JP4943892B2

JP4943892B2 - 調光装置とそれを用いた照明器具

Info

Publication number: JP4943892B2
Application number: JP2007043349A
Authority: JP
Inventors: 善宣村上; 哲也谷川; 正喜小林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008210537A

Description

本発明は、ＬＥＤを調光する調光装置とそれを用いた照明器具に関する。

従来の調光装置において、照明光を得る光源として、複数のＬＥＤを混色することによって白色を作る技術は、例えば赤・緑・青を混ぜたり、黄色蛍光体に青色を混ぜることで行われてきた。このようなＬＥＤの明るさ制御には、主に電流の時間的なデューティを制御するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御が用いられている。しかし、ＰＷＭ制御の調光装置は、ＬＥＤの電流値が小さい場合においてデューティを狭くする必要から細かい制御が難しく、照明光が制御したい色とは異なる色になったり、ＬＥＤの応答時間が従来のランプに比べて短いため、ＰＷＭ制御においてデューティがある値以下になると、ちらついて点灯しているように見えてしまうことがあった。また、通常、ＬＥＤは輝度が高い素子であるため、ＰＷＭ制御のような時分割の制御を行った場合、周波数が低いＰＷＭ制御であると調光下限においてちらつきが目立ちやすい。このために、周波数の高いＰＷＭ制御により、きめ細かな制御を行って分解能を上げようとすると、高周波で信頼性の高い高価なマイコンを選定する必要がありコストアップとなっていた。

ところで、特許文献１に示されるように、入力回路に入力される電源に含まれる調光信号の調光比を判定し、調光比が所定値より高い時はＰＷＭ制御を行い、所定値より低い時は波高値制御を行うことにより所定値以下に調整幅を広げるＬＥＤ式照明装置が知られている。しかしながら、この装置においては、所定値以下において、調光比の小さいＰＷＭ信号によるＰＷＭ制御に、波高値制御を加えて制御するため、残存するＰＷＭ制御の影響により、ちらつきが見える場合があった。また、このちらつきを抑制するために大きな波高値を必要としていた。

また、特許文献２に示されるように、調光器からの出力をＬＥＤで点灯させるための点灯回路を備える照明装置において、点灯回路は、スイッチ素子とＬＥＤを入出力側にそれぞれ接続した出力トランスと検出回路及び制御回路とを備え、調光器の出力値と所定値との大小を検出して、調光器の出力値が所定値よりも低いと検出されると、スイッチ素子の動作を制御して、出力トランスの出力を停止又は低下させる照明装置が知られている。しかし、この装置は、位相制御をベースとしてＰＷＭ制御させており、５０Ｈｚないしは６０Ｈｚ程度の周波数でＰＷＭ制御させているために調光下限になるとちらつきが目立つようになる。そのため、調光器の出力が所定値以下になるとちらつき誤作動を防止するためにＬＥＤの出力を停止するので、調光範囲が狭くなり調整機能が損なわれていた。

また、特許文献３に示されるように、照明用光源を定電流で駆動する定電流回路と、この定電流回路の定電流値を切替える定電流切替回路と、照明光源をＰＷＭ信号のデューティに応じて制御するＰＷＭ駆動回路を備えた照明調光装置が知られている。しかし、この装置は、定電流回路の電流値を数段階切り換えることにより、同じＰＷＭ制御で電流値の違いによる明るさの変化を持たせ調整幅を広くしているが、電流値が小さい場合において基本的にＰＷＭ制御を行うために、デューティが所定値以下になるとちらつきが生じていた。
特開２００５−２６７９９９号公報特開２００５−１１７３９号公報特開２００５−３３２５８６号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、ＰＷＭ制御とアナログ制御を組み合わせてＬＥＤの出力を制御する調光装置において、ＬＥＤの調光下限付近以下において、ちらつきなどの現象が発生しない滑らかな調光制御を安価に行うことができる調光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、ＰＷＭ制御とアナログ制御を組み合わせてＬＥＤの出力を制御する調光装置において、前記ＬＥＤの出力を制御するためのＰＷＭ信号から成る調光信号を発生する調光制御部と、前記ＬＥＤを定電流で駆動する定電流駆動部と、前記定電流駆動部の電流をアナログ制御するアナログ電流制御部と、前記定電流駆動部による前記ＬＥＤの定電流駆動の期間を前記ＰＷＭ信号のデューティに応じて電流制御するＰＷＭ電流制御部と、前記ＰＷＭ信号のデューティと予め設定された所定値との比較結果に応じて、前記ＬＥＤの前記ＰＷＭ電流制御部によるＰＷＭ制御と、前記アナログ電流制御部によるアナログ制御を切り換える切り換え部と、を備え、前記ＬＥＤは、前記定電流駆動部及びＰＷＭ電流制御部と直列接続され、前記切り換え部は、前記ＰＷＭ信号のデューティが所定値以下になったときに、このデューティに対応する直流電圧を発生してアナログ制御信号を形成し、このアナログ制御信号を前記アナログ電流制御部に送り、前記ＬＥＤの出力の制御を前記アナログ電流制御部によるアナログ制御のみに切り換え、
前記アナログ電流制御部は、その出力の直流電圧を前記定電流駆動部に入力し、前記ＬＥＤの電流を前記アナログ制御信号に基く直流のアナログ電流によりアナログ制御するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の調光装置を備えたものである。

請求項１の発明によれば、所定値を、例えば、ちらつきが生じ始めるＰＷＭ信号のデューティ値とすることにより、ＬＥＤを暗くする調光下限付近において、ＬＥＤの電流制御をＰＷＭ制御部によるＰＷＭ制御から、電流調整部によるアナログ制御のみに切り換えることができる。これにより、ＬＥＤの電流を小さくして制御する調光下限付近の調光において、アナログ制御のみで調光できるので、ＬＥＤをちらつきなどの現象を発生することなく滑らかに制御することができると共に、低周波のマイコンの使用が可能となり、低廉化することができる。

請求項２の発明によれば、ＬＥＤを調光下限付近において、アナログ制御のみで調光できる調光装置を用いて構成できるので、照明を暗くする場合でも、ちらつきの少ない点灯制御を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る調光装置について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の調光装置のブロック構成を示す。この調光装置は、ＬＥＤ１、定電流回路（定電流駆動部）２、ＰＷＭ電流制御回路（ＰＷＭ電流制御部）３、電流調整回路（アナログ電流制御部）４、調光制御回路（調光制御部）５、デューティ判定回路（切り換え部）６、及び定電圧電源回路７を備えている。

ＬＥＤ１は、複数の発光ダイオードＤ１〜Ｄ４からなる照明用光源である。定電流回路２は、ＬＥＤ１を定電流駆動する電源回路であり、電流調整回路４から出力される電圧で駆動されて、ＬＥＤ１に出力電流を流す。

ＰＷＭ電流制御回路３は、ＬＥＤ１と接地間に接続されるスイッチング半導体素子のＦＥＴＱ１から成り、ＬＥＤ１が定電流駆動される期間において、ＰＷＭ信号のオンデューティ（以下、デューティという）に応じてＦＥＴＱ１をオン、オフしてＬＥＤ１の出力電流ＩをＰＷＭ制御する。

電流調整回路４は、後述のデューティ判定回路６からのアナログ制御信号Ｃに基き、定電流回路２の定電流値を制御するアナログ制御電圧を出力し、このアナログ制御電圧を定電流回路２の入力電圧Ｖａとして、この入力電圧Ｖａの電圧レベルに略比例して定電流回路２の電流を制御して、ＬＥＤ１の電流をアナログ制御する。この入力電圧ＶａとＬＥＤ１の出力電流Ｉの関係は、図２に示すように、ＰＷＭ信号のオンデューディ１００％時、及びオンデューティの所定値Ｄｒ時（図５参照）におけるそれぞれの入力電圧ＶａをＶ１、Ｖ２とすると、そのときの出力電流はＩ１、Ｉ２となる。

調光制御回路５は、ユーザの調光レベルの指示に応じて、図３に示すように、調光信号としてデューティＤａのＰＷＭ信号を出力し、デューティ判定回路６に伝達する。このＰＷＭ信号は、一定周期の下に、調光レベルに比例してデューティが変化される。そして、調光レベルが大きいときは、デューティを大きくし、調光レベルが小さいときは、デューティを小さくする。

デューティ判定回路６は、入力側に調光信号のＰＷＭ信号Ａが入力され、出力側からＰＷＭ電流制御回路３を制御するＰＷＭ信号Ｂと電流調整回路４を制御するアナログ制御信号Ｃを出力する。また、このデューティ判定回路６は、予めデューティの所定値Ｄｒを記憶しており、調光制御回路５からのＰＷＭ信号のデューティを判別し、このＰＷＭ信号のデューティを所定値Ｄｒと比較し、この比較結果に基いてＰＷＭ電流制御回路３及び電流調整回路４を制御してＬＥＤ１の電流値をそれぞれＰＷＭ制御及びアナログ制御する。定電圧電源回路７は、ＬＥＤを点灯させるための定電流回路２に定電圧Ｖｃｃを供給する電源回路である。

上記回路構成による本実施形態の動作を図４（ａ）〜（ｄ）、及び図５を参照して説明する。図４（ａ）、（ｂ）及び図４（ｃ）、（ｄ）は、それぞれデューティが所定値Ｄｒより大きい場合、デューティが所定値Ｄｒ以下の場合における、デューティ判定回路６に入力されるそれぞれのＰＷＭ信号Ａ１、Ａ２と、これらＰＷＭ信号Ａ１、Ａ２の各入力に対応してデューティ判定回路６からＰＷＭ電流制御回路３へ出力されるＰＷＭ信号Ｂ１、Ｂ２の各デューティ波形を示したものである。図５は、デューティ判定回路６により、調光制御回路５から入力するＰＷＭ信号のデューティが所定値Ｄｒより大きい場合（Ｐ領域という）と所定値Ｄｒ以下の場合（Ｑ領域という）におけるデューティ（％）に基いて制御される電流調整回路４の出力電圧（定電流回路２の入力電圧Ｖａ）の変化を示す。

本実施形態の構成においては、ＬＥＤ１は、定電流回路２及びＰＷＭ電流制御回路３と直列に接続されており、ＬＥＤ１の電流は、定電流回路２に流れるアナログ電流とＰＷＭ電流制御回路３に流れるＰＷＭ電流の両方により制御される。

調光制御回路５は、ユーザの調光レベルの指示により調光信号が、ＰＷＭ信号Ａ１として発信されるとデューティ判定回路６は、このＰＷＭ信号Ａ１のデューティＤａを所定値Ｄｒと比較する。このとき、所定値ＤｒをＬＥＤ１において照明輝度にちらつきを検知し始めるデューティより大きいレベル（ちらつきが検知されない）とし、図４（ａ）に示すように、ＰＷＭ信号Ａ１のデューティＤａが所定値Ｄｒより大きい場合は、デューティ判定回路６は、その一方の出力信号として、図４（ｃ）に示すように、入力するＰＷＭ信号Ａ１と同じデューティＤａのＰＷＭ信号Ｂ１（この場合は、ＰＷＭ信号Ａ１と同じとなる）をＰＭＷ電流制御回路３に入力し、ＰＷＭ信号Ｂ１のデューティＤａでＦＥＴＱｌをＰＷＭ制御する。これと同時に、デューティ判定回路６は、他方の出力信号として、電流調整回路４に直流のアナログ制御信号Ｃを出力する。このアナログ制御信号Ｃにより電流調整回路４は、定電流回路２への入力電圧Ｖ１を発生して定電流回路２を制御し、ＬＥＤ１に定電流Ｉ１を流す。このように、調光信号のＰＷＭ信号におけるデューティが所定値Ｄｒより大きい場合（図５に示すＰ領域）は、デューティ判定回路６は、ＬＥＤ１に定電流Ｉ１が流れる時間を調光信号のＰＷＭ信号Ａ１でＰＭＷ電流制御回路３をＰＷＭ制御し、ＰＷＭ信号Ｂ１（Ａ１）のデューティＤａによってＬＥＤ１の調光レベルを制御する。

次に、ユーザが調光制御回路５において、調光レベルを絞っていき、図４（ｂ）に示すように、調光信号のＰＷＭ信号Ａ２のデューティＤａが所定値Ｄｒ未満になった場合は、デューティ判定回路６は、図４（ｄ）に示すように、ＰＭＷ電流制御回路３のＦＥＴＱｌへのＰＷＭ信号Ｂ２のデューティを１００％とすると共に、ＰＷＭ信号Ａ２のデューティＤａに対応する直流電圧を発生してアナログ制御信号Ｃとし、このアナログ制御信号Ｃを電流調整回路４に送り、電流調整回路４から直流電圧Ｖ２を出力して定電流回路２の入力に印加する。定電流回路２は、入力電圧Ｖａとして直流電圧Ｖ２が入力されると、電流Ｉ２をＬＥＤ１に出力する。ここで、電流Ｉ２は電流Ｉｌ×Ｄｒ（％）と等しくなるように制御されており、これによって、電流Ｉ２は、調光信号のＰＷＭ信号Ａ２のデューティＤａの大きさに比例した直流の電流値となるように制御される。以降、更にデューティが絞られると（図５のＱ領域）、デューティ判定回路６は、デューティＤａの大きさに応じて電流調整回路４に出力する電圧を低減していき、定電流回路２は、それに応じてＬＥＤ１に流す電流値を低減させていく。これによって、ＬＥＤ１に出力される電流は、デューティが所定値Ｄｒより大きい調光レベル（ＬＥＤ１の出力レベル）においては、ＰＷＭ信号でＰＷＭ制御され、所定値Ｄｒ以下の調光レベルでは、アナログ電流によるアナログ制御が行われる。

図６は、デューティ判定回路６のデューティ判定によるＬＥＤ１のＰＷＭ制御とアナログ制御の切り換えにおけるＬＥＤ１の相対的電流変化の様子を示す。図６（ａ）は、ＬＥＤ１の電流Ｉが全調整範囲に亘ってＰＷＭ制御された場合を示し、Ｄ部に示すように、デューティが所定値Ｄｒ以下においても階段状に非直線的に変化するので、ちらつきが見える。図６（ｂ）は、所定値Ｄｒ未満のみにおける電流調整回路４によるアナログ制御の相対的電流変化を示す。図６（ｃ）は、ＬＥＤ１の電流Ｉが、ＰＷＭ信号のデューティが所定値Ｄｒより大きい場合は、ＰＷＭ電流制御回路３でＰＷＭ制御され、Ｅ部に示す所定値Ｄｒ以下の場合は、ＰＷＭ電流制御回路３から電流調整回路４のみに切り換えてアナログ制御を行った場合のデューティに対応するＬＥＤ１の電流Ｉの相対変化を示している。図６（ａ）のＤ部と図６（ｃ）のＥ部との比較から分かるように、デューティが所定値Ｄｒより低い領域（Ｑ領域）において、ＰＷＭ制御からアナログ制御に切り換えて制御を行うことにより、ＬＥＤ１の電流Ｉを、調光レベルが低い領域でもスムーズに制御することができる。

上述のように第１の実施形態の調光装置１によれば、所定値Ｄｒをちらつきが生じ始めるデューティ値とすることにより、調光信号のデューティが所定値Ｄｒより大きい場合においては、ＬＥＤ１をＰＷＭ電流制御回路３でＰＷＭ駆動し、調光信号のデューティが所定値Ｄｒ以下においては、ＰＷＭ電流制御回路３を所定値Ｄｒより十分大きい一定のデューティ略１００％でＰＷＭ制御することにより、ＰＷＭ制御を止め、電流調整回路４によるアナログ制御のみとして、調光信号のデューティに比例した大きさの直流電圧で定電流回路２を制御し、ＬＥＤ１の電流をアナログ制御することができる。これにより、小さい電流の制御を必要とする調光下限付近においても、ＬＥＤのちらつきなどの現象が発生しないようにすることができる。また、ＰＷＭ電流制御回路３において、調光下限調整のために、デューティを下げ過ぎてＦＥＴＱｌのスイッチング素子を最小制御時間以下で動作させることがなくなり、アナログ制御のみにより調光下限まで滑らかな制御を行うことができる。さらに、高周波用のマイコンなどを必要としないので安価に製造することができる。また、ＰＷＭ電流制御回路３におけるＦＥＴＱｌへのＰＷＭ信号のデューティが１００％でなくても、所定値Ｄｒより大きければ、同様の効果が得られる。なお、定電流回路２は、電圧に比例しているものでなくてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係る調光装置について図面を参照して説明する。本実施形態の構成は、前記実施形態と同様であるので省略する。本実施形態の調光装置は、デューティが所定値Ｄｒより大きいＰ領域（図５参照）において、２つの調光信号のＰＷＭ信号の各デューティの中間で調光する場合に、それらのデューティの大きい方でＰＷＭ制御し、かつアナログ制御で電流値を２つの中間の持ってくる点が、前記第１の実施形態と異なり、他は同様である。

図７、図８に示すように、Ｐ領域では、ＬＥＤ１に流れる出力電流ＩがＩｌ（デューティ１００％時の電流値）である区間がＰＷＭのデューティで制御され調光レベルが変化する。このとき、デューティがデジタル的に変化すると、電流値も階段状に変化し、調光信号のＰＷＭ信号におけるデューティがＤａ、Ｄｂの場合には、ＬＥＤ１に流れる電流値は、Ｉａ＝Ｉｌ×Ｄａ（％）、Ｉｂ＝Ｉｌ×Ｄｂ（％）となる。

ここで、ユーザがＬＥＤ１の電流値ＩをＩａとＩｂの中間のレベルの電流値Ｉｃで調光したい場合に、調光制御回路５（図１参照）は、図９（ａ）に示すように、デューティ判定回路６に入力するＰＷＭ信号Ａを、周期ＴのＰＷＭ信号としてデューティＤａとデューティＤｂを交互に出力し、実効的にＩａとＩｂの中間レベルの電流値Ｉｃを得ることが可能である。しかし、デューティＤａとのデューティＤｂの差が大きい場合は、ＬＥＤ１はちらつきが検出される場合がある。

これに対して、デューティ判定回路６は、これらデュ−ティＤａ、ＤｂをもつＰＷＭ信号Ａが入力されると、これらの値Ｄａ、Ｄｂをデューティ判定回路６内の記憶部（不図示）に記憶し、図９（ｂ）に示すように、記憶されたＤａ、Ｄｂの大きい方のデューティＤｂ（ここで、Ｄｂ＞Ｄａとする）を一定として、デューティＤｂのＰＷＭ信号Ｂを出力し、ＰＷＭ信号ＢでＰＷＭ電流制御回路３を制御する。そして、デューティ判定回路６は、図８に示すように、このデューティＤｂによりＰＷＭ電流制御回路３を電流制御してＬＥＤ１の電流値ＩをＩａより大きくする一方、電流調整回路４を制御して、電流値Ｉ上のデューティＤｂに対応するＡｂ点（電流値Ｉｂ）とデューティＤａに対応するＡａ点（電流値Ｉａ）との中間のＡｃ点（電流値Ｉｃ）に電流値Ｉがくるように調整する。これにより、デューティＤａ、Ｄｂ間の中間の調整において、ＩａとＩｂの間をアナログ制御で調光できるので、デューティＤａとＤｂの差が大きい場合において、ＬＥＤ１のちらつきを抑制することができ、滑らかな調光を行うことができる。また、ＤａとＤｂの大きい方のデューティでＰＷＭ電流制御回路３をＰＷＭ制御するため、ＰＷＭ制御によるちらつきをより抑制することができる。

上述のように第２の実施形態の調光装置１によれば、デューティＤａとデューティＤｂを交互にＰＷＭ電流制御回路３に加えるＰＷＭ制御により実効的に電流値ＩａとＩｂの間の調光レベルを得る場合と比較して、デューティの周期Ｔが大きい場合や分解能の低いマイコンで制御した場合等において、電流値Ｉａと電流値Ｉｂの差が大きくなる場合に生じるちらつきを削減することができる。これによって、デューティを頻繁に変更することがなくなるために、ちらつきを低減しながら、きめ細かな制御を低コストで実現することができる。

このように、上記各種実施形態によれば、ＬＥＤ１の調光下限付近において、ＬＥＤ１の電流制御を、電流調整回路４によるアナログ制御のみにすることにより、ちらつきを抑制できる一方、調光下限より明るい領域の調光において、デューティの大きいＰＷＭ制御とアナログ制御を組合すことにより、低周波で分解能の低いマイコンを用いても、ちらつきを低減することができる。これにより、調光の全域に亘って、ちらつきを抑制できる低価格の調光装置を形成でき、この調光装置を用いてちらつきの少ない照明器具を実現することができる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、所定値以下の場合に、ＰＷＭ電流制御回路に加えるＰＷＭ信号のデューティを１００％にしたが、必ずしも１００％に限らず、所定値より大きい、ちらつきが発生しないデュ−ティ範囲であれば、１００％以下でもよい。また、定電流回路とＬＥＤとＰＷＭ電流制御回路のスイッチングトランジスタの配置は、それらが直列に接続されていれば、その配列順序は問わない。

本発明の第１の実施形態に係る調光装置のブロック構成図。同上装置の定電流回路の特性を示す図。同上装置のＰＷＭ信号の波形を示す図。（ａ）、（ｂ）は同上装置のデューティ判定回路の入力側におけるＰＷＭ信号の波形を示す図、（ｃ）、（ｄ）は同デューティ判定回路の出力側におけるＰＷＭ信号の波形を示す図。同上装置のデューティ判定回路の動作特性を示す図。同上装置のＬＥＤの出力特性を示す図。本発明の第２の実施形態に係る調光装置のＬＥＤの出力特性を示す図。同上装置のデューティ判定回路の動作特性を示す図。（ａ）は同デューティ判定回路へのＰＷＭ信号の入力波形を示す図、（ｂ）は同上装置のデューティ判定回路からのＰＷＭ信号の出力波形を示す図。

符号の説明

１ＬＥＤ
２定電流回路（定電流駆動部）
３ＰＷＭ電流制御回路（ＰＷＭ電流制御部）
４電流調整回路（アナログ電流制御部）
５調光制御回路（調光制御部）
６デューティ判定回路（切り換え部）

Claims

ＰＷＭ制御とアナログ制御を組み合わせてＬＥＤの出力を制御する調光装置において、
前記ＬＥＤの出力を制御するためのＰＷＭ信号から成る調光信号を発生する調光制御部と、
前記ＬＥＤを定電流で駆動する定電流駆動部と、
前記定電流駆動部の電流をアナログ制御するアナログ電流制御部と、
前記定電流駆動部による前記ＬＥＤの定電流駆動の期間を前記ＰＷＭ信号のデューティに応じて電流制御するＰＷＭ電流制御部と、
前記ＰＷＭ信号のデューティと予め設定された所定値との比較結果に応じて、前記ＬＥＤの前記ＰＷＭ電流制御部によるＰＷＭ制御と、前記アナログ電流制御部によるアナログ制御を切り換える切り換え部と、を備え、
前記ＬＥＤは、前記定電流駆動部及びＰＷＭ電流制御部と直列接続され、
前記切り換え部は、前記ＰＷＭ信号のデューティが所定値以下になったときに、このデューティに対応する直流電圧を発生してアナログ制御信号を形成し、このアナログ制御信号を前記アナログ電流制御部に送り、前記ＬＥＤの出力の制御を前記アナログ電流制御部によるアナログ制御のみに切り換え、
前記アナログ電流制御部は、その出力の直流電圧を前記定電流駆動部に入力し、前記ＬＥＤの電流を前記アナログ制御信号に基く直流のアナログ電流によりアナログ制御することを特徴とする調光装置。
請求項１に記載の調光装置を備えたことを特徴とする照明器具。