JP2006345654A - 過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡電流および外来ノイズなどに起因する過電流に因っては動作せずに、必要な時に確実に過電流を検出して保護対象への電流を遮断する過電流保護装置を提供する。
【解決手段】過電流保護装置は、電源２と負荷３とを接続する線路１４の近傍の線路温度を検出する温度検出部２０と、上記線路１４の間に接続され、上記電源２から上記負荷３への電力の供給を開閉する半導体スイッチと、上記線路温度が予め定める閾値を超えたとき上記半導体スイッチを遮断する制御回路と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、過電流から電気回路を保護する過電流保護装置に関し、特に過渡的な過電流では動作しない特徴を有する過電流保護装置に関する。

従来の過電流保護装置は、基板上に形成され、電流を磁界に変換するパターンと、このパターンの近傍に配置され、このパターンで変換される磁界を検出する磁界検出センサと、このパターンの出力端子に接続され、磁界検出センサの出力信号に従ってオフ駆動される電流遮断回路と、電流遮断回路の出力端子に接続され、電流が供給される素子または回路、とで構成されている。そして、パターンに電流が流れることにより電流の大きさに応じた磁界が発生し、磁界の大きさは磁界検出センサで検出される。磁界検出センサの出力信号は、駆動制御回路に入力される。そして、駆動制御回路は、磁界検出センサの出力信号が素子または回路の制限電流として予め設定された電流の大きさに対応した値に達した時点で電流遮断回路をオフにし、素子または回路への電流供給を遮断する（例えば、特許文献１参照）。

また、基板上に実装された電流線と、電流線に検出電流が流れることにより発生する磁界により抵抗値が変化することを利用して磁界の強さを検出する磁気抵抗素子よりなる磁気センサと、磁気センサからの出力をモータを保護する電流スイッチをオンオフするスイッチ信号として出力するように処理する電子回路と、磁気センサにバイアス磁界を印加するように基板に実装された磁界発生手段とを備える（例えば、特許文献２参照）。

また、マザー基板に設けられた配線パターンに流れる電流により、配線パターン周囲に右ネジの法則にしたがった磁束が発生する。次にマザー基板を介して配線パターンの反対面に設けたＬ字状コアにより磁束が部分的に増加され、Ｌ字状コアの一端に設けたホール素子に配線パターンに流れる電流値に比例した磁束が印加されることになる。この磁束でホール素子の出力電圧を変化させ、この変化を回路部で増幅検出することでマザー基板の配線パターンに流れる電流の大きさを検出できる（例えば、特許文献３参照）。

特開平５−９１６４４号公報 特開平８−３０４４７９号公報 特開２００４−３７３５４号公報

従来の過電流保護装置における電流検出は、高速での動作が可能であるが、負荷に容量性要素が含まれている場合、電流供給開始時に充電電流のような大きな過渡電流が流れるが、過渡的な過電流で動作しないようにするために、タイムラグヒューズのような時間遅れを有する保護素子またはフィルタ回路などを設けなければならないという問題がある。
また、外来ノイズによる磁界変化が発生すると、見かけ上電流値が増加または減少したように検出されるので、周期や波形などが不明のノイズを除去するために、ノイズを判定するための複雑な回路を構成しなければならないという問題がある。

この発明の目的は、過渡電流および外来ノイズなどに起因する過電流に因っては動作せずに、必要な時に確実に過電流を検出して保護対象への電流を遮断する過電流保護装置を提供することである。

この発明に係わる過電流保護装置は、電源と負荷とを接続する線路の近傍の線路温度を検出する温度検出部と、上記線路の間に接続され、上記電源から上記負荷への電力の供給を開閉する半導体スイッチと、上記線路温度が予め定める閾値を超えたとき上記半導体スイッチを遮断する制御回路と、を備える。

この発明に係わる過電流保護装置の効果は、電源から負荷に電力を供給する線路の近傍の線路温度が所定の閾値を超えたときに、電源からの電力の供給を遮断するので、真に過電流になったときだけ保護対象への電力の供給を遮断することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。図２は、実施の形態１に係わる温度検出素子のプリント基板での配置図である。
この発明の実施の形態１に係わる過電流保護装置１は、図１に示すように、電源２から負荷３に電力を供給するパワー回路４に過大な電流が流れることによる電源２または負荷３の損傷を防止するために適用される。
そして、パワー回路４には、パワー回路４に過電流が流れたときに電源２から負荷３への電力の供給を遮断するために、半導体スイッチとしてのトランジスタ６が第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１の間に接続されている。電源２は、電線８、外部端子９、第１のパワーライン１０を介してトランジスタ６のエミッタ６ｅに接続されている。また、負荷３は、第２のパワーライン１１、外部端子１２、電線１３を介してトランジスタ６のコレクタ６ｃに接続されている。ここで、第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１とを合わせて線路１４と称する。また、電線８と電線１３は絶縁体の被覆１５により覆われている。

実施の形態１に係わる過電流保護装置１は、上述のトランジスタ６以外に、プリント基板７に形成された第１のパワーライン１０および第２のパワーライン１１、線路１４の近傍に図２に示すように配設されている温度検出素子としての熱電対１６、熱電対１６の出力を線路温度に変換する温度検出回路１７、線路温度が予め定める閾値を超えたときに過電流信号を出力する比較回路１８、過電流信号が入力されたときトランジスタ６のゲート６ｇを駆動してトランジスタ６を遮断する駆動回路１９を備える。なお、熱電対１６と温度検出回路１７とを合わせて温度検出部２０と称し、比較回路１８と駆動回路１９とを合わせて制御回路と称す。また、プリント基板７上には、温度検出回路１７、比較回路１８、駆動回路１９が実装されている。

次に、プリント基板７での熱電対１６の配設の様子を図２を参照して説明する。
プリント基板７上に銅箔をエッチングして残した一定幅の第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１が所定の間隔だけ離間して平行に形成されている。そして、熱電対１６の接合部１６ａが第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１との間に配設されている。
このように熱電対１６の接合部１６ａを第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１との間に配設すると、第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１に過電流が流れて発熱するジュール熱により接合部１６ａの温度が上昇するので、温度の上昇を検出することにより過電流が流れているか否かを判断することができる。

次に、過電流保護装置１の動作について説明する。
パワー回路４に流れる電流の最大値は、電源２の電源電圧と負荷３のインピーダンスによって決まり、トランジスタ６が導通するとき、電流が流れる。
パワー回路４内のトランジスタ６、電源２、負荷３および線路１４では、一般的にそれらが破壊する場合、電流の２乗の時間積分値がある値を超えている。そして、パワーライン１０、１１の損失は、電流の２乗の時間積分値とパワーライン１０、１１の抵抗値との積に比例し、損失は熱として放出されることから、結果として温度を計測することで破壊を未然に防止することが可能である。

過電流保護装置１の動作は、電流を供給するために駆動回路１９によりトランジスタ６を導通することから始まる。このとき、負荷３の容量性要素やパワーライン１０、１１の浮遊容量により、一時的に突入電流が流れるが、時間が短いために線路温度の上昇は小さく、比較回路１８での比較において線路温度が閾値を超えないので、トランジスタ６は導通状態で維持される。

また、トランジスタ６が導通状態にあるときパワー回路４に外来ノイズが重畳された場合、外来ノイズの継続時間は短く、パワーライン１０、１１の線路温度が大きく上昇することがないので、比較回路１８での比較において線路温度が閾値を超えず、トランジスタ６は導通状態で維持される。

一方、例えば、負荷３の両端を低インピーダンスで短絡するような故障が発生した場合、パワー回路４に流れる電流は継続して大きいので、電流の２乗とパワーライン１０、１１の抵抗値との積が大きくなるために損失が増加し、発熱する。
このパワーライン１０、１１での発熱により線路温度が大きく増加するので、比較回路１８での比較において線路温度が閾値を超え、トランジスタ６は遮断される。その結果、パワー回路４にそれ以降電流が流れないので、故障が起こったパワー回路４を保護できる。

このような過電流保護装置１は、電源２から負荷３に電力を供給する線路１４の近傍の線路温度が所定の閾値を超えたときに、電源２からの電力の供給を遮断するので、過電流により誘起される温度は、当然外来ノイズの影響を受けずに、さらに過渡電流の影響も少なく、真に過電流になったときにだけ保護対象への電力の供給を遮断することができる。

なお、実施の形態１に係わる温度検出素子として熱電対１６を例に挙げたが、他にサーミスタ、測温抵抗器などを使用しても同様な効果が得られる。
また、実施の形態１においては熱電対１６を第１のパワーライン１０と第２のパワーライン１１との間に配設しているが、第１のパワーライン１０または第２のパワーライン１１の何れかの近くであってもよい。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わるプリント基板上の配線を示す図である。
この発明の実施の形態２に係わる過電流保護装置は、実施の形態１に係わる過電流保護装置１とパワーライン１０Ｂ、１１Ｂの形状が異なる。そして、これ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わるパワーライン１０Ｂ、１１Ｂは、図３に示すように、熱電対１６の近傍の部分２１、２２の幅が他の部分の幅より狭くなっており、他の部分より抵抗値が大きくなっている。

このような過電流保護装置は、熱電対１６で検出される線路温度に大きく寄与する部分のパワーライン２１、２２の幅が他の部分より狭く、抵抗値が大きく、発熱量が大きくなるので、製造上のばらつきによりパワーライン１０Ｂ、１１Ｂの位置により抵抗値がばらついても、幅の広い部分の抵抗値は小さくて発熱が少なく、この部分の影響を無視できる。そして、熱電対１６に近い抵抗値の大きなパワーライン２１、２２での発熱によりパワー回路４全体の故障を検出できるので、確実に過電流を保護できる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。図５は、実施の形態３に係わる電線の被覆内に配設された温度検出素子の様子を示す図である。
この発明の実施の形態３に係わる過電流保護装置１Ｃは、実施の形態１に係わる過電流保護装置１と温度を検出する対象の線路１４Ｃが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態３に係わる線路１４Ｃは、図４に示すように、プリント基板７Ｃの外部端子９、１２をそれぞれ電源２および負荷３に接続する電線８Ｃ、１３Ｃからなる。
そして、この線路１４Ｃの近傍の温度を検出するために、実施の形態３に係わる熱電対１６Ｃは、電線８Ｃ、１３Ｃの被覆１５の内側に挿入されている。そして、熱電対１６Ｃの両端はプリント基板７Ｃに設けられた温度端子２４、２５を経由して温度検出回路１７に接続されている。
また、実施の形態３に係わる電線８Ｃ、１３Ｃは、図５に示すように、電線８Ｃ、１３Ｃの製造上のばらつきによる長さ方向における単位長さあたりの抵抗値がばらつくことを考慮して、熱電対１６Ｃの接合部１６Ｃａが配設された位置の近傍の部分２７、２８の径が小さくなっており、他の部分より抵抗値が大きくなっている。
このようにすると、この近傍の部分２７、２８での発熱が他の部分に比べて大きいので、パワー回路４の過電流を確実に検出することができる。

このような過電流保護装置１Ｃは、電線８Ｃ、１３Ｃの被覆１５の内側に熱電対１６Ｃの接合部１６Ｃａが挿入されて、電線８Ｃ、１３Ｃの近傍の温度が検出されるので、パワー回路４の周囲の空気の対流の影響を受けずに、精度良く過電流の発生を検出できる。

また、熱電対１６Ｃで検出される線路温度に大きく寄与する部分の電線２７、２８の径が他の部分より小さく、抵抗値が大きく、発熱量が大きくなるので、製造上のばらつきにより電線８Ｃ、１３Ｃの位置により抵抗値がばらついても、径の大きな部分の抵抗値は小さくて発熱が少なく、この部分の影響を無視できる。そして、熱電対１６Ｃに近い抵抗値の大きな電線２７、２８での発熱によりパワー回路４全体の故障を検出できるので、確実に過電流を保護できる。

実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。
実施の形態４に係わる過電流保護装置１Ｄは、実施の形態３に係わる過電流保護装置１Ｃと線路１４Ｃの近傍の温度を検出する温度検出部２０Ｄが異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態４に係わる温度検出部２０Ｄは、線路１４Ｃと並行し、抵抗値が測定される銅線３０、銅線３０の抵抗値を測定してその抵抗値から銅線３０の温度を線路温度として検出して比較回路１８に送信する温度検出回路３３から構成されている。
銅線３０は、電線８Ｃ、１３Ｃと並行に並置され、同じ銅線である電線８Ｃ、１３Ｃと製造時に一緒に束線された銅線のうちの２本の銅線からなり、その２本の銅線の一端を接続して作製されている。そして、このように作製された銅線３０の抵抗値を予め精密に基準温度に保持されている恒温槽内で測定して、基準温度に対する抵抗値として求めておく。それから、銅線３０の両端をプリント基板７Ｄに設けられた電流端子３１、３２を介して温度検出回路３３に接続する。
温度検出回路３３は、銅線３０の抵抗値を測定し、基準温度に対する抵抗値との差分を求め、差分を銅の抵抗温度係数を用いて基準温度との温度差に変換し、基準温度から温度差を増減して線路温度を検出する。

このような過電流保護装置１Ｄは、同一の銅線である電線８Ｃ、１３Ｃと同一製造ロットの銅線の抵抗値の変化から線路温度を求めるので、電線８Ｃ、１３Ｃの製造上の抵抗値のばらつきがあっても、電線８Ｃ、１３Ｃと同様な傾向の同一製造ロットの銅線の抵抗値により、抵抗値が小さい場合は比較する抵抗値は同じであるのでより大きな電流が流れた場合に過電流を検出し、抵抗値が大きい場合は比較する抵抗値は同じであるのでより小さな電流が流れた場合に過電流を検出し、ばらつきを補償することができる。

なお、実施の形態４において銅線を使用して温度検出を行っているが、温度による抵抗値変化が大きな材質を使用することにより、温度検出感度を上げて温度検出を容易にしてもよい。

この発明の実施の形態１に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。 実施の形態１に係わる温度検出素子のプリント基板での配置図である。 この発明の実施の形態２に係わるプリント基板上の配線を示す図である。 この発明の実施の形態３に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。 実施の形態３に係わる電線の被覆内に配設された温度検出素子の様子を示す図である。 この発明の実施の形態４に係わる過電流保護装置が適用された電気回路の回路図である。

符号の説明

１、１Ｃ、１Ｄ 過電流保護装置、２ 電源、３ 負荷、４ パワー回路、６ トランジスタ、７ プリント基板、８、１３ 電線、９、１２ 外部端子、１０、１１ パワーライン、１４ 線路、１５ 被覆、１６ 熱電対、１６ａ （熱電対の）接合部、１７、３３ 温度検出回路、１８ 比較回路、１９ 駆動回路、２０ 温度検出部、２１、２２ パワーラインの幅の狭い部分、２４、２５ 温度端子、２７、２８ 電線の径の小さな部分、３０ 銅線、３１、３２ 電流端子。

Claims (5)

1. 電源と負荷とを接続する線路の近傍の線路温度を検出する温度検出部と、
   上記線路の間に接続され、上記電源から上記負荷への電力の供給を開閉する半導体スイッチと、
   上記線路温度が予め定める閾値を超えたとき上記半導体スイッチを遮断する制御回路と、
   を備えることを特徴とする過電流保護装置。
2. 上記配線は、上記温度検出部の近傍の部分の抵抗値が他の部分より大きいことを特徴とする請求項１に記載する過電流保護装置。
3. 上記温度検出部とその近傍にある上記線路とをプリント基板上に形成することを特徴とする請求項１または２に記載する過電流保護装置。
4. 上記温度検出部を、上記半導体スイッチが実装されたプリント基板上の外部端子と上記電源または上記負荷とをつなぐ電線の近傍に設けることを特徴とする請求項１または２に記載する過電流保護装置。
5. 上記温度検出部は、上記電線に並行して並置される金属線からなる温度検出素子を具備し、
   上記金属線の抵抗値の変化を上記金属線の抵抗温度係数を用いて上記線路温度に変換することを特徴とする請求項４に記載する過電流保護装置。

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