JP2008186645A

JP2008186645A - 電磁リレー駆動装置

Info

Publication number: JP2008186645A
Application number: JP2007017270A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 猛小林
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】駆動制御信号をオン（“Ｈ”）、オフ（“Ｌ”）することにより、それぞれ動作、非動作の状態に駆動制御される電磁リレーの消費電力、温度上昇を低減する。
【解決手段】駆動制御信号をオンした瞬間には遅延回路４のためトランジスタ６はオフのまま、イネーブルの３ステートバッファ２を介しトランジスタ３がオンし、リレーの励磁コイル１１には電源Ｓ１から定格電圧Ｖ１が印加されてリレーが動作駆動され接点１２がオンする。リレーが安定動作状態に入ると遅延回路４の出力が“Ｈ”となり、トランジスタ６がオンすると同時に３ステートバッファがアンイネーブルとなってトランジスタ３がオフする。このため励磁コイルには電源Ｓ２から電圧Ｖ１より低く且つリレーを動作状態に保持できる保持電圧Ｖ２が印加され接点はオンに保たれる。駆動制御信号をオフするとトランジスタ３はオフのままトランジスタ６がオフし、コイルの励磁が絶たれ接点はオフする。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁路上に固定鉄心と可動鉄心を持つ電磁石を備え、この電磁石を励磁することにより固定鉄心に可動鉄心を吸引させ、可動鉄心と連動する電気接点を閉成（または開放）させる機能を持つ電磁リレーを駆動制御する装置としての電磁リレー駆動装置に関する。
なお、以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。

図４は従来の電磁リレー駆動装置の回路構成例を示す。同図において、１は電磁リレー、１１は電磁リレー１内の電磁石の励磁コイル、１２は電磁リレー１内に設けられ、励磁コイル１１の励磁によって閉成されるリレー接点で、本例では負荷２２に直流電源２１を印加する役割を持つ。なお本例では、リレー接点１２は常開接点（ａ接点）であるが、別に、励磁コイル１１の励磁によって閉路状態から開放される常閉接点（ｂ接点）であってもよい。

この種の電磁リレーは、通常、励磁コイルを励磁してできる磁束の磁路上に固定鉄心と可動鉄心を配した電磁石を備え、可動鉄心には励磁コイルの励磁を絶つた際、可動鉄心の位置を固定鉄心側に吸引される以前の位置（元位置という）に復帰させる復帰バネが付されている。
そして、この電磁石の励磁により復帰バネに抗して可動鉄心を固定鉄心側に吸引させ、可動鉄心と連動するリレー接点を閉成（または開放）させ、またこの電磁石の励磁を絶つことにより可動鉄心が復帰バネによって元位置に復帰すると同時にリレー接点が元の開放（または閉成）状態に戻るように構成されている。

次にＳ１は電磁リレー１の駆動用電源（換言すれば励磁コイル１１の励磁用電源）で、この電源Ｓ１の電圧Ｖ１はこの場合、電磁リレー１の定格電圧（本例では２４Ｖ）としている。また、３はこの電源Ｓ１を開閉するＰＮＰトランジスタで、ここでは駆動制御信号１００をオン、オフすることによりバッファ回路（単にバッファとも略記する）２を介しベース駆動されて、それぞれオン、オフされる。

なお、８はトランジスタ３のオフ時に励磁コイル１１の電流を転流させて励磁コイル１１による過電圧発生を防ぎトランジスタ３を保護する転流ダイオードである。
この図４の回路の具体的な動作としては、駆動制御信号１００をオン、換言すればＨレベル（以下“Ｈ”と略記する）にするとバッファ２の出力２ａがＬレベル（以下“Ｌ”と略記する）となってトランジスタ３がオンし、定格電圧Ｖ１が励磁コイル１１に印加されリレー接点１２が閉じ、また駆動制御信号１００をオフ、換言すれば“Ｌ”に戻すとバッファ２の出力２ａが“Ｈ”となってトランジスタ３がオフし、励磁コイル１１の励磁が絶たれてリレー接点１２が開く。

なお特許文献１には、半導体スイッチング素子をオンしたときのコレクタ電流によりコイル部に動作電圧以上の電圧を印加しリレーにオン動作を行わせるリレー駆動回路において、上記リレーのオン動作後そのオン状態を保持する場合のコイル部への印加電圧が動作電圧以下、復帰電圧以上となるように回路構成したリレー駆動回路が開示されている。
特開平１１−３０６９４３号公報

電磁リレーの励磁コイルに印加される電圧をＶとし、コイル内部抵抗をｒとすると、電磁リレーの消費電力は（Ｖ² ／ｒ）になる。これが熱になるため、電磁リレーが狭い空間に密集配置される場合は、その熱によるリレーの温度上昇が問題となる。
そこで本発明は、電磁リレーの構造や機能を変更することなく、その電磁リレーの消費電力を低減することができる電磁リレー駆動装置を提供することを課題とする。

前記の課題を解決するために請求項１の電磁リレー駆動装置は、
非動作状態にある電磁リレー（１）を動作状態に駆動できる所定電圧（定格電圧Ｖ１など）の第１の電源（Ｓ１）を開閉する開閉制御の可能な第１のスイッチング手段と、
動作状態にある前記電磁リレーのこの状態を保持でき、且つ前記第１の電源の電圧より低い所定電圧（保持電圧Ｖ２など）の第２の電源（Ｓ２）を開閉する開閉制御の可能な第２のスイッチング手段と、
前記電磁リレーを動作状態にすべき旨の（例えば“Ｈ”の）駆動制御信号（１００）に基づき前記第１のスイッチング手段を閉に制御して前記第１の電源を前記電磁リレーの励磁コイルに印加したのち、前記電磁リレーが非動作状態から動作状態に移行できる所定の遅延時間（τ）を経て前記第１のスイッチング手段を開に制御すると共に前記第２のスイッチング手段を閉に制御して前記第２の電源を前記電磁リレーの励磁コイル（１１）に切り替え印加し、また前記電磁リレーを非動作状態にすべき旨の（例えば“Ｌ”の）駆動制御信号に基づいて少なくとも前記第２のスイッチング手段を開に制御する駆動制御手段とを備えたものとする。

また請求項２の電磁リレー駆動装置は、請求項１に記載の電磁リレー駆動装置において、前記第１、第２のスイッチング手段が、それぞれそのコレクタが前記電磁リレーの励磁コイルの共通の一端に接続されるトランジスタ（３、６など）からなるようにする。
また請求項３の電磁リレー駆動装置は、請求項２に記載の電磁リレー駆動装置において、前記第１、第２のスイッチング手段の各トランジスタのコレクタにはそれぞれ順方向に直列にダイオード（７Ａ、７Ｂ）が挿入されてなるようにする。

また請求項４の電磁リレー駆動装置は請求項１ないし３に記載の電磁リレー駆動装置において、前記駆動制御手段が、前記電磁リレーを動作状態にすべき旨の駆動制御信号を入力として前記所定の遅延時間の経過を検出する遅延回路（４）を持つものとする。
即ち本発明の作用は、電磁リレーの動作開始時点には半導体スイッチを介して励磁コイルに従来通り定格電圧Ｖ１を印加させるが、リレーが安定した動作状態になると、遅延回路により遅延してオンする別の半導体スイッチを介して、リレーを動作状態に保持でき且つ定格電圧Ｖ１より低い、別電源の電圧Ｖ２を定格電圧Ｖ１に代えて励磁コイルへ印加させ、リレー動作中の消費電力、従ってその温度上昇を抑制するというものである。

本発明によれば、電磁リレーの駆動開始時点には励磁コイルに従来と同様に定格電圧Ｖ１を印加させ、その後のリレーの動作中には励磁コイルに別電源からこのリレーの動作状態を保持でき且つ定格電圧Ｖ１より低い保持電圧Ｖ２を定格電圧Ｖ１に代えて印加させるようにしたので、励磁コイルの内部抵抗値をｒとすると、リレー動作中の消費電力が（Ｖ２）² ／ｒとなって、従来の対応する消費電力（Ｖ１）² ／ｒより、〔（Ｖ１）²−（Ｖ２）² 〕／ｒだけ低減することができ、これによりリレーの温度上昇も抑制することができる。

図１は本発明の一実施例としての構成を示す回路図で図４に対応するものである。図１の図４との主な相違は電磁リレー１の励磁コイル１１を励磁するための電源として、従来の定格電圧Ｖ１の電源Ｓ１のほかに、電磁リレー１の動作中、その動作状態を保持できて且つ定格電圧Ｖ１より低い所定の電圧（便宜上、保持電圧という）Ｖ２の電源Ｓ２を設け、この電源Ｓ２からＰＮＰトランジスタ６を介して励磁コイル１１に切り替え通電できるようにした点である。

なお図１では、ＰＮＰトランジスタ６のベース駆動は、駆動制御信号１００を入力としてこの信号１００を所定時間τ分遅延させる遅延回路４と、遅延回路４の出力４ａを入力とするバッファ５との直列回路で行い、またＰＮＰトランジスタ３のベース駆動は、駆動制御信号１００を入力とするバッファ２によって行うが、このバッファ２にはバッファ５の出力５ａを制御入力２ｃとする３ステートバッファ回路（単に３ステートバッファとも略記する）を用いている。

また図１では、ＰＮＰトランジスタ３とＰＮＰトランジスタ６の各コレクタと励磁コイル１１との間にそれぞれ直列に、対応するトランジスタに加わり得る逆電圧を阻止するためのダイオード７Ａと７Ｂを挿入しているほか、ＰＮＰトランジスタ３のエミッタとベース間にもベース抵抗Ｒｂを挿入し、３ステートバッファ２がアンイネーブルとなってその出力２ａがフローティング状態（つまり、バッファ２の出力抵抗がほぼ無限大となって、バッファ２とトランジスタ３とが電気的に絶縁される状態）になったとき、トランジスタ３のベース電位をエミッタ電位に等しくしてトランジスタ３を確実にオフするようにしている。

ここで図３を用いて定格電圧Ｖ１および保持電圧Ｖ２と、動作電圧Ｖｓおよび復帰電圧Ｖｒとの関係について説明する。この図３は同種類の電磁リレー１の多数個（本例では１００個）についての動作電圧Ｖｓと復帰電圧Ｖｒとを測定し、その測定結果の度数分布を示した図で、横軸は測定された励磁コイル印加電圧の定格電圧に対する比率（％）を示し、縦軸は度数を示す。

ここで動作電圧Ｖｓとは、リレー接点１２がオフ状態（リレーの非動作状態）にある電磁リレー１の励磁コイル１１への印加電圧を、リレー接点１２がオンしない低電圧から徐々に高めてリレー接点１２がオン状態（リレーの動作状態）に切り換わる瞬間における励磁コイル印加電圧をいい、復帰電圧Ｖｒとは、リレー接点１２がオンの動作状態にある電磁リレーの励磁コイル印加電圧を徐々に下げてリレー接点１２がオフ状態（リレーの非動作状態）に切り換わる瞬間における励磁コイル印加電圧をいう。

言い換えれば上記動作電圧Ｖｓは、電磁リレーの電磁石の可動鉄心が復帰バネによって元位置に引き戻されている状態（リレーの非動作状態）において、励磁コイル印加電圧、従って励磁コイルの起磁力を充分低い値から漸増して行く際、リレー電磁石の磁束、従ってこの磁束に基づき電磁石の固定鉄心側から可動鉄心へ働く吸引力が増大して、復帰バネから可動鉄心へ働いている復帰力に打ち勝ち、可動鉄心が固定鉄心側へ吸引され始める瞬間における励磁コイル印加電圧である。

そして一旦、この吸引動作が開始されると、励磁コイル印加電圧がこの動作電圧Ｖｓのままであってもリレー電磁石の磁束の磁路の磁気抵抗が減少しながら磁束が増加して行き、これによる可動鉄心への吸引力が復帰バネによる復帰力の増加を上回って増大するように構成されているため、可動鉄心は速やかに最終の吸引位置に引き付けられてリレーは安定した動作状態になる。

また上記復帰電圧Ｖｒは、動作状態にあるリレーの励磁コイル印加電圧を漸減して行き、可動鉄心への吸引力が復帰バネによる復帰力に抗しきれなくなって可動鉄心が元位置に復帰しようとする瞬間における励磁コイル印加電圧である。
そして一旦、この復帰動作が開始されると、励磁コイル印加電圧がこの復帰電圧Ｖｒのままであってもリレー電磁石の磁束の磁路の磁気抵抗が増加しながら磁束が減少して行き、これによる可動鉄心への吸引力が復帰バネによる復帰力の減少を上回って減少するように構成されているため、可動鉄心は速やかに元位置に復帰してリレーは安定した非動作状態になる。

ところで、図３からは復帰電圧Ｖｒが動作電圧Ｖｓに比べて充分低いことがわかり、また一旦、動作状態に入った電磁リレーは復帰電圧Ｖｒより高い電圧であれば動作電圧Ｖｓより低い励磁コイル印加電圧であっても動作状態を保つことがわかる。
なお、復帰電圧Ｖｒが動作電圧Ｖｓに比べて充分低い理由は、電磁リレーの電磁石の可動鉄心が固定鉄心側に引き付けられているリレー動作状態では、上述のように可動鉄心が元位置にあるリレーの非動作状態に比べ、電磁石の磁路の磁気抵抗が充分小さく、可動鉄心を吸引状態を保つに必要な磁束を発生させる励磁コイルの起磁力、従って励磁コイル印加電圧がより低くてもよいためである。

こうして本発明では、電源Ｓ１の電圧Ｖ１を、動作電圧Ｖｓのバラツキの上限値より余裕を持った高い電圧としての定格電圧、つまり１００％電圧（本例では２４Ｖ）に選び、また電源Ｓ２の電圧である保持電圧Ｖ２を、定格電圧Ｖ１より極力低く、且つ復帰電圧Ｖｒのバラツキの上限値より余裕を持った高い電圧としての５０％電圧（本例では１２Ｖ）に選んでいる。

図２は図１の動作説明用のタイムチャートで、１）から６）の順に駆動制御信号１００、遅延回路４の出力４ａ、ＰＮＰトランジスタ３の出力２００、ＰＮＰトランジスタ６の出力３００、リレー励磁出力４００、リレー接点１２のそれぞれの状態の推移を示す。
次に図２を参照しつつ図１の動作を説明する。時点ｔ１において駆動制御信号１００をオン（“Ｈ”）にすると、この時点では遅延回路４の出力４ａはまだ“Ｌ”であるためバッファ５の出力５ａは“Ｈ”であり、これによりＰＮＰトランジスタ６はオフのままであると共に、３ステートバッファ２の制御入力２ｃが“Ｈ”であるため３ステートバッファ２はイネーブルであり、そのバッファ出力２ａが“Ｌ”となり、トランジスタ３がオンする。

これにより動作電圧Ｖｓより高い電源Ｓ１の定格電圧Ｖ１がトランジスタ３とダイオード７Ａを経てリレー励磁出力４００となって電磁リレー１の励磁コイル１１に印加され、リレーが動作状態になりリレー接点１２がオンする。
時点ｔ１から遅延回路４に設定された遅延時間τが経過した時点ｔ２に達すると、遅延回路４の出力４ａが“Ｈ”に変わり、これによりバッファ５の出力５ａが“Ｌ”となってＰＮＰトランジスタ６がオンすると共に、３ステートバッファ２の制御入力２ｃも“Ｌ”になるため３ステートバッファ２がアンイネーブルになり、その出力２ａはＰＮＰトランジスタ３から電気的に絶縁された形に変わるためＰＮＰトランジスタ３はベース抵抗Ｒｂの存在によってオフする。

これにより電源Ｓ１に代わり電源Ｓ２から、定格電圧Ｖ１より低い保持電圧Ｖ２がトランジスタ６とダイオード７Ｂを経てリレー励磁出力４００となり励磁コイル１１に切り替え印加されるが、保持電圧Ｖ２は復帰電圧Ｖｒより高いため電磁リレー１の動作状態、従ってリレー接点１２のオン状態はそのまま維持される。
次に時点ｔ３において駆動制御信号１００をオフ（“Ｌ”）にすると、このときは遅延回路４の遅延動作は働かずその出力４ａは直ちに“Ｌ”となり、バッファ５の出力５ａが“Ｈ”となってＰＮＰトランジスタ６は直ちにオフする。このとき３ステートバッファ２の制御入力２ｃも“Ｈ”なるため３ステートバッファ２はイネーブルとなり、その出力２ａが“Ｈ”となる。この“Ｈ”の出力２ａはＰＮＰトランジスタ３にはオフ側に働く信号ではあるが、既にオフ状態にあるＰＮＰトランジスタ３の状態は変わらない。

こうして励磁コイル１１の励磁は絶たれ、電磁リレー１は非動作状態に戻り、リレー接点１２はオフ状態になる。

本発明の一実施例としての要部の構成を示すブロック回路図図１の動作説明用のタイムチャート電磁リレーの動作電圧および復帰電圧の測定値の度数分布の例を示す図図１に対応する従来のブロック回路図

符号の説明

１電磁リレー
２３ステートバッファ回路
３ＰＮＰトランジスタ
４遅延回路
５バッファ回路
６ＰＮＰトランジスタ
７Ａ、７Ｂダイオード
８転流ダイオード
１１励磁コイル
１２リレー接点
１００励磁制御信号
２００トランジスタ３の出力
３００トランジスタ６の出力
４００リレー励磁出力
Ｓ１、Ｓ２電源
Ｖ１定格電圧
Ｖ２保持電圧
Ｖｓ動作電圧
Ｖｒ復帰電圧
Ｒｂベース抵抗
τ 遅延時間

Claims

非動作状態にある電磁リレーを動作状態に駆動できる所定電圧の第１の電源を開閉する開閉制御の可能な第１のスイッチング手段と、
動作状態にある前記電磁リレーのこの状態を保持でき、且つ前記第１の電源の電圧より低い所定電圧の第２の電源を開閉する開閉制御の可能な第２のスイッチング手段と、
前記電磁リレーを動作状態にすべき旨の駆動制御信号に基づき前記第１のスイッチング手段を閉に制御して前記第１の電源を前記電磁リレーの励磁コイルに印加したのち、前記電磁リレーが非動作状態から動作状態に移行できる所定の遅延時間を経て前記第１のスイッチング手段を開に制御すると共に前記第２のスイッチング手段を閉に制御して前記第２の電源を前記電磁リレーの励磁コイルに切り替え印加し、また前記電磁リレーを非動作状態にすべき旨の駆動制御信号に基づいて少なくとも前記第２のスイッチング手段を開に制御する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする電磁リレー駆動装置。
請求項１に記載の電磁リレー駆動装置において、
前記第１、第２のスイッチング手段が、それぞれそのコレクタが前記電磁リレーの励磁コイルの共通の一端に接続されるトランジスタからなることを特徴とする電磁リレー駆動装置。
請求項２に記載の電磁リレー駆動装置において、
前記第１、第２のスイッチング手段の各トランジスタのコレクタにはそれぞれ順方向に直列にダイオードが挿入されてなることを特徴とする電磁リレー駆動装置。
請求項１ないし３に記載の電磁リレー駆動装置において、
前記駆動制御手段が、前記電磁リレーを動作状態にすべき旨の駆動制御信号を入力として前記所定の遅延時間の経過を検出する遅延回路を持つものであることを特徴とする電磁リレー駆動装置。