JP5651506B2

JP5651506B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP5651506B2
Application number: JP2011052730A
Authority: JP
Inventors: 豊康日下
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: JP2012191741A

Description

本発明の実施形態は、電気機器に搭載され、その電気機器の動作用電圧を出力する電源装置に関する。

電気機器に搭載される電源装置として、直流電圧をスイッチングにより所定周波数の交流に変換し、変換後の電圧をトランスにより変圧および整流して負荷へ供給するものが知られている（例えば特許文献１）。

特許第３６１３７３１号公報

上記のようなスイッチング型の電源装置においては、消費電力の小さい例えばＬＥＤ等の電源表示ランプが負荷であると、電源スイッチがオフされて電源遮断となっても、トランスの１次側に存する静電容量性素子に残る電荷によってスイッチングが継続し、負荷への不要な電力供給が続くことがある。この場合、電源スイッチのオフにもかかわらず電源表示ランプが点灯したままとなるため、ユーザに不信感を抱かせることがある。

本発明の実施形態の目的は、電源遮断時に直ちにスイッチングを停止して負荷への不要な電力供給を止めることができる信頼性にすぐれた電源装置を提供することである。

本発明の実施形態の電源装置は、商用交流電源の電圧を整流する第１整流回路と、２つの１次巻線および２次巻線を有し、一方の１次巻線が前記第１整流回路の出力端に接続され、２次巻線が負荷に接続されるトランスと、前記第１整流回路の出力端と前記トランスの一方の１次巻線との間に接続されたスイッチング素子と、前記商用交流電源の電圧を整流する第２整流回路と、この第２整流回路の出力電圧により充電されるコンデンサ、およびこのコンデンサの電圧が所定値以上になるとその電圧により動作して上記スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動回路からなるスイッチング回路と、前記トランスの他方の１次巻線に生じる電圧を整流する第３整流回路と、この第３整流回路の出力電圧を前記駆動回路の動作用電圧に安定化して前記スイッチング回路のコンデンサに印加する安定化回路と、前記商用交流電源の投入時は前記スイッチング回路のコンデンサに対する電圧印加を許容し、前記商用交流電源の遮断時は前記スイッチング回路のコンデンサに対する電圧印加を禁止するとともに同コンデンサに対する放電路を形成する制御回路と、を備える。
前記安定化回路は、前記第３整流回路の出力端に接続され一定電圧を保持するツェナーダイオードと、このツェナーダイオードの保持電圧によりオンしてその保持電圧を前記スイッチング回路のコンデンサに印加する第１のスイッチ素子とを有し、前記制御回路は、前記商用交流電源の電圧を整流する第４整流回路と、この第４整流回路の出力電圧により発光動作する発光素子と、この発光素子の光を受けるとオンする受光素子と、この受光素子のオフ時にオンして前記安定化回路のツェナーダイオードに対する放電路を形成する第２のスイッチ素子と、この第２のスイッチ素子のオン時にその第２のスイッチ素子と共に前記スイッチング回路のコンデンサに対する放電路を形成するダイオードとを有する。

本発明の一実施形態の構成を示す図。一実施形態におけるスイッチング素子の動作および各部の電圧・電流波形を示す図。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、商用交流電源１に、電源スイッチ２およびノイズフィルタ３を介して、ダイオードブリッジ４および平滑コンデンサ５からなる第１整流回路が接続される。この第１整流回路の出力端にトランス６の一方の１次巻線Ｎｐが接続され、その接続ラインに例えばＦＥＴ等のスイッチング素子７が挿入接続される。

トランス６の２次巻線Ｎｓには、ダイオード６１および平滑コンデンサ６２からなる整流回路を介して電圧調整部６３が接続される。電圧調整部６３は、ダイオード６１および平滑コンデンサ６２からなる整流回路の出力電圧を一定電圧たとえば５Ｖに調整して負荷へ供給する。負荷として、例えば、消費電力の小さいＬＥＤ等の電源表示ランプが接続される。

上記第１整流回路の出力端と上記１次巻線Ｎｐとの接続ラインに、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子７が挿入接続される。

商用交流電源１に上記電源スイッチ２および上記ノイズフィルタ３を介して第２整流回路１０が接続される。この第２整流回路１０は、正側半波整流用の抵抗１１とダイオード１２の直列回路、および負側半波整流用の抵抗１３とダイオード１４の直列回路からなる。

この第２整流回路１０の出力端に、駆動回路として機能する制御ＩＣ２０およびコンデンサ２１からなるスイッチング回路が接続される。制御ＩＣ２０は、第２整流回路１０から電圧（起動用電圧）が入力されると内蔵スイッチをオンしてその入力電圧を上記コンデンサ２１に充電し、コンデンサ２１の電圧が所定値以上になるとその電圧により起動するとともに、起動後に上記内蔵のスイッチをオフして第２整流回路１０からコンデンサ２１への充電路を遮断し、以後は後述の安定化回路から供給される電圧により動作を継続する。

上記トランス６は、上記１次巻線Ｎｐのほかに、１次巻線Ｎｂを有する。これら１次巻線Ｎｐ，Ｎｂの巻線方向は互いに反対である。２次巻線Ｎｓの巻線方向は１次巻線Ｎｐの巻線方向と反対である。

このトランス６の１次巻線Ｎｂに、抵抗３１を介して、ダイオード３２および平滑コンデンサ３３からなる第３整流回路が接続される。この第３整流回路の出力端に、抵抗３４を介してツェナーダイオード３５が接続される。また、上記第３整流回路の出力端と上記スイッチング回路のコンデンサ２１とがスイッチ素子たとえばＮＰＮ型トランジスタ３６のコレクタ・エミッタ間を介して接続される。上記ツェナーダイオード３５は、上記制御ＩＣ２１の動作用の一定電圧を保持する。ＮＰＮ型トランジスタ３６は、ツェナーダイオードの保持電圧によりオンしてその保持電圧を上記スイッチング回路のコンデンサ２１に印加する。

すなわち、抵抗３４、ツェナーダイオード３５、ＮＰＮ型トランジスタ３６により、上記１次巻線Ｎｂ側の第３整流回路の出力電圧を制御ＩＣ２０の動作用の一定電圧に安定化して同スイッチング回路のコンデンサ２１に印加する安定化回路が構成される。

一方、商用交流電源１に上記電源スイッチ２および上記ノイズフィルタ３を介してダイオードブリッジの第４整流回路４１が接続され、その第４整流回路４１の出力端に抵抗４２を介してフォトカプラ４３の発光素子である発光ダイオード４３ａが接続される。この発光ダイオード４３ａは、第４整流回路４１の出力電圧により発光動作する。フォトカプラ４３は、受光素子としてフォトトランジスタ４３ｂを有する。フォトトランジスタ４３ｂは、発光ダイオード４３ａの光を受けるとオンしそれ以外はオフする。

上記安定化回路におけるツェナーダイオード３５と並列にスイッチ素子たとえばＮＰＮ型トランジスタ４４のコレクタ・エミッタ間が接続されるとともに、そのトランジスタ４４のコレクタ・エミッタ間に抵抗４５とコンデンサ４６からなる時定数回路が接続される。そして、コンデンサ４６に生じる電圧がトランジスタ４４のベース・エミッタ間に印加されるとともに、そのトランジスタ４４のベース・エミッタ間に上記フォトトランジスタ４３ｂのコレクタ・エミッタ間が接続される。トランジスタ４４は、フォトトランジスタ４３ｂのオン時はそのフォトトランジスタ４３ｂを通してベース電圧が低下することによりオフ状態を維持するが、フォトトランジスタ４３ｂがオフすると、時定数回路のコンデンサ４６の電圧が上昇して所定値に達する時点でオンし、ツェナーダイオード３５に対する放電路を形成する。

上記トランジスタ３６のコレクタ・エミッタ間にダイオード４７が接続される。このダイオード４７はトランジスタ３６のエミッタからコレクタに向かう電流の流れを許容し、トランジスタ４４のオン時にそのトランジスタ４４と共にスイッチング回路のコンデンサ２１に対する放電路を形成する。

すなわち、第４整流回路４１、抵抗４２、フォトカプラ４３、トランジスタ４４、抵抗４５、コンデンサ４６、およびダイオード４７により、電源スイッチ２のオンによる商用交流電源１の投入時にスイッチング回路のコンデンサ２１に対する電圧印加を許容し、電源スイッチ２のオフによる商用交流電源１の遮断時はスイッチング回路のコンデンサ２１に対する電圧印加を禁止し且つ同コンデンサ２１に対する放電路を形成する制御回路が構成される。

動作を説明する。スイッチング素子７のオン，オフ動作、そのスイッチング素子７に加わる電圧Ｖ１、スイッチング素子７を通してトランス６の１次巻線Ｎｐに流れる電流Ｉ１、２次側のダイオード６１に加わる電圧Ｖ２、トランス６の２次巻線Ｎｓからダイオード６１を通して流れる電流Ｉ２を図２に示す。

電源スイッチ２がオンされると、第２整流回路１０からの起動用電圧に基づく電流が制御ＩＣ２０の内部スイッチを通ってコンデンサ２１に流れ込み、コンデンサ２１が充電される。コンデンサ２１の電圧が所定値以上に上昇すると、そのコンデンサ２１の電圧により制御ＩＣ２０が起動する。起動した制御ＩＣ２０は、スイッチング素子７をオン，オフ駆動するとともに、内部スイッチを遮断して第２整流回路１０からの起動用電圧に基づくコンデンサ２１への通電を遮断する。

スイッチング素子７がオンすると、そのスイッチング素子７を通してトランス６の１次巻線Ｎｐに図示矢印方向の電流Ｉ１が流れる。スイッチング素子７がオフすると、電流Ｉ１に基づくエネルギーがトランス６の２次巻線Ｎｓおよび１次巻線Ｎｂに伝わり、２次巻線Ｎｓに図示矢印方向の電流Ｉ２が流れるとともに、１次巻線Ｎｂに図示矢印方向の電流Ｉ３が流れる。

電流Ｉ３が流れると、平滑コンデンサ３３に電圧が生じる。このとき、制御回路では、フォトカプラ４３の発光ダイオード４３ａが第４整流回路４１の出力電圧を受けて発光動作し、その光を受けたフォトトランジスタ４３ｂがオンしている。フォトトランジスタ４３ｂのオンにより、時定数回路のコンデンサ４６に対する放電路が形成され、トランジスタ４４がオフする。トランジスタ４４がオフすると、平滑コンデンサ３３の電圧が抵抗３４を介してツェナーダイオード３５に印加され、そのツェナーダイオード３５に生じる一定電圧がトランジスタ３６を介してコンデンサ２１に印加される。この印加により、制御ＩＣ２０によるスイッチング素子７のオン，オフ駆動が継続する。

トランスの１次巻線Ｎｂに供給されるエネルギーは、２次巻線Ｎｓに供給されるエネルギーに比例する。つまり、２次巻線Ｎｓに供給されるエネルギーが増加すると、１次巻線Ｎｂに供給されるエネルギーも増加する。ただし、この場合、制御ＩＣ２０は一定のエネルギーしか消費しないため、仮に安定化回路がないとすると、コンデンサ２１および制御ＩＣ２０に加わる電圧が必要以上に上昇する。制御ＩＣ２０には、入力電圧についての最大定格があることから、そのような必要以上の電圧上昇を安定化回路によって抑制し、制御ＩＣ２０を保護している。

電源スイッチ２がオフされると、商用交流電源１が遮断されるが、そのままでは平滑コンデンサ５に残る電荷によってスイッチングが継続し、負荷への電力供給が続いてしまう。この場合、電源スイッチをオフ操作したのに負荷の電源表示ランプが点灯したままとなるので、ユーザに不信感を抱かせる可能性がある。

このような不具合を防ぐため、制御回路が次のように動作する。
すなわち、電源スイッチ２がオフされると、フォトカプラ４３の発光ダイオード４３ａの発光動作が直ちに停止してフォトトランジスタ４３ｂがオフする。フォトトランジスタ４３ｂがオフすると、平滑コンデンサ３３の電圧が抵抗３４，４５を介してコンデンサ４６に印加され、そのコンデンサ４６の電圧が所定の時定数で上昇していく。コンデンサ４６の電圧が所定値に達すると、トランジスタ４４がオンする。トランジスタ４４がオンすると、そのトランジスタ４４を通してツェナーダイオード３５に対する放電路が形成され、これによりトランジスタ３６がオフする。トランジスタ３６がオフすると、コンデンサ２１への電圧印加が止まる。また、上記トランジスタ４４のオンにより、コンデンサ２１の電圧がダイオード４７、抵抗３４、およびトランジスタ４４を通して放電される。

コンデンサ２１への電圧印加が止まり、しかもコンデンサ２１の電圧が放電されることにより、制御ＩＣ２０のスイッチング駆動が停止する。したがって、たとえ平滑コンデンサ５に電荷が残っていても、スイッチングが続くことはなく、負荷への不要な電力供給が止まる。ユーザは、電源スイッチ２をオフすると直ちに電源表示ランプが消灯するので、不信感を抱かない。

商用交流電源１が瞬時停電した場合、発光ダイオード４３ａの発光動作が瞬時的に停止してフォトトランジスタ４３ｂがオフするが、抵抗４５およびコンデンサ４６からなる時定数回路の時定数はそのフォトトランジスタ４３ｂのオフ時間よりも長い。つまり、瞬時停電時のフォトトランジスタ４３ｂのオフによってコンデンサ４６が充電されるが、そのコンデンサ４６の電圧がトランジスタ４４のオンレベルに達する前にフォトトランジスタ４３ｂが再びオンしてコンデンサ４６が放電される。したがって、瞬時停電があっても、それに影響を受けることなく、制御ＩＣ２０のスイッチング駆動が継続する。
瞬時停電の許容時間が国や地域によって異なる場合、その違いに合せて、抵抗４５およびコンデンサ４６からなる時定数回路の時定数を調節すればよい。

なお、上記実施形態では、制御ＩＣ２０の起動用の電圧を第２整流回路１０から得る構成としたが、第２整流回路１０に代えて、平滑コンデンサ５の電圧を破線で示す抵抗７１，７２を介して起動用電圧として制御ＩＣ２０に供給する構成としてもよい。この場合、電源スイッチ２のオフ時に平滑コンデンサ５に残る電荷によって制御ＩＣ２０に起動用電圧が加わり、制御ＩＣ２０が再起動してしまう心配があるが、電源スイッチ２のオフ時はダイオード４７、抵抗３４、およびトランジスタ４４を通してコンデンサ２１に対する放電路が形成され、その放電路に起動用電圧が吸収されるので、制御ＩＣ２０の不要な再起動が未然に防止される。

その他、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…商用交流電源、２…電源スイッチ、４…ダイオードブリッジ、５…平滑コンデンサ、６…トランス、Ｎｐ，Ｎｂ…１次巻線、Ｎｓ…２次巻線、７…スイッチング素子、２０…制御ＩＣ（駆動回路）、２１…コンデンサ、３５…ツェナーダイオード、３６…ＮＰＮ型トランジスタ、４３…フォトカプラ、４３ａ…発光ダイオード、４３ｂ…フォトトランジスタ、４４…ＮＰＮ型トランジスタ、４５…時定数回路の抵抗、４６…時定数回路のコンデンサ、６１…ダイオード、６２…平滑コンデンサ

Claims

商用交流電源の電圧を整流する第１整流回路と、
２つの１次巻線および２次巻線を有し、一方の１次巻線が前記第１整流回路の出力端に接続され、２次巻線が負荷に接続されるトランスと、
前記第１整流回路の出力端と前記トランスの一方の１次巻線との間に接続されたスイッチング素子と、
前記商用交流電源の電圧を整流する第２整流回路と、
この第２整流回路の出力電圧により充電されるコンデンサ、およびこのコンデンサの電圧が所定値以上になるとその電圧により動作して上記スイッチング素子をオン，オフ駆動する駆動回路からなるスイッチング回路と、
前記トランスの他方の１次巻線に生じる電圧を整流する第３整流回路と、
この第３整流回路の出力電圧を前記駆動回路の動作用電圧に安定化して前記スイッチング回路のコンデンサに印加する安定化回路と、
前記商用交流電源の投入時は前記スイッチング回路のコンデンサに対する電圧印加を許容し、前記商用交流電源の遮断時は前記スイッチング回路のコンデンサに対する電圧印加を禁止するとともに同コンデンサに対する放電路を形成する制御回路と、
を備え、
前記安定化回路は、前記第３整流回路の出力端に接続され一定電圧を保持するツェナーダイオードと、このツェナーダイオードの保持電圧によりオンしてその保持電圧を前記スイッチング回路のコンデンサに印加する第１のスイッチ素子とを有し、
前記制御回路は、前記商用交流電源の電圧を整流する第４整流回路と、この第４整流回路の出力電圧により発光動作する発光素子と、この発光素子の光を受けるとオンする受光素子と、この受光素子のオフ時にオンして前記安定化回路のツェナーダイオードに対する放電路を形成する第２のスイッチ素子と、この第２のスイッチ素子のオン時にその第２のスイッチ素子と共に前記スイッチング回路のコンデンサに対する放電路を形成するダイオードとを有する、
ことを特徴とする電源装置。
前記制御回路は、前記受光素子がオフしてから前記第２のスイッチ素子がオンして前記放電路が形成されるまでの時間を設定する時定数回路をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。