JP7340298B1

JP7340298B1 - 駆動回路およびその駆動回路を備えた照明装置

Info

Publication number: JP7340298B1
Application number: JP2022195995A
Authority: JP
Inventors: 勉高橋; 正志松村
Original assignee: サンエー電機株式会社
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2042-12-07
Also published as: JP2024082195A

Abstract

【課題】シンプルな回路で、効率の良いＬＥＤの駆動回路およびその駆動回路を備えた照明装置を提供する。【解決手段】駆動回路１０は電源とＬＥＤユニット１４の間に接続され、ＬＥＤユニット１４を５００Ｈｚ～５ｋＨｚでＯＮ・ＯＦＦさせる高速点滅電流を生成する回路である。駆動回路１０は、点滅信号発振回路１８、スイッチング制御回路２０、および降圧コンバータ回路２２を備える。降圧コンバータ回路２２は、第１抵抗Ｒ１に流れるピーク電流を一定値に逐次制御する定電流コンバータとして動作する。降圧コンバータ回路２２は、コイルＬ１、整流器Ｄ１、スイッチング素子Ｑ１、スイッチング制御回路２０および出力コンデンサC２を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤユニットに５００Ｈｚ～５ｋＨｚの高い周波数で点滅する電流を供給するための駆動回路およびその駆動回路を備えた照明装置に関するものである。

従来、ＬＥＤを点滅発光させるための回路が開発されている。たとえば、下記特許文献１に開示される回路は定電流をＬＥＤに流す直列接続した主トランジスタと、定電流をＬＥＤユニットからバイパスさせる副トランジスタを設け、主トランジスタと副トランジスタを一定のシーケンスでＯＮ・ＯＦＦ制御することで定電流回路の流しだす電流を止めることなくＬＥＤをパルス発光させるため、定電流回路の応答遅れがパルス発光電流の波形なまりやオーバーシュートの影響をなくすことでＬＥＤを高速点滅させることを実現している。

しかし、定電流回路とは別のＬＥＤ電流をＯＮ・ＯＦＦする２つのパワー素子が必要となり回路が複雑であり、ＯＦＦ時も電流が流れ続けるため効率も悪かった。

特開２０１９－４７０９５

本発明の目的はシンプルな回路で、効率の良いＬＥＤの駆動回路およびその駆動回路を備えた照明装置を提供することにある。

本発明の駆動回路は、電源とＬＥＤユニット（発光ダイオード素子単体あるいは複数の発光ダイオード素子を並直列の組み合わせ集合体）の間に接続される５００Ｈｚ～５ｋＨｚでＯＮ・ＯＦＦされる。駆動回路は、点滅信号発振回路と、電源から整流器とコイルとピーク電流を一定に逐次するスイッチング制御回路でＯＮ・ＯＦＦ制御されるスイッチング素子と、静電容量値が、パルス電流の立ち上り時間が電流の出力時間Ｔｏｎの少なくとも１／２以下、同様に立ち下り時間が電流の停止時間Ｔｏｆｆの少なくとも１／２以下にするために、ＬＥＤユニット１４の内部抵抗Ｒに対し、Ｔｏｎ／４．４ＲとＴｏｆｆ／４．４Ｒの値の小さい方の値以下に設定されている出力コンデンサとで降圧コンバータを構成している。

本発明によると、ＬＥＤユニットを５００Ｈｚ～５ｋＨｚの高い周波数で点滅させるパルス電流を、接続するＬＥＤユニットの電圧が変わっても点滅する電流値が安定で、高い周波数で点滅させるため、点滅電流の速い立ち上り立ち下りの、シンプルな駆動回路が提供できる。

本発明の回路構成を示す図である。本発明のパルス電流の立ち上り・立ち下りの時間のメカニズムの解析のために用いたＬＥＤユニット周辺の基本回路を示す図であり、（ａ）がＬＥＤユニットに流れる電流の立ち下り時、（ｂ）がＬＥＤユニットに流れる電流の立ち上がり時を示す。本発明のＬＥＤユニットに流れるパルス電流を示すグラフである。

本願のＬＥＤの駆動回路および照明装置について図面を用いて説明する。図１に示す駆動回路１０は、電源１２とＬＥＤユニット１４の間に接続される回路である。

電源１２は直流電圧を出力する電源回路を含む。たとえば、電源１２は交流電源およびＡＣ／ＤＣコンバータを含む回路であってもよい。交流電源は、商用利用されている交流の送電網であってもよい。交流電力を直流電力に変換できるのであればＡＣ／ＤＣコンバータの種類は問わない。たとえば、ＡＣ／ＤＣコンバータとしてスイッチング方式が挙げられ、そのスイッチング方式の中で絶縁タイプおよび非絶縁タイプのいずれであってもよい。

電源１２は交流電力を直流化する電源回路に限らない。直流電力を出力できれば、電源１２は電池などの直流電源であってもよい。

電源１２とアースの間に接続された第１コンデンサＣ１は電源１２の出力を平滑するためのものである。その平滑が必要なければ、第１コンデンサＣ１を省略してもよい。

ＬＥＤユニット１４は、１または複数の発光ダイオード素子を備える。複数の発光ダイオード素子を備える場合、それらの発光ダイオード素子は直列、並列または直並列に接続されている。ＬＥＤユニット１４は第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２に接続される。第１端子Ｐ１は電源１２につながる配線１６に接続されており、第１端子Ｐ１からＬＥＤユニット１４に電力供給される。ＬＥＤユニット１４は高速でオン・オフされることで、人間の視覚では常時点灯しているように感じられる。ＬＥＤユニット１４を流れた電流は第２端子Ｐ２から駆動回路１０に流れる。

駆動回路１０は電源とＬＥＤユニット１４の間に接続され、ＬＥＤユニット１４を５００Ｈｚ～５ｋＨｚでＯＮ・ＯＦＦさせる高速点滅電流を生成する回路である。駆動回路１０は、点滅信号発振回路１８、スイッチング制御回路２０、および降圧コンバータ回路２２を備える。

点滅信号発振回路１８は所定の周波数、デューティ（Ｄｕｔｙ）比でオン・オフする信号を出力し、その信号をスイッチング制御回路２０に入力する回路である。

スイッチング制御回路２０はスイッチング素子Ｑ１を制御する回路である。スイッチング制御回路２０は点滅信号発振回路１８からの信号が入力されているときに駆動される。スイッチング制御回路２０が駆動しているとき、点滅信号発振回路１８の信号よりも高速でオン・オフする信号を出力し、スイッチング素子Ｑ１のゲートに入力し、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフする。

点滅信号発振回路１８およびスイッチング制御回路２０の制御用電源Ｖ１は、電源１２から得られてもよいし、他の電源であってもよい。

降圧コンバータ回路２２は、第１抵抗Ｒ１に流れるピーク電流を一定値に逐次制御する定電流コンバータとして動作する。降圧コンバータ回路２２は、コイルＬ１、整流器Ｄ１、スイッチング素子Ｑ１、スイッチング制御回路２０および出力コンデンサＣ２を備える。

コイルＬ１は一方の端子が第２端子Ｐ２に接続され、他方の端子が整流器Ｄ１およびスイッチング素子Ｑ１に接続されている。整流器Ｄ１はアノードがコイルＬ１に接続され、カソードが配線１６に接続されている。スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦの時に整流器Ｄ１によってコイルＬ１に回生電流を流すことができる。

スイッチング素子Ｑ１のドレインがコイルＬ１に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のゲートにスイッチング制御回路２０の信号が入力されるようになっている。第１抵抗Ｒ１はスイッチング素子Ｑ１の電流をモニタするものであり、スイッチング素子Ｑ１のソースが第１抵抗Ｒ１に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１のソースと第１抵抗Ｒ１の間とスイッチング制御回路２０の間に第２抵抗Ｒ２が接続されている。

スイッチング制御回路２０はスイッチング素子Ｑ１のピーク電流を一定値に逐次制御する回路である。第１抵抗Ｒ１に現れるコイルＬ１のピーク電流値が電圧に変換され、第２抵抗Ｒ２を介してスイッチング制御回路２０に入力される。スイッチング素子Ｑ１のピーク電流値を一定に逐次制御することで点滅信号発振回路に従った逐次の速い応答の点滅電流をコイルＬ１に供給することができる。

スイッチング制御回路２０は、ピーク電流値を一定に逐次制御できるＯＦＦ時間固定方式、または周波数固定方式など様々な市販のスイッチング用ＩＣを用いても良いし、高速コンパレータとＦＥＴドライブＩＣなどの組み合わせで構成しても良い。ピーク電流はスイッチング素子Ｑ１のピーク電流でなく、コイルＬ１に流れる前記ピーク電流を含む電流を電圧変換して前記スイッチング制御回路２０に入力してもよい。

出力コンデンサＣ２はＬＥＤユニット１４に並列して接続されている。出力コンデンサＣ２は、その静電容量値が、点滅電流の立ち上り時間Δｔｏｎが電流の出力時間Ｔｏｎの少なくとも１／２以下、同様に立ち下り時間Δｔｏｆｆが電流の停止時間Ｔｏｆｆの少なくとも１／２以下にする。ＬＥＤユニット１４の内部抵抗の抵抗値をＲとした場合、Ｔｏｎ／４．４ＲとＴｏｆｆ／４．４Ｒの値の小さい方の値以下に設定されている。その理論的説明は以下のようになる。

ＬＥＤユニット１４の簡易的な等価回路は図２のように内部抵抗ＲＬと理想ツェナーダイオードＶＬ(流れる電流の大小でツェナー電圧ＶＬは変化しない)で表される。

前記ピーク電流を逐次制御されたコイルＬ１に流れる電流は整流器Ｄ１により、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング周期のＯＦＦ期間(点滅信号発振回路のＯＦＦのことではない)には回生電流が加算され連続電流として出力コンデンサＣ２でそのリップルを低減しながらＬＥＤユニット１４に電流が流れる。それに対し点滅信号発振回路１８の点滅信号に従い、コイルＬ１を経て連続電流出力と停止を繰り返す。

したがって、コイルＬ１の連続電流がＯＮからＯＦＦになった時点から出力コンデンサＣ２の放電電流がＬＥＤユニット１４に流れ、電流はカーブを描きながら電流は停止に向かい、同様にコイルＬ１の電流がＯＦＦからＯＮ(連続電流)になった時点は出力コンデンサＣ２を充電電流として流すため、出力コンデンサＣ２の電圧が遅れて上昇する。ＬＥＤユニット１４には電流がカーブを描きながら上昇する。このメカニズムにより、出力コンデンサＣ２によってＬＥＤユニット１４の点滅の立ち上り立ち下り時間が生じる。

この立ち上り立ち下り時間は以下のように計算することができる。図２（ａ）のように、ＬＥＤユニット１４の電流のＯＦＦに向かう立ち下り時は

図２（ｂ）のように、電流のＯＮに向かう立ち上り時は

の微分方程式で表される。なお、前記２つの数式において、ＶＬはＬＥＤユニット１４の簡易的な等価回路の中の理想ツェナーダイオード電圧、ＲＬはＬＥＤユニットの簡易的な等価回路の内部抵抗、Ｃ２は出力コンデンサＣ２の容量、ｉ（ｔ）は出力コンデンサＣ２に流れる電流、ｉｃはコイルＬ１に流れる電流である。

立ち上り時間を最大電流の１０％から９０％の時間、立ち下り時間を最大電流の９０％から１０％の時間で定義すると、各々の非同次方程式の一般解から、立ち下り時間立ち下り時間ともΔｔ≒２．２ＲＣの式であらわされる。

図３でΔｔｏｎ≒２．２ＲＣ２は立ち上り時間Δｔｏｆｆ≒２．２ＲＣ２は立ち下り時間を表す。これから立ち上り、立ち下り時間が各々電流の出力時間Ｔｏｎ、停止時間Ｔｏｆｆの少なくとも１／２以下条件から、各々Ｃ２＜Ｔｏｎ／４．４Ｒ、Ｃ２＜Ｔｏｆｆ／４．４Ｒが算出される。

このことから出力コンデンサＣ２の値は点滅周波数のＯＮ時間、ＯＦＦ時間およびＬＥＤユニット１４の内部抵抗だけで決定でき、ＬＥＤ電流、ＬＥＤ電圧には関係しないことが導き出されている。

一般的なパワーＬＥＤのＬＥＤ電圧が１０Ｖの時の内部抵抗値は０．５～２Ω／１０Ｖであるため、点滅周波数のデューティ比が５０％のとき、すなわちＴｏｎ＝Ｔｏｆｆのときの代表的な出力コンデンサＣ２の値を例にとって以下に示す。

１０ＶあたりのＬＥＤ内部抵抗１Ω／１０ＶのＬＥＤユニット１４で点滅周波数２ｋＨｚの場合、立ち上り立ち下り時間をＯＮ周期(ＯＦＦ周期)のすくなとも半分以下とするために、
ＬＥＤ電圧が２００Ｖの場合、出力コンデンサＣ２の容量が２．８ｕＦ未満
ＬＥＤ電圧が１００Ｖの場合、出力コンデンサＣ２の容量が５．７ｕＦ未満
ＬＥＤ電圧が５０Ｖの場合、出力コンデンサＣ２の容量が１１．４ｕＦ未満
となる。

さらに、本願の駆動回路１０は第３抵抗Ｒ３、基準電位生成回路２４、オペアンプＯＰ１、トランジスタＱ２を含む。

第３抵抗Ｒ３は電源１２から第１端子Ｐ１を接続する配線１６において、第１端子Ｐ１の前段に接続されている。出力コンデンサＣ２とＬＥＤユニット１４に流れる電流により、第３抵抗Ｒ３の両端に電位差が生じる。第３抵抗Ｒ３は第１端子Ｐ１の前段で電位を生じさせる素子である。

基準電位生成回路２４は第３抵抗Ｒ３の電源１２側に接続される。基準電位生成回路２４は第３抵抗Ｒ３の電源１２側の電位から入出力レール・ツー・レール（ＲａｉｌｔｏＲａｉｌ）の性能を有するオペアンプＯＰ１に入力する基準電位を生成する回路である。基準電位生成回路２４は第３抵抗Ｒ３の電源１２側に接続される第４抵抗Ｒ４、第４抵抗Ｒ４に直列接続された第５抵抗Ｒ５および直列接続されたそれらの抵抗Ｒ４、Ｒ５に並列接続されたツェナーダイオードＺＤ１を備える。基準電位は点滅電流の平均値が所定値からずれていないかを検知するための電位であり、第４抵抗Ｒ４の電源１２の反対側の電位が基準電位となり、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力される。

第３抵抗Ｒ３の第１端子Ｐ１側の電位がオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に入力される。また、点滅電流を積分して平均化するために、第７抵抗Ｒ７と第３コンデンサＣ３の直列回路がオペアンプＯＰ１と並列に接続されている。

オペアンプＯＰ１は点滅電流の平均値に応じて差動出力し、スイッチング制御回路２０にフィードバックされる誤差増幅器として動作する。フィードバック出力された電圧信号はトランジスタＱ２とそのエミッタ抵抗である第８抵抗Ｒ８の働きによりコレクタから流れる電流に比例変換される。

オペアンプＯＰ１の出力(第３抵抗Ｒ３の電源１２側の点を基準点として)はその電源電圧を決めているツェナーダイオードＺＤ１の電圧からトランジスタＱ２のベースエミッタ電圧Ｖｂｅを差し引いた電圧で制限される。トランジスタＱ２のコレクタから流れる電流は(ツェナーダイオードＺＤ１の電圧－トランジスタＱ２のベースエミッタ電圧Ｖｂｅ)／第８抵抗Ｒ８の抵抗値に制限される。その電流値をｉｍａｘとする。一方、スイッチング素子Ｑ１のソース電流をモニタしている第３抵抗Ｒ３の電圧は、前記のトランジスタＱ２から流れるフィードバック電流は０Ａからｉｍａｘに制限されている。（第１抵抗Ｒ1の電圧＋第２抵抗Ｒ2の抵抗値×ｉｍａｘ／２）が所定のＬＥＤユニット１４の点灯時電流に相当するように乗数を設定しておけば、出力点滅電流の平均値の遅い応答のフィードバック分は（第２抵抗Ｒ2の抵抗値×ｉｍａｘ）の幅だけに制限されるため、起動時のＬＥＤユニット１４に流れる電流のオーバーシュートはこの範囲に抑えられる。

本願の照明装置２６は駆動回路１０にＬＥＤユニット１４が接続されたものである。照明装置２６が電源１２に接続されることで、上述したような方法でＬＥＤユニット１４に電流が流れ、ＬＥＤユニット１４が駆動する。

以上のように、本願は５００Ｈｚ～５ＫＨｚの高い周波数でＬＥＤユニット１４を点滅させる電流を、速い立ち上がり立ち下りで行っており、回路構成もシンプルになっている。ＬＥＤユニット１４の電圧が変わっても点滅する電流値が安定する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：駆動回路
１２：電源
１４：ＬＥＤユニット
１６：配線
１８：点滅信号発振回路
２０：スイッチング制御回路
２２：降圧コンバータ回路
２４：基準電圧生成回路
２６：照明装置
Ｖ１：制御回路電源
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０：抵抗
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：コンデンサ
ＺD１：ツェナーダイオード
Ｑ１：スイッチング素子
Ｑ２：トランジスタ
ＯＰ１：オペアンプ
Ｐ１、Ｐ２：端子
Ｌ１：コイル

Claims

電源とＬＥＤユニットの間に接続されるＬＥＤの駆動回路であって、
前記ＬＥＤユニットを接続するための第１端子および第２端子と、
前記電源と第１端子とを接続するための配線と、
前記第２端子に接続されたコイルと、
前記配線とコイルに接続された整流器と、
前記コイルとアースとの間に接続されたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のピーク電流値を一定に逐次制御するスイッチング制御回路と、
前記ＬＥＤユニットに並列に接続された出力コンデンサと、
を備え、
前記ＬＥＤユニットに流れる電流のオン時間をＴｏｎ、電流のオフ時間をＴｏｆｆ、ＬＥＤユニットの内部抵抗をＲとした場合、
前記出力コンデンサの容量がＴｏｎ／４．４ＲまたはＴｏｆｆ／４．４Ｒのいずれか小さいほうの値に設定され、
前記ＬＥＤユニットに流れる電流の立ち上がり時間が電流のオン時間の少なくとも１／２以下、電流の立ち下り時間がパルス電流のオフ時間の少なくとも１／２以下である駆動回路。
前記電源と第１端子との間に接続された第１抵抗と、
前記第１抵抗の前段に接続され、第１抵抗の電源側の電位から基準電位を生成する基準電位生成回路と、
前記基準電位生成回路で生成された基準電位および第１抵抗により生じる電位の誤差を平均化して誤差増幅出力するオペアンプと、
前記電源と第１抵抗の間にエミッタが接続され、コレクタがスイッチング制御回路に接続され、オペアンプの出力電圧がベースに印加され、該オペアンプの出力電圧に応じて第１抵抗で生じた電圧を電流に変換するトランジスタと、
を備えた請求項１の駆動回路。
請求項１または2の駆動回路と、
前記駆動回路に接続されたＬＥＤユニットと、
を備えた照明装置。