JP2012023826A

JP2012023826A - 電源装置

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Publication number: JP2012023826A
Application number: JP2010158611A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sakai; 悟史酒井
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: JP5439303B2

Abstract

【課題】寿命検出部を簡単な回路で構成するとともに高精度で寿命を検出できる電源装置を提供する。
【解決手段】寿命検知対象の電解コンデンサとは別に小容量の計測用電解コンデンサと、温度による容量低下が起こりにくい（例えばセラミックコンデンサ）比較用コンデンサを弱電部に設け、両者の容量低下を比較することで実際の検知対象の電解コンデンサの容量低下を検出する。両者の比較方式としては、両コンデンサで２系統のＲＣフィルタを構成し、これにクロック入力を行い、フィルタ回路の出力をＸＯＲゲート回路に入力して差分をパルス幅として出力することで容量低下を定量的に表すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源の平滑回路用のコンデンサに用いられる電解コンデンサの寿命を計測する寿命検出部を備えた電源装置に関するものである。

電解コンデンサは熱による電解液の減少により静電容量が減少するが、従来、周囲温度から電源の電解コンデンサの寿命を予測する計算式が存在する。しかし、温度センサで電解コンデンサ近傍の温度を計測しても電解コンデンサの内部温度ではないため誤差が生じる上、その温度自体も設置環境（昼夜での温度差や季節による温度差）や運転パターン（電源ＯＦＦの頻度）によって常時変動するためその精度の誤差要因は多い。一方、特許文献１に示すように電源の平滑回路のコンデンサの容量を直接計測する方法や、特許文献２に示すように、電源の平滑回路のコンデンサとは別に寿命計測のためのコンデンサを用意してその容量劣化を測定し、電源装置の寿命検知とするものがある。

特開２００８−３０６８５０号公報特開平０４−１６１０５７号公報

しかしながら、特許文献1の場合、寿命検知対象の電解コンデンサを直接測定するが、電解コンデンサは一般に交流１００Ｖ〜２００Ｖ以上の強電部で使用されているため、寿命診断のための演算や表示するための弱電回路（直流５Ｖ以下）と接続するためには、間に絶縁回路やレベル変換の回路が新たに必要である。また、寿命測定の際は電解コンデンサを電源から切離して測定するため、電源を一旦停止する必要がある。

また特許文献２の場合、寿命計測のためのコンデンサとして、電源の平滑回路のコンデンサと等価な特性のコンデンサを用いるため、平滑用と同じ大きな容量のコンデンサを必要とする。また、コンデンサの静電容量の検出や演算にはＡＤ変換器やマイクロプロセッサといった専用のデジタル部品も必要であるが、一般に電源装置にはそういった部品は使われないので寿命検知のために新たに必要となりコスト高となる。

さらに、寿命予測検知は早すぎるとその後放置される恐れがあり、遅すぎると寿命予測を検知した時点に電源を遮断して即座に対策する必要があり、稼動の妨げとなる。したがって、寿命検知の感度を適切に設定することが求められるが、感度はコンデンサと接続される回路素子の特性や定数に依存するため、設定が煩わしいという問題がある。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、寿命検出部を簡単な回路で構成するとともに高精度で寿命を検出できる電源装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、供給された交流電源を整流する整流回路と、平滑用電解コンデンサと、前記平滑用電解コンデンサの静電容量の減衰を寿命計測用コンデンサで検出する寿命検出部を備えた電源装置において、
上記寿命検出部は、前記寿命計測用コンデンサを含む第1時定数回路と、比較用コンデンサを含む第２時定数回路と、前記両時定数回路にクロック信号を供給するクロック生成回路と、クロック信号の供給に基づいて前記両時定数回路の出力を比較してその差分に応じたパルス波形を出力するゲート回路と、パルス波形に基づいて前記寿命計測用コンデンサの減衰を検知する差分検出回路を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源装置において、前記第1時定数回路の時定数と第２時定数回路の時定数とは、あらかじめほぼ同一に設定されたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源装置において、前記クロック生成回路は、前記両時定数回路に供給するクロック周期を変える周期制御回路を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源装置において、前記寿命計測用コンデンサは前記平滑用電解コンデンサより小容量の電解コンデンサであり、前記比較用コンデンサは温度による容量低下が起こりにくいコンデンサで構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載の電源装置において、前記差分検出回路は前記ゲート回路のパルス波形に基づいて前記寿命計測用コンデンサの減衰の程度を表示する表示器を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、寿命検知対象の電解コンデンサとは別に小容量の計測用電解コンデンサと、温度による容量低下が少ない（例えばセラミックコンデンサ）比較用コンデンサを弱電部に設け、両者の容量低下を比較することで実際の検知対象の電解コンデンサの容量低下を検出することを特徴とする。

本発明によれば、電源の寿命検出部を簡単な回路で安価に構成でき、高精度に寿命を測定することができる。

本発明実施例の回路図である。同じく寿命検出部内の波形図である。同じくパルスの周期を変えた場合の寿命検出部内の波形図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本実施例の回路図である。１は交流電源、２は電源装置、３は交流波形を整流する整流回路、４は平滑用コンデンサでこれが寿命検知対象の電解コンデンサである。５は平滑された直流から新たな電源を作るためのスイッチング回路である。本実施例では前記電解コンデンサ４の静電容量の減衰（寿命）を予測する寿命検出部１６を備えている。

この寿命計測部１６内には、平滑用コンデンサ４とは別に小容量の寿命計測用の電解コンデンサ８と抵抗７と組み合わせたＲＣフィルタ回路（第1時定数回路）を有する。前記電解コンデンサ８は前記平滑用コンデンサ４の近傍に設けられ、コンデンサ４と同じ温度になるように設定される。従って、両者の容量低下率もほぼ同等であると見なせる。また、電解コンデンサ８と比較するための比較用コンデンサ９を設け、抵抗１０と組み合わせてもう一つのＲＣフィルタ回路（第２時定数回路）を構成する。比較用コンデンサ９として、温度特性のよい（温度による経年劣化が少ない）セラミックコンデンサを用い、寿命計測用の電解コンデンサ８の静電容量を比較するので、コンデンサ８の減衰を正確に計測することができる。なお、抵抗７、９は温度による抵抗値の変化は少ないものとする。

電源の稼動開始に先立って予め、前記第１、第２時定数回路の時定数（Ｒ×Ｃ）が等しくなるように、各素子７、８、９、１０の定数（静電容量、抵抗値）が選定される。ここで、計測用電解コンデンサ８と比較用コンデンサ１０として、寿命検知対象の電解コンデンサ４より小容量のコンデンサを用いることで、両時定数回路を小形に構成できる。コンデンサ８、１０の静電容量値を小さく設定したとき、抵抗７、９の抵抗値を大きく設定すれば、同一時定数に調整することができる。

６は前記第１、第２時定数回路にクロック信号を供給するためのクロック生成回路で、クロック信号のパルス幅を変える周期制御回路６ａを内蔵している。１１は第1時定数回路の出力線、１２は第２時定数回路の出力線、１３は両出力線１１、１２の信号を受け、その差分をパルス幅とする信号を出力する排他的論理和ゲート（ＸＯＲゲート）である。ゲート１３は両出力線１１、１２の信号のレベルが一致しているとき出力が発生せず（低レベル）、不一致のときのみ出力が発生（高レベル）する。すなわち、両出力線１１、１２の信号の差分に応じたパルス幅の波形の信号が出力される。

１４はゲート１３からのパルス波形の信号に基づいて、寿命予測用コンデンサ８の劣化の程度を検出表示する検出回路で、パルス波形の高レベルで点灯する表示用の発光ダイオード（ＬＥＤ）１５を内蔵する。

上記構成において、前記第１、第２時定数回路はクロック生成回路６からのクロック信号を同時に受け、それぞれの時定数に基づいた出力信号を出力線１１、１２に出力する。図２で説明すると、１７はクロック生成回路６からの方形波のクロック信号、１９は静電容量に劣化が生じてないコンデンサ（例えば１０）の時定数回路からの出力波形、１８は静電容量に経年劣化が生じたコンデンサ（例えば８）の時定数回路からの出力波形である。出力波形１９は静電容量が大きいため、立上り（充電）と立下り（放電）がゆっくり変化し、出力波形１８は劣化によって静電容量が小さいため、立上りと立下りが急激に変化する。したがって、波形１８と１９とは、立上りと立下りの最初の部分で波形が異なっている（波形レベルが異なる）。

電源装置の稼動の初期段階から電解コンデンサの経年劣化が起きる前では、コンデンサに静電劣化が生じていないため、前記第１、第２時定数回路の時定数が同一であり、信号線１１、１２には同一波形（図２の出力波形１９）が発生して、ゲート１３からは出力が発生しない（常時オフ）。電源装置の長期稼動に伴い、平滑用コンデンサ４とともに寿命計測用コンデンサ８が経年劣化して静電容量が低下すると、第１時定数回路の時定数が短くなり、その出力線１１の信号が図２の出力波形１８となる。

ここで、比較用コンデンサ１０は温度特性のよい（経年によって容量変化が少ない）セラミックコンデンサを用いているため、出力線１２の信号は図２の出力波形１９のままである。ゲート１３には図２の出力波形１８と１９が加えられ、両出力波形の差分に応じたパルス幅を有するパルス波形が出力される。すなわち、出力波形１８と１９の立上りと立下りの最初の部分の波形のレベルが異なっている区間に応じたパルス幅のパルス波形がゲート１３から出力される。このパルス波形は図２の波形２０となり、検出回路１４に入力される。

検出回路１４は、両出力波形１８、１９の差分に応じたパルス波形信号２０を受け、内蔵される発光ダイオード１５を点灯させる。パルス波形信号２０のパルス幅は、計測用電解コンデンサ８の容量低下に比例して変化し、容量低下が大きくなる程広くなって発光ダイオード１５をより高輝度に点灯させる。このように、本実施例では、パルス信号２０のパルス幅を計測・出力することで、計測用電解コンデンサ８の容量低下の程度を輝度で検知して表示し、これをもって検知対象の平滑用電解コンデンサ４の減衰（劣化）の程度を検出している。そして、２個の時定数回路とゲート回路による安価な回路構成で電解コンデンサの容量低下を可視化することができる。

図３は、図２のクロック信号１７のパルス幅を小さく変えて（周期を短くして）、方形波のクロック信号２１とした場合の出力線１１、１２の出力波形と、ゲート１３のパルス波形をそれぞれ示す。クロック信号の周期の制御は、周波数可変による公知の周期制御回路６ａをクロック生成回路６に内蔵させることにより行なう。

２１はクロック生成回路６からの方形波のクロック信号、２２は図２の波形１８と同程度に経年劣化が生じたコンデンサ（例えば８）を含む時定数回路の出力波形で、出力線１１に出力される。２３は劣化が生じないコンデンサ（例えば１０）を含む時定数回路の出力波形で、出力線１２に出力される。出力波形２２と２３の立上り（充電）と立下り（放電）の違いは、上述した図２と同じであり、両波形は立上りと立下りの最初の部分で波形が異なっている（波形レベルが異なる）。

ゲート１３は、出力線１１、１２を経由して前記出力波形２２と２３が加えられ、両出力波形の差分に応じたパルス幅を有するパルス波形を出力する。すなわち、波形２２と２３の立上りと立下りの最初の部分のレベルが異なる区間に応じたパルス幅のパルス波形２４が出力される。このパルス波形２４は検出回路１４に入力され、検出回路１４はパルス信号２４を受け、内蔵される発光ダイオード１５を点灯させる。

ここで、パルス波形２４は、図２のパルス波形２０と比べて、高レベルのパルス幅があまり変化しないが、周期が短くなるためデューティー比が大きくなり、検出回路１４に内蔵される発光ダイオード１５をより高い輝度で点灯する。図２の波形１８と図３の波形２２は、同程度に静電容量が劣化しているコンデンサ８の時定数回路の出力波形であるが、図３のようにクロック信号の周期を短くすると、コンデンサ８の劣化を敏感（高い輝度で）に表示することができ、寿命測定の感度を高めることができる。従って、静電容量の僅かな劣化でも検出してコンデンサを交換したい場合は、クロック生成回路６でクロック信号の周期を短く設定することにより実現できる。

以上説明したように、本実施例によれば、検知対象の平滑用電解コンデンサ４と同環境に設置された計測用電解コンデンサ８の容量低下を常時、直接計測するため、装置の温度環境に関わらず高い精度でコンデンサの容量低下を計測することができ、さらに抵抗・コンデンサ・ロジックＩＣ（論理ゲートＩＣ）といった安価な部品のみで実現できるため、汎用性・利便性が高い。

１…交流電源、２…電源装置、３…整流回路、４…平滑用電解コンデンサ、５…スイッチング回路、６…クロック生成回路、６ａ…周期制御回路、７、９…抵抗、８…寿命計測用コンデンサ、９…比較用コンデンサ、７、８…第１時定数回路、９、１０…第２時定数回路、１１、１２…出力線、１３…ゲート回路、１４…差分検出回路、１５…表示器、１６…寿命検出部、１７、２１…クロック信号、１８、１９、２２、２３…時定数回路の出力信号、２０、２４…パルス波形。

Claims

供給された交流電源を整流する整流回路と、平滑用電解コンデンサと、前記平滑用電解コンデンサの静電容量の減衰を寿命計測用コンデンサで検出する寿命検出部を備えた電源装置において、
上記寿命検出部は、前記寿命計測用コンデンサを含む第1時定数回路と、比較用コンデンサを含む第２時定数回路と、前記両時定数回路にクロック信号を供給するクロック生成回路と、クロック信号の供給に基づいて前記両時定数回路の出力を比較してその差分に応じたパルス波形を出力するゲート回路と、パルス波形に基づいて前記寿命計測用コンデンサの減衰を検知する差分検出回路を備えたことを特徴とする電源装置。
請求項1記載の電源装置において、
前記第1時定数回路の時定数と第２時定数回路の時定数とは、あらかじめほぼ同一に設定されたことを特徴とする電源装置。
請求項1または２記載の電源装置において、
前記クロック生成回路は、前記両時定数回路に供給するクロック周期を変える周期制御回路を備えたことを特徴とする電源装置。
請求項1〜３のいずれかに記載の電源装置において、
前記寿命計測用コンデンサは前記平滑用電解コンデンサより小容量の電解コンデンサであり、前記比較用コンデンサは温度による容量低下が起こりにくいコンデンサで構成されたことを特徴とする電源装置。
請求項1〜４のいずれかに記載の電源装置において、
前記差分検出回路は前記ゲート回路のパルス波形に基づいて前記寿命計測用コンデンサの減衰の程度を表示する表示器を備えたことを特徴とする電源装置。