JP2022076540A - 調光装置および調光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置を提供する。
【解決手段】 電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光装置１００を提供する。この調光装置１００は、第１ＰＷＭ信号に基づき、第１ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でトリガ信号を発生させるトリガ発生部２０と、トリガ信号が発生した時にオンになり、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになる第２ＰＷＭ信号を発生させ、第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する制御部１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、調光装置および調光方法に関する。

従来から、電源の出力をオン／オフ制御するＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号のデューティ比に応じて、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源の明るさを調光制御する調光装置が知られている。これらの調光装置では、通常、ユーザがコントローラを操作することにより入力した調光レベルがＰＷＭ信号に変換され、そのＰＷＭ信号を入力された回路が光源の電源をオン／オフして光源の明るさをユーザが入力した調光レベルになるように制御する。

また、ユーザがコントローラを操作して調光レベルを変更するとＰＷＭ信号のデューティ比が変化し、それに応じて光源の明るさが変化するが、ＰＷＭ信号の分解能が低い場合、回路へ伝達される調光レベルの値が粗くなり、光源の明るさの変化が不連続なものとなる。このような不連続が生ずる場合、ユーザは、光源に、ちらつき、不快感や違和感などを感じる。これは、特に、人の感受性が高い低照度の場合、すなわちデューティ比が小さい場合に生ずる。

このような問題を解消するためには、ＰＷＭ信号の分解能を高めてＰＷＭ信号のデューティ比が可能な限り連続的に変化するようにすればよいが、ＰＷＭ信号の分解能は調光装置を構成するマイクロプロセッサ等の性能（クロック周波数、データ幅（アドレス空間の大きさ）など）に依存するので、これを向上させることは製品コストの増大を招くため容易ではない。

たとえば、特許文献１は、負荷出力を連続的に増加させることができ、低デューティ比のパルス信号の分解能を向上することができるパルス生成回路を開示する。このパルス生成回路は、電源回路から負荷への給電を制御するスイッチング素子にオン／オフ動作のために与えるべきパルス信号を生成する際、そのパルス信号のパルス幅を、負荷に給電される電流の立ち上がり時間以内とすることにより、パルス信号の分解能を向上させる。

特開２００９－２５９４１２号公報

しかし、光源（負荷）に給電される電流の立ち上がり時間は光源により変動し、また、立ち上がり時間を分割する数は、結局マイクロプロセッサなどの性能に依存するため、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上するための普遍的な解決策とは言えない。
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みて考案されたものであり、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置および調光方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光装置であって、第１ＰＷＭ信号に基づき、第１ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でトリガ信号を発生させるトリガ発生部と、トリガ信号が発生した時にオンになり、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになる第２ＰＷＭ信号を発生させ、第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する制御部と、を備える調光装置が提供される。
これによれば、第１ＰＷＭ信号のオン／オフ周期により第２ＰＷＭ信号が発生する頻度（周波数）を変化させ、かつ、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて第２ＰＷＭ信号のオン幅を変化させることで、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が小さいときには、オフ期間が長いため第２ＰＷＭ信号の発生頻度が小さくかつ第２ＰＷＭ信号のオン幅も短いため、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化に対する第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化が小さく、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が大きいときには、オン期間が長いため第２ＰＷＭ信号の発生頻度が大きくかつ第２ＰＷＭ信号のオン幅も長いため、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化に対する第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化が大きくなる。このようにして、第１ＰＷＭ信号の低デューティ比において、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化率より第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化率を小さくすることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置を提供することができる。

さらに、トリガ発生部が発生させるトリガ信号は、インパルス状の信号であることを特徴としてもよい。
これによれば、トリガ信号がインパルス状の信号であることで、第２ＰＷＭ信号との干渉を防止することができる。

さらに、トリガ発生部が発生させるトリガ信号は、第１ＰＷＭ信号とは非同期に発生する信号であることを特徴としてもよい。
これによれば、トリガ信号が第１ＰＷＭ信号とは非同期に発生する信号であることで、同期するならば第１周期と第２周期の切り替え時に生ずる不都合を回避できる。

さらに、制御部は、第１ＰＷＭ信号を積分する積分器と、積分器により積分された第１電圧と光源を流れる電流から得られる所定位置における第２電圧とを比較し、比較結果を出力する電圧比較器と、トリガ発生部が発生させたトリガ信号により第２ＰＷＭ信号をオンし、電圧比較器が出力した比較結果により第２ＰＷＭ信号をオフする駆動信号生成部とを備えることを特徴としてもよい。
これによれば、マイクロプロセッサなどの性能に依存することなく、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させ、光源の調光範囲を拡大させることができる。

さらに、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間とは、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した期間であることを特徴としてもよい。
これによれば、第２ＰＷＭ信号のオン幅を迅速かつ容易に求めることができる。

さらに、第２周期は、第１周期より５倍以上長いことを特徴としてもよい。
これによれば、より好ましい分解能を得ることができる。

さらに、制御部は、（Ａ１）式で表わされるデューティ比（ｄｒ２）の第２ＰＷＭ信号を発生させることを特徴としてもよい。

・・・（Ａ１）式
但し、ｄｒ１は第１ＰＷＭ信号のデューティ比、ｋは所定の比例定数、ＴｏｆｆＳは第１周期におけるオフ期間の長さ、ＴｏｆｆＬは第２周期におけるオフ期間の長さである。
これによれば、第１ＰＷＭ信号に基づきかかる計算式により第２ＰＷＭ信号を発生させることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させることができる。

上記課題を解決するために、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光装置であって、調光装置に入力される第１ＰＷＭ信号のデューティ比（ｄｒ１）に基づき、（Ａ１）式で表わされるデューティ比（ｄｒ２）を算出し、算出したデューティ比の第２ＰＷＭ信号を発生させ、第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する調光装置が提供される。

・・・（Ａ１）式
但し、ｋは所定の比例定数、ＴｏｆｆＳは第１周期におけるオフ期間の長さ、ＴｏｆｆＬは第２周期におけるオフ期間の長さである。
これによれば、入力された第１ＰＷＭ信号に基づきかかる計算式により第２ＰＷＭ信号を発生させることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置を提供することができる。

上記課題を解決するために、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光方法であって、第１ＰＷＭ信号に基づき、第１ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でトリガ信号を発生させ、トリガ信号が発生した時にオンになり、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになる第２ＰＷＭ信号を発生させ、第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御することを含む調光方法が提供される。
これによれば、第１ＰＷＭ信号のオン／オフ周期により第２ＰＷＭ信号が発生する頻度（周波数）を変化させ、かつ、第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて第２ＰＷＭ信号のオン幅を変化させることで、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が小さいときには、オフ期間が長いため第２ＰＷＭ信号の発生頻度が小さくかつ第２ＰＷＭ信号のオン幅も短いため、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化に対する第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化が小さく、第１ＰＷＭ信号のデューティ比が大きいときには、オン期間が長いため第２ＰＷＭ信号の発生頻度が大きくかつ第２ＰＷＭ信号のオン幅も長いため、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化に対する第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化が大きくなる。このようにして、第１ＰＷＭ信号の低デューティ比において、第１ＰＷＭ信号のデューティ比の変化率より第２ＰＷＭ信号のデューティ比の変化率を小さくすることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光方法を提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させ、光源の調光範囲を拡大させる調光装置および調光方法を提供することができる。

本発明に係る第一実施形態の調光装置の回路図。 本発明に係る第一実施形態の調光装置のトリガ発生部の回路の例を示す回路図。 本発明に係る第一実施形態の調光装置の電圧比較器の動作を示す詳細波形図。 本発明に係る第一実施形態の調光装置における、調光ＰＷＭ信号からゲートＰＷＭ信号を発生させる動作を示す波形図。（Ａ）調光ＰＷＭ信号のデューティ比が比較的小さい場合（０．０４３）、（Ｂ）調光ＰＷＭ信号のデューティ比が比較的大きい場合（０．４７）。 本発明に係る第一実施形態の調光装置における、調光ＰＷＭ信号のデューティ比とゲートＰＷＭ信号のデューティ比を比較説明するためのグラフ。調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周波数が６７ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第２周波数が４．９ｋＨｚ、ｋ＝５μｓ、ＴｏｆｆＳ＝１０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝２００μｓの場合。（Ａ）調光ＰＷＭ信号のデューティ比が０～１の範囲、（Ｂ）調光ＰＷＭ信号のデューティ比が０～０．１の範囲。 本発明に係る第一実施形態の変形例の調光装置における、調光ＰＷＭ信号のデューティ比とゲートＰＷＭ信号のデューティ比を比較説明するためのグラフ。（Ａ）調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周波数が２５ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第２周波数が２．４ｋＨｚ、ｋ＝２０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝２０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝４００μｓの場合。（Ｂ）調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周波数が１７ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第２周波数が１．６ｋＨｚ、ｋ＝３０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝３０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝６００μｓの場合。（Ｃ）調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周波数が８．３ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第２周波数が１．２ｋＨｚ、ｋ＝４０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝８０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝８００μｓの場合。（Ｄ）調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周波数が６．７ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第２周波数が０．３９２ｋＨｚ、ｋ＝５０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝１００μｓ、ＴｏｆｆＬ＝２５００μｓの場合。 本発明に係る第二実施形態の調光装置のブロック図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について説明する。
＜第一実施形態＞
図１～図６を参照し、本実施形態における調光装置１００を説明する。調光装置１００は、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する。ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号とは、パルス幅変調方式の信号を言う。

調光装置１００は、外部の調光器から調光ＰＷＭ信号の入力を受け付け、その調光ＰＷＭ信号に基づき電源の出力をオン／オフ制御するためのゲートＰＷＭ信号を生成し、光源であるＬＥＤランプの明るさを制御する。外部調光器は、ダイヤルやスライドバーなどを備え、使用者がそのダイヤル等を操作することにより光源を調光するための従来のＰＷＭ信号である調光ＰＷＭ信号を出力する。なお、調光装置１００は、外部調光器から従来の調光ＰＷＭ信号を受信するが、これに限定されず、本発明に係る調光装置は、自らダイヤル等を備え、内部的に調光ＰＷＭ信号を発生させ、その調光ＰＷＭ信号に基づき、実際にＬＥＤランプを調光制御するためのゲートＰＷＭ信号を生成、出力してもよい。

ゲートＰＷＭ信号は、ＬＥＤランプと直列に接続された電源の出力をオン／オフ制御するスイッチング素子（ＦＥＴ）のゲートに入力され、ＬＥＤランプを調光するために使用される。スイッチング素子の下流側（アース側）では通常ＬＥＤランプを流れる電流Ｉ_ｌｅｄを検出するための電流検出器（抵抗Ｒ２）が設けられており、調光装置１００は、その電流から得られる電圧Ｖｉ（第２電圧）を受信し、ゲートＰＷＭ信号の生成に使用する。電圧Ｖｉは、抵抗Ｒ２に従って、電流Ｉ_ｌｅｄに応じて接地電圧より高い電圧となる。

調光装置１００は、２種類の周期でゲートトリガ信号（トリガ信号）を発生させるトリガ発生部２０と、トリガ発生部２０がゲートトリガ信号を発生させた時にオンになり、調光ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになるゲートＰＷＭ信号を発生させる制御部１０と、を備える。

トリガ発生部２０は、調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）に基づき、調光ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でゲートトリガ信号を発生させる。トリガ発生部２０は、セルフアップタイマ回路と、セルフアップタイマ回路の端子ＣＬＲに出力側を接続されたＯＲ回路から構成されている。セルフアップタイマ回路は、調光ＰＷＭ信号が入力される端子Ｔｏｆｆと、ゲートトリガ信号を出力する端子ＯＵＴと、クリア信号を入力される端子ＣＬＲと、を有する。

セルフアップタイマ回路は、たとえば図２に示す回路を内部に有し、端子ＴｏｆｆにＬｏが入力されている時にはＣＳ１のみから、Ｈｉが入力されている時にはスイッチＳＷが閉となりＣＳ２からもコンデンサＣに電荷が蓄積され、その電荷による電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆより高くなった時に端子ＯＵＴからゲートトリガ信号としてＨｉを出力する。したがって、端子Ｔｏｆｆに調光ＰＷＭ信号のＨｉが入力されている時にはＬｏが入力されている時に比し早く端子ＯＵＴからゲートトリガ信号としてＨｉが出力される。すなわち、トリガ発生部２０は、調光ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でセルフアップし、ゲートトリガ信号としてＨｉを発生させる。

セルフアップタイマ回路は、さらに、コレクタがコンデンサＣの電源側に、ベースが端子ＣＬＲに、エミッタが接地されたトランジスタＱを有し、ＯＲ回路から端子ＣＬＲに信号が入力されると、コンデンサＣの電荷が無くなり端子ＯＵＴからのゲートトリガ信号はオフになる。ＯＲ回路は、一方の入力を端子ＯＵＴに、他方の入力をゲートＰＷＭ信号を出力するゲートラッチ部１３（後述）の出力端子Ｑとスイッチング素子ＦＥＴのゲートとの接続点に接続されている。

かかる構成により、セルフアップタイマ回路は、タイムアップし端子ＯＵＴからゲートトリガ信号のＨｉが出力されると直ちに自己クリアがかかり端子ＯＵＴはＬｏとなって再びセルフアップを繰り返す。このように、トリガ発生部２０が発生させるゲートトリガ信号は、インパルス状の信号であることが好ましい。これによれば、ゲートトリガ信号がインパルス状の信号であることで、後述するゲートＰＷＭ信号との干渉を防止することができる。また、かかる構成により、セルフアップタイマ回路は、ゲートＰＷＭ信号がオンの期間はクリアがかかるため停止、すなわち端子ＯＵＴからＨｉのゲートトリガ信号は出力されない。

また、トリガ発生部２０のセルフアップタイマ回路は、所定の容量を有するコンデンサＣに電荷が蓄積される速度に応じてゲートトリガ信号を発生させることで、調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）とは非同期に発生する信号となる。このように、ゲートトリガ信号が調光ＰＷＭ信号とは非同期に発生することで、ゲートトリガ信号と調光ＰＷＭ信号と同期するならば第１周期と第２周期の切り替え時に生ずる不都合を回避できる。

制御部１０は、図１に示すように、調光ＰＷＭ信号を積分する積分器１１と、積分器１１により積分された電圧Ｖｐｗｍ（第１電圧）とＬＥＤランプを流れる電流から得られる所定位置における電圧Ｖｉ（第２電圧）とを比較し、比較結果を出力する電圧比較器１２と、トリガ発生部２０が発生させたゲートトリガ信号によりゲートＰＷＭ信号（第２ＰＷＭ信号）をオンし、電圧比較器１２が出力した比較結果によりゲートＰＷＭ信号をオフするゲートラッチ部１３（駆動信号生成部）と、を備える。なお、所定位置とは、ＬＥＤランプを流れる電流Ｉ_ｌｅｄを検出するために適切な位置を言い、たとえば電流検出器の直ぐ上流であって、スイッチング素子ＦＥＴの直ぐ下流の位置である。

積分器１１は、調光ＰＷＭ信号が一方から入力される抵抗Ｒ１と、一方を抵抗Ｒ１の他方に、他方をアースに接続されたコンデンサＣとを有する。かかる構成により、積分器１１は、外部調光器が出力したデジタル量の調光ＰＷＭ信号を入力され、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に応じて調光ＰＷＭ信号を積分したアナログ電圧Ｖｐｗｍに変換する。電圧比較器１２は、コンパレータから構成され、プラス入力端子には積分器１１が出力した電圧Ｖｐｗｍが、マイナス入力端子には電流検出器による電圧Ｖｉが入力される。そうすると、電圧比較器１２は、電圧Ｖｐｗｍが電圧Ｖｉより高い場合にはＨｉを、電圧Ｖｐｗｍが電圧Ｖｉより低い場合にはＬｏを、比較結果（ＣＭＰ＿ＯＵＴ）として出力する。

ゲートラッチ部１３は、Ｄ端子、ＣＫ端子、ＣＬＲ端子、Ｑ端子を少なくとも有するディレイフリップフロップから構成される。Ｄ端子には基準電圧が常に入力され、ＣＫ端子にはトリガ発生部２０が出力したゲートトリガ信号が、ＣＬＲ端子には電圧比較器１２が出力したＣＯＭ＿ＯＵＴが入力される。Ｑ端子は、Ｄ端子、ＣＫ端子、ＣＬＲ端子に入力された信号に基づきゲートＰＷＭ信号を出力する。なお、Ｑ端子が出力したゲートＰＷＭ信号は、ゲートドライバを介して適切な電圧にして、スイッチング素子（ＦＥＴ）のゲートに入力される。

図３および図４を参照して、調光装置１００における各部の動作を示す信号について説明する。図３は、電圧比較器１２の動作を示し、上段の波形はプラス端子に入力される電圧Ｖｐｗｍが最大の場合を、下段の波形はプラス端子に入力される電圧Ｖｐｗｍが比較的小さい場合を示す。したがって、上段の波形は、外部調光器からの調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が最大（≒１）の場合を、下段の波形は、そのデューティ比が比較的小さい場合を示す。

ゲートラッチ部１３は、インパルス状のゲートトリガ信号がクロック信号としてＣＫ端子に入力されると、その時のＤ端子への入力値を記憶すると共に保持する。Ｄ端子への入力値は常にＨｉなので、ゲートラッチ部１３は、ゲートトリガ信号が入力されるたびにＨｉのゲートＰＷＭ信号を出力し始め、それを保持するように出力する。一方、ゲートＰＷＭ信号がＨｉ（オン）になる、すなわちスイッチング素子ＦＥＴがオンになるのに伴って電圧Ｖｉは増加するので、電圧比較器１２は、増加する電圧Ｖｉがその時の電圧Ｖｐｗｍと等しいまたは大きくなるとＣＭＰ＿ＯＵＴはＨｉからＬｏに変化する。

ゲートラッチ部１３は、ＣＬＲ端子にＬｏが入力されるとＱ端子はリセットされて、ＬｏのゲートＰＷＭ信号を出力する。すなわち、制御部１０は、ゲートトリガ信号が発生した時にオンになり、電圧Ｖｉがその時の電圧Ｖｐｗｍと等しくなった（または大きくなった）時にオフになるゲートＰＷＭ信号を出力する。なお、ＣＯＭ＿ＯＵＴは、ＨｉからＬｏに変化すると直後にゲートラッチ部１３がＬｏのゲートＰＷＭ信号を出力してスイッチング素子ＦＥＴがオフになり電圧Ｖｉがゼロすなわちその時の電圧Ｖｐｗｍより小さくなるので、直ぐにＬｏからＨｉに変化するインパルス状の波形となる。

電圧Ｖｉがゼロから電圧Ｖｐｗｍ以上になるまでの時間は、スイッチング素子ＦＥＴがオンになった後の電圧Ｖｉの増加率は回路によって定まるので、電圧Ｖｐｗｍの大きさに依存する。電圧Ｖｐｗｍは、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に応じて変化する調光ＰＷＭ信号を積分した電圧であるから、電圧Ｖｉが電圧Ｖｐｗｍ以上になるまでの時間すなわちゲートＰＷＭ信号のオンの期間（オン幅Ｔｇａｔｅ）は、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に応じて変化することとなる。電圧Ｖｉの増加率が一定である場合、オン幅Ｔｇａｔｅは、電圧Ｖｐｗｍの大きさに比例した時間幅となる。制御部１０は、ゲートトリガ信号が発生した時にオンになり、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に比例した期間の経過時にオフになるゲートＰＷＭ信号を発生させる。これによれば、式（１）に示すように、ゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅを迅速かつ容易に求めることができる。
Ｔｇａｔｅ＝ｋ＊ｄｒ１ ・・・（１）
なお、ｋは所定の比例定数（単位は時間、たとえばマイクロ秒）である。

なお、ＬＥＤランプに流れるインダクタＬ電流（図１参照）は、本図に示すように電圧Ｖｉに従って増加するが、ＣＯＭ＿ＯＵＴの出力により電圧Ｖｉのように直ぐにゼロにはならずフライホイールダイオードの存在により徐々に減少する。インダクタＬ電流がゼロになる前に次のゲートＰＷＭ信号がオンになるとうまく調光できないため、電圧Ｖｐｗｍが最大の場合であってもインダクタＬ電流が連続しないように回路定数が設定されている。

図４は、調光ＰＷＭ信号の周期はＴｐｅｒｉｏｄ、その周期Ｔｐｅｒｉｏｄ中Ｈｉの期間はＴｏｎ、調光ＰＷＭ信号がＨｉの期間におけるゲートトリガ信号がオフの期間はＴｏｆｆＳ、調光ＰＷＭ信号がＬｏの期間におけるゲートトリガ信号がオフの期間はＴｏｆｆＬ、ゲートＰＷＭ信号がＨｉの期間はＴｇａｔｅと示す。いずれも単位は時間であり、たとえばマイクロ秒（μｓ）である。

トリガ発生部２０のセルフアップタイマ回路は、調光ＰＷＭ信号がＨｉの期間ではコンデンサＣに速く電荷が蓄積されるため内部電圧Ｖｃ（図２参照）の増加率が大きく速く基準電圧Ｖｒｅｆに到達するので、ゲートトリガ信号を短い周期で発生させる。一方、セルフアップタイマ回路は、調光ＰＷＭ信号がＬｏの期間ではコンデンサＣに遅く電荷が蓄積されるため内部電圧Ｖｃの増加率が小さく基準電圧Ｖｒｅｆに到達するまで時間がかかるので、ゲートトリガ信号を長い周期で発生させる。

ゲートＰＷＭ信号の周期は、調光ＰＷＭ信号がＨｉの期間では（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＳ）、Ｌｏの期間では（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＬ）である。ここで、調光ＰＷＭ信号の周期Ｔｐｅｒｉｏｄ当たりのゲートＰＷＭ信号の総オン時間を算出する。なお、ゲートＰＷＭ信号を生じさせるゲートトリガ信号と調光ＰＷＭ信号は非同期なので、以下の式は近似になる。

調光ＰＷＭ信号がＨｉの期間中のゲートトリガ信号の総オン時間は、式（２）となる。
Ｔｏｎ＊Ｔｇａｔｅ／（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＳ） ・・・（２）
調光ＰＷＭ信号がＬｏの期間中のゲートトリガ信号の総オン時間は、式（３）となる。
（Ｔｐｅｒｉｏｄ－Ｔｏｎ）＊Ｔｇａｔｅ／（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＬ） ・・（３）

したがって、調光ＰＷＭ信号の１周期当たりのゲートＰＷＭ信号の総オン時間は、式（４）となる。
Ｔｏｎ＊Ｔｇａｔｅ／（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＳ）＋
（Ｔｐｅｒｉｏｄ－Ｔｏｎ）＊Ｔｇａｔｅ／（Ｔｇａｔｅ＋ＴｏｆｆＬ） ・・（４）

また、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１は、
ｄｒ１＝Ｔｏｎ／Ｔｐｅｒｉｏｄ
であり、ゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２は、
ｄｒ２＝ゲートＰＷＭ信号総オン時間／Ｔｐｅｒｉｏｄ
であり、式（１）を用いて式（４）を変形すると、式（Ａ１）が導出される。

・・・（Ａ１）式

式（Ａ１）は、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に基づき、所定の比例定数ｋと、ゲートトリガ信号の２つのオフ期間の長さであるＴｏｆｆＳとＴｏｆｆＬが与えられれば、ゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２が導出できることを示している。ＴｏｆｆＳは、調光ＰＷＭ信号がＨｉの期間すなわち第１周期におけるゲートトリガ信号がオフの期間の長さであり、ＴｏｆｆＬは、調光ＰＷＭ信号がＬｏの期間すなわち第２周期におけるゲートトリガ信号がオフの期間の長さである。このように、調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）に基づきかかる計算式によりゲートＰＷＭ信号（第２ＰＷＭ信号）を発生させることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させることができる。

図５および図６を参照し、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１とゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２との関係について説明する。図５および図６は、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１とゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２を比較説明するためのグラフである。調光ＰＷＭ信号の周波数は、一般的に使われている１ｋＨｚとする。

図５における例では、ゲートＰＷＭ信号を安定して出力するため、周期ＴｐｅｒｉｏｄにおけるゲートＰＷＭ信号の第２周期（ゲートトリガ信号が低い周波数の時）の中にゲートＰＷＭ信号のオン時間の個数（ゲートトリガ信号の個数）が、ｄｒ１≒０の時（この時ゲートＰＷＭ信号はほぼ第２周期のみ）少なくとも５個程度となるようにし、ＴｏｆｆＬ≒２００μｓ、ゲートＰＷＭ信号の第２周期における周波数を４．９ｋＨｚとした。また、周期ＴｐｅｒｉｏｄにおけるゲートＰＷＭ信号の第１周期（ゲートトリガ信号が高い周波数の時）では、第２周期の周波数に比してできるだけ高くし、ｄｒ１≒１の時（この時ゲートＰＷＭ信号はほぼ第１周期のみ）１００ｋＨｚ程度が好ましいが、スイッチングロスを考慮し、周波数を６７ｋＨｚ、（ｋｄｒ１＋ＴｏｆｆＳ）≒（ｋ＋ＴｏｆｆＳ）を１５μｓとした。さらに、調光ＰＷＭ信号が最大（電圧Ｖｐｗｍが最大、図３におけるＶｐｗｍ ＭＡＸ）の場合であってもインダクタＬ電流が連続せず一旦ゼロになるようにするには、電源電圧とＬＥＤランプの電圧の関係からｋとＴｏｆｆＳの比率関係が定まり、本例では、ｋ＝５μｓ、ＴｏｆｆＳ＝１０μｓ （ｋ：ＴｏｆｆＳ＝１：２）とした。

本図（Ａ）は、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が０～１の範囲、本図（Ｂ）は、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が０～０．１の範囲を示している。本例に示した、ｋ＝５μｓ、ＴｏｆｆＳ＝１０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝２００μｓの場合のゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２は実線で、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１は点線で示されている。ゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２のグラフは、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１がゼロ近傍では傾きが小さく、１に近づくにつれ傾きが増加する下に凸の曲線をなし、原点（０，０）と（１，１）では、ｄｒ１とｄｒ２は一致している。

本図（Ｂ）からも分かるように原点近傍では非常に傾きが小さいため、たとえば、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が０．０５に対してゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２は０．００８程度に、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が０．１に対してゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２は０．０２程度に対応している。このことは、ゲートＰＷＭ信号は、調光ＰＷＭ信号に比べ、低デューティ比における信号の分解能を向上させることになる。なお、逆に高いデューティ比においては分解能を低減させることになるが、高いデューティ比のおいてはＬＥＤランプは高輝度で光っているので多少分解能が粗くなっても人間の目にはその粗さはあまり知覚できない。

上述したように、ＴｏｆｆＬは調光ＰＷＭ信号の周波数に基づき、（ｋ＋ＴｏｆｆＳ）はスイッチング周波数に基づき、ｋとＴｏｆｆＳの比率は電源電圧とＬＥＤ電圧の関係に基づき設定することが好ましい。このような設定は、電源電圧、ＬＥＤ、回路定数などを考慮して当業者により適宜行うことが可能である。

たとえば、図６（Ａ）は、調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周期の周波数が２５ｋＨｚ、第２周期の周波数が２．４ｋＨｚ、ｋ＝２０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝２０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝４００μｓの場合を示し、図６（Ｂ）は、調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周期の周波数が１７ｋＨｚ、第２周期の周波数が１．６ｋＨｚ、ｋ＝３０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝３０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝６００μｓの場合を示し、図６（Ｃ）は、調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周期の周波数が８．３ｋＨｚ、第２周期の周波数が１．２ｋＨｚ、ｋ＝４０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝８０μｓ、ＴｏｆｆＬ＝８００μｓの場合を示し、図６（Ｄ）は、調光ＰＷＭ信号の周波数が１ｋＨｚ、ゲートＰＷＭ信号の第１周期の周波数が６．７ｋＨｚ、第２周期の周波数が０．３９２ｋＨｚ、ｋ＝５０μｓ、ＴｏｆｆＳ＝１００μｓ、ＴｏｆｆＬ＝２５００μｓの場合を示す。

いずれのデューティ比ｄｒ２のグラフも、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１がゼロ近傍では傾きが小さく、１に近づくにつれ傾きが増加する下に凸の曲線をなしており、ゲートＰＷＭ信号は、調光ＰＷＭ信号に比べ、低デューティ比における信号の分解能を向上させていることが分かる。調光装置１００は、このようにして生成したゲートＰＷＭ信号によりＬＥＤランプをオン／オフ制御する。なお、第２周期は、第１周期より５倍以上長いこと、すなわち第１周期の周波数は、第２周期の周波数より５倍以上多いことが好ましい。これによれば、より好ましい分解能を得ることができる。

上述したように、調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）のオン／オフ周期によりゲートＰＷＭ信号（第２ＰＷＭ信号）が発生する頻度（周波数）を変化させ、かつ、調光ＰＷＭ信号のデューティ比に応じてゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅを変化させることで、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が小さいときには、オフ期間が長いためゲートＰＷＭ信号の発生頻度が小さくかつゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅも短いため、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化に対するゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２の変化が小さく、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が大きいときには、オン期間が長いためゲートＰＷＭ信号の発生頻度が大きくかつゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅも長いため、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化に対するゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２の変化が大きくなる。このようにして、調光ＰＷＭ信号の低デューティ比において、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化率よりゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２の変化率を小さくすることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置１００を提供することができる。

また、調光装置１００、上述したトリガ発生部２０と、積分器１１、電圧比較器１２、ゲートラッチ部１３（駆動信号生成部）を含む制御部１０とを備えることで、マイクロプロセッサなどの性能に依存することなく、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させ、光源の調光範囲を拡大させることができる。

また、上述したことは、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光方法を示している。この調光方法は、調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）に基づき、調光ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に第１周期より長い第２周期でゲートトリガ信号を発生させ、ゲートトリガ信号が発生した時にオンになり、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に応じた期間の経過時にオフになるゲートＰＷＭ信号を発生させ、そのゲートＰＷＭ信号によりＬＥＤランプ（光源）をオン／オフ制御することを含む。

これによれば、調光ＰＷＭ信号のオン／オフ周期によりゲートＰＷＭ信号が発生する頻度（周波数）を変化させ、かつ、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１に応じてゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅを変化させることで、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が小さいときには、オフ期間が長いためゲートＰＷＭ信号の発生頻度が小さくかつゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅも短いため、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化に対するゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｒｄ２の変化が小さく、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１が大きいときには、オン期間が長いためゲートＰＷＭ信号の発生頻度が大きくかつゲートＰＷＭ信号のオン幅Ｔｇａｔｅも長いため、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化に対するゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２の変化が大きくなる。このようにして、調光ＰＷＭ信号の低デューティ比において、調光ＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ１の変化率よりゲートＰＷＭ信号のデューティ比ｄｒ２の変化率を小さくすることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光方法を提供することができる。

＜第二実施形態＞
図７を参照して、本実施形態における調光装置１００Ａを説明する。なお、重複記載を避けるため、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。調光装置１００Ａは、電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する。

調光装置１００Ａは、外部の調光器から調光ＰＷＭ信号の入力を受け付け、その調光ＰＷＭ信号に基づき電源の出力をオン／オフ制御するためのゲートＰＷＭ信号を生成し、光源であるＬＥＤランプの明るさを制御する。ゲートＰＷＭ信号は、ＬＥＤランプと直列に接続された電源の出力をオン／オフ制御するスイッチング素子（ＦＥＴ）のゲートに入力され、ＬＥＤランプを調光するために使用される。スイッチング素子の下流側（アース側）では通常ＬＥＤランプを流れる電流Ｉ_ｌｅｄを検出するための電流検出器（抵抗Ｒ２）が設けられており、調光装置１００Ａは、その電流から得られる電圧Ｖｉ（第２電圧）を受信し、ゲートＰＷＭ信号の生成に使用する。

調光装置１００Ａは、ＣＰＵ３０を備える。ＣＰＵ３０は、外部調光器から調光ＰＷＭ信号を受け付ける端子ＩＮ１と、電圧Ｖｉを受け付ける端子ＩＮ２と、内部に不揮発性メモリ３１と、ゲートＰＷＭ信号を出力する端子ＯＵＴと、を備える。不揮発性メモリ３１は、（Ａ１）式が少なくとも記憶され、他には、電源電圧、ＬＥＤ、回路定数などから当業者が設定するＴｏｆｆＬ、ＴｏｆｆＳ、比例定数ｋなどのパラメータを記憶してもよい。

ＣＰＵ３０は、かかるパラメータと端子ＩＮ１に入力される調光ＰＷＭ信号（第１ＰＷＭ信号）のデューティ比ｄｒ１に基づき、（Ａ１）式で表わされるデューティ比ｄｒ２を算出し、算出したデューティ比ｄｒ２のゲートＰＷＭ信号（第２ＰＷＭ信号）を発生させ、このゲートＰＷＭ信号によりＬＥＤランプをオン／オフ制御する。これによれば、入力された調光ＰＷＭ信号に基づきかかる計算式によりゲートＰＷＭ信号を発生させることで、低デューティ比におけるパルス信号の分解能を向上させる調光装置１００Ａを提供することができる。

・・・（Ａ１）式

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１００ 調光装置
１０ 制御部
１１ 積分器
１２ 電圧比較器
１３ 駆動信号生成部（ゲートラッチ部）
２０ トリガ発生部
３０ ＣＰＵ

Claims (9)

1. 電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光装置であって、
   第１ＰＷＭ信号に基づき、前記第１ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に前記第１周期より長い第２周期でトリガ信号を発生させるトリガ発生部と、
   前記トリガ信号が発生した時にオンになり、前記第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになる第２ＰＷＭ信号を発生させ、前記第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する制御部と、
   を備える調光装置。
2. 前記トリガ発生部が発生させるトリガ信号は、インパルス状の信号であることを特徴とする請求項１に記載の調光装置。
3. 前記トリガ発生部が発生させるトリガ信号は、前記第１ＰＷＭ信号とは非同期に発生する信号であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の調光装置。
4. 前記制御部は、
   前記第１ＰＷＭ信号を積分する積分器と、
   前記積分器により積分された第１電圧と前記光源を流れる電流から得られる所定位置における第２電圧とを比較し、比較結果を出力する電圧比較器と、
   前記トリガ発生部が発生させたトリガ信号により前記第２ＰＷＭ信号をオンし、前記電圧比較器が出力した比較結果により前記第２ＰＷＭ信号をオフする駆動信号生成部と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の調光装置。
5. 前記第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間とは、前記第１ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した期間であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の調光装置。
6. 前記第２周期は、前記第１周期より５倍以上長いことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の調光装置。
7. 前記制御部は、（Ａ１）式で表わされるデューティ比（ｄｒ２）の第２ＰＷＭ信号を発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の調光装置。
   

   

   ・・・（Ａ１）式
   但し、ｄｒ１は第１ＰＷＭ信号のデューティ比、ｋは所定の比例定数、ＴｏｆｆＳは第１周期におけるオフ期間の長さ、ＴｏｆｆＬは第２周期におけるオフ期間の長さである。
8. 電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光装置であって、
   調光装置に入力される第１ＰＷＭ信号のデューティ比（ｄｒ１）に基づき、（Ａ１）式で表わされるデューティ比（ｄｒ２）を算出し、算出したデューティ比の第２ＰＷＭ信号を発生させ、前記第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する調光装置。
   

   

   ・・・（Ａ１）式
   但し、ｋは所定の比例定数、ＴｏｆｆＳは第１周期におけるオフ期間の長さ、ＴｏｆｆＬは第２周期におけるオフ期間の長さである。
9. 電源の出力をオン／オフ制御するためのＰＷＭ信号を生成し、光源の明るさを制御する調光方法であって、
   第１ＰＷＭ信号に基づき、前記第１ＰＷＭ信号が、Ｈｉの時に第１周期で、Ｌｏの時に前記第１周期より長い第２周期でトリガ信号を発生させ、
   前記トリガ信号が発生した時にオンになり、前記第１ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた期間の経過時にオフになる第２ＰＷＭ信号を発生させ、前記第２ＰＷＭ信号により光源をオン／オフ制御する、
   ことを含む調光方法。
   

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