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JP2009170240A - Ledの調光装置 - Google Patents

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JP2009170240A
JP2009170240A JP2008006483A JP2008006483A JP2009170240A JP 2009170240 A JP2009170240 A JP 2009170240A JP 2008006483 A JP2008006483 A JP 2008006483A JP 2008006483 A JP2008006483 A JP 2008006483A JP 2009170240 A JP2009170240 A JP 2009170240A
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Abstract

【課題】LED負荷を交流電源で低損失で調光できると共に調光ミスを防ぐことができるLEDの調光装置を提供する。
【解決手段】このLEDの調光装置によれば、制御回路7は、フォトトライアックカプラ3に出力するトリガ信号である位相制御信号FC11によるトリガポイントt10の位相を、交流電圧SVの半サイクルよりも狭い可変範囲R11内で変える。これにより、制御回路7は、交流電圧SVの半サイクルのうちの交流電圧SVのゼロクロスポイント近傍でフォトトライアックカプラ3にトリガ信号を出力することを回避できる。よって、調光の上限付近の設定であるにもかかわらずLEDが全く点灯しないという現象を回避できる。
【選択図】図5A

Description

この発明は、直列に複数接続されたLED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)を交流電源を用いて発光させるLEDの調光装置およびそれを備えたLED電源モジュールおよびLED照明装置に関する。
近年、LEDの発光効率は急速に向上し、価格低下も手伝って、従来の表示装置の用途だけではなく、小規模な照明器具にも使用されるようになってきた。
LEDを照明器具に使用する場合は、従来の白熱電球や蛍光灯用の照明器具との置き換えを考慮する必要があり、価格面や信頼性面を考えると電源回路や制御回路はできるだけ部品数が少なく簡単な回路構成が望まれる。
LEDは、電流を流す方向が決まっており、逆方向の耐圧も通常のダイオード等に比べて小さいことにより、従来から直流電源で駆動することが一般的である。また、照明用器具についても、電源トランスや整流ダイオード,平滑用コンデンサ等を使用した電源またはスイッチング電源を用いて、商用電源を直流の比較的低い電圧に変換して使用する場合が多い。また、調光機能を備えたものについては、スイッチング電源のスイッチングのデューティを変化させるような回路が必要となり更に複雑な回路構成となっている。
ところで、LEDは、直流用素子ではあるが、極性を逆方向に並列に接続することや整流ダイオードを追加することで交流電源でも使用が可能である。また直列に複数接続することによりLED負荷全体の順方向電圧と商用電源電圧との差は小さくなり、商用交流電源を降圧する必要もなくなる。つまり、LEDを点灯するだけであれば、LEDと電流制限抵抗だけで点灯回路を構成できる。
実際、上述の方法を用いたLED照明器具や、商用電源を直接接続可能なAC LEDと呼ばれるLEDユニットも近年商品化されている。
一方、交流電源をLEDの電源とし、かつこのLEDを調光する方法としては、従来からトライアック等の双方向スイッチング素子を交流電源とLED負荷(光源)との間に接続しスイッチング素子をオンする位相角を変化させることにより、交流電圧の実効値を可変させる位相制御方式がよく用いられている。
また、この位相制御方式は、双方向のスイッチング素子とトリガ信号の位相を変えるための比較的簡単な回路とで構成できるので、白熱灯を調光する手段としてよく用いられている。
このような位相制御方式をLEDを負荷とする場合でも使用するための技術が、特許文献1(特開2007−194071号公報)や、特許文献2〜5(特開2006−32030号公報,特開2006−32031号公報,特開2006−32032号公報,特開2006−32033号公報)にも開示されている。
ところで、LEDを用いた照明等において、複数のLEDを商用電源で直接点灯させるためには、この複数のLEDを直列に接続して、この直列接続された複数のLED負荷の全体の順方向電圧を大きくし、電流制限抵抗を小さくすることで電流制限抵抗での電力損失を小さくする方法が一般的である。この場合は、上記商用電源の電源電圧が上記直列接続されたLEDの順方向電圧よりも低い領域では上記LEDは点灯しない。
もっとも、上記商用電源の電源電圧が低い部分で、上記LEDが点灯しなくても、上記電源電圧の交流波形の全体の面積から考えると上記電源電圧が低い部分の面積は小さいから、その分、電流制限抵抗を小さく設定しておけば、LEDの明るさとしては問題にならない。
しかしながら、このようなLED負荷を従来のパルストリガ方式の位相制御回路で調光した場合、電源電圧がLED負荷の順方向電圧より低い領域では、スイッチング素子にトリガ信号を入力しても、スイッチング素子に保持電流以上の電流が流れないので、スイッチング素子の自己保持機能が働かないという問題が生じる。この問題は、調光の上限付近や下限付近で発生し、特に、上限付近で発生した場合は、調光の上限付近の設定であるにもかかわらず、LEDが全く点灯しない現象が発生することとなるので、大きな問題となる。
特開2007−194071号公報 特開2006−32030号公報 特開2006−32031号公報 特開2006−32032号公報 特開2006−32033号公報
そこで、この発明の課題は、LED負荷を交流電源で低損失で調光できると共に調光ミスを防ぐことができるLEDの調光装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明のLEDの調光装置は、順方向が同一となるように直列に複数接続された発光ダイオードを有するLED負荷部と交流電源との間に接続されて閉回路を形成すると共に自己保持機能を持った双方向スイッチング素子と、
上記双方向スイッチング素子にトリガ信号を出力して上記双方向スイッチング素子をオンさせると共に上記トリガ信号の位相を上記交流電圧の半サイクルよりも狭い可変範囲内で変えることで上記LED負荷部へ入力される実効電力を変えて調光を行うパルストリガ方式の位相制御部とを備えることを特徴としている。
この発明のLEDの調光装置によれば、上記位相制御部は、上記トリガ信号による上記双方向スイッチング素子のトリガポイントの位相を、上記交流電源が出力する交流電圧に対して上記交流電圧の半サイクルよりも狭い可変範囲内で変える。これにより、上記位相制御部は、上記交流電圧の半サイクルのうちの上記交流電圧のゼロクロスポイント近傍で上記双方向スイッチング素子にトリガ信号を出力することを回避できる。よって、この発明によれば、調光の上限付近の設定であるにもかかわらずLEDが全く点灯しないという現象を回避できる。
したがって、この発明によれば、LED負荷を交流電源で低損失で調光できると共に調光ミスを防ぐことができる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記位相制御部は、
上記交流電源の交流電圧の絶対値が0Vになるゼロクロスポイントを検出するゼロクロス検出回路と、
上記交流電圧の絶対値が増大する期間のうち、上記ゼロクロス検出回路で検出したゼロクロスポイントからの所定期間を上記トリガ信号の位相の可変範囲としない制御回路とを有する。
この実施形態によれば、上記位相制御部は、上記交流電圧の絶対値が0Vになるゼロクロスポイントから上記交流電圧の絶対値が増大する所定期間では、上記双方向スイッチング素子にトリガ信号を出力しないので、調光の上限付近の設定であるにもかかわらずLEDが全く点灯しないという現象を確実に回避できる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記制御回路は、
上記交流電圧の絶対値が減少する期間のうち、上記交流電圧の絶対値が所定値であるときから上記ゼロクロス検出回路で検出したゼロクロスポイントまでの期間を上記トリガ信号の位相の可変範囲としない。
この実施形態によれば、調光の上限付近におけるトリガミスを回避できるだけでなく調光の下限付近におけるトリガミスも回避できる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記位相制御部が出力する上記トリガ信号は、上記交流電圧の次のゼロクロスポイントまでオンしている。
この実施形態によれば、上記トリガ信号による上記双方向スイッチング素子のオンミスを回避して正常なパルストリガ方式の位相制御ができる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記LED負荷部に流れる電流を検出して上記位相制御部へ負荷電流検出信号を出力する負荷電流検出部を備え、
上記位相制御部は、
上記負荷電流検出部からの上記負荷電流検出信号を受けた場合に、上記トリガ信号をオフにする。
この実施形態によれば、上記トリガ信号のパルス幅を短縮できる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記トリガ信号は上記双方向スイッチング素子のターンオン時間よりも長いパルス幅を有し、
上記制御回路は、
上記トリガ信号の位相の可変範囲を、上記双方向スイッチング素子に保持電流以上の電流が流れる範囲の両端から、上記ターンオン時間よりも上記パルス幅が長い分の2分の1だけ広くする。
この実施形態によれば、LED負荷部で使用するLEDの製造上の問題による順方向電圧のバラツキや、使用中の温度変化による順方向電圧の変化により、設定した制御範囲よりもLEDに電流が流れる範囲が狭くなった場合に、出力設定の上限付近で点灯しない現象を回避できる。また、この実施形態の位相制御部によれば、上記順方向電圧のバラツキや変化により、設定した制御範囲よりもLEDに電流が流れる範囲が広くなった場合に、この広くなった範囲における0〜100%の調光ができなくなるという現象を回避できる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記LED負荷部に流れる電流を検出して上記位相制御部へ負荷電流検出信号を出力する負荷電流検出部を備え、
上記位相制御部は、
上記トリガ信号の位相の可変範囲のうちの上記交流電圧の絶対値が最小値となる付近に上記トリガ信号の位相を設定した場合であって、上記負荷電流検出部からの負荷電流検出信号を受けない場合に、上記トリガ信号の位相を変更する。
この実施形態によれば、上記位相制御部は、上記トリガ信号によるトリガミスが生じた場合に、上記トリガ信号の位相を自動的に変更することで、上記双方向スイッチング素子に再度トリガをかけることができる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記負荷電流検出部は、上記閉回路において上記LED負荷部に直列に接続されるフォトトランジスタカプラを有する。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記LED負荷部に電流が流れていなくても、上記交流電源のゼロクロスポイント以外では、上記双方向スイッチング素子に保持電流以上の電流を流す保持電流確保回路を有する。
この実施形態によれば、正常な位相制御ができる範囲を広げることができる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記保持電流確保回路は、上記LED負荷部に並列接続される抵抗素子である。
この実施形態によれば、上記保持電流確保回路を簡素化できる。
また、一実施形態のLEDの調光装置では、上記保持電流確保回路は、上記LED負荷に並列接続される定電流素子または定電流回路である。
この実施形態によれば、上記保持電流確保回路による損失低減を図れる。
また、一実施形態のLED電源モジュールは、上記LEDの調光装置を備えた。
また、一実施形態のLED照明装置は、上記LEDの調光装置を備えた。
この発明のLEDの調光装置によれば、位相制御部は、交流電圧の半サイクルのうちの上記交流電圧のゼロクロスポイント近傍で上記双方向スイッチング素子にトリガ信号を出力することを回避できる。よって、この発明によれば、調光の上限付近の設定であるにもかかわらずLEDが全く点灯しないという現象を回避できる。したがって、この発明によれば、LED負荷を交流電源で低損失で調光できると共に調光ミスを防ぐことができる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1に、この発明のLEDの調光装置の第1実施形態の基本構成を示す。この調光装置は、交流電源としての商用電源(AC100V)1とLED負荷部2との間に接続されて閉回路を形成する双方向スイッチング素子としてのフォトトライアックカプラ3を備える。このフォトトライアックカプラ3の2次側とLED負荷部2との間には電流制限抵抗R1が接続されている。
上記LED負荷部2は、白色LEDを25個直列に接続した2組のユニットU1,U2を極性が逆方向になるように接続したものである。また、上記フォトトライアックカプラ3は、入力側のLED3Bと出力側のフォトトライアック3Aとが絶縁された光結合素子であり、入力側のLED3Bに電流を流すことにより出力側のフォトトライアック3Aがトリガされる。
また、商用電源1には、ゼロクロス検出回路5およびマイクロコンピュータ用電源回路6が接続されている。このゼロクロス検出回路5は、フォトカプラ5Aが抵抗5Bを介して商用電源1に接続されたものである。商用電源1の電圧が大きい場合はフォトカプラ5Aの入力側のLED11または12が点灯するので、出力トランジスタ13はオン状態になる一方、商用電源1の電圧が小さいゼロクロス付近では、LED11,12が消灯するので、出力トランジスタ13はオフする。これにより、ゼロクロス検出回路5は、商用電源1のゼロクロスポイントを検出してゼロクロス検出信号を出力する。図1に示すゼロクロス検出回路5では、出力トランジスタ13のエミッタがグランドに接続され、コレクタが内部でプルアップされたマイクロコンピュータMC1に接続されている。このマイクロコンピュータMC1は、制御回路7を構成している。また、上記制御回路7とゼロクロス検出回路5が位相制御部を構成している。
上記ゼロクロス検出回路5が出力するゼロクロス検出信号ZCは、図5Aの(g)欄に示すような信号波形になる。つまり、このようなゼロクロス検出回路5では、商用電源1の電源電圧が0Vになる前後で入力側のLED11,12が点灯しないので、ゼロクロス検出信号ZCは、上記電源電圧の実際のゼロクロスポイントよりも少し早く出力され一定のパルス幅を持っている。
図1の実施形態では、ゼロクロス検出回路5が出力するゼロクロス検出信号ZCのパルス幅として約400μ秒の幅があり、実際のゼロクロスポイントより200μ秒前に信号が出力される。なお、図1の実施形態では、ゼロクロス検出回路5は、AC入力型と呼ばれる逆並列に接続された入力側のLED11,12を有したが、通常の2個のフォトトランジスタカプラの入力の極性を逆に接続する構成や、フォトトランジスタカプラの前にダイオードブリッジを入れた回路でも動作は同じである。
また、上記マイクロコンピュータ用電源回路6は、商用電源1からの交流電力を整流して直流電力を制御回路7を構成するマイクロコンピュータMC1に出力する。このマイクロコンピュータ用電源回路6は、必要とする電流が10mA以下で電圧精度も必要ないので、トランス(変圧器)を使用しない簡単な回路で構成している。
また、この実施形態では、マイクロコンピュータMC1を、回路に実装する前に制御用プログラムを書き込むPIC(Peripheral Interface Controller)と呼ばれるマイクロコンピュータとした。このPICは、1パッケージ内に発振回路やタイマー回路,コンパレータやデータ保存用メモリ等が内蔵されており、制御用プログラムはフラッシュメモリに書き込まれているものが多く、電源を切っても内容が消えない。また、このPICは、低価格である上に、数mAの低消費電力で動作電源範囲も広いことから、図1に示すような簡単な電源回路6でも問題なく動作する。その他、プログラムの変更も簡単で使用するLED負荷の種類に応じて、条件を細かく分類することも可能である。
このマイクロコンピュータMC1の入出力端子は、プログラムで切り替えが可能でプルアップやプルダウンの抵抗も設定できる。また、図1に示すように、このマイクロコンピュータMC1は、電源と入出力信号端子への接続のみで動作し、その他の部品は不要である。このマイクロコンピュータMC1の役割は、ゼロクロス検出回路5から入力信号端子ZXへ入力されるゼロクロス信号に基づき、商用電源1の交流電源電圧SVの半サイクル内の設定された位置でフォトトライアックカプラ3にトリガ信号としてのトリガ信号としての位相制御信号FCを出力することである。この位相制御信号FCは、マイクロコンピュータMC1の出力端子OUTから抵抗R0を経由してフォトトライアックカプラ3の入力側のLED3Bに入力される。
この実施形態は、LED負荷部2を商用電源1による交流で直接点灯させるので、電圧変換や整流時に発生する損失はなく、制御回路7の消費電力も数十mWと少なく、LED負荷部2を高効率で駆動できる。
また、この実施形態は、制御回路7に接続したスイッチ部15を備え、このスイッチ部15は、通常の押しボタンスイッチで構成されている。このスイッチ部15は、3つのスイッチ15A,15B,15Cを有する。このスイッチ15Cは、制御回路7の端子ON/OFFに接続されて電源のオンオフを行なう。また、スイッチ15Aは、制御回路7の端子UPに接続されている。このスイッチ15Aをオンすることにより、制御回路7が出力する位相制御信号FCの位相が進められて、フォトトライアックカプラ3のトリガポイントが上限方向へ移動される。また、スイッチ15Bは、制御回路7の端子DOWNに接続されている。このスイッチ15Bをオンすることにより、位相制御信号FCの位相が遅らされて、フォトトライアックカプラ3のトリガポイントが下限方向へ移動される。なお、これらのスイッチ15A〜15Cの替わりにリモートコントローラ用受信回路を設け、このリモートコントローラ用受信回路へリモートコントローラから信号入力することで、上記制御回路7の電源のオンオフ,上記トリガポイントの上下限方向への移動の操作をしてもよい。
(基本動作)
次に、基本となる動作を説明する。マイクロコンピュータMC1は、フォトトライアックカプラ3のトリガポイントの上限と下限との間の位相可変範囲内において、フォトトライアックカプラ3のトリガ信号となる位相制御信号FCを、設定された時間だけゼロクロス検出信号ZCから遅らせて出力端子OUTから出力する。なお、上記ゼロクロス検出信号ZCの位相をずらす刻みは、上記位相可変範囲を例えば256等分(8ビット変数の場合)した位相幅とする。
ここで、比較例としての通常のトリガポイントの位相可変範囲は、交流商用電源1の半サイクルであり、60Hzの場合、約8.3m秒内を、256等分するので、約32.6μ秒ステップでトリガポイントを可変することとなる。つまり、上記256等分のステップの0ステップがゼロクロス信号からの遅れが0で0%(電力は100%)の位相制御が行われ、255ステップの時がゼロクロス信号から8.3m秒だけ遅れた位置で100%(電力は0%)の位相制御が行われる。
なお、前述したように、ゼロクロス検出信号ZCが実際のゼロクロスポイントよりずれている場合は、上記位相制御の補正が必要である。この補正は、制御回路7で行われる。この実施形態の場合、上記位相制御の位置から200μ秒だけ加算した時間をトリガポイントとしている。フォトトライアックカプラ3へ入力するトリガ信号である位相制御信号FCのパルス幅はフォトトライアック3Aのターンオン時間より長ければよく、100μ秒もあれば十分である。また、制御回路7の消費電流やフォトトライアックカプラ3のLED3Bの劣化を考えればパルス幅はできるだけ短い方が望ましい。
(比較例1の動作)
ここで、図1に示す調光装置において、LED負荷部2に替えて、白熱ランプ等の抵抗負荷を接続して、この抵抗負荷を従来の方法で位相制御した場合の電源電圧SVと負荷電流LIaの波形を、図3に示す。図3に示す電源電圧SVと負荷電流LIaの波形では、白熱ランプのフィラメントの温度変化に対する抵抗変化を無視している。この比較例1では、電源電圧SVの半サイクル毎に位相制御信号FC1を出力することにより、この位相制御信号FC1でフォトトライアック3Aがオンし、次のゼロクロスポイントまで負荷電流LIaが流れている。図3に示すゼロクロスポイントZ1の左側の1サイクルでは約75%の位相制御が行われ、ゼロクロスポイントZ1の右側の1サイクルでは約20%の位相制御が行われている。
(参考例1の動作)
次に、図4の波形図の(a)欄に、電源電圧SVを発生する交流電源1に白熱ランプ等の抵抗負荷を接続した場合に、この抵抗負荷に流れる負荷電流LIbを破線で示す。また、図4の(b)欄に、上記交流電源1に図1で示したLED負荷部2を接続した場合に、このLED負荷部2に流れる負荷電流LIcの波形を破線で示す。また、図2に、一例として、白色LEDを25個直列に接続したLED負荷部の順方向電圧VFと順方向電流IFとの関係を示す。
図4の(b)欄に示した電源電圧SVと負荷電流LIcの2つの波形から分るように、多数のLEDを直列接続したLED負荷部では各LEDの順方向電圧が合成されて大きくなり、この合成された順方向電圧よりも電源電圧SVが低い場合には、上記LED負荷部に負荷電流LIcが殆んど流れないことが分る。
(比較例2の動作)
次に、図4の(c),(d)欄を参照して、図1に示すLED負荷部2を、従来の方法で位相制御した場合の負荷電流LIdの波形を破線で示す。この図4の(d)欄において、説明のために、トリガポイントTP1〜TP4の位置を、電源電圧SVの各半サイクルt1〜t4で変更している。この図4の(d)欄における電源電圧SVの左側の2つの半周期t1,t2の波形については、LED負荷部2の順方向電圧VFよりも電源電圧SVの方が大きい領域に、図4の(c)欄に示す位相制御信号FC1によるトリガポイントTP1,TP2がある。したがって、トリガポイントTP1,TP2では、位相制御信号FC1による正常な位相制御が行われる。つまり、位相制御信号FC1がオンしている間にフォトトライアック3Aの保持電流Ih以上の電流がフォトトライアック3Aに流れ、LED負荷部2に負荷電流LIが流れる。
一方、図4の(d)欄における電源電圧SVの右側の2つの半周期t3,t4の波形については、電源電圧SVよりもLED負荷部2の順方向電圧VFの方が大きい領域に、図4の(c)欄に示す位相制御信号FC1によるトリガポイントTP3,TP4がある。このため、トリガポイントTP3,TP4では、通常のパルス幅で位相制御信号FC1をフォトトライアックカプラ3のLED3Bに入力しても、位相制御信号FC1がオンしている間にフォトトライアック3Aの保持電流Ih以上の電流がフォトトライアック3Aに流れない。このため、図4の(d)欄における電源電圧SVの右側の2つの半周期t3,t4において、フォトトライアック3Aの自己保持機能が動作せず、LED負荷部2は点灯しない。
なお、図4の(d)欄における半周期t4でのトリガポイントTP4のように下限付近の出力設定では、位相制御が正常な場合(フォトトライアック3Aの自己保持機能が動作した場合)でも、LED負荷部2が点灯しない領域であるので、トリガミスが問題にならない。これに対し、半周期t3でのトリガポイントTP3のように上限付近の出力設定では、LED負荷部2が最大出力付近となるべきであるにもかかわらず、LED負荷部2のLEDが全く点灯しないため、トリガミスが大きな問題となる。
次に、図5Aの波形図の(W)欄および(a)〜(h)欄を参照して、この実施形態の動作を説明する。
まず、図5Aの(W)欄には、交流電源1の電源電圧SVの波形と、この交流電源1にLED負荷部2を接続した場合に、このLED負荷部2に流れる負荷電流LIcの波形を破線で示す。また、図5Aの(a)欄には、前述の比較例2による位相制御信号FC1の一例、および、この位相制御信号FC1によるトリガポイントの可変範囲R1を示す。
次に、図5Aの(b)欄には、この実施形態によって制御回路7が出力する第1例のトリガ信号としての位相制御信号FC11を示す。この位相制御信号FC11の位相可変範囲R11は、電源電圧SVのゼロクロスポイントから上記電源電圧SVがLED負荷部2の順方向電圧VFに達するまでの位相範囲S1,S2を含んでいない。つまり、上記位相制御信号FC11の位相可変範囲R11は、上記電源電圧SVが上記順方向電圧VFを越えたときt10から、次に上記電源電圧SVがゼロクロスポイントに達した時刻t30から位相制御信号FC2のパルス幅を差し引いた時刻t20までの範囲である。
この第1例の位相制御信号FC11は、電源電圧SVが順方向電圧VF以下となる位相範囲S1,S2では出力されないので、前述した比較例2の様に上限付近に出力制御しているにもかかわらずLED負荷部2のLEDが全く点灯しないという不具合を解消できる。
次に、図5Aの(c)欄には、この実施形態によって制御回路7が出力する第2例のトリガ信号としての位相制御信号FC12を示す。この位相制御信号FC12の位相可変範囲R12は、上記電源電圧SVが電源電圧SVのゼロクロスポイントからLED負荷部2の順方向電圧VFに達するまでの位相範囲S1,S2を含んでいなく、かつ、上記電源電圧SVがLED負荷部2の順方向電圧VF以下に減少してから次のゼロクロスポイントに達するまでの位相範囲S3,S4を含んでいない。つまり、上記位相制御信号FC12の位相可変範囲R12は、上記電源電圧SVが上記順方向電圧VFを越えている範囲に限られる。
この第2例の位相制御信号FC12によれば、前述の第1例の位相制御信号FC11と同様に、位相範囲S1,S2では出力されないので、上限付近に出力制御しているにもかかわらずLED負荷部2のLEDが全く点灯しないという不具合を解消できる。また、この第2例の位相制御信号FC12によれば、位相範囲S1,S2だけでなく位相範囲S3,S4でも出力されないので、LED負荷部2のLEDが点灯する範囲で本来の細かい調整(256ステップ)を行いたい場合に有効となる。また、LED負荷部2の消灯後も更に下限方向に出力設定ができることが問題となる場合等に有効である。
次に、図5Aの(d)欄に、この実施形態の制御回路7が出力する第3例のトリガ信号としての位相制御信号FC13を示す。この位相制御信号FC13は、前述の第2例の位相制御信号FC12のパルス幅を長くしたものに相当している。すなわち、この位相制御信号FC13は、パルス幅が前述の第2例の位相制御信号FC12のパルス幅の3倍になっている。また、この位相制御信号FC13は、位相可変範囲R13が、位相制御信号FC12の位相可変範囲R12に比べて、上限方向に位相制御信号FC12のパルス幅の分だけ広く、下限方向に位相制御信号FC12のパルス幅の分だけ広い。この第3例の位相制御信号FC13によれば、LED負荷部2で使用するLEDの製造上の問題による順方向電圧VFのバラツキや、使用中の温度変化による順方向電圧VFの変化により、設定した制御範囲よりもLEDに電流が流れる範囲が狭くなった場合に、出力設定の上限付近で点灯しない現象を回避できる。また、この第3例の位相制御信号FC13によれば、上記順方向電圧VFのバラツキや変化により、設定した制御範囲よりもLEDに電流が流れる範囲が広くなった場合に、この広くなった範囲における0〜100%の調光ができなくなるという現象を回避できる。
なお、上記第3例の位相制御信号FC13のパルス幅は、考えられる順方向電圧VFのバラツキや順方向電圧VFの温度特性に基づいて設定すればよい。ただし、位相可変範囲内において下限設定を行った場合でも位相制御信号が次のゼロクロスポイントではオフしている範囲に設定することが必要である。なぜならば、次のゼロクロスポイントで位相制御信号がオンしていれば出力設定は最大の100%となるからである。
次に、図5Aの(e)欄に、この実施形態の制御回路7が出力する第4例の位相制御信号FC14を示す。この位相制御信号FC14は、図5Aの(a)欄に示した比較例2による位相制御信号FC1によるトリガポイントの可変範囲R1と同様の可変範囲R14を有する。この位相制御信号FC14は、図5Aの(e)欄に例示するように、立上り時刻(トリガポイント)Tsから次のゼロクロス信号が制御回路7に入力されるときまで(可変範囲R14の端まで)のパルス幅を有する。
この第4例の位相制御信号FC14によれば、双方向スイッチング素子であるフォトトライアックカプラ3に流れる電流が保持電流以下となる上限付近に出力設定した場合も、トリガポイントTsは次のゼロクロスポイント近傍までオンのままである。このため、電源電圧SVが大きくなってLED負荷部2の順方向電圧VFを超えた時点で、双方向スイッチング素子であるフォトトライアックカプラ3がオンし、オンミスを回避して正常な位相制御ができる。
この実施形態の第4例の位相制御信号FC14では、LED負荷部2が有するLEDの個数による順方向電圧VFの違いや、順方向電圧VFのバラツキを全く考慮する必要がない。
もっとも、この第4例の位相制御信号FC14では、オン時間が大幅に長くなるので、特に上限付近の設定時に消費電流が増大する。また、フォトトライアックカプラ3のLED3Bの劣化が早くなる。また、トリガポイントの可変範囲が、実際にLED負荷部2が点灯する範囲よりも広くなるので、出力の上限付近や下限付近では設定を変えても光量が変化しない領域が発生する。ただし、実際は、スイッチ15Aに取り付けられる調光用のUPボタンやスイッチ15Bに取り付けられるDOWNボタンを押し続けると256段階等の細かなステップで、トリガポイントTsの位相が高速に変化するので、上限付近や下限付近で光量が変化しない領域があることは分りにくく、調光装置としては、大きな問題にはならない。
なお、図5Aの(b)〜(e)欄の第1例〜第4例の位相制御信号FC11〜FC14は、図1に示す調光装置において、マイクロコンピュータMC1のプログラムを変更することのみで実現可能である。
(第2の実施の形態)
次に、図6の回路図を参照して、この発明のLEDの調光装置の第2実施形態の基本構成を説明する。この図6の調光装置は、前述の第1実施形態の調光装置のフォトトライアックカプラ3と電流制限抵抗R1との間に接続されたフォトトランジスタカプラ60を備えた点だけが、前述の図1の調光装置と異なる。よって、この第2実施形態では、前述の第1実施形態と異なる点を主に説明する。
上記フォトトランジスタカプラ60は、LED負荷部2に流れる電流を検出する。すなわち、フォトトライアックカプラ3がオンして、LED負荷部2に電流が流れると、LED負荷部2と同様、フォトトランジスタカプラ60の入力側のLED部60Aも点灯し、出力側のフォトトランジスタ60Bに電流が流れる。この出力側のフォトトランジスタ60Bは、ゼロクロス検出回路5と同様、内部でプルアップされたマイクロコンピュータMC1の端子ONに接続されている。
これにより、上記フォトトランジスタカプラ60からマイクロコンピュータMC1の端子ONに入力される負荷電流検出用信号DSは、図5Aの(h)欄に示す波形となる。
この第2実施形態では、制御回路7は、フォトトランジスタカプラ60から入力される負荷電流検出用信号DSを利用して、図5Aの(f)欄に示す位相制御信号FC15をオフさせる。この位相制御信号FC15は、図5Aの(f)欄に示すように、前述の図5Aの(e)欄の位相制御信号FC14と同様の可変範囲R15を有する。また、この位相制御信号FC15は、図5Aの(f)欄に示すように、立上り時刻(トリガポイント)Tsから上記負荷電流検出用信号DSの立下り時刻Tdまでのパルス幅を有する。すなわち、LED負荷部2に電流が流れ始めたポイントで位相制御信号FC15はオフしている。
なお、電源電圧SVがLED負荷部の順方向電圧VFよりも大きい領域では、位相制御信号FC15がフォトトライアックカプラ3に入力された直後にフォトトライアック3Aがオンするので、位相制御信号FC15は非常に短くなる。この領域で位相制御信号FC15が短くなり過ぎてターンオンが正常に行われない場合や、LED負荷部2に流れる電流が大きい場合には、フォトトランジスタカプラ60の1次側であるLED部60Aと並列に抵抗素子を接続し、検出感度を低くすればよい。
ここで、使用したフォトトランジスタカプラ60もゼロクロス検出回路5と同様、AC入力用の逆並列に接続された入力側のLED61,62を有したが、通常の2個のフォトトランジスタカプラの入力の極性を逆に接続する構成や、フォトトランジスタカプラの前にダイオードブリッジを入れた回路でも動作は同じである。
なお、上記位相制御信号FC15では、負荷電流検出用信号DSの立下がりで負荷電流が流れることを検出して、図5Aの(f)欄に示す位相制御信号FC15をオフさせたが、負荷電流検出用信号DSの立上がり時刻Tuで負荷電流が流れなくなること(LED負荷部2の消灯)を検出して、位相制御信号FC15をオフさせてもよい。
この第2実施形態では、何らかの理由で位相制御信号FC15のトリガポイントTsが正常に位相制御できる範囲R12を超え、上限付近で完全に消灯してしまう現象を解消可能である。
また、次の(1),(2)は、位相制御信号FC15のトリガポイントTsを、上記可変範囲R15において、自動で設定変更する一例である。
(1) 調光が正常な状態から上限方向へ設定を続け(スイッチ15Aに取り付けられる調光用のUPボタンを押し続け)消灯した場合は、消灯する直前の設定に戻る。
(2) 出力50%を越えて出力上限までの範囲内の設定をしている場合で、最初から点灯しない場合、または途中で消灯した場合は最も電源電圧SVが大きい出力50%の設定をするトリガポイントに変更する。
次に、図7に、前述した図1の第1実施形態の調光装置の第1の変形例を示す。この変形例では、LED負荷部2に並列に保持電流確保用の抵抗素子70を接続した。この場合、電源電圧SVがLED負荷部2の順方向電圧VFよりも小さくLED負荷部2に電流が流れない領域でも、保持電流確保用の抵抗素子70に電流が流れる。よって、図5Bの(i)欄に点線で示す電流波形Ifのように、電源電圧SVのゼロクロスポイント以外では、フォトトライアック3Aに、保持電流以上の電流が流れる。したがって、正常な位相制御ができる範囲を広げることができる。
また、図8に、前述した図1の第1実施形態の調光装置の第2の変形例を示す。この変形例では、LED負荷部2に並列に保持電流確保用の定電流素子として定電流ダイオード80A,80Bよりなる定電流ダイオード部80を接続した。この場合、電源電圧SVがLED負荷部2の順方向電圧VFよりも小さくLED負荷部2に電流が流れない領域でも、保持電流確保用の定電流ダイオード部80に電流が流れる。よって、図5Bの(i)欄に破線で示す電流波形Ikのように、電源電圧SVのゼロクロスポイント以外では、フォトトライアック3Aに、保持電流以上の電流が流れる。したがって、正常な位相制御ができる範囲を広げることができる。
なお、上記第1変形例の抵抗素子70の抵抗値や上記第2変形例の定電流ダイオード部80の特性については、双方向スイッチング素子であるフォトトライアックカプラ3の保持電流により決まる。例えば、この実施形態のフォトトライアック3Aの場合、保持電流は100μA程度であるので、図7の抵抗素子70を備える場合は、数十kΩ〜100kΩ程度で良好な結果が得られた。この程度の抵抗値であれば、抵抗で消費する電力も小さく、抵抗の容量も小さいもので済む。これに対して、負荷部2の負荷が大きく 双方向スイッチング素子に電力用のトライアック等を使用した場合は保持電流も大きくなるので、抵抗素子70の抵抗値を小さくする必要がある。抵抗素子70の抵抗値を小さくすると抵抗素子70で消費する電力が大きくなり、抵抗素子70が不要な電源電圧の大きい領域では抵抗素子70に流れる電流が更に大きくなり抵抗素子70による損失が無視できなくなる。
このように、双方向スイッチング素子の保持電流が大きい場合には、印加電圧に関係なく一定の電流を流すことが可能な定電流素子部80をLED負荷部2と並列に接続する第2変形例が好適である。第2変形例では上記定電流素子として、LEDに定電流を流す目的でよく使用される定電流ダイオード80A,80Bを採用した。この定電流ダイオード80A,80Bとしては、数百μA〜数十mAまでの定電流を流すものがある。また、この定電流ダイオード80A,80Bとしては、逆方向耐圧が150V程度のものを採用した。また、交流負荷の場合は、図8に示すように、この定電流ダイオード80A,80Bを極性が逆になるように2本接続すればよい。
尚、上記第2変形例では小型で簡単な定電流ダイオードを使用したがトランジスタやツェナーダイオード等を用いた定電流回路を設けてもよい。
また、上述の第1,第2実施形態において、LED負荷部2に替えて、図9に示すLED負荷部51と整流ダイオードブリッジ52を備えてもよい。このLED負荷部51は、2組のLEDユニット51Aと51Bが並列に接続されており、各LEDユニット51A,51Bは直列接続された複数のLEDと電流制限抵抗R2,R3からなる。また、各LEDユニット51A,51BのLEDの配列方向は順方向が同じ方向になっている。また、整流ダイオードブリッジ52は、商用電源1による交流電流がLED負荷部51に対して常に順方向に流れるように整流する。
また、上記LED負荷部2に流す電流が大きい場合は、図10に示すように、商用電源1と電流制限抵抗R1との間にトライアック61を接続して、フォトトライアックカプラ3でトライアック61を点弧するようにしてもよい。また、上記フォトトライアックカプラ3に替えて通常のトライアック(図示せず)を上記トライアック61のゲートに接続し、このトライアック(図示せず)のゲートを制御回路7が出力する位相制御信号で直接制御するようにしてもよい。
また、上述の第1,第2実施形態においては、図1,図6に示す構成の調光装置で説明したが、ゼロクロス検出回路5,負荷電流検出のためのフォトトランジスタカプラ60は、他の検出手段を用いてもよい。また、上記交流電源は上記商用電源1に限らないのは勿論である。また、上記第1,第2実施形態においては、制御回路7として、位相制御信号のトリガポイント等を簡単にプログラムで変更できるように安価な1チップマイコン(マイクロコンピュータMC1)を使用したが、第1実施形態においては、制御回路7としてのマイクロコンピュータMC1に替えて、2つのタイマー回路とタイマーの時間を変える可変抵抗器等で構成する制御回路等も採用できる。すなわち、ゼロクロス検出回路5からのゼロクロス検出信号を受けて計時を開始し設定された時間だけ計時したときを位相制御信号のトリガポイントとする第1のタイマー回路と、このトリガポイントから所定時間だけ計時したときまでの期間を位相制御信号のパルス幅とする第2のタイマー回路と、この第1,第2のタイマー回路の計時時間を変更する計時設定回路を可変抵抗器等で構成してもよい。
この発明のLEDの調光装置の第1実施形態を示す回路図である。 白色LEDを25個直列に接続したLED負荷部の順方向電圧VFと順方向電流IFとの関係を示す特性図である 白熱ランプ等の抵抗負荷を駆動する交流の電源電圧SVと負荷電流LIaおよび位相制御信号FC1を示す波形図である。 (a)欄に負荷が白熱ランプ等の抵抗負荷である場合の電源電圧SVと負荷電流LIbの波形を示し、(b)欄に負荷でLED負荷部である場合の電源電圧SVと負荷電流LIcの波形を示し、(c)欄に比較例2における移動制御信号FC1を示し、(d)欄に比較例2における電源電圧SVと負荷電流LIdの波形を示す波形図である。 (W)欄に交流電源の電源電圧SVと負荷電流LIcの波形を示し、(a)欄に位相制御信号FC1の波形を示し、(b),(c),(d),(e)欄に第1実施形態におけるトリガ信号の第1,第2,第3,第4例としての位相制御信号FC11,FC12,FC13,FC14の波形を示し、(f)欄に第2実施形態におけるトリガ信号としての位相制御信号FC15の波形を示し、(g)欄に第1,第2実施形態におけるゼロクロス検出信号ZCの波形を示し、(h)欄に第2実施形態における負荷電流検出用信号DSの波形を示す波形図である。 (i)欄に上記第1実施形態の第1,第2変形例における電流波形If,Ikを示す波形図である。 この発明のLED調光装置の第2実施形態を示す回路図である。 上記第1実施形態の第1の変形例を示す回路図である。 上記第1実施形態の第2の変形例を示す回路図である。 上記第1実施形態の変形例を示す回路図である。 上記第1実施形態の変形例を示す回路図である。
符号の説明
1 商用電源
2 LED負荷部
3 フォトトライアックカプラ
3A フォトトライアック
3B LED
5 ゼロクロス検出回路
5A フォトカプラ
5B 抵抗
6 マイクロコンピュータ用電源回路
7 制御回路
11,12 LED
15 スイッチ部
15A〜15C スイッチ
60 フォトトランジスタカプラ
60A LED部
60B フォトトランジスタ
61,62 LED
70 抵抗素子
80 定電流ダイオード部
80A,80B 定電流ダイオード
DS 負荷電流検出用信号
FC1,FC11〜FC15 位相制御信号
LIa〜LIc 負荷電流
MC1 マイクロコンピュータ
SV 電源電圧
Ts 立上り時刻
Td 立下り時刻
Z1 ゼロクロスポイント
ZC ゼロクロス検出信号
ZX 入力信号端子

Claims (13)

  1. 順方向が同一となるように直列に複数接続された発光ダイオードを有するLED負荷部と交流電源との間に接続されて閉回路を形成すると共に自己保持機能を持った双方向スイッチング素子と、
    上記双方向スイッチング素子にトリガ信号を出力して上記双方向スイッチング素子をオンさせると共に上記トリガ信号の位相を上記交流電源が出力する交流電圧の半サイクルよりも狭い可変範囲内で変えることで上記LED負荷部へ入力される実効電力を変えて調光を行うパルストリガ方式の位相制御部と
    を備えることを特徴とするLEDの調光装置。
  2. 請求項1に記載のLEDの調光装置において、
    上記位相制御部は、
    上記交流電源の交流電圧の絶対値が0Vになるゼロクロスポイントを検出するゼロクロス検出回路と、
    上記交流電圧の絶対値が増大する期間のうち、上記ゼロクロス検出回路で検出したゼロクロスポイントからの所定期間を上記トリガ信号の位相の可変範囲としない制御回路とを有することを特徴とするLEDの調光装置。
  3. 請求項2に記載のLEDの調光装置において、
    上記制御回路は、
    上記交流電圧の絶対値が減少する期間のうち、上記交流電圧の絶対値が所定値であるときから上記ゼロクロス検出回路で検出したゼロクロスポイントまでの期間を上記トリガ信号の位相の可変範囲としないことを特徴とするLEDの調光装置。
  4. 請求項1または2に記載のLEDの調光装置において、
    上記位相制御部が出力する上記トリガ信号は、上記交流電圧の次のゼロクロスポイントまでオンしていることを特徴とするLEDの調光装置。
  5. 請求項1または2に記載のLEDの調光装置において、
    上記LED負荷部に流れる電流を検出して上記位相制御部へ負荷電流検出信号を出力する負荷電流検出部を備え、
    上記位相制御部は、
    上記負荷電流検出部からの上記負荷電流検出信号を受けた場合に、上記トリガ信号をオフにすることを特徴とするLEDの調光装置。
  6. 請求項3に記載のLEDの調光装置において、
    上記トリガ信号は上記双方向スイッチング素子のターンオン時間よりも長いパルス幅を有し、
    上記制御回路は、
    上記トリガ信号の位相の可変範囲を、上記双方向スイッチング素子に保持電流以上の電流が流れる範囲の両端から、上記ターンオン時間よりも上記パルス幅が長い分の2分の1だけ広くすることを特徴とするLEDの調光装置。
  7. 請求項1から6のいずれか1つに記載のLEDの調光装置において、
    上記LED負荷部に流れる電流を検出して上記位相制御部へ負荷電流検出信号を出力する負荷電流検出部を備え、
    上記位相制御部は、
    上記トリガ信号の位相の可変範囲のうちの上記交流電圧の絶対値が最小値となる付近に上記トリガ信号の位相を設定した場合であって、上記負荷電流検出部からの負荷電流検出信号を受けない場合に、上記トリガ信号の位相を変更することを特徴とするLEDの調光装置。
  8. 請求項5または7に記載のLEDの調光装置において、
    上記負荷電流検出部は、
    上記閉回路において上記LED負荷部に直列に接続されるフォトトランジスタカプラを有することを特徴とするLEDの調光装置。
  9. 請求項1から8のいずれか1つに記載のLEDの調光装置において、
    上記LED負荷部に電流が流れていなくても、上記交流電源のゼロクロスポイント以外では、上記双方向スイッチング素子に保持電流以上の電流を流す保持電流確保回路を有することを特徴とするLEDの調光装置。
  10. 請求項9に記載のLEDの調光装置において、
    上記保持電流確保回路は、
    上記LED負荷部に並列接続される抵抗素子であることを特徴とするLEDの調光装置。
  11. 請求項9に記載のLEDの調光装置において、
    上記保持電流確保回路は、
    上記LED負荷に並列接続される定電流素子または定電流回路であることを特徴とするLEDの調光装置。
  12. 請求項1から11のいずれか1つに記載のLEDの調光装置を備えたLED電源モジュール。
  13. 請求項1から11のいずれか1つに記載のLEDの調光装置を備えたLED照明装置。
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