JP3573201B2

JP3573201B2 - 直流電源回路の出力電流制限回路

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Publication number: JP3573201B2
Application number: JP2000284441A
Authority: JP
Inventors: 哲也清田; 繁佐藤
Original assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002091585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、直流出力電流を厳しく管理する必要のある機器の直流電源回路に使用して好適な電流制限回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の直流電源回路として、部品の故障、電源出力の短絡事故等の場合に、部品の発熱や発火を防ぐために、出力直流電流を所定値以下に制限する出力電流制限回路を搭載する場合がある。
【０００３】
このような直流電源回路の出力電流制限回路としては、図６に示すような、いわゆる「フの字」垂下特性の回路が用いられる。すなわち、出力直流電流が、予め設定されている出力電流制限値ＩＳよりも小さい間は、所定の出力電圧が得られるようにされるが、出力直流電流が、出力電流制限値ＩＳよりも大きくなろうとすると、出力電圧Ｖｏが減少すると共に、出力電流も減少するような特性を、この「フの字」垂下特性の電流制限回路は備える。
【０００４】
図７は、この「フの字」垂下特性の出力電流制限回路の一般的な回路例を示すものである。
【０００５】
図７においては、入力電圧（例えば直流電源電圧）Ｖｉｎが、端子１および端子２間に供給され、端子３および端子４間に、出力電圧Ｖｏが得られるようにされている。例えば、端子１には、正の直流電源電圧Ｖｉｎが供給され、端子２は接地端子とされている。また、端子３には、正の直流出力電圧Ｖｏが得られ、端子４は、接地端子とされている。
【０００６】
そして、ＰＮＰ形トランジスタ５のエミッタが、正の直流電源電圧Ｖｉｎが供給される端子１に接続され、このトランジスタ５のコレクタは、例えば機器の電源ラインに接続される端子３に接続される。そして、トランジスタ５のベースは、抵抗器６を通じてＮＰＮ形トランジスタ７のコレクタに接続され、このトランジスタ７のエミッタは抵抗器８を通じて接地端子２に接続される。
【０００７】
また、端子１と接地端子２との間に、抵抗器９とダイオード１０と抵抗器１１との直列回路が接続される。そして、抵抗器９とダイオード１０との接続点１２がトランジスタ７のベースに接続される。また、ダイオード１０と抵抗器１１との接続点１３が抵抗器１４を通じて端子３に接続される。
【０００８】
以上のような構成の図７の回路の動作について説明する。
【０００９】
端子３からの出力直流電流Ｉｏが、図６の「フの字」垂下特性の出力電流制限値ＩＳよりも小さい状態においては、トランジスタ７のベース電位は、十分に高く、このため、トランジスタ７はオンになる。したがって、トランジスタ５のベース電流ＩＢは十分に大きく、トランジスタ５は、オンとなり、端子３の出力電圧Ｖｏとしては、端子１の正の直流電源電圧Ｖｉｎが、トランジスタ５のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ分だけ降下した電圧が得られる。
【００１０】
一方、端子３の出力直流電流Ｉｏが、前記出力電流制限値ＩＳを越えようとすると、抵抗器１４と抵抗器１１との接続点１３の電位、つまりトランジスタ７のベース電位が低くなる。すると、トランジスタ７のコレクタ−エミッタ間を通じて流れる電流、すなわち、トランジスタ５のベース電流ＩＢが小さくなる。このため、端子３に得られる出力電圧Ｖｏが低下すると共に、出力電流Ｉｏも小さくされる。
【００１１】
出力電圧Ｖｏが下がると、さらにトランジスタ７のベース電位が下がり、このため、トランジスタ５のベース電流ＩＢが小さくなり、さらに、出力電圧Ｖｏおよび出力電流Ｉｏが小さくなる。
【００１２】
こうして、図７の回路によれば、出力直流電流Ｉｏの値を、出力電流制限値ＩＳ以下に制限することができ、電子機器の部品の発熱や発火を有効に防止することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば爆発性雰囲気中などで使用する必要がある電子機器の直流電源回路の場合には、上述のような出力電流制限回路は必須であり、しかも、前記出力電流制限値ＩＳが変動してしまうと、出力電流制限回路の本来の目的を達成することができない場合を生じる恐れがあり、出力電流制限値は、厳格に管理される必要がある。
【００１４】
しかしながら、出力電流制限回路として、上述した図７のようなフの字垂下特性の一般的な出力電流制限回路を用いた場合、周囲温度の変化によって、出力電流制限値ＩＳが変動してしまうことが判明した。また、入力直流電源電圧Ｖｉｎの変動によっても、出力電流制限値ＩＳが変動しまうことが判明した。
【００１５】
すなわち、図７において、抵抗器８の抵抗値をＲ１、抵抗器１４の抵抗値をＲ２、抵抗器１１の抵抗値をＲ３とし、トランジスタ５の直流電流増幅率をＨｆｅとすると、出力電流制限値ＩＳは、
ＩＳ＝Ｈｆｅ×（Ｒ３×Ｖｏ）／｛Ｒ１×（Ｒ２＋Ｒ３）｝…（１）
となる。
【００１６】
この（１）式に示されるように、出力電流制限値ＩＳは、トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅに比例したものとなるが、直流電流増幅率Ｈｆｅは、周囲温度の変動に応じて、例えば数１０％変化する。このため、出力電流制限値ＩＳは、周囲温度に応じて変動してしまうと考えられる。
【００１７】
また、上記の（１）式から判るように、出力電流制限値ＩＳは、出力電圧Ｖｏの変動にも依存している。この出力電圧Ｖｏは、トランジスタ５のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅとすると、
Ｖｏ＝Ｖｉｎ−Ｖｃｅ
であるので、出力電流制限値ＩＳは、入力直流電源電圧Ｖｉｎの変動にも依存していることが判る。
【００１８】
したがって、例えば、携帯型の電子機器のような電池駆動の電子機器の場合、その電池電圧の変化により、出力電流制限値ＩＳは変動してしまうことになる。
【００１９】
以上のように、従来のフの字垂下特性の出力電流制限回路では、出力電流制限値ＩＳが、周囲温度変化や入力電圧変化に応じて変動してしまうために、出力電流制限値ＩＳを厳格に管理しなければならない環境で用いる電子機器の直流電源回路の出力電流制限回路としては不十分であり、電気機械器具防爆構造規格（昭和４４年労働省告示第１６号）を満足するようにすることが困難であった。
【００２０】
この発明は、以上の点にかんがみ、出力電流制限値ＩＳを厳格に管理しなければならない環境で用いる電子機器用としても、十分な性能を備える直流電源回路の出力電流制限回路を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明による直流電源回路の出力直流電流制限回路は、
出力直流電流が第１のトランジスタのコレクタ−エミッタ間を通じて取り出され、前記第１のトランジスタのベース電流の電流路に、第２のトランジスタのコレクタ−エミッタ間が設けられ、前記第２のトランジスタのベース電位を制御することにより前記第１のトランジスタのベース電流を制御して、前記出力直流電流が、予め定められた出力電流制限値を超えないように、フの字垂下特性により制限する直流電源回路の出力電流制限回路において、
入力電圧の変動を抵抗値変化として検出して監視し、前記検出された前記入力電圧の降下時の前記抵抗値変化に応じて、前記第２のトランジスタのベース電位を、前記トランジスタのベース電流を増加させるように制御することにより、前記入力電圧の降下時の前記出力電流制限値の変動を抑制する入力電圧降下補正回路と、
出力電圧を監視し、前記入力電圧の上昇に伴って前記出力電圧が予め設定された値以上に上昇したときに、前記第２のトランジスタのベース電位を一定値に保持することにより、前記第１のトランジスタのベース電流を一定に保持して、前記入力電圧の上昇時の前記出力電流制限値の変動を抑制する入力電圧上昇補正回路と、
ことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の直流電源回路の出力電流制限回路において、
前記第１のトランジスタのベース電流の電流路に、前記第１のトランジスタの直流電流増幅率の周囲温度変化に応じた変動による前記第１のトランジスタのベース電流の変動を打ち消すようにする手段を備える
ことを特徴とする。
【００２５】
【作用】
上述の構成の請求項１の発明によれば、入力電圧が変動しても、出力電流制限値は、変動しないようにされる。したがって、出力電流制限値を厳格に管理しなければならない環境で用いる電子機器用としても、十分な性能を備える直流電源回路の出力電流制限回路を提供することができる。
【００２６】
また、請求項２の発明によれば、出力電流制限値は、周囲温度変化および入力電圧変動があっても、変動しないようにされる。したがって、出力電流制限値を厳格に管理しなければならない環境で用いる電子機器用としても、十分な性能を備える直流電源回路の出力電流制限回路を提供することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による直流電源回路の出力電流制限回路の実施の形態の構成を示すものである。この図１の実施の形態の出力電流制限回路において、前述した図７の従来のフの字垂下特性の出力電流制限回路と同一部分には、同一符号を付すことにする。
【００２８】
図１の実施の形態の出力電流制限回路においては、図７のトランジスタ７のエミッタと接地端子２との間に接続される抵抗器８の代りに、周囲温度変化に対して、トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅの温度変化率と同等の抵抗値の温度変化率を有する抵抗器（サーミスタ）２１を接続する。すなわち、トランジスタ５のベース電流ＩＢの電流路に、トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅの温度変化に応じて抵抗値が温度変化する抵抗器２１が設けられる。
【００２９】
トランジスタ５では、周囲温度が上がると、その直流電流増幅率Ｈｆｅが大きくなり、また、周囲温度が下がると、その直流電流増幅率Ｈｆｅが小さくなる。したがって、この例では、抵抗器２１は、周囲温度が上がると抵抗値が大きくなり、また、周囲温度が下がると抵抗値が小さくなる正の温度係数を有するものが用いられる。
【００３０】
また、図１の実施の形態では、入力電圧降下補正回路３０を、入力電圧Ｖｉｎが供給される端子１と接地端子２との間に設けると共に、図７の抵抗器１１の代りに、可変抵抗器２２を接続する。そして、入力電圧降下補正回路３０は、入力電圧Ｖｉｎの降下に応じて、可変抵抗器２２の抵抗値を増加させるように制御する。
【００３１】
さらに、図１の実施の形態では、入力電圧上昇補正回路４０を、出力電圧Ｖｏが得られる端子３と接地端子４との間に設ける。この入力電圧上昇補正回路４０は、また、ダイオード１０と可変抵抗器２２との接続点１３に接続されている。そして、この入力電圧上昇補正回路４０は、入力電圧Ｖｉｎ、したがって、出力電圧Ｖｏが上昇したときに、この出力電圧Ｖｏの上昇に応じて、接続点１３の電位が上昇するのを防止するように動作する。
【００３２】
その他の構成は、図７の回路と全く同様である。
【００３３】
以上のように構成した図１の実施の形態の出力電流制限回路における出力電流制限値ＩＳの変動防止動作について説明する。
【００３４】
［温度変動対策］
入力電圧Ｖｉｎおよび出力電圧Ｖｏが変動せずに、図１の回路の周囲温度が変動するときには、抵抗器９とダイオード１０との接続点１２の電圧は、一定である。したがって、このときには、接続点１２の電圧が一定であるため、抵抗器２１での電圧降下も変化しない。
【００３５】
このため、周囲温度の変動により抵抗器２１の抵抗値が増減すると、それに応じて抵抗器２１を流れる電流、すなわち、トランジスタ５のベース電流ＩＢが変化する。抵抗器２１の抵抗値は、周囲温度上昇時に大きくなり、周囲温度下降時に小さくなるので、トランジスタ５のベース電流ＩＢは、周囲温度上昇時に減少し、周囲温度下降時に増加する。
【００３６】
一方、前述したように、トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅは、周囲温度上昇時に大きくなり、周囲温度下降時に小さくなり、ベース電流ＩＢとは相反する変化をする。
【００３７】
出力電流制限値ＩＳは、（トランジスタ５のベース電流ＩＢ）×（トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅ）で決定されるので、上述のように、ベース電流ＩＢと、直流電流増幅率Ｈｆｅとは、周囲温度変動に対して相反する変化をすることから、出力電流制限値ＩＳの周囲温度変動に対する変動が抑制される。
【００３８】
［入力電圧変動対策］
（入力電圧降下時）
入力電圧降下補正回路３０は、入力電圧Ｖｉｎの電圧値の降下を監視する。そして、入力電圧降下補正回路３０は、入力電圧Ｖｉｎの電圧値が降下したことを検知すると、その降下分に応じた分だけ、可変抵抗器２２の抵抗値を増加させる。
【００３９】
すると、この可変抵抗器２２の抵抗値の増加により、この抵抗器２２の両端電圧が上昇し、このため、トランジスタ７のベース電位も上昇し、トランジスタ５のベース電流ＩＢが増加して、入力電圧Ｖｉｎの降下により減少していた出力電流制限値ＩＳが増加する。したがって、入力電圧が降下しても、出力電流制限値ＩＳの変動は抑制される。
【００４０】
（入力電圧上昇時）
入力電圧上昇補正回路４０は、入力電圧Ｖｉｎの上昇に伴う出力電圧Ｖｏ（＝入力電圧Ｖｉｎ−Ｖｃｅ）の上昇を監視する。そして、入力電圧Ｖｉｎの上昇に伴い、出力電圧Ｖｏが、入力電圧上昇補正回路４０の内部において設定されている設定値以上に上昇すると、入力電圧上昇補正回路４０は、抵抗器２２に与えている電圧を一定値にして、接続点１２の電圧を一定値にする。すると、トランジスタ５のベース電流ＩＢが一定に保たれ、出力電流制限値ＩＳの上昇が抑制される。したがって、入力電圧が上昇しても、出力電流制限値ＩＳの変動は抑制される。
【００４１】
［実施例］
次に、上述したこの発明による直流電源回路の出力電流制限回路の実施の形態を、電池駆動の携帯機器の直流電源回路に適用した場合の実施例について、図２を参照しながら説明する。この図２において、図１で示した部分と同一部分には、同一符号を付して、その部分の説明は省略する。
【００４２】
この図２の例においては、電池５０の正極側が端子１に接続され、電池５０の負極側が接地端子２に接続される。この例では、電池５０は、３．５Ｖ〜４．４Ｖの電圧を供給する。
【００４３】
図１の入力電圧降下補正回路３０は、図２の例では、２個の抵抗器３１および３２と、電界効果トランジスタ３３とで構成される。また、図１の可変抵抗器２２は、図２の例では、２個の可変抵抗器２２１と２２２の直列接続により構成される。
【００４４】
そして、抵抗器３１および抵抗器３２は、端子１と端子２との間に直列に接続され、電界効果トランジスタ３３のゲートが抵抗器３１と抵抗器３２との接続点３４に接続され、電界効果トランジスタ３３のドレインが可変抵抗器２２１と可変抵抗器２２２との接続点に接続され、電界効果トランジスタ３３のソースが端子２に接続される。
【００４５】
また、図１の入力電圧上昇補正回路４０は、図２の例では、抵抗器４１と、ツェナーダイオード４２と、抵抗器４３とで構成される。そして、端子３と、ダイオード１０および可変抵抗器２２１の接続点１３との間に、抵抗器４１と抵抗器４３とが直列に接続される。そして、抵抗器４１と抵抗器４３との接続点４４と、端子４との間にツェナーダイオード４２が接続される。
【００４６】
以上のような構成の図２の実施例の出力電流制限回路における出力電流制限値ＩＳの変動防止動作について説明する。
【００４７】
［温度変動対策］
温度変動対策についての構成および動作は、図１の実施の形態で説明した部分と全く同一である。すなわち、トランジスタ５の直流電流増幅率Ｈｆｅの温度変化率と同等の抵抗値の温度変化率を有する抵抗器２１の存在により、トランジスタ５のベース電流ＩＢと、直流電流増幅率Ｈｆｅとは、周囲温度変動に対して相反する変化をするので、出力電流制限値ＩＳの周囲温度変動に対する変動が抑制される。
【００４８】
［入力電圧変動対策］
（入力電圧降下時）
この図２の例においては、入力電圧降下の検出は、抵抗器３１、３２の分圧回路により行う。すなわち、抵抗器３１と抵抗器３２との接続点３４には、入力電圧Ｖｉｎの分圧電圧Ｖａが得られる。そして、その分圧電圧Ｖａが電界効果トランジスタ３３のゲートに、バイアス電圧として供給されている。
【００４９】
したがって、入力電圧Ｖｉｎの前記分圧電圧Ｖａが、電界効果トランジスタ３３のカットオフ電圧以上であるときには、電界効果トランジスタ３３のソース−ドレイン間の抵抗値ＲＤＳは小さく、可変抵抗器２２２は、ほぼバイパスされる状態になる。つまり、このときには、接続点１３と接地端子との間には、ほぼ、可変抵抗器２２１のみが接続される状態になっている。
【００５０】
そして、入力電圧Ｖｉｎが降下して、接続点３４の分圧電圧Ｖａが電界効果トランジスタ３３のカットオフ電圧まで下がると、電界効果トランジスタ３３のソース−ドレイン間の抵抗値ＲＤＳは大きな値となり、可変抵抗器２２２が有効となって、接続点１３と接地端子との間には、可変抵抗器２２１に対して、可変抵抗器２２２および電界効果トランジスタ３３の抵抗ＲＤＳの並列回路が接続されたものが挿入される状態になる。
【００５１】
このため、抵抗器４１および抵抗器４３と、可変抵抗器２２１および可変抵抗器２２２とで分圧されるダイオード１０のカソード側の接続点１３の電位が上がる。したがって、ダイオード１０のアノード側の接続点１２の電位（接続点１３の電位よりもダイオード１０の順方向電圧分だけ高い電圧）、つまり、トランジスタ７のベース電位も上がり、このトランジスタ７のコレクタ電流、つまり、トランジスタ５のベース電流ＩＢが増加する。このベース電流ＩＢの増加により、トランジスタ５のコレクタ電流、すなわち、出力電流制限値ＩＳが上がる。
【００５２】
以上のようにして、入力電圧Ｖｉｎの降下により、下がりかけた出力電流制限値ＩＳが持ち上げられる。
【００５３】
なお、可変抵抗器２２２の抵抗値を調整することにより、入力電圧Ｖｉｎの降下時の出力電流制限値ＩＳの持ち上げ量を調整することができる。
【００５４】
（入力電圧上昇時）
図２の例においては、入力電圧上昇の検出は、抵抗器４１，４３および可変抵抗器２２１，２２２からなる分圧回路により行う。すなわち、抵抗器４１と抵抗器４３との接続点４４には、出力電圧Ｖｏの分圧電圧Ｖｂが得られる。
【００５５】
入力電圧Ｖｉｎが上昇し、これに伴い出力電圧Ｖｏも上昇して、前記分圧電圧Ｖｂがツェナーダイオード４２のツェナー電圧以上になると、ツェナーダイオード４２がツェナー降服し、接続点４４の電位は、ツェナー電圧に保持され、トランジスタ７のベース電位の上昇が抑えられる。その結果、トランジスタ５のベース電流ＩＢは一定となり、出力電流制限値ＩＳの上昇が抑えられる。
【００５６】
以上のようにして、図２の実施例の出力電流制限回路によれば、周囲温度変動や電池電圧変動による入力電圧変動にあっても、出力電流制限値ＩＳの変動が抑制される。そして、図２の例では、少ない回路素子からなる簡単な構成によって、出力電流制限値ＩＳの変動を抑制することができ、小型で電池駆動の電子機器用として、その効果は大きい。
【００５７】
実回路による実測値により、従来の一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路と、図２の例の出力電流制限回路とにおける周囲温度および入力電圧変動性能を比較したところ、次のような結果を得た。
【００５８】
図３は、従来の一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路の場合における出力電流制限特性を示している。また、図４は、図２の例の出力電流制限回路の場合における出力電流制限特性を示している。図５に、図３および図４に基づく、両者の周囲温度・入力電圧変動性能対比表を示す。
【００５９】
以上の実測結果から、図２の例の出力電流制限回路によれば、一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路に比べて、出力電流制限値の温度変動は約１／１２に、出力電流制限値の入力電圧による変動は１／５．７に、出力電流制限値の総合変動は約１／６に、それぞれ抑制されることが確認された。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による直流電源回路の出力電流制限回路によれば、周囲温度変化または入力電圧変化があっても、出力電流制限値の変動が抑制される。したがって、出力電流制限値ＩＳを厳格に管理しなければならない環境で用いる電子機器用として好適な直流電源回路の出力電流制限回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による直流電源回路の出力電流制限回路の実施の形態を示す図である。
【図２】この発明による直流電源回路の出力電流制限回路の一実施例を示す回路図である。
【図３】従来の一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路の場合における出力電流制限特性を示す図である。
【図４】図２の実施例の出力電流制限回路の場合における出力電流制限特性を示す図である。
【図５】従来の一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路と、図２の実施例の出力電流制限回路との周囲温度・入力電圧変動性能対比表を示す図である。
【図６】出力電流制限回路のフの字特性を示す図である。
【図７】従来の一般的なフの字垂下特性の出力電流制限回路を示す回路図である。
【符号の説明】
５、７トランジスタ
２１正の温度係数を備える抵抗器
３０入力電圧降下補正回路
４０入力電圧上昇補正回路

Claims

出力直流電流が第１のトランジスタのコレクタ−エミッタ間を通じて取り出され、前記第１のトランジスタのベース電流の電流路に、第２のトランジスタのコレクタ−エミッタ間が設けられ、前記第２のトランジスタのベース電位を制御することにより前記第１のトランジスタのベース電流を制御して、前記出力直流電流が、予め定められた出力電流制限値を超えないように、フの字垂下特性により制限する直流電源回路の出力電流制限回路において、
入力電圧の変動を抵抗値変化として検出して監視し、前記検出された前記入力電圧の降下時の前記抵抗値変化に応じて、前記第２のトランジスタのベース電位を、前記トランジスタのベース電流を増加させるように制御することにより、前記入力電圧の降下時の前記出力電流制限値の変動を抑制する入力電圧降下補正回路と、
出力電圧を監視し、前記入力電圧の上昇に伴って前記出力電圧が予め設定された値以上に上昇したときに、前記第２のトランジスタのベース電位を一定値に保持することにより、前記第１のトランジスタのベース電流を一定に保持して、前記入力電圧の上昇時の前記出力電流制限値の変動を抑制する入力電圧上昇補正回路と、
を設けたことを特徴とする直流電源回路の出力電流制限回路。
請求項１に記載の直流電源回路の出力電流制限回路において、
前記第１のトランジスタのベース電流の電流路に、前記第１のトランジスタの直流電流増幅率の周囲温度変化に応じた変動による前記第１のトランジスタのベース電流の変動を打ち消すようにする手段を備える
ことを特徴とする直流電源回路の出力電流制限回路。