TWI592781B - 電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置 - Google Patents

Description

電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置

本案係關於一種電壓控制電路，尤指一種可節省成本、且可進行定電流輸出之控制，並提升使用壽命之電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置。

近年來由於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)製造技術的突破，使得發光二極體的發光亮度及發光效率大幅提升，因而使得發光二極體逐漸取代傳統的燈管而成為新的照明元件，廣泛地應用於例如家用照明裝置、汽車照明裝置、手持照明裝置、液晶面板背光源、交通號誌指示燈、指示看板等照明應用。

發光二極體之特性為藉由接收穩定之電流而產生穩定之亮度，然而當發光二極體於某些情況下，例如提供給發光二極體之電壓變大等，而導致發光二極體所接收之電流對應變大時，將造成發光二極體亮度不穩定且容易損壞，故當發光二極體應用於照明裝置時，往往利用一定電流驅動裝置在發光二極體所接收之電流變大時將該電流固定或限制在某一特定範圍內，除了可使發光二極體維持穩定之亮度外，還可延長發光二極體之壽命。

然而，傳統定電流驅動裝置需利用控制器等較為複雜之電路進行定電流控制，故傳統定電流驅動裝置的成本係較高。此外，雖然有部分的傳統定電流驅動裝置改使用為簡單之電路來進行定電流控制，然而此種組成較為簡單之電路的內部元件皆使用多個電壓控制元件，例如金氧半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)等，藉此控制流經發光二極體之電流，而因電壓控制元件為電壓控制之元件，故於定電流驅動裝置運作時，定電流驅動裝置內之電壓控制元件容易因定電流驅動裝置所接收之輸入電壓過大而造成損壞，故使用多個電壓控制元件所構成之傳統定電流驅動裝置的使用壽命便相對較短。

有鑑於此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。

本案之目的在於提供一種電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置，其係藉由電壓控制電路之電流控制元件、第一分壓元件及第二分壓元件之相互搭配而控制定電流驅動裝置之電壓控制元件的閘極端之電壓，而定電流驅動裝置則藉由電壓控制電路、電壓控制元件、第一阻抗元件及第二阻抗元件相互搭配而進行定電流之控制，俾解決傳統定電流驅動裝置具有成本較高，或傳統定電流驅動裝置因電壓控制元件容易損壞而具有使用壽命相對較短之缺失。

為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種電壓控制電路，係應用於定電流驅動裝置，其中定電流驅動裝置係具有與輸入源電連接之第一阻抗元件及電壓控制元件，電壓控制電路包含：第一分壓元件，第一分壓元件之一端係與第一阻抗元件電連接；第二分壓元件，第二分壓元件之一端係與第一分壓元件之另一端電連接，第二分壓元件之另一端係與接地端電連接；以及電流控制元件，係具有電流輸入端、控制端及電流輸出端，控制端係電連接於第一分壓元件之另一端及第二分壓元件之一端之間，電流輸入端係與第一分壓元件之一端及電壓控制元件之閘極端電連接，電流輸出端係與接地端電連接，其中電流控制元件係根據控制端的電壓與電流控制元件之臨界電壓的比較而進 行開啟或關閉之切換運作，以控制電壓控制元件之閘極端的電壓，使定電流驅動裝置產生穩定電流。

為達上述目的，本案之另一較佳實施態樣為提供一種定電流驅動裝置，係包含：第一阻抗元件，第一阻抗元件之一端係與輸入源電連接；電壓控制元件，係具有汲極端、閘極端及源極端，閘極端係與第一阻抗元件之另一端電連接，汲極端係分別與第一阻抗元件之一端及輸入源電連接；第二阻抗元件，係電連接於源極端及接地端之間；以及電壓控制電路，係包含：第一分壓元件，第一分壓元件之一端係與第一阻抗元件電連接；第二分壓元件，第二分壓元件之一端係與第一分壓元件之另一端電連接，第二分壓元件之另一端係與接地端電連接；以及電流控制元件，係具有電流輸入端、控制端及電流輸出端，控制端係電連接於第一分壓元件之另一端及第二分壓元件之一端之間，電流輸入端係電連接於第一分壓元件之一端及電壓控制元件之閘極端之間，電流輸出端係與接地端電連接，其中電流控制元件係根據控制端的電壓與電流控制元件之臨界電壓的比較而進行開啟或關閉之切換運作，以控制電壓控制元件之閘極端的電壓，使定電流驅動裝置產生穩定電流。

1‧‧‧定電流驅動裝置

2‧‧‧輸入源

Vin‧‧‧輸入電壓

11‧‧‧電壓控制元件

11a‧‧‧汲極端

11b‧‧‧閘極端

11c‧‧‧源極端

13‧‧‧第一阻抗元件

14‧‧‧第二阻抗元件

3‧‧‧電壓控制電路

G‧‧‧接地端

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

12‧‧‧電流控制元件

12a‧‧‧電流輸入端

12b‧‧‧控制端

12c‧‧‧電流輸出端

15‧‧‧第一分壓元件

16‧‧‧第二分壓元件

17‧‧‧第五阻抗元件

18‧‧‧第六阻抗元件

D‧‧‧二極體

第1圖係為本案較佳實施例之定電流驅動裝置之電路結構示意圖。

第2圖係為本案另一較佳實施例之定電流驅動裝置之電路結構示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。

請參閱第1圖，其係為本案較佳實施例之定電流驅動裝置之電路結構示意圖。如第1圖所示，本實施例之定電流驅動裝置1係與輸入源2，例如交流電源或直流電源，電連接而接收輸入源2所提供之一輸入電壓Vin，且包含電壓控制元件11、第一阻抗元件13、第二阻抗元件14及電壓控制電路3。其中，第一阻抗元件13可為一電阻元件或一可變電阻元件，而本實施例係以第一阻抗元件13為電阻元件進行說明，但並不侷限於此。第一阻抗元件13之一端係與輸入源2電連接而接收輸入電壓Vin。

電壓控制元件11具有汲極端11a、閘極端11b及源極端11c，其中閘極端11b係電連接於第一阻抗元件13之另一端，汲極端11a係分別與第一阻抗元件13之一端及輸入源2電連接，且接收輸入電壓Vin，源極端11c係根據閘極端11b及源極端11c之間的電壓對應地輸出一穩定的電流。

於一些實施例中，如第1圖所示，電壓控制元件11可由一金氧半導體場效電晶體所構成，例如NMOS電晶體，但不以此為限，亦可由一PMOS電晶體所構成。

第二阻抗元件14之一端係與電壓控制元件11之源極端11c電連接，第二阻抗元件14之另一端係與接地端G電連接，亦即第二阻抗元件14係電連接於源極端11c及接地端G之間。當電壓控制元件11導通且汲極端11a接收輸入電壓Vin時，將形成一第一電流I1並經由汲極端11a、源極端11c流入第二阻抗元件14，且於第二阻抗元件14上產生第一電壓V1。

於一些實施例中，第二阻抗元件14可例如第1圖所示為一電阻元件，但不以此為限，亦為可變電阻元件。另外，第二阻抗元件14可用於偵測電流，例如偵測第一電流I1之大小。再者，使用者可依據需求調整第二阻抗元件14之電阻值大小，隨即調整第一電壓V1之大小(即第二阻抗元件14上之電壓降大小)。

電壓控制電路3係與第一阻抗元件13之另一端、電壓控制元件11之閘極端11b及接地端G電連接，其係用以控制電壓控制元件11之閘極端11b的電壓，且具有電流控制元件12、第一分壓元件15及第二分壓元件16，其中第一分壓元件15之一端係電連接於第一阻抗元件13之另一端及電壓控制元件11之閘極端11b，而第二分壓元件16之一端係與第一分壓元件15之另一端電連接，第二分壓元件16之另一端係與接地端G電連接。於上述實施例中，第一分壓元件15及第二分壓元件16可例如第1圖所示分別為電阻元件所構成，但不以此為限，亦為可變電阻元件所構成。

電流控制元件12係具有電流輸入端12a、控制端12b及電流輸出端12c。其中，控制端12b係電連接於第一分壓元件15之另一端與第二分壓元件16之一端之間，電流輸入端12a係與第一阻抗元件13之另一端、第一分壓元件15之一端及電壓控制元件11之閘極端11b電連接，電流輸出端12c係電連接於第二分壓元件16之另一端及接地端G之間。當第一阻抗元件13接收輸入源2之輸入電壓Vin時，將形成一第二電流I2流經第一阻抗元件13並流入電壓控制電路3，其中第二電流I2流入電壓控制電路3時，便經由第一分壓元件15及第二分壓元件16而於電流控制元件12之控制端12b上形成第二電壓V2。

於一些實施例中，如第1圖所示，電流控制元件12可由一NPN雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor)所構成，因此電流輸入端12a、控制端12b及電流輸出端12c係分別對應為NPN雙載子接面電晶體之集極端、基極端及射極端，然電流控制元件12並不侷限於由NPN雙載子接面電晶體所構成，亦可由一PNP雙載子接面電晶體所構成。

電流控制元件12係根據第二電壓V2與電流控制元件12自身的一臨界電壓之比較，以在一短暫時間內進行開啟或關閉之運作，並產生穩定電壓，以對應控制電壓控制元件11之閘極端11b的電壓實質上穩定於一定值，更進一步地 說明，即電流控制元件12根據控制端12b所接收之第二電壓V2與臨界電壓(如電流控制元件12之臨界電壓為0.7伏特)的比較結果進行作動，當第二電壓V2大於臨界電壓時，電流控制元件12將為導通狀態並產生內阻，直到當第二電壓V2小於臨界電壓時，電流控制元件12將改為截止狀態，故電流控制元件12便以上述情況進行導通或截止之切換運作，而在經過毫微秒時間的運作下，流通於電流控制元件12之電流會趨於穩定並產生固定電壓，並隨即控制電壓控制元件11之閘極端11b的電壓趨於穩定，使電壓控制元件11限制流通於電壓控制元件11之第一電流I1，進而達到定電流之效果。

此外，本實施例之定電流驅動裝置1係應用於一定電流之裝置或設備(即負載)上，亦即前述定電流驅動裝置1之輸入源2(即電源)串聯一負載(圖中未示)，該負載係可為一發光二極體(圖中未示)，以透過該定電流驅動裝置1輸出穩定之電流使發光二極體達到維持一定亮度，但不以此為限；於本發明實際實施時，該負載亦可選擇為一發光二極體裝置(例如發光二極體燈具)、一充電器及一電源供應器其中任一，但不以此為限。

以下將進一步說明本案定電流驅動裝置1之運作方式。於正常運作時，電壓控制元件11之汲極端11a及第一阻抗元件13之一端係接收輸入源2之輸入電壓Vin，而第一電流I1係經由汲極端11a、源極端11c而流入第二阻抗元件14，使第二阻抗元件14上形成第一電壓V1，且因定電流驅動裝置1之輸入源2可串聯負載，因此負載即接收第一電流I1而運作，第二電流I2則流經第一阻抗元件13並流入電壓控制電路3內，且於電流控制元件12之控制端12b形成第二電壓V2，而依據第二電壓V2與電流控制元件12之臨界電壓的比較，電流控制元件12便進行導通或截止之切換運作，在經過毫微秒時間的運作後，流通於電流控制元件12之電流係趨於穩定，並隨即使電壓控制元件11之閘極端11b的電壓穩定，故電壓 控制元件11便可限制流通於電壓控制元件11之第一電流I1，以達到定電流之效果。

由上可知，相較於傳統定電流驅動裝置，本案之定電流驅動裝置1僅需利用電壓控制元件11、電流控制元件12、第一阻抗元件13、第二阻抗元件14、第一分壓元件15及第二分壓元件16之間的相互搭配即可使第一電流I1維持於穩定電流值，因此無需再設置控制器等較為複雜之電路來進行定電流之控制，故本案之定電流驅動裝置的生產成本可減少。此外，本案之定電流驅動裝置1實際上係藉由電壓控制元件11及電壓控制電路3之電流控制元件12的相互搭配來達到定電流之效果，而由於電壓控制電路3之電流控制元件12係為電流控制之元件，故不易受輸入電壓Vin之變化影響而造成損壞，又本案之電流控制元件12可藉由第一分壓元件15及第二分壓元件16來限制所接收之電流，故電流控制元件12並不會因電壓控制電路3接收過大的電流而產生損壞，因此相較於部分傳統定電流驅動裝置係使用多個電壓控制元件來進行定電流控制，本案之定電流驅動裝置1之電壓控制電路3便因使用較不易損壞之電流控制元件12而具有較長之使用壽命。

另外，當輸入源2之輸入電壓Vin突然產生急劇的上升變化，例如使用者將定電流驅動裝置1本應接收110v之輸入電壓Vin誤連接為220v之輸入電壓Vin時，將使定電流驅動裝置1接收之輸入電壓Vin瞬間拉升，導致定電流驅動裝置1之電壓控制元件11容易損壞，因此為了保護電壓控制元件11不會因輸入電壓Vin急遽拉升而發生損壞的情況，於一些實施例中，如第2圖所示，定電流驅動裝置1之電壓控制電路3更可包括一第五阻抗元件17、一第六阻抗元件18及一二極體D。其中，二極體D之陰極端係與第一分壓元件15之另一端、第二分壓元件16之一端及控制端12b電連接。第五阻抗元件17之一端係電連接於第一阻抗元件13之一端及輸入源2，且接收輸入源2之輸入電壓Vin。第六阻抗元件18之一端係 與二極體D之陽極端及第五阻抗元件17之另一端電連接，第六阻抗元件18之另一端係與接地端G電連接。藉由上述之電路架構，當輸入源2之輸入電壓Vin急遽拉升時，第五阻抗元件17及第六阻抗元件18係構成分壓電路而接收輸入源2之輸入電壓Vin，並使二極體D導通，故電流控制元件12便因輸入電壓Vin而導通並形成短路，使得電壓控制元件11之閘極端11b的電壓降為零電壓，如此一來，電壓控制元件11便為截止，俾使定電流驅動裝置1不會因電能過高而導致損壞。

綜上所述，本案提供一種電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置，其係藉由電壓控制電路之電流控制元件、第一分壓元件及第二分壓元件之相互搭配而控制定電流驅動裝置之電壓控制元件的閘極端之電壓，而定電流驅動裝置則藉由電壓控制電路、電壓控制元件、第一阻抗元件及第二阻抗元件相互搭配而進行定電流之控制，因此相較於傳統定電流驅動裝置需設置控制器等較為複雜之電路來進行定電流控制，本案之定電流驅動裝置的生產成本可減少。此外，本案之定電流驅動裝置實際上係藉由電壓控制元件及電壓控制電路之電流控制元件的相互搭配來達到定電流控制之效果，因此相較於傳統定電流驅動裝置係使用多個電壓控制元件來進行定電流控制，本案之定電流驅動裝置及電壓控制電路係不易損壞而具有較長之使用壽命。是以本案之電壓控制電路及其適用之定電流驅動裝置極具產業之價值，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧定電流驅動裝置

2‧‧‧輸入源

Vin‧‧‧輸入電壓

11‧‧‧電壓控制元件

11a‧‧‧汲極端

11b‧‧‧閘極端

11c‧‧‧源極端

13‧‧‧第一阻抗元件

14‧‧‧第二阻抗元件

3‧‧‧電壓控制電路

G‧‧‧接地端

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

12‧‧‧電流控制元件

12a‧‧‧電流輸入端

12b‧‧‧控制端

12c‧‧‧電流輸出端

15‧‧‧第一分壓元件

16‧‧‧第二分壓元件

Claims (5)

1. 一種電壓控制電路，係應用於一定電流驅動裝置，其中該定電流驅動裝置係具有與一輸入源電連接之一第一阻抗元件及一電壓控制元件，該電壓控制電路包含：     一第一分壓元件，該第一分壓元件之一端係與該第一阻抗元件電連接；     一第二分壓元件，該第二分壓元件之一端係與該第一分壓元件之另一端電連接，該第二分壓元件之另一端係與一接地端電連接；以及     一電流控制元件，係具有一電流輸入端、一控制端及一電流輸出端，該控制端係電連接於該第一分壓元件之該另一端及該第二分壓元件之該一端之間，該電流輸入端係與該第一分壓元件之該一端及該電壓控制元件之一閘極端電連接，該電流輸出端係與該接地端電連接，其中該電流控制元件係根據該控制端的電壓與該電流控制元件之一臨界電壓的比較而進行開啟或關閉之切換運作，以控制該電壓控制元件之該閘極端的電壓，使該定電流驅動裝置產生穩定電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制電路，其中該電流控制元件係為一NPN雙載子接面電晶體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓控制電路，其中該電流控制元件之該電流輸入端、該控制端及該電流輸出端係分別為該NPN雙載子接面電晶體之一集極端、一基極端及一射極端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓控制電路，更包含一第五阻抗元件、一第六阻抗元件及一二極體，該二極體之陰極端係與該第一分壓元件之該另一端、該第二分壓元件之該一端及該控制端電連接，該第五阻抗元件之一端係電連接於該第一阻抗元件及該輸入源，該第六阻抗元件之一端係與該二極體之陽極端及該第五阻抗元件之另一端電連接，該第六阻抗元件之另一端係與該接地端電連接。
5. 一種定電流驅動裝置，係包含：     一第一阻抗元件，該第一阻抗元件之一端係與一輸入源電連接；     一電壓控制元件，係具有一汲極端、一閘極端及一源極端，該閘極端係與該第一阻抗元件之另一端電連接，該汲極端係分別與該第一阻抗元件之該一端及該輸入源電連接；     一第二阻抗元件，係電連接於該源極端及一接地端之間；以及     一電壓控制電路，係包含：     一第一分壓元件，該第一分壓元件之一端係與該第一阻抗元件電連接；     一第二分壓元件，該第二分壓元件之一端係與該第一分壓元件之另一端電連接，該第二分壓元件之另一端係與一接地端電連接；以及     一電流控制元件，係具有一電流輸入端、一控制端及一電流輸出端，該控制端係電連接於該第一分壓元件之該另一端及該第二分壓元件之該一端之間，該電流輸入端係電連接於該第一分壓元件之該一端及該電壓控制元件之該閘極端之間，該電流輸出端係與該接地端電連接，其中該電流控制元件係根據該控制端的電壓與該電流控制元件之一臨界電壓的比較而進行開啟或關閉之切換運作，以控制該電壓控制元件之該閘極端的電壓，使該定電流驅動裝置產生穩定電流。