JP4030349B2

JP4030349B2 - 電源回路

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Publication number: JP4030349B2
Application number: JP2002151875A
Authority: JP
Inventors: 恒男鈴木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP2003348846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源トランスを備えた電源回路に関する。特に、待機状態においてリモートコントロール信号の受信回路やマイクロコンピュータ等の一部の回路を動作させる電気機器に設けられる電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
待機状態においてリモートコントロール信号の受信回路やマイクロコンピュータ等の一部の回路を動作させる電気機器に設けられる電源回路であって、待機状態の電力消費を抑制することができる従来の電源回路の一構成例を図６に示す。
【０００３】
従来の電源回路２５は、電源トランス３、抵抗４、リレースイッチ５、ダイオードブリッジ６、平滑コンデンサ７、三端子レギュレータ８、及びリレーコイル９を備える。従来の電源回路２５は商用電源１と電気機器の制御回路２との間に設けられる。
【０００４】
電源トランスの一次巻線３ａの一端が商用電源１の一端に接続される。また、電源トランスの一次巻線３ａの他端が抵抗４を介して商用電源１の他端に接続される。そして、抵抗４の両端がリレースイッチ５を介して接続される。
【０００５】
電源トランスの二次巻線３ｂがダイオードブリッジ６の入力側に接続される。ダイオードブリッジ６の正極性側出力端がコンデンサ７の一端及び三端子レギュレータ８の入力端子に接続される。一方、ダイオードブリッジ６の負極性側出力端がコンデンサ７の他端、三端子レギュレータ８のグランド端子、及び制御回路２に接続される。
【０００６】
三端子レギュレータ８の出力端子がリレーコイル９の一端及び制御回路２に接続される。また、リレーコイル９の他端が制御回路２に接続される。そして、三端子レギュレータ８の出力端子−グランド端子間の電圧が電気機器の他の回路（図示せず）にも供給される。さらに、リレースイッチ５とリレーコイル９とは機械式リレーを構成している。
【０００７】
なお、電源トランスの一次側の構成が上記従来の電源回路２５と略同一である電源回路が特開２０００−２０７０３６号公報に、電源トランスの一次側の構成が上記従来の電源回路２５の抵抗４をコンデンサに置き換えたものと略同一である電源回路が特開２００１−２７５２５３号公報にそれぞれ開示されている。
【０００８】
続いて、従来の電源回路２５の動作について説明する。電源トランス３は供給された交流電圧を変圧する。電源トランス３によって変圧された交流電圧は、ダイオードブリッジ６によって整流され、平滑コンデンサ７によって平滑され、三端子レギュレータ８によって安定化されたのち、制御回路２及び電気機器の他の回路（図示せず）に供給される。
【０００９】
制御回路２は、電気機器が運転状態のときにリレーコイル９に電流を流し、電気機器が待機状態のときにリレーコイル９に電流を流さない。これにより、運転状態のときはリレースイッチ５が閉成状態になって抵抗４が短絡され、待機状態のときはリレースイッチ５が開成状態になって抵抗４が開放される。
【００１０】
待機状態において電気機器が消費する電力はわずかであるため、待機状態において電源回路は無負荷とみなすことができる。一般に、電源トランスは無負荷損失が大きいので、電源トランスの無負荷損失が待機状態における電源回路の消費電力を増大させる原因になる。しかしながら、従来の電源回路２５は、待機状態における電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧を抵抗４による電圧降下分だけ運転状態のときよりも低い値にすることができるので、電源トランスの無負荷損失を低減することができ、待機電力を低減することが可能となる。
【００１１】
また、無負荷時において、電源トランスの二次側の電圧は最大負荷時に比べて通常数十パーセント高くなる。一方、電気機器が待機状態のときは、リモートコントロール信号の受信回路などの一部の回路を動作させる場合に電源トランスの二次側で電力を消費する。しかしながら、電気機器の待機状態のときに消費する電力はわずかなものであるので、待機状態では無負荷時と同様に電源トランスの二次側の電圧は最大負荷時に比べて通常数十パーセント高く保つことができる。従って、待機状態において電源トランスの一次巻線の両端に印加する交流電圧を運転状態に比べて数十パーセント低くしても、かろうじて二次側電圧を許容できる最低電圧以上に保つことができる。これにより、待機状態において、リモートコントロール信号の受信回路などの一部の回路が問題なく動作する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した待機電力を低減する効果を大きくするには、待機状態において電源トランスの一次巻線の両端に印加する交流電圧を充分低く抑える必要がある。
【００１３】
一方、電源トランスの二次側回路は、整流回路、平滑コンデンサおよび定電圧回路（例えば三端子レギュレータ）により構成される場合が多く、定電圧回路によって制御回路に安定した電圧を供給できる。この定電圧回路は、制御回路の最大負荷時及び最小負荷時並びに商用電源の電圧変動を考慮して常に一定電圧が保たれるように設計されている。なお、電源回路２５は、例えば商用電源１の電圧が１０％低下すれば、抵抗４の両端電圧、電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧ともに１０％低下し、電源トランスの二次巻線３ｂの両端電圧も１０％低下することになる。
【００１４】
しかしながら、待機状態における電源トランスの一次巻線の両端電圧を充分低く抑え、且つ制御回路の最大負荷時及び最小負荷時並びに商用電源の電圧変動を考慮して常に一定電圧が保つように上記定電圧回路を設計すると、最大負荷時に電源回路において発生する熱損失が極端に大きなものとなってしまう。したがって、待機電力は低減できても、待機状態と運転状態との合計でみると、本来の目的である省エネルギー化を実現できないという問題が生じてしまう。
【００１５】
また、最大負荷時に電源回路において発生する熱損失が極端に大きくならないように上記定電圧回路を設計すると、待機状態における電源トランスの一次巻線の両端電圧を充分低く抑えた場合（例えば６０％まで下げた場合）には商用電源の電圧が低下したときに制御回路に供給する電圧を一定に保つことができなくなるおそれがあるという問題があり、待機時における電源トランスの一次巻線の両端電圧を十分低く抑えなかった場合には待機電力を十分に低減できないという問題があった。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑み、電力消費を低減でき且つ電源電圧変動があった場合でも出力電圧が安定である電源回路を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る電源回路においては、電源トランスと、前記電源トランスの一次巻線に直列接続される電圧降下回路と、電気機器の運転状態において前記電圧降下回路の一部又は全部を短絡するように閉成状態となり、前記電気機器の待機状態において開成状態となるスイッチ手段と、を備え、前記電源トランスの一次巻線の一端が商用交流電源の一端に接続され、前記電源トランスの一次巻線の他端が前記電圧降下回路の一端に接続され、前記電圧降下回路の他端が前記商用交流電源の他端に接続され、前記トランスの二次巻線から前記電気機器の制御回路へ電力を供給し、前記電気機器の待機状態において前記電圧降下回路が一定の交流電流を入出力する構成とする。
【００１８】
このような構成にすることにより、待機状態のときに電源トランスの一次巻線の両端電圧を運転状態のときに比べて小さくすることができるので、待機電力の低減を図ることができる。また、前記電圧降下回路が一定の交流電流を入出力するので、電源トランスの一次巻線を流れる交流電流が一定になる。これにより、電源電圧が変動した場合でも、電源トランスの二次電圧が安定し、これに伴い電源回路の出力電圧も安定する。
【００１９】
さらに、前記電圧降下回路が、前記電源トランスの一次巻線から供給される交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路から供給される整流電圧を安定化する定電圧回路と、前記定電圧回路の出力電圧が供給される抵抗と、を備えるようにしてもよい。
【００２０】
このような構成にすることにより、簡易な構成により前記電圧降下回路を実現することができる。これにより、低コスト化及び小型化を図ることができる。
【００２１】
また、本発明に係る他の電源回路においては、電源トランスと、ツェナーダイオードと、入力側が前記電源トランスの一次巻線に直列接続され、出力側が前記ツェナーダイオードに接続される整流回路と、電気機器の運転状態において前記整流回路の入力側又は出力側を短絡するように閉成状態となり、前記電気機器の待機状態において開成状態となるスイッチ手段と、を備え、前記電源トランスの一次巻線の一端が商用交流電源の一端に接続され、前記電源トランスの一次巻線の他端が前記整流回路の一方の入力端に接続され、前記整流回路の他方の入力端が前記商用交流電源の他端に接続され、前記トランスの二次巻線から前記電気機器の制御回路へ電力を供給する構成とする。
【００２２】
このような構成にすることにより、待機状態において電源トランスの一次巻線に電流が流れる期間が制限されるので、力率は悪くなるが有効電力成分のみが消費電力となる。このため、待機状態での消費電力を小さくすることができる。したがって、電源トランスの一次巻線の両端電圧をさほど低く抑えなくてもよい。これにより、電源トランスの二次側に設ける定電圧回路を最大負荷時の熱損失が極端に大きくならないような設定にした状態で電源電圧が低下したときでも、電源回路の出力電圧を安定にすることができる。
【００２３】
また、前記スイッチ手段を、前記電気機器の運転状態を判別する外部信号に応じてオン／オフするソリッドステートリレーにしてもよい。
【００２４】
このような構成にすることにより、前記スイッチ手段に機械式リレーを用いる場合に比べて、電気機器が運転状態であるときの電力消費の低減を図ることができる。
【００２５】
また、前記スイッチ手段を、前記電気機器の運転状態を判別する外部信号に応じてオン／オフするフォトカプラにしてもよい。
【００２６】
このような構成にすることにより、前記スイッチ手段に機械式リレーやソリッドステートリレーを用いる場合に比べて、電気機器が運転状態であるときの電力消費の低減を図ることができる。また、前記スイッチ手段に機械式リレーやソリッドステートリレーを用いる場合に比べて、低コスト化や小型化を図ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る電源回路の第一実施形態を図１に示す。なお、図１において図６と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００２８】
本発明に係る電源回路２１は、商用電源１と電気機器の制御回路２との間に設けられる。電源回路２１は、図６の電源回路２５において抵抗４をダイオードブリッジ１０、三端子レギュレータ１１、及び抵抗１２から成る電圧降下回路に置き換えた構成である。
【００２９】
ダイオードブリッジ１０の一方の入力端が電源トランスの一次巻線３ａとスイッチ５との接続ノードに接続され、ダイオードブリッジ１０の他方の入力端が商用電源１とスイッチ５との接続ノードに接続される。ダイオードブリッジ１０の正極性側出力端が三端子レギュレータ１１の入力端子に接続され、三端子レギュレータ１１の出力端子が抵抗１２の一端に接続される。ダイオードブリッジ１０の負極性側出力端が三端子レギュレータ１１のグランド端子及び抵抗１２の他端に接続される。
【００３０】
まず、電気機器が運転状態であるときの動作について説明する。電気機器が運転状態であるとき、制御回路２はリレーコイル９に電流を流すので、リレースイッチ５が閉成状態になり、ダイオードブリッジ１０、三端子レギュレータ１１、及び抵抗１２から成る電圧降下回路が短絡する。これにより、商用電源１の両端電圧が電源トランスの一次巻線３ａの両端に印加される。
【００３１】
続いて、電気機器が待機状態であるときの動作について説明する。電気機器が待機状態であるとき、制御回路２はリレーコイル９に電流を流さないので、リレースイッチ５が開成状態になり、電源トランスの一次巻線３ａからダイオードブリッジ１０に電流が流れる。ダイオードブリッジ１０は電源トランスの一次巻線３ａを通して商用電源から供給される電圧を整流し、三端子レギュレータ１１に供給する。三端子レギュレータ１１は定電圧を抵抗１２に供給する。したがって、抵抗１２を流れる直流電流は定電流となる。その結果、三端子レギュレータ１１の入力端子に供給される脈状電流も一定になり、ダイオードブリッジ１１の入力端を流入出する交流電流も一定になる。
【００３２】
三端子レギュレータ１１及び抵抗１２での電圧降下によって、電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧が運転状態のときに比べて低減する。この低減量は抵抗１２の抵抗値を変えることで調整することができる。待機状態における電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧が運転状態のときよりも低下するので、電源トランス３の無負荷時損失が小さくなり、待機電力の低減を図ることができる。
【００３３】
また、ダイオードブリッジ１０の入力端を流入出する交流電流が一定であるので、待機状態においては電源トランスの一次巻線３ａを流れる交流電流も一定となる。したがって、商用電源１の電圧変動が起こっても、電源トランスの一次巻線３ａを流れる交流電流及び電源トランスの一次巻線３ａの両端に印加される交流電圧は一定となる。このとき、商用電源１の電圧変動分は三端子レギュレータ１１の入出力間電圧が変化することによって吸収されている。
【００３４】
このため、電源トランス３の二次側電圧が低すぎて三端子レギュレータ８が安定した電圧を出力することができないという不具合が発生することがなくなる。また、電源トランス３の二次側電圧が低くなりすぎることがないので、三端子レギュレータ８の最低入力電圧の補償を緩和できる。これにより、電気機器が運転状態にある時の最大負荷時の熱損失が大きくなることはない。
【００３５】
次に、本発明に係る電源回路の第二実施形態を図２に示す。なお、図２において図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００３６】
本発明に係る電源回路２２は、商用電源１と電気機器の制御回路２との間に設けられる。電源回路２２は、図１の電源回路２１において三端子レギュレータ１１及び抵抗Ｒ１２をツェナーダイオード１３ａ〜１３ｃに置き換えた構成である。
【００３７】
ダイオードブリッジ１０の正極性側出力端がツェナーダイオード１３ａのカソードに接続される。ツェナーダイオード１３ａのアノードがツェナーダイオード１３ｂのカソードに接続され、ツェナーダイオード１３ｂのアノードがツェナーダイオード１３ｃのカソードに接続される。そして、ツェナーダイオード１３ｃのアノードがダイオードブリッジ１０の負極性側出力端に接続される。
【００３８】
電気機器が運転状態であるときの動作は上述した第一実施形態と同一であるので説明を省略し、以下電気機器が待機状態であるときの動作について説明する。電気機器が待機状態であるとき、制御回路２はリレーコイル９に電流を流さないので、リレースイッチ５が開成状態になり、ダイオードブリッジ１０に印加される電圧がツェナーダイオード１３ａ〜１３ｃのツェナー電圧の合計電圧未満でなければ電源トランスの一次巻線３ａ及びダイオードブリッジ１０に電流が流れる。これにより、電源トランスの一次巻線３ａ及びツェナーダイオード１３ａ〜１３ｃで電圧降下が起こる。
【００３９】
待機状態における電源回路２２の各部電圧・電流波形を図３に示す。ツェナーダイオード１３ａ〜１３ｃのツェナー電圧は３０［Ｖ］であるので、電源トランスの一次巻線３ａを流れる電流Ｉｔは商用電源１の出力電圧Ｖａの振幅が上昇して９０［Ｖ］に成るときから流れ始め、それに同期して電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧Ｖｔも立ち上がっている。そして、電源トランスの一次巻線３ａを流れる電流Ｉｔは商用電源１の出力電圧Ｖａの振幅が降下して９０［Ｖ］になるときまで流れる。すなわち、商用電源１の出力電圧Ｖａの振幅が９０［Ｖ］未満の期間においては、電源トランス３の一次側が不導通状態になる。ただし、電源トランスの一次巻線３ａは誘導負荷であるため、電源トランス３の一次側が不導通状態になってから所定の期間において電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧Ｖｔが振動によって負電圧となる。すなわち、電源トランス３の一次側が不導通状態になると電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧Ｖｔは立ち下がる。そして、ダイオードブリッジ１０の入力端間電圧Ｖｄは、商用電源１の出力電圧Ｖａの９０［Ｖ］以上がクランプされた波形になっている。
【００４０】
図３に示した電流Ｉｔの波形から明らかなように、図２の電源回路２２では電流Ｉｔの流れる期間が制限されており、電流Ｉｔの波形が、商用電源を全波整流し平滑したときによく観察されるコンデンサインプットの電流波形と同じようになる。結果として力率は悪くなるが有効電力成分のみが消費電力となるため、同じ実効値電流が流れた場合、図６の電源回路２５に比べて図２の電源回路２２の方が消費電力は小さくなる。従って図２の電源回路２２は、図６の電源回路２５よりも待機時消費電力を小さくすることが可能である。
【００４１】
また、図２の電源回路２２は、図６の電源回路２５よりも待機状態における消費電力を小さくすることが可能であるので、電源トランスの一次巻線３ａの両端電圧をさほど低く抑えなくてもよい。これにより、三端子レギュレータ８を最大負荷時の熱損失が極端に大きくならないような設定にした状態で商用電源１の出力電圧が低下したときでも、三端子レギュレータ８が安定した電圧を出力することができる。
【００４２】
次に、本発明に係る電源回路の第三実施形態を図４に示す。なお、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００４３】
本発明に係る電源回路２３は、商用電源１と電気機器の制御回路２との間に設けられる。電源回路２３は、図１の電源回路２１においてリレースイッチ５をフォトトライアック１４に、リレーコイル９を発光ダイオード１５に置き換え、発光ダイオード１５のアノードを三端子レギュレータ８の出力端子と制御回路２との接続ノードに接続し、発光ダイオード１５のカソードと制御回路２との間に抵抗１６を設けた構成である。すなわち、電源回路２３は、図１の電源回路２１においてリレースイッチ５及びリレーコイル９から成る機械式リレーをフォトトライアック１４及び発光ダイオード１５から成るソリッドステートリレーに置き換え、発光ダイオード１５のアノードを三端子レギュレータ８の出力端子と制御回路２との接続ノードに接続し、発光ダイオード１５のカソードと制御回路２との間に抵抗１６を設けた構成である。
【００４４】
上述した第一実施形態及び第二実施形態ではリレースイッチ及びリレーコイルから成る機械式リレーを用いたので、運転状態のときは常にリレーコイルに通電しなければならず、運転状態のときにリレーコイルにおいて電力が消費されていた。
【００４５】
一方、本実施形態では機械式リレーよりも駆動エネルギーの少ないソリッドステートリレーを用いているので、運転状態のときにソリッドステートリレーを常時通電駆動しても第一実施形態及び第二実施形態に比べて電力消費が少なくて済む。
【００４６】
一般に知られているようにソリッドステートリレーの場合はトリガパルス駆動が可能であるので、ソリッドステートリレーをトリガパルス駆動することが望ましい。ソリッドステートリレーをトリガパルス駆動することによって、機械式リレーに比べて電力消費を極端に少なくできる。なお、ソリッドステートリレーにおけるトリガパルス駆動は周知技術であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４７】
次に、本発明に係る電源回路の第四実施形態を図５に示す。なお、図５において図４と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
【００４８】
本発明に係る電源回路２４は、商用電源１と電気機器の制御回路２との間に設けられる。電源回路２４は、図４の電源回路２３においてフォトトライアック１４をＮＰＮ型フォトトランジスタ１７に置き換え、さらにフォトトランジスタ１７の接続位置をダイオードブリッジ１０の入力側から出力側に変更した構成である。すなわち、電源回路２４は、図４の電源回路２３においてフォトトライアック１４と発光ダイオード１５から成るソリッドステートリレーをフォトトランジスタ１７及び発光ダイオード１５から成るフォトカプラに置き換え、さらにフォトトランジスタ１７の接続位置をダイオードブリッジ１０の入力側から出力側に変更した構成である。
【００４９】
フォトトランジスタ１７のコレクタがダイオードブリッジ１０の正極性側出力端に接続され、フォトトランジスタ１７のエミッタがダイオードブリッジ１０の負極性側出力端に接続される。フォトカプラの接続位置が上述した第一〜第三実施形態で用いた機械式リレーやソリッドステートリレーと異なるのは、機械式リレーやソリッドステートリレーがＡＣスイッチであるのに対してフォトカプラはＡＣスイッチではないためである。なお、上述した第一〜第三実施形態において、機械式リレーやソリッドステートリレーはＡＣスイッチであるのでダイオードブリッジ１０の入力側に接続したが、ダイオードブリッジ１０の出力側に接続しても構わない。
【００５０】
フォトカプラには出力耐電圧の高いものや出力トランジスタがダーリントン接続になったものがある。このようなフォトカプラはソリッドステートリレーよりも少ないエネルギーで駆動することができる。また、フォトカプラは機械式リレーやソリッドステートリレーに比べて部品寸法が小さく安価であるので、電源回路の小型化や低コスト化を図ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電源回路によると、電力消費を低減でき且つ電源電圧変動があった場合でも出力電圧を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電源回路の第一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る電源回路の第二実施形態を示す図である。
【図３】図２の電源回路の待機状態における各部電流・電圧波形を示すタイムチャート図である。
【図４】本発明に係る電源回路の第三実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る電源回路の第四実施形態を示す図である。
【図６】従来の電源回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
３電源トランス
５リレースイッチ
９リレーコイル
１０ダイオードブリッジ
１１三端子レギュレータ
１２抵抗
１３ａ〜１３ｃツェナーダイオード
１４フォトトライアック
１５発光ダイオード
１７フォトトランジスタ

Claims

電源トランスと、
前記電源トランスの一次巻線に直列接続される電圧降下回路と、
電気機器の運転状態において前記電圧降下回路の一部又は全部を短絡するように閉成状態となり、前記電気機器の待機状態において開成状態となるスイッチ手段と、
を備え、
前記電源トランスの一次巻線の一端が商用交流電源の一端に接続され、前記電源トランスの一次巻線の他端が前記電圧降下回路の一端に接続され、前記電圧降下回路の他端が前記商用交流電源の他端に接続され、
前記トランスの二次巻線から前記電気機器の制御回路へ電力を供給し、
前記電気機器の待機状態において前記電圧降下回路が一定の交流電流を入出力することを特徴とする電源回路。
前記電圧降下回路が、前記電源トランスの一次巻線から供給される交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路から供給される整流電圧を安定化する定電圧回路と、前記定電圧回路の出力電圧が供給される抵抗と、を備える請求項１に記載の電源回路。
電源トランスと、
ツェナーダイオードと、
入力側が前記電源トランスの一次巻線に直列接続され、出力側が前記ツェナーダイオードに接続される整流回路と、
電気機器の運転状態において前記整流回路の入力側又は出力側を短絡するように閉成状態となり、前記電気機器の待機状態において開成状態となるスイッチ手段と、
を備え、
前記電源トランスの一次巻線の一端が商用交流電源の一端に接続され、前記電源トランスの一次巻線の他端が前記整流回路の一方の入力端に接続され、前記整流回路の他方の入力端が前記商用交流電源の他端に接続され、
前記トランスの二次巻線から前記電気機器の制御回路へ電力を供給することを特徴とする電源回路。
前記スイッチ手段が、前記電気機器の運転状態を判別する外部信号に応じてオン／オフするソリッドステートリレーである請求項１〜３のいずれかに記載の電源回路。
前記スイッチ手段が、前記電気機器の運転状態を判別する外部信号に応じてオン／オフするフォトカプラである請求項１〜３のいずれかに記載の電源回路。