JPS61150617A

JPS61150617A - サ−ジ防護回路

Info

Publication number: JPS61150617A
Application number: JP59272555A
Authority: JP
Inventors: 秀隆佐藤; 黒沢　秀行
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-12-24
Filing date: 1984-12-24
Publication date: 1986-07-09
Also published as: CA1266883A; KR900000098B1; US4695916A

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」この発明は雷などによるサージに対し通信装置や電子機
器などの機器を保護するためのサージ防護回路に関する
ものである。

「従来の技術」電話局における最近の電子化交換機、および宅内におけ
る各種端末装置の耐圧は数十〜数百Ｖと低く、これらを
雷サージから防護するために防護回路が用いられている
。従来のかかる雷サージ防護回路を第４図Ａ−Ｃに点線
内に示す。

通信装置１１に通信線１２が接続されている。

通信線１２とアース端子１３との間に双方向性定電圧素
子１４がサージ防護用に接続されている。

通信線１２に誘導された雷サージは等価的に、雷サージ
源１５からサージインピーダンス１６ｆ！！して通信装
置１１に流れ込もうとするものと表わすことができる。

双方向性定電圧素子１４は第５図に示すように所定値以
上の電圧で導通する双方向導通特性をもっている。この
ため通信線１２およびアース端子１３間の電圧、すなわ
ち出力電圧は、第６図Ａに示す様に雷サージ印加中（第
６図Ｂに示すような雷サージ電流が流れている間）は、
双方向性定電圧素子１４のブレークダウン電圧ＶＢに保
たれるため、通信装置１１は雷サージから防護される。

伝送速度２００ｋｂ／Ｓのディジタル伝送方式に用いる
サージ防護デバイスの方式規格は以下のとおりである。

Ｏ制限電圧（通信装置の耐圧）ＶＲは３２０■以下、０給電電圧（電話局から加入者の通信装置へ供給する電
圧）ＶＢｆは３０ｖ（芯線〜アース間）Ｏ不動作電圧（
商用電源５０Ｈｚ　、６　ＱＨｚの誘導電圧と、電話の
ベルを鳴らすリンガ電圧の漏話と給電電圧との和で、サ
ージ防護回路が動作してはならない電圧）ＶＡは１００
ｖＯ静電容量（通信線１２とアース端子１３との対地イン
ピーダンスは、伝送損失規格より、伝送信号の最大周波
数成分において４にΩ以上を確保するため）Ｃは２５０
ＰＦ以下０サージ電流耐量〔雷サージ波形（１０／１０００）μ
Ｓすなわち１０μｍ□□でピーク電圧に立上り、１００
０μ叢でピーク電圧の１／２に減衰する雷サージ波形が
印加されることにより、サージ防護回路を流れる電流〕
Ｉｐは、５８Ａ以上。

第４図Ａに示したサージ防護デバイスの構成において、
従来は双方向性定電圧素子１４として、ツェナーダイオ
ードが用いられている。ツェナーダイオードが雷サージ
によりＯＮすると、数Ωと低インピーダンスになるため
、ツェナーダイオードを流れる電流Ｉｐは、雷サージイ
ンピーダンス１６と、発生する雷サージ電圧波高値（雷
サージ源１５の波高値）とで決まり、１０年間の雷サー
ジ観測結果から最大５８Ａ（雷サージ電圧５．８ＫＶ÷
サージインピーダンス１００Ω）である。

雷サージ印加時間をｔ１ツェナーダイオードのブレーク
ダウン電圧をＶＢとすると、ツェナーダイオードのエネ
ルギー損失Ｅは（１）式で表わされる。

エネルギー損失Ｅの大きいツェナーダイオードは、接合
面積を大きくする必要がある。接合面積を大きくすると
接合容量が増えるため、デバイスの静電容量が大きくな
る。

従来エネルギー損失Ｅを小さくするために、ブレークダ
ウン電圧ＶＢを不動作電圧ＶＡ１００Ｖに近づけ、２０
Ｖのマージン（余裕）をとってｖＢ＝１２０Ｖに設計し
ていた。雷サージを１ｓｓｅｃの矩形波で近似すると、
エネルギー損失Ｅは（１）式より第６図Ａの斜線部の面
積に相当する７　Ｊｏｕ１６（１２０（Ｖ）　Ｘ　５８
　（Ａ）　ｘ　１　ｘ　１０　”　（ｓｅｅ）　）とな
り、ツェナーダイオードのチップ面積は３５Ｗ２必要と
なる。エネルギー耐量ＥＪｏｕｌｅ、ブレークダウン電
圧ＶＢのツェナーダイオードの接合容量Ｃは、（２）式
で表わされる。

ただし、ｎは双方向ツェナーダイオードの直列接続段数
である。（２）式より７　Ｊｏｕｌｅのツェナーダイオ
ードの静電容量は１２８０ＰＦとなり、先に述べた方式
規格の２５０　ＰＦ以下にはならない。

このため、第４図Ｂに示す様に、ブレークダウン電圧が
Ｖ、のツェナーダイオードを、双方向にｎ段直列接続し
て静電容量を減らしていた。表１に直列接続段数ｎと静
電容量Ｃとの関係を示す。

表　　　　１方式規格の２５０　ＰＦ以下にするためには、ツェナー
ダイオードを４段直列接続しなければならない。このよ
うにするとチップ数が多いために製造工程が複雑になシ
、またエネルギー損失も全体でみると７　Ｊｏｕｌｅと
変わらないために、価格の大半であるチップ面積はほと
んど変わらないという欠点があった。

また、第４図Ｃに示す様にダイオードバリスタ（ダイオ
ードを逆並列接続したもの）１７を、ツェナーダイオー
ド１４に直列接続して静電容量を減らす構成がある。ダ
イオードバリスタ１７の静電容、ｔ　ＣＤはツェナーダ
イオード１４の静電容量Ｃ２に比べてはるかに小さいた
め、直列接続することで全体の静電容量ｃＴは、はぼＣ
Ｄになる。

しかし、伝送信号の振幅が１．５Ｖｏ−、である場合、
伝送信号電圧がダイオードバリスタ１７の拡散電圧約０
．６　Ｖより高いため、伝送信号がダイオードバリスタ
１７を流れ、ツェナーダイオード１４の静電容量を通っ
てアースに流れる。すなわち、伝送信号電圧がダイオー
ドバリスタ１７の拡散電圧より高い場合、ツェナーダイ
オード１４とダイオードバリスタ１７と直列接続の静電
容量は、ｉｔぼツェナーダイオード１４だけの静電容量
となる。

したがってダイオードバリスタ１７の拡散電圧を伝送信
号の振幅電圧１．５Ｖ　　よシ大きくするた−ｐめに、第４図Ｃに示す様に３段直列接続し、■、８Ｖと
していたため、ダイオードバリスタ１７のチップ数が多
く、また製造工程も複雑になるという欠点があった。さ
らに、ツェナーダイオード１４のエネルギー損失は第４
図Ａ、Ｈの場合と同じ７Ｊｏｕｌ　ｅであるため、はぼ
同じチップ面積を必要とし全体の価格は、ダイオードバ
リスタ１７があるために高くなるという欠点があった。

この発明の目的はサージエネルギーのうちサージ防護デ
バイスで消費するエネルギーは少なく、はとんどのサー
ジをアースに放流することができる理想的なサージ防護
回路を提供することにある。

「問題点を解決するための手段」この発明によれば、ツェナーダイオード、ダイオードバ
リスタなどの双方向性定電圧素子と、トライアック、Ｓ
ＳＳ素子、サイリスタの逆並列接続などの双方向性半導
体制御整流素子とを直列接続してサージ防護デバイスと
され、このサージ防護デバイスが防護されるべき機器の
通信線又は信号線とアースとの間に接続される。その双
方向性定電圧素子ブレークダウン電圧：ＶＢは通信線ま
たは信号線の給電電圧ＶＢｆ　　よりも若干高くされ、
かつ双方向性半導体制御整流素子のブレークオーバー電
圧ＶＢｏ　と双方向性定電圧素子のブレークダウン電圧
ＶＢとの和が、防護されるべき機器の耐圧■Ｒより低く
、かつ不動作電圧ｖＡよシ高くされる。

「実施例」第１図はこの発明の実施例を示し、第４図と対応する部
分に同一符号を付けである。この発明では双方向性半導
体制御整流素子１８と双方向性定電圧素子１４との直列
接続でサージ防護デバイス１９を構成し、このサージ防
護デバイス１９がアース端子１３と通信線１２との間に
接続される。

今、双方向性半導体制御整流素子１８としてブレークオ
ーバー電圧ＶＢｏ　が８５Ｖのトライアック、双方向性
定電圧素子１４としてブレークダウン電圧ＶＢが３５Ｖ
のツェナーダイオードである場合について、その回路動
作を第２図を参照しながら説明する。

雷サージが侵入すると、通信線１２の電圧が上昇してい
くが、この電圧がトライアック１８のブレークオーバー
電圧ＶＢ。　＝８５ｖと、ツェナーダイオード１４のブ
レークダウン電圧ＶＢ＝３５ｖの和である１２０ｖの点
２１に達すると、画素子１４．１８は同時にＯＮする。

ツェナーダイオード１４がＯＮすると、電圧はブレーク
ダウン電圧ＶＢの一定値に保たれるが、トライアック１
８の動作電圧ＶＢｏ−ＯＮは、ダイオードの順方向動作
電圧１〜３Ｖになるため、通信巌１２とアース端子１３
との間の電圧は両者の和である点２２の３６〜３９Ｖに
減少する。このため通信装置１１への過電圧の影響が極
めて小さくでき、さらに点２２の電圧は給電電圧以下に
はならないので給電装置の過負荷保護機能が誤動作する
こともない。この少ない電圧降下の状態において、雷サ
ージ電流Ｉｐが流れる。雷サージを１常冠の矩形パルス
で近似すると、デバイス１９のエネルギー損失Ｅは（１
）式＝０．１７４（Ｊｏｕｌｅ）＋０．２３（Ｊｏｕｌ
ｅ）＝　２．２　（Ｊｏｕｌｅ）となる。トライブック１８でのエネルギー損失はわずか
０．１７４　（Ｊ）であるため、チップ面積もほぼ４ｍ
”と小さくでき、静電容量ＣＴは５０ＰＦと小さなもの
となる。

一方、ツェナーダイオード１４のブレークダウン電圧Ｖ
Ｂは、給電電圧ｖｎｆ　　＝３０Ｖより若干高いＶＢ＝
３５ｖとすることで、雷サージ電流が少なくなってきて
、点２３から点２２に達すると給電による続流は起こら
ず、ツェナーダイオード１４、トライアック１８がＯＦ
Ｆとなる。

従来のサージ防護デバイスの特性は第５図に示す特性で
あったため、雷サージが印加されている間は通信線１２
およびアース端子１３間の電圧はＶＢ＝１２０Ｖ一定に
制限していたのに対し、この発明の回路の特性は第２図
に示す特性であり、ツェナーダイオード１４のブレーク
ダウン電圧ｖＢ＝３５Ｖと、トライアック１８の動作電
圧ＶＢｏ−ＯＮ＝＝３Ｖトｃ７）和、　ＶＢ十ＶＢｏ−
ＯＮ　＝　３８ｖ　ト小すｆＬ電圧に降下した状態で雷
サージ電流を放流するため、デバイス１９のエネルギー
損失は第３図Ａの斜線部の面積に相当し、２．０３　Ｊ
ｏｕｌｅと、従来の第５図Ａの斜線部に示すエネルギー
損失７Ｊｏｕｌｅに比べて１／３以下のエネルギー損失
である。またツェナーダイオード１４のチップ面積Ｆｉ
５．６　ｆｉ２で良く、第４図Ａ、Ｂ、Ｃに示した従来
の回路におけるツェナーダイオード１４のチップ面積３
５■２に比べて１／６以下に低減できるという利点があ
る。したがってツェナーダイオード１４の静電容量Ｃ２
も２８０ＰＦと小さくできる。この発明の回路全体の静
電容量Ｃは、トライアック１８およびツェナーダイオー
ド１４の静電容量をそれぞれＣＴ＊　ＣＺとすると、直
列接続であるため、と小さくなるため、高速、広帯域の
通信に使用することか可能である。

「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば雷サージ印加時
に回路部品で消費するエネルギー量が少ないため、小形
化、高密度化を図ることができ、静電容量を小さくでき
ることから、高速、広帯域の通信に利用する場合には特
にその有効性を発揮することができる。さらにこの発明
によれば１回路構成部品は同一の半導体製造プロセスに
従って得られるため、特にｌチップ上に防護回路を集積
化する場合にはその有効性を発揮することができる。な
お防護される機器によっては電源を内蔵し。

通信線や信号線に給電がなされない場合もあり、この場
合にもこの発明は適用される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のサージ防護回路の一例を示す接続図
、第２図はこの発明のサージ防護回路の電圧−電流特性
図、第３図はこの発明のサージ防護回路の出力電圧特性
図、第４図は従来のサージ防護回路の各棟側を示す図、
第５図は従来のサージ防護回路の電圧−電流特性図、第
６図は従来のサージ防護回路の出力電圧特性図である。１１・・・通信装置、１２・・・通信線、１３・・・ア
ース端子、１４・・・双方向性定電圧素子、１５・・・
雷サージ源、１６・・・サージインピーダンス、１８・
・・双方向性半導体制御整流素子、１９・・・サージ防
護デバイス、２１・・・動作点、２２・・・保持電流点
。２３・・・ピーク電流点。特許出願人　　日本電信電話公社オ　４　図７５　図オ６　図１１′７−シ電ン肩ＬシＩｌ啓手　　続　　補　　正　　書　（自発）昭和６０年２月
１８日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）通信装置、電子機器等の機器のサージ防護回路に
おいて、双方向性半導体制御整流素子と双方向性定電圧
素子とを直列接続したサージ防護デバイスが、上記機器
に接続された通信線または信号線とアースとの間に接続
され、上記双方向性定電圧素子のブレークダウン電圧Ｖ＿Ｂは
、上記通信線または信号線の給電電圧Ｖ＿Ｂ＿ｆより若
干高く（Ｖ＿Ｂ＿ｆ＜Ｖ＿Ｂ）され、上記双方向性半導
体制御整流素子のブレークオーバー電圧Ｖ＿Ｂ＿ｏと上
記双方向性定電圧素子のブレークダウン電圧Ｖ＿Ｂとの
和が上記機器の耐圧Ｖ＿Ｒより低く、かつ不動作電圧Ｖ
＿Ａより高く（Ｖ＿Ａ＜Ｖ＿Ｂ＿ｏ＋Ｖ＿Ｂ＜Ｖ＿Ｒ）
選定されていることを特徴とするサージ防護回路。