JP2011505111A - 容量性電源 - Google Patents

Abstract

容量性電源は、ＡＣ主電源への接続用の入力端子Ｌｎ、Ｎｔと容量性カップリングとを持つ入力部１０と、容量性カップリングを介して入力端子Ｌｎ、Ｎｔに結合される整流部２０と、整流部に結合される出力部３０とを有し、出力部は、出力電圧を負荷に与えるための出力端子Ｖ＋、Ｖ−と、電荷蓄積装置Ｃ２を有する第一チェーンと、第一チェーンと並列に配置され、かつ出力電圧制限装置Ｄ５を有する第二チェーンとを有し、容量性電源は突入電流制限装置Ｒ１をさらに有し、出力端子Ｖ＋、Ｖ−は出力電圧制限装置Ｄ５の各端子に接続され、ＤＣ通電直列インピーダンスＺｄｃは第一チェーンの抵抗値の少なくとも０．２倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つ。

Description

本発明は容量性電源に関する。本発明はさらに容量性電源を備える電子デバイスに関する。

様々な家庭用電化製品にとって、使用の便宜上、又は技術的な理由により、電化製品全体の電源を切ることは不可能である。例えば、ビデオ及びオーディオ機器では、遠隔制御信号を受信及び処理することができるよう、デバイスが待機状態のままであることが望ましい。あるいはデバイスは、所定時間にデバイスの他のモジュールを起動するために恒久的にアクティブな制御クロックを有することがある。

しかしながらグリーン電子設計の規制及び要望のためには、電化製品の待機時消費電力は最小限に抑えられるべきである。

恒久的にアクティブなままでなければならないような電化製品の内部にある電子機器の一部に電力供給するために、容量性電源がしばしば使用される。電化製品は例えば、電化製品の様々な機能を制御するためのマイクロコントローラを有する、コーヒーメーカー又は洗濯機であってもよい。容量性電源は、例えば従来の変圧器又はスイッチモード電源のような他の電源よりも原価が安い。容量性電源の例はＵＳ２００６／００３４１０９Ａ１に開示されている。容量性電源ではキャパシタンスがインピーダンスとしてはたらき、これが主電源電圧から電化製品によって使用される電圧への電圧降下を引き起こす。キャパシタンスを流れる電流はキャパシタンスにかかる電圧と位相が９０度ずれているので、容量性電源自体は実質的に電力を全く消費しない。実際には、追加の制約を考慮しなければならないので、位相シフトが正確に９０度であるように容量性電源を設計することは困難である。そのうちの１つは、デバイスが主電源に接続されるか、又は電源スイッチによって電源を入れられる場合に生じるデバイスの突入電流が、電源への損傷が防止されるような値に制限されるということである。加えて、ピーク電圧が主電源で生じる可能性があり、これは２乃至３ｋＶの値に達し得ることを考慮しなければならない。この偏差が、容量性電源によって供給される電圧に変動を生じるほど過度に波及し、ひいては望ましくない状況を引き起こし得ることは、防止されなければならない。上記で言及した電化製品では、こういったことは例えば容量性電源によって供給される電圧における変動がマイクロコントローラを損傷する場合に起こり得る。従って通常は容量性電源は突入電流制限器を含み、これは突入電流を減少させる直列抵抗の形をとることが多い。しかしながらこの直列抵抗は副作用として電力を散逸する。

そのような散逸損失を減少させることが望ましい。本発明は独立請求項によって定義される。従属請求項は有利な実施形態を定義する。

本発明の一態様によれば、容量性電源は、ＡＣ主電源への接続用の入力端子と、容量性カップリングとを持つ入力部と、
容量性カップリングを介して入力端子に結合される整流部と、
整流部に結合される出力部とを有し、出力部は、
出力電圧を負荷に与えるための出力端子と、
電荷蓄積装置を有する第一チェーンと、
第一チェーンと並列に配置され、かつ出力電圧制限装置とＤＣ通電直列インピーダンスを有する第二チェーンとを有し、
容量性電源は突入電流制限装置をさらに有し、
出力端子は出力電圧制限装置の各端子に接続され、ＤＣ通電直列インピーダンスは第一チェーンの抵抗値の少なくとも０．２倍の抵抗値を持つ。

本発明の別の態様によれば、電子デバイスは主電源への接続用の電源入力と、
前記電源入力に結合される上述の容量性電源と、
前記容量性電源によって電力供給される第一機能ユニットとを有する。

第二チェーンは第一チェーンの抵抗値の少なくとも０．２倍の抵抗値Ｒを持つＤＣ通電直列インピーダンスを含むので、突入電流制限装置にかかるストレスが解放される。従って、出力電圧制限装置及び出力端子に結合される任意の回路への損傷を引き起こすことなく、より高い突入電流が許容される。驚くべきことに、有利な一実施形態では、ＤＣ通電インピーダンスのかなり小さなインピーダンス値（例えば２．２Ω）であっても、過度に高いピーク電圧の危険を冒さずに、例えばＤＣ通電インピーダンスが無い場合に出力時に過度に高いピーク電圧が発生するのを防ぐために必要な２７０Ωから、２．２ΩのＤＣ通電インピーダンスがある場合にはわずか１００Ωまで、突入電流制限のために使用される抵抗値をＤＣ通電インピーダンスの値をはるかに超えて低減させることを可能にするように思われた。突入抵抗が低いほど電力散逸は低くなり、このことが、減少した抵抗性突入電流制限を可能にし、その結果、電圧制限装置のよりロバストな寸法設定を必要とすることなく、減少した容量性電源の電力散逸を可能にする。特定の実施形態では、ＤＣ通電直列インピーダンスが、突入電流制限装置の抵抗よりも大幅に低い抵抗を持つ可能性さえあり、その結果、散逸した電力の大幅な減少をもたらす。

出力端子は出力電圧制限装置の各端子に接続されるので、出力電圧は、例えばツェナーダイオードなどの出力電圧制限装置によって依然として正確に決定されるが、これは出力端子が出力電圧制限装置とＤＣ通電直列インピーダンスの直列接続に接続された場合は当てはまらず、その際には直列インピーダンスを通る電流は望ましくない追加の出力電圧成分をもたらしてしまう。

ＵＳ２００６／００３４１０９Ａ１から知られるデバイスでは、ツェナーダイオードＤＺ３と直列抵抗Ｒ３を有するチェーンが単にスイッチＭを制御するためにはたらく。このツェナーダイオードは、突入電流の一部を蓄積キャパシタＣにバイパスすることによって、ストレスから解放されなければならないことは開示されていない。また、ツェナーダイオードを十分に保護するために十分な程度にまでこの効果を実現するために、抵抗Ｒ３がどのような値をとるべきかも開示されていない。また、ＤＥ１９７５４２３９Ａ１のように、出力端子はツェナーダイオードと直列抵抗の直列接続に接続される。

実際には、電荷蓄積装置用に使用される構成部品は、その内部抵抗にばらつきがある可能性がある。従って、その公称値よりも高い内部抵抗の値を持つ場合、ＤＣ通電直列インピーダンス（Ｚｄｃ）の抵抗値と内部抵抗の設計値の比率が０．２近くに選択される場合は、その構成部品を却下する必要があるかもしれない。

従って好ましくは、ＤＣ通電直列インピーダンス（Ｚｄｃ）は第一チェーンの抵抗値の少なくとも１０倍の抵抗値Ｒを持つ。このようにして、実際には構成部品の特性にばらつきが生じるような大量製造工程における応用が促進される。

ＤＣ通電直列インピーダンス（Ｚｄｃ）の最大抵抗値は、容量性電源によって電力供給されるアプリケーションに依存する。電力散逸の減少が十分であることを実現するために、最大抵抗値は最大でも突入電流制限装置の抵抗値でなければならない。しかしながら、条件下で容量性電源によって電力供給されるアプリケーションがその動作に大きなピーク電流を必要とする場合は、最大抵抗値が最大でも突入電流制限装置の抵抗値の０．１倍であることが望ましいことがある。ＤＣ通電直列インピーダンスは例えば抵抗素子であってもよいが、あるいは例えば抵抗素子と直列な誘導素子など、より複雑なインピーダンスであってもよい。第一チェーンの抵抗値は、第一チェーンにおける明示的な直列抵抗によって、電荷蓄積装置を形成する容量性素子の内部抵抗によって、又はその両方によって決定され得る。

突入電流制限装置は抵抗素子の形のインピーダンスであってもよいが、あるいは例えば誘導素子と直列な抵抗素子など、より複雑なインピーダンスであってもよい。インピーダンスは、入力端子と電荷蓄積装置の間の直列インピーダンスとして配置される。直列インピーダンスは、例えば容量性カップリングと直列な、例えば入力端子のうちの１つに結合された経路内の入力部の一部であってもよいが、あるいは整流部の一部であってもよく、又は整流部と出力部の間に配置されてもよい。突入電流制限装置は単一インピーダンスである必要はなく、上記で示された位置に複数のインピーダンスを有してもよい。その場合、突入電流制限装置の抵抗は、入力端子の１つ目から電荷蓄積キャパシタを介して入力端子の２つ目に至る経路内に直列に配置されたインピーダンスの抵抗の合計である。容量性カップリングは、１つ目の入力端子から整流部へのチェーン内、２つ目の入力端子から整流部へのチェーン内、又はその両方において、容量性直列インピーダンスを含んでもよい。

これらの、及び他の態様は図面を参照してより詳細に説明される。

図１は本発明にかかる容量性電源の第一の実施形態を概略的に示す。 図２は本発明にかかる容量性電源の第二の実施形態を示す。 図３は本発明にかかる容量性電源の第三の実施形態を示す。 図４は本発明にかかる容量性電源の第四の実施形態を示す。 図５は本発明にかかる容量性電源を有する電子デバイスの一実施形態を示す。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的詳細が説明される。しかしながら、本発明はこれらの具体的詳細なくして実践されてもよいことが、当業者にはわかるだろう。他の例では、本発明の態様を曖昧にしないよう、周知の方法、手順、及び構成部品は詳細に記載されていない。

単一の構成部品又は他のユニットは、請求項に列挙されたいくつかの項目の機能を満たし得る。特定の手段が互いに異なる請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものととられるべきではない。

当然ながら、ある要素が別の要素に結合されると称されるときには、それが他の要素に直接接続されてもよいが、あるいは前記要素と他の要素の間に介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が接続されると称されるときには、そこに介在要素は存在しない。全体を通して類似する数字は類似する要素をあらわす。本明細書で使用される"及び／又は"という語は、関連する記載項目のうちの１つ以上のいずれか、及び全ての組み合わせを含む。

当然ながら、第一、第二、第三などの語が、様々な要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分はこれらの語によって限定されるべきではない。これらの語は、ある要素、構成部品、又は部分を、別の要素、構成部品、又は部分領域、層、又は部分と区別するために使用されるに過ぎない。従って、下記で論じられる第一の要素、構成部品、又は部分は、本発明の教示から逸脱することなく、第二の要素、構成部品、又は部分と称することができる。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての語（技術用語と科学用語を含む）は、本発明が属する当業者によって一般に理解されている意味と同じ意味を持つ。さらに当然ながら、一般に使用される辞書で定義されるものなどの用語は、従来技術の文脈におけるその意味と一致する意味を持つものとして解釈されるべきであり、本明細書に明示的に定義されない限り、理想的な、又は過度に形式的な意味で解釈されるものではない。

図１は、入力部１０、整流部２０、及び出力部３０、並びに突入電流制限装置Ｒ１を有する容量性電源を概略的に示す。

入力部は、ＡＣ主電源への接続用の第一及び第二の入力端子Ｌｎ、Ｎｔ、並びに容量性カップリングＣ１を有する。

整流部２０は容量性カップリングを介して入力端子（Ｌｎ、Ｎｔ）に結合される。整流部２０は出力部３０に整流電流を与えるはたらきをする。

整流部に結合された出力部３０は、負荷に出力電圧を与えるための第一及び第二の出力端子Ｖ＋、Ｖ−を有する。出力部３０はさらに、電荷蓄積装置Ｃ２を有する第一チェーン、及び第一チェーンと並列に配置された電圧制限装置Ｄ５を有する第二チェーンを有する。

容量性電源はさらに突入電流制限装置Ｒ１を有する。突入電流制限装置は例えば容量性カップリングと直列なインピーダンスであってもよいが、容量性電源の別の部分に配置されてもよい。

第二チェーンはＤＣ通電直列インピーダンスＺｄｃを含む。ＤＣ通電インピーダンスＺｄｃは第一チェーンの抵抗値Ｒｉの少なくとも０．２倍の抵抗値を持つ。第一チェーンの抵抗値Ｒｉは、第一チェーン内の明示的な直列抵抗によって、電荷蓄積装置を形成する容量性素子の内部抵抗によって、又はその両方によって決定され得る。

図２は本発明にかかる容量性電源の一実施形態をより詳細に示す。

示された実施形態では、第一入力端子Ｌｎが抵抗素子Ｒ１と容量性素子Ｃ１を介して整流部の第一入力ノードＮ１に結合される。抵抗素子Ｒ１は突入電流制限装置として機能し、容量性素子Ｃ１は入力部１０の入力端子と整流部２０の間の容量性カップリングとして機能する。第二入力端子Ｎｔは整流部の第二入力ノードＮ２に直接結合される。あるいは容量性素子が第二入力端子Ｎｔと第二入力ノードＮ２の間に配置されてもよく、又は容量性素子が入力端子からノードＮ１に至るチェーン内と、他の入力端子からノードＮ２に至るチェーン内の両方に配置されてもよい。抵抗素子Ｒ２は放電装置として機能する。主電源電力を除去すると、容量性素子Ｃ１は放電装置Ｒ２を介して放電する。これは、電源を主電源から取り外す際にユーザが電気ショックを被るかもしれないことを防ぐために、容量性電源がプラグによって主電源に結合されるようなデバイスにとって関係がある。例えば容量性電源が固定接続によって主電源に結合される場合は、放電装置は省略されてもよい。

示された実施形態では、整流部２０はそのようなものとして知られる全波整流器Ｄ１‐Ｄ４であり、出力部３０の入力ノードＮ３、Ｎ４に結合された出力を持つ。

出力部３０は出力部の入力ノードＮ３、Ｎ４を電荷蓄積装置Ｃ２によりつなぐ第一チェーンを持つ。明示的に示されていないが、電荷蓄積装置Ｃ２は内部直列抵抗Ｒｉを持つ。

第二チェーンは電圧制限装置Ｄ５を有し、第一チェーンと並列に配置される。第二チェーンは第一チェーンの抵抗値Ｒｉの少なくとも０．２倍の抵抗値を持つＤＣ通電直列インピーダンスＺｄｃを含む。

図３はさらなる実施形態をより詳細に示す。その中で示された実施形態では、整流部２０はダイオードＤ１、Ｄ２によって形成される半波整流器である。示された実施形態では、突入電流制限装置は、容量性カップリングＣ１と直列な、入力部１０の第一ブランチ内に配置される抵抗インピーダンスＲ１である。あるいは、これは入力端子Ｎｔに結合される第二ブランチ内に配置されてもよく、又はこれらのブランチの各々が突入電流制限インピーダンスを持ってもよい。突入電流制限装置Ｒ１は入力部１０の一部である必要はなく、あるいは例えば位置Ａに挿入される際には整流部２０の一部であってもよく、又は位置Ｃに挿入される際には出力部３０の一部であってもよい。突入電流制限装置は、整流部内の整流素子Ｄ１をも保護するために、位置Ｄ及び／又はＥにおけるさらなる突入電流制限インピーダンスと組み合わせて、位置Ａ又はＣにおける突入電流制限インピーダンスの組み合わせを有してもよい。この場合入力電流制限装置の抵抗値は、入力端子の１つ目Ｌｎから電荷蓄積キャパシタＣ２を介して入力端子の２つ目Ｎｔに至る経路内に直列に配置されたインピーダンスＲ１、Ａ、Ｃ、及びＢの抵抗値の合計となる。

突入電流制限インピーダンスは抵抗素子の形のインピーダンスであってもよいが、あるいは例えば誘導素子と直列な抵抗素子などのより複雑なインピーダンスであってもよい。

図４は図３の実施形態の別のバージョンを示し、ここでは整流部が電圧に逆極性を与える。

例として本発明は、以下の構成部品を用いて、図４に示された実施形態に基づいて実装された。
Ｄ１及びＤ２は２Ｎ４００７である。
Ｒ１は１００Ωである。
Ｃ１は４７０ｎＦである。
Ｃ２は１００ｍΩの内部抵抗を持つ４７０μＦである。
Ｄ３はＢＺＸ８４Ｃ５Ｖ１（５．１Ｖツェナーダイオード）である。
Ｚｄｃ＝Ｒ３＝２．２Ω

容量性電源の動作が、第一の従来電源、すなわち０Ωの抵抗Ｒ３を持つもの、及び、同様にＤＣ通電直列インピーダンスＺｄｃを欠くが突入電流制限装置Ｒ１の抵抗として２７０Ωのより高い値を持つ第二の従来電源の動作と比較された。

新しい回路の待機電力は、第二の従来回路の０．５ワットに対して０．３ワットである。従って、電力散逸が大幅に減少される。

２ｋＶのサージでＲ３が０Ωの場合、サージ中に電源の出力Ｖ＋、Ｖ−において６．５Ｖの電圧が観察された。これは実際には、例えば回路内にマイクロコントローラを有する負荷にとっては高過ぎる。

Ｒ３が２．２Ωに増加されると、出力電圧は２ｋＶのサージ中に５．５Ｖまでにしか上昇せず、これはマイクロコントローラにとって許容可能である。

従って、ＤＣ通電直列インピーダンス（Ｚｄｃ）の抵抗値は第一チェーンＣ２の抵抗値（１００ｍΩ）の少なくとも０．２倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つ。さらに詳細には、ＤＣ通電直列インピーダンス（Ｚｄｃ）は第一チェーンＣ２の抵抗値（１００ｍΩ）の少なくとも１０倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つ。

特にＤＣ通電インピーダンスＺｄｃは、最大でも突入電流制限装置Ｒ１の抵抗値（１００Ω）の０．１倍の抵抗値を持つ抵抗成分Ｒ３を持つ。

図５は、主電源Ｌｎ、Ｎｔへの接続用の電源入力１０１、１０２を有する電子デバイスを示す。電子デバイスは、前記電源入力１０１、１０２に結合される、本発明にかかる容量性電源１１０を持つ。モジュール１４２、１４４を持つ第一機能ユニット１４０は、前記容量性電源１１０によって電力供給される。

示された実施形態では、電子デバイスはスイッチング装置１０５を介して電源入力１０１、１０２に結合される第二電源１２０を持つ。第二機能ユニット１３０が電源１２０によって電力供給される。

具体的には第一機能ユニット１４０がスイッチング装置を制御する。

示された実施形態では電子デバイスは家庭用電化製品であり、ここではコーヒーメーカーである。第一機能ユニット１４０は、恒久的にアクティブな、マイクロコントローラ１４２とディスプレイ１４４を有するユーザインターフェースである。例えばボタンを押すこと、又はリモコン１６０からの信号によって、ユーザがデバイスに指示すると、マイクロコントローラ１４２は制御信号Ｃｔｒｌを使用して、例えばトライアック又は他の半導体スイッチング素子といったスイッチ１０５を制御して、第二の主電源１２０の電源を入れ、その結果、例えばコーヒーメーカー内の加熱素子である第二機能ユニット１３０を起動する。

あるいは電子デバイスは、例えばビデオ又はオーディオ装置などの別の消費者デバイスであってもよく、ここでは例えば記録又は表示装置といったデバイスの主要機能部が、恒久的に起動されるスイッチングクロックによって起動される。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的のために過ぎず、本発明を限定することを意図していない。上述の実施形態は本発明を限定するのではなく例示するものであり、当業者は添付の請求項の範囲から逸脱することなく多くの別の実施形態を設計することができることに留意すべきである。本明細書で使用される単数形"ａ"及び"ａｎ"は、文脈が他の用法を明確に示していない限り、その複数形をも含むことが意図される。さらに当然ながら、"ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ"及び／又は"ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ"という語は、本明細書中で使用される際には、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成部品の存在を明記するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、及び／又はそのグループの存在又は追加を除外するものではない。

Claims (6)

1. ＡＣ主電源への接続用の入力端子と、容量性カップリングとを持つ入力部と、
   前記容量性カップリングを介して前記入力端子に結合される整流部と、
   前記整流部に結合される出力部とを有する容量性電源であって、
   前記出力部は、
   出力電圧を負荷に与えるための出力端子と、
   電荷蓄積装置を有する第一チェーンと、
   前記第一チェーンと並列に配置され、かつ出力電圧制限装置とＤＣ通電直列インピーダンスを有する第二チェーンとを有し、
   前記容量性電源は突入電流制限装置をさらに有する、容量性電源において、
   前記出力端子は前記出力電圧制限装置の各端子に接続され、前記ＤＣ通電直列インピーダンスは前記第一チェーンの抵抗値の少なくとも０．２倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つことを特徴とする、容量性電源。
2. 前記ＤＣ通電インピーダンスが前記第一チェーンの抵抗値の少なくとも１０倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つ、請求項１に記載の容量性電源。
3. 前記ＤＣ通電インピーダンスが最大でも前記突入電流制限装置の抵抗値の０．１倍の抵抗値を持つ抵抗成分を持つ、請求項１又は２に記載の容量性電源。
4. 主電源への接続用の電源入力と、
   前記電源入力に結合される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の容量性電源と、
   前記容量性電源によって電力供給される第一機能ユニットとを有する、電子デバイス。
5. スイッチング装置を介して前記電源入力に結合される第二電源と、前記第二電源によって電力供給される第二機能ユニットとを有することを特徴とする、請求項４に記載の電子デバイス。
6. 前記第一機能ユニットが前記スイッチング装置を制御する、請求項５に記載の電子デバイス。

Images