JP2019056659A - 交流制御回路構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路素子構成により小型で低価格な交流制御回路構造体を実現し、電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる。【解決手段】発光ダイオードと受光素子からなるフォトカプラと、交流信号を取得する交流信号取得部と、第一閾値の大きさが後記する第二閾値より相対的に小さく、第二閾値が前記第一閾値の大きさより相対的に大きい場合に、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧の大きさより大きく、第二閾値電圧の大きさより小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、前記第二閾値よりも取得した交流信号電圧の絶対値が大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力する閾値検出部と、閾値検出部のＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じてフォトカプラの発光ダイオード両端電圧を０とする発光ダイオードスイッチング部と、フォトカプラの受光素子側の信号である交流信号情報を取得する交流信号情報取得部と、からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、交流制御回路構造体に関し、特に電力調整器に好適な交流制御回路構造体に関する。

従来、交流電圧電源を制御するため、交流制御回路構造体が使用されている。このような交流制御回路構造体を用いてサイリスタ位相制御により電力調整を行う電力調整装置がある。このサイリスタ位相制御では、半サイクル毎に、点弧角（位相角）のタイミングを調整して、電力を連続的に制御するものである。

このような電力調整装置では、点弧角のタイミングの基準となる電源電圧のゼロクロスポイントや瞬間停電の検出を行うための信号（同期信号）の検出のために電源側と検出側との間でトランス（降圧トランス）を用いて信号授受が行われているが、装置が大型化してしまうという問題がある。装置の小型化のため、光半導体（フォトカプラ）を用いたものが開発されている。しかし、フォトカプラを用いる場合は、ゼロクロスポイントの検出は容易であるが、瞬間停電情報（電圧の低下の情報）を得ることが難しかった。フォトカプラを用いた場合は、精度に問題があるので、高精度な電力制御にはトランスが用いられることが多かった。

サイリスタ式交流電力調整装置において、プラス側、マイナス側個別に設けられたフォトカプラ又はトランスからなる同期信号検出器と、微小電力時における前の半サイクルのパルスが後の半サイクルへのゼロクロスポイントまで残った場合に、不要なパルスの残りを遮断し必要なトリガ信号のみを伝達させるトリガ信号伝達ゲートを具備し、トリガ信号伝達ゲートは、正方向、逆方向の同期信号によって駆動されるように構成したものが挙げられる（特許文献1）。

他の例としては、発光ダイオードと受光トランジスタとからなるフォトカプラを用いてゼロクロスを検知するゼロクロス検知回路とそのゼロクロス検知回路を備えた電力調整器が挙げられる（特許文献２）。

他の例としては、降圧トランスを用いた電力制御装置が挙げられる（特許文献３）。

特開２０１０−２６２３７８号公報 特開２００５−２３５１２５号公報 特開２０１２−２５７４３８号公報

しかし、特許文献１では、フォトカプラの受光素子側を制御するものであり、フォトカプラの発光ダイオード側を制御することについては考慮されていなかった。

また、特許文献２では、特許文献１と同様にフォトカプラの受光素子側を制御するものであり、フォトカプラの発光ダイオード側を制御することについては考慮されていなかった。

特許文献３では、電力制御装置の交流電源回路の絶縁に降圧トランスが用いられていたので、装置が大型化するという問題があった。

本発明の目的は、簡単な回路素子構成により小型で低価格な回路構造体を実現し、電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる交流制御回路構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明において、以下の交流制御回路構造体を提供する。すなわち、第一の発明として、交流信号情報を後記する交流信号取得部を構成する回路から直流的及び交流的に絶縁し同回路外に伝達するための発光ダイオードと受光素子からなるフォトカプラと、交流信号を取得する交流信号取得部と、閾値電圧の絶対値の大きさである第一閾値の大きさが後記する第二閾値より相対的に小さく、閾値電圧の絶対値の大きさである第二閾値が前記第一閾値の大きさより相対的に大きい場合に、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧の大きさより大きく、第二閾値電圧の大きさより小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、前記第二閾値よりも取得した交流信号電圧の絶対値が大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号（前記ＯＮ信号又はＯＦＦ信号と同順）を出力する閾値検出部と、閾値検出部のＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じてフォトカプラの発光ダイオード両端電圧を０とする発光ダイオードスイッチング部と、フォトカプラの受光素子側の信号である交流信号情報を取得する交流信号情報取得部と、からなる（請求項１対応）。

前記特徴に加え、前記第一閾値は、電圧値が０である（請求項２対応）。

前記特徴に加え、前記閾値検出部は、取得した交流信号電圧がプラスで第一閾値よりも大きく、プラス側第二閾値よりも小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、取得した交流信号電圧がプラスで第二閾値よりも大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力し、
取得した交流電圧がマイナスで第一閾値よりも小さくマイナス側第二閾値（絶対値はプラス側第二閾値と同じ）よりも大きい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、取得した交流電圧がマイナスで第二閾値よりも小さい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力する（請求項３対応）。

前記特徴に加え、前記発光ダイオードスイッチング部は、発光ダイオードに並列に配置された抵抗が略０オームのバイパス回路を構成する（請求項４対応）。

前記特徴に加え、電源回路をさらに有し、交流信号取得部は前記電源回路からの交流信号を取得する電源回路交流信号取得手段を有する（請求項５対応）。

前記特徴に加え、交流信号情報取得部から取得する前記発光ダイオードのＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長を用いて取得した交流信号の振幅を算出する振幅算出部をさらに有する（請求項６対応）。

前記特徴に加え、投入電力を調整するための情報である電力調整情報を保持する電力調整情報保持部と、振幅算出部が算出した振幅と、保持されている電力調整情報とに基づいて電源回路からの電源波のＯＮとＯＦＦのタイミングを制御する電源制御部をさらに有する（請求項７対応）。

上述した構成によれば、簡単な回路素子構成により小型で低価格な回路構造体を実現し、電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる交流制御回路構造体を提供することができる。

実施形態１の交流制御回路構造体の機能ブロック図 実施形態１の交流制御回路構造体の処理フローチャート 実施形態２の交流制御回路構造体の機能ブロック図 実施形態３の交流制御回路構造体の機能ブロック図 実施形態３の交流制御回路構造体の処理フローチャート 実施形態４の交流制御回路構造体の機能ブロック図 実施形態４の交流制御回路構造体の処理フローチャート 実施形態５の交流制御回路構造体の機能ブロック図 実施形態５の交流制御回路構造体の処理フローチャート 実施形態５の交流制御回路構造体の回路例を示す図 図１０における交流制御回路構造体の回路の信号波形を示す図 交流電源波形の振幅と時間軸に対するフォトカプラのＶ１出力波形を示す図 実施形態を電力調整器に適用した例を説明するための図

以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。
＜実施形態１＞

実施形態１は、主として請求項１、請求項２、請求項３に対応している。
＜実施形態１ 概要＞

交流電源の正弦波信号と、予め定められた第一閾値と第二閾値とを比較し、第一閾値と第二閾値と正弦波信号の絶対値の大小によりＯＮ信号又はＯＦＦ信号をフォトカプラの発光ダイオードから出力し、電源制御情報として利用するように構成し、特にＯＮ信号からＯＦＦ信号に変更するタイミングでフォトカプラの発光ダイオードに流れる電流をバイパスさせてフォトカプラの発光ダイオード両端電圧を瞬時に０とするように構成した交流制御回路構造体である。
＜実施形態１ 構成＞

図１に示すように、交流信号取得部０１０１と、閾値検出部０１０２と、発光ダイオードスイッチング部０１０３と、フォトカプラ０１０４と、発光ダイオード０１０５と、受光素子０１０６、交流信号情報取得部０１０７と、からなる。
＜実施形態１ 構成の説明＞

「交流信号取得部」０１０１は、交流信号を取得する。単相又は三相の交流電源２００Ｖの交流信号を取得する。この交流信号取得部０１０１は測定対象のアナログ信号を受けて閾値検出部０１０２にこれを渡す。

「閾値検出部」０１０２は、閾値電圧の絶対値の大きさである第一閾値の大きさが後記する第二閾値より相対的に小さく、閾値電圧の絶対値の大きさである第二閾値が前記第一閾値の大きさより相対的に大きい場合に、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧の大きさより大きく、第二閾値電圧の大きさより小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、前記第二閾値よりも取得した交流信号電圧の絶対値が大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号（前記ＯＮ信号又はＯＦＦ信号と同順）を出力する。より具体的には交流電源信号のプラス側を計測するために第一閾値が０ボルトよりも大きく、想定される交流電源信号の最大値よりも十分小さく、第二閾値が想定される交流電源信号の最大値よりも小さく、第一閾値よりも大きいように構成し、交流電源信号のマイナス側でも同様に構成する。また第一閾値を０ボルトとした場合には第一閾値を交流電源信号のプラス側検出にもマイナス側検出にも利用することができる。またこのように０ボルト以上のプラス側に二つの閾値、０ボルト以下のマイナス側にも二つの閾値を設定するので、交流電源信号の半サイクル内で交流電源信号の振幅を検出できる。これは高速高精度の検出ができることを意味している。

ここでは、絶対値で閾値電圧を説明したが、例えば、後述する図１１の波形のように、交流電源からの交流信号が正負の正弦波である場合、正の正弦波で説明する。第一閾値の大きさは、０．０Ｖ（絶対値では０．０Ｖ）を示し、第二閾値の大きさは＋２３８Ｖ（絶対値では２３８Ｖ）であるとする。
すなわち、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧（０．０Ｖ）の大きさより大きく、第二閾値電圧（２３８Ｖ）の大きさより小さい場合にＯＮ信号を出力し、取得した交流信号電圧の絶対値が第二閾値（２３８Ｖ）の大きさより相対的に大きい場合に、ＯＦＦ信号を出力する。

要するに、図１１に示すように、正負の半サイクルで、ＯＮ信号とＯＦＦ信号を２回繰り返す。第一閾値は電圧値が０Ｖであり、閾値検出部０１０２は、取得した交流信号電圧が第一閾値（０Ｖ）よりも相対的に小さく、第二閾値（−２３８Ｖ）よりも相対的に大きい場合にＯＦＦ信号を出力し、第二閾値（−２３８Ｖ）よりも相対的に小さい場合で最大値電圧より小さい場合にＯＮ信号を出力し（負側の正弦波）、取得した交流信号電圧が第一閾値（０Ｖ）よりも相対的に大きく、第二閾値（２３８Ｖ）よりも相対的に小さい場合で最大値電圧より小さい場合にＯＦＦ信号を出力し、第二閾値（２３８Ｖ）よりも相対的に大きい場合で最大値電圧より小さい場合にＯＮ信号を出力する（正の正弦波）。

「発光ダイオードスイッチング部」０１０３は、閾値検出部０１０２のＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じてフォトカプラ０１０４の発光ダイオード両端電圧を０とする。すなわち、発光ダイオードスイッチング部０１０３により、発光ダイオード０１０５に流れる電流をカットしても良いし、発光ダイオード０１０５の電流の経路を切り替えて、発光ダイオード０１０５に電流が流れないようにバイパスしても良い。

「フォトカプラ」０１０４は、発光ダイオード０１０５と受光素子０１０６からなり、交流信号情報を交流信号取得部０１０１を構成する回路から直流的及び交流的に絶縁し同回路外に伝達する。発光ダイオードとしては、ＬＥＤ素子などが用いられる。第一の閾値電圧０Ｖとしたときよりも値がマイナス（負）側にいった場合とマイナス（負）からプラス（正）側に移行するというような構成にすると、ゼロクロスを検出できる。

「交流信号情報取得部」０１０７は、フォトカプラ０１０４の受光素子０１０６側の信号である交流信号情報を取得する。閾値検出部０１０２よりＯＮ信号を受信した場合は、発光ダイオードスイッチング部０１０３によりフォトカプラ０１０４の発光ダイオード両端電圧を０とし、フォトカプラの感度バラツキなどによりフォトカプラ０１０４の受光素子０１０６に微小光が到達するのを防止する。
＜実施形態２ 回路の動作説明＞

以下、図２のフローチャートを用いて交流制御回路構造体０１００の動作について説明する。

図２に示すように、まず、交流信号を取得する交流信号取得ステップを実行する（ステップ０２０１）。

次に、閾値電圧の絶対値の大きさである第一閾値の大きさが後記する第二閾値より相対的に小さく、閾値電圧の絶対値の大きさである第二閾値が前記第一閾値の大きさより相対的に大きい場合に、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧の大きさより大きく、第二閾値電圧の大きさより小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、前記第二閾値よりも取得した交流信号電圧の絶対値が大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力する閾値検出ステップを実行する（ステップ０２０２）。ここで、前記ＯＮ信号又はＯＦＦ信号と同順で実行する。

次に、閾値検出部０１０２のＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じてフォトカプラ０１０４の発光ダイオード両端電圧を０とする発光ダイオードスイッチングステップを実行する（ステップ０２０３）。

次にフォトカプラ０１０４の受光素子側の信号である交流信号情報を取得する交流信号情報取得ステップを実行する（ステップ０２０４）。

このように、本実施形態１によれば、簡単な回路素子構成により小型で低価格な回路構造体を実現し、電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる交流制御回路構造体を提供することができる。
＜実施形態２＞
＜実施形態２ 概要＞

本実施形態２は、実施形態１を基本としつつ、発光ダイオードスイッチング部が発光ダイオードに並列に配置された抵抗が略０オームのバイパス回路を構成するものである。
＜実施形態２ 構成＞

図３に示すように、交流信号取得部０３０１と、閾値検出部０３０２と、発光ダイオードスイッチング部０３０３と、フォトカプラ０３０４と、発光ダイオード０３０５と、受光素子０３０６、交流信号情報取得部０３０７と、からなり、発光ダイオードスイッチング部０３０３にバイパス回路０３０８を有する。以下では、実施形態１と同様な構成については説明を省略することとし、実施形態２に特徴的な構成について説明する。
＜実施形態２ 構成の説明＞

「バイパス回路」０３０８は、発光ダイオードスイッチング部０３０８に設けられ、発光ダイオード０３０５に並列に配置された抵抗が略０オームのバイパス回路を構成する。バイパス回路０３０８は、ＭＯＳトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどで構成されており、ＭＯＳトランジスタやＭＯＳＦＥＴのゲートに逆バイアスをかけることで、発光ダイオード０３０５への電流をバイパスする電流経路切り替え機能の役割を果たす。フォトカプラ０３０４の感度バラツキや応答速度のバラツキにより、フォトカプラ０３０５の発光ダイオード０３０５がＯＦＦ信号を受信しても微小電流が流れ、受光素子０３０６への発光が停止しないことを防止することができる。

このように、本実施形態２によれば、実施形態１に加えて、フォトカプラの感度および応答速度のバラツキや素子の経年変化による影響を改善することができる。
＜実施形態３＞
＜実施形態３ 概要＞

本実施形態３は、実施形態１又は実施形態２を基本としつつ、交流信号取得部が電源回路からの交流信号を取得する電源回路交流信号取得手段を有するものである。
＜実施形態３ 構成＞

図４に示すように、交流信号取得部０４０１と、閾値検出部０４０２と、発光ダイオードスイッチング部０４０３と、フォトカプラ０４０４と、発光ダイオード０４０５と、受光素子０４０６と、交流信号情報取得部０４０７と、電源回路０４０８と、からなり、交流信号取得部０４０１は電源回路交流信号取得手段０４０９を有する。以下では、実施形態１又は実施形態２と同様な構成については説明を省略することとし、実施形態３に特徴的な構成について説明する。
＜実施形態３ 構成の説明＞

「電源回路」０４０８は、交流電源回路を構成し、単相２００Ｖや三相２００Ｖの交流電源電圧により、業務用の電子機器、例えばヒーター（電気炉）制御などの温度調整を行う電力供給を行う。交流信号情報取得部０４０７からの交流信号情報を電源回路０４０８にフィードバック制御を行い、電力調整などの電力供給制御を行う。例えば、交流制御回路構造体０４００に負荷としてトランスを介在させたヒーターを接続し、ヒーターの近傍にヒーターの温度を計測する温度センサを設置し、温度センサからの温度情報に基づいてフィードバック制御を行い、電力供給制御を行うように構成しても良い。

「電源回路交流信号取得手段」０４０９は、交流信号取得部０４０１には電源回路０４０８からの交流信号を取得する電源回路交流信号取得手段０４０９を有する。電源回路交流信号取得手段０４０９は、正弦波の交流信号であり、正負の正弦波を備えている。例えば、上述した電力供給制御において、サイリスタの位相制御の正負のスイッチングを行う場合、正負の正弦波の第一閾値であるゼロクロスポイント（電圧値が０）を検出し、閾値検出器０１０２より正側と負側の閾値電圧のレベル（第二閾値）を超える範囲、又は超えない範囲でＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力する（図１１を参照）。図１１中「●」と「●」はＯＮ信号又はＯＦＦ信号の境界を示している。これにより、ゼロクロスポイントを検出してサイリスタ素子等をスイッチチングするサイリスタ位相制御を行うことができる。
＜実施形態３ 回路の動作説明＞

図５に実施形態３の交流制御回路構造体のフローチャートを示す。図５のフローチャートは、電源回路交流信号取得サブステップ０５０２以外は、図２の実施形態１のフローチャートと同様であるので、説明を省略する。
＜実施形態４＞
＜実施形態４ 概要＞

本実施形態４は、実施形態１から実施形態３を基本としつつ、発光ダイオードのＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長を用いて取得した交流信号の振幅を算出する振幅算出部をさらに有する。
＜実施形態４ 構成＞

図６に示すように、実施形態４の交流制御回路構造体は、交流信号取得部０６０１と、閾値検出部０６０２と、発光ダイオードスイッチング部０６０３と、フォトカプラ０６０４と、発光ダイオード０６０５と、受光素子０６０６、交流信号情報取得部０６０７と、振幅算出部０６０８と、からなる。以下では、実施形態１から実施形態３と同様な構成については説明を省略することとし、実施形態４に特徴的な構成について説明する。
＜実施形態４ 構成の説明＞

「振幅算出部」０６０８は、交流信号情報取得部０６０７から取得する発光ダイオード（フォトカプラ）０６０５のＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長を用いて取得した交流信号の振幅を算出する。すなわち、図１２に示すように、交流信号電圧が第二閾値を超えている時間長を発光ダイオード０６０５のＯＮ、ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦの時間からＯＦＦ時間長又はＯＮの時間長として取得し、その時間幅に応じて交流信号の振幅を計算することができる。予め時間長と振幅との関係を検量線として保持して起き、時間長と検量線に基づいて振幅を知ることができる。振幅は電力の大小を決定する情報であるので重要である。特に交流信号が第二閾値よりも小さくなる場合には、つまり、第二閾値を超える交流信号が０となる場合には所定の電源供給ができていない状態であると把握して所定の処理が準備されていることが好ましい。またＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長で振幅を計算する以外に、第1閾値に基づくフォトカプラ出力のＯＮとＯＦＦ情報を利用してＯＮ時間長とＯＦＦ時間長の比を用いて振幅を計算することもできる。この場合には検量線を用いないで計算が可能である。また任意の周波数に対応して振幅の計算ができる。この振幅算出部０６０８により降圧トランスを用いることなく、電源電圧レベルの振幅を算定（推定）することができる。ここで、電源周波数は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚに固定された交流電源を使用する。図１２の場合は、電源周波数を５０Ｈｚに固定している。第二閾値を超えない振幅の場合は、半周期でＯＮ→ＯＦＦ１回のみとし、瞬間停電や三相交流電源の場合は欠相を検知できる。
＜実施形態４ 回路の動作説明＞

図７に実施形態４の交流制御回路構造体のフローチャートを示す。図７のフローチャートは、振幅算出ステップ０７０５以外は、図２の実施形態１のフローチャートと同様であるので、説明を省略する。以下、実施形態４の特徴的な振幅算出ステップについて説明する。

振幅算出ステップ０７０５は、交流信号情報取得部０６０７から取得する発光ダイオード０６０５のＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長を用いて取得した交流信号の振幅を算出する。
図１２の２０ｍｓ付近に示すように、発光ダイオード（フォトカプラ）０６０５の第二閾値を超えてＯＮとなるＯＮ時間長が長いと電源電圧の波高値が大きいことがわかる。また逆もいえる。図１２の１８０ｍｓ付近に示すように、第二閾値を超えない振幅の場合は、ＯＮ→ＯＦＦ１回のみとし、瞬間停電を検知できる。また、三相交流電源の場合は欠相を検知できる。
＜実施形態５＞
＜実施形態５ 概要＞

本実施形態５は、実施形態４を基本としつつ、振幅算出部が算出した振幅と、保持されている電力調整情報に基づいて電源回路からの電源波のＯＮとＯＦＦのタイミングを制御する電源制御部をさらに有する。
＜実施形態５ 構成＞

図８に示すように、実施形態５の交流制御回路構造体は、交流信号取得部０８０１と、閾値検出部０８０２と、発光ダイオードスイッチング部０８０３と、フォトカプラ０８０４と、発光ダイオード０８０５と、受光素子０８０６と、交流信号情報取得部０８０７と、振幅算出部０８０８と、電力調整情報保持部０８０９と、電源制御部０８１０と、からなる。以下では、実施形態４と同様な構成については説明を省略することとし、実施形態５に特徴的な構成について説明する。
＜実施形態５ 構成の説明＞

「電力調整情報保持部」０８０９は、投入電力を調整するための情報である電力調整情報を保持する。電力調整情報保持部０８０９は、例えば、負荷としてのヒーター制御を行う場合、温度センサで温度制御対象の温度を測り、目標温度になるようにヒーターへの投入電力を調整するための情報を保持する。

「電源制御部」０８１０は、振幅算出部０８０８が算出した振幅と、保持されている電力調整情報とに基づいて電源回路からのヒーターへの電源波のＯＮとＯＦＦのタイミングを制御する。電源制御部０８１０は、サイリスタ位相制御になどによりＯＮとＯＦＦのタイミングを制御し、電力調整を行う。
＜実施形態５ 回路の動作説明＞

図９に実施形態５の交流制御回路構造体のフローチャートを示す。図５のフローチャートは、電力制御ステップ０９０６以外は、図７の実施形態４のフローチャートと同様であるので、説明を省略する。以下、実施形態５の特徴的な電源制御ステップ０９０６について説明する。

電源制御ステップ０９０６は、振幅算出ステップ０９０５により算出した振幅と、電力調整情報保持部０８０９で保持されている電力調整情報とに基づいて電源回路からの電源波のＯＮとＯＦＦのタイミングを制御する。

このように、実施形態５によれば、実施形態４に加えて、簡単な回路素子構成により小型で低価格な回路構造体を実現し、ヒーター電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる交流制御回路構造体を実現できるので、ヒーター等の負荷に対する電力制御（電力調整）を行うことができる。
＜具体的回路例の動作説明＞

図１０に本実施形態を適用した回路例を示し、図１１に図１０の交流電源（Ｖｐ）の波形と図１０中、フォトカプラの出力であるＶｏ１出力（正側の波形）とＶｏ２出力（負側の波形）を示す。以下、図１０、図１１を用いて回路の動作を説明する。ここで、下記（ａ）〜（ｄ）は図１１の動作点ａ〜ｄの動作と対応している。以下では、図１１の正側の動作点ａ〜ｄについて説明することとし、負側の動作点ａ〜ｄについては、電圧がマイナスになるだけで、基本的な動作は正側と同様であるので、説明を省略する。ここで、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５は電流制限抵抗である。図１０では抵抗の単位であるオームを省略している。すなわち、Ｒ１２の１２ｋは１２ｋオームを示す。また、コンデンサの単位であるファラッド（Ｆ）を省略している。すなわち、Ｃ３５の０．１μは０．１μＦを示す。以下、他の抵抗ＲやコンデンサＣについても同様である。

以下では、図１１の動作点ａ、ｂ、ｃ、ｄにおける図１０の回路動作について説明する。図１２に交流電源２００Ｖ（Ｖｐ）の電源周波数が５０Ｈｚの正負の正弦波を供給するとき、最大瞬時電圧が約４００Ｖの範囲で電源電圧レベルが変動するときの正のフォトカプラの出力Ｖｏ１の波形を示す。
＜回路動作 動作点ａ＞
（ａ）交流電源電圧Vpが上昇し０Ｖを上回ると整流ダイオードＤ５がＯＮする。これとは逆に整流ダイオードＤ６はＯＦＦとなっている。
この時シャントレギュレータＩＣ１の電圧Ｖｓ１が閾値電圧２．５Ｖ以下であると、シャントレギュレータＩＣ１がＯＦＦとなり、ＭＯＳトランジスタＴｒ１がＯＦＦとなる。
従って、フォトカプラＰＨＣ１の発光ダイオードのアノードＡｎからカソードＣｔｈに向かって電流Ｉｄ１が流れ、フォトカプラＰＨＣ１がＯＮする。

Ve1＝Ie1×(R16＋R17)
Ie1＝Ve1／(R16＋R17) （１）

Ve1＝Id1×R19＋Vf1
ここで、インダクタンスＬ５の電圧は無いものとする。
Id1＝(Ve1−Vf1)／R19 （２）
ここで、電圧Ｖｆ１はフォトカプラＰＨＣ１の発光ダイオードの順方向電圧降下で１Ｖとする。
Ve1＝Iz1×R18＋Vz1
Iz1＝(Ve1−Vz1)／R18＝0 （３）
ここで、シャントレギュレータＩＣ１がＯＦＦ時、Ｉｚ１は０である。

Ip＝Id1＋Ie1＋Iz1 （４）
Ip=(Vp-Ve1)／Rp （５）
ここで、Rp＝R12＋R13＋R14＋R15、整流ダイオードＤ５の電圧は無いものとする。

式（４）右辺＝式（５）右辺
Ie1＋Id1＋Iz1＝(Vp-Ve1)／Rp
ここで、Iz１=0 とする。
右辺に式（１）、（２）、（３）を代入すると、
Ve1／(R16＋R17)＋(Ve1−Vf1)／R19＝(Vp-Ve1)／Rp
Ve1／(R16＋R17)＋Ve1／R19＋Ve1／Rp＝Vp／Rp＋Vf1／R19
Ve1×(1／(R16＋R17)＋1／R19＋1／Rp)＝Vp／Rp＋Vf1／R19
Ve1＝(Vp／Rp＋Vf1／R19)／(1／(R16＋R17)＋1／R19＋1／Rp)
Vs1＝Ve1×R17／(R16＋R17)

＜回路動作 動作点ｂ＞

（ｂ）交流電源電圧Ｖｐが上昇しシャントレギュレータＩＣ１の電圧Ｖｓ１が２．５Ｖを超えると、シャントレギュレータＩＣ１がＯＮとなり、電流Ｉｄ１がＭＯＳトランジスタＴｒ１のＯＮによりバイパスされる（ＭＯＳトランジスタＴｒ１のソースＳからドレインＤに向かって電流Ｉｄ１が流れる）ため、フォトカプラＰＨＣ１の発光ダイオードには電流が流れずＰＨＣ１がＯＦＦする。ここで、ＭＯＳトランジスタＴｒ１はＰチャンネルタイプのため、ＭＯＳトランジスタＴｒ１のゲートＧに逆バイアスをかけると、ＯＮする。
＜回路動作 動作点ｃ＞
（ｃ）交流電源電圧Ｖｐが下降し再び動作点ｂを下回ると、フォトカプラＰＨＣ１が再びＯＮする。すなわち、フォトカプラＰＨＣ１の発光ダイオードのアノードＡｎからカソードＣｔｈに向かって電流Ｉｄ１が流れ、フォトカプラＰＨＣ１がＯＮする。
＜回路動作 動作点ｄ＞
（ｄ）交流電源電圧Ｖｐが下降し０Ｖを下回ると整流ダイオードＤ５がＯＦＦする。これとは逆に整流ダイオードＤ６がＯＮする。フォトカプラＰＨＣ１の発光ダイオードには電流が流れず、ＰＨＣ１がＯＦＦする。
ここで、動作点ｄを交流電源電圧のゼロクロスとして検知する。これは、動作点ａでも良いが動作点ｄの方が感度の影響を受けにくいからである。すなわち、フォトカプラＰＨＣ１がＯＦＦのときの方が感度バラツキの影響を受けにくいからである。

具体的には、図１０の回路において、交流電源電圧Ｖｐが２００Ｖで、Rp＝R12＋R13＋R14＋R15＝48K（オーム）、R16＝12K（オーム）、R17＝2.4K（オーム）、R18＝10K（オーム）、R19＝3.9K（オーム）のとき、上記（ａ）の計算によって次のような値が得られる。
Vs1＝2.5（Ｖ）、Ve1＝15.0（Ｖ）、Vp(ac)＝168.3（Ｖrms）、Vp＝238（Ｖ）、Vf1＝１.0（Ｖ）、Vz1＝15.0（Ｖ）になる。
交流電源電圧Ｖｐが２３８Vを超えると、シャントレギュレータＩＣ１がＯＦＦからＯＮへ移行する。

交流電源電圧Ｖｐが２３８〜３１０Ｖの区間はシャントレギュレータＩＣ１がＯＮへの移行区間であるが、ＭＯＳトランジスタＴｒ１のゲートＧ電圧は確保される。交流電源電圧Ｖｐが３１０Ｖの時、Vs1＝2.5（Ｖ）、Ve1＝15.0（Ｖ）、Vp(ac)＝219.2（Ｖrms）、Vp＝310.0（Ｖ）、Vf1＝0.0（Ｖ）、Vz1＝2.5（Ｖ）となる。

更に交流電源電圧Ｖｐが上昇し３１０Ｖを超えると、シャントレギュレータＩＣ１は完全なＯＮ動作となる。ここで、動作点ｂ〜ｃの区間はシャントレギュレータＩＣ１のＯＮ移行区間＋完全なＯＮ区間からなる。

このように、閾値を超える電源電圧の場合は電源周期の半サイクルに、ＯＮ→ＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦを２回繰り返すことにより、ゼロクロス検出と瞬間停電を検出できる。閾値を超えない電源電圧の場合は、ＯＮ→ＯＦＦのみにより、電源異常（瞬間停電や三相交流電源の欠相）を検出できる。

以下では、図１０の回路の補足説明を行う。
シャントレギュレータＩＣ１が完全にＯＮした状態は(ＩＣ１の駆動電流Ｉｚ１が数ｍＡ程度必要となるため)、下式（６）〜（１０）のようにあらわされるが、実際は動作点ｂの地点がシャントレギュレータＩＣ１（ＭＯＳトランジスタＴｒ１)がＯＮに移行する閾値となるため、シャントレギュレータＩＣ１が完全にＯＮ(Ｖｚ＝２．５Ｖ)とならない場合でも、ある程度ＭＯＳトランジスタＴｒ１のゲート電圧が確保される動作をし、ＭＯＳトランジスタＴｒ１はＯＮ状態を継続できる。
さらにインダクタンスＬ５、コンデンサＣ３５、Ｃ３６のフィルタ回路により急なＯＮ⇔ＯＦＦ動作を抑制し上記動作を安定化させている。
Ve1＝Ie1×(R16＋R17)
Ie1＝Ve1／(R16＋R17) （６）

Ve1＝Id1×R19＋Vf1
ここで、インダクタンスＬ５の電圧は無いものとする。
Id1＝(Ve1−Vf1)／R19 （７）
ここで、ＭＯＳトランジスタＴｒ１のＯＮ抵抗を０とすれば、Ｖｆ１＝０となる。
シャントレギュレータＩＣ１がＯＮ時、Ｖｚ＝２．５Ｖ
Ve1＝Iz1×R18＋Vz1
Iz1＝(Ve1−Vz1)／R18 （８）

ここで、Rp＝R12＋R13＋R14＋R15、D5の電圧は無いものとする。
Ip＝Id1＋Ie1＋Iz1 （９）
Ip=(Vp-Ve1)／Rp （１０）

式（９）右辺＝式（１０）右辺
Ie1＋Id1＋Iz1＝(Vp-Ve1)／Rp
右辺に式（６）、（７）、（８）を代入すると、

Ve1／(R16＋R17)＋(Ve1−Vf1)／R19＋(Ve1−Vz1)／R18＝(Vp-Ve1)／Rp
Ve1／(R16＋R17)＋Ve1／R19＋Ve1／R18＋Ve1／Rp＝Vp／Rp＋Vf1／R19＋Vz1／R18
Ve1×(1／(R16＋R17)＋1／R19＋1／R18＋1／Rp)＝Vp／Rp＋Vf1／R19＋Vz1／R18
Ve1＝(Vp／Rp＋Vf1／R19＋Vz1／R18)／(1／(R16＋R17)＋1／R19＋1／R18＋1／Rp)
Vs1＝Ve1×R17／(R16＋R17)

＜他の実施形態＞
＜他の実施形態 電力調整器＞

他の実施形態は、実施形態１〜５を電力調整器に適用した例を示し、ヒーターなどの制御対象の温度を温度センサで測定し、調節計にて目的の温度となるように制御演算を行い、この制御演算結果を基にサイリスタ位相制御により負荷に供給する電力を調整するものである。
＜他の実施形態 構成＞

図１３に示すように、他の実施形態の電力調整器１３０１は、同期信号取得部２３０２と、同期信号取得回路１３０３と、瞬停検出手段１３０４と、ゼロクロス検出手段１３０５と、演算手段１３１３と、位相角制御手段１３１４と、遅延手段１３１５と、素子駆動回路１３１６と、スイッチ素子１３１７とから構成されている。電力調整器１３０１を用いたシステムは、交流電源１３１０と、温度センサ１３１１と、調節計１３１２と、負荷１３１８と、トランス１３１９と、ヒーター１３２０とから構成される。
＜他の実施形態 構成の説明＞

同期信号取得部１３０２を構成する同期信号取得回路１３０３と瞬停検出手段１３０４とゼロクロス検出手段１３０５とからなる構成は、図１０の回路図を機能ブロック図で示したものである。演算手段１３１３と位相角制御手段１３１４と遅延手段１３１５と素子駆動回路１３１６とスイッチ素子１３１７とから構成される構成は、電力調整器の従来のサイリスタ位相制御回路部分を示しているので、説明を省略する。ここで、振幅が第二閾値よりも小さくなった場合、瞬停という。

他の実施形態の電力調整器は、同期信号取得回路１３０３と瞬間停電を検出する瞬停検出手段１３０４とゼロクロス検出手段１３０５とからなり、ゼロクロスの検出に加えて瞬間停電（電源電圧異常）の検出を降圧トランスを用いず２つのフォトカプラで実現した点に特徴がある。それぞれの機能ブロックに相当する説明は、上記実施形態１〜５の説明において、詳細に説明したので、説明を省略する。
＜他の実施形態 動作の説明＞

以下、図１３を用いて他の実施形態の電力調整器の動作について説明する。

制御対象の温度（例えば、ヒーター１３２０の温度）を温度センサ１３１１で測定し調節計１３１２にて目的の温度となるよう演算手段１３１３で制御演算を行う。電力調整器１３０１は調節計１３１２の制御演算結果を基に負荷１３１９に供給する交流電源１３１０の電力を調整する。電力調整器１３０１は調節計１３１２の制御演算結果を基に位相角制御手段１３１４により位相角制御を行い、交流電源１３１０のゼロクロス検出から位相角に相当する時間を遅延させ、素子駆動回路１３１６により正負のサイリスタからなるスイッチ素子１３１７をＯＮ、ＯＦＦさせることで負荷１３１８に供給される電力量を調整している。瞬停検出手段１３０４により瞬停（瞬間停電）を検出した場合は直ちにスイッチ素子１３１７へのＯＮ信号を停止する制御を行う。すなわち、装置の電源を切ることを行う。負荷１３１８にトランス１３１９を内蔵したトランス負荷の場合に偏磁による過電流（ヒューズが切れる（飛ぶ）等）を防ぐことができる。トランス１３１９を内蔵せず、電力調整器１３０１と直接ヒーター１３２０とを接続する場合は、電源異常を検出できる利点がある。

このように、本実施形態１〜５によれば、簡単な回路素子構成により小型で低価格な回路構造体を実現し、電源回路の制御性を向上し、耐ノイズ化を向上させる交流制御回路構造体を提供することができる。

０１００、０３００、０４００、０６００、０８００ 交流制御回路構造体
０１０１ 交流信号取得部
０１０２ 閾値検出部
０１０３ 発光ダイオードスイッチング部
０１０４ フォトカプラ
０１０５ 発光ダイオード
０１０６ 受光素子
０１０７ 交流信号情報取得部
０３０８ バイパス回路
０４０８ 電源回路
０４０９ 電源回路交流信号取得手段
０６０８、０８０８ 振幅算出部
０８０９ 電力調整情報保持部
０８１０ 電源制御部
１３０１ 電力調整器
１３０２ 同期信号取得部
１３０３ 同期信号取得回路
１３０４ 瞬停検出手段
１３０５ ゼロクロス検出手段
１３１０ 交流電源

Claims (7)

1. 交流信号情報を後記する交流信号取得部を構成する回路から直流的及び交流的に絶縁し同回路外に伝達するための発光ダイオードと受光素子からなるフォトカプラと、
   交流信号を取得する交流信号取得部と、
   閾値電圧の絶対値の大きさである第一閾値の大きさが後記する第二閾値より相対的に小さく、閾値電圧の絶対値の大きさである第二閾値が前記第一閾値の大きさより相対的に大きい場合に、取得した交流信号電圧の絶対値が第一閾値電圧の大きさより大きく、第二閾値電圧の大きさより小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、
   前記第二閾値よりも取得した交流信号電圧の絶対値が大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号（前記ＯＮ信号又はＯＦＦ信号と同順）を出力する閾値検出部と、
   閾値検出部のＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じてフォトカプラの発光ダイオード両端電圧を０とする発光ダイオードスイッチング部と、
   フォトカプラの受光素子側の信号である交流信号情報を取得する交流信号情報取得部と、からなる交流制御回路構造体。
2. 前記第一閾値は、電圧値が０である請求項１に記載の交流制御回路構造体。
3. 前記閾値検出部は、取得した交流信号電圧がプラスで第一閾値よりも大きく、プラス側第二閾値よりも小さい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、取得した交流信号電圧がプラスで第二閾値よりも大きい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力し、
   取得した交流電圧がマイナスで第一閾値よりも小さくマイナス側第二閾値（絶対値はプラス側第二閾値と同じ）よりも大きい場合にＯＮ信号又はＯＦＦ信号を出力し、取得した交流電圧がマイナスで第二閾値よりも小さい場合にＯＦＦ信号又はＯＮ信号を出力する請求項２に記載の交流制御回路構造体。
4. 前記発光ダイオードスイッチング部は、発光ダイオードに並列に配置された抵抗が略０オームのバイパス回路を構成する請求項１から請求項３のいずれか一に記載の交流制御回路構成体。
5. 電源回路をさらに有し、
   交流信号取得部は前記電源回路からの交流信号を取得する電源回路交流信号取得手段を有する請求項１から請求項４のいずれか一に記載の交流制御回路構造体。
6. 交流信号情報取得部から取得する前記発光ダイオードのＯＮ時間長又はＯＦＦ時間長を用いて取得した交流信号の振幅を算出する振幅算出部をさらに有する請求項１から請求項５のいずれか一に記載の交流制御回路構造体。
7. 投入電力を調整するための情報である電力調整情報を保持する電力調整情報保持部と、
   振幅算出部が算出した振幅と、保持されている電力調整情報とに基づいて電源回路からの電源波のＯＮとＯＦＦのタイミングを制御する電源制御部をさらに有する請求項６に記載の交流制御回路構造体。

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