JP5773325B2

JP5773325B2 - Ｌｅｄ発光制御装置

Info

Publication number: JP5773325B2
Application number: JP2011077479A
Authority: JP
Inventors: 均平田; 清立石; 勝釜野; 浩樹桃野
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012212550A

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）発光制御装置に関し、特に、従来のＬＥＤ発光制御では実現できなかった、例えばろうそくの光など、自然発光を再現することが可能なＬＥＤ発光制御装置に関する。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）は、長寿命、かつ省電力が可能であることから、白熱電球に替わる照明のほか、例えば液晶ディスプレイのバックライトなど、種々の用途に活用されるようになってきている。一般的に、ＬＥＤの明るさの制御（調光）には、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式が用いられる。もっとも、ＰＷＭ制御は、人間の視覚の残像を利用した調光方法であって、オンデューティとなる時間が短くなると、明るさの制御ではなく、ＬＥＤの点滅が目立つようになるため、係る場合にはアナログ信号による調光に切り替える技術が特許文献１に開示されている。

特開２００８−２１０５３７号公報

特許文献１の技術では、依然としてＰＷＭ制御を行う部分が存在するため、輝度が急劇に変化する部分があるような場合（例えば、ろうそくの炎のゆらぎ）に、それを自然に再現するような発光は実現することが難しい。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、ＬＥＤの発光制御において、より自然に近いゆらぎ（例えば、ろうそくの炎のゆらぎ）を持った発光を実現することができるＬＥＤ発光制御装置を提供することを目的とする。

上記の問題点を解決するために、本発明に係るＬＥＤ発光制御装置は、光の輝度を表すデジタルデータを保持する輝度データ保持手段と、前記デジタルデータを順次読み出す輝度データ読出手段と、読み取ったデジタルデータに対し、マイクロコンピュータ上で動作するプログラムにより、ΔΣ処理を行うΔΣ処理手段と、前記ΔΣ処理手段により変調されたデータをアナログ化し、量子化ノイズを除去するＬＰＦ（ローパスフィルタ）と、前記ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過したデータに基づいてＬＥＤを発光させるＬＥＤ発光手段とを備えることを特徴とする。

前記ＬＰＦ（ローパスフィルタ）は、２次のＬＰＦ（ローパスフィルタ）とすることができる。さらに、光から、前記輝度を表すデジタルデータを生成し、前記輝度データ保持手段に格納する輝度データ生成手段を備える構成とすることもできる。

本発明に係るＬＥＤ発光制御装置によると、例えばろうそくの光などの自然光をＬＥＤで再現することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態におけるＬＥＤ発光制御装置の全体概略構成の一例について説明するための図である。本実施の形態において、輝度データを取得する方法について説明するための図である。 ΔΣ処理部１２０を含むマイクロコンピュータ１００の処理内容の一例について説明するためのフローチャートである。メイン処理の具体的な内容の一例について説明するためのフローチャートである。自然光の一例としてのろうそくの明かりから得られた輝度データの電圧を示す図である。本実施の形態のＬＥＤ発光制御装置において再現した光の電圧を示す図である。両者を重ね合わせた様子を示す拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるＬＥＤ発光制御装置の全体概略構成の一例について説明するための図である。

本実施の形態のＬＥＤ発光制御は、主にはマイクロコンピュータ１００上で動作するコンピュータプログラムにより実現される。マイクロコンピュータ１００としては、具体的には、マイクロチップ社のＰＩＣ１６Ｆ８８を用いることができ、いわゆるＰＩＣマイコンは、他のハイスペックのＣＰＵなどと比較して廉価であるから、コスト面では有利であるが、本願により保護され得る範囲が、ＰＩＣマイコンに限定されることはない。

電源供給部２００としては、例えば１２Ｖの電池を用いたり、商用電源をＡＣアダプタで直流電源に変換した電源を用いたりすることができ、マイクロコンピュータ１００の動作のための電源や、ＬＥＤ３００ａ〜３００ｄの駆動電源を供給する。

電源供給部２００は、電源スイッチ２１０を含んでおり、電源スイッチ２１０をオンとすれば、電源が供給され、マイクロコンピュータ１００に格納されたプログラムが動作する。電圧調整部２２０は、例えば３端子レギュレータを含み、電源供給部２００の電源の電圧を適切な値に調整する。

マイクロコンピュータ１００は、輝度データ保持部１１０、ΔΣ処理部１２０、輝度データ出力部を含む。輝度データ保持部１１０には、ＬＥＤを発光させるための輝度データ（デジタルデータ）が保持される。図２は、本実施の形態において、輝度データを取得する方法について説明するための図である。

例えば、ろうそく６００（ろうそくに限定されないことは勿論である。）のような自然の光源からの光をフォトトランジスタ７１０（フォトダイオードでも構わない。）で受光し、Ａ／Ｄコンバータ７２０でＡＤ変換し、デジタルデータとして、輝度データ保持部１１０に保持する。輝度データ保持部１１０は、マイクロコンピュータ１００内部のメモリであっても良いし、外部メモリ等であっても良い。

ＰＩＣ１６Ｆ８８は、１０ビットのＡ／Ｄコンバータ機能を備えているので、これを利用して、ろうそく６００等の自然の光から得られた輝度データ（デジタルデータ）をメモリに記憶する構成とすることができるが、Ａ／Ｄコンバータはマイクロコンピュータ内部のものでなく、外付けとしても良い。例えば、本実施の形態では、フォトトランジスタ７１０の電圧変化をデジタルオシロスコープ（レクロイ社製ＷＪ３１２）でデータを採取している。

この際のサンプリング周期は、１０^−４（秒）すなわち０．１ミリ秒で１０ｋＨｚサンプリングとしている。本実施の形態では、自然の光の急峻な変化を再現すべく、高周波のサンプリングで受光データを輝度データ保持部１１０に取り込むようにしているが、この取り込みタイミングは、上記に限定されない。

図１に戻り、得られた輝度データのＬＥＤ３００ａ〜３００ｄでの再現について説明する。なお、ＬＥＤの個数、色（波長）などについて、限定されることはない。

本実施の形態では、輝度データ保持部１１０に格納された輝度データに対し、ΔΣ処理部１２０により、ソフトウェア的にΔΣ処理を行う。出力電圧に合わせて、パルス密度を変化させる変調方法をΔΣ変調と呼んでいる。ΔΣ変調されたパルスを、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通して、アナログ信号に復調する。

本実施の形態では、マイクロコンピュータの機能を用いて、輝度データ保持部１１０に保持されたデジタルデータをＬＥＤ発光制御に適した形式に変換する。図３は、ΔΣ処理部１２０を含むマイクロコンピュータ１００の処理内容の一例について説明するためのフローチャートである。

マイクロコンピュータ１００への電源供給が開始されると、まず、初期設定がなされる（Ｓ１０１）。初期設定では、マイクロコンピュータ１００内のメモリ領域の初期化等の処理が実行される。

次に、タイマ割込み設定を行う（Ｓ１０２）。ここで設定しているタイマ割込みタイミングは、例えば１６．８μ秒とすることができるが、これに限定されず、輝度データ保持部１１０に保持された輝度データのサンプリングタイミングなどに合わせて割込みタイミングを任意に設定することができる。

タイマ割込みのタイミングが到来すれば（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、メイン処理（Ｓ１０４）へと進む。図４は、メイン処理の具体的な内容の一例について説明するためのフローチャートである。

メイン処理では、輝度データ保持部１１０に保持された輝度データ（デジタルデータ）を読み込む（Ｓ２０１）。この場合の読み込みは、輝度データ８ビットをタイマ割り込み時間ごとに行われる。

次に、カウンタ値が２５５を超えているかを判定する（Ｓ２０２）。カウンタとしては、マイクロコンピュータ１００内部に備えられたカウンタを用いることができる。カウンタ値が２５５を超えていない場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、マイクロコンピュータ１００の出力ポートを０に設定する。従って、ポートから電圧は出力されない（Ｓ２０３）。カウンタ値が２５５を超えていた場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、マイクロコンピュータ１００の出力ポートを１に設定し、マイクロコンピュータの出力ポートから５Ｖの電圧は出力する（Ｓ２０４）。

５Ｖの電圧が出力された場合、カウンタ値から２５５を減算する（Ｓ２０５）。そして、カウンタ値に輝度データ（０若しくは１）を加算する（Ｓ２０６）。割込み回数が２５５回を超えているか否かを判定し（Ｓ２０７）、割込み回数が２５５回を超えている場合（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）、次の輝度データ（０若しくは１）を読み込む（Ｓ２０８）。

以上のような処理により、適宜、マイクロコンピュータ１００の出力ポートから５Ｖの電圧が出力される。もっとも、例えば、ろうそく６００の光のようなアナログ信号の滑らかさを再現するためには、高い周波数でサンプリングする必要があり、ΔΣ処理部１２０の出力には、多くの量子化ノイズを含んでしまう。そこで、本実施の形態では、ＬＰＦを２次形とした。

本実施の形態の１次ＬＰＦは、抵抗５１０、キャパシタ５２０で構成し、例えば抵抗５１０の抵抗値を４ｋオームと大きく、キャパシタ５２０の容量を０．１μファラッドと小さくして、時定数０．４＊１０^−３とし、２次ＬＰＦは、抵抗５３０、キャパシタ５４０で構成し、例えば抵抗５３０の抵抗値を１ｋオームと小さく、キャパシタ５４０の容量を２．２μファラッドと大きくして、時定数２．２＊１０^−３とした。抵抗値、コンデンサの容量値は、これに限定されるわけではない。

一般に、ＬＥＤの輝度は、入力電圧にリニアではないため、トランジスタ４１０によるＬＥＤの駆動には、ベースのバイアス電流を適切な値に調整するため、本実施の形態では、可変抵抗４２０で調整している。

図５は、自然光の一例としてのろうそくの明かりから得られた輝度データの電圧、図６は、本実施の形態のＬＥＤ発光制御装置において再現した光の電圧を示す図である。また、図７は、両者を重ね合わせた様子を示す拡大図である。

以上に説明したように、本実施の形態のＬＥＤ発光制御装置により、自然光を再現することが可能であることが明らかとなった。なお、上記の説明では、ろうそく６００などからの自然の光を輝度データに変換し、ＬＥＤで再現する場合について説明したが、輝度データは、必ずしも、自然の光源から取得されたものでなくてもよい。即ち、輝度データを別途作成することにより、任意のＬＥＤ発光制御を実現することができる。一般にＬＥＤの発光は電流値とリニアではないが、本実施の形態のＬＥＤ発光制御では、リニアの発光制御を実現することができる。

また、上記実施形態のように、マイクロコンピュータ１００を用いて、ＬＥＤ発光制御を行うことにより、低コストで実現することができる。さらに、ＬＥＤの滑らかな調光が可能であるから、照明、イルミネーションとして用いる場合や、液晶バックライトに極めて好適である。

本発明は、例えば、ＬＥＤの発光制御に適用することができる。

１００マイクロコンピュータ
１１０輝度データ保持部
１２０ ΔΣ処理部
１３０輝度データ出力部
２００電源供給部
２１０電源スイッチ
２２０電圧調整部
３００ａ〜３００ｄＬＥＤ（発光ダイオード）
４１０トランジスタ
４２０可変抵抗
５１０、５３０抵抗素子
６２０、６４０容量素子

Claims

光の輝度を表すデジタルデータを保持する輝度データ保持手段と、
前記デジタルデータを順次読み出す輝度データ読出手段と、
読み取ったデジタルデータに対し、マイクロコンピュータ上で動作するプログラムにより、ΔΣ処理を行うΔΣ処理手段と、
前記ΔΣ処理手段により変調されたデータをアナログ化し、量子化ノイズを除去するＬＰＦ（ローパスフィルタ）と、
前記ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を通過したデータに基づいてＬＥＤを発光させるＬＥＤ発光手段とを備える
ことを特徴とするＬＥＤ発光制御装置。
前記ＬＰＦ（ローパスフィルタ）は、
２次のＬＰＦ（ローパスフィルタ）である
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光制御装置。
さらに、
光から、前記輝度を表すデジタルデータを生成し、前記輝度データ保持手段に格納する輝度データ生成手段を備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ発光制御装置。