JPH07503358A - 短絡電流制限保護器 - Google Patents
短絡電流制限保護器Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
短絡電流制限保護器
技術分野
本発明は短絡制限保護器に関し、特に、正常な動作条件下において電力損失が最
小であり、所定の電流レベルにおいて速やかにがっ信頼性をもってトリガされる
、電子ヒユーズに関する。
背景技術
さまざまな電子回路、およびそれらの回路に動作電圧を供給するユニットにおい
ては、ヒユーズによって保護された回路における電流が、例えば短絡により過度
に大きくなった時にトリガされるヒユーズの形式の安全装置が必要である。
最も通常の形式のヒユーズは、フィラメントの抵抗と電流の自乗との積が熱を発
生し、電流か過剰になるとその熱がフィラメントを溶融することに基いて、一定
の電流がフィラメントを流れた時溶融または燃焼する細い該フィラメントまたは
靭を含むガラス管から成る温度ヒユーズである。
この種のヒユーズは、完全な短絡の場合には満足に機能し、ヒユーズは比較的速
かにトリガされる。短絡の場合には、ヒユーズは大きい短絡電流を通過させ、そ
の電流は電源のインピーダンスによってのみ制限される。そのような高短絡電流
は、導体、電気接点、および池の電気装置に損傷を与えやすく、また並列に給電
を受ける電子装置に妨害を与えるであろう。一方、もしその電流が大きくて、ヒ
ユーズの定格値に近いか、またはその直ぐ上にあれば、ヒユーズがトリガされる
のにかなりの時間を要し、それはある場合には、他の回路成分の過負荷によって
かなりの問題を起こしつる。さらに、この種のヒユーズの動作は低速または高速
ならしめることができる。さらに、定格値に近い負荷を加えられる時は、この種
のヒユーズはエージングによる変化を受けるため、長い設置期間の後には、その
ヒユーズは、負荷がそのヒユーズの最初の定格値を超えなくてもトリガされつる
。
最新の電圧供給ユニットは、しばしば、1つの回路によって最大電力を取出すこ
とが可能になるある形式の電流制限装置を有する。これは、しばしば、電流に一
定の最大値をとらせ、その後その電流が電流制限値を超えないように電圧を減少
させることによって実現される。電圧が減少させられる時には、電圧レベルがき
わどい状態になることにより多くの回路の機能を不安定にし、それにより使用を
全体的に危険ならしめる。
この欠点を克服するためには、電圧が所定値よりも低下した時、電力供給が遮断
されて故障が指示されるように、電流の監視に加えて電圧の監視が必要である。
そのためには、監視もしくは監督されるべき細部よりもより広範囲の、特に複雑
な安全システムを必要とする。これは、例えば、多くのユーザのために働く装置
において、また1人のユーザに関して生じた故障が他のユーザを妨害しないとい
う当然の要望が存在する場合に問題となる。この応用の例は、電話回路網に見出
される。例えば、もしある加入者が故障に悩んでいる場合は、その故障は、恐ら
くは何十万という他の加入者に対して決して影響を与えてはならない。この性質
の応用においては、設備の費用を程々のレベルに抑えるために、電流が最も簡単
に、しかしながら最も効果的に監視されうろことが重要である。多くの同様な応
用は、過負荷保護器が所望され、かつ、その過負荷保護器は無線妨害を発生せず
、複雑過ぎることもなくて、高速かつ正確であるような、電子工学およびデータ
技術の分野において見出される。もう1つの要望は、この種の保護器は、必ずし
も新しい部品と交換する必要はなく、故障源を除去した後は、手動的または自動
的に容易にリセッ1−されうることである。
米国特許第4,531,083号および米国特許第4,531,084号は、変
圧器、コンデンサ、またはコイルを使用することなく、再充電可能な蓄電池を充
電する目的のための直流主電源ユニット用の電流調整回路を教示している。第1
および第2トランジスタの両エミッタが、ヒユーズとして機能しうる第5限流正
温度係数(PTC)抵抗器を経て接続されている。ダーリントン回路の中に複数
の1−ランジスタを用いる代わりに、MO8形電界効果トランジスタを用いるこ
ともできる。前記PTC抵抗器は、蓄電池の充電プロセス中に125°Cの公称
温度で動作するように意図されており、その場合、充、tX流はこの抵抗のため
に、使用温度の1度増加毎に0.45%だけ減少する。前記抵抗器はまた、該抵
抗器を、ヒユーズとして機能させつる材料により金属被覆を施すことによって得
ることもできる。
DE−82,533,182は、電流供給装置内においてトリガされた、すなわ
ち飛んだヒユーズを示すための回路構造を教示しており、そこでは、そのヒユー
ズがトリガされたことを表示装置上に示すために光スィッチが用いられている。
このようにして、動作が高速かつ正確であり、かつ、正常な動作条件下において
発生する電力損失が極めて小さい電流制限装置を提供することが必要とされる。
発明の開示
従って、本発明は、以下の仕様を達成する短絡電流制限保護器を提供することを
目的とする。
a)選定された電流値において高速、かつ、直ちにトリガされる。
b)正常な電流値において最小の電力損失を生じる。
C)上記装置のトリガ電流値されるように、トリガ電流値において非直線動作特
性を有する。
d)K源の内部インピーダンスに関係なく、短絡電流が所望レベルに制限される
。
e)上記装置は、動作中に無線周波数の妨害電波を発生しない。
f)異常電流を遮断する時、上記装置は誘起される過電圧を所定値に制限する。
本発明によれば、以上の仕様に従う装置が提供され、該装置はトリガされた時、
電流サージの原因か確定され、かつ、除去された後に容易にリセットされつる。
本発明によれば、さらに、組合わされた電子的帰還および熱的帰還の組合せの原
理を利用した短絡電流制限装置が提供される。
本発明はまた、公称または定格電流に達した時、注意深く設定された遅延を示し
、この遅延が経過した直後に高速にトリガされる、すなわち「飛ばされる」装置
を提供する。従って、負荷に故障か起きた場合に、異常電流は従来のヒユーズに
おける値よりも遥かに低い値に制限される。
本発明によれば、また、自動的または手動的にリセットされ、かつ、装置を除去
する必要な(非作動状態にセットされうる上記仕様による装置が提供される。
図面の簡単な説明
次に本発明を、添付図面を参照しつついくつかの実施例について説明する。
第1図は、本発明の短絡電流制限装置の基本的実施例の回路図であり、第2図は
、本発明の短絡電流制限装置の第2実施例の回路図であり、第3図は、本発明の
短絡電流制限装置の第3実施例の回路図であり、第4図は、本発明の短絡電流制
限装置の第4実施例の回路図であり、第5図は、本発明の短絡電流制限装置の第
5実施例の回路図である。
実施例の説明
第1図は、本発明による電子的および熱的帰還の原理を利用した回路の例を図解
した回路図である。この回路図は、いくつかの抵抗器R2、R3、R4、R7、
R8、R9、および非直線性温度依存抵抗器R5を含む。この回路はまた、上記
非直線性温度依存抵抗器R5と直列接続の電界効果トランジスタMlと、シリコ
ンダイオードDIと、2つのツェナダイオードZ1、Z2と、バイポーラNPN
トランジスタQlと、2つのキャパシタC1、C2とを含む。本発明によれば、
図示された回路の主たる機能部分は、一般的に、構成素子Ml、R5、Ql、R
4、R3、およびR8により構成される。図示された実施例の場合、抵抗器R5
は、フランスのレイジエン・ボンテスク社(Raychen Pontaisc
SA)により製造されているRUE 800形のPTC抵抗器である。電界効果
)・ランジスタM+は、電力MO3FETで、例えばモトローラ社によって製造
されているMTW45NI OE形であり、トランジスタQlは、例えばモトロ
ーラ社によって製造されているBC847B形トランジスタである。残余の抵抗
器、キャバノタ、およびダイオードは、一般に入手可能な標準的な部品から構成
されている。ツェナダイオードZlのツェナ定格電圧は12ボルトであり、他方
、ツェナダイオ−1・22は90ポルトの定格電圧を存する。
参照符号SW+は、オフ、オン、およびリセットの3位置を有するスイッチを示
す。このスイッチかオフ位置にある時は、トランジスタQlを導電状態にするの
に十分な電位が抵抗器R2を経て印加され、それによって電界効果トランジスタ
Mlは阻止状態になり、その結果電流を通さなくなる。換言すれば、負荷りは開
放される。
もしスイッチSWIか短時間の間リセット位置へ切換えられれば、Qlは除勢さ
れて、Mlのゲート電圧は、急速にツェナダイオードZ1と抵抗R4およびR7
から成る分圧器とによって決定されるレベルまで増加する。ここでR4は、負荷
りへ給電する電圧源の正端子に接続されている。それにより、電界効果トランジ
スタM1は電流を流し、従って負荷りは付勢される。このようにして、Mlのゲ
ートは、Mlが完全に導電状態となる電位を得、それによって適度の電流の場合
のMlの電圧降下は実際上無視しつるようになる(10分の1または10分の数
ボルト)。次に、スイッチSW+が中性点位置、すなわちオン位置に置かれた時
は、回路は動作モードて動作する。
非直線性温度依存抵抗器R5は、このようにして形成された回路に対し、トラン
ジスタMlのコレクタ接続端において、直列に接続されている。R5の抵抗値は
、通常の動作温度においては小さく、Mlの入力抵抗またはその導を抵抗と同程
度の大きさを存する。好適実施例における2つの構成素子MlおよびR5は、通
常の電流で動作する時、発生する損失電力とMlおよびR5から運び去られる加
熱電力との間に熱平衡か得られるように設置される。これらの構成素子は、その
支持ボード(ファイバグラス・ボード、セラミック基板、または構成素子が支持
ボードから絶縁されている時は金属ボード)と良好な熱的接触をなして設置され
る。非直線性温度依存抵抗器R5もまた、電界効果トランジスタM1から発生し
た熱エネルギの影響を受けるのに都合よく設置される。離散した密閉形構成素子
を含む実施例の場合には、電界効果トランジスタMlは、適切な冷却フィンを備
える。負荷りと直列に形成された回路と、それに対する電圧源の正および負端子
の接続とは、スイッチSWIがオン位置にある時に動作モードで動作し、上記回
路の状態を監視して、所定の過電流において直ちに負荷りの回路を遮断するよう
に準備を整えた状態になる。
以下のことは、負荷りを通る電流が、選定された過電流開放値を超えた時に起き
る。このとき、MlおよびR5の双方の温度は顕著に上昇し、R5の温度の上昇
はその抵抗値を加速度的に急速に増大させる(非直線依存性)。急速に増大する
R5の抵抗値と、ある程度までは増大するMlの抵抗値とは、異常電流と共に、
Mlに直列なR5の増大する電圧降下を生じる。負荷りと、MlおよびR5の組
合せとから成る第1分圧器の作用によって、トランジスタQlに給電するための
抵抗器R3およびR8から成る第2分圧器の両端間の電圧は増大する。トランジ
スタQ1のベース電極に給電する抵抗器R3とR8との間の点における電位が一
定の閾値を超えると、通常の場合は数マイクロ秒程度の極めて短時間で起こるこ
とであるが、Qlは導電状態になり、それによってツェナダイオードZlを短絡
し、電界効果トランジスタMlは非導通状態ヘスイッチして、負荷りを通る電流
は遮断される。
負荷りを通る電流が遮断された後は、供給電圧の全体は抵抗R3およびR8から
成る第2分圧器にかかり、従って、Qlは完全に導電状態になるための十分なベ
ース電流を供給され、それによってMlを阻止された非導電状態に保持する。
負荷りに短絡が起きると、その短絡電流は急速に増大し、それによってMlおよ
びR5の両端間の電圧降下も増大する。開放、すなわちターンオフ・シーケンス
は、Qlのベース−エミッタ電圧が、その閾値レベルを超えた時開始される。
システムの異常電流(短絡の発生)の時刻と、Mlの開放との間の望ましい時間
遅延は、キャパシタCIの値の適切な選択によって得られる。Mlを通るピーク
電流は、キャパシタC1の値によって、また負荷りのインダクタンスによって決
定される。もしCIがなければ、このピーク電流は、部分的に01におけるベー
ス−エミッタ電圧によって、また部分的に商R3/R8によって決定される。
もしトランジスタM1が短絡電流を遮断しえなければ、R5かその抵抗値を極め
て急速に数百オームまで増大させることにより、最大電流を程々の値に制限した
後、電流を強制的にゼロ近くまて下げる。
Slは比較的に高い値を有し、取締当局がヒユーズに課している要求により正当
化された典型的な標準的ヒユーズであるが(取締当局は、短絡保護器として電子
回路のみの使用を承認しない)、ヒユーズSlは実際には決してトリップまたは
トリガされないであろう。
誘導性の負荷を遮断する時、過渡電圧は、電界効果トランジスタM1と協働する
ツェナダイオードZ2によって制限される。開放時間は、ツェナ電圧、およびM
lにより吸収されなくてはならない誘導性エネルギの量によって決定される。
ダイオードD+は、Mlか完全な導電状態にある時Z2を通って流れる電流を阻
止する。R9およびC2は、Mlかトリップされた時生じる発振を減衰させるよ
うに構成されている(いわゆるスナバ回路である)。
第2図は、本発明のもう1つの実施例を示す。第2図の実施例においては、第1
図に示されている回路が、追加の例えばタイプBC847Bのバイポーラトラン
ジスタQ2と、それと関連する抵抗器RIOおよびR11、キャパシタC3、並
びにシリコンダイオードD2とから成る第3分圧器が追加されている。
第2図に示されている回路の基本的機能は、第2図の回路が開放後一定の期間が
経過した時自動的にリセットされることを除けば、第1図に示されている回路の
それと同じである。トランジスタQ2は、トランジスタQlのベースとエミッタ
との間に、抵抗R8と並列に接続されている。Q2のベース電極は、第3分圧器
の抵抗RIOおよびR11を経て給電される。トランジスタMlが負荷りを通る
電流を遮断して、第2分圧器R3およびR8にかかる電圧が供給電圧に等しくな
った時、この電圧は第3分圧器上にも印加される。その時、抵抗RIOを経由し
、キャパシタC3に対し、RIOとR11との分割比に相当する電圧までの充電
が開始される。Q2のベース電圧がQ2の閾値電圧を超えると、ある期間の後、
Q2は伝導を始め、トランジスタQ2はトランジスタQlのベース電極の電圧レ
ベルを側路除去し、トランジスタQlはそれによって導電を中止する。トランジ
スタQlが非導電状態になると、制all電圧が再び電界効果トランジスタMl
のゲート上に現われ、電界効果トランジスタM+は再び完全な導電状態ヘスイッ
チされ、電流は再び負荷りを通って流れつるようになる。Mlが再び導電状態に
なった時、第2および第3分圧器に印加される電圧は消失する。その時ダイオー
ドD2はキャパシタC3を急速に放電させ、それによって装置は全体として再び
動作モードになる。
もし故障(短絡)が残っていれば、装置は一定の時間が経過した後再び阻止状聾
になり、その経過時間の長さは、なかんずく、R9及びC2と、R3、R8及び
CIとの両組合せの時定数に依存する。その後、装置は一定の繰返し周波数で電
流の遮断および導通を行い、その周波数は前述の組合せに追加して選択されたR
IOlRll及びC3の組合せの時定数に依存する。
第2図に示されている回路は、それぞれの限流抵抗器R1およびR6に直列に接
続された2つの通常の発光ダイオードD3およびD4を含む。供給電圧が存在し
てトランジスタMlが導電状態にある時は、ダイオードD3が発光してオン状筈
を表示する。もし供給電圧は残っているが、電流が負荷りを通って流れておらず
、十分な電圧か第2(および第3)分圧器に印加されていれば、ダイオードD4
か発光(放射)して回路のトリガ状態を表示する。第2図の実施例が繰返し電流
回路を開閉する時、ダイオードD3およびD4は交互に発光し、それによってそ
の状態を表示する。その繰返し周波数力叶分に高い時は、観察者の目はそれら2
つのダイオードか負荷りの故障が継続していることを表示する標識を放射表示し
ているように観察する。
第3図は、本発明の第3実施例を示し、そこでは第1図に示されている回路に対
してダイオードD3およびD4と、さらに光スィッチOPIとが追加されており
、光スィッチOPIは図示されている実施例の場合は、テレフンケン社によって
製造されているタイプCNY74−4である。この場合、発光ダイオードD3は
、回路に対し電圧が印加されてMlが導電状態にあることを示し、他方発光ダイ
オードD4は、回路かトリガされていることを示す。光スィッチOPIはD4に
直列に配置され、D4が電圧を受けて発光するのと同時に、光スィッチOPIは
同じ電流を受けて回路がトリガされた旨の遠隔表示を与えるために用いられる。
第4図に示されている回路は、第3図に示されている回路の拡張であり、そこに
はOPIに相当するタイプの2つの追加の光スィッチOP2およびOF2を使用
した遠隔制御のための回路構造が示されている。この場合、光スイッチOPa内
のホトトランジスタのエミッタ電極は、もう1つの抵抗RI2により、光スイッ
チOP2内のホトトランジスタのコレクタ電極に、またさらにトランジスタQl
のベース接続線にも接続されている。これによって電流監視回路は、スイッチS
WIにより行われる直接制御の外に、2つの光スィッチにより遠隔制御されうる
。光スィッチOP3が、それに組込まれた発光ダイオードが発光または放射する
ように供給電圧を受けた時、組込まれたホトトランジスタか導通し、電流が追加
された抵抗RI2を経てトランジスタQ1のベースへ導入され、そこで該ベース
電流はトランジスタQlを導電状態にし、それにより前述のように電界効果トラ
ンジスタMlを非導電状態にスイッチする。このようにして、スイッチSWIが
オフ位置ヘスイッチされた時と同し機能か得られる。これによって、負荷りは遠
隔制御によりスイッチオンまたはオフされうるようになる。
同様にして、光スィッチOP2が制御電圧を受けた時は、そのホトトランジスタ
は同様にしてトランジスタQlのベース電極を負電圧の供給接続線へ短絡し、こ
れは、手動スイッチがリセット位置へスイッチされた時の機能に相当する。換言
すれば、この回路は遠隔制御によってリセットされつるのである。
最後に、第5図は、第3図の回路に対して、第4図に示されている光スィッチO
P2およびOF2の代わりに、集積回路ICIを配設した実施例を示す。この実
施例の場合は、集積回路IC+は、好ましくは3つの状態の出力レベルをもった
、TTL形またはCMOS形の5ボルトの論理回路を含む。74LS123タイ
プのIC回路は、図示されている実施例において便利に用いられうる回路の例で
ある。この場合、集積回路ICIの出力は、リセット機能の場合には負の供給電
圧に、またオフ機能の場合には正の供給電圧に接続され、その出力は、回路がオ
ン機能にある時は通常は浮動状態をとり、それによって負荷りを通る電流を能動
的に監視する。集積回路ICIは、従来技術によって制御され、本発明の回路が
ディジタル的応用に容易に適用されることを可能ならしめる。
に −
+ 書
に
痕
−[−一一]−−−−−−コ −・
+
Claims (5)
- 1.公称電流において最小の電力損失を有し、電流通路内にMOS形電界効果ト ランジスタ(Ml)および温度依存抵抗器(R5)を含み、前記トランジスタが 短絡電流を診断する検出回路により制御される電子式短絡電流制限器であって、 前記温度依存抵抗器(R5)の温度は前記電界効果トランジスタ(M1)から発 生する熱エネルギによる影響をも受けることにより、前記電流制限器は、電子的 帰還および熱的帰還の組合せを用いること、前記温度依存抵抗器(R5)は前記 電界効果トランジスタ(M1)のコレクタ電極に直列に接続され、監視されるべ き電流は該電界効果トランジスタ(Ml)を通りそのコレクタからエミッタへ流 れること、前記電界効果トランジスタ(MI)は、該トランジスタのゲート上の 電圧が抵抗(R4)およびツェナダイオード(Zl)の作用により最高レベルに 保持されていることにより、正常な動作状態において完全な導電状態にあること 、前記電子式短絡電流制限器は、負荷(L)と直列に接続されて第1分圧器を形 成する前記温度依存抵抗器(R5)に加えて帰還ループをさらに含み、また、2 つの抵抗器(R3、R8)により構成される第2分圧器および第2トランジスタ (Q1)を含み、該第2トランジスタ(Q1)は前記ツェナダイオード(Z1) と並列に接続されていることにより、前記第2トランジスタ(Q1)のベース電 位が前記第1および第2分圧器(それぞれL、R5およびR3、R8)の作用に より閾値を超えたため前記第2トランジスタ(Q1)が導通し始めると、前記ツ ェナダイオード(Z1)は前記第2トランジスタ(Q1)により短絡されること 、前記電子式短絡電流制限器は、前記第2トランジスタ(Q1)が木質的に非導 電状態にあり、かつ、前記電界効果トランジスタ(M1)が完全に導電状態にあ る第1安定状態と、前記第2トランジスタ(Q1)が導電状態にあり、かつ、前 記電界効果トランジスタ(M1)が非導電状態にある第2安定状態との2つの安 定状態を有し、前記電子式短絡電流制限器は、前記電界効果トランジスタ(M1 )の直線動作範囲内においては定常状態を占有しえないこととを特徴とする電子 式短絡電流制限器。
- 2.前記温度依存抵抗器(R5)は際立った非直線特性を有し、前記抵抗器(R 5)における電圧降下は、前記抵抗器(R5)を通って流れる電流の増加と共に 急速に増加し、また、前記第2分圧器(R3、R8)に印加される電圧が急速に 増加して前記第2トランジスタ(Q1)が電流を流し始め、それにより前記電界 効果トランジスタ(M1)を非導電状態へスイッチさせることを特徴とする請求 項第1項記載の電子式短絡電流制限器。
- 3.前記第2トランジスタ(Q1)が前記第2分圧器(R3、R8)に印加され る電圧の増加に応答して導通し始める前における決められた時定数を与えるため に、前記第2トランジスタ(Q1)のベース電極に対しキャパシタ(C1)が接 続されており、前記電界効果トランジスタ(M1)のトリップ動作は、前記第2 トランジスタ(Q1)のベース電極の時間遅延装置のRC積に対応する時間だけ 遅延されるように構成されていることを特徴とする請求項第2項記載の電子式短 絡電流制限器。
- 4.第3分圧器(R10、R11)が前記第2分圧器(R3、R8)と並列に接 続され、第3トランジスタ(Q2)が前記第2トランジスタ(Q1)のベースエ ミッタ間に前記第2分圧器(R3、R8)の抵抗器(R8)と並列に接続されて いることと、前記第3分圧器(R10、R11)の分圧出力点が前記第3トラン ジスタ(Q2)のベース電極に第3キャパシタ(C3)と共に接続されているこ とにより、前記電子式短絡電流制限器を、前記第3分圧器(R10、R11)と 前記第3キャパシタ(C3)とのRC積により決定される時間経過の後に自動的 にリセットすることとを特徴とする請求項第2項または第3項記載の電子式短絡 電流制限器。
- 5.前記電子式短絡電流制限器は3つのスイッチ位置を有する単極スイッチを含 み、第1スイッチ位置において、前記第2トランジスタ(Q1)のベース電極が 該第2トランジスタ(Q1)のエミッタ電極に一時的に接続されことにより、前 記電子式短絡電流制限器をリセットしうることと、第2スイッチ位置において、 前記第2トランジスタ(Q1)のベース電極が抵抗器(R2)を経由して電圧源 に接続されることにより、該第2トランジスタ(Q1)を連続的に導電状態に、 かつ、前記電子式短絡電流制限器を非導電状態に保持しうることと、前記単極ス イッチが前記第1および第2スイッチ位置の間の中性位置を有することとを特徴 とする請求項第1項から第4項までのいずれかに記載の電子式短絡電流制限器。
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