JP2011211823A - 定電流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定電流電源装置の効率を向上させること。
【解決手段】定電流電源装置１は、定電圧電源１０、定電流回路１２０、および制御信号生成部３０を備える。定電圧電源１０は、直流電力を出力する。定電流回路１２０は、定電圧電源１０から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する。制御信号生成部３０は、定電流回路１２０に入力される電圧と、定電流回路１２０から出力される電圧と、を比較し、比較結果に応じた電圧制御信号を出力する。以上の構成を備える定電流電源装置１は、制御信号生成部３０から入力される電圧制御信号に基づいて、定電流回路１２０から出力される電圧を下限として、定電圧電源１０から出力する電圧を低下させる。
【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３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、定電圧電源１１０、定電流回路１２０、および抵抗Ｒを備え、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。

定電流回路１２０は、制御部１２１と、キャパシタＣ１、Ｃ２と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑと、ダイオードＤと、インダクタＬと、を備える。

定電圧電源１１０は、第１端子から、第２端子を基準として予め定められた電圧を出力する。この定電圧電源１１０の第１端子には、定電流回路１２０の入力端子ＩＮを介して、キャパシタＣ１の一方の電極と、スイッチ素子Ｑのドレインと、が接続される。

スイッチ素子Ｑのゲートには、制御部１２１が接続され、スイッチ素子Ｑのソースには、ダイオードＤのカソードと、インダクタＬの一端と、が接続される。インダクタＬの他端には、キャパシタＣ２の一方の電極が接続されるとともに、定電流回路１２０の出力端子ＯＵＴを介して、発光ダイオードＬＥＤ１のアノードが接続される。ダイオードＬＥＤｎのカソードには、抵抗Ｒの一端と、制御部１２１と、が接続される。

定電圧電源１１０の第２端子には、キャパシタＣ１の他方の電極と、制御部１２１と、ダイオードＤのアノードと、キャパシタＣ２の他方の電極と、抵抗Ｒの他端と、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、制御部１２１により、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子ＱをＰＷＭ制御する。

スイッチ素子Ｑがオン状態の期間では、定電圧電源１１０の第１端子から出力された電圧がキャパシタＣ１で平滑された後、インダクタＬおよびキャパシタＣ２で構成される平滑回路で平滑され、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加される。そして、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに印加された電圧が、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれの順方向電圧の総和以上であれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れる。

発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れると、インダクタＬにも電流が流れ、インダクタＬにエネルギーが蓄えられることとなる。

発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れた電流は、抵抗Ｒを流れる。すると、抵抗Ｒの両端には、自身に流れる電流に比例した電圧が生じる。すなわち、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れると、この電流に応じた電圧が抵抗Ｒの両端に生じる。制御部１２１は、抵抗Ｒの両端電圧を測定して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流を検出する。

一方、スイッチ素子Ｑがオフ状態の期間では、インダクタＬに蓄えられているエネルギーにより、インダクタＬ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ、抵抗Ｒ、ダイオードＤの順に電流が流れる。

特開２００７−４２７５８号公報

上述の定電流電源装置１００のような従来の定電流電源装置では、効率の向上が要請されていた。

上述の課題を鑑み、本発明は、定電流電源装置の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、直流電力を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、前記定電流回路に入力される電圧と、当該定電流回路から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記定電流回路から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させ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、比較手段により、定電流回路に入力される電圧と、定電流回路から出力される電圧と、を比較し、直流電源により、比較手段による比較結果に基づいて、定電流回路から出力される電圧を下限として、定電流回路に入力される電圧を低下させることとした。ここで、定電流回路から出力される電圧を下限として定電流回路に入力される電圧を低下させるとは、定電流回路に入力される電圧を低下させていったときの最小値が、定電流回路から出力される電圧に等しいということである。このため、定電流回路に入力される電圧が、定電流回路から出力される電圧に近づくことになるので、定電流回路での損失が小さくなる。したがって、定電流電源装置の効率を向上させることができる。

（２） 本発明は、直流電力を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、前記定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力する電圧加算手段と、前記定電流回路に入力される電圧と、前記電圧加算手段から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記電圧加算手段から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させ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、電圧加算手段により、定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力し、比較手段により、定電流回路に入力される電圧と、電圧加算手段から出力される電圧と、を比較することとした。そして、直流電源により、比較手段による比較結果に基づいて、電圧加算手段から出力される電圧を下限として、定電流回路に入力される電圧を低下させることとした。ここで、電圧加算手段から出力される電圧を下限として定電流回路に入力される電圧を低下させるとは、定電流回路に入力される電圧を低下させていったときの最小値が、電圧加算手段から出力される電圧に等しいということである。このため、定電流回路に入力される電圧が、定電流回路から出力される電圧に予め定められた電圧を足し合わせたものに近づくことになる。したがって、上述の予め定められた電圧を、定電流回路の特性や、定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流などに応じて設定することで、定電流回路に入力される電圧と、定電流回路から出力される電圧と、の差分を最適化することができ、定電流電源装置の効率を向上させることができる。

（３） 本発明は、（２）の定電流電源装置について、前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定され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、（２）の定電流電源装置において、定電流回路の特性に応じて、上述の予め定められた電圧を設定することとした。このため、定電流回路の特性を考慮した上で、直流電源から出力される電圧を制御することができる。

（４） 本発明は、（２）の定電流電源装置について、前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて調整したもの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、（２）の定電流電源装置において、定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、負荷を流れる電流に応じて調整して、上述の予め定められた電圧とした。このため、定電流回路の特性と、負荷を流れる電流と、を考慮した上で、直流電源から出力される電圧を制御することができる。

（５） 本発明は、（１）〜（４）のいずれかの定電流電源装置について、前記定電流回路は、降圧チョッパ回路を備え、前記降圧チョッパ回路は、入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、前記直流電源と前記平滑手段とを断続するスイッチ素子と、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備え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、（１）〜（４）のいずれかの定電流電源装置において、定電流回路に降圧チョッパ回路を設けた。そして、この降圧チョッパ回路に、入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、直流電源と平滑手段とを断続するスイッチ素子と、負荷を流れる電流に応じてスイッチ素子を制御する制御手段と、を設けた。

ここで、スイッチ素子のオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路から出力される電圧や、定電流回路から出力される電圧に予め定められた電圧を足し合わせたものが、直流電源から出力される電圧、すなわち定電流回路に入力される電圧に近くなる。そして、スイッチ素子のオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路を流れる電流に含まれるリプルが小さくなる。このため、平滑回路を小型化することができ、定電流電源装置を小型化することができる。

また、上述のように、定電流回路を流れる電流に含まれるリプルが小さくなるので、定電流回路における損失が低減される。このため、定電流電源装置における損失を低減でき、定電流電源装置の効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、定電流電源装置の効率を向上させることができる。

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。 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。 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、図３に示した従来例に係る定電流電源装置１００とは、定電圧電源１１０の代わりに直流電源としての定電圧電源１０を備える点と、比較手段としての制御信号生成部３０を備える点と、が異なる。なお、定電流電源装置１において、定電流電源装置１００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。

制御信号生成部３０には、いわゆる降圧チョッパ回路を形成する定電流回路１２０の入力端子ＩＮと、この定電流回路１２０の出力端子ＯＵＴと、定電圧電源１０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、定電流電源装置１００と同様に、制御手段としての制御部１２１により、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子ＱをＰＷＭ制御する。

さらに、定電流電源装置１は、定電圧電源１０および制御信号生成部３０により、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔを下限として、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを低下させる。なお、電圧Ｖｏｕｔを下限として電圧Ｖｉｎを低下させるとは、電圧Ｖｉｎを低下させていったときの最小値が、電圧Ｖｏｕｔに等しいということである。

具体的には、まず、制御信号生成部３０により、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎと、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔと、を比較して、比較結果に応じた電圧制御信号を定電圧電源１０に送信する。次に、定電圧電源１０により、出力する電圧を電圧制御信号に応じて制御して、電圧Ｖｉｎが電圧Ｖｏｕｔより高ければ、出力する電圧を低下させる。これによれば、電圧Ｖｉｎが電圧Ｖｏｕｔに近づくことになり、定電流回路１２０に入力される電圧が、定電流回路１２０から出力される電圧に近づくことになる。

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。

定電流電源装置１は、定電圧電源１０および制御信号生成部３０により、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔを下限として、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを低下させる。これによれば、定電流回路１２０に入力される電圧が、定電流回路１２０から出力される電圧に近づくことになるので、定電流回路１２０での損失が小さくなる。このため、定電流電源装置１の効率を向上させることができる。

また、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔは、スイッチ素子Ｑのオンデューティが大きくなるに従って、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎに近くなる。このため、定電流電源装置１は、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔに近づけるために、スイッチ素子Ｑのオンデューティを大きくする。ここで、スイッチ素子Ｑのオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路１２０を流れる電流に含まれるリプルが小さくなる。したがって、平滑手段としての平滑回路を構成するインダクタＬおよびキャパシタＣ２について、インダクタＬのインダクタンスを小さくしたり、キャパシタＣ２の容量を小さくしたりすることができる。これによれば、インダクタＬやキャパシタＣ２を小型化することができるので、定電流電源装置１を小型化できる。なお、本実施形態では、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎは、スイッチ素子Ｑのオンデューティが１００％の場合に、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔに等しくなるものとする。

また、定電流電源装置１は、上述のように、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔに近づけるために、スイッチ素子Ｑのオンデューティを大きくする。スイッチ素子Ｑのオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路１２０を流れる電流に含まれるリプルが小さくなるので、定電流回路１２０における損失が低減される。このため、定電流電源装置１における損失を低減でき、定電流電源装置１の効率をさらに向上させることができる。

また、スイッチ素子Ｑがオフ状態の期間では、ダイオードＤに電流が流れ、ダイオードＤで損失が発生してしまう。ところが、定電流電源装置１は、上述のように、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔに近づけるために、スイッチ素子Ｑのオンデューティを大きくする。このため、スイッチ素子Ｑがオフ状態の期間が短縮されるので、ダイオードＤにおける損失が低減し、定電流電源装置１における損失をさらに低減できる。

＜第２実施形態＞
［定電流電源装置１Ａの構成］
図２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、定電流回路１２０の代わりに定電流回路２０を備える点と、電圧加算手段としての可変電圧源ＶＲＥＦを備える点と、が異なる。また、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎが出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔに等しくなるのは、定電流電源装置１においては、スイッチ素子Ｑのオンデューティが１００％の場合であったのに対して、定電流電源装置１Ａにおいては、スイッチ素子ＱのオンデューティがＸ％（Ｘは、０≦Ｘ≦１００を満たす値）の場合である点が異なる。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。

定電流回路２０は、定電流回路１２０とは、制御部１２１の代わりに制御部２１を備える点が異なる。この制御部２１は、スイッチ素子Ｑのドレインと、抵抗Ｒの両端と、に接続されるとともに、可変電圧源ＶＲＥＦの制御端子に接続される。

可変電圧源ＶＲＥＦの負極には、定電流回路２０の出力端子ＯＵＴが接続され、可変電圧源ＶＲＥＦの正極には、制御信号生成部３０が接続される。この制御信号生成部３０には、定電流回路２０の入力端子ＩＮと、定電圧電源１０と、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、定電流電源装置１と同様に、制御部２１により、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子ＱをＰＷＭ制御する。

さらに、定電流電源装置１Ａは、定電圧電源１０、制御部２１、制御信号生成部３０、および可変電圧源ＶＲＥＦにより、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔと可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆとの和Ｖｓｕｍを下限として、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎを低下させる。なお、電圧Ｖｓｕｍを下限として電圧Ｖｉｎを低下させるとは、電圧Ｖｉｎを低下させていったときの最小値が、電圧Ｖｓｕｍに等しいということである。

具体的には、まず、制御信号生成部３０により、入力端子ＩＮの電圧Ｖｉｎと、出力端子ＯＵＴの電圧Ｖｏｕｔと可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆとの和Ｖｓｕｍと、を比較して、比較結果に応じた電圧制御信号を定電圧電源１０に供給する。次に、定電圧電源１０により、出力する電圧を電圧制御信号に応じて制御して、電圧Ｖｉｎが電圧Ｖｓｕｍより高ければ、出力する電圧を低下させる。これによれば、電圧Ｖｉｎが電圧Ｖｓｕｍに近づくことになり、定電流回路２０に入力される電圧が、定電流回路２０から出力される電圧に可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを足し合わせたものに近づくことになる。

なお、可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆは、定電流回路２０の特性に応じて設定され、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを流れる電流に応じて調整される。

具体的には、例えば定電流回路２０で消費される電力といった、定電流回路２０の特性に応じて、可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆの初期値を設定し、制御部２１に記憶させる。定電流電源装置１Ａは、可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを、基本的には制御部２１に記憶されている初期値に等しくする。

ただし、定電流電源装置１Ａは、制御部２１により、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを流れる電流が減少するに従って、可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを上昇させる。これによれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを流れる電流が減少するに従って、定電流回路２０から出力される電圧に可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを足し合わせたものが上昇し、その結果、定電流回路２０に入力される電圧が上昇することとなる。

以上の定電流電源装置１Ａによれば、定電流電源装置１が奏することのできる上述の効果に加えて、以下の効果を奏することができる。

定電流電源装置１Ａは、定電流回路２０の特性に応じて設定された可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを、定電流回路２０から出力される電圧に足し合わせ、足し合わせた電圧を下限として、定電流回路２０に入力される電圧を低下させる。このため、定電流回路２０の特性を考慮した上で、定電圧電源１０の出力を制御することができる。

また、定電流電源装置１Ａは、制御部２１により、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを流れる電流に応じて、可変電圧源ＶＲＥＦの電源電圧Ｖｒｅｆを調整する。このため、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを実際に流れている電流を考慮した上で、定電圧電源１０の出力を制御することができる。

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、上述の各実施形態では、定電流回路２０、１２０に、いわゆる降圧チョッパ回路を用いたが、これに限らず、例えば昇圧チョッパ回路やドロッパ方式の電源回路を用いてもよい。

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。

１、１Ａ、１００；定電流電源装置
１０、１１０；定電圧電源
２０、１２０；定電流回路
２１；１２１；制御部
３０；制御信号生成部
Ｃ１、Ｃ２；キャパシタ
Ｌ；インダクタ
Ｑ；スイッチ素子
ＶＲＥＦ；可変電圧源

Claims (5)

1. 直流電力を出力する直流電源と、
   前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、
   前記定電流回路に入力される電圧と、当該定電流回路から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、
   前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記定電流回路から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置。
2. 直流電力を出力する直流電源と、
   前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、
   前記定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力する電圧加算手段と、
   前記定電流回路に入力される電圧と、前記電圧加算手段から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、
   前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記電圧加算手段から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置。
3. 前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定されることを特徴とする請求項２に記載の定電流電源装置。
4. 前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて調整したものであることを特徴とする請求項２に記載の定電流電源装置。
5. 前記定電流回路は、降圧チョッパ回路を備え、
   前記降圧チョッパ回路は、
   入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、
   前記直流電源と前記平滑手段とを断続するスイッチ素子と、
   前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の定電流電源装置。

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