JP2008226532A - Led駆動回路及びこのled駆動回路を用いたled点灯装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】LEDの輝度を正確に制御するLED点灯回路及びLED点灯システムを提供することを目的とする。
【解決手段】LED点灯回路(1)は、交流電源を整流する整流回路(RB)と、直列LED群(L1)と、通電開始可能電圧検知回路(DT)と、直列LED群(L1)を定電流で駆動する定電流回路(CA)と、定電流回路(CA)及び通電開始可能電圧検知回路(DT)に接続したマイコン(MP1)とからなり、前記マイコン(MP1)は、半サイクル波の立上がり時に通電開始可能電圧検知時点から遅延時間(td)だけ遅延させて調光データに基づいたパルス幅の点灯パルスをオンし、定電流回路(CA)を駆動させて直列LED群(L1)を点灯するとともに、前記半サイクル波の立下り時に、半サイクル波の頂点を挟んで、立上がり時の点灯パルスと対称位置に立上がり時と同じパルス幅で点灯パルスを発生させるよう制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、LEDサイン表示に適用すると好適で調光可能な交流点灯方式のLED駆動回路及びこのLED駆動回路を用いたLED点灯装置に関するものである。
従来の交流点灯方式のLED駆動回路には、図8に示すように、ブリッジ整流回路(RB)、LED、電流増幅回路(DT)からなり、LEDに流れる電流をモニタし、任意の電流以下の間だけLEDを点灯するというものがある(特許文献1参照)。前記LED駆動回路の動作は、電源電圧の半サイクル波における、LEDを点灯させるための電流増幅回路(DT)の駆動動作に必要な電圧を越え、なお且つ電源電圧が低い時点では、電流増幅回路(DT)において抵抗(R3)に流れる電流も少なく、トランジスタ(TR3)はオフしており、このトランジスタ(TR3)がオフしていればトランジスタ(TR2)もオフしていてトランジスタ(TR1)にベース電流が流れ、トランジスタ(TR1)をオンし、LED電流が流れLEDが点灯する。続いて前記電源電圧が上昇し、抵抗(R3)の電流が一定値以上になると、トランジスタ(TR3)がオンし、トランジスタ(TR2)もオンし、トランジスタ(TR1)のベース電流がトランジスタ(TR2)に吸収され、トランジスタ(TR1)がオフしてLEDが消灯するというものである。この消灯状態は電源電圧が低下し、抵抗(R3)に流れる電流が減少し、トランジスタ(TR3)がオフするまで保持される。
また別の例として、そのLED駆動回路が、図9に示すように、ブリッジ整流回路(RB)、LED、電流増幅回路(DT)からなり、LEDに印加される電源電圧をモニタし、一定の電圧以下の間だけ電流を流すという方式がある(特許文献2参照)。このLED駆動回路は、電流増幅回路(DT)において、電源電圧を抵抗(R3)と抵抗(R4)に分圧することによって電圧をモニタし、トランジスタ(TR2)がオフしている間だけトランジスタ(TR1)がオンして、LEDに電流が流れるというものである。
特開平08−148721号公報 特開平08−022579号公報
これら従来技術の点灯回路に共通して見られるのは消費電力を低減することと、回路構成を簡素化することに主眼が置かれ、正確にLEDの輝度を制御する方策が取られてはいない。即ち、特許文献1,2の各電流増幅回路(DT)において、電流または電圧のモニタ回路とLED点灯回路の間に遅延関係がなく、モニタ回路の変化が直ちにLED点灯回路に伝わるため、点灯直後のLED電流と点灯後半の電流値が異なり、LED点灯パルス幅が正確にLEDの輝度に反映されない。例えば一般的な青色ダイオードを例に取ってみると、1mA時の順電圧Vfは約2.7V、60mA時の順電圧Vfは約3.7Vとなっていた場合、その差は1Vあり25個直列にした場合は実に25Vに達する。いま、仮に電流増幅回路(DT)が定電流回路であったとしても、通電開始時点で直ちにオンした場合は電源電圧が通電開始検知後25V上昇するまで定電流動作は行われず、この間のLEDの輝度は点灯パルス幅にリニアに比例せず、調光データを忠実に再現しないという問題がある。
本発明は、LEDの点灯パルス幅が常にLEDの輝度に比例するLED駆動回路及びこのLED駆動回路を用いたLED点灯装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の本発明に係るLED駆動回路は、交流電源を整流する整流回路と、LEDと、このLEDへの通電開始可能電圧を検知する通電開始可能電圧検知回路と、LEDを定電流で駆動する定電流回路と、この定電流回路及び前記通電開始可能電圧検知回路に接続した制御装置とからなり、前記制御装置は、半サイクル波のゼロクロス点及びピーク電圧値を取り込む手段を備え、前記半サイクル波の立上がり時において、通電開始可能電圧検知回路による通電開始可能電圧検知後、定電流回路が定常電流を流せる電圧に達する遅延時間を半サイクル波のゼロクロス点から通電開始可能電圧検知点までの計測時間と半サイクル波のピーク電圧から算出し、前記通電開始可能電圧検知回路による通電開始可能電圧検知時点から所定時間だけ遅延させて、あらかじめ設定された調光データに基づいたパルス幅をもつ点灯パルスをオンし、定電流回路を駆動させてLEDを駆動するとともに、半サイクル波の立下り時において、半サイクル波の頂点を挟んで、立上がり時の点灯パルスと対称位置に立上がり時と同じパルス幅で点灯パルスを発生させるものである。
また、請求項2に記載の本発明に係るLED点灯装置は、請求項1に記載のLED駆動回路を搭載した複数の子機と、この各子機に伝送線で接続し、半サイクル波毎に前記各子機のLED駆動回路にあらかじめ各別に設定された調光データを転送するデータ転送回路を搭載した親機とからなるものである。
以上のように、請求項1に記載のLED駆動回路によれば、直列に配したLEDの数やその種類に関わらず、常にLED全体の順電圧の直近の電圧で駆動できる理想的な電圧領域で点灯パルスをオンするため、より少ない消費電力で、しかも正確に調光することができるという効果を奏する。
また、請求項2に記載のLED点灯装置は、前記請求項1に係る発明の効果に加えて、複数のチャンネルのLEDを半サイクル毎に、調光するため、例えばサイン表示装置に適用すれば、よりスピード感のあるサイン表示が可能となるという効果を奏する。
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面の図1〜図7に基づいて詳細に説明する。ここにおいて、図1はLED駆動回路の回路図、図2は電源電圧とLED駆動タイミングとの関係を示す説明図、図3はLED駆動回路を制御する制御装置であるマイコンのブロック図、図4はLED駆動回路に調光データを供給する親機のブロック図、図5〜図7はLED駆動回路を制御するマイコンのフローチャートである。
LED点灯装置は、それぞれLED駆動回路(1)を搭載してなる例えば100台の子機を伝送線によって、データ転送回路(2)を搭載した1台の親機に接続して構成する。以下に、前記子機と前記親機を順次説明する。
図1〜図3に示すように、子機のLED駆動回路(1)は、商用交流電源に接続され、交流を整流する整流回路(RB)と、この整流回路(RB)に接続されたLEDを直列接続してなる直列LED群(L1)と、この直列LED群(L1)に接続され、直列LED群(L1)への通電開始可能電圧に達した旨の信号を出力する通電開始可能電圧検知回路(DT)と、前記直列LED群(L1)に接続し、直列LED群(L1)を定電流で駆動する定電流回路(CA)と、この定電流回路(CA)及び前記通電開始可能電圧検知回路(DT)に接続した制御装置たるマイコン(MP1)と、このマイコン(MP1)に接続し、後述する親機のデータ転送回路(2)からの半サイクル波のゼロクロス点に同期して送信される調光データ及び半サイクル波のピーク電圧(Vp)値を受信するためのデータ受信回路(RX)とからなる。
図1に示すように、前記LED駆動回路(1)の通電開始可能電圧検知回路(DT)は、直列LED群(L1)のカソードから抵抗(R1)とコンデンサ(C1)を介してフォトカプラ(PH1)の発光側(LED側)に接続されている。そして、整流された半サイクル波の電源電圧が上昇し、直列LED群(L1)の通電開始可能電圧Vsを越える電圧が印加されると、抵抗(R1)とコンデンサ(C1)を介してフォトカプラ(PH1)の発光側(LED側)にコンデンサ(C1)の充電電流が流れ、受光側トランジスタをオンさせ、マイコン(MP1)に対し、アクティブローの割り込みパルスを発生させる(図3参照)。この抵抗(R1)とコンデンサ(C1)の時定数は微小なものであり、直列LED群(L1)を点灯させるだけのエネルギーはなく、またコンデンサ(C1)により直流分はカットされるため、この後、この回路を通じて継続的にLED点灯電流が流れることはない。また、ダイオード(D1)は直列LED群(L1)の供給電圧が十分に低い時点で、次の定電流回路(CA)をオンさせてコンデンサ(C1)の電荷を放電するためのものである。
図1及び図2に示すように、直列LED群(L1)の供給電圧が定電流回路駆動電圧(Vs+Vt)を越えている状態で、マイコン(MP1)が出力ポートをオンし、フォトカプラ(PH2)の発光側(LED側)に電流が流れると受光側(トランジスタ側)がオンしトランジスタ(TR1)にベース電流が流れ、トランジスタ(TR1)がオンし、直列LED群(L1)が点灯を始める。LED電流は抵抗(R2)を流れ、抵抗(R2)の電位が上昇するとトランジスタ(TR2)のベース電流が流れトランジスタ(TR2)をオン状態に遷移させ、トランジスタ(TR1)のベース電流を吸収し、今度はトランジスタ(TR1)のコレクタ電流を減少させる。このように、フォトカプラ(PH2)がオンしている間、抵抗(R2)の値により設定された定常電流が直列LED群(L1)を流れる。点灯パルス幅は、調光データを元にした前記フォトカプラ(PH2)のオンオフによって調節される。図2における(TP)はフォトカプラ(PH2)により発生する点灯パルスを示す。
データ受信回路(RX)は、親機のデータ転送回路(2)から半サイクル波のゼロクロス点に同期して伝送線上から送信される調光データ及び交流のピーク電圧値をマイコン(MP1)に伝える。
図3に示すように、LED駆動回路(1)の制御装置であるマイコン(MP1)は、CPUとROMとRAMとタイマA及びタイマBとを備える。前記CPUは、データ受信回路(RX)からの前記ゼロクロス点及びピーク電圧(Vp)値及び100台の子機に対応する調光データのうち自己の調光データを取り込む手段と、取り込んだデータを収納する収納手段を備えている。そして、前記マイコン(MP1)は、前記ゼロクロス点から通電開始可能電圧(Vs)に上昇するまでの計測時間たる通電開始可能電圧検知時間(ts)と、この通電開始可能電圧検知時間(ts)から定電流回路(CA)が直列LED群(L1)に定常電流を流せる定電流回路駆動電圧(Vs+Vt)、すなわち、前記通電開始可能電圧(Vs)にオフセット(Vt)を加えた電圧に上昇するまでにかかる点灯パルスオン時間(td)とを、前記ゼロクロス点からピーク電圧(Vp)に上昇するまでにかかる時間から算出し、前記点灯パルスオン時間(td)において立上がり、前記収納手段の前記調光データに応じて算出した幅長を有する点灯パルスを発生させる。なお、前記通電開始可能電圧検知時間(ts)から前記点灯パルスオン時間(td)までを以下遅延時間(td−ts)という。また、前記CPUは、半サイクル波の立下り時において、前記立上がり時の定電流回路駆動電圧(Vs+Vt)と、半サイクル波の頂点を対称とした電圧において、立ち上がり時と同じパルス幅で点灯パルスを発生させるよう制御する。前記定電流回路駆動電圧(Vs+Vt)は直列LED群(L1)を点灯する際、点灯パルス幅とLEDの輝度とがリニアに比例する理想的な電位である。
半サイクル波はサイン波形であることから、前記通電開始可能電圧(Vs)からオフセット電圧(Vt)分上昇するまでの前記遅延時間(td−ts)と、半サイクル波のゼロクロス点付近とピーク付近とで変位時間が異なる。そして、点灯パルスオン時間(td)は以下の表1の式(1)、(2)から求める。
Figure 2008226532
また、点灯パルスを発生させた後、半サイクル波の立下り時には、ピーク位置を対称とした立上がり時と同じ点灯パルスを発生させる。この位置は立上がり時と同様に、定電流駆動における理想的な電位である。半サイクル波の立下り時における点灯タイミング時間(tg)は以下の表2の式から求める。
Figure 2008226532
図4に示すように、親機のデータ転送回路(2)は、トランス(TR)と、半サイクル波のピーク電圧(Vp)を検出するピーク検出回路(RD)と、半サイクル波のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路(ZD)と、マイコン(MP2)と、子機のLED駆動回路(1)にデータ転送するための通信ディバイスであるRS485トランシーバ(CD)と、前記LED駆動回路(1)へ転送する調光データを記憶するフラッシュROM(FR)とからなる。前記LED駆動回路(1)の駆動電源を同一の商用駆動電源に接続された前記トランス(TR)の2次側は、前記ピーク検出回路(RD)と前記ゼロクロス検出回路(ZD)とに接続されている。ピーク検出回路(RD)の出力はマイコン(MP2)のアナログ/デジタル変換ポート(AN)に接続され、ゼロクロス検出回路(ZD)はマイコン(MP2)の割り込み端子(INT)に接続されている。また、フラッシュROM(FR)にはLED駆動回路(1)に転送する調光データが記憶されている。
次に、上記LED点灯装置の動作を、図5〜図7に基づき時間経過に沿って説明する。親機のデータ転送回路(2)は、まず、ピーク検出回路(RD)を通じてピーク電圧(Vp)のAD値を記憶する。このAD値は、急峻な電圧変動に影響されないよう、過去16回分の移動平均が施される。データ転送回路(2)は、次に、半サイクル波のゼロクロス点を検出するとマイコン(MP2)の割り込みが発生し、フラッシュROM(FR)に記憶されている調光データと先ほど取得したピーク電圧(Vp)値を含む転送データをRS485トランシーバ(CD)から伝送線を介して、それぞれ固有のアドレスを有する子機(1)に前記アドレスに応じた調光データを各別に転送する。この動作を交流のゼロクロス点に同期して毎回繰り返す。前記転送データは、100台の各子機の各アドレスに対応する100バイトの調光データとピーク電圧(Vp)を有する。
一方、前記子機のLED駆動回路(1)の動作は、伝送線に接続されたデータ受信回路(RX)から前記親機のデータ転送回路(2)の転送データをマイコン(MP1)に入力することから始まる。転送データは、同期符号、調光データ、ピーク電圧(Vp)値の順に配列されてなり、マイコン(MP1)は、前記同期符号をゼロクロス点とし、内部タイマAを作動させ、通電開始検知時間(ts)を計測する。この時点が図2のA点であり、図5のステップ101である。また、その後、受信した調光データを元にパルス点灯時間(tw)を算出し記憶する。
次に、図5に示すように、前記受信データに含まれる調光データのうち自己の調光データを受信し(ステップ102)、この調光データを格納し(ステップ103)、ピーク電圧(VP)値を受信し(ステップ104)、これを格納する(ステップ105)。
続いて、図6に示すように、半サイクル波の電源電圧が上昇し、通電開始可能電圧検知回路(DT)が働くと、マイコン(MP1)に対し、割込みパルスを発生させる(図6のBB)。前記通電開始可能電圧検知による割り込み発生時点で、マイコン(MP1)は先ほどのタイマAを停止し(ステップ106)、整流半サイクル波のゼロクロス点から通電開始可能電圧検知までの通電開始可能電圧検知時間(ts)を確定し、この時間と先だって受信した半サイクル波のピーク電圧(Vp)値に対応する時間から前述の表1における計算式(1)、(2)により遅延時間(td−ts)を計算し、この遅延時間(td−ts)経過後の点灯パルスオン時間(td)を算出し(ステップ107)、このゼロクロス点からの点灯パルスオン時間(td)にタイマB割り込みを発生させるようセットする(ステップ108)。
なお、安価なマイコンでは三角関数等を高速で演算することが難しいため遅延時間(td)の計算に関し、予め演算結果に相当する値をテーブルで用意し、このテーブルを参照することによりタイミングを制御するように構成すればよい。
続いて、図7に示すように、前記遅延時間(td−ts)が経過してマイコン(MP1)のタイマBの割込みが発生する(ステップ109)と、マイコン(MP1)は定電流回路(CA)をオンし(ステップ110)、先ほど受信した調光データから算出したパルス点灯時間(tw)を再度、タイマBにセットする(ステップ111)。この時点が図2のC点である。
続いて、前記パルス点灯時間(tw)が経過してタイマBの割込みが発生する(ステップ112)と、定電流回路(CA)をオフし(ステップ113)、立上がり時の点灯パルスのオフから立下り時の点灯パルスのオンまでの点灯タイミング時間(tg)を表2の計算式(3)に従い算出し、タイマBにセットする(ステップ114)。この時点が図2のD点である。
続いて、前記点灯タイミング時間(tg)が経過してタイマBの割り込みが発生する(ステップ115)と、定電流回路(CA)をオンし(ステップ116)、パルス点灯時間(tw)をタイマBにセットする(ステップ117)。この時点が図2のE点である。
続いて、前記パルス点灯時間(tw)が経過してタイマBの割り込みが発生する(ステップ118)と、定電流回路(CA)をオフし(ステップ119)、放電待機時間(tf)をタイマBにセットし(ステップ120)、LEDの点灯工程を終了する。この時点が図2のF点である。
さらに、電圧が下降し半サイクル波のゼロクロス点に近づき、前記放電待機時間(tf)が経過してタイマBの割り込みが発生する(ステップ121)と、通電開始可能電圧検知回路(DT)に接続されているコンデンサ(C1)が電荷を放電し(ステップ122)、放電時間(th)をタイマBにセットする(ステップ123)。この時点が図2のG点である。そして前記放電時間(th)が経過して(ステップ124)、一連の制御を全て終了し、次の伝送線からの調光データの受信の準備に入る。
上記子機は便宜上1台について説明したが、他の99台の子機にあっても、それぞれ親機のデータ転送回路(2)に前記1台の子機と同様に伝送線上で接続され、それぞれが固有のアドレスを有し、このアドレスに応じた調光データを各別に受信するもので、例えばサイン表示装置に適用した場合、発光色の異なるLEDを組み合せて使用し、各子機における発光色及び発光の強度を調光データに盛り込み様々なLED表示を行うことが可能となる。
本発明の一実施例に係るLED駆動回路の回路図。 電圧とLED駆動タイミングとの関係を示す整流した半サイクル波の拡大図。 LED駆動回路を制御するマイコンのブロック図。 LED駆動回路に調光データを供給する親機のブロック図。 LED駆動回路を制御するマイコンのフローチャート。 LED駆動回路を制御するマイコンのフローチャート。 LED駆動回路を制御するマイコンのフローチャート。 第1の従来例に係るLED駆動回路の回路図。 第2の従来例に係るLED駆動回路の回路図。
符号の説明
(1) LED駆動回路
(2) データ転送回路
(RB) 整流回路
(L1) 直列LED群
(DT) 通電開始可能電圧検知回路
(CA) 定電流回路
(MP1) マイコン
(MP2) マイコン
(RX) データ受信回路
(PH1) フォトカプラ
(PH2) フォトカプラ
(Vp) ピーク電圧
(Vs) 通電開始可能電圧
(Vt) オフセット電圧
(Vs+Vt) 定電流回路駆動電圧
(ts) 通電開始可能電圧検知時間
(td) 点灯パルスオン時間
(td−ts) 遅延時間
(tg) 点灯タイミング時間
(tw) パルス点灯時間

Claims (2)

  1. 交流電源を整流する整流回路と、LEDと、このLEDへの通電開始可能電圧を検知する通電開始可能電圧検知回路と、LEDを定電流で駆動する定電流回路と、この定電流回路及び前記通電開始可能電圧検知回路に接続した制御装置とからなり、前記制御装置は、半サイクル波のゼロクロス点及びピーク電圧値を取り込む手段を備え、前記半サイクル波の立上がり時において、通電開始可能電圧検知回路による通電開始可能電圧検知後、定電流回路が定常電流を流せる電圧に達する遅延時間を半サイクル波のゼロクロス点から通電開始可能電圧検知点までの計測時間と半サイクル波のピーク電圧から算出し、前記通電開始可能電圧検知回路による通電開始可能電圧検知時点から前記遅延時間分だけ遅延させて、あらかじめ設定された調光データに基づいたパルス幅をもつ点灯パルスをオンし、定電流回路を駆動させてLEDを駆動するとともに、半サイクル波の立下り時において、半サイクル波の頂点を挟んで、立上がり時の点灯パルスと対称位置に立上がり時と同じパルス幅で点灯パルスを発生させることを特徴としたLED駆動回路。
  2. 請求項1に記載のLED駆動回路を搭載した複数の子機と、この各子機に伝送線で接続し、半サイクル波毎に前記各子機のLED駆動回路にあらかじめ各別に設定された調光データを転送するデータ転送回路を搭載した親機とからなることを特徴とするLED点灯装置。
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