JP5129199B2 - 光源の輝度を制御する調光回路および光源の輝度を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源制御用回路に関し、特に光源の輝度を制御する調光回路および輝度を制御する方法に関する。

技術の開発および進歩に伴い、液晶表示装置（ＬＣＤ）は、コンピュータ、コミュニケーションおよび家電業界において、従来のブラウン管（ＣＲＴ）表示装置に大幅にとってかわるものとなった。従来のＣＲＴ表示装置と比較すると、液晶表示装置は、放熱量が少なく、より薄く軽いという利点があり、液晶表示装置パネルは、ノート型コンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話、デジタルカメラ、フラットパネルテレビ、プロジェクター、デジタルカムコーダ、デジタルフォトフレームなどの普及型電化製品に適するであろう。

液晶表示装置内部には、バックライトモジュールによる表示装置のバックライトが提供される。一般に、ユーザがあらゆる環境下で液晶表示パネルの表示装置を明確に見るためには、バックライトの輝度が調整可能である必要がある。屋外の照明環境下におけるバックライトの輝度は、背景照明より高くする必要があり、かつ暗い環境では眼精疲労を軽減するためにより柔らかい照明を提供するように低くする必要がある。液晶表示装置の輝度は、通常、バックライトのオン／オフタイミング比の調整、または、バックライトを通る電流の調整により制御される。液晶表示パネルのバックライトモジュールは、通常、光源と、光源を駆動するためのインバータ回路と、を含む。インバータ回路は、入力直流電圧（ＤＣ電圧）を交流電圧（ＡＣ電圧）に変換し、光源を駆動するために交流電圧を利用する。当業者には既知であるが、直流を交流に変換するため、回路設計者は、ＬＣ発振原理を利用することができる。

さらに、光源の輝度を制御するために普及している方法は、パルス幅変調器（ＰＷＭ）により提供される信号に基づき、ランプに供給される交流電圧のパルス幅（時間）を制御することである。交流電圧のパルス幅が広いほどランプの輝度は明るくなり、逆に、交流電圧のパルス幅が狭いほどランプの輝度は暗くなる。しかしながら、前述のＬＣ発振原理とパルス幅変調器を用いた光源輝度を制御する調光回路は、ＬＣ発振のためランプがオフにされると、すなわちＰＷＭ信号が０となると、輝度を下げることが困難となる。図１、ミリ秒で測定される出力電圧と時間との関係が示され、従来技術にしたがったランプの輝度を制御する調光回路のパルス幅変調器とインバータがグラフ化されている。図１に示されるように、パルス幅変調器の信号が１と等しいとき、インバータはランプに交流電圧を出力し、ＰＷＭ信号の時間Ｗ（パルス幅）を介してランプの輝度を制御する。しかしながらＰＷＭ信号が０に切り替わると、インバータの出力電圧は、電圧が０ボルトに戻る前に電圧発振時間を持続する必要があり、これによりランプの輝度を下げることが困難になる。

図２を参照すると、ミリ秒で測定される出力電圧と時間との関係が示され、従来技術にしたがってランプの輝度を制御する調光回路のパルス幅変調器とインバータがグラフ化されている。図２に示されるように、ＰＷＭ信号が１から０に切り替わるとき、インバータの電圧発振が観測される。

特許文献１の技術では、電圧発振時間を短縮する液晶表示装置のバックライトでランプを調光する方法および装置を開示する。図３を参照すると、特許文献１におけるランプの輝度を制御するための回路図が示されている。調光回路３００のスイッチＳ１を閉じると、スイッチＳ１はＯＮ状態となり、直流電力＋ＶがインダクタＬ１を介し変圧器３４０の中央タップ３４６に印加される。コンデンサＣ１は、変圧器３４０の一次巻線３４２に平行に接続され、スイッチＳ２およびＳ３のオンオフと協調し、すなわち、スイッチ制御部３３０によって制御され、一次巻線３４２とコンデンサＣ１との間にＬＣ発振を発生させる。このようにして直流電力＋Ｖは交流電力に変換され、その交流電力が変圧器３４０の二次巻線３４４を介して被制御機器３１０に印加される。被制御機器３１０の輝度を制御するために、調光回路３００は、パルス幅変調器３２０を用いて、被制御機器３１０の「オン時間」を規制するスイッチＳ１のオンおよびオフ時間を制御する。

ＰＷＭ信号が１から０に切り替えられるとき起こるＬＣ発振の問題を改良するために、インダクタＬ１と中央タップ３４６との間に、パルス幅変調器３２０の出力信号３２４により制御されるスイッチＳ４を加える。スイッチＳ１を開くと、出力信号３２２は０と等しく、出力信号３２４は０から１に切り替わり、スイッチＳ４を閉じ、オン状態とする。したがって一次巻線３４２に蓄えられたエネルギーは、アースに向けられ、被制御機器３１０の電圧発振時間を大幅に短縮することとなる。

しかしながら上述のＬＣ発振効果を改良するための解決策は、一次巻線３４２のアースへの接続に依存し、エネルギーの無駄を招くものであり、被制御機器３１０の輝度が低い場合には、バックライトモジュールの電気効率が低くなる。また、スイッチＳ４が適時に閉じられても、コンデンサＣ１が変圧器３４０の一次巻線３４２に電気的に接続されているため、ＬＣ発振が起こることとなる。したがって被制御機器３１０の電圧は、０ボルトに戻るまで一定期間持続される必要がある。結果として被制御機器３１０の輝度が低い場合には、その輝度をさらに下げることがより難しくなる。

前述の従来技術はまた、スイッチＳ４を変圧器３４０の二次巻線３４４に接続してもよく、これにより、スイッチＳ１を開くと、変圧器３４０の中に蓄えられたエネルギーがアースに放散されることを示唆している。これもまたエネルギーの無駄を招き、結果として、被制御機器３１０の輝度が低い場合にはバックライトモジュールの電気効率を低下させる。したがって、スイッチＳ４は高電圧を維持する必要があり、これによりランプの輝度を制御する調光回路のコストを引き上げる。

米国特許第５，９３９，８３０号明細書

本発明は前述の諸問題を解決するために、光源の輝度を制御する調光回路ならびに輝度を制御するための方法を提供する。本発明による効果は、低輝度におけるバックライトモジュールの電気効率を上げ、低コストでランプの輝度を下げエネルギーの無駄を削減するという目標を容易に達成することである。

本発明の目的は、低輝度状態でランプの輝度をさらに下げることが容易にできるように光源の輝度を制御する調光回路を提供することである。

本発明のさらなる目的は、低輝度状態でバックライトモジュールの効率を上げることができるように光源の輝度を制御する調光回路を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、回路内のコンデンサとインダクタとの間の電気的絶縁が確立されてＬＣ発振を避けることができる光源の輝度を制御する調光回路を提供することであり、これによりランプへの電圧を急速に０ボルト近傍まで低下させ、コンデンサにエネルギーを蓄えその無駄を抑えることが可能となる。

本発明は、光源の輝度を制御し、被制御機器の輝度を制御する調光回路を提供することである。調光回路は、インバータ回路と駆動回路とを含む。インバータ回路は、被制御機器に電気的に結合され、入力された直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を被制御機器に出力する。インバータ回路は、変圧器と、変圧器に並列に接続されたコンデンサと、コンデンサの両側に配置された複数のスイッチと、を含む。駆動回路は、インバータ回路に電気的に連結され、直流電力の変圧器への入力が止められると、複数のスイッチを制御する。その結果、コンデンサと変圧器の間で電気的絶縁が形成される。

本発明は、光源の輝度を制御する調光回路を提供するものであって、光源と、直流電源と、電源スイッチと、インバータ回路と、パルス幅変調器と、を含む。直流電源は直流電力を提供し、電源スイッチは直流電源に電気的に連結される。インバータ回路は、光源に電気的に連結され、直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路は、一次巻線と二次巻線とを有する変圧器と、変圧器の一次巻線に並列に接続されるコンデンサと、変圧器の一次巻線に電気的に連結される第１のスイッチと、第１のスイッチに電気的に連結され、スイッチのオンオフを切り替えてコンデンサおよび一次巻線にＬＣ発振を生成するスイッチ制御部と、コンデンサの両側に配置された第２のスイッチと、を含む。パルス幅変調器は、電源スイッチと、電源スイッチの出力信号を制御するための第２のスイッチに電気的に連結され、直流電力の出力が止められると、第２のスイッチを制御し、これによりコンデンサが変圧器と電気的に絶縁される。

本発明は、光源の輝度を制御する方法を提供するものであって、以下のステップを含む。第一に、交流電力がインバータに供給され、直流電力がインバータから被制御光源まで出力される。次いで、インバータへの直流電力の供給が止められるため、インバータ内のコンデンサと変圧器とが絶縁され、インバータがアースに電気的に絶縁されて、インバータのコンデンサ内にエネルギーを蓄えることが可能となる。

従来技術によるランプの輝度を制御するパルス幅変調器と調光回路のインバータの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。 従来技術によるランプの輝度を制御する調光回路のパルス幅変調器とインバータの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。 従来のランプの輝度を制御する回路図である。 本発明の第１実施形態によるランプの輝度を制御する回路図である。 本発明の第２実施形態によるランプの輝度を制御する回路図である。 従来技術および本発明の実施形態にしたがったランプの輝度を制御する調光回路のパルス幅変調器およびインバータの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。しかしながら本発明は、明らかに説明したもの以外の広範な他の実施形態により実施できるものであり、本発明の範囲は、付随の特許請求の範囲に明記されるものを除き明白に制限されるものではないことを理解されたい。

（第１実施形態）
図４を参照すると、本発明の第１実施形態による光源の輝度を制御する回路図が示される。図４に示すように、光源の輝度を制御する調光回路４００は、直流電力４１０と結合され、駆動回路４２０は、インバータ回路４３０とスイッチＳ３とに電気的に結合される。本発明の一実施形態において、インバータ回路４３０は、発振回路４３２と、変圧器４３４と、コンデンサＣ１と、スイッチＳ１およびＳ２と、を含む。被制御機器としての光源４４０は、インバータ回路４３０に結合される。この場合、光源４４０はランプなどの光源でもよい。コンデンサＣ１は、変圧器４３４の一次巻線４３６に並列に接続され、スイッチＳ１およびＳ２は、コンデンサＣ１の両側に配置される。スイッチＳ１およびＳ２のオンオフは、駆動回路４２０によって制御される。コンデンサＣ１は、発振回路４３２と協調する変圧器４３４の一次巻線４３６に並列に接続されるため、直流電力４１０が、駆動回路４２０により制御されるスイッチＳ３を介し変圧器４３４の中央タップ４３８に印加されると、コンデンサＣ１と一次巻線４３６との間にＬＣ発振を生成し、これにより直流電力を交流電力に変換する。

いくつかの実施形態においては、直流電力４１０の変圧器４３４への入力が止められると、駆動回路４２０を介しスイッチＳ１およびＳ２が開き（開放回路）、コンデンサＣ１と変圧器４３４との間で電気的絶縁を形成することにより、電圧発振を避け、エネルギーをコンデンサＣ１に蓄えることができる。駆動回路４２０は、スイッチＳ３を介し動力の供給を制御したり、光源４４０がオンされる時間を制御することによって光源４４０の輝度を規制したりすることができる。

（第２実施形態）
図５を参照すると、本発明の第２実施形態によるランプの輝度を制御する回路図を示す。ランプの輝度を制御する調光回路５００において、スイッチＳ１と共にオンされたスイッチＳ４およびＳ５が閉じられると、直流電力＋Ｖは、インダクタＬ１を介し、変圧器５４０の中央タップ５４６に印加される。スイッチ制御部５３０を介しスイッチＳ２およびＳ３をオンオフすることによって、コンデンサＣ１が変圧器５４０の一次巻線５４２に並列に接続されると、一次巻線５４２とコンデンサＣ１との間にＬＣ発振が生成される。したがって、直流電力＋Ｖは交流電力に変換され、交流電力は変圧器５４０の二次巻線５４４および安定器Ｌ２を介し被制御機器５１０に印加される。安定器Ｌ２は、被制御機器５１０の強電流により引き起こされるいかなる損傷をも予防できる。

本実施形態では、スイッチＳ４およびＳ５は、コンデンサＣ１の両側にそれぞれ配置され、パルス幅変調器５２０の出力信号５２６を用いて短絡回路または開放回路のスイッチを制御する。被制御機器５１０の照明を駆動すると、パルス幅変調器５２６の出力信号５２６は１と等しくなり、これにより、スイッチＳ４およびＳ５は閉じられ、オン状態となる。被制御機器５１０の輝度を調整すると、出力信号５２２は、時間Ｗの調節のために１から０に変わり、これにより被制御機器５１０の輝度を調整する。同時に、出力信号５２２は１から０に変わり、パルス幅変調器５２０の他方の出力信号５２６もまた１から０に変わる。この場合、スイッチＳ４およびＳ５は開状態（開放回路）で、コンデンサＣ１と変圧器５４０の一次巻線５４２とを電気的に完全に絶縁する。さらに、スイッチＳ２およびＳ３は、スイッチ制御部５３０を介し開かれる（開放回路）。コンデンサＣ１と変圧器５４０の一次巻線５４２とは電気的に完全に絶縁されるため、ここではＬＣ発振は起こらない。したがって出力信号５２２が１から０に変化するので、被制御機器５１０に印加される電圧は約０ボルトに急速に低下し、これにより電圧発振が起こるのを防ぐ。いくつかの実施形態において、被制御機器５１０は、冷陰極螢光（ＣＣＦＬ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白色光またはハロゲンランプなどの光源でもよい。

図６は、従来技術および本実施形態によるランプの輝度を制御する調光回路のパルス幅変調器およびインバータの出力電圧と時間との関係を示すグラフである。なお、時間はミリ秒で測定した。電圧波形ＡおよびＢは、従来技術による電圧波形を表し、ここで電圧波形Ａはパルス幅変調器３２０の出力信号３２２の電圧波形を示し、電圧波形Ｂは被制御機器３１０の理論上の電圧波形を示す。一方、電圧波形ＣおよびＤは、本実施形態による電圧波形を表し、電圧波形Ｃはパルス幅変調器５２０の出力信号５２２の電圧波形を示し、電圧波形Ｄは被制御機器５１０の理論上の電圧波形を示す。電圧波形Ｄと電圧波形Ｂとを比較すると、本実施形態の被制御機器５１０に印加される電圧には、いかなる電圧発振も観察されなかったことが明らかである。電圧発振が全くないため、出力信号５２２が１から０に変わると、被制御機器５１０の照明には時間Ｗ内の電圧波形が大きく寄与することになる。つまり、従来技術と比較すると、本実施形態における被制御機器５１０にとって輝度の低い状態でさらに輝度を下げることがより容易となり、輝度低下の限界を上げることが可能である。

さらにスイッチＳ４およびＳ５は両方とも開かれ（開放回路）、スイッチＳ２およびＳ３もまた開かれているため、エネルギーはコンデンサＣ１に蓄えられる。本実施形態で提供されるランプの輝度を制御する調光回路５００は、エネルギーを蓄えることができるため、バックライトモジュールが低輝度状態である場合、より良い電気効率で電気をさらに蓄えることが可能である。さらに、スイッチＳ５およびＳ６には高電圧を保持する必要が全くないため、標準のトランジスタスイッチを使って、ランプの輝度制御のコストを下げることも可能である。

本発明の一側面によれば、本実施形態は、さらにランプの輝度を制御するための方法を提供してきた。以下その工程を概説する。

本実施形態は、第一に、コンデンサと変圧器とを含むインバータに直流電力を提供し、交流電力がインバータから出力されるようにする。次いで、ランプを照らすために交流電力がランプの両端に出力される。その後、パルス幅変調器を用い、直流電力がインバータに入力される時間Ｗを制御する。その間、直流電力のインバータへの入力は止められ、インバータ内のコンデンサと変圧器とは電気的に絶縁され、インバータとアースもまた電気的に絶縁され、これによりエネルギーがインバータ内のコンデンサ中に蓄えられることが可能になる。

ここまで本発明の好ましい実施形態を説明してきた。前述の本発明の好ましい実施形態は本発明を例証するものであり、本発明を限定するものではないことを当業者なら理解されるであろう。本発明は、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の修正および類似の配列を含んでおり、その範囲は、すべての修正および類似の構造を含むように最も広い解釈にしたがうものであることを意図する。

４００：光源の輝度を調整する調光回路、４１０：直流電力、４２０：駆動回路、４３０：インバータ回路、４４０：光源

Claims (5)

1. 被制御機器の輝度を制御するために用いられる光源の輝度を制御する調光回路であって、入力された直流電力を交流電力に変換するために前記被制御機器と電気的に結合され、
   前記交流電力を前記被制御機器に出力するインバータ回路を含み、
   前記インバータ回路は、
   変圧器と、
   前記変圧器に並列に接続されるコンデンサと、
   前記コンデンサの両側に配置される複数のスイッチと、
   直流電力の供給調整のために前記インバータ回路に電気的に連結され、前記変圧器への直流電力の入力が止められると前記複数のスイッチを制御し、これにより前記コンデンサと前記変圧器との間に電気的絶縁を形成する駆動回路と、
   を含むことを特徴とする光源の輝度を制御する調光回路。
2. 前記光源と前記インバータ回路との間に配置される安定器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光源の輝度を制御する調光回路。
3. 光源の輝度を制御する調光回路であって、
   直流電力を提供する直流電源と、
   前記直流電源に電気的に連結された電源スイッチと、
   前記光源に電気的に連結され、前記直流電力を交流電力へ変換するインバータ回路と、を含み、
   前記インバータ回路は、
   一次巻線と二次巻線とを有する変圧器と、
   前記変圧器の前記一次巻線に並列に接続されるコンデンサと、
   前記変圧器の前記一次巻線に電気的に連結される第１のスイッチと、
   前記第１のスイッチに電気的に連結され、前記第１のスイッチをオンオフし、これによりＬＣ発振を前記コンデンサと前記一次巻線との間に生成するスイッチ制御部と、
   前記コンデンサの両側に配置された第２のスイッチと、
   前記電源スイッチの出力信号を調整するために前記電源スイッチと前記第２のスイッチとに電気的に連結され、直流電力の出力が止められると前記第２のスイッチを制御して
   前記コンデンサと前記変圧器の電気的絶縁を形成するパルス幅変調器と、
   を含むことを特徴とする光源の輝度を制御する調光回路。
4. 光源の輝度を制御する方法であって、
   直流電力を、コンデンサが並列に接続された変圧器を有するインバータに供給し、これにより前記インバータが被制御光源に交流電力を出力するステップと、
   前記直流電力の前記インバータへの入力が止められると、前記インバータ内のコンデンサと変圧器とを絶縁し、前記変圧器がアースと絶縁されるように前記インバータを制御し、これにより前記変圧器の前記コンデンサ内部にエネルギーが蓄えられるようにするステップと、
   を含むことを特徴とする光源の輝度を制御する方法。
5. 前記コンデンサの両側に配置される１組のスイッチを設け、当該スイッチにより前記コンデンサを制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の光源の輝度を制御する方法。