JP4748024B2

JP4748024B2 - ２線式スイッチ装置

Info

Publication number: JP4748024B2
Application number: JP2006281792A
Authority: JP
Inventors: 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: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: JP2008097535A; HK1115241A1; TWI327806B; CN101166025B; KR100867043B1; CN101166025A; TW200820536A; KR20080034385A; SA07280084B1

Description

本発明は、２線式スイッチ装置に関するものである。

近年、配線器具の電子化が進んでいる。これに伴い、電子スイッチ装置に用いられるスイッチ要素としては、無接点のスイッチ素子である３端子双方向性サイリスタ（トライアック）や、サイリスタ等が広く用いられるようになってきている。しかし、省配線の見地から見れば、２線配線式のスイッチ装置（２線式スイッチ装置）においては、上記スイッチ要素は、交流電源と負荷との直列回路の両端間に接続される（負荷が交流電源を介してスイッチ要素の両端間に接続される）ことになるため、スイッチ装置に電源線を個別に引き込むことができず、如何にして自己の回路電源を確保するかが問題となっている。

そこで、このような問題を解決するために図８に示すような回路構成を有する２線式スイッチ装置１００が提供されている（同様のものとしては、特許文献１〜３が挙げられる）。

２線式スイッチ装置１００は、例えば屋内に設けられたスイッチボックスから引き出した商用電源の２本の屋内配線を用いて商用電源及び負荷に接続され、主に屋内の壁面に埋め込み設置された状態で使用される２線式配線器具であって、図８に示すように、主として、主開閉部２と、整流回路部３と、第１電源回路部４と、第２電源回路部５と、安定化回路部６と、制御部７と、補助開閉部８とを備えている。

以下に、２線式スイッチ装置１００について図８を参照してさらに詳細に説明する。スイッチ装置１００は、図８に示すように、商用電源である交流電源ＡＣと制御対象となる負荷（例えば、白熱灯や蛍光灯等の照明器具や換気扇等の機器）ＬＦからなる直列回路の両端がそれぞれ接続される端子Ｔ１，Ｔ２を備えている。

端子Ｔ１，Ｔ２間には、図８に示すように３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部２が接続されている。つまり、交流電源ＡＣを介して負荷ＬＦを端子Ｔ１，Ｔ２間に接続した際には、主開閉部２の両端間に負荷ＬＦが交流電源ＡＣを介して接続されて、交流電源ＡＣと負荷ＬＦと主開閉部２からなる閉回路が構成される。この閉回路では、主開閉部２がオンであれば、交流電源ＡＣから負荷ＬＦには負荷ＬＦを動作させるのに十分な電力が供給され、主開閉部２がオフであれば、交流電源ＡＣから負荷ＬＦには負荷ＬＦを動作させるのに十分な電力が供給されないようになっている。尚、以下の説明では、主開閉部２において端子Ｔ１に接続される一端を電源側端子と称し、端子Ｔ２に接続される他端を負荷側端子と称する。

加えて、端子Ｔ１，Ｔ２間にはサージアブソーバＺとノイズフィルタ用のコンデンサＣ１とが接続され、さらに、主開閉部２と端子Ｔ２との間にはノイズフィルタ用のインダクタＬが接続されている。

整流回路部３は、例えば各一対の入力端子（以下、「交流入力端子」と称する）及び出力端子（以下、「直流出力端子」と称する）を有し、交流電源ＡＣが出力する交流電流を整流して出力するダイオードブリッジからなる。整流回路部３は、一方の交流入力端子が主開閉部２において交流電源ＡＣが電気的に接続される電源側端子（すなわち端子Ｔ１に接続される主開閉部２の一端）に電気的に接続され、他方の交流入力端子が主開閉部２において負荷ＬＦが電気的に接続される負荷側端子（すなわち端子Ｔ２に接続される主開閉部２の他端）及びゲート端子にそれぞれ電気的に接続されている。

また、整流回路部３の他方の交流入力端子と主開閉部２の負荷側端子との間には、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ１の並列回路からなり主開閉部２のゲート端子に所定の閾値以上の電圧を与えて主開閉部２をオンするためのゲート駆動回路が接続されている。したがって、整流回路部３の直流出力端子間が短絡された際には、主開閉部２のゲート端子にゲート電圧が与えられることになる。

第１電源回路部４は、整流回路部３の高電位側の直流出力端子に一端が接続される抵抗Ｒ２と、Ｒ２の他端にコレクタが接続されるトランジスタＱ１と、トランジスタＱ１のコレクタ−ベース間に接続される抵抗Ｒ３と、カソードがトランジスタＱ１のベースに接続されアノードがグランドに接続されたツェナーダイオードＺＤ１と、トランジスタＱ１のエミッタに一端が接続された抵抗Ｒ４とで構成されている。このような第１電源回路部４によれば、抵抗Ｒ２で電流制限を行うとともにツェナーダイオードＺＤ１で電圧をクリップして定電圧化することによって、整流回路部３の出力を元に所定の電圧の直流電源を供給できるようになっている。

尚、ツェナーダイオードＺＤ１を通過した電流は、グランドを通って整流回路部３の低電位側の直流出力端子に戻された後に、端子Ｔ２より負荷ＬＦに供給されることになるが、このような電流によって負荷ＬＦが誤動作をすることがないように第１電源回路部４のインピーダンスは高く設定されている。また尚、第１電源回路部４は所謂ドロッパタイプのものであるが、スイッチングタイプのものも用いられる。

第２電源回路部５は、整流回路部３と安定化回路部６との間に介在される半導体スイッチ素子であるトランジスタＱ２と、制御部７により制御されトランジスタＱ２のオンオフ制御を行うイネーブル部（オンオフ切換部）として用いられる半導体スイッチ部であるトランジスタＱ３とを有している。

さらに詳しく説明すると、第２電源回路部５は、整流回路部３の高電位側の直流出力端子にエミッタが接続されるトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のエミッタ−ベース間に接続される抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ３からなる並列回路と、トランジスタＱ２のベースに一端が接続される抵抗Ｒ６と、コレクタが抵抗Ｒ６の他端に接続されエミッタがグランドに接続されるトランジスタＱ３と、トランジスタＱ３のエミッタ−ベース間に接続される抵抗Ｒ７と、トランジスタＱ２のコレクタにカソードが接続されるツェナーダイオードＺＤ２と、ツェナーダイオードＺＤ２とトランジスタＱ２のコレクタの接続点にアノードが接続される逆流阻止用のダイオードＤとで構成されている。

したがって、第２電源回路部５では、トランジスタＱ３がオンである場合にトランジスタＱ２がオンとなって所定の電圧の直流電源が安定化回路部６へ出力される。ここで、整流回路部３の出力電圧が所定値以上、すなわちツェナーダイオードＺＤ２のカソードの電圧がブレークダウン電圧以上となると、整流回路部３より供給される電流はツェナーダイオードＺＤ２を通って副開閉部８に出力される（すなわちツェナーダイオードＺＤ２のリーク電流が副開閉部８に出力される）ようになる。

このような第２電源回路部５によれば、ツェナーダイオードＺＤ２で電圧をクリップして定電圧化することによって、整流回路部３の出力を元に所定の電圧の直流電源を供給できるようになっている。

安定化回路部６は、第１電源回路部４又は第２電源回路部５から出力される直流電源を安定化するためのものであって、安定化回路部６により安定化された出力（安定化出力）は制御部７の動作電源として使用される。安定化回路部６は３端子レギュレータＲＧを有し、３端子レギュレータＲＧの入力端子には、第１電源回路部４の抵抗Ｒ４の他端、及び第２電源回路部５のダイオードＤのカソードが接続されている。また、３端子レギュレータＲＧの入力端子とグランドの間にはバッファ用の電解コンデンサＢが接続され、出力端子とグランドの間にはコンデンサＣ４及び電解コンデンサＣ５の並列回路が接続されている。これら電解コンデンサＢ、コンデンサＣ４、及び電解コンデンサＣ５は、３端子レギュレータＲＧの規格に応じた値に設定され、３端子レギュレータＲＧの動作を安定化するために用いられている。

尚、バッファ用の電解コンデンサＢは、第１電源回路部４又は第２電源回路部５が出力する直流電源によって充電される。そのため、第１電源回路部４又は第２電源回路部５から直流電源が供給されなくなった場合には、第１電源回路部４又は第２電源回路部５の代わりに、電解コンデンサＢから安定化回路部６に直流電源が供給される。

制御部７は、例えばＣＰＵ等であって、外部の操作機器等によって交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を開始する趣旨の信号を受信した際には、第２電源回路部５のトランジスタＱ３のベースに制御用電流を出力してトランジスタＱ３をオンし、これによりトランジスタＱ２をオンして第２電源回路部５の動作を開始させる（すなわち、第２電源回路部５より直流電源を得る）ようになっている。

副開閉部８は、整流回路部３の高電位側の直流出力端子にアノードが、低電位側の直流出力端子にカソードがそれぞれ電気的に接続された状態で直流出力端子間に接続されるサイリスタからなり、ゲートには第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のアノードが接続されている。この副開閉部８のアノードと整流回路部３との間には抵抗Ｒ８が接続されており、また副開閉部８のゲートとカソードとの間にはコンデンサＣ６及び抵抗Ｒ９の並列回路からなる副開閉部８用のゲート駆動回路が接続されている。

したがって、副開閉部８はツェナーダイオードＺＤ２より出力される電流（リーク電流）によってコンデンサＣ６が充電され、コンデンサＣ６の電圧が所定の閾値以上となったときにオンして整流回路部３の直流出力端子間を短絡するようになっている。

次に、２線式スイッチ装置１００の動作について図８及び図９を参照して説明する。尚、初期状態では、主開閉部２、副開閉部８、トランジスタＱ２，Ｑ３がいずれもオフとなっているとする。

この初期状態では主開閉部２がオフであるから、交流電源ＡＣから負荷ＬＦには十分な電流が供給されず、負荷ＬＦの動作は停止しており、交流電源ＡＣの交流電流は、整流回路部３により脈流電流に整流されて出力される。第１電源回路部４では、整流回路部３の出力を元に所定の電圧の直流電源が生成されて出力される。第１電源回路部４より出力された直流電源は、安定化回路部６及び電解コンデンサＢに入力される。安定化回路部６では、第１電源回路部４が出力する直流電源を元に制御部７用の動作電源の生成が行われ、これにより制御部７に動作電源が供給される。

そして、外部の操作機器等によって制御部７に交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行う旨の指令が与えられた場合、制御部７は、第２電源回路部５のトランジスタＱ３のベースに制御用電流を出力してトランジスタＱ３をオンさせる。トランジスタＱ３がオンになると、トランジスタＱ２のベースの電圧が引き抜かれてトランジスタＱ２がオンとなり、第２電源回路部５からは所定の電圧の直流電源が出力される。このとき、整流回路部３の出力は殆どが第２電源回路部５に入力され、第１電源回路部４には殆ど入力されないように構成されている。

このように第２電源回路部５から直流電源が出力されると、当該直流電源によって電解コンデンサＢが充電される（図９中、時刻ｔ１）。また、第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のカソードの電圧がブレークダウン電圧以上になると、整流回路部３の出力は、ツェナーダイオードＺＤ２を通して副開閉部８に出力される。

ツェナーダイオードＺＤ２より出力される電流（すなわちリーク電流）は、副開閉部８のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ６を充電し、コンデンサＣ６の電圧が所定の閾値以上となったときに副開閉部８がオンして、整流回路部３の直流出力端子間が短絡される（図９中、時刻ｔ２）。

整流回路部３の直流出力端子間が短絡されると、整流回路部３の高電圧側の直流出力端子より出力された電流は、抵抗Ｒ８を通って低電圧側の直流出力端子に入力され、この後に、整流回路部３の他方の交流入力端子から出力されて、主開閉部２のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ２を充電する。

そして、コンデンサＣ２の電圧が所定の閾値圧以上となったときに、主開閉部２がオンし（図９中、時刻ｔ３）、これにより交流電源ＡＣから負荷ＬＦに十分な大きさの電流が供給されて負荷ＬＦの動作が開始される。

このようにして負荷ＬＦの動作が開始された後には、主開閉部２は交流電源ＡＣのゼロクロス点でオンからオフに切り換えられ、これにより交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給が中止されることになるが、整流回路部３の出力電圧が高くなって第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のカソード電圧がブレークダウン電圧以上となると、整流回路部３より供給される電流はツェナーダイオードＺＤ２を通って副開閉部８に出力されることになり、これにより上述した動作が行われて主開閉部２がオンされる。以後、同様な動作が繰り返されることによって負荷ＬＦへの電力供給が行われる。

尚、制御部７は、交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給を中止する旨の指令を受け取った際には、トランジスタＱ３への制御用電流の出力を停止してトランジスタＱ３をオフにし、これにより第２電源回路部５のトランジスタＱ２もオフとなり、その結果、上記の初期状態へと復帰することになる。
特開平１１−２３７９２５号公報（図１参照）特開２０００−１３３４７３号公報（図１参照）特開２００１−１６８０４号公報（図１参照）

以上述べたように、従来の２線式スイッチ装置１００では、交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行う際に、第２電源回路部５によって制御部７の動作電源を確保し、この後に副開閉部８をオンして整流回路部３の直流出力端子間を短絡させ、整流回路部３を通る短絡電流によって主開閉部となる主開閉部２をオンして、交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行うようになっている。

そのため、主開閉部２がオフからオンとなる際に、図９に示すようにスイッチ間電圧（端子Ｔ１，Ｔ２間の電圧）が比較的大きな（急激な）電圧変化を示し、これによって２線式スイッチ装置１００のオンオフの切り換え動作時に発生するノイズが大きくなったり、負荷ＬＦに供給される電流（負荷電流）が歪んでしまったりするという問題があった。また、このような急激な電圧変化が生じた際には、用いる負荷ＬＦの種類によっては負荷ＬＦに突入電流が流れてしまうおそれもあった。

上記の問題を解決する方法としては、例えばダイオードＤとして電圧降下が小さいショットキーバリアダイオードを用いて、ツェナーダイオードＺＤ２の設定電圧（ブレークダウン電圧）を低くする方法が提案されている。

この方法によればスイッチ間電圧の最大値を小さくすることは可能であったが、２線式スイッチ装置１００において交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行う際に生じるスイッチ間電圧の急激な変化は、サイリスタからなる副開閉部８、ダイオードブリッジからなる整流回路部３、及び主開閉部２、すなわち半導体スイッチ素子の電圧降下に依存するため、スイッチ間電圧の急激な変化を緩和するという点では不十分であった。

そこで、スイッチ間電圧の急激な変化を抑制するために、半導体スイッチ素子としてより電圧降下が低い半導体スイッチ素子を用いることが考えられるが、一般的に半導体スイッチ素子は、高耐圧のシリコン材料を用いて形成されたＰＮ接合素子を有しているから、電圧降下を低く抑えるにも限界があり、単に電圧降下が低い半導体スイッチ素子を使用したとしても、スイッチ間電圧の急激な変化を十分に抑制することができず、結局のところ、上記の問題点を解決することができなかった。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、動作時に発生するノイズを低減できる２線式スイッチ装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明では、負荷が交流電源を介して両端間に接続される３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部と、主開閉部の一端とゲート端子それぞれに入力端子が接続され出力端子間が短絡された際に前記ゲート端子にゲート電圧を与える整流回路部と、交流電源から負荷への電力供給が停止している際に用いられ整流回路部の出力を元に直流電源を生成する第１電源回路部と、交流電源から負荷への電力供給を行う際に用いられ整流回路部の出力を元に直流電源を生成する第２電源回路部と、第１電源回路部又は第２電源回路部から得た直流電源を安定化する安定化回路部と、安定化出力により動作され交流電源から負荷への電力供給を行う際に第２電源回路部の動作を開始させる制御部と、第２電源回路部の動作時に整流回路部の出力端子間を短絡する副開閉部とを備えるとともに、主開閉部の前記一端と前記ゲート端子との間に接続され整流回路部の出力端子間が短絡されてから主開閉部がオンとなるまでの間にオンとなる補助開閉部を少なくとも１つ備えていることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、電流が補助開閉部から主開閉部に転流するタイミングを調整する調整抵抗を有していることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、補助開閉部は、３端子双方向性サイリスタであることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１又は２の発明において、補助開閉部は、複数の半導体スイッチ素子を用いて構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１項の発明において、整流回路部の出力端子間には、平滑用コンデンサが接続されていることを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１項の発明において、副開閉部は、整流回路部の出力端子間に接続される電界効果トランジスタからなり、整流回路部の出力端子間を短絡する際には前記電界効果トランジスタのゲート端子に徐々に電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項１〜６のいずれか１項の発明において、第２電源回路部は、整流回路部と安定化回路部との間に介在される半導体スイッチ素子と、制御部により制御され半導体スイッチ素子のオンオフ制御を行う半導体スイッチ部とを有し、半導体スイッチ部は、ダーリントン回路からなることを特徴とする。

請求項１の発明は、３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部の一端とゲート端子との間に電気的に接続される補助開閉部を少なくとも１つ備え、副開閉部により整流回路部の出力端子間が短絡されてから主開閉部がオンとなるまでの間に、補助開閉部がオンとなることでスイッチ間電圧を降下させるようにしているので、交流電源から負荷に電力供給を行う際に生じるスイッチ間電圧の急激な変化を緩和できるようになり、その結果、オンオフの切り換え動作時に発生するノイズを低減できるという効果を奏する。

請求項２の発明は、調整抵抗によって電流が補助開閉部から主開閉部に転流するタイミングを調整することができるから、動作時に発生するノイズの低減に適した動作タイミングで主開閉部を動作させることができるようになり、さらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

請求項３の発明は、補助開閉部として３端子双方向性サイリスタを用いているから、部品点数を少なくでき、しかも３端子双方個性サイリスタは小型で安価な部品であるから、製造コストの低減を図ることができるという効果を奏する。

請求項４の発明は、一般的な半導体スイッチ素子を用いて補助開閉部を実現できるという効果を奏する。

請求項５の発明は、副開閉部により整流回路部の出力端子間が短絡された際のスイッチ間電圧の急激な変化を緩和でき、これによりさらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

請求項６の発明は、副開閉部を電界効果トランジスタとし、電界効果トランジスタのゲート端子に徐々に電圧を印加してオンするようにしているので、副開閉部により整流回路部の出力端子間が徐々に短絡されることになり、スイッチ間電圧の急激な変化を緩和することができて、さらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

請求項７の発明は、半導体スイッチ部をダーリントン回路としているので、半導体スイッチ部を制御するために必要な電力を低く抑えつつも第２電源回路部による電圧降下を低く抑えることができ、その結果、スイッチ間電圧を低く抑えることができるようになるという効果を奏する。

（実施形態１）
本実施形態の２線式スイッチ装置１は、図８に示す２線式スイッチ装置１００と同様に、屋内に設けられたスイッチボックスから引き出した商用電源の２本の屋内配線を用いて商用電源及び負荷に接続され、主に屋内の壁面に埋め込み設置された状態で使用される２線式配線器具であって、図１に示すように、負荷ＬＦが交流電源ＡＣを介して両端間に接続される３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部２と、交流電源ＡＣが電気的に接続される主開閉部２の一端からなる電源側端子と主開閉部２のゲート端子それぞれに入力端子（交流入力端子）が接続され出力端子（直流出力端子）間が短絡された際に主開閉部２のゲート端子にゲート電圧を与えるために用いられる整流回路部３と、交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給が停止している際に用いられ整流回路部３の出力を元に直流電源を生成する第１電源回路部４と、交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給を行う際に用いられ整流回路部３の出力を元に直流電源を生成する第２電源回路部５と、第１電源回路部４又は第２電源回路部５から得た直流電源を安定化する安定化回路部６と、安定化出力により動作され交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給を行う際に第２電源回路部５の動作を開始させる制御部７と、第２電源回路部５の動作時に整流回路部３の直流出力端子間を短絡する副開閉部８と、主開閉部２の電源側端子とゲート端子との間に接続され整流回路部３の直流出力端子間が短絡されてから主開閉部２がオンとなるまでの間にオンとなる補助開閉部９とを備えている。

本実施形態の２線式スイッチ装置１は、主として補助開閉部９を備えている点で従来の２線式スイッチ装置１００と異なっており、その他の構成は従来の２線式スイッチ装置１００と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

補助開閉部９は、例えば、３端子双方向性サイリスタ（トライアック）であって、図１に示すように、主開閉部２の電源側端子に、抵抗Ｒ１０を介して一端が接続され、主開閉部２のゲート端子に他端が接続されている。また、補助開閉部９のゲート端子と前記他端との間には、コンデンサＣ７及び抵抗Ｒ１１の並列回路からなるゲート駆動回路が接続されており、本実施形態の２線式スイッチ装置１では、整流回路部３の他方の交流入力端子は、主開閉部２ではなく補助開閉部９のゲート端子に接続されている。

ところで、抵抗Ｒ１０は、主開閉部２のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ２に補助開閉部９を通して流れる電流を制限することで、補助開閉部９がオンとなってから主開閉部２がオンとなるまでの時間、すなわち、電流が補助開閉部９から主開閉部２に転流するタイミングを調整するための調整抵抗として用いられている。

このような抵抗Ｒ１０によれば、補助開閉部９から主開閉部２に電流が転流するタイミングを調整することができるから、主開閉部２を、動作時に発生するノイズの低減に適したタイミングで動作させることができるようになり、さらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

次に、本実施形態の２線式スイッチ装置１の動作について図１及び図２（ａ），（ｂ）を参照して説明する。尚、初期状態では、主開閉部２、副開閉部８、補助開閉部９、トランジスタＱ２，Ｑ３がいずれもオフとなっているとする。

初期状態では、主開閉部２と補助開閉部９がともにオフであるから、交流電源ＡＣから負荷ＬＦには十分な電流が供給されず、負荷ＬＦの動作は停止しており、交流電源ＡＣが出力する交流電流は、整流回路部３により整流されて（脈流電流に変換されて）出力される。そして、第１電源回路部４では、整流回路部３の出力を元に所定の電圧の直流電源が生成される。第１電源回路部４より生成された直流電源は、安定化回路部６及び電解コンデンサＢに供給され、安定化回路部６では供給された直流電源を安定化して制御部７用の動作電源が生成され、この動作電源が制御部７に供給される。

このように制御部７に動作電源が供給されている状態で、手動スイッチやリモコン等の外部の操作用機器等によって制御部７に交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行う旨の指令が与えられた場合、制御部７は、第２電源回路部５のトランジスタＱ３に制御用電流を出力してトランジスタＱ３をオンさせる。トランジスタＱ３がオンになると、トランジスタＱ２のベースの電圧が引き抜かれてトランジスタＱ２がオンとなり、第２電源回路部５からは所定の電圧の直流電源が出力される。このとき、整流回路部３の出力は殆どが第２電源回路部５に入力され、第１電源回路部４には殆ど入力されないように構成されている。

第２電源回路部５により生成された直流電源は、安定化回路部６（及び電解コンデンサＢ）に供給され、第２電源回路部５の直流電源によって電解コンデンサＢが充電される（図２（ｂ）中、時刻ｔ１）。そして、第２電源回路部５の動作時に、第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のカソードの電圧がブレークダウン電圧以上になると、整流回路部３の出力は、ツェナーダイオードＺＤ２を通して副開閉部８に出力されることになる。

そして、ツェナーダイオードＺＤ２より出力される電流（すなわちリーク電流）は、副開閉部８のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ６を充電し、コンデンサＣ６の電圧が、副開閉部８の以上となったときに、副開閉部８がオンして、整流回路部３の直流出力端子間が短絡される（図２（ｂ）中、時刻ｔ２）。

整流回路部３の直流出力端子間が短絡されると、整流回路部３の高電圧側の直流出力端子より出力された電流は、抵抗Ｒ８を通って低電圧側の直流出力端子に入力され、この後に、整流回路部３の他方の交流入力端子から出力されて、補助開閉部９のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ７を充電する。

そして、コンデンサＣ７の電圧が所定の閾値以上となったときに、補助開閉部９がオンし（図２（ｂ）中、時刻ｔｍ）、交流電源ＡＣから出力される交流電流が抵抗Ｒ１０及び補助開閉部９を通して主開閉部２のゲート駆動回路を構成するコンデンサＣ２に入力され、コンデンサＣ２が充電される。この後に、コンデンサＣ２の電圧が所定の閾値以上となったときに、主開閉部２がオンし（図２（ｂ）中、時刻ｔ３）、これにより交流電源ＡＣから負荷ＬＦに十分な大きさの電流が供給されて、負荷ＬＦの動作が開始される。

このようにして負荷ＬＦの動作が開始された後、主開閉部２及び補助開閉部９は、交流電源ＡＣのゼロクロス点でオンからオフに切り換えられ、これにより交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給が中止されることになるが、整流回路部３の出力電圧が高くなって第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のカソード電圧がブレークダウン電圧以上となると、整流回路部３より供給される電流は、ツェナーダイオードＺＤ２を通って副開閉部８に出力されることになり、これにより上述した動作が行われて主開閉部２がオンされる。以後、同様な動作が繰り返され、負荷ＬＦに電力供給が行われる。

尚、制御部７は、交流電源ＡＣから負荷ＬＦへの電力供給を中止する旨の指令を受け取った際には、トランジスタＱ３への制御用電流の出力を停止してトランジスタＱ３をオフにし、これにより第２電源回路部５のトランジスタＱ２もオフとなり、これにより上記の初期状態へと復帰することになる。

以上述べた本実施形態の２線式スイッチ装置１によれば、３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部２の電源側端子とゲート端子との間に電気的に接続される補助開閉部９を備え、副開閉部８により整流回路部３の直流出力端子間が短絡されてから主開閉部２がオンとなるまでの間に、補助開閉部９がオンとなることでスイッチ間電圧を降下させるようにしているので、交流電源ＡＣから負荷ＬＦに電力供給を行う際に生じるスイッチ間電圧の急激な変化を緩和できるようになり、その結果、オンオフの切り換え動作時に発生するノイズを低減できるという効果を奏する。

さらに、補助開閉部９がオンとなってから主開閉部２がオンとなるまでの時間を調整する調整抵抗である抵抗Ｒ１０を有しているから、動作時に発生するノイズの低減に適した動作タイミングで主開閉部２を動作させることができるようになり、さらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

また、補助開閉部９として３端子双方向性サイリスタを用いているから、部品点数を少なくでき、しかも３端子双方個性サイリスタは小型で安価な部品なので、製造コストの低減を図ることができるという効果を奏する。

ところで、上記の例では３端子双方向性サイリスタからなる補助開閉部９を用いているが、例えば図３に示すように複数の半導体スイッチ素子を用いて構成された補助開閉部９０を用いるようにしてもよい。

この補助開閉部９０は、図３に示すように、ＰＮＰ型トランジスタ９０ａと、ＮＰＮ型トランジスタ９０ｂと、ダイオード９０ｃとをそれぞれ２つ用いて構成されている。さらに詳しく説明すると、ＰＮＰ型トランジスタ９０ａとＮＰＮ型トランジスタ９０ｂとダイオード９０ｃは、ＰＮＰ型トランジスタ９０ａのコレクタにＮＰＮ型トランジスタ９０ｂのエミッタ、及びＰＮＰ型トランジスタ９０ａのベースにＮＰＮ型トランジスタ９０ｂのコレクタが電気的に接続されるとともに、ＰＮＰ型トランジスタ９０ａのエミッタにダイオード９０ｃのカソードが接続されており、これによりサイリスタと同等の機能を有するサイリスタ部９０ｄを構成している。

そして、これらＰＮＰ型トランジスタ９０ａとＮＰＮ型トランジスタ９０ｂとダイオード９０ｃからなる２つのサイリスタ部９０ｄを、逆並列に接続することによって、双方向性サイリスタを構成している。

つまり、補助開閉部９０は、複数の半導体スイッチ素子（主にトランジスタ）を用いてなる双方向性サイリスタである。

このように構成された補助開閉部９０は、抵抗Ｒ１０を介して一方のダイオード９０ｃのアノードを交流電源ＡＣに、他方のダイオード９０ｃのアノードを主開閉部２のゲート端子にそれぞれ接続するとともに、両ＰＮＰ型トランジスタ９０ａ及び両ＮＰＮ型トランジスタ９０ｂのベースを、整流回路部３の他方の交流入力端子に接続することによって、回路に組み込まれている。

また補助開閉部は、３端子双方向性サイリスタを用いたものに限られるものではなく、トランジスタや、サイリスタ等一般的な半導体スイッチ素子を用いても実現できる。さらに、補助開閉部は、図１や図３に示す例に限られるものではなく、要は、上記のものと同様な効果を奏する半導体スイッチ要素であればよい。

尚、本実施形態の２線式スイッチ装置１では、補助開閉部９を１つ設けているが、このような補助開閉部９は、複数設けるようにしてもよく、この場合、一斉に補助開閉部９がオンとなるのではなく、順番に（段階的に）補助開閉部９がオンとなるようにすることが好ましく、このようにすれば、さらにスイッチ間電圧の急激な変化を緩和することが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態の２線式スイッチ装置１０は、上記実施形態１の２線式スイッチ装置１と同様のものであるが、図４に示すように、整流回路部３の直流出力端子間に、平滑用コンデンサＣ８が接続されている点で異なっている。その他の構成については上記実施形態１と同様であるから同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

このような本実施形態の２線式スイッチ装置１０によれば、上記実施形態１と同様の効果を奏する上に、整流回路部３の出力が、平滑コンデンサＣ８によって平滑化されるようになっているため、副開閉部８により整流回路部３の直流出力端子間が短絡された際のスイッチ間電圧の急激な変化を緩和でき、これによりさらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

（実施形態３）
本実施形態の２線式スイッチ装置１１は、上記実施形態１の２線式スイッチ装置１と同様のものであるが、図５に示すように主に副開閉部８０が異なっている。尚、上記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

上記実施形態１の２線式スイッチ装置１では、３端子双方向性サイリスタからなる副開閉部８を用いるようにしていたが、本実施形態の２線式スイッチ装置１１では、電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistors;ＦＥＴ）からなる副開閉部８０を用いている。

また、上記実施形態１の２線式スイッチ装置１では、ツェナーダイオードＺＤ２のアノードを副開閉部８のゲート端子に接続し、ツェナーダイオードＺＤ２のリーク電流によって、副開閉部８のゲート駆動回路のコンデンサＣ６を充電することにより副開閉部８をオン（すなわち整流回路部３の直流出力端子間を短絡）するように構成されているが、本実施形態の２線式スイッチ装置１１では、図５に示すように、第２電源回路部５のツェナーダイオードＺＤ２のアノードに電圧検出回路７０を接続している。電圧検出回路７０は、ツェナーダイオードＺＤ２のリーク電流を元にして電解コンデンサＢの高電位側の電位（ツェナーダイオードＺＤ２のカソードの電位）を検出するためのものである。

制御部７は、電圧検出回路７０の検出出力を元に電解コンデンサＢに所定値以上の電力が蓄えられているか否か（副開閉部８０を短絡させて第２電源回路部５から直流電源が供給されなくなった場合でも制御部７を動作させるのに十分な電力が電解コンデンサＢに蓄えられているか否か）を判定する。その結果、電解コンデンサＢに所定値以上の電力が蓄えられたと判定した際に、制御部７は、副開閉部８０のゲート端子に徐々に電圧を印加していくように構成されている。

したがって、本実施形態の２線式スイッチ装置１１によれば、副開閉部８０が、整流回路部３の直流出力端子間に接続される電界効果トランジスタからなり、整流回路部３の出力端子間を短絡する際には電界効果トランジスタのゲート端子に徐々に電圧が印加されるので、整流回路部３の直流出力端子間は急激に短絡されずに、副開閉部８０により整流回路部３の直流出力端子間が徐々に短絡される（徐々に短絡電流が大きくなる）ことになるから、スイッチ間電圧の急激な変化を緩和することができて、さらなるノイズの低減を図ることができるという効果を奏する。

尚、本実施形態の２線式スイッチ装置１１においても、副開閉部８０を、上記実施形態１と同様にしてツェナーダイオードＺＤ２のリーク電流によって動作制御するようにしてもよいが、電解コンデンサＢに十分な電力が蓄えられた後に制御部７により副開閉部８０のゲートに徐々に電圧を印加するようにしたほうが、スイッチ間電圧の急激な変化をより緩和することができるため好ましい。

（実施形態４）
ところで、本発明の２線式スイッチ装置のような電子スイッチでは、制御部７の消費電流が比較的大きく、これにより主開閉部２がオンとなっている間の電流の消費量が多くなり、電解コンデンサＢの充電時の充電電流も必然的に大きくなる。

このとき、第２電源回路部５において整流回路部３と安定化回路部６との間に介在される半導体スイッチ素子であるトランジスタＱ２が飽和領域で動作していないと、トランジスタＱ２の両端間（エミッタ−コレクタ間）に電位差が生じて、これがスイッチ間電圧の上昇の原因となる。

このような問題を解決してスイッチ間電圧を低くするためには、第２電源回路５のトランジスタＱ２に十分なベース電流を供給してトランジスタＱ２を飽和領域で動作させる必要がある。そのためには、トランジスタＱ２のオンオフ制御を行うトランジスタＱ３の両端間（エミッタ−コレクタ間）に生じる電位差を低く抑える、つまり、トランジスタＱ３にも十分なベース電流を供給する必要がある。

しかしながら、トランジスタＱ３は、制御部７より出力される制御用電流によりオンオフが制御されるため（制御部７によりベース電流が与えられるため）、トランジスタＱ３に十分なベース電流を与えようとした際には、制御部７が出力する制御用電流を大きくする必要がある。ここで、制御用電流を大きくした際には、制御部７の消費電流が増え、これに伴って充電電流が増大し（言い換えれば、第２電源回路部５における電圧降下が増大し）、結果としてスイッチ間電圧の上昇を引き起こしてしまう場合があった。

ここで、制御部７の消費電流を小さくした場合の従来の２線式スイッチ装置１００のスイッチ間電圧のグラフを図７（ａ）に、制御部７の消費電流を大きくした場合の従来の２線式スイッチ装置１００のスイッチ間電圧のグラフを図７（ｂ）にそれぞれ示す。

図７（ａ），（ｂ）を見れば明らかなように、制御部７の消費電流が大きいほうが、スイッチ間電圧の最大値が大きくなっていることがわかる。

本実施形態の２線式スイッチ装置１２は、上記の問題を解決するためのものであり、上記実施形態１の第２電源回路部５の代わりに、図６に示すような第２電源回路部５０を用いている。尚、上記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第２電源回路部５０は、整流回路部３と安定化回路部６との間に介在される半導体スイッチ素子であるトランジスタＱ２と、制御部７により制御されトランジスタＱ２のオンオフ制御を行うイネーブル部（オンオフ切換部）として用いられる半導体スイッチ部５０ａとを有している。

さらに詳しく説明すると、第２電源回路部５０は、整流回路部３の高電位側の直流出力端子にエミッタが接続されるトランジスタＱ２と、トランジスタＱ２のエミッタ−ベース間に接続される抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ３からなる並列回路と、トランジスタＱ２のベースに一端が接続される抵抗Ｒ６と、コレクタが抵抗Ｒ６の他端に接続されエミッタがグランドに接続されるトランジスタＱ３、及びコレクタが抵抗Ｒ６の他端に接続されエミッタがトランジスタＱ３のベースに接続されるトランジスタＱ４からなる半導体スイッチ部５０ａと、トランジスタＱ３のエミッタ−ベース間に接続される抵抗Ｒ７と、トランジスタＱ２のコレクタにカソードが接続されるツェナーダイオードＺＤ２と、ツェナーダイオードＺＤ２とトランジスタＱ２のコレクタに接続点にアノードが接続される逆流阻止用のダイオードＤとで構成されている。また、本実施形態では、制御部７の出力する制御用電流は、トランジスタＱ３ではなく、トランジスタＱ４のベースに供給されるようになっている。

つまり、上記実施形態１の２線式スイッチ装置１ではトランジスタＱ２のオンオフ制御用の半導体スイッチ部としてトランジスタＱ３を用いていたが、本実施形態の２線式スイッチ装置１２ではトランジスタＱ２のオンオフ制御用の半導体スイッチ部として、ダーリントン接続されたトランジスタＱ３，Ｑ４からなるダーリントン回路を用いるようにしている。

このように本実施形態の２線式スイッチ装置１２では、半導体スイッチ部５０ａをダーリントン回路としているので、制御部７の制御用電流を大きくしなくても半導体スイッチ部５０ａのトランジスタＱ３に十分なベース電流を供給してトランジスタＱ３を飽和領域で動作させることができ、その結果、第２電源回路部による電圧降下を低く抑えても、トランジスタＱ３の両端間の電位差を小さくすることができるようになっている。そのため、トランジスタＱ２に十分なベース電流を供給することが可能となり、トランジスタＱ２の両端間の電位差を小さくできて、スイッチ間電圧を低く抑えることができる。

したがって、以上述べた本実施形態の２線式スイッチ装置１２によれば、半導体スイッチ部５０ａをダーリントン回路としているので、半導体スイッチ部５０ａを制御するために必要な電力を低く抑えつつも第２電源回路部による電圧降下を低く抑えることができ、その結果、スイッチ間電圧を低く抑えることができるようになるという効果を奏する。

尚、本実施形態では、半導体スイッチ部５０ａとして、２つのトランジスタからなるダーリントン回路を用いているが、さらに多くの数のトランジスタからなるダーリントン回路を用いるようにしてもよい。

実施形態１の２線式スイッチ装置の回路説明図である。（ａ）は、実施形態１の２線式スイッチ装置のスイッチ間電圧の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、同図（ａ）にＰで示す部位の拡大図である。実施形態１の２線式スイッチ装置の他例の回路説明図である。実施形態２の２線式スイッチ装置の回路説明図である。実施形態３の２線式スイッチ装置の回路説明図である。実施形態４の２線式スイッチ装置の回路説明図である。従来の２線式スイッチ装置のスイッチ間電圧の時間変化を示すグラフであり、（ａ）は制御部の消費電流が小さい場合のグラフ、（ｂ）は制御部の消費電流が大きい場合のグラフである。従来例の２線式スイッチ装置の回路説明図である。従来例の２線式スイッチ装置のスイッチ間電圧の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１２線式スイッチ装置
２主開閉部
３整流回路部
４第１電源回路部
５第２電源回路部
６安定化回路部
７制御部
８副開閉部
９補助開閉部
ＡＣ交流電源
ＬＦ負荷

Claims

負荷が交流電源を介して両端間に接続される３端子双方向性サイリスタからなる主開閉部と、主開閉部の一端とゲート端子それぞれに入力端子が接続され出力端子間が短絡された際に前記ゲート端子にゲート電圧を与える整流回路部と、交流電源から負荷への電力供給が停止している際に用いられ整流回路部の出力を元に直流電源を生成する第１電源回路部と、交流電源から負荷への電力供給を行う際に用いられ整流回路部の出力を元に直流電源を生成する第２電源回路部と、第１電源回路部又は第２電源回路部から得た直流電源を安定化する安定化回路部と、安定化出力により動作され交流電源から負荷への電力供給を行う際に第２電源回路部の動作を開始させる制御部と、第２電源回路部の動作時に整流回路部の出力端子間を短絡する副開閉部とを備えるとともに、主開閉部の前記一端と前記ゲート端子との間に接続され整流回路部の出力端子間が短絡されてから主開閉部がオンとなるまでの間にオンとなる補助開閉部を少なくとも１つ備えていることを特徴とする２線式スイッチ装置。
電流が補助開閉部から主開閉部に転流するタイミングを調整する調整抵抗を有していることを特徴とする請求項１記載の２線式スイッチ装置。
補助開閉部は、３端子双方向性サイリスタであることを特徴とする請求項１又は２記載の２線式スイッチ装置。
補助開閉部は、複数の半導体スイッチ素子を用いて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の２線式スイッチ装置。
整流回路部の出力端子間には、平滑用コンデンサが接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の２線式スイッチ装置。
副開閉部は、整流回路部の出力端子間に接続される電界効果トランジスタからなり、整流回路部の出力端子間を短絡する際には前記電界効果トランジスタのゲート端子に徐々に電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の２線式スイッチ装置。
第２電源回路部は、整流回路部と安定化回路部との間に介在される半導体スイッチ素子と、制御部により制御され半導体スイッチ素子のオンオフ制御を行う半導体スイッチ部とを有し、半導体スイッチ部は、ダーリントン回路からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の２線式スイッチ装置。