JP6245952B2 - Ｌｅｄ駆動回路及びｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ駆動回路及びＬＥＤ照明装置に関する。

近年、照明の光源として白熱灯や蛍光灯の替わりにＬＥＤ照明灯の使用が増えてきた。ＬＥＤは白熱灯や蛍光灯に比べ消費電力が少ないことや寿命が長いなどの利点が有るが、点灯電圧が低いので商用電源を変換する電源回路が必要になる。

ＬＥＤはＬＥＤの組成材料或いはＬＥＤからの光に依り励起される蛍光体の材料を選択することで、３原色を容易に実現することができる。そこで、近年、色度の異なるＬＥＤを個別に駆動することで好みの色で照明することが行われるようになっている（参考文献１を参照）。

室内照明にＬＥＤを使う場合は、白色を発光するＬＥＤと、暖かみのある赤の成分を多く含むＬＥＤを適宜な割合で通電することで色を混ぜることが行われている。それぞれの色度のＬＥＤを個別に駆動するにはＬＥＤと電源の間を制御するＦＥＴなどのスイッチング素子を使い、そのＦＥＴへの信号入力を調節することで照明光の調色が可能になる（参考文献２を参照）。

さらに、目にちらつきを生じない速度でＬＥＤを切り替えて通電するように駆動するとそれぞれの色度のＬＥＤへの通電割合で色調を変えることが可能になる。この場合は、一つの色度のＬＥＤの通電を制御するスイッチング素子への入力を反転したものを、他の色度のＬＥＤの通電を制御するスイッチング素子への入力とすることで駆動回路の簡素化が図れる（参考文献３を参照）。

ＬＥＤは半導体なので周囲温度の影響を受けやすい。ＬＥＤの発光出力は通電される電流にほぼ比例しているので周囲温度に拘わらず所定の明るさを維持するためにＬＥＤの駆動回路は定電流源を使うことが多い。ところで、昨今の定電流源は小型のトランスと発信素子を含むスイッチング電源が多く、これらは小型化及び省資源の要請からその発振周波数はＭＨＺオーダーになっている。そして、定電流源の定電流性は定電流源内部の帰還で実現しており、負荷変動に対して高速に応答して所定の電流を流すべく出力電圧を高速に変動させる（参考文献４を参照）。

そうすると、色度の異なるＬＥＤを切り替えて駆動する場合に、駆動の切替時に鋭い高電圧のスパイクが生じる場合が多い。このスバイクはＬＥＤに過電圧として印加されてＬＥＤの劣化に繋がりかねない。そこで、このスパイクの生じないＬＥＤ駆動回路が望まれていた。

特開２０１２−３８７８１号公報 特開２０１１−２５８５１５号公報 特開２００９−９８１７号公報 特開２００２−１０６３７号公報

上述のように、高速応答する定電流源を使って色度の異なるＬＥＤを切り替えて駆動する場合にＬＥＤに過電圧が印加されないＬＥＤ駆動回路の検討が必要になる。

そこで、発明者らは高速応答する定電流源を使って色度の異なるＬＥＤを切り替えて駆動する場合にＬＥＤに過電圧が印加されないＬＥＤ駆動回路の実現を目指して研究開発を行った。その結果、簡便な構成で色度の異なるＬＥＤを切り替えて駆動する場合にＬＥＤに過電圧が印加されないＬＥＤ駆動回路の発明の完成に至ったものである。

本発明は、ＬＥＤを切り替えて駆動する場合にＬＥＤに過電圧が印加されないＬＥＤ駆動回路及びＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、順方向に直列接続される複数のＬＥＤからなる第１のＬＥＤ群及び前記第１のＬＥＤ群と異なる色度を有する順方向に直列接続される複数のＬＥＤからなる第２のＬＥＤ群への通電を交互に切り替え駆動して調色を行うＬＥＤ駆動回路であって、前記第１のＬＥＤ群及び前記第２のＬＥＤ群と定電流源との間にそれぞれＯＮ制御信号で通電し、ＯＦＦ制御信号で通電停止になる第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子が接続され、前記ＯＮ制御信号の時間幅を変えられるパルス幅変調器からの出力信号が第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通して前記第１のスイッチング素子に入力され、前記出力信号の反転信号が第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通して前記第２のスイッチング素子に入力されることで、第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第1の制御信号のＯＮ期間の長さが同時期の第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第２の制御信号のＯＦＦ期間よりも長くなるように、また、第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第２の制御信号のＯＮ期間の長さが同時期の第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第１の制御信号のＯＦＦ期間よりも長くなるように構成されるＬＥＤ駆動回路である。

本発明においては、第１のＬＥＤ群と第２のＬＥＤ群が交互に通電されて発光する。切り替えが目の応答速度よりも高速であれば目にはちらつきが意識されないでそれぞれのＬＥＤ群からの光が混ざって見える。ＬＥＤの切り替えの際に一方のＬＥＤ群への通電が立ち上がるまで他方のＬＥＤ群への通電が行われているので両方が同時に消灯することが無い。第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子への入力は相互に反転する関係にある。スイッチング素子がＨレベルの入力でＯＮになって通電し、ＬレベルでＯＦＦになって通電停止となる場合について説明する。ＯＦＦ遷移であるＨレベルからＬレベルへの立下り信号を遅らせる立下り遅延回路は、ＨレベルからＬレベルへの立下り信号を所定の時間Ｈレベルに保持して遅延させた後に遅延立下り信号として出力する。ＬレベルからＨレベルへの立ち上がり信号は、遅延回路を通すことなくパルス幅変調器からの出力をそのまま使うので、一方の遅延立下り信号が他方の立ち上がり信号が立ち上がった後にＬレベルになる。なお、スイッチング素子がＬレベルでＯＮになり、ＨレベルでＯＦＦになる場合は上記の関係が逆になる。すなわち、ＬレベルからＨレベルへの立ち上がりがＯＦＦ遷移となる。

請求項２に記載の発明は、前記反転信号が、前記出力信号をインバータに通して得られることを請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路である。

出力信号のＨレベルとＬレベルの比及び繰り返し周波数を変えられるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）生成部からの出力を、一方のスイッチング素子へ入力する。他方のスイッチング素子へは、前記ＰＷＭ生成部からの出力をインバータへ入力して得られるＰＷＭ生成部からの出力の反転信号であるインバータの出力を入力する。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路を備えるＬＥＤ照明装置である。

請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路を備えることでＬＥＤに過電圧が印加されることの無い照明装置となる。

請求項１に記載された発明によれば、第１のＬＥＤ群と第２のＬＥＤ群とが交互に通電されるので回路構成の簡略化が図れる。また、第１のＬＥＤ群と第２のＬＥＤ群との通電時間の割合を変えることで調色ができる。一方への通電の終了が他方への通電開始よりも遅くなるように駆動するので、両方のＬＥＤ群が共に消えることが無いのでちらつきが減る。なお、負荷が軽くなることによる電源の過渡応答によるスパイク状の高電圧の発生を防止することができる。そして第１のスイッチング素子への入力と第２のスイッチング素子への入力のＯＦＦ遷移となる立ち下がりの時間を遅らせるＯＦＦ遷移遅延回がスイッチング素子の入力の前に置かれるので、ＬＥＤ群が同時に消えることが無くなる。つまり電流源には常に負荷が掛かるので負荷の減少に伴う過電圧がＬＥＤに印加されることが無くなる。

請求項２に記載された発明によれば、ＰＷＭ生成部を一つで済ませることができて部品点数の減少により故障率の低下及び費用の低下を図ることができる。

請求項３に記載された発明によれば、ＬＥＤに過電圧が印加されることが無い故障の少ない構成のＬＥＤ駆動回路を使うことから、ＬＥＤの故障が少なく安価なＬＥＤ照明装置の提供を図れる。

２つのＬＥＤ群８、９を駆動する定電流源に接続されたＬＥＤ駆動回路の説明図である。 スイッチ７への反転入力がインバータ１０で作られるＬＥＤ駆動回路の説明図である。 ＰＷＭ生成部の出力波形（１）ＯＮ−Ａ：ＯＮ−Ｂ＝１：１，（２）ＯＮ−Ａ：ＯＮ−Ｂ＝３：１の説明図である。 （１）スイッチング素子への制御信号、（２）ＬＥＤ群への印加電圧を示す図である。 遅延回路の例として（１）ゲート遅延、（２）積分回路、（３）ディレイラインを用いた図である。 （１）立下り遅延無しの場合の出力電圧及びゲート電圧（スイッチング素子への制御電圧）、（２）立下り遅延有りの場合の出力電圧及びゲート電圧（スイッチング素子への制御電圧）の説明図である。

図１は本発明で用いられるＬＥＤ駆動回路の説明図である。図１の左側のトランス、発信回路、ダイオード、コンデンサは、定電流回路を構成する。この定電流回路にスイッチ（ＦＥＴ）を介してＬＥＤランプ（Ａ）８とＬＥＤランプ（Ｂ）９が接続される。それぞれ複数のＬＥＤが順方向に直列接続されて第１のＬＥＤ群８と第２のＬＥＤ群９を構成する。スイッチ６，７はＦＥＴでもバイポーラ素子でも良い。スイッチには、それぞれ、スイッチを駆動する信号が入力される。制御信号のＨレベルでＦＥＴがＯＮになりＬＥＤへ通電される。入力レベルのＨ及びＬが、スイッチのＯＮ及びＯＦＦに対応するが、スイッチ素子により関係が逆になる場合もある。

スイッチへの制御信号は、ＯＮ制御信号からＯＦＦ制御信号へ切り替わるＯＦＦ遷移信号となる立下り信号を遅延させる立下り遅延回路を介してパルス出力のＨレベルの時間幅を変えるパルス幅変調器であるＰＷＭ生成部から供給される。ＰＷＭ生成部２，３はＨレベルの時間幅を調光指令を受けた調光（調色）設定部１からの信号に基づいて変えてパルスを発生する。図１では、ＰＷＭ生成部が独立しているので、ＬＥＤランプ（Ａ）８とＬＥＤランプ（Ｂ）９を同時に任意の明るさで発光させることができる。

ＬＥＤを常に同時に発光させると電源はＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）の両方に供給可能な電流容量が求められる。電流源はなるべく小型で小容量であることが望ましいので、ＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）とは、交互に通電するように制御することが好ましい。

ＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）とに交互に通電する場合、その切り替え時に双方とも通電されない瞬間が有ると、定電流源は所定の電流を流すべく供給電圧を上昇させる。そうすると、次に通電されるＬＥＤ群にはこの上昇した高電圧が印加されることになる。規格を超える電圧の印加はＬＥＤにとって好ましくない。そこで、一方のＬＥＤが通電状態から停止状態へ移行して通電の終了する場合は、他方のＬＥＤの通電が開始されてからになるように、スイッチへの入力を制御することを行う。スイッチは具体的にはＦＥＴをスイッチング素子として使う。

具体的には、スイッチへの制御信号のＨレベルからＬレベルへの移行時に、その移行のタイミングを遅らせることを、立下り遅延回路で行う。ＬＥＤ（Ａ）８とＬＥＤ（Ｂ）９は、交互に通電されるが、切り替えの際に図１の中に示す波形図のように立ち下がるときだけ、その立ち下がるタイミングを遅らせる。こうすることで両方のスイッチが同時にＯＦＦ状態になることが無くなり、定電流源から発生するスパイク状の高電圧の発生も抑止できる。また、必ずどちらかのＬＥＤが通電されるのでちらつきが減ることも期待される。

図２は、図１のＰＷＭ生成部を一つ省略して第２のスイッチング素子であるスイッチ（Ｂ）へ入力される制御信号をＰＷＭ生成部の出力の反転信号をインバータで生成している。第１のスイッチング素子であるスイッチ（Ａ）へは、ＰＷＭ生成部２からの出力が立下り遅延回路４を介して制御信号として入力される。また、スイッチ（Ｂ）へは、ＰＷＭ生成部の出力信号を反転素子であるインバータ１０で反転させて立下り遅延回路５を通して入力される。スイッチ（Ａ）とスイッチ（Ｂ）への制御信号の関係は、図１と同様に、一方の制御信号の立下りに遅延が加えられ他方の制御信号がＨレベルになってからＬレベルとなる。インバータ１０を使うことによりＰＷＭ生成部を一つ省略することができる。ここで、第１のスイッチング素子への入力と第２のスイッチング素子への入力を入れ替えても同じ効果を生じる。

次に、二つのＬＥＤ群を使って調色を行うことについて、図３を用いて説明する。図３（１）は色度の異なるＬＥＤランプ（Ａ）とＬＥＤランプ（Ｂ）を同じ割合で交互に点灯させる場合である。図４の矩形波のＨレベルで通電されてＯＮになり点灯状態、Ｌレベルで通電が停止されて消灯状態になる。一方が点灯しているときは他方が消灯することになる。この切り替え速度は目の認識する速さより充分に早い速度、例えば１ＫＨｚ程度で行う。図３（１）はＬＥＤランプ（Ａ）とＬＥＤランプ（Ｂ）とが同じ割合で点灯されるので、照明光の色は両者を同じ割合で混色したものに感じられる。

図３（２）は色度の異なるＬＥＤランプ（Ａ）とＬＥＤランプ（Ｂ）を点灯時間の割合を変えて交互に点灯させる場合である。ここでも、一方が点灯しているときは他方が消灯することになる。ＬＥＤランプ（Ａ）のＯＮ時間がＯＦＦ時間に比べて３：１の割合で多くなっている。ＬＥＤランプ（Ａ）のＯＦＦ時間はＬＥＤランプ（Ｂ）のＯＮ時間なので、ＬＥＤランプ（Ａ）の色度の強い混色が得られる。ＬＥＤランプ（Ａ）とＬＥＤランプ（Ｂ）の点灯時間の割合を変えることで、照明光の色度を変えて調色が可能になる。なお、調光をするには、定電流源の設定電流を制御するなど、ＬＥＤへ流入するエネルギを減らすことで実現する。

図３（２）のＬＥＤランプ（Ａ）がＯＮからＯＦＦになる点線で囲まれた部分について図４を用いて詳細に説明する。図４（１）に示すのはＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）の通電を制御するスイッチへ入力される制御信号の様子である。ＬＥＤ（Ａ）がＯＦＦからＯＮへ立ち上がるとき、ＬＥＤ（Ｂ）はまだＯＮ状態にある。ＬＥＤ（Ｂ）がＯＮからＯＦＦへ完全に立ち下がるのはＬＥＤ（Ａ）に通電が開始されてＯＮなった後になる。これは、ＬＥＤ（Ｂ）の立下りが遅延回路で遅らされているからである。また、逆に、ＬＥＤ（Ａ）がＯＮからＯＦＦへ完全に立ち下がるときは、ＬＥＤ（Ｂ）がＯＦＦからＯＮへ立ち上がってからになる。この場合も、ＬＥＤ（Ａ）の立下りが遅延回路で遅らされている。

図４（２）はＬＥＤ群に印加される電圧を示している。直列に接続されたＬＥＤの順方向電圧の合計がＬＥＤ（Ａ）については、Ｖｆ（Ａ）＝６５Ｖ，ＬＥＤ（Ｂ）群については、Ｖｆ（Ｂ）＝７０Ｖである。規定の電流値を流すように電圧が供給されるので、ＬＥＤ群が切り替わると印加される電圧も変化する。図４（２）において左端はＬＥＤ（Ｂ）がＯＮになっており、印加電圧がＶｆ（Ｂ）である７０Ｖになっている。次に、ＬＥＤ（Ａ）がＯＮになると印加電圧がＶｆ（Ａ）である６５Ｖに変化する。そして、その変化は滑らかになっており、スパイク状の高電圧の発生することが防止されている。

次に、立下り遅延を与える具体的な方法について図５を用いて説明する。図５（１）はゲート回路へ直接入力信号Ａとゲートで遅延された信号Ｎを入力している。ゲートを通過したデジタル信号は図５（１）で、Ａ，Ｂ、・・とゲートを通過するたびに遅延される。所定の遅延時間を経た信号Ｎは遅延を受けない信号ＡとＯＲゲートへ入力されて論理的な和Ｘとなる。そうすると、原信号Ａに比べてＸは遅延された分だけ立下るタイミングが遅くなる。

図５（２）は、アナログ的な遅延素子であるＲｓとＣｓによる簡便な積分回路を用いた立下り遅延回路である。積分回路を通過すると１，０のデジタル信号Ａはその立ち上がりと立下りの変化が緩やかな波形Ｂとなる。この波形をシュミットトリガー回路を通してデジタル信号Ｃに変換してから、原信号Ａと共にＯＲゲートへ入力して論理和を得る。原信号Ａと積分回路を通過して遅延を受けた信号Ｂとの論理和の信号Ｘは立下り遅延を受けている。

図５（３）は原信号Ａとディレイラインを通過した信号ＢとをＯＲゲートへ入力して論理和Ｘを得る。原信号Ａはディレイラインを通過して時間遅れを受けた信号Ｂとなる。信号Ａと信号Ｂとの論理和を取ると原信号Ａの立下り遅延を受けた信号Ｘを得ることができる。

立下り遅延をさせるために、今まで説明した電気回路の他にも色々な回路が有る。また、立下り遅延を得るためにソフトウエアで処理することも可能である。例えば、立ち上がり指令からカウンタを回して、ＬＥＤのＯＮの長さを決める規定の数に所定の数を足した数になってから立ち下がり指令を出すようにする。立下り指令からカウンタを回す場合は規定の数で立ち上がり指令を出すようにする。上記の、所定の数が遅延時間を与えることになる。このソフト的な処理は、ＣＰＵを用いても良いし、ＰＬＤなどの素子としてハード的に作成しても良い。

上記に説明した２つのＬＥＤ群が共にＯＦＦ状態にならないように駆動することで定電流回路の出力電圧が変化する様子を説明する。図６（１）の下はスイッチング素子への入力（ゲート電圧）を示している。実線がＬＥＤランプ（Ａ）を制御する素子へのゲート電圧、破線がＬＥＤランプ（Ｂ）を制御する素子へのゲート電圧を示す。二つのゲート電圧は相互に切り替えられていて重なることは無い。このゲート電圧の切り替え時に、ＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）が共にＯＦＦになる瞬間が有り、このとき図６（１）の上に示すように定電流源からの出力電圧に高圧のスパイクが観測される。

図６（２）では、実線と破線で表される信号の一方が立ち下がる際に、他方の信号が立ち上がってから立ち下がる様子を示す。この場合は、ＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）が共にＯＦＦになる瞬間が無い。そして、図６（２）の上に示すように、定電流源からの出力電圧に高圧のスパイクが観測されることが無く過電圧が制御されている。なお、出力電圧に凹凸が生じるのは、ＬＥＤ（Ａ）とＬＥＤ（Ｂ）の順方向電圧の合計の違いによるものである。

上述のＬＥＤ駆動回路を有するＬＥＤ照明装置を構成することができる。具体的には商用電源が入力される定電流源とＬＥＤ群の間に上述のＬＥＤ駆動回路を置き、調色信号に基づいて照明光の色度を変える照明装置を構成する。調光する場合は、定電流源の設定電流の値を変えることで実現することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更は追加があっても本発明の範囲に含まれる。

１ 調光（調色）設定部
２ ＰＷＭ生成部（Ａ）
３ ＰＷＭ生成部（Ｂ）
４、５ 立下り遅延部
６、７ スイッチ
８ ＬＥＤ群（Ａ）
９ ＬＥＤ群（Ｂ）
１０ インバータ

Claims (3)

1. 順方向に直列接続される複数のＬＥＤからなる第１のＬＥＤ群及び前記第１のＬＥＤ群と異なる色度を有する順方向に直列接続される複数のＬＥＤからなる第２のＬＥＤ群への通電を交互に切り替え駆動して調色を行うＬＥＤ駆動回路であって、
   前記第１のＬＥＤ群及び前記第２のＬＥＤ群と定電流源との間にそれぞれＯＮ制御信号で通電し、ＯＦＦ制御信号で通電停止になる第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子が接続され、
   前記ＯＮ制御信号の時間幅を変えられるパルス幅変調器からの出力信号が第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通して前記第１のスイッチング素子に入力され、前記出力信号の反転信号が第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通して前記第２のスイッチング素子に入力されることで、
   第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第1の制御信号のＯＮ期間の長さが同時期の第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第２の制御信号のＯＦＦ期間よりも長くなるように、また、
   第２のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第２の制御信号のＯＮ期間の長さが同時期の第１のＯＦＦ遷移遅延回路を通した第１の制御信号のＯＦＦ期間よりも長くなるように構成されることを特徴とするＬＥＤ駆動回路。
2. 前記反転信号が、前記出力信号をインバータに通して得られることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路。
3. 請求項１又は２記載のＬＥＤ駆動回路を備えることを特徴とする照明装置。

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