JP2005285717A - 回路保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立できるようにする。
【解決手段】 電源ラインＬ１に第１ヒューズ１１を接続し、電源ラインＬ２に第２ヒューズ１２を接続し、各電源ライン１〜３の間にサージ吸収素子１３を接続する。第１ヒューズ１１と第２ヒューズ１２とは溶断特性が異なり、これらの溶断特性曲線が互いに交差するような特性を持つように構成する。例えば、第１ヒューズ１１には管型ヒューズ、第２ヒューズ１２にはチップ型ヒューズを用いる。これにより、誘導雷による雷サージや突入電流等に対しては第１ヒューズ１１、第２ヒューズ１２が溶断せず、電源ラインＬ１、Ｌ２を遮断しないようにし、故障時の短絡等により異常状態となった場合には、第１ヒューズ１１、第２ヒューズ１２が溶断し、電源ラインＬ１、Ｌ２を遮断して負荷回路１４を確実に保護することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器等の電源ラインに設けられ負荷回路を保護する回路保護装置に関する。

従来より、電源ライン、アースラインを介して侵入する過電流や過電圧に対して、電子機器、電気機器等を保護できるようにした構成が提案されている。

例えば、電源ラインにヒューズを接続すると共に、当該電源ライン間にセラミックバリスタを接続した構成が提案されている（特許文献１参照）。このセラミックバリスタは、印加電圧が定格電圧以下であれば高抵抗状態（非導通状態）であるが、定格電圧以上になると低抵抗状態（導通状態）となる特性を持つ素子である。そして、誘導雷などのように過電圧（サージ）が侵入した場合に、定格電圧以上になるとセラミックバリスタが導通してこのサージ電流を流して負荷回路に侵入しないようにしている。また、誤接続、誤接触、故障時の短絡等によって機器が異常状態となり、定格電流に対して過電流が流れた場合は、ヒューズが溶断して負荷回路に過電流や過電圧が印加されないようにしている。

上記のような従来の構成では、誘導雷の雷サージなどの瞬時高電圧が印加された場合に、セラミックバリスタによって吸収できるレベルのサージであっても、電源ラインのヒューズが溶断してしまい、電源ラインが遮断されて負荷回路に電源供給ができなくなる場合がある。これに対し、電源ラインのヒューズにおいて単純に定格値を上げて溶断しにくくすると、回路短絡等の異常状態となった場合にヒューズが溶断せずに定格以上の過電流や過電圧が負荷回路に長時間印加され、発火、発煙等の不安全に至るおそれがある。

特開平１０−３２６７０２号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立することが可能な回路保護装置を提供することを目的とする。

本発明の回路保護装置は、電源ラインに設けられ負荷回路を保護する回路保護装置であって、前記電源ラインに接続された溶断特性が異なる第１ヒューズと第２ヒューズとを備え、前記第１ヒューズと第２ヒューズとは、溶断時間と電流又は電圧とで示される溶断特性曲線が互いに交差する溶断特性を有するものである。

この構成により、溶断特性曲線が互いに交差する第１ヒューズ及び第２ヒューズを用いた溶断特性によって、過電流又は過電圧に対して適切に溶断するようにでき、負荷回路の保護が可能となる。例えば、負荷回路の定格に対して不安全領域となる過電流又は過電圧に対しては確実に溶断し、不安全領域外の雷サージ及び突入電流を含む負荷回路の定格よりも大きな電流又は電圧などに対しては溶断しないようになど、各現象に対する適切な回路保護機能を実現できる。したがって、簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立することが可能となる。

また、本発明の一態様として、上記の回路保護装置であって、前記第１ヒューズにおける第１の溶断特性及び前記第２ヒューズにおける第２の溶断特性は、低い電流又は電圧の領域において第１の溶断特性が第２の溶断特性よりも溶断時間が短く、高い電流又は電圧の領域において第２の溶断特性が第１の溶断特性よりも溶断時間が短くなる特性を有するものも含まれる。

この構成により、過電流又は過電圧の値や継続時間に応じて、第１ヒューズ及び第２ヒューズによって過電流又は過電圧に対して適切に溶断するような回路保護装置を実現できる。

また、本発明の一態様として、上記の回路保護装置であって、前記第１ヒューズにおける第１の溶断特性は、瞬時の高電圧又は高電流に対して前記第２の溶断特性よりも溶断しにくい特性を有するものとする。

この構成により、第１ヒューズにおいて、瞬時の高電圧又は高電流に対して溶断しにくくでき、例えば雷サージ等に対する優れた耐サージ特性を確保できる。

また、本発明の一態様として、上記の回路保護装置であって、前記第２ヒューズの定格電流は前記第１ヒューズの定格電流よりも大きいものとする。

この構成により、第２ヒューズにおいて、不安全領域における瞬時の高電圧又は高電流に対して確実に溶断し、かつ、第１ヒューズにおいて、比較的長時間継続する不安全領域の過電流又は過電圧に対しては溶断するような回路保護装置を実現できる。

また、本発明の一態様として、上記の回路保護装置であって、前記第１ヒューズ及び前記第２ヒューズは、負荷回路の定格に対して不安全領域となる過電流又は過電圧に対しては確実に溶断し、前記不安全領域外の雷サージ及び突入電流を含む前記負荷回路の定格よりも大きな電流又は電圧に対しては溶断しないような合成溶断特性を有するものも含まれる。

この構成により、負荷回路の定格に対して不安全領域となる過電流又は過電圧に対しては確実に溶断し、不安全領域外の雷サージ及び突入電流を含む負荷回路の定格よりも大きな電流又は電圧などに対しては溶断しないように、各現象に対する適切な回路保護機能を実現できる。したがって、簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立することが可能となる。

また、本発明の一態様として、上記の回路保護装置であって、前記電源ライン間に接続され前記電源ラインを介して侵入するサージ電圧を吸収するサージ吸収素子を備えたものも含まれる。

この構成により、雷サージ等のサージ電圧をサージ吸収素子で吸収でき、負荷回路を保護することが可能となる。また、例えば、直撃雷を受けた場合などのサージ吸収素子で吸収できない高電圧が印加された場合には、第２ヒューズにより電源ラインを遮断するような構成とすることで、適切な負荷回路の保護が可能である。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立することが可能な回路保護装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態を説明するための回路保護装置の構成を示す回路図である。本実施形態では、電源回路の一例として単相３線式の商用電源を用いた配電路の構成を説明する。

図１において、アースされた中性線を電源ラインＬ２、この電源ラインに対し１１０Ｖの電位差を持つ電圧線を電源ラインＬ１及び電源ラインＬ３とする。電源ラインＬ１及び電源ラインＬ２には、電子機器、電気機器等の負荷回路１４との間に直列に接続された第１ヒューズ１１及び第２ヒューズ１２が設けられている。第１ヒューズ１１及び第２ヒューズ１２は、負荷回路１４の定格に対して過電流や過電圧が印加された場合に溶断して電源ラインを遮断し、負荷回路１４を保護するものである。また、電源ラインＬ１と電源ラインＬ２との間、電源ラインＬ２と電源ラインＬ３との間には、サージ吸収素子１３が接続されている。サージ吸収素子１３としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を主成分とする非直線抵抗素子のセラミックバリスタ（ＴＮＲ）等が用いられる。なお、サージ吸収素子１３は、セラミックバリスタに限定するものではなく、例えばアレスタやダイオード等であってもよい。

本実施形態は、第１ヒューズ１１と第２ヒューズ１２とで溶断特性が異なり、これらのヒューズの溶断特性曲線が互いに交差するような特性を有する構成としている。このように溶断特性の異なる２種類のヒューズを用いる理由を以下に説明する。

図２は、ヒューズの溶断特性と不安全領域との関係を示す説明図であり、横軸を電流（又は電圧）、縦軸を溶断時間として溶断特性曲線を示したものである。図２において、溶断特性Ｃ１は第１ヒューズ１１の溶断特性曲線を、溶断特性Ｃ２は第２ヒューズ１２の溶断特性曲線を示している。各溶断特性曲線より右側にある領域が当該溶断特性を持つヒューズにより保護できる領域であり、各溶断特性曲線より左側にある領域が当該溶断特性を持つヒューズでは保護できない領域である。

斜線領域は、この領域の過電流（過電圧）が負荷回路１４に侵入することにより、当該負荷回路１４が異常を起こすおそれのある領域である不安全領域２１を示している。不安全領域２１は、誤接続、誤接触、故障時の短絡等により回路の定格に対して過電流が流れた場合や、直撃雷を受けたときのようにサージ吸収素子１３が損傷を受けてしまうような過電圧が加わった場合などが含まれる。この不安全領域２１は、回路の定格に対する電流（電圧）の大きさと印加される時間との関係によって決まるものである。このような不安全領域２１の過電流（過電圧）に対しては、ヒューズによって電源ラインを遮断して負荷回路１４を保護する必要がある。

また、電源投入時等における突入電流２２は、数百μsec 〜数ｍsec のオーダーで発生する。誘導雷による雷サージ２３は、１μsec 〜数十μsec 、数ｋＶのオーダーで発生する瞬時の高電圧である。これらの突入電流２２や雷サージ２３に対しては、ヒューズが溶断して電源ラインを遮断しないようにする必要がある。

溶断特性Ｃ１を持つ第１ヒューズ１１では、短時間であるが非常に高い電流が印加される領域Ｂの不安全領域をカバーすることができず、溶断特性Ｃ２を持つ第２ヒューズ１２では、低電流であるが比較的長時間電流が印加される領域Ａの不安全領域をカバーすることができない。このため、第１ヒューズ１１や第２ヒューズ１２単独では、これらの領域Ａ，Ｂに該当する過電流（過電圧）が侵入した場合に負荷回路１４が異常を起こすおそれがある。

そこで、低い定格電流のヒューズを用いることにより全ての不安全領域をカバーすることが考えられる。ヒューズの溶断特性曲線は、同じ構造のヒューズにおいては、定格電流に応じてほぼ平行にシフトする特性を持っている。図２に示す溶断特性曲線−電流のグラフでは、横軸に平行シフトする。

図２において、破線で示した溶断特性Ｃ３は、溶断特性Ｃ１と同じ構造のヒューズで定格電流が小さいヒューズの溶断特性曲線を示している。また、溶断特性Ｃ４は、溶断特性Ｃ２のヒューズと同じ構造のヒューズで定格電流が小さいヒューズの溶断特性曲線を示している。このような定格電流が小さなヒューズを用いることにより、不安全領域を全てカバーして溶断させることも可能である。しかし、逆に通常状態でヒューズが溶断する可能性が増える不都合が生じる。

例えば、溶断特性Ｃ３のヒューズを用いたとすると、電源投入時等における突入電流２２によって溶断してしまうことがある。また、溶断特性Ｃ４のヒューズを用いたとすると、誘導雷による雷サージ２３によって溶断してしまうことがある。このようにあまり定格電流が小さいヒューズを用いると、過剰保護となって異常状態では無いのにヒューズが溶断して機器が使用不能となるおそれがある。

そこで、本実施形態では、可能な限り不安全領域の過電流（過電圧）のみに対してヒューズを溶断させて負荷回路１４を保護するように、特性の異なるヒューズを組み合わせて利用する。具体的には、突入電流２２や雷サージ２３に対してはヒューズは溶断しないが、誤接続、誤接触、故障時の短絡等の異常状態によって過電流が流れた場合や、直撃雷を受けて大きな過電圧が加わった場合などの過電流（過電圧）に対してはヒューズが溶断して負荷回路１４を保護できるようにする。図１のように第１ヒューズ１１と第２ヒューズ１２の２種類のヒューズを組み合わせることによって、図２において溶断特性Ｃ１と溶断特性Ｃ２とを合成した図中太線で示される溶断特性（合成溶断特性）Ｃｘが得られる。

図３は、本実施形態における２種類のヒューズの組み合わせによって得られる合成溶断特性を模式的に示した図である。この合成溶断特性Ｃｘは、電流が小さい領域（図２において左側の領域）における溶断特性Ｃ１と、電流が大きい領域（図２において右側の領域）における溶断特性Ｃ２とを合成したものとなる。電流が小さい領域では、同一電流値に対して（溶断特性Ｃ１を持つ第１ヒューズ１１の溶断時間）＜（溶断特性Ｃ２を持つ第２ヒューズ１２の溶断時間）、かつ、（溶断特性Ｃ１を持つ第１ヒューズ１１の溶断時間）＜（不安全領域）とし、電流が大きい領域では、同一電流値に対して（溶断特性Ｃ２を持つ第２ヒューズ１２の溶断時間）＜（溶断特性Ｃ１を持つ第１ヒューズ１１の溶断時間）、かつ、（溶断特性Ｃ２を持つ第２ヒューズ１２の溶断時間）＜（不安全領域）とする。このように印加電流と溶断時間とを考慮して得られる合成溶断特性Ｃｘによって、不安全領域に対して確実にヒューズを溶断して負荷回路１４を保護することが可能となる。

上記のような溶断特性の異なるヒューズとして、例えば管型ヒューズとチップ型ヒューズの組み合わせを採用することができる。以下では、本発明の一実施例として、溶断特性Ｃ１を有する第１ヒューズ１１として管型ヒューズを用い、溶断特性Ｃ２を有する第２ヒューズ１２としてチップ型ヒューズを用いた例を述べる。図４は本実施形態において用いたヒューズの外観構成を示す図であり、図４（Ａ）は管型ヒューズ、図４（Ｂ）はチップ型ヒューズをそれぞれ示したものである。

管型ヒューズは、１sec 以下の過電流に対して反応が遅く、過電流が数sec 以上の比較的長時間印加されてから溶断する特性を持っている。特に、巻線型ヒューズの場合は、瞬間的な大電流に対して溶断しにくい特性を有する。一方、チップ型ヒューズは、過電流に対して反応が早く、過電流が印加されると直ちに溶断する特性を持っている。これらの溶断特性の違いは、主に溶断するヒューズ部分の構造に起因する。管型ヒューズとチップ型ヒューズの溶断特性を比べると、図２の溶断特性Ｃ１、Ｃ２のように管型ヒューズの方がチップ型ヒューズに比べて特性曲線が寝た形となる。

雷サージのように数μsec オーダーの過電流が流れた場合は、ヒューズは瞬間的に蒸発するように溶断する。このような瞬間的に印加される大電流に対しては、ヒューズの溶断特性は体積に依存するため、ヒューズ部分の体積が大きい管型ヒューズは溶断しにくく、チップ型ヒューズは溶断しやすい。一方、回路の短絡またはそれに準ずる状態のような異常状態が生じ、雷サージのように大きくはないが比較的長時間過電流が流れた場合は、ヒューズは過電流によって生じる熱によって溶断する。このような比較的長時間継続して印加される過電流に対しては、ヒューズの溶断特性は体積には関係なく、定格電流に応じて溶断する。

したがって、直撃雷を受けたときのようにサージ吸収素子１３が損傷を受けてしまうような瞬時に過大な電圧が印加される不安全領域の過電流（過電圧）に対しては、チップ型ヒューズによる第２ヒューズ１２で負荷回路１４を保護するようにし、かつ、不安全領域外の誘導雷による雷サージ等では溶断しないようにヒューズの定格電流を設定する。また、誤接続、誤接触、故障時の短絡等の異常状態によって比較的長時間印加される過電流に対しては、管型ヒューズによる第１ヒューズ１１で負荷回路１４を保護するようにし、かつ、不安全領域外の突入電流等では溶断しないようにヒューズの定格電流を設定する。このとき、第１ヒューズ１１の定格電流に対して第２ヒューズ１２の定格電流を大きく設定することで、上記条件を満足することができる。

図５は、本発明の一実施例において用いた２種類のヒューズの溶断特性を示す図である。図５では、横軸を電流、縦軸を溶断時間とし、チップ型ヒューズの例としてウイックマン社（ＷＩＣＫＭＡＮＮ社）製の定格電流が２．５Ａ、４Ａ、５Ａ（それぞれ試料イ、ロ、ハとする）のヒューズと、管型ヒューズの例としてリテル社（Ｌｉｔｔｅｌ社）製の定格電流が３Ａのヒューズ（試料ニとする）の各溶断特性を示している。この図５より、同一構造のヒューズであれば、定格電流が異なると溶断特性曲線は平行シフトすることが分かり、また構造が異なると溶断特性は交差することが分かる。

例えば、負荷回路１４の定格電流が０．５Ａの場合、第１ヒューズ１１として定格電流が３Ａの管型ヒューズ（試料ニ）を用い、第２ヒューズ１２として定格電流が５Ａのチップ型ヒューズ（試料ハ）を用いることで、適切な合成溶断特性を得ることができる。また、負荷回路１４の定格電流が１Ａの場合は、第１ヒューズ１１（管型ヒューズ）の定格電流を５〜１０Ａ、第２ヒューズ１２（チップ型ヒューズ）の定格電流を第１ヒューズ１１よりも大きい８〜１５Ａに設定して設けることにより、適切な合成溶断特性を得ることが可能である。

このように本実施形態によれば、誘導雷による雷サージ等の瞬時高電圧や突入電流などに対するヒューズの耐性を確保しながら、家庭内の電子機器、電気機器等の負荷回路を保護することができる。また、機器が異常状態となった場合など不安全領域の過電流（過電圧）に対して確実にヒューズを溶断させることができ、不安全状態を回避することができる。したがって、負荷回路の定格以上に印加される電流や電圧に対して、過電流や過電圧が生じる現象の態様に応じた適切な回路保護機能を実現することが可能となる。

なお、雷サージはアースから侵入する場合が多々報告されているが、電圧線を介しても侵入するような場合がある。このような場合にも対応できるように、例えば第１ヒューズ１１と第２ヒューズ１２とを直列に接続して電源ライン１〜３に接続する構成としてもよい。また、組み合わせるヒューズは２種類に限定されるものではなく、２種類以上であってもよい。また、単相３線式の配電路に限らず、単相２線式配電路、３相３線式配電路、３相４線式配電路等の他の配電方式においても同様に適用できる。

本発明は、簡単かつ安価な構成で電源ラインの遮断による回路保護性能と充分な耐サージ特性とを両立することが可能となる効果を有し、電子機器等の電源ラインに設けられ負荷回路を保護する回路保護装置等に有用である。

本発明の実施形態を説明するための回路保護装置の構成を示す回路図 ヒューズの溶断特性と不安全領域との関係を示す説明図 本実施形態における２種類のヒューズの組み合わせによって得られる合成溶断特性を模式的に示した図 本実施形態において用いたヒューズの外観構成を示す図 本発明の一実施例において用いた２種類のヒューズの溶断特性を示す図

符号の説明

１〜３ 電源ライン
１１ 第１ヒューズ
１２ 第２ヒューズ
１３ サージ吸収素子
１４ 負荷回路
２１ 不安全領域
２２ 突入電流
２３ 雷サージ
Ｃ１〜Ｃ４ 溶断特性
Ｃｘ 合成溶断特性

Claims (6)

1. 電源ラインに設けられ負荷回路を保護する回路保護装置であって、
   前記電源ラインに接続された溶断特性が異なる第１ヒューズと第２ヒューズとを備え、
   前記第１ヒューズと第２ヒューズとは、溶断時間と電流又は電圧とで示される溶断特性曲線が互いに交差する溶断特性を有する回路保護装置。
2. 請求項１に記載の回路保護装置であって、
   前記第１ヒューズにおける第１の溶断特性及び前記第２ヒューズにおける第２の溶断特性は、低い電流又は電圧の領域において第１の溶断特性が第２の溶断特性よりも溶断時間が短く、高い電流又は電圧の領域において第２の溶断特性が第１の溶断特性よりも溶断時間が短くなる特性を有する回路保護装置。
3. 請求項２に記載の回路保護装置であって、
   前記第１ヒューズにおける第１の溶断特性は、瞬時の高電圧又は高電流に対して前記第２の溶断特性よりも溶断しにくい特性を有する回路保護装置。
4. 請求項２に記載の回路保護装置であって、
   前記第２ヒューズの定格電流は前記第１ヒューズの定格電流よりも大きいものとする回路保護装置。
5. 請求項１に記載の回路保護装置であって、
   前記第１ヒューズ及び前記第２ヒューズは、負荷回路の定格に対して不安全領域となる過電流又は過電圧に対しては確実に溶断し、前記不安全領域外の雷サージ及び突入電流を含む前記負荷回路の定格よりも大きな電流又は電圧に対しては溶断しないような合成溶断特性を有する回路保護装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の回路保護装置であって、
   前記電源ライン間に接続され前記電源ラインを介して侵入するサージ電圧を吸収するサージ吸収素子を備えた回路保護装置。

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