JP3708345B2 - 発光素子駆動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子とくにＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする高速のストロボ撮影などに適したストロボ光源を得るための発光素子駆動回路を提供せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速のストロボ光源としてはキセノンランプなどの放電管を用いたものが多い。しかし、高出力ＬＥＤは太陽光の直射日光の明るさを有しており、これを用いたものも使用されている。ストロボ光源は高速道路や交叉点の監視やスーパーマーケットや金融機関の夜間の無人監視などに使われている。
【０００３】
キセノン管などは寿命が短く、取扱が不便であるのに対して、ＬＥＤは小型で長寿命で使用し易い利点を有している。また、夜間の監視においては、赤外線を使用する場合も多く、発光波長が赤外から可視光にわたって選択できる点でも、ＬＥＤはストロボ光源として優れている。
【０００４】
ＬＥＤはデューティサイクルを小さくすることによって、瞬時の光出力を大きくすることができる点でもストロボ光源として優れた特性を有している。
【０００５】
図７には従来使用されているストロボ光源用の発光素子駆動回路が示されている。ここで２１，２２は１００ＶのＡＣ電源入力であり、それが整流スタック２６で全波整流された、平滑用のコンデンサ２７Ｃで平滑されスイッチング電源回路５１で一定の電圧、たとえば４８Ｖが得られる。
【０００６】
一定の電圧となったスイッチング電源回路５１のプラス側の出力は電流制限抵抗５４を介して多数のＬＥＤを直列接続したものが、たとえば２０列並列に接続された発光素子群２８に接続され、その他端はスイッチング用のトランジスタ用のトランジスタＱ５を介して、スイッチング電源回路５１のマイナス側の出力端子に接続されている。
【０００７】
トランジスタＱ５は多くの場合ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）が用いられ、そのゲートには端子５３から正のパルスを印加され、そのパルスの期間だけトランジスタＱ５はそのコレクタとエミッタ間をオンにして発光素子群２８に大電流を流して大きな光出力を得ている。
【０００８】
発光素子群２８を構成している１個のＬＥＤは、直流点灯時には５０ｍＡ程度の電流を流し、１個のＬＥＤの端子間電圧は１．５Ｖ程度であるが、１ｍｓのパルス幅で１Ａの電流を流すと、その光出力の瞬時値は直流点灯時の２０倍程度となり、１個のＬＥＤの端子間電圧は３Ｖ程度となる。デューティサイクルが２０分の１より小さければ（パルス間隔を２０ｍｓより大きくすれば）発光素子群２８は使用に耐え得る。すなわち、直流点灯時に５０ｍＡの電流を流しても使用に耐え得るならば、たとえば、デューティサイクルが２０分の１（たとえば、パルス幅が１ｍｓ、パルス間隔が２０ｍｓ）のときは、その逆数は２０であるから、直流点灯時の電流５０ｍＡの２０倍の高いレベルのスイッチ電流１Ａ（＝５０ｍＡ×２０）を流しても使用に耐え得る。
【０００９】
発光素子群２８内部のＬＥＤの直列接続が、たとえば２０列並列接続されている場合には、トランジスタＱ５には、１ｍｓのパルス幅で２０Ａの電流が流れる。したがって、ピーク時２０Ａの出力電流を得ることのできるスイッチング電源回路５１を用いる必要があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子群をストロボ発光させるには、定電圧電源としてスイッチング電源回路を用いたとしても、大型となり、コスト高となるために、用途上も制約を受けるという解決されるべき課題があった。
【００１１】
そこで本願発明では、ＡＣ電源周波数の２倍（ＡＣ電源を全波整流して得た整流波形のくり返し周波数）以内のストロボ発光くり返し周波数に限定して、大容量の定電圧電源を用いた場合と変わらない安定した精度で、小型、軽量、大出力のストロボ発光を可能とする発光素子駆動回路を低コストで実現することを課題とした。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
ＡＣ電源を整流スタックで整流してコンデンサにＡＣ電源のピーク電圧値まで充電し、そのスイッチ電流設定値に従って整流スタックで整流した電流波形のくり返し周波数よりは少ないくり返し周波数でＡＣ電源の整流波形のくり返し周期よりは短いストロボ発光の 時間幅だけ発光素子群に、その使用に耐え得る直流点灯時の電流のデューティサイクルの逆数以内の倍率の電流である高いレベルのスイッチ電流を定電流供給してストロボ発光させるようにするスイッチ定電流源を設けた。
【００１３】
ストロボ発光中にコンデンサの充電電圧は下降するが、その間はスイッチ定電流源の定電流作用により、発光素子群に供給される電流値は一定値に維持される。ストロボ発光の周期は整流電流波形のくり返し周波数よりも長いから、次のストロボ発光の前にコンデンサはピーク電圧に充電されている。簡単な回路で小型、軽量、低コストを実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態の回路構成を示している。ここでは図７に対応するものについては同じ記号を付してある。２１，２２は１００ＶのＡＣ電源入力であり、それが整流スタック２６で全波整流されて、平滑用のコンデンサ２７で平滑されて、仮想接地端子１１と端子１に出力される。
【００１５】
平滑された出力はスイッチ定電流源３０を介してスイッチ定電流となって端子１０に得られ、発光素子群２８に印加されてストロボ発光する。発光素子群２８は、たとえば３３個のＬＥＤを直列接続したものを１〜２０列並列接続（３３×１＝３３個〜３３×２０＝６６０個）した構成になっている。以下の動作説明の場合には１列（３３×１＝３３個）のＬＥＤを用いた場合を説明する。
【００１６】
スイッチ定電流源３０には、定電流部３５とスイッチ電流設定部４０が含まれている。定電流部３５は、スイッチ電流設定部４０によって設定された電流値を、定電流で発光素子群２８に供給する。スイッチ電流設定部４０には、ストロボ発光のタイミング（発光の時点と発光の時間幅）を指示するパルスを外部から印加する端子２とストロボ発光中の定電流値を入力する端子２５とストロボ発光休止期間中の定電流値を入力する端子１２があり、このタイミングと定電流値を端子５を介して定電流部３５に印加している。
【００１７】
図２には、定電流部３５の内部構成を示す回路図が示されている。そこにはトランジスタＱ１、オペアンプＡ１、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、とコンデンサＣ１，Ｃ２が含まれている。トランジスタＱ１は、多くの場合ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）が用いられ各抵抗およびコンデンサの値は、たとえば、Ｃ１（０．０２μＦ），Ｃ２（２２０ｐＦ），Ｒ１（１Ω），Ｒ２（１００Ω），Ｒ３（１００ＫΩ），Ｒ４（１０ＫΩ）となっている。
【００１８】
ここでトランジスタＱ１の電流は抵抗Ｒ１で検出され、端子７の電圧は端子５に印加された定電流設定値を示す電圧と差動増幅器であるオペアンプＡ１において比較され、その誤差が無くなる（すなわち、端子５と７の電圧が等しくなる）ようにトランジスタＱ１のゲート電圧を制御している。
【００１９】
図３には、スイッチ電流設定部４０の内部構成を示す回路図が示されている。そこには、インバータ４１，４２とアナログスイッチ４３，４４が含まれている。アナログスイッチ４３は、オンの期間仮想接地よりもわずかに高い端子１２の（５ｍＶ程度の）電圧を端子５ｂに出力する。アナログスイッチ４４は、オンの期間端子２５の電圧（１Ｖ）を端子５ａに出力する。
【００２０】
端子２５には、電池２３（実際には数Ｖの定電圧源）の電圧をポテンショメータ２４で分圧してストロボ発光期間中の定電流値を設定するための基準電圧を端子２５に得ている。ストロボ発光時のトランジスタＱ１のスイッチング速度を速くして十分なスイッチ速度を得るために電池１８（たとえば、５ｍＶ程度の定電圧源）と抵抗１９により５ｍＶ程度の電圧を端子１２に得ている。トランジスタＱ１の速度が十分に速い場合には、電池１８と抵抗１９を除いて端子１２を直接端子１１に接続してもよい。
【００２１】
図４は、図１，図２，図３に示した回路各部のタイムチャートである。同図（ａ）は端子１（図１）の、（ｂ）は端子２（図１，２）の、（ｃ）は端子３（図３）の、（ｄ）は端子４（図３）の、（ｅ）は端子５ａ（図３）の、（ｆ）は端子５ｂ（図３）の、（ｇ）は端子５（図３）の、（ｈ）は端子６（図２）の、（ｉ）は端子７（図２）の、（ｊ）は端子８（図２）の、（ｋ）は端子１０（図１，２）の波形をそれぞれ示している。
【００２２】
図４（ａ）の端子１の電圧は、時点ｔ１以前は０Ｖであり、時点ｔ１においてＡＣ電源（ＡＣ１００Ｖ）が接続されるとコンデンサ２７は整流電圧波形のピーク値まで充電されて、−１４０Ｖになり、一定値を保持する。時点ｔ２において（ｂ）の端子２に示すように負のパルスが印加される。時点ｔ２とｔ３の間、すなわち負のパルス幅は、たとえば１ｍｓである。
【００２３】
時点ｔ２における（ｂ）の端子２のパルスの印加により、（ｃ）の端子３には正のパルスが、（ｄ）の端子４には負のパルスが得られる。アナログスイッチ４４は（ｃ）の端子３のパルスが“Ｈ”となっている期間オンとなり端子２５の電圧を（ｅ）の端子５ａの実線で示すように出力する。（ｃ）の端子３のパルスが“Ｌ”となっている期間はアナログスイッチ４４は（ｅ）の破線で示すようにオフ（高インピーダンス）のままである。アナログスイッチ４３は（ｄ）の端子４のパルスが“Ｌ”となっている期間は（ｆ）の端子５ｂの破線の示すようにオフ（高インピーダンス）であり、“Ｈ”となっている期間は（ｆ）の端子５ｂの実線の示すようにオンとなっている。（ｅ）と（ｆ）を合成したものが（ｇ）の端子５の波形である。
【００２４】
図４の（ｇ）の端子５の波形のストロボ発光期間（ｔ２〜ｔ３）中の電圧は−１Ｖであり、ストロボ発光期間外（ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４，ｔ６〜ｔ８）では＋５ｍＶであり、それぞれ端子２５と端子１２の電圧値を示している。
【００２５】
図４（ｇ）の端子５の波形を受けた負帰還接続されたオペアンプＡ１（図２）の差動増幅作用により、トランジスタＱ１のエミッタ電流検出用の抵抗Ｒ１の電圧降下を示す端子６および７の電圧は端子５の電圧に等しくなるように動作する。ここで、抵抗Ｒ２（１００Ω）とＲ３（１００ＫΩ）の比は極めて大きい（１対１０００）ので抵抗Ｒ２における減衰は無視できる。このとき、（ｈ），（ｉ），（ｊ）の端子６，７，８に示すようにオーバーシュートやリンギングを生じるが、これは大電流が流される発光素子群２８や、図１の端子１および仮想接地端子１１より左側のコンデンサ２７や整流スタック２６および端子２１，２２のＡＣ電源入力の複雑なインピーダンスのためであり、本発明の基本動作にとって本質的なものではない。
【００２６】
オペアンプＡ１の出力は（ｊ）の端子８に示すものが得られ、バッファ用の抵抗Ｒ４を介してトランジスタＱ１のゲートに接続されている。
【００２７】
図４（ｋ）には端子１０の電圧波形が示されている。仮想接地端子１１の電圧０Ｖに対して、時点ｔ１におけるコンデンサＣ２７に対する充電により、オフ状態のトランジスタＱ１の出力側の端子１０は−１４０Ｖに達する。時点ｔ２〜ｔ３のストロボ発光期間においては、１Ａの電流が端子１０から発光素子群２８に流れる。
【００２８】
そこでコンデンサ２７の端子間電圧を示している図４（ａ）の端子１の波形のように、放電により電圧が降下（図面上では右肩上がり）して、時点ｔ２においては−１４０Ｖであった端子１の電圧は、時点ｔ３においてはたとえば−１２０Ｖになる。すなわち、２０Ｖの大きな変動が発生する。整流スタック２６とコンデンサ２７は定電圧源ではないからである。このとき、定電流部３５の作用により、トランジスタＱ１の電圧降下は時点ｔ２の直後に−４０Ｖであったものが小さくなり、端子１０の電圧は時点ｔ３には−２０Ｖになって３３個のＬＥＤを直列接続した１列の発光素子群２８には、１００Ｖの電圧で１Ａの定電流をｔ２〜ｔ３（１ｍｓ）の間流す。
【００２９】
時点ｔ３においてストロボ発光期間が終ると、図４（ａ）の端子１の電圧は−１２０Ｖのまま維持され、（ｋ）の端子１０の電圧もほぼ端子１の電圧に等しく−１２０Ｖとなる。ＡＣ電源が６０Ｈｚで全波整流の場合は、時点ｔ１から１２０分の１秒（８．３ｍｓ）後の時点ｔ４においてコンデンサ２７は充電されるから、図４（ａ）の端子１の電圧は再び−１４０Ｖとなり、（ｋ）の端子１０の電圧も再び−１４０Ｖとなり、一定値を保持する。そこで時点ｔ５において再びストロボ発光期間が開始して、時点ｔ２以後の動作がくり返される。
【００３０】
以上に説明した動作においては、コンデンサ２７の端子間電圧は、１ｍｓの間１Ａの電流を放電することにより、２０Ｖ電圧変動している。するとコンデンサＣ２７の静電容量をＣ、変動した電荷量をｑ、２０Ｖの電圧変動をｖ、１ｍｓのストロボ発光期間（放電期間）をｔ、１Ａの放電電流をｉと
すると、
ｑ＝Ｃｖ＝ｉｔ
より、
ｑ＝１Ａ×１ｍｓ＝０．００１クーロン
Ｃ＝ｑ／ｖ＝０．００１／２０＝５０μＦ
となる。したがって発光素子群２８として３３個のＬＥＤを直列接続したものを１列使用する場合は、コンデンサ２７として５０μＦのものを使用すればよい。
【００３１】
かりに、発光素子群２８として３３個のＬＥＤを直列接続したものを２０列並列接続したものを使用したときには、コンデンサ２７として５０μＦの２０倍の１０００μＦのものを用いればよい。この場合には図２の電流検出用抵抗Ｒ１の抵抗値を、電流１Ａのとき１Ωであったものを電流２０Ａのときにはその２０分の１の０．０５Ωにする。
【００３２】
図５には本発明の他の実施例の回路構成が示されている。図１に示したスイッチ定電流源３０と発光素子群２８の組をｎ組並列動作させるものである。ただし、図３の端子１２を接地した（端子１１と１２の間を短絡した）場合を例示している。ストロボ発光期間外のトランジスタＱ１（図２）のゲート電圧をゼロにしても十分にスイッチング速度を確保できる場合である。このとき、コンデンサ２７Ｂとして、図１のコンデンサ２７の容量のｎ倍のものを用いる必要がある。ここでは、図１の場合のｎ倍の光出力を得ることができる。
【００３３】
図１においては、整流スタック２６として全波整流器を用いたが、ストロボ発光周期が十分に長い場合（たとえば６０Ｈｚ（５０Ｈｚ）のＡＣ電源では６０分の１秒（５０分の１秒）より長い場合）には半波整流器であってもよい。
【００３４】
図６には本発明のさらに他の実施例の回路構成が示されている。これは従来例を示す図７のスイッチング電源回路５１を用いず図２に示した定電流部３５を用いてその定電流部３５の端子５に図３の端子２５に得られる基準電圧を直接印加してストロボ発光期間中に発光素子群２８へ供給する電流の値を設定している。また、トランジスタＱ５は従来例を示す図７のトランジスタＱ５と同じくストロボ発光期間中オンにし、その他の期間においてオフするようにして発光素子群２８へ電流を流すようにしている。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によるならばＬＥＤを用いたストロボ発光のくり返し周波数をＡＣ電源周波数の２倍よりも低い場合に限定して、大電流用のスイッチング電源などの定電圧源を不要とし簡単な回路で、大容量の定電圧電源を用いた場合と変わらない安定した精度を得て、小型、軽量、長寿命、低コストが実現でき、ＬＥＤによるストロボ発光の用途も大きく広がった。したがって、本発明の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す回路構成図である。
【図２】図１の構成要素である定電流部の回路構成図である。
【図３】図１の構成要素であるスイッチ電流設定部の回路図である。
【図４】図１ないし３の動作を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の他の実施例を示す回路構成図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例を示す回路構成図である。
【図７】従来例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１〜８，１０ 端子
１１ 仮想接地端子
１２ 端子
１８ 電池
１９ 抵抗
２１，２２，ＡＣ 電源入力
２３ 電池
２４ ポテンショメータ
２５ 端子
２６ 整流スタック
２７ コンデンサ
２８ 発光素子群
３０ スイッチ定電流源
３５ 定電流部
４０ スイッチ電流設定部
４１，４２ インバータ
４３，４４ アナログスイッチ
５１ スイッチング電源回路
５３ 端子
５４ 電流制限抵抗
Ａ オペアンプ
Ｃ コンデンサ
Ｑ トランジスタ
Ｒ 抵抗
ｔ 時点

Claims (10)

1. ＡＣ電源を整流してコンデンサにそのＡＣ電源のピーク電圧値まで充電し、ストロボ発光電流を供給するための整流充電手段（２６，２７）と、
   前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周波数よりは高くないくり返し周波数で所定のスイッチ電流設定値（２５，２）にもとづいて前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周期よりは短いストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）だけ発光素子群（２８）にストロボ発光させるために、前記発光素子群（２８）の直流点灯時の電流のデューティサイクルの逆数以内の倍率の電流である高いレベルのスイッチ電流を定電流供給（１０）するためのスイッチ定電流源手段（３０）と
   を含んだ発光素子駆動回路。
2. ＡＣ電源を整流してコンデンサにそのＡＣ電源のピーク電圧値まで充電し、ストロボ発光電流を供給するための整流充電手段（２６，２７Ｂ）と、
   前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周波数よりは高くないくり返し周波数で所定のスイッチ電流設定値（２５，２）にもとづいて前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周期よりは短いストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）だけ発光素子群（２８）にストロボ発光させるために、前記発光素子群（２８）の直流点灯時の電流のデューティサイクルの逆数以内の倍率の電流である高いレベルのスイッチ電流を定電流供給（１０）するための前記整流充電手段（２６，２７Ｂ）に並列に接続された複数のスイッチ定電流源手段（３０）と
   を含んだ発光素子駆動回路。
3. 前記スイッチ定電流源手段（３０）が、
   前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周波数よりは高くないくり返し周波数で、前記ストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）において前記高いレベルのスイッチ電流を定電流供給（１０）するべく指示するためのスイッチ電流設定（５）をするスイッチ電流設定部（４０）と、
   前記スイッチ電流設定（５）にもとづいて前記ストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）において前記高いレベルのスイッチ電流を前記発光素子群（２８）に定電流で供給する（１０）ための定電流部（３５）を含んでいる
   請求項１または２の発光素子駆動回路。
4. 前記定電流部（３５）が、
   前記発光素子群（２８）に所定の定電流を供給するトランジスタ（Ｑ１）と、
   前記トランジスタ（Ｑ１）の電流値を検出するための電流検出用抵抗（Ｒ１）と、
   前記電流検出用抵抗（Ｒ１）によって検出した値を前記スイッチ電流設定（５）の値と比較してその誤差が無くなるように前記トランジスタ（Ｑ１）を制御するための差動増幅器（Ａ１）と
   を含んでいる請求項３の発光素子駆動回路。
5. 前記スイッチ電流設定部（４０）が、
   前記ストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）の期間においては前記高いレベルのスイッチ電流を指示する電圧（２５）を出力するための第１のアナログスイッチ（４４）と、
   前記ストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）の期間以外の期間においては、前記高いレベルのスイッチ電流に比べて 低いレベルの電流を指示する電圧（１２）を出力するための第２のアナログスイッチ（４３）と
   を含む請求項３の発光素子駆動回路。
6. 前記高いレベルのスイッチ電流に比べて 低いレベルの電流を指示する電圧（１２）が、
   前記定電流部（３５）における前記高いレベルのスイッチ電流を前記ストロボ発光の時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）の期間を得るのに十分な速さでスイッチできるような値である
   請求項５の発光素子駆動回路。
7. 前記高いレベルのスイッチ電流に比べて低いレベルの電流が、ゼロである
   請求項５の発光素子駆動回路。
8. ＡＣ電源を整流してコンデンサにそのＡＣ電源のピーク電圧値まで充電し、ストロボ発光電流を供給するための整流充電手段（２６，２７）と、
   前記ストロボ発光電流を発光素子群（２８）に定電流で供給するための定電流部（３５）と、
   前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周波数よりは高くないくり返し周波数で、前記ＡＣ電源の整流波形のくり返し周期よりは短いストロボ発光の 時間幅（ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６，ｔ８〜ｔ９）においてオンとなり他の期間はオフとなるように前記ストロボ発光電流をスイッチするためのスイッチ手段（Ｑ５）と
   を含む発光素子駆動回路。
9. 前記整流充電手段（２６，２７，２７Ｂ）が、
   前記ＡＣ電源の整流をする場合に全波整流をする全波整流スタックを含んでいる
   請求項１，２または８の発光素子駆動回路。
10. 前記整流充電手段（２６，２７，２７Ｂ）が、
    前記ＡＣ電源の整流をする場合に半波整流をする半波整流スタックを含んでいる
    請求項１，２または８の発光素子駆動回路。

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