JP2011243669A - Ｌｅｄ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
パルス制御でＬＥＤを点滅させる場合も、極めて簡単な制御で、点灯時にはその立上時間を短縮させ、消灯時にはＬＥＤで生ずる発熱量を抑える。
【解決手段】
直流の電源電圧が印加される主回路（３）に、電流制御素子（４）、ＬＥＤアレイ（５）及び電流検出抵抗（R_Ｓ）が直列に配され、検出された電流が一定に維持されるように電流制御素子（４）をコントロールする定電流回路（６）が設けられている。
ＬＥＤアレイ（５）に対して並列に接続されたバイパス回路（７）に、消灯時に導通するスイッチング素子（８）と、消灯時に流れる電流を制限する電流制限抵抗（R_Ｌ）が直列に接続され、定電流回路（６）は、電流を検出するプラス側入力端子（６Ｐ）を電流制限抵抗（R_Ｌ）を介して電流検出抵抗（R_Ｓ）のプラス側に接続すると共に、マイナス側入力端子（６Ｍ）をグランド（Ｇ）に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源となる発光ダイオード（ＬＥＤ）を点灯させるＬＥＤ駆動装置に関し、特に、製品検査用画像処理装置のような高速応答性を要求されるＬＥＤ照明装置に用いて好適である。

近年、各種工業製品の製造ラインにおいては、画像を用いた製品識別装置や製品検査装置が組み込まれており、画像処理の高速化に伴って、高速で流れる全ての製品について、瞬時に形状判断を行うことも可能となってきている。
このような場合に、画像を短時間で連続的に取り込む必要があり、そのためにＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とした照明装置を用いている。
ＬＥＤを連続点灯させると、撮像していない間点灯させることによるエネルギーロスがあるだけでなく、連続点灯によりＬＥＤが発熱するという問題がある。
このため、通常は、例えば製品が撮像位置に到来するタイミングでシャッターが切られるデジタルカメラに同期させて、ＬＥＤをパルス発光させることにより、エネルギーロスや発熱を抑えて、高速で画像取込をしている。

図４はこのようなＬＥＤ照明装置の一般的な駆動装置を示すもので、画像処理で用いられるＬＥＤ照明の場合、ＬＥＤの輝度値の均一性を担保するために定電流回路を用いて制御を行うことが多い。
１以上のＬＥＤを配列して成るＬＥＤアレイ４１を点灯させる駆動装置４２は、主電源４３から電源を供給する電源回路４４に定電流回路４５が介装されている。
この定電流回路４５は、電源回路４４を流れる電流に応じた検出電圧を出力する電流検出抵抗４６と、ＬＥＤアレイ４１を点灯させる点灯電流を目標電流とし、これに応じた基準電圧を発生する基準電圧発生器４７と、前記検出電圧と基準電圧を比較して検出電圧が基準電圧と一致するように電界効果トランジスタでなる電流制御素子４８に制御信号を出力する比較回路４９を備えている。
そして、ＬＥＤアレイ４１を所定のタイミングで点滅させるため、電源回路４４及び定電流回路４５のいずれか一方にスイッチＳ_１又はＳ_２を設けている。
これによれば、スイッチＳ_１及びＳ_２のいずれか一方を設け、これをデジタルカメラ（図示せず）のシャッターのタイミングに合わせてオンオフすることにより、ＬＥＤアレイ４１を点滅させることができる。

しかしながら、電源回路４４に設けたスイッチＳ_１をオンオフさせてＬＥＤを点滅させる場合は、スイッチＳ_１が遮断されて電源回路４４に電流を流していないときでも、定電流回路４５の比較回路４９が常時駆動状態にあり、検出電圧が０に維持されて基準電圧まで上昇しないことから、比較回路４９から電流制御素子４８に対して最大制御電圧が印加されることとなる。
この状態で、スイッチＳ_１を導通させてＬＥＤを点灯させると、電流制御素子４８により過大電流（ラッシュ電流）が流されるため、ＬＥＤの寿命を縮める原因となり好ましくない。また、安定するまでにも時間がかかるため、高速応答性に限界がある。

また、定電流回路４５に設けたスイッチＳ_２をオンオフさせて、電流制御用素子４８のゲート／ソース間を短絡することにより電流制御素子４８のスイッチングを行い、ＬＥＤを点滅させることもできるが、この場合も、比較回路４９を常時駆動させた状態でＬＥＤを点滅させるため、過大電流については解消できない。

そこで、図５に示すように、定電流電源回路５１に介装されたＬＥＤ５２の両端子間にＬＥＤ５２の閾値電圧よりも低い定電圧を順方向に印加する定電圧回路５３を接続して、この定電圧回路５３にスイッチ５４を介装すると共に、スイッチ５４の導通時の定電圧回路５３の回路抵抗が、ＬＥＤ５２の回路抵抗よりも小さく設計したものが提案されている（特許文献１参照）。

これによれば、スイッチ５４を遮断させたときに、定電流電源回路５１からＬＥＤ５２を点灯させる点灯電流が供給されるのでＬＥＤ５２が点灯し、消灯時にスイッチ５４を導通させれば、定電流電源回路５１から供給される電流は回路抵抗の小さい定電圧回路５３に流れ込むためＬＥＤ５２は消灯され、これと同時にＬＥＤ５２の両端には定電圧回路５３よりに閾値電圧より低い待機電圧が印加されてＬＥＤ５２に浮遊容量が蓄積されるので、ＬＥＤ５１の点灯時に立上時間を短縮させることができる。

しかしながら、電源回路５１と定電圧回路５３で閉回路が形成されており、定電圧回路５３により定電流電源回路５１に対し逆バイアス電圧が印加されるので、その時点における定電流電源回路５１の電圧と定電圧回路５３の電圧との差圧分が定電流電源回路５１に印加され、発熱の原因となる。
この特許文献１は光通信用光源としてのＬＥＤ５２のドライバ回路であり、１個のＬＥＤの点滅制御を行えば足りるから、差圧も少なく、ＬＥＤ５２に流す電流もせいぜい１００ｍＡ程度と小さいから、定電流電源回路５１における発熱量も無視し得る。
しかし、多数のＬＥＤを同時に点灯させる照明用の回路として用いた場合は、電流も電圧も数倍〜数十倍高くなることが予想される。
特に、照明装置として、多数のＬＥＤを接続して使用する場合に、ＬＥＤの特性として順方向電圧に個体差が生じたり、ＬＥＤの熱により順方向電圧が変化するため、定電圧回路５３の電圧とＬＥＤの閾値電圧との差分が小さいと誤動作を起こすおそれがある。
このため、照明用として用いる場合は、定電圧回路５３の電圧とＬＥＤの閾値電圧との差分を大きくとらなければならず、その分、ＬＥＤの消灯時に定電流電源回路５１に印加される逆バイアス電圧が高くなり、発熱の原因となる。

このため、ＬＥＤアレイに対して点灯開始電流（動作電流）より低い待機電流を流しておき、点灯電流を流したときにＬＥＤの点灯立ち上がり時間を短縮させる装置も提案されている（特許文献２参照）。

この場合に、待機電流を常時供給する方法と、ＬＥＤの点灯開始直前に供給開始する二つの方法が考えられる。
しかし、常時供給する場合は、消灯時もＬＥＤに電流が流れて常に発熱状態にあるのでＬＥＤの寿命が縮まるという問題がある。
また、ＬＥＤの点灯開始直前に供給させる場合は、ＬＥＤを点灯させるタイミング制御の他に、それより僅かに早い所定時間で待機電流を供給開始させるタイミング制御を行わなければならないので、制御が複雑で面倒になるという問題がある。
さらに、動作電流と待機電流を切り換えるために動作電流指示値と待機電流指示値をＬＥＤの点灯タイミングに対応して切り換え供給しなければならないため、やはり、制御が複雑で面倒に成るという問題がある。

特開昭６３−２５０８７３ 特開２００８−２７８７４号公報

そこで本発明は、パルス制御でＬＥＤを点滅させる場合にも、極めて簡単な制御で、点灯時にはその立上時間を短縮させることができると同時に、消灯時にはＬＥＤに電流を一切流さずにＬＥＤの発熱量を抑えることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、直流の電源電圧が印加される主回路に、電流制御素子、ＬＥＤアレイ及び電流検出抵抗が直列に配され、前記電流検出抵抗で検出された電流が一定に維持されるように前記電流制御素子をコントロールする定電流回路が設けられたＬＥＤ照明装置において、
前記ＬＥＤアレイに対して並列に接続されたバイパス回路に、消灯時に導通するスイッチング素子と、消灯時に流れる電流を制限する電流制限抵抗が直列に接続され、
前記定電流回路は、電流を検出するプラス側入力端子が前記電流制限抵抗を介して電流検出抵抗のプラス側に接続されると共に、マイナス側入力端子が電流検出抵抗のグランド側に接続されたことを特徴としている。

本発明のＬＥＤ照明装置によれば、定電流回路のプラス側入力端子とマイナス側入力端子の間で生じた電圧降下の電位が検出され、これが、予め設定された電圧（例えば、ＬＥＤアレイの定格電流に応じた基準電圧）と比較されて、その基準電圧に維持されるように、主回路を流れる電流が電流制御素子でコントロールされる。

点灯時は、主回路に、ＬＥＤアレイの閾値電圧以上の電源電圧を印加すると、ＬＥＤアレイが点灯すると同時に、主回路を流れる電流により電流検出抵抗で電圧降下が生じる。
電圧降下を検出する定電流回路のプラス側入力端子はバイパス回路の電流制限抵抗を介して電流検出抵抗のプラス側に接続されているが、点灯時はバイパス回路が遮断されており、主回路の電流は電流制限抵抗には流れないので、電流検出抵抗で生じた電圧降下の電位のみが定電流回路で検出され、これが基準電圧と比較されることとなる。
その結果、検出電位が一定に維持されるように、主回路を流れる電流がコントロールされ、ＬＥＤアレイを流れる電流が定格電流に維持される。

一方、消灯時は、スイッチング素子が導通されて主回路を流れる電流の一部がバイパス回路にも流れるので、電流制限抵抗及び電流検出抵抗の双方で電圧降下を生じ、定電流回路では各電圧降下の電位の和が検出され、これが基準電圧と比較されることとなる。
検出電位は点灯時よりも高くなるので、これを低下させるように電流制御素子が働き、その結果、点灯電流より低い消灯電流がバイパス回路に流れ、このとき、主回路には消灯電流に応じた消灯電圧が印加される。
したがって、消灯電圧がＬＥＤアレイの閾値電圧より低くなるように電流制限抵抗の抵抗値を設定しておけば、ＬＥＤアレイを消灯させることができる。

このとき、比較すべき基準電圧は、点灯時と消灯時で切り換える必要がなく、一定に維持しておけばよいので、制御を単純化することができる。
また、ＬＥＤアレイの両側には閾値電圧より低い消灯電圧が印加されているため、ＬＥＤアレイを点灯させるために、スイッチング素子を遮断したときのＬＥＤアレイの立上時間が短縮されるというメリットがある。
さらに、消灯時は電流がバイパス回路を流れるので、ＬＥＤアレイには流れず、その結果、ＬＥＤアレイの発熱が抑えられるというメリットがある。

本発明に係るＬＥＤ照明装置の一例を示す回路図。 点灯時の動作を示す説明図。 消灯時の動作を示す説明図。 従来装置の回路を示す説明図。 従来装置の回路を示す説明図。

本発明では、パルス制御でＬＥＤを点滅させる場合も、極めて簡単な制御で、点灯時にはその立上時間を短縮させることができると同時に、ＬＥＤの消灯時にはＬＥＤに電流を一切流さず、また、定電流回路で生ずる発熱量を抑えるという目的を達成するために、直流の電源電圧が印加される主回路に、電流制御素子、ＬＥＤアレイ及び電流検出抵抗が直列に配され、電流検出抵抗で検出された電流が一定に維持されるように電流制御素子をコントロールする定電流回路が設けられたＬＥＤ照明装置において、
ＬＥＤアレイに対して並列に接続されたバイパス回路に、消灯時に導通するスイッチング素子と、消灯時に流れる電流を制限する電流制限抵抗が直列に接続され、
定電流回路は、電流を検出するプラス側入力端子を電流制限抵抗を介して電流検出抵抗のプラス側に接続すると共に、マイナス側入力端子を電流検出抵抗のグランド側に接続した。

図１は、本発明に係るＬＥＤ照明装置１を示す回路図であって、一端が直流電源２に接続されると共に他端がグランドＧに接続された主回路３に、電流制御素子４、ＬＥＤアレイ５及び電流検出抵抗Ｒ_Ｓが直列に配され、当該電流検出抵抗Ｒ_Ｓで検出された電流が一定に維持されるように前記電流制御素子４をコントロールする定電流回路６が配されている。
前記直流電源２の電源電圧ＶＣは、ＬＥＤアレイ５の閾値電圧より高い所定の値に設定されている。

主回路３には、ＬＥＤアレイ５と並列にバイパス回路７が形成されており、当該バイパス回路７には、消灯時に導通されるＦＥＴなどのスイッチング素子８と、ダイオード９と、消灯時にバイパス回路７に流れる電流を制限する電流制限抵抗Ｒ_Ｌが直列に接続されている。
スイッチング素子８のゲートには、ＬＥＤアレイ５をパルス制御で点滅させるパルスジェネレータ１０が接続されている。
これにより、パルスジェネレータ１０からのパルス信号がローレベルにあるときはスイッチング素子８が遮断されて主回路３のみが導通されてＬＥＤアレイ５が点灯し、ハイレベルにあるときはスイッチング素子８が遮断されてバイパス回路７に電流が流れるので、後述するようにＬＥＤアレイ５は消灯される。

定電流回路６は、電流を検出するプラス側及びマイナス側入力端子６Ｐ及び６Ｍを備え、プラス側入力端子６Ｐが電流制限抵抗Ｒ_Ｌを介して電流検出抵抗Ｒ_Ｓのプラス側に接続されると共に、マイナス側入力端子６Ｍが電流検出抵抗Ｒ_Ｓのグランド側に接続されている。
すなわち、バイパス回路７に電流が流れないときは、主回路３を流れる電流により電流検出抵抗Ｒ_Ｓで生じた電圧降下の電位が検出され、バイパス回路７に電流が流れたときは、電流制限抵抗Ｒ_Ｌと電流検出抵抗Ｒ_Ｓの双方で生じた電圧降下の電位の和が検出されることになる。

また、定電流回路６は、プラス側及びマイナス側入力端子６Ｐ，６Ｍから入力された検出信号を所定の増幅率に増幅する差動アンプ１１が設けられると共に、その出力電圧Ｖ_１と、基準電圧発生器１２から出力される基準電圧Ｖ_０とを比較する比較器１３が設けられている。
比較器１３では、差動アンプ１１の出力電圧Ｖ_１と基準電圧Ｖ_０の差が制御信号として電流制御素子４のゲートに出力され、その制御信号に応じて主回路３を流れる電流が調整されるようになっている。
これにより、差動アンプ１１の出力電圧Ｖ_１が基準電圧Ｖ_０に等しくなるように、すなわち、主回路３を流れる電流により電流検出抵抗Ｒ_Ｓで生じた電圧降下の電位、あるいは、バイパス回路７を流れる電流により電流制限抵抗Ｒ_Ｌ及び電流検出抵抗Ｒ_Ｓの双方で生じた電圧降下の電位の和が、所定の電圧になるようにコントロールされることになる。

ここで、例えば、次式が成り立つように電流制限抵抗Ｒ_Ｌを設定すれば、スイッチング素子８を導通／遮断させたときに、定電流回路６の動作によりＬＥＤアレイ５が点灯／消灯する。
Ｒ_Ｓ／（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｌ）≒Ｉoff／Ｉon
Ｒ_Ｓ ：電流検出抵抗
Ｒ_Ｌ ：電流制限抵抗
Ｉoff：消灯電流≪ＬＥＤアレイ５の点灯開始電流
Ｉon ：ＬＥＤアレイ５の点灯電流（定格電流）
本例では、 Ｒ_Ｓ ＝０.１Ω
Ｒ_Ｌ ＝２２Ω
Ｉoff＝１１ｍＡ
Ｉon ＝２.５Ａ（定格電流）
に設定され、差動アンプ１１の増幅率は１０倍、基準電圧発生器１２から出力される基準電圧Ｖ_０＝２.５Ｖに設定されている。

なお、本例では、ＬＥＤアレイ５と電流検出抵抗Ｒ_Ｓが配された照明ヘッドＨが、主回路３を介してＬＥＤアレイ５に電力を供給する電源装置Ｓに対して、ケーブルまたはコネクタ（図示せず）を介して着脱可能に接続されている。
そして、電源装置Ｓに、前記定電流回路６や、バイパス回路７を構成するスイッチング素子８及び電流制限抵抗４などが配されてなる。

以上が本発明のＬＥＤ照明装置１の一構成例であって、次にその作用について、説明する。
パルスジェネレータ１０からスイッチング素子８のゲートに入力されたパルス信号がローレベルにあるときはそのスイッチング素子８によりバイパス回路７が遮断されるので主回路３のみが導通され、ハイレベルにあるときはスイッチング素子８によりバイパス回路７が導通され、これが交互に繰り返される。

バイパス回路７が遮断されたときは、図２に示すように主回路３に電流が流れ、その電流をＩonとすると、定電流回路６の差動アンプ１１に入力される検出電圧Ｖonは、電流検出抵抗Ｒｓで生じる電圧降下に等しく、Ｖon＝Ｉon×Ｒｓとなる。
また、差動アンプ１１で１０倍に増幅された電位Ｖ_１が、基準電位Ｖ_０と等しくなった時点で安定するから、
Ｖ_０＝Ｖ_１＝１０×Ｖon＝１０×Ｉon×Ｒｓ
となり、これより、点灯電流Ｉon＝２.５Ａに維持され、これはＬＥＤアレイ５の定格電流に等しいので、ＬＥＤアレイ５が一定の輝度で点灯する。

次いで、図３に示すように、バイパス回路７が導通されたときに流れる電流をＩoffとすると、定電流回路６の差動アンプ１１に入力される検出電圧Ｖoffは、電流検出抵抗Ｒｓ及び電流制限抵抗Ｒ_Ｌで生じる電圧降下の電位の和に等しく、
Ｖoff＝Ｉoff×（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｌ）となる。
また、差動アンプ１１で１０倍に増幅された電位Ｖ_１が、基準電位Ｖ_０と等しくなった時点で安定するから、
Ｖ_０＝Ｖ_１＝１０×Ｖoff＝１０×Ｉoff×（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｌ）
となり、これより、Ｉoff≒１１ｍＡとなる。
このとき、Ｖoff≒０.２５Ｖとなり、この電圧は、バイパス回路７のプラス側分岐点ＰとグランドＧに印加される電圧に等しく、ＬＥＤアレイ５の閾値電圧よりはるかに小さいので、主回路３には電流が流れず、したがって、ＬＥＤアレイ５は消灯される。

このように、スイッチング素子８をパルス制御してバイパス回路を導通／遮断させることにより、電圧降下を生じる抵抗が変化するので、これを一定の基準電圧Ｖ_０と比較することにより、主回路３及びバイパス回路７を流れる電流コントロールすることができる。
このとき、消灯電流Ｉoffは、電流制限抵抗Ｒ_Ｌにより十分に低く抑えることができるので、定電流回路６での消灯時の消費電力を点灯時の消費電力より低減させることができる。したがって、消灯時の発熱量が抑えられ、無駄なエネルギー消費が抑えられる。

また、消灯時には、ＬＥＤアレイ５の両端には消灯電圧Ｖoffが印加されているため、ＬＥＤアレイ５を点灯させるためにスイッチング素子８が遮断されたときに、消灯電圧Ｖoffから閾値電圧まで昇圧する時間で点灯される。
したがって、電圧０から昇圧する場合に比して、電圧０から消灯電圧Ｖoffまでの昇圧に要する時間分が短縮されるので、立上時間を短くすることができ、パルス制御でＬＥＤを点滅させる場合の高速応答性に優れる。

本発明は、本発明は、製品検査用画像処理装置に用いられる照明装置のような高速応答性を要求されるＬＥＤ照明の用途に適用できる。

１ ＬＥＤ照明装置
２ 直流電源
Ｇ グランド
３ 主回路
４ 電流制御素子
５ ＬＥＤアレイ
Ｒ_Ｓ 電流検出抵抗
Ｒ_Ｌ 電流制限抵抗
６ 定電流回路
６Ｐ プラス側入力端子
６Ｍ マイナス側入力端子
７ バイパス回路
８ スイッチング素子
１０ パルスジェネレータ
１１ 差動アンプ
１３ 比較器

Claims (3)

1. 直流の電源電圧が印加される主回路に、電流制御素子、ＬＥＤアレイ及び電流検出抵抗が直列に配され、前記電流検出抵抗で検出された電流が一定に維持されるように前記電流制御素子をコントロールする定電流回路が設けられたＬＥＤ照明装置において、
   前記ＬＥＤアレイに対して並列に接続されたバイパス回路に、消灯時に導通するスイッチング素子と、消灯時に流れる電流を制限する電流制限抵抗が直列に接続され、
   前記定電流回路は、電流を検出するプラス側入力端子が前記電流制限抵抗を介して電流検出抵抗のプラス側に接続されると共に、マイナス側入力端子が電流検出抵抗のグランド側に接続されたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
   
2. 前記定電流回路には、前記プラス側及びマイナス側入力端子から入力された検出電位を所定の増幅率で増幅する差動アンプと、当該差動アンプの出力を予め設定された基準電圧と比較して一定に維持する比較器とが備えられ、当該比較器の出力信号が前記電流制御素子に入力されて主回路を流れる電流が調整される請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
   
3. 前記ＬＥＤアレイと電流検出抵抗が配された照明ヘッドと、前記主回路を介して前記ＬＥＤアレイに電力を供給する電源装置とを備え、照明ヘッドが電源装置に着脱可能に接続されると共に、前記電源装置に、前記バイパス回路を構成するスイッチング素子及び電流制限抵抗と、前記定電流回路が配されてなる請求項１又は２記載のＬＥＤ照明装置。
   
   

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