JP2005261192A - 電流のサージからの保護 - Google Patents

Abstract

【課題】 回路が電力供給されたときに始まる電流サージの間、遮断保護される回路の導通状態を維持する方法を提供すること。
【解決手段】 正温度係数（ＰＴＣ）デバイスは、たとえば、出力調整回路の回路遮断器と並列に接続される。かかる構成により、回路がオフに切り換えられている間、回路内のキャパシタをプリチャージすることが可能となり、その結果回路が電力供給されたときの電流サージは回避される。回路故障による過電流の際には、ＰＴＣデバイスは、高抵抗状態に切り換わり、回路を保護する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力装置に関し、より詳細には切換および出力調整（ｐｏｗｅｒ−ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）装置に関する。

負荷をオンに切り換えたとき、電力供給される回路内のキャパシタが充電を開始するときの一時的な電流のサージが生じるということが、直流（ｄｃ）電力供給を有するシステム内ではよく起きる。かかる電流サージは、望ましくない効果を有する場合がある。たとえば、ヒューズまたは回路遮断器など電流作動式遮断デバイスによって回路が故障から保護されている場合、危険がないにもかかわらず、電流サージによりこのデバイスが起動し、回路遮断を引き起こす可能性がある。

前述の種類の問題は、とりわけ直流出力調整回路を備える遠隔地の装置内で発生する。たとえばセルラー基地局は、装置がオンに切り換えられたとき、数百または数千マイクロファラッドのキャパシタンスを充電する出力調整回路を使用する。キャパシタンスのかかる大量の充電により、場合によっては１０００アンペア以上のピーク電流がもたらされる可能性がある。

回路故障からかかる装置を保護するためには、回路遮断器を使用することが通常である。しかし、回路に電力を供給したとき生じる電流サージの間に、回路遮断器が回路を開く傾向に対して保護する必要がある。

この問題を解決するための過去の試みがいくつかあった。ある手法では、全電力を装置に供給する前に実行されるプリチャージ（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｉｎｇ）動作で、キャパシタを充電する。限流抵抗器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を通ってキャパシタ中に電流が流れることを可能にする押しボタン・スイッチを手動で作動させることによって、充電電流が供給される。この手法は、操作員の介入を必要とし、操作員がキャパシタに対し充電を行うための十分な時間を与えない場合には、効果がなくなる恐れがあるという欠点がある。

第２の手法では、能動的技術を使用して、キャパシタを充電するいわゆる「突入」電流を制限する。この能動的手法では、切換可能な抵抗器が設けられる。最初は、突入電流を制限するために、比較的高い抵抗により、キャパシタが充電される。次いで、抵抗値を低い値に切り換えて、回路の動作を可能にする。この手法には、比較的高価な回路要素を必要とし、切換動作が必要となることで、装置に電力を供給するための手順に複雑さが加わるという欠点がある。

したがって、回路が電力供給されたときに始まる電流サージの間、遮断保護される回路の導通状態を維持する方法に関する問題への簡単かつ安価な手法が、依然として必要とされている。

我々は、正温度係数（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ＰＴＣ）デバイスを使用すると、必要とされる保護を簡単かつ安価に提供できることを発見した。ＰＴＣデバイスは、回路遮断器（もしくは、ヒューズ付負荷開閉器（ｆｕｓｅ−ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）または他の保護デバイス）と並列に接続される。かかる構成により、回路がオフに切り換えられている間に回路内のキャパシタのプリチャージが可能となり、その結果、回路がオンに切り換えられたときの電流サージが回避される。回路故障による過電流の場合、たとえば回路遮断器が動作し、回路を遮断したとき、ＰＴＣデバイスは保護のための高抵抗状態に切り換わる。

図１の回路図では、参照番号１０は直流電圧Ｖ_０の入力点を示し、この直流電圧Ｖ_０は調整回路２０によって調整され、電力負荷３０に使用される。負荷３０は、スイッチ４０を開くことによって回路２０から分離することができる。しかし、たとえば電気通信装置の典型的な設備では、スイッチ４０は、場合によって閉じられ、負荷３０への電力は、回路２０への電力を制御することによって制御される。

回路２０による調整には、さまざまな種類のものがあってもよいが、一般に直流電圧調整器を備える。代表的な応用例では、調整回路２０は、電圧レール５０と接地レール６０の間のキャパシタンスの実質的な量によって特徴づけられる。レール５０とレール６０の間のキャパシタンスは、図にキャパシタンス要素７０で記号によって表されている。調整回路２０内のインピーダンスの他の形が、図にインピーダンス要素８０で概略的に表されている。

図に示すように、スイッチ９０および回路遮断器１００は、調整回路への、ならびに調整回路を介した負荷への電圧Ｖ_０の印加を制御するために設けられている。スイッチ９０および回路遮断器１００が両方とも閉じられたとき、回路図によって表された装置は「電力供給されている」と言われ、スイッチ９０および回路遮断器のどちらかまたは両方が開いたとき、装置は「電力供給されていない」と言われる。

たとえば電気通信装置を収容するための多くの典型的な設備では、スイッチ９０は、それを設けるにしても、主に保守などのために回路遮断器１００を分離するために設けられる。かかる場合では、スイッチ９０は通常閉じられており、回路遮断器１００を使用して、回路２０をオン／オフに切り換える。

回路遮断器１００は、回路故障による過電流から装置を保護するための電流作動式遮断保護デバイスの一例である。回路遮断器は、たとえば電気通信装置の遠隔設備内で使用される典型的なデバイスであるため、以下の説明のために一例として回路遮断器を取り上げているがそれには限定されない。しかし、ヒューズなどの他の保護デバイスを使用することも本発明の範囲内にあることに留意されたい。言うまでもなく、保護デバイスが、任意に開閉することができないヒューズまたは他のデバイスである場合、スイッチ９０などが回路２０への電力を制御するために重要となる。たとえば、スイッチ９０を、ヒューズ付負荷開閉器の一部として備えることができる。

制御装置として使用するときは、回路遮断器１００は、任意に開いて、装置をオフに切り換えることができ、任意に閉じて、または「投入して」、装置をオンに切り換えることができる。保護デバイスとして使用する際には、回路２０内の過電流を感知したとき、回路遮断器は当然自動的に開くことになる。

本発明の例では、スイッチ９０は通常閉じられており、回路遮断器１００を閉じることによって、装置が電力供給される。

図の要素７０で表したキャパシタが実質上充電されていない場合、上述のように、充電の際の突入電流により、場合によっては、図１に要素１０で表した直流電源上に過電流シャットダウンが発生する恐れがある。直流電源のこの過電流シャットダウンは、要素１０から電力供給されるすべての構成要素に影響を及ぼす。しかし、かかる結果は、回路にＰＴＣデバイス１１０を加えることによって回避される。図に示すように、デバイス１１０は、回路遮断器１００と並列に接続されており、スイッチ１２０を閉じることによって、入力１０に電力を供給するように接続されている。スイッチ１２０は、回路遮断器１００を分離することなく、デバイス１１０を分離する手段として任意選択で設けられる。場合によっては、ＰＴＣデバイスと直列に任意選択の抵抗器１３０を加えて、ＰＴＣデバイスを通る電流を制限し、可能であれば悪条件でのＰＴＣデバイスに対する損傷も制限することが望ましい。しかし、かかる直列抵抗を加えると、キャパシタンス７０の充電時間を長引かせる望ましくない効果を有することにもなる。

ＰＴＣデバイス１１０が利点を提供するある動作は、新しい回路遮断器１００からなる装置である。新しい回路遮断器は、図１に示すように回路遮断器と並列に配線されたＰＴＣデバイス１１０も備える一体型ユニットの一部であると有利である。装置は、回路遮断器１００を開位置にして動作させる。しかし、電流がＰＴＣデバイスを介して装置中に流れることを可能にするように、少なくとも場合によっては、関係するスイッチを閉じることが望ましい。結果として、回路遮断器１００が閉じられる時までには、キャパシタンス７０は、すでに実質上充電されていることになり、過度の突入電流は回避される。

ＰＴＣデバイス１１０が利点を提供する他の動作は、たとえば保守または修理作業のために回路遮断器１００を開いた後に、回路遮断器１００を閉じることによって、回路２０への電力を復旧させることである。ブレーカが開いている時間中、電流がＰＴＣデバイスを介して流れることを可能にした場合、回路遮断器の投入による過度の突入電流は生じない。

ここで説明した使用法に適しているＰＴＣデバイスは、一般に１〜２０オームの範囲の抵抗を有する低抵抗状態のままの間、一般に数ワットの電力まで放散する場合がある。たとえば、電気通信装置用の典型的な直流入力電圧は一般に、１５〜６０ボルトの範囲内にある。したがって、キャパシタンス７０の充電電流を制限するための他の抵抗がない場合、ＰＴＣデバイス１１０および任意選択の抵抗器１３０が、１〜５０オームの範囲内の合成抵抗を有することが典型的である。

たとえば電気通信装置内に一般に生じるキャパシタンス７０の値は、１５〜２５ミリファラドの範囲内である。

したがって、上記の所与の例では、キャパシタンス７０を６３％充電にまで充電する場合のＲＣ時定数は、０．０１５〜１．２５秒の範囲内にある。したがって、前述のものと同様の手動操作では、回路遮断器１００を遮断させること、または他の回路遮断もしくは直流電力の損失を引き起こすことが可能な突入電流を防ぐのに充分なだけキャパシタンスを充電するために十分な時間が与えられる。

次に図２に移ると、ＰＴＣデバイスの抵抗が、きわめて非線形的に温度上昇に反応していることが理解されるだろう。周囲温度から温度上昇するにつれて、デバイスは最終的にはしきい値に達し、それより上ではさらに加熱して抵抗が非常に急速に上昇する。一般に、デバイス温度は、デバイス内のワット損の比率に線形的に関係づけられ、この消費電力は、デバイス内の抵抗と電流の二乗の積に比例する。したがって、電流に対するしきい値的振る舞いは、温度に対する振る舞いよりいっそう急峻である。十分な高い電流レベルでは、ＰＴＣデバイスが「遮断し」、抵抗値が一般に２０オームより低い状態から、抵抗値が数千オームである状態に移行する。

したがって、図２の３つのレベルの抵抗値をグラフに示す。Ｒ_Loadは、通常の動作時にＰＴＣデバイスを通る電流を制限している負荷の抵抗値を表す。Ｒ_ＬＯＷは、ＰＴＣデバイスの低抵抗状態で動作するときのＰＴＣデバイスの抵抗値を表し、デバイスを通る電流はＲ_Ｌoadによって制限される。Ｒ_ＨＩは故障条件下のＰＴＣデバイスの抵抗値を表し、そのときＰＴＣデバイスは高抵抗状態に切り換わり、その結果Ｒ_ＨＩが今度は電流を制限している。適切に選択されたＰＴＣデバイスでは、Ｒ_ＨＩはＲ_ＬＯＷより２桁または３桁大きい場合がある。

ＰＴＣデバイス１１０は、たとえばスイッチ１２０を閉じた後、しかしブレーカ１００を閉じてしまう前の時間間隔中に回路保護を提供する。大きな持続電流がＰＴＣデバイス１１０を通って流れる時間間隔中に回路故障が生じた場合、ＰＴＣデバイスはその高抵抗状態に切り換わり、電流を一般に安全なレベルに制限する。

スイッチ１２０の閉状態とブレーカ１００の閉状態の間の時間間隔中に、キャパシタンス７０が充電される。充電電流は、ＰＴＣデバイスがその低抵抗状態のままとなる当初定格最大電流を超える場合があるが、充電電流ははるかに小さい値にまで急激に減少する。ＰＴＣデバイスは、一般に数秒の、キャパシタンス７０を充電するための時定数より一般に大きい熱時定数を有する。したがって、充電時間中にＰＴＣデバイスを遮断させてその高抵抗状態にするのに十分なジュール熱となることはまれである。ＰＴＣデバイスが遮断されたとしても、一部の充電電流が引き続き流れることに留意されたい。実際、ＰＴＣデバイス内でその高抵抗状態に維持するのに十分な熱が放散（一般に約１ワット）される場合、一般に、ブレーカ１００が閉じたときに、過度のサージを防ぐのに十分な充電電流も流れる。最終的には、当然、キャパシタンス７０が満充電に近づいたとき、充電電流は減少しなければならず、ＰＴＣデバイスはその低抵抗状態に復帰しなければならない。

ブレーカ１００が、回路に電力を供給するために閉じられた後、スイッチ１２０は、問題なく閉位置のままでいることができる。すなわち、ＰＴＣデバイス１１０は問題なく引き続き回路遮断器と並列に電流を得ることができる。電流が通常の動作レベルにとどまっている場合、適切な動作特性を有するように選択されたＰＴＣデバイスは、低抵抗状態のままである。回路故障の際には、他の過負荷の回路要素によって回路が破損されていないとすると、その結果生じる過電流によりブレーカ１００が作動し、それによってブレーカ１００が開となる。すべての電流が、この場合ＰＴＣデバイス１１０を通って送られる。結果として、デバイス１１０が加熱され、その高抵抗状態に切り換わる。その状態では、ＰＴＣデバイスは、電流を一般に安全なレベルに制限する。回路への電力が遮断された後、または故障を修理した後、一般に数秒から数分の範囲内で、ＰＴＣデバイスは冷え、その低抵抗状態に復帰する。

本発明において有効なＰＴＣデバイスの１つのタイプは高分子（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ）ＰＴＣデバイスである。かかるデバイスは、多数のベンダーから入手できる。そのようなベンダーの１つが、ペンシルバニア州ハリスバーグのＴｙｃｏエレクトロニクス社（Ｔｙｃｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）である。

本発明によるＰＴＣデバイスを一実施形態内に備えた出力調整回路の簡略化された回路図である。 高分子ＰＴＣデバイスに関する抵抗と温度についての代表的なグラフの図である。

Claims (2)

1. １つまたは複数の容量性要素を備え、電力を負荷に供給するように構成された直流（ｄｃ）電気回路と、
   前記回路によって電源から得られた電流がしきい値を超えた場合には、前記直流回路への電力を遮断するように構成された保護回路要素と、
   前記保護回路要素と並列に接続された正温度係数（ＰＴＣ）デバイスとを備え、
   電流を前記保護要素を介して前記回路に入れる前に、少なくとも前記容量性要素を充電するのに十分な電流が前記ＰＴＣデバイスを通って前記回路に入ることができるように、前記ＰＴＣデバイスが構成され、
   前記ＰＴＣデバイスを通過する電流がしきい値を超えた場合には、実質上抵抗が増大するように前記ＰＴＣデバイスがさらに構成された
   装置。
2. 前記回路によって電源から引き出される電流がしきい値を超えた場合、前記直流回路への電力を遮断するように構成された直流（ｄｃ）回路および保護回路要素を備えた種類の電気設備を修正するための方法であって、
   電流が前記保護要素を通って前記回路に入る前に、少なくとも前記容量性要素を充電するのに十分な電流が、前記ＰＴＣデバイスを通って前記回路に入ることができるように、前記ＰＴＣデバイスを保護回路要素と並列に接続する構造内の前記装置に正温度係数（ＰＴＣ）デバイスを加える工程を含む方法。
   

Images