(57)【要約】【課題】回路構成および回路を構成する部品に対する精度要求を緩くして、発光ダイオードＬＥＤの調光制御を高精度に行うことができるようにする。【解決手段】カソード端子が電圧源に接続された発光ダイオードを少なくとも１つ以上接続して構成されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源と並列に接続されていて、一端は電圧源に接続され、他端はフライバックダイオードを介して前記発光ダイオードのカソード端子に接続されたインダクタと、前記インダクタに発生する逆起電力を前記ＬＥＤ光源に供給するために、アノード端子を前記インダクタの他端に接続され、カソード端子を前記発光ダイオードのアノード端子に接続されたフライバックダイオードと、前記インダクタの他端と基準電位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オン／オフのタイミングを制御して前記インダクタに流れる電流を制御する調光制御回路とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード端子が電圧源に接続された発光ダイオードを少なくとも１つ以上接続して構成されたＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源と並列に接続されていて、一端は電圧源に接続され、他端はフライバックダイオードを介して前記発光ダイオードのカソード端子に接続されたインダクタと、
前記インダクタに発生する逆起電力を前記ＬＥＤ光源に供給するために、アノード端子を前記インダクタの他端に接続され、カソード端子を前記発光ダイオードのアノード端子に接続されたフライバックダイオードと、
前記インダクタの他端と基準電位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オン／オフのタイミングを制御して前記インダクタに流れる電流を制御する調光制御回路とを備え、
前記調光制御回路は、前記ＬＥＤ光源を調光して暗くする際には、前記インダクタに流す電流を下げると同時に、前記スイッチ素子のオン／オフのタイミングを制御する動作周期を伸ばすことを特徴とする調光型点灯回路。
【請求項２】
前記調光制御回路を、前記インダクタに流れる電流の大きさを電圧値として検出する電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗で検出した電圧値と制御電圧との大きさを比較するコンパレータと、前記制御電圧の値に比例した周波数で発振する電圧制御発振器と、前記コンパレータの出力信号をＲＳＥＴ端子に供給され、前記電圧制御発振器出力信号がＳＥＴ端子に供給されるＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路と、前記フリップフロップ回路の出力端子から出力される出力信号レベルを前記スイッチング素子をオン／オフ動作可能な信号レベルに変換するレベル変換回路とにより構成したことを特徴とする請求項１に記載の調光型点灯回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は調光型点灯回路に関し、特に、発光ダイオードの光量を大幅に下げるために用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光ダイオードを駆動するための発光ダイオード駆動装置が開発され、実用化されている。
図４を用いて、特許文献１で提案されている従来の発光ダイオード駆動回路について説明する。従来の発光ダイオード駆動回路は、発光ダイオード４０２と、発光ダイオード４０２に直列接続されたコイル４０３と、発光ダイオード４０２とコイル４０３に対して並列に接続されたダイオード４０４を有する。ダイオード４０４は、コイル４０３に生じた逆起電力を発光ダイオード４０２に供給するために設けられる。
【０００３】
さらに、発光ダイオード４０２、コイル４０３、およびダイオード４０４に電圧を印加する直流電源４０１が設けられる。発光ダイオード４０２と直流電源４０１との間には、直流電源４０１の出力電圧の印加／非印加を切り替えるスイッチング素子４０５が接続される。スイッチング素子４０５は、例えばスイッチング・トランジスタと発振器で構成される。また、ダイオード４０４は、逆バイアスが印加されるように、カソード側が直流電源４０１の正極側に接続される。
【０００４】
従来の発光ダイオード駆動回路は、スイッチング素子４０５がオンのときに、直流電源４０１の出力電圧を発光ダイオード４０２に印加して、発光ダイオード４０２を発光させ、スイッチング素子４０５がオフのとき、コイル４０３の逆起電力を利用して、発光ダイオード４０２を発光させる。
【０００５】
特許文献１において開示された従来の発光ダイオード駆動装置おいては、スイッチング素子４０５が単にスイッチング・トランジスタと発振器との組み合わせであり、発振器のある所定のタイミングに基づいてスイッチング素子４０５のオン／オフのタイミングが決定される。このため、スイッチング素子４０５がオンしている時間が長すぎると、発光ダイオード４０２に流れる電流値が高くなり、発光ダイオード４０２に許容される最大電流値を超えて破壊する恐れがある。また、直流電源４０１の電圧が高くなっても発光ダイオード４０２に流れる電流が増えてしまう恐れがある。
【０００６】
また、発光ダイオード４０２に流れる電流は脈流電流波形となるが、スイッチング素子４０５がオフからオンに切り替わる際には発光ダイオード４０２やコイル４０３自体の寄生容量を充放電するために、瞬時的に過大な電流が発生して発光ダイオード４０２の電流波形に重畳される。また、スイッチング素子４０５がオンからオフに切り替わる際には、スイッチング素子４０５に流れる急激に減少する電流波形と、コイル４０３に生じた逆起電力によりダイオード４０４に流れる急激に上昇する電流波形とが交差するまでに時間的な遅延が生じるために、過渡的に発光ダイオード４０２の電流波形は減少／増加し、振動電流となる。
【０００７】
前述のように発光ダイオード４０２に流れる電流波形が過渡的に変動すると、発光ダイオード４０２自体がノイズ発生源となるために、直流電源４０１に伝達される雑音端子電圧が増大したり、不要輻射ノイズが発生したりする問題点があった。
【０００８】
このような問題点を解消するために、図５に示すようなＬＥＤ駆動装置が提案されている。図５のＬＥＤ駆動装置は、複数の発光ダイオードＬＥＤを直列に接続したＬＥＤ光源回路と並列に、コイルＬと平滑コンデンサＣとを並列に接続してＬＥＤ光源部５０４を構成している。また、コイルＬと発光ダイオードＬＥＤのアノード側とをフライバックダイオードＦＢＤを介して接続している。
【０００９】
さらに、チョークコイルＬに一端を接続され、他端を直流電源５０３の低電位端子に接続されて、直流電源５０３の出力電圧の印加／非印加を切り替えるスイッチング素子ＳＷ、及びスイッチング素子ＳＷの制御端子に接続して、スイッチング素子ＳＷのオン／オフのタイミングを制御する制御回路ブロック５０２によりスイッチング駆動回路５０１を構成している。スイッチング素子ＳＷとしてＭＯＳＦＥＴを使用している。制御回路ブロック５０２は、スイッチング素子ＳＷに流れる電流の値を電流検出抵抗Ｒで検出して、所定の発振周波数で断続的にスイッチング素子ＳＷのオン／オフを制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−８４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の調光型点灯回路では、発光ダイオードＬＥＤの発光を暗くするときに、スイッチ素子ＳＷをオンして、Ｌ（インダクタ）に電流を流す時間を短くしている。このため、点灯を特に暗く制御する場合スイッチ素子ＳＷをオンさせる時間を極端に短くすることになり、回路動作の高速動作への要求が厳しくなってしまい、スイッチ素子ＳＷ、駆動回路を高精度に作成しなければ発光ダイオードＬＥＤを高精度に制御することができない問題点があった。
【００１２】
本発明は前述の問題点に鑑み、回路構成および回路を構成する部品に対する精度要求を緩くして、発光ダイオードＬＥＤの調光制御を高精度に行うことができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の調光型点灯回路は、カソード端子が電圧源に接続された発光ダイオードを少なくとも１つ以上接続して構成されたＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源と並列に接続されていて、一端は電圧源に接続され、他端はフライバックダイオードを介して前記発光ダイオードのアノード端子に接続されたインダクタと、前記インダクタに発生する逆起電力を前記ＬＥＤ光源に供給するために、アノード端子を前記インダクタの他端に接続され、カソード端子を前記発光ダイオードのアノード端子に接続されたフライバックダイオードと、前記インダクタの他端と基準電位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オン／オフのタイミングを制御して前記インダクタに流れる電流を制御する調光制御回路とを備え、前記調光制御回路は、前記ＬＥＤ光源を調光して暗くする際には、前記インダクタに流す電流を下げると同時に、前記スイッチ素子のオン／オフのタイミングの周期を伸ばすことを特徴とする。
また、本発明の調光型点灯回路の他の特徴とするところは、前記調光制御回路を、前記インダクタに流れる電流の大きさを電圧値として検出する電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗で検出した電圧値と制御電圧との大きさを比較するコンパレータと、前記制御電圧の値に比例した周波数で発振する電圧制御発振器と、前記コンパレータの出力信号をＲＳＥＴ端子に供給され、前記電圧制御発振器出力信号がＳＥＴ端子に供給されるＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路と、前記フリップフロップ回路の出力端子から出力される出力信号レベルを前記スイッチング素子をオン／オフ動作可能な信号レベルに変換するレベル変換回路とにより構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回路構成および回路を構成する部品に対する精度要求を緩くして、発光ダイオードＬＥＤの調光制御を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を示し、調光型点灯回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す本発明で調光制御を行っていない場合の各部の動作を説明する図である。
【図３】図１に示す本発明でインダクタに流す電流を下げると同時にスイッチ素子の動作の周期を伸ばすように調光制御した場合の各部の動作を説明する図である。
【図４】従来の発光ダイオード駆動回路の第１の例を説明する図である。
【図５】従来の発光ダイオード駆動回路の第２の例を説明する図である。
【図６】従来の発光ダイオード駆動回路において、スイッチ素子の動作の周期を伸ばすことなくインダクタに流す電流を下げて調光制御した場合の各部の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態の調光型点灯回路の構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の調光型点灯回路１００は、交流電源１０１を整流回路１０２で全波整流している。
【００１７】
整流回路１０２の＋端子を発光回路１０６の一側端に接続している。本実施形態においては、複数の発光ダイオードＬＥＤ（図１には３個を接続しているが、接続個数は任意である。）と平滑コンデンサＣ２との並列回路と並列に、インダクタＬを接続し、インダクタＬと発光ダイオードＬＥＤ列のアノード側とを、フライバックダイオードＦＢＤを介して接続して発光回路１０６を構成している。
【００１８】
発光回路１０６の他側端は、スイッチング素子ＳＷ、および電流検出抵抗Ｒを介して整流回路１０２の−端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷは、Ｌ（インダクタ）に流す電流を断続するために設けられているものであり、スイッチング素子ＳＷの制御電極に印加する電圧を制御することにより、オン／オフ動作してＬ（インダクタ）に流す電流を断続する。
【００１９】
スイッチング素子ＳＷをオフ制御するために、本実施形態においては、電流検出抵抗Ｒで検出した電圧値をコンパレータ１０７の＋端子に入力している。このコンパレータ１０７の−端子には制御電圧発生回路１０８で発生させた制御電圧Ｖが入力されている。制御電圧Ｖは電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０３にも供給されており、電圧制御発振器１０３は入力される制御電圧Ｖの値に比例した周波数で発振する。
【００２０】
コンパレータ１０７の出力信号はＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路１０４のＲＳＥＴ端子に供給される。また、このフリップフロップ回路１０４のＳＥＴ端子には電圧制御発振器１０３の出力信号の立ち上がり信号が供給されるように構成されている。そして、ＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路１０４の出力端子ＱからＦＦ出力信号がレベル変換回路１０５に出力される。レベル変換回路１０５は、ＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路１０４の出力端子Ｑから出力されるＦＦ出力信号を、スイッチング素子ＳＷをオン／オフ動作可能な信号レベルに変換する。
【００２１】
次に、前述のように構成された本実施形態の調光型点灯回路の動作について説明する。
整流回路１０２から出力されるＧ点の整流電圧は、図２の（イ）に示すようになる。また、Ｆ点（ＳＷ点）の電圧は図２の（ロ）のようになる。なお、図２において、左側の(ａ)は電源電圧が高い場合を示し、右側の(ｂ)は電源電圧が低い場合を示している。
【００２２】
スイッチング素子ＳＷがオフすると、インダクタＬに流れていた電流は流れ続け様とするために、逆起電力が発生し、フライバックダイオードＦＢＤを通して発光ダイオードＬＥＤと平滑コンデンサＣ２の並列回路側に駆動電流が流れる。そして、インダクタＬに蓄積されていたエネルギーを全て発光ダイオードＬＥＤと平滑コンデンサＣ２の並列回路側に移してインダクタＬの電流がなくなると、フライバックダイオードＦＢＤはオフとなる。  
【００２３】
なお、図２の(イ)において、矢印Ｙ１に示すように、Ｆ点に着く寄生容量（Ｌ：インダクタ、ＳＷ、ＦＢＤ等の寄生容量）とインダクタＬで決まる共振周波数で振動波形が出現するが直ぐに減衰する。インピーダンスが高い回路点の減衰振動なので微小な電力でしかない。
また、図２の(ロ)において、整流回路１０２と並列に配設されているコンデンサＣ１に電荷が蓄積されるため、矢印Ｙ２に示すように、Ｇ点の電圧は基準電位まで下がらない。
但し、電源電流の力率を良くするためコンデンサＣ１の容量を小さく選んでいるためＧ点の整流電圧の変動は大きくなっている。
【００２４】
図２（ハ）に示すように、スイッチング素子ＳＷをオン動作させる制御電圧がＥ点に出力されることで、スイッチング素子ＳＷがオンすると、      Ｆ点の電位は低くなり、インダクタＬに電源電圧が印加され、インダクタＬに電流が流れる。インダクタＬに流れる電流は、図２の（ホ）において、矢印Ｙ３で示すように時間ともに大きくなり、インダクタＬにエネルギーを蓄積する。
【００２５】
そして、スイッチング素子ＳＷがオフすると、図２の（ホ）において、矢印Ｙ４で示すように、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを発光ダイオードＬＥＤ側に放出する。この場合、設定電流までインダクタＬに流す時間は、電源電圧が高い場合は、矢印Ｙ５で示すように、短くなっている。
【００２６】
一方、図２の(ホ)において、(ｂ)に示した電源電圧が低い場合には、矢印Ｙ６、矢印Ｙ８で示すように、インダクタＬに流す時間は長くなっている。また、矢印Ｙ７で示すように、インダクタＬに蓄積したエネルギーを発光ダイオードＬＥＤ側に印加するのに要する時間は、インダクタＬに蓄積したエネルギーの量に依存し、電源電圧には依存しない。
図２の（ヘ）は、スイッチング素子ＳＷがスイッチ動作を開始する信号を示し、図２の（ト）は、スイッチング素子ＳＷがスイッチ動作を終了する信号を示す。
【００２７】
スイッチ素子ＳＷを駆動してオンすることで、インダクタＬに電源電圧を印加して電流を流し、インダクタＬにエネルギーを蓄積している期間においては、インダクタＬと並列接続されている、フライバックダイオードＦＢＤが逆バイアスされているので、発光ダイオードＬＥＤ、平滑コンデンサＣ２には電流は流れない。
【００２８】
スイッチ素子ＳＷがオンした時点では、インダクタＬには電流が流れていないが、時間の経過とともに電流が大きくなって行く。インダクタＬに流れる電流ＩLは、下記の計算式１に示すようになる。
ＩL＝（Ｖ・Ｔ）／Ｌ・・・（式１）
式１において、ＩL：インダクタＬに流れる電流、Ｖ：電源電圧（Ｌに印加する電圧）、Ｔ：インダクタＬに電圧を印加する時間、Ｌ：インダクタＬのＬ値である。
【００２９】
スイッチング素子ＳＷがオフすると、インダクタＬに流れていた電流は流れ続け様とするために、逆起電力が発生し、フライバックダイオードＦＢＤを通して発光ダイオードＬＥＤと平滑コンデンサＣ２の並列回路側に駆動電流が流れる。そして、インダクタＬに蓄積されていたエネルギーを全て発光ダイオードＬＥＤと平滑コンデンサＣ２の並列回路側に移してインダクタＬの電流がなくなると、フライバックダイオードＦＢＤはオフとなる。
【００３０】
インダクタＬに流れる電流として蓄積されていたエネルギーは、平滑コンデンサＣ２に電荷として蓄積され、平滑コンデンサＣ２と並列にシリーズ接続された発光ダイオードＬＥＤで消費される。すなわち、発光している。
ここで、発光ダイオードＬＥＤを１００％の連続点灯状態させるのに、インダクタＬにエネルギーを蓄積するために流す電流を５００ｍＡ、ＳＷ動作の周期を２５μSEC（４０KHｚ）、電源電圧は平均１００Ｖとする。
【００３１】
Ｌ＝１ｍＨであると、チャージに要する時間は、約５μSEC(電源電圧によって変動する)。インダクタＬに電流を流してインダクタＬに蓄積するエネルギーは、下記の計算式２に示すように、
１／２（Ｌ×Ｉ2）＝０．１２５ｍJ  ・・・（式２）
となる。
前記インダクタＬに蓄積したエネルギーを４０Ｋ回／秒でＬＥＤ側に印加するので、ＬＥＤ側への駆動電力は５Ｗになる。
ここまでの説明は、図５に示す従来例でも同じである。
【００３２】
ところで、調光により照度を下げたい場合は、インダクタＬに蓄積するエネルギーを下げるようにする。図６の（イ）〜（ト）に図５に示す従来例で調光により照度を下げたい場合の動作波形を示す。
例えば、５Ｗを１００％の電力動作とした場合、５Ｗから１％の５０ｍＷに下げるには、インダクタＬに流す電流を１桁下げて５０ｍＡとする。これにより、発光ダイオードＬＥＤへの駆動電力は、２桁小さい５０ｍＷに下げることが出来る。
【００３３】
この場合、図６の（イ）に示すように、スイッチ素子ＳＷをオンしてインダクタＬに電流を流す時間は１桁短くなり、約５μSEC→約０．５μSECとなる。
さらに絞って、０．１％に下げて５Ｗから５ｍＷにするには、インダクタＬに流す電流を１５．８ｍＡとすることで、発光ダイオードＬＥＤへの駆動電力は、５ｍＷに下げることが出来る。この場合、スイッチ素子ＳＷをオンして、インダクタＬに電流を流す時間はさらに短くなって、約０．１６μSECとなる。
【００３４】
このため、図６の（ホ）において、矢印６１、６２、６３に示すように、インダクタＬに電流を流してエネルギーを蓄積している時間、が極端に短くなってしまう。これは、矢印６４、６５、６６で示したように、図６（ｂ）の電源電圧が低い場合においても同様である。
【００３５】
このため、調光して発光ダイオードＬＥＤの光量を暗くするときに、スイッチング素子ＳＷをオンして、インダクタＬに電流を流す時間を極端に短くする必要があり、従来技術の課題で指摘したように、回路動作の高速動作への要求が厳しくなってしまい、スイッチング素子ＳＷ、駆動回路を高精度にしなければならない不都合が生じる。
又、電流検出抵抗Ｒに流れる電流が小さくなるためコンパレータ１０７での検出動作に対するノイズの影響が大きくなってしまう問題があった。
【００３６】
前述のような不都合を解消するために、本実施形態においては、電圧制御発振器１０３を設け、インダクタＬに流す電流を下げると同時に、スイッチ素子ＳＷの動作の周期を伸ばすようにしている。このようにすることで、スイッチ素子ＳＷをオンして、インダクタＬに電流をチャージする時間の変化巾を抑えている。
【００３７】
具体的に説明すると、発光ダイオードＬＥＤの駆動を１％にする場合は、点灯電力は電流の２乗とスイッチ素子ＳＷの動作周期に反比例するので、例えば、以下の式３のようになる。
[１％＝１／１００＝１／（４．６４3）]・・・（式３）
【００３８】
制御電圧を下げて、周期は２５μSECから１１６μSEC（４．６４倍）にすると、インダクタＬに流す電流は、「５００ｍＡ  →  １０８ｍＡ（１／４．６４）」となる。インダクタＬに流す電流を４．６４分の１に減らしたことで、スイッチ素子ＳＷをオンしてインダクタＬに電流を流す時間は、１．０８μSECとなる。
【００３９】
さらに絞って０．１％に下げるには、例えば、以下の式４のようになる。
[０．１％＝１／１０００＝１／（１０3）] ・・・（式４）
周期は、「２５μSECから２５０μSEC（１０倍）」となる。インダクタＬに流す電流を５０ｍＡ（１／１０）とすることで、発光ダイオードＬＥＤへの駆動電力は、５ｍＷに下げることが出来る。これにより、スイッチ素子ＳＷをオンして、インダクタＬに電流をチャージする時間は、「約５μSEC  から  約０．５μSEC」となる。
前述した、５ｍＷに下げた場合に、スイッチ素子ＳＷをオンして、インダクタＬに電流を流す時間として説明した約０．１６μSECより３倍以上長い時間で良く、電流も約３倍あるので、電流検出抵抗Ｒに流れる電流を検出するコンパレータ１０７での検出動作に対するノイズの影響を改善することができる。
【００４０】
本実施形態の調光型点灯回路によれば、図３の（イ）〜（ト）に示すように、電流は絞り込んでも、従来例よりも３倍以上大きな電流でよいので、スイッチ素子ＳＷの動作時間を従来例と比較して３倍以上に長くすることが出来る。これにより、スイッチ素子ＳＷの動作速度に関して、回路構成および回路を構成する部品に対する精度要求を緩くすることができる、などの利点が得られる。
又、スイッチ素子ＳＷを制御する回路にＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路１０４
を用いているため、例えば、発光ダイオードＬＥＤか平滑コンデンサＣ２がショートする様な不良になった場合には、スイッチ素子ＳＷがオフしてもインダクタＬに電流として蓄積されたエネルギーが保存されて減らない状態で、スイッチ素子ＳＷが再度オンしてしまい、ＲＥＳＥＴ優先型フリップフロップ回路１０４にＳＥＴ端子とＲＥＳＥＴ端子に信号が同時に入ってしまう場合でも、ＲＥＳＥＴ入力が優先されるので直ちにスイッチ素子ＳＷがオフして流れる電流が増えない方向に制御され安全である。
【００４１】
また、発光ダイオードＬＥＤのちらつきについて、スイッチ素子ＳＷの動作の周期を延ばすときは、発光ダイオードＬＥＤの点灯電流を減らしているが、本実施形態においては電流を小さくする比率と、スイッチ素子ＳＷの動作周期を延ばす比率とを合わせている。すなわち、スイッチ素子ＳＷの動作周期を延ばす比率と同じ比率で、発光ダイオードＬＥＤに流れる電流を小さくしているので、発光ダイオードＬＥＤと並列接続している平滑コンデンサＣ２の値は大きくしないでも、発光ダイオードＬＥＤの駆動電圧のリップルは、平滑コンデンサＣ２で抑えることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００  調光型点灯回路
１０１  交流電源
１０２  整流回路
１０３  電圧制御発振器
１０４  フリップフロップ回路
１０５  レベル変換回路
１０６  発光回路
１０７  コンパレータ
Ｌ  インダクタ
ＬＥＤ  発光ダイオード
ＦＢＤ  フライバックダイオード
ＳＷ  スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012169183.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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