(57)【要約】【課題】負荷開閉部の温度上昇が大きくなった場合であっても、自己の動作電源を安定して確保する。【解決手段】トライアック（負荷開閉部）１は、高温になるとゲート電流が小さくなり、低温になると大きくなるものである。感温抵抗８は、トライアック１が高温になると抵抗値が下がり、トライアック１が低温になると抵抗値が上がるものである。制御部３の制御信号がハイレベルになると、第３の電源部６がオン状態になって、第１の電源部４に電力を供給する。その後、ツェナーダイオード７２のカソード電位がツェナー電圧より高くなると、サイリスタ駆動部７１からのゲート電流によって、サイリスタ７０がオン状態になり、負荷電流が整流部２からサイリスタ７０に流れる。その後、トライアック１のターンオンするタイミングが一定となるように、感温抵抗８がトライアック１の温度に応じた抵抗値を設定し、トライアック１をオン状態にさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、
前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉が切り替わるときの駆動信号の振幅値に温度依存性を持つ負荷開閉部と、
前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御信号を出力する制御部と、
前記制御信号に基づいて前記交流電源から前記負荷への前記電力供給を行うときに、前記負荷開閉部の前記電気的開閉の切替タイミングが前記負荷開閉部の温度変化に対して一定となるように、前記駆動信号を制御して前記負荷開閉部に出力する駆動部と
を備えることを特徴とする２線式電子スイッチ。
【請求項２】
前記駆動部が、一端で前記負荷開閉部の駆動信号入力端と接続するとともに他端で前記負荷開閉部の前記両端の一方と接続する感温抵抗であることを特徴とする請求項１記載の２線式電子スイッチ。
【請求項３】
前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、
前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第２の電源部と、
前記制御信号に基づいて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、
前記駆動部と電気的に直列に接続し、前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の入力電圧が予め決められた電圧値より高くなると閉状態になることによって、前記駆動部に対して前記駆動信号を制御させて前記負荷開閉部に出力させる補助開閉部と
を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の２線式電子スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から負荷への電力供給を入切する２線式電子スイッチであって、自ら動作電源を確保する必要がある２線式電子スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電源から負荷への電力供給を入切するスイッチとして、配線器具の電子化に伴い、例えばサイリスタやトライアックなどの無接点スイッチング素子を負荷開閉部として交流電源から負荷への給電路に挿入し、電子回路を用いて上記無接点スイッチング素子を電気的に開閉（オンオフ）するタイプのもの（第１の従来スイッチ）が提供されている。第１の従来スイッチは、人が操作部（操作スイッチ）を操作したときに、上記電子回路が無接点スイッチング素子を駆動するので、自己の動作電源（回路電源）を確保する必要がある。そのため、第１の従来スイッチは３線又は４線で配線する構成である。
【０００３】
ところが、省配線の見地から２線の配線が一般的な配線器具にあっては、第１の従来スイッチは、交流電源及び負荷と２線で接続した状態では個別に電源線を引き込むことができないので、自己の動作電源の確保が問題となった。
【０００４】
上記問題を解決するものとして、無接点スイッチング素子を負荷開閉部として利用したスイッチでありながら交流電源及び負荷と直列に接続した状態で、２線での配線を可能とした２線式電子スイッチ（第２の従来スイッチ）が提案されている。なお、第２の従来スイッチとほぼ同様の構成が特許文献１に開示されている。
【０００５】
第２の従来スイッチの動作について図３を用いて説明する。図３は第２の従来スイッチの回路図である。なお、第２の従来スイッチ９では、負荷開閉部としてのトライアック９０が交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。まず、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がローレベルになると、第３の電源部９２がオフ状態になる。このとき、第２の電源部９３が第１の電源部９４に電力を供給する。この状態では、トライアック９０のゲート（駆動信号入力端）には、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流（駆動信号）が流れないので、トライアック９０がオフ（開）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が遮断される。
【０００６】
一方、制御部９１の制御出力端子９１０からの制御信号がハイレベルになると、第３の電源部９２がオン状態になる。これにより、第３の電源部９２が第１の電源部９４に電力を供給する。このとき、第１の電源部９４の充電が完了すると、充電完了検出部９２０から補助開閉部９５に電流が流れて補助開閉部９５がオン（閉）状態になる。補助開閉部９５がオン状態になると、トライアック９０をターンオンさせるのに必要な大きさの電流がトライアック駆動部９６に流れ、トライアック駆動部９６からトライアック９０にゲート電流が流れる。これにより、トライアック９０がオン（閉）状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる。
【特許文献１】特開２００１−２２７８０４号公報（第２〜５頁及び第７図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記第２の従来スイッチ９は、定格電流の大きい負荷が接続されて上記負荷に流れる負荷電流が大きくなる場合や、狭小空間に配置されることで放熱が十分に行われない場合に、負荷開閉部（トライアック９０）の温度上昇が大きくなることによって、負荷開閉部の感度が変化してしまうという問題があった。具体的に説明すると、負荷開閉部の材料特性によって温度が上昇するとともに、駆動信号が小さくなり、負荷開閉部の感度が高くなってしまう。負荷開閉部の感度が高くなっている状態では、第１の電源部９４の充電中にトライアック駆動部９６からの駆動信号によって、負荷開閉部の電気的開閉が切り替わってしまう。これにより、第１の電源部９４が充電不足となって制御部９１が停止することから、自己の動作電源を安定して確保しにくくなってしまう。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、負荷開閉部の温度上昇が大きくなった場合であっても、自己の動作電源を安定して確保することができる２線式電子スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、交流電源及び負荷と２線で接続し、前記交流電源からの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保する２線式電子スイッチであって、前記交流電源から前記負荷への給電路に挿入され、両端間の電気的開閉が切り替わるときの駆動信号の振幅値に温度依存性を持つ負荷開閉部と、前記交流電力に基づいた電力で動作し、前記負荷開閉部の前記電気的開閉を切り替えて前記交流電源から前記負荷への電力供給を制御する制御信号を出力する制御部と、前記制御信号に基づいて前記交流電源から前記負荷への前記電力供給を行うときに、前記負荷開閉部の前記電気的開閉の切替タイミングが前記負荷開閉部の温度変化に対して一定となるように、前記駆動信号を制御して前記負荷開閉部に出力する駆動部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、負荷開閉部の温度上昇が大きくなった場合であっても、負荷開閉部の電気的開閉の切替タイミングが負荷開閉部の温度変化に対して一定となるように駆動信号を制御させることができるので、２線式電子スイッチの動作電源を確保する前に負荷開閉部の電気的開閉が切り替わることを低減することができ、上記動作電源を安定して確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記駆動部が、一端で前記負荷開閉部の駆動信号入力端と接続するとともに他端で前記負荷開閉部の前記両端の一方と接続する感温抵抗であることを特徴とする。この構成では、感温抵抗を用いることによって、小型かつ安価で負荷開閉部の電気的開閉の切替タイミングを負荷開閉部の温度変化に対して一定とすることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記制御部の動作電源となる第１の電源部と、前記負荷開閉部が開状態になって前記交流電源から前記負荷への前記電力供給が停止しているときに、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第２の電源部と、前記制御信号に基づいて、前記交流電力から変換された電力を前記第１の電源部に供給する第３の電源部と、前記駆動部と電気的に直列に接続し、前記第３の電源部から前記第１の電源部に電力が供給されているときに、前記第１の電源部の入力電圧が予め決められた電圧値より高くなると閉状態になることによって、前記駆動部に対して前記駆動信号を制御させて前記負荷開閉部に出力させる補助開閉部とを備えることを特徴とする。この構成では、第１の電源部、第２の電源部、第３の電源部及び補助開閉部によって、制御部に電力を確実に供給することができるとともに、駆動部に対して駆動信号を確実に制御させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、負荷開閉部の温度上昇が大きくなった場合であっても、２線式電子スイッチの動作電源を確保する前に負荷開閉部の電気的開閉が切り替わることを低減することができ、上記動作電源を安定して確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図１，２を用いて説明する。図１は本実施形態の２線式電子スイッチの回路図である。図２は本実施形態の２線式電子スイッチにおけるトライアックの温度依存性であって、（ａ）が測定回路図、（ｂ）がゲート電流を示す図、（ｃ）がゲート電圧を示す図である。
【００１５】
まず、本実施形態の基本的な構成について説明する。本実施形態の２線式電子スイッチＡは、交流電源ＡＣからの交流電力に基づいて自己の動作電源を確保するものであり、図１に示すように、トライアック１と、整流部２と、制御部３と、第１の電源部４と、第２の電源部５と、第３の電源部６と、補助開閉部７と、感温抵抗８とを備え、交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に２線で接続している。なお、交流電源ＡＣは、例えば１００Ｖの商用電源などである。また、負荷Ｌは、例えば蛍光灯や白熱球を含む照明器具、換気扇などである。
【００１６】
トライアック１は、例えばシリコンなどの半導体によって形成され、ゲート電流（駆動信号）に応じて２つの端子１０，１１間の電気的開閉を切り替える負荷開閉部である。上記トライアック１は、端子１２，１３及びフィルタ用のインダクタ１４を介して交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと直列に接続している。また、トライアック１及びインダクタ１４は、サージ吸収素子１５及びフィルタ用のコンデンサ１６のそれぞれと並列に接続している。本実施形態において、トライアック１がオン（閉）状態になると、交流電源ＡＣ、トライアック１、インダクタ１４、負荷Ｌの回路で導通し、負荷Ｌに電力が供給されて負荷Ｌが動作する。これに対して、トライアック１がオフ（開）状態になると、負荷Ｌに電力が供給されなくなり、負荷Ｌの動作が停止する。
【００１７】
ところで、上記トライアック１は、２つの端子１０，１１間の電気的開閉が切り替わるときのゲート電流及びゲート電圧の振幅値に温度依存性を持っている。具体的には、図２（ａ）のような測定回路を用いてトライアック１の電気的開閉が切り替わるゲート電流ＩＧＴ及びゲート電圧ＶＧＴを測定した。なお、図２（ｂ）には、２５℃のときのゲート電流で規格化した値を示し、図２（ｃ）には、２５℃のときのゲート電圧で規格化した値を示している。ゲート電流ＩＧＴは、図２（ｂ）に示すように、高温になると小さくなり、低温になると大きくなる。また、ゲート電圧ＶＧＴは、図２（ｃ）に示すように、高温になると低くなり、低温になると高くなる。上記より、トライアック１は、温度が高くなると感度が高くなる。つまり、小さなゲート電流や低いゲート電圧でターンオンすることになる。反対に、温度が低くなると感度が低くなり、ターンオンするためには大きなゲート電流や高いゲート電圧が必要である。
【００１８】
整流部２は、図１に示すように、４つのダイオードからなるダイオードブリッジであり、入力端で端子１２，１３を介して交流電源ＡＣ及び負荷Ｌと接続し、出力端で第２の電源部５、第３の電源部６及び補助開閉部７と接続している。上記整流部２は、交流電源ＡＣからの交流電力を全波整流し、全波整流された電力を第２の電源部５、第３の電源部６及び補助開閉部７に出力する。
【００１９】
制御部３は、例えば人の操作などによって、トライアック１の電気的開閉を切り替える制御信号を制御出力端子３０から第３の電源部６に出力するマイクロコンピュータである。上記制御部３は、第１の電源部４からの電力で動作する。また、制御部３は、人が操作するものとして、例えばタクトスイッチなどの操作部（操作スイッチ）（図示せず）を接続して備え、上記操作部が操作されるごとに上記制御信号を第３の電源部６に出力する。上記制御信号は、ハイレベルとローレベルの２値信号であり、制御部３は、トライアック１をオン状態にする場合にはハイレベルの制御信号を出力し、トライアック１をオフ状態にする場合にはローレベルの制御信号を出力する。これにより、制御部３は、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給を制御する。
【００２０】
第１の電源部４は、制御部３の動作電源であり、入力端側から順に、バッファ用コンデンサ４０と、３端子レギュレータ４１と、コンデンサ４２と、コンデンサ４３とを並列に接続して備え、入力端で第２の電源部５及び第３の電源部６と接続し、出力端で制御部３の入力端と接続している。バッファ用コンデンサ４０は、第２の電源部５及び第３の電源部６からの電力を充電し、リップル成分を除去することによって平滑にする。３端子レギュレータ４１は、バッファ用コンデンサ４０の直流電圧を、例えば３Ｖに降圧安定化する。上記より、第１の電源部４は、安定した電力を制御部３に供給する。
【００２１】
第２の電源部５は、入力端側から順に、限流用の抵抗５０と、ＮＰＮ型のトランジスタ５１と、抵抗５２とを直列に接続して備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端側で第１の電源部４と接続している。また、第２の電源部５は、トランジスタ５１のベース−コレクタ間に接続されるバイアス抵抗５３と、トランジスタ５１のベースにカソードが接続されるツェナーダイオード５４とを備えている。トランジスタ５１のベースは、ツェナーダイオード５４を介して接地されている。上記トランジスタ５１のオン状態とオフ状態によって第２の電源部５のインピーダンス変換が行われる。上記第２の電源部５は、トライアック１がオフ状態になって交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が停止しているときに、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２を介して全波整流された電力として受け、ツェナーダイオード５４によって大きさが規定された電力に変換し、変換された電力を第１の電源部４に供給する。このとき、２線式電子スイッチＡ内の負荷電流は、第１の電源部４に流れるものと、ツェナーダイオード５４に流れるものに分割されるが、どちらも最終的にはグランドを介して整流部２を流れ、負荷Ｌを介して交流電源ＡＣに戻る。このときの負荷電流は、負荷Ｌが誤動作しない程度の大きさである。また、制御部３の消費電流は低く抑えられ、第２の電源部５のインピーダンスは高く維持されている。
【００２２】
第３の電源部６は、入力端側から順に、ＰＮＰ型のトランジスタ６０と、ダイオード６１とを直列に接続して備え、入力端で整流部２の出力端と接続し、出力端で第１の電源部４と接続している。つまり、第３の電源部６は、第２の電源部５と並列に接続している。また、第３の電源部６は、トランジスタ６０のベース−エミッタ間に接続される抵抗６２及びコンデンサ６３と、トランジスタ６０のベースに接続される抵抗６４及びＮＰＮ型のトランジスタ６５とを備えている。さらに、第３の電源部６は、トランジスタ６５のベース−エミッタ間に接続される抵抗６６を備えている。トランジスタ６５は、エミッタが接地され、ベースが制御部３の制御出力端子３０と接続している。上記トランジスタ６５は、トランジスタ６０のオン状態、オフ状態を制御する。上記第３の電源部６は、制御部３からの制御信号に基づいて、交流電源ＡＣからの交流電力を、整流部２を介して全波整流された電力として受け、上記電力を第１の電源部４に供給する。具体的な手順を説明すると、制御部３からハイレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６５がオン状態になる。これにより、トランジスタ６０がオン状態になる。このとき、２線式電子スイッチＡのインピーダンスが低下する。その後、第３の電源部６は、第１の電源部４に電力を供給する。これに対して、制御部３からローレベルの制御信号を受けると、トランジスタ６５がオフ状態になり、トランジスタ６０もオフ状態になる。これにより、第３の電源部６は、第１の電源部４への電力供給を停止する。
【００２３】
補助開閉部７は、サイリスタ７０と、サイリスタ駆動部７１とを備えている。サイリスタ７０は、整流部２の出力端と接続するとともに、第２の電源部５及び第３の電源部６の入力端とも接続している。一方、サイリスタ駆動部７１は、抵抗７１０及びコンデンサ７１１を並列に接続して備え、一端がサイリスタ７０のゲート及びツェナーダイオード７２と接続し、他端がサイリスタ７０のカソードと接続している。ツェナーダイオード７２は、第３の電源部６から第１の電源部４に電力が供給されているときに、第１の電源部４のバッファ用コンデンサ４０の直流電圧（第１の電源部４の入力電圧）が高くなり、カソード電位がツェナー電圧より高くなると、逆方向電流をサイリスタ駆動部７１に流すことによって、第１の電源部４の充電が完了したことを検出する充電完了検出部である。上記サイリスタ駆動部７１は、ツェナーダイオード７２から逆方向電流が流れると、サイリスタ７０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をサイリスタ７０に一定期間流す。これにより、整流部２から第３の電源部６に流れていた負荷電流が整流部２からサイリスタ７０に流れ、補助開閉部７は、感温抵抗８に対してトライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１に流すように制御する。
【００２４】
感温抵抗８は、一端でトライアック１のゲート（駆動信号入力端）と接続するとともに他端でトライアック１の端子１１と接続している。また、感温抵抗８は、整流部２を介して補助開閉部７のサイリスタ７０と直列に接続している。上記感温抵抗８は、サイリスタ７０がオン状態になると、流れる電流が大きくなり、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をトライアック１のゲートに流す駆動部である。
【００２５】
ところで、感温抵抗８は、例えばＮＴＣサーミスタなどであり、トライアック１の温度上昇をモニタし、トライアック１の温度に応じて抵抗値が変化する。具体的には、感温抵抗８は、トライアック１の温度が上昇すると抵抗値が下がり、流れる電流を大きくする。反対に、トライアック１の温度が下降すると抵抗値が上がり、流れる電流を小さくする。このような感温抵抗８は、トライアック１のターンオンするタイミングがトライアック１の温度変化に対して一定となるように、ゲート電流を制御している。これにより、トライアック１が温度上昇によって高感度になったとしても、トライアック１がターンオンしてオン状態になったときに２線式電子スイッチＡ内の負荷電流が小さすぎることを防止する。
【００２６】
次に、本実施形態の２線式電子スイッチＡの動作について説明する。まず、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われない状態（オフ状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がローレベルになると、第３の電源部６のトランジスタ６５及びトランジスタ６０がオフ状態になる。一方、第２の電源部５が第１の電源部４に電力を供給する。これにより、第１の電源部４が制御部３の動作電源となる。この状態では、トライアック１のゲートには、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流が流れないので、トライアック１がオフ状態になり、交流電源ＡＣから負荷Ｌに対して、動作するのに十分な電力が供給されない。
【００２７】
続いて、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる状態（オン状態）の動作について説明する。制御部３の制御信号がハイレベルになると、トランジスタ６５及びトランジスタ６０がオン状態になり、第３の電源部６が第１の電源部４に電力を供給する。これにより、第１の電源部４が制御部３の動作電源となる。一方、第１の電源部４の入力電圧が高くなり、ツェナーダイオード７２のカソード電位がツェナー電圧より高くなると、ツェナーダイオード７２が逆方向電流をサイリスタ駆動部７１に流す。その後、サイリスタ駆動部７１がサイリスタ７０をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流をサイリスタ７０に流し、サイリスタ７０がオン状態になる。これにより、整流部２から第３の電源部６に流れていた負荷電流が整流部２からサイリスタ７０に流れる。その後、トライアック１のターンオンするタイミングが一定となるように、感温抵抗８がトライアック１の温度に応じた抵抗値を設定する。上記感温抵抗８によって、トライアック１をターンオンさせるのに必要な大きさのゲート電流がトライアック１のゲートに流れ、トライアック１がオン状態になる。上記より、交流電源ＡＣから負荷Ｌへの電力供給が行われる。
【００２８】
ここで、トライアック１がオン状態になると、トライアック１に負荷電流が流れるが、ゼロクロス点を迎えたところで自己消弧してオフ状態になる。トライアック１がオフ状態になると、再び整流部２から第３の電源部６を介して第１の電源部４に負荷電流が流れ、２線式電子スイッチＡの動作電源を確保するとともに、サイリスタ７０及びトライアック１をオン状態にする動作を行う。つまり、交流電源ＡＣからの交流電力の半周期ごとに、動作電源を確保する動作を行う。
【００２９】
以上、本実施形態によれば、トライアック１の温度上昇が大きくなった場合であっても、トライアック１の電気的開閉の切替タイミングがトライアック１の温度変化に対して一定となるように感温抵抗８の抵抗値を変化させることができるので、２線式電子スイッチＡの動作電源を確保する前にトライアック１がターンオンしてオン状態になることを低減することができ、上記動作電源を安定して確保することができる。また、感温抵抗８を用いることによって、小型かつ安価でトライアック１の電気的開閉の切替タイミングを温度に対して一定とすることができる。さらに、第１の電源部４、第２の電源部５、第３の電源部６及び補助開閉部７によって、制御部３に電力を確実に供給することができるとともに、感温抵抗８に対してゲート電流を確実にトライアック１に流すように制御させることができる。
【００３０】
なお、本実施形態の変形例として、負荷開閉部がトライアックに代えてサイリスタを備える構成であってもよい。このような構成であっても、本実施形態と同様の効果を奏する。
【００３１】
また、本実施形態の他の変形例として、トライアックをオン状態にする場合、及びトライアックをオフ状態にする場合に、制御部がパルス状の制御信号を第３の電源部に出力し、第３の電源部が上記制御信号に基づいて第１の電源部に電力を供給する構成であってもよい。このような構成であっても、本実施形態と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による実施形態の２線式電子スイッチの回路図である。
【図２】同上の２線式電子スイッチにおけるトライアックの温度依存性であって、（ａ）は測定回路図、（ｂ）はゲート電流を示す図、（ｃ）はゲート電圧を示す図である。
【図３】従来の２線式電子スイッチの回路図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  トライアック
２  整流部
３  制御部
４  第１の電源部
６  第３の電源部
７０  サイリスタ
７１  サイリスタ駆動部
７２  ツェナーダイオード
８  感温抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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