(57)【要約】【課題】調光深度の深い調光制御にも発光素子に安定した点灯状態を得られる電源装置及び照明器具を提供する。【解決手段】調光制御により調光深度が深くなり、発光ダイオード１９〜２１の発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になる状態で発光ダイオード１９〜２１の動作点付近の出力インピーダンスが５０ｋΩ以下になるように設定されている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング手段によって直流出力を生成する直流出力生成手段と；
前記直流出力生成手段より生成される直流出力により点灯される半導体発光素子と；
前記半導体発光素子の調光を制御する調光手段と；を具備し、
前記調光手段による調光制御により前記半導体発光素子１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になる状態で前記半導体発光素子の動作点付近の出力インピーダンスが５０ｋΩ以下であることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子は複数並列接続され、
前記出力ピーダンスは、前記５０ｋΩを前記並列接続された前記半導体発光素子の個数で除した出力インピーダンス以下であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
請求項１又は２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発光ダイオードなどの半導体発光素子の駆動に最適な調光機能を有する電源装置及び照明器具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、発光ダイオードなどの半導体発光素子の電源として、スイッチング手段を用いた直流の電源装置が多く用いられており、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光量を調整する調光機能を有するものも用いられている。
【０００３】
そして、従来、このような調光機能を有するものとして、例えば、特許文献１に開示されるように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するものが知られている。
【特許文献１】特開２００３−１５７９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１は、パルス幅により調光制御を行うものであるため、発光ダイオードによる光出力にフリッカが発生し易く、また、パルス幅制御するため出力電流制御のための限流要素とは別に、発光ダイオードに直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。
【０００５】
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や装置が必要であり、一般的にスイッチング手段を用いた電源装置で制御する場合、電流制御が用いられる。この電流制御は、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、ひいては素子の寿命に影響するため、点灯装置の設計では重要な制御要素となる。
【０００６】
発光ダイオードを調光することは、これまでの放電灯点灯装置と比較すると比較的容易である。これは負荷が電気的に安定な特性であることと、温度など外的要因にも変動が少ないことによる。しかし、例えば、深い調光を要求する用途で定電流制御を採用すると、全光点灯の電流の大きい領域では安定に点灯できるものの、深い調光領域においては検出信号や、この信号を制御するための電流基準値が微小信号となるため、検出回路や比較器の精度に高い性能が要求されたり、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。そこで、制御のための信号電圧を大きくすることも手段として考えられるが、電流検出信号は発光ダイオードに直列に挿入された抵抗器で検出するのが一般的であるため、発光ダイオードに流れる電流が大きい領域での検出抵抗器での消費電力や発生する熱の処理も製品を開発する上では障害となる。
【０００７】
また、発光ダイオードの調光深度が深くなり、例えば発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になると、素子インピーダンスが大きくなるため、電源装置の出力特性に定電流要素の強いものを用いると、点灯状態のばらつきが大きくなってしまう。つまり、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性と電源装置の出力特性（出力インピーダンス）との関係は、図５に示すようになっている。ここで、発光ダイオードのＶ−Ｉ特性は、素子のバラツキや温度特性による動作点のばらつきによりＡｃｅｎを中心にＡｍａｘとＡｍｉｎの間で変動する。また、電源装置の出力特性は、図示Ｂ０が出力インピーダンスゼロで定電圧要素が強く、図示Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３のように出力インピーダンスを大きくしていくと、これとともに出力特性が定電流要素の強いものになる。
【０００８】
ところが、発光ダイオードに対する調光深度が深くなり、発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になると、素子インピーダンスが、例えば４６Ωもの大きなものになるため、出力特性が定電流要素の強いものの場合、素子のバラツキや温度特性による動作点のばらつきにより僅かでも電流変動が生じて素子で消費される電力が変動し、光出力が大きく変動するという問題を生じる。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、調光深度の深い調光制御にも発光素子に安定した点灯状態を得られる電源装置及び照明器具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】
【００１０】
請求項１記載の発明は、スイッチング手段によって直流出力を生成する直流出力生成手段と；前記直流出力生成手段より生成される直流出力により点灯される半導体発光素子と；
前記半導体発光素子の調光を制御する調光手段と；を具備し、前記調光手段による調光制御により前記半導体発光素子１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になる状態で前記半導体発光素子の動作点付近の出力インピーダンスが５０ｋΩ以下であることを特徴としている。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記半導体発光素子は複数並列接続され、前記出力ピーダンスは、前記５０ｋΩを前記並列接続された前記半導体発光素子の個数で除した出力インピーダンス以下であることを特徴としている。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２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している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、調光深度の深い調光制御でも出力特性が定電圧要素に維持され、光出力の変動を最小限にでき、発光素子に安定した点灯状態を得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、発光素子が複数個並列接続される場合も、各発光素子に安定した点灯状態を得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、調光深度の深い調光制御にも発光素子に安定した点灯状態を得られる電源装置及び照明器具を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００１７】
（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１及び図２において、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をしている。この器具本体１は、内部を仕切り部材１ａ、１ｂにより上下方向に３分割され、下方開口と仕切り部材１ａの間の空間は、光源部２に形成されている。この光源部２には、半導体発光素子としての複数の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実装されている。
【００１８】
器具本体１の仕切り部材１ａと１ｂの間の空間は電源室３に形成されている。この電源室３は、仕切り部材１ａ上部に配線基板３ａが配置されている。この配線基板３ａには、前記複数のＬＥＤ２ａを駆動するための本発明の電源装置を構成する各電子部品が設けられている。この直流電源装置と複数のＬＥＤ２ａは、リード線４により接続されている。
【００１９】
器具本体１の仕切り板１ｂと上方開口の間の空間は、電源端子室５に形成されている。この電源端子室５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の端子台で、電絶縁性の合成樹脂で構成されたボックス６ａの両面に電源ケーブル用端子部となる差込口６ｂ、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などを有している。
【００２０】
図３は、このように構成された照明器具の電源室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概略構成を示している。
【００２１】
図３において、１１は交流電源で、この交流電源１１は、不図示の商用電源からなっている。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。
【００２２】
全波整流回路１２の正負極の出力端子間には、リップル電流平滑用のコンデンサ１３が接続されている。また、このコンデンサ１３の両端には、フライバックトランスであるスイッチングトランス１４の一次巻線１４ａとスイッチング手段としての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。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。
【００２３】
スイッチングトランス１４の二次巻線１４ｂには、整流平滑手段として図示極性のダイオード１６と平滑コンデンサ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とともに直流出力生成手段を構成し、スイッチングトランス１４の二次巻線１４ｂより発生する交流出力をダイオード１６で整流し、この整流出力を平滑コンデンサ１７により平滑して直流出力として発生する。
【００２４】
整流平滑回路１８の平滑コンデンサ１７の両端には、負荷として、半導体発光素子である複数個（図示例では３個）直列に接続された発光ダイオード１９〜２１（図２で述べたＬＥＤ２ａに相当する。）と抵抗器２２の直列回路が接続されている。
【００２５】
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の直列回路からなるもので、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を検出信号として出力する。
【００２６】
負荷電圧検出回路２３には、調光制御手段として調光制御部２４が接続されている。調光制御部２４は、比較器２５と基準信号出力部２６を有している。比較器２５は、負荷電圧検出回路２３の抵抗器２３１，２３２の接続点に発生する検出信号（負荷電圧Ｖ）と基準信号出力部２６の基準信号Ｖｒｅｆ／ｋを比較し、この比較結果を出力する。基準信号出力部２６には、調光操作部２７が接続されている。この調光操作部２７は、例えばパルス状信号のデューティ比を変えることで異なる調光深度の調光信号ｋを出力するもので、ここでは調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７（調光深度ｋ１が最も浅く、調光深度ｋ７に向かうほど深い）の調光信号ｋを出力する。これにより、基準信号出力部２６は、調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じて変化される基準信号Ｖｒｅｆ／ｋを出力する。
【００２７】
調光制御部２４の比較器２５には、調光制御部２４とともに制御手段を構成する制御回路２８が接続されている。制御回路２８は、不図示の電源部により駆動されるもので、その動作によりスイッチングトランジスタ１５をオンオフさせてスイッチングトランス１４をスイッチング駆動して整流平滑回路１８より発光ダイオード１９〜２１に供給される出力を制御する。この場合、制御回路２８は、調光制御部２４の比較器２５の出力に基づいて、つまり負荷電圧検出回路２３の検出信号（負荷電圧Ｖ）と基準信号出力部２６の基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）との比較結果に基づいて発光ダイオード１９〜２１に供給される出力を制御する。
【００２８】
この場合、電源装置として、図４に示すように調光信号ｋの調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じて異なる負荷特性が得られ、これら調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に対応するそれぞれの負荷特性は、傾き（ΔＶｆ／ΔＩｆ）が負特性の出力インピーダンスにより規定されている。そして、電圧軸上の接点をｂ（＝ｂ１、ｂ２、…ｂ７）、傾き（ΔＶｆ／ΔＩｆ）をａとしたとき、（Ｖｆ）＝−ａ（Ｉｆ）＋ｂの１次関数で表され、ｂ＝（Ｖｆ）＋ａ（Ｉｆ）…（１）の関係が得られる。この場合、ｂ（＝ｂ１、ｂ２、…ｂ７）は、調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じて変化される基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）に相当するもので、これにより（１）式より、所定の傾き（比率）を有する順方向電圧（Ｖｆ）と順方向電流（Ｉｆ）の和が、調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じた一定の基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）に等しくなる関係が得られる。このことは、調光深度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が、図４に示す関係にあるものとすると、負荷特性とＶ−Ｉ特性Ａとの各交差点の動作点付近の出力インピーダンスにおいて、順方向電流Ｉｆがゼロのときに相当する順方向電圧Ｖｆがｂとなる。よって、出力インピーダンス（傾き）を固定しつつ、調光深度に応じてｂを可変する。
【００２９】
一方、このような電源装置は、出力特性（出力インピーダンスＢ０〜Ｂ３）と発光ダイオードのＶ−Ｉ特性との関係は、図５に示すようになっている。この場合、上述したように調光制御により調光深度が深くなり、発光ダイオード１９〜２１の発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になったとき出力特性が定電流要素の強いことが望ましくないことから、定電圧要素を維持するために発光ダイオード１９〜２１の動作点付近（発光ダイオードのＶ−Ｉ特性（図５のＡｃｅｎ、Ａｍａｘ、Ａｍｉｎで示す。）と出力特性の交差点付近の出力インピーダンスが５０ｋΩ以下になるように設定する。なお、図５では、Ｂ３の出力インピーダンスを５０ｋΩとし、Ｂ２〜Ｂ０は、本発明の規定の範囲に含まれるものとする。ここで、出力インピーダンスを５０ｋΩ以下としたのは、５０ｋΩを超えると定電流要素が強まり、発光ダイオードに流れる電流が１ｍＡ以下になって素子インピーダンスが大きくなると、僅かな電流変動でも光出力の変動が大きくなるためで、これに対し、出力インピーダンスを５０ｋΩ以下とすると、定電圧要素が維持されるため、素子インピーダンスが大きくなっても、素子のバラツキや温度特性による動作点のばらつきによる電流変動に影響されることがなくなり、光出力の変動を最小限にできることが実験などにより確認されたからである。
【００３０】
次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。
【００３１】
まず、調光操作部３１より、全光（例えば調光深度ｋ１）の調光信号ｋが出力されると、基準信号出力部２６より調光深度ｋ１に対応する基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）が出力され、図４に示す調光深度ｋ１に対応する負荷特性が得られる。この場合、調光深度ｋ１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との交点が発光ダイオード１９〜２１の動作点ａ１１となる。
【００３２】
そして、この状態で、制御回路２８によるスイッチングトランジスタ１５のオンオフ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、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に電流を流してエネルギーを蓄積し、スイッチングトランジスタ１５のオフで、一次巻線１４ａに蓄積したエネルギーを二次巻線１４ｂを通して放出する。これにより整流平滑回路１８を介して直流出力が発生し、この直流出力により発光ダイオード１９〜２１が点灯される。
【００３３】
この場合、負荷電圧検出回路２３の検出信号（負荷電圧Ｖ）が比較器２５の一方入力端子に入力される。これにより、比較器２５は、負荷電圧検出回路２３の検出信号（負荷電圧Ｖ）と基準信号出力部２６の基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）との比較結果を出力し、この出力に基づいて常にｂ１（＝（Ｖｒｅｆ／ｋ））となるように、制御回路２８により発光ダイオード１９〜２１に供給される出力が制御される。
【００３４】
一方、調光操作部２７より、深い調光、例えば調光深度ｋ７が出力されると、基準信号出力部２６より調光深度ｋ７に対応する基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）が出力され、図４に示す調光深度ｋ７に対応する負荷特性が得られる。この場合、調光深度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との交点が発光ダイオード１９〜２１の動作点ａ１７となる。
【００３５】
この状態で、上述したと同様に制御回路２８によるスイッチングトランジスタ１５のオンオフにより発光ダイオード１９〜２１が点灯される。この場合も、負荷電圧検出回路２３の検出信号（負荷電圧Ｖ）が比較器２５の一方入力端子に入力される。これにより、比較器２５は、負荷電圧検出回路２３の検出信号（負荷電圧Ｖ）と基準信号出力部２６の基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）との比較結果を出力し、この出力に基づいて、常にｂ７（＝（Ｖｒｅｆ／ｋ））となるように、制御回路２８により発光ダイオード１９〜２１に供給される出力が制御される。
【００３６】
なお、上述では、動作点ａ１１、ａ１７についてのみ述べたが、他の動作点ａ１２〜ａ１６についても同様である。
【００３７】
このようにすれば、調光信号ｋにより調光深度をｋ１、ｋ２、…ｋ７の範囲で調整すると、これら調光深度ｋ１、ｋ２、…ｋ７に応じた基準信号（Ｖｒｅｆ／ｋ）に基づき、調光深度が浅い全光に近い領域から調光深度が深い領域に亘って発光ダイオード１９〜２１の点灯を制御するようにした。これにより、調光深度の浅い領域から深い領域までの広い範囲の調光制御を安定して行うことができる。また、調光制御にパルス幅の制御が用いられないことから、特許文献１のパルス幅により調光制御を行うものと比べ、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、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回路構成を簡単にして部品点数を減らすことができ、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もできる。
【００３８】
そして、本発明の電源装置によれば、上述した調光制御により調光深度が深くなり、発光ダイオード１９〜２１の発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になったとき出力特性が定電圧要素を維持するように発光ダイオード１９〜２１の動作点付近の出力インピーダンスが５０ｋΩ以下になるように設定されている。これにより、調光深度が深くなり、発光ダイオード１９〜２１の発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になって素子インピーダンスが、例えば４６Ωもの大きなものになっても、出力特性が定電圧要素を維持されるため、素子のバラツキや温度特性による動作点のばらつきによる電流変動に影響されることがなくなり、素子で消費される電力変動を抑制でき光出力の変動を最小限にできる。また、本発明をスイッチングトランジスタ１５のオンオフにより発光ダイオード１９〜２１を点灯するスイッチング方式のものに適用すると、特に深い調光状態であっても、例えば抵抗負荷のように温度特性による変動が大きくないので、安定した調光状態を得られる。また、規定した出力インピーダンスを維持し易いという利点もある。
【００３９】
（変形例）
上述した実施の形態では、直列接続された発光ダイオード１９〜２１の発光ダイオード１個に対して流れる電流が１ｍＡ以下になったとき出力特性が定電圧要素を維持するように出力インピーダンスを５０ｋΩ以下にする例を述べたが、例えば、マルチチップ型ＳＭＤ（Surface Mounted Device）などで見られる、例えば複数の発光ダイオードを複数並列に接続したものについても、各発光ダイオードに対して流れる電流が１ｍＡ以下になったとき出力特性が定電圧要素を維持するように出力インピーダンス５０ｋΩを並列素子数で除した値とすればよい。つまり、発光ダイオードが２個並列接続される場合は、（５０ｋΩ／２）の２５ｋΩ以下の出力インピーダンスであればよい。
【００４０】
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の電源装置は一例であって、調光機能を有する他の電源装置についても適用できる。また、上述した実施の形態の電源装置は、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、調光深度の切替えは、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、専用信号線を用いたり、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。
【００４１】
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置が適用される照明器具の斜視図。
【図２】第１の実施の形態にかかる電源装置が適用される照明器具の断面図。
【図３】第１の実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示す図。
【図４】第１の実施の形態にかかる電源装置の負荷特性を示す図。
【図５】電源装置の出力インピーダンスと発光ダイオードのＶ―Ｉ特性との関係を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１…器具本体、２…光源部
２ａ…ＬＥＤ、３…電源室、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
２３…負荷電圧検出回路、２４…調光制御部
２５…比較器、２６…基準信号出力部、２７…調光操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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