(実施形態1)
以下、本発明に係る点灯装置の実施形態1について図面を用いて説明する。本実施形態は、図1に示すように、フィルタ回路1と、整流回路2と、昇圧チョッパ回路3と、制御用電源回路4と、降圧チョッパ回路5と、発振回路6と、パルス幅設定回路7と、調光回路8と、電源遮断検出回路9とを備える。また、降圧チョッパ回路5の出力端子CN2には、複数(本実施形態では、32個)の発光ダイオード(発光素子)LD1を直列に接続して成る光源部10が接続されている。なお、光源部10は、複数の発光ダイオードLD1を並列に接続する、又は直列に接続したものを並列に接続する構成であってもよい。
フィルタ回路1は、図2に示すように、商用電源VS1が接続される入力端子CN1と、電流ヒューズF1と、サージ保護素子SPD1と、フィルタコンデンサCF1と、ラインフィルタLF1とを備え、商用電源VS1の電源ノイズをカットする。入力端子CN1は、電流ヒューズF1を介してラインフィルタLF1の入力端子に接続されている。また、ラインフィルタLF1の入力端子には、サージ保護素子SPD1とフィルタコンデンサCF1とが並列に接続されている。ラインフィルタLF1の出力端子は、後述する整流回路2の全波整流器DB1の入力端子に接続されている。
整流回路2は、図2に示すように、ダイオードブリッジから成る全波整流器DB1を備え、全波整流器DB1の出力端子には、高周波バイパス用のコンデンサC1が並列に接続されている。全波整流器DB1の出力端子の負極は、回路基板上のグランドであって、コンデンサC2,C3の直列回路を介してシャーシ電位に高周波的に接地されている。
昇圧チョッパ回路3は、図2に示すように、インダクタL1と、MOSFETより成るスイッチング素子Q3と、ダイオードD1と、平滑コンデンサC4と、PFC制御回路IC1とを備える。全波整流器DB1の出力端子の正極は、インダクタL1を介してスイッチング素子Q3のドレイン端子、及びダイオードD1のアノード端子に接続されている。スイッチング素子Q3のソース端子は、電流検出抵抗R1を介して全波整流器DB1の出力端子の負極に接続されている。ダイオードD1のカソード端子は、平滑コンデンサC4の正極に接続されている。平滑コンデンサC4の負極は、全波整流器DB1の出力端子の負極に接続されている。
平滑コンデンサC4は、アルミ電解コンデンサ等より成る大容量のコンデンサであり、その両端には高周波バイパス用の小容量のコンデンサC5が並列に接続されている。コンデンサC5はフィルムコンデンサ等より成り、平滑コンデンサC4を流れる高周波成分をバイパスする。そして、昇圧チョッパ回路3は、スイッチング素子Q3のオン/オフを高周波で切り替えることにより、全波整流器DB1から出力される脈流電圧を昇圧し、また、平滑コンデンサC4によって平滑化することで直流電圧(例えば、410V)を出力する。したがって、本実施形態では、上記の商用電源VS1と、フィルタ回路1と、整流回路2と、昇圧チョッパ回路3とで直流電力を出力する直流電源回路を構成している。
PFC制御回路IC1は、STマイクロエレクトロニクス社製のL6562Aで構成される。この制御回路IC1の1番ピン(INV)は内蔵の誤差増幅器(図示せず)の反転入力端子、2番ピン(COMP)は誤差増幅器の出力端子、3番ピン(MULT)は内蔵の乗算回路(図示せず)の入力端子、4番ピン(CS)はチョッパ電流の検出用端子である。また、この制御回路IC1の5番ピン(ZCD)はゼロクロスの検出用端子、6番ピン(GND)はグランド端子、7番ピン(GD)はゲートドライブ端子、8番ピン(Vcc)は電源端子である。
昇圧チョッパ回路3の入力電圧であるコンデンサC1の両端電圧は、商用電源VS1の交流電源電圧を全波整流した脈流電圧となる。この脈流電圧は、抵抗R2〜R4と抵抗R5とにより分圧され、PFC制御回路IC1の3番ピンに入力される。これにより、コンデンサC1の両端電圧を検出する。3番ピンに接続された内蔵の乗算回路は、全波整流器DB1を介して商用電源VS1から引き込まれる入力電流の電流波形が脈流電圧波形と相似形となるように制御するために用いられる。
平滑コンデンサC4の両端電圧は、抵抗R6〜R9の直列回路と、抵抗R10及び可変抵抗VR1の直列回路とで分圧され、PFC制御回路IC1の1番ピンに入力される。これにより、平滑コンデンサC4の両端電圧を検出する。なお、1番ピンと2番ピンとの間に接続されたコンデンサC6,C7及び抵抗R1は、内蔵の誤差増幅器の帰還インピーダンスである。電流検出抵抗R1の両端電圧は、抵抗R12及びコンデンサC8より成るノイズフィルタ回路を介してPFC制御回路IC1の4番ピンに入力される。これにより、スイッチング素子Q3を流れる電流を検出する。インダクタL1の2次巻線N1の一端は、PFC制御回路IC1の6番ピンに接続されることで回路グランドに接続され、他端は抵抗R13を介してPFC制御回路IC1の5番ピンに入力されている。これにより、インダクタL1に蓄積されたエネルギーを検出する。
PFC制御回路IC1の7番ピンはゲートドライブ端子であって、当該端子がハイレベルになると、抵抗R14を介して抵抗R15に電流が流れ、抵抗R15の両端電圧が上昇する。そして、抵抗R15の両端電圧がスイッチング素子Q3のゲート−ソース間の閾値電圧以上となることにより、スイッチング素子Q3がオンに切り替わる。また、ゲートドライブ端子がローレベルになると、ダイオードD2及び抵抗R16を介してスイッチング素子Q3のゲート−ソース間に蓄積された電荷が放電されることにより、スイッチング素子Q3がオフに切り替わる。
PFC制御回路IC1は、4番ピンで検出されるスイッチング素子Q3を流れる電流が所定のピーク値に達すると、スイッチング素子Q3をオフに切り替える。また、PFC制御回路IC1は、5番ピンで検出されるインダクタL1のエネルギーが放出されると、スイッチング素子Q3を再度オンに切り替える。また、PFC制御回路IC1は、3番ピンで検出される脈流電圧が高い場合にはスイッチング素子Q3のオン時間が長くなるように制御し、脈流電圧が低い場合にはスイッチング素子Q3のオン時間が短くなるように制御する。更に、PFC制御回路IC1は、1番ピンで検出される平滑コンデンサC4の両端電圧が目標値よりも高い場合にはスイッチング素子Q3のオン時間が短くなるように制御し、目標値よりも低い場合にはスイッチング素子Q3のオン時間が長くなるように制御する。これにより、PFC制御回路IC1は、スイッチング素子Q3を流れるピーク電流が目標値と一致するように制御する。
制御用電源回路4は、図2に示すように、平滑コンデンサC4に接続されるIPD素子IC2と、その周辺回路とで構成される。IPD素子IC2は、所謂インテリジェント・パワー・デバイスであって、例えばパナソニック社製のMIP2E2Dより成る。IPD素子IC2は、ドレイン端子、ソース端子、コントロール端子を有する3ピンのICであって、その内部にはパワーMOSFETより成るスイッチング素子と、そのオン/オフを制御する制御回路とが内蔵されている。
このIPD素子IC2に内蔵のスイッチング素子と、インダクタL2と、平滑コンデンサC9と、ダイオードD3とで降圧チョッパ回路が構成されている。また、ツェナーダイオードZD1と、ダイオードD4と、平滑コンデンサC10と、コンデンサC11とでIPD素子IC2の電源回路が構成されている。平滑コンデンサC9の両端電圧は、他の集積回路IC1、及び後述する集積回路IC3,IC4,IC5に制御用の電源電圧を供給する電源電圧VC1となる。したがって、IPD素子IC2が動作を開始するまでは平滑コンデンサC9が充電されていないため、他の集積回路IC1,IC3,IC4,IC5は動作しない。
以下、制御用電源回路4の動作について説明する。電源を投入した初期において、平滑コンデンサC4が全波整流器DB1の出力電圧により充電されると、IPD素子IC2のドレイン端子→コントロール端子→平滑コンデンサC10→インダクタL2→平滑コンデンサC9の経路で電流が流れる。これにより、平滑コンデンサC9が図2に示す極性で充電され、IPD素子IC2に動作電圧を供給する。すると、IPD素子IC2が動作を開始し、内蔵のスイッチング素子のオン/オフが開始される。
IPD素子IC2のスイッチング素子がオンのとき、平滑コンデンサC4→IPD素子IC2のドレイン端子→ソース端子→インダクタL2→平滑コンデンサC9の経路で電流が流れ、平滑コンデンサC9が充電される。当該スイッチング素子がオフに切り替わると、インダクタL2に蓄積されたエネルギーがダイオードD3を介して平滑コンデンサC9に放出される。これにより、IPD素子IC2と、インダクタL2と、ダイオードD3と、平滑コンデンサC9とから成る回路が降圧チョッパ回路として動作し、平滑コンデンサC9の両端には、平滑コンデンサC4の電圧を降圧した電源電圧VC1が発生する。
また、IPD素子IC2のスイッチング素子がオフのとき、ダイオードD3を介して回生電流が流れるが、インダクタL2の両端電圧は、平滑コンデンサC9の両端電圧と、ダイオードD3の順方向電圧との和の電圧にクランプされる。この和電圧から、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧とダイオードD4の順方向電圧との和の電圧を差し引いた電圧が、平滑コンデンサC10の両端電圧となる。IPD素子IC2に内蔵された制御回路は、平滑コンデンサC10の両端電圧が一定となるようにスイッチング素子のオン/オフを制御する。これにより、結果として平滑コンデンサC9の両端電圧も一定となるように制御される。
平滑コンデンサC9の両端に電源電圧VC1が発生すると、PFC制御回路IC1が動作を開始して昇圧チョッパ回路3が動作する。そして、後述する第1のタイマ回路IC3及び第2のタイマ回路IC4も動作を開始することにより、後述する降圧チョッパ回路5のスイッチング素子Q1のオン/オフ制御も開始される。また、後述するバッファ回路IC5も動作を開始することで、調光動作が可能となる。
降圧チョッパ回路5は、図2に示すように、インダクタL3と、MOSFETより成るスイッチング素子Q1(第1のスイッチング素子)と、ダイオードD5と、平滑コンデンサC12とを備える。そして、降圧チョッパ回路5は、スイッチング素子Q1のオンパルス幅を可変制御することで平滑コンデンサC4の両端電圧を降圧して平滑コンデンサC12を充電する。平滑コンデンサC4の正極には、平滑コンデンサC12の正極が接続されている。平滑コンデンサC12の負極は、インダクタL3を介してスイッチング素子Q1のドレイン端子、及びダイオードD5のアノード端子に接続されている。ダイオードD5のカソード端子は、平滑コンデンサC12の正極に接続されている。スイッチング素子Q1のソース端子は、平滑コンデンサC4の負極に接続されている。また、平滑コンデンサC12の両端には、後述する電流調整回路50が並列に接続されている。この平滑コンデンサC12の両端電圧は、出力端子CN2を介して光源部10に印加される。
発振回路6は、図2に示すように、第1のタイマ回路IC3を備え、時定数設定用の抵抗R21及びコンデンサC18が外付けされることにより、無安定マルチバイブレータとして動作する。パルス幅設定回路7は、図2に示すように、第2のタイマ回路IC4を備え、時定数設定用の抵抗R23、可変抵抗VR2、及びコンデンサC19が外付けされることにより、単安定マルチバイブレータとして動作する。また、抵抗R23及び可変抵抗VR2の直列回路には、フォトカプラPC1の受光素子が並列に接続されており、単安定マルチバイブレータの出力信号のパルス幅をフォトカプラPC1の光信号強度に応じて可変制御している。
第1のタイマ回路IC3及び第2のタイマ回路IC4は、何れも周知のタイマIC(所謂「555」)であり、例えばルネサスエレクトロニクス社製のUPD5555又はそのデュアル版であるUPD5556、若しくはこれらの互換品から成る。各タイマ回路IC3,IC4の1番ピンはグランド端子、8番ピンは電源端子である。各タイマ回路IC3,IC4において、電源端子とグランド端子との間に接続されるコンデンサC14,C15は、何れもバイパス用の小容量のコンデンサであり、電源電圧VC1のノイズを除去する。
各タイマ回路IC3,IC4の5番ピンは制御端子であり、内蔵の分圧抵抗によって通常は電源電圧VC1の2/3となる基準電圧が印加される。各タイマ回路IC3,IC4において、5番ピンと1番ピンとの間に接続されるコンデンサC16,C17は、何れもバイパス用の小容量のコンデンサであり、5番ピンに印加される基準電圧のノイズを除去する。
各タイマ回路IC3,IC4の2番ピンはトリガ端子であり、この端子電圧が5番ピンの基準電圧の半分(電源電圧VC1の1/3)よりも低くなると、内蔵されたフリップフロップの出力が反転して3番ピン(出力端子)がハイレベルとなり、7番ピン(放電端子)が開放状態となる。また、各タイマ回路IC3,IC4の6番ピンはスレッショルド端子である。この端子電圧が5番ピンの基準電圧よりも高くなると、内蔵されたフリップフロップの出力が反転して3番ピン(出力端子)がローレベルとなり、7番ピン(放電端子)は1番ピンと短絡された状態となる。各タイマ回路IC3,IC4の4番ピンはリセット端子であり、この端子電圧がローレベルになると動作停止状態となり、3番ピン(出力端子)はローレベルに固定される。
発振回路6では、第1のタイマ回路IC3の2番ピン(トリガ端子)と6番ピン(スレッショルド端子)とにそれぞれコンデンサC18の両端電圧が入力され、内部の基準電圧と比較される。
以下、発振回路6の動作について説明する。電源を投入した初期においては、コンデンサC18の両端電圧が2番ピン(トリガ端子)で比較される基準電圧(電源電圧VC1の1/3)よりも低いため、3番ピン(出力端子)がハイレベルとなり、7番ピン(放電端子)は開放状態となる。したがって、電源電圧VC1が抵抗R21,R22を介してコンデンサC18に印加されることにより、コンデンサC18が充電される。
次に、コンデンサC18の両端電圧が6番ピン(スレッショルド端子)で比較される基準電圧(電源電圧VC1の2/3)よりも高くなると、3番ピン(出力端子)はローレベルとなり、7番ピン(放電端子)は1番ピン(グランド端子)と短絡された状態となる。これにより、コンデンサC18は抵抗R21を介して放電される。
そして、コンデンサC18の両端電圧が2番ピン(トリガ端子)で比較される基準電圧(電源電圧VC1の1/3)よりも低くなると、3番ピン(出力端子)がハイレベルとなり、7番ピン(放電端子)が開放状態となってコンデンサC18が再び充電される。以下、上記の動作を繰り返す。
ここで、抵抗R21,R22とコンデンサC18とで決定される時定数は、3番ピン(出力端子)から出力される2値信号の発振周波数が数十kHzの高周波となるように設定される。また、抵抗R21,R22の抵抗値は、R21≪R22となるように設定される。このため、コンデンサC18を充電している期間(3番ピンがハイレベルである期間)に比べて、コンデンサC18を放電する期間(3番ピンがローレベルである期間)は極端に短くなる。したがって、第1のタイマ回路IC3の3番ピン(出力端子)からは、ローレベルのパルス幅が短い2値信号が数十kHzの高周波で出力される。この2値信号を用いて、第2のタイマ回路IC4の2番ピン(トリガ端子)を1周期毎に1回だけトリガする。
以下、パルス幅設定回路7の動作について説明する。第2のタイマ回路IC4の2番ピン(トリガ端子)に、第1のタイマ回路IC3の3番ピン(出力端子)からの2値信号が入力されると、その立ち下がりエッジにおいて第2のタイマ回路IC4の2番ピンがハイレベルとなる。これにより、第2のタイマ回路IC4の7番ピン(放電端子)が開放状態となり、抵抗R23及び可変抵抗VR2の直列回路とフォトカプラPC1の受光素子とを介してコンデンサC19が充電される。このコンデンサC19の両端電圧が6番ピン(スレッショルド端子)で比較される基準電圧(電源電圧VC1の2/3)よりも高くなると、3番ピン(出力端子)はローレベルとなり、7番ピン(放電端子)は1番ピン(グランド端子)と短絡された状態となる。これにより、コンデンサC19は瞬時に放電される。
したがって、第2のタイマ回路IC4の3番ピン(出力端子)から出力される2値信号のハイレベルのパルス幅は、コンデンサC19をグランド電位から基準電圧(電源電圧VC1の2/3)まで充電するのに要する時間で決定される。この充電時間の最大値は、発振回路6を構成する第1のタイマ回路IC3の発振周期よりも短くなるように設定する。また、この充電時間の最小値は、第1のタイマ回路IC3の3番ピン(出力端子)から出力される2値信号のローレベルのパルス幅よりも長くなるように設定する。
第2のタイマ回路IC4の3番ピン(出力端子)から出力される2値信号は、スイッチング素子Q1の駆動信号となる。すなわち、第2のタイマ回路IC4の3番ピンがハイレベルのとき、抵抗R24を介して抵抗R25に電流が流れ、抵抗R25の両端電圧がスイッチング素子Q1のゲート−ソース間の閾値電圧以上となることで、スイッチング素子Q1がオンに切り替わる。また、第2のタイマ回路IC4の3番ピンがローレベルのとき、ダイオードD6及び抵抗R26を介してスイッチング素子Q1のゲート−ソース間に蓄積された電荷が放電されることにより、スイッチング素子Q1がオフに切り替わる。
調光回路8は、入力される調光信号に基づいてフォトカプラPC1の受光素子に光信号を与えるものであって、図2に示すように、無極性化回路80と、絶縁回路81と、直流変換回路82とから構成される。ここで、調光回路8に入力される調光信号は、例えば周波数が1kHz、振幅が10Vのパルス幅が可変の矩形波パルスより成るPWM信号であって、蛍光灯のインバータ点灯装置の調光信号として広く用いられているものである。
無極性化回路80は、全波整流器DB2を備え、調光信号線の配線を逆極性に接続しても正常に動作するように、全波整流器DB2の入力端子に調光信号線を接続している。全波整流器DB2の出力端子間には、抵抗R27及びツェナーダイオードZD2の直列回路が接続されており、ツェナーダイオードZD2の両端には、抵抗R28及びフォトカプラPC2の発光素子の直列回路が並列に接続されている。
絶縁回路81は、フォトカプラPC2から成る。ここで、調光信号線及び電源線には、複数の点灯装置が並列に接続されることが一般的である。この場合、各点灯装置の回路グランドが同一電位であるとは限らないため、調光信号線と各点灯装置の回路グランドとは絶縁しておく必要がある。フォトカプラPC2の発光素子は調光信号線に接続されており、受光素子は抵抗R29と直列に接続され、電源電圧VC1と点灯装置の回路グランドとの間に接続されている。
PWM信号がハイレベルのとき、フォトカプラPC2の発光素子は光信号を発生し、フォトカプラPC2の受光素子の抵抗値が低下することで、抵抗R29とフォトカプラPC2の受光素子との接続点の電位が低下する。一方、PWM信号がローレベルのとき、フォトカプラPC2の発光素子は光信号を発生せず、フォトカプラPC2の受光素子の抵抗値が高くなることから、抵抗R29とフォトカプラPC2の受光素子との接続点の電位が上昇する。この接続点における電圧の変化はPWM信号の周波数で繰り返されるが、後述する直流変換回路82により直流電圧に変換される。
直流変換回路82は、第1のオペアンプOP1及び第2のオペアンプOP2を内蔵した集積回路IC5と、抵抗R30及びコンデンサC20より成る時定数回路とを備える。集積回路IC5は、例えばルネサスエレクトロニクス社製のUPC358、又はその互換品を用いればよい。第1のオペアンプOP1はバッファアンプとして用いられ、抵抗R29とフォトカプラPC2の受光素子との接続点の電圧を低インピーダンス化して、抵抗R30及びコンデンサC20の直列回路に印加する。
以下、調光回路8の動作について説明する。PWM信号がローレベルである期間が長ければ、抵抗R30を介してコンデンサC20が充電される期間が長くなるので、コンデンサC20の両端電圧が上昇する。一方、PWM信号がハイレベルである期間が長ければ、抵抗R30を介してコンデンサC20が放電される期間が長くなるので、コンデンサC20の両端電圧が下降する。このコンデンサC20の両端電圧を、第2のオペアンプOP2により低インピーダンス化して出力することで、フォトカプラPC1の発光素子を駆動する。
コンデンサC20の両端電圧が低い場合は、第2のオペアンプOP2の出力電圧も低くなることから、抵抗R31を介してフォトカプラPC1の発光素子に流れる電流が増大し、フォトカプラPC1の受光素子の抵抗値が減少する。すなわち、PWM信号がハイレベルである期間が長くなると、パルス幅設定回路7により設定されるスイッチング素子Q1のオンパルス幅が短くなり、光源部10の光出力が減少する。
一方、コンデンサC20の両端電圧が高い場合は、第2のオペアンプOP2の出力電圧も高くなることから、抵抗R31を介してフォトカプラPC1の発光素子に流れる電流が減少し、フォトカプラPC1の受光素子の抵抗値が増大する。すなわち、PWM信号がローレベルである期間が長くなると、パルス幅設定回路7により設定されるスイッチング素子Q1のオンパルス幅が長くなり、光源部10の光出力が増加する。したがって、仮に調光信号線が断線した場合には、光源部10の光出力は最大となる。
電源遮断検出回路9は、図2に示すように、全波整流器DB1の入力端子にそれぞれアノード端子が接続されるダイオードD7,D8を備える。ダイオードD7,D8のカソード端子は、抵抗R32,R33の並列回路を介してnpn型トランジスタであるスイッチング素子Q4のベース端子に接続される。スイッチング素子Q4のベース端子とエミッタ端子との間には、コンデンサC21及び抵抗R34の並列回路から成る時定数回路が接続される。スイッチング素子Q4のエミッタ端子は、全波整流器DB1の出力端子の負極に接続される。スイッチング素子Q4のコレクタ端子は、npn型トランジスタであるスイッチング素子Q5のベース端子と接続されている。また、スイッチング素子Q5のエミッタ−コレクタ間には、抵抗R38及びコンデンサC22の並列回路が並列に接続されている。なお、コンデンサC22は、ノイズ除去用の小容量のコンデンサである。
以下、電源遮断検出回路9の動作について説明する。商用電源VS1からの電力供給が通常である場合には、ダイオードD7,D8及び抵抗R32,R33を介してコンデンサC21が充電されることにより、スイッチング素子Q4はオン状態を維持する。このため、抵抗R35を介するスイッチング素子Q5のバイアス電流はスイッチング素子Q4にバイパスされ、スイッチング素子Q5はオフ状態を維持する。
一方、商用電源VS1からの電力供給が遮断されると、コンデンサC21を充電する経路が遮断されるため、コンデンサC21の充電電荷は抵抗R34を介して放電される。ここで、コンデンサC21と抵抗R34とで決定される時定数を適切に設定しておけば、商用電源VS1の電力供給が複数サイクルに亘って遮断されると、スイッチング素子Q4がオフに切り替わる。スイッチング素子Q4がオフに切り替わると、平滑コンデンサC4の電荷が残っている間は、平滑コンデンサC9の両端電圧である電源電圧VC1が維持される。このため、抵抗R35を介して抵抗R34に電流が流れ、スイッチング素子Q5が順バイアスされてスイッチング素子Q5がオンに切り替わる。
ここで、抵抗R38には抵抗R37が直列に接続されており、スイッチング素子Q5がオフ状態のときに、この抵抗R37,R38の直列回路によって電源電圧VC1を分圧して第2のタイマ回路IC4の4番ピン(リセット端子)にイネーブル信号を供給する。上記のようにスイッチング素子Q5がオンに切り替わると、イネーブル信号がスイッチング素子Q5にバイパスされるため、第2のタイマ回路IC4の4番ピン(リセット端子)はローレベルとなり、第2のタイマ回路IC4の動作が停止する。これにより、スイッチング素子Q1がオフ状態を維持し、点灯装置の動作が停止する。
以下、本実施形態の特徴である電流調整回路50について説明する。電流調整回路50は、図1,2に示すように、コンデンサC13、抵抗R19、MOSFETより成るスイッチング素子Q2(第2のスイッチング素子)の直列回路と、スイッチング素子Q2のオン/オフ制御を行う制御部50Aとを備える。コンデンサC13には抵抗R20が並列に接続され、コンデンサC13及び抵抗R19の直列回路には、インピーダンス素子として抵抗R17,R18が並列に接続されている。
以下、電流調整回路50の動作を主として本実施形態の動作について説明する。なお、本実施形態では、抵抗R17,18には何れも抵抗値が27kΩ、定格電力が3Wのものを用いている。また、抵抗R19には、抵抗値が36Ω、定格電力が1Wのもの、抵抗R20には抵抗値が68kΩのものを用いている。また、コンデンサC12には容量値が0.47μFのフィルムコンデンサ、コンデンサC13には容量値が1μFのフィルムコンデンサを用いている。
先ず、光源部10を全点灯する際には、スイッチング素子Q2はオフ状態となっている。このとき、光源部10を流れる負荷電流は300mA、負荷電圧は98Vである。その後、調光信号によって光源部10の調光率を下げていくと、スイッチング素子Q1のオンパルス幅が短くなることで負荷電流のピーク値が徐々に下がり、光源部10の光出力が調光率に伴って減少する。
その後、調光率を下げて調光が深い領域(低光束)になると、光源部10の負荷電圧が低下し、各発光ダイオードLD1の明るさにバラツキが生じ始める。例えば図4(a)に示すように、負荷電流が30μAの場合、同図中の「S1」で示す発光ダイオードLD1に比べて、「S2」で示す発光ダイオードLD1の明るさが暗くなる。そこで、本実施形態では、制御部50Aが負荷電流を監視し、各発光ダイオードLD1の明るさにバラツキが生じ始める前に、すなわち負荷電流が8mA程度になると、スイッチング素子Q2を高周波(120Hz〜1kHz)でオン/オフする制御を開始する。なお、負荷電流を検出する手段としては、例えば光源部10と直列に電流検出用の抵抗を挿入し、当該抵抗の両端電圧に基づいて負荷電流を検出することが考えられる。勿論、負荷電流を検出できるものであれば他の手段を採用してもよい。
スイッチング素子Q2がオンに切り替わると、抵抗R19を介してコンデンサC13にインラッシュ電流が流れ、コンデンサC13に数百nsのパルス電圧が印加され(図3(b)参照)、コンデンサC13が充電される。その後、抵抗R17,R18には6〜7mA程度の電流が流れる。ここで、抵抗R17,R18が無い場合には、スイッチング素子Q1のオンパルス幅にも下限があるため、負荷電流は5mA程度までしか制御できず、低光束での調光が困難である。一方、本実施形態では、スイッチング素子Q2をオンに切り替えて抵抗R17,R18に分流することで負荷電流を低減することができるので、負荷電流を50μAまで制御することができる。
その後、スイッチング素子Q2をオフに切り替えると、コンデンサC13に蓄積された電荷が抵抗R20を介して放電され、また、抵抗R17,R18は負荷電流が流れる経路から切り離される。すると、抵抗R17,R18に流れていた電流が光源部10に流れることで負荷電流が上昇する。すなわち、スイッチング素子Q2のオン/オフを高周波で切り替えることで、光源部10にパルス状の負荷電流を流すことができる。このため、低光束での調光時においても、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキを抑えることができる。例えば図4(b)に示すように、負荷電流が30μAの場合であっても、各発光ダイオードLD1の明るさがほぼ均一となる。なお、負荷電流が8mA〜100μAの場合における動作波形図を図3(a)に、負荷電流が100μA以下の場合における動作波形図を図3(b)に示す。
上述のように、本実施形態では、電流調整回路50においてスイッチング素子Q2のオン/オフを高周波で切り替えることで、抵抗R17,R18に分流する電流を調整し、振幅制御方式と比較して負荷電流を低い値まで調整することができる。このため、本実施形態では、光源部10を低光束まで調光することができる。また、スイッチング素子Q2のオン/オフを高周波で切り替えて光源部10にパルス状の負荷電流を流すことで、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキを抑えることができる。なお、本実施形態では、スイッチング素子Q2がオンに切り替わる毎に、コンデンサC13が充電することによるパルス電圧が印加されるので、負荷電圧の平均電圧を上昇させることができ、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキをより抑えることができる。
更に、本実施形態では、調光の浅い領域では、降圧チョッパ回路5を間欠的に動作させるバースト調光方式ではなく、負荷電流のピーク値を制御する振幅制御方式で調光を行っている。このため、光源部10に負荷電流が継続して流れるので、映像機器を通して光源部10を見たときのチラツキを抑えることができる。また、本実施形態では、調光の深い領域では、降圧チョッパ回路5の発振動作を継続させつつスイッチング素子Q2を高周波でスイッチングすることで負荷電流を調整している。このため、バースト調光方式のように光源部10に低周波で負荷電流を間欠的に流す場合と比較して、映像機器を通して光源部10を見たときのチラツキを抑えることができる。
なお、本実施形態では、昇圧チョッパ回路3の出力電圧により制御用電源回路4において各回路の動作電源を確保しており、低光束での調光時においても昇圧チョッパ回路3が安定して動作しているので、動作電源が不安定になることがないという利点もある。
(実施形態2)
以下、本発明に係る点灯装置の実施形態2について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の構成は、電流調整回路50以外は実施形態1と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態の電流調整回路50は、図5に示すように、抵抗R17,R18の並列回路とスイッチング素子Q2とを直列に接続した回路と、抵抗R39、電解コンデンサC23、MOSFETより成るスイッチング素子Q6の直列回路とを並列に接続して構成される。また、電流調整回路50には、各スイッチング素子Q2,Q6のオン/オフを制御する制御部50Aが設けられている。
実施形態1では、図3(a)に示すように、電流調整回路50においてスイッチング素子Q2のオン/オフ制御時に、負荷電圧が脈動する。このため、映像機器を通して光源部10を見たときにチラツキが発生する虞がある。ここで、本実施形態では、スイッチング素子Q2のオン/オフ制御時に電解コンデンサC23によって負荷電圧を平滑化することにより、映像機器を通して光源部10を見たときのチラツキを回避することができる。
但し、電解コンデンサC23により負荷電圧を平滑化した場合には、低光束での調光時において、振幅制御方式と同様に各発光ダイオードLD1の明るさにバラツキが生じる虞がある。例えば図7(a)に示すように、負荷電流が30μAの場合、同図中の「S1」で示す発光ダイオードLD1に比べて、「S2」で示す発光ダイオードLD1の明るさが暗くなる。そこで、本実施形態では、各発光ダイオードLD1の明るさにバラツキが生じ始める前に、スイッチング素子Q6をオフに切り替えて電解コンデンサC23を回路から切り離すことで、上記の問題を解決している。
以下、本実施形態の電流調整回路50の動作について説明する。先ず、調光の深い領域において負荷電流が8mA程度になると、電流調整回路50の制御部50Aはスイッチング素子Q2を高周波でオン/オフする制御を開始する。このとき、制御部50Aは、スイッチング素子Q6をオンに切り替えることで、電解コンデンサC23により負荷電圧を平滑化させる(図6(a)参照)。これにより、負荷電圧の脈動が抑えられるので、映像機器を通して光源部10を見たときのチラツキを回避することができる。
その後、更に調光率を下げていき、各発光ダイオードLD1の明るさにバラツキが生じ始める前に、すなわち負荷電流が100μA程度になると、制御部50Aはスイッチング素子Q6をオフに切り替えることでコンデンサC23を回路から切り離す。これにより、光源部10にはパルス状の負荷電流が流れる(図6(b)参照)。したがって、例えば図7(b)に示すように、負荷電流が30μAの場合であっても、各発光ダイオードLD1の明るさがほぼ均一となり、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキを抑えることができる。
ところで、スイッチング素子Q6をオフに切り替えて電解コンデンサC23を回路から切り離した後は、光源部10にパルス状の負荷電流が流れるため、映像機器を通して光源部10を見たときにチラツキが発生する虞がある。そこで、本実施形態では、電解コンデンサC23を回路から切り離すとともに、スイッチング素子Q2のスイッチング周波数をスイッチング素子Q2のオン時のスイッチング周波数よりも高くするのが望ましい。この場合、電解コンデンサ23を回路から切り離した後に光源部10を流れる負荷電流を直流レベルに近付けることができるので、映像機器を通して光源部10を見たときのチラツキの発生を抑えることができる。
本願の発明者等は、スイッチング素子Q2のスイッチング周波数を変更しつつ、シャッタースピードを1/60〜1/8000の間で設定可能なビデオカメラで光源部10を撮像する実験を行った。その結果、スイッチング素子Q2のスイッチング周波数を1kHzに設定すれば、シャッタースピードが1/1000以下であればビデオカメラを通して光源部10を撮像したときのチラツキが発生しないことが判明している。例えば図8(a)に示すように、振幅制御方式のみで調光する場合、同図中の「S1」で示す発光ダイオードLD1に比べて、「S2」で示す発光ダイオードLD1の明るさが暗くなる。一方、図8(b)に示すように、本実施形態の回路構成でスイッチング素子Q2のスイッチング周波数を1kHzに設定した場合、各発光ダイオードLD1の明るさがほぼ均一となり、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキを抑えることができる。また、図8(c)に示すように、本実施形態の回路構成でスイッチング素子Q2のスイッチング周波数を500Hzに設定した場合においても、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキを抑えることができる。
なお、スイッチング素子Q2のスイッチング周波数を高くし過ぎた場合、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキが目立ち始めるので、発光ダイオードLD1の個数等に応じて適宜スイッチング周波数を設定する必要がある。
(実施形態3)
以下、本発明に係る点灯装置の実施形態3について図面を用いて説明する。但し、本実施形態の構成は、電流調整回路50以外は実施形態1と共通であるので、共通する部位には同一の番号を付して説明を省略する。本実施形態の電流調整回路50は、図9に示すように、実施形態1の電流調整回路50に、実施形態2における抵抗R39、電解コンデンサC23、スイッチング素子Q6の直列回路を並列に接続して構成される。なお、本実施形態の動作は実施形態2と同様であり、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキが生じ始める前後でスイッチング素子Q6のオン/オフを切り替えるものである。
本実施形態では、実施形態2の回路構成に加えて、実施形態1と同様にスイッチング素子Q2がオンに切り替わる毎に、コンデンサC13が充電することによるパルス電圧を光源部10に印加することができる。したがって、負荷電圧の平均電圧を上昇させることができ、各発光ダイオードLD1の明るさのバラツキをより抑えることができる。
ところで、上記各実施形態においては、電源部の出力電圧を降圧チョッパ回路5で降圧して光源部10に印加しているが、降圧チョッパ回路5に限定される必要はなく、図10(a)に示すような昇圧チョッパ回路を降圧チョッパ回路5の代わりに用いてもよい。また、降圧チョッパ回路5の代わりとしては、図10(b)に示すような昇降圧チョッパ回路、図10(c)に示すようなフライバックコンバータ回路、図10(d)に示すようなフォワードコンバータ回路を用いてもよい。なお、図10(c),(d)に示す回路では、インダクタL3の代わりにトランスT1を用いている。また、各回路は従来周知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。何れの回路を用いる場合でも、当該回路と光源部10との間に電流調整回路50を接続することで、上記各実施形態と同様の効果を奏することができる。
以下、本発明に係る照明器具の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、図11における上下を上下方向と定めるものとする。また、本実施形態における点灯装置A1は、上記何れかの実施形態の点灯装置を用いるものとする。本実施形態は、図11に示すように、電源部及び点灯装置A1を光源部10とは別に配置した電源別置型の照明器具であって、光源部10を収納する器具本体11を天井13に埋込配設している。このため、光源部10を含む器具本体11を薄型にすることができ、別置型の電源ユニットとしての点灯装置A1は、場所に依らず設置可能となっている。
器具本体11は、例えばアルミダイカスト等の金属製であって、下端部が開口した有底円筒状に形成される。器具本体11内側の上底部には、複数(図示では3つ)の発光ダイオードLD1と、各発光ダイオードLD1の直列回路が実装された基板10Aとを備えた光源部10が配設されている。なお、各発光ダイオードLD1は、器具本体11の下端部から外部空間に光を照射するために、光の照射向きが下向きとなるように配設されている。また、器具本体11の下端部の開口には、各発光ダイオードLD1からの光を拡散するための光拡散板11Aが設けられている。天井13の裏面(上面)には、点灯装置A1が器具本体11とは別の場所に配設されており、点灯装置A1と光源部10との間は、コネクタ12Aを介してリード線12で配線されている。
上述のように、本実施形態では、上記何れかの実施形態の点灯装置A1を用いることで、上記何れかの実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態は、電源部及び点灯装置A1を光源部10とは別に配置した電源別置型の照明器具であるが、点灯装置A1を光源部10とともに器具本体11に内蔵した電源一体型の照明器具として構成してもよい。
なお、上記何れかの実施形態の点灯装置A1は、上記のような照明器具に用途が限定される必要はなく、例えば液晶ディスプレイのバックライトや、複写機、スキャナ、プロジェクタ等の装置の光源の点灯装置として利用しても構わない。また、上記各実施形態では、光源部10を構成する発光素子として発光ダイオードLD1を用いているが、これに限定される必要はなく、例えば有機EL素子や半導体レーザ素子を発光素子として用いてもよい。