JP4256810B2 - 逆起電力防止ユニット - Google Patents

Description

本発明は、誘導性負荷に発生する逆起電力を吸収する直流電源の逆起電力防止ユニットに関する。

直流電源として車載バッテリを例にとると、車載バッテリは、通常は充電が可能な二次電池が使用されている。バッテリおよび車載機器を電気回路で表すと、図１２に示すとおりである。図中２０はバッテリ、２１はセルモータ、２２は電装品、２３は発電機、２４はスタータスイッチ、２５は整流用ダイオード、２６は充電用発電機２３の起電力がバッテリ電圧以上になったときに自動的に入る自動オンオフスイッチを示している。

バッテリ２０は、純電池Ｅｏと内部抵抗ｒで表され、出力電流ｉと内部抵抗ｒによる電圧降下e = r iが生じ、出力端子の電圧Ｖ1は
Ｖ1＝Ｅｏ−ｅ＝Ｅｏ−ｒｉ
となる。

バッテリ２０の負荷としては、セルモータ２１、電装品２２があるが、セルモータはもちろん、電装品２２の中のカーエアコン、カーオーディオ等にもインダクタンス成分（誘導性負荷）が存在する。これらのインダクタンス成分からは、逆起電力が発生し、これがノイズとなって出力端子電圧に重畳される。

さらに、充電用発電機１３のプラス側はバッテリ１０の電圧を監視しながら自動オンオフスイッチ１６でオンオフしているため、オフ時には充電用発電機１３のコイルＬがオープンになって、発生した逆起電力を吸収しにくくなっている。
このようなインダクタンス成分による逆起電力は、カーオーディオ、ラジオのスピーカに耳障りなノイズとなって現れ、またカーナビゲーションやテレビ画像のちらつきの原因となる。

従来においては、例えば図１３に示すように、ダイオード１０６によってブロアモータ１ ０ １で発生するノイズをバッテリ電源ＶＢに回生することによりノイズを低減し、コンデンサ１２４によりノイズの高調波成分を減衰し、スイッチング素子１０２のスイッチングにより発生するバッテリ電源間のノイズをインダクタンス１２３および電解コンデンサｉ２２により構成されるＬＣフィルタで減衰すると共に、インダクタンス１２３によりスイッチング素子１０２のオフ時に発生するノイズ量を減らし、電解コンデンサ１２２によりバッテリ電源間の電圧変動を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２８３７９７号公報

しかしながら、コンデンサやインダクタンスを用いたノイズフィルタでは、高調波成分や特定の周波数の成分しか除去することができず、またピークの高い逆起電力の抑制効果は低いという問題がある。
また、従来のノイズフィルタは、電装品自体に取り付けることになっているため、既存の電装品に新たに設けることはできないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、バッテリ等の直流電源より誘導性負荷を含む負荷にスイッチング動作をする回路素子または回路部を介して給電されるように構成された回路装置において、上記スイッチング動作をする回路素子または回路部がスイッチング動作時に誘導性負荷により発生する逆起電力によるノイズの発生を防止し得る逆電圧防止ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、バッテリ等の直流電源より誘導性負荷を含む負荷にスイッチング動作をする回路素子または回路部を介して給電されるように構成された回路装置における逆起電力防止ユニットであって、前記直流電源の出力端に並列に接続され前記誘導性負荷により発生する逆起電力を吸収するダイオードと、該ダイオードに並列接続されるコンデンサとを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、直流供給源の正端子と負端子にそれぞれ接続される正側リード線と負側リード線の間に、逆流阻止ダイオードと過電流で溶断するヒューズ素子とを直列に接続するとともに、前記逆流阻止ダイオードと並列にコンデンサを接続したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載のバッテリの逆起電力防止ユニットにおいて、前記正側リード線および負側リード線の端部に、圧着端子を設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、バッテリ等の直流電源より誘導性負荷を含む負荷にスイッチング動作をする回路素子または回路部を介して給電されるように構成された回路装置において、前記直流電源の出力端に並列に接続され前記誘導性負荷により発生する逆起電力を吸収するダイオードと、該ダイオードに並列接続されるコンデンサとからなる逆起電力防止ユニットを取り付けるようにしたので、上記スイッチング動作をする回路素子または回路部のスイッチング動作時に誘導性負荷により発生する逆起電力によるノイズの発生を有効に防止することができる。

また、請求項２、３に記載の発明によれば、例えば、車載バッテリに逆電圧吸収ダイオードを入れることにより、ノイズを速やかに抑え、不要な電流が電装品に逆流することを防止することができる。これにより、電装品が正しく動作し、自動車車全体をスムーズに作動させることができる。また、自動車に搭載されたＦＭラジオの雑音減少、音質向上、ＡＭラジオの雑音の減少。オートマチック車のシフトショックがなくなり、静かになり、燃費が向上する。
また、本発明の逆起電力防止ユニットは、バッテリの正端子と負端子に外付けするだけでいいので、既存の電製品を改造することなく、簡単に付設することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明が適用されるオーディオ回路の構成を図１に示す。同図において、本発明が適用されるオーディオ回路は、入力信号が印加される入力端子５０，５１を有するトランス１と、トランスの二次側に接続され、入力される交流信号を整流するダイオードＤ１と、平滑用コンデンサＣ１と、増幅器２と、スピーカ３とを有している。
また、平滑用コンデンサＣ１には、並列に逆起電力を吸収するためのダイオードＤ２が接続されている。

増幅器２はスイッチング動作を行うので、増幅器２をスイッチ４に置き換え、トランス１の入力端子５０、５１に交流信号を入力する代わりに、トランス１の二次側にバッテリ５を図示する極性で挿入すると、図２に示す回路になる。回路動作を簡単化するために図１に示す回路の代わりに、図２に示す回路でスイッチ４がオン、オフ動作する際の動作を、図３を参照して説明する。図３は、スイッチ４のオン、オフ時におけるダイオードＤ１のカソード側のＡ点の電圧波形を示している。

図２において、スイッチ４が、例えば、時刻ｔ１でオフ状態からオン状態に切り替わると、バッテリ５の起電力がスピーカ３の駆動コイル３ａに対し、Ｄ点側が＋の極性に、スイッチ４側であるＣ点側がマイナスの極性になるように印加されるために、コンデンサＣ１はＢ点が＋の極性に、Ａ点が−の極性になるように充電される。この結果、Ａ点の電位は、０Ｖから負方向に下降し始め、所定のレベルまで下降する。その後、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は、ダイオードＤ２及び駆動コイル３ａを介して放電されるためにＡ点の電位は上昇し、時刻ｔ２で元の電位に復帰する。

また、次に、時刻ｔ３でスイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わると、駆動コイル３ａに対し、駆動コイル３ａのＣ点が−の極性に、駆動コイル３ａのＤ点が＋の極性になるように、逆起電力が発生し、電流がダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１にＡ点側から流れ込むので、コンデンサＣ１は、Ａ点側が＋の極性に、Ｂ点が−の極性になるように充電される。

したがって、Ａ点の電位は、０Ｖから正方向に上昇し始め、所定のレベルまで上昇する。その後、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は、ダイオードＤ１、トランス１の二次巻線を介して、電源としてのバッテリ５に戻されるように放電するとともに、ダイオードＤ２を介して放電される。この結果、Ａ点の電位は、下降を開始し、時刻ｔ４で０Ｖのレベルに復帰する。
このようにして、スイッチ４のオン、オフの切り替え時に平滑用のコンデンサＣ１と逆起電力吸収用のダイオードＤ２の機能により図３に示したように、Ａ点の電位は、一時的に上昇、または下降するように緩慢に変化する。

次に、図２に示す回路からダイオードＤ２を除去した回路を図４に示す。この回路でスイッチ４をオン、オフ動作させたところ、Ａ点の電位波形は図３とほぼ同様であった。
次に、図２に示す回路からコンデンサＣ１、ダイオードＤ２を除去した回路を図５に示す。この回路で、スイッチ４をオン、オフ動作させたときのＡ点及びＣ点における電位の変化状態を示す波形を図６に示す。図６（ｂ）に示すように、スイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わるときには、図３に示した場合に比してＡ点における電位が大きく変化することが分かる。

また、スイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わったときのＣ点の電位（逆起電力）は、図６（ｃ）に示すように、時間が経過するにつれて減衰する振動波形が観測される。このとき、Ｄ点における電位は、Ｃ点における電位を反転した波形となる。
次に、図２に示す回路からコンデンサＣ１を除去し、ダイオードＤ２を残した回路を図７に示す。この回路でスイッチ４をオン、オフ動作させたときのＡ点における電位波形を図８に示す。図８（ａ）に示すように、スイッチ４がオフ状態からオン状態に切り替わるときのＡ点の電位波形は、図５に示した回路の場合（図６（ａ）に示す波形）と、全く同じではないが、変化は少ない。

これに対して、スイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わるときのＡ点の電位波形は、図８（ｂ）に示すように、図５に示した回路の場合（図６（ｂ））に比して大きく変化することが分かる。これは、図５に示す回路において、スイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わる時のＡ点における電位波形、すなわち図６（ｂ）に示すＡ点における電位波形に点Ｄにおける電位波形（図６（ｃ）に示す波形を反転した波形）が重畳されることによる。

このように、ダイオードＤ２はスイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わるときにスピーカ３の駆動コイル３ａに発生する逆起電力は、平滑用のコンデンサＣ１に並列接続されるダイオードＤ２により吸収され、ダイオードＤ１、トランス１の二次巻線を介してバッテリ５に供給される。

図２に示す回路では、スイッチ４がオン状態からオフ状態に切り替わるときにスピーカ３の駆動コイル３ａに発生する逆起電力は、ダイオードＤ２により吸収され、コンデンサＣ１に、Ａ点が＋の極性に、Ｂ点が−の極性になるように再充電される。このコンデンサＣ１は、交流信号をダイオードＤ１により整流した後の脈流を平滑する本来の機能だけでなく、スピーカ３の駆動コイル３ａ等の誘導性負荷に発生する逆起電力を平滑する機能をも有している。
また、電源がバッテリである場合には、コンデンサＣ１は、スピーカ３の駆動コイル３ａ等の誘導性負荷に発生する逆起電力により生ずる高調波成分をバッテリ側に戻す機能を有している。

次に、本発明が適用されるスイッチング電源の構成例を図９に示す。同図において、整流回路１０と、整流回路１０の出力電圧を平滑するコンデンサＣ１０と、コンデンサＣ１０に並列接続される逆起電力吸収用のダイオードＤ１１と、コンパレータ１１と、発振器１２と、トランス１３と、ダイオードＤ１２、Ｄ１３と、コイルＬ１と、コンデンサＣ１２からなる平滑回路とを有している。

上記構成からなるスイッチング電源では、整流回路１０の出力と発振器１２の出力が入力されるコンパレータ１１により、整流回路１０の出力と発振器１２の出力との比較結果に応じて周期的にハイレベルとローレベルとの間で変化する交流信号（例えば、１００ｋHzのパルス信号）が出力され、トランス１３により変圧され、ダイオードＤ１２により整流され、コイルＬ１と、コンデンサＣ１２からなる平滑回路により、平滑された直流電圧が出力端６２、６３に出力される。

上記構成のスイッチング電源は、誘導性負荷であるインダクタンスが多数、含まれるので、既述したオーディオ回路のスピーカの駆動コイルと同様に、コンパレータでスイッチングが行われるごとにトランス１３、コイルＬ１等で逆起電力が発生するが、平滑用のコンデンサＣ１０に並列にダイオードを図９に示す極性で並列接続することにより発生する逆起電力を吸収することができる。
この結果、不要な逆起電力を平滑コンデンサに再供給でき、ノイズの発生が防止できるとともに、逆起電力の分だけ、消費電力の低減が図れる。

次に、本発明の実施形態に係る逆起電力ユニットの具体的構成を図１０に示す。
図１０は本発明の実施形態に係る逆起電力防止ユニット１００の外観を示すもので、正側リード線１０２と、負側リード線１０３との間に、逆流阻止ダイオード１０４とヒューズ１０５が直列に接続され、逆流阻止ダイオード１０４には並列にコンデンサ１０６が接続されている。ヒューズ１０５はヒューズソケット１０７に対して着脱自在になっており、ヒューズ１０５が溶断したときは交換できるようにしている。正側リード線１０２と負側リード線１０３の先端には、圧着端子１０８，１０９が取り付けられており、バッテリの正極と負極に接続するときの接触を確実にし、また接触抵抗が小さくなるようにしている。

図１１は、本発明に係る逆起電力防止ユニット１００をバッテリ１１０に接続した状態の回路図である。図中、１１１はセルモータ、１１２は電装品、１１３は発電機、１１４はスタータスイッチ、１１５は整流用ダイオード、１１６は充電用発電機１１３の起電力がバッテリ電圧以上になったときに自動的に入る自動オンオフスイッチを示している。なお、逆起電力防止ユニット１００は実際にはバッテリ１０の正端子と負端子に直接つながれる。

上述したように、バッテリ１１０の負荷としては、セルモータ１１１、電装品１１２があるが、セルモータはもちろん、電装品１１２の中のカーエアコン、カーオーディオ等にもインダクタンス成分が存在する。これらのインダクタンス成分からは、逆起電力が発生し、これがノイズとなって出力端子電圧に重畳される。

さらに、充電用発電機１１３のプラス側はバッテリ１１０の電圧を監視しながら自動オンオフスイッチ１１６でオンオフしているため、オフ時には充電用発電機１１３のコイルＬがオープンになって、発生した逆起電力を吸収しにくくなっている。

しかし、逆起電力防止ユニット１００を設けたことで、セルモータ１１１、電装品１１２、充電用発電機１１３のインダクタンス成分から発生する逆起電力は、逆流阻止ダイオード１０４に流れて吸収され、バッテリ１１０の出力端子には現れなくなる。

このようにして、バッテリ１１０に逆流阻止ダイオード１０４を挿入することで、ノイズを速やかに抑え、不要な電流が電製品に逆流することを防止することができる。なお、正逆方向の高調波ノイズは、コンデンサ１０６により吸収することができる。また、万一、コンデンサ１０６や逆流阻止ダイオード１０４が故障して短絡したときには、バッテリ１１０から流れる大電流によりヒューズ１０５が溶断して、事故を防ぐようにしている。
なお、コンデンサ１０６の容量としては、バッテリ１１０が１２Ｖ定格の場合、０．４７μＦ、耐圧２５０Ｖ程度のものを使用することができる。

本発明が適用されるオーディオ回路の構成を示す回路図。 図１に示すオーディオ回路のアンプをスイッチに置き換え、トランスに交流信号を入力する代わりにトランスの二次側にバッテリを挿入した回路を示す図。 図２に示す回路でスイッチ４がオン、オフ動作する際のＡ点の電位波形を示す図。 図２に示す回路からダイオードＤ２を除去した回路を示す図。 図２に示す回路からコンデンサＣ１、ダイオードＤ２を除去した回路を示す図。 図５示す回路においてにスイッチ４をオン、オフ動作させたときのＡ点及びＣ点における電位の変化状態を示す波形図。 図２に示す回路からコンデンサＣ１を除去し、ダイオードＤ２を残した回路を示す図。 図７に示す回路でスイッチ４をオン、オフ動作させたときのＡ点における電位の変化状態を示す波形図。 本発明が適用されるスイッチング電源の構成例を示す図。 本発明の実施形態に係る逆起電力防止ユニットの外観を示す図。 本発明に係る逆起電力防止ユニットをバッテリに接続した状態を示す回路図。 車載バッテリおよび車載機器の電気回路図。 従来のノイズフィルタの例を示す回路図。

符号の説明

１…トランス
２…増幅器
３…スピーカ
３ａ…駆動コイル
４…スイッチ
Ｃ１…コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
１００…逆起電力防止ユニット
１０２…正側リード線
１０３…負側リード線
１０４…逆流阻止ダイオード
１０５…ヒューズ
１０６…コンデンサ
１０７…ヒューズソケット
１０８，１０９…圧着端子
１１０…バッテリ
１１１…セルモータ
１１２…電装品
１１３…発電機
１１４…スタータスイッチ
１１５…整流用ダイオード
１１６…自動オンオフスイッチ

Claims (3)

1. バッテリ等の直流電源より誘導性負荷を含む負荷にスイッチング動作をする回路素子または回路部を介して給電されるように構成され、前記スイッチング動作に起因するノイズが出力される回路装置における逆起電力防止ユニットであって、
   前記直流電源の出力端に並列に接続され前記誘導性負荷により生じる逆起電力を吸収するダイオードと、
   該ダイオードに並列接続され、該ダイオードのカソード側の電圧を、給電がオン状態に切り替わったときに所定のレベルまで一時的に下降させるとともに給電がオフ状態に切り替わったときに所定のレベルまで一時的に上昇させ、且つ、前記逆起電力により生じる高調波成分を前記直流電源側に戻すコンデンサと、を有し、
   前記直流電源の出力側に設けられることを特徴とする
   逆起電力防止ユニット。
2. バッテリ等の直流供給源より誘導性負荷を含む負荷にスイッチング動作をする回路素子または回路部を介して給電されるように構成され、前記スイッチング動作に起因するノイズが出力される回路装置におけるバッテリの逆起電力防止ユニットであって、
   前記直流供給源の正端子に接続可能な正側リード線と、
   前記直流供給源の負端子に接続可能な負側リード線とを有し、
   前記正側リード線と前記負側リード線の間には、逆流阻止ダイオードと過電流で溶断するヒューズ素子とが直列に挿入接続されており、
   前記逆流阻止ダイオードには、そのカソード側の電圧を、給電がオン状態に切り替わったときに所定のレベルまで一時的に下降させるとともに給電がオフ状態に切り替わったときに所定のレベルまで一時的に上昇させ、且つ、前記逆起電力により生じる高調波成分を前記直流供給源側に戻すコンデンサが並列に接続されており、
   前記直流供給源の出力側に設けられることを特徴とする
   バッテリの逆起電力防止ユニット。
3. 前記正側リード線および負側リード線の端部に、圧着端子を設けたことを特徴とする請求項2記載のバッテリの逆起電力防止ユニット。

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