JP2015195670A

JP2015195670A - 電源ユニット

Info

Publication number: JP2015195670A
Application number: JP2014072131A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎内尾; Seiichiro Uchio; 牧野　友厚; Tomoatsu Makino; 友厚牧野; 正彦小町; Masahiko Komachi
Original assignee: Kaga Electronics Co Ltd
Current assignee: Kaga Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-11-05

Abstract

【課題】過電圧から電子機器等の負荷を保護しつつ、可能な限り小型化、低コスト化を図ることができる電源ユニットを提供する。
【解決手段】本発明の電源ユニットは、交流電流を入力する入力部と、入力された交流電流を直流電流に整流する整流回路と、入力部に接続された過電圧保護回路２００とを備える。過電圧保護回路２００は、電源ラインＬ１に直列に接続されたヒューズ２１０と、過電圧が印加されたことに応答して電源ラインＬ１、Ｌ２間に電流経路Ｐを形成するトライアック２２０とを有する。上限となる過電圧が印加されたとき、トライアック２２０が短絡モードで動作するように、ヒューズ２１０およびトライアック２２０の定格電流が選択される。
【選択図】図２

Description

本発明は、過電圧保護回路を備えた電源ユニットに関し、特に、トライアックを備えた過電圧保護回路に関する。

サージ電圧、静電気、あるいは過電圧等から電子機器や電子装置を保護するために保護装置が利用されている。特許文献１に示される直流電源回路では、ＤＣ−ＤＣコンバータが故障により短絡されたとき、ツェナーダイオードにより短絡回路が形成され、ヒューズに定格電流より大きな電流を流すことでヒューズを破壊し、負荷を保護している。また、特許文献２は、出力に定格電圧を上回る過電圧が発生した場合に、入力ライン間を短絡状態にし、入力端子に接続されたヒューズを溶断する過電圧保護回路を開示している。

特開２００９−１７７８６５号公報特開２００７−４３８２２号公報

パチンコ機やパチスロ機は、電子回路やディスプレイ等の負荷を駆動するために電源ユニットを備えている。電源ユニットは、通常、交流２４Ｖを入力し、これを直流電圧に変換し、変換された直流電圧を各負荷へ供給している。このような電源ユニットの電源プラグの形状は、ＡＣ１００Ｖの電源プラグと同じ形状をしているため、誤ってＡＣ１００Ｖの電源プラグを接続してしまうことがある。そのような事態に対処すべく、電源ユニットには、遊技機内の回路等を過電圧から保護する過電圧保護回路が設けられている。しかしながら、過電圧保護回路をＡＣ１００Ｖで動作させるためには、過電圧保護回路を構成する回路素子がＡＣ１００Ｖに対する耐圧を有していなければならず、そうすると、過電圧保護回路を構成する回路素子の耐量を大きくしなければならない。その結果、過電圧保護回路が大型化、高コスト化してしまい、ひいては電源ユニットの小型化、低コスト化を図ることが難しくなってしまうという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するために成されたものであり、過電圧から電子機器等の負荷を保護しつつ、可能な限り小型化、低コスト化を図ることができる電源ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る電源ユニットは、交流電流を入力する入力部と、前記入力部に入力された交流電流を直流電流に整流する整流回路と、前記入力部に接続された過電圧保護回路とを備えたものであって、前記過電圧保護回路は、前記入力部の電源ラインに直列に接続されたヒューズと、前記入力部の電源ラインに過電圧が印加されたことに応答して電源ライン間に電流経路を形成するトライアックとを有し、上限となる過電圧が印加されたとき、前記トライアックが短絡モードで動作するように前記ヒューズおよび前記トライアックのそれぞれの定格電流が選択される。

好ましくは、前記入力部は、第１の交流電圧を受け取る第１のプラグと、第２の交流電圧を受け取る第２のプラグとを有し、第１のプラグと第２のプラグの形状が同一である。好ましくは第１の交流電圧は、ＡＣ２４Ｖであり、第２の交流電圧は、ＡＣ１００Ｖであり、上限の過電圧は第２の交流電圧である。好ましくは電源ユニットのラインインピーダンスが少なくとも０．３１１Ω以上であるとき、ヒューズの定格電流が１５Ａであり、トライアックの定格電流が２５Ａである。好ましくは電源ユニットのラインインピーダンスが少なくとも０．３１１Ω以上であるとき、ヒューズの定格電流が２０Ａであり、トライアックの定格電流が４０Ａである。

本発明によれば、過電圧が入力されたときにトライアックが短絡モードで動作するようにヒューズおよびトライアックのそれぞれの定格電流を選択するようにしたので、従来と比較して、定格電流の小さなトライアックを使用することができる。それ故、過電圧保護回路の小型化、低コスト化、ひいては電源ユニットの小型化、低コスト化を図ることができる。

本発明の実施例に係る過電圧保護回路が用いられる同期整流型電源ユニットの一例を示す図である。本発明の実施例に係る過電圧保護回路の構成を示す回路図である。本実施例における試験回路の一例を示す回路図である。本発明の実施例の試験結果を示すグラフであり、ヒューズＡとトライアックＢを組合せたときのトライアックの通電電流とヒューズの溶断時間を示すグラフである。本発明の実施例の試験結果を示すグラフであり、ヒューズＡとトライアックＣを組合せたときのトライアックの通電電流とヒューズの溶断時間を示すグラフである。本発明の実施例の試験結果を示すグラフであり、ヒューズＢとトライアックＣを組合せたときのトライアックの通電電流とヒューズの溶断時間を示すグラフである。

図１は、本発明の実施例に係る電源ユニットの一構成例を示す図である。電源ユニット１００は、ＡＣ２４Ｖの交流電源を入力する入力部１１０と、ＡＣ２４Ｖを整流する整流回路１２０と、整流回路１２０に接続された力率改善回路１３０とを含んで構成される。整流回路１２０は、例えばダイオードブリッジ１２２を含み、ＡＣ２４Ｖの交流電圧を整流する。力率改善回路１３０は、例えば、インダクタＬ、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２、および制御回路１３２を有する。インダクタＬは、整流回路１２０の正側の電源ラインに直列に接続され、ＦＥＴ１のソースは、インダクタＬとノードＮ１で接続され、ＦＥＴ１のドレインは出力Ｖｏｕｔに接続される。ＦＥＴ２のドレインは、ノードＮ１に接続され、ＦＥＴ２のソースは、グランドラインのノードＮ２に接続され、ＦＥＴ１およびＦＥＴ２のゲートには、制御回路１３２からの制御信号Ｓ１、Ｓ２が接続される。制御回路１３２は、好ましくは適切な周波数およびデューテイ比でＦＥＴ１およびＦＥＴ２のスイッチングを制御し、力率を１．０に近づける。このような電源ユニット１００は、例えば、１つのパチンコ遊技台に搭載される。

電源ユニット１００の入力部１１０には、コンセント部１１２が設けら、コンセント部１１２には、ＡＣ２４Ｖの電源を入力するためのプラグが設けられる。コンセント部１１２のプラグの形状が、ＡＣ１００Ｖの電源と共通ないし類似していると、コンセント部１１２に誤ってＡＣ１００Ｖの電源を接続してしまうことがある。このような過電圧から電源ユニット内の回路素子等を保護するため、入力部１１０に過電圧保護回路２００が設けられている。過電圧保護回路２００は、入力部１１０への過電圧に応答して電源ライン間に短絡経路または電流経路を生成するスイッチング素子と、当該スイッチング素子によって生成された電流経路に大きな電流を流すことによって溶断されるヒューズ素子とを備えている。

図２に、本実施例の過電圧保護回路２００の回路構成を示す。同図に示すように、過電圧保護回路２００は、電源ラインＬ１に直列に接続されたヒューズ２１０と、電源ラインＬ１のノードＮ１と電源ラインＬ２のノードＮ２との間に接続されたトライアック２２０と、トライアック２２０と並列に接続されたツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２とを有する。トライアック２２０のゲートＧは、抵抗Ｒ１とＲ２との接続ノードＮ３に接続され、さらに抵抗Ｒ２と並列にコンデンサＣ１が接続される。

トライアック２２０は、一方の端子がノードＮ１に接続され、他方の端子がノードＮ２に接続され、ゲートＧに印加されたゲート電圧およびゲート電流に応答して、両端子間に双方向の電流を流すことができるスイッチング素子である。

ツェナーダイオードＺＤ１は、ノードＮ１にツェナー電圧よりも大きな逆バイアスの電圧が印加されたとき、一定電圧を生成する。反対に、ツェナーダイオードＺＤ２は、ノードＮ２にツェナー電圧よりも大きな逆バイアスの電圧が印加されたとき、一定電圧を生成する。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、過電圧が印加されたときにトライアック２２０を動作させるために必要なゲート電圧およびゲート電流を生成する。電力ラインＬ１、Ｌ２に過電圧、例えば、ＡＣ１００Ｖが印加されると、ゲートＧにトライアック２２０をターンオンさせる電圧および電流が生成され、トライアック２２０が導通し、電源ラインＬ１、Ｌ２間に短絡経路ないし電流経路Ｐが形成される。ＡＣ１００Ｖが入力されたとき、電流経路Ｐを流れる電流の向きは半波毎に反対となる。また、電源ラインＬ１に直列に接続されたヒューズ２１０は、耐量以上の電流が流れたときに溶断する。ここでは、ヒューズ２１０を電源ラインＬ１に接続したが、電源ラインＬ２に接続してもよい。

トライアック２２０は、ヒューズ２１０を溶断させるまでの期間、電流経路Ｐが生成されるように動作されなければならない。もし、ヒューズ２１０が溶断する前にトライアック２２０が破壊され、電流経路Ｐがオープンしてしまうと、電源ユニット内の回路素子や、電源ユニットに接続された負荷を過電圧から保護することができない。従って、通常では、ヒューズ２１０が溶断するのに十分なマージンを持つようなトライアック２２０の定格電流が選択される。しかしながら、トライアック２２０の定格電流が大きくなると、それに応じてトライアック２２０のサイズが大きくなり、かつコストも高くなってしまう。トライアック２２０の定格電流を下げることで、トライアック２２０に破損が生じたとしても、ヒューズ２１０が溶断されるならば、過電圧保護回路の最終的な目的は達成される。トライアック２２０に定格電流を超えるサージ電流を一定時間以上流し続ければ、トライアック２２０は破壊されるが、トライアック２２０が完全に破壊される前に短絡モードが存在する。トライアック２２０に定格電流を越えるサージ電流を流したとしても、それがごく短時間であれば、トライアック２２０の半導体層の一部が破損し、例えば、ＰＮ半導体層が短絡し、両端子間に短絡電流が流れる短絡モードが発生する。短絡モードの次に、短絡電流によってトライアックが完全に破壊され、例えば、半導体層に接続された電極等が溶断され、オープンモードによる故障となる。過電圧によってヒューズ２１０が溶断された場合、電源ユニット１００の過電圧保護回路２００は、新たな過電圧保護回路２００に取り替えられる。従って、仮にトライアック２２０が破損したとしても、取替えの工数は変わらない。

本実施例では、過電圧保護回路を可能な限り小型化、低コスト化するため、従来よりも小さな定格電流を有するトライアック２２０を用い、上限となる過電圧（本例では、ＡＣ１００Ｖ）が入力されたとき、トライアック２２０をオープンモードにより完全に破壊される前の短絡モードで動作させ、その間にヒューズ２１０を溶断させる。ヒューズ２１０の耐量は、Ｉ^２×ｔであり、ヒューズが溶断するための時間ｔは、定格電流に依存する。ヒューズ２１０が溶断するための時間ｔの間、トライアック２２０は、短絡モードで短絡電流を電流経路Ｐに流し続ける。

次に、過電圧保護回路の具体的な構成を決定するために行われた試験について説明する。図３は、電源ユニットの試験回路の一例を示している。同図に示すように、試験回路では、ＡＣ入力に、電源投入角度可変用にトライアック２３０が直列に接続され、電源ラインＬ１、Ｌ２間に１００ＫΩの抵抗Ｒａが接続され、ダイオードブリッジ（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）による整流回路１２０の出力端に１００Ωの抵抗Ｒｂが接続される。また、トライアック２２０には、通電電流検出のための抵抗Ｒｃ、Ｒｄが接続される。トライアック２２０のゲートＧにつながる回路構成は、図２の構成と同様であり、ここでは省略されている。

試験では、定格電流の異なる２つのヒューズと、定格電流が異なる３つのトライアックを用意し、この中から選択されたヒューズとトライアックの組合せを試験回路に使用した。具体的には、冨士端子工業製FGBO125V15Aの定格電流１５Ａのヒューズ（以下、ヒューズＡという）と、同FGBO125V20Aの定格電流２０Ａのヒューズ（以下、ヒューズＢという）を用意した。これは、通常、遊技機の電源ユニットには、定格電流１５Ａのヒューズまたは定格電流２０Ａのヒューズが用いられるためである。また、三社電機製作所TMG20C60Fの定格電流２０Ａのトライアック（以下、トライアックＡという）、同TMG25C60Fの定格電流２５Ａのトライアック（以下、トライアックＢという）、同TMG40C60Jの定格電流４０Ａのトライアック（以下、トライアックＣという）を用意した。

試験回路のラインインピーダンスを０．１１１Ωとし、電源ラインに図示しない抵抗を挿入することで、ラインインピーダンスを、０．１６１Ω、０．２１１Ω、０．２６１Ω、０．３１１Ωに可変し、５つのラインインピーダンスで試験を行った。試験に用いた最大のラインインピーダンスは０．３１１Ωであるが、この値は、電源ユニットの配電ブレーカー、配線、中継用圧着端子、コンセントおよびプラグ等を考慮すると、実際のラインインピーダンスよりも小さいと想定されるが、試験回路では、トライアック２２０により厳しい条件を与えるため実際よりも低いラインインピーダンスを設定した。

ヒューズとトライアックの組合せは、次の通りである。
過電圧保護回路１：ヒューズＡとトライアックＢ
過電圧保護回路２：ヒューズＡとトライアックＣ
過電圧保護回路３：ヒューズＢとトライアックＣ
過電圧保護回路４：ヒューズＡとトライアックＡ
試験回路に過電圧保護回路１ないし４を接続し、入力端子にＡＣ１００Ｖを投入し、ヒューズをオープンさせる試験を行った。図４、図５、図６にそれぞれ、過電圧保護回路１、２、３を用いたときの試験結果のグラフを示す。

図４（Ａ）は、ヒューズＡとトライアックＢとを組合せたときの通電電流とラインインピーダンスとの関係を示すグラフ、図４（Ｂ）は、通電電流とヒューズが溶断するまでの時間との関係を示すグラフである。■は、トライアックのサージオン電流（実力値）、すなわちトライアックの電流耐量を示し、△は、ヒューズおよびトライアックの通電電流を示している。同図から明らかにように、ラインインピーダンスが低いほど、通電電流が大きくなり、かつヒューズ溶断時間が短くなり、反対に、ラインインピーダンスが高いほど、通電電流が小さくなり、かつヒューズ溶断時間が長くなることがわかる。図中、トライアックサージオン電流よりも大きな通電電流が流れたトライアックＢは、完全な破壊に至る前の破損した状態である短絡（ショート）モードで動作していることが確認された。また、ラインインピーダンスが０．３１１Ωの場合、トライアックＢの通電電流は、サージオン電流を超えなかったため、短絡モードの破損には至らなかった。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、ヒューズＡとトライアックＣを組合せたときの通電電流とヒューズ溶断時間を示している。ここでは、ラインインピーダンスが０．１１１Ωと０．１６１Ωのときの通電電流がサージオン電流を超えているが、トライアックＣは、破損していないことが確認された。これは、トライアックＣの定格電流（４０Ａ）がトライアックＢの定格電流（２５Ａ）よりも大きいためと考えられる。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、ヒューズＢとトライアックＣを組合せたときの通電電流とヒューズ溶断時間を示している。ここでは、ラインインピーダンスが０．１１１Ωと０．１６１Ωのときの通電電流がサージオン電流を超えたき、トライアックＣが完全な破壊に至る前の破損した状態である短絡（ショート）モードで動作していることが確認された。これは、ヒューズＢの定格電流（２０Ａ）をヒューズＡの定格電流（１５Ａ）よりも大きくしたことに伴いヒューズの溶断時間が長くなり、トライアックＣへの通電電流の通電時間が長くなったことによるものと考えられる。

ヒューズＡとトライアックＡの組合せの試験結果をグラフに示していないが、この組合せは、ラインインピーダンスが０．２１１Ωのときに、トライアックＡがオープンモードで破壊されたことが確認された。

以上の試験結果を踏まえ、本実施例に係る過電圧保護回路では、ヒューズＡを用いる場合には、トライアックＢとの組合せが最適となる。なぜなら、トライアックＣを用いた場合には、図５に示すようにトライアックＣは破損するには至らず、マージンがあり過ぎると定格電流が大き過ぎと考えられるためである。他方、トライアックＡを選択すると、上記したように定格電流が小さ過ぎてトライアックがオープンモードで破壊されてしまうため、使用には不適である。また、ヒューズＢを用いる場合には、トライアックＣとの組合せが最適となる。これは、トライアックＡ、Ｂでは、オープンモードの破壊に至るまでのマージンが小さすぎるため、使用には不適である。

このように本実施例によれば、トライアックが完全にオープンモードで破壊する前の一部が破損した状態である短絡（ショート）モードで動作するときにヒューズを溶断させるようにしたので、従来よりも定格電流の小さなトライアックを用いることが可能になる。このようなトライアックを選択することで、トライアックのサイズを小型化することができ、トライアックのコストを低減させることができ、このことは、過電圧保護回路およびこれを含む電源ユニットの小型化および低コスト化につながる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、図１に示す電源ユニットの内部構成は一例であり、力率改善回路などは必須ではない。

１００：電源ユニット
１１０：入力部
１２０：整流回路
１３０：力率改善回路
２００：過電圧保護回路
２１０：ヒューズ
２２０：トライアック

Claims

交流電流を入力する入力部と、前記入力部に入力された交流電流を直流電流に整流する整流回路と、前記入力部に接続された過電圧保護回路とを備えた電源ユニットであって、
前記過電圧保護回路は、前記入力部の電源ラインに直列に接続されたヒューズと、前記入力部の電源ラインに過電圧が印加されたことに応答して電源ライン間に電流経路を形成するトライアックとを有し、
上限となる過電圧が印加されたとき、前記トライアックが短絡モードで動作するように、前記ヒューズおよび前記トライアックのそれぞれの定格電流が選択される、電源ユニット。
前記入力部は、第１の交流電圧を受け取る第１のプラグと、第２の交流電圧を受け取る第２のプラグとを有し、第１のプラグと第２のプラグの形状が同一である、請求項１に記載の電源ユニット。
第１の交流電圧は、ＡＣ２４Ｖであり、第２の交流電圧は、ＡＣ１００Ｖであり、前記上限となる過電圧は、第２の交流電圧である、請求項１または２に記載の電源ユニット。
電源ユニットのラインインピーダンスが少なくとも０．３１１Ω以上であるとき、ヒューズの定格電流が１５Ａであり、トライアックの定格電流が２５Ａである、請求項３に記載の電源ユニット。
電源ユニットのラインインピーダンスが少なくとも０．３１１Ω以上であるとき、ヒューズの定格電流が２０Ａであり、トライアックの定格電流が４０Ａである、請求項３に記載の電源ユニット。