JP5397826B2 - 電源フィルタ回路 - Google Patents
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Description
本発明は、主としてＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）に用いられる電源フィルタ回路に関し、特に電磁環境適合性規格ＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）への適合が容易な電源フィルタ回路に関する。
各種製造装置で使用される組み込み用コントローラの一例としてＰＬＣが挙げられる。このＰＬＣは電源ボード、入出力ボード、ＣＰＵボード等で構成されるが、ＰＬＣシステムの規模が大きくなると電源ボードが複数台必要となる場合がある。
また、これらの電源ボードは、後述する主回路に供給する電圧のノイズを除去するように構成され、一般に、一次電源の相間や、相とシャーシとの間にキャパシタを設けることによりノイズの抑制がなされている。
ここで、ノイズを除去する目的で用いられるキャパシタの種類としては２種類あり、相間に接続されるものは Ｘキャパシタ (アクロス・ザ・ライン・コンデンサ)と呼ばれ、相とシャーシなどとのあいだに接続されるものは Ｙキャパシタ (ライン・バイパス・コンデンサ) と呼ばれている。
しかし、これらのＸキャパシタ、Ｙキャパシタの容量を増大すると、主回路に供給されるノイズを抑制することができるが、漏れ電流が増加するためＥＭＣ規格への適合が問題となる。
このような、組み込み用コントローラの先行技術文献としては非特許文献１が知られている。また、電源フィルタ回路に関する先行技術文献としては特許文献１が知られている。
佐藤智義也、他２名、「リアルタイムＯＳ搭載コントローラｅ−ＲＴ３」、横河技報、横河電機株式会社、２００７年、Vol.５１号、ｐ．２３−２６
以下、図５を参照して従来技術における単相の電源フィルタ回路を説明する。交流電源ＡＣ１０の第１及び第２の信号線はライン（ＬＩＮＥ）端子１００とニュートラル（ＮＥＵＴＲＡＬ）端子１１０に接続される。Ｘキャパシタ２０は一端がＬＩＮＥ端子１００と接続され、他端がＮＥＵＴＲＡＬ端子１１０に接続される。チョーク・コイル３０はノイズ除去用の電子部品である。
Ｙキャパシタ４０は、キャパシタ４１とキャパシタ４２が直列に接続されることにより構成され、キャパシタ４１の一端はチョーク・コイル３０を介してＬＩＮＥ端子１００に接続され、キャパシタ４２の他端はチョーク・コイル３０を介してＮＥＵＴＲＡＬ端子１１０に接続され、Ｙキャパシタ４０の中点、キャパシタ４１とキャパシタ４２との接続点がＬＧ（ライン・フィルタ・グラウンド）端子１２０（開放端子）に接続されている。
また、Ｙキャパシタ４０の静電容量を大きくすると、コモン・モード・ノイズの減衰量は大きくなるが、ＬＧ端子１２０に流れる漏れ電流も大きくなるため、使用可能な静電容量は制限を受ける。主回路６０は、図示しない他のボードに電源電圧を供給するものである。また、主回路６０は、抵抗、ダイオード等で構成される電源ボードのメインの回路が設けられ、Ｙキャパシタ４０を介してノイズが抑制された電圧が入力される。
ＬＧ端子１２０は、必要に応じてＹキャパシタ４０の中点の接地／非接地を選択するために設けられた専用端子である。ＦＧ（フレーム・グラウンド）端子１３０は、ＬＧ端子１２０と機器の外部で接続された後、接地して使用される。
しかし、ＬＧ端子１２０を接地すると後述する問題が発生する場合があり、通常は、ＬＧ端子１２０とＦＧ端子１３０の接続を切り離し、ＦＧ端子１３０のみを接地し、ＬＧ端子１２０は非接地とすることもできる。
このように、従来の電源フィルタ回路では、Ｙキャパシタ４０の中点の接地／非接地を選択可能とするために、ＬＧ端子１２０を設けている。
ところで、図５で説明した電源フィルタ回路を内蔵するＰＬＣユニットが単体で使用される場合は、ＮＥＵＴＲＡＬ端子１１０から流出する漏れ電流に関する問題が発生することは極めて稀である。
しかし、ＰＬＣユニットが複数台必要とされるシステムの場合、全体としての漏れ電流は、各ＰＬＣユニットの漏れ電流の和となるため、ＥＭＣ安全規格を満たさなくなる場合、仕様で定めている漏れ電流の限度値を超える場合がある。
さらに、漏れ電流の総和が大きくなると、漏電ブレーカが遮断される場合がある。一方、漏れ電流による問題を解消するために、各機器のＬＧ端子を開放すると、ノイズ・イミュニティ（外来電磁ノイズにどの程度まで耐えられるかを示す度合い）のレベルが低下する、エミッション・レベルが増大する場合があり、ＥＭＣに関する規格が満足できなくなる場合がある。
本発明は、このような問題に鑑みて、ＥＭＣ規格への適合が容易な電源フィルタ回路を提供することを目的とする。
このような課題を解決するため本発明は次の構成を備える。
（１） 交流電源の第１の信号線及び第２の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
ライン端子及びニュートラル端子間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。
（２） 複数の前記Ｙキャパシタの前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項１記載の電源フィルタ回路。
（３） 三相交流電源の第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
前記第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線のうちの２線の間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。
（４） 前記第１の信号線と前記第２の信号線の間、前記第２の信号線と前記第３の信号線の間、および前記第３の信号線と前記第１の信号線の間にそれぞれ前記Ｙキャパシタが設けられ、これらの３つのＹキャパシタの前記中点が共通に接続されてなるフィルタ回路を複数備えることを特徴とする請求項３記載の電源フィルタ回路。
（５） 複数の前記フィルタ回路の前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項４記載の電源フィルタ回路。
（１） 交流電源の第１の信号線及び第２の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
ライン端子及びニュートラル端子間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。
（２） 複数の前記Ｙキャパシタの前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項１記載の電源フィルタ回路。
（３） 三相交流電源の第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
前記第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線のうちの２線の間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。
（４） 前記第１の信号線と前記第２の信号線の間、前記第２の信号線と前記第３の信号線の間、および前記第３の信号線と前記第１の信号線の間にそれぞれ前記Ｙキャパシタが設けられ、これらの３つのＹキャパシタの前記中点が共通に接続されてなるフィルタ回路を複数備えることを特徴とする請求項３記載の電源フィルタ回路。
（５） 複数の前記フィルタ回路の前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項４記載の電源フィルタ回路。
本発明では次のような効果がある。フィルタの漏れ電流が、各電源ボードに割り当てられられ最大値を超えない範囲で最も大きな値になるようにＬＧ端子の接続を組み合わせるので、安全規格に適合しつつ、ＥＭＣ規格への適合を容易にすることができる。
以下、図１を参照して本発明による電源フィルタ回路の構成例を説明する。ただし、図５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。フィルタ素子２００はノイズ除去用の電子部品であり、図５のチョーク・コイル３０とＸキャパシタ２０を組み合わせた回路と同義である。
図１に示すとおり、本発明の電源フィルタ回路は、ライン端子１００及びニュートラル端子１１０に少なくとも２台以上（ｎ台；ｎは整数）のＹキャパシタ３００，３１０を並列に接続することを特徴とするものである。
なお、ライン端子１００及びニュートラル端子１１０を設けずに、交流電源ＡＣ１０とフィルタ素子２００を第１及び第２の信号線で直接接続しても差し支えない。
１段目のＹキャパシタ３００は、２個のキャパシタ３０１、３０２が直列に接続されたものであり、キャパシタ３０１の一端がフィルタ素子２００を介してＬＩＮＥ端子１００に接続され、キャパシタ３０２の他端がフィルタ素子２００を介してＮＥＵＴＲＡＬ端子１１０に接続され、Ｙキャパシタ３００の中点が第１のライン・フィルタ・グラウンド端子であるＬＧ端子１２１に接続されている。
また、２段目のＹキャパシタ３１０も同様に、キャパシタ３１１の一端がフィルタ素子２００を介してＬＩＮＥ端子１００に接続され、キャパシタ３１２の他端がフィルタ素子２００を介してＮＥＵＴＲＡＬ端子１１０に接続され、第２のＹキャパシタ３１０の中点が第２のライン・フィルタ・グラウンド端子であるＬＧ端子１２２に接続されている。
次に、漏れ電流の調整方法を説明する。図１において、交流電源ＡＣ１０の電源電圧をＥ、電源周波数をｆとする。また、キャパシタ３０１，３０２，３１１，３１２の静電容量を次のようにする。
（１） Ｙキャパシタ３０１＝Ｙキャパシタ３０２＝Ｃ１
（２） Ｙキャパシタ３１１＝Ｙキャパシタ３１２＝Ｃ２
（３） Ｃ１＜Ｃ２
（１） Ｙキャパシタ３０１＝Ｙキャパシタ３０２＝Ｃ１
（２） Ｙキャパシタ３１１＝Ｙキャパシタ３１２＝Ｃ２
（３） Ｃ１＜Ｃ２
また、ＦＧ端子１３０は、常時接地されているものとする。このような電源フィルタ回路においては、ＬＧ端子１２１，ＬＧ端子１２２、ＦＧ端子１３０の接続の仕方によって、漏れ電流の大きさを４通りに調節できる。それぞれの接続の仕方における漏れ電流の大きさをＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４とすると、図２のようになる。
図２によれば、ＬＧ端子１２１とＬＧ端子１２２が共に開放される第１番目の組み合わせのとき漏れ電流Ｉ１は流れない。同様に、ＬＧ端子１２１がＦＧ端子１３０に接続されＬＧ端子１２２が開放される第２番目の組み合わせのとき、漏れ電流はＩ２＝２π・f・Ｃ１・Ｅとなる。また、ＬＧ端子１２１が開放されＬＧ端子１２２がＦＧ端子１３０に接続される第３番目の組み合わせのとき、漏れ電流Ｉ３＝２π・ｆ・Ｃ２・Ｅとなる。
さらに、ＬＧ端子１２１とＬＧ端子１２２が共にＦＧ端子１３０に接続される第４番目の組み合わせのとき、漏れ電流Ｉ４＝２π・f・（Ｃ１＋Ｃ２）・Ｅとなる。図２におけるそれぞれの漏れ電流の大きさの関係はＩ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４ となる。
ここで、図１に示した電源フィルタ回路を有する電源ボードが装置内にｎ台あり、装置（ＰＬＣシステム）全体での漏れ電流の許容限度値がＩＭＡＸであるとすると、ＰＬＣユニット１台あたりに許容できる漏れ電流の平均値は、ＩＭＩＮ／ｎとなる。
そこで、ＬＧ１２１とＬＧ１２２の接続の組み合わせを図２の中から選択して、フィルタの漏れ電流がＩＭＡＸ／ｎを超えない最も大きな値になるように設定することにより、複数のＰＬＣユニットからなるシステムに適用される安全規格に適合することができる。
さらに、ＰＬＣ自身の仕様、漏電ブレーカのトリップ電流（遮断電流）などの漏れ電流に関わる制約条件を満たす範囲でフィルタ減衰量を最大にすることができ、ＥＭＣ規格への適合を容易にすることができる。
なお、ＥＭＣ規格への適合は装置全体での漏れ電流が問題となるため、一部の電源フィルタ回路にＩＭＡＸ／ｎを超えるものがあっても、他の電源フィルタ回路で漏れ電流が少なくなるようにＬＧ端子の組み合わせを調整し、全体での漏れ電流を調整すれば差し支えない。
次に、本発明の応用例を説明する。図３に第３のＹキャパシタ３２０を有するフィルタ回路の例を示す。図３は図１と比べて、キャパシタ３２１，３２２からなる第３のＹキャパシタ３２０が追加され、キャパシタ３２１，３２２の中点が第３のライン・フィルタ・グラウンド端子であるＬＧ端子１２３に接続されている。
図３の応用例によれば、ＬＧ端子１２１，ＬＧ端子１２２，ＬＧ端子１２３、ＦＧ端子１３０の接続組み合わせにより、８通りに漏れ電流の大きさを調節することができ、図１と比べてより細かな設定が可能となる。
本発明の他の応用例を説明する。図４は、図１、図３で用いた単相の交流電源ＡＣ１０の代わりに、三相交流電源を用いた例であり、三相交流におけるＲ端子１４０、Ｓ端子１４１、Ｔ端子１４２を利用した場合の電源フィルタ回路の構成例である。
この例では、第１組目のＹキャパシタ３３０、第２組目のＹキャパシタ３４０がＲ端子１４０、Ｓ端子１４１、Ｔ端子１４２に並列接続することを特徴としている。
詳しくは、第１組目のＹキャパシタ３３０について、キャパシタ３３１はＲ端子１４０とＬＧ端子１２１に、キャパシタ３３２はＳ端子１４１とＬＧ端子１２１に、キャパシタ３３３はＴ端子１４２とＬＧ端子１２１に接続される。
第２組目のＹキャパシタ３４０については、キャパシタ３４１はＲ端子１４０とＬＧ端子１２２に、キャパシタ３４２はＳ端子１４１とＬＧ端子１２２に、キャパシタ３４３はＴ端子１４２とＬＧ端子１２２に接続される。
このような構成にあって、ＬＧ端子１２１、ＬＧ端子１２２は開放され、これらのＬＧ端子１２１、ＬＧ端子１２２と、ＦＧ端子１３０との接続の組合せにより、漏れ電流の大きさを調節する。
尚、図４の例では、第１組目のＹキャパシタ３３０、第２組目のＹキャパシタ３４０の２組のＹキャパシタが接続された実施例であるが、Ｙキャパシタの組は２組に限らず、ｍ組（ｍは整数）であってよい。
１０ 交流電源
６０ 主回路
１００ ＬＩＮＥ端子
１１０ ＮＥＵＴＲＡＬ端子
１２１ ＬＧ端子
１２２ ＬＧ端子
１３０ ＦＧ端子
２００ フィルタ素子
３００ 第１のＹキャパシタ
３０１ キャパシタ
３０２ キャパシタ
３１０ 第２のＹキャパシタ
３１１ キャパシタ
３１２ キャパシタ
６０ 主回路
１００ ＬＩＮＥ端子
１１０ ＮＥＵＴＲＡＬ端子
１２１ ＬＧ端子
１２２ ＬＧ端子
１３０ ＦＧ端子
２００ フィルタ素子
３００ 第１のＹキャパシタ
３０１ キャパシタ
３０２ キャパシタ
３１０ 第２のＹキャパシタ
３１１ キャパシタ
３１２ キャパシタ
Claims (5)
- 交流電源の第１の信号線及び第２の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
ライン端子及びニュートラル端子間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線及び前記第２の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。 - 複数の前記Ｙキャパシタの前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項１記載の電源フィルタ回路。
- 三相交流電源の第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線にフィルタ素子を介して接続されたＹキャパシタを備える電源フィルタ回路において、
前記第１の信号線、第２の信号線、第３の信号線のうちの２線の間に少なくとも２組以上の中点を介して互いに直列に接続されたキャパシタからなる前記Ｙキャパシタが並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に複数の前記電源フィルタ回路が並列に接続され、
前記第１の信号線、前記第２の信号線及び前記第３の信号線に並列に接続される前記電源フィルタ回路の個数に応じて、個々の前記電源フィルタ回路において、それぞれ並例に接続された前記Ｙキャパシタのうち前記中点が接地されるＹキャパシタの組み合わせが選択され、
前記フィルタ素子は前記電源フィルタ回路に含まれることを特徴とする電源フィルタ回路。 - 前記第１の信号線と前記第２の信号線の間、前記第２の信号線と前記第３の信号線の間、および前記第３の信号線と前記第１の信号線の間にそれぞれ前記Ｙキャパシタが設けられ、これらの３つのＹキャパシタの前記中点が共通に接続されてなるフィルタ回路を複数備えることを特徴とする請求項３記載の電源フィルタ回路。
- 複数の前記フィルタ回路の前記中点をそれぞれ独立した端子に引き出し、これらの端子の接地／非接地を組み合わせることを特徴とする請求項４記載の電源フィルタ回路。
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