JP6210374B2 - Ｌｅｄ駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤの発光輝度を調整するＬＥＤ駆動回路、さらに詳しく言えば、プラネタリウムのドームスクリーンの背景の微妙な明るさ変化を違和感なく演出することができる調光回路などに適したＬＥＤ駆動回路に関する。

ＬＥＤは、白熱灯や放電灯と異なり、直流電源で容易に点灯でき、寿命が長く、最近は青色や白色ＬＥＤが実用化され、効率も白熱灯のみならず蛍光灯を凌ぐ水準になり、インジケーター等の表示光源のみならず、一般照明用光源などとして幅広く活用されつつある。
通常の照明では、明るさは一定で十分であるが、一部のインテリア照明、舞台照明、プラネタリウム等の施設での効果照明では、その明るさを自在に変える調光が求められる。
インテリア照明においては、明るさを自由に変える事で雰囲気の変化を楽しむことができ、就寝時に薄暗くすることで従来形のナツメ球などで果たしていた機能を代替することができる。舞台照明では、シーンに応じた明るさの変化を演出するのみならず、赤、緑、青などの各色の光源の明るさを変えることで、色相や彩度を制御し、さまざまなシーンを作り出す事もできる。
プラネタリウムでは、観客の入退場時の場内照明としてのほか、昼と夜のシーンの演出に、照明の色や明るさを自在に変え、昼間や夕方、夜間に移り変わる微妙な明るさの変化まで、照明の明るさを変えることで演出する。

ＬＥＤを調光するには、駆動電流を変える方法、ＰＷＭ制御による方法などが用いられるが、通常は回路構成の単純さから、ＰＷＭ制御による方法がよく用いられる。ＬＥＤは、電流に対する光量の応答が１ｍｓ以下ときわめて高速のため、パルス幅と明るさが正確に比例する特質があり、明るさの制御を正確に行うことができる。

しかしながら、ＬＥＤをこれらの照明に用いる場合、白熱灯等の在来光源では起きなかった問題が起きることがある。
それは低照度の時に、明るさが階段状に変化するように見えてしまうことである。
ＰＷＭ制御では、パルス幅は数値的に指令し、ディジタル回路でパルス幅を正確に指定することができるが、たとえば１２ｂｉｔ分解能のＰＷＭ信号では、最小の明るさは１／４０９６となる。この明るさは極めて低いようであるが、人間の目の明るさに対するダイナミックレンジは極めて広いため、この最小明るさでも十分明るく感じてしまう。たとえば、最大明るさが５００ｌｘであったとすると、この１／４０９６は、０．１２ｌｘであり、目では十分感じ取れる明るさである。そして、これより１段階明るくなると、０．２４ｌｘとなり、いきなり２倍になるため、見た目には階段状に明るさが変化することが明らかに視認できてしまう。

そのためにＰＷＭ信号の分解能を上げていく解決策が考えられる。たとえば１６ｂｉｔであれば、最小値は０．０１５ｌｘとなり、かなり改善が期待される。しかしこのように分解能を上げていくと、別の問題が起きることがある。
それは、チラツキが感じられない程度、たとえば２００Ｈｚ程度の明るさでＰＷＭ制御をかける場合、１周期は５ｍｓとなり、これを１６ｂｉｔ分解能で制御すると、最小パルス幅は５ｍｓ／６５５３６＝７６．３ｎｓとなる。これはディジタル回路の信号の速度としては扱いにくい速度ではないが、ＬＥＤを発光させる電流をこの速さで通電、遮断を繰り返すとノイズが発生しやすく、周囲の電子機器に影響を与えたりノイズ対策が困難になる事がある。また、外部からのノイズ等の要因で電流波形の立ち上がりや立下り等の速度が変化すると、最低照度での明るさが変化したりチラツキを生じて見苦しくなることがある。

通常の照明用途では、これでも条件を満足するものとして問題は見過ごされてきたが、特に低照度での明るさ制御を重視する用途、たとえばプラネタリウム等の照明では、夜間の微妙な明るさまでも照明装置で再現しなければならないため、この問題は演出を大いに妨げるものとなっていた。

さて、ＬＥＤの明るさをＰＷＭ制御によって変化させるＬＥＤ調光回路部を含むＬＥＤ駆動回路などが多く提案されている。この駆動回路は照明器具，車内用照明装置などとして用いられている。
しかしながら、多くある従来のＬＥＤ駆動回路の中で、本件発明者が考えている効果を発揮できるものは存在しない。
本件発明者が今回提案しようとしているＬＥＤ駆動回路の構成と機能的に同じような動作をする、すなわちＰＷＭ制御を用いてＬＥＤの明るさを調整する先行文献を幾つか挙げて、具体的な問題点に言及する。

特開２００７−３１７４４３号公報 特開２０１１−１７１２３１号公報 特表２０１３−５１９９８８号公報

特許文献１は、電源から供給される電力がＰＷＭ信号によってオンオフ制御されて調光制御される照明システムにおいて、回路構成が複雑になることなく、出力の下限から上限まで連続的な調光を可能にする回路を提案している。この照明システムは、ＬＥＤを制御するＦＥＴのゲートにＲＯＭを含むマイクロプロセッサからＰＷＭ信号を供給してＬＥＤの明るさを制御できるようにしており、制御命令に応じたＰＷＭ信号のパルスオン時間が、マイクロプロセッサのクロックの分解能より細かくなる場合に、オン時間の異なる複数のパルスを組み合わせて平均のパルスのオン時間が制御命令に応じたパルスのオン時間になる組み合わせＰＷＭ信号を生成することにより、上記出力の下限から上限まで連続的な調光を可能にしている。
しかしながら特許文献１は、本発明が目指すＬＥＤの明るさ変化のダイナミックレンジを広げるために、低照度領域用と高照度領域用のパルス幅変調を制御信号として用いているものではなく、低照度領域用の明るさの変化を円滑にする目的を持つものではない。

特許文献２は、ＰＷＭ調光下限より深い調光制御をすることができるＬＥＤ点灯回路を提供することを目的としているものである。
そのために、スイッチング素子を発信制御することでＬＥＤ光源部にＬＥＤ電流を供給する降圧チョッパ回路と、スイッチング素子を発振制御することでＬＥＤ電流を制御する調光制御部を備えて構成されており、調光制御部は、発振周波数を制御する発振周波数制御部と、ＰＷＭオンデューティを制御するＰＷＭ制御部と、発振周波数とＰＷＭオンデューティに基づいてスイッチング素子をオンオフする駆動部を備えている。
動作内容は、調光度がＰＷＭ調光下限以上の範囲ではＰＷＭ制御部がＰＷＭオンデューティを変動させることで調光制御を行い、調光度がＰＷＭ調光下限未満の範囲では、ＰＷＭオンデューティを変動させずに、発振周波数をＰＷＭ調光下限時よりも高くしている。
スイッチング素子の制御端子に、ＰＷＭ制御部からのＰＷＭ信号と発振周波数制御部の発振周波数が入力される駆動部からの信号を入力して、ＬＥＤの明るさを制御するものであるが、特許文献１と同様、低照度領域用と高照度領域用のパルス幅変調を制御信号として用いているものではなく、低照度領域側では一方の小さい電流を流す駆動側に入力するパルス幅を主に変え、それ以外の照度領域では大きい電流を流す駆動側に入力するパルス幅を主に変える制御は行っていない。

特許文献３の照明装置の駆動信号を生成する装置は、ＬＥＤ又はＬＥＤスポットのための駆動信号生成器に関する必要条件を従来に比ベて低くしながら、ＨＤＴＶカメラのＬＥＤ又はＬＥＤスポットを駆動する概念を提供することを目的とするものである。
そのために、特許文献３の装置は、第１の輝度のための第１輝度要求に応じて第１のパルス列を生成し、第２の輝度のための第２輝度要求に応じて第２のパルス列を生成するパルス生成器を備え、第１のパルス列は第１周波数を有し、第２のパルス列は第１周波数とは異なる第２周波数を有し、第２のパルス列は第１のパルス列の２個の隣接パルスと、２個の隣接パルスの間に追加パルスとを有している。なお、追加パルスは第１のパルス列には含まれていないとしている。
動作内容は、一方に追加パルスを挿入した２つの周波数の異なるパルス列を入力することによりＨＤＴＶカメラのＬＥＤまたはＬＥＤスポットを駆動しているが、本件出願人が提案しているＬＥＤ駆動回路の構成とは異なる。目的も、ＰＷＭ制御によりＬＥＤの明るさを変える際に、ごく低光量の領域で明るさが階段状に変化するように見えたり、突然消えてしまうような動作を解決するものではない。

本発明は上記諸問題を解決するもので、その目的は、ＰＷＭ制御によりＬＥＤの明るさを変える際に、ごく低光量の領域で明るさが階段状に変化するように見えたり、突然消えてしまうなどの問題点をなくし、低光量まで滑らかに調光できるＬＥＤ駆動回路を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明による請求項１記載の発明は、複数のそれぞれに流れる電流が所定のそれぞれ異なる電流設定値となるような電流制限回路とパルス幅変調回路を有する駆動回路がＬＥＤに接続されており、低光量領域では電流設定値が小さな回路のパルス幅を主に制御し、前記低光量領域に用いる第１のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値より小さい数値の第２のｂｉｔ階調の指令値を第２のパルス幅変調回路に入力し、前記第２のｂｉｔ階調の指令値が０もしくは最小値から所定の大きさまでは第１のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値を、所定の傾斜の軌跡でパルス幅の第１のｂｉｔ階調の最大の数値まで変化させ、高光量領域では電流設定値が大きな回路のパルス幅を主に制御し、前記高光量領域に用いる第２のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値より小さい数値の第２のｂｉｔ階調の指令値を前記第２のパルス幅変調回路に入力し、前記第２のｂｉｔ階調の指令値が前記所定の大きさ以上は、第２のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値を、前記所定の傾斜より小さな傾斜の軌跡でパルス幅の第１のｂｉｔ階調の略最大の数値まで変化させることにより、電流設定値が小さな回路のパルス幅の制御によるＬＥＤの明るさの変化を、電流設定値が大きな回路のパルス幅の制御によるＬＥＤの明るさの変化より小さくすることにより単一の駆動回路を用いた場合より広いダイナミックレンジでＬＥＤの光量を視覚上、滑らかに変化させることを特徴とする。
本発明による請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、スクリーンを備え所定のスペースを有する会場内に、照明装置を設置し該照明装置にＬＥＤの発光により投影可能にする前記ＬＥＤ駆動回路を組み込み、微妙な明るさの変化を調光可能にしたことを特徴とする。
本発明による請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記照明装置は、プラネタリウムの制御回路に用いられ、太陽高度に対する明るさの関係を前記ＬＥＤ駆動回路に指令入力として送ることを特徴とする。
本発明による請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の発明において、前記駆動回路を複数有し、各駆動回路の電流制限回路にそれぞれＬＥＤが接続されていることを特徴とする。
本発明による請求項５記載の発明は、請求項１，２または３記載の発明において、前記駆動回路を複数有し、該複数の駆動回路が並列に接続され、該並列回路に共通のＬＥＤが接続されていることを特徴とする。
本発明による請求項６記載の発明は、請求項１，２，３，４または５記載の発明において、前記電流制限回路は、抵抗器であることを特徴とする。
本発明による請求項７記載の発明は、請求項１，２，３，４または５記載の発明において、前記電流制限回路は、定電流ダイオードであることを特徴とする。

前記構成により、本発明によるＬＥＤ駆動回路をプラネタリウムの照明装置に適用すれば、ドームスクリーンの背景の明るさの変化を滑らかに演出することができる。

本発明によるＬＥＤ駆動回路の実施の形態を示す回路図である。 図１の回路で実現される調光指令値の変化に対し、実際の明るさの変化を広いダイナミックレンジで得るようにした変換関数の特性を示すグラフである。 １２ｂｉｔ分解能のＰＷＭ回路で実現した出力特性を低光束領域を拡大して示した調光指令値の変化に対して制御される実際の明るさの変化の例を示すグラフである。 図１の回路のＰＷＭ信号発生器ＬとＰＷＭ信号発生器Ｈの双方に加える調光指令値に対するパルス幅の例を示すグラフである。 図４のグラフによる数値を図３の数値に重ねて表記したときの調光指令値の変化に対し、制御される実際の明るさの変化の例を示すグラフである。 本発明によるＬＥＤ駆動回路の他の実施の形態を示す回路図で、ＰＷＭ＿Ｈ回路とＰＷＭ＿Ｌ回路をそれぞれ別のＬＥＤに割り当てた例である。 本発明によるＬＥＤ駆動回路により構成した照明装置を使用したプラネタリウム装置の概略を示す図である。 図７の照明装置を自動的に制御する場合の、太陽高度の変化に対し、制御される明るさの変化の例を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明によるＬＥＤ駆動回路の実施の形態を示す回路図である。
発光ダイオードＬＥＤに、二つの抵抗器ＲＨ、ＲＬとパワートランジスタＴＲＨ、ＴＲＬによる駆動回路が接続されている。ＰＷＭ信号発生回路（ＰＷＭ信号発生器）Ｈは、所定のパルス幅のＰＷＭ信号（パルス列Ａ）を出力し、トランジスタＴＲＨを駆動する。ＰＷＭ信号発生回路（ＰＷＭ信号発生器）Ｌは、同じく所定のパルス幅のＰＷＭ信号（パルス列Ｂ）を出力し、トランジスタＴＲＬを駆動する。
パワートランジスタＴＲＨがＯＮになると、ＬＥＤには電流制限抵抗ＲＨを通じて電流が流れ、ＴＲＬがＯＮになると、電流制限抵抗ＲＬを通じて電流が流れる。両方がＯＮになると、ＲＨ、ＲＬに流れる電流の和になる。それぞれの電流は、電流制限抵抗により設定される。

たとえば電源電圧ＶＣＣが５Ｖ、ＬＥＤの順方向電圧が３Ｖであると仮定すると、
ＲＨを流れる電流は、
（５−３）／ＲＨ＝２／ＲＨ
ＲＬを流れる電流は、
（５−３）／ＲＬ＝２／ＲＬ である。
調光指令値は、８ｂｉｔの分解能つまり０〜２５５の値をＰＷＭ信号発生器Ｈ、Ｌに供給する。
ＰＷＭ信号発生器は、この調光指令値を、内部に保持する所定の変換関数により、パルス幅に変換して出力する。パルス幅は、１２ｂｉｔの分解能すなわち、０〜４０９５の値で指定される。
０の時はｄｕｔｙ＝０％で、４０９５の時にｄｕｔｙ＝１００％となる。
ここで、仮にＲＨの抵抗値が１０Ω、ＲＬの抵抗値が１ＫΩであるとする。この場合、ＲＨに流れる電流は、２／１０＝０．２Ａ、ＲＬに流れる電流は、２／１０００＝２ｍＡとなり、両者の比率は１００：１となる。
つまり、ＬとＨの、同じパルス幅でのＬＥＤの光量は、１：１００となる。

続いて、調光指令値を、ＰＷＭ信号のパルス幅に変換する変換関数の具体例を示す。
人間の目の感覚は、必ずしも直線的ではないので、指令値と実際の明るさの関係は直線的であるよりも、ある関数に基づいた方が滑らかな結果が得られる。たとえばここでは
明るさ＝入力の２．７乗という関数を設定し、８ｂｉｔの限られた入力指令値で、幅広いダイナミックレンジでの明るさの変化を得るようにする。
この関数の一例を図２に示す。指令値は０〜２５５の８ｂｉｔ階調で与えられ、出力は、２．７乗の関数カーブで変化する。
これを、仮に１２ｂｉｔ分解能のＰＷＭ回路で実現したものの出力特性を低光束領域を拡大して図示したものが図３である。１２ｂｉｔ分解能では、１ステップが最大値つまり１の１／４０９６の値すなわち約０．０００２４４となる。最大照度が１００ｌｘの照明の場合、これは約２４ｍｌｘの値となり、暗闇に目が慣れていると明るさの段階的な変化を十分感じ取れてしまう。

そこで次に図１の回路、ＰＷＭ信号発生器ＬとＰＷＭ信号発生器Ｈの双方に加えるパルス幅を、図４のようにする。指令値が５０くらいまでの低光量領域では、ＰＷＭ信号発生器Ｌの値を変化させ、それ以上の光量領域ではＨの値を変化させる。
ＰＷＭ信号発生器Ｌのｄｕｔｙが１となった時、最大光量の１％の光量が得られ、両方のｄｕｔｙが１となると、最大光量が得られることになる。
この数値の例を記載したのが表１である。指令値は０〜２５５の値であり、ＰＷＭ＿Ｌの値は、ＰＷＭ信号発生器Ｌが出力するパルス幅で、０〜４０９５の１２ｂｉｔ階調の数値である。ＰＷＭ＿Ｈの値も同様である。ＬＥＤの明るさは、
（ＰＷＭ＿Ｌ／４０９５）＊０．０１＋（ＰＷＭ＿Ｈ／４０９５）となる。
この数値を表１−１，表１−２に記載している。

この数値を、図３の数値に重ねて表記したのが図５である。通常の１２ｂｉｔ−ＰＷＭのカーブよりはるかに滑らかに低光量まで調光できている。
また、一定の光量以上では、ＰＷＭ＿Ｈのパルス幅で調光するが、そこでは既に一定の光量があるので、ＰＷＭ＿Ｈの調光の分解能でも明るさの段階的変化は目立たない。
実際のダイナミックレンジを計算すると、ＰＷＭ＿Ｌによる最小輝度は、
１／４０９６／１００＝２．４４×１０^-6であり、ダイナミックレンジは、４０万９６００倍となる。通常の１２ｂｉｔ−ＰＷＭでは、４０９６倍なので、１００倍の分解能が得られることになる。この実施例では、２つのＰＷＭ回路を用いて、双方の電流値の比率を１００倍とした例を示したが、３つ以上のＰＷＭ回路を用いて構成する事も可能で、その場合は、さらに１００倍ダイナミックレンジを上げることもでき、事実上は無制限となる。

また、図６では、それぞれのＰＷＭ回路を、別のＬＥＤに割り当てた実施形態を示す。
ＰＷＭ信号発生器Ｈで発生したＰＷＭ信号によりＬＥＤ＿Ｈが点灯し、ＰＷＭ信号発生器Ｌで発生したＰＷＭ信号によりＬＥＤ＿Ｌが点灯する。この場合、両者の明るさを変えるため、制限抵抗の値を変えるだけでなく、ＬＥＤ＿ＨとＬＥＤ＿Ｌの実際に使うランプ数や型番、或いは光学フィルタの有無によっても変える事ができる。
この実施形態も、パルス列Ａ’とＢ’を図４に示すような調光指令値とパルス幅の関係にして明るさを制御する。

図７は、この回路構成により作成した照明装置をプラネタリウムに使用した実施例である。ＬＥＤと制御回路を組み込んだ照明装置はドームスクリーンの周囲に設置され、ドームスクリーン全体を照明できる構成となっている。照明装置の明るさは、解説員の手動操作もしくはプラネタリウムの制御システムから自動的に制御される。
図８は、自動的に制御する場合の、太陽高度の変化に対する明るさの関係を示す例である。プラネタリウム制御システムは、システム内部に太陽の地平高度をリアルタイムに保持しており、この地平高度に基づいて、図８のグラフに基づいて明るさを算出、この値を照明装置に指令入力として送ることで、昼夜の変化を再現することができる。本発明の回路を用いることで、日没後の非常に薄暗い時間帯の夜空の微妙な明るさの変化を自然に再現することができる。
本発明により、いたずらにＰＷＭ周波数を上げることをせずに、きわめて低照度から滑らかにＬＥＤを調光することができる。ＰＷＭ制御のｂｉｔ数を上げる事で分解能を上げようとすると、小さなパルス幅に対応するべく、きわめて速い速度で電流をスイッチングしなければならず、回路の安定性の問題やノイズ発生等の問題が出るが、この発明の方式では、低いビット数のＰＷＭ制御でも低照度まで滑らかな調光が可能である。

以上の実施の形態は、用いるＬＥＤの数を１個の場合とＬＥＤを低照度領域と高照度領域にそれぞれ対応させて２個用いた場合を説明したが、それぞれＬＥＤを挿入した回路部分に直列にさらにＬＥＤを挿入しても本発明の効果は発揮できるものである。また、電流制限用として抵抗を用いた例を示したが、代わりに定電流ダイオードを用い、ＰＷＭ信号発生器Ｈ側とＰＷＭ信号発生器Ｌ側の２つのＰＷＭ回路でそれぞれ異なる電流値に制限することができる。さらに、２つの電流値の比率は１００倍の場合の例を示したが、該比率は１００倍以下でも良く、さらに１００倍以上にしても良いことは勿論である。

プラネタリウムのドームスクリーンの背景を演出する照明装置などに用い、自然な明るさを演出できるＬＥＤ駆動回路である。

ＬＥＤ 発光ダイオード
ＲＨ，ＲＬ 抵抗器
ＴＲＨ，ＴＲＬ パワートランジスタ
Ｈ，Ｌ ＰＷＭ信号発生回路（ＰＷＭ信号発生器）

Claims (7)

1. 複数のそれぞれに流れる電流が所定のそれぞれ異なる電流設定値となるような電流制限回路とパルス幅変調回路を有する駆動回路がＬＥＤに接続されており、
   低光量領域では電流設定値が小さな回路のパルス幅を主に制御し、前記低光量領域に用いる第１のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値より小さい数値の第２のｂｉｔ階調の指令値を第２のパルス幅変調回路に入力し、前記第２のｂｉｔ階調の指令値が０もしくは最小値から所定の大きさまでは第１のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値を、所定の傾斜の軌跡でパルス幅の第１のｂｉｔ階調の最大の数値まで変化させ、
   高光量領域では電流設定値が大きな回路のパルス幅を主に制御し、前記高光量領域に用いる第２のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値より小さい数値の第２のｂｉｔ階調の指令値を前記第２のパルス幅変調回路に入力し、前記第２のｂｉｔ階調の指令値が前記所定の大きさ以上は、第２のパルス幅変調回路が出力するパルス幅の第１のｂｉｔ階調の数値を、前記所定の傾斜より小さな傾斜の軌跡でパルス幅の第１のｂｉｔ階調の略最大の数値まで変化させることにより、電流設定値が小さな回路のパルス幅の制御によるＬＥＤの明るさの変化を、電流設定値が大きな回路のパルス幅の制御によるＬＥＤの明るさの変化より小さくすることにより単一の駆動回路を用いた場合より広いダイナミックレンジでＬＥＤの光量を視覚上、滑らかに変化させることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
2. スクリーンを備え所定のスペースを有する会場内に、照明装置を設置し該照明装置にＬＥＤの発光により投影可能にする前記ＬＥＤ駆動回路を組み込み、微妙な明るさの変化を調光可能にしたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ駆動回路。
3. 前記照明装置は、プラネタリウムの制御回路に用いられ、太陽高度に対する明るさの関係を前記ＬＥＤ駆動回路に指令入力として送ることを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ駆動回路。
4. 前記駆動回路を複数有し、各駆動回路の電流制限回路にそれぞれＬＥＤが接続されていることを特徴とする請求項１，２または３記載のＬＥＤ駆動回路。
5. 前記駆動回路を複数有し、該複数の駆動回路が並列に接続され、該並列回路に共通のＬＥＤが接続されていることを特徴とする請求項１，２または３記載のＬＥＤ駆動回路。
6. 前記電流制限回路は、抵抗器であることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のＬＥＤ駆動回路。
7. 前記電流制限回路は、定電流ダイオードであることを特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のＬＥＤ駆動回路。