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～

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？

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。

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？

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。

図3: AC周波数とフリッカーの明滅の関係

新人B
あれっ？LEDってDC(直流電源)で駆動しますよね？

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。

図4: LED電流には脈流が残っている

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？

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

新人B
調光ですか？

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。

新人B
はい。それが何か……

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。

図5: 点灯時間の変化と明るさ

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。

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。

図6: RGBによる色調変化(調色)

高周波フリッカー対策

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？

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。

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？

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？

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。

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。

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。

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。

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？

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。

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

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。

新人B
えっ？

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。

図7: R1580NxxxA 基本回路例

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！

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？

図8: R1580Nの調光範囲

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。

先輩A
さらに……

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！

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。

図9: 2色のLEDによるオフィス照明の調光イメージ

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。

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。

新人B
えー。そこまではいいです。

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)。

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！

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。

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。

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)

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R1580Nについて詳しくお知りになりたい方はこちら

 

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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？）