JP3155379U

JP3155379U - 昇圧回路

Info

Publication number: JP3155379U
Application number: JP2009006313U
Authority: JP
Inventors: 石川　忠; 忠石川; 琳太郎平田
Original assignee: Aqua Power System Japan
Current assignee: Aqua Power System Japan
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2019-09-03

Abstract

【課題】比較的に簡易かつ安価な構成によって、電源電池の電源電圧を必要な電圧まで昇圧させることができるとともに、低消費電流を実現することのできる昇圧回路の提供。【解決手段】直流電源による電源電圧を昇圧するための昇圧回路１０において、昇圧発振用トランスＴとトランジスタＱとを備える昇圧発振回路１２を含み、昇圧発振用トランスＴの２次側にトランジスタＱのベース端子が接続され、正帰還発振による昇圧パルスが発生する。【選択図】図１

Description

本考案は、直流電源の電源電圧を昇圧するための昇圧回路、特に、ＬＥＤ点灯制御装置等に利用される昇圧回路に関する。

従来、直流電源の電源電圧を昇圧する回路は公知である。例えば、特許文献１には、発振回路と、昇圧回路と、制御回路とを含む昇圧電源回路が開示されている。

実開平６−４８３８９号公報

特許文献１に開示の考案によれば、直流電源（電源電池）による電圧をＩＣ回路を用いて所要の直流電圧に昇圧している。しかし、このようなＩＣによる昇圧回路を駆動させるためには、約８０〜１２０ｍＡの電流を要し、また、ＩＣを使った昇圧回路は比較的に高額である。消費電流が大きいほどに電源電池の電力が減少するので、水電池等の比較的に電力の小さな電源電池を使用した場合には、長時間連続して昇圧回路を駆動させることはできない。

そこで、本考案は、比較的に簡易かつ安価な構成によって、電源電池の電源電圧を必要な電圧まで昇圧させることができるとともに、低消費電流を実現することのできる昇圧回路の提供を課題とするものである。

前記課題を解決するために、本考案が対象とするのは、直流電源による電源電圧を昇圧するための昇圧回路である。

本考案の特徴とするところは、昇圧発振用トランスとトランジスタとを備える昇圧発振回路を含み、前記昇圧発振用トランスの２次側に前記トランジスタのベース端子が接続され、正帰還発振による昇圧パルスが発生することにある。

本考案は、前記特徴とする構成のほかに、以下の好ましい実施の態様を含む。
（１）前記昇圧発振用トランスが１次側巻き線と２次側巻き線とを有しており、前記１次側巻き線は、鉄心に線径０．１５ｍｍのエナメル線を右巻きに５０回、前記２次側巻き線は、前記鉄心に線径０．２ｍｍのエナメル線を左巻きに２０回巻き付けたものであって、前記１次側巻き線と前記２次側巻き線との巻数比が２．５である。
（２）出力電圧を整流平滑するための整流平滑回路と、複数のＬＥＤ素子から構成されたＬＥＤユニット回路とを含む。
（３）前記トランジスタのベース側に、分圧用抵抗と可変抵抗とから構成された分圧抵抗回路が挿設されており、前記可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、ベースバイアス電圧を制御し、各ＬＥＤ素子の調光を調節することができる。

本考案の昇圧回路によれば、昇圧発振用トランスとトランジスタとを備える昇圧発振回路において、昇圧発振用トランスの２次側にトランジスタのベース端子が接続され、正帰還発振による昇圧パルスが発生することによって、直流電源の電源電圧を昇圧できる。この昇圧回路は、ＩＣを用いた昇圧回路に比して簡易かつ安価な構成であって、低消費電流で駆動することができる。

本考案の第１実施形態に係る昇圧回路の回路構成を示す図。（ａ）トランジスタのベース端子の入力信号の波形を示す図。（ｂ）トランジスタのコレクタ端子の出力信号の波形を示す図。本考案の第２実施形態に係る昇圧回路の回路構成を示す図。

＜第１実施形態＞
図１は、本考案の第１実施形態に係る昇圧回路１０の回路構成を示す図、図２（ａ）は、トランジスタＱのベース端子の入力信号の波形を示す図、図２（ｂ）は、トランジスタＱのコレクタ端子の出力信号の波形を示す図である。

昇圧回路１０は、直流電源１１と、昇圧発振回路１２と、整流平滑回路１３と、並列に接続された複数ＬＥＤ素子Ｌａ，Ｌａ・・・・からなるＬＥＤユニット回路１４とから構成されている。直流電源１１は、０．８〜１．５Ｖの入力電圧Ｖ_ｉｎを発生する、例えば、ニッケルマンガン電池や水電池等である。

昇圧発振回路１２は、直流電源１１のプラス端子に接続された昇圧発振用トランス（フライバックトランス）Ｔと、発振ドライブ用としてのＭＯＳＦＥＴ又はバイポーラのＮＰＮ型トランジスタＱと、昇圧発振用トランスＴとトランジスタＱとの間において、並列に接続されたベースバイアス抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とを有する。

昇圧発振用トランスＴは、１次側巻き線Ｎ１と２次側巻き線Ｎ２とを有しており、１次側巻き線Ｎ１は、鉄心（トロイダルコア）に線径０．１５ｍｍのエナメル線を右巻きに５０回（インダクタンス：２２〜３３μＨ）、２次側巻き線Ｎ２は、鉄心に線径０．２ｍｍのエナメル線を左巻きに２０回巻き付けることによってそれぞれ形成されている。１次側巻き線Ｌ１と２次側巻き線Ｎ２との巻数比は、２．５である。

１次側巻き線Ｎ１及び２次側巻き線Ｎ２を形成する抵抗線としては、通常コイルとして用いられるエナメル線やアルミニウム線等のほかに、電気抵抗の比較的に大きな、例えば、鉄、銅ニッケル合金、銅マンガン合金、鉄ニッケル合金、ステンレス線等の線材を用いることができる。

昇圧発振用トランスＴの２次側には、３．３ＫΩの抵抗Ｒ１と０．１μＦのコンデンサＣ１とが並列に接続されており、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とはトランジスタＱのベース端子に接続されている。また、トランジスタＱのコレクタ端子は、昇圧発振用トランスＴの１次側に接続されており、エミッタ端子は、直流電源１１のマイナス端子に接続されている。

昇圧発振回路１２の昇圧動作について説明する。まず、スイッチＳをＯＮにすると、直流電源１１より２次側巻き線Ｎ２，ベースバイアス抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱのベース端子にベースバイアス電圧が印加され、ベース−エミッタ間にベース電流が流れる。ベースバイアス電圧が印加されることによって、トランジスタＱはＯＮになる。

トランジスタＱがＯＮになると、１次側巻き線Ｎ１にも電流が流れる。このとき発生した突入電流により、１次側巻き線Ｎ１に磁界の変化が生じて、２次側巻き線Ｎ２に誘導起電力となるパルスが発生する。発生したパルスは、直流電源１１から供給されている入力電圧Ｖ_ｉｎとは逆向きに発生する。２次側巻き線Ｎ２には、１次側巻き線Ｎ１と２次側巻き線Ｎ２との巻数比に応じた、１次側巻き線Ｎ１に印加される入力電圧Ｖ_ｉｎの十数倍から数十倍の誘起電圧が発生する。

２次側巻き線Ｎ２を流れる電流は、ベースバイアス抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱのベース端子に向かって流れる。また、コンデンサＣ１によって、パルスの減衰が防止されている。

誘起電圧によるパルスによってベースバイアス電圧が下がり、ベース電流は減少する。ベース電流が減少することによって、コレクタ電流は減少し、コレクタ電圧が増加する。増幅されたコレクタ電圧がローレベルになったときに、２次側巻き線Ｎ２には、再び誘導起電力が発生する。それ以降このような動作を繰り返し行うことによって、昇圧パルスの正帰還発振状態が維持される。図２（ａ）（ｂ）に示すように、ベース端子に帰還される波形に比べて、コレクタ端子の出力信号の波形は、トランジスタＱの増幅作用によって増幅され、位相が反転している。

このように、昇圧発振用トランスＴによる正帰還発振によって昇圧パルスが発生し、入力電圧Ｖ_ｉｎをＬＥＤユニット回路１４を駆動させるために必要な大きさまで昇圧することができる。本実施形態では、入力電圧Ｖ_ｉｎが１．５Ｖの直流電圧の場合、出力電圧Ｖ_outは、１３０ＫＨｚ、１１Ｖの交流電圧となる。通常、ＩＣを用いた昇圧回路を駆動するためには８５〜１２０ｍＡの電流を要するところ、本考案の昇圧回路１０によれば、３５〜５０ｍＡ程度の電流によって駆動することが可能であるので、低消費電流化を実現することができ、直流電源１１として水電池等の電力の小さなものを使用した場合であっても、比較的に長時間連続して昇圧回路１０を駆動させることが可能となる。

昇圧パルスは、１２５〜４００ＫＨｚの発振周波数で発振しており、トランジスタＱのベースバイアス電圧によってコレクタ電圧の増幅率が変化する。また、昇圧回路１２の昇圧倍率は、トランジスタＱの電流増幅率ｈ_ＦＥや昇圧発振用トランスＴの巻数比などによって異なるが、理論上は、入力電圧Ｖ_ｉｎを数十倍から数百倍、またはそれ以上に昇圧することが可能である。

整流平滑回路１３は、整流ダイオードＤと、０．１μＦの平滑コンデンサＣ２とを有する。昇圧発振回路１２の出力電圧Ｖ_ＯＵＴは交流であるため、それを整流ダイオードＤにより半波整流し、半波整流された脈流を平滑コンデンサＣ２によって平滑する。また、平滑コンデンサＣ２は、ＬＥＤユニット回路１４に対してそれを駆動するために必要な電力を供給している。

ＬＥＤユニット回路１４は、並列に接続された９つの白色発光ダイオードからなるＬＥＤ素子Ｌａによって構成されているが、ＬＥＤ素子Ｌａとして、白色の発光ダイオードのほかに、青色、赤色、黄色、緑色等の各色の発光ダイオードを用いることができる。ただし、ＬＥＤ素子は発光色によって、順方向に電流を流したときの順電圧が異なるので、複数色の発光ダイオードを並列に接続した場合には、順電圧特性の低いＬＥＤ素子にばかり電流が流れて明るさがばらつき点灯不良を起こしたり、ＬＥＤ素子の寿命が短くなるおそれがあるので、同一色の発光ダイオードを用いることが好ましい。

１つの白色発光ダイオードからなるＬＥＤ素子Ｌａを駆動させるためには、順方向電圧が３．３Ｖ以上必要であるから、本実施形態では、出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、少なくとも１０Ｖ以上の直流電圧に昇圧されている。前述のとおり、本考案の昇圧回路によれば、入力電圧Ｖ_ｉｎを所望の大きさに昇圧することが可能であるので、１０Ｖ以上の駆動電圧を要するＬＥＤユニット回路１４を用いることもできる。なお、本実施形態では、ＬＥＤユニット回路１４を駆動させるために昇圧しているが、昇圧回路１０は、昇圧電源として利用したり、他のデバイスを駆動させるために用いてもよい。

＜第２実施形態＞
図３は、本考案の第２実施形態に係る昇圧回路１０の回路構成を示す図である。

本実施形態では、トランジスタＱのベース端子側に分圧抵抗回路１５が挿設されている。分圧抵抗回路１５は、１ＫΩの分圧用抵抗Ｒ２と１０ＫΩの可変抵抗Ｒ３とから構成されており、可変抵抗Ｒ３の抵抗値を変化させることによって、トランジスタＱのベースバイアス電圧の大きさを調整することができる。ベースバイアス電圧を調整することにより、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを変化させることができるので、分圧抵抗回路１５をＬＥＤ制御装置における可変抵抗器（ボリューム）に置き換えて、ボリュームのつまみを指で摘まんで回すことによって、ＬＥＤユニット回路１４の照度を比較的簡単にコントロールすることができる。

１０昇圧回路
１１直流電源
１２昇圧発振回路
１３整流平滑回路
１４ＬＥＤユニット回路
１５分圧抵抗回路
ＬａＬＥＤ素子
Ｎ１１次側巻き線
Ｎ２２次側巻き線
Ｑトランジスタ
Ｒ２分圧用抵抗
Ｒ３可変抵抗
Ｔ昇圧発振用トランス

Claims

直流電源による電源電圧を昇圧するための昇圧回路において、
昇圧発振用トランスとトランジスタとを備える昇圧発振回路を含み、前記昇圧発振用トランスの２次側に前記トランジスタのベース端子が接続され、正帰還発振による昇圧パルスが発生することを特徴とする前記昇圧回路。
前記昇圧発振トランスが１次側巻き線と２次側巻き線とを有しており、前記１次側巻き線は、鉄心に線径０．１５ｍｍのエナメル線を右巻きに５０回、前記２次側巻き線は、前記鉄心に線径０．２ｍｍのエナメル線を左巻きに２０回巻き付けたものであって、前記１次側巻き線と前記２次側巻き線との巻数比が２．５である請求項１記載の昇圧回路。
出力電圧を整流平滑するための整流平滑回路と、複数のＬＥＤ素子から構成されたＬＥＤユニット回路とを含む請求項１または２記載の昇圧回路。
前記トランジスタのベース側に、分圧用抵抗と可変抵抗とから構成された分圧抵抗回路が挿設されており、前記可変抵抗の抵抗値を変化させることによって、ベースバイアス電圧を制御し、各ＬＥＤ素子の調光を調節することができる請求項１〜３のいずれかに記載の昇圧回路。