直流電源装置、および、これを備えたＬＥＤ照明器具
【課題】ＬＥＤ照明の立ち上がりスピードを遅らせることにより、フラッシュランプのような不快感を与えず、安らぎ感を生じ得るＬＥＤ照明を提供すること。
【解決手段】交流電流を全波整流し、ＬＥＤに対して並列接続された平滑コンデンサＣ３を介して負荷電流を供給する直流電源装置であって、全波整流をスイッチング素子Ｑ１のオンオフ駆動によって直流電流に変換する変換回路２と、負荷電流値を検出する検出器Ｒ４と、スイッチング素子Ｑ１を制御する制御回路４を備える。制御回路４は、目標値を零からフル発光の電流値までｎ段階で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間をｎ分割した分割期間ごとに目標値を１段階ずつ増やす。各分割期間において目標値と負荷電流値を比較してスイッチング素子のオン幅を補正する。補正後のオン幅でスイッチング素子を駆動することで所定時間を掛けてＬＥＤの負荷電流を増やす。
【解決手段】交流電流を全波整流し、ＬＥＤに対して並列接続された平滑コンデンサＣ３を介して負荷電流を供給する直流電源装置であって、全波整流をスイッチング素子Ｑ１のオンオフ駆動によって直流電流に変換する変換回路２と、負荷電流値を検出する検出器Ｒ４と、スイッチング素子Ｑ１を制御する制御回路４を備える。制御回路４は、目標値を零からフル発光の電流値までｎ段階で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間をｎ分割した分割期間ごとに目標値を１段階ずつ増やす。各分割期間において目標値と負荷電流値を比較してスイッチング素子のオン幅を補正する。補正後のオン幅でスイッチング素子を駆動することで所定時間を掛けてＬＥＤの負荷電流を増やす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＡＣ−ＤＣ変換方式の回路構成を有する直流電源装置、および、これを用いたＬＥＤ照明器具に関し、特に、ＬＥＤの発光開始からフル発光までの立ち上がり特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの性能が高くなってきており、寿命が長い等の理由で従来の照明器具がＬＥＤを用いた照明器具に置き換えられる状態にある。今後ＬＥＤの性能がますます向上していけば、汎用の照明器具分野でＬＥＤ照明器具がさらに採用されると期待される。
ＬＥＤ照明器具の電源装置として、回路効率を改善するためにフライバック方式を用いたＡＤ−ＤＣ変換回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のＬＥＤ点灯装置は、商用交流電源（ＡＣ電源）をダイオードブリッジにより全波整流して直流電圧（ＤＣ）にする。そして、直流電圧を所定電圧の直流電力に電力変換してＬＥＤ負荷に供給するようになっている。特許文献１では、変換回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ駆動して、ＬＥＤ負荷側の電圧降下が所定値となるようにオンデューティー（オン幅）をフィードバック制御している。また、特許文献２には、オンデューティーをフィードバック制御する方法として、ＬＥＤ負荷電流と目標電流とを比較してオン幅を変更することが記載されている。
【０００４】
また、ＬＥＤの負荷電流を変化させて調光を行う装置も知られている（例えば、特許文献３の図８参照）。ＬＥＤにスイッチング素子を直列接続し、これをオンオフ駆動してパルス状の負荷電流を供給する。オン幅を変更して、パルス状電流の波形の平均値を変化させることで、調光を行なっている。
【０００５】
また、ＬＥＤに直接接続されたスイッチング素子をオンオフ駆動することによって、ＬＥＤの発光開始からフル発光までの立ち上がり時間を長くする方法も知られている（例えば、特許文献４および５参照）。特許文献４の図４によれば、ＬＥＤの輝度を徐々に高めるため、ＬＥＤ負荷に直接接続されたスイッチング素子を高速にオンオフさせることにより、直流電圧を鋸刃状に変化させ、電圧のピークを徐々に高めている。また、特許文献５の図２の回路によれば、ＬＥＤを徐々に明るくするため、ＬＥＤ負荷に直列接続されたトランジスタのベースバイアス電流を徐々に上げて、負荷電流を徐々に増やしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３０４３８号公報
【特許文献２】特許４０１７９６０号公報
【特許文献３】ＷＯ２００９／０５４２９０号公報
【特許文献４】特開２００２−９３５８７号公報
【特許文献５】特許３５８６０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤ照明は、白熱電球や熱陰極蛍光ランプ等と異なって加熱時間を必要とするフィラメントが存在しないので、フル発光までの立ち上がり時間が非常に短い。このため点灯開始直後に人の目の瞳孔の制御が追い付かず、網膜が強い光にさらされてしまう。その結果、フラッシュランプのような強烈な光が、人に不快感を与えてしまうという問題があった。
【０００８】
ＬＥＤの立ち上がり時間を長くする方法として、特許文献４、５に記載の方法が提案されている。しかし、特許文献４に記載の方法では、ＬＥＤに直接接続されたスイッチング素子をオンオフ駆動することにより立ち上がり時間を長くしているが、立ち上がりの期間にＬＥＤを高速に点滅させているため、ＬＥＤの負担が大きくなっている。また、特許文献５に記載の方法では、ＬＥＤに直接接続されたトランジスタのゲートをゆっくり開くことによって、ドレイン−ソース間を流れる負荷電流を徐々に大きくしている。このようにすると負荷電流値がトランジスタの特性に依存してしまい、長期間使用した場合などで、トランジスタの特性が変化した場合に、ＬＥＤの立ち上がり方が変わってしまうという問題が生じる。
【０００９】
本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ照明の立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることにより、フラッシュランプのような不快感を与えず、安らぎ感を生じ得るＬＥＤ照明を実現すること、および、立ち上がり中にＬＥＤを高速に点滅させることなく立ち上がり時間を長くすることができ、立ち上がり特性の経年変化を生じにくい直流電源装置およびＬＥＤ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】
前記目的を達成するために本発明者は、スイッチング素子のオンオフ制御用マイクロ・コンピュータを用いて、所定時間を掛けて零からフル発光の負荷電流値まで徐々に増えていくパラメータ（目標値ＩM ）を設定して、この目標値に実際に照明負荷を流れる電流（負荷電流値Ｉ）を追従させる制御システムを構築することに取り組んだ。本発明者が鋭意検討を進めた結果、徐々に増えていく目標値と検出される負荷電流値を比較し、その差分に応じてスイッチング素子のオンデューティー（オン幅Ｐ）を補正する制御システムを用いれば、所定時間を掛けて負荷照明が徐々に立ち上がることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る直流電源装置は、交流電流を全波整流し、照明負荷に対して並列接続されたコンデンサを介して、該照明負荷に負荷電流を供給する直流電源装置であって、
前記全波整流後の整流電圧を一次巻線に対する一次電圧として受け、二次巻線の二次電圧を前記コンデンサに印加するトランス、前記一次巻線に直列接続されたスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて整流した電流を前記コンデンサの正極に供給するダイオードを有し、前記コンデンサを充電する充電手段と、
前記照明負荷の負荷電流値を検出する電流検出手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備える。
【００１２】
前記充電手段は、前記スイッチング素子がオン状態の時に、一次電圧により前記トランスのコアにエネルギーを蓄積し、オフ状態で該エネルギーを放出して二次電圧を誘起し、前記ダイオードを介して前記コンデンサを充電する。
また、前記制御手段は、負荷電流の目標値（ＩM ）を定め、該目標値を零からフル発光に必要な電流値（ＩFULL）までｎ段階（ｎは自然数）で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、該ｎ個の分割期間に前記ｎ段階の目標値を対応させて、前記目標値を１段階ずつ増やす目標値変更手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記各分割期間を経過する都度、前記目標値と前記電流検出手段の検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正するオン幅補正手段と、
補正されたオン幅で前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動手段とを有し、前記所定時間を掛けて前記照明負荷の負荷電流を増加させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の直流電源装置では、前記目標値変更手段は、前記フル発光に必要な電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を前記目標値（ＩM ）の微小増分値（ｄＩ）に設定する増分値設定手段と、
前記所定時間をｎ等分した時間を待ち時間に設定する待ち時間設定手段と、
前記待ち時間が経過する都度、前記目標値を微小増分値ずつ増やす目標値更新手段と、を有し、
前記オン幅補正手段は、前記目標値更新手段により前記目標値が更新される毎に、前記目標値と前記検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正することが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の直流電源装置では、前記オン幅補正手段は、前記電流検出手段の検出値（Ｉ）が目標値（ＩM ）より小さければオン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ増やし、該検出値が目標値と同じであればオン幅を変更せず、該検出値が目標値より大きければオン幅を微小増減幅だけ減らすことが好ましい。なお、本発明に係る自然数ｎは、１０以上、１００以下の範囲内のいずれかの値であることが好ましい。
【００１５】
本発明のＬＥＤ照明器具は、前記直流電源装置と、照明負荷としてのＬＥＤ負荷とを備えることを特徴とする。
なお、本発明における照明負荷は、例えばＬＥＤであるが、これに限られず、従来の電源装置を用いた場合に電源投入からフル発光までの立ち上がり時間が０．１秒未満となる照明負荷を指している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の直流電源装置によれば、負荷電流の目標値（ＩM ）を零からフル発光時に必要な電流値（ＩFULL ）までｎ段階で増やすとともに、その目標値が最終値であるＩFULL に達するまでの時間が０．１秒以上、１．０秒以下となるようにしている。そして、目標値を１段階ずつ増やす都度、目標値と負荷電流の検出値（Ｉ）を比較し、その差分に応じてスイッチング素子のオン幅を補正するから、負荷電流が目標値の変化に追従して増加する。従って、０．１秒以上、１．０秒以下という十分な時間を費やして、照明負荷に流れる電流値を零からフル発光時に必要な電流値まで徐々に増やすことができる。その結果、照明負荷の立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることができ、人の目の瞳孔の制御がそれに追い付くので、フラッシュランプのような不快感が生じず、安らぎ感を生じ得る照明器具を実現できる。なお、所定時間の下限を０．１秒としたのは、スイッチング素子に流れる電流の最大値を抑えるためである。人の瞳孔が閉じる平均スピードは０．５秒であるが、立ち上がり時間を０．１秒以上にすれば、人に不快感を与えないで済む。
【００１７】
また、本発明によれば、立ち上がり途中に照明負荷を点滅させることを行わないため、照明負荷への負担が大きくなることはない。さらに、既存の電力変換回路のスイッチング素子を用いて、立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行できるので、電力変換回路が複雑にならない。
本発明の立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行すれば、スイッチング素子に流れる電流値が小さくなり、スイッチング素子に掛かる負担を低減できる。
【００１８】
例えば、フル発光時に必要な負荷電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を１ループ当りの微小増分値（ｄＩ）とし、また、目標値が最終値であるＩFULL に達するまでの時間をｎ等分して、これを１ループ当りの待ち時間とする。そして、１ループ毎に、目標値を微小増分値ずつ増やし、その目標値と負荷電流の検出値とを比較して、オン幅の補正を実行すればよい。このようなループ処理を繰り返し実行すれば、一定の割合で徐々に増える目標値に追従して、負荷電流を徐々に増やす制御が可能になる。
【００１９】
また、目標値が各段階の値になった時に、オン幅の補正を実行するが、例えば、検出値が目標値を下回っていれば、オン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ微増させ、目標値と同じであればオン幅を変えず、目標値を上回っていればオン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ微減させるようにしてもよい。目標値は段階的に大きくなっていくが、オン幅は負荷電流の検出値に応じて増減しながら、徐々に大きくなっていくので、目標値の増加に対する負荷電流の追従性を確保できる。
また、オン幅の増減幅に呼応するスイッチング素子の電流の変化量が、経年変化や環境変化によってばらついたとしても、本発明では負荷電流値をフィードバックしてオン幅の補正を実行するので、経年変化や環境変化による照明負荷の立ち上がり特性の変化が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態にかかるＬＥＤ照明器具の全体回路図である。
【図２】前記ＬＥＤ照明器具の制御回路のシステム構成図である。
【図３】前記ＬＥＤ照明器具の制御回路のフローチャートである。
【図４】従来のＬＥＤ照明器具の立ち上がり特性図である。
【図５】本実施形態のＬＥＤ照明の立ち上がり特性図である。
【図６】従来のＬＥＤ照明器具の立ち上がり時にスイッチング素子に流れる電流の波形図である。
【図７】本実施形態のＬＥＤ照明の立ち上がり時にスイッチング素子に流れる電流の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。図１に本実施形態に係るＬＥＤ照明器具の全体構成を示す。ＬＥＤ照明器具は、交流電流を用いて直流電流を生成する直流電源装置１０、および、直流電源装置１０から負荷電流を供給されて点灯するＬＥＤ負荷（以降ＬＥＤと示す）を有して構成されている。
【００２２】
本発明のポイントとなる直流電源装置１０の制御システムに関して詳しく説明する。直流電源装置１０は、図１に示すように、ダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路ＤＢと、ＬＥＤに対して並列接続された平滑コンデンサＣ３（電解コンデンサ）と、全波整流回路ＤＢの後段に接続され整流電流を電力変換して平滑コンデンサＣ３を充電する充電回路２と、この充電回路２を制御する制御手段４とを有する。充電回路２は、フライバック・コンバータと呼ばれ、平滑コンデンサＣ３を介して一定電流をＬＥＤに供給する。また、充電回路２は、力率改善回路としても機能し、全波整流回路ＤＢに入力される交流電流を歪みのない正弦波に整形することができる回路である。
【００２３】
充電回路２は、具体的にバイパスコンデンサＣ１と、フライバック・トランスＴ１と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ２とを有する。バイパスコンデンサＣ１は、全波整流回路ＤＢの出力端同士を結ぶもので、全波整流回路ＤＢからの整流電流を部分平滑するため、および、スイッチング素子Ｑ１のオンオフ駆動により断続された電流の影響がＡＣ電源側に及ぶことを防止するために設けられている。トランスＴ１は、全波整流後の整流電圧Ｖ１を一次電圧として二次電圧を平滑コンデンサＣ３に印加するように設けられている。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ１は、トランスＴ１の一次巻線Ｔ１ａに直列接続されていて、オンオフ駆動により二次巻線Ｔ１ｂに二次電圧を誘起させる。スイッチング素子Ｑ１のドレイン側端子は、一次巻線Ｔ１ａに接続され、Ｑ１のソース側端子は、全波整流回路ＤＢの負極端子側であるグランドラインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１にはＮチャネルのエンハンスメント形のＭＯＳＦＥＴを使用する。制御回路４に設けられている駆動回路１４からスイッチング素子Ｑ１のゲートに駆動電流が供給されてゲート電圧が生じると、ドレイン−ソース間に電流が流れる。この状態をスイッチング素子Ｑ１のオン状態という。一方、ゲートに駆動電流が供給されず、ドレイン電流が流れない状態をオフ状態という。
【００２５】
ダイオードＤ２は、二次巻線Ｔ１ｂに直列接続されて二次電流を整流し、整流後の二次電流を平滑コンデンサＣ３の正極に供給する。
また、全波整流回路ＤＢからの整流電圧の分圧ＶＲ２を検出するための抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路が、充電回路２のバイパスコンデンサＣ１の端子間を結んでいる。
【００２６】
充電回路２にはノイズ除去回路３が設けられている。ノイズ除去回路３は、ダイオードＤ１およびノイズ除去コンデンサＣ２の直列回路と、抵抗Ｒ３とを有して構成されている。直列回路（Ｄ１およびＣ２）は、トランスＴ１の一次巻線の両端子を結ぶように接続されている。ここで、ダイオードＤ１のアノード側端子は、一次巻線Ｔ１ａとスイッチング素子Ｑ１の接続点につながれ、カソード側端子はノイズ除去コンデンサＣ２に接続される。ノイズ除去コンデンサＣ２および抵抗Ｒ３は並列回路を形成している。
【００２７】
充電回路２は以上のように構成され、平滑コンデンサＣ３に整流電流に基づくエネルギーを蓄積する。そして平滑コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーによってＬＥＤに負荷電流Ｉが供給されるようになっている。この充電回路２は本発明の充電手段に相当する。
【００２８】
平滑コンデンサＣ３の負極側とＬＥＤとの結線上には、ＬＥＤに流れる負荷電流Ｉを検出するための抵抗Ｒ４が配設され、この抵抗Ｒ４が本発明の電流検出手段を構成する。
【００２９】
制御回路４は、図２に示すように、マイクロ・コンピュータ（ＣＰＵ）６と、整流電圧の分圧ＶＲ２の検出用のＡＤコンバータ８と、負荷電流Ｉの検出用のＡＤコンバータ１２と、スイッチング素子Ｑ１に駆動電流を供給するＦＥＴ駆動回路１４と、ＲＯＭ１６およびＲＡＭ１８を有し、スイッチング素子Ｑ１の駆動制御システムを構築している。
【００３０】
ＡＤコンバータ８は、分圧ＶＲ２の瞬時値の絶対値を検出する。本実施形態では、バイパスコンデンサＣ１の端子電圧である整流電圧が抵抗Ｒ２、Ｒ１によって分圧されて、ＡＤコンバータ８が認識可能な電圧レベルに落とされる。ＡＤコンバータ８は、分圧された電圧をアナログデータとして検出して、これをＣＰＵで認識可能なデジタルデータ（数値）に変換し、これをＣＰＵに向けて出力する。同様に、負荷電流Ｉは、ＡＤコンバータ１２でデジタルデータに変換されてＣＰＵに入力される。
【００３１】
ＣＰＵは、検出された分圧ＶＲ２に基づいてスイッチング周期を決定するとともに、抵抗Ｒ４を介して検出されたＬＥＤの負荷電流値Ｉに基づいてオン幅Ｐ（オン状態の時間）を決定する。ＣＰＵは、決定されたスイッチング周期とオン幅Ｐの指令信号をＭＯＳＦＥＴ駆動回路１４に送る。
【００３２】
駆動回路１４は、指令信号に基づいてスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１を駆動する駆動電流を供給して、決定されたスイッチング周期とオン幅Ｐでスイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動させる。なお、駆動回路１４は、スイッチング素子Ｑ１への駆動電流を停止する間は、回路内で消費される電力がゼロとなるように設計されている。
【００３３】
制御回路４は、以上のように構成され、ＬＥＤに流れる電流の定電流制御を行ないつつ力率改善制御も同時に実行するようにスイッチング素子Ｑ１のスイッチングを高周波数制御する。すなわち、制御回路４は、検出された負荷電流値Ｉが予め設定されている電流値に近づくようにスイッチング素子Ｑ１のスイッチングのオン幅Ｐを制御する。スイッチング素子Ｑ１のオン状態では、全波整流電流がトランスＴ１の磁性体に磁場のエネルギーとして蓄積され、オフ状態では二次側に誘起される二次電圧に基づいて電流が流れ、平滑コンデンサＣ３が充電される。制御回路４によるオン幅Ｐの調整により、負荷電流Ｉの定電流制御が実行され、ＬＥＤの電流値を安定させている。
【００３４】
また、制御回路４は、交流電源ＡＣから流れ込む入力電流の電流波形を正弦波に近似させるために、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの周期（スイッチングのオン幅＋スイッチングのオフ幅）を例えば整流電圧の分圧ＶＲ２の瞬時値に比例するように制御することで力率改善を行なっている。
【００３５】
＜ＬＥＤの立ち上がり時の負荷電流制御＞
本発明で特徴的なことは、図２に示すように、上記の制御回路４をベースとしてＣＰＵに目標値変更手段６２およびオン幅補正手段６４を設けて、ＬＥＤの立ち上がり時のオン幅Ｐを、検出される負荷電流値Ｉと目標値ＩMの比較結果に基づいて補正することにした点にある。
【００３６】
ＣＰＵの目標値変更手段６２は、負荷電流の目標値ＩM を定め、目標値ＩM を零からフル発光に必要な電流値ＩFULL までｎ段階（ｎは自然数）で変更する。また、目標値変更手段６２は、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、目標値を前述のｎ段階の目標値に対応させて１段階ずつ増やす。
【００３７】
オン幅補正手段６４は、ｎ個の分割期間において目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正する。このような制御回路４を用いれば、ＣＰＵで補正されたオン幅Ｐに基づいて、ＦＥＴ駆動回路１４がスイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動するので、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を掛けて負荷電流Ｉが徐々に増える。すなわち、負荷電流の目標値ＩM を零からフル発光時に必要な電流値ＩFULL までｎ段階で増やすとともに、目標値ＩM が最終の電流値ＩFULL に達するまでの時間を０．１秒以上、１．０秒以下にしている。そして、目標値ＩM を１段階ずつ増やす都度、目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正するから、負荷電流Ｉが目標値ＩM の変化に追従して増加する。
【００３８】
本実施形態の直流電源装置１０によれば、０．１秒以上、１．０秒以下という十分な時間を費やして、ＬＥＤに流れる負荷電流値Ｉを零からフル発光の電流値ＩFULL まで徐々に増やすことができる。その結果、ＬＥＤの立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることができ、人の目の瞳孔の制御がそれに追い付くので、フラッシュランプのような不快感が生じず、安らぎ感を生じ得る照明器具を実現できる。
【００３９】
ここで、目標値変更手段６２の具体的な構成としては、図２に示すように、増分値設定手段６６と、待ち時間設定手段６８と、目標値更新手段７２とを有して構成するとよい。増分値設定手段６６は、フル発光に必要な電流値ＩFULL をｎ等分した値を１ループ当たりの微小増分値ｄＩに設定する。フル発光の電流値ＩFULL は、ＬＥＤに流す負荷電流の最終値になる。本実施形態では、フル発光の電流値データＩFULL は、予め、個々のＬＥＤの特性に応じて設定され、この電流値を何等分するかのｎ値とともにＲＯＭに記憶されている。増分値設定手段６６は、フル発光の電流値ＩFULLおよびｎ値を用いて微小増分値ｄＩを定めてＲＯＭに記憶させる。
【００４０】
待ち時間設定手段６８は、上記のｎ値と用いて所定時間をｎ等分して、１ループ当たりの待ち時間を設定し、ＲＯＭに記憶させる。所定時間については、０．１秒以上、１．０秒以下の範囲から、個々のＬＥＤ特性に応じて決定された設定値がＲＯＭに記憶されている。
【００４１】
目標値更新手段７２は、待ち時間が経過する都度、目標値ＩM を微小増分値ｄＩずつ増やし、更新した目標値ＩM をＲＡＭに記憶させる。
【００４２】
オン幅補正手段６４は、目標値更新手段７２により目標値ＩM が更新される毎に、目標値ＩM と検出された負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正するようになっている。なお、オン幅補正手段６４は、予めオン幅Ｐの補正値として微小増減幅ｄＰを設定し、ＲＯＭに記憶させている。
【００４３】
図３のフローチャートを用いて、ＣＰＵ６の動作を説明する。電源オフの状態では、目標値ＩM が零に設定されている。まず、電源オン（Ｓ０）で、目標値ＩM を設定し、初期目標値を微小増分値ｄＩにする（Ｓ１）。ここで、電源オンとは充電回路２に全波整流電圧が印加された時点を意味する。ＣＰＵは検出用ＡＤコンバータ８からの分圧ＶＲ２のデータ変化に基づいて、充電回路２に全波整流電圧が印加された時点を認識できる。
【００４４】
次に、現在の目標値ＩM とフル発光の電流値ＩFULL とを比較し（Ｓ２）、ＩM ＜ＩFULL であれば、目標値ＩM に微小増分値ｄＩを加算する（Ｓ３）。一方、ＩM ＝ＩFULL またはＩM ＞ＩFULL であれば、目標値ＩM を変更しないで次の処理に進む。
【００４５】
次に、電流検出手段（抵抗Ｒ４）からの負荷電流値Ｉを読み込む（Ｓ４）。そして負荷電流値Ｉと目標値ＩM とを比較する（Ｓ５）。ここでは、オン幅補正手段６４が、電流検出手段で検出される負荷電流値Ｉが目標値ＩM より小さいと判断すれば、オン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ増やす（Ｓ６）。負荷電流値Ｉが目標値ＩM と同じであればオン幅Ｐを変更しない。負荷電流値Ｉが目標値ＩM より大きければオン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ減らす（Ｓ７）。オン幅補正手段６４は補正したオン幅Ｐの信号をＦＥＴ駆動回路１４へ出力する。
【００４６】
なお、ＣＰＵ６は、目標値ＩM とフル発光の電流値ＩFULL との比較処理（Ｓ２）から、オン幅Ｐの補正処理（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７）までを１ループとして、待ち時間毎に繰り返し実行する。繰り返し処理は、ＣＰＵが電源オフの状態を認識するまで実行される。本実施形態では待ち時間を例えば１０ミリ秒とした。この待ち時間の間隔で目標値ＩM を段階的に増やしても、時間間隔が微小であるため、目標値ＩM の変化に伴う光束の変化が人の目で検出されずに済む。このような理由で、待ち時間は、目標値ＩM の変化に伴う光束の変化を人の目が検出し難い程度の短時間に設定されるとよい。その上で、できる限り最大の時間間隔が得られるように待ち時間を設定するとよい。待ち時間を１０ミリ秒として負荷電流制御を実行した場合に、電源投入からフル発光までの立ち上がり時間を０．１秒以上、１．０秒以下にするため、ｎ値（自然数）を１０以上、１００以下の範囲で設定する。
【００４７】
本実施形態によれば、フル発光時に必要な負荷電流値ＩFULL をｎ等分した値を１ループ当りの微小増分値ｄＩとし、また、目標値ＩM が最終値の電流値ＩFULL に達するまでの時間をｎ等分して、これを１ループ当りの待ち時間としている。そして、１ループ毎に、目標値ＩM を微小増分値ｄＩずつ増やし、その都度、目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較して、オン幅Ｐの補正を実行することができる。このようなループ処理を繰り返し実行すれば、目標値ＩM に追従するように負荷電流Ｉを一定の割合で徐々に増やすことができる。
【００４８】
目標値ＩM が各段階の値になった時に、オン幅Ｐの補正を実行するが、図３のフローチャートのように負荷電流値Ｉが目標値ＩM を下回っていれば、オン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ微増させたり、目標値ＩM と同じであればオン幅Ｐを変えなかったり、目標値ＩM を上回っていればオン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ微減させたりする。このように、実際の負荷電流値Ｉをフィードバックしてオン幅Ｐを補正するので、負荷電流Ｉが目標値ＩM から大きく外れてしまうことがなく、目標値ＩM の変化に対する負荷電流Ｉの追従性が良好になる。
【００４９】
図４、図５を用いて、本発明の直流電源装置１０を用いた場合の効果を説明する。図４は、従来の直流電源装置１０を用いてＬＥＤを立ち上げた場合の、立ち上がり時の光束の変化を時間経過で示したグラフである。ＬＥＤは、フル発光までの立ち上がり時間が非常に短い特性があるので、その特性のままＬＥＤを用いれば、図４のように非常に短時間で立ち上がりが完了する。これに対して図５は、本発明の直流電源装置１０を用いてＬＥＤを立ち上げた場合を同様に示したグラフである。本発明によれば、目標値変更手段６２とオン幅補正手段６４の動作により、立ち上がり時間を、白熱電球のような従来照明の立ち上がり時間のレベルまで延ばすことができる。
【００５０】
また、本発明によれば、既存のＡＣ−ＤＣ変換回路のスイッチング素子Ｑ１を用いて、立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行できる。図６、図７を用いて、本発明の直流電源装置１０を用いた場合のスイッチング素子Ｑ１の負担軽減効果について説明する。図６は、従来の直流電源装置を用いてＬＥＤを点灯した場合の、立ち上がり途中のスイッチング素子Ｑ１に流れる電流値を時間経過で示したグラフである。従来タイプでは、立ち上がり途中での一周期が約１９μ秒で、オン幅Ｐが約４.５μ秒となっており、オンデューティーは約２４％である。そしてスイッチング素子に流れる最大電流値は３．４４Ａである。これに対して図７は、本発明の直流電源装置１０を用いた場合を同様に示したグラフである。本発明によれば、立ち上がり途中での一周期が約１３．５μ秒となり、従来より短周期ではあるが、オン幅Ｐが約２μ秒と従来よりも短く、オンデューティーが約１５％となっている。その結果、スイッチング素子Ｑ１に流れる最大電流値は１．０８Ａとなり、従来の３．４４Ａと比べて約３分の１まで小さくなる。このように、オン幅Ｐを調整してＬＥＤの立ち上がり時間を長くした場合に、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流値を小さくすることができ、スイッチング素子Ｑ１の負担を軽減でき、装置の長寿命化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５１】
２ 充電回路（充電手段）
４ 制御回路（制御手段）
１０ 直流電源装置
１４ ＦＥＴ駆動回路
６２ 目標値変更手段
６４ オン幅補正手段
ＡＣ 交流電源
Ｃ１ バイパスコンデンサ
Ｃ２ ノイズ除去コンデンサ
Ｃ３ 平滑コンデンサ
ＤＢ 全波整流回路（ダイオードブリッジ）
Ｄ２ ダイオード
ＬＥＤ ＬＥＤ負荷（照明負荷）
Ｔ１ フライバック・トランス
Ｑ１ スイッチング素子
Ｒ４ 抵抗（電流検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明はＡＣ−ＤＣ変換方式の回路構成を有する直流電源装置、および、これを用いたＬＥＤ照明器具に関し、特に、ＬＥＤの発光開始からフル発光までの立ち上がり特性の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの性能が高くなってきており、寿命が長い等の理由で従来の照明器具がＬＥＤを用いた照明器具に置き換えられる状態にある。今後ＬＥＤの性能がますます向上していけば、汎用の照明器具分野でＬＥＤ照明器具がさらに採用されると期待される。
ＬＥＤ照明器具の電源装置として、回路効率を改善するためにフライバック方式を用いたＡＤ−ＤＣ変換回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のＬＥＤ点灯装置は、商用交流電源（ＡＣ電源）をダイオードブリッジにより全波整流して直流電圧（ＤＣ）にする。そして、直流電圧を所定電圧の直流電力に電力変換してＬＥＤ負荷に供給するようになっている。特許文献１では、変換回路に設けられたスイッチング素子をオンオフ駆動して、ＬＥＤ負荷側の電圧降下が所定値となるようにオンデューティー（オン幅）をフィードバック制御している。また、特許文献２には、オンデューティーをフィードバック制御する方法として、ＬＥＤ負荷電流と目標電流とを比較してオン幅を変更することが記載されている。
【０００４】
また、ＬＥＤの負荷電流を変化させて調光を行う装置も知られている（例えば、特許文献３の図８参照）。ＬＥＤにスイッチング素子を直列接続し、これをオンオフ駆動してパルス状の負荷電流を供給する。オン幅を変更して、パルス状電流の波形の平均値を変化させることで、調光を行なっている。
【０００５】
また、ＬＥＤに直接接続されたスイッチング素子をオンオフ駆動することによって、ＬＥＤの発光開始からフル発光までの立ち上がり時間を長くする方法も知られている（例えば、特許文献４および５参照）。特許文献４の図４によれば、ＬＥＤの輝度を徐々に高めるため、ＬＥＤ負荷に直接接続されたスイッチング素子を高速にオンオフさせることにより、直流電圧を鋸刃状に変化させ、電圧のピークを徐々に高めている。また、特許文献５の図２の回路によれば、ＬＥＤを徐々に明るくするため、ＬＥＤ負荷に直列接続されたトランジスタのベースバイアス電流を徐々に上げて、負荷電流を徐々に増やしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３０４３８号公報
【特許文献２】特許４０１７９６０号公報
【特許文献３】ＷＯ２００９／０５４２９０号公報
【特許文献４】特開２００２−９３５８７号公報
【特許文献５】特許３５８６０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤ照明は、白熱電球や熱陰極蛍光ランプ等と異なって加熱時間を必要とするフィラメントが存在しないので、フル発光までの立ち上がり時間が非常に短い。このため点灯開始直後に人の目の瞳孔の制御が追い付かず、網膜が強い光にさらされてしまう。その結果、フラッシュランプのような強烈な光が、人に不快感を与えてしまうという問題があった。
【０００８】
ＬＥＤの立ち上がり時間を長くする方法として、特許文献４、５に記載の方法が提案されている。しかし、特許文献４に記載の方法では、ＬＥＤに直接接続されたスイッチング素子をオンオフ駆動することにより立ち上がり時間を長くしているが、立ち上がりの期間にＬＥＤを高速に点滅させているため、ＬＥＤの負担が大きくなっている。また、特許文献５に記載の方法では、ＬＥＤに直接接続されたトランジスタのゲートをゆっくり開くことによって、ドレイン−ソース間を流れる負荷電流を徐々に大きくしている。このようにすると負荷電流値がトランジスタの特性に依存してしまい、長期間使用した場合などで、トランジスタの特性が変化した場合に、ＬＥＤの立ち上がり方が変わってしまうという問題が生じる。
【０００９】
本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ照明の立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることにより、フラッシュランプのような不快感を与えず、安らぎ感を生じ得るＬＥＤ照明を実現すること、および、立ち上がり中にＬＥＤを高速に点滅させることなく立ち上がり時間を長くすることができ、立ち上がり特性の経年変化を生じにくい直流電源装置およびＬＥＤ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】
前記目的を達成するために本発明者は、スイッチング素子のオンオフ制御用マイクロ・コンピュータを用いて、所定時間を掛けて零からフル発光の負荷電流値まで徐々に増えていくパラメータ（目標値ＩM ）を設定して、この目標値に実際に照明負荷を流れる電流（負荷電流値Ｉ）を追従させる制御システムを構築することに取り組んだ。本発明者が鋭意検討を進めた結果、徐々に増えていく目標値と検出される負荷電流値を比較し、その差分に応じてスイッチング素子のオンデューティー（オン幅Ｐ）を補正する制御システムを用いれば、所定時間を掛けて負荷照明が徐々に立ち上がることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る直流電源装置は、交流電流を全波整流し、照明負荷に対して並列接続されたコンデンサを介して、該照明負荷に負荷電流を供給する直流電源装置であって、
前記全波整流後の整流電圧を一次巻線に対する一次電圧として受け、二次巻線の二次電圧を前記コンデンサに印加するトランス、前記一次巻線に直列接続されたスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて整流した電流を前記コンデンサの正極に供給するダイオードを有し、前記コンデンサを充電する充電手段と、
前記照明負荷の負荷電流値を検出する電流検出手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備える。
【００１２】
前記充電手段は、前記スイッチング素子がオン状態の時に、一次電圧により前記トランスのコアにエネルギーを蓄積し、オフ状態で該エネルギーを放出して二次電圧を誘起し、前記ダイオードを介して前記コンデンサを充電する。
また、前記制御手段は、負荷電流の目標値（ＩM ）を定め、該目標値を零からフル発光に必要な電流値（ＩFULL）までｎ段階（ｎは自然数）で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、該ｎ個の分割期間に前記ｎ段階の目標値を対応させて、前記目標値を１段階ずつ増やす目標値変更手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記各分割期間を経過する都度、前記目標値と前記電流検出手段の検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正するオン幅補正手段と、
補正されたオン幅で前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動手段とを有し、前記所定時間を掛けて前記照明負荷の負荷電流を増加させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の直流電源装置では、前記目標値変更手段は、前記フル発光に必要な電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を前記目標値（ＩM ）の微小増分値（ｄＩ）に設定する増分値設定手段と、
前記所定時間をｎ等分した時間を待ち時間に設定する待ち時間設定手段と、
前記待ち時間が経過する都度、前記目標値を微小増分値ずつ増やす目標値更新手段と、を有し、
前記オン幅補正手段は、前記目標値更新手段により前記目標値が更新される毎に、前記目標値と前記検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正することが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の直流電源装置では、前記オン幅補正手段は、前記電流検出手段の検出値（Ｉ）が目標値（ＩM ）より小さければオン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ増やし、該検出値が目標値と同じであればオン幅を変更せず、該検出値が目標値より大きければオン幅を微小増減幅だけ減らすことが好ましい。なお、本発明に係る自然数ｎは、１０以上、１００以下の範囲内のいずれかの値であることが好ましい。
【００１５】
本発明のＬＥＤ照明器具は、前記直流電源装置と、照明負荷としてのＬＥＤ負荷とを備えることを特徴とする。
なお、本発明における照明負荷は、例えばＬＥＤであるが、これに限られず、従来の電源装置を用いた場合に電源投入からフル発光までの立ち上がり時間が０．１秒未満となる照明負荷を指している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の直流電源装置によれば、負荷電流の目標値（ＩM ）を零からフル発光時に必要な電流値（ＩFULL ）までｎ段階で増やすとともに、その目標値が最終値であるＩFULL に達するまでの時間が０．１秒以上、１．０秒以下となるようにしている。そして、目標値を１段階ずつ増やす都度、目標値と負荷電流の検出値（Ｉ）を比較し、その差分に応じてスイッチング素子のオン幅を補正するから、負荷電流が目標値の変化に追従して増加する。従って、０．１秒以上、１．０秒以下という十分な時間を費やして、照明負荷に流れる電流値を零からフル発光時に必要な電流値まで徐々に増やすことができる。その結果、照明負荷の立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることができ、人の目の瞳孔の制御がそれに追い付くので、フラッシュランプのような不快感が生じず、安らぎ感を生じ得る照明器具を実現できる。なお、所定時間の下限を０．１秒としたのは、スイッチング素子に流れる電流の最大値を抑えるためである。人の瞳孔が閉じる平均スピードは０．５秒であるが、立ち上がり時間を０．１秒以上にすれば、人に不快感を与えないで済む。
【００１７】
また、本発明によれば、立ち上がり途中に照明負荷を点滅させることを行わないため、照明負荷への負担が大きくなることはない。さらに、既存の電力変換回路のスイッチング素子を用いて、立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行できるので、電力変換回路が複雑にならない。
本発明の立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行すれば、スイッチング素子に流れる電流値が小さくなり、スイッチング素子に掛かる負担を低減できる。
【００１８】
例えば、フル発光時に必要な負荷電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を１ループ当りの微小増分値（ｄＩ）とし、また、目標値が最終値であるＩFULL に達するまでの時間をｎ等分して、これを１ループ当りの待ち時間とする。そして、１ループ毎に、目標値を微小増分値ずつ増やし、その目標値と負荷電流の検出値とを比較して、オン幅の補正を実行すればよい。このようなループ処理を繰り返し実行すれば、一定の割合で徐々に増える目標値に追従して、負荷電流を徐々に増やす制御が可能になる。
【００１９】
また、目標値が各段階の値になった時に、オン幅の補正を実行するが、例えば、検出値が目標値を下回っていれば、オン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ微増させ、目標値と同じであればオン幅を変えず、目標値を上回っていればオン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ微減させるようにしてもよい。目標値は段階的に大きくなっていくが、オン幅は負荷電流の検出値に応じて増減しながら、徐々に大きくなっていくので、目標値の増加に対する負荷電流の追従性を確保できる。
また、オン幅の増減幅に呼応するスイッチング素子の電流の変化量が、経年変化や環境変化によってばらついたとしても、本発明では負荷電流値をフィードバックしてオン幅の補正を実行するので、経年変化や環境変化による照明負荷の立ち上がり特性の変化が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態にかかるＬＥＤ照明器具の全体回路図である。
【図２】前記ＬＥＤ照明器具の制御回路のシステム構成図である。
【図３】前記ＬＥＤ照明器具の制御回路のフローチャートである。
【図４】従来のＬＥＤ照明器具の立ち上がり特性図である。
【図５】本実施形態のＬＥＤ照明の立ち上がり特性図である。
【図６】従来のＬＥＤ照明器具の立ち上がり時にスイッチング素子に流れる電流の波形図である。
【図７】本実施形態のＬＥＤ照明の立ち上がり時にスイッチング素子に流れる電流の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。図１に本実施形態に係るＬＥＤ照明器具の全体構成を示す。ＬＥＤ照明器具は、交流電流を用いて直流電流を生成する直流電源装置１０、および、直流電源装置１０から負荷電流を供給されて点灯するＬＥＤ負荷（以降ＬＥＤと示す）を有して構成されている。
【００２２】
本発明のポイントとなる直流電源装置１０の制御システムに関して詳しく説明する。直流電源装置１０は、図１に示すように、ダイオードブリッジなどで構成される全波整流回路ＤＢと、ＬＥＤに対して並列接続された平滑コンデンサＣ３（電解コンデンサ）と、全波整流回路ＤＢの後段に接続され整流電流を電力変換して平滑コンデンサＣ３を充電する充電回路２と、この充電回路２を制御する制御手段４とを有する。充電回路２は、フライバック・コンバータと呼ばれ、平滑コンデンサＣ３を介して一定電流をＬＥＤに供給する。また、充電回路２は、力率改善回路としても機能し、全波整流回路ＤＢに入力される交流電流を歪みのない正弦波に整形することができる回路である。
【００２３】
充電回路２は、具体的にバイパスコンデンサＣ１と、フライバック・トランスＴ１と、スイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤ２とを有する。バイパスコンデンサＣ１は、全波整流回路ＤＢの出力端同士を結ぶもので、全波整流回路ＤＢからの整流電流を部分平滑するため、および、スイッチング素子Ｑ１のオンオフ駆動により断続された電流の影響がＡＣ電源側に及ぶことを防止するために設けられている。トランスＴ１は、全波整流後の整流電圧Ｖ１を一次電圧として二次電圧を平滑コンデンサＣ３に印加するように設けられている。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ１は、トランスＴ１の一次巻線Ｔ１ａに直列接続されていて、オンオフ駆動により二次巻線Ｔ１ｂに二次電圧を誘起させる。スイッチング素子Ｑ１のドレイン側端子は、一次巻線Ｔ１ａに接続され、Ｑ１のソース側端子は、全波整流回路ＤＢの負極端子側であるグランドラインに接続されている。スイッチング素子Ｑ１にはＮチャネルのエンハンスメント形のＭＯＳＦＥＴを使用する。制御回路４に設けられている駆動回路１４からスイッチング素子Ｑ１のゲートに駆動電流が供給されてゲート電圧が生じると、ドレイン−ソース間に電流が流れる。この状態をスイッチング素子Ｑ１のオン状態という。一方、ゲートに駆動電流が供給されず、ドレイン電流が流れない状態をオフ状態という。
【００２５】
ダイオードＤ２は、二次巻線Ｔ１ｂに直列接続されて二次電流を整流し、整流後の二次電流を平滑コンデンサＣ３の正極に供給する。
また、全波整流回路ＤＢからの整流電圧の分圧ＶＲ２を検出するための抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路が、充電回路２のバイパスコンデンサＣ１の端子間を結んでいる。
【００２６】
充電回路２にはノイズ除去回路３が設けられている。ノイズ除去回路３は、ダイオードＤ１およびノイズ除去コンデンサＣ２の直列回路と、抵抗Ｒ３とを有して構成されている。直列回路（Ｄ１およびＣ２）は、トランスＴ１の一次巻線の両端子を結ぶように接続されている。ここで、ダイオードＤ１のアノード側端子は、一次巻線Ｔ１ａとスイッチング素子Ｑ１の接続点につながれ、カソード側端子はノイズ除去コンデンサＣ２に接続される。ノイズ除去コンデンサＣ２および抵抗Ｒ３は並列回路を形成している。
【００２７】
充電回路２は以上のように構成され、平滑コンデンサＣ３に整流電流に基づくエネルギーを蓄積する。そして平滑コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーによってＬＥＤに負荷電流Ｉが供給されるようになっている。この充電回路２は本発明の充電手段に相当する。
【００２８】
平滑コンデンサＣ３の負極側とＬＥＤとの結線上には、ＬＥＤに流れる負荷電流Ｉを検出するための抵抗Ｒ４が配設され、この抵抗Ｒ４が本発明の電流検出手段を構成する。
【００２９】
制御回路４は、図２に示すように、マイクロ・コンピュータ（ＣＰＵ）６と、整流電圧の分圧ＶＲ２の検出用のＡＤコンバータ８と、負荷電流Ｉの検出用のＡＤコンバータ１２と、スイッチング素子Ｑ１に駆動電流を供給するＦＥＴ駆動回路１４と、ＲＯＭ１６およびＲＡＭ１８を有し、スイッチング素子Ｑ１の駆動制御システムを構築している。
【００３０】
ＡＤコンバータ８は、分圧ＶＲ２の瞬時値の絶対値を検出する。本実施形態では、バイパスコンデンサＣ１の端子電圧である整流電圧が抵抗Ｒ２、Ｒ１によって分圧されて、ＡＤコンバータ８が認識可能な電圧レベルに落とされる。ＡＤコンバータ８は、分圧された電圧をアナログデータとして検出して、これをＣＰＵで認識可能なデジタルデータ（数値）に変換し、これをＣＰＵに向けて出力する。同様に、負荷電流Ｉは、ＡＤコンバータ１２でデジタルデータに変換されてＣＰＵに入力される。
【００３１】
ＣＰＵは、検出された分圧ＶＲ２に基づいてスイッチング周期を決定するとともに、抵抗Ｒ４を介して検出されたＬＥＤの負荷電流値Ｉに基づいてオン幅Ｐ（オン状態の時間）を決定する。ＣＰＵは、決定されたスイッチング周期とオン幅Ｐの指令信号をＭＯＳＦＥＴ駆動回路１４に送る。
【００３２】
駆動回路１４は、指令信号に基づいてスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１を駆動する駆動電流を供給して、決定されたスイッチング周期とオン幅Ｐでスイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動させる。なお、駆動回路１４は、スイッチング素子Ｑ１への駆動電流を停止する間は、回路内で消費される電力がゼロとなるように設計されている。
【００３３】
制御回路４は、以上のように構成され、ＬＥＤに流れる電流の定電流制御を行ないつつ力率改善制御も同時に実行するようにスイッチング素子Ｑ１のスイッチングを高周波数制御する。すなわち、制御回路４は、検出された負荷電流値Ｉが予め設定されている電流値に近づくようにスイッチング素子Ｑ１のスイッチングのオン幅Ｐを制御する。スイッチング素子Ｑ１のオン状態では、全波整流電流がトランスＴ１の磁性体に磁場のエネルギーとして蓄積され、オフ状態では二次側に誘起される二次電圧に基づいて電流が流れ、平滑コンデンサＣ３が充電される。制御回路４によるオン幅Ｐの調整により、負荷電流Ｉの定電流制御が実行され、ＬＥＤの電流値を安定させている。
【００３４】
また、制御回路４は、交流電源ＡＣから流れ込む入力電流の電流波形を正弦波に近似させるために、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングの周期（スイッチングのオン幅＋スイッチングのオフ幅）を例えば整流電圧の分圧ＶＲ２の瞬時値に比例するように制御することで力率改善を行なっている。
【００３５】
＜ＬＥＤの立ち上がり時の負荷電流制御＞
本発明で特徴的なことは、図２に示すように、上記の制御回路４をベースとしてＣＰＵに目標値変更手段６２およびオン幅補正手段６４を設けて、ＬＥＤの立ち上がり時のオン幅Ｐを、検出される負荷電流値Ｉと目標値ＩMの比較結果に基づいて補正することにした点にある。
【００３６】
ＣＰＵの目標値変更手段６２は、負荷電流の目標値ＩM を定め、目標値ＩM を零からフル発光に必要な電流値ＩFULL までｎ段階（ｎは自然数）で変更する。また、目標値変更手段６２は、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、目標値を前述のｎ段階の目標値に対応させて１段階ずつ増やす。
【００３７】
オン幅補正手段６４は、ｎ個の分割期間において目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正する。このような制御回路４を用いれば、ＣＰＵで補正されたオン幅Ｐに基づいて、ＦＥＴ駆動回路１４がスイッチング素子Ｑ１をオンオフ駆動するので、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を掛けて負荷電流Ｉが徐々に増える。すなわち、負荷電流の目標値ＩM を零からフル発光時に必要な電流値ＩFULL までｎ段階で増やすとともに、目標値ＩM が最終の電流値ＩFULL に達するまでの時間を０．１秒以上、１．０秒以下にしている。そして、目標値ＩM を１段階ずつ増やす都度、目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正するから、負荷電流Ｉが目標値ＩM の変化に追従して増加する。
【００３８】
本実施形態の直流電源装置１０によれば、０．１秒以上、１．０秒以下という十分な時間を費やして、ＬＥＤに流れる負荷電流値Ｉを零からフル発光の電流値ＩFULL まで徐々に増やすことができる。その結果、ＬＥＤの立ち上がりスピードを白熱電球のような従来照明の立ち上がりスピードのレベルまで遅らせることができ、人の目の瞳孔の制御がそれに追い付くので、フラッシュランプのような不快感が生じず、安らぎ感を生じ得る照明器具を実現できる。
【００３９】
ここで、目標値変更手段６２の具体的な構成としては、図２に示すように、増分値設定手段６６と、待ち時間設定手段６８と、目標値更新手段７２とを有して構成するとよい。増分値設定手段６６は、フル発光に必要な電流値ＩFULL をｎ等分した値を１ループ当たりの微小増分値ｄＩに設定する。フル発光の電流値ＩFULL は、ＬＥＤに流す負荷電流の最終値になる。本実施形態では、フル発光の電流値データＩFULL は、予め、個々のＬＥＤの特性に応じて設定され、この電流値を何等分するかのｎ値とともにＲＯＭに記憶されている。増分値設定手段６６は、フル発光の電流値ＩFULLおよびｎ値を用いて微小増分値ｄＩを定めてＲＯＭに記憶させる。
【００４０】
待ち時間設定手段６８は、上記のｎ値と用いて所定時間をｎ等分して、１ループ当たりの待ち時間を設定し、ＲＯＭに記憶させる。所定時間については、０．１秒以上、１．０秒以下の範囲から、個々のＬＥＤ特性に応じて決定された設定値がＲＯＭに記憶されている。
【００４１】
目標値更新手段７２は、待ち時間が経過する都度、目標値ＩM を微小増分値ｄＩずつ増やし、更新した目標値ＩM をＲＡＭに記憶させる。
【００４２】
オン幅補正手段６４は、目標値更新手段７２により目標値ＩM が更新される毎に、目標値ＩM と検出された負荷電流値Ｉを比較し、その差分に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン幅Ｐを補正するようになっている。なお、オン幅補正手段６４は、予めオン幅Ｐの補正値として微小増減幅ｄＰを設定し、ＲＯＭに記憶させている。
【００４３】
図３のフローチャートを用いて、ＣＰＵ６の動作を説明する。電源オフの状態では、目標値ＩM が零に設定されている。まず、電源オン（Ｓ０）で、目標値ＩM を設定し、初期目標値を微小増分値ｄＩにする（Ｓ１）。ここで、電源オンとは充電回路２に全波整流電圧が印加された時点を意味する。ＣＰＵは検出用ＡＤコンバータ８からの分圧ＶＲ２のデータ変化に基づいて、充電回路２に全波整流電圧が印加された時点を認識できる。
【００４４】
次に、現在の目標値ＩM とフル発光の電流値ＩFULL とを比較し（Ｓ２）、ＩM ＜ＩFULL であれば、目標値ＩM に微小増分値ｄＩを加算する（Ｓ３）。一方、ＩM ＝ＩFULL またはＩM ＞ＩFULL であれば、目標値ＩM を変更しないで次の処理に進む。
【００４５】
次に、電流検出手段（抵抗Ｒ４）からの負荷電流値Ｉを読み込む（Ｓ４）。そして負荷電流値Ｉと目標値ＩM とを比較する（Ｓ５）。ここでは、オン幅補正手段６４が、電流検出手段で検出される負荷電流値Ｉが目標値ＩM より小さいと判断すれば、オン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ増やす（Ｓ６）。負荷電流値Ｉが目標値ＩM と同じであればオン幅Ｐを変更しない。負荷電流値Ｉが目標値ＩM より大きければオン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ減らす（Ｓ７）。オン幅補正手段６４は補正したオン幅Ｐの信号をＦＥＴ駆動回路１４へ出力する。
【００４６】
なお、ＣＰＵ６は、目標値ＩM とフル発光の電流値ＩFULL との比較処理（Ｓ２）から、オン幅Ｐの補正処理（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７）までを１ループとして、待ち時間毎に繰り返し実行する。繰り返し処理は、ＣＰＵが電源オフの状態を認識するまで実行される。本実施形態では待ち時間を例えば１０ミリ秒とした。この待ち時間の間隔で目標値ＩM を段階的に増やしても、時間間隔が微小であるため、目標値ＩM の変化に伴う光束の変化が人の目で検出されずに済む。このような理由で、待ち時間は、目標値ＩM の変化に伴う光束の変化を人の目が検出し難い程度の短時間に設定されるとよい。その上で、できる限り最大の時間間隔が得られるように待ち時間を設定するとよい。待ち時間を１０ミリ秒として負荷電流制御を実行した場合に、電源投入からフル発光までの立ち上がり時間を０．１秒以上、１．０秒以下にするため、ｎ値（自然数）を１０以上、１００以下の範囲で設定する。
【００４７】
本実施形態によれば、フル発光時に必要な負荷電流値ＩFULL をｎ等分した値を１ループ当りの微小増分値ｄＩとし、また、目標値ＩM が最終値の電流値ＩFULL に達するまでの時間をｎ等分して、これを１ループ当りの待ち時間としている。そして、１ループ毎に、目標値ＩM を微小増分値ｄＩずつ増やし、その都度、目標値ＩM と負荷電流値Ｉを比較して、オン幅Ｐの補正を実行することができる。このようなループ処理を繰り返し実行すれば、目標値ＩM に追従するように負荷電流Ｉを一定の割合で徐々に増やすことができる。
【００４８】
目標値ＩM が各段階の値になった時に、オン幅Ｐの補正を実行するが、図３のフローチャートのように負荷電流値Ｉが目標値ＩM を下回っていれば、オン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ微増させたり、目標値ＩM と同じであればオン幅Ｐを変えなかったり、目標値ＩM を上回っていればオン幅Ｐを微小増減幅ｄＰだけ微減させたりする。このように、実際の負荷電流値Ｉをフィードバックしてオン幅Ｐを補正するので、負荷電流Ｉが目標値ＩM から大きく外れてしまうことがなく、目標値ＩM の変化に対する負荷電流Ｉの追従性が良好になる。
【００４９】
図４、図５を用いて、本発明の直流電源装置１０を用いた場合の効果を説明する。図４は、従来の直流電源装置１０を用いてＬＥＤを立ち上げた場合の、立ち上がり時の光束の変化を時間経過で示したグラフである。ＬＥＤは、フル発光までの立ち上がり時間が非常に短い特性があるので、その特性のままＬＥＤを用いれば、図４のように非常に短時間で立ち上がりが完了する。これに対して図５は、本発明の直流電源装置１０を用いてＬＥＤを立ち上げた場合を同様に示したグラフである。本発明によれば、目標値変更手段６２とオン幅補正手段６４の動作により、立ち上がり時間を、白熱電球のような従来照明の立ち上がり時間のレベルまで延ばすことができる。
【００５０】
また、本発明によれば、既存のＡＣ−ＤＣ変換回路のスイッチング素子Ｑ１を用いて、立ち上がりスピードを遅らせる制御を実行できる。図６、図７を用いて、本発明の直流電源装置１０を用いた場合のスイッチング素子Ｑ１の負担軽減効果について説明する。図６は、従来の直流電源装置を用いてＬＥＤを点灯した場合の、立ち上がり途中のスイッチング素子Ｑ１に流れる電流値を時間経過で示したグラフである。従来タイプでは、立ち上がり途中での一周期が約１９μ秒で、オン幅Ｐが約４.５μ秒となっており、オンデューティーは約２４％である。そしてスイッチング素子に流れる最大電流値は３．４４Ａである。これに対して図７は、本発明の直流電源装置１０を用いた場合を同様に示したグラフである。本発明によれば、立ち上がり途中での一周期が約１３．５μ秒となり、従来より短周期ではあるが、オン幅Ｐが約２μ秒と従来よりも短く、オンデューティーが約１５％となっている。その結果、スイッチング素子Ｑ１に流れる最大電流値は１．０８Ａとなり、従来の３．４４Ａと比べて約３分の１まで小さくなる。このように、オン幅Ｐを調整してＬＥＤの立ち上がり時間を長くした場合に、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流値を小さくすることができ、スイッチング素子Ｑ１の負担を軽減でき、装置の長寿命化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５１】
２ 充電回路（充電手段）
４ 制御回路（制御手段）
１０ 直流電源装置
１４ ＦＥＴ駆動回路
６２ 目標値変更手段
６４ オン幅補正手段
ＡＣ 交流電源
Ｃ１ バイパスコンデンサ
Ｃ２ ノイズ除去コンデンサ
Ｃ３ 平滑コンデンサ
ＤＢ 全波整流回路（ダイオードブリッジ）
Ｄ２ ダイオード
ＬＥＤ ＬＥＤ負荷（照明負荷）
Ｔ１ フライバック・トランス
Ｑ１ スイッチング素子
Ｒ４ 抵抗（電流検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電流を全波整流し、照明負荷に対して並列接続されたコンデンサを介して、該照明負荷に負荷電流を供給する直流電源装置であって、
前記全波整流後の整流電圧を一次巻線に対する一次電圧として受け、二次巻線の二次電圧を前記コンデンサに印加するトランス、前記一次巻線に直列接続されたスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて整流した電流を前記コンデンサの正極に供給するダイオードを有し、前記コンデンサを充電する充電手段と、
前記照明負荷の負荷電流値を検出する電流検出手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記スイッチング素子がオン状態の時に、一次電圧により前記トランスのコアにエネルギーを蓄積し、オフ状態で該エネルギーを放出して二次電圧を誘起し、前記ダイオードを介して前記コンデンサを充電し、
前記制御手段は、負荷電流の目標値（ＩM ）を定め、該目標値を零からフル発光に必要な電流値（ＩFULL ）までｎ段階（ｎは自然数）で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、該ｎ個の分割期間に前記ｎ段階の目標値を対応させて、前記目標値を１段階ずつ増やす目標値変更手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記各分割期間を経過する都度、前記目標値と前記電流検出手段の検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正するオン幅補正手段と、
補正されたオン幅で前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動手段とを有し、前記所定時間を掛けて前記照明負荷の負荷電流を増加させることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の直流電源装置において、前記目標値変更手段は、
前記フル発光に必要な電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を前記目標値（ＩM ）の微小増分値（ｄＩ）に設定する増分値設定手段と、
前記所定時間をｎ等分した時間を待ち時間に設定する待ち時間設定手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記待ち時間ずつ経過する都度、前記目標値を微小増分値ずつ増やす目標値更新手段と、を有し、
前記オン幅補正手段は、前記目標値更新手段により前記目標値が増加する都度、前記目標値と前記検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正することを特徴とする直流電源装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の直流電源装置において、前記オン幅補正手段は、
前記電流検出手段の検出値（Ｉ）が前記目標値（ＩM ）より小さければ前記オン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ増やし、前記検出値が前記目標値と同じであれば前記オン幅を変更せず、前記検出値が前記目標値より大きければ前記オン幅を前記微小増減幅だけ減らすことを特徴とする直流電源装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の直流電源装置において、前記自然数ｎは１０以上、１００以下の範囲内のいずれかの値であることを特徴とする直流電源装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の直流電源装置と、照明負荷としてのＬＥＤ負荷と、を備えることを特徴とするＬＥＤ照明器具。
【請求項１】
交流電流を全波整流し、照明負荷に対して並列接続されたコンデンサを介して、該照明負荷に負荷電流を供給する直流電源装置であって、
前記全波整流後の整流電圧を一次巻線に対する一次電圧として受け、二次巻線の二次電圧を前記コンデンサに印加するトランス、前記一次巻線に直列接続されたスイッチング素子、および、前記二次巻線に直列接続されて整流した電流を前記コンデンサの正極に供給するダイオードを有し、前記コンデンサを充電する充電手段と、
前記照明負荷の負荷電流値を検出する電流検出手段と、
前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する制御手段と、を備え、
前記充電手段は、前記スイッチング素子がオン状態の時に、一次電圧により前記トランスのコアにエネルギーを蓄積し、オフ状態で該エネルギーを放出して二次電圧を誘起し、前記ダイオードを介して前記コンデンサを充電し、
前記制御手段は、負荷電流の目標値（ＩM ）を定め、該目標値を零からフル発光に必要な電流値（ＩFULL ）までｎ段階（ｎは自然数）で変更するとともに、０．１秒以上、１．０秒以下の所定時間を分割したｎ個の分割期間を用いて、該ｎ個の分割期間に前記ｎ段階の目標値を対応させて、前記目標値を１段階ずつ増やす目標値変更手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記各分割期間を経過する都度、前記目標値と前記電流検出手段の検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正するオン幅補正手段と、
補正されたオン幅で前記スイッチング素子をオンオフ駆動する駆動手段とを有し、前記所定時間を掛けて前記照明負荷の負荷電流を増加させることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の直流電源装置において、前記目標値変更手段は、
前記フル発光に必要な電流値（ＩFULL ）をｎ等分した値を前記目標値（ＩM ）の微小増分値（ｄＩ）に設定する増分値設定手段と、
前記所定時間をｎ等分した時間を待ち時間に設定する待ち時間設定手段と、
照明負荷の発光開始からの時間が前記待ち時間ずつ経過する都度、前記目標値を微小増分値ずつ増やす目標値更新手段と、を有し、
前記オン幅補正手段は、前記目標値更新手段により前記目標値が増加する都度、前記目標値と前記検出値（Ｉ）を比較し、差分に応じて前記スイッチング素子のオン幅（Ｐ）を補正することを特徴とする直流電源装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の直流電源装置において、前記オン幅補正手段は、
前記電流検出手段の検出値（Ｉ）が前記目標値（ＩM ）より小さければ前記オン幅（Ｐ）を微小増減幅（ｄＰ）だけ増やし、前記検出値が前記目標値と同じであれば前記オン幅を変更せず、前記検出値が前記目標値より大きければ前記オン幅を前記微小増減幅だけ減らすことを特徴とする直流電源装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の直流電源装置において、前記自然数ｎは１０以上、１００以下の範囲内のいずれかの値であることを特徴とする直流電源装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の直流電源装置と、照明負荷としてのＬＥＤ負荷と、を備えることを特徴とするＬＥＤ照明器具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８５９２３（Ｐ２０１２−１８５９２３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４６４２６（Ｐ２０１１−４６４２６）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００１２６２７４）株式会社アイ・ライティング・システム (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００１２６２７４）株式会社アイ・ライティング・システム (56)
【Ｆターム（参考）】
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