過電圧保護回路(クローバー方式)の種類と特徴について！

負荷を過電圧から保護するためには過電圧保護回路を接続する必要があります。この記事ではクローバー方式と言われている過電圧保護回路の種類や特徴などを説明します。

SCRクローバー方式

ヒューズF₁、ツェナーダイオードD_Z1、抵抗R₁、コンデンサC₁、サイリスタSCR₁で構成されている過電圧保護回路です。この過電圧保護回路はSCRクローバー方式と呼ばれています。

入力部に過電圧が発生し、ツェナーダイオードD_Z1のツェナー電圧を超えると、ツェナーダイオードD_Z1に電流(ツェナー電流)が流れ、抵抗R₁の両端電圧が増加します。この過電圧が「ツェナー電圧+サイリスタSCR₁のトリガ電圧」に達すると、サイリスタSCR₁のゲートGに電流(ゲート電流)が流れます。その結果、サイリスタSCR₁がオンして、アノードとカソードが導通状態となり、短絡電流が流れるため、ヒューズF₁が溶断します。

このようにSCRクローバー方式では、過電圧印加時に短絡させてヒューズを溶断することで負荷に過電圧が印加されるのを防止しています。

ポイント

サイリスタSCR₁は一度導通状態になると、アノードーカソード間に保持電流以上の電流が流れていれば、導通状態を保持します。そのため、入力部の過電圧が瞬間的の場合でも、サイリスタSCR₁には短絡電流が流れ続けるため、ヒューズF₁が溶断します。
サイリスタSCR₁はノイズ等によって、誤点呼(誤ON)することがあります。この誤ONによっても、サイリスタSCR₁には短絡電流が流れ続けるため、ヒューズF₁が溶断します。
過電圧印加時はヒューズF₁が溶断されます。そのため、復帰するには溶断したヒューズを新しいヒューズに交換することが必要になります。
入力部の瞬間的な過電圧やノイズ等でサイリスタSCR₁が誤オンしないようにするためにコンデンサC₁を接続する場合もあります。
過電圧印加時にヒューズF₁が溶断し、通常時は溶断しないようにするためには、ヒューズF₁の定格電流はサイリスタSCR₁の定格電流よりも小さく、負荷で消費される電流より大きくする必要があります。
抵抗R₁は通常動作時において、サイリスタSCR₁のゲートを0Vに確定するためのプルダウン抵抗です。
サイリスタSCR₁に短絡電流が流れている期間は出力電圧は1〜2V(アノードーカソード間電圧)となります。
ツェナーダイオードD_Z1に流れる電流を制限するための抵抗をツェナダイオードD_Z1と直列に接続することもあります。
ヒューズをポリスイッチに置き換えても負荷を保護することができます。

クローバー(crowbar)とは「金梃(かなてこ)/バール」の意味です。電源ラインの両端をバールで短絡するようにして負荷を保護することからクローバー方式と呼ばれています。

SCRクローバー方式を用いた回路例

上図はシリーズレギュレータにSCRクローバー方式の過電圧保護回路を接続した回路です。

シリーズレギュレータに用いられているバイポーラトランジスタT_R1はコレクタとエミッタが短絡故障する場合があります。この場合、負荷に入力電圧が直接が印加されてしまいます。この過電圧保護回路によって、シリーズレギュレータが短絡故障した瞬間にサイリスタSCR₁がオンし、ヒューズを溶断させるため、負荷に過電圧が印加されるのを防止することができます。

PNPトランジスタを用いたクローバー方式

上図はヒューズの代わりにPNPトランジスタを用いた過電圧保護回路です。

入力部の過電圧が「ツェナダイオードD_Z1のツェナー電圧+PNPトランジスタT_R1のベースエミッタ間電圧」に達すると、T_R1がオンします。その結果、T_R2のベースエミッタに電流が流れなくなるため、T_R2はオフします。

抵抗R₁はトランジスタT_R1の誤動作防止用、抵抗R₂は電流制限用、抵抗R₃は通常動作時にT_R2のオンを保つために接続されています。

ポイント

この回路は過電圧時にPNPトランジスタT_R2がオフし、過電圧状態が解除されるとPNPトランジスタT_R2が再びオンとなります。そのため、ヒューズの交換等の作業が不要となります。
入力部の電圧はPNPトランジスタT_R2のコレクタエミッタ間で電圧降下され、負荷に印加されます。そのため、この過電圧保護回路による電圧降下を抑えるために、PNPトランジスタT_R2はコレクタエミッタ間飽和電圧の低い素子を選定することが必要となります。

レギュレータを用いたクローバー方式

上図はLM431というレギュレータを用いたクローバー方式の過電圧保護回路です。

LM431でトライアックのゲートGを制御しています。抵抗R₁と抵抗R₂は通常動作時において、抵抗R₂にかかる電圧がレギュレータの基準電圧よりも低くなるように設定します。そうすることによって通常状態では、LM431のカソードKには電流が流れなくなります。その結果、トライアックのゲートGとT1は同じ電位となり、トライアックはオフとなります。

入力部の電圧が増加し、抵抗R₂にかかる電圧がレギュレータの基準電圧を超えると、レギュレータのカソードKに電流が流れるため、トライアックのゲート電圧が下がります。この電圧低下がトライアックのゲートトリガ電圧を超えるとトライアックがオンします。

クローバー方式とクランピング方式の違い

過電圧保護の方式にはクローバー方式の他にクランピング方式があります。

クローバー方式とは、過電圧が発生した時に電源ラインを短絡させることで保護をする方式です。

一方、クランピング方式とは、過電圧が発生した時に一定電圧を保持することで保護をする方式です。クランピング方式の過電圧保護回路は起動時の過渡的な電圧などから保護しているため、過渡電圧抑制装置(TVS: Transient voltage suppressors)とも呼ばれています。なお、クランピング方式の過電圧保護回路の1つにダイオードを用いたクランプ回路があります。詳しくは以下の記事に記載しています。