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そもそもフリッカー(チラつき)を出さなきゃ良いんじゃない?~ひと味ちがうリニア調光のススメ~

keikoto

今回は照明機器のフリッカ対策のお話です。

ある日、ベテラン社員の先輩Aさんのところに、入社3年目の新人B君が、困った顔してやってきました……

 

教えて先輩!シリーズ 第11回

  そもそもフリッカー(チラつき)を出さなきゃ良いんじゃない?
~ひと味ちがうリニア調光のススメ~

 

kouhai_man_gimon新人B
A先輩、最近フリッカー対策って進んでいると思ってたんですが、まだまだなんですか?

フリッカのある画像
図1: フリッカーのある映像

フリッカのない画像
図2: フリッカーのない映像

senpai_man_egao先輩A
いや、そんなことはないと思うよ。デジタルカメラやスマートフォンにはフリッカー低減機能が搭載されてきているし、ドライブレコーダーもフレームレートを変更することで対応しているしね。

kouhai_man_yorokobi新人B
でも、未だにムービーを撮るとたまに縞模様が映ったりしますし、ドライブレコーダーのフレームレートっていっても東日本と西日本では違うわけですから東名高速道路を走っている時に手動切替って無理がありませんか?

フリッカーって何?

senpai_man_egao先輩A
そうだね、って高速道路にはLED信号機どころか信号機そのものがないぞ!だからドライブレコーダーに映りっこないだろ。というか、東日本、西日本の両方のAC周波数に同期しないフレームレートにセットすれば良いんじゃないか?
そもそもフリッカーというのはAC(交流電源)の周波数に起因しているんだ。東日本は50Hz、西日本は60Hzなので1秒間に100回/120回の明滅を繰り返しているわけさ。人間の目には問題ないんだけどカメラを通すと写真に明滅が写ってしまうし、動画ならその周期に応じて縞模様が映ってしまう。ドラレコだったらフレームレートとAC周波数が同期しちゃうと信号機が真っ黒に映って赤か青かわからなくなるわけさ。

frequency-1図3: AC周波数とフリッカーの明滅の関係

kouhai_man_gimon新人B
あれっ?LEDってDC(直流電源)で駆動しますよね?

senpai_man_egao先輩A
でも、元はACだよ。電池駆動のLED懐中電灯とかは違うけどLED照明ってAC電源を整流回路でDCに変換して使っているんだよ。だから、多少なりともACの周波数の変動の影響を受けるわけさ。脈流って言うんだけどね。

myakuryuu

図4: LED電流には脈流が残っている

kouhai_man_gimon新人B
でも、AC電源なら周波数が決まっているので、さっきのフリッカー低減機能とかフレームレートの変更とかで対策できますよね。
なのにどうして対策漏れが起こるんでしょう?

senpai_man_egao先輩A
そうねえ。それは調光しているからだよ。

 

消えないフリッカーは調光しているから

kouhai_man_odoroki新人B
調光ですか?

senpai_man_egao先輩A
もともとフリッカーというのはLED照明だけでなくて蛍光灯でも発生していたんだ。ただ、蛍光灯はインバータ・タイプに進化してフリッカーが出づらくなったんだ。これはAC電源を1000倍ぐらいの高周波に変換しているからなんだけどね。

kouhai_man_gimon新人B
はい。それが何か……

senpai_man_egao先輩A
昔の蛍光灯って点灯と消灯しかなかったんだよね。蛍光灯が2重の輪っかになっている家庭用の蛍光灯は内側点灯、外側点灯、両方点灯と明るさを調整できたんだけど、オフィスとかにある直管型蛍光灯は点灯と消灯しかなかったんだ。それが蛍光灯がインバータ・タイプに進化したことで調光が可能になったんだよ。調光っていうのは自由に明るさを調整できることなんだけど点灯時間を変化させることで明るさを変化させているんだ。この点滅をインバータの高周波で行っているわけだよ。

duty-1図5: 点灯時間の変化と明るさ

kouhai_man_egao新人B
なるほど。照明を高速でON/OFFさせて明るさを調整しているわけですね。

senpai_man_egao先輩A
そうそう。LED照明も同じでLED のON/OFF時間の比率(デューティー)を調整することで段階的に/無段階に明るさを調整しているんだよ。さらにLED照明は赤、緑、青の3色のLEDを使えば色だって変えられるよね。こういう色調を変えること(調色)は蛍光灯ではできないけど、LED照明だと可能なんだよ。

*) 10個で明るい、5個で中くらい、2個で暗い、など、光らせるLEDの数を変えて調光する方法もありますが、簡易的な調光であり、この方法では無段階に調光できません。

rgb図6: RGBによる色調変化(調色)

 

高周波フリッカー対策

kouhai_man_egao新人B
なるほど。調光についてはわかったのですが、それがフリッカーと関係あるんですか?

senpai_man_egao先輩A
AC電源の周波数は一定だから対策は簡単なんだけど、LEDの調光は照明機器によって高周波でのON/OFF周期が違うんだよ。だから対策が面倒なんだ。

kouhai_man_odoroki新人B
つまり、AC電源の周波数で対策ができないってことですか?

senpai_man_egao先輩A
そうだね。もちろん、各社対策を進めているよ。例えば、カメラのフリッカー低減機能は単にシャッタースピードやフレームレートをACの周波数に同期させるだけではなくて、実際の照明機器のON/OFF周期に同調させるという機能もあるみたいだ。これは電子シャッターになったことでシャッタースピードを微調整可能になったからできるようになったみたいだね。
つまり、カメラのセンサがLED照明の明滅周期を検知してそれに同期するタイミングでシャッターを切るわけだ。そうすると写真が暗く写ることがなくなったりフリッカーが映らなくなるというわけだよ。詳しくはカメラメーカーやスマホメーカーに聞いて欲しいんだけどね。

 

そもそもフリッカーを出さなきゃ良いんじゃない?

senpai_man_egao先輩A
さて、とはいうものの……実際にはフリッカー「低減」なのでどんな条件でも完全にフリッカーを消し去ることって難しいんだよね。
だって、部屋の照明器具って 1つじゃなかったりするし、いろいろなタイプの照明器具が使われているケースだってある。ライブハウスなんていうのは極端かもしれないけどイベント会場にはいろいろな照明器具が普通にあるわけだ。そういうミックス光源のもとでは色温度はもちろんだけど照明器具の調光周期(明滅周期)はどうなっちゃうのか……。人間の目には問題なくてもカメラは困ってしまうよね。

duty2図7: 照明機器によって調光周期は異なる


そこで、フリッカーの出ないLED照明を作ることで根本的に解決しようというのが今日のテーマなんだ。

kouhai_man_ase新人B
そんなことができるんですか?って前置きが長過ぎます。

senpai_man_egao先輩A
そもそもLEDをON/OFFさせなかったら良いっていうことなんだ。このON/OFFさせて明るさを変えること、つまり、ON/OFFの時間の比率(デューティー)を変えることで調光することをPWM調光(Pulse Width Modulation調光)っていうんだけど、これに対してリニア調光っていうのもあるんだ。
リニア調光っていうのはLEDをずっとONのままでLEDに流す電流を増減させることで明るさを変えるんだよ。電流を多く流すと明るくなって、少なくすると暗くなるんだ。

kouhai_man_yorokobi新人B
いいじゃないですか!何でみんなやらないんですか?

senpai_man_egao先輩A
やりたいんだけどね。リニア調光をするためにはリニア信号を入力しないといけないよね。だけどリニア信号って作るのが面倒なんだよ。オペアンプとかDAコンバータとかを使うので回路が複雑になってしまうんだ。

kouhai_man_nayami新人B
うー。高級なLED照明とか業務用にしか使えないってことですか……

 

PWM信号を入力してリニア調光できるICがある

senpai_man_egao先輩A
そこで、日清紡マイクロデバイスのR1580Nシリーズの出番なんだ。
このICはちょっと変わったICでPWM信号を入力してリニア調光ができるんだよ。周辺部品もほとんどいらないんだ。

kouhai_man_gimon新人B
えっ?

senpai_man_egao先輩A
R1580NはLEDドライバコントローラICなのでFETは内蔵していないんだけど、LEDの灯数によってFETの耐圧が異なるからお好みのものを付けてねってことだよね。外付け部品は他に抵抗とコンデンサぐらいかな。このブロック図のDIM端子に入力するPWM信号のデューティーを変化させるとLED電流を大きくしたり小さくしたりできるわけさ。LED電流によってリニアにLEDの明るさを変えられるからフリッカーが物理的に出ないってことなんだよ。

R1580N図7: R1580NxxxA 基本回路例

kouhai_man_odoroki新人B
簡単な回路でフリッカーフリーが実現できるんですね。

 

0.5%から調光できるって常夜灯も実現できる!

senpai_man_egao先輩A
R1580Nの特長は「PWM信号を入力してリニア調光できる」だけじゃないんだ。
LEDの調光範囲って普通は5%~100%ぐらいで、薄暗くすることができないんだけどR1580Nなら可能なんだ。何と、調光範囲は0.5%~100%とすんごく広いんだよね。ほら、5%と0.5%じゃ全然違うだろ?dimming

図8: R1580Nの調光範囲

kouhai_man_ase新人B
ホントですね。0.5%の調光だとつけっぱなしでも眠れそうです。

senpai_man_egao先輩A
さらに……

kouhai_man_ase新人B
まだあるんですか……

 

0.5%から調光できれば色再現の範囲が広がる!

senpai_man_egao先輩A
LED照明って赤、緑、青の3色を使えばどんな色でも調光できるよね。そして、それぞれ0.5%から調光できれば色再現の範囲が大きく広がるんだよ。そして、色再現の幅が広がるだけでなく、リニア調光だから色の変化がスムーズにできるんだよ。
これは赤と青の2色のLEDを使った例なんだけど、オフィスの照明を時間によって外光に合わせて自然な感じに調光することもできるんだ。

dimming2図9: 2色のLEDによるオフィス照明の調光イメージ

kouhai_man_yorokobi新人B
2色でこんな感じってことは3色使えばすっごくおしゃれな照明が作れるってことですね。イベント会場とかにもってこいです。

senpai_man_egao先輩A
それにフリッカーが出ないから屋内スポーツ会場とかにももってこいだよね。
スポーツって動きがあるから高速シャッターで動きを止めたいんだけど1/100秒のシャッタースピードではブレちゃうしね。
防犯カメラの周りの照明機器やLED信号機にも良いかも。照明がフリッカーを出さなければ動きがあるものもブレずに映せるし、信号機の色も黒でなく正しく映るからね。
ちなみに、R1580Nを2段重ねで使うともっと細かく0.05%から調光可能なんだよね。

kouhai_man_ase新人B
えー。そこまではいいです。

senpai_man_egao先輩A
だよね。詳しくはこちらまでお問い合わせください(笑)。

contact_bnr_green

kouhai_man_yorokobi新人B
よろしくお願いします。

 

民生だけではなく、産業、車載グレードもラインアップ!

senpai_man_egao先輩A
そうそう、言い忘れた。R1580Nには民生グレードだけではなくて産業グレードや車載グレードもあるんだ。

kouhai_man_ase新人B
はぁ。クルマのLEDアクセサリーランプなんかにも使えるってことですよね。工場内の照明に使えば工程用カメラにフリッカーが映らないってことですよね。わかってますって。

senpai_man_egao先輩A
R1580Nって001A、002A、003Aの3つのバージョンがあって評価ボードはオンライン販売店で取り扱っています。ぜひご評価ください。よろしくお願いします。

R1580Nの評価ボードはオンライン販売店で購入できます。
(ロゴをクリックすると各社の販売ページが開きます)

R1580N001A-0020-EV chip1stop MOUSER
R1580N002A-0020-EV chip1stop MOUSER
R1580N003A-0020-EV 弊社までご相談ください。

R1580Nについて詳しくお知りになりたい方はこちら

 

 PDFのホワイトペーパー(R1580Nの早わかりPDF)が開きます 

あとがき
我々の製品がお役立ちできるような紹介ブログの第11回目です。
本記事で気になったことがあれば何なりとお問い合わせください。

 

※ 過去の「教えて先輩!」シリーズ記事はこちら:
  第1回: 太陽電池だけでは朝まで動き続けないんです・・
  第2回: 携帯機器のスリープ時に電池がどんどん消耗するんです…
  第3回: バックアップ電源切換回路が面倒くさいんです。
  第4回:AEC-Q100ってなんですか?
  第5回:サンプルをこっそり手にいれたいんです。
  第6回:こんなリセットICってどうやって使うのですか?(機能安全って?)
  第7回:携帯機器がフリーズしても、リセットできないんです~!
  第8回:ボタンを触らずに操作できる(ボタンのタッチレス化)ってどうやってるの?
  第9回:スイッチICって何かメリットがあるんですか?
  第10回:半導体の品質保証って何ですか?(バスタブカーブって?)

 

半導体産業の水平分業化とファブレスの躍進
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日清紡マイクロデバイスのマーケティング担当者がFAE(Field Application Engineer)や企画担当者、品質保証担当者のダメ出しを受けながら書いています。 エンジニアの皆さんには当たり前の内容だとは思いますが、初心者の皆さんに少しでもエレクトロニクス分野に興味を持っていただければ幸いです。

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