JPWO2006051843A1 - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
コンピュータ装置等に電源を供給する電源装置に関し、停電時に十分な量の電源供給が行えるとともに構成が簡易で経済性にも優れた電源装置を提供することを課題とし、交流電源から供給される交流電圧を整流する整流器2と、この整流器に接続される平滑コンデンサ4及びこの平滑コンデンサとは抵抗器8を介して並列に接続され、上記平滑コンデンサより容量が大きい電圧保持コンデンサ6が設けられた電圧安定化回路と、この電圧安定化回路からの出力電圧をDC−DC変換して降圧する電圧変換回路14と、上記交流電源の停電を検出する停電検出回路12と、を有する構成である。
Description
本発明は、コンピュータ装置等の電子機器に電源を供給する電源装置に関する。
コンピュータ装置等に不慮の電源事故、即ち停電、瞬間的な停電、電圧降下などが発生した場合、コンピュータ装置は適切なシャットダウン処理をしないと、ファイルの破損、損失、甚だしい場合はハードディスクの破損等が起きる可能性がある。これに対して、上記電源事故を防止するために、図13に示す無停電電源装置が開発されている。
この電源装置は、直流電源を供給するための全波整流器82、平滑コンデンサ84、及び直流の電圧変換回路86を有する一方、停電時に対処するための停電検出回路88、充電回路90、蓄電池91、電圧変換回路92及び切り替え回路94を有している。この電源装置はコンピュータ装置に直流電源を供給する一方、停電時には上記蓄電池91から電源を供給し、停電検出回路88から停電状態の通知を受けたコンピュータ装置は適切なシャットダウン処理を行う。
また、特許文献1に示すように、上記蓄電池を使わない電源装置の開発も行われ、この電源装置は電源回路における平滑コンデンサの容量を大きくし、停電時にはこの平滑コンデンサに蓄積された電荷だけでコンピュータ装置がシャットダウンに要する時間の間、電源を供給する試みである。
一方、停電を検出する停電検出回路についても開発が行われており、例えば図14に示す停電検出回路が一般に知られている。この回路は、フォトカプラ100を用いて一次側回路と二次側回路とを絶縁したものである。この一次側回路は、全波整流器101、抵抗器102とコンデンサ103の時定数回路、及びスイッチング素子としてのトランジスタ104等を有している。そして、トランジスタ104を駆動し、このトランジスタ104がオン時に、フォトカプラ100の発光ダイオードに電流を供給するため、補助電源105がフォトカプラ100に直列に配置されている。
上記停電検出回路では、交流電源が正常に供給されている間はコンデンサ103が充電され、この充電電圧によりトランジスタ104が導通する。トランジスタ104の導通により、フォトカプラ100の発光ダイオードが発光し受光トランジスタがオン状態となる。このときフォトカプラ100の受光トランジスタのコレクタの電圧は低下しており、このコレクタに接続されたコンパレータ106の端子(+)に印加される比較電圧は、端子(−)の基準電圧より低くなりコンパレータ106の出力はオフ状態となる。
ここで、交流電源に停電が発生すると、上記コンデンサ103が放電して電圧が低下しトランジスタ104はオフとなり、フォトカプラ100もオフ状態となる。このとき、フォトカプラ100のコレクタの電圧が高くなってコンパレータ106の出力がオン状態となり、停電の検出信号が出力される。このような停電検出回路では、一次側回路において交流電源の停電を確認する回路を形成するために上記補助電源105が不可欠であった。また、特許文献2の電源回路にはフォトカプラを用いた信号検出手段の記載が、特許文献3の電源装置には副電源回路の出力をフォトカプラで検出する回路の記載がある。
さて、上記無停電電源装置に使用される蓄電池91の寿命は通常2〜3年と短く、定期的なメンテナンスと監視が必要である。そして、短時間に数回の停電事故が発生した場合には、蓄電池に十分な充電ができないまま放電を繰り返すことから、電源装置が十分に機能しなくなる等の欠点がある。更に蓄電池は、充電するため及び自己放電を保証するための電流が必要であり、このため不要な電力損失が発生し、また充電のための充電回路が必要となり、併せて停電時と通常時の切り替えが必要でありその回路と切り換え時間等の損失が問題であった。特許文献4には、停電時には補助コンデンサを備えたバックアップ電源部から給電を行う回路の記載があるが、この回路についても切り換え時間の損失が問題となる。
また、上記平滑コンデンサ84を用いた電源装置を通常のコンピュータ装置の電源に使用した場合、この平滑コンデンサが電源を供給出来る時間は20ms〜40ms程度と非常に短い。このため、コンピュータ装置がシャットダウンする間電源を供給する為には平滑コンデンサの容量を相当大きくする必要がある。しかし、この平滑コンデンサの容量を大きくした場合には、電源投入時に非常に大きな突入電流が流れるため、特殊な突入電流防止回路等を必要とする。また、動作時の電源の入力側から見た平滑回路のインピーダンスが非常に低い為、電源電圧が変動した場合に非常に大きな電流が流れ、電源のブレーカが落ちたり、或いは整流ダイオードが破壊する等が考えられ、大きな容量の平滑コンデンサは簡単には使用出来ないという問題があった。
一方、上記従来の停電検出回路は、一次側回路の停電確認の機能を発揮させるためには補助電源105が不可欠である。この停電検出回路は、一次側回路と二次側回路のアース回路を独立させているため、上記補助電源105として二次側回路から電源の供給を受けることができず、別途、補助電源用の直流電源回路が必要となり、更に補助電源は効率が悪いため消費電力が無視できないという問題がある。また、交流電源に停電が発生すると、上記コンデンサ103が放電して電圧が低下しないと停電が検出できない構成であるため、停電検出にまでに時間がかかり、また瞬断などの停電の検出が困難であるという問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、停電時に十分な量の電源供給が行えるとともに構成が簡易で経済性にも優れた電源装置を提供することを目的とする。
以上の技術的課題を解決するため、本発明に係る電源装置は、図1に示すように、交流電源から供給される交流電圧を整流する整流器2と、この整流器に接続される平滑コンデンサ4及びこの平滑コンデンサとは抵抗器8を介して並列に接続され、上記平滑コンデンサより容量が大きい電圧保持コンデンサ6が設けられた電圧安定化回路と、この電圧安定化回路からの出力電圧をDC−DC変換して降圧する電圧変換回路14と、上記交流電源の停電を検出する停電検出回路12と、を有する構成である。
本発明に係る電源装置は、上記電圧保持コンデンサ6の容量を、上記平滑コンデンサ4の容量より10倍〜100倍程度大きく形成した構成である。
本発明に係る電源装置は、上記整流器2に力率改善回路13を接続し、この力率改善回路の出力を上記平滑コンデンサ4及び上記電圧保持コンデンサ6に接続した構成である。
本発明に係る電源装置の上記停電検出回路は、上記交流電源を直接用いて回路を駆動する一次側回路と、上記電圧変換回路から電源の供給を受けて稼動する二次側回路とからなる構成である。
本発明に係る電源装置の上記停電検出回路は、上記交流電圧から所定電圧以上の部分を抽出してパルス化するとともに整流し、これをフォトカプラ24の発光ダイオードに印加する一次側回路と、上記フォトカプラを介して接続され、このフォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期の変化に基づき上記交流電源の停電を検出する二次側回路とからなる構成である。
上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧をトリガーダイオード18によって所定電圧以上の正及び負のパルス状の信号に変換し、これを整流回路を介して上記フォトカプラ24に入力してこのフォトカプラを周期的にオンオフし、上記交流電源が停電又は降圧により上記所定電圧より低下した際には、上記トリガーダイオードを非導通に維持して上記フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させる構成である。
上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧を整流した電流を定電圧ダイオード50に印加させる一方、上記定電圧ダイオードのカソード端子に双方向サイリスタ54のゲート端子を接続し、降伏電圧による上記定電圧ダイオードの導通により、上記双方向サイリスタを導通させ、これにより上記フォトカプラ24をオンし、上記交流電圧の変化時に上記双方向サイリスタを非導通にして上記フォトカプラをオフして上記フォトカプラを周期的にオンオフし、上記交流電源の停電の際には、上記双方向サイリスタを非導通に維持することで上記フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させる構成である。
本発明に係る電源装置の上記停電検出回路は、上記交流電圧から所定電圧以上の部分を抽出して正及び負にパルス化した交流信号を、双方向フォトカプラ40の発光ダイオードに印加する一次側回路と、上記双方向フォトカプラを介して接続され、この双方向フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期の変化に基づき上記交流電源の停電を検出する二次側回路とからなる構成である。
上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧をトリガーダイオード18によって所定電圧以上の正及び負のパルス状の信号に変換し、これを上記双方向フォトカプラ40に入力してこの双方向フォトカプラを周期的にオンオフさせ、上記交流電源が停電又は降圧により上記所定電圧以下に低下した際には、上記トリガーダイオードを非導通に維持して上記双方向フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させる構成である。
上記停電検出回路の二次側回路は、上記受光トランジスタと並列に接続され、この受光トランジスタの周期的なオンオフに基づき放電充電を繰り返すコンデンサ28と、このコンデンサの電圧と基準電圧との差を比較するコンパレータ34とを有し、上記受光トランジスタのオンオフの周期が変化した場合に、上記コンデンサの充電電圧が上記基準電圧を越えることで、上記コンパレータが上記交流電源の停電を検出する構成である。
上記電圧安定化回路に、停電の際に上記電圧保持コンデンサの端子電圧の変化に基づいて電源供給が可能な時間を演算するため、上記電圧保持コンデンサの端子電圧をデジタルの電圧に変換するADコンバータを設けた構成である。
本発明に係る電源装置によれば、整流器に接続される平滑コンデンサ及びこの平滑コンデンサとは抵抗器を介して並列に接続され、平滑コンデンサより容量が大きい電圧保持コンデンサが設けられた電圧安定化回路、電圧変換回路及び停電検出回路を有する構成を採用したから、簡易な構成で耐久性に優れるとともに、停電時には電圧保持コンデンサから電源供給先の電子装置の保護に十分な電源が供給され、併せて停電の検出により上記電子装置の停電時の処理が迅速かつ正確に行なえるという効果がある。
本発明に係る電源装置によれば、電圧保持コンデンサの容量を、平滑コンデンサ4の容量より10倍〜100倍程度大きく形成した構成としたから、停電時には電源供給先の電子装置の停電処理に実用上十分な量の電源の供給が行なえるという効果がある。
本発明に係る電源装置によれば、整流器に力率改善回路を接続し、この力率改善回路の出力を平滑コンデンサ及び電圧保持コンデンサに接続した構成としたから、電圧が上昇して高い電圧でコンデンサの充電が行なえることから、コンデンサの容量に対して多くの電荷が保持でき、また電圧保持コンデンサの充電電圧が高いため、この電圧が低下して変換可能な低い電圧となる直前までの間、必要な電圧の電源が電圧変換回路から供給できて効率が良く、さらに電流が低く抑えられるので回路の電力消費が低減されるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路は、交流電源を直接用いて回路を駆動する一次側回路と、電圧変換回路から電源の供給を受けて稼動する二次側回路とからなる構成を採用したから、一次側回路では回路構成が簡単でかつ電源のロスが少ない省エネルギー回路が構成でき、また二次側回路は電圧安定化回路から電源の供給が受けられるので回路の効率化が図れるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路は、交流電圧から所定電圧以上の部分を抽出してフォトカプラに印加する一次側回路と、フォトカプラのオンオフの周期の変化に基づき交流電源の停電を検出する二次側回路とからなる構成を採用したから、この一次側回路は交流電源を直接用いて回路を駆動するので、一次側回路に別途補助電源を投入する必要がなく回路が簡単に構成され、また消費電力も少なくて省エネルギー化が図れ、加えて交流電源の単位周期の短時間で停電及び瞬間的な停電が検出がされ、電源供給先の電子装置に迅速に停電の通知が行えるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路の一次側回路は、交流電圧をトリガーダイオードによってパルス状の信号に変換し、フォトカプラを周期的にオンオフし、停電の際には上記周期を変化させる構成を採用したから、部品点数が少なくまた簡単に回路が構成でき経済的であるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路の一次側回路は、定電圧ダイオード及び双方向サイリスタによりフォトカプラをオンオフし、停電の際にはフォトカプラのオンオフの周期を変化させる構成としたから、簡単な部品で回路が構成でき経済的であるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路は、所定電圧以上の部分を抽出してパルス化した交流信号を双方向フォトカプラに印加する一次側回路と、双方向フォトカプラのオンオフの周期の変化に基づき交流電源の停電を検出する二次側回路とからなる構成としたから、この一次側回路は交流電源を回路の駆動電源として用いるので一次側回路に別途補助電源を投入する必要がなくかつ消費電力が少なくて省エネルギー化が図れ、また交流信号を整流しないで利用するので、回路の部品点数が削減され経済的であり、加えて交流電源の単位周期の短時間で停電及び瞬間的な停電が検出され、電源供給先の電子装置に迅速に停電の通知が行えるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路の一次側回路は、トリガーダイオードによって双方向フォトカプラを周期的にオンオフさせ、停電の際には上記周期を変化させる構成としたから、部品点数が大幅に削減された簡単な回路構成でなし得るので経済性に優れるという効果がある。
本発明によれば、停電検出回路の二次側回路は、受光トランジスタのオンオフの周期が変化した場合に、コンパレータが交流電源の停電を検出する構成を採用したから、交流電源の単位周期の短時間で停電及び瞬間的な停電が検出され、電源供給先の電子装置に迅速に停電の通知が行えるという効果がある。
本発明によれば、電圧安定化回路に、電圧保持コンデンサの端子電圧をデジタルに変換するADコンバータを設けた構成を採用したから、電源供給を受けるコンピュータ装置等は、停電時にシャットダウン処理が行える電源供給時間の予測が可能となり、この時間内に最大限可能な処理の予定が立てられて効率的なシャットダウン処理が行えるという効果がある。
以下、本発明に係る電源装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、実施の形態に係る電源装置を示したものである。この電源装置は、電圧安定化回路1、電圧変換回路14及び停電検出回路12(第一の停電検出回路)を有し、無停電装置として供給先の電子装置(コンピュータ装置等)に安定的に直流電源を供給する。
図1は、実施の形態に係る電源装置を示したものである。この電源装置は、電圧安定化回路1、電圧変換回路14及び停電検出回路12(第一の停電検出回路)を有し、無停電装置として供給先の電子装置(コンピュータ装置等)に安定的に直流電源を供給する。
上記電圧安定化回路1は、ブリッジ型の全波整流用の整流器2、平滑コンデンサ4、電荷を蓄電保持する電圧保持コンデンサ6、抵抗器8及びダイオード10を有する。上記平滑コンデンサ4は、主に平滑の目的で用いられるものであり、通常の平滑回路で用いられる平滑コンデンサと同程度の容量である。この平滑コンデンサ4は、整流器2とは並列に接続されている。上記電圧保持コンデンサ6は、平滑コンデンサ4とは抵抗器8を介して並列に接続され、またこの電圧保持コンデンサ6に蓄積された電荷はダイオード10を介して出力される。
このように、上記電圧安定化回路1では、平滑コンデンサ4と電圧保持コンデンサ6とにコンデンサを分離し、これにより平滑コンデンサ4を小容量に形成して主に平滑のための機能を持たせる一方、電圧保持コンデンサ6を大容量に形成して停電時に十分な蓄積電荷を供給する。上記電圧保持コンデンサ6は抵抗器8を介してゆっくり充電され、これにより電荷が蓄積されてない起動時に、電圧保持コンデンサ6に対して過大な突入電流が発生するのを防止する。
この実施の形態では、上記平滑コンデンサ4の容量は100μF〜300μF、また上記電圧保持コンデンサ6の容量は1000μF〜30000μFとしている。この容量はさらに高くすることが可能であるが、この場合には、安全確保のための放電処理の問題が発生する。このように、上記電圧保持コンデンサ6の容量は、上記平滑コンデンサ4の容量より相当大きく(可能性として10倍〜1000倍)形成することができるが、実用的には10倍〜100倍程度、十分な電圧保持時間を確保するためには20倍〜100倍程度が適当である。
また、上記電圧保持コンデンサ6の充電時間は、抵抗器8の抵抗値の加減で調節することが可能である。この抵抗器8の抵抗値は、電源供給先のコンピュータ装置において、起動オペレーションシステムが起動処理を完了する時間内に充電を完了するように設定しておけば差し支えない。ここでは、上記抵抗器8の抵抗値を1kΩとしている。
停電時には、平滑コンデンサ4の電荷は直ぐに放電してしまうが、電圧保持コンデンサ6の電荷はダイオード10を介して十分な時間出力されるために、電源供給先のコンピュータ装置は、停電時において安全にシャットダウン動作ができる。上記電圧変換回路14は、直流電圧をDC−DC変換により所定の直流電圧に降圧する回路である。この電圧変換回路14は、一次側電圧を降圧して二次側電圧を発生させるが、一次側電圧の変動に対しても常に一定した二次側電圧を発生させることができる。
図2は、上記電圧安定化回路1に力率改善回路13(PFC回路:Power Factor Controller)を加えた回路図である。上記力率改善回路13は力率を改善し高調波を規制する回路であり、コンデンサ3、コイル5、トランジスタによるスイッチング回路7、抵抗器9、ICからなる電圧制限回路19及びダイオード11を有する。
この力率改善回路13は、交流電源(AC)を整流器2で整流し、コイル5を通過してスイッチング回路7でオン−オフされ、これによりコイル5の逆起電力がダイオード11を通して平滑コンデンサ4に蓄えられる。また、この平滑コンデンサ4の電圧が所定電圧(例えば370V)を超えないように電圧制限回路19で制限され、出力される。
この力率改善回路13を、上記整流器2と平滑コンデンサ4との間に介在させることで、電圧波形と近似する電流波形を人工的に作り、また高調波電流を抑制して力率を改善する。力率改善回路を用いた場合には、電圧が上昇する反面、電流が低く抑えられて回路の電力消費が低減され、さらに平滑コンデンサ4及び電圧保持コンデンサ6の電圧が高くなって電荷の蓄積効率も良くなる。また、電圧保持コンデンサ6の充電電圧が高いため、この電圧が低下して変換可能な低い電圧となる直前までの長い間、必要な電圧の電源が電圧変換回路14から供給できて効率が良い。
図3は上記第一の停電検出回路12を示したものである。この停電検出回路12は、検出対象の交流電源が入力される一次側回路と、この一次側回路とはフォトカプラ24を介して接続され、上記一次側回路とは電気的に絶縁された二次側回路とを有する。上記一次側回路は、回路を駆動する電源は上記交流電源そのものを用いる構成であり、このため一次側回路と二次側回路とはフォトカプラを用いて両者のアース接地を隔離させている。また、上記二次側回路は、上記電圧変換回路14からの直流電源を補助電源として用いる。上記フォトカプラ24は、発光ダイオードとこれを受光して作動する受光トランジスタが内蔵されている。
上記一次側回路は、CR回路を形成する抵抗器15及びコンデンサ16、トリガーダイオード(DIAC)18、全波整流用のダイオード22、抵抗器20及びフォトカプラ24を有する。上記トリガーダイオード18は、所定以上の電圧が印加された場合に急激に導通状態となり、このトリガーダイオード18の導通によりフォトカプラ24をオンする。
また、上記フォトカプラ24を介して接続される二次側回路は、抵抗器26、コンデンサ28、電圧分割用の抵抗器30,32及びコンパレータ34を有する。このコンパレータ34は、2つの入力端子(+端子、−端子)からの入力を比較する。上記コンデンサ28はフォトカプラ24の受光トランジスタと並列に接続され、またこのコンデンサ28は上記コンパレータ34の入力端子(+端子)に接続される。一方、このコンパレータ34の入力端子(−端子)には基準電圧が入力される。この二次側回路を駆動する電源36は、上記電圧変換回路14から供給を受ける。
上記第一の停電検出回路の一次側回路は、交流電源(AC)に接続される抵抗器15及びコンデンサ16からなる時定数回路において、上記交流電源によりコンデンサ16が充電され、この充電電圧がトリガーダイオード18のオン電圧に達するとこのトリガーダイオード18が導通する。そして、コンデンサ16に充電された電荷がトリガーダイオード18を通過し、さらにダイオード22を通して整流され、これがフォトカプラ24を通過するときに発光ダイオードが発光し、これを受光トランジスタが受光することでフォトカプラ24がオン状態となる。
一方、二次側回路では、図4の電圧波形図に示すように、上記フォトカプラ24のオン状態によりフォトカプラ24の受光トランジスタを通してコンデンサ28の放電が行われ、コンデンサ28の電圧が急激に低下する(図4の電圧波形の内、右下がりに低下する部分)。この現象は、一次側回路において、トリガーダイオード18を介してコンデンサ16が放電する間(ブレークオーバ電圧まで)続き、この短期間にコンデンサ28は放電され殆どゼロ電圧となる。
交流電源の交流電圧波形の周期的変化により、一次側回路のコンデンサ16の電圧が低下すると、トリガーダイオード18は非導通状態となりフォトカプラ24もオフ状態となる。フォトカプラ24がオフすると、二次側回路のコンデンサ28が充電され電圧が上昇する(図4の電圧波形の内、右上がりに上昇する部分)。図4の電圧波形において、時間軸は交流電源が50Hz(10ms毎の半波波形)の場合を表している。この電圧波形は、10msおきにトリガーダイオード18が導通、非導通の周期を繰り返し、これによりフォトカプラ24のオンオフ状態が繰り返されていることを示している。このようにコンデンサ28の電圧は、ノコギリ状に繰り返される電圧波形となる。
このように上記一次側回路では、整流しパルス化した交流電源をそのまま上記フォトカプラ24の駆動に用いる構成であるため、この回路には補助電源は不要である。また、この一次側回路におけるCR回路は、例えば抵抗器15は500kΩ或いはこれ以上に、コンデンサ16は0.01μF程度に設定できる。このため、一次側回路に流れる電流は、数十μAから数百μA以下(従来の補助用電源を用いた回路では数百mA程度)と非常に低く抑えることができ、ほとんど電力を必要としない。
ここで、交流電源の停電、瞬間的な(数十ms〜数百ms)停電或いは電圧の低下が発生した場合、一次側回路のコンデンサ16への充電電圧が低下し或いは無くなる。このため、トリガーダイオード18に印加される電圧がブレークオーバ電圧に達せず、10msおきの導通が停止する。これにより、フォトカプラ24のオフ状態が継続して二次側回路のコンデンサ28は継続的に充電が行われ、このコンデンサ28の充電電圧は二次側回路の電源36の電圧(V1)まで上昇し、この間にたちまちスレッショールドレベルLをオーバーする(図4の電圧波形の右上がりの点線部分)。
上記スレッショールドレベルLは、コンパレータ34の基準電圧に対応するものであり、このレベルLをオーバーしたときに停電が検出される。このレベルLを適切に設定することにより、50Hzの半波、即ち10msの停電でも検出することができる。ここでは、上記スレッショールドレベルLを、図4の電圧波形におけるノコギリ波形のピーク値の略2倍としている。
すると、コンパレータ34の入力端子(+端子)には、入力端子(−端子)の基準電圧を越えた電圧が加わり、コンパレータ34から検知信号(OUT)が出力される。この検知信号は、停電によりトリガーダイオード18が非導通になったことにより発せられる停電の検知信号である。
したがって上記停電検出回路は、交流電源(50Hz)に停電が発生してから、50Hzの半波、即ち10msの間に発生した瞬間的な停電を検出することが可能である。また、この停電を検出するのに要する時間は、上記スレッショールドレベルLに設定した場合には、最大で20ms(図4の右上がりに上昇する部分の電圧が0からLに達するまで)後に、最小で10ms(図4の右上がりの点線部分の電圧がL/2からLに達するまで)後に検出可能となる。
次に、上記電源装置の動作について説明する。
交流電源(AC)を投入すると、整流器2を通過して平滑コンデンサ4の充電が開始され、続いて電圧保持コンデンサ6の充電が行なわれる。このとき、電圧保持コンデンサ6は抵抗器8が直列に接続されていることから、数十mA〜百mA程度の少ない電流で充電が行われる。また、平滑コンデンサ4によって平滑された電圧は、電圧変換回路14に入力される。通常、平滑コンデンサ4の方が電圧保持コンデンサ6より電圧が高いため、平滑の作用は平滑コンデンサ4によって行なわれる。電圧変換回路14は、DC−DC変換により直流電圧を所定の電圧まで降下し、このDC電源を供給先のコンピュータ装置等へ出力する。
交流電源(AC)を投入すると、整流器2を通過して平滑コンデンサ4の充電が開始され、続いて電圧保持コンデンサ6の充電が行なわれる。このとき、電圧保持コンデンサ6は抵抗器8が直列に接続されていることから、数十mA〜百mA程度の少ない電流で充電が行われる。また、平滑コンデンサ4によって平滑された電圧は、電圧変換回路14に入力される。通常、平滑コンデンサ4の方が電圧保持コンデンサ6より電圧が高いため、平滑の作用は平滑コンデンサ4によって行なわれる。電圧変換回路14は、DC−DC変換により直流電圧を所定の電圧まで降下し、このDC電源を供給先のコンピュータ装置等へ出力する。
一般的にコンピュータ装置は、電源投入時からオペレーションシステムが起動を完了するまでは数十秒〜数分程度を必要とする。このため、上記起動の間に電圧保持コンデンサ6に充電が出来れば、起動後の電源供給に問題はない。なお、この電圧保持コンデンサ6の容量によっては10mA以下の電流によっても十分に充電できるものと考えられる。
ここで、交流電源の停電或いは瞬間的な(数十ms〜数百ms)停電等が発生した場合、上記停電検出回路12は10ms〜20ms後にはこの停電を検出し、停電の検出信号をコンピュータ装置に通知する。そしてコンピュータ装置は、直ちにシャットダウン処理を開始する。一方、上記電圧安定化回路1は、平滑コンデンサ4に続いて電圧保持コンデンサ6からの放電が開始され、ダイオード10を介してDC電源が直接にコンピュータ装置に供給され、シャットダウン処理が継続される。
このように上記電源装置では、上記電圧保持コンデンサ6を非常に大きな容量に形成することができ、これにより停電時には十分な時間電源をコンピュータ装置に供給できる。このため、従来の蓄電池を使用したバックアップシステムは不要となる。また蓄電池と比較して、上記電圧保持コンデンサ6として用いられる電解コンデンサは大変寿命が長いため、メンテナンスが不要となり運用コストも低減できる。
更に蓄電池は、充電するため及び自己放電を保証するための充電回路が必要となるが、上記電源装置ではこれらの回路は不要であり、極めて安全にしかも効率良く電源装置を構成でき、電源供給先のコンピュータ装置等にとって理想的な電源装置となる。また平滑コンデンサ4は、電圧保持コンデンサ6が存在するため、単に平滑用のコンデンサとしての役割を果たすのみで良く容量は小さくて済む。
一方、上記停電検出回路12は、交流電源及びこれを整流した信号を直接用いてフォトカプラを駆動する構成であるため、この一次側回路には直流の補助電源は不要であり、このため部品点数が削減されて経済性にも優れ、また電力消費も僅かであり省エネルギー化が図れる。また、現在問題となっている瞬間的(数十ms〜数百ms)な停電の検出は従来の検出回路では困難であったが、上記停電検出回路12では短時間で上記瞬間的な停電の検出が可能である。
図5は第二の停電検出回路17を示したものである。この停電検出回路は、一次側回路に抵抗器15、コンデンサ16、トリガーダイオード18、双方向フォトカプラ40及び抵抗器20を有する。この双方向フォトカプラ40は、入力側に逆並列に発光ダイオードが接続されたAC入力対応のフォトカプラである。この停電検出回路17では、トリガーダイオード18から直接双方向フォトカプラ40に接続できるので、整流用のダイオードが削減できコストダウンが図れる。また、上記双方向フォトカプラ40を介して接続される二次側回路は、上記第一の停電検出回路12の二次側回路と同様である。
上記一次側回路は、交流電源(AC)によりコンデンサ16が充電され、このコンデンサ16の電圧が一定電圧以上になるとトリガーダイオード18が導通し、このトリガーダイオード18と直列に接続された双方向フォトカプラ40を駆動する。そして、この双方向フォトカプラ40内の発光ダイオードが発光して受光トランジスタが導通し、双方向フォトカプラ40がオン状態となる。やがて、コンデンサ16の充電電圧が低下すると、トリガーダイオード18は非導通となり双方向フォトカプラ40はオフ状態となる。
そして、交流電源(先とは正弦波の正負が反転)により再度コンデンサ16が充電され、トリガーダイオード18のオン電圧に達するとこれが導通し、双方向フォトカプラ40がオン状態となる。この双方向フォトカプラ40は、交流電源のサイクル(50Hz)に合わせてオンオフ状態(100回/sec)を繰り返す。双方向フォトカプラ40がオンオフを定期的に繰り返している間は、上記二次側回路のコンデンサ28は一定電圧以上に上昇することができず、コンパレータ34からの検知信号は出力されない。
ここで、交流電源に停電或いは電圧降下が発生すると、コンデンサ16の電圧が低下してトリガーダイオード18が非導通のままとなり、双方向フォトカプラ40もオフ状態を維持する。そして、二次側回路ではコンデンサ28への充電が継続し、コンパレータ34の入力端子(+端子)には基準電圧を越えた電圧が加わり、コンパレータ34から停電検知信号が出力される。上記双方向フォトカプラ40は交流に対して動作し、また上記一次側回路では、交流電源をそのまま上記双方向フォトカプラ40の駆動に用いる構成であるため、この回路には補助電源は不要である。
図6は第三の停電検出回路45を示したものである。この停電検出回路は、一次側回路に全波整流用の整流器42、コンデンサ44、抵抗器43,46,48、定電圧ダイオード50、NPNのトランジスタ52とPNPのトランジスタ53からなるサイリスタ接続回路、及びフォトカプラ24を有する。上記フォトカプラ24を介して接続される二次側回路は、上記第一の停電検出回路12の二次側回路と同様である。この停電検出回路45はトリガーダイオード或いはサイリスタを使用せずに、トランジスタ及び定電圧ダイオード用いることで回路素子のIC化を可能としている。
上記一次側回路は、交流電源を整流器42で整流し、これを蓄積したコンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード50の降伏電圧を越えると、トランジスタ53のベースを通じて定電圧ダイオード50に電流が流れ、トランジスタ53のコレクタからもトランジスタ52のベースに電流が流れる。トランジスタ52のコレクタはトランジスタ53のベースに接続されていることから、更にトランジスタ53のベース電流が増えて直ちにトランジスタ52,53とも完全にオン状態となる。このトランジスタ52,53のオンにより、このトランジスタ52,53とは直列に接続されたフォトカプラ24がオン状態となる。
上記トランジスタ52,53のオンにより、コンデンサ44が抵抗器46を通して放電し、コンデンサ44の充電電圧が無くなり、トランジスタ52,53の正帰還を維持できなくなった時にトランジスタ52,53はオフ状態となる。このため抵抗器43は、常にトランジスタ52,53の正帰還を維持できないような電流でコンデンサ44を充電する必要がある。このようにフォトカプラ24がオンオフを定期的(100回/50Hz)に繰り返している間は、上記二次側回路のコンデンサ28は一定電圧以上に上昇することができず、コンパレータ34からの検知信号は出力されない。
ここで、交流電源に停電或いは電圧降下が発生すると、コンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード50の降伏電圧を越えることができないため、トランジスタ52,53がオンに移行できず、フォトカプラ24はオフ状態を維持する。そして、二次側回路ではコンデンサ28への充電が継続し、コンパレータ34の入力端子(+端子)には基準電圧を越えた電圧が加わり、コンパレータ34から停電の検知信号が出力される。また上記一次側回路では、交流電源を整流してこれを上記フォトカプラ24の駆動に用いる構成であるため、この回路には補助電源は不要である。
図7は第四の停電検出回路47を示したものである。この停電検出回路は、トリガ素子に双方向サイリスタ54を用いたものである。この双方向サイリスタ54は、基本的な動作が上記トランジスタ52,53と同様であり、両者は等価である。この双方向サイリスタ54は、双方向サイリスタ54から定電圧ダイオード50へ向けてゲート電流を流すことで、この双方向サイリスタ54を導通させる目的で用いたものであり、通常のサイリスタはゲート電流の方向が異なるのでこの回路には使用できない。
この停電検出回路47は、一次側回路に整流器42、コンデンサ44、抵抗器43,46,48、定電圧ダイオード50、双方向サイリスタ54及びフォトカプラ24を有する。上記フォトカプラ24を介して接続される二次側回路は、上記第一の停電検出回路12の二次側回路と同様である。
この一次側回路は、交流電源を整流器42で整流し、これを蓄積したコンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード50の降伏電圧を越えると、双方向サイリスタ54のゲートを通じて定電圧ダイオード50に電流が流れ、このゲート電流により双方向サイリスタ54が導通状態となる。そして、この双方向サイリスタ54に直列に接続されたフォトカプラ24がオン状態となる。
上記双方向サイリスタ54のオンにより、コンデンサ44が抵抗器46を通して放電し、コンデンサ44の充電電圧が無くなり、双方向サイリスタ54に電流が流れなくなるとゲート機能が復活して双方向サイリスタ54は非導通となり、フォトカプラ24はオフ状態となる。このように、交流電源からの交流電圧波形が正常に周期的に変化して、フォトカプラ24のオンオフが定期的に繰り返されている間は、上記二次側回路のコンパレータ34からは検出信号は出力されない。
ここで、交流電源に停電或いは電圧降下が発生すると、コンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード50の降伏電圧を越えることができない。このため、双方向サイリスタ54にはゲート電流が流れず、双方向サイリスタ54は導通状態に移行することができないため、フォトカプラ24はオフ状態を維持する。そして、二次側回路ではコンデンサ28への充電が継続し、コンパレータ34から停電の検知信号が出力される。また上記一次側回路では、交流電源を整流してそのまま上記フォトカプラ24の駆動に用いる構成であるため、この回路には補助電源は不要である。
図8は第五の停電検出回路55を示したものである。この停電検出回路は、トリガ素子にサイリスタ60を用いたものである。なお、このサイリスタ60に代えて、上記NPNのトランジスタ52とPNPのトランジスタ53からなるサイリスタ接続回路を採用することができる。この停電検出回路55は、一次側回路に整流器42、コンデンサ44、抵抗器43,46,58、定電圧ダイオード56、フォトカプラ24及びサイリスタ60を有する。上記フォトカプラ24を介して接続される二次側回路は、上記第一の停電検出回路12の二次側回路と同様である。
この一次側回路は、交流電源(AC)を整流器42で整流し、これを蓄積したコンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード50の降伏電圧を越えると、この定電圧ダイオード56が導通する。この定電圧ダイオード56の導通により、サイリスタ60にゲート電流が流れてサイリスタ60が導通し、このサイリスタ60に直列に接続されたフォトカプラ24がオン状態となる。
上記コンデンサ44が放電すると、サイリスタ60に電流が流れなくなってゲート機能が復活し、サイリスタ60は非導通状態となりフォトカプラ24もオフ状態となる。コンデンサ44の電圧が上昇すると、再度定電圧ダイオード56の導通によりサイリスタ60及びフォトカプラ24はオン状態となり、交流電源のサイクルに合わせてフォトカプラ24はオンオフ状態を繰り返す。
ここで、交流電源に停電或いは電圧降下が発生すると、コンデンサ44の電圧が定電圧ダイオード56の降伏電圧を越えることができない。このため、サイリスタ60にはゲート電流が流れず導通状態に移行できなくなり、フォトカプラ24はオフ状態を維持する。これにより、二次側回路ではコンデンサ28への充電が継続し、コンパレータ34から停電の検知信号が出力される。また、上記一次側回路には補助電源は不要である。
図9は第六の停電検出回路69を示したものである。この停電検出回路は、トリガ素子に双方向サイリスタ54を用い、かつ2個の定電圧ダイオード70,71を用いて、交流電源を整流しないで直接に双方向フォトカプラ40を駆動したものである。この停電検出回路69についても、双方向サイリスタ54を上記第三の停電検出回路のように、トランジスタのサイリスタ接続回路に置き換えることが可能である。なお、この場合には双方向に電流を流す必要があるため、トランジスタによるサイリスタ接続回路を2回路必要とし、更にその回路に対して一方向にのみ電流を流す回路構成が必要となり、回路は複雑化する。
この停電検出回路69は、一次側回路にコンデンサ64、抵抗器62,66,68、定電圧ダイオード70,71、双方向サイリスタ54、双方向フォトカプラ40を有する。上記双方向フォトカプラ40を介して接続される二次側回路は、上記第一の停電検出回路12の二次側回路と同様である。上記定電圧ダイオード70,71は互いに極性を逆にして直列に接続し、正負の両電圧に対して動作するようにしている。
この一次側回路は、交流電源(AC)によりコンデンサ64が充電され、このコンデンサ64の電圧が定電圧ダイオード70(又は71)の降伏電圧を超えると、定電圧ダイオード70(又は71)が導通する。この定電圧ダイオード70(又は71)の導通により、双方向サイリスタ54にゲート電流が流れて双方向サイリスタ54が導通し、この双方向サイリスタ54に直列に接続された双方向フォトカプラ40がオン状態となる。
コンデンサ64の放電により、双方向サイリスタ54には電流が流れなくなってゲート機能が復活し、非導通状態のままとなり双方向フォトカプラ40もオフ状態となる。やがて、コンデンサ64の電圧が上昇すると、再度定電圧ダイオード70(又は71)の導通により双方向サイリスタ54及び双方向フォトカプラ40はオン状態となり、交流電源のサイクルに合わせて双方向フォトカプラ40はオンオフ状態を繰り返す。
ここで、交流電源に停電或いは電圧降下が発生すると、コンデンサ64の電圧が定電圧ダイオード70(又は71)の降伏電圧を越えることができない。このため、双方向サイリスタ54にはゲート電流が流れないので導通状態に移行できず、双方向フォトカプラ40はオフ状態を維持する。これにより、二次側回路ではコンデンサ28の充電が継続し、コンパレータ34から停電の検知信号が出力される。また上記一次側回路には補助電源は不要である。
上記第二から第六の停電検出回路についても、第一の停電検出回路と同様な効果が得られ、交流電源及びこれを整流した信号を直接用いてフォトカプラを駆動する構成であるため、この一次側回路には直流の補助電源は不要であり、このため部品点数が削減されて経済性にも優れ、また電力消費も僅かであり省エネルギー化が図れ、加えて交流電源の単位周期の短時間で停電及び瞬間的な停電が検出がされ、電源供給先の電子装置に迅速に停電の通知が行えるという効果がある。
図10は、上記図2に記載の電圧安定化回路にADコンバータ74を加えた回路図である。この図10記載の電圧安定化回路は、図2の電圧安定化回路と基本的な回路構成は同様であり、同様な部品については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
上記ADコンバータ74は、電圧保持コンデンサ6の両端子間に接続され、この電圧保持コンデンサ6の出力電圧を測定してこれをデジタル電圧に変換し出力する。このADコンバータ74の出力は、電源供給先のコンピュータ装置に入力され、そこで停電の際にコンピュータ装置が電圧保持コンデンサ6から電源の供給を受けることができる供給可能時間を演算により割出す。この供給可能時間内に、コンピュータ装置は、シャットダウン動作を終了させる。なお、このADコンバータ74の電源は、上記電圧変換回路14から供給を受ける。
コンピュータ装置は、内部の処理プログラムが稼動し、上記停電検出回路12から停電の検出信号を受けると、上記ADコンバータ74を介して電圧保持コンデンサ6の出力電圧の変化を一定時間毎に測定する。この電圧保持コンデンサ6は、停電直前には所定の電圧(例えば370V)を保持しており、停電と同時に放電が開始され端子電圧が低下する。この電圧保持コンデンサ6の容量(C)、蓄積エネルギー(W)及びコンデンサの端子電圧(V)との間には、W=CV2/2の関係が成立し、コンピュータ装置への電源供給に伴う電圧保持コンデンサ6の端子電圧(V)は、図11に示すような時間対電圧の変化が予想される。
ここで、上記端子電圧が比較的高い場合には、電圧低下の割合が比較的直線的であるため、コンピュータ装置では、この割合が一定であるとみなして電源の供給を受け得る時間を予測する。このため、コンピュータ装置は、電圧保持コンデンサ6の端子電圧(V)が低下を始めた時点(P−1:検出用レベル)において、所定時間(1ms〜100ms(好ましくは10ms〜20ms))毎に電圧を測定し、この電圧低下の割合がそれ以降も一定であるとみなして、コンピュータ装置がシャットダウンを開始する時点(P−3:シャットダウン開始時間、電圧は例えば200V)から、コンピュータ装置が稼動可能な最低の電圧の時点(P−2:最低動作電圧,例えば120V)の電圧になるまでの給電可能時間(T)を演算し決定する。例えば、上記停電の検出信号を受けた時点で、電圧保持コンデンサ6の端子電圧を測定し、これ以降は上記所定間隔毎に端子電圧を1回から数回測定した後、平均的な電圧低下の割合を求める。この実施の形態では、停電の検出信号を受けた時点とこれから10ms後の時点の2点における端子電圧から電圧低下の割合を求めた。
そして、コンピュータ装置は、上記給電可能時間(T)の範囲内で可能な限りのシャットダウンの処理を行う。このため、コンピュータ装置は停電時において、シャットダウンの処理に使える可能時間を予測することで、この時間内に最大限可能な処理を行うことの予定を立てることができ、停電時に効果的なシャットダウン処理が行える。
図12は、上記図10に記載の電圧安定化回路のADコンバータ74にさらにCPU回路76を加えた回路図である。このCPU回路76は、CPU、メモリ及び制御回路からなり所定の演算処理等が行え、上記ADコンバータ74からのデジタル電圧の出力に基づきシャットダウン動作のための上記供給可能時間(T)を演算により割出し、これを出力する。そして、コンピュータ装置はこの供給可能時間に基づいてシャットダウン処理を行う。このCPU回路76において、上記供給可能時間を割出す演算内容については、上述したコンピュータ装置で行う内容と同様である。なお、このCPU回路76の電源は、上記電圧変換回路14から供給を受ける。
通常、コンピュータ装置に多くのプロセスが稼動していた場合など、コンピュータ装置では上記供給可能時間の演算処理を適切に行うことの保証ができないおそれがある。このような場合、電圧安定化回路に専用のCPU回路76を設けることにより、適切に供給可能時間の演算が行えるとともにコンピュータ装置の負荷を軽減させることができ、またコンピュータ装置全体の信頼性を高めることができる。
2 整流器
4 平滑コンデンサ
6 電圧保持コンデンサ
12 停電検出回路
13 力率改善回路
14 電圧変換回路
18 トリガーダイオード
24 フォトカプラ
28 コンデンサ
34 コンパレータ
40 双方向フォトカプラ
50 定電圧ダイオード
54 双方向サイリスタ
74 ADコンバータ
4 平滑コンデンサ
6 電圧保持コンデンサ
12 停電検出回路
13 力率改善回路
14 電圧変換回路
18 トリガーダイオード
24 フォトカプラ
28 コンデンサ
34 コンパレータ
40 双方向フォトカプラ
50 定電圧ダイオード
54 双方向サイリスタ
74 ADコンバータ
Claims (11)
- 交流電源から供給される交流電圧を整流する整流器と、
この整流器に接続される平滑コンデンサ及びこの平滑コンデンサとは抵抗器を介して並列に接続され、上記平滑コンデンサより容量が大きい電圧保持コンデンサが設けられた電圧安定化回路と、
この電圧安定化回路からの出力電圧をDC−DC変換して降圧する電圧変換回路と、
上記交流電源の停電を検出する停電検出回路と、を有することを特徴とする電源装置。 - 上記電圧保持コンデンサの容量を、上記平滑コンデンサの容量より10倍〜100倍程度大きく形成したことを特徴とする請求の範囲第1項記載の電源装置。
- 上記整流器に力率改善回路を接続し、この力率改善回路の出力を上記平滑コンデンサ及び上記電圧保持コンデンサに接続したことを特徴とする請求の範囲第1項又は請求の範囲第2項記載の電源装置。
- 上記停電検出回路は、上記交流電源を直接用いて回路を駆動する一次側回路と、上記電圧変換回路から電源の供給を受けて稼動する二次側回路とからなることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第3項の何れかに記載の電源装置。
- 上記停電検出回路は、上記交流電源から所定電圧以上の部分を抽出してパルス化するとともに整流し、これをフォトカプラの発光ダイオードに印加する一次側回路と、上記フォトカプラを介して接続され、このフォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期の変化に基づき上記交流電源の停電を検出する二次側回路とからなることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第4項の何れかに記載の電源装置。
- 上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧をトリガーダイオードによって所定電圧以上の正及び負のパルス状の信号に変換し、これを整流回路を介して上記フォトカプラに入力してこのフォトカプラを周期的にオンオフし、
上記交流電源が停電又は降圧により上記所定電圧より低下した際には、上記トリガーダイオードを非導通に維持して上記フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させることを特徴とする請求の範囲第5項記載の電源装置。 - 上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧を整流した電流を定電圧ダイオードに印加させる一方、上記定電圧ダイオードのカソード端子に双方向サイリスタのゲート端子を接続し、
降伏電圧による上記定電圧ダイオードの導通により、上記双方向サイリスタを導通させ、これにより上記フォトカプラをオンし、上記交流電圧の変化時に上記双方向サイリスタを非導通にして上記フォトカプラをオフして上記フォトカプラを周期的にオンオフし、
上記交流電源の停電の際には、上記双方向サイリスタを非導通に維持することで上記フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させることを特徴とする請求の範囲第5項記載の電源装置。 - 上記停電検出回路は、上記交流電圧から所定電圧以上の部分を抽出して正及び負にパルス化した交流信号を、双方向フォトカプラの発光ダイオードに印加する一次側回路と、上記双方向フォトカプラを介して接続され、この双方向フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期の変化に基づき上記交流電源の停電を検出する二次側回路とからなることを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第4項の何れかに記載の電源装置。
- 上記停電検出回路の一次側回路は、上記交流電圧をトリガーダイオードによって所定電圧以上の正及び負のパルス状の信号に変換し、これを上記双方向フォトカプラに入力してこの双方向フォトカプラを周期的にオンオフさせ、
上記交流電源が停電又は降圧により上記所定電圧以下に低下した際には、上記トリガーダイオードを非導通に維持して上記双方向フォトカプラの受光トランジスタのオンオフの周期を変化させることを特徴とする請求の範囲第8項記載の電源装置。 - 上記停電検出回路の二次側回路は、上記受光トランジスタと並列に接続され、この受光トランジスタの周期的なオンオフに基づき放電充電を繰り返すコンデンサと、このコンデンサの電圧と基準電圧との差を比較するコンパレータとを有し、
上記受光トランジスタのオンオフの周期が変化した場合に、上記コンデンサの充電電圧が上記基準電圧を越えることで、上記コンパレータが上記交流電源の停電を検出することを特徴とする請求の範囲第5項乃至請求の範囲第9項の何れかに記載の電源装置。 - 上記電圧安定化回路に、停電の際に上記電圧保持コンデンサの端子電圧の変化に基づいて電源供給が可能な時間を演算するため、上記電圧保持コンデンサの端子電圧をデジタルの電圧に変換するADコンバータを設けたことを特徴とする請求の範囲第1項乃至請求の範囲第10項の何れかに記載の電源装置。
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