(57)【要約】【課題】電力供給源と電気的負荷の間に直列に接続されて操作回路を形成する過電流保護システムを提供する。【解決手段】過電流保護システムは、小電流ＩＮＯＲＭＡＬが通る時には低抵抗値ＲＬＯＷを有し、そこを通る電流がＩＮＯＲＭＡＬから大電流ＩＦＡＵＬＴに増えると高抵抗値ＲＦＡＵＬＴに切り替えられる制御素子１０４と、制御素子１０４と直列接続され、電流ＩＮＯＲＭＡＬが制御素子１０４を通る時には、電流ＩＮＯＲＭＡＬがシステムを通るのを許すノーマル状態と、ＩＮＯＲＭＡＬよりも小さな電流の流れを許すフォールト状態とを有する回路遮断１０８素子と、直列接続された制御素子１０４及び回路遮断素子１０８に並列に接続され、当該バイパス素子１０６を通る電流の増加によって回路遮断素子１０８がフォールト状態に切り替えられるように回路遮断素子１０８と機能的に連結されたバイパス素子１０６とを有する。【選択図】図２ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力供給源と電気的負荷の間に直列に接続されて操作回路を形成することが可能で、このように接続された場合に前記操作回路を過電流から保護する過電流保護システムであって、前記過電流保護システムは、制御素子と、回路遮断素子と、バイパス素子と、補助二極回路スイッチと、補助抵抗器とを備え、
ａ．前記制御素子は、
（１）小電流ＩＮＯＲＭＡＬが当該制御素子を流れるとき、低抵抗値ＲＬＯＷを有し、
（２）当該制御素子を流れる電流が、前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬから、前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬよりも大きな大電流ＩＦＡＵＬＴに増えたとき、前記低抵抗値ＲＬＯＷよりも高い高抵抗値ＲＦＡＵＬＴに切り替えられ、
（３）ＰＴＣ装置と、前記ＰＴＣ装置に並列接続された電圧クランプ装置とを備え、
ｂ．前記回路遮断素子は、
（１）前記制御素子と直列に接続され、
（２）回路スイッチを備え、前記回路スイッチは、
（ａ）前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬが前記制御素子を流れるとき、前記過電流保護システムに前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れる、閉じたノーマル状態と、
（ｂ）最大でも、前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬ未満である低下した電流が流れる、開いたフォールト状態とを有し、
ｃ．前記バイパス素子は、
（１）前記制御素子と前記回路遮断素子の直列接続回路に並列接続され、
（２）前記バイパス素子を流れる電流の増大によって前記回路スイッチが前記フォールト状態に切り替えられるように、前記回路遮断素子に機能的にリンクされ、
（３）前記バイパス素子内を流れる電流の増加に応じて前記回路スイッチを当該回路スイッチのノーマル状態から当該回路スイッチのフォールト状態へと切り替えさせるリレーコイルを備え、
ｄ．前記補助二極回路スイッチは、
（１）前記回路スイッチが閉じているとき、前記電気的負荷を前記電力供給源に接続し、
（２）前記回路スイッチが開いているとき、前記電気的負荷を前記電力供給源から切り離し、前記補助抵抗器を前記電力供給源に接続し、
ｅ．前記補助抵抗器は、前記回路スイッチをフォールト状態に保持するために充分な電流が前記バイパス素子のリレーコイルに流れるように充分小さい抵抗値を有し、
それによって、前記過電流保護システムを流れる電流が前記小電流ＩＮＯＲＭＡＬから前記大電流ＩＦＡＵＬＴに増えると、
（ｉ）前記制御素子の抵抗値が前記低抵抗値ＲＬＯＷから前記高抵抗値ＲＦＡＵＬＴに増大し、
（ｉｉ）増大した電流が前記バイパス素子に流れ、
（ｉｉｉ）前記回路スイッチが前記フォールト状態に切り替えられることを特徴とする過電流保護システム。
【請求項２】
前記バイパス素子は、バイパスＰＴＣ抵抗器とバイパススイッチとを備え、
ａ．前記バイパスＰＴＣ抵抗器は、
（１）前記リレーコイルと直列に接続され、
（２）トリップ電流を有し、前記トリップ電流は、（ｉ）前記バイパスＰＴＣ抵抗器を高温かつ高抵抗値の状態に切り替えさせる最小の定常状態電流であり、（ｉｉ）前記リレーコイルを流れたときに前記回路スイッチを当該回路スイッチのノーマル状態から当該回路スイッチのフォールト状態に切り替えさせる電流よりも小さく、
ｂ．前記バイパススイッチは、
（１）前記リレーコイルと直列で、前記バイパスＰＴＣ抵抗器と並列に接続され、
（２）前記回路スイッチが閉じているときは閉じており、前記回路スイッチが開いているときは開いていることを特徴とする請求項１記載の過電流保護システム。
【請求項３】
電力供給源と電気的負荷の間に直列に接続されて操作回路を形成することが可能で、このように接続された場合に前記操作回路を過電流から保護する過電流保護システムであって、前記過電流保護システムは、回路遮断素子と制御素子とを備え、
ａ．前記回路遮断素子はバイメタルスイッチを備え、前記バイメタルスイッチは、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れる、閉じたノーマル状態と、
（２）最大でも、電流ＩＬＯＡＤ未満である低下した電流が流れる、開いたフォールト状態とを有し、
ｂ．前記制御素子は、
（１）前記回路遮断素子と直列に接続され、
（２）前記バイメタルスイッチと熱的に連結したＰＴＣ装置と、前記ＰＴＣ装置に並列接続された電圧クランプ装置とを備え、
（３）前記ＰＴＣ装置は、
（ａ）電流がノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬのとき、前記電気的負荷に比べて低い抵抗値になり、かつ、
（ｂ）電流がノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬを超えたとき高い抵抗値になる可変抵抗値を有し、
前記ＰＴＣ装置の抵抗値が予め決められた抵抗値量だけ増えたとき、前記ＰＴＣ装置で発生した熱によって、前記バイメタルスイッチは当該バイメタルスイッチのノーマル状態から当該バイメタルスイッチのフォールト状態に切り替わることを特徴とする過電流保護システム。
【請求項４】
ａ．電力供給源と、
ｂ．電気的負荷と、
ｃ．請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の過電流保護システムと
を備えたことを特徴とする電気回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気回路の過電流保護に関し、そのための過電流保護システムおよびそれを備えた電気回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気回路の電流量の制御にはメカニカルスイッチが広範に用いられている。ここで、“メカニカルスイッチ”という語は、機械的（手動も含まれる）、電気的、熱的または他の操作形態に応じて開いたり閉じたりするメカニカルな接点を備えた電気スイッチを示すのに使われている。これらの装置には、単純な手動によるスイッチ、サーキットブレーカー、接地フォールト遮断器(Ground Fault Interrupts)（ＧＦＩ）、リレー、および、バイメタル装置が含まれる（さらに、エレクトロサーマル・リレー、温度によって操作されるスイッチ類、および、エレクトロサーマル・デバイスをも指す）。ＧＦＩは、回路中の異なる二点間における電流を比較して、例えば二点間の接地フォールト(ground fault)などのために、これらの電流どうしが所定量以上に異なっていれば回路を遮断する。しかし、ＧＦＩは、例えばアースに到達しない負荷内のショートに起因する過電流など、電流の不均衡を生じないようなフォールト（故障）に対しては保護しない。
【０００３】
メカニカルスイッチが、そこを流れる電流を遮断するために操作された時、正常な動作状態においてさえ、殆ど必ず、離間し合う接点の間にアークが生じ、アークが終了するまでスイッチに（アークという形態で）電流が流れ続ける。このアークは接点を損傷し、その損傷の程度は、電流、電圧、電流のＡＣ／ＤＣの如何、接点が操作される速度、および接点の材質に左右される。メカニカルスイッチは通常、規定のＡＣまたはＤＣ電圧で、規定の操作回数にわたって、確実に遮断できる最大電流によって評価される。
【０００４】
高電流条件で開かれる接点間に生じるアークは、接点を焼いて、その結果、メカニカル装置に破滅的な破損を生じてしまう可能性がある。これらの限界を念頭に置き、回路保護スイッチを保護し、それによって、電気回路を保護するために、メカニカル接点を流れる電流を制限する、または、メカニカル接点間に得られる電圧を制限する、または、メカニカル接点が開かれる時の電流と電圧の双方を制限する回路構成の考案が試みられている。
【０００５】
ＰＴＣ回路保護装置は良く知られている。この装置は負荷に対し直列に配置され、正常動作状態(normal operating condition)では、低温、低抵抗値の状態にある。しかし、ＰＴＣ装置を通る電流が過剰に増大したり、ＰＴＣ装置の周辺温度が過剰に高まったり、正常動作電流(normal operating current)が正常動作時間(normal operating time)を超えて維持されたりすると、ＰＴＣ装置は“トリップ（作動）”する。すなわち、電流を実質的に低下させるべく、高温、高抵抗値の状態に切り替わる。一般に、ＰＴＣ装置は電流および／または温度が通常レベルに回復してもなお、ＰＴＣ装置が電源から外されて冷却されるまでは、トリップした状態に保持される。特に有効なＰＴＣ装置には、ＰＴＣ導電ポリマー、すなわち、（１）有機ポリマーと、（２）このポリマー内に分散或いは配分された粒状の導電フィラー、好ましくはカーボンブラックを含む組成物で構成されたＰＴＣ素子が設けられている。ＰＴＣ導電ポリマーおよびこれを含む装置については、例えば、特許文献１乃至２１に記載されている。
【０００６】
同じ製造プロセスによって作られた１バッチのＰＴＣ装置の中でも、プロセス中の制御不可能な変動に起因して、任意の個々の装置をトリップさせる条件に実質的な変化が生じる可能性がある。バッチ内のいずれの装置にもトリップを引き起こさない最大の定常電流をここでは“パス電流”（ＩＰＡＳＳ）または“ホールド電流”と呼び、全ての装置にトリップを引き起こす最小の定常電流を“トリップ電流”（ＩＴＲＩＰ）とする。一般に周辺温度が高まれば、ＩＰＡＳＳとＩＴＲＩＰの間の差はゆっくりと小さくなる。装置の具体的な特性によっては、２０℃において、ＩＴＲＩＰはＩＰＡＳＳの１．５から２．５倍である。いずれの個々の装置をとっても、パス電流とトリップ電流は同一である。しかし、この明細書では、ＩＰＡＳＳとＩＴＲＩＰとが異なるＰＴＣ装置に言及する。それは、実際問題として、電気スイッチの製造者はそのような装置のバッチから得られたＰＴＣ装置を使用する必要があるからである。一般に、周辺温度が高いほど、パス電流とトリップ電流は下がる。この現象は、“温度劣化(thermal derating)”と呼ばれ、温度とパス電流のグラフを指すのに“劣化曲線(derating curve)”なる語が用いられる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，２３７，４４１号明細書。
【特許文献２】米国特許第４，２３８，８１２号明細書。
【特許文献３】米国特許第４，３１５，２３７号明細書。
【特許文献４】米国特許第４，３１７，０２７号明細書。
【特許文献５】米国特許第４，４２６，６３３号明細書。
【特許文献６】米国特許第４，５４５，９２６号明細書。
【特許文献７】米国特許第４，６８９，４７５号明細書。
【特許文献８】米国特許第４，７２４，４１７号明細書。
【特許文献９】米国特許第４，７７４，０２４号明細書。
【特許文献１０】米国特許第４，７８０，５９８号明細書。
【特許文献１１】米国特許第４，８００，２５３号明細書。
【特許文献１２】米国特許第４，８４５，８３８号明細書。
【特許文献１３】米国特許第４，８５７，８８０号明細書。
【特許文献１４】米国特許第４，８５９，８３６号明細書。
【特許文献１５】米国特許第４，９０７，３４０号明細書。
【特許文献１６】米国特許第４，９２４，０７４号明細書。
【特許文献１７】米国特許第４，９３５，１５６号明細書。
【特許文献１８】米国特許第４，９６７，１７６号明細書。
【特許文献１９】米国特許第５，０４９，８５０号明細書。
【特許文献２０】米国特許第５，０８９，８０１号明細書。
【特許文献２１】米国特許第５，３７８，４０７号明細書。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、電気回路を過電流から保護するための、従来にはない非常に有用な過電流保護システムおよびそれを備えた電気回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
我々は、本発明によれば、ＰＴＣ素子をメカニカルスイッチまたは他の回路遮断素子と直列に接続し、さらに、バイパス素子をＰＴＣ素子および回路遮断素子に並列に接続することにより、非常に有効な電気保護システムを作製できることを発見した。過電流がこのようなシステムを流れると、ＰＴＣ素子の抵抗が大きくなり、その結果、バイパス素子を流れる電流が増える。バイパス素子は、バイパス素子を流れる電流の増大によって回路遮断素子がフォールト状態となるように、回路遮断素子に機能的にリンクしている。
【００１０】
第１の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、以下の構成を有する：
ａ．下記の制御素子、
（１）比較的低い電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れる時、比較的低い抵抗ＲＬＯＷを有し、
（２）流れる電流がＩＮＯＲＭＡＬから比較的高い電流ＩＦＡＵＬＴに増えた時、比較的高い抵抗ＲＦＡＵＬＴに切り替えられる；
ｂ．下記の回路遮断素子、
（１）制御素子と直列に接続されている、
（２）電流ＩＮＯＲＭＡＬが制御素子を流れる時、システムに電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れることを許すノーマル状態を有する、
（３）高々実質的にＩＮＯＲＭＡＬより小さい低下した電流が流れるのを許すフォールト状態を有する；および
ｃ．下記のバイパス素子、
（１）制御素子と回路遮断素子の直列結合に対して並列接続されており、
（２）バイパス素子を流れる電流の増大によって回路遮断素子がフォールト状態に切り替えられるように、回路遮断素子に機能的にリンクしている；
したがって、システムを流れる電流がＩＮＯＲＭＡＬからＩＦＡＵＬＴに増えると、
（i）制御素子の抵抗がＲＬＯＷからＲＦＡＵＬＴに増大し、
（ii）増大した電流がバイパス素子に流れ、
（iii）回路遮断素子がフォールト状態に切り替えられる。
【００１１】
第２の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、以下の構成を有する：
ａ．下記の要素を有する回路遮断素子、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れるのを許すノーマル状態、および
（２）高々実質的にＩＮＯＲＭＡＬより小さい低下した電流の流れを許すフォールト状態；
ｂ．下記の制御素子、
（１）回路遮断素子と直列に接続されている、
（２）下記の可変抵抗値を有する、
（ａ）回路内の電流がノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬの時、負荷に比べて低く、
（ｂ）負荷内の電流が実質的にノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬを超えた時、実質的に増大する、
（３）下記の値を比較するコンパレータを有する、
（ａ）制御比較点における制御素子内の電流ＩＣＯＮＴＲＯＬ、および
（ｂ）負荷比較点における負荷内の電流ＩＬＯＡＤ；そして
（４）ＩＣＯＮＴＲＯＬとＩＬＯＡＤとの相違が所定の電流不均衡値ＩＤＩＦＦを超える時、回路遮断素子をノーマル状態からフォールト状態に切り替える；および
ｃ．下記のバイパス素子、
（１）制御素子に対して並列接続されており、
（２）次の抵抗値を有する、
（ａ）回路電流がＩＮＯＲＭＡＬの時、バイパス素子の抵抗値の制御素子の抵抗値に対する比は、ＩＣＯＮＴＲＯＬとＩＬＯＡＤとの相違がＩＤＩＦＦを下回るような値である、そして
（ｂ）回路電流がＩＮＯＲＭＡＬを所定電流値だけ超える時、バイパス素子の抵抗値の制御素子の抵抗値に対する比は、ＩＣＯＮＴＲＯＬとＩＬＯＡＤとの相違がＩＤＩＦＦを超えるような値である。
【００１２】
第３の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、以下の構成を有する：
ａ．下記の要素を有する回路遮断素子、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れるのを許すノーマル状態、および
（２）高々実質的にＩＬＯＡＤより小さい低下した電流が流れるのを許すフォールト状態；および
ｂ．下記の制御素子、
（１）回路遮断素子と直列に接続されている、
（２）下記の可変抵抗値を有する、
（ａ）電流がノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬの時、負荷に比べて低く、
（ｂ）電流が実質的にノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬを超えた時、実質的に増大する；
そして、制御素子の抵抗値が所定の抵抗値量だけ増えた時、回路遮断素子はノーマル状態からフォールト状態に切り替わる。
【００１３】
第４の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、以下の構成を有する：
ａ．下記の要素を有する回路遮断素子、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬが流れるのを許すノーマル状態、および
（２）高々実質的にＩＮＯＲＭＡＬより小さい低下した電流が流れるのを許すフォールト状態；
ｂ．下記の制御素子、
（１）回路遮断素子と直列に接続されている、
（２）下記の可変抵抗値を有する、
（ａ）電流がノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬの時、負荷に比べて低く、
（ｂ）もしも電流が実質的にノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬを超えれば、第１所定抵抗値量だけ増大する；および
ｃ．下記のバイパス素子、
（１）制御素子に対して並列接続されており、
（２）次の抵抗値を有する、
（ａ）回路が正常動作状態にある時、制御素子の抵抗値よりも実質的に高く、
（ｂ）制御素子の抵抗値が第１所定抵抗値量だけ増えた時、実質的に制御素子の抵抗値よりも低く、
（ｃ）制御素子の抵抗値が第１所定抵抗値量だけ増えた時、第２所定抵抗値量だけ増える；
そして、制御素子の抵抗値が第１所定抵抗値量だけ増え、バイパス素子の抵抗値が第２所定抵抗値量だけ増えた時、回路遮断素子はノーマル状態からフォールト状態に切り替えられる。
【００１４】
第５の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、直列に接続された制御素子と回路遮断素子からなる回路を備えており、
ａ．この回路は、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬと、
（２）ノーマル入力電圧ＶＮＯＲＭＡＬとを有し；
ｂ．制御素子はＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい制御素子トリップ電流ＩＴＲＩＰを有する；および
ｃ．回路遮断素子はメカニカルスイッチを備え、
（１）ＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＡＲＲＹを通す定格と、
（２）ＶＮＯＲＭＡＬと等しい電圧において実質的にＩＴＲＩＰよりも小さい電流ＩＩＮＴＥＲＲＵＰＴを遮断する定格とを有する；
したがって、回路電流がＩＴＲＩＰを超えると、制御素子は回路電流をＩＩＮＴＥＲＲＵＰＴ以下に減らし、これにより、回路遮断素子が回路電流を遮断するのを許す。
【００１５】
第６の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、並列に接続されたバイパス素子と制御素子からなる回路を備えており、
ａ．この回路は、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬと、
（２）ノーマル入力電圧ＶＮＯＲＭＡＬとを有し；
ｂ．バイパス素子は、実質的にＩＮＯＲＭＡＬよりも小さいバイパス素子トリップ電流ＩＢＹＰＡＳＳＴＲＩＰを有する；および
ｃ．制御素子はメカニカルスイッチを備え、
（１）ＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＯＮＴＲＯＬＰＡＳＳを遮断する定格と、
（２）ＶＮＯＲＭＡＬよりも低い電圧ＶＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰにおいてＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰを遮断する定格とを有する；
したがって、回路電流がＩＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰを超えると、制御素子は制御素子内の電流を遮断し、これにより、回路内の電流をバイパス素子に分流し、バイパス内の電流がＩＢＹＰＡＳＳＴＲＩＰを超えると、バイパス素子は回路電流を実質的に低下させる。
【００１６】
第７の態様として本発明が提供する過電流保護システムは、並列に接続されたバイパス素子と制御素子からなる回路を備えており、この並列結合が回路遮断素子と直列に接続されており、ここで：
ａ．この回路は、
（１）ノーマル電流ＩＮＯＲＭＡＬと、
（２）ノーマル入力電圧ＶＮＯＲＭＡＬとを有し；
ｂ．バイパス素子は、実質的にＩＮＯＲＭＡＬよりも小さいバイパス素子トリップ電流ＩＢＹＰＡＳＳＴＲＩＰを有する；および
ｃ．制御素子はメカニカルスイッチを備え、
（１）ＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＯＮＴＲＯＬＰＡＳＳを通す定格と、
（２）ＶＮＯＲＭＡＬよりも低い電圧ＶＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰにおいてＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰを遮断する定格とを有する；および
ｄ．回路遮断素子はメカニカルスイッチを備え、
（１）ＩＮＯＲＭＡＬよりも大きい電流ＩＣＡＲＲＹを通す定格と、
（２）ＶＮＯＲＭＡＬと等しい電圧において実質的にＩＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰよりも小さい電流ＩＩＮＴＥＲＲＵＰＴを遮断する定格とを有する；
したがって、回路電流がＩＣＯＮＴＲＯＬＴＲＩＰを超えると、制御素子は制御素子内の電流を遮断し、これにより、回路内の電流をバイパス素子に分流し、および、バイパス内の電流がＩＢＹＰＡＳＳＴＲＩＰを超えると、バイパス素子は回路電流をＩＩＮＴＥＲＲＵＰＴ以下に減らし、これにより、回路遮断素子が回路電流を遮断するのを許す。
【発明の効果】
【００１７】
加えて、本発明の組み合わせの中では、ＰＴＣ装置は回路を通るフォールト電流の強度を制限する場合がある。このように電流を制限することは、非常に望ましい特徴であり、業界ではこれを“フォールト電流制限”と呼んでいる。しかし、ＰＴＣ装置のフォールト電流制限は今までには報告されていない。
【００１８】
さらに、過電流保護への適用に加えて、本発明の組み合わせによれば、回路の正常動作電圧および電流よりも小さな定格電圧および電流を持ったメカニカルスイッチとＰＴＣ装置を使用することで、正常な回路動作における電圧と電流を切り替えることができる。この特徴によって、正常動作において、本来そのような回路で必要とされるものよりも小型でより安価なメカニカルスイッチおよびＰＴＣ装置の使用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
電気回路に過電流保護を提供するために実行される機能には、１）電流を検知する機能；２）回路を遮断する機能；３）回路に伝送されるエネルギーを制限する機能；および４）回路を電源から分離する機能が含まれている。本発明の回路構成では、メカニカルスイッチおよびポリマー型のＰＴＣ装置が組み合わされて、それぞれの部品がその機能を比較的良く果たしている。ポリマー型のＰＴＣ装置は過電流を検知して、保護されている回路へのエネルギー伝送を制限する。ポリマー型のＰＴＣ装置とメカニカルスイッチの双方が回路遮断の機能を果たす。そして、適用可能なケースにおいては、メカニカルスイッチが工業規格に適合した回路分離を提供する。
【００２０】
図１ａ，１ｂ，１ｃは、本発明の過電流保護回路に用いられているＰＴＣ装置とメカニカルスイッチの、直列、並列、および、直／並列の組み合わせを示している。下記に示されるように、本発明の回路構成では、サポートする機能（supporting functionality）を提供するために、他の部品がＰＴＣ装置およびメカニカルスイッチと組み合わされている。ここで用いられている“最大過電流”なる語は、電流を制限する回路保護装置が回路中にない場合に、過負荷またはフォールトの状態により回路中に発生する最大電流を指す。本発明の原理によれば、過電流保護回路中の部品構成では、次の特性を持つＰＴＣ装置およびスイッチを選択することができる。
【００２１】
（１）図１ａに示された構成では、ＰＴＣ装置２はメカニカルスイッチ４と直列になっており、これらはいずれも少なくとも正常な回路電流と同じ大きさのパス電流を有する。ＰＴＣ装置２は、回路の正常電圧よりも著しく低い定格電圧を有する。スイッチ４は、正常な回路電圧における低電流を遮断可能であるが、正常電圧(normal voltage)における最大過電流を遮断することはできない。過電流が生じると、ＰＴＣ装置２は抵抗値を増し、スイッチ４の遮断電流よりも低いところまで電流を下げる。スイッチ４が開き、電流を遮断して、ＰＴＣ装置２を過電圧から保護する。
【００２２】
（２）図１ｂに示された構成では、ＰＴＣ装置２はスイッチ６と並列になっており、これはいずれも、少なくとも回路電圧と同じ高さの定格電圧を有する。ＰＴＣ装置２は正常電圧における正常な回路電流よりも著しく低い定格パス電流を持つ。スイッチ６は低電圧における最大過電流を遮断可能であるが、正常電圧における最大過電流を遮断することはできない。過電流が生じると、電流をＰＴＣ装置２に分流させることにより、スイッチ６が低電圧において電流を遮断する。ＰＴＣ装置２は抵抗値を増し、電流を低い値に下げる。
【００２３】
（３）図１ｃに示された構成では、上記の（２）で記載されたようなＰＴＣ装置２と第１スイッチ６の並列結合が、第２スイッチ４と直列になっている。この場合、ＰＴＣ装置２と第１スイッチ６の並列結合は、回路の正常電圧よりも著しく低い定格電圧を持つ。第２スイッチ４は正常電圧における低電流を遮断可能であるが、正常電圧における最大過電流を遮断することはできない。過電流が生じると、第１スイッチ６が開いて、電流を並列のＰＴＣ装置２に分流させる。ＰＴＣ装置２は抵抗値を増大することによって電流を下げ、第２スイッチ４を開かせる。この構成では、ＰＴＣ装置は、充分迅速にその高抵抗値状態に切り替わるので、電流を下げることによって直列スイッチを損傷から保護することができる。状況によっては、第２スイッチ４を開くことを遅らせることが有益であるが、この構成はまた、スイッチ４，６の双方が本質的に同時に開くことも効果がある。
【００２４】
図１ａに示された直列結合では、直列のスイッチ４は回路中のＰＴＣ装置２の後に続くように示されている。図１ｂに示された直／並列結合では、直列の第１スイッチ４は、回路中のＰＴＣ装置２と並列第２スイッチ６の並列結合に先行するように示されている。過電流保護回路の電気特性はこれらの順序に依存しないが、他の配慮によって、直列スイッチの配置が規定される場合がある。例えば、図１ｃに示された順序は、過電流時に直列第１スイッチ４が、負荷を電源から分離するのみならず、過電流保護回路内の追加部品を分離することにも役立つという、付加的な利点を有する。これはこれらの部品に人が接触し得る場合および接触し易い場合に、特に必要である。
【００２５】
図２ａ，２ｂ，２ｃおよび２ｄは、過電流保護回路の、電流を検知し、回路を遮断し、回路に伝送されるエネルギーを制限する各作動素子(operational element)、および、構成によっては、回路を電源から分離する作動素子を表現するブロック図を示している。図２ａと２ｂのブロック図は、図１ａに示されたＰＴＣ装置２とスイッチ４の直列構成に対応していて、制御素子１０４はＰＴＣ装置２から成り、遮断素子１０８は直列スイッチ６から成り、図２ｂでは、バイパス素子１０６が、追加された回路部品から構成される。図２ｃのブロック図は、図１ｂに示されたＰＴＣ装置２とスイッチ４の並列構成に対応していて、制御素子１０４は並列スイッチ６から成り、バイパス素子１０６はＰＴＣ装置２から成る。図２ｄのブロック図は図１ｃに示されたＰＴＣ装置２とスイッチ４，６の直／並列構成に対応していて、遮断素子は直列スイッチ４から成り、制御素子は並列スイッチ６から成り、バイパス素子はＰＴＣ装置２から成る。
【００２６】
上記の議論から明らかなように、本発明の回路構成に用いられているＰＴＣ装置は通常は電流を検知してフォールト電流を制限する機能を提供するが、本発明の幾つかの態様の種々の実施形態に見られる特定の部品構成によっては、ＰＴＣ装置はこれらの機能を、例えば制御素子１０４およびバイパス素子１０６と言った、別の作動素子の部分として実行しても良い。
【００２７】
図２ｂのブロック図は、過電流保護回路の第１の態様を示し、概括参照番号１２０で表される。本発明の過電流保護回路の第１の態様では、電流を検知し、回路を遮断し、回路に伝送されるエネルギーを制限する三つの機能を果たす部品は、制御素子１０４、バイパス素子１０６、および、遮断素子１０８という三つの作動部品にグループ分けできると考えられる。電源１０２と負荷１１２は、全ての電気回路に通常に見られる二つの作動素子である。
【００２８】
電源１０２は回路に電力を提供し、負荷１１２は回路の意図された目的を果たす。制御１０４、バイパス１０６、および、遮断１０８の各素子は協働して、過電流保護を提供する。制御素子１０４は過電流の際には、電流を検知し、回路に伝えられるエネルギーを制限するという二つの機能を果たす。遮断素子１０８は回路電流を遮断する機能を果たす。バイパス素子１０６は、遮断素子１０８内の電流、遮断素子１０８の両端間の電圧、または、電流と電圧の双方を最小限にして、遮断素子１０８が回路電流を確実に遮断することができるように、負荷電流の一部または全部を迂回させることに用いられる。
【００２９】
制御素子１０４は電流を検知して、負荷１１２に供給される電流が通常の、受入可能な範囲内かどうかを判断する。制御素子１０４が、負荷１１２に供給される電流が過剰であると判断したら、制御素子１０４はバイパス素子１０６と協働して電流をバイパス素子１０６に迂回させる。バイパス素子1０６に迂回された電流が特定の閾（しきい）値に達したら、バイパス素子１０６は遮断素子１０８と連絡し合い、負荷１１２に供給される電流を遮断素子１０８によって下げさせるかまたは停止させる。制御素子１０４は、過電流をいち早く検知して電流をバイパス素子１０６に迂回させることによって、過電流状態において回路に伝送されるエネルギーを制限し、これにより、負荷１１２に供給される電流を遮断素子１０８によって確実に遮断できるようにする。
【００３０】
本発明の原理によるＡＣ用の過電流保護回路であってＰＴＣ装置、全波ブリッジ整流器、リレーおよび抵抗器から成る所定の構成を採用した過電流保護回路の第１態様の実施形態を、図３ａに示す。過電流保護回路１０は過電流状態の際の保護を提供する。この第１実施形態では、ＰＴＣ装置１２は負荷２４と直列に接続されている。ＡＣ電源２８は負荷２４に動作電圧の電力を供給する。電源２８が動作電圧の時、ＰＴＣ装置１２と負荷２４に供給される電流はＰＴＣ装置１２のトリップ電流より低く、ＰＴＣ装置１２の抵抗値は非常に低い、そして、その結果生じるＰＴＣ装置１２における電圧降下は非常に小さい。リレー１４は非励磁状態で、リレーの第１接点１６と第２接点１８は双方とも閉じている。電源２８が動作電圧にあり、ＰＴＣ装置１２の抵抗値が非常に低ければ、ブリッジ整流器回路２６への電圧入力はＰＴＣ装置１２の両端間の電圧と等しくて、無視できる。したがって、ブリッジ整流器回路２６から結果的に得られる出力電圧は、リレー１４を励磁させるのに必要な電圧に満たない。
【００３１】
フォールト（故障）が起きて、ＰＴＣ装置１２内の電流がＰＴＣ装置１２の電流定格を越えて増えると、ＰＴＣ装置１２の抵抗値は著しく増える。そこで、ＰＴＣ装置１２における電圧降下は、ブリッジ整流器回路２６からの電圧出力がリレー１４を励磁させるために十分な値になる。
【００３２】
リレー１４が励磁されると、第１接点１６と第２接点１８は開き、バイパス抵抗器２２を負荷２４と直列にし、これにより、負荷２４内の電流を安全値内に制限する。電源２８の電圧が動作電圧にあれば、リレー１４は、リレーコイル１４と負荷２４内の細流電流(trickle current)によって励磁されたままとなる。
【００３３】
リレー１４が励磁されると、ＰＴＣ装置１２は負荷２４の回路から外れる。ＰＴＣ装置１２に電流が流れていないと、ＰＴＣ装置１２は冷却され、ＰＴＣ装置１２の抵抗値は非常に低い値まで回復される。
【００３４】
電圧２８の電圧を下げて、リレー１４の両端間の電圧をリレー１４の保持電圧よりも低下させ、第１接点１６と第２接点１８を閉じれば、過電流保護回路１０はリセットされる。
【００３５】
図３ｂは、図３ａの過電流保護回路１０を示すが、その回路構成部品を囲む各点線は、図２ｂに示された５つの要素、すなわち、電源１０２、制御１０4、バイパス１０６、遮断１０８、および、負荷１１２の各素子に対応している。
【００３６】
図３ｃは、図３ａの回路構成に、ＰＴＣ装置１２と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す。バリスタ３２は、ＰＴＣ装置の抵抗の初期急増に応じてＰＴＣ装置１２の両端間に誘起される電圧を制限する電圧クランプ素子(voltage clamping device)として働く。この抵抗の初期急増は、急峻に増大する過電流に応じて生じ易く、ＰＴＣ装置１２を高抵抗状態にすばやく切り替える。ＰＴＣ装置１２の急速に増大した抵抗によって電流が下がると、回路インダクタンスのために、ＰＴＣ装置１２に誘導される電圧は大きくなることがある。バリスタ３２の代わりに、背面接続(back-to-back)のツェナー・ダイオードや、複数のダイオード構成、他の素子などの他の電圧クランプ素子を用いても良い。
【００３７】
図３ｄは、図３ａの過電流保護回路を、ＤＣで使用するために単純化したものを示す。図３ｄでは、図３ａに示されたブリッジ整流器回路２６は存在せず、リレーコイル１４がＰＴＣ装置１２にまたがって接続されている。図３ｄの回路内の電源３４はＤＣ電源である。図３ｄ内の他の回路部品の振る舞いは、図３ａ内の部品として記載されたものと類似している。
【００３８】
図３ｅは、図３ｄの回路構成に、ＰＴＣ装置１２と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す。バリスタ３２は、図３ｅでも、図３ｃのバリスタ３２と同様に、電圧クランプ素子として働く。バリスタ３２の代わりに、背面接続のツェナー・ダイオードや、複数のダイオード構成、他の素子などの他の電圧クランプ素子を用いてもよい。
【００３９】
本発明による過電流保護回路の第１の態様の実施形態の第２の構成３０を図３ｆに示す。この構成では、電源２８が動作電圧を供給し、リレー１４が非励磁状態であって、第１接点が閉じかつ第２接点１８が閉じて負荷２４と回路を形成している。過電流が生じた場合には、ＰＴＣ装置１２の温度が急激に上がり、ＰＴＣ装置１２の抵抗値が増大する。整流ブリッジ回路２６からの電圧出力がリレー１４を励磁する。第２接点１６が開いて、ＰＴＣ装置１２を回路から外す、そして、第２接点１８が負荷２４の回路を開き、ドロッピング抵抗(dropping resistor)３６の回路を閉じ、このようにしてリレー１４を励磁状態に保つ。第１接点１６が開くと、ＰＴＣ装置１２の経路には電流は流れない。ＰＴＣ装置１２は冷えて、ＰＴＣ装置１２の抵抗値は非常に低い値まで回復する。第２接点１８は電源２８から確実に負荷を外す。
【００４０】
電源２８の供給電圧を減少させると、過電流保護回路３０はリセットされる。電源２８の電圧が下がると、リレー１４は非励磁状態となり、第１接点１６が閉じて、ＰＴＣ装置１２を回路内に取り込み、第２接点１８が閉じて負荷２４の回路を閉じる。
【００４１】
本発明による過電流保護回路の第１の態様の実施形態の第３の構成４０を図３ｇに示す。この第３の構成が提供する過電流保護は、図３ａおよび図３ｆがそれぞれ示す第１構成１０および第２構成３０によって提供されるもので、これに加えて、もしも過負荷の原因が取り除かれたら所定の遅延時間の後に負荷２４を自動的に再接続するものである。この過電流保護回路の第１の態様の実施形態の第３の構成４０は、バイパスＰＴＣ３８を含んでおり、リレー１４の第１接点１６のみを用いている。バイパスＰＴＣ３８は、ＰＴＣ装置１２が切り替わる電流よりも低い電流で低抵抗値から高抵抗値に切り替わるように設計されている。この第３の構成では、電源２８が動作電圧を供給すると、リレー１４は非励磁状態で、第１接点１６が負荷２４の回路を閉じている。過電流状態が発生すると、ＰＴＣ装置１２の高電流によってＰＴＣ装置１２の抵抗値が増える。その結果生じる整流ブリッジ回路２６からの電圧出力の増大によって、リレー１４が励磁されて第１接点１６を開く。バイパスＰＴＣ３８と負荷２４を流れる電流によってリレー１４は励磁状態を維持する。リレー１４のコイルと直列に配置されたバイパス抵抗４２の値によって決まる遅延時間の後、バイパスＰＴＣ３８の抵抗値は非常に高くなってリレー１４が非励磁状態になり、これにより第１接点１６が閉じられる。もしも遅延時間内にフォールトの原因が除去されると、再接続された回路４０はその正常状態を維持する。もしもフォールトの原因が持続すれば、バイパスＰＴＣ３８が冷える前にＰＴＣ１２は即刻、高抵抗状態に再トリップし、リレー１４が再び励磁されるのを防ぐ。もしもフォールトの原因が除去されなかったら、ＰＴＣ１２とバイパスＰＴＣ３８の双方は、電源２８の供給電圧が取り除かれるか負荷２４が除去されるまで、その高抵抗状態に保持される。電源２８または負荷２４が除去されると、ＰＴＣ１２とバイパスＰＴＣ３８の双方は冷えて、両者の各抵抗値は低い値に戻り、これにより正常な回路動作が可能となる。
【００４２】
再び図３ｆと３ｇを参照すると、図３ｃに示されたバリスタ３２のような電圧クランプ素子をＰＴＣ１２と並列に接続することによって、回路電流の急速な低下によって誘導される電圧を制限しても良い。バリスタ３２の代わりに、背面接続のツェナー・ダイオード、複数のダイオード構成など、他の電圧クランプ素子を用いても良い。
【００４３】
いずれの図にも示されてはいないが、ＡＣでの使用においては、ＤＣリレーの代わりにＡＣリレーを用いても良く、この場合、全波ブリッジ整流回路２６は使用されない。同様に、図３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｆ、および３ｇに示された回路は、ＡＣ用として記載されているが、ＤＣ用として使用しても良い。もっとも、ブリッジ整流回路２６は余分となろう。図３ｆと３ｇに示されたシステムは、図３ｄと３ｅに示されたのと同様の要領でブリッジ整流回路２６を除去することによって、ＤＣ用に修正してもよい。
【００４４】
図３ｃから３ｇに示された各回路に含まれる電気部品は、図３ａの回路が図３ｂに示されたのと同様の要領でグループ分けされ、電気部品のグループ化は、図２ｂに示された作動素子によって表される。
【００４５】
図２ｄは、本発明による過電流保護回路の第２の態様の実施形態における電気部品が果たす機能を表す機能ブロック図である。概括参照番号１４０が指す過電流保護回路は、図２ｂに示される５つの作動素子を含むが、遮断素子１０８は制御素子１０４より前の位置に記されており、バイパス素子１０６は制御素子１０４と並列に記されている。
【００４６】
電源１０２は、回路１４０に電力を提供し、負荷１１２は回路の意図された目的を実行する。制御１０４、バイパス１０６、および遮断１０８の各素子は、協働して過電流保護を提供する。制御素子１０４は電流を検知し、フォールトの場合に回路に伝送されるエネルギーを制限する機能を果たす。遮断素子１０８は回路を遮断する機能を果たして回路の分離を行う。
【００４７】
制御素子１０４は負荷１１２に供給された電流が通常の受け入れ可能な範囲内かどうかを判定する。制御素子１０４が負荷１１２に供給された電流が過剰であると判断すると、制御素子１０４はバイパス素子１０６と共に働いて、電流をバイパス素子１０６に迂回させる。バイパス素子１０６に迂回された電流が特定の閾値に達すると、制御素子１０４は遮断素子１０８と連絡し合い、負荷１１２に供給される電流を遮断素子１０８によって遮断させる。
【００４８】
公知技術において知られた従来のＧＦＩ装置の典型的な回路が図４ａに示されている。以下の図における回路の記載を単純化するために、ＧＦＩ装置を有する部品は、接点２２４，２２６、および、点線で囲まれた部分を除いて、概括的な参照番号２００で表されている。従来のＧＦＩ回路では、線路２０４と帰路２０６の電流は、ＧＦＩ変圧器２３２の２つの一次コイル２０８，２１０内を反対方向に流れる。もしも線路２０４と帰路２０６の電流が等しければ、ＧＦＩ変圧器２３２に得られる磁場は零となり、二次コイル２１２内の誘導電流は実質的に零となる。もしも線路２０４と帰路２０６の電流が等しくなければ、例えば、線路２０４からグラウンド２３４への地絡が起こると、不均衡な電流がＧＦＩ変圧器２３２内に磁場を引き起こす。電流の不均衡が所定の閾値を超えると、その結果ＧＦＩ変圧器２３２内に生じた磁場により二次コイル２１２内の誘導電流が所定の閾値を超える。検出回路２１４は、二次コイル２１２内の誘導電流が所定の閾値を超えたことを判定し、ラッチング・リレー２２２を励磁させる。ラッチング・リレー２２２が励磁されると、通常は閉じられている接点２２４，２２６が開き、これにより、負荷２２８に供給されている電力を取り除く。接点２２４，２２６は、閉じた状態へと手動でリセットされるまで開いた状態を維持する。
【００４９】
本発明による過電流保護回路の第２の態様の実施形態の一つの構成を図４ｂに示す。図４ｂに示された過電流保護回路２５０では、ＰＴＣ２４２はＧＦＩ２００と直列に配置されており、線路２０４およびバイパス抵抗２４４は、直列配置のＰＴＣ２４２およびＧＦＩ２００と並列になっている。正常動作状態では、ＰＴＣ２４２内の電流はトリップ電流より低く、ＰＴＣ２４２の抵抗値は低い。過電流状態では、ＰＴＣ２４２の抵抗値が増し、ＰＴＣ２４２内のＧＦＩ２００への電流を制限する。その結果、電流はＰＴＣ２４２およびＧＦＩ２００からバイパス抵抗２４４へと分流され、ＧＦＩ２００内の電流に不均衡を引き起こす。ＧＦＩ２００内の電流不均衡が所定量に達すると、ＧＦＩ２００が接点２２４，２２６を開いて、負荷２２８への電流を遮断する。
【００５０】
図４ｂ内に示された回路内の電気部品は、図３ａの回路が図３ｂに示されたのと同様の要領でグループ分けされ、電気部品のグループ化は、図２ｄに示された作動素子によって表される。
【００５１】
図４ｃを参照すると、回路電流の急速な低下によって誘導される電圧を制限するために、バリスタ３２のような電圧クランプ素子を図４ｂのＰＴＣ２４２と並列に接続しても良い。バリスタ３２の代わりに、背面接続のツェナー・ダイオード、複数のダイオード構成など、他の電圧クランプ素子を用いても良い。
【００５２】
再び図２ａを参照すると、この図は、本発明による過電流保護回路の第３の態様の実施形態に用いられている電気部品が果たす機能を表す機能ブロック図である。概括参照番号１００で表される過電流保護回路は、既に記載した５つの作動素子のうちの４つ、すなわち、電源１０２、制御１０４、遮断１０８、および、負荷１１２を含む。
【００５３】
電源１０２は、回路に電力を提供し、負荷１１２は回路の意図された目的を実行する。制御および遮断素子は協働して過電流保護を提供する。制御素子１０４は電流を検知し、過電流の際に回路に供給されるエネルギーを制限するという２つの機能を果たす。遮断素子は回路電流を遮断する機能を果たす。
【００５４】
制御素子は電流を検知し、負荷１１２に供給される電流が通常の受け入れ可能な範囲内かどうかを判定する。制御素子１０４が負荷１１２に供給される電流が過剰であると判断すると、制御素子１０４は回路電流を低下させる。回路電流を減らすことにより、制御素子１０４は、遮断素子１０８と連絡し合って、負荷１１２に供給される電流を遮断素子によって更に低下させるか停止させる。制御素子１０４は、過電流を迅速に感知して、過電流を減らして、負荷１１２に供給される電流を遮断素子によって確実に遮断させることにより、過電流状態において回路に伝送されるエネルギーを制限する。
【００５５】
本発明の原理によるＡＣ用の過電流保護回路であってＰＴＣ装置とリレーを採用した過電流保護回路の第３の態様の実施形態の一つを、図５ａに示す。この実施形態では、ＰＴＣ装置３０４は負荷３１２と直列に接続されており、通常は開いているリレー接点３０６は、ＰＴＣ装置３０４と負荷３１２の間に直列になっている。リレーコイル３０８は、負荷３１２と並列に接続されている。システムは、図５ａ中で押しボタンスイッチとして表されたスイッチ手段３１０によって閉じられている。スイッチ３１０が閉じられている時、回路３００に電流が流れ、リレーコイル３０８は励磁される。励磁されたリレーコイル３０８がリレー接点３０６を閉じ、リレー接点３０６を閉じた状態でリレー３０８を励磁状態にラッチする。
【００５６】
もしも過電流が生じると、ＰＴＣ装置３０４は抵抗値を増し、回路３００の電流が減り、これにより、負荷３１２とリレーコイル３０８の両端間の電圧が低下する。リレーコイル３０８の両端間の電圧がリレーコイル３０８の保持電圧Ｖｈｏｌｄよりも低下すると、リレー接点３０６は開いた状態に戻り、開いた状態にラッチされたままになる。
【００５７】
図５ｂに示されたシステムは、図５ａの回路に、背面接続のツェナー・ダイオード３１６，３１８をリレーコイル３０８および負荷３１２と並列になるように加えたものである。この構成は過電流保護に加えて過電圧保護も提供する。ツェナー・ダイオード３１６，３１８の降伏電圧よりも高い電圧に対しては、ツェナー・ダイオード３１６，３１８は大きな電流を引き出すので、ＰＴＣ装置３０４の抵抗値が増大し、これにより、リレーコイル３０８の両端間の電圧が下がって、リレー接点３０６が開く。
【００５８】
図５ｃを参照すると、ＰＴＣ装置３０４の初期の急速な抵抗値の増大に応じてＰＴＣ装置３０４に誘導される電圧を制限するために、バリスタ３２のような電圧クランプ素子をＰＴＣ装置３０４と並列に配置しても良い。
【００５９】
図６ａから６ｆは、本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の幾つかの構成を示す。図６ａから６ｆに示された回路にはＡＣ電源４０２が表されているが、この過電流保護回路はＤＣ用にも適用できる。
【００６０】
図６ａから６ｆに示された過電流保護回路は、図１ａ，１ｂおよび１ｃの直列、並列、および直／並列構成を含み、前述の各々に適用可能な各定格電圧および定格電流の関係を含んでいる。
【００６１】
図６ａは、負荷４１０と直列に接続されたＰＴＣ装置４０４、および、ＰＴＣ装置４０４と並列に接続されたバイメタルスイッチ４０６を備えた過電流保護回路４００を示す。さらに、ＰＴＣ装置４０４とバイメタルスイッチ４０６は熱的に結合している。この構成は、低抵抗であることと、バイメタルスイッチ４０６の制御されたトリップ温度とを利用している。過電流の場合には、バイメタルスイッチ４０６が熱せられて開き、電流をＰＴＣ装置４０４に分流させる。ＰＴＣ装置４０４内の過電流によってＰＴＣ装置４０４はその高抵抗状態に急速にトリップし、電流を非常に低いレベルに下げる。ＰＴＣ装置４０４内の低電流はＰＴＣ装置４０４を加熱された高抵抗状態に保持する。ＰＴＣ装置４０４からの熱は、バイメタルスイッチ４０６をトリップした状態にラッチし、バイメタルスイッチ４０６の接点の振動を防止する。
【００６２】
ＰＴＣ装置４０４に電流を分流させる際、バイメタルスイッチ４０６の接点は、動作電圧において電流を切り替える必要がないので、アークしない。この構成では、ＰＴＣ装置４０４とバイメタルスイッチ４０６は、回路に供給されるフォールト電流を制限する役目を果たす。
【００６３】
図６ｂは、ＰＴＣ装置４０４と、負荷４１０と直列になった直列バイメタルスイッチ４１２を備えた過電流保護回路４２０を示す。ＰＴＣ装置４０４および直列バイメタルスイッチ４１２は、熱的に結合されている。この構成では、過電流がＰＴＣ装置４０４をトリップさせると、ＰＴＣ装置４０４は高抵抗状態に切り替わる。ＰＴＣ装置４０４からの熱は直列バイメタルスイッチ４１２をトリップさせる。直列バイメタルスイッチ４１２の接点が開き、ＰＴＣ装置４０４から電圧を取り除く。この構成は、ＰＴＣ装置４０４をより高い電圧用として働かせる点と、組み合わせによって、より高い過電流保護を提供できる点に利点がある。
【００６４】
応用例によっては、過電流の原因がもはや存在しない場合に、直列バイメタルスイッチ４１２が、過電流を遮断した後に自動的に再び閉じられるようにすることが有利である。これは、図６ｂに示された回路では、直列バイメタルスイッチ４１２が開いて電流の流れを止めた後、自動的になされる。そこでＰＴＣ装置４０４は冷えることになるので、直列バイメタルスイッチ４１２は再び閉じることができるようになる。もしも過電流がまだ存在すれば、ＰＴＣ装置４０４と直列バイメタルスイッチ４１２の組み合わせは、再び回路電流を遮断することになる。過電流の原因が存在する限り、この動作は繰り返されることになる。直列バイメタルスイッチ４１２が自動的に再び閉じるのが望ましくない応用例では、直列バイメタルスイッチ４１２は、図６ｅおよび６ｆに示されたリセットボタン４２２付きのラッチング・バイメタルスイッチ４３２のようなラッチング装置であっても良い。
【００６５】
図６ｃは、直列バイメタルスイッチ４１２と直列になった並列結合のＰＴＣ装置４０４とバイメタルスイッチ４０６を備えた過電流保護回路４３０を示す。この構成は、図６ａの並列構成の過電流保護の特徴と、図６ｂの直列構成の高電圧能力とガルバノ開放(galvanic open)を提供する。この構成では、過電流時に並列のバイメタルスイッチ４０６がトリップして、電流をＰＴＣ装置４０４に分流させる。そこでＰＴＣ装置４０４が高抵抗状態に切り替わり、回路４３０の電流を非常に低い値まで下げる。ＰＴＣ装置４０４からの熱が直列バイメタルスイッチ４１２をトリップさせ、ＰＴＣ装置４０４から電圧を取り除く。直列バイメタルスイッチ４１２の接点の開放は、非常に低い電流で行われる。図６ｃに示されるように、この構成は、直列バイメタルスイッチ４１２が開いた後、ＰＴＣ装置４０４と並列バイメタルスイッチ４０６が冷える動作を繰り返す。上述したように、自動リセット能力が望ましくない応用例では、直列バイメタルスイッチ４１２は、図６ｅおよび６ｆに示されるような手動リセットボタン４２２を含むラッチング装置であっても良い。図６ｅにもまたバリスタ３２のような電圧クランプ素子が示されており、ＰＴＣ装置４０４と並列に配置されて、ＰＴＣ装置４０４の初期の急速な抵抗増大に基づいてＰＴＣ装置４０４に誘導される電圧を制限することができる。
【００６６】
図６ｄは、図６ｃの回路の代替としての構成を示しており、直列バイメタルスイッチ４１２をラッチするための第２ＰＴＣ装置４１４が設けられている。正常な電流状態では、直列バイメタルスイッチ４１２は負荷４１０を回路内に接続している。並列ＰＴＣ装置４０４とバイメタルスイッチ４０６は、上述したように働いて電流を低下させる。ＰＴＣ装置４０４からの熱が直列バイメタルスイッチ４１２をトリップさせて負荷４１０への接続を切り、第２ＰＴＣ装置４１４との接続を閉じる。第２ＰＴＣ装置４１４からの熱が直列バイメタルスイッチ４１２を開いた状態にラッチする。この回路では、第２ＰＴＣ装置４１４はセラミックＰＴＣ、或いは抵抗のような一定ワット数のヒータでも良い。
【００６７】
図６ｆは、図６ｂに示されたものと類似の過電流保護回路であり、過電圧に対する保護という追加の能力を提供するバリスタ４２４が設けられている。短期間の過電圧に対してはバリスタ４２４が破壊されることなくエネルギーを吸収する。もしも過電圧が持続したら、バリスタ４２４内の電流がＰＴＣ装置４０４をトリップさせて、電流を非常に低い値に減らす。ＰＴＣ装置４０４からの熱がラッチングバイメタルスイッチ４３２をトリップさせることによって、ＰＴＣ装置４０４から電圧が取り除かれる。この構成は幾つかの利点を持っている。持続する過電圧フォールトに対して小さなバリスタ４２４を使用することができる点と、持続する過電圧に対する保護のために、回路が開いた状態でラッチされる点である。
【００６８】
上述した本発明の幾つかの態様の構成と実施形態において、回路部品は、電流を検知し、電流を遮断し、回路に伝送されるエネルギーを制限し、構成によっては回路を電源から分離することによって、協働して過電流保護を提供する。一般的でより単純な方法として、ＰＴＣ装置とメカニカルスイッチの組み合わせを回路のブレーカーとスイッチに適用することもできる。例えば、前述の電圧および電流定格の関係を持った部品を備えた図１ｃを考えよう。従来のサーキットブレーカーでは、開放の信号は開かれた回路と通常は独立しており、高電圧では、信号は計器用変圧器（ＰＴ）または変流器（ＣＴ）から、低電圧で開いている保護リレーを介する。図１ｃに示された構成を採用したサーキットブレーカーでは、双方のメカニカルスイッチ４，６が同時に開き、第２スイッチ６はＰＴＣ装置２を第１スイッチ４と直列に接続する。最初の半サイクルの間、電流サイクルの零交叉までは第１スイッチ４はアークする。その間に、ＰＴＣ装置は抵抗を増して、第２スイッチ６が遮断可能な値にまで電流を制限する。この構成の利点は、ＰＴＣ装置２が半サイクルの間だけ回路内にあるので、長期間にわたって大電圧に耐える必要がない点である。すなわち、ＰＴＣ装置２は実際には回路をトリップさせず、サーキットブレーカーの操作は、正確に知られている又は維持されているＰＴＣ装置２の温度に依存しない。また、正常動作の間はＰＴＣ装置２は回路内にないので、低抵抗状態にある時のＰＴＣ装置２の抵抗値は臨界意義を持たない。ＰＴＣ装置２は、例えばフォールト電流を１／２０ないし１／３０に制限するために、２０倍ないし３０倍だけ抵抗を増すだけで良い。そして、メカニカル接点４，６のフォールト電流遮断必要条件は１／２０ないし１／３０に減少する。この構成では、メカニカル接点４，６が一つではなく二つ必要となるが、低フォールト電流の接点２個の価格は、高フォールト電流接点に比して格段に安い。応用例によっては、図１ｃの構成はフォールト電流を遮断するサーキットブレーカーとして用いるように記されている。同じ構成を、正常電流を切り替える単純なスイッチとして用いれば、通常必要とされるよりも電流定格の低いメカニカルスイッチを用いることができて有利である。そのようなスイッチの動作は、サーキットブレーカー用に記載したものと同様で良い。ただし、メカニカル接点４，６の開放は、電気機械的手段または他の自動手段による他に、手動操作に頼っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１ａ】本発明の過電流保護回路に用いられているＰＴＣ装置とメカニカルスイッチとの直列の組み合わせを示す図である。
【図１ｂ】本発明の過電流保護回路に用いられているＰＴＣ装置とメカニカルスイッチとの並列の組み合わせを示す図である。
【図１ｃ】本発明の過電流保護回路に用いられているＰＴＣ装置とメカニカルスイッチとの直／並列の組み合わせを示す図である。
【図２ａ】本発明の過電流保護回路の各差動素子を示すブロック図である。
【図２ｂ】本発明の過電流保護回路の各作動素子を示すブロック図である。
【図２ｃ】本発明の過電流保護回路の各作動素子を示すブロック図である。
【図２ｄ】本発明の過電流保護回路の各作動素子を示すブロック図である。
【図３ａ】本発明の原理によるＡＣ用の過電流保護回路であって、ＰＴＣ装置、全波ブリッジ整流器、リレーおよび抵抗器から成る所定の構成を採用した過電流保護回路の第１態様の実施形態を示す回路図である。
【図３ｂ】図３ａの過電流保護回路１０を示し、図２ｂにおける５つの作動素子との対応を示す回路図である。
【図３ｃ】図３ａの回路構成に、ＰＴＣ装置１２と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す回路図である。
【図３ｄ】図３ａの過電流保護回路を、ＤＣで使用するために単純化したものを示す回路図である。
【図３ｅ】図３ｄの回路構成に、ＰＴＣ装置１２と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す回路図である。
【図３ｆ】本発明による過電流保護回路の第１の態様の実施形態の第２の構成３０を示す回路図である。
【図３ｇ】本発明による過電流保護回路の第１の態様の実施形態の第３の構成４０を示す回路図である。
【図４ａ】従来技術のＧＦＩ装置の典型的な回路を示す回路図である。
【図４ｂ】本発明による過電流保護回路の第２の態様の実施形態の一つの構成を示す回路図である。
【図４ｃ】図４ｂの回路構成に、ＰＴＣ２４２と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す回路図である。
【図５ａ】本発明の原理によるＡＣ用の過電流保護回路であってＰＴＣ装置とリレーを採用した過電流保護回路の第３の態様の実施形態の一つを示す回路図である。
【図５ｂ】図５ａの回路に、背面接続のツェナー・ダイオード３１６，３１８をリレーコイル３０８および負荷３１２と並列になるように加えたものを示す回路図である。
【図５ｃ】図５ａの回路構成に、ＰＴＣ装置３０４と並列に接続されたバリスタ３２を追加したものを示す回路図である。
【図６ａ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【図６ｂ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【図６ｃ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【図６ｄ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【図６ｅ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【図６ｆ】本発明の原理に沿ってＰＴＣ装置とバイメタルスイッチを採用した、過電流保護回路の第４の態様の実施形態の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，２０，３０，４０，１００，１２０，１３０，１４０，２５０，３００，３２０，４００，４２０，４３０，４４０，４５０，４６０…過電流保護回路。
【図１ａ】
2007215399.tif 000003
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
2007215399.tif 000005
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
2007215399.tif 000009
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図３ｇ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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