(57)【要約】【課題】  商用電源の交流電圧に対する重畳ノイズ及び波形歪みに対して、ゼロクロスを定周期にかつ安定に検出することができるゼロクロス検出回路を実現する。【解決手段】  交流電圧がゼロ電位をクロスするタイミングに同期したパルス信号を生成するゼロクロス検出回路において、前記交流電圧の正の半サイクル又は負の半サイクルの少なくともいずれかに同期した矩形波信号を生成する矩形波変換手段と、前記矩形波信号によりトリガされるモノステイブルマルチバイブレータ手段とを備える。【選択図】                    図１
2006258698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧がゼロ電位をクロスするタイミングに同期したパルス信号を生成するゼロクロス検出回路において、
前記交流電圧の正の半サイクル又は負の半サイクルの少なくともいずれかに同期した矩形波信号を生成する矩形波変換手段と、
前記矩形波信号によりトリガされるモノステイブルマルチバイブレータ手段と、
を備えたことを特徴とするゼロクロス検出回路。
【請求項２】
前記矩形波変換手段は、前記交流電圧の正の半サイクルに同期する矩形波信号を生成する第１矩形波変換手段と、前記交流電圧の負の半サイクルに同期する矩形波信号を生成する第２矩形波変換手段と、
よりなることを特徴とする請求項１に記載のゼロクロス検出回路。
【請求項３】
前記モノステイブルマルチバイブレータ手段は、前記正の半サイクルに同期する矩形波信号でトリガされる第１モノステイブルマルチバイブレータ手段と、前記負の半サイクルに同期する矩形波信号でトリガされる第２モノステイブルマルチバイブレータ手段と、
よりなることを特徴とする請求項２に記載のゼロクロス検出回路。
【請求項４】
前記第１モノステイブルマルチバイブレータ手段の出力パルス信号と、前記第２モノステイブルマルチバイブレータ手段の出力パルス信号との論理和を演算する論理回路を備えることを特徴とする請求項３に記載のゼロクロス検出回路。
【請求項５】
前記モノステイブルマルチバイブレータ手段は、リトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のゼロクロス検出回路。
【請求項６】
前記交流電圧を供給する回路を、他の回路要素より直流的に絶縁するための直流絶縁手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のゼロクロス検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧がゼロ電位をクロスするタイミングに同期したパルス信号を生成するゼロクロス検出回路に関する。ゼロクロス検出回路は、電力測定関連製品など電源位相を使用する製品に広く使用されている。
【背景技術】
【０００２】
ゼロクロス検出回路に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平２−２２３２１８号公報
【０００４】
図６は、ゼロクロス検出回路の基本構成を示す機能ブロック図である。１は商用電源である。２は直流絶縁・整流手段であり、商用電源１の電圧Ｅを入力し、直流絶縁した後に全波整流した信号Ｆを出力する。３はスレッシュホールド値Ｌを有するコンパレータであり、信号Ｆがスレッシュホールド値以下の期間にパルス信号Ｐｏを生成し、これをゼロクロス検出信号とする。
【０００５】
図７は、特許文献１に開示されているゼロクロス検出回路の回路構成図である。商用電源１の交流電圧Ｅは、半サイクル毎にフォトカプラ手段２１及び２２を介して直流絶縁及び等価的な全波整流が実行される。フォトカプラ手段２１より得られる一方の半サイクル信号Ｆ１でモノステイブルマルチバイブレータ４をトリガする。
【０００６】
モノステイブルマルチバイブレータ４の出力パルスＰ１と、フォトカプラ手段２２より得られる他方の半サイクル信号Ｆ２を直接増幅した信号Ｐ２とを、ダイオード５１及び５２よりなる論理和回路で加算した信号をゼロクロス検出信号Ｐｏとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図８は、図６に示した機能ブロック図の各部の信号波形図である。図８（Ａ）は交流電圧Ｅの波形、（Ｂ）はそれを全波整流した信号Ｆの波形、（Ｃ）は信号Ｆがスレッシュホールド値Ｌ以下の期間にオンとなるパルス信号Ｐｏの波形である。
【０００８】
交流電圧Ｅの波形が、図８（Ａ）のようにきれいな正弦波の場合では、（Ｃ）のようにゼロクロスのタイミングで安定した１個のパルス信号Ｐｏを得ることができるが、重畳するノイズにより交流電圧Ｅが乱れた場合や、波形歪を受けた場合には、安定したゼロクロス検出ができなくなる問題がある。
【０００９】
図９は、交流電圧Ｅが重畳するノイズにより乱れた場合の波形図である。図９（Ａ）に示すように、交流電圧Ｅがゼロクロスの近傍でスレッシュホールド値Ｌを複数回に渡って往復することにより、（Ｂ）に示すようにパルス信号Ｐｏが連続して２回以上発生する。このため、定周期のゼロクロス波形を得ることができない。
【００１０】
図１０は、交流電圧Ｅが波形歪を受け矩形波のようになった場合の波形図である。図１０（Ａ）のタイミングｔ１及びｔ２では、ゼロクロス近傍の交流電圧Ｅの変化が急峻で、短時間でスレッシュホールド値Ｌをよぎるために、（Ｂ）に示すパルス信号Ｐｏは急峻なパルス信号となり、十分なパルス幅を得ることができない。最悪の場合、タイミングｔ３のようにパルス信号Ｐｏが欠落してしまい、同様に、定周期のゼロクロス波形を得ることができない。
【００１１】
図７に示した、交流電圧の半サイクルに対応してモノステイブルマルチバイブレータ４をトリガする構成では、モノステイブルマルチバイブレータ４が作動する一方の半サイクルでは交流電圧に重畳するノイズで複数のゼロクロス信号が発生するおそれはないが、他方の半サイクルでは問題が解決されない。
【００１２】
更に、モノステイブルマルチバイブレータ４は、フォトカプラ手段２１の出力を増幅した信号Ｆ１で直接トリガされるので。交流信号Ｅがノイズで乱されている場合には、安定してトリガがかからず、信号Ｐ１が欠落する可能性があり、全体として定周期のゼロクロス波形を安定に得ることができない。
【００１３】
従って本発明が解決しようとする課題は、商用電源の交流電圧に対する重畳ノイズ及び波形歪みに対して、ゼロクロスを定周期にかつ安定に検出することができるゼロクロス検出回路を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）交流電圧がゼロ電位をクロスするタイミングに同期したパルス信号を生成するゼロクロス検出回路において、
前記交流電圧の正の半サイクル又は負の半サイクルの少なくともいずれかに同期した矩形波信号を生成する矩形波変換手段と、
前記矩形波信号によりトリガされるモノステイブルマルチバイブレータ手段と、
を備えたことを特徴とするゼロクロス検出回路。
【００１５】
（２）前記矩形波変換手段は、前記交流電圧の正の半サイクルに同期する矩形波信号を生成する第１矩形波変換手段と、前記交流電圧の負の半サイクルに同期する矩形波信号を生成する第２矩形波変換手段と、
よりなることを特徴とする（１）に記載のゼロクロス検出回路。
【００１６】
（３）前記モノステイブルマルチバイブレータ手段は、前記正の半サイクルに同期する矩形波信号でトリガされる第１モノステイブルマルチバイブレータ手段と、前記負の半サイクルに同期する矩形波信号でトリガされる第２モノステイブルマルチバイブレータ手段と、
よりなることを特徴とする（２）に記載のゼロクロス検出回路。
【００１７】
（４）前記第１モノステイブルマルチバイブレータ手段の出力パルス信号と、前記第２モノステイブルマルチバイブレータ手段の出力パルス信号との論理和を演算する論理回路を備えることを特徴とする（３）に記載のゼロクロス検出回路。
【００１８】
（５）前記モノステイブルマルチバイブレータ手段は、リトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータであることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のゼロクロス検出回路。
【００１９】
（６）前記交流電圧を供給する回路を、他の回路要素より直流的に絶縁するための直流絶縁手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のゼロクロス検出回路。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）交流電圧の正の半サイクル又は負の半サイクルの少なくともいずれかに同期した矩形波信号を生成する矩形波変換手段を導入することにより、モノステイブルマルチバイブレータ手段を確実にトリガすることができる。これにより、図９のようにノイズにより電源波形が乱れた場合にも、モノステイブルマルチバイブレータ手段で波形整形した定周期のゼロクロス信号を安定に得ることができる。
【００２１】
（２）交流電圧Ｅの波形が、図１０のように歪んで矩形波のようになった場合でも、正の半サイクル及び負の半サイクルの双方に矩形波変換手段を導入することにより、交流電圧の正→負と負→正のゼロクロスを矩形波信号で得ることが可能となる。従って、これをモノステイブルマルチバイブレータ手段で波形整形した定周期のゼロクロス信号を安定に得ることができる。
【００２２】
（３）モノステイブルマルチバイブレータ手段として、リトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータを用いることで、波形が不安定の場合でも交流電圧の半サイクル毎に必ず１個のゼロクロス検出信号を生成することが可能となり、定周期のゼロクロス信号を安定に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用したゼロクロス検出回路の一実施形態を示す機能ブロック図である。図６、図７で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。
【００２４】
図１において、１０１及び１０２は、交流電圧Ｅの正及び負の各半サイクルに対応した第１及び第２直流絶縁・整流手段であり、夫々信号Ｆ１及びＦ２を出力する。２０１及び２０２は、信号Ｆ１及びＦ２を入力する第１及び第２矩形波変換手段であり、信号Ｆ１及びＦ２に同期した矩形波信号Ｇ１及びＧ２を出力する。
【００２５】
３０１及び３０２は、夫々矩形波信号Ｇ１及びＧ２でトリガされる第１及び第２モノステイブルマルチバイブレータ手段であり、Ｇ１及びＧ２の立下りエッジ（又は立ち上がりエッジ）に同期した所定パルス幅を有するパルス信号Ｐ１及びＰ２を出力する。
【００２６】
４００は論理回路であり、パルス信号Ｐ１及びＰ２の論理和を演算し、最終的にゼロクロス検出信号Ｐｏを出力する。
【００２７】
図２は、図１に示した機能ブロックの具体的構成を示した回路構成図である。第１及び第２直流絶縁・整流手段１０１及び１０２は、図７に示したフォトカプラ手段２１及び２２と同一機能であり、直流絶縁及び等価的な全波整流を実行し、交流電圧Ｅの各半サイクルに同期した信号Ｆ１及びＦ２を出力する。
【００２８】
第１矩形波変換手段２０１は、信号Ｆ１を入力するインバータＡ１とその出力側に接続された抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ１よりなるフィルタ回路で構成され、矩形波信号Ｇ１を出力する。
【００２９】
同様に、第２矩形波変換手段２０２は、信号Ｆ２を入力するインバータＡ２とその出力側に接続された抵抗Ｒ２及びコンデンサＣ２よりなるフィルタ回路で構成され、矩形波信号Ｇ２を出力する。
【００３０】
第１モノステイブルマルチバイブレータ手段３０１は、矩形波信号Ｇ１の立下りエッジでトリガされ、抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ３で設定される時定数で決まるパルス幅を有するパルス信号Ｐ１を出力する。
【００３１】
同様に、第２モノステイブルマルチバイブレータ手段３０２は、矩形波信号Ｇ２の立下りエッジでトリガされ、抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ４で設定される時定数で決まるパルス幅を有するパルス信号Ｐ２を出力する。
【００３２】
これらパルス信号Ｐ１及びＰ２は、論理回路４００に入力され、論理和演算されて最終的なゼロクロス検出信号Ｐｏが出力される。
【００３３】
図３は、交流電圧がノイズや歪の影響を受けていない場合の各部の信号波形図である。図３（Ａ）は、交流電圧Ｅの波形図である。（Ｂ）は、フォトカプラ手段２０１から出力される正の半サイクルに対応する整流波Ｆ１の波形図、（Ｃ）は信号Ｆ１に同期した矩形波信号Ｇ１の波形図、（Ｄ）は矩形波信号Ｇ１の立下りでトリガされる第１モノステイブルマルチバイブレータ手段３０１のパルス信号Ｐ１の波形図である。
【００３４】
図３（Ｅ）は、フォトカプラ手段２０２から出力される負の半サイクルに対応する整流波Ｆ２の波形図、（Ｆ）は信号Ｆ２に同期した矩形波信号Ｇ２の波形図、（Ｇ）は矩形波信号Ｇ２の立下りでトリガされる第２モノステイブルマルチバイブレータ手段３０２のパルス信号Ｐ２の波形図である。
【００３５】
図３（Ｈ）は、最終的なゼロクロス検出信号Ｐｏの波形図であり、（Ｄ）に示す第１モノステイブルマルチバイブレータ手段３０１のパルス信号Ｐ１と、（Ｇ）に示す第２モノステイブルマルチバイブレータ手段３０２のパルス信号Ｐ２の論理和である。
【００３６】
本発明によれば、第１モノステイブルマルチバイブレータ手段３０１及び第２モノステイブルマルチバイブレータ手段３０２は、前段の第１矩形波変換手段２０１及び第２矩形波変換手段２０２の矩形波信号の立下りで確実にトリガされ、交流電圧Ｅの各半サイクル毎に確実にゼロクロス信号Ｐｏを生成することができる。
【００３７】
図４は、図９で説明したと同様に、交流電圧Ｅが重畳するノイズにより乱れた場合の波形図である。図４（Ａ）に示すように、交流電圧Ｅがゼロクロスの近傍でゼロ電位を複数回に渡って往復することにより、（Ｂ）に示すように正の半サイクルに対応する矩形波信号Ｇ１は複数回オンオフ変化する。
【００３８】
この矩形波信号でトリガされる第１モノステイブルマルチバイブレータ手段３０１は、（Ｃ）に示すように、矩形波信号Ｇ１の最初の立下りに同期してオンとなり、抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ３で設定される時定数で決まるパルス幅（Ａｍｓ）を有するパルス信号Ｐ１を出力する。
【００３９】
この時、モノステイブルマルチバイブレータとしてリトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータを用いた場合にはオンオフ変化の最後の立下りのタイミングからＡｍｓ継続するパルス幅の信号Ｐ１となる。
【００４０】
図４（Ｄ）は、負の半サイクルに対応する矩形波信号Ｇ２を示しており、（Ｂ）と同様に、交流電圧Ｅがゼロクロスの近傍でゼロ電位を複数回に渡って往復することにより、複数回オンオフ変化する。
【００４１】
この矩形波信号でトリガされる第２モノステイブルマルチバイブレータ手段３０２は、（Ｅ）に示すように、矩形波信号Ｇ２の最初の立下りに同期してオンとなり、抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ４で設定される時定数で決まるパルス幅（Ａｍｓ）を有するパルス信号Ｐ２を出力する。
【００４２】
この時、モノステイブルマルチバイブレータとしてリトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータを用いた場合にはオンオフ変化の最後の立下りのタイミングからＡｍｓ継続するパルス幅の信号Ｐ２となる。
【００４３】
このように、モノステイブルマルチバイブレータとしてリトリガラブルモノステイブルマルチバイブレータを用いた場合には、パルス信号Ｇ１及びＧ２のオンオフ変動でパルス信号Ｐ１及びＰ２のパルス幅が変化するが、交流電圧Ｅの各半サイクルで確実にゼロクロス検出できるメリットがある。
【００４４】
図５は、図１０で説明したと同様に、交流電圧Ｅが波形歪を受け矩形波のようになった場合の波形図である。図５（Ａ）は、交流電圧Ｅの波形図であり、タイミングｔ１乃至ｔ５ではゼロクロス近傍の交流電圧Ｅの変化が急峻である。
【００４５】
ゼロクロス近傍の交流電圧Ｅの変化が急峻であっても、図５（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように本発明によれば、矩形波変換手段２０１及び２０２は確実に作動し、矩形波信号Ｇ１及びＧ２が確実に得られるので、（Ｃ）及び（Ｅ）に示すようにモノステイブルマルチバイブレータ３０１及び３０２からパルス幅Ａｍｓの安定したパルス信号Ｐ１及びＰ２を得ることができる。
【００４６】
本発明は、電力測定関連機器のような、電源位相を必要とする製品一般に応用することができる。具体的には、電圧電流などの位相差により、電力の符号などを判定する回路等に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を適用したゼロクロス検出回路の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示した各機能ブロックの具体的構成を示した回路構成図である。
【図３】本発明の構成において、交流電圧がノイズや歪の影響を受けていない場合の各部の信号波形図である。
【図４】本発明の構成において、交流電圧が重畳するノイズにより乱れた場合の波形図である。
【図５】本発明の構成において、交流電圧が波形歪を受け矩形波のようになった場合の波形図である。
【図６】ゼロクロス検出回路の基本構成を示す機能ブロック図である。
【図７】特許文献１に開示されているゼロクロス検出回路の回路構成図である。
【図８】図６に示した機能ブロック図の各部の信号波形図である。
【図９】交流電圧が重畳するノイズにより乱れた場合の波形図である。
【図１０】交流電圧が波形歪を受け矩形波のようになった場合の波形図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  商用電源
１０１  第１直流絶縁・整流手段
１０２  第２直流絶縁・整流手段
２０１  第１矩形波変換手段
２０２  第２矩形波変換手段
３０１  第１モノステイブルマルチバイブレータ
３０２  第２モノステイブルマルチバイブレータ
４００  論理回路
【図１】
2006258698.tif 000003
【図２】
2006258698.tif 000004
【図３】
2006258698.tif 000005
【図４】
2006258698.tif 000006
【図５】
2006258698.tif 000007
【図６】
2006258698.tif 000008
【図７】
2006258698.tif 000009
【図８】
2006258698.tif 000010
【図９】
2006258698.tif 000011
【図１０】
2006258698.tif 000012