JP2010286426A - 寿命予測装置及び電源装置及び寿命予測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基準抵抗R22は、平滑コンデンサC11(コンデンサ)と直列に電気接続する。電圧生成部222(電圧生成回路・測定装置)は、平滑コンデンサC11と基準抵抗R22との直列回路に印加するバイアス付き交流電圧を生成する。電圧測定部223は、平滑コンデンサC11の両端電圧を測定する。抵抗算出部224(測定装置)は、電圧生成部223が測定した両端電圧に基づいて、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rを算出する。寿命算出部242(寿命算出装置)は、抵抗算出部224が算出した等価直列抵抗Rに基づいて、平滑コンデンサC11の寿命を判定する。
【選択図】図1
Description
このため、コンデンサの静電容量を測定し、コンデンサの寿命を判定する技術がある。
また、従来のコンデンサは、寿命末期が近づくと、徐々に静電容量が低下していく。このため、コンデンサの静電容量を測定することにより、コンデンサが寿命を迎えたか否かだけでなく、あとどれくらい使用すると寿命に達するかを予測することができた。
この発明は、例えば上記のような課題を解決するためになされたものであり、比較的早い段階でコンデンサの寿命を正確に予測することを目的とする。
上記測定装置は、コンデンサの交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかを測定し、
上記寿命算出装置は、上記測定装置が測定した交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする。
実施の形態1について、図1〜図6を用いて説明する。
電源装置800は、例えば直流安定化電源であり、直流電圧VOを生成する。電源装置800は、電源回路810、平滑コンデンサC11、寿命予測装置100を有する。
電源回路810は、例えば商用電源などの交流電源やその他の電源(図示せず)から電力を入力し、入力した電力を変換して、直流電圧VOを生成する。
平滑コンデンサC11は、電源回路810の出力(電源本線)に並列に電気接続され、電源回路810が生成した直流電圧VOのリプルを除去する。なお、電源装置800は、平滑コンデンサC11を複数有する構成であってもよい。
平滑コンデンサC11は、電源装置800のなかで最も寿命が短い部品であると考えられるから、平滑コンデンサC11の寿命は、すなわち、電源装置800の寿命とみなすことができる。また、平滑コンデンサC11がもうすぐ寿命となることをあらかじめ予測できれば、平滑コンデンサC11が寿命を迎える前に、あらかじめ新しい電源装置を準備し、計画的に電源装置の交換を実施することができる。
図示していないが、マイコン200は、記憶装置、処理装置(以下「CPU」と呼ぶ。)、アナログデジタル変換装置(以下「ADC」と呼ぶ。)、デジタルアナログ変換装置(以下「DAC」と呼ぶ。)などのハードウェア資源を有する。
記憶装置には、揮発性記憶装置(以下「RAM」と呼ぶ。)と不揮発性記憶装置(以下「ROM」と呼ぶ。)とがある。ROMは、CPUが実行するプログラムや、あらかじめ定められたデータなどを、あらかじめ記憶している。RAMは、CPUが処理するデータを一時的に記憶する。
CPUは、ROMが記憶したプログラムを実行することにより、以下に説明する機能ブロックを実現する。
ADCは、アナログ入力端子の電圧を測定し、CPUが処理できるデジタルデータに変換する。
DACは、CPUからの指令に基づいて、デジタルデータが表わす電圧を生成し、アナログ出力端子から出力する。
基準抵抗R22の他端は、マイコン200のアナログ出力端子に電気接続している。
基準抵抗R32の他端は、電源装置800の陽極側出力に電気接続している。
なお、平滑コンデンサC11が1つしかない場合、測定制御部221は、電源回路810の動作停止時に、平滑コンデンサC11を電源回路810から切り離す。また、平滑コンデンサC11が複数ある場合は、複数の平滑コンデンサC11にそれぞれ対応する複数のスイッチング回路SW21を設け、測定制御部221は、いずれか1つの平滑コンデンサC11のみを電源回路810から切り離す。これにより、電源回路810の動作中は、いずれかの平滑コンデンサC11が電源回路810に接続した状態となり、電源装置800が正常に動作する。
電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧の交流成分の周波数は、マイコン200の動作周波数などによって定まるDAC及びADCの時間分解能による制限を受けるほか、平滑コンデンサC11の等価直列インダクタンスの影響が無視できる程度に低い周波数に設定する。また、交流成分の周波数は、平滑コンデンサC11の静電容量によるリアクタンスが十分に小さくなり、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗の影響を、ADCの電圧分解能によって測定可能な程度に高い周波数に設定する。
なお、電圧生成部222は、マイコン200からの指令により動作する発振器などの回路により実現してもよい。
横軸は時刻、縦軸は電圧を表わす。曲線511は、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧の瞬時電圧値を表わす。曲線512は、電圧測定部223が測定する平滑コンデンサC11の両端電圧の瞬時電圧値を表わす。
電圧VHおよび電圧VLは、それぞれ、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧v1の極大値および極小値を表わす。電圧Vhはおよび電圧Vlは、それぞれ、電圧測定部223が測定する平滑コンデンサC11の両端電圧の極大値および極小値を表わす。時間T1は、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧の交流成分の周期(周波数の逆数)を表わす。時間T2は、電圧測定部223が測定する平滑コンデンサC11の両端電圧が極大値Vhになってから、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧v1が極大値VHになるまでの時間を表わす。
また、抵抗算出部224は、CPUを用いて、電圧測定部223が測定した平滑コンデンサC11の両端電圧v2に基づいて、電圧Vh、電圧Vl、時間T2を算出する。
抵抗算出部224は、例えば、電圧Vhから電圧Vlを差し引いた差(Vh−Vl)を、電圧VHから電圧VLを差し引いた差(VH−VL)で割った商を算出することにより、電圧比aを求める。
また、抵抗算出部224は、例えば、時間T2を時間T1で割った商に、2πを乗じた積(πは円周率。)を算出することにより、位相差θを求める。
平滑コンデンサC11の等価回路として、一般に、静電容量Cと等価並列抵抗rとの並列回路と、等価直列抵抗Rと、等価直列インダクタンスLとの直列回路が考えられる。しかし、上述したように、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧の交流成分の周波数が、等価直列インダクタンスLの影響を無視できる程度に低い周波数であることから、等価直列インダクタンスLは無視できる。また、等価並列抵抗rの値は通常十分に大きいことから、等価並列抵抗rも無視できる。このため、平滑コンデンサC11の等価回路として、静電容量Cと等価直列抵抗Rとの直列回路を考える。
なお、抵抗算出部224は、等価直列抵抗Rを求める代わりに、抵抗値R0に対する等価直列抵抗Rの比R/R0を求めるものであってもよい。そうすれば、上記計算過程において、抵抗値R0を乗じる計算をしなくて済むので、計算量を減らすことができる。
横軸は、温度または使用時間を表わす。縦軸は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値を表わす。曲線521は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの温度特性を表わす。曲線522は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの使用時間特性を表わす。
使用時間が同じ場合、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値は、温度が低いほど高く、温度が高いほど低い。温度が同じ場合、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値は、使用時間が経つほど大きくなる。
サーミスタ電圧値611は、温度測定部231が測定するサーミスタT31の両端電圧の値を表わす。等価直列抵抗値612は、抵抗算出部224が算出する平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値を表わす。余命時間621は、平滑コンデンサC11の寿命までの残り時間を表わす。
この例において、寿命表データ610は表形式のデータであり、各セルが記憶した余命時間621は、温度測定部231が測定したサーミスタT31の両端電圧が、その列の一番上のセルが記憶したサーミスタ電圧値611であり、かつ、抵抗算出部224が算出した平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値が、その行の一番左のセルが記憶した等価直列抵抗値612である場合の余命時間を表わす。
なお、寿命表データ610のデータ形式は、表形式に限らず、サーミスタ電圧値611と等価直列抵抗値612とから余命時間621を求めることができる形式であれば、データベース形式など他の形式であってもよい。
寿命算出部242は、CPUを用いて、取得した余命時間621(寿命)を出力する。
寿命予測処理S710において、寿命予測装置100は、平滑コンデンサC11の寿命を予測する。寿命予測処理S710は、コンデンサ切り離し工程S711、コンデンサ電圧測定工程S712、温度測定工程S713、等価直列抵抗算出工程S714、寿命算出工程S718、コンデンサ接続工程S719を有する。
コンデンサ電圧測定工程S712において、電圧生成部222がバイアス付き交流電圧v1を生成し、電圧測定部223が平滑コンデンサC11の両端電圧v2を測定する。
温度測定工程S713において、温度測定部231がサーミスタT31の両端電圧を測定する。
等価直列抵抗算出工程S714において、電圧測定部223が測定した平滑コンデンサC11の両端電圧に基づいて、抵抗算出部224が平滑コンデンサC11の等価直列抵抗を算出する。
寿命算出工程S718において、温度測定工程S713で温度測定部231が測定したサーミスタT31の両端電圧と、等価直列抵抗算出工程S714で抵抗算出部224が算出した平滑コンデンサC11の等価直列抵抗とに基づいて、寿命表記憶部241が記憶した寿命表データ610を寿命算出部242が検索し、平滑コンデンサC11の寿命を算出する。
コンデンサ接続工程S719において、測定制御部221が制御信号を生成し、スイッチング回路SW21を切り換えて、平滑コンデンサC11を電源回路810に再接続する。
この実施の形態における寿命予測装置100は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗を測定し、測定した等価直列抵抗に基づいて平滑コンデンサC11の寿命を予測するので、平滑コンデンサC11が実際に寿命を迎えるまでにはまだ余裕がある段階で、平滑コンデンサC11の寿命が近づきつつあることを判定することができる。これにより、あらかじめ交換用の新しい電源装置を準備し、計画的に電源装置を交換するなどの対処をすることができる。
上記測定装置は、コンデンサ(平滑コンデンサC11)の等価直列抵抗Rを測定する。
上記寿命算出装置は、上記測定装置が測定した等価直列抵抗Rに基づいて、上記コンデンサの寿命(余命時間621)を算出する。
上記温度測定装置は、上記コンデンサ(平滑コンデンサC11)の温度を測定する。
上記寿命算出装置(寿命算出部242)は、上記測定装置(電圧測定部223及び抵抗算出部224)が測定した等価直列抵抗と、上記温度測定装置が測定した温度とに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出する。
上記基準抵抗R22は、上記コンデンサ(平滑コンデンサC11)と直列に電気接続する。
上記電圧生成回路は、上記コンデンサと上記基準抵抗R22との直列回路に印加する交流電圧(バイアス付き交流電圧)を生成する。
上記電圧測定回路は、上記コンデンサの両端電圧を測定する。
上記寿命算出装置(寿命算出部242)は、上記電圧測定回路が測定した両端電圧に基づいて、上記コンデンサの寿命を算出する。
上記電源回路810は、直流電源(直流電圧VO)を生成する。
上記平滑コンデンサC11は、上記電源回路810の出力に電気接続し、上記電源回路810が生成した直流電源のリプルを除去する。
上記寿命予測装置100は、上記平滑コンデンサC11の寿命を予測する。
コンデンサの等価直列抵抗Rを測定する。
測定した等価直列抵抗に基づいて、上記コンデンサの寿命を算出する。
寿命予測の精度を高めるために、例えばADCの分解能を高くする必要がないので、寿命予測装置100の製造コストを抑えることができる。
実施の形態2について、図7を用いて説明する。
なお、実施の形態1と共通する部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。
寿命予測装置100は、実施の形態1で説明した抵抗算出部224に代えて、Z算出部225を有する。
Z算出部225は、CPUを用いて、平滑コンデンサC11の交流インピーダンスZの絶対値を算出する。
寿命算出部242は、CPUを用いて、取得した余命時間621(寿命)を出力する。
上記測定装置は、コンデンサ(平滑コンデンサC11)の交流インピーダンスZを測定する。
上記寿命算出装置は、上記測定装置が測定した交流インピーダンスZに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出する。
実施の形態3について、説明する。
なお、実施の形態1と共通する部分については、同一の符号を付す。
電圧生成部222は、バイアス付き交流電圧を2種類生成する。電圧生成部222が生成する2種類のバイアス付き交流電圧は、交流成分の周波数が異なる。電圧生成部222は、2種類のバイアス付き交流電圧を交互に生成する。例えば、電圧生成部222は、交流成分の周波数が50kHzのバイアス付き交流電圧を生成し、電圧測定部223による測定が終わったのち、交流成分の周波数が100kHzのバイアス付き交流電圧を生成する。
電圧測定部223は、ADCを用いて、電圧生成部222が生成した2種類のバイアス付き交流電圧それぞれについて、平滑コンデンサC11の両端電圧を測定する。
抵抗算出部224は、CPUを用いて、電圧測定部223が測定した平滑コンデンサC11の両端電圧に基づいて、電圧生成部222が生成する2種類のバイアス付き交流電圧それぞれについて、電圧生成部222が生成したバイアス付き交流電圧の交流成分に対する、電圧測定部223が測定した平滑コンデンサC11の両端電圧の電圧比を算出する。抵抗算出部224は、CPUを用いて、算出した2つの電圧比に基づいて、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rを算出する。
また、位相差を算出する必要がないので、DACの電圧生成やADCの電圧測定に遅延があるなど何らかの理由により位相差を正確に測定できない場合でも、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値を正確に算出することができる。
また、実施の形態2と同様、抵抗算出部224に代えて、Z算出部225を設け、Z算出部225が、平滑コンデンサC11の交流インピーダンスZを算出する構成としてもよい。
なお、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗R(または交流インピーダンスZ)を測定する方式は、以上で説明した方式に限らず、他の方式であってもよい。例えば、電圧生成部222が生成するバイアス付き交流電圧の交流成分の周波数を変えるのではなく、基準抵抗R22として抵抗値の異なる複数の基準抵抗を設け、複数の基準抵抗を切り換えて、それぞれの基準抵抗の抵抗値について、電圧測定部223が平滑コンデンサC11の両端電圧を測定し、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗R(または交流インピーダンスZ)を算出する構成としてもよい。
また、電圧生成部222が、正弦波ではなく、矩形波や三角波など他の波形の交流成分を有するバイアス付き交流電圧を生成する構成としてもよい。
実施の形態4について、図8〜図9を用いて説明する。
なお、実施の形態1と共通する部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。
電源装置800は、サーミスタT31、基準抵抗R32、温度測定部231を有さず、基準抵抗R22に代えて、サーミスタT23を有する。
サーミスタT23(温度補償回路)は、平滑コンデンサC11の近傍に配置され、平滑コンデンサC11の周辺の温度によって抵抗値が変化する。サーミスタT23の温度特性は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの温度特性と概ね等しい。すなわち、所定の温度範囲内(例えば0℃〜90℃)において、ある温度におけるサーミスタT23の抵抗値に対する平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値の比と、別の温度におけるサーミスタT23の抵抗値に対する平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの値の比とが、所定の誤差許容範囲内(例えば±1%以内)で等しい。
単体のサーミスタT23でそのような温度特性を有するものが利用できない場合は、サーミスタT23に代えて、サーミスタと抵抗など他の素子とを組み合わせた温度補償回路を設け、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの温度特性と概ね同じ温度特性を持たせる。
上述したように、サーミスタT23の温度特性は、平滑コンデンサC11の等価直列抵抗Rの温度特性と概ね等しいので、抵抗算出部224が算出する抵抗値の比は、平滑コンデンサC11の周辺の温度の影響を受けない。
抵抗値比613は、抵抗算出部224が算出する抵抗値の比を表わす。
この例において、寿命表データ610は表形式のデータであり、各行の右側のセルが記憶した余命時間621は、抵抗算出部224が算出した抵抗値の比がその行の左側のセルが記憶した抵抗値比613である場合の余命時間を表わす。
寿命算出部242は、CPUを用いて、取得した余命時間621(寿命)を出力する。
上記温度補償回路は、上記コンデンサ(平滑コンデンサC11)と直列に電気接続し、上記コンデンサの温度により抵抗値が変化する。
上記電圧生成回路は、上記コンデンサと上記温度補償回路との直列回路に印加する交流電圧(バイアス付き交流電圧)を生成する。
上記電圧測定回路は、上記コンデンサの両端電圧を測定する。
上記寿命算出装置(寿命算出部242)は、上記電圧測定回路が測定した両端電圧に基づいて、上記コンデンサの寿命を算出する。
コンデンサ近傍温度ごとのデータテーブルを用意する必要がないので、データテーブルに必要なデータ量が少なく、ROMのメモリ容量を少なくでき、使用部品の単価を抑えることができる。また、寿命測定プログラムについても、コンデンサ近傍温度ごとに処理を切り替える必要がないので、プログラム用メモリの容量を削減でき、プログラム試験を削減できる。
Claims (6)
- 測定装置と、寿命算出装置とを有し、
上記測定装置は、コンデンサの交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかを測定し、
上記寿命算出装置は、上記測定装置が測定した交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする寿命予測装置。 - 上記寿命予測装置は、更に、温度測定装置を有し、
上記温度測定装置は、上記コンデンサの温度を測定し、
上記寿命算出装置は、上記測定装置が測定した交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかと、上記温度測定装置が測定した温度とに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする請求項1に記載の寿命予測装置。 - 上記測定装置は、温度補償回路と、電圧生成回路と、電圧測定回路とを有し、
上記温度補償回路は、上記コンデンサと直列に電気接続し、上記コンデンサの温度により抵抗値が変化し、
上記電圧生成回路は、上記コンデンサと上記温度補償回路との直列回路に印加する交流電圧を生成し、
上記電圧測定回路は、上記コンデンサまたは上記温度補償回路の両端電圧を測定し、
上記寿命算出装置は、上記電圧測定回路が測定した両端電圧に基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の寿命予測装置。 - 上記測定装置は、基準抵抗と、電圧生成回路と、電圧測定回路とを有し、
上記基準抵抗は、上記コンデンサと直列に電気接続し、
上記電圧生成回路は、上記コンデンサと上記基準抵抗との直列回路に印加する交流電圧を生成し、
上記電圧測定回路は、上記コンデンサまたは上記基準抵抗の両端電圧を測定し、
上記寿命算出装置は、上記電圧測定回路が測定した両端電圧に基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の寿命予測装置。 - 電源回路と、平滑コンデンサと、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の寿命予測装置とを有し、
上記電源回路は、直流電源を生成し、
上記平滑コンデンサは、上記電源回路の出力に電気接続し、上記電源回路が生成した直流電源のリプルを除去し、
上記寿命予測装置は、上記平滑コンデンサの寿命を予測することを特徴とする電源装置。 - コンデンサの交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかを測定し、
測定した交流インピーダンス及び等価直列抵抗の少なくともいずれかに基づいて、上記コンデンサの寿命を算出することを特徴とする寿命予測方法。
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