JP5622470B2 - 照明用点灯装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、入力交流電圧がゼロ電圧に近づくと、インダクタL1に流せる電流値が小さくなってインダクタL1に蓄積されるエネルギーは少なくなる。また、入力交流電圧と昇圧された電解コンデンサC0の端子間電圧との電位差も大きくなる。その結果、交流入力電圧がゼロ電圧に近い期間には、インダクタL1とスイッチング素子Q1による昇圧動作が正常に行われず、スイッチング素子Q1だけが意味のないオンオフ駆動を続けることになる。
また、入力交流電圧の増減に応じてスイッチング周期を変化させる制御を行った場合には、交流入力電圧がゼロ電圧に近い期間でのスイッチング周期が短くなる。そのため、交流入力電圧がゼロ電圧に近い期間にスイッチング素子Q1を駆動させることが、電流の急激な変化に伴う高周波ノイズの発生原因になっていた。
スイッチング素子Q1での電力ロスを低減させるため、全波整流回路2の出力端の電圧を抵抗R10、R11により分圧した電圧をバッファ回路IC1に入力し、スイッチング素子Q1のゲートをダイオードD2のアノード・カソード間を介してバッファ回路IC1の出力に接続している。このようにして、入力電圧が所定電位よりも低くなった場合には、バッファ回路IC1の出力がLOWレベルとなり、ダイオードD2を介してスイッチング素子Q1のゲート電位をLOWレベルにクランプするので、スイッチング素子Q1は強制的にOFFされる。これにより、入力電圧の低い期間でのスイッチング素子Q1による電力ロスが低減される。
その目的は、力率改善用のスイッチング素子のみならず、このスイッチング素子の駆動回路をも含めて、力率改善用の回路全体の電力ロスを低減させることにある。これによって、照明用点灯装置の回路損失を最小限に止め、照明機器の消費電力の削減を図ることができる照明用点灯装置を提供することにある。また、別の目的は、スイッチング素子の駆動を停止させる期間があっても、一定の力率が得られる照明用点灯装置を提供することである。
すなわち、前記課題を解決するために本発明にかかる照明用点灯装置は、交流電圧を全波整流し、照明器具に対して並列接続された電解コンデンサを介して、該照明器具に点灯電流を供給する照明用点灯装置であって、
前記電解コンデンサの正極に向けて全波整流後の整流電流を供給するインダクタおよびダイオードの直列回路、および、前記インダクタおよびダイオードの接続点と前記電解コンデンサの負極とを結んで前記電解コンデンサに対して並列に接続されたスイッチング素子を有する充電手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記スイッチング素子のオン状態で前記インダクタに整流電流によるエネルギーを蓄積し、オフ状態で前記エネルギーを放出して前記ダイオードを介して前記電解コンデンサを充電する。
前記検出電圧値が所定電圧値未満の場合に、前記決定手段が、スイッチング素子の停止を決定して前記駆動回路による駆動電流の供給を停止させることを特徴とする。
全波整流後の整流電圧を一次電圧として二次電圧を前記電解コンデンサに印加するように設けられたトランスを有し該電解コンデンサを充電する充電手段と、
前記充電手段を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記トランス以外に、該トランスの一次巻線に直列接続されて二次巻線に二次電圧を誘起させるスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて二次電流を整流するダイオードを有して、整流された二次電流を電解コンデンサの正極に供給する。
前記検出電圧値が所定電圧値未満の場合に、前記決定手段が、スイッチング素子の停止を決定して前記駆動回路による駆動電流の供給を停止させることを特徴とする。
さらに、本発明の照明用点灯装置では、前記決定手段は、前記検出電圧値から整流電圧の実効値を得て、該実効値に応じて前記所定電圧値を算出し、該所定電圧値を用いて前記スイッチング素子の駆動・停止を決定することが好ましい。
また、交流入力電圧がゼロ電圧に近い期間のオンオフ駆動を停止させるため、入力交流電圧に応じてスイッチング周期を変化させる制御を行ったとしても、高周波ノイズの発生を抑制できる。
また、本発明によれば、所定電圧値を整流電圧の実効値に基づいて算出し、該所定電圧値を用いてスイッチング素子の駆動・停止を決定するようにした。よって、整流電圧の実効値が変動した場合であっても、変動に応じて最適な所定電圧値に自動的に調整される。例えば、整流電圧の実効値の変動に関わらず力率が一定になるように所定電圧値を予め設定することが容易に可能となり、所定期間だけスイッチング素子の駆動を停止させる制御を行っても、一定の力率を得ることができる。
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
図1に本実施形態にかかる放電灯点灯装置の回路構成を示す。放電灯点灯装置は、交流電流を用いて所定の周期で交番する直流電流を生成し、これを高圧放電灯(HIDランプ)Laに供給して点灯させるための装置であり、直流電源回路7と電力変換回路3に大別される。直流電源回路7は、交流電源ACから安定した直流電力を作り出し、後段に接続された電力変換回路3に直流電力を供給する。また、電力変換回路3は高圧放電灯Laのランプ電圧に応じて、直流電力を適切な電力に変換するとともに、所定の周期で交番させて放電灯に供給する。
直流電源回路7は、図1に示すように、ダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路2と、力率改善回路8と、制御手段11とを有する。
全波整流回路2の後段に接続された力率改善回路8は、アクティブ平滑フィルターとも呼ばれ、全波整流回路2に入力される交流電流を歪みのない正弦波に整形することができる回路である。
充電手段9は、電解コンデンサC2の正極に向けて全波整流後の整流電流を供給するインダクタL1とダイオードD1との直列回路、および、インダクタL1とダイオードD1間の接続点と電解コンデンサC2の負極とを結ぶスイッチング素子Q1を有する。スイッチング素子Q1は、ダイオードD1と電解コンデンサC2に対して並列に接続されている。
力率改善回路8は、具体的には以下のように各素子が接続されている。まず、全波整流回路2の出力端間に平滑コンデンサC1を接続する。平滑コンデンサC1は、スイッチング動作にともない、この平滑コンデンサC1の端子間に発生する高周波電圧成分を除去する。また、平滑コンデンサC1の端子間に、整流電圧V1の分圧を検出するための抵抗R1、R2の直列回路を並列に接続する。
電力変換回路3は、出力直流電圧V2をランプごとの定格で決まる電力値で点灯動作できるランプ電圧に変換したあとで、所定の周期で交番させて、交番するランプ電流を放電灯Laに供給する回路である。言い換えると、電力変換回路3は電解コンデンサC2に蓄えられた電荷を用いて、放電灯Laにランプ電流を供給する。従って、スイッチング素子Q1のオフ状態では消費された電解コンデンサC2の電荷が、インダクタL1の放出エネルギーで補充されると言える。このようにして電解コンデンサ電圧である出力直流電圧V2は、電力変換回路3を介して放電灯Laに印加されることになる。
ADコンバータ4は整流電圧V1の瞬時値の絶対値を検出する。本実施形態では、平滑コンデンサC1の端子電圧である整流電圧V1が抵抗R2、R1によって分圧されて、ADコンバータ4が認識可能な電圧レベルに落とされる。ADコンバータ4は、分圧された電圧をアナログデータとして検出して、これをマイクロコンピュータ1が認識可能なデジタルデータ(数値)に変換し、これをマイクロコンピュータ1に向けて出力する。
同様に、電解コンデンサC2の端子電圧である出力直流電圧V2は、抵抗R4、R3によって分圧され、ADコンバータ6を介してマイクロコンピュータ1に入力される。
駆動回路5は、指令信号に基づいてスイッチング素子(MOSFET)Q1を駆動する駆動電流を供給して、スイッチング素子Q1を決定されたスイッチング周期とオンデューティでオンオフ駆動させる。なお、駆動回路5は、スイッチング素子Q1への駆動電流を停止する間は、回路内で消費される電力がゼロとなるように設計されている。
正弦波状の交流電圧(同図A)は全波整流回路2で脈動する整流電圧V1に整流される(同図B)。なお出力直流電圧V2はV1よりも大きい一定値となる。スイッチング素子Q1の駆動により、インダクタL1でのエネルギーの蓄積と放出が繰り返されて、インダクタL1を流れる電流IL、すなわち入力交流電流は正弦波状に整形される(同図C)。オン状態でインダクタL1からダイオードD1に流れる電流は不連続となるが、その低周波成分は図3(D)のような波形になる。例えば電力変換回路3への出力電流I2が、ダイオード電流IAの平均値であるとすれば、ダイオード電流IAのうち、出力電流I2を超える分は、電解コンデンサC2に充電される。ダイオード電流IAが出力電流I2に達しない期間は、電解コンデンサC2から放出される電荷によって補充される。
本発明では、整流電圧V1が所定電圧値V0未満になる期間は、オンオフ駆動を停止させて、整流電圧V1が大きい期間で昇圧動作を実行するようにすることで、スイッチング素子Q1での熱損失を可能な限り小さくして直流電源回路7の回路効率の改善を図った。従って、本発明における交流電源からの入力交流電流の波形は、図3(E)のようになり、オンオフ駆動の停止期間TSTOPでの入力電流はゼロとなる。
同図Aは、交流電流の半周期分におけるダイオード電流IAの高周波成分を模式的に示す。なお、同図Aは、オンオフ駆動を停止させる制御を行わない場合を示す。整流電圧V1が大きい期間でのダイオード電流IAは大きく、スイッチング周期も長い。一方、整流電圧V1が小さくほぼゼロ付近になる期間では、ダイオード電流IAは小さく、スイッチング周期は短くなる。
従って、力率改善回路8の停止期間には、駆動回路5からの駆動電流をゼロにできるだけでなく、駆動回路5自身の消費電力(消費電流)もゼロとなり、駆動回路5全体での電力ロスが一層低減できるようになっている。
図7に本実施形態にかかるLED照明点灯装置の回路構成を示す。この点灯装置は、交流電流を用いて直流電流を生成し、これをLEDランプ(以降LEDと示す)に供給して点灯させるための装置であり、直流電源回路とも呼ばれる。
本発明のポイントとなるLED照明点灯装置の制御システムに関して詳しく説明する。
LED照明点灯装置は、図7に示すように、ダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路2と、力率改善回路8と、制御手段11とを有する。
全波整流回路2の後段に接続された力率改善回路8は、アクティブ平滑フィルターとも呼ばれ、全波整流回路2に入力される交流電流を歪みのない正弦波に整形することができる回路である。
すなわち、制御回路11は、図7のように、LEDに流れるランプ電流を抵抗R6を介して検出し、絶縁のためのフォトカプラー10を通して当該電流を認識する。そして、制御回路11は、検出されたランプ電流値が予め設定されている電流値に近づくようにスイッチング素子Q1のスイッチングのON時間幅(オンデューティ)を制御することで、オン状態でトランスTの磁性体に磁場のエネルギーとして蓄積され、オフ状態で二次側に誘起される二次電圧に基づいて流れる電流の定電流制御をおこない、LEDの電流値を安定化させる。
電解コンデンサC2の負極側とLEDランプとの結線上には、ランプ電流検出用の抵抗R6が配設されている。また、平滑コンデンサC1の端子間には、整流電圧V1の分圧を検出するための抵抗R1、R2の直列回路が並列に接続されている。
上記の回路構成において、想定される電源電圧の実効値の変動幅を、85V〜110Vとする。電源電圧の実効値が変動しても一定の力率を維持するように、閾値電圧(本発明の所定電圧値V0に相当)を予めプログラム計算により算出する。力率を98%にした場合での電源電圧の実効値と閾値電圧とのデータ・テーブルを表1に示す。
閾値電圧=a×電源電圧(実効電圧値)+b
パラメータa、bは、上記のデータ・テーブルから最小自乗法により容易に得られる。力率を98%に維持させる場合の閾値電圧の算出式は、以下に示す。
(数1)
閾値電圧 = 0.622857 × 電源電圧(実効値) + 0.304762
閾値電圧 = 0.705714 × 電源電圧(実効値) + 0.47619
閾値電圧 = 0.830857 × 電源電圧(実効値) − 0.07524
目標の力率(例えば90%〜99%の範囲で1%毎)に対する閾値電圧の算出式のパラメータa、bをマイクロコンピュータ1の記憶手段に記憶させておく。そして、ADコンバータ4の検出値(電源電圧の瞬時値)から実効電圧値を計算で求め、実効電圧値に対応するパラメータa、bを記憶手段から読み取って閾値電圧を算出する。
本実施形態では、スイッチング周期が約20μ秒で、電源電圧の瞬時値が閾値電圧より大きいかどうかの判定間隔が約100μ秒である。実効電圧値の算出には、交流の半周期以上の時間が必要です。したがって、50Hzの場合、上記のパラメータa、bを読み取る間隔を約5m秒に設定してもよい。
2 全波整流回路
3 電力変換回路
4 入力電圧用のADコンバータ
5 MOSFET駆動回路
6 出力電圧用のADコンバータ
7 直流電源回路
8 力率改善回路
9 充電回路(充電手段)
11 制御手段
AC 交流電源
C1 平滑コンデンサ
C2 電解コンデンサ
D1 ダイオード
L1 インダクタ
La 放電灯
Q1 MOSFET
R1 抵抗器
R2 抵抗器
R3 抵抗器
R4 抵抗器
Claims (3)
- 交流電圧を全波整流し、照明器具に対して並列接続された電解コンデンサを介して、該照明器具に点灯電流を供給する照明用点灯装置において、
前記電解コンデンサの正極に向けて全波整流後の整流電流を供給するインダクタおよびダイオードの直列回路、および、前記インダクタおよびダイオードの接続点と前記電解コンデンサの負極とを結んで前記電解コンデンサに対して並列に接続されたスイッチング素子を有する充電手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記スイッチング素子のオン状態で前記インダクタに整流電流によるエネルギーを蓄積し、オフ状態で前記エネルギーを放出して前記ダイオードを介して前記電解コンデンサを充電し、
前記制御手段は、全波整流後の整流電圧の瞬時値を検出する入力電圧検出手段と、
該検出電圧値に応じて前記スイッチング素子の駆動・停止を決定する決定手段と、
前記決定手段の決定に基づき前記スイッチング素子に駆動電流を供給してオンオフ駆動させる駆動回路と、を有し、
前記決定手段は、前記検出電圧値から整流電圧の実効値を得て、該実効値に応じて所定電圧値を算出し、前記検出電圧値が当該所定電圧値未満の場合に、スイッチング素子の停止を決定して前記駆動回路による駆動電流の供給を停止させることを特徴とする照明用点灯装置。 - 交流電圧を全波整流し、照明器具に対して並列接続された電解コンデンサを介して、該照明器具に点灯電流を供給する照明用点灯装置において、
全波整流後の整流電圧を一次電圧として二次電圧を前記電解コンデンサに印加するように設けられたトランスを有し該電解コンデンサを充電する充電手段と、前記充電手段を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記トランス以外に、該トランスの一次巻線に直列接続されて二次巻線に二次電圧を誘起させるスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて二次電流を整流するダイオードを有して、整流された二次電流を電解コンデンサの正極に供給し、
前記制御手段は、前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御するものであって、オン状態で前記トランスに整流電圧を印加してオフ状態で二次電圧を誘起させるとともに、
全波整流後の整流電圧の瞬時値を検出する入力電圧検出手段と、
該検出電圧値に応じて前記スイッチング素子の駆動・停止を決定する決定手段と、
前記決定手段の決定に基づき前記スイッチング素子に駆動電流を供給してオンオフ駆動させる駆動回路と、を有し、
前記決定手段は、前記検出電圧値から整流電圧の実効値を得て、該実効値に応じて所定電圧値を算出し、前記検出電圧値が当該所定電圧値未満の場合に、スイッチング素子の停止を決定して前記駆動回路による駆動電流の供給を停止させることを特徴とする照明用点灯装置。 - 請求項1または2記載の照明用点灯装置において、
前記駆動回路は、前記スイッチング素子への駆動電流を停止する間、回路内電力消費がゼロとなるように構成されていることを特徴とする照明用点灯装置。
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