JPH0368619B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、雷サージなどの過電圧から装置を防
護するためのサージ電圧制限回路に関するもので
ある。

従来、雷サージ防護素子としては放電形避雷器
が使用されたきた。しかし、放電形避雷器は放電
電圧にばらつきがあることから、これに伴つて線
間に高電圧の横サージが発生することがあり、電
子化された装置では、横サージによつて破壊、誤
動作が問題になる。このため横サージを吸収すべ
く、本発明者らは、先に、ダイオードブリツジと
電圧制限素子とサイリスタを主たる構成要素とす
る防護回路を発明した（特願昭55−086499号）。

第１図は、前記発明の一実施例である。図にお
いて、１−１〜１−４は線路、２−１，２−２は
放電形避雷器、３−１，３−２はダイオードブリ
ツジ、４はバリスタなどの電圧制限素子、５はサ
イリスタ、６，７，８はコンデンサ、９は定電圧
ダイオード、１０は抵抗、１１は通信装置、１２
は電圧制限回路である。動作原理を簡単に説明す
る。任意の線間に発生した横サージは３−１，３
−２で極性が一定化され、電圧制限回路１２に印
加される。電圧制限回路１２は、横サージが印加
されると、まず、コンデンサ６がサージ波形の立
上りをわずかに鈍らせ、電圧制限素子４の動作電
圧まで上昇する。ここで、コンデンサ６は信号に
は影響のない静電容量の小さなものである。電圧
制限素子４が動作すると大きな静電容量のコンデ
ンサ７によつて波形の立上りは大きく鈍り、電圧
制限素子４の動作電圧と定電圧ダイオード９の動
作電圧の和の電圧まで上昇する。ここで、定電圧
ダイオード９が動作するとコンデンサ８に電流が
流れ、この電流がサイリスタ５のゲートトリガ電
流より大きい場合にサイリスタ５は点弧し、サー
ジ電圧は電圧制限素子４の動作電圧にまで低下す
る。第２図はサージ吸収波形例を示す。図におい
て、１３は印加サージ波形、１４はサージ吸収波
形、V_VRは電圧制限素子４の動作電圧、ＶZDは、
定電圧ダイオード９の動作電圧である。

この回路では、コンデンサ７は波形の立上りを
鈍らせるために静電容量の大きなものを用いるの
で、波形の立上りが早く高電圧のサージの場合、
定電圧ダイオード９が動作するまでに電圧制限素
子４に流れる電流は数１０Ａと大きくなることが
ある。一方、バリスタ、定電圧ダイオードなどの
電圧制限素子は動作領域で微分抵抗をもつので、
コンデンサ７に流れる電流によつて電圧制限素子
４の動作電圧は増大することになる。第３図は、
代表的はバリスタの動作抵抗を示すものである。
電圧制限素子４の動作電圧が増大すると、定電圧
ダイオード９が動作するときの電圧制限回路１２
の電圧も増大することになる。第４図の破線は、
印加サージ電圧に対する電圧制限回路１２の最大
制限電圧特性を示すものである。印加サージ電圧
が増加すると、すなわち、サージの立上りが速く
なるとコンデンサ７に流れる電流は増大するの
で、これに伴い最大制限電圧も上昇する様子がわ
かる。

この原因は、波形の立上りを鈍らせるコンデン
サ７の回路と、定電圧ダイオード９とコンデンサ
８から成るサイリスタのゲート回路が、共に電圧
制限素子４に接続されているため、コンデンサ７
に流れる電流によつて、電圧制限素子４の動作電
圧が上昇すると、その上昇分だけ定電圧ダイオー
ド９の動作が遅れることにある。

本発明は、サージの立上りを鈍らせるコンデン
サを直列に含む回路とサイリスタのゲートにトリ
ガ電流を供給する回路を別々に構成し、これらを
並列に接続することによつて、立上り峻度抑制回
路に流れる電流が変化しても、サイルスタのゲー
ト回路には、ほぼ一定の電圧でゲートトリガ電流
が供給され、低く安定した最大制限電圧特性が得
られるようにしたものである。

第５図は、本発明の一実施例である。同図にお
いて、４は第１の電圧制限素子で、サージ電流耐
量の大きいバリスタ等が用いられる。４の動作電
圧は電話の直流電圧である48Vを僅かに超える電
圧である。５はサイリスタである。４と５で主サ
ージ吸収回路を構成する。３４は第２の電圧制限
素子である定電圧ダイオードで、動作電圧は電話
のハウラ信号音電圧である約140Vを僅かに超え
るものとする。８はコンデンサで0.1μF程度とす
る。３４と８の直列回路がサイリスタのゲート点
弧回路を成す。また、３２は動作電圧が電話の絶
縁試験電圧である250Vを僅かに超える定電圧ダ
イオードであり、もう１つのゲート点弧回路を成
す。１５は定電圧ダイオードで、動作電圧は電話
の直流電圧では48Vを僅かに超える電圧である。
１６は0.5μF程度のコンデンサである。１５と１
６でサージ電圧立ち上がり峻度制限回路を構成す
る。１７は静電容量の小さなコンデンサ、３６は
サイリスタ５が点弧する際、コンデンサ１６の電
荷を放電するための抵抗、３７はコンデンサ８の
電荷を放電するための抵抗、３８は定電圧ダイオ
ード３４が動作する前にコンデンサ８に変位電流
を流さないためのダイオードで、バリスタ４が動
作したとき４から８へ流れるようとする電流を阻
止する。１８はサイリスタ５が動作しなかつたと
き、コンデンサ８および１６の電荷を放電させる
ための抵抗で、電話の絶縁試験に影響しないよう
に1MΩ以上の抵抗値のものである。

回路動作の詳細な説明に先立つて、本実施例の
ねらいについて述べる。本発明は、前述のよう
に、雷サージ等の過電圧から主として電子化され
た電子機器を防護するための回路である。電子機
器は過電圧に対して破壊されやすいため、電話で
使用する信号電圧以外の電圧はできるだけ低い電
圧に制限することが望ましい。電話には、従来よ
り知られているように次の信号がある。

通話信号：電圧48V以下、周波数は数ｋHz。

ハウラ信号：電圧は140V、周波数は400Hz。

回線絶縁試験電圧：電圧は250V、直流で印
加され1MΩ以上の抵抗値が必要。

一方、回線に侵入するサージは雷サージに代表
されるが、電圧は数kV、時間は数μs〜１ｍｓ（周
波数に換算して約1000Hz以上）である。従つて、
信号に影響せずサージのみを効率より吸収するた
めの回路の目標としては、 400Hz以上の電圧に対しては、できれば140V
以上でかつできるだけ低い電圧が動作するこ
と、また、少くとも250Vを僅かに超える電圧
が動作すること。

直流に対しては、250V以下で動作しないこ
と。

である。本実施例がこの条件を満たすことを、従
来の回路（第１図）との比較において、以下に述
べる。

第５図において、発明の主たる部分は、４と５
からなる主サージ吸収回路と、定電圧ダイオード
３４とコンデンサ８から成るサイリスタゲート回
路である。なお、第１図の従来の回路ではバリス
タ４と定電圧ダイオード９とコンデンサ８の直列
回路によりゲート回路が構成されている。

動作を以下に述べる。第５図において、ゲート
回路には直列にコンデンサが入つているため、サ
ージ吸収回路の両端に直流が印加されてもサイリ
スタ５は動作せず回路は不導通である。従つて、
上記の250Vの絶縁試験は問題ない。一方、サー
ジが加わつた場合には、コンデンサ８に変位電流
が流れるため、この電流がサイリスタのゲートオ
ン電流以上であればサイリスタは導通する。サイ
リスタのターンオン時間は従来良く知られたよう
にゲート電流に依存する。即ち、ゲート電流が大
きくなる程高速にオンする。サージ吸収用サイリ
スタでは高速な動作が望ましいためゲート電流は
比較的高くなる。本実施例の場合には、100ｍＡ
程度の電流が必要である。サージが印加されたと
き、このゲートオン電流をできるだけ少ない遅れ
時間で如何に供給できるかがサージ吸収回路の特
性を決める重要な要素である。

本実施例では、ゲート回路は定電圧ダイオード
３４とコンデンサ８を用いている。定電圧ダイオ
ードは、サージ電流耐量は小さいが、動作電圧近
傍のインピーダンスは低い利点がある。具体的に
は、動作電圧が140V程度の定電圧ダイオードの
場合、100ｍＡ程度の通電による電圧降下は数Ｖ
である。従つて、サージ電圧が140Vを僅かに超
えると、サイリスタのゲートには速やかに十分な
電流が流れる。少しの遅れ時間の後サイリスタは
点弧する。サイリスタが点弧すると、主サージ吸
収回路が動作するので、サージ電流はバリスタ４
とサイリスタ５を通過する。従つてサージ電圧は
バリスタ４の電圧に制限される。バリスタ４は第
３図に示したように動作電圧近傍でサージインピ
ーダンスが高い欠点であるが、サージ電流耐量が
高いため大電流を流せる利点がある。48Vを僅か
に超えるような電圧（例えば70〜80V）で動作す
るバリスタを選ぶと、100A程度のサージ電流が
流れた場合の電圧降下は第３図より約２倍の電圧
降下140〜160Vとなる。このように、本実施例に
よれば、140Vを僅かに超えた電圧で主サージ吸
収回路が動作し、サージ電圧を160V程度以下に
制限する。

一方、第１図に示す従来の回路では、ゲート回
路に主サージ回路を構成するバリスタ４が用いら
れている。即ち、サイリスタを点弧させるために
は、４と９が動作しなければならない。バリスタ
４は第３図に示し、また上記のように動作電圧近
傍のインピーダンスが高い欠点がある。従つて、
サイリスタの動作に必要な100ｍＡの電流が流れ
る間にバリスタの電圧は第３図に示すように数10
％上昇する。更に、サイリスタが点弧するまでの
遅れ時間にバリスタの電圧は更に上昇する。この
ようにして、サージ電圧が上がるに従つて、即ち
波形の立ち上がりが急峻になるに従つて、吸収電
圧は第４図の破線で示すように上昇ることとな
る。

次に、第５図に示す本実施例の回路構成の機能
について第６図を用いて説明する。第６図は第５
図の回路の動作によるサージ吸収波形を示すもの
である（第６図はサージ電流が50A程度の場合で
ある）。第６図において、１３はサージ電圧であ
る。サージが加わると、先ずコンデンサ１７と１
６の直列回路が動作し波形を少し鈍らせる。サー
ジ電圧が定電圧ダイオード１５の動作電圧（48V
を僅かに超える電圧）に達すると、定電圧ダイオ
ード１５と静電容量の大きなコンデンサ１６の直
列回路が動作し波形を大きく鈍らせる。更に電圧
が上昇し、定電圧ダイオード３４が、140Vを僅
かに超える電圧で動作すると、サイリスタのゲー
トに電流が流れ、少しの遅れの時間の後サイリス
タ５は動作する。サイリスタ５が動作するとバリ
スタ４にサージ電流が流れる。サージ電流が50A
程度とすると、第３図より制限電圧はバリスタの
動作電圧の1.5倍程度となる。即ち、動作電圧が
70〜80Vのバリスタを用いている制限電圧は
120V程度に下がる。第３図でV_VRZの電圧である。
また、サイリスが導通すると、コンデンサ８に充
電された電荷は３８，３７，５の経路で放電され
る。更に、コンデンサ１６に充電された電荷は１
５，４，５の経路で放電される。サージが去る
と、本回路に印加される電圧は電話の直流電圧の
みとなる。即ち、48V程度となるためバリスタ４
はオフ状態になる。従つて、サイリスタ５には電
流が流れなくなり、サイリスタもオフ状態に戻
る。

第５図の回路において、３２は250Vを僅かに
超える電圧が動作する定電圧ダイオードである。
この回路は、例えば、電話回路にサージ以外の直
流の過電圧が印加された場合等に、本回路を動作
状態にし、電子化電子機器を防護するためのもの
である。

本発明において、第２の電圧制限素子は１つの
定電圧ダイオードとは限る必要はなく、複数の定
電圧ダイオードを直列に接続してもよい。第７図
はこのような実施例である。第７図において、９
は定電圧ダイオードである。９の動作電圧は１５
と９の直列回路の動作電圧が140Vを僅かに超え
るように設定する。即ち、定電圧ダイオード１５
の動作電圧を60V程度とすると、定電圧ダイオー
ド９は80V程度で動作するように設定する。ゲー
ト回路は１５と３０と３１と３３と９と８の直列
回路で構成される。動作は第５図と同様であるの
で簡単に説明する。先ず、サージが加わると、１
５と１６の直列回路が動作し波形を鈍らせる。次
に、電圧が140Vを僅かに超えると上記のゲート
回路が動作し、サイリスタが導通し、バリスタの
制限電圧になる。

本発明は、サージの立ち上がりを低い電圧で鈍
らせることができ、また、印加サージ電圧が上昇
しても最大制限電圧を低く抑えることができるた
め、低い電圧がサージ電圧を制限する必要がある
PNPNスイツチを使用する通信装置へ適用した
場合、信頼性向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサージ防護回路、第２図は第１
図のサージ吸収波形、第３図はバリスタの電圧・
電流特性、第４図は最大制限電圧特性、第５図は
本発明の一実施例、第６図は第５図のサージ吸収
波形、第７図は本発明の他の実施例である。 １−１〜１−４……線路、２−１，２−２……
放電形避雷器、３−１，３−２……ダイオードブ
リツジ、４……電圧制限素子（バリスタ）、５…
…サイリスタ、６，７，８，１６，１７……コン
デンサ、９，１５，３２，３４……電圧制限素子
（定電圧ダイオード）、１０，１８，３０，３３，
３６，３７……抵抗、１１……通信装置、１２…
…電圧制限回路、１３……印加サージ波形、１４
……サージ吸収波形、３１，３５，３８……ダイ
オード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の電圧制限素子４と該素子に直列に接続
   されたサイリスタ５とからなる主サージ吸収回路
   と、前記サイリスタの点弧回路と、を有するサー
   ジ吸収回路であつて、前記点弧回路は、該動作開
   始電圧が前記第１の電圧制限素子の制限電圧より
   も高い第２の電圧制限素子３４とコンデンサ８の
   直列回路を有して構成され、前記点弧回路は、一
   端が前記第１の電圧制限素子のサイリスタが接続
   されていない側の端子に接続され、他端が前記サ
   イリスタのゲート端子に接続されていることを特
   徴とするサージ電圧制限回路。