JP5422068B2 - Led点灯装置および車両用前照灯 - Google Patents
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Description
PWM制御によりLED素子に対する通電と遮断を繰り返すことでLED素子を減光点灯することができるが、例えば、全点灯時に定格電流が供給されることによって白色に発光していたものが、減光点灯時にLED素子に供給する電流を少なくして平均電流を単に低下させると、LED素子の発光色のうち青色成分が徐々に低下し、LED素子が緑がかった色で発光することがある。このような半導体光源に色度変化が生じるのを防止するため、半導体光源に対する電流の供給をオンオフ制御信号に基づいて行なう場合、オンオフ制御信号のうち一方の論理レベルの時に半導体光源に規定の電流を供給し、オンオフ制御信号のうち他方の論理レベルの時には半導体光源に対する電流の供給を停止するようにした点灯制御回路がある。(例えば、特許文献1参照)。
また、制御回路のゲート駆動回路を、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成し、複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることにより、チャージポンプ回路のコンデンサに、ゲート駆動用の電荷を蓄積することが可能となる。チャージポンプ回路が使用可能となることにより、基準電位(FETの場合はソース電位)の異なる複数のスイッチ素子を駆動する場合においても、個別の絶縁電源を用いる必要がなくなり、LED駆動回路を小型化、低コスト化することが可能となる。
以下、この発明の実施の形態1におけるLED点灯装置を図に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態1によるLED点灯装置の回路構成図、図2はこの発明の実施の形態1における制御回路の構成を示す図、図3はこの発明の実施の形態1における定電流源の回路構成を示す図、図4はこの発明の実施の形態1における輝度調整動作を説明するためのタイミングチャートである。
図1において、n個(nは2以上の自然数)のLED素子D1〜Dnが直列に接続されており、それぞれのLED素子D1〜Dnには並列にFET(Field Effect Transistor)などのスイッチ素子Q1〜Qnが並列に接続されている。すなわち、スイッチ素子Q1のドレインがLED素子D1のアノードと、スイッチ素子Q1のソースがLED素子D1のカソードと、いうように接続されている。
定電流回路22は、LED素子D1〜Dnのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
図4において、Q1〜Q4は、それぞれの同名のスイッチ素子Q1〜スイッチ素子Q4のON(導通)/OFF(非導通)の状態を、また、D1〜D4は、それぞれの同名のLED素子D1〜D4のON(発光)/OFF(非発光)の状態を示すタイミングチャートである。なお以下ではON、OFFをオン、オフとして説明する。
ここで、周波数1/TTを人間の視覚における臨界融合周波数以上とすれば、LED素子の点滅は知覚されなくなり、それぞれの発光デューティーに比例した輝度で発光しているように見える。臨界融合周波数は、輝度や発光面積などの諸条件や、個人差等により異なるが、概ね30Hzから60Hz程度である。ちらつきを感じさせないようにするには、周波数を60Hz以上にするのが望ましい。
また、LED素子D1〜D4に並列に設けたスイッチ素子Q1〜Q4は、高速にターンオン/ターンオフすることが出来るので、LED素子D1〜D4に流れる電流は立ち上がり/立下りの速い理想的な矩形波に近い電流を流すことができ、色シフトをさらに小さくすることができる。
また、LED素子D1〜D4は比較的低電圧、大電流であるため、駆動回路の内部抵抗による電力損失の割合が大きくなり、効率が低下することがあるが、この発明によれば、輝度を個別に調整可能としつつも、LED素子D1〜D4は直列に接続されているので、複数のLED素子D1〜D4に対して定電流源2からはLED素子1個分相当の電流を流せば良く、電源回路の内部抵抗による電力損失を低減することができる。
なお、ここではスイッチ素子としてFETを用いたが、他にIGBTやバイポーラトランジスタを用いても良い。
次にこの発明の実施の形態2におけるLED点灯装置を図に基づいて説明する。実施の形態2におけるLED点灯装置の回路構成図および制御回路の構成を示す図は実施の形態1と同じである。この発明の実施の形態2においては定電流源を実施の形態1と異なる回路構成としたものである。
図5はこの発明の実施の形態2における定電流源の回路構成を示す図で、定電流源2は電圧源21と定電流回路23で構成され、定電流回路23として、トランジスタの活性領域を用いたリニアレギュレータ型の定電流回路を用いたものである。図5に示すように、定電流回路23は、LED素子D1〜Dnに直列にトランジスタTr1と検出抵抗Rsnsを接続し、検出抵抗Rsnsによって検出した電流に基づく検出電圧VsenceをトランジスタTr2のベースに入力して制御することにより、LED素子D1〜Dnに流れる電流が一定になるようにしたものである。このリニアレギュレータ型の定電流回路はよく知られているので、その動作説明は省略する。
なお定電流回路23は、LED素子D1〜Dnのアノード側に接続することも、カソード側に接続することも可能である。
次にこの発明の実施の形態3におけるLED点灯装置を図に基づいて説明する。
この発明においては、LED素子を点灯させるための電源として定電流源2を用いている。上述のように、定電流源2は電圧源と定電流回路を組み合わせて実現することが可能である。
ここで、定電流回路として、図5に示したようなリニアレギュレータ型の定電流回路23を用いた場合、定電流回路における電力損失は、定電流回路23に印加される電圧に比例して増大する。定電流回路に印加される電圧は、電圧源21の出力電圧と、LED素子D1〜Dnにおける電圧降下の合計との差である。電圧源21の出力電圧を、LED素子D1〜Dnにおける電圧降下に近づければ、定電流回路23における電力損失を低減することができる。
図6はこの発明の実施の形態3におけるLED点灯装置の回路構成図、図7はこの発明の実施の形態3におけるLED素子D1〜D4の点灯状態と可変電圧源の出力電圧との関係を示すタイミングチャートである。
図6において、定電流源はLED素子D1〜Dnに接続された可変電圧源24と定電流回路23とで構成されている。定電流回路23は図5に示すような定電流回路である。可変電圧源24は制御回路1からの電圧制御信号Vcntによって出力電圧Vdcが可変するようになっている。制御回路1はLED素子D1〜Dnに並列に接続されたスイッチ素子Q1〜Qnのオン/オフを制御すると共に、LED素子D1〜Dnの点灯数に応じた電圧制御信号Vcntを出力するようになっている。そして制御回路1から出力される電圧制御信号Vcntによって、可変電圧源24の出力電圧Vdcを制御している。
図7において、D1〜D4は、それぞれ同名のLED素子D1〜D4のオン(発光)/オフ(非発光)の状態を示し、VdcはLED素子D1〜D4の点灯数に応じた可変電圧源24の出力電圧を示すタイミングチャートである。
図7のt0からt1までの期間のLED素子D1〜D4の同時点灯数は4であり、t1からt2までの期間のLED素子D1〜D4の同時点灯数は3、その後、同時点灯数は2、1、0と、同時点灯数は減少し、t5で再び同時点灯数が4に戻る。
Vdc = k×Vf +V0
となるように制御する。
可変電圧源24には、昇圧チョッパやフォワードコンバータなど、各種のスイッチングコンバータを用いることができる。スイッチングコンバータの応答速度は有限であり、電圧制御信号Vcntが入力されてから出力電圧Vdcが所定の値となるまでに遅れが生じるので、同時点灯数が変化するよりも遅れ時間分早く電圧制御信号Vcntを変化させても良い。
次にこの発明の実施の形態4におけるLED点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態4おいては、電圧源としてAC電源を入力としたものである。AC電源を入力とするLED点灯装置は蛍光灯や電球を置き換えて、家庭や店舗などの照明に用いることができる。
AC電源を入力とする場合は、AC入力電流の高調波を低減し力率を改善するために、通常、電源入力段に力率改善回路を用いる必要がある。実施の形態4の発明においては、力率改善回路を実施の形態3で説明した図6の可変電圧源24と兼用したもので説明する。 図8はこの発明の実施の形態4における回路構成図を示すもので、可変電圧源は、AC(交流)電源241と、このAC電源241からの入力電圧を脈流の直流(DC)に変換するダイオードブリッジ回路242と、このダイオードブリッジ回路242の出力をDC電圧に変換すると共に、力率を改善する力率改善回路243で構成されている。LED素子D1〜Dnとスイッチ素子Q1〜Qnの直並列回路と力率改善回路243との間には定電流回路23が接続される。その他の回路構成は図6と同様につき説明を省略する。
次にこの発明の実施の形態5におけるLED点灯装置を図に基づいて説明する。
実施の形態1においては、図4に示したように、1周期間の最初に全てのLED素子D1〜Dnを点灯させ、順次消灯させていくことにより、輝度の制御を行う方法を例として挙げた。
この場合、LED素子D1〜Dnの直列回路に印加する電圧は、1周期間の最初に最大値、n×Vfとなる。nが大きい場合には、LED素子D1〜Dnの直列回路に印加する最大電圧が非常に高くなるので、電圧源21の最大出力電圧を高くする必要が生じる。
そこで、実施の形態5においては、LED素子D1〜Dnの最大同時点灯数をnよりも小さい所定の値に制限することとした。図9に、実施の形態5におけるLED素子の点灯パターンの一例を示す。
以上のように制御することにより、電圧源21の最大出力電圧を低減することができるので、電圧源21の耐電圧を下げることができ、また、ピーク電力を低減することができるので、点灯回路をより低コストで実現することが可能となる。
この発明の実施の形態6における車両用前照灯を図に基づいて説明する。この実施の形態6の発明は、実施の形態1〜5で説明したLED点灯装置のいずれか1つを用いて車両用前照灯を構成したものである。図10はこの発明の実施の形態6における車両用前照灯(ヘッドライト)の概略構成図、図11(a)(b)は図10に示す車両用前照灯に用いられるLED素子モジュールの正面図と側面図である。
図10および図11において、複数のLED素子Dnが基板31上にマトリクス状に並べられてLED素子モジュール32が構成されている。このLED素子モジュール32は前照灯ケース33の背面側に設置され、前照灯ケース33の前面側には複数のLED素子Dnから放射される光を、それぞれのLED素子Dnに対応して定められた方向に投射する光学ユニット34が設けられている。LED素子モジュール32にはLED素子Dnの各々を任意の輝度にて発光させる駆動回路35が接続される。この駆動回路35は実施の形態1〜5にて説明したLED点灯装置のいずれかが用いられる。
この実施の形態6の発明を用いれば、前照灯ユニットを機械的に動かすことなく、自由に配光分布を変更することができるので、AFSやレベリング制御などの機能を有する前照灯を、小型化、軽量化することができる。さらに、この発明によればLED素子間の色度の差を小さくすることができるので、色ムラの少ない投射光を得ることができる。
次にこの発明の実施の形態7におけるLED点灯装置を車両用前照灯に適用した場合について図に基づいて説明する。図12はこの発明の実施の形態7におけるLED点灯装置の回路構成を示す図である。
図12において、複数のLED素子が互いに直列に接続されてLED素子群を構成し、それぞれのLED素子群は、ハイビーム用LED素子群DH、ロービーム用LED素子群DL、およびDRL(Daylight Running Lights: 昼間点灯走行)用LED素子群DR、の3つのLED素子群にブロック分けされている。複数のLED素子が互いに直列に接続されて構成された各LED素子群DH、DL、DRには並列にスイッチ素子Q1〜Q3が接続されている。3つのLED素子群DH、DL、DRとスイッチ素子Q1〜Q3の並列回路は、さらに直列に接続されてLED素子回路網を構成し、このLED素子回路網に一括して定電流源2から一定電流を供給している。スイッチ素子Q1〜Q3は制御回路1によりオン/オフ制御されるようになっている。
この実施の形態7によれば、ハイビーム用LED素子群DHとロービーム用LED素子群DLとDRL用LED素子群DRを、1つの電源回路のみで駆動することができるので、電源回路の小型化および低コスト化が可能となる。さらに、全てのLED素子には一定かつ同一の電流を流すので、色シフトが小さくなり、色むらを防止することが可能となる。
1:制御回路、 2:定電流源、
11:点灯パターン生成回路、 12:ゲート駆動回路、
12a:レベルシフト回路、 12b:バッファ回路、
12c:チャージポンプ回路、 21:電圧源、
22:定電流回路、 22a:定電流制御回路、
Rsns:検出抵抗 Qp:電源用スイッチ素子
23:定電流回路、 24:可変電圧源、
31:基板、 32:LED素子モジュール、
33:前照灯ケース、 34:光学ユニット、
35:駆動回路、 241:AC電源、
242:ダイオードブリッジ回路、 243:力率改善回路、
DH:ハイビーム用LED素子群 DL:ロービーム用LED素子群、
DR:DRL用LED素子群。
Claims (2)
- 直列に接続された複数のLED素子、このLED素子の各々に並列に接続された複数のスイッチ素子、前記LED素子と前記スイッチ素子の直並列回路に電流を供給する電源、および前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御して前記LED素子の輝度を発光デューティーにより制御する制御回路を備え、
前記制御回路は、前記スイッチ素子のオンオフデューティーを制御するためのタイミング信号を生成する点灯パターン生成回路と、前記スイッチ素子のゲートを駆動するゲート駆動回路によって構成され、
前記ゲート駆動回路は、レベルシフト回路と、バッファ回路と、チャージポンプ回路によって構成され、
前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子のうち、最も高い電位に接続されるスイッチ素子以外の全てのスイッチ素子を同時にオンする期間を定期的に設けることを特徴とするLED点灯装置。 - 請求項1に記載のLED点灯装置を用いた車両用前照灯において、前記LED点灯装置の複数のLED素子をマトリクス状に並べたLEDモジュールと、前記複数のLED素子から放射される光を各々のLED素子に対応して定められた方向に投射する光学ユニットとを備えた車両用前照灯。
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