JPH077310B2 - 定電流回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は定電流回路、特にそれぞれ独立に電流値を制御
された定電流源を有しており複数個直列に接続して負荷
に定電流を供給するための定電流回路に関する。

第１図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、従来の定電流回
路の構成例および使用例を示すブロック図である。定電
流回路１は、定電流源３が送出する電流I₁を電流検出回
路４および制御回路６により予め定めた値になるよう制
御して、負荷７へ電流Ｉ_Ｌを供給する。すなわち、電流
検出回路４には可飽和リアクトルを有する磁気増幅器
（図示は省略）などが使用され、定電流源３が送出する
電流I₁は電流検出用の直流巻線Ｗ_Ｄを通ったあと、負荷
分担用の抵抗Ｒ_Ｐへ流れる電流I₂と、負荷７に向って流
れる電流Ｉ_Ｌとに分流する。電流検出回路４は、直流巻
線Ｗ_ＤのアンペアターンＮ・I₁（但しＮは直流巻線Ｗ_Ｄ
の巻回数を示す）に比例する出力電圧Ｖ_ｄを発生して、
これを制御回路６へ送る。従って、電流検出回路４の出
力電圧Ｖ_ｄと電流I₁との関係は、 Ｖ_ｄ＝ｇ・Ｎ・I₁ ……（１） と表わされ、比例定数のｇは直流励磁アンペアターン・
出力電圧変換比である。制御回路６は比較増幅器61を具
備しており、その一対の入力端のうちの一方には電流検
出回路４の出力電圧Ｖ_ｄが印加され他方には定電流制御
の基準となる基準電圧V₀が印刷されている。この基準電
圧V₀は、電流I₁について予め定めた値の電流I₁₀に対し
て、 V₀＝ｇ・Ｎ・I₁₀ ……（２） の関係を満たすよう設定してある。制御回路６は、出力
電圧Ｖ_ｄと基準電圧V₀との差に比例する電圧の制御信号
を定電流源３へ送り両者の差が零になるよう、すなわち
電流I₁が電流I₁₀に等しくなるよう定電流源３を制御す
る。

このような定電流回路１を用いて同軸ケーブル方式ある
いは光ファイバ方式の中継装置に給電を行う場合には、
第１図（ｂ）に示すごとく複数個直列に接続し（同図
（ｂ）には２個直列接続した場合を例示する。なおダイ
オードD₁およびD₂はそれぞれ定電流回路1Aおよび1Bの動
作中断時のバイパス用である。）同時運転する冗長構成
をとり、信頼度向上および負荷分担を図る。定電流回路
1Aおよび1Bはいずれも同図（ａ）と同一の構成を有す
る。この場合に、定電流回路1Aおよび1Bのそれぞれの定
電流源３から送出される電流I₁が定電流制御精度の範囲
内で変動しても、定電流回路1Aおよび1Bの一方に過大な
電力負荷を分担させぬようにするには、以下に説明する
ごとく、抵抗Ｒ_Ｐをある値以下にする必要がある。

第２図は、第１図（ｂ）の接続時における動作特性を示
す特性図である。横軸は定電流回路1Aの出力電圧Ｖ_Ａを
示し、縦軸は負荷７への供給電流Ｉ_Ｌを示す。電圧Ｖ_L0
および電流Ｉ_L0はそれぞれ、負荷７の標準動作時におけ
る電圧および電流の値を示す。実線で示した特性A₀およ
びB₀は、それぞれ定電流回路1Aおよび1Bの定電流源３か
ら送出される電流I₁が所定の電流I₁₀に等しい場合の出
力電圧対出力電流特性を示し、電流Ｉ_A0およびＩ_B0はい
ずれも電流I₁₀に等しい。第１図（ａ）を参照すれば明
らかなように、 Ｉ_Ｌ＝I₁−I₂＝I₁−（V/R_Ｐ） ……（３） が成立し、これをI₁＝I₁₀の場合に定電流回路1Aに適用
すれば、 Ｉ_Ｌ＝Ｉ_A0−（Ｖ_Ａ/R_Ｐ） ……（４） が成立する。これを図示したのが特性A0である。また、
負荷７の標準動作時においてはＶ_Ｂ＝Ｖ_L0−Ｖ_Ａが成立
ち、この関係式と式（３）とを定電流回路1Bに適用すれ
ば、 Ｉ_Ｌ＝Ｉ_B0−（Ｖ_L0/R_Ｐ）＋（Ｖ_Ａ/R_Ｐ） ……（５） が成立する。これを図示したのが特性B₀である。この場
合の動作点は、特性A₀およびB₀の交点P₀で与えられる
が、このときの電圧Ｖ_A0は明らかに電圧Ｖ_A0の丁度半分
であり、定電流回路1Aおよび1Bの負荷分担は均等であ
る。

他方、破線で示した特性A₁およびB₁はそれぞれ、定電流
回路1Aおよび1Bの定電流源３の送出電流I₁が定電流制御
精度範囲の上限Ｉ_B1およびＩ_B1まで変動した場合を示
す。式（３）から明らかなごとく、特性A₁およびB₁はお
のおの特性A₀およびB₀を△I₁だけ上方および下方へ平行
移動した特性になる（但し、△I₁＝Ｉ_A1−Ｉ_A0＝Ｉ_B0−
Ｉ_B1である）。この動作特性変動に伴って、動作点も特
性A₁およびB₁の交点P₁に移動し、電圧Ｖ_Ａは均等に負荷
分担しているときの電圧Ｖ_A0から電圧Ｖ_A1へ変動して負
荷分担が不均等になる。この電圧Ｖ_Ａの変動分△Ｖ_Ａ＝
Ｖ_A1−Ｖ_A0は、定電流制御精度ｂ＝△I₁/I₁₀を用いて、 △Ｖ_Ａ＝Ｒ_Ｐ・△I₁＝Ｒ_Ｐ・ｂ・I₁₀ ……（６） と表され、定電流源３の送出電流I₁₀,その制御精度b,お
よび抵抗Ｒ_Ｐのそれぞれに比例する大きさになる。通
常、制御精度ｂは使用部品の精度や安定度の面からの制
約によりある限度以下に小さくすることが不可能であ
る。従って、負荷電流が大きな方式で電流I₁₀を大きく
とる必要がある場合に、電圧変動△Ｖ_Ａを所望範囲内に
抑えるためには、抵抗Ｒ_Ｐを小さくせねばならない。例
えば、同軸ケーブルを用いたアナログ伝送方式の場合の
負荷電流は50ないし100mA程度であるのに対し、光ファ
イバを用いたディジタル伝送方式の場合の負荷電流はそ
れより一桁高い１ないし2Aに達する。後者の場合の電圧
変動△Ｖ_Ａを、前者の場合と同程度の範囲内に抑えるに
は、抵抗Ｒ_Ｐを一桁低くする必要がある。第１図（ａ）
を参照すれば明らかなように、抵抗Ｒ_Ｐで消費される電
力すなわち電力損失Ｗは、 Ｗ＝V₂/R_Ｐ ……（７） と表わされるから、上記のごとく抵抗Ｒ_Ｐを一桁低くす
ると電力損失Ｗは一桁高くなり、抵抗Ｒ_Ｐが大形化する
と共に、抵抗Ｒ_Ｐの発熱量の増大に対処するため放熱冷
却手段が大規模化して、定電流回路を大形化せざるを得
ない。更に、上記の如く抵抗値を低くすると、第１図
（ｂ）に示したごとく２個直列接続した定電流回路1Aお
よび1Bのうちの１個が動作中断する障害を生じたとき、
これに伴って生ずる電流Ｉ_Ｌの変動量が大きくなる。例
えば定電流回路1Bの動作中断を生じてダイオードD₂が導
通状態になり、電圧Ｖ_Ｂが零となったとき、第２図にお
いて動作点が特性A₀上の点Q₀に移行する。但し点Q₀は、
特性A₀と、負荷７の動作特性を示す直線Ｉ_Ｌ＝（Ｖ_L0/I
_L0）・Ｖ_Ａ（第２図での図示は省略した）との交点であ
る。特性A₀は勾配の絶対値が1/R_Ｐの右下りの直線であ
るから、Ｒ_Ｐが減少すれば点Q₀は同図上で左下方へ移行
し、負荷７の標準動作点からの隔たりが増大する。

このように従来の定電流回路は、特に負荷電流が大きい
場合に、負荷分担用抵抗での電力損失が大きく回路が大
形化すると共に、冗長構成の一部分に障害を生じたとき
の負荷電流変動が大きいという欠点を有する。

本発明の目的は、上記の欠点を除去し従来よりも負荷分
担用抵抗の電力損失が小さく且つ冗長構成の一部分に障
害を生じたときの負荷電流変動が小さい定電流回路を提
供することにある。

本発明の回路は、回路内の所定箇所の電流を検出する電
流検出回路と、該電流検出回路の検出値を示す信号に応
答して該検出値が所定値に収束するよう送出電流を制御
された定電流源と、負荷分担用の抵抗とを有する定電流
回路において、前記電流検出回路は少くとも電流検出用
の第１および第２の巻線を有し該第２の巻線の巻回撰数
は該第１の巻線の巻回数よりも多く設定してあり、前記
定電流源の前記送出電流を前記第１の巻線を通り外部の
負荷に導く第１の流路と前記抵抗に流れる第２の流路と
に分流する接続を有し、前記第２の流路には前記抵抗に
直列接続され且つ該第２の流路の電流を側流させて前記
第２の巻線に導くよう接続されており前記側流する電流
を所定値以下に制限する電流制限回路を備えた回路であ
る。

次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第３図は本発明の第１の実施例を示すブロック図であ
る。同図に示す定電流回路２と、第１図（ａ）に示した
従来の定電流回路１との相違は、電流検出回路５に第２
の直流巻線Ｗ_D2を追加し、更に抵抗Ｒ_Ｐへの電流I₂の分
流を電流検出回路５および定電流源３の間で行い、抵抗
Ｒ_Ｐに電流制御回路８を直列接続して設けたことであ
る。定電流源３が送出する電流は、負荷分担用の抵抗Ｒ
_Ｐへ流れる電流I₂と、第１の直流巻線Ｗ_D1を通り負荷に
向って流れる電流Ｉ_Ｌとに分流する。電流制限回路８
は、抵抗Ｒ_Ｐに直列接続したツェナダイオードZDの両端
を、電流I₃を側流するための抵抗Ｒ_Ｐを介して第２の直
流巻線Ｗ_D2に接続した構成を有する。

電流検出回路５の出力電圧Ｖ_ｄは、第１および第２の直
流巻線Ｗ_D1およびＷ_D2のアンペアターンの和、すなわち
（N₁・Ｉ_Ｌ＋N₂・I₃）に比例し、 Ｖ_ｄ＝ｇ（N₁・Ｉ_Ｌ＋N₂・I₃） ……（６） と表わされる。但し、N₁およびN₂はそれぞれ第１および
第２の直流巻線Ｗ_{Ｄ １}およびＷ_D2の巻回数を示す。制御
回路６は、この出力電圧Ｖ_ｄを受けてこれと、予め定め
た値のの電流I₁₀に対して、 V₀＝ｇ・N₁・I₁₀ ……（７） で表わされる基準電圧V₀との差に比例する電圧の制御信
号を定電流源３へ送り、アンペアターン（N₁・Ｉ_Ｌ＋N₂
・I₃）がアンペアターン（N₁・I₁₀）に等しくなるよう
定電流源３の送出電流I₁を制御する。この制御により、 Ｉ_Ｌ＝I₁₀−（N₂/N₁）・I₃ ……（８） が成立する。

一方、第２の直流巻線Ｗ_D2に側流される電流I₃は、ツェ
ナダイオードZDの両端間電圧（Ｖ_Ｚ）がツェナ電圧（Ｖ
_Ｂ）未満のときには電流I₂に等しく、またツェナダイオ
ードZDの両端電圧（Ｖ_Ｚ）がツェナ電圧（Ｖ_Ｂ）に到達
したときには、第２の直流巻線Ｗ_D2の巻線抵抗は非常に
小さいので無視すると、（Ｖ_Ｂ/R_Ｓ）に等しい一定値に
なる。従って、Ｖ_Ｚ＜Ｖ_Ｂが成立つときには、式（８）
を参照し且つ第１の直流巻線Ｗ_D1の巻線抵抗は非常小さ
いので、無視すると、 Ｉ_Ｌ＝I₁₀−（N₂/N₁）・I₂＝I₁₀−（V/R） ……（９） 但し、Ｒ＝（Ｒ_Ｐ＋Ｒ_Ｓ）／（N₂/N₁） ……（10） が成り立ち、またＶ_Ｚ＝Ｖ_Ｂが成立つときには、 Ｉ_Ｌ＝I₁₀−（N₂/N₁）・（Ｖ_Ｂ/R_Ｓ） ……（11） が成立つ。式（９）および（11）を、第２図と同様に図
示したものが次図である。

第４図は本実施例の動作特性を示す特性図であり、定電
流回路２を第１図（ｂ）のごとく２個直列接続した場合
の動作特性を示す。実線で示した特性A₀およびB₀はそれ
ぞれ、２個直列接続した定電流回路2Aおよび2Bの動作特
性を示し、電流Ｉ_A0およびＩ_B0はいずれも所定の電流I
₁₀に等しい。すなわち、特性A₀（あるいはB₀）は式
（９）および（11）を定電流回路2A（あるいは2B）に適
用して図示したものである。電圧Ｖ_ACは、特性A₀が式
（９）の特性から式（11）の特性に移行する動作点にお
ける電圧Ｖ_Ａであり、 と表わされる。式（９）および（11）から明らかなよう
に、特性A₀の勾配の絶対値は、Ｖ_Ａ＜Ｖ_ACであれば1/R
であり、Ｖ_Ａ＜Ｖ_ACであればゼロである。式（12）を参
照すれば、電圧Ｖ_ACを、特性A₀およびB₀の交点P₀が1/R
の勾配（絶対値）の部分にあり且つ特性A₀および負荷特
性（すなわち直線Ｉ_Ｌ＝（Ｖ_L0/I_L0）・Ｖ_Ao図示は省略
した）の交点Q₀がゼロの勾配の部分にあるよう選択する
ことができる。第４図はこのように選定した例を示して
おり、その結果として抵抗Ｒ_ＳおよびＲ_Ｐでの電力損失
を従来よりも軽減でき、更に定電流回路2Aおよび2Bのう
ちのいずれか一方が動作中断したときの電流Ｉ_Ｌの変動
量も従来より軽減できる。まず、定電流制御範囲内での
電流I₁の変動に起因する電圧Ｖ_Ａの変動△Ｖ_Ａは、本実
施例で電圧Ｖ_Ａの変動が特性A₀およびB₀の1/Rの勾配
（絶対値）の部分内で生ずるようにしてあれば、 △Ｖ_Ａ＝Ｒ・△I₁＝Ｒ・ｂ・I₁₀ ……（13） と表わされる。従来の回路の場合での式（６）と上式
（13）とを対照し且つ式（10）を参照すれば明らかなご
とく、本実施例での抵抗値（Ｒ_Ｓ＋Ｒ_Ｐ）を従来の回路
での抵抗Ｒ_Ｐの に等しくしたときに同じ電圧変動△Ｖ_Ａになる。従っ
て、抵抗Ｒ_ＳおよびＲ_Ｐでの電力損失は、本実施例でN₁
＜N₂を満たすように巻回数を設定すれば、従来の回路の
場合の に低減する。更に、従来の回路での特性A₀は破線a₀で示
すごとく一直線になるから、定電流回路1Bの動作中断時
における定電流回路1Aの動作点は点q₀になるが、本実施
例では、定電流回路2Bの動作中断時における定電流回路
2Aの動作点は点Q₀である。点Q₀は点q₀より右上方にあり
従って負荷７の標準動作点に近付く。

以上に説明したごとく、電流検出回路５に第１の直流巻
線Ｗ_D1よりも巻回数が多い第２の直流巻線Ｗ_D2を追加し
て設け第１および第２の直流巻線Ｗ_D1およびＷ_D2のアン
ペアターンが予め定めた大きさになるよう電流制御を行
うことにより、負荷分担用抵抗Ｒ_ＳおよびＲ_Ｐの電力損
失を低減でき、更に負荷分担用抵抗Ｒ_Ｐに流れる電流を
電流制限回路８で側流させた電流を第２の直流巻線Ｗ_D2
に流入させることにより、直列運転時に一方の回路が断
になった場合の負荷電流変動を低減できる。

第５図は本発明の第２の実施例を示すブロック図であ
る。本実施例の回路は、第１の実施例の回路で一方の出
力端を接地した場合に、電流制限回路８を接地側に接続
したものである。明らかに、動作原理は第１の実施例と
同じであるが、第３図における第２の直流巻線Ｗ_D2にか
かる電圧は本実施例の場合の方が低くなるから、直流巻
線線Ｗ_D2に対して従来のような高耐圧処理を施す必要が
なくなり、電流検出回路５の製作工数を減らすことがで
きるという利点がある。

第６図は本発明の第３の実施例を示すブロック図であ
る。本実施例の回路では、基準電流Ｉ_Ｓを流すための基
準電流巻線Ｗ_Ｓを追加し設けた電流検出回路15により定
電流制御を行う。基準電流巻線Ｗ_Ｓには、第１および第
２の直流巻線Ｗ_D1およびＷ_D2のアンペアターンの和（N₁
・Ｉ_Ｌ＋N₂・I₃）を打消す向きの基準電流Ｉ_Ｓを、定電
流源13から供給してある。基準電流巻線Ｗ_Ｓの巻回数を
Ｎ_Ｓとすれば、電流検出回路15はアンペアターンの合成
値（N₁・Ｉ_Ｌ＋N₂・I₃−Ｎ_Ｓ・Ｉ_Ｓ）に比例する出力電
圧Ｖ_ｄを発生し、これを制御回路６へ送る。本実施例で
は、制御回路６での定電流制御基準電圧V₀を零に設定し
てある。すなわち、制御回路６は電圧Ｖ_ｄに比例する電
圧の制御信号を定電圧源３北り、制御信号の電圧が零に
なるよう、すなわち Ｉ_Ｌ＝（Ｎ_Ｓ/N₁）・Ｉ_Ｓ（N₂/N₁）・I₃ ……（14） の関係が成立つような電流I₁を送出するよう定電流源３
を制御する。式（14）は、式（８）におけるI₁₀を（Ｎ
_Ｓ/N₁）・Ｉ_Ｓで置換えた式であるから、本実施例でも
第１の実施例と同様の定電流制御を行うことができ、従
って第１の実施例と同じ効果を得ることができる。

本実施例の回路を３個以上直列運転する場合も、同様な
効果が得られることは明らかである。また電流制限回路
８は第３図に例示した回路形式に限定せず、流入する電
流I₂が予め定めた電流I₂₀以下のときにはそのまま第２
の直流巻線Ｗ_D2に側流させ、電流I₂が予め定めた電流I
₂₀を超えたときにはそのうち電流I₂₀だけを第２の直流
巻線Ｗ_D2に側流させるように構成した回路であれば、同
じ効果が得られることは明らかである。

以上の説明から明らかなように、本発明には従来よりも
負荷分担用抵抗の電力損失が小さく且つ複数個直列運転
時に一部分障害を生じたときの負荷電流の変動が小さい
定電流の変動が小さい定電流回路を実現できるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）はそれぞれ従来の定電流回路
の構成例および使用例を示すブロック図、第２図は従来
の定電流回路の動作を示す特性図、第３図および第４図
はそれぞれ本発明の第１の実施例を示すブロック図およ
び特性図、第５図および第６図はそれぞれ本発明の第２
および第３の実施例を示すブロック図である。 1,1A,1B,2,2A,2B……定電流回路、3,13……定電流源、
4,5,15……電流検出回路、６……制御回路、７……負
荷、８……電流制限回路、Ｗ_Ｄ,W_D1,W_D2……直流巻線、
Ｗ_Ｓ……基準電流巻線、Ｒ_Ｓ,R_Ｐ……抵抗、D₁,D₂……
ダイオード。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 克彦 東京都武蔵野市緑町３丁目９番11号 日本 電信電話公社武蔵野電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭54−36557（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回路内の所定箇所の電流を検出する電流検
   出回路と、該電流検出回路の検出値を示す信号に応答し
   て該検出値が所定値に収束するよう送出電流を制御され
   た定電流源と、負荷分担用の抵抗とを有する定電流回路
   において、 前記電流検出回路は少くとも電流検出用の第１および第
   ２の巻線を有し該第２の巻線の巻回数は該第１の巻線の
   巻回数よりも多く設定してあり、前記定電流源の前記送
   出電流を前記第１の巻線を通り外部の負荷に導く第１の
   流路と前記抵抗に流れる第２の流路とに分流する接続を
   有し、前記第２の流路には前記抵抗に直列接続され且つ
   該第２の流路の電流を側流させて前記第２の巻線に導く
   よう接続されており前記側流する電流を所定値以下に制
   限する電流制限回路を備えたことを特徴とする定電流回
   路。