JP2000209081A - 位相制御式ソリッドステ―トリレ― - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位相制御式でありながらトランス等の大型部
品を必要とせず、且つ外部端子が２個の入力端子と２個
の出力端子で済み、さらには外部からのノイズ等の影響
を受け難い位相制御式ソリッドステートリレーを提供す
ること。 【解決手段】 正入力端子１に接続された基準抵抗Ｒ０
と負入力端子１’に接続されたツェナーダイオードＺＤ
０とを直列に接続し、上記ツェナーダイオードの両端電
圧をＣＲ充電回路とコンパレータＣＭＰ１，２からなる
トリガパルス発生回路の動作電源とすると共に、出力端
子に主サイリスタＴＡＣとゼロ電圧検出回路ＺＶを並列
に接続せしめ、ゼロ電圧検出回路の信号をフォトカプラ
ーＰＣ１で電気的に絶縁して入力側に伝達してＣＲ充電
回路の充電コンデンサーの充放電を制御し、この充放電
電圧と前記基準抵抗の両端に生ずる電圧をトリガパルス
発生回路のコンパレーターで比較してトリガパルスを発
生させ、このトリガパルスをフォトサイリスタカプラＰ
Ｃ２で電気的に絶縁して出力側の主サイリスタのゲート
に伝達して主サイリスタを制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する分野】本発明は、産業用機器等に利用さ
れるヒーターの電力制御やモーターの回転制御を行なう
ための、位相制御式ソリッドステートリレーに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】サイリスタを用いて電力制御を行なう場
合、オン・オフ制御式のものと位相制御式のものとがあ
るが、オン・オフ制御式のものはソリッドステートリレ
ーのように構造が簡単であるがモーターの回転制御など
精密な制御を行なうことが出来ない不具合がある。

【０００３】他方、従来の位相制御式では、図３に示し
た従来例の通り、交流電源ＡＣに接続したトランスＴ
と、全波整流回路ＤＢと、ゼロ電圧検出回路ＺＶとの回
路から得られる信号によって、交流電圧のサイクルに同
期してＣＲ充電回路ＣＲの充電コンデンサーＣの充放電
を行ない鋸歯状波を発生させ、この鋸歯状波と入力アン
プＡＭＰ１で電圧信号に変換された制御電流信号Ｉｉを
コンパレーターＣＭＰ２で比較してトリガパルスを発生
させることにより、主サイリスタＴＡＣを制御し、制御
電流入力信号Ｉｉの値に応じた位相制御動作を行い、ヒ
ーター等の負荷Ｌの電力を制御するようになっている。
その為、オン・オフ制御式のものよりは精密な交流電力
の制御を行なうことが出来るが、前記ゼロ電圧検出回路
ＺＶ、入力アンプＡＭＰ１、コンパレーターＣＭＰ２の
動作電源を交流側から供給するためにトランスＴを必要
とし装置が大型化すると共に、外部端子として、入力端
子１，１’及び出力端子２，２’の他に電源端子３，
３’を必要とする等、構成が複雑なものとなる不具合が
あった。

【０００４】このような不具合を解決するものとして、
本出願人は先に特開平７―２４５９３９号公報に示され
る位相制御式ソリッドステートリレーを提案した。この
特開平７―２４５９３９号公報に開示された位相制御式
ソリッドステートリレーでは、制御電流信号を入力する
入力側回路の入力端子に、ツェナーダイオードと基準抵
抗を直列に接続せしめ、ツェナーダイオードの両端に生
じるツェナー電圧をトリガパルス発生回路の動作電源と
して使用し、基準抵抗の両端に生じた電圧を制御指令電
圧としている。この点では本発明と類似するが、ツェナ
ーダイオードが正入力端子に接続されているため、ツェ
ナーダイオードと基準抵抗の接続点が回路の動作上の基
準点となり、この点を仮のグランド点とせざるを得なか
った。そのため、基準抵抗にはこの仮のグランド点に対
して負の極性を持つように制御指令電圧が発生する。そ
こで制御指令電圧を抵抗により仮グランド点より正の方
にシフトさせてコンパレーターに入力し、ＣＲ充電回路
の充電電圧と比較してトリガパルスを発生させるように
している。このトリガパルスを、フォトサイリスタカプ
ラーで電気的に絶縁して、出力側回路の主サイリスタの
ゲートに伝達し、主サイリスタを制御（オン）するよう
に構成している。

【０００５】しかしながら、グランド点が前記のよう
に、回路上で仮に存在するだけのため、携帯電話などの
電波源を近づけると制御動作が不安定になるなど、外部
からのノイズ等の影響を受け易かった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような不
具合に鑑みてなされたものであり、精密な交流電力の制
御が可能な位相制御式でありながら、トランス等の大型
部品を必要とせず、且つ外部端子が２個の入力端子と２
個の出力端子で済み、さらには外部からのノイズ等の影
響を受け難く安定な制御動作を行う位相制御式ソリッド
ステートリレーを提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】斯る目的を達成する本発
明の位相制御式ソリッドステートリレーは、制御電流信
号を入力する正入力端子に接続された基準抵抗と負入力
端子に接続されたツェナーダイオードとを直列に接続せ
しめ、上記ツェナーダイオードの両端電圧をＣＲ充電回
路とコンパレータからなるトリガパルス発生回路の動作
電源とすると共に、出力端子に主サイリスタとゼロ電圧
検出回路を並列に接続せしめ、該ゼロ電圧検出回路の信
号をフォトカプラーで電気的に絶縁して入力側に伝達し
てＣＲ充電回路の充電コンデンサーの充放電を制御し、
この充放電電圧と前記基準抵抗の両端に生ずる電圧をト
リガパルス発生回路のコンパレーターで比較してトリガ
パルスを発生させ、このトリガパルスをフォトサイリス
タカプラで電気的に絶縁して出力側の主サイリスタのゲ
ートに伝達して主サイリスタを制御するようにした事を
特徴としたものである。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を図１に示した
回路図に基づいて説明する。本発明に係る位相制御式ソ
リッドステートリレーは、ＣＲ充電回路ＣＲ及びコンパ
レーターＣＭＰ１、ＣＭＰ２とからなるトリガパルス発
生回路を主とする入力側の回路と、サイリスタＴＡＣ及
びゼロ電圧検出回路ＺＶを主とする出力側の回路とから
構成され、これら入力側回路と出力側回路は互いに電気
的に絶縁されている。

【０００９】そして、制御電流信号Ｉｉを入力する入力
側回路の正入力端子１には基準抵抗Ｒ０を接続し、負入
力端子１’にはツェナーダイオードＺＤ０を接続せし
め、上記基準抵抗Ｒ０とツェナーダイオードＺＤ０とを
直列に接続させる。制御電流信号Ｉｉは、産業上４〜２
０ｍＡが多用されているので、ここでも同様の範囲で制
御を行なうこととして説明をするが、本発明は上記制御
電流範囲のものに限定されるものではなく、他の制御電
流範囲においても可能であることは言うまでもない。

【００１０】正・負入力端子１，１’に制御電流信号Ｉ
ｉが入力されると、電流は主として基準抵抗Ｒ０通して
ツェナーダイオードＺＤ０に流れ、ツェナーダイオード
ＺＤ０の両端には一定の電圧、すなわちツェナー電圧が
生じる。このツェナー電圧をＣＲ充電回路ＣＲとコンパ
レーターＣＭＰ１，ＣＭＰ２とからなるトリガパルス発
生回路の動作電源として使用する。従って、これら入力
側回路の電源はすべて前記ツェナーダイオードＺＤと並
列に接続せしめる。ここで負入力端子１’に接続する回
路部分はトリガパルス発生回路の動作上の基準点であ
り、且つグランドラインＧＮＤとなる。

【００１１】また基準抵抗Ｒ０には、制御電流信号Ｉｉ
に比例した、［Ｉｉ×Ｒ０］なる電圧Ｖ０が生じる。基
準抵抗Ｒ０の両端に生じた電圧Ｖ０は、位相制御出力が
制御電流信号Ｉｉに応じた位相角となることを決定する
制御指令電圧Ｖ０’として、コンパレーターＣＭＰ２に
入力する。

【００１２】尚、電源として消費される電流は、制御電
流信号Ｉｉの入力が最小の４ｍＡである場合には、低消
費電力の素子を用いること等により最大でも４ｍＡを超
えないようにし、瞬間的な電流増は電源回路にコンデン
サーを追加する等して動作の正常化をはかるようにす
る。

【００１３】他方、出力側回路の出力端子２，２’に
は、主サイリスタＴＡＣ及びゼロ電圧検出回路ＺＶを並
列に接続せしめ、外部に負荷Ｌと交流電源ＡＣを直列に
接続させる。この負荷Ｌは、電気炉，乾燥器等に使用す
るヒーターや、照明，赤外線装置等のランプ，または電
動機械に使用するモーター等、各種の電力装置であり限
定した対象ではない。

【００１４】負荷Ｌには、制御電流信号Ｉｉが入力され
位相制御動作がなされると、図２の（Ａ）に示すような
位相制御波形の電圧が印加される。又、主サイリスタＴ
ＡＣには図２の（Ｂ）に示すように、位相制御された負
荷電圧の欠けた部分の電圧を補う形の電圧が加わる。

【００１５】ゼロ電圧検出回路ＺＶは、逆並列に接続さ
れた２個のフォトダイオードＰＣ１（Ｄ）とフォトトラ
ンジスタＰＣ１（Ｔｒ）からなるフォトカプラーのフォ
トダイオードＰＣ１（Ｄ）と電流制限抵抗Ｒ９，Ｒ１０
とで構成し、主サイリスタＴＡＣと並列に接続する。従
って、フォトダイオードＰＣ１（Ｄ）には、図２の
（Ｃ）に示すような電流波形が生じ、出力端子２，２’
の電圧がゼロ電圧付近の場合（通常１０数Ｖ以下の電圧
であるが厳密に規定されない）では、フォトダイオード
ＰＣ１（Ｄ）がオフになるゼロ電圧信号を発生し、入力
側のトリガパルス発生回路にゼロ電圧信号を伝達するよ
うになる。

【００１６】フォトカプラーのフォトダイオードＰＣ１
（Ｄ）に電流が流れたり、オフになったりすると、電気
的に絶縁されているにも拘らず光による結合により、ゼ
ロ電圧検出回路の信号が伝達され、対応するフォトトラ
ンジスタＰＣ１（Ｔｒ）が、図２の（Ｄ）に示すような
オン・オフ動作を行なう。

【００１７】ゼロ電圧検出回路ＺＶは、正または負の電
圧が印加されているときにフォトダイオードＰＣ１
（Ｄ）がオンし、電圧がゼロ電圧付近の場合にフォトダ
イオードＰＣ１（Ｄ）がオフすればよいので、全波整流
回路を使用して同様の作用をなさせることは自明であ
り、本実施例の逆並列接続されたフォトダイオードＰＣ
１（Ｄ）回路方式に限定されるものではない。

【００１８】フォトダイオードＰＣ１（Ｄ）と対応する
フォトトランジスタＰＣ１（Ｔｒ）は、抵抗Ｒ４と直列
接続し、電源とグランドＧＮＤに接続する。フォトトラ
ンジスタＰＣ１（Ｔｒ）と抵抗Ｒ４との接続点は、電源
を抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３で分圧した比較電圧と共にコンパ
レーターＣＭＰ１に入力し、このコンパレーターＣＭＰ
１の出力でトランジスタＴｒ１をオン・オフする。トラ
ンジスタＴｒ１のオン・オフ動作は、フォトトランジス
タＰＣ１（Ｔｒ）のオン・オフ動作と逆極性となるよう
にコンパレーターＣＭＰ１の入力極性を定め、図２の
（Ｅ）に示すような交流の電源電圧のサイクルに同期し
たオン・オフ波形を得る。

【００１９】このトランジスタＴｒ１は、ＣＲ充電回路
ＣＲの充電コンデンサーＣ１のリセット（放電）を行な
うように並列に接続せしめて、ＣＲ充電回路ＣＲの充放
電を制御する。即ち、ＣＲ充電回路ＣＲは、抵抗Ｒ１、
Ｒ１’と充電コンデンサーＣ１を直列に接続して構成
し、トランジスタＴｒ１がオンの場合は充電コンデンサ
ーＣ１のリセット（放電）を行ない、オフの場合には抵
抗Ｒ１、Ｒ１’を通して充電を行なう。この充放電動作
は、図２の（Ｆ）に示したような鋸歯状波形となる。

【００２０】ここで、基準抵抗Ｒ０はツェナーダイオー
ドＺＤ０による電源に接続されているので、基準抵抗Ｒ
０に発生する制御指令電圧Ｖ０は電源電圧分だけ高くな
っている。そこで、ツェナーダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ
５によりグランドＧＮＤ側にシフトさせて制御指令電圧
Ｖ０’とし、ＣＲ充電回路ＣＲで発生させた充電コンデ
ンサーＣ１の充電電圧と共に、トリガパルス発生回路の
出力部であるところのコンパレーターＣＭＰ２に入力さ
せて比較し、トリガパルスを発生させるようにする。

【００２１】図２の（Ｆ）は、これら制御指令電圧Ｖ
０’と充電コンデンサーＣ１の充電電圧との比較の模様
をも表わしている。そして図２の（Ｇ）は、制御指令電
圧Ｖ０’と充電コンデンサーＣ１の充電電圧とを比較し
た結果、コンパレーターＣＭＰ２より出力されるトリガ
パルスの様子を表わした波形であり、充電コンデンサー
Ｃ１の充電電圧が制御指令電圧Ｖ０’より低くなると、
トリガパルスが発生することを表わしている。

【００２２】この様にして、入力側回路のトリガパルス
発生回路から発生したトリガパルスは、フォトサイリス
タカプラーＰＣ２により電気的に絶縁して、出力側回路
の主サイリスタＴＡＣのゲートに伝達され、主サイリス
タを制御（オン）する。

【００２３】フォトサイリスタカプラーＰＣ２はフォト
カプラーと同様に、フォトダイオードに電流を流すと、
電気的に絶縁されているフォトサイリスタを光による結
合によりターンオンさせる。フォトサイリスタの動作は
一般のサイリスタと同様に、スイッチング動作であり、
電気的ゲート信号の代わりに光信号によって動作を行な
うようになっている。

【００２４】而して、入力の制御電流信号Ｉｉが増加す
ると、指令電圧Ｖ０は電源に対してさらに正の方向に増
加するので、コンパレーターＣＭＰ２に入力される指令
電圧Ｖ０’も高くなり、トリガパルス発生のタイミング
が前方に移動し、位相制御の導通角が増加する。逆に、
入力の制御電流入力Ｉｉが減少すると指令電圧Ｖ０が小
さくなり、コンパレーターＣＭＰ２に入力される指令電
圧Ｖ０’も低くなり、トリガパルス発生のタイミングが
後方に移動し、位相制御の導通角が減少する。こうし
て、制御出力は入力の制御電流信号Ｉｉに応じた導通角
となり、必要とする位相制御を行なうことが可能とな
る。

【００２５】これらの入出力特性を決定する基本要素
は、ＣＲ充電回路ＣＲの時定数と基準抵抗Ｒ０の値、及
びツェナーダイオードＺＤ０による動作電圧で決定され
るので、定数を選ぶことにより、動作を、例えば４ｍＡ
の場合に導通角を０°、１２ｍＡの場合に９０°、２０
ｍＡの場合に１８０°、などと導通角を決定することが
できる。

【００２６】尚、回路図において、主サイリスタＴＡＣ
のゲートＧと出力端子２’間に接続している抵抗とコン
デンサーとからなる回路ＧＲは、誤動作を防止するため
のものである。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係る位相制御式ソリッドステー
トリレーは斯様に構成したので、負入力端子１’に接続
したグランドラインＧＮＤがトリガパルス発生回路の動
作上の基準点となり、従って携帯電話などによる電波ノ
イズ源が近くにあっても容易に誤動作しない信頼性の高
い装置を実現することが可能となる。

【００２８】また、入出力特性を決定する要素が、ＣＲ
充電回路の時定数と基準抵抗の値及びツェナーダイオー
ド電圧で決定されることになり、これらはいずれも固有
差の少ない部品で構成され得るため、品質のバラ付きの
ない信頼性の高い装置とすることが出来る。

【００２９】しかも、動作電源を入力側の制御電流信号
から取り出し、入出力間の信号受渡しはフォトカプラー
及びフォトサイリスタカプラーで電気的に絶縁されてい
るので、制御信号と交流負荷側との電気的絶縁がなさ
れ、且トランスを必要としないので装置の小型化を図る
ことが出来る。

【００３０】また、精密な交流電力の制御が可能な位相
制御方式であるにも拘らず、主サイリスタとゼロ電圧検
出回路を並列にして出力側の端子に接続してなる為、２
個の入力端子と２個の出力端子で済む簡単な構成とな
り、オン・オフ制御式ソリッドステートリレーと同等の
形状をした、位相制御式ソリッドステートリレーを提供
することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の一例を示す回路図。

【図２】 図１の回路上各部における動作を示す波形
図。

【図３】 従来例を示す回路図。

【符合の説明】

１，１’：入力端子 ２，２’：出力端子 Ｉｉ：制御電流信号 Ｖ０，Ｖ０’：制御指令電圧 Ｌ：負荷 ＡＣ：交流電源 ＴＡＣ：主サイリスタ ＺＶ：ゼロ電圧検出回路 ＰＣ１：フォトカプラー ＣＭＰ１：コンパレーター ＰＣ２：フォトサイリスタカプラー ＣＭＰ２：コンパレーター ＺＤ：ツェナーダイオード ＣＲ：ＣＲ充電回路 Ｒ０：基準抵抗 Ｒ１〜Ｒ１０：抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御電流信号を入力する正入力端子に接
   続された基準抵抗と負入力端子に接続されたツェナーダ
   イオードとを直列に接続せしめ、上記ツェナーダイオー
   ドの両端電圧をＣＲ充電回路とコンパレータからなるト
   リガパルス発生回路の動作電源とすると共に、出力端子
   に主サイリスタとゼロ電圧検出回路を並列に接続せし
   め、該ゼロ電圧検出回路の信号をフォトカプラーで電気
   的に絶縁して入力側に伝達してＣＲ充電回路の充電コン
   デンサーの充放電を制御し、この充放電電圧と前記基準
   抵抗の両端に生ずる電圧をトリガパルス発生回路のコン
   パレーターで比較してトリガパルスを発生させ、このト
   リガパルスをフォトサイリスタカプラで電気的に絶縁し
   て出力側の主サイリスタのゲートに伝達して主サイリス
   タを制御するようにした事を特徴とする位相制御式ソリ
   ッドステートリレー。