特開 2023-168984 照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023168984

(43)【公開日】2023-11-29

(54)【発明の名称】照明装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 45/38 20200101AFI20231121BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20231121BHJP

   H05B 45/375 20200101ALI20231121BHJP

【ＦＩ】

H05B45/38

H02M3/155 H

H05B45/375

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022080418

(22)【出願日】2022-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】390014546

【氏名又は名称】三菱電機照明株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 浩士

(72)【発明者】

【氏名】大津 定治

【テーマコード（参考）】

3K273

5H730

【Ｆターム（参考）】

3K273AA10

3K273BA25

3K273BA27

3K273CA02

3K273DA02

3K273DA08

3K273EA06

3K273EA07

3K273EA14

3K273EA18

3K273EA22

3K273EA24

3K273EA25

3K273EA35

3K273EA36

3K273FA03

3K273FA07

3K273FA14

3K273FA26

3K273FA27

3K273FA28

3K273FA41

3K273GA08

3K273GA18

3K273GA25

5H730AA15

5H730AS04

5H730AS11

5H730BB14

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】本開示は照明装置に関し、昇圧電圧値を演算し、その演算値と目標値を比較したフィードバック制御を行うことで、省部品化及び小型化を達成可能な照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本開示の照明装置は、光源と、昇圧回路と、昇圧回路の出力を受けるスイッチング素子を有する点灯回路と、昇圧回路及び点灯回路を制御する制御装置とを備える。制御装置は、スイッチング素子の動作に係るＨＩ信号出力期間及びＬＯ信号出力期間から、昇圧回路の電圧の瞬時値を算出し、瞬時値が目標値に近づくように、スイッチング素子をフィードバック制御し、点灯回路は、フィードバック制御に基づき、光源の点灯を制御するよう構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
昇圧回路と、
前記昇圧回路の出力を受けるスイッチング素子を有する点灯回路と、
前記昇圧回路及び前記点灯回路を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置が、
前記スイッチング素子の動作に係るＨＩ信号出力期間及びＬＯ信号出力期間から、前記昇圧回路の電圧の瞬時値を算出し、
前記瞬時値が目標値に近づくように、前記スイッチング素子をフィードバック制御し、
前記点灯回路が、
前記フィードバック制御に基づき、前記光源の点灯を制御する
照明装置。

【請求項2】

前記制御装置が、
前記光源の電圧値及び電流値を検出し、
記憶されている前記点灯回路のインダクタンス及び前記スイッチング素子の寄生容量を呼び出し、
前記電圧値、前記電流値、前記インダクタンス及び前記寄生容量から、前記目標値を算出する
請求項１に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、出力電力が目標値に達した時点でスイッチング素子のオン幅を固定することで、光源のちらつきを抑制する点灯装置及び照明器具を開示している。この開示では、制御ＩＣが昇圧回路への入力電圧である２つの抵抗の分圧値を検出し、その検出値をフィードバック制御の入力値とすることで、定電圧制御を行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１１１６０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし上述の方法では、本構成の実際の使用条件で用いた際の抵抗の電圧降下が大きい。そのため一般的なチップ抵抗１個で耐圧を満たすことができず、複数個の抵抗を直列で構成するか、高耐圧部品を選定する必要が生じる。また、一般的に制御ＩＣの検出端子は、高インピーダンスであることが多い。そのため検出端子へのノイズ重畳を抑制するためには、コンデンサを制御ＩＣ周辺に実装する必要が生じる。以上のように、昇圧回路の電圧を制御ＩＣで検出するには、部品点数及びコストの増加が伴う。

【0005】

本開示は上述の問題を解決するため、昇圧電圧値を演算し、その演算値と目標値を比較したフィードバック制御を行うことで、省部品化及び小型化を達成可能な照明装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の態様は、光源と、昇圧回路と、昇圧回路の出力を受けるスイッチング素子を有する点灯回路と、昇圧回路及び点灯回路を制御する制御装置とを備え、制御装置が、スイッチング素子の動作に係るＨＩ信号出力期間及びＬＯ信号出力期間から、昇圧回路の電圧の瞬時値を算出し、瞬時値が目標値に近づくように、スイッチング素子をフィードバック制御し、点灯回路が、フィードバック制御に基づき、光源の点灯を制御する照明装置であることが好ましい。

【発明の効果】

【0007】

本開示の態様によれば、前述した昇圧電圧検出のための抵抗及びノイズ重畳のためのコンデンサを用いる必要がなくなるため、省部品化及び小型化を達成可能な照明装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】従来回路の照明装置の回路ブロック図である。

【図2】実施の形態１に係る照明装置の回路ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の説明に係る照明装置について、図面を参照して説明する。同じまた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。

【0010】

実施の形態１
［従来例の照明装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る照明装置の回路ブロック図である。照明器具１００には、調光ユニット４１が接続されている。これにより調光制御を行うことができる。

【0011】

照明器具１００は、ＬＥＤモジュール３１を備える。ＬＥＤモジュール３１は、点灯装置１の出力側に接続され、直列に接続される複数の光源３０を有する。光源３０は、例えばＬＥＤ等の発光素子である。なお、複数の光源３０は、並列または直並列に接続されても良い。また、ＬＥＤモジュール３１は、光源３０を１つ以上有すれば良い。

【0012】

また照明器具１００は、点灯装置１を備える。点灯装置１は、入力側に外部電源２２を備える。外部電源２２は、例えば商用電源等の交流電源である。点灯装置１は、外部電源２２から供給された電力により、ＬＥＤモジュール３１を点灯させる。

【0013】

点灯装置１は、整流回路６を備える。整流回路６は、外部電源２２の交流電力を整流する。整流回路６の出力と並列に、コンデンサ７、抵抗８及び９の直列回路が接続されている。

【0014】

点灯装置１は、制御装置５を備える。制御装置５は、例えばマイコンである。制御装置５は、昇圧回路２および点灯回路３を制御する。抵抗８及び９は、昇圧回路２への入力電圧を分圧する分圧回路を形成する。昇圧回路２への入力電圧は、抵抗８及び９で分圧され、制御装置５に入力される。これにより、制御装置５は昇圧回路２への入力電圧を検出する。

【0015】

点灯装置１は、昇圧回路２を備える。昇圧回路２は、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路であり、力率改善回路とも呼ばれる。昇圧回路２は整流回路６の出力側に接続され、整流回路６で整流された脈流電圧を昇圧し、コンデンサ１５に予め定められた直流高電圧を充電する。コンデンサ１５は、例えば電解コンデンサである。実施の形態１の昇圧回路２は、スイッチング素子１２のオンオフによりコンデンサ１５の両端に電圧を発生させるスイッチング電源回路であり、例えば昇圧チョッパ回路である。

【0016】

また昇圧回路２は、インダクタ１０を備える。インダクタ１０の一端は、整流回路６の出力の高電位側と接続される。インダクタ１０の他端には、スイッチング素子１２の第１端子およびダイオード１１のアノードが接続される。

【0017】

スイッチング素子１２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。スイッチング素子１２は第１端子、第２端子および第１端子第２端子間をスイッチングするための制御端子を有する。スイッチング素子１２がＭＯＳＦＥＴの場合、第１端子はドレイン端子、第２端子はソース端子、制御端子はゲート端子である。

【0018】

スイッチング素子１２の第２端子は、抵抗１６の一端に接続される。抵抗１６の他端はコンデンサ１５の負極に接続される。スイッチング素子１２の制御端子は、駆動回路２４に接続される。ダイオード１１のカソードは、コンデンサ１５の正極に接続される。コンデンサ１５の負極は、整流回路６の出力の低電位側に接続される。

【0019】

ここで、一般にマイコンの出力電圧はＭＯＳＦＥＴの駆動電圧よりも小さい。このため、制御装置５からのスイッチング信号は駆動回路２４に入力される。駆動回路２４はスイッチング信号に応じて、スイッチング素子１２をオンオフする。これにより、安定なスイッチングを実現できる。

【0020】

抵抗１６には、スイッチング素子１２を流れる電流に対応する電圧が印加される。抵抗１６に印加される電圧は、制御装置５で検出される。これにより、制御装置５はスイッチング素子１２を流れる電流を検出する。

【0021】

点灯装置１は、制御電源回路４を備える。制御電源回路４は、駆動回路２４と制御装置５の駆動に必要な電源電圧を供給する回路である。制御電源回路４は、コンデンサ１５の後段に並列接続される。つまり、制御電源回路４は昇圧回路２の出力に接続される。制御電源回路４は外部電源２２が投入されると、整流回路６に整流された電圧により起動する。その後、昇圧回路２が駆動すると、昇圧回路２の出力電圧を電源電圧として駆動する。

【0022】

点灯装置１は、点灯回路３を備える。点灯回路３は、例えばバックコンバータ回路等の降圧回路である。点灯回路３は、コンデンサ１５に接続され、コンデンサ１５から電力を供給される。点灯回路３は、スイッチング素子１７を有し、スイッチング素子１７のオンオフにより光源３０を点灯させる。

【0023】

点灯回路３において、スイッチング素子１７とダイオード１８からなる直列回路がコンデンサ１５と並列に接続されている。スイッチング素子１７は、例えばＭＯＳＦＥＴである。コンデンサ１５の正極には、スイッチング素子１７の第１端子が接続される。スイッチング素子１７の第２端子には、ダイオード１８のカソードおよびインダクタ１９の一端が接続される。スイッチング素子１７の制御端子は、駆動回路２４に接続される。

【0024】

ダイオード１８のアノードには、コンデンサ１５の負極および検出抵抗２５の一端が接続される。インダクタ１９の他端には、コンデンサ２３の正極が接続される。コンデンサ２３の負極には検出抵抗２５の他端が接続される。インダクタ１９、コンデンサ２３および検出抵抗２５がこの順に接続して直列回路を形成する。この直列回路はダイオード１８に並列に接続している。また、検出抵抗２５の他端は制御装置５に接続される。

【0025】

ＬＥＤモジュール３１は、コンデンサ２３と並列に接続される。点灯回路３の出力電圧は、コンデンサ２３で平滑され、ＬＥＤモジュール３１に供給される。

【0026】

検出抵抗２５は、ＬＥＤモジュール３１に流れるＬＥＤ電流を検出する。検出抵抗２５は、点灯回路３の出力電力を検出する検出回路である。検出抵抗２５に印加される電圧は、ＬＥＤモジュール３１を流れる電流に対応する。ＬＥＤに流れる電流は、検出抵抗２５にて電圧に変換され、制御装置５に入力される。制御装置５は、検出抵抗２５に印加される電圧を検出値として検出する。

【0027】

制御装置５の記憶装置には予め定められた電流目標値が記憶されている。制御装置５は、検出抵抗２５の検出値が電流目標値と一致するように、スイッチング素子１７をオンオフするスイッチング信号を出力する。このスイッチング信号は、例えばＰＷＭ信号である。つまり、制御装置５はフィードバック制御を行っている。フィードバック制御において、制御装置５は検出抵抗２５の検出値に応じて、点灯回路３の出力電力が予め定められた目標値と一致するようにスイッチング素子１７のオン幅を制御する。ここで、オン幅は、スイッチング素子１７がオンしてから次にオフするまでの時間である。

【0028】

制御装置５は駆動回路２４を介して、スイッチング素子１７をオンオフする。これにより、光源３０は定電流制御で点灯する。制御装置５から出力されたＰＷＭ信号は、駆動回路２４によりスイッチング素子１２、１７をオンさせるために必要な電圧まで増幅される。

【0029】

制御装置５はインダクタ１９の二次巻きに発生する電圧を、抵抗２６を介して検出する。本端子には、スイッチング動作のターンオフ中には、インダクタ１９の一次巻きに発生する電圧の巻数比の電圧が発生する。そのためこの電圧の立下りを検出することにより、制御装置５でスイッチングのオフ期間を検出することができる。

【0030】

またインダクタ１９の放電終了後、スイッチング素子１７及びインダクタ１９間の電圧では、インダクタ１９及びスイッチング素子１７の寄生容量による共振周波数によって、自由振動電圧が発生する。本電圧が最も低くなるボトムタイミングで再びターンオンすることで、スイッチングロスを抑え、高効率な動作を行うことができる。

【0031】

またコンデンサ２３と並列に、抵抗２０及び２１の直列回路が接続される。抵抗２０、２１の接続点は、制御装置５に接続される。抵抗２０及び２１は、点灯回路３の出力電圧を分圧する分圧回路を形成する。点灯回路３の出力電圧は、抵抗２０及び２１で分圧され、制御装置５に入力される。これにより、制御装置５は点灯回路３の出力電圧を検出する。

【0032】

また、制御装置５は調光ユニット４１からの調光信号を受信する。制御装置５は、調光信号に応じて調光制御を行う。調光信号は、例えばＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号のデューティ比は、調光指令値に対応する。調光指令値は例えば目標とする調光率である。制御装置５は、調光ユニット４１から入力されたＰＷＭ信号のデューティ比を元に、電流目標値を設定する。電流目標値は例えば全光から低調光の範囲で設定される。

【0033】

昇圧回路２の動作について説明する。昇圧回路２において、抵抗１３、１４は、昇圧回路２の出力電圧を分圧する分圧回路を形成する。コンデンサ１５の両端電圧は、抵抗１３、１４で分圧され、抵抗１４からの検出電圧として制御装置５に入力される。制御装置５は記憶装置を有する。記憶装置には予め定められた電圧目標値が記憶されている。制御装置５は、検出電圧と電圧目標値とが一致するように、スイッチング素子１２をオンオフするスイッチング信号を出力する。スイッチング信号は例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号である。これにより、昇圧回路２の出力電圧は定電圧制御される。

【0034】

以上のように従来回路では、抵抗１３及び１４を介した検出電圧を制御装置５に入力することで、直接的に昇圧電圧を検出する。しかしこの場合、抵抗１３での電圧降下分が大きくなる課題が生じる。例えば、昇圧電圧が４００Ｖ、制御装置での検出電圧が５Ｖとした場合、抵抗１３で発生する電圧降下分は３９５Ｖになることから、標準的なチップ抵抗１個では耐圧を満足することができない。そのため、チップ抵抗を複数個使用するか、高耐圧な抵抗を選定する必要が生じる。

【0035】

また、制御装置５の入力端子は高インピーダンスな場合が多く、ノイズ重畳を抑制するためには、検出端子にコンデンサを実装する必要もある。以上のように、従来の方法で昇圧電圧を検出すると、部品点数増加によるコストの増加が生じる課題がある。

【0036】

前述の課題に対し、本実施の形態では、点灯回路３のスイッチング動作のオン期間、オフ期間から、随時昇圧電圧値を算出する。そして算出結果に対しフィードバック制御をすることで、昇圧電圧検出に使用する部品を削減することができる。

【0037】

［本開示の実施の形態１に係る照明装置の構成］
図２は、実施の形態１に係る照明装置の回路ブロック図である。実施の形態１に係る照明装置の構成は、昇圧回路２が抵抗１３及び１４を備えていない点が従来例と異なる。実施の形態１は、点灯回路３のスイッチング動作から昇圧電圧値を算出するため、昇圧電圧を直接検出する必要がない。そのため、抵抗１３及び１４は不要となる。

【0038】

実施の形態１に係る照明装置による解決手段を説明する。まず、点灯回路３のＨＩ信号出力期間及びＬＯ信号出力期間を取得し、その値から昇圧電圧の瞬時値を算出する。次に、昇圧電圧の瞬時値が目標値に近づくようにフィードバック制御を行う。この昇圧電圧の目標値は、後述の計算式により事前に算出することができる。

【0039】

［本開示の実施の形態１に係る昇圧電圧の算出］
上述した昇圧電圧の瞬時値及び目標値の算出について、具体的に数式を用いて説明する。昇圧電圧の目標値をＶｐｆｃ、光源の電圧をＶｌｅｄ、光源に流れる電流をＩｌｅｄ、点灯回路３のインダクタンスをＬ、点灯回路３のＯＮ時間理想値をＴｏｎ、ＯＦＦ時間理想値をＴｏｆｆ、スイッチング後の休止期間をＴｄとすると、昇圧電圧Ｖｐｆｃは次式で表される。

【0040】

【数1】

【0041】

数１において、Ｉｌｅｄは検出抵抗２５、Ｖｌｅｄは抵抗２０及び２１の分圧により検出可能であるため、固定値として扱うことができる。また、点灯回路３のインダクタンスは、予め制御装置５に記憶されている。

【0042】

また、Ｔｏｆｆは以下の式で算出可能である。

【0043】

【数2】

【0044】

Ｔｄは、主に点灯回路３のインダクタンス及びスイッチング素子１７の寄生容量による共振周波数により発生するため、これも固定値として扱うことができる。よってこれらの式より、目標とする昇圧電圧の場合のＴｏｎとＴｏｆｆの理想値を算出することができる。

【0045】

これに対し、実際の昇圧電圧Ｖｐｆｃ´は以下のように算出できる。ここで、Ｔｏｎ´は点灯回路３のＨＩ信号出力期間の値であり、Ｔｏｆｆ´は点灯回路３のＬＯ信号出力期間からＴｄを差し引いた値である。

【0046】

【数3】

【0047】

よって制御装置は上記計算式により、点灯回路３のＴｏｎ´、Ｔｏｆｆ´として取得した値から、昇圧電圧の瞬時値にあたるＶｐｆｃ´を算出できる。その結果と昇圧電圧の目標値Ｖｐｆｃを比較し、昇圧回路２の動作にフィードバックすることで、昇圧電圧を目標値に近い電圧で動作させることが可能である。

【0048】

なお、固定値として扱っているＶｌｅｄ及びＩｌｅｄは、ＬＥＤモジュール３１による調光や、点灯装置１の各部品の温度特性による影響も考慮する必要があるため、都度更新するのが望ましい。

【0049】

Ｔｄは、点灯回路３のインダクタンス及びスイッチング素子１７の寄生容量による共振周波数により発生する。そのためここでは固定値としているが、例えば、別でインダクタ１９の二次巻の自由振動電圧を検出する取得回路を設けても良い。

【0050】

昇圧回路はＰＦＣ制御していることから、基本的にはＴｏｎの更新間隔は数ｍｓ～数十ｍｓオーダーであるため、起動時などの過渡的な動作中においても上記式で対応できる。ただし、短時間の電源電圧サグ発生時など、各取得値が大きく変動することが想定される場合は保護停止する、または取得値を使用しない等の措置をとることが望ましい。

【0051】

本実施の形態の変形例として、調光ユニット４１からの調光信号を、ＰＷＭ信号に限らず他の信号としても良く、例えばコマンドによるシリアル信号などでも良い。

【0052】

また、実施の形態１では点灯回路３がバックコンバータ回路の場合で説明したが、光源電流及び光源電圧の取得値から昇圧電圧を演算可能であれば、他の点灯回路方式でも良い。

【符号の説明】

【0053】

２ 昇圧回路
３ 点灯回路
５ 制御装置
１０ インダクタ
１２ スイッチング素子
１７ スイッチング素子
１９ インダクタ
３０ 光源

【図1】

【図2】