(57)【要約】【課題】簡素な回路構成により接点スパークを良好に防止可能な負荷駆動回路を提供すること。【解決手段】単相交流型のモータ（負荷）１は、互いに直列接続された第１のリレー２及び第２のリレー３の接点２１、３１の開閉により制御される。これら接点２１、３１と並列にソリッドステートリレー（ＳＳＲ）４が接続される。ＳＳＲ４は、接点２１、３１より先行してオンし、遅行してオフする。【選択図】図１
2008021612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷への給電を断続する接点を有するメカニカルリレー回路と、
前記メカニカルリレー回路の前記接点と並列接続された主電極を有する固体リレー回路と、
負荷給電指令及び負荷給電遮断指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び固体リレー回路を断続制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記負荷給電指令が入力された場合に、前記負荷給電指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び前記固体リレー回路にオンを指令するとともに前記メカニカルリレー回路の接点閉時点よりも先行して前記固体リレー回路をオンさせ、
前記負荷給電遮断指令が入力された場合に、前記負荷給電指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び前記固体リレー回路にオフを指令するとともに前記メカニカルリレー回路の接点開時点よりも遅れて前記固体リレー回路をオフさせることを特徴とする負荷駆動回路。
【請求項２】
請求項１記載の負荷駆動回路において、
前記制御回路は、
前記メカニカルリレー回路の前記接点開時点まで前記固体リレー回路のオンを持続する負荷駆動回路。
【請求項３】
請求項１又は２記載の負荷駆動回路において、
前記メカニカルリレー回路は、
互いに直列接続されたリレー（２）の接点（２１）及びリレー（３）の接点（３１）と、前記接点（２１）と並列接続された抵抗（Ｒ）とを有し、
前記制御回路は、
前記負荷給電指令が入力されている間、前記固体リレー回路（４）をオンさせる信号電圧Ｖｓ１を前記固体リレー回路（４）に出力する第１回路と、
前負荷給電指令が入力されている間、前記リレー（２）の励磁コイル（１９）に通電する第２回路と、
前記負荷給電指令が入力されてから所定時間遅れて前記リレー（３）の励磁コイル（２０）をオンし、前記負荷給電遮断指令が入力されてから所定時間遅れて前記リレー（３）の励磁コイル（２０）をオフする第３回路と、
前記リレー（３）の励磁コイル（２０）がオンされてから所定時間遅れて前記固体リレー回路（４）をオンさせ、前記リレー（３）の励磁コイル（２０）がフされてから所定時間遅れて前記固体リレー回路（４）をオフさせる信号電圧Ｖｓ２を前記固体リレー回路（４）に出力する第４回路とを有することを特徴とする負荷駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷駆動回路に関し、特に低コストで大電流の頻繁な断続が可能な負荷駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
インダクタンス負荷をリレーにより遮断する場合、接点スパーク防止が重要であり、下記の特許文献１は交流リレーのオフを、交流電圧のゼロクロス点を検出して行うことにより接点保護を行うことを提案している。
【特許文献１】特開２００４−１１１２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したゼロクロスオフは、交流負荷のオフには有効であるが、直流負荷のオフには有効ではない。また、上記したゼロクロスオフは、リレー遮断タイミングが交流電源電圧のゼロクロス点という特定タイミングに限定されてしまい、リレー遮断自由度が低下するという問題があった。また、リレーの励磁コイルへの通電電流を遮断してから、実際にリレーの接点が開くまでに相当の時間が必要なため、上記したゼロクロスオフは容易ではなかった。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素な回路構成により接点スパークを良好に防止可能な負荷駆動回路を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決する本発明は、負荷への給電を断続する接点を有するメカニカルリレー回路と、前記メカニカルリレー回路の前記接点と並列接続された主電極を有する固体リレー回路と、負荷給電指令及び負荷給電遮断指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び固体リレー回路を断続制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記負荷給電指令が入力された場合に、前記負荷給電指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び前記固体リレー回路にオンを指令するとともに前記メカニカルリレー回路の接点閉時点よりも先行して前記固体リレー回路をオンさせ、前記負荷給電遮断指令が入力された場合に、前記負荷給電指令に基づいて前記メカニカルリレー回路及び前記固体リレー回路にオフを指令するとともに前記メカニカルリレー回路の接点開時点よりも遅れて前記固体リレー回路をオフさせることを特徴としている。
【０００６】
すなわち、この発明は、メカニカルリレー回路の接点と並列接続された固体リレー回路の主電極を有し、この固体リレー回路をメカニカルリレー回路の接点閉動以前にオンし、接点開動以後にオフするので、メカニカルリレー回路の接点の作動時のスパークを防止することができる。
【０００７】
また、固体リレー回路の単独動作が必要な期間は、少なくともメカニカルリレー回路の接点が閉動又は開動する遷移期間だけでよいため、固体リレー回路自体は大幅に小型化することができる。すなわち、固体リレー回路の許容電流はその最高温度により決定されるため、小型チップサイズの安価な半導体素子に高電流密度で短時間通電を行う固体リレー回路を採用することができる。この結果、非常に高価な大きな許容最大電流値をもつ固体リレー回路を、安価なメカニカルリレー回路と小型固体リレー回路とにより代替することができ、かつ、メカニカルリレー回路の接点消耗を抑止しつつ経済性を向上することができる。
【０００８】
なお、負荷給電指令が入力された場合に、メカニカルリレー回路及び固体リレー回路に同時にオンを指令してもよい。良く知られているように、負荷給電指令が入力されてから実際にメカニカルリレー回路の接点が閉動動作を開始するには機械的な時間遅れが存在し、これに対して固体リレー回路のオンを極めて高速であるため、両リレー回路に同時に負荷給電指令を与えることが可能であり、これによりメカニカルリレー回路の閉動を遅延させる遅延回路の省略と、メカニカルリレー回路の閉動時における固体リレー回路への通電時間の短縮とを実現することができる。
【０００９】
その他、メカニカルリレー回路の閉動を固体リレー回路のオンよりも遅延させる遅延回路を設ければ、固体リレー回路の先行オンを確実かつ十分な時間だけ先行させることができる。
【００１０】
好適な態様において、前記制御回路は、前記メカニカルリレー回路の前記接点開時点まで前記固体リレー回路のオンを持続する。これにより、メカニカルリレー回路の接点閉完了後に固体リレー回路の発熱抑止のために固体リレー回路をオフさせる固体リレー回路制御動作を省略することができ、制御回路の構成を簡素化することができる。すなわち、この態様は、メカニカルリレー回路の接点閉完了後は、この接点と並列接続された固体リレー回路の主電極対間にはほとんど電流が流れない。つまり、固体リレー回路のスイッチング素子がサイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタなどのように主電極対間に少なくとも一つのＰＮ接合をもつ場合、メカニカルリレー回路の接点電圧降下がこのＰＮ接合の順方向電圧降下より小さいため、電流は０となる。固体リレー回路のスイッチング素子がＭＯＳトランジスタである場合には、そのオンチャンネル抵抗とメカニカルリレー回路の接点間抵抗との比により電流比が決まるが、後者を前者より大幅に小さくすることは非常に容易である。
【００１１】
好適な態様において、前記メカニカルリレー回路は、互いに直列接続されたリレー（２）の接点（２１）及びリレー（３）の接点（３１）と、前記接点（２１）と並列接続された抵抗（Ｒ）とを有し、前記制御回路は、前記負荷給電指令が入力されている間、前記固体リレー回路（４）をオンさせる信号電圧Ｖｓ１を前記固体リレー回路（４）に出力する第１回路と、前負荷給電指令が入力されている間、前記リレー（２）の励磁コイル（１９）に通電する第２回路と、前記負荷給電指令が入力されてから所定時間遅れて前記リレー（３）の励磁コイル（２０）をオンし、前記負荷給電遮断指令が入力されてから所定時間遅れて前記リレー（３）の励磁コイル（２０）をオフする第３回路と、前記リレー（３）の励磁コイル（２０）がオンされてから所定時間遅れて前記固体リレー回路（４）をオンさせ、前記リレー（３）の励磁コイル（２０）がオフされてから所定時間遅れて前記固体リレー回路（４）をオフさせる信号電圧Ｖｓ２を前記固体リレー回路（４）に出力する第４回路とを有する。
【００１２】
このようにすれば、簡素な制御回路構成により、固体リレー回路の先行オンと遅行オフとを確実に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の負荷駆動リレー回路の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものではなく、他の公知技術を組み合わせて本発明の構成要素を実現しても良いことはもちろんである。たとえば、下記の回路では交流負荷（ＡＣ負荷）断続制御を行うが、リレーが断続すべき負荷を直流負荷としてもよく、この場合には、下記のトライアック５の代わりにパワートランジスタなどを採用することができることは明白である。
【００１４】
（回路構成）
この実施形態の負荷駆動リレー回路の回路図を図１及び図２を参照して説明する。図１はこの負荷駆動リレー回路のうち、負荷を駆動するための負荷駆動部を示し、図２は図１に示す負荷駆動部を制御する制御部を示す。
【００１５】
図１に示す負荷駆動部において、１は単相交流型のモータ（負荷）、２は第１のリレー、３は第２のリレー、４はソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、Ｒは抵抗である。商用の単相交流電圧が、互いに直列接続されたリレー２の常開接点２１とリレー３の常開接点３１とを順次通じてモータ１に印加されている。保持抵抗Ｒはリレー２の常開接点２１と並列に接続されている。
【００１６】
ＳＳＲ４は、トライアック（半導体スイッチング素子）５、交流出力（双方向通電）型の出力用フォトカプラ６、抵抗７〜１０、コンデンサＣを有している。抵抗１０とコンデンサＣとは直列接続されてスナバ回路を構成している。トライアック５及びスナバ回路が、互いに直列接続された接点２１、３１とそれぞれ並列に接続されている。出力用フォトカプラ６の双方向出力部６２の一端は抵抗８を通じてトライアック５の一端に、出力用フォトカプラ６の双方向出力部６２の他端は抵抗９を通じてトライアック５の他端に接続されている。出力用フォトカプラ６の出力部６１と抵抗９との接続点はトライアック５の制御端子に接続されている。
【００１７】
なお、交流電流断続（ＡＣ負荷）用のＳＳＲ４としては、図１の回路以外に種々市販のものを採用することができる。たとえば、出力用フォトカプラ６の出力電圧をゼロクロス回路を通じてトライアック５の制御端子に印加してもよい。
【００１８】
図２に示す制御部において、１１は入力信号を受け取る入力用フォトカプラ、１２〜１４はコンパレータ、１５、１６は遅延回路、１７、１８はリレー駆動用のＮチャンネル型のMOSトランジスタ（ＮＭＯＳトランジスタ）、１９はリレー２の励磁コイル、２０はリレー３の励磁コイル、２２、２２’はフライホイルダイオード、２３〜２６は逆流防止ダイオード、２７〜３６は抵抗、Ｃ１、Ｃ２はコンデンサである。Ｖｒｅｆは電源電圧Ｖｃｃを抵抗分圧回路で分圧して形成した参照（しきい値）電圧である。ダイオード２５、２６は論理和回路を構成している。抵抗２７とコンデンサＣ１とは遅延回路Ｄ１を構成している。抵抗３２とコンデンサＣ２とは遅延回路Ｄ２を構成している。抵抗２８、２９は抵抗分圧回路Ｄ３を構成するとともに、コンデンサＣ１の放電機能も有している。抵抗３０、３１は抵抗分圧回路Ｄ４を構成している。リレー２の励磁コイル１９、フライホイルダイオード２２’、ＮＭＯＳトランジスタ１７及びダイオード２３はリレー駆動回路Ｄ５を構成している。リレー３の励磁コイル２０、フライホイルダイオード２２、ＮＭＯＳトランジスタ１８及びダイオード２４はリレー駆動回路Ｄ６を構成している。
【００１９】
図２に示す制御部は、４つの回路機能を有している。
【００２０】
第１の回路機能は、コンパレータ１２とダイオード２５とで構成され、入力電圧Ｖｉと同一波形の信号電圧Ｖｓ１をＳＳＲ４に出力する機能である。
【００２１】
第２の回路機能は、遅延回路Ｄ１と抵抗分圧回路Ｄ３とリレー駆動回路Ｄ５とで構成され、入力電圧Ｖｉがハイレベルとなってから所定の遅延時間Ｔ１後の時点ｔ１にてリレー２をオンさせる機能である。
【００２２】
第３の回路機能は、遅延回路Ｄ１とコンパレータ１３と抵抗分圧回路Ｄ４とリレー駆動回路Ｄ６とで構成され、入力電圧Ｖｉがローレベルとなってから所定の遅延時間Ｔ２後にリレー３をオンさせる機能である。
【００２３】
第４の回路機能は、遅延回路Ｄ２とコンパレータ１４とダイオード２６とにより構成され、リレー３がオンした後、所定時間Ｔ３後にＳＳＲ４をオンさせる機能である。
【００２４】
（動作説明）
上記説明した回路の動作を図１〜図３を参照して以下に説明する。図３は図１、図２の各部電圧波形を示すタイミングチャートである。
【００２５】
時点ｔ０にて入力用フォトカプラ１１に入力される入力電圧Ｖｉがハイレベルとなると、コンパレータ１２がダイオード２５を通じて時点ｔ０にてＳＳＲ４へ信号電圧Ｖｓ１としてのハイレベル電圧を出力する。これにより、ＳＳＲ４の出力用フォトカプラ６がオンし、トライアック５がオンし、トライアック５はモータ１に交流電圧を印加する（第１回路機能）。
【００２６】
また、コンパレータ１２の出力電圧がハイレベルとなると、抵抗２８、２９からなる抵抗分圧回路Ｄ３を通じてＮＭＯＳトランジスタ１７をオンし、ＮＭＯＳトランジスタ１７は第１のリレー２の励磁コイル１９に通電し、第１のリレー２の常開接点２１を閉じる（第２回路機能）。
【００２７】
ただし、この時点では、常開接点３１がまだ閉じていないために常開接点２１、３１を通じて電流が流れることはなく、モータ電流はトライアック５を通じて流れる。
【００２８】
更に、コンパレータ１２は抵抗２７とコンデンサＣ１とからなる遅延回路Ｄ１に通電する。遅延回路Ｄ１の出力電圧はコンパレータ１３で波形整形されて抵抗分圧回路Ｄ４で抵抗分圧されてＮＭＯＳトランジスタ１８に入力される。これにより、コンパレータ１２の出力電圧がハイレベルとなってから所定時間遅延後の時点ｔ１にてコンパレータ１３はＮＭＯＳトランジスタ１８をオンさせる。ＮＭＯＳトランジスタ１８は第２のリレー３の励磁コイル２０に通電し、第２のリレー３の常開接点３１が閉じる。これにより、トライアック５が常開接点２１、３１により短絡されることになり、モータ電流はほとんどすべて常開接点２１、３１を通じて流れることになる（第３回路機能）。
【００２９】
次に、時点ｔ１にて、第２のリレー３の励磁コイル２０とＮＭＯＳトランジスタ１８との接続点の電圧がローレベルとなると、抵抗３２とコンデンサＣ２とからなる遅延回路Ｄ２の出力された電圧が低下する。この電圧はコンパレータ１４により整形され、時点ｔ２にてハイレベルとなる。このコンパレータ１４の出力電圧は、ダイオード２６を通じてＳＳＲ４へ信号電圧Ｖｓ２として出力され、ＳＳＲ４の出力用フォトカプラ６がオンし、トライアック５のオンが維持される（第４回路機能）。ただし、既述したように、常開接点２１、３１がオンしている間は、トライアック５のオンにもかかわらずモータ電流はほとんどすべて常開接点２１、３１を通じて流れる。
【００３０】
次に、時点ｔ３にて入力用フォトカプラ１１に入力される入力電圧Ｖｉがローレベルとなると、コンパレータ１２がダイオード２５を通じて時点ｔ０にてＳＳＲ４へ信号電圧Ｖｓ１としてのローレベル電圧を出力する。しかしながら、この時点ｔ３では、ＳＳＲ４にはまだ信号電圧Ｖｓ２のハイレベル電位が入力されているため、トライアック５がオフすることはない。
【００３１】
また、時点ｔ３にてコンパレータ１２の出力電圧がローレベルとなると、ＮＭＯＳトランジスタ１７がオフし、第１のリレー２の励磁コイル１９への通電が遮断され、第１のリレー２の常開接点２１が開く。
【００３２】
この段階では、モータ電流の一部は抵抗Ｒ及び第２のリレー３の常開接点３１を通じて流れるが、モータ電流の多くは、トライアック５を通じて流れる。
【００３３】
更に、時点ｔ３にてコンパレータ１２の出力電圧がローレベルとなると、遅延回路Ｄ１のコンデンサＣ１に蓄電された電荷は、抵抗２７を通じてコンパレータ１２の出力端及び抵抗分圧回路Ｄ３へ流れ、コンデンサＣ１の端子電圧は低下していく。これにより、時点ｔ４にてコンパレータ１３はローレベルを出力し、ＮＭＯＳトランジスタ１８がオフし、第２のリレー３の励磁コイル２０への通電が遮断される。
【００３４】
更に、時点ｔ４にてＮＭＯＳトランジスタ１８がオフすると、遅延回路Ｄ２のコンデンサＣ２は第２のリレー３の励磁コイル２０及び抵抗３２を通じて充電され、コンデンサＣ２の電位は次第に上昇する。遅延回路Ｄ２の出力電圧を波形整形するコンパレータ１４は時点ｔ５にてローレベル電位である信号電圧Ｖｓ２をダイオード２６を通じてＳＳＲ４に出力し、ＳＳＲ４はこの時点でオフされる。
【００３５】
結局、ＳＳＲ４のトライアック５は、図３に示す時点ｔ０〜ｔ１間と、時点ｔ３〜ｔ５間のみオンする。
【００３６】
（効果）
この実施例回路の効果を以下に説明する。
【００３７】
まず、第１のリレー２の接点２１がオンする時点ｔ０では、第２のリレー３の接点３１がオフし、ＳＳＲ４がオンしているため、電流を流すことなしにリレー２の接点２１を閉じることができる。
【００３８】
次に、第２のリレー３の接点３１がオンする時点ｔ１では、第２のリレー３の接点３１がオフし、ＳＳＲ４がオンしているため、電流を流すことなしにリレー２の接点２１を閉じることができる。
【００３９】
次に、第１のリレー２と第２のリレー３とが両方ともオンした時点ｔ１以降は、ほとんどすべてのモータ電流は、接点２１、３１を通じて流れるため、ＳＳＲ４のトライアック５には流れない。このことは、モータ電流に比べて許容最大電流が格段に小さく安価なＳＳＲ４を用いることができることを意味する。
【００４０】
次に、時点ｔ２におけるＳＳＲ４のオンにおいて、その出力端間は接点２１、３１で短絡されているために、いわゆるソフトスイッチングが実現されている。
【００４１】
次に、第１のリレー２の接点２１がオフする時点ｔ３では、ＳＳＲ４がオンしているため、また、モータ電流が並列接続された抵抗Ｒをバイパスするため、接点２１の開放時の火花発生を良好に防止することができる。
【００４２】
次に、第２のリレー３の接点３１がオフする時点ｔ４では、もともとこの時点で接点３１に流れている電流が、モータ電流のうち、抵抗Ｒを流れる一部であり少ないこと、かつ、抵抗Ｒと接点３１との直列回路がＳＳＲ４により短絡されているため、接点２１の開放時の火花発生を良好に防止することができる。
【００４３】
時点ｔ４以降においては、すべてのモータ電流はＳＳＲ４を通じて流れるが、ＳＳＲ４のトライアック５は、接点３１の開放完了後、速やかにオフされるため、ＳＳＲ４の発熱を減らすことができる。したがって、モータ電流に比べて許容最大電流が格段に小さく安価なＳＳＲ４を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例の負荷駆動回路の一部を示す回路図である。
【図２】実施例の負荷駆動回路の残部を示す回路図である。
【図３】図１、図２に示す負荷駆動回路の要部電位変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１      モータ
２      リレー
３      リレー
５      トライアック
６      出力用フォトカプラ
７〜１０      抵抗
１１      入力用フォトカプラ
１２      コンパレータ
１３      コンパレータ
１４      コンパレータ
１７      トランジスタ
１８      トランジスタ
１９      励磁コイル
２０      励磁コイル
２１      接点
２２      フライホイルダイオード
２２’      フライホイルダイオード
２３〜２６    ダイオード
２７      抵抗
２８      抵抗
３０      抵抗
３１      接点
３２      抵抗
６１      出力部
６２      双方向出力部
【図１】
2008021612.tif 000003
【図２】
2008021612.tif 000004
【図３】
2008021612.tif 000005