JP3003825B2 - サージ電圧保護回路 - Google Patents

サージ電圧保護回路

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JP3003825B2 JP5026366A JP2636693A JP3003825B2 JP 3003825 B2 JP3003825 B2 JP 3003825B2 JP 5026366 A JP5026366 A JP 5026366A JP 2636693 A JP2636693 A JP 2636693A JP 3003825 B2 JP3003825 B2 JP 3003825B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は静電気やサージ電圧等の
過渡的な高電圧から電気回路を保護するサージ電圧保護
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、各種LSI等の電気回路には、
外部からの静電気やサージ電圧等の高電圧に対する保護
回路が設けられているが、例えば一般家庭で使用される
有線電話機においては人体に帯電した静電気や雷等の影
響を大きく受ける場合が多く、これに使用されるLSI
はサージダメージを受けやすいため、より効果的な保護
回路が必要となる。
【0003】図5は、従来のサージ電圧保護回路の一例
を表したもので、米国特許4,377,832号公報に
示されている。この回路は、例えば電話機の加入者線イ
ンタフェイス回路等の電気回路12の保護を目的とする
ものである。この電気回路12は、抵抗14を介し、所
定の電源電圧(VCC)が印加される電源端子11に接続
されている。抵抗14の一端は、並列接続されたダイオ
ード15及びトリガ制御型のサイリスタであるSCR
(Silicon Controlled Rectifier)16を介して接地接
続されている。この図では、SCR16を等価的に2つ
のトランジスタ17,18で表している。この等価回路
において、トランジスタ17のベースはトランジスタ1
8のコレクタに接続され、トランジスタ17のエミッタ
は接地接続されている。トランジスタ18のエミッタは
抵抗14に接続されている。トランジスタ17のコレク
タとトランジスタ18のベースは相互に接続されるとと
もに、分圧抵抗19と分圧抵抗20との接続点に接続さ
れている。分圧抵抗20の他端は、順方向接続されたダ
イオード21を介し、−48Vの定電圧が印加される端
子13に接続され、分圧抵抗19の他端は抵抗14と電
気回路12との間に接続されている。
【0004】以上のような構成の従来のサージ電圧保護
回路の動作を説明する。この図の電源端子11には、通
常状態では負の電圧が印加され、ダイオード15はカッ
トオフ状態となっているが、この電源端子11に正のサ
ージ電圧が印加されると、サージ電流は抵抗14及びダ
イオード15を通って接地へとバイパスされ、電気回路
12が保護される。
【0005】一方、電源端子11に負のサージ電圧が印
加されると、端子13からダイオード21及び分圧抵抗
20を介してトランジスタ18のベースに電流が供給さ
れてトランジスタ18がオンするため、トランジスタ1
7にベース電流が流れ、トランジスタ17がオンする。
これにより、トランジスタ17,18がともにオンで自
己保持状態となり、負のサージ電流は、接地点からトラ
ンジスタ17,18及び抵抗14を介して電源端子11
へとバイパスされ、電気回路12が保護される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来のサ
ージ電圧保護回路では、負のサージ電圧が印加された場
合には、SCR16自体がサージ電流のバイパス路とな
って、接地点からの大電流がトランジスタ17のエミッ
タ・コレクタ接合を経由してトランジスタ18のベース
・エミッタ接合を流れるため、このトランジスタ18が
破壊されやすい。すなわち、内部の電気回路の保護はで
きるものの、これと同時に保護回路自体が破壊されてし
まうという問題があった。
【0007】この発明は、かかる課題を解決するために
なされたもので、高いサージ電圧に対して自らが破壊す
ることなく内部の電気回路を効果的に保護することがで
きるサージ電圧保護回路を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係るサージ電圧
保護回路は、外部端子への印加電圧が閾値レベルに達し
たことを検出する閾値レベル検出手段と、電流バイパス
手段とは別個に設けられ、前記電流バイパス手段の導通
状態を維持する保持手段とを有し、前記閾値レベル検出
手段は、前記印加電圧が閾値レベルに達したことを検出
すると、前記電流バイパス手段を導通状態とすると共
に、前記保持手段を動作させることを特徴とするもので
ある。
【0009】請求項2記載の発明に係るサージ電圧保護
回路は、請求項1において、前記閾値レベル検出手段と
してツェナーダイオードを用い、前記保持手段としてサ
イリスタを用いたことを特徴とするものである。
【0010】
【作用】この発明に係るサージ電圧保護回路では、外部
端子への印加電圧が所定の閾値レベルを超えたときに電
流バイパス手段が導通状態となってサージ電流をバイパ
スし内部回路への流入が阻止されるとともに、外部端子
への印加電圧が所定の閾値レベル以下となった後も保持
手段により電流バイパス手段の導通状態が保持される。
【0011】
【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【0012】図1は本発明の一実施例におけるサージ電
圧保護回路を表わしたものである。この図で、保護対象
となる電気回路38は、電源端子31,32間に印加さ
れる電源電圧(VCC=30〜40V)により動作するよ
うになっている。ここでは、電源端子31がプラス端
子、電源端子32がマイナス端子とする。これらの電源
端子間には、ダイオード33、保持回路35、及びトラ
ンジスタ37が、電気回路38と並列に接続されてい
る。ダイオード33は電源端子31,32の極性に対し
て逆バイアス接続され、トランジスタ37のコレクタ及
びエミッタはそれぞれ電源端子31,32に接続されて
いる。電源端子31とトランジスタ37のベースとの間
には、ツェナーダイオード36が逆バイアス接続されて
いる。
【0013】保持回路35は2つのトランジスタ41,
42と3つの抵抗43,44,45とから構成されてい
る。トランジスタ41のエミッタは、電源端子31に接
続される。トランジスタ41のベースは、抵抗43を介
して電源端子31に接続されるとともにトランジスタ4
2のコレクタにも接続されている。トランジスタ41の
コレクタは、抵抗44を介してトランジスタ42のベー
スに接続されるとともに抵抗45を介して電源端子32
に接続され、さらにツェナーダイオード36のアノード
及びトランジスタ37のベースに接続されている。トラ
ンジスタ42のエミッタは電源端子32に接続されてい
る。
【0014】以上のような構成のサージ電圧保護回路の
動作を図2とともに説明する。
【0015】まず、電源端子31に負のサージ電圧が印
加されると、サージ電流は電源端子32からダイオード
33を通って電源端子31にバイパスされ、電気回路3
8は保護される。
【0016】一方、電源端子31に図2の破線61で示
すような正のサージ電圧(10〜20kV)が印加さ
れ、ツェナーダイオード36の両端にその降伏電圧VZD
を超える電圧が印加されると、ツェナーダイオード36
が導通状態となり、電源端子31からのサージ電流の一
部がトランジスタ37のベースに供給される。これによ
り、トランジスタ37がオンとなってサージ電流の大部
分がトランジスタ37のコレクタ・エミッタ間を流れ、
電源端子32へとバイパスされる。また、ツェナーダイ
オード36を流れたサージ電流の一部は、抵抗45を経
由して電源端子32に流れるとともに、抵抗44を経由
してトランジスタ42のベースにも供給される。これに
より、トランジスタ42がオンとなるため、トランジス
タ41もオンとなり、サージ電流の一部は電源端子31
からトランジスタ41のエミッタ・コレクタ間及び抵抗
45を経由して電源端子32へと流れる。この状態は、
ツェナーダイオード36の両端電圧が降伏電圧VZD以下
となってツェナーダイオード36がカットオフ状態とな
ったのちも保持されるため、トランジスタ37のベース
にはトランジスタ41のコレクタから継続的に電流供給
が行われ、サージ電流のバイパス動作が続行する。
【0017】仮に、保持回路35を設けずツェナーダイ
オード36のみによってトランジスタ37を制御した場
合、ツェナーダイオード36の両端電圧が降伏電圧VZD
以下になった後はトランジスタ37はオフとなるため、
電源端子31,32間の印加電圧(すなわち電気回路3
8への印加電圧)は次の(1)式で示されるほぼ一定の
制限電圧VL (図2の破線62)で推移することとな
る。
【0018】 VL =VZD+VBE37+α ……(1) ここに、VBE37はトランジスタ37のベース・エミッタ
間電圧、αは線路インピーダンスによる降下電圧であ
る。
【0019】このVL の値は通常50〜60Vであり、
この程度の電圧に対しては電気回路38は破壊しない
が、この電圧が持続することから電力消費が大きく発熱
量も多くなり、電気回路38は熱的に破壊されるおそれ
がある。
【0020】これに対し本実施例では、保持回路35を
設けたことにより、ツェナーダイオード36の両端電圧
が降伏電圧VZD以下になった後もトランジスタ37はオ
ン状態を維持してサージ電流をバイパスさせるため、電
気回路38への印加電圧は、図2の実線63に示すよう
に速やかに減少し、次の(2)式または(3)式に示す
ような電圧VR となる。
【0021】 VR =VCE41+VBE42 ……(2) VR =VBE41+VCE42 ……(3) このように、本実施例では、サージ電流の大部分はトラ
ンジスタ37を経由してバイパスされるため、トランジ
スタ42のベース・エミッタ間を流れる電流は従来に比
べて減少し、トランジスタ42の破壊を回避することが
できる。
【0022】なお、図3に示すように、保持回路35に
代えて単一のSCR48を用いるようにしても同様の効
果が得られることはもちろんである。但し、上記実施例
のように、トランジスタ42のベースに抵抗44を接続
すればトランジスタ42のベース・エミッタ接合の保護
がより確実となり、また、トランジスタ41,42のコ
レクタと電源端子との間にそれぞれ抵抗43、45を接
続すればリークを防止することができるという効果があ
る。
【0023】以下、これらの抵抗43,45の役割につ
いて説明する。
【0024】通常、トランジスタは、ベース電流が流れ
ない限りコレクタ−エミッタ間に電流(ICE)が流れな
い。ところが実際には素子のバラツキ等によりベース電
流IB がゼロでも微少なリーク電流ΔICEが流れること
がある。
【0025】例えば、トランジスタ42にリークが生じ
て微少な電流ΔICE42が流れた場合、抵抗43が無いと
図5から明らかなようにΔICE42はそのままトランジス
タ41のベース電流となる(次式)。
【0026】 ΔICE42=IB41 …(4) 従って、トランジスタ41のICEはトランジスタ41の
電流増幅率hfe41倍だけ増幅され次の(5)式となる。
【0027】 ICE41=ΔICE42×hfe41 …(5) 従って、トランジスタ42のベース電流は次の(6)式
となる。
【0028】 IB42 =ΔICE42×hfe41 …(6) よってΔICE42は結果としてトランジスタ41を介する
ことにより次の(7)式で示す値となる。
【0029】 ΔICE42=hfe42×(ΔICE42×hfe41) …(7) 通常、hfeは数百の値を持つので、例えばhfe41=h
fe42=100とすると、もとの微少なリーク電流ΔI
CE42は10000倍に増幅され、保護回路は誤動作する
こととなる。
【0030】これに対して、抵抗43、45を設けた場
合は以下のようになる。
【0031】すなわち、上記と同様にΔICE42が生じた
としても、ΔICE42は抵抗43に流れトランジスタ41
はONしないので、ICE41は流れない。トランジスタ4
1がONするには次の(8)式の条件が必要とされる。
【0032】 VBE41≒ΔICE42×R43 …(8) 従って抵抗43の値R43を選ぶことにより、保護回路が
誤作動することを防ぐことができる。
【0033】抵抗45の役割も同様である。
【0034】以上の様な理由で、抵抗43,45を付け
ることにより、回路の安定化を図ることが可能となる。
【0035】なお、ツェナーダイオード36の降伏電圧
ZDが電気回路38の耐圧に見合ったものでない場合に
は、図4に示すように、分圧抵抗51,52を用いてサ
ージ電圧印加時におけるツェナーダイオード36の両端
印加電圧を調整するようにすればよい。
【0036】また、本実施例の保護回路は、トランジス
タ、抵抗、ツェナーダイオード等の集積化の容易な素子
のみで構成することができるので、電気回路とのワンチ
ップ化が容易である。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外部端子への印加電圧が所定の閾値レベルを超えたとき
に電流バイパス手段を導通状態にしてサージ電流をバイ
パスするとともに、外部端子への印加電圧が所定の閾値
レベル以下となった後も保持手段により電流バイパス手
段の導通状態を保持することとしたので、高いサージ電
圧に対しても保護回路の構成素子が破壊することなく、
しかも内部回路の保護効果が向上するという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例におけるサージ電圧保護回路
を示す回路図である。
【図2】図1の回路の動作を説明するための説明図であ
る。
【図3】本発明の他の実施例におけるサージ電圧保護回
路を示す回路図である。
【図4】本発明の他の実施例におけるサージ電圧保護回
路を示す回路図である。
【図5】従来のサージ電圧保護回路を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
31,32 電源端子 35 保持回路 36 ツェナーダイオード 38 電気回路 37 トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−228309(JP,A) 特開 昭55−27794(JP,A) 実開 昭55−19436(JP,U) 実開 昭53−73855(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02H 9/04 H03K 17/00 - 17/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部端子から流入するサージ電流をバイ
    パスする電流バイパス手段を有し外部からのサージ電圧
    から内部回路を保護するためのサージ電圧保護回路にお
    いて、 前記外部端子への印加電圧が閾値レベルに達したことを
    検出する閾値レベル検出手段と、前記電流バイパス手段とは別個に設けられ、 前記電流バ
    イパス手段の導通状態を維持する保持手段と、 を有し、 前記閾値レベル検出手段は、前記印加電圧が閾値レベル
    に達したことを検出すると、前記電流バイパス手段を導
    通状態とすると共に、前記保持手段を動作させること、 を特徴とするサージ電圧保護回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のサージ電圧保護回路にお
    いて、 前記閾値レベル検出手段は、ツェナーダイオードであ
    り、 前記保持手段は、サイリスタであること、 を特徴とするサージ電圧保護回路。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のサージ電圧保護回路にお
    いて、 前記バイパス手段は、トランジスタであり、 前記ツェナーダイオードは、その一端を前記トランジス
    タのベース及び前記サイリスタのゲートに接続され、前
    記印加電圧に応じて当該ツェナーダイオードが降伏状態
    となったときの当該一端の電圧変化により前記トランジ
    スタ及び前記サイリスタの双方が導通状態とされるこ
    と、 を特徴とするサージ電圧保護回路。
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