JP2009037850A - 電子発光光源用定電流発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤやＨＩＤランプなどのいわゆる電子発光光源を用いた灯火に対して簡単な回路構成で輝度調整の高精度化を図るとともに、灯火の保守メンテナンス負担を軽減することができる電子発光光源用定電流発生装置を提供する。
【解決手段】商用交流電源１１０とコンデンサ１２０と出力変成器１３０の一次側巻線１３０Ｐとが直列に接続されているとともに出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに電子発光光源１４０Ｂを内装した複数の灯火１４０が直列に接続されており、出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに発生する交流定電流の振幅を線形に変化させるための複数の入力側切替タップ１３０Ａが、出力変成器１３０の一次側巻線１３０Ｐに設けられていることによって、上記の課題を解決するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode: 発光ダイオード）やＨＩＤランプ（High Intensity Discharged Lamp: 高輝度放電灯）などの電子発光光源の電源として用いられる定電流発生器に関し、特に詳しくは、飛行場灯火のように配線距離が長く広範囲に配設された多数の灯火からなる照明設備を点灯するための定電流発生器に関するものである。

一般に、飛行場では、天候不順による視界不良時であっても、航空機を安全に運行させるために、各種飛行場灯火が配設されている。これらの飛行場灯火としては、着陸機に対して、最終進入経路を示す進入灯、滑走路の輪郭を示す滑走路灯、誘導路及びエプロン（飛行機を停めておくエリア）の縁を示す誘導路灯などが挙げられる。

このような飛行場や、高速道路、トンネル、公園などの公共施設では、広範囲にわたってタングステンランプやハロゲンランプなどの熱発光光源を内装した多数の灯火が配設されるため、これらの多数の灯火に対して電力を供給するためには、非常に長い距離の配線が必要となる。そのため、この配線による電力損失を考慮して各灯火の光度を均一に保つ必要があるとともに、何れかの灯火に不点灯が発生しても他の灯火を安定して点灯させる灯火システムが必要である。

さらに、前述した灯火システムでは、昼間であるか夜間であるかや、気象状況に応じて灯火の視認性が変化するため、これらの状況の変化に応じて灯火の輝度を調整する必要がある。例えば、周辺照度が高い、すなわち周りが明るい昼間では灯火の視認性が低下するため、灯火の輝度を高くする必要がある。一方、周辺照度が低い、すなわち周りが暗い夜間では灯火の視認性が良好であるため、灯火の輝度を低くすることによって消費電力を削減することができる。

このような用途に適した電源装置として、本発明者は、図２に示したような定電流光度調整装置２００を開発した。この定電流光度調整装置２００は、定電圧交流電源２１０と、この定電圧交流電源２１０に直列に接続され、定電圧交流電源２１０の出力と所定の共振条件を満たす時定数を有し、負荷変動に無関係な一定な正弦波交流電流Ｉを出力する共振回路２２０と、一次側巻線２３０Ｐが共振回路２２０の出力に直列接続された出力変成器２３０とを有している。

さらに、比較的長い距離の配線２８０を介して出力変成器２３０の二次側巻線２３０Ｓにそれぞれ直列接続された複数の灯火２４０と、任意の期間だけ一次側巻線２３０Ｐに流れる正弦波交流を短絡する分流回路２５０と、電流検出器２７０により検出された出力変成器２３０の二次側電流すなわち負荷電流ＩＬに基づいて、共振回路２２０から出力される正弦波交流電流Ｉの１サイクルを単位として分流回路２５０を短絡制御（サイクル制御）することにより、負荷電流ＩＬの大きさを調整するサイクル制御回路２６０とを有している。

このような定電流光度調整装置２００は、定電圧交流電源２１０に対して共振回路２２０が直列接続されており、所定の共振条件を満たすように、コンデンサ２２０Ａとリアクトル２２０Ｂとから決定される時定数と、交流電源出力の周波数、電圧、電流とを選択することにより、負荷の変動に無関係な一定の電流Ｉが得られる。この電流Ｉは、出力変成器２３０の一次側巻線２３０Ｐに供給され昇圧され、出力変成器２３０の二次側巻線２３０Ｓに直列接続されたそれぞれの灯火２４０に一定の負荷電流ＩＬとして等しく供給される。

これにより、出力変成器２３０から各灯火２４０への配線２８０が非常に長い場合であっても、各灯火２４０の熱発光光源２４０Ｂには、絶縁トランス２４０Ａを介して等しい電流が供給されるものとなり、各熱発光光源２４０Ｂを均一な光度で点灯させることができる。なお、任意の熱発光光源２４０Ｂが不点灯となっても絶縁トランス２４０Ａにより負荷側の直列回路が断線されることがないので、他の熱発光光源２４０Ｂへの影響は生じない。また、分流回路２５０は、互いに極性が逆方向となるように並列接続されたサイリスタ２５０Ａ、２５０Ｂから構成されており、短絡動作時には、正弦波交流がプラス側の期間にはサイリスタ２５０Ａがオンとなり、マイナス側の期間にサイリスタ２５０Ｂがオンとなる。

図３は、図２に示した従来の定電流光度調整装置２００の各部の信号を示す信号波形図で有り、ここでは、共振回路２２０から出力される電流Ｉの正弦波８周期分（周期Ｔ１）のうち１周期分（周期Ｔ２）を短絡する場合が例として示されている。サイクル制御回路２６０は、電流検出器２７０を介して検出された負荷電流ＩＬに基づいて、所望の負荷電流ＩＬを得るための波数比Ｒ＝Ｔ２／Ｔ１を算出する。例えば、波数比Ｒ＝１／８の場合には、図３に示すように、電流Ｉの正弦波８周期分（周期Ｔ１）分のうち１周期分（周期Ｔ２）分を短絡するように分流回路２５０を制御する。その結果、灯火２４０に供給される電流は、７／８に減少する。そして、波数比Ｒを変えることにより灯火２４０に供給される電流を可変することができる（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３６４４０７号公報

ところが、前述した従来の定電流光度調整装置２００では、出力変成器２３０の一次側に流れる電流Ｉａを所定の波数比Ｒで短絡させることにより、負荷電流ＩＬの調整を行っているため、例えば、定電圧交流電源２１０の周波数が５０Ｈｚであるとした場合、負荷電流ＩＬの刻み幅は、２％となり、それ以下の電流調整は不可能であるという問題があった。
また、負荷電流ＩＬを低減させるためには、所定の波数比Ｒで負荷電流ＩＬを短絡させているため、負荷電流ＩＬを低減させていくにつれて灯器２４０がちらつくという問題があった。
しかも、従来の定電流光度調整装置２００では、図２に示したように、共振回路２２０、分流回路２５０、サイクル制御回路２６０などが必要であり、回路構成が複雑となるという問題があった。

さらに、灯火のグローブ（光源を覆っている部材）に埃が付着し次第に輝度が低下するため、灯火の寿命がまだ尽きていないのに、グローブを磨いたり、光源を交換したりしなくてはならないという保守メンテナンス上の問題があった。

一方、近年、広範囲にわたって多数の灯火を配設する灯火システムにおいては、消費電力やメンテナンス性を考慮し、光源として前述したようなタングステンランプやハロゲンランプなどのフィラメントを用いたランプ、所謂、熱発光光源ではなく、効率よく所望の発光色が得られ、かつ球切れ（フィラメントの断線）の心配がなく長寿命なＬＥＤやＨＩＤランプなどのフィラメントを有していない、所謂、電子発光光源の導入が検討されている。

しかしながら、従来用いられていた、タングステンランプやハロゲンランプなどの熱発光光源では、図４及び図５に示すように、負荷電流に対する光源の輝度が三次曲線に沿った電流−輝度特性を有しているため、例えば、負荷電流が６．６Ａの時に輝度が１００％であった場合、０．２％の輝度に調整する場合であっても、２．８Ａの負荷電流が必要であった。その結果、微少な負荷電流量の供給及び調整は必要ではなく、前述したような定電流光度調整装置２００で十分に対応可能であった。

これに対して、光源としてＬＥＤやＨＩＤランプなどの電子発光光源を用いる場合には、負荷電流に対する光源の輝度が一次曲線に沿った電流−輝度特性であるため、例えば、ＬＥＤを用いた場合であって、前述と同様に負荷電流が６．６Ａの時に輝度が１００％とした場合、０．２％の輝度に調整する場合、必要な電流は、０．０１Ａ程度の微少な負荷電流となるため、微少な負荷電流量の供給と調節が要求される。したがって、前述したような定電流光度調整装置２００では、微少な負荷電流量を精度良く調整することができないため、電子発光光源を用いた灯火システムには対応できないという問題があった。

しかも、電子発光光源を用いた灯火システムにおいては、輝度を０．２％に下げた場合、必要な電流は輝度が１００％の時の０．２％で良いのに対して、従来の熱発光光源を用いた灯火システムでは、輝度を０．２％に下げた場合であっても、輝度が１００％の時の４０％以上の電流が必要であり、エネルギー効率がきわめて悪いという問題があった。

地球温暖化が深刻な社会問題となっている昨今、省エネルギー化によりＣＯ_２排出量削減に寄与する電子発光光源を用いた灯火システムの開発に高い関心が集まっている。

そこで、本発明の目的は、ＬＥＤやＨＩＤランプなどのいわゆる電子発光光源を用いた灯火に対して簡単な回路構成で輝度調整の高精度化を図るとともに、灯火の保守メンテナンス負担を軽減することができる電子発光光源用定電流発生装置を提供することを目的とする。

まず、本請求項１に係る発明は、定電圧交流電源とコンデンサと出力変成器の一次側巻線とが直列に接続されているとともに前記出力変成器の二次側巻線に電子発光光源を内装した複数の灯火が直列に接続されている電子発光光源用定電流発生器であって、前記出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を線形に変化させる複数の入力側切替タップが、前記出力変成器の一次側巻線に設けられていることにより、前記課題を解決したものである。

なお、本発明において、電子発光光源とは、ＬＥＤやＨＩＤランプなどのフィラメントを有しておらず、負荷電流に対する光源の輝度が一次曲線に沿った電流−輝度特性である光源を総称しているが、耐久性や耐衝撃性、寿命などの点で電子発光光源にＬＥＤを用いることが特に好ましい。

また、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、前記出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を微調整する複数の出力側切替タップが、前記出力変成器の二次側巻線に設けられていることにより、前記課題をさらに解決したものである。

そして、本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る発明の構成に加えて、前記電子発光光源が、ＬＥＤであることにより、前記課題をさらに解決したものである。

本発明の電子発光光源用定電流発生器は、出力電圧がＶ（ボルト）である定電圧交流電源と蓄積電荷Ｑ（クーロン）のコンデンサと出力変成器の一次側巻線とが直列に接続されているとともに前記出力変成器の二次側巻線に電子発光光源を内装した複数の灯火が直列に接続されているというきわめて簡単な構成によって、Ｑは固定であるため、出力変成器の一次側巻線には、定電流Ｉ_１＝ＱＶが流れるので、前記出力変成器の二次側巻線に直列接続された負荷（点灯する電子発光光源の数や配線の長さになどによって決まる）が増減した場合であっても電源電圧に影響が波及せず、出力変成器の二次側へ常に安定した定電流供給が実現でき、加えて、以下のような特有の構成に対応した格別の効果を奏することができる。

すなわち、本請求項１に係る電子発光光源用定電流発生器は、出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を線形に変化させる複数の入力側切替タップが、前記出力変成器の一次側巻線に設けられていることにより、該一次側巻線に流れる定電流Ｉ_１と選択された入力側切替タップまでの巻数Ｔ_１の積Ｉ_１・Ｔ_１（アンペアターン）が、前記二次側巻線に発生する交流定電流Ｉ_２と二次側巻線の巻数Ｔ_２の積Ｉ_２・Ｔ_２（アンペアターン）が一定、すなわちＩ_１・Ｔ_１＝Ｉ_２・Ｔ_２の関係が成立し、Ｉ_１が前述したように一定で、Ｔ_２を固定とした場合、各入力側切替タップまでの巻数Ｔ_１に比例した交流定電流Ｉ_２が前記出力変成器の二次側巻線に発生するので、電子発光光源に通電される負荷電流を１００％通電から、例えば、０．２％という微少な通電まで入力側切替タップの切替によって精度良く調整することができる。

しかも、この調整は出力変成器の二次側巻線に発生する正弦波である交流定電流Ｉ_２の振幅の大きさを変化させることによって達成されるため、負荷電流を低減させていった場合であっても灯火がちらつくことなく、良好な視認性を発揮させることができる。さらに、電流式のタップ切替は、電圧式のタップ切替と異なり、タップ間に電位差が発生しないため絶縁破壊などの故障の発生が抑制される。

また、本請求項２に係る電子発光光源用定電流発生器は、請求項１に係る電子発光光源用定電流発生器が奏する効果に加えて、出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を微調整する複数の出力側切替タップが、前記出力変成器の二次側巻線に設けられていることにより、灯火のグローブに埃が付着し輝度が低下した場合であっても前記出力側切替タップの切替によって灯火に流れる負荷電流を増加させて輝度の低下を補償することができるので、熱発光光源に比べて長寿命である電子発光光源を運用途中で特別な保守を繰り返すことなく、電子発光光源の寿命が尽きるまで安全要求輝度１００％を維持することができる。

そして、本請求項３に係る電子発光光源用定電流発生器は、請求項１または請求項２に係る電子発光光源用定電流発生器が奏する効果に加えて、電子発光光源がＬＥＤであることにより、ＬＥＤは半導体を用いたｐｎ接合と呼ばれる固体構造で作られており、この構造の中で電子の持つエネルギーを直接、光エネルギーに変換することで発光し、巨視的には熱や運動の介在を必要としないので、優れた耐久性や耐衝撃性、長寿命化、高効率化を実現できる。
しかも、ハロゲンランプのような熱発光光源においては、過電流によってフィラメントが溶断することを防ぐために過電流継電器を設置する必要があったが、ＬＥＤは、多少の過電流が流れたとしても素子が溶断することがなく過電流継電器を設置する必要がないので、装置構成の簡略化を図ることができる。

本発明の電子発光光源用定電流発生器は、定電圧交流電源とコンデンサと出力変成器の一次側巻線とが直列に接続されているとともに前記出力変成器の二次側巻線に電子発光光源を内装した複数の灯火が直列に接続されている電子発光光源用定電流発生器であって、前記出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を線形に変化させる複数の入力側切替タップが、前記出力変成器の一次側巻線に設けられており、灯火の輝度調整の高精度化を実現し、保守メンテナンス負担の軽減を実現するものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。

本発明の一実施例を図１、図４及び図５に基づいて説明する。
ここで、図１は、本発明の実施例である電子発光光源用定電流発生器の回路図であり、図４は、電子発光光源の一種であるＬＥＤの電流−輝度特性を熱発光光源の一種であるハロゲンランプと対比して示した表であり、図５は、図４の表をグラフにしたものである。

本発明の実施例である電子発光光源用定電流発生器１００は、図１に示すように、定電圧交流電源１１０と一定の蓄積電荷Ｑ（静電容量Ｃ）を有するコンデンサ１２０と出力変成器１３０の一次側巻線１３０Ｐとが直列に接続されているとともに出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに電子発光光源１４０Ｂを内装した複数の灯火１４０が直列に接続されている。本実施例に於いては、電子発光光源１４０ＢとしてＬＥＤを用いている。

また、直列に接続された複数の灯火１４０に内装された電子発光光源１４０Ｂの任意の一つが不点灯になっても他の電子発光光源１４０Ｂが影響を受けないようにするため、各灯火１４０には、絶縁トランス１４０Ａを備えているとともに、電子発光光源１４０Ｂに加わる逆方向電流を遮断するためのダイオード１４０Ｃが電子発光光源１４０Ｂと直列に接続されている。なお、ダイオード１４０Ｃを用いて電子発光光源１４０Ｂに加わる逆方向電流を遮断することに替えて２つの電子発光光源１４０Ｂを互いに極性が逆方向となるように並列接続したものを絶縁トランス１４０Ａの二次側に接続しても良い。この場合、正弦波交流電流の正方向通電時及び逆方向通電時に２つの電子発光光源１４０Ｂが交互に点灯し、エネルギー効率が向上するとともに、灯火１４０のちらつきが一層低減する。

さらに、出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに発生する交流定電流Ｉ_２の振幅を線形に変化させるための複数の入力側切替タップ１３０Ａが、出力変成器１３０の一次側巻線１３０Ｐに設けられている。この入力側切替タップ１３０Ａは、要求される輝度（％）の変更段階、例えば、図４に示すように、１００％、３０％、２５％、１０％、５％、１％、０．２％と一次側巻線１３０Ａの巻数が比例関係になるように設けられている。図１においては、５％、１％、０．２％に対応する入力側切替タップ１３０Ａは、省略されている。

そして、出力変成器１３０における電圧降下は、コンデンサ１２０の端子間電圧に比べて十分に小さいため、定電圧交流電源１１０の出力電圧がＶ（ボルト）で一定であり、コンデンサ１２０の蓄積電荷がＱ（クーロン）で固定であることによって、出力変成器１３０の一次側巻線１３０Ａには、定電流Ｉ_１＝ＱＶが流れる。さらに、この定電流Ｉ_１と選択された入力側切替タップ１３０Ａまでの巻数Ｔ_１の積Ｉ_１・Ｔ_１（アンペアターン）が、二次側巻線１３０Ｓに発生する交流定電流Ｉ_２と二次側巻線１３０Ｓの巻数Ｔ_２の積Ｉ_２・Ｔ_２（アンペアターン）が一定、すなわちＩ_１・Ｔ_１＝Ｉ_２・Ｔ_２の関係が成立するため、Ｉ_１が前述したように一定で、二次側巻線１３０Ｓの巻数Ｔ_２を固定とした場合、各入力側切替タップ１３０Ａまでの巻数Ｔ_１に比例した交流定電流Ｉ_２が出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに発生する。

その結果、入力側切替スイッチ１３０Ｂによって、所望の入力側切替タップ１３０Ａを選択することにより、出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに一次側巻線１３０Ｐの巻数Ｔ_１に比例した交流定電流Ｉ_２を発生させることができる。例えば、Ｔ_１が１０００ターンでありＴ_２がＴ_１の３倍の３０００ターンとした場合、Ｉ_１を２０Ａの定電流とすることによって、Ｉ_２としてＩ_１の３分の１の６．６Ａの定電流が得られる。そして、Ｔ_１を全巻数の３０％である３００ターンに切り替えることによって、Ｉ_２として、６．６Ａの３０％である１．９８Ａの定電流が得られる。

また、本実施例の電子発光光源用定電流発生器１００は、図１に示すように、出力変成器１３０の二次側巻線１３０Ｓに、例えば、全巻数に対して１％、３％、５％という細かい間隔で巻数を減少させる複数の出力側切替タップ１３０Ｃが設けられている。そして、出力側切替スイッチ１３０Ｄによって、所望の出力側切替タップ１３０Ｃを選択することにより、前述したＩ_１・Ｔ_１＝Ｉ_２・Ｔ_２の関係において、二次側巻線１３０Ｓの巻数Ｔ_２を若干減少させることができるため、負荷に供給される交流定電流Ｉ_２の振幅を微増（数％の上昇）させることができる。これにより、灯火１４０のグローブに埃が付着して輝度が低下した際に初期の輝度を維持するように微調整することができる。ここで、灯火１４０の輝度の微調整用の切替タップを出力変成器１３０の二次側に設ける理由は、一次側に設けた入力側切替タップ１３０Ａの巻数の線形関係を変更することなく、負荷電流を微増することができるからである。

本発明は、固定容量（蓄積電荷Ｑ）のコンデンサに定電圧Ｖを印加するとＩ＝ＱＶの関係を満たす定電流が発生し、きわめて簡単な構成で定電流発生器を構成することができるとともに、この定電流発生器に出力変成器の一次側巻線を直列に接続することによって、一次側巻線の巻数に比例した定電流を二次側巻線に発生することができるという新規な着想に基づいて完成されたものであって、飛行場の灯火システムのみならず、高速道路、トンネル、競技場、公園などの公共施設の照明システムの輝度調整の高精度化、エネルギー効率の高効率化、保守メンテナンス負担の軽減を実現でき、その産業上の利用可能性はきわめて高い。

本発明の電子発光光源用定電流発生器の回路図。 従来の熱発光光源用の定電流光度調整装置の回路図。 図２に示した従来の定電流光度調整装置の各部における信号波形図。 電子発光光源と熱発光光源の電流−輝度特性を示した表。 図４に示した表に基づいたグラフ。

符号の説明

１００・・・電子発光光源用定電流発生器
２００・・・定電流光度調整装置
１１０、２１０・・・定電圧交流電源
１２０・・・コンデンサ
２２０・・・共振回路
２２０Ａ・・・（共振回路の）コンデンサ
２２０Ｂ・・・（共振回路の）リアクトル
１３０、２３０・・・出力変成器
１３０Ａ・・・（出力変成器の）入力側切替タップ
１３０Ｂ・・・（出力変成器の）入力側切替スイッチ
１３０Ｃ・・・（出力変成器の）出力側切替タップ
１３０Ｄ・・・（出力変成器の）出力側切替スイッチ
１３０Ｐ、２３０Ｐ・・・（出力変成器の）一次側巻線
１３０Ｓ、２３０Ｓ・・・（出力変成器の）二次側巻線
１４０、２４０・・・灯火
１４０Ａ、２４０Ａ・・・（灯火の）絶縁トランス
１４０Ｂ・・・（灯火の）電子発光光源
２４０Ｂ・・・（灯火の）熱発光光源
１４０Ｃ・・・（灯火の）ダイオード
２５０・・・分流回路
２５０Ａ、２５０Ｂ・・・（分流回路の）サイリスタ
２６０・・・サイクル制御回路
２７０・・・電流検出器
２８０ ・・・ 配線

Claims (3)

1. 定電圧交流電源とコンデンサと出力変成器の一次側巻線とが直列に接続されているとともに前記出力変成器の二次側巻線に電子発光光源を内装した複数の灯火が直列に接続されている電子発光光源用定電流発生器であって、
   前記出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を線形に変化させる複数の入力側切替タップが、前記出力変成器の一次側巻線に設けられていることを特徴とする電子発光光源用定電流発生器。
2. 前記出力変成器の二次側巻線に発生した交流定電流の振幅を微調整する複数の出力側切替タップが、前記出力変成器の二次側巻線に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子発光光源用定電流発生器。
3. 前記電子発光光源が、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電子発光光源用定電流発生器。
   

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