JP3904574B2 - 直流電源用避雷器回路 - Google Patents

Description

本発明は、２本の電源ライン及びアースラインに対して接続され、電源ライン間、及び電源ライン・アース間の雷サージのいずれにも適用可能な直流電源用避雷器回路に関するものである。

電子機器は、電源ラインから侵入するサージに対して、十分な保護対策を施す必要がある。この保護のために、電子機器の電源に、避雷器回路が搭載される。
従来の避雷器回路として、Ｎ個の放電管を正負の電源ライン間に直列に接続し、電源ラインの一線と放電管の直列接続点との間にＮ−１個のコンデンサをそれぞれ接続したものが提案されている（特許文献１参照）。この回路は、複数個の放電管に対してそれぞれ並列にコンデンサを接続することで、放電開始電圧が高くならないようにし、また放電管を直列に接続することにより、アーク放電電圧を高くして続流を防ぐようにしている。
特開2002-10484号公報

ところが、前記従来の避雷器回路は、正負の電源ライン間の雷サージを想定しており、電源ラインとアース間の雷サージを想定していない。一般に、雷サージは、電源ラインとアース間に加わることが多いことを考えると、前記従来の避雷器回路は実際的な回路ではない。
電源ラインとアース間のサージ電圧対策のためには、図２に示すように、不活性ガス封入三極管型の放電管ＡＳを使用して、その片極ａと対面極ｂを正負の電源ライン間に接続し、センタ極ｃを接地する回路構成が考えられる。この回路構成によれば、電源ラインとアース間に発生する雷サージを吸収できる。

ところで、前記放電管ＡＳの一般的な規格では、そのアーク放電電圧Ｖaは比較的低く（例えば１４Ｖ）、電源電圧ＶBを高めの値（例えば２４Ｖ）に選んだ場合、アーク放電電圧Ｖaが電源電圧ＶBよりも低くなってしまう。
図３は、時刻０で雷が発生し、サージ電圧ＶTが急激に立上り、時刻ｔ1で放電開始電圧Ｖsに到達してサージ電流をアーク放電で処理した後(t2)も、電源電圧ＶBが高いために放電動作が続き、放電管ＡＳの電圧がアーク放電電圧Ｖaに保たれる動作を示すグラフである。

このグラフに示されるように、電源電圧ＶBをアーク放電電圧Ｖaよりも高くした回路では、サージ電圧が発生してグロー放電が開始した後でも、電源電圧ＶBにて放電動作を続けるいわゆる続流が発生してしまう。
アーク放電電圧Ｖaの高い放電管を採用すれば続流は防げるが、放電開始電圧Ｖsも高くなってしまうので、電子機器を雷サージから適切に保護できなくなる。

そこで本発明は、正負の電源ライン間、及び電源ライン・アース間の雷サージのいずれにも対応でき、電源電圧が放電管のアーク放電電圧よりも高い場合にも使用でき、かつ、放電開始電圧が高くならないようにすることができる直流電源用避雷器回路を提供することを目的とする。

本発明の直流電源用避雷器回路は、三極管型の放電管を使用し、第１の放電管のセンタ極をアース端子に接続し、第１の放電管の片極を第２の放電管のセンタ極に、第１の放電管の対面極を第３の放電管のセンタ極に接続している。さらに、第２の放電管の片極を電源ラインの一方に、第３の放電管の片極を電源ラインの他方にそれぞれ接続し、第２の放電管の対面極を、第３の放電管のセンタ極に接続し、第３の放電管の対面極を、第２の放電管のセンタ極ｃ2に接続している。そして、第２の放電管のセンタ極と片極との間、及び第３の放電管のセンタ極と片極との間には、それぞれ静電容量が存在している回路である（請求項１）。

これらの第２の放電管のセンタ極と片極との間、及び第３の放電管のセンタ極と片極との間に存在する静電容量を″Ｃa″，″Ｃb″と書く。
前記第１から第３の放電管の構造は、見かけ上対称であり、「片極」、「対面極」の極性上の区別はないものとする。したがって、「片極」を「対面極」と言い換え、「対面極」を「片極」と言い換えても本発明の範囲に含まれるものとする。

以上のような構造の直流電源用避雷器回路において、第２の放電管の片極が接続されている電源ラインとアースとの間に雷サージがかかったとき、その電圧は、第１の放電管の片極-センタ極間と、第２の放電管の片極-センタ極間で分担される。電圧の分担比は、放電管の極間のギャップが持つ静電容量の逆数に比例するが、本発明では、第２の放電管のセンタ極と片極との間に、前記静電容量Ｃaが存在するので、第２の放電管の合成した静電容量の方が、第１の放電管の静電容量よりも大きくなる。したがって、過電圧の多くの部分は、第１の放電管にかかる。 このため、過電圧が、第１の放電管の放電開始電圧Ｖsとなった時点で第１の放電管は放電する。第１の放電管が放電すると、過電圧は、第２の放電管にかかるので第２の放電管も放電を行う。

特に、前記静電容量Ｃaが、第１の放電管の片極-センタ極間の静電容量よりも大きければ（請求項２）、第２の放電管の合成した静電容量の方が、第１の放電管の静電容量よりもかなり大きくなるので、過電圧のほとんどは第１の放電管にかかるので好ましい。
また、前記第２の放電管の放電開始電圧が第１の放電管の放電開始電圧と同じか、それよりも小さければ（請求項３）、前記第２の放電管の放電はすぐに行われるので好ましい。

放電後は、電源ラインとアースとの間に電源電圧がかからないので、続流の問題は原則として生じないが、電源ラインの片側を接地するような使い方をしていると、問題は生じ得る。しかしこの場合でも、本発明の構成では、第１の放電管と第２の放電管とは直列に接続されているので、アーク放電電圧は、第１の放電管のアーク放電電圧と第２の放電管のアーク放電電圧の和になる。したがって、この和が電源電圧よりも高くなるように放電管の規格を選べば放電管のアーク放電はすみやかに停止される。

以上の動作は、第２の放電管の片極が接続されている電源ラインとアースとの間に雷サージがかかったときの動作であったが、第３の放電管の片極が接続されている電源ラインとアースとの間に雷サージがかかったときも全く同様に説明することができる。
次に、一方の電源ラインと他方の電源ラインとの間に雷サージが印加されたときは、その電圧は、第２の放電管の片極-センタ極間と、第２の放電管のセンタ極-対面極間及びこれに並列に接続された第３の放電管のセンタ極-対面極間と、第３の放電管のセンタ極-片極間で分担される。本発明の構成では、第２の放電管の片極-センタ極間に、静電容量Ｃaが存在し、第３の放電管の片極-センタ極間に、静電容量Ｃbが存在する。したがって、過電圧のほとんどは、第２の放電管のセンタ極-対面極間及びこれに並列に接続された第３の放電管のセンタ極-対面極間にかかる。このため、過電圧が、第２の放電管又は第３の放電管の放電開始電圧Ｖsとなった時点で、第２の放電管又は第３の放電管のいずれかが放電する。偶然、第２の放電管が先に放電開始したとすると、第２の放電管は短絡状態になり、過電圧は第３の放電管の片極-センタ極間にかかり、第３の放電管はすぐに放電を開始する。前記とは逆に、第３の放電管が先に放電開始したとすると、第３の放電管は短絡状態になり、過電圧は第２の放電管の片極-センタ極間にかかり、第２の放電管もすぐに放電を開始する。

放電後は、アーク放電電圧は、第１の放電管のアーク放電電圧と第３の放電管のアーク放電電圧の和になる。したがって、この和が電源電圧よりも高ければ、放電管のアーク放電はすみやかに停止され、続流は発生してもすぐに停止される。単一の放電管のアーク放電電圧が電源電圧よりも高くなるように選ぶことは困難であっても、２つの放電管のアーク放電電圧の和が電源電圧よりも高くなるように選ぶことは比較的容易である。

前記第２の放電管のセンタ極と片極との間、及び第３の放電管のセンタ極と片極との間に存在する静電容量Ｃa，Ｃbは、当該直流電源用避雷器回路が搭載されている配線基板内の配線容量を利用して、それぞれ形成することが好ましい（請求項４）。なお、この場合独立コンデンサ素子を使用する方法も考えられるが、Ｃa，Ｃbは電圧ストレスを受けるため、故障が懸念される。前記のように配線基板内の配線容量を利用すれば、故障しない信頼性の高い設計ができる。

前記電源ラインと、負荷との間に直列インピーダンス素子を挿入し、負荷に並列に定電圧素子を接続していることが好ましい（請求項５）。この直列インピーダンス素子は、電源ラインにサージが流れた場合に、その電流制限のために設ける素子であり、前記定電圧素子は、ライン間サージ電圧を吸収するために設ける素子である。

以上のように本発明によれば、電源ラインとアース間の雷サージと、電源ラインと電源ライン間の雷サージのいずれにも対応することができ、かつ、放電開始電圧を、単一の三極管の放電開始電圧に抑えることができ、アーク放電電圧を単一の三極管のアーク放電電圧の２倍に引き上げることができる。したがって、放電開始電圧が高くならず、かつ、電源電圧を高くすることができる直流電源用避雷器回路を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の直流電源用避雷器回路の回路図である。
この直流電源用避雷器回路は、２本の電源ラインＬ1，Ｌ2及びアースラインＧに対して接続され、不活性ガス封入型アレスタである三極管型放電管を３個使用している。Ｐ1，Ｐ2は、負荷機器に接続される端子である。以下、３つの放電管を第１の放電管ＡＳ1、第２の放電管ＡＳ2、第３の放電管ＡＳ3という。

第１の放電管ＡＳ1は、センタ極ｃ1をアース端子Ｇに接続し、片極ａ1を第２の放電管ＡＳ2のセンタ極ｃ2に、対面極ｂ1を第３の放電管ＡＳ3のセンタ極ｃ3に接続している。第２の放電管ＡＳ2の片極ａ2は一方の電源ラインＬ1に、第３の放電管ＡＳ3の片極ａ3は他方の電源ラインＬ2にそれぞれ接続されている。
第２の放電管ＡＳ2の対面極ｂ2は、第３の放電管ＡＳ3のセンタ極ｃ3に接続され、第３の放電管ＡＳ3の対面極ｂ3は、第２の放電管ＡＳ2のセンタ極ｃ2に接続されている。

以上の各放電管ＡＳ1，ＡＳ２，ＡＳ３のセンタ極-片極間の静電容量、センタ極-対面極間の静電容量は、それぞれ３ｐＦ程度である。
第２の放電管ＡＳ2のセンタ極ｃ2と片極ａ2との間には、第１の放電管ＡＳ1のセンタ極-片極間の静電容量よりも大きな静電容量Ｃaが存在し、第３の放電管ＡＳ3のセンタ極ｃ3と片極ａ3との間には、第１の放電管ＡＳ1のセンタ極-対面極間の静電容量よりも大きな静電容量Ｃbが存在している。例えば、静電容量Ｃa，Ｃbは、１０ｐＦである。

静電容量Ｃa，Ｃbは、プリント配線板の基板両面間の配線容量を利用して作成することが好ましい。プリント配線板が多層配線基板ならば、一層又は複数層を構成する基板間の配線容量を利用する。例えば、静電容量Ｃa，Ｃbとして、１０ｐＦとするには、厚さ1.6mmのガラス入りエポキシ基板であれば、３６０mm²の配線面積で実現できる。なお、静電容量Ｃa，Ｃbをチップ型のコンデンサで作ることもできるが、この場合、セラミックコンデンサなど耐圧の高いコンデンサが必要である。

第２の放電管ＡＳ2及び第３の放電管ＡＳ3の放電開始電圧は、第１の放電管ＡＳ1の放電開始電圧と同じか、それより低いものを用いる。
さらに、この直流電源用避雷器回路において、前記電源ラインの片側Ｌ1と負荷との間に直列インピーダンス素子Ｚを挿入し、負荷端子Ｐ1，Ｐ2に並列に定電圧素子ＺＤを接続している。この直列インピーダンス素子Ｚは、電源ラインとアースとの間に雷サージがかかった場合、放電管の動作遅れ時間のためにライン間サージを引き起こすことがあるので、その場合の電流制限のために設ける素子である。直列インピーダンス素子Ｚには、抵抗を使うことによる熱損を減らすために、インダクタンス素子（コイル）を用いることが好ましい。また、前記定電圧素子ＺＤは、ライン間サージ電圧を吸収するために設ける素子であり、例えばツェナーダイオードを用いる。

以上のような構成の直流電源用避雷器回路において、電源ラインＬ1とアースＧの間に雷サージがかかった場合の動作を説明する。
雷サージ電圧がかかれば、それは第１の放電管ＡＳ1のａ1-ｃ1間と、第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｃ2間で分担される。電圧の分担比は、ギャップが持つ静電容量の逆数に比例する。第１の放電管ＡＳ1のａ1-ｃ1間の静電容量と、第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｃ2間の静電容量とが一致すると、過電圧を等しく分担することとなり、電源ラインＬ1とアースＧの間は、単一の三極管の放電開始電圧Ｖsの２倍にならないと放電しないことになり、これでは放電電圧が高くなってしまう。

ところが、本構成では、第２の放電管ＡＳ2のセンタ極ｃ2と片極ａ2との間に、第１の放電管ＡＳ1のａ1-ｃ1間静電容量よりも大きな容量Ｃ２が存在するので、過電圧のほとんどは、第１の放電管ＡＳ1のａ1-ｃ1間にかかる。このため、過電圧が、第１の放電管ＡＳ1の放電開始電圧Ｖsとなった時点で第１の放電管ＡＳ1は放電する。第１の放電管ＡＳ1が放電すると、過電圧は、第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｃ2間にかかるが、前述したように、第２の放電管ＡＳ2の放電開始電圧は、第１の放電管ＡＳ1の放電開始電圧Ｖsと同じか、それよりも低いので、第２の放電管ＡＳ2もすぐに放電を行う。

以上のように、本発明では、電源ラインＬ1とアースＧ間の放電開始電圧を、単一の三極管ＡＳ1の放電開始電圧Ｖs程度に抑えることができる。
以上の説明は、電源ラインＬ1とアースＧとの間に雷サージがかかった場合の動作であったが、電源ラインＬ2とアースＧとの間に雷サージがかかった場合の動作も、第２の放電管ＡＳ2を第３の放電管ＡＳ3に置き換えれば、同様にして説明することができる。

次に、電源ラインＬ1と電源ラインＬ2との間に雷サージがかかった場合を説明する。
電源ラインＬ1ーＬ2間に雷サージが侵入すると、その電圧は、第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｃ2間と、第２の放電管ＡＳ2のｃ2-ｂ2間（及びこれに並列に接続された第３の放電管ＡＳ3のｃ3-ｂ3間）と、第３の放電管ＡＳ3のａ3-ｃ3間とで分担される。本構成では、第２の放電管ＡＳ2のｃ2-ａ2間に、第２の放電管ＡＳ2のｂ2-ｃ2間静電容量よりも大きな容量Ｃaが存在し、第３の放電管ＡＳ3のａ3-ｃ3との間に、第３の放電管ＡＳ3のｂ3-ｃ3間静電容量よりも大きな容量Ｃbが存在する。したがって、過電圧のほとんどは、第２の放電管ＡＳ2のｂ2-ｃ2間及びこれに並列に接続された第３の放電管ＡＳ3のｃ3-ｂ3間にかかる。このため、過電圧が、第２の放電管ＡＳ２又は第３の放電管ＡＳ３の放電開始電圧Ｖsとなった時点で、第２の放電管ＡＳ２又は第３の放電管ＡＳ３のいずれかが放電する。偶然、第２の放電管ＡＳ2が先に放電開始したとすると、第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｂ2間は短絡状態になり、過電圧は第３の放電管ＡＳ3のａ3-ｃ3間にかかり、第３の放電管ＡＳ3もすぐに放電を開始する。前記とは逆に第３の放電管ＡＳ3が先に放電開始したとすると、第３の放電管ＡＳ3のａ3-ｂ3間は短絡状態になり、過電圧は第２の放電管ＡＳ2のａ2-ｃ2間にかかり、第２の放電管ＡＳ2もすぐに放電を開始する。

電源ラインＬ1と電源ラインＬ2の間のアーク放電電圧は、第２の放電管ＡＳ2のアーク放電電圧と第３の放電管ＡＳ3のアーク放電電圧との和になる。第２の放電管ＡＳ2のアーク放電電圧と第３の放電管ＡＳ3のアーク放電電圧とはほぼ等しいので、これらをＶaと書くと、電源ラインＬ1とアースＧの間のアーク放電電圧は２Ｖaとなる。
このアーク放電電圧２Ｖaを、電源ラインＬ1と電源ラインＬ2との間の電源電圧ＶBよりも高い値に設定しておくと、サージ電圧がかかった後、アーク放電が持続できなくなるので、続流を防止することができる。

例えば、Ｖaを１４Ｖとすると、電源電圧ＶBが２４Ｖであれば、
ＶB＜２Ｖa
であるので、続流を防止することができる。
以上のように、本発明では、電源ラインＬ1と電源ラインＬ2の間の放電開始電圧を、単一の三極管の放電開始電圧Ｖsに抑えることができ、放電後は、電源ラインＬ1と電源ラインＬ2の間のアーク放電電圧を単一の三極管のアーク放電電圧Ｖaの２倍、すなわち２Ｖaに引き上げることができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

本発明の、放電管を３個使用した直流電源用避雷器回路の回路図である。 電源ラインとアース間のサージ電圧対策のため、放電管の片極ａと対面極ｂを正負の電源ライン間に接続し、センタ極ｃを接地した回路を示す回路図である。 時刻０で雷が発生してサージ電圧ＶTが急激に立上り、時刻ｔ1で放電開始電圧Ｖsに到達してサージ電流をアーク放電で処理した後(t2)も、電源電圧ＶBのために放電動作（続流）が続き、放電管ＡＳの電圧がアーク放電電圧Ｖaに保たれる動作を示すグラフである。

符号の説明

ＡＳ1，ＡＳ２，ＡＳ３ 放電管
Ｃa，Ｃb 静電容量
Ｇ アースライン
Ｌ1，Ｌ2 電源ライン
Ｐ1，Ｐ2 負荷端子
Ｚ 直列インピーダンス素子
ＺＤ 定電圧素子
ａ1,ａ2,ａ3 片極
ｂ1，ｂ2，ｂ3 対面極
ｃ1，ｃ2，ｃ3 センタ極

Claims (5)

1. 電源ライン及びアースラインに対して適用される直流電源用避雷器回路であって、
   三極管型の放電管を３個使用し、
   第１の放電管のセンタ極をアース端子に接続し、第１の放電管の片極を第２の放電管のセンタ極に、第１の放電管の対面極を第３の放電管のセンタ極に接続し、
   第２の放電管の片極を電源ラインの一方に、第３の放電管の片極を電源ラインの他方にそれぞれ接続し、
   第２の放電管の対面極を、第３の放電管のセンタ極に接続し、第３の放電管の対面極を、第２の放電管のセンタ極に接続し、
   第２の放電管のセンタ極と片極との間、及び第３の放電管のセンタ極と片極との間には、それぞれ静電容量が存在していることを特徴とする直流電源用避雷器回路。
2. 前記第２の放電管のセンタ極と片極との間に存在する静電容量は、前記第１の放電管の片極-センタ極間の静電容量よりも大きく、前記第３の放電管のセンタ極と片極との間に存在する静電容量は、第１の放電管の対面極-センタ極間の静電容量よりも大きい請求項１記載の直流電源用避雷器回路。
3. 前記第２、第３の放電管の放電開始電圧は、それぞれ第１の放電管の放電開始電圧と同じか、それよりも低い請求項１又は請求項２記載の直流電源用避雷器回路。
4. 前記第２の放電管のセンタ極と片極との間、及び第３の放電管のセンタ極と片極との間に存在する静電容量は、当該直流電源用避雷器回路が搭載されている配線基板内の配線容量を利用して、それぞれ形成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の直流電源用避雷器回路。
5. 前記電源ラインと負荷との間に直列インピーダンス素子を挿入し、負荷端子に並列に定電圧素子を接続している請求項１から請求項４のいずれかに記載の直流電源用避雷器回路。

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