JPS5858901B2 - 半導体スイッチ回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、起動信号が消失した後も、自己保持作用に
より、負荷へ交流電力を供給し続ける半導体スイッチ回
路に関するものである。

第１図は従来の半導体スイッチ回路の一例である。

第１図において、１は交流電源、２はトライアック、３
は負荷で、交流電源１、トライアック２および負荷３は
直列に接続されている。

Ｔ１゜Ｔ２は前記トライアック２の端子、Ｇはゲートで
ある。

４はコンデンサ、５は整流ダイオード、６は押している
ときのみ閉じているオン用の押しボタンスイッチであり
、７は同じくオフ用の押しボタンスイッチである。

８は制限用抵抗器、９は放電電流制限用抵抗器である。

押しボタンスイッチ６を閉成させると、例えばそれが向
流電源１の正の半サイクル期間であれば、１→８→６→
０→Ｔ１→３→１のループで電流が流れ、トライアック
２がオン状態となって、負荷３へ電力が供給される。

また逆に負の半サイクル期間であれば、上記のループと
全く逆のループで電流が流れ、やはりトライアック２が
オン状態となって負荷へ電力が供給される。

この押ボタンスイッチ６が閉じられている期間にコンデ
ンサ４は整流ダイオード５の作用により図示の極性に充
電される。

押しボタンスイッチ６が開になると、ゲート電流はなく
なり、次の半サイクルのトライアック２のオン状態への
移行はコンデンサ４に蓄えられた電荷により行われる。

すなわち、押しボタンスイッチ６が交流電源１の正の半
サイクルの終り（電源電圧がコンデンサの充電電圧より
低くなる時点）から放電しはじめ、次の負の半サイクル
でも、４→Ｔ１→仕→９→４のループで放電電流が流れ
る。

このため、押しボタンスイッチ６が開であっても、トラ
イアック２にはゲート電流が供給され続け、トライアッ
ク２は引き続き負の半サイクルでもオン状態となる。

さらに負の半サイクルが終ったときにでも、トライアッ
ク２のゲートトリガ電流以上の電流が流れるようにコン
デンサ４と放電電流制限用抵抗器９の放電時定数を大き
く設計しておけば、引き続き次の正の半サイクルでもト
ライアック２はオン状態となる。

トライアック２がオン状態になれば再びコンデンサ４は
充電され、元の状態に戻り、引き続きトライアック２は
オフ用信号が入るまでオン状態を維持し続ける。

一方、負の半サイクル期間に押しボタンスイッチ６が開
になったときも上記の例から明らかなように、次の正の
半サイクルのはじめにトライアック２はオン状態となり
、上記と同様の動作が繰り返えされる。

次に押しボタンスイッチγを閉じると、コンデンサ４の
電荷は、４→Ｔ１→Ｇ→７→４のループで直ちに放電さ
れ、正、負いずれの半サイクルを問わず、次の半サイク
ルのはじめにはトライアック２ヘゲート電流は供給され
なくなるために、トライアック２はオフ状態となる。

トライアック２がオフ状態となれば、コンデンサ４には
電荷は蓄えられないので、押しボタンスイッチ７が開と
なっても、以後トライアック２はオン状態とはならない
。

このようにして、押しボタンスイッチ６を押せば交流負
荷に電力が供給され、押しボタンスイッチ７を押せば電
力の供給が停止される。

しかし、コンデンサ４の放電期間が正の半サイクルの終
りから次の正の半サイクルのはじめまで、すなわち放電
は少なくとも交流電源の半サイクル期間（１／２周期）
以上の間続く。

このため、コンデンサ４の放電開始直後の放電電流が大
きくても、放電時定数が小さいと、次の正の半サイクル
のはじめには、放電電流がトライアック２のゲートトリ
ガ電流以下に減衰してしまい、トライアック２がオン状
態にならない。

これを防ぐには放電時定数を大きくしなければならない
。

しかし放電電流制限用抵抗器９の値を大きくすると、放
電電流値が小さくなるので、抵抗値を大きくすることに
よって放電時定数を大きくすることができない。

従って、放電時定数を大きくするには、コンデンサ４の
容量値を大きくする以外に方法はない。

コンデンサ４の容量値が大きくなれば、コンデンサの寸
法が大きくなり高価になるばかりか、放電電流制限用抵
抗器９の電力損失も大きくなり、より大きなワット数の
ものを使用しなければならなくなり、これによっても回
路が大きくなり高価となる。

一方、一般的にはトライアック２の電流容量が大きくな
れば、ゲートトリガ電流が大きくなり、大きな放電電流
を必要とする。

参考のためにあげればＩＯＡクラスのトライアックでゲ
ートトリガ電流は１５〜３０ｍＡである。

従って大きな容量のトライアック２を使用した半導体ス
イッチはコンデンサ４の容量の大きなものを必要とする
欠点があり、このため事実上半導体スイッチの制作が困
難であった。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、ゲートトリガ感度のよい小電力サ
イリスクをトライアックのトリガ素子として使用するこ
とにより、コンデンサ、抵抗器の容量やワット数を著し
く小さくし、小形化することを目的とするものである。

以下この発明について説明する。

第２図はこの発明の一実施例を示すものである。

第２図において、１０はサイリスク、σはそのゲ゛−ト
、１１〜１４は電流ダイオード、１５は前記サイリスタ
１０のゲートσヘゲート電流を流すためのコンデンサ、
１６は前記コンデンサ１５に図示の極性に電荷を充電す
るための整流ダイオード、１７は前記コンデンサ１５を
図示の極性に充電するときのコンデンサ分割用とサイリ
スタ１０のゲート電流を供給するためのコンデンサ、１
８は前記コンデンサ１７の充電抵抗器、１９．２０はそ
れぞれ前記サイリスタ１０、トライアック２の誤トリガ
を防止するための抵抗器である。

その他の符号は第１図において説明した符号と同じであ
る。

次に第２図の実施例の動作を第３図の動作波形図を参照
しつつ説明する。

今、押しボタンスイッチ６が正の半サイクルの期間に閉
となると、１→１１→６→８→σ→１４→０→Ｔ１→３
→１のループで電流が流れ、サイリスタ１０がオン状態
になる。

サイリスタ１０がオン状態になると、押しボタンスイッ
チ６を流れていた電流がサイリスタ１０を流れるので、
トライアック２には大きなゲート電流が流れ、トライア
ック２がオン状態となり、負荷３に電力が供給される。

一方、押しボタンスイッチ６が負の半サイクルの期間に
閉となると、１→３→Ｔ１→Ｇ→１２→６→８→σ→１
０→１３→１のループで電流が流れ、まずサイリスク１
０がオン状態となり、引続いてトライアック２がオン状
態となり、負荷３へ電力が供給される。

一旦トライアツク２がオン状態となり負荷３へ電力が供
給されると、押しボタンスイッチ６を開としても次のよ
うな動作原理により引き続き負荷へ交流電力が供給され
続けられる。

トライアック２がオン状態にあるときの各部の動作波形
は第３図のとおりである。

第３図ａは、交流電源１の電源電圧、第３図すはコンデ
ンサ１５の電圧、第３図Ｃはコンデンサ１１の電圧波形
である。

さて、正の半サイクル期間ではコンデンサ１７は、１→
１１→１０→１６→１８→１７→１のループと、１→Ｔ
２→Ｇ→１２→１０→１６→１８→１１→１のループで
、第２図で右側が正となるように充電される。

また負の半サイクル期間ではコンデンサ１７は、１→１
７→１８→１５→１３→１のループと、１→１７→１８
→１５→１４→α→Ｔ２→１のループで充電され、左側
が正となるように充電される。

しかし、この半サイクル期間はコンデンサ１７と１５は
コンデンサ分割となるので、コンデンサ１７は電源電圧
のピーク値まで充電されず、正と負の半サイクルは第３
図Ｃに示すように非対称の波形となる。

コンデンサ１５は負の半サイクル期間には充電されるが
、整流ダイオード１６の作用により正の半サイクル期間
は充電されず、その電圧は第３図すに示すように動作責
務の異なる半波電圧波形となる。

次にコンデンサ１５と１７の電圧波形をもう少し詳細に
説明するとともに、押しボタンスイッチ６が開となった
ときのトライアック２がオン状態を持続する動作機構に
ついて説明する。

今、正の半サイクルの任意の時間に押しボタンスイッチ
６が開となったと仮定すると、コンデンサ１７は押しボ
タンスイッチ６の開閉には無関係に交流電源１より充放
電が行なわれる。

正の半サイクルの後半になると、コンデンサ１７の電圧
は交流電源１の位相より遅れているので電源電圧より高
くなり、正の半サイクル期間であっても、１７→１８→
１５→１４→いＴ１→３→１７のループでコンデンサ１
５が充電されはじめる。

交流電源１０位相が進むに従い、コンデンサ１５の充電
は進み、電源電圧が反転すると今度はコンデンサ１７と
１５の直列回路としての充電がはじまる。

電源電圧が零となる位相においては、コンデンサ１７と
１５はそれぞれ、１７→１８→９→Ｇ′→１０→１４→
Ｇ→Ｔ１→３→１７と、 １５→９→σ→１０→１５の
ループで、サイリスク１０のゲートＧ′にゲート電流が
流れるので、サイ９スタ１０は引き続き負のサイクルで
もオン状態となり、トライアック２にゲート電流を供給
し、負荷３へ電力を供給し続ける。

次に、負の半サイクル期間中はコンデンサ１７と１５の
直列回路としてコンデンサ１５の充電がはじまり、その
電圧は電源電圧の位相より遅れているために、電源電圧
が零となっても、図示のようにコンデンサ１５には電荷
が蓄えられており、１５→９→σ→１０→１５のルーフ
チ、コンデンサ１５より放電電流が流れ、これがサイ９
スタ１０のゲートトリガ電流となるため、次の正の半サ
イクルのはじめにサイリスタ１０はオン状態に移行し、
引続いて負荷３には電力が供給される。

この繰り返しにより負荷３には連続的に電力が供給され
る。

一方、負の半サイクルの任意の時間に押しボタンスイッ
チ６が開となった場合にも、コンデンサ１７．１５の充
電の状態は押しボタンスイッチ６の開閉とは無関係であ
るから、上記の負の半サイクルの動作と全く同じ動作と
なり、引き続き負荷３へ電力が供給される。

さらに、正の半サイクル動作は上記の場合と同様である
。

このように、一旦押しボタンスイッチ６が閉となって、
負荷３への電力が供給されはじめると、押しボタンスイ
ッチ６が閉となってもコンデンサ１５．１γ、整流ダイ
オード１６、充電抵抗器１８、サイリスタ１０、整流ダ
イオード１１〜１４などからなる自己保持回路の自己保
持作用により、スイッチオフ用押しボタンスイッチ７が
閉じられるまで、負荷３へ電力が供給され続ける。

次に、スイッチオフ用押しボタンスイッチ１を閉とすれ
ば、サイリスタ１０のゲート・陰極間は短縮されて、次
の半サイクル期間がはじまっても、サイリスク１０がオ
ン状態とならず、トライアック２のゲートＧには電流は
供給されないため、トライアック２はオフ状態となる。

従って負荷３には交流電力は供給されなくなる。

サイリスタ１０、トライアック２がオフ状態になると、
コンデンサ１７は、１→１７→１８→９→７→１３→１
のループで、左側が正となるようにほぼ電源電圧のピー
ク値まで充電されるが、放電ループがなくそのまま電圧
が維持される。

またコンデンサ１５はほとんど充電されない。

そのため、押しボタンスイッチ７が開となってもサイリ
スタ１０へのゲート電流が供給されず、トライアック２
はオフ状態のままで、負荷３には交流電力は供給されな
い。

サイリスタ１０は小電力のサイリスタでよいため高感度
のサイリスク（１〜数１０μＡのゲートトリガ電流）が
使用可能で、抵抗器９の抵抗値を大きく選ぶことができ
、コンデンサ１５も小さくて済ム。

従って、コンデンサ１７は小さく、充電抵抗器１８の抵
抗値は大きく選べるため、コンデンサ、抵抗器などの部
品は小さくてよく、装置が著しく小形化できる。

さらに、従来のもののように電力消費も大きくないとい
う特徴を有する。

なお、図面には記載しなかったが、トライアック２のゲ
ート電流を制限して、ゲートＧの破壊を防ぐために、整
流ダイオード１１〜１４からなるダイオードブリッジの
交流側、または直流側に抵抗器を挿入してもよい。

さらに電源投入時の過渡電流によるセットの誤ト９ガ防
止のためコンデンサ１７の右側と交流電源１の他端（ト
ライアック２のＴ２端子）またはサイリスタ１０の陰極
との間にコンデンサを入れてもよい。

また抵抗器８は電流制限用の抵抗器であって、トライア
ック２の端子Ｔ２と整流ダイオード１１と１３との接続
点との間に分割して挿入してもよい。

さらに、サイリスタ１０のゲートσと陰極間に誤動作防
止のための小容量のコンデンサを挿入すると、誤動作に
対して強い回路ができる。

同時にゲートσと陰極間に小容量のコンデンサを挿入す
ると抵抗器９の抵抗値を大きくすることができるので、
サイリスタ１０のゲート感度が見かけ上よくなりコンデ
ンサ１５と１７をより小さくすることが可能となる。

以上詳細に説明したようにこの発明は、第１、第２のコ
ンデンサ、整流ダイオード、ダイオードブリッジ、第１
、第２の抵抗器、サイリスク等により自己保持回路を形
成したので、第１、第２のコンデンサの容量を小さくで
き、そのため全体を小形化することができる。

また第１、第２の抵抗器は大きな抵抗値のものを採用で
きるため電力消費が少なくてよく、回路の発熱も少なく
なる。

さらに第１、第２の抵抗器のワット数も小さくてよく、
小形とすることができる。

また、第１、第２のスイッチは接点容量の小さいもので
よいので、この点からも全体を小形化でき、安価にでき
る等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体スイッチ回路図、第２図はこの発
明の一実施例を示す回路図、第３図は第２図の動作を説
明するための波形図である。 図中、１は交流電源、２はトライアック、３は負荷、６
はオン用の押しボタンスイッチ、７はオフ用の押しボタ
ンスイッチ、８は制限用抵抗器、９は放電電流制限用抵
抗器、１０はサイリスク、１１〜１４．１６は整流ダイ
オード、１５．１７はコンデンサ、１８は充電抵抗器、
１９．２０は抵抗器である。 なお、図中の同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 交流電源、トライアックおよび負荷が直列に接続さ
   れた交流の半導体スイッチにおいて、前記トライアック
   の一方の端子とゲートとの間にダイオードブリッジの交
   流側端子を接続し、その直流側端子の正極端子と負極端
   子にそれぞれサイ９スタの陽極と陰極を接続し、このサ
   イ９スタの陽極とゲートとの間に第１のスイッチを、ゲ
   ートと陰極との間に第２のスイッチをそれぞれ接続し、
   第１のコンデンサと第１の抵抗器との直列体の一端を前
   記負荷を介して前記トライアックの他方の端子へ接続し
   、前記直列体の他端を整流ダイオードと第２のコンデン
   サの並列体の整流ダイオードの陰極側に接続し、前記並
   列体の整流ダイオードの陽極側を前記サイリスタの陰極
   に接続するとともに、前記直列体と並列体の接続点と前
   記サイリスタのゲートとの間に第２の抵抗器を挿入した
   ことを特徴とする半導体スイッチ回路。