JP2011146263A - 発光ダイオード照明装置及び発光ダイオード照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の白熱電球用調光器によって調光する照明システムにおいて複数の発光ダイオード照明装置の調光を可能にし、かつ、照明システムへの取付工事が不要な発光ダイオード照明装置及び発光ダイオード照明システムを提供する。
【解決手段】 発光ダイオード照明装置１０は、整流器Ｄ１と、保持電流維持回路１８と、定電流回路２０と、保持電流制限回路２２と、発光ダイオード負荷２４とを有するものである。保持電流維持回路１８は、整流器Ｄ１から出力された電圧を受けて、調光器１２の回路動作を維持する保持電流を確保する。これにより、白熱電球用調光器を使用した照明システムをそのまま利用して複数の発光ダイオード照明装置を調光させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、白熱電球用調光器を用いて調光できる発光ダイオード照明装置及び発光ダイオード照明システムに関するものである。

ホテルの客室、飲食店、リビングルームなどには、各施設等に用途に応じて白熱電球の明るさを調整できる調光器が備えられている。白熱電球の調光器は広く普及している。
一方、近年、環境問題に対応するため石油・電力・ガスなどのエネルギーを効率的に使用しその消費量を節約できる省エネルギーの製品が開発研究されている。電球においては、白熱電球に代わって発光ダイオード照明装置（以下、発光ダイオードをＬＥＤと略す。）の開発が行われている。

しかし、従来の白熱電球用調光器は、二線式位相制御方式調光器であり、ＬＥＤ照明装置を調光することができない。そのため、白熱電球用調光器を用いてＬＥＤ照明装置を滑らかに調光できるようにしたＬＥＤランプ調光用アダプタ装置が提供されている（特許文献１）。

特開２００６−３１９１７２号公報

ＬＥＤは、印加電圧がある電圧（順方向電圧）に達したときから電流を流し始め、印加電圧が低いときは電流を殆んど流さない。そのため、印加電圧が低いときは、白熱電球用調光器の回路網にも電流が流れず、調光回路は機能しない。また、回路網にある程度の電流が流れ、回路が動作を開始し、主要部品であるトライアック（ＴＲＩＡＣ、双方向サイリスタ）のゲートに位相制御によるトリガパルスを与えたとしても、Ｔ_２−Ｔ_１間に規定の保持電流以上を流さなければならず、ＬＥＤ照明装置（ＬＥＤランプ）を調光できなかった。
特許文献１のＬＥＤランプ調光用アダプタ装置は、白熱電球用調光器に保持電流を供給する電流保持手段を備えるものである。調光器とＬＥＤ負荷とからなる点灯回路に前記アダプタ装置を並列に取り付けることによって、調光器のトライアックの保持電流を流すことができる。

電流保持手段は、調光器のトライアックに保持電流を供給する定電流回路と、所定の電圧を検出して定電流回路を制御する電圧検出回路を備える。特許文献１のアダプタ装置では、電圧検出回路が、ＬＥＤ負荷が点灯して十分にトライアックの保持電流を流せる電圧を検知する。当該電圧を検知できない場合に定電流回路をオンして、トライアックに保持電流を供給するようにしている。これにより、白熱電球用調光器を用いた照明システム（ＬＥＤ点灯回路）において、ＬＥＤ照明装置の調光が可能となる。

しかし、特許文献１のＬＥＤランプ調光用アダプタ装置は、従来の白熱電球用調光器によって調光する照明システムに新たに取り付ける必要があり、また、その取付工事を専門家に依頼した場合別途費用が発生し、経済的負担がかかるものであった。

本発明は、従来の白熱電球用調光器によって調光する照明システムにおいてＬＥＤ照明装置の調光を可能にし、かつ、照明システムへの取付工事が不要な発光ダイオード照明装置及び発光ダイオード照明システムを提供することを目的とするものである。

本発明の発光ダイオード照明装置は、２線式位相制御方式調光器から出力される位相制御電圧を受けて前記調光器に保持電流を供給する保持電流維持回路と、保持電流以上の発光ダイオード負荷電流を検知して前記保持電流維持回路の保持電流の供給を遮断する保持電流制限回路を発光ダイオード照明装置の点灯回路に並列に設けるようにしたものである。
また、本発明は、前記発光ダイオード照明装置の定電流回路と前記保持電流制限回路において前記発光ダイオード負荷電流を検知する判断抵抗を共有したものである。

本発明の発光ダイオード照明システムは、２線式位相制御方式の調光器を用いて調光する照明システムにおいて、前記照明システムの電源ラインに本発明の発光ダイオード照明装置を直列に接続し、当該発光ダイオード照明装置と当該発光ダイオード照明装置の保持電流維持回路及び保持電流制限回路がない発光ダイオード照明装置を並列に接続するようにしたものである。

本発明のＬＥＤ照明装置は、白熱電球用調光器に保持電流を供給するものである。これにより、従来の白熱電球用調光器を用いた照明システムをそのまま利用してＬＥＤ照明装置を調光することができる。従って、新たな調光用機器の設置が不要であり、ＬＥＤ照明装置の調光に要する設置コストを削減できる。
また、従来の照明システムに使用する複数個のＬＥＤ照明装置に、本発明のＬＥＤ照明装置を１個加えることにより、すべてのＬＥＤ照明装置を滑らかに調光することができる。これにより、すべてのＬＥＤ照明装置に高価格の調光器対応のＬＥＤ照明装置を使用する必要がなく、ＬＥＤ照明装置購入に要する費用も軽減できる。
一方、本発明のＬＥＤ照明装置は、負荷電流検出方式であるため、保持電流維持回路に流れる電流とＬＥＤ照明装置に流れる電流を加算した電流が保持電流以上流れると電圧に関係なく保持電流を遮断することから、ＬＥＤ負荷が大きくなっても保持電流を最小限に保つことができるため、省エネルギーのＬＥＤ照明装置を提供することができる。

本発明のＬＥＤ照明装置の点灯回路を表わす図である。 本発明のＬＥＤ照明装置の調光時の電流を表わす波形図である。 本発明のＬＥＤ照明装置を使用するＬＥＤ照明システムを表わす図である。 調光器非対応のＬＥＤ照明装置の点灯回路例を表わす図である。 図３の照明システムのＬＥＤ照明装置の点灯回路を表わす図である。

本発明は、従来の白熱電球用調光器を使用する照明システムにおいてＬＥＤ照明装置を調光することを実現するものである。

本発明のＬＥＤ照明装置を図に基づいて説明する。図１は、本発明のＬＥＤ照明装置の点灯回路を表わす図である。図２は、本発明のＬＥＤ照明装置の調光時の電流を表わす波形図であり、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ導通角４５度、８０度、１３５度の電流波形を表わし、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）上段（チャンネルＣＨ１）は保持電流維持回路が調光器に供給する保持電流波形を表し、同下段（チャンネルＣＨ２）はＬＥＤ照明装置のＬＥＤアレイに掛かる電圧を表わすものである。図３は、本発明のＬＥＤ照明装置を使用するＬＥＤ照明システムを表わす図である。図４は、調光器非対応のＬＥＤ照明装置の点灯回路例を表わす図である。図５は、図３の照明システムのＬＥＤ照明装置の点灯回路を表わす図である。
本発明のＬＥＤ照明装置１０は、白熱電球用調光器である２線式位相制御方式の調光器１２（図３、図５）によって調光可能なＬＥＤ照明装置である。本発明のＬＥＤ照明装置１０は、ＬＥＤ照明システム１６の点灯回路に交流電源１４と調光器１２に直列に接続されるものである（図５）。

図１のＬＥＤ照明装置１０の点灯回路は、整流器Ｄ１と、保持電流維持回路１８と、定電流回路２０と、保持電流制限回路２２と、ＬＥＤ負荷（ＬＥＤアレイ）２４とを有するものである。保持電流維持回路１８と保持電流制限回路２２は、整流器Ｄ１とＬＥＤ負荷２４を直列接続した点灯回路に並列に接続され、定電流回路２０は直列に接続されている。
整流器Ｄ１は、調光器１２から出力される位相制御電圧を全波整流する全波整流用ブリッジダイオードである。

調光器１２は、交流電源１４の電圧の位相角を任意に設定することができる。その設定された電源電圧の位相角でトライアック（位相制御素子）２６を作動して調光制御する。トライアックは交流電源１４に接続されており、トライアック２６はゲートにトリガー信号が入るとオンし、一定の保持電流が流れている間はオン状態を維持して作動する。保持電流がなくなればオフし、作動を停止する。調光器１２から出力される位相制御電圧は、高周波阻止フィルタ（コンデンサ）Ｃ２を介して整流器Ｄ１に入力される。この整流器Ｄ１の出力電圧は、全波整流電圧に変換され、ＬＥＤ照明装置１０の点灯回路の出力は、位相制御電圧の導通角に応じて変化する。ＬＥＤ照明装置１０のＬＥＤ負荷は、調光器１２によって位相制御された交流電圧の位相角に応じて調光点灯する。

保持電流維持回路１８は、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ３、抵抗Ｒ６，Ｒ７およびツェナーダイオードＺＤ１で構成される。整流器Ｄ１の出力電圧がスイッチング素子Ｑ３のオン条件に達すると、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース間および抵抗Ｒ６を保持電流Ｉ_１が流れる。この保持電流Ｉ_１とＬＥＤアレイ２４に流れる負荷電流Ｉ_２を加算した電流がトライアック２６の保持電流Ｉとなる（図１、図２）。
抵抗Ｒ７はスイッチング素子Ｑ３をオンさせる抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤ１はスイッチング素子Ｑ３のゲート電圧を保護するためのものである。抵抗Ｒ８はスイッチング素子Ｑ３のゲート電圧を設定する抵抗である。

定電流回路２０は、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ２、抵抗Ｒ４，Ｒ５、ＮＰＮトランジスタＱ１およびコンデンサＣ１で構成されている。ＬＥＤ負荷２４の負荷電流Ｉ_２がスイッチング素子Ｑ２、抵抗Ｒ４を介して流れたときに発生する抵抗Ｒ４の両端電圧が所定の電圧（０．６Ｖ）に達すると、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間がオンし、スイッチング素子Ｑ２のゲート電圧が引き下がるため、スイッチング素子Ｑ２はオフ状態となり、負荷電流Ｉ_２を一定電流に制限する。
抵抗Ｒ５は、スイッチング素子Ｑ２をオンさせる抵抗である。

保持電流制限回路２２は、ＮＰＮトランジスタＱ４、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ９で構成されている。ＬＥＤ負荷２４の負荷電流Ｉ_２が抵抗Ｒ３，Ｒ４を通じて流れたときに発生する抵抗Ｒ３，Ｒ４の合成抵抗の両端電圧が所定の電圧（０．６Ｖ）に達すると、ＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタ−エミッタ間がオンする。これにより、保持電流維持回路１８のスイッチング素子Ｑ３のゲート電圧が引き下がり、スイッチング素子Ｑ３はオフ状態となり、保持電流Ｉ_１を遮断する。
抵抗９は、ＮＰＮトランジスタＱ４のベース電流を設定する抵抗である。

なお、抵抗Ｒ４は、ＬＥＤ負荷電流Ｉ_２を検知する判断抵抗であり、定電流回路２０と保持電流制限回路２２の２つの回路で利用されている。これにより、ＬＥＤ照明装置１０の点灯回路全体の電流制限用抵抗を小さくすることができ、抵抗の発熱による電力消費を抑えられることから、省エネを図ることができる。
また、ＬＥＤ照明装置１０の点灯回路において、抵抗Ｒ１はヒューズ用チップ抵抗である。抵抗Ｒ２はガイドランプ（配線器具内のネオン管）を点灯する抵抗である。ＶＺ１は、雷電圧保護素子である。

つぎに、ＬＥＤ照明装置１０の点灯回路の動作を図１及び図２に基づいて説明する。
最初に、調光器を操作して導通角を４５度にし、ＬＥＤ負荷を低照度で点灯する場合について説明する。
整流器Ｄ１の出力電圧がスイッチング素子Ｑ３のオン状態に達すると、スイッチング素子Ｑ３のドレイン−ソース間および抵抗Ｒ６を保持電流Ｉ_１が流れる（図２（ａ）ＣＨ１）。他方、ＬＥＤ負荷２４に流れる負荷電流Ｉ_２は少なく、ＬＥＤ負荷２４に流れる負荷電流Ｉ_２だけでは調光器１２の回路中のトライアック２６のオン状態を維持することはできない。
しかし、保持電流維持回路１８が調光器１２に保持電流Ｉ_１を供給することから、調光器１２の回路中のトライアック２６のオン状態を維持することはでき、ＬＥＤ負荷２４に負荷電流Ｉ_２を供給することができる。従って、低い電圧での点灯が可能になり、低照度での点灯が可能になる。
なお、導通角４５度における保持電流Ｉ_１（図２（ａ）ＣＨ１）の実効値は５．９５Ｖ（Ｐ−Ｐ値１３．０Ｖ）であり、ＬＥＤ照明装置の点灯回路を流れる電流Ｉ（図２（ａ）ＣＨ２）の実効値は５１．７Ｖ（Ｐ―Ｐ値１６０Ｖ）であった。抵抗Ｒ６を１ｋΩとした場合、保持電流確保のために発生する熱損失ＰＤは、ＰＤ＝５．９５ｍＡ×５１．７Ｖｒｍｓ＝０．３７Ｗである。

導通角を８０度にすると、整流器Ｄ１の出力電圧がＬＥＤ負荷２４に流れる負荷電流Ｉ_２だけで調光器１２の回路動作を維持することができる状態に近づく。このとき、中間点の照度での点灯が可能になる。
また、ＬＥＤ負荷２４を流れる負荷電流Ｉ_２が抵抗Ｒ３，Ｒ４の合成抵抗の両端電圧が０．６Ｖに達すると、ＮＰＮトランジスタＱ４のコレクタ−エミッタ間がオンする。これにより、保持電流維持回路１８のスイッチング素子Ｑ３のゲート電圧が引き下がり、スイッチング素子Ｑ３を流れる保持電流Ｉ_１は制限され（図２（ｂ）ＣＨ１の制限時間ｔ_１）、無駄なエネルギーの消費を抑えることができる。
なお、導通角８０度における保持電流Ｉ_１（図２（ｂ）ＣＨ１）の実効値は９．１９Ｖ（Ｐ―Ｐ値１２．６Ｖ）であり、ＬＥＤ照明装置の点灯回路を流れる電流Ｉ（図２（ｂ）ＣＨ２）の実効値は７６．７Ｖ（Ｐ―Ｐ値２１０Ｖ）であった。抵抗Ｒ６を１ｋΩとした場合、保持電流確保のために発生する熱損失ＰＤは、ＰＤ＝９．１９ｍＡ×７６．７Ｖｒｍｓ＝０．７０Ｗである。

導通角を１３５度にすると、ＬＥＤ負荷は高輝度の照度で点灯される。ＬＥＤ負荷２４に流れる負荷電流Ｉ_２が調光器１２の保持電流以上になり、負荷電流Ｉ_２のみで調光器１２の回路動作を維持できる状態に達する。
また、このとき、ＬＥＤ負荷２４の負荷電流Ｉ_２が流れる抵抗Ｒ３，Ｒ４の合成抵抗の両端電圧が０．６Ｖに達すると、ＮＰＮトランジスタＱ４がオンし、保持電流維持回路１８のスイッチング素子Ｑ３はオフとなり、スイッチング素子Ｑ３を流れる保持電流Ｉ_１は遮断されることから（図２（ｃ）ＣＨ１の遮断時間ｔ_２）、省エネルギーのＬＥＤ照明装置を提供することができる。
なお、導通角１３５度における保持電流Ｉ_１（図２（ｃ）ＣＨ１）の実効値は２．８０Ｖ（Ｐ―Ｐ値１３．０Ｖ）であり、ＬＥＤ照明装置の点灯回路を流れる電流Ｉ（図２（ｃ）ＣＨ２）の実効値は９８．６Ｖ（Ｐ―Ｐ値１４２Ｖ）であった。抵抗Ｒ６を１ｋΩとした場合、保持電流確保のために発生する熱損失ＰＤは、ＰＤ＝２．８０ｍＡ×９８．６Ｖｒｍｓ＝０．２７Ｗである。

本発明は、負荷電流検出方式であるためＬＥＤ照明装置１０にトライアック２６の保持電流以上流れると電圧に関係なく保持電流Ｉ_１を遮断する。そのため、ＬＥＤ照明装置の負荷を大きくしても保持電流は最小限を保つため省エネ効果は大きい。本発明では、前述したように、調光最小値（低照度）で０．３７Ｗ、中間点の照度で０．７０Ｗ、最大値（高輝度の照度）で０．２７Ｗしか電力を消費しなかった。
また、調光器１２の調整手段（つまみ）を最小にすると、０．２６Ｗの電力しか消費しなかった。これに対し、現在市販されている調光器対応のＬＥＤ照明装置は、調光器１２のつまみを最小にしても保持電流確保のための４０ｍＡ程度の電流が流れ、１Ｗ弱の電力が消費されていた。

つぎに、本発明のＬＥＤ照明装置を利用するＬＥＤ照明システムの実施形態を図３乃至図５に基づいて説明する。
図３は、ＬＥＤ照明装置１０とＬＥＤ照明装置３０の複数のＬＥＤ照明装置が電源ライン２８にそれぞれ直列に接続されているＬＥＤ照明システム１６である。また、各ＬＥＤ照明装置は、それぞれ並列に接続された状態にある。
ＬＥＤ照明装置３０は、ＬＥＤ照明装置１０の保持電流維持回路１８及び保持電流制限回路２２がない、いわゆる調光器非対応のＬＥＤ照明装置である（図４）。従って、ＬＥＤ照明システム１６にＬＥＤ照明装置３０のみを使用する場合、保持電流を確保できないため調光することはできない。なお、図４のＬＥＤ照明装置３０は、整流器Ｄ１とＬＥＤ負荷２４と定電流回路２０を直列接続したものである。整流器Ｄ１とＬＥＤ負荷２４と定電流回路２０は、同じ符号を付した図１の部品と同じであるため、説明を省略する。
なお、図３のＬＥＤ照明装置１０とＬＥＤ照明装置３０は電球型のＬＥＤ照明装置であるが、これに限定されるものではなく、直管や円形の蛍光灯タイプＬＥＤ照明または埋め込み式のダウンライトやスポットライト形状のＬＥＤ照明装置であってもよい。

図５のＬＥＤ照明システム１６の点灯回路において、整流器Ｄ１から電圧が出力されると、ＬＥＤ照明装置１０の保持電流維持回路１８によって、調光器１２に保持電流が供給される。保持電流はＬＥＤ照明装置１０によって確保できることから、ＬＥＤ照明装置３０に対しても負荷電流が流れる。従って、ＬＥＤ照明システム１６において、１個のＬＥＤ照明装置１０を使用することにより、複数の調光器非対応のＬＥＤ照明装置を調光することが可能となる。

現在市販されている調光器対応のＬＥＤ点灯回路にスイッチング電源を採用しているＬＥＤ照明装置においては、１つの調光器で複数のＬＥＤ照明装置を調光する場合、すべてのＬＥＤ照明装置に保持電流を流す必要がある。しかし、本発明のＬＥＤ照明装置１０と調光器非対応のＬＥＤ照明装置３０とを一緒に使用すれば、１つの調光器ですべてのＬＥＤ照明装置を調光できる。また、すべてＬＥＤ照明装置に保持電流を流す必要はなく、省エネ効果が大きいＬＥＤ照明システムを提供することができる。
さらには、ＬＥＤ照明システム１６は、従来の白熱電球を調光する照明システムの白熱電球を本発明のＬＥＤ照明装置１０と調光器非対応のＬＥＤ照明装置３０に交換するだけの簡単な作業で完成させることができる。

本明細書中では既築の建物で調光器と組み合わせて使用されている白熱電球を電球型ＬＥＤ照明装置に交換することを主眼に記載したが、本発明の発光ダイオード照明装置及び発光ダイオード照明システムは電球型ＬＥＤ照明装置に限定されるものではなく、直管型・環状蛍光灯やダウンライト灯に置き換わる形状の全ての形状のＬＥＤ照明装置を調光可能に適用できるものである。

１０ ＬＥＤ照明装置
１２ 調光器
１６ ＬＥＤ照明システム
１８ 保持電流維持回路
２２ 保持電流制限回路
２８ 電源ライン
３０ 調光器非対応のＬＥＤ照明装置

Claims (3)

1. ２線式位相制御方式調光器から出力される位相制御電圧を受けて前記調光器に保持電流を供給する保持電流維持回路と、保持電流以上の発光ダイオード負荷電流を検知して前記保持電流維持回路の保持電流の供給を遮断する保持電流制限回路を発光ダイオード照明装置の点灯回路に並列に設けることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
2. 前記発光ダイオード照明装置の定電流回路と前記保持電流制限回路において前記発光ダイオード負荷電流を検知する判断抵抗を共有したことを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード照明装置。
3. ２線式位相制御方式の調光器を用いて調光する照明システムにおいて、前記照明システムの電源ラインに請求項１又は請求項２記載の発光ダイオード照明装置を直列に接続し、当該発光ダイオード照明装置と当該発光ダイオード照明装置の保持電流維持回路及び保持電流制限回路がない発光ダイオード照明装置を並列に接続することを特徴とする発光ダイオード照明システム。

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