JP5272083B2 - ＋２８ｖ航空機における過渡電圧の抑制 - Google Patents

Description

本出願は、２００９年２月２６日に出願された米国特許出願第１２／３９３，７４６号に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該基礎出願の内容は参照により全体として本出願の一部となる。

政府の権利
本発明は，非公開の契約に基づいてアメリカ合衆国政府の支援を得てなされたものである。アメリカ合衆国政府は，本発明に関して所定の権利を有する。

本開示は，電子工学の分野に関し，より具体的には，リレーコイルを流れる過渡電圧を抑制するシステム及び方法に関する。

電力制御ユニット（ＰＣＵ）は，航空機＋２８Ｖｄｃバスを用いてリレーコイルに電力を供給する。これらのコイルの最大電圧は，通常＋２９Ｖｄｃであり，＋３２Ｖｄｃのものも若干ある。＋２８Ｖｄｃの電力仕様は２２〜２９Ｖｄｃであり，１．５Ｖのリプルを有する。また，５０Ｖの過渡電圧が存在しうる。

＋２８Ｖｄｃバスにおける過渡電圧状態又は過電圧状態を解決するために，従来，ツェナーダイオード又は過渡電圧サプレッサをバスに接続することが行われていたが，何も対策が取られないこともあった。ツェナーダイオード及び過渡電圧サプレッサには，過電圧状態が一度発生しただけで焼き切れてしまうという問題がある。ＰＣＵの構成要素を破壊することなく，かかる過渡電圧状態に対処するができる装置及び方法が必要とされる。

様々な実施形態に従って，リレーコイル両端の電圧変動を抑制する方法が開示される。この方法は，差動増幅器によってリレーコイル両端の電圧降下を監視するステップと，基準電源の出力及び前記差動増幅器の出力を積分増幅器に供給するステップと，前記積分増幅器の出力をトランジスタに提供するステップと，前記積分増幅器の前記出力に基づいて前記トランジスタの出力を制御することにより前記リレーコイルを駆動するステップと，を備え，前記基準電源の前記出力は，前記リレーコイル両端の監視された不要な電圧変動に応答して前記積分増幅器に選択的に供給される。

本開示の様々な実施形態に従って，リレーコイル両端間の電圧変動を抑制する装置が開示される。この装置は，リレーコイル両端の電圧降下を監視するように構成された差動増幅器と，基準電源からの入力及び前記差動増幅器の前記出力に応じて出力を提供するように構成された積分増幅器と，前記リレーコイルと直列に配置され，前記積分器の前記出力によって制御されるように構成されたトランジスタと，前記リレーコイル両端の電圧変動を抑制するように前記トランジスタの出力を制御することによって，前記リレーコイルを駆動するように前記基準電源を制御するように構成されたコントローラと，を含む。

本開示の様々な実施形態に従って，電力リレーコイルに電力を供給する電力制御ユニットにおける電圧変動を抑制する装置が開示される。この装置は，電力リレーコイル両端の電圧降下を監視し，関連する電圧変動を抑制するために前記電力リレーコイルに電力を供給するように構成された能動的フィードバックループを含む。

本発明の上記及び上記以外の特徴及び性質、並びに、関連する構成要素及び各部分の組み合わせの動作方法及び機能、及び、製造の経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれも本明細書の一部を構成する。本明細書においては、様々な図面において関連する部分は類似の参照符号によって示される。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。本明細書及び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の"a", "an"及び"the"には複数のものへの言及が含まれるが、文脈上別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。

リレーコイルを駆動する従来の構成を示す。

リレーコイルを駆動する構成のブロック図を示す。

一又は複数の実施形態に従ってリレーコイルを駆動する例示的な回路図を示す。

以下の実施形態において、類似の構成については別の実施形態において示される場合も含め同一の参照符号を用いる。本開示の実施形態を明確かつ簡潔に説明するために、図面は必ずしも寸法通りではなく、一部の特徴は略図として示される場合がある。一の実施形態について説明及び／又は図示される特徴は、同一の方法又は類似の方法により、一又は複数の他の実施形態において用いられ、及び／又は、他の実施形態の特徴と組み合わせて又は他の実施形態の特徴の代わりに用いられる。

本開示は，リレーコイルの両端の電圧を監視し，オン／オフ回路又は積分器へフィードバックを提供する。積分器は，電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のトランジスタを駆動することにより，所定のリレーコイル両端間の電圧を維持するように構成することができる。これにより，＋２８Ｖｄｃバスの過渡的性能にかかわらず，リレーコイルの定格電圧を超える電圧が発生することはない。

一実施形態において，＋２８Ｖｄｃ航空機バスの特性は，MIL-STD-704によって定義することができる。MIL-STD-704によれば，航空機の定常状態電圧は，２２〜２９Ｖｄｃであり，１．５Ｖのリプル電圧を有する。このリプル電圧は，定常状態の制限範囲に含まれない。したがって，本実施形態において，航空機電圧は，３０．５Ｖまで高くなる可能性がある。定常状態の電圧に加えて，１２．５ｍｓで５０Ｖの過渡電圧が発生する可能性がある。この過渡電圧は，その後７５ｍｓで３２Ｖまで減衰する。

ＰＣＵにおいては３つの電力リレーが用いられることが多い。この３つの電力リレーは，４００Ｈｚの主要出力をスイッチングする電力リレー，電流制限抵抗器においてスイッチングを行う突入電流リレー，及び抵抗器において大容量キャパシタ（large output capacitor）を放電するためにスイッチングする放電リレー（高電圧型）である。

これらのリレーは，以下の表１に記載された接触特性及びコイル特性を有する。

従来の構成においては，過渡電圧を抑制するために，＋２８Ｖｄｃ航空機バスにツェナーダイオード又は過渡電圧サプレッサを用いている。典型的な回路構成が図１に示されている。図示のとおり，ツェナーダイオード等の過渡電圧サプレッサ１１０が，過渡電圧を抑制するために＋２８Ｖｄｃ航空機バス１０５に使用されている。リレーコイル１１５は，直列に配置されたドライバ１２０及び電界効果トランジスタ１２５によって制御され，リレーコイル１１５を駆動してスイッチ１３０を制御する。＋１．５Ｖの基準信号及びオン／オフ信号がフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（不図示）から提供され，ドライバ１２０に伝送される。ドライバ１２０の出力は，電界効果トランジスタ１２５に供給され，その後リレーコイル１１５を制御するために用いられる。

例えば，Ｆ−１８航空機は，ピークパルスが５００ワットの過渡電圧サプレッサ（型番1N6120A）を有するＲＵＧ ＰＣＵを用いており，Ｂ−２航空機は，ピークパルスが１５００ワットの過渡電圧サプレッサ（型番1N6156A）を有するＲＭＰ ＰＣＵを用いている。このＲＭＰ ＰＣＵは，Ｆ−１８のＲＵＧ部品と同種のものであり，唯一の相違点はピーク電力性能である。後に行われた分析から，Ｂ−２ ＲＭＰ部品は，複数の過渡電圧に対処するには不十分であることが分かった。この分析の結果に基づいて，当該部品を回路から除去し，落下によって基板が損傷するおそれを防止するようにした。

図２は，本開示の一態様に従ってリレーコイルを駆動する構成を単純化して示す。図３は，図２に従って，回路図の一例を示す。参照符号２００で示される構成は，バス２１０から電力供給されるリレーコイル２０５を含む。一部の実施形態においては，バス２１０は，航空機用途に適した＋２８Ｖの電圧を有する。これ以外にも，MIL-STD-704に定義されたバス特性に従ったバス電圧を使用することができ，例えば，１．５Ｖのリプル電圧を有する約２２〜２９Ｖｄｃの定常状態電圧を使用することができる。能動的フィードバックループ２１５は，リレーコイル２０５両端の電圧を監視し，リレーコイル２０５へ供給される電力をオフにすることで過渡電圧又は電圧スパイクを抑制するように構成される。このようにして，リレーコイル２０５の損傷を防止できる。リレーコイル２０５が駆動されると，スイッチ２４０を制御することができる。

能動的フィードバックループ２１５は，差動増幅器２２０，積分増幅器２２５，基準電源２３０，及びトランジスタ２３５を備えることができる。リレーコイル２０５両端の電圧は，差動増幅器２２０によって測定される。一部の実施形態において，差動増幅器２２０からの出力は，使用される基準電源の種類に応じて，＋５Ｖ又は＋３．３Ｖにスケールダウンされる。差動増幅器２２０によって測定された電圧差は，積分増幅器２２５に入力として提供される。一例として，差動増幅器２２０及び積分増幅器２２５は，集積回路（ＩＣ）であってもよい。この集積回路は，例えば，ナショナルセミコンダクター社製の低消費電力クワッドオペアンプLM124である。基準信号は，基準電源２３０から積分増幅器２２５の他の入力へ供給される。基準電源２３０は，コントローラ（不図示）からオン／オフ信号２４０を供給される。一部の実施形態において，コントローラはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイであってもよい。積分増幅器２２５は，２つの入力に基づいて出力電圧を提供し，その出力電圧をトランジスタ２３５に供給する。一例として，バス２１０に過電圧が発生した場合には，差動増幅器２２０及び積分増幅器２２５によって測定された過剰な電圧は，トランジスタ２３５によって消費される。一部の実施形態において，トランジスタ２３５は，電界効果トランジスタであってもよい。コントローラ（不図示）は，基準電源２３０のイネーブルピンを制御するように構成される。これにより，積分増幅器２２５は，リレーコイル２０５への供給電力をオン／オフすることができる。

差動増幅器２２０の出力を設定することによって調整が可能である。例えば，＋２８Ｖがリレーコイル２０５両端の所望電圧である場合には，差動増幅器の利得は，＋５Ｖの出力を生成するように設定される。この場合，基準電源２３０の出力は＋５Ｖである。積分増幅器２２５は，トランジスタ２３５を駆動して，リレーコイル２０５両端に＋２８Ｖを生成するように構成される。バス２１０が３０Ｖの場合には，トランジスタ２３５は２Ｖ降下させ，残りの２８Ｖがリレーコイル２０５の両端で降下する。バス２１０が５０Ｖの過渡電圧を有する場合には，トランジスタ２３５は２２Ｖ降下させる。

他の例として，バス２１０が例えば２２Ｖ等の低電圧の場合には，トランジスタ２３５は，極めて僅かな量の電圧（約０．１Ｖ）を降下させ，２２Ｖのうち大部分がリレーコイル２０５の両端で降下するようにする。

リレーコイル２０５がオフされなければならない場合には，フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ等のコントローラ（不図示）は，イネーブルピン（不図示）を介して基準電源２３０をオフにする。基準電源２３０の出力は０ボルトまで降下し，積分増幅器２２５の出力は０に非常に近い値となる。これにより，トランジスタ２３５がオフされ，バス電圧が全てトランジスタ２３５の両端で降下するようになる。

この構成によれば，２８Ｖよりも大きな電圧がリレーコイル２０５の端部間に発生しないようにリレーコイル２０５をオン／オフすることができ，リレーコイル２０５は，製造元の仕様に従った正しいコイル電圧で動作することができる。

以上の開示により、現時点で実用可能と考えられる様々な実施形態を説明したが、かかる詳細な説明は説明のためのものにすぎず、請求項に記載された発明は開示された実施形態に限定されるものではない。むしろ、請求項は、請求項の範囲内における変形例及び均等な構成を含むことを意図している。

本出願は，産業上利用可能であり，リレーコイル両端の過渡電圧を抑制するシステム及び方法を含む様々な用途に適用可能である。

Claims (15)

1. コイル定格電圧を有するリレーコイル両端間の電圧変動を抑制する方法であって，
   差動増幅器によってリレーコイル両端間の電圧を監視し，
   基準電源の出力及び前記差動増幅器の出力を積分増幅器に提供し，
   前記積分増幅器の出力をトランジスタに提供し，
   前記積分増幅器の前記出力に基づいて前記トランジスタの出力を制御することにより前記リレーコイルを駆動し，
   前記リレーコイル両端間の電圧変動を抑制し，前記トランジスタ両端の過電圧を消費することにより前記コイル定格電圧が超過されないようにするために，前記基準電源の前記出力が，前記リレーコイル両端間の監視された不要な電圧変動に応じて選択的に前記積分増幅器に印加される方法。
2. 前記差動増幅器の出力を＋５Ｖ又は＋３．３Ｖに減少させる請求項１の方法。
3. 前記減少させた出力を前記基準電源の種類に基づいて定める請求項２の方法。
4. ＋２８Ｖが前記コイル両端の所望電圧である場合に＋５Ｖの出力を生成するように前記差動増幅器の利得を設定する請求項３の方法。
5. 前記積分増幅器を使用用いて前記トランジスタを駆動することにより前記リレーコイル両端間に＋２８Ｖの電圧を生成する請求項４の方法。
6. コントローラから前記トランジスタに所望の信号を供給することにより前記リレーコイルをオフにする請求項５の方法。
7. 前記トランジスタが前記電圧変動により残存する任意のバス過電圧を消費するように構成された請求項６の方法。
8. 前記コントローラがフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを含む請求項１の方法。
9. 前記トランジスタが電界効果トランジスタを含む請求項１の方法。
10. コイル定格電圧を有するリレーコイル両端の電圧変動を抑制する装置であって，
    リレーコイル両端の電圧降下を監視するように構成された差動増幅器と，
    基準電源からの入力及び前記差動増幅器の前記出力に応じて出力を提供するように構成された積分増幅器と，
    前記リレーコイルと直列に配置され，前記積分器の前記出力によって制御されるように構成されたトランジスタと，
    前記リレーコイル両端の電圧変動を抑制するように前記トランジスタの出力を制御することによって前記リレーコイルを駆動するように前記基準電源を制御し，前記トランジスタ両端の過電圧を消費することにより前記コイル定格電圧が超過されないようにするコントローラと，
    を備える装置。
11. 前記コントローラがフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイを含む請求項１０の装置。
12. 前記トランジスタ電界効果トランジスタを含む請求項１０の装置。
13. コイル定格電圧を有する電力リレーコイルに電力を供給する電力制御ユニットにおける電圧変動を抑制する装置であって，
    前記電力リレーコイル両端の監視された電圧降下及び選択的に供給される基準電圧を受信するように構成された積分増幅器を含み，関連する電圧変動を抑制するために前記電力リレーコイルに電力を供給する能動的フィードバックループを備えた装置。
14. 前記電力リレーコイルが前記監視された電圧降下に応答してオン／オフされる請求項１３の装置。
15. 前記能動的フィードバックループが，
    前記電力リレーコイル両端の電圧降下を監視するように構成された差動増幅器と，
    前記積分器の出力を受信するように構成されたトランジスタと，
    前記トランジスタの出力を制御することによって，前記電力リレーコイルを駆動するように構成されたコントローラと，
    を備え，
    前記コントローラは，前記基準電源を制御することで前記トランジスタが前記リレーをオン／オフして電圧変動を抑制できるようにする請求項１３の装置。