JP5794044B2 - 絶縁回路の健全性確認装置 - Google Patents

Description

この発明は、絶縁回路の健全性確認装置に関するものである。

インバータ装置には、絶縁回路が多く使われている。絶縁回路は、光素子を使ったフォトカプラ、光リンク等からなる（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６１５０３６号公報

フォトカプラや光リンクの発光素子においては、長時間の発光により、発光量が減少する。また、発光素子の寿命は、周囲の温度に影響される。このため、発光素子の発光量を定期的に測定し、保守する必要がある。

しかしながら、例えば、一体型のフォトカプラにおいては、発光素子の発光量を物理的に測定することができない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、絶縁回路の発光素子の発光量を測定することなく、絶縁回路の健全性を確認することができる絶縁回路の健全性確認装置を提供することである。

この発明に係る絶縁回路の健全性確認装置は、絶縁回路に対する入力信号がオン状態のときに光を発するように設けられた発光素子に対し、前記入力信号がオフ状態のときに所定の周期で電流が流れるように制御する電流制御器と、前記所定の周期で前記発光素子に電流が流れている際に、前記発光素子が発する光を受けた際に導通するように設けられた受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出する検出器と、を備え、前記電流制御器は、前記入力信号がオン状態のときにオン状態となって前記発光素子に電流が流れるように前記発光素子に直列に接続された制御用スイッチング素子と並列かつ前記発光素子と直列に接続された検出用スイッチング素子と、前記所定の周期でオン状態となるパルスを発生させるパルス発生器と、前記入力信号と前記パルスとの排他的論理和の結果を前記検出用スイッチング素子の制御端子に出力する論理回路と、を有し、前記検出器は、前記入力信号がオフ状態のときに前記受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合又は前記入力信号がオン状態のときに前記受光素子が前記所定の周期でオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出し、前記パルス発生器が発生させるパルスの継続時間よりも長い時定数を有し、前記受光素子の出力に接続された遅れ要素、を備えたものである。
この発明に係る絶縁回路の健全性確認装置は、絶縁回路に対する入力信号がオン状態のときに光を発するように設けられた発光素子に対し、前記入力信号がオフ状態のときに所定の周期で電流が流れるように制御する電流制御器と、前記所定の周期で前記発光素子に電流が流れている際に、前記発光素子が発する光を受けた際に導通するように設けられた受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出する検出器と、を備え、前記電流制御器は、前記入力信号がオン状態のときにオン状態となって前記発光素子に電流が流れるように前記発光素子に直列に接続された制御用スイッチング素子と並列かつ前記発光素子と直列に接続された検出用スイッチング素子と、前記所定の周期でオン状態となるパルスを前記検出用スイッチング素子の制御端子に出力するパルス発生器と、を有し、前記検出器は、前記入力信号がオフ状態のときに前記受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合又は前記入力信号がオン状態のときに前記受光素子が前記所定の周期でオン状態となる場合を前記発光素子の異常として検出し、前記パルス発生器が発生させるパルスの継続時間よりも長い時定数を有し、前記受光素子の出力に接続された遅れ要素、を備えたものである。

この発明によれば、絶縁回路の発光素子の発光量を測定することなく、絶縁回路の健全性を確認することができる。

この発明の実施の形態１における絶縁回路の健全性確認装置を説明するための回路図である。 この発明の実施の形態１における絶縁回路の健全性確認装置を用いた絶縁回路の健全性の確認を説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２における絶縁回路の健全性確認装置を説明するための回路図である。 この発明の実施の形態２における絶縁回路の健全性確認装置を用いた絶縁回路の健全性の確認を説明するためのタイミングチャートである。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における絶縁回路の健全性確認装置を説明するための回路図である。

図１において、１は絶縁回路である。絶縁回路１は、例えば、インバータ装置のインバータ信号等に対して利用される。２は絶縁回路１の入力端子である。３は絶縁回路１の出力端子である。本実施の形態の絶縁回路１は、フォトカプラからなる。絶縁回路１は、発光素子１ａと受光素子１ｂとを備える。発光素子１ａは、発光ダイオードからなる。受光素子１ｂは、フォトトランジスタからなる。

発光素子１ａのアノードには、第１電源４が接続される。発光素子１ａのカソードには、第１抵抗５の一端が接続される。第１抵抗５の他端には、制御用トランジスタ（制御用スイッチング素子）６のコレクタが接続される。制御用トランジスタ６のエミッタには、第１グランド７が接続される。

受光素子１ｂのコレクタには、第２電源８が接続される。受光素子１ｂのエミッタには、負荷抵抗９の一端が接続される。負荷抵抗９の他端には、第２グランド１０が接続される。第２グランド１０は、第１グランド７と絶縁される。

１１は電流制御回路（電流制御器）である。電流制御回路１１は、第２抵抗１２、検出用トランジスタ１３、パルス発生器１４、ＥＸＯＲ回路（論理回路）１５を備える。

第２抵抗１２の一端は、発光素子１ａのカソードに接続される。第２抵抗１２は、第１抵抗５と同じ抵抗値を有する。第２抵抗１２の他端には、検出用トランジスタ（検出用スイッチング素子）１３のコレクタが接続される。検出用トランジスタ１３のエミッタには、第１グランド７が接続される。すなわち、第２抵抗１２、検出用トランジスタ１３は、第１抵抗５、制御用トランジスタ６と並列に接続される。

パルス発生器１４は、パルスを発生させる機能を備える。パルスは、所定の周期Ｔ１で所定の時間Ｔ２だけオン状態を継続する。時間Ｔ２は、第１遅れ要素１６の時定数や第２遅れ要素１７の時定数よりも短くなるように設定される。ＥＸＯＲ回路１５の入力端の一方には、入力信号が入力される。ＥＸＯＲ回路１５の入力端の他方には、パルス発生器１４からのパルスが入力される。ＥＸＯＲ回路１５の出力端は、検出用トランジスタ１３のベース（制御端子）に接続される。

入力端子２とＥＸＯＲ回路１５の入力端の一方との間には、第１遅れ要素１６が接続される。第１遅れ要素１６は、例えば、ＣＲ回路からなる。受光素子１ｂのエミッタと出力端子３との間には、第２遅れ要素１７が接続される。第２遅れ要素１７は、例えば、ＣＲ回路からなる。受光素子１ｂと第２遅れ要素１７との間の配線には、経年変化検出回路（検出器）１８の入力端が接続される。

次に、図２を用いて、絶縁回路１の健全性の確認方法を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における絶縁回路の健全性確認装置を用いた絶縁回路１の健全性の確認を説明するためのタイミングチャートである。

図２の最上段は、位置Ａの電圧を示す。図２の上から２段目は、位置Ｂの電圧を示す。図２の上から３段目は、位置Ｃの電圧を示す。図２の上から４段目は、位置Ｄの電圧を示す。図２の上から５段目は、正常時における位置Ｅの電圧を示す。図２の上から６段目は、異常時における位置Ｅの電圧を示す。図２の最下段は、位置Ｆの電圧を示す。

図２に示すように、位置Ａの電圧は、絶縁回路１に対するシーケンス入力に対応する。位置Ａの電圧は、ある時点で、オフ（Ｌｏｗ）状態からオン（Ｈｉ）状態に変わる。このとき、位置Ｂの電圧は、第１遅れ要素１６の時定数の分だけ遅れて、オフ状態からオン状態に変わる。これに対し、位置Ｃの電圧は、パルス発生器１４の出力に応じて、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。

まず、位置Ｂの電圧がオフ状態の場合を説明する。この場合、ＥＸＯＲ回路１５の動作によって、位置Ｄの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。その結果、検出用トランジスタ１３は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。

すなわち、位置Ｂの電圧がオフ状態のときは、第１抵抗５に流れる電流が継続して遮断されるとともに、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して、発光素子１ａと第２抵抗１２とに電流が流れる。

このとき、発光素子１ａの発光能力が劣化していなければ、発光素子１ａは、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して光を発する。当該光は、受光素子１ｂに受信される。このため、位置Ｅの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。

一方、発光素子１ａの発光能力が劣化していれば、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して発光素子１ａと第２抵抗１２とに電流が流れていても、発光素子１ａは光を発しない。すなわち、受光素子１ｂは、周期Ｔ１以上継続して光を受けなくなる。このため、位置Ｅの電圧は、周期Ｔ１以上継続してオフ状態となる。

次に、位置Ｂの電圧がオン状態の場合を説明する。この場合、ＥＸＯＲ回路１５の動作によって、位置Ｄの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオフ状態となる。その結果、検出用トランジスタ１３は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオフ状態となる。

すなわち、位置Ｂの電圧がオン状態のときは、発光素子１ａと第１抵抗５とに電流が継続して流れるとともに、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して、第２抵抗１２に流れる電流が遮断される。

このとき、発光素子１ａの発光能力が劣化していなければ、発光素子１ａは、継続して光を発する。当該光は、受光素子１ｂに受信される。このため、位置Ｅの電圧は、継続してオン状態となる。

一方、発光素子１ａの発光能力が劣化していれば、発光素子１ａに流れる電流の値が周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して小さくなると、発光素子１ａは光を発しなくなる。すなわち、受光素子１ｂは、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して光を受けなくなる。このため、位置Ｅの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオフ状態となる。

このように、発光素子１ａの発光能力の劣化状況によって、位置Ｅの電圧の状態が変化する。そこで、経年変化検出回路１８は、位置Ｅの電圧の状態に基づいて、発光素子１ａの発光能力の劣化を検出する。

具体的には、位置Ｂの電圧がオフ状態のとき、経年変化検出回路１８は、位置Ｅの電圧が周期Ｔ１以上継続してオフ状態となる場合を、発光素子１ａの発光能力の劣化として検出する。これに対し、位置Ｂの電圧がオン状態のとき、経年変化検出回路１８は、位置Ｅの電圧が周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオフ状態となる場合を、発光素子１ａの発光能力の劣化として検出する。

なお、発光素子１ａの発光能力が劣化していない場合であっても、位置Ｂの電圧がオフ状態であれば、位置Ｅの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。しかしながら、オン状態が継続する時間Ｔ２は、第２遅れ要素１７の時定数よりも短い。このため、位置Ｂの電圧がオフ状態であれば、位置Ｆの電圧のオフ状態が維持される。すなわち、絶縁回路１の出力信号は、パルス発生器１４からのパルスの影響を取り除いたものとなる。

以上で説明した実施の形態１によれば、絶縁回路１に対する入力信号がオフ状態のときに、発光素子１ａに周期Ｔ１で電流が流れる。この際、受光素子１ｂが周期Ｔ１以上継続してオフ状態となると、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出される。このため、発光素子１ａの発光量を測定することなく、絶縁回路１の健全性を確認することができる。

また、絶縁回路１に対する入力信号がオン状態のときは、受光素子１ｂが周期Ｔ１でオフ状態となると、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出される。このため、絶縁回路１に対する入力信号がオン状態のときでも、発光素子１ａの発光量を測定することなく、絶縁回路１の健全性を確認することができる。

このように、絶縁回路１に対する入力信号の状態に応じて、発光素子１ａの発光能力の劣化が適切に検出される。すなわち、絶縁回路１に対する入力信号の状態に関係なく、絶縁回路１の健全性を確認することができる。

また、第２遅れ要素１７の時定数は、パルス発生器１４が発生させるパルスの継続時間よりも長い。このため、絶縁回路１の出力信号から、パルス発生器１４からのパルスの影響を取り除くことができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における絶縁回路の健全性確認装置を説明するための回路図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態１においては、パルス発生器１４の出力端と検出用トランジスタ１３のベースとの間には、ＥＸＯＲ回路１５が接続されていた。一方、実施の形態２においては、パルス発生器１４の出力端と検出用トランジスタ１３のベースとの間には、切換スイッチ１９の一方が接続されている。切換スイッチ１９の他方は、第１遅れ要素１６の出力端と検出用トランジスタ１３のベースとの間に接続されている。経年変化検出回路１８の出力端には、フリップフロップ回路２０の入力端が接続されている。

次に、図４を用いて、絶縁回路１の健全性の確認方法を説明する。
図４はこの発明の実施の形態２における絶縁回路の健全性確認装置を用いた絶縁回路１の健全性の確認を説明するためのタイミングチャートである。

図４の最上段は、位置Ａの電圧を示す。図４の上から２段目は、位置Ｂの電圧を示す。図４の上から３段目は、位置Ｃの電圧を示す。図４の上から４段目は、正常時における位置Ｅの電圧を示す。図４の上から５段目は、異常時における位置Ｅの電圧を示す。図４の６段目は、正常時における位置Ｆの電圧を示す。図４の最下段は、異常時における位置Ｆの電圧を示す。

位置Ｂの電圧がオフ状態の場合は、実施の形態１と同様である。これに対し、位置Ｂの電圧がオン状態の場合は、実施の形態１と異なる。

具体的には、位置Ｂの電圧がオン状態の場合、位置Ｃの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。その結果、検出用トランジスタ１３は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。

すなわち、位置Ｂの電圧がオン状態のときは、発光素子１ａと第１抵抗５とに継続して、電流が流れるとともに、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して、第２抵抗１２に電流が流れる。

このとき、発光素子１ａの発光能力が劣化していなければ、発光素子１ａは、継続して光を発する。当該光は、受光素子１ｂに受信される。このため、位置Ｅの電圧は、継続してオン状態となる。

一方、発光素子１ａの発光能力が劣化していれば、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続して発光素子１ａに流れる電流の値が大きくなったときだけ、発光素子１ａは、光を発する。当該光は、受光素子１ｂに受信される。このため、位置Ｅの電圧は、周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる。

位置Ｂの電圧がオフ状態のとき、経年変化検出回路１８は、位置Ｅの電圧が周期Ｔ１以上継続してオフ状態となる場合を、発光素子１ａの発光能力の劣化として検出する。これに対し、位置Ｂの電圧がオン状態のとき、経年変化検出回路１８は、位置Ｅの電圧が周期Ｔ１で時間Ｔ２だけ継続してオン状態となる場合を、発光素子１ａの発光能力の劣化として検出する。

経年変化検出回路１８が発光素子１ａの発光能力の劣化を検出すると、フリップフロップ回路２０は、切換スイッチ１９の一方を開いて、切換スイッチ１９の他方を閉じる。その結果、検出用トランジスタ１３は、制御用トランジスタ６と同じタイミングで開閉する。このため、位置Ｂの電圧がオン状態の場合は、発光素子１ａに流れる電流の値が大きくなる。

すなわち、発光素子１ａの発光能力が劣化しても、発光素子１ａが光を発する。その結果、位置Ｂの電圧がオン状態であれば、位置Ｆの電圧のオン状態が維持される。

以上で説明した実施の形態２によれば、絶縁回路１に対する入力信号がオン状態のときは、受光素子１ｂが周期Ｔ１でオン状態となると、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出される。このため、絶縁回路１に対する入力信号がオン状態のときでも、発光素子１ａの発光量を測定することなく、絶縁回路１の健全性を確認することができる。

また、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出された場合に、発光素子１ａに流れる電流の値が自動的に大きくなる。具体的には、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出された場合は、検出用トランジスタ１３が閉じる。このため、発光素子１ａの発光能力が劣化した場合であっても、入力信号に対して正しく出力信号を出力することができる。

なお、発光素子１ａの発光能力の劣化が検出された場合に、第１電源４の電圧Ｖｃｃ１の値を大きくしてもよい。この場合も、入力信号に対して正しく出力信号を出力することができる。

実施の形態２においては、発光素子１ａに流れる電流の初期値を小さくすることができる。このため、発光素子１ａの劣化を遅くすることができる。すなわち、発光素子１ａの劣化特性を改善することができる。

また、絶縁回路１が光リンクの場合であっても、実施の形態１及び２の健全性確認装置を利用することができる。この場合も、絶縁回路１の発光素子１ａの発光量を測定することなく、絶縁回路１の健全性を確認することができる。

１ 絶縁回路
１ａ 発光素子
１ｂ 受光素子
２ 入力端子
３ 出力端子
４ 第１電源
５ 第１抵抗
６ 制御用トランジスタ
７ 第１グランド
８ 第２電源
９ 負荷抵抗
１０ 第２グランド
１１ 電流制御回路
１２ 第２抵抗
１３ 検出用トランジスタ
１４ パルス発生器
１５ ＥＸＯＲ回路
１６ 第１遅れ要素
１７ 第２遅れ要素
１８ 経年変化検出回路
１９ 切換スイッチ
２０ フリップフロップ回路

Claims (5)

1. 絶縁回路に対する入力信号がオン状態のときに光を発するように設けられた発光素子に対し、前記入力信号がオフ状態のときに所定の周期で電流が流れるように制御する電流制御器と、
   前記所定の周期で前記発光素子に電流が流れている際に、前記発光素子が発する光を受けた際に導通するように設けられた受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出する検出器と、
   を備え、
   前記電流制御器は、
   前記入力信号がオン状態のときにオン状態となって前記発光素子に電流が流れるように前記発光素子に直列に接続された制御用スイッチング素子と並列かつ前記発光素子と直列に接続された検出用スイッチング素子と、
   前記所定の周期でオン状態となるパルスを発生させるパルス発生器と、
   前記入力信号と前記パルスとの排他的論理和の結果を前記検出用スイッチング素子の制御端子に出力する論理回路と、
   を有し、
   前記検出器は、前記入力信号がオフ状態のときに前記受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合又は前記入力信号がオン状態のときに前記受光素子が前記所定の周期でオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出し、
   前記パルス発生器が発生させるパルスの継続時間よりも長い時定数を有し、前記受光素子の出力に接続された遅れ要素、
   を備えたことを特徴とする絶縁回路の健全性確認装置。
2. 絶縁回路に対する入力信号がオン状態のときに光を発するように設けられた発光素子に対し、前記入力信号がオフ状態のときに所定の周期で電流が流れるように制御する電流制御器と、
   前記所定の周期で前記発光素子に電流が流れている際に、前記発光素子が発する光を受けた際に導通するように設けられた受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合を前記発光素子の異常として検出する検出器と、
   を備え、
   前記電流制御器は、
   前記入力信号がオン状態のときにオン状態となって前記発光素子に電流が流れるように前記発光素子に直列に接続された制御用スイッチング素子と並列かつ前記発光素子と直列に接続された検出用スイッチング素子と、
   前記所定の周期でオン状態となるパルスを前記検出用スイッチング素子の制御端子に出力するパルス発生器と、
   を有し、
   前記検出器は、前記入力信号がオフ状態のときに前記受光素子が前記所定の周期以上継続してオフ状態となる場合又は前記入力信号がオン状態のときに前記受光素子が前記所定の周期でオン状態となる場合を前記発光素子の異常として検出し、
   前記パルス発生器が発生させるパルスの継続時間よりも長い時定数を有し、前記受光素子の出力に接続された遅れ要素、
   を備えたことを特徴とする絶縁回路の健全性確認装置。
3. 前記電流制御器は、前記発光素子の異常が検出された場合に、前記発光素子に流れる電流の値を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁回路の健全性確認装置。
4. 前記電流制御器は、前記発光素子の異常が検出された場合に、前記検出用スイッチング素子を閉じることを特徴とする請求項３記載の絶縁回路の健全性確認装置。
5. 前記電流制御器は、前記発光素子の異常が検出された場合に、前記発光素子にかかる電圧の値を大きくすることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の絶縁回路の健全性確認装置。

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