JP2020140993A

JP2020140993A - トランス電源回路

Info

Publication number: JP2020140993A
Application number: JP2019033705A
Authority: JP
Inventors: 川口　正敏; Masatoshi Kawaguchi; 正敏川口
Original assignee: Makisen Service Co Ltd
Current assignee: Makisen Service Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03

Abstract

【課題】入力電圧が大きく変動しても故障の原因となる出力負荷電流の急激な増加を防ぎ、高温や低温の環境下でも使用可能なＬＥＤ照明用のトランス電源回路を提供する。【解決手段】本発明によるトランス電源回路１は、電流制御単巻トランス１０とその制御回路２０からなり、電流制御単巻トランス１０は、単巻トランスの直列巻線部分を２つの磁気回路に分けた第１の磁気回路１１及び第２の磁気回路１２と、第１の磁気回路１１及び第２の磁気回路１２に共通に巻き付けられた直列巻線１３と、第１の磁気回路１１に巻き付けられた分路巻線１４と、第２の磁気回路１２に巻き付けられた２次出力巻線１５を備え、制御回路２０は、２次出力巻線１５に接続された電流制御回路２１を備えて構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電源電圧の変動にも対応可能なＬＥＤ照明用のトランス電源回路に関する。

従来、特に金属関係の工場のような高温の環境や、冷凍倉庫等のような低温の環境においては、ＬＥＤ照明装置の導入が難しく、現状の電源装置では寿命に問題がある。この点に関し、例えば特許文献１に開示されているようなトランス電源回路によれば、寿命に問題はないものの、入力電圧の変動に対して負荷電流が大きく変動してしまうという問題がある。

また、ＬＥＤ照明装置の電源として、スイッチング電源も多く使用されている。スイッチング電源は、その主たる回路に電解コンデンサ、スイッチング素子及び高周波トランスを備えている。また、制御回路、過電圧保護回路、過電流保護回路等を備えており、高温環境である金属関係の工場や低温環境である冷凍倉庫等においては導入が難しいのが現状である。この点に関し、前記のトランス電源回路は高温や低温の環境でも使用できるものの、入力電圧が高くなるとＬＥＤ負荷に流れる電流が急激に増加するため、電流制御用抵抗やＬＥＤの発熱量が大きくなり、装置の故障に繋がるという問題がある。

特開平６−３２５８７９号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、入力電圧が大きく変動しても故障の原因となる出力負荷電流の急激な増加を抑え、高温や低温の環境下でも使用可能なＬＥＤ照明用のトランス電源回路を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明のトランス電源回路は、電流制御単巻トランスとその制御回路からなるトランス電源回路であって、前記電流制御単巻トランスは、単巻トランスの直列巻線部分を２つの磁気回路に分けた第１の磁気回路及び第２の磁気回路と、前記第１の磁気回路及び前記第２の磁気回路に共通に巻き付けられた直列巻線と、前記第１の磁気回路に巻き付けられた分路巻線と、前記第２の磁気回路に巻き付けられた２次出力巻線を備え、前記制御回路は、前記２次出力巻線に接続された電流制御回路を備えて構成されていることを特徴とする。

また、本発明のトランス電源回路において、前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続される構成を採用することができる。

また、本発明のトランス電源回路において、前記２次出力巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に電流制限抵抗と電流制限回路が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続される構成を採用することができる。

また、本発明のトランス電源回路において、前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記直列巻線の巻数比を調整する出力電圧調整用巻線が設けられ、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続される構成を採用することができる。

また、本発明のトランス電源回路において、前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に平滑コンデンサを介して負荷が接続される構成を採用することができる。

また、本発明のトランス電源回路において、前記電流制御単巻トランスが三相接続され、前記分路巻線に三相整流回路が接続され、その出力端に負荷が接続される構成を採用することができる。

また、本発明のトランス電源回路において、前記２次出力巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に２つの電流制限抵抗が接続され、一方の電流制限抵抗と並列にその両端をショートするＯＮ／ＯＦＦ回路が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続される構成を採用することができる。

本発明のトランス電源回路によれば、入力電圧が大きく変動しても出力負荷電流が一定もしくは変動が少なくなるため、高温や低温の環境下でも故障せずに安全に使用可能なＬＥＤ照明用電源を提供することができる。

本発明における電流制御単巻トランスの基本構成図。本発明における電流制御単巻トランスの原理を示す説明図。一般的な単巻トランスの原理を示す説明図。本発明における電流制御単巻トランスの略図。本発明のトランス電源回路の基本構成図。実測値データを収集したトランス電源回路の回路図。電流制限抵抗に対する入力電流とＬＥＤ負荷電流の変化を示すグラフ。入力電圧の変化に対するＬＥＤ負荷電流の増加比を示すグラフ。入力電流に対する負荷電流と制御電流の変化を示すグラフ。本発明のトランス電源回路の第１実施形態を示す回路図。本発明のトランス電源回路の第２実施形態を示す回路図。本発明のトランス電源回路の第３実施形態を示す回路図。本発明のトランス電源回路の第４実施形態を示す回路図。本発明のトランス電源回路の第５実施形態を示す回路図。本発明のトランス電源回路の第６実施形態を示す回路図。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明のトランス電源回路１は、例えば電圧変動が大きな機械の休止中、稼働中における電源電圧変動や、高温・低温、電界・磁界の強い場所において、ＬＥＤ照明装置用のトランス電源をより安全に使用するために開発された回路である。このトランス電源回路１は、電流制御単巻トランス１０とその制御回路２０を備えて構成されている。

（電流制御単巻トランスの構成）
図１に示すように、本実施形態の電流制御単巻トランス１０は、トロイダル型トランスであって、リング状のコア（鉄芯）からなる第１の磁気回路１１と、同じくリング状のコア（鉄芯）からなる第２の磁気回路１２を備えて構成されている。第１の磁気回路１１のコアと第２の磁気回路１２のコアは、透磁率が高い同じ材料の磁性体で同一形状に形成されており、第１の磁気回路１１のコア断面積Ｓ₁と第２の磁気回路１２のコア断面積Ｓ₂が等しく設定されている（Ｓ₁＝Ｓ₂）。したがって、第１の磁気回路１１と第２の磁気回路１２は、飽和磁束密度等、同一特性を有している。ただし、制御する量が小さい場合には、Ｓ₁＞Ｓ₂（Ｓ₁≠Ｓ₂）でも制御可能である。

図２に示すように、電流制御単巻トランス１０は、単巻トランスの直列巻線部分を２つの磁気回路に分けた第１の磁気回路１１と第２の磁気回路１２からなる。第１の磁気回路１１のコアと第２の磁気回路１２のコアには共通して銅線を巻き付けた直列巻線１３が設けられており、直列巻線１３の一端は入力端子１６に接続されている。第１の磁気回路１１のコアには銅線を巻き付けた分路巻線１４が設けられており、分路巻線１４の一端は直列巻線１３に接続され、他端は入力端子１７に接続されている。分路巻線１４の両端にはＬＥＤ照明装置等の負荷３０が接続される。また、第２の磁気回路１２のコアには銅線を巻き付けた２次出力巻線１５が設けられており、２次出力巻線１５の両端には制御回路２０を構成する電流制御回路２１が接続されている。

（電流制御単巻トランスの原理）
次に、電流制御単巻トランスの原理を説明する。このトランスによる負荷電流の制御方法は、単巻トランスの巻線比を変えずに電圧比を変えるという考え方に基づいている。図３に示すように、一般的な単巻トランスにおいて出力電圧を変えるには、直列巻線と分路巻線の巻数比（Ｎ₁：Ｎ₂）を変えることになる。これは、入力側から見た直列巻線部分のインピーダンスＺ₁と分路巻線部分のインピーダンスＺ₂の比を変えることである。ここでコア内に発生する磁束を考えると、直列巻線部分により発生する磁束Φ₁と分路巻線部分により発生する磁束Φ₂の比と考えられる。そこで、磁束Φ₁だけを変えることができれば、直列巻線と分路巻線の巻数比（Ｎ₁：Ｎ₂）を変えることに等しくなる。

この原理を利用したものが図２、図４、図５の回路構成であり、直列巻線１３を第１の磁気回路１１と第２の磁気回路１２に共通に巻き付けて２次出力電流を変えることにより、第１の磁気回路１１の直列巻線１３部分の磁束を変化させている。これをインピーダンス的に考えると、図２において電流制御回路２１に流れる電流Ｉ₃を大きくすると、第２の磁気回路１２のインピーダンスＺ₃が小さくなり、Ｖ₁の電圧は低くなりＶ₂の電圧は高くなる。

一方、電流制御回路２１に流れる電流を小さくすると、第２の磁気回路１２のインピーダンスＺ₃が大きくなり、Ｖ₁の電圧は高くなる。このときＶ₂の電圧は低くなるので、直列巻線１３と分路巻線１４の巻線比を変えずに第２の磁気回路１２の２次出力電流を変化させることによって、負荷電圧Ｖ₂（Ｖ_OUT）を変化させることができる。

このような原理によれば、図２に示す電流制御単巻トランス１０において、入力端子１６，１７間に入力電圧Ｖ_INを印加すると、第１の磁気回路１１に磁束Φ₁、第２の磁気回路１２に磁束Φ₂が発生し、励磁電流が流れる。また、第２の磁気回路１２の２次出力巻線１５の両端に電圧Ｖ₃が発生する。

ここで、電流制御回路２１に流れる電流を大きくし、２次出力巻線１５に流れる電流を大きくすると、第２の磁気回路１２の磁束Φ₂と逆向きの磁束が発生して第２の磁気回路１２中の磁束Φ₂が減少し、共通の直列巻線１３に流れる電流Ｉ₁が増加する。Ｉ₁が増加すると負荷電流Ｉ₂も増加する。

一方、電流制御回路２１に流れる電流を小さくし、２次出力巻線１５に流れる電流を小さくすると、第２の磁気回路１２の２次出力電流Ｉ₃が減少し、第２の磁気回路１２中の磁束Φ₂は増加するので共通の直列巻線１３を流れる電流Ｉ₂は減少する。Ｉ₁が減少すると負荷電流Ｉ₂も減少する。

以上のとおり、本発明のトランス電源回路１によれば、電流制御単巻トランス１０の２次出力巻線１５に流れる電流Ｉ₃を電流制御回路２１で制御することにより、直列巻線１３を流れる電流Ｉ₁を制御し、ひいては分路巻線１４に接続された負荷３０に流れる電流Ｉ₂を制御することができる。

（電流制御単巻トランスの実測値データ）
図６は実測値データを収集したトランス電源回路１の回路図であり、以下の条件で入力電流Ｉ₁とＬＥＤ負荷電流Ｉ₂の電流値を測定した。
・第１の磁気回路のコア断面積Ｓ₁＝第２の磁気回路のコア断面積Ｓ₂
・直列巻線の巻数Ｎ₁＝４００^T
・分路巻線の巻数Ｎ₂＝１６００^T
・２次出力巻線の巻数Ｎ₃＝４００^T

図７は電流制限回路２１の電流制限抵抗Ｒ₃の抵抗値（Ω）を変化させたときの入力電流Ｉ₁とＬＥＤ負荷電流Ｉ₂の変化を示したものであり、同図より、電流制限抵抗Ｒ₃の抵抗値を大きくする（２次出力電流Ｉ₃を小さくする）ことによりＬＥＤ負荷電流Ｉ₂を小さくできる（制御できる）ことが判明した。

図８は入力電圧Ｖ_INを上昇させたときのＬＥＤ負荷電流Ｉ₂の増加比を示したものであり、同図より、本発明の電源は従来の電源に比べて入力電圧Ｖ_INの上昇に対するＬＥＤ負荷電流Ｉ₂の増加を抑えられることが判明した。

図９は入力電流Ｉ₁に対する負荷電流Ｉ₂と制御電流Ｉ₃の変化を示したものである。単巻トランスについて直列巻線の巻数をＮ₁、分路巻線の巻数をＮ₂とすると、Ｉ₂＝Ｎ₂＋Ｎ₁／Ｎ₂×Ｉ₁の関係が成り立つから、図６の巻数の場合Ｉ₂＝１６００^T＋４００^T／１６００^T×Ｉ₁＝１．２５Ｉ₁となり、図９より、電流制御単巻トランス１０の特徴として、実測値データからＩ₁＝Ｉ₃、Ｉ₂＝１．２５Ｉ₁の関係が成立することが判明した。

（トランス電源回路の実施形態）
以上が電流制御単巻トランス１０の構成と原理であるが、これを利用した本発明のトランス電源回路の実施形態としては、例えば図１０〜１５に示す回路構成が考えられる。

図１０は本発明の第１実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−１は、前記構成からなる電流制御単巻トランス１０において、２次出力巻線１５に電流制限抵抗２２が接続され、分路巻線１４にブリッジ形整流回路３１を介して複数個のＬＥＤを直列接続した負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。電流制御単巻トランス１０の特性上、前記のとおりＩ₁＝Ｉ₃の関係が成立するので、ＬＥＤランプ３２の電流特性はダイオードと同じ特性であるが、負荷を流れる負荷電流Ｉ₂は入力電流Ｉ₁、制御電流Ｉ₃の特性に近くなる。このため、入力電圧の変動に対してダイオード特性と抵抗特性の中間の特性となり、入力電圧の上昇に対して負荷電流の上昇がより小さくなる。また、シンプルな構造であるため、故障も少なくなる。

図１１は本発明の第２実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−２は、前記構成からなる電流制御単巻トランス１０において、２次出力巻線１５にブリッジ形整流回路２３が接続され、その出力端に電流制限抵抗２２と電流制限回路２４が接続されている。また、分路巻線１４にはブリッジ形整流回路３１を介して負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。この構成によると、２次出力巻線１５の出力を整流して電流制限回路２４を設けることにより、ＬＥＤランプ３２の負荷電流Ｉ₂の増加を小さく抑えることができる。また、万が一電流制限回路２４がショートしても、電流制限抵抗２２が設けられているため、制御電流Ｉ₃は急上昇せず、負荷電流Ｉ₂の最大値を制限することができる。

図１２は本発明の第３実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−３は、前記構成からなる電流制御単巻トランス１０において、２次出力巻線１５に電流制限抵抗２２が接続され、共通の直列巻線１３部分の巻数比を調整する出力電圧調整用巻線２５が設けられている。この回路では、直列巻線１３は共通巻線部分Ｎ_1-1と電圧調整部分Ｎ_1-2とから構成されている。また、分路巻線１４にはブリッジ形整流回路３１を介して負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。この構成によると、出力電圧調整用巻線２５で巻数比を調整することによって、分路巻線１４の出力電圧を負荷のＬＥＤランプ３２の規格に合わせて調整することができる。

図１３は本発明の第４実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−４は、前記構成からなる電流制御単巻トランス１０において、２次出力巻線１５に電流制限抵抗２２が接続され、分路巻線１４にブリッジ形整流回路３１が接続され、その出力端に平滑コンデンサ３３を介して負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。この構成によると、負荷出力側のブリッジ形整流回路（全波整流回路）３１の出力に平滑コンデンサ３３が並列に接続されているので、平滑コンデンサ３３にチャージされる電流は入力電流Ｉ₁（制御電流Ｉ₃）により制限される。このため、平滑コンデンサ３３のチャージ電流は急激に大きくならないので、電源の力率の低下を抑えることができる。

図１４は本発明の第５実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−５は、制御出力側において前記構成からなる電流制御単巻トランス１０が三相接続され、負荷出力側において分路巻線１４に三相整流回路３４が接続され、その出力端に負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。この構成では、制御出力側において構造をシンプルにするため、また故障を少なくするために、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）ごとに制御用の電流制限抵抗２２，２２，２２が接続された構成になっている。

図１５は本発明の第６実施形態を示すものである。このトランス電源回路１−６は、前記構成からなる電流制御単巻トランス１０において、２次出力巻線１５にブリッジ形整流回路２３が接続され、その出力端に制御用の２つの電流制限抵抗２２，２２が接続され、一方の電流制限抵抗２２と並列にその両端をショートする回路として、入力電圧のピーク時に一定時間ＯＮし、それ以外の時間はＯＦＦするピーク電圧同期形のＯＮ／ＯＦＦ回路２６が接続されている。また、分路巻線１４にはブリッジ形整流回路３１を介して負荷のＬＥＤランプ３２が接続されている。この構成によると、入力電圧のピーク時には、ＯＮ／ＯＦＦ回路２６がＯＮして制御電流Ｉ₃が大きくなると、入力電流Ｉ₁も大きくなり、負荷のＬＥＤランプ３２に大きな電流が流れて照明が明るくなる。ピーク時以外はＯＮ／ＯＦＦ回路２６がＯＦＦして制御電流Ｉ₃が小さくなり、入力電流Ｉ₁も小さくなるので、負荷のＬＥＤランプ３２に流れる電流が小さいため照明は暗くなる。したがって、図１５に示すように、パルス電流を負荷のＬＥＤランプ３２に出力することにより、ＬＥＤに流れる最大電流が大きくなるため、ＬＥＤ照明が明るく見えるようになる。

１：トランス電源回路
１０：電流制御単巻トランス
１１：第１の磁気回路
１２：第２の磁気回路
１３：直列巻線
１４：分路巻線
１５：２次出力巻線
１６：入力端子
１７：入力端子
２０：制御回路
２１：電流制御回路
２２：電流制限抵抗
２３：ブリッジ形整流回路
２４：電流制限回路
２５：出力電圧調整用巻線
２６：ＯＮ／ＯＦＦ回路
３０：負荷
３１：ブリッジ形整流回路
３２：ＬＥＤランプ
３３：平滑コンデンサ
３４：三相整流回路

Claims

電流制御単巻トランスとその制御回路からなるトランス電源回路であって、
前記電流制御単巻トランスは、
単巻トランスの直列巻線部分を２つの磁気回路に分けた第１の磁気回路及び第２の磁気回路と、
前記第１の磁気回路及び前記第２の磁気回路に共通に巻き付けられた直列巻線と、
前記第１の磁気回路に巻き付けられた分路巻線と、
前記第２の磁気回路に巻き付けられた２次出力巻線を備え、
前記制御回路は、
前記２次出力巻線に接続された電流制御回路を備えて構成されていることを特徴とするトランス電源回路。
前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。
前記２次出力巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に電流制限抵抗と電流制限回路が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。
前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記直列巻線の巻数比を調整する出力電圧調整用巻線が設けられ、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。
前記２次出力巻線に電流制限抵抗が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に平滑コンデンサを介して負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。
前記電流制御単巻トランスが三相接続され、前記分路巻線に三相整流回路が接続され、その出力端に負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。
前記２次出力巻線にブリッジ形整流回路が接続され、その出力端に２つの電流制限抵抗が接続され、一方の電流制限抵抗と並列にその両端をショートするＯＮ／ＯＦＦ回路が接続され、前記分路巻線にブリッジ形整流回路を介して負荷が接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランス電源回路。