JP2014195398A

JP2014195398A - 過電圧保護回路

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Publication number: JP2014195398A
Application number: JP2014036331A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhisa Yamada; 哲久山田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP6229842B2

Abstract

【課題】入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路を提供する。
【解決手段】入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、入力端子の電圧が第１基準値以上であることを検出する第１検出部と、入力端子の電圧が第１基準値より低い第２基準値以下であることを検出する第２検出部と、第１検出部および第２検出部のいずれかが検出対象を検出すると、スイッチをオフにする判定部とを備えた過電圧保護回路。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧保護回路に関し、特に、過電圧保護動作中に入力端子を高インピーダンス状態に保つ過電圧保護回路に関する。

過大な入力電圧を制限し、入力側の装置を保護するために過電圧保護回路が用いられている。図８は、特許文献１に開示されている従来の過電圧保護回路の構成を示す図である。本図の例では、電圧ＶＩＮを入力する比較器３１０の過電圧保護を図るために、正極用過電圧保護回路３０１と、負極用過電圧保護回路３０２とが設けられている。

正極用過電圧保護回路３０１は、正極用第１ダイオードＤｐ１と正極用第２ダイオードＤｐ２と電流設定用抵抗器Ｒｐｃとを備えており、負極用過電圧保護回路３０２は、負極用第１ダイオードＤｎ１と負極用第２ダイオードＤｎ２と電流設定用抵抗器Ｒｎｃとを備えている。

入力電圧ＶＩＮが正極性の過電圧となると、正極用第１ダイオードＤｐ１が導通することで、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は、電源電圧ＶＣＣにクランプされる。また、入力電圧ＶＩＮが負極性の過電圧となると、負極用第１ダイオードＤｎ１が導通することで、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は、電源電圧−ＶＣＣにクランプされる。これにより、入力電圧ＶＩＮが過電圧となっても、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１は過電圧にならず、比較器３１０が保護されることになる。

特開２０１０−２２０３９０号公報

入力電圧ＶＩＮが正常のときは、ダイオードＤｐ１、Ｄｎ１とも非導通であるため、比較器３１０の反転入力端子におけるインピーダンスは高インピーダンス状態であるが、入力電圧ＶＩＮが過電圧となり、比較器３１０の反転入力端子の電圧Ｖ１が、電源電圧ＶＣＣあるいは−ＶＣＣにクランプされた状態になると、比較器３１０の反転入力端子におけるインピーダンスは、ダイオードＤｐ１あるいはＤｎ１の順方向インピーダンスと、電流設定用抵抗器ＲｐｃあるいはＲｎｃのインピーダンスとの合計値まで下がることになる。

このため、例えば、図９に示すように、電圧測定装置３３０を用いて被測定装置の出力電圧ＶＩＮを測定する場合に、電圧測定装置３３０の入力端子を過電圧から保護するために正極用過電圧保護回路３０１および負極用過電圧保護回路３０２を設けた回路を構成すると、測定電圧ＶＩＮが過電圧になったとき、被測定装置３２０から大きな電流Ｉｉｎが流れ出し、被測定装置３２０に悪影響を与えるおそれがある。

このように、正極用過電圧保護回路３０１および負極用過電圧保護回路３０２を用いた従来の過電圧保護回路は、過電圧保護の動作中にも入力端子のインピーダンスを高いまま保ちたい回路には不適である。

そこで、本発明は、入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の過電圧保護回路は、入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、前記入力端子の電圧が第１基準値以上であることを検出する第１検出部と、前記入力端子の電圧が第１基準値より低い第２基準値以下であることを検出する第２検出部と、前記第１検出部および前記第２検出部のいずれかが検出対象を検出すると、前記スイッチをオフにする判定部とを備えたことを特徴とする。
ここで、前記第１検出部が検出対象を検出すると、前記第１基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする正極用スイッチと、前記第２検出部が検出対象を検出すると、前記第２基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする負極用スイッチと、をさらに備えるようにしてもよい。
また、前記第１検出部および前記第２検出部は比較器で構成することができる。
また、入力端子と前記スイッチとの間に、前記過電圧保護回路の電源のオンオフに連動してオンオフする電源連動スイッチを備えるようにしてもよい。
また、前記過電圧保護回路の電源電圧が所定の基準値以下となった場合に、前記スイッチをオフにする電源電圧監視部を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、入力端子のインピーダンスが高いまま過電圧保護動作を行なう過電圧保護回路が提供される。

本実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る過電圧保護回路の動作特性を示す図である。過電圧保護回路の適用例を示すブロック図である。本実施形態に係る過電圧保護回路の別構成を示すブロック図である。別構成の過電圧保護回路の動作特性を示す図である。過電圧保護回路の動作電源である電源電圧を監視する構成例を示すブロック図である。電源電圧の監視に基づく動作を説明するタイミング図である。従来の過電圧保護回路を示す図である。従来の過電圧保護回路を電圧測定装置に適用した場合を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る過電圧保護回路の構成を示すブロック図である。

本図に示すように、過電圧保護回路１００は、入力端子ＶＩＮ、出力端子ＶＯＵＴ、入力端子ＶＴＨ、入力端子ＶＴＬ、出力端子ＵＬ、出力端子ＬＬ、第１比較器１０１、第２比較器１０２、ＯＲ回路１０３、スイッチ（ＳＷ）１０４を備えている。

スイッチ１０４は、入力端子ＶＩＮと出力端子ＶＯＵＴとの間に設けられている。スイッチ１０４がオン状態の場合、出力端子ＶＯＵＴは、入力端子ＶＩＮの電圧をそのまま出力する。スイッチ１０４がオフ状態の場合、入力端子ＶＩＮと出力端子ＶＯＵＴとは切り離され、入力端子ＶＩＮの電圧は出力端子ＶＯＵＴに伝わらない。スイッチ１０４は、トランジスタ等の半導体素子や、リレー等の装置を用いて構成することができる。

入力端子ＶＴＨには、第１基準電圧を入力し、入力端子ＶＴＬには、第１基準電圧よりも低い第２基準電圧を入力する。第１比較器１０１は、入力端子ＶＩＮに入力された入力電圧と、入力端子ＶＴＨに入力された第１基準電圧とを比較し、入力端子ＶＩＮの電圧が、第１基準電圧以上のとき、ハイレベルを出力する。第２比較器１０２は、入力端子ＶＩＮに入力された入力電圧と、入力端子ＶＴＬに入力された第２基準電圧とを比較し、入力端子ＶＩＮの電圧が、第２基準電圧以下のとき、ハイレベルを出力する。

第１比較器の出力は、ＯＲ回路１０３に入力するとともに出力端子ＵＬから外部に出力され、第２比較器の出力は、ＯＲ回路１０３に入力するとともに出力端子ＬＬから外部に出力される。

ＯＲ回路１０３は、第１比較器１０１の出力、第２比較器１０２の出力のいずれかがハイレベルのとき、すなわち、入力端子ＶＩＮの電圧が第１基準電圧以上であるか第２基準電圧以下のとき、スイッチ１０４をオフ状態に切り替える。

この構成により、第１基準電圧に正側の過電圧となる閾値を設定し、第２基準電圧に負側の過電圧となる閾値を設定することで、入力端子ＶＩＮが過電圧となっても、出力端子ＶＯＵＴに過電圧が伝わらなくなる。このため、出力端子ＶＯＵＴに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。このとき、スイッチ１０４はオフ状態であるため、過電圧保護の動作中に、入力端子ＶＩＮは高インピーダンス状態を保つことになる。したがって、前段の装置から過大電流が流れ出すことはなく前段の装置に悪影響を与えない。

また、入力端子ＶＩＮに正側の過電圧となる電圧が入力された場合、出力端子ＵＬがハイレベルとなり、入力端子ＶＩＮに負側の過電圧となる電圧が入力された場合、出力端子ＬＬがハイレベルとなる。このため、出力端子ＵＬおよび出力端子ＬＬと接続した後段の装置は、過電圧保護回路１００に正側あるいは負側の過電圧が入力されたことを検知することができる。

図２は、本実施形態の過電圧保護回路１００の動作特性を示す図である。本図に示すように、入力端子ＶＩＮの電圧（横軸方向）が、入力端子ＶＴＬの第２基準電圧より大きく、入力端子ＶＴＨの第１基準電圧より小さい場合は、スイッチ１０４がオンとなるため、過電圧保護回路１００は、入力端子ＶＩＮの電圧をそのまま出力端子ＶＯＵＴ（縦軸方向）から出力する。

また、入力端子ＶＩＮの電圧が、入力端子ＶＴＬの第２基準電圧以下の場合は、スイッチ１０４がオフとなり、出力端子ＶＯＵＴの電圧は不定となる。このとき、出力端子ＬＬはハイレベルを出力する。

入力端子ＶＩＮの電圧が、入力端子ＶＴＨの第１基準電圧以上の場合は、スイッチ１０４がオフとなり、出力端子ＶＯＵＴの電圧は不定となる。このとき、出力端子ＵＬはハイレベルを出力する。

図３は、本実施形態の過電圧保護回路１００の適用例を示す図である。本図は、被測定装置１１０の電圧を電圧測定装置１２０で測定する回路において、電圧測定装置１２０を過電圧から保護するために過電圧保護回路１００を用いた例を示している。このとき、過電圧保護回路１００を電圧測定装置１２０内に組み込むようにしてもよい。

この場合、過電圧保護回路１００の入力端子ＶＩＮに被測定装置１１０を接続し、出力端子ＶＯＵＴに電圧測定装置１２０を接続する。また、ＵＬ端子、ＬＬ端子を電圧測定装置１２０に接続することで、入力端子ＶＩＮに過電圧が入力され、測定が無効であることを電圧測定装置１２０に通知するようにしている。

過電圧保護回路１００は、被測定装置１１０から入力端子ＶＩＮに過電圧が入力され、過電圧保護が動作しても、入力端子ＶＩＮが高インピーダンス状態を保つため、被測定装置１１０から電流Ｉｉｎが流れ込まず、被測定装置１１０に悪影響を与えることを防いでいる。

なお、入力端子ＶＩＮの電圧が第１基準電圧以上あるいは第２基準電圧以下のとき、スイッチ１０４をオフ状態に切り替える回路は、図１に示した構成に限られない。例えば、第１比較器１０１、第２比較器１０２の極性を逆にするとともに、ＯＲ回路１０３をＡＮＤ回路に変え、ＡＮＤ回路の出力がハイレベルのときに、スイッチ１０４を導通状態とするようにしてもよい。

また、図１に示した構成は、過電圧保護の動作中、出力端子ＶＯＵＴの電圧が不定となるが、出力端子ＶＯＵＴの電圧が不定となることを避けるために、図４に示すような構成としてもよい。

図４に示した別構成例では、図１に示した構成に加え、第１比較器１０１の出力がハイレベルのときに、入力端子ＶＴＨと出力端子ＶＯＵＴとを導通状態にする正極用スイッチ（ＳＷ＿Ｈ）１０５と、第２比較器１０２の出力がハイレベルのときに、入力端子ＶＴＬと出力端子ＶＯＵＴとを導通状態にする負極用スイッチ（ＳＷ＿Ｌ）１０６とを備えている。

このため、図５の動作特性図に示すように、入力端子ＶＩＮの電圧が、入力端子ＶＴＬの第２基準電圧以下の場合は、スイッチ１０４と正極用スイッチ１０５とがオフとなり、負極用スイッチ１０６がオンとなるため、出力端子ＶＯＵＴの電圧は入力端子ＶＴＬの第２基準電圧となる。このとき、出力端子ＬＬはハイレベルを出力する。

また、入力端子ＶＩＮの電圧が、入力端子ＶＴＨの第１基準電圧以上の場合は、スイッチ１０４と負極用スイッチ１０６とがオフとなり、正極用スイッチ１０５がオンとなるため、出力端子ＶＯＵＴの電圧は入力端子ＶＴＨの第１基準電圧となる。このとき、出力端子ＵＬはハイレベルを出力する。

なお、入力端子ＶＩＮの電圧が、入力端子ＶＴＬの第２基準電圧より大きく、入力端子ＶＴＨの第１基準電圧より小さい場合は、図１に示した構成と同様に、入力端子ＶＩＮの電圧をそのまま出力端子ＶＯＵＴから出力する。いずれの場合においても、ＶＩＮ端子は高インピーダンス状態を保っている。

図４に示した別構成例では、正極用スイッチ１０５は、正側の過電圧状態のときに出力端子ＶＯＵＴを入力端子ＶＴＨに接続し、負極用スイッチ１０６は、負側の過電圧状態のときに出力端子ＶＯＵＴを入力端子ＶＴＬに接続するようにしていたが、それぞれ別の電圧源に接続したり、接地端子に接続するようにしてもよい。このため、過電圧状態のときは、任意の電圧を出力端子ＶＯＵＴから出力させることができる。

図６は、さらに別例として、電源電圧監視部１０７を設け、過電圧保護回路１００ｂの動作電源である電源電圧ＶＤＤを監視する構成例を示している。本例では、過電圧保護回路１００ｂの電源がオフの場合にも入力端子ＶＩＮが確実に高インピーダンス状態を保つようにするとともに、電源電圧ＶＤＤが低下して過電圧保護回路１００ｂの動作が不安定になった場合でも後段の装置を過電圧から確実に保護するようにしている。電源電圧ＶＤＤは、後段の装置と共通であってもよいし、独立した電源であってもよい。

具体的には、入力端子ＶＩＮとスイッチ１０４との間に電源連動スイッチ１０８を設けることにより、過電圧保護回路１００ｂの電源がオフの場合に入力端子ＶＩＮが確実に高インピーダンス状態を保つようにしている。

電源連動スイッチ１０８は、例えば、メカニカルリレーや抗耐圧ＤＭＯＳで構成され、電源電圧監視部１０７が出力する制御信号ＳＣによりオンオフが切り替えられる。

すなわち、電源電圧監視部１０７は、電源電圧ＶＤＤのオンに連動して電源連動スイッチ１０８をオンにし、電源電圧ＶＤＤがオフになると電源連動スイッチ１０８をオフにする。

また、電源電圧監視部１０７は、低電圧誤動作防止回路（UVLO:Under Voltage Lock Out）としても機能し、電源電圧ＶＤＤが正常電圧のときにロウレベルのＵＶＬ信号を出力し、所定の基準値以下の低電圧時にハイレベルのＵＶＬ信号を出力する。ＵＬＬ信号は、第１比較器１０１および第２比較器１０２の出力とともにＯＲ回路１０３ａに入力される。所定の基準値は、過電圧保護回路１００ｂの動作が不安定になる程度の値とすることができる。

このため、電源電圧ＶＤＤが低電圧になると、ＶＩＮの過電圧状態に関わらずスイッチ１０４が強制的に遮断されることになる。したがって、電源電圧ＶＤＤが低下して、過電圧保護回路１００ｂの動作が不安定になった場合でも、出力端子ＶＯＵＴに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。

なお、電源電圧ＶＤＤが正常電圧のときにハイレベルのＵＶＬ信号を出力し、インバータを介してＯＲ回路１０３ａに入力するようにしてもよい。また、ＯＲ回路１０３ａを介さずに、ＵＶＬ信号でスイッチ１０４を直接制御するようにしてもよい。この場合、電源電圧監視部１０７は、電源電圧ＶＤＤが低電圧になったことを検出すると、スイッチ１０４を強制的に遮断すればよい。さらには、ハイレベルのＵＶＬ信号で電源連動スイッチ１０８をオフに切り替えてもよい。

電源電圧監視部１０７を設けて電源電圧ＶＤＤを監視することにより、例えば、図７に示すように、電源電圧ＶＤＤがオフの状態では、電源連動スイッチ１０８はオフとなっており、入力端子ＶＩＮは高インピーダンス状態を保っている。

時刻ｔ０で電源電圧ＶＤＤがオンになると、電源連動スイッチ１０８もオンとなり、過電圧保護回路１００ｂの通常動作が行なわれる。時刻ｔ１で電源電圧ＶＤＤが低下し、所定の基準値以下になると、ＵＶＬ信号がハイレベルとなり、スイッチ１０４が強制的に遮断される。このため、過電圧保護回路１００ｂの動作が不安定になっても出力端子ＶＯＵＴに接続された後段の装置を過電圧から保護することができる。

時刻ｔ２で電源電圧ＶＤＤが正常な状態に復帰すると、ＵＶＬ信号がロウレベルとなり、過電圧保護回路１００ｂの通常動作が再開することになる。

１００…過電圧保護回路、１０１…第１比較器、１０２…第２比較器、１０３…ＯＲ回路、１０４…スイッチ、１０５…正極用スイッチ、１０６…負極用スイッチ、１０７…電源電圧監視部、１０８…電源連動スイッチ、１１０…被測定装置、１２０…電圧測定装置

Claims

入力端子と出力端子との間に設けられたスイッチ部と、
前記入力端子の電圧が第１基準値以上であることを検出する第１検出部と、
前記入力端子の電圧が第１基準値より低い第２基準値以下であることを検出する第２検出部と、
前記第１検出部および前記第２検出部のいずれかが検出対象を検出すると、前記スイッチをオフにする判定部と、
を備えたことを特徴とする過電圧保護回路。
前記第１検出部が検出対象を検出すると、前記第１基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする正極用スイッチと、
前記第２検出部が検出対象を検出すると、前記第２基準値を入力する端子と、前記出力端子とを接続状態にする負極用スイッチと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の過電圧保護回路。
前記第１検出部および前記第２検出部は比較器で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の過電圧保護回路。
入力端子と前記スイッチとの間に、前記過電圧保護回路の電源のオンオフに連動してオンオフする電源連動スイッチを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の過電圧保護回路。
前記過電圧保護回路の電源電圧が所定の基準値以下となった場合に、前記スイッチをオフにする電源電圧監視部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の過電圧保護回路。