JP2011108669A - Ｌｅｄ調光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ電流が大きい場合にもノイズが発生しにくく、調光を深くしても明るさにばらつきが出にくいＬＥＤ調光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ負荷４に流れる電流の大きさを可変制御する電流調整手段（定電流回路６）と、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を断続制御するスイッチ手段（トランジスタＱ１）と、調光器１から出力される調光信号を受けて前記電流調整手段と前記スイッチ手段を制御する調光制御手段（マイコン５）とを備えるＬＥＤ調光装置であって、前記調光制御手段は、前記調光器１から出力される調光信号が所定のレベルよりも高輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を連続電流とし、流れる電流の大きさによりＬＥＤ負荷４を調光し、前記調光器１から出力される調光信号が前記所定のレベルよりも低輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させることによりＬＥＤ負荷４を調光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と呼ぶ）を光源とし、調光機能を持つＬＥＤ調光装置に関するものである。

従来のＬＥＤ調光装置として、特許文献１（特開２００３−１５７９８６）に示されているものがある。この従来例は、ＬＥＤへの印加電圧の制御と、ＬＥＤ電流を断続するスイッチ素子によるスイッチング調光とを組み合わせたものである。外部からの調光信号を制御回路で受けて、調光度合いが浅い時（明るいとき）にはＬＥＤへの印加電圧は一定にしてスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹを変化させることにより調光を行ない、調光度合いが深い時（暗いとき）にはスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹは一定にしてＬＥＤに印加する電圧を可変制御して調光するものであった。

ＬＥＤへの印加電圧は一定にして、スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹを変化させることにより調光を行なう場合、スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦの周波数は、ＬＥＤの光がちらついて見えないように高く設定する必要があるが、深い調光時（暗いとき）にはスイッチ素子のＯＮ時間が短くなる。特に０％に近い調光時にはスイッチ素子のＯＮ時間を高精度に制御することが難しいため、スイッチ素子のＯＮ時間を高精度に制御できるところまではスイッチング調光を行ない、それより深い調光では、スイッチ素子のＯＮ時間は一定でＬＥＤ印加電圧を制御して調光を行なうことにより、より深い調光レベルまで調光信号に比例して調光可能としたものである。
特開２００３−１５７９８６号公報

しかし、従来のＬＥＤ調光装置では、ＬＥＤ電流が大きい場合に、ＬＥＤ電流を断続すると、パルス電流が大きなノイズを発生するという問題があった。一方、ＬＥＤに流れる電流を連続電流とし、電流の大きさを制御して調光する場合、電流を小さくしていくと、ＬＥＤ素子のばらつきにより、同じ電流を流しても明るさにばらつきが出てくるという問題があった。

本発明の目的は、ＬＥＤ電流が大きい場合にもノイズが発生しにくく、調光を深くしても明るさにばらつきが出にくいＬＥＤ調光装置を提供することにある。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、ＬＥＤ負荷４に流れる電流の大きさを可変制御する電流調整手段（定電流回路６）と、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を断続制御するスイッチ手段（トランジスタＱ１）と、調光器１から出力される調光信号を受けて前記電流調整手段と前記スイッチ手段を制御する調光制御手段（マイコン５）とを備えるＬＥＤ調光装置であって、前記調光制御手段は、前記調光器１から出力される調光信号が所定のレベルよりも高輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を連続電流とし、流れる電流の大きさによりＬＥＤ負荷４を調光し、前記調光器１から出力される調光信号が前記所定のレベルよりも低輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させることによりＬＥＤ負荷４を調光することを特徴とするものである。

本発明によると、調光が浅く明るいときはＬＥＤ負荷に流れる電流を変化させ、調光が深く暗いときはＬＥＤ負荷に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させて調光することにより、調光が明るいときにノイズが発生しにくく、調光を深くしても明るさにばらつきが出にくいＬＥＤ調光装置を実現できる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路構成を図１に示す。本実施形態は、調光器１と、電源２と、ＬＥＤ点灯装置３と、ＬＥＤ負荷４とから構成される。また、ＬＥＤ点灯装置３は、マイコン５と、定電流回路６と、抵抗Ｒ１と、トランジスタＱ１とから構成される。定電流回路６は、マイコン５からの信号により指定された定電流を流すように構成されている。マイコン５は、調光器１の調光信号を読み取り、トランジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦを制御すると共に定電流回路６の電流値を設定する機能を有する。

マイコン５には、あらかじめ定められた調光レべル（ａ）があり、その調光レベル（ａ）より明るい領域ではトランジスタＱ１をＯＮに固定し、定電流回路６の設定電流を変化させることで調光を行う。これをＤＣ調光モードという。また、その調光レベル（ａ）より暗い領域では、定電流回路６の設定電流を固定し、トランジスタＱ１をＯＮ／ＯＦＦし、そのＤＵＴＹを変化させることにより、調光を行う。これをＤＵＴＹ調光モードという。

本実施形態の動作を図２に示す。図２（イ）は調光信号出力のレベルと光出力の関係、図２（ロ）は調光信号出力のレベルとＬＥＤ電流（ピーク値）の関係、図２（ハ）は調光信号出力のレベルとパルス波形のＤＵＴＹの関係を示している。

調光レベル（ａ）の設定は、ＬＥＤ素子のＶ−Ｉ特性により決定する。あるＬＥＤ素子のＶ−Ｉ特性が、図３のようであったとする。図中、Ｖｆは順方向電圧、Ｉｆは順方向電流である。定格電流時の△Ｖ／△ＩをＡとする。ＬＥＤ素子に流す電流を下げていくと、△Ｖ／△Ｉ（＝Ｂとする）は大きくなっていく。Ｂの値が、Ａの値に対して、３倍〜５倍以上になると、ＬＥＤ素子は不安定になり、ばらつきも大きくなるので、そうならない領域をＤＣ調光モードとするように、図２の調光レベル（ａ）を設定する。また、ＤＵＴＹ調光モード時のピーク電流は、図２（ロ）に示すように、ＤＣ調光モード時の最小電流に設定すると、モードの切り替え部分での調光が連続的となり、スムーズな調光が可能となる。

本実施形態によると、調光レベルが高輝度側の場合に、連続電流で点灯するため、ＬＥＤ電流が大きくなっても、ノイズが発生しにくく、また、調光レベルが低輝度側の場合は、間欠電流で点灯し、ピーク電流は、素子の明るさのばらつきが問題にならないレべルで点灯しているため、調光を深くしても明るさにばらつきが出にくいＬＥＤ調光装置を提供することが可能となった。

なお、調光器１の調光信号出力は、アナログ信号（ＤＣ０Ｖ〜１０Ｖなど）であっても良いし、ＤＵＴＹ信号（１ＫＨｚ、１０Ｖなど）であっても良いし、デジタル信号（ＤＭＸ信号など）であっても良い。また、電源２は、ＡＣであってもＤＣであっても艮い。ＬＥＤ負荷４は、素子１個で構成されたＬＥＤユニットでも良いし、複数のＬＥＤ素子で構成されたＬＥＤユニットであっても良い。

また、ＬＥＤ負荷４に代えて、ＤＣ電源やパルス状の電源で点灯できる負荷であれば任意の負荷に代替可能であり、有機ＥＬなどでも同様の効果を得ることが出来る。

上記ＤＵＴＹ調光モードは、ＬＥＤに流れる電流が矩形波となるが、これは最も効果のある波形であり、パルス状の波形は、サイン波形でも、三角波形でも、平坦なＤＣ波形以外の波形であれば、同様の効果が得られる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路構成を図４に示す。本実施形態は、調光器１と、電源２と、ＬＥＤ点灯装置３と、ＬＥＤ負荷４とから構成される。また、ＬＥＤ点灯装置３は、マイコン５と、定電流回路６と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ素子Ｑ１から構成される。

定電流回路６は、マイコン５からの電圧信号により、指定された定電流を流すように構成されている。マイコン５は、調光器１の調光信号を読み取り、スイッチ素子Ｑ１のＯＮ／ＯＦＦを制御すると共に定電流回路６の電流値を設定する機能を有する。調光器１からの調光信号は照明で一般的に使用されているＤＭＸ信号とするが、ＤＭＸ信号は、調光レべルが２５６レベル（１バイト）であり、ＬＥＤを調光するのに十分ではない。従って、スムーズな調光をするため、データを２バイト使用して、０〜６５５３５の数値データを調光レベルの調光信号とし、０が消灯で、６５５３５が１００％点灯としている。

今、調光器１からの信号が最大値の６５５３５である場合に、マイコン５は、スイッチ素子Ｑ１をＯＦＦして、定電流回路６に最大電流（例えば１Ａ）を流すように指示する。すると、ＬＥＤ負荷４には、１Ａの電流が流れる。次に、約５０％に調光を絞り、調光信号の値として３２７６８を受信したとすると、マイコン５は、定電流回路６に半分の電流５００ｍＡを流すように指示し、ＬＥＤ負荷４の光も約５０％となる。

更に少し調光を絞り、調光信号の値として３２７６７の信号を受信した場合、マイコン５は定電流回路６に流れる電流をゼロにし、スイッチ素子Ｑ１をＯＮする。この場合、スイッチ素子Ｑ１をＯＮした際に、ほぼ５００ｍＡの電流が流れるようにあらかじめ抵抗Ｒ２を設定していれば、この時のＬＥＤ電流は５００ｍＡとなり、ＬＥＤ負荷４の光もほぼ５０％であり、光の変化はほとんど無い。

更に半分に調光を絞り、調光信号の値として１６３８４の信号を受信した場合、スイッチ素子Ｑ１をＯＮ／ＯＦＦし、ＤＵＴＹ５０％とすると、ＬＥＤ負荷４の明るさは約２５％になる。

更に半分に調光を絞り、調光信号の値として８１９２の信号を受信した場合、スイッチ素子Ｑ１をＯＮ／ＯＦＦし、ＤＵＴＹ２５％とすることで、ＬＥＤ負荷４の明るさを１２．５％にすることが出来る。

この際に、スイッチ素子Ｑ１をＯＮ／ＯＦＦする繰り返しの周波数が低いと、ちらつきの原因になるため、一般的には６０Ｈｚ以上の繰り返し周波数が必要である。また、ビデオ撮影などでフリッカが出ないようにするためには、更に高い周波数（３００Ｈｚ以上など）で点滅させる必要がある。

一方、マイコン５の能力に制限が無いとすると、繰り返し周波数の上限はスイッチ素子Ｑ１の応答速度が限界となり、仮にスイッチ素子Ｑ１の応答速度を１０ｎ秒として、０．１％の調光を可能にする場合を想定すると、１／（１０ｎ秒×（１／０．１％））＝１００ｋＨｚが繰り返し周波数の上限となる。しかし、繰り返し周波数を高くすると電力損失が大きくなり、ノイズも出やすくなるので繰り返し周波数については、下限近くの周波数を選択するのが良い。簡単のため、ビデオ撮影などでもフリッカが発生しない周波数として、繰り返し周波数を１０００Ｈｚとする。

引き続き、更に調光を絞り、ＤＵＴＹを１０％（ＬＥＤの光は５％）とすれば、１００μ秒のパルス幅となり、ＤＵＴＹを１％（ＬＥＤの光は０．５％）とすれば、１０μ秒のパルス幅が必要となる。ＬＥＤをスムーズに調光する場合、少なくとも０．１％程度の調光が必要であるので、必要なＤＵＴＹは、０．２％（ＬＥＤの光は０．１％）となり、その際のパルス幅は２μ秒になる。

通常、マイコンでこのパルス幅を実現する場合、高性能のマイコンや、外付けの回路などが必要となり、コストが高くなってしまう。そこで、ＤＵＴＹが２％（ＬＥＤの光は１％）になった時点で、繰り返し周波数を１桁下げて、１００Ｈｚなどの低い周波数に変更すると、パルス幅は２００μ秒となり、ＤＵＴＹ０．２％でも２０μ秒のパルス幅で調光することが可能となる。

本実施形態の動作を図５〜図７に示す。図５は調光信号出力のレベルと光出力の関係、図６は調光信号出力のレベルとＬＥＤ電流（ピーク値）の関係、図７は調光信号出力のレベルとＤＵＴＹの関係を示している。

この場合でも、繰り返し周波数を６０Ｈｚ以上にしておけば、視感上はちらつきが発生しないため問題はない。また、１００Ｈｚなどの低い点滅周波数では、ビデオ撮影などでのフリッカの発生は避けられないが、ビデオ撮影の際の光源として使用される場合は、調光の明るい領域で使用されると考えられるため、これも問題とはならない。

上記構成とすることにより、負荷電流の大きなＬＥＤを調光した際にもノイズの発生が少なく、深くまで調光した際のＬＥＤの光のばらつきを少なくすることが出来、調光比を大きくとり、スムーズな調光が出来るＬＥＤ調光装置を提供することが可能となった。

なお、上記説明においては、調光信号が５０％の時にＤＣ調光モードからＤＵＴＹ調光モードへ、調光信号が１％の時にＤＵＴＹ調光モードの繰り返し周波数を１０００Ｈｚから１００Ｈｚへと切り替えているが、切り替えの調光レベルは、適宜変更することが出来るし、繰り返し周波数の変更についても、更に周波数の種類を増やし、周波数を切り替える調光レベルを多段階に増やしても同様の効果が得られる。また、１０００Ｈｚから１００Ｈｚに切り替えるのではなく、１０００ＨｚでのＯＮパルス幅を固定としたまま、繰り返し周波数を下げて調光する手段（周波数調光）を用いても良い。

（実施形態３）
図８は本発明の実施形態３の全体構成を示す回路図である。本実施形態では、２つのフィードバック制御回路１１，１２を有するフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によりＬＥＤ負荷４の点灯回路を構成している。以下、その回路構成について説明する。

商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）に接続される交流入力端子２１，２２には、過電圧保護素子ＺＮＲが並列接続されると共に、ダイオードブリッジＤＢの交流入力端子が接続されている。ダイオードブリッジＤＢの直流出力端子には、平滑コンデンサＣ１が並列接続されている。

平滑コンデンサＣ１には、駆動回路１４の出力端子Ｑ−Ｇ間を介して絶縁トランスＴ１の１次巻線が接続されている。駆動回路１４は出力端子Ｑ−Ｇ間に図示しないパワーＭＯＳＦＥＴを内蔵しており、出力端子Ｑ−Ｇ間を短絡状態（ＯＮ状態）と開放状態（ＯＦＦ状態）に高周波で切り替えることにより、絶縁トランスＴ１の１次巻線を高周波で励磁する。絶縁トランスＴ１の２次巻線には、整流用のダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ２が接続されている。以上の回路によりＤＣ−ＤＣコンバータ１０を構成している。

出力コンデンサＣ２には、ＬＥＤ負荷４と電流検出抵抗Ｒａとスイッチング素子Ｑ１の直列回路が並列接続されている。スイッチング素子Ｑ１は駆動回路１４によりＯＮ／ＯＦＦ状態を制御され、高輝度出力時には常時ＯＮ状態であり、低輝度出力時には人の眼に感じない程度の周期でＯＮ／ＯＦＦ駆動される。

電流フィードバック制御回路１１は、電流検出抵抗Ｒａの両端電圧を検出し、フィードバック制御切替手段１３を介して駆動回路１４に負荷電流の検出値をフィードバックする。

電圧フィードバック制御回路１２は、出力コンデンサＣ２の両端電圧を検出し、フィードバック制御切替手段１３を介して駆動回路１４に負荷電圧の検出値をフィードバックする。

フィードバック制御切替手段１３は、電流フィードバック制御回路１１と電圧フィードバック制御回路１２の各検出値を入力し、高輝度出力時には電流フィードバック制御回路１１の検出値を駆動回路１４にフィードバックし、低輝度出力時には電圧フィードバック制御回路１２の検出値を駆動回路１４にフィードバックする。

駆動回路１４は調光制御部１５を内蔵している。調光制御部１５は、駆動回路１４の出力端子Ｑ−Ｇ間を高周波でＯＮ／ＯＦＦする周波数やＯＮ時間幅を可変制御すると共に、低輝度出力時には、スイッチング素子Ｑ１を人の眼に感じない程度の周期でＯＮ／ＯＦＦ駆動するための制御信号を生成する。

調光信号入力端子２３，２４には、例えば、周波数１ＫＨｚ、ＤＣ１０Ｖのパルス幅の矩形波信号よりなる調光信号が入力される。この調光信号は、信号変換回路１６により調光信号のＤＵＴＹに応じた電圧信号に変換されて、調光制御部１５及びフィードバック制御切替手段１３に入力される。

調光制御部１５は、調光信号を信号変換回路１６によりＤＣ電圧に変換した信号と、フィードバック制御切替手段１３からのフィードバック信号とが入力され、フィードバック信号が調光レベルに応じた適正な信号レベルとなるような制御を行う。

図９は電流フィードバック制御回路１１の具体例、図１０は電圧フィードバック制御回路１２の具体例、図１１はフィードバック制御切替手段１３の具体例を示している。

図９の電流フィードバック制御回路１１は、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を抵抗Ｒａで電圧に変換し、その電圧をＩＣ１に入力し、そのカソード・アノード間に流れる電流をフォトカプラＰＣ１の発光素子に流し、図１１に示すフォトカプラＰＣ１の受光素子に伝達することで、フィードバック制御を行う方式である。

図１０の電圧フィードバック制御回路１２は、ＬＥＤ負荷４と抵抗Ｒａに印加される負荷電圧を抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧してトランジスタＴｒ１のベースに印加し、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧との差分に応じてトランジスタＴｒ１に流れるコレクタ電流をフォトカプラＰＣ２の発光素子に流し、図１１に示すフォトカプラＰＣ２の受光素子に伝達してフィードバック制御を行う方式である。

図１１のフィードバック制御切替手段１３は、図９に示す電流フィードバック制御回路１１からのフィードバック信号をフォトカプラＰＣ１で受けて、図１０に示す電圧フィードバック制御回路１２からのフィードバック信号をフォトカプラＰＣ２で受けて、調光レベルに応じてスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のいずれか一方をＯＮ、他方をＯＦＦすることにより、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光素子（フォトトランジスタ）のどちらかが駆動回路１４のフィードバック端子ＦＢにフィードバック信号を入力するように構成されている。

スイッチング素子Ｑ２がＯＮ、スイッチング素子Ｑ３がＯＦＦの場合は、定電流フィードバック制御され、スイッチング素子Ｑ１はＯＮ状態で維持される。反対に、スイッチング素子Ｑ２がＯＦＦ、スイッチング素子Ｑ３がＯＮの場合は定電圧フィードバック制御され、コンデンサＣ２の出力電圧が一定という条件の下で、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ可変制御によって調光制御が可能となる。スイッチング素子Ｑ１はＤＵＴＹ調光制御を行う時のＯＮ／ＯＦＦスイッチである。

本実施形態の動作を先述の図２の調光カーブで説明する。図２（イ）は調光信号出力に対する光出力の変化を模擬的に示したもので、調光信号（ＤＵＴＹ比）が１００％の場合が最大光出力になり、０％の場合が調光下限域となることを示している。調光ＤＵＴＹ比（％）に対して、光出力が直線的に低下しているが、特に直線に限らず、ある程度曲線を持った特性でも特に問題は無い。この調光カーブの途中（調光信号ａ％、光出力ｂ）のポイントを制御方式の切替ポイントとし、そのポイントよりも高輝度側の出力のときは、スイッチング素子Ｑ１は常にＯＮ状態で、電流フィードバック制御が掛かった状態である。また、上記ポイントよりも低輝度側の出力のときは、電圧フィードバック制御の掛かった状態であり、スイッチング素子Ｑ１を人の眼に感じない程度の周期でＯＮ／ＯＦＦ駆動し、調光信号に応じてＤＵＴＹ可変制御を行うものである。

同様の制御は、実施形態２（図５〜図７）についても適用でき、スイッチング素子Ｑ１を調光信号に応じてＤＵＴＹ可変制御を行なう調光領域では電圧フィードバック制御を選択し、スイッチング素子Ｑ１をＯＮ状態として電流可変制御により調光を行うＤＣ調光領域では電流フィードバック制御を選択すれば良い。

なお、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のＯＮ／ＯＦＦを切替えるポイントでは、切替時のタイミングにより誤動作、ちらつきなどが発生する場合が有り得るので、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を両方ともＯＮする範囲を設定するか、あるいは、図８のフィードバック制御切替手段１３が電圧フィードバック制御回路１２の検出値を選択しているときに電流フィードバック制御回路１１の検出値を調光制御部１５で同時に参照して、誤動作やちらつきを無くすような制御を行うようにすることも出来る。図１２に概念図として、定電流制御と定電圧制御を同時に行う範囲があっても良いことを示している。

本実施形態では、電流フィードバック制御回路１１、電圧フィードバック制御回路１２の回路方式として、図９、図１０の構成を例示して説明したが、定電流制御、定電圧制御を行う回路方式であれば特に限定したものではない。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０はフライバック型に限らず、フォワード型でも構わない。

本発明の実施形態１の構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施形態１の動作を示す調光特性図である。 本発明の実施形態１の負荷特性を示す特性図である。 本発明の実施形態２の構成を示すブロック回路図である。 本発明の実施形態２の動作を示す調光特性図である。 本発明の実施形態２の動作を示す調光特性図である。 本発明の実施形態２の動作を示す調光特性図である。 本発明の実施形態３の全体構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の動作を示す説明図である。

１ 調光器
２ 電源
３ ＬＥＤ点灯装置
４ ＬＥＤ負荷
５ マイコン
６ 定電流回路
Ｑ１ トランジスタ

Claims (1)

1. ＬＥＤ負荷に流れる電流の大きさを可変制御する電流調整手段と、
   ＬＥＤ負荷に流れる電流を断続制御するスイッチ手段と、
   調光器から出力される調光信号を受けて前記電流調整手段と前記スイッチ手段を制御する調光制御手段とを備えるＬＥＤ調光装置であって、
   前記調光制御手段は、
   前記調光器から出力される調光信号が所定のレベルよりも高輝度側の場合、ＬＥＤ負荷に流れる電流を連続電流とし、流れる電流の大きさによりＬＥＤ負荷を調光し、
   前記調光器から出力される調光信号が前記所定のレベルよりも低輝度側の場合、ＬＥＤ負荷に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させることによりＬＥＤ負荷を調光することを特徴とするＬＥＤ調光装置。

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