JP5473377B2 - 発光素子の制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子の制御を行う制御回路に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を照明用の発光素子として利用する照明システムが開発されている。

図５は、従来の照明システムの制御回路１００を示す。制御回路１００は、整流部１０、整流用コンデンサ１２、チョークコイル１４、回生用ダイオード１６、スイッチング素子１８、制御部２０及び比較器２２を含んで構成される。

整流部１０にＡＣ電源を供給すると、ＡＣ電源が全波整流される。全波整流された電圧は整流用コンデンサ１２によって平滑化され、制御部２０の電源電圧及びＬＥＤ１０２のアノード端子へ駆動電圧として供給される。ＬＥＤ１０２のカソードは、チョークコイル１４、スイッチング素子１８及び抵抗素子Ｒ１の直列接続を介して接地される。制御部２０によりスイッチング素子１８をスイッチング制御することによって、チョークコイル１４、スイッチング素子１８及び抵抗素子Ｒ１を介してＬＥＤ１０２へ電流し、ＬＥＤ１０２を発光させる。また、スイッチング素子１８がオフになった際に、チョークコイル１４に蓄えられているエネルギーをＬＥＤ１０２へ回生させる回生用ダイオード１６がＬＥＤ１０２及びチョークコイル１４に並列に設けられる。

比較器２２には、ＬＥＤ１０２を流れる電流によって抵抗素子Ｒ１の両端に発生する比較電圧Ｖｃｍｐと、平滑化された電源を受けた制御部２０で発生させた電圧Ｖｒｅｇを抵抗分割した一定の基準電圧Ｖｒｅｆと、が入力される。制御部２０は、比較器２２による基準電圧Ｖｒｅｆと比較電圧Ｖｃｍｐとの比較結果に基づいてスイッチング素子１８のスイッチングを制御する。制御部２０は、比較電圧Ｖｃｍｐが基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合にはスイッチング素子１８をオンにしてＬＥＤ１０２へ電流を流し、比較電圧Ｖｃｍｐが基準電圧Ｖｒｅｆより大きくなった場合にはスイッチング素子１８をオフにしてＬＥＤ１０２への電流を遮断する。

このようにして、ＬＥＤ１０２に流れる電流を制御し、ＬＥＤ１０２の平均的な発光強度を制御することができる。

ところで、白熱電球用の発光強度（明るさ）を調光できるシステムが用いられている。白熱電球の調光システムは、図６に示すように、交流電源の導通角を制御して、白熱電球に流れる電流の平均値を低下させることによって発光強度を制御する。

一方、発光素子であるＬＥＤにおいても発光強度を調光できるシステムが望まれている。ＬＥＤの調光システムでは、交流電圧をデジタル電圧信号に変換して処理する回路、交流電圧がオフとなる時間を検出してインバータの発振を停止させる回路が用いられている。

しかしながら、これらの回路は、従来から住宅等のインフラとして備えられている白熱電球に対するシステムとは異なる回路として供給しなければならず、それぞれの回路も規模が比較的大きくなるので、ＬＥＤの制御システムとして製造コストが増大する等の問題がある。そこで、従来からの白熱電球に対する調光用回路を流用してＬＥＤの調光を可能とする制御回路が望まれている。

また、従来の白熱電球の調光用の回路は、製造メーカ毎に最低出力電圧が異なっている。すなわち、交流電圧の導通角の制御範囲が異なっており、最低出力電圧が３０Ｖである調光用回路や６０Ｖである調光用回路等が混在している。

例えば、最低出力電圧が３０Ｖの調光用回路の電圧調整範囲（３０Ｖ〜最大出力電圧）に合わせてＬＥＤをスイッチング制御する制御回路を構成した場合、最低出力電圧が６０Ｖの調光用回路にその制御回路を適用すると、ＬＥＤの調光は３０Ｖ〜６０Ｖの電圧範囲においても可能であるにも関わらず、その電圧範囲が利用できず、ＬＥＤを最低調光状態（最も暗くなる状態）に調光できない等の問題が生ずる。一方、最低出力電圧が６０Ｖの調光用回路の電圧調整範囲（６０Ｖ〜最大出力電圧）に合わせてＬＥＤをスイッチング制御する制御回路を構成した場合、最低出力電圧が３０Ｖの調光用回路にその制御回路を適用すると、３０Ｖ〜６０Ｖの電圧範囲において制御回路のスイッチング制御が不安定になる等の問題が生ずる。

そこで、それぞれの調光用回路の最低出力電圧によらず、どの調光用回路を流用してもＬＥＤを最低調光状態（最も暗くなる状態）に調光できるような制御回路が望まれている。

本発明の１つの態様は、交流電源を全波整流する整流部と、前記整流部で整流された電圧を平滑化するコンデンサと、前記平滑化された電圧を受けて発光する発光素子に流れる電流をスイッチングする第１スイッチング素子と、前記平滑化された電圧が第１電圧以下となった場合に回路を遮断するツェナーダイオードを含み、前記平滑化された電圧が前記第１電圧以下となった場合に接地電位を基準電圧として出力し、前記平滑化された電圧が前記第１電圧より大きい場合に前記平滑化された電圧を分圧して前記基準電圧として出力する分圧回路と、前記発光素子に流れる電流に応じた比較電圧と、前記基準電圧と、を比較する比較器と、前記比較器による比較結果に応じて、前記第１スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする発光素子の制御回路である。

ここで、前記制御部は、前記比較電圧が前記基準電圧より小さい場合に前記発光素子に電流が流れるように前記第１スイッチング素子を制御し、前記比較電圧が前記基準電圧より大きい場合に前記発光素子に電流が流れないように前記第１スイッチング素子を制御することが好適である。

また、前記平滑化された電圧が第２電圧より低い場合に導通状態となり、前記第２電圧以上である場合に遮断状態となる第２スイッチング素子を含み、前記第２スイッチング素子を介して前記平滑化された電圧を前記制御部の電源電圧として供給する電源供給回路を含むことが好適である。

本発明によれば、従来からの白熱電球用の調光用回路を流用してＬＥＤの調光を可能とすると共に、ＬＥＤを最低調光状態に調光することができる。

本発明の実施の形態における発光素子の制御回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における発光素子の制御回路の作用を示す図である。 本発明の実施の形態における発光素子の最低調光状態の制御を説明する図である。 本発明の実施の形態における発光素子の制御回路の別例の構成を示す図である。 従来の発光素子（ＬＥＤ）の制御回路の構成を示す図である。 従来の白熱電球の調光回路の構成を示す図である。

本発明の実施の形態における発光素子の制御回路２００は、図１に示すように、整流部３０、平滑用コンデンサ３２、チョークコイル３４、回生用ダイオード３６、スイッチング素子３８、制御部４０、比較器４２及び分圧回路４４を含んで構成される。また、本実施の形態における制御回路２００における各部の電圧・電流について図２に示す。

制御回路２００は、発光素子の発光の制御を行う。例えば、照明用の発光ダイオード（ＬＥＤ）１０２に接続され、ＬＥＤ１０２への電流の制御を行う。

また、制御回路２００は、白熱電球の調光システムに用いられる交流電圧Ｓｉｎの導通角を制御する調光回路２０２に接続されて使用される。調光回路２０２は、制御回路２００の整流部３０に接続される。すなわち、調光回路２０２は、交流電圧Ｓｉｎを受けて、調光ボリューム等の調整信号に応じて交流電圧Ｓｉｎの導通角を調整して調整交流電圧Ｓｍｏｄを出力する。

整流部３０は、整流ブリッジ回路３０ａを含んで構成される。整流部３０は、調整交流電圧Ｓｍｏｄを受けて、調整交流電圧Ｓｍｏｄを全波整流して全波整流電圧Ｓｒｅｃとして出力する。整流部３０には、図１に示すように、保護用のフューズ３０ｂやノイズ除去のためのフィルタ３０ｃを設けてもよい。

整流部３０の後段には、大容量の平滑用コンデンサ３２を設ける。これによって、全波整流電圧Ｓｒｅｃが平滑化された平滑電圧Ｓｄｃとされる。これにより、交流電圧Ｓｉｎの導通角を調整して得られた調整交流電圧Ｓｍｏｄの平均値を反映した平滑電圧Ｓｄｃとなる。この平滑電圧ＳｄｃによりＬＥＤ１０２を発光させることによって、調光回路２０２によってＬＥＤ１０２の調光を行うことが可能となる。

ＬＥＤ１０２のアノード端子には平滑電圧Ｓｄｃが供給される。ＬＥＤ１０２のカソード端子は、チョークコイル３４、スイッチング素子３８及び電圧検出用抵抗Ｒ１を介して接地される。

チョークコイル３４は、ＬＥＤ１０２及びスイッチング素子３８を流れる電流を断続したものにするために設けられる。チョークコイル３４には、図１に示すように、制御部４０への電源電圧も供給できるようにフォワード巻線を設けてもよい。

スイッチング素子３８は、ＬＥＤ１０２への電流を供給・遮断するために設けられる。スイッチング素子３８は、ＬＥＤ１０２の消費電力に応じた容量を有する素子とし、例えば、大電力パワー電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等が用いられる。スイッチング素子３８は、制御部４０によってスイッチング制御される。

回生用ダイオード３６は、フライホイールダイオードであり、ＬＥＤ１０２及びチョークコイル３４に並列に接続される。回生用ダイオード３６は、スイッチング素子３８が遮断されたときにチョークコイル３４に蓄えられているエネルギーをＬＥＤ１０２へ回生する。

分圧回路４４は、整流部３０に得られた平滑電圧Ｓｄｃを分圧して基準電圧Ｖｒｅｆを生成して比較器４２へ出力する。分圧回路４４は、例えば、抵抗Ｒ２，Ｒ３及びツェナーダイオード４４ｂの直列接続とすることができる。抵抗Ｒ２及びツェナーダイオード４４ｂを介して比較器４２の非反転入力端子を整流部３０の高電圧側に接続し、抵抗Ｒ３を介して比較器４２の非反転入力端子を接地する。

ツェナーダイオード４４ｂは、分圧回路４４に平滑電圧Ｓｄｃが所定の電圧値Ｖｍｉｎ以下となった場合に分圧回路４４を遮断するために設ける。すなわち、降伏電圧が電圧値Ｖｍｉｎであるツェナーダイオード４４ｂを用いる。図２（ａ）に示すように、調光回路２０２の調整によって平滑電圧Ｓｄｃが電圧値Ｖｍｉｎより大きくなったときには基準電圧Ｖｒｅｆが平滑電圧Ｓｄｃの変化に応じた値となる。このとき、抵抗Ｒ２，Ｒ３及びツェナーダイオード４４ｂによって平滑電圧Ｓｄｃが分圧され、抵抗Ｒ３の端子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆとして比較器４２の非反転入力端子へ入力される。分圧回路４４によって、図２（ａ）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆは、平滑電圧Ｓｄｃの変化に比例した変化を示す。一方、図２（ｂ）に示すように、平滑電圧Ｓｄｃが電圧値Ｖｍｉｎ以下となったときはツェナーダイオード４４ｂが遮断状態となり、基準電圧Ｖｒｅｆは接地電位となる。

比較器４２は、ＬＥＤ１０２を流れる電流によって電圧検出用抵抗Ｒ１の両端に発生する比較電圧Ｖｃｍｐを反転入力端子に受ける。また、比較器４２は、分圧回路４４によって平滑電圧Ｓｄｃを分圧して得られた基準電圧Ｖｒｅｆを非反転入力端子に受ける。比較器４２は、比較電圧Ｖｃｍｐと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、比較結果を制御部４０へ出力する。

制御部４０は、比較器４２による基準電圧Ｖｒｅｆと比較電圧Ｖｃｍｐとの比較結果に基づいてスイッチング素子３８のスイッチングを制御する。制御部４０は、半導体集積回路として構成される。制御部４０は、比較電圧Ｖｃｍｐが基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合にはスイッチング素子３８をオンにしてＬＥＤ１０２へ電流を流し、比較電圧Ｖｃｍｐが基準電圧Ｖｒｅｆより大きくなった場合にはスイッチング素子３８をオフにしてＬＥＤ１０２への電流を遮断する。

このような比較器４２と制御部４０との働きによって、図２に示すように、ＬＥＤ１０２に流れる電流Ｉがスイッチング制御される。調光回路２０２の調整によって平滑電圧Ｓｄｃが電圧値Ｖｍｉｎより大きくなったときには、比較電圧Ｖｃｍｐが平滑電圧Ｓｄｃに対応する基準電圧Ｖｒｅｆに上昇するまで流れ、基準電圧Ｖｒｅｆを超えると遮断される状態を繰り返す。これにより、ＬＥＤ１０２の定格電流を超えることなく、平滑電圧Ｓｄｃに応じた電流Ｉを流すことができる。一方、平滑電圧Ｓｄｃが電圧値Ｖｍｉｎ以下となったときはツェナーダイオード４４ｂが遮断状態となり、基準電圧Ｖｒｅｆは接地電位となり、スイッチング素子３８はオフとなる。これにより、ＬＥＤ１０２の発光が停止される。

ここで、最低出力電圧が異なる複数種の調光回路２０２が存在する場合、ツェナーダイオード４４ｂの降伏電圧を複数種の調光回路２０２の中の最大の最低出力電圧に一致させることが好適である。例えば、最低平均出力電圧が６０Ｖ〜３０Ｖの範囲にある複数種の調光回路２０２が存在する場合、降伏電圧が６０Ｖのツェナーダイオード４４ｂを用いる。

これにより、制御回路２００は、平滑電圧Ｓｄｃが６０Ｖより大きい電圧範囲でＬＥＤ１０２の発光を制御する回路として機能する。すなわち、平滑電圧Ｓｄｃが６０Ｖより小さければ、基準電圧Ｖｒｅｆが接地電位となるのでスイッチング素子３８はオフとなり、ＬＥＤ１０２は発光しない。一方、調光回路２０２の出力電圧が６０Ｖより大きくなれば基準電圧Ｖｒｅｆが平滑電圧Ｓｄｃに応じた値となるのでスイッチング素子３８のスイッチング制御が行われ、ＬＥＤ１０２が調光回路２０２の出力電圧に応じた発光強度で駆動される。すなわち、図３（ａ）に示すように、調光回路２０２の出力範囲が３０Ｖから最大出力電圧であろうが、図３（ｂ）に示すように、調光回路２０２の出力範囲が６０Ｖから最大出力電圧であろうが、調光回路２０２の出力電圧が６０Ｖから最大出力電圧までの範囲においてＬＥＤ１０２を最低調光状態（最も暗くなる状態）から最高調光状態（最も明るくなる状態）まで調光することができる。

なお、入力される交流電圧Ｓｉｎによっては、基準電圧Ｖｒｅｆが高くなり過ぎる可能性があるので、分圧回路４４に基準電圧Ｖｒｅｆを所定電圧Ｖｍａｘ以下にクランプするためのツェナーダイオード４４ａを設けてもよい。

また、調光回路２０２により平滑電圧Ｓｄｃが低く調整された状態でも、調光回路２０２からの出力がオフ電圧となるまで制御部４０には電源電圧が供給され続けなければならない。そこで、図４に示すように、電源供給回路４６を含む制御回路２０４とすることが好適である。

調光回路２０２からの出力電圧が高い状態では、制御部４０には抵抗Ｒ４及びＲ５を介した経路で電源電圧が供給されるが、調光回路２０２からの出力電圧が低くなるにつれて、抵抗Ｒ４及びＲ５を介した経路による電源電圧の供給では不十分となる。そこで、制御回路２０４では、抵抗Ｒ４及びＲ５に並列に電源供給回路４６を設けている。

電源供給回路４６は、抵抗Ｒ６，Ｒ７、トランジスタ４６ａ、ツェナーダイオード４６ｂ及びダイオード４６ｃを含む。調光回路２０２からの出力電圧が低くなると、抵抗Ｒ４及びＲ５によって制御部４０の電源電圧として供給される電圧が低くなり、ダイオード４６ｃが導通状態となる。このとき、トランジスタ４６ａのエミッタ電圧も低くなり、トランジスタ４６ａのベースに抵抗Ｒ６を介して電流が供給され、トランジスタ４６ａが導通状態となる。これによって、抵抗Ｒ７、トランジスタ４６ａのコレクタ−エミッタ及びダイオード４６ｃを介して制御部４０へ電源電圧が供給される。一方、調光回路２０２からの出力電圧が低くなると、抵抗Ｒ４及びＲ５による制御部４０への電源電圧の供給が十分となり、トランジスタ４６ａのエミッタ電圧も上昇し、トランジスタ４６ａは非導通状態となる。

このようにして、調光回路２０２からの広い範囲の出力電圧に対して制御部４０への電源電圧の供給が可能となり、制御回路２０４を安定に動作させることが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態における発光素子の制御回路を用いることによって、従来からの白熱電球用の調光用回路を流用してＬＥＤを最低調光状態にまで確実に調光することができる。

１０ 整流部、１２ 整流用コンデンサ、１４ チョークコイル、１６ 回生用ダイオード、１８ スイッチング素子、２０ 制御部、２２ 比較器、３０ 整流部、３０ａ 整流ブリッジ回路、３０ｂ フューズ、３０ｃ フィルタ、３２ 平滑用コンデンサ、３４ チョークコイル、３６ 回生用ダイオード、３８ スイッチング素子、４０ 制御部、４２ 比較器、４４ 分圧回路、４４ａ ツェナーダイオード、４４ｂ ツェナーダイオード、４６ 電源供給回路、４６ａ トランジスタ、４６ｂ ツェナーダイオード、４６ｃ ダイオード、１００，２００，２０４ 制御回路、２０２ 調光回路。

Claims (3)

1. 交流電源を全波整流する整流部と、
   前記整流部で整流された電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記平滑化された電圧を受けて発光する発光素子に流れる電流をスイッチングする第１スイッチング素子と、
   前記平滑化された電圧が第１電圧以下となった場合に回路を遮断するツェナーダイオードを含み、前記平滑化された電圧が前記第１電圧以下となった場合に接地電位を基準電圧として出力し、前記平滑化された電圧が前記第１電圧より大きい場合に前記平滑化された電圧を分圧して前記基準電圧として出力する分圧回路と、
   前記発光素子に流れる電流に応じた比較電圧と、前記基準電圧と、を比較する比較器と、
   前記比較器による比較結果に応じて、前記第１スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする発光素子の制御回路。
2. 請求項１に記載の制御回路であって、
   前記制御部は、前記比較電圧が前記基準電圧より小さい場合に前記発光素子に電流が流れるように前記第１スイッチング素子を制御し、前記比較電圧が前記基準電圧より大きい場合に前記発光素子に電流が流れないように前記第１スイッチング素子を制御することを特徴とする制御回路。
3. 請求項１又は２に記載の制御回路であって、
   前記平滑化された電圧が第２電圧より低い場合に導通状態となり、前記第２電圧以上である場合に遮断状態となる第２スイッチング素子を含み、前記第２スイッチング素子を介して前記平滑化された電圧を前記制御部の電源電圧として供給する電源供給回路を含むことを特徴とする制御回路。

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