JP5122141B2 - 輝度および色調の調整を伴う共振型パワーｌｅｄ制御回路 - Google Patents

Description

発光ダイオードの用途として、ディスプレイ装置への使用が知られている。発光ダイオードは、当初小さかったその光出力のため、長い間この応用分野に限られてきた。しかしながら、近年、照明への応用の必要条件も満たすような、十分な光出力を有する発光ダイオードが、次第に入手可能となってきた。通常、複数の発光ダイオードが、マトリックス状に配置される。現在知られている最も強力なＬＥＤは、「パワーＬＥＤ」と呼ばれている。その光出力は、白熱ランプの数倍である。ＬＥＤの制御は、典型的には、一定電流源を用いて行われ、ダイオードを流れる電流が検出されて所与の必要値に調整される。ここで、パルス幅変調により発光ダイオードが減光される可能性が出てくる。機能およびサイズに関し想定されているＬＥＤの利点を利用するのであれば、同時に費用効率のよいＬＥＤ制御が必要である。輝度および色調もしくは色温度に関する照明用途での実質的な必要条件を満たすことが、制御の課題である。

米国特許出願公開２００３／００４３６１１Ａ１号には、発光ダイオードの輝度調整を可能とする、発光ダイオードの動作の制御および電力供給のための回路構成が開示されている。ＤＣ電圧源から供給された供給電圧をＡＣ電圧に変換するため、ＤＣ電圧源に接続され可変の出力周波数を有するＤＣ／ＡＣ変換器が、少なくとも２つの制御可能なパワースイッチと共に用いられる。共振要素と発光ダイオードとを含む負荷回路は、ＤＣ／ＡＣ変換器の出力部に接続される。負荷回路のパワースイッチの切換周波数は、発光ダイオードの輝度調整のため可変とされている。ＬＥＤ（整流器を伴うものと伴わないものとにかかわらず）は、輝度調整のため、周波数変調されたハーフブリッジまたはフルブリッジから電力供給を受ける共振回路に、直接接続されてもよい。

欧州特許出願公開０３１４３２４Ａ１号には、逆平行に接続された２つのＬＥＤに直接接続されたフルブリッジインバータからなるＬＥＤ電力供給機構を含む、オキシメータシステムが開示されている。２つのＬＥＤは、異なる発光周波数を有している。インバータは、各ＬＥＤが異なる固定周波数で動作するように変調される。

別の複数の既知のシステムは、１つのＬＥＤまたは直列接続された複数のＬＥＤの輝度を調整するためには、二段型の電圧変換器が好ましいということを共通点としている（上述の、２つの単一段型システムとは異なる）。第１のＡＣ／ＤＣ変換器は、たとえばコンセント電圧から、必要なＬＥＤ用ＤＣ電圧を供給し、第２の変換器は、パルス幅変調電流源を形成する。複数のＬＥＤからの光を混ぜ合わせて色調を調整するためには、そのようなＤＣ／ＡＣ変換器が複数個必要となる。色の数によっては、このことはかなりの構造サイズへと繋がる。さらに、これらの既知のシステムは、その構造の複雑さのため、高コストとなっている。

複数のＬＥＤからの光を混ぜ合わせて色調を調整するためには、上記のようなＤＣ／ＡＣ変換器が複数個必要となる。色の数によっては、このことはかなりの構造サイズへと繋がる。さらに、これらの既知のシステムは、その構造の複雑さのため、高コストとなっている。

本発明の１つの目的は、この問題を軽減することである。本発明は、構成要素の数が減らされ構造サイズが小さくされた、輝度および色調の調整を伴うパワーＬＥＤのための共振型制御機構を提供することを、目的として有する。

本発明によれば、この目的は、２つのＬＥＤまたはＬＥＤの２群のＬＥＤ群の輝度および色調を、同時に互いに独立に調整するための単一の共振型変換器を含み、その共振型変換器が、制御ユニットを伴うハーフブリッジまたはフルブリッジ型のＤＣ／ＡＣ変換器と、共振コンデンサと、変圧器とから実質的に形成されている、共振型パワーＬＥＤ制御機構により達成される。

本発明は、構成要素の数が減らされ構造サイズが小さくされた、輝度および色調の調整を伴うパワーＬＥＤのための共振型制御機構を提供する。ＤＣ／ＡＣ変換器と共振コンデンサと変圧器とから実質的になる単一の共振型変換器を、２つのＬＥＤ用に用いることもしくは２群のＬＥＤ群用に用いること（すなわち、２群以上のＬＥＤ群が設けられ、それらのうち２つが互いに独立に制御される）、およびそれにより同時に構成要素の数が明らかに減らされることが、コスト削減へと繋がる。

本発明のさらなる実施形態では、ダイオードにより発せられた光が制御ユニットのための入力値を形成し、その入力値を表す入力信号が、光結合により実現される。そのため、発せられる光は、ＤＣ／ＡＣ変換器の一次側の２つの参照信号に追従し、したがって温度または経時劣化の影響を受けなくなる。

あるいは、制御されるべき２つのＬＥＤまたは２群のＬＥＤ群と関連付けられる二次側の電流が、測定されてフィードバックされてもよい。

本発明の１つの実施形態では、複数のＬＥＤが組み合わされて、各時点において直列接続されるアレイの群とされる。その結果、特定の照明条件に応じて、広範な種類のＬＥＤ構成を制御することができるようになる。

本発明の別の１つの実施形態では、ＬＥＤの電圧供給が、変圧器の二次側を通じて行われる。そのため、変圧器は、２つのＬＥＤ（または２群のＬＥＤ群）が互いに逆平行に接続された、１つのみの巻線を備えればよいこととなる。その結果、２つのＬＥＤ（または２群のＬＥＤ群）は、順に連続して電力供給を受けることとなる。すなわち、第１のＬＥＤまたは第１のＬＥＤ群は、二次側変圧器電流の第１の（正の）半波を供給され、第２のＬＥＤまたは第２のＬＥＤ群は、二次側変圧器電流の第２の（負の）半波を供給される。ＤＣ／ＡＣ変換器の一次側におけるデューティーサイクルおよび周波数の調整を通じて、それぞれの電流を互いに独立に制御することができる。２つのＬＥＤ（または、たとえば互いに異なる数の直列接続されたＬＥＤからなるものであってもよい、２群のＬＥＤ群）の順電圧が大きく異なる場合には、変圧器の二次側は、それらの順電圧に合わせて適合化されたものであってもよい２つの巻線から形成されてもよい。これらの巻線の巻き方向は、ＬＥＤ（群）への接続方法との組合せにおいて、やはりＬＥＤ（群）が連続して電力供給を受けるように選択される。かかる基本構成は、たとえば、２つのＬＥＤ（群）の共通陰極（または陽極）に接続された中間タップを有し、かつ端部が２つのＬＥＤ（群）の陽極（または陰極）に接続された、巻線の使用を通じて実現される。

本発明の別の１つの実施形態では、さらに別のＬＥＤ（またはＬＥＤ群）が、上記の中間タップへと繋がる共通分岐に配される。この分岐すなわちここで配されたＬＥＤ（群）に流れる全電流は、変圧器の出力電流の両方の半波により供給される。この場合、この共通分岐に存在するＬＥＤ（群）は、主光源としての役割を果たし、それぞれ一方の半波のみにより電力供給を受ける他の２つのＬＥＤ（群）は、副光源としての役割を果たす。

本発明の別の１つの実施形態では、一方の半波により電力供給を受けるＬＥＤ（群）の一方に代えて、スイッチングダイオードが設けられる。このことは、主光源と副光源とを有する構成を結果としてもたらす。この形態では、２つのＬＥＤ（群）を流れる電流を互いに独立に調整して、合計の輝度、および互いに異なる色のＬＥＤ（群）を用いる場合には混ぜ合わされた光の色調もしくは色温度を、互いに独立に制御することが可能となる。

ある有利な形態では、ＬＥＤは、逆流防止ダイオードに接続される。それにより、逆流によるＬＥＤの損傷が回避される。さらには、ＬＥＤで生じ得るブロッキング遅延電流も回避される。

さらに別の好ましい実施形態では、ＬＥＤは、フィルタコンデンサに接続される。それにより、ＬＥＤ電流の実効値に対するピーク値の比が低減させられる。

以下、図面を参照しながら、いくつかの例を通じて本発明を説明する。

図１は、本発明に従う１つのパワーＬＥＤ制御機構の構成を示した図である。整流器兼フィルタ１が、交流電圧ｖａｃにより動作させられている電力供給網に接続されている。整流器１の出力側に存在する直流電圧ｖｄｃは、ＤＣ／ＡＣ変換器２に対して電圧を供給する。このＤＣ／ＡＣ変換器２には、変圧器３が接続されている。ＤＣ／ＡＣ変換器２と変圧器３との間には、コンデンサＣが直列接続されている。このコンデンサと変圧器とは、協働して共振回路を形成する。変圧器３は、ＬＥＤ４１および４２を励起する。

ＤＣ／ＡＣ変換器２は、実質的には、ハーフブリッジ回路状に配された２つのトランジスタ２２および２３が接続された、制御機構２１を基礎としている。あるいは、ＤＣ／ＡＣ変換器は、フルブリッジ回路として構成されてもよい。制御機構２１の入力部は、ＬＥＤ４１および４２に光接続されている。あるいは、半波と関連付けられた二次側の電流が、測定されフィードバックされてもよい。ＬＥＤ４１および４２により発せられた光を電気信号に変換するため、制御機構２１は、光センサ（図示せず）を備えている。ＬＥＤ４１および４２の陰極は、二次側において、変圧器３の中間タップ３３に直接接続されている。

一方側の接続部３１および３２と他方側の中間タップ３３との間において各インダクタンスＬ２ａおよびＬ２ｂを介して引き出される、２つの出力電圧は、ＬＥＤの具体的な順電圧を調整してその電流を通じてその個々の輝度を制御するように、調整され得る。ある好ましいケースでは、インダクタンスＬ２ａおよびＬ２ｂは、変圧器（漏れ）インダクタンスとされる。ＬＥＤ４１は第１の色調の光を発し、ＬＥＤ４２は第２の色調の光を発する。好ましい色調としては、この例では、白色（第１の半波）と、黄色から橙色（約５９０から６００ｎｍ；他の半波）とが挙げられる。それぞれ１つのみの色調を有するＬＥＤ群に代えて、異なる色調の複数のＬＥＤがＬＥＤ群内に与えられてもよい（たとえば、１つのＬＥＤ群内に黄色のＬＥＤのみを含めるのに代えて、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとを混ぜてもよい）。

各出力電流は、一次側の切換比によって、互いに独立に制御することができる。光は、ハーフブリッジ型の制御機構に、入力信号として戻される。あるいは、半波と関連付けられた二次側の電流が、測定されフィードバックされてもよい。この構成は、ネットワークと絶縁された変換器において通常の構成であるような、光結合による単純なフィードバック経路を表すものである。

動作原理は、図２から４に、電流および電圧の傾斜の形式で示されている。図２に示されているように、ＤＣ／ＡＣコンバータ２は、共振による所与の周波数で、５０％の対称的な動作サイクルで動作する。両方のＬＥＤ４１および４２が励起される。図２の上側の２つの曲線はそれぞれ、定常状態における２つの切換サイクルｖＳ（下側の曲線）に応じた、ＤＣ／ＡＣ変換器の動作の結果として得られる、ＤＣ／ＡＣ変換器の電流ｉＣと、変圧器の磁化電流ｉＭ（図１には図示せず）とを示している。中間にある２つの曲線はそれぞれ、ＬＥＤ４１とＬＥＤ４２とを流れる対応の電流の傾斜を示している。変圧器の出力電流すなわちｉＣとｉＭとの差が、正の電流である際には、この電流はＬＥＤ４１を通って流れ、その後に続く、変圧器の出力電流の負の半波は、ＬＥＤ４２を通って流れる。

図３は、変更形態のＤＣ／ＡＣ変換器の動作を示している。ここでは、ＤＣ／ＡＣ変換器の電圧Ｖｓの傾斜は、３５％に減らされたデューティーサイクルと、わずかに増分させられた周波数とを有している。その結果、変圧器出力電流の正の半波、すなわちＬＥＤ４１を流れる電流はほぼ同一に保たれる一方、ＬＥＤ４２を流れる電流は、ほとんどなくなる。

図４では、ＤＣ／ＡＣ変換器は、６５％のデューティーサイクルで動作させられている。この例では、ＬＥＤ４２を流れる電流が大幅に増大させられている一方、ＬＥＤ４１を流れる電流は実質的にない状態となっている。

図５は、１つのみの巻線Ｎ２を有する、二次側における出力部の構成を示している。ＬＥＤ４１と４２とは、逆平行に接続されている。ＬＥＤ４１またはＬＥＤ４２に代えて、直列接続された複数のＬＥＤが設けられてもよい（図６参照）。ＬＥＤ４１および４２が、順電圧に近い（もしくは順電圧より低い）絶縁破壊電圧を有する場合、または無視できないブロッキング遅延挙動を有する場合には、逆流防止ダイオード（好ましくはショットキーダイオード）５１および５２の使用が可能である（図７および８参照）。図９および１０は、２つの巻線Ｎ２ａおよびＮ２ｂを有する二次側の構成を示している。ＬＥＤ電流の実効値に対するピーク値の比を低減するために、フィルタコンデンサ６１および６２が追加的に含められてもよい（図１０参照）。

図１１は、第１のＬＥＤ４３が、変圧器の出力電流の両方の半波により励起される主光源として使用され、第２のＬＥＤ４２が、負の半波のみにより励起される副光源として使用されるような、ＬＥＤ配列を可能とする構成を示している。好ましくは、ＬＥＤ群４３の色調は黄色／橙色とされ、ＬＥＤ群４２の色調は青色／シアンとされる。ＬＥＤ群４２の励起度合いは、基本的には、デューティーサイクルを変化させることによってより高くまたはより低くされ、それにより結果として得られる混ぜ合わされた光の色調または色温度が変化させられる。一方、周波数を変化させることは、基本的に、出力輝度の変化をもたらす。

より広範な色スペクトルまたは色温度の範囲をカバーするために、さらなる副光源として、追加のＬＥＤ４１が、図１１の回路に追加されてもよい（図１３参照）。この場合、この追加のＬＥＤ４１は、ＬＥＤ４２に対して相補的に、正の半波のみにより励起される。この実施形態では、好ましい色調は、ＬＥＤ（群）４３については赤色であり、ＬＥＤ（群）４１および４２に対してはシアンおよび緑色である。この構成は、現在入手可能な赤色ＬＥＤが、技術的な理由により、その動作電流範囲（平坦な電流−電圧特性）に亘って、特に高い順電圧の上昇を有するという問題を解決するものである。しかしながら、ここでの対応のトポロジは、理想的な急傾斜のダイオード特性に対応するような、理想的なケースにおける、負荷に依存しない出力電圧に基づいている。たとえば、赤色ＬＥＤ（群）が、一方の半波のみによる電流供給を受ける分岐に接続されている場合、特定の状況下では、完全な負荷の変化に必要な電圧範囲が達成できないので、限られた制御可能性しか得られない。このことは、ＬＥＤが、完全なオン状態にも完全なオフ状態にもならないことを意味する。上記の構成では、ＬＥＤ群は、電圧範囲がデューティーサイクルの対称度合いではなく周波数によって与えられるような、共通分岐内に配される。シアンおよび緑色の群が必要とする電圧範囲は、デューティーサイクルを変化させることによりカバーできる。

図１１および１３の回路にも、逆流防止ダイオード５１および５２が設けられてもよい（図１２および１４参照）。

あるパワーＬＥＤ制御機構を示した図 動作中（両方のＬＥＤが電力供給を受けている）における、図１のＬＥＤ制御機構の電流および電圧の傾斜を示したグラフ ＬＥＤ（Ｄａ）が電力供給を受けており、ＤＣ／ＡＣ変換器のデューティーサイクルが３５％である場合における、図１のＬＥＤ制御機構の電流および電圧の傾斜を示したグラフ ＬＥＤ（Ｄｂ）が電力供給を受けており、ＤＣ／ＡＣ変換器のデューティーサイクルが６５％である場合における、図１のＬＥＤ制御機構の電流および電圧の傾斜を示したグラフ １つのみの巻線を有する出力部の構成を示した図 ＬＥＤの直列配置を示した図 逆流防止ダイオードが直列配置で追加された、図５の構成を示した図 逆流防止ダイオードが並列配置で追加された、図５の構成を示した図 逆流防止ダイオードを伴う、図１に従う制御機構の中間タップを示した図 追加のフィルタコンデンサを伴う、図９のような構成を示した図 主光源および副光源を有する構成を示した図 逆流防止ダイオードを伴う、図１１のような構成を示した図 第２の副光源を伴う、図１１のような構成を示した図 逆流防止ダイオードを伴う、図１３のような構成を示した図

符号の説明

１ 整流器
２ ＤＣ／ＡＣ変換器
３ 変圧器
４ ＬＥＤ
４１ ＬＥＤ
４２ ＬＥＤ
４３ ＬＥＤ
５ 逆流防止ダイオード
６ フィルタコンデンサ
２１ 制御機構
２２ トランジスタ
２３ トランジスタ
３１ 端子
３２ 端子
３３ 中間タップ
５１ 逆流防止ダイオード
５２ 逆流防止ダイオード
６１ フィルタコンデンサ
６２ フィルタコンデンサ
Ｌ２ａ インダクタンス
Ｌ２ｂ インダクタンス

Claims (14)

1. 変圧器の一次側に接続されている共振コンデンサへの電圧を供給するハーフブリッジまたはフルブリッジ型のＤＣ／ＡＣ変換器を有しており、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤ、又は第１のＬＥＤ群及び第２のＬＥＤ群を駆動するための単一の共振型変換器であって、
   前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤ、又は前記第１のＬＥＤ群及び前記第２のＬＥＤ群は、順に連続して電力供給を受けるように前記変圧器の二次側に接続されており、前記第１のＬＥＤ又は前記第１のＬＥＤ群は、前記変圧器の二次側の電流の第１の半波において電力供給を受け、前記第２のＬＥＤ又は前記第２のＬＥＤ群は、前記変圧器の二次側の電流の第２の半波において電力供給を受けており、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器が、前記電圧のデューティサイクル及び周波数の調整によって、前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤ、又は前記第１のＬＥＤ群及び前記第２のＬＥＤ群を流れる電流を独立に制御する制御ユニットを有している、
   単一の共振型変換器を有する共振型パワーＬＥＤ制御機構。
2. 前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群により発せられた光が、前記制御ユニットのための入力値を形成することを特徴とする請求項１記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
3. 前記入力値を表す入力信号が、光結合により実現され、該光結合を介して、前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群により発せられた光の測定された出力電流が、前記ＤＣ／ＡＣ変換器にフィードバックされることを特徴とする請求項２記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
4. 複数のＬＥＤが組み合わされて、各時点において直列接続されるアレイの群とされていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
5. 前記ＬＥＤの電圧供給が、前記変圧器の二次側を通じて行われることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
6. 前記変圧器は、前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群が互いに逆平行に接続された二次巻線を有していることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
7. 前記変圧器は、前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群が順に連続して電力供給を受けるように該ＬＥＤ又は該ＬＥＤ群が接続された、２つの二次巻線を有していることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
8. 前記変圧器は、二次側において中間タップを有しており、該中間タップに、前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群の共通陽極または共通陰極が接続されていることを特徴とする請求項７記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
9. 副光源としての役割を果たす前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群の前記共通陰極または前記共通陽極と、前記中間タップとの間に、主光源として、さらなるＬＥＤが接続されていることを特徴とする請求項８記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
10. 前記副光源としての前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群のうちの一方に代えて、スイッチングダイオードが用いられていることを特徴とする請求項９記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
11. 前記第１のＬＥＤ又は前記第１のＬＥＤ群の色調が白色であり、前記第２のＬＥＤ又は前記第２のＬＥＤ群の色調が黄色／橙色であることを特徴とする請求項６から８いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
12. 前記副光源としての前記第１のＬＥＤ又は前記第１のＬＥＤ群の色調が緑色であり、前記副光源としての前記第２のＬＥＤ又は前記第２のＬＥＤ群の色調が青色／シアンであり、前記主光源としての前記ＬＥＤの色調が赤色であることを特徴とする請求項９記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
13. 前記副光源としての前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群の色調がシアン／青色であり、前記主光源としての前記ＬＥＤの色調が黄色／橙色であることを特徴とする請求項１０記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。
14. 前記ＬＥＤ又は前記ＬＥＤ群が、フィルタコンデンサに接続されていることを特徴とする請求項１から１３いずれか１項記載の共振型パワーＬＥＤ制御機構。

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