JPH03135216A - 改良されたゼロ電圧切換え形交流継電器回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は継電器回路に関し、特に、制御されている交流
電圧の値がゼロボルトの所定限界の中（こあるときにの
み導通状態にトリガされる能動スイッチング素子として
感光シリコン制御整流器を手１ｊ用する継電器回路に関
する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題、慨〕■
対の逆並列接続された光活性シリコン制御整流器から構
成され、透明誘電経路を介してそれらの整流器に光学的
に結合している発光ダイオード光源によって整流器が導
通状態にトリガされるような交流継電器を提供するため
に、従来から多くの回路が考案されている。発光ダイオ
ード′自（本（よ人力信号により動作されて、光出力を
発生し、その光出力が光活性シリコン制御整流器に入射
すると、整流器は導通し、交流電源と負荷との間（こ出
力回路を完成する。このような継電器回路（よ、マイク
ロコンピュータベース制御システムで見られるように、
コンピュータにおいて発生した論理信号により交流負荷
を制御する目的で広く使用されている。入力信号回路と
負荷回路との光学的結合により、論理信号と交流負荷と
のすぐれた電気的゛分離が得られる。さらに、光活性シ
リコン制御整流器による継電器回路を実現するのに必要
な素子の数は少ない。このように簡単であるため、非常
に小さなパッケージサイズで低コストで大量生産できる
ような固体交流継電器回路を提供するために、ハイブリ
ット回路製造技術を使用することが可能になるのである
。

適用用途の大半については、交流継電器を、制御されて
いる交流電圧の値がゼロに近い時点でのみオンさせるこ
とが望ましい。これにより、制御されている交流電圧が
かなり大きな値を有する瞬間に継電器がオンされてしま
う場合に起こる過渡の問題の多（は解決する。この種の
回路動作は当業者にはゼロ電圧切換えとして知られてい
るが、実際の切換え動作はゼロを中心とするある電圧範
囲の中で起こるのである。一般に、光活性シリコン制御
整流器を使用する交流継電器についてゼロ電圧切換えを
実行する従来の回路は、許容しうる性能を得るために、
多数の素子を含んでいる。そのような回路は高価である
ので、使用に当たっての主な利点の１つが失なわれるこ
とになる。できる限り少ない数の素子を使用してゼロ電
圧切換え回路を構成しようと努力する中で、従来の設計
では、コレクタとエミッタを光活性シリコン制御整流器
のゲートと陰極とにそれぞれ接続したトランジスタを採
用していた。シリコン制御整流器の陽極−陰極間電圧が
トランジスタを制御するように、トランジスタのベース
は直列限流抵抗器を介してシリコン制御整流器の陽極に
接続される。この回路は、トランジスタを使用して、シ
リコン制御整流器の陽極−陰極回路の両端電圧が所定の
値を越えるたびに、シリコン制御整流器が導通状態にト
リガされるのを阻止するために、光活性シリコン制御整
流器のゲート−陰極開回路をクランプする。

シリコン制御整流器のゲートを上述のようにクランプす
る回路を使用すると、残念なことに、光活性シリコン制
御整流器を導通状態にトリガするために必要とされる光
のレベルが著しく太き（なるという影響が出る。そのよ
うな高いレベルを得るために、入力信号源により供給さ
れる発光ダイオード電流を、ゼロ電圧切換え構成を採用
する従来の交流継電器回路をそのような構成では使用で
きず、また、コンピュータで発生させた論理信号により
直接制御できないと思われるような値まで増加させなけ
ればならない。このようなコンピュータ論理回路は、そ
れが交流継電器回路の入力端子を駆動するために供給す
ることができる電流の量によって制限され、従って、動
作するためには、従来の継電器回路をコンピュータ論理
にインタフェースする付加的な増幅器や、パワードライ
バを必要とする。

このため、また、その他の理由により、米国特許第４．
３３９．６７０号に記載されるように、交流電圧の余波
制御を実行するために１対の逆並列に接続された光活性
シリコン制御整流器を含む新しい継電器が考案されてい
る。この構成は、光活性シリコン制御整流器のゲート−
陰極開回路を分岐するためにトランジスタのコレクタ・
エミッタ間回路を使用することにより、ゼロ電圧切換え
を実行する。このようにして各シリコン制御整流器と共
に使用されるトランジスタのベースは、単一の限流抵抗
器により互いに接続している。各トランジスタのエミッ
タ・ベース降伏電圧は所定のゼロ電圧切換えレベルを設
定し、その結果、動作のために高レベルの入力電流を必
要としないゼロ電圧切換え形交流継電器回路が得られる
。このような回路は、コンピュータで発生した論理信号
と共に適切に機能する。

上記のこの回路の性能は向上しているのであるが、交流
電源によっては、異常な量の電気的雑音を発生し、その
ために、先に挙げた米国特許に記載されているようなゼ
ロ交差回路を使用しているにもかかわらず、シリコン制
御整流器が入力信号に応答してオンすることができず、
いわゆに「ドロップアウト」　した半サイクルを生じる
という状況か見られる。

〔問題点を解決するための手段〕

従って、本発明の目的は、交流負荷を制御する改良され
た固体継電器回路を提供することである。

本発明の別の目的は、交流電圧の全波制御を実行するた
めに逆並列に接続された２つの光活性制御整流器と、半
サイクルのドロップアウトを発生させる恐れのある負荷
の過渡の影響を受けにくいゼロ電圧切換え回路とを利用
する固体継電器回路を提供することである。

本発明のこれらの目的及びその他の目的は、直列に配置
される負荷と、交流電圧源とに対する電流を制御するゼ
ロ電圧切換え形回路であって、ゲート端子と、陽極端子
と、陰極端子とをそれぞれ有し、陽極端子と陰極端子と
が負荷及び交流電圧源の両端に逆並列に接続している第
１及び第２の感光シリコン制御整流器と、第１及び第２
の感光シリコン制御整流器をイネーブルするための光を
発生するために入力信号を印加する手段と、感光シリコ
ン制御整流器が動作する電圧範囲を提供する手段と、感
光シリコン制御整流器に対する入力光信号が印加されて
いないとき、それぞれの感光シリコン制御整流器のゲー
ト端子をその陰極にクランプする手段と、入力光信号が
現われているとき、各感光シリコン制御整流器のゲート
端子と整流器との間の回路を開成する手段とを含むゼロ
電圧切換え形回路において実現される。

本発明のこれらの目的と特徴並びにその他の目的と特徴
は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照すること
により、当業者にはさらに明瞭に理解されるであろう。

尚、図面中、同じ図中符号はいくつかの図を通して同じ
素子を指示する。

〔実施例〕

第１図は米国特許第４．３３９．６７０号に示されてい
る従来の技術による回路を示す。ゼロ電圧切換え形交流
継電器回路１０においては、出力端子１２と出力端子Ｉ
４との間には交流電源Ｉ６と、負荷Ｉ８とが直列に接続
している。この回路１０は、継電器が動作されないとき
は、負荷１８に電源１６の電圧が印加されないように出
力端子１２と出力端子１４との間に有効な開回路を構成
し、継電器が動作されるときには出力端子１２と出力端
子Ｉ４との間に有効な短絡回路を構成して、電源１６か
ら交流電圧を継電器回路を介して負荷１８に接続させる
ように機能する。

これを実現するために、出力端子１２と出力端子１４と
の間に１対の光活性シリコン制御整流器２０及び２２を
逆並列に配置して、いずれか一方の方向に電流を導通ず
ることかでき、従って、全波交流制御に適している回路
を形成する。２つのシリコン制御整流器２０及び２２は
、（導通しているとき）出力端子１２の電圧が出力端子
１４の電圧に関して正である交流電源１６の正の半サイ
クルの間に、負荷電流が光活性シリコン制御整流器２０
の陽極−陰極回路を介して流れるように配置されている
。逆に、交流電源１６の負の半サイクルの間には、負荷
電流は光活性シリコン制御整流器２２の陽極−陰極回路
を介して流れる。

光活性シリコン制御整流器２０及び２２は、それらに隣
接して配置されている２つの発光ダイオード２４及び２
６によりそれぞれ導通状態にされる。発光ダイオード２
４及び２６は限流抵抗器２８と、入力信号源３４とに直
列に接続している。

入力信号源３４が発光ダイオード２４及び２６に入力信
号を供給すると、発光ダイオードは光を発生し、その光
は光活性シリコン制御整流器２ｏ及び２２に光学的に結
合される。これによって、整流器２０及び２２は導通し
、交流電源１６から負荷Ｉ８に至る全波導通経路を形成
する。入力信号源３４が取外されると、整流器２ｏ及び
２２は交流電源１６の電流反転により非導通状態に転じ
る。

以上説明したように、継電器回路１０は、交流電源１６
がどのような電圧レベルにあっても、入力信号源３４に
より光活性シリコン制御整流器２０及び２２を導通させ
るものである。交流電源１６が相当に大きな値を有し且
つ過渡状態が主な問題点となっている場合に、継電器回
路ｌｏがオンに切換わるのを阻止するために、トランジ
スタ３６及び３８と、限流抵抗器４０とによりゼロ電圧
切換え構成を形成している。ＮＰＮトランジスタ３６の
コレクタとエミッタは整流器２ｏのゲートと陰極とにそ
れぞれ接続しており、また、ＮＰＮトランジスタ３８の
コレクタとエミッタは整流器２２のゲートと陰極とにそ
れぞれ接続している。

光活性シリコン制御整流器デバイスは、そのゲート−陰
極回路を低インピーダンス経路を介して分岐することに
より、入力光源に対して応答しない状態とされる。それ
らの低インピーダンス経路は、導通状態にバイアスされ
たときのトランジスタ３６及び３８により形成される。

この状態は、交流電源１６の両端電圧が所定の電圧限界
を越え、整流器２０及び２２が所定の電圧限界の中に入
らない限り導通状態にトリガされるのを阻止されたとき
に起こる。交流電源１６の正の半サイクルの間に、整流
器２０の陽極−陰極回路の両端電圧は、トランジスタ３
８のエミッタ・ベース降伏電圧を越えるところまで上昇
する。その結果、トランジスタ３８のベース・エミッタ
接合部と、限流抵抗器４０とを介してトランジスタ３６
のベースにバイアス電流が供給されるので、トランジス
タ３６は導通する。同様にして、交流電源１６の負の半
サイクルの間に、整流器２２の陽極−陰極回路の両端電
圧かトランジスタ３６のエミッタ・ベース降伏電圧を越
えると、限流抵抗器４０を介してトランジスタ３８のベ
ースにバイアス電流が供給されるので、トランジスタ３
８は導通する。ＮＰＮトランジスタ３６及び３８の典型
的なエミッタ・ベース降伏電圧は約９ボルトから１２ボ
ルトである。従って、トランジスタ３６のベースとトラ
ンジスタ３８のベースとの間に限流抵抗器４０を配置し
たことにより、光活性シリコン制御整流器２０及び２２
は、交流電源１６から供給される±９ボルトから±１２
ボルトの範囲の電圧に対して、導通状態にトリができる
ようになる。

残念なことに、第１図に示す継電器回路１０を、異常な
量の電気的雑音を発生するある種の電源と共に使用する
と、動作の所定の半サイクルか失なわれてしまう。その
理由は、交流電源１６により供給される電圧の正弦波形
を示す第２図を参照することによって明らかになるであ
ろう。正弦波に関する式は、瞬時電圧をＶとし、正弦波
の最大ピーク電圧をＶｍａｘとし、正弦波の周波数をＦ
とし、時間をＴとしたとき、Ｖ＝Ｖｍａｘ　５ｉｎｅ　
（２πｆ　ｔ　）と表わされる。Ｔについて解くと、Ｔ
＝％πＦ×Ｖ／Ｖｍａｘのアークサインとなる。Ｔは、
ゼロターンオン回路が第１図の整流器２０及び２２をク
ランプする前に継電器がオンしなければならない時間で
ある。

第２図かられかるように、Ｔは周波数Ｆと最大電圧Ｖｍ
ａｘの双方に反比例する。このような回路と共に使用さ
れる通常の線間電圧は４００Ｈｚの周波数で１１５ボル
トの最大電圧を示し、切換え範囲に関するウィンドーは
プラス１２ボルト又はマイナス１２ボルトであるので、
Ｔは約３０マイクロ秒に等しい。この時間の中で第１図
の継電器回路ＩＯがオンしなければ、継電器回路は次の
半サイクルまで待たねばならず、そこで、ドロップアウ
トと呼ばれる事態が起こる。

この場合、シリコン制御整流器２０及び２２のゲート端
子を接地点にクランプすることにより、整流器が雑音に
よる妨害を感受しないようにしても良い。ゼロ電圧ウィ
ンドウの期間のターンオン時間中にこれを実行できない
ことは自明であるので、従来の技術で設けられる抵抗器
４２及び４４の値は、整流器２０及び２２が容易にター
ンオンもされないように選択されている。ところが、負
荷の交流電源の非常に大量の雑音はシリコン制御整流器
２０及び２２を入力光信号を感受しない状態にしてしま
い、そのためにドロップアウトが起こる可能性があるこ
とは明らかである。本発明は、ドロップアウトの問題を
排除するために考案されたものである。

第３図の回路４８は、先の抵抗器４２の代わりに、ＬＥ
Ｄ５０と並列に接続する抵抗器５４によりゲートがバイ
アスされる接合電界効果トランジスタ６０を使用してお
り、先の抵抗器４・１の代わりに、ＬＥＤ５２と並列に
接続する抵抗器５６によりゲートがバイアスされる接合
電界効果トランジスタ６２を使用しており、且つ限流抵
抗器４゜の両側でコンデンサ６４及び６６が出力端子１
２及び１４に接続されていることを除いて、第１図に示
す回路に似ている。

第３図の回路４８においては、接合電界効果トランジス
タ６０及び６２は、通常、ソースとドレインとの間で導
通している。このように、回路の一般的動作条件の下で
は、それぞれの整流器２０及び２２のゲートは本質的に
陰極に直接接続している。発光ダイオード２４及び２６
からの人力信号がないときには、電源１６の負荷電圧が
ウィンドウ領域の中にある期間中であっても、整流器２
０．２２はいずれも負荷における過渡の影響をどのよう
な形でも受けない。一般的に、接合電界効果トランジス
タ６０及び６２のインピーダンスは１０００オーム未満
であるが、それに対し、先にそれらのトランジスタの代
わりに使用されていた抵抗器のインピーダンスは、通常
、２５にオームから５０にオームである。

一方、ＬＥＤ５０及び５２は発光ダイオード２６及び２
４からの光を受取るようにそれぞれ直接接続されており
、従って、入力信号源から整流器２０及び２２に入力信
号が供給されると、ＬＥＤ５０及び５２はそれぞれ対応
する接合電界効果トランジスタ６０又は６２のゲートで
負電圧を発生させ、その結果、トランジスタはオフする
。たとえば、トランジスタ６０がオフすると、シリコン
制御整流器２０のゲートは浮動するので、この整流器は
本質的に開回路となる。これにより、シリコン制御整流
器２０はウィンドウの期間中に、発光ダイオード２６に
より供給される信号にのみ応答してターンオンすること
になるので、出力負荷における過渡の影響は完全に排除
される。

トランジスタ６２は、同じように、発光ダイオード５２
により供給されるそのゲートの負電圧に応答して動作し
て、その電圧によりオフし、交流電源Ｉ６の負の半サイ
クルの間にシリコン制御整流器２２のゲート端子に無限
のインピーダンスを供給する。

トランジスタ３６及び３８は、抵抗器４０と、トランジ
スタ３６又は３８のベース−エミッタ接合部とを介して
供給される電流に同じように応応して（第１図の場合）
、ゼロ電圧切換えが起こりつる限定ウィンドウを提供す
る。コンデンサ６４及び６６は、トランジスタ３６及び
３８が早すぎる時期にオンせず、且つシリコン制御整流
器２２及び２０のゲート端子をクランプすることのない
ように、高周波数過渡をバイパスするように配置されて
いる。

本発明の回路はドロップアウトをほぼ排除する。

第３図に示す新規な回路は、ＬＥＤ２４及び２６からの
入力信号がないときのゼロ電圧ウィンドウ領域にあって
も、接合電界効果トランジスタ６０及び６２によってさ
らに十分なりランプが行われるために、過渡雑音の影響
をはるかに受けに（いことがわかっている。さらに、接
合電界効果トランジスタ６０及び６２は、ＬＥＤ５０及
び５２を介して結合されたＬＥＤ２６及び２４により人
力信号が供給されるときには、実質的に開回路を構成す
るので、シリコン制御整流器２０及び２２の最大感度は
向上する。また、バイパスコンデンサ６６及び６・１に
よって、高周波数の早期クランプの障害も最小限に抑え
られている。

本発明の継電器回路を現時点で好ましい実施例について
説明したが、本発明の趣旨から逸脱せずに様々な変形や
変更を実施しうろことは当業者には自明であろう。従っ
て、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるも
のとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の技術による回路を示す図、第２図は、
第１図の交流電源により供給される電圧の正弦波形を示
す図、 第３図は、本発明によるゼロ電圧切換え形交流継電器回
路を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直列に配置された負荷と、交流電圧源とに対する電
   流を制御するゼロ電圧切換え形回路において、ゲート端
   子と、陽極端子と、陰極端子とをそれぞれ有し、陽極端
   子と陰極端子とが負荷及び交流電圧源の両端に逆並列に
   接続するように配置されている第１及び第２の感光シリ
   コン制御整流器と、第１及び第２の感光シリコン制御整
   流器をイネーブルするための光を発生するために入力信
   号を印加する手段と、感光シリコン制御整流器が動作す
   る電圧範囲を提供する手段と、感光シリコン制御整流器
   に対する入力光信号が印加されていないとき、それぞれ
   の感光シリコン制御整流器のゲート端子をその陰極にク
   ランプする手段と、入力光信号が現われているとき、各
   感光シリコン制御整流器のゲート端子と整流器との間の
   回路を開成する手段とを具備するゼロ電圧切換え形回路
   。 ２、請求項１記載のゼロ電圧切換え形回路において、感
   光シリコン制御整流器が動作する電圧範囲を提供する手
   段は、交流電圧源により供給されるあらかじめ設定され
   た正の交流電圧に応答して第１の感光シリコン制御整流
   器のゲート端子をその陰極にクランプする手段と、交流
   電圧源により供給されるあらかじめ設定された負の交流
   電圧に応答して第２の感光シリコン制御整流器のゲート
   端子をその陰極にクランプする手段とから構成される。 ３、請求項２記載のゼロ電圧切換え形回路におてい、交
   流電圧源により供給されるあらかじめ設定された正の交
   流電圧に応答して第１の感光シリコン制御整流器のゲー
   ト端子をその陰極にクランプする手段と、交流電圧源に
   より供給されるあらかじめ設定された負の交流電圧に応
   答して第２の感光シリコン制御整流器のゲート端子をそ
   の陰極にクランプする手段とは、それぞれ、１つの抵抗
   と、１対の接合トランジスタの一方とから構成され、各
   接合トランジスタのエミッタ端子とベース端子は関連す
   る感光シリコン制御整流器のゲート端子と陰極との間に
   接続し、そのベース端子は抵抗を介して他方の接合トラ
   ンジスタのベース端子に接続している。 ４、請求項３記載のゼロ電圧切換え形回路において、そ
   れぞれが接合トランジスタの一方のもののベース端子を
   関連する感光シリコン制御整流器の陰極に接続する１対
   のコンデンサをさらに具備する。 ５、請求項１記載のゼロ電圧切換え形回路において、感
   光シリコン制御整流器に対する入力光信号が印加されて
   いないとき、それぞれの感光シリコン制御整流器のゲー
   ト端子をその陰極にクランプする手段は１対の接合電界
   効果トランジスタから構成され、各接合電界効果トラン
   ジスタのソース端子とドレイン端子は感光シリコン制御
   整流器のうち一方のもののゲート端子と陰極端子に接続
   している。 ６、請求項５記載のゼロ電圧切換え形回路において、入
   力光信号が現われているとき、各感光シリコン制御整流
   器のゲート端子と整流器との間の回路を開成する手段は
   、感光シリコン制御整流器のうち一方のものと関連する
   接合電界接合トランジスタのゲート端子とソース端子と
   の間に接続し且つ関連する感光シリコン制御整流器を動
   作させる光を受取るように結合された発光ダイオードか
   ら構成される。 ７、請求項６記載のゼロ電圧切換え形回路におてい、感
   光シリコン制御整流器が動作する電圧範囲を提供する手
   段は、交流電圧源により供給されるあらかじめ設定され
   た正の交流電圧に応答して第１の感光シリコン制御整流
   器のゲート端子をその陰極にクランプする手段と、交流
   電圧源により供給されるあらかじめ設定された負の交流
   電圧に応答して第２の感光シリコン制御整流器のゲート
   端子をその陰極にクランプする手段とから構成される。 ８、請求項７記載のゼロ電圧切換え形回路において、交
   流電圧源により供給されるあらかじめ設定された正の交
   流電圧に応答して第１の感光シリコン制御整流器のゲー
   ト端子をその陰極にクランプする手段と、交流電圧源に
   より供給されるあらかじめ設定された負の交流電圧に応
   答して第２の感光シリコン制御整流器のゲート端子をそ
   の陰極にクランプする手段とは、それぞれ、１つの抵抗
   と、１対の接合トランジスタの一方とから構成され、各
   接合トランジスタのエミッタ端子とベース端子は関連す
   る感光シリコン制御整流器のゲート端子と陰極との間に
   接続し、そのベース端子は抵抗を介して他方の接合トラ
   ンジスタのベース端子に接続している。 ９、請求項８記載のゼロ電圧切換え形回路において、そ
   れぞれが接合トランジスタのうちの一方のもののベース
   端子を関連する感光シリコン制御整流器の陰極に接続す
   る１対のコンデンサをさらに具備する。