JP6176567B2

JP6176567B2 - 点灯装置

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Publication number: JP6176567B2
Application number: JP2013143810A
Authority: JP
Inventors: 熊田　和宏; 和宏熊田; 真史山本; 裕司吉本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: US9532414B2; DE102014109506B4; US20150015162A1; JP2015018638A; DE102014109506A1

Description

本発明は、光源を点灯する点灯装置に関し、特に発光ダイオードなどの固体発光素子からなる光源の点灯装置に関する。

近年、白熱ランプや蛍光ランプに代えて、発光ダイオードや有機エレクトロルミネセンス(ＥＬ)素子などの固体発光素子が照明用の光源として普及してきている。例えば、特許文献１には、発光ダイオード(ＬＥＤ)からなる光源を点灯する点灯装置として、調光器から与えられる調光信号に応じてＬＥＤの光量を調整(調光)する点灯装置(固体光源点灯装置)が開示されている。

ところで、ＬＥＤの調光方式には、ＬＥＤに連続して流れる電流の大きさを変化させる調光方式(以下、ＤＣ調光方式と呼ぶ。)や、ＬＥＤへの通電を周期的にオン・オフし、通電期間の比率(オンデューティ比)を変化させる方式(以下、バースト調光方式と呼ぶ。)などがある。また、特許文献１記載の従来例のように、ＤＣ調光方式とバースト調光方式を組み合わせる場合もある。

特開２０１２−２０４０２６号公報

ところで、ＬＥＤを点灯する点灯回路には、通常、スイッチング電源回路が用いられる。そして、バースト調光方式においては、調光レベルが低くなるにつれてスイッチング電源回路がスイッチング動作を行う通電期間も短くなる。一方、スイッチング電源回路が通電期間内にスイッチング動作を行う回数は、同じ長さの通電期間であっても各回毎にばらつきが生じ、そのばらつきに起因して光源の光量も変動する。通電期間が比較的に長い場合、すなわち、調光レベルで指示される明るさが比較的に高い場合、動作回数のばらつきに起因した光量の変動が人に認識されることはなく、殆ど問題にならない。

しかしながら、通電期間が比較的に短い場合、すなわち、調光レベルで指示される明るさが比較的に低い場合、動作回数のばらつきに起因した光量の変動がちらつきとして人に認識され易くなる。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、ちらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能にすることを目的とする。

本発明の点灯装置は、固体発光素子を光源とする光源部を負荷とし、入力電力を前記光源部に必要な直流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段を所定のバースト周期毎に前記バースト周期よりも長くない動作期間だけ動作させ、且つ前記バースト周期に対する前記動作期間の割合を伸縮する制御手段とを備え、前記電力変換手段は、前記光源部と直列に接続されるインダクタと、前記インダクタに直列接続されるスイッチング素子とを有するスイッチング電源回路からなり、前記制御手段は、駆動信号を出力して前記スイッチング素子をオンする駆動部と、前記駆動部にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部とを有し、前記駆動部は、前記トリガ信号が入力されると前記駆動信号を出力し、且つ前記インダクタ及び前記スイッチング素子に流れる電流が所定値に達したら前記駆動信号を停止するように構成され、前記トリガ信号出力部は、前記インダクタに流れる電流が前記動作期間においてＭ回ゼロに減少するように(ＭはＮ以下の負で無い整数)、前記バースト周期を、一定の第１周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間においては前記トリガ信号を前記第１周期に同期させてＭ回出力し、且つ前記バースト周期から前記動作期間を除いた停止期間においては前記トリガ信号を出力しないように構成され、前記動作時間の開始タイミングを前記バースト期間内の最初のトリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのタイミングに一致させることを特徴とする。

この点灯装置において、前記トリガ信号出力部は、前記光源部の光量を示す調光レベルに応じて、前記トリガ信号の出力回数Ｍを増減するように構成されることが好ましい。

この点灯装置において、前記駆動部は、前記トリガ信号がハイレベルからローレベルに立ち下がると前記駆動信号を出力するように構成され、前記トリガ信号出力部は、前記停止期間においては前記トリガ信号をハイレベルに維持するように構成されることが好ましい。

本発明の点灯装置は、固体発光素子を光源とする光源部を負荷とし、入力電力を前記光源部に必要な直流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段を所定のバースト周期毎に前記バースト周期よりも長くない動作期間だけ動作させ、且つ前記バースト周期に対する前記動作期間の割合を伸縮する制御手段とを備え、前記電力変換手段は、前記光源部と直列に接続されるインダクタと、前記インダクタに直列接続されるスイッチング素子とを有するスイッチング電源回路からなり、前記制御手段は、駆動信号を出力して前記スイッチング素子をオンする駆動部と、前記駆動部にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部とを有し、前記駆動部は、前記トリガ信号が入力されると前記駆動信号を出力し、且つ前記インダクタ及び前記スイッチング素子に流れる電流が所定値に達したら前記駆動信号を停止するように構成され、前記トリガ信号出力部は、前記インダクタに流れる電流が前記動作期間においてＭ回ゼロに減少するように(ＭはＮ以下の負で無い整数)、前記バースト周期を、前記動作期間における前記トリガ信号の出力周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間を、前記周期をＭ倍した時間とし、前記バースト期間から前記動作期間を除いた停止期間を、前記周期にＮとＭの差を乗じた時間とするように構成され、前記動作時間の開始タイミングを前記バースト期間内の最初のトリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのタイミングに一致させることを特徴とする。

本発明の点灯装置は、トリガ信号出力部が、前記バースト周期を、一定の第１周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間においては前記トリガ信号を前記第１周期でＭ回出力し(ＭはＮ以下の負で無い整数)、且つ前記バースト周期から前記動作期間を除いた停止期間においては前記トリガ信号を出力しないように構成される。あるいは、本発明の点灯装置は、トリガ信号出力部は、前記バースト周期を、前記動作期間における前記トリガ信号の出力周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間を、前記周期をＭ倍(ＭはＮ以下の負で無い整数)した時間とし、前記バースト期間から前記動作期間を除いた停止期間を、前記周期にＮとＭの差を乗じた時間とするように構成される。そのため、光量のばらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能になるという効果がある。

本発明に係る点灯装置の実施形態の動作を説明するための動作波形図である。同上の回路ブロック図である。同上における調光信号のオンデューティ比Ｘと駆動信号の出力回数Ｍの関係を説明するための説明図である。同上の比較例の動作を説明するための動作波形図である。同上の比較例の動作を説明するための動作波形図である。

以下、発光ダイオードを光源とする点灯装置に本発明の技術思想を適用した実施形態について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。ただし、本発明に係る点灯装置によって点灯可能な固体発光素子は発光ダイオードに限定されず、例えば、有機ＥＬ素子などの他の固体発光素子であっても構わない。

本実施形態の点灯装置は、図２に示すように直流電源５から入力される入力電圧Ｖinを光源部３に印加可能な電圧に変換(例えば、降圧)する電力変換部１と、電力変換部１を制御する制御部２とを備える。なお、直流電源５は、例えば、商用の電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換する電力変換回路(ＡＣ／ＤＣコンバータ)で構成される。

光源部３は、複数個の発光ダイオード(図示せず)の直列回路、あるいは複数個の発光ダイオードの直列回路が並列に接続されて構成される。なお、光源部３の定格電圧は、発光ダイオードの順方向電圧に、直列接続される発光ダイオードの個数を乗じた電圧となる。

電力変換部１は、従来周知である非絶縁型のバックコンバータで構成され、電界効果トランジスタからなるスイッチング素子Q1、インダクタL1、ダイオードD1、平滑コンデンサC1、検出抵抗R1などを具備する。

スイッチング素子Q1のドレインにダイオードD1のアノードとインダクタL1の一端が接続され、スイッチング素子Q1のソースに検出抵抗R1の一端が接続されている。また、インダクタL1の他端が平滑コンデンサC1の低電位側の一端と光源部３の一端(発光ダイオードのカソード)に接続されている。さらに、ダイオードD1のカソードが平滑コンデンサC1の高電位側の一端と光源部３の他端(発光ダイオードのアノード)に接続され、ダイオードD1のカソードと検出抵抗R1の他端との間に直流電源５が接続されて入力電圧Ｖinが印加される。なお、検出抵抗R1は、スイッチング素子Q1のオン期間にインダクタL1及びスイッチング素子Q1に流れる電流(以下、インダクタ電流と呼ぶ。)を検出するために設けられている。ただし、電力変換部１の回路構成は一例であって、入力電圧Ｖinを光源部３の定格電圧程度に変換(降圧又は昇圧)可能なスイッチング電源回路であれば、他の回路構成であっても構わない。

制御部２は、矩形波信号からなる駆動信号を出力してスイッチング素子Q1をオンする駆動部20と、矩形波信号からなるトリガ信号を駆動部20に出力するトリガ信号出力部21とを有する。

図１は本実施形態における各部の電圧や電流を示している。具体的には、(ａ)はトリガ信号出力部21から出力されるトリガ信号を示し、(ｂ)は検出抵抗R1の両端電圧(検出電圧)を示している。また、(ｃ)は駆動部20からスイッチング素子Q1のゲート−ソース間に出力(印加)される駆動信号を示し、(ｄ)はインダクタL1に流れるインダクタ電流を示している。

駆動部20は、図１(ａ)，(ｃ)に示すようにトリガ信号の立ち下がりに同期して駆動信号を出力する(ハイレベルに立ち上げる)。スイッチング素子Q1は、駆動信号がゲートに印加されることでオンする。そして、スイッチング素子Q1がオンすると、平滑コンデンサC1→光源部３→インダクタL1→スイッチング素子Q1の経路で電流(インダクタ電流)が流れる。

インダクタ電流は、図１(ｄ)に示すように直線的に増加する。そして、インダクタ電流が増加するに従って、検出電圧も直線的に上昇する(図１(ｂ)参照)。駆動部20は、検出電圧がしきい値Vrefに達すれば、インダクタ電流が所定のピーク値ILpに達したと判断して駆動信号の出力を停止する(ローレベルに立ち下げる)。駆動信号の出力が停止すれば、スイッチング素子Q1がオフする。スイッチング素子Q1がオフすると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーが全て放出されるまでの間、インダクタL1→ダイオードD1→平滑コンデンサC1の経路で回生電流(インダクタ電流)が流れ続ける。そして、駆動部20は、一定の周期(第１周期)T1で出力されるトリガ信号の立ち下がりに同期して駆動信号を出力し、スイッチング素子Q1をオンする。

トリガ信号出力部21は、第１周期T1で矩形波信号を生成し、動作期間Tonにおいては、生成した矩形波信号をトリガ信号として駆動部20に出力し、停止期間Toffにおいては、トリガ信号を出力する代わりにハイレベルの信号を駆動部20に出力する(図１(ａ)参照)。すなわち、本実施形態の点灯装置は、従来技術で説明したバースト調光方式で調光を行っている。ここで、トリガ信号出力部21は、動作期間Tonと停止期間Toffを合わせたバースト周期Ｔ(＝Ton＋Toff)を、第１周期T1をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間に設定している。例えば、図１ではＮ＝７の場合を例示している。

トリガ信号出力部21は、調光器４から出力される調光信号より調光レベルを読み取り、読み取った調光レベルに応じてバースト周期Ｔに対する動作期間Tonの割合を増減する。調光信号は、一定周波数(例えば、１kHz)の矩形波信号からなり、そのオンデューティ比で調光レベルを表している。例えば、図３に示すように定格点灯のとき、調光信号のオンデューティ比が０％となり、調光下限のとき、調光信号のオンデューティ比が９０％となる。

トリガ信号出力部21は、調光信号のオンデューティ比Ｘ(０≦Ｘ≦９０)を計測し、調光範囲(９０％)をＮ等分した値(９０／Ｎ)でオンデューティ比Ｘを除した商(整数の商)をＮから引いた値Ｍ(＝Ｎ−Ｘ÷(９０／Ｎ))を演算する。

例えば、Ｎ＝７の場合、オンデューティ比Ｘが６×(９０／７)≦Ｘ＜７×(９０／７)の範囲ではＭ＝１となり、オンデューティ比Ｘが５×(９０／７)≦Ｘ＜６×(９０／７)の範囲ではＭ＝２となる。また、オンデューティ比Ｘが４×(９０／７)≦Ｘ＜５×(９０／７)の範囲ではＭ＝３となり、オンデューティ比Ｘが３×(９０／７)≦Ｘ＜４×(９０／７)の範囲ではＭ＝４となる。さらに、オンデューティ比Ｘが２×(９０／７)≦Ｘ＜３×(９０／７)の範囲ではＭ＝５となり、オンデューティ比Ｘが９０／７≦Ｘ＜２×(９０／７)の範囲ではＭ＝６となり、オンデューティ比Ｘが０≦Ｘ＜９０／７の範囲ではＭ＝７となる。

ここで、整数Ｍの値は、バースト周期Ｔの動作期間Tonにおけるスイッチング素子Q1の動作回数(駆動信号の出力回数)に対応している。つまり、定格点灯のときにＭ＝Ｎとなって停止期間Toffがゼロとなり、調光レベルが低下(オンデューティ比Ｘが増大)するにつれて、動作回数(出力回数)Ｍの値が段階的に減少する(図３参照)。例えば、調光信号のオンデューティ比Ｘが４５％であった場合、９０／７≒１２．９であるから、４５÷１２．９＝３あまり６．３となり、Ｍ＝７−３＝４となる。

而して、トリガ信号出力部21は、バースト周期Ｔの開始に同期して、動作回数Ｍに等しい回数(図１(ａ)においては４回)だけ駆動部20にトリガ信号を出力した後、次の矩形波信号の立ち上がりからバースト周期Ｔの終了までハイレベルの信号を出力する。そして、駆動部20は、トリガ信号の立ち下がりに同期して駆動信号を出力し(図１(ｃ)参照)、スイッチング素子Q1をオンする(図１(ｄ)参照)。

ここで、トリガ信号出力部21からトリガ信号を出力し、図示しないバースト調光信号出力部からバースト調光信号を駆動部20に出力する場合を想定する。なお、バースト調光信号とは、調光信号の周期と周期が等しい矩形波信号からなる。そして、バースト調光信号出力部は、調光信号のオンデューティ比Ｘが０％(定格点灯)のときにバースト調光信号のオンデューティ比を１００％とし、調光信号のオンデューティ比Ｘが９０％(調光下限)のときにバースト調光信号のオンデューティ比を１０％とする。なお、バースト調光信号出力部は、トリガ信号出力部21が出力するトリガ信号と同期せずにバースト調光信号を出力するものとする。

上述のような場合、図４に示すように調光信号のオンデューティ比Ｘが同一であるにも関わらず、動作期間Ton内におけるスイッチング素子Q1の動作回数にばらつき(図示例では、４回と３回)が生じてしまう。あるいは、図５に示すように動作回数は同じであっても、スイッチング素子Q1のオン時間が短縮されてしまうこともある。そして、動作回数のばらつきやオン時間の短縮に起因した光量の変動がちらつきとして人に認識され易くなってしまう。

これに対して本実施形態では、バースト調光信号出力部から駆動部20へバースト調光信号を出力する代わりに、トリガ信号出力部21が、バースト周期毎のスイッチング素子Q1の動作回数Ｍを調光レベル(調光信号のオンデューティ比Ｘ)に応じて増減している。その結果、図１に示すように調光信号のオンデューティ比Ｘが同一範囲内であれば、バースト周期Ｔ(動作期間Ton)における動作回数Ｍが常に同じで変わらないので、光量が変動せずにちらつきを抑えることができる。

上述のように本実施形態の点灯装置は、固体発光素子を光源とする光源部３を負荷とし、入力電力Ｖinを光源部３に必要な直流電力に変換する電力変換手段(電力変換部１)と備える。また、本実施形態の点灯装置は、電力変換手段を所定のバースト周期Ｔ毎にバースト周期Ｔよりも長くない動作期間Tonだけ動作させ、且つバースト周期Ｔに対する動作期間Ｔonの割合を伸縮する制御手段(制御部２)とを備える。電力変換手段は、光源部３と直列に接続されるインダクタL1と、インダクタL1に直列接続されるスイッチング素子Q1とを有するスイッチング電源回路からなる。制御手段は、駆動信号を出力してスイッチング素子Q1をオンする駆動部20と、駆動部20にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部21とを有する。駆動部20は、トリガ信号が入力されると駆動信号を出力し、且つインダクタL1及びスイッチング素子Q1に流れる電流(インダクタ電流)が所定値ILpに達したら駆動信号を停止するように構成される。トリガ信号出力部21は、バースト周期Ｔを、一定の第１周期T1をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、動作期間Tonにおいてはトリガ信号を第１周期T1でＭ回出力(ＭはＮ以下の負で無い整数)する。さらに、トリガ信号出力部21は、バースト周期Ｔから動作期間Tonを除いた停止期間Toffにおいては、トリガ信号を出力しないように構成される。

あるいは、本実施形態の点灯装置におけるトリガ信号出力部21は、バースト周期Ｔを、動作期間Tonにおけるトリガ信号の出力周期T1をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とするように構成される。また、トリガ信号出力部21は、動作期間Tonを、周期T1をＭ倍(ＭはＮ以下の負で無い整数)した時間とし、バースト期間Ｔから動作期間Tonを除いた停止期間Toffを、周期T1にＮとＭの差を乗じた時間とするように構成される。

上述のように本実施形態の点灯装置によれば、トリガ信号出力部21が、トリガ信号とバースト調光信号を互いに同期させて駆動部20に出力しているので、同じ調光レベルに対してバースト周期Ｔ毎にスイッチング素子Q1の動作回数が変動することがない。そのため、本実施形態の点灯装置は、ちらつきを抑えつつ低い調光レベルまで調光可能になる。

また、本実施形態におけるトリガ信号出力部21は、光源部３の光量を示す調光レベルに応じて、トリガ信号の出力回数Ｍを増減するように構成されることが好ましい。

さらに、本実施形態における駆動部20は、トリガ信号がハイレベルからローレベルに立ち下がると駆動信号を出力するように構成されることが好ましい。さらにまた、トリガ信号出力部21は、停止期間Toffにおいてはトリガ信号をハイレベルに維持するように構成されることが好ましい。

１電力変換部(電力変換手段)
２制御手段(制御部)
３光源部
20 駆動部
21 トリガ信号出力部
L1 インダクタ
Q1 スイッチング素子
Ｔバースト周期
T1 第１周期
Ton 動作期間
Toff 停止期間

Claims

固体発光素子を光源とする光源部を負荷とし、入力電力を前記光源部に必要な直流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段を所定のバースト周期毎に前記バースト周期よりも長くない動作期間だけ動作させ、且つ前記バースト周期に対する前記動作期間の割合を伸縮する制御手段とを備え、
前記電力変換手段は、前記光源部と直列に接続されるインダクタと、前記インダクタに直列接続されるスイッチング素子とを有するスイッチング電源回路からなり、
前記制御手段は、駆動信号を出力して前記スイッチング素子をオンする駆動部と、前記駆動部にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部とを有し、
前記駆動部は、前記トリガ信号が入力されると前記駆動信号を出力し、且つ前記インダクタ及び前記スイッチング素子に流れる電流が所定値に達したら前記駆動信号を停止するように構成され、
前記トリガ信号出力部は、前記インダクタに流れる電流が前記動作期間においてＭ回ゼロに減少するように(ＭはＮ以下の負で無い整数)、前記バースト周期を、一定の第１周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間においては前記トリガ信号を前記第１周期に同期させてＭ回出力し、且つ前記バースト周期から前記動作期間を除いた停止期間においては前記トリガ信号を出力しないように構成され、前記動作時間の開始タイミングを前記バースト期間内の最初のトリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのタイミングに一致させることを特徴とする点灯装置。
前記トリガ信号出力部は、前記光源部の光量を示す調光レベルに応じて、前記トリガ信号の出力回数Ｍを増減するように構成されることを特徴とする請求項１記載の点灯装置。
前記駆動部は、前記トリガ信号がハイレベルからローレベルに立ち下がると前記駆動信号を出力するように構成され、
前記トリガ信号出力部は、前記停止期間においては前記トリガ信号をハイレベルに維持するように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の点灯装置。
固体発光素子を光源とする光源部を負荷とし、入力電力を前記光源部に必要な直流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段を所定のバースト周期毎に前記バースト周期よりも長くない動作期間だけ動作させ、且つ前記バースト周期に対する前記動作期間の割合を伸縮する制御手段とを備え、
前記電力変換手段は、前記光源部と直列に接続されるインダクタと、前記インダクタに直列接続されるスイッチング素子とを有するスイッチング電源回路からなり、
前記制御手段は、駆動信号を出力して前記スイッチング素子をオンする駆動部と、前記駆動部にトリガ信号を出力するトリガ信号出力部とを有し、
前記駆動部は、前記トリガ信号が入力されると前記駆動信号を出力し、且つ前記インダクタ及び前記スイッチング素子に流れる電流が所定値に達したら前記駆動信号を停止するように構成され、
前記トリガ信号出力部は、前記インダクタに流れる電流が前記動作期間においてＭ回ゼロに減少するように(ＭはＮ以下の負で無い整数)、前記バースト周期を、前記動作期間における前記トリガ信号の出力周期をＮ倍(Ｎは２以上の整数)した時間とし、前記動作期間を、前記周期をＭ倍した時間とし、前記バースト期間から前記動作期間を除いた停止期間を、前記周期にＮとＭの差を乗じた時間とするように構成され、前記動作時間の開始タイミングを前記バースト期間内の最初のトリガ信号の立ち上がりまたは立ち下がりのタイミングに一致させることを特徴とする点灯装置。