JP4638309B2

JP4638309B2 - 交流安定化電源装置

Info

Publication number: JP4638309B2
Application number: JP2005267760A
Authority: JP
Inventors: 正義印南
Original assignee: Hugle Electronics Inc
Current assignee: Hugle Electronics Inc
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2007080009A

Description

本発明は、例えば交流式イオナイザ用の高圧電源装置として使用される交流安定化電源装置に関し、詳しくは、交流電源電圧の変動に関わらず安定した交流電圧を出力可能な交流安定化電源装置に関するものである。

交流式イオナイザは、放電針に交流の高電圧を印加することにより、放電針と接地電極との間にコロナ放電を生じさせて放電針の周囲に正負のイオンを発生させ、これらのイオンをファン等により除電対象物に供給して除電を行うものである。この種の交流式イオナイザ用の高圧電源装置としては、例えば後述する特許文献１に係る除電用電源装置が公知となっている。

この特許文献１に係る除電用電源装置は、スイッチング素子及びフライバックトランスを有するフライバックコンバータによって構成されており、スイッチング素子のオンオフに伴うフライバック動作により、フライバックトランスの二次側に高圧の鋸歯状波を発生させて放電針に印加するように構成されている。

特許文献１：特開２００４−２７３３５７号公報（段落［００３２］〜［００４３］、図１１〜図１６等）

しかしながら、上述した除電用電源装置では、矩形波発生回路やスイッチング素子等が必要であるため、回路構成が複雑化して高コストになるという問題がある。
また、電源電圧が変動してもほぼ一定の交流電圧を供給可能とした交流安定化電源装置として、インバータを使用したものや無停電電源装置（ＵＰＳ）等も知られているが、これらの電源装置は、交流式イオナイザ全体のコストを低く抑えたい場合には不向きである。

そこで本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成により、交流電源電圧の変動時にも所定の大きさの交流電圧を安定して出力可能とした交流安定化電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、交流電源と、この交流電源電圧が一次巻線に印加されて二次巻線の出力電圧が負荷に供給されるトランスと、を備えた電源装置において、前記交流電源の一端と前記一次巻線の一端との間に直列に接続された複数の電圧降下ブロックと、各電圧降下ブロックの両端をそれぞれ短絡させるスイッチと、これらのスイッチのオンオフを制御する制御手段とを備え、前記電圧降下ブロックは、互いに逆方向に直列接続された複数のツェナーダイオードからなり、前記二次巻線の出力電圧に応じて前記制御手段により前記スイッチをオンオフ制御することにより、前記電圧降下ブロックによる電圧降下の合計値を変化させて前記一次巻線の電圧を制御し、前記二次巻線の電圧を所定値に保つことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載した交流安定化電源装置において、前記電圧降下ブロックを、ツェナー電圧が等しいツェナーダイオードを同数ずつ互いに逆方向に直列接続して構成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載した交流安定化電源装置において、アノードを交流電源側に向けて直列接続した複数のツェナーダイオードからなる補助ブロックを、前記電圧降下ブロックに更に直列接続したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した交流安定化電源装置において、前記制御手段は、前記二次巻線の電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧を基準電圧とそれぞれ比較する一対のコンパレータと、これらのコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオンオフ制御する制御回路とを備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載した交流安定化電源装置において、前記一対のコンパレータは、前記整流回路の出力電圧が基準電圧を下回った時に「High」レベルの信号を出力する第１のコンパレータと、前記整流回路の出力電圧が基準電圧を上回った時に「High」レベルの信号を出力する第２のコンパレータと、から構成され、前記スイッチ制御回路は、第１のコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオンさせ、第２のコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオフさせることを特徴とする。

本発明によれば、電圧降下ブロック及び補助ブロック、スイッチ、昇圧トランス、電圧検出器、整流回路、コンパレータ及び基準電源、スイッチ制御回路等からなる比較的簡単な回路構成により、負荷に安定した交流電圧を供給することができる。
また、スイッチのオンまたはオフによって回路に挿入される電圧降下ブロックの数すなわちインピーダンスが変化するため、交流電源から流入する電流値が変化することになるが、昇圧トランスの二次側からは安定したほぼ一定の交流電圧を出力させることができる。
なお、本発明は、交流式イオナイザの放電針ばかりでなく種々の負荷を対象とした交流安定化電源装置に適用可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１はこの実施形態の構成を示す回路図であり、本発明を交流式イオナイザ用の高圧電源装置に適用した場合のものである。
図１において、１は交流電源、２は昇圧トランス、２ａは昇圧トランス２の一次巻線、２ｂは二次巻線、３は負荷（放電針及び接地電極）を示している。
また、４_１，４_２，４_３，……，４_９は電圧降下ブロック、４_１０は補助ブロックであり、これらのブロック４_１〜４_１０は何れも複数のツェナーダイオードを直列に接続して構成されている。

まず、電圧降下ブロック４_１〜４_９は、図２に示すように何れも同一の構成であり、カソードを交流電源１側に向けて同一方向に直列接続された４個のツェナーダイオード４０と、これらとは逆方向にアノードを交流電源１側に向けて直列接続された４個のツェナーダイオード４０とを直列に接続して構成されている。
また、図３に示すごとく、最終段の補助ブロック４_１０は、アノードをすべて交流電源１側に向けて同一方向に直列接続された１２個のツェナーダイオード４０から構成されている。

電圧降下ブロック４_１〜４_９には、それぞれの両端を短絡させるためのスイッチ５_１〜５_９が並列に接続されており、これらのスイッチ５_１〜５_９は、後述するスイッチ制御回路１０から出力される制御信号によってオンオフ可能となっている。ここで、スイッチ５_１〜５_９は例えばフォトモスリレーにより構成されている。

なお、上述した電圧降下ブロック４_１〜４_９及び補助ブロック４_１０内のツェナーダイオード４０の直列個数、電圧降下ブロックの個数等はあくまで一例であり、上記の例に何ら限定されるものではない。
また、図２における電圧降下ブロック４_１〜４_９ではツェナーダイオード４０が４個ずつ同一方向に直列接続されているが、１個ずつ交互に逆方向に直列接続しても良い。

さて、図１において、負荷３の両端には、分圧抵抗等からなる電圧検出器６が接続されており、その電圧検出値は整流回路７を介して第１のコンパレータ８の反転入力端子と第２のコンパレータの非反転入力端子とに入力されている。なお、第１のコンパレータ８の非反転入力端子、第２のコンパレータ８の反転入力端子には、それぞれ第１，第２の基準電源８ａ，９ａによる基準電圧が加えられている。

また、第１，第２のコンパレータ８，９の出力信号はスイッチ制御回路１０に加えられており、このスイッチ制御回路１０から出力される制御信号により、スイッチ５_１〜５_９を順次、オンまたはオフさせるように構成されている。上記スイッチ制御回路１０は、例えばＣＰＵによって構成されるものである。
ここで、電圧検出器６、整流回路７、第１，第２のコンパレータ８，９及び基準電源８ａ，９ａ、スイッチ制御回路１０は、本発明における制御手段を構成している。

次に、この実施形態の動作を説明する。
例えば、ツェナーダイオード４０としてツェナー電圧が約３〔Ｖ〕のものを使用した場合について考察する。

いま、一つの電圧降下ブロック、例えば電圧降下ブロック４_１に着目すると、交流電源１の電圧極性が正であれば、交流電源１側にカソードが向いている逆接続状態のツェナーダイオード１個の両端電圧が約３〔Ｖ〕であるから、これら逆接続状態のツェナーダイオード４個の直列回路の両端電圧は約１２〔Ｖ〕となる。また、交流電源１側にアノードが向いている順接続状態のツェナーダイオード１個の順方向電圧降下が約０．７〔Ｖ〕であるから、これら順接続状態のツェナーダイオード４個の直列回路の両端電圧は約２．８〔Ｖ〕となる。
このため、これらの電圧の合計値（約１４．８〔Ｖ〕）が電圧降下分として作用し、交流電源電圧からみると実効値で約１０〔Ｖ〕（≒１４．８〔Ｖ〕×０．７）の電圧降下が得られる。

上記の作用は、交流電源１の電圧極性が負になった場合も同様であり、電源電圧の極性に関わらず、交流電源１と昇圧トランス２の一次巻線２ａとの間に電圧降下ブロックが挿入されている場合（スイッチによって電圧降下ブロックの両端が短絡されていない場合）は、電圧降下ブロック１個について約１０〔Ｖ〕の電圧効果が得られる。言い換えれば、電圧降下ブロック毎に並列接続されているスイッチ、例えばスイッチ５_１をオンして電圧降下ブロック４_１の両端を短絡することで、その電圧降下ブロック４_１による上記電圧降下をゼロにすることができる。

従って、昇圧トランス２の二次側の電圧検出値と設定値との差に応じて必要数のスイッチをオンまたはオフさせることにより、電圧降下ブロックによる電圧降下の合計値を段階的に変化させて一次巻線２ａに印加される電圧を変化させ、結果として、二次巻線２ｂの出力電圧が設定値にほぼ一致するように制御することが可能である。
なお、電圧降下ブロックによる電圧降下の値は、個々のツェナーダイオードのツェナー電圧やその直列数によって任意に設定できることが明らかであり、回路全体における電圧降下の合計値は、電圧降下ブロックの直列数を変更すれば任意に設定可能である。

昇圧トランス２の二次側電圧を設定値にほぼ一致させるための制御手段としては、まず、二次巻線２ｂに並列に接続された電圧検出器６による電圧検出値を整流回路７にて直流電圧に変換し、その電圧を第１，第２のコンパレータ８，９により各基準電源８ａ，９ａの基準電圧とそれぞれ比較する。この実施形態において、第１のコンパレータ８は、その出力信号が「High」レベルになるとスイッチ制御回路１０を介してスイッチ５_１〜５_９を順次オンさせていくためのスイッチオン用コンパレータ、第２のコンパレータ９は、その出力信号が「High」レベルになるとスイッチ制御回路１０を介してスイッチ５_１〜５_９を順次オフさせていくためのスイッチオフ用コンパレータとして機能している。

すなわち、基準電源８ａ，９ａによる基準電圧を予め所定値に設定した状態で、第１のコンパレータ８に入力される電圧が基準電源８ａの基準電圧より低い場合にはコンパレータ８の出力信号が「High」レベルになり、スイッチ制御回路１０を介してスイッチ５_１，５_２，……を順次オンさせることで各電圧降下ブロックの両端を短絡していく。
これにより、各ブロックごとの電圧降下分が順次なくなるので、一次巻線２ａに印加される電圧は約１０〔Ｖ〕刻みで増加していくことになる。

一方、第２のコンパレータ９に入力される電圧が基準電源９ａの基準電圧より高い場合にはコンパレータ９の出力信号が「High」レベルになり、スイッチ制御回路１０を介してスイッチ５_１，５_２，……を順次オフさせることで各電圧降下ブロックを交流電源１と一次巻線２ａとの間に挿入していく。
これにより、各ブロックごとの電圧降下分が順次増加するので、一次巻線２ａに印加される電圧は約１０〔Ｖ〕刻みで減少していくことになる。

このため、昇圧トランス２の二次側電圧が所定値になった時点で第１，第２のコンパレータ８の出力信号を何れも「Low」レベルとし、スイッチ５_１〜５_９のオンオフ状態を固定することができる。言い換えれば、昇圧トランス２の二次側電圧が設定値にほぼ等しくなるように基準電源８ａ，９ａによる基準電圧を予め決めておけば、交流電源１の電圧が変動した場合でも、スイッチ５_１〜５_９のオンオフ状態により所要数の電圧降下ブロックを挿入または短絡させる回路構成を実現して昇圧トランス２の二次側電圧をほぼ設定値どおりに維持することが可能である。

なお、基準電源８ａ，９ａを単一にして第１，第２のコンパレータ８，９に共通とすることも可能であるが、電圧降下ブロック４_１〜４_９及び補助ブロック４_１０を構成するツェナーダイオード４０のツェナー電圧のばらつきにより、交流電源１の電圧極性に応じて電圧降下の合計値が異なり、これによって昇圧トランス２の二次側電圧を設定値通りに制御できないこともあるので、本実施形態では個別に基準電源８ａ，９ａを設けることとしている。
ここで、第１，第２のコンパレータ８，９の出力信号を用いてスイッチ５_１〜５_９を順次オンまたはオフさせるスイッチ制御回路１０は、シフトレジスタ等を用いて容易に構成することができる。

なお、この種の交流式イオナイザは、放電針に印加する交流電圧の正負の振幅が等しい場合でも正イオンより負イオンの方が多く発生する傾向があるため、図１における最終段の補助ブロック４_１０は、放電針から発生する正負イオンのバランスを保つために、交流電源１の電圧極性が正の時の昇圧トランス２の二次側電圧の振幅を負の時よりも大きくするように作用している。
この場合、補助ブロック４_１０を独立して設けずに、補助ブロック４_１０を構成する数のツェナーダイオード４０を他の電圧降下ブロック４_１〜４_９に振り分けても同様の作用を得ることができる。更に、補助ブロック４_１０は最終段に限らず、交流電源１側の初段に挿入したり、電圧降下ブロック４_１〜４_９の相互間に挿入しても良い。

本発明の実施形態を示す回路図である。図１における主要部の回路図である。図１における主要部の回路図である。

符号の説明

１：交流電源
２：昇圧トランス
２ａ：一次巻線
２ｂ：二次巻線
３：負荷（放電針及び接地電極）
４_１〜４_９：補助ブロック
４_１０：補助ブロック
５_１〜５_９：スイッチ
６：電圧検出器
７：整流回路
８：第１のコンパレータ
９：第２のコンパレータ
８ａ，８ｂ：基準電源
１０：スイッチ制御回路
４０：ツェナーダイオード

Claims

交流電源と、この交流電源電圧が一次巻線に印加されて二次巻線の出力電圧が負荷に供給されるトランスと、を備えた電源装置において、
前記交流電源の一端と前記一次巻線の一端との間に直列に接続された複数の電圧降下ブロックと、
各電圧降下ブロックの両端をそれぞれ短絡させるスイッチと、
これらのスイッチのオンオフを制御する制御手段と、を備え、
前記電圧降下ブロックは、
互いに逆方向に直列接続された複数のツェナーダイオードからなり、
前記二次巻線の出力電圧に応じて前記制御手段により前記スイッチをオンオフ制御することにより、
前記電圧降下ブロックによる電圧降下の合計値を変化させて前記一次巻線の電圧を制御し、前記二次巻線の電圧を所定値に保つことを特徴とする交流安定化電源装置。
請求項１に記載した交流安定化電源装置において、
前記電圧降下ブロックを、ツェナー電圧が等しいツェナーダイオードを同数ずつ互いに逆方向に直列接続して構成したことを特徴とする交流安定化電源装置。
請求項１または２に記載した交流安定化電源装置において、
アノードをすべて交流電源側に向けて直列接続した複数のツェナーダイオードからなる補助ブロックを、前記電圧降下ブロックに更に直列接続したことを特徴とする交流安定化電源装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した交流安定化電源装置において、
前記制御手段は、
前記二次巻線の電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器の出力を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧を基準電圧とそれぞれ比較する一対のコンパレータと、これらのコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオンオフ制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする交流安定化電源装置。
請求項４に記載した交流安定化電源装置において、
前記一対のコンパレータは、前記整流回路の出力電圧が基準電圧を下回った時にHighレベルの信号を出力する第１のコンパレータと、前記整流回路の出力電圧が基準電圧を上回った時にHighレベルの信号を出力する第２のコンパレータと、から構成され、
前記スイッチ制御回路は、第１のコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオンさせ、第２のコンパレータの出力信号に基づいて前記スイッチをオフさせることを特徴とする交流安定化電源装置。