(57)【要約】      （修正有）【課題】ひとつの電源回路を用い、電力効率が良好で、しかも応答性が良好でノイズによる輝度ムラやちらつき等を防止することのできるＬＥＤ駆動制御装置を提供する。【解決手段】交流電力を全波整流した後、平滑にスライスして降圧させた第１パルス信号を生成し、この信号から矩形状の第２パルス信号を生成した後、この第２パルス信号の位相幅を調整して第３パルス信号を生成する。さらにこの信号の立下がりに同期して立上がる第４パルス信号を生成する。この第４パルス信号を反転・昇圧させてＰＷＭレベルに整合させた第５パルス信号を生成する。前記第４パルス信号に同期したピーク電流値を最大振幅としたオン／オフ周期による第６パルスを生成し、この信号のオフ期間に前記第５パルス信号を調整抵抗によってプルダウンされた第７パルス信号を生成する。前記第６パルス信号のオフ期間に前記第７パルス信号を重畳してＬＥＤへ印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から供給される交流電力を全波整流した後、この全波整流波をスライスして降圧させた第１パルス信号を生成する波形スライス手段と、
前記第１パルス信号の立上りエッジ及び立下りエッジを急峻にした矩形状の第２パルス信号を生成した後、前記第２パルス信号をＣＲ積分回路によって位相幅を調整した第３パルス信号を生成する位相調整手段と、
前記第３パルス信号の立下がりエッジに同期して立上がったオンデューティ幅を可変とした第４パルス信号を生成するデューティ可変手段と、
前記第４パルス信号を反転・昇圧させてＰＷＭレベルに整合させた第５パルス信号を生成するＰＷＭレベル整合手段と、
前記第４パルス信号に同期したピーク電流値を最大振幅としたオン/オフ周期による第６パルスを生成するＰＭＷ制御部と、
前記第６パルス信号のオフ期間に、前記第５パルス信号をＩrms調整抵抗によってプルダウンされた第７パルス信号を生成するスイッチ手段と、
を備え、前記第６パルス信号のオフ期間に前記第７パルス信号を重畳して負荷であるＬＥＤへ連続して印加するようにしたＬＥＤ駆動制御装置。
【請求項２】
前記ＰＷＭ制御部と前記ＬＥＤの出力端側との間に充放電回路を備え、前記第６パルス信号のオン期間で充電しオフ期間で放電させることによって、前記充放電によるパルス信号で駆動された電流をＬＥＤ側に印加するようにした請求項１に記載のＬＥＤ駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源を受けて、負荷であるＬＥＤを点灯制御するようにしたＬＥＤ駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた照明装置が多く利用されつつある。例えば、電球、蛍光灯、ダウンライト、投光器、広告灯器、ディスプレイ照明装置、自動車の車内灯や前照灯など従来の白熱灯、水銀灯、メタルハライドランプなどと比べ、低消費電力、長寿命、低発熱、などの性能からその代替需要を含む新需要が急速に進んでいる。このようなＬＥＤ照明装置における駆動制御の最も簡単な方法としては、一般にPulse Width Modulation（ＰＷＭ）制御方式が用いられている。
【０００３】
図５は、従来のＰＷＭ制御方式を用いたＬＥＤ点灯回路の基本的な回路構成を示したものである。このＬＥＤ点灯回路は、電流制限抵抗Ｒ０、半導体スイッチＱ０、ＰＷＭ制御回路とを備えた構成になっている。前記電流制限抵抗Ｒ０は、ＬＥＤに流れる電流を制限する抵抗であり、ＬＥＤに対して直列に接続されている。この直列回路の一方は、電源ラインＶｃｃに接続され、他方は半導体スイッチＱ０を介してグランド（ＧＮＤ）に接続されている。ＰＷＭ制御回路は、半導体スイッチＱ０のゲートにＰＷＭ制御方式で変調されたパルス信号を供給し、半導体スイッチＱ０をオン／オフさせる機能を備えたものとなっている。そして、このオン／オフ周期を半導体スイッチＱ０の設定に沿って変化させることで、駆動制御を行うものである。
【０００４】
しかしながら、図５に示したＰＷＭ制御方式による駆動制御では、順電流が数百ｍＡから数Ａの領域の大電流となる高出力ＬＥＤにおいては、ＰＷＭ制御でＬＥＤを駆動すると非常に早い動作でスイッチングしたのと同じような使用状態となり、熱による膨張収縮が繰り返され、ＬＥＤが短寿命になることがある。
【０００５】
そこで、ＬＥＤの光束を変化させて調光制御するＬＥＤ調光用点灯装置として、ＬＥＤが発光する色のシフトを少なくしながら調光を行い、ＬＥＤに流れる電流による熱的ストレスを軽減し、ＬＥＤの長寿命化、高信頼性を達成できる点灯回路が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２７７５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図６は、特許文献１に開示されたＬＥＤ調光用点灯装置の基本動作を説明した波形図で、
ＬＥＤに流す順電流Ｉｆの時間的変化を示している。第１の周期Ｔ１では、定格付近の第１の順電流Ｉｆ１を流し、第２の周期Ｔ２では第２の順電流Ｉｆ２を流すものであり、この第２の周期Ｔ２において、第２の順電流Ｉｆ２の大きさをコントロールすることでＬＥＤへの熱的ストレスを軽減しつつ、良好な調光を実現することが示されている。
【０００８】
さらに、特許文献１には第２の順電流Ｉｆ２を重畳する方式として、定常的に重畳する方式と、時分割的に重畳する方式が示されている。
定常的に重畳する方式としては、周期Ｔでオン/オフするパルス状の第１の順電流Ｉｆ１と定電流の第２の順電流Ｉｆ２が、それぞれ別の電源回路から生成され、重畳されてＬＥＤに供給される。第２の順電流Ｉｆ２は第２の点灯回路の調光信号から信号を受けて、大きさが制御されるようになっている。
また、時分割的に重畳される方式としては、点灯回路は出力電流フィールド機能を有するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、その出力電流の指令値を生成するマイクロコンピュータを含む指令値生成部とからなり、指令値生成部は、調光信号部からの調光信号を受けてＤＣ―ＤＣコンバータ回路が第１の電流と第２の電流を時間的に交互にＬＥＤに出力するように電流指令値を生成するように制御される。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示された従来のＬＥＤ調光用点灯装置は、第１の順電流Ｉｆ１のオフ期間においても第２の順電流Ｉｆ２がＬＥＤに印加されるため、ＬＥＤへの熱的ストレスを軽減しつつ、良好な調光を実現することが可能ではあるが、定常的に重畳する方式では第１の順電流Ｉｆ１と第２の順電流Ｉｆ２をそれぞれ別々の電源回路より生成させるため、回路構成が複雑となり、また重畳後の第１の順電流Ｉｆ１の最大振幅が、第２の順電流Ｉｆ２だけ増加すると同時にＩｆ２の変化の影響をそのまま受けてしまい、微動変動が生じ易く、安定した一定の振幅でのＬＥＤへの印加が難しい。
さらに、第１の順電流Ｉｆ１と第２の順電流Ｉｆ２の合成時のタイミングズレを防止するために、マイクロコンピュータを使用している。そのため、回路全体が高価なものとなってしまうと言った欠点を有していた。
そこで、本発明の目的は、ひとつの電源回路を用い、交流入力波形に同期したＴＴＬ入出力レベルのパルス信号を生成し、同じ電力での負荷ＬＥＤへより多くの電流を供給することによって、電力効率が良好で、しかも応答性が良好でノイズによる輝度ムラやちらつき等を防止することのできるＬＥＤ駆動制御装置を提供することである。したがって、同じ電力では、より明るく、また同じ明るさでは少ない電力でＬＥＤを点灯させることができるＬＥＤ駆動制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本出願人らは、上記課題に対して鋭意研究を重ねた結果上記課題を解消したＬＥＤ駆動制御装置を発明するに至った。上記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ駆動制御装置は、交流電源から供給される交流電力を全波整流した後、この全波整流波をスライスして降圧させた第１パルス信号を生成する波形スライス手段と、前記第１パルス信号の立上りエッジ及び立下りエッジを急峻にした矩形状の第２パルス信号を生成した後、前記第２パルス信号をＣＲ積分回路によって位相幅を調整した第３パルス信号を生成する位相調整手段と、前記第３パルス信号の立下がりエッジに同期して立上がったオンデューティ幅を可変とした第４パルス信号を生成するデューティ可変手段と、前記第４パルス信号を反転・昇圧させてＰＷＭレベルに整合させた第５パルス信号を生成するＰＷＭレベル整合手段と、前記第４パルス信号に同期したピーク電流値を最大振幅としたオン/オフ周期による第６パルスを生成するＰＭＷ制御部と、前記第６パルス信号のオフ期間に、前記第５パルス信号をＩrms調整抵抗によってプルダウンされた第７パルス信号を生成するスイッチ手段と、を備え、前記第６パルス信号のオフ期間に前記第７パルス信号を重畳して負荷であるＬＥＤへ連続して印加するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＬＥＤ駆動制御装置によれば、交流電源の正弦波信号を全波整流し、スライスした波形スライス信号のフラット波形部分以外の一般的にはカットされて使用されない立ち上がり及び立ち下がり部分の波形（電力）を有効に利用することによって交流電源の正弦波電力を有効にＬＥＤへ印加し、ＬＥＤの明るさを向上させ、また同じ明るさでは消費電力の低減化を可能とすることができる。
また、複数のパルス信号同士は互いに完全な同期が得られることから、重畳合成後の信号の微妙なズレも全く生じることがない。このため、ＬＥＤのチラツキも無くなる。さらに、マイクロコンピュータのような高価な電子部品を必要としないため、装置回路全体も安価で簡単な構成で済む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るＬＥＤ駆動制御装置のブロック図である。
【図２】本発明に係る各部の出力波形を示すタイミングチャート図である。
【図３】本発明に係るＬＥＤ駆動制御装置の要部詳細回路図である。
【図４】本発明に係るＬＥＤ駆動制御装置の充放電回路図である。
【図５】従来のＰＷＭ制御による調光制御の基本構成を示す図である。
【図６】従来のＬＥＤ調光用点灯装置の基本動作を説明した波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るＬＥＤ駆動制御装置の一形態として、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、負荷としてＬＥＤの代わりにモータ、電磁弁コイル、アクチュエータ等の場合であっても、この実施形態と同様にして負荷駆動制御装置が構成される。図１は本発明のＬＥＤ駆動制御装置の概要構成を示したブロック図である。図２はＡＣ出力波形から各部において生成されるそれぞれの出力波形を示したタイミングチャート図である。
【００１４】
このＬＥＤ駆動制御装置１１は、交流電源１２の正弦波Ａ１を入力端部１１ａから入力され、出力端部１１ｂ側には１個乃至は複数のＬＥＤが接続されるようになっている。
【００１５】
前記入力端子部１１ａは、ＡＣ電源１２から供給される正弦波Ａ１をその前段でノイズフィルターを介して印加されるための二極の入力端子を有し、前記出力端子部１１ｂは、ＬＥＤ１３のアノード側及びカソード側にパルス状の信号を出力する二極の出力端子を有している。
【００１６】
全波整流部１４はダイオードなどの整流素子により、交流電源の正弦波Ａ１を全波整流波Ａ２に整流し、平滑部１５に出力する。ダイオードＤ１は前記全波整流波Ａ２を、後述の波形スライス部１６以降の制御信号系ラインと平滑部１５以降のパワー系ラインへの区分けを司る。コンデンサとダイオードを含む平滑部１５は全波整流された整流波Ａ２の力率を改善するとともに平滑化し、平滑波Ａ３を前記出力端１１ｂに出力する。波形スライス部１６は全波整流波Ａ２を薄くスライスする。この波形スライス部１６を通したスライス波形はツェナーダイオード（図示せず）によって３．７Ｖ〜７Ｖ程度に降圧された台形状の第１パルス信号Ｐ１となって出力される。また、この第１パルス信号Ｐ１は前記全波整流波Ａ２のゼロクロス点の検出信号でもある。補助電源部２８は波形整形部１７を動作させるための＋５Ｖを作る。
【００１７】
波形整形部１７は、一実施例として図３に示すようにヒステリシス特性を有したシュミットトリガ回路、ＣＲ積分回路からなり、前記第１パルス信号Ｐ１の立ち下がりに同期したタイマ時間Ｔ１の出力波形としての第２パルス信号Ｐ２を生成する。位相調整部１８は前記第２パルス信号Ｐ２のタイマ時間Ｔ１を決定するための調整部であり、前記タイマ時間Ｔ１の調整後の第３パルス信号Ｐ３を出力する。なお、図２中での信号Ｐ３の矢印は位相調整部１８によりタイマ時間Ｔ１を可変調整できることを示したものである。
【００１８】
デューティ可変部１９は、前記波形整形部１７での第２パルス信号Ｐ２、即ちタイマ時間Ｔ１の立ち下がりよりタイマ時間Ｔ２を設定する第４パルス信号Ｐ４を生成する。なお、このタイマ時間Ｔ２もタイマ時間Ｔ１同様に調整可能である。ただし、Ｔ１＋Ｔ２＜Ａ２周波数であること。また、このデューティ可変部１９も図３に示したようにヒステリシス特性を有したシュミットトリガ回路、ＣＲ積分回路からなる。
【００１９】
ＰＷＭレベル整合部２０は、後述のＰＷＭ制御部２２のＶＤＤ動作電圧まで前記第４パルス信号Ｐ４を昇圧し反転した第５パルス信号Ｐ５を生成し、ＰＷＭ制御部２２へ出力する。符号２９はＰＷＭ制御回路部２２内のＰＷＭ端子へのプルアップ抵抗である。また、符号２５は保護動作回路で、後述の過電圧及び過電流の異常を検出する異常検出部２７からの異常信号を受けて、ＰＷＭ制御部２２のＰＷＭ端子をＬレベルにラッチ保持して制御を停止させる。
【００２０】
ＰＷＭ制御部２２は、前記平滑部１５の平滑波Ａ３と前記ＰＷＭレベル整合部２０からの第５パルス信号Ｐ５を受けて、前記デューティ可変部１９で生成された第４パルス信号Ｐ４にオン/オフ周期が同期した、すなわちタイマ時間Ｔ２に同期してＯＮするスイッチング素子Ｑ１を叩いてピーク電流値を最大振幅とした第６パルス信号Ｐ６を生成する。第６パルス信号Ｐ６はダイオード３０を通してＬＥＤ１３に印加され、負荷であるＬＥＤを点灯させる。ダイオード３０はスイッチ素子Ｑ１がオフ期間エネルギーを回生させる働きをする。
【００２１】
また、符号２３で示したスイッチ素子Ｑ１がオフの期間、前記第４パルス信号Ｐ４の反転時間に、スイッチ素子Ｑ２（符号２４）をオンさせＩｒｍｓ調整抵抗３１を通して第７パルス信号Ｐ７をＬＥＤ１３に加える。
【００２２】
したがって、ＬＥＤ１３には、タイマ時間Ｔ２オンで最大振幅がピーク電流値ＩＰに制御された第６パルス信号Ｐ６とタイマ時間Ｔ２オフでスイッチ素子Ｑ２をオンして第７パルス信号Ｐ７が合成され合成パルス信号Ｐ８が印加されることになる。
また、第７パルス信号Ｐ７の振幅レベルはＩｒｍｓ調整抵抗３１を調整することによって可変することができる。
【００２３】
さらに、第６パルス信号Ｐ６は、図４に示した抵抗Ｒ１，コンデンサＣ１，ダイオードＤ２からなる充放電回路２６を介することにより、スイッチ素子Ｑ１がオンする度にＬＥＤ１３に流れる電流がコンデンサＣ１にも充電され、スイッチ素子Ｑ１がオフになっている間にコンデンサＣ１に充電された電荷が放電してＬＥＤ１３に電流が流れる。これによって、スイッチ素子Ｑ１のオン期間だけでなくオフ期間においてもＬＥＤ１３には第９パルス信号Ｐ９の電流を一定量供給し続けることができる。したがって、この充放電回路２６を付加することにより、前記合成パルス信号Ｐ８は第６パルス信号Ｐ６のオフ期間にさらに充放電回路での放電電流が付加されて、合成パルス信号Ｐ１０となってＬＥＤ１３に印加される。このため、駆動電流は間欠的な方形波状のパルスでありながらＬＥＤ１３には一定の電流が一定周期で連続して流れるため、発光輝度を一定に維持することができるとともに、消費電力を低減させることが可能となる。
【００２４】
符号２７はＬＥＤ１３への過電圧及び過電流を検出するための異常検出部で、分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３で所定の過電圧を、また抵抗Ｒ４で所定の過電流をそれぞれ検出するようになっている。この異常検出部２７での異常信号は、図示はしないが保護動作回路２５に送られるようになっている。
【００２５】
第４パルス信号Ｐ４は、駆動するＬＥＤ１３の定格電圧値ＶＦを基準として、絶対最大定格電流値(ＩＰmax)に所定の係数ｋを乗算することによって予め得られるピーク電流値ＩＰによって駆動される。前記係数ｋは発光量を規定するものであり、例えば、０．９に設定すればＩＰmax近傍での高輝度発光が得られる。この係数ｋは１を超えない範囲（０＜ｋ＜１）であれば任意に設定することができ、この設定によってＬＥＤ１３の発光量を調整することができる。なお、この係数ｋの設定は、ＬＥＤ駆動制御装置の外部端子（図示せず）に接続される可変抵抗、トリマーあるいはディップスイッチなどの調整デバイスによって外部から設定することができる。また、ＩＰを設定する手段として、外部レジスタ部内に定格電流値参照テーブル（VF−IFテーブル）や絶対最大定格電流値参照テーブル（IF−IPmaxテーブル）を記憶させておき、これらの参照テーブルを基にしたプログラム処理によって算出させることもできる。
【００２６】
ここで、定格電圧値ＶＦとは、前記ＬＥＤ１３（１個もしくは複数個）を安定した状態で一定の明るさに発光させることが可能な電圧値であり、定格電流値ＩＦは、そのときにＬＥＤ１３を流れる電流値である。また、絶対最大定格電流値ＩＰmaxとは、ＬＥＤ１３の動作を一定の条件の下で保証し得る最大許容値であり、この値を超えればＬＥＤ素子の破壊につながるため、短時間であっても越えないように予め定められている値である。これに対して、ＩＰとは、前記定格電流値ＩＦ以上且つ絶対最大定格電流値ＩＰmaxを超えない範囲（IF≦IP＜IPmax）をいい、この範囲を維持するようにパルス駆動制御される。なお、前記定格電圧値ＶＦ及び定格電流値ＩＦは、ＬＥＤの接続個数や接続形態あるいは設定する明るさに応じて変動する。
【００２７】
また、タイマＴ２が動作する時は、全波整流波Ａ２で平滑をしなくても良い電圧を利用してピーク電流を流すことで、平滑コンデンサの容量を小さくすることが出来る。また、容量を小さくすればコンデンサに充電する電流も小さいことから高調波電流も小さくすることができ、平滑する容量が小さくできることから電解コンデンサからセラミックコンデンサが使用できるようになり、寿命を向上させることができる。
【００２８】
以上詳細に説明したように、本発明のＬＥＤ駆動制御装置は交流電力信号の効率の良い部分をピーク電流値ＩＰを最大振幅としたパルス信号とし、さらに交流電力信号のその他の部分をピーク電流値ＩＰを最大振幅としたパルス信号がオフ期間に実効値電流Ｉｒｍｓがバイアス電流として一定の周期で連続して安定したパルス信号をＬＥＤ側に供給することができる。したがって、ひとつの電源回路を用い、交流入力波形に同期したＴＴＬ入出力レベルのパルス信号を生成し、同じ電力での負荷ＬＥＤへより多くの電流を供給することによって、電力効率が良好で、しかも応答性が良好でノイズによる輝度ムラやちらつき等を防止することのできるＬＥＤ駆動制御装置を提供できる。また、同じ電力では、交流電力信号を効率良く利用することができるため、より明るく、また同じ明るさでは少ない電力でＬＥＤを点灯させることができるＬＥＤ駆動制御装置を提供することができる。
【００２９】
前記ＬＥＤは１個から駆動可能であり、複数接続される場合は、直列や並列あるいは直列並列が混在したものであってもよい。なお、本実施形態では、ＬＥＤの駆動制御を目的としたが、ＬＥＤには限定されず、パルス状の定電流信号で駆動可能な各種モータ、電磁弁コイル、アクチュエータ等の誘導性負荷の駆動制御レベル調整用途にも応用が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１１  ＬＥＤ駆動制御装置
１２  交流電源
１３  ＬＥＤ
１４  全波整流部
１５  平滑部
１６  波形スライス部
１７  波形整形部
１８  位相調整部
１９  デューティ可変部
２０  ＰＷＭ整合部
２２  ＰＷＭ制御部
２３  スイッチ素子Ｑ１
２４  スイッチ素子Ｑ２
２５  保護動作回路
２６  充放電回路
２７  保護回路
２８  補助電源回路
２９  プルアップ抵抗
３０  ダイオード
３１  Ｉｒｍｓ調整抵抗
Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４  抵抗
Ｃ１  コンデンサ（キャパシタンス）
Ｌ１  コイル（インダクタンス）
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
Ｐ１  第１パルス信号
Ｐ２  第２パルス信号
Ｐ３  第３パルス信号
Ｐ４  第４パルス信号
Ｐ５  第５パルス信号
Ｐ６  第６パルス信号
Ｐ７  第７パルス信号
Ｐ８  第８パルス信号
Ｐ９  第９パルス信号
Ｐ１０  第１０パルス信号
Ｔ１  第１タイマ
Ｔ２  第２タイマ
ＶＦ  定格電圧値
ＩＰ  ピーク電流値
ＩＦ  定格電流値
ＩＰmax  絶対最大定格電流値
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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