JP2018082325A

JP2018082325A - 三角波生成回路、並びに、ファンモータ電流検出装置

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Publication number: JP2018082325A
Application number: JP2016223713A
Authority: JP
Inventors: 太田川; Futoshi Tagawa
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-05-24

Abstract

【課題】汎用オペアンプを用いた場合であっても生成される三角波の最高電圧及び最低電圧の周囲温度による変動を抑制できる三角波生成回路を提供する。【解決手段】積分回路とコンパレータ回路とからなる三角波生成回路２において、コンパレータ回路は、積分回路の出力電圧と比較するための基準電圧を生成してコンパレータ回路のオペアンプＯＰ３に供給する基準電圧生成回路２１を備え、オペアンプＯＰ３には正帰還抵抗を設けないものとする。基準電圧生成回路２１は、オペアンプＯＰ３がＬｏｗ出力時に基準電圧が三角波の上限値に切り替わり、オペアンプＯＰ３がＨｉｇｈ出力時には基準電圧が三角波の下限値に切り替わるよう回路構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、三角波生成回路、並びに、三角波生成回路を具備するファンモータ電流検出装置に関する。

給湯器などの燃焼機器においては燃焼用空気を燃焼部に供給するためのファンモータの駆動電流値を正確に測定することが燃焼効率の向上等のために求められている。そのためのファンモータ電流検出装置は、例えば下記の特許文献１の図７に開示されているように、ファンモータの駆動電流値を電圧信号に変換して出力する電流検出回路と、三角波生成回路（発振回路）と、三角波生成回路が出力する三角波と上記電圧信号とを比較してパルス信号を出力する比較器と、該比較器が出力するパルス信号のデューティ比に基づいてファンモータの駆動電流値を算出する制御部（マイクロコンピュータ）とを備えている。

上記従来のファンモータ電流検出装置における三角波生成回路としては、典型的には、図２に示す回路構成のものが用いられる。この典型的な三角波生成回路は、積分回路２１とヒステリシスコンパレータ回路２２とにより構成されている。

積分回路２１は、抵抗ＲとキャパシタＣとを直列接続してなるＲＣ直列回路２１ａと、オペアンプ２１ｂとから主構成される。オペアンプ２１ｂの反転入力端子は抵抗ＲとキャパシタＣとの接続部に接続され、オペアンプ２１ｂの非反転入力端子には所定の基準電圧が入力されている。オペアンプ２１ｂの出力端子はキャパシタＣの出力側端子に接続されている。

ヒステリシスコンパレータ回路２２は、積分回路２１のオペアンプ２１ｂの出力端子に入力抵抗Ｒｉを介して非反転入力端子が接続されたオペアンプ２２ａと、該オペアンプ２２ａの出力端子と非反転入力端子とを帰還抵抗Ｒｆを介して接続する正帰還回路とを備え、オペアンプ２２ａの反転入力端子には所定の基準電圧が入力されている。

したがって、積分回路２１は、Ｌｏｗ信号が入力されているとき（オペアンプ２２ａのＬｏｗ出力時）は出力電位が比例的に上昇していく。このとき、両オペアンプ２１ｂ，２２ａの出力端子間の電圧が入力抵抗Ｒｉ及び帰還抵抗Ｒｆに分圧されてオペアンプ２２ａの非反転入力端子に入力され、この入力電圧が基準電圧を超えるとオペアンプ２２ａがＨｉｇｈ出力状態に切り替わる。

また、積分回路２１は、Ｈｉｇｈ信号が入力されているとき（オペアンプ２２ａのＨｉｇｈ出力時）は出力電位が比例的に減少していき、オペアンプ２２ａの非反転入力端子の入力電圧が基準電圧未満になるとオペアンプ２２ａがＬｏｗ出力状態に切り替わる。

この動作の繰り返しによって、両オペアンプ２１ｂ，２２ａが理想オペアンプであれば、常に一定の周期及び振幅の三角波が生成されることとなる。

特開２０１６−１１８３２６号公報

しかしながら、汎用オペアンプには温度特性があり、周囲温度によって飽和電圧が変動する。上記三角波生成回路では、生成される三角波を正側にバイアスさせるために両オペアンプ２１ｂ，２２ａは片電源動作させるとともに、ヒステリシスコンパレータ回路２２のオペアンプ２２ａは、そのＨｉｇｈ出力動作時のみ飽和領域で動作する。

したがって、図３（ａ）に示すように、オペアンプ２２ａの矩形波出力パルス信号において、Ｌｏｗ出力電圧は周囲温度による変動が殆ど現れないのに対し、Ｈｉｇｈ出力電圧は周囲温度変化によって比較的大きく変動し（温度ドリフト）、例えば０．１〜０．５Ｖ程度変動する場合がある。なお、積分回路２１のオペアンプ２１ｂのＨｉｇｈ出力電圧変動は、積分回路２１のキャパシタＣの充電速度にも影響し、生成される三角波の周期やオペアンプ２２ａが出力する矩形波パルス信号の周期も変動することとなるが、最終的にデューティ比に基づく演算を行う場合には周期変動自体は無視できるので、図３においては本発明の課題の把握を容易にするために周期を揃えて図示している。

オペアンプ２２ａのＨｉｇｈ出力電圧が大きくなると、自身がＬｏｗ出力状態に切り替わるときの積分回路２１の出力電圧（最低電圧）が図３（ｂ）に示すように低くなる。その結果、ファンモータ検出装置の比較器の出力パルスのデューティ比が、高温時には図３（ｃ）に示すように比較的小さく、低温時には図３（ｄ）に示すように比較的大きくなってしまい、ファンモータ電流値の正確な検出が困難になるという問題がある。

オペアンプとして温度ドリフトのないゼロドリフトアンプも存在するが、製品選択肢が限定されるとともにコスト増の要因になるという問題がある。

そこで、本発明は、汎用オペアンプを用いた場合であっても生成される三角波の最高電圧及び最低電圧の周囲温度による変動を抑制できる三角波生成回路を提供することを目的とする。さらに本発明は、ファンモータ電流値の検出精度を一層向上できるファンモータ電流検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明は、第１のオペアンプを備える積分回路と、第２のオペアンプを備えるコンパレータ回路とを備え、前記積分回路は、第２のオペアンプがＬｏｗ出力時に前記積分回路の出力電圧が比例的に上昇していくとともに第２のオペアンプがＨｉｇｈ出力時に前記積分回路の出力電圧が比例的に減少していくよう構成され、第２のオペアンプは、前記積分回路の出力電圧が所定の上限値まで上昇するとＨｉｇｈ出力となるとともに前記積分回路の出力電圧が所定の下限値まで減少するとＬｏｗ出力状態となるよう構成されて、前記下限値から前記上限値まで振幅する三角波を前記積分回路が生成出力する三角波生成回路において、前記コンパレータ回路は、前記積分回路の出力電圧と比較するための基準電圧を生成して第２のオペアンプに供給する基準電圧生成回路をさらに備え、該基準電圧生成回路は、第２のオペアンプがＬｏｗ出力時に前記基準電圧が前記上限値に切り替わり、第２のオペアンプがＨｉｇｈ出力時には前記基準電圧が前記下限値に切り替わるよう回路構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明の三角波生成回路によれば、コンパレータ回路の第２のオペアンプに供給する基準電圧自体を上限値又は下限値に切り替えることによって第２のオペアンプに矩形波パルスを出力させる構成としたので、該矩形波パルスのＨｉｇｈ状態及び／又はＬｏｗ状態の電圧が周囲温度によって変動したとしても、かかる第２のオペアンプの出力電圧（特に飽和電圧）の変動が第２のオペアンプにおける基準電圧との比較に影響を与えず、基準電圧生成回路が出力する上限値及び下限値の範囲でより正確に振幅する三角波を生成出力することができる。したがって、第２のオペアンプが単電源動作するものであって、Ｈｉｇｈ出力時の出力電圧の絶対値がＬｏｗ出力時の出力電圧の絶対値よりも大きいことによって、Ｈｉｇｈ出力時に温度ドリフトが大きくなるような場合に、積分回路が出力する三角波に温度ドリフトの影響が出ることを回避することができる。

なお、本発明では第２のオペアンプの基準電圧自体を切り替えるものであるから、第２のオペアンプからなるコンパレータ回路にヒステリシスは基本的には不要であるが、何らかの別の目的のために（例えば、単なる侵害回避の目的など）、比較的大きな正帰還抵抗と比較的小さな入力抵抗とが第２のオペアンプの非反転入力端子に接続されていてもよい。

上記本発明の三角波生成回路において、好ましくは、前記基準電圧は第２のオペアンプの反転入力端子に入力され、前記積分回路の出力電圧は第２のオペアンプの非反転入力端子に入力され、第２のオペアンプの正帰還抵抗は設けられていないものとすることができる（請求項２）。これによれば、周囲温度による第２のオペアンプの出力電圧変動の影響を可及的に小さくすることができる。

なお、積分回路の構成は従来周知のものであって、抵抗及びキャパシタを直列に接続してなるＲＣ直列回路に、キャパシタへの又はキャパシタからの充放電電流量を一定にするための上記第１のオペアンプを接続したものである。この第１のオペアンプの反転入力端子はＲＣ直列回路の抵抗とキャパシタとの接続部に接続され、第１のオペアンプの出力端子はＲＣ直列回路のキャパシタの出力側に接続される。第１のオペアンプの非反転入力端子には、第２のオペアンプのＬｏｗ出力電圧よりも高くＨｉｇｈ出力電圧よりも低い所定の基準電圧が入力される。また、第１のオペアンプも単電源動作するものであってよく、これによれば負電源が不要となって電源回路の回路構成の簡素化、コスト低減を図ることができる。

また、前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧を前記上限値及び前記下限値のいずれかに切り替えるためのスイッチング素子と、第２のオペアンプの出力電圧を分圧してなる駆動電圧信号を生成して前記スイッチング素子に供給する分圧回路（第１の分圧回路）とを備えることができる（請求項３）。これによれば、スイッチング素子のスイッチング動作によって基準電圧を切り替えることができ、回路構成の簡素化、コスト低減を図ることができる。さらに、第２のオペアンプの出力電圧をそのままスイッチング素子に駆動電圧信号として供給するのではなく、分圧回路によって分圧してなる駆動電圧信号を生成することによって、消費電力の低減や、スイッチング動作による第２のオペアンプの出力電圧の乱れなどを抑制できる。

なお、基準電圧生成回路は適宜の回路構成とすることができるが、好ましくは、電源電圧を分圧して基準電圧を生成する第２の分圧回路を備えることができる。この第２の分圧回路は、第１の抵抗器と、該第１の抵抗器の負側に直列に接続された第２の抵抗器とを備え、第１の抵抗器と第２の抵抗器との接続部から基準電圧が出力されるよう構成できる。さらに、第２の分圧回路は、第２の抵抗器に並列に接続された第３の抵抗器を備え、該第３の抵抗器に上記スイッチング素子を直列に接続することができる。これによれば、スイッチング素子のオフ動作時（オープン時）は、第３の抵抗器は無効化されて、第１及び第２の抵抗器により分圧された基準電圧（上限値）が出力される。一方、スイッチング素子のオン動作時（ショート時）は、第３の抵抗器が有効化され、第２及び第３の抵抗器の並列合成抵抗と、第１の抵抗器の抵抗とによって電源電圧が分圧されることとなるため、スイッチング素子のオフ動作時よりも分圧された基準電圧が低くなって、これにより上記下限値が基準電圧として出力されるよう構成できる。

また、本発明は、上記本発明の三角波生成回路を具備するファンモータの駆動電流検出装置として構成できる。すなわち、本発明のファンモータの駆動電流検出装置は、ファンモータと、該ファンモータの駆動電流値を電圧信号に変換して出力する電流検出回路と、該電流検出回路が出力する電圧信号と前記三角波生成回路が出力する三角波との比較により矩形波パルス信号を出力する比較器と、該比較器が出力する矩形波パルス信号のデューティ比に基づいてファンモータの駆動電流値を算出する演算部とを備えることを特徴とするものである（請求項４）。かかる本発明のファンモータ駆動電流検出装置によれば、比較器が出力する矩形波パルス信号のデューティ比への周囲温度の影響が小さく、より正確にファンモータ駆動電流を検出できる。

以上説明したように、本発明によれば、汎用オペアンプを用いた場合であっても生成される三角波の最高電圧及び最低電圧の周囲温度による変動を抑制できる三角波生成回路を提供でき、かかる三角波生成回路を用いることによってファンモータ電流値の検出精度を一層向上できる。

本発明の一実施形態に係るファンモータ電流検出装置の回路図である。従来の三角波生成回路の回路図である。従来の三角波生成回路の２つのオペアンプの出力波形、並びに、低温時及び高温時の電流検出パルス波形を示す波形図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るファンモータ電流検出装置を示しており、該ファンモータ電流検出装置は、ファンモータＭと、ファンモータＭの駆動電流値Ｉｄを電圧信号Ｖｉに変換して出力する電流検出回路１と、三角波Ｖｔを生成出力する三角波生成回路２と、上記電圧信号Ｖｉと上記三角波Ｖｔとの比較により矩形波パルス信号Ｖｐ（電流検出パルス信号）を出力する比較器ＯＰ４と、該比較器ＯＰ４が出力する矩形波パルス信号Ｖｐのデューティ比に基づいてファンモータＭの駆動電流値Ｉｄを算出する演算部３とを備えている。なお、比較器ＯＰ４が出力する矩形波パルス信号Ｖｐは、フォトカプラ４を介して演算部３に信号伝達されるよう構成されている。演算部３に入力される状態では、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗが逆となっていてもよいし、比較器ＯＰ４の出力と同じであってもよい。

演算部３は、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）によって構成でき、矩形波パルス信号Ｖｐのオン時間若しくはオフ時間の比率（オンデューティ若しくはオフデューティ）を検出し、当該比率に基づいて駆動電流値Ｉｄを演算により求めるよう構成できる。

電流検出回路１は、適宜の構成であってよいが、図示例の回路について説明すると、ファンモータＭに直列に接続された電流検出抵抗Ｒ１を備えている。この抵抗Ｒ１の負極側はグラウンドＧＮＤに接続され、抵抗Ｒ１の正極側はオペアンプＯＰ１の負電源端子に接続されている。電流検出抵抗Ｒ１にファンモータ電流Ｉｄが流れると、オペアンプＯＰ１の負電源端子を基準とすると電流検出抵抗Ｒ１の負極側にファンモータ電流Ｉｄに比例する負電圧が生じる。かかる負電圧は、抵抗Ｒ２及びキャパシタＣ１からなるローパスフィルタを介してオペアンプＯＰ１の反転入力端子の入力抵抗Ｒ３に供給されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子は負帰還抵抗Ｒ４を介して出力端子に接続され、これによりオペアンプＯＰ１は反転増幅回路として動作し、入力抵抗Ｒ３及び負帰還抵抗Ｒ４によって規定される増幅度で電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧を増幅して出力する。なお、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、電源電圧を抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧してなる基準電圧が入力されている。また、オペアンプＯＰ１の出力端子には、抵抗Ｒ７及びキャパシタＣ２からなるローパスフィルタが設けられている。

三角波生成回路２は、抵抗Ｒ８及びキャパシタＣ３を直列接続してなるＲＣ直列回路と第１のオペアンプＯＰ２とから主構成される積分回路と、第２のオペアンプＯＰ３から主構成されるコンパレータ回路とから構成されている。

積分回路は、抵抗Ｒ８が入力部となり、キャパシタＣ３が出力部となり、キャパシタＣ３から所定の下限値と所定の上限値との間で振幅する三角波が生成出力される。積分回路のオペアンプＯＰ２は、正電源端子が正電源Ｖｃｃに接続されるとともに負電源端子がグラウンドに接続されて単電源動作するものである。オペアンプＯＰ２の反転入力端子は抵抗Ｒ８とキャパシタＣ３との接続部に接続されている。オペアンプＯＰ２の非反転入力端子には、電源電圧（例えば１２Ｖ）を抵抗Ｒ１０，Ｒ１１からなる分圧回路によって分圧してなる所定の基準電圧（例えば６Ｖ）が入力されている。オペアンプＯＰ２の出力端子は、キャパシタＣ３の出力側に接続されている。なお、図示例では、抵抗Ｒ９及びキャパシタＣ４からなるローパスフィルタを介してオペアンプＯＰ２の出力端子がキャパシタＣ３に接続されている。

コンパレータ回路のオペアンプＯＰ３は、正電源端子が正電源Ｖｃｃに接続されるとともに負電源端子がグラウンドに接続されて単電源動作するものである。オペアンプＯＰ３の非反転入力端子は、積分回路の出力部（すなわちキャパシタＣ３の出力側端子）に接続され、これにより積分回路の出力電圧がオペアンプＯＰ３の非反転入力端子に入力されるようになっている。また、コンパレータ回路のオペアンプＯＰ３の反転入力端子には、基準電圧生成回路２１が生成する基準電圧が入力されており、積分回路の出力電圧が基準電圧より大きいときはオペアンプＯＰ３はほぼ正電源Ｖｃｃの電圧の飽和電圧をＨｉｇｈ信号として出力し、積分回路の出力電圧が基準電圧より小さいときはオペアンプＯＰ３はほぼ０ＶをＬｏｗ信号として出力する。また、オペアンプＯＰ３の出力端子は、積分回路の入力部（すなわち、抵抗Ｒ８の入力側端子）に接続されている。

基準電圧生成回路２１は、積分回路の出力電圧と比較するための基準電圧を生成してコンパレータ回路のオペアンプＯＰ３に供給するものであって、オペアンプＯＰ３がＬｏｗ出力時に基準電圧が前記上限値に切り替わり、オペアンプ３がＨｉｇｈ出力時には基準電圧が前記下限値に切り替わるよう回路構成されている。

図１に示す回路例においては、基準電圧生成回路２１は、出力する基準電圧を前記上限値及び前記下限値のいずれかに切り替えるためのスイッチング素子Ｑ１と、オペアンプＯＰ３の出力電圧を分圧してなる駆動電圧信号を生成してスイッチング素子Ｑ１に供給する第１の分圧回路とを備えており、第１の分圧回路は直列接続された２つの抵抗器Ｒ１３，Ｒ１４により構成されている。

また、基準電圧生成回路２１は、電源電圧を分圧して基準電圧を生成する第２の分圧回路を備え、該第２の分圧回路は、第１の抵抗器Ｒ２０と、第１の抵抗器Ｒ２０の負側に直列に接続された第２の抵抗器Ｒ２１と、該第２の抵抗器Ｒ２１と並列に接続された第３の抵抗器Ｒ１２とを備えており、基準電圧は、第１の抵抗器Ｒ２０と第２及び第３の抵抗器Ｒ２１，Ｒ１２との接続部から出力されるようになっている。

上記スイッチング素子Ｑ１は、第３の抵抗器Ｒ１２を設けた並列回路内で第３の抵抗器Ｒ１２と直列に接続されており、これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフ動作（オープン時）すると、第３の抵抗器Ｒ１２を設けた並列回路が遮断されて該抵抗器Ｒ１２が無効化され、第１の抵抗器Ｒ２０と第２の抵抗器Ｒ２１とにより分圧された基準電圧が出力される。一方、スイッチング素子Ｑ１がオン動作（ショート時）すると、第３の抵抗器Ｒ１２が有効化され、第２及び第３の抵抗器Ｒ２１，Ｒ１２の並列合成抵抗と、第１の抵抗器Ｒ２０とによって電源電圧が分圧されてなる基準電圧が出力される。したがって、スイッチング素子Ｑ１のオン動作時は、オフ動作時よりも出力される基準電圧が低くなる。そして、スイッチング素子Ｑ１のオン動作時は三角波の下限値（最低電圧）が基準電圧として出力され、オフ動作時は三角波の上限値（最高電圧）が基準電圧として出力されるよう第１〜第３の抵抗器Ｒ２０，Ｒ２１，Ｒ１２の抵抗値が設定されている。

なお、スイッチング素子Ｑ１としてはｎｐｎ型バイポーラトランジスタを例示しているが、異なる種類の複数のスイッチング素子を組み合わせることで同等の動作を行うよう構成することもできる。また、第２の分圧回路の回路構成も適宜変更でき、例えば、スイッチング素子Ｑ１がオフ動作すると下限値が基準電圧として出力され、オン動作すると上限値が基準電圧として出力されるよう構成することもできる。

本実施形態に係る三角波生成回路２並びにファンモータ電流検出装置によれば、周囲温度が変化してオペアンプＯＰ２，ＯＰ３の飽和電圧に温度ドリフトが生じても、三角波生成回路２が出力する三角波の上限値並びに下限値が予め設定した値となるよう発振動作させることができ、電流検出回路が出力する電圧信号と三角波の比較によって得られる矩形波パルス信号のデューディ比が、周囲温度の変動の影響を受けなくなるため、より正確にファンモータ電流を検出可能となる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、上記実施形態ではファンモータ電流検出装置に本発明を適用したが、三角波の振幅の正確性が要求される適宜の装置乃至回路における三角波生成回路に適用可能である。

１電流検出回路
２三角波生成回路
２１基準電圧生成回路
３演算部
ＯＰ２第１のオペアンプ
ＯＰ３第２のオペアンプ
ＯＰ４比較器
Ｑ１スイッチング素子
Ｒ１３，Ｒ１４第１の分圧回路
Ｒ２０，Ｒ２１，Ｒ１２第２の分圧回路

Claims

第１のオペアンプを備える積分回路と、第２のオペアンプを備えるコンパレータ回路とを備え、前記積分回路は、第２のオペアンプがＬｏｗ出力時に前記積分回路の出力電圧が比例的に上昇していくとともに第２のオペアンプがＨｉｇｈ出力時に前記積分回路の出力電圧が比例的に減少していくよう構成され、第２のオペアンプは、前記積分回路の出力電圧が所定の上限値まで上昇するとＨｉｇｈ出力となるとともに前記積分回路の出力電圧が所定の下限値まで減少するとＬｏｗ出力状態となるよう構成されて、前記下限値から前記上限値まで振幅する三角波を前記積分回路が生成出力する三角波生成回路において、
前記コンパレータ回路は、前記積分回路の出力電圧と比較するための基準電圧を生成して第２のオペアンプに供給する基準電圧生成回路をさらに備え、該基準電圧生成回路は、第２のオペアンプがＬｏｗ出力時に前記基準電圧が前記上限値に切り替わり、第２のオペアンプがＨｉｇｈ出力時には前記基準電圧が前記下限値に切り替わるよう回路構成されていることを特徴とする三角波生成回路。
請求項１に記載の三角波生成回路において、前記基準電圧は第２のオペアンプの反転入力端子に入力され、前記積分回路の出力電圧は第２のオペアンプの非反転入力端子に入力され、第２のオペアンプの正帰還抵抗は設けられていないことを特徴とする三角波生成回路。
請求項１又は２に記載の三角波生成回路において、前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧を前記上限値及び前記下限値のいずれかに切り替えるためのスイッチング素子と、第２のオペアンプの出力電圧を分圧してなる駆動電圧信号を生成して前記スイッチング素子に供給する分圧回路とを備えていることを特徴とする三角波生成回路。
請求項１，２又は３に記載の三角波生成回路と、ファンモータと、該ファンモータの駆動電流値を電圧信号に変換して出力する電流検出回路と、該電流検出回路が出力する電圧信号と前記三角波生成回路が出力する三角波との比較により矩形波パルス信号を出力する比較器と、該比較器が出力する矩形波パルス信号のデューティ比に基づいてファンモータの駆動電流値を算出する演算部とを備える、ファンモータ駆動電流検出装置。