JPS6098723A - 電子スイツチ - 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】 発明の分野 本発明は近接センサや光電センサ等のセンザ回路を有し
、負荷と電源間に直列に接続され検知出力に基づいて直
接負荷を制御するように構成されている二線式の電子ス
イッチに関するものである。

従来技術とその問題点 負荷を直接制御するように構成されている光電スイッチ
や近接スイッチ等の二線式の電子スイッチは、検知部と
サイリスク等のスイッチング素子とを有し、検知出力に
基づいてスイッチング素子が駆動され負荷への電力の供
給が制御されるよう構成されている。このような二線式
の電子スイッチは電源と負荷に直列に接続するだけで負
荷がオン、オフされるので、通常の機械接点スイッチと
同様に用いることができて極めて便利なものである。し
かし事故によって負荷が内部短絡状態となった場合や誤
って負荷を接続することなく電源を直接電子スイッチに
接続することがある。そのような場合にスイッチング素
子が閉成されると、スイッチング素子に短絡した大電流
が流れるため素子が破壊されたり場合によっては＃Ａ発
することがあり、人体や周囲の物を損傷する恐れがあっ
た。

このような問題点を解消するためにスイッチング素子に
直列に過電流検出用の低抵抗を設け、その抵抗の両端の
電圧力一定値以上となれば短絡保護回路を動作させてス
イッチング素子を開放するように制御する種々の保護回
路が提案されている。

しかしこのような保護回路はいずれも電流検出用端子や
検知部の出方に端子を接続しておく必要があり、スイッ
チの各回路部と一体に構成しておく必要があった。その
ため保護回路の構成が複雑になるというという問題点を
有していた。又二線式電子スイッチは電源として交流電
源が使用されることが多いが、交流二線式電子スイッチ
ではゼロクロス時にスイッチング素子を一旦オフとし検
知部の電源となっているコンデンサを急速充電し、その
充電が完了すれば再びスイッチング素子を駆動して負荷
へ電力を供給するように構成されている。このように負
荷の駆動時にも半サイクル毎にスイッチング素子が断続
することとなって電子スイッチの両端に一定の電圧が残
留し、負荷に与えられる電圧が低下するという問題点が
あった。

発明の目的 本発明はこのような従来の電子スイッチの問題点に鑑み
てなされたものであって、スイッチング素子自体によっ
て短絡保護を行わせるとノ（に、充電周期を長くするこ
とによって電子スイッチの動作時の残留電圧を小さくす
るようにした電子スイッチを提供するものである。

発明の構成と効果 本発明は負荷と電源に直列に接続され直接負荷を制御す
る電子スイッチであって、検知回路部と、検知回路部に
電源を供給する蓄電素子と、負荷に直列に接続されその
ゲート電位が一定値以下に制限された出力開閉用の電界
効果型トランジスタと、電界効果型トランジスタに直列
に接続される過電流検出用抵抗と、検知回路部の出力端
と電界効果型トランジスタのゲート間に設けられる電圧
降下素子と直列に発光素子が接続され、その出力素子に
よって該電圧降下素子を短絡して電界効果型トランジス
タを駆動すると共に、検知回路部に与えられる電圧の低
下によってその発光素子の発光を停止するフォトカップ
ラと、検知回路部の動作時に蓄電素子の電圧が低下する
毎に断続的に該蓄電素子を充電するスイッチング回路と
、を具備することを特徴とするものである。

このような特徴を有する本発明によれば、交流電源を用
いた場合にも、その交流電源の周期とは無関係に電源用
の蓄電素子の電荷が少なくなりその端子電圧が低下した
ときに充電を行って検知回路部に電源を供給するように
している。そのため充電間隔が長くなり、充電時の端子
電圧の平均値となる電子スイッチの残留電圧を低くする
ことが可能である。又出力開閉用の電界効果型トランジ
スタのゲート電位を所定値以下に制限しておくことによ
り、電界効果型トランジスタに流れる短絡時の過電流を
制限すると共に、過電流検出用抵抗によって検知回路部
をリセットするようにしている。そのため特別の保護回
路が不要となり構成を簡単にすることが可能である。又
スイッチング素子に直列に接続される過電流制限用の抵
抗を除くことができるため、残留電圧の低下に寄与する
と共に構造が簡単となり小型化することも可能である。

実施例の説明 第１図は本発明を交流二線式の近接スイッチに通用した
回路図である。本図において端子１，２間にダイオード
ブリッジ３が接続される。ダイオードブリッジ３は端子
１．２間に与えられる交流電圧を整流するものであって
、その正負出力端間にサージ電圧を吸収するアバランシ
ェダイオード４が接続され、それに並列に電力用の電界
効果型トランジスタ、例えばＭＯ３ＦＥＴ５と過電流検
出用の抵抗Ｒ６の直列接続体が接続され、更にツェナダ
イオード７とトランジスタ８を有する定電圧回路が接続
される。ＦＥＴ５のゲートと過電流検出用抵抗Ｒ６の他
端間にはＦＥＴ５に与えるゲート電圧を一定に保つため
のツェナダイオード９が接続される。定電圧回路のトラ
ンジスタ８の出力端には検知回路部に電流を供給するた
めのトランジスタ１０が接続され、その出力端は表示用
の発光ダイオード１１．ダイオード１２を介してセンサ
回路１３の電源入力端Ｖｃｃに接続されている。

センサ回路１３は内部に発振器を有しその発振状態の変
化に基づいて物体の近接を検知してデジタル出力を出す
ＩＣ化された回路であって、なるべく電力消費の少ない
ものを用いる。トランジスタ１０と発光ダイオード１１
とに並列にバイパス用の抵抗Ｒ１４が設けられ、センサ
回路１３の電源入力端Ｖｃｃとアース間にはセンサ回路
１３に電圧を供給するためのコンデンサＣ１５が接続さ
れる。

センサ回路１３には検知用コイル１６とコンデンサＣ１
７との共振回路が接続されている。センサ回路１３には
物体を検出しない時に電源電圧とほぼ同一の“Ｈ”レベ
ル出力を出すＮＨ出力及びアース端とほぼ同一の”Ｌ”
レベル出力を出すＮＬ小出力設けられ、更にセンサ回路
１３を不動作とするリセ７）端子が設けられる。ＮＨ出
力端にはトランジスタ１０にベース電流を与える抵抗Ｒ
１８、Ｒ１９が接続されており、ＮＬ出力端には抵抗Ｒ
２０を介してフォトカップラ２１の発光部である発光ダ
イオード２１Ｌが接続され、そのカソードにツェナダイ
オード２２とフォトカップラ２１のトランジスタ２１Ｔ
とが並列に接続される。

フォトカップラ２１はこのスイッチのオン時に導通ずる
ものであって、そのエミッタ端は出力開閉素子であるＦ
ＥＴ５のゲートに接続されている。

又センサ回路１３はそのリセット端に与えられる電圧が
リセット電圧Ｖｒ以下となったときリセットするもので
、リセット端子とアース端との間にコンデンサＣ２３と
トランジスタ２４とが並列に接続される。コンデンサＣ
２３は電源投入直後に誤った出力を発生させないための
タイミングをとるため設けられるものである。トランジ
スタ２４は過電流検出時に動作してセンサ回路１３をリ
セットするものであって、そのベース端は抵抗Ｒ２５を
介してＦＥＴ５のソースと過電流検出用抵抗Ｒ６の共通
接続点に接続されている。センサ回路１３の電源電圧は
ほぼツェナダイオード７によって定められ、ＮＨ，ＮＬ
小出力レベルもそれに基づいて定められるが、“Ｈ″レ
ベル電圧はツェナダイオード９と２２とのツェナ電圧の
和の電圧Ｖａよりもやや低くツェナダイオード９のツェ
ナ電圧ｖｂよりも低い電圧が選定されているものとする
。又リセット電圧Ｖｒはツェナ電圧ｖｂより更に低い電
圧が選定されている。尚以下の動作電圧に関する説明に
おいては正確にはトランジスタの順方向電圧降下を考慮
する必要があるが、説明を容易にするためこの電圧降下
分を無視するものとする。

次にこの電子スイッチの動作について第２図の波形図を
参照しつつ説明する。まず端子１．２間に図示のように
交流電源３ｏと負荷りとを直列に接続する。第２図（ａ
ｌは交流電源３ｏの電圧波形を示すものである。そうす
れば負荷りに微少電流が流れ交流電源３ｏの交流電圧は
ダイオードブリッジ３によって整流され、ツェナダイオ
ード７とトランジスタ８の定電圧回路によって所定電圧
の直流電源に変換されて、抵抗Ｒ１４及びダイオード１
２を介してセンサ回路１３に電源が供給されると共にコ
ンデンサＣ１５が充電される。そしてセンサ回路１３に
接続されている検知コイル１６とコンデンサＣ１７によ
る共振回路によりセンサ回路１３の発振器が発振し、物
体が検知できる状態となる。しかし物体を検知していな
ければＮＨ比出力”Ｈ”レベルでありＮＬ小出力″Ｌ″
レベルであるので、トランジスタ１０のベースにはペー
ス電流は流れずトランジスタ１ｏはオフ状態であって発
光ダイオード１１も点灯しない。又ＮＬ小出力“Ｌ”レ
ベルであるのでフォトカップラ２１の発光ダイオード２
１Ｌは点灯せず、ＦＥＴ５にもゲート信号が与えられず
オフ状態となる。従ってバイパス用抵抗Ｒ１４を介して
センサ回路１３に電源が供給され、センサ回路１３が動
作して物体を待受ける待機状態を続ける。そして時刻１
０に物体の近接により発振状態が変化すると、センサ回
路１３のＮＨ比出力”Ｌ″レベルなり、ＮＬ小出力ＮＨ
比出力は逆に第２図Ｔｂｌに示すように“Ｈ”レベルと
なる。そうすればトランジスタ１゜ニハ抵抗Ｒ１９，１
８を介してベース電流が流れてオン状態となり、抵抗Ｒ
１４が短絡される。従って発光ダイオード１１が点灯す
ると共にコンデンサＣ１５が急速充電され、センサ回路
１３に与えられる電源電圧、及びＮＬ小出力“１１”レ
ベルの電圧が上昇する。そしてＮ〜Ｌ出力の“■］″レ
ベル電圧がツェナダイオード９と２２との和の電圧Ｖａ
以上となる時刻ｔ１には、フォトカップラ２１の発光ダ
イオード２１Ｌが点灯しトランジスタ２１Ｔが導通して
ツェナダイオード２２を短絡する。

従って以後電流はセンサ回路のＮＬ出カがら抵抗Ｒ２０
９発光ダイオード２１Ｌ、ｌ−ランリスタ２１Ｔ及びツ
ェナダイオード９を通って電流が流れ、ＦＥＴ５のゲー
トにはツェナダイオード９によって定まるゲート電圧が
与えられ、ＦＥＴ５はオンとなり負荷りが駆動される。

負荷りに流れる電流がこの電子スイッチの定格電流値内
であれば過電流検出用抵抗Ｒ６の両端の電圧は一定値以
下であって、この近接スイッチの両端の電圧は第２図（
Ｃ１に示すように残留電圧はほぼゼロに近い値となり、
負荷りに悪影響を及ぼすことはない。ＦＥＴ５がオン状
態である間はセンサ回路Ｉ３はコンデンサＣ１５から電
流が供給される。このときＦＥＴ５は入力インピーダン
スが高いためゲートにはほとんど電流が流れず、コンデ
ンサＣ１５の電荷の消費量はセンサ回路１３とフォトカ
ップラ２１を流れる電流によって決定される。従って前
述したようにセンサ回路１３を低電力消費型のＩＣによ
って構成すれば、コンデンサＣ１５の電圧は徐々に低下
することとなる。さてコンデンサＣ１５の電圧が低下ず
ればセンサ回路１３のＮＬ小出力“Ｈ”レベルの電圧も
第２図（ｂ）に示すように低下し、時刻ｔ２にツェナダ
イオード９の電圧ｖｂ以下となるとフォトカップラ２１
には電流が流れなくなり、トランジスタ２１Ｔがオフと
なってセンサ回路１３のＮＬ小出力は二つのツェナダイ
オード２２゜９が接続された状態となる。従ってＦＥＴ
５にはゲート電圧が加わわらずＦＥＴはオフとなる。そ
うすれば端子１．２間には第２図（Ｃ）に示すように交
流電源３０にほぼ等しい電圧がかかり、トランジスタ１
０はオン状態であるためコンデンサＣ１５に大きな電流
が流れて急速に充電が行われ、その結果コンデンサＣ１
５０両端の電圧は上昇しセンサ回路１３に与えられる電
源電圧が上がって、それに伴ってＮＬ出力電圧も第２図
Ｔｂｌに示すように上昇する。そしてそのＮＬ出力電圧
がツェナダイオード９と２２によって定まる電圧Ｖａに
達する時刻ｔ３には前述したようにフォトカップラ２１
の発光ダイオード２１Ｌが再び点灯して、ツェナダイオ
ード２２を短絡しＦＥＴ５が導通状態となって以後同様
に負荷りに負荷電流が供給される。

このようにセンサ回路１３の電源用のコンデンサＣ１５
は、その両端の電圧が所定値以下となった時にのみ充電
が行われて電荷が供給されるため、充電の瞬間は電子ス
イッチが導通している時間に比べて極めて短くなり電子
スイッチ両端の残留電圧を小さくすることが可能となる
。

さて負荷りに過電流が流れたり、又は負荷りを短絡した
場合にはＦＥＴ５と過電流検知用抵抗Ｒ６に大電流が流
れる。しかしＦＥＴ５のゲート電圧はツェナダイオード
９のツェナ電圧に制限されており、その定電流特性のた
めに短絡電流はある値以下におさえられる。令弟３図に
おいて時刻ｔ４に短絡が起こったとすると、抵抗Ｒ６の
端子電圧が上昇しトランジスタ２４がオン状態となって
コンデンサＣ２３が急速に放電される。そうすれば第３
図（ｂｌに示すようにセンサ回路１３のリセット端子の
電圧は瞬時に低下してリセント電圧Ｖｒ以下となりセン
号回路１３μリセフトされ、ＮＬ小出力元の“Ｌ”レベ
ルとなりフォトカップラ２１の発光ダイオード２１Ｌが
消灯する。従ってＦＥＴ５もオフ状態となり短絡が防止
される。その後リセット端子に接続されているコンデン
サＣ２３は第３図（ｂｌに示すように徐々に充電される
が、その両端の電圧がリセット電圧Ｖｒ以上となればセ
ンサ回路１３は動作を開始し、物体を検知している場合
にはＮＬ小出力“Ｈ”レベルとなりフォトカップラ２１
の発光ダイ′オード２１Ｌが点灯し同時にＦＥＴ５もタ
ーンオンする。従って時刻ｔ５に再び短絡電流が流れ過
電流検出用抵抗Ｒ６によってその電流が検知されて再び
センサ回路１３をオフとする。このようにして断続的に
ＦＥＴ５はオン状態となり大電流が流れる。しかし第３
図に示すようにその短絡電流が流れる周期は交流電源の
周期とは無関係にコンデンサＣ２３が充放電される時定
数によって定まる。従ってこの時定数を大きく定めてお
くことによってＦＥＴ５に流れる電流の周期を大きくす
ることができ、ＦＥＴ５の発熱を防止することが可能で
ある。又ＦＥＴ５に短絡電流が流れる瞬間に発光ダイオ
ード１１が点灯するため、その点滅周期によって短絡状
態を検知することも可能となる。

尚本実施例は交流二線式の近接スイッチについて説明し
たが、本発明は光電スイッチ等、他の二線式電子スイッ
チに応用することが可能であることはいうまでもない。

又本実施例は電源として交流電源を用いているが、直流
電源による電子スイッチに本発明を適用することも可能
である。この場合にも電子スイッチ内部の過電流によっ
て定まる時定数により電源用のコンデンサＣ１５を断続
的に急速充電してセンサ回路１３に電源を供給すると共
に、短絡時にはコンデンサＣ２３の充放電ザイクルによ
って発光ダイオード１１を点灯さ廿て短絡状態を表示さ
せるようにすることが可能である。

又本声施例ではフォトカップラのトランジスタによって
一定電圧を与えるためのツェナダイオード２２を短絡し
ているが、ツェナダイオード９を流れる電流はＮＬ小出
力“Ｈ”である時にはほぼ同一であるので、ツェナダイ
オード２２の代わりにそれに等しい電圧降下が起こる抵
抗値の抵抗を用いることもできる。

尚ここで説明した実施例ではセンサ回路の電源としてコ
ンデンサを用いているが、充電可能な小容量の二次電池
を用いてもよい。そうすればコンデンサを用いた場合よ
りも長期間に渡ってセンサ回路を動作させることができ
るため、充電する間隔を極めて長くすることが可能であ
り、電子スイッチの動作時の残留電圧を更に低くするこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による電子スイッチの一実施例を示す回
路図、第２図はその正當な動作時の各部の波形を示す波
形図、第３図は短絡時の各部の波形を示す波形図である
。 １、　２−−−−−・一端子　５・・−−−−−ＦＥＴ
　７，９．２２−−−−−・−ツェナダイオード　Ｒ６
−−−−−−過電流検出用抵抗　８，１０．２４〜−−
−−一−−トランジスタ１１・・・−発光ダイオード　
Ｃ１５，Ｃ１７，Ｃ２３−・−−−−−コンデンサ　２
１−−−−フォトカップラ特許出願人　立石電機株式会
社 代理人　弁理士　岡本宜喜（化１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）検知回路部と、 前記検知回路部に電源を供給する蓄電素子と、負荷に直
   列に接続されそのゲート電位が一定値以下に制限された
   出力開閉用の電界効果型トランジスタと、 前記電界効果型トランジスタに直列に接続される過電流
   検出用抵抗と、 前記検知回路部の出力端と前記電界効果型トランジスタ
   のゲート間に設けられる電圧降下素子と直列に発光素子
   が接続され、その出力素子によって該電圧降下素子を短
   絡して前記電界効果型トランジスタを駆動すると共に、
   前記検知回路部に与えられる電圧の低下によってその発
   光素子の発光を停止するフォトカップラと、 前記検知回路部の動作時に前記蓄電素子の電圧が低下す
   る毎に断続的に該蓄電素子を充電するスイッチング回路
   と、を具備することを特徴とする電子スイッチ。 （２）前記蓄電素子はコンデンサであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の電子スイッチ・ （−３）前記蓄電素子は充電可能な二次電池ズあること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子スイフチ
   。 （４）前記電界効果型トランジスタは、そのゲートと前
   記過電流検出用抵抗の他端間に設けられたツェナダイオ
   ードによってゲート電位が一定値以下に制限されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子スイ
   ッチ。　゛（５）前記フォトカップラの発光素子に直列
   に接続される電圧降下素子は、ツェナダイオードである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子スイ
   フチ。