JP2007504800A - 電力制御装置 - Google Patents

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Abstract

電力制御装置(10)は、制御部(11)およびトリガ回路(12)を含む。端子T1で受けた電源の電圧が閾値たとえば120Vrmsを超えたとき、逆接続されたツェナー・ダイオードZ1〜Z3が導通しトランジスタQ1をオンにする。これにより、トランジスタQ2がオフにされ、ノーマルオープンのリレーSW1は開のままである。したがって、トライアックTHY1のスイッチング位相角すなわちトリガ位相角は、キャパシタC4が抵抗器R6、R7、R8およびVR1を流れる電流によってトリガ電圧にまで充電される速度で決まる。この状態では、トリガ位相角は、VR1が最大出力設定(ゼロ・オーム)であるとき240Vの交流入力電源が端子T3に110Vの実効交流出力をもたらす位相角である。受けた電源の電圧が閾値よりも低いとき、トランジスタQ1はオフにされ、リレーSW1が作動する。これにより、抵抗器R6がバイパスされ、スイッチング位相角すなわちトリガ位相角は、VR1が最大出力設定であるとき、出力電源端子T3の電圧が端子T1で受けた電圧とほぼ同じになるように、約ゼロ度の値を採用する。

Description

本発明は、異なる電圧定格の電源に負荷を接続するための電力制御装置に関する。
電源電圧は、世界の様々な地域で異なる。たとえば、英国における交流電源電圧は230〜240Vであるが、他国における電源電圧は110〜120Vである。したがって、市場に様々な電源を供給する電気機器製造業者は、様々な電源に適合する製品の個別バージョンを製作しなければならず、製造工程が複雑になる。
米国特許第5886422号および米国特許第4654538号は、110Vまたは220Vの交流入力に対して220Vの正弦全波出力を供給する電源を開示している。米国特許第5162984号は、交流系統の高調波電流を補正する電源を開示している。英国特許第2098368号では、異なる入力交流電圧に対して限流された固定直流出力を生成する。米国特許第4103388号では、入力部での広範な交流電圧および周波数に応じて、出力部に広範な交流電圧および周波数を生成する。この書類の電源は、直流電動機を含む多くの異なるタイプの電動機の速度を制御するために使用される。電源は、白熱(フィラメント)電球に電力を送出するために使用されることでも知られる。
本発明は、異なる電圧の電源から所与の負荷に電力を伝達するように構成された電力制御装置を提供する。
本発明の第1の態様によれば、制御部に入力される電源電圧が、負荷の入力電圧閾値に依存する閾値を超えたときの方がこの閾値を超えないときよりも大きなトリガ位相角を有するようにトリガ回路を制御することができる制御部を備える、異なる電圧定格の電源から、入力電圧閾値を有する負荷に供給される電力を制御する電力制御装置が提供される。
本発明の第2の態様によれば、制御部に入力される電源電圧が負荷の入力電圧閾値を超えたときにトリガ回路のトリガ位相角が遅延されるようにトリガ回路を制御することができる制御部を含む、異なる電圧定格の電源から入力電圧閾値を有する負荷に供給される電力を制御する電力制御装置が提供される。
本発明は、製造するのに比較的安価である異なる電圧定格の電源と共に使用するのに適した電力制御装置を提供することができる。高低入力電圧間の閾値の切換えは、従来技術とは対照的に自動的に行われることができる。
制御部は、トリガ回路の一部を形成する抵抗回路の抵抗を変化させることができる。この抵抗の変化は、トリガ回路のトリガ位相角を変化させるのに便利な方法をもたらす。抵抗回路の抵抗の変化は、特に簡単な構成をもたらす段階的変化であると好都合であるが、これは必須ではない。
この抵抗回路は、トリガ回路の一部を形成するスイッチング半導体回路またはデバイスの制御電極に接続される容量性回路を充電するための電流を生成することができる。実施形態では、キャパシタが、トライアックすなわちサイリスタを制御するダイアックの制御電極に接続される。
電力制御装置は、これが電源コントローラにより電圧印加される前に、抵抗回路が、入力電源の電圧が負荷の入力電圧閾値を超えるときに存在する抵抗に対応する抵抗を有するように構成されることができる。これは、入力電源電圧が高いとき、構成要素に対して何らかの保護を提供する。
制御部は、抵抗回路の一部を形成するスイッチを動作させることができる。これは、トリガ位相角を段階的に変化させる際に便利なものとなり得る。スイッチは、継電器、たとえば電気機械型継電器またはフォトMOSリレーなどの半導体リレー(solid−state relay)とすることができる。スイッチは、ノーマルオープンにすると、ある程度の突入電流保護を提供することができる。
制御部は、入力電源の電圧が負荷の入力電圧閾値を超えたときに、抵抗回路の抵抗を変化させるために、段階的信号変化をもたらすことができる回路を含むことができる。これにより、入力電源電圧が少数たとえば2つの値の一方を取ると想定され得る場合に、制御部を特に有用なものにすることができる。この回路が1つまたは複数のツェナー・ダイオードを含んでいると有利である。これは、電圧閾値を超えたかどうかを検出する安価な方法とすることができる。
抵抗回路は、ポテンショメータを含むことができる。ポテンショメータは、負荷に供給される電力を変えるために使用されることができる。ポテンショメータは、電源スイッチの動作がポテンショメータを制御して一時的に高抵抗を採用するように電源スイッチと接続される。これにより、突入電流に対する付加的な保護を提供することができる。
本発明はまた、上述の電力制御装置を含む電気装置も提供する。
次に、本発明の実施形態について、例として添付図面を参照して説明する。
図1の可変電力制御装置は、ヒューズF1によって主回路に接続される入力端子T1を含む。この図では、入力端子T1のうちの充電端子が下側に示されており、上側端子は中性点端子である。電源スイッチSW2がこれらの端子と電力制御回路との間に置かれ、この電源スイッチは回路を動作させるために使用される。
一般的に言えば、電力制御装置は、出力端子T3に接続される負荷に110V、50Hzまたは60Hzの電源を供給するように構成される。入力端子T1で受ける電源は、110Vまたは240V、50Hzまたは60Hzとすることができる。
電力制御装置10は、2つの主要部分、すなわち制御部11およびトリガ回路12で再構成されたものが考えられる。制御部11およびトリガ回路12はそれぞれ、入力端子T1に供給される電力を受け取るように接続される。第1キャパシタC1は、電源スイッチSW2の出力端子間に接続される。第1キャパシタC1は、回路とその負荷によって生じる無線周波数干渉の基本的なフィルタリングを提供するクラスX2キャパシタである。
制御部11は、これに正弦全波整流電源を供給する第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4を含む整流ダイオード・ブリッジによって第1キャパシタC1の両端に接続される。第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4で構成されたダイオード・ブリッジの正極端部から負極端部への流れは、直列に、第1ツェナー・ダイオードZ1〜第3ツェナー・ダイオードZ3、第1抵抗器R1、および第2キャパシタC2である。第1抵抗器R1と第2キャパシタC2との間の接合部は、ベース電流制限用第2抵抗器R2を経由してNPNトランジスタQ1のベースに接続される。第3抵抗器R3は、第1トランジスタQ1のベース電極とエミッタ電極との間に接続される。
制御部11のこの部分の作用で、第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4からなる整流器によって生成された電圧が直列接続されたツェナー・ダイオードZ1〜Z3の逆導通をもたらすのに十分であるとき、第1トランジスタ1をオンにする。第2キャパシタC2は整流信号の平滑化をもたらし、トランジスタQ1が入力電力信号の全てのサイクルで2回スイッチされないようにする。トランジスタQ2をオンにするための、入力電力信号に必要な電圧は、ツェナー・ダイオードの降伏電圧で決まる。たとえば、形式BZX79C56のツェナー・ダイオードを3個設けると、閾値電圧は約120Vrmsになる。受け取った電力信号が120V RMSを超える電圧を有する場合、第1トランジスタQ1はオンされる。異なる電圧閾値は、異なるツェナー・チェーン電圧を使用することによって得られる。
第1抵抗器R1は10キロオームの抵抗を有し、第2抵抗器R2は470キロオームの抵抗を有し、第3抵抗器R3は100キロオームの抵抗を有し、第2キャパシタC2は100nF(ナノファラッド)の容量を有する。これらの4個の部品が適正仕様であると、それらの部品が閾値電圧に及ぼす影響を無視することができ、閾値電圧は基本的にツェナー電圧降下だけで決まる。
第1トランジスタQ1がオンされていないとき、トランジスタQ1は、そのコレクタ電極とエミッタ電極との間に高い電位差を有する。この場合、制御部11の一部を形成してもいる第2トランジスタQ2がオンにされる。第2トランジスタQ2は、そのベース電極が第1トランジスタQ1のエミッタ電極に直接接続され、そのベース電極とコレクタ電極との間に第4の抵抗器R4が接続される。第1トランジスタQ1のコレクタ電極とエミッタ電極との間の電圧が高いとき、第2トランジスタQ2は、第4抵抗器R4によってバイアスがかけられる。第2トランジスタQ2のコレクタ電極は、第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4によって形成された整流器の正極側に第5抵抗器R5によって接続される。たとえば、第4抵抗器は100キロオームの値を有することができ、第5抵抗器は33キロオームの値を有することができる。第2トランジスタQ2のエミッタ電極は、フォトMOSリレーSW1の入力LED接点を経由して第1トランジスタQ1のエミッタ電極に接続される。100μF(マイクロファラッド)の容量を有する電解キャパシタの第3キャパシタC3は、フォトMOSリレーSW1の入力LED接点の両端に接続される。
この作用により、第1トランジスタQ1がオフされたときに第2トランジスタQ2がオンされフォトMOSリレーSW1が作動する。フォトMOSリレーSW1を流れる入力電流は、第5抵抗器R5によって制限される。その機能により、第2トランジスタQ2は、高電圧低電流タイプ、たとえばBUJ100である。第1トランジスタQ1は、高電圧タイプである必要はなく、たとえばBC547型トランジスタとすることができる。
フォトMOSリレーSW1は、ノーマルオープン・タイプ(たとえば、NAiSのAQY210EH)であり、その内部にある発光ダイオードを流れる電流によって閉路される。電流リップルは、フォトMOSリレーの安定作動をもたらす第3キャパシタC3によって除去される。
制御部11の他の利点は、110Vまたは240Vの電源に接続されたときの、その非常に低い消費電力と少ない発熱である。これにより、冷却または換気が最小限のまたは存在しない最も小型のシステムでの実施が可能になる。
フォトMOSリレーのスイッチ側は、トリガ回路12の一部を形成する。トリガ回路12は、第6抵抗器R6、第7抵抗器R7、ポテンショメータVR1、および第8抵抗器R8によって形成された抵抗器チェーンを含む。第7抵抗器R7およびポテンショメータVR1は、互いに並列に接続され、第6抵抗器R6および第8抵抗器R8と共に3段の直列抵抗器チェーンを形成する。第8抵抗器R8で構成される、抵抗器チェーンの3段目の端部は、第4キャパシタC4によって端子T1の充電端子に接続される。第6抵抗器R6によって形成される、抵抗器チェーンの1段目の頭の部分は、出力端子T3の充電端子に接続される。出力端子T3の中性点端子は、入力端子T1の中性点端子に直接接続される。
フォトMOSリレーSW1のスイッチ側は、第6抵抗器R6の両端に並列接続される。
トライアックTHY1は、入力電源端子T1と出力端子T3との間に直列接続される主端子を有する。特に、トライアックの主端子1は、動作中(Live)の入力電源端子T1に接続され、トライアックの主端子2は、動作中の出力電源端子T3に接続される。トライアックTHY1のゲートは、ダイアックDIAC1ならびに第8抵抗器R8および第4キャパシタC4を接続するノードとダイアックDIAC1との間に直列接続された第9抵抗器R9を経由して給電される。ダイアックDIAC1は、第4キャパシタC4両端の電圧が一般に約30Vであるダイアックの降伏電圧に達したときに導通する。したがって、トライアックTHY1がオンされることになる入力電源信号の位相は、第6抵抗器R6〜第8抵抗器R8、ポテンショメータVR1およびフォトMOSリレーSW1によって形成される抵抗器チェーンの抵抗で決まる。
入力電源電圧が120Vrmsを下回ったとき、Q1はオフされ、Q2はオンされる。したがって、フォトMOSリレーSW1が閉路され、第6抵抗器R6をバイパスする。この場合、トライアックTHY1のスイッチング位相角すなわちトリガ位相角は、第4キャパシタC4が瞬時に充電されしたがってそのサイクルの初期にダイアックDIAC1をスイッチするので比較的小さい。このため、VR1が全出力設定すなわちゼロ抵抗であるとき、端子T1からの入力電源のほぼ全電圧が出力端子T3に供給される。したがって、受けた110V電源に基づいて110V電源が供給されると言える。
端子T1で受けた入力電源が120V RMSを超えたとき、第1トランジスタQ1はオンされ、したがって第2トランジスタQ2はオフされる。この場合、フォトMOSリレーSW1のスイッチ側が開路され、したがって第6抵抗器R6が抵抗器チェーンの抵抗に加わる。この状態では、抵抗器チェーンの抵抗は、第6抵抗器R6が加わっていなかったときよりも著しく大きくなる。この大きくなった抵抗により第4キャパシタC4がよりゆっくり充電され、それによって、フォトMOSリレーSW1が閉路されたときの状態と比べてより大きな位相角すなわち遅れ位相角でトライアックTHY1がオンにされるようになる。言い換えれば、制御部11は、この制御部に入力される電源電圧がツェナー・ダイオードZ1〜Z3の導通電圧で決まる負荷の入力電圧閾値を超えたときにトリガ回路のトリガ位相角が遅延されるように、トリガ回路12を制御する。部品の値は、240V RMSの入力電源が、VR1が全出力設定のとき出力端子T3に110V RMSの実効出力電源をもたらすスイッチング位相角すなわちトリガ位相角をもたらすように選択される。トライアックTHY1のスイッチング位相角すなわちトリガ位相角は、ポテンショメータVR1を制御することによって設定されることができる。トライアックTHY1は、形式BTA208X−600Bとすることができる。ダイアックDIAC1は、形式BR100/03とすることができる。
この例では、第6抵抗器R6および第7抵抗器R7は470kΩ抵抗器とすることができ、第8抵抗器R8は4.7kΩ抵抗器とすることができ、第9抵抗器R9は47Ω抵抗器とすることができる。第8抵抗器R8は、110VモードのときにポテンショメータVR1が最大出力設定(ゼロオーム)であるとき、C4への最大充電電流を制限する。たとえば、ポテンショメータRV1は500kΩとすることができる。ポテンショメータVR1の設定によって最大出力電力が決まる。抵抗が高くなるほど最大出力電力は低下する。所要最大出力電力が既知の場合、ポテンショメータは、適切な値の固定抵抗器(図示せず)で置き換えられることができる。第6抵抗器R6および第7抵抗器R7の値は、最小電力レベルおよび110V出力設定と240V出力設定との比を調整するために変更されることができる。示されている部品の値は、120Vの直流永久磁石電動機の速度設定に適合するように選択される。第6抵抗器R6および第7抵抗器R7に対する様々な値は、他の装置に適合させるために、たとえばフィラメント電球の輝度設定や半波制御交直両用電動機の速度設定を最適化するために必要である。
電力制御装置の回路が電源スイッチSW2によってオンにされ、受けた電源が閾値電圧120V RMSを超えたとき、第1トランジスタQ1はターン・オンされ、第2トランジスタQ2は、フォトMOSリレーSW1の応答時間よりも速くターン・オフされる。したがって、110Vモードでの過渡的な動作が回避される。
電力制御装置10は全波位相制御を用いるので、トライアックTHY1が高転流トライアックであると好都合である。これは、高い突入電流をもたらす擬似トリガのリスクを最小限に抑える。追加のスナバすなわち保護キャパシタは、高転流トライアックTHY1に接続される必要はない。
フォトMOSリレーSW1はノーマルオープン・タイプであるため、電力制御装置は、非稼動のときに必ず240V入力電源モードである。このことは、スイッチがオン状態にあるとき電力制御装置10が、フォトMOS SW1がノーマルクローズ・タイプである場合よりも高突入電流に対してより抵抗性であるので好都合である。これにより、240Vでスイッチ・オンするときの潜在的に高い突入電流が制限される。
ポテンショメータVR1と電源スイッチSW2を組み合わせると、追加の突入電流制限機能をもたらす。特に、ポテンショメータVR1は、電源スイッチSW2が閉路されたとき、ポテンショメータVR1の端子間で最初に一時的に最大抵抗となるように構成されることができる。このようにして、電源スイッチSW2が閉じたときに流れる高突入電流は、ポテンショメータVR1によって最大限制限される。
電力制御装置10は、出力端子T3に交流電源を設ける代わりに直流電源を設けるように構成されることができる。この場合、出力端子T3は削除され、代わりに、図1に第5ダイオードD5〜第8ダイオードD8で示されている整流器ブリッジがその場所に構成される。この場合、第5ダイオードD5〜第8ダイオードD8で形成されたダイオード・ブリッジの適切なノードに接続された出力端子T2が、直流負荷(図示せず)に直流出力を供給する。この直流負荷は、たとえば永久磁石電動機とすることができる。第5整流ダイオードD5〜第8整流ダイオードD8の出力定格は、直流負荷の性質に明確に依存する。第5ダイオードD5〜第8ダイオードD8はそれぞれ、たとえば、3.6A軸リード線付きSOD64パッケージ・ダイオード、形式BYM56Cとすることができる。交流電源出力だけが必要な場合、第5整流ダイオードD5〜第8整流ダイオードD8および出力端子T2は、削除されることができる。
次に、代替実施形態について、図2を参照して説明する。図2における参照符号は、同じ要素については図1から得られる。この場合、電力制御装置の回路15は、シリコン制御整流器すなわちサイリスタTHY2を使用して半波位相制御を行う。このようなサイリスタは、交直両用電動機、たとえば電気ドリルや類似の動力工具をより良く速度制御するためにしばしば使用される。この実施形態では、第9ダイオードD9が、第4キャパシタC4の両端に逆バイアスで接続される。これにより、サイリスタTHY2は確実に正のゲート・パルスだけを受け取る。サイリスタTHY2は、形式BT151X−650Rとすることができる。電力制御装置15の残り部分の動作は、図1の電力制御装置の動作とほぼ同じである。
上述の電力制御装置は、異なる電圧定格の電源から入力電圧閾値を有する負荷に供給される電力を、この入力電圧閾値が超過されないように制御することができる。特に、制御部11は、この制御部に入力される電源電圧が負荷の入力電圧閾値を超えたときにトリガ回路のトリガ位相角が遅延されるように、トリガ回路12を制御する。
このようにして、電力制御装置は、所与の負荷が異なる電圧定格の電源たとえば異なる主電源から安全に電力供給されることを可能にすることができる。したがって、電力制御装置を含む電気製品の製造業者は、異なる主電源を有する市場で販売される所与の製品の単一バージョンを製造するだけでよく、製造コストが低減されることが可能になる。電力制御装置は、製造に対する費用効率が高く、したがって関連する電気製品の製造コストを実質的に増大させることはないかもしれない。
上述の制御部に用いられる原理は、複数の異なる電圧閾値を有する制御部を製造するために使用されることができる。次いで、この制御部は、閾値のどれが入力電源によって超過されるかに依存する出力信号を生成し、それに応じて制御されるトライアックTHY1またはサイリスタTHY2のスイッチング位相角すなわちトリガ位相角をもたらすことができる。このようにして、電力制御装置は、入力電源が3つ以上の電圧レベルのうちの1つを取り込むことができるとき、負荷に所望の電圧またはその電圧前後の電源を供給するよう作動することができる。各閾値に対しては、個別の制御部11およびスイッチング・リレーが必要である。
本明細書に記載の電力制御装置が手持ち式の動力工具、台所用品、パーソナルケア用品、およびコピー機やファックス装置などの事務機器を含む様々な電気装置と組み合わせておよび/またはそれらに組み込まれて使用され得ることが理解されるであろう。同電力制御装置はまた、たとえば、白熱電球調光器、低出力ヒータ制御装置、電動機速度制御装置、ファン制御装置などのより大きな装置内のサブ回路として組み込まれることもできる。
この開示から、多くの他の変更形態および変形形態が当業者には明らかになるであろう。かかる変更形態および変形形態は、当技術分野では既に知られておりかつ本明細書で既に開示された特徴の代わりにまたはそれらに加えて使用され得る他の特徴を含むことができる。
本発明による電力制御装置の代替実施形態を示す図である。 本発明による電力制御装置の代替実施形態を示す図である。
符号の説明
10 電力制御装置
11 制御部
12 トリガ回路
F1 ヒューズ
SW1 フォトMOSリレー
SW2 電源スイッチ
C1 第1コンデンサ
C2 第2コンデンサ
D1〜D9 第1〜第9ダイオード
Z1〜Z3 第1〜第3ツェナー・ダイオード
R1〜R8 第1〜第8抵抗器
DIAC1 ダイアック
THY1 トライアック
VR1 ポテンショメータ

Claims (15)

  1. 異なる電圧定格の電源から、入力電圧閾値を有する負荷に供給される電力を制御する電力制御装置であって、入力される電源電圧が前記負荷の前記入力電圧閾値に依存する閾値を超えたときの方が前記閾値を超えないときよりも大きなトリガ位相角を有するように、トリガ回路を制御することができる制御部を備える電力制御装置。
  2. 前記制御部が、前記トリガ回路の一部を形成する抵抗回路の抵抗を変化させることができる、請求項1に記載の電力制御装置。
  3. 前記抵抗回路の抵抗の変化が段階的変化である、請求項2に記載の電力制御装置。
  4. 前記抵抗回路が、前記トリガ回路の一部を形成するスイッチング半導体回路またはデバイスの制御電極に接続される容量性回路を充電するための電流を生成することができる、請求項2または請求項3に記載の電力制御装置。
  5. 前記電源制御部の電圧印加が行われる前に、前記抵抗回路が、前記入力電源の電圧が前記負荷の前記入力電圧閾値を超えるときに、存在する抵抗に対応する抵抗を有するように構成される、請求項2から4のいずれかに記載の電力制御装置。
  6. 前記制御部が、前記抵抗回路の一部を形成するスイッチを動作させる、請求項2から5のいずれかに記載の電力制御装置。
  7. 前記スイッチが継電器である、請求項6に記載の電力制御装置。
  8. 前記スイッチがフォトMOSリレーである、請求項7に記載の電力制御装置。
  9. 前記スイッチがノーマルオープンである、請求項6から8に記載の電力制御装置。
  10. 前記制御部が、前記入力電源の電圧が前記負荷の前記入力電圧閾値を超えたときに、前記抵抗回路の前記抵抗を変化させるために、段階的信号変化をもたらすことができる回路を含む、請求項2から9のいずれかに記載の電力制御装置。
  11. 前記回路が、1つまたは複数のツェナー・ダイオードを含む、請求項7に記載の電力制御装置。
  12. 前記抵抗回路がポテンショメータを含む、請求項2から11のいずれかに記載の電力制御装置。
  13. 前記ポテンショメータが、前記電源スイッチの動作が前記ポテンショメータを制御して一時的に高抵抗を採用するように電源スイッチと接続される、請求項12に記載の電力制御装置。
  14. 異なる電圧定格の電源から入力電圧閾値を有する負荷に供給される電力を制御する電力制御装置であって、入力される前記電源電圧が前記負荷の前記入力電圧閾値を超えたときにトリガ回路のトリガ位相角が遅延されるように前記トリガ回路を制御することができる制御部を含む電力制御装置。
  15. 前記いずれかの請求項に記載の電力制御装置を含む電気装置。
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