(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの駆動信号に応じて、負荷に供給する交流電流をスイッチングする交流スイッチ装置であって、
前記交流スイッチ装置は、スイッチ回路と、過電流検出回路と、駆動許否回路とからなり、
前記スイッチ回路は、少なくとも１個のトランジスタと複数個のダイオードとから構成され、交流電流が前記ダイオードによって直流電流に整流され、該直流電流が前記トランジスタによってスイッチングされ、それによって交流電流がスイッチングされ、
前記過電流検出回路は、前記トランジスタのコレクタとエミッタとを入力とするコンパレータと、該コンパレータの出力と前記駆動信号とを入力とする第１の論理回路とから構成され、該第１の論理回路は、前記トランジスタのコレクタ−エミッタ間に所定値以上の電位差が検出され、かつ前記駆動信号がＯＮのとき過電流検出信号を出力し、
前記駆動許否回路は、前記第１の論理回路の出力を入力として前記過電流検出信号を保持するフリップフロップと、該フリップフロップの出力と前記駆動信号とを入力とする第２の論理回路とから構成され、前記第２の論理回路は、前記過電流検出信号が未発生のとき前記駆動信号を出力し、前記過電流検出信号が保持されているとき前記駆動信号を遮断し、
前記トランジスタは、前記第２の論理回路からの出力によって駆動されることを特徴とする交流スイッチ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の交流スイッチ装置において、前記第１の論理回路は１個のＡＮＤゲートからなることを特徴とする交流スイッチ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の交流スイッチ装置において、前記第２の論理回路は１個のＮＯＴゲートと、１個のＡＮＤゲートとからなることを特徴とする交流スイッチ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の交流スイッチ装置において、前記フリップフロップはＤ型フリップフロップからなることを特徴とする交流スイッチ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの項に記載の交流スイッチ装置において、前記スイッチ回路は２個のトランジスタと２個のダイオードとから構成され、前記過電流検出回路は前記２個のトランジスタのそれぞれに対応して２個設けられ、前記２個の過電流検出回路はＯＲゲートを介して前記フリップフロップに接続されていることを特徴とする交流スイッチ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの項に記載の交流スイッチ装置は、前記負荷がヒータであることを特徴とする交流スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチによって交流電流の供給をＯＮ／ＯＦＦする交流スイッチ装置に関するものであり、限定するものではないが、ヒータへの交流電流の供給をＯＮ／ＯＦＦするスイッチとして好適な交流スイッチ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電流が供給される負荷は色々あり、例えば直接交流電流が供給されるヒータはその代表的な負荷と言えるし、２次巻線側全体を負荷と見なせば変圧器としてのトランスもその範疇に入る。このような負荷への交流電流の供給のＯＮ／ＯＦＦは、機械的な動作によってスイッチングするリレーによっても実施されているが、半導体からなるソリッドステートリレー、つまり半導体スイッチによっても広く実施されている。半導体スイッチは電力消費が少ない点、応答性が高い点、寿命が長い点で優れている。従来、交流電力を対象とする半導体スイッチには、双方向に流れる電流のスイッチングができるように、複数のサイリスタを組み合わせたものや、双方向サイリスタすなわちトライアック等が適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０５−１４３１７４号公報
【０００４】
特許文献１には、本発明と直接的な関係はないが、トライアックからなる半導体スイッチによってヒータに供給する交流電流をスイッチングし、このトライアックの短絡故障時に、リレーを駆動してヒータへの交流電流を遮断するヒータ制御装置が記載されている。特許文献１に記載の装置においては、トライアックと並列にフォトカプラが接続され、トライアックの両端の電位差を検出している。これによってトライアックが正常であれば、トライアックの導通時に両端の電位差が０ＶになるのでフォトカプラからＬ信号が、トライアックが非導通時に両端に電位差が発生するのでフォトカプラからＨ信号が出力されるようになっている。特許文献１の装置においては、制御部からトライアックに送信されるＯＮ／ＯＦＦ信号と、フォトカプラからの信号を監視する。そしてトライアックにＯＦＦ信号が出力されているにも拘わらずフォトカプラからＬ信号が出力された場合、トライアックが短絡して制御不能になったと判断して、リレーを駆動してヒータへの交流電流の供給をシャットアウトしている。これによってヒータを保護している。特許文献１に記載の装置においては、トライアックの両端の電位差の検出は、トライアックの導通の有無を検出するために実施していると言える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
交流電流のスイッチとして使用されている従来のサイリスタ、トライアック等からなる半導体スイッチは、電力消費が少ないし、応答性が高く、寿命が長いので優れている。従ってスイッチングという点においては格別に問題はない。しかしながら、負荷が短絡した時、あるいは過電流が流れた時に問題が認められる。すなわち交流電流を供給している負荷が短絡すると、半導体スイッチに一時的に大電流が流れて加熱し、破壊されてしまうという問題がある。一般的に回路にはヒューズが設けられていて、過電流が流れたときにヒューズが切れて回路が保護されるようになっている。しかしながらヒューズが切れる時間よりも短時間で半導体スイッチは壊れてしまう。つまりヒューズによっては半導体スイッチの破壊を防止することはできない。例えば射出成形機において加熱シリンダを加熱するヒータは交流電流によって駆動されているが、ヒータは経年劣化するので所定時間使用すると断線したり、短絡する。使用不可になったヒータは比較的容易に交換できる。しかしながらヒータが短絡するとヒータへの電流のＯＮ／ＯＦＦを制御している半導体スイッチも破壊されてしまうので、半導体スイッチも交換する必要が生じる。半導体スイッチの交換は大変であるし、コストが嵩む。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点を解決した、半導体スイッチによって交流電流をＯＮ／ＯＦＦする交流スイッチ装置を提供することを目的としており、具体的には安価な装置にも拘わらず、負荷の短絡等によって過電流が流れたときに半導体スイッチが破損することがない交流用スイッチ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のトランジスタをスイッチ素子とする交流スイッチ装置として構成する。この交流スイッチ装置は、スイッチ回路と、過電流検出回路と、駆動許否回路とから構成する。スイッチ回路は、交流電流を直流電流に整流するダイオードと、整流された直流電流をスイッチングするトランジスタとから構成する。過電流検出回路はトランジスタのコレクタとエミッタの両端の電位差を検出し、トランジスタがＯＮのときに両端に電位差が検出されたら過電流が流れていると判断して過電流検出信号を出力する。駆動許否回路は、この過電流検出信号を保持する回路であり、一旦過電流検出信号が発生したら、以後トランジスタへの駆動信号を遮断する。
【０００８】
かくして、請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、外部からの駆動信号に応じて、負荷に供給する交流電流をスイッチングする交流スイッチ装置であって、前記交流スイッチ装置は、スイッチ回路と、過電流検出回路と、駆動許否回路とからなり、前記スイッチ回路は、少なくとも１個のトランジスタと複数個のダイオードとから構成され、交流電流が前記ダイオードによって直流電流に整流され、該直流電流が前記トランジスタによってスイッチングされ、それによって交流電流がスイッチングされ、前記過電流検出回路は、前記トランジスタのコレクタとエミッタとを入力とするコンパレータと、該コンパレータの出力と前記駆動信号とを入力とする第１の論理回路とから構成され、該第１の論理回路は、前記トランジスタのコレクタ−エミッタ間に所定値以上の電位差が検出され、かつ前記駆動信号がＯＮのとき過電流検出信号を出力し、前記駆動許否回路は、前記第１の論理回路の出力を入力として前記過電流検出信号を保持するフリップフロップと、該フリップフロップの出力と前記駆動信号とを入力とする第２の論理回路とから構成され、前記第２の論理回路は、前記過電流検出信号が未発生のとき前記駆動信号を出力し、前記過電流検出信号が保持されているとき前記駆動信号を遮断し、前記トランジスタは、前記第２の論理回路からの出力によって駆動されることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の交流スイッチ装置において、前記第１の論理回路は１個のＡＮＤゲートからなることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の交流スイッチ装置において、前記第２の論理回路は１個のＮＯＴゲートと、１個のＡＮＤゲートとからなることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の交流スイッチ装置において、前記フリップフロップはＤ型フリップフロップからなることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの項に記載の交流スイッチ装置において、前記スイッチ回路は２個のトランジスタと２個のダイオードとから構成され、前記過電流検出回路は前記２個のトランジスタのそれぞれに対応して２個設けられ、前記２個の過電流検出回路はＯＲゲートを介して前記フリップフロップに接続されていることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの項に記載の交流スイッチ装置は、前記負荷がヒータであることを特徴とする交流スイッチ装置として構成される。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本願発明によると、外部からの駆動信号に応じて、負荷に供給する交流電流をスイッチングする交流スイッチ装置であって、交流スイッチ装置は、スイッチ回路と、過電流検出回路と、駆動許否回路とから構成される。そしてスイッチ回路は、少なくとも１個のトランジスタと複数個のダイオードとから構成され、交流電流がダイオードによって直流電流に整流され、該直流電流がトランジスタによってスイッチングされ、それによって交流電流がスイッチングされるように構成される。つまりスイッチ回路に関しては、安価な半導体素子であるトランジスタが使用される。トランジスタは一方向に流れる電流しか扱えないが、ダイオードによって整流することによってスイッチングができるようになっている。つまり交流電流のスイッチングができる。そして、過電流検出回路は、トランジスタのコレクタとエミッタの両端子を入力とするコンパレータと、該コンパレータの出力と駆動信号とを入力とする第１の論理回路とから構成され、該第１の論理回路は、トランジスタのコレクタ−エミッタ間に所定値以上の電位差が検出され、かつ駆動信号がＯＮのとき過電流検出信号を出力する。トランジスタは正常時にはＯＮのとき両端の電位差は検出されないが、過電流が流れると電位差が検出される。従って過電流検出回路によって過電流が検出されたら直ちに過電流検出信号が出力されることになる。そして本発明によると、駆動許否回路は、第１の論理回路の出力を入力として過電流検出信号を保持するフリップフロップと、該フリップフロップの出力と駆動信号とを入力とする第２の論理回路とから構成され、第２の論理回路は、過電流検出信号が未発生のとき駆動信号を出力し、過電流検出信号が保持されているとき駆動信号を遮断し、トランジスタは、第２の論理回路からの出力によって駆動されるように構成されている。そうすると、一瞬でも過電流検出信号が発生すると、駆動許否回路がこれを保持し、以後第２の論理回路が駆動信号を遮断する。つまり過電流が発生したら極めて短時間のうちにトランジスタは駆動信号が遮断される。これによってトランジスタのコレクタ−エミッタ間を流れる電流は遮断され、トランジスタが保護される。
【００１１】
また他の発明によると第１の論理回路は１個のＡＮＤゲートからなり、他の発明によると、第２の論理回路は１個のＮＯＴゲートと、１個のＡＮＤゲートとからなる。シンプルな論理回路によって構成することができ安価にスイッチ装置を構成することができる。さらに他の発明によると、スイッチ回路は２個のトランジスタと２個のダイオードとから構成され、過電流検出回路は２個のトランジスタのそれぞれに対応して２個設けられ、２個の過電流検出回路はＯＲゲートを介してフリップフロップに接続されている。２個のトランジスタと２個のダイオードとからなるスイッチ回路は、常に１個のダイオードと１個のトランジスタしか電流は流れないので、半導体素子による電力ロスが小さい。従って電力消費の小さい交流スイッチ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る交流スイッチ装置を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る交流スイッチ装置を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本実施の形態について説明する。本実施の形態に係る交流スイッチ装置１は、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等のトランジスタをスイッチ素子として採用している。トランジスタは、双方向に流れる電流のスイッチングはできないし、他の半導体スイッチと同様に大電流が流れたら短時間で破損する。しかしながら、トランジスタはベース・エミッタ間あるいはゲート・エミッタ間に印加する電圧を解除すると直ちにコレクタ・エミッタ間の電流を遮断できるし、コレクタ・エミッタ間に流れる電流が過剰なとき瞬間的に電位差が発生する。本発明は、このような特性を利用して、負荷の短絡等による過電流からトランジスタを保護するように構成されている。
【００１４】
第１の実施の形態に係る交流スイッチ装置１を、図１によって説明する。なお、実際の回路においては、動作を安定させたり異常時に素子を保護するために、各種の抵抗や、ツェナーダイオード等の各種電気素子が適宜設けられているが、図１の回路図においてはこれらは省略されている。本実施の形態において交流スイッチ装置１は、交流電源ＡＣとヒータＨＴとが接続された交流回路に設けられ、制御装置２からの駆動信号によってヒータＨＴに供給される交流電流をスイッチングするように構成されている。交流スイッチ装置１は、交流回路に接続されて交流電流をスイッチングするスイッチ回路３と、スイッチ回路３のトランジスタＴの過電流を監視する過電流検出回路４と、過電流の発生の有無に応じてスイッチ回路３の駆動を許可しあるいは不許可とする駆動許否回路５とから構成されている。
【００１５】
スイッチ回路３は、４個のダイオードＤ１、Ｄ２、…からなるブリッジ回路と、１個のトランジスタＴとからなる。ブリッジ回路は周知であるので詳しく説明しないが、全波整流回路になっており交流電流を直流電流に整流する。トランジスタＴは色々な種類のものを採用することができるが、本実施の形態においては絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、すなわちＩＧＢＴから構成されている。トランジスタＴは、ブリッジ回路から引き出された電線に、そのコレクタＣとエミッタＥが接続されている。従ってトランジスタＴのゲートＧ・エミッタＥ間に電圧を印加したり解除すると、ブリッジ回路によって整流された直流電流が導通されたり、遮断されたりする。これによって交流電流をスイッチングできるようになっている。
【００１６】
過電流検出回路４は、トランジスタＴの両端の電位差を検出するコンパレータ７、過電流が発生しているか否かを判断する第１の論理回路８とからなる。コンパレータ７は、トランジスタＴのコレクタＣとエミッタＥのそれぞれの端子から引き出された電線を入力として、その電位差を取っている。電位差が検出されない場合にはＬを、所定の電位差が検出されたらＨを出力するようになっている。第１の論理回路８は、１個のＡＮＤゲート９からなる。ＡＮＤゲート９はコンパレータ７の出力と、制御装置２からの駆動信号とを入力として論理積を出力するようになっている。実際には、駆動信号は所定の電子素子を経由してＡＮＤゲート９に入力されているが、実質的に駆動信号と同等と見なすことができ、駆動をＨ、停止をＬとする信号が入力されている。トランジスタＴのコレクタＣとエミッタＥ間は、導通していないときに電位差が発生し、導通しているときは電位差は０Ｖである。従って正常時には、駆動信号がＨのときにトランジスタＴが導通してコンパレータ７の出力がＬに、駆動信号がＬのときにトランジスタＴが不通となってコンパレータ７の出力がＨになり、ＡＮＤゲート９の出力は常時Ｌとなる。
【００１７】
駆動許否回路５は、Ｄ型フリップフロップ１１と、第２の論理回路１３とから構成されている。Ｄ型フリップフロップ１１のＤ端子には、接地されたＮＯＴゲート１４によって常時Ｈが入力されている。そしてＣ端子には第１の論理回路８すなわちＡＮＤゲート９の出力が入力され、出力のＱ端子は第２の論理回路１３に接続されている。Ｄ型フリップフロップ１１においてＣＬ端子にはリセットスイッチ１５を介してＨが入力できるようになっており、リセットスイッチ１５をＯＮするとＱ端子の出力をＬにリセットできるようになっている。第２の論理回路１３は、１個のＮＯＴゲート１７と１個のＡＮＤゲート１８とからなり、Ｄ型フリップフロップ１１のＱ端子がＮＯＴゲート１７に入力され、ＮＯＴゲート１７の出力と制御装置２からの駆動信号とがＡＮＤゲート１８に入力されている。過電流が検出されない限り、ＡＮＤゲート１８からは駆動をＨ、停止をＬとする駆動信号が出力されるようになっている。なお制御装置２は、フォトカプラ１９によって電気的には絶縁された状態でＡＮＤゲート１８に接続されている。
【００１８】
第２の論理回路１３のＡＮＤゲート１８の出力は、トランジスタＴをＯＮ／ＯＦＦする加算器２１に入力されている。加算器２１は、ＡＮＤゲート１８の出力と、トランジスタＴのエミッタＥのそれぞれの電圧を加算してゲートＧに印加するようになっており、ＡＮＤゲート１８の出力がＨのときにトランジスタＴはＯＮになり、出力がＬのときにトランジスタＴはＯＦＦになる。なお、既に説明した第１の論理回路８のＡＮＤゲート９へは、第２の論理回路１３のＡＮＤゲート１８の出力が入力されている。
【００１９】
本実施の形態に係る交流スイッチ装置１の作用を説明する。
制御装置２からの駆動信号によってヒータＨＴへの交流電流の供給をＯＮ／ＯＦＦするときの動作を説明する。最初に、リセットスイッチ１５を１回ＯＮして、Ｄ型フリップフロップ１１のＱ端子をＬにリセットする。第２の論理回路１３のＮＯＴゲート１４はＨを出力しＡＮＤゲート１８に入力される。制御装置２からの駆動信号もこのＡＮＤゲート１８に入力されているが、ＮＯＴゲート１４からの入力がＨなので、駆動信号のＨ／ＬはそのままＡＮＤゲート１８から出力される。この駆動信号が加算器２１に送られてトランジスタＴをＯＮ／ＯＦＦする。駆動信号がＨのときトランジスタがＯＮされてコレクタＣとエミッタＥ間に電流が流れる。つまりヒータＨＴに交流電流が流れる。駆動信号がＬのときトランジスタがＯＦＦされてヒータＨＴへの交流電流の供給が停止する。既に説明したように、第１の論理回路８のＡＮＤゲート９の出力は、トランジスタＴを流れる電流が正常なときには、常にＬになっている。従ってＤ型フリップフロップ１１のＣ端子はＬであり、Ｑ端子の出力はＬのままである。引き続き、制御装置２からの駆動信号によってトランジスタＴがＯＮ／ＯＦＦされる。
【００２０】
駆動信号がＨでトランジスタＴがＯＮ状態のときにヒータＨＴの短絡が発生する。そうすると交流回路に大電流が流れ、トランジスタＴのコレクタＣとエミッタＥ間にも大電流が流れる。コンパレータ７によって電位差が検出されてＨが出力される。第１の論理回路８のＡＮＤゲート９はＨを出力する。Ｄ型フリップフロップ１１のＣ端子にＨが入力される。Ｄ型フリップフロップ１１は、Ｃ端子の立ち上がりエッジによってＱ端子をＨにし、その後これを保持する。つまり瞬間的にＱ端子からＨが出力され、以後リセットするまでＨが保持される。第２の論理回路１３のＮＯＴゲート１７からＬが出力される。そうするとＡＮＤゲート１８の出力は常時Ｌになる。つまり駆動信号は遮断される。トランジスタＴはＯＦＦされる。トランジスタＴにおける大電流の検出からトランジスタＴがＯＦＦされるまでに、例えば１０μ秒程度の短時間しかかからないので、トランジスタＴの発熱は最小限に抑えられる。これによってトランジスタＴが保護される。
【００２１】
図２には第２の実施の形態に係る交流スイッチ装置１’が示されている。第１の実施の形態に係る交流スイッチ装置１と同じ作用を奏する電子素子、論理ゲート等には同じ参照番号を付して詳しくは説明しない。第２の実施の形態においては、スイッチ回路３’は、２個のトランジスタＴ１’、Ｔ２’と、２個のダイオードＤ１’、Ｄ２’とから構成されている。ダイオードＤ１’とトランジスタＴ１’、ダイオードＤ２’とトランジスタＴ２’はそれぞれ交流回路に直列に接続されており、電流を流す向きが互いに反対になっている。従って２個のトランジスタＴ１’、Ｔ２’を同時にＯＮすれば、交流電流はいずれかを流れることになる。このスイッチ回路３’において交流電流が通過する電子素子は、常にダイオード１個とトランジスタ１個だけであるので電力損失が小さいという特徴がある。第２の実施の形態においては、２個のトランジスタＴ１’、Ｔ２’のそれぞれに対して、過電流検出回路４ａ’４ｂ’が設けられ、過電流の有無が監視されている。これらの過電流検出回路４ａ’、４ｂ’の出力は、１個のＯＲゲート２５に入力されて論理和が取られ、ＯＲゲート２５の出力がＤ型フリップフロップ１１のＣ端子に入力されている。当業者であれば容易に理解されるように、この実施の形態にかかる交流スイッチ装置１’においても第１の実施の形態と同様に、制御装置２からの駆動信号によってヒータＨＴへの交流電流の供給をＯＮ／ＯＦＦできると共に、トランジスタＴ１’、Ｔ２’に大電流が流れたら、速やかにトランジスタＴ１’、Ｔ２’の駆動信号を遮断してトランジスタＴ１’、Ｔ２’を停止し、これらを保護することができる。
【００２２】
本実施の形態は色々は変形が可能であり、例えば、第１、２の論理回路は他の種類の論理ゲートから構成することもできる。また駆動許否回路５は、Ｄ型フリップフロップに代えて、他の種類のフリップフロップ、例えばＲＳ型フリップフロップによっても構成することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１      交流スイッチ装置        ２      制御装置
３      スイッチ回路            ４      過電流検出回路
５      駆動許否回路            ７      コンパレータ
８      第１の論理回路          ９      ＡＮＤゲート
１１      Ｄ型フリップフロップ  １３      第２の論理回路
１４      ＮＯＴゲート          １５      リセットスイッチ
１７      ＮＯＴゲート          １８      ＡＮＤゲート
１９      フォトカプラ          ２１      加算器
ＡＣ      交流電源              ＨＴ      ヒータ
Ｄ１、Ｄ２、…          ダイオード
Ｔ        トランジスタ
【図１】
0005519725.tif 000002
【図２】
0005519725.tif 000003