JP7368959B2 - 電源装置および電子機器 - Google Patents
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Description
交流電源からの電源ラインに接続された電源回路と、
前記電源ラインに印加された第二動作電圧以上のサージ電圧を低減することで前記電源回路を保護する保護回路と、
前記保護回路に対して並列に接続され、前記第二動作電圧よりも小さい第一動作電圧以上のサージ電圧を検出する第一検出回路と、
前記サージ電圧に応じた警告を出力する警告手段と、
を有し、
前記第一検出回路は、
前記電源ラインに前記第一動作電圧以上の前記サージ電圧が印加されている場合に低抵抗になり、前記電源ラインに前記第一動作電圧以上のサージ電圧が印加されていない場合に高抵抗になる第一サージ吸収手段と、
前記第一検出回路により検出された前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上の場合に前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上であることを示す検出信号を出力する検出手段と、
を有し、
前記警告手段は、
前記検出手段から前記検出信号が出力された回数をカウントする第一カウント手段を有し、前記第一カウント手段によりカウントされた回数が所定値に達すると警告を出力し、
前記保護回路は、
前記電源ラインに前記第二動作電圧以上のサージ電圧が印加されている場合に低抵抗になり、前記電源ラインに前記第二動作電圧以上のサージ電圧が印加されていない場合に高抵抗になる第二サージ吸収手段を有することを特徴とする電源装置を提供する。
<電子機器および電源装置>
図1は商用電源101に接続された電子機器100を示している。電子機器100は、たとえば、画像形成装置である。電子機器100は商用電源101から供給された交流に基づき動作する。電子機器100は、商用電源101と接続された二本の電源ラインを有し、そのうちの一方はライブラインLと呼ばれ、他方はニュートラルラインNと呼ばれる。ADC105は、商用電源101から供給された交流を変換して直流を生成する電源回路である。ADCはAC/DCコンバータの略称である。負荷103はADC105から直流を供給されて動作する。負荷103は、たとえば、画像形成エンジンにおけるモータや高圧発生器、表示装置108、通信回路109であってもよい。コントローラ104もADC105から直流を供給されて動作し、負荷103を制御する。
図2は、サージ検出装置を示す回路図である。図2によれば、サージ検出装置106は、サージ検出回路201a、サージ報告回路202a、およびサージ保護回路(サージ吸収素子203)を有している。サージ検出回路201aは、ライブラインLとニュートラルラインNとの間に接続されている。サージ検出回路201aは、それぞれ直列に接続されたサージ吸収素子204と、フォトカプラ205aの発光部206aと、抵抗207とを有している。フォトカプラ205aは一次側と二次側とを絶縁する光結合素子である。発光部206aは二つの発光素子(例:発光ダイオード)を有している。二つの発光素子は逆並列接続されている。つまり、第一発光素子のアノードに第二発光素子のカソードが接続され、かつ、第二発光素子のアノードに第一発光素子のカソードが接続されている。これにより、サージ電圧の極性に依存することなく、サージ電圧によって発光部206aが発光する。なお、サージ吸収素子204、発光部206a、および抵抗207の接続順番はどのような順番であってもよい。
図3(A)は商用電源101の電圧VACの変化を示している。縦軸は電圧を示す。横軸は時間を示す。サージ検出装置106の両端電圧はVABである。点線はサージ電圧が発生していないときの電圧VACの波形を示す。図3(B)はコントローラ104の入力ポートに印加される電圧VC1を示している。縦軸は電圧を示す。横軸は時間を示す。以下では、第一期間(0<t<t1)、第二期間(t1≦t≦t2)、第三期間(t2<t<t3)、第四期間(t3≦t≦t4)ごとにサージ検出装置106の動作が説明される。
第一期間では、サージ電圧が発生していない。そのため、商用電源101の電圧VACがサージ吸収素子204の第一動作電圧V1およびサージ吸収素子203の第二動作電圧V2を超えていない。電圧VACがサージ吸収素子204の第一動作電圧V1を超えていないため、サージ吸収素子204の抵抗値は高抵抗値である。したがって、フォトカプラ205aの発光部206aにサージ電流が流れず、フォトカプラ205aの受光部208aはオフとなる。その結果、入力ポートに印加される電圧VC1は抵抗209aによってプルダウンされて0[V]となる。
第二期間では、商用電源101に外来サージが印加される。そのため、商用電源101の電圧VACがサージ吸収素子204の第一動作電圧V1以上となり、かつ、サージ吸収素子203の第二動作電圧V2未満となっている。つまり、サージ電圧は、第一動作電圧V1以上であり、かつ、第二動作電圧V2未満である。
(1)式で、フォトカプラ205aの発光部206aの順方向電圧による電圧降下は、サージ吸収素子204の第一動作電圧V1に比べて、無視できるほど小さい。そのため、発光部206aに起因した電圧降下の成分は(1)式から除外されている。
●第三期間[t2<t<t3]
第三期間は、商用電源101の電圧VACがサージ吸収素子204の第一動作電圧V1およびサージ吸収素子203の第二動作電圧V2を超えていない。つまり、第三期間はサージ電圧が発生していない期間である。したがって、第三期間におけるサージ検出装置106の動作は、第一期間におけるサージ検出装置106の動作と同様である。
第四期間は、商用電源101に外来サージが印加されているため、商用電源101の電圧VACがサージ吸収素子204の第一動作電圧V1およびサージ吸収素子203の第二動作電圧V2以上となっている。つまり、第一動作電圧V1と第二動作電圧V2よりも大きなサージ電圧がサージ検出装置106に印加されている。
= VAC - R × ISURGE ・・・(2)
サージ吸収素子203が動作することで、サージ検出装置106の両端電圧VABはサージ吸収素子203の第二動作電圧V2に制限される。これにより、サージ検出装置106後段に位置する電源回路(ADC105)が外来サージから保護される。
図5はコントローラ104のCPU410により実行される制御方法を示すフローチャートである。
・S501でCPU410はサージ検出信号VE1のレベルがHighであるかを判定する。サージ検出信号VE1のレベルがHighである場合、CPU410は処理をS502に進める。サージ検出信号VE1のレベルがHighでない場合、CPU410は処理をS503に進める。
・S502でCPU410はメモリ420に保持されている回数Xに1を加算する。
・S503でCPU410は回数Xが閾値H以上であるかどうかを判定する。閾値Hは電源回路の交換が推奨される回数であり、シミュレーションまたは実験により予め求められる。回数Xが閾値H以上であれば、CPU410は処理をS504に進める。回数Xが閾値H未満であれば、CPU410は処理をS501に進める。
・S504でCPU410は警告を出力する。たとえば、CPU410は表示装置108に警告メッセージを表示させてもよい。CPU410は、通信回路109を制御し、所定のネットワークアドレスに警告メッセージを送信させてもよい。警告メッセージには、電源装置102の交換を促すようなメッセージが含まれている。
図6に示された実施例2のサージ検出装置106は、実施例1のサージ検出装置106と比較して、サージ検出回路201bとサージ報告回路202bが追加されている。サージ検出回路201bが第二動作電圧V2以上のサージ電圧を検出すると、サージ報告回路202bがコントローラ104に検出信号VE2を出力する。これによりコントローラ104は第二動作電圧V2以上のサージ電圧が発生したことを認識できる。つまり、コントローラ104は、大きなサージ電圧と小さなサージ電圧とを区別できるようになる。実施例2において実施例1と共通する部分には同一の参照符号が付与され、その説明は省略される。
図7(A)は商用電源101の電圧VACの変化を示している。縦軸は電圧を示す。横軸は時間を示す。サージ検出装置106の両端電圧はVABである。点線はサージ電圧が発生していないときの電圧VACの波形を示す。図7(B)はコントローラ104の入力ポートに印加される電圧VC1を示している。縦軸は電圧を示す。図7(C)はコントローラ104の入力ポートに印加される電圧VC2を示している。縦軸は電圧を示す。以下では、第一期間(0<t<t1)、第二期間(t1≦t≦t2)、第三期間(t2<t<t3)、第四期間(t3≦t≦t4)ごとにサージ検出装置106の動作が説明される。
第一期間では、商用電源101の電圧VACが第一動作電圧V1および第二動作電圧V2未満である。つまり、第一期間ではサージ電圧が発生していない。したがって、サージ検出信号VE1のレベルおよびサージ検出信号VE2のレベルはいずれもLowレベルとなる。
図7(A)が示すように第二期間では、第一動作電圧V1以上で、かつ、第二動作電圧V2未満のサージ電圧が発生している。第二期間ではサージ検出信号VE1のレベルがHighとなるが、サージ検出信号VE2のレベルはLowレベルとなる。
●第三期間[t2<t<t3]
第三期間では、商用電源101の電圧VACが第一動作電圧V1および第二動作電圧V2未満である。つまり、第三期間ではサージ電圧が発生していない。したがって、サージ検出信号VE1のレベルおよびサージ検出信号VE2のレベルはいずれもLowレベルとなる。
第四期間では、第一動作電圧V1を超えるサージ電圧が発生している。そのため、サージ検出信号VE2のレベルはHighレベルとなる。さらに、時刻t3'から時刻t4'までの期間では、サージ電圧が第二動作電圧V2以上となっている。そのため、サージ検出信号VE2のレベルもHighレベルとなる。時刻t3'から時刻t4'までの期間では、サージ吸収素子203がサージ電圧を吸収し、サージ吸収素子203にかかる電圧を第二動作電圧V2でクランプする。したがって、両端電圧VABが第二動作電圧V2に維持される。
図9はコントローラ104のCPU410により実行される制御方法を示すフローチャートである。ここでは、図4(B)に示されたCPU410により、図8に示された機能が実現されるものとする。
・S901でCPU410はサージ検出信号VE2のレベルがHighであるかを判定する。サージ検出信号VE2のレベルがHighである場合、CPU410は処理をS902に進める。サージ検出信号VE2のレベルがHighでない場合、CPU410は処理をS903に進める。
・S902でCPU410はメモリ420に保持されている回数Xに1を加算するとともに、回数Yにも1を加算する。その後、CPU410は処理をS905に進める。
・S903でCPU410はサージ検出信号VE1のレベルがHighであるかを判定する。サージ検出信号VE1のレベルがHighである場合、CPU410は処理をS904に進める。サージ検出信号VE1のレベルがHighでない場合、CPU410は処理をS905に進める。
・S904でCPU410はメモリ420に保持されている回数Xに1を加算する。
・S905でCPU410は回数Yにメモリ420に保持されている重み係数kを乗算して積kYを演算するとともに、差(X-Y)に重み係数wを乗算して積w(X-Y)を演算する。X-Yは上述されたZのことである。さらに、CPU410は積kYと積w(X-Y)を加算して和Nを演算する。
・S906でCPU410は和Nが閾値H以上であるかどうかを判定する。閾値Hは電源回路の交換が推奨される回数であり、シミュレーションは実験により予め求められる。和Nが閾値H以上であれば、CPU410は処理をS907に進める。和Nが閾値H未満であれば、CPU410は処理をS901に進める。
・S907でCPU410は警告を出力する。たとえば、CPU410は表示装置108に警告メッセージを表示させてもよい。CPU410は、通信回路109を制御し、所定のネットワークアドレスに警告メッセージを送信させてもよい。警告メッセージには、電源装置102の交換を促すようなメッセージが含まれている。
実施例1ではサージ検出回路201aとサージ報告回路202aとからなる一つのペアにより比較的に小さなサージ電圧が検出されている。実施例2ではサージ検出回路201aとサージ報告回路202aとからなるペアとサージ検出回路201bとサージ報告回路202bとからなるペアとにより二種類のサージ電圧が検出されている。図10が示すように、サージ検出回路201とサージ報告回路202とからなるペアの数は3以上であってもよい。この場合、各サージ検出回路201に含まれるサージ吸収素子の動作電圧をそれぞれ異ならしめることで、より多くの種類のサージ電圧を検出することが可能となる。なお、3つ以上のペアが並列接続されることが前提である。図10ではN個あるペアのうちN個目のペアはサージ検出回路201nとサージ報告回路202nとにより形成されている。Nは3以上の整数である。
レベル1: 第一動作電圧V1以上かつ第二動作電圧V2未満
レベル2: 第二動作電圧V2以上かつ第三動作電圧V3未満
レベル3: 第三動作電圧V3以上かつ第四動作電圧V4未満
レベル4: 第四動作電圧V4以上。
[観点1]
図1が示すようにADC105は二本の電源ラインに接続された電源回路の一例である。サージ吸収素子203は二本の電源ラインに印加されたサージ電圧を低減することで電源回路を保護する保護回路として機能する。サージ検出回路201aは保護回路に対して並列に接続され、サージ電圧を検出する第一検出回路の一例である。
図2などが示すように、抵抗207は、サージ電圧に起因したサージ電流が第一検出回路に流れることを制限する電流制限手段として機能する。二本の電源ラインの間において、第一サージ吸収手段と、検出手段(例:発光部206a)と、電流制限手段とが直列に接続されていてもよい。これにより、サージ電流から検出手段が保護されるようになる。
(1)式が示すように、電流制限手段の抵抗値は、第二動作電圧と第一動作電圧との差分を、検出手段の一次側の定格電流で除算して得られる商よりも大きい。これにより、サージ電流から検出手段が適切に保護されるようになる。
検出手段は、フォトカプラまたはカレントトランスであってもよい。これにより、サージ電圧が印加される一次側回路と、コントローラ104などが存在する二次側回路とを絶縁することが可能となる。
第一サージ吸収手段(例:サージ吸収素子204)はバリスタであってもよい。バリスタは市場において入手しやすい。そのため、第一サージ吸収手段としてバリスタを採用することで、本発明を実現しやすくなるだろう。
第二サージ吸収手段(例:サージ吸収素子203)はバリスタであってよい。バリスタは市場において入手しやすい。そのため、第二サージ吸収手段としてバリスタを採用することで、本発明を実現しやすくなるだろう。
図6などが示すように、保護回路に対して並列に接続され、第二動作電圧以上のサージ電圧を検出すると検出信号を出力する第二検出回路(例:フォトカプラ205b)をさらに有してもよい。これにより、コントローラ104は大きなサージ電圧と小さなサージ電圧とを区別できるようになろう。
第二検出回路(例:フォトカプラ205bの発光部206b)は、二本の電源ラインの間において第二サージ吸収手段に対して直列に接続されていてもよい。これにより、第二サージ吸収手段の動作電圧であるV2よりも大きなサージ電圧が印加されると、第二検出回路にサージ電流が流れるようになる。つまり、第二検出回路は、サージ電流が流れるとサージ検出信号VE2を生成してもよい。
抵抗606およびツェナーダイオード対605は、第二検出回路に対して並列に接続され、第二動作電圧以上のサージ電圧によって発生するサージ電流から第二検出回路を保護する保護手段として機能する。これにより、第二検出回路(例:フォトカプラ205bの発光部206b)をサージ電流から保護しやすくなる。
保護手段は、第二検出回路に対して並列に接続された電流制限素子(例:抵抗606)と、第二検出回路に対して並列に接続された二つのツェナーダイオード(例:ツェナーダイオード対605)とを有してもよい。図6が示すように、二つのツェナーダイオードのうち第一ダイオードのアノードに対して第二ダイオードのアノードが接続されている。これにより、サージ電圧の極性によらず、第二検出回路が保護されるようになる。
第二検出回路は、フォトカプラまたはカレントトランスであってもよい。これにより、サージ電圧が印加される一次側回路と、コントローラ104などが存在する二次側回路とを絶縁することが可能となる。
CPU410やカウンタ401は、検出手段から検出信号が出力された回数をカウントするカウント手段として機能する。CPU410や判定回路402はカウント手段によりカウントされた回数が閾値以上かどうかを判定する判定手段として機能してもよい。CPU410や警告回路403はカウント手段によりカウントされた回数が閾値以上になると警告を出力する警告手段として機能する。これにより、ユーザはサージの発生について注意しやすくなろう。
図8が示すように、CPU410や第一カウンタ801、減算回路803は、検出手段から検出信号が出力された回数をカウントする第一カウント手段として機能してもよい。CPU410や第二カウンタ802は第二検出回路から検出信号が出力された回数をカウントする第二カウント手段として機能してもよい。CPU410や判定回路402、警告回路403は、第一カウント手段のカウント値と第二カウント手段のカウント値とが所定の警告条件を満たすと警告を出力する警告手段として機能してもよい。
CPU410や第一乗算回路805は、第一カウント手段のカウント値に第一重み係数を乗算することで第一の積を求める第一乗算手段として機能してもよい。CPU410や第二乗算回路806は、第二カウント手段のカウント値に、第一重み係数よりも大きな第二重み係数を乗算することで第二の積を求める第二乗算手段として機能してもよい。CPU410や加算回路807は、第一の積と第二の積との和を求める加算手段として機能してもよい。CPU410や判定回路402は第一の積と第二の積との和が閾値以上かどうかを判定する判定手段として機能してもよい。所定の警告条件は、第一の積と第二の積との和が閾値以上であってもよい。これにより、小さなサージ電圧と大きなサージ電圧との両方を考慮して警告が出力されるようになる。
警告は、電源回路の交換を促す情報または電源回路が複数のサージ電圧を印加されたことを示す情報を含んでもよい。これにより、古い電源回路が故障する前に、古い電源回路が新しい電源回路に交換されるようになろう。その結果、電源装置や電子機器のダウンタイムが削減されよう。
警告手段は、警告を表示する表示手段(例:表示装置108)を含んでもよい。これによりユーザは視覚的に警告を理解できるようになろう。
警告手段は、警告を所定のネットワークアドレスに送信する送信手段(例:通信回路109)を含んでもよい。これにより、遠隔地にいるユーザや管理者が警告に気づきやすくなろう。
Claims (17)
- 交流電源からの電源ラインに接続された電源回路と、
前記電源ラインに印加された第二動作電圧以上のサージ電圧を低減することで前記電源回路を保護する保護回路と、
前記保護回路に対して並列に接続され、前記第二動作電圧よりも小さい第一動作電圧以上のサージ電圧を検出する第一検出回路と、
前記サージ電圧に応じた警告を出力する警告手段と、
を有し、
前記第一検出回路は、
前記電源ラインに前記第一動作電圧以上の前記サージ電圧が印加されている場合に低抵抗になり、前記電源ラインに前記第一動作電圧以上のサージ電圧が印加されていない場合に高抵抗になる第一サージ吸収手段と、
前記第一検出回路により検出された前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上の場合に前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上であることを示す検出信号を出力する検出手段と、
を有し、
前記警告手段は、
前記検出手段から前記検出信号が出力された回数をカウントする第一カウント手段を有し、前記第一カウント手段によりカウントされた回数が所定値に達すると警告を出力し、
前記保護回路は、
前記電源ラインに前記第二動作電圧以上のサージ電圧が印加されている場合に低抵抗になり、前記電源ラインに前記第二動作電圧以上のサージ電圧が印加されていない場合に高抵抗になる第二サージ吸収手段を有することを特徴とする電源装置。 - 前記サージ電圧に起因したサージ電流が前記第一検出回路に流れることを制限する電流制限手段をさらに有し、
前記電源ラインのライブラインとニュートラルラインとの間において、前記第一サージ吸収手段と、前記検出手段と、前記電流制限手段とが直列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記電流制限手段の抵抗値は、前記第二動作電圧と前記第一動作電圧との差分を、前記検出手段の一次側の定格電流で除算して得られる商よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
- 前記検出手段は、フォトカプラまたはカレントトランスであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記第一サージ吸収手段はバリスタであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記第二サージ吸収手段はバリスタであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記第二動作電圧以上のサージ電圧を検出すると第二検出信号を出力する第二検出回路をさらに有することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記第二検出回路は、前記電源ラインの前記ライブラインと前記ニュートラルラインとの間において前記第二サージ吸収手段に対して直列に接続されていることを特徴とする、請求項2を引用する請求項7に記載の電源装置。
- 前記第二検出回路に対して並列に接続され、前記第二動作電圧以上のサージ電圧によって発生するサージ電流から前記第二検出回路を保護する第二保護手段をさらに有することを特徴とする請求項7または8に記載の電源装置。
- 前記第二保護手段は、
前記第二検出回路に対して並列に接続された電流制限素子と、
前記第二検出回路に対して並列に接続された二つのツェナーダイオードと、を有し、
前記二つのツェナーダイオードのうち第一ダイオードのアノードに対して第二ダイオードのアノードが接続されていることを特徴とする請求項9に記載の電源装置。 - 前記第二検出回路は、フォトカプラまたはカレントトランスであることを特徴とする請求項7ないし10のいずれか一項に記載の電源装置。
- 交流電源からの電源ラインに接続された電源回路と、
前記電源ラインに印加された第二動作電圧以上のサージ電圧を低減することで前記電源回路を保護する保護回路と、
前記保護回路に対して並列に接続され、前記第二動作電圧よりも小さい第一動作電圧以上のサージ電圧を検出する第一検出回路と、
前記第二動作電圧以上のサージ電圧を検出すると第二検出信号を出力する第二検出回路と、
前記サージ電圧に応じた警告を出力する警告手段と、
を有し、
前記第一検出回路は、
前記電源ラインに前記第一動作電圧以上の前記サージ電圧が印加されている場合に低抵抗になり、前記電源ラインに前記第一動作電圧以上のサージ電圧が印加されていない場合に高抵抗になる第一サージ吸収手段と、
前記第一検出回路により検出された前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上の場合に前記サージ電圧が前記第一動作電圧以上であることを示す第一検出信号を出力する検出手段と、
を有し、
前記警告手段は、
前記検出手段から前記第一検出信号が出力された回数をカウントする第一カウント手段と
前記第二検出回路から前記第二検出信号が出力された回数をカウントする第二カウント手段を更に有し、
前記第一カウント手段のカウント値と前記第二カウント手段のカウント値とが所定の警告条件を満たすと警告を出力することを特徴とする請求項7ないし11のいずれか一項に記載の電源装置。 - 前記警告手段は、
前記第一カウント手段のカウント値に第一重み係数を乗算することで第一の積を求める第一乗算手段と、
前記第二カウント手段のカウント値に、前記第一重み係数よりも大きな第二重み係数を乗算することで第二の積を求める第二乗算手段と、
前記第一の積と前記第二の積との和を求める加算手段と、を更に有し、
前記所定の警告条件は、前記第一の積と前記第二の積との和が所定値以上であることであることを特徴とする請求項12に記載の電源装置。 - 前記警告は、前記電源回路の交換を促す情報または前記電源回路が複数のサージ電圧を印加されたことを示す情報を含むことを特徴とする請求項1、12、および13のいずれか一項に記載の電源装置。
- 前記警告手段は、前記警告を表示する表示手段を含むことを特徴とする請求項14に記載の電源装置。
- 前記警告手段は、前記警告を所定のネットワークアドレスに送信する送信手段を含むことを特徴とする請求項14または15に記載の電源装置。
- 請求項1ないし16のいずれか一項に記載の電源装置を有することを特徴とする電子機器。
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