JPH07111776A - ゼロクロススイッチング回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価なトランスを使用しないで、０Ｖ近辺の
僅かな導通角を利用して電子回路用電源を作成し、電力
効率の良い直流電源と交流電源を得ることができるゼロ
クロススイッチング回路を提供すること。 【構成】負荷に直列に接続されたスイッチング部１の制
御トランジスタＱ１により、交流電源の０Ｖ近傍で動作
し、全波整流波形から脈流電源ＶＤに変換する変換手段
１０を設け、この脈流電源ＶＤを用いて電力制御用のス
イッチング素子トライアックＴＲＡＣを制御する。この
トライアックのゲートへダイオードブリッジＲＥＣを介
してトリガ信号を供給する補助スイッチ素子のサイリス
タＳＣＲへ、交流電源周波数の半周期に同期したトリガ
信号を分割抵抗回路網Ｒ５，Ｒ６により供給する。さら
にこの脈流電源をセンサ部２などの電子回路へ電源電圧
ＶＤとして供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、白熱灯、蛍光灯および
換気扇等を負荷とする交流電源の電力制御を行うゼロク
ロススイッチング回路に係り、スイッチ素子制御回路、
タイマ機能あるいは温度、圧力センサなどのセンサ回路
を有するゼロクロススイッチング回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パワーエレクトロニクス関連で
は、高電圧、高耐圧スイッチ素子が使用され、種々の電
力制御が行われている。スイッチング特性では、ターン
オン、ターンオフなどの特性が考慮され、各種用途に応
じた素子が開発されている。

【０００３】電源投入時や転流時には、電圧、電流の変
化分などによる素子への影響などが考慮され、素子のプ
ロセス技術による耐圧向上あるいは外付け回路によるサ
ージ、スパイクなどの除去が行われている。

【０００４】また、電波障害によるノイズなどが検討さ
れ、スイッチングによる高周波成分の不要輻射関係を抑
制するため、また、負荷への電力供給を効率的に行うた
め、ゼロクロススイッチング技術などが考案されてい
る。

【０００５】一般にスイッチ素子は、負荷に直列に接続
されるため、電子スイッチの制御用電源を確保するため
には、交流電源の導通角の一部をその電源のために割当
てられ、残りの大半を負荷に供給されることになる。

【０００６】電力用スイッチの基本構成は、トライアッ
ク素子、ダイオードブリッジ素子およびＳＣＲが基本素
子である。今、負荷に効率よく電源を供給するには、Ａ
Ｃ電源の０Ｖ近傍でＳＣＲを導通することによりトライ
アックを導通させて、負荷に供給する所謂ゼロクロスス
イッチ回路が一般的である。

【０００７】上記の回路を、ＣＲ充放電回路または、カ
ウンタ機能を有するＩＣと組み合わせて、ＳＣＲ素子を
制御し、負荷に電力を供給させることで、電子式タイマ
スイッチを実現できる。

【０００８】ＣＲ放電回路を用いて、タイマ機能を実現
する場合、ＣＲの放電特性は、初期のコンデンサの両端
の電圧をＶとするとＶEXP(-t/CR)で示される特性とな
る。

【０００９】このため、時間とともに単調に減少するこ
とから、設定された電圧まで減少した時点で、ＳＣＲ素
子をオフにすることによりタイマ機能が実現する。

【００１０】このように、ＣＲ時定数回路を監視するた
めの電子回路は、高入力インピーダンス回路でなければ
ならない。このため、電界効果トランジスタを素子とし
て用いるかオペアンプを用いるかの方法が一般に考えら
える。

【００１１】前者の場合は、接合型タイプの素子が用い
られるのが一般的である。上記のＣＲ時定数回路の出力
電圧を、ＦＥＴのゲート（Ｇ）とソース（Ｓ）間に逆バ
イアスとして加える。放電が進み、印加電圧がＦＥＴの
特性ピンチオフ電圧以下になうるとドレイン電流が流れ
始める。このドレイン電流を検出して、ＣＲ時定数回路
の両端を短絡させるためのトランジスタを導通させて、
完全に放電させて、スイッチング素子であるＳＣＲのゲ
ート電圧を制御しているトランジスタをオフすることに
より、ゼロクロススイッチング回路をオフにする方法
が、一般的である。但し、この場合、ＳＣＲのカソード
とＦＥＴのソースが同電位で、ＣＲ放電回路のプラス側
に接続され、ゲートが、マイナス側に接続されねばなら
ないため、ＣＲ充電のための電源は、トランス等を用い
た別途用意する必要がある。この、一般的なゼロクロス
スイッチング回路を図３に示す。

【００１２】交流電源ＡＣ１００Ｖには、負荷が接続さ
れ、ノイズフィルタと電力制御素子ＴＲＡＣが接続され
ている。ノイズフィルタＬ１０、Ｃ１０でノーマルモー
ドとデイファレンシャルモードのノイズを抑制してい
る。

【００１３】同図において、トライアックＴＲＡＣ、ダ
イオードブリッジＲＥＣ、サイリスタＳＣＲおよびトラ
ンジスタＱ１０がゼロクロススイッチング回路である。
スイッチＳＷ１がオン時、トランジスタＱ２０がオフと
なり、サイリスタＳＣＲがオンとなり、さらにダイオー
ドブリッジＲＥＣを介してトライアックＴＲＡＣがトリ
ガされ、スイッチＳＷ１がオンして、負荷Ｌに電力が供
給される。しかし、交流電圧が０Ｖ付近になると、サイ
リスタＳＣＲがオフしてトライアックＴＲＡＣがオフと
なる。この時、ダイオードブリッジＲＥＣによって、全
波整流された電圧がＲ１２を介して定電圧ダイオードＺ
Ｄに流れ、Ｑ１０がオンする。

【００１４】トランジスタＱ１０がオン状態では、サイ
リスタＳＣＲがオフとなる。しかし、サイリスタＳＣＲ
の両端の整流された電圧が、さらに０Ｖ近傍に近づく
と、定電圧ダイオードＺＤに電流が流れなくなり、Ｑ１
０がオフとなる。この時再び、サイリスタＳＣＲがオン
することになる。つまり、交流電圧が０Ｖ付近でない
と、サイリスタＳＣＲはオンにならない。

【００１５】以上、述べたように電源電圧の０Ｖから数
Ｖ近辺で常に負荷に電源が供給されることからゼロクロ
ススイッチング回路と呼ばれている。

【００１６】上述のように、ゼロクロススイッチング回
路は電源電圧の低い時点でスイッチングを行うため、Ｔ
ＲＡＣのオン、オフに伴うノイズがほとんどないこと、
負荷への導通角が大きいため、負荷の種類の制限が無い
という利点があるが、ＴＲＡＣの非対称性から、ＲＥＣ
の出力波形が半サイクル毎に歪を生じるきらいがある。

【００１７】また、図３に示すスイッチをＣＲ充放電回
路を利用した。電子スイッチ回路に置き換えることを考
える場合、上述の如くＦＥＴ素子を用いたＣＲ充放電回
路を利用した電子タイマでは、ＣＲ充放電回路の充電用
電源を別途用意しなければならないという問題があっ
た。

【００１８】さらに、負荷に直列に電流トランスを挿入
し、その２次側に発生する誘導起電力を整流してＣＲ充
放電回路を充電する電源を構成してもよいが、電源トラ
ンスは、一次側のインピーダンスを小さくかつ２次側に
大きな誘導起電力を発生させるため、一次側の巻線は、
太い線を少なく巻き、２次側は巻き数を多くする必要が
あるため、トランス自体の寸法が大きくなり、回路の大
型化を招くばかりでなく磁束密度を高めるため、高透磁
率材を磁心にする必要があるため、コスト面で高価とな
る問題があった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、従来の回
路では、交流負荷の電力効率、ＡＣ−ＤＣ変換の変換効
率あるいは、直流電源の電力効率が劣化するという問題
があるばかりでなくトランスなどを用いた電源回路を構
成すると回路の大型化を招くとともに、高価な磁心材料
を使用しなければならず、コスト高となる問題があっ
た。

【００２０】そこで、本発明はこのような問題を鑑み、
高価なトランスを使用しないで、０Ｖ近辺の僅かな導通
角を利用して電子回路用電源を作成し、電力効率の良い
直流電源と交流電源を得ることができるゼロクロススイ
ッチング回路を提供することを目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明に
よるゼロクロススイッチング回路は、交流電源が供給さ
れる交流負荷を備え、該交流負荷への電力供給を制御す
るスイッチ素子を用い、該スイッチ素子と直列に接続さ
れる前記負荷への導通角を拡大した電力制御回路であっ
て、前記負荷と直列に接続され、交流波形から整流出力
を得る全波整流回路と、前記スイッチ素子を制御する補
助スイッチ素子と、前記全波整流電圧の０Ｖ近傍で動作
し、全波整流波形から交流電源周波数の半周期に同期し
た脈流を有するＤＣ電圧へ変換する変換手段を備え、前
記補助スイッチ素子の制御端子へ前記脈流電圧と同期し
た制御電圧を供給する脈流電源回路と、前記脈流電源回
路の出力電圧を電源電圧として動作可能な電子回路とを
具備したことを特徴とするものである。

【００２２】

【作用】本発明によれば、電力効率の良いゼロクロスス
イッチング回路を実現することが可能となるばかりでな
く、ＡＣ−ＤＣ変換効率の良い電子回路供給用の直流電
源を提供することが可能となる。

【００２３】

【実施例】以下図１を参照して説明する。

【００２４】図１は、本発明によるゼロクロススイッチ
ング回路の一実施例である。

【００２５】本発明のゼロクロススイッチング回路は、
スイッチング部１とセンサ部２と電力制御部３とで構成
される。電力制御部１は、スイッチ素子たとえばトライ
アックＴＲＡＣと、全波整流回路たとえばダイオードブ
リッジ回路ＲＥＣと、補助スイッチたとえばサイリスタ
ＳＣＲで構成される。

【００２６】交流負荷への電力供給用のトライアックＴ
ＲＡＣが交流負荷Ｌに接続され、トライアックＴＲＡＣ
の一端がダイオードブリッジＲＥＣの入力端子に接続さ
れている。また、トライアックＴＲＡＣの制御端子がダ
イオードブリッジＲＥＣと抵抗Ｒ７に接続されている。

【００２７】ダイオードブリッジＲＥＣに、サイリスタ
ＳＣＲが接続され、サイリスタＳＣＲの導通によりトラ
イアックのゲート端子にトリガ電流が供給される。

【００２８】ダイオードブリッジＲＥＣは、さらに抵抗
回路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と３段の電流増幅用のトラ
ンジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３に接続され、最終段のトラン
ジスタＱ３のエミッタは、ダイオードＤ２を介して充電
用のコンデンサＣ１に接続されている。これらの抵抗Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３
で全波整流波形と図２に示す脈流電源電圧ＶＤの変換手
段を構成する。

【００２９】また、変換手段１０の出力は、抵抗を介し
てトランジスタのコレクタに接続され、コレクタは、サ
イリスタＳＣＲの制御端子と抵抗Ｒ６に接続される。

【００３０】変換手段１０の出力は、センサ部２にも接
続されており、センサ部２の基準電位は、変換手段１０
と共通としている。

【００３１】センサ回路の出力は、トランジスタＱ４の
ベースに接続され、スイッチング信号により、サイリス
タＳＣＲのスイッチング動作を制御する前記変換手段１
０とトランジスタＱ４でスイッチング部１を構成する。

【００３２】次に図１の動作を図２を用いて説明する。

【００３３】商用電源、交流１００Ｖの電源に接続され
た負荷Ｌに直列にダイオードブリッジＲＥＣを接続し、
同ＲＥＣの整流出力にスイッチング部１を接続する。ダ
イオードブリッジＲＥＣの交流端子のもう一方に抵抗Ｒ
７を接続し交流電源側に戻っていくように回路を構成し
ている。トライアックＴＲＡＣのゲートは、抵抗Ｒ７と
ダイオードブリッジＲＥＣの接続点に接続される。スイ
ッチング部１のサイリスタＳＣＲをオン、オフさせるた
めのトランジスタＱ４のベースに接続されている。

【００３４】図１の回路において、ダイオードブリッジ
ＲＥＣの全波整流電源は、トランジスタＱ１によって、
図２に示すａ，ｂのＭ型の電源に変換される。このＭ型
電源は、次段のトランジスタＱ２、Ｑ３によって電流増
幅され電解コンデンサＣ１に充電される。この、コンデ
ンサＣ１の両端の電圧は、図３に示すように脈流のまま
としておく。また、この脈流の電源をセンサ回路２の電
源ＶＤとする。センサ回路での出力により、スイッチン
グ部１のトランジスタＱ４がオフとなるとサイリスタＳ
ＣＲのゲート電圧上昇し、電源ＶＤをＲ５とＲ６で分割
した電位となる。サイリスタＳＣＲがオンするゲート電
位が図２の脈流のピーク時となるようにＲ５とＲ６を設
定すれば、図３から分かるように、ほぼ交流１００Ｖの
ゼロクロスでＳＣＲがオンすることになり、この結果、
交流１００Ｖの電流がＲＥＣを経由して、抵抗Ｒ７を流
れるので、ＴＲＡＣがオンして、負荷Ｌが動作すること
になる。すなわち、ＴＲＡＣがゼロクロスでオンして負
荷Ｌには定格電流が流れることになる。

【００３５】以上述べたようにゼロクロススイッチング
が可能となり、ＴＲＡＣを介して交流電源を常にゼロク
ロスで負荷Ｌに供給されることになる。一方、センサ回
路内にタイマ機能を設け、トランジスタＱ４のベースに
制御信号を供給することにより、ＳＣＲを不導通、ＴＲ
ＡＣも不導通とし、負荷Ｌへの電力の供給を遮断するこ
とが可能となる。いわゆるタイマ機能が実現されたこと
になる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、スイ
ッチング素子トリガ用のスイッチ制御回路の電源あるい
はセンサ回路などの電源を交流電源のゼロクロス近辺の
電力から得ることによりコスト的に安価な電源を実現す
ることが可能となるとともに機能的には電力効率が良
く、負荷の種類の制約がなくなり、かつラジオノイズを
抑制することが可能となるという効果となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るゼロクロススイッチング回路の一
実施例を示す回路図である。

【図２】本発明の脈流電源の電源電圧と全波整流波形を
示す波形図である。

【図３】従来のゼロクロススイッチング回路を示す回路
図である。

【符号の説明】

１ …スイッチング部 ２ …センサ回路 ３ …電力制御部 １０ …変換手段 Ｑ1 …Ｍ型制御トランジスタ Ｑ2 …トランジスタ Ｑ3 …トランジスタ ＴＲＡＣ…トライアック ＳＣＲ…サイリスタ ＲＥＣ…ダイオードブリッジ回路 Ｃ１…電解コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流電源が供給される交流負荷を備え、該
   交流負荷への電力供給を制御するスイッチ素子を用い、
   該スイッチ素子と直列に接続される前記負荷への導通角
   を拡大した電力制御回路であって、 前記負荷と直列に接続され、交流波形から整流出力を得
   る全波整流回路と、 前記スイッチ素子を制御する補助スイッチ素子と、前記
   全波整流電圧の０Ｖ近傍で動作し、全波整流波形から交
   流電源周波数の半周期に同期した脈流を有するＤＣ電圧
   へ変換する変換手段を備え、前記補助スイッチ素子の制
   御端子へ前記脈流電圧と同期した制御電圧を供給する脈
   流電源回路と、 前記脈流電源回路の出力電圧を電源電圧として動作可能
   な電子回路と、 を具備したことを特徴とするゼロクロススイッチング回
   路。