JP2685874B2 - 電磁石のコイル駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は電子回路を利用した電磁石のコイル駆動装置
に関する。

（従来の技術） 例えば電磁開閉器に用いられる電磁石のコイル駆動装
置としては、電磁石を励磁する操作コイルに対して、可
動鉄心の吸引投入時にはその可動鉄心を吸引し得るよう
に大きな電流を流し、吸引後は可動鉄心を吸着保持する
だけの小さな電流を流すように制御する構成のものが電
力消費上から好ましい。

また、この種の電磁石としては、電源電圧が例えば10
0ボルト,200ボルトのように異なる場合には、その電源
電圧に応じて定格電圧の異なる操作コイルを用いる必要
があり、このように定格電圧の異なる操作コイルを用意
することは製作上好ましいものではない。

上記の事情を考慮した従来の電磁石のコイル駆動装置
としては、特開昭62−145619号公報に示されたものがあ
る。このものは、交流電源を全波整流する整流回路を設
け、パルス信号によりオン，オフされて操作コイルに前
記整流回路の出力電圧たる電源電圧を印加するスイッチ
ング素子を設け、前記電源電圧を積分する積分回路を設
け、前記電源電圧を検出する電圧検出回路の検出電圧が
一定値になった時に計時作動を開始する遅延回路を設
け、鋸歯状波を発生する投入用発振回路を設け、この投
入用発振回路の鋸歯状波と前記積分回路の積分出力とを
比較して投入用パルス信号を出力する投入用比較回路を
設け、前記鋸歯状波よりもオンデューティ比が小なる鋸
歯状波を発生する保持用発振回路を設け、この保持用発
振回路の鋸歯状波と前記積分回路の積分出力とを比較し
て前記投入用パルス信号よりもデューティ比の小なる保
持用パルス信号を出力する保持用比較回路を設け、そし
て投入時には前記投入用比較回路の投入用パルス信号を
前記スイッチング素子に与え、遅延回路がタイムアップ
する設定時間後に前記保持用比較回路の保持用パルス信
号を前記スイッチング素子に与えるように切換える切換
回路を設けた構成である。この結果、投入時にはスイッ
チング素子に投入用パルス信号が与えられて操作コイル
には大きな電流が流れ、保持時にはスイッチング素子に
投入用パルス信号よりもデューティ比の小なる保持用パ
ルス信号が与えられて操作コイルには小さな電流が流れ
ることになり、また電源電圧が高い場合には、低い場合
に比し積分回路の積分出力の上昇速度及び値が高くなる
ことから、投入用比較回路からの投入用パルス信号のデ
ューティ比は低い場合に比し小になって、電源電圧が異
なっても対処し得るものである。

（発明が解決しようとする課題） 従来によれば、それぞれ投入用及び保持用の二つの発
振回路、二つの比較回路を設けかつこれらを切換える切
換回路を設ける構成であるので、電子部品数が多くなっ
て回路構成が複雑になり、高価になる問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は、電子部品数を少なくし回路構成が簡単になり、安価
になし得る電磁石のコイル駆動装置を提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の電磁石のコイル駆動装置は、パルス信号によ
りオン，オフされて電磁石の操作コイルに電源電圧を供
給するスイッチング素子を設け、前記電源電圧を検出す
る電圧検出回路を設け、この電圧検出回路の検出電圧に
応じた投入用レベル信号を出力し、前記電源電圧によっ
て変化するようにした設定時間後にその投入用レベル信
号に基づいてこれよりも高い保持用レベル信号を出力す
るゲイン回路を設け、三角波を発生する基準波発生回路
を設け、この基準波発生回路の三角波と前記ゲイン回路
の投入用レベル信号とを比較して一定周期の投入用パル
ス信号を出力し、設定時間後に前記三角波と保持用レベ
ル信号とを比較して前記投入用パルス信号よりもデュー
ティ比の小なる保持用パルス信号を出力する比較回路を
設け、この比較回路の投入用パルス信号及び保持用パル
ス信号を前記スイッチング素子に供給するパルス出力回
路を設ける構成に特徴を有する。

（作用） 本発明の電磁石のコイル駆動装置によれば、保持時に
は投入時よりゲイン回路の増幅率が大となって、電圧検
出回路の検出電圧に基づく保持用レベル信号は投入用レ
ベル信号よりも大となり、従ってこれらのレベル信号と
基準波発生回路の三角波とを比較する比較回路から出力
される保持用パルス信号のデューティ比は投入用パルス
信号のそれよりも小となって、操作コイルに流れる電流
は保持時の方が投入時よりも小さくなり、また電源電圧
が異なった場合において、電源電圧が高い時には投入用
レベル信号及び保持用レベル信号は電源電圧が低い時よ
りも高くなって、投入用パルス信号及び保持用パルス信
号のデューティ比は電源電圧が低い時のそれよりも小と
なる。また投入用パルス信号の印加時間も小となる。し
たがって操作コイルに対する電圧は電源電圧の高低にか
かわらず投入時及び保持時のそれぞれに応じたほぼ一定
の値になるとともに、鉄心の吸引に必要十分な時間だけ
投入時の電圧が印加されるようにしたものである。

（実施例） 以下本発明の一実施例につき図面に基づいて説明す
る。まず、第１図に従って基本的な電気的構成について
述べる。交流電源１は電源スイッチ２のオン時に全波整
流回路３の交流入力端子に交流電圧を印加する。操作コ
イル４は例えば電磁開閉器に用いられた電磁石を励磁す
るもので、スイッチング素子としてのFET5のオン時に全
波整流回路３の直流出力電圧たる電源電圧が供給され
る。そして操作コイル４にはフライホイールダイオード
６が備えられている。定電圧回路７は、前記電源電圧か
ら直流定電圧を得るものである。電圧検出回路８は、前
記電源電圧及び直流定電圧が供給されるようになってい
て、検出電圧V_D及び電圧確立信号S_Dを出力する。

タイマ回路９は前記電源電圧及び直流定電圧が供給さ
れるようになっていて前記電源電圧が与えられると計時
作動を開始する。ゲイン回路10は、前記直流定電圧が供
給されるようになっていて、前記検出電圧V_Dを所定の増
幅率で増幅して投入用レベル信号SLaとして出力し、タ
イマ回路10のタイムアップ信号V_Tが与えられると前記検
出信号V_Dを前述よりも高い増幅率で増幅して保持用レベ
ル信号SLbとして出力する。基準波発生回路11は、前記
直流定電圧が供給されるようになっていて、基準波とし
て三角波、例えば鋸歯状波V_Sを出力する。比較回路12
は、前記直流定電圧が供給されるようになっていて、前
記鋸歯状波V_Sと投入用レベル信号SLaとを比較すること
により投入用パルス信号Paを出力し、その後、鋸歯状波
V_Sと保持用レベル信号SLbとを比較することにより保持
用パルス信号Pbを出力する。パルス出力回路13は、前記
直流定電圧が供給されるようになっていて、前記電圧確
立信号S_Dが与えられると投入用パルス信号PaをFET5に供
給してこれをオン，オフさせ、その後、保持用パルス信
号PbをFET5に供給してこれをオン，オフさせる。

さて、第２図に従って具体的な電気的構成について述
べる。

全波整流回路３はダイオード3₁ないし3₄をブリッジ接
続して構成され、直流出力端子は直流母線14,15に接続
されている。FET5はMOS形ソース接地方式のもので、そ
のドレインは操作コイル４を介して直流母線14に接続さ
れ、ソースは直流母線15に接続されている。そして、操
作コイル４にはフライホイールダイオード６が並列に接
続されている。定電圧回路７は直流母線14,15間に接続
されたもので、その直流定電圧を出力する出力端子は直
流母線16に接続されている。電圧検出回路８は抵抗8₁な
いし8₅，コンデンサ8₆及びオープンコレクタ形の比較器
8₇から構成されている。そして直流母線14,15間に抵抗8
₁，8₂の直列回路が接続され、抵抗8₂に並列にコンデン
サ8₆が接続され、直流母線16,15間に抵抗8₃，8₄の直列
回路が接続され、抵抗8₁，8₂の共通接続点と抵抗8₃，8₄
の共通接続点とが比較器8₇の非反転入力端子（＋）と反
転入力端子（−）とにそれぞれ接続され、比較器8₇の出
力端子は抵抗8₅を介して直流母線16に接続されている。

タイマ回路９は、抵抗9₁ないし9₆，コンデンサ9₇，ツ
ェナーダイオード9₈，ダイオード9₉及びオープンコレク
タ形の比較器9₁₀から構成されている。そして、直流母
線14,15間に抵抗9₁，9₂，9₃の直列回路が接続され、抵
抗9₃に並列にコンデンサ9₇が接続され、また抵抗9₂，9₃
の直列回路に並列にツェナーダイオード9₈が接続され、
直流母線16,15間に抵抗9₄，9₅の直列回路が接続され、
抵抗9₂，9₃の共通接続点と抵抗9₄，9₅の共通接続点とが
比較器9₁₀の非反転入力端子（＋）と反転入力端子
（−）とにそれぞれ接続され、比較器9₁₀の出力端子は
抵抗9₆を介して直流母線16に接続されている。また比較
器9₁₀の非反転入力端子（＋）はダイオード9₉を介して
直流母線16に接続されている。

ゲイン回路10は、アナログスイッチ10₁，10₂，抵抗10
₃ないし10₈及び差動増幅回路を形成するための演算増幅
器10₉から構成されている。そして演算増幅器10₉の反転
入力端子（−）は抵抗10₃を介して、前記抵抗8₁，8₂の
共通接続点に接続され、抵抗10₃に並列に抵抗10₄及びア
ナログスイッチ10₁の直列回路が接続され、アナログス
イッチ10₁のゲートは前記比較器9₁₀の出力端子に接続さ
れている。また、演算増幅器10₉の非反転入力端子
（＋）は、抵抗10₅，10₆の共通接続点に接続され、抵抗
10₅に並列にアナログスイッチ10₂及び抵抗10₇の直列回
路が接続され、アナログスイッチ10₂のゲートは前記比
較器9₁₀の出力端子に接続されている。さらに、抵抗10₈
は演算増幅器10₉の反転入力端子（−）と出力端子との
間に接続されている。

基準波発生回路11は、直流母線16,15間に接続されて
いて、出力端子から鋸歯状波V_Sを出力する。

比較回路12はオープンコレクタ形の比較器12₁及び抵
抗12₂から構成されている。そして比較器12₁においてそ
の非反転入力端子（＋）は基準波発生回路11の出力端子
に接続され、反転入力端子（−）は演算増幅器10₉の出
力端子に接続され、出力端子は抵抗12₂を介して直流母
線16に接続されている。

パルス出力回路13は、アンドゲート13₁及びアンプ13₂
から構成されている。そしてアンドゲート13₁におい
て、その一方の入力端子は比較器8₇の出力端子に接続さ
れ、他方の入力端子は比較器12₁の出力端子に接続さ
れ、出力端子はアンプ13₂を介してFET5のゲートに接続
されている。

次に本実施例の作用につき第３図ないし第５図を参照
しながら説明する。

先ず電源スイッチ２をオンさせると、交流電源１の交
流電圧が全波整流回路３に供給され、全波整流回路３は
これを全波整流して直流出力電圧即ち電源電圧として直
流母線14,15間に出力する。これにより、定電圧回路７
はこの電源電圧から直流定電圧を得て直流母線16,15間
に出力するようになり、その直流母線16,15間の直流定
電圧は電圧検出回路8,タイマ回路9,ゲイン回路10,基準
波発生回路11,比較回路12及びパルス出力回路13に供給
される。そして直流母線14,15間の電源電圧が電圧検出
回路８に供給されると、その電源電圧は抵抗8₁，8₂によ
り分圧されるようになり、したがって抵抗8₁，8₂の共通
接続点からは分圧されかつコンデンサ8₆により平滑され
て電源電圧に比例した検出電圧V_Dが出力される。この検
出電圧V_Dは比較器8₇の非反転入力端子（＋）に与えられ
るとともにゲイン回路10にも与えられる。

比較器8₇の反転入力端子（−）には直流母線16,15間
の直流定電圧を抵抗8₃，8₄により分圧してなる設定電圧
V₈が与えられおり、この設定電圧V₈は操作コイル４が起
動すべき電源電圧の一定値に比例したものに設定されて
いる。したがって検出電圧V_Dが設定電圧未満のときには
比較器8₇の出力はローレベル（直流母線15の電位レベ
ル）であり、パルス出力回路13のアンドゲート13₁の一
方の入力信号がローレベルとなって、そのアンドゲート
13₁は非能動状態になる。

しかして、検出電圧V_Dが設定値V₈以上になると、比較
器8₇は出力端子からハイレベルの信号たる電圧確立信号
S_Dを出力する。なおこの電圧確立信号S_Dのレベルは実際
には抵抗8₅を介する直流母線16の電位である。この電圧
確立信号S_Dはアンドゲート13₁の一方の入力信号として
与えられるので、アンドゲート13₁は能動状態となる。

また直流母線14,15間の電源電圧がタイマ回路９に供
給されると、その電源電圧は抵抗9₁，9₂により分圧さ
れ、これによりコンデンサ9₇が充電されるようになり検
出電圧V_Iが出力される。この検出電圧V_Iは比較器9₁₀の
非反転入力端子（＋）に与えられる。比較器9₁₀の反転
入力端子（−）には直流母線16,15間の直流定電圧を抵
抗9₄，9₅により分圧してなる設定電圧V₉が与えられてお
り、検出電圧V_Iが設定電圧V₉の値を越えるとタイムアッ
プ信号V_Tが出力される。タイマ回路９の作動の開始当初
は比較器9₁₀の出力はローレベルであり、したがってア
ナログスイッチ10₁及び10₂は非導通状態になっている。
そして前述したように検出電圧V_Dはゲイン回路10にも与
えられるようになっているので、その検出電圧V_Dは抵抗
10₃，10₈と抵抗10₅，10₆とで定まる増幅率で増幅されて
投入用レベル信号SLaとして出力される。この投入用レ
ベル信号SLaは比較回路12における比較器12₁の反転入力
端子（−）に与えられる。比較器12₁の非反転入力端子
（＋）には基準波発生回路11からの第３図（ａ）及び第
４図（ａ）に示す如き一定周期の鋸歯状波V_Sが与えられ
ており、したがって比較器12₁は鋸歯状波V_Sが投入用レ
ベル信号SLaよりも大なる期間においてハイレベルの投
入用パルス信号Paを出力する。この投入用パルス信号Pa
はパルス出力回路13における能動状態のアンドゲート13
₁及びアンプ13₂を介してFET5のゲートに与えられるよう
になり、FET5はその投入用パルス信号Paに応じてオン，
オフして操作コイル４に電源電圧を断続的に供給し、操
作コイル４が電磁石を励磁することになって、その電磁
石に可動鉄心が吸引され、もって投入動作が完了する。

その後、タイマ回路９が設定時間の計時作動を終了
（タイムアップ）すると、コンデンサ9₇の充電電圧、す
なわち検出電圧V_Iが設定電圧V₉の値を越え、比較器9₁₀
の出力はハイレベルとなり、これがタイムアップ信号V_T
としてアナログスイッチ10₁及び10₂に与えられる。この
場合タイマ回路９の設定時間は電磁石が可動鉄心を吸引
して投入動作を完了するのに充分な時間に予め設定され
ている。またタイムアップまでの時間は直流母線14,15
間の電圧により変化するが、ツェナー電圧9₈により制御
される電圧以上では一定となる。そしてアナログスイッ
チ10₁及び10₂は導通状態になる。これにより抵抗10₄及
び10₇は抵抗10₃及び10₅にそれぞれ並列に挿入されるこ
とになる。したがって検出電圧V_Dは抵抗10₃，10₄及び10
₈と抵抗10₅，10₇及び10₆とによって定まる増幅率で増幅
されて保持用レベル信号SLbを出力する。この場合ゲイ
ン回路10の増幅率は投入用レベル信号SLaの出力時より
も保持用レベル信号SLbの出力時の方が大になり、した
がって保持用レベル信号SLbは投入用レベル信号SLaより
も高くなるものである。この保持用レベル信号SLbは投
入用レベル信号SLaと同様に比較回路12に与えられるの
で、比較回路12からは投入用パルス信号Paよりもデュー
ティ比の小なる保持用パルス信号Pbが出力される。この
保持用パルス信号Pbはパルス出力回路13を介してFET5の
ゲートに与えられるので、FET5はその保持用パルスPbに
応じてオン，オフされて操作コイル４に電源電圧を供給
するようになり、可動鉄心は電磁石に吸着保持される。

さて、交流電源１の交流電圧が異なる場合例えば小電
圧（例えば100ボルト），大電圧（例えば200ボルト）及
び中電圧（例えば大，小電圧の中間）の場合につき述べ
る。

このように、交流電源１の交流電圧が異なると、直流
母線14,15間に供給される電源電圧も小，中及び大電圧
のように異なり、検出電圧V_Dも小，中及び大電圧のよう
に変化する。したがってゲイン回路10から出力される投
入用レベル信号SLaも第３図（ａ）で示す如くSLa₁（小
電圧）、SLa₂（中電圧）及びSLa₃（大電圧）のようにレ
ベル変化し、比較回路12から出力される投入用パルス信
号Paも第３図（ｄ），（ｃ）及び（ｂ）並びに第５図
（ｂ），（ｅ）及び（ｈ）で示す様にPa₁（小電圧），P
a₂（中電圧）及びPa₃（大電圧）の如くデューティ比が
変化し、デューティ比が順次小となる。

これらの投入用パルス信号Pa₁，Pa₂もしくはPa₃がパ
ルス出力回路13を介して与えられたFET5はそれぞれに応
じてオン，オフ制御され、したがって操作コイル４には
第５図（ｃ），（ｆ）もしくは（ｉ）のように電源電圧
が印加されてその平均印加電圧はほぼ一定となり、操作
コイル４に流れる電流は、第５図（ｄ），（ｇ）もしく
は（ｊ）のようにほぼ一定になり、電磁石が可動鉄心を
吸引する投入動作が行なわれる。

その後、タイマ回路９がれそぞれ小電圧，中電圧及び
大電圧に応じた時間T₁，T₂及びT₃でタイムアップとなっ
てゲイン回路10の増幅率が変化すると、その保持用レベ
ル信号SLbは第４図（ａ）で示すようにSLb₁（小電
圧），SLb₂（中電圧）及びSLb₃（大電圧）の如くレベル
変化し、比較回路12から出力される保持用パルス信号Pb
も第４図（ｄ），（ｃ）及び（ｂ）並びに第５図
（ｂ），（ｅ）及び（ｈ）で示すようにPb₁（小電
圧），Pb₂（中電圧）及びPb₃（大電圧）の如くデューテ
ィ比が変化し、デューティ比が順次小となる。これらの
保持用パルス信号Pb₁，Pb₂もしくはPb₃がパルス出力回
路13を介して与えられたFET5はそれぞれに応じてオン，
オフ制御され、したがって操作コイル４には第５図
（ｃ），（ｆ）もしくは（ｉ）のように電源電圧が印加
されてその平均印加電圧は前記投入時よりも低いほぼ一
定となり、操作コイル４に流れる電流は第５図（ｄ），
（ｇ）もしくは（ｊ）のようにほぼ一定になり、電磁石
が可動鉄心を吸着保持することになる。

なお、上記実施例ではスイッチング素子としてFET5を
用いるようにしたが、代わりにトランジスタ等の他のス
イッチング素子を用いるようにしてもよい。

また上記実施例ではゲイン回路10として差動増幅回路
を用いるようにしたが、代わりに演算増幅回路10₉の非
反転入力端子（＋）を直流母線15に直接接続した演算増
幅回路を用いるようにしてもよい。

その他、本発明は上記しかつ図面に示す実施例にのみ
限定されるものではなく、例えば電磁開閉器のみに限ら
ず電磁石を用いるもの全般に適用しうる等、要旨を逸脱
しない範囲内で適宜変形して実施し得ることはもちろん
である。

［発明の効果］ 本発明は以上説明した通りであるので次のような効果
を奏するものである。すなわち、ゲイン回路が電圧検出
回路の検出電圧に応じた投入用レベル信号を出力すると
ともに、電源電圧により変化するようにした設定時間後
にその投入用レベル信号よりも高い保持用レベル信号を
出力し、比較回路が投入用レベル信号と基準波発生回路
からの三角波とを比較して投入用パルス信号を出力し、
設定時間後に前記三角波と保持用レベル信号とを比較し
て前記投入用パルス信号よりもデューティ比の小なる保
持用パルス信号を出力し、これらの投入用パルス信号及
び保持用パルス信号をスイッチング素子に与えてこれを
オン，オフさせることにより電磁石を励磁する操作コイ
ルに電源電圧を供給するようにしたので、一つの基準波
発生回路及び一つの比較回路を投入用パルス信号及び保
持用パルス信号の出力に共用できるとともに、従来の如
き切換回路が不要になるので、電子部品数を少なくする
ことができ、回路構成が簡単になり安価に製作しうるも
のである。

さらに、電源電圧が異なった場合には、ゲイン回路か
らの投入用レベル信号及び保持用レベル信号は電源電圧
の低い時よりも高い時の方が高くなるので、投入用パル
ス信号及び保持用パルス信号のデューティ比がそれぞれ
小となるものであり、したがって電源電圧が異なる場合
であっても操作コイルに対する平均印加電圧をほぼ等し
くなしうるものである。なお上記構成から明らかなよう
に、同一の定格電源電圧であっても電源電圧の変動が生
じた場合には、同様の原理により対処しうるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は基本的な電気
的構成を示すブロック図、第２図は具体的な電気的構成
を示す結線図、第３図ないし第５図は作用説明用の各部
の信号波形図である。 図面中、４は操作コイル、５はFET（スイッチング素
子）、７は定電圧回路、８は電圧検出回路、９はタイマ
回路、10はゲイン回路、11は基準波発生回路、12は比較
回路、13はパルス出力回路を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁石を励磁する操作コイルとパルス信号
   によりオン，オフされて前記操作コイルに電源電圧を供
   給するスイッチング素子と、前記電源電圧を検出する電
   圧検出回路と、この電圧検出回路の検出電圧に応じた投
   入用レベル信号を出力し、前記電源電圧により変化する
   ようにした設定時間後にその検出電圧に基づいて投入用
   レベル信号よりも高い保持用レベル信号を出力するゲイ
   ン回路と、三角波を発生する基準波発生回路と、この基
   準波発生回路の三角波と前記ゲイン回路の投入用レベル
   信号を比較して一定周期の投入用パルス信号を出力し、
   設定時間後に前記三角波と保持用レベル信号とを比較し
   て前記投入用パルス信号よりもデューティ比の小なる保
   持用パルス信号を出力する比較回路と、この比較回路の
   投入用パルス信号及び保持用パルス信号を前記スイッチ
   ング素子に供給するパルス出力回路とを具備してなる電
   磁石のコイル駆動装置。