JP4474562B2 - 発光ダイオード駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを直流で駆動する発光ダイオード駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光ダイオードを駆動する場合、発光ダイオードと直列に電流制限要素を接続するのが一般的である。以下、従来の発光ダイオード駆動装置について図５ないし図１１を参照して説明する。なお、図中、同一部分については同一符号を付している。
【０００３】
図５は、従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例を示す回路図である。
【０００４】
図において、１１１は交流電源、１１２は発光ダイオード群、１１３は電流制限要素である。
【０００５】
発光ダイオード群１１２は、逆極性に接続された第１の発光ダイオード１１２ａおよび第２の発光ダイオード１１２ｂを備えている。そして、第１の発光ダイオード１１２ａは、交流電源１１１が正極性のときに駆動される。第２の発光ダイオード１１２ｂは、交流電源１１１が負極性のときに駆動される。
【０００６】
電流制限要素１１３は、抵抗器からなり、電源電圧のいずれの極性のときにも発光ダイオード群に流れる入力電流を所定値に制限する。
【０００７】
図６は、従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例を示す回路図である。
【０００８】
第２の例は、電流制限要素１１３をコンデンサによって構成したものである。
【０００９】
図７は、従来の発光ダイオード駆動装置の第３の例を示す回路図である。
【００１０】
第３の例は、低周波交流を全波整流器１１４および平滑コンデンサ１１５により平滑化された直流に変換し、さらに高周波インバータ１１６によって直流を高周波に変換して、発光ダイオード群１１２を高周波で駆動する。電流制限要素１１３にはインダクタを用いている。なお、１１７は高周波フィルタ、１１８は直流カットコンデンサである。また、高周波インバータ１１６は、一対のスイッチング素子１１６ａ、１１６ｂおよびゲートドライブ回路１１６ｃを主体として構成されたハーフブリッジ形インバータからなる。
【００１１】
図８は、従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例を示す回路図である。
【００１２】
第４の例は、昇圧チョッパ１１９および降圧チョッパ１２０を用いている。加えて、発光ダイオード群１１２´に流れる電流を抵抗器１２１で検出し、これを演算増幅器１２２で基準電圧源１２３と比較して図示されていないパルス幅変調（ＰＷＭ）回路に制御入力させることによって降圧チョッパ１２０を電流帰還制御する構成である。このため、安定化された直流によって発光ダイオード群１１２´を直流駆動できる。なお、発光ダイオード群１１２´は、直流駆動のため逆極性に接続されていない。また、昇圧チョッパ１１９は、インダクタ１１９ａ、スイッチング素子１１９ｂ、ダイオード１１９ｃ、平滑コンデンサ１１５およびゲートドライブ回路１１９ｄを主体として構成されている。さらに、降圧チョッパ１２０は、スイッチング素子１２０ａ、ダイオード１２０ｂ、インダクタ１２０ｃおよびゲートドライブ回路１２０ｄを主体として構成されている。
【００１３】
次に、図９ないし図１１を参照して従来の各例における発光ダイオード駆動装置の電源電圧および波形入力電流の波形について説明する。なお、図中、Ｖは電源電圧波形、Ｉは入力電流波形、をそれぞれ示す。
【００１４】
図９は、従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１５】
図１０は、従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１６】
図１１は、従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の例は、回路構成が簡単な利点はあるが、抵抗器の電力損失が大きくて光源としてのエネルギー効率が悪いとともに、入力電流に高調波が多いという問題がある。すなわち、図９から理解できるように、第１の例においては、電源電圧のゼロクロス付近に入力電流に休止期間が生じるために高調波が多くなる。
【００１８】
第２の例は、第１の例と同様に回路構成が簡単で電流限流要素１１３における電力損失の問題は解消するが、電流安定性が悪い。また、図１０から理解できるように、入力電流の位相が進むとともに波形が悪くなるため、力率、高調波ともに悪化するという問題がある。
【００１９】
第３の例は、電流限流要素１１３に電力損失のないリアクタンス素子を用いることができる点では例２と同様であるとともに、さらに入力電流の位相を電源電圧の位相と同相にすることができる。しかしながら、入力電流のゼロクロス付近に図９に示す例１の場合とほぼ同様な休止期間が生じてしまい、したがって、高調波が多くなるという問題がある。
【００２０】
第４の例は、昇圧チョッパ１１９が力率改善（ＰＦＣ）回路として作用させるように構成することができるので、入力電流波形を電源電圧波形とほぼ相似させることができるが、回路構成が複雑でコストが嵩むという問題がある。
【００２１】
以上の従来技術に対して、特開平１１−６７４７１号公報には、昇圧チョッパの直流出力で直接発光ダイオードを駆動するように構成した照明装置が開示されている。（従来技術５） この従来技術５に記載されている発光ダイオード駆動装置は、比較的安価で、電流制限要素による電力損失が少なくて、入力電流の休止期間がないため、高調波歪が少ないという利点を有していて、実際上優れた発光ダイオード駆動装置を提供する。なお、従来技術５においては、昇圧チョッパの出力端間に接続した平滑コンデンサ３９と並列に抵抗４０および可変抵抗４１の直列回路を接続して、その接続点の電圧を制御回路４４に帰還することにより、平滑コンデンサ３９のリップルを抑制している。すなわち、定電圧制御を行っている。発光ダイオードは、温度に応じてその電流・電圧特性が変化するので、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流の安定度に若干の難点がある。
【００２２】
本発明は、発光ダイオード電流の電源電圧や周囲温度の変化に対する安定度が優れているとともに、電力損失および入力電流歪が少なくて、しかも比較的安価な発光ダイオード駆動装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の発光ダイオード駆動装置は、交流入力端が低周波交流電源に接続する整流化直流電源と；整流化直流電源の直流出力端間に直列的に接続されるインダクタおよびスイッチング素子、スイッチング素子の両端間に接続されるダイオード、ならびにインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせる制御回路を備え、直流出力端に平滑コンデンサを備えていない昇圧チヨッパと；昇圧チョッパの負荷として昇圧チョッパの直流出力によって駆動される発光ダイオードと；発光ダイオード電流検出器、誤差増幅器および誤差増幅器の一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる積分回路を備え、発光ダイオード電流検出器で発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出して、誤差増幅器で基準電位源と比較し、かつ積分回路で低周波交流の周期より速い応答を抑制して制御回路に帰還して、低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に発光ダイオード電流を平均化させるように制御回路に昇圧チョッパを制御させる発光ダイオード電流帰還回路と；を具備していることを特徴としている。
【００２４】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００２５】
低周波交流電源としては、商用交流電源などを用いることができるが、「低周波」とは昇圧チョッパの作動周波数に対する相対的なものである。
【００２６】
＜整流化直流電源について＞
整流化直流電源は、交流を入力して直流を出力するもので、代表的には全波整流回路を用いることができるが、これに限定されない。また、入力電源電圧の瞬時値に応じて、昇圧チョッパのスイッチング素子のオン、オフ時間を適切に変化するように制御回路を構成することにより、電源電圧波形に相似した入力電流波形を得て、高力率および低高調波歪を実現することができるので、整流化直流電源は、非平滑直流を出力するものでよい。したがって、平滑コンデンサなどの平滑化手段を昇圧チョッパの他に備えている必要はない。
【００２７】
＜昇圧チョッパについて＞
昇圧チョッパは、インダクタ、スイッチング素子、ダイオードおよび制御回路を構成要素として備えている。スイッチング素子は、電圧ドライブ形たとえばＦＥＴなど、および電流ドライブ形たとえばバイポーラトランジスタなどのいずれであってもよい。ダイオードは、負荷に発光ダイオードを用いるので、負荷と兼用することができる。
【００２８】
制御回路は、スイッチング素子をオン、オフ制御する。そして、ドライブ信号発生部および制御部を備えている。所定の周期および位相のドライブ信号を発生し、スイッチング素子に供給してスイッチング素子をオンさせる。また、スイッチング素子をオフするときには、ドライブ信号を遮断する。さらに、制御回路は、インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせる。
【００２９】
そうして、昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンすると、整流化直流電源からインダクタおよびスイッチング素子の直列回路に増加電流が流れインダクタに電磁的なエネルギーが蓄積される。増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したときに制御回路からのドライブ信号が停止し、スイッチング素子はオフする。これと同時にインダクタに蓄積されていたエネルギーが放出され、インダクタから負荷を直列に含むダイオード（発光ダイオード）の直列回路に減少電流が流れ、出力端間には昇圧された電圧が現れる。そして、減少電流が零になるタイミングで制御回路からスイッチング素子のドライブ信号が発生し、スイッチング素子がオンする。
【００３０】
以上の動作を通じて昇圧チョッパのスイッチング素子のオン時間をＴon、オフ時間をＴoff、入力電圧をVin、出力電圧をVoutとしたとき、概ね下式を満足する入力電圧以上に昇圧された高い電圧を出力する。
【００３１】
Vout＝Vin（Ｔon＋Ｔoff）／Ｔoff
次に、スイッチング素子は、インダクタに蓄積されたエネルギーがダイオード（発光ダイオード）を介して放出されたときに再びオンされる。したがって、本発明において昇圧チョッパは、不連続または電流臨界モードで動作することになる。
【００３２】
インダクタのエネルギーの放出が終了したときにスイッチング素子を再びオン制御するには、インダクタの端子電圧を監視してドライブ信号を発生すればよい。なぜなら、インダクタのエネルギーが放出終了すると、インダクタの端子電圧がステップ状に変化するので、これを監視すれば、インダクタのエネルギー放出終了を検出できる。インダクタの端子電圧を監視するには、インダクタに検出巻線を磁気結合し、その出力を直接または必要に応じて波形整形回路を経由して制御回路に制御入力する。しかし、インダクタにステップ状の電圧変化が生じるのと同時にスイッチング素子の両端電圧も変化するので、インダクタの端子電圧に代えてスイッチング素子の両端電圧を監視してもよい。
【００３３】
昇圧チョッパの出力端間には、平滑コンデンサを接続しない。また、本発明においてダイオードは、昇圧チョッパの必須構成要素ではない。
【００３４】
昇圧チョッパの動作周波数は、低周波交流の周波数より相対的に高い高周波領域に設定されるが、その動作周波数はインダクタのインダクタンスによって決定される。なお、実際上、動作周波数が可聴周波数領域に入らないように設定するのがよい。また、デューティ比は、前記の式から理解できるように、入力電圧の瞬時値と出力電圧とに応じて低周波交流の周期にわたって変化する。
【００３５】
昇圧チョッパの出力電圧は、発光ダイオードの直列数に応じて所要の値に設定される。
【００３６】
＜発光ダイオードについて＞
一方、発光ダイオードの側から見ると、昇圧チョッパの出力電圧に応じて発光ダイオードの接続数を１ないし複数に設定することができる。各発光ダイオードの順方向電圧の総和が昇圧チョッパの出力電圧に等しくなるように設定することができる。
【００３７】
発光ダイオードの発光色および順方向電圧などは制限されない。
【００３８】
＜発光ダイオード電流帰還回路について＞
発光ダイオード電流帰還回路は、発光ダイオード電流検出器、誤差増幅器および積分回路を備えている。そして、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出して、制御回路が低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に発光ダイオード電流を平均化させるように昇圧チョッパを制御するのを支援する。このような制御を行うために、発光ダイオード帰還回路の系の中に低周波交流の低周波より速い回路動作を抑制するべく、以下の構成の積分回路を設けている。
【００３９】
発光ダイオード電流検出器は、発光ダイオード電流検出回路としては、たとえば発光ダイオードと直列に抵抗器を挿入して、そこに生じる電圧降下を取り出すことにより、発光ダイオード電流を検出するように構成することができる。
【００４０】
誤差増幅器は、一対の制御入力端を備えている。そして、その一方の制御入力端に発光ダイオード電流検出回路の出力が制御入力される。また、他方の制御入力端には基準電位源が制御入力される。
【００４１】
積分回路は、誤差増幅器の一方の制御入力端と出力端との間に接続したコンデンサからなる。これにより、誤差増幅器と一体的に構成することができる。
【００４２】
＜本発明の作用について＞
【００４３】
本発明においては、発光ダイオード電流が発光ダイオード電流検出器によって検出され、その検出信号は誤差増幅器の一方の制御入力端に入力する。誤差増幅器の他方の制御入力端には、基準電位源が接続していて、基準電位を制御入力するので、検出信号のレベルが基準電位を超えると、誤差増幅器には積分回路の積分作用により低周波交流の周期より速い応答にならないように遅延して帰還信号の値が変化する。帰還信号は、制御回路に制御入力して、スイッチング素子のドライブ信号の遮断のタイミングを制御する。これにより、スイッチング素子のオフするタイミングが早まり、負荷電流が基準値に一致するように動作する。また、以下の作用を奏する。
【００４４】
１．発光ダイオード電流帰還回路が誤差増幅器の一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる積分回路を備えているので、その帰還信号で制御回路を制御するので、低周波交流の低周波より速い回路動作を抑制する結果、発光ダイオード電流を低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、発光ダイオード電流が平均化する。これにより、発光ダイオードの周囲温度の変化によってその電流・電圧特性が変化しても、発光ダイオード電流がほぼ一定に保持される。このため、発光ダイオード電流の電源電圧や温度変化に対する安定度が改善され、外乱に対するダイオード電流の変動を実質的になくすことができる。
【００４５】
２．インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせるため、オン時間はほぼ一定であるが、オフ時間は低周波交流電源電圧の瞬時値における絶対値に関係するので、変化する。
【００４６】
３．その他に、従来技術５と同様な下記の作用を奏する。
【００４７】
・昇圧チョッパが低周波交流電圧の整流電圧を昇圧して出力し、その出力電圧を発光ダイオードに印加して発光ダイオードを駆動するので、発光ダイオードの接続数を多くすることができる。
【００４８】
・入力電流は、休止期間がなく、ほぼ完全な正弦波の波形になる。このため、照明器具に対する高調波電流の規格を余裕をもって満足する。
【００４９】
・市販の力率改善用ＩＣを利用して制御回路を構成することができるので、比較的安価に得られる。
【００５０】
請求項２の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１記載の発光ダイオード駆動装置において、基準電位源は、基準電位が可変であることを特徴としている。
【００５１】
本発明においては、誤差増幅器の他方の制御入力端に入力する基準電位を変化させることができるため、この機能を利用して外部から調光制御を行うことができる。すなわち、外部基準からの調光制御信号に応答して基準電位を下げると、スイッチング素子が早くオフするため、昇圧チョッパの出力電圧が低下し、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流が低減して、発光量が減少する。
【００５２】
また、発光ダイオード駆動装置の内部における温度特性の補償などのために基準電位を変化させることもできる。
【００５３】
請求項３の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置において、スイッチング素子に流れる電流を検出してスイッチング素子をオフさせるように制御回路を制御するスイッチング電流検出回路を具備していることを特徴としている。
【００５４】
本発明は、スイッチング素子のオフ制御のための構成を規定している。すなわち、スイッチング素子をオフするために、スイッチング素子に流れる瞬時電流を検出するスイッチング電流検出回路を備えている。このスイッチング電流検出回路は、その検出信号を制御回路に制御入力する。制御回路は、スイッチング電流検出回路の検出信号を受けてスイッチング素子に対するドライブ信号を停止する。そのため、スイッチング素子は、オフする。
【００５５】
スイッチング素子をオフするタイミングは、スイッチング素子に流れる瞬時電流が低周波交流電圧の絶対値にスイッチング電流帰還回路によって定まる比例定数を乗じた値に達した時点とされる。
【００５６】
そうして、本発明においては、スイッチング電流を検出し、その値に応じてスイッチング素子に対するドライブ信号を遮断させるので、スイッチング素子に過電流が流れるおそれがなく、入力電圧波形に比例した入力電流波形を得られる。
【００５７】
請求項４の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置において、制御回路は、スイッチング素子がオン後所定時間経過したときにスイッチング素子をオフさせるように構成されていることを特徴としている。
【００５８】
本発明は、スイッチング素子のオフ制御のための請求項３とは異なる構成を規定している。すなわち、制御回路は、スイッチング素子のオン後所定時間経過したときにスイッチング素子のドライブ信号を停止するように構成されている。
【００５９】
したがって、本発明においては、スイッチング素子をオフさせるためのタイミングを得る電流検出回路が不要になり、回路構成が簡単になる。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００６１】
図１は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態を示す回路図である。
【００６２】
図において、ＡＳは低周波交流電源、ＨＦは高周波フィルタ、ＲＤＣは整流化直流電源、ＢＵＴは昇圧チョッパ、ＬＥＤは発光ダイオード、ＬＦＣは発光ダイオード電流帰還回路、ＳＤはスイッチング電流検出回路、ＬＤはインダクタ電流検出回路、ＶＤは電源電圧検出回路である。
【００６３】
＜低周波交流電源ＡＳについて＞
低周波交流電源ＡＳは、商用交流電源からなる。
【００６４】
＜高周波フィルタＨＦについて＞
高周波フィルタＨＦは、高周波阻止形のフィルタ回路からなる。そして、昇圧チョッパの高周波スイッチング動作によって発生した高周波が低周波交流電源ＡＳに流出しないように阻止する。
【００６５】
＜整流化直流電源ＲＤＣについて＞
整流化直流電源ＲＤＣは、全波整流回路を主体として構成されている。そして、低周波交流電圧を整流して非平滑化直流電圧を出力する。
【００６６】
＜昇圧チョッパＢＵＴについて＞
昇圧チョッパＢＵＴは、インダクタＬ、スイッチング素子Ｑ、ダイオードＤおよび制御回路ＣＣを主体として構成されている。
【００６７】
インダクタＬは、整流化直流電源ＲＤＣの直流出力端間にスイッチング素子Ｑと直列に接続されている。
【００６８】
スイッチング素子Ｑは、ＭＯＳＦＥＴからなる。
【００６９】
ダイオードＤは、発光ダイオードＬＥＤと直列されてスイッチング素子Ｑに並列的に接続している。
【００７０】
制御回路ＣＣは、ドライブ信号発生回路ＤＣ、双安定マルチバイブレータＢＭ、比較回路ＣＰおよび乗算器Ｍからなる。なお、双安定マルチバイブレータＢＭ、比較回路ＣＰおよび乗算器Ｍは制御部を構成する。そして、スイッチング素子Ｑのゲートにドライブ信号を印加してオンさせるとともに、ドライブ信号を遮断してスイッチング素子Ｑをオフさせる。ドライブ信号発生回路ＤＣは、ドライブ信号を発生して、スイッチング素子Ｑのゲートに印加する。双安定マルチバイブレータＢＭは、ドライブ信号発生回路ＤＣのドライブ信号の発生および遮断のタイミングを制御する。比較回路ＣＰは、後述するスイッチング電流検出回路ＳＤおよび乗算器Ｍから送出されたそれぞれの信号を比較して、スイッチング電流検出回路の方が大きい場合、マルチバイブレータＢＭにリセット信号を送る。乗算器Ｍは、後述する電源電圧検出回路ＶＤから得られる電源電圧と、発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの出力信号とを乗算して、比較回路ＣＰの一方の制御入力端へ送出する。
【００７１】
＜発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣについて＞
発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣは、発光ダイオード電流検出器ＬＤ、誤差増幅器ＥＡ、基準電位源Ｅおよび誤差増幅器ＥＡに接続した積分回路ＩＣＣからなる。発光ダイオード電流検出器ＬＤは、発光ダイオードＬＥＤと直列に挿入された抵抗器からなる。誤差増幅器ＥＡは、演算増幅器からなり、一対の制御入力端を備え、その一方に直列抵抗を介して発光ダイオード電流検出器ＬＤの出力電圧が印加され、他方の入力端に基準電位源Ｅが接続されている。積分回路ＩＣＣは、誤差増幅器ＥＡの一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる。
【００７２】
＜スイッチング電流検出回路ＳＤについて＞
スイッチング電流検出回路ＳＤは、スイッチング素子Ｑのソースと整流化直流電源ＲＤＣの負極との間の挿入した抵抗器からなり、スイッチング素子Ｑを流れる電流を検出する。そして、その検出信号は、比較器ＣＰの他方の制御入力端に入力される。
【００７３】
＜電源電圧検出回路ＶＤについて＞
電源電圧検出回路ＶＤは、整流化直流電源ＲＤＣの直流出力端間に接続された抵抗分圧器からなり、その出力信号を乗算器Ｍの他方の入力端に接続している。
【００７４】
＜インダクタ電流検出回路ＬＤについて＞
インダクタ電流検出回路ＬＤは、インダクタＬに磁気結合した検出巻線からなり、制御回路ＣＣの双安定マルチバイブレータＢＭに制御入力している。
【００７５】
＜回路動作について＞
発光ダイオードＬＥＤに流れる電流は、発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの発光ダイオード電流検出器ＬＤで検出され、誤差増幅器ＥＡで基準電位源Ｅと比較され、さらに積分回路ＩＣＣにより低周波交流の周期より速い応答が抑制されたうえで乗算器Ｍおよび比較器ＣＰを経由して双安定マルチバイブレータＢＭを制御して、ドライブ信号発生回路ＤＣにドライブ信号の遮断のタイミングを与える。これにより、スイッチング素子Ｑはオフする。この回路動作において、発光ダイオード電流の帰還が行われ、スイッチング素子Ｑのオフのタイミングが調整されるので、発光ダイオード電流は低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、その平均値が一定に制御される。
【００７６】
また、電源電圧変動は、前記と同様に電流帰還回路による定電流作用により補償される。
【００７７】
図２は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における各部の電圧および電流の波形を示す波形図である。
【００７８】
図において、ＩＳＷは増加電流である。すなわち、図示を省略している起動回路により最初にスイッチング素子Ｑがオンすると、整流化直流電源ＲＤＣからインダクタＬを介して直線的に増加する増加電流ＩＳＷがスイッチング素子Ｑを流れる。このときインダクタＬに電磁的エネルギーが蓄積される。
【００７９】
また、増加電流ＩＳＷは、スイッチング電流検出回路ＳＤによって検出され、比較回路ＣＰを経由して双安定マルチバイブレータＢＭをトリガーし、ドライブ信号発生回路ＤＣを制御してドライブ信号を遮断させるので、スイッチング素子Ｑはオフする。
【００８０】
ＩＤは減少電流である。すなわち、スイッチング素子Ｑがオフしたときに、インダクタＬに蓄積されていた電磁的エネルギーが放出されることによって、インダクタＬから流出してダイオードＤおよび発光ダイオードＬＥＤを直線的に減少しながら流れる。
【００８１】
ＩＬはインダクタ電流である。すなわち、インダクタ電流Ｉ Ｌ は、インダクタＬの増加電流ＩＳＷと減少電流ＩＤとが連続して流れる電流をいう。
【００８２】
ＶＳＷはスイッチング素子Ｑの両端に現れる電圧、ＶＩＮは入力電圧、ＶＬはインダクタＬの両端に現れる電圧である。
【００８３】
図３は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における電源電圧のピーク値近傍およびゼロクロス近傍におけるインダクタ電流およびスイッチング素子の電圧の波形を示す波形図である。
【００８４】
図において、（ａ）は電源電圧のピーク値近傍におけるインダクタ電流ＩＬの波形、（ｂ）は電源電圧のゼロクロス近傍におけるインダクタ電流ＩＬの波形、（ｃ）は同じくスイッチング素子の電圧ＶＳＷの波形、をそれぞれ示す。なお、図において説明したように、インダクタ電流Ｉ Ｌ は、増加電流Ｉ ＳＷ と減少電流Ｉ Ｄ とからなる電流である。
【００８５】
図から理解できるように、スイッチング素子Ｑのオンは減少電流ＩＤが零になるタイミングで行われ、オフは増加電流ＩＳＷが低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングで行われるため、オン時間はほぼ一定であるが、オフ時間は低周波交流電源電圧の瞬時値における絶対値に関係するので、変化する。
【００８６】
図４は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第２の実施形態を示す回路図である。
【００８７】
図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。本実施形態は、スイッチング電流検出回路ＳＤおよび昇圧チョッパＢＵＴの制御回路ＣＣの双安定マルチバイブレータＢＭに代えて単安定マルチバイブレータＵＭが用いられている点で主として異なる。
【００８８】
すなわち、制御回路ＣＣは、ドライブ信号発生回路ＤＣおよび単安定マルチバイブレータＵＭからなる。インダクタ電流検出回路ＬＤは、インダクタＬに磁気結合した検出巻線の出力を波形整形する波形整形回路ＷＳを含んでいる。
【００８９】
そうして、本実施形態において、インダクタ電流検出回路ＬＤの検出信号は、波形整形回路ＷＳによって波形整形されてから制御回路ＣＣを構成する単安定マルチバイブレータＵＭをトリガーする。これにより、単安定マルチバイブレータＵＭは、反転する。これに伴い、ドライブ信号発生回路ＤＣがドライブ信号を発生してスイッチング素子Ｑに印加するので、スイッチング素子Ｑはオンする。
【００９０】
単安定マルチバイブレータＵＭは、トリガー後所定時間経過すると、自動的に反転して元に戻るので、そのときドライブ信号発生回路ＤＣはドライブ信号を遮断する。これにより、スイッチング素子Ｑはオフする。
【００９１】
発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの誤差増幅器ＥＡの出力は、制御回路ＣＣの単安定マルチバイブレータＵＭの復帰時間を調整するので、発光ダイオード電流は平均化される。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１ないし４の各発明においては、インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせ、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせ、直流出力端に平滑コンデンサを備えていない昇圧チョッパの直流出力によって発光ダイオードを駆動するとともに、発光ダイオード電流検出器で発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出し、誤差増幅器で基準電位源と比較し、かつ誤差増幅器の一方の制御入力端と出力端との間に接続したコンデンサからなる積分回路を備えた発光ダイオード電流帰還回路を設けたことにより、積分回路を誤差増幅器と一体的に構成することができるとともに、発光ダイオード電流検出器の検出信号が基準電位を超えると、誤差増幅器には積分作用により低周波交流の周期より速い応答にならないように遅延して帰還信号の値が変化し、帰還信号は、制御回路に制御入力して、スイッチング素子のドライブ信号遮断のタイミングを制御して、スイッチング素子のオフするタイミングが早まり、負荷電流すなわち発光ダイオード電流が基準値に一致するように動作するので、低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、発光ダイオード電流が平均化し、その結果発光ダイオードの周囲温度の変化によってその電流・電圧特性が変化しても、発光ダイオード電流がほぼ一定に保持されるため、発光ダイオード電流の電源電圧や温度変化に対する安定度が改善され、外乱に対するダイオード電流の変動を実質的になくすことができて発光ダイオード電流の安定度が優れているとともに、電力損失が少なく、また入力電流に休止期間が生じないことで入力電流の高調波歪が少なくて、しかも比較的安価な発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９３】
請求項２の発明によれば、加えて基準電位源の基準電位が可変であることにより、外部から調光操作したり、内部的に温度特性を補償したりすることが可能な発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９４】
請求項３の発明によれば、加えてスイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出してスイッチング素子をオフさせるように昇圧チョッパの制御回路を制御するスイッチング電流検出回路を備えていることにより、スイッチング素子に過電流が流れるおそれがなく、入力電圧波形に比例した入力電流波形を得られる発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９５】
請求項４の発明によれば、加えてスイッチング素子のオン後所定時間経過後にスイッチング素子をオフするように昇圧チョッパの制御回路が構成されていることにより、回路構成が簡単になる発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態を示す回路図
【図２】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における各部の電圧および電流の波形を示す波形図
【図３】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における電源電圧のピーク値近傍およびゼロクロス近傍におけるインダクタ電流およびスイッチング素子の電圧の波形を示す波形図
【図４】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第２の実施形態を示す回路図
【図５】 従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例を示す回路図
【図６】 従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例を示す回路図
【図７】 従来の発光ダイオード駆動装置の第３の例を示す回路図
【図８】 従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例を示す回路図
【図９】 従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【図１０】 従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図
【図１１】 従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図
【符号の説明】
ＡＳ…低周波交流電源
ＨＦ…高周波フィルタ
ＲＤＣ…整流化直流電源
ＢＵＴ…昇圧チョッパ
Ｌ…インダクタ
Ｑ…スイッチング素子
Ｄ…ダイオード
ＣＣ…制御回路
ＤＣ…ドライブ信号発生回路
ＢＭ…双安定マルチバイブレータ
ＣＰ…比較回路
Ｍ…乗算器
ＬＥＤ…発光ダイオード
ＬＦＣ…発光ダイオード電流帰還回路
ＬＤ…発光ダイオード電流検出器
ＥＡ…誤差増幅器
Ｅ…基準電位源
ＩＣＣ…積分回路
ＳＤ…スイッチング電流検出回路
ＶＤ…電源電圧検出回路
ＬＤ…インダクタ電流検出回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードを直流で駆動する発光ダイオード駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光ダイオードを駆動する場合、発光ダイオードと直列に電流制限要素を接続するのが一般的である。以下、従来の発光ダイオード駆動装置について図５ないし図１１を参照して説明する。なお、図中、同一部分については同一符号を付している。
【０００３】
図５は、従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例を示す回路図である。
【０００４】
図において、１１１は交流電源、１１２は発光ダイオード群、１１３は電流制限要素である。
【０００５】
発光ダイオード群１１２は、逆極性に接続された第１の発光ダイオード１１２ａおよび第２の発光ダイオード１１２ｂを備えている。そして、第１の発光ダイオード１１２ａは、交流電源１１１が正極性のときに駆動される。第２の発光ダイオード１１２ｂは、交流電源１１１が負極性のときに駆動される。
【０００６】
電流制限要素１１３は、抵抗器からなり、電源電圧のいずれの極性のときにも発光ダイオード群に流れる入力電流を所定値に制限する。
【０００７】
図６は、従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例を示す回路図である。
【０００８】
第２の例は、電流制限要素１１３をコンデンサによって構成したものである。
【０００９】
図７は、従来の発光ダイオード駆動装置の第３の例を示す回路図である。
【００１０】
第３の例は、低周波交流を全波整流器１１４および平滑コンデンサ１１５により平滑化された直流に変換し、さらに高周波インバータ１１６によって直流を高周波に変換して、発光ダイオード群１１２を高周波で駆動する。電流制限要素１１３にはインダクタを用いている。なお、１１７は高周波フィルタ、１１８は直流カットコンデンサである。また、高周波インバータ１１６は、一対のスイッチング素子１１６ａ、１１６ｂおよびゲートドライブ回路１１６ｃを主体として構成されたハーフブリッジ形インバータからなる。
【００１１】
図８は、従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例を示す回路図である。
【００１２】
第４の例は、昇圧チョッパ１１９および降圧チョッパ１２０を用いている。加えて、発光ダイオード群１１２´に流れる電流を抵抗器１２１で検出し、これを演算増幅器１２２で基準電圧源１２３と比較して図示されていないパルス幅変調（ＰＷＭ）回路に制御入力させることによって降圧チョッパ１２０を電流帰還制御する構成である。このため、安定化された直流によって発光ダイオード群１１２´を直流駆動できる。なお、発光ダイオード群１１２´は、直流駆動のため逆極性に接続されていない。また、昇圧チョッパ１１９は、インダクタ１１９ａ、スイッチング素子１１９ｂ、ダイオード１１９ｃ、平滑コンデンサ１１５およびゲートドライブ回路１１９ｄを主体として構成されている。さらに、降圧チョッパ１２０は、スイッチング素子１２０ａ、ダイオード１２０ｂ、インダクタ１２０ｃおよびゲートドライブ回路１２０ｄを主体として構成されている。
【００１３】
次に、図９ないし図１１を参照して従来の各例における発光ダイオード駆動装置の電源電圧および波形入力電流の波形について説明する。なお、図中、Ｖは電源電圧波形、Ｉは入力電流波形、をそれぞれ示す。
【００１４】
図９は、従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１５】
図１０は、従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１６】
図１１は、従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の例は、回路構成が簡単な利点はあるが、抵抗器の電力損失が大きくて光源としてのエネルギー効率が悪いとともに、入力電流に高調波が多いという問題がある。すなわち、図９から理解できるように、第１の例においては、電源電圧のゼロクロス付近に入力電流に休止期間が生じるために高調波が多くなる。
【００１８】
第２の例は、第１の例と同様に回路構成が簡単で電流限流要素１１３における電力損失の問題は解消するが、電流安定性が悪い。また、図１０から理解できるように、入力電流の位相が進むとともに波形が悪くなるため、力率、高調波ともに悪化するという問題がある。
【００１９】
第３の例は、電流限流要素１１３に電力損失のないリアクタンス素子を用いることができる点では例２と同様であるとともに、さらに入力電流の位相を電源電圧の位相と同相にすることができる。しかしながら、入力電流のゼロクロス付近に図９に示す例１の場合とほぼ同様な休止期間が生じてしまい、したがって、高調波が多くなるという問題がある。
【００２０】
第４の例は、昇圧チョッパ１１９が力率改善（ＰＦＣ）回路として作用させるように構成することができるので、入力電流波形を電源電圧波形とほぼ相似させることができるが、回路構成が複雑でコストが嵩むという問題がある。
【００２１】
以上の従来技術に対して、特開平１１−６７４７１号公報には、昇圧チョッパの直流出力で直接発光ダイオードを駆動するように構成した照明装置が開示されている。（従来技術５） この従来技術５に記載されている発光ダイオード駆動装置は、比較的安価で、電流制限要素による電力損失が少なくて、入力電流の休止期間がないため、高調波歪が少ないという利点を有していて、実際上優れた発光ダイオード駆動装置を提供する。なお、従来技術５においては、昇圧チョッパの出力端間に接続した平滑コンデンサ３９と並列に抵抗４０および可変抵抗４１の直列回路を接続して、その接続点の電圧を制御回路４４に帰還することにより、平滑コンデンサ３９のリップルを抑制している。すなわち、定電圧制御を行っている。発光ダイオードは、温度に応じてその電流・電圧特性が変化するので、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流の安定度に若干の難点がある。
【００２２】
本発明は、発光ダイオード電流の電源電圧や周囲温度の変化に対する安定度が優れているとともに、電力損失および入力電流歪が少なくて、しかも比較的安価な発光ダイオード駆動装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を達成するための手段】
請求項１の発明の発光ダイオード駆動装置は、交流入力端が低周波交流電源に接続する整流化直流電源と；整流化直流電源の直流出力端間に直列的に接続されるインダクタおよびスイッチング素子、スイッチング素子の両端間に接続されるダイオード、ならびにインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせる制御回路を備え、直流出力端に平滑コンデンサを備えていない昇圧チヨッパと；昇圧チョッパの負荷として昇圧チョッパの直流出力によって駆動される発光ダイオードと；発光ダイオード電流検出器、誤差増幅器および誤差増幅器の一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる積分回路を備え、発光ダイオード電流検出器で発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出して、誤差増幅器で基準電位源と比較し、かつ積分回路で低周波交流の周期より速い応答を抑制して制御回路に帰還して、低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に発光ダイオード電流を平均化させるように制御回路に昇圧チョッパを制御させる発光ダイオード電流帰還回路と；を具備していることを特徴としている。
【００２４】
本発明および以下の各発明において、特に指定しない限り用語の定義および技術的意味は次による。
【００２５】
低周波交流電源としては、商用交流電源などを用いることができるが、「低周波」とは昇圧チョッパの作動周波数に対する相対的なものである。
【００２６】
＜整流化直流電源について＞
整流化直流電源は、交流を入力して直流を出力するもので、代表的には全波整流回路を用いることができるが、これに限定されない。また、入力電源電圧の瞬時値に応じて、昇圧チョッパのスイッチング素子のオン、オフ時間を適切に変化するように制御回路を構成することにより、電源電圧波形に相似した入力電流波形を得て、高力率および低高調波歪を実現することができるので、整流化直流電源は、非平滑直流を出力するものでよい。したがって、平滑コンデンサなどの平滑化手段を昇圧チョッパの他に備えている必要はない。
【００２７】
＜昇圧チョッパについて＞
昇圧チョッパは、インダクタ、スイッチング素子、ダイオードおよび制御回路を構成要素として備えている。スイッチング素子は、電圧ドライブ形たとえばＦＥＴなど、および電流ドライブ形たとえばバイポーラトランジスタなどのいずれであってもよい。ダイオードは、負荷に発光ダイオードを用いるので、負荷と兼用することができる。
【００２８】
制御回路は、スイッチング素子をオン、オフ制御する。そして、ドライブ信号発生部および制御部を備えている。所定の周期および位相のドライブ信号を発生し、スイッチング素子に供給してスイッチング素子をオンさせる。また、スイッチング素子をオフするときには、ドライブ信号を遮断する。さらに、制御回路は、インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせる。
【００２９】
そうして、昇圧チョッパは、スイッチング素子がオンすると、整流化直流電源からインダクタおよびスイッチング素子の直列回路に増加電流が流れインダクタに電磁的なエネルギーが蓄積される。増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したときに制御回路からのドライブ信号が停止し、スイッチング素子はオフする。これと同時にインダクタに蓄積されていたエネルギーが放出され、インダクタから負荷を直列に含むダイオード（発光ダイオード）の直列回路に減少電流が流れ、出力端間には昇圧された電圧が現れる。そして、減少電流が零になるタイミングで制御回路からスイッチング素子のドライブ信号が発生し、スイッチング素子がオンする。
【００３０】
以上の動作を通じて昇圧チョッパのスイッチング素子のオン時間をＴon、オフ時間をＴoff、入力電圧をVin、出力電圧をVoutとしたとき、概ね下式を満足する入力電圧以上に昇圧された高い電圧を出力する。
【００３１】
Vout＝Vin（Ｔon＋Ｔoff）／Ｔoff
次に、スイッチング素子は、インダクタに蓄積されたエネルギーがダイオード（発光ダイオード）を介して放出されたときに再びオンされる。したがって、本発明において昇圧チョッパは、不連続または電流臨界モードで動作することになる。
【００３２】
インダクタのエネルギーの放出が終了したときにスイッチング素子を再びオン制御するには、インダクタの端子電圧を監視してドライブ信号を発生すればよい。なぜなら、インダクタのエネルギーが放出終了すると、インダクタの端子電圧がステップ状に変化するので、これを監視すれば、インダクタのエネルギー放出終了を検出できる。インダクタの端子電圧を監視するには、インダクタに検出巻線を磁気結合し、その出力を直接または必要に応じて波形整形回路を経由して制御回路に制御入力する。しかし、インダクタにステップ状の電圧変化が生じるのと同時にスイッチング素子の両端電圧も変化するので、インダクタの端子電圧に代えてスイッチング素子の両端電圧を監視してもよい。
【００３３】
昇圧チョッパの出力端間には、平滑コンデンサを接続しない。また、本発明においてダイオードは、昇圧チョッパの必須構成要素ではない。
【００３４】
昇圧チョッパの動作周波数は、低周波交流の周波数より相対的に高い高周波領域に設定されるが、その動作周波数はインダクタのインダクタンスによって決定される。なお、実際上、動作周波数が可聴周波数領域に入らないように設定するのがよい。また、デューティ比は、前記の式から理解できるように、入力電圧の瞬時値と出力電圧とに応じて低周波交流の周期にわたって変化する。
【００３５】
昇圧チョッパの出力電圧は、発光ダイオードの直列数に応じて所要の値に設定される。
【００３６】
＜発光ダイオードについて＞
一方、発光ダイオードの側から見ると、昇圧チョッパの出力電圧に応じて発光ダイオードの接続数を１ないし複数に設定することができる。各発光ダイオードの順方向電圧の総和が昇圧チョッパの出力電圧に等しくなるように設定することができる。
【００３７】
発光ダイオードの発光色および順方向電圧などは制限されない。
【００３８】
＜発光ダイオード電流帰還回路について＞
発光ダイオード電流帰還回路は、発光ダイオード電流検出器、誤差増幅器および積分回路を備えている。そして、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出して、制御回路が低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に発光ダイオード電流を平均化させるように昇圧チョッパを制御するのを支援する。このような制御を行うために、発光ダイオード帰還回路の系の中に低周波交流の低周波より速い回路動作を抑制するべく、以下の構成の積分回路を設けている。
【００３９】
発光ダイオード電流検出器は、発光ダイオード電流検出回路としては、たとえば発光ダイオードと直列に抵抗器を挿入して、そこに生じる電圧降下を取り出すことにより、発光ダイオード電流を検出するように構成することができる。
【００４０】
誤差増幅器は、一対の制御入力端を備えている。そして、その一方の制御入力端に発光ダイオード電流検出回路の出力が制御入力される。また、他方の制御入力端には基準電位源が制御入力される。
【００４１】
積分回路は、誤差増幅器の一方の制御入力端と出力端との間に接続したコンデンサからなる。これにより、誤差増幅器と一体的に構成することができる。
【００４２】
＜本発明の作用について＞
【００４３】
本発明においては、発光ダイオード電流が発光ダイオード電流検出器によって検出され、その検出信号は誤差増幅器の一方の制御入力端に入力する。誤差増幅器の他方の制御入力端には、基準電位源が接続していて、基準電位を制御入力するので、検出信号のレベルが基準電位を超えると、誤差増幅器には積分回路の積分作用により低周波交流の周期より速い応答にならないように遅延して帰還信号の値が変化する。帰還信号は、制御回路に制御入力して、スイッチング素子のドライブ信号の遮断のタイミングを制御する。これにより、スイッチング素子のオフするタイミングが早まり、負荷電流が基準値に一致するように動作する。また、以下の作用を奏する。
【００４４】
１．発光ダイオード電流帰還回路が誤差増幅器の一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる積分回路を備えているので、その帰還信号で制御回路を制御するので、低周波交流の低周波より速い回路動作を抑制する結果、発光ダイオード電流を低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、発光ダイオード電流が平均化する。これにより、発光ダイオードの周囲温度の変化によってその電流・電圧特性が変化しても、発光ダイオード電流がほぼ一定に保持される。このため、発光ダイオード電流の電源電圧や温度変化に対する安定度が改善され、外乱に対するダイオード電流の変動を実質的になくすことができる。
【００４５】
２．インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせるため、オン時間はほぼ一定であるが、オフ時間は低周波交流電源電圧の瞬時値における絶対値に関係するので、変化する。
【００４６】
３．その他に、従来技術５と同様な下記の作用を奏する。
【００４７】
・昇圧チョッパが低周波交流電圧の整流電圧を昇圧して出力し、その出力電圧を発光ダイオードに印加して発光ダイオードを駆動するので、発光ダイオードの接続数を多くすることができる。
【００４８】
・入力電流は、休止期間がなく、ほぼ完全な正弦波の波形になる。このため、照明器具に対する高調波電流の規格を余裕をもって満足する。
【００４９】
・市販の力率改善用ＩＣを利用して制御回路を構成することができるので、比較的安価に得られる。
【００５０】
請求項２の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１記載の発光ダイオード駆動装置において、基準電位源は、基準電位が可変であることを特徴としている。
【００５１】
本発明においては、誤差増幅器の他方の制御入力端に入力する基準電位を変化させることができるため、この機能を利用して外部から調光制御を行うことができる。すなわち、外部基準からの調光制御信号に応答して基準電位を下げると、スイッチング素子が早くオフするため、昇圧チョッパの出力電圧が低下し、発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流が低減して、発光量が減少する。
【００５２】
また、発光ダイオード駆動装置の内部における温度特性の補償などのために基準電位を変化させることもできる。
【００５３】
請求項３の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置において、スイッチング素子に流れる電流を検出してスイッチング素子をオフさせるように制御回路を制御するスイッチング電流検出回路を具備していることを特徴としている。
【００５４】
本発明は、スイッチング素子のオフ制御のための構成を規定している。すなわち、スイッチング素子をオフするために、スイッチング素子に流れる瞬時電流を検出するスイッチング電流検出回路を備えている。このスイッチング電流検出回路は、その検出信号を制御回路に制御入力する。制御回路は、スイッチング電流検出回路の検出信号を受けてスイッチング素子に対するドライブ信号を停止する。そのため、スイッチング素子は、オフする。
【００５５】
スイッチング素子をオフするタイミングは、スイッチング素子に流れる瞬時電流が低周波交流電圧の絶対値にスイッチング電流帰還回路によって定まる比例定数を乗じた値に達した時点とされる。
【００５６】
そうして、本発明においては、スイッチング電流を検出し、その値に応じてスイッチング素子に対するドライブ信号を遮断させるので、スイッチング素子に過電流が流れるおそれがなく、入力電圧波形に比例した入力電流波形を得られる。
【００５７】
請求項４の発明の発光ダイオード駆動装置は、請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置において、制御回路は、スイッチング素子がオン後所定時間経過したときにスイッチング素子をオフさせるように構成されていることを特徴としている。
【００５８】
本発明は、スイッチング素子のオフ制御のための請求項３とは異なる構成を規定している。すなわち、制御回路は、スイッチング素子のオン後所定時間経過したときにスイッチング素子のドライブ信号を停止するように構成されている。
【００５９】
したがって、本発明においては、スイッチング素子をオフさせるためのタイミングを得る電流検出回路が不要になり、回路構成が簡単になる。
【００６０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００６１】
図１は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態を示す回路図である。
【００６２】
図において、ＡＳは低周波交流電源、ＨＦは高周波フィルタ、ＲＤＣは整流化直流電源、ＢＵＴは昇圧チョッパ、ＬＥＤは発光ダイオード、ＬＦＣは発光ダイオード電流帰還回路、ＳＤはスイッチング電流検出回路、ＬＤはインダクタ電流検出回路、ＶＤは電源電圧検出回路である。
【００６３】
＜低周波交流電源ＡＳについて＞
低周波交流電源ＡＳは、商用交流電源からなる。
【００６４】
＜高周波フィルタＨＦについて＞
高周波フィルタＨＦは、高周波阻止形のフィルタ回路からなる。そして、昇圧チョッパの高周波スイッチング動作によって発生した高周波が低周波交流電源ＡＳに流出しないように阻止する。
【００６５】
＜整流化直流電源ＲＤＣについて＞
整流化直流電源ＲＤＣは、全波整流回路を主体として構成されている。そして、低周波交流電圧を整流して非平滑化直流電圧を出力する。
【００６６】
＜昇圧チョッパＢＵＴについて＞
昇圧チョッパＢＵＴは、インダクタＬ、スイッチング素子Ｑ、ダイオードＤおよび制御回路ＣＣを主体として構成されている。
【００６７】
インダクタＬは、整流化直流電源ＲＤＣの直流出力端間にスイッチング素子Ｑと直列に接続されている。
【００６８】
スイッチング素子Ｑは、ＭＯＳＦＥＴからなる。
【００６９】
ダイオードＤは、発光ダイオードＬＥＤと直列されてスイッチング素子Ｑに並列的に接続している。
【００７０】
制御回路ＣＣは、ドライブ信号発生回路ＤＣ、双安定マルチバイブレータＢＭ、比較回路ＣＰおよび乗算器Ｍからなる。なお、双安定マルチバイブレータＢＭ、比較回路ＣＰおよび乗算器Ｍは制御部を構成する。そして、スイッチング素子Ｑのゲートにドライブ信号を印加してオンさせるとともに、ドライブ信号を遮断してスイッチング素子Ｑをオフさせる。ドライブ信号発生回路ＤＣは、ドライブ信号を発生して、スイッチング素子Ｑのゲートに印加する。双安定マルチバイブレータＢＭは、ドライブ信号発生回路ＤＣのドライブ信号の発生および遮断のタイミングを制御する。比較回路ＣＰは、後述するスイッチング電流検出回路ＳＤおよび乗算器Ｍから送出されたそれぞれの信号を比較して、スイッチング電流検出回路の方が大きい場合、マルチバイブレータＢＭにリセット信号を送る。乗算器Ｍは、後述する電源電圧検出回路ＶＤから得られる電源電圧と、発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの出力信号とを乗算して、比較回路ＣＰの一方の制御入力端へ送出する。
【００７１】
＜発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣについて＞
発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣは、発光ダイオード電流検出器ＬＤ、誤差増幅器ＥＡ、基準電位源Ｅおよび誤差増幅器ＥＡに接続した積分回路ＩＣＣからなる。発光ダイオード電流検出器ＬＤは、発光ダイオードＬＥＤと直列に挿入された抵抗器からなる。誤差増幅器ＥＡは、演算増幅器からなり、一対の制御入力端を備え、その一方に直列抵抗を介して発光ダイオード電流検出器ＬＤの出力電圧が印加され、他方の入力端に基準電位源Ｅが接続されている。積分回路ＩＣＣは、誤差増幅器ＥＡの一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる。
【００７２】
＜スイッチング電流検出回路ＳＤについて＞
スイッチング電流検出回路ＳＤは、スイッチング素子Ｑのソースと整流化直流電源ＲＤＣの負極との間の挿入した抵抗器からなり、スイッチング素子Ｑを流れる電流を検出する。そして、その検出信号は、比較器ＣＰの他方の制御入力端に入力される。
【００７３】
＜電源電圧検出回路ＶＤについて＞
電源電圧検出回路ＶＤは、整流化直流電源ＲＤＣの直流出力端間に接続された抵抗分圧器からなり、その出力信号を乗算器Ｍの他方の入力端に接続している。
【００７４】
＜インダクタ電流検出回路ＬＤについて＞
インダクタ電流検出回路ＬＤは、インダクタＬに磁気結合した検出巻線からなり、制御回路ＣＣの双安定マルチバイブレータＢＭに制御入力している。
【００７５】
＜回路動作について＞
発光ダイオードＬＥＤに流れる電流は、発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの発光ダイオード電流検出器ＬＤで検出され、誤差増幅器ＥＡで基準電位源Ｅと比較され、さらに積分回路ＩＣＣにより低周波交流の周期より速い応答が抑制されたうえで乗算器Ｍおよび比較器ＣＰを経由して双安定マルチバイブレータＢＭを制御して、ドライブ信号発生回路ＤＣにドライブ信号の遮断のタイミングを与える。これにより、スイッチング素子Ｑはオフする。この回路動作において、発光ダイオード電流の帰還が行われ、スイッチング素子Ｑのオフのタイミングが調整されるので、発光ダイオード電流は低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、その平均値が一定に制御される。
【００７６】
また、電源電圧変動は、前記と同様に電流帰還回路による定電流作用により補償される。
【００７７】
図２は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における各部の電圧および電流の波形を示す波形図である。
【００７８】
図において、ＩＳＷは増加電流である。すなわち、図示を省略している起動回路により最初にスイッチング素子Ｑがオンすると、整流化直流電源ＲＤＣからインダクタＬを介して直線的に増加する増加電流ＩＳＷがスイッチング素子Ｑを流れる。このときインダクタＬに電磁的エネルギーが蓄積される。
【００７９】
また、増加電流ＩＳＷは、スイッチング電流検出回路ＳＤによって検出され、比較回路ＣＰを経由して双安定マルチバイブレータＢＭをトリガーし、ドライブ信号発生回路ＤＣを制御してドライブ信号を遮断させるので、スイッチング素子Ｑはオフする。
【００８０】
ＩＤは減少電流である。すなわち、スイッチング素子Ｑがオフしたときに、インダクタＬに蓄積されていた電磁的エネルギーが放出されることによって、インダクタＬから流出してダイオードＤおよび発光ダイオードＬＥＤを直線的に減少しながら流れる。
【００８１】
ＩＬはインダクタ電流である。すなわち、インダクタ電流Ｉ Ｌ は、インダクタＬの増加電流ＩＳＷと減少電流ＩＤとが連続して流れる電流をいう。
【００８２】
ＶＳＷはスイッチング素子Ｑの両端に現れる電圧、ＶＩＮは入力電圧、ＶＬはインダクタＬの両端に現れる電圧である。
【００８３】
図３は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における電源電圧のピーク値近傍およびゼロクロス近傍におけるインダクタ電流およびスイッチング素子の電圧の波形を示す波形図である。
【００８４】
図において、（ａ）は電源電圧のピーク値近傍におけるインダクタ電流ＩＬの波形、（ｂ）は電源電圧のゼロクロス近傍におけるインダクタ電流ＩＬの波形、（ｃ）は同じくスイッチング素子の電圧ＶＳＷの波形、をそれぞれ示す。なお、図において説明したように、インダクタ電流Ｉ Ｌ は、増加電流Ｉ ＳＷ と減少電流Ｉ Ｄ とからなる電流である。
【００８５】
図から理解できるように、スイッチング素子Ｑのオンは減少電流ＩＤが零になるタイミングで行われ、オフは増加電流ＩＳＷが低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングで行われるため、オン時間はほぼ一定であるが、オフ時間は低周波交流電源電圧の瞬時値における絶対値に関係するので、変化する。
【００８６】
図４は、本発明の発光ダイオード駆動装置の第２の実施形態を示す回路図である。
【００８７】
図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明は省略する。本実施形態は、スイッチング電流検出回路ＳＤおよび昇圧チョッパＢＵＴの制御回路ＣＣの双安定マルチバイブレータＢＭに代えて単安定マルチバイブレータＵＭが用いられている点で主として異なる。
【００８８】
すなわち、制御回路ＣＣは、ドライブ信号発生回路ＤＣおよび単安定マルチバイブレータＵＭからなる。インダクタ電流検出回路ＬＤは、インダクタＬに磁気結合した検出巻線の出力を波形整形する波形整形回路ＷＳを含んでいる。
【００８９】
そうして、本実施形態において、インダクタ電流検出回路ＬＤの検出信号は、波形整形回路ＷＳによって波形整形されてから制御回路ＣＣを構成する単安定マルチバイブレータＵＭをトリガーする。これにより、単安定マルチバイブレータＵＭは、反転する。これに伴い、ドライブ信号発生回路ＤＣがドライブ信号を発生してスイッチング素子Ｑに印加するので、スイッチング素子Ｑはオンする。
【００９０】
単安定マルチバイブレータＵＭは、トリガー後所定時間経過すると、自動的に反転して元に戻るので、そのときドライブ信号発生回路ＤＣはドライブ信号を遮断する。これにより、スイッチング素子Ｑはオフする。
【００９１】
発光ダイオード電流帰還回路ＬＦＣの誤差増幅器ＥＡの出力は、制御回路ＣＣの単安定マルチバイブレータＵＭの復帰時間を調整するので、発光ダイオード電流は平均化される。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１ないし４の各発明においては、インダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせ、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせ、直流出力端に平滑コンデンサを備えていない昇圧チョッパの直流出力によって発光ダイオードを駆動するとともに、発光ダイオード電流検出器で発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出し、誤差増幅器で基準電位源と比較し、かつ誤差増幅器の一方の制御入力端と出力端との間に接続したコンデンサからなる積分回路を備えた発光ダイオード電流帰還回路を設けたことにより、積分回路を誤差増幅器と一体的に構成することができるとともに、発光ダイオード電流検出器の検出信号が基準電位を超えると、誤差増幅器には積分作用により低周波交流の周期より速い応答にならないように遅延して帰還信号の値が変化し、帰還信号は、制御回路に制御入力して、スイッチング素子のドライブ信号遮断のタイミングを制御して、スイッチング素子のオフするタイミングが早まり、負荷電流すなわち発光ダイオード電流が基準値に一致するように動作するので、低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に、発光ダイオード電流が平均化し、その結果発光ダイオードの周囲温度の変化によってその電流・電圧特性が変化しても、発光ダイオード電流がほぼ一定に保持されるため、発光ダイオード電流の電源電圧や温度変化に対する安定度が改善され、外乱に対するダイオード電流の変動を実質的になくすことができて発光ダイオード電流の安定度が優れているとともに、電力損失が少なく、また入力電流に休止期間が生じないことで入力電流の高調波歪が少なくて、しかも比較的安価な発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９３】
請求項２の発明によれば、加えて基準電位源の基準電位が可変であることにより、外部から調光操作したり、内部的に温度特性を補償したりすることが可能な発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９４】
請求項３の発明によれば、加えてスイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出してスイッチング素子をオフさせるように昇圧チョッパの制御回路を制御するスイッチング電流検出回路を備えていることにより、スイッチング素子に過電流が流れるおそれがなく、入力電圧波形に比例した入力電流波形を得られる発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【００９５】
請求項４の発明によれば、加えてスイッチング素子のオン後所定時間経過後にスイッチング素子をオフするように昇圧チョッパの制御回路が構成されていることにより、回路構成が簡単になる発光ダイオード駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態を示す回路図
【図２】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における各部の電圧および電流の波形を示す波形図
【図３】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第１の実施形態における電源電圧のピーク値近傍およびゼロクロス近傍におけるインダクタ電流およびスイッチング素子の電圧の波形を示す波形図
【図４】 本発明の発光ダイオード駆動装置の第２の実施形態を示す回路図
【図５】 従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例を示す回路図
【図６】 従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例を示す回路図
【図７】 従来の発光ダイオード駆動装置の第３の例を示す回路図
【図８】 従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例を示す回路図
【図９】 従来の発光ダイオード駆動装置の第１の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図である。
【図１０】 従来の発光ダイオード駆動装置の第２の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図
【図１１】 従来の発光ダイオード駆動装置の第４の例における電源電圧および入力電流の波形を示す波形図
【符号の説明】
ＡＳ…低周波交流電源
ＨＦ…高周波フィルタ
ＲＤＣ…整流化直流電源
ＢＵＴ…昇圧チョッパ
Ｌ…インダクタ
Ｑ…スイッチング素子
Ｄ…ダイオード
ＣＣ…制御回路
ＤＣ…ドライブ信号発生回路
ＢＭ…双安定マルチバイブレータ
ＣＰ…比較回路
Ｍ…乗算器
ＬＥＤ…発光ダイオード
ＬＦＣ…発光ダイオード電流帰還回路
ＬＤ…発光ダイオード電流検出器
ＥＡ…誤差増幅器
Ｅ…基準電位源
ＩＣＣ…積分回路
ＳＤ…スイッチング電流検出回路
ＶＤ…電源電圧検出回路
ＬＤ…インダクタ電流検出回路
Claims (4)
- 交流入力端が低周波交流電源に接続する整流化直流電源と；
整流化直流電源の直流出力端間に直列的に接続されるインダクタおよびスイッチング素子、スイッチング素子の両端間に接続されるダイオード、ならびにインダクタに蓄積されたエネルギーが放出されたときに流れる減少電流が零になるタイミングでスイッチング素子をオンさせるとともに、スイッチング素子のオンによりインダクタに流れる増加電流が低周波交流電源電圧の絶対値に比例定数を乗算した値に達したタイミングでスイッチング素子をオフさせる制御回路を備え、直流出力端に平滑コンデンサを備えていない昇圧チヨッパと；
昇圧チョッパの負荷として昇圧チョッパの直流出力によって駆動される発光ダイオードと；
発光ダイオード電流検出器、誤差増幅器および誤差増幅器の一方の制御入力端および出力端間に接続されたコンデンサからなる積分回路を備え、発光ダイオード電流検出器で発光ダイオードに流れる発光ダイオード電流を検出して、誤差増幅器で基準電位源と比較し、かつ積分回路で低周波交流の周期より速い応答を抑制して制御回路に帰還して、低周波交流の周期より長い時間領域で見た場合に発光ダイオード電流を平均化させるように制御回路に昇圧チョッパを制御させる発光ダイオード電流帰還回路と；
を具備していることを特徴とする発光ダイオード駆動装置。 - 基準電位源は、基準電位が可変であることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード駆動装置。
- スイッチング素子に流れる電流を検出してスイッチング素子をオフさせるように制御回路を制御するスイッチング電流検出回路を具備していることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置。
- 制御回路は、スイッチング素子がオン後所定時間経過したときにスイッチング素子をオフさせるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード駆動装置。
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