JP2000050494A - 同軸ケーブル用避雷器 - Google Patents

同軸ケーブル用避雷器

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JP2000050494A
JP2000050494A JP24099998A JP24099998A JP2000050494A JP 2000050494 A JP2000050494 A JP 2000050494A JP 24099998 A JP24099998 A JP 24099998A JP 24099998 A JP24099998 A JP 24099998A JP 2000050494 A JP2000050494 A JP 2000050494A
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protective element
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Hiroshi Watanabe
宏 渡辺
Giichiro Kato
儀一郎 加藤
Kazuo Inoue
一男 井上
Totaro Ogura
東太郎 小倉
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CHUO BOURAI KK
NISSEI HITACHI DENSHI SERVICE
NISSEI HITACHI DENSHI SERVICE KK
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CHUO BOURAI KK
NISSEI HITACHI DENSHI SERVICE
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Abstract

(57)【要約】 【目的】同軸ケーブルの信号伝達性能を損なわずに雷電
流を大地に放流し、かつ半導体IC回路を保護するため
に充分な応答時間と制限電圧を有する避雷器を実現す
る。 【構成】1次保護エレメントは火花放電ギャップ、2次
保護エレメントは非直線素子とダイオード、抵抗の直列
回路からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は同軸ケーブルを用い
て信号、情報の伝達を行う電子機器が落雷時に受ける異
常電流を大地に放流し、電子機器に対する過電圧の発生
を防止するための避雷器に関するものである。
【0002】同軸ケーブルは広い周波数範囲にわたって
信号伝達効率が優れており、かつノイズの影響を受けに
くいので、テレビ用アンテナ信号線、有線テレビ信号
線、監視用テレビカメラ信号線等として用いられてきた
が、最近ではパーソナルコンピュータの普及と、コンピ
ュータ間通信技術の進歩にともなって、同軸ケーブルに
よるLAN(Local Area Network)
の構成と利用が増加している。
【0003】コンピュータ間通信距離は当初は数m程度
であったが、最近では500m迄可能となったため、当
初は同じ建物内で行われていた通信が、異なる建物間で
も行われるようになった。このために落雷によるサージ
電流の影響を受けやすくなり、その結果発生する異常電
圧によってコンピュータが破壊されてしまうケースが増
えてきている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】落雷に伴う異常電圧発
生のメカニズムは大別して導電結合誘導結合容量
結合の3種類がある。このうちで最もエネルギーが大き
く機器の破損を生じやすいのは導電結合による過電圧で
ある。導電結合による過電圧は図2により説明される。
接地抵抗Rsは10Ω程度、雷電流ピーク値Isは10
〜100KAとなるので、落雷点の大地電位は100〜
1,000KVにも達する。地面の電位傾度は、土壌の
比抵抗、地下埋設物の有無等に依存するが、比較的高抵
杭の土壌のブレークダウン電圧は200KV〜1,00
0KV/mであるため、落雷点に近い建物A,B間で1
00KV以上の電位差を生ずることがある。
【0005】建物A,B内に電子機器があり、それらの
間に同軸ケーブルが敷設されていれば、同軸ケーブルの
両端と夫れ夫れの大地間に上記の電位差が生じ、雷電流
の一部は、同軸ケーブル両端の絶縁を破って建物Bの接
地線から大地に流入する。信号線と電子機器の外箱間の
絶縁耐圧は通常1KV程度であるため、この間で絶縁破
壊が起り、破壊部分に雷電流の1部が流れる。建物A,
Bの接地抵抗が略等しく、雷電流の分流路が信号線のみ
と仮定すれば、信号線を通る雷電流は全体の雷電流の略
1/2に達し、絶縁破壌部分は大きな被害を受ける。
【0006】上記のような導電結合による異常電圧は、
信号線の延長が長くなるほど広範な範囲で発生するの
で、情報化技術の進展と共に被害範囲が拡大しており、
最近では1回の落雷で半径500〜1,000mの範囲
が過電圧の危険にさらされるとされており、緊急に対策
を要する問題となっている。
【0007】1995年に発行された″IEC Pub
licati1on1312−1によれば、雷保護装置
を設計する場合、第1撃雷電流波形を表1のように想定
することを基準としている。 この基準を用いれば、保護レベルIII〜IV(比較的
ゆるいレベル)でもピーク値100KA,立上り時間1
0μs,半減時間350μsを想定しなければならな
い。
【0008】
【従来の技術】従来、同軸ケーブルを異なる建物間に敷
設する場合には、建物からの出口、建物への入口に、ガ
ス入り放電管を主保護エレメントとする同軸ケーブル用
避雷器を設置して、雷電流に対する分流路を作り、電子
機器に対する過電圧を抑制する方法が用いられてきた。
(図2)
【0009】ところが、従来用いられているガス入り放
電管を主保護エレメントとする避雷器には次のような問
題点がある。 1)インパルス電流耐量(ピーク値)は電流波形8/2
0μs(立上り時間/半減時間)に対して5〜10KA
程度であり、10/350μsの電流波形ではその数分
の1の電流ピーク値で破壊し、保護機能を失う。 2)応答時間として数μsを要し、しかも制限電圧が9
0V以上であるため、耐圧の低いIC回路の保護用とし
ては不適切である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、同軸
ケーブルの信号伝達性能を損なうことなく、導電結合に
よる雷サージ電流を安全に大地に放流し、かつ半導体I
C回路を保護するために充分な応答時間と制限電圧を有
する同軸ケーブル用避雷器を合理的なコストで実現する
ことにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は特許請求範囲第1項〜第5項に記載する構
成を備えている。
【0012】
【作用】1次保護エレメントは、同軸ケーブルを介して
流入する大きな雷電流を建物への引込み口付近で出来る
かぎり小さな電圧降下で大地に放流する。このための主
回路要素として火花放電ギャップを用いる。2次保護エ
レメントは1次保護エレメントのみでは除去しきれない
過電圧を電子機器に対して安全なレベル迄低減させる。
2次保護エレメントの主回路要素であるツェナダイオー
ド又はバリスタは比較的大きな並列キャパシタンスを有
し、そのままでは同軸ケーブルの信号伝送特性に影響を
与えるので、これと直列にダイオードを接続する。直列
ダイオードは通信時には高インピーダンス、サージ電流
流入時には低インピーダンスとなり、2次保護エレメン
トの適用周波数範囲を拡大する。2次保護エレメントの
主回路要素となるツェナダイオード又はバリスタは、応
答速度が早いために1次保護エレメントが応答するまで
の時間、単独で雷電流を大地に放流する。この時過電流
によりツェナダイオード又はバリスタが破壊することが
あるので、直列に抵抗を接続し過電流を抑制する。異常
に大きな雷電流、保護回路の欠陥等により2次保護エレ
メントに異常な電流が流れた場合、故障点検出を容易に
し、故障の拡大を防ぐために上記直列抵抗と直列に警報
ヒューズを接続する。
【0013】
【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図3,7は、夫れ夫れ本発明の構成を実現するための回
路及び構造の1例を示す。1次保護エレメントは、セラ
ミック容器に収容されたカーボン電極放電ギャップ1
1,12からなり、夫れ夫れ同軸ケーブルの心線−アー
ス、外被−アース間に接続される。カーボン電極放電ギ
ャップは電極の溶着がないので電極間隔を約100μm
とし、放電開始電圧を1KV以下とすることができる。
火花放電がアーク放電に移行すれば大電流を流しても端
子電圧は数10V以下であるため、10/350μsの
インパルス波形に対し10KA(ピーク値)以上の過電
流耐量が得られる。
【0014】2次保護エレメントは直列抵杭21,ダイ
オードブリッジ回路23,24,25、双方向ツェナダ
イオード26からなる。双方向ツェナダイオードは応答
時間が数ns以下で制限電圧を20V以下とすることが
出来、電子機器のIC入力回路の保護が可能である。直
列抵抗は1次保護エレメントが応答する迄の間、双方向
ツェナダイオードに流れる電流を制限するために用いら
れる。
【0015】双方向ツェナダイオードはIC入力回路の
保護に関して優れた性能を有するが、接合容量が数10
0pFである。最近のコンピュータ通信回線では100
MHz程度の高周波パルス信号が用いられているので、
この程度の接合容量が入力回路に並列接続されると信号
波形に影響が生じ、通信不能となる。
【0016】ダイオードブリッジ回路は2次保護エレメ
ントの容量を低減し、且つサージ電流の流入の際、電圧
制限機能を維持するために使用される。図5a,bは、
夫れ夫れダイオード、双方向ツェナダイオード直列回路
の通信時およびサージ電流流入時の等価回路を示す。通
信時の信号回路電圧は数V程度で双方向ツェナダイオー
ドのブレークダウン電圧に比し小さいので、漏れ電流直
流分は数μA以下で極めて小さい。直列ダイオードの順
方向特性は図4のようになり、微小電流領域では大きな
抵抗値を示す。(例えばI=1μAにてV=0.0
2V,R=0.02X10=20KΩ)一方でダイ
オードの接合容量は80pF程度であり、例えば6個直
列によって80/6=13pF程度迄低減出来る。実際
には、双方向ツェナダイオードの接合容量が直列とな
り、正負何れの極性のサージ電圧にも対応出来るように
ダイオードブリッジ回路を使用するため、図5aの端子
A,B間容量は20pF程度となる。この程度の容量で
あれば、100MHzの通信信号パルスに影響を生じな
い。サージ電流流入時にはダイオードは大電流領域で動
作するため抵抗値は著しく低く、順方向電圧降下は1個
当たり1V程度、6個直列で6V程度である。双方向ツ
ェナダイオードの制限電圧を14Vとすれば端子A,B
間の制限電圧を20Vとする事が出来る。
【0017】図6は同軸ケーブルが建物を通過して敷設
された場合の避雷器の配置を示す。避雷器A側から進入
したサージ電圧に対して避雷器Aの火花ギャップ11又
は12が放電すれば問題がないが、避雷器Bの火花ギャ
ップ11が放電すると、放電電流が避雷器A,Bの直列
抵抗21,警報ヒューズ22を通過するので、警報ヒュ
ーズが断線し無用の警報を発する事がある。これを防止
するために図2に示すように同軸ケーブルの外被とアー
ス間に直列抵抗27,双方向ツェナダイオード28から
なる直列回路を接続する。これによって避雷器A側の心
線、外被から進入したサージ電圧は、避雷器Aの2次保
護エレメント及び上記直列回路によりクランプされ、ア
レスタBの火花ギャップは放電しない。
【0018】予期し得ない程大きな雷サージが進入した
場合、又はシステムに何等かの故障がある場合、警報ヒ
ューズ22が溶断し、故障表示と被害拡大防止を図って
いる。
【0019】
【発明の効果】従来一般には、直撃雷又は近傍の落雷に
よる電子機器の被害は天災として諦められていたケース
が多く、国内のみで年間数100億円に達する電子機器
の被害があり、しかもその被害額は年々増加傾向にあ
る。最近の研究成果により、雷電流のパラメータ及び落
雷から絶縁破壊、焼損に至る経過が明らかとなり、適切
な避雷器と接地システムがあれば略完全に被害を防ぐこ
とが可能という見通しが得られてきた。本発明による避
雷器は、上記の知見に基づき既に市場に於いて実証され
た技術乃至は部品をベースとして構成されているため極
めて信頼性が高く、かつ経済性に於いても優れているの
で落雷に対する電子機器の保護効果が高い。
【0020】
【図面の簡単な説明】
図1は雷電流波形、図2は落雷によるLANシステム被
害のメカニズム、図3は本発明による同軸ケーブル用避
雷器回路図、図4はダイオードの順方向特性、図5は2
次保護エレメントの等価回路、図6は信号線が建物を通
過して敷設された場合の避雷器配置、図7は同軸ケーブ
ル用避雷器構造図を示す。 11〜12 … 火花放電ギャップ 21 … 直列抵抗 22 … 警報ヒューズ 23〜25 … ダイオードブリッジ回路 26 … 双方向ツェナダイオード 27 … 直列抵抗 28 … 双方向ツェナダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 一男 府中市清水が丘1−3−9 ハイツ小林 702 (72)発明者 小倉 東太郎 東京都足立区保木間2−13−12 Fターム(参考) 5E034 EA07 EB03 EB07 EC03 ED02 5G004 AA01 AB02 BA07 DB01 DC10 5G013 AA01 AA09 BA02 CB04 CB09 DA03 DA10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同軸ケーブル用避雷器にて、1,2次保護
    エレメントが同一の容器内に収容され、1次保護エレメ
    ントは火花放電ギャップからなることを特徴とする。
  2. 【請求項2】請求項1による同軸ケーブル用避雷器に
    て、2次保護エレメントは直列抵抗とダイオード及びツ
    ェナダイオードまたはバリスタの直列接続回路からなる
    ことを特徴とする。
  3. 【請求項3】請求項1による同軸ケーブル用避雷器に
    て、2次保護エレメントを構成するダイオードがブリッ
    ジ回路を形成し、その直流出力端子にツェナダイオード
    またはバリスタが接続されていることを特徴とする。
  4. 【請求項4】請求項2による同軸ケーブル用避雷器に
    て、2次保護エレメントを構成するツェナダイオードま
    たはバリスタが複数であり、その中の少なくとも1個の
    ツェナダイオードまたはバリスタが同軸ケーブルの外被
    とアース間に接続されていることを特徴とする。
  5. 【請求項5】請求項2による同軸ケーブル用避雷器に
    て、直列抵抗と直列に警報ヒューズが接続されているこ
    とを特徴とする
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