JPH10507339A - 過電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の過電圧導出器（８）は、直列に接続された複数の固有素子（１５）からなっている。この複数のリミッタ（１５）からなるチェーンには、制御される複数のスイッチ（１８）からなる１つのチェーンが並列に接続される。これらの２つのチェーンはクロス接続部が相互に接続される。それによりスイッチ（１８）の閉成によって唯１つのリミッタ素子（１５）が検査可能となる。リミッタ素子（１５）の構成は、各リミッタ素子（１５）が、過電圧導出器（８）において見込まれる低い動作電圧よりも小さい中断又は導通電圧を有するように選定される。

Description

【発明の詳細な説明】 過電圧保護装置 あらゆる電気的な接続のもとでの出力側と入力側の間では、構成素子自体のエ ラー又は該当する出力側ないし入力側における寄生電圧によって、入力側又は出 力側において構成素子の耐力を上回る電圧が生じる恐れがある。このような危険 性は特に半導体によって動作する制御回路が比較的長い線路を介して被制御機器 に接続されている制御系のもとで生じる。この場合構成素子の破壊の危険性は、 例えば無電位形光結合器を介して出力側と入力側を接続するだけでは回避できな い。しかもこの場合は不完全なアース又は静電気の蓄積による過電圧等によって 寄生電圧が光結合器の入力側と出力側の間で許容電圧を越えて素子の破壊に結び 付く危険性も生じる。 このようなことを阻止するためには、相応の電流をアースに導くことによって ピーク過電圧をカットする過電圧保護装置が使用される。 しかしながらいずれにしても長期間に亘って保護装置の機能性を保障すること は困難である。なぜならこれまでは検査自体が相応の過電圧を前提としていたか らである。そのため過電圧導出器に問題がある場合には検査が制御回路の入力側 又は出力側の破壊に結び付 く恐れがある。 本発明の課題は前記問題点に鑑み、過電圧を用いないで十分に機能性を検査す ることのできる過電圧保護装置を提供することである。 前記課題は、請求の範囲第１項の特徴部分に記載された本発明によって解決さ れる。 この本発明による新たな過電圧保護装置は、少なくとも２つのリミッタ（これ らは電流端子の間で直列に接続されている）を含んでいるために、リミッタの検 査が装置全体の限界電圧以下で可能である。これに対してはリミッタのチェーン に切換装置からなる１つのチェーンが並列に接続される。この場合一方のチェー ンのノードが他方のチェーンのノードと電流センサを介して接続される。検査の 際に１つの切換装置までの全てのその他の切換装置が低インピーダンスな状態に 移行するならば、１つのリミッタまでの全ての残りのリミッタは実際には短絡さ れる。それにより、低インピーダンス状態ではない切換装置に並列に接続されて いるリミッタに、電流端子に生じた電圧が直接印加される。これにより流れる電 流は、該当するリミッタの機能性に対する尺度となる。 このような評価を実行するためには、複数の種々の回路装置が観察される。そ のため例えば複数のリミッタからなるチェーンと複数の切換装置からなるチェー ンを０Ωの導電結合を介して並列に接続させてもよい 。つまり各リミッタ毎に直接１つの切換装置を並列に接続させてもよい。この場 合は測定中のリミッタへの過負荷を避けるために、切換装置のチェーンには少な くとも１つの電流制限素子が含まれる。この素子は場合によっては同時に電流セ ンサとして用いられてもよい。その他の手段としては、２つの切換装置の間のク ロス接続部に電流センサを設けてもよい。 一般的に作動電圧と最大許容過電圧は比較的大きく隔てられるので、有利には 、リミッタは、直列に接続された複数の制限素子から形成される。それ以外にも これによって応動の際の良好な出力ロスの分散が達成される。 制限素子としては、電圧に依存して低い内部抵抗状態から高い内部抵抗状態へ 又は高い内部抵抗状態から低い内部抵抗状態へ切換え可能な全ての素子が使用可 能である。例えば、Ｚダイオード、複数のダイオード、複数のダイオードからな る直列回路、バリスタ、ＶＤＲ抵抗等、あるいはバイポーラトランジスタとＺダ イオード（これはベース―エミッタ間に接続される）からなる回路等である。装 置全体では出力ロスは比較的高いにもかかわらずＺダイオードのようになる。 切換装置に対しては多くの異なる構成素子が当てはまる。例えば所要の出力領 域と操作性に応じて電子的な半導体スイッチ、機械的なスイッチ又はリレー等が 用いられる。 特に有利には過電圧保護装置にシーケンス制御部が設けられており、これによ って周期的な自動検査が可能となる。 本発明の別の有利な実施例及び構成例は従属請求項に記載される。 以下では本発明を図面に基づいて詳細に説明する。 図１は、本発明による過電圧保護装置の概略的なブロック回路図である。 図２は、電流センサを備えた過電圧保護装置の第１実施例を示した図である。 図３は、電流センサを備えた過電圧保護装置の第２実施例を示した図である。 実施例 図１には、光結合器３を用いて形成されているポテンシャルフリーの出力側２ を備えた電子制御回路１が示されている。光結合器３の入力側４は、ここでは詳 細に示されていないドライバ回路に接続されている。これにより光結合器３に含 まれている発光ダイオード５は、光結合器３の出力側６から相応の電気信号が得 られるように多かれ少なかれ選択的に発光される。光結合器３の出力側は、一方 では線路７ａを介して電圧源＋Ｖに接続され、他方では線路７ｂを介してここで は詳細に示されていない制御負荷に接続されている。 光結合器内部では入力側４と出力側６との間で導電的な接続は何も形成されな い。そのため入力側４では 寄生電圧も生じない。遮断された状態、すなわちバイポーラトランジスタの出力 側が遮断されている場合には、外部から到来する障害パルスが線路７ａと７ｂの 間で電圧を引き起こす。この電圧は光結合器の遮断された出力トランジスタを電 圧的に過負荷な状態にもたらす。これはコレクタとエミッタの間の降伏電圧とな り得る。このような危険な電圧（これはとりわけ出力側６に発生し得る）を避け るために、光結合器３の出力側は過電圧導出器８を介してアース９に接続される 。 この過電圧導出器８の構造は図２に詳細に示されている。この過電圧導出器８ は２つの接続端子１１，１２を有している。これらの接続端子は、切換アース９ ないしは光結合器３の出力側に接続されている。これらの２つの接続端子１１, １２の間には、順次接続された複数のリミッタ１４ａ………１４ｃからなる直列 回路１３が接続されている。リミッタ１４ａはＺダイオード１５によって形成さ れており、リミッタ１４ｃもＺダイオードによって形成されている。同じように それらの間に介在するリミッタ１４もそれぞれ１つのＺダイオードから形成可能 であるが、しかしながらリミッタ１４を形成するために、個々のＺダイオードが 必ずしもただ１つの素子である必要はない。各リミッタ１４は、例えばリミッタ １４ａで示されているように複数のＺダイオードからなる直列回路を含んでいて もよ いし、あるいは直列に接続された多数の簡素なダイオード１６から形成されても よい。リミッタ１４として考えられるその他の構成素子では、ＶＤＲ抵抗又はＺ ダイオード特性を備えた二極性回路ないしはバリスタ等が挙げられる。いずれの 場合でも有利には過電圧導出器８の全てのリミッタ１４ａ……１４ｃは相互に同 じように接続され、同じ特性値を有する。 詳細には前記直列回路１３は次のように構成されている。すなわちリミッタ１ ４ａのＺダイオード１５のカソードが電流端子１１に接続されように構成されて いる。このＺダイオードのアノードは、ノード１７ａに接続されている。このノ ード１７ａには、専らＺダイオードが使用される場合にはリミッタ１４ｂのＺダ イオードのアノードが接続される。このＺダイオードのカソードは接続ノード１ ７ｂに接続される。最終的にリミッタ１４ｃのＺダイオードは、反対側の電流端 子１２に接続される。 複数のリミッタ１４からなる直列回路１３に並列して複数の電子スイッチ１８ ａ………１８ｃからなる１つのチェーンが設けられている。このチェーンは、そ れぞれ１つの切換区間１９並びに制御入力側２１を有している。数字の後に付さ れているアルファベットはそれぞれ該当するリミッタ１４への所属性を表すもの である。全ての切換区間１９は、直列に接続されている。このことは電子スイッ チ１８ａの切換区間１９が 一方では電流端子１１に接続され、他方では接続ノード２２ａに接続されている ことを意味する。この接続ノード２２ａには電子スイッチ１８ａの切換区間１９ と電子スイッチ１８ｂの切換区間１９が接続される。電子スイッチ１８ｂの切換 区間１９の他方の端部は接続ノード２２ｂに接続されている。 最終的に最後の電子スイッチ１８ｃは電流端子１２に接続される。 制御された複数の電子スイッチ１８からなる直列回路と直列回路１３のそれぞ れ２つの相互に相応する接続ノード２２ないし１７は、クロス接続部２３ａない し２３ｂを介して相互に接続されている。このクロス接続部２３には電流センサ が設けられており、この電流センサはオーム抵抗２４と両指向性の光結合器２５ からなっている。光結合器２５の入力側は前置抵抗２４に接続されている。両方 向性の光結合器は、その入力側において出力信号の形成に対して２つの電流極性 が処理可能である。これに対して光結合器は２つの逆並列に接続された２つの発 光ダイオードを有している。 図から明らかなように過電圧導出器８はリミッタ１４と正確に同じ複数の電子 スイッチ１８を含んでいる。これに対してクロス接続部２３は１つだけ少ない。 過電圧導出器８には制御回路２６ならびに評価回路２７が対応付けされている 。評価回路２６は複数の制 御出力側２８を有している。これらの制御出力側のそれぞれは、電子スイッチ１ ８の相応の制御入力側２１に接続されている。評価回路２７も複数の入力側２９ を備えており、それらの入力側２９のそれぞれは複数の光結合器２５のうちの１ つの出力側３１に接続されている。図中参照番号の後ろに付されているアルファ ベットはそれぞれの対応関係を表したものである。 次に、前述した過電圧導出器８の回路選定とその作用を説明する。 全てのリミッタ１４は、電圧依存性の同じ特性曲線を有しており、従ってリミ ッタ１４は、所定の電圧限界値より下方で比較的差異の大きな内部抵抗を有して いる。それに対してリミッタ１４は、この限界値を上回った場合に、限界値下方 の差異のある内部抵抗よりも差異の小さな内部抵抗を示す。この限界電圧は以下 では定格電圧と称す。 使用するリミッタ素子の相応の選択ないしはリミッタ素子数の相応の選択によ って、各リミッタ１４の定格電圧は次のように設定される。すなわち通常作動時 に見込まれる最小電圧（これはアース９に対して光結合器３の出力側６から得ら れる）よりも小さくなるように設定される。 それに対して所要のリミッタ１４の数は、作動中に出力側６とアース９の間で 過電圧導出器８を機能させずに許容される最大許容過電圧に合わせられる。この 過電圧が例えば、作動中に発生する最小電圧よりも格段に大きい場合には、それ に応じて多くのリミッタ１４が必要とされる。 過電圧導出器８がその機能性に基づいて検査されない場合には、制御回路２６ の側から全ての電子スイッチ１８が高抵抗な切換状態にもたらされる。ここにお いて出力側６に過電圧が生じた場合には、この過電圧がリミッタ１４からアース に導出される。過電圧なしではリミッタ１４は高抵抗となり作用しない。 個々のリミッタ１４の機能性を検査するためには、制御回路２６によって順次 全ての電子スイッチ１８が低抵抗な状態まで切換えられる。次に作用の説明のた めにまず電子スイッチ１８ａが開かれ続けその他の全てのスイッチは閉じられて いるものと仮定する。これによって過電圧導出器８の限界電圧はリミッタ１４ａ の定格電圧まで低減される。その定格電圧は、作動中にアース９に対して出力側 ６に見込まれる最小電圧よりも小さいので、リミッタ１４ａは導通され、電流が 電流端子１１からクロス分岐２３ａを通り、さらに閉成されている電子スイッチ １８ｂ〜１８ｃを介して電流端子１２まで流れ始める。この電流の大きさは、前 置抵抗２４と光結合器２５からなる電流センサを用いて測定される。この電流セ ンサの測定値は評価回路２７の該当する入力側に供給される。 正常に動作するリミッタ１４のもとでは相応の既知 電流がクロス接続部２３ａを通って流れる。それに対してリミッタ１４ａが短絡 しているかまたはその他の理由から定格電圧値が低減している場合には、クロス 接続部２３ａ内を比較的高い電流が流れる。これによりエラーを逆推論すること ができる。クロス接続部２３ａ内を電流が全く流れていない場合には、リミッタ １４ａが機能停止している。 次のステップでは、過電圧導出器８の検査のためにスイッチ１８ｂが開かれス イッチ１８ａは閉じられる。この状態で電流は電流端子１１から閉成されている 電子スイッチ１８ａとクロス接続部２３ａを介してリミッタ１４ｂまで流れ、そ こからはクロス接続部２３ｂを介して残りの電子スイッチ１８からなるカスケー ドを通って電流端子１２まで流れる。クロス接続部２３ａと２３ｂの電流センサ において測定された電流もリミッタ１４ｂが正常に動作しているか又は機能停止 しているかを特徴付ける尺度となる。 有利には、同様に順次連続する全てのリミッタ１４が検査され、そこから得ら れた電流値が評価回路２７によって相応に分析される。 新たな過電圧導出器８のもとではそれが固有のリミッタから構成されているこ とが明らかに重要である。なぜなら通常動作中に危険な過電圧の利用なしで検査 できるからである。検査の際には検査すべきリミッタまではその他の全てのリミ ッタが実質的に並列に接続 された電子スイッチによって分路ないし短絡される。 図３には過電圧導出器８の別の実施例が示されている。この場合既に前述した 構成部分には同じ符号が付されている。 図２に示されている実施例と大きく異なっている点は、クロス接続部２３が導 電的な短絡接続部として構成されていることと、複数の電子スイッチ１８からな るチェーンの上方端部と下方端部においてそれぞれ電流制限素子又は電流センサ ３１ａ及び３１ｂだけが含まれていることである。 図３による過電圧導出器８の回路選定は、図２による実施例と同じように行わ れる。通常動作中のリミッタ作用も同様である。 個々のリミッタ１４の検査に対しても、前述したように、１つの電子スイッチ １８まではその他の全ての電子スイッチが低抵抗に切換られ、それによってこの 期間中に出力側６における電圧が、それに対応付けられて開かれているリミッタ １４にのみ印加される。それに応じて多かれ少なかれ大きな電流が２つの前置抵 抗３１ａ、３１ｂを介して流れ、さらにそこで発生した電圧降下は該当するリミ ッタ１４の機能性に関する逆推論を可能にする。 測定は、以下の限定を除いて抵抗３１ａ又は抵抗３１ｂで行われてもよい。該 当する抵抗３１ａ又は３１ｂに直接接続されている電子スイッチ１８が開かれて いる場合に、測定抵抗３１ａ又は３１ｂの選択は生じない。検査測定は、対応す る電子スイッチ１８が閉じられている抵抗３１ａ又は３１ｂにおいて行う必要が ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの電流端子（１１，１２）を備えた過電圧保護装置において、 直列に接続された少なくとも２つのリミッタ（１４）を有しており、該リミッ タの導通抵抗は、所定の導通電圧よりも下では高い値を有し、該導通電圧よりも 上では低い値を有し、 前記複数のリミッタ（１４）からなる直列回路（１３）が前記電流端子（１１ ，１２）の間に設けられており、少なくとも２つのリミッタ（１４）の導通電圧 の和が、前記電流端子（１１，１２）間の最大許容電圧を規定し、これに対して 各リミッタ（１４）の導通電圧は、前記電流端子（１１，１２）において見込ま れるゼロではない最小入力電圧よりも小さく、 前記電流端子（１１，１２）の間に複数の切換装置（１８）からなる直接回路 が設けられており、該複数の切換装置（１８）は数的に前記リミッタ（１４）の 数に一致され、該切換装置のそれぞれによって選択的に高抵抗又は低抵抗な状態 が導入可能であり、前記隣接する複数の切換装置（１８）の間の各接続ノード（ ２２）は隣接する複数のリミッタ（１４）の間の対応する接続ノード（１７）に 電気的なクロス接続部（２３）を介して接続されていることを特徴とする、過電 圧保護装置。 ２．前記クロス接続部（２３）は、電流センサ(２４,２５)を含んでいる請求 の範囲第１項記載の過電圧保護装置。 ３．前記クロス接続部（２３）の数は、前記リミッタ（１４）の数よりも１つ だけ小さい、請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。 ４．前記クロス接続部（２３）はゼロオームの導電接続部であり、前記複数の 切換装置（１８）からなる直列回路は、少なくとも１つの電流制限装置（３１） を有している、請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。 ５．前記複数の切換装置（１８）からなる直列回路の一方の端部に１つの電流 制限装置（３１ａ）が含まれ、さらに前記複数の切換装置（１８）の直列回路の 他方の端部に別の電流制限装置（３１ｂ）が含まれている、請求の範囲第４項記 載の過電圧保護装置。 ６．前記電流制限装置（３１）は電流センサを有している、請求の範囲第４項 記載の過電圧保護装置。 ７．前記電流センサは、オーム抵抗等の抵抗(２４，３１)を有している、請求 の範囲第２項記載の過電圧保護装置。 ８．前記電流センサは、光結合器（２５）を有している、請求の範囲第２項記 載の過電圧保護装置。 ９．前記リミッタ（１４）のそれぞれは、唯１つのリミッタ素子（１６）から 形成されるか又は少なくと も２つのリミッタ素子（１６）からなる直接回路から形成されている、請求の範 囲第１項記載の過電圧保護装置。 10．前記リミッタ素子（１６）は、Ｚダイオード、ダイオード、バリスタ、Ｖ ＤＲ抵抗か又はその他の構成素子、又は相応の特性を備えた二極に合成接続され るた回路装置である、請求の範囲第８項記載の過電圧保護装置。 11．前記切換装置（１８）は、制御入力側（２１）を備えた電子スイッチであ る、請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。 12．前記切換装置（１８）は、制御入力側を備えた電気機械式スイッチである 、請求の範囲第１０項記載の過電圧保護装置。 13．前記電気機械式スイッチは、リレーである、請求の範囲第１２項記載の過 電圧保護装置。 14．前記切換装置（１８）を順次操作するために、制御回路（２６）が対応付 けされている、請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。 15．前記電流センサ（２４,２５,３１）から送出された値及び（又は）前記リ ミッタ（１４）に印加された電圧を評価するために、評価回路（２７）が対応付 けされている、請求の範囲第１項記載の過電圧保護装置。