JP2004208462A

JP2004208462A - 電源装置

Info

Publication number: JP2004208462A
Application number: JP2002377222A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Eguchi; 健太郎江口; Satoshi Nagai; 敏永井; Kenichiro Nishi; 健一郎西; Koji Shibata; 浩治柴田; Hiroaki Nishikawa; 弘明西川; Shigeki Terasawa; 茂樹寺沢; Mamoru Hamada; 衛濱田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】簡易な回路構成により、ノイズや発振が発生しない安定性の高い電源装置を得る。
【解決手段】交流電源ＡＣにインピーダンス素子１を介して整流回路２、負荷３が接続され、交流電源ＡＣの電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路４と、整流回路２の入力側に接続され、電圧検出手段４の検出電圧に基づいてＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子ＳＷとを備え、このスイッチング素子ＳＷは、電圧検出回路４で検出された検出電圧があらかじめ定めた電圧以下の時はＯＦＦとなり、全電流を負荷３に供給し、検出された検出電圧があらかじめ定めた電圧を越える時はＯＮとなり、電流をバイパスし、負荷３に供給する電流を一定とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電源装置に係り、特に簡易な回路で安定した電流を供給するインピ−ダンス降圧型電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電源装置は、電圧降圧用コンデンサと整流回路を直列に接続して構成され、交流電流を低圧直流電源に変換して出力するコンデンサ降圧型の電源回路において、この電源回路に接続される負荷の状態を検出する検出手段と、この検出手段の出力によって前記整流回路の入力側を短絡する短絡手段を設けるようにしている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
実開平３−１２４７８２号公報（第３−６頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の電源装置の構成では、負荷に印加する電圧の精度が検出回路の精度により決定するため、検出回路にコンパレータなどの回路素子が必要となり、また、電圧の変動に応じてスイッチング素子が動作するため、不定期のスイッチングノイズが常時発生する問題があった。さらに、ノイズの量を減らすため、検出電圧にヒステリシスを持たせると出力電圧にリプルが発生する等の相反する問題が生じ、また、負帰還回路を構成するため、特性の変化などによる発振の可能性があるという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡易な回路構成により、ノイズや発振が発生しない安定性の高い電源装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電源装置は、交流電源にインピーダンス素子を介して整流回路、負荷が接続されるインピ−ダンス降圧型電源装置において、前記交流電源の電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、前記整流回路の入力側に接続され、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいてＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子とを備え、このスイッチング素子は、前記電圧検出回路で検出された検出電圧があらかじめ定めた電圧以下の時はＯＦＦとなり、全電流を前記負荷に供給し、検出された前記検出電圧が前記あらかじめ定めた電圧を越える時はＯＮとなり、電流をバイパスし、前記負荷に供給する電流を一定としたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す電源装置のブロック図、図２は電源装置の回路図、図３は入出力電圧と電流の波形図、図４は電源装置の回路図である。図１において、電源装置は交流電源ＡＣにインピーダンス素子１を介して接続された整流回路２、整流回路２の出力側に接続された定電圧素子であるツェナーダイオードＤＺ、交流電源ＡＣの電圧を検出する電圧検出回路４、整流回路２の入力側に接続されたスイッチング素子ＳＷから構成され、負荷３が接続されている。
【０００８】
次に、図１に示した電源装置の具体的な回路を図２により説明する。図２において、図１と同じ部分は同じ符号を付し説明を省略する。電圧検出回路４は、電源Ｖ１に並列に接続されたダイオードＤ１、抵抗ｒ２、ｒ３の直列回路と、抵抗ｒ３に並列に接続されたコンデンサｃ３から構成される。インピーダンス素子１はコンデンサｃ１である。スイッチング素子ＳＷは電圧入力によりＯＮ／ＯＦＦする素子で双方向に電流を流すもので、例えばＭＯＳＦＥＴが使用される。整流回路は２はダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５から構成される全波整流回路である。なお、コンデンサｃ３はノイズ除去用である。
【０００９】
次に、図２、図３により動作を説明する。図３（ａ）は交流電源ＡＣの電圧Ｖ１、と出力電圧Ｖ（５）、図３（ｂ）は入力電流ｉ（ｃ１）、図３（ｃ）はスイッチ手段ＳＷがＯＦＦのときの供給電流ｉ（ｒ１）、図３（ｄ）はスイッチ手段ＳＷがＯＮ／ＯＦＦする場合の供給電流ｉ（ｒ１）を各々示す。
なお、交流電源ＡＣの電圧Ｖ１は、１００Ｖ、最大電圧は１４１．４Ｖ、出力電圧Ｖ（５）は１２Ｖの例を示している。
まず、交流電源ＡＣが投入されると、交流電源ＡＣの両端電圧Ｖ１は図３（ａ）のように正弦波となり、平滑された出力電圧Ｖ（５）は、一定電圧になる。交流電源ＡＣから流れ込む入力電流ｉ（ｃ１）は、交流電源ＡＣから見たインピーダンスがほとんどコンデンサｃ１に等しいため、図３（ｂ）に示すように、ほぼ正弦波となる。
【００１０】
なお、図３（ｂ）において、パルス状の波形はスイッチング素子ＳＷの動作時に通常発生するものであり、また、電流がある期間０となる箇所は、内部と外部の電源電圧差が０となるときに生じるもので、通常の現象である。また、電流の波形は図３（ａ）に示した交流電源ＡＣの電圧Ｖ１の波形より９０度進んでいる。
【００１１】
ここで、スイッチング素子ＳＷは入力電圧Ｖ２によりＯＮ／ＯＦＦし、双方向に電流を流すが、スイッチング素子ＳＷがＯＮとなる入力電圧Ｖ２Ｋに対応した交流電源ＡＣの電圧Ｖ１Ｋは、例えば、スイッチング素子ＳＷにＭＯＳＦＥＴを用いる場合はＭＯＳＦＥＴの２．５Ｖ／４Ｖ／１０Ｖ程度のものとし、ＯＮ抵抗等から適切に選択することにより、負荷３側に必要な電流値が得られるようにあらかじめ定めておく。図３（ａ）では電圧Ｖ１Ｋが１００Ｖの場合を示している。
交流電源ＡＣの電圧Ｖ１があらかじめ定めた電圧Ｖ１Ｋ以下と低いときは、電圧検出回路４からの検出電圧がＶ２Ｋ以下でスイッチング素子ＳＷに入力され、スイッチング素子ＳＷがＯＦＦとなる。そして、図３（ｂ）に示す電流ｉ（ｃ１）は、整流回路２で整流され、負荷３に供給される電流ｉ（ｒ１）は図３（ｃ）に示すように全波整流され、全電流が供給される。
【００１２】
なお、電圧の正負のピーク点において、一時的に電流が流れなくなるが、この一時的な電流の遮断は、負荷３側の電圧Ｖ（５）が、交流電源の電圧Ｖ１よりも高くなり、ダイオードＤ２〜Ｄ５がＯＦＦすることによって発生する。
この状態は、電源電圧Ｖ１がピークからＶ（５）の２倍の電圧分だけ変化するまで続き、その後Ｄ２〜Ｄ５がＯＮし、電流が流れるようになる。
【００１３】
交流電源ＡＣの電圧があらかじめ定めた電圧Ｖ１Ｋ以上に高いときは、電圧検出回路４からの検出電圧がＶ２Ｋ以上となりスイッチング素子ＳＷに入力され、スイッチング素子ＳＷがＯＮとなる。そして、図３（ｂ）に示す電流ｉ（ｃ１）は整流回路２で整流されるとき、交流電源ＡＣの電圧がＶ１Ｋ以上となる期間（例えばｔ１〜ｔ２）のみスイッチング素子ＳＷに電流が流れ、この期間は整流回路２に電流が流れないので、図３（ｄ）に示すように、交流電源ＡＣの電圧がＶ１Ｋ以上の期間（例えばｔ１〜ｔ２）は負荷３に流れる電流ｉ（ｒ１）が０となる。
【００１４】
このように電源電圧が増えた分の電流をバイパスすることで、負荷３に供給する電流を一定とし、本来なら、Ｉ＝Ｖ／Ｚで計算される電流値、つまり電源電圧が上がれば、電流も増える回路においても、負荷に供給する電流値が増加しないように押さえられる。
また、負荷３に印加される電圧は、ツェナーダイオードＤＺにより安定化する。なお、ｃ２は平滑用コンデンサ（ｃ１＜＜ｃ２）であり、容量と負荷に流れる電流の兼ね合いで平滑電圧が変動するので、平滑電圧が変動してもかまわない場合（ツエナーダイオードＤＺがあるので、上側はクリップされる。）には使用しなくともよい。
【００１５】
以上のように、フィードフォワード型のため、発振が発生しないようにすることができ、また、交流電源ＡＣの周期内でスイッチングする場合でも、スイッチングタイミングが電源周波数に依存し、固定のためノイズ対策を容易にすることができ、さらに、インピーダンス素子１の後段の回路は電圧が低くなっており、ダイオードＤ２〜Ｄ５、スイッチング素子ＳＷには低電圧用のものが使用できる。
従って、簡易な回路構成により安定性が高く、安価な電源装置を得ることができる。
【００１６】
なお、本実施の形態では、整流回路２を全波整流回路としたが、図４に示すように半波整流回路としてもよい。この場合、基本的な動作は、ほとんど変わらないが、半波整流のため全波整流に対し電流値が半分しか出力できないが、あまり電流を必要としない場合に使用され、部品を減らすことができる。
【００１７】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２を示す電源装置のブロック図、図６は電源装置の回路図、図７は出力電圧電流の波形図である。
本実施の形態は実施の形態１を示す図１のスイッチング素子ＳＷに直列に整流素子７を接続したものであり、整流素子７は図６に示すようにダイオードＤ６である。他の構成部分は実施の形態の図１、図２と同じなので説明を省略する。
【００１８】
この構成において、基本的な動作は実施の形態１と同じであるが、スイッチング素子ＳＷがＯＮのとき、交流電源ＡＣの正負の電流の内、片方のみの半周期をバイパスするので、負荷３に流れる電流ｉ（ｒ１）は、図７に示すように、実施の形態１の図３（ｃ）の波形の一つ置きの波形となる。
電圧検出回路４のコンデンサｃ３、抵抗ｒ２、ｒ３の時定数を交流電源周波数よりも充分長くすることで、スイッチング素子ＳＷを交流電源ＡＣが１ＯＯＶの時はＯＦＦ、２００Ｖ時はＯＮとする切替回路として使用することができる。これにより、交流電源ＡＣ２００Ｖ時は図７のｉ（ｒ１）の様に半周期だけ電流が流れ、通常であれば、倍の電流が流れる時に、ＡＣ１００Ｖと同じ電流値とすることが可能となる
【００１９】
以上のように、スイッチング素子ＳＷのＯＮ／ＯＦＦを決めるスレッショルド電圧は、ばらつきが大きく精度がでなくとも、商用の交流電源は通常１００Ｖ／２００Ｖと決まった電圧であり、電圧検出回路４の精度はさほど高くなくてもよいので、電圧検出回路４を抵抗分圧程度の非常に簡単な回路とすることができる。
また、１００Ｖ／２００Ｖの切り替えは電圧が倍になるため、整流回路２により半周期だけ電流を流せば、負荷３に供給する電流は一定になり、負荷３側の対策は不要となる。このため、１００Ｖ時ＯＦＦ、２００Ｖ時ＯＮとすればよいので、スイッチングは電源投入直後の一度だけとすることもできる。
従って、簡易な回路構成により、安定性が高く、安価な電源装置を得ることができる。
【００２０】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３を示す電源装置のブロック図、図９は電源装置の回路図、図１０は電源装置のブロック図である。
本実施の形態は実施の形態２を示す図５の整流回路２の入出力側をインピーダンス素子６で接続したもであり、インピーダンス素子６は図９に示すように抵抗ｒ４である。他の構成部分は実施の形態２の図５、図６と同じなので説明を省略する。
【００２１】
実施の形態１、２では、スイッチング素子ＳＷが導通している場合、整流回路２の入力電圧は、ほぼ０Ｖとなり、整流回路２は導通しない。このため、整流回路２の出力側は、入力側と絶縁されており、ケースなどの周囲との浮遊容量や絶縁抵抗、誘導により、電源から見た電位がふらつくことになる。
このような状態では、誘導によるノイズや、電源との接続によるサージを受け易くなる。
これに対し、本実施の形態では、整流回路２の入力側と出力側を抵抗ｒ４で接続して、整流回路２の出力側のＧＮＤを電源側電位に固定してふらつきを抑える。
【００２２】
以上のように、簡易な回路構成により回路の安定化を図り、安定性が高く、安価な電源装置を得ることができる。
【００２３】
なお、図１０に示すように、実施の形態１の図１の整流回路２の入出力側をインピーダンス素子６で接続しても同様な効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４を示す電源装置のブロック図、図１２は電源装置の回路図、図１３は電源電圧と出力電圧の波形図である。
本実施の形態は実施の形態１を示す図１の電圧検出回路４の時定数を大きくした電圧検出回路８としたものであり、他の構成部分は実施の形態の図１、図２と同じなので説明を省略する。
【００２５】
この構成における動作を図１３により説明する。図１３（ａ）は交流電源ＡＣの電圧Ｖ１、図１３（ｂ）は出力電圧Ｖ（５）の波形図である。
交流電源ＡＣから負荷３側に供給される電流ｉ（ｒ１）は、スイッチング素子ＳＷがＯＮすると、バイパスされてしまうため流れなくなる。このため、平滑コンデンサｃ２の容量が大きい場合は、電源Ｖ１の立ち上がり時にｃ２を充電する時間が長くなり、出力電圧Ｖ（５）の電圧が安定するまでに時間がかかる。
この時の出力電圧Ｖ（５）の電圧波形は、図１３（ｂ）のａのようになる。これに対して、電圧検出回路４の抵抗ｒ２、ｒ３、コンデンサｃ３の時定数を長くすることでスイッチング素子ＳＷの動作を遅らせ、電源投入直後の供給電流ｉ（ｒ１）を一時的に多くすることで出力電圧Ｖ（５）の上昇を図１３（ｂ）のｂのように早くすることができる。なお、図１３では説明のために電源２周期程度でコンデンサｃ２の充電が終わるように図示している。
【００２６】
以上のように、交流電源ＡＣより負荷３に供給される電流は、インピーダンス素子１により制限されるが、電圧検出回路４がスイッチングＳＷをＯＮさせると、負荷３に供給する電流を減らすことになるため、電圧検出回路４の電源立ち上がり時の動作を遅くすることで、簡易な回路構成により、負荷３に供給する電流を一時的に増加させることができ、電源投入時の起動時間を短縮をすることができる。
【００２７】
なお、実施の形態２の図５の電圧検出回路４の時定数を大きくしても同様な効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、交流電源にインピーダンス素子を介して整流回路、負荷が接続されるインピ−ダンス降圧型電源装置において、前記交流電源の電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、前記整流回路の入力側に接続され、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいてＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子とを備え、このスイッチング素子は、前記電圧検出回路で検出された検出電圧があらかじめ定めた電圧以下の時はＯＦＦとなり、全電流を前記負荷に供給し、検出された前記検出電圧が前記あらかじめ定めた電圧を越える時はＯＮとなり、電流をバイパスし、前記負荷に供給する電流を一定としたので、簡易な回路構成により、ノイズや発振が発生しない安定性の高い電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す電源装置のブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す電源装置の回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す電源装置の入出力電圧と電流の波形図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す電源装置の回路図である。
【図５】この発明の実施の形態２を示す電源装置のブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２を示す電源装置の回路図である。
【図７】この発明の実施の形態２を示す電源装置の出力電流の波形図である。
【図８】この発明の実施の形態３を示す電源装置のブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態３を示す電源装置の回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態３を示す電源装置のブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態４を示す電源装置のブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態４を示す電源装置の回路図である。
【図１３】この発明の実施の形態４を示す電源装置の入出力電圧の波形図である。
【符号の説明】
１インピーダンス素子、２整流回路、３負荷、４、８電圧検出回路、ＡＣ交流電源、Ｄ１〜Ｄ６ダイオード、ｒ１〜ｒ４抵抗、ＳＷスイッチング素子。

Claims

交流電源にインピーダンス素子を介して整流回路、負荷が接続されるインピ−ダンス降圧型電源装置において、
前記交流電源の電圧を検出し、検出電圧を出力する電圧検出回路と、
前記整流回路の入力側に接続され、前記電圧検出手段の検出電圧に基づいてＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子とを備え、
このスイッチング素子は、前記電圧検出回路で検出された検出電圧があらかじめ定めた電圧以下の時はＯＦＦとなり、全電流を前記負荷に供給し、検出された前記検出電圧が前記あらかじめ定めた電圧を越える時はＯＮとなり、電流をバイパスし、前記負荷に供給する電流を一定としたことを特徴とする電源装置。
スイッチング素子に直列に接続された整流手段を備え、交流電源の半分の周期の電流のみをバイパスしたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
整流回路の入出力側を接続するインピーダンス素子を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
電圧検出回路の時定数を大きくし、スイッチング素子の動作を遅らせたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。