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JP2016006761A - Led駆動装置 - Google Patents

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JP2016006761A
JP2016006761A JP2015026147A JP2015026147A JP2016006761A JP 2016006761 A JP2016006761 A JP 2016006761A JP 2015026147 A JP2015026147 A JP 2015026147A JP 2015026147 A JP2015026147 A JP 2015026147A JP 2016006761 A JP2016006761 A JP 2016006761A
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充孝 佐藤
Mitsutaka Sato
充孝 佐藤
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Abstract

【課題】ちらつきに対する要求に応えることができ高調波規制に適合できるLED駆動装置。
【解決手段】交流電圧を整流して脈動電圧を出力する整流回路11と、複数のLED21〜24が直列に接続され、整流回路からの脈動電圧に応じたLED電流が流れることにより発光するLED直列回路20と、LED直列回路を構成する複数のLEDの中の隣り合ったLEDの接続点に接続された複数のスイッチング素子31〜33と、複数のスイッチング素子の状態に応じて、整流回路からダイオードDを介して供給される脈動電圧に応じた充電電流により充電されるコンデンサCとを備え、コンデンサへの充電電流とLED直列回路へのLED電流との合計が整流回路からの脈動電圧に応じた電流になるように制御し、脈動電圧が所定の閾値より小さくなった場合にコンデンサを放電させ、LED直列回路を構成する複数のLEDの一部に電流を流して発光させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)を駆動するLED駆動装置に関し、特に、ちらつきを抑えることが要求されるLED駆動装置に関する。
商用電圧又はLED電流を検出し、この検出結果に基づきスイッチング素子のオン/オフを制御することにより、LEDの直列接続数を切り替えて点灯させるACダイレクト駆動方式のLED駆動装置が知られている(特許文献1)。
図7(a)は、この種のLED駆動装置の構成を示す図である。このLED駆動装置は、外部から供給される交流電圧を整流回路11で全波整流し、この全波整流により得られた脈動電圧が、複数のLED21〜24を直列接続したLED直列回路に供給される。
複数のLED21〜24は、図示しない制御回路からの制御信号によりオン/オフするスイッチング素子31〜33を介して定電流制御回路41〜44に基づく電流が流れることにより点灯又は消灯される。このとき、LED21〜24は、整流回路11からの脈動電圧が低い値から高い値に変化する位相範囲では該変化に対応してLEDの直列数が増加し、脈動電圧が高い値から低い値に変化する位相範囲では該変化に対応してLEDの直列数が減少するように点灯制御される。
このような点灯制御では、LED21〜24への入力電圧及び入力電流は図7(b)に示すように変化する。このLED駆動装置は、ドロッパ方式による非スイッチング定電流制御回路を備え、入力電圧に応じてLEDの直列数が変更されるため、ロスを抑えながら広い導通角を実現でき、効率的な点灯が可能になる。また、ドロッパ方式のため、リアクトルやコンデンサ等といった大型の電力変換素子を使用しないため、大幅な小型化を実現でき、低背面実装化が容易になる。
特開2006−147933号公報
しかしながら、上述したLED駆動装置によってLED照明装置を構成する場合、JIS規格に規定されているちらつきに対する要求には応えることができない。即ち、JIS規格には「光出力は、人がちらつきを感じるものであってはならない」と規定されているが、この規定を満足するためには、
(1)出力に欠落部(光出力のピーク値の5%以下の部分)がなく、繰り返し周波数が100Hz以上のもの、又は、
(2)光出力の繰り返し周波数が500Hz以上のもの
といった条件を満足する必要がある。
図8は、LED駆動装置の光出力の波形を示す図であり、光出力をセンサで受光してオシロスコープで観測することにより得られたものである。このLED駆動装置では、定電流制御が段階的に行われるため、光出力の波形は階段状になっている。
このLED駆動装置で採用されているACダイレクト駆動方式は、AC入力を全波整流した脈動電圧でLEDを点灯させるだけなので、AC電圧がゼロになった時点で、図8のZ部分に示すように、光出力がゼロになってしまい、不点灯期間が発生する。
その結果、ちらつきに対する要求に応えることができないという問題がある。また、ちらつきを低減するための回路も開発されているが、入力電流が大きく歪むので、高調波規制(JIS C 61000−3−2)クラスC(25W以上)への適合が難しいという問題が残されている。
高調波規制に対応可能なちらつき低減するための回路も考慮されているが、電流の切り替えタイミングと同期しているため、一瞬不点灯期間が存在し、ちらつきに対する要求に応えることができない。
本発明の課題は、ちらつきに対する要求に応えることができ、しかも高調波規制に適合できるLED駆動装置を提供することにある。
本発明は、交流電圧を整流して脈動電圧を出力する整流回路と、複数のLEDが直列に接続され、前記整流回路からの脈動電圧に応じたLED電流が流れることにより発光するLED直列回路と、前記LED直列回路を構成する複数のLEDの中の隣り合ったLEDの接続点に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子の状態に応じて、前記整流回路からダイオードを介して供給される脈動電圧に応じた充電電流により充電されるコンデンサと、前記コンデンサへの充電電流と前記LED直列回路へのLED電流との合計が前記整流回路からの脈動電圧に応じた電流になるように制御する制御回路と、前記脈動電圧が所定の閾値より小さくなった場合に前記コンデンサを放電させ、前記LED直列回路を構成する複数のLEDの一部に電流を流して発光させる補助点灯回路とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、コンデンサへの充電電流とLED直列回路へのLED電流との合計が整流回路からの脈動電圧に応じた電流になるように制御し、脈動電圧が所定の閾値より小さくなった場合にコンデンサを放電させ、複数のLEDの一部に電流を流して発光させるので、ちらつきに対する要求に応えることができ、しかも高調波規制にも適合できるLED駆動装置を提供できる。
本発明の実施例1に係るLED駆動装置の構成を示す図である。 本発明の実施例1に係るLED駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例1に係るLED駆動装置の詳細な構成を示す図である。 本発明の実施例2に係るLED駆動装置の構成を示す図である。 本発明の実施例2に係るLED駆動装置の入力電圧を位相制御した時の位相角を百分率で示した調光率と各LED列の総電流値との関係を示す図である。 本発明の実施例2に係るLED駆動装置の調光率と各LED列の電流値比率との関係を示す図である。 従来のLED駆動装置を用いたLED駆動装置を説明するための図である。 図7に示すLED駆動装置の光出力の波形を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、従来のLED駆動装置と同一構成には、従来技術で使用した符号と同じ符号を付しその説明は省略する。
図1は、本発明の実施例1に係るLED駆動装置の構成を示す図である。このLED駆動装置は、整流回路11、LED直列回路を構成するLED21〜24、スイッチング素子31〜33、定電流制御回路41〜44、ダイオードD1、コンデンサC、AC電圧検知部51、放電スイッチング素子SW及び定電流制御回路52を備えている。スイッチング素子31〜33及び定電流制御回路41〜44は、1つの集積回路(IC)30に含まれる。AC電圧検知部51、放電スイッチング素子SW及び定電流制御回路52は、本発明の補助点灯回路を構成している。
整流回路11は、外部から供給される交流電圧を全波整流する。全波整流により得られた脈動電圧は、複数のLED21〜24を直列に接続したLED直列回路20及びAC電圧検知部51に印加される。
LED21〜24を有するLED直列回路20の両端は、定電流制御回路44を介して整流回路11の両端に接続されている。LED21のアノードは、整流回路11の正極に接続され、LED21のカソードはLED22のアノードに接続されている。LED22のカソードはLED23のアノードに接続され、LED23のカソードはLED24のアノードに接続され、LED24のカソードは定電流制御回路44を介して整流回路11の負極に接続されている。
LED直列回路20に、整流回路11からの脈動電圧が印加されることによりLED21〜24にLED電流が流れて発光する。
スイッチング素子31は、例えばMOSFETから構成され、ドレインはLED21とLED22との接続点に接続され、ソースは定電流制御回路41を介して整流回路11の負極に接続され、ゲートは図示しない制御回路に接続されている。スイッチング素子31は、制御回路からの制御信号がゲートに供給されることによりオン/オフする。
スイッチング素子32は、例えばMOSFETから構成され、ドレインはLED22とLED23との接続点に接続され、ソースは定電流制御回路42を介して整流回路11の負極に接続され、ゲートは図示しない制御回路に接続されている。スイッチング素子32は、制御回路からの制御信号がゲートに供給されることによりオン/オフする。
スイッチング素子33は、例えばMOSFETから構成され、ドレインはLED23とLED24との接続点に接続され、ソースは定電流制御回路43を介して整流回路11の負極に接続され、ゲートは図示しない制御回路に接続されている。スイッチング素子33は、制御回路からの制御信号がゲートに供給されることによりオン/オフする。
定電流制御回路41は、スイッチング素子31のオン時に、スイッチング素子31に一定電流を流す。定電流制御回路42は、スイッチング素子32のオン時に、スイッチング素子32に一定電流を流す。定電流制御回路43は、スイッチング素子33のオン時に、スイッチング素子33に一定電流を流す。定電流制御回路44は、スイッチング素子31〜33の全てがオフしている場合に、LED24から整流回路11の負極に至る経路に一定電流を流す。
ダイオードD1とコンデンサCとが直列に接続されてなる充電回路は、LED22、LED23及びLED24からなる直列回路に並列に接続されている。ダイオードD1のアノードは、LED21とLED22との接続に接続され、カソードはコンデンサCの一端に接続されている。コンデンサCの他端は、LED24のカソードに接続されている。コンデンサCは、整流回路11→LED21→ダイオードD1の経路を流れる充電電流Iccにより充電される。
AC電圧検知部51は、整流回路11から出力される脈動電圧が所定の閾値(AC検知閾値)以下であることを検知した場合に、Hレベルの放電開始信号を出力する。
放電スイッチング素子SWは、例えばMOSFETから構成され、コンデンサCの放電を制御する。放電スイッチング素子SWのドレインは、ダイオードD1とコンデンサCの接続点に接続され、ソースは定電流制御回路52を介してLED22とLED23の接続点に接続され、ゲートはAC電圧検知部51に接続されている。
放電スイッチング素子SWは、AC電圧検知部51からHレベルの放電開始信号が送られてきた場合にオンする。これにより、コンデンサCに充電されている電荷は、コンデンサC→放電スイッチング素子SW→定電流制御回路52→LED23→LED24→コンデンサCの経路で放電されて放電電流Icdが流れる。
次に、このように構成されるLED駆動装置の動作を、図2に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
まず、外部から交流電圧が印加されると、整流回路11は、印加された交流電圧を全波整流し、脈動波形を有する入力電圧Vinを発生する。整流回路11で発生された入力電圧Vinは、LED21〜24からなるLED直列回路20及びAC電圧検知部51に印加される。
一方、スイッチング素子31〜33は、図示しない制御回路からの制御信号に応じてオン/オフされて段階的に定電流制御が行われる。その結果、整流回路11の出力端子間には、入力電圧Vinに応じた階段状の波形を有する入力電流Iinが流れる。
即ち、制御回路からの制御信号によりスイッチング素子31がオンされると、整流回路11→LED21→スイッチング素子31→定電流制御回路41→整流回路11の経路で電流が流れ、LED21のみが点灯する。なお、図2に、光出力が変化する状態を示す。
また、制御回路からの制御信号により、スイッチング素子31がオフされ、スイッチング素子32がオンされると、整流回路11→LED21→LED22→スイッチング素子32→定電流制御回路42→整流回路11の経路で電流が流れ、LED21及びLED22が点灯する。
また、制御回路からの制御信号により、スイッチング素子31,32がオフされ、スイッチング素子33がオンされると、整流回路11→LED21→LED22→LED23→スイッチング素子33→定電流制御回路43→整流回路11の経路で電流が流れ、LED21、LED22及びLED23が点灯する。
さらに、制御回路からの制御信号によりスイッチング素子31〜33のいずれもオンされないと、整流回路11→LED21→LED22→LED23→LED24→定電流制御回路44→整流回路11の経路で電流が流れ、LED21、LED22、LED23及びLED24の全てが点灯する。
次に、各期間T1〜T5の動作を説明する。
まず、期間T1において、放電スイッチング素子SWがオフであり、コンデンサ電圧Vcが第1の電圧V1以下であり、しかも、入力電圧Vinが低い間は、ダイオードD1がオンしないため充電電流Iccは流れない。
しかし、期間T2において、入力電圧Vinが第1の電圧V1より高くなると、整流回路11→LED21→ダイオードD1→コンデンサCの経路で充電電流Iccが流れてコンデンサCの充電が開始される。これにより、期間T2に示すようにコンデンサ電圧Vcが上昇し、期間T3に示すように充電電流Iccがなくなってもコンデンサ電圧Vcは第2の電圧V2を維持する。
この状態で、AC電圧検知部51により、入力電圧VinがAC検知閾値より小さくなったことが検知されると、Hレベルの制御信号が放電スイッチング素子SWのゲートに印加される。
これにより、期間T4に示すように放電スイッチング素子SWがオンする。その結果、コンデンサC→放電スイッチング素子SW→定電流制御回路52→LED23→LED24→コンデンサCの経路で放電電流Icd(充電電流Iccと逆向きの電流)が流れる。AC電圧検知部51が独立していることにより、期間T4を入力電流Iinがゼロになる期間よりも長くすることが可能となる。
これにより、入力電流Iinがゼロになる期間であってもLED23及びLED24に電流Icdが流れるので、期間T4に示すように光出力が持ち上げられ、全てのLED21〜24が消灯する不点灯期間が発生しない。その結果、LED21〜24におけるちらつきに対する要求に応えることができる。
IC30は、補助点灯回路と協調動作し、充電回路を構成するコンデンサCへの充電電流IccとLED直列回路20を構成するLED21〜LED24へのLED電流との合計を、整流回路11からの脈動電圧に応じた電流になるように制御するので、入力電流が正弦波で歪まず、JIS規格の高調波規制クラスC(25W以上)に適合させることができる。また、光出力のピーク値が低減され、光出力周波数が上昇する。
さらに、高周波スイッチングが行われないため、伝導ノイズ及び放射ノイズが低減され、ノイズフィルタが無いにもかかわらず、照明のノイズ規格であるCISPR15に対し、10dB以上のマージンが得られる。
図3は、実施例1に係るLED駆動装置の詳細な構成を示す回路図である。この回路図では、LED21〜24の各々は、12個又は9個の単体LEDで構成されている例を示している。
なお、LED21〜24の各々には点灯期間の異なるものが含まれるため、光出力を平滑するために、図3では、単体LEDの並び順が調整されたイメージを示している。
また、図3に示す実施例1に係るLED駆動装置の基板は、例えば直管蛍光灯型LED照明に内蔵される場合、口金内やLEDの周辺に制御回路を配置し、発光領域への影響を極力避けながらLEDと同一基板に実装する配置となっている。また、長尺化を容易にするために、AC入力端子を両端に設けている。また、防犯灯や施設灯に応用することで、灯具の小型化及び軽量化を図ることができる。
このように本発明の実施例1によれば、光出力がゼロになってしまう不点灯期間が発生するのを回避できるので、ちらつきに対する要求に応えることができる。また、高調波規制クラスC(25W以上)に対応できるという利点がある。
また、実施例1に係るLED駆動装置のちらつきを評価した結果は以下の通りである。即ち、光出力の最低値は、ピーク値の28.1%であり、光出力の周波数は200Hz程度であるので、JIS規格に適合する結果が得られた。
また、蛍光灯の場合は、光出力の最低値は、ピーク値の41.9%であるが、光出力の周波数は実施例1の半分である100Hz程度であるので、ちらつきを視認しやすい。これに対して、実施例1に係るLED駆動装置では、蛍光灯と比較してもちらつきを視認しにくいという効果が得られる。
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、LED直列回路20を構成するLEDの直列数、及び、各LEDを構成する単体LEDの個数は、いずれも任意の数にすることができる。また、放電電流Icdを流す経路は、LED直列回路20の任意の経路とすることができる。
図4は本発明の実施例2に係るLED駆動装置の構成を示す図である。図4では、LED駆動装置の主要部のみの構成を示す。LED駆動装置は、LED直列回路を構成するLED1〜4、ダイオードD1,2、コンデンサC、放電スイッチング素子SWを備えている。放電スイッチング素子SWは、定電流制御回路の機能を兼ね備える。LED1,2は、12個の単体LEDが直列接続されて構成される。LED3,4は、9個の単体LEDが直列接続されて構成される。
実施例2に係るLED駆動装置において、放電スイッチング素子SWを有する補助点灯回路によって発光するLED2の色温度は、その他のLED1,3,4の色温度とは異なるものに設定される。また、補助点灯回路により発光するLED2の色温度は、LED2以外のLED1,3,4の色温度よりも低く設定されている。
図5は本発明の実施例2に係るLED駆動装置の入力電圧を位相制御した時の位相角を百分率で示した調光率と各LED列の総電流値(明るさ)との関係を示す図である。総電流値は各LED列の電流値とLED数とを乗算して得られた電流値である。この場合、補助点灯回路により発光するLEDは、LED2となる。図5からわかるように、調光率が20%のときにLED2以外は電流がほぼ0になっているのに対して、LED2には電流が流れている。
図6は本発明の実施例2に係るLED駆動装置の調光率と各LED列の電流値比率(明るさ比)との関係を示す図である。電流値比は、各々の調光率のときのLED電流値合計に対する各LED列の電流値の比である。図6では、調光率100%のときのLED2のその他のLED1,3,4に対する電流値比率は約30%である。しかし、調光率が20%の場合に、電流値比は約70%と大きい。このため、LED2の色温度を、その他のLED1,3,4の色温度と異なるものに設定することで、位相制御調光時に調光率に従って色温度を変える調色を行うことができる。
また、補助点灯回路により発光するLED2の色温度を、LED2以外のLED1,3,4の色温度よりも低く設定することにより、調光時に全体の色温度が低くなり、白熱電球を調光したときと同じように、自然な色味の変化を実現することができる。もちろん、調光時に全体の色温度が上がるような調色を実現することも可能である。
補助点灯回路がない場合でも、最も低い電圧で点灯するLED列(この例ではLED1)が最後まで点灯することになり、類似の色温度変化を実現可能であるが、補助点灯回路が設けられることにより、以下の利点がある。即ち、100%点灯時に、JISのちらつき規格に適合可能である。また、補助点灯回路の調整により、自由度の高い調色が可能となる。
11 整流回路
20 LED直列回路
1〜4,21〜24 LED
30 集積回路(IC)
31〜33 スイッチング素子
41〜44,52 定電流制御回路
51 AC電圧検知部
D1,2 ダイオード
C コンデンサ
SW 放電スイッチング素子
Vin 交流電圧
Iin 入力電流
Icc 充電電流
Icd 放電電流
Vc コンデンサ電圧

Claims (6)

  1. 交流電圧を整流して脈動電圧を出力する整流回路と、
    複数のLEDが直列に接続され、前記整流回路からの脈動電圧に応じたLED電流が流れることにより発光するLED直列回路と、
    前記LED直列回路を構成する複数のLEDの中の隣り合ったLEDの接続点に接続された複数のスイッチング素子と、
    前記複数のスイッチング素子の状態に応じて、前記整流回路からダイオードを介して供給される脈動電圧に応じた充電電流により充電されるコンデンサと、
    前記コンデンサへの充電電流と前記LED直列回路へのLED電流との合計が前記整流回路からの脈動電圧に応じた電流になるように制御する制御回路と、
    前記脈動電圧が所定の閾値より小さくなった場合に前記コンデンサを放電させ、前記LED直列回路を構成する複数のLEDの一部に電流を流して発光させる補助点灯回路と、
    を備えることを特徴とするLED駆動装置。
  2. 前記補助点灯回路は、前記LED直列回路を構成するLEDの一部に並列に設けられ、前記コンデンサに直列に接続された放電スイッチング素子及び該放電スイッチング素子のオン時に放電電流を流す定電流制御回路を有する放電回路を備え、
    前記放電回路の放電スイッチング素子を介して前記コンデンサを放電させることにより前記LED直列回路を構成するLEDの一部に放電電流を流して発光させることを特徴とする請求項1記載のLED駆動装置。
  3. 前記補助点灯回路は、前記制御回路とは独立し、前記整流回路から出力される脈動電圧が所定の閾値以下になったかどうかを検知するAC電圧検知部を備え、
    前記AC電圧検知部は、脈動電圧が所定の閾値以下になったことを検知した場合に、前記放電スイッチング素子をオンして前記コンデンサを放電させ、前記LED直列回路を構成するLEDの一部に放電電流を流して発光させることを特徴とする請求項2記載のLED駆動装置。
  4. 前記補助点灯回路により発光するLEDの色温度は、前記補助点灯回路により発光するLED以外のLEDの色温度とは異なることを特徴とする請求項2又は請求項3記載のLED駆動装置。
  5. 前記補助点灯回路により発光するLEDの色温度は、前記補助点灯回路により発光するLED以外のLEDの色温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項4記載のLED駆動装置。
  6. 前記補助点灯回路により発光するLEDの色温度は、前記補助点灯回路により発光するLED以外のLEDの色温度よりも高く設定されていることを特徴とする請求項4記載のLED駆動装置。
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