以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明のLED照明システムの第1実施形態を示す構成図である。
図1に示すLED照明システムS1は、例えば住宅やオフィスビルに配備され、商用交流電源4からの交流電圧を受けて照明を行う照明システムである。LED照明システムS1は、主調光器1、副調光器2、およびLED照明器3を備えている。
主調光器1は、商用交流電源4と副調光器2との間に設けられている。主調光器1は2線式の調光器であり、端子T11,T12を介し商用交流電源4および副調光器2のそれぞれと1本ずつ2本の電線で接続されている。主調光器1には、LED照明器3の調光をするための操作部101が設けられている。操作部101は、主調光器1内に設けられた可変抵抗に連動する回転ツマミである。主調光器1は、商用交流電源4から交流電力を受けた交流電力を操作部101の調光操作に応じて位相制御して位相制御交流電力を生成し、位相制御交流電力を出力する。
副調光器2は、主調光器1とLED照明器3との間に設けられている。副調光器2は、いわゆる4線式の調光器であり、端子T22,T23を介して商用交流電源4および主調光器1のそれぞれと1本ずつ2本の電線で接続され、さらに、端子T24,T25を介しLED照明器3と2本の電線で接続されている。副調光器2にも、主調光器1と同様に、LED照明器3の調光をするための操作部201が設けられている。操作部201は、副調光器2内に設けられた可変抵抗に連動する回転ツマミである。副調光器2は、主調光器1で位相制御された位相制御交流電力を受け、この位相制御交流電力を、操作部201の操作に応じた電圧の直流電圧に変換してLED照明器3に供給する。
LED照明器3は、LED311を発光させることで照明を行う照明器である。LED照明器3は、例えば部屋の天井に設置され直下を照らすダウンライト型の照明器である。LED照明器3は、光源部31および放熱部32を備えている。光源部31は、複数のLED311からなるLEDアレイを備えている。LED照明器3は、外部から直流電力の供給を受け、この直流電力によってLED311を発光させる。放熱部32は、LED311で生じる熱を外部に逃がすヒートシンクである。
本実施形態のLED照明システムS1によれば、主調光器1および副調光器2による2重の調光が可能である。主調光器1および副調光器2は、例えばLED照明器3が設置された部屋の壁に取り付けられている。主調光器1は、例えば部屋の入口付近に配置され、副調光器2は、部屋の中のLED照明器3が照明する部分付近に配置されている。LED照明器3の明るさは、主調光器1および副調光器2の双方によって制御される。部屋の一部、例えばテーブルを照明するLED照明器3について、テーブル付近の副調光器2でテーブルの明るさを設定しておき、時刻や環境の変化に応じて部屋全体の明るさを他の照明ともに主調光器1で調整することができる。
[主調光器の構成]
続いて、2重の調光を可能とする、主調光器1および副調光器2の回路構成および動作について説明する。
図2は、図1に示す主調光器1の回路図である。
図2に示す主調光器1は、主調光器1は、商用交流電源4の交流電力を位相制御して副調光器2に供給する調光器である。本実施形態の主調光器1は、交流正弦波波形のうち0Vをクロスしてから次に0Vをクロスするまで半周期のうちの後半部分の導通を制限するように位相制御を行う。また、操作に応じて、各半周期における、導通制限を開始するタイミングを変化させることにより、電力を制御する。
2つの端子T11,T12は副調光器2(図1参照)および商用交流電源4にそれぞれ接続される。図1において、商用交流電源4、主調光器1および副調光器2を一巡して結ぶ回路を主電流回路と称する。
主調光器1は、主電流スイッチング回路11、およびこの主電流スイッチング回路11の通電を制御する制御回路12を備えている。主電流スイッチング回路11は、2つのスイッチングトランジスタQ11,Q12(以降、単にトランジスタと称する。)が上記主電流回路に、互いに逆向きに直列接続された構成を有している。本実施形態におけるトランジスタQ11,Q12は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、コレクタ―エミッタ間に逆導通用のフライホイールダイオードD11,D12(以降、単にダイオードD11,D12と称する。)を内蔵している。トランジスタQ11,Q12の逆向きの接続によって、2つのフライホイールダイオードD11,D12も逆向きに接続されている。2つのトランジスタQ11,Q12共通の接続ノードを、主調光器1におけるGNDノード(単にGNDノード)と称する。なお、トランジスタQ11,Q12としては、IGBT以外に、例えばダイオードを内蔵したMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)も採用可能である。
主電流スイッチング回路11では、トランジスタQ11のゲートに所定の電荷が蓄えられた状態で、端子T11に繋がるコレクタに交流波形の正側電圧が加わると、コレクタ−エミッタ間がオン状態となり、トランジスタQ11とは逆向きに接続されたトランジスタQ12のダイオードD12を通じて電流が流れる。この電流は、トランジスタQ11のゲート電位によって制御される。電流が流れている間にトランジスタQ11のゲート電荷が放電された場合には、トランジスタQ11がオフ状態となり通電が停止する。トランジスタQ11とは逆向きに接続されたトランジスタQ12についても、同様の動作が実行される。すなわち、トランジスタQ12のゲートに所定の電荷が蓄えられた状態で、端子T12に繋がるコレクタに交流波形の正側電圧(トランジスタQ11から見た場合、逆極性となる負側電圧)が加わると、コレクタ−エミッタ間がオン状態となり、トランジスタQ11のダイオードD11を通じて電流が流れる。この電流は、トランジスタQ12のゲート電位によって制御される。電流が流れている間に、トランジスタQ12のゲート電荷が放電された場合には、トランジスタQ12がオフ状態となり通電が停止する。
ここで、交流波形で繰り返される山谷の期間(半周期)のうち、端子T11すなわちトランジスタQ11のコレクタに交流波形の正側電圧が加わる期間を正位相期間と称し、負側電圧が加わる期間(端子T12すなわちトランジスタQ12のコレクタに正側電圧が加わる期間)を、正位相期間とは逆の負位相期間と称する。また、図2に示す回路図において、GNDノードよりも上側を便宜的に正動作側と称し、下側を負動作側と称する。主電流スイッチング回路11の動作を言い換えると、正動作側のトランジスタQ11は、交流の正位相期間においてゲート電位に応じた通電制御を行い、負動作側のトランジスタQ12は、負位相期間においてゲート電位に応じた通電制御を行う。
制御回路12は、トランジスタQ11,Q12のゲートに対する電荷の供給・放電を制御することにより、主電流スイッチング回路11での位相制御を実現する回路である。より詳細には、上述したトランジスタQ11,Q12に、正と負が交互に繰り返す交流電圧が加わった状態で、制御回路12は、トランジスタQ11,Q12のうち、位相期間のそれぞれ(例えば正位相期間)において、当該位相期間の電流をゲート電位によって通電制御可能な一方のトランジスタ(例えばQ11)とは逆位相側のトランジスタ(Q12)のゲートを充電するとともに、この位相期間(正位相期間)の所定のオフタイミングで上記一方のトランジスタ(Q11)のゲートを放電させる。
制御回路12は、主電流オフ制御回路121、ゲート電荷充電回路122、ゲート電荷放電回路123、および放電タイミング設定回路124を備えている。主電流オフ制御回路121、ゲート電荷充電回路122、ゲート電荷放電回路123、および上述した主電流スイッチング回路11は、GNDノードを基準として対称の回路構造を有している。
主電流オフ制御回路121は、主電流スイッチング回路11を流れる主電流をオフ制御する回路である。主電流オフ制御回路121は、NPN型スイッチングトランジスタTr11とトランジスタTr11のコレクタとトランジスタQ11のゲート間に接続される抵抗R12とからなる正動作側オフ制御回路と、NPN型スイッチングトランジスタTr12とトランジスタTr12のコレクタとトランジスタQ12のゲート間に接続される抵抗R13とからなる負動作側オフ制御回路を有する。正動作側オフ制御回路のトランジスタTr11がオンすると、正動作側におけるトランジスタQ11のゲートの電荷は抵抗R12を介して放電し、主電流スイッチング回路11の通電が停止する。また、負動作側オフ制御回路のトランジスタTr12がオンすると、負動作側におけるトランジスタQ12のゲートの電荷は抵抗R13を介して放電し、主電流スイッチング回路11の通電が停止する。
ゲート電荷充電回路122は、ある位相期間における主電流を逆位相側のスイッチング素子のゲートに通電し電荷を充電する回路である。ゲート電荷充電回路122は、主電流のオフ時に逆位相側のスイッチング素子のゲートに通電する。
ゲート電荷充電回路122は、副調光器2および商用交流電源4(図1参照)を通じて流れる主電流の一部をトランジスタQ12のゲートに通電するための抵抗R11、整流用ダイオードD13、抵抗R13からなる負側トランジスタ充電回路と、主電流の一部をトランジスタQ11のゲートに通電するための抵抗R14、整流用ダイオードD14、抵抗R12からなる正側トランジスタ充電回路とから構成される。
負側トランジスタ充電回路は、放電タイミング設定回路124で設定された調光のタイミングでトランジスタQ11に通電する主電流がオフされた時、逆位相側のトランジスタQ12のゲートに主電流の一部を通電し、トランジスタQ12の規定値電圧まで電荷を充電する。正側トランジスタ充電回路は、トランジスタQ12がオフされた時に逆位相側のトランジスタQ11のゲートにその規定値電圧まで電荷を充電する。
ゲート電荷放電回路123は、トランジスタQ11,Q12のゲート電荷を所定のタイミングで放電する回路である。ゲート電荷放電回路123は、整流ダイオードD15、NPN型スイッチングトランジスタTr13,Tr14、抵抗R15,R16,R17からなる正側放電回路と、整流ダイオードD16、NPN型スイッチングトランジスタTr15,Tr16、抵抗R18,R19,R110とからなる負側放電回路とから構成される。
正側放電回路では、トランジスタTr13のエミッタとトランジスタTr14のコレクタとが接続され、トランジスタTr14のエミッタはトランジスタTr11のベースに接続されている。負側放電回路では、トランジスタTr16のエミッタとトランジスタTr15のコレクタとが接続され、トランジスタTr15のエミッタはトランジスタTr12のベースに接続されている。ゲート電荷放電回路123は、トランジスタTr14,Tr15のベースに放電タイミング設定回路124から供給される放電タイミング信号Stの電位を、ゲート電荷充電回路122に供給する。
放電タイミング設定回路124は、スイッチング素子のゲート電荷を放電するタイミングを決定する回路である。放電タイミング設定回路124は、交流電圧がゲート電荷放電回路123内の整流ダイオードD15,D16によって整流された脈流の供給を受けて動作する、プログラマブルユニジャンクション回路(ゲート電荷を放電するタイミングをプログラマブルに設定できる回路)である。
放電タイミング設定回路124は、NPN型スイッチングトランジスタTr17、PNP型スイッチングトランジスタTr18、抵抗R111,R112,R113,R114,R115、調光用の可変抵抗VR11、コンデンサC11,C12、および整流ダイオードD17,D18を有する。
放電タイミング設定回路124において、トランジスタTr18のコレクタとトランジスタTr17のベースとが接続されている。放電タイミング設定回路124は、トランジスタTr18のエミッタ電圧とベース電圧を常時比較し、エミッタ電圧よりもベース電圧が低くなったタイミングでコレクタ電流が流れるように設定されている。トランジスタTr18,Tr17は共にオンすることにより、抵抗R113に電流を流し、ゲート電荷放電回路123に放電タイミング信号Stを出力する。トランジスタTr17のエミッタは、ゲート電荷放電回路123のトランジスタTr14のベースとトランジスタTr15のベースに接続されている。
トランジスタTr18のエミッタ電圧はコンデンサC12の電圧であり、トランジスタTr18のベース電圧はコンデンサC11の電圧である。つまり、放電タイミング設定回路124は、コンデンサC12の電圧よりもコンデンサC11の電圧が低くなったタイミングで放電タイミング信号Stを出力する。コンデンサC11,C12は、交流の正位相期間および負位相期間の双方で、すなわち、交流の半周期ごとで、充電放電を繰り返す。コンデンサC11の電荷は、可変抵抗VR11を介して放電する。この可変抵抗VR11は、図1に示す操作部101に連動している。なお、ダイオードD17は、コンデンサC12に充電された電荷が放電することを防止するために設けられ、ダイオードD18は、トランジスタTr18のエミッタ−ベース逆電圧保護のために設けられている。
ゲート電荷放電回路123の動作について説明する。放電タイミング設定回路124のトランジスタTr17がオンすると、トランジスタTr17からの電流は、抵抗R113の他にゲート電荷放電回路123のトランジスタTr14とトランジスタTr15の双方のベースに同時に流れる。すなわち、トランジスタTr14及びTr15のベースに放電タイミング信号St信号が入る。
交流電源の正位相期間すなわち端子T11の交流波形が正で、正動作側のトランジスタQ11のコレクタ−エミッタ間がオン状態の場合、そのコレクタ・エミッタ間電圧(順方向電圧:約0.7V)は、抵抗R15,R16で分割され、トランジスタTr13のベース電圧となる。また、トランジスタTr13のコレクタには、放電タイミング設定回路124のコンデンサC11に充電された電圧が掛かっている。このとき、トランジスタTr14のベースにゲート電荷放電回路123から放電タイミング信号Stが供給されると、トランジスタTr13、Tr14が共にオンする。トランジスタTr13、Tr14が共にオンすると、トランジスTr11のベースに電流が流れ、トランジスTr11がオンし、トランジスタQ11のゲート電荷が抵抗R12を介して放電される。この結果、トランジスタQ11はオフされる。
放電タイミング信号Stは、トランジスタTr14のベースとともに、トランジスタTr15のベースにも入る。しかし、正位相期間すなわち端子T11の交流波形が正のときは、負動作側に供給される端子T12の交流波形は負であるため、負動作側において、トランジスタTr15のベースに信号が入ったとしてもトランジスタTr15,Tr16がオンすることはない。以上のように、トランジスタTr17からの放電タイミング信号Stは、正動作側のトランジスタTr14および負動作側のトランジスタTr15双方に供給されるが、この時点で通電制御が可能な側のトランジスタQ11またはトランジスタQ12の一方のゲート電荷のみを放電させることができる。即ち、ゲート電荷放電回路123は、端子T11,T12の正負の判定を行う正負判定回路としても動作する。
図3は、図2に示す主調光器1の各部の電位波形および電流波形を示すグラフである。図3のパート(A)は端子T11、バート(B)はコンデンサC12、パート(C)はコンデンサC11における各電位である。また、パート(D)は放電タイミング信号Stであり、パート(E)は、主電流スイッチング回路11および負荷に流れる電流を示す。なお、図3では、回路動作の分かり易さのため、90°の位相制御が行われた場合で、負荷が順抵抗である場合の波形が示されている。
[主調光器の動作]
主調光器1の動作について、図2および図3を参照して説明する。まず、商用交流電源4(図1参照)からの交流における正位相期間の動作、すなわち端子T11が正の期間の動作を、その直前の負位相期間であるタイミングt1の状態から説明する。
図3に示す負位相期間のタイミングt1では、端子T12、すなわち主電流スイッチング回路11における負動作側のトランジスタQ12のコレクタに正側電圧がかかっている。ただし、タイミングt1では、トランジスタQ12はオフ状態であり、主電流スイッチング回路11および負荷となる副調光器2(図1参照)における主電流Iの導通は停止している(図3のパート(E))。この時、トランジスタQ12のコレクタ―エミッタ間には、商用交流電源4から供給される電圧とほぼ等しい電圧が掛かっている。トランジスタQ12のコレクタの電位は、抵抗R14、ダイオードD16を介して放電タイミング設定回路124の内部電源ノードであるノードN11に導かれる。ノードN11の電位は、ダイオードD17および抵抗R114を介してコンデンサC12を充電する(図3のパート(B))。また、ノードN11の電位は、抵抗R112を介してコンデンサC11を充電する(図3のパート(C))。
また、トランジスタQ12のコレクタの電位は、ゲート電荷充電回路122の抵抗R14、ダイオードD14および抵抗R12を介して、タイミングt1の負位相期間とは逆の正位相期間における電流を制御する正動作側のトランジスタQ11のゲートを充電する。このよう、主電流スイッチング回路11のトランジスタQ11のゲートは、ゲート電荷充電回路122によって、トランジスタQ11が制御する位相とは逆位相の電位で充電がなされる。
この後、商用交流電源4(図1参照)から供給される交流の状態が正位相期間に移ったタイミングt2では、主電流スイッチング回路11における正動作側のトランジスタQ11のコレクタに正側電圧がかる。この直前の負位相期間でトランジスタQ11のゲートは規定値電圧で充電されているため、トランジスタQ11のコレクタ−エミッタ間がオン状態となる。したがって、電流は、トランジスタQ11のコレクタ−エミッタから、トランジスタQ12内蔵のダイオードD12を通じて流れる(図3のパート(E))。つまり、主電流回路に通電する。
このとき、放電タイミング設定回路124のノードN11に対しては、負動作側のトランジスタQ12に代わって、正動作側のトランジスタQ11のコレクタから、抵抗R11およびダイオードD15を介して電源が供給される。しかし、正動作側のトランジスタQ11はオン状態であるため、コレクタ−エミッタ間の電圧は順方向電圧(約0.7V)に留まる。このため、放電タイミング設定回路124のコンデンサC11,C12は放電し、電位は低下する(図3のパート(B),(C))。2つのコンデンサC11,C12について、充電電位は、分圧抵抗の設定によりコンデンサC11の方が高いが、放電の時定数は、コンデンサC11の方が短く設定されている。
放電に伴い、コンデンサC11の電位(図3のパート(C))がコンデンサC12の電位(図3のパート(B))を下回る。コンデンサC11の電位がコンデンサC12の電位より低くなると、トランジスタTr18そしてトランジスタTr17がオン状態となり、放電タイミング信号Stが出力される。つまり、交流の状態が正位相期間に移った後、コンデンサC11、抵抗R112,R111および可変抵抗VR11の時定数に応じたタイミングで、放電タイミング信号Stが出力される(図3のパート(D))。ここで、操作に応じて可変抵抗VR11の抵抗値が小さくなるほど、放電タイミング信号Stの出力タイミングが早まる。
ゲート電荷放電回路123の正動作側のトランジスタTr14は、放電タイミング信号Stを、主電流オフ制御回路121の正動作側のトランジスタTr11のゲートに供給する。これによって、主電流スイッチング回路11の正動作側のトランジスタTr11のゲート電位が放電され、トランジスタTr11がオン状態からオフ状態に移る。
トランジスタTr11がオフ状態となったタイミングt3では、主電流スイッチング回路11および負荷となる副調光器3(図1参照)における主電流の導通が停止する。この時、トランジスタQ11のコレクタ―エミッタ間には、商用交流電源4から供給される電圧とほぼ等しい電圧が掛かる。したがって、今度は、トランジスタQ11のコレクタの電位が、抵抗R11、ダイオードD15を介して放電タイミング設定回路124のノードN11に導かれる。そして再び、コンデンサC12,C11が充電される(図3のパート(B)(C))。
また、トランジスタQ11のコレクタの電位は、ゲート電荷充電回路122の抵抗R11、ダイオードD13および抵抗R13を介して、現在の正位相期間とは逆の負位相期間における電流を制御する、負動作側のトランジスタQ12のゲートを充電する。
この後、商用交流電源4(図1参照)から供給される交流の状態が負位相期間に移ると、上述の動作が極性を変えて繰り返される。
このようにして、商用交流電源4(図1参照)から供給される交流電力が位相制御される。また、可変抵抗VR11の操作に応じて、交流の極性が変化した後の放電タイミング信号Stが出力されるタイミングが変化し、トランジスタQ11,Q12がオン状態となる期間、つまり位相制御のタイミングが制御される。このようにして、照明器3の明るさが制御される。
本実施形態の主調光器1は、交流波形の半周期分である正位相期間および負位相期間それぞれのうち、後半部分の導通を制限するように位相制御を行う。このため、例えば、期間の前半部分の導通を制限した後、急峻な立ち上がりで通電を行うトライアック型の位相制御と比べて、高周波ノイズや可聴領域のノイズが低減されるため、大型のチョークコイルやローパスフィルタといったノイズ対策のための大きな部品が不要である。また、急激な突入電流に対する対策が不要である。また、本実施形態の主調光器1は、例えばトライアックの位相制御の場合に必要な、オン状態を維持するための保持電流は不要である。したがって、LEDといった順抵抗でない負荷を駆動する際にも、照明に供しない電流を流す回路が不要であり、全体の電力効率が向上する。
[副調光器の構成]
図4は、図1に示す副調光器2の回路図である。図4には、副調光器2に接続されたLED照明器3のLED311も示されている。
副調光器2は、主調光器1で位相制御された位相制御交流電力を、LED311に供給する直流電力に変換するAC−DC変換器として機能する。副調光器2は、整流平滑回路2Jおよびチョッパ型電源回路2Kを備えている。整流平滑回路2Jは、位相制御交流電力を、整流および平滑化する回路である。整流平滑回路2Jは、全波整流回路21と、力率改善分電圧平滑部22と、ノイズフィルタ部29とを備えている。チョッパ型電源回路2Kは、整流平滑回路2Jで平滑化された電力を、調光の操作に応じた直流電力に変換する回路である。チョッパ型電源回路2Kは、直流電源生成部23と、PWM制御部24と、バッファ部26と、フローティング降圧部28とを備えている。
全波整流回路21は、ブリッジダイオードDB21からなり、交流電圧を全波整流する。全波整流回路21で交流を整流すると、負位相期間の電圧が反転した脈流波形が得られる。ただし、交流電力は主調光器1で位相制御されたものであり、整流された脈流には、位相制御に応じた0Vの期間が存在することとなる。
力率改善分電圧平滑部22は、ダイオードD21,D22,D23,D24、コンデンサC22,C23,C24を有する平滑回路である。全波整流回路21の、ノイズフィルタ部29およびダイオードD21を経た正極出力ノードN21と負極出力ノードN22との間には、コンデンサC22、ダイオードD23、およびコンデンサC23が順に直列接続されている。ダイオードD23は、正極出力ノードN21および負極出力ノードN22に対し順方向(順バイアス)となる向きに接続されている。正極出力ノードN21側のコンデンサC22およびダイオードD23の接続ノードと、負極出力ノードN22との間には、ダイオードD22が接続されている。また、負極出力ノードN22のコンデンサC23およびダイオードD23の接続ノードと、正極出力ノードN21との間には、ダイオードD24が接続されている。ダイオードD22,D24は逆方向となる向きに配置されている。コンデンサC24は、正極出力ノードN21と負極出力ノードN22との間に接続されている。ダイオードD22〜D24は、全波整流回路21から出力される電位差に応じて、2つのコンデンサC22,C23の接続状態を半導体素子により切り換える切換部2Sを構成する。
2つのコンデンサC22,C23、および半導体により切り換える切換部2Sの動作を説明する。なお、ダイオードの順方向電圧は出力電圧に比べて小さいため、分かり易さのため無視して説明する。
全波整流回路21から正極出力ノードN21に正の電圧が出力されると、2つのコンデンサC22,C23は、半導体素子による切換部2Sの順方向に配置されたダイオードD23を介して直列接続された状態となる。直列に接続された2つのコンデンサC22,C23は、全波整流回路21からの電圧に基づいて充電される。すなわちコンデンサC22,C23のそれぞれは、全波整流回路21からの電圧の約半分の電圧に基づいて充電される。全波整流回路21からの電圧が低下して、2つのコンデンサC22,C23の両端の電圧よりも低下した場合、ダイオードD23による導通が遮断される。したがって、充電と同じ経路では放電は行われない。全波整流回路21からの電圧の低下がさらに進み、コンデンサC22,C23のそれぞれの電圧、すなわち、充電時における全波整流回路21からの電圧の約半分の電圧よりも低下すると、コンデンサC22はダイオードD22を介して放電を行う。また、他方のコンデンサC23もダイオードD24を介して放電を行う。このとき、コンデンサC22、C23は、半導体素子による切換部2SのダイオードD22〜D24によって、出力ノードN21,N22に対し並列接続された状態となっている。このようにして、半導体素子による切換部2Sは、2つのコンデンサC22,C23の接続状態を、電源の電圧が相対的に高い状態では直列接続とし、電圧が低い状態では並列接続に切り換えている。このため、力率改善分電圧平滑部22は、脈流の電源電圧に対し、最大電圧に至るまで充電を行う一方、電圧が最大電圧より低い所定の電圧よりも低下してから放電を開始する。また、放電時には、コンデンサC22,C23の合成容量が並列接続によって2倍に増加するため、所定の電圧よりも低い領域での低下が抑えられ、力率が向上する。具体的には、全波整流された電圧の波形の谷部分が0Vまで低下することが避けられる。
直流電源生成部23は、副調光器2の各部の動作のための内部電源である。直流電源生成部23は、直流電圧(DC)15V用としてツェナーダイオードZD21、抵抗R22、コンデンサC25からなる回路と、DC5V用としてツェナーダイオードZD22、抵抗R23、コンデンサC26からなる回路を備える。DC15Vは、フローティング降圧部28のMOSFET Q24のゲート制御電源となり、DC5VはロジックICの電源となる。
PWM制御部24は、MOSFET Q24のゲートGの動作をPWM(パルス幅変調Pulse Width Modulation)で制御するロジックIC I1,I2,I3(インバーター)を備えるものである。直流電源生成部23から出力される電圧を所定のデューティ比でパルス幅変調したパルス信号をフローティング降圧部28のMOSFET Q24に送り、MOSFET Q24を制御する。ロジックIC、I1の出力電圧は、抵抗R27を通り、バッファ部26のトランジスタ Q21を介して、MOSFET Q24のゲートGに送られ、MOSFET Q24をオンオフする。可変抵抗VR21は、操作部201(図2参照)に連動しており、ロジックIC I3のパルス信号によるコンデンサC27のチャージにおいて、ハイレベルとローレベルとにおけるチャージの比率を変更することにより、PWM制御部24が出力するパルス信号のデューティ比を決定する。これによって、副調光器2が出力する直流電圧を調整する。つまり、操作に応じて、LED照明器3に供給する直流電力の電圧値を制御し、LED照明器3の調光を行う。本実施形態の副調光器2における制御はフィードフォワード型であり、出力電圧や電流に応じたパルス信号のフィードバック制御は行わない。
バッファ部26は、トランジスタQ22(npn型トランジスタ)と、トランジスタQ23(pnp型トランジスタ)と抵抗R29からなり、MOSFET Q24のゲートGへの入力インピーダンスを低くするものである。なお、図3において、トランジスタQ22とQ23はそれぞれのベース同士が接続され、共通エミッタがMOSFET Q24のゲートGに接続されている。
また、バッファ部26は、電圧変換部を有する。電圧変換部は、トランジスタQ21と抵抗R27、R28とからなり、電圧を5Vから15Vに昇圧させるものである。ロジックICによるPWM制御部24の出力電圧は5Vであり、その5Vの電圧でMOSFET Q24のゲートGを制御するとスイッチング損失が大きいため、バッファ部26の電圧変換部を用いて電圧変換し15Vにする。
フローティング降圧部28は、MOSFET Q24と抵抗R210,R211からなり、PWM制御部24で決められたデューティ比のパルス幅でMOSFET Q24をオンオフすることにより、出力電圧を制御する。すなわち、PWM制御部24により設定したパルス幅にスライス(オンオフの時間を調整)して出力電圧を降下させ、LED311に供給される電圧を生成する。なお、抵抗R210は回路の安定を図るため、また抵抗R211はノイズ対策を目的として設けられている。
フローティング降圧部28には、ダイオードD37と、コンデンサC29と、コイルL22も備えられている。MOSFET Q24およびコイルL22は、全波整流回路21(および力率改善分電圧平滑部22)の出力に対し直列に接続されている。LED311は実質的にコンデンサC29と並列に接続されている。
ノイズフィルタ部29は、コンデンサC21とコイルL21からなり、フローティング降圧部28のMOSFET Q24のスイッチングにより発生するノイズを外部に流出させないことができる。
副調光器2の動作を説明する。交流電圧が副調光器2に入力されると、全波整流回路21、力率改善分電圧平滑部22を介して、脈流の直流電圧が生成される。また、PWM制御部24では、調光操作に応じたデューティのスイッチングパルス信号が生成され、バッファ部26で昇圧および電流増幅される。フローティング降圧部28のMOSFET Q24は、PWM制御部24で増幅されたスイッチングパルス信号に応じて、オンオフが制御される。
MOSFET Q24がオンした時、電流が力率改善分電圧平滑部22からフローティング降圧部28のコイルL22を通り、MOSFET Q24に流れる。このときコイルL22にエネルギーが蓄えられる。一方、MOSFET Q24がオフした時には、コイルL22に蓄えられたエネルギーがキックバック電圧(逆起電力)となり、ダイオードD37を介して平滑コンデンサC29が充電される。平滑コンデンサC29により平滑化された直流電圧が、副調光器2から導線を介して出力される。
ここで、MOSFET Q24のオン時間が長いほど、コイルL22に蓄えられるエネルギーが増大し、副調光器2から出力される直流電力の電圧が高く、MOSFET Q24のオフ時間が短いと、出力される直流電力の電圧が低い。MOSFET Q24のオンオフのタイミングを制御するPWM制御部24の出力信号(スイッチング信号)のデューティは、操作部201(図2参照)に連動した可変抵抗R21によって制御される。したがって、操作に応じて副調光器2から出力される直流電力の電圧値が制御され、LED照明器3におけるLED311の発光輝度が制御される。
本実施形態の副調光器2では、バッファ部26におけるnpn型トランジスタQ22とpnp型トランジスタQ23のゲートに、ゲート電荷制御手段としてのコンデンサC28が並列に接続されている。これによって、MOSFET Q24のゲートGに入力される電圧の立ち上がり波形が緩やかに立ち上がるようにしている。このため、MOSFET Q24のドレイン電圧、すなわちコイルL22におけるMOSFET Q24側の端の電圧の立下りを緩やかにすることができ、特に出力電圧が低い状態でもLED311のちらつきが抑えられる。
本実施形態の副調光器2は、2つのコンデンサC22,C23の接続状態を位相制御交流電力の電圧に応じて切り替えながら平滑化する整流平滑回路2Jを備えているため、位相制御された交流電力から揺らぎを抑えた直流電力を出力することができる。したがって、主調光器での調光操作に応じた位相制御による調光と、副調光器での調光操作に応じたチョッパ型電源による2重の調光が可能となる。
また、本実施形態の照明システムS1において、LED照明器3には電源回路が設けられておらず、LED照明器3は副調光器2から電圧が調整された直流電力を受けるため、例えば交流駆動のLED照明器を位相制御交流で直接駆動する場合のような調光回路との「相性の問題」が生じない。つまり、LED照明器3は、直流の電圧と電流の仕様が副調光器2と適合するものであれば、様々なデザインやメーカから選択して交換することが可能である。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下の第2実施形態の説明にあたっては、これまで説明してきた実施形態における各要素と同一の要素には同一の符号を付けて示し、前述の実施形態との相違点について説明する。
図5は、LED照明システムの第2実施形態を説明する図である。図5には、LED照明システムS2を住宅の部屋に設置した例が示されている。
LED照明システムS2は、1つの主調光器1、2つの副調光器2a,2b、および6つのLED照明器3a,3bを備えている。副調光器2a,2bは、主調光器1に対し並列に接続されており、共に主調光器1で位相制御された位相制御交流電力を受ける。6つのLED照明器3a,3bのうち、3つのLED照明器3aは、天井に配置され窓付近を照明するダウンライトであり、窓付近の壁に配置された副調光器2aに対し並列に接続されている。残りの3つのLED照明器3bは、部屋の天井に配置され部屋中央のカウンター部分を照明するダウンライトであり、カウンターの壁に配置された副調光器2bに対し並列に接続されている。主調光器1および副調光器2a,2bの構成は、上述した第1実施形態のLED照明システムS1のものと同じである。
LED照明システムS2では、部屋の中の各場所ごとの明るさの配分については副調光器2a、2bによって設定しておくとともに、部屋全体の明るさについては主調光器1で一括して調整することが可能となる。例えば、窓付近の明るさは、窓付近の副調光器2aで調整し、カウンターの明るさはカウンター付近に配置された副調光器2bで調整する。そして、カウンターの明るさと窓付近の明るさの比を維持しながら、部屋全体の明るさをドア付近に配置された主調光器1で調整することができる。
[第3実施形態]
図6は、第3実施形態における主調光器および副調光器の配置を示す正面図である。
図6に示す主調光器1および2つの副調光器2a,2bは、例えば壁内に埋め込まれた住宅配線用の埋込ボックス51内に配置されている。より具体的には、主調光器1および副調光器2a,2bのそれぞれは、配線器具取付枠52に取り付けられており、配線器具取付枠52は埋込ボックス51に取り付けられている。図6に示す埋込ボックス51は3連接配線器具であり、3つの配線器具取付枠52を介して、3つの調光器が並べて収納可能である。なお、図6には、埋込ボックス51の表面のカバーを取り外され、各配線器具取付枠52の中央部分に設けられた角穴から、主調光器1および副調光器2a,2bの一部が露出した状態が示されている。ここで、埋込ボックス51が本発明にいう配線ボックスの一例に相当する。
配線器具取付枠52に設けられた取付穴52hを貫通する図示しないねじが埋込ボックス51にねじ係合することで、配線器具取付枠52が埋込ボックス51にねじ固定される。配線器具取付枠52は金属製であり、日本工業規格(JIS規格)によって規格化されたものである。より詳細には、配線器具取付枠52は、JIS C 8375(大角形連用配線器具の取付枠)で規格化されている。副調光器2は、この配線器具取付枠52に取り付けられる形状・寸法を有している。なお、主調光器1および副調光器2のそれぞれの外観形状は、第1〜第3実施形態に共通であり、埋込ボックスに単体でも収納可能である。
主調光器1および副調光器2a,2bは、規格化された配線器具取付枠に取り付けられるため、住宅等で一般に用いられる壁埋込型スイッチを設置するのと同じ作業によって副調光器2が設置できる。
本実施形態における主調光器および副調光器の配置によれば、各部の明るさの比の設定と、部屋全体の明るさの設定が一括操作できる。なお、主調光および副調光を一括操作するものとしては、例えば劇場の照明を専用の制御装置(調整卓)で制御する劇場用照明システムが考えられる。しかし、劇場用照明システムの調整卓は、主調光の操作および副調光の操作を検知して総合的に演算することで各照明の明るさの情報を求め、照明器に、演算結果の情報を電源とは別に供給する構成となっており、主調光の操作部と、副調光の操作部と、演算を行う演算部とが一体となった劇場用照明システム専用の装置が必要であり、また、照明器との接続配線が複雑である。上述した実施形態のLED照明システムS1,S2では、主調光器1、副調光器2のそれぞれが、エネルギーを調整した電力を次段に供給する構成となっているため、それぞれの接続が電力線のみで足りる。また、操作を総合的に演算する装置も不要であり、装置の一体化も不要である。
[第4実施形態]
上述した実施形態には、本発明にいう主調光器の例として、2線式の調光器が示されている。ただし、主調光器は、2線式に限られるものではない。
図7は、第4実施形態のLED照明システムを示す構成図である。
図7に示すLED照明システムS4は、主調光器5が4線式の調光器であり、商用交流電源4と2本の電線で接続され、副調光器2とは別の2本の電線で接続されている。副調光器2は、商用交流電源4とは接続されず、電源として主調光器5のみと接続されている。
以上に説明した実施形態には、本発明にいう主調光器の例として、交流の半周期のうちの後半部分の導通を制限するように位相制御を行う主調光器1が示されている。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、トライアックによって、交流の半周期のうちの前半部分の導通を制限するであってもよい。ただし、後半部分の導通を制限する主調光器1によれば、ノイズが低減され突入電流も抑えられ、また保持電流も不要である。
なお、上述した実施形態には、本発明にいう主調光器の例として、コンデンサの放電時間に基づいて放電タイミング信号を出力する制御回路12を備えた主調光器1が示されている。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、制御部は、論理回路やマイクロコンピュータで構成されたものであってもよい。
また、上述した実施形態には、本発明にいう配線ボックスの例として、壁に埋め込まれた埋込ボックスを示した。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、配線ボックスは、例えば、露出タイプのものであってもよい。
また、上述した実施形態には、本発明にいう副調光器として、壁に配置される副調光器2を示した。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、副調光器は、例えば、LED照明器に内蔵されたものであってもよい。また、操作に応じた制御は、ツマミ操作によるものに限られるものではなく、例えば赤外線を利用したワイヤレス制御であってもよい。ただし、副調光器をLED照明器から独立する場合には、調光および電源を一体化して配線ボックスに配置し、LED照明器の構成を単純化することができる。
また、上述した実施形態には、本発明にいう配線ボックスの例として、壁に埋め込まれた埋込ボックスを示した。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、配線ボックスは、例えば、露出タイプのものであってもよい。
また、上述した実施形態には、本発明にいうLED照明器の例として、ダウンライト型のLED照明器が示されている。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、LED照明器は、例えば、吊下型、壁付型または床置き型であってもよい。
また、主調光器に接続される副調光器の数は3以上であってもよく、また、1つの副調光器に接続されるLED照明器の数は2つまたは4つ以上であってもよい。