JP3873855B2 - 電子チョーク回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力側が直流電源に接続され、出力側から流れ込む交流電圧を阻止する電子チョーク回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、図5に示すように2線式の信号線Lsを介して複数台の端末器を接続し、端末器間でデータを授受するとともに、端末器のいずれかを給電端末Tsとし残りの端末器を受電端末Trとして給電端末Tsから受電端末Trに対して電源を供給するデータ伝送システムが提案されている。この種のデータ伝送システムとしてデータを時分割多重化して伝送する多重伝送システムがあり、この種の多重伝送システムでは、給電端末Tsにおいて直流電源電圧Vdcにデータによって変調した交流信号電圧を重畳させ、一方、受電端末Trにおいて直流電源電圧Vdcと交流信号電圧とを分離することによってデータの伝送と電源の供給とを同時に行うものが知られている。このような構成のデータ伝送システムにおいては、直流電源電圧Vdcに交流信号電圧(以下、「交流電圧」と略す)を重畳する回路と、直流電源に交流電圧が流れ込まないようにするためのチョーク回路とが給電端末Tsに必要となる。このチョーク回路は、直流電源電圧Vdcに対しては低インピーダンス特性を示し、交流電圧に対しては高インピーダンス特性を示すものである。このチョーク回路の最も簡単な回路構成としては、図6に示すようにインダクタ(チョークコイル)Lを1個用いた回路構成が考えられる。インダクタLは直流成分に対して低インピーダンス、交流成分に対しては高インピーダンスであるから、直流電源と直流電源電圧Vdcに交流電圧を重畳する回路との間にチョーク回路(インダクタL)CHを挿入することによって、直流電源電圧に重畳させた交流電圧が直流電源に流れ込むのを防ぐことができる。なお、チョーク回路の他の構成として、図7に示すようにトランジスタQのような能動素子を用いてインピーダンス変換を行ったチョーク回路(電子チョーク回路)CHも既に提供されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特公平7−77508号公報(第2頁−第3頁、第1図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、信号成分である交流電圧の周波数が十分に高ければ、図6に示したチョーク回路CHでインダクタンスの小さいインダクタLを用いても交流電圧の流入を充分に阻止することができるが、交流電圧の周波数が比較的低い場合には、インダクタンスの大きいインダクタLが必要になる。
【0005】
さらに、上述した構成の多重伝送システムでは2線式の信号線Lsに複数台の受電端末Trが接続されることになるから、各受電端末Trの入力インピーダンスが信号線Lsを介して並列に接続されることになり、信号成分である交流電圧を遠方まで伝送したり、信号線Lsに接続可能な受電端末Trの許容台数を多くしたりするためには、給電端末Tsに設けられるチョーク回路CHの出力端子から見た交流電圧に対する入力インピーダンスをできるだけ高くすることが必要である。つまり、図6に示した構成のチョーク回路CHでは出力端子から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを大きくとるためにもインダクタンスの大きいインダクタLが必要になる。
【0006】
インダクタLはインダクタンスが大きいほど大型化し、鉄心に銅線を巻回して形成されているものであるから、寸法が大型化するだけではなく大型化に伴って質量も大幅に増加することになる。その結果、比較的低周波の交流電圧を信号成分として伝送する場合には、給電端末Tsの大型化や質量増加が避けられないという問題がある。さらに、インダクタLのインダクタンスが大きくなれば巻線の巻数も増加するから、インダクタLの巻線による直流抵抗が増加することになり、インダクタLでの電力損失が大きくなる結果、給電端末Tsの電力効率が低下するという問題も生じる。
【0007】
また、図7に示した電子チョーク回路CHでは、出力端子から見た交流電圧に対する入力インピーダンスZを下式で表すことができる。但し、roはトランジスタQの出力抵抗、gmはトランジスタQの相互コンダクタンス、REはエミッタ抵抗である。
【0008】
Z=ro×(1+gm×RE)
上式から明らかなように、出力端子から見た交流電圧に対する入力インピーダンスZを大きくとるためにはエミッタ抵抗REを大きくする必要があり、エミッタ抵抗REによる電力損失によって給電端末Tsの電力効率が低下するという問題がある。なお、このエミッタ抵抗REの代わりに、直流に対しては低インピーダンスであり且つ交流に対しては高インピーダンスとなるインダクタを用いる回路構成も考えられるが、インダクタの巻線を太くして巻数を増やす必要があるため、結果的に形状が大きくなってしまうという問題が生じる。
【0009】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、大型のインダクタを用いることなく交流電圧の入力側への流入を阻止することができる電子チョーク回路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、入力側が直流電源に接続され、出力側から流れ込む交流電圧を阻止する電子チョーク回路であって、入力側に印加される直流電源電圧から前記交流電圧を分離し高入力インピーダンスのバッファを通して出力する交流電圧分離部と、前記直流電源電圧を出力側へ通過させる直流電圧出力部とを備え、前記交流電圧分離部は、前記直流電源電圧を出力する高電位側の出力端に一端が接続された第1のキャパシタと、前記直流電源電圧を出力する低電位側の出力端に一端が接続された第2のキャパシタと、第1及び第2のキャパシタの他端がそれぞれ差動入力に接続された前記バッファとしての差動増幅器とからなり、前記直流電圧出力部は、前記直流電源の正極と前記高電位側の出力端との間に接続された第1及び第2のインダクタの直列回路と、前記直流電源の負極と前記低電位側の出力端との間に接続された第3及び第4のインダクタの直列回路と、第1及び第2のインダクタの接続点と第1のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の一方の出力端との間に挿入される第5のインダクタ及び第3のキャパシタの直列回路と、第3及び第4のインダクタの接続点と第2のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の他方の出力端との間に挿入される第6のインダクタ及び第4のキャパシタの直列回路と、第2及び第4のインダクタの一端間に直流電源と並列に接続される第5のキャパシタとからなることを特徴とする。
【0011】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第1のインダクタと前記第3のインダクタが、同一のコアに巻設された2巻線のインダクタからなり、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタが、同一のコアに巻設された4巻線のインダクタからなることを特徴とする。
【0012】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記第1のインダクタと前記第3のインダクタのインダクタンスを略同一とし、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタのインダクタンスを略同一としたことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
本実施形態における電子チョーク回路CHは、図1に示す構成を有しており、交流電圧分離部が、高電位側の出力端3に一端が接続されたキャパシタC1と、低電位側の出力端4に一端が接続されたキャパシタC4と、各キャパシタC1,C4の他端が差動入力端5,6に接続されたバッファとしての差動増幅器A2とからなり、直流電圧出力部が、高電位側の入力端1と出力端3の間に挿入されるインダクタL1,L3の直列回路と、インダクタL1,L3の接続点とキャパシタC1を介した入力に対応する差動増幅器A2の一方の出力端7との間に挿入されるインダクタL2及びキャパシタC2の直列回路と、低電位側の入力端2と出力端4の間に挿入されるインダクタL4,L6の直列回路と、インダクタL4,L6の接続点とキャパシタC4を介した入力に対応する差動増幅器A2の他方の出力端8との間に挿入されるインダクタL5及びキャパシタC5の直列回路と、インダクタL3,L6の他端にそれぞれ一端が接続されるとともに入力端1,2間に直流電源と並列に接続されるキャパシタC3とからなる。
【0014】
ここで、本実施形態では直流電圧出力部を構成する2つのインダクタL2,L3並びにインダクタL5,L6のインダクタンス同士を各々同一としている。また、差動増幅器A2を理想増幅器と仮定し、3つのキャパシタC2,C3,C5のキャパシタンスを充分に大きくしてそのインピーダンスによる影響を無視できるものとすれば、差動増幅器A2の利得を2倍とすることで高入力インピーダンスが得られる。但し、実際にはインダクタL3にキャパシタC2のインピーダンス、並びに差動増幅器A2の出力インピーダンスが加算され、同じくインダクタL5にキャパシタC5のインピーダンス、並びに差動増幅器A2の出力インピーダンスが加算されるから、利得は2倍よりも若干大きくなる。
【0015】
次に、本実施形態における電子チョーク回路CHの動作を説明する。出力端3,4から流れ込んだ交流電圧はキャパシタC1,C4を通して差動増幅器A2の差動入力端5,6にそれぞれ入力されるから、差動増幅器A2の2つの出力端7,8からは同振幅且つ逆位相の交流電圧が出力される。つまり、出力端3,4から流入した交流電圧の2倍の振幅を有する交流電圧が差動増幅器A2から出力されることになる。ここに、差動増幅器A2から出力される交流電圧の位相は、出力端3,4から流入した交流電圧と同位相且つ振幅が2倍になる。
【0016】
ところで、高電位側の入力端1と出力端3の間に挿入されている2つのインダクタL1,L3の接続点はインダクタL2及びキャパシタC2の直列回路を介して差動増幅器A2の一方の出力端(キャパシタC1を介して入力される交流電圧が増幅されて出力される出力端)7に接続されており、しかも、キャパシタC2のインピーダンスが充分に小さく且つインダクタL2,L3のインダクタンスを等しくしているから、前記接続点の電位は、直流電源電圧Vdcに交流電圧と同振幅・同位相の交流電圧を重畳した電圧になる。したがって、インダクタL1の両端に現れる交流電圧が同位相・同振幅となることから、インダクタL1には交流電流が流れないことになり、出力端3から流入する交流電圧に対してインダクタL1のインピーダンスを等価的に無限大とみなすことが可能になる。
【0017】
同様に、低電位側の入力端2と出力端4の間に挿入されている2つのインダクタL4,L6の接続点はインダクタL5及びキャパシタC5の直列回路を介して差動増幅器A2の他方の出力端(キャパシタC4を介して入力される交流電圧が増幅されて出力される出力端)8に接続されており、しかも、キャパシタC5のインピーダンスを充分に小さく且つインダクタL5,L6のインダクタンスを等しくしているから、前記接続点の電位は、直流電源電圧Vdcに交流電圧と同振幅且つ同位相の交流電圧を重畳した電圧になる。したがって、インダクタL4の両端に現れる交流電圧が同位相・同振幅となることから、インダクタL4にも交流電流が流れないことになり、出力端4から流入する交流電圧に対してインダクタL4のインピーダンスを等価的に無限大とみなすことが可能になる。
【0018】
一方、入力端1,2間に直流電源と並列に接続されているキャパシタC3とインダクタL3,L6によってローパスフィルタが構成されることにより、インダクタL1,L3の接続点及びインダクタL4,L6の接続点の交流電圧が前記ローパスフィルタで減衰されるため、入力端1,2から直流電源に交流電圧が流れ込むことがないものである。
【0019】
以上説明したように、インダクタL1,L4の両端に印加する電圧の交流成分を同振幅かつ同位相にすることによって、インダクタL1,L4のインダクタンスを等価的に無限大とすることができる。この状態では、電子チョーク回路CHの出力端3,4から見た交流電圧に対する入力インピーダンスは差動増幅器A2の入力インピーダンスにより決まるから、差動増幅器A2として入力インピーダンスの高いものを用いればよい。たとえば、入力段を電圧制御素子であるMOSFETで構成した差動増幅器を用いれば差動増幅器A2の入力インピーダンスを高めることができ、結果として電子チョーク回路CHの出力端3,4から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを高めることができる。
【0020】
上述した動作から明らかなように、本実施形態では6個のインダクタL1〜L6が必要ではあるが、インダクタL1,L2,L4,L5では自身のインダクタンスによって交流信号を減衰させる必要がないから、各インダクタL1,L2,L4,L5にはそれぞれインダクタンスの小さいインダクタを使用することができ、結果的に小型かつ軽量なインダクタL1〜L6を用いることができる。また、インダクタL3,L6及びキャパシタC3によって構成されたローパスフィルタで交流成分が直流電源に流れ込むのを防ぐことができる。しかも、交流電圧分離部に差動増幅器A2を設けることで回路構成を平衡型とすることができるから、出力端3,4から流入するコモンモードノイズが電子チョーク回路CHでノーマルモードノイズに変わるのを防ぐことができる。その結果、S/N比を低下させずに耐ノイズ性能を向上しつつ出力端3,4から見た交流電圧に対する入力インピーダンスの高い電子チョーク回路CHを提供することができる。なお、インダクタL1,L3,L4,L6には直流電流が流れるから、巻線の直流抵抗ができるだけ小さいものを用いるのが望ましい。
【0021】
(実施形態2)
本実施形態における電子チョーク回路CHは、図2に示す構成を有しており、直流電圧出力部を構成する2つのインダクタL1,L4が同一のコアに巻設された2巻線のインダクタからなり、4つのインダクタL2,L3,L5,L6が同一のコアに巻設された4巻線のインダクタからなる点に特徴がある。なお、これ以外の構成については実施形態1と共通であるから、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【0022】
実施形態1における電子チョーク回路CHでは、2つのインダクタL1,L4に大きな直流電流が流れる場合に直流偏磁が発生してしまうから、これを防止するためには磁気飽和し難い形状の大きなコアを用いる必要がある。また、インダクタL3,L6にも直流電流が流れるため、直流電流による直流偏磁が発生し、直流偏磁の影響によって2つのインダクタL3,L6のインダクタンスが減少してインダクタL2,L5のインダクタンスとの間にそれぞればらつきが生じる虞があり、これを防ぐには直流電流の大きさに応じて差動増幅器A2の利得を調整しなければならない。
【0023】
これに対して本実施形態では、同一のコアに2つのインダクタL1,L4を逆極性に巻設するとともに、4つのインダクタL2,L3,L5,L6を同一のコアにそれぞれ逆極性に巻設しているため、直流偏磁を打ち消して小型のコアを使用することが可能であるとともにインダクタンスのばらつきが生じるのを防ぐことができる。したがって、直流電流が変動するような場合でも出力端3,4から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを高い状態で得ることが可能となる。
【0024】
ところで、実施形態1,2で説明した本発明の電子チョーク回路CHは、図5に示した多重伝送システムの給電端末Tsに用いる用途に限られるものではなく、以下に説明する電源供給システムに用いても構わない。例えば、大きな負荷11を駆動するために大容量の電源が必要な場合には、図3に示すように複数のDC−DCコンバータ10i(i=1,2,…,n)を負荷11に並列接続した電源供給システムが一般的に用いられる。これら複数のDC−DCコンバータ10iは、専用の制御回路(図示せず)によって制御されており、この制御回路は制御信号線12により各DC−DCコンバータ10iと接続されている。そして、制御回路がDC−DCコンバータ10iの動作を制御することにより、負荷11に供給する電力を複数のDC−DCコンバータ10iで分担するとともに、何れかのDC−DCコンバータ10iの出力に生じたリップル電流が負荷11に流れ込むことなく他のDC−DCコンバータ10iに流入する、所謂リップル電流の循環を防止している。
【0025】
しかしながら、複数のDC−DCコンバータ10iを制御回路の近くに設置できない場合や異なるタイプのDC−DCコンバータを使用するような場合では、制御信号線12で接続して全てのDC−DCコンバータ10iを制御することは困難である。また、リップル電流の周波数では負荷11のインピーダンスよりもDC−DCコンバータ10iが具備するフィルタコンデンサのインピーダンスが小さくなるため、上述のようにリップル電流が循環してDC−DCコンバータ10iにリップル電流が流れ込んでしまう虞がある。このように循環するリップル電流は循環電流であり、フィルタコンデンサの劣化や無駄な電力消費による電源効率の低下、そして電源供給システムが不安定動作する要因となるため、できるだけ小さくすることが望ましい。
【0026】
そこで、図4に示すように各DC−DCコンバータ10iの出力端と負荷11との間に本発明の電子チョーク回路CHを挿入すれば、DC−DCコンバータ10iで生じたリップル電流を電子チョーク回路CHで阻止することにより、リップル電流の循環が防止できるものである。しかも、本発明の電子チョーク回路CHでは小型でありながらもリップル電流に対して出力端3,4から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを高い状態にできるものである。
【0027】
【発明の効果】
請求項1の発明は、入力側が直流電源に接続され、出力側から流れ込む交流電圧を阻止する電子チョーク回路であって、入力側に印加される直流電源電圧から前記交流電圧を分離し高入力インピーダンスのバッファを通して出力する交流電圧分離部と、前記直流電源電圧を出力側へ通過させる直流電圧出力部とを備え、前記交流電圧分離部は、前記直流電源電圧を出力する高電位側の出力端に一端が接続された第1のキャパシタと、前記直流電源電圧を出力する低電位側の出力端に一端が接続された第2のキャパシタと、第1及び第2のキャパシタの他端がそれぞれ差動入力に接続された前記バッファとしての差動増幅器とからなり、前記直流電圧出力部は、前記直流電源の正極と前記高電位側の出力端との間に接続された第1及び第2のインダクタの直列回路と、前記直流電源の負極と前記低電位側の出力端との間に接続された第3及び第4のインダクタの直列回路と、第1及び第2のインダクタの接続点と第1のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の一方の出力端との間に挿入される第5のインダクタ及び第3のキャパシタの直列回路と、第3及び第4のインダクタの接続点と第2のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の他方の出力端との間に挿入される第6のインダクタ及び第4のキャパシタの直列回路と、第2及び第4のインダクタの一端間に直流電源と並列に接続される第5のキャパシタとからなることを特徴とし、交流電圧分離部で分離された交流電圧を高入力インピーダンスのバッファである差動増幅器で増幅し、増幅された交流電圧を第5のインダクタ及び第3のキャパシタの直列回路を通して第1及び第2のインダクタの接続点に印加するとともに 第6のインダクタ及び第4のキャパシタの直列回路を通して第3及び第4のインダクタの接続点に印加しているから、第1及び第3のインダクタの両端の電位が等しくなり、第1及び第3のインダクタには交流電圧が流れないことによって第1及び第3のインダクタのインダクタンスを等価的に無限大とすることができ、出力側から見た場合、交流電圧に対して高い入力インピーダンスを確保することができる。しかも、出力側から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを高くするために第1及び第3のインダクタのインダクタンスを用いるのではないから、第1及び第3のインダクタはインダクタンスの比較的小さい小型のものを用いることができる。そして、第2及び第4のインダクタと第5のキャパシタによりローパスフィルタを構成しているため、直流電源に交流電圧が流れ込むのを防ぐことができる。さらに、差動増幅器を用いることで回路構成を平衡型とすることが可能となり、電子チョーク回路にてコモンモードノイズがノーマルモードノイズに変わるのを防ぐことができる。
【0028】
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第1のインダクタと前記第3のインダクタが、同一のコアに巻設された2巻線のインダクタからなり、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタが、同一のコアに巻設された4巻線のインダクタからなることを特徴とし、複数のインダクタでコアを兼用することにより回路をさらに小型化できる。
【0029】
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記第1のインダクタと前記第3のインダクタのインダクタンスを略同一とし、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタのインダクタンスを略同一としたことを特徴とし、同一のコアに巻設した複数のインダクタのインダクタンスを略同一としているため、直流偏磁が生じた場合でも同一のコアに巻設されているインダクタは同じようにインダクタンスが減少することになり、複数のインダクタのインダクタンスのばらつきを抑えることができる。その結果、直流負荷に流れる直流電流が変動するような場合でも、出力側から見た交流電圧に対する入力インピーダンスを高い状態で得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1を示す回路図である。
【図2】実施形態2を示す回路図である。
【図3】従来の電源供給システムの一例を示す構成図である。
【図4】同上に本発明の電子チョーク回路を付加したシステム構成図である。
【図5】従来の多重伝送システムの一例を示す構成図である。
【図6】従来例を示す回路図である。
【図7】他の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
CH 電子チョーク回路
L1 インダクタ
L2 インダクタ
L3 インダクタ
L4 インダクタ
L5 インダクタ
L6 インダクタ
C1 キャパシタ
C2 キャパシタ
C3 キャパシタ
C4 キャパシタ
C5 キャパシタ
A2 差動増幅器
Vdc 直流電源電圧
Claims (3)
- 入力側が直流電源に接続され、出力側から流れ込む交流電圧を阻止する電子チョーク回路であって、入力側に印加される直流電源電圧から前記交流電圧を分離し高入力インピーダンスのバッファを通して出力する交流電圧分離部と、前記直流電源電圧を出力側へ通過させる直流電圧出力部とを備え、前記交流電圧分離部は、前記直流電源電圧を出力する高電位側の出力端に一端が接続された第1のキャパシタと、前記直流電源電圧を出力する低電位側の出力端に一端が接続された第2のキャパシタと、第1及び第2のキャパシタの他端がそれぞれ差動入力に接続された前記バッファとしての差動増幅器とからなり、前記直流電圧出力部は、前記直流電源の正極と前記高電位側の出力端との間に接続された第1及び第2のインダクタの直列回路と、前記直流電源の負極と前記低電位側の出力端との間に接続された第3及び第4のインダクタの直列回路と、第1及び第2のインダクタの接続点と第1のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の一方の出力端との間に挿入される第5のインダクタ及び第3のキャパシタの直列回路と、第3及び第4のインダクタの接続点と第2のキャパシタを介した入力に対応する前記差動増幅器の他方の出力端との間に挿入される第6のインダクタ及び第4のキャパシタの直列回路と、第2及び第4のインダクタの一端間に直流電源と並列に接続される第5のキャパシタとからなることを特徴とする電子チョーク回路。
- 前記第1のインダクタと前記第3のインダクタが、同一のコアに巻設された2巻線のインダクタからなり、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタが、同一のコアに巻設された4巻線のインダクタからなることを特徴とする請求項1記載の電子チョーク回路。
- 前記第1のインダクタと前記第3のインダクタのインダクタンスを略同一とし、前記第2のインダクタ、第4のインダクタ、第5のインダクタ並びに第6のインダクタのインダクタンスを略同一としたことを特徴とする請求項2記載の電子チョーク回路。
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