JP7429144B2

JP7429144B2 - Ｌｅｄ点灯装置及び照明器具

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Publication number: JP7429144B2
Application number: JP2020060695A
Authority: JP
Inventors: 和生合田; 宏露口; 義信横山; 和樹吉野; 耕平大久保
Original assignee: 四変テック株式会社
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2024-02-07
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021163523A

Description

本発明は、ＬＥＤ点灯装置及び当該ＬＥＤ点灯装置を備えた照明器具に関する。

交流電力を直流電力に変換して照明器具の光源に供給する電源回路を備えたＬＥＤ点灯装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のＬＥＤ点灯装置は、ＡＣ－ＤＣ回路と半導体素子とを制御する制御回路を備え、当該半導体素子をドロッパ方式（リニアレギュレータ方式）定電流回路用の素子として利用する第１動作と、当該半導体素子をオン（スルー）状態とする第２動作の二通りの動作を制御している。

特許第６５２７７４１号

特許文献１のＬＥＤ点灯装置は、半導体素子をドロッパ方式定電流回路用の素子として利用する（第１動作とする）ことで、ＬＥＤ負荷（発光素子）に過大な電流が流れることを防止できる。しかしながら、半導体素子に電圧（ドロップ電圧）をかける必要があるため、半導体素子における損失が大きくなる。

一方、特許文献１のＬＥＤ点灯装置は、半導体素子をオン（スルー）状態とする（第２動作とする）ことで半導体素子の損失を低減できる。しかし、この場合、発光素子への入力がＡＣ－ＤＣ回路の出力に依存する。そのため、ＡＣ－ＤＣ回路の入力電圧に瞬断などの異常が発生すると、その異常が発光素子のちらつきとなって現れてしまう。また、位相制御型調光器とＬＥＤ点灯装置とを組み合わせる場合、調光のために入力電圧の波形が意図的にカットされるため、瞬断発生時と同様に発光素子のちらつきを起こしやすい。

上記課題に鑑み、本発明は、調光可能で、半導体素子における損失を抑えつつ、発光素子のちらつきを抑制できるＬＥＤ点灯装置及び照明器具を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るＬＥＤ点灯装置は、交流電源の電圧を位相制御する位相制御型調光器に接続され、位相制御された電圧を整流するＡＣ－ＤＣ回路と、ＡＣ－ＤＣ回路の出力電圧を平滑するコンデンサと、ＡＣ-ＤＣ回路の出力端子間に接続されるＬＥＤ負荷及び半導体素子と、位相制御された電圧の位相角を検出する位相角検出手段と、ＡＣ－ＤＣ回路を制御する第１制御回路と、半導体素子をドロッパ方式定電流回路用素子として制御する第２制御回路と、を備え、第１制御回路は、位相制御された電圧の位相角に基づいて、半導体素子にかかる電圧を制御し、位相制御された電圧の位相角が第２所定角度から第１所定角度に増加するまでその増加に応じて半導体素子にかかる第１電圧を減少させ、位相角が第２所定角度よりも大きい第１所定角度以上となる場合に１８０°に満たない第３所定角度まで第１電圧を一定の最小値に設定し、位相角が第２所定角度以下となる場合に第１電圧を０°より大きい第４所定角度まで一定の最大値に設定することを特徴とする。また、本発明に係るＬＥＤ点灯装置は、交流電源の電圧を位相制御する位相制御型調光器に接続され、位相制御された電圧を整流するＡＣ－ＤＣ回路と、ＡＣ－ＤＣ回路の出力電圧を平滑するコンデンサと、ＡＣ-ＤＣ回路の出力端子間に接続されるＬＥＤ負荷及び半導体素子と、ＬＥＤ負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、ＡＣ－ＤＣ回路を制御する第１制御回路と、半導体素子をドロッパ方式定電流回路用素子として制御する第２制御回路と、を備え、第１制御回路は、ＬＥＤ負荷に流れる電流に基づいて、半導体素子にかかる電圧を制御し、ＬＥＤ負荷に流れる電流が第２所定電流から第１所定電流に増加するまでその増加に応じて半導体素子にかかる第１電圧を減少させ、ＬＥＤ負荷に流れる電流が第２所定電流よりも大きい第１所定電流以上となる場合に、ＬＥＤ負荷に流れ得る電流の最大電流値に満たない第３所定電流まで第１電圧を一定の最小値に設定し、ＬＥＤ負荷に流れる電流が第２所定電流以下となる場合に第１電圧を、ＬＥＤ負荷に流れ得る電流の最小電流値より大きい第４所定電流まで一定の最大値に設定することを特徴とする。

本発明に係るＬＥＤ点灯装置及び照明器具によれば、調光可能で、半導体素子における損失を抑えつつ、発光素子のちらつきを抑制できる。

本発明の実施例１に係るＬＥＤ点灯装置のブロック図である。図１のＬＥＤ点灯装置の構成を示した回路図である。実施例１に係るＬＥＤ点灯装置の半導体素子電圧の切り替えを説明するための説明図である。実施例１に係るＬＥＤ点灯装置において、通常時の動作を示すタイムチャートである。実施例１に係るＬＥＤ点灯装置において、通常時の動作を示すタイムチャートである。従来技術に係るＬＥＤ点灯装置において、異常発生時の動作を示すタイムチャートである。実施例１に係るＬＥＤ点灯装置において、異常発生時の動作を示すタイムチャートである。本発明の実施例２に係るＬＥＤ点灯装置の半導体素子電圧の切り替えを説明するための説明図である。

以下、本発明のＬＥＤ点灯装置及び照明器具の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１，２は、本発明の実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０を示す。実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０は、交流電源１００の電源電圧Ｖ_Oを位相制御する位相制御型の調光器１０２に接続される。ＬＥＤ点灯装置１０は、位相制御された交流電圧を直流電圧に整流するＡＣ－ＤＣ回路１１と、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力を平滑する平滑コンデンサ１２と、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力端子に接続される発光素子（ＬＥＤ負荷）１３とを備える。ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧は、ＡＣ－ＤＣ制御回路１４によって目標電圧が決定され、当該目標電圧と一致するよう、力率改善制御ＩＣ１４０によって制御される。また、ＬＥＤ負荷１３は、少なくとも１個のＬＥＤを備える。

ＬＥＤ点灯装置１０は、ＬＥＤ負荷１３に係る電圧（負荷電圧Ｖ_OUT）を調整するための半導体素子１５と、半導体素子１５を制御する定電流制御回路１６と、ＬＥＤ負荷１３に流れる負荷電流Ｉ_OUTを検出する電流検出手段１７とを備える。なお、本明細書では、ＡＣ－ＤＣ制御回路１４を「第１制御回路１４」、定電流制御回路１６を「第２制御回路１６」とも呼ぶ。

図２に示すように、調光器１０２は、調光制御回路１０４を有し、内部のトライアックを所定の位相角で導通させることにより電源電圧Ｖ_Oを位相制御する。この結果、ＬＥＤ点灯装置１０の出力端子に接続されたＬＥＤ負荷１３の明るさが変化する。

ＡＣ－ＤＣ回路１１は、整流回路１１０と、変圧器１１２と、ダイオード１１４と、スイッチング素子１１６と、を有する。スイッチング素子１１６は、力率改善制御ＩＣ１４０により制御され、入力電流の高調波成分を低減する。なお、図２において、スイッチング素子１１６としてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を示したが、スイッチング素子１１６はハイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など他種の素子であっても良い。

また、ＬＥＤ点灯装置１０は、ＡＣ－ＤＣ制御回路１４及び定電流制御回路１６を制御するマイクロコンピュータ１６０を備える。マイクロコンピュータ１６０は、半導体素子１５をドロッパ方式（リニアレギュレータ方式）定電流回路用の素子として制御する。即ち、電流値設定手段１６４で半導体素子１５に流れる電流値を設定し、当該設定された電流値が半導体素子１５に流れるようにＰＷＭ制御手段１６６を制御する。

また、マイクロコンピュータ１６０は、ＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧の位相角θを検出する位相角検出手段１６２を有し、検出された位相角θに応じて半導体素子１５にかかる電圧（半導体素子電圧Ｖ₁）を制御する。

即ち、図３に示すように、マイクロコンピュータ１６０は、位相角検出手段１６２で検出されたＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧の位相角θが第１所定角度θ_TH1以上である場合、半導体素子電圧Ｖ₁を減少させる。具体的には、半導体素子電圧Ｖ₁の値を最小値Ｖ_minに設定する。他方、マイクロコンピュータ１６０は、位相角検出手段１６２で検出されたＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧の位相角θが、第１所定角度θ_TH1よりも小さい第２所定角度θ_TH2以下である場合、半導体素子電圧Ｖ₁を増大させる。具体的には、半導体素子電圧Ｖ₁の値を最大値Ｖ_maxに設定する。また、検出された位相角θが第２所定角度θ_TH2より大きく第１所定角度θ_TH1未満である場合、半導体素子電圧Ｖ₁の値を、最大値Ｖ_maxからＶ_minの間で位相角θに比例して変化させる。

なお、実施例１に係る調光器１０２は、交流電源１００の電圧Ｖ_oを、例えば位相角θ＝３０～１５０°の間で制御する。ここで、第１所定角度θ_TH1は、例えば１２５°、第２所定角度θ_TH2は、例えば５５°とされる。

図４，５は、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０の通常時の動作を示すタイムチャートである。具体的には、図４は、ＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧の位相角θが第１所定角度θ_TH1以上の場合におけるＬＥＤ点灯装置１０の動作を示す。また、図５は、ＡＣ－ＤＣ回路入力電圧の位相角θが第２所定角度θ_TH2以下の場合におけるＬＥＤ点灯装置１０の動作を示す。

図４は、位相角θが第１所定角度θ_TH1以上である１４５°の場合を示す。この場合、調光器１０２内部のトライアックは位相角１４５°で導通するため、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧は比較的大きな値となる。

ここで、ＬＥＤ点灯装置１０のマイクロコンピュータ１６０は、半導体素子１５をドロッパ方式定電流回路の素子として制御する。即ち、半導体素子１５に所定の電流を加えることにより、ＬＥＤ負荷１３に流れる負荷電流Ｉ_OUTの値を一定値に維持する。これにより、ＬＥＤ負荷１３に過大な電流が流れることを防止できる。

一方で、半導体素子１５においてドロップ電圧（半導体素子電圧）Ｖ_１が発生するため、ドロップ電圧Ｖ₁と半導体素子１５に流れる電流の積の分だけ損失が発生する。具体的には、当該損失分は、半導体素子１５から熱エネルギとして排出される。そこで、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０にあっては、位相角θが第１所定角度θ_TH1以上となる場合（即ち、入力電圧が比較的大きくなる場合）は、半導体素子電圧Ｖ₁を最小値Ｖ_minに低下させる。この結果、半導体素子１５における損失を低減できる。

これに対し、図５は、位相角θが第２所定角度θ_TH2以下である３５°の場合を示す。この場合、調光器１０２内部のトライアックは位相角３５°で導通するため、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧は、比較的小さな値となる。そこで、本実施例に係るＬＥＤ点灯装置１０（マイクロコンピュータ１６０）は、図３に示す如く、半導体素子電圧Ｖ₁を最大値Ｖ_maxに増大させる。これにより、ＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧に瞬断などの異常が発生した場合にあっても、ＬＥＤ負荷１３に流れる負荷電流Ｉ_OUTの値が変動することを防ぐことができ、発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを抑制できる。

実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０の上記効果について、図６及び図７を示してさらに説明する。図６及び図７は、いずれもＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧に瞬断などの異常が発生した場合を示す。ここで、図６は、上記した半導体素子電圧Ｖ₁の電圧制御を行わない場合を示し、図７は、上記した半導体素子電圧Ｖ₁の電圧制御を行う場合を示す。

図６のように、半導体素子電圧Ｖ_１を制御しない場合又は半導体素子１５における損失を低減するために半導体素子電圧Ｖ_１を低い値に設定した場合、時刻ｔ₁でＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧に瞬断などの異常が発生すると、これに起因するＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧低下を半導体素子電圧Ｖ_１で補うことができない。その結果、負荷電圧Ｖ_OUT及び負荷電流Ｉ_OUTが不足し、発光素子（ＬＥＤ負荷）１３にちらつきが発生してしまう。

一方、図７のように、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０にあっては、位相角θが第２所定角度θ_TH2以下であってＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧が比較的小さな値となる場合、半導体素子電圧Ｖ₁を意図的に増大させる（半導体素子電圧Ｖ₁をＶ_maxに設定する）。この結果、時刻ｔ₁でＡＣ－ＤＣ回路１１の入力電圧に瞬断などの異常が発生した場合であっても、当該異常発生により生じるＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧低下は、負荷電圧Ｖ_OUT及び負荷電流Ｉ_OUTに影響を与えない。したがって、発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを防ぐことが可能になる。

以上のように、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０は、調光器１０２によって位相制御された電圧の位相角θに基づき、ドロッパ方式定電流回路用素子として利用される半導体素子１５にかかる電圧（半導体素子電圧Ｖ₁）を制御するように構成される。この結果、半導体素子１５における損失を効率的に低減しつつ、瞬断などの異常が発生した場合の発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを抑制できる。

具体的には、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０は、検出された電圧の位相角θが第１所定角度θ_TH1以上である場合、半導体素子電圧（第１電圧）Ｖ₁を減少させるように構成される。即ち、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧が比較的大きく、瞬断などの異常が発生しても出力Ｖ_OUT，Ｉ_OUTに影響が及ばない場合は、半導体素子電圧Ｖ₁を減少させる。これにより、半導体素子１５における損失を効率的に低減できる。また、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０は、検出された電圧の位相角θが第２所定角度θ_TH2以下である場合、半導体素子電圧（第１電圧）Ｖ₁を増大させる。即ち、ＡＣ－ＤＣ回路１１の出力電圧が比較的小さく、出力Ｖ_OUT，Ｉ_OUTが瞬断などの異常の影響を受けやすい場合は、半導体素子電圧Ｖ₁を増大させる。これにより、発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを効果的に抑制できる。

特に、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０は、検出された電圧の位相角θが第１所定角度θ_TH1以上である場合、半導体素子電圧（第１電圧）Ｖ₁を最小値Ｖ_minに設定し、位相角θが第２所定角度θ_TH2以下である場合、半導体素子電圧（第１電圧）Ｖ₁を最大値Ｖ_maxに設定するように構成される。したがって、半導体素子１５における損失をより効率的に低減できると共に、発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを防ぐことができる。

図８は、本発明の実施例２に係るＬＥＤ点灯装置１０の半導体素子電圧Ｖ₁の切り替えを説明するための説明図である。

図８に示す如く、実施例２に係るＬＥＤ点灯装置１０にあっては、ＬＥＤ負荷１３に流れる負荷電流Ｉ_OUTに基づき、半導体素子１５に係る電圧（第１電圧）Ｖ₁を制御するように構成した。具体的には、マイクロコンピュータ１６０は、電流検出手段１７で検出された負荷電流Ｉ_OUTが第１所定電流Ｉ_TH1以上である場合、半導体素子電圧Ｖ₁を減少させる。具体的には、半導体素子電圧Ｖ₁の値を最小値Ｖ_minに設定する。他方、マイクロコンピュータ１６０は、電流検出手段１７で検出された負荷電流Ｉ_OUTが、第１所定電流Ｉ_TH1よりも小さい第２所定電流Ｉ_TH2以下である場合、半導体素子電圧Ｖ₁を増大させる。具体的には、半導体素子電圧Ｖ₁の値を最大値Ｖ_maxに設定する。また、検出された負荷電流Ｉ_OUTが第２所定電流Ｉ_TH2より大きく第１所定電流Ｉ_TH1未満である場合、半導体素子電圧Ｖ_１の値を、最大値Ｖ_maxからＶ_minの間で負荷電流Ｉ_OUTに比例して変化させる。

実施例２に係るＬＥＤ点灯装置１０にあっては、上記のように構成したので、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０同様に、半導体素子１５における損失を低減しつつ、瞬断などの異常が発生した場合の発光素子（ＬＥＤ負荷）１３のちらつきを抑制できる。

なお、実施例２に係るＬＥＤ点灯装置１０のその他の構成については、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０の構成と変わらないため、詳細な説明は省略する。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

例えば、実施例１，２においては、位相制御型調光器１０２による調光として、リーディングエッジ調光を例に挙げて説明したが、調光器１０２による調光はトレーリングエッジ調光であっても良いことはいうまでもない。

また、実施例１に係るＬＥＤ点灯装置１０にあっては、調光器１０２によって位相制御された交流電圧（ＡＣ－ＤＣ回路出力電圧）の位相角θに基づいて半導体素子１５の電圧（第１電圧）Ｖ_１を制御する構成としたが、ＡＣ－ＤＣ回路出力電圧の積分値に基づいて半導体素子電圧Ｖ_１を制御する構成としてもよい。

１０ＬＥＤ点灯装置
１１ＡＣ－ＤＣ回路
１２平滑コンデンサ
１３発光素子（ＬＥＤ負荷）
１４ＡＣ－ＤＣ制御回路（第１制御回路）
１５半導体素子
１６定電流制御回路（第２制御回路）
１７電流検出手段
１００交流電源
１０２調光器
１６０マイクロコンピュータ
１６２位相角検出手段
１６４電流設定値生成手段

Claims

交流電源の電圧を位相制御する位相制御型調光器に接続されるＬＥＤ点灯装置であって、
前記位相制御された電圧を整流するＡＣ－ＤＣ回路と、
前記ＡＣ－ＤＣ回路の出力電圧を平滑するコンデンサと、
前記ＡＣ-ＤＣ回路の出力端子間に接続されるＬＥＤ負荷及び半導体素子と、
前記位相制御された電圧の位相角を検出する位相角検出手段と、
前記ＡＣ－ＤＣ回路を制御する第１制御回路と、
前記半導体素子をドロッパ方式定電流回路用素子として制御する第２制御回路と、を備えるＬＥＤ点灯装置であって、
前記第１制御回路は、前記位相制御された電圧の位相角に基づいて、前記半導体素子にかかる電圧を制御し、前記位相制御された電圧の位相角が第２所定角度から第１所定角度に増加するまでその増加に応じて前記半導体素子にかかる第１電圧を減少させ、前記位相角が前記第２所定角度よりも大きい前記第１所定角度以上となる場合に１８０°に満たない第３所定角度まで前記第１電圧を一定の最小値に設定し、前記位相角が前記第２所定角度以下となる場合に前記第１電圧を０°より大きい第４所定角度まで一定の最大値に設定することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
交流電源の電圧を位相制御する位相制御型調光器に接続されるＬＥＤ点灯装置であって、
前記位相制御された電圧を整流するＡＣ－ＤＣ回路と、
前記ＡＣ－ＤＣ回路の出力電圧を平滑するコンデンサと、
前記ＡＣ-ＤＣ回路の出力端子間に接続されるＬＥＤ負荷及び半導体素子と、
前記ＬＥＤ負荷に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記ＡＣ－ＤＣ回路を制御する第１制御回路と、
前記半導体素子をドロッパ方式定電流回路用素子として制御する第２制御回路と、を備えるＬＥＤ点灯装置であって、
前記第１制御回路は、前記ＬＥＤ負荷に流れる電流に基づいて、前記半導体素子にかかる電圧を制御し、前記ＬＥＤ負荷に流れる電流が第２所定電流から第１所定電流に増加するまでその増加に応じて前記半導体素子にかかる第１電圧を減少させ、前記ＬＥＤ負荷に流れる電流が前記第２所定電流よりも大きい前記第１所定電流以上となる場合に、前記ＬＥＤ負荷に流れ得る電流の最大電流値に満たない第３所定電流まで前記第１電圧を一定の最小値に設定し、前記ＬＥＤ負荷に流れる電流が前記第２所定電流以下となる場合に前記第１電圧を、前記ＬＥＤ負荷に流れ得る電流の最小電流値より大きい第４所定電流まで一定の最大値に設定することを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１または請求項２に係るＬＥＤ点灯装置を備える照明器具。