JP4426191B2 - 定電流回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、定電流を供給するための定電流回路に関し、特に、周囲の温度が変化しても安定的に定電流を供給するのに好適な定電流回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、定電流回路は、キャパシタや二次電池の充電用の電源や発光ダイオードを駆動するための電源、あるいは太陽電池にキャパシタや二次電池を組み合わせたソーラー電池を充電するための電源として用いられている。このような定電流回路は、一般にトランジスタや定電流ダイオード等の半導体素子を組み合わせて定電流特性を発揮するように構成されている。
【０００３】
図５に、そのような従来の定電流回路の一例を示す。従来の定電流回路１１は、直流電圧が印加される第１入力端子２にエミッタが接続されていると共にコレクタが出力端子８に接続した第１トランジスタＴｒ１と、この第１トランジスタＴｒ１のベースにコレクタが接続されていると共にエミッタが定電圧素子４を介して回路グランドＧに接続されている第２トランジスタＴｒ２と、前記第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知して前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を制御して当該第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を定電流に制御する電圧制御部７とを有している。
【０００４】
前記第１トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとの間には、電界効果トランジスタ３が接続されており、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１のリップルを低減するようになっている。
【０００５】
また、前記第２トランジスタＴｒ２は、第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１を制御するものである。このため、前記第１トランジスタＴｒ１のベースと前記第２トランジスタＴｒ２のコレクタとの間には、第１抵抗体Ｒ１が挿入されており、前記ベース電流ＩＢ１の最大値を規定することで第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１、すなわち、出力電流の最大値を規定するようになっている。そして、前記第１抵抗体Ｒ１の抵抗値は、前記第１トランジスタＴｒ１が過電流で破損しないように選択される。
【０００６】
前記第２トランジスタＴｒ２のエミッタと回路グランドＧ間に挿入された定電圧素子４は、ツェナ・ダイオード等により構成されており、前記エミッタに基準電位を与えるようになっている。これにより、周囲温度の変化に対してベースとエミッタ間の電圧ＶＢＥを一定に保つことができる。
【０００７】
また、第２トランジスタＴｒ２のベースは、直列接続された第２抵抗体Ｒ２および第３抵抗体Ｒ３の間の接続点と連結されている。これらの第２抵抗体Ｒ２および第３抵抗体Ｒ３は、第２入力端子５と回路グランドＧ間に挿入されて第２入力端子５に印加される直流電圧を分圧している。これにより、ツェナ・ダイオード４のツェナ電圧Ｖｚにベース・エミッタ電圧ＶＢＥを加えた電圧が決定されて、ベース電圧ＶＢ２が所定の電圧値に設定される。
【０００８】
一方、電圧制御部７には、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知する電流検知部６が接続されている。この電流検知部６は、第１トランジスタＴｒ１のコレクタと出力端子８との間に配置されて、検出結果を前記電圧制御部７に出力するようになっている。そして、電圧制御部７は、電流検知部６からコレクタ電流ＩＣ１の検出結果を受けて、仮に、その電流値が所定の設定値と比較して低下あるいは上昇している場合、第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を上下動するようになっている。このフィードバック制御により、第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２が制御されて第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１が制御されるため、最終的に出力電流であるコレクタ電流ＩＣ１が微調整されるようになっている。
【０００９】
次に、従来の定電流回路１１の動作を説明する。
【００１０】
この定電流回路１１は、第１トランジスタＴｒ１のエミッタに直流電圧が印加されると、コレクタおよびベースからそれぞれコレクタ電流ＩＣ１およびベース電流ＩＢ１が出力される。前記コレクタ電流ＩＣ１は、出力端子８から出力電流として出力される。前記コレクタ電流ＩＣ１は、トランジスタの静特性に従って前記ベース電流ＩＢ１に比例して定まり、このベース電流ＩＢ１は、第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２に比例して定まる。また、その第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２は、トランジスタの静特性に従って第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２に比例して定まる。したがって、定電流回路１１では、第２トランジスタＴｒ２のベース電圧ＶＢ２を制御することにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２が定まり、これにより、コレクタ電流ＩＣ２が規定されて第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１が制御される結果、最終的に出力電流であるコレクタ電流ＩＣ１が規定される。
【００１１】
そして、例えば、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１が減少すると、これを電流検知部６が検知して電圧制御部７に出力する。電圧制御部７では、電流検知部６により検知された電流値ＩＣ１に応じてその減少分を補償するように第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を増加する。これにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２、コレクタ電流ＩＣ２、および第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１がそれぞれ増加し、最終的に第１トランジスタＴｒ１におけるコレクタ電流ＩＣ１の低下分を補って出力端子から定電流が出力される。また、同様にして、仮に第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１が増加した場合、これを電流検知部６が検知して電圧制御部７に出力する。電圧制御部７は、コレクタ電流ＩＣ１の増加分を補償するように第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を減少する。これにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２、コレクタ電流ＩＣ２、および第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１がそれぞれ減少し、最終的に第１トランジスタＴｒ１におけるコレクタ電流ＩＣ１の増加分を打ち消して出力端子から定電流が出力される。
【００１２】
しかしながら、定電流回路１１に使用されるトランジスタ等の半導体素子は、温度依存性を有しており、周囲温度の影響を受けやすい。例えば、トランジスタの場合、ベースとエミッタ間の電圧ＶＢＥは、温度に対して負の相関を有しており、温度変化１℃あたり約−２ｍＶ変動する。したがって、このような半導体素子から構成される定電流回路１１は、周囲温度の影響を受けやすく、その温度変化に伴って出力電流が安定しなくなる。このため、従来の定電流回路１１では、使用可能な温度範囲が限定されてしまい、寒冷地で使用したり、直射日光のあたる密閉された環境で使用することができない。
【００１３】
このような問題を解決するために、従来、温度補償回路を備えた定電流回路がいくつか提案されている。例えば、特開平６−４５６７４号公報には、温度変化に対して光出力を一定にするための温度補償回路つきレーザーダイオード駆動回路が提案されている（特許文献１参照）。この温度補償回路つきレーザーダイオード駆動回路は、第１の可変抵抗と、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）と、第２の可変抵抗とを直列に接続し、これをレーザーダイオードおよびトランジスタに対して並列に接続している。そして、ＦＥＴと第２の可変抵抗により定電流回路を構成して温度変化に対応する回路電流を設定し、第１の可変抵抗によりトランジスタのベース電圧に変換し、レーザーダイオードの光出力を一定にする順方向電流をトランジスタから供給するようになっている。これにより、温度が変化しても各可変抵抗を制御してレーザーダイオードから一定の光出力を取り出すことができるとされている。
【００１４】
また、特開２０００−２０１０７３号公報には、温度の変化によって生じるパフォーマンスの変化を補償して安定した電流を供給するための定電流源回路が提案されている（特許文献２参照）。この定電流源回路は、負の温度係数を有する第１の電流源と、正の温度係数を有する第２の電流源とがミキサーに接続されている。そして、このミキサーが各電流源からの電流を所望の割合で混合するようになっている。これにより、温度の変化に伴って各電流源の電流量が互いに増加および減少しても、それを一定の値となるように混合することにより安定した電流を供給することができるとされる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−４５６７４号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０１０７３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した各公報に記載された温度補償技術では、製造コストが増し、装置全体が大きくなってしまうし、消費電力が増加するという欠点がある。さらに、回路定数の許容範囲が狭く、調整が簡便ではないという問題もある。
【００１７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、特別な温度補償回路を別途設けることなく、低コストで製造でき、装置の大型化や消費電力の増加を抑制しつつ、広い周囲温度範囲で安定的に一定電流を供給することが可能な定電流回路を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る定電流回路の特徴は、エミッタが入力端子に接続されると共にコレクタが出力端子に接続された第１トランジスタと、この第１トランジスタのベースにコレクタが接続されると共にエミッタが定電圧素子を介して回路グランドに接続された第２トランジスタと、前記第１トランジスタのコレクタ電流を検知して前記第２トランジスタのベース電位を制御して当該第１トランジスタのコレクタ電流を定電流に制御する電圧制御手段とを備えた定電流回路であって、前記第２トランジスタのベースと回路グランドとの間に接続されたキャパシタが１．５μＦ以上の静電容量を備えているか、あるいは、そのキャパシタに並列接続された５ｋΩ以上の抵抗体を備え、前記キャパシタは、１．５μＦ以上４７０μＦ以下の静電容量を有する点にある。
【００１９】
このようにバイアス回路に接続させたキャパシタを所定の静電容量に設定し、あるいは抵抗体とキャパシタとを並列接続させた容量性インピーダンスを所定の抵抗値及び静電容量に設定することにより、第２トランジスタのベース電位の温度依存性が低減され、−５０℃〜８０℃という広い温度範囲で第１トランジスタから一定の電流を安定的に出力させられる。なお、キャパシタの静電容量が１．５μＦ以上４７０μＦを越えると電圧制御手段が発振してしまい定電流制御回路として機能しない。また、前記キャパシタに並列接続する抵抗体の抵抗値が５ｋΩ未満では、前記キャパシタの効果が低減されて出力電流の温度依存性が増大してしまう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る定電流回路の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は本実施形態の定電流回路１を示す回路図である。なお、本実施形態の各構成のうち、前述した従来の定電流回路１１の構成と同一若しくは相当する構成については同一の符号を付して再度の詳しい説明を省略する。
【００２１】
本実施形態の定電流回路１は、エミッタが第１入力端子２に接続されると共にコレクタが出力端子８に接続された第１トランジスタＴｒ１と、この第１トランジスタＴｒ１のベースにコレクタが接続されると共にエミッタがツェナ・ダイオード等で構成される定電圧素子４を介して回路グランドＧに接続された第２トランジスタＴｒ２と、前記第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知して前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を制御して当該第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を定電流に制御する電圧制御部７とを有している。また、前記第１トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとの間には、リップルを低減するための電界効果トランジスタ３が接続されている。さらに、前記第１トランジスタＴｒ１のベースと前記第２トランジスタＴｒ２のコレクタとの間には、前記第１トランジスタＴｒ１の最大ベース電流を決めて過電流が流れないようにするための第１抵抗体Ｒ１が挿入されている。なお、前記電界効果トランジスタ３の代わりに抵抗体を接続するようにしてもよい。
【００２２】
そして、本実施形態の定電流回路１では、前記第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に、所定の静電容量を有するキャパシタＣｘと所定の抵抗値を有する抵抗体Ｒｘとを並列接続させた容量性インピーダンス９が接続されている。また、この容量性インピーダンス９は、第２入力端子５と回路グランドＧとの間において、第２抵抗体Ｒ２に直列接続されており、その接続点に第２トランジスタＴｒ２のベースが連結されている。前記容量性インピーダンス９は、抵抗体Ｒｘにより第２トランジスタＴｒ２のベース電位を規定しているとともに、キャパシタＣｘを所定の静電容量に設定することにより、前記ベース電位の温度依存性を低減するようになっている。なお、前記キャパシタＣｘは、例えば、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、マイカコンデンサ、ポリエステル・フィルムコンデンサをはじめ種々のキャパシタを使用することができる。また、前記抵抗体Ｒｘは、炭素体抵抗器、炭素皮膜抵抗器、金属酸化物皮膜抵抗器、金属薄膜抵抗器をはじめ種々の抵抗体を用いることができる。
【００２３】
また、第２トランジスタＴｒ２のベースには、このベース電位を制御するためのＯＰアンプ等で構成された電圧制御部７が接続されており、さらに、その電圧制御部７には、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１の電流値を検出するためのカレントトランスや差動増幅器等で構成された電流検知部６が接続されている。
【００２４】
そして、本実施形態の定電流回路１では、第２トランジスタＴｒ２のベース電位を規定することにより、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を規定しており、もし、このコレクタ電流ＩＣ１が設定値よりも増加または減少した場合、電流検知部６によって検知され、電圧制御部７が前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を減少または増加して出力電流を一定に制御する。
【００２５】
つぎに、前述した本実施形態における容量性インピーダンスについて、第２トランジスタの温度依存性の影響を回避し得る抵抗体Ｒｘの抵抗値とキャパシタＣｘの静電容量との組み合わせを求める実験を行った。実験では、抵抗値の異なる抵抗体Ｒｘと静電容量の異なるキャパシタＣｘとを各種用意し、それらの組み合わせを変えて周囲温度の変化に対する出力電流を検出した。
【００２６】
ここで、抵抗体Ｒｘの種類は、抵抗値が１ｋΩ、５ｋΩ、１０ｋΩ、１００ｋΩ、１０００ｋΩのものを使用し、キャパシタの種類は、静電容量が０．１μＦ、１．５μＦ、１０μＦ、４７０μＦ、１０００μＦのものを使用した。そして、定電流回路１を発泡スチロールで断熱させた筐体に入れて周囲温度を−５０℃〜８０℃へと変化させた。そして、図２に示すように、抵抗体Ｒｘの抵抗値とキャパシタＣｘの静電容量を各種組み合わせて結果を求めた。なお、試験番号１は、比較試験として従来の定電流回路１１による結果である。
【００２７】
図２の実験結果によれば、試験番号１は、１０ｋΩの抵抗体Ｒｘのみを単独で接続させたものであるが、温度依存性が強く現れてしまい、−１０℃の段階で出力電流値は半分に低下し、−５０℃および８０℃では出力電流値が検出できなかった。
【００２８】
つぎに、試験番号２から試験番号６では、好適な静電容量を決定するために、抵抗体Ｒｘの抵抗値を５ｋΩに固定し、静電容量を０．１μＦ〜１０００μＦへと変動させた。この結果、静電容量が０．１μＦ（試験番号２）および１０００μＦ（試験番号６）の場合、電圧制御部７が発振して定電流制御を行わなくなってしまった。一方、静電容量が１．５μＦ（試験番号３）、１０μＦ（試験番号４）および４７０μＦ（試験番号５）の場合、−５０℃〜８０℃の広い温度範囲で出力電流値はほぼ一定値を示した。図３に試験番号１と試験番号３のときの出力電流値と周囲温度の関係を示す。このように従来の定電流回路１１に比べて顕著な改善が認められた。なお、使用したデジタル温度計の性能上、−５０℃以下は温度を測定できなかったが、筐体内をそのまま温度低下させて出力電流値を測定したところ、急激な降下は認められず、おそらく−７０℃程度までは実用可能であると予測される。
【００２９】
つぎに、試験番号２から試験番号６の結果を踏まえ、キャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦに固定し、抵抗値を１ｋΩ〜１０００ｋΩへと変動させた。この結果、抵抗値が１ｋΩ（試験番号７）の場合、温度依存性が強く現れてしまい、−１０℃の段階で出力電流値はほぼ半分に低下し、−５０℃および８０℃では出力電流値が検出できなかった。一方、抵抗値が５ｋΩ（試験番号８）、１００ｋΩ（試験番号９）および１０００ｋΩ（試験番号１０）の場合、いずれの試験においても−５０℃〜８０℃の広い温度範囲において出力電流値がほぼ一定値を示した。さらに、抵抗体を開放させて、図４に示すように、１．５μＦのキャパシタＣｘを単独で接続したところ（試験番号１１）、同様に、−５０℃〜８０℃の温度範囲において出力電流値は一定であった。なお、試験番号３と試験番号８は、同じ抵抗値および静電容量であるが、使用する抵抗体ＲｘとキャパシタＣｘが異なるため、出力電流値に差異が生じている。このように個々の製品によって出力電流値に誤差が存在する。
【００３０】
以上の試験結果より、少なくとも、第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に接続されたキャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦ以上に設定するか、あるいは、前記キャパシタＣｘと抵抗体Ｒｘとを並列接続させて、当該抵抗体Ｒｘの抵抗値を５ｋΩ以上に設定すると共に当該キャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦ以上４７０μＦ以下に設定した場合、第２トランジスタＴｒ２のベース電位の温度依存性を著しく低減させることができ、−５０℃〜８０℃という広い温度範囲において安定した電流を供給できることが明らかになった。
【００３１】
したがって、本実施形態の定電流回路１によれば、特別な温度補償回路を別途設けなくても、第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に、所定のキャパシタＣｘを接続させるか、若しくは並列接続させたキャパシタＣｘと抵抗体Ｒｘとから構成される容量性インピーダンス９を備えるだけで、広い温度範囲で安定した電流を出力できる。また、容量性インピーダンス９は、キャパシタＣｘおよび抵抗体Ｒｘのみによって構成されるので、極めて低コストで製造でき、装置全体の大型化や消費電力の増加を抑制することができる。
【００３２】
なお、本発明に係る定電流回路１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００３３】
例えば、本実施形態におけるツェナ・ダイオード４を１つ接続して構成することもできるし、複数本を直列接続して構成することもできる。さらに、ツェナ・ダイオード４にコンデンサを並列接続させてノイズを除去するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、特別な温度補償回路を別途設けずに低コストで製造でき、装置の大型化や消費電力の増加を抑制しつつ、広い周囲温度範囲で安定的に一定電流を供給することができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る定電流回路の一実施形態を示す回路図である。
【図２】 本実施形態において、キャパシタの静電容量および抵抗体の抵抗値を変化させて周囲温度に対する出力電流値を測定した結果を示す図である。
【図３】 図２中の試験番号１および試験番号３をプロットしたグラフである。
【図４】 本発明に係る定電流回路の他の実施形態を示す回路図である。
【図５】 従来の定電流回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 定電流回路
２ 第１入力端子
３ 電界効果トランジスタ
４ 定電圧素子（ツェナ・ダイオード）
５ 第２入力端子
６ 電流検知部
７ 電圧制御部
８ 出力端子
９ 容量性インピーダンス
Ｃｘ キャパシタ
Ｇ 回路グランド
ＩＣ１，ＩＣ２ コレクタ電流
ＩＢ１，ＩＢ２ ベース電流
Ｒ１ 第１抵抗体
Ｒ２ 第２抵抗体
Ｒ３ 第３抵抗体
Ｒｘ 抵抗体
Ｔｒ１ 第１トランジスタ
Ｔｒ２ 第２トランジスタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、定電流を供給するための定電流回路に関し、特に、周囲の温度が変化しても安定的に定電流を供給するのに好適な定電流回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、定電流回路は、キャパシタや二次電池の充電用の電源や発光ダイオードを駆動するための電源、あるいは太陽電池にキャパシタや二次電池を組み合わせたソーラー電池を充電するための電源として用いられている。このような定電流回路は、一般にトランジスタや定電流ダイオード等の半導体素子を組み合わせて定電流特性を発揮するように構成されている。
【０００３】
図５に、そのような従来の定電流回路の一例を示す。従来の定電流回路１１は、直流電圧が印加される第１入力端子２にエミッタが接続されていると共にコレクタが出力端子８に接続した第１トランジスタＴｒ１と、この第１トランジスタＴｒ１のベースにコレクタが接続されていると共にエミッタが定電圧素子４を介して回路グランドＧに接続されている第２トランジスタＴｒ２と、前記第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知して前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を制御して当該第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を定電流に制御する電圧制御部７とを有している。
【０００４】
前記第１トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとの間には、電界効果トランジスタ３が接続されており、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１のリップルを低減するようになっている。
【０００５】
また、前記第２トランジスタＴｒ２は、第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１を制御するものである。このため、前記第１トランジスタＴｒ１のベースと前記第２トランジスタＴｒ２のコレクタとの間には、第１抵抗体Ｒ１が挿入されており、前記ベース電流ＩＢ１の最大値を規定することで第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１、すなわち、出力電流の最大値を規定するようになっている。そして、前記第１抵抗体Ｒ１の抵抗値は、前記第１トランジスタＴｒ１が過電流で破損しないように選択される。
【０００６】
前記第２トランジスタＴｒ２のエミッタと回路グランドＧ間に挿入された定電圧素子４は、ツェナ・ダイオード等により構成されており、前記エミッタに基準電位を与えるようになっている。これにより、周囲温度の変化に対してベースとエミッタ間の電圧ＶＢＥを一定に保つことができる。
【０００７】
また、第２トランジスタＴｒ２のベースは、直列接続された第２抵抗体Ｒ２および第３抵抗体Ｒ３の間の接続点と連結されている。これらの第２抵抗体Ｒ２および第３抵抗体Ｒ３は、第２入力端子５と回路グランドＧ間に挿入されて第２入力端子５に印加される直流電圧を分圧している。これにより、ツェナ・ダイオード４のツェナ電圧Ｖｚにベース・エミッタ電圧ＶＢＥを加えた電圧が決定されて、ベース電圧ＶＢ２が所定の電圧値に設定される。
【０００８】
一方、電圧制御部７には、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知する電流検知部６が接続されている。この電流検知部６は、第１トランジスタＴｒ１のコレクタと出力端子８との間に配置されて、検出結果を前記電圧制御部７に出力するようになっている。そして、電圧制御部７は、電流検知部６からコレクタ電流ＩＣ１の検出結果を受けて、仮に、その電流値が所定の設定値と比較して低下あるいは上昇している場合、第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を上下動するようになっている。このフィードバック制御により、第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２が制御されて第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１が制御されるため、最終的に出力電流であるコレクタ電流ＩＣ１が微調整されるようになっている。
【０００９】
次に、従来の定電流回路１１の動作を説明する。
【００１０】
この定電流回路１１は、第１トランジスタＴｒ１のエミッタに直流電圧が印加されると、コレクタおよびベースからそれぞれコレクタ電流ＩＣ１およびベース電流ＩＢ１が出力される。前記コレクタ電流ＩＣ１は、出力端子８から出力電流として出力される。前記コレクタ電流ＩＣ１は、トランジスタの静特性に従って前記ベース電流ＩＢ１に比例して定まり、このベース電流ＩＢ１は、第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２に比例して定まる。また、その第２トランジスタＴｒ２のコレクタ電流ＩＣ２は、トランジスタの静特性に従って第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２に比例して定まる。したがって、定電流回路１１では、第２トランジスタＴｒ２のベース電圧ＶＢ２を制御することにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２が定まり、これにより、コレクタ電流ＩＣ２が規定されて第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１が制御される結果、最終的に出力電流であるコレクタ電流ＩＣ１が規定される。
【００１１】
そして、例えば、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１が減少すると、これを電流検知部６が検知して電圧制御部７に出力する。電圧制御部７では、電流検知部６により検知された電流値ＩＣ１に応じてその減少分を補償するように第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を増加する。これにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２、コレクタ電流ＩＣ２、および第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１がそれぞれ増加し、最終的に第１トランジスタＴｒ１におけるコレクタ電流ＩＣ１の低下分を補って出力端子から定電流が出力される。また、同様にして、仮に第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１が増加した場合、これを電流検知部６が検知して電圧制御部７に出力する。電圧制御部７は、コレクタ電流ＩＣ１の増加分を補償するように第２トランジスタＴｒ２のベース電位ＶＢ２を減少する。これにより、第２トランジスタＴｒ２のベース電流ＩＢ２、コレクタ電流ＩＣ２、および第１トランジスタＴｒ１のベース電流ＩＢ１がそれぞれ減少し、最終的に第１トランジスタＴｒ１におけるコレクタ電流ＩＣ１の増加分を打ち消して出力端子から定電流が出力される。
【００１２】
しかしながら、定電流回路１１に使用されるトランジスタ等の半導体素子は、温度依存性を有しており、周囲温度の影響を受けやすい。例えば、トランジスタの場合、ベースとエミッタ間の電圧ＶＢＥは、温度に対して負の相関を有しており、温度変化１℃あたり約−２ｍＶ変動する。したがって、このような半導体素子から構成される定電流回路１１は、周囲温度の影響を受けやすく、その温度変化に伴って出力電流が安定しなくなる。このため、従来の定電流回路１１では、使用可能な温度範囲が限定されてしまい、寒冷地で使用したり、直射日光のあたる密閉された環境で使用することができない。
【００１３】
このような問題を解決するために、従来、温度補償回路を備えた定電流回路がいくつか提案されている。例えば、特開平６−４５６７４号公報には、温度変化に対して光出力を一定にするための温度補償回路つきレーザーダイオード駆動回路が提案されている（特許文献１参照）。この温度補償回路つきレーザーダイオード駆動回路は、第１の可変抵抗と、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）と、第２の可変抵抗とを直列に接続し、これをレーザーダイオードおよびトランジスタに対して並列に接続している。そして、ＦＥＴと第２の可変抵抗により定電流回路を構成して温度変化に対応する回路電流を設定し、第１の可変抵抗によりトランジスタのベース電圧に変換し、レーザーダイオードの光出力を一定にする順方向電流をトランジスタから供給するようになっている。これにより、温度が変化しても各可変抵抗を制御してレーザーダイオードから一定の光出力を取り出すことができるとされている。
【００１４】
また、特開２０００−２０１０７３号公報には、温度の変化によって生じるパフォーマンスの変化を補償して安定した電流を供給するための定電流源回路が提案されている（特許文献２参照）。この定電流源回路は、負の温度係数を有する第１の電流源と、正の温度係数を有する第２の電流源とがミキサーに接続されている。そして、このミキサーが各電流源からの電流を所望の割合で混合するようになっている。これにより、温度の変化に伴って各電流源の電流量が互いに増加および減少しても、それを一定の値となるように混合することにより安定した電流を供給することができるとされる。
【００１５】
【特許文献１】
特開平６−４５６７４号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０１０７３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した各公報に記載された温度補償技術では、製造コストが増し、装置全体が大きくなってしまうし、消費電力が増加するという欠点がある。さらに、回路定数の許容範囲が狭く、調整が簡便ではないという問題もある。
【００１７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、特別な温度補償回路を別途設けることなく、低コストで製造でき、装置の大型化や消費電力の増加を抑制しつつ、広い周囲温度範囲で安定的に一定電流を供給することが可能な定電流回路を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る定電流回路の特徴は、エミッタが入力端子に接続されると共にコレクタが出力端子に接続された第１トランジスタと、この第１トランジスタのベースにコレクタが接続されると共にエミッタが定電圧素子を介して回路グランドに接続された第２トランジスタと、前記第１トランジスタのコレクタ電流を検知して前記第２トランジスタのベース電位を制御して当該第１トランジスタのコレクタ電流を定電流に制御する電圧制御手段とを備えた定電流回路であって、前記第２トランジスタのベースと回路グランドとの間に接続されたキャパシタが１．５μＦ以上の静電容量を備えているか、あるいは、そのキャパシタに並列接続された５ｋΩ以上の抵抗体を備え、前記キャパシタは、１．５μＦ以上４７０μＦ以下の静電容量を有する点にある。
【００１９】
このようにバイアス回路に接続させたキャパシタを所定の静電容量に設定し、あるいは抵抗体とキャパシタとを並列接続させた容量性インピーダンスを所定の抵抗値及び静電容量に設定することにより、第２トランジスタのベース電位の温度依存性が低減され、−５０℃〜８０℃という広い温度範囲で第１トランジスタから一定の電流を安定的に出力させられる。なお、キャパシタの静電容量が１．５μＦ以上４７０μＦを越えると電圧制御手段が発振してしまい定電流制御回路として機能しない。また、前記キャパシタに並列接続する抵抗体の抵抗値が５ｋΩ未満では、前記キャパシタの効果が低減されて出力電流の温度依存性が増大してしまう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る定電流回路の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は本実施形態の定電流回路１を示す回路図である。なお、本実施形態の各構成のうち、前述した従来の定電流回路１１の構成と同一若しくは相当する構成については同一の符号を付して再度の詳しい説明を省略する。
【００２１】
本実施形態の定電流回路１は、エミッタが第１入力端子２に接続されると共にコレクタが出力端子８に接続された第１トランジスタＴｒ１と、この第１トランジスタＴｒ１のベースにコレクタが接続されると共にエミッタがツェナ・ダイオード等で構成される定電圧素子４を介して回路グランドＧに接続された第２トランジスタＴｒ２と、前記第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を検知して前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を制御して当該第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を定電流に制御する電圧制御部７とを有している。また、前記第１トランジスタＴｒ１のエミッタとベースとの間には、リップルを低減するための電界効果トランジスタ３が接続されている。さらに、前記第１トランジスタＴｒ１のベースと前記第２トランジスタＴｒ２のコレクタとの間には、前記第１トランジスタＴｒ１の最大ベース電流を決めて過電流が流れないようにするための第１抵抗体Ｒ１が挿入されている。なお、前記電界効果トランジスタ３の代わりに抵抗体を接続するようにしてもよい。
【００２２】
そして、本実施形態の定電流回路１では、前記第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に、所定の静電容量を有するキャパシタＣｘと所定の抵抗値を有する抵抗体Ｒｘとを並列接続させた容量性インピーダンス９が接続されている。また、この容量性インピーダンス９は、第２入力端子５と回路グランドＧとの間において、第２抵抗体Ｒ２に直列接続されており、その接続点に第２トランジスタＴｒ２のベースが連結されている。前記容量性インピーダンス９は、抵抗体Ｒｘにより第２トランジスタＴｒ２のベース電位を規定しているとともに、キャパシタＣｘを所定の静電容量に設定することにより、前記ベース電位の温度依存性を低減するようになっている。なお、前記キャパシタＣｘは、例えば、セラミックコンデンサ、電解コンデンサ、マイカコンデンサ、ポリエステル・フィルムコンデンサをはじめ種々のキャパシタを使用することができる。また、前記抵抗体Ｒｘは、炭素体抵抗器、炭素皮膜抵抗器、金属酸化物皮膜抵抗器、金属薄膜抵抗器をはじめ種々の抵抗体を用いることができる。
【００２３】
また、第２トランジスタＴｒ２のベースには、このベース電位を制御するためのＯＰアンプ等で構成された電圧制御部７が接続されており、さらに、その電圧制御部７には、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１の電流値を検出するためのカレントトランスや差動増幅器等で構成された電流検知部６が接続されている。
【００２４】
そして、本実施形態の定電流回路１では、第２トランジスタＴｒ２のベース電位を規定することにより、第１トランジスタＴｒ１のコレクタ電流ＩＣ１を規定しており、もし、このコレクタ電流ＩＣ１が設定値よりも増加または減少した場合、電流検知部６によって検知され、電圧制御部７が前記第２トランジスタＴｒ２のベース電位を減少または増加して出力電流を一定に制御する。
【００２５】
つぎに、前述した本実施形態における容量性インピーダンスについて、第２トランジスタの温度依存性の影響を回避し得る抵抗体Ｒｘの抵抗値とキャパシタＣｘの静電容量との組み合わせを求める実験を行った。実験では、抵抗値の異なる抵抗体Ｒｘと静電容量の異なるキャパシタＣｘとを各種用意し、それらの組み合わせを変えて周囲温度の変化に対する出力電流を検出した。
【００２６】
ここで、抵抗体Ｒｘの種類は、抵抗値が１ｋΩ、５ｋΩ、１０ｋΩ、１００ｋΩ、１０００ｋΩのものを使用し、キャパシタの種類は、静電容量が０．１μＦ、１．５μＦ、１０μＦ、４７０μＦ、１０００μＦのものを使用した。そして、定電流回路１を発泡スチロールで断熱させた筐体に入れて周囲温度を−５０℃〜８０℃へと変化させた。そして、図２に示すように、抵抗体Ｒｘの抵抗値とキャパシタＣｘの静電容量を各種組み合わせて結果を求めた。なお、試験番号１は、比較試験として従来の定電流回路１１による結果である。
【００２７】
図２の実験結果によれば、試験番号１は、１０ｋΩの抵抗体Ｒｘのみを単独で接続させたものであるが、温度依存性が強く現れてしまい、−１０℃の段階で出力電流値は半分に低下し、−５０℃および８０℃では出力電流値が検出できなかった。
【００２８】
つぎに、試験番号２から試験番号６では、好適な静電容量を決定するために、抵抗体Ｒｘの抵抗値を５ｋΩに固定し、静電容量を０．１μＦ〜１０００μＦへと変動させた。この結果、静電容量が０．１μＦ（試験番号２）および１０００μＦ（試験番号６）の場合、電圧制御部７が発振して定電流制御を行わなくなってしまった。一方、静電容量が１．５μＦ（試験番号３）、１０μＦ（試験番号４）および４７０μＦ（試験番号５）の場合、−５０℃〜８０℃の広い温度範囲で出力電流値はほぼ一定値を示した。図３に試験番号１と試験番号３のときの出力電流値と周囲温度の関係を示す。このように従来の定電流回路１１に比べて顕著な改善が認められた。なお、使用したデジタル温度計の性能上、−５０℃以下は温度を測定できなかったが、筐体内をそのまま温度低下させて出力電流値を測定したところ、急激な降下は認められず、おそらく−７０℃程度までは実用可能であると予測される。
【００２９】
つぎに、試験番号２から試験番号６の結果を踏まえ、キャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦに固定し、抵抗値を１ｋΩ〜１０００ｋΩへと変動させた。この結果、抵抗値が１ｋΩ（試験番号７）の場合、温度依存性が強く現れてしまい、−１０℃の段階で出力電流値はほぼ半分に低下し、−５０℃および８０℃では出力電流値が検出できなかった。一方、抵抗値が５ｋΩ（試験番号８）、１００ｋΩ（試験番号９）および１０００ｋΩ（試験番号１０）の場合、いずれの試験においても−５０℃〜８０℃の広い温度範囲において出力電流値がほぼ一定値を示した。さらに、抵抗体を開放させて、図４に示すように、１．５μＦのキャパシタＣｘを単独で接続したところ（試験番号１１）、同様に、−５０℃〜８０℃の温度範囲において出力電流値は一定であった。なお、試験番号３と試験番号８は、同じ抵抗値および静電容量であるが、使用する抵抗体ＲｘとキャパシタＣｘが異なるため、出力電流値に差異が生じている。このように個々の製品によって出力電流値に誤差が存在する。
【００３０】
以上の試験結果より、少なくとも、第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に接続されたキャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦ以上に設定するか、あるいは、前記キャパシタＣｘと抵抗体Ｒｘとを並列接続させて、当該抵抗体Ｒｘの抵抗値を５ｋΩ以上に設定すると共に当該キャパシタＣｘの静電容量を１．５μＦ以上４７０μＦ以下に設定した場合、第２トランジスタＴｒ２のベース電位の温度依存性を著しく低減させることができ、−５０℃〜８０℃という広い温度範囲において安定した電流を供給できることが明らかになった。
【００３１】
したがって、本実施形態の定電流回路１によれば、特別な温度補償回路を別途設けなくても、第２トランジスタＴｒ２のベースと回路グランドＧとの間に、所定のキャパシタＣｘを接続させるか、若しくは並列接続させたキャパシタＣｘと抵抗体Ｒｘとから構成される容量性インピーダンス９を備えるだけで、広い温度範囲で安定した電流を出力できる。また、容量性インピーダンス９は、キャパシタＣｘおよび抵抗体Ｒｘのみによって構成されるので、極めて低コストで製造でき、装置全体の大型化や消費電力の増加を抑制することができる。
【００３２】
なお、本発明に係る定電流回路１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００３３】
例えば、本実施形態におけるツェナ・ダイオード４を１つ接続して構成することもできるし、複数本を直列接続して構成することもできる。さらに、ツェナ・ダイオード４にコンデンサを並列接続させてノイズを除去するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、特別な温度補償回路を別途設けずに低コストで製造でき、装置の大型化や消費電力の増加を抑制しつつ、広い周囲温度範囲で安定的に一定電流を供給することができる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る定電流回路の一実施形態を示す回路図である。
【図２】 本実施形態において、キャパシタの静電容量および抵抗体の抵抗値を変化させて周囲温度に対する出力電流値を測定した結果を示す図である。
【図３】 図２中の試験番号１および試験番号３をプロットしたグラフである。
【図４】 本発明に係る定電流回路の他の実施形態を示す回路図である。
【図５】 従来の定電流回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 定電流回路
２ 第１入力端子
３ 電界効果トランジスタ
４ 定電圧素子（ツェナ・ダイオード）
５ 第２入力端子
６ 電流検知部
７ 電圧制御部
８ 出力端子
９ 容量性インピーダンス
Ｃｘ キャパシタ
Ｇ 回路グランド
ＩＣ１，ＩＣ２ コレクタ電流
ＩＢ１，ＩＢ２ ベース電流
Ｒ１ 第１抵抗体
Ｒ２ 第２抵抗体
Ｒ３ 第３抵抗体
Ｒｘ 抵抗体
Ｔｒ１ 第１トランジスタ
Ｔｒ２ 第２トランジスタ
Claims (2)
- エミッタが入力端子に接続されると共にコレクタが出力端子に接続された第１トランジスタと、この第１トランジスタのベースにコレクタが接続されると共にエミッタが定電圧素子を介して回路グランドに接続された第２トランジスタと、前記第１トランジスタのコレクタ電流を検知して前記第２トランジスタのベース電位を制御して当該第１トランジスタのコレクタ電流を定電流に制御する電圧制御手段とを備えた定電流回路であって、
前記第２トランジスタのベースと回路グランドとの間に接続されたキャパシタが１．５μＦ以上４７０μＦ以下の静電容量を備えていることを特徴とする定電流回路。 - 前記キャパシタに並列接続された５ｋΩ以上の抵抗体を備えることを特徴とする請求項１記載の定電流回路。
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