JP5405375B2 - 定電流電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、定電流電源装置に関する。
従来より、定電流を出力する電源として、定電流電源装置がある。この定電流電源装置は、例えば、発光ダイオードを点灯させるために用いられる(例えば、特許文献1参照)。
[定電流電源装置100の構成]
図3は、従来例に係る定電流電源装置100の回路図である。定電流電源装置100は、定電圧電源110、定電流回路120、および抵抗Rを備え、直列接続された複数の発光ダイオードLED1〜LEDn(nは、n≧3を満たす整数)に定電流を供給する。
図3は、従来例に係る定電流電源装置100の回路図である。定電流電源装置100は、定電圧電源110、定電流回路120、および抵抗Rを備え、直列接続された複数の発光ダイオードLED1〜LEDn(nは、n≧3を満たす整数)に定電流を供給する。
定電流回路120は、制御部121と、キャパシタC1、C2と、NチャネルMOSFETで構成されるスイッチ素子Qと、ダイオードDと、インダクタLと、を備える。
定電圧電源110は、第1端子から、第2端子を基準として予め定められた電圧を出力する。この定電圧電源110の第1端子には、定電流回路120の入力端子INを介して、キャパシタC1の一方の電極と、スイッチ素子Qのドレインと、が接続される。
スイッチ素子Qのゲートには、制御部121が接続され、スイッチ素子Qのソースには、ダイオードDのカソードと、インダクタLの一端と、が接続される。インダクタLの他端には、キャパシタC2の一方の電極が接続されるとともに、定電流回路120の出力端子OUTを介して、発光ダイオードLED1のアノードが接続される。ダイオードLEDnのカソードには、抵抗Rの一端と、制御部121と、が接続される。
定電圧電源110の第2端子には、キャパシタC1の他方の電極と、制御部121と、ダイオードDのアノードと、キャパシタC2の他方の電極と、抵抗Rの他端と、が接続される。
[定電流電源装置100の動作]
以上の構成を備える定電流電源装置100は、制御部121により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
以上の構成を備える定電流電源装置100は、制御部121により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
スイッチ素子Qがオン状態の期間では、定電圧電源110の第1端子から出力された電圧がキャパシタC1で平滑された後、インダクタLおよびキャパシタC2で構成される平滑回路で平滑され、発光ダイオードLED1〜LEDnに印加される。そして、発光ダイオードLED1〜LEDnに印加された電圧が、これら発光ダイオードLED1〜LEDnのそれぞれの順方向電圧の総和以上であれば、発光ダイオードLED1〜LEDnに電流が流れる。
発光ダイオードLED1〜LEDnに電流が流れると、インダクタLにも電流が流れ、インダクタLにエネルギーが蓄えられることとなる。
発光ダイオードLED1〜LEDnに流れた電流は、抵抗Rを流れる。すると、抵抗Rの両端には、自身に流れる電流に比例した電圧が生じる。すなわち、発光ダイオードLED1〜LEDnに電流が流れると、この電流に応じた電圧が抵抗Rの両端に生じる。制御部121は、抵抗Rの両端電圧を測定して、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出する。
一方、スイッチ素子Qがオフ状態の期間では、インダクタLに蓄えられているエネルギーにより、インダクタL、発光ダイオードLED1〜LEDn、抵抗R、ダイオードDの順に電流が流れる。
上述の定電流電源装置100のような従来の定電流電源装置では、効率の向上が要請されていた。
上述の課題を鑑み、本発明は、定電流電源装置の効率を向上させることを目的とする。
本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
(1) 本発明は、直流電力を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、前記定電流回路に入力される電圧と、当該定電流回路から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記定電流回路から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
(1) 本発明は、直流電力を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、前記定電流回路に入力される電圧と、当該定電流回路から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記定電流回路から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
この発明によれば、比較手段により、定電流回路に入力される電圧と、定電流回路から出力される電圧と、を比較し、直流電源により、比較手段による比較結果に基づいて、定電流回路から出力される電圧を下限として、定電流回路に入力される電圧を低下させることとした。ここで、定電流回路から出力される電圧を下限として定電流回路に入力される電圧を低下させるとは、定電流回路に入力される電圧を低下させていったときの最小値が、定電流回路から出力される電圧に等しいということである。このため、定電流回路に入力される電圧が、定電流回路から出力される電圧に近づくことになるので、定電流回路での損失が小さくなる。したがって、定電流電源装置の効率を向上させることができる。
(2) 本発明は、直流電力を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、前記定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力する電圧加算手段と、前記定電流回路に入力される電圧と、前記電圧加算手段から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記電圧加算手段から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
この発明によれば、電圧加算手段により、定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力し、比較手段により、定電流回路に入力される電圧と、電圧加算手段から出力される電圧と、を比較することとした。そして、直流電源により、比較手段による比較結果に基づいて、電圧加算手段から出力される電圧を下限として、定電流回路に入力される電圧を低下させることとした。ここで、電圧加算手段から出力される電圧を下限として定電流回路に入力される電圧を低下させるとは、定電流回路に入力される電圧を低下させていったときの最小値が、電圧加算手段から出力される電圧に等しいということである。このため、定電流回路に入力される電圧が、定電流回路から出力される電圧に予め定められた電圧を足し合わせたものに近づくことになる。したがって、上述の予め定められた電圧を、定電流回路の特性や、定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流などに応じて設定することで、定電流回路に入力される電圧と、定電流回路から出力される電圧と、の差分を最適化することができ、定電流電源装置の効率を向上させることができる。
(3) 本発明は、(2)の定電流電源装置について、前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定されることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
この発明によれば、(2)の定電流電源装置において、定電流回路の特性に応じて、上述の予め定められた電圧を設定することとした。このため、定電流回路の特性を考慮した上で、直流電源から出力される電圧を制御することができる。
(4) 本発明は、(2)の定電流電源装置について、前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて調整したものであることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
この発明によれば、(2)の定電流電源装置において、定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、負荷を流れる電流に応じて調整して、上述の予め定められた電圧とした。このため、定電流回路の特性と、負荷を流れる電流と、を考慮した上で、直流電源から出力される電圧を制御することができる。
(5) 本発明は、(1)〜(4)のいずれかの定電流電源装置について、前記定電流回路は、降圧チョッパ回路を備え、前記降圧チョッパ回路は、入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、前記直流電源と前記平滑手段とを断続するスイッチ素子と、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする定電流電源装置を提案している。
この発明によれば、(1)〜(4)のいずれかの定電流電源装置において、定電流回路に降圧チョッパ回路を設けた。そして、この降圧チョッパ回路に、入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、直流電源と平滑手段とを断続するスイッチ素子と、負荷を流れる電流に応じてスイッチ素子を制御する制御手段と、を設けた。
ここで、スイッチ素子のオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路から出力される電圧や、定電流回路から出力される電圧に予め定められた電圧を足し合わせたものが、直流電源から出力される電圧、すなわち定電流回路に入力される電圧に近くなる。そして、スイッチ素子のオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路を流れる電流に含まれるリプルが小さくなる。このため、平滑回路を小型化することができ、定電流電源装置を小型化することができる。
また、上述のように、定電流回路を流れる電流に含まれるリプルが小さくなるので、定電流回路における損失が低減される。このため、定電流電源装置における損失を低減でき、定電流電源装置の効率をさらに向上させることができる。
本発明によれば、定電流電源装置の効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
<第1実施形態>
[定電流電源装置1の構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る定電流電源装置1の回路図である。定電流電源装置1は、図3に示した従来例に係る定電流電源装置100とは、定電圧電源110の代わりに直流電源としての定電圧電源10を備える点と、比較手段としての制御信号生成部30を備える点と、が異なる。なお、定電流電源装置1において、定電流電源装置100と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
[定電流電源装置1の構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係る定電流電源装置1の回路図である。定電流電源装置1は、図3に示した従来例に係る定電流電源装置100とは、定電圧電源110の代わりに直流電源としての定電圧電源10を備える点と、比較手段としての制御信号生成部30を備える点と、が異なる。なお、定電流電源装置1において、定電流電源装置100と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
制御信号生成部30には、いわゆる降圧チョッパ回路を形成する定電流回路120の入力端子INと、この定電流回路120の出力端子OUTと、定電圧電源10と、が接続される。
[定電流電源装置1の動作]
以上の構成を備える定電流電源装置1は、定電流電源装置100と同様に、制御手段としての制御部121により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
以上の構成を備える定電流電源装置1は、定電流電源装置100と同様に、制御手段としての制御部121により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
さらに、定電流電源装置1は、定電圧電源10および制御信号生成部30により、出力端子OUTの電圧Voutを下限として、入力端子INの電圧Vinを低下させる。なお、電圧Voutを下限として電圧Vinを低下させるとは、電圧Vinを低下させていったときの最小値が、電圧Voutに等しいということである。
具体的には、まず、制御信号生成部30により、入力端子INの電圧Vinと、出力端子OUTの電圧Voutと、を比較して、比較結果に応じた電圧制御信号を定電圧電源10に送信する。次に、定電圧電源10により、出力する電圧を電圧制御信号に応じて制御して、電圧Vinが電圧Voutより高ければ、出力する電圧を低下させる。これによれば、電圧Vinが電圧Voutに近づくことになり、定電流回路120に入力される電圧が、定電流回路120から出力される電圧に近づくことになる。
以上の定電流電源装置1によれば、以下の効果を奏することができる。
定電流電源装置1は、定電圧電源10および制御信号生成部30により、出力端子OUTの電圧Voutを下限として、入力端子INの電圧Vinを低下させる。これによれば、定電流回路120に入力される電圧が、定電流回路120から出力される電圧に近づくことになるので、定電流回路120での損失が小さくなる。このため、定電流電源装置1の効率を向上させることができる。
また、出力端子OUTの電圧Voutは、スイッチ素子Qのオンデューティが大きくなるに従って、入力端子INの電圧Vinに近くなる。このため、定電流電源装置1は、入力端子INの電圧Vinを、出力端子OUTの電圧Voutに近づけるために、スイッチ素子Qのオンデューティを大きくする。ここで、スイッチ素子Qのオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路120を流れる電流に含まれるリプルが小さくなる。したがって、平滑手段としての平滑回路を構成するインダクタLおよびキャパシタC2について、インダクタLのインダクタンスを小さくしたり、キャパシタC2の容量を小さくしたりすることができる。これによれば、インダクタLやキャパシタC2を小型化することができるので、定電流電源装置1を小型化できる。なお、本実施形態では、入力端子INの電圧Vinは、スイッチ素子Qのオンデューティが100%の場合に、出力端子OUTの電圧Voutに等しくなるものとする。
また、定電流電源装置1は、上述のように、入力端子INの電圧Vinを、出力端子OUTの電圧Voutに近づけるために、スイッチ素子Qのオンデューティを大きくする。スイッチ素子Qのオンデューティが大きくなるに従って、定電流回路120を流れる電流に含まれるリプルが小さくなるので、定電流回路120における損失が低減される。このため、定電流電源装置1における損失を低減でき、定電流電源装置1の効率をさらに向上させることができる。
また、スイッチ素子Qがオフ状態の期間では、ダイオードDに電流が流れ、ダイオードDで損失が発生してしまう。ところが、定電流電源装置1は、上述のように、入力端子INの電圧Vinを、出力端子OUTの電圧Voutに近づけるために、スイッチ素子Qのオンデューティを大きくする。このため、スイッチ素子Qがオフ状態の期間が短縮されるので、ダイオードDにおける損失が低減し、定電流電源装置1における損失をさらに低減できる。
<第2実施形態>
[定電流電源装置1Aの構成]
図2は、本発明の第2実施形態に係る定電流電源装置1Aの回路図である。定電流電源装置1Aは、図1に示した本発明の第1実施形態に係る定電流電源装置1とは、定電流回路120の代わりに定電流回路20を備える点と、電圧加算手段としての可変電圧源VREFを備える点と、が異なる。また、入力端子INの電圧Vinが出力端子OUTの電圧Voutに等しくなるのは、定電流電源装置1においては、スイッチ素子Qのオンデューティが100%の場合であったのに対して、定電流電源装置1Aにおいては、スイッチ素子QのオンデューティがX%(Xは、0≦X≦100を満たす値)の場合である点が異なる。なお、定電流電源装置1Aにおいて、定電流電源装置1と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
[定電流電源装置1Aの構成]
図2は、本発明の第2実施形態に係る定電流電源装置1Aの回路図である。定電流電源装置1Aは、図1に示した本発明の第1実施形態に係る定電流電源装置1とは、定電流回路120の代わりに定電流回路20を備える点と、電圧加算手段としての可変電圧源VREFを備える点と、が異なる。また、入力端子INの電圧Vinが出力端子OUTの電圧Voutに等しくなるのは、定電流電源装置1においては、スイッチ素子Qのオンデューティが100%の場合であったのに対して、定電流電源装置1Aにおいては、スイッチ素子QのオンデューティがX%(Xは、0≦X≦100を満たす値)の場合である点が異なる。なお、定電流電源装置1Aにおいて、定電流電源装置1と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略する。
定電流回路20は、定電流回路120とは、制御部121の代わりに制御部21を備える点が異なる。この制御部21は、スイッチ素子Qのドレインと、抵抗Rの両端と、に接続されるとともに、可変電圧源VREFの制御端子に接続される。
可変電圧源VREFの負極には、定電流回路20の出力端子OUTが接続され、可変電圧源VREFの正極には、制御信号生成部30が接続される。この制御信号生成部30には、定電流回路20の入力端子INと、定電圧電源10と、が接続される。
[定電流電源装置1Aの動作]
以上の構成を備える定電流電源装置1Aは、定電流電源装置1と同様に、制御部21により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
以上の構成を備える定電流電源装置1Aは、定電流電源装置1と同様に、制御部21により、発光ダイオードLED1〜LEDnに流れる電流を検出し、検出結果に応じてスイッチ素子QをPWM制御する。
さらに、定電流電源装置1Aは、定電圧電源10、制御部21、制御信号生成部30、および可変電圧源VREFにより、出力端子OUTの電圧Voutと可変電圧源VREFの電源電圧Vrefとの和Vsumを下限として、入力端子INの電圧Vinを低下させる。なお、電圧Vsumを下限として電圧Vinを低下させるとは、電圧Vinを低下させていったときの最小値が、電圧Vsumに等しいということである。
具体的には、まず、制御信号生成部30により、入力端子INの電圧Vinと、出力端子OUTの電圧Voutと可変電圧源VREFの電源電圧Vrefとの和Vsumと、を比較して、比較結果に応じた電圧制御信号を定電圧電源10に供給する。次に、定電圧電源10により、出力する電圧を電圧制御信号に応じて制御して、電圧Vinが電圧Vsumより高ければ、出力する電圧を低下させる。これによれば、電圧Vinが電圧Vsumに近づくことになり、定電流回路20に入力される電圧が、定電流回路20から出力される電圧に可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを足し合わせたものに近づくことになる。
なお、可変電圧源VREFの電源電圧Vrefは、定電流回路20の特性に応じて設定され、発光ダイオードLED1〜LEDnを流れる電流に応じて調整される。
具体的には、例えば定電流回路20で消費される電力といった、定電流回路20の特性に応じて、可変電圧源VREFの電源電圧Vrefの初期値を設定し、制御部21に記憶させる。定電流電源装置1Aは、可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを、基本的には制御部21に記憶されている初期値に等しくする。
ただし、定電流電源装置1Aは、制御部21により、発光ダイオードLED1〜LEDnを流れる電流が減少するに従って、可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを上昇させる。これによれば、発光ダイオードLED1〜LEDnを流れる電流が減少するに従って、定電流回路20から出力される電圧に可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを足し合わせたものが上昇し、その結果、定電流回路20に入力される電圧が上昇することとなる。
以上の定電流電源装置1Aによれば、定電流電源装置1が奏することのできる上述の効果に加えて、以下の効果を奏することができる。
定電流電源装置1Aは、定電流回路20の特性に応じて設定された可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを、定電流回路20から出力される電圧に足し合わせ、足し合わせた電圧を下限として、定電流回路20に入力される電圧を低下させる。このため、定電流回路20の特性を考慮した上で、定電圧電源10の出力を制御することができる。
また、定電流電源装置1Aは、制御部21により、発光ダイオードLED1〜LEDnを流れる電流に応じて、可変電圧源VREFの電源電圧Vrefを調整する。このため、発光ダイオードLED1〜LEDnを実際に流れている電流を考慮した上で、定電圧電源10の出力を制御することができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、上述の各実施形態では、定電流回路20、120に、いわゆる降圧チョッパ回路を用いたが、これに限らず、例えば昇圧チョッパ回路やドロッパ方式の電源回路を用いてもよい。
また、上述の各実施形態では、負荷として発光ダイオードLED1〜LEDnを用いたが、これに限らず、負荷として、例えばモータを用いてもよい。
1、1A、100;定電流電源装置
10、110;定電圧電源
20、120;定電流回路
21;121;制御部
30;制御信号生成部
C1、C2;キャパシタ
L;インダクタ
Q;スイッチ素子
VREF;可変電圧源
10、110;定電圧電源
20、120;定電流回路
21;121;制御部
30;制御信号生成部
C1、C2;キャパシタ
L;インダクタ
Q;スイッチ素子
VREF;可変電圧源
Claims (5)
- 直流電力を出力する直流電源と、
前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、
前記定電流回路に入力される電圧と、当該定電流回路から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、
前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記定電流回路から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置。 - 直流電力を出力する直流電源と、
前記直流電源から出力される直流電力を入力として、入力される電圧によらず予め定められた電流を出力する定電流回路と、
前記定電流回路から出力される電圧に、予め定められた電圧を足し合わせて出力する電圧加算手段と、
前記定電流回路に入力される電圧と、前記電圧加算手段から出力される電圧と、を比較する比較手段と、を備え、
前記直流電源は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記電圧加算手段から出力される電圧を下限として、出力する電圧を低下させることを特徴とする定電流電源装置。 - 前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定されることを特徴とする請求項2に記載の定電流電源装置。
- 前記予め定められた電圧は、前記定電流回路の特性に応じて設定される電圧を、前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて調整したものであることを特徴とする請求項2に記載の定電流電源装置。
- 前記定電流回路は、降圧チョッパ回路を備え、
前記降圧チョッパ回路は、
入力された電流を平滑して定電流回路から出力する平滑手段と、
前記直流電源と前記平滑手段とを断続するスイッチ素子と、
前記定電流回路から出力された後に負荷を流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の定電流電源装置。
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