JP5366769B2

JP5366769B2 - 定電流電源装置

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Publication number: JP5366769B2
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Inventors: 信哉見留; 高島村
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
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Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-11-18
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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６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、点Ｐ１から入力される直流電力を用いて、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。この定電流電源装置１００は、１次巻線Ｔ１１および２次巻線Ｔ１２を有するトランスＴＴと、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ１１と、ＮＰＮ型トランジスタで構成されるスイッチ素子Ｑ１２と、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５と、キャパシタＣ１１、Ｃ１２と、ツェナーダイオードＺＤ１１と、を備える。

点Ｐ１には、発光ダイオードＬＥＤ１のカソードと、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端と、抵抗Ｒ１１を介してスイッチ素子Ｑ１１のゲートと、が接続される。トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の他端には、発光ダイオードＬＥＤｎのアノードと、スイッチ素子Ｑ１１のドレインと、が接続され、スイッチ素子Ｑ１１のソースには、点Ｐ２が接続される。点Ｐ２には、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の他端が接続される。

トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の一端には、抵抗Ｒ１３およびキャパシタＣ１１を介して、スイッチ素子Ｑ１１のゲートが接続されるとともに、ツェナーダイオードＺＤ１１のカソードと、抵抗Ｒ１５の一端と、が接続される。ツェナーダイオードＺＤ１１のアノードと、抵抗Ｒ１５の他端とには、抵抗Ｒ１４を介して、スイッチ素子Ｑ１２のベースが接続される。スイッチ素子Ｑ１２のベースには、キャパシタＣ１２を介して、点Ｐ２が接続される。また、スイッチ素子Ｑ１２のエミッタには、点Ｐ２が接続され、スイッチ素子Ｑ１２のコレクタには、スイッチ素子Ｑ１１のゲートが接続される。スイッチ素子Ｑ１１のゲートには、抵抗Ｒ１２を介して、点Ｐ２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、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、点Ｐ１に直流電圧が印加されると、この直流電圧は、直列接続された抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とで分圧され、スイッチ素子Ｑ１１のゲートに印加される。ここで、このゲートに印加される電圧は、スイッチ素子Ｑ１１のしきい値電圧以上であるものとすると、スイッチ素子Ｑ１１は、オン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１１がオン状態になると、点Ｐ１に入力された直流電流が、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１１と、を介して、点Ｐ２に流れる。すると、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端に電流が流れることにより、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、トランスＴＴの１次巻線Ｔ１１の一端から他端に電流が流れると、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が、トランスＴＴの２次巻線Ｔ１２に生じる。この起電力により、抵抗Ｒ１５および抵抗Ｒ１４を介してキャパシタＣ１２に電荷が蓄積され、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のベースに印加される。そして、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のしきい値電圧以上になると、スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になると、スイッチ素子Ｑ１１のゲートとソースとが導通し、スイッチ素子Ｑ１１がオフ状態になる。すると、スイッチ素子Ｑ１１がオン状態であった期間にトランスＴＴの１次巻線Ｔ１１に蓄えられたエネルギーにより、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れ、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。

また、スイッチ素子Ｑ１２がオン状態になると、キャパシタＣ１２に蓄積された電荷は、スイッチ素子Ｑ１２のベース電流として放電されるので、キャパシタＣ１２の端子間電圧は、時間が経過するに従って低下する。そして、キャパシタＣ１２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ１２のしきい値電圧未満になると、スイッチ素子Ｑ１２がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ１２がオフ状態になると、上述と同様に、再度、スイッチ素子Ｑ１１のゲートに、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２とで分圧された電圧が印加され、スイッチ素子Ｑ１１がオン状態になる。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１００は、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

特開２００５−１１６５７２号公報

ところで、上述の定電流電源装置１００にとって、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの数が少なくなったり、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれの立上がり電圧が低くなったりすることは、負荷が軽くなるということである。定電流電源装置１００は、負荷が軽くなっても定電流を出力し続けるために、負荷が軽くなるに従って、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を狭くして、スイッチ素子Ｑ１１のデューティ比を小さくする。ところが、スイッチ素子Ｑ１１のオン幅を狭くするに従って、上述のように定電流制御を行うのが困難となる。

上述の課題を鑑み、本発明は、軽負荷時であっても定電流制御を行うことができる定電流電源装置を提供す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、負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置であって、タップを有し、前記負荷の出力端に直列接続された出力チョークと、前記出力チョークと直列接続されたスイッチ素子と、一端には前記タップが接続され、他端には前記負荷の入力端が接続され、当該一端から当該他端に向かって電流を流す整流素子と、前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備え、前記出力チョークは、前記負荷の出力端と前記タップとを接続する第１チョークと、前記タップと前記スイッチ素子とを接続する第２チョークと、を備え、前記制御手段は、前記第１チョークに流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御す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、負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置に、タップを有する出力チョーク、スイッチ素子、整流素子、および制御手段を設けた。また、出力チョークに、負荷の出力端とタップとを接続する第１チョークと、タップとスイッチ素子とを接続する第２チョークと、を設けた。また、一端から他端に向かって電流を流す整流素子について、一端にはタップを接続し、他端には負荷の入力端を接続した。そして、制御手段により、第１チョークに流れる電流に応じて、スイッチ素子を制御することとした。

このため、スイッチ素子がオン状態である期間では、負荷、第１チョーク、第２チョーク、スイッチ素子の順に電流が流れ、負荷に電流が供給されるとともに、第１チョークに電流が流れることにより、第１チョークにエネルギーが蓄積されることとなる。一方、スイッチ素子がオフ状態である期間では、スイッチ素子がオン状態である期間に第１チョークに蓄積されたエネルギーにより、第１チョーク、整流素子、負荷の順に電流が流れ、負荷に電流が供給される。以上によれば、スイッチ素子がオフ状態である期間では、第１チョークには電流が流れるが、第２チョークには電流が流れない。ところが、スイッチ素子がオン状態である期間では、第１チョークだけでなく、第２チョークにも電流が流れる。すなわち、スイッチ素子がオン状態である期間では、スイッチ素子がオフ状態である期間と比べて、電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなる。

電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなると、第１チョークに流れる電流の単位時間あたりの増加率が低下する。このため、第２チョークが設けられていない場合と比べて、制御手段によりスイッチ素子をターンオフさせるタイミングが遅くなり、スイッチ素子のオン幅が広くなる。

したがって、負荷が軽くなるに従ってスイッチ素子のオン幅を狭くしても、第２チョークが設けられていない場合と比べて、スイッチ素子のオン幅を広く確保することができる。よって、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

（２）本発明は、（１）の定電流電源装置について、前記第１チョークで構成される第１の１次巻線、前記第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを備え、前記制御手段は、前記２次巻線に生じる起電力に応じて充電されるキャパシタを有し、当該キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、前記スイッチ素子をオン状態にし、当該キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、当該スイッチ素子をオフ状態にす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、定電流電源装置に、第１チョークで構成される第１の１次巻線、第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを設けた。そして、制御手段に、２次巻線に生じる起電力に応じて充電されるキャパシタを設け、この制御手段により、キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、スイッチ素子をオン状態にし、キャパシタの端子間電圧が上述のしきい値以上の場合には、スイッチ素子をオフ状態にすることとした。

このため、第１チョークで構成される第１の１次巻線に流れる電流に応じて、２次巻線に起電力が生じ、キャパシタの端子間電圧が変化する。そして、キャパシタの端子間電圧に応じて、スイッチ素子が制御される。以上によれば、第１チョークで構成される第１の１次巻線に流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することができ、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

（３）本発明は、（２）の定電流電源装置について、前記制御手段は、前記２次巻線と前記キャパシタとを接続する補正手段と、前記キャパシタの端子間電圧が前記しきい値未満の場合には、オフ状態になり、当該キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、オン状態になる特定スイッチ素子と、を備え、前記スイッチ素子は、前記特定スイッチ素子がオン状態になるとオフ状態になり、前記補正手段は、前記特定スイッチ素子の温度特性に応じた温度特性を有し、当該補正手段の抵抗値は、前記特定スイッチ素子の温度に応じて変化することを特徴とする定電流電源装置を提案している。

ここで、キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合にはオフ状態になり、キャパシタの端子間電圧が上述のしきい値以上の場合にはオン状態になる特定スイッチ素子を制御手段に設け、特定スイッチ素子がオン状態になると、上述のスイッチ素子がオフ状態になるものとする。すると、スイッチ素子がターンオフするタイミングは、特定スイッチ素子がターンオンするタイミングに応じて変化することとなる。特定スイッチ素子がターンオンするタイミングは、特定スイッチ素子の温度特性に応じて変化してしまうため、特定スイッチ素子の温度が変化すると、スイッチ素子のターンオフするタイミングが変化してしまい、スイッチ素子のオン幅にばらつきが生じてしまう。

そこで、この発明によれば、制御手段に、２次巻線とキャパシタとを接続する補正手段を設け、この補正手段は、特定スイッチ素子の温度特性に応じた温度特性を有するものとした。そして、補正手段の抵抗値は、特定スイッチ素子の温度に応じて変化するものとした。

具体的には、例えば、特定スイッチ素子の温度が上昇するに従って、特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが遅くなる場合には、補正手段の抵抗値は、特定スイッチ素子の温度が上昇するに従って小さくなるものとする。これによれば、特定スイッチ素子の温度が上昇すると、補正手段の抵抗値が小さくなるので、キャパシタの端子間電圧の単位時間あたりの上昇率が高くなる。このため、特定スイッチ素子の温度が上昇することにより特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが遅くなろうとしても、キャパシタの端子間電圧の単位時間あたりの上昇率が高くなるので、特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが遅くなるのを抑制できる。

また、例えば、特定スイッチ素子の温度が上昇するに従って、特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが早くなる場合には、補正手段の抵抗値は、特定スイッチ素子の温度が上昇するに従って大きくなるものとする。これによれば、特定スイッチ素子の温度が上昇すると、補正手段の抵抗値が大きくなるので、キャパシタの端子間電圧の単位時間あたりの上昇率が低くなる。このため、特定スイッチ素子の温度が上昇することにより特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが早くなろうとしても、キャパシタの端子間電圧の単位時間あたりの上昇率が低くなるので、特定スイッチ素子のターンオンするタイミングが早くなるのを抑制できる。

以上によれば、特定スイッチ素子の温度が変化しても、スイッチ素子のターンオフするタイミングが変化するのを抑制し、スイッチ素子のオン幅にばらつきが生じるのを抑制することができるので、高精度な定電流制御を行うことができる。

（４）本発明は、（１）の定電流電源装置について、前記スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された抵抗を備え、前記制御手段は、前記抵抗に流れる電流に応じて前記スイッチ素子を制御す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、定電流電源装置に、スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された抵抗を設け、制御手段により、抵抗に流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することとした。

このため、抵抗に流れる電流は、第１チョークに流れる電流に応じて変化する。したがって、第１チョークに流れる電流に応じてスイッチ素子を制御することができ、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

本発明によれば、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る定電流電源装置の回路図である。前記定電流電源装置のタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係る定電流電源装置の回路図である。本発明の第３実施形態に係る定電流電源装置の回路図である。前記定電流電源装置のタイミングチャートである。従来例に係る定電流電源装置の回路図である。

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、交流電源Ｖｉｎから供給される交流電力を用いて、直列接続された複数の発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給する。この定電流電源装置１は、図６に示した従来例に係る定電流電源装置１００とは、トランスＴの１次側にタップＡが設けられている点で、大きく異なる。

定電流電源装置１は、トランスＴと、整流部１１と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されるスイッチ素子Ｑ１と、整流素子としてのダイオードＤ１と、キャパシタＣ１と、制御手段としての制御部２１と、を備える。トランスＴは、タップＡを介して直列接続された第１の１次巻線Ｔ１および第２の１次巻線Ｔ２と、２次巻線Ｔ３と、を備える。制御部２１は、ＮＰＮ型トランジスタで構成されるスイッチ素子Ｑ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、キャパシタＣ２、Ｃ３と、ツェナーダイオードＺＤ１と、を備える。

整流部１１の２つの入力端子には、交流電源Ｖｉｎの両端が接続される。整流部１１の第１の出力端子には、ダイオードＤ１のカソードと、キャパシタＣ１の一方の電極と、発光ダイオードＬＥＤ１のアノードと、が接続される。発光ダイオードＬＥＤｎのカソードには、キャパシタＣ１の他方の電極と、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端と、が接続される。トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の他端には、タップＡを介して、ダイオードＤ１のアノードと、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端と、が接続される。

トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の他端には、スイッチ素子Ｑ１のドレインが接続されるとともに、抵抗Ｒ１を介してスイッチ素子Ｑ１のゲートが接続される。スイッチ素子Ｑ１のゲートには、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードと、スイッチ素子Ｑ２のコレクタと、が接続されるとともに、抵抗Ｒ２を介して、整流部１１の第２の出力端子が接続される。また、スイッチ素子Ｑ１のゲートには、キャパシタＣ３を介してトランスＴの２次巻線Ｔ３の一端が接続される。このトランスＴの２次巻線Ｔ３の一端には、抵抗Ｒ３を介してスイッチ素子Ｑ２のベースが接続される。スイッチ素子Ｑ２のベースには、キャパシタＣ２を介して、整流部１１の第２の出力端子が接続される。整流部１１の第２の出力端子には、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端と、スイッチ素子Ｑ２のエミッタと、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードと、スイッチ素子Ｑ１のソースと、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、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、交流電源Ｖｉｎから供給された交流電力を整流部１１により整流して、第１の出力端子から、第２の出力端子を基準とした直流電力を出力する。整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電圧は、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２と、を介して抵抗Ｒ１、Ｒ２に印加され、これら抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された後、スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される。ここで、このゲートに印加される電圧は、スイッチ素子Ｑ１のしきい値電圧以上であるものとすると、スイッチ素子Ｑ１は、オン状態になる。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態になると、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流が、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１と、を介して、整流部１１の第２の出力端子に流れる。これによれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れるので、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。また、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に電流が流れることで、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端と、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端と、に電流が流れると、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が、トランスＴの２次巻線Ｔ３に生じる。この起電力により、抵抗Ｒ３を介してキャパシタＣ２に電荷が蓄積され、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のベースに印加される。そして、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のしきい値電圧以上になると、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートとソースとが導通し、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。すると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間にトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。

また、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、キャパシタＣ２に蓄積された電荷は、スイッチ素子Ｑ２のベース電流として放電されるので、キャパシタＣ２の端子間電圧は、時間が経過するに従って低下する。そして、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のしきい値電圧未満になると、スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になると、上述と同様に、再度、スイッチ素子Ｑ１のゲートに、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分圧された電圧が印加され、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１は、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

なお、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流は、キャパシタＣ１により平滑化される。また、スイッチ素子Ｑ１のゲートに印加される電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧以上になろうとすると、ツェナーダイオードＺＤ１がオン状態になるので、スイッチ素子Ｑ１のゲート電圧は、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧より高くはならない。また、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流は、キャパシタＣ３により除去されるので、トランスＴの２次巻線Ｔ３には流れない。

図２は、定電流電源装置１のタイミングチャートである。Ｖ_Ｔ３は、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧を示し、Ｖ_Ｃ２は、キャパシタＣ２の端子間電圧を示す。ＶＧＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧を示し、Ｉ_Ｔ１は、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流を示す。ＩＤＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流を示し、Ｉ_Ｄ１は、ダイオードＤ１に流れる電流を示す。Ｉ_Ｃ１は、キャパシタＣ１に流れる電流を示し、Ｉ_ＬＥＤは、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれに流れる電流を示す。また、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨの場合、スイッチ素子Ｑ１がオン状態となり、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が「０」の場合、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態となるものとする。

時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨであり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である。

このため、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１と、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１と、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１とは、時間が経過するに従って増加し、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄えられる。一方、ダイオードＤ１には電流が流れないので、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、「０」である。

また、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１が、上述のように時間が経過するに従って増加しているため、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧Ｖ_Ｔ３は、「０」より大きいＶ１となる。このため、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端に抵抗Ｒ３を介して接続されたキャパシタＣ２が充電され、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２は、時間が経過するに従って上昇する。そして、時刻ｔ２において、スイッチ素子Ｑ２がオン状態になり、その結果、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。

スイッチ素子Ｑ２がオン状態になると、上述のように、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２は、時間が経過するに従って低下する。そして、時刻ｔ３において、スイッチ素子Ｑ２がオフ状態になり、その結果、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、上述のように、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である。このため、上述のように、時刻ｔ１〜ｔ２までの期間においてトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れる。トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーは、上述の電流が流れるに従って減少し、上述の電流は、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄えられたエネルギーが減少するに従って減少する。このため、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１と、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１と、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１とは、時間が経過するに従って減少する。

また、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、上述のように、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態であるため、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１は、「０」である。また、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間では、トランスＴの２次巻線Ｔ３の一端の電圧Ｖ_Ｔ３は、「０」より小さいＶ２となる。

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。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２の一端から他端、スイッチ素子Ｑ１の順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が供給されるとともに、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に電流が流れることにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にエネルギーが蓄積されることとなる。一方、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間では、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間にトランスＴの第１の１次巻線Ｔ１に蓄積されたエネルギーにより、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が供給される。以上によれば、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１には電流が流れるが、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２には電流が流れない。ところが、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１だけでなく、トランスＴの第２の１次巻線Ｔ２にも電流が流れる。すなわち、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間では、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間と比べて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流が流れる経路のインダクタンスは、大きくなる。

発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに流れる電流が流れる経路のインダクタンスが大きくなると、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の単位時間あたりの増加率が低下する。これはすなわち、図２の時刻ｔ１〜ｔ２までの期間における、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の傾きが緩やかになるということである。

トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｔ１の単位時間あたりの増加率が低下すると、トランスＴの２次巻線Ｔ３の他端から一端に向かって電流を流そうとする起電力が小さくなるので、キャパシタＣ２の端子間電圧Ｖ_Ｃ２の単位時間あたりの上昇率が低下する。このため、トランスＴにタップＡが設けられておらず、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にトランスＴに第２の１次巻線Ｔ２が直列接続されていない場合と比べて、スイッチ素子Ｑ２のターンオンするタイミングが遅くなる。これによれば、スイッチ素子Ｑ１のターンオフするタイミングが遅くなるので、その結果、スイッチ素子Ｑ１のオン幅が広くなる。

したがって、負荷が軽くなるに従ってスイッチ素子Ｑ１のオン幅を狭くしても、トランスＴの第１の１次巻線Ｔ１にトランスＴに第２の１次巻線Ｔ２が直列接続されていない場合と比べて、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を広く確保することができる。よって、軽負荷時であっても、定電流制御を行うことができる。

また、ツェナーダイオードＺＤ１のカソードがスイッチ素子Ｑ１のゲートに接続され、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードがスイッチ素子Ｑ１のソースに接続されている。このため、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧より高くなるのが防止される。したがって、スイッチ素子Ｑ１のゲート耐圧よりツェナー電圧が低いツェナーダイオードを、ツェナーダイオードＺＤ１として用いることで、スイッチ素子Ｑ１のゲートを保護できる。

＜第２実施形態＞
［定電流電源装置１Ａの構成］
図３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、制御部２１の代わりに制御部２１Ａを備える点が異なる。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。

制御部２１Ａは、制御部２１とは、抵抗Ｒ３の代わりに補正部３１を備える点で異なる。

ここで、本実施形態では、スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って、スイッチ素子Ｑ２のベース−エミッタ間電圧が低下し、スイッチ素子Ｑ２のコレクタ電流が増加するものとする。

補正部３１は、正の温度特性を有する温度センサで構成され、補正部３１の抵抗値は、スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って大きくなる。

以上の定電流電源装置１Ａによれば、上述の定電流電源装置１が奏することのできる効果に加えて、以下の効果を奏することができる。

スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って、スイッチ素子Ｑ２のベース−エミッタ間電圧が低下し、スイッチ素子Ｑ２のコレクタ電流が増加する場合、スイッチ素子Ｑ２がターンオンするタイミングは、スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って早くなろうとする。ところが、補正部３１の抵抗値は、スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って大きくなるので、スイッチ素子Ｑ２の温度が上昇するに従って、キャパシタＣ２の端子間電圧の単位時間あたりの上昇率が低くなる。したがって、キャパシタＣ２の端子間電圧がスイッチ素子Ｑ２のしきい値電圧に等しくなるまでの時間は、長くなる。よって、スイッチ素子Ｑ２の温度が変化しても、スイッチ素子Ｑ２のターンオンするタイミングが変化するのを抑制し、スイッチ素子Ｑ１のオン幅にばらつきが生じるのを抑制することができるので、高精度な定電流制御を行うことができる。

＜第３実施形態＞
［定電流電源装置１Ｂの構成］
図４は、本発明の第３実施形態に係る定電流電源装置１Ｂの回路図である。定電流電源装置１Ｂ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、トランスＴおよび制御部２１の代わりに、出力チョークＬおよび制御部２１Ｂを備える点が異なる。なお、定電流電源装置１Ｂ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。

制御部２１Ｂは、制御回路４１および抵抗Ｒ４を備える。抵抗Ｒ４の一端には、スイッチ素子Ｑ１のソースが接続され、抵抗Ｒ４の他端には、整流部１１の第２の出力端子が接続される。制御回路４１は、スイッチ素子Ｑ１のゲートと、抵抗Ｒ４の一端および他端と、に接続される。

出力チョークＬは、タップＡを介して直列接続された第１チョークＬ１および第2チョークＬ２を備える。第１チョークＬ１の一端には、発光ダイオードＬＥＤｎのカソードと、キャパシタＣ１の他方の電極と、が接続され、第１チョークＬ１の他端には、タップＡを介して、ダイオードＤ１のアノードと、第２チョークＬ２の一端と、が接続される。第２チョークＬ２の他端には、スイッチ素子Ｑ１のドレインが接続される。

［定電流電源装置１Ｂの動作］
以上の構成を備える定電流電源装置１Ｂは、以下のように動作することで、定電流制御を行う。具体的には、制御回路４１は、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である時間を計測するタイマ（図示省略）を内蔵しており、このタイマによる計測結果が所定時間になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする。

スイッチ素子Ｑ１がオン状態になると、整流部１１の第１の出力端子から出力される直流電流が、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎと、第１チョークＬ１の一端から他端と、第２チョークＬ２の一端から他端と、オン状態のスイッチ素子Ｑ１と、抵抗Ｒ４と、を介して、整流部１１の第２の出力端子に流れる。これによれば、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに電流が流れるので、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。また、第１チョークＬ１の一端から他端に電流が流れることで、第１チョークＬ１にエネルギーが蓄積されることとなる。

また、抵抗Ｒ４に電流が流れるので、抵抗Ｒ４の両端には電位差が生じる。制御回路４１は、キャパシタ（図示省略）を内蔵しており、このキャパシタを、抵抗Ｒ４の両端の電位差により充電する。これによれば、上述のキャパシタの端子間電圧は、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である期間において、時間が経過するに従って上昇する。そして、上述のキャパシタの端子間電圧が予め定められた値まで上昇すると、制御回路４１は、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオフ状態にする。

スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になると、スイッチ素子Ｑ１がオン状態であった期間に第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーにより、第１チョークＬ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れ、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎが点灯する。そして、上述と同様に、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である時間を上述のタイマにより計測し、計測結果が所定時間になると、スイッチ素子Ｑ１のゲートに予め定められた電圧を印加して、スイッチ素子Ｑ１をオン状態にする。

以上の動作を繰り返すことにより、定電流電源装置１Ｂは、スイッチ素子Ｑ１のオン幅を制御して、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給し、これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎを点灯させる。

図５は、定電流電源装置１Ｂのタイミングチャートである。ＶＧＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧を示し、Ｉ_Ｌ１は、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流を示す。ＩＤＳ_Ｑ１は、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流を示し、Ｉ_Ｄ１は、ダイオードＤ１に流れる電流を示す。Ｉ_Ｃ１は、キャパシタＣ１に流れる電流を示し、Ｉ_ＬＥＤは、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎのそれぞれに流れる電流を示す。また、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨの場合、スイッチ素子Ｑ１がオン状態となり、ゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１が「０」の場合、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態となるものとする。

時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間では、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨであり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態である。

このため、時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間では、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｌ１と、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１とは、時間が経過するに従って増加し、第１チョークＬ１にエネルギーが蓄えられる。一方、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１は、時間が経過するに従って減少する。また、ダイオードＤ１には電流が流れないので、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、「０」である。

時刻ｔ１２において、制御回路４１により、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＬとなり、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態になる。そして、時刻ｔ１２から所定時間が経過した後の時刻ｔ１３において、制御回路４１により、スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース間電圧ＶＧＳ_Ｑ１がＶＧＨとなり、スイッチ素子Ｑ１がオン状態になる。

すると、時刻ｔ１２〜ｔ１３までの期間では、上述のように、時刻ｔ１１〜ｔ１２までの期間において第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーにより、第１チョークＬ１の一端から他端、ダイオードＤ１、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎの順に電流が流れる。第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーは、上述の電流が流れるに従って減少し、上述の電流は、第１チョークＬ１に蓄えられたエネルギーが減少するに従って減少する。このため、時刻ｔ１２〜ｔ１３までの期間では、第１チョークＬ１の一端から他端に流れる電流Ｉ_Ｌ１は、時間が経過するに従って減少する。また、ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ_Ｄ１は、時刻ｔ１２において「０」より大きい所定値になった後、時間が経過するに従って減少する。一方、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_Ｃ１は、時間が経過するに従って増加する。また、スイッチ素子Ｑ１には電流が流れないので、スイッチ素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤＳ_Ｑ１は、「０」である。

以上の定電流電源装置１Ｂによれば、上述の定電流電源装置１が奏することのできる効果と同様の効果を奏することができる。

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、上述の第１実施形態において、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに供給する定電流値は、トランスＴや抵抗Ｒ３やキャパシタＣ２やスイッチ素子Ｑ２の特性ばらつきに応じて、ばらつきが生じてしまう。そこで、上述の第１実施形態に係る抵抗Ｒ３を、可変抵抗やトリミング抵抗で構成してもよい。これによれば、抵抗Ｒ３の抵抗値を調整することで、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに供給する定電流値にばらつきが生じてしまうのを抑制できる。

また、上述の各実施形態では、交流電源Ｖｉｎから供給された交流電力を用いて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給したが、これに限らず、直流電源から供給された直流電力を用いて、発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤｎに定電流を供給してもよい。

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。

また、上述の各実施形態では、タップＡと発光ダイオードＬＥＤ１のアノードとの間にダイオードＤ１を設け、ダイオードＤ１のアノードをタップＡに接続し、ダイオードＤ１のカソードを発光ダイオードＬＥＤ１のアノードに接続したが、これに限らない。例えば、タップＡと発光ダイオードＬＥＤ１のアノードとの間にトランジスタやサイリスタを設け、スイッチ素子Ｑ１がオフ状態である期間に、タップＡから発光ダイオードＬＥＤ１のアノードに向かって電流を流すこととしてもよい。

また、上述の第３実施形態では、抵抗Ｒ４を、スイッチ素子Ｑ１のソースと整流部１１の第２の出力端子との間に設けたが、これに限らず、スイッチ素子Ｑ１のドレインと第２チョークＬ２との間に設けてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１００；定電流電源装置
１１；整流部
２１、２１Ａ、２１Ｂ；制御部
３１；補正部
４１；制御回路
Ａ；タップ
Ｃ１〜Ｃ３、Ｃ１１、Ｃ１２；キャパシタ
Ｄ１；ダイオード
Ｌ１；第１チョーク
Ｌ２；第２チョーク
ＬＥＤ１〜ＬＥＤｎ；発光ダイオード
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ１１、Ｑ１２；スイッチ素子
Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ１１〜Ｒ１５；抵抗
Ｔ、ＴＴ；トランス
Ｔ１；第１の１次巻線
Ｔ２；第２の１次巻線
Ｔ３；２次巻線

Claims

負荷の入力端に定電流を供給する定電流電源装置であって、
タップを有し、前記負荷の出力端に直列接続された出力チョークと、
前記出力チョークと直列接続されたスイッチ素子と、
一端には前記タップが接続され、他端には前記負荷の入力端が接続され、当該一端から当該他端に向かって電流を流す整流素子と、
前記スイッチ素子を制御する制御手段と、を備え、
前記出力チョークは、前記負荷の出力端と前記タップとを接続する第１チョークと、前記タップと前記スイッチ素子とを接続する第２チョークと、を備え、
前記制御手段は、前記第１チョークに流れる電流に応じて、前記スイッチ素子を制御することを特徴とする定電流電源装置。
前記第１チョークで構成される第１の１次巻線、前記第２チョークで構成される第２の１次巻線、および２次巻線を有するトランスを備え、
前記制御手段は、前記２次巻線に生じる起電力に応じて充電されるキャパシタを有し、当該キャパシタの端子間電圧が予め定められたしきい値未満の場合には、前記スイッチ素子をオン状態にし、当該キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、当該スイッチ素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項１に記載の定電流電源装置。
前記制御手段は、
前記２次巻線と前記キャパシタとを接続する補正手段と、
前記キャパシタの端子間電圧が前記しきい値未満の場合には、オフ状態になり、当該キャパシタの端子間電圧が当該しきい値以上の場合には、オン状態になる特定スイッチ素子と、を備え、
前記スイッチ素子は、前記特定スイッチ素子がオン状態になるとオフ状態になり、
前記補正手段は、前記特定スイッチ素子の温度特性に応じた温度特性を有し、当該補正手段の抵抗値は、前記特定スイッチ素子の温度に応じて変化することを特徴とする請求項２に記載の定電流電源装置。
前記スイッチ素子の入力端子または出力端子に直列接続された抵抗を備え、
前記制御手段は、前記抵抗に流れる電流に応じて前記スイッチ素子を制御することを特徴とする請求項１に記載の定電流電源装置。