JPH05316647A

JPH05316647A - 直流電源装置

Info

Publication number: JPH05316647A
Application number: JP4115983A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Oishi; 広人大石
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1993-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を大
きく設定しても、サージ電圧により定電圧素子がショー
トしても、リーク電流を防止して直流電源装置の安全
性，信頼性を向上する。【構成】交流電源１のラインＨ，ラインＮ間にかかる
ノーマルモードのサージ電圧に対してはコンデンサ８，
９の直列回路とバリスタＺＶとの並列回路が、ラインＨ
又はラインＮとフレームグランドＦＧ間にかかるコモン
モードのサージ電圧に対しては、コンデンサ８又は９と
定電圧素子１０との直列回路がそれぞれ作用してサージ
電圧を吸収する。いずれも定電圧素子１０又はバリスタ
ＺＶが単独に作用する場合より耐圧性，電力容量が増す
と共に、いずれかがショートしてもフレームグランドＦ
Ｇにリーク電流が流れず、発火や感電の危険がない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は独立装置としての、あ
るいは本体電子装置に内蔵された直流電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近時、電子機器は電子回路用のみなら
ず、所要精度の向上に供って以前は交流電源により駆動
していたモータ，ソレノイド等の電動機構系まで安定化
又は準安定化した直流電力を使用するようになったた
め、直流電源装置に要求される電力容量が次第に増大し
て来ている。

【０００３】そのため、直流電源装置には、小型軽量で
電力変換効率の高い（電力ロスの少ない）スイッチング
レギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを採用したも
のが多い。さらに、これらの直流電源装置は、互に出力
電圧の異なる安定化又は準安定化した多出力が簡単に得
られ、また商用交流電源の範囲であれば、電圧（１００
Ｖ系，２００Ｖ系）や周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）に
関係なく、何等の切換操作を行なわずに接続出来るとい
う優れた特徴をもっている。

【０００４】図５は、このようなスイッチングレギュレ
ータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを用いた直流電源装置
の従来例を示す回路図であり、交流電源１からの交流電
力を入力する電源フューズＦＳを備えたＡＣ入力部２
と、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３とチョークコイルＬか
らなるノイズフィルタとサージ電圧を吸収する酸化亜鉛
バリスタ（以下単に「バリスタ」ともいう）ＺＶからな
るノイズ遮断部４と、交流電力を整流平滑する整流平滑
部５と、該整流平滑部５が出力する１次直流電力を所要
電圧の２次直流電力に変換して負荷７に供給するＤＣ−
ＤＣコンバータ６により構成されている。

【０００５】ここで、ノイズ遮断部４のノイズフィルタ
は交流電源１からの外来ノイズと、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ６が発生するスイッチングノイズを共に遮断する。バ
リスタＺＶは、落雷により誘導される又は他の大電力機
器のオン・オフによる時には１０ＫＶにも達することが
あるサージ電圧を吸収するサージ電圧吸収素子であり、
交流電力ライン間にのったノーマルモードのサージ電圧
のエネルギを吸収して、整流平滑部５，ＤＣ−ＤＣコン
バータ６の各素子を破壊から防ぐ。

【０００６】しかしながら、サージ電圧はノーマルモー
ドだけではなく、交流電力ラインのいずれかと直流電源
装置及びそれを使用する機器のフレームグランドＦＧ
（以下「グランドＦＧ」ともいう）との間にのってくる
コモンモードのサージ電圧もあり、このコモンモードの
サージ電圧に対しては図５に示したバリスタＺＶは無効
である。

【０００７】このようなノーマルモードやコモンモード
のサージ電圧を防ぐため、例えば実開昭６３−１９８３
８４号公報に示されたように、バリスタＺＶ等の定電圧
素子を、交流入力相互間（ノーマルモード）、交流入力
・接地間（コモンモード）、直流電源・接地間，スイッ
チング素子の主電極間，直流出力・接地間（以上、ノー
マル，コモンに派生するモード）のいずれかに接続する
提案があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
酸化金属バリスタやガスチューブアレスタ等のサージ電
圧を吸収するための定電圧素子（特に双方向性定電圧素
子が望ましい）は、サージ電力が定格以内であれば自己
復帰性を備えているが、過大なサージ電力が印加される
と端子間がショート状態になって復帰しない場合が多
い。

【０００９】図５に示した従来例では、バリスタＺＶが
交流電力ライン間をショートした状態になればＡＣ入力
部２のフューズＦＳが切れて、直流電源装置及び接続さ
れた電子機器を保護し、それらの装置，機器にユーザが
触れても（サージ電圧が収まった後であれば）感電の恐
れがない。しかしながら、実開昭６３−１９８３８４号
公報に示された実施例のように各個所に設けられたバリ
スタ（ＺＮＲ）のいずれかがショートすると、交流電力
ラインの片方がフレームグランドＦＧに短絡して、火炎
発生や感電等の重大事故が発生する恐れがある。

【００１０】また、ショート状態にならない場合でも、
吸収出来るサージ電力を大きくするためバリスタの容量
を大きく設定すればリーク電流も増大するから、予め定
めた直流電源装置や電子機器のリーク電流の規格をオー
バーして、感電等の危険性が高くなる。あるいは、火炎
発生にまで到らないとしても、リーク電流による発熱で
素子を損ったり、発煙事故を生じる恐れはあり、大容量
の直流電源装置では電源フューズＦＳの容量も大きいの
で、この程度の電流では電源フューズＦＳが切れること
を期待出来ない。

【００１１】この発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を大き
く設定しても、万一サージ電圧により定電圧素子がショ
ート状態になった時にもリーク電流を防止し、直流電源
装置の安全性，信頼性を向上することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、電源フューズを備えた交流電源入力部
と、交流電力ライン間に接続されたサージ電圧吸収素子
を含むノイズ遮断部と、該ノイズ遮断部を通過して入力
する交流電力を整流平滑する整流平滑部と、該整流平滑
部により整流平滑された１次直流電力を所定電圧の安定
化直流電力に変換して負荷に出力するＤＣ−ＤＣコンバ
ータとを備えた直流電源装置において、交流電源入力部
とノイズ遮断部との間の交流電力ライン間にコンデンサ
を２個直列にして接続し、該２個のコンデンサ相互の接
続部とフレームグランドとの間に定電圧素子を接続して
なるサージ電圧吸収回路を設けたものである。

【００１３】上記の直流電源装置において、定電圧素子
をガスチューブアレスタ、又は酸化金属バリスタ、ある
いはガスチューブアレスタと酸化金属バリスタとの直列
回路により構成するとよい。

【００１４】

【作用】上記のように構成した直流電源装置は、交流電
力ライン間にのったノーマルモードのサージ電圧に対し
てはノイズ遮断部のサージ電圧吸収素子が作用し、交流
電力ラインの一方とフレームグランドの間にのったコモ
ンモードのサージ電圧に対しては、いずれかのコンデン
サと定電圧素子とが直列になって作用する。

【００１５】したがって、コモンモードのサージ電圧に
対してはコンデンサと定電圧素子が直列に作用するか
ら、サージ耐圧が増大して定電圧素子が破壊され難くな
る。もし、定電圧素子がショートしても、コンデンサが
残っているから、交流電力ラインのいずれかとフレーム
グランドとの間がショートすることはない。ノーマルモ
ードのサージ電圧によってノイズ遮断部のサージ電圧吸
収素子がショートしても、電源フューズが切れて装置を
保護し、安全性を確保する。

【００１６】このような直流電源装置のサージ電圧吸収
回路の定電圧素子をガスチューブアレスタ又は酸化金属
バリスタにより構成すれば、それぞれの特性に応じてサ
ージ電圧を吸収する。また、定電圧素子をガスチューブ
アレスタと酸化金属バリスタとの直列回路により構成す
れば、それぞれの特性に応じてサージ電圧を分担吸収す
る。

【００１７】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例である直流電源
装置の構成を示す回路図である。図１に示した第１実施
例は、電源フューズＦＳを備えた交流電源入力部である
ＡＣ入力部２と、サージ電圧吸収回路３ａと、ノイズ遮
断部４，整流平滑部５，ＤＣ−ＤＣコンバータ６とによ
り構成されている。この第１実施例が図５に示した従来
例と異なる所は、ＡＣ入力部２とノイズ遮断部４との間
にサージ電圧吸収回路３ａを設けたことであり、その他
の同一部分には同一符号を付している。

【００１８】商用電源である交流電源１からＡＣ入力部
２に接続された交流電力ラインは、大地アースＧＮＤに
結ばれたニュートラルライン（以下「ラインＮ」とい
う）とホットライン（以下「ラインＨ」という）とから
なるが、日本における一般のコンセントでは両者を区別
していないため、ＡＣ入力部２の電源フューズＦＳ側に
どちらのラインが接続されるか分らないから、電源フュ
ーズＦＳをそれぞれのラインに設けてもよい。

【００１９】図１乃至図５は、いずれもラインＨが電源
フューズＦＳ側に接続された場合を例として示している
が、サージ電圧の吸収及びノイズの遮断に関しては各素
子が対称型に配置されているから、ラインＮが電源フュ
ーズＦＳ側に接続されても同様に作用する。

【００２０】ＡＣ入力部２を介して入力した交流電力
は、サージ電圧吸収回路３ａ，ノイズ遮断部４を通って
整流平滑部５に達し、ダイオード・ブリッジＤＢによっ
て両波整流された後、大容量のコンデンサＣ４により平
滑されて１次直流電力に変換される。

【００２１】コンデンサＣ４に充電された１次直流電力
は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６に入力し、それぞれ図示し
ないＤＣ−ＤＣコンバータ６内のスイッチング素子によ
り５０ＫＨｚ乃至２００ＫＨｚの高周波断続電流になっ
て１次２次間が絶縁されたトランスの１次コイルを流
れ、電圧変換された２次側電力は再び整流平滑されリプ
ルのない２次直流電力になって負荷７に供給される。そ
の２次直流電力の電圧はスイッチング素子の駆動回路に
フィードバックされ、駆動パルスのパルス幅を制御する
ことにより所定電圧に保持されることはよく知られてい
る。

【００２２】ノイズ遮断部４は、チョークコイルＬと、
その入力側のアクロス・ザ・ライン・コンデンサである
コンデンサＣ１及びサージ電圧吸収素子である酸化亜鉛
バリスタＺＶと、チョークコイルＬの出力側の交流電力
ラインをそれぞれフレームグランドＦＧと結ぶバイパス
用のコンデンサＣ２，Ｃ３とからなる。

【００２３】交流電源１からの交流電力ラインにのって
侵入する外来ノイズのうち、ラインＨ，ラインＮ間のノ
ーマルモードノイズはコンデンサＣ１をバイパスし、チ
ョークコイルＬにより阻止される。ラインＨ又はライン
Ｎの一方にのったコモンモードノイズはチョークコイル
Ｌにより大部分が阻止され、残ったノイズはコンデンサ
Ｃ２又はＣ３を通ってフレームグランドＦＧに落される
から、外来ノイズはノイズ遮断部４で遮断され、整流平
滑部５に達しない。

【００２４】一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ６内のそれぞ
れ図示しないスイッチング素子により発生するスイッチ
ングノイズは、スナバ回路等により相当抑えられている
が、ＤＣ−ＤＣコンバータ６から内部ノイズとして交流
電力ラインにリークしたノイズのうち、コモンモードノ
イズはそれぞれコンデンサＣ２又はＣ３によりフレーム
グランドＦＧに落され、ノーマルモードノイズはコンデ
ンサＣ２，Ｃ３の直列回路によりバイパスされる。さら
に残ったノイズはチョークコイルＬにより阻止されるか
ら、内部ノイズもノイズ遮断部４で遮断され、交流電源
ラインには洩れない。したがって、同一の交流電源ライ
ンに接続された他の機器に障害を及ぼすことはない。

【００２５】同一の交流電源ラインに接続された他の機
器、特に大電力機器のオン・オフにより発生するサージ
電圧、あるいは高圧線や避雷針への落雷により誘導され
たサージ電圧は、広い意味では外来ノイズの一種である
が一般のノイズに比べてそのピーク電圧が桁違いに大き
く、時には１０ＫＶにも達することがあり、またその電
力も瞬間的ではあるが大きい。

【００２６】したがって、ノイズフィルタだけでは防ぎ
切れないから図示したようなバリスタＺＶを設けている
が、既に説明したように、ラインＨ，ラインＮ間に設け
たバリスタＺＶだけではノーマルモードのサージ電圧に
は有効であっても、コモンモードのサージ電圧に対して
は効果がない。

【００２７】そのために設けたサージ電圧吸収回路３ａ
は、交流電力ラインであるラインＨ，ラインＮ間に接続
した２個のコンデンサ８，９からなる直列回路と、該コ
ンデンサ８，９の接続部とフレームグランドＦＧとの間
に接続した定電圧素子１０とから構成されている。

【００２８】図１に示したサージ電圧吸収回路３ａは、
ノーマルモードのサージ電圧に対してはコンデンサ８，
９の直列回路とノイズ遮断部４のバリスタＺＶとが並列
に作用して、サージ電力を吸収する。従って、従来のバ
リスタＺＶが単体で用いられる場合に比べてサージ耐圧
及び電力量がそれぞれ増大し、破損する確率が減少して
安全性が向上する。また、バリスタＺＶがショート状態
になった時は、電源フューズＦＳが如何に大容量であっ
ても確実にとんで、直流電源装置及び接続された機器を
保護する。

【００２９】ラインＨ（又はＮ）とフレームグランドＦ
Ｇ間にかかるコモンモードのサージ電圧に対しては、コ
ンデンサ８（又は９）と定電圧素子１０とが直列回路を
形成して作用し、サージ電力を吸収する。この場合もサ
ージ耐圧及び電力量が定電圧素子１０単体の場合に比し
て増大し、安全性が向上することはいうまでもない。も
し定電圧素子１０がショート状態になっても、ラインＨ
（又はＮ）とフレームグランドＦＧとの間にはコンデン
サ８（又は９）があるから交流電源電圧による感電の危
険はない。

【００３０】図２は、第２実施例の構成を示す回路図で
あり、図１に示した第１実施例と同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。図２に示した第２実施例が第
１実施例と異なる所は、第１実施例の定電圧素子１０
を、第２実施例においてはガスチューブアレスタ（以下
単に「アレスタ」ともいう）１２で構成したことであ
る。

【００３１】ガスチューブアレスタは、その特性による
放電開始電圧までは殆んど電流が流れないが、端子間電
圧が放電開始電圧を超えるとガス放電を開始し、その端
子間電圧は放電開始電圧より低い放電電圧まで下って、
放電電流の大小に関係なく略一定の放電電圧を維持す
る。端子間電圧が放電電圧より低下すると放電が停止し
て、放電開始前の状態に戻るという自己復帰性がある。

【００３２】しかしながら、サージ電圧が異常に高いか
放電電流が大き過ぎる場合は、ガス放電でなくアーク放
電になって両端子間がショート状態になり、放電電圧よ
り低い電圧になっても放電が止らず、放電電極が融けて
破損して了うことがある。

【００３３】図３は、第３実施例の構成を示す回路図で
あり、図１及び図２に示した第１及び第２実施例とそれ
ぞれ同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図
３に示した第３実施例が第１実施例（図１）と異なる所
は、第１実施例の定電圧素子１０を、第３実施例におい
ては酸化金属バリスタである酸化亜鉛バリスタ１４で構
成したことである。

【００３４】酸化亜鉛バリスタは、他の酸化金属バリス
タあるいは炭化珪素バリスタと同様に、その端子間電圧
が電流の対数に略比例する特性がある。逆にいえば、電
流は端子間電圧の指数関数に略比例して変化するから、
端子間電圧が或る閾値を超えるとバリスタを流れる電流
が急激に増大する。この特性によってバリスタは定電圧
素子として使用される。

【００３５】しかしながら、ガスチューブアレスタと異
なり、低い電圧でも僅かながら電流（リーク電流）が流
れ、閾値近くなると無視出来ないリーク電流が流れるか
ら、閾値を交流電源のピーク電圧より可成高くとる必要
がある。また、サージ電力を吸収する目的から見ればガ
スチューブアレスタより遙かに小型で済む利点はある
が、サージ電圧及び電力が大きい時はその電力損失によ
る発熱のため、端子間がショート状態になって了う場合
が多い。

【００３６】図４は、第４実施例の構成を示す図回路で
あり、図１乃至図３に示した第１乃至第３実施例とそれ
ぞれ同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図
４に示した第４実施例が第１実施例（図１）と異なる所
は、第１実施例の定電圧素子１０を、第４実施例におい
てはアレスタ１６とバリスタ１７との直列回路で構成し
たことである。

【００３７】このサージ電圧吸収回路３ｄにコモンモー
ドのサージ電圧が入力し、コンデンサ８又は９を介して
アレスタ１６とバリスタ１７との直列回路にそのサージ
電圧が印加されると、既に説明したようにアレスタ１６
は常には電流が流れていないから、立上り時のサージ電
圧は殆んどアレスタ１６の端子間にかかる。サージ電圧
が放電開始電圧を超えるとアレスタ１６がガス放電を開
始して、バリスタ１７の端子間にはサージ電圧からアレ
スタ１６の放電電圧だけ降下した電圧が印加され、電流
が流れ始める。

【００３８】バリスタ１７の端子間電圧がその閾値を超
えると急に電流が増大するが、流れる電流の時間積分値
に応じてコンデンサ８又は９の端子間電圧が上ってゆく
から、サージ電圧がコンデンサ８又は９とアレスタ１６
とバリスタ１７とによって分担吸収される結果になり、
それだけ耐サージ電圧が上って各素子の破損に対する安
全性が向上する。

【００３９】以上説明した第１乃至第４実施例について
まとめて考察すると、いずれもノーマルモードのサージ
電圧に対しては、サージ電圧吸収回路３ａ乃至３ｄのコ
ンデンサ８及び９の直列回路が、ノイズ遮断部４のバリ
スタＺＶに並列に作用するから、サージ電圧及び電力に
よってバリスタＺＶが破損又はショート状態になる確率
が低くなり、安全性が高まる。コモンモードのサージ電
圧に対しては、定電圧素子１０（図１）、例えばアレス
タ１２（図２）又はバリスタ１４（図３）あるいはアレ
スタ１６とバリスタ１７との直列回路（図４）、とコン
デンサ８又は９とが直列回路を形成して分担吸収するか
ら、安全性が高い。

【００４０】もし、ノーマルモードの過大なサージ電圧
によりノイズ遮断部４のバリスタＺＶがショートすれ
ば、ＡＣ入力部２の電源フューズＦＳがとんで直流電源
装置及び接続された電子機器を保護する。コモンモード
の過大なサージ電圧によりサージ電圧吸収回路３ａ乃至
３ｄの定電圧素子１０，１２，１４，１６及び１７がシ
ョートしても、コンデンサ８又は９によって交流電源１
からの電流がフレームグランドＦＧに流れることがな
い。

【００４１】したがって、発煙や発火あるいは感電等の
重大事故が防止される。また、直流電源装置の各素子を
サージ電圧による破壊から確実に防護するようにバリス
タの閾値やアレスタの放電開始電圧を低く設定し、その
電流（電力）容量を大きく設定したため、バリスタの交
流電源電圧によるリーク電流が増えたとしても、フレー
ムグランドに対しては必ずコンデンサが直列に入ってい
るからリーク電流が流れず感電する恐れはない。

【００４２】実験から、例えばＡＣ２００Ｖ入力の直流
電源装置において、ガスチューブアレスタ１２，１６の
放電開始電圧を７００Ｖ乃至２４００Ｖ、酸化亜鉛バリ
スタ１４，１７の閾値を５０Ｖ乃至４７０Ｖ、コンデン
サ８，９の容量を１０００ｐＦ乃至４７００ｐＦの各範
囲での組合せで良好な結果が得られた。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明による直流
電源装置は、サージ電圧吸収回路の定電圧素子の容量を
大きく設定しても、万一サージ電圧により定電圧素子が
ショート状態になった時にもリーク電流を防止し、安全
性，信頼性を向上することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による直流電源装置の第１実施例の構
成を示す回路図である。

【図２】この発明による直流電源装置の第２実施例の構
成を示す回路図である。

【図３】この発明による直流電源装置の第３実施例の構
成を示す回路図である。

【図４】この発明による直流電源装置の第４実施例の構
成を示す回路図である。

【図５】直流電源装置の従来例の構成を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１交流電源２ＡＣ入力部（交
流電源入力部）３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄサージ電圧吸収回路４ノイズ遮断部５整流平滑部６ＤＣ−ＤＣコンバータ８，９コンデンサ１０定電圧素子１２，１６ガスチューブアレスタ（定電圧素子）１４，１７酸化亜鉛バリスタ（酸化金属バリスタ，定
電圧素子）ＧＮＤ大地アースＦＧフレームグラ
ンドＦＳ電源フューズＺＶ酸化亜鉛バリスタ（サージ電圧吸収素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｍ 7/06 Ａ 9180−5ＨＨ 9180−5Ｈ // Ｈ０２Ｍ 3/28 Ｃ 8726−5Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源フューズを備えた交流電源入力部
と、交流電力ライン間に接続されたサージ電圧吸収素子
を含むノイズ遮断部と、該ノイズ遮断部を通過して入力
する交流電力を整流平滑する整流平滑部と、該整流平滑
部により整流平滑された１次直流電力を所定電圧の安定
化直流電力に変換して負荷に出力するＤＣ−ＤＣコンバ
ータとを備えた直流電源装置において、前記交流電源入力部と前記ノイズ遮断部との間の前記交
流電力ライン間にコンデンサを２個直列にして接続し、
該２個のコンデンサ相互の接続部とフレームグランドと
の間に定電圧素子を接続してなるサージ電圧吸収回路を
設けたことを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】請求項１記載の直流電源装置において、
前記定電圧素子をガスチューブアレスタにより構成した
ことを特徴とする直流電源装置。
【請求項３】請求項１記載の直流電源装置において、
前記定電圧素子を酸化金属バリスタにより構成したこと
を特徴とする直流電源装置。
【請求項４】請求項１記載の直流電源装置において、
前記定電圧素子をガスチューブアレスタと酸化金属バリ
スタとの直列回路により構成したことを特徴とする直流
電源装置。