JP4829023B2 - 漏れ電流検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、電路の電極間で発生した漏れ電流を検出する漏れ電流検出回路に関する。

従来、プラグの栓刃間でトラッキングが発生したら電路を遮断する機能を有する電源コンセント装置として特許文献１或いは特許文献２に開示されたものがあった。また、電源コード内部の電線の破損を検知して電路を遮断する電源コード装置として特許文献３に記載されたものがあった。
特許文献１は、プラグ挿入口間に２個のトラッキング検出用電極を配置し、このトラッキング検出用電極間に釈放リレーの励磁コイルを接続して、プラグ挿入口間に発生するトラッキング電流により励磁コイルを励磁して釈放リレーを動作させて電路を遮断しているし、特許文献２は、電流検出部、フィルタ回路、Ａ／Ｄ変換回路、演算処理部等を有し、検出した電路電流から、トラッキングの発生を判断している。
また、特許文献３では、電源コード内に電線以外に感知線を平行に配置し、零相変流器（センサコア）により２本の電線の零相電流を検出することで電線の破損を判断するものであった。

特開平９−１８０８０５号公報 特開２００１−３２４５３３号公報 特開２００３−１７１９５号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成は、トラッキングが発生したらそれを検知することはできるが、トラッキングの原因となるプラグ栓刃間の火花放電（シンチレーション）を検知するのが難しく、トラッキング発生をその初期段階で検知して電路を遮断することはできなかった。また、特許文献２の構成は、火花放電を検出することが可能であるため、トラッキングを初期の段階で検知することは可能であるが、フィルタ回路、Ａ／Ｄ変換回路、演算処理部等が必要であり、回路が複雑でコスト高であった。
更に、特許文献３の構成は、ＺＣＴを小型にするのが難しく、プラグ内等に組み込んで電源コードに一体に構成する場合、大型なものとなっていた。

このような問題点に鑑み、本発明者等はプラグ栓刃間のトラッキング初期の放電現象をフォトカプラを用いた簡易な回路で検出できることを見出した。しかも、このフォトカプラを用いた検出回路は放電を始めとする電極間の漏れ電流の発生を良好に而も高速に検出でき、電線の半断線現象に関しても良好に検出できることを見出した。

そこで本発明は、電子機器の金属製筐体が電源線の何れかの極に接触して発生した漏れ電流をフォトカプラを使用した簡易な回路で高速に検出する漏れ電流検出回路を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明に係る漏れ電流検出回路は、フォトカプラの発光素子のアノードに漏れ電流検出対象の筐体に接続した信号線が接続され、前記フォトカプラの受光素子が漏れ電流検出対象に電力を供給する電路から電源の供給を受け、前記信号線から流入した電荷によりフォトカプラをオン動作させることで前記筐体と電源の接触による漏れ電流の発生を検出することを特徴とする。
この構成により、筐体から漏れた電流がアースに流れなくても、フォトカプラに接続された信号線に漏れ電流により発生する電荷を流すことで、漏れ電流を検出することができる。その結果、アース線が接続されていない状態でも、漏電による事故を未然に防ぐことが可能となる。
また、この漏れ電流検知動作は、零相変流器を用いた漏電検知動作より高速で動作するので、特定の機器の漏れ電流に対して広域に遮断する状況を回避するのに役立てることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、フォトカプラのオン動作を受けて信号を出力する信号出力回路を有し、該信号出力回路はフォトカプラに連動してオンする第２のフォトカプラを備え、この第２のフォトカプラの受光素子のコレクタを漏れ電流検出信号の出力部としたことを特徴とする。
この構成により、入力回路と出力回路を完全に分離することで、汎用性をもたせることができ、回路基板内で発生する放電や漏れ電流の発生を検知できる。また、ＩＣ化が可能であり、漏れ電流等の検知をＩＣを組み付けるだけの簡易な回路構成で実施することが可能となる。

本発明によれば、筐体で発生した漏れ電流がアースに流れ出なくても、信号線を介してフォトカプラに流れ込ませることで、簡易な回路で漏れ電流を検出することができる。そのため、アース線が接続されていない状態でも、漏電による感電事故や火災に至るような事故の発生を未然に防ぐことが可能となる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る電源コンセント装置の一例を示す回路図であり、１は電源側端子、２はプラグの栓刃（図示せず）を挟持して接続するコンセントの受刃、３は電路、４は交流電源、５は栓刃間に発生する放電電流を検知するセンサ、６はセンサ５が検出した電荷によりトラッキング発生信号を出力するトラッキング検出回路（漏れ電流検出回路）、７は電路３を遮断する遮断手段としての開閉接点、８は開閉接点７を開操作（遮断操作）する遮断回路、９はトラッキング検出回路に電源を供給する電源回路である。

センサ５は、金属片等の導電部材により形成され、１対の受刃２，２間に配設されている。センサ５に接続された信号線１１は、ダイオード１２ａ、抵抗器１２ｂを備えた保護回路１２を介してフォトカプラ１３の発光ダイオード１３ａのアノードに接続されている。そして、発光ダイオード１３ａのカソードは基準電位ライン１５に接続され、トラッキング検出回路６のセンサ信号回路を構成している。

一方、フォトカプラ１３の受光素子１３ｂのエミッタは基準電位ライン１５に接続され、コレクタは電源ライン１６に接続されている。そして、受光素子１３ｂのコレクタは更にＰＮＰトランジスタ１８のベースに接続され、このＰＮＰトランジスタ１８のコレクタにトラッキング発生信号を出力する信号出力部が設けられ、フォトカプラ１３の受光素子１３ｂ側の回路は、トラッキング発生信号生成回路を構成している。
このように、センサ信号回路とトラッキング発生信号生成回路はフォトカプラ１３を介して電気的に分離されて接続されている。

遮断回路８は、トラッキング検出回路６の出力するトラッキング発生信号を受けてオン動作するサイリスタ８ａ、サイリスタ８ａのオンにより励磁されて開閉接点７を遮断操作するマグネットコイル８ｂを有し、トラッキング検出回路６からトラッキング発生信号が出力されたら、電路３が電源４から遮断される。

電源回路９は整流回路１０を有し、開閉接点７より負荷側の電路３から電源の供給を受けて直流に変換し、トラッキング検出回路６のトラッキング発生信号生成回路に電源を供給している。

図２は上記回路を組み込んだ電源コンセント装置の正面図を示している。図２において、２０は内部に受刃を備えたプラグ挿入口、２１は遮断動作した開閉接点を接続操作する操作レバー、２２はプラグ挿入口２０間に配置され、内部にセンサ５を備えて栓刃間に発生する火花放電を検知するための透孔、２３は背部に電源線接続部（図示せず）を備えたコンセントケースである。

このように構成された電源コンセント装置は次のように動作する。受刃２に接続されたプラグの栓刃間に放電電流が流れると、火花放電発生部位に設けられた透孔２２を介してセンサ５にその火花放電が接触し、微小な電流（電荷）が信号線１１を介してグランドライン１５に流れる。
こうして信号線１１に流れた電流により、フォトカプラ１３の発光ダイオード１３ａに電流が流れてフォトカプラ１３の受光素子１３ｂがオンする。その結果、受光素子１３ｂのコレクタにベースが接続されたトランジスタ１８がオンし、トラッキング検出回路６からトラッキング発生信号がサイリスタ８ａに対して出力される。

サイリスタ８ａは、このトラッキング発生信号を受けてオンし、マグネットコイル８ｂに大電流を通電し、マグネットコイル８ｂはトリップ動作する。この動作により、開閉接点７が開操作されて電路３が遮断される。その結果、受刃２の出力は停止すると同時に、トラッキング検出回路６及びマグネットコイル８ｂへの電源の供給は停止される。

このように、フォトカプラを用いた回路で栓刃間で発生する放電を検知することができ、比較回路やフィルタ回路を設けること無く、簡易な回路構成でトラッキング生成の原因となる放電を検知することができる。そして、放電が発生したら電路を遮断するので、トラッキングの進行を止めてプラグ及びコンセントを保護することができるし、発火する虞もなくなる。また、保護回路により漏れ電流検出回路を保護できる。

尚、上記電源コンセント装置は、図２に示すようには、壁面に埋設する壁面コンセントとして示しているが、延長コードを備えたタップコンセントであっても良い。

図３は本発明に係る漏れ電流検出回路の一例を示し、電子機器の金属製の筐体が電源線の何れかの極に接触する状態が発生したら電路を遮断する漏れ電流遮断装置に適用した構成を示している。尚、ここではコンセントボックスに組み込んだ構成を示している。図３において、２６は電子機器、２６ａはその金属製筐体、２７は漏れ電流遮断装置、２８は交流電源、２９は交流電源２８から漏れ電流遮断装置２７に設けられているコンセント３０まで配設された電路、３１はコンセント３０に接続された電子機器２６の電線コードを示している。

そして、漏れ電流遮断装置２７は、電路を遮断する遮断手段としての開閉接点３３、漏れ電流検出回路３４、開閉接点３３を遮断操作する遮断回路３５、電源回路３６、電子機器筐体２６ａに接続された信号線（アース線）３７を備えている。漏れ電流検出回路３４は、フォトカプラ３９を使用し、その発光側で漏れ電流入力回路を形成すると共に、受光側で漏れ電流発生信号生成回路を形成し、上記図１に示す漏れ電流検出回路６と略同一の回路構成となっている。

具体的に、信号線３７はフォトカプラ３９の発光ダイオード３９ａのアノードに保護回路１２を介して接続され、発光ダイオード３９ａのカソードは基準電位ライン４０ａに接続され、漏れ電流検出回路３４のセンサ信号回路を構成している。

一方、フォトカプラ３９の受光素子３９ｂのエミッタは基準電位ライン４０ａに接続され、コレクタは電源ライン４０ｂに接続されている。そして、受光素子３９ｂコレクタは更にＰＮＰトランジスタのベースに接続され、このＰＮＰトランジスタのコレクタに漏れ電流発生信号を出力する信号出力部が設けられ、フォトカプラ３９の受光素子３９ｂ側の回路は、漏れ電流発生信号生成回路を構成している。このように、センサ信号回路と漏れ電流発生信号生成回路はフォトカプラ３９を介して電気的に分離されて接続されている。

遮断回路３５は、漏れ電流検出回路３４の出力する漏れ電流発生信号を受けてオン動作するサイリスタ３５ａ、サイリスタ３５ａのオンにより開閉接点３３を遮断動作させるマグネットコイル３５ｂを有している。漏れ電流検出回路３４から漏れ電流発生信号が出力されたら、電路２９を電源２８から遮断するよう構成されている。

このように構成された漏れ電流遮断装置２７は次のように動作する。電子機器筐体２６ａが電源の何れかの極に接触すること無く正常な状態では、開閉接点３３は閉状態にあり、交流電源２８からコンセント３０、電源コード３１を介して電力が電子機器２６に供給される。
この状態で、絶縁劣化等何らかの問題発生により、電子機器筐体２６ａが電源の何れかの極に接触して充電されると、信号線３７に充電電位が加わり通電され、フォトカプラ３９の発光ダイオード３９ａに電流（電荷）が流れ込む。その結果、フォトカプラ３９がオン動作してサイリスタ３５ａをオンさせ、マグネットコイル３５ｂが励磁されてトリップする。こうして開閉接点３３が開動作し、コンセント３０の出力は遮断され、電子機器２６への電力の供給は停止される。同時に、漏れ電流検出回路３４及びマグネットコイル３５ｂへの電源の供給も停止される。

一方、この漏れ電流遮断装置２７と零相変流器を使用した従来の漏電遮断器の遮断動作時間を比較してみると表１のようになる。表１では図３に示すような構成で電子機器筐体に電源の一方の極を接触させた場合の遮断時間を１０回測定して比較している。尚、漏電遮断器を使用する場合は、信号線３７はアース線となる。

この測定結果に示すように、本発明の漏れ電流遮断装置の遮断動作は、漏電遮断器に比べ５分の１から６分の１の時間の短い時間で遮断動作することが判る。この理由としては、漏電遮断器は誤動作を防止するために、信号を受けてから出力を出すまで半サイクル遅らせていること、更に零相変流器により間接的に漏電を検出しているため時間に遅れが生ずることが挙げられる。

このように、電路から漏れた電流がアースに流れなくても、フォトカプラに接続されたセンサとしての信号線に流れることで、電荷を検知させることができ漏れ電流を検出することができる。その結果、アース線が接続されていない状態でも、漏電による事故を未然に防ぐことができる。
そして、この遮断動作は、漏電遮断器の遮断動作より早く動作させることができるため、電子機器筐体がアース線に接続されていても、漏電遮断器が動作する前に漏れ電流遮断装置が遮断動作するので、漏れ電流発生機器の電路のみ遮断でき、広範囲に停電する事態を防ぐことができる。

尚、上記漏れ電流遮断装置２７は、コンセントボックスに組み込んで構成されているが、コンセントに接続するプラグから負荷の電子機器２６に至る何れかの部位に配置しても良い。この場合、プラグから電子機器２６に至る電源コード３１の端部或いは途中に開閉接点３３及び漏れ電流検出回路３４を配置することで、筐体２６ａと電源の接触を検知し、電子機器２６に至る電源コード３１を電路から遮断させることができる。

図４は、本発明に係る電源コード装置の一例を示し、電源コードに発生した半断線を検出して電路を遮断する装置を示している。図４（ａ）は電源コード装置の回路図、図４（ｂ）はこの装置において使用する電源コードの構造を示している。図４（ａ）において、４１はコンセントに接続する栓刃、４２は電子機器が接続された電源コード、４３は電路を遮断する遮断手段としての開閉接点、４４は半断線検出回路、４５は開閉接点４３を遮断操作する遮断回路、４６は電源回路、４７は電源コード４２に接続された信号線であり、これらの回路は栓刃４１を備えたプラグケース内に組み込まれている。

一方、電源コード４２は、図４（ｂ）に示すように絶縁被覆された２本の電線４２ａの周囲を導電膜としての編組導体４２ｂで覆うシールド構造を有し、信号線４７はこの編組導体４２ｂに接続されている。
電源コードに使用される電線４２ａは、コード全体を曲がり易くするために複数の細い電線を寄り合わせて所定の電流容量を得るよう構成されている。そのため、過度に折り曲げられたり、局部的に大きな圧力が加えられたりすると、複数の細い電線のうちの一部が金属疲労等で断線することがある。このような場合、電流の許容量が小さくなってしまうため発熱し、やがて発火して焼損に至ってしまう。本発明の電源コード装置は、このような危険な現象の発生を防止するものである。

半断線検出回路４４は、上記図１に示す漏れ電流検出回路６と同一の構成であり、フォトカプラ４９のアノードに編組導体４２ｂが保護回路１２を介して接続され、フォトカプラ４９の発光側が半断線により発生する漏れ電流入力回路を形成している。編組導体４２ｂは、半断線の発生により電線４２ａの段線部が接触することで生ずる漏れ電流を検知するセンサとして作用している。具体的に、信号線４７はフォトカプラ４９の発光ダイオード４９ａのアノードに接続され、また発光ダイオード４９ａのカソードは基準電位ライン５０ａに接続され、半断線検出回路４４のセンサ信号回路を構成している。

一方、フォトカプラ４９の受光素子４９ｂのエミッタは基準電位ライン５０ａに接続され、コレクタは電源ライン５０ｂに接続されている。そして、受光素子４９ｂコレクタは更にＰＮＰトランジスタのベースに接続され、このＰＮＰトランジスタのコレクタに半断線発生信号を出力する信号出力部が設けられ、フォトカプラ４９の受光素子４９ｂ側の回路は、半断線発生信号生成回路を構成している。このように、センサ信号回路と半断線発生信号生成回路はフォトカプラ４９を介して電気的に分離されて接続されている。

遮断回路４５は、半断線検出回路４４の出力する半断線発生信号を受けてオン動作するサイリスタ４５ａ、サイリスタ４５ａのオンにより開閉接点４３を遮断動作させるマグネットコイル４５ｂを有している。半断線検出回路４４から半断線発生信号が出力されたら、電路４８を電源から遮断するよう構成されている。

このように構成された電源コード装置は次のように動作する。電源コード４２の内部で半断線が発生すると、負荷電流により断線部が加熱され、また放電等の発生により電線４２ａを覆っている絶縁体が劣化し、やがて周囲の編組導体４２ｂと電線４２ａが接触或いは発生する放電が編組導体４２ｂに接触するようになる。こうなると、編組導体４２ｂに電流が流れ半断線検出回路４４がオン動作し、遮断回路４５が動作して開閉接点４３が開動作する。
その結果、半断線が発生した電源コード４２はコンセントに接続された状態でもプラグ内で電源から遮断され、電源コード４２への通電が遮断される。同時に、半断線検出回路４４及びマグネットコイル４５ｂへの電源の供給も停止される。こうして、半断線が電源コード４２の何れの部位に発生しても、その劣化の進行を止めることができる。

このように、フォトカプラを用いた簡易な回路で電線の半断線を検出することができる。そして、半断線が発生したら電路を遮断するので、半断線により電線が発熱して発火する虞もなくなる。

尚、図４では、電線４２ａの周囲をシールド膜のように覆う導電膜として編組導体４２ｂを設けて電源コードを構成しているが、個々の電線を覆うように導電膜を設けても良い。また、導電膜は、アルミ膜のような金属薄膜であっても良い。

図５は、本発明に係る漏れ電流検出回路の他の例を示している。図５は汎用性を持たせてＩＣ化に適した回路構成を示している。図５において、５１はＩＣパッケージ、５２は回路をリセット操作するためのリセット端子、５３はセンサを接続するセンサ端子、５４はセンサ側電源端子、５５はセンサ側アース端子である。また、５６は信号出力端子、５７は出力側電源端子、５８は出力側アース端子である。

この漏れ電流検出回路は、内部にフォトカプラ（第１のフォトカプラ）６０を備えた図１に示す漏れ電流検出回路６と同様の漏電検出回路６１を有し、信号出力回路６２が新たに追加された構成となっている。この信号出力回路６２には、第１のフォトカプラ６０に連動する第２のフォトカプラ６３が設けられ、この第２のフォトカプラ６３の受光部コレクタが信号出力部となり信号出力端子５６に接続されている。こうして、入力側回路と出力側回路とは電気的に完全に分離された構成となっている。

この構成により、電流（電荷）を検出したい部位に配置したセンサをセンサ端子５３に接続すると共に、センサ側電源端子５４及びセンサ側アース端子５５を検出対象の回路の電源に接続することで、トラッキング放電や漏れ電流を検出することができる。そして、出力側電源端子５７と出力側アース端子５８に所定の電圧を加えさえすれば、信号出力端子５６から、検出信号を出力させることができる。具体的にはセンサが電荷等を検知すれば、ＬＯＷ信号が出力される。

このように入力回路と出力回路を完全に分離することで、汎用性をもたせることができ、回路基板内で発生する放電や漏れ電流の発生を検知できるし、遮断回路等を簡易な回路で形成できるようになる。また、ＩＣ化すれば、漏れ電流等の検知をＩＣを組み付けるだけの簡易な回路構成で実施することができる。

本発明に係る電源コンセント装置の一例を示す回路図である。 図１の電源コンセント装置の正面図でる。 本発明に係る漏れ電流検出回路を使用した漏れ電流検出装置の回路図である。 本発明に係る電源コード装置の回路図である。 ＩＣ化に適した漏れ電流検出装置の回路図である。

符号の説明

２・・受刃、３・・電路、５・・センサ、６・・トラッキング検出回路（漏れ電流検出回路）、７・・開閉接点（遮断手段）、８・・遮断回路、９・・電源回路、１１・・信号線、１２・・保護回路、１３・・フォトカプラ、１３ａ・・発光ダイオード、１３ｂ・・受光素子、２７・・漏れ電流遮断装置、３１・・電源コード、３３・・開閉接点、３４・・漏れ電流検出回路、３５・・遮断回路、３７・・信号線、３９・・フォトカプラ、４２・・電源コード、４３・・開閉接点、４４・・半断線検出回路、４５・・遮断回路、４７・・信号線、４９・・フォトカプラ、６０・・第１フォトカプラ、６２・・信号出力回路、６３・・第２フォトカプラ。

Claims (2)

1. フォトカプラの発光素子のアノードに漏れ電流検出対象の筐体に接続した信号線が接続され、前記フォトカプラの受光素子が漏れ電流検出対象に電力を供給する電路から電源の供給を受け、前記信号線から流入した電荷によりフォトカプラをオン動作させることで前記筐体と電源の接触による漏れ電流の発生を検出することを特徴とする漏れ電流検出回路。
2. フォトカプラのオン動作を受けて信号を出力する信号出力回路を有し、該信号出力回路はフォトカプラに連動してオンする第２のフォトカプラを備え、この第２のフォトカプラの受光素子のコレクタを漏れ電流検出信号の出力部とした請求項１記載の漏れ電流検出回路。

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