JPH0515151A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 車載用から家庭用まで広範囲の入力電源に対
応して安定出力の供給できる直流電源装置を提供する。 【構成】 入力電源１から所定の出力電圧を生成する、
トランス３とスイッチング素子とを用いた直流電源装置
において、前記スイッチング素子として電界効果トラン
ジスタＱ１で構成するとともに、前記電界効果トランジ
スタＱ１のソースと前記トランス３の３次巻線Ｎ３との
間に直列に接続された検出抵抗Ｒ３と、前記電界効果ト
ランジスタＱ１のゲートと、前記３次巻線Ｎ３と前記検
出抵抗Ｒ３との接続点間に介設されたツェナーダイオー
ドＺＤ１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、充電器などに使用され
る直流電源装置に係り、特に例えば車載用のＤＣ１２Ｖ
のポータブル電源からＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖまでの家
庭用の交流電源に用いて好適な直流電源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近、充電電池を備えたポータブルの電
話器が普及してきており、かかる電話器では大容量の直
流電源が必要となってくる。また、自動車などで使用す
るものもあり、家庭用電源から車載用電源でも充電可能
なものが望まれている。

【０００３】従来の直流電源装置について図８及び図９
を用いて説明する。図８は直流電源装置の第１の従来例
を示す回路図である。入力電源１１は端子を介して整流
ブリッジ１２に接続されるものである。整流ブリッジ１
２は入力電源１１からの入力電圧を整流してトランス１
３の１次巻線Ｎ１１に出力するものである。トランス１
３は１次巻線Ｎ１１，２次巻線Ｎ１２及び３次巻線Ｎ１
３からなり、トランジスタＱ１１のオン、オフにより１
次巻線Ｎ１１に流入する電流がスイッチングされ、これ
により２次巻線Ｎ１２及び３次巻線Ｎ１３に電圧が誘起
されるようになっている。

【０００４】前記トランジスタＱ１１のベースには前記
３次巻線Ｎ１３，抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ１１から
なる発振用の直列回路が接続され、前記３次巻線Ｎ１３
の誘起電圧により前記トランジスタＱ１１にベース電流
が供給されてオン・オフするようになっている。起動抵
抗Ｒ１２は前記トランジスタＱ１１のベースに電圧を印
加して前記トランジスタＱ１１を起動させるものであ
る。

【０００５】前記２次巻線Ｎ１２にはダイオードＤ１１
が直列接続され、前記２次巻線Ｎ１２に誘起された電力
を前記ダイオードＤ１１により整流し、出力端子から直
流電源を供給する。

【０００６】この方式では、スイッチング素子として通
常のトランジスタを用いる関係上発振周波数を上げるこ
とができないために、直流電源の出力容量を大きくでき
ないという欠点がある。

【０００７】直流電源の出力容量を上げるには、トラン
スを大きくすれば良いが、直流電源装置が大型化するこ
ととなる。そこで、発振周波数を上げるために、スイッ
チング速度がトランジスタより高速な、電界効果トラン
ジスタを使用する方法もある。

【０００８】図９は直流電源装置の第２の従来例を示す
回路図である。なお、第１の従来例と同一内容について
は、同一の符号を付し説明を省略する。トランジスタは
電流駆動であるのに対して、電界効果トランジスタは電
圧駆動であり、Ｒ１２による高電圧が電界効果トランジ
スタのゲートに印加され、耐圧を越えるために、単純に
図８のトランジスタＱ１１に置き換えることはできな
い。そのため、図９に示すようにスイッチング制御用Ｉ
Ｃが使用される。

【０００９】図９において、トランス１３の３次巻線Ｎ
１３，ダイオードＤ２１，コンデンサＣ２１，抵抗Ｒ２
１は、スイッチング制御用であるＩＣ１の電源回路であ
る。コンデンサＣ２２，抵抗Ｒ２２は、ＩＣ１の発振回
路である。

【００１０】スイッチング制御用であるＩＣ１の出力を
電界効果トランジスタＱ２１のゲートに印加することで
電界効果トランジスタＱ２１をオン・オフ制御するよう
にしている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、直流電源装
置に上記スイッチング制御用ＩＣを使用することとする
と、その分回路が複雑、大型化し、特に小型化の要請の
下では好ましくない。

【００１２】また、第１の従来例のようにトランジスタ
を使用する場合、トランジスタを駆動するのに必要な電
流を供給するためには、入力電圧が６０Ｖ程度必要にな
る。この、第１の従来例における入力電圧−出力電圧特
性を図２の破線に示す。図２より分かるように第１の従
来例の構成では、車載用電源には対応できない。

【００１３】本発明は、上記課題を解決するもので、大
容量化を図るとともに、広範囲の入力電源に対応できる
小型化が可能な直流電源装置を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、トランスの１次巻線とスイッチング素子
との直列回路を入力電源に接続し、前記スイッチング素
子をオンオフ駆動することにより前記トランスの２次巻
線に誘起された電力を整流して直流電源を得るようにす
るとともに、前記トランスの３次巻線と発振回路とを前
記スイッチング素子と直列に接続し、さらに前記入力電
源と前記スイッチング素子との間に前記トランスの１次
巻線と並列に、起動抵抗を接続した直流電源装置におい
て、前記スイッチング素子として電界効果トランジスタ
で構成するとともに、前記電界効果トランジスタのソー
スと前記３次巻線との間に直列に接続された検出抵抗
と、前記電界効果トランジスタのゲートと、前記３次巻
線と前記検出抵抗との接続点間に介設された第１のツェ
ナーダイオードとを備えたものである。

【００１５】また、請求項２では、請求項１記載の直流
電源装置において、前記電界効果トランジスタのソース
電流に応じた負電圧を発生させる負電圧発生手段と、コ
レクタ，エミッタが前記電界効果トランジスタのゲート
と前記負電圧発生手段の負極側に接続されたトランジス
タと、該トランジスタのベースと前記電界効果トランジ
スタのソース間に接続された第２のツェナーダイオード
とを備えたものである。

【００１６】

【作用】上記構成の直流電源装置によれば、第１のツェ
ナーダイオードで電界効果トランジスタのゲート電圧は
入力電圧に拘らず所定値以下に制御されるので、電界効
果トランジスタを用いることができる。電界効果トラン
ジスタのソース電流が増加するに伴い検出抵抗の両端に
発生するソース電圧が増大し、電界効果トランジスタは
オフする。電界効果トランジスタのゲート電圧は所定値
（ツェナー電圧）以下なので、入力電圧が高い場合に
は、ソース電圧が早く大きくなる。従って、電界効果ト
ランジスタのオフは早くなるので、出力電圧が抑制され
る。逆に入力電圧が低い場合には、ソース電圧が大きく
なるのが遅くなり、電界効果トランジスタのオフは遅く
なるので、出力電圧が大きくなる。よって、広範囲の入
力電源に対して、安定した出力が得られる。

【００１７】また、請求項２の直流電源装置によれば、
前記ソース電圧の増大により第２のツェナーダイオード
が作動し、トランジスタがオンする。これにより電界効
果トランジスタのゲート電圧が、負電圧発生手段で発生
される負電圧まで低下するので、電界効果トランジスタ
は高速でスイッチングを行なうので、安定した出力が得
られる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明に係る直流電源装置の第１の実
施例を示す回路図である。入力電源１は端子を介して整
流ブリッジ２に接続されるものである。なお、前記入力
電源１は、図では交流電源として表示しているが、例え
ばＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖの電源やＤＣ１２Ｖの車載用
電源も使用可能である。整流ブリッジ２は入力電源１か
らの入力電圧を整流してトランス３の１次巻線Ｎ１に出
力するものである。トランス３は１次巻線Ｎ１，２次巻
線Ｎ２及び３次巻線Ｎ３からなり、電界効果トランジス
タＱ１のオン、オフにより１次巻線Ｎ１に流入する電流
がスイッチングされ、これにより２次巻線Ｎ２及び３次
巻線Ｎ３に電圧が誘起されるようになっている。

【００１９】前記２次巻線Ｎ２にはダイオードＤ１が直
列接続され、前記２次巻線Ｎ２に誘起された電力を前記
ダイオードＤ１により整流し、出力端子から直流電源を
供給する。

【００２０】前記電界効果トランジスタＱ１のゲートに
は前記３次巻線Ｎ３，抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１から
なる発振用の直列回路が接続され、前記３次巻線Ｎ３の
誘起電圧により前記電界効果トランジスタＱ１にゲート
電圧が供給されて所定周期でオン・オフを繰り返すよう
になっている。起動抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＺＤ
１とは前記電界効果トランジスタＱ１のゲートに所要レ
ベルの電圧を印加して前記電界効果トランジスタＱ１を
起動させるものである。このツェナーダイオードＺＤ１
は前記３次巻線Ｎ３と後述する検出抵抗Ｒ３との接続点
間に介設されている。

【００２１】また、前記電界効果トランジスタＱ１のソ
ースと３次巻線Ｎ３との間には、直列に検出抵抗Ｒ３が
接続されている。

【００２２】次に、上記のように構成した回路の動作に
ついて説明する。入力電源１が接続されると、起動抵抗
Ｒ２を通して電界効果トランジスタＱ１のゲートに電圧
が印加され、電界効果トランジスタＱ１はオンし始め
る。このため、１次巻線Ｎ１に電流が流れて３次巻線Ｎ
３に帰還電圧が誘起され、該誘起電圧が３次巻線Ｎ３、
抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１により定まる時定数で上昇
し、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧Ｖgを増加
させ、電界効果トランジスタＱ１のソースから流れるソ
ース電流Ｉsが増加する。

【００２３】一方、前記ソース電流Ｉsの増加により、
検出抵抗Ｒ３に発生するソース電圧Ｖsが上昇する。こ
こで、前記電界効果トランジスタＱ１をオンするための
閾値電圧をＶth、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー
電圧をＶzとすると、 Ｖz＞Ｖg＝Ｖs＋Ｖth のときは、オン状態が継続するが、このソース電圧Ｖs
が上昇してゲート電圧Ｖgがツェナー電圧Ｖz以上になる
と、電界効果トランジスタＱ１は急激にオフになる。電
界効果トランジスタＱ１がオフになると、３次巻線Ｎ３
に帰還電圧が誘起され、該誘起電圧が３次巻線Ｎ３、抵
抗Ｒ１及びコンデンサＣ１により定まる時定数で低下
し、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧Ｖgを低下
させ、電界効果トランジスタＱ１を所定時間オフにさせ
る。

【００２４】この後、起動抵抗Ｒ２により電界効果トラ
ンジスタＱ１のゲート電圧Ｖgが再び上昇すると、電界
効果トランジスタＱ１がオンする。すなわち、電界効果
トランジスタＱ１はスイッチングを繰返し、該スイッチ
ングにより２次巻線Ｎ２に電力が誘起されて出力電流が
流れ、直流電源が得られる。

【００２５】ここで、入力電圧が高い場合には、ソース
電流Ｉsも直ぐに大きくなり、よってソース電圧Ｖsが短
時間で大きくなる。一方、ゲート電圧Ｖgはツェナ電圧
Ｖz以上にはならないので、電界効果トランジスタＱ１
のオン時間がその分短くなる。従って、入力電圧の高低
に対して、出力電圧の安定化が行なえる。

【００２６】図２に、上述の電圧の安定化の結果を従来
例との比較で示す。同図に示すように、従来例では入力
電圧が６０Ｖで出力が得られなくなるのに対して、第１
の実施例では入力電圧が１２Ｖ近傍まで出力を得ること
ができる。

【００２７】また、上記構成により、入力電源が自動車
等のＤＣ１２Ｖでも家庭用電源のＡＣ１００Ｖ〜２４０
Ｖでも、例えば、Ｖth＝４Ｖの電界効果トランジスタを
使用し、ツェナ電圧Ｖz＝８Ｖのツェナーダイオードを
使用すると、Ｖg≦８Ｖとなり、電界効果トランジスタ
のゲートの耐圧をオーバーすることなく、十分にスイッ
チング駆動ができる。従って、従来のようにＩＣを用い
る必要もなく、しかも形状が小型で、低コストで安定し
た直流電源が実現できる。

【００２８】図３は本発明に係る直流電源装置の第２の
実施例を示す回路図である。なお、第１の実施例と同一
機能を果たすものについては、同一の符号を付し説明を
省略する（以下の実施例においても同様）。図３に示す
ように、第１の実施例におけるツェナーダイオードＺＤ
１と並列に抵抗Ｒ４を接続する。

【００２９】次いで、上記のように構成した回路の動作
について説明する。起動抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ４とにより電
界効果トランジスタＱ１のゲートに印加される電圧が分
圧されるので、電界効果トランジスタＱ１のゲートに印
加される電圧は低下する。従って、電界効果トランジス
タＱ１をオンさせるために必要な入力電圧は高くなる
が、より安定な出力電圧が得られる。

【００３０】すなわち、この第２の実施例は家庭用電源
のような場合に有効である。図４に、本実施例の電圧の
安定化の結果を示す。図に示すように、家庭用電源の範
囲内では、更に安定化した電源が得られる。

【００３１】図５は本発明に係る直流電源装置の第３の
実施例を示す回路図である。本実施例では、新たに電界
効果トランジスタＱ１のソース電流に応じた負電圧を発
生させる負電圧発生手段としてのコンデンサＣ２とダイ
オードＤ２とを３次巻線Ｎ３と並列に、かつコンデンサ
Ｃ２の正極側を検出抵抗Ｒ３に接続する。またトランジ
スタＱ２を、コレクタが前記電界効果トランジスタＱ１
のゲートに、エミッタが前記コンデンサＣ２の負極側に
なるように接続する。さらに、該トランジスタＱ２のベ
ースと前記電界効果トランジスタＱ１のソース間にツェ
ナーダイオードＺＤ２を接続する。

【００３２】次に、上記のように構成した回路の動作に
ついて説明する。抵抗Ｒ３の両端の電圧をＶs，コンデ
ンサＣ２の両端の電圧をＶc，ツェナーダイオードＺＤ
２のツェナー電圧をＶz2，トランジスタＱ２のベース・
エミッタ間の電圧をＶbeとする。

【００３３】電界効果トランジスタＱ１のソース電流Ｉ
ｓが流れ始めた時は、 Ｖs＋Ｖc≦Ｖz2＋Ｖbe であるが、ソース電流Ｉｓが増大して、 Ｖs＋Ｖc＞Ｖz2＋Ｖbe になると、ツェナーダイオードＺＤ２がオンし、トラン
ジスタＱ２のベース電流が流れてトランジスタＱ２がオ
ンするので、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧は
コンデンサＣ２の負極電圧まで下げられる。

【００３４】すなわち、電界効果トランジスタＱ１のゲ
ートに逆バイアスがかけられ、該電界効果トランジスタ
Ｑ１のオフがより高速となり、直流電源の安定化を図れ
る。

【００３５】図６は本発明に係る直流電源装置の第４の
実施例を示す回路図である。この第４の実施例では、前
述の第３の実施例の回路においてコンデンサＣ２と並列
に、抵抗Ｒ５とトランジスタＱ３との直列回路を接続す
る。

【００３６】次に、上記のように構成した回路の動作に
ついて説明する。トランジスタＱ３を外部から制御して
オンさせることにより、コンデンサＣ２に充電された電
圧を放電させる。これによりツェナーダイオードＺＤ
２，トランジスタＱ２のオン・オフを制御できる。従っ
て、電界効果トランジスタＱ１のスイッチング速度を制
御することができる。

【００３７】すなわち、入力電圧の高低により、スイッ
チング速度を制御して、さらに安定な出力が得られる。

【００３８】図７は本発明に係る直流電源装置の第５の
実施例を示す回路図である。この第５の実施例では、前
述の第３の実施例の回路において、コンデンサＣ２の負
極側とダイオードＤ２との間に、トランジスタＱ４を接
続する。

【００３９】次に、上記のように構成した回路の動作に
ついて説明する。トランジスタＱ３を外部から制御して
オンさせることにより、コンデンサＣ２に充電された電
圧を放電させる。従って、前記第４の実施例と同様に、
電界効果トランジスタＱ１のスイッチング速度を制御す
ることができる。

【００４０】すなわち、入力電圧の高低により、スイッ
チング速度を制御して、さらに安定な出力が得られる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、スイッチング素子とし
て電界効果トランジスタを用いるとともに、該電界効果
トランジスタのゲートに第１のツェナーダイオードを接
続し、さらに検出抵抗を該電界効果トランジスタのソー
スと３次巻線との間に直列に接続することにより、電界
効果トランジスタのゲートに印加される電圧を制限する
一方で、入力電圧に応じてソース電圧の上昇により、該
電界効果トランジスタのオフ時点を可変し得るので、入
力電源が、車載用のＤＣ１２Ｖから家庭用のＡＣ１００
Ｖ〜２４０Ｖまで変更されても安定した出力電圧の供給
が可能となる。

【００４２】また、電界効果トランジスタのソース電流
に応じた負電圧を発生させる負電圧発生手段と、コレク
タ，エミッタが前記電界効果トランジスタのゲートと前
記負電圧発生手段の負極側に接続されたトランジスタ
と、該トランジスタのベースと前記電界効果トランジス
タのソース間に接続された第２のツェナーダイオードと
を設けたことにより、前記トランジスタと前記第２のツ
ェナーダイオードのオンにより前記電界効果トランジス
タのゲートを負電圧まで低下させることができるので、
前記電界効果トランジスタのスイッチング速度の高速化
が可能となり、出力電圧の安定化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る直流電源装置の第１の実施例を示
す回路図である。

【図２】第１，第４，第５の実施例と第１の従来例にお
ける入力電圧−出力電圧特性を示したグラフである。

【図３】本発明に係る直流電源装置の第２の実施例を示
す回路図である。

【図４】第２の実施例における入力電圧−出力電圧特性
を示したグラフである。

【図５】本発明に係る直流電源装置の第３の実施例を示
す回路図である。

【図６】本発明に係る直流電源装置の第４の実施例を示
す回路図である。

【図７】本発明に係る直流電源装置の第５の実施例を示
す回路図である。

【図８】直流電源装置の第１の従来例を示す回路図であ
る。

【図９】直流電源装置の第２の従来例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１ 入力電源 ２ 整流ブリッジ ３ トランス Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ Ｄ１，Ｄ２ ダイオード Ｎ３ ３次巻線 Ｒ１，Ｒ４，Ｒ５ 抵抗 Ｒ２ 起動抵抗 Ｒ３ 検出抵抗 Ｑ１ 電界効果トランジスタ Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ トランジスタ ＺＤ１，ＺＤ２ ツェナーダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスの１次巻線とスイッチング素子
   との直列回路を入力電源に接続し、前記スイッチング素
   子をオンオフ駆動することにより前記トランスの２次巻
   線に誘起された電力を整流して直流電源を得るようにす
   るとともに、前記トランスの３次巻線と発振回路とを前
   記スイッチング素子に直列に接続し、さらに前記入力電
   源と前記スイッチング素子との間に前記トランスの１次
   巻線と並列に起動抵抗を接続した直流電源装置におい
   て、前記スイッチング素子を電界効果トランジスタで構
   成するとともに、前記電界効果トランジスタのソースと
   前記３次巻線との間に直列に接続された検出抵抗と、前
   記電界効果トランジスタのゲートと、前記３次巻線と前
   記検出抵抗との接続点間に介設された第１のツェナーダ
   イオードとを備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の直流電源装置において、
   前記電界効果トランジスタのソース電流に応じた負電圧
   を発生させる負電圧発生手段と、コレクタ，エミッタが
   前記電界効果トランジスタのゲートと前記負電圧発生手
   段の負極側に接続されたトランジスタと、該トランジス
   タのベースと前記電界効果トランジスタのソース間に接
   続された第２のツェナーダイオードとを備えたことを特
   徴とする直流電源装置。