JP2015220893A - 過電圧保護装置および過電圧保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信機器の内部回路を過電圧から簡易に保護する。
【解決手段】通信機器の内部回路を過電圧から保護するための過電圧保護装置であって、前記通信機器は、商用電源から交流電力が入力される電源線に接続された絶縁トランスを備え、前記絶縁トランスに印加される電圧を計測する計測部と、前記絶縁トランスと前記商用電源との間に設置され、第１の静電容量を有する可変容量部と、前記計測された電圧が所定の閾値を超えるか判定する判定部と、前記計測された電圧が所定の閾値を超える場合、前記内部回路に印加される電圧が所定の電圧値となるように、予め記憶部に格納された所定の関係式から前記可変容量部の第２の静電容量を算出する算出部と、前記第１の静電容量を前記第２の静電容量未満の静電容量に変更する変更部とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、過電圧保護装置および過電圧保護方法に関し、より詳細には、過電圧から通信機器を保護するための過電圧保護装置および過電圧保護方法に関する。

従来から、電源線および通信線の地絡や、電源線と通信線の混触等により生じた過電圧が、電源線や通信線を介して通信機器の内部回路に印加されることを防止するため、通信機器に絶縁トランスが設けられる（例えば、特許文献１を参照）。通信機器は、例えば、ＩＣＴ（Information and Communication Technology：情報通信技術）装置をいい、例えば、ルーター、ＨＵＢをいう。通信機器の内部回路は、例えば、情報を伝送する機能を有するトランシーバＩＣや、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）等をいう。

倉本昇一著、「ブロードバンド通信機器の雷防護技術」、ＮＴＴ技術ジャーナル２００３年３月号

図１に従来の通信機器の接続例を示す。電源線は実線で、通信線は点線で示される。

商用電源１から出力された交流電力は、従来の通信機器２に供給され、従来の通信機器２は、複数の対向機器との間のデータ通信を中継する。従来の通信機器２は、商用電源１から入力された交流電力を直流電力に変換する電源装置（ＰＯＷ）２１と、変換された直流電力によって動作する内部回路（ＣＯＭ）２２および外部ＩＦとを備える。従来の通信機器２は、対向機器３ａの外部ＩＦ（interface）３１ａとデータの送受信を行う外部ＩＦ２３ａと、対向機器３ｂの外部ＩＦ３１ｂとデータの送受信を行う外部ＩＦ２３ｂとを備える。対向機器３ａおよび対向機器３ｂは、サーバや通信機器を含む。従来の通信機器２は、ネットワーク４ａを通じて対向機器３ａとＬＡＮ接続され、および、ネットワーク４ｂを通じて対向機器３ｂとＬＡＮ接続されている。

図２に従来の通信機器２の構成の一例を示す。従来の通信機器２の電源装置２１は、商用電源１から入力された交流電力の電圧を変圧し、且つ、商用電源１から侵入してきた過電圧から内部回路２２を保護するための絶縁トランス２１１と、変圧された交流電力を整流化する整流部２１２と、整流化された電力を平滑化して直流電力を生成する平滑部２１３とを備える。

電源装置２１に接続されている電源線が地絡し、または、通信線と混触して、過電圧が発生した場合、従来の通信機器２の絶縁トランス２１１によって、過電圧が内部回路２２に侵入することを抑止している。

絶縁トランス２１１に接続された電源線の点Ａ₁と点Ｂ₁との間には浮遊容量（寄生容量）Ｃ₂₁₁₁が生じ、絶縁トランス２１１に接続された電源線の点Ｃ₁と点Ｄ₁との間には浮遊容量Ｃ₂₁₁₂が生じる。併せて、内部回路２２に接続された電源線の点Ｅ₁と内部回路２２に接続された通信線の点Ｆ₁との間には浮遊容量Ｃ₂₂₁が生じ、内部回路２２に接続された電源線の点Ｇ₁と内部回路２２に接続された通信線との点Ｈ₁の間には浮遊容量Ｃ₂₂₂が生じる。絶縁トランス２１１に印加される電圧は、絶縁トランス２１１の浮遊容量の逆数に比例し、内部回路２２に印加される電圧は、内部回路２２の浮遊容量の逆数に比例する。

ここで、絶縁トランス２１１の浮遊容量Ｃ₂₁₁₁が内部回路２２の浮遊容量Ｃ₂₂₁より非常に大きく、絶縁トランス２１１の浮遊容量Ｃ₂₁₁₂が内部回路２２の浮遊容量Ｃ₂₂₂より非常に大きいとして仮定する。通信機器２に過電圧が印加された場合、内部回路２２に印加される電圧は、絶縁トランス２１１に印加される電圧よりも非常に大きくなり、絶縁トランス２１１が絶縁破壊する前に、内部回路２２が絶縁破壊する可能性がある。逆に、絶縁トランス２１１の浮遊容量が内部回路２２の浮遊容量より非常に小さい場合、通信機器２のインタフェースに過電圧が印加されたとしても、絶縁トランス２１１に印加される電圧が非常に大きくなり、内部回路２２に印加される電圧が非常に小さくなって、内部回路２２が絶縁破壊する危険性が小さくなる。したがって、絶縁トランス２１１の浮遊容量は可能な限り小さい方が望ましい。

しかしながら、絶縁トランス２１１の浮遊容量を内部回路２２の浮遊容量より小さくなるように通信機器２内の回路を設計するためには、内部回路２２の構成が異なるごとに浮遊容量を設計に反映させなければならず、多大な時間とコストを費やすという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、通信機器の内部回路を過電圧から容易に保護するための、過電圧保護装置および過電圧保護方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、通信機器の内部回路を過電圧から保護するための過電圧保護装置であって、前記通信機器は、商用電源から交流電力が入力される電源線に接続された絶縁トランスを備え、前記絶縁トランスに印加される電圧を計測する計測部と、前記絶縁トランスと前記商用電源との間に設置され、第１の静電容量を有する可変容量部と、前記計測された電圧が所定の閾値を超えるか判定する判定部と、前記計測された電圧が所定の閾値を超える場合、前記内部回路に印加される電圧が所定の電圧値となるように、予め記憶部に格納された所定の関係式から前記可変容量部の第２の静電容量を算出する算出部と、前記第１の静電容量を前記第２の静電容量未満の静電容量に変更する変更部とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、可変容量の静電容量を調整して過電圧を可変容量に吸収させることで、通信機器の内部回路を過電圧から保護することが可能となる。

従来の通信機器の接続例を示す図である。 従来の通信機器２の構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の接続例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態にかかる制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の構成の一例を示す図である。

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。

＜第１の実施形態＞
図３に本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の接続例を示す。電源線は実線で、通信線は点線で示される。

商用電源１から出力された交流電力は、通信機器５に供給され、通信機器５は、複数の対向機器との間のデータ通信を中継する。通信機器５は、商用電源１から入力された交流電力を直流電力に変換する電源装置５１と、変換された直流電力によって動作する内部回路５２および外部ＩＦとを備える。通信機器５は、対向機器３ａの外部ＩＦ３１ａとデータの送受信を行う外部ＩＦ５３ａと、対向機器３ｂの外部ＩＦ３１ｂとデータの送受信を行う外部ＩＦ５３ｂとを備える。通信機器５は、ネットワーク４ａを通じて対向機器３ａとＬＡＮ接続され、および、ネットワーク４ｂを通じて対向機器３ｂとＬＡＮ接続されている。

図４に本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置５００を含む通信機器５の構成の一例を示す。通信機器５の電源装置５１は、商用電源１から入力された交流電力の電圧を変圧し、且つ、商用電源１から侵入してきた過電圧から内部回路５２を保護するための絶縁トランス５１１と、変圧された交流電力を整流化する整流部５１２と、整流化された電力を平滑化して直流電力を生成する平滑部５１３とを備える。また、通信機器５は、絶縁トランス５１１に生じる電圧を計測し、計測した電圧に基づいて可変容量部５０３、５０４の静電容量を調整する過電圧保護装置５００を備える。

本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置５００は、絶縁トランス５１１に生じる電圧を計測する電圧計５０１と、絶縁トランス５１１の一次側の一方に接続された可変容量部５０３と、絶縁トランス５１１の一次側の他方に接続された可変容量部５０４と、電圧計５０１で計測された電圧と所定の電圧値とを比較し、比較した結果に基づいて可変容量部５０３の静電容量Ｃ₅₀₃、可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄をそれぞれ変更する制御部５０２とを備える。

絶縁トランス５１１に接続された電源線の点Ａ₂と点Ｂ₂との間には浮遊容量Ｃ₅₁₁₁が生じ、絶縁トランス５１１に接続された電源線の点Ｃ₂と点Ｄ₂との間には浮遊容量Ｃ₅₁₁₂が生じる。併せて、内部回路５２に接続された電源線の点Ｅ₂と内部回路５２に接続された通信線の点Ｆ₂との間には浮遊容量Ｃ₅₂₁が生じ、内部回路５２に接続された電源線の点Ｇ₂と内部回路５２に接続された通信線との点Ｈ₂の間には浮遊容量Ｃ₅₂₂が生じる。

＜制御部の構成＞
図５に本発明の第１の実施形態にかかる制御部の構成のブロック図を示す。制御部５０２は、絶縁トランス５１１に印加される電圧を電圧計５０１によって計測する計測部５０２１を備える。計測部５０２１で計測した電圧値は、記憶部５０２２に格納される。制御部５０２は、計測部５０２１で計測された電圧が、記憶部５０２２に予め格納されている閾値を超えているかどうかを判定する判定部５０２３を備える。制御部５０２は、判定部５０２３で判定した結果、計測部５０２１で計測された電圧が、記憶部５０２２に予め格納されている閾値を超えた場合、計測部５０２１で計測された電圧、記憶部５０２２に予め格納された計算式等に基づいて、可変容量部５０３、５０４の静電容量を算出する算出部５０２４を備える。制御部５０２は、算出部５０２４で算出された静電容量で可変容量部５０３の静電容量Ｃ₅₀₃、可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄を変更する変更部５０２５を備える。

＜可変容量部の静電容量の変更方法＞
ここで、可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄と絶縁トランス５１１の浮遊容量Ｃ₅₁₁₂を合成した静電容量をＣ_V、合成した静電容量Ｃ_VのインピーダンスをＺ_CV、保護すべき内部回路５２２の浮遊容量をＣ₅₂₂、浮遊容量Ｃ₅₂₂のインピーダンスをＺ₅₂₂とおく。インピーダンスＺ_CVは、静電容量Ｃ_Vを用いて次の（式１）で示される。

また、インピーダンスＺ₅₂₂は、静電容量Ｃ₅₂₂を用いて次の（式２）で示される。

インピーダンスＺ_CVとインピーダンスＺ₅₂₂の直列回路に流れる電流をＩ、図４に示される点Ｊ₂から点Ｈ₂の両端の電圧をＶとおくと、電流Ｉは、次の（式３）で示される。

内部回路５２の浮遊容量Ｃ₅₂₂に掛かる電圧Ｖ₅₂₂は、次の（式４）で示される。

従って、静電容量Ｃ_Vが小さいほど、保護すべき内部回路５２の浮遊容量Ｃ₅₂₂に掛かる電圧Ｖ₅₂₂が小さくなる。内部回路５２が破壊に至る電圧をＶ_Bとおくと、電圧Ｖ₅₂₂と電圧Ｖ_Bとの関係は、次の（式５）で示される。

したがって、内部回路５２に印加される電圧Ｖ₅₂₂が電圧Ｖ_Bより小さくなるように、可変容量部５０３の静電容量Ｃ₅₀₃、可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄を調整することで、過電圧から内部回路５２を保護することが可能となる。

計測部５０２１は、絶縁トランス５１１の浮遊容量Ｃ₅₁₁₂に印加される電圧Ｖ₅₁₁₂を計測する。判定部５０２３は、計測された電圧Ｖ₅₁₁₂が閾値Ｖ_thを超えるかどうか判定する。閾値Ｖ_thは、電源装置５１に接続されている電源線が地絡し、または、電源線が通信線と混触して、過電圧が発生した際、内部回路５２の印加電圧Ｖ₅₂₂が電圧Ｖ_Bと等しくなったときの絶縁トランス５１１に印加される電圧値である。絶縁トランス５１１に印加される電圧値Ｖ₅₁₁₂が閾値Ｖ_thを超えると、内部回路５２の印加電圧Ｖ₅₂₂も電圧Ｖ_Bを超えてしまい、内部回路５２が破壊に至る可能性が高まる。よって、閾値Ｖ_thは、内部回路５２が破壊に至るかどうかの指標となる。

判定の結果、計測された電圧Ｖ₅₁₁₂が閾値Ｖ_thを超えた場合、算出部５０２４は、後述する所定の計算式を用いて、内部回路５２に印加される電圧Ｖ₅₂₂が、内部回路５２が破壊に至る電圧Ｖ_Bより小さくなるような可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄を算出する。

地絡や混触によって過電圧が発生する前に設定された、可変容量部５０４の静電容量（第１の静電容量）をＣ_{504_1}とし、静電容量Ｃ_{504_1}に掛かる電圧をＶ_{504_1}とする。そして、地絡や混触により過電圧が発生し、点Ｊ₂から点Ｈ₂の両端に電圧Ｖが印加されたとき、絶縁トランス５１１に印加される電圧をＶ_{5112_1}とし、内部回路５２に印加される電圧をＶ_{522_1}とする。電圧Ｖ_{5112_1}は、計測部５０２１で計測される電圧である。

内部回路５２に印加される電圧Ｖ_{522_2}が、内部回路５２が破壊に至る電圧Ｖ_Bと等しくなるような可変容量部５０４の静電容量（第２の静電容量）をＣ_{504_2}とし、静電容量Ｃ_{504_2}に掛かる電圧をＶ_{504_2}とする。
ここで、地絡や混触により過電圧が発生したときの電圧Ｖは、次の（式６）で示される。

可変容量部５０４の静電容量Ｃ_{504_1}に掛かる電圧をＶ_{504_1}は、次の（式７）で示される。

また、内部回路５２に印加される電圧Ｖ_{522_1}は、次の（式８）で示される。

よって、電圧Ｖは、（式６）、（式７）、および（式８）により、次の（式９）で示される。

可変容量部５０４の静電容量をＣ_{504_2}に変更した後の、絶縁トランス５１１に印加される電圧をＶ_{5112_2}とし、内部回路５２に印加される電圧をＶ_{522_2}とすると、電圧Ｖは、次の（式１０）で示すこともできる。

電圧Ｖ_{5112_2}は、次の（式１１）で示される。

また、可変容量部５０４の静電容量Ｃ_{504_2}に掛かる電圧Ｖ_{504_2}は、次の（式１２）で示される。

よって、電圧Ｖは、（式１０）、（式１１）、および（式１２）により、次の（式１３）で示される。

（式１３）を変形すると、電圧Ｖ_{522_2}は、次の（式１４）で示される。

ここで、電圧Ｖ_Bと電圧Ｖ_{522_2}とは等しいので、電圧Ｖ_Bは、次の（式１５）で示される。

（式１５）に（式９）を適用すると、電圧Ｖ_Bは、次の（式１６）で示される。

（式１６）を変形すると、内部回路５２に印加される電圧Ｖ_{522_2}が、内部回路５２が破壊に至る電圧Ｖ_Bと等しくなるような可変容量部５０４の静電容量Ｃ_{504_2}は、次の（式１７）で示される。

静電容量Ｃ_{504_2}は、可変容量部５０４の静電容量Ｃ_{504_1}、内部回路５２２の浮遊容量Ｃ₅₂₂、絶縁トランス５１１の浮遊容量Ｃ₅₁₁₂、計測された電圧Ｖ_{5112_1}、および内部回路５２が破壊に至る電圧Ｖ_Bを（式１７）に代入することによって取得される。

よって、取得られた静電容量Ｃ_{504_2}よりも小さな静電容量で可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄を変更すると、内部回路５２が破壊に至らないことになる。

なお、過電圧が生じていないとき、即ち、通常のときは、可変容量部５０３および可変容量部５０４に印加される電圧をそれぞれ小さくするように、可変容量部５０３の静電容量Ｃ₅₀₃および可変容量部５０４の静電容量Ｃ₅₀₄は、大きく設定される。

＜過電圧保護方法のフロー＞
図６に本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護方法を示すフローチャートを示す。計測部５０２１は、絶縁トランス５１１に印加される電圧を電圧計５０１によって計測する（ステップ６０１）。判定部５０２３は、計測部５０２１で計測された電圧Ｖ_{5112_1}が、記憶部５０２２に予め格納されている閾値Ｖ_thを超えているかどうかを判定する（ステップ６０２）。算出部５０２４は、判定部５０２３で判定した結果、計測部５０２１で計測された電圧Ｖ_{5112_1}が、記憶部５０２２に予め格納されている閾値Ｖ_thを超えた場合、可変容量部５０４の静電容量Ｃ_{504_1}、内部回路５２２の浮遊容量Ｃ₅₂₂、絶縁トランス５１１の浮遊容量Ｃ₅₁₁₂、計測された電圧Ｖ_{5112_1}、および記憶部５０２２に予め格納された内部回路５２が破壊に至る電圧Ｖ_Bとを、記憶部５０２２に予め格納された（式１７）に代入して、可変容量部の静電容量Ｃ_{504_2}を算出する（ステップ６０３）。変更部５０２５は、算出された静電容量Ｃ_{504_2}未満の静電容量で可変容量部５０４の静電容量を変更する（ステップ６０４）。

本実施形態によれば、可変容量の静電容量を調整して過電圧を可変容量に吸収させることで、通信機器の内部回路を過電圧から保護することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の接続例は、図３で示した本発明の第１の実施形態にかかる過電圧保護装置を含む通信機器の接続例と同様であるため、説明を省略する。

図７に本発明の第２の実施形態にかかる過電圧保護装置６００を含む通信機器６の構成の一例を示す。通信機器６は、外部ＩＦ６３ａを介して外部から侵入してきた過電圧から内部回路６２を保護するための絶縁トランス（パルストランス）６４と、外部ＩＦ６３ｂを介して外部から侵入してきた過電圧から内部回路６２を保護するための絶縁トランス６５とを備える。

第１の実施形態では、電源に接続される電源線に絶縁トランスが設けられていたが、本実施形態では、第１の実施形態と異なり、通信線に絶縁トランスが設けられている。

通信機器６は、絶縁トランス６５に生じる電圧を計測し、計測した電圧に基づいて可変容量部６０３、６０４の静電容量を調整する過電圧保護装置６００を備える。

本発明の第２の実施形態にかかる過電圧保護装置６００は、絶縁トランス６５に生じる電圧を計測する電圧計６０１と、絶縁トランス６５の一次側の一方に接続された可変容量部６０３と、絶縁トランス６５の一次側の他方に接続された可変容量部６０４と、電圧計６０１で計測された電圧と所定の電圧値とを比較し、比較した結果に基づいて可変容量部６０３の静電容量Ｃ₆₀₃、可変容量部６０４の静電容量Ｃ₆₀₄をそれぞれ変更する制御部６０２とを備える。

絶縁トランス６５に接続された電源線の点Ａ₃と点Ｂ₃との間には浮遊容量Ｃ₆₅₁が生じ、絶縁トランス６５に接続された電源線の点Ｃ₃と点Ｄ₃との間には浮遊容量Ｃ₆₅₂が生じる。併せて、内部回路６２に接続された電源線の点Ｅ₃と内部回路６２に接続された通信線の点Ｆ₃との間には浮遊容量Ｃ₆₂₁が生じ、内部回路６２に接続された電源線の点Ｇ₃と内部回路６２に接続された通信線との点Ｈ₃の間には浮遊容量Ｃ₆₂₂が生じる。

本実施形態にかかる制御部６０２の構成および動作については、第１の実施形態にかかる制御部５０２の構成および動作と異ならないので、説明を省略する。

なお、本実施形態にかかる過電圧保護装置６００は、絶縁トランス６５のみに接続されているが、絶縁トランス６４に接続されてもよいし、双方の絶縁トランスに接続されても良い。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、可変容量の静電容量を調整して過電圧を可変容量に吸収させることで、通信機器の内部回路を過電圧から保護することが可能となる。

１ 商用電源
２、５、６ 通信機器
３ａ、３ｂ 対向機器
４ａ、４ｂ ネットワーク
２１、５１、６１ 電源装置
２２、５２、６２ 内部回路
２３ａ、２３ｂ、３１ａ、３１ｂ、５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ 外部ＩＦ
６４、６５、２１１、５１１ トランス
５００、６００ 過電圧保護装置
５０１、６０１ 電圧計
５０２、６０２ 制御部
５０３、５０４、６０３、６０４ 可変容量部
５０２１ 計測部
５０２２ 記憶部
５０２３ 判定部
５０２４ 算出部
５０２５ 変更部

Claims (2)

1. 通信機器の内部回路を過電圧から保護するための過電圧保護装置であって、前記通信機器は、商用電源から交流電力が入力される電源線に接続された絶縁トランスを備え、
   前記絶縁トランスに印加される電圧を計測する計測部と、
   前記絶縁トランスと前記商用電源との間に設置され、第１の静電容量を有する可変容量部と、
   前記計測された電圧が所定の閾値を超えるか判定する判定部と、
   前記計測された電圧が所定の閾値を超える場合、前記内部回路に印加される電圧が所定の電圧値となるように、予め記憶部に格納された所定の関係式から前記可変容量部の第２の静電容量を算出する算出部と、
   前記第１の静電容量を前記第２の静電容量未満の静電容量に変更する変更部と
   を備えたことを特徴とする過電圧保護装置。
2. 通信機器の内部回路を過電圧から保護するための装置による過電圧保護方法であって、前記通信機器は、商用電源から交流電力が入力される電源線に接続された絶縁トランスを備え、前記装置は、前記絶縁トランスと前記商用電源との間に設置され、第１の静電容量を有する可変容量部を備え、
   前記絶縁トランスに印加される電圧を計測するステップと、
   前記計測された電圧が所定の閾値を超えるか判定するステップと、
   前記計測された電圧が所定の閾値を超える場合、前記内部回路に印加される電圧が所定の電圧値となるように、予め記憶部に格納された所定の関係式から前記可変容量部の第２の静電容量を算出するステップと、
   前記第１の静電容量を前記第２の静電容量未満の静電容量に変更するステップと
   を備えることを特徴とする過電圧保護方法。

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