JPS601837B2 - 電圧スイツチング形ｄ級発振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコロナ放電を利用したプラスチックフィルムの
表面処理装置等の高周波大電力供給部として好適な電圧
スイッチング形Ｄ級発振装置に関するものである。

コロナ放電を利用したプラスチックフィルム表面処理装
置の電力供給部として従来は電力用サィリスタをスイッ
チング素子としたものが多用されている。

これは原発振回路からの発振出力によりサィリスタをタ
ーンオン、ターンオフさせ、負荷へ所定の周波数（５〜
滋Ｈｚ程度）およびオンデューティを有する断続電流を
供給する如く構成したものである。しかるに上記のもの
はサィリスタのスイッチング速度が比較的遅い為、けた
たましい放電音が発生し工場騒音として問題視されてい
た。またサィリスタのドライブ回路として原発振回路の
ほかに点弧回路、転流回路等を必要とするため、ドライ
ブ回路の構成が複雑で製作し‘こくい難点がある。なお
送信管をＢ級発振させ負荷に直接的に電力供給するよう
にしたものもあるが、このものは電力の約５０％が損失
となるうえ装置が大型化する難点がある。ところで最近
、パワートランジスタをいわゆるＤ級動作させることに
より、高効率な高周波大電力を負荷に直接的に供給する
ようにしたトランジスタ式のＤ級発振装置が考えられ実
用化されつつある。

このＤ級発振装置は、一対のトランジスタをスイッチン
グ素子とし、これらの素子を交互にオーバドラィブして
ＯＮ−ＯＦＦスイッチング動作させ方形波の出力電圧ま
たは出力電流を得るようにした○級増幅器を設け、この
Ｄ級増幅器の出力の一部を負荷両端から抽出し上記トラ
ンジスタの駆動入力として正帰還させ発振器としたもの
である。上記装置はトランジスタをＤ級動作させるよう
にした為、コレクタ損失が少なく効率のよいものとなる
うえ、トランジスタのスイッチング動作が早いことから
前述した騒音発生を抑制できる等の利点を有する。しか
しながら、これまでのＤ級発振装置には次のような問題
がある。すなわちＤ級発振装置で負荷へ電力供給を行な
う場合には、入力駆動周波数を負荷回路の共振周波数に
合わせると共に、出力インピーダンスを負荷インピーダ
ンスにマッチングさせないと負荷に電力が供給されない
。したがって負荷が作動中において常に一定の共振周波
数およびインピーダンスを有するものである場合には格
別支障は生じない。しかるに前述したコロナ放電を利用
した表面処理装置のようにリアクタンス成分を有する負
荷の場合には、放電の強さや放電電極の構造によって負
荷インピーダンスが変化する。このため、Ｄ級増幅器の
出力から帰還を行なうようにしたこれまでの装置では、
負荷インピーダンスの変化が帰還電圧および帰還周波数
の変化として現われず上記変化に追従しない為、発振動
作が不安定となるばかりでなく、周波数の変化が大きい
場合には発振電圧と電流との位相が崩れ、出力効率が低
下する上、トランジスタ損失が増大して温度上昇を招き
遂にはトランジスタの破壊を招くおそれさえある。とこ
ろでＤ級発振装置には、出力波形のうち電圧波形が方形
波となる電圧スイッチング形のものと、電流波形が方形
波となる電流スイッチング形のものとがある。

両者にはそれぞれ長所、短所があるが、電圧スイッチン
グ形のものの回路上の特徴として発振装置の出力端に高
調波に対して高インピーダンスな直列共振回路を介挿す
ることが要求される。なお、上記直列共振回路の両端に
発生する信号は負荷の固有の共振周波数に等しいものと
なる。本発明はこのような点に着目してなされたもので
、その目的は負荷がインピーダンス変動をきたし易いも
のであっても負荷の変動に追従して位相、振幅ともに安
定なＤ級発振動作をなし得、高効率で高い周波数の大電
力を供給可能な小型且つ軽量で構成簡単な電圧スイッチ
ング形Ｄ級発振装置を提供することである。

以下、本発明の詳細を図面に示す実施例によって明らか
にする。

第１図はこの発明の一実施例の回路構成を示す図で、１
は負極を接地された可変直流電源であり、この電源１の
正極端子２と接地ライン２０との間にはＤ級増幅器３が
接続されている。このＤ級増幅器３は、一組のトランジ
スタ群４ａ，４ｂ〜４ｎを並列的に接続した第１のスイ
ッチング回路４と、他の一組のトランジスタ群５ａ，５
ｂ〜５ｎを並列的に接続した第２のスイッチング回路５
とを、互いに逆位相の電圧を発生させる第１、第２のド
ライブ回路６および７によって交互に駆動しＤ級のスイ
ッチング動作をさせるようにしたものである。上記第１
のスイッチング回路４はＮＰＮ形トランジスタ４ａ，４
ｂ〜４ｎの各コレクタを前記端子２に共通接続し、各ェ
ミッタを抵抗８ａ，８ｂ〜８ｎをそれぞれ介して共通接
続ライン９に接続したものとなっている。また第２のス
イッチング回路５はＮＰＮ形トランジスタ５ａ，５ｂ〜
５ｎの各コレクタを前記共通接続ライン９に共通に接続
すると共に、各ェミッタを抵抗１０ａ，１０ｂ〜１０ｎ
をそれぞれ介して接地ライン２川こ接続したものとなっ
ている。第１のドライブ回路６はバイアス回路１１と駆
動トランス１２の第１の二次コイル１２ｂとで構成され
ている。バイアス回路１１は前記端子２と共通接続ライ
ン９との間に一対の直流バイアス抵抗１３，１４を直列
に接続し、上記抵抗１４と並列にコンデンサ１５を接続
したものである。しかして上記抵抗１３，１４の接続点
を二次コイル１２ｂの一端に接続し、同コイル１２ｂの
他端を前記第１のスイッチング回路４の各トランジスタ
４ａ，４ｂ〜４ｎのそれぞれのベースに共通に接続して
いる。また第２のドライブ回路７はバイアス回路１６と
、駆動トランス１２の第２の二次コイル１２ｃとで構成
されている。この第２の二次コイル１２ｃは巻き方向が
前記第１の二次コイル１２ｂとは逆向きで、上記第１、
第２の二次コイル１２ｂ，１２ｃに互いに逆位相の電圧
が誘起するようにしてある。バイアス回路１６は前記共
通接続ライン９と接地ライン２０の間に一対の間に一対
の直流バイアス抵抗１７，１８を直列に接続すると共に
、抵抗１８と並列にコンデンサ１９を接続したものであ
る。しかして上記抵抗１７と１８との接続点を、二次コ
イル１２ｃの一端に接続し、同コイル１２ｃの他端を前
記第２のスイッチング回路５の各トランジスタ５ａ，５
ｂ〜５ｎのそれぞれのベースに共通接続している。とこ
ろで前記○級増幅器３の出力端である共通接続ライン９
と接地ライン２０との間には容量素子であるコンデンサ
２１と、誘導素子であるチョークコイル２２とからなる
直列共振回路２３を介して、負荷トランス２４の一次コ
イル２４ａが接続されている。なお、上記直列共振回路
２３は負荷への結合インピーダンスを低下させ、負荷に
対し十分大きな電力が供総合されるものとなっている。
上記コンデンサ２１の両端は正帰還回路２５を介して前
記駆動トランス１２の一次コイル１２ａに接続されてい
る。

上記帰還回路２５の途中には位相補正用コンデンサ２６
が介在している。なお、上記コンデンサ２６と駆動トラ
ンス１２の一次コイル１２ａとは発振周波数に共振する
共振回路を構成し上記トランス１２の一次側のＱを高め
るものとなっている。前記負荷トランス２４の二次コイ
ル２４ｂの一端はプラスチックフィルム表面処理装置の
コロナ放電電極２７へ接続され、同コイル２４ｂの池端
は接地ロール２８に接続されいる。

なおプラスチックフィルム２９は接地ロール２８に案内
されてコロナ放電領域を通過するものとなっている。次
に上記の如く構成された本装置の動作を説明する。今、
直流電源１が投入されると端子２にはＶｃｃなる電圧が
現われ、これがＤ級増幅器３におけるバイアス回路１
１へ先ず供強台される。そうすると、コンデンサ１５に
は抵抗１３，１４で分圧された電圧により充電がなされ
る。この充電電荷の一部は駆動トランス１２の二次コイ
ル１２ｂを経て第１のスイッチング回路４のトランジス
タ４ａ，４ｂ〜４ｎの各ベースへ流入する。したがって
上記各トランジスタ４ａ，４ｂ〜４ｎはＯＮ状態となる
。このとき第２のスイッチング回路５の各トランジスタ
５ａ，５ｂ〜５ｎのベースには・駆動トランス１２の他
の二次コイル１２ｃに議起した電圧により逆バイアスが
与えられる。このため上記各トランジスタ５ａ，５ｂ〜
５ｎはＯＦＦ状態となっている。ただし第１のスイッチ
ング回４の各トランジスタ４ａ，４ｂ〜４ｎがＯＮ状態
となったことにより、これらのトランジスタを介してバ
イアス回路１６におけるコンデンサ１９には充電がなさ
れている。コンデンサー５に蓄積されていた電荷が放電
を終了すると、第１のトランジスタ群４ａ，４ｂ〜４ｎ
がＯＦＦ状態になると共に、それまで駆動トランス１２
の二次コイル１２ｃに誘起していた電圧がなくなるので
、第２のトランジスタ群５ａ，５ｂ〜５ｎの各ベースに
は、コンデンサ１９に蓄積されていた電荷が上記二次巻
線１２ｃを介して正のベース電流として流入する。

このため上記各トランジスタ５ａ〜５ｎはＯＮ状態とな
る。このとき第１のトランジスタ群４ａ，４ｂ〜４ｎは
、駆動トランス１２の二次巻線１２ｂに誘起する電圧に
より逆バイアスされるため強制的にＯＦＦ状態を保持さ
れる。またこの間、コンデンサ１５の充電がなされる。
そしてこのときの周波数はコンデンサ１５，１９のキャ
パシタソス及び二次コイル１２ｂ，１２ｃのインダクタ
ンスによって定まる。

今、上記時定数が負荷トランス２４を含む負荷の固有の
共振周波数〆ｏになるように調整されているものとする
と、直列共振回路２３は直列共振しＤ級増幅器３の出力
電流は流れ易いものとなる。比較的低い電源電圧Ｖｃｃ
でも比較的大きな帰還信号Ｖｆが得られることになる。
出力電流の増大に伴い直列共振回路２３のコンデンサ２
１の両端に得られる帰還信号Ｖｆが増大し、このＶｆに
よる駆動トランス１２の二次誘起電圧の大きさが所定レ
ベル以上になると、コンデンサ１５あるいは１９の充電
電荷の放出によるベース電流よりも駆動トランス１２の
二次コイル１２ｂ，１２ｃの誘起電圧によるベース電流
の方が勝ることになる。

こうなると、Ｄ級増幅器３は帰還信号Ｖｆによって制御
された定常発振に移行する。なお、前述のように第１、
第２のドライブ回路６，７における共振動作により帰還
信号に対する各ドライブ回路６，７の入力インピーダン
スは低く、各トランジスタ群へのベース電流は流れ易い
のでＤ級動作へ円滑に移行することになる。このときの
Ｄ級増幅器３の出力波形は第２図に示す如く亀氏波形Ｖ
が方形波となり電流波形１は電圧波形とは位相が１８０
ｏずれた半波の正弦波となる。したがって出力回路であ
る直列共振回路２３には方形波電圧が印加されることに
なる。今、直列共振回路２３がＤ級増幅器３のスイッチ
ング周波数に共振しているものとすると、そのインピー
ダンスは零である。したがってこの場合には負荷トラン
ス２４の一次巻線２４ａには半サイクル毎に方形波の基
本成分が加わり、他の半サイクル毎に高周波を阻止され
た正弦波電流が加わる。上記正弦波状の電流をうけもつ
トランジスタ群は半サイクル毎に切換わる。一方のトラ
ンジスタ群に電流が流れているとき、その両端電圧は理
論的には零であるから、その場合の効率は１００％とな
る筈である。しかし現実には若干のロス分が生じるのは
免れ得ない。かくして上記の如き出力が負荷トランス２
４を介して放電電極２７と接地ロール２８との間に印加
されると、コロナ放電が生じる。

したがってプラスチックフィルム２９の表面処理がなさ
れる。このとき上記コロナ放電は約３０ｋ位の高周波電
力にて生じるものであるため、放電音は極めて小さく騒
音対策を殆んど要さない。ところで、コロナ放電の発生
に伴い、負荷トランス２４を含む負荷インピーダンスは
変化する。

このため負荷の共振周波数ナｏも変化することになる。
そうなると帰還信号Ｖｆは直列共振回路２３のコンデン
サ両端から得たものである為負荷電流に比例した大きさ
の電圧で且つ負荷の共振周波数ナｏ に等しいものとな
る。そしてこの帰還信号Ｖｆが駆動トランス１２を介し
て○級増幅器３の入力端に帰還される。このためＤ級増
幅器３は負荷の共振周波数ナｏに自動的に追従した発振
を行なうことになる。なお、このとき帰還信号Ｖｆは直
列共振回路２３から得ているので、出力電流との間に位
相の推移が生じるが、この位相の推移は位相補正用コン
デンサ２６によって補正されるので、出力電圧と出力電
流の位相差は１８００に正確に維持されることになる。
また上記帰還信号Ｖｆは高調波を含まないほぼ完全な正
弦波信号であるため、トランジスタ４ａ，４ｂ〜４ｎお
よび５ａ，５ｂ〜５ｎを十分飽和領域に追い込むことが
でき、トランジスタの損失を少なくできるうえ、蓄積時
間を短縮できる利点がある。因みに方形波でドライブし
た場合に比し蓄積時間は数分の１に短縮される。なお、
前述したように第１、第２のドライブ回路６，７におけ
る共振動作によっても各トランジスタ群４ａ，４ｂ〜４
ｎおよび５ａ，５ｂ〜５ｎのベース蓄積時間は短縮され
る。したがって蓄積効果によるトランジスタ群のスイッ
チング動作の遅れは殆んど生じない。なお、本発明は上
述した一実施例に限定されるものではない。

たとえば前記実施例では直列共振回路２３のコンデンサ
２１の両端から帰還信号Ｖｆを取出すようにした場合を
示したがこれに限られるものではない。すなわち第３図
ａを第１図の場合に相当する帰還信号取出手段としたと
き、端子Ｔ１，Ｔ２に接続される直列共振回路から帰還
信号を取出す手段としては、同図ｂ〜ｇに一例を示す如
く種々の手段がある。なお第３図ｂ〜ｇの矢印の向きは
同図ａの矢印の向きに対応している。また前記実施例で
は二組のトランジスタ群を直列的に接続したものを示し
たが、プッシュプル方式にて接続したものであってもよ
い。

さらに前記実施例では本発明をプラスチック表面処理装
置の電源供給部に適用した場合を示したが、高周波誘導
炉その他の装置にも広く適用できるのは勿論である。以
上説明したように本発明によれば一対のトランジスタを
スイッチング素子とするＤ級増幅器の出力端に、負荷と
直列となる如く容量素子および譲導素子からなる直列共
振回路を接続しこの直列共振回路の容量素子および謙導
素子に生じる電圧の少なくとも一部を前記Ｄ級増幅器に
おける一対のトランジスタの各ベースへの正帰還させる
ようにしたものであるから、帰還信号が負荷電流の大き
さ、周波数に対応したものとなり、負荷がたとえインピ
ーダンス変動をきたし易いものであっても負荷の変動に
追従して位相、振幅ともに安定なＤ級発振動作をなし得
、極めて高い効率の高周波大電力を供給可能であり、し
かもトランジスタをスイッチング素子としていることか
ら装置を小型、軽量で構成も簡単なものとなる等、種々
格別の利点を有する電圧スイッチング形Ｄ級発振装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成図、第２図は同実
施例のＤ級増幅器の出力電圧および出力電流波形を示す
図、第３図ａ〜ｇは同実施例の帰還信号検出手段の変形
例を示す図である。 １……直流電源、３・・・・・・Ｄ級増幅器、４・・・
・・・第１のスイッチング回路、５……第２のスイッチ
ング回路、２３・・・・・・直列共振回路、２４・・・
・・・負荷トランス、２５・・・・・・帰還回路。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源と、この直流電源に接続された一対のトラ
   ンジスタをスイツチング素子とするＤ級増幅器と、この
   Ｄ級増幅器の出力端に負荷と直列になる如く接続された
   容量素子および誘導素子からなる直列共振回路と、この
   直列共振回路の容量素子および誘導素子に生じる電圧の
   少なくとも一部を前記Ｄ級増幅器における一対のトラン
   ジスタの各ベースへ正帰還させる帰還回路と、この帰還
   回路と前記一対のトランジスタとの間に介在し一方のト
   ランジスタにベース電流が流れているとき他方のトラン
   ジスタのベースに逆バイアスを与える駆動トランスとを
   具備したことを特徴とする電圧スイツチング形Ｄ級発振
   装置。