JP2023160502A - リレー制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】更なる省電力化を図ったリレー制御装置の技術を提供すること。【解決手段】リレー制御装置１は、直流有極形の制御リレーＣＲの定格電圧より小さい電圧を発生するチャージポンプ回路部１０と、正極端子が第１電位ラインに接続された制御リレーＣＲのリレーコイルと、一端が第１スイッチ素子Ｓ１を介してリレーコイルの負極端子に接続され、他端が第２スイッチ素子Ｓ２を介して第２電位ラインに接続されたコンデンサＣと、コンデンサＣの他端と第１電位ラインとの間に設けられた第１抵抗素子Ｒ１と、コンデンサＣの一端と第２電位ラインとの間に設けられた第２抵抗素子Ｒ２と、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオフ制御した後に、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオン制御することで制御リレーＣＲを動作制御する制御論理部３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、リレーを制御するリレー制御装置に関する。

リレーを制御するリレー制御装置においては、リレーを安全に制御するとともに、消費電力の省力化（省電力化）を図るための様々な工夫がなされている。例えば、チャージポンプ回路が発生する負電圧を用いることでリレーを安全に制御する技術（例えば、特許文献１参照）や、自己保持回路を用いることでリレーの動作状態を継続させるための保持電流を定格電流より小さくして省電力化を図った技術（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２０１３－１２０９６２号公報 特開２０１４－１２０２１６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、リレーの定格電圧（直流１２Ｖ）を負電圧（直流－１２Ｖ）として発生し、これをリレーの駆動電圧として用いている。正負の違いがあるだけで電圧の大きさが等しいため、更なる省電力化を実現する余地があった。また、特許文献２の技術では、自己保持回路を用いているため、この自己保持回路が有する抵抗により余計な消費電力が発生していた。

本発明が解決しようとする課題は、省電力化を図ったリレー制御装置を実現することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
直流有極形の制御リレーを制御するリレー制御装置であって、
前記制御リレーの定格電圧より小さい電圧を、第１電位ラインと前記第１電位ラインより低電位の第２電位ラインとの間に発生する電源部（例えば、図１のチャージポンプ回路部１０）と、
正極端子が前記第１電位ラインに接続された前記制御リレーのリレーコイルと、
一端が第１スイッチ素子を介して前記リレーコイルの負極端子に接続され、他端が第２スイッチ素子を介して前記第２電位ラインに接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの前記他端と前記第１電位ラインとの間に設けられた第１抵抗素子と、
前記コンデンサの前記一端と前記第２電位ラインとの間に設けられた第２抵抗素子と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子をオフ制御した後に、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子をオン制御することで前記制御リレーを動作制御する制御論理部と、
を備えるリレー制御装置である。

第１の発明によれば、省電力化を図ったリレー制御装置を実現することができる。つまり、電源部が発生した制御リレーの定格電圧より小さい電圧を駆動電圧として制御リレーを動作させることができる。これにより、省電力化を図ることができる。また、特許文献２のような自己保持回路を必要としない点も省電力化に寄与している。更に、電源部が発生する電圧を負電圧とすることができるため、制御リレーを安全に制御することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記コンデンサは、前記オフ制御によって充電された電圧を前記オン制御によって前記第１電位ラインと前記第２電位ラインとの間に重畳させることで、前記第１電位ラインと前記第２電位ラインとの間の電圧を一時的に昇圧し、昇圧した電圧によって前記制御リレーを動作させることが可能な静電容量を有する、
リレー制御装置である。

第２の発明によれば、第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子のオフ制御によって、電源部が発生する電圧でコンデンサを充電した後に、第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子のオン制御によって、電源部が発生する電圧にコンデンサの充電電圧を重畳させることができ、第１電位ラインと第２電位ラインの間の電圧を一時的に昇圧することができる。これにより、電源部が発生する電圧よりも大きい電圧を制御リレーのリレーコイルに印加して、制御リレーを動作させることが可能となる。制御リレーを動作させた後は、コンデンサの充電電圧の重畳が終わった後も電源部の発生する電圧で制御リレーの動作を保持する必要があるが、その電源部の発生する電圧は制御リレーの定格電圧より小さいため、リレー制御装置の更なる省電力化を図ることが可能である。

リレー制御装置の構成例。 制御リレーの制御手順を説明するタイムチャートの一例。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。

［構成］
図１は、本実施形態におけるリレー制御装置の構成図である。リレー制御装置１は、上位装置からのリレー制御情報に従って制御リレーＣＲを制御する装置であり、電源部であるチャージポンプ回路部１０と、リレー制御回路部２０と、制御論理部３０とを備える。制御リレーＣＲは、定格電圧が直流２４Ｖの直流有極リレーである。リレー制御情報は、制御リレーＣＲの状態を指示する情報であり、動作状態とする“動作制御”と復旧状態とする“復旧制御”とがある。

制御論理部３０は、上位装置から周期的に受信するリレー制御情報に基づき、制御リレーＣＲを制御する。すなわち、リレー制御情報が“動作制御”の場合には、リレー制御出力として、ＨレベルとＬレベルとの比率が１対１の交番信号をチャージポンプ回路部１０に出力して負電圧を発生させ、“復旧制御”の場合には、Ｌレベルの信号を出力して負電圧の発生を停止させる。また、Ｌレベル又はＨレベルのリレー起動制御出力ＲＳＣをリレー制御回路部２０に出力して第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオフ制御又はオン制御することで、制御リレーＣＲのリレーコイルに動作電圧を印加させて制御リレーを動作させる。また、リレー制御回路部２０から入力される制御リレーＣＲの動作接点（Ｎ）及び復旧接点（Ｒ）の接点入力であるリレー状態入力ＮＣ，ＲＣに基づき、リレー制御情報と制御リレーＣＲの動作状態との合理性を照合する。

チャージポンプ回路部１０は、外部から供給される直流２４Ｖを動作電源とし、制御論理部３０から入力されるリレー制御出力に従って、制御リレーＣＲの定格電圧２４Ｖより小さい電圧を、第１電位ラインと第１電位ラインより低電位の第２電位ラインの間に発生させる。すなわち、リレー制御出力として交番信号が入力されると、制御リレーＣＲの定格電圧の１／２である直流－１２Ｖの負電圧を、第１電位ラインをゼロ電位（０Ｖ）とし、第２電位ラインを負電位（－１２Ｖ）とするように発生させる。

リレー制御回路部２０は、チャージポンプ回路部１０が発生する直流－１２Ｖの負電圧を動作電源として制御リレーをＣＲ制御する回路部であり、制御リレーＣＲのリレーコイル及び接点（動作接点（Ｎ）及び復旧接点（Ｒ））と、第１スイッチ素子Ｓ１と、第２スイッチ素子Ｓ２と、コンデンサＣと、第１抵抗素子Ｒ１と、第２抵抗素子Ｒ２と、ダイオードＤとを有する。

制御リレーＣＲのリレーコイルは、正極端子が、第１電位ライン（０Ｖ）に接続され、負極端子が、第１スイッチ素子Ｓ１、コンデンサＣ及び第２スイッチ素子Ｓ２の直列接続を介して第２電位ライン（－１２Ｖ）に接続されている。

コンデンサＣは、一端（上端）が、第１スイッチ素子Ｓ１を介してリレーコイルの負極端子に接続され、他端（下端）が、第２スイッチ素子Ｓ２を介して第２電位ライン（－１２Ｖ）に接続されている。また、コンデンサＣの一端（上端）と第２電位ライン（－１２Ｖ）の間に、第２抵抗素子Ｒ２及びダイオードＤの直列接続が設けられ、コンデンサＣの他端（下端）と第１電位ライン（０Ｖ）との間に、第１抵抗素子Ｒ１が設けられている。

第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２は、制御論理部３０からのリレー起動制御出力ＲＳＣに従って共通にオン・オフ制御される。すなわち、リレー起動制御出力ＲＳＣがＨレベルならばオン制御され、Ｌレベルならばオフ制御される。

［制御手順］
図２は、制御論理部３０による制御リレーＣＲの制御手順を説明するためのタイムチャートの一例を示す図である。図２では、横方向を共通の時刻として、上から順に、リレー制御情報（動作／復旧）、リレー起動制御出力ＲＳＣ（Ｈ／Ｌ）、制御リレーＣＲの状態（動作／復旧）、制御リレーＣＲのリレーコイル電圧（負極端子の電位）、を示している。一般的に、リレーの動作電圧は定格電圧の約３／４であり、動作後の保持電圧は定格電圧の約１／３である。従って、図２においては、制御リレーＣＲの定格電圧を２４Ｖとし、動作電圧を１８Ｖ、保持電圧を８Ｖとして示している。

初期状態として、リレー制御情報は“復旧制御”であり、リレー起動制御出力ＲＳＣはＬレベルであり、制御リレーＣＲは復旧状態であり、リレーコイル電圧は０Ｖである。

そして、リレー制御情報が“復旧制御”から“動作制御”に変化すると、制御論理部３０は、リレー制御出力として交番信号をチャージポンプ回路部１０に出力する。これにより、リレー制御回路部２０の第１電位ラインと第２電位ラインとの間に直流－１２Ｖの負電圧が供給され、コンデンサＣが、供給電圧である直流－１２Ｖの負電圧で充電される。すなわち、リレー起動制御出力ＲＳＣがＬレベルであるから、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２はオフ制御されており、第１電位ライン（０Ｖ）と第２電位ライン（－１２Ｖ）との間で、第１抵抗素子Ｒ１、コンデンサＣ、ダイオードＤ及び第２抵抗素子Ｒ２でなる経路で電流が流れる。この電流によって、コンデンサＣは、その上端（一端）が－１２Ｖ、下端（他端）が０Ｖとなるように充電される。

次いで、制御論理部３０は、所定時間Ｔ１が経過後に、リレー起動制御出力ＲＳＣをＬレベルからＨレベルに変化させて、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオン制御する。所定時間Ｔ１は、チャージポンプ回路部１０の発生電圧が０Ｖから－１２Ｖに達するのに要する時間である。オン制御により、コンデンサＣの他端（下端）が第２電位ライン（－１２Ｖ）に接続されるとともに、コンデンサＣの一端（上端）がリレーコイルの負極端子に接続されることになる。

コンデンサＣは、他端（下端）が０Ｖ、一端（上端）が－１２Ｖとなるように充電されていることから、リレーコイルの負極端子の電位が、第２電位ラインの電位である－１２ＶにコンデンサＣの両端電圧である－１２Ｖを重畳した－２４Ｖまで、一時的に低下する（大きさが大きくなる）。つまり、第１電位ラインと第２電位ラインとの間の電圧が、一時的に－２４Ｖまで昇圧されることになる。なお、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２がオン制御された直後には、コンデンサＣの一端（上端）の電位が一時的に－２４Ｖまで低下し、これは第２電位ラインの電位である－１２Ｖより低いために第２抵抗素子Ｒ２に逆電流が流れようとするが、この逆電流はダイオードＤによって阻止される。

その後は、コンデンサＣが放電から逆極性への充電に変化することで、リレーコイル電圧（負極端子の電位）が－２４Ｖから、第１電位ライン（０Ｖ）と第２電位ライン（－１２Ｖ）との間の電圧である－１２Ｖへ変化する（大きさが小さくなる）。つまり、コンデンサＣと、ダイオードＤ及び第２抵抗素子Ｒ２の直列接続とが並列に接続され、この並列接続がリレーコイルと直列に接続された回路となって、第１電位ライン（０Ｖ）と第２電位ライン（－１２Ｖ）との間で電流が流れ、コンデンサＣは、一端（上端）が０Ｖ、他端（下端）が－１２Ｖとなるように充電される。

リレーコイル電圧（負極端子の電位）の過渡的な変化の仕方は、このコンデンサＣの充電に係るリレーコイルの“抵抗ＲＲ”、コンデンサＣの“容量Ｃ”及び第２抵抗素子Ｒ２の“抵抗Ｒ２”で与えられる時定数＝Ｃ×ＲＲ×Ｒ２／（ＲＲ＋Ｒ２）によって決まる。つまり、リレー起動制御出力ＲＳＣがＨレベルに変化してから制御リレーＣＲが動作するまでの時間Ｔ２は、この時定数によって決まる。従って、リレーコイル電圧（負極端子の電位）の大きさが、制御リレーＣＲに定められている動作電圧（図２の例では、１８Ｖ）以上となる時間が、制御リレーＣＲに定められている動作時間より長く（具体的には、２倍程度）となるように、リレーコイルの“抵抗ＲＲ”、コンデンサＣの“容量Ｃ”及び第２抵抗素子Ｒ２の“抵抗Ｒ２”を設計すれば、制御リレーＣＲを動作させることができる。

制御リレーＣＲが動作した（動作状態となった）後は、チャージポンプ回路部１０により第１電位ライン（０Ｖ）と第２電位ライン（－１２Ｖ）とに発生・供給される－１２Ｖの負電圧によって、動作状態を保持することができる。これは、制御リレーＣＲの保持電圧である８Ｖより大きさが大きい電圧だからである。すなわち、定格電流より大きさが小さい電流によって制御リレーＣＲの動作状態を保持することができるため、リレー制御装置１の省電力化を図ることができる。

その後、リレー制御情報が“復旧制御”となると、制御論理部３０は、リレー制御出力をＬレベルの信号に変化させてチャージポンプ回路部１０に直流－１２Ｖの負電圧の発生を停止させるとともに、リレー起動制御出力ＲＳＣをＨレベルからＬレベルに変化させて第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオフ制御する。これにより、リレーコイルの負極端子が開放されることで、リレーコイル電圧（負極端子の電位）が徐々に０Ｖに変化する（大きさが小さくなる）。また、コンデンサＣは、第２抵抗素子Ｒ２を介して放電する。このときのリレーコイル電圧（負極端子の電位）の過渡的な変化は、コンデンサＣの放電に係るコンデンサＣの“容量Ｃ”及び第２抵抗素子Ｒ２の“抵抗Ｒ２”で与えられる、時定数＝Ｃ×Ｒ２、によって決まる。リレーコイル電圧（負極端子の電位）の大きさが、制御リレーＣＲに定められた保持電圧（図２の例では、「８Ｖ」）以下となると、制御リレーＣＲは復旧する（復旧状態となる）。つまり、リレー起動制御出力ＲＳＣがＬレベルに変化してから制御リレーＣＲが復旧するまでの時間Ｔ３は、この時定数によって決まる。

［作用効果］
このように、本実施形態によれば、省電力化を図ったリレー制御装置１を実現することができる。つまり、制御論理部３０は、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２のオフ制御によって、電源部であるチャージポンプ回路部１０が発生する電圧でコンデンサＣを充電した後に、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２のオン制御によって、チャージポンプ回路部１０が発生する電圧にコンデンサＣの充電電圧を重畳することで、第１電位ラインと第２電位ラインの間の電圧を一時的に昇圧する。これにより、チャージポンプ回路部１０が発生する電圧よりも大きい電圧を制御リレーＣＲのリレーコイルに印加することができる。すなわち、チャージポンプ回路部１０が発生した制御リレーＣＲの定格電圧より小さい電圧を駆動電圧として制御リレーＣＲを動作させることができるので、リレー制御装置１の省電力化を図ることができる。更に、チャージポンプ回路部１０は負電圧を発生するので、制御リレーＣＲを安全に制御することが可能となる。

なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

例えば、制御リレーＣＲの定格電圧を直流２４Ｖとしたが、これに限られない。

１…リレー制御装置
１０…チャージポンプ回路部
２０…リレー制御回路部
３０…制御論理部

Claims (2)

1. 直流有極形の制御リレーを制御するリレー制御装置であって、
   前記制御リレーの定格電圧より小さい電圧を、第１電位ラインと前記第１電位ラインより低電位の第２電位ラインとの間に発生する電源部と、
   正極端子が前記第１電位ラインに接続された前記制御リレーのリレーコイルと、
   一端が第１スイッチ素子を介して前記リレーコイルの負極端子に接続され、他端が第２スイッチ素子を介して前記第２電位ラインに接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサの前記他端と前記第１電位ラインとの間に設けられた第１抵抗素子と、
   前記コンデンサの前記一端と前記第２電位ラインとの間に設けられた第２抵抗素子と、
   前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子をオフ制御した後に、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子をオン制御することで前記制御リレーを動作制御する制御論理部と、
   を備えるリレー制御装置。
2. 前記コンデンサは、前記オフ制御によって充電された電圧を前記オン制御によって前記第１電位ラインと前記第２電位ラインとの間に重畳させることで、前記第１電位ラインと前記第２電位ラインとの間の電圧を一時的に昇圧し、昇圧した電圧によって前記制御リレーを動作させることが可能な静電容量を有する、
   請求項１に記載のリレー制御装置。

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