JP2011076556A - 負荷駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷のピーク電流値に基づいて前記負荷のオン期間を規定するとともに、このオン期間の中でパルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるようにして、消費電力を抑えつつ、高輝度で安定した駆動を得る。
【解決手段】 負荷２０と、この負荷２０に接続される駆動制御部１０とを備え、駆動制御部１０は、負荷２０の定格電流値ＩＦと、パルス駆動したときの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘから予め設定されたピーク電流値Ｉｐに基づいてパルス幅変調することで、負荷２０のオン期間を規定した第１のオン／オフ周期による第１駆動パルスＰ１を生成し、第１のオン／オフ周期のオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅がＩｐとなるように、第２のオン／オフ周期による第２駆動パルスＰ２を生成する定電流パルス駆動部１４とを備え、第２駆動パルスＰ２によって駆動された電流を前記負荷２０に印加することによって、負荷２０を連続的に駆動させる負荷駆動制御方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、モータ、アクチュエータなどの負荷を一定周期のパルス信号によって駆動制御するための負荷駆動制御方法に関するものである。

近年、負荷の一例としての発光ダイオード（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の光量調整を行う最も簡単な方法は、ＬＥＤに流す電流値を調整することである。しかしながら、ＬＥＤの光色特性は、流れる電流量に応じて波長が変化することによって、可視色が変化して見えるといった問題が生じる。このような問題を改善するため、光量調整制御には一般にPulse Width Modulation（ＰＷＭ）方式が用いられている（特許文献１，２）。

また、特許文献３には、ＬＥＤが接続されている負荷部におけるピーク電流を検出することで、低電圧時における過電流防止を目的とした装置が開示されている。

図７は、従来のＰＷＭ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。

特開２００６−２１０８３５号公報 特開２００７−４９９５号公報 特開２００４−２２７９５１号公報

ところで、上記図７に示した点灯回路でＬＥＤを長時間点灯させた場合に、ＬＥＤで消費される電力によって、ＬＥＤ自体が発熱する。この発熱に伴って温度が上昇し、定格電圧値ＶＦが低下する現象が発生する。前記点灯回路がこのような状況に置かれると、電源は定電圧制御されているため、ＶＦの低下に伴って、電流制限抵抗Ｒ０の両端電圧及び回路電流が変化し、ＬＥＤの発光輝度が変動するといった問題がある。また、半導体スイッチＱ０の発熱によってもＯＮ抵抗が変化し、その結果、ＬＥＤの温度上昇と同様の問題が生じる。さらに、供給電圧に変動が生じた場合も、そのまま電流値の変動となり、ＬＥＤの発光輝度が変動する要因となる場合がある。特に、半導体であるＬＥＤのＶＦは、ロットのバラツキ等によって、差が大きくなるので、負荷側に複数個のＬＥＤを接続した場合に一定の発光輝度を維持した状態で連続発光させるのは容易ではない。

また、発光素子を一定周期のオン／オフによるパルスで駆動することは一般に行なわれているが、前記一定周期のオン／オフによるオン期間のパルスの中でさらに細かくパルス駆動させ、さらにこのパルス駆動を発光素子の駆動能力の限界値に近いピーク電流値の近傍を維持しつつ制御することは行なわれていない。

そこで、本出願人は、先に特願２００９−０７２１６３として、発光素子が接続される光源負荷側に電流を制御しながら供給して定格電圧値を検出し、この定格電圧値から前記発光素子固有の絶対最大定格電流値を算出し、この絶対最大定格電流値を超えない範囲で該発光素子に流し得るピーク電流値を算出し、このピーク電流値に基づいて前記発光素子のオン期間を規定するために、オン期間とオフ期間のデューティ比を可変とした第１のオン／オフ周期による第１駆動パルスを生成し、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように第２駆動パルスを生成し、この第２駆動パルスによって駆動された電流を前記光源負荷側に印加することによって、発光素子を連続的に発光駆動させることを提案したところである。

上記提案された光源駆動方法によれば、定格電圧値や定格電流値が分かっていない発光素子が負荷容量検出部に接続されていても、発光素子へ段階的に微小電流を流すことによって、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで瞬時に接続された発光素子の定格電圧値を検出でき、さらに、検出した定格電圧値から格納テーブルを参照してピーク電流値を算出できるようになっている。そして、算出したピーク電流値に基づいて第１及び第２駆動パルスを生成し、ピーク電流値で制御された第２駆動パルスを連続的に発光素子に印加し、発光素子の駆動能力を一定レベルに維持した状態で、発熱量及び消費電力を低減化させることが可能となる。

たしかに、上記光源駆動方法においては、接続される発光素子の定格電圧などの電気特性が未知であったとしても、予めＣＰＵ内に格納されているテーブルを参照することで自動的に検出して駆動することができるため、電気特性の異なる種々の発光素子を対象とすることが可能である。
しかしながら、例えば、電球、ダウンライト、投光器、街路灯、防犯灯、庭園灯、防犯灯、誘導灯、非常灯、スタンドなど特定された発光素子を使用する製品を対象とした場合、予め使用される発光素子の定格電圧値などは既知であるため、定格電圧値の検出やこの検出された定格電圧値からピーク電流値をテーブル等を参照して算出する構成などは不要となるため、装置の小型化やコスト削減化の可能性が残されていた。

そこで、本出願人らは、上記課題に対して更に鋭意研究を重ねた結果上記課題を解消し、さらに、外部電力供給源から供給される電源電圧が商用電源（交流１００Ｖ，２００Ｖ）、直流電源、乾電池などであっても使用可能な負荷駆動制御方法を発明するに至った。上記課題を解決するために、本発明の負荷駆動制御方法は、負荷に対応して予め求められた定格電流値及び絶対最大定格電流値より、この定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得るピーク電流値を算出し、このピーク電流値に基づいて前記負荷のオン期間を規定するために、オン期間とオフ期間のデューティ比を可変とした第１のオン/オフ周期による第１駆動パルスを生成し、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッチングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように、且つオン期間及びオフ期間のデューティ比を可変とした第２のオン/オフ周期からなる第２駆動パルスを生成し、この第２駆動パルスによって駆動された電流を前記負荷に印加することによって、負荷を連続的に駆動させることを特徴とする。

本発明に係る負荷駆動制御方法によれば、組み込まれる負荷の定格電圧値などが予め既知の負荷を用いて、既知の定格電圧値、定格電流値などから算出されたピーク電流値に基づき定電流パルス駆動部において前記負荷の駆動能力に応じて算出されたピーク電流値で負荷を直接駆動させる駆動パルスを生成することができる。これによって、負荷の駆動能力を一定レベルに維持した状態で、発熱量及び消費電力を低減化させることが可能となる。また、駆動制御部の昇降圧制御部によって、外部電源からの入力電圧に対しては外部電源が商用交流電圧、直流電圧、乾電池であっても使用可能であるため、上述した電球、ダウンライト、更にモータなど種々の製品化への対応が可能となり、製品化のバリエーションが広がる。また、さらに、負荷には常時駆動電流が印加されないため、負荷の寿命を高めることが可能となり、さらに装置の小型化、コスト削減に寄与することが可能となる。

本発明に係る負荷駆動制御方法の概略フロー図である。 本発明に係る負荷駆動制御方法を用いた装置のブロック図である。 上記負荷駆動制御装置の回路図である。 上記負荷駆動制御装置の駆動タイミング図である。 上記駆動タイミング図に基づく各部のタイミングチャートである。 ＬＥＤ発光時における消費電力及び発熱量を比較したグラフである。 従来のＬＥＤ駆動制御装置の基本構成を示す回路図である。

以下、本発明に係る負荷駆動制御方法の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、負荷がモータ、電磁弁コイル、アクチュエータ等の発光素子以外の場合であっても、この実施形態と同様にして負荷駆動制御方法が構成される。図１は本発明の負荷駆動制御方法によるフローを示したものであり、図２は負荷駆動制御方法を用いた装置１の全体を示したブロック図である。図３は装置１の回路図であり、図４は駆動タイミング図である。また、図５はタイミングチャートである。

本発明の負荷駆動制御方法は、図１に示すように、電源ＯＮ時において、負荷２０に対応して予め設定された定格電流値（ＩＦ）及び絶対最大定格電流値（Ｉｍａｘ）から、ＩＦを超えＩｍａｘを超えないピーク電流値（Ｉｐ）を設定するための、ＩＦ＜Ｉｐ＝ｋ×Ｉｍａｘ＜Ｉｍａｘを満足するための係数ｋ（０＜ｋ＜１）を設定する。 なお、係数ｋは、駆動制御部１０（図２，図３）の外部端子に接続される可変抵抗、トリマー或いはディップスイッチなどの調整デバイス（図示せず）によって外部から設定することが可能である。また、係数ｋは状況に応じて ０＜ｋ＜１の範囲を取り得るが、好ましくは、０．５＜ｋ＜１、更に好ましくは、０．７＜ｋ＜１の範囲を設定すると良い。さらに、係数ｋを０＜ｋ＜１の範囲内のひとつの固定値として、予め駆動制御回路内に取り込んでおくことも可能である。この実施態様においては、予め係数Ｋとしてｋ＝０．９が設定されている。

次に、設定された係数ｋを用いて、Ｉｐ＝ｋ×Ｉｍａｘから実際に負荷２０を高効率で駆動させるためのピーク電流値Ｉｐを設定する。続いて、図４示すように、前記負荷（ＬＥＤ）２０をパルス駆動させるための方形状の発光周期信号（第１駆動パルス）Ｐ１を生成する。この第１駆動パルスＰ１は、図３に示した定電流パルス駆動部１４内の第１ドライブ回路２３によってパルス幅変調された連続した第１のオン/オフ周期Ｔ１からなっており、電流が流れる期間（オン期間）と電流が流れない期間（オフ期間）を連続して繰り返す。第１のオン/オフ周期Ｔ１は、一例として、約２００Ｈｚ、デューティ比はオン期間が１（１０％）に対してオフ期間が９（９０％）となるように設定されている。前記Ｔ１は、負荷２０の駆動能力に応じて適宜設定される。

前記第１駆動パルスＰ１は、第１のオン期間の中で高速にスイッチングさせることで、さらに電流が流れる期間を細かく断続させた第２のオン/オフ周期Ｔ２からなる方形状の発光駆動信号（第２駆動パルス）Ｐ２が生成される。第２のオン/オフ周期Ｔ２は、前述したＴ１の条件の下では、一例として、約３００ｋＨｚ、デューティ比は第１駆動パルスＰ１と同様にオン期間が１（１０％）に対してオフ期間が９（９０％）となるように設定される。この第２駆動パルスＰ２は、前記第１駆動パルスＰ１と同様に負荷２０の種類や数等の駆動能力に応じて設定されたピーク電流値Ｉｐによる振幅幅で制御されて出力される。また、図４に示すように、前記第２駆動パルスＰ２は、ＲＣ積分回路２７を通すことによって、第２のオン/オフ周期Ｔ２で充放電を繰り返す三角波状の発光駆動波形Ｗ２となる。さらに、この発光駆動波形Ｗ２によるパルスから第１のオン/オフ周期Ｔ１で充放電を繰り返す三角波状の発光周期波形Ｗ１による電流が出力される。このように、ピーク電流値Ｉｐを最大振幅幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を負荷２０に印加することによって、消費電力を抑えつつ、高効率で負荷２０を連続的に安定した状態で駆動させることができる。

上記負荷駆動制御方法を実現するための負荷駆動制御装置の構成例を図２に示す。この負荷駆動制御装置１は、定格電圧値、定格電流値などの電気的特性が既知である負荷２０を含む。以下、負荷２０として、発光素子（ＬＥＤ）を例にとり説明する。また、負荷駆動制御装置１は、発光素子２０に接続して発光素子２０に電流を印加するための出力端１１と、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を入力する入力端１２とを有する駆動制御部１０を備えている。発光素子２０は、１Ｗ，２Ｗ，３Ｗ，４Ｗ，５Ｗ、・・・などその用途に応じて種類、数量などが適宜選択されて組み込まれる。例えば、白熱電球３０Ｗ相当用であれば、４Ｗ前後の発光素子が１個、或いは１Ｗの発光素子が４個から５個選択されて直列接続される。図２では、発光素子２０として、４ＷのＬＥＤ１個が選択された例を示している。発光素子メーカーＡ社製の仕様書等から発光素子２０が４Ｗでは、定格電圧値ＶＦは９．３Ｖ、定格電流値ＩＦは０．４８Ａと容易に分かる。また、発光素子はＡ社製以外に、Ｂ社製、Ｃ社製を選択しても、それぞれの仕様書等から選択したＬＥＤの定格電圧値、定格電流値が予め分かる。

一方、外部電力供給源１００は、製品の用途に応じて商用交流電圧（１００Ｖ系、２００Ｖ系）、直流電圧（３Ｖ〜４８Ｖ系など）及び乾電池（１．５Ｖ〜３Ｖ系など）から選択された電源が使用されることになる。商用交流電圧が使用される場合には、ＬＥＤが直流駆動で動作されるため、外部電力供給源１００側に設けられた一般的な整流回路１０１を介して交流から直流に変換されて、駆動制御部１０の入力端１２に供給されることになる。なお、直流電圧電源および乾電池電源が使用される場合には、そのまま直流電圧Ｖ０が入力端１２に入力される。

駆動制御部１０は、昇降圧制御部１３、定電流パルス駆動部１４，充放電制御部１５を備えている。昇降圧制御部１３は、回路及び発光素子２０に流れる電流Ｉ１が、設定電流ＩＦになるように、昇降圧制御部１３の両端（１３ａ、１３ｂ）の電圧を制御する。電流Ｉ１が設定電流ＩＦより低い場合には昇圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。逆に、電流Ｉ１が設定電流ＩＦより高い場合には降圧コンバータとして動作し、設定電流ＩＦと等しくなるように電流Ｉ１を制御する。したがって、昇降圧制御部１３で制御された電圧ＶＦが定電流パルス駆動部１４へ出力される。

定電流パルス駆動部１４は、発光素子２０の予め設定された定格電流値ＩＦと、後述するパルス駆動における予め設定された発光素子２０が破壊しない範囲で流し得る絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとの間で、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘを超えないでより絶対最大定格電流値に近い値としてのピーク電流値Ｉｐで駆動される駆動パルスを充放電制御部１５に出力する。充放電制御部１５はピーク電流値Ｉｐを最大振幅とする発光周期波形Ｗ１による電流を発光素子２０に印加する。これにより、消費電力を抑えつつ、高効率で発光素子２０を連続的に安定した状態で発光駆動させることができる。

前記ピーク電流値Ｉｐは、ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を維持していれば良いが、最大限の効果を引き出すためには、安全性を考慮して Ｉｐ＝ｋ×Ｉｍａｘ 但し、ｋ＝０．９として予め設定されている。

また、上記したように既定値として予めピーク電流値Ｉｐを設定する以外の手段として、ＣＰＵのメモリ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−Ｉｍａｘ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。前記ＶＦ−ＩＦテーブルには、定格電圧値ＶＦ、定格電流値ＩＦが設定され、ＩＦ−Ｉｍａｘテーブルには、前記定格電流値ＩＦ、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘが設定される。

ここで、定格電流値ＩＦとは、前記発光素子２０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流値であり、定格電圧値ＶＦは、そのときに発光素子２０にかかる電圧値である。また、絶対最大定格電流値Ｉｍａｘとは、発光素子２０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、この値を超えれば素子の破壊につながる恐れがあるため、短時間であっても越えないように規定した値である。そしてこの絶対最大定格電流値Ｉｍａｘは本発明の後述する第１駆動パルス及び第２駆動パルスにおける駆動条件において保証し得る最大許容値であり、前述したＡ社などのＬＥＤチップメーカの仕様書などに規定された絶対最大定格電流値とは異なり、数倍の値を取り得る。
したがって、本発明におけるピーク電流値Ｉｐとは、使用する発光素子２０の第１及び第２駆動パルスにおける駆動条件下において予め求められた絶対最大定格電流値Ｉｍａｘに安全率としての係数ｋを加味して決定された値である。

本発明の駆動制御部１０は、定電流パルス駆動部１４によって、前記ピーク電流値ＩｐがＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘの関係を満たす範囲内に制御され、このピーク電流値Ｉｐを所定のデューティ比でスイッチングさせるように構成されている。

前記定電流パルス駆動部１４は、図３に示したように、定電流制御部２１と、第１のスイッチング素子Ｑ１と、第２のスイッチング素子Ｑ２とを備えている。定電流制御部２１は、設定された電流値ＩＦの電圧換算値Ｖ１を監視して、発光素子２０に流れる電流ＩＦを一定に保つように第１ドライブ回路２３及び第２ドライブ回路２４へ出力されるピーク電流値Ｉｐを制御する機能を備える。第１のスイッチング素子Ｑ１は、第１のオン／オフ周期Ｔ１からなる第１駆動パルスＰ１を生成するためのもので、前記昇降圧コンバータによって増減された電流信号を第１のドライブ回路２３を介して所定のタイミングでスイッチングさせることで、オン期間とオフ期間の比率（デューティ）を設定する。前記第１のオン／オフ周期Ｔ１は、２００Ｈｚ程度となるように制御される。また、デューティは、前記発光素子２０が有する定格輝度となるように制御されるが、オン期間を５０％程度又はそれ以下となるように設定することで、発熱量や消費電力を低減させることができる。本実施形態では、オン期間を１（１０％）、オフ期間を９（９０％）となるようにデューティ比を設定した。

第２のスイッチング素子Ｑ２は、第２のオン／オフ周期Ｔ２からなる第２駆動パルスＰ２を生成するためのもので、前記第１のスイッチング素子Ｑ１がオンしている間で動作可能となっている。このスイッチングによって、第２のオン／オフ周期Ｔ２は３００ｋＨｚで、デューティ比はオン期間が１（１０％）、オフ期間が９（９０％）となるように制御される。

前記駆動制御部１０は、前記発光素子２０側の電極端子１１に接続される出力側にキャパシタンス（コンデンサ）Ｃ１、抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１を含む充放電制御部１５が設けられている。この充放電制御部１５では、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする度に発光素子２０に流れる電流が抵抗１を通してコンデンサＣ１にも充電される。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２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発光素子２０に電流が流れる。これによって、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによるそれぞれのオン期間だけでなくオフ期間においても発光素子２０には電流を一定量供給し続けることができる。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発光素子２０には一定の電流が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。なお、コイルＬ１とダイオードＤ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２がオンすることによってＬＥＤ２０に流れるピーク電流値Ｉｐを平滑化するために設けられる。ダイオードＤ２は、バックコンバータとして設けられており、第２のスイッチング素子Ｑ２がオフの期間、発光素子２０に流れた電流をＩ１に回生させる機能をもっている。

負荷電流検出部１６は、図３に示したように、電流検出素子Ｒ２、ＲＣ積分回路２７、差動増幅器２８を備える。電流検出素子Ｒ２は、高精度のシャント抵抗が用いられ、前記第２のスイッチング素子Ｑ２のスイッチングによって発光素子２０を流れる電流を検出する。ＲＣ積分回路２７では、前記電流検出素子Ｒ２によって検出された検出電流を第２のスイッチング素子Ｑ２のオン／オフ周期によって積分する。差動増幅器２８は、前記ＲＣ積分回路２７によって積分された信号と基準電圧源３２との差分をとって増幅した検出電圧Ｖ１を出力する。この検出電圧Ｖ１は定電流制御部２１に送られる。

次に、上記負荷体駆動制御装置１の駆動操作手順を図３乃至図５に基づいて説明する。駆動制御部１０の出力端子１１間に発光素子２０を接続した状態で、外部電力供給源１００からの直流電圧Ｖ０を前記駆動制御部１０の入力端に接続して、負荷体駆動制御装置１を立ち上げてオンにする。この外部電力供給源１０のオンによって、定電流パルス駆動部１４内の定電流制御部２１から出力されるピーク電流値Ｉｐ信号により第１のドライブ回路２３を通して第１スイッチング素子Ｑ１がオン／オフする。この第１スイッチング素子Ｑ１のオン／オフにより、第２のドライブ回路２４を通して第２スイッチング回路Ｑ２を高速でオン／オフする。第２スイッチング回路Ｑ２を通過した積分されたパルス電流Ｉｐは、負荷電流検出部１６の抵抗Ｒ２を通過して回路中の符号１６ａに発生した電圧をＲＣ積分回路２７で積分した後の電圧Ｖｒｃと、基準電圧源３２に基づく電圧Ｖｒｅｆとを差動増幅器２８で比較して電圧Ｖｒｃが電圧Ｖｒｅｆとなるように制御された出力電圧Ｖ１を差動増幅器２８から定電流制御部２１へ出力する。前記ピーク電流値Ｉｐが前述したような関係式ＩＦ＜Ｉｐ＜Ｉｍａｘを満たす範囲の中で、特にＩｍａｘに近い状態を維持させることで、明るさを最大限に高めつつ、安定した状態で発光させることが可能となる。

このスイッチングによって、前記発光素子２０の発光周期を決める第１駆動パルスＰ１の中でさらに高速にスイッチングされた第２駆動パルスＰ２によって生成された発光駆動波形Ｗ２による電流が印加されることになる。この発光駆動波形Ｗ２は、オン期間とオフ期間を周期的に繰り返す方形パルス波を基にしてＲＣ積分された三角波であるため、全体的な消費電力や発熱を抑えつつ、発光輝度を高いレベルで維持した状態でＬＥＤを連続駆動させることが可能となる。

図７は、従来の駆動方式と本発明の駆動方式によるＬＥＤ発光時における消費電力及び発熱量を比較したものである。ここで、（ａ）は従来の駆動方式、（ｂ）は本発明の駆動方式によるものである。この比較検証は、入出力電圧がＡＣ１００Ｖで、温度が２５．０℃、湿度が４３．５％の周囲環境条件の下で行った。また、発光輝度も同一条件に設定した。（ａ）に示したように、従来の駆動方式では、実効値（Ｉrms＝０．４５Ａ）、ＶＦ＝３．６Ｖの定電流を連続して流した場合に１．６２（Ｗ）の消費電力が発生し、そのときのＬＥＤが発する熱は、約１１５℃となる。この（ａ）と同じ発光輝度となるように、定電流パルスで駆動させる場合の一例として、（ｂ）に示したように、パルスのピーク電流（Ｉｐ＝２．８Ａ）、ＶＦ＝４Ｖ、ＯＮデューティ＝０．１に設定した。このときの消費電力は、１．１２（Ｗ）となり、ＬＥＤが発する熱は約６０℃となる。なお、この時のパルスのピーク電流値Ｉｐは、使用した発光素子のパルス駆動における絶対最大定格電流値Ｉｍａｘの測定の結果Ｉｍａｘ＝３．１１Ａであったため、安全係数ｋを０．９とし、予め算出することによって得られた値としてＩｐ＝２．８Ａを用いた。

上記図７の実験結果から、本発明によるＬＥＤ駆動方式によれば、電力比率は、従来方式に比べて、約６９％に低減させることができ、発熱量も略半分程度に抑えることが可能となる。

また、前記発光素子２０は、外部からの制御信号によって、定電流パルス駆動部１４内の第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２がオンする幅（デューティ）を制御したり、充放電制御部１５内のキャパシタンス容量などを調整したりすることによって、発光量や発光輝度等の調整が可能である。

なお、これまでの説明では、駆動制御部１０には充放電制御部１５が備わった構成で説明してきたが、前記第２駆動パルスＰ２のオフ期間に移行した際にコンデンサＣ１に充電された電荷がダイオードＤ１を介して発光素子２０に放電することを省略して、直接第２駆動パルスＰ２のオンとオフによる周期波形によって、発光素子２０を駆動するようにしてもよい。この場合は、充放電制御部１５を備えた場合に比べて、オフ期間でのコンデンサＣ１からの放電による電荷が発光素子２０に放電されない分発光素子２０の輝度が低下するが、その分コスト減となる。したがって、適用される製品によって、充放電制御部の採用を適宜選択することができる。
また、これまでの説明では、負荷駆動制御装置１には負荷としての発光素子２０が備わった構成で説明してきたが、負荷２０を含めずに負荷駆動制御装置１を構成してもよい。すなわち、負荷駆動制御装置は、負荷を含めた構成であってもよいし、負荷を除いた構成であってもよい。
また、一例として、本発明の負荷として発光素子を用いた負荷駆動制御装置を口金付きＬＥＤ電球に応用する場合には、駆動制御部１０の入力端を口金に接続し、この負荷駆動制御装置１全体を透明或いは半透明のキャップを含むケースで全体を覆うことによって、容易にＬＥＤ電球を得ることができる。

以上、説明したように、本発明の負荷駆動制御方法によれば、負荷として接続された発光素子の特性や個数に応じた定電流を前記発光素子に対して連続的に供給するのではなく、ピーク電流値Ｉｐのオン／オフが変化するパルス信号を高速にスイッチングすることで発光素子を発光制御する。このため、発光素子の発光レベルを一定に維持した状態で、発熱及びこの発熱に伴う消費電力の低減化が図られ、さらに発光素子自体の高寿命化も計れるといった有利な効果を奏する。

ＬＥＤの特性としては、順方向の定格電圧値ＶＦが温度の上昇によって低下する傾向にあるため、従来の一般的な定電流源からの出力電圧が一定であると、発光素子に流れる電流が増し、それに伴って前記定格電圧値ＶＦがさらに低下するといった問題があったが、前述したように、定電流パルス駆動部によって、発光素子への通電時間を間欠的にスイッチングさせることで、温度上昇の低減とともに、ＶＦの変動を抑制する効果も得られる。

前記発光素子２０は１個から駆動可能であり、複数個接続される場合であっても良い。なお、本実施形態では、負荷である発光素子としてＬＥＤを駆動対象としたが、ＬＥＤには限定されず、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）であってもよく、また、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も駆動対象とすることが可能である。

１ 負荷駆動制御装置
１０ 駆動制御部
１１ 出力端
１２ 入力端
１３ 昇降圧制御部
１４ 定電流パルス駆動部
１５ 充放電制御部
１６ 負荷電流検出部
２０ 負荷
２１ 定電流制御部
２３ 第１ドライブ回路
２４ 第２ドライブ回路
２７ ＲＣ積分回路
３０ 充放電回路
３１ 保護回路
３２ 基準電圧源
１００ 外部電力供給源
１０１ 外部整流器
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ 電流検出素子
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駆動パルス
Ｐ２ 第２駆動パルス
Ｔ１ 第１のオン／オフ周期
Ｔ２ 第２のオン／オフ周期
Ｗ１ 発光周期波形
Ｗ２ 発光駆動波形
Ｖ１ 検出電圧
ＶＦ 定格電圧値
Ｉ１ 検出電流
ＩＦ 定格電流値
Ｉｐ ピーク電流値
Ｉmax 絶対最大定格電流値

Claims (2)

1. 負荷に対応して予め求められた定格電流値及び絶対最大定格電流値より、この定格電流値を超え絶対最大定格電流値を超えない範囲で前記負荷に流し得るピーク電流値を算出し、このピーク電流値に基づいて前記負荷のオン期間を規定するために、オン期間とオフ期間のデューティ比を可変とした第１のオン/オフ周期による第１駆動パルスを生成し、この第１駆動パルスのオン期間の中でさらにスイッティングさせることで、パルスの最大振幅が前記ピーク電流値となるように、且つオン期間及びオフ期間のデューティ比を可変とした第２のオン/オフ周期からなる第２駆動パルスを生成し、この第２駆動パルスによって駆動された電流を前記負荷に印加することによって、前記負荷を連続的に駆動させることを特徴とする負荷駆動制御方法。
2. 前記第２駆動パルスを前記第２のオン/オフ周期で積分した後、この第２駆動パルスを前記第１のオン/オフ周期で充放電させた電流を前記負荷に印加する請求項１記載の負荷駆動制御方法。