JP4086239B2 - 無接点リレーの駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力設備での開閉装置等として使用されるフォトダイオード等の無接点リレーの駆動回路に関する。

配電盤等の電力設備には、入出力信号間に絶縁機能を有するフォトダイオード等の無接点リレーが、保護継電器などに使用されている。フォトダイオードに代表される絶縁型の無接点リレーは、通常、電流によって動作特性が決定される半導体素子が用いられている。しかしながら、このような電流動作型の半導体素子であるフォトダイオードでは、所定の動作特性が得られるように電流を制御する場合には、回路構成が複雑になるという問題がある。

このために、電流動作型の半導体素子であるフォトダイオードを、電圧を制御することによって動作させる電圧動作型として使用することが行われている。

例えば、特許文献１（特開平１１−２６１３９９号公報）には、無接点リレーであるフォトダイオードの駆動回路に、駆動電圧設定回路を設けて、所定の駆動電圧が印加されるまでは、フォトダイオードの駆動を行わない構成が開示されている。駆動電圧設定回路は、抵抗器等によって電圧を分圧することにより、所定の電圧を生成するようになっている。
特開平１１−２６１３９９号公報

配電盤等の電力設備においては、保護継電器などに使用されるフォトダイオードは、通常、直流２４Ｖ、４８Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２５Ｖのそれぞれの入力電圧に対して、動作し得るようにする必要がある。しかしながら、これらの各入力電圧に対して動作するように、１つのフォトダイオードを電圧動作型として使用する場合には、入力電圧に対して入力電流が比例的に変化するために、入力電圧の増加に対して入力電流が比例的に増加することによって、フォトダイオード駆動回路における発熱量が著しく増加するという問題がある。例えば、フォトダイオード駆動回路に対する入力電圧が２倍になると、フォトダイオード駆動回路に流れる電流も２倍に増加するために、フォトダイオード駆動回路での発熱量は４倍に増加することになる。

このように、入力電圧の範囲が広い場合に、１つのフォトダイオード駆動回路にて対応するようにすれば、最大の入力電圧での温度上昇が大きくなるという問題がある。電力規格Ｂ４０２(ディジタル形保護継電器および保護継電装置)には、「継電装置筐体内の温度上昇を２５℃以下にする」ことが規定されており、フォトダイオード駆動回路や他の要素が設けられる筐体内の温度上昇を２５℃以下にする必要がある。このように、フォトダイオード駆動回路の温度上昇が大きくなる場合には、例えば、フォトダイオード駆動回路が実装される筐体内に配置された他の機器の発熱量を低減するように、あるいは、筺体が高効率で放熱されるように、設計する必要があり、そのために筐体の設計が煩雑になるという問題がある。

フォトダイオード駆動回路が設けられる筐体内の温度上昇を抑制するために、例えば、複数の入力電圧のそれぞれに対して動作するように複数のフォトダイオードをそれぞれ設けて、各フォトダイオードに対する入力電圧を、抵抗器、設定回路等の駆動回路によってそれぞれ制御することも行われている。しかしながら、この場合には、異なった設定のフォトダイオード駆動回路が必要になるために、回路構成が大型化するとともに複雑になり、しかも、経済性が損なわれるという問題がある。

さらには、無接点リレーであるフォトダイオードに電圧を加えるために、通常は、電源とフォトダイオードの入力部との間にスイッチ等の機械接点を設けるようになっているが、このような機械接点は、フォトダイオードの入力電流が１０ｍＡ以下の微小電流領域では正常に動作せず、接点接触障害を生じるおそれがある。このために、機械接点として、一般に使用される銀材質ではなく、微小電流領域においても確実に動作する金材質の接点を使用する必要があり、これによっても経済性が損なわれることになる。

本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、複数の入力電圧に対して１つの無接点リレーを動作させる場合においても、入力電圧が大きな場合にも、無接点リレーに対する入力電流を低減することができる無接点リレーの駆動回路を提供することにある。

本発明の無接点リレーの駆動回路は、入出力間が絶縁されて、正電位側ラインと負電位側ラインとの間に設けられた１つの無接点リレーを、複数の入力電圧によって駆動する駆動回路であって、該正電位側ラインに印加される入力電圧を定電流に変換して前記無接点リレーに供給する定電流回路と、該正電位側ラインから該定電流回路へ供給される電流の一部を、バイパス電流として負電位側ラインへ供給するバイパス電流回路と、該正電位側ラインに電圧が印加された場合に、該バイパス電流回路を任意の時間幅で動作させるバイパス電流制御回路と、を具備する。

前記複数の入力電圧は、最大入力電圧が最低入力電圧の５倍以上になっている。

前記定電流回路の出力電流が２ｍＡ以下になっている。

前記バイパス電流制御回路は、前記入力電圧が定電流回路に印加された後に、設定された任意の時間幅でバイパス電流回路の動作を行う。

本発明の無接点リレーの駆動回路は、このように、複数の入力電圧が、定電流回路によって、所定の電流として無接点リレーに供給される際に、定電流回路に対する電流が、バイパス電流回路によって正電位側ラインから負電位側ラインへと供給されるようになっているために、定電流回路に入力される電流を低減することができ、無接点リレーに対して、所定の定電流を確実に供給することができる。これにより、無接点リレーが設けられる筐体内の温度上昇を抑制することができる。従って、例えば電力設備で用いられる直流２４Ｖ、４８Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２５Ｖの各駆動電源電圧に対して、１種類の無接点リレーにより要求される電気的特性ならびに温度上昇(発熱量)を実現することが可能になる。また、多用されている直流１１０Ｖの駆動回路において、無接点リレーに対する入力電流を２ｍＡ以下に抑えることができるために、無接点リレーを実装する筐体内の温度上昇を確実に低減することができる。さらに、バイパス電流により無接点リレーに入力される電流が低減されることによって、入力電位側ラインに設けられる機械接点の接触信頼性を確保することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の無接点リレーの駆動回路の一例を示す回路図である。この無接点リレーの駆動回路は、無接点リレーとしてのフォトダイオードＰＣ１を駆動するために使用される。フォトダイオードＰＣ１は、入出力間が絶縁された状態になっており、入力側の正電位側ラインと負電位側ラインとの間に入力側部分が配置されている。このフォトダイオードＰＣ１は、正電位側ラインに印加される入力電圧によって動作して、出力側の正電位側ラインと負電位側ラインとの間に所定電流が流れるようになっている。

フォトダイオードＰＣ１には、正電位側ラインと負電位側ラインとの間に印加された電圧に対して一定の電流を出力する定電流回路１０が接続されており、この定電流回路１０には、正電位側ラインを通って定電流回路に流れる電流を負電位側ラインへバイパス電流として供給するバイパス電流回路３０が、バイパス電流回路を制御するバイパス電流制御回路２０を介して接続されている。定電流回路１０には、最大入力電圧が最小入力電圧の５倍以上の複数の入力電圧が印加されるようになっており、例えば、直流２４Ｖ、４８Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２５Ｖの入力電圧が印加される。

バイパス電流回路３０は、正電位側ラインに接続された抵抗Ｒ１と、この抵抗Ｒ１に直列接続された抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ２と負電位側ラインとの間に設けられた電界効果トランジスタＦＥＴ１とを有している。バイパス電流回路３０は、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオン状態になっている間に、正電位側ラインから定電流回路１０に供給される電流の一部が、バイパス電流として負電位側ラインに供給される。バイパス電流は、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２によって規定される。

電界効果トランジスタＦＥＴ１は、バイパス電流制御回路２０によって制御されるようになっている。バイパス電流制御回路２０は、正電位側ラインに一端が接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１の他端に接続された抵抗Ｒ３とを有しており、この抵抗Ｒ３と負電位側ラインとの間に、抵抗Ｒ４とツェナーダイオードＺＤ１との並列回路が設けられている。ツェナーダイオードＺＤ１は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点の電圧を一定にしており、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点には、バイパス電流回路３０が設けられた電界効果型トランジスタＦＥＴ１のゲートが接続されている。

バイパス電流制御回路２０では、正電位側ラインに入力電圧が印加されると、コンデンサＣ１の容量にて規定される任意の時間が経過するまで、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点が所定の電圧になり、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオンする。

定電流回路１０は、正電位側ラインに直列接続された抵抗Ｒ５およびＲ６を介してコレクタが接続された第１トランジスタＱ１と、第１トランジスタＱ１のエミッタにコレクタが接続された第２トランジスタＱ２と、第２トランジスタＱふのエミッタに接続された抵抗Ｒ１１とを有している。抵抗Ｒ１１が、フォトダイオードＰＣ１の入力側部分に接続されている。

正電位側ラインに直列接続された抵抗Ｒ５およびＲ６には、抵抗Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０およびツェナーダイオードＺＤ２の直列回路によって構成された分圧回路が接続されており、ツェナーダイオードＺＤ２がフォトダイオードＰＣ１の入力側部分に接続されている。そして、第１トランジスタＱ１のベースには、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９の接続点の電位が入力されており、また、第２トランジスタＱ２のベースには、抵抗Ｒ１０とツェナーダイオードＺＤ２との接続点の電位が入力されている。第２トランジスタＱ２のベースには、ツェナーダイオードＺＤ２によって設定される所定の電位が入力されており、第１トランジスタＱ１のベースには、抵抗Ｒ７およびＲ８と、Ｒ９およびＲ１０とによって分圧された所定の電位が入力されている。

この定電流回路１０は、抵抗Ｒ７〜Ｒ１０とツェナーダイオードＺＤ２によってそれぞれ規定される所定の電圧によって、第１トランジスタＱ１および第２トランジスタＱ２がそれぞれオン状態になり、正電位側ラインに印加される入力電圧が、所定の電流になって出力されるために、フォトダイオードは、電圧動作型とされる。

このような構成の無接点リレーの駆動回路では、入力電圧が正電位側ラインに印加されると、その入力電圧が、定電流回路１０に供給されて、定電流回路１０によって所定の電流とされて、フォトダイオードＰＣ１に与えられる。

この場合、正電位側ラインに供給される電流によって、バイパス電流制御回路２０のコンデンサＣ１が充電されて、所定時間が経過するまでの間、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオンされる。これにより、正電位側ラインから定電流回路１０に供給される電流の一部が、バイパス電流として負電位側ラインに供給される。このバイパス電流は、正電位側ラインと負電位側ラインとの間に直列接続された抵抗Ｒ１およびＲ２によって規定される。これにより、正電位側ラインから定電流回路１０には、入力電圧に対する電流に対して、負電位側ラインに供給されるバイパス電流分だけ低減されて、定電流回路１０に入力される。

このように、バイパス電流制御回路２０では、コンデンサＣ１の充電が完了するまでの間、抵抗Ｒ１およびＲ２にて規定される電流がバイパス電流として流れることになる。このバイパス電流は、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ３にて設定される任意の時間幅にわたって流れることになる。そして、このように設定される任意の時間幅でバイパス電流が流れることによって、定電流回路１０に入力される電流が低減される。定電流回路１０には、通常、２ｍＡの電流が入力されるが、バイパス電流制御回路２０によって、１０ｍＡ以上のバイパス電流を、設定される任意の時間幅で流すことができる。

定電流回路１０に入力される電流が低減されることにより、定電流回路１０において、例えば２ｍＡ以下の定電流としてフォトダイオードＰＣ１に出力することができる。これにより、定電流回路１０に印加される入力電圧が２４Ｖ、４８Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖ、１２５Ｖと変化する場合においても、フォトダイオードＰＣ１に与えられる電流を、確実に２ｍＡ以下の電流とすることができる。その結果、駆動回路１０およびフォトダイオードＰＣ１における温度上昇を抑制することができる。

また、定電流回路１０に入力される電流が、バイパス電流制御回路２０によって２ｍＡ以下に抑制されるために、バイパス電流制御回路２０の入力電流が１０ｍＡ以上と大きくなっても特に問題がなく、その結果、バイパス電流制御回路２０の入力ラインに設けられる機械接点として、金材質の接点材料を使用する必要がない。これにより、経済性が向上する。

さらに、このような構成の駆動回路を含む電子部品に対して、部品両端に入力電圧が直接加わる可能性がある部分においては、部品を直列配置し電圧分担させることで要求される耐電圧性能を得ることができる。

本発明は、電力設備での開閉装置等として使用されるフォトダイオード等の無接点リレーの駆動回路において、温度上昇を抑制することができる。

本発明の無接点リレーの駆動回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０ 定電流回路
２０ バイパス電流回路
３０ バイパス電流制御回路
ＰＣ１ フォトダイオード
Ｒ１〜Ｒ１１ 抵抗
ＦＥＴ１ 電界効果型トランジスタ
ＺＤ１、ＺＤ２ ツェナーダイオード
Ｃ１ コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２ トランジスタ

Claims (4)

1. 入出力間が絶縁されて、正電位側ラインと負電位側ラインとの間に設けられた１つの無接点リレーを、複数の入力電圧によって駆動する駆動回路であって、
   該正電位側ラインに印加される入力電圧を定電流に変換して前記無接点リレーに供給する定電流回路と、
   該正電位側ラインから該定電流回路へ供給される電流の一部を、バイパス電流として負電位側ラインへ供給するバイパス電流回路と、
   該正電位側ラインに電圧が印加されると、該バイパス電流回路を動作させるバイパス電流制御回路と、
   を具備する無接点リレーの駆動回路。
2. 前記複数の入力電圧は、最大入力電圧が最低入力電圧の５倍以上になっている請求項１記載の無接点リレーの駆動回路。
3. 前記定電流回路の出力電流が２ｍＡ以下になっている請求項２記載の無接点リレーの駆動回路。
4. 前記バイパス電流制御回路は、前記入力電圧が定電流回路に印加された後に、設定された任意の時間幅でバイパス電流回路の動作を可能とする請求項１記載の無接点リレーの駆動回路。
   

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