(57)【要約】【課題】入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供する。【解決手段】直流電源ＶＩＮの両端にＬＥＤとインダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１と電流検出抵抗Ｒ１とか直列に接続された直列回路と、ＬＥＤとインダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードＤ１と、スイッチング素子がオンの時の電流と所定の定電流との差電流で充放電されるコンデンサＣ２と、スイッチング素子をオンオフ制御し且つコンデンサの電圧に基づきスイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤに流れる電流を一定に制御するＰＷＭ制御回路１１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源の両端にＬＥＤとインダクタとスイッチング素子と電流検出抵抗とか直列に接続された直列回路と、
前記ＬＥＤと前記インダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードと、
前記スイッチング素子がオンの時の電流と所定の定電流との差電流で充放電されるコンデンサと、
前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御して前記ＬＥＤに流れる電流を一定に制御するＰＷＭ制御回路と、
を備えることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
【請求項２】
前記ＰＷＭ制御回路は、
前記電流検出抵抗に接続された電流検出用のオペアンプと、
前記オペアンプの出力と前記コンデンサとを結ぶ共通ラインに接続され、前記スイッチング素子に同期してオン／オフする定電流を発生する定電流発生回路と、
三角波信号を発生する三角波発振器と、
前記共通ラインの電圧と前記三角波発振器からの三角波信号とを比較することにより前記ＰＷＭ信号を生成するコンパレータと、
を備えることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ点灯装置。
【請求項３】
光出力を調整するための調光信号を生成する可変直流電源を備え、
前記定電流発生回路は、前記可変直流電源からの調光信号に応じて前記共通ラインに流す電流を調整することを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤを点灯させるＬＥＤ点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を点灯するＬＥＤ点灯装置として、直流電流により点灯するＬＥＤを点灯制御するＬＥＤ点灯装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
このＬＥＤ点灯装置は、直流電流により点灯するＬＥＤに対して直列にインダクタとスイッチング素子が接続され、ＬＥＤとインダクタとの直列回路と並列に接続され、スイッチング素子のオフ時にインダクタの蓄積エネルギーを半導体発光素子に放出する方向に接続された回生ダイオードを備えた降圧チョッパ回路と、スイッチング素子をオン／オフさせる制御回路とを備える。
【０００４】
制御回路は、スイッチング素子のオン時にインダクタに流れる漸増電流の瞬時値が所定値に達するとスイッチング素子をオフする手段と、スイッチング素子のオフ時にインダクタに流れる漸減電流が略ゼロになるとスイッチング素子をオンする手段とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２１０６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＬＥＤ点灯装置においては、スイッチング素子のオフ時にインダクタに流れる漸減電流が略ゼロになると、スイッチング素子をオンすることにより平均電流制御を行うことができるが、臨界モード制御のためインダクタに流れる電流のピーク値が大きく、スイッチングオフ時の損失が大きくなる。
【０００７】
また、入力電圧変動によりスイッチング素子のオフからオンになるタイミングが変化し、発振周波数が変動するので、スイッチング損失も変動してしまう。
【０００８】
しかしながら、スイッチング素子に流れる電流のピーク値を固定したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御では、入力電圧変動があるときには平均電流制御を行うことができないという問題がある。
【０００９】
また、ＬＥＤを点灯させるためのＬＥＤ駆動回路は、一般に、定電流で制御を行う。従来のＰＷＭ制御を行う降圧型のＬＥＤ駆動回路では、ＬＥＤがフローティングされており、ＬＥＤを流れる電流を検出するための電流検出部ではローサイド（ＧＮＤライン）検出が不可能である。このため、平均電流検出を行う時はＬＥＤに流れる電流を直接に検出するフローティングされた電流検出回路が必要である。
【００１０】
しかしながら、フローティングされた電流検出回路を使用すると、電流検出回路と制御回路との間の耐圧を高くする必要があるので、フォトカプラ等により信号を絶縁する回路や高耐圧部品を採用しなければならず、高コストとなる問題がある。
【００１１】
本発明の課題は、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ点灯装置は、直流電源と、前記直流電源の両端にＬＥＤとインダクタとスイッチング素子と電流検出抵抗とか直列に接続された直列回路と、前記ＬＥＤと前記インダクタとの直列回路に並列に接続された回生ダイオードと、前記スイッチング素子がオンの時の電流と所定の定電流との差電流で充放電されるコンデンサと、前記スイッチング素子をオンオフ制御し且つ前記コンデンサの電圧に基づき前記スイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御して前記ＬＥＤに流れる電流を一定に制御するＰＷＭ制御回路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るＬＥＤ点灯装置によれば、スイッチング素子がオンの時の電流と所定の定電流との差電流でコンデンサを充放電し、ＰＷＭ制御回路がコンデンサの電圧に基づきスイッチング素子のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤに流れる電流を一定に制御するので、入力電圧変動があっても平均電流制御を行うことができ、しかも簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置において入力電圧が高くなった時の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。。
【図５】本発明の実施例３のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態のＬＥＤ点灯装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置の回路図である。ＬＥＤ点灯装置は、負極が接地され電圧Ｖｉｎを発生する直流電源ＶＩＮ、直流電源ＶＩＮの正極にアノードが接続され電流ＩLEDが流れることにより発光する複数のＬＥＤ、一端がＬＥＤのカソードに接続されたインダクタＬ１、ドレインがインダクタＬの他端に接続されたスイッチング素子Ｑ１、一端がスイッチング素子Ｑ１のソースに接続され、他端が接地された電流検出抵抗Ｒ１を備える。
【００１７】
ＬＥＤとインダクタＬ１との直列回路に並列に回生ダイオードＤ１が接続され、回生ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１のオフ時にインダクタＬ１の蓄積エネルギーをＬＥＤに放出する方向に接続される。
【００１８】
スイッチング素子Ｑ１のゲートには、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフを制御するＰＷＭ制御回路１１のｄｒｉｖ端子が接続される。ＰＷＭ制御回路１１のｓｅｎｓ端子には、スイッチング素子Ｑ１のソースと電流検出抵抗Ｒ１とが接続され、ＰＷＭ制御回路１１のｃｏｍｐ端子には、位相補正用のコンデンサＣ２の一端が接続され、コンデンサＣ２の他端は接地されている。
【００１９】
ＰＷＭ制御回路１１は、電流検出用のオペアンプＯＰ１、抵抗Ｒ２、スイッチング素子Ｑ２、三角波発振器１２、コンパレータＣＰ、ドライバＤＲＶ、インバータＩＮＶ、スイッチング素子Ｑ３、基準電流ＩREFを出力する定電流源ＩＳ、ダイオードＤ２を備える。
【００２０】
ＰＷＭ制御回路１１は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフ制御し且つコンデンサＣ２の電圧に基づきスイッチング素子Ｑ１のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤに流れる電流を一定に制御する。
【００２１】
本発明の定電流発生回路は、定電流源ＩＳ、スイッチング素子Ｑ３、インバータＩＮＶ及びダイオードＤ２を有して構成されている。
【００２２】
オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、ｓｅｎｓ端子を介してスイッチング素子Ｑ１のソースと電流検出抵抗Ｒ１とが接続される。オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、抵抗Ｒ２の一端とスイッチング素子Ｑ２のエミッタとが接続され、抵抗Ｒ２の他端は接地されている。オペアンプＯＰ１の出力端子は、スイッチング素子Ｑ２のベースに接続される。スイッチング素子Ｑ２のコレクタは、ダイオードＤ２のカソード、コンパレータＣＰの非反転入力端子とｃｏｍｐ端子を結ぶ共通ラインＣＬに接続される。
【００２３】
ｃｏｍｐ端子には、コンデンサＣ２の一端が接続され、コンデンサＣ２の他端は接地されている。ｃｏｍｐ端子には、コンデンサＣ２を充放電するための制御電流Ｉｃｏｍｐが流れる。即ち、コンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ１がオンの時に抵抗Ｒ２に流れる電流ＩR2と所定の定電流である基準電流ＩREFとの差電流である制御電流Ｉｃｏｍｐにより充放電される。
【００２４】
三角波発振器１２は、三角波信号を発生してコンパレータＣＰの反転入力端子に出力する。コンパレータＣＰは、三角波発振器１２からの三角波信号とｃｏｍｐ端子の制御電圧Ｖｃｏｍｐとを比較し、比較出力信号をドライバＤＲＶに出力する。ドライバＤＲＶは、電圧Ｖｄｒｉｖをｄｒｉｖ端子を介してＰＷＭ信号としてスイッチング素子Ｑ１のゲートに出力する。
【００２５】
インバータＩＮＶは、コンパレータＣＰの出力を反転してスイッチング素子Ｑ３のゲートに出力する。スイッチング素子Ｑ３のドレインは定電流源ＩＳとダイオードＤ２のアノードに接続され、ソースは接地されている。ダイオードＤ２のカソードは、共通ラインＣＬに接続される。
【００２６】
ＰＷＭ制御回路１１では、コンパレータＣＰの出力がＨレベルになると、スイッチング素子Ｑ３がオフとなり、定電流源ＩＳとダイオードＤ２とを介して共通ラインＣＬに基準電流ＩREFが流れる。コンパレータＣＰの出力がＬレベルになると、スイッチング素子Ｑ３がオンになり、基準電流ＩREFはグランドに流れるので、ダイオードＤ２から共通ラインＣＬへの電流は流れない。
【００２７】
次に、このように構成されるＬＥＤ点灯装置の動作を図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００２８】
まず、ＰＷＭ制御回路１１のｄｒｉｖ端子から出力されている電圧ＶｄｒｉｖがＨレベルの期間、即ち、スイッチング素子Ｑ１のオン期間中、直流電源ＶＩＮからＬＥＤ、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ１、電流検出抵抗Ｒ１を介してグランドに電流が流れる。
【００２９】
このとき、抵抗Ｒ１に発生した電圧がｓｅｎｓ端子に入力され、オペアンプＯＰ１の非反転端子に入力される。オペアンプＯＰ１の反転端子には抵抗Ｒ２が接続され、抵抗Ｒ２の電圧降下Ｖｔｈ１が抵抗Ｒ１に発生した電圧と同じ電圧になるように、オペアンプＯＰ１はスイッチング素子Ｑ２を介して抵抗Ｒ２に電流ＩR2を流そうと制御する。そして、スイッチング素子Ｑ２のコレクタに流れる電流ＩR2と定電流源ＩＳの電流ＩREFとの差分の電流を制御電流Ｉｃｏｍｐとしてｃｏｍｐ端子に出力する。
【００３０】
ｃｏｍｐ端子に接続されたコンデンサＣ２においては、制御電流Ｉｃｏｍｐによる充放電が行われる。より詳しくは、電圧ＶｄｒｉｖのＨレベル期間の前半では、制御電流ＩｃｏｍｐによるコンデンサＣ２の充電が行われ、後半ではコンデンサＣ２の放電が行われる。定電流制御は、ｃｏｍｐ端子の制御電圧ＶｃｏｍｐをＰＷＭ制御回路１１に入力し、ｄｒｉｖ端子から出力されるＰＷＭ信号のデューティを制御することにより行われる。
【００３１】
定電流源ＩＳとダイオードＤ２のアノードとの接続点に接続されたスイッチング素子Ｑ３は、ドライバＤＲＶの出力がＨレベルのときにオフとなり、定電流源ＩＳとからダイオードＤ２を介してｃｏｍｐ端子及びスイッチング素子Ｑ２のコレクタに電流ＩREFが流れる。このとき、電流検出用のオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されたスイッチング素子Ｑ２には電流ＩR2が流れるので、ｃｏｍｐ端子に流れる制御電流Ｉｃｏｍｐは、前述の電流ＩREFと電流ＩR2との差分となり、コンデンサＣ２の充放電が行われる。
【００３２】
インダクタＬ１に流れる電流が連続モードの時、インダクタＬ１にエネルギーを蓄えている期間中の電流を検出することにより、スイッチング素子Ｑ１がオフしている期間にインダクタＬ１のエネルギーが放出される期間中の電流も合わせて平均化することが可能となる。
【００３３】
図３は、直流電源ＶＩＮの電圧変動によって入力電圧Ｖｉｎが高くなった時のＬＥＤ点灯装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。電圧変動によって入力電圧Ｖｉｎが小さくなると、図２に示すように、ＰＷＭ制御回路１１のｄｒｉｖ端子から電圧Ｖｄｒｉｖとして出力されるＰＷＭ信号のオン幅が長くなるように制御される。
【００３４】
一方、電圧変動によって入力電圧Ｖｉｎが高くなると、図３に示すように、ＰＷＭ制御回路１１のｄｒｉｖ端子から電圧Ｖｄｒｉｖとして出力されるＰＷＭ信号のオン幅が短くなるように制御される。いずれの場合も、ＰＷＭ信号の周期は一定である。これにより、電圧変動により入力電圧Ｖｉｎが変化しても、ＬＥＤに流れる電流ＩLEDが一定になるように制御される。
【００３５】
このように本発明の実施例１のＬＥＤ点灯装置によれば、従来のスイッチングオフ時に生じる損失と入力電圧変動に起因する発振周波数の変動によるスイッチング損失を回避しつつ、スイッチング素子Ｑ１がオンの時の電流と所定の定電流との差電流でコンデンサＣ２を充放電し、ＰＷＭ制御回路１１がコンデンサＣ２の電圧に基づきスイッチング素子Ｑ２のオン期間の電流平均値が一定になるようにＰＷＭ制御してＬＥＤに流れる電流を一定に制御するので、入力電圧変動があってもＰＷＭ制御による平均電流制御を行うことができる。
【００３６】
また、直流電源ＶＩＮとドライバとなるスイッチング素子Ｑ１との間に負荷であるＬＥＤを接続し、直流電源ＶＩＮから負荷を通ってドライバに流れ込む電流を制御するローサイド方式を採用し、ローサイド側でＬＥＤの電流を検出するので、回路の簡単化が可能であるとともに、安価な部品を使用でき、簡単な構成で安価なＬＥＤ点灯装置を提供できる。
【実施例２】
【００３７】
図４は、実施例２のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。実施例２のＬＥＤ点灯装置は、ＰＷＭ制御回路１１ａの構成が実施例１のＰＷＭ制御回路１１とは異なる。このＰＷＭ制御回路１１ａは、実施例１のインバータＩＮＶ、定電流源ＩＳ、ダイオードＤ２を削除し、抵抗Ｒ３、カレントミラー回路ＭＣを設けて構成されている。
【００３８】
カレントミラー回路ＭＣは、２つのトランジスタＱ４及びトランジスタＱ５を備え、トランジスタＱ４に流れる電流と同じ大きさの電流をトランジスタＱ５に流す。
【００３９】
コンパレータＣＰの出力端子は、スイッチング素子Ｑ３のゲートに接続される。スイッチング素子Ｑ３のソースは接地され、ドレインは抵抗Ｒ３を介してカレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ４のコレクタ及びベースとトランジスタＱ５のベースとに接続される。カレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ５のコレクタは、共通ラインＣＬに接続される。トランジスタＱ４，Ｑ５のエミッタは、電源＋Ｖｃｃに接続される。
【００４０】
このように構成されるＰＷＭ制御回路１１では、コンパレータＣＰの出力がＨレベルになると、スイッチング素子Ｑ３がオンになり、カレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ４、抵抗Ｒ３及びスイッチング素子Ｑ３を介して基準電流ＩREFが流れる。これにより、カレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ５にも基準電流ＩREFに等しい電流が流れる。
【００４１】
一方、コンパレータＣＰの出力がＬレベルになると、スイッチング素子Ｑ３がオフになり、基準電流ＩREFは流れないので、カレントミラー回路ＭＣから共通ラインＣＬへの電流は流れない。このため、ＰＷＭ制御回路１１は、実施例１の動作と同様の動作を行う。
【００４２】
このように構成される実施例２のＬＥＤ点灯装置によれば、ＰＷＭ制御回路１１ａは、実施例１の動作と同様の動作を行うので、実施例１のＬＥＤ点灯装置と同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００４３】
図５は、実施例３のＬＥＤ点灯装置の構成を示す回路図である。実施例３のＬＥＤ点灯装置は、可変直流電源ＶＣを追加するとともに、ＰＷＭ制御回路１１ｂが実施例１のＰＷＭ制御回路１１とは異なる。
【００４４】
即ち、ＰＷＭ制御回路１１ｂは、実施例１のインバータＩＮＶ、定電流源ＩＳおよびダイオードＤ２を削除し、抵抗Ｒ３、スイッチング素子Ｑ６、カレントミラー回路ＭＣ、オペアンプＯＰ２及びｄｉｍｍｉｎｇ端子を設けている。
【００４５】
本発明の定電流発生回路は、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴＱ３、抵抗Ｒ３、スイッチング素子Ｑ６、カレントミラー回路ＭＣ及びオペアンプＯＰ２を有して構成されている。
【００４６】
コンパレータＣＰの出力端子は、ＭＯＳＦＥＴＱ３のゲートに接続される。ＭＯＳＦＥＴＱ３のソースは電源＋Ｖｃｃに接続され、ドレインはカレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ４のコレクタとベースとトランジスタＱ5のベースとに接続される。
【００４７】
カレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ５は、共通ラインＣＬに接続され、スイッチング素子Ｑ６のベースは、オペアンプＯＰ２の出力に接続される。オペアンプＯＰ２の反転入力端子は、スイッチング素子Ｑ６のエミッタと抵抗Ｒ３との接続点に接続され、非反転入力端子は、ｄｉｍｍｉｎｇ端子を介して可変直流電源ＶＣに接続される。可変直流電源ＶＣは、可変直流電圧をＬＥＤの光出力を調整する調光信号としてｄｉｍｍｉｎｇ端子に出力する。
【００４８】
このように構成されるＬＥＤ点灯装置によれば、ｄｉｍｍｉｎｇ端子に調光信号が入力されると、スイッチング素子Ｑ１のゲートの電圧ＶｄｒｉｖがＨレベルの時、ＭＯＳＦＥＴＱ３がオフになり、オペアンプＯＰ２、スイッチング素子Ｑ６及び抵抗Ｒ３からなる電圧−電流変換回路を介してカレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ４に、調光信号の電圧に応じた基準電流ＩREFが流れる。これにより、カレントミラー回路ＭＣのトランジスタＱ５から共通ラインＣＬに基準電流ＩREFに等しい電流が流れる。
【００４９】
同時に、スイッチング素子Ｑ１にもドレイン電流が流れ、電流検出抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｑ１に流れた電流がｓｅｎｓ端子に入力される。これにより、オペアンプＯＰ１、スイッチング素子Ｑ２及び抵抗Ｒ２からなる電圧−電流変換回路を流れる電流とカレントミラー回路ＭＣからの電流との差電流が制御電流Ｉｃｏｍｐとしてｃｏｍｐ端子に出力される。
【００５０】
ｃｏｍｐ端子には位相補正用のコンデンサＣ２が接続され、制御電流Ｉｃｏｍｐによる充放電が行われる。定電流制御は、調光制御と同時に、ｃｏｍｐ端子の電流をＰＷＭ制御回路１１に入力し、ｄｒｉｖ端子から出力されるＰＷＭ信号のデューティを制御することにより行われる。
【００５１】
このように実施例３のＬＥＤ点灯装置によれば、実施例１のＬＥＤ点灯装置と同様の動作及び効果が得られるとともに、調光が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、ＬＥＤを利用した照明器具、照明システムなどに利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１１  ＰＷＭ制御回路
１２  三角波発振器
ＶＩＮ  直流電源
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ６  スイッチング素子
Ｑ３  ＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１  電流検出抵抗
Ｄ１  回生ダイオード
ＬＥＤ  発光ダイオード
Ｌ１  インダクタ
ＯＰ１，ＯＰ２  オペアンプ
Ｒ２，Ｒ３  抵抗
ＣＰ  コンパレータ
ＤＲＶ  ドライバ
ＩＮＶ  インバータ
ＩＳ  定電流源
Ｄ２  ダイオード
ＭＣ  カレントミラー回路
Ｑ４，Ｑ５  トランジスタ
【図１】
2015156335.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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