JP4833813B2 - ヒータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒータ制御装置に係り、詳しくは極寒冷地で使用するのに適したトランスレスのヒータ制御装置に関する。

トランスレスでヒータ等の負荷をトライアックを用いて制御する装置は、その電源電圧をブリーダ抵抗で低減して直接整流しているので、負荷の状態を検出するアナログ回路が精度良く働くように、そのワット数を大きくして電流リプルを抑えるように対処している。ところが、その環境温度が−４０℃ともなると、トライアックのゲート保持電流が常温の二倍程度にもなるため、幅の広いトリガパルスが必要になる。そのため、極寒冷地向けの仕様の場合は、ブリーダ抵抗のワット数を更に大きなものにしなければならない。

交流電源に負荷とトライアックを直列に接続したトランスレスの制御回路において、回路を複雑化することなく制御用の消費電力を少なくする制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の制御装置では、交流電源に負荷とトライアックを直列に接続したものにおいて、トライアックのゲートとゲートの対極との間に、コンデンサと制御形スイッチング素子とを直列に接続している。具体的には、一端がトライアックのゲートに接続されたコンデンサの他端にサイリスタが直列に接続され、サイリスタに逆並列に整流子（ダイオード）が接続されている。

また、制御対象の温度を電圧値として検出し、比較器で基準電圧と比較し、検出温度が基準温度より低いときは、ゼロクロス検出回路で発生するゼロクロスパルスが制御整流子をトリガ駆動するようにし、検出温度が高いときは、ゼロクロスパルスが制御整流子をトリガ駆動することを妨げるようにしたゼロクロス方式の温度制御回路がある。そして、このようなゼロクロス方式の温度制御回路において、制御整流子としてサイリスタを使用した場合に、無駄な電力を消費することのないゼロクロス方式の温度制御回路が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開昭５８−１８２７２４号公報 特開昭５９−１４９７７０号公報

環境温度が−４０℃ともなる条件において、ブリーダ抵抗のワット数を大きくしてトライアックが支障無くオン状態を保持するゲート保持電流を確保するためにはブリーダ抵抗が大型となり、制御装置の消費電力が増加するだけでなく、装置全体が大きくなるという問題がある。

特許文献１及び特許文献２は消費電力の低減を目的としているが、環境温度が−４０℃ともなる条件を考慮していない。また、特許文献１では負荷に直列に接続されたトライアックの他に制御整流子（サイリスタ及びダイオード）が必要になり、コスト上有利とは言えない。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、トランスレスの電源に用いるブリーダ抵抗のワット数を大きくすることなく、トライアックの特性が悪化する極寒の状況でも動作を保障することができるヒータ制御装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため請求項１に記載の発明は、交流電源にヒータと、前記ヒータへの通電を制御する制御整流素子とが直列に接続されるとともに、前記交流電源の交流電圧のゼロクロス時を基準に前記制御整流素子をトリガ駆動するためのパルス信号を出力する制御手段を備えたヒータ制御装置である。そして、前記制御手段は、前記制御整流素子に前記ゼロクロス時に前記パルス信号を出力しても前記制御整流素子がオン状態に保持されない場合には、前記制御整流素子がオン状態に保持される状態となるまで、前記パルス信号のパルス幅を一定のまま、パルス信号の出力時をゼロクロス時より遅延させて前記パルス信号を出力する。ここで、「制御整流素子」とは、トライアックやサイリスタのようにゲートにトリガを加えるとオン状態になるとともに、オン状態になった後は素子に流れる電流又は電流の絶対値を保持電流より小さくした時にオフ状態になるスイッチング素子を意味する。

この発明では、交流電源に接続されたヒータには制御整流素子がオン状態に保持されている間、交流電源から制御整流素子を介して交流電流が流れる。制御整流素子は保持電流が環境温度によって異なり、環境温度が低い程保持電流が大きくなり、例えば、トライアックでは環境温度が−４０℃のような極低温ともなると、常温の二倍程度になる。そして、ゼロクロス時に制御整流素子にトリガパルスを加えても、制御整流素子に流れる電流は小さく、環境温度が−４０℃のような極低温の状態における保持電流値より小さい。そのため、交流電源の交流電圧のゼロクロス時に制御整流素子をトリガ駆動しても、制御整流素子はオン状態に保持されない。制御手段は、ゼロクロス時にパルス信号を出力して制御整流素子をトリガ駆動しても制御整流素子がオン状態に保持されない場合は、パルス信号のパルス幅を一定のまま、パルス信号の出力時をゼロクロス時より遅延させて再びパルス信号を出力する。

ゼロクロス時より遅延させてトリガパルスを出力すると、遅延時間によってはトリガパルスが加えられた時に制御整流素子に流れる電流が保持電流より大きくなり、制御整流素子はオン状態に保持されるようになる。そして、制御整流素子がパルス信号によるトリガ駆動後、オン状態に保持される状態になると、その後は遅延時間を長くせずにパルス信号が出力される。したがって、−４０℃のような極低温の状態でも常温と同じパルス幅で制御整流素子の動作が可能となり、ブリーダ抵抗のワット数を大きくしなくてもよくなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、前記パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させて前記パルス信号を出力する。前記パルス信号の出力時をゼロクロス時からどの程度遅らせると制御整流素子がオン状態に保持されるかは、制御整流素子の温度と、制御整流素子を流れる電流量との関係から求めることもできるが、そのためには装置が複雑になる。この発明では、前記パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させているため、何回かパルス信号を出力することで簡単に対応することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記制御手段は、前記パルス信号の出力後、前記制御整流素子がオン状態に保持される状態になると、前記パルス信号の出力時の遅延時間を所定時間ずつ短くするように制御する。制御整流素子は、オン状態において自己損失により直ぐに温まる。制御整流素子が所定温度以上に温まると、パルス出力時のゼロクロス時からの遅延時間を同じ値にする必要はなく、短くしてもよい。この発明では、ゼロクロス時からの遅れが次第に少なくなるようにパルス信号の出力時が変更されるため、電力消費量が少なくなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記制御整流素子はトライアックである。この発明では、制御整流素子としてサイリスタを使用する場合に比較して制御用の消費電力を小さくすることができる。

本発明によれば、トランスレスの電源に用いるブリーダ抵抗のワット数を大きくすることなく、トライアックの特性が悪化する極寒の状況でも動作を保障することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、ヒータ制御装置１０は、交流電源としてのコンセント（図示せず）に接続されるプラグ部１１を備えている。プラグ部１１は、コンセントの電圧極に接続される電圧側差込刃１１ａと、接地極に接続される接地側差込刃１１ｂとを備えている。プラグ部１１に対して、ヒータ１２と、ヒータ１２への通電を制御する制御整流素子としてのトライアック１３とが直列に接続されている。トライアック１３には、抵抗１４及び抵抗１５の直列回路が並列に接続されている。

また、ヒータ制御装置１０は、電源回路１６、ゼロクロス検出回路１７及びマイコン１８を備えている。
電源回路１６は、ブリーダ抵抗（減圧抵抗）１９、ダイオード２０、コンデンサ２１が直列に接続されており、コンデンサ２１と並列にツェナーダイオード２２が接続されている。

マイコン１８は、コンデンサ２１と並列に接続されている。ゼロクロス検出回路１７は、コンデンサ２３を介して接地側差込刃１１ｂに接続されるとともに、ゼロクロス検出信号をマイコン１８に出力するようになっている。マイコン１８は、スイッチング素子としてのトランジスタ２４のベースに接続されている。トランジスタ２４にはＮＰＮトランジスタが使用されており、トランジスタ２４は、コレクタがトライアック１３のゲートに接続され、エミッタがダイオード２０のアノードに接続されている。

マイコン１８は、ダイオード２５を介して抵抗１４及び抵抗１５の接続点に接続されている。ダイオード２５は、カソードが抵抗１４及び抵抗１５の接続点に接続されている。抵抗１４，１５及びダイオード２５はトライアック１３の両端子間の電圧を検出するトライアック電圧検出手段を構成する。マイコン１８は、ヒータ１２の温度を検出するヒータ温度検出手段としてのサーミスタ２６と、プリント基板の温度を検出する温度検出手段としてのサーミスタ２７とに接続されており、両サーミスタ２６，２７の検出信号に基づいてヒータ温度及び基板温度を確認するようになっている。プリント基板とは、ヒータ制御装置１０を構成するトライアック１３、電源回路１６、ゼロクロス検出回路１７、マイコン１８等が実装された基板を意味する。

マイコン１８は、交流電源の交流電圧のゼロクロス時を基準にトライアック１３をトリガ駆動するためのパルス信号を出力する制御手段を構成する。マイコン１８は、交流電圧のゼロクロス時に、トライアック１３をトリガ駆動するためのパルス信号をトランジスタ２４にオン信号として出力した際に、トライアック１３がオン状態に保持されない場合には、パルス信号のパルス幅を一定のまま、パルス信号の出力時をゼロクロス時より遅延させてパルス信号を出力するようになっている。マイコン１８は、トライアック１３がオン状態に保持される状態となるまで、パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させてパルス信号を出力するようになっている。また、マイコン１８は、パルス信号の出力後、トライアック１３がオン状態に保持される状態になると、パルス信号の出力時の遅延時間ｔｄを所定時間ずつ短く制御するようになっている。

次に前記のように構成されたヒータ制御装置１０の作用を説明する。
プラグ部１１がコンセントに差し込まれると、ヒータ制御装置１０に電源が印加される。電源が印加されると、ゼロクロス検出回路１７はゼロクロス検出信号をマイコン１８に出力する。マイコン１８は、電源電圧が過電圧の状態か否かを判断し、過電圧であると判断するとアイドル状態に遷移し、電源電圧が過電圧でない状態において、ゼロクロス検出信号に基づいてトライアック１３のトリガ駆動制御を行う。電源が印加されても、トライアック１３がオン状態にない間はヒータ１２にはトライアック１３を介しては電流が流れないので、抵抗１４，１５には電源電圧がそのまま印加され、マイコン１８は電源電圧が過電圧の状態か否かを確認することができる。過電圧の状態とは、その状態でトライアック１３をトリガ駆動すると、ブリーダ抵抗１９に流れる電流が規定値を超える状態になる状態を意味する。また、アイドル状態に遷移するとは、ゼロクロス検出回路１７からゼロクロス検出信号を入力しても、トライアック１３をトリガ駆動するパルス信号を出力する動作、即ちトランジスタ２４のベースに駆動信号を出力してトライアック１３にトリガ電流を流す動作を行わない状態になることを意味する。

また、マイコン１８は、サーミスタ２６，２７の検出信号に基づいて、ヒータ１２の温度が設定温度ＨＴｕ以下で、かつ基板の温度が第１設定温度ＫＴ１以下の時にトライアック１３のトリガ駆動制御を行う。設定温度ＨＴｕは、その温度より高い場合はヒータ加熱が不要な温度の値であり、第１設定温度ＫＴ１は、その温度より高い場合は加熱が不要な温度である。

以下、図２に示すフローチャートにしたがってマイコン１８のヒータ制御の動作を説明する。マイコン１８は、図２に示すフローチャートの処理を過電圧でない状態において、交流周期の１／２より短い所定時間毎で、かつ処理がゼロクロス時に跨る状態で実行する。マイコン１８は、ステップＳ１で、サーミスタ２６，２７の検出信号によりヒータ温度がＨＴｕ以下で、かつ基板温度がＫＴ１以下か否かを判断し、否（ＮＯ）であれば処理を終了し、ＹＥＳであればステップＳ２に進む。マイコン１８は、ステップＳ２で、ゼロクロス検出信号が入力されたか否かを判断し、ゼロクロス検出信号が入力されればステップＳ３に進む。

マイコン１８は、ステップＳ３で、ゼロクロス時を基準にカウンタのカウント値に対応した遅延時間ｔｄでパルス信号をトランジスタ２４のベースに出力した後、ステップＳ４に進む。カウント値に対応した遅延時間ｔｄとは、カウンタのカウント値に所定時間Δｔを掛けた値に設定される。カウンタは、トライアック１３のゲートにトリガ電流が供給されてもトライアック１３がオン状態に保持されない場合にカウントアップされるようになっており、初期状態ではカウント値が零になっている。所定時間Δｔは、−４０℃のような極低温でもΔｔの数倍の時間、ゼロクロス時より遅延した時点でトライアック１３のゲートにトリガパルスが供給されたとき、トライアック１３に保持電流より大きな値の電流が流れる電源電圧が印加される時間、例えば１００μ秒程度に設定される。

トランジスタ２４のベースにパルス信号が入力されると、その間、トランジスタ２４がオン状態になり、トライアック１３のゲートにトリガ電流が流れる。トライアック１３は、ゲートにトリガ電流が供給されてオン状態になり、保持電流値以上の大きさの電流が流れる状態になるとゲートにトリガ電流が供給されない状態になってもオン状態に保持される。しかし、保持電流値以上の大きさの電流が流れないとオフ状態になる。そして、図４のグラフに示すように、保持電流の大きさは環境温度によって異なり、−４０℃のような極低温ともなると常温の二倍程度になる。そのため、極低温の状態でトライアック１３のゲートに、常温におけるパルス幅のトリガ電流が供給されてもトライアック１３はオン状態に保持されず、実質的にオンしない。なお、図４の縦軸は、環境温度における保持電流値を常温（２５℃）における保持電流値で割った値を示す。

マイコン１８は、ステップＳ４で、トライアック１３がオン状態か否かを判断し、オン状態でなければステップＳ５に進みカウンタをカウントアップして処理を終了し、オン状態であればステップＳ６に進む。前記のように極低温で電源が入れられた場合は、最初のうち、トライアック１３はオン状態にならないためカウントアップが行われる。トライアック１３がオン状態か否かは、トライアック１３と並列に接続された抵抗１４，１５の接続点の電圧の変化で確認する。

マイコン１８は、ステップＳ６で基板温度がＫＴ２以上か否かを判断し、基板温度がＫＴ２未満であれば処理を終了し、基板温度がＫＴ２以上であればステップＳ７に進み、カウンタをカウントダウンした後、処理を終了する。

マイコン１８がゼロクロス検出信号を入力して直ぐにトランジスタ２４にパルス信号を出力した場合は、図３に示すように、トライアック１３にトリガパルスが加えられた時点でトライアック１３に印加される電源電圧は小さい。そのため、トライアック１３には極低温の状態における保持電流より小さな電流が瞬間的に流れるだけで、トライアック１３はオン状態にならず、ヒータ１２には電流が実質的に流れない。なお、図３は、ヒータ１２に流れる電流値の時間変化（上段）と、ゲートパルスの供給（印加）時期（中段）と、電源電圧の時間変化（下段）との関係を示す。

図２の処理が何回か繰り返されて、パルス信号出力時のゼロクロス時からの遅れがある程度大きくなると、トライアック１３にトリガパルスが加えられた状態で、トライアック１３に印加される電源電圧も大きくなる。その結果、トライアック１３には極低温の状態における保持電流より大きな電流が流れて、トライアック１３はオン状態になり、ヒータ１２に電流が流れる状態になる。図３には、カウンタが４回カウントアップされた後、５回目のパルス信号が出力されたときに、トライアック１３がオン状態に保持されてヒータ１２に電流が流れる状態になる例が示されている。

図３に示すように、トライアック１３のゲートにトリガパルスが加えられた際にトライアック１３がオン状態になる状況になると、その後は、ゼロクロス時間からの遅延時間ｔｄを同じにしてパルス信号を出力すると、トリガパルスによってトライアック１３がオン状態になるとともにオン状態を保持するようになる。トライアック１３がオン状態に保持されると、その自己損失により、次第にトライアック１３は温まってくる。したがって、一定時間毎にパルス信号の出力時期をゼロクロス時点に近づくように変更しても、トリガパルスによってトライアック１３がオン状態になるとともに、消費電力が少なくなる。そのため、ステップＳ６及びステップＳ７の処理が行われる。設定温度ＫＴ２は、前記条件を満たすトライアック１３の周囲の温度に対応した値に設定される。

この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ヒータ制御装置１０は、交流電源にヒータ１２と、ヒータ１２への通電を制御する制御整流素子（トライアック１３）とが直列に接続されるとともに、制御整流素子のゲートに交流電源の交流電圧のゼロクロス時を基準に制御整流素子をトリガ駆動するためのパルス信号を出力する制御手段（マイコン１８）を備えている。そして、マイコン１８は、制御整流素子がゼロクロス時にトリガ駆動されてもオン状態に保持されない場合には、制御整流素子がオン状態に保持される状態となるまで、パルス信号のパルス幅を一定のまま、パルス信号の出力時をゼロクロス時より遅延させてパルス信号を出力する。したがって、−４０℃のような極低温の状態でも常温と同じパルス幅で制御整流素子の動作が可能となり、トランスレスの電源に用いるブリーダ抵抗１９のワット数を大きくすることなく、トライアック１３のような制御整流素子の特性が悪化する極寒の状況でも動作を保障することができる。

（２）マイコン１８は、パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させてパルス信号を出力する。パルス信号の出力時をゼロクロス時からどの程度遅らせると制御整流素子がオン状態に保持されるかは、制御整流素子の温度と、制御整流素子を流れる電流量との関係から求めることもできるが、そのためには装置が複雑になる。しかし、前記パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させているため、何回かパルス信号を出力することで簡単に対応することができる。

（３）マイコン１８は、パルス信号の出力後、制御整流素子がオン状態に保持される状態になると、パルス信号の出力時の遅延時間ｔｄを所定時間ずつ短くするように制御する。したがって、ゼロクロス時からの遅れを一定にしたままパルス信号を出力する構成に比較して、電力消費量が少なくなる。

（４）パルス信号の出力時の変更が、カウンタのカウント値と所定時間Δｔとの積で設定されるため、構成が簡単になる。
（５）制御整流素子としてトライアック１３が使用されているため、制御整流素子としてサイリスタを使用する場合に比較して制御用の消費電力を小さくすることができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させてパルス信号を出力する構成は、カウンタのカウント値と所定時間Δｔとの積で遅延時間ｔｄを設定するものに限らない。例えば、遅延が必要な場合、前回の遅延時間ｔｄに所定時間Δｔを加えて設定するようにしてもよい。

○ パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間Δｔずつ遅延させてパルス信号を出力する構成として、マイコン１８がヒータ制御を開始する時点の環境温度によって、所定時間Δｔの値を異なる値に設定するようにしてもよい。

○ 制御整流素子がゼロクロス時にトリガ駆動されてもオン状態に保持されない場合に、パルス信号の出力時のゼロクロス時からの遅延時間ｔｄを設定する方法として、環境温度を測定するとともにその温度における保持電流の値以上の電流が制御整流素子をトリガ駆動した時点で流れる遅延時間ｔｄを演算するようにしてもよい。

○ パルス信号の出力後、制御整流素子がオン状態に保持される状態になると、パルス信号の出力時の遅延時間ｔｄを所定時間ずつ短くする制御を行わず、制御整流素子の環境温度が、パルス信号をゼロクロス時の直後に出力しても制御整流素子がオン状態に保持される温度に達した後、遅延時間ｔｄを零にする制御を行うようにしてもよい。

○ 制御整流素子は、トライアック１３に限らず、サイリスタを使用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

・ 請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、環境温度に基づいて前記パルス信号に必要なゼロクロス時からの遅延時間を演算して、その遅延時間後に前記パルス信号を出力する。この発明によれば、所定時間ずつ遅延させて前記パルス信号を出力する構成に比較して、制御整流素子がトリガ駆動された際にオン状態に保持される状態になるまでの時間を短くすることができる。

一実施形態のヒータ制御装置の回路図。 作用を説明するフローチャート。 作用を説明するタイムチャート。 トライアックのゲート保持電流と環境温度の関係を示すグラフ。

符号の説明

ｔｄ…遅延時間、１０…ヒータ制御装置、１２…ヒータ、１３…制御整流子としてのトライアック、１８…制御手段としてのマイコン。

Claims (4)

1. 交流電源にヒータと、前記ヒータへの通電を制御する制御整流素子とが直列に接続されるとともに、前記交流電源の交流電圧のゼロクロス時を基準に前記制御整流素子をトリガ駆動するためのパルス信号を出力する制御手段を備えたヒータ制御装置において、前記制御手段は、前記制御整流素子に前記ゼロクロス時に前記パルス信号を出力しても前記制御整流素子がオン状態に保持されない場合には、前記制御整流素子がオン状態に保持される状態となるまで、前記パルス信号のパルス幅を一定のまま、パルス信号の出力時をゼロクロス時より遅延させて前記パルス信号を出力することを特徴とするヒータ制御装置。
2. 前記制御手段は、前記パルス信号の出力時をゼロクロス時より所定時間ずつ遅延させて前記パルス信号を出力する請求項１に記載のヒータ制御装置。
3. 前記制御手段は、前記パルス信号の出力後、前記制御整流素子がオン状態に保持される状態になると、前記パルス信号の出力時の遅延時間を所定時間ずつ短くするように制御する請求項１又は請求項２に記載のヒータ制御装置。
4. 前記制御整流素子はトライアックである請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のヒータ制御装置。

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