JPH11512597A - 過電流保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 負荷の両端間の電圧の低下を引き起こす過電流、例えば負荷における部分的あるいは完全な短絡、に対して迅速に反応し、特に比較的小さい過電流から回路を保護するのに適した過電流保護システム。図１および図２に示すように、このシステムは、上記動作回路において、電源（１０２，１２）と電気負荷（１１２，８）との間に直列に接続された回路遮断要素（１０８，２）を備える。この回路遮断要素は、正常な電流Ｉ_NORMALがこの回路遮断要素を流れるのを許容する閉状態と、多くとも、Ｉ_NORMALよりもかなり小さい低減電流しかこの回路遮断要素を流れるのを許容しない開状態とを有する。また、このシステムは、上記動作回路において、上記負荷に並列に接続された制御要素（１０４，６）を備え、この制御要素は、この制御要素の両端間の電圧が正常な電圧Ｖ_NORMALであるときにオン状態をとり、この制御要素の両端間の電圧が低下してＶ_FAULT以下になったときにオフ状態に変わり、また、上記回路遮断要素に機能的に連結されて、制御要素がオン状態にあるときに、回路遮断要素は閉状態にあり、制御要素がオフ状態にあるときには、回路遮断要素は開状態にある。また、このシステムは、バイパス要素（１０６，４）を備え、このバイパス要素は、上記回路遮断要素と並列に接続され、上記回路遮断要素が故障状態にあり、かつ、上記電流Ｉ_NORMALが上記バイパス要素を通過させられている場合に、上記制御要素の両端間の電圧がＶ_FAULTよりも大きくなる始動状態と、上記制御要素の両端間の電圧がＶ_FAULT以下に降下した結果として回路遮断要素が故障状態となっている場合に、バイパス要素を通過する電流が、制御要素における電圧がＶ_FAULT以下に維持されるようなものである停止状態とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】 過電流保護回路 この発明は、電気回路の過電流保護に関する。ＰＴＣ回路保護装置はよく知ら れている。その装置は、負荷と直列に設置されており、正常な動作状況では低温 、低抵抗状態にある。しかし、ＰＴＣ装置を通過する電流が過度に増加したり、 ＰＴＣ装置の周囲の雰囲気温度が過度に増加したり、あるいは、正常な動作電流 が正常な動作時間以上持続すると、ＰＴＣ装置はトリップ、すなわち電流が実質 的に下げられるように、高温、高抵抗状態に転換される。一般的に、たとえ電流 及び／または温度がその正常なレベルに戻ったとしても、ＰＴＣ装置が電源から 外されて冷まされるまでは、ＰＴＣ装置はトリップされた状態のままである。特 に有用なＰＴＣ装置が備えるＰＴＣ要素は、ＰＴＣ導電性ポリマー、すなわち（ １）有機ポリマーおよび（２）ポリマー中に分散あるいは分布させられた粒状導 電性充填剤、好ましくはカーボンブラックを備えた組成物から成る。ＰＴＣ導電 性ポリマーおよびそれらを含む装置は、例えば米国特許公報4,237,441、4,238,8 12、4,315,237、4,317,027、4,426,633、4,545,926、4,689,475、4,724,417、4, 774,024、4,780,598、4,800,253、4,845,838、4,857,880、4,859,836、4,907,34 0、4,924,074、4,935,156、4,967,176、5,049,850、5,089,801および5,378,407 に示されている。 ＰＴＣ保護装置の既知の使用における限界は、過電流が比較的小さい、例えば 正常な回路電流の数倍までの場合は、ＰＴＣ装置をトリップ状態に転換するのに 比較的長い時間がかかることである。 私達は新しい過電流保護システムを発見した。それは、負荷の両端間の電圧の 低下を引き起こす過電流、例えば負荷における部分的あるいは完全な短絡、に対 して迅速に反応するもので、特に比較的小さい過電流から回路を保護するのに適 している。その新しいシステムでは、１つの制御要素が負荷と並列に配置されて いる。従って、負荷の両端間の電圧が下がると、制御要素の両端間の電圧も下が る。制御要素は、負荷と直列の回路遮断要素と機能的につなげられているため、 制御要素の両端間の電圧が下がると、回路遮断要素は比較的伝導性のある状態か ら比較的非伝導状態（完全な開放状態を含む）へと変わる。そのシステムには、 回路遮断要素と並列である１つのバイパス要素も含まれている。そのバイパス要 素は、回路にスイッチが入ったときに、電流が回路まで流れて、制御要素を活性 化し、この制御要素が次に回路遮断要素を比較的伝導性のある状態へ転換するた めに必要である。しかしながら、このバイパス要素は、故障により回路遮断要素 が比較的非伝導状態へと変換された場合には、その結果として生じるバイパス要 素を通る電流がバイパス要素を変化させて、制御要素の両端間の電圧が回路遮断 要素を比較的非伝導状態に維持できるのに十分なだけ低く保たれることを確実に するものでなければならない。 好ましい側面においては、本発明は、動作回路を形成するように電源と電気的 負荷との間に接続することができ、そのように接続された場合には上記回路を過 電流から保護する電気的システムを提供する。そのシステムは、 ａ．上記動作回路において、上記電源と上記電気負荷との間に直列に接続され た回路遮断要素を備え、この回路遮断要素は、 （１）正常な電流Ｉ_NORMALがこの回路遮断要素を流れるのを許容する閉状 態と、 （２）多くとも、Ｉ_NORMALよりもかなり小さい低減電流しかこの回路遮断 要素を流れるのを許容しない開状態とを有し、 ｂ．また、上記動作回路において、上記負荷に並列に接続された制御要素を備 え、この制御要素は、 （１）（ｉ）この制御要素の両端間の電圧が正常な電圧Ｖ_NORMALであると きにオン状態をとり、 （ii）この制御要素の両端間の電圧が低下してＶ_FAULT以下になっ たときにオフ状態に変わり、 （２）また、上記回路遮断要素に機能的に連結されて、制御要素がオン状 態にあるときに、回路遮断要素は閉状態にあり、制御要素がオ フ状態にあるときには、回路遮断要素は開状態にあり、 ｃ．また、バイパス要素を備え、このバイパス要素は、 （１）上記回路遮断要素と並列に接続され、 （２）（ｉ）上記回路遮断要素が故障状態にあり、かつ、上記電流Ｉ_{NORM AL} が上記バイパス要素を通過させられている場合に、上記制御要素の両端間の電 圧がＶ_FAULTよりも大きくなる始動状態と、 （ii）上記制御要素の両端間の電圧がＶ_FAULT以下に降下した結果 として回路遮断要素が故障状態となっている場合に、バイパス要素を通過する電 流が、制御要素における電圧がＶ_FAULT以下に維持されるようなものである停止 状態とを有している。 好ましい発明の実施形態においては、 １．上記回路遮断要素は、１組の常開の継電器接点であり、上記制御要素は、活性 時は接点を閉じ、非活性時には接点を開放させる１つの継電器コイルである。 ２．上記回路遮断要素は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、このＦＥＴは 、 （ｉ）ゲート、ソース、およびドレインを備え、 （ii）ＦＥＴのゲート電圧が正常なゲート電圧であるときに正常な回路電 流Ｉ_NORMALを通過させ、 （iii）ＦＥＴのゲート電圧が所定のゲート電圧量だけ上記正常なゲート 電圧よりも低下したときに、多くても、Ｉ_NORMALよりもかなり小さい低減電流し か流さないように切り替わる。 ３．上記バイパス要素はＰＴＣ装置であり、好ましくはポリマーのＰＴＣ装置で ある。 上記特徴（１）及び（３）を組み合わせたシステムでは、正常な回路作動中は 、継電器コイルは活性化され、それにより接点を閉鎖している。電圧不足の場合 には、継電器コイルは非活性化され、接点を開放する。電流は、ＰＴＣ装置の方 へ転向され、ＰＴＣ装置が高抵抗状態へとトリップする。ＰＴＣ装置と機械的接 点 との組合せにより、正常な回路電圧より十分に低い電圧下で、過電流を遮断する ように定格を与えられた(rated)接点の使用が可能になる。その組合せにより、 正常な回路電流より非常に低い電流レベルでトリップするように定格を与えられ たＰＴＣ装置の使用もまた可能になる。 上記特徴（２）及び（３）を組み合わせたシステムでは、電界効果トランジス タ（ＦＥＴ）あるいは他の固体素子スイッチは、ＰＴＣ装置に並列に接続されて おり、その並列の結合体は、保護されるべき回路の一直線上に直列接続されてい る。分圧器回路またはその他の電圧感知装置は負荷を横切って接続されている。 分圧器回路はＦＥＴのゲート電圧を制御する。正常な回路動作中は、ＦＥＴのゲ ート電圧がＦＥＴにバイアスをかけてオンにし、導通状態にする。電圧不足の場 合には、ＦＥＴはオフになり、電流をＰＴＣの方へ転向させる。これによりＰＴ Ｃは高抵抗状態へとトリップする。固体素子装置は継電器装置よりも優れており 、それは、分圧器が、継電器コイルのものよりもはるかに高いインピーダンスを 実現するように選択することができ、それにより消費する電力は継電器コイルが 消費するよりはるかに少なくなる点においてである。固体素子装置には、より長 い寿命、より低いコスト、およびより小型であるというさらに潜在的な利点があ る。 図１に描かれている５つの動作要素は、電源１０２，制御要素１０４，バイパ ス要素１０６，遮断要素１０８および負荷１１２である。電源１０２は電力を回 路に供給し、負荷１１２は回路の意図された目的を実行する。制御、遮断および バイパス要素は過電流を保護するために協調して作動する。 図２は、電源１２，電源インピーダンス１３，スイッチ１５，負荷８および過 電流保護システム１０を含む電気回路２０を示す。過電流保護システム１０は、 遮断要素である１組の常開の継電器接点２、上記継電器接点に並列に接続された ＰＴＣ装置４、および負荷８に並列に接続された電圧感知継電器コイル６を含む 。通常の動作においては、スイッチ１５を閉じることによって電源１２が接続さ れると、継電器接点２は初め開いているが、継電器コイル６がＰＴＣ装置４を通 って流れ込む電流によって活性化し、それによって継電器接点２を閉じる。継電 器接点２が閉じているので、ＰＴＣ装置４は通常の回路電流を通さない。負荷８ に おいて短絡が発生すると、回路２０における電流が増加して、負荷８と継電器コ イル６の両端間の電圧が下がり、それによって継電器コイル６が非活性化し、継 電器接点２を開く。それから過電流がＰＴＣ装置４を流れる。すると、ＰＴＣ装 置４は高抵抗状態にトリップし、電流を安全なレベルまで下げる。 ＰＴＣ装置４は、一般的に、回路における通常つまり正常な電流に比べて低い 保持電流を有する。例えば、９０ボルトにおいて正常な負荷電流が１５アンペア である回路２０を考えてみると、継電器コイル６は６０ボルトで活性化、４０ボ ルトで非活性化し、ＰＴＣ装置４は１アンペアの保持電流を有する。電力が初め に印加されると、継電器コイル６が活性化するまで、１５アンペアがＰＴＣ装置 ４を２,３ミリ秒間流れる。ＰＴＣ装置４は、その短い時間にはトリップしない 。継電器コイル６が活性化すると、継電器コイル２は閉じ、ＰＴＣ装置は回路か ら外れる。負荷８で短絡があり、電流が約３０アンペアになると、継電器コイル ６の両端間の電圧がゼロに近づいて、継電器接点が開き、１アンペアのＰＴＣ装 置が３０アンペアの回路に挿入される。ＰＴＣ回路４は、その後高抵抗状態へと トリップし、電流を非常に小さな値にまで下げる。 ＰＴＣ装置４が継電器接点２と並列に置かれていることにより、正常な回路電 流を流す一方、正常な印加電圧より小さい電圧下においては最大過電流を遮断す るように定格を与えられた継電器接点２の使用が可能になる。ＰＴＣ装置４が低 抵抗状態の抵抗Ｒ_{PTC LOW}を有し、回路２０が負荷８の短絡を伴う最大過電流Ｉ_{M AX OVERCURRENT} を有するならば、継電器接点２は、Ｒ_{PCT LOW}×Ｉ_{MAX OVERCURRE NT} より小さい電圧においてはＩ_{MAX OVERCURRENT}を遮断するようになっている。 図３は回路２０'を示しており、それは、保護システム１０'が継電器コイル６ との接続部と、負荷８との接続部との間に接続された第２の１組の継電器接点３ を備えた点を除けば、図２中の回路２０と同一である。継電器接点３は接点２と 同様、通常開かれており、継電器コイル６により制御される。この実施形態には 、幾つかの利点がある。利点の１つは、過電流時には第２の１組の接点３が負荷 ８を電源１２から切り離すことである。もう１つの利点は、電力が初めに印加さ れたときに、負荷８は回路上に無く、継電器コイル６によって導かれる電流のみ が ＰＴＣ装置４を通ることである。それに加えて、第２の１組の接点３は、印加回 路電圧下では、最大過電流を遮断する必要がない。したがって、ＰＴＣ装置４が 高抵抗状態の抵抗Ｒ_{PTC HIGH}を有し、回路２０'が印加電圧Ｖ_APPLIEDを有するな らば、第２の組の継電器接点３は電圧Ｖ_APPLIEDにおいてＶ_APPLIED/Ｒ_{PTC HIGH} より低い電流Ｉ_INTERRUPTを遮断するように定格を与えるだけでよい。２組の接 点２,３は、継電器コイル６の非活性化時に一斉に動作するようにしてもよいし 、もしくは、第２の組の継電器接点３の動作を遅らせてもよい。 図２および３に示された過電流保護装置１０,１０'において、継電器コイル６ は正常な動作中は常に活性化し、そのため、電力を電源１２から絶え間無く引き 出している。継電器の使用に代わる固体素子が図４中の回路４０に示されている 。継電器コイル６と継電器接点２の代わりに、固体素子システム３０が、電界効 果トランジスタ（ＦＥＴ）１４等の固体素子スイッチを有する。このＦＥＴ１４ は、回路４０の線上に接続され、ＦＥＴ１４のゲートは分圧器２２に接続されて いる。分圧器２２は負荷８と並列に接続された直列接続のレジスタ１６,１８を 有する。固体素子装置３０は、図１中の過電流保護装置１０と本質的に同様に作 動する。スイッチが入っても、ＰＴＣ装置４を流れる電流によって、負荷８およ び分圧器２２の両端間の電圧が出現するまでは、ＦＥＴ１４は初めはオフである 。ＦＥＴ１４のゲートに出現する電圧はＦＥＴ１４をオンにし、それにより、電 流が回路４０に流れるようになる。負荷８が短絡した場合には、その結果生じた 分圧器２２の両端間の不足電圧がＦＥＴ１４をオフにする。電流はそのとき、Ｐ ＴＣ装置４の方へ転向され、ＰＴＣ装置４はその高抵抗状態へとトリップする。 ＦＥＴ１４と過電流ＰＴＣ装置４の組合せにより、正常な回路電圧より非常に低 い電圧下において過電流をスイッチするように定格を与えられたＦＥＴ１４の使 用が可能になる。 固体素子装置３０は、継電器過電流保護装置１０よりも優れており、それは、 ２つのレジスタ１６,１８の値が、継電器コイル６のものよりもはるかに高いイ ンピーダンスを実現するように選択することができ、それにより消費する電力は 継電器コイル６が消費するよりはるかに少なくなる点においてである。固体素子 装置３０には、より長い寿命、より低いコスト、およびより小型であるというさ らに潜在的な利点がある。バイポーラトランジスタ、３線交流電源（triacs）お よびシリコン制御整流器等の別の固体素子スイッチング装置をＦＥＴに代えて使 用してもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＭＸ 【要約の続き】 は、回路遮断要素は開状態にある。また、このシステム は、バイパス要素（１０６，４）を備え、このバイパス 要素は、上記回路遮断要素と並列に接続され、上記回路 遮断要素が故障状態にあり、かつ、上記電流Ｉ_NORMALが 上記バイパス要素を通過させられている場合に、上記制 御要素の両端間の電圧がＶ_FAULTよりも大きくなる始動 状態と、上記制御要素の両端間の電圧がＶ_FAULT以下に 降下した結果として回路遮断要素が故障状態となってい る場合に、バイパス要素を通過する電流が、制御要素に おける電圧がＶ_FAULT以下に維持されるようなものであ る停止状態とを有している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．動作回路を形成するために電源と電気負荷との間に接続されることができ、 そのように接続されたとき上記回路を過電流から保護する電気保護システムであ って、 ａ．上記動作回路において、上記電源と上記電気負荷との間に直列に接続され た回路遮断要素を備え、この回路遮断要素は、 （１）正常な電流Ｉ_NORMALがこの回路遮断要素を流れるのを許容する閉状 態と、 （２）多くとも、Ｉ_NORMALよりもかなり小さい低減電流しかこの回路遮断 要素を流れるのを許容しない開状態とを有し、 ｂ．また、上記動作回路において、上記負荷に並列に接続された制御要素を備 え、この制御要素は、 （１）（ｉ）この制御要素の両端間の電圧が正常な電圧Ｖ_NORMALであると きにオン状態をとり、 （ii）この制御要素の両端間の電圧が低下してＶ_FAULT以下になっ たときにオフ状態に変わり、 （２）また、上記回路遮断要素に機能的に連結されて、制御要素がオン状 態にあるときに、回路遮断要素は閉状態にあり、制御要素がオフ状態にあるとき には、回路遮断要素は開状態にあり、 ｃ．また、バイパス要素を備え、このバイパス要素は、 （１）上記回路遮断要素と並列に接続され、 （２）（ｉ）上記回路遮断要素が故障状態にあり、かつ、上記電流Ｉ_{NORM AL} が上記バイパス要素を通過させられている場合に、上記制御要素の両端間の電 圧がＶ_FAULTよりも大きくなる始動状態と、 （ii）上記制御要素の両端間の電圧がＶ_FAULT以下に降下した結果 として回路遮断要素が故障状態となっている場合に、バイパ ス要素を通過する電流が、制御要素における電圧がＶ_FAULT以下に維持されるよ うなものである停止状態とを有している ことを特徴とする電気保護システム。 ２．請求項１に記載のシステムにおいて、 ａ．上記制御要素は継電器コイルを備え、この継電器コイルは、 （１）この継電器コイルの両端間の電圧がＶ_NORMALであるときに活性化さ れる一方、 （２）この継電器コイルの両端間の電圧がＶ_FAULT以下に低下したときに 非活性化され、 ｂ．上記回路遮断要素は上記継電器コイルと連結された１組の継電器接点を備 え、上記継電器接点は、 （１）上記継電器コイルが活性化されたときに閉じられる一方、 （２）上記継電器コイルが非活性化されたときに開かれる ことを特徴とするシステム。 ３．請求項１に記載のシステムにおいて、 ａ．上記回路遮断要素は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、このＦＥＴ は、 （１）ゲート、ソース、およびドレインを備え、 （２）ＦＥＴのゲート電圧が正常なゲート電圧であるときに正常な回路電 流Ｉ_NORMALを通過させ、 （３）ＦＥＴのゲート電圧が所定のゲート電圧量だけ上記正常なゲート電 圧よりも低下したときに、多くても、Ｉ_NORMALよりもかなり小さい低減電流しか 流さないように切り替わり、 ｂ．上記制御要素は、上記ＦＥＴのゲート電圧を決定する分圧器を備える ことを特徴とするシステム。 ４．請求項１乃至３のいずれか１つに記載のシステムにおいて、 上記バイパス要素はＰＴＣ装置であることを特徴とするシステム。 ５．請求項１乃至４のいずれか１つに記載のシステムにおいて、 上記バイパス要素はポリマーＰＴＣ装置であることを特徴とするシステム。 ６．請求項１乃至５のいずれか１つに記載のシステムにおいて、 上記動作回路において、上記負荷と上記制御要素との間で上記負荷と直列に接 続された第２の回路遮断要素を備え、この第２の回路遮断要素は、 ａ．（１）正常な電流Ｉ_NORMALが上記負荷を流れるのを許容する閉状態と、 （２）多くても、Ｉ_NORMALよりも相当に小さい低減電流しか上記負荷を流 れるのを許容しない開状態とを有し、 ｂ．上記制御要素がオン状態にあるときには上記閉状態にあり、上記制御要素 がオフ状態にあるときには上記開状態にある ことを特徴とするシステム。 ７．電源と、電気負荷と、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の電気保護シ ステムとを備えた電気回路。