JP2020095803A - Led点灯装置および照明器具 - Google Patents

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直輝 竹口
滋 井戸
Shigeru Ido
滋 井戸
城戸 大志
Hiroshi Kido
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Abstract

【課題】回路コストの増加を抑制しつつ、調光の分解能を高めるLED点灯装置を提供する。【解決手段】LED点灯装置30は、異なる発光色を有する複数のLED(Light Emitting Diode)負荷21〜24と、前記複数のLED負荷21〜24に給電する電源回路31と、前記複数のLED負荷21〜24のそれぞれに直列接続されたトランジスタ素子M3〜M6と、前記トランジスタ素子M3〜M6を順番に導通させることにより前記複数のLED負荷を順送り点灯させる制御回路33と、を備え、前記制御回路33は、前記トランジスタ素子の抵抗値をオン抵抗値よりも大きい値に制御することによって前記複数のLED負荷の明るさを調光する。【選択図】図1

Description

本発明は、異なる発光色を有する複数のLED(Light Emitting Diode)負荷を点灯させるLED点灯装置に関する。
特許文献1は、異なる発光色を有する複数のLEDを順次切り替えて点灯させ、かつ、各LEDの明るさおよび混合割合を調整することにより調光および調色可能な照明装置を開示している。
特開2004−311635号公報
しかしながら、上記従来技術によれば、LEDの明るさを制御する調光の分解能を高めることが困難であるという問題がある。調光の分解能を高める手法として、複数のLEDを順次切り替える周期を高速化することが考えられる。ところが、この手法では、高速なクロック信号で動作するマイコンを備える必要があり、マイコンの高速化により回路コストが上昇するという問題がある。
本発明は、回路コストの増加を抑制しつつ調光の分解能を高めるLED点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るLED点灯装置は、異なる発光色を有する複数のLED負荷と、前記複数のLED負荷に給電する電源回路と、前記複数のLED負荷のそれぞれに直列接続されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子を順番に導通させることにより前記複数のLED負荷を順送り点灯させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記トランジスタ素子の抵抗値を変化させるように制御することによって前記複数のLED負荷の明るさを調光する。
本発明に係るLED点灯装置および照明器具によれば、回路コストの増加を抑制しつつ調光の分解能を高めることができる。
図1は、実施の形態1に係るLED点灯装置を有する照明器具の構成例を示すブロック図である。 図2は、実施の形態1に係る照明器具の第1の調光制御における各種信号波形の例を示すタイムチャートである。 図3は、実施の形態1に係る照明器具の第2の調光制御における各種号波形の例を示すタイムチャートである。 図4は、実施の形態1に係る照明器具の第2の調光制御の動作例を示すフローチャートである。 図5は、実施の形態1に係る照明器具における第2の調光制御のフィードバック制御の動作例を示すフローチャートである。 図6は、実施の形態2に係る照明器具の構成例を示すブロック図である。 図7は、実施の形態2に係る照明器具の第2の調光制御における各種信号波形の例を示すタイムチャートである。 図8は、実施の形態2に係る照明器具の第2の調光制御における各種号波形の他の例を示すタイムチャートである。 図9は、実施の形態2に係る照明器具の調光の動作例を示すフローチャートである。 図10Aは、LED点灯装置を有する照明器具の外観例を示す図である。 図10Bは、LED点灯装置を有する照明器具の他の外観例を示す図である。 図10Cは、LED点灯装置を有する照明器具のさらに他の外観例を示す図である。 図11は、比較例の照明器具の構成を示す図である。 図12は、比較例の照明器具における各種信号波形および調光動作を示す図である。
(発明者の知見)
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した照明装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
まず、本発明者の知見に係る照明器具を比較例として説明する。
図11は、本発明者の知見に係る比較例の照明器具の構成を示す図である。同図の照明器具は、電源回路90、LED(Light Emitting Diode)負荷91〜94、スイッチング素子SW3〜SW6を備える。電源回路90は、スイッチング素子SW1、SW2、インダクタL0を有し、いわゆる降圧チョッパー型のDC−DCコンバータである。スイッチング素子SW1、SW2は、排他的にオン状態になるように制御される。インダクタL0は、スイッチング素子SW1、SW2の接続点から供給されるエネルギーを蓄積および放出する。
LED負荷91〜94は、異なる発光色を有する。LED負荷91〜94の発光色は、赤、緑、青、白であるものとする。
スイッチング素子SW3〜SW6は、周期毎にLED負荷91〜94を順送り点灯させるように制御される。
図12は、比較例の照明器具の各種信号波形および調光動作を示す図である。
同図の横軸は時間軸である。区間T1は、LED負荷91〜94が順送り点灯される周期を示す。区間T1は、4つのLED負荷91〜94に対応する4つの区間TR、TG、TB、TWに分割される。区間TRは、赤色のLED負荷91を発光させる区間を示す。区間TGは、緑色のLED負荷92を発光させる区間を示す。区間TBは、青色のLED負荷93を発光させる区間を示す。区間TWは、白色のLED負荷94を発光させる区間を示す。
同図の縦軸は、各種信号波形の電圧の大きさまたは電流の大きさを示す。インダクタ電流ILは、インダクタL0を流れる電流であり、電源回路90からインダクタL0を介していずれかのLED負荷に給電される電流の波形を示す。
ハイサイド制御信号Vg1は、スイッチング素子SW1つまりハイサイドスイッチのゲートに印加される電圧を示し、ハイレベルでスイッチング素子SW1をオン状態にし、ローレベルでスイッチング素子SW1をオフ状態にする。
選択制御信号sel3は、赤色に対応するスイッチング素子SW3のゲートに印加される電圧を示し、ハイレベルでスイッチング素子SW3をオン状態にし、ローレベルでスイッチング素子SW3をオフ状態にする。選択制御信号sel4〜sel6は、スイッチング素子SW4〜SW6のゲートに印加される電圧であり、対応する色が異なる点以外は選択制御信号sel3と同様である。
図12の上段は、調光率が比較的高い場合の各種信号波形を示す。調光率が比較的高い場合というのは、照明が比較的明るいことを意味する。同図の上段は、例えば調光率が80%の場合を示す。同図の下段は、調光率が比較的低い場合の各種信号波形を示す。調光率が比較的低い場合というのは、照明が比較的暗いことを意味する。同図の下段は、例えば調光率が30%の場合を示す。
図12の上段と下段とを比較すると、電源回路90からいずれかのLED負荷の区間(例えば区間TR)に占める給電期間の割り合いであるデューティ(オン・デューティともいう。)が異なっている。給電区間は、図12では、インダクタ電流ILの三角波の底辺に該当する区間である。例えば、赤色のLED負荷91に対するデューティは、上段よりも下段の方が小さくなっている。図12に示すようにデューティが小さいほど、電源回路90からLED負荷91への給電量が小さくなり、照明光が暗くなる。
また、図12では、赤色以外の緑色、青色、白色のLED負荷92〜94に対するデューティも、上段よりも下段の方が小さくなっており、照明光が暗くなっている。
このように図11および図12に示す比較例の照明器具は、電源回路90からLED負荷へ給電する期間の割り合いであるデューティ(オン・デューティともいう。)を変化させることにより照明光の明るさを変化させる、つまり調光する。
ところが、デューティの制御による調光には、調光の分解能を高めることが困難であるという問題がある。調光の分解能を高める手法として、複数のLEDを順次切り替える周期を高速化することが考えられる。しかし、この手法では、高速なクロック信号で動作する高速なマイコンを備える必要があり、マイコンの高速化により回路コストが上昇するという問題がある。
このような問題を解決するために、本発明の一態様に係るLED点灯装置は、異なる発光色を有する複数のLED負荷と、前記複数のLED負荷に給電する電源回路と、前記複数のLED負荷のそれぞれに直列接続されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子を順番に導通させることにより前記複数のLED負荷を順送り点灯させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記トランジスタ素子の抵抗値を変化させるように制御することによって前記複数のLED負荷の明るさを調光する。
このLED点灯装置によれば、回路コストの増加を抑制しつつ、調光の分解能を高めることができる。言い換えれば、トランジスタ素子の抵抗値をオン抵抗値よりも大きい値に制御することにより、当該トランジスタ素子に流れる電流値を制御する。この電流値の制御により、トランジスタ素子と直列に接続されたLED負荷の発光量(明るさ)を制御するので、調光の分解能を容易に高めることができる。また、トランジスタ素子の抵抗値の制御は、トランジスタ素子のゲート電圧の制御によって行われるので、例えばマイコン内部でゲート電圧を容易に制御することができ、特別な回路を追加する必要がなく、回路コストの増加を抑制することができる。
本発明において、トランジスタ素子のオン抵抗値は、MOSFETであれば、十分に高いゲート電圧を印加した状態、バイポーラトランジスタであれば、十分に大きなベース電流を流した状態におけるトランジスタ素子のオン抵抗の意味で用いる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
(実施の形態1)
[1.1 LED点灯装置および照明器具の構成]
まず、実施の形態1に係るLED点灯装置を備える照明器具の構成例について説明する。
図1は、実施の形態1に係るLED点灯装置30を有する照明器具100の構成例を示すブロック図である。同図の照明器具100は、AC−DC電源10、光源20およびLED点灯装置30を備える。
AC−DC電源10は、例えば商用100V電源に接続され、交流電力を入力し直流電力に変換する。
光源20は、LED負荷21〜24を備える。LED負荷21〜24は、異なる発光色を有する。LED負荷21〜24の発光色は、例えばR(赤)、G(緑)、B(青)、W(白)である。
LED点灯装置30は、異なる発光色を有する複数のLED負荷21〜24を順送り点灯させる。そのためLED点灯装置30は、電源回路31、セレクタ回路32および制御回路33を備える。
電源回路31は、AC−DC電源10からの直流電力を電圧の異なる直流電力に変換し、変換した直流電力を光源20に供給するDC−DCコンバータである。電源回路31は、図11と類似の構成であり、ハイサイドスイッチであるスイッチング素子M1、ローサイドスイッチであるスイッチング素子M2、および、スイッチング素子M1およびスイッチング素子M2のスイッチング動作に応じて光源20に給電するインダクタL1を有するものとする。
セレクタ回路32は、複数のLED負荷21〜24を順次巡回的に選択することによって、選択したLED負荷に対して電源回路31から給電させる。さらに、セレクタ回路32は、調光制御の一部として、選択したLED負荷に流れる電流を制限する。
そのため、セレクタ回路32は、トランジスタ素子M3〜M6および電流検出回路32aを備える。トランジスタ素子M3〜M6のそれぞれは、複数のLED負荷21〜24のうちのいずれかのLED負荷と直列に接続される。例えば図1では、トランジスタ素子M3は、LED負荷21に直列に接続される。トランジスタ素子M4は、LED負荷22に直列に接続される。トランジスタ素子M5は、LED負荷23に直列に接続される。トランジスタ素子M6は、LED負荷24に直列に接続される。これらのトランジスタ素子M3〜M6は、例えば、排他的にオン状態になるように制御される。これにより、LED負荷21〜24は排他的につまり1つずつ発光する。
また、トランジスタ素子M3〜M6は、しきい値Vtよりも十分大きいゲート電圧による完全オン状態だけでなく、調光制御において不完全オン状態に制御されことにより、対応するLED負荷に流れる電流を制限する。不完全オン状態におけるトランジスタ素子M3の抵抗値は、完全オン状態におけるトランジスタ素子M3のオン抵抗値よりも大きい値になる。トランジスタ素子M3の抵抗値を変化させるように制御することにより、当該トランジスタ素子M3に流れる電流値を制御する。この電流値の制御により、トランジスタ素子M3と直列接続されたLED負荷の発光量(明るさ)を制御する。
電流検出回路32aは、LED負荷21〜24に流れる電流の大きさを検出する回路である。検出結果は、トランジスタ素子M3〜M6の不完全オン状態を利用する調光制御(以下の第2の調光制御)に用いられる。
制御回路33は、複数のLED負荷21〜24から1つのLED負荷を順次巡回的に選択するようにセレクタ回路32を制御する。制御回路33は、例えば、マイコン(マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラ)である。マイコンで構成された制御回路33は、プログラムおよびデータを記憶するメモリ、プログラムを実行するCPU、時計回路、タイマー、入出力ポート、ADC(Analog Digital Converter)37、DAC(Digital Analog Converter)38を備える。ADC37は、電流検出回路32aから電流値を示すアナログ信号をデジタル信号に変換する。DAC38は、制御回路33によりデジタル信号として生成されたゲート電圧値をアナログ信号としてのゲート電圧に変換する。
制御回路33は、調光に関して2通りの調光制御を行う。2通りの調光制御を第1の調光制御と第2の調光制御と呼ぶ。制御回路33は、第1の調光制御では、周期的な区間(例えば図2の区間TR等)に占める、電源回路31からLED負荷に給電する期間の割り合いであるデューティを制御することにより調光する。また、制御回路33は、第2の調光制御として、トランジスタ素子を不完全オン状態にし、その抵抗値を完全オン状態におけるオン抵抗値よりも大きい値に制御することによって調光する。制御回路33は、第1の調光制御、および、第2の調光制御のうちの少なくとも1つを選択して調光する。
[1.2 LED点灯装置および照明器具の動作例]
次に、第1の調光制御および第2の調光制御の動作例についてより詳細に説明する。
図2は、実施の形態1に係る照明器具の第1の調光制御における各種信号波形の例を示すタイムチャートである。また、図3は、実施の形態1に係る照明器具の第2の調光制御における各種号波形の例を示すタイムチャートである。
図2および図3の横軸は時間軸である。区間T1は、LED負荷91〜94が順送り点灯される周期を示し、LED負荷21〜24に対応する4つの区間TR、TG、TB、TWに分割される。区間TRは、赤色のLED負荷21を発光させる区間を示す。区間TGは、緑色のLED負荷22を発光させる区間を示す。区間TBは、青色のLED負荷293を発光させる区間を示す。区間TWは、白色のLED負荷24を発光させる区間を示す。
同図の縦軸は、各種信号波形の電圧の大きさまたは電流の大きさを示す。インダクタ電流ILは、インダクタL1を流れる電流であり、電源回路20からインダクタL1を介していずれかのLED負荷に給電される電流の波形を示す。
ハイサイド制御信号Vg1は、電源回路31内のスイッチング素子M1つまりハイサイドスイッチのゲートに印加される電圧を示し、ハイレベルでスイッチング素子M1をオン状態にし、ローレベルでスイッチング素子M1をオフ状態にする。
ゲート電圧Vrは、赤色に対応するトランジスタ素子M3のゲートに印加される電圧を示し、ハイレベルでトランジスタ素子M3を完全オン状態にし、ローレベルでスイッチング素子SW3をオフ状態にし、ハイレベルとローレベルとの中間レベルで不完全オン状態にする。ゲート電圧Vg、Vb、Vwは、トランジスタ素子M4〜M6のゲートに印加される電圧であり、対応する色が異なる点以外はゲート電圧Vrと同様である。
第1の調光制御を示す図2の上段および下段では、ゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwは、ハイレベルとローレベルを有する二値信号として用いられている。図2の第1の調光制御は、図12に示した調光と同じ動作でもよい。第2の調光制御を示す図3の下段では、ゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwは、中間レベルとローレベルとを有する多レベルの信号、または、異なるレベルを取り得るアナログ信号として用いられている。
図2および図3の上段は、調光率が比較的高い場合の各種信号波形を示す。調光率が比較的高い場合というのは、照明が比較的明るいことを意味する。図2および図3の上段は、例えば調光率が80%の場合を示す。図2および図3の下段は、調光率が比較的低い場合の各種信号波形を示す。調光率が比較的低い場合というのは、照明が比較的暗いことを意味する。図2および図3の下段は、例えば調光率が30%の場合を示す。
第1の調光制御を示す図2の上段と下段とを比較すると、周期的な区間(例えば区間TR)に占める、電源回路90からいずれかのLED負荷に給電する期間の割り合いであるデューティ(オン・デューティともいう。)が異なっている。例えば、赤色のLED負荷21に対するデューティは、上段よりも下段の方が小さくなっている。図2に示すようにデューティが小さいほど、電源回路90からLED負荷91への給電量が小さくなり、照明光が暗くなる。また、図2では、赤色以外の緑色、青色、白色のLED負荷22〜24に対するデューティも、上段よりも下段の方が小さくなっており、照明光が暗くなっている。このように、第1の調光行制御では、電源回路31からLED負荷へ給電する期間の割り合いであるデューティ(オン・デューティともいう。)を変化させることにより照明光の明るさを変化させる(つまり調光する)。
図3の上段では、図2の上段と同様に、比較的高い調光率に対応し、第1の調光制御によってハイサイド制御信号Vg1のデューティが設定されている。このとき、ゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwは、ハイレベルとローレベルを有する二値信号として用いられている。これに対して、図3の下段では、ハイサイド制御信号Vg1のデューティが上段と同じに維持された状態で、ゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwが、中間レベルとローレベルとを有するアナログ信号として用いられている。なお、図3の下段のインダクタ電流ILの点線は、比較の便宜上、上段のインダクタ電流ILと同じ波形を図示している。図3の下段のゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwの点線は、比較の便宜上、上段のゲート電圧のハイレベルを図示している。
図3の下段のように、ゲート電圧を中間レベルにすることにより、トランジスタ素子の抵抗値を変化させるように制御することができる。トランジスタ素子の抵抗値を制御することにより、当該トランジスタ素子に流れる電流値を制御する。この電流値の制御により、トランジスタ素子と直列接続されたLED負荷の発光量(明るさ)を制御する調光の分解能を高めることができる。また、トランジスタ素子の抵抗値の制御は、トランジスタ素子のゲート電圧の制御によって行われるので、例えばマイコン内部でゲート電圧を容易に制御することができ、特別な回路を追加する必要がなく、回路コストの増加を抑制することができる。
なお、図3の下段の中間レベルは、少なくとも1つあればよい。制御回路33は、例えば、複数の中間レベルを段階的に設定可能な構成としてもよいし、連続的に可変な中間レベルを設定可能な構成としてもよい。
制御回路33は、第2の調光制御において、各トランジスタ素子M3〜M6の抵抗値を、調光のために連続的に(またはアナログ的に)変化させるように制御してもよい。このとき、制御回路33は、トランジスタ素子の抵抗値を、トランジスタ素子のオン状態のときのドレイン−ソース間オン抵抗よりも大きい値に制御してもよい。また、制御回路33は、トランジスタ素子の抵抗値を、(1)上記オン抵抗、(2)トランジスタ素子のオフ状態のときのドレイン−ソース間オフ抵抗、および、(3)オン抵抗より大きくオフ抵抗よりも小さい、調光のための抵抗値、の少なくとも3段階を含む多段階で変化させるよう制御してもよい。
[1.3 LED点灯装置および照明器具の動作]
次に、実施の形態1に係るLED点灯装置30を備える照明器具100の動作例について説明する。ここでは、第2の調光制御の動作例について詳細に説明する。
図4は、実施の形態1に係る照明器具の第2の調光制御の動作例を示すフローチャートである。制御回路33は、図3の区間TRにおいてゲート電圧Vrのフィードバック制御を行う(S41)。このフィードバック制御では、赤色に対応するLED負荷21を流れる平均的な電流値が調光率に対応した適切な値になるように、ゲート電圧Vrの電圧値が調整される。続いて、制御回路33は、図3の区間TGにおいてゲート電圧Vgのフィードバック制御を行い(S42)、区間TBにおいてゲート電圧Vbのフィードバック制御を行い(S43)、区間TWにおいてゲート電圧Vwのフィードバック制御を行う(S43)。
図5は、実施の形態1に係る照明器具における第2の調光制御のフィードバック制御の動作例を示すフローチャートである。同図は、図4のステップS41〜S44それぞれの具体的な処理内容を示している。ゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwを代表してゲート電圧Vxに関するフィードバック制御について説明する。つまり、xは、r、g、b、wの何れかの色を示す。
図5において、制御回路33は、色xに対応する区間でインダクタ電流ILが流れているかを判定し(S51)、インダクタ電流ILが流れている所定のタイミングで、色xに対応するLED負荷の電流値Ixを電流検出回路32aからADC37を介して入力し、LED負荷を流れる平均的な電流値Ixを検出する(S52)。所定のタイミングは、例えば、図3下段のハイサイド制御信号Vg1の立下りエッジのタイミング、つまり、インダクタ電流ILの三角波のピークになるタイミングでよい。あるいは、区間Tx内で複数点サンプリングして波形を算出してもよい。また、平均的な電流値Ixは、所定タイミングの瞬時値、または、波形から、予め定められた換算式または換算テーブルによって求めることができる。
次に、制御回路33は、換算した平均的な電流値Ixと基準値REFxとの誤差Exを算出する(S53)。基準値REFxは、色xに対応するLED負荷に供給すべき電流値であり、外部から指定された調光率(または外部から指定された調色の色)に応じて定められる。誤差Exは、平均的な電流値Ixと基準値REFxとの差分でよい。
さらに、制御回路33は、誤差Exを0にするようにゲート電圧Vxのデジタル値を調整し(S54)、調整後のゲート電圧Vxのデジタル値を、DAC38を介してアナログのゲート電圧としてトランジスタ素子M3〜M6のうち対応するトランジスタ素子のゲートに出力する(S55)。
このようなフィードバック制御により、色xに対応するLED負荷を流れる平均的な電流値Ixが、外部から指定された調光率に対応した適切な値(つまり基準値REFx)になるように、ゲート電圧Vrの電圧値が調整される。
なお、図4および図5では、フィードバック制御によりゲート電圧を調整する例を示したが、これに限らない。例えば、制御回路33は、外部から指定された調光率とゲート電圧とを対応させたテーブルを予め記憶しておき、このテーブルに従ってゲート電圧を発生させてもよい。
以上のように実施の形態1に係るLED点灯装置30は、異なる発光色を有する複数のLED負荷21〜24と、前記複数のLED負荷21〜24に給電する電源回路31と、複数のLED負荷21〜24のそれぞれに直列接続されたトランジスタ素子M3〜M6と、トランジスタ素子M3〜M6を順番に導通させることにより複数のLED負荷21〜24を順送り点灯させる制御回路33と、を備え、制御回路33は、トランジスタ素子M3〜M6の抵抗値を変化させるように制御することによって複数のLED負荷21〜24の明るさを調光する。
これによれば、回路コストの増加を抑制しつつ、調光の分解能を高めることができる。言い換えれば、トランジスタ素子の抵抗値をオン抵抗値よりも大きい値に制御することにより、当該トランジスタ素子に流れる電流値を制御し、トランジスタ素子と直列接続されたLED負荷の発光量(明るさ)を制御する。こうして、調光の分解能を高めることができる。また、トランジスタ素子の抵抗値の制御は、トランジスタ素子のゲート電圧の制御によって行われるので、例えばマイコン内部でゲート電圧を容易に制御することができ、特別な回路を追加する必要がなく、回路コストの増加を抑制することができる。
ここで、電源回路31からLED負荷21〜24に給電する期間の割り合いを示すデューティを制御することにより調光する第1の調光制御、および、各トランジスタ素子M3〜M6の抵抗値を変化させるように制御することにより調光する第2の調光制御のうちの少なくとも1つを選択して調光してもよい。
これによれば、第1の調光制御と第2の調光制御とのうち少なくとも1つを選択できるので、柔軟な調光を可能にする。
ここで、制御回路33は、外部から指示される調光率が所定値以上であるときは第2の調光制御を行わず、調光率が所定値以上でないときは第2の調光制御を行ってもよい。
これによれば、調光率が所定値以上でないときは、第1の調光制御と第2の調光制御とを組み合わせて調光、または、第2の調光制御のみで調光するので、照明光が比較的暗い場合に、分解能を高くすることができる。また、調光率が所定値以上であるとき、つまり照明光が比較的明るいとき、高い分解能は重要でないので第1の調光制御のみで調光する。
ここで、調光率が所定値以上でないときは、第1の調光制御により所定値に対応する明るさに調光した状態を維持した上で、さらに第2の調光制御により(所定値−調光率)だけ暗くするように調光してもよい。
これによれば、所定値をまたぐ調光制御を容易にすることができる。
ここで、制御回路33は、第2の調光制御において、トランジスタ素子M3〜M6の抵抗値の制御することにより、トランジスタ素子M3〜M6を流れる平均的な電流を定電流化してもよい。
これによれば、トランジスタ素子を流れる平均的な電流を定電流化するので、調光の分解能を高めるのに適している。
ここで、LED点灯装置30は、さらに、各トランジスタ素子M3〜M6を流れる電流値を検出する電流検出回路32aを有し、制御回路33は、第2の調光制御において、検出された電流値の平均と基準値との差分をゼロにするように、トランジスタ素子M3〜M6のゲート電圧を生成するフィードバック制御を行ってもよい。
これによれば、トランジスタ素子を流れる平均的な電流の定電流化は、フィードバック制御によって容易に実現することができる。例えば、制御回路がマイコンにより構成される場合には、フィードバック制御の主要部をソフトウェアにより実現することができる。また、制御回路がマイコンにより構成される場合であっても、フィードバック制御の主要部をソフトウェアでなくてもアナログ回路として構成することも容易である。
ここで、制御回路33は、調光率に応じて基準値を決定してもよい。
これによれば、定電流化されるトランジスタ素子を流れる平均的な電流値を、基準値に一致させることができる。つまり、第2の調光制御では、外部から指示される調光率に対応する基準値を設定すれば高い分解能で、しかも容易に調光することができる。
ここで、複数のLED負荷21〜24のそれぞれは、1つ以上のLEDと、1つ以上のLEDと並列に接続された平滑コンデンサC2〜C5とを有していてもよい。
これによれば、平滑コンデンサにより、順送り点灯におけるLED負荷の周期的な点滅動作を緩和(つまり消灯期間の短縮)させることができる。
また、実施の形態1に係る照明器具100は、上記のLED点灯装置30を備える。
これによれば、回路コストの増加を抑制しつつ、調光の分解能を高めることができる。
(実施の形態2)
続いて、実施の形態2に係るLED点灯装置30について説明する。本実施の形態では照明器具100のより具体的な回路例、および、調光率に応じて第1の調光動作と第2の調光動作と使い分ける動作例について説明する。
[2.1 LED点灯装置および照明器具の構成]
図6は、実施の形態2に係る照明器具100の構成例を示すブロック図である。図6は、図1のより詳細な具体例を示している。ただし、図1のAC−DC電源10の図示は省略してある。以下、図1と同じ点は説明を省略または簡略化して、異なる点を中心に説明する。
光源20内のLED負荷21は、トランジスタ素子M3と直列に接続される。トランジスタ素子M3は、しきい値Vtよりも十分大きいゲート電圧による完全オン状態だけでなく、調光制御において不完全オン状態に制御されことにより、対応するLED負荷に流れる電流を制限する。
LED負荷21は、具体的な回路例として、LEDd1〜d3と、LEDd1〜d3と並列に接続された平滑コンデンサC2と、LEDd1〜d3および平滑コンデンサC2を含む並列回路と直列に接続された逆流防止用のダイオードDaと、電源オフ時の放電用の抵抗R2とを有する。
LEDd1〜d3は、直列接続された同じ発光色のLED発光素子であり、トランジスタ素子M3と直列に接続される。
平滑コンデンサC2は、インダクタL1からダイオードDaを介して供給されるインダクタ電流を平滑化する。
ダイオードDaは、平滑コンデンサC2からインダクタL1に電流が逆流することを防止する。つまり、ダイオードDaは、平滑コンデンサC2にチャージされた電荷をLEDd1〜d3のみに供給させる。
抵抗R2は、高抵抗値を有し、電源オン状態からオフ状態になった後に平滑コンデンサC2の電荷を放電させる。
LED負荷22〜24は、発光色が異なる点以外はLED負荷21と類似の構成である。なお、LED負荷21は、平滑コンデンサC2、逆流防止用のダイオードDaを備えない構成であってもよい。また、LED負荷22〜24も同様である。
LED点灯装置30は、異なる発光色を有する複数のLED負荷21〜24を点灯させる装置である。そのためLED点灯装置30は、電源回路31、セレクタ回路32および制御回路33を備える。
LED点灯装置30内の電源回路31は、降圧チョッパー回路の例を示す。具体的には、電源回路31は、レギュレータ34、HVIC(High Voltage Integrated Circuit)35、入力抵抗R6、R7、スイッチング素子M1、M2およびインダクタL1を備える。
レギュレータ34は、AC−DC電源10からの直流電力を受け、HVIC35および制御回路33に安定化した電源電圧を供給する。
HVIC35は、制御回路33の制御に従って、入力抵抗R6、R7を介してスイッチング素子M1、M2にゲート信号を供給する。スイッチング素子M1、M2のゲート信号は、高速かつ周期的に排他的にアクティブになる。
スイッチング素子M1、M2は、AC−DC電源10から供給される直流電圧とグラウンドレベルとを交互にインダクタL1に接続するためのハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチである。
インダクタL1は、スイッチング素子M1、M2のスイッチングに応じて電気エネルギーを蓄積および放出する。
セレクタ回路32は、複数のLED負荷21〜24から1つのLED負荷を順次巡回的に選択することによって、選択したLED負荷に対して電源回路31から給電させる。そのため、セレクタ回路32は、トランジスタ素子M3〜M6を備える。トランジスタ素子M3〜M6のそれぞれは、複数のLED負荷21〜24のうちのいずれかのLED負荷と直列に接続される。例えば図6では、トランジスタ素子M3は、LED負荷21に直列に接続される。トランジスタ素子M4は、LED負荷22に直列に接続される。トランジスタ素子M5は、LED負荷23に直列に接続される。トランジスタ素子M6は、LED負荷24に直列に接続される。
より具体的には、セレクタ回路32は、入力抵抗R8〜R11、トランジスタ素子M3〜M6、および電流検出回路32aを備える。
トランジスタ素子M3は、LED負荷21と直列に接続される。トランジスタ素子M3のゲートには、制御回路33から入力抵抗R8を介してオンおよびオフを指示するゲート信号が入力される。トランジスタ素子M3はゲート信号に応じてオンおよびオフする。入力抵抗R8は、ゲート電圧Vrによってトランジスタ素子M3のゲート電極を充放電するのを制限する。これにより、トランジスタ素子M3のゲート電極に印加されるゲート電圧Vrは、制御回路33の出力端におけるゲート電圧Vrよりも立ち上がり時間が少し長くなり、少し遅延することになる。つまり、入力抵抗R8は、トランジスタ素子M3のゲート電極の充電を制限する。また、トランジスタ素子M3のゲート電極に印加されるゲート電圧Vrは、制御回路33の出力端におけるゲート電圧Vrよりも立ち下がり時間が少し長くなり、少し遅延することになる。つまり、入力抵抗R8は、トランジスタ素子M3のゲート電極の放電を制限する。
トランジスタ素子M4〜M6も、トランジスタ素子M3と同様である。入力抵抗R9〜R11も、入力抵抗R8と同様である。
電流検出回路32aは、各トランジスタ素子M3〜M6に直列に接続された電流検出抵抗R13〜R16を有する。電流検出抵抗R13〜R16は比較的小さい抵抗値を有する。例えば、電流検出抵抗R13に生じる電圧降下はトランジスタ素子M3を流れる電流に比例するので、この電圧降下を電流値として制御回路33に出力する。電流検出抵抗R14〜R16についても、トランジスタ素子M4〜M6に対応する点以外は、電流検出抵抗R13と同様である。図6の電流検出回路32aは、トランジスタ素子M4〜M6のそれぞれに流れる電流値を個別に測定できる構成になっている。これに対して、図1に示した電流検出回路は、トランジスタ素子M3〜M6のソース側のグランド線が合流した後のグランド線に挿入され、1箇所で測定する例を示している。
制御回路33は、例えば、プロセッサ、メモリ、タイマー、ADC37、DAC38を内蔵するMCU(Micro Controller UnitまたはMicro Computer Unit)により構成される。制御回路33は、大きく分けて順送り点灯の制御と、第1の調光制御と、第2の調光制御とを行う。順送り点灯において、制御回路33は、複数のLED負荷21〜24から1つのLED負荷を順次巡回的に選択するようにセレクタ回路32を制御する。第1の調光制御は、既に説明した図2に示した通りである。第2の調光制御は、既に説明した図3に示した通りである。ただし、本実施の形態では、制御回路33は、外部から指示される調光率が所定値以上であるときは第2の調光制御を行わず、調光率が所定値以上でないときは前記第2の調光制御を行う。ここで所定値は、照明器具100の仕様、種類、設置場所等に依存するが、第1の調光制御では十分な分解能が得られない暗い照明光の範囲に対応し、例えば、調光率0%〜50%の範囲内で定めてもよい。
ADC37は、電流検出抵抗R13〜R16から出力される電流値をアナログ信号からデジタル信号にそれぞれ変換する。
DAC38は、制御回路33によりデジタル信号として生成されたゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwのデジタル信号としてのゲート電圧を、アナログ信号としてのゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwにそれぞれ変換し、セレクタ回路32に出力する。
[2.2 LED点灯装置および照明器具の動作例]
次に、実施の形態2における第2の調光制御の動作例についてより詳細に説明する。
図7は、実施の形態2に係る照明器具の第2の調光制御における各種信号波形の例を示すタイムチャートである。同図は、図3の下段に示した第2の調光制御の動作例を示すタイムチャートに、負荷電流Ir、Ig、Ib、Iwの波形を追加している。図7中のゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwの点線は、比較の便宜上、ハイレベルを図示している。また、インダクタ電流ILの点線、および負荷電流Ir、Ig、Ib、Iwの点線は、ハイレベルのゲート電圧Vr、Vg、Vb、Vwに対応する電流波形を示す。
ゲート電圧Vrの例を説明すると、ゲート電圧Vr(実線)は、対応する区間TRで中間レベルになっている。これにより、トランジスタ素子M3の抵抗値はオン抵抗よりも大きい値になっている。トランジスタ素子M3の抵抗値により、インダクタ電流ILの三角波は、立ち上がりの傾きがなだらかに、立下りの傾きのなだらかになっている。その結果、インダクタ電流ILの三角波が小さくなり、つまり、電源回路31からLED負荷21への給電量が減少し、照明光が暗くなる。負荷電流Irは、トランジスタ素子M3を流れる電流でもあり、区間TRのインダクタ電流ILを平滑化した波形になっている。負荷電流Ir(実線)は、点線と比べると、電流量が減少するとともに、三角波が頭打ち、つまり三角波の頂点がなくなり平坦化している。三角波が頭打ちになっているのは、トランジスタ素子M3の抵抗値はオン抵抗よりも大きい値になっており、フィードバック制御によりトランジスタ素子M3の平均電流値が定電流化されるからであり、トランジスタ素子M3の電流値が一定値を超えないように抑制されている。図7中のゲート電圧Vg、Vb、Vwについても、ゲート電圧Vrと同様である。
図8は、実施の形態2に係る照明器具の第2の調光制御における各種号波形の他の例を示すタイムチャートである。図8は、図7より低い調光率に対応し、ゲート電圧が図7より低い中間レベルになっている。これにより、インダクタ電流ILの三角波も頭打ちになっている。つまり、ゲート電圧を中間レベルにすることにより、インダクタ電流の三角波を低くするだけなく、頭打ちにして、給電量を減少させている。
次に、制御回路33において第1の調光制御と第2の調光制御とを使い分ける動作例について説明する。
図9は、実施の形態2に係る照明器具の調光の動作例を示すフローチャートである。図中の調光率αは、外部から指示された調光率を示す。しきい値th1は、上記の所定値であり、第1の調光制御では十分な分解能が得られない暗い照明光に対応し、例えば、40%とか、30%とかでよい。
図9において、制御回路33は、外部から指示された調光率αが変更されたとき(S91でyes)、当該調光率αがしきい値th1以上であるかどうかを判定する(S92)。制御回路33は、調光率αがしきい値th1以上であると判定した場合、第2の調光制御によらないで第1の調光制御により調光率αに対応する明るさに調光する(S93)。また、制御回路33は、調光率αがしきい値th1以上でないと判定した場合、第1の調光制御によりしきい値th1に対応する明るさに調光する、または維持する(S94)。制御回路33は、さらに、しきい値th1に対応する第1の調光制御によるデューティを維持した状態で、第2の調光制御により(th1−α)だけさらに暗くするように調光する(S95)。
この動作例では、制御回路33は、しきい値th1以上の調光率に変更する場合には、第1の調光制御のみで調光し、しきい値th1より小さい調光率に変更する場合には、第1の調光制御と第2の調光制御とを組み合わせて調光する。これにより、しきい値th1よりも暗い調光範囲における分解能を高めることができる。また、比較的暗い調光範囲で(つまり比較的少ない電流範囲で)第2の調光制御を行うのでトランジスタ素子M3〜M6における発熱量の増加を抑制することができる。
以上のように実施の形態2に係るLED点灯装置30において、制御回路33は、外部から指示される調光率が所定値以上であるときは第2の調光制御を行わず、調光率が所定値以上でないときは第2の調光制御を行う。
これによれば、比較的暗い調光範囲で調光の分解能を高めることができる。
ここで、電流検出回路32aは、各トランジスタ素子M3〜M6に直列に接続された電流検出用の抵抗素子R13〜R16を含んでいてもよい。
これによれば、トランジスタ素子毎に電流検出用の抵抗素子を備えるので、電流検出の精度および柔軟性を高めることができる。
ここで、LED点灯装置30は、インダクタL1を含むスイッチング電源であって、インダクタL1を介して複数のLED負荷21〜24に給電するスイッチング電源を有し、制御回路33は、スイッチングによる給電開始タイミングよりも遅いタイミングで、ゲート電圧をトランジスタ素子に印加してもよい。
これによれば、電源回路31からの給電開始タイミングにおける電圧変動の影響をトランジスタ素子M3〜M6に及ぼさないようにできる。電圧変動の影響は、例えば、暗い調光範囲での明るさの変化を遮断することができる。
ここで、トランジスタ素子M3〜M6のゲートに、ゲート充放電制限抵抗を介してゲート電圧を印加してもよい。
これによれば、前記ゲート電圧の立ち上げりタイミングを、スイッチングによる給電開始タイミングよりも遅らせることを容易にできる。
なお、LED負荷21〜24の発光色の組み合わせは、赤、緑、青、白に限らない。
次に、LED点灯装置30を備える照明器具100の具体例について、図10A〜図10Cを用いて説明する。
図10Aは、実施の形態に係るLED点灯装置30を有する照明器具100の外観例を示す図である。図10Aでは、照明器具100の例として、ダウンライト100aの外観を示す。
ダウンライト100aは、回路ボックス101a、灯体102aおよび配線103aを備える。回路ボックス101aは、実施の形態に係るLED点灯装置30の全部または一部を収納する筐体である。灯体102aは、光源20を装着した灯体である。配線103aは、回路ボックス101aと灯体102a内の光源20とを電気的に接続する。
図10Bは、実施の形態に係るLED点灯装置30を有する照明器具100の他の外観例を示す図である。図10Bでは、照明器具100の例として、スポットライト100bの外観を示す。スポットライト100bは、回路ボックス101b、灯体102bおよび配線103bを備える。これらの回路ボックス101b、灯体102bおよび配線103bは、図10Aの回路ボックス101a、灯体102aおよび配線103aと同様である。
図10Cは、実施の形態に係るLED点灯装置30を有する照明器具100のさらに他の外観例を示す図である。図10Cでは、照明器具100の例として、スポットライト100cの外観を示す。スポットライト100cは、回路ボックス101cおよび灯体102cを備える。これらも図10Aの回路ボックス101aおよび灯体102aと同様である。
なお、光源20内のLEDd1〜d12は、いわゆる発光ダイオードだけでなく、有機EL発光素子(OLED:Organic Light Emitting Diode)、レーザー発光素子などの固体発光素子でもよい。
また、第1の調光制御と第2の調光制御とを調光に用いる動作例について説明したが、調色に用いてもよい。
以上、本開示の一つまたは複数の態様に係るLED点灯装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
21、22、23、24 LED負荷
30 LED点灯装置
31 電源回路
32 セレクタ回路
33 制御回路)
100 照明器具
C2、C3、C4、C5 平滑コンデンサ
d1〜d12 LED
Da、Db、Dc、Dd ダイオード
L1 インダクタ
M3、M4、M5、M6 トランジスタ素子
R2〜R5 抵抗

Claims (10)

  1. LED点灯装置であって、
    異なる発光色を有する複数のLED(Light Emitting Diode)負荷と、
    前記複数のLED負荷に給電する電源回路と、
    前記複数のLED負荷のそれぞれに直列接続されたトランジスタ素子と、
    前記トランジスタ素子を順番に導通させることにより前記複数のLED負荷を順送り点灯させる制御回路33と、を備え、
    前記制御回路は、前記トランジスタ素子の抵抗値を変化させるように制御することによって前記複数のLED負荷の明るさを調光する
    LED点灯装置。
  2. 前記制御回路は、
    前記電源回路から前記LED負荷に給電する期間の割り合いを示すデューティを制御することにより調光する第1の調光制御、および、前記トランジスタ素子の前記抵抗値を制御することにより調光する第2の調光制御のうちの少なくとも1つを選択して調光する
    請求項1に記載のLED点灯装置。
  3. 前記制御回路は、外部から指示される調光率が所定値以上であるときは前記第2の調光制御を行わず、前記調光率が所定値以上でないときは前記第2の調光制御を行う
    請求項2に記載のLED点灯装置。
  4. 前記制御回路は、前記第2の調光制御において、前記トランジスタ素子の抵抗値の制御することにより、前記トランジスタ素子を流れる平均的な電流を定電流化する
    請求項2または3に記載のLED点灯装置。
  5. 前記LED点灯装置は、さらに、各トランジスタ素子を流れる電流値を検出する電流検出回路を有し、
    前記制御回路は、前記第2の調光制御において、検出された電流値の平均と基準値との差分をゼロにするように、前記トランジスタ素子のゲート電圧を生成するフィードバック制御を行う
    請求項2から4のいずれか1項に記載のLED点灯装置。
  6. 前記電流検出回路は、各トランジスタ素子に直列に接続された電流検出用の抵抗素子を含む
    請求項5に記載のLED点灯装置。
  7. 前記制御回路は、調光率に応じて前記基準値を決定する
    請求項5または6に記載のLED点灯装置。
  8. 前記LED点灯装置は、
    インダクタを含むスイッチング電源であって、前記インダクタを介して前記複数のLED負荷に給電するスイッチング電源を有し、
    前記制御回路は、スイッチングによる給電開始タイミングよりも遅いタイミングで、前記ゲート電圧を前記トランジスタ素子に印加する
    請求項5、6または7に記載のLED点灯装置。
  9. 前記複数のLED負荷のそれぞれは、1つ以上のLEDと、前記1つ以上のLEDと並列に接続された平滑コンデンサとを有する
    請求項1から8のいずれか1項に記載のLED点灯装置。
  10. 請求項1に記載のLED点灯装置を備える照明器具。
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