JP2013122846A

JP2013122846A - 点灯装置

Info

Publication number: JP2013122846A
Application number: JP2011270476A
Authority: JP
Inventors: Shingo Masumoto; 進吾増本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-20
Also published as: CN103167688B; EP2603060A1; CN103167688A; US20130147356A1; US8803446B2

Abstract

【課題】流れる電流の大きさによりLED負荷を調光する手段では深い調光を実現することが難しい。そこで、深い調光が安定したLED調光装置を提供する。
【解決手段】調光器１から出力される調光信号が所定のレベルよりも低輝度側の場合、ＤＣ調光手段およびＰＷＭ調光手段のいずれか一方もしくは両方の手段に加えて、ＬＥＤの点灯個数を減らす間引き調光手段で半導体発光素子を調光する。また、点灯個数を減らす際に、DC調光およびPWM調光のいずれか一方もしくは両方の手段により、光の連続性が損なわれないように半導体発光素子に流れる電流を調整することによって、より自然に調光が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを含む半導体発光素子を光源とし、調光機能を持つ点灯装置に関するものである。

従来の半導体発光素子であるＬＥＤにおける、点灯装置として、例えば特許文献１（特開２０１１−１０８６６９号公報）に示されているものがある。この従来例は、図８に示すように、ＬＥＤ負荷４に流れる電流の大きさを可変制御する電流調整手段（定電流回路６）と、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を断続制御するスイッチ手段（トランジスタＱ１）と、調光器１から出力される調光信号を受けて前記電流調整手段と前記スイッチ手段を制御する調光制御手段（マイコン５）とを備えるＬＥＤ調光装置であって、前記調光制御手段は、前記調光器１から出力される調光信号が所定のレベルよりも高輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流を連続電流とし、流れる電流の大きさによりＬＥＤ負荷４を調光し、前記調光器１から出力される調光信号が前記所定のレベルよりも低輝度側の場合、ＬＥＤ負荷４に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させることによりＬＥＤ負荷４を調光することを特徴とするものである。

調光が浅く明るいときはＬＥＤ負荷に流れる電流を変化させ、調光が深く暗いときはＬＥＤ負荷に流れる電流をパルス状にして、そのパルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させて調光することにより、調光が明るいときにノイズが発生しにくく、調光を深くしても明るさにばらつきが出にくい点灯装置を実現したものである。

特開２０１１−１０８６６９号公報

ところで、流れる電流の大きさによりＬＥＤ負荷を調光する（以下、ＤＣ調光と呼ぶ）手段では、ＬＥＤ素子のＶ−Ｉ特性に個体差があり、全ての素子が安定して点灯可能な電流値以上に設定する必要があり、深い調光を実現することが難しい。また、パルス状の波形のＤＵＴＹ比を変化させることによりＬＥＤ負荷を調光する（以下、ＰＷＭ調光と呼ぶ）手段では、深い調光を実現するためにはパルス幅を狭くする必要があり、パルス幅の小さな変動によりチラツキが発生してしまうため安定した制御が難しい。したがって、例えば調光比１％以下といった深い調光を実現するのは容易ではない。

本発明は、このような課題を鑑みてなしたものであって、その目的とするところは、より深い調光を安定して実現することができる点灯装置を提供することである。

本発明は、複数の半導体発光素子を点灯させる点灯装置において、
半導体発光素子に流れる電流の大きさを可変制御するＤＣ調光と、
半導体発光素子に流れる電流を断続制御するＰＷＭ調光のいずれか一方、又は、両方の調光を調光器から出力される調光信号を受けて制御する調光制御手段を備え、
前記調光器から出力される調光信号が所定のレベルよりも低輝度側の場合、
半導体発光素子の点灯個数を減らす間引き調光で半導体発光素子を調光することを特徴とする点灯装置である。

また、半導体発光素子の点灯個数を減らす際に、前記ＤＣ調光および前記ＰＷＭ調光のいずれか一方もしくは両方の手段により、光の連続性が損なわれないように半導体発光素子に流れる電流を調整することを特徴とする点灯装置であってもよい。

本発明に係る点灯装置によれば、より深い調光を安定して実現することができる。

本発明の実施形態１の構成を示すブロック回路図本発明の実施形態１の動作を示す調光特性図本発明の実施形態１の負荷特性を示す特性図本発明の実施形態２の構成を示すブロック回路図本発明の実施形態２の動作を示す調光特性図本発明の実施形態３の動作を示す調光特性図本発明の実施形態３の動作を示す調光特性図の他の一例従来例の構成を示すブロック回路図

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路構成を図１に示す。本実施形態は、調光器１と、電源２と、ＬＥＤ点灯装置３と、ＬＥＤ負荷４−１〜４−６とから構成される。また、ＬＥＤ点灯装置３は、マイコン５と、定電圧回路６と、抵抗Ｒ１〜Ｒ６と、トランジスタＱ１〜Ｑ６とから構成される。定電圧回路６は、マイコン５からの信号により指定された定電圧を出力するように構成されている。マイコン５は、調光器１の調光信号を読み取り、トランジスタＱ１〜Ｑ６のＯＮ／ＯＦＦを制御すると共に定電圧回路６の電圧値を設定する機能を有する。

マイコン５には、あらかじめ定められた調光レベル（a）および調光レベル（b）があり、その調光レベル（a）より明るい領域ではトランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＮに固定し、定電圧回路６の設定電圧を変化させることによりＬＥＤ負荷４−１〜４−６それぞれに流れる電流を変化させることでＤＣ調光を行う。その調光レベル（a）より暗く、調光レベル（b）より明るい領域では、定電圧回路６の設定電圧を固定し、トランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＮ／ＯＦＦし、そのＤＵＴＹ比を変化させるＰＷＭ調光で調光を行う。また、調光レベル（b）より暗い領域では、スイッチング素子Ｑ１→スイッチング素子Ｑ２・・・Ｑ６の順番でスイッチング素子をＯＦＦさせていくことでＬＥＤの点灯個数を変化させる間引き調光で調光を行なう。

本実施形態の動作を図２に示す。図２（a）は調光信号出力のレベルと光出力の関係、図２（b）は調光信号出力のレベルとＬＥＤ負荷を流れるオン期間の電流（ピーク値）の関係、図２（c）は調光信号出力のレベルとパルス波形のオンデューティの関係を示している。

調光レベル（a）の設定は、例えばＬＥＤ素子のＶ−Ｉ特性により決定する。あるＬＥＤ素子のＶ−Ｉ特性が、図３のようであったとする。図３中、ＶＦは順方向電圧、ＩＦは順方向電流である。定格電流時の△Ｖ／△ＩをＡとする。ＬＥＤ素子に流す電流を下げていくときの、△Ｖ／△ＩをＢとすると、ＬＥＤ素子に流す電流を下げるにつれ次第にＢは大きくなっていく。Ｂの値が、Ａの値に対して、３倍〜５倍以上になると、ＬＥＤ素子は不安定になり、ばらつきも大きくなるので、そうならない領域をＤＣ調光で調光するように、図２の調光レベル（a）を設定する。また、調光レベル（b）の設定は、マイコン５がパルス幅を安定して制御できる最も短いオンデューティに設定する。本実施形態においては、調光ＤＵＴＹ比（％）に対して光出力が直線的に低下しているが、特に直線に限らず、ある程度曲線を持った特性でも特に問題は無い。

本実施形態では、ＤＣ調光およびＰＷＭ調光で調光し、更に間引き調光を行なうことで、例えば調光比１％以下といったより深い調光を安定して実現するＬＥＤ調光装置を提供することが可能となる。

なお、調光器１の調光信号出力は、アナログ信号（ＤＣ０Ｖ〜１０Ｖなど）であってもよく、ＤＵＴＹ信号（１ＫＨＺ、１０Ｖなど）であってもよく、デジタル信号（ＤＭＸ信号など）であってもよい。また、電源２は、ＡＣであってもＤＣであってもよい。ＬＥＤ負荷４−１〜４−６は、それぞれが素子１個で構成されたＬＥＤユニットでもよく、それぞれが複数のＬＥＤ素子で構成されたＬＥＤユニットであってもよい。近年、ＬＥＤ負荷の大出力化が進むにつれて、ＬＥＤを直列および並列に多数使用するＬＥＤ点灯装置が増えたことから間引き調光による調光を絞ることが有効となる。

また、ＬＥＤ負荷４−１〜４−６に代えて、ＤＣ電源やパルス状の電源で点灯できる負荷であれば任意の負荷に代替可能であり、有機ＥＬなどでも同様の効果を得ることができる。上記ＰＷＭ調光においては、ＬＥＤに流れる電流が矩形波となるが、これは最も効果のある波形であり、パルス状の波形は、サイン波形でも、三角波形でも、平坦なＤＣ波形以外の波形であれば、同様の効果が得られる。また、固定されたＰＷＭ周波数でオンデューティを変化させるものだけではなく、ＰＷＭ周波数の変化やオン期間・オフ期間の変化により調光する手段を含んでも構わない。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路構成を図４に示す。本実施形態は、調光器１と、電源２と、ＬＥＤ点灯装置３と、ＬＥＤ負荷４−１〜４−５とから構成される。また、ＬＥＤ点灯装置３は、マイコン５と、定電流回路６と、抵抗Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１〜Ｒ１５と、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ５から構成される。

定電流回路６は、マイコン５からの電圧信号により、指定された定電流を流すように構成されている。マイコン５は、調光器１の調光信号を読み取り、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ５のＯＮ／ＯＦＦを制御すると共に定電流回路６の電流値を設定する機能を有する。調光器１からの調光信号は、スムーズな調光をするため２５６×２５６＝６５５３６の分解能をもち、０〜６５５３５の数値データを調光レベルの調光信号として用いており、０が消灯で、６５５３５が１００％点灯としている。

今、調光器１からの信号が最大値の６５５３５である場合に、マイコン５は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ５をＯＮして、定電流回路６に最大電流（例えば１Ａ）を流すように指示する。すると、ＬＥＤ負荷４には、１Ａの電流が流れる。次に、約５０％に調光を絞り、調光信号の値として３２７６８を受信したとすると、マイコン５は、スイッチ素子Ｑ５をＯＮ／ＯＦＦし、ＤＵＴＹ比５０％とすると、ＬＥＤ負荷４−１〜４−５の光も約５０％となる。

更に半分に調光を絞り、調光信号の値として１６３８４の信号を受信した場合、ＤＵＴＹ比２５％とすると、ＬＥＤ負荷４−１〜４−５の明るさは約２５％になる。調光信号の値として６５５４の信号を受信した場合、ＤＵＴＹ比１０％とすると、ＬＥＤ負荷４−１〜４−５の明るさは約１０％になる。

この際に、スイッチ素子Ｑ５をＯＮ／ＯＦＦする繰り返しの周波数が低いと、ちらつきの原因になるため、一般的には６０ＨＺ以上の繰り返し周波数が必要である。視感上は１００ＨＺでもちらつきが発生しないが、ビデオ撮影などでフリッカが出ないようにするためには、更に高い周波数（３００ＨＺ以上など）で点滅させる必要がある。フリッカが発生しない周波数として、繰り返し周波数を１０００ＨＺとすると、ＤＵＴＹ比１０％まで絞ってもオン期間のパルス幅は１００μ秒となるため、通常のマイコンで安定した調光が容易に可能となる。また、仮にスイッチ素子Ｑ１の応答速度を１０n秒とすると、調光比への影響は無視できるほど小さい。

更に半分に調光を絞り、調光信号の値として３２７７の信号を受信した場合、定電流回路６に半分の電流５００mAを流すように指示し、電流値を最大電流値の５０％（ＬＥＤの光出力は５％）になる。

更に調光を絞り、調光信号の値として６５５の信号を受信した場合、定電流回路６に電流１００mAを流すように指示することで、電流値を最大電流値の１０％（ＬＥＤの光出力は１％）にすることができる。

引き続き、更に調光を絞る場合、スイッチング素子Ｑ５をＯＦＦさせる（このときＯＮ／ＯＦＦ制御はＱ４で行なう）ことで、５直列接続したＬＥＤ負荷（またはＬＥＤ負荷群）が４直列接続となるので、ＬＥＤ負荷の光出力は０．８％となる。また、スイッチング素子Ｑ４をＯＦＦさせる（このときＯＮ／ＯＦＦ制御はＱ３で行なう）ことでＬＥＤ負荷の光出力は０．６％となり、スイッチング素子Ｑ３およびＱ２をＯＦＦさせる（このときＯＮ／ＯＦＦ制御はＱ１で行なう）ことで０．２％までの調光が可能となる。

本実施形態の動作を図５に示す。図５（a）は調光信号出力のレベルと光出力の関係、図５（b）は調光信号出力のレベルとＬＥＤ負荷を流れるオン期間の電流（ピーク値）の関係、図５（c）は調光信号出力のレベルとオンデューティの関係を示している。上記構成とすることにより、より深い調光を安定して実現するＬＥＤ調光装置を提供することが可能となる。

実施形態１および実施形態２においては、ＤＣ調光およびＰＷＭ調光の両方を組み合わせて調光した後、間引き調光をしているが、ＤＣ調光およびＰＷＭ調光のいずれかで調光した後、間引き調光をしても同様の効果が得られる。また、ＤＣ調光およびＰＷＭ調光を同時に変化させながら調光してもよいし、ＤＣ調光もしくはＰＷＭ調光を変化させながら間引き調光をしてもよく、同様の効果が得られる。なお、点灯装置は、フライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータやフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータ等の定電流制御と定電圧制御を行なう回路方式であってもよい。

（実施形態３）
本実施形態では、回路構成は実施形態１または実施形態２と同様とし説明を省略する。
本実施形態の動作を図６および図７を用いて説明する。図６および図７は低調光比（深い調光）の部分を拡大して示したものである。

図６では実施形態３の動作を示す調光特性図を示しており、調光比（b）〜（c）の範囲においてオン期間の電流を減らし調光が連続的になるように制御し、調光比（c）において間引き調光手段でＬＥＤ負荷の点灯個数を減らす際にオン期間の電流を増やすことで光の連続性が損なわれないように制御する。調光比（c）〜調光比（f）の範囲においても同様に制御する。

本実施形態においては、深い調光まで調光する際においても光の連続性が損なわれないように制御することが可能なＬＥＤ調光装置を提供することができる。

図７では実施形態３の動作を示す調光特性図の他の一例を示しており、光の連続性が損なわれないようにオンデューティを調整するように制御したものであり、オン期間の電流を調整したときと同様な効果を得ることができる。

１調光器
２電源
３ＬＥＤ点灯装置
４−１ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
４−２ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
４−３ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
４−４ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
４−５ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
４−６ＬＥＤ負荷（半導体発光素子）
５マイコン（調光制御手段）
６定電圧回路

Claims

複数の半導体発光素子を点灯させる点灯装置において、
半導体発光素子に流れる電流の大きさを可変制御するＤＣ調光と、
半導体発光素子に流れる電流を断続制御するＰＷＭ調光のいずれか一方、又は、両方の調光を調光器から出力される調光信号を受けて制御する調光制御手段を備え、
前記調光器から出力される調光信号が所定のレベルよりも低輝度側の場合、
半導体発光素子の点灯個数を減らす間引き調光で半導体発光素子を調光することを特徴とする点灯装置。
請求項１記載の点灯装置において、
半導体発光素子の点灯個数を減らす際に、前記ＤＣ調光および前記ＰＷＭ調光のいずれか一方もしくは両方の手段により、光の連続性が損なわれないように半導体発光素子に流れる電流を調整することを特徴とする点灯装置。