(57)【要約】【課題】アクチュエータ，センサおよび負荷を含む入出力機器のインタフェース（ＡＳ−ｉ）用スレーブの過負荷・短絡保護回路の改良。【解決手段】スレーブ主回路１Ａを持ち、ＡＳ−ｉ電源を供給されるスレーブ１に設けられるトランジスタＴ１〜Ｔ４，抵抗Ｒ１〜Ｒ７およびコンデンサＣ１等からなる過負荷・短絡保護回路に対し、コンデンサＣ３を付加して一定時間以下の過電流では動作しないようにしたものに、さらに抵抗Ｒ１０（または抵抗とＰＴＣサーミスタの直列回路）を設け、過負荷・短絡保護回路が動作した場合でも抵抗Ｒ１０を通して電流Ｉ２を流し、センサ電源電流Ｉが０にならないようにすることで、センサ接続時の突入電流を減衰させ、センサへ正常に電源供給できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スレーブ主回路を有し、アクチュエータ，センサおよび負荷を含む入出力機器とのインタフェースを司るアクチュエータ，センサインタフェース回路（ＡＳ−ｉ）から電源を供給され、かつ、センサ接続用電源端子を持つＡＳ−ｉ用スレーブに対し、
前記センサ接続用電源（−）端子に第１トランジスタのコレクタを接続し、この第１トランジスタのエミッタを第１抵抗および第２トランジスタのベースに接続し、第１トランジスタのベースを第３トランジスタのコレクタと第３抵抗との接続点に接続し、第３トランジスタのエミッタを第２抵抗に接続しかつベースを第４トランジスタのコレクタと第５抵抗との接続点に接続し、第４トランジスタのエミッタを第３トランジスタのエミッタに、ベースを第６抵抗に接続し、第６抵抗の他端を第７抵抗，第１コンデンサおよび第２トランジスタのコレクタに接続し、第７抵抗の他端を第２抵抗の第３トランジスタが接続されていない側に接続するとともに、ダイオードを通してＡＳ−ｉ電源（＋）端子に接続された第１コイルの他端とセンサ接続用電源（＋）端子に接続し、第１コンデンサの第６抵抗に接続されていない側を第１，第３および第５抵抗の各トランジスタが接続されていない側に接続するとともに、ＡＳ−ｉ電源（−）端子に接続された第２コイルの他端に接続し、第２コンデンサの一端を第４トランジスタのベースに、他端を第２と第７の抵抗の接続点に接続したＡＳ−ｉ用スレーブの過負荷・短絡保護回路において、
前記第１トランジスタのコレクタと前記第２トランジスタのエミッタ間に第８抵抗を接続したことを特徴とするＡＳ−ｉ用スレーブの過負荷・短絡保護回路。
【請求項２】
前記第８抵抗と直列にＰＴＣサーミスタを接続したことを特徴とする請求項１に記載のＡＳ−ｉ用スレーブの過負荷・短絡保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プロセス入出力機器として用いられるアクチュエータ，センサおよび負荷等に対してインタフェースを司るアクチュエータ，センサインタフェース回路（Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、以下、ＡＳ−ｉとも略記する）用スレーブの過負荷・短絡保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＳ−ｉはＩＥＣ規格（ＩＥＣ６２０２６−２）およびＥＮ規格（ＥＮ５０２９５）で規定された、主にビットレベルの信号を取り扱うネットワークで、フィールドネットワークの中で最下位層に位置する。
図７にＡＳ−ｉのネットワーク構成例を示す。上位にマスタ２があり、このマスタ２から通信と電源を兼用した２本の電線が延びている（ＡＳ−ｉ＋（正），ＡＳ−ｉ−（負））。ＡＳ−ｉ＋とＡＳ−ｉ−には、ＤＣ３０Ｖ電源と通信信号を減衰させないためのデカップリング回路を内蔵したＡＳ−ｉ専用電源（ＡＳ−ｉ電源）３が接続される。４はＤＣ２４Ｖの電源である。スレーブ１１〜１４はここでは４台示すが、最大で３１台接続される（近年は６２台まで接続可能である）。
【０００３】
スレーブ１１〜１４としては、負荷を制御するための出力のみを持ったもの（スレーブ１１）、センサまたはアクチュエータの信号を取り入れる入力を持ったもの（スレーブ１４）、または出力および入力の両方を持ったもの（スレーブ１２，１３）等の種類がある。また、スレーブの入力には、上記のようにセンサまたはアクチュエータの信号を入力するが、スレーブはセンサの電源も供給できるようにセンサ電源を内蔵している。５１〜５４は各種の入出力機器を示す。
マスタ２はプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）と組み合わされており、センサおよびアクチュエータの入力に対して要求される負荷の動作をさせるため、マスタ２で必要なプログラムを組み、動作の制御をするようにしている。
【０００４】
図８にスレーブの従来例を示す。
これらの回路では、ＡＳ−ｉ＋側は、逆接続防止用のダイオードＤ１を通して、ＡＳ−ｉスレーブ用のＩＣ回路（ＡＳＩＣ）を内蔵したスレーブ主回路１AおよびコイルＬ１に接続される。また、ＡＳ−ｉ−側はスレーブ主回路１AおよびコイルＬ２に接続される。コイルＬ１とＬ２間にはコンデンサＣ２が接続され、これらのコイルとコンデンサによりフィルタを形成し、これ以降の回路に信号がのらないようにして、コンデンサＣ２間の電圧をセンサ用電源に使用する。センサに供給される電圧は、ＡＳ−ｉ＋とＡＳ−ｉ−間に接続されたＡＳ−ｉ電源から供給される。また、スレーブ主回路１Ａには入力取り込み用の端子部ＩＮがあり、この端子部に印加される電圧レベルまたはこの端子部に流れ込む電流レベルでスレーブ主回路１Ａは入力状態を判断し、判断した入力状態の信号をＡＳ−ｉ＋とＡＳ−ｉ−間にのせる。
【０００５】
通常の状態では、トランジスタＴ３は抵抗Ｒ２を通してベース電流が流れ、オンとなっている（Ｔ４はオフ）。したがって、Ｔ３によりＴ１にベース電流が供給され、通常ではＴ１はオン状態になっている。これにより、センサ消費電流ＩがトランジスタＴ１のコレクタ・エミッタ間を流れる。センサ消費電流が増大するにつれて、抵抗Ｒ1間の電圧が増大してくる。抵抗Ｒ1は過負荷・短絡保護回路が動作する電流値を決定するもので、例えばＲ1＝Ｖｂｅ２／Ｉｏｐの値に設定される。ここに、Ｖｂｅ２はトランジスタＴ２のベース・エミッタ間電圧、Ｉｏｐは過負荷・短絡保護回路の動作電流を示す。
【０００６】
Ｒ1間の電圧がＶｂｅ２以上になる電流Ｉが流れると、Ｔ２にベース電流が流れＴ２がオンとなる。コンデンサＣ１は通常の場合は約３０Ｖに充電されているが、過負荷あるいは短絡電流が流れてＴ２がオンすると、瞬時に放電され約０Ｖになる。そのため、Ｔ４のベース電流が抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ６を通して流れ、Ｔ４が瞬時にオンとなる。Ｔ４がオンするとＴ３のベース電位が上昇してＴ３がオフし、これによりＴ１がオフとなる。
コンデンサＣ１は抵抗７を通る電流Ｉ１とトランジスタＴ４のベース電流Ｉ２により充電され、徐々に電圧が上昇する。そして、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｃが、
Ｖｃ≒[３０×Ｒ５／（Ｒ２＋Ｒ５）]−Ｖｂｅ４
になったとき、Ｔ４は再びオフとなる。なお、Ｖｂｅ４はトランジスタＴ４のベース・エミッタ間電圧を示す。
【０００７】
Ｔ４のオフにより、トランジスタＴ３およびＴ１がオンするが、過電流が流れているため瞬時にＴ２がオンしてＣ１の電荷を放電し、Ｔ１をオフにする。抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５およびトランジスタＴ３，Ｔ４からなる回路は、オンレベルとオフレベルにヒステリシスを持たせるためのシュミット回路を形成する。このシュミット回路と抵抗Ｒ６，Ｒ７およびＣ１で決定された周期で、トランジスタＴ１の瞬時のオンを繰り返す。電圧Ｖｃ，Ｖａの波形変化を図９に示す。Ｔ１は瞬時のオンなので、電流はほとんどシャットダウンされる。こうして、センサ電源を過負荷電流または短絡電流から保護するようにしている。
【０００８】
上記のような過負荷・短絡保護回路では、瞬時の過負荷電流が流れても、その電流を検知して過負荷・短絡保護回路が動作する。しかし、通常のセンサは内部にコンデンサを内蔵しているため、電源接続時に突入電流が流れる。そのため、従来の回路はセンサ接続時に、センサの突入電流が瞬時でも設定値を越えると過負荷・短絡保護回路が動作してしまい、センサに電源が供給されない場合が生じ、使用できるセンサが制限されることになる。
【０００９】
そこで、出願人は先に特許文献１に示す図１０のような回路を提案した。
これは、図８に示すものに対し、トランジスタＴ４のベースにコンデンサＣ３を接続し、このＣ３により図１１に示すように遅延時間ｔｄを設けるものである。その結果、過負荷または短絡電流が流れると、Ｔ１は図１１に示すように遅延時間ｔｄだけオンした後オフとなる動作を、周期Ｔで繰り返す。そのため、過負荷・短絡状態の場合は、センサ電源から供給される電流Ｉは、周期Ｔ内の微小時間ｔｄだけ過負荷・短絡電流Ｉｐが流れるだけになり、センサ電源が保護されることになる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２１８６７３号公報（第３頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、センサの中には遅延時間ｔｄ内では突入電流が過負荷・短絡保護回路が動作するレベル以下には収まらないものもあり、このようなセンサはセンサ接続時に過負荷・短絡保護回路が動作してしまい、その結果センサに電源供給がなされないという問題が生じる。
したがって、この発明の課題は、比較的長時間の大きな突入電流が流れる場合でもセンサへの電源供給を可能とし、使用できるセンサ（種別）が制限を受けないようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、スレーブ主回路を有し、アクチュエータ，センサおよび負荷を含む入出力機器とのインタフェースを司るアクチュエータ，センサインタフェース回路（ＡＳ−ｉ）から電源を供給され、かつ、センサ接続用電源端子を持つＡＳ−ｉ用スレーブに対し、
前記センサ接続用電源（−）端子に第１トランジスタのコレクタを接続し、この第１トランジスタのエミッタを第１抵抗および第２トランジスタのベースに接続し、第１トランジスタのベースを第３トランジスタのコレクタと第３抵抗との接続点に接続し、第３トランジスタのエミッタを第２抵抗に接続しかつベースを第４トランジスタのコレクタと第５抵抗との接続点に接続し、第４トランジスタのエミッタを第３トランジスタのエミッタに、ベースを第６抵抗に接続し、第６抵抗の他端を第７抵抗，第１コンデンサおよび第２トランジスタのコレクタに接続し、第７抵抗の他端を第２抵抗の第３トランジスタが接続されていない側に接続するとともに、ダイオードを通してＡＳ−ｉ電源（＋）端子に接続された第１コイルの他端とセンサ接続用電源（＋）端子に接続し、第１コンデンサの第６抵抗に接続されていない側を第１，第３および第５抵抗の各トランジスタが接続されていない側に接続するとともに、ＡＳ−ｉ電源（−）端子に接続された第２コイルの他端に接続し、第２コンデンサの一端を第４トランジスタのベースに、他端を第２と第７の抵抗の接続点に接続したＡＳ−ｉ用スレーブの過負荷・短絡保護回路において、
前記第１トランジスタのコレクタと前記第２トランジスタのエミッタ間に第８抵抗を接続したことを特徴とする。
【００１３】
上記請求項１の発明においては、前記第８抵抗と直列にＰＴＣサーミスタを接続することができる（請求項２の発明）。
すなわち、過負荷・短絡保護回路が動作しても、センサ電源電流Ｉが完全にオフ（ゼロ）になる時間をなくし、抵抗を介して電流Ｉ２を流すことにより、センサ接続時の突入電流を減衰させる。突入電流値が遅延時間内に過電流動作レベル以下にならないようなセンサを接続した場合でも、突入電流減衰値が過電流動作レベル以下になれば過負荷・短絡保護動作は解除され、センサには正常に電源供給ができるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、センサ接続時などに比較的長時間の大きな突入電流の場合でも、センサへは正常に電源（電流）供給できるようにしたので、接続（使用）可能なセンサの制限がなくなり自由度が増大するという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
図１からも明らかなように、この回路は図１０に示すものに対し、トランジスタＴ１のコレクタとＴ２のエミッタ間に抵抗Ｒ１０を接続した点が特徴である。これにより、通常の状態（過負荷・短絡保護回路が動作していない時）でセンサ電源から供給される電流Ｉは、過電流検知用抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉ１と、抵抗Ｒ１０を流れる電流Ｉ２とに分流される。
【００１６】
電流Ｉの増大で電流Ｉ１が増大し、
Ｉ１×Ｒ１≒Ｉ×Ｒ１×Ｒ１０／（Ｒ１＋Ｒ１０）＝Ｖｂｅ２
になったとき（Ｖｂｅ２：トランジスタＴ２のベース・エミッタ間電圧）、トランジスタＴ２がオンし、遅延時間ｔｄ後にトランジスタＴ１がオフになる。トランジスタＴ１がオフのときは、電流Ｉは抵抗Ｒ１０を通して流れる電流Ｉ２のみとなり、電流値は抵抗Ｒ１０で制限される値になる。
【００１７】
過負荷または短絡電流が流れたときの電流Ｉの波形を、図４に示す。図１１に示す従来回路の波形との違いは、トランジスタＴ１がオフのときにも電流Ｉは０にならないで、Ｉ２の電流が流れるということである。つまり、センサ接続時の突入電流で過負荷・短絡保護回路が動作しても、センサにはＩ２の充電電流が流れる。そのため、周期Ｔ後に過負荷・短絡検知するときは、センサをＩ２で充電している分だけ突入電流が減衰する。このＩ２の充電電流によりセンサ突入電流が減衰し、検知レベル以下になれば過負荷・短絡保護動作は解除され、センサには正常に電源（電流）供給されるようになる。
【００１８】
上記電流Ｉ２の値はなるべく大きく（Ｒ１０をなるべく小さく）した方がセンサへの充電が早くなり、センサ突入電流を急速に減衰させることができ、センサ突入電流許容値を拡大することができるが、Ｉ２を大きくするとＲ１０でのワットロスが大きくなるため、このワットロスを考慮してＲ１０の値を決定する。完全短絡時（端子１と端子３間短絡時）のＲ１０でのワットロスＷRは、ＷR≒Ｖｓ2／Ｒ１０となる（遅延時間ｔｄは、周期Ｔに対し充分に小さい時間である。）。
【００１９】
図２にこの発明の第２の実施の形態を示す。
図１との相違点は、Ｒ１０と直列にＰＴＣサーミスタ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ：正温度係数サーミスタ）Ｒｐを接続したことにある。ＰＴＣサーミスタは、温度が上がると抵抗値が増加する正特性をもったサーミスタで、過大な電流が流れると発熱して急激に抵抗値が上昇し、回路を流れる電流を制限する。また、過電流の原因が取り除かれ、発熱が収まると元の低い抵抗値に戻る自己復帰機能がある。
【００２０】
このようなサーミスタは各メーカで発売しており、いろいろな特性を持つものが用意されている。電流検知用としては、上記のように通常では抵抗値が１Ω以下〜数十Ωと小さい値であるが、過電流が流れると急激に抵抗値が上昇し電流を制限する。このようなＰＴＣサーミスタは、各メーカ独自の呼び方でポジスタ（Ｒ），ポジアール（Ｒ），ポリスイッチ（Ｒ）などと呼ばれている。
【００２１】
図２では、このようなＰＴＣサーミスタＲｐと抵抗Ｒ１０との直列回路を、トランジスタＴ１のコレクタとＴ２のエミッタ間に接続している。ＰＴＣサーミスタＲｐは上記のように、過大な電流が流れると抵抗値が急激に上昇し電流制限するため、直列抵抗Ｒ１０の値を小さくすることができる。ＰＴＣサーミスタで急激に抵抗が上昇する電流値をＩ2Tとすると、抵抗Ｒ１０での最大ワットロスは、Ｒ１０×（Ｉ2T）2に抑えることができる。Ｉ2Tは、ＰＴＣサーミスタの動作電流またはトリップ電流と呼ばれる。
【００２２】
図１では抵抗Ｒ１０のみであるため、抵抗Ｒ１０でのワットロスを考慮すると、あまり小さな値にすることはできなかったが、図２の例では上記の理由から小さくでき、過負荷・短絡保護が動作しＴ１がオフになった直後には大きな電流Ｉ２を流すことができる。そのため、センサへの充電が速やかに行なわれ、センサ突入電流を急速に減衰させる。こうすることで、センサ接続時などに比較的長時間に及ぶ大きな突入電流が発生する場合でも、過負荷・短絡保護回路が動作し続けることはないので、センサには正常に電流が供給される。
【００２３】
ここで、図２の動作について説明する。
通常の状態（過負荷・短絡保護回路が動作していない時）でセンサ電源から供給される電流Ｉは、過電流検知用抵抗Ｒ１を流れる電流Ｉ１と、ＰＴＣサーミスタＲｐと抵抗Ｒ１０との直列回路を流れる電流Ｉ２とに分流される。このときのＩ２は、Ｉ２≒Ｉ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒｐ＋Ｒ１０）であるが、過電流検知するまではＰＴＣサーミスタが動作しないように、Ｒ１０およびＰＴＣサーミスタＲｐを選定し、Ｉ２を決定する。
【００２４】
電流Ｉの増大で電流Ｉ１が増大し、
Ｉ１×Ｒ１≒Ｉ×Ｒ１×（Ｒｐ＋Ｒ１０）／（Ｒ１＋Ｒｐ＋Ｒ１０）＝Ｖｂｅ２
になったとき（Ｖｂｅ２：トランジスタＴ２のベース・エミッタ間電圧）、トランジスタＴ２がオンし、遅延時間ｔｄ後にトランジスタＴ１がオフになる。トランジスタＴ１がオフのときは、電流ＩはＰＴＣサーミスタＲｐと抵抗Ｒ１０を通して流れる電流Ｉ２のみとなり、電流値はＰＴＣサーミスタＲｐと抵抗Ｒ１０との直列回路で制限される値になる。ＲｐとＲ１０は比較的小さい値であるため、トランジスタＴ１がオフのときの初期段階のＩ２は、比較的大きな電流値にすることができる。
【００２５】
センサ接続時の突入電流は、このＩ２でセンサが充電されるため急速に減衰し、その結果、過負荷・短絡保護動作はすぐに解除され、センサには正常に電源供給される。過負荷・短絡電流が流れ続けると、ＰＴＣサーミスタの特性に従って抵抗値Ｒｐが上昇して電流Ｉ２を制限するので、電流Ｉが小さくなり過負荷・短絡保護動作するようになる。
図５に、図２における過負荷・短絡保護動作時の電流波形を示す。初期のＩ２は比較的大きな値であるが、ＰＴＣサーミスタの特性に従って抵抗値Ｒｐが増大してＩ２が減少し、制限された電流になる。
【００２６】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
これは、図２のスレーブ主回路１Ａの直後に定電圧回路１Ｂを付加し、センサに２４Ｖ供給するようにしたもので、基本的には図２と同じなので説明は省略する。
なお、図６のようにＰＴＣサーミスタＲｐのみで過負荷・短絡保護回路とすることも可能であるが、ＰＴＣサーミスタは一般に動作電流のばらつきが大きく、周囲温度でも変動する。そのため、精度良く過負荷・短絡保護するには適していない。
【００２７】
これに対し、図２，図３の回路の場合、通常の状態（過負荷・短絡保護回路が動作していない時）で、ＰＴＣサーミスタに流れる電流Ｉ２をＩ１に対して充分小さな値になるように選定しておけば、ＰＴＣサーミスタの抵抗値ＲｐがばらつきＩ２がばらついても、Ｉ１へのその影響は少なくて済む。そのため、過電流検知電圧Ｉ１×Ｒ１のばらつきは小さくすることができ、精度が落ちることはない。また、通常の状態（過負荷・短絡保護動作していない状態）の電流Ｉ２は、ＰＴＣサーミスタの動作電流より充分小さな値に設定されているため、温度に対するＰＴＣサーミスタ動作電流値のばらつきの影響を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路図
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す回路図
【図３】この発明の第３の実施の形態を示す回路図
【図４】図１の動作説明図
【図５】図２，図３の動作説明図
【図６】図２または図３から想定可能な回路図
【図７】一般的なＡＳ−ｉネットワーク構成例を示す構成図
【図８】ＡＳ−ｉスレーブの過負荷・短絡保護回路の従来例を示す回路図
【図９】図８の動作説明図
【図１０】特許文献１に開示の回路図
【図１１】図１０の動作説明図
【符号の説明】
【００２９】
１…ＡＳ−ｉスレーブ、１Ａ…スレーブ主回路、１Ｂ…定電圧回路、Ｌ１，Ｌ２…コイル、Ｃ１〜Ｃ３…コンデンサ、Ｒ１〜Ｒ７，Ｒ１０…抵抗、Ｒｐ…ＰＴＣサーミスタ、Ｔ１〜Ｔ４…トランジスタ、Ｄ１…ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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