JPS6381276A - 平滑用コンデンサの寿命検出方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、交流電圧を整流して直流電圧を得るよう構
成した電源装置における平滑回路に使用される平滑用コ
ンデンサの寿命検出方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、交流電圧を直流電圧に変換する電源回路を構成
する場合、直流出力電圧の平滑を行うため、チョークコ
イルやコンデンサが使用される。この場合、コンデンサ
は大容量であることが要求され、通常電解コンデンサが
使用される。

また、安定化電源装置として、装置の小形化および出力
電圧の制御時における損失の低減等が可能なことから、
直流電圧をオン・オフ動作することにより出力電圧を制
御するスイッチングレギュレータが普及されている。

このスイッチングレギュレータは、一般に直流入力電圧
を交流に変換し、任意の電圧に変圧した後整流して直流
出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバークを備えている。こ
のように構成されるスイッチングレギュレータにおいて
も、直流出力の平滑を行うため、安価でしかも大容量の
得られる電解コンデンサが使用されている。

このように、今日における安定化電源は、スイッチング
レギュレータに代表されるようにその信頼性が高められ
ているが、反面電解コンデンサは依然として化学的変化
を生じるものであって経時的劣化を回避することができ
ず、その寿命に従って定期的に交換を行わなければなら
ないという不便がある。

一般に、コンデンサの劣化状態は、経時的な静電容量の
低下に伴い、誘電正接（ｔａｎδ）および等価直列抵抗
（ＥＳＲ）もしくは漏れ電流の増加特性として現われる
ことが知られている。しかしなから、コンデンサのこれ
らの劣化特性を検出するには、コンデンサを回路から取
外して個々に測定を行う必要があり、多くの手間と時間
とを要するばかりでなく、回路動作を一時停止しなけれ
ばならないという不都合がある。

このような観点から、従来よりこの種のコンデンサの劣
化状態を検出する手段として、コンデンサの内部損失の
増大によって生じる発熱やこれに伴うコンデンサの内部
機構もしくは外装体の機械的変形を検出することにより
、コンデンサが劣化破損に至る危険な状態を事前に検知
して回路の遮断等の保安動作を行う保護方式が種々提案
されている（例えば、特開昭５７−９２２６号公報、特
開昭５９−８９５２１号公報）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述した従来のコンデンサにおける劣化検出方法は、コ
ンデンサの過熱状態やコンデンサの構成部材の変形等を
検出するため、コンデンサの劣化状態が相当進行した状
態であり、この間にコンデンサの電気的緒特性は極めて
悪化しており、信頼性の高い電源回路に与える悪影響は
極めて大きい。

そこで、本発明者等は、電解コンデンサの劣化に伴いコ
ンデンサの等価直列抵抗が増加することに着目し、ＦＡ
息研究を重ねた結果、交流電圧もしくはパルス電圧を整
流して得られるリップル分を含む直流電圧に対し、コイ
ルとコンデンサからなる平滑回路を介して負荷に平滑さ
れた直流電圧を供給するよう構成した電源装置において
、前記平滑回路のコンデンサに正常晶と劣化品とを使用
した場合における負荷電流の変化に対する前記コイルで
のリップル電流と前記コンデンサのリップル電流の変化
を測定したところ、コイルのリップル電流には殆んど変
化が認められず、コンデンサのリップル電流につき劣化
品を使用した際には負荷電流の増加に伴って著しく低下
することを突き止めた。すなわち、コンデンサの劣化は
コンデンサのリップル電流の低下をピックアップコイル
等を使用して検出することにより、コンデンサの電気的
特性の劣化状態を適正に判別してその寿命検出を回路動
作中において簡便に行うことができることが判った。ま
た、このことはコンデンサの等価直列抵抗の増加に伴う
す７プル電圧の増大として捉えることができる。

従って、本発明の目的は、平滑用コンデンサのリップル
電流または電圧を監視してその変化を検出することによ
り、動作状態にあるコンデンサの劣化を容易に判別する
ことができる平滑用コンデンサの寿命検出方法を提供す
るにある。

ＣｌｊＪ題点を解決するための手段〕 本発明に係る平滑用コンデンサの寿命検出方法は、交流
電圧またはパルス電圧を整流して得られたリップル分を
含む直流電圧が平滑用コンデンサを含む平滑回路に供給
され、平滑された電圧を負荷に供給するよう構成した電
源回路において、前記平滑用コンデンサにおけるリップ
ル電流または電圧を監視しその経時的な変化を検出する
ことにより前記平滑用コンデンサの劣化状態を判別する
ことを特徴とする。

この場合、平滑コンデンサを流れるリップル電流の値を
検出し、このリップル電流の値と出力リップル電流の値
を比較してその相関関係から平滑用コンデンサの劣化状
態を判別することができる。

また、前記の平滑用コンデンサの寿命検出方法において
、平滑回路にインダクタンス素子を設けてこの素子を流
れるリンプル電流を基準値とし、この基準値と平滑用コ
ンデンサを流れるリンプル電流の値とを比較して平滑用
コンデンサの劣化状態を判別するよう構成することもで
きる。

この場合、負荷電流の値を検出し、前記負荷電流の値と
出力リップル電流の値を比較してその相関関係から平滑
用コンデンサの劣化状態を判別することができる。

〔作用〕

本発明に係る平滑用コンデンサの寿命検出方法によれば
、交流電圧等を整流して得られたリップル分を含む直流
電圧を平滑用コンデンサを介して平滑し負荷に供給する
よう構成した場合、前記平滑用コンデンサに流れるす、
ソプル電流またはそのリップル電圧を回路に影響を与え
ないように設けた電流または電圧検出器で検出して常時
これを監視することにより、平滑用コンデンサの劣化状
態が進行するに伴い、正常の平滑用コンデンサに比べて
リップル電流の値が次第に低下することまたはリップル
電圧の値が次第に増加することから、この状態を電気的
に判別することにより、平滑用コンデンサをその使用状
態のままで適正な寿命検出を達成することができる。

なお、この場合、平滑用コンデンサと共にインダクタン
ス素子を設け、この素子に流れるリップル電流を検出し
てこれを基準値とし、前記平滑用コンデンサのリップル
電流と比較することにより、平滑用コンデンサの劣化状
態の電気的な判別精度を高めることができる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る平滑用コンデンサの寿命検出方法の
実施例につき添付図面を参照しなから以下詳細に説明す
る。

第１図は、本発明に係る平滑用コンデンサの寿命検出方
法を実施するスイッチングレギュレータの典型的な回路
構成を示すものである。すなわち、第１図において、参
照符号１０は直流電源、１２は電圧変成器、１４はスイ
ッチング素子１．１６，１８．２０はダイオード、２２
は平滑用コイル、２４は平滑用コンデンサ、２６は負荷
をそれぞれ示し、フォワード形コンバータとして構成さ
れたものである。このように構成されたスイッチングレ
ギュレータは、直流電源１０により供給される直流電圧
Ｅｉをスイッチング素子１４によってパルス電圧を得、
このパルス電圧を変成器１２を介して所定の電圧値に変
換し、さらにこのパルス電圧をダイオード１８．２０に
よって整流すると共に平滑用コイル２２および平滑用コ
ンデンサ２４により平滑して負荷２６に供給するよう動
作する。

そこで、本発明においては、前記構成からなる電源回路
において、平滑用コンデンサ２４および平滑用コイル２
２に対し、それぞれ個別に流れるリップル電流を検出す
るためのピックアップコイル等からなる電流検出器２８
．３０を設ける。この場合、第１図に示す回路において
、スイッチング素子１４のオン状態およびオフ状態の時
における等価回路を示せば、第２図および第３図に示す
通りである。なお、第２図および第３図における各素子
の内容は次の通りである。

Ｅｉ二二人電電圧　　Ｅｏ：出力電圧 Ｃ：平滑用コンデンサ２４のキャパシタンスし　：平滑
用コイル２２のインダクタンスＲし：負荷抵抗 ＶＤ２　：ダイオード１８の順方向等価電圧源ｖｔ）３
：ダイオード２０の順方向等価電圧源ｒ１　：入力電源
１０の内部抵抗、スイッチング素子１４のオン状態での
抵抗および 変成農工２の一次側巻線抵抗の和 ｒ２　：ダイオード１８の内部抵抗、コイル２２の巻線
抵抗および変成器１２の二次側 巻線抵抗の和 ｒ３　：ダイオード２０の内部抵抗とコイル２２の巻線
抵抗の和 ｒ３：平滑用コンデンサ２４の等価直列抵抗（Ｅ　Ｓ　
Ｒ） ■Ｌ：平滑用コイル２２を流れる電流平均値■ｏ：負荷
の電流平均値 Δ■、：平滑用コイル２２のリップル電流ΔＩｃ：平滑
用コンデンサ２４のリップル電流従って、前述した回路
構成において、平滑用コンデンサ２４として、容量４４
１．２μＦ、ＥＳＲ１０８，５ｍΩの正常晶と、容量３
４５．７　ｐ　Ｆ、ＥＳＲ９９６，３ｍΩの劣化品につ
き、負荷電流Ｔｏに対する平滑用コイル２２および平滑
用コンデンサ２４のリップル電流Δ■２．ΔＩｃ　　を
測定した結果、第４図（正常晶）および第５図（劣化品
）に示すような特性が得られた。これらの測定結果から
、平滑用コンデンサ２４の劣化品については、平滑用コ
イル２２のリップル電流ΔＩＬ、については殆んど変化
が見られないが、平滑用コンデンサ２４のリップル電流
Δ■ｃについては顕著な変化が認められた。なお、第４
図および第５図において、それぞれ実線で示す特性曲線
は、前記第２図および第３図に示す等価回路に基づいて
算出した計算値によるものである。また、第４図および
第５図に示す特性曲線は、フォワード形コンバータの場
合であるが、帰還を施した場合においても同様の特性曲
線が得られることが確認された。

本発明の別の実施例として、第１図に示す回路によって
検出される平滑用コイル２２のリーラプル電流ΔＩＬ、
と、平滑用コンデンサ２４のリップル電流Δ■ご　との
差、すなわち出力リップル電流を取り、γ−（ΔＩムー
Δ■ご）／Ｉｏ　で定義される無次元！（出力リップル
係数という）を求めれば、負荷の影響を殆んど受けずに
ＥＳＨの大きさの程度を判別することができる。従つて
、この場合のγ対Ｉ。

特性を示せば、第６図に示す通りである。すなわち、第
６図から明らかなように、負荷電流Ｉｏ−３Ａの場合、
正常晶ではγ＝０．８％であるのに対し、劣化品ではγ
＝６％程度の大きさとなり、平滑用コンデンサの劣化状
態を充分判別することができる。

前述した本発明の寿命検出方法に基づき、平滑用コンデ
ンサの劣化状態を判別して警報表示等の出力信号を得る
手段としては、平滑用コンデンサの正常晶における負荷
電流に対するリンプル電流特性（Δｒコ対■。特性）も
しくは負荷電流に対する出力リップル係数特性（Ｔ対Ｉ
ｏ特性）を設定し、この設定値と実際の回路状態の検出
値とを比較することにより、容易に実現することができ
る。この場合、負荷電流の検出については、公知の計器
用変流器等を使用して容易に検出することができる。

第７図は、電流検出器２８による平滑用コンデンサ２４
のリップル電流ΔＩｃ　を検出し、このリップル電流Δ
１ｄを負荷電流工０に基づく正常な平滑用コンデンサの
リップル電流設定値Δ■ｃ　　を定めた比較器ＧＯＭＰ
　１に入力し、前記リップル電流設定値Δ■Ｃとリップ
ル電流検出値ΔＩコ　とを比較し所定値以上の偏差が生
じた場合にｒ４報出力信号ＳＡを出力するよう構成した
ものである。なお、この場合、平滑用コンデンサ２４の
リップル電圧ΔＥ（−を検出し、このリップル電圧ΔＥ
（−を負荷電流ＩＱ　に基づく正常な平滑用コンデンサ
のリップル電圧設定値ΔＥＣを定め、比較器に入力して
前記リップル電圧設定値ΔＥＣとリップル電圧検出値Δ
Ｅごとを比較し、所定以上の偏差が生じた場合に警報出
力信号を出力するよう構成することもできる。

また、第８図は、電流検出器２８による平滑用コンデン
サ２４のリップル電流ΔＩＣと、電流検出器３０による
平滑用コイル２２のリップル電流ΔＩＬ　とを検出し、
これらリップル電流Δ■ｃ、Δ■、と負荷電流Ｉｏ’と
の関係における出力リップル係数γ−（Δ■、−Δ■ｃ
）／Ｉｏ　を演算器ＯＰで算出し、この出力リップル係
数γを負荷電流■　に基づく正常な平滑層コンデンサの
出力リップル係数の設定値１本を定めた比較器ＣＯＭＰ
　２に入力し、前記出力リップル係数の設定値γネと出
力す７プル係数の検出値γとを比較し所定値以上の偏差
が生じた場合に警報出力信号ＳＡを出力するよう構成し
たものである。

〔発明の効果〕

前述した実施例から明らかなように、本発明によれば、
平滑用コンデンサの経時的な劣化をこの平滑用コンデン
サに流れるリップル電流またはそのリップル電圧を回路
に影響を与えない電流または電圧検出器により常時監視
し、負荷電流の状態によって予め設定された正常な平滑
用コンデンサのリップル電流または電圧の値と比較し、
検出されるリップル電流または電圧の値が、著しく低下
または増大することで容易かつ簡便に平滑用コンデンサ
の劣化を判別し、所要の警報動作を行うよう構成するこ
とができる。

この場合、平滑用コンデンサに対しインダクタンス素子
を設けて、この素子に流れるリップル電流を検出して、
これを基準値とし、前記平滑用コンデンサを流れるリッ
プル電流との関係における出力リップル電流を求めるこ
とにより、平滑用コンデンサの劣化状態の判別をより確
実に行うことができる。

このようにして、本発明によれば、平滑用コンデンサに
対し特別な加工を施すことなく、平滑用コンデンサを動
作状態のままでその劣化を適正に検出することができる
ため、従来のような予測的部品交換等の煩雑な手間を要
せず、経済的にしかも能率的に劣化判別と部品交換とを
行うことができる。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発
明は前述した実施例に限定されることなく、例えば交流
電圧電源を変圧し、これを整流して得られるリップル分
を含む直流電圧をチョークインプット形平滑回路で平滑
するよう構成した電源回路における平滑用コンデンサに
ついての劣化状態を判別する寿命検出方法として広く応
用することができるばかりでなく、本発明の精神を通説
しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは
勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る平滑用コンデンサの寿命検出方法
の一実施例を示すスイッチングレギュレータの基本回路
図、第２図および第３図は第１図に示す回路のスイッチ
ング素子のオン・オフ動作時のそれぞれ等価回路図、第
４図は第１図に示す回路における平滑用コンデンサに正
常品を使用した場合のリップル電流と負荷電流との関係
を示す特性曲線図、第５図は平滑用コンデンサに劣化品
を使用した場合の第４図と同様の特性曲線図、第６図は
平滑用コンデンサに正常品と劣化品を使用した場合の出
力リップル係数と負荷電流との関係を示す特性曲線図、
第７図は平滑用コンデンサのリップル電流検出値とリッ
プル電流設定値とにより寿命検出を行うブロック回路図
、第８図は平滑用コンデンサと平滑用コイルとのリップ
ル電流検出値に基づく出力リップル係数と設定された出
力リップル係数とにより寿命検出を行うブロック回路図
である。 １０・・・直流電源　　　　１２・・・電圧変成器１４
・・・スイッチング素子 １６、１８．２０・・・ダイオード ２２・・・平滑用コイル ２４・・・平滑用コンデンサ ２６・・・負荷　　　　　　２８・・・電流検出器３０
・・・電流検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流電圧またはパルス電圧を整流して得られたリ
   ップル分を含む直流電圧が平滑用コンデンサを含む平滑
   回路に供給され、平滑された電圧を負荷に供給するよう
   構成した電源回路において、前記平滑用コンデンサにお
   けるリップル電流または電圧を監視しその経時的な変化
   を検出することにより前記平滑用コンデンサの劣化状態
   を判別することを特徴とする平滑コンデンサの寿命検出
   方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の平滑用コンデンサの
   寿命検出方法において、平滑回路にインダクタンス素子
   を設けてこの素子を流れるリップル電流を基準値とし、
   この基準値と平滑用コンデンサを流れるリップル電流の
   値とを比較して平滑用コンデンサの劣化状態を判別して
   なる平滑用コンデンサの寿命検出方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の平滑用コンデンサの
   寿命検出方法において、平滑用コンデンサを流れるリッ
   プル電流の値を検出し、このリップル電流の値と出力リ
   ップル電流の値を比較してその相関関係から平滑用コン
   デンサの劣化状態を判別してなる平滑用コンデンサの寿
   命検出方法。
4. （４）特許請求の範囲第２項記載の平滑用コンデンサの
   寿命検出方法において、負荷電流の値を検出し、一方イ
   ンダクタンス素子を流れるリップル電流と平滑用コンデ
   ンサを流れるリップル電流との差から出力リップル電流
   の値を検出し、前記負荷電流の値と出力リップル電流の
   値を比較してその相関関係から平滑用コンデンサの劣化
   状態を判別してなる平滑用コンデンサの寿命検出方法。