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JP5031865B2 - Led駆動回路、led照明灯具、led照明機器、及びled照明システム - Google Patents
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JP5031865B2 - Led駆動回路、led照明灯具、led照明機器、及びled照明システム - Google Patents

Led駆動回路、led照明灯具、led照明機器、及びled照明システム Download PDF

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Description

本発明は、LED(Light Emitting Diode)を駆動するLED駆動回路並びにLEDを光源とするLED照明灯具、LED照明機器及びLED照明システムに関する。
LEDは低消費電流で長寿命などの特徴を有し、表示装置だけでなく照明器具等にもその用途が広がりつつある。なお、LED照明器具では、所望の照度を得るために、複数個のLEDを使用する場合が多い。
一般的な照明器具は商用AC100V電源を使用することが多く、白熱灯などの一般的な照明灯具に代えてLED照明灯具を使用する場合などを考慮すると、LED照明灯具も一般的な照明灯具と同様に商用AC100V電源を使用する構成であることが望ましい。
また、白熱灯を調光制御しようとした場合、スイッチング素子(一般的にはサイリスタ素子やトライアック素子)を交流電源電圧のある位相角でオンすることにより白熱灯への電源供給をボリューム素子一つで簡単に調光制御できる位相制御式調光器(一般に白熱ライコンと呼ばれている)が用いられている。しかしながら、ワット数の小さな白熱灯と位相制御式調光器を接続すると、チラツキや点滅が生じ正常に調光できないことが知られている。
AC電源使用のLED照明灯具を調光制御しようとした場合、既存の白熱灯用の位相制御式調光器をそのまま接続できることが望ましい。調光用の設備は既存のままで、灯具のみを白熱灯からLED照明灯具に変更することにより、白熱灯を使用していた場合に比べて大幅な低消費電力化が可能になる。また、調光用の設備をLED照明灯具専用のものに変更することなく互換性を確保でき、設備コストの低減につながる。
特開2006−319172号公報 特開2005−26142号公報
ここで、AC電源を用いたLED照明灯具を調光制御することができるLED照明システムの従来例を図20に示す。
図20に示すLED照明システムは、位相制御式調光器2と、ダイオードブリッジDB1及び電流制限回路5を有するLED駆動回路と、LEDモジュール3とを備えている。交流電源1と上記LED駆動回路の間に位相制御式調光器2が直列に接続されている。
位相制御式調光器2は、半固定抵抗Rvar1の抵抗値を可変させることにより、その抵抗値に依存した電源位相角でトライアックTri1をオンさせる。通常、半固定抵抗Rvar1は回転つまみやスライド式になっており、つまみの回転角を変えたり、スライド位置を変えることにより、照明灯具の調光制御ができるようになっている。さらに、位相制御式調光器2は、コンデンサC1とインダクタL1による雑音抑制回路を備えており、位相制御式調光器2からAC電源ラインに帰還する雑音を当該雑音防止回路によって低減している。
トライアックTri1がオンになる位相角が0°、45°、90°、135°に対応する、位相制御式調光器2の出力電圧V2の波形とダイオードブリッジDB1の出力電圧VDB1の波形を図21A〜図21Dに示す。トライアックTri1がオンになる位相角が大きくなるに従い、ダイオードブリッジDB1の出力電圧VDB1の平均値が小さくなり、照明灯具(図20ではLEDモジュール3)の明るさが暗くなる。
続いて、図20に示すLED照明システムにおけるLEDモジュール3の両端電圧V3の波形例を図22A〜図22Cに示す。図22Aは明るい調光レベルでのLEDモジュール3の両端電圧V3の波形を示しており、図22Bは暗い調光レベルでのLEDモジュール3の両端電圧V3の波形を示しており、図22Cは中間調光レベル(明るい調光レベルと暗い調光レベルとの間のレベル)でのLEDモジュール3の両端電圧V3の波形を示している。
明るい調光レベルに設定された場合、トライアックTri1がオフからオンに切り替わってLEDモジュール3が点灯した後、LEDモジュール3の両端電圧V3がLEDモジュール3の順方向電圧VFを下回ると、LEDモジュール3に電流が流れなくなり、トライアックTri1がオフするため、LEDモジュール3の両端電圧V3が急峻に低下する(図22A参照)。
ここで、上記明るい調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図を図23Aに示す。図23Aでは、交流電源1の出力電圧V1の波形、LEDモジュール3の両端電圧V3、LEDモジュール3に流れる電流I3が示されている。また、図23Aでは、半固定抵抗Rvar1のつまみやスライドをLEDモジュール3の光強度が最大になる位置に設定したとき、すなわち半固定抵抗Rvar1の抵抗値を0Ωにしたときのシミュレーション結果が示されている。図23Aにおいて、トライアックTri1がオフからオンに切り替わってLEDモジュール3の両端電圧V3が立ち上がるのは、位相が53°のときである。LEDモジュール3の光強度は、LEDモジュール3の平均電流に比例しているため、LEDモジュール3の平均電流から推定可能である。なお、LEDモジュール3の平均電流と半固定抵抗Rvar1の抵抗値との関係は図24に示すようになっている。位相制御式調光器2を設けない状態でのLEDモジュール3の光強度を100%とすると、図23Aのシミュレーション結果が得られる条件でのLEDモジュール3の光強度は90.5%である。
一方、暗い調光レベルに設定された場合、トライアックTri1がオフからオンに切り替わってLEDモジュール3が点灯した後、LEDモジュール3の両端電圧V3がLEDモジュール3の順方向電圧VFを下回ると、LEDモジュール3に電流が流れなくなるが、位相制御式調光器2内部に位相シフト用のコンデンサC2及びC3があるため、そのコンデンサC2及びC3からトライアックTri1に電流が流れトライアックTri1がオフしない(図22B参照)。
ここで、上記暗い調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図を図23Bに示す。図23Bでは、交流電源1の出力電圧V1の波形、LEDモジュール3の両端電圧V3、LEDモジュール3に流れる電流I3が示されている。また、図23Bでは、半固定抵抗Rvar1の抵抗値を150kΩにしたときのシミュレーション結果が示されている。図23Bにおいて、トライアックTri1がオフからオンに切り替わってLEDモジュール3の両端電圧V3が立ち上がるのは、位相が141°のときである。また、図23Bのシミュレーション結果が得られる条件でのLEDモジュール3の光強度は0.71%である。
例えば、コンデンサC2の静電容量を100nFとし、抵抗R1の抵抗値を5.6kΩとし、コンデンサC2の両端電圧の初期値を141Vとすると、コンデンサC2から流れる電流がトライアックTri1の保持電流値(ここでは5mAとする)を下回るまで約900μsかかる。すなわち、コンデンサC2によるトライアックTri1の保持時間は約900μsである。トライアックTri1がオンした後、900μs以後にLEDモジュール3に電流が流れなくなる場合は図22Aに示すような波形となり、900μs以内にLEDモジュール3に電流が流れなくなる場合は図22Bに示すような波形となる。そして、ちょうどその境界の場合、すなわちトライアックTri1がオンした後、900μsにLEDモジュール3に電流が流れなくなる場合、図22Cに示すように両者が混在した波形となる。図22Cの状態となる時、コンデンサC2のチャージ量と、抵抗R1及びコンデンサC2の時定数のばらつきによって、LEDモジュール3に流れる電流が安定せず、光がちらつく現象が発生し、低調光時のちらつきの問題となる。
ここで、上記中間調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図を図23Cに示す。図23Cでは、交流電源1の出力電圧V1の波形、LEDモジュール3の両端電圧V3、LEDモジュール3に流れる電流I3が示されている。また、図23Cでは、半固定抵抗Rvar1の抵抗値を135kΩにしたときのシミュレーション結果が示されている。図23Cにおいて、トライアックTri1がオフからオンに切り替わってLEDモジュール3の両端電圧V3が立ち上がるタイミングは、位相が137°と141°のときに交互に現れる。また、図23Cのシミュレーション結果が得られる条件でのLEDモジュール3の光強度は1.58%である。
上記低調光時のちらつきの問題は、概ねLEDモジュール3の光強度が1〜5%程度のときに発生する問題であるが、調光器には様々なタイプのものがあるため、その値はあくまで目安であり、1〜5%以外でも低調光時のちらつきの問題が発生する場合がある。
また、LEDモジュール3は、次のような要因によってもちらつく場合がある。位相制御式調光器2のトライアックTri1がオフからオンに切り替わるとき、LEDモジュール3がオフからオンになり、LEDモジュール3のインピーダンスが急激に変化する。これにより、位相制御式調光器2の出力電圧が急激に変化するエッジ部分にリンギングが発生し、そのリンギング発生期間において、トライアックTri1に流れる電流が正及び負に数回振動した後トライアックTri1がオフになり、その後再びトリガがかかりトライアックTri1に流れる電流が正及び負に数回振動した後トライアックTri1がオフになる、という現象が繰り返され、LEDモジュール3がちらつくことがある。
なお、照明灯具が白熱灯である場合は、負荷がタングステンなどのフィラメントのため、位相制御式調光器2のトライアックTri1がオフからオンに切り替わっても、インピーダンスの変動が少なく、インピーダンスが低い状態を保ったままであり、位相制御式調光器2に流れる電流が急激に変化することなく、交流電源1の出力電圧が0V付近になるまで安定した調光動作が可能である。
本発明は、上記の状況に鑑み、位相制御式調光器とともに用いられたときに発生し得るLEDのちらつきを低減することができるLED駆動回路並びにそれを備えるLED照明灯具、LED照明機器、及びLED照明システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係るLED駆動回路は、位相制御式調光器に接続可能であり、交番電圧を入力してLEDを駆動するLED駆動回路であって、前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出するエッジ検出部と、LED駆動電流を前記LEDに供給するための電流供給ラインから電流を引き抜く電流引抜部とを備え、前記電流引抜部が前記電流供給ラインから引き抜く電流の値を、前記エッジ検出部の検出結果に応じて可変するようにしている。
また、前記位相制御式調光器内部の位相制御素子がオン/オフが切り替わって前記LEDが発光した後、前記交番電圧が0Vとなる前に前記位相制御式調光器内部の位相制御素子がオフしないように、前記電流引抜部が前記電流供給ラインから第1の引抜電流を引き抜き、前記エッジ検出部が前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出すると、あらかじめ設定した時間前記電流引抜部が前記電流供給ラインから前記第1の引抜電流と異なる値の第2の引抜電流を引き抜くようにしてもよい。
また、前記電流引抜部で用いられる基準電圧の値を切り替えることにより、前記第1の引抜電流と前記第2の引抜電流とを切り替えるようにしてもよい。
また、前記エッジ検出部が前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを一定期間検出しない場合、前記電流引抜部を動作させないようにしてもよい。
また、前記LED駆動電流を検出する電流検出部を備え、前記電流検出部の検出結果に応じて、前記電流引抜部の前記第1の引抜電流での電流引抜動作をオン/オフ制御するようにしてもよい。
また、前記LED駆動電流を検出する電流検出部を備え、前記電流検出部の検出結果に応じて、前記第1の引抜電流の値を可変するようにしてもよい。
また、前記交番電圧または前記交番電圧を整流した電圧を検出する電圧検出部を備え、前記電圧検出部の検出結果に応じて、前記第1の引抜電流の値と前記第2の引抜電流の値を可変するようにしてもよい。
また、前記エッジ検出部が、立上りエッジと立下りエッジとを弁別できるようにしてもよい。
また、前記電流供給ラインの、前記電流引抜部よりも入力側に、コイルを設け、前記第2の引抜電流の波形をパルス状にするようにしてもよい。
また、前記交番電圧または前記交番電圧を整流した電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出結果及び前記エッジ検出部の検出結果に応じて、前記交番電圧がゼロ付近になるポイントと前記交番電圧が急激に変化するポイントとの時間差を検出する時間差検出部とを備え、前記時間差検出部の検出結果に応じて前記LEDを短絡するか否かを切り替えるようにしてもよい。
また、前記エッジ検出部の出力を遅延させる遅延部を備え、前記遅延部の出力に応じて前記LEDを短絡するか否かを切り替えるようにしてもよい。
また、前記電流引抜部が、前記第2の引抜電流の立下り時間を変更することができる立下り時間変更部を有するようにしてもよい。
また、前記立下り時間変更部が、電流出力の演算増幅器に接続される誤差アンプと、前記誤差アンプの出力に接続される容量とを有するようにしてもよい。
また、前記立下り時間変更部が、ピークホールド回路と放電回路とを有するようにしてもよい。
また、前記LEDがオンであるときに前記第1の引抜電流による電流引抜動作をオフにしないようにしてもよい。
上記目的を達成するために本発明に係るLED照明灯具は、上記いずれかの構成の本発明に係るLED駆動回路と、前記LED駆動回路の出力側に接続されたLEDとを備える構成とする。
上記目的を達成するために本発明に係るLED照明機器は、上記いずれかの構成の本発明に係るLED駆動回路又は上記いずれかの構成の本発明に係るLED照明灯具を備えるようにする。
上記目的を達成するために本発明に係るLED照明システムは、上記いずれかの構成の本発明に係るLED照明灯具又は上記構成の本発明に係るLED照明機器と、当該LED照明灯具又はLED照明機器の入力側に接続された位相制御式調光器とを備えるようにする。
本発明によると、位相制御式調光器の出力電圧のエッジの有無によって電流引抜量を変更することができるので、複数の要因によるLEDのちらつきを低減することができる。
本発明の第1実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第3実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第4実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第5実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第6実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 位相制御式調光器の出力電圧の波形とダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 本発明の第7実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第8実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 ダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 本発明の第9実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 本発明の第10実施形態に係るLED照明システムの構成を示す図である。 ダイオードブリッジの出力電圧、引抜電流、LEDモジュールに流れる電流の各波形の一例を示す図である。 本発明の第11実施形態に係るLED照明システムの要部構成を示す図である。 ダイオードブリッジの出力電圧、引抜電流、LEDモジュールに流れる電流の各波形の一例を示す図である。 本発明の第12実施形態に係るLED照明システムの要部構成を示す図である。 ダイオードブリッジの出力電圧、引抜電流、LEDモジュールに流れる電流の各波形の一例を示す図である。 本発明に係るLED照明灯具、本発明に係るLED照明機器、及び本発明に係るLED照明システムの概略構造例を示す図である。 本発明に係るLED照明灯具の他の概略構造例を示す図である。 LED照明システムの従来例を示す図である。 位相制御式調光器の出力電圧の波形とダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 位相制御式調光器の出力電圧の波形とダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 位相制御式調光器の出力電圧の波形とダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 位相制御式調光器の出力電圧の波形とダイオードブリッジの出力電圧の波形を示す図である。 明るい調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムにおけるLEDモジュールの両端電圧の波形例を示す図である。 暗い調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムにおけるLEDモジュールの両端電圧の波形例を示す図である。 中間調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムにおけるLEDモジュールの両端電圧の波形例を示す図である。 明るい調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図である。 暗い調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図である。 中間調光レベルに設定された場合の図20に示すLED照明システムの各部電圧・電流のシミュレーション波形図である。 LEDモジュールの平均電流と半固定抵抗の抵抗値との関係を示す図である。
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係るLED照明システムの構成を図1に示す。なお、図1において図20と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図1に示す本発明の第1実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Aとを備えている。LED駆動回路4Aは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、ダイオードブリッジDB1と、エッジ検出回路5と、第1基準電圧生成回路6と、第2基準電圧生成回路7と、スイッチ8と、電流引抜回路9と、レギュレータ回路10とを有している。
図1に示す本発明の第1実施形態に係るLED照明システムでは、交流電源1と位相制御式調光器2とがダイオードブリッジDB1の入力側に直列に接続され、1個以上のLEDからなるLEDモジュール3とレギュレータ回路10とがダイオードブリッジDB1の出力側に直列に接続されている。そして、電流引抜回路9が、LEDモジュール3及びレギュレータ回路10からなる直列回路に並列接続されている。
位相制御式調光器2の出力電圧V2の波形例及びダイオードブリッジDB1の出力電圧VDB1の波形例は、図21A〜図21Dに示す通りである。
エッジ検出回路5は、駆動時にLED駆動電流をLEDモジュール3に供給するための電源供給ラインLN1の電圧VLN1の急激な変化(エッジ)を検出する。第1基準電圧生成回路6は第1基準電圧を生成し、第2基準電圧生成回路7は第1基準電圧とは異なる値の第2基準電圧を生成する。
スイッチ8は、エッジ検出回路5が電圧VLN1のエッジを検出すると、第2基準電圧生成回路7から出力される第2基準電圧を選択して、第2基準電圧を電流引抜回路9に供給する。また、スイッチ8は、エッジ検出回路5が電圧VLN1のエッジを検出してから所定の時間が経過すると、第1基準電圧生成回路6から出力される第1基準電圧を選択して、第1基準電圧を電流引抜回路9に供給する。上記の所定の時間は、通常、位相制御式調光器2の出力電圧のリンギングが十分収まる時間に設定される。
電流引抜回路9は、電源供給ラインLN1から電流を引き抜く回路であって、電源供給ラインLN1から引き抜く電流の値を基準電圧の値に応じて可変する。なお、電流引抜回路9の引抜電流の値は、スイッチ8から電流引抜回路9に第1基準電圧が供給されているときよりも、スイッチ8から電流引抜回路9に第2基準電圧が供給されているときの方が大きくなる。
レギュレータ回路10は、LEDモジュール3に流れるLED駆動電流の定電流化を図るための回路である。
位相制御式調光器2の出力電圧のリンギング期間(位相制御式調光器2内の雑音防止フィルターを構成するコンデンサC1とインダクタL1による共振波長2π√(LC)の数周期分の期間。但し、LはインダクタL1のインダクタンス値、CはコンデンサC1の静電容量値。)において、電流引抜回路9の引抜電流(第2基準電圧に応じた引抜電流)により、トライアックTri1の保持電流が確保されトライアックTri1がオフしないので、位相制御式調光器2のトライアックTri1がオフからオンに切り替わるときにLEDモジュール3のちらつきを低減することができる。
また、位相制御式調光器2内部のトライアックTri1がオンになってLEDモジュール3が発光した後、交流電源1の出力電圧が0Vになるまで、電流引抜回路9の引抜電流(第1基準電圧に応じた引抜電流)により、トライアックTri1の保持電流が確保されトライアックTri1がオフしないので、低調光時のLEDモジュール3のちらつきを低減することができる。トライアックTri1の保持電流が十分に確保できる範囲で、第1基準電圧に応じた引抜電流の値を小さくすることで、電流引抜回路9での電力消費を抑えることができる。
なお、電流引抜回路9の各引抜電流(第1基準電圧に応じた引抜電流、第2基準電圧に応じた引抜電流)の値は、電流引抜回路9がトライアックTri1に流れる電流だけでなく、直接トライアックTri1に流れない電流も引き抜いてしまうことも考慮して設定する必要がある。
また、第1基準電圧生成回路6と第2基準電圧生成回路7とが、構成部品の一部又は全部を共用していてもよい。
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係るLED照明システムの構成を図2に示す。なお、図2において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図2に示す本発明の第2実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Bとを備えている。LED駆動回路4Bは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aにスイッチ11を追加した構成である。
スイッチ11は、電源供給ラインLN1と電流引抜回路9との間に設けられる。エッジ検出回路5が電圧VLN1のエッジを一定期間(例えば、交流電源1の出力電圧の半周期)検出しない場合、すなわち位相制御式調光器2が調光動作をしていない場合や図2の構成とは異なりLED駆動回路4Bが交流電源1に直接接続されている場合、スイッチ11は、電流引抜回路9に電流引抜動作をさせないようにオフになる。
位相制御式調光器2が調光動作をしていない場合や図2の構成とは異なりLED駆動回路4Bが交流電源1に直接接続されている場合、通常、電流引抜回路9の電流引抜動作は不要であるので、スイッチ11のオフにより、電流引抜回路9に電流引抜動作をさせないようにすることで、電流引抜回路9での無駄な電力消費を無くし、効率を向上させることができる。また、現在、調光器対応、非対応で商品区分が分かれているLED照明灯具を共通化することができ、調光器対応、非対応による商品区分を廃止することができる。
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態に係るLED照明システムの構成を図3に示す。なお、図3において図2と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図3に示す本発明の第3実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Cとを備えている。LED駆動回路4Cは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Bに電流検出回路12を追加した構成である。
電流検出回路12は、LEDモジュール3に流れるLED駆動電流を検出する。スイッチ11は、エッジ検出回路5の検出結果ではなく、電流検出回路12の検出結果に応じて動作する。位相制御式調光器2からみると、LEDモジュール3にLED駆動電流が流れている場合は電流引抜回路9によって電流が引き抜かれているのと等価である。このため、本実施形態では、電流検出回路12によって検出されるLED駆動電流があらかじめ設定した閾値を下回っている期間、スイッチ11は、電流引抜回路9に電流引抜動作をさせるようにオンになる。これにより、電流引抜回路9の無駄な電流引抜動作を低減することができるので、効率が向上する。また、現在、調光器対応、非対応で商品区分が分かれているLED照明灯具を共通化することができ、調光器対応、非対応による商品区分を廃止することができる。
<第4実施形態>
本発明の第4実施形態に係るLED照明システムの構成を図4に示す。なお、図4において図3と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図4に示す本発明の第4実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Dとを備えている。LED駆動回路4Dは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Cからスイッチ11を取り除き、第1基準電圧生成回路6を第1基準電圧の値を変更することができる第1基準電圧生成回路6’に置換した構成である。
第1基準電圧生成回路6’は、電流検出回路12の検出結果に応じて第1基準電圧の値を変更し、LEDモジュール3に流れるLED駆動電流と電流引抜回路9の引抜電流(第1基準電圧に応じた引抜電流)との和が一定値になるようにしている。これにより、さらに効率が向上する。
<第5実施形態>
本発明の第5実施形態に係るLED照明システムの構成を図5に示す。なお、図5において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図5に示す本発明の第5実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Eとを備えている。LED駆動回路4Eは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aに電圧検出回路13を追加し、第1基準電圧生成回路6を第1基準電圧の値を変更することができる第1基準電圧生成回路6’に置換し、第2基準電圧生成回路7を第2基準電圧の値を変更することができる第2基準電圧生成回路7’に置換した構成である。
電圧検出回路13は、電源供給ラインLN1の電圧VLN1を検出する。第1基準電圧生成回路6’は、電圧検出回路13の検出結果に応じて第1基準電圧の値を変更し、第2基準電圧生成回路7’は、電圧検出回路13の検出結果に応じて第2基準電圧の値を変更する。商用交流電源は世界各国で100V〜220Vの電圧範囲で混在しており、交流電源1の電圧値により最適な引抜電流の値が異なるため、本実施形態のように、電源供給ラインLN1の電圧VLN1に応じて電流引抜回路9の引抜電流値を変更する構成にすることにより、さまざまな商用電源に対して、1種類のLED照明灯具で対応することが可能となる。
<第6実施形態>
本発明の第6実施形態に係るLED照明システムの構成を図6に示す。なお、図6において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図6に示す本発明の第6実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Fとを備えている。LED駆動回路4Fは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aのエッジ検出回路5を立上り/立下りエッジ検出回路14に置換し、第1基準電圧生成回路6を第1基準電圧の値を変更することができる第1基準電圧生成回路6’に置換し、第2基準電圧生成回路7を第2基準電圧の値を変更することができる第2基準電圧生成回路7’に置換した構成である。
位相制御式調光器には、位相制御素子がオフからオンに切り替わって位相制御するタイプ(図21A〜図21D参照)のもの(例えば位相制御式調光器2)のほかに、位相制御素子がオンからオフに切り替わって位相制御するタイプ(図7参照)のものがある。
立上り/立下りエッジ検出回路14は、電源供給ラインLN1の電圧VLN1のエッジを検出し、さらに、そのエッジが立上りエッジか立下りエッジかも判別する。第1基準電圧生成回路6’は、立上り/立下りエッジ検出回路14が検出したエッジが立上りエッジか立下りエッジかによって第1基準電圧の値を変更し、第2基準電圧生成回路7’は、立上り/立下りエッジ検出回路14が検出したエッジが立上りエッジか立下りエッジかによって第2基準電圧の値を変更する。このように、位相制御式調光器のタイプに応じて電流引抜回路9の引抜電流値を変更する構成にすることにより、位相制御式調光器のタイプが異なっても最適な引抜電流の値を設定することができる。これにより、調光性能の向上と効率の向上の両立が可能となる。
<第7実施形態>
本発明の第7実施形態に係るLED照明システムの構成を図8に示す。なお、図8において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図8に示す本発明の第7実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Gとを備えている。LED駆動回路4Gは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aにコイル15を追加した構成である。
コイル15は、電源供給ラインLN1上のエッジ検出回路5と電流引抜回路9との間に配置される。電流引抜回路9の第2基準電圧に応じた引抜電流をパルス状にすることにより、コイル15にエネルギーをためることができるので、効率を向上させることができる。
<第8実施形態>
本発明の第8実施形態に係るLED照明システムの構成を図9に示す。なお、図9において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図9に示す本発明の第8実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Hとを備えている。LED駆動回路4Hは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aに電圧検出回路13、時間差検出回路16、及びスイッチ17を追加した構成である。
電圧検出回路13は、電源供給ラインLN1の電圧VLN1を検出する。時間差検出回路16は、電圧検出回路13の検出結果とエッジ検出回路5の検出結果に基づいて、電圧VLN1がゼロ付近になるポイントP1と電圧VLN1が急激に変化するポイントP2との時間差ΔT(図10参照)を検出する。
スイッチ17は、LEDモジュール3に並列接続されており、電圧検出回路13によって検出された時間差ΔTが設定した範囲以上であると、オンになる。本実施形態では、位相制御式調光器2のトライアックTri1がオフからオンに切り替わる位相が大きいときは、LEDモジュール3を完全に消灯することができるので、位相制御式調光器2の出力を絞った場合にLEDが消灯しない場合の対策に有効である。
<第9実施形態>
本発明の第9実施形態に係るLED照明システムの構成を図11に示す。なお、図11において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図11に示す本発明の第9実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Iとを備えている。LED駆動回路4Iは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、上述したLED駆動回路4Aにスイッチ17及び遅延回路18を追加した構成である。
遅延回路18は、エッジ検出回路5の出力を遅延させる回路である。スイッチ17は、LEDモジュール3に並列接続されており、遅延回路18の出力に射応じて動作する。エッジ検出回路5によってエッジが検出されてから或る一定時間経過した後に、スイッチ17がオンからオフに切り替わる。
本実施形態の構成は、位相制御式調光器2の出力を絞った状態で、照明点灯用のメインスイッチ(不図示)をオンした直後に一瞬、LEDモジュール3が点灯してしまうことを防止する対策として有効である。
<第10実施形態>
本発明の第10実施形態に係るLED照明システムの構成を図12に示す。なお、図12において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図12に示す本発明の第10実施形態に係るLED照明システムは、位相制御式調光器2と、LEDモジュール3と、LED駆動回路4Jとを備えている。LED駆動回路4Jは、本発明に係るLED駆動回路の一例であり、エッジ検出回路5と、電流引抜回路9’と、レギュレータ回路10と、電流検出回路12と、低電源電圧保護回路19と、過電圧保護回路20と、加熱保護回路21と有している。電流引抜回路9’は、第1基準電圧生成回路6と、第2基準電圧生成回路7と、スイッチ8と、図1の電流引抜回路9とからなる回路に対応している。
ダイオードブリッジDB1の出力電圧が上昇すると、起動抵抗RIN1を介してツェナーダイオードD1に電流が流れ、高耐圧MOSトランジスタM1のゲートにツェナー電圧(22V)が発生する。エッジ検出回路5の入力端は高耐圧MOSトランジスタM1のソースに接続されており、高耐圧MOSトランジスタM1のソースからは高耐圧MOSトランジスタM1のゲート電圧から高耐圧MOSトランジスタM1のゲート−ソース間電圧分だけ低下した電圧が出力される。
したがって、位相制御式調光器2の出力が立ち上がると、エッジ検出回路5にはステップ状の電圧が入力されることになる。エッジ検出回路5において、エッジ検出回路5の入力電圧を抵抗R9及びコンデンサCTPで構成されるローパスフィルタでフィルタリングし、さらに反転した信号と、エッジ検出回路5の入力電圧とが、論理積ゲートAND1で積演算される。これにより、エッジ検出回路5は、ダイオードブリッジDB1の出力電圧のエッジに同期して、ある一定のパルス幅のパルス信号を出力する。このパルス幅は、抵抗R9の抵抗値及びコンデンサCTPの容量値を適切に選ぶことにより、可変調整することができる。
電流引抜回路9’の入力信号は、基準電圧VREF_PULL(1[V])を基準として、アンプAMP1によりバッファリングされる。エッジ検出回路5の出力信号がHighレベルのときは、スイッチSW1がオフであるので、アンプAMP1の出力は
(R10+R11)/R11×1[V]
となる。
一方、エッジ検出回路5の出力信号がLowレベルのときは、スイッチSW1がオンであるので、AMP1の出力は
1[V]
となる。例えば、R10(抵抗値):R11(抵抗値)=4:1にすることにより、アンプAMP1に1[V]と5[V]とを選択的に出力することができる。
本構成により、第1基準電圧が1[V]となり、第2基準電圧が5[V]となり、これらの基準電圧を、ダイオードブリッジDB1の出力電圧のエッジと同期して切り替えることができる。アンプAMP2、高耐圧MOSトランジスタMPULL、及び抵抗RPULLで構成される定電流回路は、アンプAMP1の出力電圧値に応じた値の引抜電流を生成する。上記定電流回路では、アンプAMP2の非反転入力端子と反転入力端子とが同じ電位になるようにフィードバックがかかる。したがって、第1基準電圧に応じた引抜電流(第1の引抜電流)の値は、
1/RPULL[A]
となる。
一方、第2基準電圧に応じた引抜電流(第2の引抜電流)は、
5/RPULL[A]
となる。
レギュレータ回路10は、基準電圧をVREF_LED(1[V])として、アンプAMP3、高耐圧MOSトランジスタMLED、及び抵抗RLEDで構成される定電流回路である。アンプAMP3の非反転入力端子と反転入力端子が同じ電位にフィードバックがかかる。したがって、LEDモジュール3に流れるLED駆動電流は、
1/RLED[A]
となる。
電流検出回路12は、高耐圧MOSトランジスタMLEDと抵抗RLEDとの間の電圧を入力とする回路である。抵抗RLEDの両端の電圧が0.8[V]を超えると、電流検出回路12の出力がLowレベルになり、電流引抜回路9内の否定論理和ゲートNOR1によって、MOSトランジスタM3がオンになり、アンプAMP2の出力がGNDレベルになり、引抜電流動作がオフになる。
以上より明らかな通り、図12に示す構成により、第1基準電圧と第2基準電圧とをダイオードブリッジDB1の出力電圧のエッジと同期して切り替えることができ、抵抗R10と抵抗R11の抵抗比を任意に決めることにより、第1基準電圧と第2基準電圧の比を自由に設定することが可能である。例えば、抵抗R10の抵抗値を外部入力により可変して、第1基準電圧と第2基準電圧の比が可変するようにしてもよい。図13に、ダイオードブリッジDB1の出力電圧VDB1、引抜電流I9、LEDモジュール3に流れる電流I3の各波形の一例を示す。
また、アンプAMP2を電流出力タイプの演算増幅器とし、アンプAMP2の出力とGNDの間に容量CPGを挿入することにより、第2基準電圧に応じた引抜電流波形の立上りと立下りの時間を制御することが可能となる。位相制御式調光器2の種類によっては、第2基準電圧に応じた引抜電流の変化が急峻な場合、位相制御式調光器2が共振により誤動作して、調光時にちらつきが発生することがあるため、引抜電流の変化を緩やかにすることにより、位相制御式調光器2の誤動作を防止することも可能である。
<第11実施形態>
本発明の第11実施形態に係るLED照明システムの要部構成を図14に示す。図14に示す本発明の第11実施形態に係るLED照明システムは、図12に示す本発明の第10実施形態に係るLED照明システムにおいて、電流引抜回路9’、レギュレータ回路10、及び電流検出回路12の具体的構成を変更した構成である。
本実施形態では、電流引抜回路9’が台形波発生回路22を有している。台形波発生回路22は、オペアンプAMP2、ダイオードD2、NMOSトランジスタM3、NMOSトランジスタM4、及び容量C1を備えており、第2基準電圧に応じた引抜電流(第2の引抜電流)の立下り時間を、NMOSトランジスタM4の放電電流により任意に設定することができる。これにより、図15に示すように、第2の引抜電流の立下り時間が長くなり、急峻な電流変化に伴う位相制御式調光器2の誤動作を防止することができる。
<第12実施形態>
本発明の第12実施形態に係るLED照明システムの要部構成を図16に示す。図16に示す本発明の第12実施形態に係るLED照明システムは、図12に示す本発明の第10実施形態に係るLED照明システムにおいて、電流引抜回路9’、レギュレータ回路10、及び電流検出回路12の具体的構成を変更した構成である。
本実施形態では、電流引抜回路9’の引抜電流の値を設定するための基準電圧の切り替えを3段階にすることにより、LEDモジュール3のLEDがオン状態であるときに、第3基準電圧に応じた引抜電流(第3の引抜電流)を生成することができ、第3基準電圧に応じた引抜電流(第3の引抜電流)の値を、例えば第1基準電圧に応じた引抜電流(第1の引抜電流)の1/2にすることができる。図17に、ダイオードブリッジDB1の出力電圧VDB1、引抜電流I9、LEDモジュール3に流れる電流I3の各波形の一例を示す。
本実施形態では、LED駆動電流が小さいLED照明灯具に有効であり、LED駆動電流だけでは、位相制御式調光器2の誤動作を防止するための引抜電流が不足する場合に、LEDモジュール3のLEDがオン状態であるときに引抜電流を完全にゼロにしないようにして、位相制御式調光器2からみた引抜電流が不足しないようにしている。
<変形例等>
なお、本発明に係るLED駆動回路の入力電圧は日本国内の商用電源電圧100Vに限定されない。本発明に係るLED駆動回路の回路定数を適切な値にすれば、海外での商用電源電圧又は降圧した交流電圧を本発明に係るLED駆動回路の入力電圧として用いることができる。また、第5実施形態では、上述したように、1種類でさまざまな商用電源に対応することが可能である。
また、本発明に係るLED駆動回路に電流ヒューズなどの保護素子を付加することで、より安全なLED駆動回路を提供することができる。
また、上述した本発明に係るLED駆動回路の構成では、ダイオードブリッジの出力側に電流引抜部を設けたが、ダイオードブリッジの入力側に電流引抜部を設けてもよい。
また、本発明に係るLED駆動回路に入力される電圧は、正弦波形の交流電圧に基づく電圧に限定されず、他の交番電圧であってもよい。
また、上述したLED駆動回路はいずれもダイオードブリッジを備えているが、本発明に係るLED駆動回路にとってダイオードブリッジは必須構成要素ではない。ダイオードブリッジを設けない構成では、例えば、順方向が互いに異なる二つのLEDモジュールを設け、LEDモジュール毎に、電流引抜回路等を設けるようにする。かかる構成は、ダイオードブリッジが不要であること、前記ダイオードブリッジが不要であることから電源効率がやや向上することであること、全波整流後に駆動する方式に対してLED駆動電流のDuty比が半分になることによりLEDの寿命が延びる(=光束の低下が緩和)等のメリットを有しているが、一方で、LEDの個数が2倍になるためコストアップがデメリットとなる。
また、上述した各実施形態及び上記の各変形例の内容は、矛盾がない限り、任意に組み合わせて実施することが可能である。
<本発明に係るLED照明灯具>
最後に、本発明に係るLED照明灯具の概略構造について説明する。本発明に係るLED照明灯具、本発明に係るLED照明機器、及び本発明に係るLED照明システムの概略構造例を図18に示す。図18では、電球形の本発明に係るLED照明灯具200を部分切り欠き図で示している。電球形の本発明に係るLED照明灯具200は、筐体または基板202と、筐体または基板202の正面(電球形の頭部側)に設置される1個以上のLEDからなるLEDモジュール201と、筐体または基板202の背面(電球形の下部側)に設置され回路203とを内部に備えている。回路203には、例えば上述した本発明に係るLED駆動回路の各例を用いることができる。なお、回路203は、上述した本発明に係るLED駆動回路の各例に限らず、位相制御式調光器に接続可能であり、交番電圧を入力してLEDを駆動するLED駆動回路であって、位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出するエッジ検出部と、LED駆動電流を前記LEDに供給するための電流供給ラインから電流を引き抜く電流引抜部とを備え、前記電流引抜部が前記電流供給ラインから引き抜く電流の値を、前記エッジ検出部の検出結果に応じて可変するLED駆動回路を含んでいればよいことは言うまでもない。
電球形の本発明に係るLED照明灯具200がねじ込まれて装着されるLED照明灯具装着部300と、ライトコントロール器(位相制御式調光器)400とが、交流電源1に直列に接続される。電球形の本発明に係るLED照明灯具200とLED照明灯具装着部300によって、LED照明機器(シーリングライト,ペンダントライト,キッチンライト,ダウンライト,スタンドライト,スポットライト,フットライト等)が構成される。そして、電球形の本発明に係るLED照明灯具200と、LED照明灯具装着部300と、ライトコントロール器400とによって、本発明に係るLED照明システム500が構成される。LED照明灯具装着部300は例えば室内の天井壁面に配設され、ライトコントロール器400は例えば室内の側方壁面に配設される。
電球形の本発明に係るLED照明灯具200がLED照明灯具装着部300に対して着脱自在であるため、例えば、従来は白熱灯、蛍光灯等の照明灯具を用いていた既存の照明機器及び照明システムにおいて、白熱灯、蛍光灯等の照明灯具を電球形の本発明に係るLED照明灯具200に交換するだけで、位相制御式調光器の出力発振に伴う電源供給ラインの電圧変動によって位相制御素子の保持電流が不足しLEDがちらついて点灯することを低減することができる。
図18では、ライトコントロール器400が図20中の位相制御式調光器2である場合のライトコントロール器400の外観を図示しており、つまみ式ボリュームにより調光の度合いを変更できるようにしている。なお、つまみ式に代えてスライド式ボリュームにより調光の度合いを変更できるようにしても良いことはいうまでもない。
上記では前記ライトコントロール器400としてつまみ式ボリュームやスライド式ボリュームにより人が直接操作するものを挙げたが、これに限らず、リモコン等の無線信号により人が遠隔操作するものであっても良い。即ち、受信側である前記ライトコントロール器本体に無線信号受信部を設け、送信側である送信機本体(例えば、リモコン送信機、携帯端末等)に前記無線信号受信部へライトコントロール信号(例えば、調光信号、ライトON/OFF信号等)を送信する無線信号送信部を設けることで遠隔操作できる。
また、本発明に係るLED照明灯具は、電球形のLED照明灯具に限らず、例えば、図19に示す電灯形のLED照明灯具600、環形のLED照明灯具700、又は直管形のLED照明灯具800であってもよい。いずれの形状にしても、本発明に係るLED照明灯具は、LEDと、位相制御式調光器に接続可能であり、交番電圧を入力してLEDを駆動するLED駆動回路であって、位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出するエッジ検出部と、LED駆動電流を前記LEDに供給するための電流供給ラインから電流を引き抜く電流引抜部とを備え、前記電流引抜部が前記電流供給ラインから引き抜く電流の値を、前記エッジ検出部の検出結果に応じて可変するLED駆動回路を少なくとも内部に備える。
1 交流電源
2 位相制御式調光器
3 LEDモジュール
4A〜4J LED駆動回路
5 エッジ検出回路
6、6’ 第1基準電圧生成回路
7、7’ 第2基準電圧生成回路
8、11、17 スイッチ
9、9’ 電流引抜回路
10 レギュレータ回路
12 電流検出回路
13 電圧検出回路
14 立上り/立下りエッジ検出回路
15 コイル
16 時間差検出回路
18 遅延回路
19 低電源電圧保護回路
20 過電圧保護回路
21 加熱保護回路
22 台形波形発生回路
23 電流制限回路
200 電球形の本発明に係るLED照明灯具
201 LEDモジュール
202 筐体または基板
203 回路
300 LED照明灯具装着部
400 ライトコントロール器
500 本発明に係るLED照明システム
600 本発明に係る電灯形のLED灯具
700 本発明に係る環形のLED灯具
800 本発明に係る直管形のLED灯具
LN1 電源供給ライン

Claims (18)

  1. 位相制御式調光器に接続可能であり、交番電圧を入力してLEDを駆動するLED駆動回路であって、
    前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出するエッジ検出部と、
    LED駆動電流を前記LEDに供給するための電流供給ラインから電流を引き抜く電流引抜部とを備え、
    前記電流引抜部が前記電流供給ラインから引き抜く電流の値を、前記エッジ検出部の検出結果に応じて可変することを特徴とするLED駆動回路。
  2. 前記位相制御式調光器内部の位相制御素子がオン/オフが切り替わって前記LEDが発光した後、前記交番電圧が0Vとなる前に前記位相制御式調光器内部の位相制御素子がオフしないように、前記電流引抜部が前記電流供給ラインから第1の引抜電流を引き抜き、
    前記エッジ検出部が前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを検出すると、あらかじめ設定した時間前記電流引抜部が前記電流供給ラインから前記第1の引抜電流と異なる値の第2の引抜電流を引き抜くことを特徴とする請求項1に記載のLED駆動回路。
  3. 前記電流引抜部で用いられる基準電圧の値を切り替えることにより、前記第1の引抜電流と前記第2の引抜電流とを切り替えることを特徴とする請求項2に記載のLED駆動回路。
  4. 前記エッジ検出部が前記位相制御式調光器の出力電圧のエッジを一定期間検出しない場合、前記電流引抜部を動作させないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
  5. 前記LED駆動電流を検出する電流検出部を備え、
    前記電流検出部の検出結果に応じて、前記電流引抜部の前記第1の引抜電流での電流引抜動作をオン/オフ制御することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のLED駆動回路。
  6. 前記LED駆動電流を検出する電流検出部を備え、
    前記電流検出部の検出結果に応じて、前記第1の引抜電流の値を可変することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のLED駆動回路。
  7. 前記交番電圧または前記交番電圧を整流した電圧を検出する電圧検出部を備え、
    前記電圧検出部の検出結果に応じて、前記第1の引抜電流の値と前記第2の引抜電流の値を可変する請求項2または請求項3に記載のLED駆動回路。
  8. 前記エッジ検出部が、立上りエッジと立下りエッジとを弁別できることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
  9. 前記電流供給ラインの、前記電流引抜部よりも入力側に、コイルを設け、
    前記第2の引抜電流の波形をパルス状にする特徴とする請求項2または請求項3に記載のLED駆動回路。
  10. 前記交番電圧または前記交番電圧を整流した電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部の検出結果及び前記エッジ検出部の検出結果に応じて、前記交番電圧がゼロ付近になるポイントと前記交番電圧が急激に変化するポイントとの時間差を検出する時間差検出部とを備え、
    前記時間差検出部の検出結果に応じて前記LEDを短絡するか否かを切り替えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
  11. 前記エッジ検出部の出力を遅延させる遅延部を備え、
    前記遅延部の出力に応じて前記LEDを短絡するか否かを切り替えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のLED駆動回路。
  12. 前記電流引抜部が、前記第2の引抜電流の立下り時間を変更することができる立下り時間変更部を有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のLED駆動回路。
  13. 前記立下り時間変更部が、電流出力の演算増幅器に接続される誤差アンプと、前記誤差アンプの出力に接続される容量とを有することを特徴とする請求項12に記載のLED駆動回路。
  14. 前記立下り時間変更部が、ピークホールド回路と放電回路とを有することを特徴とする請求項12に記載のLED駆動回路。
  15. 前記LEDがオンであるときに前記第1の引抜電流による電流引抜動作をオフにしないことを特徴とする請求項12に記載のLED駆動回路。
  16. 請求項1〜15のいずれか1項に記載のLED駆動回路と、前記LED駆動回路の出力側に接続されたLEDとを備えることを特徴とするLED照明灯具。
  17. 請求項1〜15のいずれか1項に記載のLED駆動回路、又は、請求項16に記載のLED照明灯具を備えることを特徴とするLED照明機器。
  18. 請求項16に記載のLED照明灯具、又は、請求項17に記載のLED照明機器と、当該LED照明灯具又はLED照明機器の入力側に接続された位相制御式調光器とを備えることを特徴とするLED照明システム。
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