JP4689580B2

JP4689580B2 - 圧電トランスの絶縁回路

Info

Publication number: JP4689580B2
Application number: JP2006301632A
Authority: JP
Inventors: 彰水谷; 雄二林
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: JP2008118816A

Description

本発明は、冷陰極管（ＣＣＦＬ）の駆動装置やテレビジョン受像器、電子複写機、携帯電話などの高電圧発生装置に使用される圧電トランスに関するものであって、特に、圧電トランスの１次側と２次側を絶縁するための絶縁回路に係る。

圧電トランスは、圧電振動子の共振現象を利用することにより、低電圧を入力し高電圧を出力するものであって、電磁型トランスに比較して圧電振動子のエネルギー密度が高く、小型化が可能であるという特徴を有する。そのため、冷陰極管や液晶バックライトの点灯用や、小型高電圧電源用などに用いられている。例えば、液晶テレビのバックライト用冷陰極管を点灯するためのバックライトインバータとして、圧電トランスを使用する技術が特許文献１に記載されている。

図４は、この種のバックライトインバータ（圧電インバータ）を使用した液晶テレビの一例を示す機能ブロック図である。図中、１０１は交流（ＡＣ）電源、１０２は力率改善回路（ＰＦＣ）、１０３はスイッチング電源回路（ＰＳ）、１０４はチューナーや音声回路などを含むテレビ回路、１０５はバックライトインバータ、１０６は冷陰極管である。

この図４において、交流電源１０１から入力された所定の電圧は、力率改善回路１０２によってその力率が改善されて所定の電圧（例えば、４００Ｖ）まで昇圧され、スイッチング電源回路１０３に入力される。スイッチング電源回路１０３では、昇圧された電圧をテレビ回路駆動用の低電圧（例えば、１２Ｖ）まで降下させ、これをテレビ回路１０４およびバックライトインバータ１０５に入力する。

この場合、スイッチング電源回路１０３に内蔵された降圧用の電磁型トランスにより、その１次側と２次側を電気的に分離することで、絶縁を確保している。

バックライトインバータ１０５では、スイッチング電源回路１０３で降下された低電圧を、インバータを構成する電磁型のトランスで昇圧し、その後、圧電トランスで更に高電圧（例えば、１０００Ｖ）にして、この高電圧を冷陰極管１０６に印加して、冷陰極管１０６を点灯している。一方、テレビ回路１０４に入力された低電圧は、テレビ回路１０５内の各機器を駆動するための電源として使用される。

前記のような従来技術は、スイッチング電源回路１０３で、例えば１２Ｖの低電圧に降下させた後、１０００Ｖの高電圧まで昇圧させているので、約１００倍もの昇圧比が必要となる。しかし、単板の圧電トランスを単独で使用した場合には昇圧比が不足するため、昇圧用の電磁型トランスが要求され、効率が悪い問題があった。一方、積層の圧電トランスを使用した場合、単独で昇圧することはできるものの、圧電トランスとして構成が複雑で高価なものが必要となる欠点があった。

そこで、図５のように、力率改善回路１０２の出力電圧を、降圧用のスイッチング電源回路１０３を介することなく、直接バックライトインバータ１０５に入力することで効率の向上を図る回路が提案されている。この回路では、バックライトインバータ１０５には、力率改善回路１０２の出力電圧（例えば、４００Ｖ）が入力されることになるので、その昇圧比は２．５倍程度で済み、単板の圧電トランスの使用が可能になると共に従来必要とされていた電磁型トランスも不要となり、電磁型トランス及びスイッチング電源回路１０３での損失分が解消され、効率の向上が可能になる。

しかし、この回路では、力率改善回路１０２の出力電圧を直接バックライトインバータ１０５に入力しているため、インバータに設けられた圧電トランスの１次側と２次側を絶縁できないといった問題がある。すなわち、テレビ受像器やパソコンなどの電子機器においては、使用者の安全上の観点から電源と、これを降圧あるいは昇圧して使用される機器側とを絶縁することが原則であり、通常は、昇降圧用のトランスの１次側と２次側とで絶縁している。

この場合、図４に示す回路では、スイッチング電源回路１０３に内蔵された電磁型トランスにより１次側と２次側を電気的に分離することで絶縁することができたが、図５に示す回路では、バックライトインバータ１０５部分で電磁型トランスが不要となり、圧電トランスのみが使用されているため、絶縁することが難しい。

すなわち、図６に示すように、圧電トランス２０１は、電源２０２に接続された一対の１次電極２０１ａ，２０１ｂと冷陰極管２０３に接続された２次電極２０１ｃとを有する３端子の構造である。そのため、冷陰極管２０３のリターン端子２０３ａを圧電トランス２０１の一方の１次電極２０１ｂと共用することになり、圧電トランス２０１の１次側と２次側を絶縁することはできない。

これを改善するために、本出願人は、特許文献２として、図７に示す回路を提案した。この回路は、第１及び第２の圧電トランス２０１，２０４をその１次電極側で直列に接続すると共に、冷陰極管２０３のリターン端子を第２の圧電トランス２０４の２次電極２０４ｃに接続したものである。

この回路では、２次側端子のリターン端子が、１次側の端子と独立しているので、冷陰極管２０３の負荷電流が他のルートに漏洩しない限り、１次側と２次側の絶縁を確保できる。この場合、圧電トランス２０１，２０４の出力は、冷陰極管２０３を電子機器のシャーシなどの２次接地に対して平衡電圧で駆動することになる。

ところで、最近は、液晶テレビなどの大型化に伴い、冷陰極管２０３の大型化も進んでいる。前記図７の回路では、冷陰極管２０３をＵ字管としたり、平行に配置した２本の冷陰極管を直列接続することで、大型化にも対応可能である。

しかし、より大型化されたテレビ受像器などにおいては、図８のように、複数本の冷陰極管２０３，２０５を平行に配置すると共に、そのリターン端子を２次接地することも要求されている。その理由は、隣接冷陰極管と接続する場合はコネクタや端子台が必要になるが、シャーシであれば端末の処理だけで済む、冷陰極管の低圧側を強制的にＧＮＤ電位とすることで、その周囲の雑音レベルが低下するという要求があるからである。

その結果、この図８の回路では、圧電トランス２０１，２０４の出力は、冷陰極管２０３，２０５を２次接地に対して個別に駆動することになる。
特開平１０−２００１７４号公報国際公開番号ＷＯ２００６／０８８１７６号公報

確かに、前記図８の回路でも、２本の冷陰極管２０１，２０４が平衡電圧で駆動されている場合には、前記図７の回路と同様に圧電トランスの１次側と２次側の絶縁は確保される。しかしながら、これらの回路では、負荷電流に関する絶縁は確保されていても、負荷の状態に応じて発生する漏洩電流（リーク電流）に関する絶縁機能については必ずしも十分とは言えない。この漏洩電流は、電子機器の安全規格上から一定値以内に抑える必要があり、その値を超えると感電のおそれがあるため、規格上も絶縁構造とみなされない。

すなわち、前記のように図８の回路では、圧電トランスの出力は、２本の冷陰極管を２次接地に対して個別に駆動することになるため、２本の冷陰極管のインピーダンスに差がある場合、各冷陰極管２０３，２０５の管電流（図中(a) (b) ）に差が生じて、その差分の電流が漏洩電流となる。

なお、複数の冷陰極管間のインピーダンスが異なるなどの理由としては、内部のガスの圧力の偏差や、水銀の量の偏差が考えられる。また、大型テレビでは、画面の位置（上、下）によって、温度が異なるため、冷陰極管も実装される位置で周囲温度が異なる。そして、冷陰極管は、温度特性を持つので、インピーダンスが異なる結果となる。

また、圧電トランスや冷陰極管とシャーシとの間の静電容量２０６，２０７に流れる電流（図中(c) (d) ）は、２つの圧電トランス２０１，２０４で位相が１８０°ずれているので原則的には漏洩電流とはならないが、２つの圧電トランス間でシャーシとの静電容量に偏差がある場合は前記(c) (d)の電流の大きさも異なるので、その偏差分の漏洩電流が流れる。

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、電源に接続された圧電トランスの２次端子に冷陰極管を接続すると共に、この冷陰極管の低圧側を接地した冷陰極管の駆動用の圧電トランスにおいて、圧電トランスの１次側と２次側を絶縁することを可能とした圧電トランスの絶縁回路を提供することにある。

本発明の他の目的は、電源に接続された複数の圧電トランスと、これら複数の圧電トランスの２次端子に接続された複数の冷陰極管を備え、これら複数の冷陰極管の低圧側を並列に接地した冷陰極管の駆動用の圧電トランスにおいて、圧電トランスの１次側と２次側を絶縁することを可能とした圧電トランスの絶縁回路を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明の圧電トランスの絶縁回路は、圧電トランスの第１及び第２の１次端子を交流電源に接続すると共に圧電トランスの２次端子を冷陰極管の高圧側に接続し、前記交流電源と圧電トランスとの間に対向して配置された第１の巻線と第２の巻線とを有するバルントランスを配置し、その第１の巻線の一端を交流電源に、他端を圧電トランスの第１の１次端子に接続し、第２の巻線の一端を交流電源に、他端を圧電トランスの第２の１次端子に接続したことを特徴とする。

また、本発明の圧電トランスの絶縁回路は、複数の圧電トランスをその第１及び第２の１次端子を介して直列に接続し、先頭の圧電トランスの第１の１次端子を交流電源に接続すると共に最後の圧電トランスの第２の１次端子を交流電源に接続し、前記複数の圧電トランスの各２次端子にはそれぞれ冷陰極管の高圧側を接続し、前記交流電源と複数の圧電トランスとの間に対向して配置された第１の巻線と第２の巻線とを有するバルントランスを配置し、その第１の巻線の一端を交流電源に、他端を先頭の圧電トランスの第１の１次端子に接続し、第２の巻線の一端を交流電源に、他端を最後の圧電トランスの第２の１次端子に接続したことを特徴とする。

また、圧電トランスに接続された冷陰極管の低圧側を２次接地することも、本発明の一態様である。

本発明によれば、交流電源と圧電トランスとの間にバルントランスを配置することにより、２次側を接地した場合であっても、シャーシなどの接地箇所に流れる漏洩電流をバルントランスの巻線の有するインダクタンスを利用して遮断することにより、圧電トランスの１次側と２次側の絶縁を確保することができる。

特に、バルントランスには圧電トランス−交流電源間の平衡電流が流れ、この平衡電流によってバルントランスの第１と第２の巻線で生じる磁束が相殺されるため、磁束発生に起因する鉄損が低減される。その結果、従来技術の電磁型トランスを使用した絶縁回路に比較して、銅損は同様な値であっても、鉄損分の効率向上が可能となる。

（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を図１に従って具体的に説明する。図１において、符号１は交流電源、２，３はこれに接続された２つの圧電トランスであって、この圧電トランスの１次側は接地されている。この交流電源１と圧電トランス２，３との間にバルントランス４が配置されている。また、前記複数の圧電トランス２，３の各２次端子にはそれぞれ冷陰極管５，６の高圧側が接続され、これら複数の冷陰極管５，６の低圧側が機器のシャーシなどに並列に２次接地されて、冷陰極管の駆動回路が構成されている。

より具体的には、２つの圧電トランス２，３は、その第１及び第２の１次端子を介して直列に接続され、圧電トランス２の第１の１次端子が交流電源１に接続されると共に圧電トランス３の第２の１次端子が交流電源１に接続されている。

また、前記バルントランス４は、交流電源と複数の圧電トランスとの間に対向して配置された第１の巻線４ａと第２の巻線４ｂとを備えている。バルントランス４の第１の巻線４ａの一端が交流電源１に、他端が圧電トランス２の第１の１次端子に接続され、第２の巻線４ｂの一端が交流電源に、他端が圧電トランス３の第２の１次端子に接続されている。

なお、図１において、符号７，８は圧電トランス２，３の２次側と、接地箇所であるシャーシなどとの間に形成された静電容量である。

前記のような構成を有する第１実施形態においては、圧電トランス２，３の１次側では、交流電源１−バルントランス４の第１の巻線４ａ−圧電トランス２，３の１次端子−バルントランス４の第２の巻線４ｂ−交流電源１からなる回路が形成される。

この場合、バルントランス４の第１と第２の巻線４ａ，４ｂには平衡状態にある逆方向の電流が流れることになり、両巻線に生じる磁束が打ち消し合うため、バルントランス４を構成する巻線４ａ，４ｂが交流電源１と圧電トランス２，３を流れる電流にとってのインダクタンス成分となることはない。従って、交流電源１により圧電トランス２，３を励起させて、インバータとして機能させ、冷陰極管５，６を点灯することが可能である。

一方、圧電トランス２，３の２次側では、冷陰極管５，６を接地したため、前記のように漏洩電流が発生する可能性がある。この漏洩電流は、２次接地及び１次接地を介してバルントランス４に流入することになるが、この漏洩電流は圧電トランス２，３−交流電源１間の電流のような平衡状態ではないので、バルントランス４の巻線４ａ，４ｂの有するインダクタンスＬの影響を受ける。その結果、バルントランス４の巻線４ａ，４ｂが漏洩電流を遮断することになるので、圧電トランス２，３の１次側と２次側の絶縁を確保することができる。

この場合、バルントランス４は、２つの圧電トランス２，３の２次側電圧の分圧値が２次接地となるように作用する。その分圧値は、接地箇所であるシャーシとの静電容量７，８と冷陰極管５，６の合成インピーダンスとして考えることができ、バルントランス４のインダクタンスＬがＬ＝∞であれば理論上は漏洩電流は流れないことになる。実際には、実回路で発生するであろう漏洩電流の大きさと、安全対策上許容される漏洩電流の大きさとを考慮して、バルントランス４の巻線のインダクタンスを決定する。

（２）他の実施形態
本発明は前記のような実施形態に限定されるものではなく、次のような他の実施形態も包含する。

(1) 図２に示すように、単独の圧電トランスとこれに対して接続した冷陰極管の駆動回路において、冷陰極管の低圧側を接地した場合にも、交流電源と圧電トランスとの間にバルントランスを配置することができる。

(2) 冷陰極管の低圧側を２次接地することなく、単に交流電源と圧電トランスの間にバルントランスを配置したもの。この場合、圧電トランスの２次側とシャーシなどとの間に発生する静電容量を流れる漏洩電流の遮断のみが可能である。

(3) 図３に示すように、交流電源１に接続したバルントランス４に対して、複数の圧電トランス２，３を並列に接続したもの。

(4) 前記第１実施形態や(2) (3) の回路において、交流電源に接続する圧電トランスと冷陰極管の数を、３つ以上としたもの。

本発明の第１実施形態を示すブロック図。本発明の他の実施形態を示すブロック図。本発明の更に他の実施形態を示すブロック図。バックライトインバータをスイッチング電源回路に接続した従来のテレビ受像器などの構成を示すブロック図。バックライトインバータを力率改善回路に接続したテレビ受像器などの構成を示すブロック図。圧電トランス自体では絶縁構造を確保できない理由を示す回路図。２つの圧電トランスと１本の冷陰極管を接続して絶縁を確保したバックライトインバータの回路図。２つの圧電トランスと２本の冷陰極管を接続して、二次設置した場合に絶縁を確保できない理由を示すバックライトインバータの回路図。

符号の説明

１…交流電源
２，３…圧電トランス
４…バルントランス
５，６…冷陰極管
７，８…静電容量

Claims

圧電トランスの第１及び第２の１次端子を交流電源に接続すると共に圧電トランスの２次端子を冷陰極管の高圧側に接続し、
前記交流電源と圧電トランスとの間に対向して配置された第１の巻線と第２の巻線とを有するバルントランスを配置し、その第１の巻線の一端を交流電源に、他端を圧電トランスの第１の１次端子に接続し、第２の巻線の一端を交流電源に、他端を圧電トランスの第２の１次端子に接続したことを特徴とする圧電トランスの絶縁回路。
複数の圧電トランスをその第１及び第２の１次端子を介して直列に接続し、先頭の圧電トランスの第１の１次端子を交流電源に接続すると共に最後の圧電トランスの第２の１次端子を交流電源に接続し、前記複数の圧電トランスの各２次端子をそれぞれ冷陰極管の高圧側に接続し、
前記交流電源と複数の圧電トランスとの間に対向して配置された第１の巻線と第２の巻線とを有するバルントランスを配置し、その第１の巻線の一端を交流電源に、他端を先頭の圧電トランスの第１の１次端子に接続し、第２の巻線の一端を交流電源に、他端を最後の圧電トランスの第２の１次端子に接続したことを特徴とする圧電トランスの絶縁回路。
前記冷陰極管が、その低圧側が２次接地されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電トランスの絶縁回路。