JPH05260647A - 電流遮断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】過電流を遮断する。 【構成】正特性サーミスタ１が信号線４に介装される。
信号線４に流れる電流が所定値よりも小さい場合には、
ジュール熱の発生はわずかであり、サーミスタ１の温度
は所定温度よりも小さいままで、抵抗値も低いままであ
る。短絡等によって所定値以上の電流が流れると、ジュ
ール熱の発生量が多くなり、温度はキュ−リ温度以上と
なる。サーミスタ１の抵抗値はこのキュ−リ温度の近傍
で急激に所定値以上変化して抵抗値がきわめて高くな
る。このため、この高抵抗値によって電流が遮断され
る。しかも、短絡等異常電流発生の原因が除去されれ
ば、サーミスタ１はもとの低い抵抗値に戻り、元通り負
荷３側に電流を供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電源から負荷に向かっ
て過電流が導通した場合に、該過電流を遮断する電流遮
断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電源と負荷とを結ぶ信号線に電流が導通
する機器においては、短絡障害などによる異常電流が流
れた場合に回路を保護すべく異常電流を遮断する保護装
置が取り付けられている。

【０００３】かかる保護装置としては、大きくは、 １）ヒューズを用いるもの。

【０００４】２）過電流を検出して電流を遮断するも
の。

【０００５】とに大別される。図９（ａ）は上記１）に
関する回路を例示する。また図９（ｂ）、（ｃ）は上記
２）に関する回路を例示する。

【０００６】すなわち、図９（ａ）に示すように電源１
２と負荷１３を結ぶ信号線１４にヒューズ１１が介装さ
れる。ここで、ヒューズ１１は、比較的融点の低い金属
であり、異常電流が流れたときにジュール熱により金属
が溶融して破断するものである。したがって、負荷１３
側で短絡等が発生して異常電流が信号線１４に導通する
と、ヒューズ１１は溶断して異常電流を遮断する。

【０００７】また、図９（ｂ）においては電源１８と負
荷１９を結ぶ信号線２０に遮断回路１５が介装される。
回路１５の電流検出用トランジスタ１７において異常電
流が検出されると、電流遮断用トランジスタ１６が動作
して信号線２０に流れる異常電流を遮断するようにして
いる。同様に図９（ｃ）においても電源２４と負荷２５
を結ぶ信号線２６に遮断回路２１が介装される。回路２
１の電流検出素子（Ｃ．Ｔ、ホール素子、ＭＲＥ等）２
２において異常電流が検出されると、電流遮断用のリレ
ー２３が動作して信号線２６に流れる異常電流を遮断す
るようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９（ａ）の
ヒューズを用いた遮断方法では、異常電流によってひと
たびヒューズが溶断してしまえば、人手によって交換を
行わない限りたとえ短絡等の不具合原因を除去しても機
器は元のように正常に動作しないことになる。このよう
にヒューズそれ自体は自己復帰性がないため故障原因の
発見に手間取ったり、交換のために人的にも物的にもコ
ストがかかることとなっている。

【０００９】また、図９（ｂ）、（ｃ）の回路ではヒュ
ーズのように自己復帰性がないという問題はないもの
の、部品点数が多くなり高コストを招来するとともに、
大きなスペースを必要とするのが明白である。さらに、
図９（ｂ）の回路の場合は、ラインの電圧降下が発生し
これによって本来の回路に与える影響が大きいという問
題もある。

【００１０】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、自己復帰性があり、かつ低コストで、かつ小
スペースの場所に配設でき、しかも電圧降下による影響
を本来の回路に与えない電流遮断装置を提供することを
その目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
電源と負荷とを結ぶ信号線に所定値以上の電流が導通し
た場合に、負荷側への電流の供給を遮断する電流遮断装
置において、前記所定値以上の電流が導通した場合にキ
ュ−リ温度以上となり、かつ温度が前記キュ−リ温度よ
りも低い温度から前記キュ−リ温度以上に変化する際に
抵抗値が所定値以上変化する正特性サーミスタを前記信
号線に介装するようにしている。

【００１２】

【作用】正の温度係数を持つ正特性（ＰＴＣ）サーミス
タが信号線に介装される。信号線に流れる電流が所定値
よりも小さい場合には、ジュール熱の発生はわずかであ
り、サーミスタの温度は所定温度よりも小さいままで、
抵抗値も低いままである。この低い抵抗値による電圧降
下は小さく本来の回路に影響を与えない。そして、短絡
等によって所定値以上の電流が流れると、ジュール熱の
発生量が多くなり、温度はキュ−リ温度以上となる。サ
ーミスタの抵抗値はこのキュ−リ温度の近傍で急激に所
定値以上変化して抵抗値がきわめて高くなる。このた
め、この高抵抗値によって電流が遮断される。しかも、
短絡等異常電流発生の原因が除去されれば、サーミスタ
はもとの低い抵抗値に戻り、元通り負荷側に電流を供給
することができる状態に復帰する。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る電流遮断
装置の実施例について説明する。図１は実施例装置の構
成を示す図である。

【００１４】同図に示すように電源が搭載される基板２
における当該電源と抵抗値ＲL の負荷が搭載される基板
３における当該負荷とを結ぶ信号線１４上（基板２内）
には、抵抗値ｒの正特性サーミスタ１が介装される。電
源からサーミスタ１に対しては電圧Ｖが印加される。こ
のようにサーミスタ１は図９（ａ）に示す従来のヒュー
ズ１１と同態様で使用することができる。ここで、基板
２はたとえばパソコン本体のボードであり、また基板３
はパソコン用キーボードの基板である。図２は図１の等
価電気回路を示している。

【００１５】図４はサーミスタ１を図１の回路において
「ヒューズ」として使用する場合の特性Ｌを示したもの
である。

【００１６】同図に示すようにサーミスタ１は図１の装
置が使用される周囲の雰囲気温度Ｔａにおいては抵抗値
ｒはｒL となっている。この抵抗値ｒL は理想的には０
Ωであるが、実際には０．１〜０. ５Ω程度となってい
る。キューリ温度Ｔｃは雰囲気温度Ｔａよりも大きく、
このキューリ温度Ｔｃ近傍において抵抗値ｒが１０5倍
程度変化するスイッチング特性を有している。つまり、
キューリ温度Ｔｃの前後で抵抗値ｒはｒL からｒH ま
で、 ｒH ／ｒL ＞１０5 のごとく急激に変化する。

【００１７】そこで、図２に示す正常時の場合の等価回
路および図３に示す異常電流発生時の等価回路を参照し
て動作を説明する。まず、電源投入後、負荷３側に短絡
が発生していなければ、図２に示すように信号線４を導
通する電流ｉは、 ｉ＝Ｖ／（ＲL ＋ｒL ） …（１） となっている。この電流ｉに応じてサーミスタ１ではジ
ュール熱が発生するが、このときの発生熱量は下記
（２）式に示すサーミスタ１の消費電力Ｐに比例する。

【００１８】 Ｐ＝ｒL ・ｉ2 Ｐ＝ｒL （Ｖ／（ＲL ＋ｒL ））2 …（２） 一方、負荷３側で短絡が発生すると、図３に示すように
信号線４を導通する電流は、 ｉ＝Ｖ／ｒL …（３） となり、サーミスタ１の発生熱量に対応する消費電力Ｐ
´は、 Ｐ´＝ｒL ・ｉ2 Ｐ´＝Ｖ2 ／ｒL …（４） となる。

【００１９】ここで正常時、短絡時の発生熱量（消費電
力Ｐ）を比較する。

【００２０】上記（２）式を変形すると、 Ｐ＝Ｖ2 ／（（（ＲL ）2 ／ｒL ）＋２ＲL ＋ｒL ） …（５） となる。この（５）式と（４）式の分母を比較すると、
ｒL ＜＜ＲL の関係が成り立つので、（５）式の分母＞
＞（４）式の分母となって、正常時、短絡時それぞれの
サーミスタ１の消費電力Ｐ、Ｐ´の間には Ｐ＜＜Ｐ´ …（６） という関係が成立する。この関係を図４の特性図を用い
て説明する。まず、負荷３側に短絡がなく正常のときに
は、サーミスタ１の発熱は（５）式のＰに示すように非
常に小さくサーミスタ１の温度上昇はほとんどない。よ
って、特性Ｌ上、雰囲気温度Ｔａに対応するＡ点にあ
り、サーミスタ１の抵抗値は非常に小さい値ｒL のまま
である（０．１〜０．５Ω）。したがって正常時の最大
消費電流が１Ａ程度の電子回路ではサーミスタ１におけ
る電圧降下も０．１〜０．５Ｖ程度であり、本来の電子
回路に与える影響はほとんどないといえる。

【００２１】一方、負荷３側で短絡が発生すると、サー
ミスタ１の発熱は上記（６）式に示すようにＰからＰ´
へと急激に大きくなる。このため、サーミスタ１の温度
は雰囲気温度Ｔａからキューリ温度Ｔｃを超える温度に
達する。この結果、抵抗値は矢印Ｃに示すようにｒL か
ら急激に上昇して大きな抵抗値を持つに至る。このとき
の最大抵抗値は理想的には抵抗値ｒL の１０5 倍である
ｒH であるが、実際には発熱と放熱の平衡点たるＢ点に
応じた抵抗値で安定する。この平衡抵抗値は非常に大き
く、回路に流れる短絡に応じた異常電流を遮断する作用
をなす。これによって、負荷３側に過大な電流が導通す
ることが防止され、電子回路が保護される。やがて、短
絡の原因が除去されれば、異常電流による発熱が無くな
るので、サーミスタ１の温度は低下し、特性Ｌ上Ｄに示
すように移行する（図４）。このためサーミスタ１は再
び低抵抗値ｒL に復帰して、元通り負荷３側に電子回路
のための電流を供給することができるようになる。

【００２２】つぎにサーミスタ１の作用を時間の経過を
追って説明する。

【００２３】図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ短絡発生お
よび短絡除去の状況を作り出すための電源５、サーミス
タ１、開閉スイッチ６からなる実験回路である。なお、
実際の装置（図１）においてもサーミスタ１は同様に動
作する。また、図６（ａ）は図５（ａ）に示すようにス
イッチ６がオンされることによって短絡が発生してから
のサーミスタ１の抵抗値ｒと導通電流ｉの時間変化を示
し、図６（ｂ）は図５（ｂ）に示すようにスイッチ６オ
フによって短絡が除去されてからのサーミスタ１の抵抗
値ｒの時間変化を示している。

【００２４】すなわち、図５（ａ）に示すように回路が
スイッチ６オンにより閉路されると、短絡に応じた過電
流がサーミスタ１に導通する。すると、図６（ａ）に示
すように短絡発生時たる時刻０より電流ｉはｌ２に示す
ように急峻に増大する。それに伴いサーミスタ１の抵抗
値ｒもｌ１に示すように増加する。この結果、電流ｉは
ｉMAX をピークとして急激に減少する。このことはヒュ
ーズ機能がトリップ電流ｉMAX で機能していることを示
している。

【００２５】一方、図５（ｂ）に示すように回路がスイ
ッチ６オフによって開路されると、短絡が解除され、電
流はサーミスタ１に導通されなくなる。すると、図６
（ｂ）に示すように短絡解除時たる時刻０よりサーミス
タ１の抵抗値ｒは減少する。この場合、数秒のオーダー
で迅速に元の低い抵抗値に復帰しているのがわかる。こ
の復帰特性は従来の「溶断するヒューズ」にはないサー
ミスタ固有の特徴である。

【００２６】なお、復帰時間はサーミスタ１の熱容量並
びに放熱係数に起因し、形状によって決定することがで
き、適用する機器に応じて設計段階で決定しておくこと
ができる。

【００２７】つぎにいわゆる動作ｉ2 ｔ特性について説
明する。ここに動作ｉ2 ｔ特性とは、短絡発生から、過
電流遮断に至るまでの電流の時間変化を示す遮断特性の
ことである。従来の「溶断するヒューズ」にあっては、
ヒューズが溶断することによって電流が遮断されるの
で、溶断に至るまでの電流の時間変化が遮断特性を決定
する。そこで、この従来のヒューズの遮断特性に対応す
るサーミスタ１の遮断特性がサーミスタのいかなる要素
によって決定されるかを図７（ｂ）の実験回路を用いて
考察する。

【００２８】図７（ａ）は従来ヒューズ７の遮断特性の
実験回路であり、電源５、開閉スイッチ８、ヒューズ７
および負荷抵抗Ｒから構成される。図８（ａ）はヒュー
ズ７の遮断特性ｌ４を示すグラフである。

【００２９】ここで、スイッチ８により回路を閉路して
短絡状況を創り出すと、ヒューズ７の抵抗、回路の抵
抗、印加電圧によって決定される電流が図８（ａ）のＥ
に示すように導通する。その後この電流によるヒューズ
７の温度上昇で抵抗値が増加して電流は、期間Ｆにおい
て徐徐に減少する。その後の溶融に至るまでの潜熱期間
Ｇでは、融点にあたり温度変化がなく、抵抗値も一定と
なって電流にも変化はみられない。期間Ｇが終了すると
ヒューズ７は溶断して電流が遮断されることになる。

【００３０】一方、サーミスタ１の遮断特性の実験回路
も同様に電源５、開閉スイッチ９、サーミスタ１、負荷
抵抗Ｒから構成されており（図７（ｂ））、その遮断特
性は図８（ｂ）に示すようｌ５、ｌ６となっている。こ
こで、スイッチ９によって回路を閉路して短絡状況を創
り出したものとする。すると、図８（ｂ）に示すように
ヒューズ７の場合と同様に所定時間を経て電流遮断に至
るが、その特性は、雰囲気温度Ｔａとキューリ温度Ｔｃ
との温度差を変えることによって異なることが実験の結
果明らかになった。すなわち、図８（ｂ）においてｌ５
は雰囲気温度Ｔａとキューリ温度Ｔｃとの差が４０°Ｃ
の場合の特性であり、ｌ６は雰囲気温度Ｔａとキューリ
温度Ｔｃとの差が９０°Ｃの場合の特性である。つま
り、両者の温度差が大きいほど、遮断に至るまでの時
間、つまりヒューズ７の場合の期間Ｅ、Ｆに対応する期
間を長く設定することができる。

【００３１】これは、雰囲気温度とキューリ温度との差
が小さい程、サーミスタ１は短時間でキューリ温度に達
してしまい、抵抗値が上昇して電流遮断に至るまでの時
間が短縮されるという理由による。逆に雰囲気温度とキ
ューリ温度との差が大きい程、サーミスタ１の温度がキ
ューリ温度に達してしまう時間が長くなり、抵抗値が上
昇して電流遮断に至るまでの時間が長くなるという理由
による。したがって、サーミスタ１を設計する上で、上
記両者の温度差を、適用する機器に応じて決定しておけ
ば、適用する機器に応じた遮断特性を設定することがで
きる。

【００３２】なお、実施例では短絡が生じた場合を想定
して説明したが、電流の遮断を任意の電流値以上になっ
た場合に行うようにする実施も可能である。この場合、
サーミスタ１を、設定電流値となった場合にキューリ温
度に達して抵抗が増大するように設計しておけばよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、正
特性サーミスタを信号線に介装して過電流の遮断を行う
ようにしたので、自己復帰性があり、交換のためのコス
トが低減されるとともに適用される機器の信頼性が飛躍
的に向上する。しかも、正特性サーミスタ自体は低コス
トで生産でき、かつ小型であり、かつ適用される機器へ
の装着も簡単であるので、小スペースの場所に配設でき
るとともに部品点数削減等によるコスト低減が図られ
る。さらに、正常時における正特性サーミスタの抵抗は
非常に小さくすることができるので、適用される機器の
本来の回路に電圧降下による影響を与えることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る電流遮断装置の実施例の構
成を示す図である。

【図２】図２は図１の正常動作時における等価電気回路
を示す回路図である。

【図３】図３は図１の過電流導通時における等価電気回
路を示す回路図である。

【図４】図４は図１に示す正特性サーミスタの温度ー抵
抗値特性を示すグラフである。

【図５】図５は図１に示す正特性サーミスタの短絡発生
時および短絡除去時における動作を説明するための実験
回路である。

【図６】図６は図５の実験回路による実験結果を示すグ
ラフである。

【図７】図７は溶断するヒューズと図１に示す正特性サ
ーミスタの遮断特性を説明するための実験回路である。

【図８】図８は図７の実験回路による実験結果を示すグ
ラフである。

【図９】図９は従来技術を説明する図である。

【符号の説明】

１ 正特性（ＰＴＣ）サーミスタ ２ 電源側基板 ３ 負荷側基板 ４ 信号線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源と負荷とを結ぶ信号線に所定値
   以上の電流が導通した場合に、負荷側への電流の供給を
   遮断する電流遮断装置において、 前記所定値以上の電流が導通した場合にキュ−リ温度以
   上となり、かつ温度が前記キュ−リ温度よりも低い温度
   から前記キュ−リ温度以上に変化する際に抵抗値が所定
   値以上変化する正特性サーミスタを前記信号線に介装す
   るようにした電流遮断装置。