JP2023127378A - 点灯装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な保護動作が可能な点灯装置および照明器具を得ることを目的とする。【解決手段】本開示に係る点灯装置は、交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるＡＣ－ＤＣ変換回路と、前記交流電源から前記ＡＣ－ＤＣ変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さい。【選択図】図４

Description

本開示は、点灯装置および照明器具に関する。

特許文献１には、ＬＥＤ点灯装置が開示されている。このＬＥＤ点灯装置は、少なくとも１つのスイッチング素子を備え出力電流によってＬＥＤを点灯する直流変換装置を備える。出力電流検出手段は、直流変換装置の入力電圧が変動したことを、直流変換装置の出力電流により検出する。制御手段は、出力電流検出手段の検出出力に基づいて、直流変換装置の入力電圧が低下したことを検出した場合には、直流変換装置の出力電流を、時間遅れを伴ってスイッチング素子のスイッチング駆動信号のデューティを大きくすることにより増加させる。また、制御手段は、入力電圧の変動が復帰したときに、直流変換装置の出力電流を、スイッチング素子のスイッチング駆動信号のデューティを狭めて減少させることにより、出力電流のピーク値がＬＥＤのパルス電流定格を超えないように抑制する。

特開２０１１－００９３８３号公報

交流電圧を整流して、力率改善型のスイッチング動作により光源を点灯させる点灯装置がある。このような点灯装置では、一般にフィードバック周期を交流電圧の周期よりも遅くする必要がある。このとき、交流電圧が何かしらの事象により低下し、その後正常電圧に復帰した場合、ＬＥＤに過電流が発生するおそれがある。特許文献１では、このような入力電圧変動について、過電流を抑制し、ＬＥＤが故障することを抑制している。

しかし特許文献１では、ＬＥＤ電流を検出することで入力電圧の復帰を検出して、出力電流を減少させる。このため、ＬＥＤ電流に変化が起こった後に保護動作を行うこととなる。従って、高精度な保護動作ができないおそれがある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、高精度な保護動作が可能な点灯装置および照明器具を得ることを目的とする。

本開示に係る点灯装置は、交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるＡＣ－ＤＣ変換回路と、前記交流電源から前記ＡＣ－ＤＣ変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さい。

本開示に係る点灯装置では、制御回路は、入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電圧を定常状態よりも低下させる。従って、高精度な保護動作が可能となる。

実施の形態１に係る照明器具の回路ブロック図である。 実施の形態１の比較例に係る点灯装置の電圧波形およびスイッチング素子のオン幅を示す図である。 実施の形態１に係る点灯装置の電圧波形およびスイッチング素子のオン幅を示す図である。 実施の形態１の変形例に係る電圧降下時間と降下電圧の関係を示す図である。 実施の形態１の変形例に係る点灯装置の電圧波形およびスイッチング素子のオン幅を示す図である。

本実施の形態に係る点灯装置および照明器具について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る照明器具１００の回路ブロック図である。照明器具１００は、点灯装置１０と、光源４０とを備える。点灯装置１０は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフにより光源４０を点灯させる点灯回路と、点灯回路を制御する制御回路３０を備える。光源４０は、直列に接続された複数のＬＥＤを備える。複数のＬＥＤは並列または直並列に接続されていても良い。光源４０は、ＬＥＤに代えて有機ＥＬ等の他の発光素子を備えても良い。

点灯回路は、商用電源ＡＣを整流する整流器ＤＢと、昇圧チョッパ回路１２と、バックコンバータ回路２０を備えている。昇圧チョッパ回路１２は、整流器ＤＢで全波整流された脈流電圧を変換して、コンデンサＣ２に所定の直流高電圧を充電する。整流器ＤＢおよび昇圧チョッパ回路１２は、交流電源を供給されて、スイッチング素子Ｑ１のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を４０点灯させるＡＣ－ＤＣ変換回路に該当する。

昇圧チョッパ回路１２は、コイルＬ１、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１で構成される。スイッチング素子Ｑ１は例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。コンデンサＣ２に充電される電圧は、抵抗Ｒ５、Ｒ６の抵抗分圧により制御回路３０のＰ１端子に入力される。これにより、制御回路３０は、コンデンサＣ２の電圧に比例した電圧を検出することができる。コンデンサＣ２に充電された直流電圧、つまりＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電圧をＶ１とする。

制御回路３０は、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電圧をフィードバック制御する。具体的には、制御回路３０は、コンデンサＣ２に充電されている電圧を所定の直流電圧にするため、即ち、制御回路３０のＰ１端子電圧が一定電圧になるように、フィードバック制御を行う。制御回路３０は、Ｖｇ１端子からスイッチング素子Ｑ１を動作させるスイッチング信号を出力する。一般にマイコンの動作電源電圧は、ＭＯＳＦＥＴの駆動電圧よりも低い。このため、制御回路３０のＶｇ１端子から一旦ＭＯＳＦＥＴドライバー１８にスイッチング信号を入力する。ＭＯＳＦＥＴドライバー１８は、制御回路３０よりも高い電圧を出力することができる。このため、スイッチング素子Ｑ１を安定してスイッチングできる。

スイッチング素子Ｑ１のソース端子には図示しない検出抵抗が接続され、この検出抵抗の電圧は制御回路３０に入力される。スイッチング素子Ｑ１がオンした時に流れる電流を検出抵抗で電圧変換することで、スイッチング素子Ｑ１の電流値を検出することができる。

昇圧チョッパ回路１２は商用電源ＡＣから出力される力率を高力率にする力率改善回路動作をする。力率改善回路動作では、スイッチング素子Ｑ１のオン幅が商用電源ＡＣの周期において一定に制御される。これにより、スイッチング電流の平均値が商用電源ＡＣの位相に比例する。このとき、昇圧チョッパ回路１２におけるフィードバック制御のフィードバック周期は、商用電源ＡＣの全波整流電圧の周期よりも長い。

また、整流器ＤＢで全波整流された電圧はコンデンサＣ１によって平滑化され、昇圧チョッパ回路１２が動作する電源となる。コンデンサＣ１に発生する電圧は、昇圧チョッパ回路１２の動作により、全波整流電圧となる。

バックコンバータ回路２０は、コンデンサＣ２の電圧を変換して光源４０を点灯させる。バックコンバータ回路２０は、スイッチング素子Ｑ２、コイルＬ２、ダイオードＤ２から構成される。スイッチング素子Ｑ２は例えばＭＯＳＦＥＴである。バックコンバータ回路２０が出力する高周波電圧は、光源４０と並列に接続するコンデンサＣ３で平滑化される。これにより、光源４０に直流電圧が供給される。

コンデンサＣ３および光源４０には抵抗Ｒ４が接続される。抵抗Ｒ４には、バックコンバータ回路２０が出力するスイッチング電流が流れる。抵抗Ｒ４に流れた電流は電圧に変換され、制御回路３０のＰ２端子に入力される。抵抗Ｒ４に流れる電流は、バックコンバータ電流であり、その平均値は光源４０に流れるＬＥＤ電流に等しい。制御回路３０は、抵抗Ｒ４に発生する電圧が一定になるように、Ｖｇ２端子からスイッチング素子Ｑ２を動作させるスイッチング信号を出力する。よって、定電流制御により光源４０は点灯する。このように、バックコンバータ回路２０は、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電圧を供給されて、光源４０を点灯させる定電流回路である。

制御回路３０のＶｇ２端子からのスイッチング信号は、昇圧チョッパ回路１２と同様に、ＭＯＳＦＥＴドライバー１８を介して、スイッチング素子Ｑ２に入力される。これにより、スイッチング素子Ｑ２を安定してスイッチングできる。

コンデンサＣ２に蓄えられた電荷は、制御電源回路部１４で変換され、コンデンサＣ４で平滑されて、ＭＯＳＦＥＴドライバー１８の制御電源として供給される。この制御電源の電圧をＶ２とする。Ｖ２は例えば１５Ｖである。さらに電圧Ｖ２は降圧回路部１６を介して、制御回路３０のＶＤＤ端子に入力され、制御回路３０の制御電源となる。ＶＤＤ端子の電圧は例えば５Ｖである。制御電源回路部１４は、バックコンバータ回路などの降圧コンバータ回路でも良く、フライバック回路などの昇降圧コンバータ回路でも良い。

コンデンサＣ１には、抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続される。抵抗Ｒ１、Ｒ２で抵抗分圧された電圧は、制御回路３０のＰ３端子に入力される。このように制御回路３０は、商用電源ＡＣの電圧を検出して、制御に反映することができる。抵抗Ｒ１、Ｒ２により構成される分圧回路は、交流電源からＡＣ－ＤＣ変換回路への入力電圧Ｖｉｎを検出する電圧検出回路に該当する。

次に商用電源ＡＣが何かしらの事情で電圧低下が発生したときの動作を説明する。図２は、実施の形態１の比較例に係る点灯装置１０の電圧波形およびスイッチング素子Ｑ１のオン幅を示す図である。比較例では、単に昇圧チョッパ回路１２の出力電圧が目標電圧となるようにフィードバック制御が行われる。

時刻Ｔ１にて商用電源ＡＣの電圧低下が発生したとする。このときの電圧の低下量を降下電圧ΔＶと呼ぶ。商用電源ＡＣの低下に伴い、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖ１は低下する。時刻Ｔ２にて制御回路３０はＰ１端子電圧が低下したことを検出する。これにより制御回路３０は、出力電圧Ｖ１を目標電圧に戻すようにフィードバック制御を行う。制御回路３０は、スイッチング素子Ｑ１のオン幅を大きくすることで、出力電圧Ｖ１を目標電圧に戻す。このフィードバック制御は、フィードバック周期が商用電源ＡＣの全波整流電圧の周期よりも長いため、時刻Ｔ１に対して遅延する。時刻Ｔ３にて、スイッチング素子Ｑ１は、商用電源ＡＣが低下している状態で出力電圧Ｖ１が目標電圧になるようなオン幅に設定される。従って、出力電圧Ｖ１は目標電圧に戻る。

時刻Ｔ４にて、商用電源ＡＣが正常な電圧に戻る。このとき、スイッチング素子Ｑ１のオン幅は、電圧低下状態で出力電圧Ｖ１が目標電圧になるように設定されている。このため、商用電源ＡＣが復帰すると、出力電圧Ｖ１は目標電圧よりも上昇する。つまり、出力電圧Ｖ１にオーバーシュートが発生する。

時刻Ｔ５にて、制御回路３０は、Ｐ１端子電圧が上昇したことを検出する。制御回路３０は、出力電圧Ｖ１を目標電圧に戻すようにフィードバック制御を行う。しかし、上述した通りフィードバック制御は、フィードバック周期による遅延のため、時刻Ｔ４から遅れる。制御回路３０は、スイッチング素子Ｑ１のオン幅を小さくし、時刻Ｔ１以前の状態とする。時刻Ｔ６にて、スイッチング素子Ｑ１は、商用電源ＡＣが定常な電圧で出力電圧Ｖ１が目標電圧になるようなオン幅に設定される。

このように、商用電源ＡＣに何かしらの事情で電圧低下が発生したときには、フィードバック制御の遅延により、オーバーシュートが発生するおそれがある。このオーバーシュートにより回路部品に過度な負荷が掛かる可能性がある。また、オーバーシュートを想定して部品を選定することとなり、部品が大型化するおそれがあった。

また、図２では、降下電圧ΔＶのレベルが異なるパターン１～３が示されている。パターン３のようにΔＶが大きいほど、出力電圧Ｖ１のオーバーシュートが大きくなる。このため、さらに部品が大型化するおそれがある。

図３は、実施の形態１に係る点灯装置１０の電圧波形およびスイッチング素子Ｑ１のオン幅を示す図である。本実施の形態の制御回路３０は、入力電圧Ｖｉｎが定常状態よりも予め定められた降下電圧ΔＶ以上低下した状態が、予め定められた電圧降下時間ΔＴだけ継続すると、ＡＣ－ＤＣ変換回路の出力電圧Ｖ１を定常状態よりも低下させる。また、制御回路３０はＰ３端子で、商用電源ＡＣの全波整流電圧に比例した入力電圧Ｖｉｎを検出する。

時刻Ｔ１にて商用電源ＡＣの電圧低下が発生する。商用電源ＡＣの低下に伴い、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖ１が低下する。時刻Ｔ２において、制御回路３０はＰ３端子から、商用電源ＡＣの電圧低下が予め定められた電圧降下時間ΔＴだけ継続したことを検出する。電圧降下時間ΔＴは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間である。これにより制御回路３０は、昇圧チョッパ回路１２の動作を停止させる。つまり制御回路３０は、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持する。時刻Ｔ３にて、商用電源ＡＣが復帰して正常な電圧に戻る。制御回路３０はＰ３端子により入力電圧Ｖｉｎの復帰を検出する。これにより制御回路３０は、スイッチング素子Ｑ１を再び動作させる。時刻Ｔ４において、昇圧チョッパ回路１２の動作は正常な状態に戻る。以降、制御回路３０は、出力電圧Ｖ１が目標電圧になるように制御を行う。

このように本実施の形態では、入力電圧Ｖｉｎが定常状態よりも降下電圧ΔＶ以上低下した状態が電圧降下時間ΔＴだけ継続すると、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖ１を定常状態よりも低下させる。このため、商用電源ＡＣが正常電圧に復帰したときに、出力電圧Ｖ１のオーバーシュートを抑制できる。また、本実施の形態では、商用電源ＡＣの低下に伴い予め出力電圧Ｖ１を低下させる。このため、商用電源ＡＣの復帰を検出してから点灯回路の動作を制限する場合よりも、精度よくオーバーシュートを抑制できる。従って、高精度な保護動作が可能となる。また、回路部品の負荷を小さくすることができ、過剰な部品の大型化を回避できる。これにより、省エネ、かつ、省資源な点灯装置を提供できる。

また、本実施の形態では、例えばＬＥＤ電流を検出して間接的に商用電源ＡＣの低下を検出するのでは無く、整流器ＤＢの出力から直接的に入力電圧Ｖｉｎを検出する。従って、商用電源ＡＣの変動に対して、高精度な保護動作が可能となる。また、ＬＥＤ電流に変化が起きる前に保護動作することができる。即ち、光の変化を抑制でき、使用者の違和感を抑制できる。

本実施の形態の制御回路３０は、時刻Ｔ２にて昇圧チョッパ回路１２の動作を停止させる。このため、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの出力電圧Ｖ１は、商用電源ＡＣの全波整流電圧に等しい。これに限らず、時刻Ｔ２において制御回路３０は、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧Ｖ１を定常状態よりも低下させれば良い。定常状態とは、入力電圧Ｖｉｎが定常値であり、出力電圧Ｖ１が目標電圧に一致した状態である。時刻Ｔ２におけるスイッチング素子Ｑ１のオン幅は、入力電圧Ｖｉｎの復帰時にオン幅が過剰に大きくならないように制限されれば良い。

図４は、実施の形態１の変形例に係る電圧降下時間ΔＴと降下電圧ΔＶの関係を示す図である。図５は、実施の形態１の変形例に係る点灯装置１０の電圧波形およびスイッチング素子Ｑ１のオン幅を示す図である。降下電圧ΔＶが大きいほど電圧降下時間ΔＴは小さくても良い。降下電圧ΔＶが大きくなるほど出力電圧Ｖ１のオーバーシュートは大きくなり易い。このため、降下電圧ΔＶが大きいほど保護動作の検出時間である電圧降下時間ΔＴを短くすると良い。

図４に示されるように、電圧降下時間ΔＴと降下電圧ΔＶを逆数のような関係とするのが望ましい。これにより、降下電圧ΔＶが大きいほど電圧降下時間ΔＴを早めることができる。従って、より安全な制御を実現できる。電圧降下時間ΔＴと降下電圧ΔＶの関係性は、部品の定格、制御の応答性、入出力電圧等を考慮して自由に設定できる。

逆に降下電圧ΔＶが小さい場合、出力電圧Ｖ１のオーバーシュートが小さい。このため、電圧低下が継続する時間が短い場合は昇圧チョッパ回路１２の動作を停止させなくてよい。これにより瞬間的なノイズによる誤動作を回避できる。また、停止動作による光源４０のちらつきを抑制できる。従って、使用者にとって快適な環境を作ることできる。

図５において、保護を行うタイミングがＶｓｌで示されている。図５の例では、パターン３のみで昇圧チョッパ回路１２の動作を停止させるようなΔＴとΔＶが設定されている。

次に、降下電圧ΔＶと商用電源ＡＣの関係について説明する。商用電源ＡＣには例えばＡＣ１００Ｖ、２００Ｖ、２４２Ｖなど、さまざまな電圧がある。本実施の形態の昇圧チョッパ回路１２は、このような複数の種類の交流電源を供給されて、予め定められた出力電圧Ｖ１を出力可能である。昇圧チョッパ回路１２は例えばＡＣ１００Ｖから２４２Ｖまでの入力電圧Ｖｉｎに対して、動作周波数またはオンＤＵＴＹを変更することで、予め定められた出力電圧Ｖ１を出力できる。

降下電圧ΔＶはできるだけ小さいほうが、商用電源ＡＣの電圧低下に対する保護動作として効果的である。昇圧チョッパ回路１２に入力が許容される商用電源ＡＣの最大値をＶ３＝２４２Ｖとして、最小値をＶ４＝１００Ｖとする。このとき、降下電圧ΔＶは最小値Ｖ４よりも小さいことが望ましい。つまり、ΔＶ＜Ｖ４である。降下電圧ΔＶが１００Ｖよりも大きいと、商用電源ＡＣが１００Ｖのときには商用電源ＡＣが降下しても保護動作をすることができないためである。このように、降下電圧ΔＶは、ＡＣ－ＤＣ変換回路に入力され得る複数の種類の交流電源のうち、最小の交流電源の電圧よりも小さいと良い。

制御回路３０は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、マイコン等で構成できる。制御回路３０は、例えばプロセッサ等の制御部、メモリおよびタイマを備える。メモリは、図４に示される降下電圧ΔＶと電圧降下時間ΔＴの関係を記憶する。タイマは、入力電圧Ｖｉｎが低下してから経過した時間を計測する。制御部は、ΔＶとΔＴの関係と、入力電圧Ｖｉｎが低下してから経過した時間に基づき、スイッチング素子Ｑ１のオン幅を制御する。

なお、本実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

１０ 点灯装置、１２ 昇圧チョッパ回路、１４ 制御電源回路部、１６ 降圧回路部、１８ ＭＯＳＦＥＴドライバー、２０ バックコンバータ回路、３０ 制御回路、４０ 光源、１００ 照明器具、ＡＣ 商用電源、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ、Ｄ１、Ｄ２ ダイオード、ＤＢ 整流器、Ｌ１、Ｌ２ コイル、Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６ 抵抗

Claims (5)

1. 交流電源を供給されて、スイッチング素子のオンオフにより出力電圧を出力して、光源を点灯させるＡＣ－ＤＣ変換回路と、
   前記交流電源から前記ＡＣ－ＤＣ変換回路への入力電圧を検出する電圧検出回路と、
   前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧をフィードバック制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記入力電圧が定常状態よりも降下電圧以上、低下した状態が電圧降下時間だけ継続すると、前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧を前記定常状態よりも低下させ、
   前記降下電圧が大きいほど前記電圧降下時間は小さいことを特徴とする点灯装置。
2. 前記フィードバック制御のフィードバック周期は、前記交流電源の全波整流電圧の周期よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。
3. 前記ＡＣ－ＤＣ変換回路は、複数の種類の前記交流電源を供給されて予め定められた出力電圧を出力可能であり、
   前記降下電圧は、前記複数の種類の交流電源のうち最小の交流電源の電圧よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の点灯装置。
4. 前記ＡＣ－ＤＣ変換回路の前記出力電圧を供給されて、前記光源を点灯させる定電流回路を備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の点灯装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の点灯装置と、
   前記光源と、
   を備えることを特徴とする照明器具。

Images