JP7173443B2

JP7173443B2 - 電源装置および照明装置

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Publication number: JP7173443B2
Application number: JP2019041613A
Authority: JP
Inventors: 剛加藤; 浩横山; 朋和宇佐美
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-03-07
Also published as: JP2020145101A

Description

本発明の実施形態は、負荷に電源を供給する電源装置、およびこの電源装置を用いた照明装置に関する。

従来、交流電圧を入力し、所定の出力電圧に変換して負荷に供給する電源装置がある。さらに、例えば位相調光方式に対応した電源装置では、入力する位相制御された交流電圧の周期を判定し、判定した周期情報を制御に利用する場合がある。

交流電圧の波形にノイズを含む歪波形が含まれている場合、ノイズを含む歪波形はノイズとして認識されやすいが、位相制御によって歪波形と区別しにくい波形となっている場合、正常な波形であるにもかかわらずノイズと認識される虞がある。

交流電圧の周期情報を制御に利用する電源装置では、交流電圧の周期を正確に判定できることが望まれている。

特開２０１６－６６４８８号公報

本発明は、交流電圧の周期を正確に判定できる電源装置および照明装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、整流手段、電力変換回路、検出手段、比較手段、判定手段および制御手段を備える。整流手段は、交流電圧を整流する。電力変換回路は、整流手段で整流された整流後電圧を入力し、負荷に供給する出力電圧に変換する。検出手段は、交流電圧を検出する。比較手段は、検出手段で検出された交流電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じたパルスを出力する。判定手段は、比較手段から出力されるパルスの立上りと次のパルスの立上りとの間の立上り間時間およびパルスの立下りと次のパルスの立下りとの間の立下り間時間をそれぞれ計測して交流電圧の周期を判定するとともに、パルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となる場合、パルスを周期判定から除外する。制御手段は、判定手段で判定された交流電圧の周期に基づいて電力変換回路を制御する。

実施形態の電源装置によれば、交流電圧の周期を正確に判定することが期待できる。

一実施形態を示す照明装置に用いる電源装置の回路図である。同上電源装置による交流電圧の周期判定のタイミングチャートである。同上電源装置の比較手段から出力されるパルスの各種の波形例を示すタイミングチャートである。同上電源装置の周期判定例を示し、(a)は出力信号Ｃ1に対する周期判定例の表、(b)は出力信号Ｃ2に対する周期判定例の表である。

以下、一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示すように、照明装置10は、交流電源ｅに位相調光器11を介して接続されている。

位相調光器11は、例えばトライアックや逆向きに直列接続したスイッチング素子および整流素子を有するスイッチ部を用い、設定された調光レベルに応じて交流電圧の毎半サイクルの期間途中で負荷側への導通、非導通を制御するようにした位相制御方式または逆位相制御方式が採用されている。

そして、照明装置10は、負荷14、およびこの負荷14に電源を供給する電源装置15を備えている。

負荷14は、半導体発光素子である発光素子14aを備えている。発光素子14aは、例えばＬＥＤや有機ＥＬである。

また、電源装置15は、交流電源ｅと負荷14との間に接続される主回路18、交流電源ｅに対して主回路18と並列に接続される副回路19を備えている。

主回路18は、入力する交流電圧を整流する整流手段22、およびこの整流手段22で整流された整流後電圧を負荷14に供給する所定の出力電圧に変換する電力変換回路23などを備えている。

整流手段22は、例えばブリッジ接続された４つの整流素子を１つのパッケージ内に有するブリッジダイオードが用いられている。

電力変換回路23は、例えば降圧チョッパ回路23aが用いられている。降圧チョッパ回路23aは、少なくとも１つのスイッチング素子を備え、スイッチング素子のスイッチング動作の制御により、整流手段22で整流された整流後電圧を所定の出力電圧に降圧し、負荷14に供給する。

さらに、副回路19は、交流電圧を検出する検出手段26、ブリーダ電流を引き出すためのブリーダ回路27、および交流電圧の検出に基づいて電力変換回路23およびブリーダ回路27を制御する制御回路28などを備えている。

検出手段26は、整流手段22と同じ部品であるブリッジダイオードが用いられている。ただし、ダイオードブリッジの４つの整流素子のうち、２つの整流素子のみが交流電圧の検出に使用され、残りの２つの整流素子は使用されない。使用する２つの整流素子は、アノードが位相調光器11を介して交流電源ｅ側に接続され、カソードがブリーダ回路27および制御回路28に接続される。

ブリーダ回路27は、位相調光器11を使用する場合に用いられ、位相調光器11のトライアックの保持電流を確保するためのブリーダ電流を引き出すように構成されている。

制御回路28は、マイコンによって構成されている。制御回路28は、検出手段26で検出される交流電圧に基づいて電力変換回路23およびブリーダ回路27を制御する。制御回路28は、検出手段26で検出される交流電圧の位相角を検出し、検出された位相角に基づいて電力変換回路23のスイッチング素子のスイッチング動作を制御し、発光素子14aの明るさを制御する。

制御回路28には、整流手段22によって整流された整流後電圧である直流電圧ＶＤＣ、交流電圧を検出する検出手段26からの入力電圧Ｖin、およびブリーダ回路27を通じての制御電圧ＶＤＤがそれぞれ入力される。

制御回路28は、検出手段26で検出された交流電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じたパルスを出力する比較手段31と、比較手段31から出力されるパルスに基づいて交流電圧の周期を判定する判定手段32と、判定手段32で判定された交流電圧の周期に基づいて電力変換回路23を制御する制御手段33とを備えている。

比較手段31は、コンパレータによって構成されている。コンパレータの反転入力端子に検出手段26で検出された交流電圧つまり入力電圧Ｖinが入力され、コンパレータの非反転入力端子に所定の閾値電圧が入力され、入力電圧Ｖinが閾値電圧未満のときに「Ｈｉ」、入力電圧Ｖinが閾値電圧以上のときに「Ｌｏ」となるパルスをコンパレータの出力端子から出力する。そして、比較手段31は、少なくとも２つ備えている。２つの比較手段31は、異なる閾値に基づいて入力電圧Ｖinを比較する。

判定手段32は、いずれか１つの比較手段31による比較結果により交流電圧の周期を判定するか、または全ての比較手段31による比較結果により交流電圧の周期を判定する。

判定手段32は、比較手段31から出力されるパルスの立上りと次のパルスの立上りとの間の立上り間時間およびパルスの立下りと次のパルスの立下りとの間の立下り間時間をそれぞれ計測し、これら立上り間時間と立下り間時間の両方を交流電圧の周期判定に利用する。判定手段32は、立上り間時間と立下り間時間がそれぞれ周期判定条件に定められた所定時間内にあるか否かを判定する。

判定手段32は、比較手段31から得られる１つのパルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となる場合、該パルスを周期判定から除外する。

さらに、判定手段32は、１つのパルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となるパルスが所定回数連続し、かつ立上り間時間および立下り間時間が交流電圧の周期として判定可能な場合、測定される立上り間時間および立下り間時間を交流電圧の周期として判定する。

さらに、判定手段32は、１つのパルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となるパルスが少なくとも１回あり、かつ立上り間時間および立下り間時間が交流電圧の予め定められた周期判定条件を逸脱する場合、以降のパルスにおいて交流電圧の周期の判定を行う。

そして、電源装置15は、交流電圧の位相角に応じて負荷14である発光素子14aの明るさを可変させる位相調光制御を行う。そのために、電源装置15は、通電直後に、交流電圧の位相制御が、位相制御方式であるか逆位相制御方式であるか位相制御なしかを検出するとともに、交流電圧の周期判定すなわち５０Ｈｚか６０Ｈｚかの周期判定を行い、その結果を調光制御に利用している。

次に、電源装置15による交流電圧の周期判定について説明する。

図２には、検出手段26から制御回路28に入力される入力電圧Ｖinの波形と、この入力電圧Ｖinの波形に対して２つの比較手段31のコンパレータからの出力信号Ｃ1および出力信号Ｃ2の波形であるパルスとを示している。制御回路28の判定手段32は、コンパレータから出力されるパルス列を用いて周期判定を行う。

２つの比較手段31のコンパレータのうち、一方のコンパレータの閾値が第１の閾値電圧Ｖth1とされ、他方のコンパレータの閾値が第１の閾値電圧Ｖth1よりも高い第２の閾値電圧Ｖth2とされる。一方のコンパレータからは第１の閾値電圧Ｖth1と比較した出力信号Ｃ1が出力され、他方のコンパレータからは第２の閾値電圧Ｖth2と比較した出力信号Ｃ2が出力される。

そして、判定手段32は、出力信号Ｃ2について、パルスの立上りと次のパルスの立上りとの間の立上り間時間Ｔ2-1およびパルスの立下りと次のパルスの立下りとの間の立下り間時間Ｔ2-2をそれぞれ計測し、１つのパルスの立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onを計測し、これら計測結果から周期判定を行う。なお、出力信号Ｃ1についても、同様に周期判定を行ってもよい。

判定手段32は、立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2の両方が周期判定条件を満たしている場合に該パルスを周期判定の対象とする。

判定手段32は、入力電圧Ｖinの波形に含まれるノイズ波形ｎによってパルスの立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onが周期判定条件で定められた時間よりも短い場合、ノイズと判定して周期判定から除外する。ただし、パルスの立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onが周期判定条件で定められた時間よりも短い場合でも、立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2の両方が周期判定条件を満たしている場合には、周期判定の対象とする。

そして、立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2の両方に基づいて周期判定を行うことにより、立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2のいずれか一方のみに基づいて周期判定を行う場合によりも、波形が正常なのか異常なのかの区別がつきやすくなり、交流電圧の周期を正確に判定できる。

また、図３には、出力信号Ｃ2の各種の波形例(A)～(G)を示す。波形例(A)～(C)は交流電圧が５０Ｈｚの場合の出力信号Ｃ2であり、波形例(D)～(G)は交流電圧が６０Ｈｚの場合の出力信号Ｃ2である。

各波形例(A)～(G)において、出力信号Ｃ2のパルス列からパルスの立下りｔ1、次のパルスの立上りｔ2および立下りｔ3のデータが取得されたとする。

パルスの立下りｔ1と次のパルスの立下りｔ3との間の立下り間時間Ｔ2-2（ｔ1～ｔ3）、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2～ｔ3）を取得する。

パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2～ｔ3）が周期判定条件に定められた時間Ｔth1以下か確認する。

パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2～ｔ3）がＴth1よりも長ければ、ｔ2－ｔ3間の該パルスを周期判定の対象とする。

波形例(A)、(B)、(D)、(E)のように、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2－ｔ3）がＴth1以下であれば（図３に斜線で示すパルス）、ｔ2－ｔ3間の該パルスをノイズと判定して周期判定から除外する。この除外したパルスの次のパルスの立上りｔ2´および立下りｔ3´のデータが取得され、立上りｔ2´と立下りｔ3´との間の時間Ｔ2on（ｔ2´－ｔ3´）がＴth1よりも長くなれば、該パルスを周期判定の対象とする。

さらに、波形例(G)のように、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2－ｔ3）がＴth1以下であれば、ｔ2－ｔ3間の該パルスをノイズと判定して周期判定から除外する。この除外したパルスの次のパルスのｔ2´、ｔ3´のデータが取得され、立上りｔ2´と立下りｔ3´との間の時間Ｔ2on（ｔ2´～ｔ3´）がＴth1よりも長くても、パルスの立下りｔ1と除外したパルスの次のパルスの立下りｔ3´との間の立下り間時間Ｔ2-2（ｔ1～ｔ3´）が周期判定条件に定められた時間Ｔth2よりも長い場合には、ｔ2～ｔ3間の該パルスを正弦波歪波形として、ｔ2´～ｔ3´のデータが取得されたパルス以降のパルスにおいて周期判定を行う。

すなわち、判定手段32は、１つのパルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2～ｔ3）が所定の下限値以下となるパルスが少なくとも１回あり、かつ立上り間時間Ｔ2-1および立下り間時間Ｔ2-2が周期判定条件を逸脱する場合、以降のパルスにおいて周期判定を行う。

さらに、波形例(C)、(F)のように、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2－ｔ3）がＴth1以下であることが所定回数以上連続した場合には、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2－ｔ3）がＴth1以下であっても、該パルスを周期判定の対象とする。

すなわち、判定手段32は、１つのパルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2～ｔ3）が所定の下限値（Ｔth1）以下となるパルスが所定回数連続し、かつ立上り間時間Ｔ2-1および立下り間時間Ｔ2-2が交流電圧の周期として判定可能な場合、測定される立上り間時間Ｔ2-1および立下り間時間Ｔ2-2を交流電圧の周期として判定する。

このように、波形例(A)、(B)、(D)、(E)の波形に含まれるノイズ分（図３の斜線部分）は、周期判定から除外し、波形例(G)の正弦波歪波形は周期判定に使用する。さらに、波形例(C)、(F)のパルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2on（ｔ2－ｔ3）が短い波形は、周期判定の対象とすることができる。

そして、判定手段32は、例えば周期がＴ1～Ｔ2ｍｓの範囲にあれば６０Ｈｚ、Ｔ1～Ｔ2ｍｓ(Ｔ1＜Ｔ3、Ｔ2＜Ｔ4、（Ｔ2－Ｔ1）＜（Ｔ4－Ｔ3）)の範囲にあれば５０Ｈｚと判定してもよい。この判定を１０回繰り返し、判定数が多い方の周期を採用する。同数であれば、６０Ｈｚとする。

ここで、仮に、立下り間時間Ｔ2-2のみ（または立上り間時間Ｔ2-1のみ）に基づいて周期判定を行った場合、図３の波形例(A)、(B)においては、立下り間時間Ｔ2-2を所定時間に設定することで、ノイズを除去できるが、波形例(C)の波形はノイズが連続する波形として判定される。また、図３の波形例(A)の斜線部分と略同じのタイミングで発生する波形例(F)のパルスとの区別がつかない場合が発生しうる。

そこで、立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2の両方に基づいて周期判定を行い、両方が合致した場合に判定結果として採用する。さらに、パルスの立上りｔ2と立下りｔ3との間の時間Ｔ2onが短い場合はノイズ波形であるが、パルスの幅の情報に加えて立上り間時間Ｔ2-1と立下り間時間Ｔ2-2の情報を加えて判定する。これにより、図３の波形例(A)、(B)、(D)、(E)の斜線部分の波形はノイズとして判定できる。一方、波形例(C)、(F)の波形は短い波形が連続する波形であり、波形例(G)の波形は正弦波歪波形であるが、いずれの波形も周期判定として使用することができる。

また、図４に周期判定例を示す。

図４(a)は出力信号Ｃ1に対する周期判定例の表、図４(b)は出力信号Ｃ2に対する周期判定例の表である。表中の「１」は所定条件を満たすものと判定された場合であり、「０」は所定条件を満たさない場合を示す。

例えば図４(b)において、パターン(1)のように、立上り間時間Ｔ2-1、立下り時間Ｔ2-2、立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onとも全て周期判定条件の所定範囲内にあれば、波形は正常と判定し、周期判定の対象として取得する。

パターン(2)のように、立上り間時間Ｔ2-1と立下り時間Ｔ2-2の両方が周期判定条件の所定範囲内にあれば、立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onが周期判定条件の所定範囲外にあっても、波形は異常正弦波であってノイズでないと判定して、周期判定の対象とする。

パターン(3)、(4)のように、立上り間時間Ｔ2-1と立下り時間Ｔ2-2のいずれか一方が所定範囲内、他方が所定範囲外にあり、かつ立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onも所定範囲外にあれば、波形はノイズであると判定して、周期判定から除外する。

パターン(5)、(6)のように、立上り間時間Ｔ2-1と立下り時間Ｔ2-2のいずれか一方が所定範囲内、他方が所定範囲外にあり、かつ立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onが所定範囲内にあれば、波形は位相調光器11による位相調光の影響であるものと判定し、周期判定の対象とする。

パターン(7)、(8)のように、立上り間時間Ｔ2-1と立下り時間Ｔ2-2のいずれも所定範囲外にあれば、立上りと立下りとの間の時間Ｔ2onにかかわらず、波形はノイズであると判定し、周期判定から除外する。

なお、以上は１つの比較手段31からの出力信号Ｃ2に基づく周期判定について説明したが、他の比較手段31からの出力信号Ｃ1に基づく周期判定についても同様に行うことができ、また、両比較手段31からの出力信号Ｃ1および出力信号Ｃ2について周期判定を行ってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 照明装置
14 負荷
14a 発光素子
15 電源装置
22 整流手段
23 電力変換回路
26 検出手段
31 比較手段
32 判定手段
33 制御手段

Claims

交流電圧を整流する整流手段と；
前記整流手段で整流された整流後電圧を入力し、負荷に供給する出力電圧に変換する電力変換回路と；
前記交流電圧を検出する検出手段と；
前記検出手段で検出された交流電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じたパルスを出力する比較手段と；
前記比較手段から出力されるパルスの立上りと次のパルスの立上りとの間の立上り間時間およびパルスの立下りと次のパルスの立下りとの間の立下り間時間をそれぞれ計測して前記交流電圧の周期を判定するとともに、パルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となる場合には該パルスを周期判定から除外する判定手段と；
前記判定手段で判定された前記交流電圧の周期に基づいて前記電力変換回路を制御する制御手段と；
を具備することを特徴とする電源装置。
前記判定手段は、パルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となるパルスが所定回数連続し、かつ前記立上り間時間および前記立下り間時間が前記交流電圧の周期として判定可能な場合、測定される前記立上り間時間および前記立下り間時間を前記交流電圧の周期として判定する
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記判定手段は、パルスの立上りと立下りとの間の時間または立下りと立上りとの間の時間が所定の下限値以下となるパルスが少なくとも１回あり、かつ前記立上り間時間および前記立下り間時間が前記交流電圧の予め定められた周期判定条件を逸脱する場合、以降のパルスにおいて前記交流電圧の周期の判定を行う
ことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
交流電圧を整流する整流手段と；
前記整流手段で整流された整流後電圧を入力し、負荷に供給する出力電圧に変換する電力変換回路と；
前記交流電圧を検出する検出手段と；
前記検出手段で検出された交流電圧を所定の閾値と比較し、比較結果に応じたパルスを出力する比較手段と；
前記比較手段から出力されるパルスの立上りと次のパルスの立上りとの間の立上り間時間、パルスの立下りと次のパルスの立下りとの間の立下り間時間、パルスの立上りと立下りとの間の時間、をそれぞれ計測して前記交流電圧の周期を判定する判定手段と；
前記判定手段で判定された前記交流電圧の周期に基づいて前記電力変換回路を制御する制御手段と；
を具備することを特徴とする電源装置。
前記比較手段は、少なくとも２つ備え、
前記判定手段は、いずれか１つの前記比較手段による比較結果により前記交流電圧の周期を判定する
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の電源装置。
前記比較手段は、少なくとも２つ備え、
前記判定手段は、全ての前記比較手段による比較結果により前記交流電圧の周期を判定する
ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の電源装置。
前記負荷である発光素子と；
前記発光素子に電源を供給する請求項１ないし６いずれか一記載の電源装置と；
を具備することを特徴とする照明装置。