JPH0626467B2 - 高圧電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、直流に交流を重畳した高圧電流を供給する高
圧電源装置に関する。

［従来技術］ 上記のような高圧電源装置の一つとして、第１図に示す
ような回路が複写機の帯電器制御などに多く用いられて
いる。

第１図に示す回路は高圧の直流に所望の交流を重畳した
高圧電流を発生させる回路である。同図の端子３、４か
ら矩形波（あるいは正弦波）パルスを昇圧トランス６に
入力し、その２次側に巻線比に応じて昇圧された交流を
発生させ、これをダイオード８、コンデンサ９および負
荷抵抗１０から成る整流、平滑回路により高圧の直流電
圧Ｖ１を得る。

一方、端子１、２からは所望の負荷の制御特性にしたが
って定められた周波数の交流をトランス５に印加する。
トランス５の２次側の一端にはトランス６の高圧直流出
力が接続されており、したがってトランス５の２次側に
は、第２図に示すような前記の直流電圧Ｖ１と端子１、
２から入力された交流を昇圧して得た交流Ｖ２が重畳さ
れた電圧Ｖ１＋Ｖ２が発生され、出力端子７から負荷に
給電される。

第２図に示すように、出力電圧はトランス６により昇圧
された電圧Ｖ１を中心にトランス５によって昇圧された
交流電位が重畳されたものとなる。

上記のような交流を重畳させた高圧を発生させる従来構
成は直流系と交流系の２系統のトランスを必要とし、こ
のためコストが高く、またトランスは比較的大型の部品
なので装置全体の小型化を阻む欠点がある。また、第２
図に示す高圧直流電圧Ｖ１は多くの場合数ＫＶと高圧な
ことが多く、トランス５の１〜２次間の絶縁、および高
圧出力部と他の低圧部分の絶縁にかなりのコストがかか
る欠点がある。さらに、所望の負荷制御特性を得るため
に重畳交流を低周波にしたい場合にはトランス５の磁気
飽和を避けるためにトランス５が大型化してしまう欠点
がある。

［目 的］ 本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、直流に
交流を重畳した高圧電流を供給する高圧電源装置を小型
で低コストにして提供することを目的とする。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明
する。

第３図に本発明による電源装置の回路構成の一例を示
す。第３図において符号１４で示されているものは昇圧
トランスで、この昇圧トランス１４の１次側の一端には
抵抗１２、電解コンデンサ１３から成るフィルタを介し
て低圧の直流電圧Ｖｃｃが印加される。１次側の他端に
はスイッチングトランジスタ２８のコレクタが接続され
ており、このスイッチングトランジスタ２８により昇圧
トランス１４の１次側に対する給電制御が行なわれる。

昇圧トランス１４の２次側にはダイオード１５、コンデ
ンサ１６、放電用抵抗１７から成る整流、平滑回路が接
続されており、昇圧トランス１４により昇圧された電圧
が直流に変換されて負荷１８に給電される。負荷１８に
流れる負荷電流は検出抵抗１９を介して電圧として検出
される。検出電圧はコンデンサ２０により積分（平滑）
され、さらに抵抗２１、２２から成るバイアス回路を経
てオペアンプなどから構成された誤差増幅器２５の＋入
力に導かれる。上記の抵抗１９〜２２およびコンデンサ
２０によって高圧電流検出回路２９が構成される。

誤差増幅器２５の−入力には低圧の電源電圧Ｖｃｃを基
準電圧発生器３０を構成する抵抗２３、２４により分圧
して得た基準電圧が与えられる。誤差増幅器２５の出力
３１は交流発振器２６に入力され、交流発振器２６を制
御する。

第４図に第３図の交流発振器２６の詳細な構成を示す。

誤差増幅器２５の出力３１はオペアンプ５７、抵抗５
４、５５により構成されたコンパレータ回路に入力され
る。このコンパレータ回路は交流発振器２６の出力電圧
３２と入力電圧を比較することによりその出力に矩形波
を発生する。矩形波のゲインは可変抵抗５２、抵抗５３
により所定のレベルに調節され、抵抗４７、４８、５
０、コンデンサ４６、４９、５１、およびオペアンプ５
６から成るフィルタ回路に入力され、入力３１に重畳さ
れた正弦波を発生する。

第５図にこの様子を示す。第５図において符号３１は誤
差増幅器２５の誤差電圧出力で、この電圧３１に振幅３
６を有する正弦波が重畳されて出力３２が発生される。

交流発振器２６により発生された正弦波３２はＰＷＭ
（パルス幅変調器）２７に入力される。ＰＷＭ２７の出
力する矩形波３３はスイッチングトランジスタ２８のベ
ースに入力されており、ＰＷＭ２７は負荷電流に応じて
スイッチングトランジスタ２８のスイッチングパルス幅
を制御する。

第６図にＰＷＭ２７の構成を詳細に示す。

交流発振器２６の出力は抵抗６４、ダイオード６３、抵
抗６２の直列接続を介して、３角波発生器として機能す
るコンパレータの＋入力に導かれる。接続点８５、すな
わちオペアンプ６８の＋入力には電源電圧Ｖｃｃの抵抗
５８、５９の分圧点８９の電圧がダイオード６０、抵抗
６１を介して接続されている。コンパレータ６８の−入
力はコンデンサ６９によって接地されている。

コンパレータ６８の出力端子は抵抗６５を介して電源電
圧にプルアップされ、さらに帰還抵抗６６を介して＋入
力に帰還がかけられている。

コンパレータ６８の出力は抵抗６７、７０を介してオペ
アンプ７３の＋入力に接続されている。抵抗６７、７０
の接続点はコンパレータ６８の−入力と接続されてい
る。

コンパレータ７３の−入力には電源電圧Ｖｃｃの抵抗７
１、７２の分圧点８７の電圧が与えられている。コンパ
レータ７３は帰還抵抗７４を有し、その出力は抵抗７５
により電源電圧にプルアップされている。コンパレータ
７３の出力は抵抗７６を介してトランジスタ７７のベー
スに接続されている。

トランジスタ７７のエミッタは接地されており、コレク
タは抵抗７８を介して電源電圧Ｖｃｃに接続されてい
る。またトランジスタ７７のコレクタは抵抗７９、８０
をそれぞれ介して直列に接続されたトランジスタ８１、
８２のベースに接続されている。トランジスタ８１のエ
ミッタは抵抗８３を介して電源電圧に接続され、トラン
ジスタ８２のエミッタは接地されている。トランジスタ
８１、８２のコレクタ、エミッタの接続点の電圧は抵抗
８４を介してスイッチングトランジスタ２８のベースに
与えられる。

第７図に第６図中の各接続点の電圧を示す。

第７図において符号８６Ａ、８６Ｂは接続点８６の異な
った電位変化をそれぞれ示している。３角波の下端の電
位９２はコンパレータ６８の出力が低レベルのとき、 により一義的に定まる。ここでは抵抗値をＲ、電圧値を
Ｖで示し、さらに添字により各抵抗ないし接続点を示し
ている（以下の式においても同様）。また、Ｖｆはダイ
オードの順方向電位を示している。

また３角波の上端の電位９３、９４はコンパレータ６８
が高レベルのときの電位であり、入力される交流発振器
２６の出力電圧３２のレベルにより制御される。このと
き電位９２は となり、電圧Ｖ_３２によって変化し、９３の電位になっ
たり、９４の電位になったりする。なお、接続点６８の
３角波の傾きは抵抗６７、コンデンサ６９の時定数によ
り定まる。

また、電位８７は接続点８７の電位であり、 により一義的に定まり、この電位８７と、前記電位８６
の電位をコンパレータ８７により比較することにより符
号８８Ａ、８８Ｂで示されるような矩形波のパルスが形
成される。

接続点８６の電圧波形が波形８６Ａの場合にはコンパレ
ータ７３の出力波形は波形８８Ａのようになり、接続点
８６の波形が波形８６Ｂの場合にはコンパレータ７３の
出力波形は波形８８Ｂのようになる。

以上に示したように、３角波の下端の電位９２、接続点
８７の電位、抵抗６７、コンデンサ６９で定まる時定数
が一定なので、交流発振器２６の出力３２の変化によら
ずコンパレータ７３の出力オフ時間は第７図に符号９
８、１０１で示すように常に等しくなり、またオン時間
は交流発振器２６の出力に応じて符号９９、１００で示
すように調節される。

このようにして得られた矩形波パルスはトランジスタ７
７、８１、８２、抵抗７６、７８〜８０、８３、８４で
構成される電流増幅回路で所定ゲインにより増幅されて
大電流のスイッチングトランジスタ２８が駆動される。

ＰＷＭ２７の出力波形を簡略に第８図に示す。ＰＷＭ２
７の出力波形３３はそのオフ時間４５が常に一定で、オ
ン期間４４が交流発振器２６の出力３２により調節され
たものとなる。

次に以上の構成における動作につき説明する。

第３図において、負荷１８を流れた高圧電流は全て抵抗
１９を介してトランスに戻る。この電流を検出抵抗１９
で検出し、コンデンサで積分する。この電位は負電位と
なり、誤差増幅器２５の動作域を外れるので、抵抗２
１、２２でバイアスを加え、誤差増幅器２５の動作域に
移動した電位が誤差増幅器２５に入力される。

誤差増幅器２５では抵抗２２、２３で形成した基準電位
と、加えられた前記の＋側入力が比較される。すなわ
ち、＋入力の方が高ければ高レベルを出力し、その逆の
場合は低レベルを出力し、両者が同電位で安定状態を保
つ。

第５図に示したように誤差増幅器２５の出力３１に交流
発振器２６で発生された正弦波が重畳され、波形３２が
得られる。この波形３２と第３図の接続点３４の高圧出
力の関係を第９図に示す。ここで横軸は交流発振器２６
の出力３２の電圧を縦軸は高圧出力３４の電圧を示して
いる。ＰＷＭ２７、および昇圧トランス１４における増
幅率は直接４３で示すように線形であり、ＰＷＭ２７に
正弦波を入力することにより、接続点３４に高電圧にレ
ベルシフトされた正弦波を発生することができる。

以上のようにして、高圧出力電流の積分値が一定となる
ような定電流出力をもった高圧電源において、従来の交
流重畳方式で得られる交流を重畳させた高圧出力と同等
の出力を得ることができる。以上のような構成によれ
ば、高圧出力の強度を所定の周波数で変化させることに
より、従来と同等の出力波形を得ているので、従来の交
流系のトランスを省略でき、電源部を著しく小型に形成
できる。当然ながら、交流系のトランスがないので、重
畳交流を低周波に設定する場合にも設計作業が楽にな
る。また、高圧を取り扱う接続点が少なくなるので、他
の低圧部分との絶縁処理も楽になり、コストを低減でき
る。

以上では負荷電流を一定にするような定電流制御を行な
う高圧電源装置における実施例を示したが、負荷電圧を
一定に制御するような高圧電源装置においても本発明が
実施できるのはもちろんである。

第１０図は前記の第３図に対応し、定電圧制御を行なう
場合の実施例を示している。ここでは前記と同一ないし
相当部材には同一符号を付し、その詳細な説明は省略す
る。

第１０図の実施例では誤差増幅器２５に入力する電圧を
負荷電圧に対応した電圧としている。すなわち、誤差増
幅器２５の−入力には負荷１８に対する印加電圧を抵抗
１７、１９により分圧し、コンデンサ２０により積分し
た電位が入力されている。誤差増幅器２５の−入力はツ
ェナーダイオード２５Ａによりプルアップされている。
このツェナーダイオード２５Ａは第３図の抵抗２１、２
２に対応する回路で、そのツェナー電圧により入力電圧
を誤差増幅器２５の動作域に保つ働きをする。また誤差
増幅器２５の＋入力端子には電源電圧Ｖｃｃを抵抗２
３、２４により分圧した基準電圧が加えられている。し
たがって、本実施例の場合、誤差増幅器２５は抵抗２
３、２４の分圧に対応して定められた所定の基準電圧と
負荷電圧との誤差信号を出力する。

誤差増幅器２５の後段の交流発振器２６、ＰＷＭ２７の
動作は前記と同様であり、したがって本実施例によれば
高圧出力電圧の積分値が一定となるような定電圧出力を
もった高圧電源において、前記と同様の効果を得ること
ができる。

以上の実施例では昇圧トランスの１次側の低圧電源を断
続させるスイッチングトランジスタを制御することによ
り高圧出力を制御しているが、スイッチングトランジス
タを固定周波数により断続させ、昇圧トランスの１次側
低圧電源の電力を制御するような構成も考えられる。

第１１図はこのような構成の一例を示している。第１１
図ではスイッチングトランジスタ９８は固定周波数の発
振器１１０により励振されており、昇圧トランス１４の
他端に対する電源電圧Ｖｃｃをシリーズレギュレータ１
１７により制御している。シリーズレギュレータ１１７
の動作は第１０図と同様に構成された誤差増幅器２５、
交流発振器２６により制御される。

第１２図に発振器１１０の回路の一例を示す。ここでは
オペアンプ１２２を用いた発信器を示している。オペア
ンプ１２２の＋入力には抵抗１２０〜１２３で形成され
たしきい値が入力されるとともに抵抗１２６を介して自
己の出力がフィードバックされる。また、出力端子、−
入力間には周波数を規定する抵抗１２４、コンデンサ１
２５から成る時定数回路が接続されている。発生された
パルス波は、抵抗１２７を介し電流増幅を行なうスイッ
チングトランジスタ１２９のベースに入力される。トラ
ンジスタ１２９のコレクタは電流制限用の抵抗１３０を
介して電源電圧Ｖｃｃに接続されるとともに、スイッチ
ングトランジスタ２８のベースと接続される。

周知のようにこのような発振回路ではしきい値を基準と
してオペアンプ１２２がハイレベル、ローレベル出力を
繰り返すことにより方形波パルスが形成される。第１３
図は第１２図のオペアンプ１２２の−入力端子の波形を
示している。符号７２Ａ、７２Ｂはオペアンプ１２２の
＋入力端子の入力しきい値レベルで、出力がハイかロー
かでいずれかに切り換わる。ハイレベル区間Ｐではコン
デンサ１２５が充電されるので、時定数に応じて−入力
端子の電圧が上昇し、これがレベル７２Ａに達した時点
でアンプはローレベルに切り換わる。ローレベル区間Ｑ
ではコンデンサ１２５が放電され、時定数に応じて−入
力端子の電圧が減少する。この区間では帰還抵抗１２６
により＋入力端子のしきい値電圧はレベル７２Ｂとなっ
ており、−入力電圧がこのレベルに達すると再びオペア
ンプ１２２は反転する。このようん動作を繰り返すこと
によりトランジスタ１２９が断続され、電流増幅された
その出力により第１１図のスイッチングトランジスタ２
８が駆動される。

一方、トランジスタ２８と反対側の昇圧トランス１４の
１次巻線の一端はトランジスタ１１４、１１５、抵抗１
１１〜１１３、１１５から構成されたシリーズレギュレ
ータ１１７に接続される。

このシリーズレギュレータ１１７の入力には前記と同様
の交流発振器２６が接続されており、負荷電圧を一定に
するように制御された正弦波が入力される。シリーズレ
ギュレータ１１７は入力される正弦波に応じて電源から
昇圧トランス１４に供給する電力を変化させる。なお第
１１図において符号１３で示されているのは平滑用コン
デンサである。

このような構成によっても２次側に高圧を発生させるこ
とができ、この場合にも前記と同様の効果を得ることが
できる。

第１１図ではシリーズレギュレータを用いて昇圧トラン
スの１次側の給電を制御する構成を例示したが、第１４
図、第１５図に示すように、１次側の給電をスイッチン
グレギュレータ回路により行ない、このレギュレータを
負荷に応じて制御するようにしてもよい。

第１４図、第１５図において、昇圧トランスの１次側の
一端には発振器１１０、トランジスタ２８が接続されて
おり、また他端にはトランジスタ１４３、抵抗１４１、
１４２および１４７、高速ダイオード１４５、コンデン
サ１４６およびチョークコイル１４４から成る公知のス
テップダウン・チョッパ型スイッチングレギュレータが
接続されている。スイッチングレギュレータ１４０を構
成する励振用トランジスタ１４３のベース電流は第３図
に示したのと同様な誤差増幅器２５、発振器２６および
ＰＷＭ２７により制御される。

第１４図の実施例は２次側負荷電圧を平均的に定電圧制
御する構成を、また、第１５図の実施例は２次側負荷電
流を定電流制御する場合の構成をそれぞれ示している。
すなわち、第１４図においては第１０図におけるのと同
様に抵抗１７、１９による負荷電圧の分圧を誤差増幅器
２５に入力し、第１５図の場合には第３図と同様に抵抗
１９を介して検出した負荷電流に対応した電圧を誤差増
幅器２５に入力するようにしている。

以上のような構成によっても、昇圧トランス１４の１次
側の給電率を制御することにより高圧出力強度を所定の
周波数で振動させることができ、しかもその場合負荷電
圧または負荷電流を平均的に一定値に制御することがで
きる。

以上に示した実施例では交流発振器２６の出力する交流
波形は正弦波として示したが、矩形波、ノコギリ波、三
角波など所望の波形を用いることができる。これにより
負荷の性質に応じて所望の変動パターンで出力強度を変
化させることができる。これは従来の技術思想から見る
と、所望の波形の交流を高圧直流出力に重畳させる動作
に対応する。また、交流発振器２６の波形は一定の周波
数としたが、所望の負荷特性に応じて変化させることも
考えられる。

［効 果］ 以上説明したように、本発明は、電力源からの電力をス
イッチングレギュレータを介して変圧手段の１次側に第
１の周期で断続的に供給する手段と、変圧手段の２次側
から出力される交流を整流する手段と、スイッチングレ
ギュレータを所定の周期で断続させる手段と、スイッチ
ングレギュレータを断続させる周期を第２の周期で変化
させることにより電力供給手段が供給する電力の量を増
減させる手段を具備することにより、直流に交流を重畳
した高圧電流をより安定した状態で供給する高圧電源装
置を小型で低コストにして提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高圧電源の構成を示した回路図、第２図
は第１図の回路における出力を示した波形図、第３図以
下は本発明の一実施例を説明するもので、第３図は本発
明による高圧電源回路の構成を示した回路図、第４図は
第３図における交流発振器の構成を詳細に示した回路
図、第５図は交流発振器の出力を示した波形図、第６図
は第３図におけるＰＷＭの構成を詳細に示した回路図、
第７図は第６図の各接続点の波形を示した波形図、第８
図はＰＷＭの出力を示した波形図、第９図は本発明装置
における入出力関係を示した線図、第１０図は本発明の
異なった実施例を示した回路図、第１１図は第１０図の
実施例をさらに変形した構成を示す回路図、第１２図は
第１１図中の発振器の構成を示した回路図、第１３図は
第１２図のオペアンプの−入力端子の電圧波形を示した
線図、第１４図、第１５図はそれぞれ第１１図の実施例
をさらに変形した構成を示す回路図である。 １４……昇圧トランス、１５……ダイオード １６、２０……コンデンサ １９〜２４……抵抗 ２５……誤差増幅器、２６……交流発振器 ２７……ＰＷＭ ２８……スイッチングトランジスタ １１０……発振器 １１７……シリーズレギュレータ １４０……スイッチングレギュレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１次側から入力した電力を２次側から高電
   圧の電力として出力する変圧手段と、 電力源と、 前記電力源からの電力をスイッチングレギュレータを介
   して前記変圧手段の１次側に第１の周期で断続的に供給
   する電力供給手段と、 前記変圧手段の２次側から出力される交流を整流する整
   流手段と、 前記スイッチングレギュレータを所定の周期で断続させ
   る第１の制御手段と、 前記第１の制御手段により断続させる周期を第２の周期
   で変化させることにより前記電力供給手段が供給する電
   力の量を増減させる第２の制御手段と、 を有することを特徴とする高圧電源装置。