JP2012028184A - Led点灯装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LEDの端子間を短絡するスイッチング素子Q1,Q2を開放から短絡へ切り換える動作及び短絡から開放に切り換える動作を、DC/DCコンバータ3による出力電力の応答動作より緩慢にした。
【選択図】図1
Description
複数のLEDを接続して車載用の光源とする場合に、LED点灯用の点灯装置を個々のLEDに対して設けることは常套手段である。
しかしながら、車載機器では、できるだけ搭載装置の数量を減らすことが要望されている。このため、車載用の光源として、複数のLEDを直列に接続したものを用いる場合、各LEDに点灯装置を設けずに、点灯が不要なLEDの端子間を短絡して消灯し、点灯を要するLEDの端子間は短絡せずに電力を供給して点灯する構成が提案されている。
つまり、直列に接続された複数のLEDの一部を短絡しながら、残りのLEDを点灯しているときに、当該一部のLEDの短絡を開放すると、DC/DCコンバータの平滑用コンデンサの電圧が上昇するように当該DC/DCコンバータの出力電流が平滑用コンデンサに流入する。このとき、平滑用コンデンサの電圧が、当該平滑用コンデンサに接続しているLEDの順方向電圧に達するまで、当該LEDには電流が出力されない。すなわち、平滑用コンデンサに充分な電荷が蓄積されるまで当該LEDは消灯する。このようなLEDの消灯は、ちらつき(フリッカ)として顕在化するため、灯具用の明かりとしての品質を低下させるという課題があった。
LED点灯装置に使用する定電流出力のDC/DCコンバータには、電圧を安定させる平滑用コンデンサを用いるため、直列に接続した複数のLEDの一部を短絡して出力電圧が低下すると、当該平滑用コンデンサの電荷がLED側に流出する。この場合、LED点灯装置の制御回路が、平滑用コンデンサの放電電流をフィードバックして、DC/DCコンバータの出力電流を減らして、当該出力電流が一定になるようにスイッチング素子を動作させる。
しかしながら、平滑用コンデンサから流出する電流が、本来の出力電流の値を超える場合には、たとえDC/DCコンバータの出力電流を停止しても、過剰な電流がLED側へ流出してしまう。つまり、直列に接続された複数のLEDの一部を短絡して消灯すると、点灯している残りのLEDには、平滑用コンデンサが蓄えた電荷が、過剰な電流となって通電されることとなる。このような過剰な通電電流は、LEDの破損等の不具合の原因となる。また、保護回路が、LED側に通電される過剰な電流をLEDの短絡で発生した過電流と誤判断して誤動作する可能性もある。この場合、誤動作を防ぐには、過剰な電流値を考慮して、保護回路の設定電流を予め大きめに設定する必要がある。
このように、特許文献1に代表される従来のLED点灯装置では、直列に接続した複数のLEDの一部を短絡した際に、点灯している残りのLEDへの過剰な電流の通電を防止することのみが考慮されている。このため、当該LED点灯装置においては、DC/DCコンバータの平滑用コンデンサの充電側と放電側の時定数の違いによって、以下のような不具合が発生する。
当該短絡回路において、上記コンデンサを充電する時定数は、第一の抵抗による充電側よりも、第一の抵抗と第二の抵抗とを並列に接続している放電側の方が早い。
当該短絡回路においても、充電には第一の抵抗を使いながら、放電にはNPNトランジスタを使用しており、充電側よりも放電側の時定数が早い。
その構成として、制御部6のL側短絡出力の端子に一端が接続する抵抗Raと、抵抗Raの他端及び定電流回路8のトランジスタQ3のベース端子に一端が接続し他端が接地されたコンデンサC1とを有するL側遅延部、及び、制御部6のH側短絡出力の端子に一端が接続する抵抗Rbと、抵抗Rbの他端及び定電流回路8のトランジスタQ4のベース端子に一端が接続し、他端が接地されたコンデンサC2とを有するH側遅延部を備える。
同様に遅延回路7のL側遅延部がトランジスタQ4のベース端子に接続し、同エミッタ端子に一端が接続し、他端が電源に接続した抵抗R2とを有する。
LED点灯装置1は、上述のように、LEDブロック4a,4bを短絡させる制御部6の出力と定電流回路8との間の信号伝達回路に抵抗とコンデンサによる遅延回路7を設けることにより、定電流回路8のトランジスタQ3,Q4のベース端子に印加する電圧の変化を緩慢にして、LEDブロック4a,4bを短絡から開放へ切り換える際に、スイッチング素子Q1,Q2の動作を、DC/DCコンバータ3の応答より緩慢にする。
しかし、スイッチング素子Q1がオフからオンに動作する時間と、DC/DCコンバータ3の出力電圧制御の応答時間とのずれから、これまでLEDブロック4a,4bの直列回路に印加されていた電圧が、一瞬、点灯しているLEDブロック4bのみに印加される。この過電圧によって平滑用コンデンサC0に蓄えられた電荷が、放電電流としてLEDブロック4bに流出する。
このとき、DC/DCコンバータ3は、平滑用コンデンサC0の電圧を上昇させるように充電電流を供給するが、平滑用コンデンサの電圧がLEDブロック4a,4bの直列回路の順方向電圧に達するまでは両LEDブロックに電流を供給できない。
また、遅延回路7によって、LEDブロック4aを短絡(スイッチング素子Q1がオン)から開放(スイッチング素子Q1がオフ)に切り替わる時間を長くし、平滑用コンデンサC0への充電電流を制限することで、LEDブロック4a,4bには、電流が途切れることなく、定電流が通電される。
図4は、実施の形態1によるLED点灯装置の他の構成を示す回路図である。図4において、LED点灯装置1Aは、図1で示した遅延回路7及び定電流回路8の代わりに、制御部6とスイッチング素子Q1,Q2との間に定電流回路を用いた遅延回路7Aを備える。遅延回路7Aは、トランジスタQ3及びコンデンサC3を有するL側遅延部と、トランジスタQ4及びコンデンサC4を有するH側遅延部とを備える。
例えば、H側遅延部において、制御部6のH側短絡出力端子にハイレベルの電圧を出力すると、抵抗Rbを介してトランジスタQ4のベース電圧がハイレベルになり、トランジスタQ4がオフする。これにより、抵抗R2を介して流れていた所定の電流aが途絶え、ゲート電圧が低下することによってスイッチング素子Q2をオフに至らしめる。このとき直前までオン状態のスイッチング素子Q2のゲート−ドレイン端子間のコンデンサ6が高電位のゲート側と低電位のドレイン側の端子電圧で蓄積していた電荷を抵抗R4によって、先ずは放電し、次いで逆方向に充電(電流b)するが、当該コンデンサ6の放電と逆方向への充電過程において、スイッチング素子Q2がオフになることで上昇するドレイン端子電圧に引かれてゲート端子電圧が上昇することによる負帰還動作が働くため、ゲート端子の電圧が急激に降下することなく徐々に低下して、スイッチング素子Q2は緩慢にオフする。
なお、制御部6のH側短絡出力端子にロウレベルの電圧を出力してトランジスタQ4をオンすると、所定の電流aが流れてゲート電圧を上昇してスイッチング素子Q2をオンに至らしめる。このとき直前までオフ状態のスイッチング素子Q2のゲート−ドレイン端子間のコンデンサ6が低電位のゲート側と高電位のドレイン側の端子電圧で蓄積していた電荷を、先ずは放電し、次いで逆方向に充電(電流b)するが、当該コンデンサ6の放電と逆方向への充電過程において、スイッチング素子Q2がオンになることで下降するドレイン端子電圧に引かれてゲート端子電圧が下降することによる負帰還動作が働くため、ゲート端子の電圧が急激に上昇することなく徐々に上昇して、スイッチング素子Q2は緩慢にオンする。
なお、一般的には、上記のプラス電位の制御部からマイナス電位に配置されたスイッチング素子に動作信号を伝達する回路の構成、あるいは、電位の異なる回路間に信号を伝達する回路の構成はレベルシフト回路と称される。
図6は、実施の形態1によるLED点灯装置の他の構成を示す回路図である。図6において、LED点灯装置1Cは、DC/DCコンバータ3から出力するLED点灯用の電圧をプラス電圧とし、図1の遅延回路7及び定電流回路8の代わりに、制御部6とスイッチング素子Q1,Q2との間に遅延回路7C及びブートストラップ回路11を備える。
スイッチング素子Q1がオフすると、ソース端子の電圧が低下し、コンデンサC7には、電源からダイオードD2を介して電流が流れ、充電が行われる。
制御部6のL側短絡出力端子にロウレベルの電圧を出力すると、抵抗Raを介してコンデンサC8の電荷が放電され、トランジスタQ3のベース端子電圧が徐々に下降してロウレベルになる。これにより、トランジスタQ3のエミッタ端子電圧が徐々に下降し、抵抗R8に流れる電流が徐々に減少する。ダイオードD2と抵抗R7を介して電源から流れる電流が徐々に減少し、抵抗R7の電圧降下が徐々に減少する。抵抗R7の電圧降下が徐々に減少すると、スイッチング素子Q1のゲート電圧が徐々に上昇するので、スイッチング素子は徐々にオンする。
スイッチング素子Q1がオンすると、ソース端子の電圧が上昇するが、コンデンサC7には電荷が蓄えられており、コンデンサC7の充電電圧によって、抵抗R7のダイオードD2側の電位をスイッチング素子Q1のソース端子に対して高い電圧に保つことができ、スイッチング素子Q1のオンを維持することができる。
(1)ヘッドランプ
走行灯(ハイビーム)、すれ違い灯(ロウビーム)、霧灯(フォグランプ)。
(2)車幅灯(ポジションランプ)、方向指示灯(ウインカ)。
(3)テールランプ
停止灯(ストップランプ)、後退灯(バックアップランプ)、後部霧灯(リアフォグランプ)。
本発明では、消灯していたLEDを点灯させるべく、短絡させたLEDを開放する際、当時点まで点灯していたLEDを含め、点灯させるLEDの消灯が発生しないため、光源としての品質を確保することができる。
実施の形態2は、上記実施の形態1の「スイッチング素子Q1,Q2によるLEDの端子間の開放から短絡への切り換え及び短絡から開放への切り換えの各動作を、DC/DCコンバータ3による出力電力の応答動作より緩慢にする」ことの見方を変え、「DC/DCコンバータ3による出力電力の応答動作を、スイッチング素子Q1,Q2によるLEDの端子間の開放から短絡への切り換え及び短絡から開放への切り換えの各動作より俊敏にする」ことによって同等の効果を得るもので、灯具のLEDの端子間を短絡するスイッチング素子を駆動する前に、制御部によってDC/DCコンバータの出力電力を操作することで、灯具のLEDの端子間を短絡するスイッチング素子の動作に対して電源部の動作を俊敏にした構成について述べる。
なお、実施の形態2のLED点灯装置は、例えば、実施の形態1で図1を用いて説明した構成において、コンデンサC1,C2を削除して遅延機能を無くした回路構成で、制御部6のL側短絡出力端子とトランジスタQ3のベース端子を抵抗Raを介して接続し、制御部6のH側短絡出力端子とトランジスタQ4のベース端子を抵抗Rbを介して接続した構成を有する。なお、図4におけるコンデンサC3,C4、図5におけるコンデンサC5,C6及び図6におけるコンデンサC8,C9を削除すれば、上記構成と同等の構成となる。従って、以降の実施の形態2のLED点灯装置の構成についての説明は、代表的に図1を参照する。
図7は、この発明の実施の形態2のLED点灯装置による動作を説明するための図であり、図7(a)は、制御部6が発する出力電流の指示値を示しており、図7(b)は、スイッチング素子の動作を示しており、図7(c)は、LED点灯装置の出力電圧を示しており、図7(d)は、平滑用コンデンサの充放電電流とDC/DCコンバータの出力電流を示しており、図7(e)は、LED点灯装置の出力電流を示している。
制御部6は、図7(a)に示すように、予めDC/DCコンバータ3の出力電流が一時的に低下するよう指示(一時的に出力電流の指示値を小さく)して、DC/DCコンバータ3の出力を小出力に操作する。この操作後、制御部6は、短絡出力の制御を行い、図7(b)に示すように、LEDブロックの端子間を短絡するスイッチング素子を開放(オフ)から短絡(オン)へ切り換える。このとき、LED点灯装置の出力電圧は、図7(c)に示すようになる。
つまり、制御部6が、LEDブロックに流れる過電流を軽減するようにDC/DCコンバータ3を制御することにより、図7(b)に示すスイッチング素子の動作時間よりも、平滑用コンデンサC0を含むDC/DCコンバータ3の見かけ上の応答時間を早くしている。
制御部6は、図7(a)に示すように、予めDC/DCコンバータ3の出力電流が一時的に増加するよう指示(一時的に出力電流の指示値を大きく)して、DC/DCコンバータ3の出力を大出力に操作する。この操作後、制御部6は、短絡出力の制御を行い、図7(b)に示すように、LEDブロックの端子間を短絡するスイッチング素子を短絡(オン)から開放(オフ)へ切り換える。このとき、LED点灯装置の出力電圧は、図7(c)に示すようになる。
つまり、制御部6が、電流不足からLEDブロックが消灯することを軽減するようにDC/DCコンバータ3を制御することにより、図7(b)に示すスイッチング素子の動作時間よりも、平滑用コンデンサC0を含むDC/DCコンバータ3の見かけ上の応答時間を早くしている。
このように、スイッチング素子Q1,Q2を操作する前に、予め制御部6の出力を操作することで、回路構成を変更することなく、LEDのストレスを減らし、LEDの劣化を抑制でき、切り換え時に消灯しない点灯装置を構成できる。
断続電流の中のLEDを点灯するタイミングにおいては、点灯しないLEDブロック4aの端子間を短絡して、制御部6がDC/DCコンバータ3を制御して、LEDブロック4bに所定の電流を通電して点灯する。
また、断続電流の中のLEDを消灯するタイミングにおいては、制御部6がDC/DCコンバータ3を制御して、上記所定の電圧を出力し、点灯しないLEDブロック4aの端子間を開放にすることでLEDを消灯する。
このような、操作により消灯と点灯を繰り返すことで上記単純にDC/DCコンバータの動作と停止を行ってLEDに櫛歯状の断続電流を供給する方式より、LEDに通電する電流の立ち上がりと立ち下がりエッジが急峻(理想的な矩形波に近く)になり、発光特性の良好なDRLを構成できる。
例えば、ヘッドランプの走行灯(ハイビーム)用のLEDが断線している状態で、すれ違い灯(ロウビーム)を点灯したうえでハイビーム用のLEDを短絡するスイッチング素子を開放(オフ)すると、ロウビーム用LEDも同時に消灯してしまう。
つまり、直列に接続した複数のLEDの一部が断線しても残りのLEDを消灯しないために、制御部6は、LED光源4への通電電流を検出して、当通電電流が途絶えたら、LED光源4におけるLEDを含む回路の一部に断線が発生したと判断し、断線した部分を短絡するスイッチング素子の短絡(オン)を継続する。
このようにすることで、直列に接続された複数のLEDの一部が断線しても、残りのLEDを点灯させることができ、少なくとも一部の明るさを確保する安全なヘッドランプを構成できる。
この状態で、ハイビーム用のLEDを含む回路に断線が発生したと判断し、断線していないロウビーム用のLEDを点灯するために、ハイビーム側のスイッチング素子を短絡(オン)に戻すと、平滑用コンデンサC0に蓄えられた電荷によって、通常のオンオフ切り換え動作時よりさらに大きい過電流が流れる。
このようにすることで、確実にLEDに流れる過電流の発生を抑制できる。つまり、直列に接続した複数のLEDの一部が断線した際、残りのLEDの点灯動作を行っても、当該残りのLEDに加わるストレスを軽減できるため、当該LEDの劣化を抑制することができる。
Claims (11)
- 直列に接続した複数のLEDを光源として、当該光源の一部のLEDの端子間を短絡して消灯することによって任意の発光を行う灯具に備えたLEDを点灯するLED点灯装置において、
電源を受けてLED点灯用の所定の電力を前記LEDへ供給する電源部と、
前記LEDの端子間を短絡及び開放するスイッチング素子とを備え、
前記スイッチング素子による前記LEDの端子間の開放から短絡へ切り換える動作及び短絡から開放へ切り換える動作を、前記電源部による出力電力の応答動作より緩慢にしたことを特徴とするLED点灯装置。 - 前記スイッチング素子を動作させる信号に遅延を与える遅延回路を備えたことを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
- 前記電源部による電力供給動作及び前記スイッチング素子による前記LEDの端子間を短絡及び開放する動作を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子によるLEDの端子間の開放から短絡に切り換える動作の前に、前記LEDへの出力電流を一時的に小さくするように制御し、前記スイッチング素子によるLEDの端子間の短絡から開放に切り換える動作の前に、前記LEDへの出力電流を一時的に大きくするように制御することを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。 - 前記電源部をLED点灯用の電圧としてマイナス電圧を前記LEDへ供給する構成とし、前記スイッチング素子をマイナス電位側に配置し、
前記電源部による電力供給動作及び前記スイッチング素子による前記LEDの端子間を短絡及び開放する動作を制御する制御部と、前記制御部のプラス電位からマイナス電位の前記スイッチング素子を動作するレベルシフト回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。 - 前記電源部をLED点灯用の電圧としてプラス電圧を前記LEDへ供給する構成とし、前記スイッチング素子をプラス電位側に配置し、
前記電源部による電力供給動作及び前記スイッチング素子による前記LEDの端子間を短絡及び開放する動作を制御する制御部と、前記スイッチング素子を動作するブートストラップ回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。 - 前記電源部による電力供給動作及び前記スイッチング素子による前記LEDの端子間を短絡及び開放する動作を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記電源部を制御して、前記LEDに櫛歯状の断続電流を供給することによって、前記LEDを減光点灯することを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。 - 前記LEDに供給する櫛歯状の断続電流は、前記電源部の動作と停止を繰り返すことにより生成することを特徴とする請求項6記載のLED点灯装置。
- 前記制御部は、
前記LEDに出力する出力電圧をフィードバックして所定の電圧を出力する機能を備え、
前記LEDに供給する櫛歯状の断続電流を生成するときに、電流が断続する中の前記LEDを点灯するタイミングにおいては、前記スイッチング素子によって点灯しないLEDの端子間を短絡して、所定の電流を出力し、
前記LEDを消灯するタイミングにおいては、前記スイッチング素子を開放して、前記直列に接続した全てのLEDの順方向電圧の合計電圧より低く、前記点灯するLEDの順方向電圧の合計電圧より高い電圧を出力することを特徴とする請求項6記載のLED点灯装置。 - 前記LEDを光源とした灯具は、走行灯用のLEDとすれ違い灯用のLEDを直列に接続したヘッドランプであることを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
- 前記制御部は、前記LEDの一部及びそのLEDに接続する配線の一部に断線故障が生じた場合に、当該断線故障したLED又は当該断線故障した配線を含む端子間を前記スイッチング素子によって短絡することを特徴とする請求項1記載のLED点灯装置。
- 前記制御部は、前記LED及びその配線に断線故障が生じ当断線故障部分をスイッチング素子によって短絡する場合に、先ず、前記電源部による電力供給を停止してから、前記スイッチング素子によって当該LEDの端子間を短絡した後に、前記電源部を動作して前記LEDに電力供給を行うことを特徴とする請求項10記載のLED点灯装置。
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