(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源に接続される負荷と、この負荷に直列に接続される電子式スイッチにおいて、無接点スイッチング素子の点弧制御を、フォトトライアック・カプラと、ツェナ・ダイオードと、ブリッジ整流ダイオードとで行うとともに、該ブリッジ整流ダイオードの二次側にスイッチング素子を配設し、該スイッチング素子の出力制御を、上記ツェナ・ダイオードと、小信号サイリスタとで行い、上記フォトトライアック・カプラの点弧制御を上記スイッチング素子の二次側電圧を利用したことを特徴とする交流２線式スイッチの電源制御回路。
【請求項２】
前記無接点スイッチング素子として、双方向性サイリスタ（トライアック）、逆並列接続した一対の逆阻止サイリスタ、逆直列接続した一対の逆導通サイリスタ、またはゲート・ターンオフ・サイリスタの何れかを備えていることを特徴とする請求項１記載の交流２線式スイッチの電源制御回路。
【請求項３】
前記スイッチング素子として、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）の何れかを備えていることを特徴とする請求項１記載の交流２線式スイッチの電源制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流２線式スイッチ、特に、配線器具における、電子制御回路を有する交流２線式スイッチの電源制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配線器具の電子化に伴い、スイッチの主開閉素子として、無接点スイッチング素子であるトライアック、サイリスタ等が広く用いられる。
【０００３】
しかし、省配線の見地から、２線式結線が一般的な配線器具にあっては、該スイッチは交流電源と負荷へ直列に接続され、個別に電源線を引込むことが出来ないため、如何にして自己の回路電源を確保するかが問題となる。
【０００４】
これを解決する手段として、図３に示す、トライアックと直列に配設された電流トランスCTの二次巻線に誘導する電圧を利用する回路や、図４に示す、トライアック制御・電源回路（特開平１１−８６７０６）等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図３の回路にあっては、電流トランスＣＴの一次巻線に負荷電流が流れないと二次巻線に電圧が誘起しないので、トライアックがＯＦＦしている期間は、回路電源を確保できない。
【０００６】
他方、図４の回路にあっては、トライアックのＯＮ／ＯＦＦに拘らず、ブリッジ整流ダイオードＤ１の二次側に常に電圧が現れている。しかし、該電源制御回路にあっては、回路電圧の制御をトライアックの点弧角制御で行っている為、トライアックがＯＦＦしている期間は、電圧制御が働かないから、該二次電圧は入力電源電圧を超える高電圧となり、トライアックＯＦＦ時の制御回路電源として利用できない。
【０００７】
即ち、従来の方式では、主開閉素子がＯＦＦ状態のとき、適切な電圧の回路電源を確保する手段が無く、該スイッチを開路するたびに、搭載する点滅制御回路は動作停止を強いられていた。このことは、該スイッチのＯＦＦ時にも搭載回路を動作させ、複雑な点滅制御を実現しようとする場合、特に、各種センサやマイクロ・コンピュータ等、待機時にも制御電源を要する素子を応用した２線式スイッチを開発する上で、回路構成上の大きな制約事項となっていた。
【０００８】
前記の目的を適え得るものとして、図５に示す、スイッチング・レギュレータ・モジュールを用いた回路が考えられる。
【０００９】
トライアックＯＦＦ期間は、ブリッジ整流ダイオードの全波整流により電源電圧の約1.４倍の脈流電圧を一次平滑コンデンサＣ３に蓄え、これをスイッチング・レギュレータ・モジュールに加えて降圧し、二次平滑コンデンサＣ４に直流定電圧を得る。
【００１０】
一方、トライアックＯＮ期間は、トライアックのゲート回路に配設したツェナ・ダイオードの作用により点弧位相角を故意に遅らせ、一次平滑コンデンサＣ３の電位が、スイッチング・レギュレータの最低入力電圧に到達した後、主開閉素子の閉成を行う。
【００１１】
然るに、図５の回路では、トライアックのＯＮ／ＯＦＦにより、スイッチング・レギュレータの入力電圧が大きく変化するので、入力変動抑圧比の優れたスイッチング・レギュレータ・モジュールが必要となり、配線器具の小形化・低コスト要求に必ずしも合致しなかった。
【００１２】
また、スイッチング・レギュレータの最小入力電圧を確保するため、図５のトライアックにあっては、ゲート回路のツェナ電圧を十数Ｖ以上の高電圧に選定する必要がある。このため、図５の方式では、該スイッチを他の電子式スイッチと組合わせて、並列接続や２箇所操作接続等の連動操作回路を構成しようとすると、トライアックＯＮ時の点弧位相角に著しい差異が生じ、何れかのスイッチが動作停止する等、原理上、正しく動作協調させることが出来ない、という問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたもので、トランスやスイッチング・レギュレータ・モジュールを用いることなく、省スペース、低コスト、かつ、入力変動抑圧比が大で、外来ノイズに強い、他の電子式スイッチとも協調動作可能な、交流２線式スイッチの電源制御回路を提供することをその課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明に係る交流２線式スイッチの電源制御回路は、交流電源に接続される負荷と、この負荷に直列に接続される電子式スイッチにおいて、無接点スイッチング素子の点弧制御を、フォトトライアック・カプラと、ツェナ・ダイオードと、ブリッジ整流ダイオードとで構成するとともに、該ブリッジ整流ダイオードの二次側にスイッチング素子を配設し、該スイッチング素子の出力制御を、ツェナ・ダイオードと、小信号サイリスタとで構成し、該フォトトライアック・カプラの点弧制御は、該スイッチの二次側電圧を利用することを特徴とする。
【００１５】
なお、前記無接点スイッチング素子として、双方向性サイリスタ（トライアック）、逆並列接続した一対の逆阻止サイリスタ、逆直列接続した一対の逆導通サイリスタ、またはゲート・ターンオフ・サイリスタの何れかを用いればよい。
【００１６】
また、前記スイッチング素子として、トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）の何れかを用いればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る交流２線式スイッチの電源制御回路（以下、電子式スイッチという）のブロック図を示す。
【００１８】
無接点スイッチング素子１は、交流電源ＰＳと負荷Ｌとに直列に配設され、該無接点スイッチング素子１のゲートＧにトリガ入力を受けると、交流半サイクルの間、交流電源ＰＳと負荷Ｌとを低インピーダンスで結び、電子式スイッチ２の通電作用を現す。
【００１９】
ブリッジ整流ダイオードＤ１は、前記無接点スイッチング素子１の両端に現れる電圧を全波整流し、上記電子式スイッチ２を駆動する制御電源の元となる、非安定な脈流電圧を生成する。
【００２０】
スイッチング素子３は、制御入力を受け付けると、該スイッチング素子３の入出力端子間が導通状態となり、前記ブリッジ整流ダイオードＤ１の脈流出力を、後段の平滑コンデンサＣ４に伝達して、充電作用を示す。
【００２１】
一方、制御入力を断たれると、該スイッチング素子３の入出力端子間が非導通状態となり、平滑コンデンサＣ４への経路を遮断して、平滑コンデンサＣ４が過剰な電圧に充電されることを防ぐ。
【００２２】
ツェナ・ダイオードＺＤ１は、平滑コンデンサＣ４と、フォトトライアック・カプラＱ２の一次側端子と、サイリスタＱ４のゲートとに直列に配設し、平滑コンデンサＣ４の充電電圧を監視して、フォトトライアック・カプラＱ２または、サイリスタＱ４のゲートを駆動し、平滑コンデンサＣ４の電位を一定に保つ作用を現す。
【００２３】
フォトトライアック・カプラＱ２は、二次側端子を前記無接点スイッチング素子１のゲートに配設するとともに、一次側端子の一端を前記ツェナ・ダイオードＺＤ１に、他端を点滅制御ＩＣ４の出力端子に配設し、前記無接点スイッチング素子１の点弧制御を行う。後段の点滅制御ＩＣ４が出力信号（負論理）を出しており、かつ、平滑コンデンサＣ４の電位がツェナ・ダイオードＺＤ１の降伏電圧を越えると、前記無接点スイッチング素子１にゲート信号を伝達し、該無接点スイッチング素子１をトリガして負荷電流を通電させるとともに、前記ブリッジ整流ダイオードＤ１の入力電圧を零にして、該平滑コンデンサＣ４への充電を停止せしめ、上記無接点スイッチング素子１ＯＮ時の定電圧制御作用を現す。
【００２４】
サイリスタＱ４は、陽極を前記スイッチング素子３の制御入力端子に配設するとともに、陰極を前記平滑コンデンサＣ４の陰極に配設し、ゲートを前記平滑コンデンサＣ４の陽極と、前記ツェナ・ダイオードＺＤ１と、前記フォトトライアック・カプラＱ２の一次側とに直列に配設して、前記スイッチング素子３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。後段の点滅制御ＩＣ４が出力信号（負論理）を出しておらず、かつ、平滑コンデンサＣ４の電位が、ツェナ・ダイオードＺＤ１の降伏電圧と、前記フォトトライアック・カプラＱ２の一次側順方向電圧との和を越えると、前記スイッチング素子３の制御入力をバイパスし、該スイッチング素子３の入出力間を遮断して、該平滑コンデンサＣ４への充電を停止せしめ、前記無接点スイッチング素子１ＯＦＦ時の定電圧制御作用を現す。
【００２５】
【実施例】
図２は、本発明の電子式スイッチの好適な実施例の一例を示し、この電子式スイッチは、無接点スイッチング素子として双方向性サイリスタ（トライアック）を、スイッチング素子として高耐圧バイポーラトランジスタを適用したもので、低圧屋内配線における、交流電源ＰＳ、負荷Ｌ、本発明の電子式スイッチが相互に直列接続されている様子を示す。小形の埋込形配線器具として、定格電圧１００Ｖ〜２００Ｖ、定格電流０．５Ａ〜１０Ａ程度の電子式スイッチへの応用に好適な例である。
【００２６】
符号Ｑ１は、双方向性サイリスタ（トライアック）である。配線器具内蔵用のものとしては、定格電圧４００Ｖ〜６００Ｖ、定格電流数Ａ〜十数Ａ程度の小形モールドパッケージのものが用いられる。
【００２７】
符号Ｃ４は、平滑コンデンサである。該平滑コンデンサの電位を数Ｖ〜十数Ｖの所定値に保つよう充電制御し、該電子式スイッチ２の制御直流電源として用いる。配線器具内蔵用のものとしては、定格電圧数十Ｖ、静電容量数百μＦ程度のアルミ電解コンデンサが多用される。
【００２８】
符号Ｑ３は、高耐圧バイポーラトランジスタである。高耐圧バイポーラトランジスタＱ３の後段に位置する前記平滑コンデンサＣ４は１０Ｖ前後の直流低電圧であるが、双方向性サイリスタＱ１がＯＦＦしているとき、ブリッジ整流ダイオードＤ１の二次側電圧は、電源電圧の約１．４倍、交流１００Ｖ回路の場合１４０Ｖ以上の高圧となる。高耐圧バイポーラトランジスタＱ３は、この電圧を支える必要から、耐圧４００Ｖ程度、定格電流１００ｍＡ程度の小形モールド素子が用いられる。
【００２９】
図６は、電子式スイッチの他の実施例を示し、この電子式スイッチは無接点スイッチング素子として逆並列接続した一対の逆阻止サイリスタ１０、スイッチング素子として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１１を使用したものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の電子式スイッチによれば、交流２線式の電子式スイッチにあって、該電子式スイッチの持つ、無接点スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにかかわらず、常に安定した直流制御電源を確保することができる。
【００３１】
従い、交流２線式の配線器具に各種センサやマイクロ・コンピュータ等を内蔵させ、電子式スイッチの高機能化を進めるに際し、該スイッチのＯＦＦ時にも搭載回路の制御電源を絶たれることがなく、回路構成上の大きな制約が解消するという効果がある。
【００３２】
また、該電子式スイッチのＯＮ／ＯＦＦに伴う入力電圧の大幅な変動に対し、入力変動抑圧性能の高い電源制御が得られる。
【００３３】
このことは詳細な説明で既述の通り、無接点スイッチング素子の閉成時、開放時とも、制御電源の出力電圧を直接フィードバックして電圧制御する手段を有するので、スイッチング・レギュレータ・モジュールを用いた図５の方法等に比し、入力変動に対する出力電圧変動の抑制が容易であるという効果がある。
【００３４】
そして、無調整で広い入力電圧範囲に対応する電源制御が得られる。つまり、入力電圧の下限は、出力する直流制御電源の電圧値に概略２Ｖ程度以上あれば良く、入力電圧の上限は、スイッチング素子、ブリッジ整流ダイオード、及び主回路素子の定格電圧以内であれば良い。スイッチング素子、ブリッジ整流ダイオード、主回路素子等は、定格電圧４００Ｖ〜８００Ｖ程度の小形モールド素子が容易に入手可能であり、直流制御電源の電圧値を５Ｖとすると、ピーク電圧７Ｖ〜６００Ｖの入力電源電圧に対し、５Ｖ一定の直流制御電源を得ることができる。
【００３５】
従い、本発明によれば、配線器具や電子機器のマルチ電源電圧対応も容易であるという効果がある。
【００３６】
さらに、該電子式スイッチが、複数並列接続された際にも、全ての電子式スイッチで、常に安定した直流制御電源が得られる。このことは、交流電源に接続される負荷と、この負荷に直列に接続される電子式スイッチにおいて、同一の負荷を複数箇所から点滅制御したい場合、複数の該電子式スイッチを単純並列接続して用いることができる。この場合、組合わせる電子式スイッチ全てに本発明の電源制御回路を用いれば、正しく動作することはもちろんであるが、図４に示す（特開平１１−８６７０６）の電源制御回路を搭載した電子式スイッチと単純並列接続した場合にも、該電子式スイッチ全ての電源制御回路が正しく動作する。即ち、異種の電子式スイッチ同士を並列接続する場合であっても、全ての電子式スイッチで動作協調させることが容易である。
【００３７】
従い、種々の連動操作配線を容易に構成出来、機械式スイッチと同様の単純接続並列が可能な、使い勝手の良い電子式スイッチを提供できるという効果がある。
【００３８】
そして、電源制御回路の構成部品のうち、微小信号で動作する入力感度の高い素子は、全て、定電圧制御された平滑コンデンサの電源により駆動されるため、外来ノイズによる影響を受け難く、ノイズイミュニティの高い電源制御回路が得られるという効果がある。
【００３９】
さらにまた、ブリッジ整流ダイオードの出力側に高耐圧の平滑コンデンサが必要無いため、スイッチング・レギュレータ・モジュールを用いた図５の方法等に比し、小形化・高信頼化に有利である。
【００４０】
他方、図４に例示するような、パラレル制御形の電圧制御回路にあっては、点滅制御ＩＣ４が点灯制御出力中、何等かの原因で無接点スイッチング素子の閉成が継続できなくなると、電圧制御の手段が失われ、制御電源電圧が異常に上昇する虞があり、図４に示すＺＤ１のような保護用素子が不可欠であったが、本発明によれば、何等かの原因で無接点スイッチング素子が閉成不能となっても、ブリッジ整流ダイオードの二次側に配設されたスイッチング素子により、遅滞なく電圧制御が継続されるフェールセーフ機構として働く。
【００４１】
従い、制御電源の出力側保護用素子が不要で、安全性の高い電源制御回路が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す回路ブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を示す電気回路図である。
【図３】従来例の電気回路図である。
【図４】従来例の電気回路図である。
【図５】従来例の電気回路図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１  無接点スイッチング素子
２  電子式スイッチ
３  スイッチング素子
Ｄ１  ブリッジ整流ダイオード
Ｑ２  フォトトライアック・カプラ
Ｑ４  サイリスタ
ＺＤ１  ツェナ・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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