JP2014123472A

JP2014123472A - 直流用コネクタ

Info

Publication number: JP2014123472A
Application number: JP2012278671A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Murai; 謙介村井; Tadatoshi Babasaki; 忠利馬場崎; Yasumichi Kanai; 康通金井; Norimitsu Tanaka; 憲光田中; Shunpei Inamori; 隼平稲森; Yuji Higuchi; 裕二樋口; Yoshitaka Asakimori; 孔貴浅木森
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03

Abstract

【課題】コネクタ抜去時のアークの発生を抑制し、通電時のエネルギーロスを抑える直流コネクタを提供する。
【解決手段】本発明の直流用コネクタは、電源と負荷との間において直流電力配線を接続するための対となる接続部から構成される直流用コネクタにおいて、電源側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された電源側のコンデンサと、負荷側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された負荷側のコンデンサとを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流用コネクタに関し、より詳細には、コネクタ抜去時のアークの発生を抑制し、通電時のエネルギーロスを抑える直流コネクタに関する。

従来、コンセントは一般に交流電源に対するものであり、直流電源に対しては低電圧のものに限られていた。例えば電気学会技術報告第８１８号「家庭内情報機器用電源の技術動向と標準化―ＩＴ時代の省エネルギー技術、給電方式技術、二次電池・充電器技術」１３頁に記載されているように、直流低圧系統に接続されるコンセントの電圧は２４Ｖ以下とされている。この場合、対象が家庭内情報機器であるから供給電力も比較的小さく、プラグの挿抜に対してもさほど問題にならなかった。しかし、供給電力の対象となる機器の数の増大や、消費電力が大きい装置への電力供給のために、特に比較的高い電圧で大きな電力が要求される場合には、電源プラグの挿抜時のスパークが問題となっていた。このように直流用コンセントではプラグを引き抜く際のアーク等安全性の問題があり、このような問題への対策が必要となる。

従って高電圧であってもスパークを発生することなく、安全性を確保する機能を有する特許文献１に記載のような小型の直流コンセントが開発されている。

図１は特許文献１に記載のコンセントの構造を示す図である。図１に記載のコンセント１は、半導体スイッチであるＭＯＳＦＥＴ１１、ＭＯＳＦＥＴ１１にバイアス電圧を印加するための電圧分割用の抵抗１２及び１３、プラグ２の受け側となる接点１４、１５、１６を有する。また、プラグ２は、コンセントへの挿入側となる端子２１及び２２を有する。プラグ２における端子２１の受け側となるコンセント１の挿入口３１内に設けられた接点１４は直流電源の正極側となる電源端子５に接続されており、プラグ２における端子２２の受け側となるコンセント１の挿入口３１内に設けられた接点１５はＭＯＳＦＥＴのドレイン電極１１１に接続され、ＭＯＳＦＥＴのソース１１２は直流電源の負極側となる電源端子６に接続されている。抵抗１２はＭＯＳＦＥＴのソース端子１１２とゲート端子１１３間に接続されており、抵抗１３はＭＯＳＦＥＴのゲート端子１１３と接点１６間に接続されている。接点１６はプラグ２における端子２１用の挿入口３１に対して、接点１４よりも更に奥のほうの位置にあり、プラグ２を十分に挿入した場合プラグ２１に接触し、かつ接点１４をはじめ他の部分とも電気的な導通を有しないように設けられている。

プラグ２をコンセント１に挿入していくと、まず端子２１と２２がコンセント１内の正極の電源端子５に接続された接点１４及びＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン端子１１１に接続された接点１５とそれぞれ接触し、更にプラグ２の挿入を進めて、次に端子２１が接点１６に接触する。端子２１は該に直流電源の正電位となっているので、抵抗１２と１３によってＭＯＳＦＥＴ１１のゲート端子１１３に分圧電圧が印加されることになり、ＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態となり、負極側の電源端子６と端子２２が接続状態となる。以上のようにして、コンセント１からプラグ２へ電力供給可能となる。ここで、接点１６は、バネ式のスイッチ等としても良い。

プラグ２をコンセント１から引き抜く際においては、まず接点１６が離れることによりＭＯＳＦＥＴ１１のバイアス電圧が０ＶとなりＭＯＳＦＥＴ１１が遮断状態となり回路が開き、その後プラグ２における端子２１及び端子２２の接触が切れる。このように、仮に電力供給中であっても、メカニカルに遮断状態とする前に電子的に遮断状態とするため、アークを発生することなくプラグ２を引き抜くことができる。

特開２００３−２０３７２１号公報

しかしながら、図１に記載のようなコンセントは、半導体スイッチを使用するため、通常の使用において、半導体スイッチにおいて電気的な損失が発生するという問題点があった。また、半導体スイッチに電流が流れることにより、半導体スイッチが発熱するため、発熱の対策を取る必要があった。更にプラス極側接点が２つ必要になるため、内部の構造が複雑化するという問題もあった。

本発明の直流用コネクタは、回路の接続に用いる２つのコネクタそれぞれのうちにおいて正極側配線と負極側配線との間にコンデンサを挿入することを特徴とする。

これにより、電源側のコネクタでは回路の切断による電圧上昇をコンデンサへの充電により抑制する一方、負荷側のコネクタでは切断時の急激な電圧降下がコンデンサの電圧により抑制されることにより、コネクタを抜去直後に接続部間に生じる大きな電位差を抑制することが可能になり、通電時のエネルギーロスを発生することなく、安価な構成でアークの発生を防止することができるようになる。

具体的には、本発明の直流用コネクタは、電源と負荷との間において直流電力配線を接続するための対となる接続部から構成される直流用コネクタにおいて、電源側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された電源側のコンデンサと、負荷側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された負荷側のコンデンサとを備えることを特徴とする。

また、本発明の直流用コネクタの前記正極側及び負極側の各コンデンサの容量は、接続部の解除後において、コネクタ抜去時の接続部引き離し速度を考慮して電源側の接続部と負荷側の接続部との間の電位差と距離がアークを発生しない条件を満たすような値に設定されることを特徴とする。

また、本発明の直流用コネクタは、前記負荷側の接続部に接続された前記正極側配線と前記負荷側のコンデンサとの間に、充電用抵抗とダイオードとを更に有し、前記ダイオードは前記負荷側のコンデンサから前記正極側配線に電流が流れるように設置されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、アークの発生を防止するために直流用コネクタ内に新たに追加する回路がコンデンサと充放電回路のみなので、回路構成がシンプルである。また、半導体スイッチを使用しないため、電気的損失とスイッチによる発熱の対策を考える必要がない。

特許文献１に記載の従来のコンセントの構造を示す図である。本発明の一実施形態にかかる直流用コネクタ２００の回路構成を示す図である。本発明の他の実施形態にかかる直流用コネクタ３００の回路構成を示す図である。コンデンサを設けていない従来の直流用コネクタの挿抜の様子を示す図である。図３に記載の直流用コネクタ３００の挿抜の様子を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［回路構成］
図２は、本発明の一実施形態にかかる直流用コネクタ２００の回路構成を示す図である。図２の直流用コネクタは、電源側コネクタ２１０と負荷側コネクタ２２０とから構成され、電源側コネクタ２１０は、正極側接続部２１１と負極側接続部２１２を有している。正極側接続部２１１は、配線抵抗Ｒ₁２１６と配線インダクタＬ₁２１７を有する正極側配線２１３を介して電源２３０の正極と接続されており、負極側接続部２１２は、負極側配線２１４により電源２３０の負極と接続されている。更に、電源側コネクタ２１０内において、正極側配線２１３と負極側配線２１４との間には、コンデンサ２１５が接続されている。

一方で、負荷側コネクタ２２０は、正極側接続部２２１と負極側接続部２２２を有している。正極側接続部２２１は、配線抵抗Ｒ₂２２６と配線インダクタＬ₂２２７を有する正極側配線２２３を介して負荷２４０の正極と接続されており、負極側接続部２２２は、負極側配線２２４を介して負荷２４０の負極と接続されている。更に、負荷側コネクタ２２０内において、正極側配線２２３と負極側配線２２４との間には、コンデンサ２２５が接続されている。

各コンデンサの役割は、コネクタ抜去後のコネクタ間の電圧発生を抑制することにある。電源２３０側から流れてくる電流は、接続部が開放された場合、コンデンサ２１５に流れるため、正極側配線２２１に流れる電流の変化量を小さくすることができる。また、負荷２４０には、接続部が開放されてもコンデンサ２２５から電流が流れるため、電流変化量を小さくすることができる。このため、正極側コネクタ２１０と負極側コネクタ２２０との間の電圧を小さくすることができ、アークの発生を防止することができる。

ここで、コンデンサ２１５及び２２５の容量の設定については、本発明の直流用コネクタ２００に接続される回路に流れる最大電流と、コネクタ抜去時の接続部引き離し速度を考慮して、接続部間の電位差と距離との関係が、アークが発生しないような条件を満たすように、各コンデンサの容量を設定することが必要である。具体的には、引き外したあとに時間的に変化する距離と時間的に変化する端子間の電圧が、常にアークが発生しない条件にすることが求められる。

アークが発生するか否かは接続部解放後の接続部間の電位差と距離に大きく依存するが、端子間の電位差はコンデンサの電圧によって決まり、コンデンサの電圧は時間とともに変化し、端子間の電位差を増大させる。これは電源側のコンデンサは電源側から流れてくる電流によって充電され、負荷側のコンデンサは付加に流れていく電流によって放電されるからである。また、接続部間の距離は物理的なものであるが、接続部の引き離しを行なうと、時間とともに端子間の距離が長くなる。よって、引き外したあとに時間的に変化する距離と時間的に変化する端子間の電圧が、常にアークが発生しない条件にするように、各コンデンサの容量を設定することが必要である。

また、図２に記載の直流用コネクタ２００を更に発展させたコネクタが提案される。図３は、図２に記載の直流用コネクタ２００を改良した本発明の他の直流用コネクタ３００の回路構成を示す図である。図３の直流用コネクタ３００の電源側コネクタ３１０、正極側接続部３１１、負極側接続部３１２、正極側配線３１３、負極側配線３１４、配線抵抗Ｒ₁３１６、配線インダクタＬ₁３１７、コンデンサ３１５、負荷側コネクタ３２０、正極側接続部３２１、負極側接続部３２２、正極側配線３２３、負極側配線３２４、コンデンサ３２５、配線抵抗Ｒ₂３２６、配線インダクタＬ₂３２７、電源３３０および負荷３４０は、それぞれ図２に記載のコネクタ２００の電源側コネクタ２１０、正極側接続部２１１、負極側接続部２１２、正極側配線２１３、負極側配線２１４、配線抵抗Ｒ₁２１６、配線インダクタＬ₁２１７、コンデンサ２１５、負荷側コネクタ２２０、正極側接続部２２１、負極側接続部２２２、正極側配線２２３、負極側配線２２４、コンデンサ２２５、配線抵抗Ｒ₂２２６、配線インダクタＬ₂２２７、電源２３０および負荷２４０と同一である。また、回路構成も、負荷側コネクタ３２０内の正極側配線３２３とコンデンサ３２５との間の配線以外はすべて同一である。

ここで、コネクタ３００は、負荷側コネクタ３２０内の正極側配線３２３とコンデンサ３２５との間に、充電用抵抗Ｒ₃３２８が設けられている。この充電用抵抗Ｒ₃３２８を設けることにより、コネクタ接続時にコンデンサに流れる突入電流を防ぐことができる。また、負荷側コネクタ３２０内の正極側配線３２３とコンデンサ３２５との間に、ダイオード３２９も設けられている。ダイオード３２９はアノード側がコンデンサ３２５に接続され、カソード側が正極側配線３２３に接続されている。このダイオード３２９を設けることにより、コンデンサの放電ルートを確保することができる。

具体的には、コネクタ抜去時において、負荷３４０にコンデンサ３２５からの放電電流を流す必要があるが、コンデンサ３２５と正極側配線３２３と間に充電用抵抗Ｒ₃３２８を入れた場合には、抵抗３２８でＩＲにより発生する電圧をコンデンサ電圧から差し引いた電圧が接続部に印加されることになるため、負荷側接続部３２１の電圧がコンデンサ３２５の電圧より小さくなることにより接続部間の電圧が相対的に大きくなる。このために充電用抵抗Ｒ₃３２８と並列にダイオード３２９を配置し、抵抗による電圧降下を回避する。

［挿抜時の説明］
次に本発明の直流用コネクタの挿抜時について説明する。ここで、まず、従来の、コンデンサを設けていない直流用コネクタ４００についての挿抜の説明を行なう。図４は、コンデンサを設けていない従来の直流用コネクタの挿抜の様子を示す図である。図４ａは直流用コネクタ４００の電源側と負荷側が接続された状態の図を示し、図４ｂは、直流用コネクタの電源側と負荷側の接続が解除された状態の図を示す。

図４ａを参照すると、直流用コネクタ４００の電源側コネクタ４１０と負荷側コネクタ４２０が接続されている抜去前の状態では、正極側配線４１３、電源側接続部４１１、負荷側接続部４２１及び正極側配線４２３を介して、電流Ｉが電源４３０から負荷４４０に流れる。また、同様に、負極側配線４２４、負荷側接続部４２２、電源側接続部４１２及び負極側配線４１４を介して、電流Ｉが負荷４４０から電源４３０に流れる。

ここで、図４ｂに示すように、直流用コネクタ４００の電源側コネクタ４１０と負荷側コネクタ４２０の接続を解除した抜去後の状態では電源側接続部４１１と負荷側接続部４２１とにおいて電流が遮断されるが、通電された状態から電流が遮断されることにより、電源側コネクタ４１０では電圧上昇を起こし、負荷側コネクタ４２０では電圧降下を起こす。このとき、電源側接続部４１１と負荷側接続部４２１との間で、
Ｖ₁＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）ｄＩ／ｄｔ
の電位差が生じる。そのため、抜去直後に電源側接続部４１１と負荷側接続部４２１との間でアークが発生してしまう。

つぎに、本発明に示す、コネクタ内の正極側配線と負極側配線との間にコンデンサを挿入した直流用コネクタの挿抜についての説明を行なう。図５は、図３に記載の直流用コネクタ３００の挿抜の様子を示す図である。図５ａは直流用コネクタ３００の電源側と負荷側が接続された状態の図を示し、図５ｂは、直流用コネクタ３００の電源側と負荷側の接続が解除された状態の図を示す。

図５ａを参照すると、直流用コネクタ３００の電源側コネクタ３１０と負荷側コネクタ３２０が接続されている抜去前の状態では、図４ａと同様に、電流Ｉが電源３３０から負荷３４０に流れる。また、同様に、電流Ｉが負荷３４０から電源３３０に流れる。

ここで、図５ｂに示すように、直流用コネクタ３００の電源側コネクタ３１０と負荷側コネクタ３２０の接続を解除した抜去後は、電源側コネクタ３１０では電圧上昇を起こし、負荷側コネクタ４２０では電圧降下を起こすが、電源側においてはコンデンサ３１５に電流Ｉ₁を充電することにより電圧上昇を抑制し、負荷側コネクタ３２０では電圧降下がコンデンサの電圧により抑制され、電流Ｉ₂が放電される。このとき、電源側接続部３１１と負荷側接続部３２１との間で、
Ｖ₂＝Ｌ₁×（ｄＩ₁／ｄｔ）＋Ｌ₂×（ｄＩ₂／ｄｔ）
の電位差が生じるが、Ｉ₁とＩ₂は抜去時にコンデンサに流れる経路があるため、ｄＩ₁／ｄｔとｄＩ₂／ｄｔはｄＩ／ｄｔより十分に小さい値となる。よって、Ｖ₁＞Ｖ₂となり、抜去後に電源側接続部４１１と負荷側接続部４２１との間で発生するアークを抑えることができる。

１コンセント
２プラグ
５直流電源正電極
６直流電源負電極
１１ＭＯＳＦＥＴ
１２第１の抵抗
１３第２の抵抗
１４第１の接点
１５第２の接点
１６第３の接点
３１、３２挿入口
１１１ＭＯＳＦＥＴドレイン電極
１１２ＭＯＳＦＥＴソース電極
１１３ＭＯＳＦＥＴゲート電極
２００、３００、４００直流用コネクタ
２１０、３１０、４１０電源側コネクタ
２２０、３２０、４２０負荷側コネクタ
２３０、３３０、４３０電源
２４０、３４０、４４０負荷
２１１、２２１、３１１、３２１、４１１、４２１正極側接続部
２１２、２２２、３１２、３２２、４１２、４２２負極側接続部
２１３、２２３、３１３、３２３、４１３、４２３正極側配線
２１４、２２４、３１４、３２４、４１４、４２４負極側配線
２１５、２２５、３１５、３２５コンデンサ
２１６、２２６、３１６、３２６、４１６、４２６配線抵抗
２１７、２２７、３１７、３２７、４１７、４２７配線インダクタ
３２８充電用抵抗
３２９ダイオード

Claims

電源と負荷との間において直流電力配線を接続するための対となる接続部から構成される直流用コネクタにおいて、
電源側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された電源側のコンデンサと、
負荷側の接続部に接続された正極側配線と負極側配線との間に挿入された負荷側のコンデンサと
を備えることを特徴とする直流用コネクタ。
前記正極側及び負極側の各コンデンサの容量は、接続部の解除後において、コネクタ抜去時の接続部引き離し速度を考慮して電源側の接続部と負荷側の接続部との間の電位差と距離がアークを発生しない条件を満たすような値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の直流用コネクタ。
前記負荷側の接続部に接続された前記正極側配線と前記負荷側のコンデンサとの間に、負荷抵抗とダイオードをと更に有し、前記ダイオードは前記負荷側のコンデンサから前記正極側配線に電流が流れるように設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流用コネクタ。