JP2011254664A - 発光素子の制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】白熱電球用の調光用回路を流用してＬＥＤを適切に調光することを可能とする。
【解決手段】交流電源を全波整流する整流部３０と、整流部３０において整流された駆動電圧Ｖｉｎを受けて発光するＬＥＤ１０２に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子３８と、ＬＥＤ１０２に流れる電流に応じて発生する端子電圧Ｖｓを駆動電圧Ｖｉｎの大きさに応じて補正して比較電圧Ｖｃｓとして出力するカレントミラー部４８と、比較電圧Ｖｃｓと所定の基準電圧ＲＥＦ１とを比較する比較器４０と、を備え、比較器４０における比較結果に応じてスイッチング素子３８のスイッチングを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の制御を行う制御回路に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を照明用の発光素子として利用する照明システムが開発されている。

図３は、従来の照明システムの制御回路１００を示す。制御回路１００は、整流部１０、チョークコイル１４、回生用ダイオード１６、スイッチング素子１８、比較器２０、クロック発生部２２、ラッチ部２４及びバッファ素子２６を含んで構成される。図４は、制御回路１００による照明システムの制御の様子を示すタイミングチャートである。

整流部１０にＡＣ電源を供給すると、ＡＣ電源が全波整流される。全波整流された電圧は、ＬＥＤ１０２のアノード端子へ駆動電圧Ｖｉｎとして供給される。ＬＥＤ１０２のカソードは、チョークコイル１４、スイッチング素子１８及び抵抗素子Ｒ１の直列接続を介して接地される。制御部によりスイッチング素子１８をスイッチング制御することによって、チョークコイル１４、スイッチング素子１８及び抵抗素子Ｒ１を介してＬＥＤ１０２へ電流し、ＬＥＤ１０２を発光させる。また、スイッチング素子１８がオフになった際に、チョークコイル１４に蓄えられているエネルギーをＬＥＤ１０２へ回生させる回生用ダイオード１６がＬＥＤ１０２及びチョークコイル１４に並列に設けられる。

クロック発生部２２は、一定の周期でパルス状に立ち上がるクロック信号ＣＬＫを生成して出力する。ラッチ部２４は、ＳＲラッチ回路から構成される。ラッチ部２４は、クロック信号ＣＬＫをセット端子Ｓに受けて、クロック信号ＣＬＫが立ち上がると出力信号Ｑをハイレベル（Ｈ）にセットする。出力信号Ｑはバッファ素子２６を介してスイッチング素子１８のゲート端子に印加され、クロック信号ＣＬＫのパルスが立ち上がるタイミングでスイッチング素子１８がオンとなり、ＬＥＤ１０２へ電流が流される。

一方、比較器２０には、ＬＥＤ１０２を流れる電流によって抵抗素子Ｒ１の両端に発生する比較電圧Ｖｃｓ（＝抵抗素子Ｒ１の端子電圧Ｖｓ）と、一定の基準電圧ＲＥＦと、が入力される。比較器２０の出力はラッチ部２４のリセット端子Ｒに入力される。比較器２０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦより小さい場合にはローレベル（Ｌ）を出力する。このとき、ラッチ部２４は、現在の状態を維持し、ＬＥＤ１０２へ流れる電流が増加する。比較器２０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦより大きくなったタイミングで出力をハイレベル（Ｈ）とする。これにより、ラッチ部２４がリセットされ、スイッチング素子１８がオフとなり、ＬＥＤ１０２への電流が遮断される。

このようにして、ＬＥＤ１０２に流れる電流を制御し、ＬＥＤ１０２の平均的な発光強度を制御することができる。

ところで、従来の発光素子の制御回路では、駆動電圧Ｖｉｎが変動すると、そのまま発光素子の発光の変動として現われる。発光素子に流れる電流（コイル電流）が増加する期間Ｔ１は、数式（１）で表される。発光素子に流れる電流（コイル電流）が増加する期間Ｔ１は、駆動電圧Ｖｉｎに依存し、駆動電圧Ｖｉｎが増加するにつれて短くなる。ここで、Ｌはチョークコイル１４のインダクタンス、ＶＦは発光素子（ＬＥＤ１０２）の端子電圧、ＩＬ（ＰＫ）はチョークコイル１４に流れる電流のピーク値である。

すなわち、駆動電圧Ｖｉｎのふらつき等によって発光素子の明るさも直接的にふらつく原因となる。したがって、発光素子の発光制御の駆動電圧Ｖｉｎへの依存を抑制することが必要である。

本発明の１つの態様は、交流電源を全波整流する整流部と、前記整流部において整流された駆動電圧を受けて発光する発光素子に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、前記発光素子に流れる電流に応じて発生する電圧を前記駆動電圧の大きさに応じて補正して比較電圧として出力する補正回路と、前記比較電圧と、所定の基準電圧と、を比較する比較器と、を備え、前記比較器における比較結果に応じて前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする発光素子の制御回路である。

ここで、前記補正回路は、前記駆動電圧の大きさに応じた第１電流を流す第１トランジスタと、前記第１トランジスタとカレントミラーを構成し、前記第１トランジスタに流れる電流に応じた第２電流を流す第２トランジスタと、を備え、前記発光素子に流れる電流に応じて発生した電圧から前記第２電流に応じて発生した電圧を引いて前記比較電圧を生成することが好適である。

本発明によれば、駆動電圧Ｖｉｎの変動に影響されずＬＥＤ等の発光素子の調光を適切に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態における発光素子の制御回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における発光素子の制御回路の作用を示すタイミングチャートである。 従来の発光素子（ＬＥＤ）の制御回路の構成を示す図である。 従来の発光素子（ＬＥＤ）の制御回路の作用を示すタイミングチャートである。

本発明の実施の形態における発光素子の制御回路２００は、図１に示すように、整流部３０、チョークコイル３４、回生用ダイオード３６、スイッチング素子３８、比較器４０、クロック発生部４２、第１ラッチ部４４、バッファ素子４６及びカレントミラー部４８を含んで構成される。図２は、本実施の形態における制御回路２００を用いた発光素子の制御のタイミングチャートを示す。

制御回路２００は、発光素子の発光の制御を行う。例えば、照明用の発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２に接続され、ＬＥＤ１０２への電流の制御を行う。

また、制御回路２００は、白熱電球の調光システムに用いられる交流電圧Ｓｉｎの導通角を制御する調光回路２０２に接続されて使用される。調光回路２０２は、制御回路２００の整流部３０に接続される。すなわち、調光回路２０２は、交流電圧Ｓｉｎを受けて、調光ボリューム等の調整信号に応じて交流電圧Ｓｉｎの導通角を調整して調整交流電圧Ｓｍｏｄを出力する。

整流部３０は、整流ブリッジ回路３０ａを含んで構成される。整流部３０は、調整交流電圧Ｓｍｏｄを受けて、調整交流電圧Ｓｍｏｄを全波整流して全波整流電圧として出力する。整流部３０には、図１に示すように、保護用のフューズ３０ｂやノイズ除去のためのフィルタ３０ｃを設けてもよい。

整流部３０の後段には、全波整流電圧が平滑化された駆動電圧ＶｉｎによりＬＥＤ１０２を発光させることによって、調光回路２０２によってＬＥＤ１０２の調光を行うことが可能となる。

ＬＥＤ１０２のアノード端子には駆動電圧Ｖｉｎが供給される。ＬＥＤ１０２のカソード端子は、チョークコイル３４、スイッチング素子３８及び電圧検出用抵抗Ｒ１を介して接地される。

チョークコイル３４は、ＬＥＤ１０２及びスイッチング素子３８を流れる電流を断続したものにするために設けられる。チョークコイル３４には、各部への電源電圧も供給できるようにフォワード巻線を設けてもよい。

スイッチング素子３８は、ＬＥＤ１０２への電流を供給・遮断するために設けられる。スイッチング素子３８は、ＬＥＤ１０２の消費電力に応じた容量を有する素子とし、例えば、大電力パワー電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等が用いられる。

回生用ダイオード３６は、フライホイールダイオードであり、ＬＥＤ１０２及びチョークコイル３４に並列に接続される。回生用ダイオード３６は、スイッチング素子３８が遮断されたときにチョークコイル３４に蓄えられているエネルギーをＬＥＤ１０２へ回生する。

クロック発生部４２は、一定の周期でパルス状に立ち上がるクロック信号ＣＬＫを生成して出力する。第１ラッチ部４４は、ＳＲラッチ回路から構成される。第１ラッチ部４４は、クロック信号ＣＬＫをセット端子Ｓに受けて、クロック信号ＣＬＫが立ち上がると出力信号Ｑをハイレベル（Ｈ）にセットする。

比較器４０には、ＬＥＤ１０２を流れる電流によって抵抗素子Ｒ１の端子電圧Ｖｓが抵抗Ｒ２を介して非反転入力端子に入力される。また、比較器４０には、一定の基準電圧ＲＥＦ１が反転入力端子に入力される。基準電圧ＲＥＦ１は、スイッチング素子３８のスイッチング動作を制限するための閾値となる電圧である。比較器４０の出力は第１ラッチ部４４のリセット端子Ｒに入力される。

カレントミラー部４８は、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２を接続したカレントミラー回路を含んで構成される。トランジスタＴｒ１には、抵抗Ｒ３を介して駆動電圧Ｖｉｎが印加され、駆動電圧Ｖｉｎに応じた電流Ｉ１が流れる。これにより、トランジスタＴｒ１とペアとなるトランジスタＴｒ２にも電流Ｉ１に等しい電流Ｉ２が流れる。この電流Ｉ２によって、抵抗Ｒ２と比較器４０との接点の電圧は数式（２）で表される比較電圧Ｖｃｓとなる。

すなわち、駆動電圧Ｖｉｎに依存して流れる電流Ｉ１，Ｉ２に応じて抵抗素子Ｒ１の端子電圧Ｖｓを補正して得られる比較電圧Ｖｃｓが比較器４０の非反転入力端子に入力されることになる。

比較器４０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦ１より小さい場合にはローレベル（Ｌ）を出力する。このとき、第１ラッチ部４４は、現在の状態を維持する。比較器４０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦ１より大きくなったタイミングで出力をハイレベル（Ｈ）とする。これにより、第１ラッチ部４４がリセットされ、出力信号Ｑはローレベル（Ｌ）となる。

出力信号Ｑはバッファ素子４６を介してスイッチング素子３８のゲート端子に印加され、クロック信号ＣＬＫのパルスが立ち上がるタイミングでスイッチング素子３８がオンとなり、ＬＥＤ１０２へ電流が流される。一方、比較器４０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦ１より小さい場合にはローレベル（Ｌ）を出力する。このとき、第１ラッチ部４４は、現在の状態を維持し、ＬＥＤ１０２へ流れる電流が増加する。比較器４０は、比較電圧Ｖｃｓが基準電圧ＲＥＦ１より大きくなったタイミングで出力をハイレベル（Ｈ）とする。これにより、第１ラッチ部４４がリセットされ、スイッチング素子３８がオフとなり、ＬＥＤ１０２への電流が遮断される。

このとき、上記数式（１）で示すように、駆動電圧Ｖｉｎに依存して流れる電流Ｉ１，Ｉ２に応じて比較電圧Ｖｃｓは端子電圧Ｖｓより小さくなるように補正される。駆動電圧Ｖｉｎが高くなるほど同じ端子電圧Ｖｓに対する比較電圧Ｖｃｓは小さくなり、ＬＥＤ１０２に流れる電流がより大きくならなければ比較器４０の出力がローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）へと切り替わらなくなる。すなわち、駆動電圧Ｖｉｎが高くなるほどスイッチング素子３８がオフするまでの時間Ｔ１及びＬＥＤ１０２に回生電流が流れている時間Ｔ２が長くなり、図２の実線で示すように、駆動電圧Ｖｉｎが高くなるほど発光素子であるＬＥＤ１０２に流れる電流も大きくなるようにスイッチング素子３８のスイッチングが制御される。なお、図２では、従来の制御回路１００におけるＬＥＤ１０２に流れる電流、すなわち端子電圧Ｖｓ自体でＬＥＤ１０２に流れる電流を制御した場合のＬＥＤ１０２に流れる電流を破線で示している。

以上のように、比較電圧Ｖｃｓを駆動電圧Ｖｉｎによって補正することによって、制御回路２００による発光素子の発光制御における駆動電圧Ｖｉｎへの依存を小さくすることができる。

なお、発光素子の発光における駆動電圧Ｖｉｎ依存を低減させる構成は本実施の形態における制御回路２００の構成に限定されるものではない。例えば、発光素子であるＬＥＤ１０２のカソード電圧を取り込み、駆動電圧Ｖｉｎの影響を完全に取り除いた比較電圧Ｖｃｓを発生させる集積回路等を組み込んでもよい。

１０ 整流部、１４ チョークコイル、１６ 回生用ダイオード、１８ スイッチング素子、２０ 比較器、２２ クロック発生部、２４ ラッチ部、２６ バッファ素子、３０ 整流部、３０ａ 整流ブリッジ回路、３０ｂ フューズ、３０ｃ フィルタ、３４ チョークコイル、３６ 回生用ダイオード、３８ スイッチング素子、４０ 比較器、４２ クロック発生部、４４ 第１ラッチ部、４６ バッファ素子、４８ カレントミラー部、１００，２００ 制御回路、１０２ ＬＥＤ、２０２ 調光回路。

Claims (2)

1. 交流電源を全波整流する整流部と、
   前記整流部において整流された駆動電圧を受けて発光する発光素子に流れる電流をスイッチングするスイッチング素子と、
   前記発光素子に流れる電流に応じて発生する電圧を前記駆動電圧の大きさに応じて補正して比較電圧として出力する補正回路と、
   前記比較電圧と、所定の基準電圧と、を比較する比較器と、
   を備え、
   前記比較器における比較結果に応じて前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする発光素子の制御回路。
2. 請求項１に記載の発光素子の制御回路であって、
   前記補正回路は、
   前記駆動電圧の大きさに応じた第１電流を流す第１トランジスタと、
   前記第１トランジスタとカレントミラーを構成し、前記第１トランジスタに流れる電流に応じた第２電流を流す第２トランジスタと、
   を備え、
   前記発光素子に流れる電流に応じて発生した電圧から前記第２電流に応じて発生した電圧を引いて前記比較電圧を生成することを特徴とする発光素子の制御回路。