JP2007172548A - ２線式電子スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】自己の消費電流が大きい場合であっても、負荷を安定に動作させる。
【解決手段】負荷開閉部１のトライアック１０がオフ状態であって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態では、第２の電源部５の起動部５０によって制御部３が起動した後、制御部３からのパルス信号によって、スイッチング電源部５１のトランジスタ５１４がスイッチング動作を行う。これにより、トランジスタ５１０のベース電流が制御されて、トランジスタ５１０がスイッチング動作を行う。トランジスタ５１０がオン状態になると、第１の電源部４に電力を供給するとともに、インダクタ５１１にエネルギーを蓄積する。トランジスタ５１０がオフ状態になると、インダクタ５１１に蓄積されたエネルギーを第１の電源部４に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から負荷への電力供給を入切する２線式電子スイッチであって、自ら動作電源を確保する必要がある２線式電子スイッチに関するものである。

従来、交流電源から負荷への電力供給を入切するスイッチとして、配線器具の電子化に伴い、例えばサイリスタやトライアックなどの無接点スイッチング素子を負荷開閉部として交流電源から負荷への給電路に挿入し、電子回路を用いて上記無接点スイッチング素子を電気的に開閉（オンオフ）するタイプのもの（第１の従来スイッチ）が提供されている。第１の従来スイッチは、人が操作部（操作スイッチ）を操作したときに、上記電子回路が無接点スイッチング素子を駆動するので、自己の動作電源（回路電源）を確保する必要がある。そのため、第１の従来スイッチは３線又は４線で配線する構成である。

ところが、省配線の見地から２線の配線が一般的な配線器具にあっては、第１の従来スイッチは、交流電源及び負荷と２線で接続した状態では個別に電源線を引き込むことができないので、自己の動作電源の確保が問題となった。

上記問題を解決するものとして、無接点スイッチング素子を負荷開閉部として利用したスイッチでありながら交流電源及び負荷と直列に接続した状態で、２線での配線を可能とした２線式電子スイッチ（第２の従来スイッチ）が提案されている。なお、第２の従来スイッチとほぼ同様の構成が特許文献１に開示されている。

第２の従来スイッチの動作について図１１を用いて説明する。図１１は第２の従来スイッチの回路図である。なお、第２の従来スイッチ９では、負荷開閉部としてのトライアック９０が交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。まず、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がローレベルになると、第３の電源部９２がオフ状態になる。このとき、第２の電源部９３が第１の電源部９４に電力を供給する。この状態では、トライアック９０のゲート（駆動信号入力端）には、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流（駆動信号）が流れないので、トライアック９０がオフ（開）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が遮断される。

一方、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がハイレベルになると、第３の電源部９２がオン状態になる。これにより、第３の電源部９２が第１の電源部９４に電力を供給する。このとき、第１の電源部９４の充電が完了すると、充電完了検出部９２０から補助開閉部９５に電流が流れて補助開閉部９５がオン（閉）状態になる。補助開閉部９５がオン状態になると、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさの電流がトライアック駆動部９６に流れ、トライアック駆動部９６からトライアック９０にゲート電流が流れる。これにより、トライアック９０がオン（閉）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる。
特開２００１−２２７８０４号公報（第２〜５頁及び第７図）

上記第２の従来スイッチは、第２の電源部９３がドロッパ方式の電源であり、非常に効率が悪く、負荷Ｌの安定な動作を維持するためには消費電流を数百μＡ程度にする必要があった。しかしながら、２線式電子スイッチに要求される機能は多種多様であり、その機能実現のためには上記のように消費電流を低くすることができないことが多い。このため、２線式電子スイッチを用いるときに、上記消費電流の影響によって動作が不安定になる負荷を接続適合外などとして、大幅な使用上の制約を設けなければならないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、自己の消費電流が大きい場合であっても、負荷を安定に動作させることができる２線式電子スイッチを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御信号を出力する制御部と、前記制御部の動作電源となる第１の電源部とを備えるとともに、前記制御部を起動する起動部と、前記制御部が起動した後、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された電力をスイッチング動作によって前記第１の電源部に供給するスイッチング電源部とを含む第２の電源部を備えることを特徴とする。

この構成では、電源効率のよいスイッチング電源部を備えることで、２線式電子スイッチとして高インピーダンスを保ちながら制御部の消費電流を大きくすることができるとともに、交流電源から負荷への電力供給が停止しているときに、負荷が動作することを低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スイッチング電源部が、前記制御部によって駆動する第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタによって制御されて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第２のトランジスタとを備えることを特徴とする。この構成では、第２のトランジスタをスイッチング素子として用い、制御部によって第１のトランジスタを駆動することによってスイッチング電源部を直接制御することができるので、部品点数を少なくすることができるとともに、スイッチング電源部の制御性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記スイッチング電源部が、前記起動部によって駆動する第２の制御部と、前記第２の制御部によってスイッチング指令が行われて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給するＭＯＳＦＥＴとを備えることを特徴とする。この構成では、ＭＯＳＦＥＴの動作速度が速いので、スイッチングロスを低減することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の電源部が、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された入力電圧を検出し、前記スイッチング電源部を駆動する入力電圧検出部を備えることを特徴とする。この構成では、入力電圧が低い状態で電力確保する動作に伴い、２線式電子スイッチのインピーダンスが低下することを低減することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第２のトランジスタが、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときにスイッチング動作をし、前記負荷開閉部が閉状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに閉状態を維持することを特徴とする。この構成では、部品点数を低減することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記起動部が、前記制御部が起動した後に停止することを特徴とする。この構成では、起動部の消費電力を低減することができるので、電源効率を向上させることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２の電源部が、前記第２の制御部への電力の回生を行い、前記第２の制御部が起動した後、前記起動部を停止することを特徴とする。この構成では、起動部の消費電力を低減することができるので、電源効率を向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１の電源部及び前記第２の電源部より高い電圧に昇圧し、昇圧された電圧を前記第２の電源部に供給する昇圧部を備え、前記起動部が、前記第２の制御部が起動した後に停止することを特徴とする。この構成では、制御部の消費電力の変化に伴うスイッチング回数の変化の影響を低減することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１の電源部が未充電状態のときに、電力を消費する充電完了信号変換部を備えることを特徴とする。この構成では、充電完了信号変換部が電力消費する時間を短く抑えることができるので、電源効率を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜４、６〜９のいずれかに記載の発明において、前記制御信号に基づいて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の入力電圧が予め決められた電圧値より高くなると閉状態になることによって、前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えさせる補助開閉部とを備えることを特徴とする。この構成では、第１の電源部、第２の電源部、第３の電源部によって、制御部に電力を確実に供給することができるとともに、補助開閉部によって、負荷開閉部の電気的開閉を安定に切り替えさせることができる。

本発明によれば、電源効率のよいスイッチング電源部を備えることで、２線式電子スイッチとして高インピーダンスを保ちながら制御部の消費電流を大きくすることができるとともに、交流電源から負荷への電力供給が停止しているときに、負荷が動作することを低減することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１を用いて説明する。図１は実施形態１の２線式電子スイッチの回路図である。

まず、実施形態１の基本的な構成について説明する。実施形態１の２線式電子スイッチＡは、交流電源ＡＣからの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保するものであり、図１に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを備え、交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に２線で接続している。なお、交流電源ＡＣは、例えば１００Ｖの商用電源などである。また、負荷Ｌは、例えば蛍光灯や白熱球を含む照明器具、換気扇などである。

負荷開閉部１は、トライアック１０と、トライアック駆動部１１とを備えている。トライアック１０は、例えばシリコンなどの半導体によって形成され、ゲート電流（駆動信号）に応じて２つの端子１００，１０１間の電気的開閉を切り替えるものである。上記トライアック１０は、端子１２，１３及びフィルタ用のインダクタ１４を介して交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。また、トライアック１０及びインダクタ１４は、サージ吸収素子１５及びフィルタ用のコンデンサ１６のそれぞれと並列に接続している。一方、トライアック駆動部１１は、抵抗１１０と、コンデンサ１１１とを並列に接続して備え、一端でトライアック１０のゲート（駆動信号入力端）と接続するとともに他端でトライアック１０の端子１０１と接続している。また、トライアック駆動部１１は、整流部２を介して後述の補助開閉部７のサイリスタ７０と直列に接続している。上記トライアック駆動部１１は、サイリスタ７０がオン（閉）状態になると、流れる電流が大きくなり、トライアック１０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１０のゲートに流す。実施形態１において、トライアック１０がオン（閉）状態になると、交流電源ＡＣ、トライアック１０、インダクタ１４、負荷Ｌの回路で導通し、負荷Ｌに電力が供給されて負荷Ｌが動作する。これに対して、トライアック１０がオフ（開）状態になると、負荷Ｌに電力が供給されなくなり、負荷Ｌの動作が停止する。

整流部２は、４つのダイオードからなるダイオードブリッジであり、入力端で端子１２，１３を介して交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと接続し、出力端で第２の電源部５、第３の電源部６及び補助開閉部７と接続している。上記整流部２は、交流電源ＡＣからの交流電力を全波整流し、全波整流された電力を第２の電源部５、第３の電源部６及び補助開閉部７に出力する。

制御部３は、例えば人の操作などによって、トライアック１０の電気的開閉を切り替える制御信号を制御出力端子３０から第３の電源部６に出力するマイクロコンピュータである。上記制御部３は、第１の電源部４からの電力で動作する。また、制御部３は、人が操作するものとして、例えばタクトスイッチなどの操作部（操作スイッチ）（図示せず）を接続して備え、上記操作部が操作されるごとに上記制御信号を第３の電源部６に出力する。上記制御信号は、ハイレベルとローレベルの２値信号であり、制御部３は、トライアック１０をオン状態にする場合にはハイレベルの制御信号を出力し、トライアック１０をオフ状態にする場合にはローレベルの制御信号を出力する。これにより、制御部３は、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を制御する。

第１の電源部４は、制御部３の動作電源であり、入力端側から順に、バッファ用コンデンサ４０と、３端子レギュレータ４１と、コンデンサ４２と、コンデンサ４３とを並列に接続して備え、入力端で第２の電源部５及び第３の電源部６と接続し、出力端で制御部３の入力端と接続している。バッファ用コンデンサ４０は、第２の電源部５及び第３の電源部６からの電力を充電し、リップル成分を除去することによって平滑にする。上記バッファ用コンデンサ４０の充電電圧は、電圧検出部４４で監視されている。３端子レギュレータ４１は、バッファ用コンデンサ４０の直流電圧を、例えば３Ｖに降圧安定化する。上記より、第１の電源部４は、安定した電力を制御部３に供給する。

第２の電源部５は、起動部５０と、スイッチング電源部５１とを備えている。起動部５０は、制御部３を起動させるための電力を供給するものである。一方、スイッチング電源部５１は、入力端側から順に、ＰＮＰ型のトランジスタ５１０と、インダクタ５１１とを直列に接続して備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端側で第１の電源部４と接続している。また、スイッチング電源部５１は、トランジスタ５１０のベース−エミッタ間に接続されるバイアス抵抗５１２と、トランジスタ５１０のベースに接続される抵抗５１３及びトランジスタ５１４とを備えている。さらに、スイッチング電源部５１は、トランジスタ５１０とインダクタ５１１の間にダイオード５１５を備えている。トランジスタ５１４は、ベース電流を制御部３によって直接駆動されるものである。このようなスイッチング電源部５１は、トライアック１０がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２によって全波整流された電力として受け、スイッチング動作によって第１の電源部４に供給する。より具体的に説明すると、スイッチング電源部５１は、整流部２の出力電圧を入力し、スイッチング動作によって降圧してバッファ用コンデンサ４０を充電させる。バッファ用コンデンサ４０の充電電圧が所定値以上になると、制御部３によって、トランジスタ５１４はスイッチング動作を停止する。これに対して、バッファ用コンデンサ４０の充電電圧が所定値より下回ると、トランジスタ５１４はスイッチング動作を再開する。これにより、バッファ用コンデンサ４０の充電電圧をほぼ一定の値に維持することができる。このときの負荷電流は、負荷Ｌが誤動作しない程度の大きさである。また、制御部３の消費電流は低く抑えられ、第２の電源部５のインピーダンスは高く維持されている。

第３の電源部６は、入力端側から順に、ＰＮＰ型のトランジスタ６０と、ダイオード６１とを直列に接続して備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端で第１の電源部４と接続している。つまり、第３の電源部６は、第２の電源部５と並列に接続している。また、第３の電源部６は、トランジスタ６０のベース−エミッタ間に接続される抵抗６２及びコンデンサ６３と、トランジスタ６０のベースに接続される抵抗６４及びＮＰＮ型のトランジスタ６５とを備えている。さらに、第３の電源部６は、トランジスタ６５のベース−エミッタ間に接続される抵抗６６を備えている。トランジスタ６５は、エミッタが接地され、ベースが制御部３の制御出力端子３０と接続している。上記トランジスタ６５は、トランジスタ６０のオン状態、オフ状態を制御する。上記第３の電源部６は、制御部３からの制御信号に基づいて、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２によって全波整流された電力として受け、上記電力を第１の電源部４に供給する。具体的な手順を説明すると、制御部３からハイレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６５がオン状態になる。これにより、トランジスタ６０がオン状態になる。このとき、２線式電子スイッチＡのインピーダンスが低下する。その後、第３の電源部６は、第１の電源部４に電力を供給する。これに対して、制御部３からローレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６５がオフ状態になり、トランジスタ６０もオフ状態になる。これにより、第３の電源部６は、第１の電源部４への電力供給を停止する。

補助開閉部７は、サイリスタ７０と、サイリスタ駆動部７１とを備えている。サイリスタ７０は、整流部２の出力端と接続するとともに、第２の電源部５及び第３の電源部６の入力端とも接続している。一方、サイリスタ駆動部７１は、抵抗７１０及びコンデンサ７１１を並列に接続して備え、一端がサイリスタ７０のゲート及びツェナーダイオード７２と接続し、他端がサイリスタ７０のカソードと接続している。ツェナーダイオード７２は、第３の電源部６から第１の電源部４に電力が供給されているときに、第１の電源部４のバッファ用コンデンサ４０の直流電圧（第１の電源部４の入力電圧）が高くなり、カソード電位がツェナー電圧より高くなると、逆方向電流をサイリスタ駆動部７１に流すことによって、第１の電源部４の充電が完了したことを検出する充電完了検出部である。上記サイリスタ駆動部７１は、ツェナーダイオード７２から逆方向電流が流れると、サイリスタ７０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をサイリスタ７０に流す。これにより、整流部２から第３の電源部６に流れていた負荷電流が整流部２からサイリスタ７０に流れ、補助開閉部７は、トライアック駆動部１１に対してトライアック１０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１０に流すように制御する。

次に、実施形態１の２線式電子スイッチＡの動作について説明する。まず、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がローレベルになると、第３の電源部６のトランジスタ６５及びトランジスタ６０がオフ状態になる。一方、起動部５０によって制御部３が起動すると、制御部３からのパルス信号によって、トランジスタ５１４がスイッチング動作を行う。上記トランジスタ５１４の動作によって、トランジスタ５１０のベース電流が制御されて、トランジスタ５１０がスイッチング動作を行う。トランジスタ５１０がオン状態になると、第１の電源部４に電力を供給するとともに、インダクタ５１１にエネルギーを蓄積する。トランジスタ５１０がオフ状態になると、インダクタ５１１に蓄積されたエネルギーを第１の電源部４のバッファ用コンデンサ４０に供給する。スイッチング電源部５１は、トランジスタ５１０のオン状態、オフ状態によってインピーダンス変換を行い、入力の高電圧から出力の低電圧に変換する。上記のようにして、第２の電源部５が第１の電源部４に電力を供給する。これにより、第１の電源部４が制御部３の動作電源となる。このとき、バッファ用コンデンサ４０の充電電圧を監視し、十分に電圧が得られている場合にはスイッチング電源部５１を停止することで、過充電及び不要な電力消費を回避することができる。この状態では、トライアック１０のゲートには、トライアック１０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流が流れないので、トライアック１０がオフ状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌに対して、動作するのに十分な電力が供給されない。

続いて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がハイレベルになると、トランジスタ６５及びトランジスタ６０がオン状態になり、第３の電源部６が第１の電源部４に電力を供給する。これにより、第１の電源部４が制御部３の動作電源となる。一方、第１の電源部４の入力電圧が高くなり、ツェナーダイオード７２のカソード電位がツェナー電圧より高くなると、ツェナーダイオード７２が逆方向電流をサイリスタ駆動部７１に流す。その後、サイリスタ駆動部７１がサイリスタ７０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をサイリスタ７０に流し、サイリスタ７０がオン状態になる。これにより、整流部２から第３の電源部６に流れていた負荷電流が整流部２からサイリスタ７０に流れる。その後、トライアック駆動部１１によって、トライアック１０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流がトライアック１０のゲートに流れ、トライアック１０がオン状態になる。上記より、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる。

ここで、トライアック１０がオン状態になると、トライアック１０に負荷電流が流れるが、ゼロクロス点を迎えたところで自己消弧してオフ状態になる。トライアック１０がオフ状態になると、再び整流部２から第３の電源部６を介して第１の電源部４に負荷電流が流れ、２線式電子スイッチＡの動作電源を確保するとともに、サイリスタ７０及びトライアック１０をオン状態にする動作を行う。つまり、交流電源ＡＣからの交流電力の半周期ごとに、動作電源を確保する動作を行う。

以上、実施形態１によれば、電源効率のよいスイッチング電源部５１を備えることで、２線式電子スイッチＡとして高インピーダンスを保ちながら制御部３の消費電流を大きくすることができるとともに、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、負荷Ｌが動作することを低減することができる。また、トランジスタ５１０をスイッチング素子として用い、制御部３によってトランジスタ５１４を駆動することによってスイッチング電源部５１を直接制御することができるので、部品点数を少なくすることができるとともに、スイッチング電源部５１の制御性を向上させることができる。さらに、第１の電源部４、第２の電源部５、第３の電源部６によって、制御部３に電力を確実に供給することができるとともに、補助開閉部７によって、負荷開閉部１のトライアック１０の電気的開閉を安定に切り替えさせることができる。

なお、実施形態１の変形例として、スイッチング電源部が、制御部によって駆動するバイポーラトランジスタに代えて、ＦＥＴなど他のスイッチデバイスを備えてもよい。このような構成にしても実施形態１と同様の効果を奏する。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について図２を用いて説明する。図２は実施形態２の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図２のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態２の２線式電子スイッチＢは、図１，２に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＢは、実施形態１の第２の電源部５に代えて、図２に示すような第２の電源部５ａを備えている。第２の電源部５ａは、図２に示すようなスイッチング電源部５１ａを備えている。スイッチング電源部５１ａは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ５１６と、第２の制御部５１９とを備えている。第２の制御部５１９は、起動部５０によって駆動するものである。ＭＯＳＦＥＴ５１６は、第２の制御部５１９によってソースを基準としてスイッチング指令が行われて交流電力ＡＣから変換された電力を第１の電源部４に供給するものである。なお、スイッチング電源部５１ａは、上記以外の点において、実施形態１のスイッチング電源部５１（図１参照）と同様である。

また、２線式電子スイッチＢは、バッファ用コンデンサ４０の電圧検出部４４ａと第２の制御部５１９のグランドレベルが異なるので、信号変換部４５を備えている。

次に、実施形態２の２線式電子スイッチＢの動作について説明する。なお、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作については、実施形態１と同様である。続いて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作について説明する。まず、起動部５０によって第２の制御部５１９が起動する。第２の制御部５１９が起動すると第２の制御部５１９からパルス信号がＭＯＳＦＥＴ５１６に出力され、ＭＯＳＦＥＴ５１６がスイッチング動作を行う。一方、バッファ用コンデンサ４０の充電電圧を監視し、その状態を第２の制御部５１９にフィードバックすることで、不必要にスイッチング動作をすることを回避する。

以上、実施形態２によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、ＭＯＳＦＥＴ５１６の動作速度が速いので、スイッチングロスを低減することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について図３を用いて説明する。図３は実施形態３の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図３のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態３の２線式電子スイッチＣは、図１，３に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＣは、実施形態１の第２の電源部５に代えて、図３に示すような第２の電源部５ｂを備えている。第２の電源部５ｂは、入力電圧検出部５２と、コンデンサ５２０とを備えている。入力電圧検出部５２は、負荷開閉部１のトライアック１０がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、交流電力ＡＣから変換された入力電圧を検出し、上記入力電圧が所定以上の電圧であるときにのみ、スイッチング電源部５１を駆動してスイッチング動作を行うものである。

コンデンサ５２０は、整流部２の出力端と接続し、バッファとして配置されている。上記より、スイッチング電源部５１がスイッチング動作を行ったときに、負荷Ｌに流れる負荷電流が大きくなってしまうことを回避できる。

以上、実施形態３によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、入力電圧が低い状態で電力確保する動作に伴い、２線式電子スイッチＣのインピーダンスが低下することを低減することができる。つまり、入力電圧が高く、必要電力を出力する際に入力電流を低く抑えることができる条件でのみスイッチング動作を行うことで、負荷Ｌを安定に動作させることができる。

なお、実施形態３の変形例として、入力電圧検出部が、入力電圧の状態を直接スイッチング電源部に入力する構成に代えて、一旦制御部に入力、判断した上で、スイッチング信号を制御する構成であってもよい。このような構成にしても、実施形態３と同様の効果を奏する。

（実施形態４）
本発明の実施形態４について図４，５を用いて説明する。図４は実施形態４の２線式電子スイッチの要部回路図である。図５は実施形態４の２線式電子スイッチの信号を示す図である。なお、図４のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態４の２線式電子スイッチＤは、図１，４に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＤは、図４に示すように、実施形態１の第２の電源部５と第３の電源部６が共通となる第２の電源部５ｃを備えている。第２の電源部５ｃは、実施形態１のスイッチング電源部５１に代えて、図４に示すようなスイッチング電源部５１ｂを備えている。スイッチング電源部５１ｂのトランジスタ５１０は、図５に示すように、負荷開閉部１のトライアック１０がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、制御部３からの制御に基づいてスイッチング動作をする。これにより、高インピーダンスを維持しながら２線式電子スイッチＤの動作電源を確保する。これに対して、トライアック１０がオン状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、制御部３からの制御に基づいて常時オン状態にする。

以上、実施形態４によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、部品点数を低減することができる。

（実施形態５）
本発明の実施形態５について図６を用いて説明する。図６は実施形態５の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図６のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態５の２線式電子スイッチＥは、図１，６に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＥは、実施形態１の第２の電源部５に代えて、図６に示すような第２の電源部５ｄを備えている。第２の電源部５ｄは、図６に示すような起動部５０ａを備えている。起動部５０ａは、抵抗５００，５０１の直列回路と、抵抗５０２及びＦＥＴ５０３の直列回路とを並列に接続し、さらにＦＥＴ５０４を接続して備えている。抵抗５００，５０１は、非常に抵抗値が高く、数ＭΩである。抵抗５０２は、抵抗５００，５０１と比較して低い抵抗値である。

上記起動部５０ａは、制御部３が起動した後に停止する。具体的に説明すると、起動部５０ａは、まず、電源投入後、抵抗５００，５０１を経由して第１の電源部４に電流を流す。ここで、抵抗５０１に発生する電圧が高くなると、ＦＥＴ５０３がオン状態になることによって、起動部５０ａは、抵抗５０２、ＦＥＴ５０３を経由して第１の電源部４に電流を流す。上記経路を流れる電流によって第１の電源部４及び制御部３が起動することになる。続いて、起動部５０ａの効率を改善するために、制御部３が起動した後、ＦＥＴ５０３のゲートに接続されるもう一つのＦＥＴ５０４をオン状態にさせ、ＦＥＴ５０３のゲートの電位を低くすることで、ＦＥＴ５０３が停止状態になり、起動部５０ａに流れる電流は、抵抗５００とＦＥＴ５０４を経由してグランドに流れる。ここで、抵抗５００は非常に高い抵抗値であるので、この状態で消費される電力は低く抑えられる。その後、効率のよいスイッチング電源部５１ｃが動作し、第１の電源部４及び制御部３に電力を供給する。

以上、実施形態５によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、起動部５０ａの消費電力を低減することができるので、電源効率を向上させることができる。

なお、実施形態５の変形例として、制御部からＦＥＴ５０４を制御する構成に代えて、第１の電源部の入力電圧を監視し、充電検出後にＦＥＴ５０４を制御する検出部や判断部などを備える構成であってもよい。このような構成にしても、実施形態５と同様の効果を奏する。

（実施形態６）
本発明の実施形態６について図７を用いて説明する。図７は実施形態６の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図７のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態６の２線式電子スイッチＦは、図１，７に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＦは、実施形態１の第２の電源部５に代えて、図７に示すような第２の電源部５ｅを備えている。第２の電源部５ｅは、図７に示すようなスイッチング電源部５１ｄを備えている。第２の電源部５ｅは、第２の制御部５１９に電力の回生がなされ、第２の制御部５１９が起動した後、起動部５０ａを停止する。具体的には、第２の制御部５１９は、ＭＯＳＦＥＴ５１６のソースを基準とし、起動部５０ａからの電力供給が停止すると電源がなくなるので、第２の電源部５ｄの出力をダイオード５１８を介して第２の制御部５１９へ供給する。すなわち、スイッチング電源部５１ｄは、ＭＯＳＦＥＴ５１６がオン状態になっているとき、インダクタ５１１に蓄積されたエネルギーをバッファ用コンデンサ４０への充電と第２の制御部５１９への電源電力として回生させる動作を行う。これにより、第２の制御部５１９が起動し、ＭＯＳＦＥＴ５１６のスイッチング動作が開始された状態では電源効率の悪い起動部５０ａを停止しても動作可能であり、電源効率のよい２線式電子スイッチとなる。

以上、実施形態６によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、起動部５０ａの消費電力を低減することができるので、電源効率を向上させることができる。

（実施形態７）
本発明の実施形態７について図８を用いて説明する。図８は実施形態７の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図８のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態７の２線式電子スイッチＧは、図１，８に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第３の電源部６と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＧは、実施形態１の第２の電源部５に代えて、図８に示すような第２の電源部５ｆを備えている。起動部５０ａは、第２の制御部５１９が起動した後に停止する。

また、２線式電子スイッチＧは、昇圧部８と、コンデンサ８０とを備えている。昇圧部８は、第１の電源部４及び第２の電源部５ｆより高い電圧に昇圧し、昇圧された電圧を第２の電源部５ｆに供給する。ここで、ＭＯＳＦＥＴ５１６のスイッチング動作の際、ＭＯＳＦＥＴ５１６のソースが低電位、すなわちインダクタ５１１に蓄積されたエネルギーがバッファ用コンデンサ４０に充電される期間にのみ昇圧部８より第２の制御部５１９へ電力が供給される動作をする。第２の制御部５１９では高耐圧のスイッチング素子を動作させる必要があり、これには比較的電位の高い駆動部が必要となる。また、制御部３などでの消費電力が変化すると、この変化に応じてスイッチング回数が変化するので充電回数も同じく変化することになる。このような制約によって、第２の制御部５１９には比較的高い制御電圧を安定して与えることが必要で、昇圧部８を用いて昇圧電圧で充電することは有効な手段である。

次に、実施形態７の２線式電子スイッチＧの動作について説明する。まず、制御部３によって制御された昇圧部８を用いて、第１の電源部４及び第２の電源部５ｆの電源電圧より高い電圧に昇圧する。続いて、上記昇圧された電圧をダイオード５１８を介して第２の制御部５１９に出力する。

以上、実施形態７によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、制御部３の消費電力の変化に伴うスイッチング回数の変化の影響を低減することができる。

（実施形態８）
本発明の実施形態８について図９を用いて説明する。図９は実施形態８の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図９のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態８の２線式電子スイッチＨは、図１，９に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、補助開閉部７とを、実施形態１の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、実施形態１の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＨは、図９に示すように、充電完了信号変換部８２を備えている。充電完了信号変換部８２は、絶縁方式であり、インバータ８２０と、フォトカプラ８２１ａ，８２１ｂと、抵抗８２２，８２３とを備えている。フォトカプラの１次側８２１ａには、比較的大きな電流（ミリアンペアオーダー）を流す必要があるので、上記動作モードでの消費電力は大きくなる。上記充電完了信号変換部８２は、未充電状態のときに電力を消費する。

まず、バッファ用コンデンサ４０が未充電時には、電圧検出部８１は、ローレベルの信号を充電完了信号変換部８２に出力している。続いて、インバータ８２０によってハイレベルに信号反転する。これにより、フォトカプラの１次側８２１ａに電流が流れ、２次側８２１ｂに信号伝達される。スイッチング電源部５１ｆは、バッファ用コンデンサ４０に充電される電圧が低いときのみに動作する間欠スイッチング動作であり、ほとんどが充電状態でスイッチング動作が停止する動きとなっている。

以上、実施形態８によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができるとともに、充電完了信号変換部８２が電力消費する時間を短く抑えることができるので、電源効率を向上させることができる。

（実施形態９）
本発明の実施形態９について図１０を用いて説明する。図１０は実施形態９の２線式電子スイッチの要部回路図である。なお、図１０のａ及びｂは図１のａ及びｂで整流部２と接続する。

実施形態９の２線式電子スイッチＩは、図１，１０に示すように、負荷開閉部１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第２の電源部５ｇと、補助開閉部７とを、実施形態８の２線式電子スイッチＨと同様に備えているが、実施形態８の２線式電子スイッチＨにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＩは、実施形態８の充電完了信号変換部８２に代えて、図１０に示すような充電完了信号変換部８２ａを備えている。充電完了信号変換部８２ａは、非絶縁方式であり、インバータ８２０と、高耐圧のトランジスタ８２４，８２５と、抵抗８２２，８２３とを備えている。トランジスタ８２５には、高電圧間で電流を流す必要があるので、上記動作モードでの消費電力は大きくなる。上記充電完了信号変換部８２ａは、未充電状態のときに電力を消費する。

以上、実施形態９であっても、実施形態８と同様の効果を得ることができる。

なお、実施形態１〜９の変形例として、負荷開閉部がトライアックに代えてサイリスタを備える構成であってもよい。このような構成であっても、実施形態１と同様の効果を奏する。

また、実施形態１〜９の他の変形例として、トライアックをオン状態にする場合、及びトライアックをオフ状態にする場合に、制御部がパルス状の制御信号を第３の電源部に出力し、第３の電源部が上記制御信号に基づいて第１の電源部に電力を供給する構成であってもよい。このような構成であっても、実施形態１と同様の効果を奏する。

本発明による実施形態１の２線式電子スイッチの回路図である。 本発明による実施形態２の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態３の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態４の２線式電子スイッチの要部回路図である。 同上の２線式電子スイッチにおけるトランジスタ５１０の動作を示す図である。 本発明による実施形態５の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態６の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態７の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態８の２線式電子スイッチの要部回路図である。 本発明による実施形態９の２線式電子スイッチの要部回路図である。 従来の２線式電子スイッチの回路図である。

符号の説明

１ 負荷開閉部
１０ トライアック
３ 制御部
４ 第１の電源部
５ 第２の電源部
５０ 起動部
５１ スイッチング電源部
５１０，５１４ トランジスタ
５１１ インダクタ

Claims (10)

1. 交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、
   前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、
   前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御信号を出力する制御部と、
   前記制御部の動作電源となる第１の電源部と
   を備えるとともに、
   前記制御部を起動する起動部と、前記制御部が起動した後、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された電力をスイッチング動作によって前記第１の電源部に供給するスイッチング電源部とを含む第２の電源部を備える
   ことを特徴とする２線式電子スイッチ。
2. 前記スイッチング電源部が、
   前記制御部によって駆動する第１のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタによって制御されて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第２のトランジスタと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の２線式電子スイッチ。
3. 前記スイッチング電源部が、
   前記起動部によって駆動する第２の制御部と、
   前記第２の制御部によってスイッチング指令が行われて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給するＭＯＳＦＥＴと
   を備えることを特徴とする請求項１記載の２線式電子スイッチ。
4. 前記第２の電源部が、
   前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された入力電圧を検出し、前記スイッチング電源部を駆動する入力電圧検出部
   を備えることを特徴とする請求項１記載の２線式電子スイッチ。
5. 前記第２のトランジスタが、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときにスイッチング動作をし、前記負荷開閉部が閉状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに閉状態を維持することを特徴とする請求項２記載の２線式電子スイッチ。
6. 前記起動部が、前記制御部が起動した後に停止することを特徴とする請求項１又は２記載の２線式電子スイッチ。
7. 前記第２の電源部が、前記第２の制御部への電力の回生を行い、前記第２の制御部が起動した後、前記起動部を停止することを特徴とする請求項３記載の２線式電子スイッチ。
8. 前記第１の電源部及び前記第２の電源部より高い電圧に昇圧し、昇圧された電圧を前記第２の電源部に供給する昇圧部を備え、
   前記起動部が、前記第２の制御部が起動した後に停止する
   ことを特徴とする請求項３記載の２線式電子スイッチ。
9. 前記第１の電源部が未充電状態のときに、電力を消費する充電完了信号変換部を備えることを特徴とする請求項３記載の２線式電子スイッチ。
10. 前記制御信号に基づいて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、
    前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の入力電圧が予め決められた電圧値より高くなると閉状態になることによって、前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えさせる補助開閉部と
    を備えることを特徴とする請求項１〜４、６〜９のいずれか記載の２線式電子スイッチ。

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