JP2007060787A - 電源トランス保護システム - Google Patents

Abstract

【課題】 部品を交換することなく、また、部品の増加により装置が大型化することなく、電源トランスの異常温度を検出することができる電源トランス保護システムを提供する。
【解決手段】 電源トランス保護システムは、電圧検出抵抗により、電源トランスの二次巻線に誘起する電圧に比例する電圧を検出することで、巻線抵抗の両端にかかる電圧を測定するので、誤差がほとんど発生することなく電源トランスの負荷を予測して、電源トランスを過熱から保護することができる。また、電源トランスの二次巻線に発生する電流値を測定する場合と比較して、部品コストを低減させることができる。さらに、電源トランスの保護を行う際に、電圧検出抵抗が出力した電圧の一定期間の平均値を用いるので、一次巻線に印加される電圧が一時的に変動しても電源トランスの温度が急激に上昇することは無いので、直ちに保護動作を行うといった無駄な動作を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電源トランスの動作時の発熱による温度上昇を予測して、電源トランスを過熱から保護する電源トランス保護システムに関する。

従来、電源トランスに異常な負荷が加わったときに、電源トランスや他の部品の過熱により火災の発生を防いだり、この電源トランスを設けた装置が破損するのを防いだりするために、以下のように構成される。図１は、電源トランスに流れる電流を抵抗の両端電圧により検出する構成を示した回路図である。

（１）電源トランスの一次側に温度ヒューズを設けて、異常な温度に達するとそのヒューズが溶断して電源トランスの一次側を切り離すように構成する。

（２）温度検出回路が過熱異常を検出すると、スイッチング素子がスイッチング動作を行わずに導通状態を保持してヒューズ素子が溶断するように構成する（例えば、特許文献１参照。）。

（３）図１に示すように、主要な電源ラインに、例えば０．１Ωといった小さな抵抗（Ｒ１）を、電源トランスＴ１の二次巻線に対してシリーズ接続して、この抵抗Ｒ１の両端の電圧から電流を検出して、トランスの負荷が大きいと予測したときには、マイコンＭ１により負荷ＲＬの一部の動作を抑制または停止して消費電力を低減するように構成する。
特開２００３−１７４７７１公報

前記（１）の構成では、電源トランスに大きな負荷がかかった際には温度ヒューズが溶断するので、装置の他の部位の故障を防ぐことができる。しかしながら、温度ヒューズが溶断すると、電源トランスを外して温度ヒューズを交換しないと装置を再度使用することができず、電源トランスの交換の手間も煩雑であるという問題があった。

前記（２）の構成では、電流ヒューズは温度ヒューズよりも廉価であり交換の手間も簡便である。しかしながら、溶断に備えて予め複数個のヒューズ素子を用意しておかなければならない。また、ヒューズ素子が溶断する度に交換しなければならず、その手間が煩わしいという問題があった。

前記（３）の構成では、温度ヒューズが溶断する前に負荷ＲＬの消費電力を低減させるので、電源トランスを保護することができる。しかしながら、電流検出用の抵抗Ｒ１としては、定格電力が数Ｗクラスでサイズが大型の高価な抵抗を使用する必要がある。そのため、コストアップにつながるとともに、この抵抗を取り付けるために大きなスペースが必要となるので装置が大型化するという問題があった。また、（３）のように、抵抗Ｒ１により電流を検出する場合には、トランス巻線抵抗値の温度特性による発熱量の増加分を検出できず、誤差が生じるという問題があった。例えば、電源トランスの一次側巻線抵抗は、温度が２５℃のときに対して、１２５℃のときには４０％も上昇する。

そこで、本発明は、部品を交換することなく、また、部品の増加により装置が大型化することなく、電源トランスの異常温度を検出することができる電源トランス保護システムを提供することを目的とする。

この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。

（１）商用交流電源に接続される一次巻線と、誘起した電圧を負荷へ供給する二次巻線と、を含む電源トランスと、
前記電源トランスに並列に接続され、前記電源トランスの二次巻線に誘起する電圧に比例する電圧を出力する電圧検出抵抗と、
前記電圧検出抵抗が出力した電圧の第１期間毎の平均値とリファレンス値との差が基準値以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が第１期間の平均値が基準値以上であると判定すると、前記負荷の動作を制限する保護手段と、
を備えたことを特徴とする。

この構成においては、電圧検出抵抗により、電源トランスの二次巻線に誘起する電圧に比例する電圧を検出することで、電源トランスの巻線抵抗の両端にかかる電圧を測定するので、ほとんど誤差なく電源トランスの負荷を予測して、電源トランスを過熱から保護することができる。また、電源トランスの二次巻線の電流値を測定する場合と比較して、部品コストを低減させることができる。さらに、電源トランスの保護を行う際に、電圧検出抵抗が出力した電圧の一定期間の平均値を用いるので、一次巻線に印加される電圧が非安定で一時的に変動しても電源トランスの温度が急激に上昇することは無いので、直ちに保護動作を行うといった無駄な動作を防止することができる。したがって、電源トランスの温度上昇を予測して、保護動作を的確に行うことができる。

（２）前記判定手段は、起動直後の無負荷または負荷が最小のときの前記電圧検出抵抗が出力した電圧データをリファレンス値の初期値に設定し、一定期間毎に、前記リファレンス値として、その期間における前記電圧検出抵抗が出力した電圧データの最大値に更新することを特徴とする。

この構成においては、判定手段は一定期間毎に、その期間における電圧データの最大値にリファレンス値を更新する。したがって、一次巻線に印加される電圧が継続的に変動した場合でも、その影響を受けることなく、電源トランスを保護することができる。

（３）前記判定手段は、前記保護手段が動作すると、電圧データの平均値を算出する期間を前記第１期間よりも短い第２期間に変更し、前記保護手段が第３期間動作しなければ、電圧データの平均値を算出する期間を前記第２期間に戻すことを特徴とする。

保護手段が連続的に動作する場合には、電源トランスが発熱して高温になる可能性が高いので、保護動作が必要か否かの判定を頻繁に行う必要がある。一方、保護手段がしばらく動作しない場合には、電源トランスの発熱が収まっている可能性が高いので、保護動作が必要か否かの判定間隔を長くしても問題がない。この構成においては、保護手段が連続的に動作する場合には、電圧検出抵抗が出力した電圧の平均値とリファレンス値との差が基準値以上であるか否かを判定する期間を短くし、保護手段がしばらく動作しない場合には判定期間を長くする。したがって、保護動作が必要か否かの判定、及び保護動作を、電源トランスの動作状況に応じて保護動作を的確に行うことができる。

本発明の電源トランス保護システムは、電源トランスの温度上昇を予測して、保護動作を的確に行うことができるので、電源トランスの異常過熱が発生することがなく、電源トランスの交換・修理が不要である。また、保護動作を的確に行うことにより、通常よりもサイズの小さな電源トランスを使用することが可能となり、このシステムを組み込む装置を小型化することが可能となる。さらに、電流検出により電源トランスの温度上昇を検出するシステムに比較して、検出誤差を少なくすることができ、また、定格電力が数Ｗクラスでサイズが大型の高価な抵抗を使用しなくても良いので、部品コストを低減でき、部品の取り付けスペースを縮小できる。

図２は、電源トランスの等価回路図である。電源トランスの発熱による温度上昇の原因としては、銅損（巻線抵抗による損失）と鉄損（コアのヒステリシス損とうず電流損の和）による損失がある。温度ヒューズ素子が溶断するほどに負荷が大きい場合には、温度上昇の原因としては銅損が支配的となる。そこで、図２には、銅損に着目して巻線抵抗以外を省き、一次巻線の抵抗を等価的に二次側へ移動させた電源トランスの等価回路を示している。図２において、Ｔ２は理想的な電源トランス、Ｒ２は電源トランスＴ２の一次巻線及び二次巻線の等価的な抵抗である。

ここで、電源トランスにかかる負荷Ｐは、Ｐ＝Ｉ×ΔＶ（Ｉ：電流、ΔＶ：巻線抵抗両端にかかる電圧）となるので、電圧ΔＶを知ることができれば、電源トランスの負荷を予測することが可能となる。また、電源トランスは温度が上昇すると巻線抵抗値も上昇するが、電圧ΔＶ＝Ｉ×Ｒ２であるので、電圧ΔＶを測定すると、電流の変化及び巻線抵抗値の変化を併せて測定することになる。したがって、電圧ΔＶを測定する方が、電流Ｉを測定する方法よりも誤差を少なくすることができる。

図３は、電圧ΔＶを検出する電源トランス保護システムの構成を示す回路図である。電源トランス保護システム１において、負荷ＲＬには、電源トランスＴ３の二次巻線に誘起した電圧が、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１によって整流・平滑化された非安定な直流電圧が印加される。また、電源トランスＴ３の二次巻線に誘起した電圧は、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧され、マイコンＭ２のＡ／Ｄポートに取り込まれる。さらに、分圧抵抗Ｒ４には、ノイズなどにより電圧が変動するのを防止するために、コンデンサＣ２が並列に接続されている。加えて、マイコンＭ２は、分圧抵抗Ｒ４の電圧に応じて負荷ＲＬの動作を制限するように構成されている。例えば、負荷ＲＬには、図外のリミッタ回路やボリューム回路が設けてあり、マイコンＭ２は、分圧抵抗Ｒ４の電圧が一定値以上になると、リミッタ回路やボリューム回路を動作させて、負荷の消費電力を抑制する。これにより、電源トランスＴ３が過熱しないように保護することができる。

ここで、例えば雑居ビルなどでは、複数の電気機器が一斉に使用される時間帯と、一部の電気機器が使用される時間帯と、ほとんど電気機器が使用されない時間帯と、がある。このように、１日において、雑居ビル全体の負荷が大きく変動すると、商用電源の電圧も５Ｖ乃至１０Ｖの範囲で変動する。そのため、この電圧変動を考慮せずに電源トランスの保護動作を行うと、的確に電源トランスを保護できないおそれがある。そこで、本願発明の電源トランス保護システム１では、外部から供給される電圧が非安定な場所に本システムを組み込んだ装置２が設置されても、問題なく電源トランスの保護動作を行うように、マイコンＭ２の動作を設定している。

図３に示す構成において、マイコンＭ２のＡ／Ｄポートに入力された電圧は、以下のように処理される。図４は、マイコンの動作を説明するためのフローチャートである。

電源トランス保護システム１を組み込んだ装置２の電源がオンされて、動作を開始すると、制御部であるマイコンＭ２は、電源オン直後の無信号時の電圧データを取り込み（ｓ１）、リファレンス初期値とする（ｓ２）。

続いて、マイコンＭ２は、電圧データを取り込み（ｓ３）、その電圧データとＭＡＸ値とを比較する（ｓ４）。ここで、ＭＡＸ値は予め初期値が設定されているか、または初期状態では０が設定されているものとする。このとき、取り込んだ電圧データが、ＭＡＸ値よりも大きい場合には、その電圧データをＭＡＸ値とする（ｓ５）。一方、取り込んだ電圧データが、ＭＡＸ値以下の場合には電圧データの置き換えは行わない。これにより、電源トランスの負荷が最も軽いときの電圧データ（電圧値）をＭＡＸ値とすることができる。

測定時間が一定時間（例えば１分）経過したら（ｓ６）、その一定時間に取り込んだデータの平均値を計算する（ｓ７）。さらに、制御部は、その平均値とリファレンス値との差である電圧ΔＶを計算する（ｓ８）。そして、制御部は、ΔＶと、ある基準値Ｖｒと、を比較して（ｓ９）、ΔＶがある基準値Ｖｒよりも大きい場合には、電源トランスの負荷が大きいと判定して、消費電力を下げるなどの保護動作を行う（ｓ１０）。一方、ΔＶがある基準値Ｖｒ以下である場合には、保護動作を行わない。

さらに、ある一定の測定時間（仮に１５分）が経過するまで、ステップｓ３〜ｓ１０の処理を繰り返し、ある一定の測定時間が経過したら（ｓ１１）、現在のＭＡＸ値をリファレンス値に置き換える（ｓ１２）。そして、ステップｓ３〜ｓ１２の処理を繰り返し行う。

以上の処理を行うことにより、電源トランスＴ３の現在の温度や温度上昇を予測し、保護動作を的確に行うことができる。

図４に基づいて説明した処理においては、各測定時間、過負荷と判断する基準値を、それぞれの商品の特徴やトランスの性能に併せて適切に設定すると良い。例えば、電源トランス保護システムを組み込んだ装置が軽負荷である瞬間を検出できる構成の場合には、リファレンス値の取り込みをこの軽負荷時に行うようにすることで、より正確な値とすることができる。具体的には、電源トランス保護システムを組み込んだ装置がアンプで、ミューティングをかけていることを検出できる構成の場合には、ミューティング時に電圧データを取得してリファレンス値に設定すると良い。

また、図４に基づいて説明した処理で、ステップｓ６において測定時間の経過を判断する一定時間を、電源トランスの保護動作を行ったか否かに応じて変更するように設定することも可能である。例えば、本願発明の電源トランス保護システムを組み込んだ装置の電源を投入した当初は、電源トランスの温度は低いと考えられるので、測定時間の経過を判断する一定時間を例えば５分（第１期間）に設定しておく。そして、５分毎に電圧データの平均値を算出するように演算を行う。一方、ステップｓ１０に記載した電源トランスの保護動作を一度でも行った場合には、電源トランスの温度が高温になっているので、測定時間の経過を判断する一定時間を例えば１分（第２期間）に変更する。そして、１分毎に電圧データの平均値を算出するように演算を行う。また、電源トランスの保護動作を行ってから例えば１０分（第３期間）が経過するまでの間に、一度も電源トランス保護動作が行われなかった場合には、電源トランスの温度が低下していると推測できるので、測定時間の経過を判断する一定時間を５分（第１期間）に戻す。このように、電源トランス保護動作の状況に応じて電圧データの平均を算出するようにすることで、保護動作の実施の判定回数を削減することができる。

また、図４に基づいて説明した処理では、電圧ΔＶがある基準値Ｖｒよりも大きい場合に電源トランスの保護動作を行うように設定したが、例えば、複数の基準値Ｖｒ１，Ｖｒ２，Ｖｒ３．．．を設定して、電圧ΔＶの値により電源トランスの保護動作のレベルを細かく設定するようにしても良い。例えば、「電圧ΔＶの値がＶｒ１＜ΔＶ≦Ｖｒ２の場合には、ボリューム回路動作させてボリュームを低下させる。電圧ΔＶの値が、Ｖｒ２＜ΔＶ≦Ｖｒ３の場合には、リミッタ回路を動作させて、負荷ＲＬの動作を制限する。電圧ΔＶの値が、Ｖｒ３＜ΔＶの場合には、負荷ＲＬの動作を停止させる。」という具合に、電源トランスの保護動作を行うように設定することができる。

また、図４に基づいて説明した処理では、取得した電圧データの最大値をＭＡＸ値に置き換えて、一定時間毎にこのＭＡＸ値をリファレンス値に置き換える処理を行ったが、これに限るものではなく他の方法も実施可能である。例えば、リファレンス初期値を設定する際に、このときに外部から供給される電圧（商用電源の電圧）を測定しておき、一定時間毎にこの商用電源の電圧を測定し、その電圧値の変化に比例してリファレンス初期値を変更するように設定することも可能である。

次に、本発明の電源トランス保護システムをパワーアンプに適用した場合の具体例について説明する。図５は、本発明の電源トランス保護システムを適用したパワーアンプの回路図である。図６は、パワーアンプに音楽信号を入力したときの電源トランスの巻線温度を示すグラフである。

図５に示したパワーアンプ１１は、図３に示した電源トランス保護システムを＋Ｂ電源に対して設けた構成である。

図５に示したパワーアンプは、定格１２０Ｗ／６Ωであり、電圧降下ΔＶが０．６Ｖ以上であると電源トランスＴ３の保護動作を行う。電源トランスＴ３の保護動作としては、パワーアンプの最終段（Ａｍｐ１）への信号をクリップさせることより、出力を３３Ｗ（９．９Ｖ／３Ω）に制限する。マイコンＭ２は、異常判定を当初５分毎に行う。また、マイコンＭ２は、電源トランスの保護動作を一度行うと、異常判定の頻度を１分毎に変更する。一方、マイコンＭ２は、電源トランスの保護動作を５分間行わないと、異常判定の頻度を５分毎に戻す。

図５に示したパワーアンプにおいて、ある期間における基準値Ｖｒは、マイコンＭ２のＡ／Ｄポートの電圧が２．８９Ｖであった。このとき、＋Ｂ電源の電圧は６０．７Ｖである。また、前記のようにマイコンＭ２のＡ／Ｄポートにおいて電圧が０．６Ｖ降下すると、異常と判定するように設定するので、マイコンＭ２のＡ／Ｄポートの電圧が２．２９Ｖ以下になると、マイコンＭ２は、電源トランスの保護動作を行う。なお、Ａ／Ｄポートの電圧が２．２９Ｖのときには、＋Ｂ電源の電圧は４８．１Ｖである。

パワーアンプ１１に平均８０Ｗ／３Ω出力の音楽信号を入力した場合、図６に示すように、動作開始当初は、異常判定を５分毎に行うように設定しているので、電源トランスの温度は１２０℃まで上昇している。しかし、その後は、１分毎に異常判定を行い、電源トランスの保護動作を行い、電圧ΔＶが０．６Ｖ以下になると電源トランスの保護動作を停止するという動作を繰り返すので、電源トランスの巻線温度を９０℃前後に抑制することができる。

以上のように、本発明の電源トランス保護システムは、電源トランスの温度上昇を予測して保護動作を的確に行うことができるので、電源トランスの異常過熱を防止することができる。

電源トランスに流れる電流を抵抗の両端電圧により検出する構成を示した回路図である。 電源トランスの等価回路図である。 電圧ΔＶを検出する電源トランス保護システムの構成を示す回路図である。 マイコンの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の電源トランス保護システムを適用したパワーアンプの回路図である。 パワーアンプに音楽信号を入力したときの電源トランスの巻線温度を示すグラフである。

符号の説明

１−電源トランス保護システム ２−装置 １１−パワーアンプ
Ｃ１，Ｃ２−コンデンサ Ｄ１−ダイオード Ｍ１，Ｍ２−マイコン
Ｐ−負荷 Ｒ１−抵抗 Ｒ３，Ｒ４−分圧抵抗 ＲＬ−負荷
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３−電源トランス

Claims (3)

1. 商用交流電源に接続される一次巻線と、誘起した電圧を負荷へ供給する二次巻線と、を含む電源トランスと、
   前記電源トランスに並列に接続され、前記電源トランスの二次巻線に誘起する電圧に比例する電圧を出力する電圧検出抵抗と、
   前記電圧検出抵抗が出力した電圧の第１期間毎の平均値とリファレンス値との差が基準値以上であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段が第１期間の平均値が基準値以上であると判定すると、前記負荷の動作を制限する保護手段と、
   を備えたことを特徴とする電源トランス保護システム。
2. 前記判定手段は、起動直後の無負荷または負荷が最小のときの前記電圧検出抵抗が出力した電圧データをリファレンス値の初期値に設定し、一定期間毎に、前記リファレンス値として、その期間における前記電圧検出抵抗が出力した電圧データの最大値に更新することを特徴とする請求項１に記載の電源トランス保護システム。
3. 前記判定手段は、前記保護手段が動作すると、電圧データの平均値を算出する期間を前記第１期間よりも短い第２期間に変更し、前記保護手段が第３期間動作しなければ、電圧データの平均値を算出する期間を前記第２期間に戻すことを特徴とする請求項１または２に記載の電源トランス保護システム。

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