JP2014023193A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【目的】 電源回路において、出力電圧を切り換え低電圧選択時にトランス巻き線の銅損を低減し、電圧変動率、温度上昇を低減させる。
【構成】 電源回路において、トランスの二次側巻き線の直列接続と並列接続を切り換えるリレースイッチを備え、二次側出力に高い電圧が必要なときはリレースイッチで二次側巻き線を直列接続に切り換え、二次側出力に大きな電流が必要なときはリレースイッチで二次側巻き線を並列接続に切り換えるよう制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、トランスの二次側出力電圧を切り換えることができる電源回路に関する。

従来の、トランスを備えた電源回路では、トランスの一次側巻き線に直接入力されたＡＣ(Alternating Current)の一次側電圧に対し、トランスの二次側出力電圧を切り換えるための構成として、一般的に、トランスの二次側巻き線にタップを設け、必要とする出力電圧に応じて、出力端子に接続するタップを切り換える回路構成が知られていた。このような電源回路は、例えば、ＡＶアンプ、オーディオ信号増幅装置等の電源に使用されている。

図４は、従来の電源回路の、±２系統の同じ出力電圧を持つ、二次側巻き線にタップを設けて出力電圧を切り換える構成を示すブロック図である。
外部のＡＣ電源は、電源プラグ１から供給され、保護用のヒューズ２を介して、トランス３に接続される。二次側出力電圧は、トランス３の二次側巻き線３ｉに設けられた高電圧と低電圧のタップをリレースイッチ４ａ、４ｂによって切り換え、整流回路５に出力される。リレースイッチ４ａ、４ｂをＡ側に切り換え接続したとき低電圧となるタップを選択し、Ｂ側に切り換え接続したとき高電圧となるタップを選択するようにして、使用する。

また、トランスを備えた電源回路において、複数の電圧を出力するために、トランスの二次側の巻き線及び回路系統を複数備え、複数の巻き線及び回路系統の相互の接続を切り換えて出力することによって、出力電圧を切り換えられるようにする装置があった（例えば、特許文献１参照）。
図５は、従来の技術（特許文献１：特開平６−７５６４５）による、二次側巻き線の直列／並列の接続を切り換える電源回路の構成を示すブロック図である。
外部からＡＣ電源１００Ｖが、トランス３の一次側巻き線３ｊに供給され、トランス３から２系統の二次側巻き線３ｍ、３ｎにより出力される。二次側巻き線３ｍ、３ｎの出力は、それぞれ、整流回路５ａ、５ｂ、平滑回路６ａ、６ｂを経て、切換スイッチ７ａ、７ｂにより、二次側巻き線３ｍ、３ｎを直列接続するか並列接続するかが切り換えられて、安定化回路８に入力される。

特開平６−７５６４５公報

従来からある、トランスの二次側巻き線のタップを切り換えて、二次側出力電圧を切り換える回路は、二次側の低電圧側の巻き線を選択した場合に、二次側の高電圧側の巻き線が使用されない。すなわち、二次側の高電圧側の巻き線は、二次側の低電圧側タップを選択した場合に、トランスの巻き線スペースを無駄に占有していることになっていた。

トランスの設計は、まず、負荷回路に供給する電力により必要な皮相電力ＶＡにより概略のコア（鉄心）サイズを選定し、必要な二次側負荷電流に応じて許容できる巻き線の最小直径を決め、必要な二次側電圧と電源電圧に応じて巻き数比を決め、トランスの巻き線スペースが許す限り多くの巻き数をかせぐことが重要である。

なぜならば、トランスの一般的な性質として、一次側巻き線の巻き数を多くするほど、トランス鉄心の磁束密度が下がり、無負荷時の無効な消費電力（鉄損・ヒステリシス損）、トランスのうなり音、漏洩磁束を小さく抑制することができるからである。

反面、巻き線の巻き数を増やすためには、限られたスペースで、細い線材を長く巻いて使用することになるため、大電流を出力する場合には、巻き線の抵抗分による発熱（銅損）が大きくなる。巻き線に使用する線材をできる限り太いものにすると、巻き線の抵抗分による発熱（銅損）は小さくできるが、巻き線のスペースの制約で、巻き数が少なくなるため、鉄心の磁束密度が高くなり、無負荷時の無効な消費電力（鉄損・ヒステリシス損）や、トランスのうなり音、漏洩磁束が大きくなってしまうことになる。

すなわち、トランスは、巻き線スペースが許す限り太い巻き線を使用し、巻き数をできる限り増やせるようにして巻くと、使用条件の範囲内で本来得られる高い性能を発揮することができるようになる。
また、トランスの巻きスペースを無駄に占有する、使用されていない巻き線があると、トランスの巻きスペースを十分生かせず、その分、本来得られるはずの性能が充分に得られない状態で使用することにもなる。

このように、従来の二次側電圧をタップで切り換える技術では、低電圧側を選択したときに、高電圧側の巻き線は使用されないため、巻き線スペースに無駄が生じる。この巻き線スペースに対して、本来のトランスの持っている能力を発揮できる条件よりも細い巻き線を使用することになっていると見られ、巻き線の抵抗分による発熱や、巻き線の抵抗分による電圧降下分など、トランス本来の能力よりも悪化した状態で使用せざるを得なくなっていた。

また、従来の二次側巻き線のタップを切り換えて二次側出力電圧を切り換える回路では、二次側出力電圧を低い電圧に切り換えても、二次側巻き線の巻き線抵抗は、トランス二次側を高い電圧に切り換えた時と変化しない。すなわち二次側巻き線による銅損は変化がなく、電圧変動率や発熱などは改善できないこととなっていた。

また、図５で示される特許文献１のような、電源回路そのものの直列／並列を切り替えてトランス二次側巻き線を切り換える電源回路は、整流ダイオード、平滑コンデンサなどで構成される回路自体の部品点数が、電源回路が２系統であるために２倍必要としていたため、回路構成が複雑になり回路規模も大きくなってしまい、コストがかかり、二次側出力電圧の切り換えの目的で使用するには、費用の面で見合わないものになっていた。

本発明は、電源回路において、二次側の電圧を低電圧側に切り換えた場合でも、トランスの巻き線スペースに無駄な巻き線を発生させることなく、最大限の巻き数を維持した状態のままで、トランスの持つ本来の性能を活かせるように、無効な電力損失（二次側巻き線による銅損）や電圧変動率を小さく抑制することを目的とする。

本願発明に係る電源回路は、一次側巻き線、第１の二次側巻き線、及び前記第１の二次側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側巻き線を持つトランスと、前記第１の二次側巻き線及び前記第２の二次側巻き線の直列接続と並列接続を切り換えるリレースイッチと、前記第１の二次側巻き線及び前記第２の二次側巻き線に接続される整流回路とを備えるものである。

また、本願発明に係る電源回路は、一次側巻き線、第１の二次側＋側巻き線及び前記第１の二次側＋側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側＋側巻き線、第１の二次側−側巻き線及び前記第１の二次側−側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側−側巻き線を持つトランスと、前記第１の二次側＋側巻き線及び前記第２の二次側＋側巻き線の直列接続と並列接続を切り換える第１のリレースイッチと、前記第１の二次側−側巻き線及び前記第２の二次側−側巻き線の直列接続と並列接続を切り換える第２のリレースイッチと、前記第１の二次側＋側巻き線、前記第２の二次側＋側巻き線、前記第１の二次側−側巻き線、及び前記第２の二次側−側巻き線に接続される整流回路とを備えるものである。

本発明の電源回路によれば、リレースイッチによってトランス二次側の出力電圧を切り換えることができ、二次側の電圧を通常電圧の概略半分の低電圧に切り換えたとき、それぞれの二次側巻き線が並列に接続されることにより出力電圧が半分になるとともに、二次側巻き線抵抗分を概略半分に削減でき、二次側の出力電流容量を２倍にできる。また、二次側巻き線の銅損分の減少によって、無駄な発熱の抑制、電圧変動率の改善、出力電力の向上の効果が得られる。

本発明の電源回路の第１の実施例の構成を示すブロック図であり、＋側１系統の構成を示す図である。 本発明の電源回路の第２の実施例の構成を示すブロック図であり、±２系統の構成を示す図である。 本発明に係る電源回路と従来の２次側巻き線をタップで切り替える回路構成の電源回路の比較データを示す表である。 従来の電源回路の、±２系統の同じ出力電圧を持つ、二次側巻き線にタップを設けて出力電圧を切り換える構成を示すブロック図である。 従来の技術（特許文献１：特開平６−７５６４５）による、二次側巻き線の直列／並列の接続を切り換える電源回路の構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の電源回路の第１の実施例の構成を示すブロック図であり、＋側１系統の構成を示す図である。
外部のＡＣ電源は、電源プラグ１から供給され、保護用のヒューズ２を介して、トランス３の一次側巻き線３ａに接続される。トランス３は、一次側巻き線３ａ、コア（鉄心）３ｂ、二次側巻き線３ｃ、３ｄを備えている。
２つの二次側巻き線３ｃ、３ｄは、同じ起電力とするため、同じ仕様とする。ここで、二次側巻き線の仕様は、例えば、材質、直径、巻き数、巻き方、等で決定される。

リレースイッチ４ａ、４ｂは、二次側巻き線３ｃ、３ｄを直列接続するか並列接続するかを切り換えるものである。二次側巻き線３ｃの一方の線端（後述する整流回路５に接続される出力線端）は、分岐してリレースイッチ４ｂの端子Ａに接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ａの入力に接続される。また、二次側巻き線３ｄの一方の線端（後述する整流回路５に接続される出力線端）は、分岐してリレースイッチ４ａの端子Ａに接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ｂの入力に接続される。リレースイッチ４ａの端子Ｂは、リレースイッチ４ｂの端子Ｂに接続される。

二次側出力電圧を通常状態（高電圧）で出力する場合、リレースイッチ４ａ、４ｂを連動して端子Ｂ側に切り換え接続することにより、２つの二次側巻き線３ｃ、３ｄは直列に接続され、二次側巻き線３ｃ、３ｄそれぞれの起電力はそのまま加算される。従って、（一次側３ａ）：（（二次側３ｃ）＋（二次側３ｄ））の巻き数比に応じた電圧が出力される。

二次側出力電圧を低電圧、すなわち高電圧の概略半分に切り換える場合、リレースイッチ４ａ、４ｂを連動して端子Ａ側に切り換え接続することにより、２つの二次側巻き線３ｃ、３ｄは並列に接続される。従って、二次側出力電圧は、一次側：二次側の巻き数比に応じた電圧が、そのまま出力される。
ここで、二次側巻き線３ｃ、３ｄが並列に接続されることにより、二次側の巻き線３ｃ、３ｄの電流を合計した電流を許容できるようになり、トランス３の二次側の電流容量は２倍になる。

以上のようにして出力された二次側出力電圧は、整流回路５によって交流から直流に整流され、電気機器を動作させるための電源電圧として出力される。

以上、第１の実施例の電源回路によれば、１系統の電源回路において、直列接続と並列接続を切換える二次側巻き線及びリレースイッチを備えることにより、他の回路規模はそのままで、低電圧に切り換えたとき、発熱を抑制し、電圧変動率を改善し、高い出力電流容量を得ることができる。

図２は、本発明の電源回路の第２の実施例の構成を示すブロック図であり、±２系統にそれぞれ同じ電圧を出力する構成である。すなわち、図１に示した二次側一系統の回路を、二次側の＋側と−側それぞれに備えるように構成したものである。
外部のＡＣ電源は、電源プラグ１から供給され、保護用ヒューズ２を介して、トランス３の一次側巻き線３ａに接続される。

トランス３は、一次側巻き線３ａ、コア（鉄心）３ｂ、二次側＋側巻き線３ｅ、３ｆ、二次側−側巻き線３ｇ、３ｈを備えている。＋側２つ、−側２つの二次側巻き線３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、同じ起電力とするため、同じ仕様とする。ここで、二次側巻き線の仕様は、例えば、材質、直径、巻き数、巻き方、等によって決定される。

リレースイッチ４ａ、４ｂは、二次側巻き線３ｅ、３ｆを直列接続するか並列接続するかを切り換えるものである。二次側巻き線３ｅの一方の線端（後述する整流回路５に接続される出力線端）は、分岐してリレースイッチ４ｂの端子Ａに接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ａの入力に接続される。また、二次側巻き線３ｆの一方の線端は、リレースイッチ４ｂの入力に接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ａの端子Ａと接地線に接続される。リレースイッチ４ａの端子Ｂは、リレースイッチ４ｂの端子Ｂに接続される。

リレースイッチ４ｃ、４ｄは、二次側巻き線３ｇ、３ｈを直列接続するか並列接続するかを切り換えるものである。二次側巻き線３ｇの一方の線端は、リレースイッチ４ｃの入力に接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ｄの端子Ａと接地線に接続される。また、二次側巻き線３ｈの一方の線端（後述する整流回路５に接続される出力線端）は、分岐してリレースイッチ４ｃの端子Ａに接続され、他方の線端は、リレースイッチ４ｄの入力に接続される。リレースイッチ４ｃの端子Ｂは、リレースイッチ４ｄの端子Ｂに接続される。

二次側出力電圧を通常状態（高電圧）で出力する場合、リレースイッチ４ａと４ｂを連動してＢ側に切り換え接続することにより、＋側の２つの二次側巻き線３ｅと３ｆは直列に接続され、二次側巻き線３ｅ、３ｆそれぞれの起電力はそのまま加算される。また、リレースイッチ４ｃと４ｄを連動してＢ側に切り換え接続することにより、−側の２つの二次側巻き線３ｇと３ｈは直列に接続され、二次側巻き線３ｇ、３ｈそれぞれの起電力はそのまま加算される。
従って、一次側巻き線３ａに対し、＋側の二次側巻き線３ｅと３ｆの巻き数の和、及び−側の二次側巻き線３ｇと３ｈの巻き数の和によって決定される巻き数比に応じた電圧が出力される。

二次側出力電圧を低電圧、すなわち通常状態（高電圧）の概略半分に切り換える場合、リレースイッチ４ａと４ｂを連動してＡ側に切り換え接続することにより、＋側の２つの二次側巻き線３ｅと３ｆは並列に接続される。また、リレースイッチ４ｃと４ｄを連動してＡ側に切り換え接続することにより、−側の２つの二次側巻き線３ｇと３ｈは並列に接続される。従って、二次側出力電圧は、一次側：二次側の各巻き数比に応じた電圧が、そのまま出力される。
ここで、二次側巻き線３ｅと３ｆ、３ｇと３ｈが、それぞれ並列に接続されることにより、二次側の巻き線３ｅと３ｆ、３ｇと３ｈの電流を合計した電流を許容できるようになり、トランス３の二次側の電流容量は２倍になる。

以上のようにして出力された二次側出力電圧は、整流回路５によって交流から直流に整流され、電気機器を動作させるための電源電圧として出力される。

以上、第２の実施例の電源回路によれば、＋側と−側の２系統それぞれに、直列接続と並列接続を切換える二次側巻き線及びリレースイッチを備えることにより、他の回路規模はそのままで、低電圧に切り換えたとき、２系統それぞれにおいて、発熱を抑制し、電圧変動率を改善し、高い出力電流容量を得ることができる。

２つの二次側巻き線部を並列に接続する場合、２つの巻き線の巻き方に差があると、並列に接続した巻き線のうち起電力の高い方の巻き線から低い方の巻き線に異常な電流が流れて加熱することがあるため、並列に接続される２つの巻き線は十分同じ仕様で巻き上げるようにする。
並列に接続される２つの二次側巻き線部を完全に同じ仕様の巻き線とするため、実際には、例えば、２本の巻き線をペアにして一度に巻き込んで作成し、それぞれの巻き線の直列接続／並列接続を切り替えるように構成すればよい。
このようにして、まったく同じ条件で２本の巻き線を作ることができるので、並列に接続したとき、起電力の高い方の巻き線から低い方の巻き線に異常な電流が流れること、その異常電流によって加熱することを、防止することができる。

図３は、本発明に係る電源回路と従来の２次側巻き線をタップで切り替える回路構成の電源回路の比較データを示す表であり、共に5.6A出力時の同じ条件で比較したデータである。
概略電圧変動率は、16.6 ％ から14.0 ％に、2.6 ％ 改善し、概略温度上昇分は、69.4℃ から 59.3℃に、10.1℃改善していることで、 本発明の有効性が明らかになっている。

本実施例の電源回路は、電源回路の二次側の回路電圧が半分程度まで変化しても問題なく機能する回路の電圧切り換え回路として利用できる。
例えば、オーディオ増幅器などにおいて、機器が過熱した場合に回路電圧を切り換えて温度上昇を抑えたい場合に利用できる。
また、オーディオ増幅器をインピーダンスの低いスピーカーに接続した場合など、オーディオ増幅器の電源部に大電流を安定して供給する能力が求められる場合に利用できる。
また、狭い部屋などでの使用で特に消費電力を抑えて発熱量を少なくしたい場合に利用できる。
また、長時間・長期間に渡る使用状況において、セット全体の温度上昇を抑えて、機器の長寿命化を実現するために利用できる。
また、トランスの電流供給能力を改善することができる効果により、オーディオ増幅器等の音質の向上に利用できる。

１ 電源プラグ
２ ヒューズ
３ トランス
３ａ、３ｊ 一次側巻き線
３ｂ、３ｋ コア（鉄心）
３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉ、３ｍ、３ｎ 二次側巻き線
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ リレースイッチ
５、５ａ、５ｂ 整流回路
６ａ、６ｂ 平滑回路
７ａ、７ｂ 切換スイッチ
８ 安定化回路

Claims (2)

1. 一次側巻き線、第１の二次側巻き線、及び前記第１の二次側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側巻き線を持つトランスと、
   前記第１の二次側巻き線及び前記第２の二次側巻き線の直列接続と並列接続を切り換えるリレースイッチと、
   前記第１の二次側巻き線及び前記第２の二次側巻き線に接続される整流回路とを備えることを特徴とする電源回路。
2. 一次側巻き線、第１の二次側＋側巻き線及び前記第１の二次側＋側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側＋側巻き線、第１の二次側−側巻き線及び前記第１の二次側−側巻き線と同じ仕様を持つ第２の二次側−側巻き線を持つトランスと、
   前記第１の二次側＋側巻き線及び前記第２の二次側＋側巻き線の直列接続と並列接続を切り換える第１のリレースイッチと、
   前記第１の二次側−側巻き線及び前記第２の二次側−側巻き線の直列接続と並列接続を切り換える第２のリレースイッチと、
   前記第１の二次側＋側巻き線、前記第２の二次側＋側巻き線、前記第１の二次側−側巻き線、及び前記第２の二次側−側巻き線に接続される整流回路とを備えることを特徴とする電源回路。

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