JPH0727616Y2

JPH0727616Y2 - 電磁コイル駆動回路

Info

Publication number: JPH0727616Y2
Application number: JP1989066380U
Authority: JP
Inventors: 洋市荻浦
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2004-06-06
Also published as: JPH0328705U

Description

【考案の詳細な説明】イ．考案の目的（産業上の利用分野）本考案は、電磁弁、電磁ポンプ及び電磁アクチュエータ
に使用する電磁コイルを高速励磁、高速消磁するための
電磁コイル駆動回路に関する。

（従来の技術）従来、電磁コイルを高速励磁、高速消磁するための電磁
コイル駆動回路関連技術としては特開昭57−203830が知
られている。

この公知例では、燃料を噴射する電磁弁の高速吸引、高
速遮断を目的とした内燃機関用電磁弁駆動回路に関する
もので、具体例は、第５図でラインL₁、L₂間に接続され
た電池Ｂ、Q₁₁ないしQ₁₃はトランジスタ、アンドゲート
41、コンパレータ42、44、45、フリップロップ（FF）4
3、電磁コイルl₁、抵抗R₁₁ないしR₁₈、コンデンサC₁₁及
び端子Ａ等を図示のような接続とするものである。

詳細は前記公知例によるが、これの基本動作は電磁弁駆
動指令が端子Ａに入力されると、アンドゲート41に電圧
が印加され、FF43がトリガされ、トランジスタQ₁₃はオ
フとなり、また、トランジスタQ₁₁はオンとなる。さら
に、トランジスタQ₁₂はオンとなって電磁コイルの駆動
電流が流れ始める。この後、トランジスタQ₁₁がオフと
なり電磁コイル電流が減衰を始める。一定の減衰レベル
で反転し、いわゆる鋸歯状波で継続し、電磁コイルの保
持電流を確保する。

電磁コイル駆動電流を零にするには、端子Ａの電磁弁駆
動指令入力が零になると、トランジスタQ₁₁、Q₁₂はオフ
となり、電磁コイルの蓄積エネルギーはコンデンサ
C₁₁、抵抗Ｒ₁₂を通じてコンデンサC₁₁を充電し、完了す
ると電磁コイル駆動電流は零となる。さらに、電磁コイ
ル駆動電流の逆方向のコンデンサC₁₁の放電電流は電磁
コイルの残留磁束の打ち消しに役立つことになり電磁コ
イルの高速遮断を可能とした。

しかしながら、この公知例では電磁弁にパルス電圧を入
力した後、電磁弁が切換を終了するまでの時間に比較し
てパルスの繰り返し周期が充分に長くないときには、定
電流回路、フライホイールダイオード及びフリップフロ
ップ回路は動作しないことになる。

したがって、この例では定格電圧の低い電磁コイル、例
えば、12V用コイルを24Vで駆動しているのと同様にな
り、消費電力が大となるため電磁コイルの温度上昇を大
きくしていた。また、電磁コイル駆動回路には定格電流
の大きなトランジスタや大きな放熱板等を必要とする問
題があった。

さらに、電磁コイルを励磁した時にコイルに蓄積される
電磁エネルギーの大部分を、電磁コイルがオフの時にダ
ンピング抵抗による熱エネルギーとして消費する回路構
成のため、エネルギーの無駄な消費があり、このため、
パルスの繰り返し周期を短くするためには大きなダンピ
ング抵抗を必要とする問題があった。

また、油圧の制御において、パルスの繰り返し周期を長
くして使用した場合には、電磁弁のオンないしオフ遅れ
時間を少なくすることで、パルスの繰り返し周期を短く
して油圧変動を少なくし、油圧の衝撃による機器の寿命
の低下の防止や、アクチュエータの振動を少なくし、シ
ールの磨耗を防ぐという目的を達成できないという欠点
があった。

（考案が解決しようとする課題）前述した通り、従来技術にあっては、パルスの繰り返し
周期が充分に長くないときには、定電流回路、フライホ
イールダイオード及びフリップフロップ回路は動作しな
かったり、また、消費電力が大となるため電磁コイルの
温度上昇を大きくしていた。さらに、定格電流の大きな
トランジスタや大きな放熱板等を必要とする問題があっ
た。

さらに、電磁コイルに蓄積される電磁エネルギーの大部
分を消費する回路構成のため、エネルギーの無駄な消費
があった。

繰り返し周期を短くするためには、大きなダンピング抵
抗を必要とした。また、少ない油圧の変動、機器の寿命
の低下の防止、アクチュエータの振動の減少、シールの
磨耗防止といった目的を達成できないという欠点があっ
た。

本考案は、電磁弁の高速励磁、高速消磁を可能とした電
磁弁駆動回路に関し、パルスの繰り返し周期を短くして
も比較的無駄な消費電力が発生せず、電磁弁、電磁ポン
プ及び電磁アクチュエータに使用する電磁コイルを実用
上、充分な速さで高速励磁、高速消磁するための電磁コ
イル駆動回路を提供することを目的とする。

ロ．考案の構成（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本考案の電磁コイル駆動回
路は、電磁コイル用電力供給源と、該コイル電流を制御
する直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第
１のスイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと
ダイオードであって、該ダイオードは該コンデンサに蓄
積された電荷を前記第１のスイッチング素子を通して放
電するのを阻止し、前記コンデンサに並列に接続された
少なくともバリスタ電圧が電源電圧の２ないし６倍を有
するバリスタと、前記電磁コイルと前記ダイオードとに
並列に接続された第２のスイッチング素子と、該第２の
スイッチング素子に並列に接続されたダイオードと、前
記コンデンサに蓄積された電荷を電源に回生されるのを
阻止する第２のダイオードと、前記第２のスイッチング
素子を制御する第３のスイッチング素子とからなること
を特徴とする電磁コイル駆動回路により提供される。

（作用）上記の電磁コイル駆動回路は、後述する実施例に詳細な
作用を示すが、その基本的な作用は以下の通りである。

まず、電磁コイル駆動回路に電源を接続することによ
り、ラインの各点にそれぞれの電圧が生じる。

これにより、電磁コイルに励磁電流が流れ、これと直列
のコンデンサ25はダイオード22、電磁コイルを通じて電
源電圧付近まで充電される。

その後、入力端子からパルス電圧が与えられると、スイ
ッチングトランジスタ１（トランジスタ１）のベース電
流が流れ、電磁コイルはトランジスタ１を通して電流が
流れ始める。

同時に、スイッチングトランジスタ３（トランジスタ
３）もベース電流が流れ、スイッチングトランジスタ２
（トランジスタ２）のベース電流はコンデンサから供給
され流れ始める。コンデンサの電位がトランジスタ２の
コレクタ電圧より低いてめトランジスタ２のエミッタ−
コレクタ間には電流が流れないで電源電圧だけで電磁コ
イル26の電流値が増加する。

次に、入力端子のパルス電圧をゼロ（オフ）にすると、
前記トランジスタ１、２、３は遮断（オフ）され、それ
と同時にトランジスタ１を通して流れていた電磁コイル
への電流が遮断される。

しかし、電磁コイルの電流は電磁コイルに蓄積されたエ
ネルギーを放出するまで流れ続けようとする性質がある
ため、電磁コイルの電流は、ダイオード21を通してコン
デンサを充電し続ける。ここで、一定の電荷が供給され
ならば、コンデンサの静電容量を調整することで、充電
される電圧の値を調整できることを見いだした。

そこで、仮にコンデンサも静電容量を調整することで、
充電される電圧の値を電源電圧の４倍に充電したとする
と、入力端子のパルス電圧がオフとなる時間を継続して
も、コンデンサの電荷は、ダイオード21を通して放電は
阻止される。この阻止とはせいぜい漏れ電流程度が流れ
ることを除外するものではない。したがって、コンデン
サの電荷は、ダイオード21を通して放電せず、同様に、
トランジスタ２及び３もオフ状態なので電荷は放電しな
い。そこで、パルス周期が比較的短ければコンデンサの
充電電圧値は、次の入力端子にパルス電圧が与えられる
まで維持されることになる。

再度、入力端子にパルス電圧が与えられると、トランジ
スタ１がオンの状態になると、同時に、トランジスタ２
もオンになるので、電磁コイルの電源側Lin端子電圧は
コンデンサの充電電圧に近い値となる。

この、コンデンサの充電電圧に近い電磁コイルの電源側
Lin端子に電圧が生じた瞬間に、電磁コイルを丁度電源
電位の４倍で駆動したこととなり、電磁コイルの高速励
磁を可能とした。

また、コンデンサの充電電圧が電源電位まで下降しない
と、電源よりダイオード22を通して電流が流れず、省エ
ネルギー効果を発揮する。

この結果、電磁コイルの高速励磁を可能とし、かつ、消
磁時間も比較的短くできる。また、比較的短いパルス周
期であっても、効率の高い電磁コイル駆動回路となる。
これについては後述する第４図で明らかにされよう。

第２図ないし第３図は第１図の変形例で、一部回路の変
更はあるが動作の基本は同様である。

さらに、ツェナーダイオード23はトランジスタ２に制御
方向とは逆の電圧が印加された場合にトランジスタ２を
保護する目的で取り付けられている。また、ダイオード
23はコンデンサ25を電源電圧まで瞬時に充電する作用を
有する。

（実施例）実施例について図面を参照して説明すると、第１図は本
考案の電磁コイル駆動回路の回路構成を具体的に示すも
のである。

回路構成は全体としては、電源10からダイオード22を通
して電磁コイル26、スイッチングトランジスタ１（トラ
ンジスタ１）のコレクタに接続されている。トランジス
タ１のベースはパルス入力端から抵抗35及び接地した抵
抗36を介して接続され、エミッタは接地されている。電
磁コイル26の一端はダイオード21に他端は２のコレクタ
に接続されている。スイッチングトランジスタ２（トラ
ンジスタ２）には制御方向とは逆の電圧が印加された場
合の保護として、ダイオード23をコレクターエミッタ間
に接続している。また、ダイオード23はコンデンサ25を
電源電圧まで瞬時に充電する作用を有する。トランジス
タ２のエミッタはコンデンサ25とバリスタ24で接地され
ている。

また、スイッチングトランジスタ３（トランジスタ３）
はエミッタ接地でコレクタはトランジスタ２に抵抗32及
びトランジスタ２のエミッタに抵抗31を介して接続さ
れ、トランジスタ３のベースはパルス入力端から抵抗34
及び接地した抵抗33を介して接続され、エミッタは接地
されている。

これにより、トランジスタ１は電磁コイル26の電流をオ
ン／オフする第１のスイッチング素子として機能する。
また、ダイオード21はコンデンサ25に蓄積された電荷
が、トランジスタ１を通して直接に放電することを阻止
する。コンデンサ25は電磁コイル26がオフとなる時点で
電磁コイル26に蓄積された電磁エネルギーを吸収・蓄積
する。また、トランジスタ２は電磁コイル26とダイオー
ド22の接続端へコンデンサ25に蓄積された電荷を放出す
るため、さらに、ダイオード22はコンデンサ25の蓄積電
荷の電源への回生阻止を行う。

ツェナーダイオード23はトランジスタ１、２及び３の保
護に利用され、電磁コイル26の流入電流を遮断した時発
生する逆起電力、サージ電圧から保護される。

バリスタ24は電圧依存性抵抗素子で後述する電源電圧の
昇圧を行うことからバリスタ電圧は少なくとも電源電圧
を２〜６倍程度を必要とする。また、コンデンサ25の蓄
積電荷の放電を少なくするため漏れ電流の少ないものが
望ましい。

それと共に、トランジスタ１、２の保護を行うことがで
き、各トランジスタの最大定各電圧から電源電圧を差し
引いた電圧値以下のバリスタ電圧のものを選択すること
が望ましい。

トランジスタ３はパルス入力端子からパルス電圧を入力
したときにトランジスタ２のベース電流を変化させオン
／オフさせるためのもので、トランジスタ１、２がとも
にオン／オフとなるよう電圧レベル及び極性変換用トラ
ンジスタである。

前記の回路に図を参照して動作を説明すると、第４図は
第１図の電磁コイル駆動回路の動作を説明するためのタ
イムチャートである。ここで、横軸は経過時間、縦軸
（Ａ）が入力パルス波形で、（Ｂ）は電磁コイル駆動電
流、（Ｃ）はコンデンサ端子電圧である。

時刻t₀で入力端子からパルス電圧が与えられていない状
態で電源（25V）が投入されると、コンデンサ25はダイ
オード22、電磁コイル26をこれらに依存した時定数で電
源電圧付近まで充電される。

その後、時刻t₁で入力端子からパルス電圧が与えられる
と（5V）、トランジスタ１のベース電流が流れ、電磁コ
イル26はトランジスタ１を通して電流が流れ始める。

一方、トランジスタ３もベース電流が流れ、トランジス
タ２のベース電流はコンデンサ25から供給され流れ始め
る。コンデンサ25の電位がトランジスタ２のコレクタ電
圧より低いためトランジスタ２のエミッタ−コレクタ間
には電流が流れず、電源電圧だけで電磁コイル26の電流
値が増加する。

次に、時刻t₂になり入力端子のパルス電圧をゼロ（オ
フ）になると、トランジスタ１、２は遮断（オフ）さ
れ、それと同時にトランジスタ１を通して流れていた電
磁コイル26への電流が遮断される。

しかし、電磁コイル26の電流は電磁コイル26に蓄積され
たエネルギーを放出するまで流れ続けようとする性質が
あるため、電磁コイル26の電流はダイオード21を通して
コンデンサ25を充電し続ける。一定の電荷が供給される
ならば、コンデンサ25の静電容量を調整することで、充
電される電圧の値を調整できる。

すなわち、コンデンサ25の蓄積電荷Ｑ（クーロン）、静
電容量Ｃ（ファラッド）及び端子電圧Ｖ（ボルト）の間
には、Ｑ＝CVの関係がある。また、蓄積電荷Ｑは平均電
流Ｉ（Ａ）、電流の流れた時間ｔ（ｓ）であるとする
と、Ｑ＝Itの関係があるので、例えば、0.5Aで2msの間
電流が流れたとすると、10^-3クーロンの電荷がコンデン
サ25に蓄積される。そこでコンデンサ25の静電容量を10
^-5ファラッドすると、コンデンサ25の端子電圧は、・・Ｖ＝Q/C＝10^-3/10^-5＝100V の電圧上昇となり、また、２×10^-5ファラッドとする
と、50Vの電圧上昇となる。

このように、コンデンサ25の静電容量を調整すること
で、充電される電圧の値を調整できる。

充電電圧の値を電源電圧の４倍に（100V）に充電したと
すると、入力端子のパルス電圧がオフとなる時間（時刻
t₂から時刻t₃）を継続してもコンデンサ25の電荷は、電
源電圧以上で逆バイアスされていてダイオード21を通し
て放電せず、同様に、トランジスタ２及び３もオフ状態
なので電荷は放電しない。そこで、バルス周期が比較的
短ければコンデンサ25の充電電圧値は、次の入力端子に
パルス電圧が与えられるまで維持されることになる。当
然、バリスタ24及び回路のインピーダンスが高いため放
電は無視される。

再度、時刻t₄で入力端子にパルス電圧が与えられると、
再びトランジスタ１がオンの状態なり、同時に、トラン
ジスタ２がオンの状態になると、電源側端子Linに印加
される電圧はコンデンサ25の充電電圧に近い値になる。
この瞬間に、前述の通り、電磁コイル26を丁度電源電位
の４倍で駆動したこととなる。したがって、電磁コイル
26の高速励磁を可能とした。

また、コンデンサ25の充電電圧が電源電位まで下降しな
いと、電源よりダイオード22を通して電流か流れず、省
エネルギー効果を発揮することになる。

この結果、電磁コイル26の高速励磁を可能とし、かつ、
消磁時間も比較的短くできる。また、比較的短いパルス
周期であっても、効率の高い電磁コイル駆動回路とな
る。

第２図は第１図の変形例である。電源からトランジスタ
４を通して電磁コイル26、ダイオード22に接続し接地さ
れている。スイッチングトランジスタ４（トランジスタ
４）は電磁コイル駆動用であり、前記実施例に対しては
PNP形に変更してある。このための一部回路の変更はあ
るが動作の基本は同様である。

なお、各部品は同一番号を用いたものは、第１図と基本
動作は共通するが、スイッチングトランジスタ７をトラ
ンジスタ４のベースの前段にいれた点で若干動作は異な
るが、トランジスタ４の基本動作に変化はない。

第３図はさらに別の実施例である。第１図のトランジス
タ1,2をMOS−FET8,9に変更した。基本動作に変更はな
い。

なお、入力端子から電磁コイル駆動のため外部パルス発
生源を準備しなければならないが、発振回路をオペアン
プ（演算増幅器）、帰還回路網から構成させ、その出力
を利用してもよい。この結果、トランジスタ１、２に発
振回路からベース電流の供給を受ける。このパルス発生
源の内蔵も可能なことはいうまでもない。

ハ、考案の効果本考案は、上述のように構成されているので、次に記載
されている効果を奏する。

定格電流の大きなトランジスタや大きな放熱板等を必要
とせず、また、電磁コイルがオンの時にダンピング抵抗
による熱エネルギーとして消費するエネルギーの無駄な
放出もなく、省エネルギー効果を達成した。

パルスの繰り返し周期を短くし、油圧変動を少なくで
き、油圧の衝撃による機器の寿命の低下の防止や、アク
チュエータの振動を少なくできた。

したがって、電磁弁、電磁ポンプ及び電磁アクチュエー
タに使用する電磁コイルを実用上、充分な速さで高速励
磁、高速消磁し、制御精度を向上させた電磁コイル駆動
回路を可能とした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の電磁コイル駆動回路図、第２図は本考
案の他の実施例を示す電磁コイル駆動回路図、第３図は
別の実施例を示す電磁コイル駆動回路図である。第４図
は第１図の電磁コイル駆動回路の動作を説明するための
タイムチャート、第５図は従来の電磁コイル駆動回路の
概要を示す回路図である。１〜7:スイッチングトランジスタ８、9:MOS−FET 21、22:ダイオード 23:ツェナーダイオード、24:バリスタ 25:コンデンサ、26:電磁コイル 31〜38:抵抗

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】電磁コイル用電力供給源と、該コイル電流
を制御する直列に接続された第１のスイッチング素子
と、該第１のスイッチング素子に並列に接続されたコンデン
サとダイオードであって、該ダイオードは該コンデンサ
に蓄積された電荷を前記第１のスイッチング素子を通し
て放電するのを阻止し、前記コンデンサに並列に接続された少なくともバリスタ
電圧が電源電圧の２ないし６倍を有するバリスタと、前記電磁コイルと前記ダイオードとに並列に接続された
第２のスイッチング素子と、該第２のスイッチング素子
に並列に接続されたダイオードと、前記コンデンサに蓄積された電荷を電源に回生されるの
を阻止する第２のダイオードと、前記第２のスイッチング素子を制御する第３のスイッチ
ング素子とからなることを特徴とする電磁コイル駆動回
路。