JP2013182377A - 定電流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリーズレギュレータ制御方式の定電流電源装置において、装置の小型化及び製造コストの低減を図るとともに、電流制御の高効率化を図る。
【解決手段】電源２を可変定電圧電源２ａと定電圧電源２ｂとからなるものとするとともに、負担電圧制御回路４の負担電圧フィードバック回路４ａによって検出した出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧を、負担電圧制御回路４の設定負担電圧値となるように可変定電圧電源２ａの出力電圧を制御するので、制御素子の発生する熱が抑制されて装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができるとともに、定電圧性負荷に対して最適な電流を供給できるので電流制御の高効率化及びリップル電流の低減を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、例えばレーザダイオードなどの定電圧性負荷に主に使用する定電流電源装置に関する。

従来、レーザダイオードなどの定電圧性負荷に使用する定電流電源装置では、シリーズレギュレータ制御方式又はチョッパ制御方式のいずれがか一般的に採用されている（特許文献１参照）。
すなわち、シリーズレギュレータ制御方式は、電流制御にあたって電源と負荷との間に直列に設けられたトランジスタ等の制御素子において、電源の出力電圧と負荷の定格動作電圧との電圧差となるだけの電力を消費することによって電圧降下を発生させ（以下、トランジスタ等の制御素子が消費せざるをえない電力の基となる、電源の出力電圧と負荷の定格動作電圧との電圧差を「負担電圧」という。）、負荷に一定の電圧がかるように調整するものである。そのため、電流制御における応答性が高く、リップル電流が少ないという利点を有する。しかしながら、該制御素子が消費した負担電圧に相当する電力は熱に変換されるため、電流制御の効率は低くなるとともに、制御素子が発生する熱の冷却が必要となるので装置の大型化や製造コストが上昇する欠点がある。
一方、チョッパ制御方式は、電流のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことによって電源から実効値として任意の電圧を擬似的に作り出して調整するものである。そのため、電流制御の効率は高くなるとともに、冷却が不要となるので装置が小型化し、製造コストが安価になるという利点を有する。しかしながら、電流のＯＮ−ＯＦＦを繰り返すことで電流制御における応答性が低くなるとともに、リップル電流が多く、直流リアクタが大きくなり、装置全体としても大型化するという欠点がある。
その結果、シリーズレギュレータ制御方式は電流制御における高い応答性及びリップル電流が少ないという利点から、一般に高機能の負荷に使用され、チョッパ制御方式は効率が高く、製造コストが安価となるという利点から、一般に高い電流制御の応答性が要求されない汎用の負荷に使用されるものである。

ところで、レーザダイオードのような負荷は、動作電圧下限まではほとんど電流が流れず、該動作電圧下限以上になってからは急激に電流が増加し、電流が増加しても電圧は微増しかしないという特性を有するものである（以下、そのような特性を有する負荷を「定電圧性負荷」という。図３参照）。そのため、正確な電流制御が必要とされる定電圧性負荷に使用される定電流電源装置では、シリーズレギュレータ制御方式が採用されている。しかしながら、該シリーズレギュレータ制御方式では、上述のように制御素子によって消費された電力は熱に変換されることで電流制御の効率が低くなるとともに、冷却のため装置による大型化や製造コストが上昇する欠点を有するものである。

近年では、上記レーザダイオードのよう定電圧性負荷側においても電流制御の高効率化が図られて来ており、同時にシリーズレギュレータ制御方式を採用して電流制御を行う上記定電流電源装置でも、電流制御の高効率化及び装置の小型化が強く求められるようになっている。

特開２０１１−４８７７２号公報

戸川治朗著、「実用電源回路設計ハンドブック」、ＣＱ出版株式会社、２００９年、Ｐ．５１、９２、９３

解決しようとする問題点は、上記シリーズレギュレータ制御方式を採用する定電流電源装置における電流制御の効率の低さ、冷却のための装置の大型化及び製造コストの上昇である。

第１の特徴として、
レーザダイオード等の定電圧性負荷に主に用いられる定電流電源装置であって、
電源、出力電流制御回路、及び負担電圧制御回路から構成され、
該電源は、出力電圧が可変する可変定電圧電源、又は出力電圧が可変する可変定電圧電源と出力電圧が一定である定電圧電源との直列の組み合わせとしてなるものとし、
該出力電流制御回路は、制御素子を介して当該定電流電源装置に接続される定電圧性負荷に対して流れる電流を任意に設定された値に制御し、
該負担電圧制御回路は、負担電圧フィードバック回路を有して、前記出力電流制御回路の制御素子と電源となる前記可変定電圧電源との間に介在して、出力電流制御回路の制御素子に印加される電圧を任意に設定された値となるよう可変定電圧電源の電圧を制御するものであって、
前記負担電圧制御回路の負担電圧フィードバック回路によって検出される、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧が、任意に設定された電圧となるように電源である可変定電圧電源の出力電圧を負担電圧制御回路で制御してなるものである。

そのため、出力電流制御回路の制御素子において、電源の出力電圧と定電圧性負荷の定格動作電圧との電圧差が負担電圧とされ、該制御素子における負担電圧を負担電圧制御回路の負担電圧フィードバック回路によって随時検出するものである。
そして、この負担電圧フィードバック回路によって検出された制御素子における負担電圧が、負担電圧制御回路において予め設定されている負担電圧の設定値と比較して小ならば、該負担電圧制御回路からの信号によって電源である可変定電圧電源の出力電圧が、負担電圧制御回路において設定されている設定値まで増大するように制御する。また、この負担電圧フィードバック回路によって検出された制御素子における負担電圧が、負担電圧制御回路において予め設定されている負担電圧の設定値と比較して大ならば、該負担電圧制御回路からの信号によって電源である可変定電圧電源の出力電圧が、負担電圧制御回路において設定されている設定値まで減少するように制御するものである。
以上のように、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧は、負担電圧制御回路において設定された負担電圧の設定値になるように制御されるので、該出力電流制御回路の制御素子が発生することとなる熱を抑制して、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができるとともに、定電圧性負荷に対しては最適な電流を供給することから、電流制御の高効率化及びリップル電流の低減を図ることができるものである。

ここで、電源を出力電圧が可変する可変定電圧電源のみとすると、定電流電源装置の構成は簡素化するものである。その結果、定電流電源装置自体をより小型化することができるものである。
また、電源を出力電圧が可変する可変定電圧電源と出力電圧が一定である定電圧電源との直列の組み合わせとすると、可変定電圧電源を小さくすることができる。その結果、電源全体として、高価な可変定電圧電源の部品コストが削減されるので、定電流電源装置全体での製造コストをより低減させることができる。
その上、定電圧性負荷の拡張に対しては比較的安価な定電圧電源の増大だけで対応することができることとなる。その結果、定電圧性負荷の拡張に対して、電源は簡易且つ確実に、しかも安価に対応することができるものである。

第１の特徴を踏まえて、第２の特徴として、
上記電源が可変定電圧電源のみの場合、その出力電圧の制御範囲を少なくとも定電圧性負荷の動作電圧下限以下、且つ動作電圧上限以上とし、
第１の特徴を踏まえて、第３の特徴として、
上記電源が可変定電圧電源と定電圧電源との直列の組み合わせとしてなるものの場合、該定電圧電源の出力電圧を定電圧性負荷の動作電圧下限未満とするとともに、可変定電圧電源の出力電圧と定電圧電源の出力電圧との合計の出力電圧の制御範囲を、少なくとも定電圧性負荷の動作電圧下限以下、且つ動作電圧上限以上としてなるものである。

そのため、電源の出力電圧は定電圧性負荷の動作電圧下限以下から動作電圧上限以上の範囲で制御されることから、該定電圧性負荷の動作電圧の上下限の範囲内に常時なるよう制御することができるものである。その結果、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧を最小限としながら、定電圧性負荷に対しては最適の電流が供給されることになるので、出力電流制御回路の制御素子の発生する熱も抑制されて装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができるとともに、定電圧性負荷に対して最適な電流を供給して電流制御の高効率化及びリップル電流の低減を図ることができるものである。

ここで、電源を可変定電圧電源と定電圧電源との直列の組み合わせとしてなる場合には、電源のうち可変定電圧電源が少なくとも一つ採用されれば足りるものであって、負担電圧制御回路による可変定電圧電源の制御は少なくとも一つの可変定電圧電源について行えば良いものである。また電源に複数の可変定電圧電源が採用されるものにあっては、該複数の可変定電圧電源の負担電圧制御回路による制御を同時に行うことによって、出力電流制御回路の制限素子における負担電圧をより広範囲にわたって制御することもできる。

本願発明は、電流制御における高い応答性及びリップル電流の発生が少ないシリーズレギュレータ制御方式を採用して定電圧性負荷に対する定電流制御を行うにあたり、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧を、負担電圧制御回路の負担電圧フィードバック回路で随時検出しながら、可変定電圧電源の出力電圧を負担電圧制御回路における設定値となるように制御するので、制御素子での発熱を抑制することで装置の小型化及び製造コストの低減化を図るとともに、定電圧性負荷に対して最適な電流を供給して電流制御の高効率化及びリップル電流の低減を図ることができる優れた効果を有するものである。

図１は、本願発明の実施例である定電流制御装置の回路構成図である。 図２は、従来の定電流制御装置の回路構成図である。 図３は、本願発明における定電圧性負荷の電流に対する電圧の特性を示した図である。

定電圧性負荷に対する電流制御においてシリーズレギュレータ制御方式を採用した上で、出力電流制御回路の制御素子の発生する熱を抑制して装置の小型化及び製造コストの低減化を図るとともに、電流制御の高効率化及びリップル電流の低減を図るため、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧が負担電圧制御回路において設定されている設定値となるように、電源である可変定電圧電源の出力電圧を制御することで実現したものである。

図１において示すのは、定電圧性負荷の一つであるレーザダイオード（定格電圧５０Ｖ、定格電流１００Ａ）５に対して本願発明の実施例である定電流電源装置１を適用した場合の回路構成図である。尚、このレーザダイオード５の動作電圧の下限値は４８．５Ｖであり、同じく動作電圧の上限値は５１．５Ｖである。
そして、この本願発明の実施例である定電流電源装置１は、電源２、該電源２とレーザダイオード５とを繋ぐ配線６に組み込まれる出力電流制御回路３、及び負担電圧制御回路４から構成されるものである。

まず、該電源１は、２００Ｖの交流電圧源７から電流が各々供給され、出力電圧が直流１Ｖ〜最大２５Ｖまで可変する可変定電圧電源２ａと、出力電圧がレーザダイオード５の動作電圧下限近傍の４５Ｖと一定である定電圧電源２ｂとの、直列の組み合わせからなるものである。

次に、該出力電流制御回路３は、シリーズレギュレータ制御方式を採用するものであって、リニア制御素子３ａ、電流検出素子３ｂ、予め設定した電流値との比較により信号増幅を行う比較増幅器３ｃ及びドライブ回路３ｄからなるものである。そのため、該出力電流制御回路３では、電源２からリニア制御素子３ａを介してレーザダイオード５へ向かう配線６の中途に電流検出素子３ｂが設けられ、該電流検出素子３ｂの検出したリニア制御素子３ａからの出力電流のフィードバック信号と、予め設定した設定電流値による設定電流信号とを比較増幅器３ｃで比較するとともに増幅させ、その出力信号をドライブ回路３ｄを介してリニア制御素子３ａに伝えることによって、レーザダイオード５に流れる電流が出力電流制御回路３において設定した設定電流値となるように制御するものである。

また、該負担電圧制御回路４では、負担電圧フィードバック回路４ａと、予め設定した負担電圧（１．５Ｖ）との比較により信号増幅を行う比較増幅器４ｂとからなるものである。尚、前記負担電圧の設定値（１．５Ｖ）は、使用される定電圧性負荷であるレーザダイオード５の定格動作電圧５０Ｖに対する、動作電圧上限及び同下限を画する１．５Ｖの電圧差を基礎として設定されているものである。
そのため、負担電圧制御回路４では、出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａから負担電圧フィードバック回路４ａが検出した負担電圧のフィードバック信号と、予め設定した設定負担電圧値による設定負担電圧信号とを比較増幅器４ｂで比較するとともに増幅させ、その出力信号を電源２の可変定電圧電源２ａに伝えることによって、出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａの負担電圧が予め設定した設定負担電圧値となるように可変定電圧電源２ａを制御するものである。

以上により、本願発明の定電流電源装置１は、定電圧性負荷であるレーザダイオード５への電流供給の制御を次のようにして行うものである。
すなわち、レーザダイオード５へ電源２の直流電流を供給するにあたって、負担電圧制御回路４の負担電圧フィードバック回路４ａが検出した出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧の信号と、負担電圧制御回路４において予め設定された設定負担電圧値である１．５Ｖの信号とを比較増幅器４ｂで比較して、該リニア制御素子３ａにおける負担電圧が設定負担電圧値である１．５Ｖよりも小であると、比較増幅器４ｂから電圧制御信号として電圧を上昇させる旨の信号が可変定電圧電源２ａへ伝えられ、負担電圧フィードバック回路４ａがリニア制御素子３ａから検出する負担電圧を、負担電圧制御回路４において予め設定された設定負担電圧である１．５Ｖになるまで電圧上昇するように可変定電圧電源２ａの出力電圧を制御するものである。
一方、負担電圧制御回路４の負担電圧フィードバック回路４ａが検出した出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧の信号と、負担電圧制御回路４において予め設定された設定負担電圧値である１．５Ｖの信号とを比較増幅器４ｂで比較して、該リニア制御素子３ａにおける負担電圧が設定負担電圧値である１．５Ｖよりも大であると、比較増幅器４ｂから電圧制御信号として電圧を降下させる旨の信号が可変定電圧電源２ａへ伝えられ、負担電圧フィードバック回路４ａがリニア制御素子３ａから検出する負担電圧を、負担電圧制御回路４おいて予め設定された設定負担電圧である１．５Ｖになるまで電圧降下するように可変定電圧電源２ａの出力電圧を制御するものである。
また、負担電圧制御回路４の負担電圧フィードバック回路４ａが検出した出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧の信号と、負担電圧制御回路４において予め設定された設定負担電圧値である１．５Ｖの信号とを比較増幅器４ｂで比較して、該リニア制御素子３ａにおける負担電圧が設定負担電圧値である１．５Ｖと等しい場合には、比較増幅器４ｂから電圧制御信号としてその電圧を維持する旨の信号が可変定電圧電源２ａへ伝えられ、負担電圧フィードバック回路４ａがリニア制御素子３ａから検出する負担電圧を、負担電圧制御回路４おいて予め設定された設定負担電圧である１．５Ｖに維持するよう、可変定電圧電源２ａの出力電圧を制御するものである。
従って、本願発明の定電流電源装置１では出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧を小さくすることができるので、該リニア制御素子３ａでの熱の発生を抑制して装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができるとともに、定電圧性負荷であるレーザダイオード５に対しては最適な電流を供給できるので、電流制御の高効率化及びリップル電流の発生の低減を図ることができるものである。

そこで、本願発明の定電流電源装置１と、従来のシリーズレギュレータ制御方式の定電流電源装置（図２参照）とを比較してその発明の効果を確認した。
すなわち、本願発明では、電源２を出力電圧が１Ｖ〜最大２５Ｖまで可変する可変定電圧電源２ａと出力電圧が４５Ｖの定電圧電源２ｂとからなるものとし、負担電圧制御回路４で設定される出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａにおける負担電圧を１．５Ｖとするものである。一方、従来の定電流電源装置では、電源を出力電圧が７０Ｖの定電圧電源とするものである。なお、両定電流電源装置からそれぞれ直流電流の供給を受ける定電圧性負荷には、前記実施例において使用したものと同一の定格電圧５０Ｖ、定格電流１００Ａのレーザダイオード５を使用するものである。
本願発明及び従来の定電流電源装置を使用して上記５０Ｖ、１００Ａの定電圧性負荷に対して直流電流を供給したところ、本願発明の定電流電源装置１ではレイザーダイオード５動作中の電源２の出力電圧は約５１．５Ｖであって、その負担電圧が１．５Ｖであるのに対して、従来の定電流電源装置では電源の出力電圧が７０Ｖであって定電圧性負荷であるレーザダイオードの電圧が５０Ｖであるので、出力電流制御回路のリニア制御素子における負担電圧は２０Ｖとなるので、本願発明での負担電圧制御回路４によるリニア制御素子３ａにおける負担電圧が十分に制御されていることが明らかとなった。
その上、本願発明の定電流電源装置１では出力電流制御回路３のリニア制御素子３ａでの電力損失は１５０Ｗ｛（５１．５Ｖ−５０Ｖ）×１００Ａ｝であるのに対して、従来の定電流電源装置では出力電流制御回路のリニア制御素子での電力損失は２０００Ｗ｛（７０Ｖ−５０Ｖ）×１００Ａ｝となるので、本願発明での電流制御の高効率化が十分に図られていることも明らかとなった。

本願発明の定電流電源装置は主として定電圧性負荷において適用されるので、レーザダイオードのみならず、アーク溶接機においても適用することができる。

１ 定電流電源装置
２ 電源
２ａ 可変定電圧電源
２ｂ 定電圧電源
３ 出力電流制御回路
３ａ リニア制御素子
３ｂ 電流検出素子
３ｃ 比較増幅器
３ｄ ドライブ回路
４ 負担電圧制御回路
４ａ 負担電圧フィードバック回路
４ｂ 比較増幅器
５ レーザダイオード
６ 配線
７ 交流電圧源

Claims (3)

1. レーザダイオード等の定電圧性負荷に主に用いられる定電流電源装置であって、
   電源、出力電流制御回路、及び負担電圧制御回路から構成され、
   該電源は、出力電圧が可変する可変定電圧電源、又は出力電圧が可変する可変定電圧電源と出力電圧が一定である定電圧電源との直列の組み合わせとしてなるものとし、
   該出力電流制御回路は、制御素子を介して当該定電流電源装置に接続される定電圧性負荷に対して流れる電流を任意に設定された値に制御し、
   該負担電圧制御回路は、負担電圧フィードバック回路を有して、前記出力電流制御回路の制御素子と電源となる前記可変定電圧電源との間に介在して、出力電流制御回路の制御素子に印加される電圧を任意に設定された値となるよう可変定電圧電源の電圧を制御するものであって、
   前記負担電圧制御回路の負担電圧フィードバック回路によって検出される、出力電流制御回路の制御素子における負担電圧が、任意に設定された電圧となるように電源である可変定電圧電源の出力電圧を負担電圧制御回路で制御してなる
   ことを特徴とする定電流電源装置。
2. 上記電源が可変定電圧電源のみの場合、その出力電圧の制御範囲を少なくとも定電圧性負荷の動作電圧下限以下、且つ動作電圧上限以上としてなる
   ことを特徴とする請求項１記載の定電流電源装置。
3. 上記電源が可変定電圧電源と定電圧電源との直列の組み合わせとしてなるものの場合、該定電圧電源の出力電圧を定電圧性負荷の動作電圧下限未満とするとともに、可変定電圧電源の出力電圧と定電圧電源の出力電圧との合計の出力電圧の制御範囲を、少なくとも定電圧性負荷の動作電圧下限以下、且つ動作電圧上限以上としてなる
   ことを特徴とする請求項１記載の定電流電源装置。

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