JP4783789B2 - 交流電力を用いた低電力のスイッチング方法、その方法を実施するシステム、およびそのシステムを用いた電源 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力を用いた電力の制御方法、その方法を実施するシステムおよびそのシステムを用いた電源に関する。本発明は、商用交流電力から直接低電圧の交流電力を供給する場合に、交流電力の電力レベルの０％〜１００％にわたって交流電力を安定して制御し得るようにして、最適な効率を達成し、かつ構成回路の集積化を可能とする。

一般に、交流電力を用いて電力を制御する場合には、ゼロクロス制御法や位相制御法を用いている。ゼロクロス制御法では、電圧がゼロのとき、すなわち、正弦波を成す交流電力が、図１Ａに示すように、１サイクルだけ進み、電圧がゼロになる点Ａに達したときに、オン／オフ制御を行う。供給される交流電力の５０％を供給するためには、ゼロクロス制御法でサイクルごとにオン／オフ動作を繰り返すようにして電力を制御する。

このようなゼロクロス法は、スイッチングノイズの観点から優れている。しかし、ゼロクロス法は、交流電力のゼロ点、すなわち、１サイクルが完了した後に電圧がゼロとなる点を検出する回路を必要とするため、経済性が低い。従って、ゼロクロス法は高額な機器用に利用され得るが、制御率が交流電力の量に比べて低い電力制御では、一定の電力が供給されないという欠点がある。

また、位相制御法は、図１Ｂに示すように、供給される交流電力の位相を変えることにより、負荷に供給される電力を制御するため、簡易であり、産業全体に亘って用いることができる。しかし位相制御法は、ノイズが大きくなり、また、高電圧位置にてスイッチングのオン及びオフを行うため、供給される交流電力の５０％より低い電力を制御するのには、安定せず、一定の電力が供給されないと言った欠点がある。

すなわち、従来のゼロクロス法及び位相制御法は、時間に応じた位相に基づいて電力のオン／オフ制御を行うのに対して、本発明が提案する新規な方法は、電圧の量に基づいて電力のオン／オフ制御を行う。

本発明は、ゼロクロス法及び位相制御法の欠点を克服するために発明したものであって、本発明の第１の目的は、供給する交流電力を均一、かつ安定に制御し得ると共に、交流電力を制御しながら所望の電力を供給する場合に、最適な技術効率および経済性を達成するように、回路サイズを超小型化し得る電力制御方法を提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、集積回路から成り、低レベルの電圧を頻繁に供給することにより過大電流が負荷に供給されないようにする、電力制御システムを提供することにある。

さらに、本発明の第３の目的は、集積回路から成る電力制御システムを用いた電源を提供することにある。

前記第１の目的を達成するために、本発明は、交流電力を用いて電力を制御する方法を提供し、この方法では、
前記交流電力の各１サイクルの正弦波のうち、設定した基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分のみを、電力制御システムに通すように低電力制御を行い、
前記交流電力の各１サイクルの正弦波のうち、設定した基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分のみを、当該システムに通さないように高電力制御を行う、ことを可能とする。

前記第２の目的を達成するために、本発明による交流電力を用いた電力制御システムは、
入力交流電力を全波整流するように構成した、ダイオードブリッジから成る整流ユニットと、
前記整流ユニットに接続され、基準制御電圧を設定し、かつこの設定制御基準値に基づいて信号を出力するように構成した電圧レベル検出ユニットと、
前記電圧レベル検出ユニットにより設定した前記基準制御電圧の量に基づいて、前記入力交流電力のスイッチング動作を制御するように構成した位相判定ユニットと、
前記電圧レベル検出ユニットおよび前記位相判定ユニットに接続され、低電力制御の時には、前記交流電力のうち、前記基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する部分の電力をスイッチオンして出力し、高電力の制御の時には、前記交流電力のうち、前記基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する部分の電力をスイッチオンして出力するように構成した電力制御ユニットと、
前記電力制御ユニットの出力側に接続され、前記出力電力に過大電流が含まれる場合に、電力の供給を遮断する保護回路として機能するように構成した過大電流検出ユニットとを備えることを特徴とする。

さらに、本発明の第３の目的を達成するために、本発明は、
電力制御システムの出力端子に変圧器を接続し、該変圧器の出力端子に、既知の整流兼平滑化回路または定電圧回路を接続して構成される電源であって、当該電源が、前記変圧器を用いて、前記電力制御システムを通して検出される交流電力の電圧を変え、この変圧した電圧を、前記整流兼平滑化回路または定電圧回路を用いて、直流電圧に変換すべく動作するようにしたことを特徴とする電源を提供する。

本発明は、電源端子の負荷の間に接続して、直接的なスイッチング動作により電力を供給するため、損失を最小にでき、かつ簡易な構成とすることができる。

以下、本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明による電力制御方法を示す波形図である。図３は、本発明による電力制御システムの構成を示すブロック図であり、図４は、本発明による電力制御システムを実現する回路の実施例を示す図である。図５は、本発明による電力制御システムが、低電圧レベルを有する低電力を出力した場合の波形図であり、図６は、本発明による電力制御システムが、高電圧レベルを有する高電力を出力した場合の波形図である。図７は、本発明の電力制御システムを用いて実現した電源の実施例を示すブロック図である。

本発明による電力制御方法は、図２に示すように、入力交流電力の正弦波形に対して電力レベルを設定し、出力端に必要とされる電力レベルが、入力交流電力の電力レベルの５０％よりも低いような低電力制御では、正（＋）方向波形および負（−）方向波形のうち、設定した電力レベルよりも低い電力レベルを有する部分のみをスイッチオンし、その部分のみをシステムに通過させる。

さらに、出力端に必要とされる電力レベルが、入力交流電力の電力レベルの５０％よりも高いような高電力制御においては、正（＋）方向波形および負（−）方向波形のうち、設定した電力レベルよりも高い電力レベルを有する部分のみをスイッチオンし、その部分のみをシステムに通過させる。

従って、電力制御全体では、交流電力のオン／オフ動作を低電力レベルの部分のみで行うような制御をするため、高電力レベル部分でオン／オフ動作を行う位相制御法に比べて、スイッチングノイズが低くなり、また、交流電力波形の各１サイクルにて、すなわち、正（＋）方向波形および負（−）方向波形にて、４回のスイッチング動作を行うため、ゼロクロス法に比べ、均一な電圧レベルを有する出力電圧を得ることができる。

図３に示すように、本発明による電力制御システムでは、商用交流電力を全波整流する整流ユニット１００を商用交流電力の出力端子に接続し、正弦波形の電圧レベルを検出する電圧レベル検出ユニット１１０を、前記整流ユニット１００の出力端子に接続する。検出した電圧レベルに基づいてスイッチオン／スイッチオフを制御する位相判定ユニット１２０を、電圧レベル検出ユニット１１０の出力端子に接続する。位相判定ユニット１２０は、入力交流電力の位相が、電圧レベル検出ユニット１１０により設定された電圧レベルよりも高くなる場合には、低電力が出力されず、入力交流電力の位相が、電圧レベル検出ユニット１１０により設定された電圧レベルよりも低くなる場合には、高電力が出力されないようにし、従って、電力制御が低電圧レベルにて達成されるように動作する。

入力交流電力のうち、出力側に必要な電力レベルを有する部分を通過させるようにスイッチング制御を行う電力制御ユニット１３０を、電圧レベル検出ユニット１１０の出力側に接続する。過大電流が流れる場合に、電流の供給を遮断するための保護回路として機能する過大電流検出ユニット１４０を電力制御ユニット１３０に接続し、過大電流検出ユニット１４０は、交流電力を全波整流する第２の整流ユニット１５０に接続する。

所要電力を、入力交流電力の僅か１０％と仮定すると（例えば、入力交流電力を１００Ｖとすると、所要電力は１０Ｖ）、上述したように構成する本発明は、電力制御ユニット１３０が上述した範囲の電圧をシステムに通過させる期間と、電圧レベル検出ユニット１２０が入力交流電力の１０％以下の低電圧電力レベルを検出するまでは、電力制御ユニット１３０が、上述した範囲よりも高い電圧をシステムに通過させない期間とを繰返す方法を用いて、入力電力の１０％を供給するのであって、この方法は、電力の１００％をシステムに通し、非導通期間を導通期間の１０倍とするために、出力電力の均一性が低減する従来の方法とは異なる。従って、本発明は、電力供給における均一性を大幅に改善する電力制御方法であり、かつ多数の用途に用いられている変圧器に取って替えることが可能な方法である。

本発明による電力制御システムは、図４に示す回路を用いて実現できる。図４の回路は、トライアックもしくはＳＣＲのように動作する保持回路を用いない簡単な回路で構成されるたスイッチング回路から成る。

整流ユニット１００は、商用交流電力の出力端子に接続したダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４から成り、商用交流電力を全波整流する。

電圧レベル検出ユニット１１０の構成においては、平滑抵抗Ｒ１およびＲ２を、整流ユニット１００のダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の出力側に接続される可変抵抗ＶＲ１の両端に接続する。可変抵抗ＶＲ１は、直列に接続した一対の抵抗Ｒ３およびＲ４と、直列に接続した別の一対の抵抗Ｒ５およびＲ６との接続点に信号を出力するように構成する。ＰＮＰ型の第２トランジスタＱ２のベース端子を、一対の抵抗Ｒ３とＲ４との接続点に接続し、ＮＰＮ型の第１トランジスタＱ１のベース端子を、他の対の抵抗Ｒ５とＲ６との接続点に接続する。

電力制御ユニット１３０の構成においては、ＰＮＰ型の第３トランジスタＱ３のベース端子を、電圧レベル検出ユニット１１０の第２トランジスタＱ２のコレクタ端子に接続し、第３トランジスタＱ３のエミッタ端子を、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第１側の出力端子に接続し、第３のトランジスタＱ３のコレクタ端子を、複数個の抵抗Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１を介して、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第２側の出力端子に接続する。ＰＮＰ型の第５トランジスタＱ５のベース端子を、抵抗Ｒ８を介して、電力レベル検出ユニット１１０の第１トランジスタＱ１のコレクタ端子に接続し、第５トランジスタＱ５のエミッタ端子を、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第１側の出力端子に接続し、第５トランジスタＱ５のコレクタ端子を、複数個の抵抗Ｒ１３およびＲ１６を介して、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第２側の出力端子に接続する。第４トランジスタＱ４のベース端子を、第３トランジスタＱ３のコレクタ端子に接続した抵抗Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１のうち、適当な一組の抵抗Ｒ９とＲ１０との接続点に接続し、第４トランジスタＱ４のエミッタ端子を、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第１側の出力端子に接続し、第４トランジスタＱ４のコレクタ端子を、複数個の抵抗Ｒ１４およびＲ１５を介して、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第２側の出力端子に接続する。第６トランジスタＱ６のベース端子を、第５トランジスタＱ５のコレクタ端子に接続した抵抗Ｒ１３とＲ１６との接続点に接続し、第６トランジスタＱ６のエミッタ端子を、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第１側の出力端子に接続し、第６トランジスタＱ６のコレクタ端子を、複数個の抵抗Ｒ１７およびＲ１８を介して、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第２側の出力端子に接続する。第９トランジスタＱ９のベース端子を、第６トランジスタＱ６のコレクタ端子に接続された抵抗Ｒ１７とＲ１８との接続点にダイオードＤ１４を介して、かつ、第４トランジスタＱ４のコレクタ端子に接続された抵抗Ｒ１４とＲ１５との接続点にダイオードＤ１３を介して接続する。第９トランジスタＱ９のエミッタ端子を、ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４の第１側の出力端子に接続する。第９トランジスタＱ９のコレクタ端子を、抵抗Ｒ２５を介して負荷端子ＡＣ３およびＡＣ４への電力をスイッチオンまたはスイッチオフするために、第１０トランジスタＱ１０のベース端子へ入力を与えるべく構成する。

この場合に、位相判定ユニット１２０は、第７トランジスタＱ７のベース端子を、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１に接続したダイオードＤ１１に、抵抗Ｒ２０およびＲ２１を介して接続し、第７トランジスタＱ７のコレクタ端子を、第４トランジスタＱ４のベース端子に、ダイオードＤ１２および抵抗Ｒ９を介して接続し、第８トランジスタＱ８のコレクタ端子を、第６トランジスタＱ６のベース端子に接続するように構成している。

本発明による、上述したように構成した電力制御回路において、商用交流電力を端子ＡＣ１およびＡＣ２を経て供給すると、正弦波を成す交流電力が、整流ユニット１００のダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４により全波整流される。ダイオードブリッジＤ１〜Ｄ４によって全波整流された波形に対して、交流電力波形をスイッチオンおよびオフするための電圧レベルは、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１の値に基づいて設定される。

可変抵抗ＶＲ１によって設定した値よりも高い電圧レベルを有する全波整流波形が入力されると、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１の出力側に接続した第１トランジスタＱ１がターンオンし、それに応じて、電力制御ユニット１３０の第５トランジスタＱ５がターンオンし、かつ、第５トランジスタＱ５のコレクタ端子に接続された第６トランジスタＱ６もターンオンする。第６トランジスタＱ６がターンオンすると、第５トランジスタのコレクタ端子に接続された第６トランジスタＱ６がターンオンする。第６トランジスタＱ６がターンオンすると、電力制御ユニット１３０の抵抗Ｒ１９に維持される電力が、ダイオードＤ１４を介してスイッチングトランジスタＱ９のベース端子に供給されるため、第９トランジスタＱ９はターンオンする。それに応じて、第１０トランジスタＱ１０がターンオンするため、可変抵抗ＶＲ１によって設定された値（基準制御電圧）よりも高い電圧レベルを有する電力のみが、出力端子ＡＣ３およびＡＣ４を経て出力される。すなわち、図２に示すように、可変抵抗ＶＲ１によって設定された基準制御電圧の値よりも高い電圧レベルを有する高電力のみが出力される。電圧レベル検出ユニット１１０の第１トランジスタＱ１がターンオンすると、第２トランジスタＱ２もターンオンし、それに応じて、電力制御ユニット１３０の第３トランジスタＱ３がターンオフする。

上述した場合に、負荷端子に必要とする電圧レベルが、入力電力の電圧レベルの５０％以下になると、すなわち、入力交流電力の電力レベルの５０％以下の低電力のみを、可変抵抗ＶＲ１を経て通過させるように、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１の値を設定すると、可変抵抗ＶＲ１を経て抵抗Ｒ３〜Ｒ６に供給される電力が相対的に低くなるため、電圧レベル検出ユニット１１０の第１トランジスタＱ１が動作しなくなり、第２トランジスタＱ２も動作しなくなる。従って、電力制御ユニット１３０の第３トランジスタＱ３がターンオンする。第３トランジスタＱ３がターンオンすると、第４トランジスタＱ４がターンオンする。第４トランジスタＱ４がターンオンすると、電力制御ユニット１３０の抵抗Ｒ１９に維持される電力が、ダイオードＤ１３を経て第９トランジスタＱ９のベース端子に供給されるため、それに応じて、第９トランジスタがターンオンする。それに応じて、第１０トランジスタＱ１０がターンオンし、従って、可変抵抗ＶＲ１０によって設定された値（基準制御電圧値）よりも低い電圧レベルを有するような低電力のみが、出力端子ＡＣ３およびＡＣ４を経て出力される。

図６に示すように、電圧レベル検出ユニット１１０によって設定される電圧レベルが高い場合（高電力出力の場合）には、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１およびダイオードＤ１１を経て、位相判定ユニット１２０の第７トランジスタＱ７のベース端子に信号が供給されて、第７トランジスタＱ７がターンオンする。それに応じて、電力制御ユニット１３０の第４トランジスタＱ４のベース端子に供給される電力が遮断されて、第４トランジスタＱ４がターンオフし、その結果、可変抵抗ＶＲ１によって設定された値（基準制御値）よりも低い電圧レベルを有する電力は出力されなくなる。このとき、位相判定ユニット１２０の第８トランジスタＱ８はターンオフする。

さらに、図５に示すように、電圧レベル検出ユニット１１０によって設定される電圧レベルが低い場合（低電力出力の場合）には、位相判定ユニット１２０の第７トランジスタＱ７のベース端子には、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１およびダイオードＤ１１を経て信号が供給されないため、第７トランジスタＱ７はターンオフし、第８トランジスタＱ８がターンオンする。結果として、電力制御ユニット１３０の第６トランジスタＱ６のベース端子に供給される電力が遮断され、第６トランジスタＱ６がターンオフし、その結果、可変抵抗ＶＲ１によって設定された値（基準制御値）よりも高い電力は出力されなくなる。

本発明によれば、図６に示すように、電圧検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１により設定される基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する電力のみをスイッチオンするような高電力の制御においては、電力制御ユニット１３０の第１、第５および第６トランジスタＱ１、Ｑ５、Ｑ６が作動して、交流電力の正（＋）方向波形、すなわち、上側波形の中央部分、および、交流電力の負（−）方向波形、すなわち、下側波形の中央部分のみをスイッチオンさせる。

これに対し、電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１により設定する基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する電力のみをスイッチオンするような低電力の制御では、電力制御ユニット１３０の第３および第４トランジスタＱ３、Ｑ４が作動して、交流電力の正（＋）方向波形、すなわち、上側波形の側部、および、交流電力の負（−）方向波形、すなわち、下側波形の側部のみをスイッチオンさせる。

従って、低電力の制御では、可変抵抗ＶＲ１により設定される基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する電力のみが入力されるため、第１トランジスタＱ１がターンオフし、第３トランジスタＱ３が抵抗Ｒ７を介してターンオンし、その結果、第４トランジスタＱ４が、抵抗Ｒ１１およびＲ９を介してターンオンする。これにより、抵抗Ｒ１４およびダイオードＤ１３を介して、第９トランジスタＱ９がターンオンする。結果として、図７の波形図に示すように、各交流の半サイクル波形に対し、可変抵抗ＶＲ１の制御値に基づいて、出力が０％〜１００％の範囲で制御される。このモードは、低電圧、すなわち低電圧専用の制御を必要とする場合に適している。

図８の出力モードでは、スイッチングを高い電圧で行うため、この出力モードは、主に高電圧、すなわち高電圧専用の制御を必要とする場合に適している。

電圧レベル検出ユニット１１０の可変抵抗ＶＲ１により設定される基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する電力が入力された場合には、第１トランジスタＱ１がターンオンし、第５トランジスタＱ５が、抵抗Ｒ８を経てターンオンし、第６トランジスタＱ６が抵抗Ｒ１３を経てターンオンし、その結果、第９トランジスタＱ９が、抵抗Ｒ１７およびダイオードＤ１４を経てターンオンする。結果として、図８の波形図に示すように、各交流の半サイクル波形に対して、可変抵抗ＶＲ１の制御値に基づいて出力が制御され、その電力は０％〜１００％の範囲内で制御される。図８の出力モードは、高電力の制御には優れているも、スイッチング動作が高いパルス形態のため、図７に示すような低電力制御には望ましくない。

要するに、図７の出力制御は低電圧制御に優れた特性を有する一方で、図８の出力制御は、高電圧制御に優れた特性を有する。電力の０％〜１００％の制御を要する場合に、位相判定ユニット１２０は、ダイオードＤ１１を介して、可変抵抗ＶＲ１の制御値を検出し、抵抗Ｒ２０を介して、第７トランジスタＱ７および第８トランジスタＱ８の動作を制御し、可変抵抗ＶＲ１の設定値に応じて、図７および図８の出力モードのうち所要のモードを遂行する。

すなわち、位相判定ユニット１２０は、可変抵抗ＶＲ１の値に応じて、第４および第５トランジスタＱ４、Ｑ５のいずれか一方が作動するように、低電力制御の場合には図７の波形を出力し、高電力制御の場合には図８の波形を出力するように、第７および第８トランジスタＱ７、Ｑ８を制御する。位相判定ユニット１２０の構成要素である抵抗Ｒ２１は、図７および図８の出力制御のオン／オフサイクルを調整するように、一定値とすることができる。

さらに、本発明による電力制御システムでは、出力端子に接続した第１１トランジスタＱ１１に流れる電流が過大となる場合に、第１２トランジスタＱ１２を前記過大電流によってターンオンさせて、電力制御ユニット１３０の第９トランジスタＱ９をターンオフするようにして、最大電流検出ユニット１４０が、電流出力を制限することによって、過大電流から回路を保護するように動作する。

上述した本発明の利点は、図１および図２に示したような、従来の電力制御方法に比べると突出している。図１のゼロクロス制御法は、入力交流電圧の電圧レベルがゼロのときにオン／オフ動作を行うためにスイッチングノイズが低いが、交流電力の電圧レベルの５０％を出力するためには、１サイクルを伝送し、次の１サイクルは伝送しないため、電圧の変動範囲幅が最大になる。

さらに、位相制御法は、電圧レベルがピークとなるときにスイッチオンの動作を行うため、スイッチングノイズが最も大きくなるが、入力交流電力の電圧レベルの５０％を出力するのに、１サイクルの正（＋）方向波形の半分と負（−）方向波形の半分の部分を均等に伝送するため、ゼロクロス法と比べ、電圧レベルを４倍均等に出力できる、という利点を有する。

本発明では、図２に示すように、入力交流電力の５０％以下の低出力電力を出力するために、入力交流電力の１サイクルの正弦波構成部分のうち、電圧レベル検出ユニット１１０により設定される基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分を、システムに通すようにする。これに対し、出力端に、入力交流電力の５０％以上の高電圧が要求される場合に、本発明では、交流電力の１サイクルの正弦波構成部分のうち、電圧レベル検出ユニット１１０により設定される基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分は、システムに通さないようにする。その結果、本発明は、スイッチングノイズが高くなり得るが、位相制御法と比べて、伝送する電力レベルを２倍均等に出力でき、かつ、本システムを簡単な回路で実現できるという利点を有する。さらに、経済性に優れ、出力電力レベルが低い場合にさらに有利である。

本発明は、上述したように電圧レベルに反比例して増加する利点を有する。従って、本発明を低電圧に制御した出力を整流する低電圧の直流電源として用いる場合に、本発明は、交流電圧を直流電圧にダウンコンバートする慣例の方法のうちで最も効率的であり、従って、超小型の電源として用いられる可能性が高い。図４及び図５の、低電圧制御システムをＩＣを用いて実現する場合に、３Ｖ〜１２Ｖで数十ワットの出力は、１０ｍｍの立方体を用いて得ることができる。

本発明は、構成要素をＩＣで実装し、オン／オフ制御動作のみで構成し、かつ、スイッチング制御の回数も低いため、最大の効率を得ることができる。本発明は、降圧型電圧変圧器または電力制御素子として、様々な分野で用いることができる。

さらに、図９に示すように、本発明による電力制御システムの出力端子に小型の変圧器３１０を接続し、変圧器３１０の出力端子に、既知の整流兼平滑化回路または定電圧回路３２０を接続することによって電源を構成することもできる。この場合、前記電源の構成要素の数が削減でき、経済性よく構成することができる。

電力制御システムでの電力レベルの検出およびスイッチングにより、所定の電力レベルよりも低い電圧のみを通して供給し、小型の変圧器３１０を用いて電圧を変え、既知の整流回路兼平滑化回路、または定電圧回路３２０を用いて、その変圧した電圧を直流へ変換する動作を行う電源の場合、構成部品の数が減少し、経済効率が改善される。

上述したように、本発明は、交流電圧の電圧波形における電圧レベルに基づいて制御を行うスイッチング法を用いるため、効率よく、安定して低電圧の制御を行うことができる。よって本発明は、交流電力の電圧レベルの５０％またはそれ未満の電圧を制御すると不安定になる位相制御法や、一定の制御が行われないゼロクロス法の欠点を克服し、超小型のサイズで、商用交流電圧から直に低直流電圧を生成する電源を実現することができる。本発明は、抵抗とトランジスタのみで構成される回路を用いて実現できるため、小型のＩＣを用いて実現することができ、従って、回路の効率が高くなるため、高効率で安全な回路を設計することが可能となり、よって、経済性の良い電力制御デバイスを実現することができる。

本発明の好適な実施例を、上述したように図面を参照して詳細に説明したが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではなく、当業者には本発明の技術的範囲を逸脱することなく、変更を加えうることに注意されたい。

一般的な電力制御に用いられる、ゼロクロス法及び位相制御法を説明する波形図である。 本発明による電力制御方法を説明する波形図である。 本発明による電力制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明による電力制御システムを実施する回路の実施例を示す図である。 本発明による電力制御システムが、低電圧レベルを有する低電力を出力した場合の波形図である。 本発明による電力制御システムが、高電圧レベルを有する高電力を出力した場合の波形図である。 本発明の電力制御システムが低電力を制御する場合の、出力電圧の多様な波形図である。 本発明の電力制御システムが高電力を制御する場合の、出力電圧の多様な波形図である。 本発明の電力制御システムを用いて実現した電源の実施例を示す、ブロック図である。

Claims (8)

1. 交流電力を用いて電力を制御する方法であって、
   前記交流電力の各１サイクルの正弦波のうち、設定した基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分のみを、電力制御システムに通すように低電力制御を行うステップと、
   前記交流電力の各１サイクルの正弦波のうち、設定した基準電圧レベルよりも低い電圧レベルを有する２つの正（＋）方向波形部分および２つの負（−）方向波形部分のみを、当該システムに通さないように高電力制御を行うステップと、
   を有し、
   前記高電力制御を行うステップが、
   入力交流電力を全波整流するステップと、
   前記全波整流した交流電力に対する基準制御電圧を設定するステップと、
   前記全波整流した交流電力波形のうち、前記設定した基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する部分のみが、当該システムを通過し得るように制御するステップとを含み、
   前記入力交流波形の正（＋）方向波形および負（−）方向波形のうち、前記設定した基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する中央部分の波形のみが、当該システムを通過し得るようにすることを特徴とする電力制御方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記低電力制御を行うステップが、
   入力交流電力を全波整流するステップと、
   前記全波整流した交流電力に対する基準制御電圧を設定するステップと、
   前記全波整流した交流電力波形のうち、前記設定した基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する部分のみが、当該システムを通過し得るように制御するステップとを含み、
   前記入力交流波形の正（＋）方向波形および負（−）方向波形のうち、前記設定した基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する側部の波形のみが、当該システムを通過し得るようにすることを特徴とする電力制御方法。
3. 交流電力を用いて電力を制御するシステムであって、
   入力交流電力を全波整流するように構成したダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）から成る整流ユニット（１００）と、
   前記整流ユニット（１００）に接続され、基準制御電圧を設定し、かつこの設定制御基準値に基づいて信号を出力するように構成した電圧レベル検出ユニット（１１０）と、
   前記電圧レベル検出ユニット（１１０）により設定した前記基準制御電圧の量に基づいて、前記入力交流電力のスイッチング動作を制御するように構成した位相判定ユニット（１２０）と、
   前記電圧レベル検出ユニット（１１０）および前記位相判定ユニット（１２０）に接続され、低電力の制御の時には、前記交流電力のうち、前記基準制御電圧よりも低い電圧レベルを有する部分の電力をスイッチオンして出力し、高電力の制御の時には、前記交流電力のうち、前記基準制御電圧よりも高い電圧レベルを有する部分の電力をスイッチオンして出力するように構成した電力制御ユニット（１３０）と、
   前記電力制御ユニット（１３０）の出力側に接続され、前記出力電力に過大電流が含まれる場合に、電力の供給を遮断する保護回路として機能するように構成した過大電流検出ユニット（１４０）とを備えていることを特徴とする電力制御システム。
4. 請求項３に記載の電力制御システムにおいて、
   前記電圧レベル検出ユニット（１１０）を構成するのに、
   平滑抵抗（Ｒ１およびＲ２）を、前記整流ユニット（１００）の前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の出力側に接続した可変抵抗（ＶＲ１）の両端に接続し、
   前記可変抵抗（ＶＲ１）を、直列に接続した一対の抵抗（Ｒ３およびＲ４）と、直列に接続した他の対の抵抗（Ｒ５およびＲ６）との接続点に信号を出力するように構成し、
   ＰＮＰ型の第２トランジスタ（Ｑ２）のベース端子を、前記一対の抵抗（Ｒ３およびＲ４）の接続点に接続し、
   ＮＰＮ型の第１トランジスタ（Ｑ１）のベース端子を、前記他の対の抵抗（Ｒ５およびＲ６）の接続点に接続するようにして構成したことを特徴とする電力制御システム。
5. 請求項３に記載の電力制御システムにおいて、
   前記電力制御ユニット（１３０）は、
   ベース端子が、前記電圧レベル検出ユニット（１１０）の第２トランジスタ（Ｑ２）のコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第１側の出力端子に接続され、コレクタ端子が、多数の抵抗（Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１）を介して、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第２側の出力端子に接続された、ＰＮＰ型の第３トランジスタ（Ｑ３）と、
   ベース端子が、前記第３トランジスタ（Ｑ３）のコレクタ端子に接続した抵抗（Ｒ９、Ｒ１０およびＲ１１）のうち適当な一組の抵抗（Ｒ９およびＲ１０）の接続点に接続され、エミッタ端子が、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第２側の出力端子に接続され、コレクタ端子が、複数個の抵抗（Ｒ１４およびＲ１５）を介して、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第１側の出力端子に接続された、第４トランジスタ（Ｑ４）と、
   ベース端子が、抵抗（Ｒ８）を介して、前記電圧レベル検出ユニット（１１０）の第１トランジスタ（Ｑ１）のコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第１側の出力端子に接続され、コレクタ端子が、複数個の抵抗（Ｒ１３およびＲ１６）を介して、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第２側の出力端子に接続された、ＰＮＰ型の第５トランジスタ（Ｑ５）と、
   ベース端子が、前記第５トランジスタ（Ｑ５）のコレクタ端子に接続した前記抵抗（Ｒ１３およびＲ１６）の接続点に接続され、エミッタ端子が、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第１側の出力端子に接続され、コレクタ端子が、複数個の抵抗（Ｒ１７およびＲ１８）を介して、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第２側の出力端子に接続された、第６トランジスタ（Ｑ６）と、
   ベース端子が、前記第６トランジスタ（Ｑ６）のコレクタ端子に接続した前記抵抗（Ｒ１７およびＲ１８）の接続点に、ダイオード（Ｄ１４）を介して接続され、かつ、前記第４トランジスタ（Ｑ４）のコレクタ端子に接続した前記抵抗（Ｒ１４およびＲ１５）の接続点に、ダイオード（Ｄ１３）を介して接続され、エミッタ端子が、前記ダイオードブリッジ（Ｄ１〜Ｄ４）の第１側の出力端子に接続され、コレクタ端子が、抵抗（Ｒ２５）を介して負荷端子（ＡＣ３およびＡＣ４）への電力をスイッチオンまたはスイッチオフするように、第１０トランジスタ（Ｑ１０）のベース端子に入力を供給するように構成した、
   第９トランジスタ（Ｑ９）とを備えることを特徴とする、電力制御システム。
6. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記位相判定ユニット（１２０）を構成するのに、
   第７トランジスタ（Ｑ７）のベース端子を、前記電圧レベル検出ユニット（１１０）の可変抵抗（ＶＲ１）に接続したダイオード（Ｄ１１）に、抵抗（Ｒ２０およびＲ２１）を介して接続し、第７トランジスタ（Ｑ７）のコレクタ端子を、第４トランジスタ（Ｑ４）および第８トランジスタ（Ｑ８）のベース端子に、ダイオード（Ｄ１２）および抵抗（Ｒ９）を介して接続し、第８トランジスタ（Ｑ８）のコレクタ端子を、前記第６トランジスタ（Ｑ６）のベース端子に接続することを特徴とする電力制御システム。
7. 請求項６に記載のシステムにおいて、
   コンデンサ（Ｃ１）が、前記位相判定ユニット（１２０）の抵抗（Ｒ２０）に直列に接続し、かつ、前記位相判定ユニット（１２０）の抵抗（Ｒ２１）に並列に接続することを特徴とする電力制御システム。
8. 請求項６または７に記載のシステムにおいて、前記位相判定ユニット（１２０）の抵抗（Ｒ２１）が可変抵抗であることを特徴とする電力制御システム。

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