JP7458843B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
電力を変換する電力変換装置が一般的に用いられている。電力変換装置は、トランスを介して、1次側から2次側に電力を供給する。電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換し、直流電力をスイッチング回路によりスイッチングしつつトランスの1次側に交流電流を流す。これにより、トランスの2次側に誘導電流が生じ負荷に電力が供給される。
交流電力の入力が一時的に途絶える瞬停が発生した場合、負荷において正常にシャットダウン処理が行われず、負荷に悪影響が生じる可能性がある。この為、電源異常(停電または瞬停など)を検出し、負荷に停電検知信号を送信する停電検出回路が実用化されている。
このような停電検出回路は、発光ダイオードとフォトトランジスタとを有するフォトカプラを備える。フォトカプラの発光ダイオードは、1次側に接続され、交流電力が入力されている間発光する。フォトカプラのフォトトランジスタは、発光ダイオードからの光によりコレクタエミッタ間が導通(オン)する。フォトトランジスタは、2次側に接続され、発光ダイオードが消灯した場合にオフし、オフした場合に負荷に停電検出信号が送信されるように構成されている。
上記の構成では、交流電力が入力されている通常動作時(定常時)に、フォトカプラの発光ダイオードが点灯し続け、電力を消費するという課題がある。
特開2007-041271号公報
本発明が解決しようとする課題は、停電検知を行う電力変換装置を提供することである。
一実施形態に係る電力変換装置は、電力変換回路と、停電検知回路と、を具備する。電力変換回路は、1次巻線と、前記1次巻線に電磁結合する2次巻線及び補助巻線と、を有する絶縁トランスと、入力される交流電力により直流電力を出力する第1の直流電圧源と、前記第1の直流電圧源と前記1次巻線との接続を切り替えるスイッチング回路と、前記補助巻線に生じた電力により前記スイッチング回路に直流電力を供給する補助電源回路と、前記2次巻線に発生した電力を整流及び平滑し、直流電力を負荷に出力する第2の直流電圧源と、を有する。停電検知回路は、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合、前記電力変換回路内に蓄積された電力の放電に応じて、停電検知信号を前記負荷に出力する。停電検知回路は、通常動作時に導通せず、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に前記補助電源回路と導通する位置に発光ダイオードが接続されたフォトカプラを有し、前記フォトカプラのフォトトランジスタのオンオフに応じて、停電検知信号のレベルをGNDレベルとHレベルとで切り替える。
図1は、一実施形態に係る画像形成装置の構成例について説明する為の図である。 図2は、第1の実施形態に係る電源ユニットの構成例について説明する為の図である。 図3は、第1の実施形態に係る電源ユニットの動作の例について説明する為の説明図である。 図4は、第2の実施形態に係る電源ユニットの構成例について説明する為の図である。
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、一実施形態に係る画像形成装置1の例について説明する為の説明図である。
画像形成装置1は、例えば、印刷媒体などの記録媒体を搬送しながら画像形成等の各種処理を行うマルチファンクションプリンタ(MFP)である。画像形成装置1は、例えば、印刷媒体などの記録媒体を搬送しながら画像形成等の各種処理を行うLEDアレイを走査する固体走査方式のプリンタ(例えばLEDプリンタ)である。また、画像形成装置1は、インクを吐出するインクジェットヘッドを走査するインクジェット方式のプリンタ(インクジェットプリンタ)、または他の方式のプリンタであってもよい。
画像形成装置1は、感光ドラムを帯電させ、感光ドラムに対して印刷用の画像データに応じた光を照射することにより、感光ドラムに静電潜像を形成する。画像形成装置1は、感光ドラムに形成された潜像にトナーを付着させ、潜像に付着したトナーを印刷媒体に転写して印刷媒体上にトナー像を形成する。また、画像形成装置1は、トナー像が転写された印刷媒体に熱及び圧力を与えることにより、印刷媒体にトナー像を定着させる。
画像形成装置1は、システムコントローラ11、通信インタフェース12、ディスプレイ13、操作インタフェース14、画像読取部15、搬送部16、画像形成部17、バッテリ18、及び電源ユニット19を備える。システムコントローラ11、通信インタフェース12、ディスプレイ13、操作インタフェース14、画像読取部15、搬送部16、画像形成部17、バッテリ18、及び電源ユニット19は、図示されない筐体に収容される。
システムコントローラ11は、画像形成装置1の制御を行う。システムコントローラ11は、例えば、プロセッサ21及びメモリ22を備える。
プロセッサ21は、演算処理を実行する演算素子(たとえば、CPU)である。プロセッサ21は、システムコントローラ11の動作の主体となる。プロセッサ21は、メモリ22に記憶されているプログラムなどのデータに基づいて種々の処理を行う。プロセッサ21は、メモリ22に格納されているプログラムを実行することにより、種々の動作を実行可能な制御部として機能する。
メモリ22は、プログラム及びプログラムで用いられるデータなどを記憶する記憶装置である。また、メモリ22は、プロセッサ21の処理中のデータなどを一時的に格納する。メモリ22は、不揮発性メモリとして構成される。
通信インタフェース12は、ネットワークを介して、印刷ジョブを供給するクライアント装置などと通信を行う為のインタフェースである。
ディスプレイ13は、システムコントローラ11または図示されないグラフィックコントローラなどの表示制御部から入力される映像信号に応じて画面を表示する。例えば、ディスプレイ13は、画像形成装置1の種々の設定の為の画面を表示する。
操作インタフェース14は、種々の操作部材を有する。操作インタフェース14は、操作部材の操作に応じた操作信号をシステムコントローラ11に供給する。操作部材は、例えば、タッチセンサ、テンキー、電源キー、用紙フィードキー、種々のファンクションキー、またはキーボードなどである。タッチセンサは、例えば、抵抗膜式タッチセンサ、または静電容量式タッチセンサ等である。タッチセンサは、ある領域内において指定された位置を示す情報を取得する。タッチセンサは、ディスプレイ13と一体にタッチパネルとして構成されることにより、ディスプレイ13に表示された画面上のタッチされた位置を示す信号をシステムコントローラ11に入力する。
画像読取部15は、原稿から画像を読み取る構成である。画像読取部15は、例えば、スキャナと自動原稿送り機(ADF)とを備える。スキャナは、原稿が配置されるガラス板の原稿と対向する側から、原稿を読み取る。画像読取部15は、例えば、スキャナを移動させつつ、スキャナにより画像を取得することにより、原稿の全体の画像を取得する。また、画像読取部15は、例えば、ADFにより原稿をスキャナの読取位置に通過させつつ、スキャナにより画像を取得することにより、原稿の全体の画像を取得する。
搬送部16は、印刷用の媒体(印刷媒体)を画像形成部17に供給するとともに、画像形成部17により画像が形成された印刷媒体を筐体から排出する構成である。搬送部16は、印刷媒体を収容する図示されない給紙カセットに収容されている印刷媒体を、一枚ずつ画像形成部17に供給する。また、搬送部16は、画像形成部17により画像が形成された印刷媒体を、筐体外部の排紙トレイに排出する。
画像形成部17は、システムコントローラ11の制御に基づいて印刷媒体に画像を形成する。画像形成部17は、プロセスユニット、露光器、転写機構、及び定着器を備える。画像形成部17は、トナーの色毎にプロセスユニット及び露光器を備える。トナーの色は、例えば、シアン(C)、マゼンダ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)などである。画像形成部17は、CMYKの各色のトナー像を媒体に定着させることにより、媒体にカラーの画像を形成する。
プロセスユニットは、感光ドラム、帯電チャージャ、及び現像器を備える。
感光ドラムは、円筒状のドラムと、ドラムの外周面に形成された感光層とを備える感光体である。感光ドラムは、図示されない駆動機構によって一定の速度で回転する。
帯電チャージャは、感光ドラムの表面を一様に帯電させる。例えば、帯電チャージャは、帯電ローラを用いて、感光ドラムに電圧を印加することにより、感光ドラムを一様な負極性の電位に帯電させる。
現像器は、トナーを感光ドラムに付着させる装置である。現像器は、現像剤容器、撹拌機構、現像ローラ、及びドクターブレードなどを備える。
現像剤容器は、トナーカートリッジから送り出されたトナーを受け取り、収容する容器である。現像剤容器内には、予めキャリアが収容されている。トナーカートリッジから送り出されたトナーは、撹拌機構によってキャリアと撹拌されることにより、トナーとキャリアとが混合された現像剤を構成する。キャリアは、現像器の製造時に現像剤容器内に収容される。
現像ローラは、現像剤容器内で回転することにより、表面に現像剤を付着させる。ドクターブレードは、現像ローラの表面と所定の間隔を隔てて配置された部材である。ドクターブレードは、回転する現像ローラの表面に付着した現像剤の一部を除去する。これにより、現像ローラの表面に、ドクターブレードと現像ローラの表面との間隔に応じた厚さの現像剤の層が形成される。
露光器は、複数の発光素子を備える。露光器は、発光素子から光を、帯電した感光ドラムに照射することにより、感光ドラム上に潜像を形成する。発光素子は、例えば発光ダイオード(LED)などである。1つの発光素子は、感光ドラム上の1点に光を照射するように構成されている。複数の発光素子は、感光ドラムの回転軸と平行な方向である主走査方向に配列されている。
露光器は、主走査方向に配列された複数の発光素子により感光ドラム上に光を照射することにより、感光ドラム上に1ライン分の潜像を形成する。さらに、露光器は、回転する感光ドラムに連続して光を照射することにより、複数ラインの潜像を形成する。
上記の構成において、帯電チャージャにより帯電された感光ドラムの表面に、露光器から光が照射されると、静電潜像が形成される。現像ローラの表面に形成された現像剤の層が、感光ドラムの表面に近接すると、現像剤に含まれるトナーが、感光ドラムの表面に形成された潜像に付着する。これにより、感光ドラムの表面にトナー像が形成される。
転写機構は、感光ドラムの表面に形成されたトナー像を、印刷媒体に転写する構成である。転写機構は、1次転写ベルト、2次転写ローラ、及び他の複数のローラを備える。転写機構は、1次転写ベルトの外周面に、感光ドラムの表面に形成されたトナー像を受け取る。転写機構は、1次転写ベルトの外周面のトナー像を、2次転写ローラと1次転写ベルトの外周面とが密着した転写ニップまで搬送する。転写機構は、搬送部16により供給された印刷媒体を転写ニップに通過させることにより、1次転写ベルトの外周面のトナー像を印刷媒体に転写させる。
定着器は、印刷媒体に転写されたトナー像を印刷媒体に定着させる構成である。定着器は、印刷媒体に熱を与える加熱部材(ヒートローラ)と、印刷媒体に圧力を与える加圧部材(プレスローラ)と、ヒートローラを加熱するヒータとを備える。プレスローラは、ヒートローラに圧力を加えることにより、プレスローラとヒートローラとが密着した定着ニップを形成する。定着器は、転写機構によってトナー像が転写された印刷媒体を、定着ニップに通過させることにより、印刷媒体に対して熱及び圧力を与える。これにより、定着器は、印刷媒体上に形成されたトナー像を定着させる。定着ニップを通過した印刷媒体は、搬送部16によって排紙トレイに排出される。
バッテリ18は、画像形成装置1に動作の為の電力を供給する直流電力源である。バッテリ18は、例えば、システムコントローラ11のプロセッサ21及びメモリ22、並びに通信インタフェース12などに対して電力を供給する。
バッテリ18は、例えば、セパレータを介して正極及び負極が積層された電極群を備えるリチウムイオン二次電池として構成される。また、バッテリ18は、大容量のコンデンサとして構成されていてもよい。
電源ユニット19は、入力された交流電力を負荷の仕様に応じた直流電力に変換し、負荷に供給する電力変換装置である。電源ユニット19は、画像形成装置1のシステムコントローラ11、通信インタフェース12、ディスプレイ13、操作インタフェース14、画像読取部15、搬送部16、及び画像形成部17などの各構成に電力を供給する。また、電源ユニット19は、バッテリ18に直流電力を供給し、バッテリ18を充電する。
(第1の実施形態)
図2は、電源ユニット19の構成について説明する為の説明図である。図2に示されるように、電源ユニット19は、フィルタ回路31、電力変換回路32、及び停電検知回路33を備える。
フィルタ回路31は、交流電力源(商用電源)ACと、電力変換回路32との間に接続される。フィルタ回路31は、電力変換回路32におけるノイズが、交流電力源ACに漏洩することを防ぐノイズ除去回路である。フィルタ回路31は、例えばEMCフィルタである。フィルタ回路31は、例えばコンデンサにより構成されている。
電力変換回路32は、負荷に対して任意の電圧値の直流電力を供給する回路である。
停電検知回路33は、交流電力源ACからの交流電力が途絶える電源異常(瞬停または停電など)を検知し、停電検知信号を負荷であるシステムコントローラ11に供給する。
システムコントローラ11は、電源異常が検知されたことを示す停電検知信号を受信すると、シャットダウン処理を実行する。システムコントローラ11は、シャットダウン処理では、実行中の処理の停止、及びデータ保存などを行う。
次に、電力変換回路32及び停電検知回路33について詳細に説明する。
電力変換回路32は、電力が供給される1次側と、電力を出力する2次側とを有する。電力変換回路32は、整流平滑回路41、絶縁トランス42、スイッチング回路43、補助電源回路44、及び受電回路45を備える。電力変換回路32は、整流平滑回路41、絶縁トランス42、スイッチング回路43、及び補助電源回路44を1次側の構成として備える。また、電力変換回路32は、絶縁トランス42及び受電回路45をさらに2次側の構成として備える。
まず、電力変換回路32の1次側の構成について説明する。
整流平滑回路41は、交流電力源ACからフィルタ回路31を介して入力された交流電力を、全波整流し、脈流化された正電圧を平滑し、後段の回路である絶縁トランス42及びスイッチング回路43に供給する。整流平滑回路41は、例えば、複数のダイオードにより構成された全波整流回路(整流器)と、平滑用コンデンサとを備える。即ち、整流平滑回路41は、絶縁トランス42に直流電圧を供給する直流電圧源として機能する。
絶縁トランス42は、磁界を発生させる1次側の巻線(1次巻線)51と、1次巻線51と絶縁され、且つ1次巻線51に生じた磁界により励磁される2次側の巻線(2次巻線)52とを有する。即ち、1次巻線51と、2次巻線52とは、電磁結合するように構成されている。
スイッチング回路43は、整流平滑回路41の平滑用コンデンサから1次巻線51に流れる電流を、スイッチングによりオンオフ制御する回路である。スイッチング回路43は、半導体スイッチ及び制御回路を備える。
半導体スイッチは、制御回路の制御に基づいて、導通状態を切り替える半導体スイッチである。半導体スイッチは、制御回路の制御に基づいて、平滑用コンデンサから1次巻線51に流れる電流をオンオフする。半導体スイッチは、例えばn型チャネルFETである。半導体スイッチのドレイン端子は、1次巻線に接続され、半導体スイッチのソース端子は、平滑用コンデンサの低電位側に接続され、半導体スイッチのゲート端子は、制御回路に接続されている。半導体スイッチは、ドレイン端子-ソース端子間を導通させる導通状態(オン状態)と、ドレイン端子-ソース端子間を非導通にする非導通状態(オフ状態)とを、制御回路からゲート端子に入力される制御信号に基づいて切り替える。
制御回路は、半導体スイッチに制御信号として高周波のパルス信号を入力する。制御回路は、例えば、半導体スイッチのゲート端子にパルス信号を入力する。これにより、制御回路は、半導体スイッチのオン状態とオフ状態とを高速に切り替える。この結果、平滑用コンデンサの電位によって、絶縁トランス42の1次巻線51に高周波パルスが供給され、1次巻線51により磁界が発生する。
上記の様に、スイッチング回路43は、直流電圧を高周波パルスに変換するフライバックコンバータとして機能する。なお、スイッチング回路43は、平滑用コンデンサの電位によって、絶縁トランス42の1次巻線51に高周波パルスを供給するハーフブリッジコンバータ、またはフルブリッジコンバータなどの他のコンバータ回路として構成されていてもよい。
補助電源回路44は、スイッチング回路43の制御回路に動作用の電源電圧(VCC)を供給する。補助電源回路44は、補助巻線53及び平滑用コンデンサ201を備える。
補助巻線53は、絶縁トランス42の1次巻線51に生じた磁界により励磁される。即ち、補助巻線53は、1次巻線51と電磁結合する。
平滑用コンデンサ201は、補助巻線53と並列に接続されている。また、平滑用コンデンサ201は、スイッチング回路43と並列に接続されている。即ち、平滑用コンデンサ201は、補助巻線53に生じた電流により電荷を蓄積するとともに、並列に接続されたスイッチング回路43に平滑化した直流電力を供給する。
また、補助電源回路44は、補助巻線53に生じた電流を整流するダイオード301を備えていてもよい。この場合、ダイオード301は、アノードが補助巻線53に接続され、カソードが平滑用コンデンサ201に接続される。
次に、電力変換回路32の2次側の構成について説明する。
受電回路45は、絶縁トランス42の2次巻線52に生じた電力を整流及び平滑化し、負荷に直流電力を供給する回路である。受電回路45は、ダイオード302、及び平滑用コンデンサ202を有する。受電回路45の出力端子は、電源ユニット19の出力端子を構成している。例えば、受電回路45の出力端子は、画像形成装置1の種々の構成である負荷(例えば搬送部16、画像形成部17、システムコントローラ11、及びバッテリ18など)が接続される。
絶縁トランス42の2次巻線52は、1次巻線51により発生した磁界に応じて励磁され、電力を生成する。2次巻線52には、1次巻線51と2次巻線52との巻き数の比に応じた電圧が発生する。
ダイオード302は、アノードが2次巻線52に接続され、カソードが平滑用コンデンサ202の高電位側に接続されている。ダイオード302は、2次巻線52に生じた電流を整流し、平滑用コンデンサ202に供給する。また、ダイオード302は、MOSFETと同期整流用制御ICに置き換えられていてもよい。この場合、MOSFETにより同期整流を行うことができる。
平滑用コンデンサ202は、ダイオード302から供給された正電圧を平滑化する。平滑用コンデンサ202は、並列に接続された回路に直流電圧を供給する。平滑用コンデンサ202の両端子は、受電回路45の出力端子を構成している。即ち、平滑用コンデンサ202には、負荷が接続される。平滑用コンデンサ202は、平滑化した直流電圧を負荷に供給する。即ち、受電回路45は、直流電圧を出力する直流電圧源として機能する。
次に、停電検知回路33の構成について説明する。図2に示されるように、1次側停電検知回路61と、2次側停電検知回路62とを備える。
1次側停電検知回路61は、半導体スイッチ401、半導体スイッチ402、トランジスタ601、ダイオード303、ダイオード304、ツェナーダイオード701、ツェナーダイオード702、コンデンサ203、コンデンサ204、及びフォトカプラ501の発光ダイオード502を備える。
半導体スイッチ401及び半導体スイッチ402は、それぞれnチャネル型FETである。半導体スイッチ401及び半導体スイッチ402は、例えばnpn型トランジスタとして構成されていてもよい。
半導体スイッチ401のゲート端子は、フィルタ回路31の出力端子に接続されている。具体的には、半導体スイッチ401のゲート端子は、アノードがフィルタ回路31の出力端子の一方に接続されたダイオード303のカソードに接続されている。半導体スイッチ401のゲート端子は、アノードがフィルタ回路31の出力端子の他方に接続されたダイオード304のカソードに接続されている。
半導体スイッチ401のドレイン端子は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子に接続されている。
半導体スイッチ401のソース端子は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子に接続されている。
ツェナーダイオード701は、アノードが半導体スイッチ401のソース端子に接続され、カソードが半導体スイッチ401のゲート端子に接続されている。
コンデンサ203は、半導体スイッチ401のソース端子とゲート端子との間に接続されている。
半導体スイッチ402のゲート端子は、半導体スイッチ401のドレイン端子と、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子に接続されている。
半導体スイッチ402のドレイン端子は、フォトカプラ501の発光ダイオード502のカソードに接続されている。
半導体スイッチ402のソース端子は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子に接続されている。
コンデンサ204は、半導体スイッチ402のソース端子とゲート端子との間に接続されている。
トランジスタ601は、例えばPNP型トランジスタである。トランジスタ601は、pチャネル型FETとして構成されていてもよい。
トランジスタ601のベース端子は、アノードが電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子に接続されたツェナーダイオード702のカソードに接続されている。
トランジスタ601のエミッタ端子は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子に接続されている。
トランジスタ601のコレクタ端子は、フォトカプラ501の発光ダイオード502のアノードに接続されている。
2次側停電検知回路62は、半導体スイッチ403、コンデンサ205、コンデンサ206、及びフォトカプラ501のフォトトランジスタ503を備える。
半導体スイッチ403は、nチャネル型FETである。半導体スイッチ403は、例えばnpn型トランジスタとして構成されていてもよい。
半導体スイッチ403のゲート端子は、電力変換回路32の受電回路45の平滑用コンデンサ202の高電位側の端子に接続されている。
半導体スイッチ403のドレイン端子は、抵抗を介して半導体スイッチ403のゲート端子と接続され、且つ停電検知回路33の出力端子の一方を構成している。
半導体スイッチ403のソース端子は、停電検知回路33の出力端子の他方を構成している。
コンデンサ205は、半導体スイッチ403のソース端子とゲート端子との間に接続されている。
コンデンサ206は、半導体スイッチ403のドレイン端子とソース端子との間に接続されている。即ち、コンデンサ206は、停電検知回路33の1対の出力端子の間に接続されている。
フォトカプラ501のフォトトランジスタ503のコレクタ端子は、半導体スイッチ403のゲート端子に接続されている。
フォトカプラ501のフォトトランジスタ503のエミッタ端子は、半導体スイッチ403のソース端子に接続されている。
フォトカプラ501は、発光ダイオード502及びフォトトランジスタ503を備える。フォトカプラ501は、発光ダイオード502のアノードからカソードに電流が流れる。フォトカプラ501は、発光ダイオード502が発光した場合、フォトトランジスタ503に光が入射し、フォトトランジスタ503のコレクタ端子-エミッタ端子間が導通する。
次に、停電検知回路33の動作について説明する。
図3は、停電検知回路33の動作について説明する為のタイミングチャートである。図3の横軸は、時間を示す。図3の縦軸は、入力電圧、出力電圧(平滑用コンデンサ202の電圧)、電源電圧VCC(補助電源回路44の出力電圧)、半導体スイッチ401のオンオフ、半導体スイッチ402のオンオフ、フォトカプラの発光ダイオードの発光、半導体スイッチ403のオンオフ、及び停電検知信号をそれぞれ示す。
まず、起動時及び通常動作時の動作について説明する。
図3のタイミングt1で、画像形成装置1の電源がONされ、画像形成装置1の電源ユニット19に、交流電力源ACからの交流電力の供給が開始されたとする。この場合、電力変換回路32は、瞬停及び停電などの電源異常が生じていない通常動作を行う。
画像形成装置1の電源がONされると、スイッチング回路43による1次巻線51への交流電流の供給が開始され、タイミングt2から出力電圧(即ち、平滑用コンデンサ202の電圧)が徐々に増加する。出力電圧は、受電回路45の平滑用コンデンサ202に十分に電荷が蓄積されると、一定の値になる。
また、スイッチング回路43による1次巻線51への交流電流の供給が開始されると、補助巻線53に誘導電流が生じる。補助巻線53に生じた電流によって平滑用コンデンサ201に電荷が蓄積され、補助電源回路44から出力される電源電圧VCC(即ち、平滑用コンデンサ201の電圧)がタイミングt2から徐々に増加する。電源電圧VCCは、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201に十分に電荷が蓄積されると、1次巻線51と補助巻線53との巻線比により決定される一定の値になる。
電力変換回路32が通常動作している場合、即ち、瞬停及び停電などの電源異常が生じていない場合、停電検知回路33の1次側停電検知回路61には、ダイオード303及びダイオード304を介して脈流電流が入力される。
1次側停電検知回路61のコンデンサ203は、入力された脈流電流によって電荷を蓄積する。さらに、タイミングt3で、コンデンサ203の電圧がツェナーダイオード701のツェナー電圧以上になったとする。この場合、コンデンサ203の電圧によってツェナーダイオード701のカソードからアノードに電流が流れるとともに、コンデンサ203の電圧に応じた電位差が、半導体スイッチ401のゲート端子とソース端子との間に生じる。この為、半導体スイッチ401がオンになる。
半導体スイッチ401がオンである場合、半導体スイッチ402のゲート端子とソース端子とが短絡する為、半導体スイッチ402のゲート端子とソース端子との間に電位差が生じない。この為、半導体スイッチ402がオフになる。
半導体スイッチ402がオフであると、フォトカプラ501の発光ダイオード502に電流が流れず、発光ダイオード502が発光しない。この為、停電検知回路33の2次側停電検知回路62において、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオフになる。
また、2次側では、受電回路45の平滑用コンデンサ202の電圧が徐々に増加すると、平滑用コンデンサ202から2次側停電検知回路62に電力が供給される。コンデンサ205は、平滑用コンデンサ202からの電流によって電荷を蓄積させる。
コンデンサ205に電荷が蓄積され、且つフォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオフであると、2次側停電検知回路62の半導体スイッチ403のゲート端子とソース端子との間に、コンデンサ205の電圧に応じた電位差が生じる。この為、半導体スイッチ403がオンになる。
半導体スイッチ403がオンである場合、停電検知回路33の1対の出力端子が短絡する。この結果、停電検知回路33の1対の出力端子から出力される停電検知信号は、GNDレベルになる。
即ち、電力変換回路32が通常動作している場合、半導体スイッチ401がオンになり、半導体スイッチ402がオフになり、フォトカプラ501の発光ダイオード502が発光せず、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオフになり、半導体スイッチ403がオンになり、停電検知信号がGNDレベルになる。
また、タイミングt2からタイミングt3にかけての起動時の、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の電圧が1次側停電検知回路61のツェナーダイオード702のツェナー電圧未満である間は、トランジスタ601がオフになる。平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧以上になった場合、トランジスタ601がオンになる。このように、トランジスタ601及びツェナーダイオード702は、起動時に半導体スイッチ401がオンになる前のタイミングにおいて、平滑用コンデンサ201の電圧によって半導体スイッチ402がオンされ、フォトカプラ501の発光ダイオード502が点灯することを防ぐことができる。また、ツェナーダイオード702のツェナー電圧は、通常動作時の平滑用コンデンサ201の電圧よりも低い値で設定されている。
次に、電源異常発生時の動作について説明する。
図3のタイミングt4で、画像形成装置1の電源ユニット19に、交流電力源ACに電源異常(瞬停または停電など)が生じたとする。
交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えると、電力変換回路32内に残留する電荷の放電が開始される。この為、電力変換回路32の出力電圧、及び補助電源回路44からの電源電圧VCCは、所定時間維持された後、徐々に減少する。
また、交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えると、停電検知回路33の1次側停電検知回路61に対して、ダイオード303及びダイオード304を介して脈流電流が入力されなくなる。これにより、1次側停電検知回路61のコンデンサ203に電荷が供給されず、コンデンサ203の電圧が低下する。
コンデンサ203の電圧がツェナーダイオード701のツェナー電圧未満になった場合、半導体スイッチ401のゲート端子とソース端子との間の電位差がなくなり、半導体スイッチ401がオフになる。半導体スイッチ401がオフになるタイミングをタイミングt5とする。なお、コンデンサ203は、少なくとも補助電源回路44の平滑用コンデンサ201よりも早く電圧レベルが低下するように構成されている。
半導体スイッチ401がオフになると、コンデンサ204の電圧によって半導体スイッチ402のゲート端子とソース端子との間に電位差が生じ、タイミングt5で半導体スイッチ402がオンになる。
半導体スイッチ402がオンであり、且つ補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧以上であると、トランジスタ601がオンになる。
これにより、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子から、トランジスタ601、フォトカプラ501の発光ダイオード502、半導体スイッチ402、平滑用コンデンサ201の低電位側の端子の順に電流が流れる。この結果、タイミングt5でフォトカプラ501の発光ダイオード502が発光する。この為、停電検知回路33の2次側停電検知回路62において、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオンになる。
平滑用コンデンサ201の電圧が徐々に低下した場合、フォトカプラ501の発光ダイオード502の発光が停止する。これは、平滑用コンデンサ201の電圧が低下し、半導体スイッチ402をオン状態で維持することができなくなる、または平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧未満になりトランジスタ601をオン状態で維持することができなくなるためである。
即ち、1次側停電検知回路61は、交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えた場合、交流電力源ACから交流電力が供給されていた間に電力変換回路32内に蓄積されていた電力によって、フォトカプラ501の発光ダイオード502を発光させる。
また、2次側でフォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオンすると、2次側停電検知回路62の半導体スイッチ403のゲート端子とソース端子とが短絡する。これにより、半導体スイッチ403のゲート端子とソース端子との間の電位差が無くなり、半導体スイッチ403がオフする。
半導体スイッチ403がオフすると、受電回路45の平滑用コンデンサ202から放電される電流によって、停電検知回路33の1対の出力端子に並列に接続されたコンデンサ206に電荷が蓄積される。この結果、コンデンサ206は、タイミングt6から、停電検知回路33の1対の出力端子から所定の電圧(Hレベル)を、停電検知信号として出力する状態になる。
即ち、交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えた場合、半導体スイッチ401がオフになり、半導体スイッチ402がオンになり、フォトカプラ501の発光ダイオード502が発光し、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオンになり、半導体スイッチ403がオフになり、停電検知信号がコンデンサ206の電圧に応じたHレベルになる。
システムコントローラ11のプロセッサ21は、停電検知信号がGNDレベルである場合、通常動作を継続する。またプロセッサ21は、停電検知信号が、電源異常が検知されたことを示すHレベルである場合、シャットダウン処理を実行する。
上記したように、電源ユニット19は、電力変換回路32と停電検知回路33とを備える。電力変換回路32は、絶縁トランス42と、第1の直流電圧源(整流平滑回路41)と、スイッチング回路43と、補助電源回路44と、第2の直流電圧源(受電回路45)とを備える。絶縁トランス42は、1次巻線51と、1次巻線51に電磁結合する2次巻線52及び補助巻線53と、を有する。整流平滑回路41は、入力される交流電力により直流電力を出力する。スイッチング回路43は、整流平滑回路41と1次巻線51との接続を切り替える。補助電源回路44は、補助巻線53に生じた電力によりスイッチング回路43に直流電力を供給する。受電回路45は、2次巻線52に発生した電力を整流及び平滑し、直流電力を負荷に出力する。
停電検知回路33は、交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合、電力変換回路32内に蓄積された電力の放電に応じて、停電検知信号を負荷に出力する。これにより、交流電力の入力が一時的に途絶える瞬停が発生した場合、負荷に停電検知信号を送信することにより、負荷に正常にシャットダウン処理を行わせることができる。さらに、停電検知回路33は、電力変換回路32からの放電に応じて負荷に停電検知信号を出力するように構成されている為、省電力で停電検知信号を出力することができる。
また、停電検知回路33は、通常動作時に導通せず、交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に補助電源回路44と導通する位置に発光ダイオード502が接続されたフォトカプラ501を有する。また、停電検知回路33は、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503のオンオフに応じて、停電検知信号のレベルをGNDレベルとHレベルとで切り替えるように構成されている。即ち、停電検知回路33のフォトカプラ501の発光ダイオード502は、通常動作時に点灯せず、交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に生じる電力変換回路32の補助電源回路44からの放電によって点灯するように構成されている。この結果、停電検知回路33を省電力化することができる。
なお、上記の実施形態では、フォトカプラ501の発光ダイオード502のアノードは、補助巻線53により充電されるコンデンサ(平滑用コンデンサ201)の高電位側にトランジスタ601を介して接続されていると説明したがこの構成に限定されない。発光ダイオード502は、半導体スイッチ402がオンされた場合に電流が流れる経路であれば、どの位置に設けられていてもよい。
また、上記の実施形態では、停電検知回路33は、フィルタ回路31の出力端子から交流電力を引き込むようにダイオード303及びダイオード304が接続されていると説明したが、この構成に限定されない。停電検知回路33は、少なくとも交流電力の供給の有無によって電圧が変化する位置であれば、どの位置から交流電力を引き込む構成であってもよい。
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態に係る電源ユニット191の構成について説明する為の説明図である。なお、第1の実施形態と同様の構成には、同じ参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
図4に示されるように、電源ユニット191は、フィルタ回路31、電力変換回路32、及び停電検知回路331を備える。停電検知回路331は、1次側停電検知回路611及び2次側停電検知回路62を備える。即ち、第2の実施形態に係る電源ユニット191は、1次側停電検知回路611の構成が、第1の実施形態の停電検知回路33と異なる。
1次側停電検知回路611は、半導体スイッチ404、トランジスタ601、ダイオード303、ダイオード304、ツェナーダイオード701、ツェナーダイオード702、コンデンサ203、及びフォトカプラ501の発光ダイオード502を備える。
半導体スイッチ404は、pチャネル型FETである。半導体スイッチ404は、例えばpnp型トランジスタとして構成されていてもよい。
半導体スイッチ404のゲート端子は、フィルタ回路31の出力端子に接続されている。具体的には、半導体スイッチ404のゲート端子は、アノードがフィルタ回路31の出力端子の一方に接続されたダイオード303のカソードに接続されている。半導体スイッチ404のゲート端子は、アノードがフィルタ回路31の出力端子の他方に接続されたダイオード304のカソードに接続されている。
半導体スイッチ404のソース端子は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子に接続されている。
半導体スイッチ401のドレイン端子は、トランジスタ601のエミッタ端子に接続されている。
ツェナーダイオード701は、アノードが電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子、及びフォトカプラ501の発光ダイオード502のカソードに接続されている。ツェナーダイオード701は、カソードが半導体スイッチ404のゲート端子に接続されている。
コンデンサ203は、ツェナーダイオード701と並列に接続されている。即ち、コンデンサ203は、電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子及びフォトカプラ501の発光ダイオード502のアノードと、半導体スイッチ404のゲート端子とに接続されている。
トランジスタ601のベース端子は、アノードが電力変換回路32の補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の低電位側の端子に接続されたツェナーダイオード702のカソードに接続されている。
トランジスタ601のエミッタ端子は、半導体スイッチ404のドレイン端子に接続されている。
トランジスタ601のコレクタ端子は、フォトカプラ501の発光ダイオード502のアノードに接続されている。
次に、停電検知回路331の動作について説明する。
画像形成装置1の電源がONされ、画像形成装置1の電源ユニット19に、交流電力源ACからの交流電力の供給が開始されたとする。この場合、上記の1次側停電検知回路611には、ダイオード303及びダイオード304を介して脈流電流が入力される。
1次側停電検知回路611のコンデンサ203は、入力された脈流電流によって電荷を蓄積する。コンデンサ203は、電荷が十分にたまった状態において、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201よりも電位が高くなるように構成されている。
さらに、コンデンサ203の電圧がツェナーダイオード701のツェナー電圧以上になった場合、コンデンサ203の電圧によってツェナーダイオード701のカソードからアノードに電流が流れる。
また、半導体スイッチ404のゲート端子の電位が、コンデンサ203の高電位側の端子の電位と等しくなる。半導体スイッチ404のゲート端子の電位をVgとする。
また、半導体スイッチ404のソース端子の電位は、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の電位(即ち電源電圧Vcc)と等しくなる。
半導体スイッチ404は、ゲート端子の電位がソース端子の電位よりも高い場合にオフし、ゲート端子の電位がソース端子の電位よりも低い場合にオンする。
この為、1次側停電検知回路611は、通常動作時に、Vg>Vccとなり、半導体スイッチ404がオフになる。この為、平滑用コンデンサ201と発光ダイオード502とが導通せず、発光ダイオード502が点灯しない。
なお、第1の実施形態と同様に平滑用コンデンサ201の電圧が1次側停電検知回路611のツェナーダイオード702のツェナー電圧未満である間は、トランジスタ601がオフになる。このため、トランジスタ601及びツェナーダイオード702は、起動時に半導体スイッチ404がオンになる前のタイミングにおいて、平滑用コンデンサ201の電圧によって発光ダイオード502が点灯することを防ぐことができる。
次に、電源異常発生時の動作について説明する。
画像形成装置1の電源ユニット19に、交流電力源ACに電源異常(瞬停または停電など)が生じたとする。
交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えると、電力変換回路32内に残留する電荷の放電が開始される。この為、電力変換回路32の出力電圧、及び補助電源回路44からの電源電圧VCCは、所定時間維持された後、徐々に減少する。
また、交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えると、停電検知回路331の1次側停電検知回路611に対して、ダイオード303及びダイオード304を介して脈流電流が入力されなくなる。これにより、1次側停電検知回路611のコンデンサ203に電荷が供給されず、コンデンサ203の電圧が低下する。これにより、半導体スイッチ404のゲート端子の電位Vg<ソース端子の電位Vccとなった場合、半導体スイッチ404がオンになる。
半導体スイッチ404がオンであり、且つ補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧以上であると、トランジスタ601がオンになる。半導体スイッチ404がオンである場合、トランジスタ601のエミッタ端子に、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の電圧が印加される。補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧以上である場合、トランジスタ601がオンになる。即ち、半導体スイッチ404は、交流電力が入力されている間、発光ダイオード502と補助電源回路44とを開放し、交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に、発光ダイオード503と補助電源回路44とを導通させる。
これにより、補助電源回路44の平滑用コンデンサ201の高電位側の端子から、半導体スイッチ404、トランジスタ601、フォトカプラ501の発光ダイオード502、平滑用コンデンサ201の低電位側の端子の順に電流が流れる。この結果、フォトカプラ501の発光ダイオード502が発光する。この為、停電検知回路331の2次側停電検知回路62において、フォトカプラ501のフォトトランジスタ503がオンになる。
平滑用コンデンサ201の電圧が徐々に低下した場合、フォトカプラ501の発光ダイオード502の発光が停止する。これは、平滑用コンデンサ201の電圧が低下し、半導体スイッチ402をオン状態で維持することができなくなる、または平滑用コンデンサ201の電圧がツェナーダイオード702のツェナー電圧未満になりトランジスタ601をオン状態で維持することができなくなるためである。
即ち、1次側停電検知回路611は、交流電力源ACからの交流電力の供給が途絶えた場合、交流電力源ACから交流電力が供給されていた間に電力変換回路32内に蓄積されていた電力によって、フォトカプラ501の発光ダイオード502を発光させる。
上記のように、第2の実施形態の停電検知回路331は、1次側停電検知回路611の半導体スイッチの数が、第1の実施形態の停電検知回路33の半導体スイッチの数よりも少ない。これにより、停電検知回路の部品点数を抑え、且つ第1の実施形態と同様の効果を生むことができる。
なお、上記の実施形態では、電源ユニット19が画像形成装置1に組み込まれているものと仮定して説明したが、この構成に限定されない。電源ユニット19は、商品登録装置など如何なる装置に組み込まれてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や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。
なお、以下の本願の出願当初の特許請求の範囲の記載を付記する。
[C1]
1次巻線と、前記1次巻線に電磁結合する2次巻線及び補助巻線と、を有する絶縁トランスと、入力される交流電力により直流電力を出力する第1の直流電圧源と、前記第1の直流電圧源と前記1次巻線との接続を切り替えるスイッチング回路と、前記補助巻線に生じた電力により前記スイッチング回路に直流電力を供給する補助電源回路と、前記2次巻線に発生した電力を整流及び平滑し、直流電力を負荷に出力する第2の直流電圧源と、を有する電力変換回路と、
前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合、前記電力変換回路内に蓄積された電力の放電に応じて、停電検知信号を前記負荷に出力する停電検知回路と、
を具備する電力変換装置。
[C2]
前記停電検知回路は、通常動作時に導通せず、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に前記補助電源回路と導通する位置に発光ダイオードが接続されたフォトカプラを有し、前記フォトカプラのフォトトランジスタのオンオフに応じて、停電検知信号のレベルをGNDレベルとHレベルとで切り替える請求項1に記載の電力変換装置。
[C3]
前記停電検知回路は、
前記交流電力が入力されている間オンする第1の半導体スイッチと、
前記第1の半導体スイッチがオフになった場合に前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを導通させる第2の半導体スイッチと、
を具備する請求項2に記載の電力変換装置。
[C4]
前記停電検知回路は、
前記交流電力が入力されている間、前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを開放し、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを導通させる第3の半導体スイッチを具備する請求項2に記載の電力変換装置。
[C5]
前記停電検知回路は、
第4の半導体スイッチとツェナーダイオードとをさらに具備し、
前記第4の半導体スイッチは、前記発光ダイオードと直列に接続され、前記補助電源回路の出力電圧が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧以上である場合に導通する請求項3または請求項4に記載の電力変換装置。
1…画像形成装置、11…システムコントローラ、12…通信インタフェース、13…ディスプレイ、14…操作インタフェース、15…画像読取部、16…搬送部、17…画像形成部、18…バッテリ、19…電源ユニット、21…プロセッサ、22…メモリ、31…フィルタ回路、32…電力変換回路、33…停電検知回路、41…整流平滑回路、42…絶縁トランス、43…スイッチング回路、44…補助電源回路、45…受電回路、51…1次巻線、52…2次巻線、53…補助巻線、61…1次側停電検知回路、62…2次側停電検知回路、191…電源ユニット、201…平滑用コンデンサ、202…平滑用コンデンサ、203…コンデンサ、204…コンデンサ、205…コンデンサ、206…コンデンサ、301…ダイオード、302…ダイオード、303…ダイオード、304…ダイオード、331…停電検知回路、401…半導体スイッチ、402…半導体スイッチ、403…半導体スイッチ、404…半導体スイッチ、501…フォトカプラ、502…発光ダイオード、503…フォトトランジスタ、601…トランジスタ、611…1次側停電検知回路、701…ツェナーダイオード、702…ツェナーダイオード。

Claims (4)

  1. 1次巻線と、前記1次巻線に電磁結合する2次巻線及び補助巻線と、を有する絶縁トランスと、入力される交流電力により直流電力を出力する第1の直流電圧源と、前記第1の直流電圧源と前記1次巻線との接続を切り替えるスイッチング回路と、前記補助巻線に生じた電力により前記スイッチング回路に直流電力を供給する補助電源回路と、前記2次巻線に発生した電力を整流及び平滑し、直流電力を負荷に出力する第2の直流電圧源と、を有する電力変換回路と、
    前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合、前記電力変換回路内に蓄積された電力の放電に応じて、停電検知信号を前記負荷に出力する停電検知回路と、
    を具備し、前記停電検知回路は、通常動作時に導通せず、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に前記補助電源回路と導通する位置に発光ダイオードが接続されたフォトカプラを有し、前記フォトカプラのフォトトランジスタのオンオフに応じて、停電検知信号のレベルをGNDレベルとHレベルとで切り替える、電力変換装置。
  2. 前記停電検知回路は、
    前記交流電力が入力されている間オンする第1の半導体スイッチと、
    前記第1の半導体スイッチがオフになった場合に前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを導通させる第2の半導体スイッチと、
    を具備する請求項に記載の電力変換装置。
  3. 前記停電検知回路は、
    前記交流電力が入力されている間、前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを開放し、前記交流電力が入力される状態から入力されない状態になった場合に前記発光ダイオードと前記補助電源回路とを導通させる第3の半導体スイッチを具備する請求項に記載の電力変換装置。
  4. 前記停電検知回路は、
    第4の半導体スイッチとツェナーダイオードとをさらに具備し、
    前記第4の半導体スイッチは、前記発光ダイオードと直列に接続され、前記補助電源回路の出力電圧が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧以上である場合に導通する請求項または請求項に記載の電力変換装置。
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