JPS5910509B2 - 地絡検出装置 - Google Patents

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。

従米、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。なお、地
絡検出装置の電子部は、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の出力電圧、Ｅｌ，Ｅ２は増幅器４で増
幅され、時延回路５を通して遅延され出力電圧Ｅ４が所
定のレベル（波形整形回路のオン電圧）に達すると、出
力電圧としてＥ５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。この
様な回路において、一般的に増幅器４、時延回路５、波
形整形回路６は次の様に構成される。即ち、増幅器４と
しては、零相変流器のコストを下げる為、電圧ゲインの
大きなものが必要であり、第２図に演算増幅器を使用し
た場合を示す。第２図における電圧ゲインは（１）式に
おいてＡｖは電圧ゲイン、Ｒ，は抵抗器１３の抵抗値、
Ｒ２は抵抗器１４の抵抗値、Ｃは直流カツト用コンデン
サの容量、ｆは周波数である。

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周波数は５
０Ｈｚ，６０Ｈｚが用いられる事が多い。すなわち、（
１）式においてコンデンサ１６の容量値をかなり大きく
しないと、高い電圧ゲインが取れない。さらに入力イン
ピーダンスを高くする為に抵抗Ｒｌｌ３，Ｒ２ｌ４の抵
抗値を大きくする必要があり集積回路化が難しい。しか
も電源電圧として＋Ｖｃｃ．−Ｖｃｃの２つの電源が必
要である。時延回路は集積回路化した場合に高抵抗を使
わずに済むように第３図の様に定電流源で容量を充電、
放電する回路が考えられる。

第３図において１７，１８は定電流源で、１９は時延設
定用コンデンサで、定電流源１７，１８は第１図におけ
る増幅器４で制御される。すなわち、増幅部の出力が定
電流源となるわけであるが、このような回路は第４図で
実現できる。第４図において、２０，２１は入力の対の
トランジスタ、２２，２３はカレントミラー回路で、Ｅ
２〉Ｅ１になるとダイオード２２に定電流源２４とほぼ
同じ電流が流れ、一般的にダイオード２２に流れる電流
とトランジスタ２３に流れる電流は等しい。すなわち、
第４図において電流ゲインは、ほぼ１となり、第４図の
構成では、電流ゲインが低すぎて問題がある。またトラ
ンジスタ２３に流れる電流値は定電流源２４とほぼ同値
になり、一般的に温度による影響は殆んどない。しかし
、次段に接続される波形整形回路６の入力段は第５図Ａ
，ｂに示すように、トランジスタ１０１やダイオード１
０２で構成される事が多く、そのオン電圧は温度特性を
持つ。その温度特性を打消するため、第４図におけるト
ランジスタ２３を流れる定電流は温度特性を持たせる必
要がある。波形整形回路６はシユミツト回路を使用する
事が多いが非常に使用し難い問題点がある。

それはサイリスタ７が不動作時と動作させる時とで、ほ
ぼサイリスタ７のゲート電流分だけ電源電流すなわち電
源Ｅ６から電源Ｅ，に向かつて流れる電流に差がある事
で、サイリスタ７を完全に動作させるには、ゲート電流
が流れた時にも電源Ｅ６を正常に保つておく必要があり
、電源が下がるとスレツシヨルドが変化し問題がある。
すなわちサイリスタ７不動作時に電源Ｅ６，Ｅ，間に増
幅器、時延回路、シユミツト回路に流れる電流以外のダ
ミー電流を流しておく必要があり、コンパクト化を目指
す地絡検出装置に取つて消費電力の増加は電圧ドロツブ
用抵抗９の形状が大きくなり大きな問題となる。この発
明はかかる問題点を解決すべくなされたもので増幅器と
しては、差動増幅器を２段直結し高電圧ゲインで、しか
も１電源で使用可能な増幅器を用い、さらに負の温度係
数を有する半導体素子を利用する事により優れた温度特
性を得る事ができる。

時延回路としては差動増幅器の出力を高ゲインで、必要
な温度特性を持たせて定電流源として得る事のできる回
路を用いた。波形整形回路としては、ＮＰＮトランジス
タとＰＮＰトランジスタを用いて一種のサイリスタ構成
とし、不動作時に増幅器及び時延回路に流れていた電流
を動作時に出力電流として取り出せるようにしたもので
ある。以下、この発明について、第６図ないし第９図を
用いて詳細に説明する。

増幅器の一実施例を第６図に示す。

この増幅器は差動増幅回路を２段直列接続したものであ
る。第６図でトランジスタ２４，２５、抵抗２６，２７
、定電流源２８、抵抗２９，３０で前段差動増幅器３７
を構成し、トランジスタ３２，３３，３５、ダイオード
３４、定電流源３６が後段差動増幅器３８を構成する。
なお、ダイオード３１は温度特性を改善する為に挿入さ
れている。第６図において、Ｅ１〉Ｅ２の時、トランジ
スタ２４のベース電流が、トランジスタ２５のベース電
流より大きくなり、ＥｌｌくＥ２′（Ｅ／はトランジス
タ３２のベース電圧、Ｅ２′はトランジスタ３３のベー
ス電圧）となり、トランジスタ３２のベース電流が、ト
ランジスタ３３のベース電流より少ない為、出力電圧Ｖ
。は低電位となる。逆にＥ，くＥ２の時は出力電圧Ｖ。
は高電位となる。ここで前段差動増幅器の電圧ゲインα
は次の様になる。ここでＩ。は定電流源２８の電流値、
Ｒ４は抵抗２６の抵抗値、Ｒ５は抵抗２７の抵抗値で、
ｋはポルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電荷である。
ここで後段差動増幅器のゲインは非常に大きく取れるの
で、Ｅ１′＝Ｅ２′の時、出力電圧Ｖ。がスイツチング
すると考えると、抵抗２６及び抵抗２７の抵抗値で、任
意の入力差（ＶＥｌ−ＶＥ２）で出力電圧Ｖ。をスイツ
チングさせる事ができる。ここで入力差は次式により求
まる。すなわち、高ゲインの後段増幅器は、スイツチン
グ時に発振し易いので、前段増幅器によつてスイツチン
グ時を横切る時間を短かくして安定な増幅器を得る事が
でき、後段増幅器がスイツチングする入力電位差（Ｅ１
−Ｅ２）が自由に設定できる。

ここで、温度特性を改善する為にダイオード３１を挿入
すると出力がスイツチングする入力電位差（ＶＥｌ−Ｖ
Ｅ２）は次の式の様になる。ここでＶＢＥ３ｌはダイオ
ード３１の順方向電圧である。ここでＲ４＝Ｒ，とする
と次式の様になる。ここでＲ＝Ｒ４＝Ｒ，とする。（５
）式において、温度特性を考えると、定電流１０及び抵
抗Ｒに温度特性がないとすると、ＶＢＥ３ｌとＴのみが
温度特性を持つ事になり、ＶＢＥ３ｌは、Ｔ＝３００〔
０Ｋ〕付近で約０．６Ｖであり、その温度依存性は−
０．００２〔Ｖ／０ｋ〕でぁる。

従ってダイオードＶＢＥ３ｌは０．３〔％／０ｋ〕程度
の負の温度係数を有する。また絶対温度Ｔは３００〔０
Ｋ〕付近で、０．３〔％／０ｋ〕程度の正の温度係数を
持つ為、入力電位差（ＶＥｌ−ＶＥ２）の温度依存性は
殆んど零となる。以上のようにこの発明によ一る増幅器
は地絡検出装置の増幅器として理想的なものであり、高
入力インピーダンス、高ゲインが得られ、１電源で使用
できる等の数多くの利点を持つ。さらに温度特性も、あ
る範囲で任意にコントロールする事が可能である。時延
回路の一実施例を第７図に示す。

第７図において、ダイオード２２、トランジスタ２３，
３９，４０、抵抗４１で定電流源１７を構成する。ここ
で、Ｅｌ５〉Ｅ２′の時、定電流源３６に流れる電流は
全てトランジスタ３２に流れ、卜・ランジスタ３３には
電流が流れない為、Ｅ４の電位は低電位となる。逆にＥ
２″〉Ｅ１″の時、トランジスタ３３には定電流源３６
と同値の電流が流れ、ダイオード２２にもそれと同値の
電流が流れ、一般的にトランジスタ２３にもそれと同値
の電流が流れる。その電流は、トランジスタ３９で増幅
され、抵抗４１を通してコンデンサ１９を充電する。し
かし抵抗４１での電圧降下が、トランジスタ４０のＶＢ
ＥＯＮ電圧（キ０．６）になると、トランジスタ４０が
オンに入り、トランジスタ３９のベース電流を引つ張る
為、トランジスタ３９のエミツタに流れる定電流の電流
値は次式で与えられる。ここでＩＲ４ｌは抵抗４１を流
れる電流、ＶＢＥ４Ｏはトランジスタ４０のベース・エ
ミツタ間オン電圧、Ｒ４ｌは抵抗４１の抵抗値、すなわ
ち、第７図の様な構成で時延回路を構成すると、温度が
上がるとベースエミツタ間オン電圧ＶＢＥ（０Ｎ）の温
度係数で定電流量が減少し、次段に接続される波形整形
回路の入力段（前に述べた様に第５図の様な構成が多い
。

）の温度依存性もベース・エミツタ間オン電圧ＶＢＥ（
ＯＮ）の温度係数の為、そのオン電圧も減少する為、接
続した場合の温度依存性は殆んど零となる。以上の様に
第７図のような時延回路を構成すると、増幅器の高いゲ
インを維持しながら、かつ次段の温度特性を補償し得る
時延回路を実現でき、動作時間のバラツキが少なく、地
絡検出装置として理想的なものである。次に波形整形回
路の一実施例を第８図に示す。

第８図において、Ｅ４が入力で、４２〜４４がトランジ
スタ、４５〜４７が抵抗器である。Ｅ５に第１図の様に
サイリスタが接続される。第８図においてＥ４がＶＢＥ
４２オン電圧（キ０，６Ｖ）に達すると、トランジスタ
４２がオン状態になりかけ、トランジスタ４３のベース
電流を引つ張り、そのＨＦＥ倍された電流がトランジス
タ４２のベース電流となり、その電流がＨＦＥ倍されて
トランジスタ４３のベース電流となる。すなわち、トラ
ンジスタ４２と４３で正帰還がかかり、サイリスタと同
様な動作をする。ここで、この回路がオンするとＥ６の
電位が下がり、第１図において増幅器４、時延回路５に
流れていた電流が減り、それだけの電流がほぼサイリス
タ８のゲート電流となる。すなわち従来の欠点の項で述
べた様なダミー電流を流す必要がなく、低消費電力を目
指す地絡検出装置に取つては理想の波形整形回路と言え
る。上記に述べた増幅器、時延回路、波形整形回路の実
施例をまとめて第９図に示す。

この発明は、上記の増幅器、時延回路及び波形整形回路
を用いることにより、低消費電力で温度特性が良く、高
感度の地絡検出装置を得ることができ、この種の装置の
ＩＣ化に適するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は地絡検出装置を示すプロツク図、第２図は従来
の演算増幅器を地絡検出装置の増幅部に使用した回路図
、第３図は時延回路を定電流源とコンデンサで構成した
回路図、第４図は増幅器の出力を定電流源として取り出
す一例を示す回路図、第５図は波形整形回路の入力段の
一般例を示す説明図、第６図はこの発明の増幅器の一実
施例を示す回路図、第７図はこの発明の時延回路の一実
施例を示す回路図、第８図はこの発明の波形整形回路の
一実施例を示す回路図、第９図はこの発明の地絡検出装
置の一実施例を示す回路図である。

Claims (1)

1. 【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ベ
   ースに入力される第５トランジスタと、この第５トラン
   ジスタのベースに一方の主電極が接続されるダイオード
   と、上記第５トランジスタの一方の主電極に一方の主電
   極が接続された第６トランジスタと、上記第５トランジ
   スタの一方の主電極にベースが接続され、上記第６トラ
   ンジスタのベースに一方の主電極が接続される第７トラ
   ンジスタと、第６トランジスタのベースと他方の主電極
   間に接続される抵抗とを有した第３定電流源及びこの第
   ３定電流源に一方の電極が接続されたコンデンサとを有
   し、上記後段増幅器の出力を遅延させる時延回路、この
   時延回路の遅延された出力が入力され、動作時に上記前
   段及び後段増幅器並びに時延回路の電流を減少し、この
   減少した分を出力に流し出させるトランジスタ回路を有
   し、しや断器を動作させる出力を発する波形整形回路を
   備えた地絡検出装置。 ２ 増幅器の第１、第２抵抗の少なくとも一方に負の温
   度係数を有する半導体素子を直列に接続したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の地絡検出装置。 ３ 増幅器の第１抵抗と第３トランジスタのベース、及
   び、上記増幅器の第２抵抗と第４トランジスタのベース
   の少なくとも一方に負の温度係数を有する半導体素子を
   挿入したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   地絡検出装置。