JP2017201719A - 定電流回路及び発光ダイオード駆動定電流回路 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度特性を補償する定電流回路を提供する。【解決手段】エミッタとベースとコレクタとを有したトランジスタＱ１と、一端がベースと接続され他端がエミッタと接続された抵抗Ｒ１と、抵抗と並列に接続された第１サーミスタＲｔｈ１と、抵抗および第１サーミスタと並列に接続された第２サーミスタＲｔｈ２とを備え、第１サーミスタは、温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、第２サーミスタは、温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、温度変化に対する抵抗および第１サーミスタとの合成抵抗の値が温度変化に対する抵抗および第１サーミスタの合成抵抗の値より温度変化に対する負荷回路の抵抗値の変化を相殺する特性を有し、温度変化に対する抵抗と第１サーミスタと第２サーミスタとの合成抵抗により、温度変化に対するトランジスタのＶＥＢ電圧の変化を補償する。【選択図】図１０

Description

この発明は、定電流回路及び発光ダイオード駆動定電流回路に関するものである。

周囲温度特性と点灯時間特性とを補償する定電流回路を提供する試みがあった。

特開２００８−２８８３９６号公報 特開平０３−２３７０４号公報 特開２０１１−１４２７２８号公報 特開２００６−１００９７５号公報 特開平０９−２８３３０５号公報 実願昭５６−０９７５００号（実開昭５８−００５０８５号）のマイクロフィルム 特開平１０−０９８３４２号公報 特開２００３−２７２９０４号公報

この発明は、周囲温度特性を補償する定電流回路を提供する。

この発明に係る定電流回路は、
負荷回路に電力を供給する定電流回路であって、
電源に接続されたエミッタと前記負荷回路に接続されたベースおよびコレクタとを有したトランジスタと、
一端が前記ベースと接続され他端が前記エミッタと接続された抵抗と、
前記抵抗と並列に接続された第１サーミスタと、
前記抵抗および前記第１サーミスタと並列に接続された第２サーミスタと
を備え、
前記第１サーミスタは、
温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
前記第２サーミスタは、
温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
温度変化に対する前記抵抗および前記第１サーミスタとの合成抵抗の値が温度変化に対する前記抵抗および前記第１サーミスタの合成抵抗の値より温度変化に対する前記負荷回路の抵抗値の変化を相殺する特性を有し、
温度変化に対する前記抵抗と前記第１サーミスタと前記第２サーミスタとの合成抵抗により、温度変化に対する前記トランジスタのＶＥＢ電圧の変化を補償することを特徴とする。

この発明は、第１サーミスタと第２サーミスタとにより、周囲温度特性を補償する定電流回路を提供する。

抵抗Ｒ１によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。 図１のＬＥＤ駆動用定電流回路の、周囲温度による明るさの変化量を示す図。 図１のＬＥＤ駆動用定電流回路の、点灯時間による明るさの変化量を示す図。 抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。 図４のＬＥＤ駆動用定電流回路の、周囲温度による明るさの変化量を示す図。 図４のＬＥＤ駆動用定電流回路の、点灯時間による明るさの変化量を示す図。 抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１・Ｒｔｈ２・Ｒｔｈ３によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。 図７のＬＥＤ駆動用定電流回路の、周囲温度による明るさの変化量を示す図。 図７のＬＥＤ駆動用定電流回路の、点灯時間による明るさの変化量を示す図。 実施の形態２の抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１・Ｒｔｈ２によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。 実施の形態２のサーミスタＲｔｈ４ＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。 実施の形態２のサーミスタＲｔｈ５・Ｒｔｈ６によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図。

実施の形態１．
図１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）駆動用定電流回路を示す図である。
トランジスタＱ１は、ベースとエミッタとコレクタとを有する。トランジスタＱ２は、ベースとエミッタとコレクタとを有する。電源ＶＣＣは、トランジスタＱ１のエミッタと接続されている。

抵抗Ｒ１は、一端がトランジスタＱ１のベースと接続され、他端がトランジスタＱ１のエミッタと接続されている。トランジスタＱ１のベースは、トランジスタＱ２のエミッタと接続されている。トランジスタＱ１のコレクタは、トランジスタＱ２のベースと接続されている。抵抗Ｒ２は、一端がトランジスタＱ２のベースと接続され、他端が接地ＧＮＤに接続されている。

ＬＥＤ１，２，３，４，５，６が直列に接続されている。発光ダイオードは、発光直後から次第に暗くなり所定時間後に一定の明るさになる特性を有している。ＬＥＤ１は、トランジスタＱ２のコレクタと接続されている。ＬＥＤ６は、接地ＧＮＤに接続されている。

図１は、負荷回路に対して電力を供給する定電流回路を示している。トランジスタＱ１と抵抗Ｒ１により、定電流回路を構成している。トランジスタＱ２と抵抗Ｒ２とＬＥＤ１，２，３，４，５，６とにより、負荷回路を構成している。

図２は、図１のＬＥＤ駆動用定電流回路の周囲温度による明るさの変化量を示す図である。ここで、周囲温度とはＬＥＤモジュールが存在している大気温度（室内温度）である。

摂氏＋２０度（常温）の時の明るさを１００％の明るさとすると、ＬＥＤの一般的な動作周囲温度範囲である摂氏−２０度〜＋５０度で、明るさが約１１４％〜９０％の範囲で変化する。
摂氏−２０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて約１４％明るくなる。摂氏＋５０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて約１０％暗くなる。

このように、図１のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図２に示すように、周囲温度の変化に伴い、ＬＥＤの明るさも変化する。それは、トランジスタＱ１の温度特性によるものであり、電圧の変動により、電流値が変化するため、全光束（明るさ）が変化するためである。

具体的には、トランジスタのＶＥＢ電圧は、温度で変化する。低温ではＶＥＢ電圧が低く、高温ではＶＥＢ電圧が高くなる。固定抵抗Ｒのみでは、低温時は電流が多くながれ、高温では電流がすくなくなるという現象になり、結果として、周囲温度の変化に伴い、ＬＥＤの明るさも変化する。

さらに、図３は、図１のＬＥＤ駆動用定電流回路の点灯時間による明るさの変化量を示す図である。点灯後３０分後の明るさを１００％の明るさとすると、０分〜３０分で、明るさが約１０８％〜１００％の範囲で変化する。
点灯直後は、１０８％程度の明るさとなり、点灯後３０分で１００％となる。
このように、図１のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図３に示すように、ＬＥＤの特性上、点灯直後が明るく時間とともに暗くなり、約３０分後に安定する。

図４は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図である。
図１に対して、サーミスタＲｔｈ１（第１サーミスタＲｔｈ１）が追加されている。サーミスタＲｔｈ１は、抵抗Ｒ１と並列に接続され、一端がトランジスタＱ１のベースと接続され、他端がトランジスタＱ１のエミッタと接続されている。

サーミスタＲｔｈ１は、温度により抵抗値が変化する温度補償サーミスタである。サーミスタＲｔｈ１は、低温ほど抵抗が大きく、高温ほど抵抗が小さくなる。

図５は、図４のＬＥＤ駆動用定電流回路の周囲温度による明るさの変化量を示す図である。
摂氏＋２０度（常温）の時の明るさを１００％の明るさとすると、ＬＥＤの一般的な動作周囲温度範囲である摂氏−２０度〜＋５０度で、明るさが約１０７％〜９８％の範囲で変化する。
摂氏−２０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて約７％明るくなる。摂氏＋３０、＋４０、＋５０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて約１％又は約２％暗くなる。

このように、図４のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図５に示すように、周囲温度の変化に伴い、ＬＥＤの明るさも変化するが、サーミスタＲｔｈ１を追加することにより周囲温度の変化による、明るさの変化を補正できる。
その理由は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１との並列接続による合成抵抗の変動が温度変化に対して抵抗Ｒ１だけの場合に比べて小さくなるからである。換言すれば、サーミスタＲｔｈ１は、抵抗Ｒ１との合成抵抗が温度変化に対して変化量が小さくなるような特性を有するものを使用すればよい。

具体的には、摂氏−２０度〜摂氏＋５０度で、サーミスタＲｔｈ１は低温ほど抵抗が大きいものを選定し、抵抗ＲとサーミスタＲｔｈ１の２素子の合成抵抗が低温時大きく、高温時小さくなるようにする事により温度補償する。しかし、完全に温度補償されるものではない。

図６は、図４のＬＥＤ駆動用定電流回路の点灯時間による明るさの変化量を示す図である。図６に示すように、図４のＬＥＤ駆動用定電流回路では、点灯時間による明るさの変化は補正できない。

図７は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１・Ｒｔｈ２・Ｒｔｈ３によるＬＥＤ駆動用定電流回路を示す図である。
図４に対して、サーミスタＲｔｈ２（第２サーミスタＲｔｈ２）とサーミスタＲｔｈ３（第３サーミスタＲｔｈ３）とが、追加されている。

サーミスタＲｔｈ２は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とに並列に接続され、一端がトランジスタＱ１のベースと接続され、他端がトランジスタＱ１のエミッタと接続されている。サーミスタＲｔｈ２を並列に設置し、合成抵抗を細やかに設定できるようにする。サーミスタＲｔｈ２の抵抗値も摂氏−２０度〜摂氏＋５０度で変化するものではあるが、低温ほど抵抗が大きいとは限らない。

サーミスタＲｔｈ２は、温度により抵抗値が変化する温度補償サーミスタである。
サーミスタＲｔｈ２は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１との２素子の合成抵抗の値よりも、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２との３素子の合成抵抗の値が温度変化に対して一定値に近づくようになるような特性を有する。
サーミスタＲｔｈ２は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１の温度変化に対する合成抵抗値の値により、追加されるものである。したがって、サーミスタＲｔｈ２は、低温ほど抵抗が大きく、高温ほど抵抗が小さくなる特性を有する場合もあるし、逆に、低温ほど抵抗が小さく、高温ほど抵抗が大きくなる特性を有する場合もある。

サーミスタＲｔｈ３は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２とに直列に接続され、一端が抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２と接続され、他端がトランジスタＱ１のエミッタと接続されている。

サーミスタＲｔｈ３は、温度により抵抗値が変化する温度補償サーミスタである。
サーミスタＲｔｈ３は、時間経過によって生じる定電流回路の抵抗値の変化あるいは負荷回路の抵抗値の変化を相殺する特性を有する。サーミスタＲｔｈ３は、摂氏−２０度〜＋５０度で、低温ほど抵抗が大きい。すなわち、サーミスタＲｔｈ３は低温時は抵抗が大きく、高温になると抵抗が低くなるものを選定する。
点灯直後はサーミスタＲｔｈ３の抵抗が大きく、ＬＥＤに流れる電流がすくないが、点灯によるＬＥＤの発熱でサーミスタＲｔｈ３は抵抗が低くなるため、電流は徐々に大きくなっていく。

サーミスタＲｔｈ３は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２との３素子の並列接続の合成抵抗とサーミスタＲｔｈ３の抵抗との直列接続の合成抵抗（４素子の合成抵抗）を、発光直後から次第に小さくし前記所定時間後に一定に近づける特性を有する。ＬＥＤは点灯直後が明るく、段々暗くなり、３０分程度で安定するという特性を有している。このＬＥＤの特性（負荷回路の特性）とサーミスタＲｔｈ３の特性とがあわさり、結果的に、点灯直後と３０分後の明るさが、ほぼ一定となる。
定電流回路の電流を決定する抵抗値は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２の並列接続による合成抵抗に対してサーミスタＲｔｈ３の抵抗値を加算した値となる。

図８は、図７のＬＥＤ駆動用定電流回路の周囲温度による明るさの変化量を示す図である。
摂氏＋２０度（常温）の時の明るさを１００％の明るさとすると、ＬＥＤの一般的な動作周囲温度範囲である摂氏−２０度〜＋５０度で、明るさが約１０３％〜１００％の範囲で変化する。
摂氏−２０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて約３％明るくなる。摂氏＋１０〜摂氏＋４０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と同じ明るさになる。摂氏＋５０度の時は、常温（摂氏＋２０度）の時と比べて１％明るくなる。

このように、図７のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図８に示すように、周囲温度の変化に伴い、ＬＥＤの明るさも変化するが、サーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２とを追加することにより周囲温度の変化による、明るさの変化をさらに補正できる。
その理由は、抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とサーミスタＲｔｈ２との並列接続による合成抵抗の変動が温度変化に対して抵抗Ｒ１とサーミスタＲｔｈ１とだけの場合に比べて小さくなるからである。

さらに、図９は、図７のＬＥＤ駆動用定電流回路の点灯時間による明るさの変化量を示す図である。点灯後３０分後の明るさを１００％の明るさとすると、０分〜３０分で、明るさが約１０３％〜１００％の範囲で変化する。
点灯直後は、１０３％程度の明るさとなり、点灯後６分で１００％となる。
このように、図７のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図９に示すように、ＬＥＤの特性上、点灯直後が明るく時間とともに暗くなり、約６分後に安定する。
サーミスタＲｔｈ３を追加する事により、点灯時間による、明るさの変化も補正する事ができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１と異なる点について述べる。
図１０は、図７から、サーミスタＲｔｈ３を削除したものである。
図１０のＬＥＤ駆動用定電流回路では、図８に示したように、周囲温度の変化による、明るさの変化を補正できる。しかし、サーミスタＲｔｈ３がないので点灯時間による、明るさの変化は、補正する事ができない。

図１１は、図４の抵抗Ｒ１を除し、サーミスタＲｔｈ１をサーミスタＲｔｈ４としたものである。サーミスタＲｔｈ４は、単体で、図２に示す周囲温度特性を補償する特性を有している。さらに、サーミスタＲｔｈ４は、単体で、図３に示す点灯時間特性を補償する特性を有している。
図１１のＬＥＤ駆動用定電流回路では、周囲温度の変化による、明るさの変化を補正できる。また、点灯時間による、明るさの変化を補正できる。ただし、サーミスタＲｔｈ４単体で周囲温度特性と点灯時間特性との両方を補償するために完全な補償が出来る可能性は少ない。

図１２は、サーミスタＲｔｈ５と、サーミスタＲｔｈ６とを直列に接続したものである。サーミスタＲｔｈ５は、主として、図２に示す周囲温度特性を補償する特性を有している。さらに、サーミスタＲｔｈ６は、主として、図３に示す点灯時間特性を補償する特性を有している。
図１２のＬＥＤ駆動用定電流回路では、周囲温度の変化による、明るさの変化を補正できる。また、点灯時間による、明るさの変化を補正できる。ただし、サーミスタＲｔｈ５とサーミスタＲｔｈ６との抵抗値は、互いに、温度変化するので、相互作用があっても完全な補償を提供するために最適な特性を持つものが選択されなければならない。

実施の形態３．
ＬＥＤの数は、６個に限らず、１個以上あればよい。
トランジスタＱ１，Ｑ２の種類は、ＮＰ型でもＰＮ型でもよい。
負荷回路は、ＬＥＤを有していなくてもよく、その他の発光ランプを有する場合でもよい。また、発光ランプの回路以外でもよく、電動機、ロボットなどの回路でもよい。
負荷回路は、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ２を有していなくてもよい。

以上の実施の形態に係る定電流回路は、負荷回路に対して電力を供給する定電流回路において、
ベースとエミッタとコレクタとを有するトランジスタＱ１と、
一端がベースと接続され、他端がエミッタと接続された抵抗Ｒ１と、
上記抵抗と並列に接続され、温度により抵抗値が変化する第１サーミスタＲｔｈ１と、
上記抵抗と並列に接続され、温度により抵抗値が変化する第２サーミスタＲｔｈ２と
を備えたことを特徴とする。

上記第１サーミスタＲｔｈ１は、低温ほど抵抗が大きく、
上記第２サーミスタＲｔｈ２は、抵抗Ｒ１と第１サーミスタＲｔｈ１との２素子の合成抵抗の値よりも、抵抗Ｒ１と第１サーミスタＲｔｈ１と上記第２サーミスタＲｔｈ２との３素子の合成抵抗の値が一定値になるような特性を有することを特徴とする。

上記第１サーミスタＲｔｈ１は、摂氏−２０度〜＋５０度で、低温ほど抵抗が大きく、
上記第２サーミスタＲｔｈ２は、摂氏−２０度〜＋５０度で、上記３素子の合成抵抗の値を上記２素子の合成抵抗の値よりも一定値に近づけることを特徴とする。

上記定電流回路は、さらに、上記エミッタと上記抵抗との間に上記抵抗と直列に接続され、温度により抵抗値が変化する第３サーミスタＲｔｈ３を備えたことを特徴とする。

上記第３サーミスタＲｔｈ３は、時間経過によって生じる負荷回路の変化を相殺する特性を有することを特徴とする。

また、発光ダイオード駆動定電流回路は、
上記定電流回路と、
上記定電流回路から電力の供給を受ける負荷回路とを備え、
上記負荷回路は、
トランジスタＱ１のコレクタに接続されたベースと、トランジスタＱ１のベースに接続されたエミッタと、コレクタとを有するトランジスタＱ２と、
トランジスタＱ２のコレクタに接続された発光ダイオードと
を備えたことを特徴とする。

上記発光ダイオードは、発光直後から次第に暗くなり所定時間後に一定の明るさになる特性を有し、
上記第３サーミスタＲｔｈ３は、摂氏−２０度〜＋５０度で、低温ほど抵抗が大きく、
上記第３サーミスタＲｔｈ３は、上記３素子の合成抵抗と上記第３サーミスタＲｔｈ３との４素子の合成抵抗を、発光直後から次第に小さくし前記所定時間後に一定に近づける特性を有することを特徴とする。

１，２，３，４，５，６ ＬＥＤ、Ｒｔｈ１，Ｒｔｈ２，Ｒｔｈ３，Ｒｔｈ４，Ｒｔｈ５，Ｒｔｈ６ サーミスタ、Ｑ１，Ｑ２ トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗、ＧＮＤ 接地。

Claims (5)

1. 負荷回路に電力を供給する定電流回路であって、
   電源に接続されたエミッタと前記負荷回路に接続されたベースおよびコレクタとを有したトランジスタと、
   一端が前記ベースと接続され他端が前記エミッタと接続された抵抗と、
   前記抵抗と並列に接続された第１サーミスタと、
   前記抵抗および前記第１サーミスタと並列に接続された第２サーミスタと
   を備え、
   前記第１サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
   前記第２サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
   温度変化に対する前記抵抗および前記第１サーミスタとの合成抵抗の値が温度変化に対する前記抵抗および前記第１サーミスタの合成抵抗の値より温度変化に対する前記負荷回路の抵抗値の変化を相殺する特性を有し、
   温度変化に対する前記抵抗と前記第１サーミスタと前記第２サーミスタとの合成抵抗により、温度変化に対する前記トランジスタのＶＥＢ電圧の変化を補償する定電流回路。
2. 負荷回路に電力を供給する定電流回路であって、
   電源に接続されたエミッタと前記負荷回路に接続されたベースおよびコレクタとを有したトランジスタと、
   一端が前記ベースと接続され他端が前記エミッタと接続された抵抗と、
   前記抵抗と並列に接続された第１サーミスタと、
   前記抵抗および前記第１サーミスタと並列に接続された第２サーミスタと
   を備え、
   前記第１サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
   前記第２サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が変化するとともに、
   温度変化に対する前記抵抗と前記第１サーミスタと前記第２サーミスタとの合成抵抗に流れる電流の変化により、温度変化に対する前記トランジスタのＶＥＢ電圧の変化に対応する電流の変化を補償する定電流回路。
3. 前記第１サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が低温時に大きく高温時に小さくなるように変化する特性を有する請求項１又は２に記載の定電流回路。
4. 前記第２サーミスタは、
   温度変化に対応して抵抗値が低温時に大きく高温時に小さくなるように変化する特性、または温度変化に対応して抵抗値が低温時に小さく高温時に大きくなるように変化する特性を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の定電流回路。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の定電流回路と、
   前記定電流回路から電力の供給を受ける負荷回路とを備え、
   前記負荷回路は、１以上の発光ダイオードを有し、
   前記第１サーミスタは、
   前記抵抗だけの場合に比べて、前記第１サーミスタと前記抵抗との合成抵抗の場合は、温度変化に対する前記発光ダイオードの明るさの変化量が小さくなるような特性を有し、
   前記第２サーミスタは、
   前記第１サーミスタと前記抵抗との合成抵抗の場合に比べて、前記第１サーミスタと前記第２サーミスタと前記抵抗との合成抵抗の場合は、温度変化に対する前記発光ダイオードの明るさの変化量が小さくなるような特性を有する発光ダイオード駆動定電流回路。

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