JP5483419B2 - スイッチ回路の突入電流防止回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチ回路の突入電流防止回路に関するものである。

照明器具として、蛍光灯（放電灯）を点灯させるには、直流用電子安定器が必要であり、この蛍光灯を点灯させる照明回路は、この直流用電子安定器を備えたランプ点灯回路を備える。

この照明回路は、壁に設置されたスイッチを備え、このスイッチを介して電源に接続され、このスイッチをオン、オフすることにより、蛍光灯に給電する。近年、省エネルギーの観点から、この照明回路の電源には、直流電源が用いられることがある。

また、照明回路には、直流電源によってランプ点灯回路に印加された電圧のリップルを除去し、波形を滑らかにするための平滑コンデンサが備えられ、この平滑コンデンサの一方の端子は、スイッチを介して直流電源の高電位の端子又は低電位の端子に接続される。

この平滑コンデンサは、容量が大きく、内部抵抗値が低く、電荷が充電されていない場合には、平滑コンデンサの電極間は事実上短絡されている。このため、電源投入直後、平滑コンデンサには、突入電流が流れる。

この突入電流は、電源スイッチの接点の溶着等の影響が生じるので、平滑コンデンサに突入電流が流れることを防止する必要がある。

このようなスイッチ回路の突入電流防止回路として、平滑コンデンサの充電路にトランジスタが介装され、分圧抵抗により直流電源の印加電圧を分圧した電圧をトランジスタの制御端に供給するとともに、この分圧抵抗の接続点に、平滑コンデンサに比べて容量が小さい別のコンデンサを接続した回路がある（例えば、特許文献１参照）。

この突入電流防止回路は、トランジスタの制御電圧を緩やかに上昇させることによって、一定期間、突入電流を防止している。

特開平０７−１７５５３３号公報

しかし、一定期間経過後、充電電流の電流値がまだ定常値まで低下していない可能性もあり、この場合、再び、過大な電流が流れてしまう。このため、従来のスイッチ回路の突入電流防止回路では、確実に突入電流を防止することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より確実に突入電流を防止することが可能なスイッチ回路の突入電流防止回路を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るスイッチ回路の突入電流防止回路は、
直流電源の一方の端子と負荷回路との間に、スイッチと、当該スイッチを介して前記一方の端子にアノードが接続された第１のダイオードと、が介装されたスイッチ回路の突入電流防止回路において、
制御端と電流路とを有し、前記第１のダイオードと前記負荷回路との間に、前記電流路の一端が接続され、前記制御端に供給された制御電圧に基づいて、前記電流路に流れる電流を制御する第１の制御トランジスタと、
前記第１のダイオードのカソードの電圧を分圧して前記第１の制御トランジスタの制御端に制御電圧を供給する分圧抵抗と、
前記第１の制御トランジスタの前記電流路に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が検出した電流の電流値が予め設定された上限値に達したときにオンして、前記第１の制御トランジスタの前記制御電圧を低下させる第２の制御トランジスタと、
カソードが前記第２の制御トランジスタの制御端に接続され、アノードが前記直流電源の他方の端子と前記第１のトランジスタの電流路の他端とに接続された第２のダイオードと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、より確実に突入電流を防止することができる。

本発明の実施形態に係る突入電流防止回路を備えた照明回路の構成を示す回路図である。 図１に示す照明回路の動作を示す波形図である。

以下、本発明の実施形態に係るスイッチ回路の突入電流防止回路を図面を参照して説明する。尚、以下の実施形態では、スイッチを有するスイッチ回路の突入電流防止回路を、例えば、蛍光灯（放電灯）を点灯させる照明回路に適用した場合について説明する。

照明回路は、図１に示すように、スイッチ（図中、「ＳＷ」と記す。）１１と、ダイオードＤ１と、平滑コンデンサＣ１と、突入電流防止回路１２と、ランプ点灯回路１３と、を備える。

スイッチ１１は、壁等に配置されたスイッチであり、直流電源ＰＳの一端とランプ点灯回路１３との間に介装され、その一方の端子は、直流電源ＰＳの高電位の端子に接続される。尚、直流電源ＰＳの低電位の端子は接地される。

ダイオードＤ１は、直流電源ＰＳが逆接続されたときの保護ダイオードであり、アノードは、スイッチ１１の他端に接続される。

ランプ点灯回路１３は、負荷回路であり、直流用の電子式安定器（図示せず）を備えている。ランプ点灯回路１３の両端には、それぞれ、蛍光灯（放電ランプ）の両端が接続されて（図示せず）、ランプ点灯回路１３は、印加された直流電圧を高周波の交流電圧に変換して蛍光灯を点灯する。

平滑コンデンサＣ１は、直流電源ＰＳによってランプ点灯回路１３に印加された電圧のリップルを除去し、波形を滑らかにするためのコンデンサである。この平滑コンデンサＣ１には、電解コンデンサが用いられ、リップルを除去するため、容量が大きく、内部抵抗値が低いものが用いられる。

平滑コンデンサＣ１の一方の端子は、ダイオードＤ１のカソードと、ランプ点灯回路１３の一方の端子と、に接続される。この平滑コンデンサＣ１の一方の端子とダイオードＤ１のカソードとの接続点を接続ノードｎ１とする。

平滑コンデンサＣ１を充放電するコンデンサ電流をＩc1として、コンデンサ電流Ｉc1は、スイッチ１１が閉じられたとき、直流電源ＰＳの高電位の端子→ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ１→抵抗Ｒ３→直流電源ＰＳの低電位の端子へと流れる。

一方、ランプ点灯回路１３に供給される出力電流（負荷電流）をＩoutとすると、出力電流Ｉoutは、スイッチ１１が閉じられたとき、直流電源ＰＳの高電位の端子→ダイオードＤ１→ランプ点灯回路１３→直流電源ＰＳの低電位の端子へと流れる。

従って、直流電源ＰＳから照明回路に供給される入力電流をＩinとすると、入力電流Ｉin、出力電流Ｉoutは、次の式（１）によって表される。
Ｉin＝Ｉout＋Ic1 ・・・・・・・・・（１）

本実施形態に係る突入電流防止回路１２は、スイッチ１１を備えるスイッチ回路において、スイッチ１１が閉じたときに、直流電源ＰＳから平滑コンデンサＣ１に流れ込む突入電流を防止する回路である。

突入電流について説明すると、直流電源ＰＳによって印加される印加電圧をＶin、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧をＶc1として、スイッチ１１が閉じたときに平滑コンデンサＣ１に流れるコンデンサ電流Ｉc1の電流値Ｉc1は、次の式（２）によって表される。
Ｉc1＝(Ｖin−Ｖc1)/Ｒ[circuit] ・・・・・・・・・（２）
但し、
Ｒ[circuit]：直流電源ＰＳの内部抵抗、ダイオードＤ１の順方向電圧降下に対応する内部抵抗、抵抗Ｒ３の抵抗値を含む全回路抵抗値
Ｖc1：平滑コンデンサＣ１の両端の電圧

通常、抵抗値Ｒ[circuit]は小さく、スイッチ１１が閉じたとき、Ｖc1＝０Ｖとすると、突入電流防止回路１２がなければ、入力電流Ｉinは突入電流Ｉrとなって現れる。尚、この過渡応答時の突入電流Ｉc1の電流位相は、電圧位相に対してπ／２位相だけ進む。

突入電流防止回路１２は、このような突入電流Ｉrを防止するため、トランジスタＱ１，Ｑ２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、ツェナーダイオードＺＤ１と、を備える。

トランジスタＱ１は、ｎ形ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）によって構成され、ゲート端子に供給されたゲート−ソース間電圧Ｖgsに基づいて、ドレイン（端子）−ソース（端子）間に流れる電流の電流値を制御するトランジスタである。

このトランジスタＱ１のドレイン−ソース間の電流路は、スイッチ１１とランプ点灯回路１３との間に、直流電源ＰＳと並列に配置され、ドレイン端子は平滑コンデンサＣ１の他方の端子に接続される。

このトランジスタＱ１の閾値電圧をＶgs[th]として、トランジスタＱ１には、例えば、この閾値電圧Ｖgs[th]が0.7Ｖ程度のものが用いられる。

抵抗Ｒ１，Ｒ２は、直流電源ＰＳによって印加された電圧を分圧するための抵抗であり、抵抗Ｒ１の一方の端子は、ダイオードＤ１のカソード（接続ノードｎ１）に接続される。

抵抗Ｒ２の一方の端子は、抵抗Ｒ１の他方の端子に接続され、抵抗Ｒ２の他方の端子は、直流電源ＰＳの低電位の端子とグラウンドとに接続される。この抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点を接続ノードｎ２とし、トランジスタＱ１のゲート端子は、この接続ノードｎ２に接続される。

抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、スイッチ１１が閉じられたときにトランジスタＱ１のゲート−ソース間電圧Ｖgsが、すみやかに閾値電圧Ｖgs[th]以上となり、トランジスタＱ１が飽和領域で動作するように予め設定される。

抵抗Ｒ３は、トランジスタＱ１のドレイン−ソース間に流れる電流を検出するための抵抗である。この電流は、平滑コンデンサＣ１に流れるコンデンサ電流Ｉc1であり、抵抗Ｒ３は、コンデンサ電流Ｉc1の電流値を電圧値に変換する。

抵抗Ｒ３の一方の端子は、トランジスタＱ１のソース端子に接続され、他方の端子は、直流電源ＰＳの低電位の端子と、抵抗Ｒ２の他方の端子と、ランプ点灯回路１３の他方の端子とに接続される。このトランジスタＱ１のソース端子と抵抗Ｒ３の一方の端子との接続点を接続ノードｎ３とする。

トランジスタＱ２は、抵抗Ｒ３によって検出されたコンデンサ電流Ｉc1の電流値が予め設定された上限値に達したときにオンして、トランジスタＱ１のゲート−ソース間電圧Ｖgsを閾値電圧Ｖgs[th]未満に低下させるトランジスタである。

トランジスタＱ２は、ｎ形バイポーラトランジスタによって構成され、そのコレクタはトランジスタＱ１のゲート端子に接続され、エミッタは、グランドに接続される（エミッタ接地）。

トランジスタＱ２には、直流電流増幅率ｈＦＥ（ｈＦＥ＞ＩＣＥ／ＩＢＥ）が十分大きいもの、例えば、ｈＦＥ＝３０〜１００のものが用いられる。このトランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧Ｖbeの動作電圧Ｖbe[on]は、0.7Ｖ程度である。

また、トランジスタＱ１，Ｑ２には、それぞれ、ゲート−ソース間電圧Ｖgs、ベース−エミッタ間電圧Ｖbeの変化に対して即座に動作するもの（μＳ単位）が用いられる。

抵抗Ｒ４は、トランジスタＱ２のベース端子に供給する電流の電流値を制限するための抵抗であり、一方の端子は、接続ノードｎ３に接続され、他方の端子は、トランジスタＱ２のベース端子に接続される。

尚、平滑コンデンサＣ１に流れるコンデンサ電流Ｉc1の流れを停止する上限値Ｉc1[upper]は予め設定され、抵抗Ｒ３，Ｒ４のそれぞれの抵抗値は、この上限値Ｉc1[upper]とトランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧Ｖbeの動作電圧Ｖbe[on]とが対応するように決定される。

即ち、コンデンサ電流Ｉc1が上限値Ｉc1[upper]になったとき、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧Ｖbeが動作電圧Ｖbe[on]となるように、抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗値が決定される。また、抵抗Ｒ４の抵抗値は、コンデンサ電流Ｉc1が上限値Ｉc1[upper]になったときに、トランジスタＱ２が飽和領域で動作するように設定される。

ツェナーダイオードＺＤ１は、トランジスタＱ２を保護するためのダイオードであり、そのカソード端子は、トランジスタＱ２のベース端子に接続され、アノードはグランドに接続される。

次に本実施形態に係る突入電流防止回路１２の動作を説明する。
図２に示す時刻ｔ１１において、スイッチ１１が閉じると、図２（ａ）に示すように、突入電流防止回路１２に供給される供給電圧Ｖinは、電圧Ｖin[high]に立ち上がる。

トランジスタＱ１のゲート端子には、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって、分圧された電圧がゲート−ソース間電圧Ｖgsとして印加される。

ゲート−ソース間電圧Ｖgsが、図２（ｂ）に示すように立ち上がり、閾値電圧Ｖgs[th]以上になると、トランジスタＱ１はオンし、トランジスタＱ１のソース端子−ドレイン端子間の電流路が通電状態になる。

そして、コンデンサ電流Ｉc1が、直流電源ＰＳの高電位の端子→平滑コンデンサＣ１→トランジスタＱ１→抵抗Ｒ３→直流電源ＰＳの低電位の端子の順に流れ、平滑コンデンサＣ１を充電する。

過渡応答の際には、コンデンサの電流位相が、電圧位相に対してπ／２位相が進むため、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖc1が０Ｖの場合、突入電流防止回路１２がなければ、図２（ｄ）の波線で示すような突入電流Ｉrが流れようとする。

このとき、図２（ｄ）に示すように、コンデンサ電流Ｉc1が上限値Ｉc1[upper]に達すると、抵抗Ｒ３の両端子間の電位差も上限値Ｉc1[upper]に対応した電位以上となり、図２（ｃ）に示すように、トランジスタＱ２のベース端子−エミッタ端子間の電圧Ｖbeも動作電圧Ｖbe[on]以上となり、トランジスタＱ２がオンする。

トランジスタＱ２がオンすると、トランジスタＱ１のゲート−ソース間電圧Ｖgsが閾値電圧Ｖgs[th]未満となり、トランジスタＱ１はオフする。このため、コンデンサ電流Ｉc1は、平滑コンデンサＣ１，抵抗Ｒ３の時定数に従って低下する。

尚、トランジスタＱ１，Ｑ２は、それぞれ、ゲート−ソース間電圧Ｖgs、ベース−エミッタ間電圧Ｖbeの変化に対して反応速度が速く（μＳ単位）、即座にオン・オフするので、平滑コンデンサＣ１に流れるコンデンサ電流Ｉc1は上限値Ｉc1[upper]以下に制限される。

時刻ｔ１２において、コンデンサ電流Ｉc1が０になると、トランジスタＱ２のベース端子−エミッタ端子間の電圧Ｖbeが動作電圧Ｖbe[on]未満になり、トランジスタＱ２がオフする。

トランジスタＱ２がオフすると、トランジスタＱ１が、再び、オンし、コンデンサ電流Ｉc１が、直流電源ＰＳの高電位の端子→平滑コンデンサＣ１→トランジスタＱ１→抵抗Ｒ３→直流電源ＰＳの低電位の端子の順に流れ、平滑コンデンサＣ１が充電される。

そして、図２（ｄ）に示すように、時刻ｔ１３において、再び、コンデンサ電流Ｉc1が上限値Ｉc1[upper]に達すると、トランジスタＱ２がオン、トランジスタＱ１がオフして、コンデンサ電流Ｉc1は低下する。

突入電流防止回路１２の各部は、このような動作を繰り返し、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖc1は、図２（ａ）に示すように、徐々に高くなる。そして、時刻ｔ１４において、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖc1が電圧Ｖin[high]に達すると、コンデンサ電流Ｉc1は、ほぼ０になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、コンデンサ電流Ｉc1の電流値が上限値Ｉc1[upper]に達したとき、トランジスタＱ２をオンしてトランジスタＱ１のゲート−ソース間電圧Ｖgsを閾値電圧Ｖgs[th]未満にするようにした。

従って、コンデンサ電流Ｉc1の電流値を予め設定した上限値Ｉc1[upper]に制限することができ、確実に突入電流Ｉrを防止することができる。また、本実施形態に係る突入電流防止回路１２は、スイッチ１１が開いたとき、あるいは、直流電源ＰＳとスイッチ１１との間に介装されたフューズが、万が一、切れたときに発生するアークによる突入電流を抑制する効果も有している。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。

例えば、（Ａ）トランジスタＱ１は、ｎ形ＭＯＳＦＥＴに限られるものではなく、ｐ形ＭＯＳＦＥＴ、等であってもよい。
（Ｂ）トランジスタＱ２は、ｎ形バイポーラトランジスタに限られるものではなく、ｎ形ＭＯＳＦＥＴ、ｐ形ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。

（Ｃ）平滑コンデンサＣ１は、電解コンデンサ以外に、アルミ電解コンデンサ（ケミカルコンデンサ）、電気二重層コンデンサ等、容量が大きいものであればよい。

（Ｄ）抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４は可変抵抗であってもよい。抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４を可変抵抗にすることにより、平滑コンデンサＣ１を充電する際に平滑コンデンサＣ１に流れるコンデンサ電流値を変更することができる。
（Ｅ）コンデンサ電流Ｉc1を検出するものは、抵抗Ｒ３に限られるものではなく、例えば、カレントトランスであってもよい。

（Ｆ）負荷回路は、照明回路に限られるものではなく、例えば、直流電源に接続するモータ駆動回路、半導体集積回路、電源制御装置等であってもよい。
（Ｇ）本実施形態に係る突入電流防止回路１２は、平滑コンデンサＣ１を備えたものでなくてもよく、この場合でもアークによる突入電流を抑制する効果を有する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計上の都合やその他の要因によって必要となる様々な変更や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施の形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれると理解されるべきである。

１１ スイッチ
１２ 突入電流防止回路
１３ ランプ点灯回路
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｑ１ トランジスタ（ｎ形ＭＯＳＦＥＴ）
Ｑ２ トランジスタ（ｎ形バイポーラトランジスタ）
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 抵抗

Claims (3)

1. 直流電源の一方の端子と負荷回路との間に、スイッチと、当該スイッチを介して前記一方の端子にアノードが接続された第１のダイオードと、が介装されたスイッチ回路の突入電流防止回路において、
   制御端と電流路とを有し、前記第１のダイオードと前記負荷回路との間に、前記電流路の一端が接続され、前記制御端に供給された制御電圧に基づいて、前記電流路に流れる電流を制御する第１の制御トランジスタと、
   前記第１のダイオードのカソードの電圧を分圧して前記第１の制御トランジスタの制御端に制御電圧を供給する分圧抵抗と、
   前記第１の制御トランジスタの前記電流路に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部が検出した電流の電流値が予め設定された上限値に達したときにオンして、前記第１の制御トランジスタの前記制御電圧を低下させる第２の制御トランジスタと、
   カソードが前記第２の制御トランジスタの制御端に接続され、アノードが前記直流電源の他方の端子と前記第１のトランジスタの電流路の他端とに接続された第２のダイオードと、を備えた、
   ことを特徴とするスイッチ回路の突入電流防止回路。
2. 前記第１の制御トランジスタの電流路に直列に接続された平滑コンデンサをさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ回路の突入電流防止回路。
3. 前記電流検出部は、前記平滑コンデンサの充電電流の電流値を電圧値に変換する電流検出抵抗によって構成されたものであり、
   前記電流検出抵抗の抵抗値は、前記平滑コンデンサに流れ込む充電電流の電流値が予め設定された上限値に達したときに、前記電流検出抵抗の両端に発生した電圧が、前記第２の制御トランジスタの動作電圧を超えるように設定された、
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチ回路の突入電流防止回路。

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