。このため、一般に負荷電力及び回路損失は、回路に使用する部品の温度特性により常に変化している。
このため、補正係数および回路損失の妥当性を確認するためには、仕様範囲内の入力電源電圧の各ポイント、負荷の調光状態の各ポイント、負荷特性のばらつきの各ポイント、仕様範囲内の周囲温度の各ポイント等で確認が必要となることが考えられる。よって、多大な条件の組合せにより補正係数および回路損失の妥当性を確認するため、多大な手間が掛かるおそれがある。また、補正係数および回路損失を設定したときに想定した範囲外の条件が生じた場合、実測値に対する誤差が非常に大きくなる可能性があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、入力電力をより正確に演算できる点灯装置、照明器具および照明システムを得ることを目的とする。
本発明に係る照明システムは、第1光源と、第1点灯装置と、を備える第1照明器具と、第2光源と、第2点灯装置と、を備える第2照明器具と、該第1照明器具と該第2照明器具を制御する制御装置と、を備え、該第1点灯装置は、電源を供給され、該第1光源を点灯させる第1点灯回路と、該電源の電源電圧を検出する電源電圧検出部と、該電源から該第1点灯回路に供給される入力電流を検出する入力電流検出部と、該第1点灯回路から該第1光源に供給される第1負荷電圧を検出する第1負荷電圧検出部と、該第1点灯回路から該第1光源に供給される第1負荷電流を検出する第1負荷電流検出部と、該電源電圧と該入力電流とから該電源から該第1点灯回路への入力電力を演算し、該第1負荷電圧と該第1負荷電流とから該第1点灯回路から該第1光源に供給される第1出力電力を演算し、該第1出力電力と該入力電力とから該第1点灯装置の電力変換効率を演算する第1演算部と、を備え、該第2点灯装置は、該電源を供給され、該第2光源を点灯させる第2点灯回路と、該第2点灯回路から該第2光源に供給される第2負荷電圧を検出する第2負荷電圧検出部と、該第2点灯回路から該第2光源に供給される第2負荷電流を検出する第2負荷電流検出部と、該第2負荷電圧と該第2負荷電流とから、該第2点灯回路から該第2光源に供給される第2出力電力を演算する第2演算部と、を備え、該制御装置は、該電力変換効率と該第2出力電力とから、該電源から該第2点灯回路への第2入力電力を演算する。
本発明に係る点灯装置および照明システムでは、入力電流検出部によって入力電流が検出される。演算部は、電源電圧と入力電流とから、点灯回路への入力電力を演算する。このため、入力電力を正確に演算できる。
実施の形態1に係る照明器具の回路ブロック図である。 調光率と電力変換効率の関係の一例を示す図である。 実施の形態1の変形例に係る照明システムの構成を説明する図である。 実施の形態2に係る照明システムの構成を説明する図である。
本発明の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システム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、実施の形態1に係る照明器具6の回路ブロック図である。照明器具6は、点灯装置80と、負荷回路40とを備える。点灯装置80は、入力フィルタ整流回路10、直流電源回路20、電流調整回路30、制御回路50、外部インタフェース部100および入力電流検出部500を備える。入力フィルタ整流回路10、直流電源回路20および電流調整回路30は、電源7を供給され負荷回路40を点灯させる点灯回路を構成する。電源7は例えば商用電源である。本実施の形態では、電源7は交流電源である。
入力フィルタ整流回路10は、入力フィルタ回路11とダイオード12~15を備える。入力フィルタ回路11はノイズフィルタである。入力フィルタ回路11は、図示しないインダクタおよびコンデンサを備える。ダイオード12~15は、交流電圧を全波整流する。
直流電源回路20は、例えば、インダクタ21、ダイオード22、スイッチング素子24および平滑コンデンサ23から構成される。直流電源回路20は、昇圧チョッパ方式の力率改善回路である。直流電源回路20は高調波を抑制する。直流電源回路20において、入力フィルタ整流回路10の高電位側の出力には、インダクタ21の一端が接続される。インダクタ21の他端には、ダイオード22のアノードと、スイッチング素子24のドレインが接続される。スイッチング素子24は例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。スイッチング素子24のソースは入力フィルタ回路11の低電位側の出力に接続される。
スイッチング素子24のゲートは、駆動回路52に接続される。ダイオード22のカソードは、平滑コンデンサ23の正極に接続される。平滑コンデンサ23の負極は、入力フィルタ整流回路10の低電位側の出力に接続される。マイクロコンピュータ51は、駆動回路52を介してスイッチング素子24をスイッチングする。マイクロコンピュータ51は、直流電源回路20への入力電流が正弦波になるようにスイッチング素子24をスイッチングする。これにより、直流電源回路20への入力電圧は昇圧され、平滑コンデンサ23に充電される。直流電源回路20の出力電圧は、一定に制御される。
電流調整回路30は、直流電源回路20の出力に接続される。電流調整回路30は、負荷回路40に直流電流を流す。電流調整回路30は、例えば、スイッチング素子31、インダクタ32、コンデンサ33、ダイオード34および電流検出抵抗35から構成される。電流調整回路30は、例えばバックコンバータ方式で定電流制御される。
スイッチング素子31は、例えばMOSFETである。スイッチング素子31のドレインには、平滑コンデンサ23の正極が接続される。スイッチング素子31のソースには、ダイオード34のカソードと、インダクタ32の一端が接続される。スイッチング素子31のゲートは駆動回路52に接続される。ダイオード34のアノードは平滑コンデンサ23の負極に接続される。インダクタ32の他端は、コンデンサ33の正極に接続される。コンデンサ33の負極は、電流検出抵抗35の一端に接続される。電流検出抵抗35の他端は、ダイオード34のアノードに接続される。
負荷回路40は、電流調整回路30の出力に接続される。負荷回路40は、光源41~44を備える。光源41~44は、例えば発光ダイオードである。負荷回路40は、LEDランプまたはLEDモジュールを構成する。電流調整回路30から出力される直流電流により、光源41~44は点灯する。直列に接続された光源41~44は、コンデンサ33と並列に接続される。負荷回路40が備える光源の数は1つ以上であれば良い。また、光源41~44は並列または直並列に接続されていても良い。
制御回路50は、マイクロコンピュータ51、駆動回路52、制御電源回路53、電源電圧検出部54、負荷電圧検出部55および負荷電流検出部56から構成される。
マイクロコンピュータ51は駆動回路52を介して直流電源回路20、電流調整回路30の動作を制御する。マイクロコンピュータ51は、駆動回路52を介してスイッチング素子24およびスイッチング素子31をオンオフする。マイクロコンピュータ51は、演算部に該当する。マイクロコンピュータ51は、シリアル通信端子51aを有する。マイクロコンピュータ51は、シリアル通信端子51aを介して外部と通信する。
駆動回路52は、マイクロコンピュータ51から入力されるパルス信号に同期して、スイッチング素子24、31を駆動する。マイクロコンピュータ51は、スイッチング素子24、31をそれぞれ独立して駆動する。
制御電源回路53は、平滑コンデンサ23の正極に接続される。制御電源回路53は、入力フィルタ整流回路10で整流され、直流電源回路20で昇圧された直流電圧から、降圧チョッパ、ドロッパー等の構成を用いて定電圧を生成する。制御電源回路53の出力電圧は、マイクロコンピュータ51、駆動回路52、外部インタフェース部100に供給される。
電源電圧検出部54は、入力フィルタ整流回路10の出力に接続される。電源電圧検出部54は、入力フィルタ整流回路10の出力電圧波形を検出する。電源電圧検出部54は、検出した電圧波形をマイクロコンピュータ51に入力する。つまり、電源電圧検出部54は、電源7の電源電圧を検出する。これにより、マイクロコンピュータ51は、点灯装置80への入力電圧の実効値を検出できる。また、マイクロコンピュータ51は、電源7の電源電圧を直流電源回路20の出力電圧の制御に用いる。
負荷電圧検出部55は、コンデンサ33の正極に接続される。負荷電圧検出部55は、電流調整回路30から負荷回路40に供給される負荷電圧を検出する。負荷電圧検出部55は検出した電圧波形をマイクロコンピュータ51に入力する。これにより、マイクロコンピュータ51は、負荷電圧の実効値を検出する。また、マイクロコンピュータ51は、検出した電圧波形を電流調整回路30の制御に用いる。
負荷電流検出部56は、電流検出抵抗35の一端に接続される。電流検出抵抗35には、負荷回路40に流れる負荷電流に対応する電圧が印加される。負荷電流検出部56は、電流検出抵抗35の両端に発生する電圧を用いて、電流調整回路30から負荷回路40に供給される負荷電流を電圧に変換して検出する。
負荷電流検出部56は、検出した負荷電流に対応する電圧をマイクロコンピュータ51に入力する。マイクロコンピュータ51は、負荷電流に対応する電圧を電流調整回路30の定電流制御に用いる。マイクロコンピュータ51は、負荷電流があらかじめ定められた目標値と一致するように、スイッチング素子31をオンオフする。
外部インタフェース部100は、コネクタ等で構成される。外部インタフェース部100には、制御電源回路53で生成された定電圧の出力、マイクロコンピュータ51のシリアル通信端子51aおよび図示しない接地用端子が接続される。
入力電流検出部500は、コネクタ501、電流センサー503、電流検出部502から構成される。電流検出部502は、電流センサー503の検出値をシリアル通信信号に変換する。コネクタ501は、外部インタフェース部100と接続される。入力電流検出部500は、外部インタフェース部100を介してマイクロコンピュータ51と接続される。入力電流検出部500は、コネクタ501によりマイクロコンピュータ51と着脱可能に設けられる。シリアル通信信号に変換された電流センサー503の検出値は、コネクタ501を介してマイクロコンピュータ51に送信される。
電流センサー503は電源7から点灯回路に供給される入力電流を検出する。電流センサー503は非接触型の電流センサーである。電流センサー503はクランプ式の電流センサーとも呼ばれる。電流センサー503は、点灯装置80の入力端と、電源7とを繋ぐ配線71から点灯回路への入力電流を検出する。
電流センサー503は、例えば配線71の周囲に配置されたコイルを有する。電流センサー503は、コイルに電流が流れることで発生する起電力から点灯回路への入力電流を検出する。このように、入力電流検出部500は、配線71にクランプして入力電流を測定するクランプタイプの電流センサー503を備える。電流センサー503は交流電流を非接触で検出できる。
本実施の形態では、非接触型の電流センサー503およびコネクタ501を使用することで、入力電流検出部500をマイクロコンピュータ51および配線71に対して容易に着脱できる。従って、照明器具6と入力電流を測定しない照明器具とで、点灯回路および制御回路50を共用化できる。入力電力および回路変換効率を測定不要な場合、制御回路50に入力電流検出部500を装着しなくても良い。
次に、電源7から点灯回路への入力電力と、点灯回路の電力変換効率の算出方法について説明する。マイクロコンピュータ51には、シリアル通信端子51aおよび外部インタフェース部100を介して、入力電流検出部500が検出した入力電流がリアルタイムに入力される。また、マイクロコンピュータ51には、電源電圧検出部54から電源電圧がリアルタイムに入力される。
マイクロコンピュータ51は、電源電圧と入力電流とから、電源7から点灯回路への入力電力を演算する。マイクロコンピュータ51は、リアルタイムに正確な入力電力を演算することができる。ここで、入力電力を演算する際に力率を考慮していない。しかし、本実施の形態の点灯回路は、直流電源回路20により力率は1にほぼ等しくなっている。このため、力率を無視することができる。
さらに、マイクロコンピュータ51には、負荷電圧検出部55から負荷電圧がリアルタイムに入力される。また、マイクロコンピュータ51には、負荷電流検出部56から負荷電流がリアルタイムに入力される。マイクロコンピュータ51は、負荷電圧と負荷電流とから、点灯回路から負荷回路40に供給される出力電力を演算する。このように、マイクロコンピュータ51は、リアルタイムに正確な出力電力を演算することができる。
次に、マイクロコンピュータ51は、算出した出力電力と入力電力とから、点灯装置80の電力変換効率を演算する。マイクロコンピュータ51は、出力電力を入力電力で除することで、電力変換効率を得る。従って、マイクロコンピュータ51は、リアルタイムに正確な電力変換効率を演算できる。
マイクロコンピュータ51は、算出した入力電力と電力変換効率を、予め定められた方式の信号に変換し、外部インタフェース部100を介して外部に送信する。マイクロコンピュータ51は、出力先の信号方式に応じて、入力電力および電力変換効率をアナログ信号として外部に送信しても良く、デジタル信号として外部に送信しても良い。
本実施の形態では、点灯装置80への入力電流および入力電圧、負荷回路40への負荷電流および負荷電圧を測定することで、点灯装置80への入力電力および電力変換効率を正確に演算できる。また、特別な補正係数等を用いずに点灯装置80の入力電力および電力変換効率を演算できる。このため、周囲温度または負荷特性のばらつき等の複数の条件の組合せについて試験を行い、補正係数等を決定する必要がない。従って、入力電力および電力変換効率を容易に演算できる。
図2は、調光率と電力変換効率の関係の一例を示す図である。調光率は、LED電流比とも呼ばれる。調光率が高い程、つまり全光状態に近いほど、電力変換効率は高くなる。全光状態では、電力変換効率は約93%である。調光率が低い程、電力変換効率は低くなり、約60%まで低下する。このように、電力変換効率の変化幅は一般に非常に大きい。
本実施の形態では、マイクロコンピュータ51は、現在の入力電流、電源電圧、負荷電流および負荷電圧を用いて、入力電力および電力変換効率を算出する。このため、調光率が変化しても、正確な電力変換効率を得ることができる。また、負荷の状態、入力電圧、周囲温度等の外的要因の影響を抑制し、正確な入力電力および電力変換効率を得ることができる。
図1に示される点灯装置80は一例である。例えば、直流電源回路20は、電源7を降圧して直流電圧を生成する回路であっても良い。また、電源電圧検出部54は、例えば電源7の電圧を分圧して検出する回路であっても良い。また、負荷電圧検出部55は、例えば負荷電圧を分圧して検出する回路であっても良い。また、入力電流検出部500は、電源7から点灯回路に供給される入力電流を検出できれば良い。例えば、入力電流検出部500は、点灯装置80に組み込まれていても良い。
また、マイクロコンピュータ51は、点灯回路の入力電力、出力電力および電力変換効率を予め定められた時間間隔で演算しても良い。また、マイクロコンピュータ51は、外部からの要求に応じて、入力電力、出力電力および電力変換効率を演算しても良い。
図3は、実施の形態1の変形例に係る照明システム200の構成を説明する図である。照明システム200は複数の照明器具6と、制御装置1とを備える。複数の照明器具6は天井5に設置される。制御装置1と複数の照明器具6は、制御信号配線4で接続される。制御信号配線4は、照明器具6に搭載された外部インタフェース部100と、制御装置1との間に接続される。制御装置1と照明器具6は、制御信号配線4を介してシリアル通信を行う。また、複数の照明器具6は、電源7と電源配線3で接続される。電源配線3は、照明器具6の各々が備える電源端子に接続される。
制御装置1は例えばパソコン等の制御端末である。制御装置1は照明器具6に対し、点灯、調光、消灯等の制御信号を送信する。これにより制御装置1は、外部インタフェース部100を介して照明器具6の照明制御を行う。また制御装置1は、照明器具6から送信される入力電力および電力変換効率を受信する。制御装置1は、入力電力および電力変換効率に応じて、照明器具6を制御する。また、制御装置1は、照明器具6の入力電力および電力変換効率を表示部に表示する。また、制御装置1は、照明器具6の入力電力および電力変換効率等のデータを管理する。
制御装置1に照明器具6の消費電力が表示されることで、使用者または管理者は、照明器具6の消費電力を容易に把握できる。また、制御装置1は、複数の照明器具6の入力電力から、照明システム200全体の消費電力を算出しても良い。
これらの変形は以下の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システムについて適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る点灯装置、照明器具および照明システム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.
図4は、実施の形態2に係る照明システム300の構成を説明する図である。照明システム300は、複数の照明器具のうち一台のみが入力電流検出部500を備える照明器具6である。他の照明器具2は、入力電流検出部500を備えない。これ以外の構成は照明システム200と同様である。
照明器具2の構成は、入力電流検出部500を備えないこと以外は、照明器具6と同じである。照明器具2は、負荷電圧を検出する負荷電圧検出部55と、負荷電流を検出する負荷電流検出部56を備える。照明器具2のマイクロコンピュータ51は、負荷電圧と負荷電流とから出力電力を演算する。照明器具2のマイクロコンピュータ51は、演算した出力電力を、外部インタフェース部100を介して制御装置1に出力する。照明器具2は制御装置1に制御信号配線4を介して出力電力を送信する。
入力電流検出部500を備える照明器具6は、入力電力および回路変換効率を演算する。照明器具6は、演算した入力電力および電力変換効率を、外部インタフェース部100を介して制御装置1に出力する。照明器具6は、制御信号配線4を介して、制御装置1に入力電力及び回路変換効率を送信する。
制御装置1は、照明器具6から取得した電力変換効率と、照明器具2から取得した出力電力とから、電源7から照明器具2の点灯回路への入力電力を演算する。つまり、制御装置1は、照明器具2から入手した出力電力を照明器具6から入手した電力変換効率で除することにより、照明器具2の入力電力を演算する。これにより、制御装置1は、入力電流検出部500を備えない照明器具2の入力電力をリアルタイムで正確に演算できる。
ここで、照明器具6と照明器具2は、例えば同じ室内に設置される。また、照明器具6と照明器具2は、同一の制御グループに属する。つまり、制御装置1は照明器具6と照明器具2をまとめて制御するものとする。例えば、照明器具6と照明器具2は、同じ調光率に設定される。また、照明器具6と照明器具2の点灯回路は、同じ回路構成である。また、照明器具6と照明器具2の負荷回路40の構成は同様であるものとする。つまり、照明器具6と照明器具2が備える光源41~44は、同じ種類の光源であるものとする。
このように、同一環境に設置され、同一制御グループに属し、同一の構成である照明器具6と照明器具2では、搭載されている点灯装置80が同一温度、同一調光率、同一負荷で動作する。このため、照明器具6と照明器具2の点灯装置80は、電力変換効率が同じとなる。このとき、照明システム300が備える複数の照明器具のうち一台のみで電力変換効率を測定すればよい。これにより、照明システム300が備える全ての照明器具について入力電圧を演算できる。
また、一般に点灯装置80の電力変換効率は、器具形状が異なっても、入出力条件が略同等であれば同一と近似できる。従って、照明器具6と照明器具2は、同一の負荷であれば、同一の器具形状でなくても良い。
本実施の形態によると、入力電力を演算するための追加コストを抑制できる。従って、安価な構成で照明器具2、6の入力電力をリアルタイムで正確に演算できる。
なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いてもよい。
1 制御装置、2 照明器具、3 電源配線、4 制御信号配線、5 天井、6 照明器具、7 電源、10 入力フィルタ整流回路、11 入力フィルタ回路、12~15 ダイオード、20 直流電源回路、21 インダクタ、22 ダイオード、23 平滑コンデンサ、24 スイッチング素子、30 電流調整回路、31 スイッチング素子、32 インダクタ、33 コンデンサ、34 ダイオード、35 電流検出抵抗、40 負荷回路、41~44 光源、50 制御回路、51 マイクロコンピュータ、51a シリアル通信端子、52 駆動回路、53 制御電源回路、54 電源電圧検出部、55 負荷電圧検出部、56 負荷電流検出部、71 配線、80 点灯装置、100 外部インタフェース部、200、300 照明システム、500 入力電流検出部、501 コネクタ、502 電流検出部、503 電流センサー

Claims (4)

  1. 第1光源と、第1点灯装置と、を備える第1照明器具と、
    第2光源と、第2点灯装置と、を備える第2照明器具と、
    前記第1照明器具と前記第2照明器具を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記第1点灯装置は、
    電源を供給され、前記第1光源を点灯させる第1点灯回路と、
    前記電源の電源電圧を検出する電源電圧検出部と、
    前記電源から前記第1点灯回路に供給される入力電流を検出する入力電流検出部と、
    前記第1点灯回路から前記第1光源に供給される第1負荷電圧を検出する第1負荷電圧検出部と、
    前記第1点灯回路から前記第1光源に供給される第1負荷電流を検出する第1負荷電流検出部と、
    前記電源電圧と前記入力電流とから前記電源から前記第1点灯回路への入力電力を演算し、前記第1負荷電圧と前記第1負荷電流とから前記第1点灯回路から前記第1光源に供給される第1出力電力を演算し、前記第1出力電力と前記入力電力とから前記第1点灯装置の電力変換効率を演算する第1演算部と、
    を備え、
    前記第2点灯装置は、
    前記電源を供給され、前記第2光源を点灯させる第2点灯回路と、
    前記第2点灯回路から前記第2光源に供給される第2負荷電圧を検出する第2負荷電圧検出部と、
    前記第2点灯回路から前記第2光源に供給される第2負荷電流を検出する第2負荷電流検出部と、
    前記第2負荷電圧と前記第2負荷電流とから、前記第2点灯回路から前記第2光源に供給される第2出力電力を演算する第2演算部と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記電力変換効率と前記第2出力電力とから、前記電源から前記第2点灯回路への第2入力電力を演算することを特徴とする照明システム。
  2. 前記第1照明器具と前記第2照明器具は、同一の制御グループに属し、
    前記制御装置は、前記第1照明器具と前記第2照明器具をまとめて制御することを特徴とする請求項に記載の照明システム。
  3. 前記第1点灯回路と前記第2点灯回路は、同じ回路構成であることを特徴とする請求項またはに記載の照明システム。
  4. 前記第1光源と前記第2光源は、同じ種類の光源であることを特徴とする請求項からの何れか1項に記載の照明システム。
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