JP4665563B2 - 電圧不足警報方法、電圧不足警報回路ならびにスイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、出力電圧が不足電圧設定値以下に低下して不足する原因を特定して警報する出力電圧不足警報方法、この方法の実施に用いる出力電圧不足警報回路、ならびにスイッチング電源に関するものである。

電源の動作状態を表示器で表示して監視する電源が特許文献１で提案されている。この電源では出力端子間が短絡状態であるか否かを二つの表示器で表示するものである。ところで、電源の出力電圧が不足すると、電子機器の誤動作等を招くので、電源に出力電圧の不足を警報する不足電圧警報回路を付設したものが提案されている。図５は従来の不足電圧警報回路１２を示す。出力電圧不足警報回路１２は、端子１２ｉにスイッチング電源の出力電圧が印加される。入力回路１２ａは、その出力電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧しその分圧電圧Ｖａを比較回路２２のプラス入力部（＋）に供給するとともに、定電圧ダイオードＺＤで一定の逆導通電圧Ｖｂを比較回路２２のマイナス入力部（−）に供給する。比較回路２２のプラス入力部（＋）への電圧変化は、出力電圧の変化に比例する。比較回路２２のマイナス入力部（−）への電圧は不足電圧設定値に対応する。

出力電圧が正常であるときは、Ｖａ＞Ｖｂであるから比較回路１２ｂの出力電圧Ｖｃはハイレベルであり、ＬＥＤ素子１２ｃは消灯し、トランジスタ１２ｄは導通している。トランジスタ１２ｄが導通すると、フォトカプラ１２ｅを介して、出力電圧が正常であることを示す警報信号が出力端子１２ｇに出力される。すなわち、出力電圧が正常なときは、ＬＥＤ素子１２ｃが消灯、トランジスタ１２ｄは導通という組合わせである。正常状態から過電流状態となると、端子１２ｉに印加される出力電圧がＶａ＜Ｖｂの関係にまで低下すると、比較回路１２ｂの出力電圧Ｖｃはローレベルとなるので、ＬＥＤ素子１２ｃは点灯し、出力トランジスタ１２ｄは非導通となる。この点灯と非導通の組合わせは、負荷異常である。スイッチング電源１０の寿命が到来して出力電圧がＶａ＜Ｖｂの関係に低下するときも、比較回路１２ｃの出力電圧Ｖｃはローレベルとなり、ＬＥＤ素子１２ｃは点灯、出力トランジスタ１２ｄは非導通となる。この点灯と非導通の組合わせは、電源異常である。なお、過電圧、異常過熱、電源への交流入力停止等では、電源の出力電圧がゼロに低下するので、ＬＥＤ素子１２ｃは消灯、トランジスタ１２ｄは非導通である。この消灯と非導通の組合わせはすべて電源異常である。以上の組合わせでは、過電流と電源寿命による出力電圧不足については、ＬＥＤ素子１２ｃの状態と出力トランジスタ１２ｄの状態の組み合わせが同一になるために、出力電圧不足の原因が負荷異常によるのか電源異常によるのかを区別することができない。
特願２００４−３２０８２５号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、出力電圧の不足状態において、その不足の原因を特定して警報可能にすることである。

本発明による電圧不足警報方法は、出力電圧が不足電圧設定値以下に不足する原因を特定して警報する方法において、出力電圧を固定の第１不足電圧設定値と比較する第１比較ステップと、出力電圧を該出力電圧に対しその急激変化には漸次変化よりも遅れて追従する第２の不足電圧設定値と比較する第２比較ステップとを有し、出力電圧を電源の出力電圧として、第１比較ステップは、出力電圧が、ゼロに低下するときは第１ＬＥＤ素子を消灯し、第１不足電圧設定値以下で第１ＬＥＤ素子の点灯電圧以上に低下するときは該第１ＬＥＤ素子を点灯し、第１不足電圧設定値以上のときは第１トランジスタを導通し、第１不足電圧設定値以下のときは第１トランジスタを非導通とするステップであり、第２比較ステップは、出力電圧が、ゼロに低下するときは第２ＬＥＤ素子を消灯し、第２不足電圧設定値以下で第２ＬＥＤ素子の点灯電圧以上に低下するときは第２ＬＥＤ素子を点灯し、第２不足電圧設定値以上のときは第２トランジスタを導通し、第２不足電圧設定値以下のときは第２トランジスタを非導通とするステップであり、上記両ステップから、出力電圧が不足する原因を、第１、第２ＬＥＤ素子が消灯し、かつ、第１、第２トランジスタが非導通では交流電源オフ、過電圧保護、過熱保護の少なくともいずれか１つによる電源異常、第１ＬＥＤ素子が点灯、第２ＬＥＤ素子が消灯し、かつ、第１トランジスタが非導通、第２トランジスタが導通では、電源寿命到来による電源異常、第１、第２ＬＥＤ素子が点灯し、かつ、第１、第２トランジスタが非導通の状態では、過電流による負荷異常にあると特定して警報する、ことを特徴とするものである。

本発明の方法によると、出力電圧を第１不足電圧設定値と第２不足電圧設定値とでそれぞれ個別に第１比較ステップと第２比較ステップで比較してその不足原因を特定するので、出力電圧の変化速度だけが相違する二つの不足原因についても別々に特定して警報することができる。このことは、例えば、過電流状態と電源寿命のように、従来では特定できなかった不足原因を別々に特定して警報することができる。

この場合、交流電源オフ、過電圧保護、過熱保護という電源側異常と、電源寿命による電源異常と、過電流による負荷異常とを区別して警報することができる。

本発明によれば、電圧の不足原因が負荷異常によるのか電源寿命によるのかを特定して警報することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電圧不足警報方法を説明すると、図１は、ＰＬＣコントローラシステムの全体構成を示す図、図２は、図１のスイッチング電源と電圧不足原因警報回路とを示す図、図３はスイッチング電源の動作タイミングチャート、図４は不足電圧警報状態を示す表である。

図１を参照して、１０はスイッチング電源、２０は負荷装置、３０はＰＬＣコントローラ（産業用シーケンサ）、４０は制御装置、５０は警報ランプである。１２，１３は不足電圧警報回路である。スイッチング電源１０は、交流入力を直流に変換しその直流出力を負荷装置２０とＰＬＣコントローラ３０に供給する。ＰＬＣコントローラ３０は制御装置４０を制御する。スイッチング電源１０は過電圧、過電流、異常過熱、等により、保護機能が働いて、その出力電圧を低下させる。スイッチング電源１０の出力電圧が低下して不足するとＰＬＣコントローラ３０は誤動作する可能性がある。不足電圧警報回路１２，１３は出力電圧の低下に伴ない不足電圧警報信号をＰＬＣコントローラ３０に与える。ＰＬＣコントローラ３０はこの不足電圧警報信号の入力に応答して、ＰＬＣコントローラ３０の内部で電圧不足による誤動作が発生するのを防止したり、あるいは事前に警報ランプ５０を点灯させてユーザーに警報したりするなどして、制御装置４０を含むシーケンスを停止させることを可能にしている。

図２を参照して、スイッチング電源１０と不足電圧警報回路１２，１３とを説明する。スイッチング電源１０は、図５と同構成の不足電圧警報回路（従来型と称する）１２に加えて不足電圧警報回路（追従型と称する）１３を付加して構成されている。スイッチング電源１０は、トランス１０ａ、一次側と二次側の整流平滑回路１０ｂ，１０ｃ、出力電圧の定電圧制御のためや保護動作に対応してスイッチ素子１０ｄ等を備えるとともに、一次側の交流入力を直流出力に変換して出力するものであり、図示を略しているが、過電流、過電圧、異常過熱等の保護回路を具備している。これら保護回路は、過電流、過電圧、過熱等により、出力電圧を低下側に制御するようになっている。例えば、過電圧や過熱であればスイッチング電源１０の動作を停止させて出力電圧をゼロに低下させ、電流が過電流のときは出力電圧を所定値に低下させる。

従来型不足電圧警報回路１２は、スイッチング電源１０から端子１２ｉを介して出力電圧が印加される。不足電圧警報回路１２は、出力電圧を後述する第１不足電圧設定値と比較する第１比較ステップを実行するものであって、入力回路１２ａと、比較回路１２ｂと、ＬＥＤ素子１２ｃと、出力トランジスタ１２ｄと、フォトカプラ１２ｅと、ダイオード１２ｆと、警報信号出力端子１２ｇとを備える。入力回路１２ａは、抵抗Ｒ１−Ｒ３と定電圧ダイオードＤ１とから構成されている。抵抗Ｒ１と定電圧ダイオードＤ１の接続部電圧は比較回路１２ｂのマイナス入力部に供給され、抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続部電圧は、比較回路１２ｂのプラス入力部に供給される。抵抗Ｒ２，Ｒ３の接続部電圧Ｖａは、出力電圧を分圧した電圧値である。抵抗Ｒ１と定電圧ダイオードＤ１との接続部電圧Ｖｂは、第１の不足電圧設定値である。第１の不足電圧設定値は定電圧ダイオードＤ１の逆導通電圧であるから、固定した一定値である。比較回路１２ｂのプラス入力部には電圧Ｖａが供給され、マイナス入力部には電圧Ｖｂが供給される。比較回路１２ｂの出力電圧Ｖｃのレベルは電圧Ｖａ＞Ｖｂのときはハイレベル、電圧Ｖａ＜Ｖｂのときはローレベルとなる。

ＬＥＤ素子１２ｃは比較回路１２ｂの出力レベルがローレベルのときに点灯し、ハイレベルのときに消灯する。出力トランジスタ１２ｄは比較回路１２ｂの出力レベルがローレベルのときにダイオード１２ｆが導通することにより非導通となり、比較回路１２ｂの出力レベルがハイレベルのときにダイオード１２ｆが非導通となることにより導通する。フォトカプラ１２ｅは、出力トランジスタ１２ｄの導通、非導通に応じて警報信号出力端子１２ｇに不足電圧警報信号を発生させる。

追従型不足電圧警報回路１３は、スイッチング電源１０から端子１３ｉを介して出力電圧が印加される。不足電圧警報回路１３は、出力電圧を後述する第２不足電圧設定値と比較する第２比較ステップを実行するものであって、入力回路１３ａと、比較回路１３ｂと、ＬＥＤ素子１３ｃと、出力トランジスタ１３ｄと、フォトカプラ１３ｅと、ダイオード１３ｆと、警報信号出力端子１３ｇと、ラッチ回路１３ｈとを備える。入力回路１３ａは、抵抗Ｒ４−Ｒ７とコンデンサＣ１とから構成されている。コンデンサＣ１と抵抗Ｒ５は並列接続されている。抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１との接続部電圧は、比較回路１３ｂのマイナス入力部に供給され、抵抗Ｒ６，Ｒ７の接続部電圧は、比較回路１３ｂのプラス入力部に供給される。抵抗Ｒ６，Ｒ７の接続部電圧ＶＡは、出力電圧を分圧した電圧値である。コンデンサＣ１の充電電圧ＶＢは、第２の不足電圧設定値である。第２の不足電圧設定値は、出力電圧の変化に追従する電圧値となるが、出力電圧が急速に低下しても漸次に低下するものである。比較回路１３ｂのプラス入力部には電圧ＶＡが供給され、マイナス入力部には電圧ＶＢが供給される。比較回路１３ｂの出力電圧ＶＣのレベルはＶＡ＞ＶＢのときはハイレベル、電圧ＶＡ＜ＶＢのときはローレベルとなる。

ＬＥＤ素子１３ｃは比較回路１３ｂの出力レベルがローレベルのときに点灯し、ハイレベルのときに消灯する。出力トランジスタ１３ｄは比較回路１３ｂの出力レベルがローレベルのときにダイオード１３ｆが導通することにより非導通となり、比較回路１３ｂの出力レベルがハイレベルのときにダイオード１３ｆが非導通となることにより導通する。フォトカプラ１３ｅは、出力トランジスタ１３ｄの導通、非導通に応じて警報信号出力端子１３ｇに不足電圧警報信号を発生させる。ラッチ回路１３ｈは、抵抗Ｒ８−Ｒ１０とトランジスタＴＲ１，ＴＲ２とから構成されている。ラッチ回路１３ｈは比較回路１３Bの出力レベルがローレベルになったとき、ローレベルの状態の維持を行う。これにより、例えば出力電圧がなんらかの原因で瞬間的に低下し復期した場合でも、その状態が維持される様になり、後からでも出力電圧低下があった履歴が分かるという効果を有することができる。

図３を参照して従来型不足電圧警報回路１２と追従型不足電圧警報回路１３とよる警報について説明する。まず、図示するまでもないが、過電圧、交流入力停止、異常過熱により出力電圧がゼロに低下すると、従来型不足電圧警報回路１２と追従型不足電圧警報回路１３それぞれに電源が供給されなくなるので、ＬＥＤ素子１２ｃ，１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは非導通となる。

図３（ａ）で示すように、過電流により出力電圧が時刻ｔ０から急速に低下すると、従来型不足電圧警報回路１２の比較回路１２ｂのプラス入力部の電圧Ｖａも時刻ｔ０から急速に低下し、マイナス入力部の電圧Ｖｂ（第１の不足電圧設定値）は固定値であるから、時刻ｔ１でＶａ＜Ｖｂとなって、比較回路１２ｂの出力レベルはハイレベルからローレベルに変化してＬＥＤ素子１２ｃは点灯、トランジスタ１２ｄは非導通となる。この場合、電圧ＶａはＬＥＤ素子１２ｃの点灯電圧以上である。

一方、追従型不足電圧警報回路１３の比較回路１３ｂのプラス入力部の電圧ＶＡも時刻ｔ０から急速に低下しても、比較回路１３ｂのマイナス入力部の電圧ＶＢは漸次に低下するので、時刻ｔ０経過直後でも既にＶＡ＜ＶＢとなって比較回路１３ｂの出力レベルはローレベルに変化してＬＥＤ素子１３ｃは点灯する。電圧ＶＡはＬＥＤ素子１３ｃの点灯電圧以上である。この場合、出力電圧が低下しているので、トランジスタ１３ｄは非導通となる。

したがって、図３（ａ）で示すように、過電流では、ＬＥＤ素子１２ｃ、１３ｃは点灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは非導通となって負荷異常を特定することができる。

図３（ｂ）で示すように、電源寿命により出力電圧が時刻ｔ０´から漸次に低下すると、従来型不足電圧警報回路１２の比較回路１２ｂのプラス入力部の電圧Ｖａも時刻ｔ０´から漸次に低下し、マイナス入力部の電圧Ｖｂは固定値であるから、時刻ｔ１´でＶａ＜Ｖｂとなって、比較回路１２ｂの出力レベルはハイレベルからローレベルに変化してＬＥＤ素子１２ｃは点灯、トランジスタ１２ｄは非導通となる。電圧ＶａはＬＥＤ素子１２ｃの点灯電圧以上である。一方、追従型不足電圧警報回路１３の比較回路１３ｂのプラス入力部の電圧ＶＡも時刻ｔ０´から漸次に低下し、比較回路１３ｂのマイナス入力部の電圧ＶＢは漸次に低下するので、時刻ｔ１´でもＶＡ＜ＶＢとはならず比較回路１３ｂの出力レベルは変化せずＬＥＤ素子１３ｃは消灯する。この場合、トランジスタ１３ｄは導通となる。

したがって、図３（ｂ）で示すように、電源寿命では、ＬＥＤ素子１２ｃは点灯、ＬＥＤ素子１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄは非導通、１３ｄは導通となって電源異常を特定することができる。

図３（ｃ）で示すように、瞬停、過電流、短絡等から復帰した場合、従来型不足電圧警報回路１２の比較回路１２ｂのプラス入力部の電圧Ｖａとマイナス入力部の電圧Ｖｂとの関係は、時刻ｔ０´´以降でＶａ＞Ｖｂとなって、比較回路１２ｂの出力レベルはローレベルからハイレベルに変化してＬＥＤ素子１２ｃは消灯し、トランジスタ１２ｄは出力電圧の上昇で導通する。一方、追従型不足電圧警報回路１３の比較回路１３ｂのプラス入力部の電圧ＶＡとマイナス入力部の電圧ＶＢとの関係は時刻ｔ０´´以降でもＶＡ＞ＶＢとはならず、比較回路１３ｂの出力レベルはローレベルのままであり、ＬＥＤ素子１３ｃは点灯し、トランジスタ１３ｄは非導通のままである。

以上を整理すると図４で示す関係となる。すなわち、出力電圧が正常であるときは、ＬＥＤ素子１２ｃ，１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは導通状態である。交流入力がオフでは、ＬＥＤ素子１２ｃ，１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは非導通状態である。過電流ではＬＥＤ素子１２ｃ，１３ｃは点灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは非導通状態である。過電圧と過熱では、ＬＥＤ素子１２ｃ，１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄ，１３ｄは非導通状態である。電源寿命ではＬＥＤ素子１２ｃは点灯，ＬＥＤ素子１３ｃは消灯、トランジスタ１２ｄは非導通、１３ｄは導通状態である。瞬停後、過電流状態後および短絡後の復帰は、ＬＥＤ素子１２ｃは消灯、ＬＥＤ素子１３ｃは点灯、トランジスタ１２ｄは導通，トランジスタ１３ｄは非導通である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

本発明の実施の形態に係るスイッチング電源とＰＬＣコントローラとを含むシステム図である。 スイッチング電源の回路図である。 不足電圧警報回路の警報動作の説明に供するタイミングチャートである。 実施の形態による警報表示を示す表図である。 従来の不足電圧警報回路の回路図である。

符号の説明

１０ スイッチング電源
１２ 従来型不足電圧警報回路
１３ 追従型不足電圧警報回路

Claims (6)

1. 出力電圧が不足電圧設定値以下に不足する原因を特定して警報する方法において、出力電圧を固定の第１不足電圧設定値と比較する第１比較ステップと、出力電圧を該出力電圧に対しその急激変化には漸次変化よりも遅れて追従する第２の不足電圧設定値と比較する第２比較ステップとを有し、
   出力電圧を電源の出力電圧として、
   第１比較ステップは、出力電圧が、ゼロに低下するときは第１ＬＥＤ素子を消灯し、第１不足電圧設定値以下で第１ＬＥＤ素子の点灯電圧以上に低下するときは該第１ＬＥＤ素子を点灯し、第１不足電圧設定値以上のときは第１トランジスタを導通し、第１不足電圧設定値以下のときは第１トランジスタを非導通とするステップであり、
   第２比較ステップは、出力電圧が、ゼロに低下するときは第２ＬＥＤ素子を消灯し、第２不足電圧設定値以下で第２ＬＥＤ素子の点灯電圧以上に低下するときは第２ＬＥＤ素子を点灯し、第２不足電圧設定値以上のときは第２トランジスタを導通し、第２不足電圧設定値以下のときは第２トランジスタを非導通とするステップであり、
   上記両ステップから、出力電圧が不足する原因を、第１、第２ＬＥＤ素子が消灯し、かつ、第１、第２トランジスタが非導通では交流電源オフ、過電圧保護、過熱保護の少なくともいずれか１つによる電源異常、第１ＬＥＤ素子が点灯、第２ＬＥＤ素子が消灯し、かつ、第１トランジスタが非導通、第２トランジスタが導通では、電源寿命到来による電源異常、第１、第２ＬＥＤ素子が点灯し、かつ、第１、第２トランジスタが非導通の状態では、過電流による負荷異常にあると特定して警報する、ことを特徴とする電圧不足警報方法。
2. 請求項１に記載の方法を実施するための電圧不足警報回路において、
   上記第１比較ステップを実行するために、二つの入力部を有する第１比較回路と、第１比較回路の一方の入力部に出力電圧の変化に対応する電圧を入力しかつ他方の入力部に第１不足電圧設定値を入力する第１入力回路とを備え、第１比較回路は、出力電圧と第１不足電圧設定値とを比較して、出力電圧が、点灯電圧以下では第１ＬＥＤ素子を消灯状態とし、第１不足電圧設定値以下で点灯電圧以上では第１ＬＥＤ素子を点灯状態とし、第１不足電圧設定値以上では第１トランジスタを導通、第１不足電圧設定値以下では第１トランジスタを非導通とする比較出力を出力する、ことを特徴とする電圧不足警報回路。
3. 第１入力回路は、第１比較回路の一方の入力部に出力電圧またはこれの分圧電圧を入力し、他方の入力部に定電圧を入力する回路である、ことを特徴とする請求項２に記載の電圧不足警報回路。
4. 請求項１に記載の方法を実施するための電圧不足警報回路において、
   上記第２比較ステップを実行するために、二つの入力部を有する第２比較回路と、第２比較回路の一方の入力部に出力電圧の変化に対応する電圧を入力しかつ他方の入力部に第２不足電圧設定値を入力する第２入力回路とを備え、第２比較回路は、スイッチング電源の出力電圧と第２不足電圧設定値とを比較して、出力電圧が、点灯電圧以下では第２ＬＥＤ素子を消灯状態とし、第２不足電圧設定値以下で点灯電圧以上では第２ＬＥＤ素子を点灯状態とし、第２不足電圧設定値以上では第２トランジスタを導通、第２不足電圧設定値以下では第２トランジスタを非導通とする比較出力を出力する、ことを特徴とする電圧不足警報回路。
5. 第２入力回路は、第２比較回路の一方の入力部に出力電圧またはこれの分圧電圧を入力し、他方の入力部に出力電圧を抵抗を介して充電してなるコンデンサ電圧を入力する回路である、ことを特徴とする請求項４に記載の電圧不足警報回路。
6. 請求項２ないし５いずれかに記載の警報回路を備えた、ことを特徴とするスイッチング電源。

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