JP2020107433A - 照明制御システム及び照明システム - Google Patents

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隼典 鶴岡
Shunsuke Tsuruoka
隼典 鶴岡
小笠原 潔
Kiyoshi Ogasawara
潔 小笠原
正二郎 木戸
Shojiro Kido
正二郎 木戸
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Abstract

【課題】複数の照明負荷の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図る。【解決手段】照明制御システム4は、複数のLED20の各々に流れる負荷電流I1〜I3をそれぞれのLED20ごとに検出する電流検出部(抵抗器R11〜R13及び信号処理部43)を備える。照明制御システム4は、複数のLED20ごとの負荷電流I1〜I3を各別に調整する電流調整部(トランジスタTR1〜TR3及び駆動部42)と、電流調整部を制御する制御部41を備える。制御部41は、電流検出部が検出する複数のLED20ごとの負荷電流I1〜I3を比較する。制御部41は、複数のLED20ごとの負荷電流I1〜I3の差が所定の範囲内に収まるように電流調整部に負荷電流I1〜I3を調整させる。【選択図】 図1

Description

本開示は、照明制御システム及び照明システムに関する。より詳細には、本開示は、電気的に並列接続された複数の照明負荷を点灯させる照明制御システム、及び複数の照明負荷と照明制御システムを有する照明システムに関する。
特許文献1には、LED駆動装置と、LEDモジュールと、調光制御装置とを備えた照明器具が開示されている。LEDモジュールは、複数のLEDを直列に接続してなるLEDユニットを複数有している。LEDモジュールは、複数のLEDユニットが電気的に並列に接続されて構成されている。LED駆動装置は、降圧型コンバータ回路部と、調光制御部とを有している。降圧型コンバータ回路部は、LEDモジュールに駆動電力を供給するとともに、LEDモジュールの調光動作を行う。調光制御部は、調光制御装置から入力される調光指示信号に基づいて降圧型コンバータ回路部の出力を調整することにより、LEDモジュールの調光動作を行う。
特開2015−88386号公報
ところで、特許文献1記載の従来例では、LEDモジュールを構成する複数のLEDユニット(照明負荷)の電圧−電流特性(いわゆる、VF特性)のばらつきに起因して、それぞれのLEDユニットに流れる電流にばらつきが生じる可能性がある。そして、複数のLEDユニットのそれぞれに流れる電流が異なる場合、各LEDユニットから放射される光束にもばらつきが生じる可能性がある。
本開示の目的は、複数の照明負荷の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図ることができる照明制御システム及び照明システムを提供することである。
本開示の一態様に係る照明制御システムは、定電流源に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷の各々に供給される電流を調整する。前記複数の照明負荷の各々は、順方向の印加電圧に対して単調増加する電圧−電流特性を有している。前記照明制御システムは、前記複数の照明負荷の各々に流れる負荷電流を前記複数の照明負荷ごとに検出する電流検出部と、前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流を各別に調整する電流調整部とを備える。前記照明制御システムは、前記電流調整部を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記電流検出部が検出する前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流を比較する。前記制御部は、前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流の差が所定の範囲内に収まるように前記電流調整部に前記負荷電流を調整させる。
本開示の一態様に係る照明システムは、定電流源と、前記定電流源に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷と、前記照明制御システムとを有する。
本開示の照明制御システム及び照明システムは、複数の照明負荷の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図ることができるという効果がある。
図1は、本開示の実施形態に係る照明システム及び照明制御システムのシステム構成図である。 図2は、同上の照明制御システム及び照明システムにおけるLEDの電圧−電流特性を示す図である。 図3は、同上の照明制御システム及び照明システムの変形例のシステム構成図である。
以下、本開示の照明制御システム及び照明システムに係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、下記の実施形態において説明する各図は模式的な図であり、各構成要素の大きさ及び厚さのそれぞれの比が必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。なお、以下の実施形態で説明する構成は本開示の一例にすぎない。本開示は、以下の実施形態に限定されず、本開示の効果を奏することができれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
実施形態に係る照明システム1(以下、照明システム1と略す。)は、図1に示すように、実施形態に係る照明制御システム4(以下、照明制御システム4と略す。)と、複数(図示例では三つ)のLED20と、電源装置3とを備える。三つのLED(Light Emitting Diode)20は、第1のLED20A、第2のLED20B及び第3のLED20Cと呼ぶ場合がある。ただし、三つのLED20の各々は、電気的に直列接続された複数のLEDを有するLEDモジュールであっても構わない。また、第1のLED20A、第2のLED20B及び第3のLED20Cの各々の定格(定格電圧及び定格電流)は等しい。なお、三つのLED20のアノードが電源装置3の正極と電気的に接続されている。
電源装置3は定電流源であり、直流の定電流(出力電流I0)を出力する。電源装置3の負極には、三つの抵抗器R11、R12、R13のそれぞれの第一端が電気的に接続されている。抵抗器R11の第二端は、トランジスタTR1のソースと電気的に接続されている。抵抗器R12の第二端は、トランジスタTR2のソースと電気的に接続されている。抵抗器R13の第二端は、トランジスタTR3のソースと電気的に接続されている。なお、三つのトランジスタTR1〜TR3の各々は、エンハンスメント形のNチャネルMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)である。ただし、各トランジスタTR1〜TR3は、バイポーラトランジスタ又は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタなどのトランジスタであっても構わない。なお、三つのトランジスタTR1〜TR3の各々の定格は等しい。
照明制御システム4は、上記三つのトランジスタTR1〜TR3と、上記三つの抵抗器R11〜R13と、制御ユニット40とを有する。トランジスタTR1のドレインは、第1のLED20Aのカソードと電気的に接続されている。トランジスタTR2のドレインは、第2のLED20Bのカソードと電気的に接続されている。トランジスタTR3のドレインは、第3のLED20Cのカソードと電気的に接続されている。
制御ユニット40は、制御部41と、駆動部42と、信号処理部43とを有する。駆動部42は、三つのトランジスタTR1〜TR3の各々のゲート・ソース電圧を変化させることによって、それぞれのトランジスタTR1〜TR3のオン抵抗を調整する。三つのLED20のそれぞれに流れる負荷電流は、三つのトランジスタTR1〜TR3の各々のオン抵抗が小さくなるほど増大し、オン抵抗が大きくなるほど減少する。すなわち、三つのトランジスタTR1〜TR3と駆動部42によって電流調整部が構成されている。ただし、駆動部42は、トランジスタTR1〜TR3の各々のゲート・ソース電圧をパルス幅変調制御することにより、トランジスタTR1〜TR3の見掛け上のオン抵抗を調整してもよい。
三つの抵抗器R11〜R13のそれぞれの両端には、三つのトランジスタTR1〜TR3の各々に流れる負荷電流に比例した電圧降下が生じる。ここで、第1のLED20Aに流れる負荷電流を第1の負荷電流I1、第2のLED20Bに流れる負荷電流を第2の負荷電流I2、第3のLED20Cに流れる負荷電流を第3の負荷電流I3と呼ぶ場合がある。なお、第1〜第3の負荷電流I1〜I3の総和が電源装置3の出力電流I0に等しい。
信号処理部43は、三つの抵抗器R11〜R13の両端電圧を各別に検出する。なお、三つの抵抗器R11〜R13の各々の抵抗値は等しい。信号処理部43は、抵抗器R11の両端電圧を検出した第1検出信号と、抵抗器R12の両端電圧を検出した第2検出信号と、抵抗器R13の両端電圧を検出した第3検出信号とを制御部41に出力する。つまり、信号処理部43と三つの抵抗器R11〜R13によって電流検出部が構成されている。第1検出信号は、第1の負荷電流I1に比例した直流電圧信号である。第2検出信号は、第2の負荷電流I2に比例した直流電圧信号である。第3検出信号は、第3の負荷電流I3に比例した直流電圧信号である。
制御部41は、例えばマイクロコントローラを有する。制御部41は、制御用のプログラムをマイクロコントローラに実行させることによって、以下の制御を行う。
まず、制御部41は、信号処理部43から出力される第1検出信号、第2検出信号及び第3検出信号をサンプリングし、かつ、量子化(アナログ/デジタル変換)する。制御部41は、デジタル信号に変換した第1検出信号(第1検出データ)、第2検出信号(第2検出データ)及び第3検出信号(第3検出データ)をメモリ(半導体メモリ)に記憶する。制御部41は、メモリに記憶した第1検出データ、第2検出データ及び第3検出データの所定時間(例えば、数十秒〜数分)におけるそれぞれの平均値を演算する。
ここで、三つのLED20の定格が等しく、三つのトランジスタTR1〜TR3の定格が等しく、かつ、三つの抵抗器R11〜R13の抵抗値が等しいので、理想的には第1〜第3の負荷電流I1〜I3のそれぞれが互いに等しくなる。しかしながら、実際には定格及び抵抗値が完全に一致することはなく、特に、LED20の定格のばらつきは、トランジスタTR1〜TR3及び抵抗器R11〜R13の抵抗値のそれぞれのばらつきよりも大きくなる場合が多い。
例えば、図2に実線α及び実線βで示すように、第1のLED20Aの電圧−電流特性(実線α)と第2のLED20Bの電圧−電流特性(実線β)に有意な差が生じる場合がある。そして、第1のLED20Aと第2のLED20Bの各々の両端に等しい電圧VFが印加された場合、第1のLED20Aに流れる電流(第1の負荷電流I1)が、第2のLED20Bに流れる電流(第2の負荷電流I2)よりも大きくなる。その結果、第1のLED20Aから放射される光束が第2のLED20Bから放射される光束よりも多くなってしまう。
そこで、制御部41は、第1検出信号、第2検出信号及び第3検出信号を互いに比較し、第1検出信号、第2検出信号及び第3検出信号の差が所定の範囲内に収まるように電流調整部に負荷電流I1〜I3を調整させる。なお、所定の範囲とは、例えば、LED20の定格電流の数%に対応する範囲が望ましい。
例えば、第2検出信号と第3検出信号の差及び第1検出信号と第3検出信号の差がそれぞれ所定の範囲内に収まっており、第1検出信号と第2検出信号の差が所定の範囲を外れている場合を想定する。制御部41は、第1〜第3の負荷電流I1〜I3のうちで最も大きい負荷電流(例えば、第1の負荷電流I1)を含む一つ以上の負荷電流を調整するように駆動部42を制御することが好ましい。
具体的に、制御部41は、第1検出信号と第2検出信号を比較し、負荷電流の大きい方の検出信号(例えば、第1検出信号)を下げるためにトランジスタTR1のゲート・ソース電圧を低下させるように駆動部42を制御する。駆動部42がトランジスタTR1のゲート・ソース電圧を低下させると、トランジスタTR1のオン抵抗が増加して第1の負荷電流I1が減少する。ここで、電源装置3の出力電流I0が一定であるので、第1の負荷電流I1が減少することにより、第2の負荷電流I2(又は第2の負荷電流I2と第3の負荷電流I3)が増加する。その結果、第1の負荷電流I1と第2の負荷電流I2の差が小さくなるので、第1検出信号と第2検出信号の差を所定の範囲内に収めることができる。
なお、制御部41は、第1〜第3の負荷電流I1〜I3のうちで最も小さい負荷電流(例えば、第2の負荷電流I2)を含む一つ以上の負荷電流を調整するように駆動部42を制御することが好ましい。具体的に、制御部41は、トランジスタTR1のゲート・ソース電圧を低下させる代わりに、トランジスタTR2のゲート・ソース電圧を上昇させてもよい。あるいは、制御部41は、トランジスタTR1のゲート・ソース電圧を低下させ、かつ、トランジスタTR2のゲート・ソース電圧を上昇させてもよい。
上述のように制御部41が駆動部42を制御し、第1検出信号、第2検出信号及び第3検出信号の差を所定の範囲内に収めることにより、複数のLED20の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図ることができる。
なお、電流検出部は、抵抗器R11〜R13の代わりにホール素子を有していても構わない。信号処理部43は、ホール素子の出力に基づいて負荷電流I1〜I3を検出してもよい。
次に、実施形態に係る照明システム1の変形例について、図3を参照して説明する。変形例の照明システム1は、図3に示すように、3台の照明器具2と、1台の電源装置3と、照明制御システム4と、電源装置3から3台の照明器具2に出力電流を供給する1本の電源ケーブル5とを有する。ただし、照明システム1が有する照明器具2の台数及び電源装置3の台数は、それぞれ3台及び1台に限定されない。
照明器具2は、LED20を有する(図1及び図2参照)。なお、照明器具2は、LED20に代えて有機エレクトロルミネッセンス素子又は半導体レーザなどの固体光源を有していても構わない。
電源装置3は、三つの直流電源回路30及び三つのダイオード31を収容するケース32を備えることが好ましい。ケース32は、電気的な導体(例えば、金属)によって箱形に形成されている。なお、ケース32は、安定電位を有する場所(例えば、大地)に接地されることが好ましい。
三つの直流電源回路30の各々は、例えば、AC/DCコンバータと、絶縁型のDC/DCコンバータを有することが好ましい。AC/DCコンバータは、商用の電力系統から供給される交流電力を直流電力に電力変換する。DC/DCコンバータは、AC/DCコンバータから出力される直流電力を電力変換して一定の出力電流I0を照明器具2に供給する。
電源ケーブル5は、2本の電源線50A、50Bと、これら2本の電源線50A、50Bを被覆するシース51とを有する。一方の電源線50Aの一端は、電源装置3のケース32内において、3つのダイオード31を介して直流電源回路30の高電位側の出力端子に分岐接続される。他方の電源線50Bの一端は、電源装置3のケース32内において、3つの直流電源回路30の各々の低電位側の出力端子に分岐接続される。また、一方の電源線50Aの他端は、3台の照明器具2の各々の正極(LED20のアノード)に分岐接続される。他方の電源線50Bの他端は、3台の照明器具2の各々の負極(抵抗器R11〜R13の第一端)に分岐接続される。
例えば、3台の照明器具2は、競技場を照明する用途に用いられる投光器であり、照明柱などの先端(高所)に設置される。なお、照明制御システム4は、3台の照明器具2の近傍、例えば、照明器具2が設置されている照明柱に設置されることが好ましい。
一方、電源装置3は、例えば、競技場に設けられた建物の中に設置される。つまり、投光器を点灯させる点灯装置(電源装置)が投光器とともに高所に設置された場合、点灯装置のメンテナンス作業が高所での作業となってしまい、メンテナンス作業を行う作業員に大きな負担がかかってしまう。これに対して、実施形態に係る照明システム1では、電源装置3を照明器具2から離れた場所に設置することができるため、電源装置3を照明器具2と同じく高所に設置する場合に比べて、メンテナンス作業の作業性の向上を図ることができる。しかも、1台の電源装置3と複数台(図示例では3台)の照明器具2を1本の電源ケーブル5で接続しているので、省配線化を図ることができる。
さらに、照明システム1は、コントローラ6を有することが好ましい。コントローラ6は、電源装置3と信号線60を介して電気的に接続される(図3参照)。コントローラ6は、信号線60を介して調光信号を送信する。コントローラ6は、例えば、調光信号としてPWM信号を電源装置3に送信する。すなわち、コントローラ6は、調光信号(PWM信号)のデューティ比によって電源装置3に調光レベルを指示する。
電源装置3では、コントローラ6から送信される調光信号を各直流電源回路30が受信する。各直流電源回路30は、受信した調光信号で指示される調光レベルに応じて出力電流を調整することにより、各照明器具2を調光する。
実施形態の照明システム1は、電気的に並列接続された複数の直流電源回路30を電源装置3が有しており、電源装置3が冗長電源として構成されることによって信頼性の向上を図ることができる。
上述のように第1の態様に係る照明制御システム(4)は、定電流源(電源装置3)に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷(LED20;照明器具2)の各々に供給される電流を調整する。複数の照明負荷の各々は、順方向の印加電圧に対して単調増加する電圧−電流特性を有している。第1の態様に係る照明制御システム(4)は、複数の照明負荷の各々に流れる負荷電流(I1〜I3)を前記複数の照明負荷ごとに検出する電流検出部(抵抗器R11〜R13及び信号処理部43)を備える。第1の態様に係る照明制御システム(4)は、複数の照明負荷ごとの負荷電流(I1〜I3)を各別に調整する電流調整部(トランジスタTR1〜TR3及び駆動部42)と、電流調整部を制御する制御部(41)とを備える。制御部(41)は、電流検出部が検出する複数の照明負荷ごとの負荷電流(I1〜I3)を比較する。制御部(41)は、複数の照明負荷ごとの負荷電流(I1〜I3)の差が所定の範囲内に収まるように電流調整部に負荷電流(I1〜I3)を調整させる。
第1の態様に係る照明制御システム(4)は、負荷電流(I1〜I3)の差を所定の範囲内に収めるように、制御部(41)が電流調整部を制御することにより、複数の照明負荷の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図ることができる。
第2の態様に係る照明制御システム(4)は、第1の態様との組合せにより実現され得る。第2の態様に係る照明制御システム(4)において、制御部(41)は、複数の照明負荷ごとの負荷電流(I1〜I3)のうちで最も大きい負荷電流を含む一つ以上の負荷電流を調整するように電流調整部を制御することが好ましい。
第2の態様に係る照明制御システム(4)は、負荷電流(I1〜I3)のうちで最も大きい負荷電流を含む一つ以上の負荷電流を電流調整部が調整することにより、負荷電流(I1〜I3)の差を容易に所定の範囲内に収めることができる。
第3の態様に係る照明制御システム(4)は、第1の態様との組合せにより実現され得る。第3の態様に係る照明制御システム(4)において、制御部(41)は、複数の照明負荷ごとの負荷電流(I1〜I3)のうちで最も小さい負荷電流を含む一つ以上の負荷電流を調整するように電流調整部を制御することが好ましい。
第3の態様に係る照明制御システム(4)は、負荷電流(I1〜I3)のうちで最も小さい負荷電流(I1)を含む一つ以上の負荷電流を電流調整部が調整することにより、負荷電流(I1〜I3)の差を容易に所定の範囲内に収めることができる。
第4の態様に係る照明制御システム(4)は、第1〜第3の態様のいずれかとの組合せにより実現され得る。第4の態様に係る照明制御システム(4)において、電流調整部は、抵抗値が可変である電気素子(トランジスタTR1〜TR3)と、電気素子を制御して抵抗値を変化させる電気素子制御部(駆動部42)とを有することが好ましい。
第4の態様に係る照明制御システム(4)は、電気素子の抵抗値を増加させて負荷電流を減少させ、電気素子の抵抗値を減少させて負荷電流を増加させることができる。
第5の態様に係る照明制御システム(4)は、第4の態様との組合せにより実現され得る。第5の態様に係る照明制御システム(4)において、電気素子はトランジスタ(TR1〜TR3)であることが好ましい。電気素子制御部は、トランジスタ(TR1〜TR3)を能動領域で動作させることが好ましい。
第5の態様に係る照明制御システム(4)は、トランジスタ(TR1〜TR3)を能動領域で動作させることで抵抗値(オン抵抗)を容易に調整することができる。
第6の態様に係る照明システム(1)は、定電流源と、定電流源に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷と、第1〜5のいずれかの態様に係る照明制御システム(4)とを有する。
第6の態様に係る照明システム(1)は、複数の照明負荷の各々から放射される光束のばらつきの抑制を図ることができる。
第7の態様に係る照明システム(1)は、第6の態様との組合せにより実現され得る。第7の態様に係る照明システム(1)において、定電流源は、複数の直流電源回路(30)を有することが好ましい。複数の直流電源回路(30)の各々の出力端子が電気的に並列接続されていることが好ましい。
第7の態様に係る照明システム(1)は、定電流源を冗長電源として構成することによって信頼性の向上を図ることができる。
1 照明システム
2 照明器具(照明負荷)
3 電源装置(定電流源)
4 照明制御システム
20 LED(照明負荷)
30 直流電源回路
41 制御部
42 駆動部(電流調整部)
43 信号処理部(電流検出部)
TR1〜TR3 トランジスタ(電流調整部)
R11〜R13 抵抗器(電流検出部)
I1〜I3 負荷電流

Claims (7)

  1. 定電流源に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷の各々に供給される電流を調整する照明制御システムであって、
    前記複数の照明負荷の各々は、順方向の印加電圧に対して単調増加する電圧−電流特性を有しており、
    前記複数の照明負荷の各々に流れる負荷電流を前記複数の照明負荷ごとに検出する電流検出部と、
    前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流を各別に調整する電流調整部と、
    前記電流調整部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部が検出する前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流を比較し、前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流の差が所定の範囲内に収まるように前記電流調整部に前記負荷電流を調整させる、
    照明制御システム。
  2. 前記制御部は、前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流のうちで最も大きい前記負荷電流を含む一つ以上の前記負荷電流を調整するように前記電流調整部を制御する、
    請求項1記載の照明制御システム。
  3. 前記制御部は、前記複数の照明負荷ごとの前記負荷電流のうちで最も小さい前記負荷電流を含む一つ以上の前記負荷電流を調整するように前記電流調整部を制御する、
    請求項1記載の照明制御システム。
  4. 前記電流調整部は、
    抵抗値が可変である電気素子と、
    前記電気素子を制御して前記抵抗値を変化させる電気素子制御部と、
    を有する、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の照明制御システム。
  5. 前記電気素子はトランジスタであり、
    前記電気素子制御部は、前記トランジスタを能動領域で動作させる、
    請求項4記載の照明制御システム。
  6. 定電流源と、
    前記定電流源に対して電気的に並列接続された複数の照明負荷と、
    請求項1〜5のいずれかの照明制御システムと、
    を有する、
    照明システム。
  7. 前記定電流源は、複数の直流電源回路を有し、
    前記複数の直流電源回路の各々の出力端子が電気的に並列接続されている、
    請求項6記載の照明システム。
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