JP2014102950A

JP2014102950A - 固体発光素子駆動装置及び照明装置、照明器具

Info

Publication number: JP2014102950A
Application number: JP2012253560A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Fukuda; 健一福田; Masahiro Naruo; 誠浩鳴尾; Sana Ezaki; 佐奈江崎
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2014-06-05

Abstract

【課題】明るさ調整(調光)の精度の向上を図る。
【解決手段】
制御回路２は、第１のサブ周期ST1と第２のサブ周期ST2とを０〜４回ずつ組み合わせた一定のメイン周期MTでスイッチング素子Q1をスイッチング制御するように構成されている。而して、調光レベルの最小変動幅Δｄに対して電流平均値を単純にiled1からiled2に変更する場合と比較して、電流平均値(メイン周期MTの電流平均値ILED)の最小変動幅を４分の１に減少させることができる。故に、調光信号で指示される調光レベルに対して、より細かく電流平均値を調整することができるので、明るさ調整(調光)の精度の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子などの固体発光素子を駆動して発光させる固体発光素子駆動装置、及びその駆動装置を用いる照明装置、照明器具に関する。

近年、白熱ランプや蛍光ランプに代えて、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子などの固体発光素子を光源とする点灯装置及び照明器具が急速に普及してきている。

例えば、特許文献１には、降圧チョッパ回路からなる点灯部と、点灯部が出力する脈流電流を平滑するコンデンサと、チョッパ動作期間とチョッパ動作停止期間とを交互に繰り返すＰＷＭ制御を行う制御部とを備えたＬＥＤ点灯装置が記載されている。特許文献１記載の従来例では、点灯部(降圧チョッパ回路)からＬＥＤへの通電を周期的にオン・オフし、通電期間の比率(オンデューティ比)を変化させることでＬＥＤの光量を調整(調光)している。なお、ＬＥＤへの通電期間のオンデューティ比を変化させる調光方式は、通常、バースト調光方式と呼ばれる。

また、バースト調光方式以外の調光方式として、ＤＣ調光方式あるいは振幅調光方式と呼ばれる調光方式がある。振幅調光方式とは、ＬＥＤに連続して流れる電流の大きさを変化させることでＬＥＤの光量を調整(調光)する。

特開２０１２−９４２７５号公報

ところで、一般的な降圧チョッパ回路では、スイッチング素子のオン期間にインダクタに流れる電流がしきい値に達した時点でスイッチング素子がオフされ、回生電流が下限値(例えば、ゼロ)に達した時点で再びスイッチング素子がオンされる。そして、バースト調光方式及び振幅調光方式の何れの調光方式においても、調光信号から調光レベルを読み取り、単位時間当たりにＬＥＤに流れる電流の平均値が読み取った調光レベルに応じた値となるようにスイッチング素子が制御される。

しかしながら、読み取った調光レベルに応じた出力変化の最小幅は、バースト調光方式においては前記スイッチング素子のオン期間中のオンデューティ分解能によって規定され、振幅変調方式においては、前記しきい値によって規定されてしまう。

つまり、従来のバースト調光方式や振幅調光方式では、ＬＥＤの明るさ(調光レベル)の変化幅はチョッパ回路に搭載される駆動回路や制御回路の分解能(ハードウェア性能)に依存し、その値を狭く(小さく)することが困難であり、明るさ調整(調光)の精度を高めることが難しかった。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、明るさ調整(調光)の精度の向上を図ることを目的とする。

本発明の固体発光素子駆動装置は、出力端子間に固体発光素子が接続されるスイッチング電源回路と、前記スイッチング電源回路を構成するスイッチング素子をスイッチング制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を調光レベルに対応した値に調整するものであって、さらに前記制御回路は、複数回の第１のサブ周期からなる一定のメイン周期、若しくは前記第１のサブ周期と、前記電流平均値を前記第１のサブ周期における前記電流平均値よりも小さくした第２のサブ周期とを１乃至複数回ずつ組み合わせた前記メイン周期、あるいは、複数回の前記第２のサブ周期からなる前記メイン周期で前記スイッチング素子をスイッチング制御し、且つ前記調光レベルの変動に対して前記メイン周期における前記電流平均値の最小変動幅が、前記第１のサブ周期における前記電流平均値と前記第２のサブ周期における前記電流平均値との差分よりも小さくなるように構成されることを特徴とする。

この固体発光素子駆動装置において、前記スイッチング電源回路は、前記スイッチング素子とインダクタの直列回路と、前記スイッチング素子がオフしたときに前記インダクタから回生電流を流す回生素子とを有し、前記制御回路は、前記インダクタに流れる電流が所定のピーク値に達したときに前記スイッチング素子をオフし、且つ前記ピーク値を変化させることで前記オン期間を変化させるように構成されることが好ましい。

この固体発光素子駆動装置において、前記制御回路は、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を、外部から入力される調光信号によって指示される前記調光レベルに対応した値に調整するように構成されることが好ましい。

この固体発光素子駆動装置において、前記制御回路は、前記第１のサブ周期及び前記第２のサブ周期において前記スイッチング素子をスイッチング制御する通電期間と、前記スイッチング素子をオフ状態に維持する停止期間とを交互に繰り返し、前記通電期間と前記停止期間の割合を変化させることで前記電流平均値を調整するように構成されることが好ましい。

この固体発光素子駆動装置において、前記制御回路は、タイマを内蔵したマイクロコンピュータからなり、前記タイマで前記各周期を計時することが好ましい。

本発明の照明装置は、前記何れかの固体発光素子駆動装置と、前記固体発光素子駆動装置によって駆動される固体発光素子とを備えることを特徴とする。

本発明の照明器具は、前記何れかの固体発光素子駆動装置と、前記固体発光素子駆動装置によって駆動される固体発光素子と、前記固体発光素子駆動装置及び前記固体発光素子を保持する器具本体とを備えることを特徴とする。

本発明の固体発光素子駆動装置及び照明装置、照明器具は、明るさ調整(調光)の精度の向上を図ることができるという効果がある。

(ａ)〜(ｃ)は、本発明に係る固体発光素子駆動装置及び照明装置の実施形態の動作説明用の波形図である。同上の固体発光素子駆動装置及び照明装置の実施形態の回路ブロック図である。 (ａ)〜(ｃ)は同上の動作説明用の波形図である。 (ａ)，(ｂ)は同上の動作説明用の波形図である。 (ａ)〜(ｃ)は同上の動作説明用の波形図である。

以下、固体発光素子としてＬＥＤ(発光ダイオード)を用いた固体発光素子駆動装置及び照明装置、照明器具に本発明の技術思想を適用した実施形態について説明する。ただし、固体発光素子はＬＥＤに限定されるものではなく、有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子などのＬＥＤ以外の固体発光素子であってもよい。

本実施形態の照明装置は、図２に示すように複数個のＬＥＤ60の直列回路からなる光源６と、直流電源Ｅから供給される直流電圧・電流を光源６に応じた直流電圧・電流に変換して光源６を駆動(点灯)する固体発光素子駆動装置(ＬＥＤ駆動装置)とで構成される。ただし、直流電源Ｅの代わりに、交流電源から供給される交流電圧・電流をＡＣ／ＤＣコンバータで直流電圧・電流に変換する構成としても構わない。

本実施形態のＬＥＤ駆動装置は、スイッチング電源回路１と制御回路２を備え、スイッチング電源回路１の出力端子３に光源６が接続される。

直流電源Ｅからスイッチング電源回路１の入力端間に直流電圧が印加される。スイッチング電源回路１は、スイッチング素子Q1、ダイオードD1、インダクタL1、検出抵抗R1、駆動回路10などで構成される従来周知の降圧チョッパ回路である。電界効果トランジスタからなるスイッチング素子Q1のドレインがダイオードD1のアノードに接続され、スイッチング素子Q1のソースが検出抵抗R1を介して直流電源Ｅの負極に接続されている。また、ダイオードD1のアノードとスイッチング素子Q1のドレインとの接続点にインダクタL1の一端が接続され、インダクタL1の他端とダイオードD1のカソードがそれぞれ出力端子３，３に接続されている。なお、インダクタL1には２次巻線L2が設けられており、２次巻線L2の一端が回路グランドに接続され、２次巻線L2の他端が制御回路２のゼロ電流検出部20に接続されている。

駆動回路10は、制御回路２から与えられる駆動信号がハイレベルのときにスイッチング素子Q1のゲートにバイアス電圧を印加してオンし、駆動信号がローレベルのときにバイアス電圧を印加しないことでスイッチング素子Q1をオフする。

制御回路２は、ＰＷＭ(パルス幅変調)信号を生成するタイマ(PWMタイマ23)を備えたマイクロコンピュータで構成され、PWMタイマ23の出力信号(PWM信号)を駆動信号として駆動回路10に与える。つまり、制御回路２を構成するマイクロコンピュータから出力される信号(駆動信号)のオン期間に応じてスイッチング素子Q1がオンし、オフ期間に応じてスイッチング素子Q1がオフするのである。

また、制御回路２は、２次巻線L2に誘起される電圧からインダクタ電流のゼロクロスを検出し、ゼロクロスを検出したときにハイレベルの検出信号を出力するゼロ電流検出部20を有している。なお、本実施形態では、制御回路２がスイッチング素子Q1を臨界モードで制御する場合について説明するが、これに限定する趣旨では無く、制御回路２はスイッチング素子Q1を連続モードで制御しても構わない。

さらに、制御回路２は、始動部21、比較器22、Ｄ／Ａ変換部25、調整部24などを有している。

始動部21は、直流電源Ｅから直流電圧の印加が開始されると、ハイレベルの始動信号をPWMタイマ23に出力する。

比較器22は、検出抵抗R1の両端電圧(検出電圧)を基準電圧Vrefと比較し、スイッチング素子Q1のオン期間に流れる電流(インダクタ電流)が所定のピーク値に達して検出電圧が基準電圧Vref以上となったら、出力信号をハイレベルに立ち上げる。

PWMタイマ23は、ゼロ電流検出部20から検出信号が入力されるか、あるいは始動部21から始動信号が入力されるとPWM信号を出力し、且つ比較器22の出力がハイレベルになるとPWM信号の出力を停止する。

調整部24は、パルス信号からなる調光信号の立ち上り、立ち下りを読み取ることで、オン幅、オフ幅、周期を読み取り、そのデューティ比に応じて調光レベルを決定し、且つ光源６に流れる電流の平均値を調光レベルに対応した値に調整する。さらに、調整部24は、電流平均値を調光レベルに対応した値に調整するに当たり、基準電圧Vrefに対応したディジタル信号をＤ／Ａ変換部25に出力する。Ｄ／Ａ変換部25は、調整部24から出力されるディジタル信号をアナログ信号(アナログの直流電圧値)に変換して比較器22の−端子に基準電圧Vrefとして出力する。つまり、調整部24は、比較器22でインダクタ電流の検出電圧と比較される基準電圧Vrefを増減させ、スイッチング素子Q1のオン期間を変化させることで電流平均値の調整を行う。

さらに、制御回路２は、第１のサブ周期ST1と第２のサブ周期ST2とを０〜４回ずつ組み合わせた一定のメイン周期MTでスイッチング素子Q1をスイッチング制御するように構成されている(図１参照)。ただし、第１のサブ周期ST1と第２のサブ周期ST2は同一の時間長に設定されている。

また、第１のサブ周期ST1における基準電圧Vref1よりも、第２のサブ周期ST2における基準電圧Vref2の方が低い値に設定されており、第１のサブ周期ST1の電流ピーク値ilp1よりも第２のサブ周期ST2の電流ピーク値ilp2の方が小さくなる(図１参照)。そのため、第１のサブ周期ST1における電流平均値iled1に比べて，第２のサブ周期ST2における電流平均値iled2の方が小さく(少なく)なる(図１におけるハッチング部分参照)。

ここで、調光信号で指示される調光レベルの最小変動幅をΔｄ(％)としたとき、任意の調光レベルＤ(n)、Ｄ(n-1)＝Ｄ(n)-Δｄ、Ｄ(n-2)＝Ｄ(n-1)-Δｄに対する調整部24の動作について説明する。

調整部24は、調光信号で指示される調光レベルＤ(n)に応じて、例えば、図１(ａ)に示すように第１のサブ周期ST1を３回連続して実行した後、第２のサブ周期ST2を１回だけ実行するように基準電圧Vrefを調整する。この場合、メイン周期MTにおける電流平均値ILEDは、下記の式１で求められる。

ILED=(3×iled1＋iled2)/4 …(式１)
そして、調光信号で指示される調光レベルがＤ(n)からＤ(n-1)に変更されると、調整部24は、図１(ｂ)に示すように第１のサブ周期ST1を２回連続して実行した後、第２のサブ周期ST2を２回連続して実行するように基準電圧Vrefを調整する。この場合、メイン周期MTにおける電流平均値ILEDは、下記の式２で求められる。

ILED=(2×iled1＋2×iled2)/4 …(式２)
さらに、調光信号で指示される調光レベルがＤ(n-1)からＤ(n-2)に変更されると、調整部24は、図１(ｃ)に示すように第１のサブ周期ST1を１回だけ実行した後、第２のサブ周期ST2を３回連続して実行するように基準電圧Vrefを調整する。この場合、メイン周期MTにおける電流平均値ILEDは、下記の式３で求められる。

ILED=(iled1＋3×iled2)/4 …(式３)
式１と式２の差分、並びに式２と式３の差分は、何れも(iled1-iled2)/4となる。つまり、調光レベルの最小変動幅Δｄに対して電流平均値を単純にiled1からiled2に変更する場合と比較して、電流平均値(メイン周期MTの電流平均値ILED)の最小変動幅を４分の１に減少させることができる。故に、調光信号で指示される調光レベルに対して、より細かく電流平均値を調整することができるので、明るさ調整(調光)の精度の向上を図ることができる。

なお、上述の説明において、調整部24は、第１のサブ周期ST1及び第２のサブ周期ST2を複数回実行する場合にそれぞれ連続して実行しているが、図３に示すように第１のサブ周期ST1と第２のサブ周期ST2を交互に実行しても構わない。このとき、図３(ａ)又は(ｃ)に示すように、メイン周期MTにおける先頭のサブ周期と最後尾のサブ周期を同一のサブ周期とすれば、メイン周期MTの切り換わり時点における電流のリプルを減少させ、光源６の光出力変動を低減することができる。

ここで、調光信号から読み取った調光レベルをそのままＤ／Ａ変換部25でアナログ信号に変換して比較器22に出力する場合、電流平均値の最小変動幅は、Ｄ／Ａ変換部25の分解能に制限されてしまう。これに対して本実施形態では、上述のようにＤ／Ａ変換部25の分解能によって電流平均値の最小変動幅が制限されることはなく、メイン周期MTを構成するサブ周期STの総数をｎとすれば、Ｄ／Ａ変換部25の分解能を見掛け上ｎ倍することができる。

ところで、本実施形態の照明装置は、例えば、調光器と組み合わせて使用され、調光器から出力される調光信号に応じて、定格点灯(調光レベル100％)から最小の調光レベル(例えば、10％)まで任意の調光レベルに調光点灯するものに限定されない。例えば、教室やオフィスのように同一の照明装置が多数設置されて使用される場合、検出抵抗R1の抵抗値のばらつきや駆動信号の遅延のばらつきなどに起因して、各照明装置の光出力にばらつきの生じることがある。このような場合、図４(ａ)，(ｂ)に示すように、各照明装置におけるメイン周期MTの構成を異ならせることにより、各照明装置同士の光出力のばらつきを低減することができる。しかも、本実施形態では、各照明装置毎の光出力を細かく調整(調光)できるので、光出力のばらつきをより低減することができる。

なお、上述した実施形態における調整部24は、基準電圧Vrefを調整してインダクタ電流のピーク値(スイッチング素子Q1のオン期間)を増減することによって電流平均値を変化させている。これに対して、図５に示すようにインダクタ電流のピーク値(スイッチング素子Q1のオン期間)を固定し、サブ周期ST1，ST2毎のスイッチング回数(図５における三角形の個数＜通電期間＞)を調整することで電流平均値を変化させることも可能である。本実施形態においては、一例として、前述したバースト調光方式のオンデューティの分解能が１スイッチング毎の増減しか許容できない場合を想定している。

例えば、調整部24は、調光信号で指示される調光レベルＤ(n)に応じて、図５(ａ)に示すようにスイッチング回数を５回とした第１のサブ周期ST1を４回連続して実行する。この場合、メイン周期MTにおけるスイッチング回数は、５×４＝２０回となる。

そして、調光信号で指示される調光レベルがＤ(n)からＤ(n-1)に変更されると、調整部24は、図５(ｂ)に示すように第１のサブ周期ST1を３回連続して実行した後、スイッチング回数を４回とした第２のサブ周期ST2を１回だけ実行する。この場合、メイン周期MTにおけるスイッチング回数は、５×３＋４＝１９回となる。

さらに、調光信号で指示される調光レベルがＤ(n-1)からＤ(n-2)に変更されると、調整部24は、図１(ｃ)に示すように第１のサブ周期ST1を２回連続して実行した後、第２のサブ周期ST2を２回連続して実行する。この場合、メイン周期MTにおけるスイッチング回数は、５×２＋４×２＝１８回となる。

従来のバースト調光によれば、調光レベルＤ(n)が１段階下げられた場合、各サブ周期毎にスイッチング回数(通電期間)が１回ずつ減らされることになるので、メイン周期MTにおけるスイッチング回数の減少幅は２０回−１６回＝４回となる。これに対して本実施形態では、調光レベルＤ(n)が１段階下げられた場合、メイン周期MTにおけるスイッチング回数の減少幅は１回であるから、電流平均値(メイン周期MTのスイッチング回数)の最小変動幅を４分の１に減少させることができる。故に、調光信号で指示される調光レベルに対して、より細かく電流平均値を調整することができるので、明るさ調整(調光)の精度の向上を図ることができる。

ここで、図示は省略するが、本実施形態のＬＥＤ駆動装置と光源６を器具本体に保持することで照明器具を実現することができる。このような照明器具としては、例えば、ダウンライトやシーリングライト、あるいは車両の前照灯などが実現可能である。

１スイッチング電源回路
２制御回路
６光源
60 発光ダイオード(固体発光素子)
Q1 スイッチング素子
L1 インダクタ
D1 ダイオード(回生素子)

Claims

出力端子間に固体発光素子が接続されるスイッチング電源回路と、前記スイッチング電源回路を構成するスイッチング素子をスイッチング制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を調光レベルに対応した値に調整するものであって、
さらに前記制御回路は、複数回の第１のサブ周期からなる一定のメイン周期、若しくは前記第１のサブ周期と、前記電流平均値を前記第１のサブ周期における前記電流平均値よりも小さくした第２のサブ周期とを１乃至複数回ずつ組み合わせた前記メイン周期、あるいは、複数回の前記第２のサブ周期からなる前記メイン周期で前記スイッチング素子をスイッチング制御し、且つ前記調光レベルの変動に対して前記メイン周期における前記電流平均値の最小変動幅が、前記第１のサブ周期における前記電流平均値と前記第２のサブ周期における前記電流平均値との差分よりも小さくなるように構成されることを特徴とする固体発光素子駆動装置。
前記スイッチング電源回路は、前記スイッチング素子とインダクタの直列回路と、前記スイッチング素子がオフしたときに前記インダクタから回生電流を流す回生素子とを有し、
前記制御回路は、前記インダクタに流れる電流が所定のピーク値に達したときに前記スイッチング素子をオフし、且つ前記ピーク値を変化させることで前記オン期間を変化させるように構成されることを特徴とする請求項１記載の固体発光素子駆動装置。
前記制御回路は、前記固体発光素子に流れる電流の平均値を、外部から入力される調光信号によって指示される前記調光レベルに対応した値に調整するように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の固体発光素子駆動装置。
前記制御回路は、前記第１のサブ周期及び前記第２のサブ周期において前記スイッチング素子をスイッチング制御する通電期間と、前記スイッチング素子をオフ状態に維持する停止期間とを交互に繰り返し、前記通電期間と前記停止期間の割合を変化させることで前記電流平均値を調整するように構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体発光素子駆動装置。
前記制御回路は、タイマを内蔵したマイクロコンピュータからなり、前記タイマで前記各周期を計時することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体発光素子駆動装置。
請求項１〜５の何れかの固体発光素子駆動装置と、前記固体発光素子駆動装置によって駆動される固体発光素子とを備えることを特徴とする照明装置。
請求項１〜５の何れかの固体発光素子駆動装置と、前記固体発光素子駆動装置によって駆動される固体発光素子と、前記固体発光素子駆動装置及び前記固体発光素子を保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。