(57)【要約】【課題】  比較的安価で小型の部品のみでＡＣ／ＤＣ電源装置の電力損失を極力減らし、かつ出力電圧の安定化を保つＡＣ／ＤＣ電源装置を提供する。【解決手段】  ＡＣ／ＤＣ電源装置において、ＡＣ電圧を整流して得られたＤＣ電圧を入力電圧とし、主スイッチング素子であるＰＮＰトランジスタＱ４３に並列に接続された、電位差検出回路７を有して、前記主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３の入出力電位差と、前記電位差検出回路７の電位差比較値とを比較し、その比較結果に応じて、前記トランジスタＱ４３がオン又はオフする。即ち、電力損失が多い入力電圧の上限付近では、トランジスタＱ４３をオフして、電力損失を低減する。【選択図】図２
2011034411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電圧を電圧整流装置により整流してＤＣ電圧を作る電圧整流装置と、主スイッチング素子を制御することで安定した出力電圧を出力するシリーズレギュレータと、を備えたＡＣ／ＤＣ電源装置であって、
前記主スイッチング素子に並列に接続された電位差検出回路を有し、
前記電圧整流装置により整流されたＤＣ電圧を入力電圧とし、
前記主スイッチング素子の入出力電位差が前記電位差検出回路の電位差比較値よりも高いとき、前記主スイッチング素子をオフすることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、
前記電位差検出回路は、それぞれ直列に接続されたフォトカプラと、抵抗と、ツェナーダイオードで構成されていることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置。
【請求項３】
請求項１に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、
前記電位差検出回路は、それぞれ直列に接続されたフォトカプラと、抵抗と、ダイオードで構成されることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置。
【請求項４】
請求項１に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、
前記電位差検出回路は、直列に接続されたフォトカプラと、抵抗とで構成されることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、
前記シリーズレギュレータと負荷の間に、他のシリーズレギュレータを接続したことを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＣ電圧から整流回路、シリーズレギュレータを介してＤＣ電圧を得るＡＣ／ＤＣ電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流（ＡＣ）電圧から直流（ＤＣ）電圧を得るＡＣ／ＤＣ電源装置において、ＡＣ電圧を整流、平滑した後、シリーズレギュレータを介することで安定した出力電圧を得ている。
ここで、シリーズレギュレータは、安定的な直流電圧を得るための電力変換方式の一つであり、シリーズレギュレータの入出力間電圧降下を制御して出力電圧を一定に維持する機能を有し、電源リプルやノイズが少なく、安定性が高く、回路面積も小さく、低価格である等メリットが多い。
【０００３】
図６は、従来のシリーズレギュレータを備えたＡＣ／ＤＣ電源装置の回路図である。
図６に示すように、ＡＣ／ＤＣ電源装置１００は、入力電源となるＡＣ電源１と、ＡＣ電源１を整流するダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２で整流された電圧を平滑するコンデンサ３と、シリーズレギュレータ４と、出力平滑用コンデンサ５と、ＡＣ／ＤＣ電源装置１００の負荷となる等価抵抗６（以下、負荷６）からなっている。
【０００４】
シリーズレギュレータ４は、図６に示すように、主スイッチング素子であるＰＮＰトランジスタＱ４３のエミッタには直流入力電圧Ｖｉｎが印加され、そのコレクタには逆流防止用ダイオードＤ４を介してコンデンサ５の正極が、また、そのベースには抵抗Ｒ４３を介してＮＰＮトランジスタＱ４２のコレクタがそれぞれ接続されている。また、コンデンサ５の正極は、抵抗Ｒ４１、Ｒ４２を介してトランジスタＱ４２のベースが接続されている。抵抗Ｒ４２の一端はベースにツェナーダイオードＺＤ４を接続したＮＰＮトランジスタＱ４１が接続されており、他端は、トランジスタＱ４２のベース及びトランジスタＱ４１のコレクタに接続されている。トランジスタＱ４１、Ｑ４２のエミッタは共にコンデンサ５の負極に接続されている。また、主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３のエミッタとコレクタに抵抗Ｒ４４が接続されている。
【０００５】
次に、以上のように構成された、ＡＣ／ＤＣ電源装置１００の基本動作を説明する。
ＡＣ／ＤＣ電源装置１００は、ＡＣ電源１から交流電圧Ｖａｃが印加されると、交流電圧Ｖａｃはまず、ダイオードブリッジ２により整流されて、平滑用コンデンサ３がピーク充電される。また、電源投入直後は主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３がオフ状態になるため、ピーク充電されたコンデンサ３からの電流により、抵抗Ｒ４４のみを介して出力平滑用コンデンサ５が充電される。
【０００６】
即ち、ツェナーダイオードＺＤ４のツェナー電圧をＶ４とすると、コンデンサ５の両端の電圧Ｖ５が所定の電圧Ｖ０（Ｖ０＝Ｖ４×（１＋Ｒ４１／Ｒ４２））に満たない場合には、電圧Ｖ５により、Ｒ４１、Ｒ４２を介してＮＰＮトランジスタＱ４２にベース電流が流れてＮＰＮトランジスタＱ４２がオンし、トランジスタＱ４２がオンするとＰＮＰトランジスタＱ４３がオンするため、ピーク充電されたコンデンサ３から電流が、ＰＮＰトランジスタＱ４３のエミッタからコレクタに流れ、コンデンサ５は急速に充電されてＶ５＝Ｖ０となる。
【０００７】
コンデンサ５の両端の電圧Ｖ５が所定の電圧Ｖ０以上になると、ツェナーダイオードＺＤ４の両端の電位差がツェナー電圧Ｖ４以上になり、ツェナーダイオードＺＤ４に電流が流れ、ＮＰＮトランジスタＱ４１がオンし、したがってＮＰＮトランジスタＱ４２がオフするため、主スイッチング素子であるＰＮＰトランジスタＱ４３はオフし、コンデンサ３からコンデンサ5への電力の供給が遮断される。
なお、上述の説明では、動作が明確になるよう、各トランジスタの動作をオン、オフで表したが、実際には完全なオン、オフではなく、Ｖ５＝Ｖ０となるような平衡点でも各トランジスタは動作を完全に停止しているわけではない。
【０００８】
この従来例によると、コンデンサ５の両端の電圧Ｖ５＝所定の電圧Ｖ０の状態では、ＰＮＰトランジスタＱ４３の入出力間電圧がＶｉｎ＝Ｖ０となるようトランジスタＱ４３のベース電流が制御され、負荷６に安定的な直流電圧を供給することができる。
なお、ダイオードＤ４はＡＣ入力電圧が低下したときなどに、コンデンサ５の電荷がコンデンサ3に逆流することを防止するためのものであるが、負荷６の特性によっては逆流の問題ない場合もあり、その場合Ｄ４は必ずしも必要ではない。
【０００９】
このように、シリーズレギュレータは、変動する交流電圧から安定した直流電圧を取り出すことができる。しかし、シリーズレギュレータは原理上、入出力間の電位差を必要とするため、この入出力間の電圧差により損失が発生する。この損失は、ＰＮＰトランジスタＱ４３を流れる電流と、トランジスタＱ４３の入出力間の電圧との積を時間積分にしたものなので、入力電圧が高くなるほど、電力損失は大きくなる。この電力損失は全て熱になるため素子が過熱して破損する恐れがあるという問題もある。
【００１０】
シリーズレギュレータの上記の熱の発生に対しては、例えば、ヒートシンクにより発生損失を効率よく逃がしたり、シリーズレギュレータ４のトランジスタＱ４３に直列抵抗を挿入して損失の分散を図ったり、シリーズレギュレータ４のトランジスタＱ４３の機能を並列化又は直列化して主スイッチング素子一個当たりの損失を減らしたりしている。
【００１１】
しかし、上述の対策は、熱を分散し、機器の保護が目的であって、発生電力損失自体が減少するわけではなく、熱対策を講じると装置が大型化し、価格面における影響も少なくない。
また、入力電圧の変動が小さい場合でも、高いＡＣ電圧から相対的に低いＤＣ電圧を作る場合、その電圧差が大きい場合には、シリーズレギュレータの電力損失を抑えるためにトランスを用いて適正な電圧まで下げることが考えられるが、これもまた結局装置の大型化をもたらし、コストも掛かるなどの問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、ＡＣ／ＤＣ電源装置における上記従来の問題に鑑みなされたものであって、その目的は、ＡＣ／ＤＣ電源装置において、比較的安価で小型の部品のみを用いてＡＣ／ＤＣ電源装置の電力損失を極力減らし、かつ出力電圧を安定化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）本発明は、ＡＣ電圧を整流してＤＣ電圧を作る電圧整流装置と、主スイッチング素子を制御することで安定した出力電圧を出力するシリーズレギュレータと、を備えたＡＣ／ＤＣ電源装置であって、前記主スイッチング素子に並列に接続された電位差検出回路を有し、前記電圧整流装置により整流されたＤＣ電圧を入力電圧とし、前記主スイッチング素子の入出力電位差が前記電位差検出回路の電位差比較値よりも高いとき、前記主スイッチング素子をオフすることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置である。
（２）本発明は、上記（１）に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、前記電位差検出回路は、それぞれ直列に接続されたフォトカプラと、抵抗と、ツェナーダイオードで構成されていることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置である。
（３）本発明は、上記（１）に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、前記電位差検出回路は、それぞれ直列に接続されたフォトカプラと、抵抗と、ダイオードで構成されることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置である。
（４）本発明は、上記（１）に記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、前記電位差検出回路は、直列に接続されたフォトカプラと、抵抗とで構成されることを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置である。
（５）本発明は、上記（１）ないし（４）のいずれかに記載されたＡＣ／ＤＣ電源装置において、前記シリーズレギュレータと負荷の間に、他のシリーズレギュレータを接続したことを特徴とするＡＣ／ＤＣ電源装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に記載のＡＣ／ＤＣ装置によれば、比較的安価で小型の部品のみでＡＣ／ＤＣ電源装置の電力損失を極力減らし、かつ同時に出力電圧を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置の構成回路図である。
【図２】ＤＣ入力電圧Ｖｉｎと、出力電圧Ｖ５と、トランジスタＱ４３の電位差Ｖｒとの関係を示す図である。
【図３】ダイオードを用いた場合のシリーズレギュレータ制御回路の構成図である。
【図４】ツェナーダイオード又はダイオードを省いたシリーズレギュレータ制御回路の構成図である。
【図５】第一実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置と従来のＡＣ／ＤＣ電源装置を組み合わせたＡＣ／ＤＣ電源装置の回路図である。
【図６】従来のシリーズレギュレータを備えたＡＣ／ＤＣ電源装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置の構成回路図であり、図６に示す従来のＡＣ／ＤＣ電源装置のコンデンサ３を除去し、代わりに電位差検出回路７を追加した構成である。
電位差検出回路７は、図１に示すように、互いに直列に接続されたダイオード特性を有する素子、ここではフォトカプラＰＣ７と、ツェナーダイオードＺＤ７と、抵抗Ｒ７とで構成されている。ツェナーダイオードＺＤ７のツェナー電圧をＶＺ７（一般的に１０〜２０Ｖ）、フォトカプラＰＣ７の入力ダイオードの順電圧降下をＶＦとすると、Ｖｒ＝ＶＺ７＋ＶＦにより与えられる所定の電位差Ｖｒと、シリーズレギュレータ４の入力電圧Ｖｉｎ、コンデンサ５の電圧Ｖ５の関係がＶｉｎ−Ｖ５≧Ｖｒとなったときに、フォトカプラＰＣ７の入力ダイオードに電流が流れ、フォトカプラＰＣ７の出力ダイオードがオンし、トランジスタＱ４２のベース電流が遮断されてトランジスタＱ４２がオフするため、トランジスタＱ４３がオフする。
また、Ｖｉｎ−Ｖ５＜Ｖｒでは、フォトカプラＰＣ７の出力ダイオードがオフであるため、トランジスタＱ４２のベース電流が流れてトランジスタＱ４２がオンするため、トランジスタＱ４３がオンする。
【００１７】
このように、主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３の入出力間の電位差が所定値より小さい、つまりＶｉｎ−Ｖ５＜Ｖｒ（与えられる所定の電位差）の時だけトランジスタＱ４３に電流が流れ、トランジスタＱ４３の入出力間の電位差が所定値より大きい、つまりＶｉｎ−Ｖ５≧Ｖｒの区間では電流がオフする。つまり、電力損失が増大する入力電圧の高い領域では、トランジスタＱ４３をオフするため、その電力損失は大幅に抑えられる。
【００１８】
図２は、ＡＣ入力電圧を全波整流（もしくは半波整流）して得られたＤＣ入力電圧Ｖｉｎと、出力電圧Ｖ５と、トランジスタＱ４３の電位差Ｖｒとの関係を示す図である。
図２に示すように、ΔＴ１、ΔＴ２は、Ｖｉｎ＞Ｖ５（入出力の電位差が必要）とＶｉｎ−Ｖ５＜Ｖｒとの間の区間であり、このΔＴ１、ΔＴ２の区間のみトランジスタＱ４３はオンし、その以外の区間ではトランジスタＱ４３はオフする。これによりＡＣ入力電圧Ｖａｃが高くなった場合でもトランジスタＱ４３の損失は増加しなくなる。
【００１９】
ここで、本実施形態においては、従来例にあるコンデンサ３は削除されている。その理由は、コンデンサ３は整流された入力電圧を平滑するため、トランジスタＱ４３の入出力間の電位差と所定の電圧Ｖｒの過渡的な比較が困難になるためである。
【００２０】
（第２の実施形態）
図１のＡＣ／ＤＣ電源装置において、負荷６が軽い場合には、シリーズレギュレータ制御回路７のツェナーダイオードＺＤ７の代わりにダイオードＤ７を使用してもよい。
図３は、ダイオードＤ７を用いた場合のシリーズレギュレータ制御回路７の構成図である。この実施形態においては、トランジスタＱ４３をオフさせる所定の電位差Ｖｒは、ダイオードＤ７の順電圧降下ＶＤ７と、フォトカプラＰＣ７の入力ダイオードの順電圧降下ＶＦとの合計である。即ち、Ｖｒ＝ＶＤ７＋ＶＦとなる。この場合、ΔＴ１においては、トランジスタＱ４３が動作している場合、コンデンサ５の両端の電圧Ｖ５が所定の電圧Ｖ０まで上昇していくため、ツェナーダイオードＺＤ７でも、ダイオードＤ７でも電圧の制御性には大差はない。しかし、ダイオードＤ７の順電圧降下ＶＤ７は一般的に０．５〜１Ｖであり、第１の実施形態で用いたツェナーダイオードＺＤ７のツェナー電圧ＶＺ７比べて低いことから、図２においてシリーズレギュレータ４を機能させる時間ΔＴ２は、ツェナーダイオードＺＤ７を使用する場合より短くなる。そのため、出力電圧Ｖ５は第１の実施形態に比べてやや安定性は低くなり、出力電圧リプルが大きくなるが、主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３の損失は、第１の実施形態のものよりも少なくなる利点がある。
【００２１】
（第３の実施形態）
さらに、出力側の負荷６が軽負荷の場合は、フォトカプラＰＣ７の入力ダイオードの順電圧降下のみを利用することができる。
図４は、ツェナーダイオードＺＤ７又はダイオードＤ７を省いた電位差検出回路７の構成図である。この場合、主スイッチング素子であるトランジスタＱ４３をオフさせる所定の電位差Ｖｒは、フォトカプラＰＣ７の入力ダイオードの順電圧降下ＶＦのみ、つまりＶｒ＝ＶＦである。
本実施形態では、このように部品を極力省くことでＡＣ／ＤＣ電源装置の簡素化、低コスト化を実現している。一方、シリーズレギュレータ４を機能させる時間ΔＴ２は、さらに短くなり、トランジスタＱ４３の損失は第２の実施形態のものよりもさらに少なくなる利点がある。ただ、負荷が大きい場合には出力電圧リプルが更に大きくなるため、軽負荷又は電圧の安定性をあまり必要としない負荷に用いることができる。
【００２２】
（第４の実施形態）
第１〜３の実施形態によれば、出力電圧は直流入力電圧Ｖｉｎが出力電圧を超え、かつ所定の電圧以下である場合にしか制御されず、出力電圧の非制御区間が存在する。そのため、従来と同じ容量の平滑コンデンサ5の場合、出力電圧の安定性は従来に比べ若干悪くなる。
そこで、第４の実施形態は、この問題を解決するため、シリーズレギュレータと負荷の間に、もう一つのシリーズレギュレータと平滑用コンデンサを追加することにより出力電圧の安定化を保つようにしている。
【００２３】
図５は、第１の実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置に、更にシリーズレギュレータを付加したＡＣ／ＤＣ電源装置の回路図である。図６に示すように、平滑用コンデンサ５と負荷6の間に、従来例で示したシリーズレギュレータ４aと、平滑用コンデンサ５aが接続されている。この場合、シリーズレギュレータ４とコンデンサ５で、所望の出力電圧より高めの電圧を作ることにより、シリーズレギュレータ４aの入出力間電位差が小さくなり、シリーズレギュレータ４aの電力発生損失を低減させることができる。
【００２４】
このように、シリーズレギュレータ４aを付加することによって、第１の実施形態における電力損失を更に低減することができ、かつ同時に安定して直流電圧を取り出すことができるＡＣ／ＤＣ電源装置を得ることができる。
なお、シリーズレギュレータ4aを付加する対象となるＡＣ／ＤＣ電源装置は、上記第１の実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置に限らず、それよりも効果の点では落ちるものの第２及び第３の実施形態のＡＣ／ＤＣ電源装置でもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・ＡＣ電源、２・・・ダイオードブリッジ、３・・・コンデンサ、４・・・シリーズレギュレータ、５・・・出力平滑用コンデンサ、６・・・負荷、７・・・電位差検出回路、１００・・・ＡＣ／ＤＣ電源装置、Ｄ４、Ｄ７・・・ダイオード、Ｒ７、Ｒ４１〜Ｒ４４・・・抵抗、ＰＣ７・・・フォトカプラ、Ｑ４１、Ｑ４２・・・ＮＰＮトランジスタ、Ｑ４３・・・ＰＮＰトランジスタ、ＺＤ４、ＺＤ７・・・ツェナーダイオード。
【図１】
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【図２】
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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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