JP5263628B2 - 電源装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光光源を駆動して最適に調光された輝度で発光光源を点灯することができる調光機能を有する電源装置及びこの電源装置を備えた照明器具に関する。

最近、省エネルギーの観点から、発光ダイオード等の半導体発光光源が照明器具用の光源として適用され、この発光ダイオード等の半導体発光光源を駆動する電源として、スイッチング素子が組み込まれた直流の電源装置が開発されている。これら電源装置には、外部から与えられる調光信号に応じて発光ダイオードの輝度を調整する調光機能を有するタイプが知られている。

従来、このような調光機能を有する電源装置は、例えば、特許文献１に開示されている。この公報に開示された電源装置は、発光ダイオードへの印加電圧を制御する電圧調光回路と、発光ダイオードへの印加電圧をスイッチング制御するデューティ調光回路を具備し、調光制御信号に応じて電圧調光回路とデューティ調光回路を切換えて制御している。

特開２００３−１５７９８６号公報

この特許文献１に開示された電源装置は、調光信号のパルス幅に応じて発光ダイオードに与えられる直流電圧が調整されるとともに発光ダイオードへの印加電圧がスイッチングされて発光ダイオードが調光制御されている。従って、発光ダイオードから発せられる光出力には、フリッカが発生し易くなる問題がある。また、調光信号のパルス幅に応じた出力電流を制御するための限流要素に加えて、発光ダイオードに直列又は並列にスイッチ素子が必要となり、部品点数が増加するとともに、回路効率も低下する問題がある。また、パルス幅が制御されるため、この制御の為のスイッチング周波数が可聴領域である場合には、騒音が発生する虞もある。

一方、発光ダイオードは、略定電圧特性を示すため、安定に点灯させるには、限流要素を有する部品或いは装置が必要とされる。また、一般的にスイッチング素子を用いた電源装置で電力を制御するには、電流制御が適用される。電流制御においては、発光ダイオードに流す電流値によって発光ダイオードの素子温度が決定され、この素子温度が素子の寿命に影響与えている。従って、この電流制御においては、点灯装置の設計上、流す電流が重要な制御要素となっている。

発光ダイオードの調光は、放電灯点灯装置と比較すると比較的容易に実現することができる。即ち、負荷である発光ダイオードが電気的に安定な特性有し、温度など外的要因によっても発光ダイオードから発される輝度の変動が少ないことから、発光ダイオードの調光が容易に実現できる。深い調光制御、即ち、調光率が大きく設定され、輝度が大きく低下される輝度制御が要求される用途において、定電流制御が採用される。この定電流制御システムおいては、全光点灯の為に点灯電流が大きい制御領域では、発光ダイオードを安定に点灯することができる。しかし、このシステムおいては、深い調光制御領域においては、発光ダイオードに供給される点灯電流が低下され、この点灯電流の低下に伴い電流検出信号が微小になり、また、この点灯電流を制御するための電流基準値が微小信号となる。従って、定電流制御回路における、検出回路或いは比較器の精度に高い性能が要求され、また、制御回路がノイズの影響を受けやすくなり、安定した動作が難しくなる問題がある。そこで、制御のための信号電圧を大きくすることも考えられる。しかし、電流検出信号は、一般的に発光ダイオードに直列に挿入された抵抗器で検出され、検出信号を大きくする為には、この抵抗器の抵抗値を大きくする必要がある。結果として、発光ダイオードに流れる電流が大きい制御領域においては、検出抵抗器で大きく電力が消費され、或いは、検出抵抗器で熱が発生し、この熱の対策も製品を開発する上では障害となる。

これらを解決する制御方式として、出力電圧を一定制御する定電圧制御方式も提案されている。発光ダイオードがＯＮする電圧は、一般のシリコンダイオードと比較して高く、例えば、青色に代表されるＧａＮ系ダイオードでは、２．５Ｖ程度から電流が流れ始め、全光点灯でも３．５〜４．５Ｖ程度であり、深い調光制御であっても、発光ダイオードの性能或いは発光ダイオードで生ずるノイズなどの影響を受けず比較的安定して発光ダイオードの輝度を調光することができる。しかし、発光ダイオードの順方向電圧は、負温度特性を有し、発光ダイオードに電流を流したときの自己発熱で、順方向電圧が低下し、さらに電流が増加することで、発熱が大きくなり熱暴走が生ずることが懸念される。また、発光ダイオードの順方向電圧のばらつきも大きく、点灯装置の出力を調整しても発光ダイオードの個体差によって出力電流にはばらつきが発生する。

上述した問題は、発光ダイオード等の半導体発光光源に限らず、近年開発された有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源等の光源を点灯する電源装置においても同様の問題があり、その解決が望まれている。

安定した調光制御を実現することができる電源装置及びこの電源装置を備えた照明器具が既に先願として同一譲受人に係る２００９年３月２７日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＪＰ／５５８７１で提案されている。この国際出願に係る電源装置では、調光信号の調光率、即ち、調光深度に応じて変化される第1及び第２の基準信号が用意されている。調光率が小さい全光に近い点灯制御領域では、第１の基準信号が選択されてこの第１の基準信号を参照して発光ダイオードが定電流制御されている。調光率が大きく、輝度が低下された点灯制御領域では、第２の基準信号が選択されてこの第２の基準信号を参照して発光ダイオードが定電圧制御されている。この第１及び第２の基準値が選択されて発光ダイオードが発光制御されていることから、安定した調光制御を実現することができるとしている。

この発明の目的は、安定した調光制御を実現できる電源装置及び照明器具を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、調光率に応じて変化する負荷特性で半導体発光光源を点灯する電源回路部と、前記半導体発光光源に印加される負荷電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出部と、前記半導体発光光源に流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、調光率に応じて前記電源回路部の負荷特性の傾きを変化させて前記半導体発光光源を調光制御する制御部であって、調光信号、前記電圧検出信号及び前記電流検出信号に基づいて前記負荷特性の傾きを補正する補正制御部と、を具備したことを特徴とする電源装置が提供される。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の電源装置と、前記電源装置を有する器具本体と、を具備したことを特徴とする照明器具が提供される。

以上のように、この発明によれば、安定した調光制御を実現できる電源装置及び照明器具を提供することができる。

本発明の調光制御の原理を説明するための発光ダイオードのＶ−Ｉ特性を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る調光制御機能を備えて電源装置における負荷特性を説明するためのグラフである。 本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置を有する照明器具を概略的に示す斜視図である。 図３に示される照明器具の内部構造を概略的に示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置の回路構成を示す回路図である。 図５に示される電源装置に適用される乗算器の回路構成を概略的に示す回路図である。 図５に示される電源装置に適用される発光ダイオードの順方向電圧の変化を示すグラフである。 図５に示される電源装置に適用される乗算器の出力電圧を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置の回路構成を概略的に示す回路図である。 図９に示される電源装置における動作を説明するグラフである。 本発明の第３の実施の形態にかかる電源装置の回路構成を概略的に示す回路図である。 図１１に示される電源装置における動作を説明するグラフである。 本発明の第４の実施の形態にかかる電源装置の回路構成を概略的に示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る電源装置及び照明装置を説明する。

初めに、本発明の電源装置の電源回路部における発光ダイオードを調光する調光機能の動作原理を簡単に説明する。

半導体発光光源である発光ダイオードは、よく知られるように、図１に示されるようなＶ−Ｉ特性を有している。このＶ−Ｉ特性は、図１に示すように電圧Vの増加とともに指数関数的に電流Iが立ち上がる曲線で表されている。このＶ−Ｉ特性は、全ての発光ダイオードで同一でなく、発光ダイオード毎に半導体素子のバラツキ或いは温度特性に関連した動作点のバラツキにともない、発光ダイオード毎に曲線Ａｃｅｎを中心とする曲線Ａｍａｘと曲線Ａｍｉｎとの間の領域内で発光ダイオード毎に定められる曲線を取ることが知られている。

仮に発光ダイオードに定電流が流れるように発光ダイオードが制御されると仮定すると、電圧の増加ΔVに対する電流の増加ΔI（ΔＩ／ΔＶ）が小さい範囲では、ある一定の電流に対して電圧が動作領域Ｂ１１内でばらつくこととなる。これに対し、電圧の増加ΔVに対する電流の増加ΔI（ΔＩ／ΔＶ）が大きな範囲では、ある一定の電流に対して電圧が動作領域Ｂ１２内でばらつくこととなる。ここで、電圧がばらつく動作領域Ｂ１２は、電圧がばらつく動作領域Ｂ１１に比べて小さくなる。従って、調光深度が浅く、発光ダイオードに比較的大きな電流が流れる動作領域、即ち、調光率が小さく、発光ダイオードに比較的大きな電流が流れて比較的大きな輝度で発光される制御領域において、定電流制御モードが適用されれば、調光輝度のばらつきを小さくできる。その結果、発光ダイオードの調光制御において、光出力の変動を有効に抑制することができる。

一方、発光ダイオードを定電圧により制御した場合、電圧の増加ΔVに対する電流の増加ΔI（ΔＩ／ΔＶ）が大きな範囲では、ある一定の電圧に対して電流が動作領域Ｂ２１内でばらつくこととなる。これに対して、電圧の増加ΔVに対する電流の増加ΔI（ΔＩ／ΔＶ）が小さい範囲では、ある一定の電圧に対して電流が動作領域Ｂ２２内でばらつくこととなる。ここで、ばらつきの動作領域Ｂ２２は、ばらつきの動作領域Ｂ２１に比べて小さくできる。従って、調光深度が深く、発光ダイオードに流れる電流が小さな動作領域、即ち、調光率が大きく、発光ダイオードに比較的小さな電流が流れて比較的小さな輝度で発光される制御領域において、定電圧制御モードが適用されれば、調光輝度のばらつきを小さくすることができる。その結果、発光ダイオードの調光制御において、発光ダイオードの光出力の変動を有効に抑制することができる。

上述した特性を基に、本発明の電源装置の電源回路部では、調光率が小さく（調光深度が浅く）、発光ダイオードに流れる電流が大きな動作領域では、発光ダイオードが定電流制御モードで制御され、また、調光率が大きく（調光深度が深く）、発光ダイオードに流れる電流が小さな領域では、発光ダイオードが定電圧制御モードで制御される。このような動作を実現する電源装置の電源回路部として、図２に示すように調光信号ｋの調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応して異なる負荷特性（Ｖ−Ｉ特性）で電源装置が動作される。ここで、調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７は、調光率が最も小さい調光率ｋ１から調光率が最も大きな調光率ｋ７の範囲に設定されている。この電源装置では、調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応するそれぞれの負荷特性は、発光ダイオードが電流の導通を開始するオン電圧をＤＶｂ及び全光発光時の全光発光電流をＤＩａとし、これらオン電圧ＤＶｂ及び全光発光電流ＤＩａを基準とすると、Ｖ＝ＤＶｂ、Ｉ＝ＤＩａの交点Ｆ（一定値）を中心とした放射状の直線に設定される。例えば、調光率ｋ１に対応する負荷特性は、電圧軸（Ｖ）とほぼ平行な定電流特性となり、調光率ｋ２〜ｋ６に対応する負荷特性は、調光率ｋ６に向かうほど、Ｆ点を中心に電流軸（Ｉ）に対する角度を小さくして、定電圧特性の傾向を強め、調光率ｋ７に対応する負荷特性は、電流軸（Ｉ）とほぼ平行な定電圧特性となる。

このような調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応する夫々の負荷特性は、Ｉ＝ＤＩａ−ｋ（Ｖ）の一次関数で表現することができる。つまり、上式は、Ｉ＋ｋ（Ｖ）＝ＤＩａ…（１）であり、負荷、即ち、発光ダイオードに流れる電流検出値と、負荷電圧検出値と調光信号電圧の演算結果を加算した値が一定の電流値ＤＩａとなる関係が成立している。下記に説明する第１〜第３の実施の形態に係る電源装置の電源回路部及び制御部はこの関係式を充足するように構成される。

また、他の観点からは、調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応する夫々の負荷特性は、Ｖ＝ＤＶｂ−ｋ（Ｉ）の一次関数で表現することができる。つまり、上式は、Ｖ＋ｋ（Ｉ）＝ＤＶｂ…（２）であり、負荷、即ち、負荷電圧検出値と発光ダイオードに流れる電流検出値に調光信号電圧の演算結果を加算した値が一定の電圧値ＤＶｂとなる関係が成立している。

このような動作原理に基づいた本発明の実施の形態に係る電源装置は、以下述べるように実現される。

（第１の実施の形態）まず、本発明の電源装置が適用される照明器具について簡単に説明する。図３及び図４において、符号１は、器具本体で、この器具本体１は、アルミニウムのダイカスト製のもので、両端を開口した円筒状に形成されている。この器具本体１は、図４に示されるように、その内部が仕切り部材１ａ、１ｂにより上下方向に沿って３つの空間に３分割されている。下方開口と仕切り部材１ａの間の下方空間は、光源部２に割り当てられている。この光源部２には、半導体発光光源としての複数のＬＥＤ２ａと反射体２ｂが設けられている。複数のＬＥＤ２ａは、仕切り部材１ａ下面に設けられた円盤状の配線基板２ｃの円周方向に沿って等間隔に配置され、この配線基板２ｃ上に実装されている。即ち、円筒状器具本体１の中心軸の回りに、複数のＬＥＤ２ａが等間隔で円周状に配置されている。

器具本体１の仕切り部材１ａと１ｂの間の中間の空間は、電源室３に割り当てられている。この電源室３においては、仕切り部材１ａ上に配線基板３ａが配置されている。この配線基板３ａには、前記複数のＬＥＤ２ａを駆動する電源装置を構成する各電子部品が設けられている。この電源装置と複数のＬＥＤ２ａは、リード線４により接続されている。

器具本体１の仕切り板１ｂと上方開口との間の上方空間は、電源端子室５に割り当てられている。この電源端子室５においては、仕切り板１ｂに電源端子台６が設けられている。この電源端子台６は、電源室３の電源装置に商用電源の交流電力を供給するために設けられている。電源端子台６は、電絶縁性の合成樹脂で作られたボックス６ａを備え、このボックス６ａの両面に電源ケーブル用端子部となる差込口６ｂが設けられ、送りケーブル用端子部となる差込口６ｃ及び電源線及び送り線を切り離すリリースボタン６d等がこのボックス６ａに設けられている。

図５は、図４に示される照明器具の電源室３に組み込まれる本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置の電源回路部の構成を示している。

図５において、符号１１は、交流電源で、この交流電源１１は、商用電源で構成される。この交流電源１１には、全波整流回路１２の入力端子が接続されている。全波整流回路１２は、交流電源１１からの交流電力を全波整流した出力を発生する。全波整流回路１２の正負極の出力端子間には、平滑用のキャパシタ１３が接続され、全波整流回路１２で整流された直流電力を平滑化して平滑出力を出力している。この全波整流回路１２及び平滑用のキャパシタ１３で直流電源が構成される。

ここでは、直流電源として、商用電源からの交流電圧を整流平滑する回路を用いているが、力率改善のための力率改善コンバータを使用しても良い。

平滑キャパシタ１３には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、フライバックトランスであるスイッチングトランス１４及び平滑キャパシタ１３からの出力電圧をスイッチングするスイッチングトランジスタ１５から構成されている。スイッチングトランス１４は、一次巻線１４ａと磁気的結合された二次巻線１４ｂを有している。スイッチングトランス１４の一次側は、スイッチングトランジスタ１５を介して平滑キャパシタ１３に接続されている。即ち、平滑キャパシタ１３の両端には、スイッチングトランス１４の一次巻線１４ａとスイッチングトランジスタ１５の直列回路が接続されている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、更に、スイッチングトランス１４の２次側に発生される電圧を整流するダイオード１６及びこの整流電圧を平滑化する平滑キャパシタ１７からなる整流平滑回路１８及び制御回路３０より構成されている。スイッチングトランス１４の二次巻線１４ｂには、図示極性のダイオード１６と平滑キャパシタ１７からなる整流平滑回路１８が接続されている。この整流平滑回路１８は、スイッチングトランジスタ１５、スイッチングトランス１４とともに直流出力を生成し、出力するコンバータ回路を構成している。このコンバータ回路では、スイッチングトランス１４の一次巻線１４ａには、スイッチングトランジスタ１５で直流電圧を断続(オン・オフ）した交番電圧が印加される。また、スイッチングトランス１４の二次巻線１４ｂには、交流出力が発生される。この交流出力は、ダイオード１６で整流され、この整流出力が平滑キャパシタ１７により平滑されて直流出力として出力される。

尚、上述した実施例では、発光ダイオード１９〜２１を調光点灯する電源回路部が交流電源１１、全波整流回路１２、平滑用キャパシタ１３、ＤＣ―ＤＣコンバータ１０及び整流平滑回路１８で構成される。

この実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０としてフライバックコンバータを用いている。このフライバックコンバータに代えて、負荷側の電圧が電源電圧より低い場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０として降圧型コンバータが用いられても良い。また、負荷側の電圧が電源電圧より高い場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０として昇圧型コンバータなど、昇降圧型コンバータを用いても良い。ここで、コンバータ１０は、負荷の状態或いは外部からの信号に応じて出力を可変できるタイプのものであればどのような回路構成で実現されても良い。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を構成する整流平滑回路１８の平滑キャパシタ１７の両端には、負荷の半導体発光光源として、複数個（図示例では３個）が直列に接続されている発光ダイオード１９〜２１が接続されている。この発光ダイオード１９〜２１は、図２に示されたＬＥＤ２ａが相当している。

発光ダイオード１９〜２１の直列回路には、電流検出回路２２が直列に接続されている。この電流検出回路２２は、インピーダンス素子である抵抗器２２１から構成され、発光ダイオード１９〜２１に流れる電流（負荷電流）を検出し、電流検出信号Ｉを出力する。また、発光ダイオード１９〜２１の直列回路には、負荷電圧検出回路２３が並列に接続されている。この負荷電圧検出回路２３は、インピーダンス素子である抵抗器２３１，２３２の直列回路から構成され、発光ダイオード１９〜２１に印加される負荷電圧を検出し、この負荷電圧Ｖを負荷電圧信号として出力する。

電流検出回路２２及び負荷電圧検出回路２３には、電流検出信号Ｉ及び負荷電圧信号Ｖが入力され、この入力信号に応じて制御信号を出力する信号制御部２４が接続されている。信号制御部２４は、乗算器２６、加算器２７及び比較器２８から構成されている。乗算器２６には、負荷電圧検出回路２３の負荷電圧信号Ｖ及び調光信号発生部３１からの調光信号ｋが入力され、負荷電圧信号Ｖと調光信号ｋとを乗算した乗算信号を出力する。この乗算器２６の詳細については後述する。加算器２７は、乗算器２６から出力された乗算信号と電流検出回路２２の電流検出信号Ｉを加算した加算出力ＤＩａを発生する。比較器２８は、加算器２７の出力ＤＩａと一定の基準値２９とを比較し、比較結果を制御信号として出力する。

調光信号発生部３１は、外部からの調光操作信号に基づいて調光信号ｋを発生する。この調光信号ｋは、調光率（調光深度）に応じて選定されたデューティ比の異なるＰＷＭ信号として発生される。ここで、デューティ比は、良く知られるようにＰＷＭ信号におけるパルス幅をパルス周期で割った値として定義される。外部からの調光操作信号は、調光深度、即ち、調光率を指定する信号として調光信号発生部３１に入力され、調光信号発生部３１は、調光率とデューティ比とが相関を有するテーブルを備え、このテーブルが調光操作信号で指定される調光率で参照されてデューティ比が決定され、このデューティ比を有するＰＷＭ信号が調光信号発生部３１から乗算器２６に出力される。

この調光信号ｋは、デューティ比が０％で全光状態の最も小さい調光率ｋ１に相当する調光の上限を設定し、デューティ比が１００％で輝度が最も低く、最も大きい調光率ｋ７で調光の下限を設定し、デューティ比０〜１００％の範囲で変更される。デューティ比が０％の調光信号ｋは、ローレベルのＤＣ電圧に相当し、デューティ比が１００％の調光信号ｋは、ハイレベルのＤＣ電圧に相当し、調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７（ｋ１＜ｋ２、…＜ｋ７）に依存するデューティ比で調光信号が発生される。

乗算器２６は、図６に示すように負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２に、スイッチング素子としてのトランジスタ２６１のエミッタ・コレクタが並列に接続されるとともに、このトランジスタ２６１には、抵抗器２６２及び充電素子としてのキャパシタ２６３の直列回路が並列に接続されている。トランジスタ２６１においては、エミッタが抵抗器２３２と抵抗器２６２の接続点に接続され、コレクタが抵抗器２３２とキャパシタ２６３の接続点に接続されている。また、トランジスタ２６１においては、ベースとコレクタ間に抵抗器２６４が接続され、また、ベースは、抵抗器２６５を介して調光信号発生部３１に接続されて調光信号発生部３１からの調光信号ｋがベースに入力されている。

このように構成される乗算器２６においては、調光信号ｋでトランジスタ２６１がオンオフされる。従って、調光信号ｋのデューティ比に従って、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２からの出力電圧（負荷電圧Ｖ）がキャパシタ２６３を充電し、この充電電圧が乗算器２６の出力電圧として発生される。さらに詳述すると、上述したように調光信号ｋのＰＷＭ信号は、デューティ比０％で調光上限（全光状態）に設定され、デューティ比１００％で調光下限に設定されている。図５に示される回路においては、この調光信号ｋのデューティ比の変化に対して発光ダイオード１９〜２１に流れる電流は、略リニアに増減される。この発光ダイオード１９〜２１の順方向電圧（負荷電圧）は、図７に示すように調光上限（０％）から調光下限（１００％）まで、ほぼリニアに低下される。調光信号ｋのデューティ比が０％の全光状態では、トランジスタ２６１がオンに維持されたままの状態となる。従って、トランジスタ２６１が負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の両端を短絡し、キャパシタ２６３は、充電されず、キャパシタ２６３の充電電圧値は、ゼロで乗算器２６の出力電圧もゼロとなる。また、調光信号ｋの調光率が変化されてデューティ比を大きく設定されると、このときのデューティ比に応じてトランジスタ２６１がオン、オフされる。ＰＷＭ信号のオフ時にトランジスタ２６１がオンされ、ＰＷＭ信号のオン時にトランジスタ２６１がオフされる。このトランジスタ２６１のオフ期間に負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の出力電圧（負荷電圧Ｖ）がキャパシタ２６３に印加される。従って、このキャパシタ２６３が充電され、このときの充電値が乗算器２６の出力電圧として発生され、出力される。さらに調光信号ｋのデューティ比を大きくして調光下限（１００％）にすると、トランジスタ２６１は、オフに維持される。従って、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の出力電圧（負荷電圧Ｖ）の全てがキャパシタ２６３に印加され、キャパシタ２６３を充電する。従って、キャパシタ２６３からは、大きな充電電圧値が乗算器２６の出力電圧として発生する。このような一連の動作により、乗算器２６の出力電圧は、図８に示すように調光信号ｋのデューティ比（０％〜１００％）に対して二次曲線を描くように変化される。

図５に示す回路においては、比較器２８には、スイッチングトランジスタ１５を制御する制御回路３０が接続され、比較器２８から電圧信号が供給されている。制御回路３０は、図示しない電源部により駆動され、比較器２８から電圧信号に応じてスイッチング制御信号を発生する。この制御回路３０からスイッチング制御信号によりスイッチングトランジスタ１５がオンオフされ、スイッチングトランス１４がスイッチング駆動されて整流平滑回路１８から発光ダイオード１９〜２１に供給される出力が制御される。制御回路３０は、制御部２４の比較器２８の出力に基づいて、つまり、乗算器２６の出力と電流検出回路２２の電流検出信号Ｉを加算器２７で加算して得られる出力の値ＤＩａに基づいて、この値ＤＩａが常に一定になるように発光ダイオード１９〜２１に供給される出力が制御される。

尚、制御回路３０は、メモリ(図示せず）を有し、比較器２８の出力電圧でメモリ内のテーブルが参照されてスイッチング制御信号のスイッチング波形、即ち、ＰＷＭ制御信号のデューティ比が選定され、選定されたデューティ比を有するスイッチング制御信号がスイッチングトランジスタ１５のゲートに印加される。

次に、図５に示す電源回路における調光動作を説明する。

電源装置の調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応する負荷特性と発光ダイオード１９〜２１のＶ−Ｉ特性Ａは、図２に示す関係にあるものとする。

初めに、外部からの調光操作信号に基づいて調光信号発生部３１からデューティ比０％で最上限（全光）の調光信号ｋが出力されると、このときの調光信号ｋに応じて図２に示す調光率ｋ１に対応する負荷特性が得られる。調光信号ｋのデューティ比が０％に設定されると、制御部２４において、乗算器２６のトランジスタ２６１がオンのままに維持され、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の両端がトランジスタ２６１によって短絡される。従って、キャパシタ２６３の充電電圧値は、ゼロで乗算器２６の出力電圧もゼロとなる。従って、加算器２７からの出力値ＤＩａは、電流検出回路２２で検出された電流検出信号Ｉのみに依存し、電流検出信号Ｉにより重み付けされる。このときの比較器２８の出力に基づいて制御回路３０により発光ダイオード１９〜２１に流れる電流が一定となるような定電流制御が実施され。つまり、上述の（１）式において、出力値ＤＩａを決定するｋ（Ｖ）成分は、略ゼロで、Ｉ成分のみの影響を受けるので、発光ダイオード１９〜２１は、定電流特性に従って点灯制御される。

この定電流特性に従う点灯制御においては、制御回路３０がスイッチングトランジスタ１５をオンオフすることによりスイッチングトランス１４がスイッチング駆動される。スイッチングトランジスタ１５のオンでスイッチングトランス１４の一次巻線１４ａに電流が流れてエネルギーが蓄積され、スイッチングトランジスタ１５のオフで、一次巻線１４ａに蓄積されたエネルギーが二次巻線１４ｂを通して放出される。このエネルギーの放出が整流平滑回路１８に直流出力を発生し、この直流出力により発光ダイオード１９〜２１が点灯される。

次に、調光信号ｋの調光率を変化させてデューティ比を大きく設定すると、この調光信号ｋのデューティ比に応じて図２に示す調光率ｋ２〜ｋ６に対応する負荷特性のいずれかに設定される。この調光信号ｋのデューティ比が大きく設定されると、このときのデューティ比に応じて乗算器２６のトランジスタ２６１がオン、オフされる。ＰＷＭ信号のオフ時にトランジスタ２６１がオンされ、ＰＷＭ信号のオン時にトランジスタ２６１がオフされる。このトランジスタ２６１のオフ期間に、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の出力電圧、即ち、負荷電圧Ｖがキャパシタ２６３を充電し、この充電電圧値が乗算器２６の出力電圧として発生される。加算器２７からは、乗算器２６から出力された乗算信号と電流検出回路２２の電流検出信号Ｉを加算した加算出力ＤＩａが出力される。したがって、調光信号ｋのデューティ比が大きくなり、乗算器２６の出力電圧が大きくなるに従い、加算出力ＤＩａ中に占める電流検出回路２２の電流検出信号Ｉの割合が抑制され、加算出力ＤＩａ中に占める負荷電圧検出回路２３の出力電圧（負荷電圧Ｖ）の割合が大きくなり、この出力電圧により重み付けされた加算出力ＤＩａが出力される。この比較器２８の出力信号に基づいて制御回路３０は、スイッチング信号を発生して発光ダイオード１９〜２１を制御することから、発光ダイオード１９〜２１は、定電流特性を与える制御から電圧が一定となる定電圧特性を与える制御の傾向が次第に強められる。即ち、調光信号ｋを調光率ｋ２〜ｋ６に変化させると、上述の（１）式においてＤＩａを決定するｋ（Ｖ）成分がゼロから次第に大きくなり、このｋ（Ｖ）成分の増加とともにＩ成分が小さくなる。その結果、発光ダイオード１９〜２１は、定電流特性を与える制御から次第に定電圧特性を与える制御の傾向を強めて点灯制御される。

その後、調光信号発生部３１よりデューティ比１００％で最下限の調光信号ｋが出力されると、この調光信号ｋに応じて図２に示す調光率ｋ７に対応する負荷特性が設定される。

この設定では、調光信号ｋにデューティ比が１００％与えられ、制御部２４において、乗算器２６のトランジスタ２６１は、オフしたままに維持される。従って、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３２の出力電圧（負荷電圧Ｖ）の全てがキャパシタ２６３に印加され、キャパシタ２６３を充電する。このキャパシタ２６３からは、大きな充電電圧値が乗算器２６の出力電圧として発生される。その結果、加算器２７からの出力の値ＤＩａは、負荷電圧検出回路２３の出力電圧（負荷電圧Ｖ）のみに影響されるようになり、この比較器２８の出力信号に基づいて制御回路３０は、スイッチング信号を発生して発光ダイオード１９〜２１を制御することから、制御回路３０は、発光ダイオード１９〜２１に印加される電圧を略一定とする定電圧制御で発光ダイオード１９〜２１を制御することとなる。つまり、上述の（１）式においてＤＩａを決定するｋ（Ｖ）成分が殆どとなり、Ｉ成分が略ゼロになるので、発光ダイオード１９〜２１は、定電圧特性により点灯制御される。

上述した制御方式においては、調光信号発生部３１の調光信号ｋが調光率をｋ１、ｋ２、…ｋ７の範囲で変更されると、これら調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じた負荷特性に従って調光率が小さい動作領域では、定電流特性により発光ダイオード１９〜２１が点灯制御される。また、調光率が大きくなるにつれて定電流特性から定電圧特性の傾向を次第に強めて発光ダイオード１９〜２１が点灯制御される。このように、定電流特性及び定電圧特性での調光制御方式の移行を調光信号ｋの調光率（調光深度）を変更するのみでスムーズに行うことができ、調光率の小さい動作領域から調光率の大きい動作領域までの広い範囲について安定した調光制御を実現することができる。

また、調光制御に直接パルス幅を制御する制御方式が用いられないので、JP-A 2003-157986 (KOKAI)に開示されるパルス幅により調光制御を行うものと比べ、電源装置において、発光ダイオードの光出力にフリッカが発生するのを防止できる。また、調光制御のためのスイッチ素子などを必要としないことで電源装置の回路構成を簡単にして部品点数を減らすことができ、電源装置の小型化及び低廉化を実現することができ、さらに回路効率の低下も抑制することができる。

さらに、図１を参照して述べたように、調光率が小さいく発光ダイオード１９〜２１に比較的大きな電流が流れる動作領域において、定電流制御が適用されている。従って、発光ダイオード１９〜２１の特性のばらつきによる調光制御への影響を小さくでき、発光ダイオード１９〜２１の光出力の変動を抑制することができる。また、調光率が大きく、発光ダイオードに流れる電流が小さな動作領域において定電圧制御を適用している。従って、発光ダイオード１９〜２１の特性のばらつきの影響を小さくすることができ、発光ダイオードの光出力の変動を抑制することもできる。これにより、発光ダイオード１９〜２１のばらつきや温度特性による動作点のばらつきに起因する光出力の変動を極力抑制することができる。

（第２の実施の形態）負荷である半導体発光光源からなる発光ダイオードは、その接続個数を増減し、或いは、種類の異なる発光ダイオードに変更すると、発光ダイオードに流れる電流が変化されて光出力（輝度）が変化することがある。ある発光ダイオードが例えば、図１０に示すようなＶ―Ｉ特性Ａを有し、電源装置が調光率ｋ３に設定されて調光率ｋ３と負荷特性とが交差するｘ点で発光ダイオードを動作しているもの仮定する。この動作状態において、この発光ダイオードに接続されている発光ダイオードの接続個数が変更されると、この発光ダイオードのＶ―Ｉ特性Ａが図１０に示す曲線Ａ１で示される特性に変化される。Ｖ―Ｉ特性Ａの変化に伴い、調光率ｋ３に対応する負荷特性と交差する動作点は、図１０に示されるようにｘ点からｘ１点に移動され、発光ダイオードに流れる電流もＩａからＩｂに変化され、発光ダイオードの光出力（輝度）が変化される。

この第２の実施の形態に係る電源装置では、発光ダイオードの接続個数或いは品種の等の変更に拘わらず、設定された調光率では、常にその調光率における一定の光出力(輝度）に維持することができる。

図９は、本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示すもので、図５と同一部分には、同符号を付している。

図９に示される装置においては、発光ダイオード１９〜２１に並列接続される負荷電圧検出回路４１は、抵抗器４１１、４１２、４１３、４１４の直列回路を有し、この抵抗器４１２、４１３、４１４の直列回路の中の接続点に乗算器２６が接続されている。また、抵抗器４１３、４１４の直列回路には、並列にスイッチング素子４２１、抵抗器４１４には並列にスイッチング素子４２２が接続されている。これらスイッチング素子４２１、４２２は、直列接続されている発光ダイオード１９〜２１の個数に応じて切り替えられる。発光ダイオード１９〜２１のすべてが接続されて点灯される場合には、スイッチング素子４２１、４２２の全てがオフされる。また、発光ダイオード２１が直列回路から除かれ、発光ダイオード１９、２０が直列接続されて点灯され場合には、スイッチング素子４２２のみがオンされ、発光ダイオード１９のみが接続されて点灯される場合は、スイッチング素子４２１のみがオンされる。これらスイッチング素子４２１、４２２のオンオフ動作は、発光ダイオード１９〜２１に個数検出部４３を接続し、この個数検出部４３からの検出信号に基づいてマイコン４４により制御する。この個数検出部４３は、発光ダイオード１９〜２１の直列回路の抵抗を検出して直列接続されている発光ダイオード１９〜２１の個数を表す検出信号をマイクロプロセッサ４４に供給しても良い。マイクロプロセッサ４４は、発光ダイオード１９〜２１と検出信号とのレベルとの関係が記述されたテーブルが記憶されているメモリを備えれば良い。マイクロプロセッサ４４では、検出信号でメモリが参照されて検出信号に応じて発光ダイオード１９〜２１の個数が特定され、この特定された個数に応じてスイッチング素子４２１、４２２をオンオフされれば良い。

このようにすると、発光ダイオード１９〜２１がすべて接続されている状態で、図１０に示すように発光ダイオードのＶ−Ｉ特性Ａと電圧軸（Ｖ）との交点がＤＶｂ点にあるものとする。この状態で、発光ダイオードの接続個数が変更されて発光ダイオード１９、２０のみが接続された場合には、例えば、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性がＡ１に変化される。従って、発光ダイオード１９、２０の接続状態を検出する個数検出部４３からの検出信号が変化されてマイクロプロセッサ４４で発光ダイオードの接続個数の変更が検出される。従って、マイクロプロセッサ４４は、発光ダイオードの接続個数（発光ダイオード１９、２０のみの接続）に応じてスイッチング素子４２２をオンし、抵抗器４１２、４１３の直列回路の間の電圧が制御部２４に対して負荷電圧Ｖとして出力される。これにより図１０に示すように発光ダイオードのＶ−Ｉ特性Ａ１と電圧軸（Ｖ）との交点が図示左方向のＤＶｃ点に移動され、負荷特性の基点となるＦ点もＦ’点に移動される。この基点の移動により調光率ｋ１〜Ｋ７に対応する負荷特性全体が符号ｋ１’〜Ｋ７’で示されるように左方向に平行移動される。調光率ｋ３に対応する負荷特性も図示左方向のｋ３’の位置まで平行移動されるので、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性Ａ１と交差する動作点は、点ｘ１から点ｘ２に移動され、発光ダイオードに流れる電流もＩａに補正される。

したがって、この第２の実施の形態に係る電源装置においても、第１の実施の形態と同様な効果を得られ、さらに、発光ダイオードの接続個数或いは品種の変更などによりＶ−Ｉ特性が変化することがあっても、発光ダイオードに流れる電流を一定に補正することができ、常に一定の光出力を得ることができる。

（第３の実施の形態）この第３の実施の形態に係る電源装置においても、第２の実施の形態と同様に発光ダイオードの接続個数や品種のなどの変更に拘わらず、調光率に応じて常に一定の光出力（輝度）を得られるようにしている。

この電源装置では、図１１に示すように発光ダイオード１９〜２１に、例えば、個数検出部５１が接続され、この個数検出部５１からの検出信号が調光信号発生部３１に入力されている。調光信号発生部３１では、調光率ｋ１〜ｋ７に応じた負荷特性に切り替えて調光信号ｋを乗算器２６に出力している。ここで、調光信号発生部３１は、個数検出部５１で検出された発光ダイオード１９〜２１で、即ち、個数検出部５１からの検出信号に応じて調光率ｋ１〜ｋ７の夫々に応じて補正した負荷特性を選定し、この補正した負荷特性に応じた調光信号ｋを乗算器２６に出力している。

より具体的には、発光ダイオード１９〜２１がすべて接続されている状態では、図１２に示すように発光ダイオードのＶ−Ｉ特性Ａと調光率ｋ３に対応する負荷特性と交差する動作点がｘ点にあるものとする。この状態で、発光ダイオードの接続個数が変更され発光ダイオード１９、２０のみが接続されると、例えば、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性がＡ１に変化される。従って、調光率ｋ３に対応する負荷特性と交差する動作点は、ｘ１に移動されて発光ダイオードに流れる電流もＩａからＩｂに変化される。しかし、この第３の実施の形態では、発光ダイオード１９、２０の接続状態を検出する個数検出部４３の検出信号が調光信号発生部３１に与えられると、調光信号発生部３１は、検出信号に応じて、負荷特性を、例えば、選定されている調光率ｋ３を調光率ｋ３’に補正してこの調光率ｋ３’に対応する負荷特性に切り替える。これにより、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性Ａ１と交差する動作点は、点ｘ１から点ｘ２に移動することになり、発光ダイオードに流れる電流もＩａに補正される。

（第４の実施の形態）既に説明したように、調光率ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応する夫々の負荷特性は、Ｖ＝ＤＶｂ−ｋ（Ｉ）の一次関数で表現することができる。ここで、Ｖ＋ｋ（Ｉ）＝ＤＶｂ…（２）が成立し、負荷、即ち、負荷電圧検出値と発光ダイオードに流れる電流検出値に調光信号電圧の演算結果を加算した値が一定の電圧値ＤＶｂとなる関係が成立している。

この負荷電圧検出値と発光ダイオードに流れる電流検出値に調光信号電圧の演算結果を加算した値が一定の電圧値ＤＶｂとなる関係は、図１３に示される回路で実現することができる。

図１３は、本発明の第４の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示すもので、図５と同一部分には、同符号を付している。この図１３に示された回路では、発光ダイオード１９〜２１に流れる電流を検出し、この検出電流を電圧信号に変換する為に差動増幅器２４１及び抵抗２４２、２４３で構成される増幅回路２４０が発光ダイオード１９〜２１の直列回路と抵抗２２１との間の接続点に接続されている。この増幅回路２４０の出力側は、乗算器２６に接続されている。従って、検出電流は、増幅回路２４０で電圧信号に変換されて乗算器２６で調光信号ｋに乗算される。乗算された乗算信号ｋ（Ｉ）は、加算器２７において、発光ダイオード１９〜２１に印加される電圧に相関する検出電圧信号Ｖに加算され、この加算信号（Ｖ＋ｋ（Ｉ））は、比較器２８において、一定の基準電圧値２９と比較される。この比較器２８からの比較結果は、調光信号発生部３１に制御信号として出力される。

図１３に示す回路においても、図５に示す回路と同様に、調光率ｋに応じて定電圧制御及び又は定電流制御が実行されて調光信号ｋに従って発光ダイオード１９〜２１に流れる電流及び発光ダイオード１９〜２１に印加される電圧が制御される。

したがって、この第４の実施の形態に係る電源装置においても、第１の実施の形態と同様な効果を得られ、さらに、発光ダイオードの接続個数或いは品種の変更などによりＶ−Ｉ特性が変化することがあっても、発光ダイオードに流れる電流を一定の状態に補正することができ、常に一定の光出力を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、アナログ回路の例を述べたが、マイコンやデジタル処理を用いた制御方式を採用することもできる。また、調光率の切替えは、連続的に調光するものや段階的に調光するものも含み、また、電源電圧の導通期間を制御して負荷への実効電圧を可変させる位相制御でもよい。さらに、調光信号は、専用信号線を用い、或いは、電源電線に調光信号を重畳させた電力線信号を用いることもできる。また、この調光信号は、ＰＭＷ信号で供給される場合に限らず、調光深度を伝達することができる直流信号或いはＤＭＸ信号等のいずれの種類の信号であっても良い。

上述した実施例では、発光ダイオード１９〜２１を点灯する電源回路部が交流電源１１、全波整流回路１２、平滑用キャパシタ１３，DC―DCコンバータ１０、整流平滑回路１８で構成され、この電源回路部とは、独立して制御部が設けられているが、制御部と電源回路部の一部或いは全部が回路的に一体化されても良い。

また、上記種々の実施例では、発光ダイオード等の半導体発光光源に限ることなく、発光ダイオード等の半導体発光光源を点灯する電源装置及び照明器具に適用した実施の形態に関して述べているが、有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源等も同様に半導体発光光源の範疇に入るものとみなし、有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源等の光源を点灯する電源装置にも同様にこの発明を適用することができることは明らかである。

尚、図９及び図１１に示される電源装置では、発光ダイオード１９〜２１の個数が検出部４３、５１で検出されているが、この発光ダイオード１９〜２１が有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源で置き換えられた場合には、個数検出に代えて有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源の電圧が検出され、この検出電圧に応じて負荷特性を変更されても良い。これは、有機ＥＬ光源或いは無機ＥＬ光源では、光源個数の概念がないことに基づいている。

以上のように、この発明によれば、安定した調光制御を実現できる電源装置及び照明器具を提供することができる。

本発明の実施の形態によれば、定電流特性の傾向の負荷特性または定電圧特性の傾向の負荷特性を調光率に応じて選択して調光制御を実現できる電源装置及び照明器具を提供することができる。そして、この電源装置及び照明器具において、調光率に応じて定電流特性の傾向の強まる制御と定電圧制御特性の傾向の強まる制御の間でのスムーズな移行を実現することができる。

調光率を変更するのみで定電流特性から定電圧特性に或いは定電圧特性から定電流特性にスムーズに調光制御方式を切り替えて、調光率の小さい領域から大きい領域までの広い範囲に亘って安定な調光制御が可能な電源装置電源装置及び照明器具を提供することができる。

１…器具本体、２…光源部、３…電源室、１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１１…交流電源、１２…全波整流回路、１３…コンデンサ、１４…スイッチングトランス、１５…スイッチングトランジスタ、１８…整流平滑回路、１９〜２１…発光ダイオード、２２…電流検出回路、２３…負荷電圧検出回路、２４…制御部、２６…乗算器、２７…加算器、２８…比較器、２９…基準値、３０…制御回路、３１…調光信号発生部、４１…負荷電圧検出回路、４３、５１…個数検出手段

Claims (2)

1. 調光率に応じて変化する負荷特性で半導体発光光源を点灯する電源回路部と、
   前記半導体発光光源に印加される負荷電圧を検出して電圧検出信号を出力する電圧検出部と、
   前記半導体発光光源に流れる電流を検出して電流検出信号を出力する電流検出部と、
   調光率に応じて前記電源回路部の負荷特性の傾きを変化させて前記半導体発光光源を調光制御する制御部であって、調光信号、前記電圧検出信号及び前記電流検出信号に基づいて前記負荷特性の傾きを補正する補正制御部と、
   を具備したことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１記載の電源装置と、
   前記電源装置を有する器具本体と、を具備したことを特徴とする照明器具。

Images