CN102014538A - 定电流装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种定电流装置及其应用，特别系指一种应用于发光二极管装置的定电流装置，其包括有一连接于一电源并对应输出一电流之电流源；一驱动晶体管，其包括有一连接于该电流源之闸极、一根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定电流的源极和一连接于该电源之汲极；一设置有至少一电流侦测电阻之电压控制单元，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，根据该源极所输出之电流流经该电阻侦测电阻所产生的电压对应控制该驱动晶体管之闸极电压，本发明可根据导通电压的不同，对应控制晶体管的闸极电压对应改变其内部电阻的大小来达到定电流输出的功效。

Description

定电流装置及其应用

【发明所属之技术领域】

本发明系关于一种定电流装置及其应用，特别是指一种透过控制至少一晶体管的闸极电压以改变其内部电阻大小之方式，进而达到定电流输出的定电流装置及其应用。

【先前技术】

从照明市场面来看发光二极管的应用，因其具有体积小、省电、发光驱动快速及发光寿命较长等优点，因此有越来越多照明装置藉由发光二极管来取代传统的照明光源。

一般来说，发光二极管在正向电压下运作，其两端横跨有一个临界电压值，当一电源所施加的电压超过该临界电压值时(一般称之为驱动电压)，该发光二极管便会受激发并对外发出可见光，该可见光的亮度正比于流经该发光二极管的电流，随着电流增大，发光二极管的亮度就越亮，然而，在实际的应用下往往系将电流固定或限制在特定的数值之内，除可维持一致且稳定的发光亮度外，亦可延长该发光二极管的使用寿命。

请参考图1所示，一习知发光二极管驱动装置，其包括有一电源供应器(11)、一定电流驱动器(10)、一发光二极管模块(12)和一电流侦测电阻(R)。

该电源供应器(11)，系提供该发光二极管驱动装置驱动所需的电源。

该电流侦测电阻(R)，系根据流经之电流大小对应产生一电流侦测讯号。

该定电流驱动器(10)，系包括有一误差放大器(101)及一晶体管开关(102)。

该误差放大器(101)，系包括有：

一电源端；

一反向输入端，系接收该电流侦测讯号；

一正向输入端，系接收一参考电压(Vr)；及

一输出端，系据该电流侦测讯号及该参考电压(Vr)对应输出一驱动讯号。

该晶体管开关(102)，系包括有：

一汲极，系连接于该发光二极管模块和该误差放大器之电源端；

一闸极，系连接于该误差放大器之输出端，用来接收该驱动讯号；及

一源极，系连接于该电阻(R)。

因此，藉由上述之结构，该误差放大器(101)会根据该电流侦测讯号及该参考电压(Vr)调整驱动讯号之电压准位以对应调整该晶体管开关(102)之等效电阻值，以使得该电流侦测讯号之电压准位等于该参考电压(Vr)之电压准位，来达到定电流之作用。

然而，该习知误差放大器(101)之电源端系连接于该晶体管开关(102)之汲极，以使得该误差放大器(101)所输出驱动讯号之电压准位即为该汲极之电压准位，为避免该发光二极管驱动装置工作的效率太差，该汲极之电压准位高低必须有所限制，换言之，该晶体管开关(102)可导通之最大电流值也受到了限制，因此，当该发光二极管驱动装置需要以较高之电流驱动，而该误差放大器(101)输出之驱动讯号之电压准位被限制在汲极之电压准位以下时，则必须增加晶体管开关(102)内阻的大小，势必造成该定电流驱动器(10)制造成本的增加。

因此，提供一个稳定电流输出的驱动电路是发光二极管装置的基本要求，但是如何能同时提升电流输出的稳定度以及降低其制造的成本，一直是相关照明设备厂商努力研发的目标。

【发明内容】

本案发明人有鉴于现有发光二极管装置及其驱动方法存在之问题，乃着手进行研发，以期可以解决该问题或提供更良善之解决方案，经过不断努力及试验，终于研发出本发明。

本发明之主要目的在于提供一种定电流装置，特别系指一种透过控制晶体管的闸极电压以改变其内部电阻大小来达到定电流输出的定电流装置，相较于习知的定电流装置，本发明没有复杂之电路设计，其具有结构简单和成本较低的优点。

为达上述之目的，本发明之定电流装置，系包括有：

一电流源，系连接于一外部电源，其中，该外部电源系一经整流之交流电源；

一驱动晶体管，系一NMOS(N-type metal-oxide-semiconductortransistor)晶体管，其包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该电流源，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一电压控制单元，系设置有至少一电流侦测电阻，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，根据该源极所输出之电流流经该电流侦测电阻所产生的电压对应控制该驱动晶体管之闸极电压。

本发明之次要目的在于提供一种应用上述定电流装置作为发光装置驱动电路的发光二极管装置，并将至少一电容设置于该驱动电路与该发光二极管间，可在不牺牲功率因子下，达到消除频率闪烁和提升功率效率的效果。

为达上述之目的，本发明之发光二极管装置，系包括有：

一电源模块，系作为该发光二极管装置的电力来源，其中，该电源模块系包括有一交流电源和一整流电路，该整流电路系连接于该交流电源，并将该交流电的负向电压转置；

一驱动电路，系连接于该电源模块，该驱动电路系一定电流或一限电流的电路架构，其中，该驱动电路之电路架构可应用本发明之定电流装置；

至少一发光二极管负载，系连接于该驱动电路并由复数个发光二极管串联而成；

至少一电容，系设置于该驱动电路与该发光二极管负载之间，并与该发光二极管负载并联连接，系用来消除该发光二极管负载因交流电压的改变所产生的频率闪烁，以提升该等发光二极管的发光效能。

【实施方式】

为使熟悉该项技艺人士了解本发明之目的，兹配合图式将本发明之较佳实施例详细说明如下。

请参考图1所示，本发明之定电流装置(2)，系包括有：

一电流源(20)，系连接于一外部电源，其中，该外部电源系一经整流之交流电源或一般直流电源；

一驱动晶体管(21)，系一NMOS(N-type metal-oxide-semiconductortransistor)晶体管或一NPN晶体管(N-P-Nbipolar transistor)，其包括有一闸极(G)、一源极(S)和一汲极(D)，其中，该汲极(D)连接于该外部电源，该闸极(G)连接于该电流源(20)，该源极(S)根据该闸极(G)与源极(S)间的电压对应输出一稳定的电流(ID)；

一电压控制单元(22)，系设置有至少一电流侦测电阻(Rs)，该电流侦测电阻(Rs)之一端连接于该驱动晶体管(21)之源极，该电压控单元(22)根据该源极(S)所输出之电流(ID)流经该电流侦测电阻(Rs)所产生的电压(VR)，对应控制该驱动晶体管(21)之闸极电压。

其中，本发明之定电流装置(2)可应用于固态发光装置中或习知TRIAC(triode for alternating current)调光器的驱动电路。

请参考图3所示，系本发明第一实施例之定电流装置(2A)，其包括有：

一电流源(20A)，系一连接于一外部电源之电阻，并根据横跨于该电阻之压降对应输出一电流，其中，该外部电源系一经整流之交流电源；

一驱动晶体管(21)，系一NMOS晶体管，其包括有一闸极(G)、一源极(S)和一汲极(D)，其中，该汲极(D)连接于该外部电源，该闸极(G)连接于该电流源(20A)，该源极(S)根据该闸极(G)与源极(S)间的电压对应输出一稳定的电流(ID)；

一电压控制单元(22A)，系由至少一具有阳极和阴极之齐纳二极管(220)和一电流侦测电阻(Rs)所组成，该齐纳二极管(220)之阴极连接于该电流源(20A)，该电流侦测电阻(Rs)之一端连接于该驱动晶体管(21)之源极(S)，另一端连接于该齐纳二极管(220)的阳极，其中，该齐纳二极管(220)之崩溃电压值对应于该驱动晶体管(21)之临界电压(Thresho1d Voltage，Vth)。

藉由上述之结构，当该外部电源之电压增加时，该齐纳二极管(220)对该驱动晶体管(21)之闸极(G)有着稳压之效果，以使得该闸极电压得以固定在特定之大小，如本发明相关业界具有通常技艺人士所知悉，当该闸极电压固定时，该源极(S)电压的增加会使得该驱动晶体管(21)之内阻增加，以使得该汲极(D)和源极(S)间电压与流经该汲极(D)和源极(S)的电流呈现非线性反比的关系，进而限制该电流(ID)来达到定电流的输出效果。

请参考图3及图4所示，系本发明第二实施例之定电流装置(2B)，其类似于上述之第一实施例，其差异在于将该至少一齐纳二极管(220)置换为至少一二极管(221)。

请参考图5所示，系本发明第三实施例之定电流装置(2C)，其包括有：

一电流源(20A)，系一连接于一外部电源之电阻，并根据横跨于该电阻之电压对应输出一电流，其中，该外部电源系一经整流之交流电源；

一驱动晶体管(21)，系一NM0S晶体管，其包括有一闸极(G)、一源极(S)和一汲极(D)，其中，该汲极(D)连接于该外部电源，该闸极(G)连接于该电流源(20A)，该源极(S)根据该闸极(G)与源极(S)间的电压对应输出一稳定的电流；

一电压控制单元(22C)，系由一压控晶体管(222)和一电流侦测电阻(Rs)所组成，该电流侦测电阻(Rs)系连接于该驱动晶体管(21)之源极(S)，该压控晶体管(222)分别连接于该电流源(20A)和该电流侦测电阻(Rs)，并根据横跨于该电流侦测电阻(Rs)的电压来对应控制该驱动晶体管(21)的闸极电压，其中，该压控晶体管(222)包括有一汲极、一源极和一闸极，该汲极系连接于该驱动晶体管(21)之闸极和该电流源(20A)，该闸极和源极则分别连接于该电流侦测电阻(Rs)之两端。

如本发明相关业界具有通常技艺人士所知悉，当该外部电源之电压增加时，该驱动晶体管(21)之汲极(D)和源极(S)间所流经的电流亦会增加，以使得该驱动晶体管(21)可视为一由该驱动晶体管(21)闸极和源极间电压所控制之线性电阻，因此，当该电流侦测电阻(Rs)的电压因电流(ID)增加而增加及该压控晶体管(222)之闸极和源极间电压相对增加的状况下，该压控晶体管(222)的内阻会大幅减少，即藉由大幅减少该驱动晶体管的闸极电压来限制该驱动晶体管(21)汲极(D)和源极(S)间的电流(ID)大小。

请参考图3至图7所示，其中图6及图7系分别为本发明第四实施例之定电流装置(2D)和第五实施例之定电流装置(2E)，该定电流装置(2D，2E)类似于上述第三实施例之定电流装置(2C)，其差异在于该定电流装置(2D)系以该定电流装置(2A)的整体电路作为其电流源(20B)，该定电流装置(2E)则以该定电流装置(2B)的整体电路作为其电流源(20C)。

该电流源(20B)系包括有：

一辅助电流源(201B)，系连接于该外部电源；

一定电流晶体管(202B)，系包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该辅助电流源(201B)，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一辅助电压控制单元，系设置有：

至少一辅助电流侦测电阻(204B)，该辅助电流侦测电阻(204B)之一端连接于该定电流晶体管(202B)之源极，该辅助电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该辅助电流侦测电阻(204B)所产生的电压对应控制该定电流晶体管(202B)之闸极电压；及

至少一齐纳二极管(203B)，系具有阳极和阴极，该阴极连接于该辅助电流源(201B)，该辅助电流侦测电阻(204B)之一端连接于该定电流晶体管(202B)之源极，另一端连接于该齐纳二极管(203B)的阳极。

该电流源(20C)系包括有：

一辅助电流源(201C)，系连接于该外部电源；

一定电流晶体管(202C)，系包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该辅助电流源(201C)，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一辅助电压控制单元，系设置有：

至少一辅助电流侦测电阻(204C)，该辅助电流侦测电阻(204C)之一端连接于该定电流晶体管(202C)之源极，该辅助电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该辅助电流侦测电阻(204C)所产生的电压对应控制该定电流晶体管(202C)之闸极电压；及

至少一二极管(203C)，该二极管(203C)之阳极连接于该辅助电流源(201C)，该辅助电流侦测电阻(204C)之一端连接于该定电流晶体管(202C)之源极，另一端连接于该二极管(203C)的阴极。

因此，本发明之定电流装置系利用该晶体管(21，222)于工作区中各端点(闸极(G)、源极(S)和汲极(D))电压与电流(ID)间的关系，透过该压控晶体管(222)的闸极电压对应改变其内部电阻的大小来达到限定电流(ID)输出的功效，另外，本发明之定电流装置没有复杂之电路设计，故相较传统之定电流装置，本发明具有结构简单和成本较低的优点。

另外，请参考图8所示，本发明之发光二极管装置(3)，系包括有：

一电源模块(30)，系作为该发光二极管装置(3)的电力来源，其包括有一交流电源(301)和一整流电路(302)，该整流电路系连接于该交流电源(301)，并将该交流电的负向电压转置；

一驱动电路(31)，系连接于该电源模块(30)，用来提供该发光二极管装置(3)所需的驱动电流，该驱动电路(31)系一定电流或一限电流的电路架构，因此，该驱动电路(31)之电路架构可应用本发明之定电流装置；

至少一发光二极管负载(33)，系连接于该驱动电路(31)并由复数个发光二极管串联而成；

至少一电容(32)，系设置于该驱动电路(31)与该发光二极管负载(33)之间，并与该发光二极管负载(33)部份或全部并联连接，系用来消除该发光二极管负载(33)因交流电压的改变所产生的频率闪烁，以提升该等发光二极管的发光效能。

因此，透过上述之结构，本发明之发光二极管装置除可搭配本发明之定电流装置作为驱动电路来降低成本外，将电容设置于该驱动电路与该发光二极管间，可在不牺牲功率因子下，达到消除频率闪烁的效果。

然而，惟上述者仅为本发明专利申请案之较佳实施例，当不能限定本发明专利申请案实施之范围，即凡依本发明专利申请案申请范围所作之均等变化与修饰等，皆应属于本发明专利申请案之专利涵盖范围。

【图式简单说明】

图1为一习知发光二极管之驱动装置的电路架构图。

图2为本发明之定电流装置的电路架构图。

图3为本发明之第一实施例的电路架构图。

图4为本发明之第二实施例的电路架构图。

图5为本发明之第三实施例的电路架构图。

图6为本发明之第四实施例的电路架构图。

图7为本发明之第五实施例的电路架构图。

图8为本发明之发光二极管装置的电路架构图。

【主要组件符号说明】

(10)定电流驱动器(101)误差放大器   (102)晶体管开关

(11)电源供应器  (12)发光二极管模块(2)定电流装置

(2A)定电流装置  (2B)定电流装置    (2C)定电流装置

(2D)定电流装置  (2E)定电流装置    (20)电流源

(20A)电流源         (20B)电流源           (201B)辅助电流源

(202B)定电流晶体管  (203B)齐纳二极管      (204B)辅助电流侦测电阻

(20C)电流源         (201C)辅助电流源      (202C)定电流晶体管

(203C)二极管        (204C)辅助电流侦测电阻(21)驱动晶体管

(22)电压控制单元    (22A)电压控制单元     (22C)电压控制单元

(220)齐纳二极管     (221)二极管           (222)压控晶体管

(3)发光二极管装置   (30)电源模块          (301)交流电源

(302)整流电路       (31)驱动电路          (32)电容

(33)发光二极管负载  (G)闸极               (S)源极

(D)汲极             (ID)电流              (R)电流侦测电阻

(Rs)电流侦测电阻    (Vr)参考电压          (VR)电压

Claims (16)

1.一种定电流装置，其特征是该电流装置包括有：

一电流源，连接于一外部电源；

一驱动晶体管，包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该电流源，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一电压控制单元，设置有至少一电流侦测电阻，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，该电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该电流侦测电阻所产生的电压对应控制该驱动晶体管之闸极电压。

2.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该外部电源系一经整流之交流电源。

3.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该驱动晶体管系一NMOS(N-type metal-oxide-semi conductor transistor)晶体管。

4.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该外部电源系一般直流电源。

5.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该驱动晶体管系一NPN晶体管(N-P-N bipolar transistor)。

6.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电流源系一连接于一外部电源之电阻，并根据横跨于该电阻之压降对应输出一电流。

7.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电压控制单元更包括有至少一具有阳极和阴极之齐纳二极管，该齐纳二极管之阴极连接于该电流源，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，另一端连接于该齐纳二极管的阳极。

8.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电压控制单元更包括有至少一二极管，该二极管之阳极连接于该电流源，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，另一端连接于该二极管的阴极。

9.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电压控制单元更包括有一压控晶体管，该电流侦测电阻系连接于该驱动晶体管之源极，该压控晶体管分别连接于该电流源和该电流侦测电阻，并根据横跨于该电流侦测电阻的电压来对应控制该驱动晶体管的闸极电压，该压控晶体管包括有一汲极、一源极和一闸极，该汲极系连接于该驱动晶体管之闸极和该电流源，该闸极和源极则分别连接于该电流侦测电阻之两端。

10.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电流源包括有：

一辅助电流源，连接于该外部电源；

一定电流晶体管，包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该辅助电流源，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一辅助电压控制单元，设置有：

至少一辅助电流侦测电阻，该辅助电流侦测电阻之一端连接于该定电流晶体管之源极，该辅助电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该辅助电流侦测电阻所产生的电压对应控制该定电流晶体管之闸极电压；及

至少一齐纳二极管，具有阳极和阴极，该阴极连接于该辅助电流源，该辅助电流侦测电阻之一端连接于该定电流晶体管之源极，另一端连接于该齐纳二极管的阳极。

11.如权利要求1所述之定电流装置，其特征是该电流源包括有：

一辅助电流源，连接于该外部电源；

一定电流晶体管，包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该辅助电流源，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一辅助电压控制单元，设置有：

至少一辅助电流侦测电阻，该辅助电流侦测电阻之一端连接于该定电流晶体管之源极，该辅助电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该辅助电流侦测电阻所产生的电压对应控制该定电流晶体管之闸极电压；及

至少一二极管，该二极管之阳极连接于该辅助电流源，该辅助电流侦测电阻之一端连接于该定电流晶体管之源极，另一端连接于该二极管的阴极。

12.如权利要求1至11项中任一项所述之定电流装置是应用于一固态发光装置的驱动电路。

13.如权利要求1至11项中任一项所述之定电流装置是应用于一习知TRIAC(triode for alternating current)调光器的驱动电路。

14.一种是使用如权利要求1所述之定电流装置的发光二极管装置，包括：

一电源模块，包含一交流电源和一整流电路，该整流电路系连接于该交流电源，并将该交流电的负向电压转置；

一驱动电路，连接于该电源模块，该驱动电路系一定电流或一限电流的电路架构；

至少一发光二极管负载，连接于该驱动电路并由复数个发光二极管串联而成；及

至少一电容，设置于该驱动电路与该发光二极管负载之间，并与该发光二极管负载全部并联连接。

15.如权利要求14所述之发光二极管装置，其特征是该电容与该发光二极管负载部份并联连接。

16.如权利要求14所述之发光二极管装置，其特征是该驱动电路是一定电流装置，其包括有：

一电流源，系连接于一外部电源；

一驱动晶体管，包括有一闸极、一源极和一汲极，其中，该汲极连接于该外部电源，该闸极连接于该电流源，该源极根据该闸极与源极间的电压对应输出一稳定的电流；及

一电压控制单元，设置有至少一电流侦测电阻，该电流侦测电阻之一端连接于该驱动晶体管之源极，该电压控制单元根据该源极所输出之电流流经该电流侦测电阻所产生的电压对应控制该驱动晶体管之闸极电压。

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