JP3241007U - 逆起電力除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度・駆動電圧の変化に対して高精度に逆起電力の発生を表示する逆起電力除去装置を提供すること。
【解決手段】誘導性負荷Ｍ１と、誘導性負荷を駆動する電源ＢＴ１と、誘導性負荷の加減速時に生じる逆起電力をエネルギーとして消費されるように配置された整流素子１０を含む逆起電力除去部１と、トランジスタ１１により逆起電力の発生有無を検出する逆起電力検出部２と、逆起電力を表示する逆起電力表示部３とを具備し、整流素子とトランジスタは同一種類の半導体材料で作られており、さらに逆起電力が発生している時に、整流素子の順方向電圧がトランジスタのベース－エミッタ間順方向電圧を上回る事で逆起電力のエネルギーが逆起電力検出部から逆起電力表示部へ送られる。
【選択図】図１

Description

本考案はＤＣモータ等の誘導性負荷を駆動する回路において、誘導性負荷から発生する逆起電力の除去及び逆起電力の発生を表示する回路に用いられ、特に温度・駆動電圧の変化に対して高精度に逆起電力の発生を表示する装置に関する。

誘導性負荷から発生する逆起電力の除去及び逆起電力の発生を表示する装置が提案されている。特に電磁ソレノイドやＤＣブラシ付きモータ等の誘導性負荷をロボット競技時等に使用する際、電源がバッテリーの場合一般に電源電圧が低下していくことが知られており、また誘導性負荷にかかる力の大きさは競技相手の仕様が様々で不明確であるため、誘導性負荷から発生する逆起電力量に応じた表示の要求があった。

特許文献１の図３では、逆起電力検出部２において、逆起電力の判定用比較器ＯＰ１により、モータを駆動するための電源供給部における供給電圧であるＤＣポジティブ（＋）とＤＣネガティブ（－）間で上昇する電圧上昇分が固定された閾値を上回ると逆起電力が発生していると判定していた。しかし供給電圧が変化したり、固定された閾値の温度変動が発生する用途に用いた場合は、逆起電力の除去及び表示にばらつきがあった。

特開平０６－３４３２９１号公報

温度・駆動電圧の変化に対して高精度に逆起電力の除去及び表示する装置を提供すること。

前記課題を解決するために本考案による逆起電力除去装置は、誘導性負荷と、前記誘導性負荷を駆動する電源と、誘導性負荷の加減速時に生じる逆起電力をエネルギーとして消費されるように配置された整流素子を含む逆起電力除去部と、トランジスタにより逆起電力の発生有無を検出する逆起電力検出部と、逆起電力を表示する逆起電力表示部とを具備し、前記整流素子と前記トランジスタは同一種類の半導体材料で作られており、さらに逆起電力が発生している時に、前記整流素子の順方向電圧が前記トランジスタのベース－エミッタ間順方向電圧を上回る事で逆起電力のエネルギーが前記逆起電力検出部から前記逆起電力表示部へ送られることを特徴とする。

また前記整流素子と直列に抵抗が接続され、前記整流素子と前記トランジスタは同じ筐体内に配置されることを特徴とする。

本考案によれば、前記電源の電圧が変動しても逆起電力が発生すると常に前記整流素子が順方向に導通し順方向電圧Ｖｆが発生する事で熱に変わる。これにより、逆起電力の除去精度が向上する。

また本考案によれば、周囲温度の変化によらず正確に逆起電力の発生を表示することができる。これにより、例えばロボット競技会場の周囲温度や動作前後による温度変化において正確に逆起電力を目視でき、ロボットの強化に役立てることができる。

本考案の動作を説明するための回路構成図である。 本考案の逆起電力除去装置の一実施例を示す全体回路図である。

本考案は、誘導性負荷Ｍ１と、それを駆動するための電源ＢＴ１と、誘導性負荷から逆起電力が発生した時に熱に変えて除去する逆起電力除去部１と、逆起電力除去部１が動作したことを検知するための逆起電力検出部２、及びユーザに知らせるための逆起電力表示部３と、誘導性負荷Ｍ１をＰＷＭ制御するためにＯＮ／ＯＦＦするスイッチ部４を持つ。

より具体的な接続方法を添付図面図１に従って説明する。電源ＢＴ１の正極は誘導性負荷Ｍ１の一端Ｊ３と逆起電力除去部１の一端と逆起電力検出部２における抵抗１４の一端に接続され、誘導性負荷Ｍ１の他端Ｊ４は逆起電力除去部１の他端と逆起電力検出部２におけるトランジスタ１１のエミッタ端子とスイッチ部４の一端に接続され、逆起電力検出部２におけるトランジスタ１１のコレクタ端子は逆起電力表示部３の一端に接続され、逆起電力表示部３の他端とスイッチ部４の他端は電源ＢＴ１の負極に接続される。

また逆起電力除去部１の一端は抵抗１３の一端に接続され、抵抗１３の他端はダイオード１０のカソード端子に接続され、ダイオード１０のアノード端子は逆起電力除去部の他端に接続され、逆起電力検出部２の抵抗１４の他端はトランジスタ１１のベース端子に接続され、逆起電力表示部の一端は抵抗１５の一端に接続され、抵抗１５の他端は表示素子（ＬＥＤ）１２のアノード端子に接続され、表示素子（ＬＥＤ）１２のカソード端子は逆起電力表示部の他端に接続されている。

より具体的な動作について図１に従って説明する。スイッチ部４は外部のＰＷＭ信号によってＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。例えばＰＷＭ信号がＨｉの時はスイッチ部４がＯＮ、ＰＷＭ信号がＬｏの時はスイッチ部４がＯＦＦする。スイッチ部４がＯＮの時は電源ＢＴ１と誘導性負荷Ｍ１とスイッチ部４の直列接続された経路が導通され、誘導性負荷Ｍ１に電流が流れて駆動される。逆にスイッチ部４がＯＦＦの時は電源ＢＴ１と誘導性負荷Ｍ１とスイッチ部４の直列接続された経路が遮断され非駆動となる。

スイッチ部４が前記ＰＷＭ信号により周期的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す時において、まずスイッチ部４がＯＮで誘導性負荷Ｍ１が電源ＢＴ１で駆動されているときは、逆起電力除去部１の整流素子が逆バイアス状態となり逆起電力除去部１は動作しない。今度はスイッチ部４がＯＦＦされた瞬間、誘導性負荷Ｍ１には自己誘導作用が生じるため、同じ電流を流し続けようとして誘導性負荷Ｍ１が電源ＢＴ１で駆動された時とは逆向きの電圧を発生させる。その電圧のエネルギーが逆起電力である。また誘導性負荷Ｍ１がＤＣブラシ付きモータの場合は、モータの軸における慣性モーメントにより逆起電力が発生する。

逆起電力によりスイッチ部４の一端－他端間電圧は電源ＢＴ１の電圧＋逆起電力による電圧に跳ね上がろうとする。そのため、スイッチ部４の内部素子を破損させないよう、逆起電力除去部１が接続されている。

逆起電力除去部１はスイッチ部４がＯＦＦになり逆起電力が発生した時、逆起電力除去部１の整流素子が順バイアス状態となり導通するため、例えば整流素子１０はその順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆの積による電力を熱として、抵抗１３は順方向電流Ｉｆの２乗と抵抗値の積を熱として、発生した逆起電力を除去する。

逆起電力検出部２のトランジスタ１１は例えばＰＮＰトランジスタの場合、逆起電力の発生時に誘導性負荷Ｍ１の他端Ｊ４が正極、一端Ｊ３が負極となり、トランジスタ１１はベース－エミッタ間電圧が順方向にバイアスされるため、抵抗１４を介してベース電流が流れる。逆起電力のエネルギーによりトランジスタ１１の電流増幅率ｈＦＥ倍された電流がトランジスタ１１のコレクタと抵抗１５を介して表示素子（ＬＥＤ）１２へ流れて表示素子（ＬＥＤ）１２が動作することで、逆起電力の発生がユーザへ伝えられる。

逆に逆起電力が発生していない時は誘導性負荷Ｍ１の一端Ｊ３が正極、他端が負極となるか、スイッチ部４がＯＦＦの時はＭ１の両端は同一の電圧となるため、トランジスタ１１のＶｂｅは逆バイアスか、０Ｖとなり、ベース電流は流れず表示素子（ＬＥＤ）１２は動作しない。

トランジスタ１１のベース－エミッタ間電圧Ｖｂｅの温度特性は、同一種類の半導体材料で作られた整流素子１０の順方向電圧Ｖｆの温度特性と略一致するため、周囲温度が上昇するとトランジスタ１１のベース－エミッタ間電圧Ｖｂｅも整流素子１０の順方向電圧Ｖｆも共に低下する。逆に周囲温度が下降するとそれらは共に上昇する。そのため従来技術における固定された閾値と比べ、より高精度に逆起電力を表示可能となる。

これは、同一種類の半導体材料で作られた整流素子とトランジスタ、例えばシリコンの整流素子とシリコンのトランジスタにおいて、整流素子の順方向電圧Ｖｆとトランジスタのベース－エミッタ間電圧Ｖｂｅは同じ温度特性を示すことが一般的に知られており、一定の電流条件において温度が上昇すると、ＶｆもＶｂｅもどちらも低下することを利用している。

また、整流素子１０とトランジスタ１１を同じ筐体に封入し熱結合することで、温度特性が略一致する。整流素子１０とトランジスタ１１を同一基板上に配置し、銅パターンにより熱結合しても良い。整流素子１０とトランジスタ１１を樹脂で一体化し熱結合しても良い。このように温度特性を合わせることで高精度に逆起電力を表示可能となる。但し、整流素子１０とトランジスタ１１を樹脂で一体化すると、整流素子１０を容易に変更できなくなり利便性が低下するため、その時は整流素子１０とトランジスタ１１を同じ筐体に封入し、抵抗１３の抵抗値を増やす事で逆起電力除去部１の両端子間電圧が見かけ上大きくなり特性を微調整できる。

以下、添付図面図１及び図２に従って一実施例を説明する。
逆起電力除去装置１は、誘導性負荷Ｍ１として例えば電磁ソレノイドのコイル巻線や、ブラシ（整流子）が搭載されたブラシ付きＤＣモータが接続され、外部からのＰＷＭ信号によって誘導性負荷Ｍ１がＰＷＭ駆動される回路である。電源ＢＴ１は例えばラジコン用７．２Ｖバッテリーで、誘導性負荷Ｍ１は例えばブラシ付きＤＣモータのＲＳ－５４０である。

図２で補助電源部６は、スイッチ部４のＭＯＳＦＥＴ群Ｑ６～Ｑ１０において、ゲート－ソース端子間電圧を十分高い電圧にすることでＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗を低減するための任意の電圧に変換するコンバータ回路である。ＤＣ－ＤＣコンバータＵ１は例えばＭＣ３４０６３で、ＤＣ－ＤＣコンバータＵ１の入力である制御電源ＶＣＣは例えば３．３Ｖ～５．０Ｖ、ＤＣ－ＤＣコンバータＵ１の出力である＋１２Ｖは例えば１２Ｖの昇圧コンバータ回路である。ＤＣ－ＤＣコンバータＵ１のブロックは昇圧コンバータでも降圧コンバータでも良い。

外部のマイコン等で生成されるＰＷＭ信号は例えば３．３Ｖ、３０ｋＨｚ、時比率（ＯＮ－Ｄｕｔｙ）０～１００％の方形波である。図２でスイッチ駆動部５のＭＯＳＦＥＴゲートドライバＵ２は例えばＭＣＰ１４Ａ０９０１で、例えば３．３ＶＰＷＭ信号を受け、＋１２Ｖレベルに変換し且つ大きな電流でＭＯＳＦＥＴの入力容量を高速に駆動するために使われる。ＭＯＳＦＥＴのＱ５は例えば２Ｎ７００２Ｋで、ＰＷＭ信号が入力されていない時に出力をＯＦＦにする論理反転用である。

ＭＯＳＦＥＴゲートドライバＵ２の出力はスイッチ部４におけるゲート抵抗Ｒ１０～Ｒ１４を夫々介して、ドレイン端子及びソース端子が夫々並列に接続されたＭＯＳＦＥＴ群Ｑ６～Ｑ１０を駆動する。ゲートドライブ信号が＋１２Ｖの時、つまり論理ＨＩ状態の時ＭＯＳＦＥＴ群Ｑ６～Ｑ１０がＯＮし、それによりスイッチ部４がＯＮ状態となり、誘導性負荷Ｍ１に電源ＢＴ１の電圧が印加されてＭ１が動作状態となる。ゲートドライブ信号が０Ｖの時、つまり論理ＬＯ状態の時ＭＯＳＦＥＴ群Ｑ６～Ｑ１０がＯＦＦし、それによりスイッチ部４がＯＦＦ状態となり、電源ＢＴ１と誘導性負荷Ｍ１とスイッチ部４の直列接続された経路が遮断される。

ＭＯＳＦＥＴ群Ｑ６～Ｑ１０は例えばＭＯＳＦＥＴのＴＫ１００Ｅ０６Ｎ１で、スイッチングダイオードＤ４～Ｄ８は例えば１Ｎ４１４８Ｗで、抵抗Ｒ１０～Ｒ１４は例えば１０Ωで、抵抗Ｒ２０～Ｒ２４は例えば４７ｋΩである。

逆起電力除去部１のＭＯＳＦＥＴ群Ｑ２～Ｑ４は例えばＴＫ１００Ｅ０６Ｎ１を使用し、夫々ゲート端子をソース端子に短絡しボディダイオードのみ動作させる事で整流素子１０の代わりとしているが、高速に整流できれば任意のダイオード等で良い。抵抗Ｒ２５～Ｒ２７は逆起電力除去用で、逆起電力のエネルギーの大きさに合わせて抵抗値及びパッケージの許容損失を選定する。その際、整流素子１０の順方向電圧Ｖｆとトランジスタ１１のベース－エミッタ間電圧Ｖｂｅの温度特性の変化の関係を抵抗Ｒ２５～Ｒ２７で微調整できる。本実施例では０Ωとしている。

逆起電力検出部２のトランジスタ１１は例えばＰＮＰトランジスタの２ＳＡ１５８７で、抵抗Ｒ７は１０ｋΩ、トランジスタ１１のベース－エミッタ逆電圧保護用Ｄ２は例えば１Ｎ４１４８Ｗとする。スイッチングダイオードＤ２はトランジスタＱ１のベース－エミッタ間電圧保護用として接続される。

１ 逆起電力除去部
２ 逆起電力検出部
３ 逆起電力表示部
４ スイッチ部
５ スイッチゲート駆動部
６ 補助電源部
１０ 整流素子
１１ トランジスタ
１２ 表示素子（ＬＥＤ）
１３～１５ 抵抗
ＢＴ１ 電源
Ｊ１ コネクタ
Ｍ１ 誘導性負荷
ＶＣＣ 制御電源

Claims (2)

1. 誘導性負荷と、前記誘導性負荷を駆動する電源と、誘導性負荷の加減速時に生じる逆起電力をエネルギーとして消費されるように配置された整流素子を含む逆起電力除去部と、トランジスタにより逆起電力の発生有無を検出する逆起電力検出部と、逆起電力を表示する逆起電力表示部とを具備し、前記整流素子と前記トランジスタは同一種類の半導体材料で作られており、さらに逆起電力が発生している時に、前記整流素子の順方向電圧が前記トランジスタのベース－エミッタ間順方向電圧を上回る事で逆起電力のエネルギーが前記逆起電力検出部から前記逆起電力表示部へ送られることを特徴とする、逆起電力除去装置。
2. 前記整流素子と直列に抵抗が接続され、前記整流素子と前記トランジスタは同じ筐体内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の逆起電力除去装置。

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