JP4556863B2

JP4556863B2 - ２線式電子スイッチ

Info

Publication number: JP4556863B2
Application number: JP2005371019A
Authority: JP
Inventors: 之広村田; 潔後藤; 弘忠東浜
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007174410A

Description

本発明は、交流電源から負荷への電力供給を入切する２線式電子スイッチであって、自ら動作電源を確保する必要がある２線式電子スイッチに関するものである。

従来、交流電源から負荷への電力供給を入切するスイッチとして、配線器具の電子化に伴い、例えばサイリスタやトライアックなどの無接点スイッチング素子を負荷開閉部として交流電源から負荷への給電路に挿入し、電子回路を用いて上記無接点スイッチング素子を電気的に開閉（オンオフ）するタイプのもの（第１の従来スイッチ）が提供されている。第１の従来スイッチは、人が操作部（操作スイッチ）を操作したときに、上記電子回路が無接点スイッチング素子を駆動するので、自己の動作電源（回路電源）を確保する必要がある。そのため、第１の従来スイッチは３線又は４線で配線する構成である。

ところが、省配線の見地から２線の配線が一般的な配線器具にあっては、第１の従来スイッチは、交流電源及び負荷と２線で接続した状態では個別に電源線を引き込むことができないので、自己の動作電源の確保が問題となった。

上記問題を解決するものとして、無接点スイッチング素子を負荷開閉部として利用したスイッチでありながら交流電源及び負荷と直列に接続した状態で、２線での配線を可能とした２線式電子スイッチ（第２の従来スイッチ）が提案されている。なお、第２の従来スイッチとほぼ同様の構成が特許文献１に開示されている。

第２の従来スイッチの動作について図１０を用いて説明する。図１０は第２の従来スイッチの回路図である。なお、第２の従来スイッチ９では、負荷開閉部としてのトライアック９０が交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。まず、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がローレベルになると、第３の電源部９２がオフ状態になる。このとき、第２の電源部９３が第１の電源部９４に電力を供給する。この状態では、トライアック９０のゲート（駆動信号入力端）には、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流（駆動信号）が流れないので、トライアック９０がオフ（開）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が遮断される。

一方、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がハイレベルになると、第３の電源部９２がオン状態になる。これにより、第３の電源部９２が第１の電源部９４に電力を供給する。このとき、第１の電源部９４の充電が完了すると、充電完了検出部９２０から補助開閉部９５に電流が流れて補助開閉部９５がオン（閉）状態になる。補助開閉部９５がオン状態になると、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさの電流がトライアック駆動部９６に流れ、トライアック駆動部９６からトライアック９０にゲート電流が流れる。これにより、トライアック９０がオン（閉）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる。
特開２００１−２２７８０４号公報（第２〜５頁及び第７図）

しかしながら、上記第２の従来スイッチ９は、制御部９１又は制御部９１に接続される機器を駆動するために大きな消費電力を必要とする場合に、第１の電源部９４の充電電流が大きくなる。上記制御部９１に接続される機器として、ワイヤレス受信機やオンオフ動作を表示するＬＥＤなどがある。また、整流部９７の入力端が負荷開閉部（トライアック９０）の駆動信号入力端に接続されているので、第１の電源部９４の充電電流が負荷電流として負荷開閉部の駆動信号入力端に流れ、負荷開閉部の電気的開閉が切り替わる振幅値に到達することによって、第１の電源部９４の充電が完了していないにも関わらず負荷開閉部が誤って閉状態になる（図１１参照）。これにより、第１の電源部９４の電圧が不十分な電圧となるので、制御部９１の動作電源を確保することができず、第２の従来スイッチ９の動作が不能となって、第２の従来スイッチ９が常に閉状態になってしまうという問題があった。

上記問題を解決するために、第３の電源部９２のインピーダンスを大きくして第１の電源部９４の充電電流を制御すると、充電完了までに時間を要するので電圧位相が進んでしまう。また、充電中では、第３の電源部９２のインピーダンスが大きいので、第２の従来スイッチ９に大きな電圧がかかる。このため、充電完了時に負荷開閉部が閉状態になったときに、第２の従来スイッチ９のインピーダンスが急激に低下するので、負荷電圧には、図１２に示すような大きな電圧段差が発生するという新たな問題があった。

また、負荷Ｌに印加される電圧が急激に大きく変動することになるので、負荷Ｌに印加される電圧歪が大きくなってしまう。これにより、負荷Ｌが例えば換気扇である場合、モータからうなり音が発生するという問題もあった。また、負荷Ｌが例えばインバータ照明負荷である場合、この急激な電圧歪により照明負荷に内蔵されているＬＣフィルタと配線のインダクタンスによって共振電流が発生し、図１２に示すように、負荷電流が振動するので、ＬＣフィルタからうなり音が発生するという問題もあった。また、電圧歪による雑音電圧が高くなるという問題もあった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、制御部の消費電力が大きくなった場合に、負荷開閉部が誤って閉状態になることを低減することができる２線式電子スイッチを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、前記負荷開閉部の前記両端と入力端が接続し、前記交流電源からの前記交流電力を整流する整流部と、前記整流部によって整流され前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部に駆動信号を出力して前記負荷開閉部の電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御部と、前記負荷開閉部と並列に接続し、両端間の電気的開閉を切り替える初期開閉部とを備え、前記制御部は、前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して前記初期開閉部を閉状態に切り替えた後、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して前記負荷開閉部を閉状態に切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うことを特徴とする。

この構成では、負荷開閉部の両端間に整流部の入力端が接続するので、制御部の消費電流が大きくなった場合に、２線式電子スイッチ内のインピーダンスを確実に小さくし、負荷開閉部が誤って閉状態になることを低減することができる。これにより、２線式電子スイッチの電圧降下を小さくすることができ、負荷開閉部が閉状態になったときに電圧変動を小さくすることができるので、負荷電圧の歪みを小さくすることができるとともに、負荷電流の振動も低減することができる。また、多種多様な負荷と接続して用いることができる。この構成では、初期開閉部を閉状態に切り替えた後、負荷開閉部を閉状態に切り替えることができるので、負荷開閉部の電気的開閉が急激に切り替わることを防止し、負荷電流の振動及び雑音電圧を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、前記負荷開閉部の前記両端と入力端が接続し、前記交流電源からの前記交流電力を整流する整流部と、前記整流部によって整流され前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部に駆動信号を出力して前記負荷開閉部の電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御部と、前記整流部の出力端と接続し、両端間の電気的開閉を切り替える初期開閉部とを備え、前記制御部は、前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して前記初期開閉部を閉状態に切り替えた後、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して前記負荷開閉部を閉状態に切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部を備え、前記第１の電源部は、前記負荷開閉部の両端の前記交流電力に基づいて前記制御部への出力電圧を立ち上げ、前記制御部は、前記交流電力の極性が反転するごとに、前記第１の電源部の前記出力電圧が立ち上がった後に前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して当該初期開閉部を閉状態に切り替えて当該初期開閉部に電流が流れるようにした後に、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して当該負荷開閉部を閉状態に切り替えて当該負荷開閉部に電流が流れるようにして前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記制御部が、前記駆動信号を予め決められた時間出力して前記負荷開閉部の電気的開閉の状態を前記予め決められた時間維持することを特徴とする。この構成では、負荷開閉部の電気的開閉の状態を一定時間維持することができるので、負荷電流の振動を低減することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、前記第１の電源部からの電圧を昇圧して前記制御部に出力する昇圧部とを備えることを特徴とする。この構成では、２線式電子スイッチ間の電圧を低くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への電力供給が停止しているときに、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第２の電源部とを備えることを特徴とする。この構成では、負荷開閉部が開状態から閉状態に切り替わるときに、突入電流の発生を低減することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、前記制御部からの制御信号に基づいて、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、前記第１の電源部への充電が過剰であるか否かを検出する過電圧検出部とを備え、前記制御部が前記負荷開閉部を閉状態にさせる前記駆動信号を出力しているときに、前記過電圧検出部によって前記第１の電源部への充電が過剰であることが検出された場合、前記制御部が前記制御信号を出力して前記第３の電源部から前記第１の電源部への電力供給を停止することを特徴とする。この構成では、負荷開閉部が開状態のままで故障した場合に第１の電源部の過充電を防止することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の充電が完了したか否かを検出し、検出信号を前記制御部に出力する充電完了検出部を備え、前記制御部が前記負荷開閉部を開状態にさせる前記駆動信号を出力しているときに、前記過電圧検出部によって前記第１の電源部への充電が過剰であることが検出された場合、前記充電完了検出部によって前記第１の電源部への充電が完了したことが検出された後に、前記制御部が前記負荷開閉部を閉状態にさせる前記駆動信号を出力して前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うことを特徴とする。この構成では、負荷開閉部が開状態になっているときに、第１の電源部への過充電が検出された場合、負荷開閉部を強制的に閉状態にすることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、前記制御部からの制御信号に基づいて、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部とを備え、前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うときに、前記負荷開閉部が閉状態になった後に前記第３の電源部が閉状態になることを特徴とする。この構成では、交流電源から負荷への電力供給が停止状態から供給状態に切り替わるときに、２線式電子スイッチの電圧が低電圧の状態で第３の電源部を閉状態にすることができるので、第３の電源部での損失を小さくすることができ、第３の電源部として小型のスイッチング素子を用いることができる。

本発明によれば、制御部の消費電力が大きくなった場合に、負荷開閉部が誤って閉状態になることを低減することができる。

（基本形態）
基本形態について図１，２を用いて説明する。図１は基本形態の２線式電子スイッチの回路図である。図２は基本形態の２線式電子スイッチの動作を示す図である。

まず、基本形態の構成について説明する。基本形態の２線式電子スイッチＡは、交流電源ＡＣからの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保するものであり、図１に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ（第１の電源部）４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを備え、交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に２線で接続している。なお、交流電源ＡＣは、例えば１００Ｖの商用電源などである。また、負荷Ｌは、例えば蛍光灯や白熱球を含む照明器具、換気扇などである。

トライアック１は、例えばシリコンなどの半導体によって形成され、ゲート電流（駆動信号）に応じて２つの端子１０，１１間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部である。上記トライアック１は、端子１２，１３を介して交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。

整流部２は、４つのダイオードからなるダイオードブリッジであり、入力端がトライアック１の端子１０，１１と接続し、出力端が第２の電源部５、第３の電源部６と接続している。上記整流部２は、交流電源ＡＣからの交流電力を全波整流し、全波整流された電力を第２の電源部５及び第３の電源部６に出力する。

制御部３は、例えば人の操作などによって、トライアック１の電気的開閉を切り替える制御信号（充電完了信号）を制御出力端子３０から第３の電源部６に出力するマイクロコンピュータである。上記制御部３は、コンデンサ４からの電力で動作する。また、制御部３は、人が操作するものとして、例えばタクトスイッチなどの操作部（操作スイッチ）（図示せず）を接続して備え、上記操作部が操作されて入力されるオンオフ信号に応じて上記制御信号を第３の電源部６に出力する。上記制御信号は、ハイレベルとローレベルの２値信号であり、制御部３は、第３の電源部６をオン状態にする場合にはハイレベルの制御信号を出力し、第３の電源部６をオフ状態にする場合にはローレベルの制御信号を出力する。また、制御部３は、充電完了検出部７から後述の充電完了信号を受け取ると、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１に一定時間流す。これにより、トライアック１が一定時間オン（閉）状態を維持するので、制御部３は、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を制御する。

コンデンサ４は、制御部３の動作電源であり、制御部３、第２の電源部５及び第３の電源部６と接続している第１の電源部である。上記コンデンサ４は、第２の電源部５及び第３の電源部６からの電力を充電し、リップル成分を除去することによって平滑にする。

第２の電源部５は、入力端側から順に、限流用の抵抗５０と、ツェナーダイオード５１とを備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端でコンデンサ４と接続している。上記第２の電源部５は、トライアック１がオフ（開）状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２によって全波整流された電力として受け、ツェナーダイオード５１によって大きさが規定された電力に変換し、変換された電力をコンデンサ４に供給する。このとき、２線式電子スイッチＡ内の負荷電流は、コンデンサ４に流れるものと、ツェナーダイオード５１に流れるものに分割されるが、どちらも最終的にはグランドを介して整流部２を流れ、負荷Ｌを介して交流電源ＡＣに戻る。このときの負荷電流は、負荷Ｌが誤動作しない程度の大きさである。また、制御部３の消費電流は低く抑えられ、第２の電源部５のインピーダンスは高く維持されている。

第３の電源部６は、ＰＮＰ型のトランジスタ６０を備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端でコンデンサ４と接続している。つまり、第３の電源部６は、第２の電源部５と並列に接続している。また、第３の電源部６は、トランジスタ６０のベースに接続される抵抗６１及びＮＰＮ型のトランジスタ６２を備えている。さらに、第３の電源部６は、トランジスタ６２のベースに接続される抵抗６３を備えている。トランジスタ６２は、エミッタが接地され、ベースが制御部３の制御出力端子３０と接続している。上記トランジスタ６２は、トランジスタ６０のオン状態、オフ状態を制御する。上記第３の電源部６は、制御部３からの制御信号に基づいて、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２によって全波整流された電力として受け、上記電力をコンデンサ４に供給する。具体的な手順を説明すると、制御部３からハイレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６２がオン状態になる。これにより、トランジスタ６０がオン状態になる。このとき、２線式電子スイッチＡのインピーダンスが低下する。その後、第３の電源部６は、コンデンサ４に電力を供給する。これに対して、制御部３からローレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６２がオフ状態になり、トランジスタ６０もオフ状態になる。これにより、第３の電源部６は、コンデンサ４への電力供給を停止する。

充電完了検出部７は、例えば基準電圧生成部及び比較器（図示せず）などを備え、コンデンサ４と並列に接続している。比較器は、コンデンサ４の両端電圧と基準電圧の比較を行う。上記充電完了検出部７は、第３の電源部６からコンデンサ４に電力が供給されているときに、比較器によってコンデンサ４の両端電圧が基準電圧より高くなったと判断すると、充電完了信号を制御部３に一定期間出力することによって（図２参照）、コンデンサ４の充電が完了したことを検出する。

次に、基本形態の２線式電子スイッチＡの動作について説明する。まず、オンオフ信号のオフ信号が制御部３に入力されて交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がローレベルになると、第３の電源部６のトランジスタ６２及びトランジスタ６０がオフ状態になる。一方、第２の電源部５がコンデンサ４に電力を供給する。これにより、コンデンサ４が制御部３の動作電源となる。この状態では、トライアック１のゲートには、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流が流れないので、トライアック１がオフ状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌに対して、動作するのに十分な電力が供給されない。

続いて、オンオフ信号のオン信号が制御部３に入力されて交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がハイレベルになると、トランジスタ６２及びトランジスタ６０がオン状態になり、第３の電源部６がコンデンサ４に電力を供給する。これにより、第３の電源部６が制御部３の動作電源となる。一方、充電完了検出部７が、コンデンサ４の充電が完了したことを検出すると、充電完了信号を制御部３に出力する。その後、制御部３が、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１に流し、トライアック１がオン状態になる。トライアック１がオン状態になると、２線式電子スイッチの電圧が１Ｖ程度になるので、コンデンサ４による充電が停止し、コンデンサ４が過充電による過電圧になることを防止して適性電圧の範囲に保つことができる。

ここで、トライアック１がオン状態になると、トライアック１に負荷電流が流れるが、ゼロクロス点を迎えたところで自己消弧してオフ状態になる。トライアック１がオフ状態になると、再び整流部２から第３の電源部６を介してコンデンサ４に負荷電流が流れ、２線式電子スイッチＡの動作電源を確保する。つまり、交流電源ＡＣからの交流電力の半周期ごとに、動作電源を確保する動作を行う。

以上、基本形態によれば、トライアック１の両端１０，１１間に整流部２の入力端を接続しているので、制御部３の消費電流が大きくなった場合に、第３の電源部６のインピーダンスを小さくし、コンデンサ４を急速に充電してもトライアック１が誤ってオン状態になることを低減することができ、制御部３への電源電圧を適正な範囲に保つことができる。また、トランジスタ６０のインピーダンスを小さくすることによって、充電時の２線式電子スイッチＡの電圧降下を小さくすることができ、トライアック１がオン状態になったとしても電圧変動を小さくすることができるので、負荷電圧の歪みを小さくすることができるとともに、負荷電流の振動も低減することができる。さらに、トライアック１の電気的開閉の状態を一定時間維持することができるので、負荷電流の振動を低減することができる。

なお、基本形態の変形例として、制御部がゲート電流を、約０．１〜０．５ｍｓｅｃ流して、トライアックが上記時間だけオン状態にするようにしてもよい。このような構成にすると、負荷電流が振動して、ゼロクラスしたとしても、トライアックがオン状態を維持するので、図３に示すように、負荷電流の振動を最小限に抑えることができる。また、例えば負荷が換気扇などの場合、うなり音を低減することができる。上記ゲート電流の出力時間は限定されるものではなく、負荷によって適宜設定されるものであり、さらに長時間であってもよいし、短時間であってもよい。

また、基本形態の他の変形例として、第３の電源部がトランジスタに代えて、ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子を備えてもよい。このような構成にしても、基本形態と同様の効果を奏する。

さらに、基本形態の他の変形例として、第１の電源部がコンデンサの電圧をさらに安定化する定電圧回路部を備えてもよい。このような構成にしても、基本形態と同様の効果を奏する。

（実施形態）
本発明の実施形態について図４を用いて説明する。図４は２線式電子スイッチＢの回路図である。

２線式電子スイッチＢは、図４に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを、基本形態の２線式電子スイッチＡ（図１参照）と同様に備えているが、基本形態の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＢは、図４に示すような初期開閉部８を備えている。初期開閉部８は、２つの自己消弧型スイッチのＦＥＴ８０，８１を互いに逆接続した直列回路であり、トライアック１と並列に接続し、端子８２，８３間の電気的開閉を切り替えるものである。

また、２線式電子スイッチＢの制御部３は、初期開閉部８に初期駆動信号を出力して初期開閉部８を導通状態に切り替えるように制御する。上記初期開閉部８をオン（閉）状態に切り替えた後、制御部３は、トライアック１にゲート電流を流してトライアック１をオン状態に切り替えて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を行う。

次に、２線式電子スイッチＢの動作について説明する。なお、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作は、基本形態と同様である。続いて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がハイレベルになると、基本形態と同様に、第３の電源部６がコンデンサ４に電力を供給する。その後、コンデンサ４が充電を完了したときに、充電完了検出部７が充電完了信号を制御部３に出力する。制御部３が、充電完了検出部７から充電完了信号を受け取ると、初期開閉部８のＦＥＴ８０，８１を駆動させて、負荷電流をＦＥＴ８０，８１に流す。その後、制御部３が、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１に流し、トライアック１がオン状態になる。これにより、ＦＥＴ８０，８１を流れていた負荷電流がトライアック１に切り替わって流れる。トライアック１がオン状態になった後、制御部３によって、ＦＥＴ８０，８１をオフ状態にする。

上記より、ＦＥＴ８０，８１、トライアック１の順にオン状態にすることによって、コンデンサ４による充電が停止し、コンデンサ４の電圧が過充電による過電圧になることを防止して適性電圧の範囲に保つことができる。このような動作を交流電力の半周期ごとに繰り返す。

以上、２線式電子スイッチＢによれば、制御部３への供給電圧が高くなり、コンデンサ４への充電電圧が高くなった場合であっても、コンデンサ４の充電が完了したときに、初期開閉部８のＦＥＴ８０，８１を緩やかにオン状態にすることができるので、トライアック１が急激にオン状態になることを防止し、負荷電流の振動及び雑音電圧を低減することができる。また、ＦＥＴ８０，８１のゲートに電圧を印加するだけでよいので、低消費電力化を図ることができる。これにより、コンデンサ４による充電時間が短くすることができ、より早い電圧位相でトライアック１をオン状態にすることができ、電圧変動を小さくして負荷電流の振動も低減することができる。

図５は２線式電子スイッチＣの要部回路図である。なお、図５のａ，ｂ及びｃは図１のａ，ｂ及びｃでトライアック１、整流部２と接続する。

２線式電子スイッチＣは、図１，５に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを、基本形態の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、基本形態の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＣは、図５に示すような初期開閉部８ａを備えている。初期開閉部８ａは、自己消弧型スイッチのＦＥＴ８４を備え、整流部２の出力端と接続し、端子８５，８６間の電気的開閉を切り替える。

また、２線式電子スイッチＣの制御部３は、初期開閉部８ａに初期駆動信号を出力して初期開閉部８ａを導通状態に切り替えるように制御する。上記初期開閉部８ａを導通状態に切り替えた後、制御部３は、トライアック１にゲート電流を流してトライアック１をオン状態に切り替えて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を行う。

次に、２線式電子スイッチＣの動作について説明する。なお、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作は、基本形態と同様である。続いて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がハイレベルになると、基本形態と同様に、第３の電源部６がコンデンサ４に電力を供給する。その後、コンデンサ４の充電が完了したときに、充電完了検出部７が充電完了信号を制御部３に流す。制御部３が、充電完了検出部７から充電完了信号を受け取ると、初期開閉部８ａのＦＥＴ８４を駆動させて、負荷電流を整流部２を介してＦＥＴ８４に流す。その後、制御部３は、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１に流し、トライアック１がオン状態になる。これにより、ＦＥＴ８４を流れていた負荷電流がトライアック１に切り替わって流れる。トライアック１がオン状態になった後、ＦＥＴ８４がオフ状態になる。

上記より、ＦＥＴ８４、トライアック１の順にオン状態にすることによって、コンデンサ４による充電が停止し、コンデンサ４の電圧が過充電による過電圧になることを防止して適性電圧の範囲に保つことができる。このような動作を商用電力の半周期ごとに繰り返す。

以上、２線式電子スイッチＣによれば、制御部３への供給電圧が高くなり、コンデンサ４への充電電圧も高くなった場合であっても、コンデンサ４の充電が完了したときに、初期開閉部８ａのＦＥＴ８４を緩やかにオン状態にすることができるので、トライアック１が急激にオン状態になることを防止し、負荷電流の振動及び雑音電圧を低減することができる。また、ＦＥＴ８４のゲートに電圧を印加するだけでよいので、低消費電力化を図ることができる。これにより、コンデンサ４による充電時間が短くすることができ、より早い電圧位相でトライアック１をオン状態にすることができ、電圧変動を小さくして負荷電流の振動も低減することができる。上記に加えて、トライアック１の電圧降下が１Ｖ程度であるのに対して整流部２の電圧降下が２Ｖ程度であるので、ＦＥＴ８４から確実にトライアック１に通電を切り替えることができる。

なお、２線式電子スイッチＢ，Ｃの変形例として、負荷電流の振動が発生した場合であっても、ＦＥＴを約０．１〜０．５ｍｓｅｃ、オン状態にすると、図６に示すように、負荷電流の振動を最小限に抑えることができる。

また、２線式電子スイッチＢ，Ｃの他の変形例として、初期開閉部がＦＥＴに代えて、ＩＧＢＴやダイオードなどを備えてもよい。このような構成にしても、２線式電子スイッチＢ，Ｃと同様の効果を奏する。

図７は２線式電子スイッチＤの要部回路図である。なお、図７のａ，ｂ及びｃは図１のａ，ｂ及びｃでトライアック１、整流部２と接続する。

２線式電子スイッチＤは、図１，７に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを、基本形態の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、基本形態の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＤは、図７に示すような昇圧部７０を備えている。昇圧部７０は、制御部３より昇圧動作開始信号を受けてコンデンサ４の電圧を昇圧して制御部３に印加するものである。

以上、２線式電子スイッチＤによれば、コンデンサ４への充電電圧を低くすることができ、充電完了時にトライアック１がオン状態になったときの電圧変動、電圧歪、負荷電流の振動を低減することができる。

図８は２線式電子スイッチＥの要部回路図である。なお、図８のａ，ｂ及びｃは図１のａ，ｂ及びｃでトライアック１、整流部２と接続する。

２線式電子スイッチＥは、図１，８に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ４と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを、基本形態の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、基本形態の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

第２の電源部５ａは、ダイオード５２を備えている。上記第２の電源部５ａは、トライアック１がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、整流部２で全波整流された電力をコンデンサ４に供給する。コンデンサ４は、上記電力によって充電する。なお、第２の電源部５ａは、上記以外の点において、基本形態の第２の電源部５と同様である。

以上、２線式電子スイッチＥによれば、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときにコンデンサ４を充電することができるので、上記電力供給が行われるときに突入電流の発生を防止することができる。

図９は２線式電子スイッチＦの要部回路図である。なお、図９のａ，ｂ及びｃは図１のａ，ｂ及びｃでトライアック１、整流部２と接続する。

２線式電子スイッチＦは、図１，９に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、コンデンサ４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、充電完了検出部７とを、基本形態の２線式電子スイッチＡと同様に備えているが、基本形態の２線式電子スイッチＡにはない以下に記載の特徴部分がある。

２線式電子スイッチＦは、図７に示すような過電圧検出部７１を備えている。過電圧検出部７１は、基準電圧生成部及び比較器（図示せず）を備え、コンデンサ４の充電電圧と基準電圧とを比較器によって比較し、コンデンサ４への充電が過剰であるか否かを検出する。上記過電圧検出部７１は、コンデンサ４や制御部３の耐電圧以下であり充電完了検出部７の動作電圧の設定値よりも大きい所定の電圧値を超えた場合に、過電圧信号を制御部３に出力する。

２線式電子スイッチＦの制御部３は、トライアック１をオン状態にさせるゲート電流を流しているときに、過電圧検出部７１によってコンデンサ４への充電が過剰であることを検出した場合、制御信号を第３の電源部６に出力して第３の電源部６からコンデンサ４への電力供給を停止するように制御する。これに対して、制御部３は、トライアック１をオフ状態にさせているときに、過電圧検出部７１から過電圧信号を受け取ると、充電完了検出部７によってコンデンサ４への充電が完了したことが検出された後に、トライアック１をオン状態にさせるゲート電流を流して交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を行うように切り替える。

また、２線式電子スイッチＦは、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止状態から供給状態に変わるときに、トライアック１がオン状態になった後に、第３の電源部６がオン状態になるものである。

以上、２線式電子スイッチＦによれば、トライアック１がオフ状態のままで故障した場合にコンデンサ４の過充電を防止することができる。また、トライアック１がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、コンデンサ４への過充電が検出されて過電圧検出部７１が過電圧信号を出力した場合、制御部３が過電圧信号を受けて、ゲート電流を流してトライアック１を強制的にオン状態にさせて交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を停止状態から供給状態へと切り替えることができるので、コンデンサ４への充電を停止することができる。これにより、コンデンサ４の電圧を適正値とし、コンデンサ４や制御部３の保護を高めることができる。

また、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止状態から供給状態に切り替わるときに、トライアック１がオン状態になった後に、トランジスタ６０をオン状態にすると、２線式電子スイッチＦの電圧が１Ｖ程度の低電圧となっているので、トランジスタ６０をオン状態にさせてもトランジスタ６０での損失が小さいので、トランジスタ６０の保護を高めることができ、小型のスイッチング素子を用いることができる。

なお、基本形態又は実施形態の変形例として、負荷開閉部がトライアックに代えてサイリスタを備える構成であってもよい。このような構成であっても、基本形態又は実施形態と同様の効果を奏する。

また、基本形態又は実施形態の他の変形例として、トライアックをオン状態にする場合、及びトライアックをオフ状態にする場合に、制御部がパルス状の制御信号を第３の電源部に出力し、第３の電源部が上記制御信号に基づいて第１の電源部に電力を供給する構成であってもよい。このような構成であっても、基本形態又は実施形態と同様の効果を奏する。

２線式電子スイッチＡの回路図である。２線式電子スイッチＡの動作を示す図である。２線式電子スイッチＡの変形例の動作を示す図である。２線式電子スイッチＢの要部回路図である。２線式電子スイッチＣの要部回路図である。２線式電子スイッチＢ，Ｃの変形例の動作を示す図である。２線式電子スイッチＤの要部回路図である。２線式電子スイッチＥの要部回路図である。２線式電子スイッチＦの要部回路図である。従来の２線式電子スイッチの回路図である。同上の２線式電子スイッチのインピーダンスが低い場合の動作を示す図である。同上の２線式電子スイッチのインピーダンスが高い場合の動作を示す図である。

１トライアック
１０，１１端子
２整流部
３制御部
４コンデンサ
６第３の電源部
７充電完了検出部

Claims

交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、
前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、
前記負荷開閉部の前記両端と入力端が接続し、前記交流電源からの前記交流電力を整流する整流部と、
前記整流部によって整流され前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部に駆動信号を出力して前記負荷開閉部の電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御部と、
前記負荷開閉部と並列に接続し、両端間の電気的開閉を切り替える初期開閉部とを備え、
前記制御部は、前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して前記初期開閉部を閉状態に切り替えた後、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して前記負荷開閉部を閉状態に切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を行う
ことを特徴とする２線式電子スイッチ。
交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、
前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部と、
前記負荷開閉部の前記両端と入力端が接続し、前記交流電源からの前記交流電力を整流する整流部と、
前記整流部によって整流され前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部に駆動信号を出力して前記負荷開閉部の電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御部と、
前記整流部の出力端と接続し、両端間の電気的開閉を切り替える初期開閉部とを備え、
前記制御部は、前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して前記初期開閉部を閉状態に切り替えた後、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して前記負荷開閉部を閉状態に切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を行う
ことを特徴とする２線式電子スイッチ。
前記制御部の動作電源となる第１の電源部を備え、
前記第１の電源部は、前記負荷開閉部の両端の前記交流電力に基づいて前記制御部への出力電圧を立ち上げ、
前記制御部は、前記交流電力の極性が反転するごとに、前記第１の電源部の前記出力電圧が立ち上がった後に前記初期開閉部に初期駆動信号を出力して当該初期開閉部を閉状態に切り替えて当該初期開閉部に電流が流れるようにした後に、前記負荷開閉部に前記駆動信号を出力して当該負荷開閉部を閉状態に切り替えて当該負荷開閉部に電流が流れるようにして前記交流電源から前記負荷への電力供給を行う
ことを特徴とする請求項１又は２記載の２線式電子スイッチ。
前記制御部が、前記駆動信号を予め決められた時間出力して前記負荷開閉部の電気的開閉の状態を前記予め決められた時間維持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の２線式電子スイッチ。
前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、
前記第１の電源部からの電圧を昇圧して前記制御部に出力する昇圧部と
を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の２線式電子スイッチ。
前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、
前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への電力供給が停止しているときに、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第２の電源部と
を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の２線式電子スイッチ。
前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、
前記制御部からの制御信号に基づいて、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、
前記第１の電源部への充電が過剰であるか否かを検出する過電圧検出部と
を備え、
前記制御部が前記負荷開閉部を閉状態にさせる前記駆動信号を出力しているときに、前記過電圧検出部によって前記第１の電源部への充電が過剰であることが検出された場合、前記制御部が前記制御信号を出力して前記第３の電源部から前記第１の電源部への電力供給を停止する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の２線式電子スイッチ。
前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の充電が完了したか否かを検出し、検出信号を前記制御部に出力する充電完了検出部を備え、
前記制御部が前記負荷開閉部を開状態にさせる前記駆動信号を出力しているときに、前記過電圧検出部によって前記第１の電源部への充電が過剰であることが検出された場合、前記充電完了検出部によって前記第１の電源部への充電が完了したことが検出された後に、前記制御部が前記負荷開閉部を閉状態にさせる前記駆動信号を出力して前記交流電源から前記負荷への電力供給を行う
ことを特徴とする請求項７記載の２線式電子スイッチ。
前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、
前記制御部からの制御信号に基づいて、前記整流部で整流された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と
を備え、
前記交流電源から前記負荷への電力供給を行うときに、前記負荷開閉部が閉状態になった後に前記第３の電源部が閉状態になる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の２線式電子スイッチ。