JPS5910508B2

JPS5910508B2 - 地絡検出装置

Info

Publication number: JPS5910508B2
Application number: JP53004885A
Authority: JP
Inventors: 行雄宮崎; 貢竹田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1984-03-09
Also published as: JPS5497790A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、集積回路化に適した地絡検出装置に関する
ものである。

従来より地絡検出装置は、機械的要素により構成されて
いたが、その特性の悪さにより数年前より電子化が進め
られている。

電子化により、地絡電流を電圧に変換する零相変流器が
小形化し、コスト的なメリツトも大きくなつた。この種
の地絡検出装置の電子回路部は、一般的に増幅器、時延
回路、波形整形回路等で構成される。一般的な回路図を
第１図に示す。第１図において、１は電路、２はしや断
器、３は零相変流器、４は増幅器、５は時延回路、６は
波形整形回路、７はサイリスタ、８はしや断コイル、９
は電圧ドロツプ用抵抗、１０は平滑用コンデンサ、１１
は整流用ダイオード、１２は交流電源である。この回路
において、零相変流器３の出力Ｅｌ，Ｅ２は増幅器の入
力に接続され、増幅器の出力Ｅ３の電圧は時延回路５を
通して遅延されその出力Ｅ４が所定のレベル（波形整形
回路のオン電圧）に達すると波形整形回路６の出力Ｅ，
に電位が発生し、サイリスタ７を駆動し、しや断コイル
８を駆動して電路をしや断する。なお、第１図において
波形整形回路６を使用せずにサイリスタ７のゲートを直
接、時延回路５の出力Ｅ４に接続しても同様な動作を行
なう。この様な回路に於いて、一般的には増幅器４とし
ては零相変流器のコストを下げるため、電圧ゲインの大
きなものが必要である。そこで増幅器として演算増幅器
を用いる事が考えられる。演算増幅器を使用した場合の
例を第２図に示す。第２図に於いて、ハ伊は増幅器、１
３，１４は帰還用抵抗器、１５は入力オフセツト補正用
抵抗器、１６は直流カツト用コンデンサである。増幅器
の電圧ゲインを理想的には無限大と考えると第２図にお
ける電圧ゲインは次式の様になる。ここでＡｕは電圧ゲ
イン、Ｃはコンデンサ１６の容量値〔Ｆ〕、ｆは周波数
〔Ｈｚ〕である。

しかしながら、第２図の増幅器は地絡検出装置に不適当
な所が数多くある。地絡検出装置は一般的には周波数と
しては５０Ｈｚ１６０Ｈｚが用いられる事が多い。すな
わち、〔１〕式に於いて２πｆの値が非常に小さい為、
コンデンサ１６の容量値をかなり大きくしないと１／２
πＦｃの項が小さくならず、電圧ゲインＡｕが高く取れ
ない。さらに入力インピーダンスを高くする為に帰還用
抵抗器１３，１４の抵抗値を大きくする必要がある。し
かも、基準点を中心として＋Ｖｅｃ−Ｖｅｃの２つの電
源が必要である。ちなみに第２図の様な構成で地絡検出
装置の増幅器を構成するとコンデンサ１６の容量値は数
十ＵＦ帰還用抵抗器１３の抵抗値は数ＭΩといつた値と
なり、とても集積回路に内蔵する事はできない。すなわ
ち地絡検出装置の増幅部に第２図の様な増幅器を用いる
のでは理想的な地絡検出装置を実現できない。本発明は
、かかる問題点を解決すべくなされたもので、高電圧ゲ
インで優れた温度特性、しかも１電源で使用可能な増幅
器を用い集積回路化が容易な地絡検出装置を提供するも
のである。

第３図は本発明の一実施例を示す要部回路図で、零相変
流器３の出力を増幅する増幅器として差動増幅器１７及
び１８を２段直列接続した差動増幅回路を用いたことを
特徴とするものである。

前段の差動増幅器１７は一対のトランジスタＱｌ，Ｑ２
、抵抗１９，２０、及び定電流源２３とからなる。なお
Ｑ２のベースを抵抗２１，２２でバイアスする。また、
後段の差動増幅器１８はカレントミラー回路２５、一対
のトランジスタＱ３，Ｑ４、及び定電流源２４により構
成されている。具体的には、カレントミラー回路２５は
ダイオードＤ１とＰＮＰトランジスタＱ５とからなり、
ダイオードＤ１の陽極とトランジスタＱ５のエミツタと
は電源２６に接続されている。また、トランジスタＱ，
のコレクタはダイオードＤ１の陰極とトランジスタＱ，
のベースとに、Ｑ４のコレクタはトランジスタＱ，のコ
レクタに夫々接続されている。さらにトランジスタＱ３
のベースは前段差動増幅器１７の一方の出力端子０ｕ１
に、Ｑ４のベースは他の出力端子０ｕ２に夫々接続され
ている。従つて、前段差動増幅器１７の一対の出力信号
が、後段差動増幅器１８の一対の入力信号として印加さ
れることになる。また、トランジスタＱ３，Ｑ４のエミ
ツタの共通接続点は、定電流源２４を介して基準電位点
２７に接続されている。なお、０ｕ３は出力端子であり
、トランジスタＱ４のコレクタに接続され、電位０ｕ３
を有する。即ち、この実施例回路は、前段差動増幅器１
７の出力信号を後段差動増幅器１８の入力信号とし、前
段差動増幅器１７を構成する一対のトランジスタＱ，，
Ｑ２は抵抗１９，２０を介して、後段差動増幅器１８を
構成する一対のトランジスタＱ３，Ｑ４はカレントミラ
ー回路２５を介して夫々電源２６に接続された構成にな
つている。

この様に構成された実施例回路の動作を説明する。

なお、前段差動増幅器１７への入力信号Ｉｎｌ，Ｉｎ２
の差動入力電圧ＶＩＮｌ−ＶＩＮ２をＶｄｉｆｌ（二零
相変流器の出力電圧）とし、出力端子０ｕ１，０ｕ２の
出力電位差０ｕ１一ＶＯｕ２をＶｄｉｆ２とする。また
、出力端子０ｕ３の電位０ｕ３は基準電位点２７との間
の電圧を示す。先ず、前段差動増幅器１７は、トランジ
スタＱ，，Ｑ２に接続された抵抗１９，２０の抵抗値Ｒ
ｌ，Ｒ２に応じて、差動入力電圧Ｄｉｆｌに対して出力
電位差Ｄｉｆ２が変化することになる。

従つて、前段差動増幅器１７の出力電位差Ｖｄｉｆ２は
線形的に変化する領域を有している。次に、この前段増
幅器１７の出力電位０ｕ１，Ｖ０ｕ２が後段増幅器１８
の入力信号として印加される。

この後段差動増幅器１８は、入力信号ＶＯｕｌ，ＶＯｕ
２の値に応じて第４図に示す特性図の様な動作をする。
即ち、電位差Ｄｉｆ２が零になつた時、出力端子０ｕ３
の電位ＶＯｕ３が変化することになる。この後段差動増
幅器１８は、トランジスタＱ３，Ｑ４のコレクタをカレ
ントミラー回路２５を介して電源２６Ｋ接続しているの
で、能動負荷を使用していることになり、出力インピー
ダンスがほぼ無限大となるため、ゲインが非常に大きく
なる。このため、後段差動増幅器１８の出力信号はスイ
ツチ的に変化することになる。従つて、電位差Ｖｄｉｆ
２が正の時、出力電位ＶＯｕ３は高電位レベル（以下Ｈ
レベルと称する）、電位差Ｖｄｉｆ２が負の時、ＶＯｕ
３は低電位レベル（以下Ｌレベルと称する）となる。以
上の説明から明らかなように、第３図に示した差動増幅
回路における動作特性（差動入力電圧Ｖｄｉｆｌと出力
端子０ｕ３の電位ＶＯｕ３との関係）は第５図の如くな
る。

なお、この第５図に示した特性図は、前段差動増幅器１
７の抵抗１９，２０の抵抗値をＲ，くＲ２とした場合を
示しており、抵抗値Ｒｌ，Ｒ２を等しくした場合は、差
動入力電圧Ｖｄｉｆｌが零になつた時にスイツチするこ
とになる。即ち、後段差動増幅器１８の入力電圧Ｖ３，
Ｖ４の電位差Ｖｄｉｆ２が零になるように、抵抗１９，
２０により設定される差動入力電圧Ｖｄｉｆｌを印加し
た時、出力電位ＶＯｕ３がスイツチすることになる。

この時の差動入力電圧Ｖｄｉｆｌは、前段差動増幅器１
７の増幅度αが下言Ｉｌ２Ｃ匂式の如くなるため、下記
３式の様になる。

ただし、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷
である。従つて、第５図点Ｄの差動入力電圧Ｖｄｉｆｌ
は上記（８）式の如くなる。また、抵抗値Ｒｌ，Ｒ２を
等しくした時は、上記３式が零となり、差動入力電圧Ｄ
ｉｆｌが零になると、出力電位がＨレベルからＬレベル
ヘスイツチする。以上の様に、この第３図に示した差動
増幅回路は、抵抗１９，２０の有する抵抗値Ｒｌ，Ｒ２
により設定された所定の電位に差動入力電圧Ｖｄｉｆｌ
が達したことを検出して、第５図に示した特性図の様に
、出力信号が安定的にスイツチ動作をすることになる。

ここで、因みに後段差動増幅器１８のみにより構成した
差動増幅回路を考えてみる。

上述の説明の様に、後段差動増幅器１８はカレントミラ
ー回路２５による能動負荷を使用しているため、非常に
ゲインが大きくなり、スイツチ動作を安定に行なうため
の回路として適しているように考えられる。ところが、
後段差動増幅器１８は非常にゲインが大きいため、入力
信号が小さな電位を有し、入力信号の微小電位差を検出
する際に、ノイズ等の影響により誤動作を起こすことが
ある。即ち、入力信号のわずかな変化にともない出力信
号がＨレベル及びＬレベルの変化を行ない、発振してし
まうことになる。このため、発振を防止するために、帰
還回路を接続する必要が生じるので、回路構成が複雑に
なつてしまうという問題がある。また、後段差動増幅器
１８は差動入力電圧Ｖｄｉｆ２が零になつた時にしか出
力信号ＶＯｕ３をスイツチさせることができないため、
差動入力電圧が所定値に達したことを検出して出力信号
をスイツチさせることができないものとなつていた。従
つて、この発明は増幅部として抵抗１９，２０を構成要
素とする前段差動増幅器１７と、カレントミラー回路２
５を構成要素とする後段差動増幅器１８とを２段接続し
た構成の差動増幅回路を用い、これにより始めて抵抗値
Ｒｌ，Ｒ２により設定される所定の差動入力電圧Ｖｄｉ
ｆｌに達したことを検出して、出力信号を安定にスイツ
チ動作させることができるようにしたものである。

なお、この実施例回路では、前段及び後段差動増幅器１
７，１８を構成するトランジスタＱ１〜Ｑ４をＮＰＮ形
としたが、この発明はこれに限らず、ＰＮＰ形としても
構成できる。また、カレントミラー回路２５をダイオー
ドＤ１とトランジスタＱ５とにより構成したが、２個の
トランジスタにより構成し、一方のトランジスタをダイ
オード接続してもよい。さらに、前段差動増幅器１７の
出力端子０ｕ１とトランジスタＱ３のベースとを、出力
端子０ｕ２とトランジスタＱ４のベースとを夫々接続し
たが、出力端子０ｕ１とトランジスタＱ４のベースを、
０ｕ２とトランジスタＱ３のベースを夫々接続すること
により、第５図に示した出力信号を反転させてもよい。
ところで、上記差動増幅回路は、出力信号が安定にスイ
ツチ動作する時の差動入力電圧を抵抗比により設定して
いる。

そして、この差動増幅回路において、前段差動増幅器の
増幅度αは上記（２）式の如くなり、温度依存性を有し
、絶対温度（Ｔ）の逆数に比例している。即ち、絶対温
度１が３００〔０Ｋ〕付近では０．３〔％／℃〕程度
の負の温度係数を有することになる。従つて、この様に
増幅度αに温度依存性がある場合、絶対温度（′Ｔ）が
３００〔０Ｋ〕において、前段差動増幅器１７の差動
入力電圧Ｄｉｆｌが０Ｍに達したことを検出して後段差
動増幅器１８の出力信号をスイツチさせるように、抵抗
１９，２０の抵抗値Ｒｌ，Ｒ２を設定した際に、絶対温
度σ）が４００〔０Ｋ〕付近において、差動入力電圧Ｄ
ｉｆｌが−ＶＯｌＶｌにＳ３達しないと、出力信号はス
イツチしないことになる。

以上の様に、上記差動増幅回路は、前段差動増幅器を構
成する抵抗の値によつて出力信号がスイツチする時の差
動入力電圧を設定しているため、温度特性が非常に悪い
欠点がある。

以下、この温度特性を改善した差動増幅回路について説
明する。第６図は改良された差動増幅回路を含む他の実
施例を示す回路図である。図中、第３図と同一または相
当部分には同一符号を付してある。この実施例回路は第
３図に示した差動増幅回路の前段差動増幅器１７の抵抗
２０とトランジスタＱ２との間にダイオードＤ２を接続
した回路である。

具体的には、抵抗２０と陽極とを、トランジスタＱ，の
コレクタと陰極とを夫々接続した構成となつている。こ
の第６図に示した実施例回路において、抵抗１９，２０
の値を等しくし、前段差動増幅器１７への差動入力電圧
Ｖｄｉｆｌを零とした場合、出力電位差Ｖｄｉｆ２はダ
イオードＤ２の順方向降下電圧ＶＦと等しくなる。

このダイオードＤ２の順方向降下電圧ＶＦは、絶対温度
１が３００〔０Ｋ〕付近において、約０．６Ｖ程度で
あり、温度依存性は０．００２〔Ｖ／℃〕である。従つ
て、ダイオードＤ２は０．３〔％／℃〕程度の負の温度
係数を有することになる。このため、前段差動増幅器１
７は増幅度αとダイオードＤ２とによる温度依存性を有
したことになる。即ち、双方の温度係数がほぼ一致する
ことになり、後段差動増幅器１８の出力信号をスイツチ
させる時の、前段差動増幅器１７への差動入力電圧Ｖｄ
ｉｆｌが温度依存性をもたないことになる。以上の様に
、この実施例では、後段差動増幅器１８の出力信号がス
イツチする時の差動入力電圧Ｖｄｉｆｌを、抵抗１９，
２０とダイオードＤ２とにより設定しているため、前段
差動増幅器１７の増幅度αの温度係数とダイオードＤ２
による温度係数とが打ち消すことになり、第５図に示し
た特性図の如き動作をする。

なお、抵抗１９，２０の抵抗値Ｒ，，Ｒ２を等しくした
場合、第５図点Ｄの差動入力電圧Ｖｄｉｆｌは下記（４
）式の如くなる。即ち、上記（４）式から明らかな様に
、絶対温度ＣＩ′）が上昇した時、ダイオードＤ２の順
方向降下電圧ＶＦが減少するため、実質的に温度の影響
をほとんど受けないことになる。従つて、この第７図に
示した実施例回路では、差動入力電圧Ｖｄｉｆｌが抵抗
値Ｒｌ，Ｒ２及びダイオードＤ２の順方向降下電圧Ｆに
より設定された所定値に達したことを検出して、出力信
号を温度依存性なしに安定にスイツチさせることができ
る。また、第７図はこの発明の他の実施例を示す回路図
である。

図中、第６図と同一または相当部分には同一符号を付し
てある。第７図に示した実施例回路は、第３図に示した
差動増幅回路の出力端子０Ｕ２とトランジスタＱ４のベ
ースとの間にダイオードＤ２を接続した回路であり、第
６図に示した実施例と同様の動作を行ない、温度特性を
改善できる。なお第６図および第７図に示した実施例回
路では、温度特性を改善するためにダイオードを接続し
たが、この発明はこれに限られず、前段差動増幅器の増
幅度が有する温度依存性を打ち消すことができる半導体
素子であればよい。以上に説明じたようにこの発明によ
る地絡検出装置は、差動増幅器２段の増幅器を増幅部と
して用いることにより、高感度、優れた温度特性、部品
点数の低減、零相変流器のコストダウンを図ることがで
き、しかも１電源で使用可能である上従来のように演算
増幅器を用いるのに比べ、外付け部品が極度に低減でき
集積回路他が容易であるの優れた利点を有している。特
に、この発明に用いる差動増幅回路は抵抗を構成要素と
したゲインの小さい前段差動増幅器と、カレントミラー
回路による能動負荷を構成要素としたゲインの大きい後
段差動増幅器とを２段直列接続した構成としたので、前
段差動増幅器への差動入力電圧が抵抗値により設定され
る所定電位に達したことを検出して、出力信号を安定に
スイツチさせることができる効果がある。

また、この差動増幅回路の前段差動増幅器の第１、第２
抵抗の少なくとも一方または第２抵抗と第４トランジス
タＱ４との間にダイオードなどの半導体素子を直列挿入
することにより、前段差動増幅器の差動入力電圧が抵抗
値及び半導体素子により設定される所定電位に達したこ
とを検出して、出力信号を安定にスイツチさせることが
でき、しかも設定された所定電位の温度依存性をなくす
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な地絡検出装置を示す回路構成図、第２
図は第１図の増幅部に演算増幅器を用いた場合の増幅部
を示す回路図、第３図はこの発明の一実施例を示す要部
回路図、第４図は第３図に示した回路の後段差動増幅器
の入出力特性を示す特性図、第５図は第３図に示した回
路の入出力を示す特性図。第６図および第７図はこの発明の他の実施例を示す要部
回路図である。なお、図中同一符号は同一または相当部
分を示す。２はしや断器、３は零相変流器、４は時延回路、１７は
前段差動増幅器、１８は後段差動増幅器、１９，２０は
抵抗、２３，２４は定電流源、Ｑ１〜Ｑ４はトランジス
タ、Ｄｌ，Ｄ２はダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】１地絡電流を検知する零相変流器からの地絡電流に応
じた一対の信号の一方がベースに入力される第１トラン
ジスタと、上記地絡電流に応じた一対の信号の他方がベ
ースに入力される第２トランジスタと、上記第１トラン
ジスタの一方の主電極に接続された第１抵抗と、上記第
２トランジスタの一方の主電極に接続された第２抵抗と
、上記第１トランジスタの他方の主電極及び第２トラン
ジスタの他方の主電極に接続された第１定電流源とを有
し、上記第１トランジスタの一方の主電極及び第２トラ
ンジスタの一方の主電極から一対の出力を発する前段差
動増幅器、この前段差動増幅器の一対の出力の一方がベ
ースに入力される第３トランジスタと、上記前段差動増
幅器の一対の出力の他方がベースに入力される第４トラ
ンジスタと、上記第３トランジスタの一方の主電極及び
第４トランジスタの一方の主電極に接続されたカレント
ミラー回路と、第３トランジスタの他方の主電極及び第
４トランジスタの他方の主電極に接続された第２定電流
源とを有し、第３トランジスタの一方の主電極あるいは
第４トランジスタの一方の主電極のどちらか一方から出
力を発する後段差動増幅器、この後段増幅器の出力が入
力され、しや断器を動作させる遅延出力を発する時延回
路を備えた地絡検出装置。２地絡電流を検知する零相変流器からの地絡電流に応
じた一対の信号の一方がベースに入力される第１トラン
ジスタと、上記地絡電流に応じた一対の信号の他方がベ
ースに入力される第２トランジスタと、上記第１トラン
ジスタの一方の主電極に接続された第１抵抗と、上記第
２トランジスタの一方の主電極に接続された第２抵抗と
、上記第一トランジスタの他方の主電極及び第２トラン
ジスタの他方の主電極に接続された第１定電流源とを有
し、上記第１トランジスタの一方の主電極及び第２トラ
ンジスタの一方の主電極から一対の出力を発する前段差
動増幅器、この前段差動増幅器の一対の出力の一方がベ
ースに入力される第３トランジスタと、上記前段差動増
幅器の一対の出力の他方がベースに入力される第４トラ
ンジスタと、上記第３トランジスタの一方の主電極及び
第４トランジスタの一方の主電極に接続されたカレント
ミラー回路と、第３トランジスタの他方の主電極及び第
４トランジスタの他方の主電極に接続された第２定電流
とを有し、第３トランジスタの一方の主電極あるいは第
４トランジスタの一方の主電極のどちらか一方から出力
を発する後段差動増幅器、上記前段増幅器の第１トラン
ジスタの一方の主電極と第１抵抗との間あるい上記前段
増幅器の第２トランジスタの一方の主電極と第２抵抗と
の間の少なくとも一方、又は上記前段増幅器の第１トラ
ンジスタの一方の主電極と上記後段増幅器の第３トラン
ジスタのベースとの間あるいは上記前段増幅器の第２ト
ランジスタの一方の主電極と上記後段増幅器の第４トラ
ンジスタのベースとの間の少なくとも一方に接続された
負の温度係数を有する半導体素子、上記後段増幅器の出
力が入力され、しや断器を動作させる遅延出力を発する
時延回路を備えた地絡検出装置。