JPH04506565A - 導体を過剰な電流から保護する回路に用いられる電圧―周波数変換器およびシステム - Google Patents

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】 電圧−周波数平方回路 発明の背景 １．発明の分野 本発明は一般的に電圧−周波数変換器に関するものであり、更に詳細には遮断器 においてタイミング遅延装置として使用される電圧−周波数変換器に関するもの である。

２、関連技術の説明 電力配電システムの分野では、電線導体とそれによって電力を供給される周辺回 路とを保護するために通常、遮断器か使用されている。すべての電子、および電 気部品は有限の消費電力の容量を有しているので、部品は使用中に加熱する傾向 がある。多くの部品は適正な動作のために、越えてはいけない最大定格電力、ま たは最大定格温度を持っている。多くの電子部品が損傷を与える電流や温度から 、サージプロテクタ、クランプ装置、ヒートシンク、等によって保護されている のに対し、配電線や電動機巻線等の電気部品はヒユーズと継電器によって保護さ れている。特に、遮断器は典型的には電線導体と直列につながれた電磁継電器を 含んでいる。継電器は主として２つの基本的な働きを有する：（１）電線中の電 流を流す７（２）故障時には電線中の電流を遮断する。

過電流状態に長時間曝すことは電力線路に損傷を与えるが、限定された過電流状 態はその電力線路に関する最大定格温度を越えない限り許容される。限定された 過電流状況は、はとんどの配電システムにおいて、それらのシステムの正常動作 の一部分として通常的に発生している。例えば、負荷状態で起動された電動機は 大きな電流を引き込み、それはその電力線路の最大連続定格電流を瞬時的には容 易には超過するものである。保護装置が、そのような過電流状態に、毎回敏速に 応答することは、その状態が非常に短時間の現象であって、システムに対して何 等の損傷を与えるものでないことから、望ましいものではない。従って、効率的 な保護装置は、ある程度の過負荷量は許容し、電力配電システムを不必要に中断 することのないものであるべきである。

保護装置は、より重大な故障に対して、より俊敏に応答するものであることが望 ましい。この点に関して、電力配電システム保護の分野では、導体の温度がその 導体中を流れる電流の平方に比例するということが知られている。従って、電線 の温度を、電線中を流れる電流をモニタすることで知ることができる。過電流状 況では、継電器の動作時ｆｆ１Ｊは過負荷電流の平方に反比例して変化し、この ことはしばしば、Ｉ’を特性と呼ばれている。電線中の過電流の大きさに従って 継電器を制御することによって、電線が短絡した場合に発生するような重大な故 障において、短時間の継電器応答時間が達成される。遮断器は短時間に電線中の 電流の流れを遮断し、電力線路への損傷を防止する。逆に、過剰な数の装置がそ の線路から電力を供給される場合に発生するような、より軽度で長時間続く故障 の場合には、より長時間の継電器応答時間か得られる。より軽度の過負荷によっ て、電線はよりゆっくりと加熱されるので、遮断器が電線中の電流を遮断するま でに長時間かかっても、その間線路は安全に動作する。

この応答時間と電線の電流との関係を利用した数多くの過電流保護装置か試みら れたが、それらは効果と複雑度の点においてさまざまなものであった。正確な回 路を実現する鍵となるのは、電力配電線中の電流の平方に従って変化する量を発 見することである。この機能を“タイミングコンデンサ”によって提供しようと する数多くの試みがなされた。それらにおいては、保護された電力線路から取り 出された直流電圧信号で、タイミングコンデンサを充電するものであった。コン デンサが予め定められたレベルにまで充電されると、トリップ信号が発せられて 、付随する継電器を駆動し、その電力線路を開路させる。コンデンサが予め定め られたレベルにまで充電されるためにかかる時間は、充電信号の大きさによって 決まる。′Ｉ′ＩＪ、Ｊ１！中の電流が増大すると、充電信号の大きさも増大し 、従って、増大した電流かコンデンサを予め定められたレベルにまで、より急速 に充電させることになる。しかし、電線中の電流に正比例する直流電圧信号は、 ５　電流の平方に従った早さでコンデンサを充電するものてはないのて、電流の 平方に比例した時間遅れをもたらすものではない。

この欠点を克服する試みのなかには、タイミングコンデンサへの直流電圧を、周 期をＩ流源形で制御されたパルス幅変調信号の形でパルス化した方式のものが含 まれている。この方法は遅延時間を犠牲にすることなく、より小型のコンデンサ の利用を可能とするが、遅延時間の電流に対して必要とされる比例の程度は正確 といえるものとなっていない。タイミングコンデンサを使用する遅延システムの 別の特有な欠点は、コンデンサを製造する場合のばらつきの大きいことである。

それぞれ、モラン（Ｍｏｒａｎ）他、ハウエル（Ｈｏｗｅｌｌ）、モしてモラン による米国特許第４，０２７，２０３号、第４，１１５，８２９号、そして第４ ．３８６．３８４号に見られるように、タイミングコンデンサ回路をより完全な ものとしようとして、進歩は続いているが、それらにおいても回路の複雑さはｒ ｊＬｌ［である。

過電流保護システムのための別の遅延装置が、ロッチャ（Ｒｏｃｈａ）による１ ９８５年４月２３日付けの米国特許第４．５１３．３４２号に開示されている。

そこに示されているように、圧電検出要素が電力線路中の電流の平方に比例する 信号を供給している。バッファ増幅装置がこの信号をフィルタへ送り、フィルタ は直流信号成分を除去して、整流回路へ信号を送り、そこで全波整流された信号 か出力される。更に信号を処理して、電力線路中の電流の平方に比例する直流電 圧信号が得られている。この直流信号は、その電力線路の最大定格電流を示す信 号でバイアスされた積分器へ送られる。この直流信号が積分器のバイアス（ｉ　 Ｍよりも大きくなると、積分器回路中のコンデンサへの充電が開始される。もし この直流信号がコンデンサを、付随する比較器でのトリップ設定点よりも高い電 圧にまで充電すると、その比較器はトリップ信号を出力し、電磁継電器を駆動し て電力線路中の電流を遮断させる。この装置での遅延時間は、よりＩ”　を特性 に近づいたものとなっているが、タイミングコンデンサに付随する問題点は相変 わらず残っている。また、電流の平方に比例する出力１ｄ号はデジタル回路遮断 器にはそのまま使用できない。更に、平方側の電流検出器を使用する必要から、 この遅延決定装置のコストと複雑度か上昇することになる。

本発明は、上に述べた問題点の１つまたは複数個のものを克服することを目的と している。

発明の要約 本発明の１つの主要な目的は、導体中を流れる電流の平方に比例する出力信号を 提供する装置を得ることである。

本発明の１つの重要な目的は、前記主要な目的に従った装置であって、遮断器と しての応用において、タイミングと遅延とを優れた精度で決定できる装置７１を 得ること）　である。

本発明の別の１つの目的は、上に述べた２つの目的に従った装置を、安価な部品 を使用して得ることである。

本発明の更に別の１つの目的は、前記主要な目的に従った装置であって、導体中 を流れる電流のモ方に比例して変化する周波数を有する信号を出力する装置を得 ることである。

本発明の更に別の１つの目的は、前記主要な目的に従った装置であって、デジタ ル回路によって容易に処理できる信号を出力する装置を得ることである。

これら、およびその他の目的は、本発明に従って、電力線路中の電流の平方に相 関して変化する周波数信号を発生させる電圧−周波数変換器によって実現される 。この電圧−周波数変換器は、導体を過剰な電流から保護する回路インタラプタ （ｃｉｒｃｕｉｔ　１ｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ）に使用される。導体中を流れる電 流に相関する信号か生成され、生成された信号の大きさの平方に相関した周波数 信号が出力される。導体中の電流は望ましくは変流器によって検出され、結果の 信号か処理されて周波数信号が得られる。

導体中の電流が増大すると、周波数信号の周波数は電流信号の大きさの平方に比 例して上昇する。

本発明の別の面に従えば、電気導体を過剰電流から保護して、電力線路中を流れ る電流を遮断するシステムが得られる。導体中を流れる電流が検出されて、それ に相関した信号が出力される。その電流信号の大きさの平方に相関した周波数を 有する周波数信号か得られる。周波数信号の個々のパルスが計数されて、予め定 められたカウントを越える計数値に応答して、トリップ信号が出力される。導体 中を流れる電流は、このトリップ信号に応答して遮断される。

図面の簡単な説明 本発明のその他の目的と利点については、以下の図面を参照した詳細な説明から 明らかになるであろう。

第１図は、本発明に従う電圧−周波数変換器の機能的ブロック図である。

第２図は、第１の入力電圧レベルにおける波形を示す。

第３図は、第２の入力電圧レベルにおける波形を示す。

第４図は、第１図に示された電圧−周波数変換器の模式図である。

本発明には各種の修正や別の形の実施例が可能であるが、以下では一例として図 面に示した特定の実施例について、詳細に説明する。しかし、これは本発明をそ れらの特定の実施例に限定することを意図するものではなく、本発明は逆に、本 発明の請求の範ｌに定義された本発明の範囲に含まれる、すべての修正、同等な もの、別の実施例等を包含するものである。

好適実施例の説明 図面を参照して、まず第１図から第３図を参照すると、電圧−周波数変換器が一 般的に符号ｌＯで示されている。

第２図と第３図は、２つの異なる入力電圧レベルにおい５　て、それぞれ節Ａ、 Ｂ、Ｃで見た電圧波形を示している。

電力配電システムの全体的な動作において、遮断器が、各回路に電力を供給する 電力線路を保護するために使用されている。各回路の電力線路は予め定められた 電力量を安全に伝達するように設計され、定格として与えられている。線路によ って電力供給を受けている電気的な装置か、その線路が設計されている電力より も大きい電力を引き出し始めると、その遮断器はそれらの線路を保護するために 、通常、回路インタラプタやトリップ要素（ｔｒｉｐ　ｅｌｅｍｅｎｔ）を駆動 することによって、そこの電力線路を流れる電流を遮断する。このことは等価的 に、その電気的装置へ流れ込む電流を遮断し、従ってその装置はそれ以上過剰な 電流をその線路を通して引き出すことができなくなる。しかし、遮断器は、消費 される電力が予め定められたレベル以上に上昇した時に直ちに、その電力線路が 停止してしまうようには設計されていない。予め定められたレベルにおいて連続 して動作するように設計されている線路は、一定の期間はｔめ定められたレベル 以上であっても電力を伝達できる。但し、その期間は電力が増大するにつれて短 縮される。遮断器は線路上の電力に逆比例する期間、その電力を伝達することが できる。

電流は次の式に従って電気的導体を加熱する：Ｔ＝１” ここで、Ｔは導体の温度であり、■は導体を流れる電流である。電圧−周波数変 換器１０の目的は電力線路中の電流をモニタすることであり、また線路中の電流 に比例する出力を提供することである。一般的に符号１１て示された、付随トリ ップ回路がその出力を受け取り、適切な遅延の後に、過電流状況にある電流を遮 断する。もし、入力電圧をＶｉｎとするなら、電圧−周波数変換器１０の出力周 波数ｆ　ｏｕｔは次の式で与えられる：ｆ　ｏｕｔ＝Ｋ　（Ｖｉｎ）　” ここで、Ｋは定数である。

電圧−周波数変換器ｌＯの入力と出力との関係は、導体の温度とそれを流れる電 流との間の関係に類似している。電圧−周波数変換器ｌＯに関するこの型の人力 ／出力関係は、電圧−周波数変換器の回路を複雑にすることなく、遮断器に関す るトリップ回路を大幅に簡略化する入力電圧Ｖｉｎを受け取り、入力電圧Ｖｉｎ に比例した周波数ｆ　ｏｕｔを有する周波数信号を出力する。入力電圧Ｖｉｎは ゆっくり変動する直流電圧として入力ライン１２．１４上に現れ、それは電力需 要の増減によって引き起こされる線路電流の変動に応答して過度的に変動する。

入力電圧Ｖｉｎは、導体中の電流に比例する信号を発生する変流器（図示されて いない）から受け取られるのか望ましい。次にこの電流信号は整流器を経て、′ ＩＬ仁川信用へ変換される。電力線路中の電力か予め定められたレベル以上に増 大すると、その電力線路が電力を伝達し続けることのできる時間は減少する。出 力周波数ｆ　ｏｕｔが線路上の電流に相関しているので、いつ、遮断器をトリッ プさせて電力線路を遮断するかを決定するために、周波数ｒ　ｏｕｔかモニタさ れる。

電圧−周波数変換器１０は周波数ｆ　ｏｕｔを有する出力信号を発生させるため に、２つの充電回路１６．１８を使用している。これらの充電回路１６．１８は 出力周波数ｆ　ｏｕｔの周期Ｔのそれぞれの部分子１、Ｔ２（第２図と第３図を 参照）を制御するために、相補的に交互に充、放電する。セット／リセットフリ ップフロップ２ｏが、交代で、各充電回路１６．１８を充電または放電モードヘ スイッチする。第１の充電回路１６は、非反転端子に入力電圧Ｖｉｎを受信する 積分器２２を含んでいる。積分器２２は、第２Ａ図に傾斜部分子ｌで示したよう に、節Ａへ上方へ傾斜した出力を発生する。積分器２２の出力は第１の比較器２ ４へつながれ、ｉｔの比較器２４は、積分器２２の出力か電圧設定点Ｖ１を越え る時に状態を変化させる。比較器２４の出力はセット／リセットフリップフロッ プ２ｏの“セット”入力をスイッチする。これは、第２Ｃ図に７１部分とＴ２部 分で示したように、節Ｃにおけるフリップフロップ２０の出力の状態を変化させ る。

フリップフロップ２０の出力か状態を変化させた時は、積分器２２とフリップフ ロップ２０との間につながれた電流源２６か積分器２２の放電を開始する。この 放電は第２Ａ図の下方へ傾斜した部分子２で示されている。また、フリップフロ ップ２０の出力の遷移は、他方で第１の充電回路１６か放電している間に、第２ Ｂ図にＴ２部分て示されたように、第２の充電回路１８に充電を開始させる。こ のことは、入力電圧Ｖｉｎを受け取り、入力電圧Ｖｉｎの大きさに相対的な大き さを有する電流を出力する電流源２８によって行われる。この出力電流が、第２ の比較器３２の非反転入力へつながれたコンデンサ３０を充電する。基準電圧Ｖ ２が第２の比較器３２の反転入力に供給されている。コンデンサ３０上の電圧が 基準電圧Ｖ２を越える時には、第２の比較器３２の出力か状態をスイッチして、 フリップフロップ２０をリセットする。

フリップフロップ２０のこの遷移は、電流源２６をターンオフさせ、積分器２２ か再充電されるのを許容する。

この遷移はまた、コンデンサ３０と回路アースとの間につながれたスイッチ３４ を閉じ、それによってコンデンサ３０は急速に放電する。この放電は第２Ｂ図中 に鋭い下方への遷移波形によって示されている。

フリップフロップ２０の出力の遷移は、ＴＩとＴ２の部分で構成される周期Ｔを 有する、出力層波数ｆ　ｏｕｔを作り出す。入力電圧Ｖｉｎが、２つの充電回路 １６．１８に関する充電速度を、従ってフリップフロップ２０の出力の周期Ｔを 決定する。充電回路１６、！８の各々に関する充電時間が、出力周期数ｆ　ｏｕ ｔの各々の部分子Ｉ、Ｔ２の長さを決定し、ＴＩとＴ２の部分は共通入力電圧Ｖ ｉｎのために、互いに相関している。

第３図は、第２図のそれらと類似の波形を示している。

第３図の波形を生み出す入力電圧Ｖｉｎは、第２図の波形を生み出した入力電圧 Ｖｉｎよりも大きい。ｌＴ２Ｃ図と第３Ｃ図を比較することによって、より大き い入力電圧Ｖｉｎが、より高い周波数を持つ出力を作り出すことが分かる。充電 回路１６．１８を充電する入力電圧Ｖｉｎが大きくなるほど、より急速に、従っ てより高速にフリップフロップ２０がスイッチングする。第１の充電回路１６の 出力は、より短い時間で電圧設定点Ｖｔへ到達するので、周期Ｔの７１部分は短 くなる。同様に、入力電圧Ｖｉｎが大きくなると、電圧制御の電流源２８がより 大きい電流を出力するようになり、そのためコンデンサ３０はより短い時間で電 圧設定点Ｖ２へ充電されることになり、従って周期の部分子２は短くなる。充電 時間が短くなることの全体的な効果は、フリップフロップ２０からの出力がより 短い周期Ｔを持ち、より巧い周波数ｆ　ｏｕｔを持つことである。

第１図に戻って、フリップフロップ２０からの周波数信号は、トリップ回路１１ によって受け取られる。このトリップ回路１１は、出力信号ｆ　ｏｕｔを処理す るために、アナログ式でも、デジタル式でも、各種の形態をとることが可能であ る。第１図には、！・リップ回路１１の好適なデジタル式構成か示され、それは 出力周波数信号を受け取るリセット可能な計数器３６をよんでいる。計数器３６ は周波数信号のパルスを計数し、計数器３６がリセットする前に計数値がトリッ プ設定点を越えると、継電器電力回路（図示されていない）へトリップ信号を出 力する。計数器３６をリセットするために、レベル検出器３８が入力電圧Ｖｉｎ を受け取り、入力電圧Ｖｉｎの大きさに応じて計数器３６を制御している。リセ ット信号を計数器３６へ供給することによって、計数器３６は予め定められた計 数値（典型的には零）ヘリセットされる。

レベル検出器３８は、入力電圧Ｖｉｎが予め定められた設定点、典型的には導体 の定格電流の約１１０％を越えると、計数器３６を駆動する。駆動されている間 、計数器３６は電圧−周波数変換器ｌＯの出力からのパルスを計数し、遅延装置 として働く。もし、入力電圧Ｖｉｎが前記予め定められた設定点よりも予め定め られた最低下した時、典型的は導体の定格電流の約１０５％に対応する値に対応 する値に低下した時には、レベル検出器３８は計数器３６を停市させる。しかし 、もし入力端子が前記予め定められた設定点を越し続ければ、計数器３６はいず れトリップ設定点に到達し、導体中を流れる電流を遮断するための継電器を駆動 するトリガとなるトリップ信号を出力することになる。計数器３６かトリップ設 定点まで計数するのに掛かる時間が遅延時間となる。高周波数は計数器３６を高 速で計数させるため、計数器３６はより短時間で１−リップ設定点へ到達し、よ り短い遅延時間を供給することになる。

電圧−周波数変換器１０の好適実施例に関する模式図が第４図に示されている。

入力電圧Ｖｉｎは抵抗４２を経て積分演算増幅器４０の非反転入力へ受け取られ る。増幅器４０の負帰還ループ中にコンデンサ４４が設けられており、それか入 力電圧Ｖｉｎの大きさに依存した速度で充電されるようになっている。比較器４ ５の非反転入力がこの積分演算増幅器４０の出力を受け取る。比較器４５の反転 入力は、抵抗４９と５１で構成された電圧分割器４８からのしきい値電圧Ｖｌを 受け取る。コンデンサ４４両端間の電圧が電圧Ｖｌを越えた時には、比較器４５ はセット／リセットフリップフロップ２０の“セット”入力へ、“高”電圧（＋ ５ないし＋１５ボルト）を出力する。

比較器４５からの“高”電圧は、抵抗５０を経てトランジスタ５３のベースへ受 け取られ、そのトランジスタ５３を飽和させ、電流を流させる。抵抗５２を通っ て正の電圧源＋Ｖからトランジスタ５３のコレクタへ電流が流れることによって 、フリップフロップ２０の出力であるコレクタの電圧が“低″電圧（約０．５ボ ルト）となる。

トランジスタ５４のベースはトランジスタ５３のコレクタへつながれており、従 って、それは“低”電圧信号を受け取って、非導通となる。トランジスタ５４が 非導通状態にある時には、トランジスタ５６のベースは、トランジスタ５４のエ ミッタが抵抗５５を通してそれへつながっているために、“低″電圧になる。こ のようにして、トランジスタ５６もまた非導通となる。トランジスタ５６のコレ クタは、トランジスタ５６のコレクタと正の電圧源十Ｖとの間につなかれた抵抗 ５８両端間に電圧降下かないため、“高′電圧となる。

フリップフロップ２０の出力か、再充電回路１６．１８をトリガする。第１の充 電回路１６では、この出力か、コンデンサ４４を充電、放電させるための電流源 ２６を交互にターンオン、ターンオフする。フリップフロップ２０の出力からの 電圧信号は抵抗６２を経てトランジスタ６０のベースへ受け取られる。この信号 が“低”である時には、それはトランジスタ６０を非導通にする。非導通状態に おいては、正の電圧源十Ｖとトランジスタ６０のコレクタとの間につながれた抵 抗６４の両端で正の電圧源＋Ｖからの電圧降下がない。従って、トランジスタ６ ０のコレクタは“高”電圧になる。トランジスタ６６のベースかトランジスタ６ ０のコレクタへつながれているため、この“高”電圧信号を受け取って、トラン ジスタ６６が導通する。

２つのトランジスタ６８．７０が、電流ミラー（ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍ１ｒｒｏｒ ）配置につながれており、トランジスタ６８のコレクタかトランジスタ６６のコ レクタへつなかれている。この構成で、導通トランジスタ６６はトランジスタ６ ８．７０をも導通させる３、電流１　（Ｉがトランジスタ７２のコし・フタを通 してコンデンサ４４へ流れる。

トランジスタ７２はそれのエミッタをトランジスタ７０のコレクタへつながれ、 またそのベースをトランジスタ７３のコレクタへつながれている。トランジスタ ７３のベースはトランジスタ６６のエミッタへつながれ、またそれのエミッタは 抵抗７８を通してアースへつながれている。電流１ｄは、トランジスタ６６．６ ８の飽和特性と抵抗７８の値とによって決まる。電流１ｄは、増幅器４０からコ ンデンサ４４へ流れる充ｔｉｉ流Ｉｆよりも大きく選ばれる。充ｉｔ流ＩＩは入 力電圧Ｖｉｎが存在する限り存在し、従って、コンデンサ４４を放電させるため には、放電電流Ｔｄは充電電流よりも大きくなければならない。充Ｎ電流１ｄは 本質的に一定であるから、コンデンサ４４は第２の充電回路１８の充電時間によ って決まる時間Ｔ２の間、入力電圧Ｖｉｎで決まる速度で放電する。

第１の充電回路１６か放電している間、第２の充電回路１８か充電する。第２の 充電回路１８はここでは、ベースをフリップフロップ２０の出力信号へつながれ 、エミッタをアースされたトランジスタ８０のコレクタとアースとの間につなが れたコンデンサ８２として示された充電要素を含んでいる。コンデンサ８２はま た、非反転演算増幅器８４と抵抗８６．８８．９０．９２を含む電圧制御の電流 源２８へつながれている。抵抗８６は演算増幅器８４の反転入力を回路アースへ つなぎ、また抵抗９０．９２は演算増幅器８４の帰還ループ中につながれている 。演算増幅器８４は、抵抗８８を通してそれの非反転入力へ入力電圧Ｖｉｎを受 け取る。抵抗８６．８８．９０．９２は、単に出力電流Ｉ２を入力電圧Ｖｉｎに 対してスケーリングするためのものであり、これらの抵抗の抵抗値は、出力電流 Ｉ２の大きさを部分的に調節するように選ばれる。フリップフロップ２０の出力 か“低”の時は、それはトランジスタ８０を非導通にして、コンデンサかトラン ジスタ８０を通して回路アースへ放電されるのを防止する。アースへの経路が存 在しないため、電流源２８はコンデンサ８２を電流Ｉ２で充電する。

第４図で、コンデンサ８２の出力は演算増幅器９５の非反転入力へつながれ、こ の演算増幅器９５は、それの反転端子へ、抵抗９６．９７で構成される電圧分割 器９４から基準電圧ｖ２を供給されている。増幅器９５の出力は、抵抗５９を通 して、トランジスタ５６のベースと、トランジスタ５４のエミッタへつながる抵 抗５５との交点として定義される、フリップフロップ２０の１リセツト“入力へ つながれている。コンデンサ８２両端間の電圧が基準電圧ｖ２を越えた時は、比 較器９５がフリップフロップ２０の“リセット”入力へ正の電圧を出力する。正 の電圧信号はトランジスタ５６を導通させ、そうして、それのコレクタを“低” 電圧にする。トランジスタ５６のコレクタは、コレクタをトランジスタ５４のコ レクタへつながれ、エミッタを抵抗６１を通してトランジスタ５３のベースへつ なかれたトランジスタ５７のベースへつながれている。トランジスタ５６のコレ クタにおける“低“電圧信号は、従って、トランジスタ５７を非導通にする。こ れは、トランジスタ５３のベースを“低”にし、Ｉ・ランジスタ５３を非導通に する。これはトランジスタ５３のコレクタを“高”にし、コンデンサ８２のため のアースへの経路を閉ざしてしまう。トランジスタ５３の“高”出力はまた、電 流源２６をターン・“オフ”し、再び電流Ｉｔがコンデンサ４４を充電するよう になる。

以下は、第１図と第４図の電圧−周波数変換器１０に関する入力電圧と出力周波 数との間の関係を示す簡単な数学的説明である。積分器４０の出力における電圧 は入力電圧Ｖｉｎの関数として変化することに注意されたい（第２図と第３図を 参照）。

期間ＴＩは次の式で定義される： 期間Ｔ２は次の式で定義される： 式（１）と（２）で、ＣＩはコンデンサ４４の容量、Ｃ２はコンデンサ８２の容 量であり、Ｖｌとｖ２は既に述べた基準電圧、１１と１２はそれぞれコンデンサ ４４と８２に関する充電電流である。

ΔＶは次の式で定義される： ここで、Ｔｄは電流源２６からの放電電流である。

式（３）を用い、そこで定義された値を式（１）と（２）へ代入することによっ て、周期Ｔは次の式で定義される：電流１１と１２はＩ　１＝　（Ｋｌ）　（Ｖ ｉｎ）と１２＝（Ｋ　２　）　（Ｖｉｎ）で定義でき°る。ここで、Ｋ１とに２ は定数である。こうして、全周期Ｔは次のように定義できる： 従って、出力周波数ｆ　ｏｕｔは次のように定義できる二式（６）から明らかな ように、入力電圧Ｖｉｎが導体中に電流に相関しているため、出力周波数ｆ　ｏ ｕｔは導体中の電流の平方に比例している。

手続補正書（睦） 手続補正書坊式） ４年７月１５日

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．導体を過剰な電流から保護する回路インクラブダに使用するための電圧−周 波数変換器であって；前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成するための 手段、 前記生成された信号の大きさの平方に相関した周波数信号を出力するための手段 、 を含む電圧−周波数変換器。
2. ２．請求項第１項記載の電圧−問波数変換器であって、前記生成手段が： 前記導体中を流れる電流に相関した信号を出力するために、前記導体に相対的に 位置した変流器、前記変流器からの信号を受け取り、その信号を正の平均直流値 を有する電圧信号へ変換する整流器、を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
3. ３．請求項第１項記載の電圧−周波数変換器であって、前記出力手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、充電と放電とを交互に行うための 手段、 パルス列を生成するための手段であって、各々の正パルスが充電期間中に生成さ れ、各々の負パルスが放電期間中に生成されるパルス列生成手段、 を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
4. ４．導体を過剰な電流から保護する回路インタラプタに使用するための電圧−周 波数変換器であって：前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成するための 手段、 前記生成された信号の大きさの平方に相関した周波数信号を出力するための手段 、 を含み、前記出力手段が： 前記生成された信号の大きさに応じて、前記周波数信号の第１の部分を変更する ための第１の手段、前記生成された信号の大きさに応じて、前記周波数信号の第 ２の部分を変更するための第２の手段、を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
5. ５．請求項第４項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第１の手段が； 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、第１の予め選ばれた設定点へ充電 を行うための積分器であって、それによって、その充電時間が前記周波数信号の 周期の前記第１の部分の長さを決定する積分器、を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
6. ６．請求項第４項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第２の手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、蓄積要素を第２の予め選ばれた設 定点へ充電するための電流源であって、それによって、その充電時間が前記周波 数信号の周期の前記第２の部分の長さを決定する電流源、を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
7. ７．請求項第４項記載の電圧−周波数変換器であって： 前記第１の手段が、前記生成された信号の大きさに応じた速度で、第１の予め選 ばれた設定点へ充電を行うための積分器であって、それによって、その充電時間 が前記周波数信号の周期の前記第１の部分の長さを決定する積分器を含み、 前記第２の手段が、前記生成された信号の大きさに応じた速度で、蓄積要素を第 ２の予め選ばれた設定点へ充電するための電流源であって、それによって、その 充電時間が前記周波数信号の周期の前記第２の部分の長さを決定する電流源を含 み、 前記第１の手段が、更に、前記積分器を本質的に一定の速度で放電させる電流源 を含み、 前記第２の手段が、更に、スイッチを有する放電経路であって、前記スイッチが 閉位置にある時に前記放電経路を導通させ、また前記スイッチが開位置にある時 に非導通させるスイッチを有する放電経路を含んでいる、電圧−周波数変換器。
8. ８．請求項第７項記載の電圧−周波数変換器であって、前記放電電流源が、前記 積分器が前記第１の予め選ばれた設定点に到達した痔に、前記積分器の放電を開 始する電圧−周波数変換器。
9. ９．請求項第７項記載の電圧−周波数変換器であって、前記放電経路が、前記蓄 積要素上の電荷が前記第２の予め選ばれた設定点に到達した時に、前記蓄積要素 の放電を開始する電圧−周波数変換器。
10. １０．請求項第７項記載の電圧−周波数変換器であって、前記積分器は前記蓄積 要素が放電を行っている間に充電を行い、また前記蓄積要素は前記積分器が放電 を行っている間に充電を行う電圧−周波数変換器。
11. １１．導体を過剰な電流から保護する回路インタラプタに使用するための電圧− 周波数変換器であって：前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成するため の手段、 前記生成された信号の大きさに応じて、第１の予め選ばれた電圧にまで充電を行 うための第１の手段、前記生成された信号の大きさに応じて、第２の予め選ばれ た電圧にまで充電を行うための第２の手段、前記第２の手段が前記第１の予め選 ばれた電圧にまで充電を行っている間に、前記第１の手段を放電させるための手 段、 前記第１の手段が前記第１の予め選ばれた電圧にまで充電を行っている間に、前 記第２の手段を放電させるための手段、 前記第１の手段が充電を行っている間に正の電圧パルスを出力し、また前記第２ の手段が充電を行っている間に負のパルスを出力するための手段、 を含む電圧−周波数変換器。
12. １２．請求項第１１項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第１の手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、前記第１の予め選ばれた電圧へ充 電を行うための積分器であって、それによって、その充電時間が前記正のパルス のパルス長を決定する積分器、 を含んでいる。 電圧−周波数変換器。
13. １３．請求項第１１項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第２の手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、蓄積要素を前記第２の予め選ばれ た電圧へ充電するための電流源であって、それによって、その充電時間が前記負 のパルスのパルス長を決定する電流源、 を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
14. １４．請求項第１２項記載の電圧−周波数変換器であって、 前記第１の手段を放電させるための前記手段が、本質的に一定の速度で、前記積 分器を放電させる電流源を含んでいる、 電圧−周波数変換器。
15. １５．請求項第１３項記載の電圧−周波数変換器であって、 前記第２の手段を放電させるための前記手段が、放電経路であって、前記放電経 路を導通させ、また非導通させるスイッチを有する放電経路を含んでいる、電圧 −周波数変換器。
16. １６．請求項第１１項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第１の手段が、 前記第１の予め選ばれた電圧への充電に応じてセット信号を出力する電圧−周波 数変換器。
17. １７．請求項第１６項記載の電圧−周波数変換器であって、前記第２の手段が、 前記第２の予め選ばれた電圧への充電に応じてリセット信号を出力する電圧−周 波数変換器。
18. １８．請求項第１７項記載の電圧−周波数変換器であって、前記パルス出力手段 が、前記セットおよびリセット信号を受け取り、前記受信した信号の１つに応答 して正のパルスを出力し、また前記信号の他方に応答して負のパルスを出力する フリップフロップを含んでいる、電圧−周波数変換器。
19. １９．導体を過剰な電流から保護する回路インタラプタに使用するための電圧− 周波数変換器であって：前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成するため の手段、 第１の蓄積要素を有する積分器であって、前記第１の蓄積要素が前記生成された 信号の大きさに応じて充電され、また前記第１の蓄積要素上の電荷の大きさに応 じて第１の電圧信号を出力する積分器、 前記生成された信号の大きさに応じて電流信号を出力する電流源、 前記電流源によって充電される第２の蓄積要素であって、また前記第２の蓄積要 素上の電荷の大きさに応じて第２の電圧信号を出力する第２の蓄積要素、前記第 １の電圧信号を第１の予め選ばれた設定点と比較して、前記第１の電圧信号が前 記第１の予め選ばれた設定点を越える場合に、セット信号を出力する第１の比較 器、 前記第２の電圧信号を第２の予め選ばれた設定点と比較して、前記第２の電圧信 号が前記第２の予め選ばれた設定点を越える場合に、リセット信号を出力する第 ２の比較器、 前記セット信号とリセット信号を受け取り、前記受信された信号の１つに応答し て制御信号を発生させ、また前記受信された信号の他方に応答して前記制御信号 を除去するフリップフロップであって、前記制御信号が前記生成された信号の平 方に比例して変化する周波数であるフリップフロップ、 前記第２の蓄積要素と放電経路との間につながれたスイッチであって、前記セッ ト信号に応答して開となり、また前記リセット信号に応答して閉となるスイッチ 、前記第１の蓄積要素につながれた第２の電流源であって、前記セット信号に応 答して前記第１の蓄積要素へ放電電流を出力し、また前記りセット信号に応答し て前記放電電流を停止させる第２の電流源、 を含む電圧−周波数変換器。
20. ２０．電気導体を過剰電流から保護するためのシステムであって、 前記導体中を流れる電流を検出して、それに相関した信号を出力する手段、 前記出力された信号の大きさの平方に相関した周波数を有する周波数信号を出力 ずるための手段、前記周波数信号の個々のパルスを計数して、前記計数値が予め 定められた計数値を越える場合にトリップ信号を出力するための手段、 前記トリップ信号に応答して、前記導体を開路するための手段、 を含むシステム。
21. ２１．請求項第２０項記載のシステムであって、前記検出手段が： 前記導体に相対的に位置して、前記導体中を流れる電流に相関した信号を出力す るための変流器、前記変流器から信号を受け取って、その信号を正の平均直流値 を有する電圧信号へ変換するための整流器、を含んでいる、 システム。
22. ２２．請求項第２０項記載のシステムであって、前記出力手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、充電と放電とを交互に行うための 手段、 パルス列を発生するための手段であって、各々の正のパルスが充電期間中に発生 し、また各々の負のパルスが放電期間中に発生するパルス列発生手段、を含んで いる、 システム。
23. ２３．請求項第２０項記載のシステムであって、前記計数手段が： 前記検出された電流信号が予め定められた大きさを越える時に開始信号を出力し 、そうでない場合に終了信号を出力するレベル検出器、 前記開始信号の受信に応答して前記周波数信号の個々のパルスを計数し始め、ま た前記終了信号の受信に応答してリセットする計数器、 を含んでいる、 システム。
24. ２４．請求項第２０項記載のシステムであって、前記閉路手段が電磁継電器を含 んでいる、システム。
25. ２５．電気導体を過剰電流から保護するためのシステムであって、 前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成させるための手段、 前記生成された信号の大きさに応じて、第１の予め選ばれた電圧にまで充電を行 うための第１の手段、前記化成された信号の大きさに応じて、第２の予め選ばれ た電圧にまで充電を行うための第２の手段、前記第２の手段が前記第２の予め選 ばれた電圧へ充電を行っている間に、前記第２の手段を放電させるための手段、 前記第１の手段が前記第１の予め選ばれた電圧へ充電を行っている間に、前記第 ２の手段を放電させるための手段、 前記第１の手段が充電を行っている間に、正の電圧パルスを出力し、また前記第 ２の手段が充電を行っている間に負の電圧パルスを出力するための手段、前記周 波数信号の個々のパルスを計数して、前記計数値が予め定められた計数値を越え る場合に、トリップ信号を出力するための手段、 前記トリップ信号に応答して、前記導体を閉路させるための手段、 を含むシステム。
26. ２６．請求項第２５項記載のシステムであって、前記第１の手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、前記予め選ばれた電圧へ充電を行 うための積分器であって、それによって、その充電時間が前記正のパルスのパル ス長を決定する積分器、 を含んでいる、 システム。
27. ２７．請求項第２５項記載のシステムであって、前記第２の手段が： 前記生成された信号の大きさに応じた速度で、蓄積要素を前記第２の予め選ばれ た電圧へ充電するための電流源、 を含んでいる、 システム。
28. ２８．請求項第２６項記載のシステムであって、前記第１の手段を放電させるた めの前記手段が、本質的に一定の速度で、前記積分器を放電させる電流源を含ん でいる、 システム。
29. ２９．請求項第２７項記載めシステムであって、前記第２の手段を放電させるた めの手段が、放電経路であって、前記放電経路を導通させ、また非導通させるス イッチを有する放電経路を含んでいる、システム。
30. ３０．請求項第２５項記載のシステムであって、前記第１の手段が、前記第１の 予め選ばれた電圧への充電に応答してセット信号を出力ずるシステム。
31. ３１．請求項第３０項記載のシステムであって、前記第２の手段が、前記第２の 予め選ばれた電圧への充電に応答してリセット信号を出力するシステム。
32. ３２．請求項第３１項記載のシステムであって、前記パルス出力手段が、前記セ ット信号とリセット信号とを受け取り、前記受信された信号の１つに応答して正 のパルスを出力し、また前記信号の他方に応答して負のパルスを出力するシステ ム。
33. ３３．請求項第２５項記載のシステムであって、前記計数手段が： 前記生成された信号が予め定められた大きさを越える時に開始信号を出力し、そ うでない場合に終了信号を出力するレベル検出器、 前記開始信号の受信に応答して前記周波数信号の個々のパルスを計数し始め、ま た前記終了信号の受信に応答してリセットする計数器、 を含んでいる、 システム。
34. ３４．請求項第２５項記載のシステムであって、前記開路手段が電磁継電器を含 んでいる、システム。
35. ３５．電気導体を過剰電流から保護するためのシステムであって、 前記導体中を流れる電流に相関した信号を生成するための手段、 第１の蓄積要素を有する積分器であって、前記第１の蓄積要素が前記生成された 信号の大きさに応じて、前記生成された信号によって充電され、また前記第１の 蓄積要素上の電荷の大きさに応じて、第１の電圧信号を出力する積分器、 前記化成された信号の大きさに応じて、電流信号を出力するための電流源、 前記電流源によって充電される第２の蓄積要素であって、前記第２の蓄積要素上 の電荷の大きさに応じて、第２の電圧信号を出力する第２の蓄積要素、前記第１ の電圧を第１の予め選ばれた設定点と比較して、前記第１の電圧が前記第１の予 め選ばれた設定点を越える場合に、セット信号を出力する第１０比較器、前記第 ２の電圧を第２の予め選ばれた設定点と比較して、前記第２の電圧信号が前記第 ２の予め選ばれた設定点を越える場合に、リセット信号を出力する第２の比較器 、 前記セット信号とリセット信号を受け取り、前記受信された信号の１つに応答し て制御信号を発生させ、また前記受信された信号の他方に応答して前記制御信号 を除去するフリップフロップであって、前記制御信号が前記生成された信号の平 方に比例して変化する周波数であるフリップフロップ、 前記第２の蓄積要素と放電経路との間につながれたスイッチであって、前記セッ ト信号に応答して開となり、また前記リセット信号に応答して閉となるスイッチ 、前記第１の蓄積要素につながれた第２の電流源であって、前記セット信号に応 答して前記第１の蓄積要素へ放電電流を出力し、また前記リセット信号に応答し て前記放電電流を停止させる第２の電流源、 前記生成された信号を受け取るレベル検出器であって、前記生成された信号が第 １の予め定められた大きさよりも大きい場合に開始信号を出力し、また前記生成 された信号が第２の予め定められた大きさよりも小さい場合に終了信号を出力す るレベル検出器、 前記開始信号の受信に応答して前記制御信号のパルスを計数し、前記計数値が予 め選ばれた計数値よりも大きくなった場合に、トリップ信号を出力し、また前記 終了信号の受信に応答してリセットする、計数器、を含むシステム。