JP2015226352A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成で、入力された交流電圧よりも低い直流電圧を生成する際の消費電力を抑制できる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１は、交流電圧を脈流電圧に変換し、脈流電圧を正極側出力端子２ａから出力する整流回路２と、正極側出力端子２ａに接続される第１の端子及びスイッチング端子と、直流電圧を出力する第２の端子６を有し、スイッチング端子に印加される電圧が第１の電圧以上となるときに第１の端子から第２の端子へ脈流電圧に応じた電流を流し、その電流に応じて第２の端子から直流電圧を出力するドロッパー回路３と、ドロッパー回路３のスイッチング端子に接続され、オンになるとドロッパー回路３のスイッチング端子に印加される電圧を第１の電圧未満に低下させるスイッチング素子５と、正極側出力端子２ａの電圧が第１の電圧よりも高い第２の電圧以上となる間スイッチング素子５をオンにする電圧検知回路４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力から直流電力を生成する電源装置に関する。

従来より、入力された電圧よりも低い直流電圧を出力する電源装置が知られている。そのような電源装置は、例えば、スイッチング素子または制御回路の駆動に利用するための直流電圧の生成に利用される。そのような電源装置として、例えば、ドロッパーと呼ばれる、トランジスタなどの電圧降下を利用する回路がある。ドロッパー回路では、入力と出力の電位差に出力電流を乗じた値がドロッパー回路の消費電力となる。そのため、入力と出力の電位差が大きい場合には、ドロッパー回路の消費電力が大きくなり、好ましくない。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータのように、高周波でスイッチング素子をスイッチング動作させることでコイルに流れる電流を制御することで、消費電力を抑制しつつ、入力された直流電圧よりも低い直流電圧を出力する回路も知られている。しかしながら、このような回路は、コイルを利用し、また、高周波でスイッチング素子をスイッチング動作させる制御回路の構成が複雑となるために、コストを抑制することが困難となる。

また、補助巻線を有するトランスの一次巻線を介して入力直流をスイッチングすることにより二次巻線側に直流電力を生成する電源装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この電源装置は、負荷回路へ供給する直流電力とは別個に、トランスの補助巻線を介してスイッチング素子または制御回路の駆動に利用するための直流電圧を得ることができる。

特開平１１−２０６１１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電源装置でも、トランスを利用するため、コストを抑制することは困難である。

そこで、本発明は、簡単な回路構成で、入力された交流電圧よりも低い直流電圧を生成する際の消費電力を抑制できる電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、電源装置が提供される。この電源装置は、入力された交流電圧を脈流電圧に変換し、脈流電圧を正極側出力端子から出力する整流回路と、整流回路の正極側出力端子に接続される第１の端子及びスイッチング端子と、入力された交流電圧よりも低い直流電圧を出力する第２の端子を有し、スイッチング端子に印加される電圧が第１の電圧未満になると第１の端子から第２の端子へ電流を流さず、一方、スイッチング端子に印加される電圧が第１の電圧以上となるときに第１の端子から第２の端子へ脈流電圧に応じた電流を流し、その電流に応じて第２の端子から直流電圧を出力するドロッパー回路と、ドロッパー回路のスイッチング端子に接続され、オンになるとそのスイッチング端子に印加される電圧を第１の電圧未満に低下させるスイッチング素子と、整流回路の正極側出力端子の電圧が第１の電圧よりも高い第２の電圧以上となる間スイッチング素子をオンにする電圧検知回路とを有することを特徴とする。

この電源装置において、第２の電圧は、脈流電圧の周期に占める、ドロッパー回路の第１の端子から第２の端子へ電流が流れる期間の割合が、第１の端子から第２の端子へ流れる電流に対する電源装置からの出力電流の比以上となり、かつ、割合が1未満となるように設定されることが好ましい。

本発明に係る電源装置は、簡単な回路構成で、入力された交流電圧よりも低い直流電圧を生成する際の消費電力を抑制できるという効果を奏する。

本発明の一つの実施形態に係る電源装置の概略構成図である。 整流回路の正極側出力端子の電圧と、補助電源出力端子の電圧と、ドロッパー回路のMOSFETのゲート−ソース間電圧と、MOSFETに流れる電流のそれぞれの時間変化を示す図である。

以下、本発明の一つの実施形態による電源装置を、図を参照しつつ説明する。この電源装置は、交流電源から供給された交流電圧から負荷回路へ供給される直流電圧を生成する主電源回路とは別個に、その主電源回路に含まれる制御回路またはスイッチング素子の駆動に利用される補助電源出力として、入力された交流電圧（実効値）よりも低い直流電圧を生成する。そしてこの電源装置は、その直流電圧を生成するために、ドロッパー回路を有し、交流電圧を整流回路により整流して得られる脈流電圧が所定値以下の場合にそのドロッパー回路をオンにすることで、ドロッパー回路の入力電圧と出力電圧の差を小さくして、消費電力を抑制する。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る電源装置の概略構成図である。図１に示されるように、電源装置１は、整流回路２と、ドロッパー回路３と、電圧検知回路４と、スイッチング素子５とを有する。

整流回路２は、交流電源１０（例えば、商用交流電源）から入力された交流電圧を脈流電圧に変換する。そのために、整流回路２は、例えば、図１に示されるように、ブリッジ型に接続された４個のダイオードD1〜D4を有する全波整流回路とすることができる。そして整流回路２は、ダイオードD3とダイオードD4の間に位置する正極側出力端子２ａからその脈流電圧を出力する。

ドロッパー回路３は、整流回路２から出力された脈流電圧から補助電源出力となる直流電圧を生成する。そのために、ドロッパー回路３は、MOSFET３１と、ツェナーダイオードZD1と、抵抗R1と、平滑コンデンサCとを有する。

ドロッパー回路３の入力端子の一例であるMOSFET３１のドレイン端子は、整流回路２の正極側出力端子２ａと接続され、一方、MOSFET３１のソース端子は、平滑コンデンサCを介して補助電源出力端子６と接続される。またドロッパー回路３のオン／オフを制御する電圧が入力されるスイッチング端子の一例であるMOSFET３１のゲート端子は、抵抗R1を介して整流回路２の正極側出力端子２ａと接続される。さらに、MOSFET３１のゲート端子は、ツェナーダイオードZD1のカソード端子及びスイッチング素子５の一端と接続される。

ツェナーダイオードZD1のカソード端子は、MOSFET３１のゲート端子と接続されるとともに、抵抗R1を介して整流回路２の正極側出力端子２ａと接続される。一方、ツェナーダイオードZD1のアノード端子は接地される。したがって、ツェナーダイオードZD1は、抵抗R1を介して供給される、整流回路２からの脈流電圧によって逆バイアスされる。

平滑コンデンサCは、その一端がMOSFET３１のソース端子及びドロッパー回路３の出力端子でもある補助電源出力端子６と接続され、一方、他端が接地される。

MOSFET３１は、ゲート−ソース間電圧Vgsが所定の閾値電圧以上となるとオンとなり、ドレイン端子に入力された脈流電圧に応じた電流をソース端子を介して平滑コンデンサCへ流す。本実施形態では、整流回路２から出力された脈流電圧が抵抗R1を介してゲート端子に印加される。そのため、脈流電圧の上昇に伴い、ゲート端子に印加される電圧が、Vgsが閾値電圧となる第１の電圧以上となる場合にMOSFET３１がオンとなる。また後述するように、電圧検知回路４により、整流回路２の正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧以上になったことが検知されると、スイッチング素子５がオンとなり、ゲート端子に印加される電圧が第１の電圧未満まで低下するので、MOSFET３１はオフとなる。したがって、整流回路２から出力される脈流電圧が第１の電圧以上かつ第２の電圧未満の間、MOSFET３１はオンとなる。すなわち、ドロッパー回路３がオンとなる。一方、正極側出力端子２ａにおける電圧が第１の電圧未満、あるいは、第２の電圧以上になると、MOSFET３１はオフとなる。すなわち、ドロッパー回路３がオフとなる。このように、整流回路２から出力される脈流電圧がある程度低い場合に限り、ドロッパー回路３がオンとなるので、ドロッパー回路３による電力消費が抑制される。

また、MOSFET３１のゲート端子は、整流回路２から出力される脈流電圧によって逆バイアスされるツェナーダイオードZD1と接続されている。そのため、その脈流電圧がツェナーダイオードZD1の降伏電圧を超えると、ツェナーダイオードZD1を経由して電流が流れるようになり、その降伏電圧以上の電圧がMOSFET３１のゲート端子に印加されることはない。そこで、ツェナーダイオードZD1として、MOSFET３１の耐圧以下となる降伏電圧を持つツェナーダイオードが利用される。これにより、整流回路２から出力される脈流電圧によってMOSFET３１が破損することが防止される。

さらに、補助電源出力端子６から出力される電圧は、最大でツェナーダイオードZD1の降伏電圧からMOSFET３１のゲート−ソース間電圧Vgsを減じた値となる。

平滑コンデンサCは、整流回路２から出力され、MOSFET３１を経由した脈流電圧を平滑化して直流電圧とし、その直流電圧を補助電源出力端子６へ出力する。出力される直流電圧は、電源装置１に入力された交流電圧よりも低くなる。

電圧検知回路４は、整流回路２の正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧以上となったことを検知する。そして電圧検知回路４は、正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧以上となると、スイッチング素子５をオンにし、一方、正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧未満の場合、スイッチング素子５をオフにする。

そのために、電圧検知回路４は、第２の電圧に相当する降伏電圧を持つツェナーダイオードZD2と、抵抗R2及びR3を有する。ツェナーダイオードZD2のカソード端子は、整流回路２の正極側出力端子２ａと接続され、一方、ツェナーダイオードZD2のアノード端子は、直列に接続された抵抗R2及び抵抗R3を介して接地される。すなわち、ツェナーダイオードZD2は、整流回路２からの脈流電圧によって逆バイアスされる。
また、抵抗R2と抵抗R3の間に、スイッチング素子５のスイッチング端子が接続される。

整流回路２から出力される脈流電圧が低く、整流回路２の正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧未満の場合、すなわち、ツェナーダイオードZD2の降伏電圧未満の場合、ツェナーダイオードZD2には電流が流れないので、スイッチング素子５のスイッチング端子にも電流は流れない。そのため、スイッチング素子５はオフのままとなる。一方、整流回路２から出力される脈流電圧が上昇し、整流回路２の正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧以上となると、ツェナーダイオードZD2に電流が流れるようになる。その結果、スイッチング素子５のスイッチング端子に電流が流入し、スイッチング素子５はオンとなる。

スイッチング素子５は、電圧検知回路４によりオンにされると、ドロッパー回路３をオフにする。本実施形態では、スイッチング素子５は、NPN型のバイポーラトランジスタであり、コレクタ端子がドロッパー回路３のMOSFET３１のゲート端子と接続されるとともに、抵抗R1を介して整流回路２の正極側出力端子２ａと接続される。また、スイッチング素子５のエミッタ端子は接地される。そしてスイッチング素子５をオンまたはオフするためのスイッチング端子であるベース端子は、電圧検知回路４の抵抗R2と抵抗R3の間に接続される。

スイッチング素子５がオフの間、スイッチング素子５のコレクタ−エミッタ間には電流は流れない。そのため、整流回路２から出力される脈流電圧に応じた電圧がドロッパー回路３のMOSFET３１のゲート端子に印加されるので、スイッチング素子５は、ドロッパー回路３をオフにしない。一方、スイッチング素子５がオンになると、スイッチング素子５のコレクタ−エミッタ間を介して電流が流れるようになるので、MOSFET３１のゲート端子の電圧が第１の電圧未満に強制的に低下する。そのため、スイッチング素子５がオンになっている間、整流回路２からの脈流電圧によらずにMOSFET３１がオフとなる。

図２は、整流回路２の正極側出力端子２ａの電圧と、補助電源出力端子６の電圧と、ドロッパー回路３のMOSFET３１のゲート−ソース間電圧と、MOSFET３１に流れる電流のそれぞれの時間変化を示す図である。

図２において、横軸は時間を表す。一番上の波形２００は、補助電源出力端子６の電圧の時間変化を表す。上から２番目の波形２０１は、整流回路２の正極側出力端子２ａにおける電圧の時間変化を表す。上から３番目の波形２０３は、MOSFET３１のゲート−ソース間電圧Vgsの時間変化を表す。そして一番下の波形２０４は、MOSFET３１に流れる電流の時間変化を表す。

波形２０１に示される、整流回路２の正極側出力端子２ａの電圧が第２の電圧Va以上となる期間P1では、スイッチング素子５がMOSFET３１をオフにするので、MOSFET３１のソースの電位よりもゲートの電位の方が低くなる。すなわち、波形２０３に示されるように、Vgsは負となる。そのため、MOSFET３１はオフとなる。したがって、波形２０４に示されるように、期間P1では、MOSFET３１のドレイン−ソース間には電流は流れない。一方、正極側出力端子２ａにおける電圧が第２の電圧Va未満、かつ、第１の電圧Vb以上となる期間P2では、VgsがMOSFET３１の閾値電圧以上となり、MOSFET３１はオンとなる。したがって、波形２０４に示されるように、期間P2では、脈流電圧に応じた電流がMOSFET３１のドレイン−ソース間に流れる。そして正極側出力端子２ａにおける電圧が第１の電圧Vb未満となる期間P3では、再びMOSFET３１はオフになる。そのため、波形２０４に示されるように、期間P3では、MOSFET３１のドレイン−ソース間に電流は流れない。なお、期間P3では、MOSFET３１のボディダイオードを経由して逆流する電流があるので、整流回路２から出力される脈流電圧が0Vまで低下しても、正極側出力端子２ａの電圧は0Vまで低下しない。また期間P3では、MOSFET３１のゲート−ソース間電圧Vgsはほぼ0Vとなる。

また、波形２００に示されるように、MOSFET３１に電流が流れない期間が有っても、補助電源出力端子６から出力される電圧はほぼ一定値となる。

ここで、第２の電圧Vaの設定条件について説明する。
脈流電圧の一周期の間に補助電源出力端子６から放電される電荷量をQとすると、その電荷量Qは次式で表される。
Q=I_outP
ただし、I_outは、補助電源出力端子６からの出力電流であり、Pは、脈流電圧の一周期である。例えば、電源装置１に入力される交流電力の周波数が50Hzであれば、Pは0.01secである。

この電荷量Qを、MOSFET３１がオンとなっている期間ΔSの間に整流回路２から供給するとする。そうすると、次の関係式が成立する。
ΔS/P = I_out/I_in
I_inは、MOSFET３１のドレイン−ソース間に流れる電流である。例えば、I_out=10mA、I_in=2Aとすると、ΔS/P=0.005となる。したがって、電源装置１に入力される交流電力の周波数が50Hzであれば、ΔS=0.005×0.01sec=0.05msecとなる。ΔSは、（２）式で求められる値以上、かつ、ΔS/Pが１未満、すなわち、ΔSがPよりも短くなるように定められる。例えば、ΔSは、（２）式で求められた値に所定のオフセット値（例えば、0.01msec〜0.1msec）だけ加えた値に設定される。これにより、電源装置１は、ドロッパー回路３がオフになる期間があっても、補助電源出力端子６から必要十分な直流電圧を供給できるとともに、ドロッパー回路３による電力消費を抑制できる。このように決定されたΔSに相当する期間中、MOSFET３１がオンになるように、第２の電圧Vaは設定される。

以上に説明してきたように、この電源装置は、整流回路から出力される脈流電圧がある程度低いときにのみ、ドロッパー回路を経由した電流から出力電力が生成されるので、ドロッパー回路の入力電圧と出力電圧の差を低くすることができる。そのため、この電源装置は、電源装置、特にドロッパー回路による消費電力を抑制できる。またこの電源装置は、コイルまたはトランスといった巻線を含む素子を利用せず、複雑な制御回路を必要としないので、回路構成を簡単化できる。さらに、この電源装置は、トランスを使用しないので、入力される交流電圧あるいは負荷回路へ出力される電圧が大きく変動するような場合でも、一定の直流電圧を出力できる。

なお、変形例によれば、スイッチング素子５として、他の形式のトランジスタが利用されてもよい。同様に、MOFET３１の代わりに、他の形式のトランジスタが利用されてもよい。

上記の実施形態または変形例による電源装置は、弾球遊技機または回胴遊技機といった遊技機に搭載されてもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１ 電源装置
２ 整流回路
２ａ 正極側出力端子
３ ドロッパー回路
３１ MOSFET
４ 電圧検知回路
５ スイッチング素子
６ 補助電源出力端子

Claims (2)

1. 入力された交流電圧を脈流電圧に変換し、該脈流電圧を正極側出力端子から出力する整流回路と、
   前記整流回路の前記正極側出力端子に接続される第１の端子及びスイッチング端子と、前記交流電圧よりも低い直流電圧を出力する第２の端子を有し、前記スイッチング端子に印加される電圧が第１の電圧未満になると前記第１の端子から前記第２の端子へ電流を流さず、一方、前記スイッチング端子に印加される電圧が前記第１の電圧以上となるときに前記第１の端子から前記第２の端子へ前記脈流電圧に応じた電流を流し、当該電流に応じて前記第２の端子から前記直流電圧を出力するドロッパー回路と、
   前記スイッチング端子に接続され、オンになると前記スイッチング端子に印加される電圧を前記第１の電圧未満に低下させるスイッチング素子と、
   前記整流回路の前記正極側出力端子の電圧が前記第１の電圧よりも高い第２の電圧以上となる間前記スイッチング素子をオンにする電圧検知回路と、
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 前記第２の電圧は、前記脈流電圧の周期に占める、前記ドロッパー回路の前記第１の端子から前記第２の端子へ電流が流れる期間の割合が、前記第１の端子から前記第２の端子へ流れる電流に対する前記電源装置からの出力電流の比以上となり、かつ、当該割合が1未満となるように設定される、請求項１に記載の電源装置。

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