JP7081363B2 - Lighting equipment, lighting equipment - Google Patents
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Description
本発明は光源を点灯する点灯装置とその点灯装置を用いた照明器具に関する。 The present invention relates to a lighting device that lights a light source and a luminaire using the lighting device.
LED(Light Emitting Diode)を光源とした照明器具には、入力電流の高調波に関する規制が定められている。日本国内においては、日本工業規格によって入力電流の高調波に対して限度値が定められている。そのため、点灯装置は、入力電流の高調波を抑制し、力率を改善するための力率改善回路であるPFC(Power Factor Correction)回路を有する。 For lighting fixtures that use LEDs (Light Emitting Diodes) as a light source, regulations regarding harmonics of input current are stipulated. In Japan, the Japanese Industrial Standards set limits for the harmonics of the input current. Therefore, the lighting device has a PFC (Power Factor Direction) circuit which is a power factor improving circuit for suppressing the harmonic of the input current and improving the power factor.
点灯装置はLEDの明るさを制御する。LEDの明るさはLEDの電流の大きさに依存して決まるため、点灯装置は出力電流の大きさを一定に制御する電流制御回路を有する。特に、PFC回路と電流制御回路を1つの回路で実現する構成とする場合もある。 The lighting device controls the brightness of the LED. Since the brightness of the LED depends on the magnitude of the current of the LED, the lighting device has a current control circuit that controls the magnitude of the output current to be constant. In particular, there is a case where the PFC circuit and the current control circuit are realized by one circuit.
特許文献1には、PFC回路のスイッチング素子をオンさせるタイミング制御として、コイルの2次巻線の出力電圧を使用しゼロ電流検出を行うことが開示されている。これは電流臨界モードと呼ばれている。この場合、コイルをトランス構造にする必要があるため、巻太りによりコイルが大型化してしまう。また、2次巻線が主巻線の放熱を妨げるため、巻線温度が上昇してしまう問題がある。これは点灯装置の高出力化を妨げると言い換えることもできる。
ゼロ電流検出する別の手段としては、シャント抵抗を用い、コイル電流を検出することが考えられる。この場合、シャント抵抗において損失が発生するため、点灯装置の効率が低下してしまう問題がある。 As another means for detecting zero current, it is conceivable to detect the coil current by using a shunt resistor. In this case, there is a problem that the efficiency of the lighting device is lowered because a loss occurs in the shunt resistance.
また、コイル両端の電圧を測定することでゼロ電流検出を行う手段も考えられる。この場合、測定する電圧が変動すると正しくゼロ電流検出ができず、電流臨界モード制御を実施できない問題がある。 Further, a means for detecting zero current by measuring the voltage across the coil is also conceivable. In this case, if the voltage to be measured fluctuates, zero current cannot be detected correctly, and there is a problem that current critical mode control cannot be performed.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、装置の大型化と放熱性の悪化を抑制しつつ電流臨界モードでの制御を可能とする点灯装置と照明器具を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a lighting device and a lighting fixture capable of control in a current critical mode while suppressing an increase in size of the device and deterioration of heat dissipation. The purpose is.
本願の発明に係る点灯装置は、交流電力を整流する整流回路と、該整流回路から出力される電流が流れるコイルと、該コイルに流れる電流の増減を変化させるスイッチング素子とを有し、高調波を抑制して力率を改善すると共に該整流回路から出力される電力を直流電力に変換する直流変換回路と、直流変換回路を制御する制御部と、該整流回路の出力電圧を分圧する第1分圧回路と、スイッチング素子の両端電圧を分圧する第2分圧回路と、該第1分圧回路から出力される第1分圧電圧と、該第2分圧回路から出力される第2分圧電圧の電圧を比較し大小関係に応じた電圧を該制御部に出力する比較器と、を備えたことを特徴とする。 The lighting device according to the present invention has a rectifying circuit for rectifying AC power, a coil through which a current output from the rectifying circuit flows, and a switching element for changing an increase or decrease in the current flowing through the rectifying circuit. A DC conversion circuit that converts the power output from the rectifying circuit into DC power, a control unit that controls the DC conversion circuit, and a first voltage divider that divides the output voltage of the rectifying circuit. A voltage divider circuit, a second voltage divider circuit that divides the voltage across the switching element, a first voltage divider output from the first voltage divider circuit, and a second voltage divider output from the second voltage divider circuit. It is characterized by being provided with a comparator that compares the voltage of the voltage and outputs the voltage according to the magnitude relationship to the control unit.
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。 Other features of the invention will be clarified below.
本発明に係る点灯装置によれば、スイッチング素子の両端電圧と、整流回路の出力電圧を分圧して比較することでコイル電流がゼロになったことを検出するので、装置の大型化と放熱性の悪化を抑制しつつ電流臨界モードでの制御ができる。 According to the lighting device according to the present invention, it is detected that the coil current becomes zero by dividing and comparing the voltage across the switching element and the output voltage of the rectifier circuit. It is possible to control in the current critical mode while suppressing the deterioration of.
本発明の実施の形態に係る点灯装置及び照明器具を図面に基づいて説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。なお、実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 The lighting device and the lighting fixture according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components may be designated by the same reference numerals and the description may be omitted. The present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る点灯装置及び照明器具の構成例を示す図である。照明器具200は交流電源1に接続されている。照明器具200は、点灯装置100と、点灯装置100の電流供給を受け点灯する光源8と、光源8の点灯、消灯又は調光を行うための調光信号を出力する調光器10とを備えている。点灯装置100は、交流電源1から出力される交流電流の高周波成分を除去する入力フィルタ2を介して、交流電源1から供給される電力を光源8に入力可能な直流電流に変換して出力する。光源8は、例えば複数のLEDを直列接続したLED群で構成される。LED群の一端は正極側直流母線に接続され、LED群の他端は負極側直流母線に接続される。LEDを備える光源8に代えて、有機ELを備える光源8を用いてもよい。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a lighting device and a lighting fixture according to the first embodiment. The
点灯装置100は、入力フィルタ2、入力フィルタ2に接続され交流電力を整流する整流回路3、整流回路3に並列接続されるコンデンサ4、PFC回路である直流変換回路5及び電流制御回路7を備える。点灯装置100は、直流変換回路5と電流制御回路7を制御するための制御部9を備えている。
The
点灯装置100は、直流変換回路5と、直流変換回路5の出力電圧を平滑する平滑コンデンサ6と、光源8に出力する電流の大きさを制御する電流制御回路7とを備える。直流変換回路5は、交流電源1から入力される電流の高調波を抑制して力率を改善すると共に、整流回路3から出力される電力を直流電力に変換して光源8に供給する機能を有する。
The
交流電源1と整流回路3との間に配置される入力フィルタ2は、コイル2a及びフィルタコンデンサ2bを有し、交流電源1から出力される電流に重畳している高周波成分を低減する。コイル2aは交流電源1に直列接続される。コイル2aの一端は交流電源1の一端に接続され、コイル2aの他端はフィルタコンデンサ2b及び整流回路3に接続される。フィルタコンデンサ2bの他端は交流電源1及び整流回路3に接続される。
The
整流回路3は、入力フィルタ2と直流変換回路5との間に配置され、交流電源1から供給される交流電力を直流電力に変換する。整流回路3は4つのダイオードを組み合わせたダイオードブリッジで構成されている。なお、整流回路3の構成はこれに限定されるものではなく、単方向導通素子であるMOSFETを組み合わせて構成したものでもよい。
The rectifier circuit 3 is arranged between the
コンデンサ4は整流回路3の出力に並列接続されており、整流回路3の出力電圧を平滑する。コンデンサ4の一端は正極側直流母線に接続され、コンデンサ4の他端は負極側直流母線に接続される。
The
直流変換回路5は、整流回路3と電流制御回路7との間に配置される。直流変換回路5は、MOSFETなどで構成されたスイッチング素子5bと、コイル5aと、ダイオード5cとを有する。制御部9によってスイッチング素子5bがオンオフ制御されることにより、整流回路3の出力電圧を昇圧し、昇圧した電圧を平滑コンデンサ6に出力する。また直流変換回路5は、入力電流の高調波を抑制し、力率改善する機能を持つ。実施の形態1では、直流変換回路5を昇圧チョッパ回路で構成した例を説明する。なお直流変換回路5は、昇圧チョッパ回路の他にも、昇降圧チョッパ回路、フライバック回路、フライフォワード回路、SEPIC(Single Ended Primary Inductor Converter)、Zetaコンバータ又はCukコンバータといった回路で構成してもよい。 The DC conversion circuit 5 is arranged between the rectifier circuit 3 and the current control circuit 7. The DC conversion circuit 5 includes a switching element 5b composed of a MOSFET or the like, a coil 5a, and a diode 5c. By controlling the switching element 5b on and off by the control unit 9, the output voltage of the rectifier circuit 3 is boosted, and the boosted voltage is output to the smoothing capacitor 6. Further, the DC conversion circuit 5 has a function of suppressing harmonics of the input current and improving the power factor. In the first embodiment, an example in which the DC conversion circuit 5 is configured by the step-up chopper circuit will be described. In addition to the step-up chopper circuit, the direct current conversion circuit 5 may be configured by a circuit such as a buck-boost chopper circuit, a flyback circuit, a flyforward circuit, a SEPIC (Single Ended Primary Indicator Controller), a Zeta converter, or a Cuk converter. ..
コイル5aは、正極側直流母線において、コンデンサ4とスイッチング素子5bとの間に配置される。コイル5aはコアに絶縁性ワイヤを巻くことにより形成することができる。コイル5aの一端はコンデンサ4の一端に接続される。コイル5aの他端はダイオード5cのアノードに接続される。コイル5aには、スイッチング素子5bのオンオフ動作に伴い、極性が異なる電圧が印加される。スイッチング素子5bがオンになるとコイル5aに整流回路3から出力される電流が増加する。
The coil 5a is arranged between the
スイッチング素子5bのドレインは、正極側直流母線において、コイル5aとダイオード5cのアノードとに接続される。スイッチング素子5bのソースは、負極側直流母線において、コンデンサ4の他端と、平滑コンデンサ6の他端とに接続される。スイッチング素子5bのゲートは制御部9に接続される。スイッチング素子5bのゲートには、制御部9から出力される制御信号が入力される。制御信号が入力されることによりスイッチング素子5bのオンオフ制御が行われる。
The drain of the switching element 5b is connected to the coil 5a and the anode of the diode 5c in the positive electrode side DC bus. The source of the switching element 5b is connected to the other end of the
ダイオード5cは、正極側直流母線において、スイッチング素子5bと平滑コンデンサ6との間に配置される。ダイオード5cのアノードはコイル5a及びスイッチング素子5bに接続され、ダイオード5cのカソードは平滑コンデンサ6に接続される。 The diode 5c is arranged between the switching element 5b and the smoothing capacitor 6 on the positive electrode side DC bus. The anode of the diode 5c is connected to the coil 5a and the switching element 5b, and the cathode of the diode 5c is connected to the smoothing capacitor 6.
平滑コンデンサ6は、直流変換回路5と電流制御回路7との間に配置される。平滑コンデンサ6の一端は正極側直流母線に接続され、平滑コンデンサ6の他端は負極側直流母線に接続される。 The smoothing capacitor 6 is arranged between the DC conversion circuit 5 and the current control circuit 7. One end of the smoothing capacitor 6 is connected to the positive electrode side DC bus, and the other end of the smoothing capacitor 6 is connected to the negative electrode side DC bus.
制御部9は、直流変換回路5を制御するために、目標値出力部9a、電圧検出部9b、演算部9c及び駆動部9dを備える。
The control unit 9 includes a target
目標値出力部9aには調光器10が接続されている。目標値出力部9aは、調光器10から出力される調光信号の種類に対応した出力電流目標値を決定し、決定した出力電流目標値を演算部9cに出力する。出力電流目標値は、点灯装置100が光源8に出力する電流目標値を指定する信号である。
A dimmer 10 is connected to the target
電圧検出部9bは、平滑コンデンサ6の電圧を検出し、検出した電圧の値に対応した電圧情報を演算部9cに出力する。電圧検出部9bとしては抵抗分圧回路を例示できる。当該分圧回路は、2つ以上の抵抗を直列接続した直列抵抗体の一端が正極側直流母線に接続されると共に、当該直列抵抗体の他端が負極側直流母線に接続されることで、平滑コンデンサ6に印加される電圧を分圧する回路である。
The
演算部9cは、予め定められた出力電圧目標値と、電圧検出部9bに入力された電圧情報とに基づき、直流変換回路5を制御するための制御信号を出力する。電流制御回路7は、制御部9から出力された制御信号に基づき、直流変換回路5から出力された直流電圧を光源8に入力可能な直流電流に変換する。
The
図2は、電流制御回路7の構成例を示す図である。電流制御回路7は、MOSFETなどのスイッチング素子7a、コイル7b、ダイオード7c及びフィルタコンデンサ7dを備えている。スイッチング素子7aは正極側直流母線に配置される。スイッチング素子7aのドレインは、図1に示す平滑コンデンサ6の一端とダイオード5cのカソードとに接続される。スイッチング素子7aのソースは、ダイオード7cのカソードとコイル7bの一端とに接続される。スイッチング素子7aのゲートは駆動部9dに接続される。スイッチング素子7aのゲートには、制御部9から出力される制御信号が入力される。当該制御信号はスイッチング素子7aをオンオフ制御するための信号である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the current control circuit 7. The current control circuit 7 includes a switching element 7a such as a MOSFET, a
コイル7bの一端は、スイッチング素子7aのソースとダイオード7cのカソードとに接続される。コイル7bの他端は、フィルタコンデンサ7dの一端と図1に示す光源8の一端とに接続される。ダイオード7cのカソードは、スイッチング素子7aのソースとコイル7bの一端とに接続される。ダイオード7cのアノードは、図1に示す平滑コンデンサ6の他端とフィルタコンデンサ7dの他端と図1に示す光源8の他端とに接続される。
One end of the
図2に示す電流制御回路7は降圧チョッパ回路で構成されているが、降圧チョッパ回路の他にも、昇降圧チョッパ回路、フライバック回路、フライフォワード回路、SEPIC、Zetaコンバータ又はCukコンバータといった回路で電流制御回路7を構成してもよい。 The current control circuit 7 shown in FIG. 2 is composed of a step-down chopper circuit, but in addition to the step-down chopper circuit, a circuit such as a buck-boost chopper circuit, a flyback circuit, a flyforward circuit, a STEPIC, a Zeta converter, or a Cuk converter is used. The current control circuit 7 may be configured.
図3は、光源8に流れる電流と、コイル7bに流れる電流と、スイッチング素子7aのゲート電圧との関係を示すタイミングチャートである。図3には上から順に、光源8に流れる電流、コイル7bに流れる電流、スイッチング素子7aのゲート電圧が示されている。横軸は時間を表す。
FIG. 3 is a timing chart showing the relationship between the current flowing through the light source 8, the current flowing through the
スイッチング周期Tswは、スイッチング素子7aの制御信号がオフからオンに変化した時点から、再びスイッチング素子7aの制御信号がオフからオンに変化するまでの時間に等しい。スイッチング周期Tswは、予め演算部9cに設定されている。オン時間Tonは、スイッチング素子7aの制御信号がオフからオンに変化した時点から、オンからオフに変化するまでの時間に等しい。
The switching cycle Tsw is equal to the time from the time when the control signal of the switching element 7a changes from off to on until the control signal of the switching element 7a changes from off to on again. The switching cycle Tsw is set in advance in the
スイッチング素子7aの制御信号がオフからオンの状態に変化すると、スイッチング素子7aがオン状態になるため、平滑コンデンサ6、スイッチング素子7a、コイル7b及びフィルタコンデンサ7dを通る電流経路が形成され、図3に示すようにコイル7bに流れる電流が増加する。
When the control signal of the switching element 7a changes from the off state to the on state, the switching element 7a is turned on, so that a current path is formed through the smoothing capacitor 6, the switching element 7a, the
スイッチング素子7aの制御信号がオンからオフの状態に変化すると、スイッチング素子7aがオフ状態になるため、コイル7b、フィルタコンデンサ7d及びダイオード7cを通る電流経路が形成され、図3に示すコイル7bに流れる電流がゼロまで減少する。スイッチング周期Tswが経過した時点で、スイッチング素子7aの制御信号がオフからオンに変化する。これによりスイッチング素子7aが再びオン状態になる。
When the control signal of the switching element 7a changes from the on state to the off state, the switching element 7a is turned off, so that a current path passing through the
このとき、コイル7bに流れる電流は三角波状の波形になるが、光源8に出力される電流はフィルタコンデンサ7dにより平滑化され、コイル7bに流れる電流の平均値が電流制御回路7から出力される。なお、コイル7bに流れる電流はゼロまで低下した後、スイッチング素子7aの寄生容量と、コイル7bが形成する共振回路において共振電流が発生するが、記載を省略している。
At this time, the current flowing through the
光源8を調光するために光源8に流れる電流を制御する場合、演算部9cは、スイッチング素子7aをターンオンするスイッチング周期Tswを一定とし、出力電流の目標値によってオン時間Tonを変化させる。このようにオン時間Tonを調整することにより特定の出力を得る制御方法は、スイッチング周期Tswに対するオン時間Tonの割合をデューティーと呼ぶことから、デューティー制御と呼ばれる。
When controlling the current flowing through the light source 8 to dimm the light source 8, the
スイッチング素子5b、7aは、例えばシリコン系半導体で構成してもよいし、炭化珪素又は窒化ガリウム系材料などのワイドバンドギャップ半導体で構成してもよい。スイッチング素子5b、7aにワイドバンドギャップ半導体を用いることで、スイッチング素子の通電損失を減らすことができ、スイッチング周波数すなわち駆動周波数を高周波にしても放熱が良好となる。このため、直流変換回路5、電流制御回路7の放熱部品を小型化又は省略することができ、点灯装置100の小型化および低コスト化を実現することができる。
The switching elements 5b and 7a may be made of, for example, a silicon-based semiconductor or a wide bandgap semiconductor such as silicon carbide or a gallium nitride-based material. By using wide bandgap semiconductors for the switching elements 5b and 7a, it is possible to reduce the energization loss of the switching element, and even if the switching frequency, that is, the drive frequency is set to a high frequency, heat dissipation is good. Therefore, the heat dissipation parts of the DC conversion circuit 5 and the current control circuit 7 can be miniaturized or omitted, and the
次に、直流変換回路5の動作を詳細に説明する。 Next, the operation of the DC conversion circuit 5 will be described in detail.
図4は、図1に示すコイル5aに流れる電流、スイッチング素子5bのドレイン電圧及びスイッチング素子5bのゲート電圧の関係を示すタイミングチャートである。図4には上から順に、点灯装置100に入力される交流電源1の電流と、コイル5aに流れる電流と、ゼロ電流検出回路11が出力するゼロ電流検出信号と、スイッチング素子5bのドレイン電圧と、スイッチング素子5bのゲート電圧とが示されている。横軸は時間を表す。
FIG. 4 is a timing chart showing the relationship between the current flowing through the coil 5a shown in FIG. 1, the drain voltage of the switching element 5b, and the gate voltage of the switching element 5b. In FIG. 4, in order from the top, the current of the
図4では、説明の便宜上、スイッチング素子5bのゲート電圧がオンオフされる周期を実際よりも長く記載している。スイッチング素子5bのゲート電圧がオンオフされる周期は、スイッチング素子5bのゲート電圧がオフからオンに変化した時点から、再びスイッチング素子5bのゲート電圧がオフからオンに変化するまでの時間に等しい。 In FIG. 4, for convenience of explanation, the period in which the gate voltage of the switching element 5b is turned on and off is described to be longer than the actual period. The cycle in which the gate voltage of the switching element 5b is turned on and off is equal to the time from the time when the gate voltage of the switching element 5b changes from off to on until the gate voltage of the switching element 5b changes from off to on again.
スイッチング素子5bがオンされたとき、交流電源1、整流回路3、コイル5a及びスイッチング素子5bの電流経路が形成され、交流電源1がコイル5aを介して短絡される。そのため、コイル5aに流れる電流が増加し、コイル5aにエネルギーが蓄積される。
When the switching element 5b is turned on, a current path of the
演算部9cに設定されたオン時間が経過すると、スイッチング素子5bがオフされる。これにより、コイル5a、ダイオード5c及び平滑コンデンサ6の電流経路が形成される。この電流経路において、コイル5aに蓄積されたエネルギーが放出され、平滑コンデンサ6が充電される。
When the on time set in the
コイル5aに流れる電流がゼロになるとスイッチング素子5bは再びオン状態になる。スイッチング素子5bによって、コイル5aに流れる電流の増減を変化させることができる。このように、コイル5aの電流がゼロとなった後、直ちにスイッチング素子5bをオンする制御を電流臨界モードと呼ぶ。 When the current flowing through the coil 5a becomes zero, the switching element 5b is turned on again. The switching element 5b can change the increase / decrease of the current flowing through the coil 5a. In this way, the control of turning on the switching element 5b immediately after the current of the coil 5a becomes zero is called a current critical mode.
スイッチング素子5bの一連のオンオフ動作により、コイル5aに流れる電流は、三角波状の波形となり、その頂点が点線で示すような正弦波の包絡線になる。このとき、交流電源1から入力される電流波形は、入力フィルタ2により高周波成分が除去され、コイル2aに流れるコイル電流の平均値が入力され、正弦波状となる。
Due to the series of on / off operations of the switching element 5b, the current flowing through the coil 5a becomes a triangular wave-shaped waveform, and its apex becomes a sinusoidal envelope as shown by a dotted line. At this time, the high frequency component is removed from the current waveform input from the
この時、電圧検出部9bが平滑コンデンサ6の印加電圧を検出して、検出された電圧が目標値に追従するよう制御部9によるフィードバック制御が行われることで、スイッチング素子5bのオン時間が制御される。
At this time, the
スイッチング素子5bのオン時間をフィードバック制御する際、オン時間が大きく変化してしまうと、コイル5aに流れる電流の頂点の包絡線が正弦波にならず、交流電源1の入力電流を正弦波状にすることができない。そのため制御部9では、フィードバック制御の応答時間は、フィードバック制御のループゲインが交流電源1の1周期の1/2周期以上で1倍(0dB)以下となるように設定される。言い換えると、フィードバック制御の応答時間は、交流電源1の周波数の2倍以下の周波数で1倍(0dB)以下となるように設定される。
When the on-time of the switching element 5b is feedback-controlled, if the on-time changes significantly, the envelope of the apex of the current flowing through the coil 5a does not become a sine wave, and the input current of the
具体的に説明すると、電源周波数が50Hzの場合、電源周波数の半周期(半波)の周波数100Hz以下、すなわち周期10msec以上で、フィードバック制御のループゲインを1倍(0dB)以下とする。これにより、フィードバック制御は電源周期の1/2より短い周期で応答しないように設定される。また、電源周期の1/2周期以内においては、スイッチング素子5bのオン時間の変動が抑制され、コイル5aに流れる電流の頂点の包絡線が正弦波状の波形となる。 Specifically, when the power supply frequency is 50 Hz, the loop gain of the feedback control is 1 times (0 dB) or less at a frequency of 100 Hz or less in a half cycle (half wave) of the power supply frequency, that is, a cycle of 10 msec or more. As a result, the feedback control is set so as not to respond in a cycle shorter than 1/2 of the power supply cycle. Further, within 1/2 cycle of the power supply cycle, the fluctuation of the on-time of the switching element 5b is suppressed, and the envelope of the apex of the current flowing through the coil 5a becomes a sinusoidal waveform.
フィードバック制御において、オン時間の更新周期を、交流電源1の周期の半分に相当する周期、又は交流電源1の周期の半分に相当する周期よりも長い周期とすることによっても、同様の効果を得ることができる。
In the feedback control, the same effect can be obtained by setting the update cycle of the on-time to a cycle corresponding to half of the cycle of the
ゼロ電流を検出した後、スイッチング素子5bをオンさせるまでにわずかに遅延時間を設け、スイッチング素子5bのドレイン電圧が自由振動している期間において、ドレイン電圧振動のボトム付近でスイッチング素子5bをオンさせることもできる。これにより、ドレイン電圧の急峻な変動を抑制し、スイッチングに起因するノイズを抑制できる。 After detecting the zero current, a slight delay time is provided until the switching element 5b is turned on, and the switching element 5b is turned on near the bottom of the drain voltage vibration during the period when the drain voltage of the switching element 5b is freely oscillating. You can also do it. As a result, it is possible to suppress abrupt fluctuations in the drain voltage and suppress noise caused by switching.
光源8を調光する場合、交流電源1の入力電流を小さくするため、演算部9cは、スイッチング素子5bのオン時間を短くするように制御を行う。
When dimming the light source 8, in order to reduce the input current of the
次に、ゼロ電流検出回路11及びその動作を説明する。図1にはゼロ電流検出回路11が図示されている。ゼロ電流検出回路11は分圧抵抗11a、11b、11c、11d、及び比較器11eを備えている。比較器11eはコイル5aの電流がゼロとなったことを検出するためのゼロ電流検出信号を出力する。
Next, the zero
分圧抵抗11aは一端がコンデンサ4に接続され、他端が分圧抵抗11bと比較器11eの入力端子に接続される。分圧抵抗11bは一端が分圧抵抗11aと比較器11eの入力端子に接続され、他端が負極側直流母線に接続される。すなわち、分圧抵抗11a、11bは整流回路3の出力電圧VDBを比較器11eに入力可能な電圧に分圧する。分圧抵抗11a、11bは、整流回路3の出力電圧VDBを分圧する第1分圧回路11Aの一例である。
One end of the voltage dividing resistor 11a is connected to the
分圧抵抗11cは一端がスイッチング素子5bのドレイン端子に接続され、他端が分圧抵抗11dと比較器11eの入力端子に接続される。分圧抵抗11dは一端が分圧抵抗11cと比較器11eの入力端子に接続され、他端が負極側直流母線に接続される。すなわち、分圧抵抗11c、11dは、スイッチング素子5bのドレイン電圧Vdsを比較器11eに入力可能な電圧に分圧する。分圧抵抗11c、11dは、スイッチング素子5bのドレイン電圧Vdsを分圧する第2分圧回路11Bの一例である。第2分圧回路11Bはスイッチング素子5bの両端電圧を分圧する回路ということもできる。第1分圧回路11Aと第2分圧回路11Bにおける分圧比は等しくすることができる。
One end of the
比較器11eは、分圧抵抗11a、11b、及び分圧抵抗11c、11dを介して整流回路3の出力電圧VDBと、スイッチング素子5bのドレイン電圧Vdsとを比較する。スイッチング素子5bのドレイン電圧Vdsを単にVdsと称し、整流回路3の出力電圧VDBを単にVDBと称することがある。正確には、比較器11eは、VDBを分圧した第1分圧電圧VDB-とVdsを分圧した第2分圧電圧Vds-とを比較し、比較の結果に基づいた信号を演算部9cに出力する。以下、第1分圧回路11Aと第2分圧回路11Bにおける分圧比は等しく、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きい場合にハイ信号を出力し、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さい場合にロー信号を出力する構成について説明する。
The
図5は、スイッチング素子5bをオフからオンに変化させるタイミングを示すタイミングチャートである。図5には上から順に、コイル5aに流れる電流と、コイル5aの電圧と、第2分圧電圧Vds-と、ゼロ電流検出回路11が出力するゼロ電流検出信号と、スイッチング素子5bのゲート電圧とが示されている。なお、横軸は時間を表す。
FIG. 5 is a timing chart showing the timing of changing the switching element 5b from off to on. In FIG. 5, in order from the top, the current flowing through the coil 5a, the voltage of the coil 5a, the second voltage dividing voltage Vds − , the zero current detection signal output by the zero
t1はスイッチング素子5bのゲート電圧をオンからオフに変更したタイミングである。t1以降、ダイオード5cが導通することにより、スイッチング素子5bのドレインには平滑コンデンサ6に充電された直流変換回路5の出力電圧が印加される。t1以降、コイル5aは充電されたエネルギーを平滑コンデンサ6に放電するため、コイル5aの電流が減少する。また、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きいため、ゼロ電流検出信号としてハイ信号が出力される。 t1 is the timing at which the gate voltage of the switching element 5b is changed from on to off. After t1, the diode 5c conducts, so that the output voltage of the DC conversion circuit 5 charged in the smoothing capacitor 6 is applied to the drain of the switching element 5b. After t1, the coil 5a discharges the charged energy to the smoothing capacitor 6, so that the current of the coil 5a decreases. Further, since the second voltage dividing voltage Vds − is larger than the first voltage dividing voltage VDB − , a high signal is output as a zero current detection signal.
t2はコイル5aの電流がゼロまで減少したタイミングである。コイル5aの電流がゼロまで減少すると、スイッチング素子5bの寄生容量と、コイル5aが形成する共振回路において共振電圧が発生する。コイル5aの電圧の波形と、第2分圧電圧Vds-の波形表示欄に示す点線はt2以降における共振電圧を示す補助線である。コイル5aの共振電圧はゼロに、第2分圧電圧Vds-の共振電圧はVDB-に収束する振動波形である。 t2 is the timing when the current of the coil 5a is reduced to zero. When the current of the coil 5a is reduced to zero, a parasitic capacitance of the switching element 5b and a resonance voltage are generated in the resonance circuit formed by the coil 5a. The waveform of the voltage of the coil 5a and the dotted line shown in the waveform display column of the second voltage dividing voltage Vds − are auxiliary lines indicating the resonance voltage after t2. The resonance voltage of the coil 5a is zero, and the resonance voltage of the second divided voltage Vds − is a vibration waveform that converges to VDB − .
t3は、コイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-まで低下したタイミングである。t3においてゼロ電流検出信号としてロー信号が出力される。演算部9cはゼロ電流検出信号がハイからローに変化したことを検出し、これにより、コイル5aの電流がゼロまで減少したと判定する。
t3 is the timing at which the second voltage dividing voltage Vds − is reduced to the first voltage dividing voltage VDB − due to the resonance voltage after the current of the coil 5a is reduced to zero. A low signal is output as a zero current detection signal at t3. The
Vdsの共振電圧は、VDBの大きさ及び直流変換回路5の出力電圧Vpfcの瞬時値によって変化する。しかし、Vdsの共振電圧はVDBに収束するため、Vdsの分圧電圧とVDBの分圧電圧を比較することで、VDB又は直流変換回路5の出力電圧Vpfcが変動した場合においても、ゼロ電流検出信号をハイからローに変化させることができる。なお、ゼロ電流検出信号の論理を上述の論理とは逆転させ、それに応じた制御を実現することもできる。 The resonance voltage of Vds changes depending on the magnitude of VDB and the instantaneous value of the output voltage Vpfc of the DC conversion circuit 5. However, since the resonance voltage of Vds converges to VDB, by comparing the voltage dividing voltage of Vds and the voltage dividing voltage of VDB, zero current is detected even when the output voltage Vpfc of the VDB or the DC conversion circuit 5 fluctuates. The signal can be changed from high to low. It should be noted that the logic of the zero current detection signal can be reversed from the above-mentioned logic, and control corresponding to the logic can be realized.
t4はスイッチング素子5bのゲートをオフからオンに変更するタイミングである。Vdsがゼロ付近まで低下すると、整流回路3の出力はコイル5aを介して短絡されるため、t4以降コイル5aの電流が増加し、コイル5aはエネルギーを充電する。t4は例えば、Vdsの振動が極小値となるタイミングとすることができる。スイッチング素子5bをオンするタイミングにおけるVdsが小さいほど、電圧の急峻な変化を抑制し、ノイズ低減できる。また、電圧の変化幅を小さくし、損失を低減できる。そこで、t3-t4の期間をどの程度にすれば、スイッチング素子5bをオンするタイミングt4におけるVdsが極小になるか、調査しておくことができる。調査で求めた最適なt3-t4の期間を継続使用することで、ノイズ及び損失を抑制できる。 t4 is the timing for changing the gate of the switching element 5b from off to on. When Vds drops to near zero, the output of the rectifier circuit 3 is short-circuited via the coil 5a, so that the current of the coil 5a increases after t4, and the coil 5a charges energy. For example, t4 can be a timing at which the vibration of Vds becomes a minimum value. The smaller Vds at the timing when the switching element 5b is turned on, the more abrupt changes in voltage can be suppressed and noise can be reduced. In addition, the change width of the voltage can be reduced and the loss can be reduced. Therefore, it is possible to investigate how long the period of t3-t4 should be to minimize Vds at the timing t4 when the switching element 5b is turned on. Noise and loss can be suppressed by continuing to use the optimum t3-t4 period determined in the investigation.
上述のゼロ電流検出回路11を用いることで、電流臨界モードを含む電流不連続モードによる制御を実施する場合に従来必要であったコイルの2次巻線を不要にすることができる。これにより、コイルを小型化でき、放熱性を良好にすることでコイルの温度上昇を抑制し、点灯装置の出力を高めることができる。また、2次巻線を設ける場合、コイルの形状がトランスに限定されるが、本構成は2次巻線が不要であるためコイル5aの形状の自由度が向上する。例えば、コイル5aとして、空芯コイル、片面基板プレーナコイル又はドラム型コイルを適用することができる。
By using the above-mentioned zero
比較器11eは、第1分圧回路11Aから出力される第1分圧電圧VDB-と、第2分圧回路11Bから出力される第2分圧電圧Vds-を比較し、大小関係に応じた電圧を制御部9に出力するものであるということができる。実施の形態1では、比較器11eは、ゼロ電流検出信号を制御部9に出力し、第1分圧電圧VDB-より第2分圧電圧Vds-が低くなるとゼロ電流検出信号を論理反転させた。そして、この論理反転があった後に制御部9はスイッチング素子5bをオンさせる動作を示した。第1分圧回路11Aと第2分圧回路11Bの分圧比が異なれば、第1分圧電圧と第2分圧電圧の大小関係を比較する場合に比べて、より複雑な処理が必要となる。
The
実施の形態1に記載した構成は以下の実施の形態に係る点灯装置と照明器具にも応用できる。以下の実施の形態に係る点灯装置と照明器具は実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1に係る点灯装置及び照明器具との相違点を中心に説明する。 The configuration described in the first embodiment can also be applied to the lighting device and the luminaire according to the following embodiment. Since the lighting device and the lighting fixture according to the following embodiment have much in common with the first embodiment, the differences between the lighting device and the lighting fixture according to the first embodiment will be mainly described.
実施の形態2.
図6は、実施の形態2に係る点灯装置100Aと照明器具200Aの構成例を示す図である。実施の形態2に係る照明器具200Aは、点灯装置100の代わりに点灯装置100Aが用いられている点で実施の形態1に係る照明器具200と相違する。実施の形態2に係る点灯装置100Aと、実施の形態1に係る点灯装置100との相違点は、点灯装置100Aでは、ゼロ電流検出回路11Cがダイオード11fと電圧源11gを含む点である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of the
ゼロ電流検出回路11Cは、分圧抵抗11a、11b、11c、11dと比較器11eに加え、ダイオード11fと、直流電源である電圧源11gとを備える。ダイオード11fと電圧源11gは電圧供給部11Dを構成している。比較器11eはコイル5aの電流がゼロとなったことを検出するためのゼロ電流検出信号を出力する。
The zero current detection circuit 11C includes
ダイオード11fは、カソードが分圧抵抗11a、11bと比較器11eの入力端子とに接続され、アノードが電圧源11gの一端に接続される。電圧源11gの一端はダイオード11fのアノードに接続される。電圧源11gはダイオード11fの順方向電圧より大きい電圧を提供する。
In the diode 11f, the cathode is connected to the
前述のとおり第1分圧回路11Aは、直列接続された2つの抵抗素子の中点電圧を第1分圧電圧VDB-として出力する。そのため、ダイオード11fのカソードはその2つの抵抗素子の中点に接続されたということができる。
As described above, the first
電圧源11gの他端は負極側直流母線において分圧抵抗11bと接続される。分圧抵抗11a、11bがVDBを比較器11eに入力可能な第1分圧電圧VDB-に分圧する。第1分圧電圧VDB-が電圧源11gの電圧以下に低下する場合には、比較器11eに電圧源11gの電圧を入力する。実施の形態2では、第1分圧電圧VDB-が小さくなったときにだけ比較器11eに電圧源11gの電圧が提供され、それ以外の場合は第1分圧電圧VDB-が比較器11eに提供される、OR回路が提供されているということができる。
The other end of the voltage source 11g is connected to the
このように、比較器11eは、VDBとVdsの分圧電圧に加え、電圧源11gの電圧に基づいたゼロ電流検出信号を演算部9cに出力する。ここでは、一例として、分圧抵抗11a、11bと分圧抵抗11c、11dの分圧比が同一であり、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きい場合にハイ信号を制御部9へ出力し、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さい場合にロー信号を制御部9へ出力する構成について説明する。
As described above, the
比較器11eに入力される第1分圧電圧VDB-が電圧源11gの電圧よりも大きい場合は、ダイオード11fが導通しない。この場合、ゼロ電流検出回路11Cの回路動作は実施の形態1におけるゼロ電流検出回路11の回路動作と同一であるため、説明を省略する。
When the first voltage dividing voltage VDB − input to the
他方、第1分圧電圧VDB-が電圧源11gの電圧よりも小さい場合について、図7を参照しつつ、ゼロ電流検出回路11Cの回路動作を説明する。 On the other hand, in the case where the first voltage dividing voltage VDB − is smaller than the voltage of the voltage source 11g, the circuit operation of the zero current detection circuit 11C will be described with reference to FIG. 7.
図7は、図6のスイッチング素子5bをオフからオンに変化させるタイミングを示すタイミングチャートである。図7には上から順に、コイル5aに流れる電流、コイル5aの電圧、第2分圧電圧Vds-、ゼロ電流検出回路11Cが出力するゼロ電流検出信号、スイッチング素子5bのゲート電圧が示される。なお、横軸は時間を表す。 FIG. 7 is a timing chart showing the timing of changing the switching element 5b of FIG. 6 from off to on. FIG. 7 shows, in order from the top, the current flowing through the coil 5a, the voltage of the coil 5a, the second voltage dividing voltage Vds − , the zero current detection signal output by the zero current detection circuit 11C, and the gate voltage of the switching element 5b. The horizontal axis represents time.
t1はスイッチング素子5bのゲート電圧をオンからオフに変更したタイミングである。t1からの期間ではダイオード5cが導通するので、スイッチング素子5bのドレインには、平滑コンデンサ6に充電された直流変換回路5の出力電圧が印加される。t1以降、コイル5aは充電されたエネルギーを平滑コンデンサ6に放電するため、コイル電流が減少する。第1分圧電圧VDB-が第2分圧電圧Vds-よりも大きいため、ゼロ電流検出信号としてハイ信号が出力される。 t1 is the timing at which the gate voltage of the switching element 5b is changed from on to off. Since the diode 5c conducts during the period from t1, the output voltage of the DC conversion circuit 5 charged in the smoothing capacitor 6 is applied to the drain of the switching element 5b. After t1, the coil 5a discharges the charged energy to the smoothing capacitor 6, so that the coil current decreases. Since the first voltage divider voltage VDB − is larger than the second voltage divider voltage Vds − , a high signal is output as a zero current detection signal.
t2はコイル5aの電流がゼロまで減少したタイミングである。コイル5aの電流がゼロまで減少すると、スイッチング素子5bの寄生容量とコイル5aが形成する共振回路において共振電圧が発生する。コイル5aの電圧の波形と、第2分圧電圧Vds-の波形の表示欄に示す点線はt2以降における共振電圧を示す補助線である。また、コイル5aの電圧はゼロに、第2分圧電圧Vds-は第1分圧電圧VDB-に収束する振動波形である。 t2 is the timing when the current of the coil 5a is reduced to zero. When the current of the coil 5a is reduced to zero, a resonance voltage is generated in the parasitic capacitance of the switching element 5b and the resonance circuit formed by the coil 5a. The dotted line shown in the display column of the waveform of the voltage of the coil 5a and the waveform of the second voltage dividing voltage Vds − is an auxiliary line indicating the resonance voltage after t2. Further, the voltage of the coil 5a is zero, and the second voltage dividing voltage Vds − is a vibration waveform that converges to the first voltage dividing voltage VDB − .
t3はコイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、第2分圧電圧Vds-が電圧源11gの電圧まで低下したタイミングである。第2分圧電圧Vds-が電圧源11gの電圧よりも小さくなると、ゼロ電流検出回路11Cからロー信号が出力される。演算部9cはゼロ電流検出信号がハイからローに変化したことを検出し、これにより、コイル5aの電流がゼロまで減少したと判定する。なお、第2分圧電圧Vds-が低下していく過程で第2分圧電圧Vds-が電圧源11gの電圧より小さくなるタイミングを生じさせるためには、電圧源11gが比較器11eに提供する電圧は、第2分圧電圧Vds-の最大値より小さくする必要がある。
t3 is the timing at which the second voltage dividing voltage Vds − drops to the voltage of the voltage source 11 g due to the resonance voltage after the current of the coil 5a is reduced to zero. When the second voltage dividing voltage Vds − becomes smaller than the voltage of the voltage source 11g, a low signal is output from the zero current detection circuit 11C. The
t4はコイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、Vdsがゼロまで低下したタイミングである。Vdsがゼロまで低下すると、スイッチング素子5bの寄生ダイオードが導通するためVdsはゼロ未満には低下しない。 t4 is the timing at which Vds drops to zero due to the resonance voltage after the current of the coil 5a drops to zero. When Vds drops to zero, the parasitic diode of the switching element 5b conducts, so Vds does not drop below zero.
t5はスイッチング素子5bのゲートをオフからオンに変更するタイミングである。Vdsがゼロ付近まで低下すると、整流回路3の出力はコイル5aを介して短絡されるため、t5以降はコイル5aの電流が増加し、コイル5aはエネルギーを充電する。 t5 is the timing for changing the gate of the switching element 5b from off to on. When Vds drops to near zero, the output of the rectifier circuit 3 is short-circuited via the coil 5a, so that the current of the coil 5a increases after t5, and the coil 5a charges energy.
実施の形態1に示すゼロ電流検出回路11は電圧源11gを用いない構成であった。そのため、VDB又は第1分圧電圧VDB-がゼロ付近まで低下したとき、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも低くならない場合がある。この場合、ゼロ電流検出信号をハイからローに変化させることができず、ゼロ電流の検出を行うことができない。これに対し、実施の形態2に示すゼロ電流検出回路11Cは電圧源11gを用いることで、第1分圧電圧VDB-がゼロ付近まで低下する場合においても、第1分圧電圧VDB-の代わりに電圧源11gの電圧を比較器11eに提供するので、ゼロ電流の検出を行うことができる。
The zero
臨界モード制御など、ゼロ電流検出に基づいてスイッチング素子5bをオフからオンに変化させる制御を行う場合、ゼロ電流検出ができないと、スイッチング動作が停止した後再開できない。この対策として、ゼロ電流検出ができない場合に、制御部9において、あらかじめ定める時間が経過した後にスイッチングを再開させる方法がある。しかしそれでは、スイッチング周波数が低下するため、入力電流波形にひずみが増加し高調波が増加するため好ましくない。 When the switching element 5b is changed from off to on based on zero current detection such as critical mode control, if zero current detection is not possible, the switching operation cannot be restarted after being stopped. As a countermeasure against this, when zero current cannot be detected, there is a method in which the control unit 9 restarts switching after a predetermined time has elapsed. However, this is not preferable because the switching frequency is lowered and the input current waveform is distorted and harmonics are increased.
そこで、実施の形態2に係るゼロ電流検出回路11Cを用いることで、電流臨界モード又は臨界モード以外の電流不連続モードによる制御を確実に実施することができる。しかも、臨界モードで従来必要であったコイルの2次巻線を不要にすることができる。これにより、コイルを小型化し、かつ放熱性を良好にすることでコイルの温度上昇を抑制し、点灯装置の出力を高めることができる。また、2次巻線を設ける場合、コイル5aの形状がトランスに限定されるが、本構成は2次巻線が不要であるため、コイル5aの形状の自由度が向上する。そのため、コイル5aとして例えば空芯コイル、片面基板プレーナコイル又はドラム型コイルを適用することができる。加えて、電源電圧ゼロクロス近傍、又は電源電圧の瞬低が発生した場合など、VDBが低下した場合においても、より正確にゼロ電流検出を行えるため、点灯装置の高調波抑制による損失低減と発熱抑制が可能である。 Therefore, by using the zero current detection circuit 11C according to the second embodiment, it is possible to reliably carry out the control in the current critical mode or the current discontinuous mode other than the critical mode. Moreover, the secondary winding of the coil, which was conventionally required in the critical mode, can be eliminated. As a result, it is possible to suppress the temperature rise of the coil and increase the output of the lighting device by reducing the size of the coil and improving the heat dissipation. Further, when the secondary winding is provided, the shape of the coil 5a is limited to the transformer, but since the present configuration does not require the secondary winding, the degree of freedom in the shape of the coil 5a is improved. Therefore, for example, an air core coil, a single-sided substrate planar coil, or a drum type coil can be applied as the coil 5a. In addition, even when the VDB drops, such as in the vicinity of the power supply voltage zero cross or when the power supply voltage drops momentarily, zero current can be detected more accurately, resulting in loss reduction and heat generation suppression by suppressing harmonics in the lighting device. Is possible.
なお、実施の形態2においては電圧源11gを個別部品で記述したが、例えば比較器11eを動作させるための制御電源等を分圧することで電圧源を提供してもよい。電圧供給部11Dは、第1分圧電圧VDB-が予め定められた値より小さくなったときに、第1分圧電圧VDB-に代えて、第1分圧電圧VDB-より高い電圧を比較器11eに提供する回路である。電圧供給部11Dとしてこのような作用をもたらす別の回路を採用することができる。
Although the voltage source 11g is described as an individual component in the second embodiment, the voltage source may be provided by dividing the voltage of the control power supply or the like for operating the
実施の形態3.
図8は実施の形態3に係る点灯装置100B及び照明器具200Bの構成例を示す図である。実施の形態3に係る照明器具200Bと、実施の形態1に係る照明器具200との相違点は、照明器具200Bでは、点灯装置100の代わりに点灯装置100Bが用いられていることである。実施の形態3に係る点灯装置100Bと、実施の形態1に係る点灯装置100との相違点は、点灯装置100Bではゼロ電流検出回路11Eが電圧低下ダイオード11hを含む点である。
Embodiment 3.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the
ゼロ電流検出回路11Eは、分圧抵抗11a、11b、11c、11dと比較器11eに加え、電圧低下ダイオード11hを備える。電圧低下ダイオード11hはカソードが分圧抵抗11a、11bに接続され、アノードが分圧抵抗11c、11dに接続される。より詳細には、電圧低下ダイオード11hのカソードは分圧抵抗11a、11bを有する第1分圧回路の出力に接続される。電圧低下ダイオード11hのアノードは分圧抵抗11c、11dを有する第2分圧回路の出力に接続される。電圧低下ダイオード11hは第2分圧電圧Vds-を低下させる。比較器11eはコイル5aの電流がゼロとなったことを検出するためのゼロ電流検出信号を出力する。
The zero
比較器11eはVDBとVdsの分圧電圧に基づいた信号を演算部9cに出力する。この例では、分圧抵抗11a、11b、及び分圧抵抗11c、11dの分圧比が同一である。また、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きい場合に比較器11eはハイ信号を出力し、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さい場合に比較器11eはロー信号を出力する。
The
図9は、図8に示すスイッチング素子5bをオフからオンに変化させるタイミングを示すタイミングチャートである。図9には上から順に、コイル5aに流れる電流と、コイル5aの電圧、Vds、第2分圧電圧Vds-、コイル5aに流れる電流がゼロとなったタイミングを示すゼロ電流検出信号、スイッチング素子5bのゲート電圧とが示される。なお、横軸は時間を表す。 FIG. 9 is a timing chart showing the timing of changing the switching element 5b shown in FIG. 8 from off to on. In FIG. 9, in order from the top, the current flowing through the coil 5a, the voltage of the coil 5a, Vds, the second voltage dividing voltage Vds − , the zero current detection signal indicating the timing when the current flowing through the coil 5a becomes zero, and the switching element. The gate voltage of 5b is shown. The horizontal axis represents time.
t1はスイッチング素子5bのゲート電圧をオンからオフに変更したタイミングであり、ダイオード5cが導通することにより、スイッチング素子5bのドレインには平滑コンデンサ6に充電された直流変換回路5の出力電圧が印加される。t1以降、コイル5aに充電されたエネルギーを平滑コンデンサ6に放電するため、コイル5aの電流が減少する。VdsがVDBよりも大きいため、ハイ信号がゼロ電流検出信号として出力される。 t1 is the timing when the gate voltage of the switching element 5b is changed from on to off, and the output voltage of the DC conversion circuit 5 charged in the smoothing capacitor 6 is applied to the drain of the switching element 5b due to the conduction of the diode 5c. Will be done. After t1, the energy charged in the coil 5a is discharged to the smoothing capacitor 6, so that the current in the coil 5a is reduced. Since Vds is larger than VDB, a high signal is output as a zero current detection signal.
このとき、VdsがVDBよりも大きく、また、分圧抵抗11a、11b、11c、11dによる分圧比が同等であるため、電圧低下ダイオード11hが導通する。これによって、比較器11eに入力される第2分圧電圧Vds-は、直流変換回路5の出力電圧とVDBの平均値に、電圧低下ダイオード11hの順方向電圧を加味した電圧になる。
At this time, since Vds is larger than VDB and the voltage dividing ratios due to the
t2はコイル5aの電流がゼロまで減少したタイミングである。コイル5aの電流がゼロまで減少すると、スイッチング素子5bの寄生容量と、コイル5aが形成する共振回路において共振電圧が発生する。コイル5aの電圧波形と、Vds波形の表示欄に示す点線はt2以降における共振電圧を示す補助線である。コイル5aの共振電圧はゼロに、Vdsの共振電圧はVDBに収束する振動波形である。 t2 is the timing when the current of the coil 5a is reduced to zero. When the current of the coil 5a is reduced to zero, a parasitic capacitance of the switching element 5b and a resonance voltage are generated in the resonance circuit formed by the coil 5a. The voltage waveform of the coil 5a and the dotted line shown in the display column of the Vds waveform are auxiliary lines indicating the resonance voltage after t2. The resonance voltage of the coil 5a is zero, and the resonance voltage of Vds is a vibration waveform that converges on VDB.
t3はコイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-まで低下したタイミングである。t3以降、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さくなるため、ゼロ電流検出信号としてロー信号が出力される。演算部9cはゼロ電流検出信号がハイからローに変化したことを検出し、これにより、コイル5aの電流がゼロまで減少したと判定する。第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さくなると、電圧低下ダイオード11hは非導通となる。
t3 is the timing at which the second voltage dividing voltage Vds − drops to the first voltage dividing voltage VDB − due to the resonance voltage after the current of the coil 5a is reduced to zero. After t3, since the second voltage dividing voltage Vds − is smaller than the first voltage dividing voltage VDB − , a low signal is output as a zero current detection signal. The
t4はスイッチング素子5bのゲートをオフからオンに変更するタイミングである。Vdsがゼロ付近まで低下すると、整流回路3の出力はコイル5aを介して短絡されるため、t5以降はコイル5aの電流が増加し、コイル5aはエネルギーを充電する。 t4 is the timing for changing the gate of the switching element 5b from off to on. When Vds drops to near zero, the output of the rectifier circuit 3 is short-circuited via the coil 5a, so that the current of the coil 5a increases after t5, and the coil 5a charges energy.
ところで、直流変換回路5の出力電圧が過電圧となる場合がある。例えば、正常な出力電圧が400Vである場合、過電圧として500-600Vもの出力電圧が生じることがある。この場合、例えば600Vの出力電圧が生じても、これによって比較器11eが故障しないように、第2分圧電圧Vds-を小さくしなければならない。つまり、分圧抵抗11c、11dの抵抗値を決定する際には、直流変換回路5の出力電圧に発生しうる過電圧を考慮し、第2分圧電圧Vds-を比較器11eの耐圧以内にする必要がある。そのため、過電圧が発生していない場合における第2分圧電圧Vds-を低くせざるを得ず、その結果、狭い電圧範囲を使用することとなる。狭い電圧範囲の使用は誤動作の原因となる。これに対し、実施の形態3に係るゼロ電流検出回路11Eは電圧低下ダイオード11hを用いることで、第2分圧電圧Vds-のピーク値を抑制することができる。そうすると、過電圧が発生していない場合において広い電圧範囲を使用することができ、誤動作の抑制が可能となる。
By the way, the output voltage of the DC conversion circuit 5 may become an overvoltage. For example, if the normal output voltage is 400V, an overvoltage of 500-600V may occur. In this case, for example, even if an output voltage of 600 V is generated, the second voltage dividing voltage Vds − must be reduced so that the
本構成のゼロ電流検出回路11Eを用いることで、電流臨界モード、又は電流臨界モード以外の電流不連続モードによる制御を実施する場合に従来必要であったコイルの2次巻線を不要にすることができる。これにより、コイルを小型化し、かつ放熱性を良好にすることでコイルの温度上昇を抑制し、点灯装置の出力を高めることができる。また、2次巻線を設ける場合、コイルの形状がトランスに限定されるが、本構成は2次巻線が不要であるため、コイル5aの形状の自由度が向上する。コイル5aとして、例えば、空芯コイル、片面基板プレーナコイル又はドラム型コイルを適用することができる。加えて、比較器11eに入力する分圧電圧を小さくできるので、検出分解能が荒い安価な比較器11eを用いることができ、点灯装置100Bを低コスト化することができる。
By using the zero
実施の形態4.
図10は、実施の形態4に係る点灯装置100C及び照明器具200Cの構成例を示す図である。実施の形態4に係る照明器具200Cと、実施の形態1に係る照明器具200との相違点は、照明器具200Cでは点灯装置100の代わりに点灯装置100Cが用いられていることである。この点灯装置100Cと、実施の形態1に係る点灯装置100との相違点は、点灯装置100Cのゼロ電流検出回路11Fが出力停止スイッチング素子11iを含む点である。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the
ゼロ電流検出回路11Fは分圧抵抗11a、11b、11c、11d、比較器11eに加え、例えばMOSFETで構成された出力停止スイッチング素子11iを備える。駆動部9dはスイッチング素子5bに加えて、出力停止スイッチング素子11iのゲートにも接続されている。駆動部9dは演算部9cの演算結果に基づき出力停止スイッチング素子11iのオンオフ状態を制御する。
The zero current detection circuit 11F includes
出力停止スイッチング素子11iのドレイン端子は、比較器11eの出力端子と、演算部9cに接続されている。出力停止スイッチング素子11iのソース端子は負極側母線電圧に接続される。比較器11eはコイル5aの電流がゼロとなったことを検出するためのゼロ電流検出信号を出力する。しかし、出力停止スイッチング素子11iがオンしている場合、ゼロ電流検出回路11Fの出力電圧はローに固定される。出力停止スイッチング素子11iは、比較器11eの出力端子と基準電位の接続の有無を切り替える。出力停止スイッチング素子11iはゼロ電流検出回路11Fの出力電圧に対してマスク機能を付加するものである。
The drain terminal of the output stop switching
比較器11eはVDBとVdsの分圧電圧に基づいた信号を演算部9cに出力する。この例では、分圧抵抗11a、11bと分圧抵抗11c、11dの分圧比が同一である。また、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きい場合にハイ信号を出力し、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも小さい場合にロー信号を出力する構成について説明する。
The
図11は、図10に示すスイッチング素子5bをオフからオンに変化させるタイミングを示すタイミングチャートである。図10には上から順に、コイル5aに流れる電流、コイル5aの電圧、第2分圧電圧Vds-、ゼロ電流検出回路11Cが出力するゼロ電流検出信号、出力停止スイッチング素子11iのドレイン電圧、スイッチング素子5bのゲート電圧が示される。なお、横軸は時間を表す。
FIG. 11 is a timing chart showing the timing of changing the switching element 5b shown in FIG. 10 from off to on. In FIG. 10, in order from the top, the current flowing through the coil 5a, the voltage of the coil 5a, the second voltage dividing voltage Vds − , the zero current detection signal output by the zero current detection circuit 11C, the drain voltage of the output stop switching
t1はスイッチング素子5bのゲート電圧をオンからオフに変更したタイミングである。ダイオード5cが導通することにより、スイッチング素子5bのドレインに平滑コンデンサ6に充電された直流変換回路5の出力電圧が印加される。t1以降、コイル5aは充電されたエネルギーを平滑コンデンサ6に放電するため、コイル5aの電流が減少する。第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きいため、ゼロ電流検出信号としてハイ信号が出力される。また、この時、出力停止スイッチング素子11iをオンからオフに変化させる。
t1 is the timing at which the gate voltage of the switching element 5b is changed from on to off. When the diode 5c conducts, the output voltage of the DC conversion circuit 5 charged in the smoothing capacitor 6 is applied to the drain of the switching element 5b. After t1, the coil 5a discharges the charged energy to the smoothing capacitor 6, so that the current of the coil 5a decreases. Since the second voltage divider voltage Vds − is larger than the first voltage divider voltage VDB − , a high signal is output as a zero current detection signal. At this time, the output stop switching
t2はコイル5aの電流がゼロまで減少したタイミングである。コイル5aの電流がゼロまで減少すると、スイッチング素子5bの寄生容量と、コイル5aが形成する共振回路において共振電圧が発生する。コイル5aの電圧波形と、第2分圧電圧Vds-の波形の表示欄に示す点線はt2以降における共振電圧を示す補助線である。コイル5aの電圧はゼロに、第2分圧電圧Vds-は第1分圧電圧VDB-に収束する振動波形である。 t2 is the timing when the current of the coil 5a is reduced to zero. When the current of the coil 5a is reduced to zero, a parasitic capacitance of the switching element 5b and a resonance voltage are generated in the resonance circuit formed by the coil 5a. The dotted line shown in the display column of the voltage waveform of the coil 5a and the waveform of the second voltage dividing voltage Vds − is an auxiliary line indicating the resonance voltage after t2. The voltage of the coil 5a is zero, and the second voltage dividing voltage Vds − is a vibration waveform that converges to the first voltage dividing voltage VDB − .
t3はコイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-まで低下したタイミングである。t3において、VdsがVDBよりも小さくなるため、ゼロ電流検出信号としてロー信号が出力される。演算部9cはゼロ電流検出信号がハイからローに変化したことを検出し、これにより、コイル5aの電流がゼロまで減少したと判定する。また、演算部9cは、コイル5aの電流がゼロまで減少したと判定すると、出力停止スイッチング素子11iをオフからオンに変化させるための信号を出力停止スイッチング素子11iに出力する。つまり、制御部9は、ゼロ電流検出信号の1回目の論理反転を受けると、出力停止スイッチング素子11iをオンする。
t3 is the timing at which the second voltage dividing voltage Vds − drops to the first voltage dividing voltage VDB − due to the resonance voltage after the current of the coil 5a is reduced to zero. Since Vds is smaller than VDB at t3, a low signal is output as a zero current detection signal. The
実施の形態4では、t3においてコイル5aの電流がゼロまで減少したことを検出したのち、再びスイッチング素子5bをオフからオンに変化させるまでに遅延時間を設ける。遅延時間を設けることで、スイッチング周波数を低周波化することができるため、スイッチング素子5bで発生するスイッチング損失を抑制できることに加え、コイル5aで発生する鉄損又は銅損といった高周波損失を低減することができる。 In the fourth embodiment, after detecting that the current of the coil 5a has decreased to zero at t3, a delay time is provided until the switching element 5b is changed from off to on again. By providing a delay time, the switching frequency can be lowered, so that the switching loss generated in the switching element 5b can be suppressed, and the high frequency loss such as iron loss or copper loss generated in the coil 5a can be reduced. Can be done.
遅延時間を設ける手段としては、演算部9cにおいて、ゼロ電流検出信号の立下り又は論理反転を検出した後、スイッチング素子5bをオフからオンに切り替える信号を送信するまでに遅延を設ける方法がある。
As a means for providing the delay time, there is a method in which the
t4、t5はコイル5aの電流がゼロまで減少した後の共振電圧により、第2分圧電圧Vds-が再び第1分圧電圧VDB-と交差するタイミングである。t4において、第2分圧電圧Vds-が第1分圧電圧VDB-よりも大きくなるためハイ信号を出力しようとし、t5においてはロー信号を出力しようとする。t3において1回目のゼロ電流検出信号の論理反転を受けて遅延時間の進行が始まった場合に、t4、t5において再びゼロ電流検出信号の論理反転を受けると遅延時間が再設定され得る。このような弊害を防止するために、t3以降のタイミングにおいて出力停止スイッチング素子11iをオンさせ、比較器11eの出力をローに固定することで、遅延時間を設けている期間における不要なゼロ電流検出をマスクする。
t4 and t5 are timings at which the second voltage dividing voltage Vds − intersects the first voltage dividing voltage VDB − again due to the resonance voltage after the current of the coil 5a is reduced to zero. At t4, the second voltage divider voltage Vds − is larger than the first voltage divider voltage VDB − , so that a high signal is output, and at t5, a low signal is output. When the delay time starts to progress after receiving the first logical inversion of the zero current detection signal at t3, the delay time can be reset when the logical inversion of the zero current detection signal is received again at t4 and t5. In order to prevent such an adverse effect, the output stop switching
t6はスイッチング素子5bのゲートをオフからオンに変更するタイミングであり、スイッチング素子5bのドレイン電圧はゼロ付近まで低下する。整流回路3の出力はコイル5aを介して短絡されるため、t6以降コイル5aの電流が増加し、コイル5aはエネルギーを充電する。t3において開始した遅延時間は例えばt6まで継続する。 t6 is the timing for changing the gate of the switching element 5b from off to on, and the drain voltage of the switching element 5b drops to near zero. Since the output of the rectifier circuit 3 is short-circuited via the coil 5a, the current of the coil 5a increases after t6, and the coil 5a charges energy. The delay time started at t3 continues until, for example, t6.
本構成のゼロ電流検出回路11Fを用いることで、電流臨界モード、又は臨界モード以外の電流不連続モードによる制御を実施する場合に従来必要であったコイルの2次巻線を不要にすることができる。これにより、コイルを小型化し、かつ放熱性を良好にすることでコイルの温度上昇を抑制し、点灯装置の出力を高めることができる。また、2次巻線を設ける場合、コイルの形状がトランスに限定されるが、本構成は2次巻線が不要であるため、コイル5aの形状の自由度が向上する。コイル5aとして、例えば、空芯コイル、片面基板プレーナコイル又はドラム型コイルを適用することができる。加えて、遅延時間を設けることで、スイッチング周波数を低周波化することができるため、スイッチング素子5bで発生するスイッチング損失を抑制できる。これは、コイル5aで発生する鉄損と銅損といった高周波損失を低減し、点灯装置100Cを高効率化することに貢献する。
By using the zero current detection circuit 11F of this configuration, it is possible to eliminate the need for the secondary winding of the coil, which was conventionally required when controlling in the current critical mode or the current discontinuous mode other than the critical mode. can. As a result, it is possible to suppress the temperature rise of the coil and increase the output of the lighting device by reducing the size of the coil and improving the heat dissipation. Further, when the secondary winding is provided, the shape of the coil is limited to the transformer, but since the present configuration does not require the secondary winding, the degree of freedom in the shape of the coil 5a is improved. As the coil 5a, for example, an air core coil, a single-sided substrate planar coil, or a drum type coil can be applied. In addition, by providing a delay time, the switching frequency can be lowered, so that the switching loss generated in the switching element 5b can be suppressed. This reduces high frequency losses such as iron loss and copper loss generated in the coil 5a, and contributes to improving the efficiency of the
なお、出力停止スイッチング素子11iは、MOSFETに限るものではなく、トランジスタ又はサイリスタ等のスイッチング素子を用いることができる。MOSFETは高速なスイッチングが可能であるので本実施形態で採用した。
The output stop switching
以上の実施の形態に示した構成において、ゼロ電流検出回路で用いる分圧手段として、分圧抵抗を使用する構成を示した。分圧手段としては、他にも、コンデンサを直列に接続して分圧する手段も用いることができる。以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、実施の形態2、3、4を組み合わせること、また別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。
In the configuration shown in the above embodiment, a configuration in which a voltage dividing resistor is used as a voltage dividing means used in the zero current detection circuit is shown. As the pressure dividing means, a means for connecting a capacitor in series to divide the pressure can also be used. The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with
また、光源8がLEDで構成されている場合について説明したが、光源8はLEDに限定されず、有機EL(Electro Luminescence)でもよい。 Further, although the case where the light source 8 is composed of the LED has been described, the light source 8 is not limited to the LED and may be an organic EL (Electroluminescence).
1 交流電源、 2 入力フィルタ、 3 整流回路、 4 コンデンサ、 5 直流変換回路、 6 平滑コンデンサ、 7 電流制御回路、 8 光源、 9 制御部、 10 調光器、 11 ゼロ電流検出回路、 2a、5a、7b コイル、 2b、7d フィルタコンデンサ、 5b、7a スイッチング素子、 5c、7c、11f ダイオード、 11g 電圧源、 11h 電圧低下ダイオード、 11i 出力停止スイッチング素子、 9a 目標値出力部、 9b 電圧検出部、 9c 演算部、 9d 駆動部、 11a、11b、11c、11d 分圧抵抗、 11e 比較器、 100、100A、100B、100C 点灯装置、 200、200A、200B、200C 照明器具 1 AC power supply, 2 input filter, 3 rectifying circuit, 4 capacitor, 5 DC conversion circuit, 6 smoothing capacitor, 7 current control circuit, 8 light source, 9 control unit, 10 dimmer, 11 zero current detection circuit, 2a, 5a , 7b coil, 2b, 7d filter capacitor, 5b, 7a switching element, 5c, 7c, 11f diode, 11g voltage source, 11h voltage drop diode, 11i output stop switching element, 9a target value output unit, 9b voltage detection unit, 9c Calculation unit, 9d drive unit, 11a, 11b, 11c, 11d voltage dividing resistor, 11e comparer, 100, 100A, 100B, 100C lighting device, 200, 200A, 200B, 200C lighting equipment
Claims (11)
前記整流回路から出力される電流が流れるコイルと、前記コイルに流れる電流の増減を変化させるスイッチング素子とを有し、高調波を抑制して力率を改善すると共に前記整流回路から出力される電力を直流電力に変換する直流変換回路と、
直流変換回路を制御する制御部と、
前記整流回路の出力電圧を分圧する第1分圧回路と、
スイッチング素子の両端電圧を分圧する第2分圧回路と、
前記第1分圧回路から出力される第1分圧電圧と、前記第2分圧回路から出力される第2分圧電圧の電圧を比較し大小関係に応じた電圧を前記制御部に出力する比較器と、を備えたことを特徴とする点灯装置。 A rectifier circuit that rectifies AC power and
It has a coil through which a current output from the rectifier circuit flows and a switching element that changes the increase or decrease of the current flowing through the coil, suppresses harmonics to improve the power factor, and power output from the rectifier circuit. With a DC conversion circuit that converts
The control unit that controls the DC conversion circuit and
The first voltage divider circuit that divides the output voltage of the rectifier circuit and
A second voltage divider circuit that divides the voltage across the switching element,
The voltage of the first voltage divider output from the first voltage divider circuit and the voltage of the second voltage divider output from the second voltage divider circuit are compared, and the voltage corresponding to the magnitude relationship is output to the control unit. A lighting device characterized by being equipped with a comparator.
前記制御部は、前記論理反転があった後に前記スイッチング素子をオンさせることを特徴とする請求項1に記載の点灯装置。 The comparator outputs a zero current detection signal to the control unit, and when the second voltage dividing voltage becomes lower than the first voltage dividing voltage, the zero current detection signal is logically inverted.
The lighting device according to claim 1, wherein the control unit turns on the switching element after the logic inversion occurs.
前記電圧供給部は、前記2つの抵抗素子の中点にカソードが接続されたダイオードと、前記ダイオードのアノードに接続され、前記ダイオードの順方向電圧より大きい電圧を提供する電圧源と、を有することを特徴とする請求項4に記載の点灯装置。 The first voltage divider circuit outputs the midpoint voltage of two resistance elements connected in series as the first voltage divider voltage.
The voltage supply unit has a diode having a cathode connected to the midpoint of the two resistance elements, and a voltage source connected to the anode of the diode and providing a voltage larger than the forward voltage of the diode. The lighting device according to claim 4.
前記制御部は、1回目の前記論理反転を受けると、前記出力停止スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項2に記載の点灯装置。 It is equipped with an output stop switching element that switches the presence / absence of connection between the output terminal of the comparator and the reference potential.
The lighting device according to claim 2, wherein the control unit turns on the output stop switching element upon receiving the first logic inversion.
前記点灯装置の電流供給を受ける光源と、を備えたことを特徴とする照明器具。 The lighting device according to any one of claims 1 to 8.
A luminaire characterized by comprising a light source that receives the current supply of the lighting device.
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