JPH0684747U

JPH0684747U - 加入者回路の過電流保護回路

Info

Publication number: JPH0684747U
Application number: JP4004191U
Authority: JP
Inventors: 和弘佐藤; 弘好森
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ヒューズと同等の機能を有し、加入者線への
挿入損失がなく、外部から制御可能なトランジスタで構
成した過電流保護回路を提供する。【構成】加入者線に供給される通話電流の通電路を開
閉する第一トランジスタと、そのコレクタ・エミッタ間
電圧を積分する積分回路と、その出力電圧によりＯＮ／
ＯＦＦ制御され、ＯＮ状態で第１トランジスタのベース
電流をバイパスし、第１トランジスタをＯＦＦ状態とし
て該通電路を遮断する第２トランジスタと、外部制御信
号によりＯＮされ、第２トランジスタのベース電流をバ
イパスして、第２トランジスタをＯＦＦすることによ
り、第１トランジスタをＯＮして通話電流の供給を開始
する第１ホトカプラと、外部制御信号によりＯＮされ、
第２トランジスタへベース電流を供給し、これをＯＮし
て、第１トランジスタをＯＦＦして通話電流の供給を停
止させる第２ホトカプラとを設けた。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は過電流保護回路、特に交換機における各加入者回路を形成する給電回路に好適な過電流保護回路に関する。

【０００２】過電流保護回路は、ある回路の定格電流を大幅に越えるような負荷電流が流れたとき、当該回路を過大な電流から保護する役割を果たす。その最も代表的なものはヒューズである。ヒューズは短絡障害時に発生する大電流によって溶断し、当該回路を保護する。ヒューズの他にも又種々の過電流保護回路が提案され、実用にも供されている。

【０００３】

【従来の技術】

過電流保護の形式としては前記ヒューズの如き溶断素子を用いるものと、半導体素子を用いるものとがある。半導体素子を用いるものは、トランジスタ等によって構成され、電流制限形のものと、電流遮断形のものが知られている。

【０００４】ヒューズは周知の如く負荷電流が流れるラインに対して直列に挿入される。一方トランジスタによる保護回路としては次のような回路が知られている。図６は電流制限形の過電流保護回路の一例を示す回路図である。本図の過電流保護回路１０は、交換機内の給電回路を保護するものとして使用されており、１１は電話線路の抵抗、１２は電話端末等の負荷、Ｖ_iは入力電圧、Ｖ_oは出力電圧である。この過電流保護回路１０は図示するようにトランジスタＱ、ダイオードＤ、抵抗Ｒからなる構成を有し、所定の負荷電流値を越えた時はこれを一定の値に制限する。図７は図６における負荷電流Ｉ_oと出力電圧Ｖ_oとの関係を示すグラフである。本グラフに示す通り、短絡等によって、Ｉ_oが所定の負荷電流値Ｉ_oM を越えると、その後は一定の値Ｉ_OS に制限される。

【０００５】図８は電流制限形の過電流保護回路の他の一例を示す回路図であり、いわゆるホールドバック形と呼ばれる。この過電流保護回路２０は、図示するように２つのトランジスタＱと抵抗Ｒからなり、所定の負荷電流値を越えたときは、この負荷電流を減少させる機能を有する。図９は図８における負荷電流Ｉ_Oと出力電圧Ｖ_Oとの関係を示すグラフであり、本グラフに示す通り、短絡等によってＩ_Oが所定の負荷電流値Ｉ_OM を越えると、その後は、Ｉ_OM より小さい一定の値Ｉ_OS に引き戻される。

【０００６】図１０は電流遮断形の過電流保護回路の一例を示す回路図である。この過電流保護回路３０は、図示するようにトランジスタＱ、サイリスタＳ、ダイオードＤ、抵抗ＲならびにリセットスイッチＲＳＴからなり、短絡等の過電流によってサイリスタＳがターンオンするとトランジスタＱはカットオフし続け負荷電流を遮断する。復旧に際しては、リセットスイッチＲＳＴをオンにすれば、サイリスタＳはターンオンし、トランジスタＱは再びオンとなる。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

まず図６の過電流保護回路１０および図８の過電流保護回路２０についてみると、いずれも、負荷電流Ｉ_Oの通電ラインに直列に挿入されたトランジスタＱおよび抵抗Ｒによる挿入電力損が最大の問題点である。これは、給電効率を低下させるものであり好ましくない。例えば、そのトランジスタＱのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEを０．２Ｖ、ベース−エミッタ間電圧Ｖ_BEを０．６Ｖ、負荷電流Ｉ _O を１００ｍＡとし、この通電ラインに直列に挿入された抵抗Ｒの両端に生ずる過電流検出時の電圧を０．８Ｖとすると、上記挿入電力損は１６０ｍＷ（＝１．６Ｖ×１００ｍＡ）となる。また、ここで加入者線路の抵抗１１を０．２８Ω／ｍとすれば、１．６Ｖ／（０．１Ａ×０．２８（Ω／ｍ））＝５７ｍだけ、過電流保護回路（１０，２０）の挿入により、加入者線路長をみかけ上短くしたのに等しい。

【０００８】一般に小型構内交換機（ＰＢＸ）の最大加入者線路長が約５００ｍなので、５７ｍの短縮はかなりの損失となる。そしてさらに、負荷短絡状態での発熱も大きく、過電流保護回路の小型化、低コスト化に支障となる。また、図１０の過電流保護回路３０においても、上記の損失電力損を避けることができない。さらに又、上記ヒューズを用いる過電流保護回路にあっては、溶断毎に新品と交換しなければならないこと、その溶断が外部から見えるようにしなければならないこと、新品との交換が容易なレイアウトを考慮しなければならないこと等の問題がある。

【０００９】上記の諸問題点は、従来の過電流保護回路に本来的なものである。そして、これら従来の過電流保護回路では、その保守を容易にしたり、運用を円滑化するためのバックアップ部が考慮さていないことが挙げられる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

本考案は、加入者線に供給される通話電流の通電路を開閉する第一トランジスタと、該第１トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧を積分する積分回路と、該積分回路の出力電圧によりＯＮ／ＯＦＦ制御され、ＯＮ状態で該第１トランジスタのベース電流をバイパスして、該第１トランジスタをＯＦＦ状態として該通電路を遮断する第２トランジスタと、外部からの制御信号によりＯＮされ、該第２トランジスタのベース電流をバイパスして、該第２トランジスタをＯＦＦすることにより、第１トランジスタをＯＮして通話電流の供給を開始させる第１ホトカプラと、外部からの制御信号によりＯＮされ、該第２トランジスタへベース電流を供給し、該第２トランジスタをＯＮして、該第１トランジスタをＯＦＦして通話電流の供給を停止させる第２ホトカプラとを備えたものである。

【００１１】

【作用】

過電流が前記第１トランジスタに通電されると、エミッタ接地の第１トランジスタは活性領域で動作し、そのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEが増大する。このＶ_CEの増大を受けて前記第２トランジスタがオンすると、第１トランジスタへ流れていたベース電流が断となり、該第１トランジスタはターンオフしてその過電流を遮断する。この場合、該第２トランジスタのターンオンは前記積分回路によってある遅延を持って行なわれ、瞬時的な突入電流には応答しない。かくして、前記過電流制限部が形成され、これに対し、さらに設定手段により第１トランジスタ、第２トランジスタの開閉状態を制御するようにして、過電流制限部の動作を制御できる。

【００１２】

【実施例】

以下、図面を参照して本考案の実施例を説明する。図１は、本考案に基づく過電流保護回路の回路図である。図１において、加入者線路の抵抗１１、負荷（電話端末の等価回路で示す）１２については既に説明した通りである。

【００１３】負荷電流Ｉ_oの開閉を行なう第１トランジスタＱ₁と、第１トランジスタＱ₁ のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CEを積分するための抵抗Ｒ_BおよびコンデンサＣ _B からなる積分回路ＣＲと、積分回路ＣＲの出力電圧をベースに受ける第２トランジスタＱ₂とからなる。第２トランジスタＱ₂は、オンとなった時、抵抗Ｒ_S を通して第１トランジスタＱ₁に通電すべきベース電流Ｉ_Bをバイパスする機能を果たす。

【００１４】正常動作時において、第１トランジスタＱ₁が十分飽和領域で動作するようなベース電流Ｉ_Bが設定されている。つまり、適当な抵抗Ｒ_Sを予め設定しておく。この飽和領域での動作中、第１トランジスタＱ₁のＶ_CE(SAT)（コレクタ・エミッタ間電圧）は０．数Ｖである。このように低いＶ_CE(SAT)では第２トランジスタＱ₂をターンオンするには至らない。また、第１トランジスタＱ₁での電力損も少ない。

【００１５】ところが、例えば端子Ｔ₁−Ｔ₂により負荷側のいずれかで短絡が生じたものとすると、通常の負荷電流Ｉ_Oを大幅に越える過電流が流れる。このような過電流が第１トランジスタＱ₁に通電されると、該トランジスタＱ₁は飽和領域から外れて活性領域で動作することになる。この活性領域では、第１トランジスタＱ ₁ のＶ_CEは、過電流の大きさに比例して増大する。過電流がＩ₁又はＩ₂であるとすると（Ｉ₁＜Ｉ₂）、増大するＶ_CEの増分はそれぞれΔＶ_CE1又はΔＶ_CE2 となる（ΔＶ_CE1＜ΔＶ_CE2）。そうすると、Ｖ_CE(SAT)＋Ｖ_CE1（又はΔＶ_CE ₂ ）のレベルが第２トランジスタＱ₂のベース・エミッタ間電圧Ｖ_BE(Q2)を超え、該第２トランジスタＱ₂をオフからオンに切り換える。第２トランジスタＱ₂ がわずかにオンに転ずると、第１トランジスタＱ₁へ通電されていたベース電流Ｉ_B、一部が第２トランジスタＱ₂へバイパスされる。かくして、Ｑ₁へのＩ_B はわずかに減少する。このＩ_Bのわずかな減少は再び、Ｑ₁のＶ_CEの増大を招く。これによって、Ｑ₂は益々深くターンオンする。一方、Ｑ₁へのＩ_Bはますます減少する。

【００１６】すると、Ｑ₁のＶ_CEは益々増大し、Ｑ₂が完全にオン状態に入り、究極、Ｑ₁ へのＩ_Bの供給は遮断される。ここに過電流は十分に制限され、０に至る。このように、Ｑ₁のオフとＱ₂のオンとが正帰還で制限されるので誤りなく過電流を遮断することができる。この場合、Ｑ₂のオフからオンおよびＱ₁のオンからオフ極めて短時間のうちに完了するため、第１トランジスＱ₁が活性領域にある時間は非常に短い。このことは、第１トランジスタＱ₁には過大な電流（但し、Ｑ ₁ の電流増幅率β×ベース電流Ｉ_B以下）が流れるが、その時間が非常に短いため第１トランジスタＱ₁の耐熱特性が厳しく要求されないことを意味し、該トランジスタＱ₁として高価なトランジスタを要しない。また、第２トランジスタＱ ₂ が一旦オンとなると（第１トランジスタＱ₁はオフ）その状態を保持しつづけ自らではその状態を反転することはできない。即ち、一旦、過電流が流れると、外部から強制的に制御しなければ、Ｑ₁はオフ（遮断領域）、Ｑ₂はオン（飽和領域）の状態を保持し続けるため、短絡障害中における発熱も極めて少なく、小型、経済化に有効である。なお、この場合、短絡障害をおこしている負荷１２を取り去り、第２トランジスタＱ₂のベース電流経路を断ってやるとＱ_{1 ,}Ｑ₂は自動的に初期状態に戻る。従って、再び正常な負荷１２を接続すれば、Ｑ_{1 ,}Ｑ ₂ は給電を開始し、前述の様な過電流保護の動作を行う。

【００１７】過電流制限部４１における積分回路ＣＲについて考察すると、これは、一般のヒューズと近似した特性を得るのに都合が良い。一般のヒューズを用いた場合、瞬時的を過電流には応答しないことは良く知られている。つまり、所定のレベルを超える過電流が一定時間以上通電されない限り溶断しない。このような、ヒューズに固有の特性は給電回路における過電流保護には極めて都合が良い。図１において、端子Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃及びＴ₄で区分されるブロックは交換機内において加入者回路パッケージの一部をなす。そして、負荷₁₂の増設に対応して新たな加入者回路パッケージは、これら端子Ｔ₁〜Ｔ₄にプラグインされる。この時、負荷１２内の等価的なコンデンサ、その他の浮遊容量を充電するための突入電流が流れる。この突入電流は通常の負荷電流Ｉ₀の数倍に及ぶが、故障による過電流とは異なり、瞬時的に流れるのみである。そこで、このような瞬時的な突入電流には応答しないようにするために、積分回路ＣＲを設ける。また、工事者がＭＤＦ（ＭａｉｎＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＦｒａｍｅ）端子板にドライバー等で誤って触れたときも瞬時的な過電流が流れるが、これにも応答することなく、短絡故障等による接続性の過電流のみを選択的に断とすることができるようにしたのがこの積分回路ＣＲである。さらに、この積分回路のＣＲの時定数の選択の仕方によって第２トランジスタをオンとする時間を任意に設定できる。

【００１８】図２は図１における過電流制限部４１の電圧−電流特性を示すグラフである。前述した過電流制限部４１の動作説明に現れる過電流Ｉ_1,Ｉ₂コレクタホエミッタ間電圧Ｖ_CEについてのＶ_CE(SAT)その増分ΔＶ_CE1,ΔＶ_CE2,第２トランジスタＱ₂のＶ_BE（Ｖ_BE(Q2)ベース・エミッタ間電圧）、第１トランジスタＱ₁のベース電流Ｉ_Bの関係が一見して分かる。なお、Ｉ_nは定格電流である。

【００１９】また、過電流制限部４１の動作をさらに定性的説明すると次のようになる。この過電流制限部４１が過電流を検出し、且つこれを遮断することのできる負荷側の合成抵抗（図１の端子Ｔ₁−Ｔ₂より負荷１２を見た時の合成抵抗）Ｒ_rは次の１式で定まる。

【００２０】

【数１】

【００２１】ここに、Ｖ_CE(SAT),Ｖ_BE(Q2),Ｉ_Bの意味は既述のとおりであり、Ｅは電源電圧（図１の−２４Ｖの絶対値）、βは第１トランジスタＱ₁の直流電流増幅率である。

【００２２】例えば、短絡故障が発生したとすると、これに伴い発生する過電流を遮断するまでの遅れ時間Ｔ_offは、大体次の２式から求められる。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここに、時定数τ、ΔＶ_CE(Q1)、ΔＶ_BE(Q2)は、

【００２５】

【数３】

【００２６】

【数４】

【００２７】

【数５】

【００２８】で表される。上記の各式に具体的な数値を代入してみる。即ち、Ｅ＝２４Ｖ、Ｖ_CE(SAT)＝０．２Ｖ，Ｖ_BE(Q2)＝０．７Ｖ，β＝２１０，Ｉ＝１．２ｍＡ，Ｒ_B＝２００ｋ Ω，Ｃ_B＝１０μＦを代入する。

【００２９】上記１式より、Ｒ_r（Ω）の範囲は、９１＞Ｒ_r≧０となる。上記２式より、遅れ時間Ｔ_off(sec)は、

【００３０】

【数６】

【００３１】となる。図３は、本考案に基づく過電流保護回路の遮断特性を示すグラフであり、横軸とＴ_OFFを示し、対数目盛りで表示する。縦軸には、合成抵抗Ｒ_r及び負荷電流Ｉ₀をとる。尚、Ｉ_Sは、合成抵抗Ｒ_rを電流値に換算した仮想の電流である。本グラフより、過電流の大小によって遮断するまでの時間が短く又は長く変化することが分かり、しかもその特性がヒューズの場合によく似ていることが分かる。なお、本グラフ中の曲線Ｔ_offは、τ＝２秒としたときの上記計算式より求めたカーブを示し、一方、曲線τ１及びτ２はそれぞれ、τ＝１秒およびτ＝２秒に設定したときの実測値をプロットしたカーブを示す。

【００３２】図１に戻ると、本図中のバックアップ部４２は過電流制限部４１では足りない動作を補う。補うべき動作は必要に応じて適宜選択すれば良い。以下に述べる実施例は、各種の補うべき動作を個別に実現する実例を示すが、これらはいくつか組み合わされて用いることもできる。

【００３３】バックアップ図は、図１の第１スイッチＳＷ₁及び第２スイッチＳＷ₂として構成される。図ではホトカプラで構成した例を示す。図１に示す過電流制限部４１は、一旦第１トランジスタＱ₁をオフ（Ｑ₂はオン）した後は、既述の正帰還により、自らその状態を反転させることができず、負荷１２を取り去ることによりその状態を初期状態に戻すことができるが、この実施例では、負荷１２を取り去る代わりに、第１スイッチＳＷ₁、第２スイッチＳＷ₂によってＱ₁，Ｑ₂をオン／オフ制御できるようにしている。

【００３４】図４は第２実施例を示す回路図である。この実施例では、負荷電流を遮断するために一旦オフになった第１トランジスタＱ₁を強制的にオンとするため、第１トランジスタにベース電流を供給するスイッチ８１を設けている。スイッチ８１は加入者線の接地側線路に並列に接続される抵抗Ｒ_XとコンデンサＣ_XとコンデンサＣ_Xを充放電するＳＷとで構成されている。通常スイッチＳＷはコンデンサＣ_Xと抵抗Ｒ_Xとを接続する側（１側）にあって、コンデンサＣ_Xを放電状態にしている。今、第１トランジスタＱ₁が負荷電流が過大となったためにオフとなったとする。この場合、前述したように、第１トランジスタＱ₁は自分では復旧することはできない。このため、スイッチＳＷを２側にし、コンデンサＣ_Xを充電させる。すると、コンデンサＣ_Xの充電電流がダイオードＤ₂を介して第１トランジスタＱ₁のベースに流れ、第１トランジスタＱ₁はオンとなり、再び、負荷電流が流れる。この時に第１トランジスタＱ₁のコレクタ・エミッタ間電圧は０Ｖとみなせるため、Ｒ_BとＣ_Bで構成される積分回路の出力電圧が低下し、第２トランジスタＱ₂に対しベース電流が供給できず、従って、第２トランジスタＱ₂は自動的にオフとなる。

【００３５】ここでダイオードＤ_{1 ,}Ｄ₂はそれぞれ電流の逆流を防止するものである。なお、図４では、複数の過電流保護回路に対して、スイッチ８１をマルチに接続している例を示している。通常、給電回路は１枚のパッケージに複数回路が収容されているからである。

【００３６】図５は、本考案に基づく過電流保護回路の一適応例を示す回路図であり、電交換システムの一部を示す。本図において、１２は先に述べた負荷であり、電話端末等である。図では、いわゆる多機能電機を示す。負荷１２につながるライン９１は既述の加入者線路の抵抗１１に相当し、給電線であると共に、また制御線でもある。ライン９２は音声信号の流れる通話線をなす。これらライン９１、９２の他端には交換機本体９３が接続する。これは、インターフェースカード９４と通話路及び制御装置９５からなる。本考案の過電流保護回路（４０，５０，６０，７０，７０’，８０）は、インターフェースカード９４内のブロック９６として収容される。

【００３７】負荷１２内のチョークコイルＣＨとコンデンサＣＤは低域ろ波器を形成し、ＤＣ／ＤＣコンバーター（ＣＯＮＶ）の直流の２４Ｖを供給して、これを５Ｖに下げる。この５ＶはＣＭＯＳ−ＩＣ等で組まれる通話回路、制御回路の電源となる。なお、図中のＴＨインピーダンス整合用のトランスである。

【００３８】

【考案の効果】

以上、詳細に説明したように、本考案によれば負荷電流の通電路を開閉制御する第１トランジスタへのベース電流をバイパスして、第１トランジスタを遮断する第２トランジスタの開閉制御を積分回路の出力電圧によって行っている。

【００３９】従って、第２トランジスタは積分回路の時定数で決まる遅延時間を待って開閉制御を行うことになり、負荷電流の過渡的な変化に対しても誤動作せず、ヒューズの長所を備えている。また、第１トランジスタ、第２トランジスタはそれぞれ一旦過電流が流れるとオン・オフの状態を保持しつづけるため、この面でもヒューズの長所を備えている。さらにこの積分回路のＣ・Ｒの値を選択することによって、負荷電流の通電路の遮断時間を任意に設定できる。

【００４０】また、過渡電流や過電流を制限している間は第１トランジスタは活性領域にあって、コレクタ損失も多くなるが、その継続時間は積分回路の定数で定められた時間を超えることはないので、極めて発熱の少ない保護回路の実現が可能で、高密度実装（小型化）が可能となる。また、一般的なトランジスタの特性として、前記のような単発的な最大許容コレクタ損失は連続時のそれと比べて１０倍以上許容されることからコレクタ損失の小さいトランジスタを用いることができるので経済的である。

【００４１】さらに、第１トランジスタと第２トランジスタの少なくとも一方の開閉状態を検出することにより、負荷電流の通電状態が識別可能になり、保守運用が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に基づく過電流保護回路の第１実施例の
回路図である。

【図２】図１における過電流制限部４１の電圧−電流特
性を示すグラフである。

【図３】図１における回路の遮断特性を示すグラフであ
る。

【図４】本考案に基づく過電流保護回路の第２実施例の
回路図である。

【図５】本考案に基づく過電流保護回路の一適用例を示
す回路図である。

【図６】電流制限形の過電流保護回路の一例を示す回路
図である。

【図７】図６における負荷電流Ｉ₀と出力電圧Ｖ₀との
関係を示すグラフである。

【図８】電流制限形の過電流保護回路の他の一例を示す
回路図である。

【図９】図８における負荷電流とＩ₀と出力電圧Ｖ₀と
の関係を示すグラフである。

【図１０】電流遮断形の過電流保護回路の一例を示す回
路図である。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】加入者線に供給される通話電流の通電路
を開閉する第一トランジスタと、該第１トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧を積分
する積分回路と、該積分回路の出力電圧によりＯＮ／ＯＦＦ制御され、Ｏ
Ｎ状態で該第１トランジスタのベース電流をバイパスし
て、該第１トランジスタをＯＦＦ状態として該通電路を
遮断する第２トランジスタと、外部からの制御信号によりＯＮされ、該第２トランジス
タのベース電流をバイパスして、該第２トランジスタを
ＯＦＦすることにより、第１トランジスタをＯＮして通
話電流の供給を開始させる第１ホトカプラと、外部からの制御信号によりＯＮされ、該第２トランジス
タへベース電流を供給し、該第２トランジスタをＯＮし
て、該第１トランジスタをＯＦＦして通話電流の供給を
停止させる第２ホトカプラとを備えた加入者回路の過電
流保護回路。