JP4682624B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用交流電圧から直流電圧に変換する電源装置であって、特に待機時電力の削減が可能な直流電源装置に関するものである。

従来の商用交流電源を異なる電圧に変換し出力する電源のうち、特にスイッチング電源においては、そのスイッチングノイズが商用電源に伝播する。また、商用電源からスイッチング電源へも、雷によるサージ電圧や、他のスイッチング電源からのノイズなどの侵入がある。これらを防止するために、商用電源の双極をつなぐコンデンサ（アクロスザラインコンデンサ）によりローパスフィルタを形成し、その後交流電源を整流して利用するのが一般的である。

このクロスザラインコンデンサは商用電源に接続されている間にその商用電源電圧で充電されるためコンセントからプラグを抜去した後しばらくはプラグ両端に電圧が残留する。プラグ両端は容易に人が触れることが出来るので、何の処置もしていないと感電の恐れがあるため各国の定めた安全規格により、その放電時間が定義されている。

具体的には電源コンセント抜去後１から２秒後には安全な電圧（約４５Ｖ）以下にしておかなければならない。具体的数値は適用される安全規格により若干の差異はあるが概ねこの程度の数値となっている。

これまでは、このアクロスザラインコンデンサの残留電圧の処置に対して放電抵抗をつけることにより対応してきた。しかし、消費電力の大きな電源は自身の発生するノイズ量も多いためそれを除去するためのアクロスザラインコンデンサの容量も大きくなる。

その放電抵抗で消費する電力は一例を挙げると、２μＦのＸキャパシタを具備する機器で欧州などの２００Ｖ以上の定格電圧を持つ機器ではＸキャパシタと放電抵抗の時定数より数百ｋオームの放電抵抗が必要でその消費電力は数百ｍワットに相当する。

一方、商用電源電圧の検出に対する要求も高まっている。これはテレビの薄型化に伴う大型化により商品の消費電力が大きくなったためで、特に高効率で小型化を図った電源では入力電圧が低下した状態で動作を続けると予期した電流以上の入力電流が流れ、異常発熱やさらには発火の危険が伴う。このため、入力電圧が低格電圧以下になったことを検出し、動作を停止させる必要がある。

この検出のために、従来は入力電圧を分圧し、このための抵抗の両端電圧を検出することによりその目的を達していた。しかしながら、この分圧抵抗も待機時電力の削減には無視できなくなってきている。

近年、待機時の消費電力を見直す動向にあり、待機時の消費電力を削減することは大きな課題となってきている。
特開２００２−２６２５７３号公報

昨今の待機時電力の削減の要求はかなり厳しく、前述のアクロスザラインコンデンサの放電抵抗や、商用交流電源の電圧低下あるいは瞬時停電の検出用抵抗による待機時の電力消費が、近年の待機時電力の削減要求を鑑みた場合には無視できなくなってきているという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を同時に解決するもので、アクロスザラインコンデンサの放電時間を規定の時間内に行いながら、待機時電力の削減を同時に解決することを目的とした直流電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、交流電源の双極に接続されローパスフィルタを構成するアクロスザラインコンデンサを備えた直流電源装置であって、
交流電源の極につながる第一のコンデンサと、この第一のコンデンサの他端とアノードを接続した第一のダイオードと、この第一のダイオードのアノードにカソードを接続する第二のダイオードとを交流電源のそれぞれの極に具備し、前記交流電源のそれぞれの極を入力側とする交流電圧整流用のブリッジダイオードを備え、前記二つの第一のダイオードのカソードに共通にその一端が接続され、他端は前記二つの第二のダイオードのアノードおよび前記交流電圧整流用のブリッジダイオードの負極に共通接続される第二のコンデンサを有するとともに、この第二のコンデンサの両端に並列に第一の抵抗を接続し、前記第二のコンデンサと前記第１の抵抗に縦続接続される第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備え、前記第１のトランジスタは、交流電源が接続される状態においては、オンし、前記第1のトランジスタに従属接続される第２のトランジスタはオフし、前記第２のトランジスタのドレイン側抵抗とソース側抵抗に電流を流さず、交流電源が非接続状態となると前記第１のトランジスタは、ほぼ瞬時にオフするとともに第2のトランジスタはオンし前記第２のトランジスタのドレイン側抵抗とソース側抵抗を通じて所定の時間内で、前記アクロスザラインコンデンサの充電電圧を放電することを特徴としたものである。

本発明の交流電圧検出装置によれば、アクロスザラインコンデンサの放電抵抗による待機時消費電力を削減することが可能となる。また、これに加えて、商用電源電圧の低下や瞬時停電の検出を行う機能を付加した場合にも、待機時消費電力を削減することが可能となる。

以下に、本発明の直流電源装置の実施の形態を図とともに詳細に説明する。

図１において、商用の交流電源ＡＣの双極にはコイルＬ１、コンデンサＣ５で構成されるローパスフィルタが接続され、Ｃ５はいわゆるアクロスザラインコンデンサを構成する。交流電源ＡＣの極につながる第一の２つのコンデンサＣ１、Ｃ２と、この第一のコンデンサＣ１、Ｃ２のそれぞれの他端とアノードを接続した第一の２つのダイオードＤ３、Ｄ５と、この第一のダイオードＤ３、Ｄ５のアノードにそれぞれカソードを接続する第二の２つのダイオードＤ２、Ｄ４とが交流電源ＡＣのそれぞれの極（互いに逆相）に接続されている。

前記交流電源ＡＣのそれぞれの極を入力側とする交流電圧整流用のブリッジダイオードＤ１を備え、前記二つの第一のダイオードＤ３，Ｄ５のカソードが共通にその一端に接続され、他端は前記二つの第二のダイオードＤ２、Ｄ４のカソードおよび前記交流電圧整流用のブリッジダイオードの負極に共通接続される第二のコンデンサＣ３を有する。この第二のコンデンサＣ３の両端に並列に第一の抵抗Ｒ１が接続されている。また前記第二のコンデンサＣ３と並列にゲート−ソースがつながる第一のトランジスタＱ３を備えている。この第一のトランジスタＱ３のドレインとブリッジダイオードの正極との間には第二の抵抗Ｒ２が接続されている。また、前記第一のトランジスタＱ３のドレイン−ソース間に定電圧ダイオードＤ６が接続されるとともに、前記第一のトランジスタＱ３のドレインにゲートがつながる第二のトランジスタＱ４を有しており、この第二のトランジスタＱ４のドレインとソース側にはそれぞれ抵抗Ｒ４、Ｒ３が接続されている。

前記第二のトランジスタＱ４のドレイン−ソース側に接続される抵抗は、前記第二のトランジスタのソースとブリッジダイオードＤ１の負極との間につながる第三の抵抗Ｒ３と、第二のトランジスタＱ４のドレインとブリッジダイオードＤ１の正極につながる第四の抵抗Ｒ４からなり、第二のトランジスタＱ４がオンしたときの第三の抵抗Ｒ３と第四の抵抗Ｒ４との合成抵抗と、交流電源ＡＣの両極につながる前記アクロスザラインコンデンサＣ５とによる放電時定数は、１／２より小さくなるように設定されている。

入力電圧検出器としてのコンパレータU1は前記第二のトランジスタQ4がオンしたときに発生する第三の抵抗R３と第四の抵抗R４による分圧とあらかじめ定めた基準電圧とを比較することにより交流電源ＡＣ電圧が定めた電圧以上（定めた電圧より下でも同様に検出可能）であることを検出することにより入力電圧異常と判断し、この信号を用いることにより出力を停止するなどが出来る。

また、前記第二のトランジスタQ4とドレインとソースのそれぞれにドレインとソースがつながり、当該直流電源装置が駆動する外部装置が動作中であることを示す信号を出す検出器としてのフォトカプラIC１によりオンオフできるようにゲートがフォトカプラIC1に接続された第三のトランジスタQ5を具備する。即ち、外部からの信号でトランジスタＱ５をオン状態にすることにより第三の抵抗R３と第四の抵抗R４を接続し、コンパレータＵ１に所定の電圧を供給することができる構成となっている。

なお、第三のコンデンサＣ３において、一端は電解コンデンサＣ４で整流した直流電圧の負極につながり、このコンデンサＣ３には並列に放電抵抗としての第一の抵抗Ｒ１が接続され、さらにこれに並列に第一のトランジスタＱ３のゲート保護として第一のツェナーダイオードＤ６が接続されている。第一のトランジスタＱ３のドレインは第二の抵抗Ｒ２を介して、ブリッジダイオードＤ１のカソードにつながり、また、第二のトランジスタＱ４のゲートにもつながっているが、この第二のトランジスタQ4のゲート保護としての第二のツェナーダイオードD7にもつながる。この第二のツェナーダイオードＤ７の他端は直流電圧の負極に接続されている。第二のトランジスタＱ４のソースには第３の抵抗Ｒ３を介して直流電圧の負極につながり、またドレインは第４の抵抗Ｒ４を介してブリッジダイオードＤ１のカソードにつながっている。第二のトランジスタＱ４と第三のトランジスタＱ５のドレインとは接続されている。

第二のトランジスタＱ４と第三のトランジスタＱ５のそれぞれのソースは接続され、そして、それらの接続されたソースは、コンパレータＵ１に入力し、基準電圧と設定される所定の電圧を検出し、入力電圧検出器としてのコンパレータU1に入力される。コンパレータＵ１のもう一方の入力には所定の基準電圧がつながる。第三のトランジスタＱ５のゲートはフォトカプラＩＣ１内の出力トランジスタ側のエミッタにつながっている。

フォトカプラＩＣ１内の入力ダイオード側は商品が動作状態を検出することが出来る動作検出手段（例えばシステムマイコンなどが挙げられる）につながっており、そこからの信号によりトランジスタＱ５をオンオフ制御できる構成となっている。

図１における動作と設計基準の説明を行う。商用電源は一般的に片側の極性が対地に接地されており、こちら側をニュートラル極（Ｎ極）そして電圧が印加される側をライブ極（Ｌ極）と呼ぶ。

本装置は、商用電源ACに接続されると、Ｎ極側がＬ極電位に比して正電位の時の半周期の時にはコンデンサＣ１、ダイオードＤ３を通じてコンデンサＣ３に充電する。

そして、充電電流は、ダイオードＤ４、コンデンサＣ２を通じてＬ極側に流れる。次の半周期になり、Ｌ極側がＮ極電位に比して正電位になるとコンデンサＣ２、ダイオードＤ５を通じてコンデンサＣ３を充電する。そして、充電電流は、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１を通じてＮ極側に流れる。

コンデンサＣ１とＣ２の容量を同じにすると、コンデンサＣ３への充電電流Ｉｃは、Ｉｃ＝Ｃ×（ｄＶｃ／ｄｔ）で表される。ここで、Ｖｃ＝（E／２−Ｖｃ３−２Ｖｄ）×ｓｉｎ（2πｆｔ）よりＩｃ＝ πｆＣ×（E／２−Ｖｃ３−２Ｖｄ）×ｃｏｓ（２πｆｔ）が導出される。

ここで、CはＣ１の容量、ＩｃはＣ１に流れる電流、ＶｃはＣ１の両端の電圧、Eは商用ＡＣ電源のピーク電圧、Ｖｃ３はＣ３の両端の印加電圧、fは商用ＡＣ電源の周波数、ＶｄはダイオードＤ３およびＤ４の順方向電圧を示す。

又、電源投入後の定常状態ではダイオードＤ６のクランプ電圧をＶｚとすると、Ｖｃ３＝Ｖｚとなるので、この時の消費電力は、ダイオードＤ３およびＤ４の順方向電圧損失とツェナーダイオードＤ６とツェナー電圧Ｖｚの電圧が印加されたＲ１に電流が流れるのみであるので、２Ｖｄ×Ｉｃ＋Ｖｚ²／R ＋（Ｉｃ− Ｖｚ／R）×Ｖｚ となる。ここでRは、ツェナーダイオードD６の両端に接続されるR１の抵抗値である。

このコンデンサＣ３に流れる電流ＩｃでコンデンサＣ３を充電するとともに抵抗Ｒ１に電流が流れる。トランジスタＱ３のゲートに印加される電圧は整流する必要があり、コンデンサＣ３は必要である。

以上により、商用電源に接続されている時は、トランジスタＱ３はオンした状態となり、トランジスタＱ４はオフする。これにより待機動作時にはＲ４、Ｒ３は導通せず、ここで消費される電力は軽減される。

一方、通常動作時にはＲ４、Ｒ３による消費電力は無視されるくらい機器としての消費電力が大きくなるため、フォトカプラＩＣ１から信号を送り、Ｑ５をオンさせることによりＲ４，Ｒ３が導通し、コンパレータＵ１の基準電圧を定めることにより、商用電源電圧を検知することが出来る。この信号を用いて商用電源電圧の低下を検知し、機器を安全に停止させることが出来る。

商用電源に接続されている間はトランジスタＱ３は常にオンしており、Ｒ２はトランジスタＱ４ゲートをオンすればよいので、トランジスタＱ３を流れる電流は、微弱電流でよい。そのため抵抗値は大きくても問題がなく、抵抗Ｒ２での消費電力を小さくできる。一方Ｒ３、Ｒ４はＣ５の放電の目的があるので、Ｒ２ ＞＞ Ｒ４で、（Ｒ３＋Ｒ４）×Ｃ５の時定数を後述する所定の値に設定する。

一方、直流電源装置が駆動する商品が動作状態時には、前述のように商用電源の低下（または所定値以上）を検出する必要がある。この時には商品が動作状態を検出することが出来る動作検出手段（例えばシステムマイコンなどが挙げられる）として本実施例ではフォトカプラＩＣ１などを用いてトランジスタＱ５をオンすることによりコンパレータＵ１に電圧抵抗Ｒ３とＲ４により分圧された電圧が入力される。これで商品が動作中におけるＡＣ入力電圧が所定の値以下になった場合を検出できる。

即ち、直流電源装置が駆動する商品が動作状態になると、ＩＣ１は、トランジスタＱ５にＨＩＧＨレベルを出力してＱ５をオンし、抵抗Ｒ３とＲ４により分圧された電圧をコンパレータＵ１に出力し、商品への入力電圧が定めた値以上であることを検出する。

商用電源からACが抜かれた時にはダイオードＤ３、Ｄ５からコンデンサＣ３への充電がなくなるため、抵抗Ｒ１により放電が開始される。その後Ｒ１により放電されているＣ３の電圧は、いずれトランジスタＱ３の閾値電圧以下となり、これによりトランジスタＱ３はオフする。商用電源からＡＣが断されたことをすぐさま検知する必要があるので、Ｒ１とＣ３による時定数は、商用周波数近傍であることが条件となる。一例を挙げると、Ｒ１が１Ｍオーム、Ｃ３が０．０１マイクロＦである。このことからＡＣ電源かをオフするとほぼ瞬時にトランジスタＱ３はオフする。

その結果抵抗Ｒ２よりトランジスタＱ４のゲート電圧を供給しＱ４はオンする。このとき既に商用電源からは抜去されているがＣ５に充電された電圧により、Ｄ８のアノードと電解コンデンサＣ４の負極間には電圧が残留しているので電解コンデンサＣ５の正極電位がトランジスタＱ４に対し抵抗Ｒ２を介してゲート閾値電圧以上の電圧が残留する期間トランジスタＱ４がオンし続ける。

従って、商用電源からＡＣが抜かれても、分圧抵抗Ｒ３とＲ４は、コンデンサＣ５の電荷を放電するまで導通状態を継続することとなる。

各国の公的安全規格の要求として、感電を避けるため商用ＡＣ電源のプラグを抜いた後１秒後にプラグ間の電圧が危険でない電圧以下に放電されてないといけない。よって整流の電解コンデンサＣ４の放電まで行わないようにダイオードＤ８を接続している。

もしダイオードＤ８がないと、コンデンサＣ５の残留電圧と電解コンデンサＣ４の残留電圧はほぼ等しく放電される。この場合、電解コンデンサＣ４の容量はコンデンサＣ５の容量よりもはるかに大きく、これら２つのコンデンサを同時に放電しようとすると、放電抵抗Ｒ３、Ｒ４の抵抗値をかなり小さくすると同時に定格電力の大きなものが必要となってくる。放電をする必要が有るのはコンデンサＣ５のみでよいので、ダイオードＤ８を接続している。

以上のことより、商用ＡＣ電源の保証値上限が実効値２６４Ｖの場合、適用される安全規格にも左右されるが、１秒後に感電と感じない電圧（約４５Ｖ）以下にする必要があるので、抵抗Ｒ３とＲ４は次式の条件が要求される。

（Ｒ３＋Ｒ４）×Ｃ５ ＜ １／２

本発明にかかる直流電源装置は、電源コンセント抜去後所定時間以内のコンセント間電圧を基準電圧以下としつつ待機時電力の削減を行うことが出来る。また、電源素子の破壊を招く恐れのある商用交流電源ＡＣ電圧の低下の検出を待機時電力の削減しつつ実現可能とする。

本発明の実施例１における直流電源装置の回路図

符号の説明

ＡＣ 交流電源
Ｃ５ ローパスフィルタ、アクロスザラインコンデンサ
Ｃ１、Ｃ２ 第一のコンデンサ
Ｄ３、Ｄ５ 第一のダイオード
Ｄ２、Ｄ４ 第二のダイオード
Ｄ１ 交流電圧整流用のブリッジダイオード
Ｃ３ 第二のコンデンサ
Ｒ１ 第一の抵抗
Ｑ３ 第一のトランジスタ
Ｒ２ 第二の抵抗
Ｄ６ 定電圧ダイオード
Ｑ４ 第二のトランジスタ
Ｒ３ 第三の抵抗
Ｒ４ 第四の抵抗

Claims (5)

1. 交流電源の双極に接続されローパスフィルタを構成するアクロスザラインコンデンサを備えた直流電源装置であって、
   交流電源の極につながる第一のコンデンサと、この第一のコンデンサの他端とアノードを接続した第一のダイオードと、この第一のダイオードのアノードにカソードを接続する第二のダイオードとを交流電源のそれぞれの極に具備し、
   前記交流電源のそれぞれの極を入力側とする交流電圧整流用のブリッジダイオードを備え、前記二つの第一のダイオードのカソードに共通にその一端が接続され、他端は前記二つの第二のダイオードのアノードおよび前記交流電圧整流用のブリッジダイオードの負極に共通接続される第二のコンデンサを有するとともに、この第二のコンデンサの両端に並列に第一の抵抗を接続し、前記第二のコンデンサと前記第１の抵抗に縦続接続される第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備え、
   前記第１のトランジスタは、交流電源が接続される状態においては、オンし、前記第1のトランジスタに従属接続される第２のトランジスタはオフし、前記第２のトランジスタのドレイン側抵抗とソース側抵抗に電流を流さず、交流電源が非接続状態となると前記第１のトランジスタは、ほぼ瞬時にオフするとともに第2のトランジスタはオンし前記第２のトランジスタのドレイン側抵抗とソース側抵抗を通じて所定の時間内で、前記アクロスザラインコンデンサの充電電圧を放電することを特徴とする直流電源装置。
2. 前記第１のトランジスタに接続されるドレイン側抵抗値は、前記第２のトランジスタに接続されるドレイン側抵抗値より十分大きいことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記アクロスザラインコンデンサをＣ５、前記第２のトランジスタのドレイン側抵抗をＲ３、ソース側抵抗をＲ４としたときに、時定数（Ｒ３＋Ｒ４）×Ｃ５を１／２より小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
4. 前記第２のトランジスタがオンするとドレイン側抵抗とソース側抵抗により抵抗分圧された電圧と所定の基準電圧を比較し、その比較結果に応じた制御信号を発生することを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
5. 前記第２のトランジスタに対し、該第２のトランジスタのドレイン電極とソース電極のそれぞれにドレイン電極とソース電極を接側し、ゲート電極は、外部からの信号により制御される第３のトランジスタを備えることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
   

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