JP6326424B2 - Ｌｅｄ光源におけるフリッカを低減するための回路及び方法 - Google Patents

Description

人によっては現在、白熱電球をＬＥＤ電球で交換している。ＬＥＤ電球は白熱光に対する直接的交換であるため、ユーザーは単に白熱電球をソケットから外し、それをＬＥＤ電球と交換する。多くの白熱電球は、白熱電球により発せられる光の強度を制御するディマーの利用により動作する。殆どのディマーは、トライアックの利用により白熱電球に供給されるＡＣライン電圧をクリップすることにより機能する。例えば、ディマーは、電力を白熱電球に供給しているＡＣ正弦波の正及び負の部分をクリップする。トライアックの構成及び固有の動作原理のため、トライアックによりクリップされるＡＣ電圧の正及び負の部分は等しくない。

白熱及びＬＥＤ電球により発せられる光の強度は、その電球を駆動する電流に比例する。従って、電球を駆動する正弦波の正及び負の部分が異なってクリップされるとき、駆動電流はリップルを有し得る。白熱光は非常に長い時定数を有し、これは、電力が取り除かれた後しばらくの間それらが光を放つことを意味する。従って、ディミングされた白熱電球の固有のリップルにユーザーが気付くことはあまりない。しかし、ＬＥＤは、ＰＮ接合を介する電流フローに基づいて光を発し、そのため、光を発しないか、又はそれが光を発する期間が非常に短い。その結果、トライアックにより生じる導通角の差は、顕著で不快なフリッカを生じさせる。

ＬＥＤを駆動するために用いられる第１の波形を平衡化するための方法及び回路が開示される。第１の波形は、第１の振幅を備えた第１のサイクルと第２の振幅を備えた第２のサイクルとを有する。この方法の一実施例が、第１のサイクルの第１の振幅を、第２のサイクルの第２の振幅にマッチするように調節することを含み、その結果が第２の波形である。ＬＥＤは第２の波形で駆動される。

ディマーを用いるＬＥＤ照明システムの概略の例示である。

図１のディマー内の回路の一実施例の概略の例示である。

ディマーがアクティブにされるときの図１の電球に対する電圧を示すグラフである。

図１のＬＥＤドライバの一実施例のブロック図である。

図４のＬＥＤドライバのオペレーションを説明するフローチャートである。

図４のＤＣ・ＤＣコンバータへの整流された電圧入力のグラフである。

図４のフィルタの出力における電流を示すグラフである。

図４のＤＣ・ＤＣコンバータの出力における電流を示すグラフである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）駆動電流を平衡化する回路及び方法が本明細書において開示される。ディマー１０４を用いるＬＥＤ照明システム１００の概略図である図１を参照する。ディマー１０４は、固体光（ＳＳＬ）電球１０６をディミングするために用いられる。本明細書に記載される実施例において、ＳＳＬ電球１０６はＬＥＤ電球であり、電球１０６により発せられる光の源は、ＬＥＤ１０８により生成される。ＬＥＤ電球は、白熱電球から電力が取り除かれた後短い期間でも熱くなり光を発する白熱電球とは幾分異なる。一方、ＬＥＤは、光を発するためにＰＮ接合を用い、発光は、ＬＥＤに対する電力源が取り除かれた瞬間に止まる。従って、ＬＥＤ電球は白熱電球よりずっと短い時定数を有し、これにより、それらをディミングすることが困難となる。更に具体的には、非常に短い時定数のため、ＬＥＤがそれらの駆動電流に対しセンシティブとなる。例えば、駆動電流におけるリップルが、ユーザーにより気付かれ得るフリッカを生じさせ得、白熱電球を駆動する同じリップルは気付き得るフリッカを生成しない。

ＬＥＤ電球の殆どのユーザーは、単に白熱電球をＬＥＤ電球で交換すること、及び、白熱電球と共に用いていた既存のディマーを用いることを望む。しかし、これらのディマーは典型的に、小さなリップル電流の影響を受け難い、白熱電球又は天井ファンなどのデバイスのためにつくられており、従って、これらのディマーの出力電流は、それらの出力正弦曲線信号の正及び負の部分間にいくらかの不均衡を有する。この不均衡は、ＬＥＤ電球により発せられる光においてフリッカを生じさせ得、このフリッカは顕著であり得る。本明細書に記載される回路及び方法は、ディマー１０４により生じる不均衡の影響を低減し、これにより、電球１０６により発せられる光におけるフリッカが低減される。

更に、ディマー１０４内に位置する回路１１０の一実施例の概略図である図２を参照する。回路１１０は、ディミングの目的のためトライアックＴ１を用いる従来のディミング回路である。ディマー１０４及びそのため回路１１０は、電球１０６及びＡＣライン電圧源１１２（本明細書においてライン電圧１１２と称する）と直列に接続されることに留意されたい。ライン電圧１１２は、例えば６０ Ｈｚで１１０ Ｖであり得る。トライアックＴ１は、スイッチのように機能し、正弦波ライン電圧１１２の一部の間回路１００を閉じる。可変レジスタＲ１が、トライアックＴ１が閉じる電圧を判定し、この電圧は点弧角（firing angle）と呼ぶこともある。可変レジスタＲ１を調節することにより、回路１００の導通角が変えられ得、これにより、電球１０６に流れる電圧及び電流が変わる。多くの異なるディマー回路があるが、これらは、正弦波ライン電圧の特定の期間の間の回路１００の開閉と同じ結果をもたらす。

導通角は図３のグラフに示されており、これは、回路１００を介する電流フローの一例である。ライン電圧１１２は、図３の実線及び破線により示されるＡＣ正弦波電圧を供給する。参照のため、正弦波電圧の１つのサイクルが示されており、これは、１８０度の正の位相１２０と１８０度の負の位相１２２を有する。回路１１０におけるトライアックＴ１は、電圧が可変レジスタＲ１によって決められる特定のレベルに達するまで、回路１１０を及びそのため電球１０６を介して電流が流れないようにする。異なる角度で電流フローを止めることにより、回路１１０は電球１０６に対するＡＣ電流を保つが、電流の量は変化する。

電球１０６に供給される電圧の一例が図３において実線で示されており、図３はまた、電球１０６に供給される電流を示し得る。正の位相１２０の間、導通角α１の期間の間ディマー１０４を介して電流が流れる。角度β１で表されるオフ期間の間電流は流れない。角度α１及びβ１の和は合計して１８０度の正の位相１２０となることに留意されたい。負の位相１２２の間、導通角α２の期間の間ディマー１０４を介して電流が流れる。β２の角度で表されるオフ期間の間電流は流れない。角度α２及びβ２の和は合計して１８０度の負の位相１２２となる。本明細書に記載される実施例において、導通角α１は、必ずしも導通角α２に等しい必要はない。等しくない導通角α２、β２は、上述の不均衡を呈する。

再び図１を参照すると、電球１０６内のＬＥＤドライバ１３０が、電球１０６内のＬＥＤ１０８を駆動するために図３に示す電圧を用いる。ＬＥＤドライバ１３０の一実施例のブロック図を図４に示す。ＬＥＤドライバ１３０の幾つかの要素が個別の回路であるとして説明される。それら全て又はそれらの幾つかが単一の回路上に位置し得ることに留意されたい。ＬＥＤドライバ１３０は、回路１００に接続され得る入力を有する。この入力は全波整流器１４０に接続される。全波整流器１４０は、キャパシタＣ１及びインダクタＬ１で構成されるフィルタ１４２に接続され得る出力を有する。フィルタ１４２は、全波整流器１４０の出力を平滑にする、任意の数及び構成の構成要素であり得ることに留意されたい。幾つかの実施例において、フィルタ１４２は用いられない。

フィルタ１４２の出力は、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４及び判定回路１４８両方に接続される。ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４は、フィルタ１４２からフィルタされた電圧を受け取り、以下に説明するようにそれをステップアップ又はダウンさせる。フィルタ１４２からの電流出力は、負荷が存在するときフィルタ１４２からの電圧出力と実質的に同相であることに留意されたい。判定回路１４８は、フィルタ１４４からの電圧出力を監視して、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４が出力電流をステップアップ又はダウンする必要があるか否かを判定する。例えば、判定回路１４８は、平衡化回路１５０が電流を平衡化する必要があるか否かを判定するため、フィルタされた信号のＡＣ構成要素を分析し得る。

判定回路１４８は、平衡化回路１５０に接続される出力を有する。平衡化回路１５０は、フィルタ１４２からの電流出力がＤＣ・ＤＣコンバータ１４４によりステップアップ又はダウンされるか或いはその他の方式で調節されるレベルまで平衡化回路１５０がレベルを制御するように、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４に接続される出力を有する。例えば、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４は、フィルタ１４２からの電流出力のＤＣ成分を減衰又は増幅し得る。平衡化回路１５０は、電圧アナライザ１４８の出力を分析し、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４に出力電圧を調節させる、デジタル回路、ソフトウェア、ファームウェア、又はその他のデバイスであり得、これにより、平衡化回路１５０からの入力に基づいて、出力電流が固有に調節され得る。

ＬＥＤドライバ１３０のオペレーションを図５のフローチャート２００を参照して説明する。図３に示す電流が、電球１０６に及び全波整流器１４０の入力に存在する。全波整流器１４０は、フローチャート２００のステップ２０２に記載されるように従来の方式で入力電流を整流する。全波整流器１４０は、図６に示すような信号を出力し、これは、ライン電圧１１２からの２つのサイクルの整流された信号である。図示するように、導通角α２の間より導通角α１の間一層高く及び一層長い電圧がある。

図６の信号は、フィルタ１４２によりフィルタされて、図７に示すような信号１５２を生成する。信号１５２は、導通角α１の結果である第１のサイクル１５４と、導通角α２の結果である第２のサイクル１５６とを有する。導通角αの結果生じるサイクル１５４は、電流Ｉ１でピークとなり、或いは、Ｉ１の振幅を有すると称され得る。導通角α２の結果生じるサイクル１５６は、電流Ｉ２でピークとなり、或いは、振幅Ｉ２を有すると称され得、電流Ｉ１は電流Ｉ２より大きい。サイクル１５４は電流Ｉ３まで低下し、サイクル１５６は電流Ｉ４まで低下し、電流Ｉ３は電流Ｉ４より大きい。また、サイクル１５４は、サイクル１５６より長い。電流Ｉ３及び１４で表される点は、谷（trough）と呼ぶこともある。参照のため、これらの点は、本明細書における幾つかの状態において、サイクル１５４、１５６の振幅と称され得るか、又はサイクル１５４、１５６の振幅に関連され得る。

判定回路１４８は、フローチャート２００の判定ブロック２０４において記載されるように、波形１５２を監視して、それが平衡化される必要があるかを判定する。例えば、判定回路１４８は、ピーク電流Ｉ１をピーク電流Ｉ２と比較し得る。測定は、第１のピーク電流を測定すること、及び次のピークをサーチすること及びそれを測定することにより達成され得る。このような測定により、２つの隣接するピークの電流値が測定される。その差が所定の値より大きくない場合、図１のＬＥＤ１０８からの結果のフリッカ出力は顕著でない可能性があり、ブロック２０６に示すように平衡化が成されない場合がある。その差が所定の値より大きい場合、判定回路１４８は、ブロック２１０に示すように平衡化回路１４８に電流を平衡化するよう命令し得る。

本明細書に記載される実施例において、サイクル１５４のピーク電流Ｉ１はサイクル１５６のピーク電流Ｉ２の所定の値内にないため、波形１５２は不均衡である。このような波形が、ＬＥＤ１０８を駆動するために用いられる場合、ＬＥＤ１０８はフリッカし得、このフリッカはユーザーに気付かれ得る。示されるように、フリッカは、ライン電圧１１２の周波数と同じ周波数で起こり得る。従って、ライン電圧１１２が６０ Ｈｚの周波数で動作する場合、整流されディミングされた信号からのフリッカも６０ Ｈｚの周波数を有し得、これは、特に、ＬＥＤ１０８がディミング状況で動作している場合、ユーザーにより気付かれ得る。明るい状況では、ＬＥＤ１０８におけるリン及び他の化学物質が、ＬＥＤ１０８に対する電流が取り除かれた後短い期間光を発し得る。このグロー（発光）は、光において気付かれ得るフリッカを低減し得る。しかし、このグロー（発光）は、ディミング照明状況において達成されず、これは、ディミング状況においてフリッカを一層顕著なものにする。

波形１５２を平衡化することは、ステップ２１２で説明されるように、波形１５２に適用される必要がある調節の量を判定することに関与する。平衡化は、フィルタ１４２の出力における波形１５２を測定すること又は分析することに関与し、これは判定回路１４８により実施され得る。判定回路１４８は、波形１５２におけるピーク及び谷の電流、及び時間におけるそれらの位置を判定し得る。この情報は平衡化回路１５０に転送され、平衡化回路１５０は、波形１５２をどのように平衡化するかを決定する。例えば、サイクル１５４のピーク電流Ｉ１は、サイクル１５６のピーク電流Ｉ２のレベルまで低減され得る。波形１５４、１５６は、同じ長さとなるよう調節されてもよい。

ステップ２１４に記載されるように、波形１５２の平衡化を達成するための情報又は制御信号がＤＣ・ＤＣコンバータ１４４に転送される。命令は、ステップ２１６に記載されるように、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４に波形１５２を平衡化させる。命令は、導通角α１に対応する期間の間ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４に出力電流を低減させ得る。従って、導通角α１の間のピーク電流は電流レベルＩ２まで低減され得、電流レベルＩ２は、導通角α２の期間の間のピーク電流に対応する。例えば、ＤＣ・ＤＣコンバータ１４４は、波形１５２のＤＣ成分を減衰又は増幅し得る。

平衡化の結果は、波形１５２が図８に示す波形１６０に変換されることである。図示するように、ピーク電流は同じであり、これは、さもなければライン電圧１１２の周波数で生じ得るフリッカを低減する。波形１６０はリップルを有するが、それは平衡化されている。従って、図１のＬＥＤ１０８により発せられる如何なるフリッカも、ライン電圧１１２の周波数の２倍の周波数でフリッカし得る。例えば、ライン電圧が６０ Ｈｚの周波数で動作している場合、ＬＥＤ１０８により発せられるフリッカは１２０ Ｈｚの周波数であり得、これは、６０ Ｈｚのフリッカよりほど顕著でない。

当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び多くの他の実施例が可能であることが分かるであろう。

Claims (16)

1. ＬＥＤドライバであって、
   正弦波入力電流を受信する入力であって、前記入力電流が、第１の導通角を有する第１のサイクルと第２の導通角を有する第２のサイクルとを有する、前記入力と、
   前記入力に接続され、整流された出力を有する整流器と、
   前記整流された出力に結合される判定回路であって、前記第１のサイクルの振幅が前記第２のサイクルの振幅の所定の値内となるかどうかを示す出力を有する、前記判定回路と、
   前記判定回路の出力に結合され、前記第１のサイクルを調節するための量を示す出力を有する平衡化回路と、
   前記整流された出力に結合される入力と、前記平衡化回路の出力に結合される入力とを有するコンバータであって、前記第１のサイクルの振幅が前記第２のサイクルの振幅の前記所定の値内にないときに前記第１のサイクルの振幅が前記第２のサイクルの振幅に実質的に等しくなるように調節する、前記コンバータと、
   を含む、ＬＥＤドライバ。
2. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   前記コンバータがＤＣ・ＤＣコンバータである、ＬＥＤドライバ。
3. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   前記第１のサイクルがＤＣ成分を有し、前記コンバータが前記第１のサイクルの前記ＤＣ成分を調節する、ＬＥＤドライバ。
4. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   前記コンバータと前記平衡化回路と前記判定回路とが単一の回路に統合される、ＬＥＤドライバ。
5. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   前記判定回路が、前記第１のサイクルの振幅が前記第２のサイクルの振幅より低いか否かを判定し、前記２つの振幅のうちの一層大きい方の振幅を備えたサイクルを一層低い方の振幅まで調節する、ＬＥＤドライバ。
6. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   各第１のサイクルがピークを有し、各第２のサイクルがピークを有し、前記第１のサイクルの振幅と前記第２のサイクルの振幅とが前記ピークに基づく、ＬＥＤドライバ。
7. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   各第１のサイクルが谷を有し、各第２のサイクルが谷を有し、前記第１のサイクルの振幅と前記第２のサイクルの振幅とが前記谷に基づく、ＬＥＤドライバ。
8. 請求項１に記載のＬＥＤドライバであって、
   前記ＬＥＤドライバが電球内に位置する、ＬＥＤドライバ。
9. ＬＥＤを駆動するために電流波形を生成するプロセスであって、
   第１のサイクルと第２のサイクルとを有する正弦波波形を整流することであって、前記正弦波波形が前記第１のサイクルの間に第１の導通角で減衰されて前記第２のサイクルの間に第２の導通角で減衰され、前記整流することが、第１の振幅を有する第１のサイクルと第２の振幅を有する第２のサイクルとを有する整流された電流を提供する、前記整流することと、
   前記整流された電流の第１のサイクルの第１の振幅と第２のサイクルの第２の振幅とが所定の値より大きい差を有するか否かを判定することと、
   前記第１の振幅と前記第２の振幅との間の前記差が所定の値より大きいときに、前記第１の振幅と前記第２の振幅との一層大きい方の振幅が減衰されるべき量を判定することと、
   前記第１の振幅と前記第２の振幅との一層大きい方の振幅を前記第１の振幅と前記第２の振幅との一層低い方の振幅に調節することによって、前記整流された電流を変換された電流波形に変換することと、
   前記変換された電流波形で前記ＬＥＤを駆動することと、
   を含む、プロセス。
10. 請求項９に記載のプロセスであって、
    前記第１の振幅が前記第２の振幅より大きく、前記調節することが、前記第１の振幅が前記第２の振幅にマッチするように前記第１のサイクルを減衰することを含む、プロセス。
11. 請求項９に記載のプロセスであって、
    前記第１の振幅が前記第２の振幅の所定の値内であることを判定することと、
    前記第１の振幅が前記第２の振幅の所定の値の範囲内に維持することと、
    を更に含む、プロセス。
12. 請求項９に記載のプロセスであって、
    前記第１のサイクルがＤＣ成分を有し、前記変換することが、前記第１のサイクルの前記ＤＣ成分を変えることによって成される、プロセス。
13. 請求項９に記載のプロセスであって、
    前記変換することがＤＣ・ＤＣコンバータによって成される、プロセス。
14. 請求項９に記載のプロセスであって、
    前記第１の振幅が前記第２の振幅より小さく、前記変換することが、前記第１の振幅が前記第２の振幅にマッチするように前記第１のサイクルを増幅することを含む、プロセス。
15. 請求項９に記載のプロセスであって、
    各第１のサイクルがピークを有し、各第２のサイクルがピークを有し、前記第１のサイクルの振幅と前記第２のサイクルの振幅とが前記ピークに基づく、プロセス。
16. 請求項９に記載のプロセスであって、
    各第１のサイクルが谷（ｔｒｏｕｇｈ）を有し、各第２のサイクルが谷を有し、前記第１のサイクルの振幅と前記第２のサイクルの振幅とが前記谷に基づく、プロセス。

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