JP4749411B2 - 本安機器用電源装置及び本安機器用電源供給方法 - Google Patents

Description

この発明は、爆発性ガスが爆発する虞がある爆発性雰囲気状態の危険区域内で使用される本質安全防爆構造の電気機器（以下、本安機器という。）に安全区域から電源を供給する本安機器用電源装置及び電源供給方法に関する。

本安機器の使用に際して直流電源を供給する場合、電源回路側で生じた過電圧が本安機器に出力されないようにするとともに、供給する電源の電圧値及び電流値を危険区域内の爆発性ガスに応じて規格化された基準値よりも小さくする必要がある。このため、本安機器に安全区域から電源を供給する本安機器用電源装置には、本安機器に対する出力電圧及び出力電流を制限する安全保持機能が備えられている（例えば、特許文献１参照。）。

従来の安全保持機能を備えた本安機器用電源装置として、図５（Ａ）に示すように、本安機器に対する出力電圧を制限する分路電圧制限回路５２、本安機器に対する出力電流を制限する電流制限回路５３、及び、分路電圧制限回路５２を保護するヒューズ５１からなる分路ダイオード型安全保持器５０を備えたものがある。分路電圧制限回路５２には分路ダイオードが含まれ、この分路ダイオードとして一般にツェナダイオードが用いられている。

本安機器用電源装置の回路電圧が、分路電圧制限回路５２内の分路ダイオードの制限電圧（例えばツェナダイオードのツェナ電圧）よりも高くなると、分路電圧制限回路５２に電流が流れ、本安機器に対する出力電圧値が制限電圧に制限される。ところが、図５（Ａ）に示す分路ダイオード型安全保持器５０では、対地電圧を下げるために分路電圧制限回路５２を最良の方法で接地しなければならない。

そこで、図５（Ｂ）に示すように、分路電圧制限回路５２と電流制限回路５３との間に絶縁変圧器６１を配置し、分路電圧制限回路５２の接地を不要にした絶縁型の分路ダイオード型安全保持器６０が提案されている。
特開平２０００−１２３２６８号公報

しかしながら、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示した従来の分路ダイオード型安全保持器では、分路電圧制限回路５２を構成する分路ダイオードの制限電圧が回路電圧に近い場合には、回路電圧が僅かに高くなった際にも分路電圧制限回路５２に電流が流れることになり、回路電圧の変動によってヒューズ５１が容易に溶断する虞がある。一般に、本安機器用電源装置の安全保持器におけるヒューズの交換作業は煩雑で長時間を必要とするため、ヒューズの溶断はできるだけ回避すべきであり、回路電圧をツェナ電圧に比較して十分に低い値にしなければならず、結果的にツェナ電圧の高いツェナダイオードを用いる必要があり、電圧利用効率が低い欠点があった。また、負荷電流に拘らずヒューズが溶断しない程度の電流を回路内に常に流しておくことによって電圧利用効率を高くすることができるが、電流利用効率が低くなる。

この発明の目的は、分路電圧制限回路の電圧をフィードバック制御することにより、電圧利用効率及び電流利用効率を低下させることなく本安機器に適正に電源を供給することができ、かつ容易にヒューズが溶断することのない本安機器用電源装置及び電源供給方法を提供することにある。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１） 入力側が直流電源に接続されるとともに出力側が本質安全防爆構造の電気機器に接続され、前記直流電源を電源ラインを介して前記電気機器に供給する本安機器用電源装置において、
前記入力側から前記出力側に向かって定電圧制御回路と分路電圧制限回路及び電圧検出回路とをこの順に備え、
前記電源ライン間に前記分路電圧制限回路と前記電圧検出回路とを直列に接続し、
前記分路電圧制限回路は、両端にかかる電圧を定電圧に制限し、前記分路電圧制限回路及び前記電圧検出回路に常時電流が流れるように制限電圧が設定されており、
前記電圧検出回路は、前記電源ライン間の電圧と前記定電圧との差分の電圧を検出電圧として出力し、
前記定電圧制御回路は、前記電圧検出回路から信号線を介して入力された検出電圧が基準電圧に一致するように前記電源ライン間の電圧をフィードバック制御し、
前記電源ラインにおける前記入力側と前記分路電圧制限回路との間にヒューズを設け、前記信号線にフィードバック抵抗を設けたことを特徴とする。

（２）前記電源ライン間の電圧が動作電圧以上になった場合に、前記電源ライン間を短絡する出力短絡回路をさらに設けたことを特徴とする。

この発明によれば、以下の効果を奏することができる。

電源ライン間の電圧と定電圧との差分の電圧を検出電圧として、検出電圧が基準電圧に一致するように制御する一方、分路電圧制限回路及び電圧検出回路に常時電流が流れるように制限電圧を設定することにより、電圧利用効率を向上させることができる。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る本安機器用電源装置（以下、単に電源装置という。）の構成を示すブロック図である。爆発性ガスが爆発する虞がある爆発性雰囲気の危険区域で使用される本安機器には、部品の故障等によって電源回路に生じた過電圧を供給してはならない。また、本安機器に供給すべき電圧値及び電流値は危険区域の爆発性ガスの種類に応じて規格化されており、電源装置１０の出力電圧及び出力電流を規格化された基準電圧値以下及び基準電流値以下に保たなければならない。このため、この実施形態に係る電源装置１０は、直流電源に接続される入力側から本安機器に接続される出力側に向かって定電圧制御回路２、ヒューズ１、電圧制限回路３及び電流制限回路８を備えている。

電圧制限回路３は、本安機器に対する電源ラインの間に、分路電圧制限回路３ｂ及び電圧検出回路３ｃからなる直列回路に出力短絡回路３ａを並列に接続して構成されている。出力短絡回路３ａは、例えばサイリスタ等の半導体によって構成され、分路電圧制限回路３ｂと電圧検出回路３ｃとの間に入力端子を接続しており、電圧検出回路３ｃの検出電圧の入力を受ける。出力短絡回路３ａは、検出電圧が所定の動作電圧を超えた時に電源ライン間を短絡し、基準電圧を超える出力電圧の本安機器への出力を防止する。分路電圧制限回路３ｂは、例えばツェナダイオードによって構成され、両端電圧を定電圧であるツェナ電圧に維持する。

したがって、電源ライン間の電圧である出力電圧が変動すると電圧検出回路３ｃの両端電圧が変動し、出力短絡回路３ａの入力端子に入力される検出電圧が変動する。即ち、出力短絡回路３ａに入力される検出電圧は、出力電圧からツェナ電圧（制限電圧）を差し引いた値となる。電圧検出回路３ｃは、例えば抵抗によって構成され、出力電圧から制限電圧を差し引いた検出電圧として出力電圧を間接的に検出する。

なお、ヒューズ１は、電圧制限回路３に対する規格上の要求に基づいて設けられている。また、電流制限回路８は、例えば抵抗によって構成されており、本安機器に供給される出力電流値を基準電流値以下に制限する。

定電圧制御回路２は、電圧制御回路２ａ、フィードバック抵抗２ｂ、基準電圧回路２ｃ及び電圧誤差増幅回路２ｄを含む。電圧制限回路３における電圧検出回路３ｃの検出電圧は、フィードバック抵抗２ｂを介して電圧誤差増幅回路２ｄに入力される。電圧誤差増幅回路２ｄは、フィードバック抵抗２ｂを介して入力された検出電圧を基準電圧回路２ｃが発生する基準電圧と比較し、両者の差を増幅した差分電圧信号を電圧制御回路２ａに供給する。電圧制御回路２ａは、電圧誤差増幅回路２ｄからの差分電圧信号に基づいて出力電圧を制御する。これによって、電圧検出回路３ｃが間接的に検出した出力電圧が、基準電圧に一致するようにフィードバック制御される。

上記の構成により、定電圧制御回路２の出力電圧が上昇しだすと、出力電圧と分路電圧制限回路３ｂの制限電圧との電圧差も上昇する。この電圧差は電圧検出回路３ｃによって検出される。この検出電圧が出力短絡回路３ａが動作する動作電圧未満の範囲では、定電圧制御回路２により出力電圧が基準電圧に一致するようにフィードバック制御される。定電圧制御回路２の出力電圧がさらに上昇し、電圧検出回路３ｃの検出電圧が出力短絡回路３ａの動作電圧以上になると、出力短絡回路３ａが動作して電源回路が短絡される。また、電源装置１０に異常電圧が入力された場合には、定電圧制御回路２のフィードバック抵抗２ｂから電圧制限回路３の出力短絡回路３ａに高電圧が印加され、出力短絡回路３ａが動作して電源回路が短絡される。さらに、フィードバック抵抗により出力短絡回路の入力等を高電圧から保護する。

これによって、基準電圧に一致する出力電圧の直流電源が本安機器に供給されるとともに、過大な電圧が本安機器に入力されることがなく、本安機器に火花を発生した場合でも危険区域の爆発性ガスへの引火を防止できる。

なお、出力短絡回路３ａが電源回路を短絡した後は、電源装置１０に対する電源を一旦切断した後に再投入することによって電源装置１０が動作を復帰する。

分路電圧制限回路３ｂは、出力電圧を直接制限するものではなく、出力短絡回路３ａの入力電圧を制御する電圧を供給するものであり、分路電圧制限回路３ｂ及び電圧検出回路３ｃに常時電流が流れるように制限電圧が設定されている。したがって、分路電圧制限回路３ｂの制限電圧と電圧検出回路３ｃの検出電圧との和が電源装置１０の出力電圧となり、電圧制御回路２ａの電圧降下がない場合には、電圧利用効率が略１００％になる。

なお、ヒューズ１は、電圧制限回路３の出力短絡回路３ａよりも入力側の適当な箇所に配置することができ、図２に示す電源装置２０のように、定電圧制御回路２よりも入力側に配置してもよい。

図３は、この発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る電源装置３０は、図１及び図２に示した定電圧制御回路２に代えて、定電圧・電流制御回路４を備えたものである。定電圧・電流制御回路４は、定電圧制御回路２に含まれるフィードバック抵抗２ｂ、基準電圧回路２ｃ及び電圧誤差増幅回路２ｄを含むとともに、新たに、電圧・電流制御回路４ａ、電流検出回路４ｂ、基準電圧回路４ｃ及び電流誤差増幅回路４ｄを含む。

電流検出回路４ｂは、電源装置３０から本安機器に供給される出力電流を検出し、検出した電流値に対応した電圧を検出電圧として出力する。電流検出回路４ｂの検出電圧は、基準電圧回路４ｃが発生した基準電圧とともに電流誤差増幅回路４ｄに入力される。電流誤差増幅回路４ｄは、電流検出回路４ｂから入力された検出電圧と基準電流回路４ｃから入力された基準電圧との差を増幅した差分電流信号を電圧・電流制御回路４ａに供給する。電圧・電流制御回路４ａは、電圧誤差増幅回路２ｄから供給される差分電圧信号に基づいて直流電源の出力電圧が基準電圧に一致するように制御するとともに、電流誤差増幅回路４ｄから供給される差分電流信号に基づいて直流電源の出力電流が基準電流以下になるように制御する。

以上の構成により、この実施形態に係る電源装置３０では、本安機器に供給すべき直流電源の出力電圧が基準電圧に等しくされるとともに、本安機器に供給すべき直流電源の出力電流が電圧制限回路３が故障した場合や負荷である本安機器が短絡した場合にもヒューズ１が溶断しない電流値に制御される。

図４は、この発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。この実施形態に係る電源装置４０は、電源回路内に絶縁変圧器５を備えたものである。電源装置４０において、発振回路６が接続された絶縁変圧器５の１次側に電圧制限回路３、ヒューズ１及び定電圧・電流制御回路４を備え、整流・平滑回路７が接続された絶縁変圧器５の２次側に定電圧制御回路２及び電圧制限回路３を備えている。図４においては、電流制限回路は省略している。

この構成により、電源と本安機器との間の絶縁状態を実現することができるとともに、１次側における電源ライン上へのノイズを含む異常電圧の印加による電圧変動及び電流変動は１次側の電圧制限回路３、ヒューズ１及び定電圧・電流制御回路４によって吸収し、２次側における本安機器との間の電源ライン上へのノイズを含む異常電圧の印加による電圧変動及び電流変動は２次側の定電圧制御回路２及び電圧制限回路３によって吸収することができる。

なお、電源装置４０の１次側において、定電圧・電流制御回路４に代えて定電圧制御回路２を用いることもできる。

この発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 上記電源装置の別の構成を示すブロック図である。 この発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 この発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 従来の電源装置に備えられる安全保護器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１−ヒューズ
２−定電圧制御回路
２ａ−電圧制御回路
２ｂ−フィードバック抵抗
２ｃ−基準電圧回路
２ｄ−電圧誤差塑像服回路
３−電圧制限回路
３ａ−出力短絡回路
３ｂ−分路電圧制限回路
３ｃ−電圧検出回路
４−定電圧・電流制御回路
１０，２０，３０，４０−電源装置（本安機器用電源装置）

Claims (4)

1. 入力側が直流電源に接続されるとともに出力側が本質安全防爆構造の電気機器に接続され、前記直流電源を電源ラインを介して前記電気機器に供給する本安機器用電源装置において、
   前記入力側から前記出力側に向かって定電圧制御回路と分路電圧制限回路及び電圧検出回路とをこの順に備え、
   前記電源ライン間に前記分路電圧制限回路と前記電圧検出回路とを直列に接続し、
   前記分路電圧制限回路は、両端にかかる電圧を定電圧に制限し、前記分路電圧制限回路及び前記電圧検出回路に常時電流が流れるように制限電圧が設定されており、
   前記電圧検出回路は、前記電源ライン間の電圧と前記定電圧との差分の電圧を検出電圧として出力し、
   前記定電圧制御回路は、前記電圧検出回路から信号線を介して入力された検出電圧が基準電圧に一致するように前記電源ライン間の電圧をフィードバック制御し、
   前記電源ラインにおける前記入力側と前記分路電圧制限回路との間にヒューズを設け、前記信号線にフィードバック抵抗を設けたことを特徴とする本安機器用電源装置。
2. 前記電源ライン間の電圧が動作電圧以上になった場合に、前記電源ライン間を短絡する出力短絡回路をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の本安機器用電源装置。
3. 入力側が直流電源に接続されるとともに出力側が本質安全防爆構造の電気機器に接続され、前記直流電源を電源ラインを介して前記電気機器に供給する本安機器用電源供給方法において、
   前記入力側から前記出力側に向かって定電圧制御回路と分路電圧制限回路及び電圧検出回路とをこの順に備え、
   前記電源ライン間に前記分路電圧制限回路と前記電圧検出回路とを直列に接続し、
   前記分路電圧制限回路は前記分路電圧制限回路及び前記電圧検出回路に常時電流が流れるように制限電圧を設定し、前記分路電圧制限回路により、両端にかかる電圧を定電圧に制限し、
   前記電圧検出回路により、前記電源ライン間の電圧と前記定電圧との差分の電圧を検出電圧として出力し、
   前記定電圧制御回路により、前記電圧検出回路から信号線を介して入力された検出電圧が基準電圧に一致するように前記電源ライン間の電圧をフィードバック制御し、
   前記電源ラインにおける前記入力側と前記分路電圧制限回路との間にヒューズを設け、前記信号線にフィードバック抵抗を設けたことを特徴とする本安機器用電源供給方法。
4. 前記電源ライン間の電圧が動作電圧以上になった場合に、出力短絡回路によって前記電源ライン間を短絡することを特徴とする請求項３に記載の本安機器用電源供給方法。

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