JP7126144B2

JP7126144B2 - 点灯装置及びそれを用いた照明器具

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Publication number: JP7126144B2
Application number: JP2018152193A
Authority: JP
Inventors: 圭介関
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2038-08-13
Also published as: JP2020027751A

Description

本発明は、点灯装置及びそれを用いた照明器具に関する。

発光素子の明るさを広範囲に亘って滑らかに変化することを可能にした照明器具に関する技術が開示されている（特許文献１）。当該技術では、外部からの調光信号に応じてオンデューティ比が変化するＰＷＭ信号に従って第１のトランジスタをオン／オフさせることでＬＥＤに流れる電流を調整する第１電流調整部と、調光信号に従って第２のトランジスタのゲートに印加する電圧を変化させることでＬＥＤに流れる電流を調整する第２電流調整部とを備える。そして、調光信号による調光レベルが所定値以上である場合には、第１電流調整部によりＬＥＤの明るさを制御し、調光レベルが所定値より小さい場合には、調光レベルが所定値である場合における第１電流調整部の制御状態を保ちつつ、第２電流調整部によりＬＥＤの明るさを制御する。

また、発光素子のちらつきを抑えることを目的とした照明器具に関する技術が開示されている（特許文献２）。当該技術における点灯装置は、整流回路、変換回路、定電流回路、制御回路を備え、定電流回路の出力電圧が一定となるように交流／直流変換回路の出力電圧を制御する。

図９は、従来の点灯装置１００の構成例を示す。点灯装置１００では、ＤＣ調光信号とＰＷＭ調光信号に応じて電流調整回路１４においてトランジスタＱ１を制御することで、直流電源回路１０から発光素子１２へ印加される電圧を調整して調光を行う。ＰＷＭ調光信号がハイレベル（Ｈ）のときトランジスタＱ１はオン状態となり、ＰＷＭ調光信号がローレベル（Ｌ）のときトランジスタＱ１はオフ状態となる。ＰＷＭ調光信号の大きさによってトランジスタＱ１のオン状態とオフ状態のデューティ比を変化させることができ、これに伴って発光素子１２の明るさを広範囲に亘って調整することを可能としている。

特開２０１５－４１４３０号公報特開２０１６－１００１６４号公報

ところで、従来の点灯装置１００において直流電源回路１０が一定電圧を出力する場合、出力電圧Ｖ_０は負荷となる発光素子１２の順電圧Ｖ_Ｆよりも大きい値であることが必要である。しかしながら、発光素子１２の順電圧Ｖ_Ｆにはばらつきがあり、また温度によっても変化するため、直流電源回路１０の出力電圧Ｖ_０は発光素子１２の順電圧Ｖ_Ｆに対して大きな余裕を持たせる必要がある。また、ＰＷＭ調光状態においてトランジスタＱ１がオフ状態になると、発光素子１２の順電圧Ｖ_Ｆが小さくなり不定となる。このとき、電流調整回路１４の端子電圧Ｖ_Ｄを安定に制御できることが望まれている。

本発明は、安定して発光素子を点灯させることができる点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様は、調光信号に基づいた電流を発光素子に供給する点灯装置であって、前記発光素子に電圧を印加する直流電源回路と、前記直流電源回路からの出力電圧を制御する直流電源制御回路と、前記発光素子に直列に接続され、前記調光信号に応じて前記発光素子に流れる電流を制御する電流調整回路と、前記直流電源回路の出力電圧に応じた第１フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第１フィードバック回路と、前記発光素子と前記電流調整回路との接続点の電圧を検出し、前記接続点の電圧に応じた第２フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第２フィードバック回路と、を備え、前記電流調整回路は、前記発光素子にＰＷＭ変調された電流を供給するＰＷＭ調光制御が可能であり、前記電流調整回路がＰＷＭ調光制御されているとき、前記直流電源制御回路は、前記第１フィードバック信号に応じて前記直流電源回路の出力電圧が一定となるように制御し、前記電流調整回路がＰＷＭ調光制御されていないとき、前記直流電源制御回路は、前記第２フィードバック信号に応じて前記接続点の電圧が一定となるように前記直流電源回路からの出力電圧を制御することを特徴とする点灯装置である。

ここで、前記第１フィードバック信号と前記第２フィードバック信号のうち電圧値が低い方の信号を前記直流電源制御回路へ供給することが好適である。

また、前記電流調整回路は、前記発光素子に供給される電流を制御する電流調整素子と、前記電流調整素子に流れる電流を検出する電流検出素子と、前記電流検出素子によって検出された電流値と前記調光信号に基づく電流指令値との差を増幅する誤差増幅回路と、を備え、前記電流調整素子は、前記誤差増幅回路の出力に応じて、前記電流検出素子によって検出された検出値と前記電流指令値とが所定の範囲内に収まるように前記発光素子に供給される電流を調整することが好適である。

本発明の別の態様は、上記点灯装置を備える照明器具である。

本発明によれば、安定して発光素子を点灯させることができる点灯装置及びそれを用いた照明器具を提供することができる。

本発明の実施の形態における点灯装置及び照明器具の構成を示す図である。本発明の実施の形態における照明器具の具体的な回路構成を示す図である。本発明の実施の形態における調光の方法を説明する図である。本発明の実施の形態における調光制御を説明する図である。本発明の実施の形態における調光制御の別例を説明する図である。本発明の変形例１における照明器具の具体的な回路構成を示す図である。本発明の変形例１における調光制御を説明する図である。本発明の変形例２における照明器具の具体的な回路構成を示す図である。従来の点灯装置及び照明器具の構成を示す図である。

本発明の実施の形態における点灯装置２００は、直流電源回路２０２、直流電源制御回路２０４、電流調整回路２０６及びフィードバック回路２０８を含んで構成される。点灯装置２００は、発光素子２１０に接続される。点灯装置２００及び発光素子２１０が組み合わされることで照明器具３００として使用される。

直流電源回路２０２は、発光素子２１０に対して電力を供給する電源回路である。直流電源制御回路２０４は、フィードバック回路２０８からのフィードバック信号に基づいて直流電源回路２０２からの出力電圧を制御する制御回路である。電流調整回路２０６は、調光信号に基づいて発光素子２１０に流れる電流を制御して、発光素子２１０の発光における明るさを調整する調整回路である。フィードバック回路２０８は、発光素子２１０と電流調整回路２０６の状態をフィードバック信号として直流電源制御回路２０４へフィードバックする回路である。

発光素子２１０は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等とすることができる。ただし、発光素子２１０は、これらに限定されるものではなく、他の発光素子を適用してもよい。発光素子２１０は、直流電源回路２０２から電力を受けて発光する。発光素子２１０の発光強度（明るさ）は、電流調整回路２０６による発光素子２１０に流れる電流値の制御によって行われる。

図２は、照明器具３００の具体的な回路構成を示す図である。以下、図２を参照しつつ、直流電源回路２０２、直流電源制御回路２０４、電流調整回路２０６及びフィードバック回路２０８について説明する。

直流電源回路２０２は、一例として、フライバック回路を含んだ構成としている。直流電源回路２０２は、整流回路及びスイッチング素子Ｑ_ＳＷ（パワーＭＯＳＦＥＴ等）を含んで構成される。整流回路は、商用電源等の交流電力を受けて直流電力に変換する回路である。整流回路は、ダイオードブリッジによる全波整流回路とすることができる。ただし、これに限定されるものではなく、整流回路をＰＦＣ回路やＥＭＩフィルタ回路を含むものとしてもよい。スイッチング素子Ｑ_ＳＷは、直流電源制御回路２０４によってスイッチング制御される。スイッチング素子Ｑ_ＳＷのオン期間中に絶縁トランスに電力を蓄え、スイッチング素子Ｑ_ＳＷをオフに切り替えることによって絶縁トランスの逆起電力を利用して蓄えられていた電力を出力する。これによって、スイッチング素子Ｑ_ＳＷのスイッチングに応じた出力電圧Ｖ_０を出力する。

直流電源制御回路２０４は、直流電源回路２０２のスイッチング素子Ｑ_ＳＷをスイッチング制御することによって直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０を制御する回路である。直流電源制御回路２０４は、後述するフィードバック回路２０８からフィードバック信号ＦＢを受けて、フィードバック信号ＦＢに応じて直流電源回路２０２のスイッチング素子Ｑ_ＳＷをスイッチング制御する。すなわち、フィードバック信号ＦＢのフィードバック電圧Ｖ_Ｒに応じてスイッチング素子Ｑ_ＳＷのオン期間とオフ期間との比（オンデューティ比）を調整することによって直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０を制御する。

本実施の形態では、直流電源制御回路２０４は、シャントレギュレータＱ_ＳＲを含む回路構成としている。シャントレギュレータＱ_ＳＲは、基準電圧Ｖ_ＲＥＦとリファレンス端子に入力されるフィードバック信号ＦＢのフィードバック電圧Ｖ_Ｒとの電圧差（誤差電圧）を増幅する誤差増幅器を有し、誤差電圧に応じたカソード電流を流す。フィードバック電圧Ｖ_Ｒが基準電圧Ｖ_ＲＥＦを超えるとシャントレギュレータＱ_ＳＲのカソード電流が流れ、フォトカプラＰＣを介して制御回路に信号が伝えられる。制御回路は、フォトカプラＰＣからの信号を受けて、フィードバック電圧Ｖ_Ｒが基準電圧Ｖ_ＲＥＦより小さい場合に直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０が大きくなるように、フィードバック電圧Ｖ_Ｒが基準電圧Ｖ_ＲＥＦより大きい場合に直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０が小さくなるようにスイッチング素子Ｑ_ＳＷのスイッチングを制御する。

電流調整回路２０６は、外部から調光信号を受けて、調光信号に応じて発光素子２１０へ流れる電流Ｉ_ＯＵＴとなるように制御を行う。電流調整回路２０６の制御回路は、外部から調光信号に応じてＤＣ調光信号及びＰＷＭ調光信号を出力する。ＤＣ調光信号は、図３に示すように、調光信号が所定値未満では一定値となり、当該所定値以上において単調増加する信号である。ＰＷＭ調光信号は、図３に示すように、当該所定値未満では単調増加するＰＷＭ変調のデューティ比を示し、当該所定値以上で一定値となる信号である。ＤＣ調光信号は、オペアンプ（誤差増幅器）ＯＰの非反転入力端子（＋）に入力される。ＰＷＭ調光信号は、スイッチ素子Ｑ_２のベース端子に入力される。スイッチ素子Ｑ_２のエミッタ端子は、抵抗Ｒ_２を介してオペアンプ（誤差増幅器）ＯＰの反転入力端子（－）に接続される。これにより、スイッチング素子Ｑ_１のスイッチングが制御されて、外部からの調光信号が当該所定値未満では発光素子２１０へ供給される電流Ｉ_ＯＵＴがＰＷＭ変調される。このとき、ＰＷＭ調光信号が示すデューティ比が増加するにつれて電流Ｉ_ＯＵＴを増加させるようにスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングが制御される。一方、外部からの調光信号が当該所定値以上では、ＤＣ変調信号に応じて発光素子２１０へ供給される電流Ｉ_ＯＵＴは単調増加する。

このように、ＤＣ調光状態とＰＷＭ調光状態を切り替えることによって、図３に示すように、発光素子２１０をより明るく発光させる場合には発光素子２１０に対して常に電流Ｉ_ＯＵＴを供給し、発光素子２１０を暗く発光させる場合には発光素子２１０に対してＰＷＭ変調された断続的な電流Ｉ_ＯＵＴを供給する。これによって、ＤＣ調光状態のみで調光するよりも暗い状態、いわゆる深い調光状態において発光素子２１０の明るさを調整することができる。

フィードバック回路２０８は、直流電源回路２０２の出力電圧Ｖ_０又は電流調整回路２０６の出力電圧Ｖ_Ｄのいずれか一方に基づくフィードバック信号ＦＢを直流電源制御回路２０４へ出力する。本実施の形態では、図２に示すように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を制御する切替回路を含んで構成される。

具体的には、電流調整回路２０６がＰＷＭ調光制御されているとき、切替回路はＳＷ１をオフ状態及びＳＷ２をオン状態にする。これによって、直流電源制御回路２０４の出力電圧Ｖ_０を分圧して得られた電圧Ｖ_１に応じた第１フィードバック信号ＦＢ１が直流電源制御回路２０４に供給される。一方、電流調整回路２０６がＰＷＭ調光制御されていないとき、切替回路はＳＷ１をオン状態及びＳＷ２をオフ状態にする。これによって、電流調整回路２０６のスイッチング素子Ｑ１及び検出抵抗Ｒ_０の端子電圧である出力電圧Ｖ_Ｄが第２フィードバック信号ＦＢ２として直流電源制御回路２０４に供給される。

直流電源制御回路２０４は、電流調整回路２０６がＰＷＭ調光制御されているときには第１フィードバック信号ＦＢ１に応じて、第１フィードバック信号ＦＢ１がシャントレギュレータＱ_ＳＲの基準電圧Ｖ_ＲＥＦに一致するように直流電源回路２０２の出力電圧Ｖ_０を制御する。これによって、直流電源回路２０２の出力電圧Ｖ_０が一定となるように制御される。また、直流電源制御回路２０４は、電流調整回路２０６がＰＷＭ調光制御されていないときには第２フィードバック信号ＦＢ２に応じて、第２フィードバック信号ＦＢ２がシャントレギュレータＱ_ＳＲの基準電圧Ｖ_ＲＥＦに一致するように直流電源回路２０２の出力電圧Ｖ_０を制御する。これによって、電流調整回路２０６の出力電圧Ｖ_Ｄが一定となるように直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０が制御される。

図４に示すように、ＰＷＭ調光制御が行われているときにはスイッチング素子Ｑ１がオフ状態で出力電圧Ｖ_Ｄが大きくなっても、直流電源制御回路２０４の出力電圧Ｖ_０に応じて出力電圧Ｖ_０が一定になるように直流電源回路２０２が制御される。このとき、出力電圧Ｖ_Ｄは大きくなってしまうおそれがあるが、ＰＷＭ調光制御時には電流Ｉ_ＯＵＴが小さいので、結果として電流調整回路２０６の損失は著しく大きくなることはない。一方、図４に示すように、ＰＷＭ調光制御が行われていないとき（ＤＣ調光制御が行われているとき）には、電流調整回路２０６の出力電圧Ｖ_Ｄに応じて出力電圧Ｖ_Ｄが一定になるように直流電源回路２０２が制御される。したがって、ＰＷＭ調光制御時に比べて電流Ｉ_ＯＵＴが大きくなったとしても電流調整回路２０６の損失を抑制することができる。

なお、図５に示すように、調光信号がＡ０未満、Ａ０以上Ａ１以下、Ａ１を超える３つの領域に分割して制御するようにしてもよい。調光信号がＡ０未満のときには、直流電源制御回路２０４の出力電圧Ｖ０を分圧して得られた電圧に応じた第１フィードバック信号ＦＢ１を直流電源制御回路２０４に入力して制御を行う。調光信号がＡ１を超えるときには、電流調整回路２０６の出力電圧ＶＤを第２フィードバック信号ＦＢ２として直流電源制御回路２０４に入力して制御を行う。調光信号がＡ０以上Ａ１以下のときには、第１フィードバック信号ＦＢ１と第２フィードバック信号ＦＢ２とを比率に応じて混ぜて直流電源制御回路２０４に入力して制御する。このような制御を行うことによって、図５に示すように、ＰＷＭ調光制御とＤＣ調光制御との切替領域（調光信号がＡ０以上Ａ１以下の領域）における電圧の跳びが無くなる。したがって、発光素子２１０の発光をフェードインやフェードアウトさせる際に発光素子２１０の明るさを急激に変化させることなく、滑らかに制御することができる。

［変形例１］
図６は、変形例１における照明器具３０２の構成を示す図である。本変形例では、上記実施の形態におけるフィードバック回路２０８を別の構成のフィードバック回路２０８－１に置き換えた構成としている。直流電源回路２０２、直流電源制御回路２０４及び電流調整回路２０６は、上記実施の形態の照明器具３００と同様の構成とすればよい。

フィードバック回路２０８－１は、オペアンプＱ_Ａ，Ｑ_Ｂを含んで構成される。オペアンプＱ_Ａの非反転入力端子（＋）には電流調整回路２０６の出力電圧Ｖ_Ｄが入力され、オペアンプＱ_Ａの反転入力端子（－）にはダイオードを介して出力端子の信号がフィードバック入力される。オペアンプＱ_Ｂの非反転入力端子（＋）には直流電源回路２０２の出力電圧Ｖ_０を抵抗Ｒ_ｈ及び抵抗Ｒ_ｌで分圧した電圧Ｖ_１が入力され、オペアンプＱ_Ｂの反転入力端子（－）にはダイオードを介して出力端子の信号がフィードバック入力される。

図７は、変形例１における照明器具３０２の作用を説明する図である。電圧Ｖ_０の分圧比は、直流電源制御回路２０４のシャントレギュレータＱ_ＳＲの基準電圧Ｖ_ＲＥＦに対してＶ_ＲＥＦ＝Ｖ_ｔｈ×Ｒ_ｌ／（Ｒ_ｈ＋Ｒ_ｌ）となるように設定する。ここで、電圧閾値Ｖ_ｔｈは、ＤＣ調光制御とＰＷＭ調光制御の切り替え点Ｃのときの発光素子２１０の順電圧Ｖ_Ｆよりも大きい電圧に設定することが好適である。

領域Ａでは、電圧Ｖ_１は出力電圧Ｖ_Ｄより高くなる。すると、オペアンプＱ_Ｂに付随するダイオードはオフ状態となり、オペアンプＱ_Ａに付随するダイオードはオン状態となる。したがって、直流電源制御回路２０４のシャントレギュレータＱ_ＳＲのリファレンス端子には出力電圧Ｖ_Ｄが入力される。一方、領域Ｂでは、電圧Ｖ_１は出力電圧Ｖ_Ｄより低くなる。すると、オペアンプＱ_Ｂに付随するダイオードはオン状態となり、オペアンプＱ_Ａに付随するダイオードはオフ状態となる。したがって、直流電源制御回路２０４のシャントレギュレータＱ_ＳＲのリファレンス端子には電圧Ｖ_１が入力される。

このような構成とすることによって、領域Ａでは出力電圧Ｖ_Ｄに基づいて出力電圧Ｖ_Ｄが一定に維持されるように直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０が制御される。また、領域Ｂでは電圧Ｖ_１に基づいて電圧Ｖ_１が一定に維持されるように直流電源回路２０２からの出力電圧Ｖ_０が制御される。

以上のように、変形例１における照明器具３０２の構成によっても上記実施の形態における照明器具３００と同様の効果を得ることができる。

［変形例２］
図８に示すように、電流調整回路２０６の出力端子間に平滑コンデンサＣを接続した構成としてもよい。これによって、電流調整回路２０６によってオン／オフ制御された電流が整流され、発光素子２１０における光のちらつきや残像感、撮影時におけるフリッカの発生等を抑制することができる。

なお、平滑コンデンサＣに代えて、電流を平滑化できるフィルタ回路を設ける構成としてもよい。

１０直流電源回路、１２発光素子、１４電流調整回路、１００，２００点灯装置、２０２直流電源回路、２０４直流電源制御回路、２０６電流調整回路、２０８フィードバック回路、２１０発光素子、３００，３０２照明器具。

Claims

調光信号に基づいた電流を発光素子に供給する点灯装置であって、
前記発光素子に電圧を印加する直流電源回路と、
前記直流電源回路からの出力電圧を制御する直流電源制御回路と、
前記発光素子に直列に接続され、前記調光信号に応じて前記発光素子に流れる電流を制御する電流調整回路と、
前記直流電源回路の出力電圧に応じた第１フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第１フィードバック回路と、
前記発光素子と前記電流調整回路との接続点の電圧を検出し、前記接続点の電圧に応じた第２フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第２フィードバック回路と、
を備え、
前記電流調整回路は、前記発光素子にＰＷＭ変調された電流を供給するＰＷＭ調光制御が可能であり、
前記第１フィードバック信号と前記第２フィードバック信号のうち電圧値が低い方の信号を前記直流電源制御回路へ供給し、
前記第１フィードバック信号が供給されるとき、前記直流電源制御回路は、前記第１フィードバック信号に応じて前記直流電源回路の出力電圧が一定となるように制御し、前記第２フィードバック信号が供給されるとき、前記直流電源制御回路は、前記第２フィードバック信号に応じて前記接続点の電圧が一定となるように前記直流電源回路からの出力電圧を制御することを特徴とする点灯装置。
請求項１に記載の点灯装置であって、
前記電流調整回路は、
前記発光素子に供給される電流を制御する電流調整素子と、
前記電流調整素子に流れる電流を検出する電流検出素子と、
前記電流検出素子によって検出された電流値と前記調光信号に基づく電流指令値との差を増幅する誤差増幅回路と、
を備え、
前記電流調整素子は、前記誤差増幅回路の出力に応じて、前記電流検出素子によって検出された検出値と前記電流指令値とが所定の範囲内に収まるように前記発光素子に供給される電流を調整することを特徴とする点灯装置。
請求項１または２に記載の点灯装置を備える照明器具。
調光信号に基づいた電流を発光素子に供給する点灯装置であって、
前記発光素子に電圧を印加する直流電源回路と、
前記直流電源回路からの出力電圧を制御する直流電源制御回路と、
前記発光素子に直列に接続され、前記調光信号に応じて前記発光素子に流れる電流を制御する電流調整回路と、
前記直流電源回路の出力電圧に応じた第１フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第１フィードバック回路と、
前記発光素子と前記電流調整回路との接続点の電圧を検出し、前記接続点の電圧に応じた第２フィードバック信号を前記直流電源制御回路に供給する第２フィードバック回路と、
を備え、
前記電流調整回路は、前記発光素子にＰＷＭ変調された電流を供給するＰＷＭ調光制御が可能であり、
前記電流調整回路がＰＷＭ調光制御されているとき、前記直流電源制御回路は、前記第１フィードバック信号に応じて前記直流電源回路の出力電圧が一定となるように制御し、前記電流調整回路がＰＷＭ調光制御されていないとき、前記直流電源制御回路は、前記第２フィードバック信号に応じて前記接続点の電圧が一定となるように前記直流電源回路からの出力電圧を制御し、
前記電流調整回路は、
前記発光素子に供給される電流を制御する電流調整素子と、
前記電流調整素子に流れる電流を検出する電流検出素子と、
前記電流検出素子によって検出された電流値と前記調光信号に基づく電流指令値との差を増幅する誤差増幅回路と、
を備え、
前記電流調整素子は、前記誤差増幅回路の出力に応じて、前記電流検出素子によって検出された検出値と前記電流指令値とが所定の範囲内に収まるように前記発光素子に供給される電流を調整することを特徴とする点灯装置。