JP2006319172A

JP2006319172A - Ｌｅｄランプ調光用アダプタ装置

Info

Publication number: JP2006319172A
Application number: JP2005140979A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Hayashi; 隆一林
Original assignee: WAKO DENKEN KK
Current assignee: WAKO DENKEN KK
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】ＬＥＤランプ負荷の照度コントロールを白熱ランプ用の照明コントローラを使ってできるようにする。
【解決手段】位相制御式の照明コントローラ１とＬＥＤランプ負荷２との間に、電流保持手段１０を並列に設け、電流保持手段１０に照明コントローラ１から出力される電圧に基づいて電流を流す。こうすることで、電流保持手段１０がＬＥＤの順方向電圧辺りで照明コントローラ１の素子の保持電流が得られるように電流を流したり、前記素子の点弧ミスを防止できるようにして、前記コントローラ１で照度コントロールができるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、白熱ランプ負荷用の照明コントローラをＬＥＤランプ負荷に適用できるようにするためのＬＥＤランプ調光用アダプタ装置に関するものである。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）は、光出力、発光効率、演色性、コストなどの問題を解決して、照明としても用いることができるようになっている。

そのため、例えば、調光用のハロゲンランプなどの白熱ランプの代わりとしても使用することが試みられている。

通常、このようなハロゲンランプの調光には、位相制御による照明コントローラが多く使用されているが、この照明コントローラでＬＥＤランプ負荷が調光できれば既設の設備がそのまま使えるので非常に好都合である。

ところが、ＬＥＤは、図６のようなダイオード特性を呈し、印加電圧の低いうちは電流を殆んど流さないが、ある電圧（順方向電圧ＶＦ）付近から急に電流を流し始める。このように、電圧の増加に対して電流の増加が著しいため、どうしても定電流ドライブをしなければならないという問題があった。

そのため、このような照明コントローラを使用する試みとして、例えば、図５に示す（特許文献１）に記載されたＬＥＤ点灯装置がある。

このＬＥＤ点灯装置は、照明コントローラ（調光器）１とＬＥＤランプ負荷２との間に、整流器３とチョッパ回路４を設けるとともに、整流器３の出力と並列に電圧検出抵抗５を設けて整流器３からの出力電圧を検出する。また一方、ＬＥＤランプ負荷２と直列に電流検出手段６を設けて負荷電流Ｉ_Ｌを検出し、その検出した負荷電流Ｉ_Ｌに基づく電圧と前記検出した出力電圧とを比較して両者の誤差が無くなるようにチョッパ回路４を駆動するというものである。そして、ＬＥＤランプ負荷２を定電流駆動すると同時に、比較出力と前記電圧出力とを乗算回路などを介して加えることにより、調整電圧に対して電流の増加の著しいＬＥＤランプ負荷２の照度調整を白熱ランプ負荷と同じようにできるようにしたものである。
特開２００４−３２７１５２号公報

しかしながら、上記のＬＥＤ点灯装置では、ＬＥＤ負荷と直列に電流検出手段を設けて負荷電流を検出しているので、負荷の数が多くなると前記検出手段による損失が大きくなる。そのため、白熱ランプ負荷に比べて消費電力の少ないＬＥＤ負荷の特長を生かせない問題がある。

そのため、例えば、十分に許容損出の大きな素子（トライアック、サイリスタなど）を備えた位相制御回路で直接ＬＥＤを駆動したとしても照度のコントロールが上手くできない問題がある。

すなわち、ＬＥＤは順方向電圧から急激に電流が流れ始める特性なので、その流れ始めの電流の少ない辺りで、前記素子の保持電流が得られなかったり、前記素子が点弧ミスを起こしてしまったりして上手く調整できない。

そこで、この発明の課題は、位相制御による照明コントローラを用いてＬＥＤの照度コントロールができるようにすることである。また、その際、大きな電流損出を生じないようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、位相制御式の照明コントローラとＬＥＤランプ負荷との間に、電流保持手段を並列に設け、整流器から出力される電圧に基づいて整流器からの電流を流すという構成を採用したのである。

このような構成を採用したことにより、電流保持手段がＬＥＤの順方向電圧辺りで照明コントローラの素子の保持電流が得られるように電流を流したり、前記素子の点弧ミスを防止できるように電流を流して、前記コントローラの調整範囲が得られるようにようにする。

また、このとき、上記電流保持手段とＬＥＤランプ負荷との間に共振トランスを用いた自励式のＤＣ−ＤＣコンバータと整流回路を設けた構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、例えば、ＬＥＤランプ負荷は、ＤＣ−ＤＣコンパータのトランスを介して電流駆動することになり、照度調整の際の応答を早くすることができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力は周波数が高く、例えば整流回路の時定数が小さくても出力リップルを小さくできるので、点灯時のチラツキを少なくできる。

この発明は、以上のように構成したことにより、位相制御による照明コントローラを用いてＬＥＤランプ負荷の照度コントロールができる。そのため、ＬＥＤランプ負荷の調光を、既設の設備をそのまま使って簡単に低コストで行えるので好都合である。

以下、この発明の最良の実施の形態を図面に基づいて説明する。

この形態のＬＥＤランプ調光用アダプタ装置は、図１に示すように、整流器３と電流保持手段１０とで構成され、位相制御式の白熱ランプ負荷用の照明コントローラ１とＬＥＤランプ負荷２との間に設けられる。

整流器３は、この形態では、全波整流用のブリッジ回路を使用している。これ以外に整流器３には、ダイオードを使用した半波整流を用いることもできるが、効率が落ちてチラツキが増すので、全波整流を用いるのが好ましい。

電流保持手段１０は、定電流回路１１と電圧検出回路１２とで構成されている。定電流回路１１は、ＮＰＮトランジスタＴ１とエミッタ抵抗Ｒｅ及びツェナーダイオードＤ１とで構成されており、図１のように、ツェナーダイオードＤ１のカソード端子をトランジスタＴ１のベースと接続することにより、
Ｉｅ＝Ｖｚ−Ｖｅｂ／Ｒｅ
Ｉｅ：エミッタ電流Ｖｚ：ツェナー電圧
で示す電流を流すようになっている。そのため、ここでは前記電流Ｉｅを照明コントローラ１がオン状態を維持する最少の電流（例えば、コントローラ１のトリガされた位相制御素子のトライアックの保持電流Ｉ_Ｈ）を流すようにＶｚ、Ｒｅの値を設定する。

電圧検出回路１２は、ＮＰＮトランジスタＴ２と分圧抵抗１３及びツェナーダイオードＤ２とで構成したもので、前記トランジスタＴ２のコレクタ端子を定電流回路１１のトランジスタＴ１のベース端子と接続して、トランジスタＴ２がオンするとトランジスタＴ１をオフできるようにしてある。

また、分圧抵抗１３は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とを直列に接続した直列回路からなり、整流器３の出力と並列に接続する。

ツェナーダイオードＤ２は、コンパレート用に設けたもので、図１のように、アノード端子をトランジスタＴ２のベースに接続し、カソード端子を分圧抵抗Ｒ１とＲ２の接続点と接続することにより、前記抵抗Ｒ１とＲ２とで分圧された電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超えると、トランジスタＴ２のベースへ電流が流れてトランジスタＴ２をオンすることができるようにしてある。ここでは、前記ツェナーダイオードＤ２がオンする電圧を、ＬＥＤランプ負荷２が点灯して充分に前記素子の保持電流Ｉ_Ｈを流せる電圧に設定してある。

なお、図１中のコンデンサＣ１は、ノイズ低減用に設けたものである。

この形態は、上記のように構成されており、上記アダプタ装置は、図１で示したように位相制御式の照明コントローラ（白熱ランプ負荷用）１とＬＥＤランプ負荷２の間に設けて使用する。その際、図１のようにアダプタ装置は、逆流防止用ダイオードＤ３と突入電流防止用の抵抗Ｒ７を介してＬＥＤランプ負荷２と接続する。なお、コンデンサＣ２は平滑用のもので、ＬＥＤランプ負荷２のチラツキを防止する。

また、照明コントローラ１は、先にも述べたように、位相制御素子にトライアックやサイリスタなどを使用したもので、それらの位相角をボリュームなどの調整手段によって、制御する回路を備えたものである。ここでは、素子に電流容量５Ａで、許容損失２００Ｗ〜５００Ｗ程度のものを使用した。そのため、前記位相制御素子のオン状態を維持するための保持電流Ｉ_Ｈは、０℃３０ｍＡ（ｍａｘ）、２５℃２５ｍＡ（ｍａｘ）である。

さらに、ここでのＬＥＤランプ負荷２は、順方向電圧３．５Ｖ、順方向電流２０ｍＡ、許容損失１２０ｍＷ程度の高輝度タイプのＬＥＤを１５個程度直列に接続したユニットを３０台から５０台並列に接続したものである。

そのため、アダプタ装置は、入力電圧１００Ｖ以下でトランジスタＴ１が３０ｍＡの電流を流せるように、アダプタ装置は電流保持手段１０のエミッタ抵抗Ｒｅの値とツェナーダイオードＤ１のツェナー電圧Ｖｚを選択してある。さらに、入力電圧１００Ｖ以上でトランジスタＴ２がオンしてトランジスタＴ１をオフできるように、分圧抵抗１３の値とツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧Ｖｚを選択してある。

いま、照明コントローラ１の調整手段を操作して、ＬＥＤランプ負荷２を低照度で点灯する。すなわち、照明コントローラ１の位相制御素子の位相角を図２（ａ）のように、９０度より大きく制御した場合、アダプタ装置の入力電圧Ｖ_ＡＣが１００Ｖより高い間は、電流保持手段１０のトランジスタＴ２がオンとなり、トランジスタＴ１がオフとなって電流を流さない。こののち、入力電圧が８０Ｖ付近に低下してくると、前記トランジスタＴ２がオフとなり、トランジスタＴ１がオンとなって、保持電流Ｉ_Ｈに相当する３０ｍＡの電流を流す。この８０Ｖ付近の電圧は、直列に接続したＬＥＤランプ負荷２の順方向電圧の合計値に近い値なので、ＬＥＤランプ負荷２に流れる負荷電流Ｉ_Ｌは少なく、ランプ負荷２に流れる負荷電流Ｉ_Ｌだけでは前記コントローラ１をオン状態に保持することは困難である。そのため、アダプタ装置が無い場合は点灯することは困難であるが、アダプタ装置を設けたことにより、アダプタ装置がＬＥＤランプ負荷２に代わって保持電流Ｉ_Ｈを流すので、前記コントローラ１をオン状態に保持して、負荷電流Ｉ_Ｌを図２（ａ）の斜線の部分で供給できる。したがって、ＬＥＤランプ負荷２へも電流を供給できるので、低い電圧での点灯が可能になり、低照度での調光が可能になる。

次に、照明コントローラ１の調整手段を操作して中程度の照度で点灯する。すなわち、位相角をほぼ９０度に制御した場合、アダプタ装置の入力電圧Ｖ_ＡＣは、図２（ｂ）のように１００Ｖ以上となる。そのため、アダプタ装置の入力電圧Ｖ_ＡＣが１００Ｖより高い間は、電流保持手段１０のトランジスタＴ２がオンとなり、トランジスタＴ１がオフとなって電流を流さない。一方、入力電圧が８０Ｖ付近に低下してくると、前記トランジスタＴ２がオフとなり、トランジスタＴ１がオンとなって、保持電流Ｉ_Ｈに相当する３０ｍＡの電流を流す。そのため、負荷電流Ｉ_Ｌを図２（ｂ）の斜線の部分で供給することができるので、中程度の調光ができる。

さらに、照明コントローラ１の調整手段を操作して高輝度の照度で点灯する。すなわち、位相角を図２（ｃ）のように、位相角を９０度より小さく制御した場合は、アダプタ装置の入力電圧Ｖ_ＡＣが８０Ｖより低い電圧でもアダプタ装置の電流保持手段１０が電流を流し始めるため位相角が広くなり、負荷電流Ｉ_Ｌを図２（ｃ）の斜線のように、８０Ｖより低い電圧に対応する部分から供給することができる。そのため、ＬＥＤランプ負荷２へ多くの電流を供給して高輝度で点灯することができる。

このように点灯を制御する位相角の調整範囲を広く取れるので、ＬＥＤランプ負荷２を低照度から高輝度まで広い範囲での調光が可能になる。

また、その際、電流保持手段１０は、電圧検出回路１２によって、ＬＥＤランプ負荷２が点灯して保持電流Ｉ_Ｈ以上の電流を流し始めると、定電流回路１１をオフにして電流を流さない。そのため、無駄に電力を消費しないので省エネ効果が大きく、消費電力の少ないＬＥＤランプ負荷２の特長を生かすことができる。

このように、ＬＥＤランプ負荷２の照度コントロールを大きな電流損出を生じないで、白熱ランプ用の照明コントローラを使ってできる。

この実施例は、図３に示すように、電流保持手段１０とＬＥＤランプ負荷２との間に自励式のＤＣ−ＤＣコンバータ１４と整流回路１５を設けたものである。

自励式のＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、ここでは、図３に示すようなＰＮＰとＮＰＮトランジスタＴ３、Ｔ４と共振トランスＬを用いたロイヤ方式によるもので、自励式の共振型のものである。ここでは、トランスＬを非飽和で動作してトランジスタＴ３、Ｔ４を反転させる。

すなわち、入力電圧が抵抗Ｒ５とＲ６に入力すると、トランジスタＴ３、Ｔ４のベースに電圧が印加される。このとき、トランジスタＴ３、Ｔ４のばらつきで、飽和電圧の低い方の例えば、トランジスタＴ４が先に導通すると、電流Ｉ_４が矢印の経路で流れる。このとき、同時にトランスＬの１次巻き線の両端に接続されたコンデンサＣ３と１次巻き線２×Ｎ_Ｐとの間でＬＣの共振電流Ｉ_Ｐが流れる。この共振電流Ｉ_Ｐによって、もう一方のトランジスタＴ３のコレクタ−エミッタ間には共振電圧波形が印加される。この共振電圧波形は、ベースへの帰還巻き線Ｎｆにも巻き線比に応じた電圧を誘起するので、トランジスタＴ３のベースへ電圧が帰還されオン状態を継続する。そののち、共振電圧波形は低下し、０Ｖに達すると、トランジスタＴ４はオフになる。このとき、共振電圧波形は、０Ｖを超えて負側へ反転するので、今度は、反対側のトランジスタＴ３のベースが正にバイアスされてオンになる。その際、トランジスタＴ４のベース電圧は負になっているので、オフ状態を維持する。

次に、先ほどと同様に、トランスＬの１次巻き線Ｎｆを電流が流れ、１次巻き線Ｎ_Ｐに電流が流れると、トランスＬの１次巻き線とコンデンサＣ３によって共振電流が逆極性で流れるのでトランジスタＴ４のコレクタ−エミッタ間に共振電流波形が印加されることになり発振を繰り返す。

この回路の発振周波数ｆは、トランスの１次巻き線のインダクタンスＬｓとコンデンサＣ３との共振周波数で決まり、
ｆ＝１／２π√Ｌｓ×Ｃ
となり、この発振出力はトランスＬを介して整流回路１５へ出力される。

整流回路１５は、チョークコイルＬ１とブリッジ回路１６及び平滑コンデンサＣ４とで構成され、ブリッジ回路１６で整流した出力を平滑用のコンデンサＣ４を介してＬＥＤランプ負荷２へ出力する。

電流保持手段１０などの他の構成は、先の実施形態で述べたものと同じなので、同一符合を付して説明を省略する。

このように構成されるアダプター装置では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は図４で示すようなトランス出力Ｖｏｕｔを出力するが、整流回路１５に出力される電力は一定である。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４で昇圧された電圧がＬＥＤランプ負荷２に印加されて負荷電流Ｉ_Ｌが増えると電圧は下がり、電圧が下がると電流は減少することになる。また、逆に、電流が減少すると電圧は上昇し、電圧が上昇すると電流は減少することになる。したがって、ＬＥＤランプ負荷２を定電流駆動する事ができるようになり、その結果、照度調整時にＬＥＤランプ負荷２の応答を早くすることができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランス出力Ｖｏｕｔは、商用電源よりも周波数が高いため、整流回路の時定数が小さくてもリッブルを小さくできるので、チラツキも少なくできるという効果もある。

半導体レーザは白色発光ダイオード（ＬＥＤ）のＬＥＤチップと同じくＧａＮ系材料や多重量子井戸構造を使うので、このレーザを使う照明にも適用可能である。

実施形態の回路図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）実施形態の作用説明図実施例１の回路図実施例１の作用説明図従来例の回路図従来例の作用説明図

符号の説明

１位相制御式照明コントローラ
２ＬＥＤランプ負荷
３整流器
１０電流保持手段
１１定電流回路
１２電圧検出回路
１４ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５整流回路
Ｌ共振トランス
Ｉ_Ｈ保持電流

Claims

白熱ランプ負荷を調光するために設けられた位相制御式の照明コントローラと、前記白熱ランプ負荷に代えてコントローラに接続されるＬＥＤランプ負荷との間に設けられる整流器と電流保持手段とからなり、
上記整流器は照明コントローラ出力と直列に接続されて前記出力を整流し、
一方、上記電流保持手段は、前記整流器出力と並列に接続されるとともに、前記整流器から出力される電圧に基づいて整流器から電流を流し、前記コントローラの調整範囲が得られるようにしたＬＥＤランプ調光用アダプタ装置。
上記電流保持手段とＬＥＤランプ負荷との間に、共振トランスを用いた自励式のＤＣ−ＤＣコンバータと整流回路を設けた請求項１に記載のＬＥＤランプ調光用アダプタ装置。