CN114830828A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

提供一种光源装置，能够在同时点亮多个发光元件而增大发光输出的同时，抑制任意发光元件的损害在其他发光元件中诱发。光源装置是使固定的电流流过多个发光元件(1)被串联连接的二极管负载(10)中的光源装置，具备：电源电路(20)，与二极管负载(10)连接而成、以及峰值电流限制电路(30)，与二极管负载(10)串联连接而成。此外，峰值电流限制电路(30)具备：电流检测器(31)，与二极管负载(10)串联连接而成、以及电流调整电路(32)，通过电流检测器(31)的检测电压对二极管负载(10)的电流进行控制。进而，电流检测器(31)由电阻器(4)和线圈(5)的串联电路构成。

Description

光源装置

技术领域

本公开涉及将多个发光原件串联连接的光源装置。

背景技术

发光二极管的电阻会随着电压或者电流而变化，电压-电流特性不是线性变化的，因此，将发光二极管作为光源使用的光源装置有与恒流电路连接而被点亮的情况。进而，为了增大发光输出，该光源装置将多个发光二极管串联连接并同时点亮。为了在串联连接的各发光二极管中流通固定的电流并将其点亮，该光源装置具备恒流电路。(参考专利文献1)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2016-129129号公报

发明内容

发明要解决的课题

恒流电路工作以使检测到电流的增加而将电流控制为恒定的电流，但是，有在检测到电流的增加并控制为恒定的电流之前产生时间延迟的担忧。时间延迟会导致瞬时过大的峰值电流流通，存在峰值电流对正常的发光元件造成由过电流引起的损害的担忧。

本公开提供一种光源装置，该光源装置能够抑制任意发光元件的损害被其他发光元件所诱发。

用于解决课题的手段

本公开的光源装置是由多个发光元件串联连接而成的二极管负载中流通恒定的电流的光源装置，所述光源装置具备：电源电路，与二极管负载连接而成；以及峰值电流限制电路，与二极管负载串联连接而成。此外，峰值电流限制电路具备：电流检测器，与二极管负荷串联连接形成的以及根据电流检测器的检测电压对二极管负载的电流进行控制的电流调整电路。此外，电流检测器，由电阻器和线圈的串联电路组成。

发明效果

根据本公开，能够抑制任意发光元件的损害被其他发光元件所诱发。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的光源装置的框图。

图2是实施方式2所涉及的光源装置的框图。

图3是实施方式3所涉及的光源装置的框图。

图4是实施方式4所涉及的光源装置的框图。

图5是表示未设置峰值电流限制电路的光源装置的电流波形的示意图。

图6是表示实施方式所涉及的设置了峰值电流限制电路的光源装置的电流波形的示意图。

具体实施方式

根据一实施方式所涉及的光源装置，该光源装置使恒定的电流流过多个发光元件被串联连接的二极管负载，所述光源装置具备：与二极管负载连接而成的电源电路、以及与二极管负载串联连接而成的峰值电流限制电路，峰值电流限制电路具备：与二极管负荷串联连接而成的电流检测器、以及根据电流检测器的检测电压对二极管负载的电流进行控制的电流调整电路，电流检测器由电阻器和线圈的串联电路构成。

上述的光源装置具备与二极管负载串联连接的峰值电流限制电路，该二极管负载将多个发光元件串联连接而成，该峰值电流限制电路中，设置有与二极管负载串联连接的电流检测器以及根据电流检测器的检测电压对二极管负载的电流进行控制的电流调整电路。进而，电流检测器中，与电阻器串联连接线圈，因此，当任意一个发光元件由于内部短路等故障导致二极管负载的电阻突然下降从而电流瞬间增加时，在电流检测器的线圈中与二极管负载突然的电流变化和线圈的电感成比例地瞬间感应出峰值电压。瞬间感应出的峰值电压控制电流调整电路，使作为输出电流的二极管负荷的电流瞬间减少。从而，即使是在任意一个发光元件发生故障从而二极管负载的电阻瞬间变小的状态下，也能够以极快的响应速度控制二极管负载的电流、从而抑制电流的增加。

特别地，上述的光源装置在电流检测器的电阻器上串联连接了线圈，通过该线圈感应出的峰值电压控制电流调整电路，也就是说，将峰值电压反馈到电流调整电路的输入侧，限制二极管负载的电流，因此能够通过极小的电感的线圈抑制二极管负载电流的瞬时增加。例如，以下的实施例的光源装置中，与电阻器串联连接的线圈的电感为0.9μH般极小。特别地，以上的光源装置在为了将二极管负载的电流稳定为恒定的电流而设置的峰值电流限制电路的电流检测器中连接了极小电感的线圈，尽管是这样简单的电路构成，却能够抑制二极管负载的电流瞬间增加。

此外，通过线圈的电感而抑制了瞬间的峰值电流之后，通过电流检测器的电阻器，能够使二极管负载稳定为恒定的电流值。因此，在多个发光元件并联连接的光源装置中，即使任意一个发光元件由于内部短路等故障而电阻降低，也能够保护其他发光元件不受过电流的损害，且此后，能够与发光元件故障之前一样，在使预先设定的恒定的电流流过二极管负载。从而，以上的光源装置中，即使任意一个发光元件故障，也可以保护其他发光元件不被瞬间流过的峰值电流影响，进而，即使串联连接的发光元件的数量变少，也能够使二极管负载的发光元件稳定为预先设定的恒定的电流值而点亮。

此外，根据其他实施方式所涉及的光源装置，电流调整电路具备与二极管负载及电流检测器串联连接而成的晶体管、与晶体管输入侧连接的比较器、以及向比较器的第一输入端子输入基准电压的基准电压电路，电流检测器感应出的检测电压被输入到比较器的第二输入端子，比较器的输出被输入到晶体管，晶体管能够控制二极管负载的电流。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够使晶体管为FET。另外，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够并联连接多个FET。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够使基准电压电路为能够变更基准电压的电路。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，具备放大电流检测器所感应的电压的子放大器，能够将子放大器的输出电压输入到比较器的输入端子中。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，在比较器的输出侧和晶体管的输入侧之间，能够连接将比较器的输出阻抗降低输出的缓冲放大器。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够使电源电路为恒流电源。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够使电阻器为绕组电阻器。

进而，根据其他实施方式所涉及的光源装置，能够使发光元件为激光二极管。

以下，基于附图对本公开详细地进行说明。另外，在以下的说明中，根据需要会使用表示特定的方向或位置的用语(例如“上”、“下”以及包括这些用语在内的其他用语)，但是这些用语的使用是为了使参照附图的发明的理解更容易，并不根据这些用语的意思而限制本发明的技术范围。此外，多个附图中出现的符号相同的部分表示相同或者等同的部分或部件。

进而，以下表示的实施方式用于表示本发明的技术思想的具体例子，并不用于将本公开限定在下文。此外，下文记载的结构部件的尺寸、材质、形状以及其相应的配置等，若无特定记载，都不是为了将本发明的范围限定在其内，而是为了例示。此外，在一个实施的方式、实施例中说明的内容能够在其他的实施的方式、实施例中适用。此外，附图表示的部件的大小或位置关系等，为了使说明明确，有夸大的可能。

图1至图4是本实施方式所涉及的光源装置100、200、300、400的框图。多个发光元件1串联连接作为二极管负载10，将该二极管负载10连接到恒流电源2，使其流过预先设定的额定电流而被点亮。发光元件1例如是发光二极管(Light Emitting Diode(LED))或激光二极管(Laser Diode(LE))。二极管负载10使用的是将多个发光元件1串联连接并安装在电路基板(未图示)上的二极管阵列，或者是使多个发光元件1以能够拆装的方式电连接的物体。光源装置100、200、300、400能够增加串联连接的发光元件1的数量，点亮多个发光元件1使发光输出增大。在所有的发光元件1正常的工作状态下，全部的发光元件1由恒流电源2供给的固定的设定电流所驱动。然而，在将多个发光元件1串联连接并点亮的定时，若任意的发光元件1发生内部短路，或者任意的发光元件1的工作电压急剧下降，则二极管负载10的电阻下降，因此二极管负载10的电流增大。恒流电源2检测电流的增大并控制到设定值，但是在将增大的电流控制到设定值之前有时间延迟。响应时间的延迟会使未故障的发光元件1中流过过大的电流，带来电流造成的损害。例如，任意的发光元件的故障由其他的发光元件所诱发。尤其是使发光元件为激光二极管的光源装置，由于激光二极管的响应特性好，容易发生由于过电流或基于激光的过输出造成的损害。

恒流电源2在输出侧串联连接有半导体开关元件，具有调整该半导体开关元件的内部电阻来控制半导体开关元件的压降值从而控制输出电流的模拟方式、以及通过DC/DC转换器控制输出电流的开关方式。开关方式能够通过对半导体开关元件切换接通断开的占空比来实现恒流特性从而实现高电力效率。为了减少输出电压的波动，形成利落的直流，开关方式在输出侧连接有大静电电容的电解电容器，但是该电解电容器成为了减慢将输出电流控制到固定值的响应速度的原因。这是因为电解电容器的放电和充电的时间延迟会减慢输出电流的响应时间。高电力效率的开关方式的恒流电源能够减少半导体开关元件的电力损耗，但是，输出侧连接的大电容的电解电容器引起的响应时间的延迟会给未故障的发光元件带来过量电流或激光的过输出引起的损伤。

1.实施方式1

(光源装置)

图1是实施方式1所涉及的光源装置100的框图。

光源装置100具备使电流流过将多个发光元件1串联连接的二极管负载10的电源电路20、以及与二极管负载10串联连接的峰值电流限制电路30。此外，峰值电流限制电路30具备与二极管负载10串联连接的电流检测器31、以及通过对电流检测器31的两端输出的检测电压对二极管负载10的电流进行控制的电流调整电路32。电流检测器31是电阻器4和线圈5的串联电路。

(电源电路)

电源电路20具备使预先控制的电流流过二极管负载1的恒流电源2。电源电路20优选使用恒压恒流电源。恒压恒流电源提供设定值以下的输出电压，并将二极管负载10的电流控制在设定值。优选地，恒流电源2具备变更在二极管负载10流过的电流值的电路。能够变更电流值的恒流电源2将在二极管负载10流过的电流值，也就是输出电流，在例如1A～10A的范围内变更，从而使发光元件1流过最佳的电流并点亮。恒流电源2是DC/DC转换器的输出电压和开关方式或模拟方式。开关方式的恒流电源2具有在提高电力效率的同时还能轻量化的特征。轻量化能够通过省略重的电源变压器来实现。该恒流电源2以切换为接通断开的半导体开关元件的占空比，将输出电流控制到设定值，因此能够大幅改变设定电流，并且能够减少发热量。

(峰值电流限制电路)

峰值电流限制电路30的电流调整电路32限制在任意发光元件1内部短路或者任意发光元件1的工作电压急剧下降从而二极管负载10的电流瞬间增加，从而防止发光元件1的过电流或激光的过输出导致的危害。使电源电路20为恒流电源2的光源装置100使峰值电流限制电路30的设定电流为与电源电路20的恒流电源2相同或者大致相同的设定电流。该光源装置100从恒流电源2向二极管负载10供给被设定的固定的电流，若在任意发光元件1内部短路或者任何发光元件1的工作电压急剧下降，从而因恒流电源2的响应时间的延迟而使二极管负载10中流过峰值电流，则峰值电流限制电路30会抑制该峰值电流。

图5的电流特性表示了未设置峰值电流限制电路的光源装置的电流波形。该图表示了将多个(例如20个)发光元件1串联，使特定的发光元件1两端短路，流过二极管负载10的电流变化的状态。若特定的发光元件1短路，则二极管负载10的电阻减少，从而流过峰值电流。在图5的电流特性中，峰值电流的时间长度，即直到峰值电流衰减为止的时间长度接近20msec。流过峰值电流的时间会根据恒流电源2的响应时间的延迟而变化，但发光元件1会受到过电流或激光的过输出造成的损害。

峰值电流限制电路30抑制峰值电流，从而抑制由过电流或基于激光的过输出造成的发光元件1的损害。峰值电流限制电路30的电流调整电路32具有晶体管3和比较器33，晶体管3在电流检测器31检测出峰值电流的定时，增加内部电阻，从而抑制峰值电流，比较器33在电流检测器31检测出峰值电流的定时，增加晶体管3的内部电阻。比较器33将从电流检测器31输入的检测电压与基准电压进行比较，在电流检测器31检测到峰值电流从而检测电压变大的定时，将增大晶体管3的内部电阻的信号输出到晶体管3。

(电流检测器)

电流检测器31将电阻器4和线圈5串联连接。图1的电流检测器31在电阻器4上串联连接了线圈5。该电流检测器31能够将电阻器4的电阻和线圈5的电感调整到最佳值。电阻器4能够使用将电阻线呈线圈状绕在绝缘子等绝缘材料表面的绕组电阻器。绕组电阻器中有电感，通过电阻线的电阻率和长度来调整电阻，通过电阻线的圈数来调整电感。绕组电阻器中电阻器和线圈是一体成型的，但在等效电路中，电阻器和线圈被串联连接。

电阻器4与流过的电流成比例地提高两端的电压。线圈5在流过峰值电流从而电流急剧变化的定时，提高电流检测器31的检测电压，抑制二极管负载10的峰值电流。线圈5在产生峰值电流的定时，提高两端的感应电压。尤其地，在峰值电流的上升沿时提高检测电压。这是因为，如以下公式(1)中所示，峰值电流使线圈5的两端感应的电压(E)与线圈5的电感(L)成正比增大。

E＝L×di/dt公式(1)

然而，在公式(1)中，di表示电流的变化量，dt表示电流变化的时间，di/dt表示峰值电流在单位时间内增加的比例。峰值电流由于在上升沿时电流突然增加，因此在该定时，di/dt变得极大，感应电压变得相当高。从而，在电阻器4串联连接了线圈5的电流检测器31在流过峰值电流的瞬间，尤其是在峰值电流的上升沿定时，线圈5两端的感应电压变高，检测电压变高。瞬间变高的检测电压被输入到比较器33的输入端子。线圈5的电感是考虑到串联连接的电阻器4的电阻、二极管负载10中流过的电流、晶体管3、被要求的响应速度等来设置到最佳值的，例如，在将二极管负载10的电流设为1A～10A，将电阻器4的电阻设为0.2Ω～0.5Ω的电路结构中，设置为0.5μH～5μH。

(电流调整电路)

电流调整电路32通过从电流检测器31输入的检测电压来控制在二极管负载10中流过的电流。电流调整电路32在二极管负载10中流过峰值电流且从电流检测器31被输入的检测电压瞬间增高时，限制电流，从而抑制峰值电流。电流检测器31在峰值电流的上升沿时会提高检测电压，因此电流调整电路32在检测电压提高的定时，即二极管负载10中流过峰值电流的定时中，有效地抑制电流。电流调整电路32提高晶体管3的内部电阻，抑制二极管负载10的峰值电流。从而，具备与二极管负载10串联连接的晶体管3，还具备通过从电流检测器31输入的检测电压来控制晶体管3的内部电阻的比较器33。

(晶体管)

晶体管3优选使用FET(Field Effect Transistor，场效应管)。具有优越的大电流特性的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)尤其适合。这是因为FET的输入电阻大，连接电阻小，能够高效地控制电流。但不限于FET，晶体管3能够使用能够通过输入信号控制内部电阻的所有的晶体管，例如双极晶体管或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。FET能通过输入电压控制内部电阻。FET能够提高输入电压来减小内部电阻，降低输入电压来增大内部电阻。进而，图4所示的光源装置400的电流调整电路32C具备多个FET，通过将多个FET彼此间并联连接，能够使最大允许电流与FET的并联数量成比例地增大。

(比较器)

比较器33将从电流检测器31输入的检测电压与基准电压进行比较，控制晶体管3的内部电阻。图1的比较器33具备差分放大器6。差分放大器6的输出侧与晶体管3的输入侧连接，通过输出电压控制晶体管3的内部电阻。差分放大器6的第一输入端子6A中连接了用于输入基准电压的基准电压电路34，第二输入端子6B中输入电流检测器31的检测电压。差分放大器6将第一输入端子6A和第二输入端子6B的电压差进行放大，或者不进行放大而输入到晶体管3。差分放大器6的第一输入端子设为+极侧输入端子，第二输入端子设为-极侧输入端子。基准电压电路34作为能够变更基准电压的电路，能够变更峰值电流限制电路30的设定电流。

以上的峰值电流限制电路30进行以下的工作来抑制二极管负载10的峰值电流。

1.当二极管负载10中流过峰值电流时，对应于峰值电流，电流检测器31的检测电压上升。

特别地，峰值电流的上升沿时电流的变化值变大，因此在该定时，线圈5所感应的电压变高，检测电压瞬间变高。

2.瞬间上升的检测电压输入到设置在作为比较器33的差分放大器6的第二输入端子6B中。

3.差分放大器6将第二输入端子6B的电压与第一输入端子6A的基准电压进行比较，当第二输入端子6B的电压增高时，将输出电压改变为-极侧。

4.改变为-极侧的输出电压被输入到晶体管3的输入侧。

5.输入电压改变为-极侧的晶体管3使内部电阻增大。

6.内部电阻增大的晶体管3减少二极管负载10的电流，抑制峰值电流。

峰值电流限制电路30进行以上的工作而抑制二极管负载10的峰值电路，而在峰值电流的上升沿时检测电压瞬间升高，在该时刻，与电阻器4串联连接的线圈5瞬间增加晶体管3的内部电阻。内部电阻瞬间增大的晶体管3迅速抑制二极管负载10中流过的峰值电流。

图6表示了在电流检测器31中将线圈5串联连接于电阻器4的光源装置100中的二极管负载10中流过的电流特性。图5表示了使用未连接线圈只有电阻器的电流检测器的光源装置中的二极管负载中流过的电流波形。如图5所示，电流检测器中未连接线圈只有电阻器所组成的光源装置，峰值电流流过的时间长度约为20msec，相当长，发光元件会受到过电流或激光的过输出造成的损害。相对于此，如图6所示，在电流检测器31中连接了线圈5的光源装置100，流过峰值电流的时间长度成为约100μsec，被缩短为约1/200，进而峰值电流的最大电流也变小，能够防止发光元件1受由过电流或激光的过输出造成的损害。而图6表示将二极管负载的电流设为2A、将电阻器的电阻设为0.5Ω、将线圈的电感设为0.9μH而测量的电流特性。

2.实施方式2

图2是实施方式2所涉及的光源装置200的框图。该图的光源装置200的电流调整电路32A具备对电流检测器31所感应的电压进行放大的子放大器7。该光源装置200的特征在于，将电流检测器31的焦耳热引起的发热减小，能够减少电流检测器31的温度变化引起的检测误差。子放大器7将电流检测器31的电压放大并输入到比较器33中，因此，减小电流检测器31的电阻和电感，从而减小电流检测器31的检测电压减小，且比较器33中能够输入规定的电压。例如，若将子放大器7的放大率设为10倍，则能够将电流检测器31的电阻和电感变为1/10，使电流检测器31的焦耳热引起的发热量变为1/10。若比较器33被输入的基准电压和检测电压过小，则难以在高精度下控制电流。例如，若假设电阻器4的电阻为0.2Ω，则二极管负载10的电流值为2A、输出电压为0.4V，该电压被输入到比较器33。将电阻器4的电阻降低为1/10，设为0.02Ω，虽然能减少焦耳热的发热量，但比较器33的输入电压降低为0.04V，难以高精度地控制晶体管3的内部电阻。若将电流检测器31的检测电压放大10倍输入到比较器33中，则比较器33的输入电压成为0.4V，能够高精度地控制电流。

3.实施方式3

图3是实施方式3所涉及的光源装置300的框图。该图的光源装置300的电流调整电路32B在比较器33的输出侧和晶体管的输入侧之间连接了缓冲放大器8。缓冲放大器8能够利用100％负反馈的放大电路降低输出阻抗。缓冲放大器8针对比较器33的输出变换阻抗而输入到晶体管3。该光源装置300通过缓冲放大器8使比较器33的输出阻抗降低并输入到晶体管3，因此，能够快速为晶体管3的输入电容充电。从而，通过比较器33的输出信号快速控制晶体管3的内部电阻，在短时间内响应并更有效率地抑制峰值电流的增大。

大电流电容的晶体管例如MOSFET或IGBT的输入电容大。从而，将晶体管3设为MOSFET或IGBT的峰值电流限制电路能够提高二极管负载的电流而提高发光输出，而晶体管3的大输入电容成为了减缓响应时间的原因。图3的峰值电流限制电路30中，100％负反馈的缓冲放大器8的输出阻抗小，能够缩短大输入电容的晶体管3的响应时间延迟。从而，该峰值电流限制电路30在提高二极管负载10的电流而提高发光输出的同时，能够迅速抑制二极管负载10的峰值电流。

以上示例了本发明所涉及的数个实施方式，但不言而明，本发明并不限于上述的实施方式，，只要不脱离本发明的宗旨的范围内，能够设为任何方式。

工业上的可利用性

本公开所涉及的光源装置能够作为将多个发光元件串联连接以增大发光输出的光源装置而有效利用。

标号说明

100、200、300、400 光源装置

1 发光元件

2 恒流电源

3 晶体管

4 电阻器

5 线圈

6 差分放大器

6A 第一输入端子

6B 第二输入端子

7 子放大器

8 缓冲放大器

10 二极管负载

20 电源电路

30 峰值电流限制电路

31 电流检测器

32、32A、32B、32C 电流调整电路

33 比较器

34 基准电压电路。

Claims (10)

1.一种光源装置，使固定的电流流过多个发光元件被串联连接的二极管负载，其特征在于，具备：

电源电路，与所述二极管负载连接而成；以及，

峰值电流限制电路，与所述二极管负载串联连接而成，

所述峰值电流限制电路，具备：

电流检测器，与所述二极管负载串联连接而成；以及，

电流调整电路，通过所述电流检测器的检测电压，控制所述二极管负载的电流，

所述电流检测器由电阻器和线圈的串联电路构成。

2.如权利要求1所述的光源装置，其中，

所述电流调整电路具备：

晶体管，与所述二极管负载以及所述电流检测器串联连接而成；

比较器，与所述晶体管的输入侧连接而成；以及，

基准电压电路，向所述比较器的第一输入端子输入基准电压，

所述电流检测器所感应的检测电压被输入到所述比较器的第二输入端子，

所述比较器的输出被输入到所述晶体管，

所述晶体管构成为控制所述二极管负载的电流。

3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，

所述晶体管为场效应管即FET。

4.如权利要求3所述的光源装置，其特征在于，

具备多个所述FET，由多个所述FET并联连接而成。

5.如权利要求2至4中任一项所述的光源装置，其特征在于，

所述基准电压电路是能够变更基准电压的电路。

6.如权利要求2至5中任一项所述的光源装置，其特征在于，具备：

子放大器，将所述电流检测器所感应的电压进行放大，

所述子放大器的输出电压被输入到所述比较器的输入端子。

7.如权利要求2至6中任一项所述的光源装置，其特征在于，

所述比较器的输出侧和所述晶体管的输入侧之间连接有缓冲放大器，所述缓冲放大器降低所述比较器的输出阻抗并输出。

8.如权利要求1至7中任一项所述的光源装置，其特征在于，

所述电源电路为恒流电源。

9.如权利要求1至8中任一项所述的光源装置，其特征在于，

所述电阻器为绕组电阻器。

10.如权利要求1至9中任一项所述的光源装置，其特征在于，

所述发光元件为激光二极管。

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