WO1993014506A1

WO1993014506A1 - Circuit for driving load

Info

Publication number: WO1993014506A1
Application number: PCT/JP1993/000048
Authority: WO
Inventors: Masayoshi Sakai; Koichi Futsuhara
Original assignee: The Nippon Signal Co., Ltd.
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1993-07-22
Also published as: EP0810616A1; EP0800184A2; DE69322315D1; EP0800184A3; DE69326904T2; DE69332489T2; EP0575626A1; EP0575626B1; DE69322315T2; EP0800184B1; US5668706A; EP0810616B1; DE69326904D1; US5519598A; EP0575626A4; DE69332489D1

Description

明糸田書

負荷駆動回路

〔技術分野〕

第 1 の発明は、負荷駆動回路の異常発生時に作動させる大本の電源の遮断機構を無接点化すると共にフェールセーフ性に優れた負荷駆動回路に関する。また、第 2の発明は、特に、動作の開始と停止の入力レベルが異なるヒステリシス特性を有する誘導性負荷を駆動する負荷駆動回路における負荷の動作の停止遅れを改善する技術に関する。また、第 3の発明は、特に、ヒステリシス特性を有する負荷を駆動する負荷駆動回路における省電力化を図る技術に関する。〔背景技術〕

例えば、工場等におけるプレス機械制御等の高度の安全性を要求される技術分野の装置においては、回路故障、短絡、断線等が発生した場合に装置の動作を必ず安全側に切り替えるフールセーフ性を備えた装置や機器を使用することが原則である。従って、制御の最終対象物である負荷、例えばモータゃソレノィド等を駆動するための負荷駆動回路においてもフエールセーフ性が要求されるのは当然である。

ところで、従来の負荷寧動回路としては、例えば、サイリス夕やソリッドステートリレー（以下、 S S Rとする）等のような半導体スィッチ或いは電磁リレーの接点等を、負荷に直列接続し、これらを負荷駆動指令信号で直接 O N · 0 F F制御することで負荷を駆動制御する方式がある。

しかし、かかる従来の構成では、半導体スィッチに短絡故障が発生したり、リレー接点に溶着が生じると、入力信号（負荷駆動指令信号）が無いにも拘らず負荷に負荷電流が流れる危険がある。即ち、入力信号がないのに誤って出力が生じるという危険があり、フエ一ルセーフな構成ではなく、高度な安全性を要求される装置には使用出来ない。尚、電磁リレーを用いた駆動回路では、リレー接点に溶着の起こらない特殊な接点（例えばカーボン接点等）を使用すればフエールセーフ性を確保できるが、接点の寿命が短いという問題が

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そこで、フヱールセーフ性を確保できる負.荷駆動回路として、例えば、負荷駆動用のスィッチ回路を入力信号（負荷駆動指合信号）によって直接制御する一方、このスイツチ回路の導通■ 非導通状態をフェールセーフな構成の監視回路で監視させるよう構成した負荷駆動回路方式が提案されている（日本国特許出願、特開昭 6 0 — 2 2 3 4 4 5号公報及び特開昭 6 0 — 2 2 7 3 2 6号公報及び U . S . P a t e n t 4 , 6 6 1 , 8 8 0号等参照）。

かかる構成の負荷駆動回路によれば、入力信号が入力していないにも拘らず負荷に給電されていることを監視回路で検知して、この検知情報で大本の電源を強制的に遮断することにより、負荷を駆動するに際して最も危険な事故を確実に防止できるようになる。

また、別の負荷驟動回路方式として、例えば、入力信号が入力する信号入力側と負荷の給電回路側とを、トランスを介在させて電気的に絶縁された信号受信系を構成して結合させる方式がある。即ち、増巾器で増巾した交流の入力信号（負荷駆動指合信号）をトランスの 1次側に供給し、前記トランスの 2次側に交流を発生させ、この交流をダイォード整流回路で直流に変換して負荷給電回路側に供給する方式である。かかる構成によれば、半導体スィッチの短絡故障モードもなく、電磁リレーの場合における接点寿命の問題もなく、フェールセーフ性を確保できる。

しかしながら、プレス機械等の大容量の負荷駆動回路にあっては負荷に給電する大本の電源の遮断機構には、従来、リレー等を用いた接点式のものが使用されている。かかる接点式では、接点の溶着や摩耗の問題がどうしても存在するために、信頼性の面で必ずしも充分とは言えない。

また、負荷を入力信号で直接駆動せずにトランスを介在させる駆動方式においては、甎動する負荷が、直流の電磁弁や電磁リレー等のような誘導性の負荷の場合、入力信号が 0 F Fしたときに負荷における逆起電力の発生によって負荷からの放電電流がダイォード整流回路を介して給電回路内に流れるため、この放電電流の影響で、実際には入力信号が停止してから負荷が動作を停止するまでに時間の遅れがあるという問題がある。

また、前記電磁弁や電磁リレー等の負荷は、動作停止状態から動作が開始する入力レベルと動作状態から動作が停止する入力レベルとが異なるヒステリシス特性を有しており、このようなヒステリシス特性を有する負荷の場合、一旦動作を開始すれば、以後は少なくとも動作が停止しないだけの入力レベルを与えればよいにも拘らず、従来では動作開始時の入力レベルをそのまま供給する構成であり、電力を無駄に消費しているという問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、第 1 の発明では、大本の電源の遮断機構を無接点化すると共にフエールセーフな構成とした負荷駆動回路を提供することを目的とする。また、第 2の発明では、誘導性負荷における動作停止電圧が動作開始電圧より低いヒステリシス特性を利用して、負荷起動時には高いレベルの電圧を供給し、定常時では動作停止電圧より僅かに高いレベルの電圧で負荷の動作を保持することにより、入力信号が停止してから負荷の動作が停止するまでの時間遅れを短縮した負荷駆動回路を提供することを目的とする。また、第 3の発明では、消費電力の少ないヒステリシス特性を有する負荷の駆動回路を提供することを目的とする。〔発明の開示〕

このため、第 1の発明の負荷駆動回路は、負荷の給電回路にスィツチイング素子を直列に介装し、該スィッチイング素子を、負荷駆動指令信号によって直接 O N · 0 F F駆動させて負荷への給電を制御する構成の負荷駆動回路において、入力側が大本の商用交流電源と第 1のトランスを介して電磁結合し、出力側が第 2のトランスを介して前記負荷の給電回路と電磁結合し、前記商用交流電源からの負荷駆動用電流を負荷の給電回路に供給するためのスィツチング電源と、前記負荷の給電回路に負荷と直列に介装され負荷駆動措合信号の入力により給電回路を閉成して前記スィツチング電源からの電流を負荷に供給する前記スィッチイング素子としての半導体スィッチング素子と、該半導体スィツチング素子の O N状態又は O F F状態を検出し、 O N状態のときに論理値 0に相当する低レベル出力を発生し、 O F F状態のときに論理値 1 に相当する高レベル出力を発生すると共に故障時に論理値 0の低レベル出力となる半導体スィッチング素子状態検出手段と、該半導体スィツチング素子状態検出手段の出力と前記負荷駆動指令信号が入力し、負荷駆動指令信号が発生してないときに半導体スィッチング素子状態検出手段の出力が低レベルであるときに前記半導体スィッチイング素子が異常と判定して出力が低レベルとなり前記スィッチング電源の給電動作を停止させる電源停止判定手段とを備えて構成した。

このようにすれば、負荷への給電を制御する半導体スィツチイング素子に異常が発生した時に大本の電源を遮断する遮断機構を、無接点化できると共に、回路に異常が発生した場合に大本の電源と負荷とを確実に遮断できフヱ一ルセーフな構成となる。

また、電源停止判定手段を、フェールセーフな論理演算手段を用いて構成することにより、より一層フェールセーフ性を高めることができるようになる。

また、第 2の発明は、動作停止電圧が動作開始電圧より低いヒステリシス特性を有する誘導性負荷の駆動回路であって、交流の負荷駆動指令信号の入力により発生する交流出力を整流しその整流出力を負荷に供給して負荷を駆動する構成の負荷駆動回路において、前記負荷駆動指令信号の入力と同時に第 1 の整流出力を負荷に供給し該第 1 の整流出力が前記動作停止電圧より高く前記動作開始電圧より低いレベルである第 1 出力供給手段と、前記負荷駆動指令信号の入力から所定時間のみ第 2の整流出力を前記第 1 出力供給手段の第 1 の整流出力に重畳して負荷に供給し、該第 2の整流出力が、前記第 1 出力供給手段の第 1 の整流出力に重畳した状態で負荷の動作開始電圧より高いレベルとなる出力レベルに設定された第 2出力供給手段とを含んで構成した。

このように、起動時のみ高い電圧を負荷に供給し、その後の定常状態では起動時より低いレベルの電圧を負荷に供給するようにすれば、負荷に蓄積されているエネルギは小さく、負荷駆動指令信号の停止から動作停止電圧以下に低下するまでの時間が短くなり、動作停止遅れを改善できる。

更に、負荷の給電回路にツエナーダイォ一ドを挿入すると共に、このッニナ一ダイォードの故障を監視する手段を設ける構成とすることで、負荷駆動指令信号の停止に伴って負荷に発生する逆起電力がツエナー電圧下になれば負荷給電回路はオープン状態となるので、更に負荷駆動停止の際の時間遅れを改善できると共に、故障監視手段が、ツエナーダイォードの故障を検出した時に負荷駆動指合信号を停止することでフエールセーフ性は確保される。

また、第 3の発明の負荷駆動回路は、動作開始の入力レベルより低い入力レベルで動作が停止するヒステリシス特性を有する負荷を駆動するための負荷駆動回路であって、負荷駆動指合信号に基づいて発生する交流出力を整流しその整流出力を前記負荷に洪給して負荷を駆動する構成の負荷駆動回路において、負荷駆動許可信号が入力した時に高工ネルギ状態に相当する論理値 1 の前記負荷駆動措合信号を発生し前記負荷駆動許可信号が入力しない時に出力が低エネルギ状態に相当する論理値 0 となると共に故障時に出力が低レベル状態に相当する論理値 0 となるフエールセーフな負荷駆動指令信号発生手段と、該負荷駆動指令信号発生手段からの出力を電源として時間に対して勾配を有する周期的な発振出力を発生する信号発振手段と、同じく前記負荷駆動措合信号発生手段からの出力を電源とし、所定の時定数で徐々に立ち上がる閾値と前記信号発振手段の発振出力とを比較して発振出力が大の期間ハイレベルとなるパルス巾変調出力を発生する信号比較手段と、該信号比較手段のパルス巾変調出力を第 6のトランスを介して増巾して前記ヒステリシス特性を有する負荷の給電回路に交流出力を供給する増巾交流出力供給手段と、該増巾交流出力供給手段により供給された増巾交流出力を整流して前記負荷に供給する第 7の整流回路とを備えて構成した。

これにより、トランスにおいては、パルス巾変調出力のデューティ比が 50 %でその出力エネルギは最大となり、デューティ比が 50 % より小さく又は大きくなるにつれて減少するので、負荷に供給される出力エネルギは、初め徐々に上昇して負荷の動作開始の入力レべルより高くなり、その後は動作開始レベルより低いレベルに減少して所定時間後には動作停止レベルより僅かに高いレベルで一定となる。これにより、負荷の動作開始後の供給電力が軽減され電力消費が少なくできる。

また、負荷駆動指令信号発生手段の出力を、信号発振手段と信号比較手段の電源としているので、負荷駆動指令信号発生手段からの信号が発生しない限り信号発振手段及び信号比較手段は動作しない < しかも、負荷駆動指令信号発生手段は、誤って出力が高工ネルギ状態の論理値 1 とならないフェールセーフな構成であり、また、負荷駆動指令信号に基づく負荷駆動のための出力をトランスを介して負荷に供給する構成としているので、フヱ一ルセーフな構成である。〔図面の簡単な説明〕

第 1 図は、第 1 の発明の負荷駆動回路の実施例の回路構成図である

第 2図は、第 2の発明の負荷駆動回路の第 1実施例を示す回路構成図である。

第 3図は、同上実施例の負荷の動作開始と動作停止の電圧ヒステリシス特性を説明する図である。第 4図は、同上実施例の負荷給電状態を示すタイムチヤ一トであ o

第 5図は、第 2の発明の負荷駆動回路の第 2実施例を示す回路構成図である。

第 6図は、第 2の発明の負荷駆動回路の第 3実施例を示す回路構成図である。

第 7図は、第 3の発明の負荷駆動回路の実施例を示す回路搆成図である。

第 8図は、同上実施例の要部回路の出力状態を示すタイムチヤ一トである。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第 1図は第 1 の発明の一実施例を示すものである。

第 1図において、大本の電源である商用の交流電源 1からの交流入力は、第 1 のトランス 2を介してスィッチング電源 3に入力する。スィツチング電源 3は、前記第 1 のトランス 2の 2次巻線に発生する交流出力を整流する第 1 の整流回路 4 と、後述する第 2のトランス 6の 1次巻線と直列接続するトランジスタ 5 と、後述する判定回路 15からの出力に基づいて動作する第 1 の信号発生器 24とで構成されている。スイッチング電源 3は、第 1 の信号発生器 24からの交流出力で励磁され、この交流出力でトランジスタ 5が O N— O F F動作することで大本の交流電源 1からの交流入力に対応する交流出力を発生する。スイツチング電源 3の交流出力は第 2のトランス 6 の 2次巻線から整流回路 7で整流されて例えばモータゃソレノィド等の負荷 8 に供給される。負荷 8の給電回路には、交流の負荷駆動指合信号 I κ の整流出力 (整流回路 19で整流されたもの）の入力によって閉成する半導体素子若しくは半導体回路を用いたスィッチイング素子（以下、半導体スィッチイング素子若しくはソリッドステートリレー S S Rとする） 9 (本実施例では S S Rを用いている）が介装されている。図中、 Cはコンデンサである。

また、半導体スィッチング素子状態検出手段としてのインピーダンスセンサ 10は、 S S R 9が O N状態か 0 F F状態かを検出する。該インピーダンスセンサ 10は、第 2の信号発生器 11と、該第 2の信号発生器 11からの交流信号が抵抗 Rを介して入力する 1 次巻線と該 1次巻線からの交流信号を受信する 2次巻線 N ₂ 及び負荷給電回路の給電線が巻回された磁性コア 12と、 2次巻線 N ₂ の受信信号を増巾する第 2の増巾器に相当する増巾器 13と、該増巾器 13の交流増巾出力が入力し、この入力レベルが所定レベル以上の時に高レベルの出力を発生するレベル検定器 14とで構成されている。

そして、 S S R 9の O N · 0 F F各状態の検出は、 S S R 9が〇 N状態の時には負荷 8が並列に接続することにより回路インピーダンスが小さくなり 2次巻線 N ₂ 側の受信電圧が小さくなり、レベル検定器 14の出力 I _s が論理値 0に相当する低レベルとなり、逆に、 S S R 9が 0 F F状態の時には負荷 8が切り離されて回路インピーダンスが大きくなつて 2次巻線 N ₂ 側の受信電圧が大きくなり、レベル検定器 14の出力 I _s が論理値 1 に相当ずる高レベルとなる。そして、かかるレベル検定器 14の出力 I s 、即ち、インピーダンスセンサ 10の出力は、電源停止判定手段としての判定回路 15に送出される該判定回路 15は、インピーダンスセンサ 10の出力 I _s と前述した S S R 9を駆動するための負荷駆動措令信号 I N が入力し、両入力信号に基づいて、負荷駆動措合信号 I N が発生してないときにインピーダンスセンサ 10の出力 I s が低レベルである（負荷の給電線に電流が流れている状態に相当）とき異常発生と判定して出力が低レベルとなり、スィツチング電源 3の第 1の信号発生器 24の動作を停止してスィッチィング電源の給電動作を停止させる

判定回路 15は具体的には、負荷駆動指令信号 I _N とインピ一ダンスセンサ 10の出力 I _s の論理和を演算するフエールセーフな論理和演算手段としての例えばワイヤ一ド · オアからなる OR回路 16と、同じく負荷駆動措令信号 I _N とインピーダンスセンサ 10の出力 I _s の論理積を演算するフェールセーフな第 1論理積演算手段としての第 1 AND回路 17と、前記 OR回路 16の出力と第 1 AND回路 Πの出力との論理積 i ( I _N v I _s ) * ( I _N ' I _s ) } を演算してその論理積出力を異常判定出力として発生すると共に第 1 AND回路 17の出力をダイォード Dを介して自己保持するフェールセーフな第 2AND回路 18と、前記負荷駆動措合信号 I _N 及びレベル検定器 14 の出力 I _s を整流する各整流回路 20〜23とを備えて構成されている。尚、前記第 1及び第 2 AND回路 17, 18は、従来公知（B本国実用新案登録出願、実開昭 5 7 - 4 7 6 4号公報等参照）の論理積演算発振器である。また、前記ダイォード Dは、第 2 AND回路 18の交流出力を入力側にフィ一ドバックするための整流回路を意味するものである。

この判定回路 15の出力は回路正常動作時には高レベル出力となり、前述した信号発生器 24の駆動信号とされる。該信号発生器 24は駆動時に交流僑号を発生してスイッチング電源 3のトランジスタ 5を〇 Ν · O F F動作させてスィッチング電源を駆動させる。

次に本実施例の負荷駆動回路の動作を説明する。

大本の商用交流電源 1 を接続して負荷駆動回路を駆動可能状態とする。この状態において、インピーダンスセンサ 10の出力 I _s は、負荷駆動指合信号 I N の入力前では S S R 9がオープン状態になつているため高レベルにあり、このインピーダンスセンサ 10の出力 I _S により O R回路 16の出力が高レベルとなり、第 2 AND回路 18の一方の入力が高レベルとなっている。また、第 1 AND回路 17の一方の入力も高レベルとなっている。そして、負荷駆動指令信号 I N の発生と同時に、第 1 AND回路 17の出力が高レベルとなることによつて第 2 AND回路 18の他方の入力が高レベルとなり、第 2 AND 回路 18の出力が高レベルとなる。

これにより、第 1 の信号発生器 24が駆動してスィッチング電源 3 のトランジスタ 5のベースに交流信号が印加されてトランジスタ 5 が ON · 0 F F し、スイツチング電源 3が駆動されて商用交流電源 1 から第 1 のトランス 2を介して供給された電流を、第 2のトランス 6を介して負荷 8の給電回路に供給する。このとき、負荷駆動指令信号 I _N の入力により S S R 9が ONしているので、負荷 8の給電回路は閉成しており負荷 8に電流が供給されて負荷 8が駆動する。 S S R 9が ONして負荷 8の給電線に電流が流れると、ィンビーダンスセンサ 10の出力 I _s は低レベル出力となり、第 1 AND回路 17 の出力が低レベルとなり、第 2 AND回路 18の入力の一方が低レべルとなるが、第 2 AND回路 18の出力がダイオード Dを介して前記低レベルになった側の入力端に入力されるので、第 2 A N D回路 18 の出力は高レベル状態に自己保持され、第 2 AND回路 18の出力はそのまま継続して第 1の信号発生器 24に入力し綜けスィツチング電源回路 3の動作はそのまま継続する。

負荷駆動措令信号 I _N が停止すると、 S S R 9が 0 F Fして負荷 8への給電が停止する。この時、インピーダンスセンサ 10の出力 I _s は高レベルとなるので、負荷駆動指令信号 I _N が停止しても OR回路 16の出力はそのまま高レベルに維持されるので、第 2 AND回路 18の出力が高レベルに維持され、スィツチング電源 3はそのまま動作状態に保持される。

従って、負荷駆動回路が正常であれば、一旦動作を開始した後は、負荷駆動指佘信号 I _N の発生 · 停止に基づいて負荷 8への給電が制御されるようになっており、回路全体を停止させるときは大本の商用交流電源 1を切る。

次に S SR 9に短絡故障が発生した場合について説明する。

S SR.9の短絡故障は、負荷顯動指合信号 I _N がないにも拘らずインピーダンスセンサ 10の出力 I _s が低レベルとなっていることで検出される。この場合、 OR回路 16の入力が共に低レベルとなるので、第 2 AND面路 18の出力が低レベルになる。これにより、第 1 の信号発生器 24が停止してここからの交流出力が発生せず、スイツチング電源 3のトランジスタ 5の ON · 0 F F動作が停止し、スィツチング電源 3の動作が停止するので負荷 8へは耠電されない。そして、一旦 S S R 9が短絡故障して負荷の給電回路への電流供給が停止すると、インピーダンスセンサ 10の出力 I s は低レベルに保持されるので、第 1 AND回路 17の出力が高レベルにならず、負荷駆動指令信号 I _N が発生して OR回路 16の出力が高レベルとなっても第 1 A N D回路 17の出力が高レベルとならず第 2 A N D回路 18の入力の一方が低レベルのままとなつてスィッチング電源 3は動作しない。

また、インピーダンスセンサ 10は、故障時にはその出力 I _s が低レベルとなるので、同様にスィッチング電源 3は一旦停止すればその後、動作はしない。

また、判定回路 15の各論理演算回路 16〜18は、回路故障時に出力が低レベルとなるフェールセーフな構成であるので、同じように、これらが故障した場合には、判定回路 15の出力は低レベルとなり、スイッチング電源 3の動作は停止する。

更に、スィッチング電源 3のトランジスタ 5が短絡又はオーブン故障すれば、スィツチング電源 3から交流出力が発生せず第 2 トランス 6に交流出力が発生しない。また、トランジスタ 5 に短絡故障が発生し、整流回路 4 に短絡故障が発生した場合は、第 1 のトランス 2の出力信号は周波数が低いために第 2のトランス 6 に出力は発生しない。

従って、如何なる故障が発生した場合でも、負荷 8への給電が停止して負荷 8が駆動することはなく安全である。

また、 S S R 9にオープン故障が発生したときは、インピーダンスセンサ 10の出力 I s は高レベルに固定される。この場合、負荷駆動指令信号 I _N の有る無しに拘らず第 2 A N D回路 18の出力は高レベルとなり、スイッチング電源 3の動作はそのまま継続される。しかし、この状態では、 S S R 9がオープン状態であるため負荷 8 の給電回路はオープンとなっており、負荷 8へは給電されないので、負荷 8は駆動されず安全であるので何ら支障はない。このように、かかる構成の負荷駆動回路では、如何なる回路故障でも安全側に制御されるので、フヱールセーフ性に優れた極めて安全性の高いものとなる。そして、無接点式のスイッチング電源 3を介して負荷 8への給電を行うので、リレーの接点の溶着及び摩耗の心配がなくなり、従来のリレー等によつて大本の電源を遮断する遮断機構に比べて安全性が向上し寿命が格段に延びる。

次に、第 2の発明の負荷驟動回路について第 2図〜第 6図を参照しながら説明する。

第 2図は第 2の発明の負荷駆動回路の第 1実施例を示す図である _c 第 2図において、前記第 1の発明の負荷駆動指合信号 I _N に相当する交流の入力信号は、交流増巾器 31で増巾された後にトランス 32 の 1次側に供給され、その 2次側に交流電圧を発生する。この交流電圧は 4つのダイォードで構成される整流 II路 33で整流されて第 1 の整流出力としてソレノィド等の誘導性の負荷 34に供給される。前記負荷 34は、第 3図に示すように動作停止電圧 V。_{F F} が動作開始電圧 V _{0 N}より低いヒステリシス特性を有している。

また、前記交流増巾器 31で増巾された入力信号は、前記トランス 32と同時に第 2の整流回路に相当する整流回路 35にも洪給され整流された後、所定の時定数を有する微分回路 36に入力する。微分回路 36の出力は、第 1 の発明において使用した第 1及び第 2 A N D回路と同様である従来公知のフエールセーフな論理積演算発振器 37に入力する。該論理積演算発振器 37の発振出力は第 2の増巾器に相当する交流増巾器 38で増巾された後、第 3のトランスに相当するトランス 39の 1次側に供給され、その 2次側に交流電圧を発生する。この交流電圧は、微分回路 6の時定数で定まる所定時間だけ発生して第 4 の整流回路に相当する整流回路 40で整流されて第 2の整流出力として負荷 34に供給される。

ここで、前記整流回路 33の整流出力電圧 V , は、第 3図に示すように負荷 34の前記動作停止電圧 V。_{F F} より高く動作開始電圧 V。_Nより低いレベルであり、前記整流回路 40の整流出力電圧 V ₂ は、第 3 図に示すように整流回路 33の出力電圧 V！に重畳した時に負荷 34の動作開始電圧 V O Nより高いレベルとなる出力レベルに設定してある, 従って、前記トランス 32と整流回路 33とで第 1 出力供給手段が構成され、前記整流回路 35、微分回路 36、論理積演算発振器 37、交流増巾器 38、トランス 39及び整流回路 40で第 2出力供給手段が構成され ο

次に、この第 1実施例の負荷駆動回路の動作を第 4図を参照しながら説明する。

第 4図に示すように、負荷駆動指令信号である入力信号が O Nとなると、交流増巾器 31で増巾されてトランス 32の 1次側に供給されてその 2次側に交流電圧が発生し、整流回路 33より整流出力 V , が発生する。一方、これと同時に交流増巾器 31の増巾出力は整流回路 35で整流された後、微分回路 36で微分され、この微分出力の入力によって論理積演算発振器 37から交流出力が発生し、交流増巾器 38で増巾されてトランス 39の 1 次側に供給されてその 2次側に交流電圧が発生し、整流回路 40より整流出力 V ₂ が発生する。従って、負荷起動時には、整流出力 V , に整流出力 V ₂ を重畳した負荷 34の動作開始電圧 V O Nより高いレベルの電圧（V , + V ₂ ) が負荷 34に供給される。入力信号が O Nしてから所定時間経過すると微分出力がなくなり論理積演算発振器 37の交流出力が停止するので、整流回路 40 の整流出力 V ₂ がなくなる。これにより、前記所定時閭経過後は、負荷 34の動作停止電圧 V。_{F F} より僅かに高いレベルの整流回路 33の整流出力 V！のみで負荷 34の駆動が保持される。

入力信号が O F Fすると、整流回路 33の整流出力 V！が停止し、従来と同様に負荷 34に逆起電力が発生して放電電流が流れるが、負荷に供給されている電圧が従来の囅動回路に比べて低い（負荷駆動電流が小さい）ため、負荷 34が動作を停止する際に負荷 34に蓄積されているエネルギが小さい。従って、入力信号が 0 F Fしてから負荷の逆起電力が動作停止電圧 V _{0 F F} 以下になるまでの時間が短縮でき、負荷驟動停止指合信号の発生から負荷が動作を停止するまでの時間遅れを改善できる。

尚、負荷の耠電経路に抵抗を直列に介在させれば、更に、時間遅れを改善できるのは明らかである。

次に、第 5図に示す第 2の発明の第 2実施例について説明する。尚、第 2図に示す第 1実施例の構成要素と同一のものには同一符号を付して説明を省略する。

第 5図において、負荷 34の給電回路に、入力信号（負荷駆動指令信号）の停止に伴って負荷 34に発生する逆起電力に基づく放電電流を阻止する向きにツエナー電圧 V _z を有するツエナーダイォード 41 を介装すると共に、ツエナー.ダイォード 41が正常か否かを監視して異常時に前記負荷駆動措合信号を停止するッニナ一ダイォード状態監視手段としての監視回路 50を設ける。

前記監視回路 50は、負荷駆動指令信号である入力信号を整流する第 4の整流回路に相当する整流回路 51と、該整流面路 51の出力を一方の入力とし、負荷 34とツエナーダイォード 41のカソ一ド側との間の電圧を抵抗 52を介して他方の入力とするフヱールセーフなウィンドコンパレータ 53と、該ウィンドコンパレ一夕 53の交流出力を入力して交流増巾器 31に出力を供給するオン · ディレー回路 54と、 1 次側に入力する前記入力信号に基づいて 2次側に交流出力が発生する第 4のトランスに相当するトランス 55と、該トランス 55の交流出力を整流して整流出力 V ₃ を発生する第 5の整流回路に相当する整流回路 56とで構成されている。また、ツエナーダイオード 41のァノード側と整流回路 56との間には定電圧 V _{c c}が印加されている。

ここで、前記ウィンドコンパレータ 53は、前述したフェールセ一フな論理積演算発振器を用いて構成されるもので、入力信号に対して上限と下限の閾値を有しており、負荷 34とッヱナ一ダイオード 41 との中間点 Xの電圧（電位 V _x で表す）が V _{C C} < V _X ≤ V _{c c} + V _z の範囲にあり、且つ入力信号がある時のみ交流出力を発生する構成である。

次に動作を説明する。

起動時には入力信号が監視回路 50に入力し、整流回路 51を介してその整流出力がウインドコンパレ一夕 53の一方の入力に印加される c また、前記入力信号は第 5のトランス 55の 1次側にも供給され、その 2次側に交流出力を発生し、整流回路 56から V ₃ の整流出力が発生する。

ここで、ッヱナ一ダイオード 41が正常の場合は、前記整流出力 V：の発生により、ウィンドコンパレー夕 53の他方の入力となる負荷給電回路における第 5図中の X点の電圧が V _{c c}より高くなり、ウィンドコンパレ一夕 53から交流出力が発生し、オン · ディレ一回路 54を介して入力信号の発生から所定時間遅延されて、負荷 34を起動するための駆動信号が交流増巾器 3ίに供給される。前記駆動信号の供耠があると、トランス 32及びトランス 39によって、第 1実施例で説明したと同様に、負荷 34に整流出力 V, と V₂ が重畳されて供給され負荷 34が起動され、その後、整流出力 V₂ がなくなり、起動時より低い電圧で定常の動作が保持される。そして、ッヱナ一ダイオード 41が正常であれば、負荷 34の動作中は X点の電圧は V_cc+ V_z となり、ウィンドコンパレータ 53の出力は維持される。

入力信号の停止により負荷 34への給電が停止する際には、負荷 34 に発生する逆起電力により放電電流が発生するが、本実施例では、負荷 34の逆起電力がッニナ—電圧 V _z 以下になった時点でッヱナ一ダイォード 41により給電回路が開放状態となり、負荷 34が停止するので、更に、負荷 34の動作停止の遅れ時間を短くできる。

尚、入力信号の発生と略同時に発生する整流出力 V₃ は負荷 34の動作停止電圧 V_0FF より低く設定しているので、この整流出力 V₃ によって負荷 34は起動しない。また、負荷 34に定電圧 V_ccが印加されても、抵抗 52を高抵抗にしておけば、負荷 34には微小電流しか流れず負荷 34は動作しない。

次にツエナ一ダイォードが故障した場合について説明する。

まず、ツエナーダイォード 41が短絡故障した場合について説明すると、ッヱナ一ダイオード 41が短絡故障した場合には、ツエナーダィォ一ド 41の両端の電位差がなくなり、 X点の電圧が Vccとなり、ウィンドコンパレータ 53の一方の入力がウインドコンパレ一夕 53の電源電圧 V_cc以下となってウインドコンパレータ 53の出力が発生しなくなる。従って、例え入力信号があっても整流出力 V, が発生せず、負荷 34には動作を維持するのに必要な電圧は洪耠されず動作は停止する。

ツエナーダイオード 41が開放故障した場合は、整流出力 V ₃ が、本来接続されているツエナーダイォード 41が開放することで上昇するため、 X点の電圧がウィンドコンパレ一夕 53の上限閾値より高くなり、ウィンドコンパレ一夕 53の出力が発生しなくなり、負荷 34は動作しない。

このように構成すれば、ッナ一ダイォ一ド 41が故障した場合には、入力信号の有無に関係なく動作が停止するので、フェールセーフ性を確保することができる。

また、ツエナーダイォード 41の監視回路 50を第 6図に示すような構成としてもよい。

即ち、負荷 34の動作を停止できる電流値によって抵抗値が設定される抵抗 57を介して発振器 58を発振させ、該発振器 58の出力を第 5 のトランスに相当するトランス 59を介して第 6の整流回路に相当する整流回路 60で整流し、ウィンドコンパレ一夕 53の電源電圧 V _{c c}と等しい定電圧 V _{c c}が重畳された整流出力 V ₄ をウィンドコンパレー夕 53の入力とするよう構成されている。

この第 3実施例も第 2実施例と同様で、ツエナーダイォ一ド 41が短絡故障すると、発振器 58の出力なくなり、整流出力 V ₄ は定電圧 V _{c c}となりウィンドコンパレータ 53の出力がなくなる。また、ツエナ一ダイォード 41が開放故障すると、第 6図中の X点の電圧が上昇して整流出力 V ₄ がウインドコンパレー夕 53の上限閾値を越えるので、同じくウィンドコンパレータ 53の出力が停止する。従って、ッェナーダイォード 41に如何なる故障が発生した場合でも、負荷 34が動作を停止するので、フヱ一ルセーフとなる。次に、第 3の発明による負荷駆動回路について第 7図及び第 8図参照して説明する。

第 3の発明の負荷駆動回路の一実施例の構成を示す第 7図において、負荷駆動指合信号発生手段としての信号処理装置 71は、安全状態を監視するセンサ（図示せず）からの負荷駆動許可信号が入力すると、高工ネルギ状態に相当する論理値 1 の出力（負荷駆動指合信号 I _N となる）を発生し、センサからの負荷駆動許可信号が入力しない時には出力が低エネルギ状態に相当する論理値ひとなると共に, 故障時に出力が論理値 1 に誤らない、即ち、低レベル状態に相当する論理値 0 となる、前述した従来公知のフールセーフな構成の論理棲演算発振器を用いて構成したものである。

信号発振手段としての三角波発生回路 72は、前記信号処理装置 71 からの負荷駆動指合信号 I _N を電源とし、負荷駆動指令信号 I _N の入力により動作して第 8図に示す三角波信号 uを発振する。

信号比較手段としてのレベルコンパレ一タ 73は、同じく前記信号処理装置 71のからの負荷 ®動指令信号 I _N を電源とし、負荷駆動指合信号 I _N の入力により動作して、第 8図に示すように、所定の時定数で徐々に立ち上がる閾値 P と前記三角波発生回路 72の三角波信号 u とを比較して三角波信号 uが大の期間ハイレベルとなるパルス巾変調（以下 P WMという）出力 sを発生する。前記閾値 pは、抵抗！とコンデンサ d とにより時定数が設定され、コンデンサおが飽和する所定時間後には、負荷駆動指令信号 I _N の電圧値 Vを抵抗1^ と抵抗 R ₂ で分圧した分圧値（ = R ₂ · V X ( R : + R ₂ )) に一定に保持される。

前記レベルコンパレ一夕 73からの P WM出力 sは、半導体スィッチである例えば M 0 S— F E T 74のゲート Gに印加される。この M 〇 S— F E T74は、ドレインが第 6のトランスに相当するトランス 75の 1次巻線を介して電源 Vccに接続し、ソースが接地されており PWM出力 sの ON · O F F周期に基づいて、電源 Vccからの電流をトランス 75の 1次巻線に供給することにより、トランス結合増巾構成によりトランス 75の 2次側に増巾交流出力が発生して負荷 77の給電回路に負荷駆動用の交流出力が供給される。この交流出力は第 7の整流回路に相当する整流回路 76により整涛され第 8図に示す出力エネルギ Eの整流出力を、電磁弁や電磁リレー等のヒステリシス特性を有する前記負荷 77に供給する。

次に本実施例の負荷駆動回路の動作を説明する。

信号処理装置 71から負荷駆動指令信号 I _N が発生すると、この発生により、三角波発生回路 72とレベルコンパレータ 73が動作し、三角波発生回路 72からは、第 8図に示すように周期的に三角波信号 u が発生する。また、負荷駆動指令信号 I _N の発生に伴ってレベルコンパレー夕 73に入力する閾値 pが、負荷驟動指令信号 I _N の電圧値 Vに基づいて抵抗 R , とコンデンサ C , で設定された時定数を持つて第 8図に示すように徐々に立ち上がる。レベルコンパレ一夕 73では、この閾値 pと三角波信号 uとを比較し、三角波信号 uが閾値 p より大きい時にハイレベルとなる P WM出力 sを発生する。この P WM出力 sは、第 8図に示すように、閾値 pが徐々に上昇するにつれてそのパルス巾が小さくなり、閾値 pがコンデンサの飽和により抵抗と抵抗 R₂ の分圧比で定まる値に一定に保持された後は、一定のパルス巾となる。

このため、この P WM出力 sの印加による MO S— F E T74の〇 N · 0 F F周期に基づいてトランス 75の 2次側に発生する増巾交流出力を整流回路 76で整流して得られる整流出力の出力エネルギ Eは. 第 8図に示すように、 P WM出力 sのデューティ比が 50%付近で最大となり、その前後ではデューティの減少又は増大に伴って低下し- コンデンサの飽和後には一定値となる。

そして、第 8図において、負荷 77が動作停止状態から動作を開始する入力レベルを E とし、動作状態から動作を停止する入カレべルを E ₂ とすると、出力エネルギ Eは、負荷駆動指令信号 I N が発生してから徐々に立ち上がって動作開始入力レベル E i を越えると負荷 77が O Nする。その後、出力エネルギ Eは低下して一定値に保持されるが、この一定値を動作停止の入力レベルより高くなるように設定することで、負荷 77を従来より低いエネルギレベルで O N状態に保持することができる。

従って、負荷で消費される電力は、一旦負荷 77が O Nした後は小さな電力消費で済み、従来の負荷駆動回路に比べて電力消費量を大幅に低減でき省電力化を図れる。

また、三角波発生回路 72とレベルコンパレ一夕 73は信号処理装置 71の負荷駆動指令信号 I N を電源としており、この負荷駆動指令信号 I _N が発生しない限り動作することはない。また、 M O S— F E T74の出力は、トランス結合によって出力されるので、 M O S - F E T 74に短絡や断線の故障が生じても、レベルコンパレ一夕 73の出力 s又は電源 V _{c c}からの出力は、トランス 75の 2次側、即ち、負荷 77側には伝達されない。従って、本実施例の負荷駆動回路は、少なくとも信号処理装置 71の負荷駆動指令信号 I _N が発生しない限りは負荷 77を駆動する整流出力は癸生しない特性を有する。一方、信号処理装置 71は、故障発生等によって誤って論理値 1 とはならず故障時には必ず出力が低エネルギ状態に相当する論理値 0 の出力形態となる。

これらにより、本実施例の負荷駆動回路は、少なくとも負荷駆動指令信号 I _N の発生がないのに、故障で誤って負荷駆動出力 Eが生じないフヱ一ルセ一フな構成になっている。

尚、本実施例では、レベルコンパレータ 73に入力する発振信号を三角波信号としたが、これに限らず、鋸波や正弦波でもよく、出力レベルが時間に対して勾配を有する周期的な発振出力形態の信号であればよい。

以上説明したように、第 1 の発明の負荷駆動回路によれば、負荷駆動回路の大本の電源の遮断機構を無接点式の構成としたので、接点の溶着や摩耗の心配がなく信頼性が向上し、寿命を格段に延ばすことができる。また、回路の故障時には、負荷への給電を確実に停止させることができるため、誤っても負荷が駆動することはなく高ぃフヱ一ルセーフ性を有する。

また、第 2の本発明の負荷駆動回路によれば、起動時には高い電圧を印加し、起動した後の定常動作では、起動時より低い印加電圧で負荷の動作を保持させる構成としたので、動作停止時に負荷に発生する逆起電力に起因する負荷の動作停止遅れ時間を短くできる。また、負荷の給電回路にツエナーダイオードを挿入することで、より一層負荷の動作停止の遅れを改善でき、且つ、ツエナーダイォードの故障を監視してッェナ一ダイォード故障時には負荷への給電を停止する構成としたので、フエールセーフ性を確保することができるまた、第 3の本発明の負荷駆動回路によれば、動作開始の入カレベルより動作停止の入力レベルが低いヒステリシス特性を有する負荷の駆動において、負荷の動作開始時に負荷が動作できるに十分な入力レベルを与え、負荷が動作を開始した後は、動作を停止しないレベル範囲で動作開始の入力レベルより低いレベルの入力を与えるようしたので、従来の負荷駆動回路に比べて電力の消費を抑制できる。しかも、負荷の椠動指令出力が発生していないのに誤って負荷が駆動されることがないフヱ一ルセーフな構成としたので、安全性及び信頼性を格段に向上できる。

〔産業上の利用可能性〕

本発明は、高度の安全性を要求される産業機器等における最終の制御対象物である負荷を駆動する場合に、極めて安全に、且つ高効率に、負荷を驩動することが可能となり、産業上利用性は大である

Claims

請求の範囲

( 1 ) 負荷の給電回路にスィッチイング素子を直列に介装し、該スィッチィング素子を、負荷駆動指令信号によって直接 O N · 0 F F駆動させて負荷への給電を制御する構成の負荷駆動回路において入力側が大本の商用交流電源と第 1 のトランスを介して電磁結合し出力側が第 2のトランスを介して前記負荷の給電回路と電磁結合し前記商用交流電源からの負荷駆動用電流を負荷の給電回路に供給するためのスィツチング電源と、前記負荷の給電回路に負荷と直列に介、装：され負荷駆動指令信号の入力により給電回路を閉成して前記スイッチング電源からの電流を負荷に供給する前記スィッチイング素子としての半導体スィツチング素子と、該半導体スィツチング素子の O N状態又は 0 F F状態を検出し、 O N状態のときに論理値 0 に相当する低レベル出力を発生し、 O F F状態のときに論理値 1 に相当する高レベル出力を発生すると共に故障時に論理値 0の低レベル出力となる半導体スィツチング素子状態検出手段と、該半導体スィッチング素子状態検出手段の出力と前記負荷駆動指令信号が入力し- 負荷駆動指令信号が発生してないときに半導体スィッチング素子状態検出手段の出力が低レベルであるときに前記半導体スィツチイング素子が異常と判定して出力が低レベルとなり前記スィッチング電源の給電動作を停止させる電源停止判定手段とを備えて構成したことを特徴とする負荷駆動回路。

( 2 ) 前記スィッチィング電源は、前記商用交流電源からの出力に基づいて前記第 1 のトランスの 2次巻線側に発生する交流出力を整流する第 1 の整流回路と、前記第 2のトランスの 1 次巻線側に直列接続するトランジスタと、前記電源停止判定手段から出力が入力し、該入力が高レベルの時に交流信号を発生し前記トランジスタを O N■ 0 F F駆動する第 1 の信号発生器とで構成した請求の範囲第 1項記載の負荷駆動回路。

( 3 ) 半導体スイッチング素子状態検出手段は、交流信号を発生する第 2の信号発生器と、該第 2の信号発生器からの交流信号が抵抗を介して入力する 1次巻線、該 1次巻線からの交流信号を受信する 2次巻線及び前記負荷の給電回路の給電線がそれぞれ巻回される磁性コアと、前記 2次巻線が受信した受信信号を増巾する第 2の増巾器と、該第 2の撙巾器からの増巾の交流出力が所定レベル以上の時に高レベルの出力を発生するレベル検定器とで構成した請求項 1 記載の負荷駆動回路。

( 4 ) 前記電源停止判定手段は、負荷駆動指合信号と半導体スィッチング素子状態検出手段の整流出力の論理和を演算するフニールセーフな論理和演算手段と、同じく負荷駆動指令信号と半導体スィツチング素子状態検出手段の整流出力の論理積を演算するフェールセーフな第 1論理積演算手段と、前記論理和演算手段の出力と第 1 論理積演算手段の出力との論理積を演算してその論理積出力を半導体スィッチィング素子の判定出力としてスィッチイング電源へ出力すると共に第 1論理積演算手段の出力を自己保持する自己保持機能を備えたフエ一ルセーフな第 2論理積演算手段とを備えて構成した請求の範囲第 1項記載の負荷駆動回路。

( 5 ) 動作停止電圧が動作開始電圧より低いヒステリシス特性を有する誘導性負荷の駆動回路であって、交流の負荷駆動措合信号の入力により発生する交流出力を整流しその整流出力を負荷に供給して負荷を駆動する構成の負荷驟動回路において、前記負荷駆動措合信号の入力と同時に第 1 の整流出力を負荷に供給し該第 1 の整流出力が前記動作停止電圧より高く前記動作開始電圧より低いレベルである第 1 出力供給手段と、前記負荷駆動指令信号の入力から所定時間のみ第 2の整流出力を前記第 1 出力供給手段の第 1 の整流出力に重畳して負荷に供給し、該第 2の整流出力が、前記第 1 出力供給手段の第 1 の整流出力に重畳した状態で負荷の動作開始電圧より高いレベルとなる出力レベルに設定された第 2出力供給手段とを含んで構成したことを特徵とする負荷駆動回路。

( 6 ) 前記第 2出力供給手段が、入力信号の増巾出力を整流する第 2の整流回路と、該第 2の整流回路の整流出力を微分する所定の時定数を有する微分回路と、該微分回路の微分出力を論理積演算すると共に故障時に発振出力が発生しないフエールセーフな論理積演算発振器と、該論理積演算発振器からの発振出力を増巾する第 2の増巾器と、 1 次側に入力する前記第 2の増巾器の増巾出力に基づいて 2次側に交流出力を発生する第 3のトランスと、該第 3のトランスの交流出力を整流して第 2の整流出力を前記負荷に供給する第 3 の整流回路とを備えて構成される請求の範囲第 5項記載の負荷駆動回路。

( 7 ) 負荷の給電回路に、負荷駆動指令信号の停止に伴って負荷に発生する逆起電力に基づく放電電流を阻止する向きにッェナーダィォードを介装すると共に、該ッヱナ一ダイォードが正常か否かを監視して異常時に前記第 1 出力供給手段への負荷駆動指令信号の入力を停止するッニナ一ダイォ一ド状態監視手段を備えたことを特徵とする請求の範囲第 5項記載の負荷駆動回路。

( 8 ) 前記ツエナーダイォード状態監視手段が、前記負荷駆動指令信号を整流する第 4の整流回路と、該第 4の整流回路の整流出力電圧を一方の入力とし、前記負荷とッヱナ一ダイォードカソ一ド側との間の負荷給電回路電圧を抵抗を介して他方の入力とし、前記整流出力電圧が印加し且つ前記負荷給電回路電圧が所定の範囲内にある時のみ出力を発生する故障時に出力が停止するフェールセーフなゥインドコンパレータと、該ウィンドコンパレー夕の出力が入力してから所定時間遅れて出力を発生して第 1 出力供給回路に洪耠するォン · ディレー回路と、 1次側に入力する前記負荷駆動指令信号に基づいて 2次側に交流出力を発生する第 4のトランスと、該第 4のトランスの交流出力を整流して負荷の動作停止電圧より低い第 3の整流出力を負荷とツエナ一ダイオードァノードとの間の耠電回路に供耠する第 5 の整流回路とを備えて構成され、前記ツエナーダイォードアノートと第 5の整流回路との間に、前記ウィンドコンパレータの電源電圧と同じ電圧を印加するようにした請求の範囲第 7項記載の負荷駆動回路。

( 9 ) 前記ッニナ一ダイォード状態監視手段が、前記ツナーダィオードァノートと第 5の整流回路との間に、前記ウィンドコンパレー夕の電源電圧と同じ電圧を印加する代わりに、前記ツエナーダィォードの端子間電圧で発振する発振器と、 1次側に入力する前記発振器の発振出力に基づいて 2次側に交流出力を発生する第 5のトランスと、該第 5のトランスの交流出力を整流する第 6の整流回路とを設け、該第 6の整流回路の整流出力を前記ウインドコンパレ一夕の他方の入力とする構成とした請求の範囲第 8項記載の負荷駆動回路。

( 10) 動作開始の入力レベルより低い入力レベルで動作が停止するヒステリシス特性を有する負荷を駆動するための負荷駆動回路であって、負荷駆動指令信号に基づいて発生する交流出力を整流しその整流出力を前記負荷に供給して負荷を駆動する構成の負荷駆動回路において、負荷駆動許可信号が入力した時に高工ネルギ状態に相当する論理値 1 の前記負荷駆働指令信号を発生し前記負荷駆動許可信号が入力しない時に出力が低エネルギ状態に相当する論理値 0 となると共に故障時に出力が低レベル状態に相当する論理値 0 となるフニールセーフな負荷駆動指令信号発生手段と、該負荷駆動指令信号発生手段からの出力を電源として時間に対して勾配を有する周期的な発振出力を発生する信号発振手段と、同じく前記負荷駆動措合信号発生手段からの出力を電源とし、所定の時定数で徐々に立ち上がる閾値と前記信号発振手段の発振出力とを比較して発振出力が大の期間ハイレベルとなるパルス巾変調出力を発生する信号比較手段ど、該信号比較手段のパルス巾変調出力を第 6のトランスを介して増巾して前記ヒステリシス特性を有する負荷の給電回路に交流出力を供給する増巾交流出力供給手段と、該増巾交流出力供給手段により供給された増巾交流出力を整流して前記負荷に供給する第 7の整流回路とを備えて構成したことを特徵とする負荷駆動回路。

( 11 ) 前記増巾交流出力供給手段が、 M O S - F E Tと、前記第 6 のトランスとで構成され、前記 M O S— F E Tのゲートに前記信号比較手段からのパルス巾変調信号が入力し、 M O S— F E Tのドレインを前記第 6のトランスの 1 次側巻線を介して電源に接続し、 M O S— F E Tのソースが接地されるよう構成されている請求項 10 記載の負荷駆動回路。