JP2011250596A - 定電圧出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定電圧出力装置において、周辺温度の影響や経時変化の影響を受けることなく、自由に電圧出力値を設定できるようにする。
【解決手段】電圧を入力し、設定された電圧値で出力する定電圧出力装置であって、出力電圧値を検出する電圧検出部と、電圧設定値を記憶する電圧設定値記憶部と、検出された出力電圧値と電圧設定値とを比較する比較部と、比較部の比較結果に基づいた幅のパルス幅信号を出力するパルス幅制御部として機能する演算処理装置と、パルス幅信号に基づいて、入力電圧に基づく信号に対してスイッチング動作を行なう駆動回路と、駆動回路の出力信号に基づく信号を平滑化して出力する平滑回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非安定電圧を入力し、設定された電圧値で定電圧出力を行なう定電圧出力装置に関する。

非安定電圧を入力し、設定された電圧値で定電圧出力を行なうＤＣ／ＤＣ定電圧出力装置が、測定装置、分析装置等において広く用いられている。図８は、従来の定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。本図に示す定電圧出力装置２００は、絶縁トランスＴｚで入力側と出力側とを電気的に絶縁した絶縁型の定電圧出力装置であり、発振回路２１０、駆動回路２２０、平滑回路２３０、ＰＷＭ回路２４０、電圧検出回路２５０を備えている。

発振回路２１０は、非安定電圧を入力し、所定周期のパルス波に変換して出力する。駆動回路２２０は、発振回路２１０の出力パルスとＰＷＭ回路２４０が出力するパルス幅変調信号とのＡＮＤ信号を絶縁トランスＴｚに出力する。平滑回路２３０は、絶縁トランスＴｚによって伝送されたパルス形状の電圧信号を平滑化して出力する。

電圧検出回路２５０は、出力した電圧値を、あらかじめ設定された電圧値と比較し、比較結果をＰＷＭ回路２４０に出力する。ＰＷＭ回路２４０は、電圧検出回路２５０の出力結果にしたがって、出力した電圧値が設定された電圧値よりも低い場合はＨｉｇｈ信号を駆動回路２２０に出力し、出力した電圧値が設定された電圧値以上の場合はＬｏｗ信号を駆動回路２２０に出力する。

以上の構成により、定電圧出力装置２００は、電圧検出回路２５０、ＰＷＭ回路２４０とでフィードバック制御を行なうことで、あらかじめ設定された電圧値で定電圧出力を行なうことができる。

図９は、電圧検出回路２５０の構成例を示す回路図である。本図の例では、コンパレータＣｏｍｐを用いて、出力電圧値を、設定電圧値Ｖｒｅｆと比較している。ここで、設定電圧値Ｖｒｅｆは、基準電圧値Ｖｓを抵抗Ｒ２と可変抵抗Ｒｖとで分圧して生成している。

特開２００３−１０２１７３号公報

従来の定電圧出力装置２００は、電圧検出回路２５０、ＰＷＭ回路２４０からなるフィードバック制御回路を、ハードウェアで構成し、定電圧出力が得られるように制御している。

しかしながら、フィードバック制御回路をハードウェアで構成しているため、定電圧出力の電圧値を変えるためには、電圧検出回路２５０、ＰＷＭ回路２４０の再設計が必要となる。

電圧検出回路２５０の可変抵抗Ｒｖにより出力電圧値の微調整を行なうことは可能であるが、周辺温度の影響や経時変化によって抵抗値が変化することもあり、必ずしも設定電圧値を安定して得ることはできない。

そこで、本発明は、定電圧出力装置において、周辺温度の影響や経時変化の影響を受けることなく、自由に電圧出力値を設定できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の定電圧出力装置は、電圧を入力し、設定された電圧値で出力する定電圧出力装置であって、出力電圧値を検出する電圧検出部と、電圧設定値を記憶する電圧設定値記憶部と、検出された前記出力電圧値と前記電圧設定値とを比較する比較部と、前記比較部の比較結果に基づいた幅のパルス幅信号を出力するパルス幅制御部として機能する演算処理装置と、前記パルス幅信号に基づいて、入力電圧に基づく信号に対してスイッチング動作を行なう駆動回路と、前記駆動回路の出力信号に基づく信号を平滑化して出力する平滑回路と、を備えたことを特徴とする。

ここで、前記電圧設定値記憶部に記憶された電圧設定値を上下させる入力装置をさらに備えることができる。

また、前記パルス幅信号をトランスを介して入力し、積分結果をエラー信号として出力する積分回路をさらに備えるようにしてもよい。

このとき、前記パルス幅制御部は、所定期間毎に、前記パルス幅信号を瞬時反転させるか、前記パルス幅信号がハイレベルまたはロウレベルを所定時間保持した場合に、前記パルス幅信号を瞬時反転させることが望ましい。

また、前記入力電圧を所定周期のパルス信号に変換して前記駆動回路に入力する発振回路と、前記駆動回路の出力信号を前記平滑回路に絶縁伝送する絶縁トランスと、をさらに備えるようにしてもよい。

このとき、前記演算処理装置は、前記平滑回路の出力電圧を電源電圧として動作するものであり、前記演算処理装置の起動前に、前記駆動回路に前記入力電圧に基づく信号を供給する補助回路をさらに備えるようにしてもよい。

いずれの場合も、前記電圧検出部は、前記演算処理装置内のＡ／Ｄコンバータにより構成されることができる。

本発明によれば、演算処理装置を用いてフィードバック制御を行なっているため、定電圧出力装置において、周辺温度の影響や経時変化の影響を受けることなく、自由に電圧出力値を設定できるようになる。

本実施形態に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。 電圧検出部の出力値と電圧設定値と比較部の出力の例を示す図である。 定電圧出力装置のＣＰＵの動作について説明するフローチャートである。 定電圧出力装置の各部の出力波形の例を示す図である。 ＰＷＭ制御部の出力が所定期間毎に強制反転される様子を示す図である。 本実施形態の第１変形例に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態の第２変形例に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。 従来の定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。 電圧検出回路の構成例を示す回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。本図に示す定電圧出力装置１００は、絶縁トランスＴａで入力側と出力側とを電気的に絶縁した絶縁型の定電圧出力装置であり、発振回路１１０、駆動回路１２０、平滑回路１３０、ＣＰＵ１４０、Ｕｐスイッチ１５１およびＤｏｗｎスイッチ１５２を含んだ入力装置、補助回路１６０、積分回路１７０を備えている。

発振回路１１０は、非安定電圧を入力し、絶縁トランスＴａを介して出力側に伝達するために、非安定電圧を所定周期のパルス波に変換して駆動回路１２０に出力する。駆動回路１２０は、発振回路１１０の出力パルスと補助回路１６０あるいはＣＰＵ１４０が出力するパルス幅変調信号とのＡＮＤ信号を絶縁トランスＴａに出力する。平滑回路１３０は、例えば、コイルとコンデンサにより構成され、絶縁トランスＴａによって伝送されたパルス形状の電圧信号を平滑化して出力する。

本実施形態においては、ハードウェアではなく、ＣＰＵ１４０を用いてソフトウェア的にフィードバック制御を行なう。このため、ＣＰＵ１４０には、電圧検出部１４１、比較部１４２、ＰＷＭ制御部１４４が構築され、さらに、電圧設定値を記憶する電圧設定値記憶領域１４３が設けられている。これらの機能部は、ＣＰＵ１４０が所定のプログラムを実行するとともに、ＣＰＵ１４０内あるいはＣＰＵ１４０外の記憶領域を用いることにより仮想的に形成される。

電圧検出部１４１は、Ａ／Ｄコンバータにより構成され、定電圧出力装置１００の出力電圧値を検出する。ＣＰＵ１４０によって構成されたＡ／Ｄコンバータを用いているため、周辺温度の影響や経時変化の影響を受けずに、長期にわたって安定して出力電圧値を検出することができる。

比較部１４２は、電圧検出部１４１の出力値を、電圧設定値記憶領域１４３に記憶された電圧設定値Ｖｓｅｔと比較し、比較結果をＰＷＭ制御部１４４に出力する。図２は、電圧検出部１４１の出力値と電圧設定値Ｖｓｅｔと比較部１４２の出力の例を示している。本図の例では、電圧検出部１４１の出力値が、電圧設定値Ｖｓｅｔを下回った期間において、比較部１４２がＨｉｇｈ信号を出力している。比較部１４２の出力に基づいて駆動回路１２０を制御することにより、フィードバック制御を行なうことができる。

電圧設定値記憶領域１４３に記憶された電圧設定値Ｖｓｅｔは、Ｕｐスイッチ１５１、Ｄｏｗｎスイッチ１５２の操作により、例えば、０．１Ｖ刻みで上下させることができる。これにより、プログラムを変更することなく電圧設定値Ｖｓｅｔを自由に変更することができる。なお、電圧設定値記憶領域１４３に記憶された電圧設定値Ｖｓｅｔを表示する表示部を別途設けるようにしてもよい。

ＰＷＭ制御部１４４は、比較部１４２の出力結果にしたがって、検出した出力電圧値が電圧設定値Ｖｓｅｔよりも低い場合はＨｉｇｈ信号を駆動回路１２０に出力し、検出した出力電圧値が電圧設定値Ｖｓｅｔ以上の場合はＬｏｗ信号を駆動回路１２０に出力する。すなわち、出力電圧値が電圧設定値Ｖｓｅｔより低い場合は、出力電圧を上げるように動作し、出力電圧値が電圧設定値Ｖｓｅｔ以上の場合は、出力電圧を下げるように動作する。なお、ＰＷＭ制御部１４４と駆動回路１２０とを、絶縁トランスＴｃを介して接続することで、入力部と出力部との絶縁を確保している。

本実施形態において、ＣＰＵ１４０は、定電圧出力装置１００の出力電圧を電源電圧Ｖｃｃとして用いている。このため、定電圧出力装置１００の出力電圧がＣＰＵ１４０の起動電圧に達するまではフィードバック制御動作を行なうことができない。

そこで、本実施形態では、ＣＰＵ１４０が起動するまでの期間、定電圧出力装置１００を動作させるための補助回路１６０を設けている。補助回路１６０は、非安定電圧が入力されると起動し、例えば、デューティ比９５％のパルス信号を出力する。これにより、定電圧出力装置１００から電圧が出力され、ＣＰＵ１４０が起動する。補助回路１６０は、起動時のみに動作すれば足り、ＣＰＵ１４０は、起動すると、フィードバック制御動作を開始するとともに、補助回路１６０の動作を停止させる。

ところで、ＣＰＵ１４０が故障したり暴走したりして、出力するパルス幅変調信号がＬｏｗ固定となったり、Ｈｉｇｈ固定となってしまう場合がある。本実施形態では、このような状態を検出するために、ＣＰＵ１４０の出力パルスを、絶縁トランスＴｂを介して接続された積分回路１７０に入力し、その出力をエラー信号として用いている。積分回路１７０は、例えば、抵抗とコンデンサとで構成することができる。

すなわち、ＣＰＵ１４０の出力するパルス幅変調信号が、Ｌｏｗ固定あるいはＨｉｇｈ固定となると、絶縁トランスＴｂを介して接続された積分回路１７０の出力はＬｏｗとなる。したがって、積分回路１７０の出力をエラー信号として用いて、Ｌｏｗ状態を監視することにより、ＣＰＵ１４０の故障や暴走を検出することができるようになる。

なお、ＣＰＵ１４０が正常に動作した結果、出力するパルス幅変調信号がＬｏｗあるいはＨｉｇｈをしばらく保っている状態を、ＣＰＵ１４０の故障や暴走と誤検出しないように、ＰＷＭ制御部１４４は、所定期間毎に出力パルスを一瞬反転させるようにすることが望ましい。これにより、積分回路１７０の出力がＬｏｗになることを防ぐことができる。

次に、本実施形態における定電圧出力装置１００のＣＰＵ１４０の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。

上述のように、定電圧出力装置１００に非安定電圧が入力されると、補助回路１６０が動作し、デューティ比９５％のパルス信号を出力する。これにより、定電圧出力装置１００の出力側に電圧が発生し、上昇していく。この出力電圧は、ＣＰＵ１４０の電源電圧Ｖｃｃとしても供給される。

定電圧出力装置１００の出力電圧が、ＣＰＵ１４０の起動電圧に達すると（Ｓ１０１）、ＣＰＵ１４０は、フィードバック制御動作を開始するとともに、補助回路１６０の動作を停止させる（Ｓ１０２）。このとき、駆動回路１２０への入力経路を補助回路１６０側からＣＰＵ１４０側に切替えるようにしてもよい。

ＣＰＵ１４０のＰＷＭ制御部１４４は、パルス幅変調出力が、ＬｏｗあるいはＨｉｇｈを保っている状態であっても、ＣＰＵ１４０が正常に動作していることを示すために、所定期間、例えば、１０ｍｓ毎に強制的に出力を反転するようにする。このため、前回の強制出力反転から所定期間を経過したかどうかを判断する（Ｓ１０３）。

前回の強制出力反転から所定期間を経過していない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）は、電圧検出部１４１が、定電圧出力装置１００の出力電圧値Ｖｏを検出する（Ｓ１０４）。

そして、比較部１４２が、電圧検出部１４１の出力値と電圧設定値Ｖｓｅｔとを比較する（Ｓ１０５）。その結果、出力電圧値Ｖｏが電圧設定値Ｖｓｅｔよりも低い場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）は、出力電圧値Ｖｏを上昇させるために、ＰＷＭ制御部１４４が、Ｈｉｇｈ信号を駆動回路１２０に出力する（Ｓ１０６）。

一方、出力電圧値Ｖｏが電圧設定値Ｖｓｅｔ以上の場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）は、出力電圧値Ｖｏを下降させるために、ＰＷＭ制御部１４４が、Ｌｏｗ信号を駆動回路１２０に出力する（Ｓ１０７）。

なお、電圧設定値記憶領域１４３に記憶された電圧設定値Ｖｓｅｔは、Ｕｐスイッチ１５１、Ｄｏｗｎスイッチ１５２を操作することにより、任意のタイミングで任意の値に変更することができる。

また、ＰＷＭ制御部１４４は、Ｈｉｇｈ信号、Ｌｏｗ信号のどちらを出力したかを記憶する（Ｓ１０８）。これは、所定期間毎に、強制的に出力反転させるためである。

すなわち、前回の強制出力反転から所定期間を経過した場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）は、処理（Ｓ１０８）で記憶した前回の出力信号を反転させた信号を出力し（Ｓ１０９）、すぐに、前回の出力信号に復帰する（Ｓ１１０）。これにより、パルス幅変調出力が一瞬変動し、積分回路１７０の出力がＬｏｗとならないため、ＣＰＵ１４０の故障、暴走等を誤検出することを防ぐことができる。

以上の処理（Ｓ１０３）以降の処理を繰り返すことにより（Ｓ１１１：Ｎｏ）、定電圧出力装置１００は、電圧設定値Ｖｓｅｔで安定した電圧を出力することができる。

図４は、以上に示した動作で得られる、定電圧出力装置１００の各部の出力波形の例を示しており、図４（ａ）は、発振回路１１０の出力波形例を示し、図４（ｂ）は、ＰＷＭ制御部１４４の出力波形例を示し、図４（ｃ）は、駆動回路１２０の出力波形例を示し、図４（ｄ）は、平滑回路１３０の出力波形例、すなわち、定電圧出力装置１００の出力波形例を示している。

また、図５は、ＰＷＭ制御部１４４の出力が所定期間毎に強制反転される様子を示しており、図５（ａ）は、Ｈｉｇｈが連続している波形が一瞬Ｌｏｗに反転する様子を示し、図５（ｂ）は、Ｌｏｗが連続している波形が一瞬Ｈｉｇｈに反転する様子を示している。これにより、ＣＰＵ１４０が正常動作しているにもかかわらず、積分回路１７０の出力がＬｏｗとなって、ＣＰＵ１４０の故障、暴走等を誤検出することを防ぐことができる。

ＣＰＵ１４０が、故障、暴走等により正常に動作していない場合には、このような出力反転は行なわれずに、Ｈｉｇｈ固定あるいはＬｏｗ固定状態となるため、エラー信号を監視することによってＣＰＵ１４０の故障、暴走等を検出することができる。

なお、所定期間毎に強制反転するのではなく、正常動作時に所定時間Ｈｉｇｈ信号あるいはＬｏｗ信号が連続した場合に、出力を強制反転するようにしてもよい。この場合は、Ｈｉｇｈ信号あるいはＬｏｗ信号が連続している時間を計時し、その時間が所定期間を超えた場合に、一瞬、出力を強制反転させればよい。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図６は、本実施形態の第１変形例に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。上記の実施形態と同じブロックについては同じ符号を付している。

上記の実施形態では、ＣＰＵ１４０の電源電圧Ｖｃｃとして、定電圧出力装置１００の出力電圧を用いていた。このため、定電圧出力装置１００の出力電圧がＣＰＵ１４０の起動電圧に達するまで定電圧出力装置１００を動作させるための補助回路１６０を用いていた。

これに対し、第１変形例の定電圧出力装置１００ａでは、ＣＰＵ１４０の電源電圧Ｖｃｃとして外部から別途供給される商用電源等の電源を用いるようにする。これにより、定電圧出力装置１００ａの出力電圧とは無関係に、ＣＰＵ１４０を始めから起動させておくことができるため、補助回路１６０が不要となる。

図７は、本実施形態の第２変形例に係る定電圧出力装置の構成を示すブロック図である。上記の実施形態と同じブロックについては同じ符号を付している。

上記の実施形態では、入力側と出力側とを電気的に絶縁した絶縁型の定電圧出力装置１００を例に説明した。このため、絶縁トランスＴａ、絶縁トランスＴｃを用いて、入力側と出力側との絶縁を確保していた。

これに対し、第２変形例では、本発明を非絶縁型の定電圧出力装置１００ｂに適用した場合について説明する。

本図に示すように、非絶縁型の定電圧出力装置１００ｂでは、絶縁トランスＴａ、絶縁トランスＴｃが不要となる。これに伴い、パルス幅変調信号をそのまま伝送することができるため、発振回路１１０も不要となる。ただし、積分回路１７０は、パルス幅変調信号の交流成分を伝送するためにトランスＴｂを介して接続している。また、ＣＰＵ１４０の電源電圧Ｖｃｃを入力側から取ることができるため、補助回路１６０が不要となる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ＣＰＵ１４０を用いて出力電圧を検出し、ソフトウェア的にパルス幅変調を行なうようにしているため、定電圧出力装置において、周辺温度の影響や経時変化の影響を受けることなく、自由に電圧出力値を設定できるようになる。

１００…定電圧出力装置、１００ａ…定電圧出力装置、１００ｂ…定電圧出力装置、１１０…発振回路、１２０…駆動回路、１３０…平滑回路、１４０…ＣＰＵ、１４１…電圧検出部、１４２…比較部、１４３…電圧設定値記憶領域、１４４…ＰＷＭ制御部、１５０…入力装置、１５１…Ｕｐスイッチ、１５２…Ｄｏｗｎスイッチ、１６０…補助回路、１７０…積分回路、２００…定電圧出力装置、２１０…発振回路、２２０…駆動回路、２３０…平滑回路、２４０…ＰＷＭ回路、２５０…電圧検出回路

Claims (8)

1. 電圧を入力し、設定された電圧値で出力する定電圧出力装置であって、
   出力電圧値を検出する電圧検出部と、電圧設定値を記憶する電圧設定値記憶部と、検出された前記出力電圧値と前記電圧設定値とを比較する比較部と、前記比較部の比較結果に基づいた幅のパルス幅信号を出力するパルス幅制御部として機能する演算処理装置と、
   前記パルス幅信号に基づいて、入力電圧に基づく信号に対してスイッチング動作を行なう駆動回路と、
   前記駆動回路の出力信号に基づく信号を平滑化して出力する平滑回路と、
   を備えたことを特徴とする定電圧出力装置。
2. 前記電圧設定値記憶部に記憶された電圧設定値を上下させる入力装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の定電圧出力装置。
3. 前記パルス幅信号をトランスを介して入力し、積分結果をエラー信号として出力する積分回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の定電圧出力装置。
4. 前記パルス幅制御部は、所定期間毎に、前記パルス幅信号を瞬時反転させることを特徴とする請求項３に記載の定電圧出力装置。
5. 前記パルス幅制御部は、前記パルス幅信号がハイレベルまたはロウレベルを所定時間保持した場合に、前記パルス幅信号を瞬時反転させることを特徴とする請求項３に記載の定電圧出力装置。
6. 前記入力電圧を所定周期のパルス信号に変換して前記駆動回路に入力する発振回路と、
   前記駆動回路の出力信号を前記平滑回路に絶縁伝送する絶縁トランスと、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の定電圧出力装置。
7. 前記演算処理装置は、前記平滑回路の出力電圧を電源電圧として動作するものであり、
   前記演算処理装置の起動前に、前記駆動回路に前記入力電圧に基づく信号を供給する補助回路をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の定電圧出力装置。
8. 前記電圧検出部は、前記演算処理装置内のＡ／Ｄコンバータにより構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の定電圧出力装置。