JPWO2018207231A1 - リレー制御装置 - Google Patents

Abstract

リレー制御装置（１００）は、コイル（３）と、コイル（３）が励磁されることにより開状態から閉状態に切り替わる可動鉄片（４）と、可動鉄片（４）を開状態から閉状態に切り替える第１の電流をコイル（３）に流す切替電流出力回路と、可動鉄片（４）の閉状態を保持する第２の電流をコイル（３）に流す保持電流出力回路とを備える。切替電流出力回路は、第２の電流がコイル（３）に流れ始めた時点から第１の時間が経過したとき、第１の電流をコイル（３）に流し、第２の電流の値は、第１の電流の値よりも低いことを特徴とする。

Description

本発明は、メカニカルリレーを制御するリレー制御装置に関する。

特許文献１には、メカニカルリレーであるリレーを閉状態に保持するための電流が出力されているとき、瞬時電圧降下によってリレーの閉状態を保持できなくなった場合に備え、リレーを開状態から閉状態へ切り替えるための電流出力を間欠的に行うことでリレーを自動で閉状態に復帰させる技術が開示されている。以下では、リレーを閉状態に保持するための電流出力を保持電流出力と称し、リレーを開状態から閉状態へ切り替えるための電流出力を切替電流出力と称する。

特許第４３７８５８５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるリレー制御方法では、切替電流出力時に、リレーとリレーの周囲に配置されたリレー周辺回路部品とに大きな突入電流が流れるため、リレー及びリレー周辺回路部品には絶対最大定格電流量の高い部品を使わなければならないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、リレーへの突入電流を抑制できるリレー制御装置を得る。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のリレー制御装置は、コイルと、コイルが励磁されることにより開状態から閉状態に切り替わる可動鉄片と、可動鉄片を開状態から閉状態に切り替える第１の電流をコイルに流す切替電流出力回路と、可動鉄片の閉状態を保持する第２の電流をコイルに流す保持電流出力回路とを備え、切替電流出力回路は、第２の電流がコイルに流れ始めた時点から第１の時間が経過したとき、第１の電流をコイルに流し、第２の電流の値は、第１の電流の値よりも低いことを特徴とする。

本発明に係るリレー制御装置は、リレーへの突入電流を抑制できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るリレー制御装置の構成図 図１に示すリレーを開状態から閉状態に切り替えるときのフローチャート 図１に示すリレーを開状態から閉状態に切り替えるときの切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図 図１に示すリレーを閉状態から開状態に切り替えるときのフローチャート リレーを閉状態から開状態に切り替えるときの切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図 突入電流収束時間が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生した場合の切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図 切替電流出力時間が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生した場合の切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るリレー制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係るリレー制御装置の構成図である。実施の形態に係るリレー制御装置１００は、コイル３及び可動鉄片４を有するリレー２と、可動鉄片４の動作を制御するための切替電流出力ポート１２及び保持電流出力ポート１３を有する制御部１と、制御部１の切替電流出力ポート１２に接続される切替電流出力トランジスタ９と、制御部１の保持電流出力ポート１３に接続される保持電流出力トランジスタ１０と、一端が保持電流出力トランジスタ１０に接続され、他端が切替電流出力トランジスタ９とコイル３の一端とに接続される電流制限抵抗１１とを備える。

切替電流出力ポート１２及び保持電流出力ポート１３は、制御部１が備えるデジタル出力ポートである。

切替電流出力トランジスタ９は、切替電流出力ポート１２から出力される信号の状態に応じてコイル３に流れる電流を制御する。切替電流出力ポート１２から出力される信号は、Ｈｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの２値の電位を取る。

保持電流出力トランジスタ１０は、保持電流出力ポート１３から出力される信号の状態に応じてコイル３に流れる電流を制御する。保持電流出力ポート１３から出力される信号は、Ｈｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの２値の電位を取る。

切替電流出力トランジスタ９及び保持電流出力トランジスタ１０には、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)、ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はＩＧＣＴ(Insulated Gate Controlled Thyristor)を例示できる。本実施の形態では、切替電流出力トランジスタ９及び保持電流出力トランジスタ１０にｎｐｎ型バイポーラトランジスタが用いられる。

切替電流出力トランジスタ９のコレクタは、電流制限抵抗１１の他端に接続されると共にコイル３の一端に接続される。切替電流出力トランジスタ９のベースは切替電流出力ポート１２に接続される。切替電流出力トランジスタ９のエミッタは、保持電流出力トランジスタ１０のエミッタに接続されると共に１次側アース６に接続される。

保持電流出力トランジスタ１０のコレクタは、電流制限抵抗１１の一端に接続される。保持電流出力トランジスタ１０のベースは保持電流出力ポート１３に接続される。保持電流出力トランジスタ１０のエミッタは、１次側アース６に接続されると共に、切替電流出力トランジスタ９のエミッタに接続される。

コイル３の他端は１次側電源５に接続される。可動鉄片４の一端は２次側電源７に接続される。可動鉄片４の他端は２次側アース８に接続される。

コイル３は、１次側電源５から供給される直流電流が１次側アース６に流れる際に励磁される。可動鉄片４は、磁性体の鉄片を備えたノーマリオープンの可動部品であり、２次側電源７を開閉するスイッチの役割を持つ。可動鉄片４は、閉状態から開状態に復帰する復元力を有するものとする。なお、可動鉄片４の復元力は、板ばね又はコイルばねといった弾性部材で得られる力である。コイル３に電流が流れて励磁されると、可動鉄片４はコイル３に引き付けられ開状態から閉状態に切り替わる。このとき、２次側電源７と２次側アース８は導通した状態となり、２次側回路の回路部品への電源供給が開始される。２次側回路は、可動鉄片４、２次側電源７及び２次側アース８を含む。２次側回路を構成する要素の内、可動鉄片４、２次側電源７及び２次側アース８以外の部分については、説明を省略する。

１次側電源５から１次側アース６への直流電流の流れが止まると、コイル３で発生する磁力が減衰し、可動鉄片４は開状態に復帰する。そのため、２次側回路への電源供給が遮断される。

リレー２では、一般的に、可動鉄片４を開状態から閉状態へ切り替える際に要する電流の値と、閉状態に切り替えられた可動鉄片４の閉状態を保持する際に要する電流の値とは異なる。便宜的に、可動鉄片４を開状態から閉状態へ切り替える際に要する電流を切替電流と称し、閉状態に切り替えられた可動鉄片４の閉状態を保持する際に要する電流を保持電流と称する。切替電流の値は保持電流の値よりも大きく、必要な電流量はリレー２の製品仕様で規定されるものとする。

本実施の形態では、切替電流出力トランジスタ９で構成される切替電流出力回路と、保持電流出力トランジスタ１０及び電流制限抵抗１１で構成される保持電流出力回路との２つの回路によって、コイル３の励磁が行われる。

切替電流出力トランジスタ９のコレクタとエミッタとの間に流れる電流の有無は、切替電流出力ポート１２からの出力により切り替えられる。切替電流出力ポート１２の出力がＨｉｇｈに設定されると、切替電流出力トランジスタ９のコレクタとエミッタとの間に電流が流れる。また切替電流出力回路によってコイル３を励磁する際、リレー２の製品仕様で規定された切替電流を上回る電流がコイル３に流れるものとする。

保持電流出力トランジスタ１０とコイル３との間には電流制限抵抗１１が直列に配置される。保持電流出力トランジスタ１０のコレクタとエミッタとの間に流れる電流の有無は、保持電流出力ポート１３からの出力により切り替えられる。保持電流出力ポート１３の出力がＨｉｇｈに設定されると、保持電流出力トランジスタ１０のコレクタとエミッタとの間に電流が流れる。

また、保持電流出力回路によってコイル３を励磁する際、リレー２の製品仕様で規定された保持電流を上回り、かつ切替電流よりも小さい電流がコイル３に流れるものとする。このとき、上記の保持電流は、電流制限抵抗１１によって電流量を調整可能であり、例えばリレー２の型式によって抵抗値を調整することで、多様な製品への本リレー制御回路の搭載が可能である。

次に本実施の形態に係るリレー制御装置１００の動作を説明する。図２は図１に示すリレーを開状態から閉状態に切り替えるときのフローチャートである。また図３は図１に示すリレーを開状態から閉状態に切り替えるときの切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図である。

切替電流出力ポート１２及び保持電流出力ポート１３の出力が何れもＬｏｗに設定されているとき、リレー２は開状態となっている。このとき、制御部１に２次側電源供給開始の要求が発生すると（ステップＳ１）、制御部１は、保持電流出力ポート１３の出力をＨｉｇｈに設定する（ステップＳ２）。

制御部１は、ステップＳ２で保持電流出力ポート１３の出力がＨｉｇｈに設定された時点からの経過時間を測定し、この経過時間が第１の時間である突入電流収束時間Ｔ０１を超えたか否か、すなわち突入電流収束時間Ｔ０１が経過したか否かを判定する（ステップＳ３）。

突入電流収束時間Ｔ０１が経過していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部１はステップＳ３の処理を繰り返す。突入電流収束時間Ｔ０１は突入電流が収束するまでの時間から求められるものとし、例えば、突入電流が収束するまでの時間が１［ｍｓ］であった場合、突入電流収束時間Ｔ０１には、１００［ｍｓ］という様に十分に尤度を持った値が設定される。

なお、保持電流出力回路には電流制限抵抗１１が配置されているため、切替電流出力回路単独でリレー２を閉状態に切り替えた場合に比べ、突入電流のピーク値が低くなり、また突入電流が収束するまでの時間が短くなる。これは、保持電流出力回路の電流制限抵抗１１を介してコイル３に電流を流した後、切替電流出力回路を介してコイル３に電流を流すことにより、電流制限抵抗１１を介さずにコイル３に電流を流し始めた場合に比べて、突入電流の大きさが抑制されるためである。

突入電流収束時間Ｔ０１が経過した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部１は、切替電流出力ポート１２の出力をＨｉｇｈに設定する（ステップＳ４）。このとき、リレー２は開状態から閉状態に切り替わり、２次側回路への電源供給が開始される。

制御部１は、ステップＳ４で切替電流出力ポート１２の出力がＨｉｇｈに設定された時点からの経過時間を計測し、この経過時間が第２の時間である切替電流出力時間Ｔ０２を超えたか否か、すなわち切替電流出力時間Ｔ０２が経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。切替電流出力時間Ｔ０２が経過していない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、制御部１はステップＳ５の処理を繰り返す。

一般的なリレー２では、リレー２を開状態から閉状態に切り替える際に切替電流を出力し続ける必要のある時間が製品仕様によって規定されている。以下では、当該時間を切替安定時間Ｔ０３と称する。切替電流出力時間Ｔ０２には、切替安定時間Ｔ０３に尤度を考慮した時間が設定される。例えば、切替安定時間Ｔ０３が１００［ｍｓ］であった場合、切替電流出力時間Ｔ０２には、１０［ｓ］という様に、リレー２が閉状態に切り替わるための時間が十分に確保される。なお、切替電流出力時間Ｔ０２の経過を待っている間、制御部１はリレー制御以外の他の処理を実施可能である。

切替電流出力時間Ｔ０２が経過した場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御部１は、切替電流出力ポート１２の出力をＬｏｗに設定する（ステップＳ６）。切替電流出力ポート１２をＬｏｗに設定することによって、保持電流によりリレー２が閉状態で保持される（ステップＳ７）。このとき、保持電流出力回路には電流制限抵抗１１が配置されているためコイル３に流れる電流が低減される。すなわち、電流制限抵抗１１を介してコイル３及び保持電流出力トランジスタ１０に流れる電流の値は、電流制限抵抗１１を介さずにコイル３及び切替電流出力トランジスタ９に流れる電流の値よりも小さくなる。従って、保持電流によりリレー２が閉状態に保持されるときにコイル３で消費される電力は、切替保持電流によりリレー２が閉状態に保持されるときにコイル３で消費される電力よりも小さくなる。

図４は図１に示すリレーを閉状態から開状態に切り替えるときのフローチャートである。また図５はリレーを閉状態から開状態に切り替えるときの切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図である。なお図４及び図５では、前述したステップＳ７において、保持電流によりリレー２が閉状態で保持されるときを初期状態として説明を行う。

リレー２が閉状態で保持されるとき、制御部１に２次側電源供給停止の要求が発生すると（ステップＳ１１）、制御部１は、切替電流出力ポート１２及び保持電流出力ポート１３の出力をＬｏｗに設定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の設定によってコイル３に電流が流れなくなるため、コイル３の磁力が減衰し、可動鉄片４が開状態に復元する。これにより２次側回路への電源供給が遮断される。

なお、突入電流収束時間Ｔ０１又は切替電流出力時間Ｔ０２の間に２次側電源供給停止の要求が発生した場合も、図４の処理順でリレー２を開状態にすることができる。図６及び図７を用いて具体例を説明する。

図６は突入電流収束時間が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生した場合の切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図である。図６に示すように突入電流収束時間Ｔ０１が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生すると、制御部１は、保持電流出力ポート１３の出力をＬｏｗに設定する。これにより、リレー２は閉状態に切り替えられることなく、リレー２の開状態が維持される。

図７は切替電流出力時間が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生した場合の切替電流出力ポート及び保持電流出力ポートの出力状況とリレーの開閉の状態とを関連付けて示す図である。図７に示すように切替電流出力時間Ｔ０２が経過する前に２次側電源供給停止の要求が発生すると、制御部１は、切替電流出力ポート１２の出力をＬｏｗに設定する。これにより、リレー２は閉状態から開状態に切り替えられる。

引用文献１に代表される従来技術では、切替電流出力回路がリレーを開閉制御していたため、切替電流出力時に、リレーと、リレーの周囲に配置されたリレー周辺回路部品とに大きな突入電流が流れる。そのため、リレー及びリレー周辺回路部品には絶対最大定格電流量の高い回路部品を使用する必要があった。絶対最大定格電流量の高い回路部品は高価であるため、製品の原価低減の障害となっていた。

本実施の形態に係るリレー制御装置１００は、コイル３と、コイル３が励磁されることにより開状態から閉状態に切り替わる可動鉄片４と、可動鉄片４を開状態から閉状態に切り替える第１の電流をコイル３に流す切替電流出力回路である切替電流出力トランジスタ９と、可動鉄片４の閉状態を保持する第２の電流をコイル３に流す保持電流出力回路である保持電流出力トランジスタ１０とを備える。そして、切替電流出力回路は、第２の電流がコイル３に流れ始めた時点から第１の時間が経過したとき第１の電流をコイル３に流し、第２の電流の値は第１の電流の値よりも低くなるように構成されている。この構成により、第２の電流がコイル３に流された後に第１の電流がコイル３に流れるため、突入電流のピーク値が低くなる。従って、絶対最大定格電流量が低く安価な回路部品を使用することが可能となる。

また本実施の形態に係るリレー制御装置１００は、切替電流出力回路と、コイル３に直列接続される電流制限抵抗１１を備える保持電流出力回路とを備え、切替電流出力回路は、第１の時間が経過した時点から第２の時間が経過するまで、第１の電流をコイル３に流し、コイル３及び電流制限抵抗１１には、第２の時間が経過した後、第１の電流に代えて第２の電流が流れるように構成されている。すなわち、２つの回路を切り替えてリレー２を制御することで、切替電流出力回路によってリレー２が閉状態に切り替えられた後には保持電流出力回路のみによってリレー２の閉状態が保持される。この構成により、保持電流によりリレー２が閉状態に保持されるときにコイル３で消費される電力を、切替保持電流によりリレー２が閉状態に保持されるときにコイル３で消費される電力よりも小さくすることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 制御部、２ リレー、３ コイル、４ 可動鉄片、５ １次側電源、６ １次側アース、７ ２次側電源、８ ２次側アース、９ 切替電流出力トランジスタ、１０ 保持電流出力トランジスタ、１１ 電流制限抵抗、１２ 切替電流出力ポート、１３ 保持電流出力ポート、１００ リレー制御装置。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のリレー制御装置は、第１の電源と、第２の電源と、一端が第１の電源に接続されるコイルと、一端が第２の電源に接続され、コイルが励磁されることにより開状態から閉状態に切り替わる可動鉄片と、一端がコイルの他端に接続され、コイルを介して第１の電源から供給される電流を、可動鉄片を開状態から閉状態に切り替える第１の電流としてコイルに流す切替電流出力回路と、一端がコイルの他端に接続され、コイルを介して第１の電源から供給される電流を、可動鉄片の閉状態を保持する第２の電流としてコイルに流す保持電流出力回路とを備え、切替電流出力回路及び保持電流出力回路は、単一の電源で動作し、切替電流出力回路は、第２の電流がコイルに流れ始めた時点から第１の時間が経過したとき、第１の電流をコイルに流し、第２の電流の値は、第１の電流の値よりも低いことを特徴とする。

Claims (2)

1. コイルと、
   前記コイルが励磁されることにより開状態から閉状態に切り替わる可動鉄片と、
   前記可動鉄片を開状態から閉状態に切り替える第１の電流を前記コイルに流す切替電流出力回路と、
   前記可動鉄片の閉状態を保持する第２の電流を前記コイルに流す保持電流出力回路と
   を備え、
   前記切替電流出力回路は、前記第２の電流が前記コイルに流れ始めた時点から第１の時間が経過したとき、前記第１の電流を前記コイルに流し、
   前記第２の電流の値は、前記第１の電流の値よりも低いことを特徴とするリレー制御装置。
2. 前記保持電流出力回路は、前記コイルに直列接続される抵抗を備え、
   前記切替電流出力回路は、前記第１の時間が経過した時点から第２の時間が経過するまで、前記第１の電流を前記コイルに流し、
   前記コイル及び前記抵抗には、前記第２の時間が経過した後、前記第１の電流に代えて前記第２の電流が流れることを特徴とする請求項１に記載のリレー制御装置。

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