JP2012506687A - 特には情報技術システムのための多段の過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、多段の過電圧保護回路であって、特には情報技術システムのためのものであり、少なくとも１つの大まかな保護素子と、少なくとも１つの精密な保護素子とを備えており、少なくとも１つの精密な保護素子を、閾値に依存するトリガ装置によって作動させることができる過電圧保護回路に関する。本発明によれば、供給される動作電圧は、基準電圧を生成する評価装置に導かれる。また、評価ユニットは、第１に現在の動作電圧が基準電圧を超過するか否かをチェックし、第２に、値の超過が所定のレベルを超えるか否かをチェックし、第３に、動作電圧の変化の速度が別の所定の値よりも大きいか否かを調べ、そうであれば、過渡の過電圧が存在して、トリガ装置が評価装置からの作動信号を受信する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、多段の過電圧保護回路であって、特には情報技術システムのためのものであり、少なくとも１つの大まかな保護素子と、少なくとも１つの精密な保護素子とを備えており、少なくとも１つの精密な保護素子を、閾値に依存するトリガ装置によって作動させることができる請求項１の冒頭部分（プリアンブル）に記載の過電圧保護回路に関する。

複数の段からなる過電圧保護回路が、公知の従来技術に記載されている。通常は、第１の段が、大電流を阻むことができる一方で、比較的高い動作電圧を有している構成部品によって形成される。そのような構成部品は、ガス放電アレスタとすることができる。そのような保護回路は、大きな公称値範囲において使用することが可能であるが、高い保護レベルゆえにコンピュータや電話システムなどといった情報技術設備には、充分な保護を提供しない。従って、通常は、公称の電圧に可能な限り近い制限が保証されるよう、信号電圧に合わせられた精密な保護素子、すなわちＺダイオード又はＴＶＳダイオードなどを備える追加の段が設けられる。少なくとも１つの切り離し素子が、大まかな保護素子と精密な保護素子との間に設けられ、上述の各段の挙動を協調させるように機能する。

過電圧保護装置を備える増幅器回路が、DE 198 45 281 A1に開示されている。精密な保護素子は、所定の閾値を超える場合に、設けられた増幅器の信号線を短絡させるトランジスタである。具体的には、トランジスタ保護回路が、過電圧障害信号の方向において実際の過電圧アレスタの下流に接続され、トランジスタ保護回路のトランジスタが、通常の動作においては遮断されており、過電圧の発生時に許容可能な最大電圧を制限することによって切り換えられる。

DE 10 2004 036 164 A1による電圧制限装置においては、少なくとも１つの電圧入力及び１つの電圧出力が設けられている。第１の電圧制限ユニットに、少なくとも１つの入力及び１つの出力が設けられており、少なくとも第１のスイッチが、第１の電圧制限ユニットにおいて、その入力及び出力の間に設けられている。さらに、電圧センサが第１の電圧制限ユニットに設けられ、予め定めることができる最大電圧値を超える電圧が第１の電圧制限ユニットの入力に存在する場合に、第１のスイッチを開くように構成されている。

EP 1 278 283 A2は、電子部品を過電圧から保護するための装置を記載している。当該装置は、所定の過電圧値に達したときにトリガ回路によって切り換えることが可能な少なくとも１つのトランジスタを備えることで、邪魔な電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。使用されている精密な保護素子は、Ｚダイオードである。

PCT/WO 2004/006408 A1は、ある電流値を超える場合に高インピーダンス状態に移行して、端子への電流の流れを制限する電子切り離し素子ＴＢＵを有する保護回路を開示している。この教示の欠点は、過電圧の場合に充分に大きな電流の流れを生じさせるために、電圧制限部品を端子に設けなければならない点にある。

PCT/WO 02/50973 A1によるモデム用の保護ユニットにおいては、精密な保護素子が、サイリスタによって切り換えられる。サイリスタは、端子への電流の流れによって駆動される。この回路構成の欠点は、この端子もやはり、過電圧の場合に充分な電流の流れを生じさせるために、電圧制限部品を備えなければならない点にある。

従来技術による解決策に基づき、本発明の目的は、特には情報技術システムのための過電圧保護回路であって、可能な限り最大の電圧範囲について使用することができ、動作電圧に可能な限り近い過電圧の制限を達成することができる更に進化した多段の過電圧保護回路を提供することにある。

本発明の目的に対する技術的解決策は、請求項１の教示による特徴の組み合わせによって実現される。従属請求項が、少なくとも有用な実施形態及び進歩を定めている。

本発明による多段の過電圧保護回路は、自身を現在の動作電圧へと自動的に調節することができる。検出される動作電圧の値が過電圧によって許容できないほどに超えられる場合、電圧レベルが制限され、生じる外乱電流が抑えられる。

公知の過電圧保護回路と対照的に、各々の動作電圧レベルのために特定の種類の過電圧保護装置を設定する必要がない。

本発明によれば、現在の動作電圧が基準電圧を生成する分析部へと供給される。

更に、評価ユニットが設けられ、第１に現在の動作電圧が基準電圧を超過するか否かをチェックする。第２に、値の超過が所定のレベルを超えるか否かがチェックされ、第３に、動作電圧の変化の速度が別の所定の値よりも大きいか否かが調べられる。そのようである場合、過渡の過電圧であると結論付けられ、トリガ装置が、分析部からの作動信号を受信する。

値が動作電圧の所定のレベルを超過するが、変化の速度が低い場合、分析部は、現在の動作状態に合わせて調節された新たな現在の基準電圧をもたらす。

本発明の一実施形態においては、分析部における動作電圧が、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１へと供給され、このコンデンサＣ１が、直列に接続された抵抗器Ｒ３を介して動作電位へと接続されている。コンデンサＣ１に存在する電圧が、基準電圧である。

動作電圧の変化の速度についての時定数が、抵抗器Ｒ３及びコンデンサＣ１によって定められ、この時定数を超える場合に、評価可能な電圧がＲ３に存在する。

コンデンサＣ１と抵抗器Ｒ３との間の接続点に、動作電圧の変化の更なる範囲を定めるツェナーダイオードＤ３が設けられる。

ツェナーダイオードＤ３の出力端に、もう１つのコンデンサＣ２が設けられ、このコンデンサＣ２が、精密な保護素子のトリガ電圧のスルーレートを制限するために、動作電位に向かって接続される。

精密な保護素子が、ベースが上述のコンデンサＣ２へと接続されているトランジスタによってトリガされる。

最大制限電圧を調節するための他のツェナーダイオードＤ４が、動作電位とトランジスタのベースとの間に接続される。

更に、抵抗器、インダクタンス、容量素子、及び／又はＴＢＵユニットの形態の切り離し素子が、それ自身は公知の様相で保護段の間に設けられる。

本発明を、実施形態によって、図面の助けを借りて、更に詳しく後述する。

２つの段Ａ１及びＶ１からなり、切り離し抵抗器Ｒ１が入力ＩＮと出力ＯＵＴとの間に接続されている従来技術による公知の過電圧保護回路を示している。 本発明による装置のブロック図を示している。 分析部による電圧変化の評価に関するプログラムフローチャートを示している。 例えば信号電圧の供給電圧への重畳など、基準電圧の付近の許容範囲内の変化であり、このシステムに起因する動作電圧の変化を制限しない場合における電圧−時間挙動を示している。 基準電圧の付近の許容範囲を超えるが、電圧変化のスルーレートは依然として所定の値を超えず、したがって変化がやはり容認できる変化であり、結果として電圧レベルは制限されないが、新たな基準電圧が生成される場合における電圧−時間挙動を示している。 基準電圧の付近の許容範囲を超え、電圧変化のスルーレートも所定の値を超え、したがって過電圧が過渡的な過電圧であり、結果として現在の電圧の制限が開始される電圧−時間挙動を示している。 過電圧保護回路の実施形態の回路の第１の実施例を示している。 正及び負の動作電圧を制限するための両極性の構成を有している過電圧保護回路の第２の実施形態を示している。 電子切り離し素子（ＴＢＵ）を有する過電圧保護回路の第３の実施形態を示している。

図２のブロック図に示されているように、過電圧保護回路が、大まかな保護素子及び制御可能な精密な保護装置を、入力ＩＮと出力ＯＵＴとの間に備えている。上述の集合体の両者は、切り離しユニットによって互いに分離される。

更に、分析用電子機器が、制御用電子機器へと接続されて設けられ、制御用電子機器が、出力端の制御可能な保護装置に作用する。図２に見て取ることができるとおり、現在の動作電圧が、分析用電子機器へと供給され、この電子装置が、動作電圧を継続的に監視する。

現在の電圧が上昇する場合に、予め定められる基準に鑑みて、電圧の上昇が容認できない過電圧であるか否かが判断される。過電圧の場合には、制御用電子機器又はトリガ装置が、（精密な）保護装置を作動させる。

制御可能な（精密な）保護装置の能力に応じて、大まかな保護を、上流に接続することができる。

分析用電子機器が、過電圧の形態の電圧変化と動作電圧の付加的な変化とを区別する機能を有している。

分析用電子機器による電圧変化の評価が、図３に示したフローに示されている。

最初に、基準電圧が、供給される動作電圧から生成され、過電圧保護回路の公称電圧及び制限電圧を調節するために使用される。

現在の動作電圧が基準電圧に対して変化する場合に、容認できる動作電圧の変化又は過電圧のいずれであるかの判断が行われる。

判断のために、以下の基準が評価される。
ａ）変化が基準電圧の付近の容認可能な範囲内である場合、信号電圧の供給電圧への重畳が関係している。この場合、このシステム起因の動作電圧の変化は、制限されない。該当の挙動が、図４に示されている。
ｂ）基準電圧の容認可能範囲を超える一方で、電圧変化のスルーレート（slew rate）は所定の値を超えない場合、動作電圧の容認できない変化が検出される。しかしながら、この場合にも、電圧レベルはやはり制限されない。代わりに、新たな基準電圧が生成され、過電圧保護回路の新たな公称電圧及び制限電圧が設定される。この挙動が、図５に示されている。
ｃ）基準電圧の付近の容認可能範囲を超え、かつ電圧変化のスルーレートが所定の値を超える場合、過電圧は、過渡的な過電圧である。この場合には、電圧の制限が、図６に示されるように開始される。

図７が、情報技術システムにおける信号に対する正の電圧インパルスを制限するために、現実的に実現される過電圧保護回路の第１の実施形態を示している。

サイリスタＴ１が、トランジスタＴ２によってトリガされる精密な保護素子として使用される。

トランジスタＴ２によって、電流増幅の係数によって信号回路への負荷を減らすために、サイリスタＴ１の制御電流が減らされる。

コンデンサＣ１における電圧が、信号電圧のＤＣ成分に比例する。抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ１によって定められる時定数が、この基準電圧の調節レートを決定する。

現在の信号のスルーレートがこの時定数を超える場合、抵抗Ｒ３の電圧が低下する。

動作電圧の変化についての容認可能範囲は、ツェナーダイオードＤ３のツェナー電圧の選択によって定められる。
ダイオードＤ１及びトランジスタＴ２を含んでいる図示の回路においては、この値が、Ｕｚ＋２．３Ｖによって得られる。抵抗Ｒ３における電圧がこの値を超える場合、サイリスタＴ１がトリガされる。

サイリスタＴ１のトリガ電圧のスルーレートは、コンデンサＣ２によって制限される。信号電圧が高いスルーレートを有する場合（方形波信号）、これは、望まれない作動を回避するために好都合である。

ツェナーダイオードＤ４が、紹介される回路の最大制限電圧を定める。

図８は、図７による回路の説明に基づくが、正及び負の動作電圧の制限を可能にするために両極性である、別の実施形態を示している。

図８に示されているような両極性の動作電圧のための回路構成は、それぞれの極性のための２つのサイリスタＴ１、Ｔ３を備えている。あるいは、トライアックを使用することも可能である。

図８に示した実施例においては、分析用電子機器が、冗長であるように構成されている。すなわち、正の直流電圧成分のための基準電圧が、Ｃ１によって生成される。ＤＣ電圧が負である場合、基準電圧はＣ３によって生成される。この実施形態の更なる利点は、過電圧保護回路の接続を間違えてもよい点にあり、すなわち逆極性の保護が得られ、設置の際の誤りが排除される点にある。

図８による例では、サイリスタが、設けられたサイリスタのそれぞれの極性に応じて個別にトリガされる。アノード側及びカソード側においてトリガすることができるトライアック又は２つのゲートを有するサイリスタの使用も、別々の分析用電子機器及び制御を有する実施形態を可能にする。

図９による回路構成の実施形態においては、電子切り離し素子（ＴＢＵ）の利点が、紹介された本発明の技術的解決策に組み合わせられ、すなわち両極性の構成のトリガ可能な精密な保護素子に組み合わせられる。

分析用電子機器の機能及びサイリスタの制御に関して、図９に示した回路構成は、図８による実施例におおむね対応する。相違点は、切り離し素子として、一般的な抵抗又はインダクタンスの代わりに、ＴＢＵ（Transient Blocking Unit：過渡遮断ユニット）が使用されていることである。

ＴＢＵの機能を、電子スイッチの機能と比較することができる。ＴＢＵは、自身の入力及び出力の間の電流の流れを監視する。電流が所定の値を超える場合、ＴＢＵが作動し、入力−出力の接続を極めて迅速にオフにする。この機能は、精密な保護への電流負荷が極めて小さいだけでなく、過電圧保護回路について極めて低い保護レベルを得ることができる理想的な切り離し素子の実現を可能にする。

ＴＢＵ部品は、トリガ状態（すなわち、高インピーダンス状態）から元の状態（低インピーダンス状態）へのリセットにおいて、ＴＢＵにおける電圧が、割り当てられた値（具体的な事例では、１４Ｖ）よりも低くなければならないという欠点を有している。１４Ｖ超の直流電圧での動作の際には、これを追加の方策なしでは保証することができない。ＴＢＵに対する抵抗の並列接続によって、本発明は、これを所定の最大動作電圧において達成する簡単な可能性を提供する。

図示の実施例に関して、この抵抗を、以下のように決定することができる。
最大動作電流： １００ｍＡ
ＴＢＵにおける電圧： ≦１０Ｖ
Ｒ＝１０Ｖ／０．１Ａ＝１００Ω

当然ながら、結合素子としてのＴＢＵ及び抵抗器の直列又は並列接続の形態の組み合わせも、可能である。

作動後のＴＢＵを、障害の消失後に初期の低インピーダンス状態へと戻すために、ＴＢＵにおける電圧低下が割り当てられた値を下回ることが保証されている。ＴＢＵ及び抵抗器の組み合わせを適切に調節することによって、必要なリセットを保証することができる。

紹介された技術的解決策は、自らをそれぞれの動作電圧へと自動的に適合させる過電圧保護回路を提供し、分析用電子機器が、該当の過電圧が検出された場合の保護装置の作動を保証する。

制限電圧の値が、過電圧が生じた場合に現在のそれぞれの動作電圧にとって最適な電圧制限が得られるよう、動作電圧に合わせて継続的に調節される。

分析用電子機器は、容認できる動作電圧であるか、あるいは過電圧が存在しているかを、明確に判断するために、動作電圧の信号分析（変化の速度、電圧の揺れ、最大レベル）に基づいて評価を実行することができる。動作電圧の直流電圧成分のための制御回路を、小さな容量によって実現することができ、正及び負の信号並びに動作電圧のための回路の両極性の構成が可能である。

動作電圧の制限を、追加のＺダイオードによって所定の上限値へと調節することができ、この場合には、電圧制限回路を、分析用電子機器をバイパスすることによって直接作動させることができる。実施形態に設けられているようなダイオード及びサイリスタの直列接続ゆえに、逆電流及び回路構成の全体の容量を減らすことができる。

更には、例えばＤＣ２４Ｖの動作電圧がオンに切り換えられる場合など、ＤＣ動作電圧がオンに切り換えられる場合又は動作条件が変化する場合に生じる変化の速度が、本発明によれば、必ずしも過電圧保護回路の反応につながらないことに、注意すべきである。このオンへの切り替えプロセスは、１ｍｓという典型的な時間を要すると推定することができる。これは、２４Ｖ／ｍｓという変化の速度になると考えられる。

これと対照的に、稲妻又はスイッチングの活動の影響によって引き起こされる過電圧インパルスは、大幅に高いスルーレートを有する。例えば、電気通信システムに関する指示において、想定すべき最小の影響は、１０／７００μｓというパルス形状及び１ｋＶという振幅によって指定されている。これは、１００Ｖ／μｓという変化の速度をもたらす。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの大まかな保護素子と、少なくとも１つの精密な保護素子とを備えており、前記少なくとも１つの精密な保護素子を、閾値に依存するトリガ装置によって作動させることができる、特には情報技術システムのための多段の過電圧保護回路であって、
   現在の動作電圧が、基準電圧を生成する分析部に供給され、評価ユニットが更に設けられており、第１には前記現在の動作電圧が前記基準電圧を超過するか否かをチェックし、第２には超過している値が検知するための所定のレベルを超えるか否かをチェックし、第３には前記動作電圧の変化の速度が過渡の過電圧が存在する他の所定の値よりも大きいか否かをチェックし、
   前記トリガ装置が、次いで前記分析部から作動信号を受信することを特徴とする過電圧保護回路。
2. 値が前記動作電圧の前記所定のレベルを超過するが、変化の速度が低い場合に、前記分析部が、現在の動作状態に合わせて調節された新たな現在の基準電圧をもたらすことを特徴とする、請求項１に記載の過電圧保護回路。
3. 前記分析部における前記動作電圧が、ダイオード（Ｄ２）を介してコンデンサ（Ｃ１）に供給され、該コンデンサ（Ｃ１）が、直列に接続された抵抗器（Ｒ３）を介して動作電位へと接続され、コンデンサ（Ｃ１）に存在する電圧が前記基準電圧であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の過電圧保護回路。
4. 抵抗器（Ｒ３）及びコンデンサ（Ｃ１）によって定められる時定数が、前記動作電圧の変化の速度を定めており、前記時定数を超える場合に電圧が抵抗器（Ｒ３）に存在することを特徴とする、請求項３に記載の過電圧保護回路。
5. コンデンサ（Ｃ１）と抵抗器（Ｒ３）との間の接続点に、前記動作電圧の変化の許容範囲を定めるツェナーダイオード（Ｄ３）が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の過電圧保護回路。
6. ツェナーダイオード（Ｄ３）の出力端に、他のコンデンサ（Ｃ２）が設けられ、該コンデンサ（Ｃ２）が、前記精密な保護素子のトリガ電圧のスルーレートを制限するために、前記動作電位に向かって接続されていることを特徴とする、請求項５に記載の過電圧保護回路。
7. 前記精密な保護素子（Ｔ１）は、ベースが前記コンデンサ（Ｃ２）に接続されているトランジスタ（Ｔ２）によってトリガされることを特徴とする、請求項６に記載の過電圧保護回路。
8. 最大制限電圧を調節するための他のツェナーダイオード（Ｄ４）が、前記動作電位と前記トランジスタ（Ｔ２）のベースとの間に接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の過電圧保護回路。
9. 抵抗器、インダクタンス、容量素子、及び／又はＴＢＵユニットの形態を有する切り離し素子が、前記保護段の間に接続されていることを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載の過電圧保護回路。