JP4770116B2 - ランプおよびｌｅｄの駆動回路 - Google Patents

Description

本発明はランプおよびＬＥＤの駆動回路に関し、特に交流電源に接続された整流回路によって得られる脈流電源を用いてランプおよびＬＥＤを点灯するランプおよびＬＥＤの駆動回路に関する。

従来、ＬＥＤやランプ（たとえばハロゲンランプ）を備えた発光・照明装置などにおいて、交流電源を整流回路に接続し、整流回路によって得られる脈流電流を直流電源としてＬＥＤあるいはランプを点灯させる方式の駆動回路があった。

このような駆動回路では、整流回路によって得られる脈流電流をそのまま印加すると、ＬＥＤあるいはランプに流れる電流が整流後の電源電圧（脈流）に対して大きく変動し、かつ波高値も大きくなることから、ＬＥＤあるいはランプに過電流が流れ、ＬＥＤあるいはランプのフィラメントを破損してしまう恐れがある。

そこで、ＬＥＤに過電流が流れるのを防止するため、整流回路とＬＥＤの間に、トランジスタ、ツェナーダイオードおよび２つの抵抗器からなる定電流回路を設けたＬＥＤ駆動回路が提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。

また、このような駆動回路に、スイッチング素子を用いてＬＥＤまたはランプにかかる印加電圧をオン・オフ制御し、輝度もしくは階調を制御する回路が組み込まれているものもある。スイッチング素子を備えた駆動回路では、電源電圧のピーク値付近でスイッチング素子をオンしなければならないため、オンする瞬間に過大な電圧が印加される恐れがある。

そこで、ハロゲンランプの調光装置において、ハロゲンランプの印加電圧の実効値が電源電圧の実効値以下となるようにスイッチング素子のオン・オフ制御する調光装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照。）。
特開２０００−２６０５７８号公報（段落番号〔００１０〕〜〔００１２〕、図１） 特開平７−１１４９９０号公報（段落番号〔００１０〕〜〔００１７〕、図１）

上記の説明の従来のツェナーダイオードを用いた定電流回路を設けたＬＥＤ駆動回路は、整流回路によって得られる脈流電源の＋側電源と接地との間に直列接続される抵抗器とツェナーダイオードと、この抵抗器とツェナーダイオードとの間にベース接続されるトランジスタとを備え、そのトランジスタのコレクタと＋側電源との間にＬＥＤが接続され、かつトランジスタのエミッタと接地との間に抵抗器が接続される。このため、整流回路で整流された電源電圧（脈流）がツェナーダイオードのツェナー電圧を超える範囲になると、ＬＥＤ、トランジスタおよび抵抗器に電流が流れ続けることとなり、トランジスタによるエネルギーロスが大きくなりすぎるという問題点がある。

また、ＬＥＤの輝度もしくは階調を制御するためには、ＬＥＤに流れる電流のオン・オフ制御を行う必要がある。しかしながら、上記の説明のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤに流れる電流のオン・オフ制御が自由にならず、輝度の階調制御ができないという問題点もある。

一方、上記の説明の従来のハロゲンランプの調光装置は、整流回路の直流出力側または交流入力側に接続されたハロゲンランプの印加電圧が、直流出力電圧波形の０［Ｖ］の時点を基準として電気角で±９０度未満の電圧でハロゲンランプに印加されるようにスイッチング素子のオン期間を制御する制御回路を有する。このような制御回路では、電源電圧が変動し、整流回路で整流された電源電圧（脈流）が大きくなると、スイッチング素子をオンする瞬間に過大な電圧がかかってしまうという問題点がある。また、この駆動回路では、ＬＥＤの輝度調整あるいは階調制御を行うことが難しいという問題点もある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤあるいはランプに流れる過電流あるいは過電圧を防止し、ＬＥＤまたはランプのオン・オフのデューティを制御することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、交流電源に接続された整流回路によって得られる脈流電源を用いてランプもしくはＬＥＤを点灯するランプおよびＬＥＤの駆動回路において、ランプもしくはＬＥＤに直列に接続され、脈流電源からランプもしくはＬＥＤに流れる電流を制限する電流制限部と、ランプもしくはＬＥＤに直列に接続されてランプもしくはＬＥＤに流れる電流を検出する電流検出部と、非反転入力端子に基準電源および反転入力端子に電流検出部が接続され、電流検出部の検出電流に応じた電圧が基準電源の電圧値となるように電流制限部を制御してランプもしくはＬＥＤに流れる電流を制限電流値で保持しながら、外部から入力されるイネーブル信号に応じて電流制限部および電流検出部をオン／オフしてランプもしくはＬＥＤのオン／オフ・デューティ制御を行い、ランプもしくはＬＥＤの輝度または階調を調整する演算増幅回路と、を具備することを特徴とするランプおよびＬＥＤの駆動回路、が提供される。

このような構成のランプおよびＬＥＤの駆動回路によれば、演算増幅回路は、電流検出部によって検出された脈流電源からランプもしくはＬＥＤに流れる電流に応じた電圧と、基準電圧と、を入力する。そして、検出電流に応じた電圧が一定電圧値になるように電流制限部を制御するフィードバック制御を行い、ランプもしくはＬＥＤに過電流が流れることを防止する。電流制限部は、演算増幅回路の制御信号に応じて、ランプもしくはＬＥＤに流れる電流の電流制限を行う。さらに、演算増幅回路は、フィードバック制御と同時に、外部から入力されるイネーブル信号に応じて、電流制限部および電流検出部のオン／オフしてランプもしくはＬＥＤのオン／オフ・デューティ制御を行い、ランプもしくはＬＥＤの輝度または階調を調整する。

これにより、電流制限部を制御してランプもしくはＬＥＤに流れる電流の電流制限が行われ、所定の電圧値以上の電圧がランプもしくはＬＥＤに印加されるのを防止するとともに、電流制限部のオン／オフ制御を行うことができる。

本発明のランプおよびＬＥＤの駆動回路は、ランプもしくはＬＥＤに流入する電流に電流制限をかけながら、電流制限をおこなう電流制限部のオン／オフを制御することができるので、ランプもしくはＬＥＤに過電流が流れることを防止できるとともに、ランプおよびＬＥＤのオン／オフのデューティを制御することができるという利点がある。これにより、オン／オフ・デューティ制御によってランプもしくはＬＥＤの輝度、あるいは階調を制御することができるとともに、過電流を防止してランプおよびＬＥＤの寿命を延ばすことができる。

以下、本発明の実施の形態を、ＬＥＤの駆動回路に適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動回路の回路構成を示す図である。図に示した回路は、図示しないスイッチなどによりＤＲ端子３に電圧が印加されると、そのことを知らせるためにＬＥＤ１を点灯させる回路であり、ＬＥＤ１は、電源２と接地との間に直列接続される。この回路において、ＤＲ端子３に流れるＤＲ端子電流はＬＥＤ１に流れる電流と等価である。

ＬＥＤ１を駆動するＬＥＤ駆動回路は、ＬＥＤ１に直列に接続されてＬＥＤ１を駆動する電源２と、電源２およびＬＥＤ１と接地との間に直列に接続されてＬＥＤ１に流れる電流を調整するパワーＭＯＳ４と、電源２およびＬＥＤ１と接地との間に直列に接続されてパワーＭＯＳ４に流れる電流を検出するセンスＭＯＳ５およびセンスＭＯＳ５の検出した検出電流に応じた電圧を発生させる抵抗Ｒ１、フィードバック制御を行うとともにイネーブル信号に応じてパワーＭＯＳ４およびセンスＭＯＳ５をオン／オフ制御する演算増幅器（図では、Ｏｐａｍｐ、以下、オペアンプとする）６、オペアンプ６に基準電圧を供給する基準電源７を備えている。

ＬＥＤ１は、電源２とパワーＭＯＳ４との間に接続され、オペアンプ６に基づいて電流調整を行うパワーＭＯＳ４を流れる電流で点灯される。また、ＬＥＤ１の輝度もしくは階調は、パワーＭＯＳ４に流れる電流のオン／オフのデューティ制御を行うことによって調整することができる。

電源２は、交流電源に接続する図示しない整流回路によって全波整流を施した脈流を出力する脈流電源で、出力電圧は０から上昇し、所定の電圧値に達した後に０へと下降する変化を繰り返しており、必ずしも質が保証されない。

パワーＭＯＳ４は、ＬＥＤ１と接地との間に接続され、ゲートにはオペアンプ６の出力端子が接続される高耐圧（最大７００Ｖ）のトランジスタである。オペアンプ６の出力信号に応じて、パワーＭＯＳ４に流れる電流を制御し、ＬＥＤ１に流れる電流が一定値を超えないように電流制限を行う電流制限部を構成する。

センスＭＯＳ５は、抵抗Ｒ１とともにＬＥＤ１と接地との間に直列に接続され、ゲートにはオペアンプ６の出力端子が接続されるトランジスタである。センスＭＯＳ５および抵抗Ｒ１は、パワーＭＯＳ４に対して並列に接続され、パワーＭＯＳ４に流れる電流を検知する電流検出部を構成する。センスＭＯＳ５には、パワーＭＯＳ４とゲートサイズに応じた電流比の電流が流れる。パワーＭＯＳ４に流れる電流Ｉ１とセンスＭＯＳ５に流れる電流Ｉ２の電流比をゲイン値とし、
ゲイン（ｇａｉｎ）＝Ｉ１／Ｉ２ ・・・（１）
とあらわすことができる。

また、センスＭＯＳ５のソース側に抵抗Ｒ１を接続し、検出した電流に応じた電圧を発生させる。抵抗Ｒ１には、センスＭＯＳ５の検知したセンスＭＯＳ電流と、抵抗Ｒ１の抵抗値に応じた（センスＭＯＳ電流）×（抵抗値）の電圧が生じる。

オペアンプ６は、非反転入力端子は基準電源７、反転入力端子はセンスＭＯＳ５のソースと抵抗Ｒ１との間に接続し、出力端子は、パワーＭＯＳ４およびセンスＭＯＳ５のゲートに接続する。そして、抵抗Ｒ１にかかる電圧が基準電源７の発生する基準電圧Ｖになるようにフィードバック制御を行う。オペアンプ６は、パワーＭＯＳ４に流れる電流をセンスＭＯＳ５のソースに接続された抵抗Ｒ１の電圧として検出し、この電圧が基準電圧ＶになるようにパワーＭＯＳ４を制御する制御信号をパワーＭＯＳ４に出力する。同じ制御信号は、センスＭＯＳ５にも出力され、センスＭＯＳ５に流れる電流は、抵抗Ｒ１(抵抗値をＲとする)を介したオペアンプ６とのフィードバック回路で、
Ｉ２＝Ｖ／Ｒ ・・・（２）
の電流値に保持される。このとき、パワーＭＯＳ４に流れる電流は、
Ｉ１＝ｇａｉｎ×Ｉ２ ・・・（３）
の電流値に保持される。

また、オペアンプ６は、外部からイネーブル信号を入力し、イネーブル信号に応じて、パワーＭＯＳ４およびセンスＭＯＳ５のオン／オフ制御を行う。イネーブル信号がＬｏｗレベルの場合には、オペアンプ６への入力は受付けながら、出力電圧をＬｏｗレベルにし、パワーＭＯＳ４およびセンスＭＯＳ５をオフする。また、イネーブル信号がＨｉｇｈレベルの場合には、オペアンプ６によるフィードバック制御を回復させ、フィードバック制御に応じた制御信号をパワーＭＯＳ４およびセンスＭＯＳ５に出力する。

基準電源７は、オペアンプ６の非反転入力端子に接続し、電流制限の基準となる電圧Ｖを供給する。
このような構成のＬＥＤ駆動回路の動作について説明する。

図２は、本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動回路の動作を示す波形図である。上記の説明のように、ＬＥＤ１を流れる電流は、ＤＲ端子３に流れるＤＲ端子電流と等価であるので、以下の説明では、ＤＲ端子電流を用いて説明する。図２の（Ａ）ＤＲ端子電圧は、ＤＲ端子３にかかる電源２の脈流電流の電圧の波形を示している。（Ｂ）ＤＲ端子電流は、パワーＭＯＳ４によって電流制限およびオン／オフ制御がなされたＤＲ端子３を流れる電流の波形を示している。また、（Ｃ）イネーブル信号は、オペアンプ６に外部から入力されるイネーブル信号の波形を示している。

ＤＲ端子３には、電源２の発生する交流を全波整流した脈流に応じた電圧がかかる。
外部から入力されるイネーブル信号がＨｉｇｈの状態で、ＤＲ端子電圧が上がり、ＤＲ端子電流が増えていったとき、パワーＭＯＳ４とゲートサイズで電流比をつくるセンスＭＯＳ５に流れる検出電流は、抵抗Ｒ１を介してオペアンプ６に入力する。オペアンプ６は、センスＭＯＳ５の検出電流に応じた電圧が基準電源７の基準電圧Ｖとなるようにフィードバック制御を行う。このフィードバック回路によって、センスＭＯＳ５を流れる電流は、式（２）に示したように、Ｉ２＝Ｖ／Ｒに保持される。このとき、パワーＭＯＳ４に流れる電流（ＤＲ端子電流に相当）は、式（３）に示したようにＩ１＝ｇａｉｎ×Ｉ２に保持される。すなわち、イネーブル信号がＨｉｇｈでＤＲ端子電圧が上がり、ＤＲ端子電流が増えていくが、予め決められたスレッシュレベル（Ｉ１＝ｇａｉｎ×Ｉ２＝ｇａｉｎ×Ｖ／Ｒ）を超えると電流制限され、ＤＲ端子電流は、スレッシュレベルに保持される。

また、ＤＲ端子電流がスレッシュレベルに保持されているときに、イネーブル信号がＬｏｗになると、オペアンプ６は、入力は受付けながら、出力制御信号をＬｏｗに固定してセンスＭＯＳ５およびパワーＭＯＳ４をオフし、ＤＲ端子電流をオフする。

さらに、イネーブル信号がＨｉｇｈになると、オペアンプ６によるフィードバック制御が回復する。図の例では、ＤＲ端子電圧が下がり、ＤＲ端子電流が減少していく状態でイネーブル信号がＨｉｇｈに変化しているが、このときもオペアンプ６のフィードバック制御により、ＤＲ端子電流はスレッシュレベルに保持されている。

以上のように、本発明のＬＥＤ駆動回路は、整流された電源電圧（脈流）が変化しても、オペアンプ６によって構成されるフィードバック回路によって、ＬＥＤ１に流れる電流が一定値を超えないように電流制限される。また、オペアンプ６に外部から入力されるイネーブル信号に応じて、電流のオン／オフ制御を行う。このように、本発明によれば、パワーＭＯＳ４を流れる電流（ＬＥＤ１を流れる電流に相当）を制限電流値で保持しながら、イネーブル信号でその制限電流値をオン／オフすることができる。これにより、ＬＥＤ１に過電流が流れるのを防止できるとともに、電流のオン／オフ・デューティ制御によりＬＥＤ１の輝度もしくは階調を調整することができる。

なお、パワーＭＯＳ４のオン時間を長くしすぎると、パワーＭＯＳ４のロスが問題となるため、実際のパワーＭＯＳ４のオン／オフのデューティは、オンが１０パーセント、オフが９０パーセント程度とする。

次に、このようなフィードバック回路を構成するオペアンプ６の回路構成について説明する。
図３は、本発明の実施の形態のオペアンプの回路構成を示す図である。

本発明の実施の形態のオペアンプ６は、イネーブルバー信号を順次反転させるインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ３、ＩＮＶ４により生成される信号に応じて、オペアンプを構成する各部が動作する。ミラー回路を構成するＮｃｈＭＯＳのＮ２(以下、ＮはＮｃｈＭＯＳをあらわすとする)とＮ３、およびスイッチング素子Ｎ１を有するミラー回路部は、インバータＩＮＶ１へ入力される。イネーブルバー信号がＬｏｗのとき、ＩＮＶ２の出力がゲートに接続するＮ１はオフし、ミラー回路Ｎ２、Ｎ３によってバイアス電流がオペアンプ内に受け渡される。また、イネーブルバー信号がＨｉｇｈになると、Ｎ１はオンし、Ｎ２、Ｎ３のゲートがＬｏｗになってＮ２、Ｎ３はオフする。ＰｃｈＭＯＳのＰ２(以下、ＰはＰｃｈＭＯＳをあらわすとする)、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６およびスイッチング素子Ｐ１を有する差動増幅部は、イネーブルバー信号がＬｏｗのとき、ＩＮＶ１の出力がゲートに接続するＰ１がオフし、差動増幅部内で定電流が生成される。ＮＰＮトランジスタ８、Ｎ７、Ｎ８およびＮ９を有する最終駆動段の出力部は、イネーブルバー信号がＬｏｗのとき、ＩＮＶ４の出力がゲートに接続するＮ８、Ｎ９がオンし、ＮＰＮトランジスタ８がオンし、所定の定電流が出力される。イネーブルバー信号がＨｉｇｈになると、Ｎ８、Ｎ９がオフし、ＮＰＮトランジスタ８はオフする。

このようなオペアンプでは、イネーブルバー信号がＨｉｇｈになると、バイアス電流をオペアンプ内に受け渡すためのミラー回路を構成するＮ２、Ｎ３がオフし、オペアンプへのバイアス電流がカットされる。このとき、オペアンプ内で定電流を供給するＰ２、Ｐ３、Ｐ４もオフし、ＮＰＮトランジスタ８とＮ７をオフすることで、アンプへの入力は受付けながらアンプ動作を止める。さらに、出力をＮ８でＬｏｗ電圧に固定し、ＤＲ端子につながるパワーＭＯＳ４をオフする。

ここで、最終駆動段にＮＰＮトランジスタ８を用いたのは、パワーＭＯＳはサイズが大きくゲート容量も大きいため、パワーＭＯＳをオンさせる瞬間にゲートに大電流を供給できるよう、最終段のトランジスタは駆動能力を高くする必要があるからである。ＰＭＯＳでは、移動度が小さいためサイズが大きくなりすぎ、ＮＭＯＳではバックゲートが問題となった。なお、Ｎ８は、バックゲート効果がない使い方をするので、ＮＭＯＳを適用している。また、オペアンプの出力には、図１に示したようにパワーＭＯＳのゲートが接続されているだけなので、Ｎ８がオフしているとオペアンプの出力がフローティングになってしまうため、Ｎ７が設けられている。Ｎ７は、オペアンプの出力がフローティングになるのを防止するための一種のプルダウン高抵抗になる。

なお、上記ではＬＥＤの駆動回路の場合について説明を行ったが、本発明の駆動回路は、ランプの駆動回路にも適用することができる。たとえば、ハロゲンランプは、フィラメント材料であるタングステンの融点に近いほぼ限界温度で使用されており、定格電圧以上の一瞬の過電圧が印加されてもフィラメントが簡単に断線する場合がある。このため、ハロゲンランプをオンさせる瞬間に過大な電圧が印加されないように制御できる本発明の駆動回路は、ハロゲンランプの駆動回路として好適である。さらに、本発明の駆動回路によれば、ランプの調光機能を実現することもできる。

本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動回路の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態のＬＥＤ駆動回路の動作を示す波形図である。 本発明の実施の形態のオペアンプの回路構成を示す図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
２ （脈流）電源
３ ＤＲ端子
４ パワーＭＯＳ
５ センスＭＯＳ
６ 演算増幅器（Ｏｐａｍｐ、オペアンプ）
７ 基準電源
８ ＮＰＮトランジスタ

Claims (3)

1. 交流電源に接続された整流回路によって得られる脈流電源を用いてランプもしくはＬＥＤを点灯するランプおよびＬＥＤの駆動回路において、
   前記ランプもしくは前記ＬＥＤに直列に接続され、前記脈流電源から前記ランプもしくは前記ＬＥＤに流れる電流を制限する電流制限部と、
   前記ランプもしくは前記ＬＥＤに直列に接続されて前記ランプもしくは前記ＬＥＤに流れる電流を検出する電流検出部と、
   非反転入力端子に基準電源および反転入力端子に前記電流検出部が接続され、前記電流検出部の検出電流に応じた電圧が前記基準電源の電圧値となるように前記電流制限部を制御して前記ランプもしくは前記ＬＥＤに流れる電流を制限電流値で保持しながら、外部から入力されるイネーブル信号に応じて前記電流制限部および前記電流検出部をオン／オフして前記ランプもしくは前記ＬＥＤのオン／オフ・デューティ制御を行い、前記ランプもしくは前記ＬＥＤの輝度または階調を調整する演算増幅回路と、
   を具備することを特徴とするランプおよびＬＥＤの駆動回路。
2. 前記演算増幅回路は、最終駆動段に、前記イネーブル信号に応じて、前記電流制限部を制御する制御信号あるいは前記電流制限部および前記電流検出部をオフさせるオフ信号のいずれかを出力する駆動トランジスタを備えたことを特徴とする請求項１記載のランプおよびＬＥＤの駆動回路。
3. 前記駆動トランジスタは、ＮＰＮトランジスタであることを特徴とする請求項２記載のランプおよびＬＥＤの駆動回路。

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