JP2017076752A - 二端子定電流制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器や動力や照明機器等の負荷を定電流制御することで、負荷へ入力電流を低損失に供給できる二端子定電流制御装置を提供する。【解決手段】入力端子３０と出力端子間３１に直列に接続されたコンデンサ３２と、コンデンサ３２と並列に接続されたダイオード３３と、コンデンサ３２と出力端子３１との間に直列に接続され、電気を転流させるコイル３４と、コンデンサ３２の一端側の経路と他端側の経路を、負荷２に流れる電流の数値に応じて、それぞれ入力端子３０側又は出力端子３１側にスイッチ素子（Ｓ１〜Ｓ３）で切り替えて、負荷２に流れる電流を制御する電流制御回路３を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器や動力や照明機器等の負荷（以下、単に負荷と云う場合がある。）に対し、スイッチング方式を採用した定電流制御することで、同負荷へ定電流電力を供給し、低損失に行うことができる定電流制御装置の技術分野に属する。

電子機器において、電流を制御するには三端子で制御している。負荷に流れる電流は電源として＋極と−極があり、負荷へは出力があり、負荷からは−極へ電流が戻ってくる。そのため、電源電圧変動或いは負荷変動の影響を受けず定電流制御するためには、三端子は必須であるが、回路的に煩雑になる。
一方、回路素子的な煩雑を回避するため、例えば定電流ダイオードや定電流ＦＥＴ回路など二端子定電流が実用化されているが、定格電流が固定で、電圧範囲も小さいため利用は限定されている。二端子で制御電流範囲が広く、可変で、電圧の範囲を広いものが望まれている。

特許第４９７１２５４号公報（特開２００８−２８３２０６号）

実施例として上記特許文献１に示したＬＥＤ点灯装置は、直列接続したＬＥＤと、同ＬＥＤへ流れる電流を一定にする点灯ユニット（スイッチング回路）とが接続されており、点灯させるＬＥＤの個数に応じた電流となるように、ＬＥＤへの出力を調整するための定電流制御が可能となる構成である。
図９は、従前のＬＥＤ点灯装置の回路構成の原理図の一例を示したものである。このＬＥＤ点灯装置は、整流回路５に接続された定電圧回路７及びＬＥＤ直列回路２（負荷）と、該定電圧回路７とＬＥＤ直列回路２との間に設けられた限流抵抗８とで構成されている。
しかし、上記特許文献１を含む従前の定電流回路は、負荷に供給される出力電流を電源−極側よりフィードバック制御する電流制御では三端子となるため回路が煩雑となる。

そこで、本発明の目的は、回路を二端子構造として、回路構成を簡素化し、負荷へ定電流電力を供給する制御を採用することで、同負荷へ所定の電力を低損失に供給することができ、更にＬＥＤの定電流装置として採用した場合、限流抵抗によるエネルギーのロスをなくし、温度の影響を改善した二端子定電流制御装置を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る二端子定電流制御装置は、
電子機器や動力や照明機器等でなる負荷２へ、所定の入力電圧を定電流電力を供給する回路で成る二端子定電流制御装置１であって、
前記入力端子３０と出力端子間３１に直列に接続されたコンデンサ３２と、
前記コンデンサ３２と並列に接続されたダイオード３３と、
前記コンデンサ３２と出力端子３１との間に直列に接続され、電気を転流させるコイル３４と、
前記コンデンサ３２の一端側の経路と他端側の経路を、前記負荷２に流れる電流計３５の数値に応じて、それぞれ入力端子３０側又は出力端子３１側にスイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）で切り替えて、前記負荷２に流れる電流を制御する電流制御回路３を構成することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した二端子定電流制御装置において、
前記電流制御回路３は、前記ダイオード３３のカソード側と接続されたコンデンサ３２の一端側の経路を、入力端子３０側又は出力端子３１側に切り替える第１スイッチ素子Ｓ_１と、
前記ダイオード３３のアノード側と接続されたコンデンサ３２の他端側の経路を、入力端子３０側又は出力端子３１側に切り替える第２スイッチ素子Ｓ_２と、
前記第２スイッチ素子Ｓ_２と入力端子３０間に設けられた第３スイッチ素子Ｓ_３と、
電流計３５に流れる電流の数値に応じて、前記の各制御スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）の切り替えを行う制御手段４で構成する。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した二端子定電流制御装置において、
前記電流制御回路３は、前記制御手段４に指令を送る外部装置と通信可能な通信手段６を備えており、上記手段により、二端子で電力低損失で定格電圧と定格電流範囲の広い定電流制御する。

前記制御手段４は、外部装置の指令に基づいて制御される。

本発明に係る二端子定電流制御装置１は、入力端子３０と出力端子間３１に直列に接続されたコンデンサ３２と、コンデンサ３２と並列に接続されたダイオード３３と、コンデンサ３２と出力端子３１との間に直列に接続され、電気を転流させるコイル３４と、コンデンサ３２の一端側の経路と他端側の経路を、負荷２に流れる電流の数値に応じて、それぞれ入力端子３０側又は出力端子３１側にスイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）で切り替えて、負荷２に流れる電流を制御する電流制御回路３を構成する。
つまり、本発明の二端子定電流装置１は、三端子構造を使用せず、所定の入力電圧を負荷２へ定電流電力を供給する制御部３を備えた構成なので、負荷２への電力を供給が低損失であり、負荷２へ定電流電力を供給を好適に行うことができる。更に、制御部３は、上記構成なので制御回路を二端子構造とすることができ、回路構成を簡素化させることができる。

実施例１に係る二端子定電流制御装置の回路構成の一例を示したブロック図である。 二端子定電流制御装置を内部構成を具体的に示した回路図である。 二端子定電流制御装置のステップ１の動作を示した回路図である。 二端子定電流制御装置のステップ２の動作を示した回路図である。 二端子定電流制御装置のステップ３の動作を示した回路図である。 （Ａ）はステップ１〜３における負荷の電圧の変化を示したグラフ、（Ｂ）はステップ１〜３における負荷に流れる電流の変化を示したグラフ、（Ｃ）はステップ１〜３におけるコンデンサの電圧の変化を示したグラフである。 実施例２に係る二端子定電流制御装置の回路構成の一例を示したブロック図である。 実施例２に係る二端子定電流制御装置の回路構成の異なる形態を示したブロック図である。 従来例におけるＬＥＤ点灯装置の回路構成を示したブロック図である。

本発明に係る二端子定電流制御装置１は、入力端子３０と出力端子間３１に直列に接続されたコンデンサ３２と、コンデンサ３２と並列に接続されたダイオード３３と、コンデンサ３２と出力端子３１との間に直列に接続され、電気を転流させるコイル３４と、コンデンサ３２の一端側の経路と他端側の経路を、負荷２に流れる電流の数値に応じて、それぞれ入力端子３０側又は出力端子３１側にスイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）で切り替えて、負荷２に流れる電流を制御する電流制御回路３を構成する。

以下、本発明に係る二端子定電流制御装置１を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、電子機器や動力や照明機器等でなる負荷の一例として、直列接続された複数のＬＥＤ（２ａ〜２ｎ）を具備したＬＥＤ直列回路２へ、所定の入力電圧を定電流電力を供給する回路で成る本発明の二端子定電流制御装置１を接続した構成を示したものである。
前記二端子定電流制御装置１は、入力端子３０に整流回路５を接続し、一方、出力端子３１にＬＥＤ直列回路２を接続している。前記ＬＥＤ直列回路２は、２ａ〜２ｎまでのｎ（ｎは任意の数）個のＬＥＤを複数直列接続したものである。なお、Ｖ_１は、整流回路５から二端子定電流制御装置１へ入力される入力電圧である。Ｖ_ｏは、二端子定電流制御装置１から出力されＬＥＤ直流回路２へ印加される出力電圧である。Ｉ_ｏは、二端子定電流制御装置１から出力されＬＥＤ直列回路２を流れる出力電流（負荷電流）である。Ｖｆは、ＬＥＤ２ａ等の順方向電圧となる負荷構成要素の単体電圧である。

次に、前記二端子定電流制御装置１の内部回路について図２に基づいて説明する。
二端子定電流制御装置１は、入力端子３０と出力端子３１間に直列に接続されたコンデンサ３２と、前記コンデンサ３２と並列に接続されたダイオード３３と、前記コンデンサ３２と出力端子間に直列に接続され、電気を転流させるコイル３４と、前記コンデンサ３２の一端側の経路と他端側の経路を、負荷２に流れる電流Ｉ_０を電流計３５で検出して、その値に応じて、それぞれ入力端子３０側又は出力端子３１側に切り替えて、負荷２に流れる電流Ｉ_０を制御する。
前記コンデンサ３２とダイオード３３は、前記コンデンサ３２の陽極側が前記ダイオード３３のカソード側と接続され、前記コンデンサ３２の陰極側が前記ダイオード３３のアノード側とが接続されている。
なお、前記コイル３４と出力端子間３１には、電流計３５が直列接続されており、負荷２に流れる電流Ｉ_０を検出する。また、前記コンデンサ３２には、電圧計３６が並列接続されており、コンデンサ３２の両端間及びダイオード３３のアノード・カソード間の電圧を検出する。

前記電流制御回路３は、前記ダイオード３３のカソード側と接続されたコンデンサ３２の一端側の経路を、入力端子３０側又は出力端子３１側に切り替える第１スイッチ素子Ｓ_１と、前記ダイオード３３のアノード側と接続されたコンデンサ３２の他端側の経路を、入力端子３０側又は出力端子３１側に切り替える第２スイッチ素子Ｓ_２と、前記第２スイッチ素子Ｓ_２と入力端子３０間に設けられた第３スイッチ素子Ｓ_３と、電流計３５に流れる電流の数値に応じて、前記の各スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）の切り替えを行う制御手段４（図１を参照）と、を備えている。

次に、上記のように構成された二端子定電流制御装置１の動作を図３〜図６に基づいて説明する。
本実施例では、負荷２に流れる電流Ｉ_０と設定した場合、Ｉ_ｏがＩ_１〜Ｉ_ｈの範囲内（Ｉ_ｈ＞Ｉ_１）となるように制御する。ここで、Ｉ_１はＩ_ｏの−以下の適切な値であり、Ｉ_ｈは、Ｉ_ｏの＋以上の適切な値である。

先ず、図３は、前記二端子定電流制御装置１の動作のステップ１を示している。前記二端子定電流制御装置１に電源を入れると、第１スイッチ素子Ｓ_１及び第２スイッチ素子Ｓ_２は、ＮＯ側に接続され、第３スイッチ素子Ｓ_３は、オン（接続状態）となる。つまり、ダイオード３３のアノード側が入力端子３０側に接続され、同ダイオード３３のカソード側が出力端子３１側に接続されるため、前記二端子定電流制御装置１に流れる電流は、太線で示した矢印の方向に流れる。このとき、負荷２に流れる電流Ｉ_０は、図６（Ｂ）に示すように、コイル３４によって電気を転流させて最終的にＩ_ｈまで到達する。負荷２に印加される電圧Ｖ_ｏは、図６（Ａ）に示すように、逆電流バイパスダイオード３３の働きで電圧Ｖ_１となる。なお、コンデンサ３２には電流が流れないため、図６（Ｃ）に示すように、電圧は常に正である。

次に、図４は、前記二端子定電流制御装置１の動作のステップ２を示している。
前記二端子定電流制御装置１は、前記ステップ１において、負荷２に流れる電流Ｉ_０が上昇してＩ_ｈに到達すると、前記コントローラ（制御手段）４が電流計３５からの信号を受信し、第１スイッチ素子Ｓ_１と第２スイッチ素子Ｓ_２とをＮＣ側に接続する信号を送ると共に、前記第３スイッチ素子Ｓ_３をオフ（非接続状態）にする信号を送り、図４に示すステップ２の状態になるように、前記各スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）を切り替える。
ステップ２では、ダイオード３３のアノード側が出力端子３１側に接続され、同ダイオード３３のカソード側が入力端子３０側に接続されるため、前記二端子定電流制御装置１に流れる電流は、太線で示した矢印の方向に流れる。つまり、前記ダイオード３３には電流が流れず、前記コンデンサ３２に電流が流れるため、同コンデンサ３２は蓄電される。
ステップ２における負荷２に流れる電流Ｉ_０は、図６（Ｂ）に示すように、二端子定電流制御装置１に流れる電流がコンデンサ３２に蓄電されるため、徐々に減少する。電圧Ｖ_ｏは、図６（Ａ）に示すように、徐々に電流が流れなくため降圧される。このとき、コンデンサ３２は蓄電され、図６（Ｃ）に示すように電圧はＶ_ｃとなる。

次に、図５は、前記二端子定電流制御装置１の動作のステップ３を示している。
前記二端子定電流制御装置１は、前記ステップ２において、負荷２に流れる電流Ｉ_０が減少してＩ_１に到達すると、前記コントローラ（制御手段）４が電流計３５からの信号を受信し、第１スイッチ素子Ｓ_１と第２スイッチ素子Ｓ_２とをＮＯ側に接続する信号を送ると共に、前記第３スイッチ素子Ｓ_３をオン（接続状態）にする信号を送り、図５に示すステップ３の状態になるように、前記各スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）を切り替える。
ステップ３では、ダイオード３３のアノード側が入力端子３０側に接続され、同ダイオード３３のカソード側が出力端子３１側に接続されるため、前記二端子定電流制御装置１に流れる電流は、太線で示した矢印の方向に流れる。また、上記ステップ２においてコンデンサ３２に溜まった電荷が放出される。
よって、前記二端子定電流制御装置１がステップ３に切り替わった直後の負荷２に印加する電圧Ｖ_ｏは、図６（Ａ）に示すように、Ｖ_ｃ＋Ｖ_１となる。そして、負荷２に印加する電圧Ｖ_ｏは、前記コンデンサ３２の電荷が減少するにつれて降圧され、最終的にＶ_１になる。負荷２に流れる電流Ｉ_０は、図６（Ｂ）に示すように、コイル３４によって電気を転流させて最終的にＩ_ｈまで到達する。なお、このときコンデンサ３２の電圧は、図６（Ｃ）に示すように、蓄電された電荷が放電されるので０Ｖになる。

前記二端子定電流制御装置１は、ステップ３において負荷２に流れる電流Ｉ_０が上昇してＩ_ｈに到達すると、再び、前記コントローラ（制御手段）４が電流計３５からの信号を受信し、前記第１スイッチ素子Ｓ_１と第２スイッチ素子Ｓ_２とをＮＣ側に接続する信号を送ると共に、前記第３スイッチ素子Ｓ_３をオフ（非接続状態）にする信号を送り、図４に示すステップ２の状態になるように、前記各スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）を切り替える。その後、前記二端子定電流制御装置１は、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ステップ３とステップ２の切り替えを交互に繰り返して、負荷２に流れる電流Ｉ_０を、Ｉ_１〜Ｉ_ｈの範囲内となるように制御する。

本発明の二端子定電流装置１は、三端子構造を使用せず、所定の入力電圧を負荷２へ電力を供給する構成なので、負荷２への電力供給が低損失であり、負荷２へ電力供給を好適に行うことができる。更に、本発明の二端子定電流制御装置１は、上記構成なので制御回路を二端子構造とすることができ、回路構成を簡素化させることができる。

なお、本実施例では、負荷２の一例としてＬＥＤ直列回路の定電流化について説明したが、例えばＤＣ蛍光灯、ＤＣハロゲンランプ、ＤＣモータ、スパッタ用プラズマ等の負荷を定電流化させる構成、或いはソレノイドの定電流化による高速応答等でも同様に実施することができる。つまり、本発明の二端子定電流制御装置１は、電子機器や動力や照明機器等の様々な半導体製品を定電流化させることができることを念のため付言する。

次に、実施例２の二端子定電流制御装置１０を図７及び図８に基づいて説明する。なお、実施例１で説明した二端子定電流制御装置１と重複する内容については、同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
実施例２の二端子定電流制御装置１０は、実施例１で説明した二端子定電流制御装置１を構成する前記電流制御回路３において、前記制御手段４に指令を送る外部装置と通信可能な通信手段６を備えた構成を特徴としている。前記制御手段４は、前記外部装置の指令に基づいて制御される。

前記通信手段６は、図７に示したように、電気的書換可能な論理回路を組み込んだマイクロコンピュータ４（制御手段）に、例えばＲＳ２３２Ｃ規格、ＵＳＢ変換又はＬＡＮ等の補助端子６０を接続して通信可能とした構成である。なお、前記補助端子６１は、マイクロコンピュータ４に設けたコネクタに接続される。
前記外部装置は、詳細に図示することは省略したが、例えばＰＣ端末や携帯端末等である。該外部装置を操作してマイクロコンピュータ４に指令を送ることで、前記マイクロコンピュータ４（制御手段）のプログラムを負荷２の変化に対応させるように書き換えたり、或いは図６（Ｂ）に示した負荷２に流れる制御電流値の大きさや、スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）の切り替え速度（動作時間）等の変数の設定を変更させることができる。
つまり、前記制御手段４を外部装置の指令に基づいて制御させることで、ＬＥＤ直列回路、ＤＣ蛍光灯、ＤＣハロゲンランプ、ＤＣモータ、スパッタ用プラズマ等の負荷に対応させて使用することができる。

図８は、図７とは異なる通信手段６を備えた二端子定電流制御装置１１の構成を示している。前記二端子定電流制御装置１１は、整流回路５と入力端子３０との間に通信手段６として電源線通信用コントローラを備えている。前記電源線通信用コントローラ６に接続された外部装置（例えばＰＣ端末や携帯端末等）を操作することで、図６（Ｂ）に示した負荷２に流れる電流の大きさや、スイッチ素子（Ｓ_１〜Ｓ_３）の切り替え速度等の変数の設定を変更させることができる。

なお、前記通信手段６は、上記図７及び図８に示した実施形態に限定されない。つまり、通信手段６は、制御手段４に指令を送る外部装置と通信可能とさせることができ、且つ前記制御手段４を外部装置の指令に基づいて制御できる構成であれば、他の実施形態であっても同様に実施できる。

以上に図面に示した実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、図示例の実施形態の限りではない。その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。

１ 二端子定電流制御装置
１０ 二端子定電流制御装置
１１ 二端子定電流制御装置
２ 負荷（ＬＥＤ直列回路）
３ 電流制御回路
４ 制御手段（コントローラ）
５ 整流回路
６ 通信手段
９ 交流電源
３０ 入力端子
３１ 出力端子
３２ コンデンサ
３３ ダイオード
３４ コイル
３５ 電流計
３６ 電圧計
Ｓ_１ 第１スイッチ素子
Ｓ_２ 第２スイッチ素子
Ｓ_３ 第３スイッチ素子

Claims (3)

1. 電子機器や動力や照明機器等の負荷へ、定電流を供給する二端子定電流制御装置であって、
   前記入力端子と出力端子間に直列に接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサと並列に接続されたダイオードと、
   前記コンデンサと出力端子との間に直列に接続され、電気を転流させるコイルと、
   前記コンデンサの一端側の経路と他端側の経路を、前記負荷に流れる電流の数値に応じて、それぞれ入力端子側又は出力端子側にスイッチ素子で切り替えて、前記負荷に流れる電流を制御する電流制御回路を備えていることを特徴とする、二端子定電流制御装置。
2. 前記電流制御回路は、前記ダイオードのカソード側と接続されたコンデンサの一端側の経路を、入力端子側又は出力端子側に切り替える第１スイッチ素子と、
   前記ダイオードのアノード側と接続されたコンデンサの他端側の経路を、入力端子側又は出力端子側に切り替える第２スイッチ素子と、
   前記第２スイッチ素子と入力端子間に設けられた第３スイッチ素子と、
   前記負荷に流れる電流の数値に応じて、前記の各スイッチ素子の切り替えを行う制御手段と、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載した二端子定電流制御装置。
3. 前記電流制御回路は、前記制御手段に指令を送る外部装置と通信可能な通信手段を備えており、
   前記制御手段は、外部装置の指令に基づいて制御されること特徴とする、請求項１又は２に記載した二端子定電流制御装置。

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