JP6149592B2

JP6149592B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP6149592B2
Application number: JP2013165305A
Authority: JP
Inventors: 悟朗中尾
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: JP2015035884A

Description

本発明は、突入電流が負荷回路に流れることを抑制する電源装置に関する。

従来より、電源装置において、電源投入時に発生する突入電流が負荷回路へ流れることを抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜４を参照）。

例えば、特許文献１には、電源の入力端子に、自己発熱により抵抗値が低下するサーミスタ（NTCサーミスタ）を用いることにより、電源投入時の大電流が出力側の回路に流れることを防止するDC-DC変換回路が示されている。しかし、この回路は、一旦電源をオフした後に、短時間で再度電源をオンにした場合、NTCサーミスタの温度が高くて抵抗値が低いことがあり、突入電流が負荷回路へ流れることを防止できないおそれがある。

また、特許文献２に開示された電源装置は、整流回路とコンデンサの間に設けられた突入防止回路が有する制限抵抗を流れる電流により生じる磁界を、ホール素子によって検出できるようにして、コンデンサの充電時に磁界が非検出の場合、及びコンデンサの定常時に磁界が検出された場合に突入防止回路の異常を検出する。

さらに、特許文献３に開示された突入電流防止回路は、電源への入力電流を制限する制限抵抗と、制限抵抗に並列接続されたリレー接点を有し、入力側の電圧が所定値以上になるまでは制限抵抗を介して電源に電流を供給し、所定値以上となった場合には制限抵抗を介さずに電源に電流を供給する。

特許文献２または３に開示された技術では、制限抵抗と並列に設けられたリレー回路が故障したときに、制限抵抗に電流が流れ続けることになり、制限抵抗が発熱したり、最悪の場合には、発火するおそれがある。

一方、特許文献４に開示された突入電流防止回路では、電流制限手段として温度上昇に伴って抵抗値が増加するPTCサーミスタが使用され、PTCサーミスタと直列にヒューズが接続される。そしてこの突入電流防止回路では、PTCサーミスタと並列に設けられたリレー接点が正常に閉じない時に負荷回路が短絡故障するとそのヒューズが溶断してPTCサーミスタの焼断が防止される。

特開２００５−３３９４０号公報特開２００８−２０６３６４号公報特開平８−６６５０号公報特開２００７−２６７４７３号公報

しかしながら、特許文献４に開示された技術では、リレー接点が正常に動作しない時に負荷回路が短絡故障していなければ、ヒューズ及びPTCサーミスタに流れる電流が少なく、ヒューズが溶断しない。そのため、PTCサーミスタに電流が流れ続けて発熱し、場合によっては、PTCサーミスタが発火するなど、電流制限回路が故障するおそれがある。

そこで、本発明は、突入電流が負荷回路へ流れることを防止するとともに、電流制限回路が故障することを防止できる電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、電源装置が提供される。この電源装置は、入力された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の正極側出力端子と一端で接続され、かつ、整流回路の負極側出力端子と他端で接続され、整流回路から出力された直流電圧を平滑化して負荷回路へ出力するコンデンサと、整流回路とコンデンサの間に接続され、電源装置及び負荷回路に流れる電流を制限する電流制限回路とを有する。この電源装置において、電流制限回路は、整流回路とコンデンサの間に接続され、発熱により抵抗値が増加する抵抗値可変素子と、整流回路とコンデンサの間に抵抗値可変素子と直列に接続される電流制御素子であって、電流制御端子を有し、電流制御端子に印加される電圧または流入する電流が低下すると電流制御素子及び抵抗値可変素子に流れる電流を少なくする電流制御素子と、抵抗値可変素子の両端子間電圧が基準電圧よりも高くなると、電流制御素子の電流制御端子に印加される電圧または流入する電流を、抵抗値可変素子の両端子間電圧が基準電圧以下のときよりも低下させる調節素子とを有することを特徴とする。

この電源装置において、調節素子は第１の端子、第２の端子及び第３の端子を有し、第１の端子は抵抗値可変素子の下流側の端子と接続され、第２の端子は抵抗可変素子の上流側の端子と接続され、第３の端子は電流制御素子の電流制御端子と接続される。そして調節素子は、第１の端子と第２の端子間の電圧が基準電圧よりも高くなると、第３の端子の電圧を、抵抗値可変素子の両端子間電圧が基準電圧以下のときよりも低下させることが好ましい。

また、この電源装置において、調節素子の第２の端子は抵抗可変素子の上流側の端子と第１の抵抗を介して接続され、かつ下流側の端子とも第２の抵抗を介してさらに接続されることが好ましい。

また、この電源装置において、整流回路とコンデンサの間に電流制限回路と並列に接続され、オンになると整流回路とコンデンサ間を短絡し、一方、オフになると整流回路とコンデンサ間を短絡しない短絡素子と、コンデンサの両端子間電圧が所定の電圧未満の場合、短絡素子をオフにし、一方、コンデンサの両端子間電圧が所定の電圧以上の場合、短絡素子をオンにする電圧検知回路とをさらに有することが好ましい。

本発明に係る電源装置は、突入電流が負荷回路へ流れることを防止するとともに、電流制限回路が故障することを防止できるという効果を奏する。

本発明の一つの実施形態に係る電源装置の概略構成図である。他の変形例による電源装置の概略構成図である。さらに他の変形例による電源装置の概略構成図である。さらに他の変形例による電源装置の概略構成図である。さらに他の変形例による電源装置の概略構成図である。

以下、本発明の一つの実施形態による電源装置を、図を参照しつつ説明する。この電源装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流回路によって直流電圧に変換し、平滑コンデンサを介して負荷回路へその直流電圧を供給する。そしてこの電源装置は、突入電流が負荷回路へ流れることを防止するための電流制限回路としてPTCサーミスタを利用するとともに、PTCサーミスタと直列に接続されたMOSFETと、PTCサーミスタの両端子間の電圧を入力とするシャントレギュレータとを有する。この電源装置では、電流制限回路と並列に接続され、通常時に電流制限回路の代わりに電流が流れる短絡素子に何らかの異常が発生して電流制限回路に電流が流れ続けてPTCサーミスタが発熱し、PTCサーミスタの両端子間の電圧が上昇すると、シャントレギュレータがMOSFETのゲート端子に印加される電圧を低下させる。これにより、MOSFET及びPTCサーミスタに流れる電流が抑制されるので、この電源装置は、PTCサーミスタが異常発熱して故障したり発火することを防止できる。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る電源装置の概略構成図である。図１に示されるように、電源装置１は、整流回路２と、平滑コンデンサ３と、電流制限回路４と、短絡素子５と、電圧検知回路６とを有する。

整流回路２は、交流電源８（例えば、商用交流電源）から入力された交流電圧を直流電圧に変換する。そのために、整流回路２は、例えば、図１に示されるように、ブリッジ型に接続された４個のダイオードを有する全波整流回路とすることができる。なお、整流回路２から出力される直流電圧は、脈流電圧となる。

平滑コンデンサ３は、その正極が整流回路２の正極側出力端子と接続され、一方、負極が電流制限回路４または短絡素子５を介して整流回路２の負極側出力端子と接続される。そして平滑コンデンサ３は、整流回路２から出力された脈流電圧を平滑化して、負荷回路７へ出力する。

電流制限回路４は、平滑コンデンサ３の負極と整流回路２の負極側出力端子との間に接続される。そして電流制限回路４は、突入電流が負荷回路７に流れることを防止するため、整流回路２への電力供給が開始されてから平滑コンデンサ３の両端子間電圧が、平滑化された直流電圧に相当する所定の電圧に達するまでの間、電源回路１及び負荷回路７に流れる電流を制限する。

そのために、電流制限回路４は、MOSFET４１と、PTCサーミスタ４２と、シャントレギュレータ４３とを有する。

MOSFET４１は、電流制御素子の一例であり、平滑コンデンサ３と整流回路２の負極側出力端子の間に接続され、MOSFET４１及びPTCサーミスタ４２に流れる電流を制御する。具体的に、MOSFET４１のドレイン端子は平滑コンデンサ３の負極と接続され、ソース端子はPTCサーミスタ４２の一端と接続される。そしてMOSFET４１の電流制御端子であるゲート端子は、抵抗Rを介して整流回路２の正極側出力端子と接続されるとともに、シャントレギュレータ４３のカソード端子と接続される。ゲート端子に印加される電圧が低下すると、MOSFET４１のドレイン端子とソース端子の間に流れる電流が少なくなる。そして、ゲート端子に印加される電圧が閾値電圧未満になると、MOSFET４１のドレイン端子とソース端子の間には、電流はほとんど流れなくなる。

PTCサーミスタ４２は、発熱により抵抗値が増加する抵抗値可変素子の一例であり、平滑コンデンサ３と整流回路２の負極側出力端子の間に、MOSFET４１と直列に接続される。すなわち、PTCサーミスタ４２の上流側の一端は、上記のように、MOSFET４１のソース端子と接続され、一方、PTCサーミスタ４２の下流側の他端は、整流回路２の負極側出力端子と接続される。したがって、負荷回路７から帰還する電流が電流制限回路４を流れる場合には、その電流はMOSFET４１→PTCサーミスタ４２→整流回路２の順に流れる。

シャントレギュレータ４３は、PTCサーミスタ４２の両端子間電圧が所定の基準電圧よりも高くなると、電流制御素子の電流制御端子の電圧を、PTCサーミスタ４２の両端子間電圧がその基準電圧以下のときよりも低くする調節素子の一例である。そのために、シャントレギュレータ４３のリファレンス端子は、MOSFET４１とPTCサーミスタ４２の間に接続され、一方、シャントレギュレータ４３のアノード端子は、PTCサーミスタ４２と整流回路２の負極側出力端子の間に接続される。そして上記のように、シャントレギュレータ４３のカソード端子は、MOSFET４１のゲート端子に接続される。

短絡素子５は、電流制限回路４のMOSFET４１及びPTCサーミスタ４２と並列に、平滑コンデンサ３の負極と整流回路２の負極側出力端子の間に接続される。そして短絡素子５は、平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧以上になったときに、電圧検知回路６からの制御信号に応じてオンとなり、平滑コンデンサ３の負極と整流回路２の負極側出力端子間を短絡し、電源回路１及び負荷回路７に流れる電流が電流制限回路４を経由せずに流れるようにする。一方、平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧未満の間は、電圧検知回路６からの制御信号に応じてオフとなり、平滑コンデンサ３の負極と整流回路２の負極側出力端子間を短絡せず、短絡素子４自体に電流が流れないようにする。なお、短絡素子５として、例えば、リレー素子またはMOSFETを用いることができる。

電圧検知回路６は、平滑コンデンサ３の両端子間電圧を測定し、その両端子間電圧が上記の所定の電圧以上になると短絡素子４に対してオンとなる制御信号を出力し、一方、平滑コンデンサ３の両端子間電圧がその所定の電圧未満の場合には、短絡素子４に対してオフとなる制御信号を出力する。そのために、電圧検知回路６は、例えば、その所定の電圧を出力する回路と、その回路から出力された電圧と平滑コンデンサ３の両端子間電圧とを入力とし、平滑コンデンサ３の両端子間電圧がその所定の電圧以上となったときとその所定の電圧未満のときとで異なる電圧を出力するコンパレータと同様な機能の回路を有する。

以下、電源装置１の動作の詳細について説明する。

最初に、電源装置１及び負荷回路７に異常がない場合における、電源装置１の動作を説明する。整流回路２に交流電圧を供給する交流電源８がオンにされてから、平滑コンデンサ３が十分に充電されて平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧に達するまでの間、電圧検知回路６は、短絡素子５をオフにするので、電源装置１及び負荷回路７を流れる直流電流は、電流制限回路４を経由する。そのため、電源投入時に突入電流が生じても、その突入電流は、電流制限回路４のPTCサーミスタ４２を経由するので、電源装置１は、負荷回路７及び電源装置１に大きな電流が流れることを防止できる。

平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧以上となると、電圧検知回路６は、そのことを検知して、短絡素子５にオンとなる制御信号を出力する。そのため、その両端子間電圧がその所定の電圧に達した後、短絡素子５がオンとなり、電源装置１及び負荷回路７を流れる電流は、電流制限回路４を経由する代わりに、短絡素子５を経由して流れるようになる。そのため、電源装置１による電力消費が抑制される。

次に、短絡素子５に何らかの異常が発生し、短絡素子５を経由して電流が流れなくなった場合について説明する。
この場合、平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧以上となり、電圧検知回路６が短絡素子５をオンにする制御信号を出力しても、直流電流は電流制限回路４を経由して流れ続けることになる。その結果、PTCサーミスタ４２が発熱すると、PTCサーミスタ４２の抵抗値が大きくなるので、PTCサーミスタ４２による電圧降下が大きくなる。すなわち、PTCサーミスタ４２の両端子間電圧が高くなる。PTCサーミスタ４２の両端子間電圧が高くなると、シャントレギュレータ４３のアノード端子とリファレンス端子間の電圧も高くくなる。そしてPTCサーミスタ４２の両端子間の電圧がシャントレギュレータ４３の基準電圧を超えると、シャントレギュレータ４３のカソード端子の電圧、すなわち、MOSFET４１のゲート端子に印加される電圧が低下する。その結果として、MOSFET４１及びPTCサーミスタ４２に流れる電流が少なくなる。場合によっては、MOSFET４１のゲート端子に印加される電圧が低下して、MOSFET４１の閾値電圧よりも低くなると、MOSFET４１及びPTCサーミスタ４２にはほとんど電流が流れなくなる。したがって、PTCサーミスタ４２の発熱が抑制される。

以上に説明してきたように、この電源装置は、上述した構成を有することにより、短絡素子に何らかの異常が発生して電流制限回路のPTCサーミスタに電流が流れ続けてPTCサーミスタが発熱するとPTCサーミスタに流れる電流が抑制される。そのため、この電源装置は、短絡素子に異常が発生しても、電流制限回路が発熱して故障したり、発火することを防止できる。

また、MOSFET４１及びPTCサーミスタ４２に流れる電流の最大値は、PTCサーミスタ４２の抵抗値とシャントレギュレータ４２の基準電圧により任意に設定することができる。そのため、PTCサーミスタ４２の抵抗値とシャントレギュレータ４２の基準電圧を適切に設定することで、PTCサーミスタ４２として、定格の小さいPTCサーミスタを利用できる。同様に、PTCサーミスタ４２の抵抗値とシャントレギュレータ４２の基準電圧を適切に設定することで、MOSFET４１の特性に合わせてMOSFET４１をその安全動作領域内で動作させることができるので、MOSFET４１として定格の小さいMOSFETを利用できる。定格の小さいPTCサーミスタまたはMOSFETを利用することにより、この電源装置は小型化できる。

なお、変形例によれば、電流制御素子として、MOSFETの代わりにバイポーラトランジスタが使用されてもよい。
図２は、この変形例による電源装置の概略構成図である。この変形例では、電流制限回路の構成のみが上記の実施形態と異なるので、以下では、電流制限回路について説明する。電源装置の他の構成要素に関しては、上記の実施形態の対応する構成要素の説明を参照されたい。

この変形例では、MOSFET４１の代わりに、NPN型のバイポーラトランジスタ４１’が使用される。バイポーラトランジスタ４１’の電流制御端子であるベース端子にシャントレギュレータ４３のカソード端子が接続され、コレクタ端子に平滑コンデンサ３の負極が接続される。そしてそのバイポーラトランジスタ４１’のエミッタ端子にPTCサーミスタ４２の一端が接続される。バイポーラトランジスタ４１’では、ベース端子に流入する電流が少なくなると、コレクタ端子とエミッタ端子の間に流れる電流が少なくなる。

この変形例では、PTCサーミスタ４２が発熱してPTCサーミスタ４２による電圧降下が大きくなり、PTCサーミスタ４２の両端子間の電圧がシャントレギュレータ４３の基準電圧を超えると、バイポーラトランジスタ４１’のベース端子に流れる電流が少なくなる。そのため、バイポーラトランジスタ４１’及びPTCサーミスタ４２に流れる電流も少なくなる。

また他の変形例によれば、調節素子として、シャントレギュレータの代わりに、バイポーラトランジスタが使用されてもよい。

図３は、この変形例による電源装置の概略構成図である。この変形例でも、電流制限回路の構成のみが上記の実施形態と異なるので、以下では、電流制限回路について説明する。電源装置の他の構成要素に関しては、上記の実施形態の対応する構成要素の説明を参照されたい。
この変形例では、シャントレギュレータの代わりに使用されるバイポーラトランジスタ４３’のベース端子は、MOSFET４１とPTCサーミスタ４２の上流側の一端間に接続され、エミッタ端子は、PTCサーミスタ４２の下流側の他端と整流回路２の負極側出力端子間に接続される。そしてコレクタ端子は、MOSFET４１のゲート端子と、抵抗Rを介して整流回路２の正極側出力端子とに接続される。この変形例では、PTCサーミスタ４２の発熱が小さく、PTCサーミスタ４２の抵抗値が小さい間、バイポーラトランジスタ４３’のコレクタ端子とエミッタ端子間には電流はほとんど流れず、比較的高い電圧がMOSFET４１のゲート端子に印加される。

一方、短絡素子５の異常によってPTCサーミスタ４２が発熱し、PTCサーミスタ４２の両端子間電圧が基準電圧よりも高くなると、すなわち、バイポーラトランジスタ４３’のベース端子に印加される電圧が基準電圧よりも高くなると、抵抗R及びバイポーラトランジスタ４３’を介して電流が流れる。その結果としてMOSFET４１のゲート端子に印加される電圧が低下するので、MOSFET４１及びPTCサーミスタ４２を流れる電流も少なくなる。
なお、この変形例においても、MOSFET４１の代わりにバイポーラトランジスタが使用されてもよい。

図４は、さらに他の変形例による電源装置の概略構成図である。この変形例でも、電流制限回路の構成のみが上記の実施形態と異なるので、以下では、電流制限回路について説明する。電源装置の他の構成要素に関しては、上記の実施形態の対応する構成要素の説明を参照されたい。
この変形例では、シャントレギュレータ４３のリファレンス端子は、PTCサーミスタ４２の両端子と、それぞれ、抵抗R1、R2を介して接続される。そのため、シャントレギュレータ４３のリファレンス端子に入力される電圧は、PTCサーミスタ４２の両端子間電圧を抵抗R1、R2によって分圧した値となる。これにより、シャントレギュレータ４３のリファレンス端子に入力される電圧と、アノード端子に入力される電圧の差に対して、PTCサーミスタの両端子間電圧を大きくすることができる。また、抵抗R1とR2を適切に調節することで、リファレンス端子に入力される電圧と、アノード端子に入力される電圧の差に対する、PTCサーミスタの両端子間電圧の比を調節できる。したがって、この変形例では、PTCサーミスタに印加される電圧を任意に設定できる。
なお、この変形例においても、図２または図３に示された変形例のように、シャントレギュレータ４３及びMOSFET４１の何れか一方または両方の代わりに、バイポーラトランジスタが使用されてもよい。

図５は、さらに他の変形例による電源装置の概略構成図である。この変形例では、電流制限回路４及び短絡素子５は、整流回路２の正極側出力端子と平滑コンデンサ３の正極側端子との間に並列に接続される。この変形例でも、電圧検知回路６は平滑コンデンサ３の両端子間電圧を検出する。そして平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧に達するまでは、電圧検知回路６は短絡素子５をオフにし、一方、平滑コンデンサ３の両端子間電圧が所定の電圧以上になると電圧検知回路６は短絡素子５をオンにする。そして短絡素子５に何らかの異常が発生して電流制限回路４に電流が流れ続けることにより、PTCサーミスタ４２が発熱したとする。この場合、PTCサーミスタ４２の抵抗増加によって電圧降下が大きくなり、バイポーラトランジスタ４３’のベース端子に印加される電圧が基準電圧よりも高くなる。その結果、バイポーラトランジスタ４３’を電流が流れて、バイポーラトランジスタ４１’のベース端子に流れる電流が少なくなる。そのため、バイポーラトランジスタ４１’及びPTCサーミスタ４２に流れる電流が少なくなる。
なお、この変形例においても、バイポーラトランジスタ４１’の代わりにMOSFETが使用されてもよく、バイポーラトランジスタ４３’の代わりにシャントレギュレータが使用されてもよい。

上記の実施形態または変形例による電源装置は、弾球遊技機または回胴遊技機といった遊技機に搭載されてもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１電源装置
２整流回路
３平滑コンデンサ
４電流制限回路
４１ MOSFET
４１’ バイポーラトランジスタ
４２ PTCサーミスタ
４３シャントレギュレータ
４３’ バイポーラトランジスタ
５短絡素子
６電圧検知回路
７負荷回路
８交流電源

Claims

電源装置であって、
入力された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路の正極側出力端子と一端で接続され、かつ、前記整流回路の負極側出力端子と他端で接続され、前記整流回路から出力された直流電圧を平滑化して負荷回路へ出力するコンデンサと、
前記整流回路と前記コンデンサの間に接続され、前記電源装置及び前記負荷回路に流れる電流を制限する電流制限回路と、
を有し、
前記電流制限回路は、
前記整流回路と前記コンデンサの間に接続され、発熱により抵抗値が増加する抵抗値可変素子と、
前記整流回路と前記コンデンサの間に前記抵抗値可変素子と直列に接続される電流制御素子であって、電流制御端子を有し、前記電流制御端子に印加される電圧または流入する電流が低下すると当該電流制御素子及び前記抵抗値可変素子に流れる電流を少なくする電流制御素子と、
前記抵抗値可変素子の両端子間電圧が基準電圧よりも高くなると、前記電流制御素子の前記電流制御端子に印加される電圧または流入する電流を、前記抵抗値可変素子の両端子間電圧が前記基準電圧以下のときよりも低下させる調節素子と、
を有することを特徴とする電源装置。
前記調節素子は第１の端子、第２の端子及び第３の端子を有し、該第１の端子は前記抵抗値可変素子の下流側の端子と接続され、該第２の端子は前記抵抗可変素子の上流側の端子と接続され、前記第３の端子は前記電流制御素子の前記電流制御端子と接続され、前記第１の端子と前記第２の端子間の電圧が前記基準電圧よりも高くなると、前記第３の端子の電圧を前記抵抗値可変素子の両端子間電圧が前記基準電圧以下のときよりも低下させる、請求項１に記載の電源装置。
前記調節素子の前記第２の端子は前記抵抗可変素子の上流側の端子と第１の抵抗を介して接続され、かつ前記下流側の端子と第２の抵抗を介して接続される、請求項２に記載の電源装置。
前記整流回路と前記コンデンサの間に前記電流制限回路と並列に接続され、オンになると前記整流回路と前記コンデンサを短絡し、一方、オフになると前記整流回路と前記コンデンサ間を短絡しない短絡素子と、
前記コンデンサの両端子間電圧が所定の電圧未満の場合、前記短絡素子をオフにし、一方、前記コンデンサの両端子間電圧が前記所定の電圧以上の場合、前記短絡素子をオンにする電圧検知回路とをさらに有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の電源装置。