JP6179741B2 - 照明用電源および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、照明用電源および照明装置に関する。

近年、照明装置において、照明光源は白熱電球や蛍光灯から省エネルギー・長寿命の光源、例えば発光ダイオード（Light-emitting diode：ＬＥＤ）への置き換えが進んでいる。また、例えば、ＥＬ（Electro-Luminescence）や有機発光ダイオード（Organic light-emitting diode：ＯＬＥＤ）など新たな照明光源も開発されている。これらの照明光源の光出力は流れる電流値に依存するため、照明を点灯させる場合は、定電流を供給する電源回路が必要になる。また、調光させる場合は、供給する電流を制御する。また、高効率で省電力化・小型化に適した電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源が知られている。

特開２０１１−１１９２３７号公報

出力電流の可変範囲を広げた照明用電源及び照明装置を提供することを目的とする。

実施形態の照明用電源は、電源と照明負荷との間に接続され、オンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作とオンの状態を継続するオン継続動作とが切替えられる出力素子と、前記出力素子に直列に接続され、前記出力素子の出力電流を制限する定電流素子と、を備える。照明用電源は、前記照明負荷への出力が相対的に小さいときに前記出力素子を前記オン継続動作に切替え、前記照明負荷への出力が相対的に大きいときに前記出力素子を前記スイッチング動作に切替える。前記定電流素子は、前記スイッチング動作においては前記出力電流のピーク値を制限し、オン継続動作においては前記出力電流を定電流値に制限する。

本発明の実施形態によれば、出力電流の可変範囲を広げた照明用電源及び照明装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示するブロック図である。 照明負荷に供給される出力電圧ＶＯＵＴと出力電流ＩＯＵＴとの関係を例示する特性図である。 出力素子の電流波形を例示する波形図である。 調光器を含む直流電源を例示する回路図である。 第２の実施形態における出力素子の電流波形を例示する波形図である。

以下、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る照明用電源を含む照明装置を例示するブロック図である。
図１に表したように、照明装置１は、照明負荷２と、照明負荷２に電力を供給する照明用電源３と、を備えている。

照明負荷２は、例えばＬＥＤなどの照明光源４を有し、照明用電源３から出力電力ＰＯＵＴ（出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴ）を供給されて点灯する。また、照明負荷２は、出力電力ＰＯＵＴを変化させて調光することができる。例えば、出力電圧ＶＯＵＴ及び出力電流ＩＯＵＴの少なくともいずれかを変化させて調光することができる。なお、出力電力ＰＯＵＴ、出力電圧ＶＯＵＴ及び出力電流ＩＯＵＴのそれぞれの値は、照明光源４に応じて規定される。

図２は、照明負荷に供給される出力電圧ＶＯＵＴと出力電流ＩＯＵＴとの関係を例示する特性図である。
図２においては、例えばＬＥＤなどの点灯時の動作抵抗の小さい照明光源を有する照明負荷の特性を例示している。
照明負荷２は、出力電圧ＶＯＵＴが所定電圧よりも低いときは、電流が流れず、消灯している。出力電圧ＶＯＵＴが、所定電圧以上のとき、電流が流れて点灯する。

例えば、照明光源４がＬＥＤの場合、この所定電圧は、ＬＥＤの順方向電圧であり、照明光源４に応じて定まる。また、照明光源４は、点灯時の動作抵抗が低く、例えば定格動作点Ｐの近傍で出力電流ＩＯＵＴが増加しても出力電圧ＶＯＵＴは、変化が少ない。したがって、図２に表したような特性の照明負荷２は、出力電流ＩＯＵＴを変化させることにより、照明光源４の光出力を制御して調光することができる。また、出力電圧ＶＯＵＴが所定電圧よりも低下すると、照明光源４が消灯して出力電流ＩＯＵＴが流れなくなるため、例えばコンデンサで平滑化して出力した場合、出力電圧ＶＯＵＴの値は所定電圧以上に保持される。

また、照明光源４に供給する、例えば出力電圧ＶＯＵＴを変化させることにより、照明光源４の光出力を制御して調光することができる。
このように、照明負荷２に供給する出力電力ＰＯＵＴを変化させることにより、照明光源４の光出力を制御して調光することができる。なお、以下の説明では、出力を変化させるとは、出力電圧ＶＯＵＴ、出力電流ＩＯＵＴ及び出力電力ＰＯＵＴの少なくともいずれかを変化させることをいうものとする。

照明用電源３は、出力素子５と、定電流素子６と、出力素子５を駆動する第１の駆動回路７０と、定電流素子６を駆動する第２の駆動回路７１と、第１及び第２の駆動回路７０、７１を介して出力素子５と定電流素子６とを制御する制御回路７２と、インタフェース回路７３とを備える。照明用電源３は、入力端子７４、７５に入力された入力電力ＰＩＮを変換して、高電位出力端子３０と低電位出力端子３１との間に出力電力ＰＯＵＴとして出力する。

出力素子５は、照明負荷２と電源７との間に接続されている。出力素子５は、オンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作と、オンの状態を継続するオン継続動作とに切替え可能に構成されている。

図３は、出力素子の電流波形を例示する波形図であり、（ａ）はオン継続動作、（ｂ）及び（ｃ）はオンの状態を継続して振動する動作、（ｄ）はスイッチング動作の場合である。なお、図３においては、横軸に時間ｔをとり、出力素子５の電流Ｉ５の波形を表している。

図３（ａ）に表したように、出力素子５のオン継続動作においては、定電流素子６で制限されたほぼ一定の直流電流が出力素子５に流れる。出力素子５が一定の直流電流を出力する状態においては、照明用電源３は、シリーズレギュレータのような動作をする。

図３（ｂ）、（ｃ）に表したように、オンの状態を継続したまま電流が振動する動作においては、出力素子５は、例えば不完全に発振しているような状態になる。しかし、この動作においては、出力素子５は、オフの状態にはならず、オンの状態を継続する。なお、出力素子５の振動する電流のピーク値は、定電流素子６の定電流値で制限された値になる。また、出力素子５の振動周期Ｔは、電流の変動幅に応じて変化する。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の場合よりも、出力素子５の電流Ｉ５の変動幅が大きい場合を表している。

図３（ｄ）に表したように、出力素子５のスイッチング動作においては、出力素子５は発振する。このとき、照明用電源３は、スイッチング電源として動作する。

定電流素子６は、出力素子５に直列に接続され、出力素子５の電流Ｉ５のピーク値を制限する。なお、出力素子５及び定電流素子６は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）である。

第１の駆動回路７０は、出力素子５を駆動する。第１の駆動回路７０は、例えば出力素子５の制御端子の電位を制御して、出力素子５の動作を切替える。第２の駆動回路７１は、定電流素子６を駆動する。第２の駆動回路７１は、例えば定電流素子６の制御端子の電位を制御して、定電流値を制御する。

制御回路７２は、第１の駆動回路７０を介して出力素子５を制御し、第２の駆動回路７１を介して定電流素子６を制御する。制御回路７２は、出力素子５と定電流素子６との駆動条件を制御して、出力素子５をスイッチング動作またはオン継続動作に切替え、また、出力素子５の電流値を制御する。

また、制御回路７２は、照明負荷２への出力を相対的に大きくする制御信号を入力した場合、定電流素子６を制御して定電流素子６の定電流値を大きくするとともに、出力素子５を制御して出力素子５をスイッチング動作させる。また、制御回路７２は、照明負荷２への出力を相対的に小さくする制御信号を入力した場合、定電流素子６を制御して定電流素子６の定電流値を小さくするとともに、出力素子５を制御して出力素子５をオン継続動作させる。

インタフェース回路７３は、照明負荷２の光出力を制御する調光信号を入力して、制御回路７２に出力電力ＰＯＵＴを制御する制御信号として出力する。調光信号は、例えば、位相制御信号、ＰＷＭ調光信号、ＤＡＬＩ（Digital Addressable Lighting Interface）信号、ＬＡＮなどの無線または有線の通信信号、センサの出力信号などである。

調光信号が、例えば位相制御信号の場合、インタフェース回路７３は、例えば、調光器８により位相制御された交流電圧を所定値と比較して調光器８の導通期間及び遮断期間を検出し、制御信号を生成することができる。

調光信号が、例えばＰＷＭ信号の場合、インタフェース回路７３は、例えば、デューティ比に基づいて制御信号を生成することができる。

調光信号が、例えばＤＡＬＩ信号の場合、インタフェース回路７３は、例えばマイクロコンピュータ、例えば論理回路を有し、ＤＡＬＩ信号をデコードして、制御信号として出力する。

調光信号が、例えば無線または有線の通信信号の場合、インタフェース回路７３は、例えば通信信号を復調する受信回路と、復調した信号をデコードして制御信号として出力するマイクロコンピュータや論理回路などを有することができる。

調光信号が、例えばセンサの出力信号の場合、インタフェース回路７３は、例えばセンサの出力信号を受信する受信素子と、受信素子により受信した信号を解析する解析回路を有することができる。また、センサは、照明用電源３の外部に設けられる。なお、センサとしては、例えば遠赤外センサ、近赤外センサ、超音波センサ、近接センサ、加速度センサ、重力センサ、音センサ（音圧センサ）、色センサ（波長センサ）などを含むことができる。

また、インタフェース回路７３は、外部から入力される調光信号を用いずに、入力電力ＰＩＮ、または入力電力ＰＩＮと出力電力ＰＯＵＴとに基づいて、制御信号を生成してもよい。例えば、電源７から照明用電源３に供給される入力電力ＰＩＮの変化に応じて、出力電力ＰＯＵＴを制御することもできる。例えば、調光器８により位相制御した交流電源を整流した電源においては、調光器８により入力電力ＰＩＮを変化させることができる。また、電源７の電源電圧ＶＩＮを変化に応じて、出力を制御することもできる。

この場合、インタフェース回路７３は、入力電力ＰＩＮ、または入力電力ＰＩＮと出力電力ＰＯＵＴとの電力差が相対的に大きい場合、制御信号として、照明負荷２への出力を相対的に大きくする制御信号を生成する。また、インタフェース回路７３は、入力電力ＰＩＮ、または入力電力ＰＩＮと出力電力ＰＯＵＴとの電力差が相対的に小さい場合、照明負荷２への出力を相対的に小さくする制御信号を生成する。

電源７は、直流を給電できればよく、例えば、電池、太陽光発電と二次電池とで構成された電源、ＵＳＢ電源、ＬＡＮ電源などであり、例えば、商用電源などの交流電源を整流した電源である。なお、交流電源を整流した電源は、例えば、全波整流した電源であり、例えば平滑コンデンサにより平滑化した電源である。

図４は、調光器を含む直流電源を例示する回路図である。
図４に表したように、電源７は、調光器８と整流回路９と平滑コンデンサ４０を有する。
調光器８は、２線式位相制御調光器である。調光器８は、交流電源７６に接続され、一対の電源ラインの一方に直列に挿入される。このように調光器８は、一対の電源ラインに直列に挿入されてもよい。

調光器８は、電源ラインに直列に挿入されたトライアック１２、トライアック１２と並列に接続された位相回路１３と、トライアック１２のゲートと位相回路１３との間に接続されたダイアック１４と、を有する。

トライアック１２は、通常オフの状態であり、ゲートにパルス信号が入力されるとオンする。トライアック１２は、交流の電源電圧ＶＩＮが正極性のときと負極性のときの双方向に電流を流すことができる。
位相回路１３は、可変抵抗１５とコンデンサ１６とで構成され、コンデンサ１６の両端に位相が遅延した電圧を生成する。また、可変抵抗１５の抵抗値を変化させると、時定数が変化し、遅延時間が変化する。

ダイアック１４は、位相回路１３のコンデンサに充電される電圧が一定値を超えるとパルス電圧を生成し、トライアック１２をオンさせる。
調光器８は、位相回路１３の時定数を変化させてダイアック１４がパルスを生成するタイミングを制御することにより、トライアック１２がオンするタイミングを調整することができる。

整流回路９は、調光器８を介して交流電源電圧を入力して、直流電圧を出力する。整流回路９は、ダイオードブリッジで構成されている。整流回路９は、調光器８による調光度に応じて電圧が変化する直流電圧を出力する。なお、整流回路９は、調光器８から入力される交流電圧を整流できればよく、他の構成でもよい。また、整流回路９の入力側には、照明用電源３で発生するノイズを低減するコンデンサが接続されている。

平滑コンデンサ４０は、整流回路９の高電位端子９ａと低電位端子９ｂとの間に接続される。平滑コンデンサ４０は、整流回路９により整流された直流電圧を平滑化する。
なお、照明用電源３においては、電源７として、直流電源が接続される構成を例示しているが、整流回路９と平滑コンデンサ４０とを照明用電源３に含めて、照明用電源３が交流電源７６から電力を供給される構成としてもよい。

スイッチング電源は、出力素子５が抵抗の低いオンの状態と電流が流れないオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をするため、低消費電力・高効率の電源である。
本実施形態においては、出力電力ＰＯＵＴが所定値よりも大きいとスイッチング動作し、出力電力ＰＯＵＴが小さいと、シリーズレギュレータのような動作をする。出力電力ＰＯＵＴが大きい場合は、入力と出力との電位差ΔＶと電流との積が大きく、シリーズレギュレータの動作を行うと損失が大きくなる。したがって、出力電力ＰＯＵＴが大きい場合に、スイッチング動作をすることは、低消費電力化に適する。また、出力電力ＰＯＵＴが小さい場合は、損失は小さいため、シリーズレギュレータとして動作をすることは問題ない。

また、本実施形態においては、出力電力ＰＯＵＴが所定値よりも小さいときは、出力素子５はオフの状態にならずにオンの状態を継続したまま電流が振動して、電流の平均値で照明負荷２を点灯させる（図３（ｂ）、（ｃ））。また、出力電力ＰＯＵＴがさらに小さいときは、出力素子５は、オンの状態を継続したまま、直流電流を照明負荷２に出力して点灯させる（図３（ａ））。その結果、本実施形態においては、出力電流をゼロまで連続的に変化させることができる。また、照明装置１における照明負荷２をスムーズに消灯することができる。

したがって、本実施形態においては、出力電力ＰＯＵＴに応じて、出力素子５のスイッチング動作時における最大値から、出力素子５のオンの状態を継続したまま直流電流を出力する際の最小値まで出力電力ＰＯＵＴを連続的に変化させることができる。また、照明装置１における照明負荷２を連続的に０〜１００％の範囲で調光することができる。

なお、図３（ｂ）、（ｃ）においては、出力素子５は、オフの状態にならずにオンの状態を継続したまま電流が振動し、出力電力ＰＯＵＴが大きくなると電流の変動幅が大きくなる動作を例示している。しかし、出力素子５は、出力電力ＰＯＵＴが所定値以上のときオンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作をして発振し（図３（ｄ））、出力電力ＰＯＵＴが所定値よりも小さいときオンの状態を継続して直流電流を出力する動作をしてもよい（図３（ａ））。すなわち、出力素子５は、オフの状態とならずにオンの状態を継続したまま電流が振動する動作（図３（ｂ）、（ｃ））をしなくてもよい。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態における出力素子の電流波形を例示する波形図であり、（ａ）はオン継続動作、（ｂ）及び（ｃ）はオン継続動作とスイッチング動作とに切替わる動作、（ｄ）はスイッチング動作の場合である。なお、図５においては、横軸に時間ｔをとり、出力素子５の電流Ｉ５の波形を表している。
第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、出力素子５の動作が異なっている。

図５（ａ）に表したように、出力電力ＰＯＵＴが相対的に小さい第１の出力以下のときは、時間ｔの全期間が、出力素子５のオン継続動作をする第１の期間Ｔ１になっている。定電流素子６で制限されたほぼ一定の直流電流が、出力素子５に流れる。出力素子５が一定の直流電流を出力する状態においては、照明用電源３は、シリーズレギュレータのような動作をする。

図５（ｂ）、（ｃ）に表したように、出力電力ＰＯＵＴが第１の出力よりも高くなると、出力素子５は、オン継続動作をする第１の期間Ｔ１と、スイッチング動作をする第２の期間Ｔ２と、を繰り返す動作をする。なお、出力素子５の振動する電流のピーク値は、定電流素子６の定電流値で制限された値になる。また、出力素子５のオン継続動作をする第１の期間Ｔ１と、スイッチング動作をする第２の期間Ｔ２とは、出力電力ＰＯＵＴに応じて変化する。例えば、図５（ｃ）は、図５（ｂ）の場合よりも、出力電力ＰＯＵＴが大きい場合を表し、第２の期間Ｔ２が第１の期間Ｔ１に対して長くなっている。

図５（ｄ）に表したように、出力電力ＰＯＵＴが相対的に大きい第２の出力のときは、時間ｔの全期間が、出力素子５のスイッチング動作をする第２の期間Ｔ２になる。このとき、照明用電源３は、スイッチング電源として動作する。なお、第２の出力は、第１の出力よりも大きい出力値である。

このように、制御回路７２は、出力素子５を第１の期間Ｔ１はオン継続動作、第２の期間はスイッチング動作に切替えて、平均電力を連続的に変化させる。その結果、出力電力ＰＯＵＴを最大値と最小値との間で連続的に変化させることができる。また、照明装置１における照明負荷２を連続的に０〜１００％の範囲で調光することができる。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明したが、それらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、出力素子５及び定電流素子６はＧａＮ系ＨＥＭＴには限定されない。例えば、半導体基板に炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）やダイヤモンドのようなワイドバンドギャップを有する半導体（ワイドバンドギャップ半導体）を用いて形成した半導体素子でもよい。ここで、ワイドバンドギャップ半導体とは、バンドギャップが約１．４ｅＶのヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）よりもバンドギャップの広い半導体をいう。例えば、バンドギャップが１．５ｅＶ以上の半導体、リン化ガリウム（ＧａＰ、バンドギャップ約２．３ｅＶ）、窒化ガリウム（ＧａＮ、バンドギャップ約３．４ｅＶ）、ダイヤモンド（Ｃ、バンドギャップ約５．２７ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ、バンドギャップ約５．９ｅＶ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などが含まれる。このようなワイドバンドギャップ半導体素子は、耐圧を等しくする場合、シリコン半導体素子よりも小さくできるために寄生容量が小さく、高速動作が可能なため、スイッチング周期を短くすることができ、巻線部品やコンデンサなどの小形化が可能となる。

また、照明光源４はＬＥＤに限らず、ＥＬやＯＬＥＤなどでもよく、照明負荷２には、複数個の照明光源４が直列又は並列に接続されていてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…照明装置、 ２…照明負荷、 ３…照明用電源、 ４…照明光源、 ５…出力素子、 ６…定電流素子、 ７…電源、 ８…調光器、 ９…整流回路、 ９ａ…高電位端子、 ９ｂ…低電位端子、 １２…トライアック、 １３…位相回路、 １４…ダイアック、 １５…可変抵抗、 １６…コンデンサ、 ３０…高電位出力端子、 ３１…低電位出力端子、 ４０…平滑コンデンサ、 ７０…第１の駆動回路、 ７１…第２の駆動回路、 ７２…制御回路、 ７３…インタフェース回路、 ７４、７５…入力端子、 ７６…交流電源

Claims (2)

1. 電源と照明負荷との間に接続され、オンの状態とオフの状態とを繰り返すスイッチング動作とオンの状態を継続するオン継続動作とが切替えられる出力素子と、
   前記出力素子に直列に接続され、前記出力素子の出力電流を制限する定電流素子と、
   を備え、
   前記照明負荷への出力が相対的に小さいときに前記出力素子を前記オン継続動作に切替え、
   前記照明負荷への出力が相対的に大きいときに前記出力素子を前記スイッチング動作に切替え、
   前記定電流素子は、前記スイッチング動作においては前記出力電流のピーク値を制限し、オン継続動作においては前記出力電流を定電流値に制限する照明用電源。
2. 照明負荷と、
   前記照明負荷に電力を供給する請求項１に記載の照明用電源と、
   を備えた照明装置。

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