JP2016090469A - 周波数検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数検出装置として高精度な周波数検出能力が発揮されるように、発光素子などの半導体駆動素子が反転動作するタイミングの応答遅れ時間を短縮化するとともに、入力交流電圧に乗るノイズ成分の影響を軽減する。
【解決手段】入力交流電圧Ｖinを基準電圧Ｖref＋Ｖthと比較するコンパレータ１２はプラス電源１４とマイナス電源１５の両電源で動作し、出力端子がプルアップ用の抵抗素子Ｒ５を介してプラス電源１４に接続されている。コンパレータの出力端子に導通接続された発光素子３１および受光素子３２からなるフォトカプラ３０は、一次回路１０と二次回路２０との間を中継する。マイコン２２は、フォトカプラ３０の受光素子３２からの出力信号を監視して入力交流電圧の周波数を計測する。発光素子３１の高電位側端子３１ａは、プラス電源電圧より低い電位をもつ低電位電源ＥＬに接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は入力交流電圧の周波数（周期）を検出する周波数検出装置、より詳しくは、一次側において入力したアナログの入力交流電圧波形をコンパレータで基準電圧と比較して近似の方形波（矩形波）信号を生成し、その方形波信号を絶縁的に二次側に伝え、二次側において方形波信号を監視することにより入力交流電圧の周波数を検出する周波数検出装置に関する。

蓄電パワーコンディショナ（蓄電パワコン）システムは、太陽光発電などの分散型発電システムに蓄電システムを追加し、分散型発電システムと蓄電システムとの連係制御を行うものである。この蓄電パワコンシステムにおいては、系統電圧に同期して出力電流をＰＷＭ制御する際に、系統電圧である入力交流電圧の周波数信号を用いて、交流を生成するインバータ回路の動作を電圧位相の半周期ごとに切り替える。系統連系動作中は入力交流電圧の周波数を常に監視し、定格周波数からのずれが基準値よりも大きくなった場合には、一定時間以内に連系動作を停止する必要がある。また、停電が発生した場合に、停電を早急に検出して連系動作を停止する必要があり（単独運転防止）、この停電検出にも系統周波数の変化を利用する。

しかしながら、入力交流電圧のゼロクロスタイミングに対して周波数検出のタイミングがずれて時間遅れが発生したり、検出周波数に生じたジッタ（時間軸上の揺らぎ）によって検出周波数の精度が悪くなり、停電制御の精度に悪影響が生じることがある。その結果、負荷条件等によっては、規定の時間内にインバータ回路を停止できなくなり、系統連系認証規程から逸脱してしまう。すなわち、蓄電パワコンシステムにおいては、応答遅れ時間を極力短縮化することが重要である。

アナログ波形を方形波に変換する手段として一般的にコンパレータ(比較器)が使用される。コンパレータの前段のアナログ回路のダイナミックレンジを充分にとった状態で、コンパレータに信号を入力する場合、電源の種類を増やさずに回路を構成するには、コンパレータの電源電圧をアナログ回路と同じ電源電圧にするのが一般的である。そして、使用電圧によってはコンパレータの出力仕様がオープンコレクタ（ドレイン）となり、“Ｈ”レベル電圧を出力するのに、コンパレータの出力端子をプルアップ用の抵抗素子を介して高電位電源に接続することが行われる。

図５は上記方式の従来例の周波数検出装置の構成を示す回路図、図６は従来例の周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート）である。

一次回路１０と二次回路２０とを絶縁して中継するために絶縁型信号伝達素子としてのフォトカプラ３０が設けられている。一次回路１０におけるコンパレータ１２は、その駆動電源として正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４と負電圧ＶＥＥ１（＝−ＶＣＣ１）のマイナス電源１５を有している。コンパレータ１２の出力端子はプルアップ用の抵抗素子Ｒ５を介して正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４に接続されている。フォトカプラ３０における発光素子（発光ダイオード）３１の低電位側端子（カソード）３１ｂがコンパレータ１２の出力端子に接続され、発光素子３１の高電位側端子（アノード）３１ａは抵抗素子Ｒ４を介して正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４に接続されている。

一次回路１０の交流入力端子１１に印加される入力交流電圧Ｖinがコンパレータ１２の非反転入力端子（＋）に入力され、反転入力端子（−）に印加される基準電圧Ｖref＋Ｖthと比較される。ここで、コンパレータ１２は３つの抵抗素子Ｒ２，Ｒ３およびＲ５でヒステリシスを構成しているので、コンパレータ１２が反転するしきい値電圧は、
プラス方向： Ｖth＝−Ｒ２×ＶＥＥ１／Ｒ３
マイナス方向： Ｖth＝Ｒ２×ＶＣＣ１／（Ｒ３＋Ｒ５）
となる。

比較の結果、入力交流電圧Ｖinが基準電圧Ｖref＋Ｖthを下回る〔Ｖin＜Ｖref＋Ｖth〕ときは、コンパレータ出力電圧Ｖｃはマイナス電源１５の負電圧ＶＥＥ１（＝−ＶＣＣ１）を保っている。コンパレータ出力電圧Ｖｃが負電圧ＶＥＥ１のとき（タイミングｔ₀ 〜ｔ₁ ）、発光素子３１には有意な大きさの電流ｉ_Lが流れ、その電流値は発光素子３１のスレッショルド電流値ｉ_thを超えており、発光素子３１は駆動状態にあって点灯している。発光素子３１が点灯しているとき、その発光を受光した受光素子３２が動作し、受光素子３２が発光検出信号Ｓｄをアクティブにしてマイコン２２に出力する。アクティブな発光検出信号Ｓｄを入力したマイコン２２は発光素子３１の点灯動作を検出する。

このように発光素子３１に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_thを超え、発光素子３１が駆動されて点灯状態にあるとき、タイミングｔ₁ を起点にして、コンパレータ出力電圧Ｖｃが次第に上昇していき、それに伴って発光素子３１の低電位側端子３１ｂの電圧Ｖ_Kも上昇していくと、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lが減少し始める。この電流ｉ_Lは時間経過に伴って発光素子３１のスレッショルド電流値ｉ_th以下となり（タイミングｔ₂ ）、発光素子３１は非駆動状態へと反転動作し、消灯状態となる。その後に電流ｉ_Lは０レベルへ収束する。この過程において、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lは図６（ｃ）のように変化し、受光素子３２による発光検出信号Ｓｄは図６（ｄ）のように変化する。

マイコン２２は、入力交流電圧Ｖinの前サイクルでの発光素子３１の点灯状態から消灯状態への遷移タイミングｔ₂ から現サイクルでの遷移タイミングｔ₂ までの時間（クロックパルス数）をカウントして、入力交流電圧Ｖinの周波数を検出する。

上記において、電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉth以下となるタイミングｔ₂ はコンパレータ出力電圧Ｖｃが相当に高くて、＋ＶＣＣ１から少しだけ下がったレベルに対応し、そのときのコンパレータ出力電圧Ｖｃの傾きａ₀ はかなりの緩傾斜となっており、入力交流電圧Ｖinのゼロクロスタイミングｔ₀ より応答遅れ時間Ｔ０だけ後方にシフトしている。

特開平６−２６１５９１号公報

上記で説明した従来例の周波数検出装置にあっては、マイコン２２を用いて入力交流電圧Ｖinの周波数を検出する場合に、コンパレータ１２側の回路である一次回路１０とマイコン２２側の回路である二次回路２０とを絶縁する必要がある。すなわち、一次回路１０と二次回路２０の間に絶縁型信号伝達素子としてフォトカプラ３０が設けられる。フォトカプラ３０においては、一次回路１０から二次回路２０への応答性を良好なものとすることが必要である。

上記構成の周波数検出装置にあっては、プルアップ用の抵抗素子Ｒ５と回路パターンの寄生容量等によるＣＲ時定数のために、コンパレータ１２の出力電圧Ｖｃの特性曲線は、その傾きが立ち上がり直後で急になり、時間経過とともに次第に緩くなる波形なまりが生じてしまう（図６（ｂ）参照）。この波形なまりのために、発光素子３１の点灯状態から消灯状態への遷移タイミングｔ₂ （入力交流電圧Ｖinの周波数検出の基点）は、入力交流電圧Ｖinのゼロクロスタイミングｔ₀ からの応答遅れ時間Ｔ０が相当に長いものになってしまう（図６（ｄ）参照）。応答遅れ時間が長いと、入力交流電圧Ｖinの検出周波数に基づいたインバータ回路の制御動作の精度が劣化する。

また、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉth以下となるタイミングｔ₂ がコンパレータ出力電圧Ｖｃのかなり高い電圧レベル領域にあって、波形の傾きa
₀ が小さい部分に設定されることになるため（図６（ｂ）参照）、その部分に乗るノイズ成分の影響が相対的に大きなものとなってフォトカプラ３０が誤動作しやすい。

このような長い応答遅れ時間Ｔ０とノイズ成分の影響のために、マイコン２２によるインバータ回路の制御に誤動作が発生しやすくなる。

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、周波数検出装置として高精度な周波数検出能力が発揮されるように、発光素子などの半導体駆動素子が反転動作するタイミングの応答遅れ時間を従来例よりも短縮化するとともに、入力交流電圧に乗るノイズ成分の影響を軽減することを目的としている。

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。

本発明による周波数検出装置は、
プラス電源とマイナス電源の正負両電源で動作し、出力端子がプルアップ用の抵抗素子を介して前記プラス電源に接続されていて、入力交流電圧を基準電圧と比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力端子に低電位側端子が導通接続された半導体駆動素子およびこの半導体駆動素子と対をなす半導体被駆動素子からなる絶縁型信号伝達素子と、
前記絶縁型信号伝達素子における前記半導体被駆動素子からの出力信号を監視して前記入力交流電圧の周波数を計測する周波数計測手段とを備え、
前記半導体駆動素子の高電位側端子が前記プラス電源電圧より低い電位をもつ低電位電源に接続されていることを特徴としている。

上記の構成において、コンパレータの出力端子と半導体駆動素子の低電位側端子との関係についての「導通接続」とは、両方の端子を接続する場合に、直接的に接続する態様と、両者間に主として一方向性通電素子（ダイオード）など何らかの回路要素を介在させる状態で間接的に接続する態様の双方を含めた接続態様のことをいう。また、絶縁型信号伝達素子の構成要素である「半導体駆動素子」、「半導体被駆動素子」とは、それぞれ上記従来例を参照すればフォトカプラにおける発光素子、受光素子に対応するものであるが、さらにはそれらを包括するより広義の概念、すなわち、それぞれ半導体で構成され、電気的な絶縁状態で空間的に対向配置され、一方の駆動素子が送信する信号を他方の被駆動素子が受信するように構成されたもの一般を指す。

絶縁型信号伝達素子における一次回路側の半導体駆動素子は、その低電位側端子がコンパレータの出力端子側に導通接続されているとともに、その高電位側端子がプラス電源電圧より低い電位をもつ低電位電源に接続されている。半導体駆動素子の動作状態は、その低電位側端子の電圧Ｖ_Kの変化に応じて変化する。この低電位側端子の電圧Ｖ_Kはコンパレータの出力電圧Ｖｃの変化に応じて変化するので、半導体駆動素子の動作状態は、そのコンパレータの出力電圧Ｖｃの変化に応じて変化する。

コンパレータの出力電圧Ｖｃに乗るノイズ成分による影響は、コンパレータ出力電圧Ｖｃの立ち上がりの終末段階（平坦化に移る段階）で電圧レベルの高いところ（緩傾斜部）では大きく、コンパレータ出力電圧Ｖｃの立ち上がりの初期段階で電圧レベルが低いところ（急傾斜部）では小さい。急傾斜部では単位時間当たりの電圧の変化率（上昇率）がノイズ成分の変化率に比べて相対的に大きく、ノイズ成分の変化が目立たなくなるからである（コンパレータ出力電圧Ｖｃの上昇分にノイズ成分が埋もれてしまう）。したがって、半導体駆動素子の動作状態が反転するタイミングは、コンパレータ出力電圧Ｖｃの立ち上がりの終末段階（平坦化に移る段階、緩傾斜部）よりは立ち上がりの初期段階（急傾斜部）の方がより好ましい。応答遅れ時間がより小さいからである。

コンパレータ出力電圧Ｖｃの増・減の方向は、半導体駆動素子に流れる電流の減・増の方向に対応する。つまり、増・減の方向性が互いに逆となっている。コンパレータ出力電圧Ｖｃが立ち上がる過程において、電圧レベルがある一定値を超えると、半導体駆動素子に流れる電流ｉ_Lが半導体駆動素子のスレッショルド電流値ｉ_th以下となり、半導体駆動素子は駆動状態から非駆動状態へと反転する。

ここで、半導体駆動素子に充分な電流が流れている状態から流れが遮断される状態への過程での動作を調べる。

半導体駆動素子に流れる電流ｉ_Lが充分に大きい状態では、半導体駆動素子は駆動状態にある。このような状態から半導体駆動素子に流れる電流ｉ_Lが減少して半導体駆動素子のスレッショルド電流値ｉ_th以下になったとき、半導体駆動素子はそれまでの駆動状態から非駆動状態へと反転動作する。

（１）このとき、高電位側端子の電圧Ｖ_Aを下げて、例えば０レベルにしたとする。すると、半導体駆動素子に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_th以下になるタイミングは、高電位側端子の電圧Ｖ_Aが高い場合に比べて高電位側端子の電圧Ｖ_Aが低い場合の方が、時間的により前方側（より早い側）にシフトする。よって、半導体駆動素子がその駆動状態から非駆動状態へと反転動作するタイミングは、より早くなる。つまり、入力交流電圧と基準電圧との比較の結果としてコンパレータの出力電圧Ｖｃが反転動作して立ち上がりを開始したタイミングからの応答遅れ時間は、高電位側端子の電圧Ｖ_Aが高い場合に比べて高電位側端子の電圧Ｖ_Aが低い場合の方がより短いものとなる。

（２）さらに高電位側端子の電圧Ｖ_Aを下げて、例えば−Ｖ_m （Ｖ_m ＞０）にしたとする。このケースでは、半導体駆動素子がその駆動状態から非駆動状態へと反転動作するタイミングは、さらに早くなり、応答遅れ時間は一層短くなる。

本発明によれば、半導体駆動素子の高電位側端子をプラス電源電圧より低い電位をもつ低電位電源に接続してあるので、半導体駆動素子が反転動作するタイミングの応答遅れ時間を従来例よりも短縮化できるとともに、ノイズ成分の影響を軽減することができる。その結果として、検出周波数に基づいた蓄電パワコンシステムなどの系統連系制御を高精度なものにすることができる。

本発明の第１の実施例における周波数検出装置の構成を示す回路図 本発明の第１の実施例における周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート） 本発明の第２の実施例における周波数検出装置の構成を示す回路図 本発明の第２の実施例における周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート） 従来例の周波数検出装置の構成を示す回路図 従来例の周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート）

上記構成の本発明の周波数検出装置には、次のようないくつかの好ましい態様がある。

前記の絶縁型信号伝達素子としては、半導体駆動素子が発光素子かつ半導体被駆動素子が受光素子のフォトカプラとして構成されているものが好ましい態様の一つである。この場合に、発光素子としては発光ダイオード（ＬＥＤ）があり、受光素子としてはフォトトランジスタがある。

また、前記の半導体駆動素子の低電位側端子について、この低電位側端子が一方向性通電素子を介してコンパレータの出力端子に接続されている構成は好ましい態様の一つである。この場合に、一方向性通電素子としてはダイオードがある。この一方向性通電素子は、絶縁型信号伝達素子における半導体駆動素子（発光素子）の逆耐圧に問題があるときの有効な解決策となる。もし、問題がないのであれば省略することも可能である。

以下、上記構成の本発明の周波数検出装置につき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。

以下、本発明にかかわる周波数検出装置の実施例を詳細に説明する。

〔第１の実施例〕
図１は本発明の第１の実施例における周波数検出装置の構成を示す回路図、図２は第１の実施例における周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート）である。第１の実施例は「ＶＣＣ１より低い電位をもつ低電位電源」（ＥＬ）を一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子とするものである。

図１において、１０は一次回路、２０は二次回路、１１は交流入力端子、１２はコンパレータ（比較器）、１３は一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子、１４は正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源、１５は負電圧ＶＥＥ１のマイナス電源、１６は一方向性通電素子としての逆流防止用のダイオード、２１は正電圧＋ＶＣＣ２のプラス電源、２２は周波数計測手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）、２３は二次側のグランド（ＧＮＤ２）端子、３０は絶縁型信号伝達素子としてのフォトカプラ、３１は半導体駆動素子としての発光素子（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ））、３２は半導体被駆動素子としての受光素子（例えばフォトトランジスタ）である。

コンパレータ１２は、正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４と、負電圧ＶＥＥ１のマイナス電源１５との正負両電源で動作する。マイナス電源１５の負電圧ＶＥＥ１とプラス電源１４の正電圧＋ＶＣＣ１との関係は、通常は、絶対値が互いに等しく、正負の符号が互いに逆の、ＶＥＥ１＝−ＶＣＣ１となっている。ただし、負電圧ＶＥＥ１は、その絶対値が正電圧＋ＶＣＣ１の電圧値と異なっていてもかまわない。

コンパレータ１２は、その反転入力端子（−）が抵抗素子Ｒ１を介して一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３に接続され、その非反転入力端子（＋）が抵抗素子Ｒ２を介して交流入力端子１１に接続されている。交流入力端子１１は、例えば系統電源（商用電源）からの入力交流電圧Ｖinを入力するようになっている。コンパレータ１２の出力端子は非反転入力端子（＋）に対して抵抗素子Ｒ３を介して正帰還接続されている。コンパレータ１２の出力端子はプルアップ用の抵抗素子Ｒ５を介して正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４に接続されている。コンパレータ１２は、交流入力端子１１に入力される入力交流電圧である入力交流電圧Ｖinを反転入力端子（−）に印加される基準電圧Ｖref＋Ｖthと比較し、入力交流電圧Ｖinが基準電圧Ｖref＋Ｖth以上のときは出力端子に＋ＶＣＣ１の“Ｈ”レベル信号を出力し、入力交流電圧Ｖinが基準電圧Ｖref＋Ｖthより低いときは出力端子にＶＥＥ１（＝−ＶＣＣ１）の“Ｌ”レベル信号を出力するようになっている。この関係で、コンパレータ１２からの出力電圧の波高値は２・ＶＣＣとなる。

絶縁型信号伝達素子としてのフォトカプラ３０における半導体駆動素子である発光素子３１は、その高電位側端子（アノード）３１ａが抵抗素子Ｒ４を介して一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３に接続されている。よって、本実施例では、「半導体駆動素子の高電位側端子」に相当する発光素子３１の高電位側端子３１ａが接続されるところの、「ＶＣＣ１より低い電位をもつ低電位電源」ＥＬが一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３となっている（低電位電源ＥＬの電位はＧＮＤレベルである）。この点において、従来例との比較で本実施例の特徴がある。また、この構成に伴って、発光素子３１の低電位側端子（カソード）３１ｂが一方向性通電素子としての逆流防止用のダイオード１６を介してコンパレータ１２の出力端子に接続されている。逆流防止用のダイオード１６は、そのアノードが発光素子３１の低電位側端子３１ｂに接続され、そのカソードがコンパレータ１２の出力端子に接続されている。逆流防止用のダイオード１６のアノードと発光素子３１の低電位側端子３１ｂとの接続点が抵抗素子Ｒ６を介して一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３に接続されている。

絶縁型信号伝達素子としてのフォトカプラ３０における半導体被駆動素子である受光素子３２は、その正負の電源端子が正電圧＋ＶＣＣ２のプラス電源２１と二次側のグランド（ＧＮＤ２）端子２３との間に接続され、その信号出力端子がマイコン２２の周波数検出用の入力端子に接続されている。マイコン２２は、フォトカプラ３０における受光素子３２からの出力信号を監視して、交流入力端子１１からの入力交流電圧Ｖinの周波数を計測する周波数計測手段の機能を有している。

この周波数検出装置における一次回路１０には交流入力端子１１、コンパレータ１２、逆流防止用のダイオード１６、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ６およびフォトカプラ３０における発光素子３１が含まれ、二次回路２０にはフォトカプラ３０における受光素子３２およびマイコン２２が含まれている。

この第１の実施例の周波数検出装置は、図５に示した従来例の周波数検出装置との対比において、次の３点で変更がなされている。すなわち、第一に、発光素子３１の高電位側端子３１ａが抵抗素子Ｒ４を介して接続される先である低電位電源ＥＬが、従来例の正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源１４から本実施例の一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３に変更されている。第二に、発光素子３１の低電位側端子３１ｂとコンパレータ１２の出力端子との間に逆流防止用のダイオード１６が挿入されている。第三に、発光素子３１の低電位側端子３１ｂと一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３との間に抵抗素子Ｒ６が挿入されている。

次に、上記のように構成された第１の実施例の周波数検出装置の動作を図２の波形図（タイミングチャート）を用いて説明する。図２（ａ）は交流入力端子１１からの入力交流電圧Ｖinの波形、図２（ｂ）はコンパレータ１２からの出力電圧Ｖｃの波形、図２（ｃ）は発光素子３１に流れる電流ｉ_Lの波形、図２（ｄ）は発光素子３１の動作状態および受光素子３２が出力する発光検出信号Ｓｄの波形である。図２（ｃ），（ｄ）において実線は本実施例の特性を表し、破線は比較のために従来例の特性（図６参照）を表す。

一次回路１０の交流入力端子１１に印加される入力交流電圧Ｖinがコンパレータ１２の非反転入力端子（＋）に入力され、反転入力端子（−）に印加される基準電圧Ｖref＋Ｖthと比較される。比較の結果、入力交流電圧Ｖinが基準電圧Ｖref＋Ｖthを下回る〔Ｖin＜Ｖref＋Ｖth〕ときは、コンパレータ出力電圧Ｖｃはマイナス電源１５の負電圧ＶＥＥ１（＝−ＶＣＣ１）を保っている。コンパレータ出力電圧Ｖｃが負電圧ＶＥＥ１（＝−ＶＣＣ１）のとき、発光素子３１には有意な大きさの電流ｉ_Lが流れ、その電流値は発光素子３１のスレッショルド電流値ｉ_thを超えており、発光素子３１は駆動状態にある。発光素子３１が駆動状態にあって点灯しているとき、その照射光を受光した受光素子３２が動作し、受光素子３２が発光検出信号Ｓｄをアクティブにしてマイコン２２に出力している。アクティブな発光検出信号Ｓｄを入力したマイコン２２は発光素子３１の点灯動作を検出している。

このように発光素子３１に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_thを超え、発光素子３１は駆動状態にある状態を起点にして、コンパレータ出力電圧Ｖｃが次第に上昇していき、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lが減少し、発光素子３１のスレッショルド電流値ｉ_th以下となって、発光素子３１は非駆動状態へと反転動作し、消灯状態となる。その直後に電流ｉ_Lは遮断される。この過程において、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lは図２（ｃ）のように変化する。

本実施例の場合の電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_th以下となるタイミングｔ₃ で発光素子３１は非駆動状態つまり消灯状態に遷移し、受光素子３２による発光検出信号Ｓｄはインアクティブとなる。

発光素子３１の点灯状態から消灯状態への遷移タイミングｔ₃ は入力交流電圧Ｖinのゼロクロスタイミングｔ₀ からの応答遅れ時間Ｔ１のところであるが、この応答遅れ時間Ｔ１は従来例の場合の応答遅れ時間Ｔ０に比べて充分に短縮化されている（Ｔ１＜Ｔ０）。

以上のように、本第１の実施例においては、フォトカプラ３０における発光素子３１の高電位側端子３１ａの接続先の低電位電源ＥＬの電位がＧＮＤレベルとなっていることから、発光素子３１の点灯状態から消灯状態への遷移タイミングｔ₃ が時間的に前側にシフトしている。このことは、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_th以下となるタイミングｔ₃ をコンパレータ出力電圧Ｖｃの立ち上がり特性において比較的急峻な部分に対応させることができるということであり、コンパレータ出力電圧Ｖｃに乗るノイズ成分の影響を軽減することができる。

〔第２の実施例〕
図３は本発明の第２の実施例における周波数検出装置の構成を示す回路図、図４は第２の実施例における周波数検出装置の動作を示す波形図（タイミングチャート）である。第２の実施例は「ＶＣＣ１より低い電位をもつ低電位電源」（ＥＬ）をグランド（ＧＮＤ１）レベルよりも低い電圧レベルとするものである。

図３において、第１の実施例の図１で用いたのと同一符号は同一の構成要素を指すものとし、詳しい説明は省略する。発光素子３１の高電位側端子３１ａに接続された抵抗素子Ｒ４の接続先が第１の実施例とは異なっている。すなわち、一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３と負電圧ＶＥＥ１のマイナス電源１５との間に抵抗素子Ｒ７，Ｒ８の直列回路が接続され、両抵抗素子Ｒ７，Ｒ８の接続点に対して抵抗素子Ｒ４が接続されている。抵抗素子Ｒ７の両端間には電圧安定用にコンデンサＣ１が接続されている。このような接続構成ゆえに、発光素子３１の高電位側端子３１ａに接続された抵抗素子Ｒ４が接続される低電位電源ＥＬはグランド（ＧＮＤ１）レベルよりも低い電圧レベルとなっている。ここで低電位電源ＥＬは、一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子１３、負電圧ＶＥＥ１のマイナス電源１５、抵抗素子Ｒ７，Ｒ８およびコンデンサＣ１によって構成されている。よって、本実施例１では、「半導体駆動素子の高電位側端子」に相当する発光素子３１の高電位側端子３１ａが接続されるところの、「ＶＣＣ１より低い電位をもつ低電位電源」ＥＬは、その電位がグランド（ＧＮＤ）レベルよりも低い電位となっている。その他の構成については、第１の実施例の場合と同様である。

次に、上記のように構成された第２の実施例の周波数検出装置の動作を図４の波形図（タイミングチャート）を用いて説明する。図４（ａ），（ｂ）は図２（ａ），（ｂ）と同じである。発光素子３１に流れる電流ｉ_Lの波形を表す図４（ｃ）と発光素子３１の動作状態および受光素子３２が出力する発光検出信号Ｓｄの波形を表す図４（ｄ）において、実線は本第２の実施例の特性を表し、鎖線は第１の実施例の特性（図２参照）を表し、破線は従来例の特性（図６参照）を表す。

本第２の実施例においては、フォトカプラ３０における発光素子３１の高電位側端子３１ａの接続先の低電位電源ＥＬの電位がグランドレベルよりさらに低電位レベルとなっていることから、発光素子３１の点灯状態から消灯状態への遷移タイミングｔ₄ も第１の実施例よりもさらに時間的に前側にシフトさせている。このことは、発光素子３１に流れる電流ｉ_Lがスレッショルド電流値ｉ_th以下となるタイミングｔ₄ をコンパレータ出力電圧Ｖｃの立ち上がり特性において第１の実施例よりもさらに急峻な部分に対応させることができるということである。つまり、応答遅れ時間Ｔ２は第１の実施例の場合の応答遅れ時間Ｔ１に比べてさらに短縮化されている（Ｔ２＜Ｔ１＜Ｔ０）。もちろん、コンパレータ出力電圧Ｖｃに乗るノイズ成分の影響を軽減している。

なお、上記実施例では、発光素子３１の高電位側端子３１ａの電圧Ｖ_Aを下げるとコンパレータ出力電圧Ｖｃの低いところでフォトカプラ３０の駆動／非駆動を制御できるが、駆動時において発光素子３１に流れる電流ｉ_Lの調整のために、抵抗素子Ｒ４の抵抗値の調整が必要となる。

なお、逆流防止用のダイオード１６と抵抗素子Ｒ６はフォトカプラ３０における発光素子３１の逆耐圧が低いことに対する対策で設けてあるが、その逆耐圧に問題がない発光素子３１であれば、逆流防止用のダイオード１６と抵抗素子Ｒ６は省略することが可能である。

本発明は、蓄電パワコンシステムなどで用いられる周波数検出装置について、絶縁的に結合された一次回路と二次回路との間を中継する絶縁型信号伝達素子における発光素子などの半導体駆動素子が反転動作するタイミングの応答遅れ時間を短縮化するとともに、ノイズ成分の影響を軽減することを通じて、検出周波数に基づいた系統連系制御を高精度化する技術として有用である。

１０ 一次回路
１１ 交流入力端子
１２ コンパレータ（比較器）
１３ 一次側のグランド（ＧＮＤ１）端子
１４ 正電圧＋ＶＣＣ１のプラス電源
１５ 負電圧ＶＥＥ１のマイナス電源
１６ 逆流防止用のダイオード（一方向性通電素子）
２０ 二次回路
２１ 正電圧＋ＶＣＣ２のプラス電源
２２ マイコン（マイコンピュータ：周波数計測手段）
２３ 二次側のグランド（ＧＮＤ２）端子
３０ フォトカプラ（絶縁型信号伝達素子）
３１ 発光素子（半導体駆動素子）
３１ａ 高電位側端子（アノード）
３１ｂ 低電位側端子（カソード）
３２ 受光素子（半導体被駆動素子）
ＥＬ 低電位電源
Ｒ５ プルアップ用の抵抗素子
Ｖref＋Ｖth 基準電圧
Ｖｃ コンパレータ出力電圧
Ｖ_A 高電位側端子の電圧
Ｖ_K 低電位側端子の電圧
Ｖin 入力交流電圧

Claims (4)

1. プラス電源とマイナス電源の正負両電源で動作し、出力端子がプルアップ用の抵抗素子を介して前記プラス電源に接続されていて、入力交流電圧を基準電圧と比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力端子に低電位側端子が導通接続された半導体駆動素子およびこの半導体駆動素子と対をなす半導体被駆動素子からなる絶縁型信号伝達素子と、
   前記絶縁型信号伝達素子における前記半導体被駆動素子からの出力信号を監視して前記入力交流電圧の周波数を計測する周波数計測手段とを備え、
   前記半導体駆動素子の高電位側端子が前記プラス電源電圧より低い電位をもつ低電位電源に接続されていることを特徴とする周波数検出装置。
2. 前記絶縁型信号伝達素子は、前記半導体駆動素子が発光素子かつ前記半導体被駆動素子が受光素子のフォトカプラとして構成されている請求項１に記載の周波数検出装置。
3. 前記半導体駆動素子の低電位側端子は、一方向性通電素子を介して前記コンパレータの出力端子に接続されている請求項１または請求項２に記載の周波数検出装置。
4. 前記一方向性通電素子はダイオードである請求項３に記載の周波数検出装置。

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