JP2023059438A - 過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源の誤接続に起因する過電圧に的確に対処して電気機器を確実に保護できる過電圧保護回路を得ること。【解決手段】過電圧保護回路２は、電子回路４の故障時又は異常時に流れる異常電流を遮断する電流ヒューズ２１と、商用電源１と電子回路４との間において電子回路４に並列に接続され、電子回路４に印加され得るサージ電圧を抑制するバリスタ２３と、バリスタ２３の短絡故障時にバリスタ２３に流れる短絡電流を遮断して回路を保護する電流ヒューズ２２と、商用電源１を投入した直後に流れ得る突入電流を抑制する電流制限抵抗２４と、突入電流を抑制した後に電流制限抵抗２４を通る電流経路をバイパスするリレー２５と、を備える。バリスタ２３の一端は電源線７に接続され、バリスタ２３の他端は、電流ヒューズ２２と電流制限抵抗２４との接続点に接続される。【選択図】図１

Description

本開示は、電気機器の回路である電子回路に付随して設けられる過電圧保護回路に関する。

一般的な電気機器である民生機器は、商用電源に接続される。民生機器は、商用電源から得られる電力で低圧の電源回路を構成したり、商用電源から得られる電力で電動機を駆動したりする。民生機器には、単相交流１００Ｖを定格とする電気機器と、単相交流２００Ｖを定格とする電気機器とがある。消費電力の大きい電気機器は、通電電流を抑えるために単相交流２００Ｖを定格にすることが多い。従って、同じカテゴリの電気機器でも、定格１００Ｖの電気機器と、定格２００Ｖの電気機器とが混在することがある。

上記のような機器事情から、定格１００Ｖの電気機器及び定格２００Ｖの電気機器の両方を利用できるように、同じ家屋及び建物であっても、両方の電力を受電するための電源配線が構築されている。これにより、電気機器の配線工事時に、単相交流１００Ｖの電源配線と、単相交流２００Ｖの電源配線とを間違えて配線してしまうことが発生する。

定格１００Ｖの電気機器は、単相交流１００Ｖの電圧の使用に耐えうるように設計されている。しかしながら、定格１００Ｖの電気機器に単相交流２００Ｖの電圧を印加した場合、電子部品の耐量をオーバしてしまうことがあり、電気機器が損傷するおそれがある。また、損傷状況によっては、電子部品からの発煙又は発火に繋がることもあり、電気機器の安全性を脅かすことに繋がるおそれがある。

上記のような技術的背景の下、下記特許文献１には、商用電源と電気機器とを結ぶ２つの電源線のうちの一方に電流ヒューズが挿入され、電気機器の入力側における２つの電源線間にサージ電圧吸収用のバリスタが接続される構成が開示されている。この構成により、定格１００Ｖの電気機器に、単相交流２００Ｖの電源配線を誤って接続した場合であっても、バリスタを介して流れる電流で電流ヒューズを溶断させることにより、電圧の誤使用に起因する電気機器の破損が防止できる旨が記載されている。

特許第６５９３７８２号公報

上記特許文献１の図１を参照すると、電流ヒューズは、電気機器に流れ込む電流が全て通る経路に接続されている。このため、電流ヒューズに接続される電気機器が定常的に大きな電流が流れる仕様である場合、当該電流で溶断しない定格の電流ヒューズを使用する必要がある。一方、この構成において、単相交流２００Ｖの電圧を誤印加したときに、バリスタの抵抗値が低下して大きな電流が流れるにも関わらず、電流ヒューズを溶断するだけの電流が流れる前にバリスタの損失が大きくなり、バリスタが故障して開放状態になってしまうことがある。この場合、電流ヒューズが溶断しないため、電気機器には単相交流２００Ｖの電圧が印加されたままになる。この状態は、電気機器の安全性が脅かされる状態といっても過言ではない。従って、特許文献１の図１に記載の回路構成では、電気機器の保護回路としては脆弱である。

また、単相交流２００Ｖの電圧の誤印加によってバリスタが開放故障した場合、後段に接続される電気機器には、本来印加されるべき電圧を超えた電圧が印加される。このため、たとえすぐに故障状態とはならなくても、電気機器の部品には耐力を超えたストレスが印加され続けることになる。従って、誤印加に気が付いて印加電圧を定格の値に戻したとしても、ストレスの蓄積によって部品の劣化が進行すると共に、劣化の進行度合いが予測できないので、安全な使用状態であるとは言えない。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、商用電源の誤接続に起因する過電圧に的確に対処して電気機器を確実に保護できる過電圧保護回路を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る過電圧保護回路は、電気機器の回路である電子回路に付随して設けられる過電圧保護回路であり、第１の電流遮断部品と、サージ制御部品と、第２の電流遮断部品と、電流制限抵抗と、バイパス部品とを備える。第１の電流遮断部品は、商用電源と電子回路とを接続する２つの電源線のうちの一方の電源線に挿入され、電子回路の故障時又は異常時に流れる異常電流を遮断する。サージ制御部品は、商用電源と電子回路との間において電子回路に並列に接続され、電子回路に印加され得るサージ電圧を抑制する。第２の電流遮断部品は、２つの電源線のうちの他方の電源線に挿入され、サージ制御部品の短絡故障時にサージ制御部品に流れる短絡電流を遮断して回路を保護する。電流制限抵抗は、商用電源を投入した直後に流れ得る突入電流を抑制する。バイパス部品は、突入電流を抑制した後に電流制限抵抗を通る電流経路をバイパスする。サージ制御部品の一端は、一方の電源線に接続され、サージ制御部品の他端は、第２の電流遮断部品と電流制限抵抗との接続点に接続される。バイパス部品は、第２の電流遮断部品と電流制限抵抗とによる直列回路の両端に接続される。

本開示に係る過電圧保護回路によれば、商用電源の誤接続に起因する過電圧に的確に対処して電気機器を確実に保護できるという効果を奏する。

実施の形態１に係る過電圧保護回路の回路構成を示す図 実施の形態１に係る過電圧保護回路の動作説明に供する第１の図 実施の形態１に係る過電圧保護回路の動作説明に供する第２の図 実施の形態１における第２の電流遮断部品の接続位置に関する制約の説明に供する図 実施の形態１の変形例に係る過電圧保護回路の回路構成を示す図 実施の形態２に係る過電圧保護回路の回路構成を示す図 実施の形態２に係る過電圧保護回路の動作説明に供する図

以下に添付図面を参照し、本開示の実施の形態に係る過電圧保護回路について詳細に説明する。なお、以下では、電気的な接続と物理的な接続とを区別せずに、単に「接続」と称して説明する。即ち、本稿における「接続」という文言は、構成要素同士が直接的に接続される場合と、構成要素同士が他の構成要素を介して間接的に接続される場合との双方を含んでいる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る過電圧保護回路２の回路構成を示す図である、図１では、過電圧保護回路２と共に、商用電源１、整流回路３及び電子回路４が示されている。過電圧保護回路２は、電子回路４に付随して設けられる保護回路である。過電圧保護回路２は、電子回路４に印加され得るサージ電圧を抑制して電子回路４の動作を安定化させる機能を有する。整流回路３は、商用電源１から印加される交流電圧を直流電圧に変換する回路である。整流回路３は、フルブリッジ接続される４つのダイオード３１，３２，３３，３４と、ダイオード３１～３４によって整流された直流電圧を平滑するコンデンサ３５とを有している。電子回路４は、定格１００Ｖ、即ち定格電源電圧が１００Ｖの電気機器の回路である。電子回路４は、定格１００Ｖ、即ち定格電源電圧が１００Ｖの電気機器に搭載され、電気機器の制御等を実行する。電子回路４へは整流回路３によって生成された直流１４０Ｖが供給される。電子回路４は、抵抗要素４１、キャパシタンス要素４２及びインダクタンス要素４３を有しており、また図示していないマイクロコンピュータ、トランジスタなどの半導体素子などを含む場合がある。電気機器の例は、照明装置、テレビ、パーソナルコンピュータ、冷蔵庫、洗濯機、空調装置、食器洗浄機などの民生機器であるが、これらの例に限定されない。電気機器は、民生機器以外の機器であってもよい。

電子回路４は、定格１００Ｖの商用電源１を受電して動作する電気機器に設けられる電子回路である。図１には、定格１００Ｖの商用電源１と共に、誤接続の可能性のある定格２００Ｖの商用電源１０も示されている。過電圧保護回路２は、前述したサージ電圧の抑制機能と共に、誤接続の可能性のある定格２００Ｖの商用電源１０によって印加され得る過電圧から電子回路４を保護する機能を有する。

過電圧保護回路２は、第１の電流遮断部品である電流ヒューズ２１と、第２の電流遮断部品である電流ヒューズ２２と、サージ制御部品であるバリスタ２３とを有する。電流ヒューズ２１は、商用電源１と電子回路４とを接続する２つの電源線７，８のうちの一方の電源線７に挿入される。電流ヒューズ２１は、電子回路４の故障時又は異常時に流れる異常電流を遮断するために設けられている。バリスタ２３は、商用電源１と電子回路４との間において、電子回路４に並列に接続されて、電子回路４に印加され得るサージ電圧を抑制する。電流ヒューズ２２は、電源線７，８のうちの他方の電源線８に挿入される。電流ヒューズ２２は、バリスタ２３の短絡故障時にバリスタ２３に流れる短絡電流を遮断して回路を保護するために設けられている。

また、過電圧保護回路２は、電流制限抵抗２４と、バイパス部品であるリレー２５とを有する。電流制限抵抗２４は、商用電源１を投入した直後に流れ得る突入電流を抑制するために設けられている。リレー２５は、当該突入電流を抑制した後に電流制限抵抗２４を通る電流経路をバイパスするために設けられている。リレー２５は、電流ヒューズ２２と電流制限抵抗２４とによる直列回路の両端に接続される。バリスタ２３の一端は電源線７に接続され、バリスタ２３の他端は、電流ヒューズ２２と電流制限抵抗２４との接続点に接続される。

なお、電流ヒューズ２２としては、電流ヒューズ２１よりも溶断電流が小さい仕様のものが選択される。一例として、電流ヒューズ２１の溶断電流は１０［Ａ］程度であり、電流ヒューズ２２の溶断電流は３～５［Ａ］である。また、バリスタ２３としては、特許文献１に記載されたものと同様に、単相交流１００Ｖの連続印加では問題ないが、単相交流２００Ｖが印加されたときに抵抗が下がって、短絡状態に近くなる仕様のものが選択される。

次に、実施の形態１に係る過電圧保護回路２の動作について説明する。図２及び図３は、それぞれ実施の形態１に係る過電圧保護回路２の動作説明に供する第１及び第２の図である。電子回路４の前段に整流回路３を備える構成の場合、図２で示すように、商用電源１の投入時には、整流回路３のコンデンサ３５を充電するため、整流回路３には大きな突入電流５１が流れ込むことになる。この突入電流５１が大き過ぎると、電流ヒューズ２１が溶断したり、整流動作を行うダイオード３１～３４が故障したりすることがある。このため、電流制限抵抗２４が設けられている。電流制限抵抗２４は、突入電流５１が過大な電流とならないように突入電流５１の大きさを制限している。これにより、突入電流５１による電流ヒューズ２１の溶断が防止される。

なお、電気機器の動作時において、電流制限抵抗２４は、電子回路４を通電する電流経路に位置する。この場合、電流×抵抗の電圧低下を招き、この電流経路にある限り、不要な損失を発生することになる。このため、電源投入時における突入電流を抑制した後には、リレー２５の接点を閉じて、電流ヒューズ２２と電流制限抵抗２４とによる直列回路の両端を短絡する。これにより、電流制限抵抗２４には、通常運転時の動作電流が電流制限抵抗２４に流れないようにしている。

また、商用電源１０の接続によって、単相交流２００Ｖの電圧が誤って印加された場合、バリスタ２３の両端には、この電圧が直に印加される。このとき、図３に示すような過電流５３が流れる。この過電流５３により、電流ヒューズ２２が溶断する。また、単相交流２００Ｖの電圧は、ピーク値が約２８０Ｖの大きさを有するので、バリスタ２３は、確実に短絡故障する。ここで、電流ヒューズ２２は、商用電源１０と電子回路４とを結ぶ電流経路にある。このため、電流ヒューズ２２の溶断により、電子回路４への通電が停止される。これにより、電子回路４は、商用電源１０に対して安全、且つ確実に切り離される。

なお、リレー２５は、図示しない低圧電源回路によって閉動作が制御される。一般的に、低圧電源回路の駆動電力は、整流回路３のコンデンサ３５の電力を使用して生成される。過電圧が印加されて瞬時に電流ヒューズ２２が溶断した場合、コンデンサ３５に対する充電は完了していない。このため、低圧電源回路は、リレー２５の接点を閉じることができない。従って、電子回路４は、商用電源１０に対して安全、且つ確実に切り離される。これにより、商用電源１０の誤接続に起因する過電圧から電気機器を確実に保護することができる。

なお、実施の形態１における第２の電流遮断部品である電流ヒューズ２２の接続位置については、制約がある。この制約について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態１における第２の電流遮断部品の接続位置に関する制約の説明に供する図である。

図４において、図１と同一又は同等の構成部には同一の符号が付されている。図１との相違点は、電流ヒューズ２２がバリスタ２３と直列に接続され、リレー２５が電流ヒューズ２２と電流制限抵抗２４とによる直列回路の両端ではなく電流制限抵抗２４の両端に接続されている点である。

図４に示す構成の場合、商用電源１の投入直後に流れ得る突入電流５１に対しては、図１に示す構成と同様に適切な対処が可能である。一方、図４に示す構成の場合、定格２００Ｖの商用電源１０の接続によって流れる過電流５３によって電流ヒューズ２２が溶断する。しかしながら、図４に示す構成の場合、電流ヒューズ２２の接続位置が電子回路４に対して並列であり、且つ、電流ヒューズ２１は溶断しないので、電子回路４には、単相交流２００Ｖを整流した直流２８０Ｖが印加されたままになる。この状態は、［発明が解決しようとする課題］の項で述べたように、電気機器の安全性が脅かされる状態である。このため、図４に示す構成は避けるべきである。従って、実施の形態１における第２の電流遮断部品である電流ヒューズ２２は、電子回路４に対して並列に接続するのではなく、図１に示すように、電子回路４に対して直列に接続する必要がある。

以上説明したように、実施の形態１に係る過電圧保護回路は、第１及び第２の電流遮断部品、サージ制御部品、電流制限抵抗及びバイパス部品を備える。第１の電流遮断部品は、商用電源と電子回路とを接続する２つの電源線のうちの一方の電源線に挿入され、電子回路の故障時又は異常時に流れる異常電流を遮断する。サージ制御部品は、商用電源と電子回路との間において電子回路に並列に接続され、電子回路に印加され得るサージ電圧を抑制する。第２の電流遮断部品は、２つの電源線のうちの他方の電源線に挿入され、サージ制御部品の短絡故障時にサージ制御部品に流れる短絡電流を遮断して回路を保護する。電流制限抵抗は、商用電源を投入した直後に流れ得る突入電流を抑制する。バイパス部品は、突入電流を抑制した後に電流制限抵抗を通る電流経路をバイパスする。サージ制御部品の一端は、一方の電源線に接続されると共に、サージ制御部品の他端は、第２の電流遮断部品と電流制限抵抗との接続点に接続される。以上のように構成された過電圧保護回路によれば、商用電源の誤接続に起因する過電圧に的確に対処して電気機器を確実に保護することが可能となる。

上記の構成において、バイパス部品は、第２の電流遮断部品と電流制限抵抗とによる直列回路の両端に接続されることが好ましい。このように構成されていれば、通常運転時の動作電流が電流制限抵抗に流れないようにすることができる。これにより、不要な損失の発生を抑制することができ、電子回路４を効率的に運転することが可能となる。

なお、実施の形態１に係る過電圧保護回路は、図５のように構成されていてもよい。図５は、実施の形態１の変形例に係る過電圧保護回路２Ａの回路構成を示す図である。図５では、図１に示すリレー２５がトライアック２７に置き替えられている。その他の構成は、図１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成要素には同一の符号を付して示すと共に、重複する説明は割愛する。

リレー２５は機械的な動作部を有するスイッチであるのに対し、トライアック２７は、動作部も含めて電子的に動作するスイッチである。トライアック２７を用いることにより、スイッチ動作に関する部分の消費電力を抑制できるので、電子回路４を更に効率的に運転することが可能となる。なお、トライアック２７はバイパス部品の一例であり、図５の構成に限定されない。トライアック２７に代えて、フォトトライアックカプラなどで構成されるソリッドステートリレー（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｌａｙ：ＳＳＲ）を用いてもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る過電圧保護回路２Ｂの回路構成を示す図である。図１の構成と比較すると、図６では、電流制限抵抗２４が温度ヒューズ内蔵の電流制限抵抗２６に置き替えられている。電流制限抵抗２６は、直列に接続される抵抗２６１と、温度ヒューズ２６２とを備えている。その他の構成は、図１と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付している。

次に、実施の形態２に係る過電圧保護回路２Ｂの動作について説明する。図７は、実施の形態２に係る過電圧保護回路２Ｂの動作説明に供する図である。まず、電子回路４が通常運転されている場合、図７に示すように、リレー２５の接点は閉の状態である。この状態において、バリスタ２３が偶発的に故障した場合、或いはバリスタ２３に大きなサージ電圧が印加されて故障した場合、バリスタ２３が短絡状態となることがある。バリスタ２３が短絡状態に陥った場合、バリスタ２３を通して電流ヒューズ２２に大きな電流が流れるので、電流ヒューズ２２が溶断することになる。この場合、リレー２５の接点が閉状態であるため、図７に示すような過電流５６が流れ、電流制限抵抗２６で定常的な電力消費が発生する。

図１に示す構成の場合、電流制限抵抗２４が加熱され、電流制限抵抗２４の温度上昇によって過電圧保護回路２が発熱するおそれがある。これに対し、実施の形態２に係る過電圧保護回路２Ｂでは、電流制限抵抗２６が温度ヒューズ２６２を備えているので、抵抗２６１の温度が上昇した場合には、温度ヒューズ２６２が溶断して、過電圧保護回路２Ｂの発熱を抑制することができる。これにより、通常の運転時においても、電子回路４の保護を確実に実施することが可能となる。

なお、抵抗２６１及び温度ヒューズ２６２は、電気回路的に直列に接続されていればよく、電流制限抵抗２６において、どのように配置されていてもよい。

以上説明したように、実施の形態２に係る過電圧保護回路によれば、実施の形態１の構成において、電流制限抵抗には、温度ヒューズが内蔵されている。これにより、通常の運転時においても、電子回路の保護を確実に実施することが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 商用電源、２，２Ａ，２Ｂ 過電圧保護回路、３ 整流回路、４ 電子回路、７，８ 電源線、１０ 商用電源、２１，２２ 電流ヒューズ、２３ バリスタ、２４，２６ 電流制限抵抗、２５ リレー、２７ トライアック、３１，３２，３３，３４ ダイオード、３５ コンデンサ、４１ 抵抗要素、４２ キャパシタンス要素、４３ インダクタンス要素、５１ 突入電流、５３，５６ 過電流、２６１ 抵抗、２６２ 温度ヒューズ。

Claims (5)

1. 電気機器の回路である電子回路に付随して設けられる過電圧保護回路であって、
   商用電源と前記電子回路とを接続する２つの電源線のうちの一方の電源線に挿入され、前記電子回路の故障時又は異常時に流れる異常電流を遮断するための第１の電流遮断部品と、
   前記商用電源と前記電子回路との間において前記電子回路に並列に接続され、前記電子回路に印加され得るサージ電圧を抑制するためのサージ制御部品と、
   ２つの前記電源線のうちの他方の電源線に挿入され、前記サージ制御部品の短絡故障時に前記サージ制御部品に流れる短絡電流を遮断して回路を保護する第２の電流遮断部品と、
   前記商用電源を投入した直後に流れ得る突入電流を抑制する電流制限抵抗と、
   前記突入電流を抑制した後に前記電流制限抵抗を通る電流経路をバイパスするバイパス部品と、
   を備え、
   前記サージ制御部品の一端は、前記一方の電源線に接続され、前記サージ制御部品の他端は、前記第２の電流遮断部品と前記電流制限抵抗との接続点に接続され、
   前記バイパス部品は、前記第２の電流遮断部品と前記電流制限抵抗とによる直列回路の両端に接続される
   ことを特徴とする過電圧保護回路。
2. 前記電流制限抵抗には、温度ヒューズが内蔵されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
3. 前記バイパス部品は、リレーである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過電圧保護回路。
4. 前記バイパス部品は、トライアックである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過電圧保護回路。
5. 前記バイパス部品は、ソリッドステートリレーである
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の過電圧保護回路。

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