JPH01111219A - 定電圧電源用過負荷保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリーズドロッパ形と通称される定電圧電源用
過負荷保護回路、すなわち負荷電流路にコレクタ・エミ
ッタ間が挿入された主トランジスタのベース電位に応じ
た定電圧を負荷に出力する定電圧電源と組み合わされて
主トランジスタを過負荷から保護する回路に関する。

〔従来の技術〕

よく知られているように、比較的構成が簡単でかつ安価
な定電圧電源として前述のシリーズドロッパ形のものが
単独にないしは他方式の定電圧電源と組み合わされてと
くに比較的小電流容量範囲・で多用されている。しかし
、この種の定電圧電源では入力電圧と出力電圧との差が
主トランジスタのコレクタ・エミッタ間により負担され
、この電圧差と負荷電流との積で決まる電力が主トラン
ジスタ内で主にコレクタ損として消費されるため、負荷
に過電流が流れたとき主トランジスタが発熱して損傷し
あるいは破壊するおそれがあり、このため従来から過負
荷保護回路がシリーズドロッパ形の定電圧電源に組み込
まれている。第３図はかかる保護回路を組み込んだ定電
圧電源の従来例を示すものである。

第３図において、定電圧電源は符号１０で示されており
、図の左側の直流電源１から入力電圧Ｖｉを受け、図の
右側の負荷２に定電圧である出力電圧Ｖｏを供給する。

定電圧制御用の主トランジスタ１１は負荷２がとる負荷
電流Ｉが流れる負荷電流路にそのコレクタ・エミッタが
直列に挿入され、そのベース電位は入力電圧Ｖｔを抵抗
１３を介して受けるツェナダイオード１２のツェナ電圧
によりほぼ一定に保たれる。容品にわかるように、出力
電圧Ｖｏはこのベース電位より主トランジスタのふつう
は０．５〜０．７ｖである主トランジスタのベース・エ
ミッタ間電圧だけ低いほぼ一定の値に保、たれる。

抵抗１３はツェナダイオード１２を正常時には導通状態
に保つとともに、主トランジスタ１１に適度のベース電
流を注入する役目を果たしている。

主トランジスタ１１に対する保護回路は保護トランジス
タ２０と過電流検出抵抗２１とからなり、過電流検出抵
抗２１は負荷電流路に直列に挿入され、保護トランジス
タ２０はこの過電流検出抵抗２１の両端間電圧をそのベ
ース・エミッタに受け、そのコレクタは主トランジスタ
のベースに接続されている。

過電流検出抵抗２１の抵抗値は負荷電流Ｉが正常なとき
その両端間電圧が保護トランジスタ２０のベース・エミ
ッタ間電圧未満であるように選ばれているが、何らかの
原因で負荷電流Ｉが増加しである所定値に達すると保護
トランジスタ２０が導通して抵抗１３から主トランジス
タ１１に注入されているベース電流を側路し、主トラン
ジスタ１１のベース電流従ってそのコレクタ・エミッタ
間を流れる負荷電流■を制限して出力電圧Ｖｏを低下さ
せる。第４図はこの保護動作の様子を示すものである。

第４図（ａ）には負荷電流Ｉと出力電圧Ｖｏの関係が示
されており、図には負荷電流の定格値Ｉｒと保護回路が
動作を開始する前述の所定値である過電流検出値１ｄが
横軸上に示されている。過電流検出値Ｉｄは負荷電流定
格値Ｉｒの例えば１２０％程度に選ばれる。負荷電流Ｉ
がこの過電流検出値１ｄ以下であるとき、出力電圧Ｖｏ
は入力電圧Ｖｉよりは低いごく僅かに右下がりのほぼ一
定値に保たれるが、負荷電流■が検出値１ｄに達して保
護トランジスタ２０が前述のように導通すると、それに
よる主トランジスタ１１のベース電流の制限によって出
力電圧Ｖｏは図示のように急速に低下され、これにより
短絡電流Ｉｓで出力電圧Ｖｏが消失する垂下特性が与え
られる。この短絡電流Ｉｓは負荷電流定格値１ｒの１４
０〜１６０％とされるのがふつうである。一方、主トラ
ンジスタ１１内の消失ないしはそのコレクタ損Ｐは、同
図中）に示すように過電流検出値１ｄ未満の範囲ではほ
ぼ負荷電流Ｉに比例して増加するが、検出値１６以上で
は主トランジスタ１１のコレクタ・エミッタ間電圧が出
力電圧Ｖｏの低下に応じてむしろ増加するので、図示の
ようにそれまでよりは急な勾配で増加することになる。

しかし、負荷電流Ｉが前述の短絡電流Ｉｓ以上には増加
しないので、コレクタ損Ｐも短絡電流Ｉｓに対応する最
大値ＰＩ１１を越えることがなくなる。

このように従来の保護回路では、負荷電流Ｉが過電流検
出値１ｄに達したとき、出力電圧Ｖｏに垂下特性を持た
せて、負荷電流■が短絡電流Ｉｇを越えることがないよ
うにすることによって主トランジスタのコレクタ損Ｐを
この短絡電流Ｉｓに対応する最大値２１以内に制限する
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来の保護回路は非常に簡単な回路構成で主トラ
ンジスタを有効に保護できるが、その保護効果が確実な
のは負荷電流の過負荷状態が比較的短時間な場合につい
てであって、過負荷状態が長く持続されると主トランジ
スタを必ずしも充分に保護できないことがわかって来た
。この原因は過負荷状態が続くと主トランジスタの温度
が次第に上昇して来るためである。

すなわち、第４図山）に示したように負荷電流検出値１
ｄ以上の出力電圧Ｖｏの制限領域では主トランジスタの
コレクタ損Ｐがむしろ増加するので、この領域内の出力
電圧の制限動作を持続するとコレクタ損に基づいて主ト
ランジスタ１１の温度が次第に上昇してそのベース・エ
ミッタ間電圧が低下して来る。この低下の度合いはよく
知られているように２ａ＋Ｖ／ｌ”程度であるが、主ト
ランジスタの温度が極端な場合常温から１２０℃まで１
００℃程度上昇すると、ベース・エミッタ間電圧は０．
２　Ｖ　、つまり常温時の値から１７３程度低下するこ
とになる。

第３図かられかるように、主トランジスタ１１のベース
・エミッタ間電圧が低下するとそのベース電流が保護ト
ランジスタ２０により側路される割合いが落ちることに
なり、この結果主トランジスタ１１のベース電流が増加
して負荷電流Ｉも増加することになる。第４図（ａ）の
鎖線で示した垂下特性がこれを示し、その勾配が実線の
常温時の特性よりも緩やかになる結果、短絡電流がＩｓ
からＩｓｈにまで増加する。この場合の主トランジスタ
のコレクタ損は同図（ｂｌに鎖線で示されており、負荷
電流検出値Ｉｄの近傍では常温時のコレクタ損よりもや
や少なくなるものの、増加した短絡電流１ｓｈに対応す
るコレクタ損の最大値Ｐｍｈが常温時の短絡電流Ｉｓに
対応するコレクタ損の最大値Ｐｍよりもずっと大きくな
ってしまう。

すなわち従来の保護回路では、過電流検出後の出力電圧
の制限動作が長びくと、主トランジスタのコレクタ損を
制限できる最大値が制限動作時間が短いときに比べて大
幅に増加してしまい、この増加した最大値が許容限を越
えると主トランジスタは破損あるいは破壊するに至り、
とくに定電圧電源が使用される周囲温度が高いと数分程
度の時間内にこの危険状態に達することがある。この問
題に対する一つの解決手段としては保護トランジスタ２
０を主トランジスタと熱的に結合して同じ温度にしてや
り、主トランジスタの温度が上がったときそのベース・
エミッタ間電圧を主トランジスタのそれと同じように低
下させて短絡電流Ｉｓが常温時の値よりも増加しないよ
うにすることができる。しかし、これでは温度上昇時に
出力電圧の制限動作を開始する負荷電流検出値が低下す
ることになるので、保護回路としての本来の機能があや
しくなってしまう。

本発明はかかる問題点を解消して、出力電圧の制限動作
時間が長引いても上述のような主トランジスタの熱暴走
が発生せず、主トランジスタを熱的損傷から安全に保護
できるようにすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的ないしは課題は、定電圧電源用過負荷保護回
路として、負荷電流路に挿入された過電流検出抵抗と、
過電流検出抵抗の両端間電圧をベース・エミッタ間に受
け負荷電流値が所定値に達したとき導通して主トランジ
スタのベースへの注入電流を側路する保護トランジスタ
と、主トランジスタへのベース電流の注入路に挿入され
、主トランジスタと熱的に密に結合されて所定温度で抵
抗値が急変する正の抵抗温度特性をもつ感熱抵抗とを設
け、負荷電流が前記所定値に達したときには出力電圧を
低下させ、主トランジスタの温度が前記所定値に達した
ときには主トランジスタをほぼ遮断状態にすることによ
って解決される。

〔作用〕

上記の問題点への対策としては前々項に述べた手段のほ
かに種々の電子回路上の工夫があり、例えば温度補償回
路により負荷電流検出値や出力電圧制限時の垂下特性を
安定化させることができるが、定電圧電源の動作条件や
過負荷の時間長がかなり広範囲に変化するので、いずれ
もかなり回路が複雑化し、また複雑化しただけ動作上の
ばらつきが生じやすく、その調節が厄介になって結局コ
スト高になりやすい。そこで本発明では上記構成にいう
ように感熱抵抗を１個だけ追加することとし、それによ
って主トランジスタの温度をできるだけ正確に感知でき
るよう、感熱抵抗を例えば主トランジスタ用の放熱器に
取り付けることにより主トランジスタと熱的に密に結合
させる。この感熱抵抗としては種々の特性のものが知ら
れており、理想的には温度により抵抗値が連続的に変化
するものを用いて、この抵抗値の変化に応じて主トラン
ジスタの温度が所定値を越えないように負荷電流を制御
することが望ましいが、種々検討の結果主トランジスタ
とその放熱器とにかなりの熱的な慣性があるため、負荷
電流の制御回路が複雑化してしまうことがわかった。そ
こで、本発明では感熱抵抗として上記構成にいうように
所定温度で抵抗値が急変するいわゆるスイッチングサー
ミスタを用い、その抵抗急変点である臨界温度における
抵抗値の大きな変化を利用して、主トランジスタの温度
がこの臨界温度に達したとき、主トランジスタをほぼ遮
断状態にしてしまう手段を採る。もちろん、主トランジ
スタを遮断状態にしてしまうと定電圧電源としての機能
は失われてしまうのであるが、もともと主トランジスタ
の温度がこの臨界温度に達するのは出力電圧の制限動作
がなされていて定電圧電源から正規の出力電圧が出力さ
れていないのであるから、機能上の大きな不利益はなく
、実験結果によれば主トランジスタを遮断状態にしてし
まうことにより主トランジスタを最も確実に損傷から守
ることができる。次・に感熱抵抗の抵抗値の急変時に主
トランジスタを遮断状態にする手段であるが、トランジ
スタを遮断するにはそのベース電流を断つ要があるから
、本発明では感熱抵抗としては正の抵抗温度特性をもつ
ものを用い、これを主トランジスタへのベース電流の注
入路に挿入する手段を採る。この最も直接的な手段によ
り、本発明の実施上は前述のようにこの感熱抵抗を１個
だけ追加して接続すればよいことになり、回路構成が非
常に簡単化になる。

以上のように構成された本発明による過負荷保護回路で
は、定電圧電源に過電流が流れたとき過電流検出抵抗と
保護トランジスタによりこれが検出されてまず出力電圧
を低下させる制限動作が開始され、この過電流状態が幸
い短時間内に終息したときは定電圧電源は正規の動作に
自動復帰する。

しかし、過電流状態が持続して主トランジスタの温度が
次第に上がり感熱抵抗の臨界温度に達すると、上述のよ
うに主トランジスタは感熱抵抗の抵抗値の大きな増大に
よりベース電流を殆ど断たれて直ちに遮断状態に入れら
れる。感熱抵抗が主トランジスタと熱的に密に結合され
ていても、常に僅かでも時間遅れがあるから、感熱抵抗
の温度はその臨界温度に達した後にさらに若干上昇した
後、放熱器を含めた主トランジスタのもつ熱的慣性に応
じた割合で下降する。このため、主トランジスタの温度
を１２５℃未満に抑えたいとき、多少の余裕を見て感熱
抵抗の臨界温度は例えば９０〜１００℃に選定される。

また本発明による保護回路の動作上は感熱抵抗の動作履
歴はとくには必要ないが、保護の完全を期して主トラン
ジスタを感熱抵抗の臨界温度以下に一旦冷却したいとき
には、感熱抵抗の動作に僅かな履歴を持たせるのが望ま
しい。

このように主トランジスタの温度が感熱抵抗の臨界温度
までないしはそれ以下に下降したとき感熱抵抗の抵抗値
が急速に減少するので、定電圧電源は正規の動作に自動
復帰する。

以上の記載かられかるように、定電圧電源の負荷電流が
所定の検出値に達したとき出力電圧を制限する動作を行
なう過電流検出抵抗と保護トランジスタとに組み合わせ
て主トランジスタに熱的に密に結合される感熱抵抗を用
い、この感熱抵抗として臨界温度で抵抗が急増する正の
抵抗温度特性をもつものを用い、かつこの感熱抵抗を主
トランジスタへのベース電流の注入路に挿入する本発明
の構成により、出力電圧の制限動作開始後にその動作時
間が長引いても主トランジスタは熱暴走による損傷から
確実に保護され、これによって本発明の所期の課題が非
常に簡単な構成で解決される。

〔実施例〕

以下、第１図および第２図を参照しながら本発明の詳細
な説明する。第１図は本発明による定電圧電源用過負荷
保護回路の回路図、第２図はその動作特性線図であり、
前の第３図および第４図と共通な部分には同じ符号が付
されている。

第１図の回路が前の第３図と異なる所は感熱抵抗３０が
追加されている点のみであって、図示の回路では主トラ
ンジスタ１１のベース電流は入力電圧Ｖｉの側から抵抗
１３を介して注入されているから、感熱抵抗３０の一端
はこのベース電流注入路に直列に挿入されるよう主トラ
ンジスタのベースに接続され、その他端は抵抗１３ない
しはツェナダイオード１２と接続されている。この実施
例では保護トランジスタ２０のコレクタは感熱抵抗３０
と抵抗１３との相互接続点につながれているが、図で鎖
線で示したようにトランジスタ１１のベースに接続する
ようにしても差し支えない。感熱抵抗３０としては、正
の抵抗温度特性をもついわゆるＰＴＣサーミスタであっ
て、かつ臨界温度で抵抗値が急変する例えばチタン酸バ
リウム系のスイッチングサーミスタが用いられ、その常
温における抵抗値が数Ωから数十Ω程度の小形のものが
用いられる。この種のスイッチングサーミスタではその
臨界温度が前述のように例えば９０〜１００℃のものが
容易に得られ、この臨界温度温度付近で１０℃あたりの
抵抗値変化が１０３以上のものを用いることができる。

この感熱抵抗３０は主トランジスタ１１の放熱器に取り
付けるのが最も簡便であるが、上述のように小形のもの
であるから主トランジスタ用のパッケージ内に収納して
、熱的結合を一層密にするとともにそのベースとあらか
じめ接続しておくことも可能である。なお、主トランジ
スタ１１のベース電流値を小に従って感熱抵抗３０を抵
抗値がさらに小な小形のものにするためには、主トラン
ジスタ１１に電流増幅率の高いダーリントントランジス
タを用いると有利である。第１図の回路の残余部は前の
第３図と同じであるから説明を省略する。

ついで第２図を参照しながら保護動作を説明する。同図
（ａ）の出力電圧特性は、負荷電流■に比例する主トラ
ンジスタのベース電流の増加とともに感熱抵抗３０内の
電圧降下が増加するので、負荷電流Ｉが過電流検出値！
ｄ以下の範囲で従来より僅かであるが勾配が大になるの
で、定電圧電源の出力電圧の定格値が低く例えば５ｖ以
下の場合には、主トランジスタに前述のようにダーリン
トントランジスタを用いて感熱抵抗の常温時の抵抗値を
小にするのが有利である。負荷電流■が何らかの原因で
定格値Ｉｒを越えて過電流検出値Ｉｄに達したとき、図
のＡ点から保護トランジスタ２０による出力電圧の制限
動作が開始され、出力電圧特性は短絡電流Ｉｓに向かう
垂下特性を取る。過負荷状態が短時間内に解消され負荷
電流が検出値１ｄ未満に下がると定電圧電源の動作は正
常時に復帰するが、過電流が持続されて主トランジスタ
が昇温すると、そのベース・エミッタ間電圧が下がって
出力電圧特性は図の鎖線で示す増加された短絡電流Ｉｓ
ｈに向かう垂下特性に変化する。これに応じて動作点が
Ａ点からＢ点に変化して行き、Ｂ点で主トランジスタの
温度が感熱抵抗３０の臨界温度に達したとすると、感熱
抵抗３０の抵抗が急に大幅に増加するため、主トランジ
スタ１１のベース電流が、従って負荷電流Ｉが絞られて
主トランジスタは遮断状態に向かい、ごく短時間内に動
作点がＢ点からほぼ遮断状態である０点に移動する。こ
の０点では主トランジスタはそのコレクタ・エミッタ間
に入力電圧ｖｌのほぼ全部を負担しながら、負荷電流Ｉ
がほぼ消失した条件で自然冷却され、主トランジスタが
感熱抵抗の臨界温度までないしはそれを若干下回わる温
度にまで冷却されたとき始めて動作が０点から例えばＡ
点に自動復帰する。

第２図中）は以上の動作中の主トランジスタ１１のコレ
クタ損Ｐの経緯を示し、図のＡ、Ｂ、Ｃの動作点は前の
同図（ａ）の動作点Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応する。図
の鎖線の曲線は主トランジスタの昇温時に対応し、主ト
ランジスタの遮断動作が開始されるＢ点でのコレクタ損
の最大値Ｐｍは、同図（ａｌと対照すればわかるように
従来の保護回路における増加された短絡電流１ｓｈに対
応するコレクタ損Ｐｍｈよりもずっと低い値に抑制され
る。動作点Ｂから動作点Ｃへの移行時間は前述のように
ごく短く、その間にコレクタ損は実質上ゼロに減少して
、動作点Ｃにおいて主トランジスタが前述のように冷却
される。

以上の実施例の説明かられかるように、本発明による保
護回路では主トランジスタに流れる負荷電流の過電流状
態が持続しても、主トランジスタ内で発生するコレクタ
損の最大値が従来回路におけるよりも小さく抑えられ、
コレクタ損によって主トランジスタが熱暴走に入る手前
で常に主トランジスタが遮断状態に移行されて冷却され
る。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり本発明においては、負荷電流路にコ
レクタ・エミッタ間が挿入された主トランジスタのベー
ス電位に応じた定電圧を負荷に出力する定電圧電源と組
み合わされて主トランジス夕を過負荷から保護する定電
圧電源用過負荷保護回路を、負荷電流路に挿入された過
電流検出抵抗と、過電流検出抵抗の両端間電圧をベース
・エミッタ間に受け負荷電流値が所定値に達したとき導
通して主トランジスタのベースへの注入電流を側路する
保護トランジスタと、主トランジスタへのベース電流の
注入路に挿入され主トランジスタと熱的に密に結合され
て所定温度で抵抗値が急変する正の抵抗温度特性をもつ
感熱抵抗とで構成し、負荷電流が前記所定値に達したと
きには出力電圧を低下させ、主トランジスタの温度が前
記所定値に達したときには主トランジスタをほぼ遮断状
態にするようにしたので、定電圧電源の負荷電流が過電
流検出値を越えて保護トランジスタによる出力電圧の制
限動作が長時間持続されても、主トランジスタの温度が
感熱抵抗の臨界温度に達したとき感熱抵抗の抵抗値の急
増によって主トランジスタのベース電流がほぼ消滅され
るので、主トラン感熱抵抗は主トランジスタへのベース
電流の注入路に挿入され、その抵抗の急増により主トラ
ンジスタのベース電流を直接絞り込むので、感熱抵抗の
臨界温度だけを所望値付近によく管理すれば、主トラン
ジスタを遮断状態に移行させる動作は極めて確実に行な
われる。また、主トランジスタの温度が感熱抵抗の臨界
温度に達する前に負荷電流が検出値未満に減少したとき
は、定電圧電源は正常動作に自動復帰されるので主トラ
ンジスタが無用に遮断状態に移行されるようなこともな
い。

本発明の実施には従来の保護回路に感熱抵抗１個だけを
追加すればよく、かつ感熱抵抗のもつ大きな抵抗値変化
を利用して感熱抵抗は常温下の抵抗値の低い小形のもの
でよいので、最小の失費で上述の効果を得ることができ
る。この感熱抵抗が主トランジスタのベース電流注入路
に挿入されることにより、過電流検出値までの出力電圧
の定電圧特性が理論上は悪化する傾向になるが、感熱抵
抗の抵抗値を低く抑えることによりこの悪化の程度は最
大でも０．１ｖ程度の僅少ですみ、それでも問題がある
場合は主トランジスタに電流増幅率の高いトランジスタ
を用いることにより改善することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図が本発明に関し、第１図は本発明に
よる定電圧電源用過負荷保護回路の実施例回路図、第２
図はその動作特性線図である。第３図以降は従来技術に
関し、第３図は従来の保護回路の例の回路図、第４図は
その動作特性線図である。図において、 １：直流電源、２：負荷、１０：定電圧電源、１１：主
トランジスタ、１２：ツェナダイオード、１３：抵抗、
２０：保護トランジスタ、２１：過電流検出抵抗、３０
：感熱抵抗、Ａ、Ｂ、Ｃ：保護回路の動作点、Ｉ：負荷
電流、Ｉｄ：過電流検出値、Ｉｒ：負荷電流の定格値、
Ｉｓ：短絡電流、ｌ５ｈｓ主トランジスタ昇温時の短絡
電流、Ｐ：主トランジスタのコレクタ損、ＰＩＩｌ：コ
レクタ損の最大値、ｌ”ａｈ　：従来技術におけるコレ
クタ損の最大値、ｖｉ：入力電圧、ｖＯ：出力電圧、で
ある。 ト　　　　ゝ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）負荷電流路にコレクタ・エミッタ間が挿入された主
   トランジスタのベース電位に応じた定電圧を負荷に出力
   する定電圧電源と組み合わされて主トランジスタを過負
   荷から保護する回路であって、負荷電流路に挿入された
   過電流検出抵抗と、過電流検出抵抗の両端間電圧をベー
   ス・エミッタ間に受け負荷電流値が所定値に達したとき
   導通して主トランジスタのベースへの注入電流を側路す
   る保護トランジスタと、主トランジスタへのベース電流
   の注入路に挿入されかつ主トランジスタと熱的に密に結
   合されて所定温度で抵抗値が急変する正の抵抗温度特性
   をもつ感熱抵抗とを備えてなり、負荷電流が前記所定値
   に達したときには出力電圧を低下させ、主トランジスタ
   の温度が前記所定値に達したときには主トランジスタを
   ほぼ遮断状態にするようにしたことを特徴とする定電圧
   電源用過負荷保護回路。