JPS5811774B2 - スイツチングソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は検出回路の検出信号によりオン、オフされるス
イッチング装置に関する。

検出回路の検出信号によりオン、オフされるスイッチン
グ装置においては検出回路を動作させる電力が必要であ
る。

三線式スイッチング装置においては検出回路に電力を供
給する回路が別途に設けられているので、スイッチのオ
フ、オンにより負荷に流れる電流は断続しかつ検出回路
は常に動作状態にある。

負荷を通して検出回路へ電力を供給する二線式スイッチ
ング装置においては、スイッチのオフ時にも負荷に電流
が流れることは避けられない。

したがってスイッチのオフ時に負荷に流れる電流を極力
少なくすること、すなわち微少電流で動作するスイッチ
ング装置が要求される。

オン時に負荷に通電し、オフ時に負荷に通電しないこと
がスイッチング装置の機能であるからである。

オフ時に負荷に流れる電流を極力少なくし、かつ検出回
路を動作させるという相矛盾したこの要請の技術的解決
の困難さのために、従来は三線式スイッチング装置が広
く用いられていた。

ところで、スイッチング装置は例えば近接スイッチ、光
電スイッチ等としてベルトコンベアシステム、各種のコ
ントロールシステム等で数多く用いられている。

そして設置されるスイッチング装置の個数が多げれば多
いほど配線は複雑化する。

配線距離が長い場合には尚更である。

したがって２本の線でその機能を果たし、取り扱いが簡
単な二線式スイッチング装置が望まれている。

また、スイッチング装置には設置場所の確保取り扱いの
便利さの点から小型化が要求される。

更に１個のスイッチング装置で広範囲の用途に対して適
用されるよう使用電圧が変わっても（例えば１００Ｖ〜
４００Ｖ）正常な動作を行うものの方が利用価値が高い
。

小型化を図るためにはスイッチング装置自体の発熱、負
荷電流による発熱を避げ、放熱手段等が不要となるよう
回路設計をする必要がある。

広範囲の使用電圧に耐えるためには、検出回路を安定動
作させるために定電圧回路を内蔵する必要がある。

更にスイッチング装置は電圧零点でオン、オフする零電
圧スイッチング動作を行なうものが好ましい。

なぜなら電源電圧が零でない時点でオンした場合、負荷
に急峻な電流が流れ負荷に悪影響を与えるばかりでなく
、サージ電圧が発生し雑音源となる等の不都合が生じる
からである。

本発明はこの実情に鑑みなされたもので、電力接点の少
ない定電圧回路を有し、無用な消費電力を極めて少なく
し、零電圧スイッチング動作を行ない、微少電流で動作
するスイッチング装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、電源に対して負荷
と直列に接続される負荷開閉用の第１の三端子スイッチ
ング素子と、前記第１の三端子スイッチング素子を制御
する検出回路とより構成され、前記検出回路からの制御
信号で前記第１の三端子スイッチング素子がオン、オフ
制御されるスイッチング装置において、電源ラインに直
列接続されるべき制御用の第２の三端子スイッチング素
子と、この第２の三端子スイッチング素子の出力電圧が
零電圧近傍の所定値以上になったことを検出して出力を
生じる電圧検出素子と、この電圧検出素子の出力により
オンして前記第２の三端子スイッチング素子に与える制
御信号を遮断して該第２の三端子スイッチング素子をオ
フせしめる第３の三端子スイッチング素子とからなる開
閉型定電圧回路と、前記検出回路からの制御信号によっ
てオン、オフ制御されオンとなったときに前記電圧検出
素子の出力を前記第３の三端子スイッチング素子に送ら
ないようにするとともにこの出力を前記第１の三端子ス
イッチング素子に送る第４の三端子スイッチング素子と
を有し、前記第２の三端子スイッチング素子と前記検出
回路とを直列接続し、この直列回路を前記第１の三端子
スイッチング素子の両端間に接続したことを特徴とする
。

以下、図面を参照しながら本発明を二線式反射形光型ス
イッチに適用した場合の一実施例について詳しく説明す
る。

第１図は一実施例の電気回路図を示している。

この図において交流電源に負荷１１及びスイッチング回
路が接続されている。

スイッチング回路は、全波整流回路１２、負荷開閉用三
端子スイッチング素子としての５ＣＲ１３、検出回路、
定電圧回路、平滑回路等より構成されている。

検出回路は発振回路２４、発光手段としての発光ダイオ
ード２５、受光手段としてのフォト・トランジスタ２６
、信号処理回路２７から構成されている。

発振回路２４は例えばマルチバイブレータ回路等で構成
され発光ダイオード２５にパルス出力を送る。

発光ダイオード２５をパルス点灯させるのは、瞬時的に
大きな光エネルギを発射しかつ平均消費電流を少なくす
るためである。

また耐雑音性も高められる。

被検出体２８によって反射された光はフォト・トランジ
スタ２６によって受光され電気信号に変換される。

信号処理回路２７はフォト・トランジスタ２６の出力に
もとすいて検出信号（制御信号）“１”を発生するもの
で、例えば検波回路、レベル弁別回路等により構成され
ている。

また消費電流を少なくするために高抵抗値の抵抗を用い
て構成されている。

信号処理回路２７の検出信号“１”は、動作表示手段と
しての発光ダイオード３０、抵抗３３を通してトランジ
スタ２９のベースに送られる。

発光ダイオード３０は検出信号“１”が送られたときの
み発光する。

定電圧回路はスイッチング素子としてのトランジスタ１
５，１６、定電圧素子としてのツェナーダイオード２０
、トランジスタ１５，１６を制御する５ＣＲ１９、コン
デンサ２１等より構成されている。

トランジスタ１５．１６は全波整流入力の導通制御を行
なうものであり、２つのトランジスタが直列に接続され
ているのは耐圧を高めるためである。

すなわち、トランジスタ１５のベース端子には抵抗１７
と同１８とによって分圧されたｂ点の電圧があられれ、
そのエミッタ電圧、したがってトランジスタ１６のコレ
クタ電圧もはゞトランジスタ１５のベース電圧に等しく
なる。

抵抗１７と同１８の値を等しくすることによってトラン
ジスタ１６のコレクタにはｂ点の電圧のはゞ半分の電圧
が印加されることになる。

したがってこれらのトランジスタの許容印加電圧の２倍
の電源電圧に対しても動作が可能となる。

例えばトランジスタ１５，１６の耐圧が２００Ｖとすれ
ば４００Ｖの電源電圧まで使用できる。

更に多くのトランジスタを直列に接続すれば更に耐圧の
高いスイッチング素子が得られる。

いま信号処理回路２７から検出信号“０”がトランジス
タ２９のベースに送られているとすると、トランジスタ
２９はオフの状態にある。

この場合５ＣＲ１９は０点の電圧によって制御される。

すなわちトランジスタ１５，１６がオンのとき全波整流
入力は抵抗１４及びトランジスタ１５，１６を経てコン
デンサ２１に充電される。

ツェナーダイオード２０の降伏電圧をＶｚとすれば、０
点の電圧がＶｚに達すると、トランジスタ２９がオフで
あるから５ＣＲ１９のゲートにゲート電流が流れ５ＣＲ
１９はオンする。

５ＣＲ１９がオンするとトランジスタ１５，１６のベー
ス電圧は零となりトランジスタ１５，１６はオフする。

信号処理回路２７から検出信号“１”がトランジスタ２
９のベースに送られている場合は、トランジスタ２９は
オンの状態にあるからツェナーダイオード２０を通して
流れる電流はトランジスタ２９に流れ５ＣＲＩ９のゲー
トにはゲート電流は流れない。

したがって５ＣＲ１９は０点の電圧によってオンされる
ことはない。

このためトランジスタ１５，１６はオンの状態にあるが
、後述するように５ＣＲ１３がオンした場合は５ＣＲ１
３に通電が行なわれるので、コンデンサ２１が充電され
るのは５ＣＲ１３がオフしているときのみである。

尚、抵抗１４はトランジスタ１５，１６がオンした瞬時
における充電電流の急増を制限する保護抵抗であり、チ
ョークコイルで代用してもよい。

チョークコイルを使用した場合は電力損失が非常に少な
くなる。

ツェナーダイオード２０は基準電圧を与えるものであり
、温度補償形定電圧ダイオードを用いると一層好ましい
。

また５ＣＲＩ９は他の三端子スイッチング素子、例えば
プログラマブル・ユニジャンクション・トランジスタ（
ＰＵＴ）等で代用してもよい。

平滑回路は抵抗２２とコンデンサ２３とによって構成さ
れている。

抵抗２２の代りにチョークコイルを用いてもよく、チョ
ークコイルを接続した場合にはπ形フィルタが構成され
るのでリップル率は減少する。

負荷開閉用三端子スイッチング素子５ＣＲ１３は、その
ゲート端子がダイオード３２を介してツェナーダイオー
ド２０のカソード端子に接続されており、０点の電圧及
びトランジスタ２９によって制御されている。

すなわち信号処理回路２γから検出信号“０”が送られ
ている場合は、前述したように０点の電圧がＶｚを越え
るとツェナーダイオード２０に電流が流れる。

ここで抵抗３１による降下電圧ｖＲとダイオード３２に
よる降下電圧ＶＤとをＶＲ＜ＶＤとなるよう選んである
ので、ツェナーダイオード２０の通電によって５ＣＲ１
９のみがオンし、５ＣＲ１３はオフの状態を保つ。

検出信号“１”が送られている場合は、トランジスタ２
９がオンの状態にあるので、０点の電圧がＶＺ＋ＶＤに
達したとき５ＣＲ１３のゲートにゲート電流が流れ５Ｃ
Ｒ１３はオンする。

但し検出信号“１”が送られた時点で５ＣＲ１９がオン
している場合は、トランジスタ１５，１６はオフであり
、コンデンサ２１から抵抗２２を通して放電が行なわれ
ているので０点の電圧はＶＺ＋ＶＤより低く、５ＣＲ１
３はオンされない。

この場合電源電圧が零となって５ＣＲ１９がオフした後
に、０点の電圧がＶＺ＋ＶＤに達したとき５ＣＲ１３は
オンする。

次に第２図に示す動作波形図を参照しながら第１図の回
路の動作を、検出信号が“０”の場合と“１”の場合と
のそれぞれについて詳しく説明する。

第２図ａ〜ｄ及びｇは第１図における各接続点ａ〜ｄ及
びｇの電圧波形を示しており、ｅ、ｆ。

ｈはｅ、ｆ、ｈ点の電流波形をそれぞれ示している。

まず信号処理回路２７からの検出信号が“０”の場合、
すなわちｔ１〜ｔ４の間の時間においては、ａ点の電圧
は零であり、トランジスタ２９はオフの状態にある。

ｂ点には電源電圧の全波整流波形があられれる。

ｃ点の電圧がＶＺに達するまでトランジスタ１５，１６
はオンであり、電源電圧が上昇するにつれてコンデンサ
２１に充電が行なわれる。

時刻ｔ２において０点の電圧がＶＺに達すると、トラン
ジスタ２９がオフであるからツェナーダイオード２０を
通して５ＣＲ１９のゲートにゲート電流が流れ５ＣＲ１
９はオンする。

したがってｄ点の電位は零になりトランジスタ１５゜１
６はオフとなる。

またコンデンサ２１に充電された電荷は抵抗２２を通し
て放電される。

ｂ点の電圧が零となる時刻ｔ３、すなわち電源電圧の半
周期までこの状態は継続される。

時刻ｔ３において５ＣＲ１９はオフするのでトランジス
タ１５゜１６はオンとなり再びコンデンサ２１に充電が
開始される。

そして０点の電圧がｖｚに達すると再び５ＣＲ１９はオ
ン、トランジスタ１５，１６はオフとなる。

以下このような動作が繰り返し行なわれるので０点の電
圧波形は充放電の繰り返し波形、ｇ点の電圧は抵抗２２
及びコンデンサ２３によって平滑されて安定した一定電
圧となる。

したがって検出回路には電源電圧の変動に関係なく安定
した電力が供給される。

また使用する電源の電圧を変えても（例えば１００Ｖ交
流電源から２００Ｖ交流電源に）検出回路に供給される
電圧は一定である。

ｄ点には５ＣＲ１９がオフしている時間Ｔ１だけ電圧が
あられれる。

また５ＣＲ１９のゲート電流はｅに示すようにパルス電
流であり、５ＣＲ１３のゲートには電流が流れないから
当然５ＣＲ１３はオフの状態にある。

負荷１１に流れる電流すなわちｈ点の電流は、トランジ
スタ１５゜１６がオンのときのみわずかに流れ第２図り
に示すものとなる。

この微少瞬時電流は検出回路に電力を供給するものであ
り、トランジスタ１５゜１６がオンしている時間Ｔ１は
短時間であり平均電流は微少であるから負荷１１に及ぼ
す影響は無視できる。

さて、時刻ｔ４において信号処理回路２７から検出信号
“１”が送られると、ａ点の電位は急激に上昇する。

このとき５ＣＲ１９がオンの状態にあるとするとｄ点の
電圧は零であるからトランジスタ１５．１６はオフの状
態を維持する。

したがって０点の電力はＶＺ＋ＶＤよりも低く５ＣＲ１
３のゲートにはゲート電流は流れず５ＣＲ１３はオフで
ある。

また接続点す、ｃ、ｄ、ｇの電圧も検出信号“０”の状
態と同じであり、５ＣＲ１３を通しての負荷１１への通
電はまだ開始されない。

時刻ｔ５において電源電圧が零になると５ＣＲ１９はオ
フし、トランジスタ１５，１６はオンする。

したがって抵抗１４、トランジスタ１５，１６を通って
コンデンサ２１に充電が開始される。

時間Ｔ３後の時刻ｔ６において０点の電圧がＶＺ＋ＶＤ
に達するとダイオード３２を通して５ＣＲ１３にゲート
電流が流れ第２図（ｆ参照）ＳＣＲＩ３はオンする。

したがって５ＣＲ１３を通して負荷１１に通電が行なわ
れる。

このとき５ＣＲ１９は依然としてオフであり、トランジ
スタ１５，１６はオンしているが、ｂ点の電圧が零とな
るのでコンデンサ２１への充電は行なわれない。

コンデンサ２１の電荷は抵抗２２を通して放電される。

０点の電圧波形は充放電波形、ｂ、ｄ点にはｔ５〜ｔ６
の時間Ｔ３にのみ電圧があられれる。

ｇ点の電圧は時刻ｔ６以後にわずかに高くなるが安定し
た一定電圧が印加され検出回路の動作に影響を及ぼすこ
とはない。

ｈ点の電流は第２図りに示すように時間Ｔ３の間は検出
回路に電力を供給し、それ以外の時は負荷１１に通電さ
れる波形となっている。

尚、時間Ｔ３は時間Ｔ０よりもわずかに長い。

このように検出信号“１”が送られると検出回路に電力
が供給されると同時に負荷１１にも充分な通電が行なわ
れる。

しかも負荷１１への通電は電圧零点で開始されるのであ
る。

５ＣＲ１９がオフの状態にあるときに検出信号“１”が
送られた場合も上記の場合と全く同様の動作を行なうこ
とはもちろんである。

また検出信号“１″によって発光ダイオード３０が発光
し、検出信号“１”を表示する。

時刻ｔ７において信号処理回路の検出信号が“１”から
“０”になると、前述したｔ１〜ｔ４の状態にもどるが
、このときも電圧零点において負荷１１への通電が止む
ことは言うまでもないことである。

以上のように、本発明によれば、定電圧回路のスイッチ
ング素子のオン・オフによって検出回路へ供給する電力
を制御するとともに、この定電圧回路の出力電圧にもと
づいて電源電圧の零点近傍において負荷開閉用三端子ス
イッチング素子をオンさせて負荷に通電を開始するよう
にしたので、消費電力が極めて少なく、小型化が可能で
微少電流で動作させることができるとともに、広範囲の
使用電圧に耐え、しかも零電圧スイッチングにより誤動
作の生じないスイッチング装置が実現される。

尚、本発明は他の多くのスイッチング装置として例えば
近接スイッチ、タッチスイッチ、無接点マイクロスイッ
チ等として適用してもよいなど上記の実施例に限定され
ない趣旨であることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる一実施例を示す電気回路図、第
２図は上記一実施例の動作波形図である。 １１・・・・・・負荷、１２・・・・・・全波整流回路
、１３゜１９・・・・・・５ＣＲ１１４，１７，１８，
２２，３１゜３３・・・・・・抵抗、１５，１６，２９
・・・・・・トランジスタ、２０・・・・・・ツェナー
ダイオード、２１，２３・・・・・・コンデンサ、２４
・・・・・−発振回路、２５，３０・・・・・・発光ダ
イオード、２６・・・・・・フォト・トランジスタ、２
７・・・・・・信号処理回路、２８・・・・・・被検出
体、３２・・・・・・ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電源に対して負荷と直列に接続される負荷開閉用の
   第１の三端子スイッチング素子と、前記第１の三端子ス
   イッチング素子を制御する検出回路とより構成され、前
   記検出回路からの制御信号で前記第１の三端子スイッチ
   ング素子がオン、オフ制御されるスイッチング装置にお
   いて、電源ラインに直列接続されるべき制御用の第２の
   三端子スイッチング素子と、この第２の三端子スイッチ
   ング素子の出力電圧が零電圧近傍の所定値以上になった
   ことを検出して出力を生じる電圧検出素子と、この電圧
   検出素子の出力によりオンして前記第２の三端子スイッ
   チング素子に与える制御信号を遮断して該第２の三端子
   スイッチング素子をオフせしめる第３の三端子スイッチ
   ング素子とからなる開閉型定電圧回路と、前記検出回路
   からの制御信号によってオン、オフ制御されオンとなっ
   たときに前記電圧検出素子の出力を前記第３の三端子ス
   イッチング素子に送らないようにするとともにこの出力
   を前記第１の三端子スイッチング素子に送る第４の三端
   子スイッチング素子とを有し、前記第２の三端子スイッ
   チング素子と前記検出回路とを直列接続し、この直列回
   路を前記第１の三端子スイッチング素子の両端間に接続
   したことを特徴とするスイッチング装置。