(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源ライン整流器（ＢＲ）の出力が、電荷コンデンサ（ＣＮ）と、トランス（Ｔｒ）の主コイル（Ｗ１）とスイッチングトランジスタ（Ｔ１）で構成された直列回路に接続され、
（ａ）  電荷コンデンサ（ＣＮ）は、非常に小さく、その電圧（ＵＣＳ）はフィルタされない一定極性の半波正弦波電圧であり、
（ｂ）  蓄電コンデンサ（ＣＳ）は、直列回路（Ｗ１、Ｔ１）に対して並列に接続され、その容量は非常に大きく、その電圧（ＵＣＳ）はフィルタされたＤＣ電圧であり、
（ｃ）  電荷コンデンサ（ＣＮ）は、インダクタンス（ＬＨ）とダイオード（ＤＨ）で構成された直列回路を経由して、一次コイル（Ｗ１）のピックオフ（Ａ）に接続され、
（ｄ）  デカップリング素子（ＤＮ）が、電荷コンデンサ（ＣＮ）と蓄電コンデンサ（ＣＳ）の間に接続されることを特徴とする、電源ラインの高調波負荷を軽減したスイッチモード電源。
【請求項２】
デカップリング素子（ＤＮ）が、ダイオード（ＤＮ）で構成された、請求項１に記載の電源。
【請求項３】
ピックオフ（Ａ）とスイッチングトランジスタ（Ｔ１）の間のコイル部と、ピックオッフ（Ａ）と蓄電コンデンサ（ＣＳ）に接続された一次コイル（Ｗ１）の末端の間のコイル部、の間の巻率（Ｗ）がおよそ２：１である、請求項１に記載の電源。
【請求項４】
一次コイル（Ｗ１）のピックオフが、トランス（Ｔｒ１）の補助コイル（Ｗ３）の一方の末端で構成され、補助コイル（Ｗ３）のもう一方の末端は一次コイル（Ｗ１）の一方の末端に接続されている、請求項１に記載の電源。
【請求項５】
並列に接続された複数の補助コイル（Ｗ３ａ−ｃ）が備えられた、請求項４に記載の電源。
【請求項６】
主コイル（Ｗ１）が、チャンバーコイル構成器の個々のチャンバーに置かれた複数のコイル部（Ｗ１ａ−ｃ）に分けられ、補助コイル（Ｗ３ａ−ｃ）が各チャンバーに置かれている、請求項４に記載の電源。
【請求項７】
電源ライン整流器（ＢＲ）の出力が、電荷コンデンサ（ＣＮ）と、第一インダクタンス（ＬＨ）とダイオード（ＤＨ）で構成された直列回路を経由してスイッチングトランジスタに接続され、
スイッチングトランジスタが、動作電圧（ＵＢ）を供給するフィルタコンデンサ（Ｃ１）に、第二インダクタンス（Ｗ１）を経由して接続され、
第二インダクタンス（Ｗ１）と対になった第三インダクタンス（Ｗ２）が、第一インダクタンス（ＬＨ）と直列に接続された、電源ラインの高調波負荷を軽減したスイッチモード電源。
【請求項８】
一次コイル（Ｗ１）が、第三インダクタンスを構成するトランス（Ｔｒ２）の二次コイル（Ｗ２）によって構成された、請求項７に記載の電源。
【請求項９】
電源ライン整流器（ＢＲ）の出力が、第一インダクタンス（ＬＨ）、第一整流器（ＤＨ）の第三インダクタンス（Ｗ２）、トランジスタ（Ｔ１）と第二インダクタンス（Ｗ１）を通ったコレクタ／エミッタパス、で構成された直列回路を経由して動作電圧（ＵＢ）を供給するフィルタコンデンサ（Ｃ１）に接続された、請求項７に記載の電源。
【請求項１０】
第一インダクタンス（ＬＨ）は、トランス（Ｔｒ２）の二次コイル（Ｗ２）のインダクタンスと離して構成された、請求項８に記載の電源。
【請求項１１】
トランス（Ｔｒ２）の一次コイル（Ｗ１）と二次コイル（Ｗ２）が、チャンバーコイル構成器（Ｃ）の二つのチャンバー（Ｋ１、Ｋ２）に置かれ、
二つのチャンバー（Ｋ１、Ｋ２）が、巻線のない中間空間（Ｂ）を用いて、軸方向に互いに分けて置かれた、請求項１０に記載の電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチモード電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチモード電源は、電源ラインに、激しいパルス負荷、すなわち高調波を持つ負荷、を出す。電源ラインのこのような負荷は、かなりのリアクタンス電流が出され、回路網を経由して補助的に送られた情報が妨害される表皮効果の結果、既存の回路網が十分に利用できないので好ましくない。従って国際的に、電源ラインの最大高調波負荷のより厳密な規制がある。高調波負荷は、電力計数［ｓｉｃ］とも呼ばれる。
【０００３】
電源ラインの高調波負荷は、電源ライン端子と電源ライン整流器の間に比較的大きなインダクタンスを挿入することで軽減できる。しかしながら、このようなインダクタンスは、比較的大きく高価な部品である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、電源ラインの高調波負荷が軽減され、既存または将来的な高調波負荷の規制に対応できるような、簡素な回路構成部品を使ったスイッチモード電源を開発すること、の目的に基づいている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の場合、まず第一に電源ライン整流器の出力にある電荷コンデンサは、非常に小容量で、その電圧は、フィルタされない一定の極性の半波正弦波電圧である。非常に大きな容量を持ち、その電圧が有効なＡＣ電圧部品なしにフィルタされたＤＣ電圧である、実際の蓄電コンデンサは、トランスの一次コイルとスイッチングトランジスタで構成された直列回路に対して並列に接続される。小容量の電荷コンデンサと大容量の蓄電コンデンサは、互いに完全に絶縁されているか、または非干渉ダイオードを経由して互いに接続されているかのどちらかであるため、互いに非干渉である。
【０００６】
加えて、電荷コンデンサは、インダクタンスとダイオードで構成された直列回路を経由して、一次コイルのピックオフに接続される。
【０００７】
インダクタンスとダイオードで構成された直列回路は、蓄電コンデンサに対して、補助充電パスを構成する。設計したように、この充電パスを流れる電流は、通常流れるパルス充電電流よりもかなり長く持続する。結果として、電源ラインの高調波負荷は、電源ライン電圧に対応する理想電流に近似された電源ラインから出る電流によって、より軽減される。幅、すなわち電源ラインの一つの半サイクルの間のこの電流の持続期間、を一次コイルのピックオフの選択、すなわち一次コイルの二つのコイル部分の巻率、によって調節できる。一方、電流の増幅は、上記インダクタンスの値によって調節できる。このように電荷コンデンサは、高調波を軽減するために、大容量蓄電コンデンサに対する補助充電電流のための直接電圧源を構成する。
【０００８】
この発明による回路は、本質的に一つのインダクタンスと二つのダイオードが必要となるだけなので、比較的簡素である。上記回路は、特にインダクタンスの大きさの結果と、トランスの一次コイルのピックオフの選択の結果として、最適な高調波負荷の大きさにすることが可能となる。このインダクタンスは、蓄電コンデンサに対する電荷の部分のみ送るために、このインダクタンスを比較的小さくすることができる。更なる利点は、この発明が既存のスイッチモード電源に適用されるとき、調節と制御に関しては、実質的な変更は必要ない。保持している大容量蓄電コンデンサの結果として、パルススパイクに逆らった高いレベルの安定が達成されることは、更なる利点である。
【０００９】
電荷コンデンサと蓄電コンデンサは、非干渉ダイオードを用いて、互いに絶縁される。この場合、このダイオードは二重機能を持つ。一つは、蓄電コンデンサに対する充電パスとして、もう一つは、電荷コンデンサのパルス状の妨害電圧を抑えるために使われる。このダイオードはまた、できる限り省くことができる。そのとき電荷コンデンサは、電源ライン整流器と一次コイルへの蓄電コンデンサの出力へのみ接続される。これは、インダクタンスとダイオードで構成された直列回路を除いて、これらの二つのコンデンサ間に何の接続もない。
【００１０】
例えば、ピックオフとスイッチングトランジスタ間の一次コイル部と、ピックオフと蓄電コンデンサに接続された一次コイルの末端との間のコイル部、の間の巻率は２：１である。その率は、一つの電源サイクルの間の補助充電電流の持続期間を決める。
【００１１】
一次コイルのピックオフはまた、トランスの補助コイルの末端の一つで構成され、もう一つの末端は、一次コイルの末端の一つに接続される。この場合、複数の並行接続補助コイルが備えられる。一次コイル自身は、この場合に、チャンバーコイル構成器の個々のチャンバーに置かれる多数のコイル部と、各チャンバーに置かれている補助コイルに分割する。このようなチャンバーコイル構成器は、コイル間で閉対で製作する。この解決の場合、一つの補助ピンのみが、更にトランスで必要とされる。
【００１２】
小容量電荷コンデンサは、およそ０．５μＦの容量が望ましく、一方、大容量蓄電コンデンサは、およそ１００μＦの容量を持つ。
【００１３】
電荷コンデンサは、この場合、電源ライン電圧の０交差の範囲でその電圧が０に落ちないが、代わりにそこで一定値を保つような容量にする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、スイッチモード電源の構成を示す。この図は、電源ライン電圧ＵＮ、電源ライン整流器ＢＲ、電流制限抵抗Ｒ１、電荷コンデンサＣＮ、一次コイルＷ１と二次コイルＷ２を持つトランスＴｒ、スイッチングトランジスタＴ１、負荷Ｒ２と制御回路ＳのためのフィルタコンデンサＣ１の動作電圧ＵＢを出すダイオードＤ１、で構成される。制御回路Ｓは、二次コイルで供給され、動作電圧ＵＢを安定化する機能の切替えを制御する。電荷コンデンサＣＮと蓄電コンデンサＣＳは、デカップリングダイオードＤＮを用いて、互いに非干渉となる。加えて、インダクタンスＬＨとダイオードＤＨで構成された直列回路は、電荷コンデンサＣＮと一次コイルＷ１のピックオフＡの間に挿入される。
【００１５】
この回路の動作過程は、図２に参照して説明される。図２ａは、電源ライン電圧ＵＮの一つの半サイクルを示す。特に考慮をしていないスイッチモード電源は、最大ＵＮの、パルス形で発生するｉＮ１を電源ラインからとり出す。
【００１６】
この電流は、電源ラインの高調波負荷の既存または将来的な規制に矛盾する。そのとき電流ｉＮ２は、図１の補助電流調節の結果、望ましい動作で電源ラインから出る。電流ｉＮ２は、電源ラインの半サイクルの間、長い持続と小さい増幅となり、ＵＮに比例する非常に良い近似に理想波形になる。
【００１７】
図２ｂによる電荷コンデンサＣＮの電圧ＵＣＮは、相当する小容量電荷コンデンサＣＮの電力係数［ｓｉｃ］の結果として、発振している正弦波電圧である。しかしながら、正弦波電圧は、ＵＮの０交差の範囲で０に落ちないが、そこで一定した値を保つ。大容量蓄電コンデンサＣＳの電圧ＵＣＳは、実際に半サイクルの間ドロップしない、フィルタされたＤＣ電圧である。ダイオードＤＮは、ＣＳに対する第一充電パスを構成する。しかし、ダイオードＤＮ自身は、望ましくない高長波を持つ電流ｉＮ１を出す。そのときＬＨとＤＨで構成された直列回路は、ＣＳに対する第二充電パスを構成する。ＬＨの値とピックオフＡの特別な選択の結果として、補助充電電流が、ＵＮの最大の範囲でＣＳに流れる。この充電電流は、より長い持続と、ｉＮ１よりも小さい増幅を保つ。そのために電源ラインから出る電流は、例えば図２ａのように、形ｉＮ１から形ｉＮ２へ転換される。
【００１８】
図２ｄは、電源ラインから出る電流に対する規制を表わすウインドウＦを示す。短い持続のために、図２ａによる電流ｉＮ１は、このウインドウの中に置かれ、望んでいるようなｉＮ２の形を想定しない。しかし図２ｄによる電流ｉＮ２は、ウインドウＦによって構成されたエッジを越えて、十分長く持続を保つために、要求される形になる。図２によるｉＮ２は、もしダイオードＤＮが逆バイアスで存続したり、備えられないとき流れる。
【００１９】
もしＤＮが、補助的な正バイアスであるならば、電流ｉＮ３はまた更に流れる。
【００２０】
ＣＳに対する充電パスのような機能に加えて、ダイオードＤＮはまた、以下のような有利な効果を持つ。：ＤＮの影響の結果として、実際問題、電圧ＶＣＮは、ＣＳの電圧ＵＣＳよりも正になることができない。一方、実際問題、電圧ＵＣＳは、大容量蓄電コンデンサＣＳのために、パルスのように変化できない。結果として、電源ライン整流器ＢＲの出力や電荷コンデンサＣＮの妨害パルスＮは、望ましい方法でこのように抑えられる。
【００２１】
図３は、ピックオフＡの実装に関して、図１による回路の変更を示す。ピックオフＡは、トランスＴｒの補助コイルＷ３で構成される。補助コイルＷ３は、三つの並列接続されたコイル部Ｗ３ａ、Ｗ３ｂ、Ｗ３ｃから構成する。一次コイルＷ１は、三つのコイル部Ｗ１ａ、Ｗ１ｂ、Ｗ１ｃと同様に分けられる。二つの対応したコイル部、すなわちＷ１ａとＷ３ａ、Ｗ１ｂとＷ３ｂ、Ｗ１ｃとＷ３ｃは、各々チャンバーコイル構成器の一つのチャンバーの中に一緒に置かれる。チャンバーコイル構成器は、コイル間で特に閉対となり、製造技術の点から経済的に生産できる。図３による解決は、補助接続ピンまたは明らかにピックオフＡのピンの一つだけが、トランスＴｒで必要とされる。一方、図３による回路は、図１による回路と同じ方法で動作する。
【００２２】
図４は、トランスＴｒの一例である。チャンバートランスは、個々のチャンバーに対して分かれた一次コイルと並列に置かれる。これらタッピングコイルは、並列に接続される。
【００２３】
図５は、トランスＴｒのタッピングの更に進んだ例を示す。タッピングコイルは、並列に接続され、一次コイルのタッピングに補助的に接続される。
【００２４】
図６は、この発明の発展を示す。この回路は、図１による回路と同じ方法で構成される。しかし、この回路は絶縁トランスを持たないが、ステップダウン回路と呼ばれるように構成される。この場合に、図１と同じ部分は、同じ参照シンボルで示される。スイッチングトランジスタＴ１までの回路の左手部分は、電源ラインの高調波負荷を軽減するために使われる。スイッチングトランジスタからの回路の右手部分は、負荷Ｒ２の動作電圧ＵＢを何度も出すステップダウン回路と呼ばれる。トランスＴｒ２の二次コイルＷ２は、ステップダウン回路のインダクタンスを構成する上記トランスＴｒ２の一次コイルＷ１である、インダクタンスＬＨに直列に接続される。電源ラインの高調波負荷のような、高調波負荷を軽減するために、ステップダウン回路からその回路にフィードバックする結果として、１サイクルの間、電源ライン整流器ＢＲから持続して流れるその電流は、何度も拡大される。図６による回路は、複数の利点がある。
【００２５】
高調波負荷を軽減する回路と図６によるステップダウン回路の組合せの結果として、前もって必要とされる複数の部品が不要となる。特に、一つのスイッチングトランジスタＴ１だけは、既知の回路と比較して、両方の回路で必要とされる。例えば具体的に言うと、インダクタンスＬＨは、既知の回路と比較して、５００μＨから７５μＨに、かなり減らされる。一つのスイッチングトランジスタＴ１だけが、両方の回路で使われていることの結果として、一つの制御回路はまた全体に渡ることを必要とされる。図６による回路は、特に説明した負荷Ｒ２を意味する、メタルｈａｌｉｄｅランプを制御するためには適切である。トランスＴｒ２の巻率は、およそＷ１：Ｓ２＝２：１である。
【００２６】
図７は、図６による回路を簡単にした例を示す。
【００２７】
図６に説明されたインダクタンスＬＨは、トランスＴｒ２の二次コイルＷ２がインダクタンスから離れて構成されたが、図７ではもはや必要とされない。結果としてインダクタンスＬＨは、インダクタンスの構成で離れた部品として、もはや必要とされない。
【００２８】
図８は、トランスＴｒ２の実際の例を示す。一次コイルＷ１と二次コイルＷ２は、チャンバーコイル構成器Ｃの二つのチャンバーＫ１とＫ２の中に置かれる。チャンバーＫ１とＫ２は、巻かれない中間空間Ｂを用いて、コイル構成器Ｃの軸方向に互いに別々の場所に置かれる。インダクタンスＬＨを実装するための、二次コイルＷ２に対する離れたインダクタンスは、この分離部Ｂの選択によって調節できる。
【００２９】
実際に試験した回路の場合、部品は以下の値にした。
ＣＮ：０．７μＦ
ＣＳ：１００μＦ
ＬＨ：３００μＨ（図６のみ７５μＨ）
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の模範的具体例を示す。
【図２ａ】図１による回路の動作過程を説明するためのグラフを示す。
【図２ｂ】図１による回路の動作過程を説明するためのグラフを示す。
【図２ｃ】図１による回路の動作過程を説明するためのグラフを示す。
【図２ｄ】図１による回路の動作過程を説明するためのグラフを示す。
【図３】この発明の発展例を示す。
【図４】この発明の別の実施例を示す。
【図５】この発明の別の実施例を示す。
【図６】この発明の別の実施例を示す。
【図７】図６による回路を簡単にした変更を示す。
【図８】図６と図７による回路で使われたトランスの物理的な図を示す。
【符号の説明】
ＬＨ  インダクタンス
ＤＨ  ダイオード
Ｔｒ  トランス
Ａ  一次コイルのピックオフ
Ｗ１  一次コイル
ＣＮ、ＤＮ  電荷コンデンサ
ＵＮ  電源ライン電圧
ＣＳ  蓄電コンデンサ
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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