JP2011120341A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で出力側の平滑コンデンサを放電させる。
【解決手段】スイッチＳＷが開いて交流電源ＰＳと整流回路１１とが遮断されると、絶縁トランスＴ１の２次側電圧は発生せず、放電制御部２２のトランジスタＱ２１のベースに供給されるベース電流は０になる。トランジスタＱ２１は、ベース電流が供給されなくなってオフし、トランジスタＱ２２は、平滑コンデンサＣ２１の＋端子から抵抗Ｒ２６を介してベース電流が供給されてオンする。トランジスタＱ２２がオンすると、電流が平滑コンデンサＣ２１の＋端子から抵抗Ｒ２４、トランジスタＱ２２のコレクタ−エミッタを介して平滑コンデンサＣ２１の−端子に電流が流れ、平滑コンデンサＣ２１が放電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源回路に関するものである。

照明装置には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode:発光ダイオード）、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ；Organic light-emitting diodes）パネルを用いたものがある。このようなＬＥＤ、有機ＥＬは、直流電圧が印加されて発光するため、照明装置には、交流電圧を直流電圧に変換する電源回路が必要であり、この電源回路として、力率改善コンバータを用いたものがある。

このような力率改善コンバータでは、出力側に、直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサが備えられ、ＬＥＤ、有機ＥＬのような負荷に直流電圧が印加される。この平滑コンデンサには、容量が大きな電解コンデンサが用いられる。

しかし、出力側に、容量の大きな平滑コンデンサが備えられていると、交流電圧を有する交流電源が遮断された時、出力側の平滑コンデンサに蓄積された電荷により、ＬＥＤ、有機ＥＬに電流が流れる。

従来の照明装置に用いられる電源回路では、負荷と並列に電源遮断時の放電回路として抵抗器が使用されていた。しかし、抵抗器の値を、負荷抵抗と比べて十分に大きくする必要があったため、電源遮断時、出力端子間に残留した電荷の放電に時間がかかってしまう。

このため、消費電流が少ないＬＥＤ、有機ＥＬが負荷として接続された照明装置では、電源遮断から数秒間、発光を継続してしまうことになる。

このような問題を解決するため、出力側の平滑コンデンサと並列に放電回路を備え、交流電源が遮断されたときに出力側の平滑コンデンサを放電させるようにしたものがある（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１のものでは、サイリスタとトランスとを備え、また、特許文献２のものでは、リレーを備えて、電源オフ時に電解コンデンサを放電するようにしている。

特開２０００−２４５１５２号公報（第３頁、図１） 特開平９−２３８４６６号公報（第６頁、図１）

しかし、特許文献１，２に記載のものでは、トランス、リレーを備えなければならず、構造が複雑となり、小型化することができない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構成で出力側の平滑コンデンサを放電させることが可能な電源回路を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る電源回路は、
１次巻線と２次巻線とを有し、前記１次巻線に印加された１次側電圧に従って前記２次巻線に２次側電圧を発生させるトランスと、
前記トランスの前記１次巻線の端子に接続されてオン、オフするスイッチング素子と、
アノードが前記トランスの前記２次巻線の一端に接続され、前記トランスの前記２次巻線に発生した前記２次側電圧を整流する第１の整流ダイオードと、
一端が前記第１の整流ダイオードのカソードに接続され、前記第１の整流ダイオードが整流した電圧を平滑化する第１の平滑コンデンサと、
前記２次巻線に前記２次側電圧が発生しなくなったときに前記第１の平滑コンデンサを放電する放電制御部と、を備え、
前記放電制御部は、
前記トランスの前記２次巻線の一端にアノードが接続された第２の整流ダイオードと、
前記第１の平滑コンデンサよりも小さな容量を有し、一端が前記第２の整流ダイオードのカソードに接続された第２の平滑コンデンサと、
前記第１の平滑コンデンサの前記一端に一端が接続された放電抵抗と、
前記第２の平滑コンデンサから電流が供給されて前記放電抵抗の他端と前記第１の平滑コンデンサの他端とを遮断し、前記第２の平滑コンデンサからの電流の供給が停止したときに前記放電抵抗の他端と前記第１の平滑コンデンサの他端とを接続する半導体スイッチと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で出力側の平滑コンデンサを放電させることができる。

本発明の実施形態に係る電源回路としての力率改善コンバータの構成を示すブロック図である。 図１に示す力率改善コンバータの動作を示す波形図（その１）である。 図１に示す力率改善コンバータの動作を示す波形図（その２）である。 図１に示す力率改善コンバータの動作を示す波形図（その３）である。

以下、本発明の実施形態に係る電源回路を図面を参照して説明する。尚、本実施形態では、電源回路を、力率改善コンバータとして説明する。

本実施形態に係る力率改善コンバータは、図１に示すように、整流回路１１と、絶縁トランスＴ１と、トランジスタＱ１１と、フォトトランジスタＴｒと、起動抵抗Ｒと、制御部１２と、整流ダイオードＤ２１と、平滑コンデンサＣ２１と、出力検出部２１と、放電制御部２２と、を備える。

この力率改善コンバータは、例えば、照明装置に用いられ、出力側には、直流電圧Ｖoutが印加されて発光するＬＥＤ、有機ＥＬ等の発光素子が負荷３０として接続される。

交流電源ＰＳは、交流電圧Ｖacを有する電圧・電流源であり、スイッチＳＷを介して整流回路１１に接続される。この力率改善コンバータは、力率を改善しつつ、交流電源ＰＳによって印加された交流電圧Ｖacを直流電圧Ｖoutに変換するものである。尚、力率改善のため、整流回路１１の後段に平滑コンデンサは備えられていない。

整流回路１１は、交流電源ＰＳから印加された図２（ａ）に示すような交流電圧Ｖacを整流して、図２（ｂ）に示すような１次整流電圧としての整流電圧Ｖrecを生成するものである。整流回路１１は、例えば、ダイオードブリッジ回路によって構成され、出力端として＋（正極）端子と−（負極）端子とを有する。

整流回路１１が整流した整流電圧Ｖrecは図２（ｂ）に示すような脈流となる。この整流電圧Ｖrecの周期Ｔrecは、交流電圧Ｖacの周期Ｔacの１／２になり、整流電圧Ｖrecの周波数ｆrecは、交流電圧Ｖacの周波数ｆacの２倍になる。

絶縁トランスＴ１は、１次巻線と２次巻線とを有し、整流回路１１が生成した整流電圧Ｖrecを１次側電圧として１次巻線に印加され、印加された１次側電圧に従って、２次巻線に２次側電圧を発生させるものである。絶縁トランスＴ１の１次巻線の一端は、整流回路１１の＋端子に接続される。

トランジスタＱ１１は、例えば、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴによって構成され、ドレイン（端子）が絶縁トランスＴ１の他端に接続され、ソース（端子）が整流回路１１の−端子に接続されてオン、オフするスイッチング素子である。

トランジスタＱ１１のゲートは制御部１２の出力端に接続され、トランジスタＱ１１は、制御部１２からゲートにパルス信号Ｐqが供給されてオン、オフする。トランジスタＱ１１は、交流電源ＰＳの交流電圧Ｖacの周期Ｔacと比較して非常に短い周期でオン、オフする。

起動抵抗Ｒ１１は、制御部１２を起動するための抵抗である。フォトトランジスタＴｒは、出力検出部２１の発光ダイオードＤ２２とともにフォトカプラを構成するものである。

フォトカプラは、絶縁トランスＴ１の１次側と２次側とを絶縁しつつ、出力電圧Ｖoutの検出電圧をフィードバックするためのものであり、フォトトランジスタＴｒは、発光素子である発光ダイオードＤ２２からの光を受光する受光素子である。

フォトトランジスタＴｒのコレクタは制御部１２に接続され、エミッタは、整流回路１１の−端子に接続される。そして、フォトトランジスタＴｒは、発光ダイオードＤ２２からの光を受光して、受光した光の光強度に対応する信号レベルの電圧信号をコレクタ−エミッタ間に発生させる。

制御部１２は、トランジスタＱ１１のゲートにパルス信号Ｐqを供給することにより、トランジスタＱ１１をオン、オフ駆動するものである。

制御部１２は、パルス信号Ｐqの信号レベルを一定周期でＨ（High）レベルに立ち上げてトランジスタＱ１１をオンし、トランジスタＱ１１のドレイン−ソース間に流れるドレイン電流Ｉdを取得する。

また、制御部１２は、整流回路１１が整流した整流電圧ＶrecとフォトトランジスタＴｒの電圧信号の信号レベルとに基づいて、ドレイン電流Ｉdの目標レベルＩ[target]を設定する。制御部１２は、取得したドレイン電流Ｉdがこの目標レベルＩ[target]に達したときに、パルス信号Ｐqの信号レベルをＬ（Low）レベルに立ち下げてトランジスタＱ１１をオフする。

整流ダイオードＤ２１は、絶縁トランスＴ１の２次巻線に発生した２次側電圧を整流するものである。尚、力率改善コンバータは、基本的には、フライバックコンバータの構成を有し、整流ダイオードＤ２１のアノードは、絶縁トランスＴ１の１次巻線と２次巻線との極性が逆になるように２次巻線の一端に接続される。

平滑コンデンサＣ２１は、整流ダイオードＤ２１が整流した電圧を平滑化して、負荷３０に印加する直流電圧Ｖoutを生成するためのものである。

尚、出力電圧Ｖoutには、図２（ｂ）に示すよう整流電圧Ｖrecの周波数ｆacと同じ周波数のリプルが重畳するため、平滑コンデンサＣ２１には、このリプルをできるだけ低減するため、例えば、数１０００μＦ程度の大容量の電解コンデンサが用いられる。

平滑コンデンサＣ２１の＋（正極）端子は整流ダイオードＤ２１のカソードに接続され、−（負極）端子は、絶縁トランスＴ１の２次巻線の他端に接続される。

出力検出部２１は、出力電圧Ｖoutを検出するためのものであり、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３と、シャントレギュレータＺＤ２１と、フォトカプラの発光ダイオードＤ２２と、によって構成され、定電圧で動作する。

抵抗Ｒ２１，Ｒ２２は、出力電圧Ｖoutを分圧するための抵抗であり、抵抗Ｒ２１の一端は、平滑コンデンサＣ２１の＋端子に接続される。抵抗Ｒ２２の一端は、抵抗Ｒ２１の他端に接続され、他端は接地される。

シャントレギュレータＺＤ２１は、Ｒef端子、アノード（端子）、カソード（端子）を有するものであり、出力電圧Ｖoutが上昇してＲef端子に印加された電圧が予め設定された電圧以上になるとカソード−アノード間を導通状態とする。シャントレギュレータＺＤ２１のＲef端子は、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２の接続点に接続され、アノードは、絶縁トランスＴ１の２次巻線の他端に接続される。

フォトカプラを構成する発光ダイオードＤ２２は、シャントレギュレータＺＤ２１が導通状態になったとき、流れる電流の量に対応する光強度の光を発するものであり、アノードは、抵抗Ｒ２３を介して平滑コンデンサＣ２１の＋端子に接続され、カソードは、シャントレギュレータＺＤ２１のカソード端子に接続される。

放電制御部２２は、スイッチＳＷがオフして交流電源ＰＳが遮断されたときに、平滑コンデンサＣ２１を放電するものである。放電制御部２２は、ダイオードＤ２３と、コンデンサＣ２２と、トランジスタＱ２１，Ｑ２２と、抵抗Ｒ２４，Ｒ２５，Ｒ２６と、を備え、２次巻線の２次側電圧（電流）を検出して平滑コンデンサＣ２１を放電するように構成されている。

抵抗Ｒ２４は、平滑コンデンサＣ２１を放電し、放電速度を調整するための放電抵抗であり、平滑コンデンサＣ２１の＋端子に一端が接続される。この抵抗Ｒ２４の抵抗値を小さくすることにより、スイッチＳＷが開いて交流電源ＰＳと整流回路１１とが遮断されるとほぼ同時に、負荷３０に流れる電流を０にすることができ、照明装置の出力（照度）を速やかに低減することができる。

トランジスタＱ２１，Ｑ２２とは、半導体スイッチを構成するものであり、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタによって構成される。

トランジスタＱ２１のベースは、抵抗Ｒ２５を介して、ダイオードＤ２３のカソードとコンデンサＣ２２の一端との接続点に接続され、コレクタは、抵抗Ｒ２６を介して平滑コンデンサＣ２１の＋端子に接続され、エミッタは、平滑コンデンサＣ２１の−端子に接続される。

トランジスタＱ２２は、トランジスタＱ２１がオフしたときにオンするトランジスタであり、コレクタは、抵抗Ｒ２４の他端に接続され、エミッタは平滑コンデンサＣ２１の−端子に接続される。

尚、抵抗Ｒ２５，Ｒ２６の抵抗値は、それぞれ、トランジスタＱ２１，Ｑ２２を駆動するためのベース電流が供給できる程度の値、具体的には数１０ｋ〜数１００ｋΩで良い。

ダイオードＤ２３は、絶縁トランスＴ１の２次側電圧を整流するためのものであり、アノードが２次巻線の一端に接続される。

コンデンサＣ２２は、ダイオードＤ２３が整流した２次側電圧を平滑化するものであり、その一端はダイオードＤ２３のカソードに接続され、他端は絶縁トランスＴ１の２次巻線の他端に接続される。このコンデンサＣ２２には、平滑コンデンサＣ２１よりも小さい容量のものが用いられる。

次に本実施形態に係る力率改善コンバータの動作を説明する。
スイッチＳＷが閉じて交流電源ＰＳがスイッチＳＷを介して整流回路１１に接続されると、交流電源ＰＳにより整流回路１１に交流電圧Ｖacが印加され、整流回路１１は、この交流電圧Ｖacを整流して、図２（ｂ）に示すような整流電圧Ｖrecを生成する。

制御部１２は、整流回路１１から、抵抗Ｒ１１を介して電流が供給されて動作する。この整流電圧Ｖrecが、図３（ａ）に示すように上昇するものとして、制御部１２は、時刻ｔ１１において、パルス信号ＰqをＨレベルに立ち上げてトランジスタＱ１１をオンするものとする。トランジスタＱ１１がオンするとドレイン電流Ｉdは、図３（ｃ）に示すように上昇する。

制御部１２は、フォトトランジスタＴrのコレクタ−エミッタ間に発生した電圧信号と整流電圧Ｖrecとに基づいて目標レベルＩ[target」を設定する。

時刻ｔ１２において、トランジスタＱ１１のドレイン電流Ｉdが、この目標レベルＩ[target]に達したとき、制御部１２は、パルス信号Ｐqの信号レベルをＬレベルに立ち下げてトランジスタＱ１１をオフする。

トランジスタＱ１１がオフすると、整流電圧ＶrecがトランジスタＱ１１のドレイン−ソース間に印加され、トランジスタＱ１１のドレイン−ソース間電圧Ｖdsは、図３（ｄ）に示すように上昇する。

そして、時刻ｔ１１から一定周期Ｔpが経過して時刻ｔ１３になったとき、制御部１２は、再び、パルス信号Ｐqの信号レベルをＨレベルに立ち上げてトランジスタＱ１１をオンする。

このようにして、１次側に流れる電流が整流電圧Ｖrecに追従するようになり、力率が改善される。

時刻ｔ１１〜ｔ１２において、絶縁トランスＴ１の１次巻線には整流電圧Ｖrecが印加される。しかし、絶縁トランスＴ１の１次巻線と２次巻線とは極性が逆であるため、整流ダイオードＤ２１のアノードの電位よりもカソードの電位が高くなり、整流ダイオードＤ２１により２次側には電流が流れず、エネルギーは、絶縁トランスＴ１に蓄積される。

また、放電制御部２２のトランジスタＱ２１のベースには、抵抗Ｒ２５を介してベース電流が供給され、トランジスタＱ２１は、図３（ｆ）に示すようにオンする。

トランジスタＱ２１は、オンすると抵抗Ｒ２６を介して電流を引き込むため、トランジスタＱ２２は、図３（ｇ）に示すようにオフする。このため、２次側の電流は、平滑コンデンサＣ２１から負荷３０へと流れ、出力電圧Ｖoutは、図３（ｅ）に示すようにわずかに低下する程度である。

時刻ｔ１２〜ｔ１３においては、整流ダイオードＤ２１のアノードの電位はカソードの電位よりも高くなって整流ダイオードＤ２１が導通し、絶縁トランスＴ１に蓄積されたエネルギーにより、２次巻線から整流ダイオードＤ２１を介して平滑コンデンサＣ２１へと電流が流れる。このため、平滑コンデンサＣ２１は充電され、出力電圧Ｖoutは、図３（ｅ）に示すようにわずかに上昇する。

出力電圧Ｖoutは、このように、周期Ｔpで上下する。出力検出部２１は、この出力電圧Ｖoutを検出し、検出した出力電圧Ｖoutの電圧レベルを、フォトカプラの発光ダイオードＤ２２を介してフォトトランジスタＴrに伝達し、フォトトランジスタＴrは、出力電圧Ｖoutに対応する信号レベルの電圧信号をコレクタ−エミッタ間に発生させる。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１４において、スイッチＳＷが開いて交流電源ＰＳと整流回路１１とが遮断されると、制御部１２は電流が供給されなくなり、パルス信号Ｐqは、図４（ｂ）に示すように、立ち上がらなくなる。

このため、トランジスタＱ１１は、オフしたままとなる。このため、図４（ｃ），（ｄ）に示すように、ドレイン電流Ｉdは流れず、ドレイン−ソース間電圧Ｖdsも０になったままとなる。

このため、絶縁トランスＴ１の２次巻線に電圧が発生せず、出力電圧Ｖoutは図４（ｅ）に示すように、低下する。また、時刻ｔ１５において、抵抗Ｒ２５を介してトランジスタＱ２１のベースに流れる電流が０になると、図４（ｆ）に示すように、トランジスタＱ２１はオフする。

このため、平滑コンデンサＣ２１の端子電圧（出力電圧Ｖout）により、平滑コンデンサＣ２１の＋端子から、抵抗Ｒ２６を介してトランジスタＱ２２のベースへと電流が流れて、図４（ｇ）に示すように、トランジスタＱ２２はオンする。

トランジスタＱ２２がオンすると、トランジスタＱ２２は、抵抗Ｒ２４の他端と平滑コンデンサＣ２１の−端子とを接続する。このため、電流が、平滑コンデンサＣ２１の＋端子から、抵抗Ｒ２６、トランジスタＱ２２のコレクタ−エミッタを介して平滑コンデンサＣ２１の−端子へと流れ、平滑コンデンサＣ２１が放電する。

従来のように、放電制御部２２が備えられていなければ、図４（ｅ）の破線で示すように、平滑コンデンサＣ２１の端子電圧Ｖc21は、時刻ｔ１７になって０Ｖになる。

しかし、本実施形態では、放電制御部２２が備えられているため、時刻ｔ１７よりも前の時刻ｔ１６において、平滑コンデンサＣ２１の端子電圧Ｖc21は、０Ｖになる。このため、負荷３０としてのＬＥＤ、有機ＥＬは、時刻ｔ１５から短い期間で発光しなくなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、発光ダイオードＤ２２とコンデンサＣ２２とトランジスタＱ２１，Ｑ２２によって構成された放電制御部２２を備え、スイッチＳＷが開いて絶縁トランスＴ１の２次側電圧（電流）が低下したときに、平滑コンデンサＣ２１を放電するようにした。

従って、リレースイッチ等を備えることなく構成を簡易にすることができ、小型化することができる。

そして、出力側の平滑コンデンサＣ２１を速やかに放電させることができるため、この力率改善コンバータを照明装置に使用した場合でも、ユーザが必要としない交流電源ＰＳの遮断後の残光を低減することができる。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、抵抗Ｒ２６を抵抗値が一定の固定抵抗とした。しかし、この抵抗Ｒ２６を可変抵抗とすることもできる。抵抗Ｒ２６を可変抵抗とすることにより、残光が必要な場合に、ユーザは、この残光時間を調整することができる。

上記実施形態では、電源回路を力率改善コンバータとして説明した。しかし、電源回路は、力率改善コンバータに限られるものではなく、力率改善コンバータの基本回路であるフライバックコンバータ、あるいは、フォワードコンバータ等であってもよい。

また、出力検出部２１は、定電圧で動作するものに限られるものではなく、定電流で動作する回路であってもよい。

１１ 整流回路
１２ 制御部
２１ 出力検出部
２２ 放電制御部
Ｔ１ 絶縁トランス
Ｄ２１ 整流ダイオード
Ｃ２１ 平滑コンデンサ
Ｑ２１，Ｑ２２ トランジスタ
Ｒ２４ 抵抗

Claims (4)

1. １次巻線と２次巻線とを有し、前記１次巻線に印加された１次側電圧に従って前記２次巻線に２次側電圧を発生させるトランスと、
   前記トランスの前記１次巻線の端子に接続されてオン、オフするスイッチング素子と、
   アノードが前記トランスの前記２次巻線の一端に接続され、前記トランスの前記２次巻線に発生した前記２次側電圧を整流する第１の整流ダイオードと、
   一端が前記第１の整流ダイオードのカソードに接続され、前記第１の整流ダイオードが整流した電圧を平滑化する第１の平滑コンデンサと、
   前記２次巻線に前記２次側電圧が発生しなくなったときに前記第１の平滑コンデンサを放電する放電制御部と、を備え、
   前記放電制御部は、
   前記トランスの前記２次巻線の一端にアノードが接続された第２の整流ダイオードと、
   前記第１の平滑コンデンサよりも小さな容量を有し、一端が前記第２の整流ダイオードのカソードに接続された第２の平滑コンデンサと、
   前記第１の平滑コンデンサの前記一端に一端が接続された放電抵抗と、
   前記第２の平滑コンデンサから電流が供給されて前記放電抵抗の他端と前記第１の平滑コンデンサの他端とを遮断し、前記第２の平滑コンデンサからの電流の供給が停止したときに前記放電抵抗の他端と前記第１の平滑コンデンサの他端とを接続する半導体スイッチと、を備えた、
   ことを特徴とする電源回路。
2. 力率改善コンバータによって構成された、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記放電抵抗は、可変抵抗によって構成されたものである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源回路。
4. 前記半導体スイッチは、
   前記第２の平滑コンデンサの一端からベースに電流が供給されてオンし、前記電流の供給が停止してオフするｎｐｎ型の第１のトランジスタと、
   前記放電抵抗の他端にコレクタが接続され、エミッタが前記第１の平滑コンデンサの他端に接続され、ベースが前記第１のトランジスタのコレクタに接続されたｎｐｎ型の第２のトランジスタと、によって構されたものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源回路。

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