ＬＥＤ駆動回路、灯器及び信号灯器
【課題】ＬＥＤ電流を一定に保ち、且つ、電力損失が少なくて済むＬＥＤ駆動回路の実現。
【解決手段】ＬＥＤ駆動回路１では、フィードバック制御部５０により、ＬＥＤアレイ１００に直列接続された検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒをもとに、ＬＥＤアレイ１００に所定の設定電圧Ｖｓが印加されるよう、ＬＥＤアレイ１００に印加すべき制御電圧Ｖｘが自動的に制御される。
【解決手段】ＬＥＤ駆動回路１では、フィードバック制御部５０により、ＬＥＤアレイ１００に直列接続された検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒをもとに、ＬＥＤアレイ１００に所定の設定電圧Ｖｓが印加されるよう、ＬＥＤアレイ１００に印加すべき制御電圧Ｖｘが自動的に制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ駆動回路等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた交通信号灯器が急速に普及している。ＬＥＤには定格電流Ｉ０（例えば、２０ｍＡ）が定められており、ＬＥＤに流れる電流（ＬＥＤ電流）がこの定格電流Ｉ０を超えないよう印加電圧を制御する必要があるが、ＬＥＤ電流には、印加電圧の僅かな変動によって大きく変動する特性がある。また、ＬＥＤには、点灯による発熱によって温度が上昇し、順電圧Ｖｆが低下してＬＥＤ電流が増加し、この電流増加によって更に温度が上昇して電流が増加するといった、ＬＥＤに過電流が流れる熱暴走という問題がある。このため、ＬＥＤを駆動する際には、電流抑制のための制限抵抗がＬＥＤに直列接続される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９５５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＬＥＤに制限抵抗を接続する場合、この制限抵抗での電力損失という問題がある。図８は、制限抵抗による電力損失を説明する図である。図８（ａ）に示すように、ＬＥＤに制限抵抗Ｒを直列接続し、電圧Ｖを印加する。図８（ｂ）は、この回路における印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフを、制限抵抗Ｒを接続しない場合（Ｒ＝０）、制限抵抗Ｒ１を接続する場合（Ｒ＝Ｒ１）、制限抵抗Ｒ２を接続する場合（Ｒ＝Ｒ２＞Ｒ１）のそれぞれについて示している。
【０００５】
図８（ｂ）に示すように、ＬＥＤ電流Ｉは印加電圧Ｖに正比例し、その傾きは、制限抵抗Ｒが大きいほど小さくなる。また、ＬＥＤ電流Ｉを定格電流Ｉ０とするために必要な印加電圧Ｖは制限抵抗Ｒの大きさによって異なり、具体的には、制限抵抗Ｒが大きいほど必要な印加電圧Ｖは大きくなる。
【０００６】
そして、この回路における消費電力Ｐは、Ｐ＝Ｖ×Ｉ０、となり、印加電圧Ｖが大きいほど回路全体での消費電力Ｐは大きくなる。また、回路全体の消費電力Ｐは、ＬＥＤの消費電力ＰＬと、制限抵抗Ｒの消費電力ＰＲとの和となる（Ｐ＝ＰＬ＋ＰＲ）。ＬＥＤの順電圧Ｖｆを一定とすると、ＬＥＤの消費電力ＰＬは一定であるが、制限抵抗Ｒの消費電力ＰＲは、ＰＲ＝（Ｖ−Ｖｆ）×Ｉ０、となり、印加電圧Ｖが大きいほど消費電力ＰＲは大きくなる。つまり、制限抵抗Ｒが大きいほど、印加電圧Ｖを大きくする必要があり、その結果、制限抵抗Ｒでの消費電力ＰＲすなわち電力損失が大きくなる。
【０００７】
また、ＬＥＤでは、温度上昇によってＬＥＤ電流が増加するが、ＬＥＤに直列接続された制限抵抗Ｒが大きいほど、ＬＥＤ電流は安定する。図９は、温度上昇によるＬＥＤ電流の増加を説明する図である。図９（ａ）に示すように、ＬＥＤに制限抵抗Ｒを直列接続し、一定電圧Ｖを印加する。図９（ｂ）は、この回路における印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフであり、制限抵抗Ｒが有りの場合（Ｒ＝Ｒ１）と、制限抵抗Ｒが無しの場合（Ｒ＝０）とのそれぞれについて示している。
【０００８】
図９（ｂ）に示すように、制限抵抗Ｒの有無によって、ＬＥＤ電流Ｉを定格電流Ｉ０とするために必要な印加電圧Ｖが異なり、具体的には、制限抵抗有りのほうが（Ｖ＝Ｖ１）、制限抵抗無しのほうより小さい（Ｖ＝Ｖｆ＜Ｖ１）。そして、温度上昇によってＬＥＤの順電圧Ｖｆが減少すると、印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフが実線から破線に変化する。すると、印加電圧Ｖは一定であるため、ＬＥＤ電流Ｉが増加し、このＬＥＤ電流Ｉの増加の程度は制限抵抗Ｒの有無によって異なる。具体的には、制限抵抗Ｒが大きいほど、ＬＥＤ電流Ｉの増加の程度が小さくなる。つまり、制限抵抗Ｒを大きくすることで、温度上昇によるＬＥＤ電流Ｉの増加を抑制させ、安定化させることができる。
【０００９】
このように、ＬＥＤに直列接続する制限抵抗Ｒを大きくすることで熱暴走を抑制できるが、制限抵抗が大きいほど、この制限抵抗Ｒで発生するジュール熱による電力損失が増加するという問題がある、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ電流を一定に保ち、且つ、電力損失が少なくて済むＬＥＤ駆動回路を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の形態は、
ＬＥＤ部に駆動電力を供給する電力供給部（例えば、図１のＰＷＭ制御部３０）と、
前記ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部（例えば、図１の検出用抵抗１０）と、
前記抵抗部にかかる電圧を検出する抵抗電圧検出部（例えば、図１の抵抗電圧検出部２０）と、
前記抵抗電圧検出部により検出された電圧から求まる前記ＬＥＤ部に流れる電流が前記ＬＥＤ部の定格条件を満たすように、当該検出された電圧に基づいて前記電力供給部の供給電圧を可変に制御する制御部（例えば、図１のフィードバック制御部５０）と、
を備えたＬＥＤ駆動回路である。
【００１１】
この第１の形態によれば、ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部にかかる電圧が検出され、この検出された電圧から求まるＬＥＤ部に流れる電流がＬＥＤ部の定格条件を満たすよう、検出された電圧に基づいてＬＥＤ部に供給される駆動電圧が自動的に制御される。これにより、ＬＥＤ部の熱暴走が生じない。また、ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部は、ＬＥＤ部に電流を検出するために設けられているため、抵抗値が小さくても良い。このため、抵抗部での消費電力が少なくて済む。
【００１２】
第２の形態として、第１の形態のＬＥＤ駆動回路において、
前記電力供給部は、外部から供給される電源を、前記制御部から入力される指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して出力する、
ＬＥＤ駆動回路を構成しても良い。
【００１３】
この第２の形態によれば、ＬＥＤ部への供給電圧は、外部から供給される電源を、指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して生成される。抵抗部にかかる電圧に基づいてＬＥＤ部への供給電圧が可変に制御されるため、指示電圧は変動するが、外部からの供給電源をＰＷＭ方式の印加電圧に変換することにより、この指示電圧の変動に応じて、ＬＥＤ部への駆動電力を電力効率良く供給することができる。
【００１４】
第３の形態として、第１又は第２の形態のＬＥＤ駆動回路において、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように前記電力供給部の供給電圧を制御する点灯時制御手段（例えば、図１のフィードバック制御部５０）を有する、
ＬＥＤ駆動回路を構成しても良い。
【００１５】
この第３の形態によれば、ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように供給電圧が制御される。これにより、ＬＥＤ部への印加電圧を急激に変化させた際に生じる高周波成分の発生を抑制できる。
【００１６】
第４の形態として、
ＬＥＤ部と、
第１〜第３の何れかの形態のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた灯器を構成しても良い。
【００１７】
また、第５の形態として、
信号灯器のランプ部でなるＬＥＤ部と、
第１〜第３の何れかの形態のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた信号灯器であって、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯、滅灯及び点滅の何れの状態にするかに応じて、前記電力供給部による電力供給を制御する、
信号灯器を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＬＥＤ駆動回路の構成図。
【図２】ラグリードフィルタの回路構成図。
【図３】レベル変換器の動作説明図。
【図４】ＬＥＤ駆動回路のブロック線図。
【図５】ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路のブロック線図。
【図６】基準電圧Ｖｓに対するインディシャル応答Ｖｘ（ｔ）の一例。
【図７】ＬＥＤアレイに対する点灯／滅灯指令と制御電圧との関係図。
【図８】制限抵抗による電力損失の説明図。
【図９】温度上昇によるＬＥＤ電流増加の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、本発明を交通信号灯器に適用した場合を説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００２０】
［構成］
図１は、本実施形態におけるＬＥＤ駆動回路１の構成図である。このＬＥＤ駆動回路１は、交通信号灯器の各灯色のＬＥＤアレイ１００を駆動する回路であり、検出用抵抗１０と、抵抗電圧検出部２０と、ＰＷＭ制御部３０と、フィードバック制御部５０とを備えて構成される。
【００２１】
ＬＥＤアレイ１００は、所定灯色（赤、青又は黄色）のＮ個のＬＥＤが直列接続された直列ラインがＭ列並列接続されて形成されており、すなわち、合計Ｎ×Ｍ個のＬＥＤがマトリクス状に配列されてなる。そして、ＬＥＤアレイ１００は、ＰＷＭ制御部３０によって電圧Ｖｘが供給されることで、各ＬＥＤが発光して対応する信号灯色が点灯する。
【００２２】
検出用抵抗１０は、ＬＥＤアレイ１００に流れる全電流Ｉ（Ｍ列のＬＥＤ直列ラインそれぞれに流れる電流の総和）を検出するためのものであり、ＬＥＤアレイ１００に直列接続されている。
【００２３】
抵抗電圧検出部２０は、例えば電圧センサを有し、検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒを検出する。検出用抵抗１０の抵抗値を「Ｒ」とすると、検出される抵抗電圧Ｖｒは、Ｖｒ＝Ｉ×Ｒ、となる。
【００２４】
ＰＷＭ制御部３０は、直流電源４０から供給される直流電圧Ｅを、フィードバック制御部５０によって算出された制御電圧Ｖｘに応じたデューティ比のパルス電圧に変換するＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ方式の制御電圧ＶｘをＬＥＤアレイ１００及び検出用抵抗１０に印加する。生成されるパルス電圧は、パルス電圧の周期を「Ｔ０」とすると、そのパルス幅Ｔｗが、Ｖｘ＝（Ｔｗ／Ｔ０）・Ｅ、を満たすように生成される。
【００２５】
フィードバック制御部５０は、ＬＥＤアレイ１００の各ＬＥＤに流れる電流を定格電流Ｉ０に保つため、抵抗電圧検出部２０によって検出された抵抗電圧Ｖｒと、指示回路２００から与えられる基準電圧Ｖｓをもとに、ＬＥＤアレイ１００及び検出用抵抗１０に印加すべき制御電圧Ｖｘを算出する。
【００２６】
指示回路２００は、交通信号灯器の現示を制御する回路であり、赤、青及び黄色の各灯色の点灯及び滅灯を指示する点灯／滅灯指令を生成し、生成した点灯／滅灯指令に応じた基準電圧Ｖｓを、各灯色に対応するＬＥＤ駆動回路１それぞれに出力する。具体的には、点灯指令時には、Ｖｓ＝Ｖｓ、を出力し、滅灯指令の場合には、Ｖｓ＝０、を出力する。つまり、基準電圧Ｖｓは二段階に切り替わる。
【００２７】
基準電圧Ｖｓは、ＬＥＤアレイ１００に流すべき基準電流Ｉｓと、検出用抵抗１０の抵抗値Ｒとから求まり、Ｖｓ＝Ｒ×Ｉｓ、となる。基準電流Ｉｓは、ＬＥＤアレイ１００を構成する各ＬＥＤの定格電流Ｉ０と、ＬＥＤアレイ１００におけるＬＥＤ直列ラインの配列数Ｍとから求まり、Ｉｓ＝Ｉ０×Ｍ、となる。なお、定格電流Ｉ０は対応するＬＥＤの点灯色によって異なるため、対応する灯色に応じた定格電流Ｉ０を用いる。
【００２８】
このフィードバック制御部５０は、比較器５１と、ラグリードフィルタ５２と、レベル変換器５３を有し、抵抗電圧Ｖｒを基準電圧Ｖｓに追従させるよう、制御電圧Ｖｘを制御する。
【００２９】
比較器５１は、基準電圧Ｖｓと抵抗電圧Ｖｒの差電圧ΔＶ（＝Ｖｓ−Ｖｒ）を算出する。
【００３０】
ラグリードフィルタ５２は、ＬＰＦの一種であり、図２に示すように構成されている。すなわち、このラグリードフィルタ５２は、比較器５１によって算出された差電圧ΔＶに対して、高周波成分を減衰させた電圧Ｖｄｃに変換して出力する。
【００３１】
レベル変換器５３は、ラグリードフィルタ５２から出力された電圧Ｖｄｃのレベルを変換する。図３は、レベル変換器５３によるレベル変換を説明する図である。図３では、横軸をラグリードフィルタ５２からの入力電圧Ｖｄｃと、縦軸をレベル変換器５３の出力電圧である制御電圧Ｖｘとして、入力電圧Ｖｄｃと制御電圧Ｖｘとの関係を示している。同図に示すように、レベル変換器５３は、ラグリードフィルタ５２からの入力電圧Ｖｄｃを、正値の制御電圧Ｖｘとなるように変換する。すなわち、入力電圧Ｖｄｃが所定の電圧範囲「−Ｖｄｃｍ≦Ｖｄｃ≦＋Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘが電圧範囲「０≦Ｖｘ≦Ｖｘｍ」となるよう、入力電圧Ｖｄｃを制御電圧Ｖｘに正比例変換し、入力電圧Ｖｄｃが電圧範囲「Ｖｄｃ＜−Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘを「Ｖｘ＝０」とし、入力電圧Ｖｄｃが電圧「Ｖｄｃ＞＋Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘを「Ｖｘ＝Ｖｘｍ」とする。なお、Ｖｘｍ≦Ｅ、である。
【００３２】
このように、ＬＥＤ駆動回路１は、ＬＥＤ電流Ｉに相当する抵抗電圧Ｖｒをフィードバックし、ＬＥＤアレイ１００へ供給する制御電圧Ｖｘを制御するフィードバック制御系のシステムである。
【００３３】
図４は、フィードバック制御系であるＬＥＤ駆動回路１のブロック線図である。図４に示すように、ＬＥＤ駆動回路１は、基準電圧Ｖｓ（ｓ）を入力し、制御電圧Ｖｘ（ｓ）を制御対象とするフィードバック系の制御システムとみなせる。
【００３４】
ラグリードフィルタ５２の伝達関数ＫＦ（ｓ）は、次式（１）で与えられる。
【数１】
但し、Ｔ１＝Ｒ１・Ｃ、Ｔ２＝Ｒ２・Ｃ、である。
【００３５】
また、レベル変換器５３の伝達関数Ｋｖ（ｓ）は、次式（２）で与えられる。
【数２】
【００３６】
そして、このＬＥＤ駆動回路１の伝達関数Ｈ（ｓ）は、次式（３）で与えられる。
【数３】
ここで、
【数４】
とおくと、式（３）は、次式（６）となる。
【数５】
【００３７】
この伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答（過渡応答）Ｖｘ（ｓ），Ｖｘ（ｔ）は、それぞれ、次式（７），（８）となる。
【数６】
【００３８】
次に、このＬＥＤ駆動回路１において、ノイズ（雑音）を考慮した場合を考える。図５は、ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路１のブロック線図である。ここで考慮されるノイズは、（１）ＬＥＤアレイ１００における各ＬＥＤにかかる順電圧Ｖｆの変動ｄＶ、（２）ＰＷＭ制御部３０におけるＰＷＭリプル（高調波ノイズ）ｒｉｐ、である。
【００３９】
ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路１の伝達関数Ｈ（ｓ）は、ノイズを考慮しない場合と同じく、上式（３）で与えられる。
【００４０】
そして、ノイズを考慮した場合の伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答Ｖｏ（ｓ）は、次式（９）となる。
【数７】
【００４１】
このインディシャル応答Ｖｏ（ｓ）の定常偏差は、次式（１０）となる。
【数８】
【００４２】
従って、ノイズを考慮した場合の伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答Ｖｏ（ｔ）は、次式（１１）となる。
【数９】
【００４３】
図６は、ＬＥＤ駆動回路１のインディシャル応答を示す図である。同図に示すように、制御電圧Ｖｘ（ｔ）は基準電圧Ｖｓ（ｔ）に追従して変化するが、このときの追従のし易さは、式（４）で与えられるダンピングファクタζや、ロック時間ｔｎによって決まる。ここで、具体的な設定値としては、例えば、ダンピングファクタζ＝０．７０７、ロック時間（整定時間）ｔｎ＝５０［ｍｓ］、ωｎ・ｔｎ＝４．５［ｒａｄ］、と設定される。
【００４４】
図７は、ＬＥＤアレイ１００に対する点灯／滅灯指令と、制御電圧Ｖｘ（ｔ）との関係を示す図である。基準電圧Ｖｓは、ＬＥＤアレイ１００に対応する灯色の点灯／滅灯指令に応じて二段階に切り替わる。そして、同図に示すように、点灯／滅灯指令の切り替え時（すなわち、基準電圧Ｖｓの切り替え時）には、制御電圧Ｖｘ（ｔ）は、所定のロック時間（整定時間）ｔｎをかけて切り替わるように制御されることになる。
【００４５】
ところで、基準電圧Ｖｓの切り替え時に、この基準電圧Ｖｓの変化と同時に制御電圧Ｖｘを変化させると、ＬＥＤ電流Ｉが急激に変化して高周波雑音が生じる。しかし、本実施形態のように、基準電圧Ｖｓの切り替え時には所定時間ｔｎをかけてゆっくりと切り替えることで、切り替え時の高周波雑音の発生を抑制することができる。
【００４６】
［作用・効果］
このように、本実施形態のＬＥＤ駆動回路１では、フィードバック制御系により、ＬＥＤアレイ１００に直列接続された検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒをもとに、ＬＥＤアレイ１００に所定の基準電流Ｉｓが流れるよう、ＬＥＤアレイ１００に印加すべき制御電圧Ｖｘが自動的に制御される。これにより、例えばＬＥＤの発熱によってＬＥＤ電流が増加しても、この増加を抑制するように制御電圧Ｖｘが制御されるため、ＬＥＤアレイ１００には常に一定の基準電流Ｉｓが流れることになり、ＬＥＤの熱暴走といったことが生じない。
【００４７】
また、ＬＥＤアレイ１００への印加電圧は、直流電源ＥをＰＷＭ制御することによって生成されるＰＷＭ波であるため、電力効率が良い。また、任意の基準電流Ｉｓを設定できるので、信号灯器の調光制御も容易である。また、駆動対象となるＬＥＤアレイの灯色が変更されたとしても、変更後の灯色に応じた基準電流Ｉｓを設定するだけで済む。また、基準電圧Ｖｓの変動に対する制御電圧Ｖｘの応答特性に時間遅れの要素を持たせたため、点灯／滅灯時の切り替え時にＬＥＤ電流に生じる高周波雑音を抑制している。
【００４８】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００４９】
例えば、上述の実施形態では、ＬＥＤ式の交通信号灯器に適用した場合を説明したが、例えば鉄道用信号灯器など、ＬＥＤ灯器であれば何れにも適用可能である。
【００５０】
また、本実施形態では、ＰＷＭ制御部３０が、ＰＷＭ制御によって電源電圧Ｅから制御電圧Ｖｘを生成して印加することにしたが、これを、電力効率や応答速度の点で劣るが、ＰＷＭ方式以外の制御方法によって、電源電圧Ｅから制御電圧Ｖｘを生成することにしても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ ＬＥＤ駆動回路
１０ 検出用抵抗、２０ 抵抗電圧検出部
３０ ＰＷＭ制御部、４０ 直流電源
５０ フィードバック制御部
５１ 比較器、５２ ラグリードフィルタ、５３ レベル変換器
１００ ＬＥＤアレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ駆動回路等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた交通信号灯器が急速に普及している。ＬＥＤには定格電流Ｉ０（例えば、２０ｍＡ）が定められており、ＬＥＤに流れる電流（ＬＥＤ電流）がこの定格電流Ｉ０を超えないよう印加電圧を制御する必要があるが、ＬＥＤ電流には、印加電圧の僅かな変動によって大きく変動する特性がある。また、ＬＥＤには、点灯による発熱によって温度が上昇し、順電圧Ｖｆが低下してＬＥＤ電流が増加し、この電流増加によって更に温度が上昇して電流が増加するといった、ＬＥＤに過電流が流れる熱暴走という問題がある。このため、ＬＥＤを駆動する際には、電流抑制のための制限抵抗がＬＥＤに直列接続される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９５５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＬＥＤに制限抵抗を接続する場合、この制限抵抗での電力損失という問題がある。図８は、制限抵抗による電力損失を説明する図である。図８（ａ）に示すように、ＬＥＤに制限抵抗Ｒを直列接続し、電圧Ｖを印加する。図８（ｂ）は、この回路における印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフを、制限抵抗Ｒを接続しない場合（Ｒ＝０）、制限抵抗Ｒ１を接続する場合（Ｒ＝Ｒ１）、制限抵抗Ｒ２を接続する場合（Ｒ＝Ｒ２＞Ｒ１）のそれぞれについて示している。
【０００５】
図８（ｂ）に示すように、ＬＥＤ電流Ｉは印加電圧Ｖに正比例し、その傾きは、制限抵抗Ｒが大きいほど小さくなる。また、ＬＥＤ電流Ｉを定格電流Ｉ０とするために必要な印加電圧Ｖは制限抵抗Ｒの大きさによって異なり、具体的には、制限抵抗Ｒが大きいほど必要な印加電圧Ｖは大きくなる。
【０００６】
そして、この回路における消費電力Ｐは、Ｐ＝Ｖ×Ｉ０、となり、印加電圧Ｖが大きいほど回路全体での消費電力Ｐは大きくなる。また、回路全体の消費電力Ｐは、ＬＥＤの消費電力ＰＬと、制限抵抗Ｒの消費電力ＰＲとの和となる（Ｐ＝ＰＬ＋ＰＲ）。ＬＥＤの順電圧Ｖｆを一定とすると、ＬＥＤの消費電力ＰＬは一定であるが、制限抵抗Ｒの消費電力ＰＲは、ＰＲ＝（Ｖ−Ｖｆ）×Ｉ０、となり、印加電圧Ｖが大きいほど消費電力ＰＲは大きくなる。つまり、制限抵抗Ｒが大きいほど、印加電圧Ｖを大きくする必要があり、その結果、制限抵抗Ｒでの消費電力ＰＲすなわち電力損失が大きくなる。
【０００７】
また、ＬＥＤでは、温度上昇によってＬＥＤ電流が増加するが、ＬＥＤに直列接続された制限抵抗Ｒが大きいほど、ＬＥＤ電流は安定する。図９は、温度上昇によるＬＥＤ電流の増加を説明する図である。図９（ａ）に示すように、ＬＥＤに制限抵抗Ｒを直列接続し、一定電圧Ｖを印加する。図９（ｂ）は、この回路における印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフであり、制限抵抗Ｒが有りの場合（Ｒ＝Ｒ１）と、制限抵抗Ｒが無しの場合（Ｒ＝０）とのそれぞれについて示している。
【０００８】
図９（ｂ）に示すように、制限抵抗Ｒの有無によって、ＬＥＤ電流Ｉを定格電流Ｉ０とするために必要な印加電圧Ｖが異なり、具体的には、制限抵抗有りのほうが（Ｖ＝Ｖ１）、制限抵抗無しのほうより小さい（Ｖ＝Ｖｆ＜Ｖ１）。そして、温度上昇によってＬＥＤの順電圧Ｖｆが減少すると、印加電圧ＶとＬＥＤ電流Ｉとの関係を示すグラフが実線から破線に変化する。すると、印加電圧Ｖは一定であるため、ＬＥＤ電流Ｉが増加し、このＬＥＤ電流Ｉの増加の程度は制限抵抗Ｒの有無によって異なる。具体的には、制限抵抗Ｒが大きいほど、ＬＥＤ電流Ｉの増加の程度が小さくなる。つまり、制限抵抗Ｒを大きくすることで、温度上昇によるＬＥＤ電流Ｉの増加を抑制させ、安定化させることができる。
【０００９】
このように、ＬＥＤに直列接続する制限抵抗Ｒを大きくすることで熱暴走を抑制できるが、制限抵抗が大きいほど、この制限抵抗Ｒで発生するジュール熱による電力損失が増加するという問題がある、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ電流を一定に保ち、且つ、電力損失が少なくて済むＬＥＤ駆動回路を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の形態は、
ＬＥＤ部に駆動電力を供給する電力供給部（例えば、図１のＰＷＭ制御部３０）と、
前記ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部（例えば、図１の検出用抵抗１０）と、
前記抵抗部にかかる電圧を検出する抵抗電圧検出部（例えば、図１の抵抗電圧検出部２０）と、
前記抵抗電圧検出部により検出された電圧から求まる前記ＬＥＤ部に流れる電流が前記ＬＥＤ部の定格条件を満たすように、当該検出された電圧に基づいて前記電力供給部の供給電圧を可変に制御する制御部（例えば、図１のフィードバック制御部５０）と、
を備えたＬＥＤ駆動回路である。
【００１１】
この第１の形態によれば、ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部にかかる電圧が検出され、この検出された電圧から求まるＬＥＤ部に流れる電流がＬＥＤ部の定格条件を満たすよう、検出された電圧に基づいてＬＥＤ部に供給される駆動電圧が自動的に制御される。これにより、ＬＥＤ部の熱暴走が生じない。また、ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部は、ＬＥＤ部に電流を検出するために設けられているため、抵抗値が小さくても良い。このため、抵抗部での消費電力が少なくて済む。
【００１２】
第２の形態として、第１の形態のＬＥＤ駆動回路において、
前記電力供給部は、外部から供給される電源を、前記制御部から入力される指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して出力する、
ＬＥＤ駆動回路を構成しても良い。
【００１３】
この第２の形態によれば、ＬＥＤ部への供給電圧は、外部から供給される電源を、指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して生成される。抵抗部にかかる電圧に基づいてＬＥＤ部への供給電圧が可変に制御されるため、指示電圧は変動するが、外部からの供給電源をＰＷＭ方式の印加電圧に変換することにより、この指示電圧の変動に応じて、ＬＥＤ部への駆動電力を電力効率良く供給することができる。
【００１４】
第３の形態として、第１又は第２の形態のＬＥＤ駆動回路において、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように前記電力供給部の供給電圧を制御する点灯時制御手段（例えば、図１のフィードバック制御部５０）を有する、
ＬＥＤ駆動回路を構成しても良い。
【００１５】
この第３の形態によれば、ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように供給電圧が制御される。これにより、ＬＥＤ部への印加電圧を急激に変化させた際に生じる高周波成分の発生を抑制できる。
【００１６】
第４の形態として、
ＬＥＤ部と、
第１〜第３の何れかの形態のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた灯器を構成しても良い。
【００１７】
また、第５の形態として、
信号灯器のランプ部でなるＬＥＤ部と、
第１〜第３の何れかの形態のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた信号灯器であって、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯、滅灯及び点滅の何れの状態にするかに応じて、前記電力供給部による電力供給を制御する、
信号灯器を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＬＥＤ駆動回路の構成図。
【図２】ラグリードフィルタの回路構成図。
【図３】レベル変換器の動作説明図。
【図４】ＬＥＤ駆動回路のブロック線図。
【図５】ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路のブロック線図。
【図６】基準電圧Ｖｓに対するインディシャル応答Ｖｘ（ｔ）の一例。
【図７】ＬＥＤアレイに対する点灯／滅灯指令と制御電圧との関係図。
【図８】制限抵抗による電力損失の説明図。
【図９】温度上昇によるＬＥＤ電流増加の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、本発明を交通信号灯器に適用した場合を説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００２０】
［構成］
図１は、本実施形態におけるＬＥＤ駆動回路１の構成図である。このＬＥＤ駆動回路１は、交通信号灯器の各灯色のＬＥＤアレイ１００を駆動する回路であり、検出用抵抗１０と、抵抗電圧検出部２０と、ＰＷＭ制御部３０と、フィードバック制御部５０とを備えて構成される。
【００２１】
ＬＥＤアレイ１００は、所定灯色（赤、青又は黄色）のＮ個のＬＥＤが直列接続された直列ラインがＭ列並列接続されて形成されており、すなわち、合計Ｎ×Ｍ個のＬＥＤがマトリクス状に配列されてなる。そして、ＬＥＤアレイ１００は、ＰＷＭ制御部３０によって電圧Ｖｘが供給されることで、各ＬＥＤが発光して対応する信号灯色が点灯する。
【００２２】
検出用抵抗１０は、ＬＥＤアレイ１００に流れる全電流Ｉ（Ｍ列のＬＥＤ直列ラインそれぞれに流れる電流の総和）を検出するためのものであり、ＬＥＤアレイ１００に直列接続されている。
【００２３】
抵抗電圧検出部２０は、例えば電圧センサを有し、検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒを検出する。検出用抵抗１０の抵抗値を「Ｒ」とすると、検出される抵抗電圧Ｖｒは、Ｖｒ＝Ｉ×Ｒ、となる。
【００２４】
ＰＷＭ制御部３０は、直流電源４０から供給される直流電圧Ｅを、フィードバック制御部５０によって算出された制御電圧Ｖｘに応じたデューティ比のパルス電圧に変換するＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ方式の制御電圧ＶｘをＬＥＤアレイ１００及び検出用抵抗１０に印加する。生成されるパルス電圧は、パルス電圧の周期を「Ｔ０」とすると、そのパルス幅Ｔｗが、Ｖｘ＝（Ｔｗ／Ｔ０）・Ｅ、を満たすように生成される。
【００２５】
フィードバック制御部５０は、ＬＥＤアレイ１００の各ＬＥＤに流れる電流を定格電流Ｉ０に保つため、抵抗電圧検出部２０によって検出された抵抗電圧Ｖｒと、指示回路２００から与えられる基準電圧Ｖｓをもとに、ＬＥＤアレイ１００及び検出用抵抗１０に印加すべき制御電圧Ｖｘを算出する。
【００２６】
指示回路２００は、交通信号灯器の現示を制御する回路であり、赤、青及び黄色の各灯色の点灯及び滅灯を指示する点灯／滅灯指令を生成し、生成した点灯／滅灯指令に応じた基準電圧Ｖｓを、各灯色に対応するＬＥＤ駆動回路１それぞれに出力する。具体的には、点灯指令時には、Ｖｓ＝Ｖｓ、を出力し、滅灯指令の場合には、Ｖｓ＝０、を出力する。つまり、基準電圧Ｖｓは二段階に切り替わる。
【００２７】
基準電圧Ｖｓは、ＬＥＤアレイ１００に流すべき基準電流Ｉｓと、検出用抵抗１０の抵抗値Ｒとから求まり、Ｖｓ＝Ｒ×Ｉｓ、となる。基準電流Ｉｓは、ＬＥＤアレイ１００を構成する各ＬＥＤの定格電流Ｉ０と、ＬＥＤアレイ１００におけるＬＥＤ直列ラインの配列数Ｍとから求まり、Ｉｓ＝Ｉ０×Ｍ、となる。なお、定格電流Ｉ０は対応するＬＥＤの点灯色によって異なるため、対応する灯色に応じた定格電流Ｉ０を用いる。
【００２８】
このフィードバック制御部５０は、比較器５１と、ラグリードフィルタ５２と、レベル変換器５３を有し、抵抗電圧Ｖｒを基準電圧Ｖｓに追従させるよう、制御電圧Ｖｘを制御する。
【００２９】
比較器５１は、基準電圧Ｖｓと抵抗電圧Ｖｒの差電圧ΔＶ（＝Ｖｓ−Ｖｒ）を算出する。
【００３０】
ラグリードフィルタ５２は、ＬＰＦの一種であり、図２に示すように構成されている。すなわち、このラグリードフィルタ５２は、比較器５１によって算出された差電圧ΔＶに対して、高周波成分を減衰させた電圧Ｖｄｃに変換して出力する。
【００３１】
レベル変換器５３は、ラグリードフィルタ５２から出力された電圧Ｖｄｃのレベルを変換する。図３は、レベル変換器５３によるレベル変換を説明する図である。図３では、横軸をラグリードフィルタ５２からの入力電圧Ｖｄｃと、縦軸をレベル変換器５３の出力電圧である制御電圧Ｖｘとして、入力電圧Ｖｄｃと制御電圧Ｖｘとの関係を示している。同図に示すように、レベル変換器５３は、ラグリードフィルタ５２からの入力電圧Ｖｄｃを、正値の制御電圧Ｖｘとなるように変換する。すなわち、入力電圧Ｖｄｃが所定の電圧範囲「−Ｖｄｃｍ≦Ｖｄｃ≦＋Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘが電圧範囲「０≦Ｖｘ≦Ｖｘｍ」となるよう、入力電圧Ｖｄｃを制御電圧Ｖｘに正比例変換し、入力電圧Ｖｄｃが電圧範囲「Ｖｄｃ＜−Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘを「Ｖｘ＝０」とし、入力電圧Ｖｄｃが電圧「Ｖｄｃ＞＋Ｖｄｃｍ」の場合には、制御電圧Ｖｘを「Ｖｘ＝Ｖｘｍ」とする。なお、Ｖｘｍ≦Ｅ、である。
【００３２】
このように、ＬＥＤ駆動回路１は、ＬＥＤ電流Ｉに相当する抵抗電圧Ｖｒをフィードバックし、ＬＥＤアレイ１００へ供給する制御電圧Ｖｘを制御するフィードバック制御系のシステムである。
【００３３】
図４は、フィードバック制御系であるＬＥＤ駆動回路１のブロック線図である。図４に示すように、ＬＥＤ駆動回路１は、基準電圧Ｖｓ（ｓ）を入力し、制御電圧Ｖｘ（ｓ）を制御対象とするフィードバック系の制御システムとみなせる。
【００３４】
ラグリードフィルタ５２の伝達関数ＫＦ（ｓ）は、次式（１）で与えられる。
【数１】
但し、Ｔ１＝Ｒ１・Ｃ、Ｔ２＝Ｒ２・Ｃ、である。
【００３５】
また、レベル変換器５３の伝達関数Ｋｖ（ｓ）は、次式（２）で与えられる。
【数２】
【００３６】
そして、このＬＥＤ駆動回路１の伝達関数Ｈ（ｓ）は、次式（３）で与えられる。
【数３】
ここで、
【数４】
とおくと、式（３）は、次式（６）となる。
【数５】
【００３７】
この伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答（過渡応答）Ｖｘ（ｓ），Ｖｘ（ｔ）は、それぞれ、次式（７），（８）となる。
【数６】
【００３８】
次に、このＬＥＤ駆動回路１において、ノイズ（雑音）を考慮した場合を考える。図５は、ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路１のブロック線図である。ここで考慮されるノイズは、（１）ＬＥＤアレイ１００における各ＬＥＤにかかる順電圧Ｖｆの変動ｄＶ、（２）ＰＷＭ制御部３０におけるＰＷＭリプル（高調波ノイズ）ｒｉｐ、である。
【００３９】
ノイズを考慮した場合のＬＥＤ駆動回路１の伝達関数Ｈ（ｓ）は、ノイズを考慮しない場合と同じく、上式（３）で与えられる。
【００４０】
そして、ノイズを考慮した場合の伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答Ｖｏ（ｓ）は、次式（９）となる。
【数７】
【００４１】
このインディシャル応答Ｖｏ（ｓ）の定常偏差は、次式（１０）となる。
【数８】
【００４２】
従って、ノイズを考慮した場合の伝達関数Ｈ（ｓ）のインディシャル応答Ｖｏ（ｔ）は、次式（１１）となる。
【数９】
【００４３】
図６は、ＬＥＤ駆動回路１のインディシャル応答を示す図である。同図に示すように、制御電圧Ｖｘ（ｔ）は基準電圧Ｖｓ（ｔ）に追従して変化するが、このときの追従のし易さは、式（４）で与えられるダンピングファクタζや、ロック時間ｔｎによって決まる。ここで、具体的な設定値としては、例えば、ダンピングファクタζ＝０．７０７、ロック時間（整定時間）ｔｎ＝５０［ｍｓ］、ωｎ・ｔｎ＝４．５［ｒａｄ］、と設定される。
【００４４】
図７は、ＬＥＤアレイ１００に対する点灯／滅灯指令と、制御電圧Ｖｘ（ｔ）との関係を示す図である。基準電圧Ｖｓは、ＬＥＤアレイ１００に対応する灯色の点灯／滅灯指令に応じて二段階に切り替わる。そして、同図に示すように、点灯／滅灯指令の切り替え時（すなわち、基準電圧Ｖｓの切り替え時）には、制御電圧Ｖｘ（ｔ）は、所定のロック時間（整定時間）ｔｎをかけて切り替わるように制御されることになる。
【００４５】
ところで、基準電圧Ｖｓの切り替え時に、この基準電圧Ｖｓの変化と同時に制御電圧Ｖｘを変化させると、ＬＥＤ電流Ｉが急激に変化して高周波雑音が生じる。しかし、本実施形態のように、基準電圧Ｖｓの切り替え時には所定時間ｔｎをかけてゆっくりと切り替えることで、切り替え時の高周波雑音の発生を抑制することができる。
【００４６】
［作用・効果］
このように、本実施形態のＬＥＤ駆動回路１では、フィードバック制御系により、ＬＥＤアレイ１００に直列接続された検出用抵抗１０の両端電圧Ｖｒをもとに、ＬＥＤアレイ１００に所定の基準電流Ｉｓが流れるよう、ＬＥＤアレイ１００に印加すべき制御電圧Ｖｘが自動的に制御される。これにより、例えばＬＥＤの発熱によってＬＥＤ電流が増加しても、この増加を抑制するように制御電圧Ｖｘが制御されるため、ＬＥＤアレイ１００には常に一定の基準電流Ｉｓが流れることになり、ＬＥＤの熱暴走といったことが生じない。
【００４７】
また、ＬＥＤアレイ１００への印加電圧は、直流電源ＥをＰＷＭ制御することによって生成されるＰＷＭ波であるため、電力効率が良い。また、任意の基準電流Ｉｓを設定できるので、信号灯器の調光制御も容易である。また、駆動対象となるＬＥＤアレイの灯色が変更されたとしても、変更後の灯色に応じた基準電流Ｉｓを設定するだけで済む。また、基準電圧Ｖｓの変動に対する制御電圧Ｖｘの応答特性に時間遅れの要素を持たせたため、点灯／滅灯時の切り替え時にＬＥＤ電流に生じる高周波雑音を抑制している。
【００４８】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００４９】
例えば、上述の実施形態では、ＬＥＤ式の交通信号灯器に適用した場合を説明したが、例えば鉄道用信号灯器など、ＬＥＤ灯器であれば何れにも適用可能である。
【００５０】
また、本実施形態では、ＰＷＭ制御部３０が、ＰＷＭ制御によって電源電圧Ｅから制御電圧Ｖｘを生成して印加することにしたが、これを、電力効率や応答速度の点で劣るが、ＰＷＭ方式以外の制御方法によって、電源電圧Ｅから制御電圧Ｖｘを生成することにしても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１ ＬＥＤ駆動回路
１０ 検出用抵抗、２０ 抵抗電圧検出部
３０ ＰＷＭ制御部、４０ 直流電源
５０ フィードバック制御部
５１ 比較器、５２ ラグリードフィルタ、５３ レベル変換器
１００ ＬＥＤアレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ部に駆動電力を供給する電力供給部と、
前記ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部と、
前記抵抗部にかかる電圧を検出する抵抗電圧検出部と、
前記抵抗電圧検出部により検出された電圧から求まる前記ＬＥＤ部に流れる電流が前記ＬＥＤ部の定格条件を満たすように、当該検出された電圧に基づいて前記電力供給部の供給電圧を可変に制御する制御部と、
を備えたＬＥＤ駆動回路
【請求項２】
前記電力供給部は、外部から供給される電源を、前記制御部から入力される指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して出力する、
請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように前記電力供給部の供給電圧を制御する点灯時制御手段を有する、
請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項４】
ＬＥＤ部と、
請求項１〜３の何れか一項に記載のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた灯器。
【請求項５】
信号灯器のランプ部でなるＬＥＤ部と、
請求項１〜３の何れか一項に記載のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた信号灯器であって、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯、滅灯及び点滅の何れの状態にするかに応じて、前記電力供給部による電力供給を制御する、
信号灯器。
【請求項１】
ＬＥＤ部に駆動電力を供給する電力供給部と、
前記ＬＥＤ部に直列に接続された抵抗部と、
前記抵抗部にかかる電圧を検出する抵抗電圧検出部と、
前記抵抗電圧検出部により検出された電圧から求まる前記ＬＥＤ部に流れる電流が前記ＬＥＤ部の定格条件を満たすように、当該検出された電圧に基づいて前記電力供給部の供給電圧を可変に制御する制御部と、
を備えたＬＥＤ駆動回路
【請求項２】
前記電力供給部は、外部から供給される電源を、前記制御部から入力される指示電圧に応じたＰＷＭ方式の印加電圧に変換して出力する、
請求項１に記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯させる場合、所定の整定時間をかけて所定の点灯用電圧に達するように前記電力供給部の供給電圧を制御する点灯時制御手段を有する、
請求項１又は２に記載のＬＥＤ駆動回路。
【請求項４】
ＬＥＤ部と、
請求項１〜３の何れか一項に記載のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた灯器。
【請求項５】
信号灯器のランプ部でなるＬＥＤ部と、
請求項１〜３の何れか一項に記載のＬＥＤ駆動回路と、
を備えた信号灯器であって、
前記制御部は、前記ＬＥＤ部を点灯、滅灯及び点滅の何れの状態にするかに応じて、前記電力供給部による電力供給を制御する、
信号灯器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５１３２５（Ｐ２０１１−１５１３２５Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４３４（Ｐ２０１０−１３４３４）
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（０００００１２９２）株式会社京三製作所 (324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（０００００１２９２）株式会社京三製作所 (324)
【Ｆターム（参考）】
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