JP2011120354A

JP2011120354A - 定電流電源装置

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Publication number: JP2011120354A
Application number: JP2009274442A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Suzuki; 健一鈴木
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-02
Also published as: JP5513087B2

Abstract

【課題】本発明は、軽負荷時であっても定電流制御を行うことができる定電流電源装置について、効率を向上させること。
【解決手段】定電流電源装置１は、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのうち発光ダイオードＬＥＤｎのカソードと直列接続されたトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１と、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１とタップＡを介して直列接続されたトランスＴの第２の１次巻線Ｔ２と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２と直列接続されたスイッチ素子Ｑ１と、アノードにはタップＡが接続されカソードには発光ダイオードＬＥＤ１のアノードが接続されたダイオードＤ１と、スイッチ素子Ｑ１を制御する制御部２１と、タップＡに接続されたスナバ回路３１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、定電流電源装置に関する。

従来より、定電流を出力する電源として、定電流電源装置がある。この定電流電源装置は、例えば、発光ダイオードを点灯させるために用いられる（例えば、特許文献１参照）。

［定電流電源装置１００の構成］
図５は、従来例に係る定電流電源装置１００の回路図である。定電流電源装置１００は、点Ｐ１から入力される直流電力を用いて、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ（ｎは、ｎ≧３を満たす整数）に定電流を供給する。この定電流電源装置１００は、１次巻線Ｔ１１および２次巻線Ｔ１２を有するトランスＴＴと、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ１１と、ＮＰＮ型トランジスタで構成されるスイッチ素子Ｑ１２と、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５と、キャパシタＣ１１、Ｃ１２と、ツェナーダイオードＺＤ１１と、を備える。

点Ｐ１には、発光ダイオードＬＥＤ１のカソードと、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端と、抵抗Ｒ１１を介してスイッチ素子Ｑ１１のゲートと、が接続される。トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の他端には、発光ダイオードＬＥＤｎのアノードと、スイッチ素子Ｑ１１のドレインと、が接続され、スイッチ素子Ｑ１１のソースには、点Ｐ２が接続される。点Ｐ２には、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の他端が接続される。

トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の一端には、抵抗Ｒ１３およびキャパシタＣ１１を介して、スイッチ素子Ｑ１１のゲートが接続されるとともに、ツェナーダイオードＺＤ１１のカソードと、抵抗Ｒ１５の一端と、が接続される。ツェナーダイオードＺＤ１１のアノードと、抵抗Ｒ１５の他端とには、抵抗Ｒ１４を介して、スイッチ素子Ｑ１２のベースが接続される。スイッチ素子Ｑ１２のベースには、キャパシタＣ１２を介して、点Ｐ２が接続される。また、スイッチ素子Ｑ１２のエミッタには、点Ｐ２が接続され、スイッチ素子Ｑ１２のコレクタには、スイッチ素子Ｑ１１のゲートが接続される。スイッチ素子Ｑ１１のゲートには、抵抗Ｒ１２を介して、点Ｐ２が接続される。

［定電流電源装置１００の動作］
以上の構成を備える定電流電源装置１００は、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、点Ｐ１に直流電圧が印加されると、この直流電圧は、直列接続された抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とで分圧され、スイッチ素子Ｑ１１のゲートに印加される。ここで、このゲートに印加される電圧は、スイッチ素子Ｑ１１のしきい値電圧以上であるものとすると、スイッチ素子Ｑ１１は、オン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１１がオン状態になると、点Ｐ１に入力された直流電流が、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１１と、を介して、点Ｐ２に流れる。すると、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端に電流が流れることにより、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端に電流が流れると、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２に生じる。この起電力により、抵抗Ｒ１５および抵抗Ｒ１４を介してキャパシタＣ１２に電荷が蓄積され、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のベースに印加される。そして、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のしきい値電圧以上になると、スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になると、スイッチ素子Ｑ１１のゲートとソースとが導通し、スイッチ素子Ｑ１１がオフ状態になる。すると、スイッチ素子Ｑ１１がオン状態であった期間にトランスＴＴの１次巻線Ｔ１１に蓄えられたエネルギーにより、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れ、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。

また、スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になると、キャパシタＣ１２に蓄積された電荷は、スイッチ素子Ｑ１２のベース電流として放電されるので、キャパシタＣ１２の端子間電圧は、時間が経過するに従って低下する。そして、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のしきい値電圧未満になると、スイッチ素子Ｑ１２がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ１２がオフ状態になると、上述と同様に、再度、スイッチ素子Ｑ１１のゲートに、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とで分圧された電圧が印加され、スイッチ素子Ｑ１１がオン状態になる。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１００は、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

ところで、上述の定電流電源装置１００にとって、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの数が少なくなったり、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれの立上がり電圧が低くなったりすることは、負荷が軽くなるということである。定電流電源装置１００は、負荷が軽くなっても定電流を出力し続けるために、負荷が軽くなるに従って、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を狭くして、スイッチ素子Ｑ１１のデューティ比を小さくする。ところが、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を狭くするに従って、上述のように定電流制御を行うのが困難となる。

そこで、上述の定電流電源装置１００において、タップを介して接続された２つの１次巻線をトランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の代わりに設け、このタップと、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、をダイオードで接続することが考えられる。ここで、上述の２つの１次巻線は、スイッチ素子Ｑ１１のドレインと、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、の間に設けられるものとする。これによれば、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を狭くしても、上述のように定電流制御を行うことができ、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

特開２００５−１１６５７２号公報

上述のように、定電流電源装置１００に、タップを介して接続された２つの１次巻線と、ダイオードと、を設けた場合、タップとダイオードとの間に漏れインダクタンスが存在する。このため、この漏れインダクタンスにより、スイッチ素子Ｑ１１のオンオフに応じてサージ電圧が発生し、ダイオードに高電圧が印加されてしまう。そこで、ダイオードを耐圧の高い素子で構成すると、このダイオードにおける電力損失が増大し、定電流電源装置の効率が低下してしまう。

上述の課題を鑑み、本発明は、軽負荷時であっても定電流制御を行うことができる定電流電源装置について、効率を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置であって、タップを有し、前記負荷の出力端に直列接続された出力チョークと、前記出力チョークと直列接続されたスイッチ素子と、一端には前記タップが接続され、他端には前記負荷の入力端が接続され、当該一端から当該他端に向かって電流を流す整流素子と、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、前記タップに接続されたスナバ回路と、を備え、前記出力チョークは、前記負荷の出力端と前記タップとを接続する第１チョークと、前記タップと前記スイッチ素子とを接続する第２チョークと、を備え、前記制御手段は、前記第１チョークに流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御することを特徴とする定電流電源装置を提案している。

この発明によれば、負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置に、タップを有する出力チョーク、スイッチ素子、整流素子、および制御手段を設けた。また、出力チョークに、負荷の出力端とタップとを接続する第１チョークと、タップとスイッチ素子とを接続する第２チョークと、を設けた。また、一端から他端に向かって電流を流す整流素子について、一端にはタップを接続し、他端には負荷の入力端を接続した。そして、制御手段により、第１チョークに流れる電流に応じて、スイッチ素子を制御することとした。

このため、スイッチ素子がオン状態である期間では、負荷、第１チョーク、第２チョーク、スイッチ素子の順に電流が流れ、負荷に電流が供給されるとともに、第１チョークに電流が流れることにより、第１チョークにエネルギーが蓄積されることとなる。一方、スイッチ素子がオフ状態である期間では、スイッチ素子がオン状態である期間に第１チョークに蓄積されたエネルギーにより、第１チョーク、整流素子、負荷の順に電流が流れ、負荷に電流が供給される。以上によれば、スイッチ素子がオフ状態である期間では、第１チョークには電流が流れるが、第２チョークには電流が流れない。ところが、スイッチ素子がオン状態である期間では、第１チョークだけでなく、第２チョークにも電流が流れる。すなわち、スイッチ素子がオン状態である期間では、スイッチ素子がオフ状態である期間と比べて、電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなる。

電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなると、第１チョークに流れる電流の単位時間あたりの増加率が低下する。このため、第２チョークが設けられていない場合と比べて、制御手段によりスイッチ素子をターンオフさせるタイミングが遅くなり、スイッチ素子のオン幅が広くなる。

したがって、負荷が軽くなるに従ってスイッチ素子のオン幅を狭くしても、第２チョークが設けられていない場合と比べて、スイッチ素子のオン幅を広く確保することができる。よって、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

また、この発明によれば、負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置に、スナバ回路を設け、このスナバ回路をタップに接続した。このため、スナバ回路により、スイッチ素子がオフ状態になることによるサージ電圧の発生が抑制され、整流素子の一端に高電圧が印加されるのが抑制される。したがって、スナバ回路を設けなかった場合と比べて、耐圧の低い素子で整流素子を構成できるため、整流素子における電力損失を低減させて、定電流電源装置の効率を向上できる。

（２）本発明は、（１）の定電流電源装置について、前記スナバ回路は、低損失であることを特徴とする定電流電源装置を提案している。

この発明によれば、スナバ回路を、低損失な回路で構成した。このため、スナバ回路における電力損失を低減させて、定電流電源装置の効率をさらに向上できる。

（３）本発明は、（１）または（２）の定電流電源装置について、前記スナバ回路は、一端に前記整流素子の他端が接続され、当該一端から他端に向かって電流を流す一方向性素子と、前記一方向性素子の他端と前記タップとを接続するキャパシタと、前記一方向性素子の他端と前記負荷の出力端とを接続する抵抗と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の定電流電源装置を提案している。

この発明によれば、スナバ回路に、一方向性素子、キャパシタ、および抵抗を設けた。そして、一端から他端に向かって電流を流す一方向性素子の一端には、整流素子の他端を接続した。また、一方向性素子の他端には、キャパシタを介してタップを接続するとともに、抵抗を介して負荷の出力端を接続した。

このため、スナバ回路は、受動素子のみで構成される。したがって、スナバ回路を、トランジスタといった能動素子を含んで構成した場合と比べて、定電流電源装置の製造コストを低減できる。

（４）本発明は、（１）〜（３）のいずれかの定電流電源装置について、前記第１チョークで構成される第１の１次巻線、前記第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを備え、前記制御手段は、前記２次巻線に生じる起電力に応じて充電される特定キャパシタを有し、当該特定キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、前記スイッチ素子をオン状態にし、当該特定キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、当該スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする定電流電源装置を提案している。

この発明によれば、定電流電源装置に、第１チョークで構成される第１の１次巻線、第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを設け、制御手段に、２次巻線に生じる起電力に応じて充電される特定キャパシタを設けた。そして、制御手段により、特定キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、スイッチ素子をオン状態にし、特定キャパシタの端子間電圧がしきい値以上の場合には、スイッチ素子をオフ状態にすることとした。

このため、第１チョークで構成される第１の１次巻線に流れる電流に応じて、２次巻線に起電力が生じ、特定キャパシタの端子間電圧が変化する。そして、特定キャパシタの端子間電圧に応じて、スイッチ素子が制御される。以上によれば、第１チョークで構成される第１の１次巻線に流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することができ、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

（５）本発明は、（１）〜（３）のいずれかの定電流電源装置について、前記スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された特定抵抗を備え、前記制御手段は、前記特定抵抗に流れる電流に応じて前記スイッチ素子を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の定電流電源装置を提案している。

この発明によれば、定電流電源装置に、スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された特定抵抗を設け、制御手段により、特定抵抗に流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することとした。

このため、特定抵抗に流れる電流は、第１チョークに流れる電流に応じて変化する。したがって、第１チョークに流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することができ、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、軽負荷時であっても定電流制御を行うことができる定電流電源装置について、効率を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る定電流電源装置の回路図である。前記定電流電源装置のタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係る定電流電源装置の回路図である。前記定電流電源装置のタイミングチャートである。従来例に係る定電流電源装置の回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

＜第１実施形態＞
［定電流電源装置１の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る定電流電源装置１の回路図である。定電流電源装置１は、交流電源Ｖｉｎから供給される交流電力を用いて、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給する。この定電流電源装置１は、図５に示した従来例に係る定電流電源装置１００とは、トランスＴの１次側にタップＡが設けられている点と、スナバ回路３１を備える点とで、大きく異なる。

定電流電源装置１は、トランスＴと、整流部１１と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ１と、整流素子としてのダイオードＤ１と、キャパシタＣ１と、制御手段としての制御部２１と、スナバ回路３１と、を備える。トランスＴは、タップＡを介して直列接続された第１の１次巻線Ｔ１および第２の１次巻線Ｔ２と、２次巻線Ｔ３と、を備える。制御部２１は、ＮＰＮ型トランジスタで構成されるスイッチ素子Ｑ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、特定キャパシタとしてのキャパシタＣ２と、キャパシタＣ３と、ツェナーダイオードＺＤ１と、を備える。スナバ回路３１は、抵抗Ｒ５と、キャパシタＣ４と、ダイオードＤ２と、を備える。

整流部１１の２つの入力端子には、交流電源Ｖｉｎの両端が接続される。整流部１１の第１の出力端子には、ダイオードＤ１のカソードと、ダイオードＤ２のアノードと、キャパシタＣ１の一方の電極と、発光ダイオードＬＥＤ１のアノードと、が接続される。ダイオードＤ２のカソードには、キャパシタＣ４の一方の電極と、抵抗Ｒ５の一端と、が接続される。

発光ダイオードＬＥＤｎのカソードには、キャパシタＣ１の他方の電極と、抵抗Ｒ５の他端と、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端と、が接続される。トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の他端には、キャパシタＣ４の他方の電極が接続されるとともに、タップＡを介して、ダイオードＤ１のアノードと、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端と、が接続される。

トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の他端には、スイッチ素子Ｑ１のドレインが接続されるとともに、抵抗Ｒ１を介してスイッチ素子Ｑ１のゲートが接続される。スイッチ素子Ｑ１のゲートには、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードと、スイッチ素子Ｑ２のコレクタと、が接続されるとともに、抵抗Ｒ２を介して、整流部１１の第２の出力端子が接続される。また、スイッチ素子Ｑ１のゲートには、キャパシタＣ３を介してトランスＴの２次巻線Ｔ３の一端が接続される。このトランスＴの２次巻線Ｔ３の一端には、抵抗Ｒ３を介してスイッチ素子Ｑ２のベースが接続される。スイッチ素子Ｑ２のベースには、キャパシタＣ２を介して、整流部１１の第２の出力端子が接続される。整流部１１の第２の出力端子には、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端と、スイッチ素子Ｑ２のエミッタと、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードと、スイッチ素子Ｑ１のソースと、が接続される。

［定電流電源装置１の動作］
以上の構成を備える定電流電源装置１は、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、交流電源Ｖｉｎから供給された交流電力を整流部１１により整流して、第１の出力端子から、第２の出力端子を基準とした直流電力を出力する。整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電圧は、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２と、を介して抵抗Ｒ１、Ｒ２に印加され、これら抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された後、スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される。ここで、このゲートに印加される電圧は、スイッチ素子Ｑ１のしきい値電圧以上であるものとすると、スイッチ素子Ｑ１は、オン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態になると、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流が、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１と、を介して、整流部１１の第２の出力端子に流れる。これによれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れるので、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。また、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に電流が流れることで、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端と、に電流が流れると、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が、トランスＴの２次巻線Ｔ３に生じる。この起電力により、抵抗Ｒ３を介してキャパシタＣ２に電荷が蓄積され、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のベースに印加される。そして、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のしきい値電圧以上になると、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートとソースとが導通し、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。すると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間にトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。

また、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、スイッチ素子Ｑ２のベース電流として放電されるので、キャパシタＣ２の端子間電圧は、時間が経過するに従って低下する。そして、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のしきい値電圧未満になると、スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になると、上述と同様に、再度、スイッチ素子Ｑ１のゲートに、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された電圧が印加され、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１は、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

なお、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流は、キャパシタＣ１により平滑化される。また、スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧以上になろうとすると、ツェナーダイオードＺＤ１がオン状態になるので、スイッチ素子Ｑ１のゲート電圧は、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧より高くはならない。また、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流は、キャパシタＣ３により除去されるので、トランスＴの２次巻線Ｔ３には流れない。

ここで、タップＡとダイオードＤ１のアノードとの間には、漏れインダクタンスが存在しており、この漏れインダクタンスには、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間にエネルギーが蓄積される。このため、スナバ回路３１が設けられていない場合には、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間に上述の漏れインダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、サージ電圧が発生し、ダイオードＤ１のアノードに高電圧が印加されてしまう。

ところが、定電流電源装置１には、スナバ回路３１が設けられている。このため、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間に上述の漏れインダクタンスに蓄えられたエネルギーの少なくとも一部が、キャパシタＣ４に蓄えられることとなる。したがって、定電流電源装置１では、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になることによるサージ電圧の発生が抑制されるので、ダイオードＤ１のアノードに高電圧が印加されるのが抑制される。

図２は、定電流電源装置１のタイミングチャートである。Ｖ_Ｔ３は、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧を示し、Ｖ_Ｃ２は、キャパシタＣ２の端子間電圧を示す。ＶＧＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧を示し、Ｉ_Ｔ１は、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流を示す。ＩＤＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流を示し、Ｉ_Ｄ１は、ダイオードＤ１に流れる電流を示す。Ｉ_Ｃ１は、キャパシタＣ１に流れる電流を示し、Ｉ_ＬＥＤは、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれに流れる電流を示す。また、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨの場合、スイッチ素子Ｑ１がオン状態となり、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が「０」の場合、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態となるものとする。

時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨであり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である。

このため、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１と、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１と、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１とは、時間が経過するに従って増加し、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄えられる。一方、ダイオードＤ１には電流が流れないので、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、「０」である。

また、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１が、上述のように時間が経過するに従って増加しているため、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧Ｖ_Ｔ３は、「０」より大きいＶ１となる。このため、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端に抵抗Ｒ３を介して接続されたキャパシタＣ２が充電され、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２は、時間が経過するに従って上昇する。そして、時刻ｔ２において、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になり、その結果、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、上述のように、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２は、時間が経過するに従って低下する。そして、時刻ｔ３において、スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になり、その結果、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、上述のように、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である。このため、上述のように、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間においてトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れる。トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーは、上述の電流が流れるに従って減少し、上述の電流は、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーが減少するに従って減少する。このため、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１と、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１と、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１とは、時間が経過するに従って減少する。

また、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、上述のように、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態であるため、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１は、「０」である。また、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧Ｖ_Ｔ３は、「０」より小さいＶ２となる。

以上の定電流電源装置１によれば、以下の効果を奏することができる。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端、スイッチ素子Ｑ１の順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が供給されるとともに、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に電流が流れることにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄積されることとなる。一方、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間では、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間にトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄積されたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が供給される。以上によれば、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１には電流が流れるが、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２には電流が流れない。ところが、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１だけでなく、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２にも電流が流れる。すなわち、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間と比べて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流が流れる経路のインダクタンスは、大きくなる。

発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなると、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の単位時間あたりの増加率が低下する。これはすなわち、図２の時刻ｔ１〜ｔ２までの期間における、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の傾きが緩やかになるということである。

トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の単位時間あたりの増加率が低下すると、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が小さくなるので、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２の単位時間あたりの上昇率が低下する。このため、トランスＴにタップＡが設けられておらず、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にトランスＴに第２の１次巻線Ｔ２が直列接続されていない場合と比べて、スイッチ素子Ｑ２のターンオンするタイミングが遅くなる。これによれば、スイッチ素子Ｑ１のターンオフするタイミングが遅くなるので、その結果、スイッチ素子Ｑ１のオン幅が広くなる。

したがって、負荷が軽くなるに従ってスイッチ素子Ｑ１のオン幅を狭くしても、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にトランスＴに第２の１次巻線Ｔ２が直列接続されていない場合と比べて、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を広く確保することができる。よって、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

また、スナバ回路３１がダイオードＤ１のアノードに接続されているため、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になることによるサージ電圧の発生が抑制され、ダイオードＤ１のアノードに高電圧が印加されるのが抑制される。このため、スナバ回路３１が設けられていない場合と比べて、耐圧の低い素子でダイオードＤ１を構成できるため、ダイオードＤ１における電力損失を低減させて、定電流電源装置１の効率を向上できる。

また、スナバ回路３１は、抵抗Ｒ５、キャパシタＣ４およびダイオードＤ２という受動素子のみで構成される。このため、スナバ回路３１を、トランジスタといった能動素子を含んで構成した場合と比べて、定電流電源装置１の製造コストを低減できる。

また、スナバ回路３１は、損失の低い回路である。このため、スナバ回路３１における電力損失を低減させて、定電流電源装置１の効率をさらに向上できる。

また、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードがスイッチ素子Ｑ１のゲートに接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードがスイッチ素子Ｑ１のソースに接続されている。このため、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧より高くなるのが防止される。したがって、スイッチ素子Ｑ１のゲート耐圧よりツェナー電圧が低いツェナーダイオードを、ツェナーダイオードＺＤ１として用いることで、スイッチ素子Ｑ１のゲートを保護できる。

＜第２実施形態＞
［定電流電源装置１Ａの構成］
図３は、本発明の第２実施形態に係る定電流電源装置１Ａの回路図である。定電流電源装置１Ａは、図１に示した本発明の第１実施形態に係る定電流電源装置１とは、トランスＴおよび制御部２１の代わりに、出力チョークＬおよび制御部２１Ａを備える点が異なる。なお、定電流電源装置１Ａにおいて、定電流電源装置１と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。

制御部２１Ａは、制御回路４１と、特定抵抗としての抵抗Ｒ４と、を備える。抵抗Ｒ４の一端には、スイッチ素子Ｑ１のソースが接続され、抵抗Ｒ４の他端には、整流部１１の第２の出力端子が接続される。制御回路４１は、スイッチ素子Ｑ１のゲートと、抵抗Ｒ４の一端および他端と、に接続される。

出力チョークＬは、タップＡを介して直列接続された第１チョークＬ１および第２チョークＬ２を備える。第１チョークＬ１の一端には、発光ダイオードＬＥＤｎのカソードと、キャパシタＣ１の他方の電極と、抵抗Ｒ５の他端と、が接続され、第１チョークＬ１の他端には、キャパシタＣ４の他方の電極が接続されるとともに、タップＡを介して、ダイオードＤ１のアノードと、第２チョークＬ２の一端と、が接続される。第２チョークＬ２の他端には、スイッチ素子Ｑ１のドレインが接続される。

［定電流電源装置１Ａの動作］
以上の構成を備える定電流電源装置１Ａは、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、制御回路４１は、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である時間を計測するタイマ（図示省略）を内蔵しており、このタイマによる計測結果が所定時間になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態になると、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流が、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、第１チョークＬ１の一端から他端と、第２チョークＬ２の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１と、抵抗Ｒ４と、を介して、整流部１１の第２の出力端子に流れる。これによれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れるので、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。また、第１チョークＬ１の一端から他端に電流が流れることで、第１チョークＬ１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、抵抗Ｒ４に電流が流れるので、抵抗Ｒ４の両端には電位差が生じる。そして、抵抗Ｒ４の端子間電圧は、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間において、時間が経過するに従って上昇する。制御回路４１は、抵抗Ｒ４の端子間電圧と、予め定められた値と、を比較する電圧比較回路（図示省略）を内蔵しており、抵抗Ｒ４の端子間電圧が上述の予め定められた値まで上昇すると、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオフ状態にする。

スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間に第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーにより、第１チョークＬ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。そして、上述と同様に、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である時間を上述のタイマにより計測し、計測結果が所定時間になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１Ａは、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

図４は、定電流電源装置１Ａのタイミングチャートである。ＶＧＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧を示し、Ｉ_Ｌ１は、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流を示す。ＩＤＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流を示し、Ｉ_Ｄ１は、ダイオードＤ１に流れる電流を示す。Ｉ_Ｃ１は、キャパシタＣ１に流れる電流を示し、Ｉ_ＬＥＤは、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれに流れる電流を示す。また、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨの場合、スイッチ素子Ｑ１がオン状態となり、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が「０」の場合、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態となるものとする。

時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間では、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨであり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である。

このため、時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間では、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｌ１と、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１とは、時間が経過するに従って増加し、第１チョークＬ１にエネルギーが蓄えられる。一方、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１は、時間が経過するに従って減少する。また、ダイオードＤ１には電流が流れないので、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、「０」である。

時刻ｔ１２において、制御回路４１により、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が「０」となり、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。そして、時刻ｔ１２から所定時間が経過した後の時刻ｔ１３において、制御回路４１により、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨとなり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

すると、時刻ｔ１２〜ｔ１３までの期間では、上述のように、時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間において第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーにより、第１チョークＬ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れる。第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーは、上述の電流が流れるに従って減少し、上述の電流は、第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーが減少するに従って減少する。このため、時刻ｔ１２〜ｔ１３までの期間では、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｌ１は、時間が経過するに従って減少する。また、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、時刻ｔ１２において「０」より大きい所定値になった後、時間が経過するに従って減少する。一方、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１は、時間が経過するに従って増加する。また、スイッチ素子Ｑ１には電流が流れないので、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１は、「０」である。

以上の定電流電源装置１Ａによれば、上述の定電流電源装置１が奏することのできる効果と同様の効果を奏することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上述の第１実施形態において、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに供給する定電流値には、トランスＴや抵抗Ｒ３やキャパシタＣ２やスイッチ素子Ｑ２の特性ばらつきに応じて、ばらつきが生じてしまう。そこで、上述の第１実施形態に係る抵抗Ｒ３を、可変抵抗やトリミング抵抗で構成してもよい。これによれば、抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することで、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに供給する定電流値にばらつきが生じてしまうのを抑制できる。

また、上述の各実施形態では、交流電源Ｖｉｎから供給された交流電力を用いて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給したが、これに限らず、直流電源から供給された直流電力を用いて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給してもよい。

また、上述の各実施形態では、負荷として発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを用いたが、これに限らず、負荷として、例えばモータを用いてもよい。

また、上述の各実施形態では、タップＡと発光ダイオードＬＥＤ１のアノードとの間にダイオードＤ１を設け、ダイオードＤ１のアノードをタップＡに接続し、ダイオードＤ１のカソードを発光ダイオードＬＥＤ１のアノードに接続したが、これに限らない。例えば、タップＡと発光ダイオードＬＥＤ１のアノードとの間にトランジスタやサイリスタを設け、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間に、タップＡから発光ダイオードＬＥＤ１のアノードに向かって電流を流すこととしてもよい。

また、上述の第２実施形態では、抵抗Ｒ４を、スイッチ素子Ｑ１のソースと整流部１１の第２の出力端子との間に設けたが、これに限らず、スイッチ素子Ｑ１のドレインと第２チョークＬ２との間に設けてもよい。

１、１Ａ、１００；定電流電源装置
１１；整流部
２１、２１Ａ；制御部
３１；スナバ回路
４１；制御回路
Ａ；タップ
Ｃ１〜Ｃ４、Ｃ１１、Ｃ１２；キャパシタ
Ｄ１、Ｄ２；ダイオード
Ｌ；出力チョーク
Ｌ１；第１チョーク
Ｌ２；第２チョーク
ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ；発光ダイオード
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ１１、Ｑ１２；スイッチ素子
Ｒ１〜Ｒ５、Ｒ１１〜Ｒ１５；抵抗
Ｔ、ＴＴ；トランス
Ｔ１；第１の１次巻線
Ｔ２；第２の１次巻線
Ｔ３；２次巻線

Claims

負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置であって、
タップを有し、前記負荷の出力端に直列接続された出力チョークと、
前記出力チョークと直列接続されたスイッチ素子と、
一端には前記タップが接続され、他端には前記負荷の入力端が接続され、当該一端から当該他端に向かって電流を流す整流素子と、
前記スイッチ素子を制御する制御手段と、
前記タップに接続されたスナバ回路と、を備え、
前記出力チョークは、前記負荷の出力端と前記タップとを接続する第１チョークと、前記タップと前記スイッチ素子とを接続する第２チョークと、を備え、
前記制御手段は、前記第１チョークに流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御することを特徴とする定電流電源装置。
前記スナバ回路は、低損失であることを特徴とする請求項１に記載の定電流電源装置。
前記スナバ回路は、
一端に前記整流素子の他端が接続され、当該一端から他端に向かって電流を流す一方向性素子と、
前記一方向性素子の他端と前記タップとを接続するキャパシタと、
前記一方向性素子の他端と前記負荷の出力端とを接続する抵抗と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の定電流電源装置。
前記第１チョークで構成される第１の１次巻線、前記第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを備え、
前記制御手段は、前記２次巻線に生じる起電力に応じて充電される特定キャパシタを有し、当該特定キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、前記スイッチ素子をオン状態にし、当該特定キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、当該スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の定電流電源装置。
前記スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された特定抵抗を備え、
前記制御手段は、前記特定抵抗に流れる電流に応じて前記スイッチ素子を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の定電流電源装置。