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JP6396336B2 - 発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路 - Google Patents

発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路 Download PDF

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Description

本発明は、電源回路に関するものである。さらに詳細には、交流電圧源と負荷との間に設置された充放電回路とスイッチとを利用して、発光ダイオードの点滅周波数を増加させ、視認性を向上させることができる電源回路に関するものである。
発光ダイオード(LED)は、光効率や耐久性の面でメリットがあるので、照明装置やディスプレイ装置のバックライト用光源として脚光を浴びている。
発光ダイオードは、低直流電流で駆動される。このため、従来は商用交流電圧(交流220ボルト)を直流電圧に変更させるための電源装置を使用した。例えば、SMPS(Switched−Mode Power Supply)、リニアパワー(Linear Power)などが使用された。しかし、これらの電源装置は変換効率が大体落ちる。また、使用された部品のうち、電解キャパシタの寿命が短いので、これらの電源装置の使用は、発光ダイオード照明装置の寿命を低減させるという問題があった。
これらの問題を解決するために、直流に変換せず、交流電源に直接二つの発光ダイオードストリングを順方向と逆方向に接続する方法が開発された。しかし、この方式では、接続された発光ダイオードのうち50%以下だけが点灯するので、効率が低いという問題があった。また、入力電圧の大きさが変化しながら、発光ダイオードに流れる電流が急激に変化するので、発光ダイオード素子に悪影響を与える可能性があり、明るさの変化も大きいという問題があった。また、入力電圧の大きさが、発光ダイオードストリングに含まれている発光ダイオードすべてを動作させられる値以上のときだけ回路に電流が流れるので、回路に流れる交流電流の波形と交流電圧の波形の違いが大きく、これによって力率が低下する問題が発生する。
前記交流電源を直接使用する方法の問題点を解決するために、交流をブリッジ回路によって整流した後に使用する様々な方法が開発された。例えば、韓国公開特許第10−2012−0041093号には、交流電圧を整流した後に整流電圧の大きさの変化に応じて整流電圧が印加される発光ダイオードの数を調節する方法が開示されている。これらの方法は、交流電源を直接利用する方法に比べて、動作する発光ダイオードの数が増加するため、効率が高く、電流供給時間が早くなって力率が改善されるという利点がある。
前記交流電源をブリッジ回路によって整流した後に使用する方法の問題点は、120Hzの周波数を持つ電波整流波を利用して発光ダイオードを駆動するため、位相180度の周辺のかなりの領域において交流電源の大きさが発光ダイオードの駆動電圧以下に小さくなり、未点灯などが発生するということである。
人間の目は点滅融合周波数(flicker fusion frequency)以上で点滅する光源に対しては、断続的ではなく連続的に感じる。このため、点滅融合周波数以上の周波数で点滅する発光ダイオードは、人間の目にはずっと点灯しているように感じられる。ほとんどの人間の目は、75Hz以上で点滅される光源を連続的なものと感じる。しかし、光に敏感な人の場合には、120Hzで点滅する発光ダイオードのちらつきも感じられ、これによって光発作を引き起こす可能性があるため、できれば高周波数で点滅することが好ましい。
このため、日本では100Hzから500Hzまでの間ではフリッカ(flicker)現象が起きないことを照明設備に関する基準に規定しており、欧州諸国も150Hz以上の周波数で照明を駆動することを明文化しようとする作業が進められている。米国は最近エネルギースターの認証基準を設け、Flickrレベルが一定基準を超えた場合は認証の対象外とした。従って、前記電波整流波を利用して駆動される発光ダイオード照明は、販売が根本的に不可能になる状況が到来する可能性がある。
これを改善するために韓国公開特許第10−2010−0104362号には、バレーフィル回路(valley fill circuit)を利用する方法が開示されている。これらの方法では、フリッカ現象の改善の効果が期待できるが、容量が大きいキャパシタを使用しなければならず、キャパシタの装着により力率が悪くなる副作用も発生してしまう。また、入力電圧が低下すると、120Hzのフリッカを発生させることになる。付加的に並列接続された複数の発光ダイオードグループを区分して個別に動作させることによって、必要とされる発光ダイオードの数量が増加してコストが上昇し、未点灯のアレイが発生することになる。
別の改善方法としては、韓国公開特許第10−2012−0082468号に開示されたような充放電回路を利用することができる。この場合にも、フリッカ現象を改善できるが、周波数120Hzのフリッカが発生する限界を超えることはできない。また、入力電圧が低下すると、十分な充電が行われず、放電開始時点が短くなってフリッカ現象がさらに顕著になる。
前記交流電源をブリッジ回路で整流した後に使用する方法のもう一つの問題は、駆動電圧を高く設定する場合には、発光ダイオードが点灯される位相領域が小さくて、発光ダイオードの利用効率(発光ダイオードの実効消費電力/直流定格電流の駆動時の発光ダイオードの消費電力)と力率が低下し、駆動電圧を低く設定する場合には、電力の相当部分が熱として消費されて、電源効率が低下するということである。
韓国公開特許第10−2012−0074502号にも、充放電ブロックを備え、充放電ブロックが充電区間で駆動段の電荷を充電して、発光ダイオードアレイの駆動電圧以下では放電されて発光ダイオードアレイの未点灯区間を削除する照明装置が開示されている。
さらに別の改善方法として、発光ダイオードの点滅周波数を増加させる方法がある。 米国登録特許第8299724号には、OVP(over−voltage protection)素子を利用して、駆動段の電圧がピーク値になると、発光ダイオードアレイに流れる電流を遮断することによって、発光ダイオードアレイの点滅周波数を入力交流電源の周波数の4倍に増加させる方法が開示されている。しかし、駆動段の電圧が発光ダイオードアレイの駆動電圧以下である場合には未点灯区間が長いという問題がある。
また、米国公開特許第2012−0229041号には、キャパシタのようなエネルギー貯蔵素子を利用して電気エネルギーを保存した後、駆動段の接圧の大きさが発光ダイオードアレイの駆動電圧を下回ると、放電することにより、発光ダイオードアレイに印加される電流の周波数を入力交流電源の周波数の4倍に増加させる方法が開示されている。
交流電源を用いた発光ダイオードの他の駆動方法として、調光制御にトライアックを使用した方法が韓国公開特許第10−2011−0091444号に提示されているが、米点灯区間が長くなるにつれて、照明の役割を果たせないという問題がある。
一方、高効率照明を導入して電気エネルギーを節約する方法に、認知現象と刺激の物理的性質との関係を研究する精神物理学(psychophysics)の側面を考慮する試みがあった。
通常、照明から発生する光エネルギーの量は、入力された電気エネルギーの量に比例して増加する。しかし、人間の目がどのように認識するかは別の問題である。
発光ダイオード(light emmitting diode、LED)の場合、直流電源を使用する定電流制御方式またはパルス電圧を用いるパルス幅変調(pulse width modulation、PWM)制御方式で制御される。
パルス幅変調制御は、パルスの周波数とデューティサイクル(duty cycle)を調節して、電力を調節する制御方式である。人間の目は点滅融合周波数(flicker fusion frequency)以上で点滅する光源の場合には、断続的ではなく、連続的に点滅を感じる。したがって、点滅融合周波数以上のパルス電圧を利用して発光ダイオードを駆動すると、人間の目には光源がずっと点灯しているように感じられる。ほとんどの人間の目は、75ヘルツ以上で点滅する光源は連続的なものと感じる。
断続的に点滅する光源の明るさを人間の目がどのように認識するかについての研究結果は、1900年代から発表されている。
トールボット・プラトー(Talbot−Plateau)の法則によると、断続的に点滅する光源を観察する人間は、その光源が平均的な明るさ(brightness)でずっと点灯していると感じる。
また、ブローカ・スルツァ(Broca−Sulzer)の法則によると、カメラフレッシュのような強い光にさらされると、人間の目は実際の光の明るさに比べて数倍明るく感じる。
最近の日本愛媛大学の研究によると、パルス電圧を使用する場合には、ブローカ・スルツァ効果がトールボット・プラトー効果に比べて、より大きな影響を与え、人間の目は光源を平均的な明るさよりさらに明るく認識する。
また、中国天津大学の研究によると、図13に示すように、平均強度(average intensity)が同じ場合、PWM制御方式で駆動されるLEDが定電流方式で駆動されるLEDに比べてより明るく感じられる。また、図11に示すように、PWM制御方式の場合、デューティ・サイクルが短いパルス電圧を使用すればするほど、定電流方式とのアパレント・ブライトネス(apparent brightness)の差がより大きくなることが分かる。アパレント・ブライトネスとは、光の物理量である輝度(brightness)に対応するコントラスト感の心理量を意味する。つまり、実際の明るさではなく、人間が感じる明るさを意味する。
図13に示すように、周波数が100Hzの場合、デューティ・サイクルが50%であれば、定電流方式に比べて40%ほどより明るく感じられ、デューティ・サイクルが80%であれば、約25%ほどより明るく感じられ、デューティ・サイクルが100%であれば、定電流方式との差がないことがわかる。
これらの結果は、日本愛媛大学の研究結果からも確認することができる。愛媛大学の研究結果によると、デューティ・サイクルが5%であり、60Hzのパルス電圧でLEDを駆動する場合、定電流駆動方式に比べて最大120%ほどより明るく感じられる。
図13の結果を通じて、平均強度が同じ場合、強度が大きくてデューティ・サイクルが短いパルス電圧で駆動されるLEDが、強度が小さくてデューティ・サイクルが長いパルス電圧で駆動されるLEDに比べて、より明るく認識されることを予想することができる。
韓国登録特許第10−0971757号 韓国公開特許第10−2012−0041093号 韓国公開特許第10−2010−0104362号 韓国公開特許第10−2012−0082468号 韓国公開特許第10−2012−0074502号 米国登録特許第8299724号 米国公開特許第2012−0229041号 韓国公開特許第10−2011−0091444号
Masafumi JINNO、Keiji MORITA、Yudai TOMITA、Yukinobu TODA、Hideki MOTOMURA(2008)、「Effective illuminance improvement of light source by using pwm」、J. Light&Vis. Env. Vol.32、No.2、2008. Zhang Yinxin、Zhang Zhen、Huang Zhanhua、Cai Huaiyu、Xia Lin、Zhao Jie(2008)、「Apparent Brightness of LEDs under Different dimming Methods」Proc.of SPIE Vol.6841 684109.
本発明は、充放電回路とスイッチを利用して、位相180度の周辺の領域に駆動電圧以上の高いパルス状の電圧を印加して、発光ダイオードの点滅周波数を増加させることができる電源回路を提供することを目的とする。
また、消費電力が比較的低いながらも、発光ダイオードが同じレベルのアパレント・ブライトネスを示すようにする電源回路を提供することを目的とする。
また、駆動電圧を高く設定して電力効率を高めながらも、発光ダイオードが点灯される位相領域が広く、発光ダイオードの利用効率が向上される電源回路を提供することを目的とする。
また、充放電回路の充電時点を調節して、整流回路から出力された電圧の大きさの増加に応じて整流回路の出力段の電流を増加させ、駆動段の電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減し、力率を改善することができる電源回路を提供することを目的とする。
上述した問題点を解決するための本発明に係る電源回路は、交流電圧源に接続して、交流電圧源の交流電圧を電波整流する整流回路と、前記整流回路から出力される電圧によって充電され、充電されたエネルギーを発光ダイオードアレイに供給するように構成された充放電回路と、前記充放電回路に充電されたエネルギーが、前記発光ダイオードアレイに伝達される放電経路を選択的に接続または遮断させるように構成されたスイッチング回路と、前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧未満のA区間において、前記充放電回路が放電され、前記A区間において、少なくとも一度は前記発光ダイオードアレイが点滅して、点灯して、点滅するように、前記スイッチング回路を制御するために構成された制御器とを含むことができる。
A区間で発光ダイオードアレイを点滅させることによって、発光ダイオードアレイの点滅周波数を増加させることができ、発光ダイオードの利用効率も増加するという効果がある。また、視認性の改善の効果も期待できる。
上述した電源回路のスイッチング回路は、前記整流回路から出力された電圧が前記発光ダイオードアレイに伝達される経路を選択的に接続または遮断させるように構成された周波数変換スイッチを含み、前記制御器は、前記発光ダイオードアレイの駆動電圧の範囲内のB区間において、少なくとも一度は、前記発光ダイオードアレイが点滅するように前記周波数変換スイッチを制御することが好ましい。
また、前記スイッチング回路は、前記整流回路から出力された電圧を、前記充放電回路に伝達する経路を選択的に接続または遮断させるように構成された充電スイッチをさらに含み、前記制御器は、前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減できるように、前記整流回路から出力された電圧が予め定められた値以上であるとき、前記充放電回路の充電が開始されるように前記充電スイッチを制御することが好ましい。
また、前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減するために、前記整流回路から出力された電圧が予め定められた値以下であるとき、前記整流回路の出力側と接続されて電気エネルギーを保存または消費するように構成された力率改善回路をさらに含むことが好ましい。
また、前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減するために、前記充放電回路に流れる電流を制限するように構成された電流制限回路をさらに含むことが好ましい。
前記スイッチング回路は、前記整流回路から出力された電圧を、前記充放電回路に伝達する経路を選択的に接続または遮断させるように構成された充電スイッチをさらに含み、前記制御器は、前記周波数変換スイッチがオフされた時点で、前記充放電回路が充電されるように、前記充電スイッチを制御することができる。
上述した電源回路において、前記充放電回路は、前記整流回路及び発光ダイオードアレイと直列に接続され、前記スイッチング回路は、前記充放電回路をバイパスする経路に設けられた第1バイパススイッチと、前記発光ダイオードアレイをバイパスする経路に設けられた第2バイパススイッチと、前記充放電回路と発光ダイオードアレイとを直列に接続する経路に設けられた接続スイッチを含むことができ、前記制御器は、前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧の範囲内であるB区間で前記整流回路の出力段の電圧が発光ダイオードアレイに直接印加されるように、前記第1バイパススイッチをオンして、接続スイッチをオフし、前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧を超えるC区間において、前記整流回路の出力段の電圧が発光ダイオードアレイと前記充放電回路に分配されて印加されるよう、前記第1バイパススイッチをオフして、接続スイッチをオンし、前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧未満のA区間において、前記充放電回路が放電され、前記A区間において、少なくとも一度は、前記発光ダイオードアレイが点滅して、点灯して、点滅するように、前記第1バイパススイッチをオンして、前記第2バイパススイッチをオン/オフにするように前記スイッチング回路を制御することができる。
ここで、前記充放電回路は、複数のキャパシタと複数のキャパシタを並列または直列に接続できるように構成されたスイッチング装置を含むチャージポンプであり、前記制御器は、前記A区間において、前記充放電回路が放電するとき、前記複数のキャパシタが直列に接続されるように、前記スイッチング装置を制御することができる。
本発明に係る電源回路は、充放電回路とスイッチを利用して、交流電圧源によって印加される電圧の大きさが駆動電圧以下であり、発光ダイオードを駆動ができない位相180度の周辺の領域に駆動電圧以上の高いパルス状の電圧を印加することができる。これにより、発光ダイオードの点滅周波数を240Hz以上に増加させることができる(60Hz交流電源の場合)。発光ダイオードが消灯される位相180度周辺の領域でパルス電圧によって発光ダイオードが点滅されるので、発光ダイオードの点滅周波数が2倍に増加する。これにより、フリッカ現象を改善することができる。
また、本発明に係る電源回路を使用する照明システムは、位相180度周辺の領域でパルス電圧によって発光ダイオードが点滅されるので、ブローカ・スルツァ(Broca−Sulzer)の法則によって、消費電力が比較的少ないながらも、他の電源回路を使用した照明システムと同じレベルのアパレント・ブライトネスを維持することができる。
また、充放電回路の充電時点を調節して、整流回路から出力された電圧の大きさの増加に応じて整流回路の出力段の電流を増加させ、駆動段の電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減し、力率を改善することができる。
また、駆動電圧を高く設定する場合に、位相180度周辺の相当領域で発光ダイオードが駆動されない問題を180度周辺に駆動電圧以上の高いパルス状の電圧を印加する方法で解決することにより、電源効率と発光ダイオードの利用効率が同時に向上される。
また、いくつかの実施例では、スイッチングによって駆動電圧以上の高電圧をより高い周波数のパルス状で発光ダイオードに印加することができる。
本発明に係る電源回路の一実施例を概略的に示す図である。 図1に示された制御器のブロック図である。 図1に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。 図1に示された電源回路において、図3に示すような電流波形が発光ダイオードアレイに入力される際の整流回路の出力段の電流波形を示す図である。 図1に示された電源回路において、整流回路の出力段の電流波形の他の例を示す図である。 図1に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の他の例を示す図である。 図1に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の別の例を示す図である。 本発明に係る電源回路の他の実施例を概略的に示す図である。 本発明に係る電源回路のさらに他の実施例を概略的に示す図である。 図9に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。 本発明に係る電源回路のさらに他の実施例を概略的に示す図である。 図11に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。 デューティ・サイクルに応じたアパレント・ブライトネス(apparent brightness)と平均強度との比の変化を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
以下の実施例は、当業者が本発明の思想を十分に理解するために、例として提供されるものである。したがって、本発明はこれらの実施例に限定されず、種々の形態で実現することができる。
図1は、本発明に係る電源回路の一実施例を概略的に示す図である。
図1を参考すれば、本発明に係る電源回路の一実施例は、スイッチング回路と、制御器20と、充放電回路30と、整流回路3と、電流または電圧制限回路4とを含む。本実施例において、スイッチング回路は、第1スイッチ11と、第2スイッチ12と、第3スイッチ13とを含む。
本発明に係る電源回路の一実施例は、整流回路3と接続された充放電回路30の充電時点と放電時点を効果的に制御して、整流回路3から出力される電圧の大きさが負荷の駆動電圧以下の場合にも、発光ダイオードアレイ2を駆動できるようにする。これにより、発光ダイオードアレイ2の点滅周波数を増加させ、発光ダイオードの利用効率(発光ダイオードの実効消費電力/直流定格電流の駆動時の発光ダイオードの消費電力)を高める。
整流回路3は、入力される交流電圧を電波整流する役割をする。整流回路3は、ブリッジダイオード回路であることができる。整流回路3は、図1に示すように交流電圧源1と充放電回路30との間に設置することができる。
スイッチ11、12、13は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)スイッチなどで構成することができる。充放電回路30と発光ダイオードアレイ2とを接続する経路に設けられた第1スイッチ11は、充放電回路30の放電区間の始点と終点を調節する放電スイッチとして使用される。整流回路3の出力段と充放電回路30とを接続する経路に設けられた第2スイッチ12は、充放電回路30の充電区間の始点と終点を調節する充電スイッチとして使用される。放電始点と終点を調節することにより、整流回路3から出力される電圧が発光ダイオードアレイ2の駆動電圧以下であるA領域で発光ダイオードアレイ2が点滅して、点灯して、点滅するようにする。つまり、発光ダイオードアレイ2の未点灯区間であるA領域で発光ダイオードアレイ2が少なくとも一度は点滅するようにする。
第2スイッチ12がオンされると、整流回路3の出力段と充放電回路30とが接続されて充放電回路30で充電が起こり、第1スイッチ11がオンされると、充放電回路30と発光ダイオードアレイ2とが接続されて充放電回路30で放電が起こり、発光ダイオードアレイ2に電源が供給される。
整流回路3の出力段と発光ダイオードアレイ2とを直列に接続する経路に設けられた第3スイッチ13は、整流回路3から出力された電圧が発光ダイオードアレイ2に印加される時点を調節する周波数変換スイッチとして使用される。第3スイッチ13がオフにされると、電圧が発光ダイオードアレイ2に印加されない。第3スイッチ13は、発光ダイオードアレイ2の点滅周波数を変更する役割をする。
制御器20は、整流回路3から出力される電圧の大きさまたは位相を確認して、第1スイッチ11と第2スイッチ12とを制御することにより、放電区間と充電区間の始点と終点を制御する。
また、制御器20は、第3スイッチ13のオン/オフ時間を制御する。整流回路3から出力される電圧の大きさが発光ダイオードアレイ2の駆動電圧以上である場合、第3スイッチ13は、引き続きオン状態を維持するか、オン/オフを繰り返すことができる。
オン/オフが繰り返される場合には、発光ダイオードアレイ2がパルス電圧によって駆動され、第3スイッチ13がオンなる時間とオフになる時間を調節することにより、パルス電圧の形状が決定される。
図2は、図1に示された制御器のブロック図である。図2を参考すれば、制御器20は、メモリ21と、電圧または位相検出回路22と、スイッチ制御部23とを含む。電圧検出回路は、整流回路3から出力される電圧の瞬時値がどの範囲に属するかを確認する。電圧検出回路は、電子回路の分野で広く使われている様々な回路が使用できる。例えば、複数のOPアンプを用いた電圧比較器などを使用することができる。制御器20は、電圧を直接検出する電圧検出回路の代わりに位相検出回路を使用することができる。位相検出回路は、電圧の瞬時値が0になる瞬間を検出できるゼロクロス検出器などを利用して構成することができる。整流回路3から出力される電圧は、位相に応じて瞬時値が変わるので、位相の変化を通じて瞬時値の変化を知ることができる。
メモリ21には、整流回路3から出力される電圧の大きさに応じてスイッチ11、12、13を駆動するための駆動データが保存されている。駆動データは、発光ダイオードの数や駆動電圧、要求される発光ダイオードアレイの点滅周波数などによって決まる。
メモリを使用せずにチャンネルごとに検出された電圧または位相に応じて、あるいは、タイマーなどのカウンタ素子を利用して、スイッチ11、12、13を制御することもできる。
充放電回路30は、整流回路3の出力電圧によって充電された後、整流回路3から出力される電圧の大きさが発光ダイオードアレイ2の駆動電圧以下である区間で放電され、発光ダイオードアレイ2に電源を印加する役割をする。本実施例において、充放電回路30の一例としてキャパシタを用いる。第2スイッチ12がオンされると、充放電回路30が整流回路3と接続されて充放電回路30に電気エネルギーが保存される。第1スイッチ11がオンされると、充放電回路30が発光ダイオードアレイ2と接続され、充放電回路30で放電が起こり、発光ダイオードアレイ2に電源が供給される。充放電回路30は、インダクタを使用することもできる。
電流制限回路または電圧制限回路7は、負荷にかかる電流または電圧を制限する役割をする。電流制限回路または電圧制限回路は、発光ダイオードアレイ2に過度の電流が流れることを防止するためのものであり、発光ダイオードアレイ2に直列に接続される。電流制限回路は、抵抗、キャパシタ、バイポーラトランジスタ、モストランジスタなどで実現することができる。また、電界効果トランジスタ(FET)またはトランジスタ(TR)と補助素子との組み合わせで実現する方法やOPアンプまたはレギュレータなど集積回路を利用する方法などで実現することができる。
また、電源回路と交流電圧源1との間にサージ電圧から電源回路を保護するための抵抗6、サージ抑制素子(図示せず)、ヒューズ5などで構成されたサージ保護回路をさらに含むことができる。
また、第2スイッチ12と直列に接続された、例えば、図1に示すように、第2スイッチ12と接地との間に配置された電流制限回路9をさらに含むことが好ましい。本実施例において、第2スイッチ12がオンされると、充放電回路30に向かって急激に電流が流れ、整流回路3の出力段に流れる電流波形に高調波成分が生じる。電流制限回路9を利用して、充電時に充放電回路30に流れる電流を制限すると、全体高調波歪み率(THD、Total harmonic distortion)を低減することができる。
また、発光ダイオードアレイ2の駆動電圧以下であるA区間での電流波形と電圧波形の違いを最小限に抑えること力率を改善し、整流回路3の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減するために、A区間でのエネルギーを保存するか消費するように構成された力率改善回路をさらに含むことができる。この回路は、抵抗やキャパシタなどのスイッチで構成されることができる。例えば、図1に示すように、整流回路3に並列に接続された抵抗41と、抵抗41と整流回路3とを接続する経路に設けられたスイッチ42とを備えることができる。A区間では、スイッチ42をオンすると、整流回路3の出力段の電圧が抵抗41に印加され、抵抗41にはその電圧に比例して正弦波状で電流が流れる。A区間では、発光ダイオードアレイ2には電流が流れないので、この抵抗41に流れる電流が整流回路3の出力段に流れる電流となる。これらの方法で、整流回路3の出力段の電流の形状を電圧の形状とほぼ一致させることにより、力率を改善することができ、A区間からB区間に移りながら、整流回路3の出力段に突然電流が多く流れて電流波形に高調波成分が多く生じることも防止することができる。
図3は、図1に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。図3を参照して、電源回路の作用を説明する。
制御器20において、整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧未満のA領域に属すると判断された場合には、第2スイッチ12と第3スイッチ13はオンされて、第1スイッチ11はオフされる(まだ充放電回路が充電される前なので、第1スイッチ11をオフする)。第3スイッチ13がオンされているが、入力元の電圧が駆動電圧未満なので、発光ダイオードアレイ2は点灯しない。
第2スイッチ12がオンされているので、充放電回路30が充電される。しかし、電圧が低いため、発光ダイオードアレイ2を動作させるほどの電気エネルギーが保存されない。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧の範囲であるB領域に到達すると、入力元の電圧が駆動電圧以上になり、発光ダイオードアレイ2が点灯する。第2スイッチ12がオンされているので、充放電回路30のキャパシタに電気エネルギーが充電され続ける。充電が完了すると、第2スイッチ12をオフすることができるが、図3に示すように、オンされ続けることもできる。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、再びA領域に到達したと判断された場合には、一定時間経過後、第1スイッチ11をオンして、キャパシタに充電された電気エネルギーを発光ダイオードアレイ2に供給して発光ダイオードアレイ2を点灯させる。放電開始後、一定時点で第1スイッチ11をオフして、再び発光ダイオードアレイ2を消灯させる。つまり、A領域で発光ダイオードが1回点滅するようにする。ここで、放電を開始して停止する時点は、発光ダイオードの順電圧、充電容量、入力元の電圧変動と設定駆動周波数などの変数に連動して決定する。
本実施例では、発光ダイオードアレイ2は、A領域からB領域に進入しながら点灯され、A領域に到達すると消灯され、再びA領域に充放電回路30の放電による電圧が印加されたときに点灯されて放電が停止されるときに再消灯される。つまり、60Hz交流電圧源1によって起動する場合、発光ダイオードアレイ2の点滅周波数が240Hzに増加する。B領域での発光ダイオードアレイ22の点灯時間とA領域での発光ダイオードアレイ22の点灯時間の割合に応じて、発光ダイオードアレイ22の点滅周波数スペクトルに120Hzと240Hzの成分が一緒に現れる可能性もある。ほとんどの人間の目は、周波数が増加するほど、ちらつきを感じにくくなるので、これらの方法でフリッカ現象を改善することができる。
また、A領域でパルス状の電流が発光ダイオードアレイ22に印加されるので、背景技術で説明したように、ブローカ・スルツァ(Broca−Sulzer)の法則によるアパレント・ブライトネス(apparent brightness)の改善効果も期待できる。
上述したように、図3に示すような電流波形は、第2スイッチ12と第3スイッチ13を続けてオンされた状態でも得ることができる。したがって、図1に示された実施例において、第2スイッチ12と第3スイッチ13を除去することもできる。つまり、充電開始時点と充電終了時点を調節する必要がない場合には、第2スイッチ12を除去することができ、240Hzを超える点滅周波数が要求されない場合には、第3スイッチ13を除去することができる。
図4は、図1に示された電源回路において、図3に示すような電流波形が発光ダイオードアレイに入力されるときの整流回路の出力段の電流波形を示す図である。
整流回路3の出力段の電流波形は、発光ダイオードアレイ2と、充放電回路30と、抵抗41に流れる電流の和として、この電流波形と整流回路3の出力段の電圧波形によって力率が決定される。したがって、この電流波形が整流回路3の出力段の電圧波形に類似の形態のものが好ましい。図4において、抵抗41に流れる電流はR、充放電回路30に流れる電流はC、発光ダイオードアレイ2に流れる電流はLEDで表示されている。
図4に示すように、A区間では、ほとんどの電流が抵抗41を通って流れる。抵抗に流れる電流は、抵抗の両端にかかる電圧に比例するので、正弦波状になる。発光ダイオードアレイ2の駆動電圧以下であるので、発光ダイオードアレイ2に電流がほとんど流れず、充放電回路30には、前のサイクルで完全に放電されずに残っている電荷によって電圧がかかっているので、電流がほとんど流れない。
B区間では、スイッチ42がオフされて、抵抗41には電流が流れない。そして、発光ダイオードアレイ2に電流が流れる。この電流は、電流制限回路4によって一定の値以上に流れることができないように制限される。そして充放電回路30にも電流が流れる。充放電回路30に流れる電流も電流制限回路9によって制限される。このとき、設定された充電電流制限値は、全高調波歪み率に影響を与える。
再びA区間に到達すると、スイッチ42がオンされ、抵抗41に電流が流れる。A 区間において、発光ダイオードアレイ2には、充放電回路30から供給された電流が流れるが、整流回路3の出力段から供給された電流は抵抗41に流れる。
図5は、図1に示された電源回路において、整流回路の出力段の電流波形の他の例を示す図である。図5に示すように、B区間で第2スイッチ12をオンするタイミングを調節すれば、整流回路3の出力段の電流波形を整流回路3の出力段の電圧波形にさらに近く調整して、全体高調波歪み率を改善することができる。
図6は、図1に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の他の例を示す図である。本例では、B領域で発光ダイオードアレイ2が一度消灯され、発光ダイオードアレイ2の点滅周波数が360Hzに増加する。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧未満のA領域に属すると判断された場合には、第3スイッチ13はオンされて、第1スイッチ11と第2スイッチ12はオフされる。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧の範囲であるB領域に到達したと判断された場合にも、発光ダイオードアレイ2が消灯される区間を除いて、第3スイッチ13はオン状態を維持する。B領域のうち発光ダイオードアレイ2を消灯しようとする区間に到達すると、第3スイッチ13をオフして、一定時間経過後再びオンされる。B区間で一度消灯した場合には、図6に示すように、点滅周波数が360Hzに増加する。本実施例では、A区間とB区間で発光ダイオードアレイ2に流れる電流パルスの幅に大きな差がないので、発光ダイオードアレイ22の点滅周波数スペクトルに360Hzだけ現れる。
点滅周波数をさらに増加させる必要がある場合には、図7に示すように、B区間で点滅回数を増加させることができる。ここで、第3スイッチ13がオン/オフされる時間を調節すれば、デューティ・サイクルと周波数をも調節することができる。第3スイッチ13がオン/オフされる時間は、負荷に印加される平均電力の大きさが一定になるように調整することが好ましい。電圧の大きさが小さい領域では、第3スイッチ13のオン時間を長くして、電圧の大きさが大きい領域では、第3スイッチ13のオン時間を短くすれば、負荷に印加される平均電力の大きさを一定にすることができる。
第2スイッチ12は、図6に示すように、第3スイッチ13と同期させて、第3スイッチ13がオフされる際にオンされて第3スイッチ13がオンされる際にオフされるか、第3スイッチ13とは無関係にオン/オフされることもできる。図7に示すように、B区間の一部でオンされた後、充電が完了すると、オフされることもできる。オフされなくても、充放電回路30の電圧が整流回路3の出力段の電圧より高いので、それ以上充電されない。
そして整流回路3から出力される電圧の大きさが再びA領域に到達したと判断された場合には、一定時間経過後、第1スイッチ11をオンして、キャパシタに充電された電気エネルギーが発光ダイオードアレイ2に供給されるようにする。放電開始後、一定時点で第1スイッチ11をオフして再び発光ダイオードアレイ2を消灯させる。放電を開始する時点と停止する時点は、A領域内で適切に選択することができる。
図8は、本発明に係る電源回路の他の実施例を概略的に示す図である。
本実施例では、充放電回路30にキャパシタの代わりにインダクタを使用して、交流電圧源1と負荷との間と、交流電圧源1と充放電回路30のインダクタとの間にそれぞれ別途の抵抗7が設けられていることに差がある。本実施例においても、インダクタの代わりにキャパシタを充放電回路30に使用することができる。
図9は、本発明に係る電源回路のさらに他の実施例を概略的に示す図である。
本実施例では、第1スイッチ11と第2スイッチ12の代わりに充放電回路30とグラウンドとの間に設けられた第4スイッチ14を備える。第4スイッチ14をオフすると、充電が行われ、オフされると、充電が停止する。そして、充電された状態で再び第4スイッチ14をオンすると、放電が行われ、オフされると、放電が停止する。つまり、本実施例では、第4スイッチ14が充電スイッチと放電スイッチの両方の役割をすることになる。
図10は、図9に示された電源回路において、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。図10を参照して、本実施例の作用について説明する。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧未満のA領域に属すると判断された場合には、第3スイッチ13をオンして、第4スイッチ14はオフされる。第3スイッチ13がオンされているが、入力元の電圧が駆動電圧未満なので、発光ダイオードアレイ2は点灯しない。
制御器20で整流回路3から出力される電圧の大きさを測定した結果、駆動電圧の範囲であるB領域に到達したと判断された場合にも、発光ダイオードアレイ2が消灯される区間を除いては、第3スイッチ13は、オン状態を維持する。B領域のうち発光ダイオードアレイ2を消灯させたい区間に到達すると、第3スイッチ13をオフし、一定の時間経過後、再びオンされる。B区間で一度点滅させた場合には、図8に示すように、点滅周波数が360Hzに増加する。
B区間で第4スイッチ14は、第3スイッチ13と同期させて、第3スイッチ13がオフされる際にオンされて、第3スイッチ13がオンされる際にオフされるか、第3スイッチ13とは無関係にオン/オフされることもできる。
そして整流回路3から出力される電圧の大きさが再びA領域に属すると判断された場合には、一定時間経過後、第4スイッチ14をオンして、キャパシタに充電された電気エネルギーが発光ダイオードアレイ2に供給されるようにする。放電開始後、一定時点で第4スイッチ14をオフして再び発光ダイオードアレイ2を消灯する。放電を開始する時点と停止する時点は、A領域内で適切に選択することができる。
B区間で第3スイッチ13のオン/オフを繰り返すと、図7に示すようにパルス状の電流が発光ダイオードアレイ2に入力される。
図11は、本発明に係る電源回路のさらに他の実施例を概略的に示す図である。本実施例では交流電圧源1と交流電圧源1の電圧を電波整流する整流回路3と、整流回路3の出力側と直列に順に接続される充放電回路35と、発光ダイオードアレイ2と、電流制限回路4とを含む。
そして、充放電回路35をバイパスして整流回路3と発光ダイオードアレイ2とを直列に接続する導線に設けられた第1バイパススイッチ15と、発光ダイオードアレイ2をバイパスして充放電回路35と電流制限回路4とを直列に接続する導線に設けられた第2バイパススイッチ16と、充放電回路35と発光ダイオードアレイ2との間に設けられた接続スイッチ17とを含む。第1バイパススイッチ15、第2バイパススイッチ16、および接続スイッチ17は、制御器20の制御信号によって動作する。
図12は、図11に示した電源回路で、入力元の電圧波形と発光ダイオードアレイに入力される電流波形の一例を示す図である。整流回路3から出力された電波整流された電圧の大きさがA領域に属する場合には、第1バイパススイッチ15はオンされ、第2バイパススイッチ16と接続スイッチ17はオフされる。第1バイパススイッチ15がオンされているが、発光ダイオードアレイ2の駆動電圧に比べて低電圧が発光ダイオードアレイ2に印加されるので、発光ダイオードアレイ2は点灯しない。
電波整流された電圧の大きさがB領域に到達すると、発光ダイオードアレイ2が点灯する。
電圧の大きさが駆動電圧以上に増加してC領域に到達すると、第1バイパススイッチ15がオフされて、接続スイッチ17がオンされ、電圧が充放電回路35と発光ダイオードアレイ2に分配される。分配されて印加される電圧によって充放電回路35の並列に接続されたキャパシタが充電され、発光ダイオードアレイ2は点灯し続ける。
再び、電圧の大きさがB領域に到達すると、接続スイッチ17がオフされ、第1バイパススイッチ15がオンされる。
再び、電圧の大きさがA領域に到達すると、一定時間経過後、第2バイパススイッチ16がオンされ、充放電回路35に格納された電気エネルギーが発光ダイオードアレイ2に供給される。放電開始後、一定時点で第2バイパススイッチ16をオフして再発光ダイオードアレイ2を消灯する。
必要に応じて、例えば、駆動電圧が高く設定されて1つのキャパシタでは発光ダイオードアレイ2を駆動することができない場合には、2つ以上のキャパシタを並列に接続した充放電回路35を発光ダイオードアレイ2と直列接続して充電し、A領域で放電するときには、別途のスイッチング装置を利用して、キャパシタを直列に変換して発光ダイオードアレイ2と並列接続するチャージポンプ(charge pump)を利用することができる。
上述した実施例は、例示的なものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、上記した発明の詳細な説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 交流電圧源
2、8 発光ダイオードアレイ
3 整流回路
11 第1スイッチ
12 第2スイッチ
13 第3スイッチ
14 第4スイッチ
20 制御器
30、35 充放電回路。

Claims (6)

  1. 発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路であって、
    交流電圧源に接続して、交流電圧源の交流電圧を全波整流する整流回路と、
    前記整流回路から出力される電圧によって充電され、充電されたエネルギーを発光ダイオードアレイに供給するように構成された充放電回路と、
    前記充放電回路に充電されたエネルギーが前記発光ダイオードアレイに伝達される放電経路を選択的に接続または遮断するように構成されたスイッチング回路と、
    前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧未満のA区間において、前記充放電回路が放電され、前記A区間において、少なくとも一度は、前記発光ダイオードアレイがオフされオンされオフされるように、前記スイッチング回路を制御するように構成された制御器とを含み、
    前記スイッチング回路は、
    前記整流回路から出力された電圧を、前記充放電回路に伝達する経路を選択的に接続または遮断させるように構成された充電スイッチをさらに含み、
    前記制御器は、
    前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減できるように、前記整流回路から出力された電圧が予め定められた値以上のとき、前記充放電回路の充電が開始されるように前記充電スイッチを制御し、
    前記電源回路は、
    前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減するために、前記充放電回路に流れる電流を制限するように構成された電流制限回路をさらに含む
    源回路。
  2. 前記スイッチング回路は、
    前記整流回路から出力された電圧が、前記発光ダイオードアレイに伝達されるパスを選択的に接続または遮断させるように構成された周波数変換スイッチを含み、
    前記制御器は、
    前記発光ダイオードアレイの駆動電圧範囲内であるB区間において、少なくとも一度は、前記発光ダイオードアレイが点滅するように、前記周波数変換スイッチを制御する請求項1に記載の発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路。
  3. 前記整流回路の出力段に流れる電流波形の全高調波歪み率(THD、Total hamonic distortion)を低減するために、前記整流回路から出力された電圧が予め定められた値以下のとき、前記整流回路の出力側と接続されて電気エネルギーを保存または消費するように構成された力率改善回路をさらに含む請求項1に記載の発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路。
  4. 前記スイッチング回路は、
    前記整流回路から出力された電圧を、前記充放電回路に伝達する経路を選択的に接続または遮断させるように構成された充電スイッチをさらに含み、
    前記制御器は、
    前記周波数変換スイッチがオフされた時点で、前記充放電回路が充電されるように、前記充電スイッチを制御する請求項2に記載の発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路。
  5. 前記充放電回路は、
    前記整流回路及び発光ダイオードアレイと直列に接続され、
    前記スイッチング回路は、
    前記充放電回路をバイパスする経路に設けられた第1バイパススイッチと、前記発光ダイオードアレイをバイパスする経路に設けられた第2バイパススイッチと、前記充放電回路と発光ダイオードアレイとを直列に接続する経路に設けられた接続スイッチとを含み、
    前記制御器は、
    前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧の範囲内であるB区間において、前記整流回路の出力段の電圧が発光ダイオードアレイに直接印加されるように、前記第1バイパススイッチをオンして、接続スイッチをオフし、
    前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧を超えるC区間において、前記整流回路の出力段の電圧が発光ダイオードアレイと前記充放電回路に分配されて印加されるように、前記第1バイパススイッチをオフして、接続スイッチをオンし、
    前記整流回路から出力された電圧の大きさが前記発光ダイオードアレイの駆動電圧未満のA区間において、前記充放電回路が放電され、前記A区間において少なくとも一度は、前記発光ダイオードアレイがオフされオンされオフされるように、前記第1バイパススイッチをオンして、前記第2バイパススイッチをオン/オフされるように、前記スイッチング回路を制御する請求項1に記載の発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路。
  6. 前記充放電回路は、
    複数のキャパシタと、複数のキャパシタを並列または直列に接続できるように構成されたスイッチング装置を含むチャージポンプであり、
    前記制御器は、
    前記A区間において、前記充放電回路が放電される際、前記複数のキャパシタが直列に接続されるように、前記スイッチング装置を制御する請求項に記載の発光ダイオードの点滅周波数を変換する電源回路。
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