JP2005513983A - 力率補正部を備えた回路装置および相応の電気機器 - Google Patents

Abstract

回路装置は回路網端子（ＮＡ）と回路網スイッチ（Ｓ１）と力率補正用の力率コイル（ＮＳ）を備えたスイッチモード電源とを有している。ここで回路網スイッチ（Ｓ１）は２つのスイッチングコンタクト（１，２）を備えている。回路網スイッチの第１のコンタクト（１）は回路網端子（ＮＡ）と整流器（ＢＲ）とのあいだの給電線路に配置されており、位相または５０Ｈｚ回路網のニュートラルな導体路を切り換える。回路網スイッチの第２のコンタクト（２）の接続点（ｃ，ｄ）はスイッチモード電源の駆動回路（ＤＣ）の給電電圧に置かれ、当該の回路装置がスイッチオフされるとき、制御電圧（ＤＳ）を直接または間接に遮断することによりスイッチモード電源のスイッチングトランジスタをスイッチオフする。
リレー（Ｒ１）のスイッチングコンタクト（３）は回路網スイッチ（Ｓ１）の第１のコンタクト（１）に並列に配置されており、このリレー（Ｒ１）の制御コイル（ＳＴ）はスイッチモード電源の出力電圧に接続されている。スイッチモード電源の出力電圧はそれぞれキャパシタによってバッファリングされるので、リレーは当該の回路装置がスイッチオフされた後もしばらくのあいだは開放される。このときには力率コイルに蓄積されたエネルギがリレーによって放散される。これは電源からリレーを介してエネルギを消費するのに要求される電流をコイルが収容するためである。

Description

本発明は、請求項１の上位概念記載のスイッチモード電源を有する回路装置、およびこの回路装置を有する電気機器に関する。

スイッチモード電源は、電源回路網に著しいパルス形状の負荷を引き起こす。このような負荷は回路網に高調波電流を招来する。この負荷は殊に正弦波状の電源電圧の電圧ピークにおいて発生する。この電圧ピークにおいてスイッチモード電源の蓄積コンデンサが再充電される。相対的に大きな電力消費を有する電気機器、例えば比較的大きなＣＲＴを有するテレビジョンセットには、こうした高調波電流に対する仕様規定を設けなければならない。電気機器によって生じる電源回路網の高調波負荷はいわゆる力率によっても表すことができる。

力率を改善するために種々の回路コンセプトが知られており、例えば独国出願第１９６１０７６２号明細書、欧州公開第０７００１４５号明細書および米国特許第５９８６８９８号明細書から公知である。これらの装置はコイルを備えた第２の電流路を有しており、このコイルが回路網の整流器とトランスの一次巻線のタップとのあいだを接続している。このコイルのインダクタンスがいわばスイッチングトランジスタによって制御される電流ポンプとして機能する。このようにしてスイッチモード電源へ流れるパルス電流が増大される。

スイッチモード電源の力率を改善する別の手段として、スイッチモード電源の入力側でコイルを使用することが挙げられる。このコイルは５０Ｈｚコイル（回路網周波数コイル）または力率コイルとも称される。他のコイルとの混同を避けるために本明細書では当該のコイルを力率コイルと称することにする。ただし力率コイルには回路網スイッチが機器のスイッチオフのために操作されるときこのコイルへの電流が突如阻止されるという欠点が存在している。コイルに蓄積されるエネルギは放散されなければならない。回路網スイッチの開放は回路のインピーダンスの最高値を意味するので、きわめて高い電圧が回路網スイッチのコンタクトにかかり、アークを生じさせる。このことは回路網スイッチの経年劣化を早め、スイッチの安全性に対するリスクとなり、最悪の場合には出火の潜勢源ともなりうる。

他の回路網スイッチもコンタクトの開放の速度が遅く、何らかのリスクを伴う。こうした場合には、スイッチングコンタクトにかかる電圧がさほど高くはならなくともアークは形成され、相応の回路網の半サイクルの終了時までに燃えはじめてしまう。これによりやはりエネルギの大部分がスイッチ内で失われ、急速な劣化につながる。

本発明の課題は高い信頼性を有し、しかも回路の煩雑さの低減された前述のタイプの回路装置および相応の電気機器を提供することである。

この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成を有する回路装置、および請求項８の特徴部分に記載の構成を有する電気機器により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明は、回路網端子と回路網スイッチと力率補正用の力率コイルを備えたスイッチモード電源とを有する回路装置に関する。ここで回路網スイッチは２つのスイッチングコンタクトを備えている。回路網スイッチの第１のコンタクトは回路網端子と整流器とのあいだの給電線路に配置されており、位相または５０Ｈｚ回路網のニュートラルの導体路が切り換えられる。回路網スイッチの第２のコンタクトはスイッチモード電源の駆動回路用の給電電圧に接続され、当該の回路装置がスイッチオフされるとき、制御電圧を直接または間接に遮断することによりスイッチモード電源のスイッチングトランジスタがスイッチオフされる。

リレーのスイッチングコンタクトは回路網スイッチの第１のコンタクトに並列に配置されており、このリレーの制御コイルはスイッチモード電源の出力電圧に接続されている。スイッチモード電源の出力電圧はそれぞれキャパシタによってバッファリングされるので、リレーは当該の回路装置がスイッチオフされた後もしばらくのあいだは開放される。このように力率コイルに蓄積されたエネルギはリレーによって放散される。リレーは自身にかかる出力電圧が低下するまで開放されないので、回路網端子からの電流は完全に阻止される。

本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。図１には回路網スイッチ、リレーおよびスイッチモード電源を有する回路装置が示されている。図２には減磁コイル用の付加的なスイッチングコンタクトを備えたリレーが示されている。図３には回路装置をスイッチオフしたときの電流および電圧のグラフが示されている。

図１にはスイッチモード電源が示されている。この実施例ではスイッチモード電源は整流器ＢＲ、つまりこの実施例では４つのダイオードを有するブリッジ型整流器と、エネルギ蓄積キャパシタＣ１（第１のキャパシタ）と、１次巻線Ｗ１、１次側の補助巻線Ｗ２および２次側の２次巻線Ｗ３〜Ｗ５を備えたトランスＴＲとを有している。エネルギ蓄積キャパシタＣ１はこの実施例ではブリッジ型整流器ＢＲと１次巻線Ｗ１とのあいだに配置されている。スイッチングトランジスタＴ１は１次巻線Ｗ１に直列に接続されており、駆動回路ＤＣの制御電圧ＤＳによって駆動される。給電電圧ＶＣＣはスイッチモード電源の作動のために形成され、補助巻線Ｗ２、ダイオードＤ１およびフィルタキャパシタＣ２（第２のキャパシタ）を介して駆動回路ＤＣへ供給される。

図１のスイッチモード電源は、回路網端子ＮＡと、２つのスイッチングコンタクト１，２を備えた回路網スイッチＳ１とを有する回路装置の一部である。この回路装置は例えばテレビジョンセット内に集積されている。

スイッチモード電源を制御するために駆動回路ＤＣには制御信号ＲＳが供給される。この駆動信号は２次側の供給電圧Ｕ４、例えばテレビジョンセット内のシステム電圧から導出され、図示しないフォトカプラまたは絶縁トランスを介してスイッチモード電源の１次側へ伝達される。いわゆるスナバ回路網ＳＮが１次巻線Ｗ１に対して並列に配置されており、これはスイッチングトランジスタＴ１がスイッチオフされたときに発生する電圧スパイクの減衰に用いられる。

スイッチモード電源はさらに駆動回路ＤＣへ電力を供給する始動回路ＡＳを含んでおり、当該の回路装置の組み込まれた電気機器がスイッチオンされると始動フェーズが開始される。始動回路ＡＳは通常は高インピーダンスの抵抗から成るチェーン回路であり、ブリッジ型整流器ＢＲと第２のキャパシタＣ２とのあいだの接続を形成して給電電圧ＶＣＣを発生させる。動作中は給電電圧ＶＣＣは補助巻線Ｗ２、ダイオードＤ１および第２のキャパシタＣ２によって形成される。

図１に示されているスイッチモード電源は有利にはフライバックコンバータの原理に則って動作するが、他の回路原理を採用することも可能である。フライバックコンバータは有利にはエンタテイメントエレクトロニクス、例えばテレビジョンセットやビデオレコーダなどに用いられている。この場合、フライバックコンバータのスイッチングトランジスタＴ１がスイッチオンされるとエネルギがトランスＴＲに蓄積され、トランジスタがオフとなっているフェーズではこのエネルギが２次巻線Ｗ３〜Ｗ５および１次側の補助巻線Ｗ２へ流れる。フライバックコンバータはＡＣ／ＤＣコンバータとしてもＤＣ／ＤＣコンバータとしても用いられる。

このタイプのスイッチモード電源は力率が低い。なぜならブリッジ型整流器ＢＲからの出力電圧がエネルギ蓄積キャパシタＣ１にかかる電圧よりも大きいとき、エネルギ蓄積キャパシタＣ１が５０Ｈｚ回路網の電圧の最大値および最小値の領域内でしか再充電されないからである。スイッチモード電源の力率を改善する１つの簡単な手段として、回路網周波数コイルまたは力率コイルＮＳを回路網端子ＮＡとエネルギ蓄積キャパシタＣ１とのあいだに接続する。この実施例では力率コイルは回路網スイッチＳ１とブリッジ型整流器ＢＲとのあいだに接続される。

この力率コイルはエネルギ蓄積キャパシタＣ１を再充電するパルス電流を増大し、その位相をシフトさせる。なぜなら力率コイルＮＳのインダクタンス（例えば５０ｍＨ）によりコイルを通る電流が徐々に上昇し、さらにもういちど緩やかに低下するからである。この場合、インダクタンスの値を適切に選定することにより、要求を満足する力率が得られる。

力率コイルＮＳは回路網スイッチＳ１の電流路に配置されるので、力率コイルＮＳの相対的に高いインダクタンスにより回路網スイッチの第１のコンタクト１が開放されたとき高い電圧が生じ、ここから第１のコンタクト１内にアークが発生する。回路網スイッチＳ１は２つのコンタクト１，２を有しており、本発明によれば、回路網スイッチの第１のコンタクト１は回路網端子ＮＡに接続されており、回路網スイッチの第２のコンタクト２は給電電圧または駆動回路ＤＣの制御電圧に結合されている。回路網端子ＮＡの第２の接続点ｂは切り換えなしでブリッジ型整流器ＢＲに接続されている。

回路網スイッチの第２のコンタクト２はこのようにスイッチングトランジスタＴ１のスイッチオフに用いられる。つまり駆動回路を介してスイッチングトランジスタＴ１の切換電圧ＤＳが直接または間接にスイッチオフされる。第２のコンタクト２は例えば接続点ｃ’，ｄ’に接続され、これにより駆動回路ＤＣはスイッチオフプロセスのあいだ給電電圧ＶＣＣから切り離される。スイッチングトランジスタＴ１は数回の切換サイクルの後に完全にスイッチオフされる。

図示しないキャパシタが有利には接続点ｃ’の下流のアースに接続されており、回路網スイッチの第２のコンタクト２のバウンスが阻止され、かつ回路網スイッチＳ１までの長い供給線路がフィルタリングされる。この場合、キャパシタの容量はスイッチングトランジスタＴ１が完全にスイッチオフされてから生じる切換サイクルの回数に作用する。

ただし他の電圧、例えば駆動回路ＤＣの制御電圧を相応に回路網スイッチの第２のコンタクト２を介してスイッチオフすることもできる。また第２のコンタクト２は制御信号ＲＳが所定の電圧値を取ることを保証する。これによりスイッチングトランジスタＴ１は持続的にオフとなる。

バイパスは回路網スイッチＳ１の第１のコンタクト１に対して並列に配置され、このコンタクトをブリッジする。これは有利には例えば回路網絶縁部、例えばスイッチングトランジスタを備えたリレーＲ１であるが、また他のスイッチング素子を使用することもできる。リレーＲ１が回路網の絶縁に用いられるとき、２次側にかかる出力電圧Ｕ２が直接にリレー１の制御コイルＳＴの接続点ｅへ印加される。回路網の絶縁はここでは図１の破線Ｎによって示されている。

回路網スイッチＳ１が開放されると、この回路網スイッチの第２のコンタクト２はスイッチングトランジスタＴ１を直接または間接にただちにスイッチオフし、トランスＴＲから２次巻線Ｗ３〜Ｗ５へのエネルギが伝達されなくなる。ただし電流はバイパスおよびリレーＲ１のスイッチングコンタクト３を通っていまだに流れており、これにより力率コイルＮＳの磁界はリレーＲ１を介した電流によって放散され、回路網スイッチＳ１の第１のコンタクト１にアークは発生しない。このことにより回路網スイッチＳ１の寿命が大幅に改善される。

出力電圧Ｕ２は例えば整流および平滑化された電圧であり、これは供給電圧Ｕ３からダイオードおよび図示しない比較的大きなフィルタキャパシタを介して得られたものである。したがってリレーＲ１のスイッチングコンタクト３は回路網スイッチのコンタクト１，２に比べて遅延を有して開放される。なぜなら大きなフィルタキャパシタの放電はスイッチングトランジスタの１回の切換サイクルに対してかなりの遅延を伴うからである。この時定数はここではフィルタキャパシタのキャパシタンスと負荷とに依存して定まる。回路網端子ＮＡの接続点ａはこの遅延時間が終わるまではスイッチモード電源から完全には切り離されない。

電気機器が回路網スイッチＳ１を押圧することによってスイッチオンされると、この回路網スイッチのコンタクト１，２は閉成され、これによりスイッチモード電源は回路網スイッチの第１のコンタクト１を介してスタートされる。また同時に駆動回路ＤＣが再び回路網スイッチの第２のコンタクトを介して動作可能状態となる。スイッチモード電源がスタートされると、リレーＲ１のスイッチングコンタクト３は出力電圧Ｕ２によって閉成され、電気機器は回路網スイッチＳ１でのアークの危険なしにスイッチオフされる。オンのあいだはスイッチモード電源は従来のタイプの機器において回路網スイッチＳ１を使用するときと同様にふるまう。

スイッチモード電源を含む電気機器はノーマルモードおよびスタンバイモード（レディモード）を有しており、有利には電圧Ｕ２として２次側で形成された出力電圧を用い、スタンバイモードでスイッチオフされる。したがってリレーはスタンバイモードでスイッチオフされ、エネルギを消費しない。このときリレーのスイッチングコンタクト３は開放される。スタンバイモードでの電気機器のスイッチオフには不都合がないばかりか、スタンバイモードにあるときには機器の電力消費が小さいために回路網スイッチＳ１の第１のコンタクト１にアークが生じないのできわめて有利である。

図２には２つのコンタクト１，２を備えた回路網スイッチＳ１が図１に則して説明したように接続されることが示されている。ただしここでは第２のリレーＲ２としてスイッチングコンタクト４がスイッチングコンタクト３に対して並列に配置されて使用される。第２のリレーのスイッチングコンタクト４はこの場合有利には図示しない減磁コイルを駆動するために用いられる。減磁コイルは通常ＣＲＴを有するテレビジョンセットまたは相応のコンピュータモニタ内で用いられる。第２のリレーＲ２の制御コイルＳＴの駆動はここでは図１の第１のリレーＲ１の駆動に相応に行われる。第２のリレーＲ２は破線Ｎによって表される回路網の絶縁を受けている。図１の接続状態および素子に相応する図２の接続状態および素子には同じ参照番号を付してある。

テレビジョンセットまたはコンピュータモニタ内で用いられるＣＲＴは陰極線管の色純度を維持するためにときどき減磁を必要とする。これは機器の切換プロセス中に通常ＡＣ電圧が印加される減磁コイルによって達成される。ここでは２２０Ｖの電圧がＡＣ電圧として用いられ、スイッチオン時に大きな電流サージが発生して徐々に低下する。この低下はいわゆるポジスタＰＳによって生じる。ポジスタは高電流によって加熱され、プロセス中にインピーダンスが増大する。

電流サージが低下すると、ポジスタＰＳは持続的に加熱されているために約１Ｗの電力を消費する。これは機器のスタンバイモードにとって望ましくない。なぜなら例えばテレビジョンセットのスタンバイ時の電力消費はできるかぎり小さく維持すべきだからである。したがってスタンバイモードで減磁コイルをスイッチオフするためにしばしばリレーが用いられる。

本発明の１つの実施例では、ポジスタＰＳの一方の端部が第２のリレーＲ２のスイッチングコンタクト４へ接続され、ポジスタＰＳの他方の端部が回路網端子ＮＡの接続点ｂへ接続される。図示されていない減磁コイルは接続点ｉ，ｊに接続される。２次側の電圧は制御電圧Ｕ２として用いられ、スタンバイモードでスイッチオフされるので、減磁コイルも同様にスタンバイモードで第２のリレーのスイッチングコンタクト４によってスイッチオフされる。これにより減磁コイルをスイッチオフするリレーおよびリレーの相応の駆動部を省略することができる。

したがって電圧Ｕ２はノーマルモードでのみ生じるが、減磁プロセスによって起こる画像障害を回避するためにＣＲＴの偏向プロセスの開始前に利用可能となっていなければならない。しかし適切な電圧はすでにテレビジョンセット内で使用可能となっており、第２のリレーＲ２により回路網スイッチでのアーク作用を回避できるだけでなく、スタンバイモードでの減磁コイルのスイッチオフも保証される。

図１に示されている回路の動作を図３の電流および電圧のグラフに則して説明する。電流Ｉ１は回路網スイッチＳ１の第１のコンタクト１を通る電流であり、電流Ｉ２はリレーＲ１のスイッチングコンタクト３を通る電流である。電圧Ｕ１は駆動回路ＤＣの接続点ｃ’に印加される電圧であり、電圧Ｕ２は接続点ｅ，ｆに印加される２次側の電圧である。

時点ｔ１まではスイッチモード電源はノーマルモードで動作している。これは電流Ｉ１，Ｉ２としての５０Ｈｚの電流パルスがエネルギ蓄積キャパシタＣ１の再充電の際に力率コイルＮＳによって減衰していることから明らかである。電流Ｉ１，Ｉ２はここでは同じ大きさである。なぜなら電流は回路網スイッチＳ１およびリレーＲ１から供給されているからである。

回路網スイッチＳ１が作動され、電気機器は時点ｔ１でスイッチオフされる。電圧Ｕ１、すなわち駆動回路ＤＣへの供給電圧はただちに低下する。回路網スイッチの第１のコンタクト１を流れる電流Ｉ１も同様にただちに阻止される。ついでキャパシタＣ１が再び完全に再充電されるので、２倍の電流Ｉ２がリレーＲ１のスイッチングコンタクト３を通って流れる。プロセスが続いているあいだ電流Ｉ２は低下するが、これにより力率コイルＮＳ内の磁界も放散される。

また電圧Ｕ２は２次側の電圧Ｕ２に対するフィルタキャパシタの放電に時間を要するため、時点ｔ１の後、徐々に低下する。リレーＲ１のスイッチングコンタクト３は時点ｔ２で電圧Ｕ２が所定の閾値電圧を下回り、回路網端子ＮＡの接続点ａが回路網から完全に切り離されるまで開放されない。この実施例では時点ｔ２で時点ｔ１からほぼ１００ｍｓ経過しており、回路網スイッチの第１のコンタクト１またはリレーのスイッチングコンタクト３にアークは生じていない。リレーＲ１を通る電流は時点ｔ２ではもはや存在しない。

本発明のさらなる修正も当該の技術分野の技術者であれば可能である。特に他の適切なスイッチング手段、例えばトランジスタなどをリレーとして用いることができる。高電圧トランスによって電気機器内で形成された供給電圧はリレーＲ１，Ｒ２の制御電圧Ｕ２としても用いられる。当該の電気機器において複数のスイッチモード電源が用いられるとき、例えば第１のスイッチモード電源をノーマルモードに対して使用し、第２のスイッチモード電源をスタンバイモードに対して使用する場合、回路網スイッチの第２のコンタクト２を介して第１のスイッチモード電源をスイッチオフすればよい。なぜならスタンバイモードにある第２のスイッチモード電源の電力消費は無視することができるからである。本発明の方法はフライバックコンバータへの適用のみに限定されず、前述したように、力率補正の必要な他のスイッチモード電源にも適用可能である。

回路網スイッチ、リレーおよびスイッチモード電源を有する回路装置を示す図である。 減磁コイル用の付加的なスイッチングコンタクトを備えたリレーを示す図である。 回路装置をスイッチオフしたときの電流および電圧のグラフである。

Claims (10)

1. 回路網端子（ＮＡ）と２つのスイッチングコンタクト（１，２）を備えた回路網スイッチ（Ｓ１）とスイッチモード電源とを有しており、
   該スイッチモード電源は整流器（ＢＲ）、１次巻線（Ｗ１）を備えたトランス（ＴＲ）、整流器と１次巻線とのあいだに配置されたエネルギ蓄積用の第１のキャパシタ（Ｃ１）、スイッチングトランジスタ（Ｔ１）、スイッチングトランジスタ用の制御電圧（ＤＳ）を形成する駆動回路（ＤＣ）、および力率補正用の力率コイル（ＮＳ）を有する
   回路装置において、
   回路網スイッチの第１のコンタクト（１）は回路網端子（ＮＡ）と整流器（ＢＲ）とのあいだに配置されており、
   回路網スイッチの第２のコンタクト（２）はスイッチングトランジスタ（Ｔ１）の制御電圧（ＤＳ）をスイッチオフするために給電電圧（ＶＣＣ）または駆動回路（ＤＣ）用の制御電圧に結合される
   ことを特徴とする回路装置。
2. トランス（ＴＲ）は駆動回路（ＤＣ）用の給電電圧（ＶＣＣ）を形成する補助巻線（Ｗ２）を有しており、回路網スイッチの第２のコンタクト（２）は給電電圧（ＶＣＣ）をスイッチオフするために当該の補助巻線（Ｗ２）と駆動回路（ＤＣ）とのあいだに配置されている、請求項１記載の回路装置。
3. ダイオード（Ｄ１）および給電電圧（ＶＣＣ）用の第２のキャパシタ（Ｃ２）が補助巻線（Ｗ２）の一方側に配置されており、回路網スイッチの第２のコンタクト（２）は第２のキャパシタ（Ｃ２）と駆動回路（ＤＣ）とのあいだに配置されている、請求項２記載の回路装置。
4. リレーまたは他のスイッチング素子が設けられており、該リレーのスイッチングコンタクト（３）は回路網スイッチ（Ｓ１）の第１のコンタクト（１）に並列に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
5. 整流されかつフィルタリングされた出力電圧（Ｕ２）がスイッチモード電源からリレーの制御コイル（ＳＴ）の一方の接続点（ｅ）へ印加され、該出力電圧（Ｕ２）が低下するとリレーのスイッチングコンタクト（３）が開放され、当該の回路装置がスイッチオフされると給電電圧（ＶＣＣ）または制御電圧はスイッチモード電源の出力電圧（Ｕ２）よりも迅速に低下する、請求項４記載の回路装置。
6. スイッチモード電源は出力電圧（Ｕ２）が２次巻線（Ｗ３〜Ｗ５）によって形成されるノーマルモードと、出力電圧がスイッチオフされるスタンバイモードとを有している、請求項５記載の回路装置。
7. 第２のリレー（Ｒ２）が回路網端子（ＮＡ）と減磁コイルとのあいだに配置され、該第２のリレーはスタンバイモードで減磁コイルをスイッチオフするスイッチングコンタクト（４）を有している、請求項６記載の回路装置。
8. 電源周波数コイル（ＮＳ）が回路網スイッチの第１のコンタクト（１）と整流器（ＢＲ）とのあいだに配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の回路装置。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の回路装置を備えていることを特徴とする電気機器。
10. 減磁コイルを備えたＣＲＴを有する、請求項９記載の電気機器。

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