JP5543109B2 - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチモード電源によって電力を供給されている少なくとも第１及び第２のＬＥＤ（発光ダイオード）を有するＬＥＤ照明装置に関する。

このような装置は、例えば、欧州特許出願公開第0716485 A1号に開示されている。

このような装置において、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）は、１つ以上のＬＥＤに定電流を供給するように制御される。次いで、前記ＬＥＤの光出力は、前記（複数の）ＬＥＤに並列接続されているバイパススイッチのデューティサイクルを変化させることによるパルス幅変調によって制御されることができる。

前記ＳＭＰＳは、エネルギ効率の点において線形電源よりも優れている。しかしながら、供給される電流の精度は、負荷が変化し、このことにより使用されている電流フィードバックシステムにおける過渡現象を誘導するので、すべての用途に対して十分なものではあり得ない。

従って、本発明の目的は、冒頭段落において述べた種類の照明装置であって、電流の精度が改善されると共に、合理的に低い電力消費を保持する照明装置を提供することにある。

この目的は、添付の請求項１に規定されている照明装置によって達成される。

更に詳細には、上述の装置において、第１のＬＥＤを流れる電流は、前記第１のＬＥＤに並列接続されている第１のバイパススイッチによって制御され、前記第２のＬＥＤを流れる電流は、前記第２のＬＥＤに並列接続されている第２のバイパススイッチによって制御され、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、前記スイッチモード電源と第１の定電流源との間に直列に接続されており、前記スイッチモード電源は、前記第１及び第２のバイパススイッチの状態に依存して複数の異なる出力電圧を供給するように配されており、この結果、前記電圧は、発光しているＬＥＤの数に依存する。

前記定電流源により、非常に良好に規定された電流が、当該電源から得られる。しかしながら、前記出力電圧は、前記ＬＥＤの状態に依存して変化されるので、前記定電流源の損失は、低いレベルに保持されることができる。実際の電流のフィードバックは、必要とされないので、不安定性及び過渡現象の問題を防止する。

好適実施例において、前記第１及び第２のＬＥＤは、パルス幅変調によって制御されるように配されており、この結果、前記第１及び第２のＬＥＤは、パルス幅変調期間の始まりにおいて同時に切り換えられ、対応するデューティサイクルによって決定される時点において、パルス幅変調の期間の間、オフに切り換えられる。次いで、前記スイッチモード電源の電圧は、前記パルス幅変調期間の始まりの前に、最大電圧に向かって上昇するように配されることができる。このことは、十分な電圧が、前記のような期間の始まりにおいて供給されることを保証する。

前記装置は、全てのＬＥＤがオフに切り換えられる場合に、前記出力電圧をゼロ又はゼロの近くに駆動する手段を有していても良い。このことは、付加的なパワーを節約する。

前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、異なる色の光を発することができる。

前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、緑及び青色を有する光を発しても良く、第３のバイパススイッチによって制御される第３のＬＥＤを介して前記第１の定電流源に接続されていても良い。前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、更に、第４のバイパススイッチによって制御される第４のＬＥＤを介して第２の定電流源に更に接続され、前記第３のＬＥＤ及び前記第４のＬＥＤは、赤又は琥珀色の光を発しても良い。このことは、１つのＳＭＰＳによって実現される完全に、制御可能なＲＧＢＡ（赤−緑−青−琥珀）光源を可能にする。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

図１は、従来技術の定電流源によって駆動されるＬＥＤのバイパス制御を模式的に示している。定電流源（ＣＣＳ）１は、ＬＥＤ３（発光ダイオード）に定電流Ｉ_{ｃｏｎｓｔ}を供給するように配されている。例えば、前記ＬＥＤは青色発光ＬＥＤであり、前記定電流は、典型的にはＩ_{ｃｏｎｓｔ}＝７００ｍＡである。バイパススイッチ５（典型的には、ＭＯＳＦＥＴ）は、ＬＥＤ３と並列接続されている。前記バイパススイッチは、ＰＷＭ回路７を使用して、完全に伝導性のものであるか又は完全に遮断するものであるかの何れかであるように、ＰＷＭ（パルス幅変調）によって制御される。バイパススイッチ５が、完全に伝導性のものである場合、バイパススイッチ５はＬＥＤ３をバイパスし、この結果、前記ＬＥＤは、発光を停止する。従って、バイパススイッチ５のデューティサイクルを変化させることによって前記ＬＥＤからの光の流れを制御することが可能である。このことは、如何なる可視的なフリッカも防止するのに十分高いスイッチング周波数（例えば、１５０Ｈｚ以上）においてなされる。

各々がバイパススイッチを有する２つのＬＥＤに、共通の電流源を共有させることも可能である。この場合、２つのＬＥＤ／バイパススイッチの組み合わせは、互いに直列に接続される。要件は、前記ＬＥＤが、同じ駆動電流を使用することである（例えば、赤及び琥珀色発光ＬＥＤ（３５０ｍＡ）又は青及び緑色発光ＬＥＤ（７００ｍＡ））。

図２は、模式的な図において、前記ＬＥＤがバイパススイッチによって制御されるＲＧＢのＬＥＤ装置に利用可能である色域を、模式的に示している。赤Ｒ、緑Ｇ、及び青Ｂ色の発光ＬＥＤを組み合わせて使用することにより、色域１１全体の大部分を覆っている色三角形９が、達成されることができる。所望の色１３の光を発するために、各ＬＥＤのＰＷＭ回路は、所定のデューティサイクルを与えられており、この結果、正確な量の光が、前記所望の色を生成するために各ＬＥＤから発せられる。

図３ａは、本発明の実施例によるＬＥＤ照明装置を模式的に示している。スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）の使用は、ＳＭＰＳが、通常、線形電源よりもかなり良好なエネルギ効率を有するので、有利に考慮されることに留意されたい。

シャント抵抗器を、供給されているＬＥＤと直列に位置づけることによって、ＳＭＰＳを定電流源として使用し、正確な電流を供給するように、前記シャント抵抗器の両端における電圧に基づいて、ＳＭＰＳを調整することが可能である。この取り組みは、例えば、欧州特許出願公開第0716485A1号に記載されている。しかしながら、実際、このことは、高い電流精度の要件によりかなり複雑なものになり得る。

従って、本発明の実施例においては、異なる方式が、ＳＭＰＳを制御するのに使用される。図３ａに示されている実施例は、直列接続されていると共に同じ定電流を必要とする第１のＬＥＤ１５及び第２のＬＥＤ１７（例えば、赤及び琥珀色の発光ＬＥＤ）を有している。第１のＬＥＤ１５は、第１の制御信号ｓｗ_１を受け取る第１のバイパススイッチ１９によって制御される。第２のＬＥＤ１７は、第２の制御信号ｓｗ_２を受け取る第２のバイパススイッチ２１によって制御される。前記バイパススイッチは、上述されたように、それぞれのＬＥＤと並列接続されており、これらのＬＥＤを流れる電流をＰＷＭ制御する。ＬＥＤ１５、１７は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを持つスイッチモード電源（ＳＭＰＳ）８によって電力を供給されている。前記ＳＭＰＳは、かなり高い周波数（例えば、数百ｋＨｚ）においてＰＷＭ制御される。しかしながら、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、前記ＬＥＤを流れる電流を測定することによって制御されるのではない。この代わりに、前記ＬＥＤは、ＳＭＰＳ８と定電流源（ＣＣＳ）２５との間に直列接続されている。

Ｖ_ｏｕｔが十分高い限り、定電流源２５は、オンにされた場合、一定の及び所定の電流が、ＬＥＤ１５、１７又はバイパススイッチ１９、２１を介して得られることを保証する。

図３ｂは、図３ａにおいて使用されている定電流源２５の例をより詳細に示している。この定電流源は、これ自体は知られているものであり、ベースとベースとが接続されている第１のバイポーラトランジスタＴ１及び第２のバイポーラトランジスタＴ２を有する。第１のトランジスタＴ１は、ダイオード結合されており（コレクタ−ベース）、このコレクタは、第１の抵抗器Ｒ１を介して基準電圧Ｖ_ｒｅｆに接続されている。Ｔ１のエミッタは、第２の抵抗器Ｒ２を介してアースに接続されている。Ｔ２のエミッタは、第３の抵抗器Ｒ３を介してアースに接続されている。この回路は、Ｔ２のコレクタにおいて定電流Ｉ_{ｃｏｎｓｔ}を得る。この定電流は、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｖ_ｒｅｆ及びＴ１及びＴ２のベース−エミッタ電圧によって決定され、これらの全ては一定である。

図３ｂにおけるＲ３の両端における電圧降下は、バイパススイッチ１９、２１が活性化されている場合はいつでも、増大することは図３ａから明らかである。従って、Ｖ_ｏｕｔが一定に保持されている場合、定電流源における電力損失は、非常に高い。勿論、図３ｂに示されたもの以外の定電流源の配置も存在するが、この問題は、残っている。

従って、本発明のこの実施例におけるＳＭＰＳ８は、バイパススイッチ１９、２１の状態に依存して複数の異なる電圧を供給することにある。このことは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが、活性化されているＬＥＤの数に依存して変化することを意味する。典型的には、ＳＭＰＳ８が、バイパススイッチ１９、２１の制御信号ｓｗ_１及びｓｗ_２を入力信号として受け取る。従って、バイパススイッチ１９、２１の何れもが活性化されておらず、両方のＬＥＤ１５、１７が光を発する場合、Ｖ_ｏｕｔは、第１の、高い電圧を有する。バイパススイッチ１９、２１の一方が活性化されている場合、前記出力電圧は、第２の、低い値に強制的に下げられる。両方の前記バイパススイッチが活性化されている場合、Ｖ_ｏｕｔは、０Ｖ、又は０Ｖの近くになり、第３の値を構成する。従って、定電流源２５における電力損失は、低いレベルに保持されることができる。ＳＭＰＳ８は、好ましくは、何らかの種類のステップダウン又はバックコンバータであっても良い。

図４は、ＲＧＢＡ照明装置が実現されている本発明の実施例を示している。この実施例において、４つのＬＥＤ（赤２９、緑３１、青３３、琥珀３５）が使用されており、各々が、バイパススイッチ３７、３９、４１及び４３をそれぞれ有している。各バイパススイッチ３７、３９、４１、４３は、対応するＬＥＤの光の流れを制御するために、ＰＷＭ制御信号Ｒ、Ｇｒ、Ｂｌ、Ａを受け取る。

赤色発光ＬＥＤ２９は、抵抗器Ｒ４をトランジスタＴ３と直列に有する第１の定電流源４５に接続されている。琥珀発光ＬＥＤ３５は、抵抗器Ｒ５をトランジスタＴ４と直列に有する第２の定電流源４７に接続されている。トランジスタＴ３及びＴ４のベースは、共通の電圧基準Ｖ_ｒｅｆに接続されていても良い。第１及び第２の定電流源４５、４７は、好ましくは同一であり、この結果、これらは、同じ電流を得て、前記電流は、赤及び琥珀色ＬＥＤについて３５０ｍＡであり得る。

バイパススイッチ３７及び直列接続されている定電流源４５を備えている赤色発光ＬＥＤ２９は、バイパススイッチ４３及び直列接続されている定電流源４７を備えている琥珀色発光ＬＥＤ３５と並列に接続されている。従って、これらの回路は、７００ｍＡの合計電流を得ることができ、これは、緑及び青色発光ＬＥＤ３１、３３について適切な駆動電流である。従って、バイパススイッチ３９、４１と一緒に、緑及び青色発光ＬＥＤ３１、３３は、赤及び琥珀色発光ＬＥＤ２９、３５の並列配置と、直列に接続されることができる。従って、１つの共通のＳＭＰＳ４９から全ての前記ＬＥＤに給電することが可能である。この実施例において、赤及び琥珀色発光ＬＥＤは、同期化された態様で制御されなければならない。しかしながら、この要件は、ほとんどの色制御方式と互換性があるものである。

定電流源４５、４７における損失を最小にするために、ＳＭＰＳ４９は、オンにされているＬＥＤの数（０、１、２又は３。ここで、赤及び琥珀色発光ＬＥＤは、同時に切り換えられるので、１つと数えられる。）に依存して、４つの異なる出力電圧を出力することができるものでなければならない。従って、ＳＭＰＳ４９のフィードバック回路網５１は、バイパススイッチ３７、３９、４２、４３のＰＷＭ制御信号Ｇｒ、Ｂｌ、Ａ／Ｒを受け取る。フィードバック回路網５１は、出力コンデンサＣ１によってフィルタリングされる出力電圧Ｖ_ｏｕｔを受け取る。２つの抵抗器Ｒ６及びＲ７を有する分圧器は、前記ＳＭＰＳの出力とアースとの間に接続されており、分割されたフィードバック電圧Ｖ_ｆを生成する。Ｒ６に加えて、３つの抵抗器Ｒ８、Ｒ９及びＲ１０が、前記ＳＭＰＳの出力とＲ７との間に接続されている。Ｒ８は、スイッチ５３を介して接続されており、スイッチ５３は、緑色発光ＬＥＤ３１のバイパススイッチ３９のＰＷＭ制御信号Ｇｒによって制御されている。従って、スイッチ５３は、緑色ＬＥＤ３１がオフに切り換えられた場合に、切り換えられる。同様に、Ｒ９は、スイッチ５５を介して接続されており、スイッチ５５は、青色ＬＥＤ３３のバイパススイッチ４１のＰＷＭ制御信号Ｂｌによって制御されている。Ｒ１０は、スイッチ５７を介して接続されており、スイッチ５７は、赤及び琥珀色発光ＬＥＤ２９及び３５のバイパススイッチ３７及び４３のＰＷＭ制御信号Ａ／Ｒによって制御されている。従って、前記分圧器の回路網の分圧関数は、オンに切り換えられているＬＥＤの数に依存して変化する。例えば、全てのＬＥＤがオンに切り換えられている場合、

である。

次いで、青色発光ＬＥＤ３３がオフに切り換えられた場合、Ｖ_ｆは、

に増大する。

ＳＭＰＳ４９において、Ｖ_ｆは、内部基準と比較され、出力電圧は、この比較との整合性に基づいて増加される又は減少される。従って、上述のように青ＬＥＤがオフに切り換えられたときにＶ_ｆが増大した場合、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、減少する。このことは、定電流源４５、４７における電圧を低いレベルに保持し、従って、定電流源４５、４７において電力損失が増大されるのを防止する。このことは、エネルギが節約されるということを意味するだけではない。定電流源４５、４７は、このようにしてＳＭＰＳ出力電圧が調整されていない場合におけるものよりも低い熱損失性能も有することができる。

この回路は、勿論、例えば、ＲＲＧＢ（２つの赤色発光ＬＥＤ、１つの緑色及び１つの青色発光ＬＥＤ）、ＲＧＢ又はＣＭＹ（シアン、マゼンダ及び黄発光ＬＥＤ）のような、ＬＥＤの他の組み合わせにも適応化されることができる。

図５は、図４の配置に関する時間図を示している。上部において、図５は、例えば、２ｍｓの長さであり得るＰＷＭ期間６１の間のＶ_ｏｕｔを示している。下部は、ＬＥＤのＰＷＭ制御信号Ｇｒ、Ｂｌ、Ｒ、Ａ（Ｒ及びＡは、上述したように同時に切り換えられる）の逆数を示している。従って、これらの信号がレベル１にある場合、対応するＬＥＤが発光する。示されている例において、所定の色の光が発せられなければならない。この色を得るために、各ＰＷＭ期間において、前記緑色発光ＬＥＤは、第１の期間６３において光を発し、前記青色発光ＬＥＤは、第２の、長い期間６５において光を発し、前記赤及び琥珀色発光ＬＥＤは、第３の、更に長い、期間６７において光を発する。光の放出は、全てのＬＥＤに関して同時に開始するが、異なる時点において終了する。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、第１の初期最大電圧Ｖ_ｍａｘにおいてＰＷＭ期間６１を開始する。前記緑色発光ＬＥＤが、第１の期間６３の終わりにおいてオフにされた場合、前記電圧は、第２の、低い電圧まで降下する。同様に、前記青色発光ＬＥＤがオフにされた場合、前記電圧は、第３のレベルまで更に降下する。最後に、前記赤及び琥珀色発光ＬＥＤがオフにされた場合、前記電圧は、第４の最小電圧まで降下する。後続するＰＷＭ期間の始まりにおいて、全てのＬＥＤがオンに切り換えられ、前記ＳＭＰＳ出力電圧は、再びＶ_ｍａｘ、即ち全てのＬＥＤがオンにされている場合に使用される電圧まで回復する。

図４及び５を参照して、図４に示されている回路は、この関数を改善するために、２つの仕方において変形されることができる。

第一に、全てのＬＥＤがオフに切り換えられた場合に前記出力電圧がゼロ又はゼロの近くであることを保証するために、最適な手段が提供されることができる。これは、論理ＡＮＤゲートを備える回路６９であることができ、Ｇｒ、Ｂｌ及びＡ／Ｒの全てが高くなる場合に自身の出力が高くなる。この場合、このゲートは、Ｒ６を短絡するスイッチ７１を駆動するのに使用されることができ、従って、前記出力電圧を非常に低い値に駆動する。このことは、一部のエネルギ消費を節約する。

第二に、前記出力電圧が、各ＰＷＭ期間の開始の前に既に上昇することを保証する手段が提供されることができ、この結果、Ｖ_ｏｕｔは、前記ＬＥＤがオンにされた場合、既にＶ_ｍａｘに到達している。このことは、前記ＰＷＭ期間が開始する前の短期間において、抵抗器Ｒ８、Ｒ９、及びＲ１０を切断するように配されているオプションのスイッチ７３を付加することによって実現されることができる。このことは、前記定電流源が、前記のような開始から既に正確な電流を得ることができることを保証し、従って、潜在的な色のエラーを排除している。最適なスイッチ７３が使用されない場合、Ｒ８、Ｒ９及びＲ１０は、この代わりに、Ｒ６及びＲ７の分圧器に直接的に接続される。

要約すると、本発明は、各ＬＥＤがバイパススイッチによって制御される複数のＬＥＤドライバ回路に関する。前記ＬＥＤは、スイッチモード電源によって電力を供給されており、前記ＬＥＤを流れる所定の電流を得るために定電流源に接続されている。前記スイッチモード電源は、オンに切り換えられたＬＥＤの数に依存して、異なる電圧を出力する。このことは、前記バイパススイッチの制御信号を前記スイッチモード電源に供給することによって、実行される。このようにして、前記定電流源の前記電力損失は、低いレベルに保持されることができる。

本発明は、上述した実施例に限定されるものではない。本発明は、添付請求項の範囲内における種々の仕方において変更されることができる。

従来技術の定電流源によって駆動されるＬＥＤのバイパス制御を模式的に示している。 ＲＧＢのＬＥＤ装置に利用可能である色域を模式的に示している。 本発明の実施例によるＬＥＤ照明装置を模式的に示している。 図３ａにおいて使用される定電流源の例を更に詳細に示している。 ＲＧＢＡ照明装置が実現されている本発明の実施例を示している。 図４の装置の時間図を示している。

Claims (4)

1. スイッチモード電源によって電力を供給されている少なくとも第１及び第２のＬＥＤを有するＬＥＤ照明装置であって、前記第１のＬＥＤを流れる電流は、前記第１のＬＥＤに並列接続されている第１バイパススイッチによって制御され、前記第２のＬＥＤを流れる電流は、前記第２のＬＥＤに並列接続されている第２バイパススイッチによって制御され、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、前記スイッチモード電源と第１定電流源との間で直列接続されており、前記スイッチモード電源は、前記第１バイパススイッチ及び前記第２バイパススイッチの状態に依存して複数の異なる出力電圧を供給し、この結果、前記のような電圧は、発光しているＬＥＤの数に依存し、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤが、それぞれ、緑及び青色の光を発すると共に、第３バイパススイッチによって制御されている第３のＬＥＤを介して前記第１定電流源に接続されており、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、第４バイパススイッチによって制御されている第４のＬＥＤを介して第２定電流源に接続されており、前記第３のＬＥＤ及び前記第４のＬＥＤは、赤又は琥珀色の光を発する、ＬＥＤ照明装置。
2. 前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、パルス幅変調によって制御され、この結果、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤは、パルス幅変調期間の始まりにおいて同時にオンに切り換えられ、前記パルス幅変調期間において、それぞれのデューティサイクルによって決定された時点にオフに切り換えられる、請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記スイッチモード電源が、前記パルス幅変調期間の始まりの前に、最大電圧に向かって上昇する、請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 全ての前記ＬＥＤがオフに切り換えられた場合、前記出力電圧をゼロ又はゼロの近くに駆動する手段を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のＬＥＤ照明装置。

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