JP6218190B2 - 通信用サージ保護素子の異常検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、各種の通信線に接続されて雷サージ電流から通信機器や計装機器等を保護するための通信用サージ保護素子の異常検出回路に関し、詳しくは、サージ保護素子の短絡故障を検出可能とした異常検出回路に関するものである。

図２は、通信用サージ保護回路として従来から知られているものである。
図２において、１０は入力端子Ｌ１，Ｌ２及び出力端子Ｔ１，Ｔ２を有する一対の通信線、Ｒ１は入力端子Ｌ１と出力端子Ｔ１との間に接続された電流制限用の抵抗（正特性サーミスタ）、２１は入力端子Ｌ１，Ｌ２と接地端子Ｅとの間に接続された３極構成のガス入り放電管（ＧＤＴ）等の避雷素子、３１は出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されたアバランシェブレークダウンダイオード（ＡＢＤ）等のサージ保護素子である。
図示されていないが、出力端子Ｔ１，Ｔ２間には、雷サージから保護するべき通信機器や計装機器等が接続されている。

なお、サージ保護素子３１には、アバランシェブレークダウンダイオード（ＡＢＤ）のほか、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）等のバリスタやサージ防護サイリスタ（ＴＳＳ）等のサイリスタが使用される場合もある。また、入力端子Ｌ２と出力端子Ｔ２との間には、電流制限用の抵抗Ｒ２（正特性サーミスタ）が接続されることもある。

図２のサージ保護回路では、通信線１０と大地との間（端子Ｌ１−Ｅ間、またはＬ２−Ｅ間）に流れる雷サージ電流は避雷素子２１により吸収され、また、通信線１０の相互間（端子Ｌ１−Ｌ２間）に流れる雷サージ電流は主にサージ保護素子３１により吸収されるため、通信機器等への雷サージ電流の流入を防止することができる。

この種の通信用サージ保護回路において、例えば、サージ保護素子３１に雷サージ電流が繰り返し流れ、または経年的な使用に伴って特性が劣化することにより、漏れ電流が増加して発熱し、いわゆる熱破壊を起こして短絡故障に至る場合がある。
このため、サージ保護素子３１の短絡故障を検出するための異常検出回路が、従来から種々、提供されている。

例えば、図３（ａ）は、チェッカー４０からダイオードＤ５，Ｄ６を介して試験用の直流電圧をサージ保護素子３１に印加して漏れ電流を検出する第１の従来技術、図３（ｂ）は、直流電源Ｂと発光ダイオードＬＥＤとの直列回路によりダイオードＤ５，Ｄ６を介してサージ保護素子３１に直流電圧を印加して漏れ電流を検出する第２の従来技術であり、図３（ａ）のチェッカー４０の指示値や図３（ｂ）の発光ダイオードＬＥＤの点灯によってサージ保護素子３１の短絡故障を検出することが可能である。

一方、第３の従来技術として、特許文献１の図２に示す発明（本件出願人による特許発明）が既に知られている。
この第３の従来技術は、サージ保護素子に直流電圧を印加した時に流れる漏れ電流をトリガとして用いることによりサイリスタやトランジスタ等の半導体スイッチ素子をオンさせ、この半導体スイッチ素子に接続された発光素子を表示させ、更に上記半導体スイッチ素子のオン時に流れる異常検出電流によってリレーを動作させることにより、警報出力等を行うものである。

図４は、図２に示した回路に第３の従来技術を適用した場合の回路図である。
図４において、ＤＢはダイオードＤ１〜Ｄ４からなるダイオードブリッジであり、その出力端子間に、異常検出対象であるサージ保護素子３１が接続されている。また、サージ保護素子３１の両端には、ダイオードＤ５，Ｄ６を介して、直流電源Ｂと異常検出部５０との直列回路が接続されている。
ここで、異常検出部５０は、前述したごとく、サージ保護素子３１に流れる漏れ電流をトリガとして半導体スイッチ素子をオンさせ、発光素子やリレーを駆動する機能を備えている。

特許第５６９７２６３号公報（請求項１，２、図１，図２等）。

しかしながら、通常、雷サージ電流の大部分は通信線１０と大地との間（端子Ｌ１−Ｅ間、または端子Ｌ２−Ｅ間）に流れるため、図４における避雷素子２１が開放故障すると、それ以後は、通信線１０と大地との間で、サージ保護素子３１を介して雷サージ電流が流れることはなくなる。このため、サージ保護素子３１の短絡故障は生じにくくなり、異常検出部５０によってサージ保護素子３１の異常を検出することができないという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、通信線と大地との間に流れる雷サージ電流により避雷素子が開放故障した場合でも、異常検出対象である通信用サージ保護素子を介して通信線と大地との間の雷サージ電流経路を形成することにより、上記サージ保護素子の短絡故障を確実に検出可能とした通信用サージ保護素子の異常検出回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、通信機器が接続される一対の通信線と接地端子との間に第１の避雷素子が接続され、前記通信線にダイオードブリッジの各入力端子がそれぞれ接続されると共に、前記ダイオードブリッジの一方の出力端子と前記接地端子との間に、第１のサージ保護素子と第１のダイオードと第２の避雷素子とが直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジの他方の出力端子と前記接地端子との間に、第２のサージ保護素子と第２のダイオードと前記第２の避雷素子とが直列に接続された通信用サージ保護回路において、
前記第１のサージ保護素子の両端に、前記第１のサージ保護素子に対して逆極性となる第３，第４のダイオードが接続され、かつ、前記第２のサージ保護素子の両端に、前記第２のサージ保護素子に対して逆極性となる第５，第６のダイオードが接続され、前記第３，第５のダイオードの共通接続点と前記第４，第６のダイオードの共通接続点との間に、前記第３〜第６のダイオードに対して順方向となる直流電源と異常検出部とが直列に接続された異常検出回路であって、
前記異常検出部は、前記直流電源から第１のサージ保護素子を介して流れる漏れ電流を検出して前記第１のサージ保護素子の短絡故障を検出し、または、前記直流電源から第２のサージ保護素子を介して流れる漏れ電流を検出して前記第２のサージ保護素子の短絡故障を検出する機能を有するものである。
この請求項１に係る発明を後述の実施形態に即して説明すると、
通信機器が接続される一対の通信線１０と接地端子Ｅとの間に避雷素子２１が接続され、通信線１０にダイオードブリッジＤＢの各入力端子がそれぞれ接続されると共に、ダイオードブリッジＤＢの一方の出力端子と接地端子Ｅとの間に、サージ保護素子６１とダイオードＤ７と避雷素子２２とが直列に接続され、かつ、ダイオードブリッジＤＢの他方の出力端子と接地端子Ｅとの間に、サージ保護素子６２とダイオードＤ８と避雷素子２２とが直列に接続された通信用サージ保護回路において、
サージ保護素子６１の両端に、サージ保護素子６１に対して逆極性となるダイオードＤ５，Ｄ９が接続され、かつ、サージ保護素子６２の両端に、サージ保護素子６２に対して逆極性となるダイオードＤ１０，Ｄ６が接続され、ダイオードＤ５，Ｄ１０の共通接続点とダイオードＤ９，Ｄ６の共通接続点との間に、ダイオードＤ５，Ｄ１０，Ｄ９，Ｄ６に対して順方向となる直流電源Ｂと異常検出部５０とが直列に接続された異常検出回路であって、
異常検出部５０は、直流電源Ｂからサージ保護素子６１を介して流れる漏れ電流を検出してサージ保護素子６１の短絡故障を検出し、または、直流電源Ｂからサージ保護素子６２を介して流れる漏れ電流を検出してサージ保護素子６２の短絡故障を検出する機能を有するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した通信用サージ保護素子の異常検出回路において、前記異常検出部は、前記漏れ電流により半導体スイッチ素子をオンさせて発光素子またはリレーを動作させることにより、前記第１のサージ保護素子または前記第２のサージ保護素子の短絡故障を示す警報を出力するものである。

本発明によれば、第１の避雷素子が開放故障した後でも、第１または第２のサージ保護素子と第２の避雷素子等を介して通信線と大地との間の雷サージ電流経路を形成することにより、異常検出部の動作によって第１または第２のサージ保護素子の短絡故障を確実に検出することができる。

本発明の実施形態に係る異常検出回路を通信用サージ保護回路と共に示した回路図である。 従来のサージ保護回路の構成図である。 第１，第２の従来技術を示す回路図である。 第３の従来技術を示す回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本実施形態に係る異常検出回路を通信用サージ保護回路と共に示した回路図である。図１において、図４と同一の機能を有する部品には同一の符号を付してあり、以下では、図１と異なる部分を中心に説明する。

図１において、通信線１０に各入力端子が接続されたダイオードブリッジＤＢの出力端子間には、サージ保護素子６１とダイオードＤ７，Ｄ８とサージ保護素子６２とが図示の極性で直列に接続されている。これらのサージ保護素子６１，ダイオードＤ７，Ｄ８，サージ保護素子６２の直列回路の両端には、ダイオードＤ５と異常検出部５０と直流電源ＢとダイオードＤ６とが図示の極性で直列に接続されている。

また、前記ダイオードＤ７のアノードはダイオードＤ９のアノードに接続され、ダイオードＤ９のカソードはダイオードＤ６のカソードに共通接続されている。前記ダイオードＤ８のカソードはダイオードＤ１０のカソードに接続され、ダイオードＤ１０のアノードは前記ダイオードＤ５のアノードに共通接続されている。従って、直流電源Ｂと異常検出部５０とダイオードＤ５とサージ保護素子６１とダイオードＤ９とからなる直列回路と、直流電源Ｂと異常検出部５０とダイオードＤ１０とサージ保護素子６２とダイオードＤ６とからなる直列回路とが構成されていることになる。
更に、前記ダイオードＤ７のカソード（ダイオードＤ８のアノード）は、２極構成のガス入り放電管（ＧＤＴ）等の避雷素子２２を介して接地端子Ｅに接続されている。

ここで、異常検出部５０は、図４と同様に、サージ保護素子６１または６２に流れる漏れ電流をトリガとしてサイリスタやトランジスタ等の半導体スイッチ素子をオンさせ、発光ダイオード等の発光素子やリレー（何れも図示せず）を駆動する機能を備えている。

上記構成において、サージ保護素子６１，６２は、請求項における第１，第２のサージ保護素子にそれぞれ相当し、同様に、避雷素子２１，２２は第１，第２の避雷素子に相当し、ダイオードＤ７，Ｄ８，Ｄ５，Ｄ９，Ｄ１０，Ｄ６は第１，第２，第３，第４，第５，第６のダイオードにそれぞれ相当する。

上記構成において、サージ保護素子６１，６２にはアバランシェブレークダウンダイオード（ＡＢＤ）を用いているが、ツェナーダイオードを用いても良く、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）等のバリスタ、サージ防護サイリスタ（ＴＳＳ）等のサイリスタを用いても良い。
また、避雷素子２２にはガス入り放電管（ＧＤＴ）を用いているが、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）等のバリスタ、サージ防護サイリスタ（ＴＳＳ）等のサイリスタ、アバランシェブレークダウンダイオード（ＡＢＤ）またはツェナーダイオードを用いても良い。
なお、図２，図４と同様に、入力端子Ｌ２と出力端子Ｔ２との間には、電流制限用の抵抗Ｒ２（正特性サーミスタ）を接続しても良い。

次に、この実施形態の動作を説明する。
雷サージ電流により避雷素子２１が開放故障した後、通信線１０と大地との間に生じる雷サージ電流が正極性である場合、この雷サージ電流は、入力端子Ｌ１→抵抗Ｒ１→ダイオードＤ２→サージ保護素子６１→ダイオードＤ７→避雷素子２２→接地端子Ｅ、あるいは、入力端子Ｌ２→（抵抗Ｒ２）→ダイオードＤ４→サージ保護素子６１→ダイオードＤ７→避雷素子２２→接地端子Ｅという経路で流れる。

また、通信線１０と大地との間に生じる雷サージ電流が負極性である場合、この雷サージ電流は、入力端子Ｌ１→抵抗Ｒ１→ダイオードＤ１→サージ保護素子６２→ダイオードＤ８→避雷素子２２→接地端子Ｅ、あるいは、入力端子Ｌ２→（抵抗Ｒ２）→ダイオードＤ３→サージ保護素子６２→ダイオードＤ８→避雷素子２２→接地端子Ｅという経路で流れる。

これにより、サージ保護素子６１または６２が短絡故障した場合には、直流電源Ｂの電圧を、異常検出部５０→ダイオードＤ５→サージ保護素子６１→ダイオードＤ９→直流電源Ｂの経路、及び、異常検出部５０→ダイオードＤ１０→サージ保護素子６２→ダイオードＤ６→直流電源Ｂの経路でサージ保護素子６１，６２に印加することにより、これらのサージ保護素子６１または６２に漏れ電流が流れる。
従って、上記の漏れ電流をトリガとして用い、異常検出部５０内で半導体スイッチ素子をオンさせることにより、発光素子を点灯させ、またはリレーを動作させて警報出力させることができ、サージ保護素子６１または６２の短絡故障による異常を検出し、報知することができる。

以上の動作により、避雷素子２１が開放故障した後に、通信線１０と大地との間に生じる雷サージ電流によりサージ保護素子６１または６２が短絡故障した場合の異常を容易に検出することが可能である。
なお、異常検出部５０の構成は特許文献１に記載されたものに何ら限定されず、図３（ａ）のように、異常検出対象であるサージ保護素子とダイオードＤ５，Ｄ６との直列回路の両端にチェッカー４０を接続し、あるいは、図３（ｂ）のように直流電源Ｂと発光ダイオードＬＥＤ等の発光素子とを直列に接続したものであっても良い。何れにしても、異常検出対象であるサージ保護素子に直流電圧を印加した際に、短絡故障に起因する漏れ電流が流れることを確認できる手段であれば良い。

１０：通信線
２１，２２：避雷素子
３１，６１，６２：サージ保護素子
４０：チェッカー
５０：異常検出部
Ｌ１，Ｌ２：入力端子
Ｔ１，Ｔ２：出力端子
Ｅ：接地端子
ＤＢ：ダイオードブリッジ
Ｄ１〜Ｄ１０：ダイオード
Ｂ：直流電源
ＬＥＤ：発光ダイオード
Ｒ１，Ｒ２：抵抗

Claims (2)

1. 通信機器が接続される一対の通信線と接地端子との間に第１の避雷素子が接続され、前記通信線にダイオードブリッジの各入力端子がそれぞれ接続されると共に、前記ダイオードブリッジの一方の出力端子と前記接地端子との間に、第１のサージ保護素子と第１のダイオードと第２の避雷素子とが直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジの他方の出力端子と前記接地端子との間に、第２のサージ保護素子と第２のダイオードと前記第２の避雷素子とが直列に接続された通信用サージ保護回路において、
   前記第１のサージ保護素子の両端に、前記第１のサージ保護素子に対して逆極性となる第３，第４のダイオードが接続され、かつ、前記第２のサージ保護素子の両端に、前記第２のサージ保護素子に対して逆極性となる第５，第６のダイオードが接続され、
   前記第３，第５のダイオードの共通接続点と前記第４，第６のダイオードの共通接続点との間に、前記第３〜第６のダイオードに対して順方向となる直流電源と異常検出部とが直列に接続された異常検出回路であって、
   前記異常検出部は、前記直流電源から第１のサージ保護素子を介して流れる漏れ電流を検出して前記第１のサージ保護素子の短絡故障を検出し、または、前記直流電源から第２のサージ保護素子を介して流れる漏れ電流を検出して前記第２のサージ保護素子の短絡故障を検出する機能を有することを特徴とした、通信用サージ保護素子の異常検出回路。
2. 請求項１に記載した通信用サージ保護素子の異常検出回路において、
   前記異常検出部は、前記漏れ電流により半導体スイッチ素子をオンさせて発光素子またはリレーを動作させることにより、前記第１のサージ保護素子または前記第２のサージ保護素子の短絡故障を示す警報を出力することを特徴とした、通信用サージ保護素子の異常検出回路。

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