回路保護 多くの場合、過剰な外部エネルギー源が敏感な電子部品に損傷を与えないようにすることに重点が置かれます。残念ながら、すべての回路損傷が過電圧や過電流によるものではありませんが、あらゆる種類の損傷から回路を保護できることが最も信頼できるソリューションです。
不明瞭な回路損傷
回路保護は、電気的損傷の原因から回路を保護することを目的とした電子設計の領域です。最も一般的なタイプの電気的損傷には、静電気放電（つまり、静電気ショック）と過電流があり、どちらも比較的簡単に防御できます。たとえば、ツェナーダイオードを使用することでESDを防ぐことができます。一方、PTCヒューズは過剰な電流の引き込みから回路を保護するために使用できます。これらの損傷源は非常に一般的であるため、消費者向け市場の電気製品の大部分はこれらの原因からのみ保護します。それらは、それらの製品を信頼できるものにするのに十分です。技術力が向上するにつれて、一部のアプリケーションはより重要になり、あらゆる障害状況下で確実に保護されるように、さらに高度な保護レベルが必要になる場合があります。
あらゆる形態の潜在的な回路損傷を予測することはできないため、これらすべてのイベントに対応する回路保護回路を設計することはほぼ不可能です。幸いなことに、通常の回路動作がどのようなものかを認識し、それらの動作条件が満たされていない場合に回路をシャットダウンすることで、多くのイベントを防御できます。過電流と過電圧は、それぞれヒューズとクランプダイオードを使用することで簡単に対処できますが、電流の不均衡についてはどうでしょうか?故障した回路（おそらくショートによる）が、電源から引き込んだ電流と同じ量の電流を返さないシナリオを想像してください。この状況では、電流が電源モジュールから漏れ、損傷したPCBを伝導して地面に戻る可能性があります。さらに最悪なのは、電源接続が緩んでいると金属製の筐体に接触し、ユーザーが感電する可能性があることです。ここで、残留電流検出 (RCD) が非常に役立ちます。
基本的なRCD操作
RCDは、出力に流入する電流が出力から戻ってくる電流と同じでない場合に、入力と出力を切断する回路です。これらのデバイスは、通電中の（ホット）電線に触れたときにユーザーを感電から保護するため、電気設備において非常に重要です。電流はRCDを通って通電中の電線に流れ、電線に触れている人に到達し、その後地面に流れて電源に戻ります。戻り電流が中性線に流れていないため、RCDは中性線よりも活線に流れる電流が多くなっていると認識し、RCD出力を切断します。家庭用の大型RCDは、コイルの周りに巻かれた活線/中性線のペアと、「センス コイル」と呼ばれる小さなコイルを持つインダクタに基づいています。通常の状態では、活線/中性線のペアは同じ電流（ただし、反対方向）を流すため、互いの磁場を打ち消します。磁場がない場合、異なる電流値によって磁場が発生し、センスワイヤに電圧が誘導されます。この検知電圧により機械式ブレーカーが作動し、RCDの入力から出力が切断されます。
シンプルなRCD - 画像提供: Wikipedia
このタイプのRCDは、30 mA程度の電流不均衡を検出するために使用されることが多く、そのため非常に大きいことがよくあります。しかし、RCDの概念を電子製品に導入することで、回路とユーザーの両方に対する信頼性と安全性を高めることができます。コイルの種類が大きすぎる場合、電流の不均衡をどのように検出できるでしょうか?この方法には何か固有の問題があるでしょうか?
ソリッドステートRCDへのシンプルなアプローチ
回路に流入する電流と回路から戻ってくる電流を測定するには、ソリッドステートRCDが必要です。次に、2つの電流が等しいかどうか (または定義された許容範囲内かどうか) を比較し、等しくない場合は、回路に入る電力を切断できます。以下の回路図は、単一電源用の回路の非常に単純な実装を示しています。回路の最初のセクションは回路図の右端にあり、2つのセンス抵抗器R1とR2で構成されています。これらは低抵抗の高精度抵抗器であり、抵抗器を流れる電流に比例した大きさの小さな電圧を生成します。各センス抵抗器で生成される電圧を相互に比較して不均衡があるかどうかを確認する必要がありますが、比較する前にこれらの電圧を処理する必要があることに注意してください。ローサイド抵抗 (R2) はVOUT- 出力で絶対電圧を生成し、R1は電源とVOUT+ の間に差動電圧を生成します。この差動電圧は、VOUT- 電圧と比較できるように絶対電圧に変換する必要があります。これは、ゲインが1の単純な差動増幅器を使用して行われます。
次に、センス抵抗器R1とR2を流れる電流を表す2つの電圧が、ゲインが10の2次差動増幅器に渡されます。これは、ミリボルト範囲のセンス電圧を生成する可能性のある小さな電流を読み取りやすくするために行われます。このアンプの出力は、VOUT+ 出力とVOUT- 出力の間にどれだけの電流不均衡があるかを示します。
この回路の次の段階は、差動電圧を所定の電圧と比較するために使用される単純なオペアンプ コンパレータです。所定の電圧は分圧器R7とR8を使用して生成され、この回路例では差電圧は10 mV (トリップ電流1 mAに相当) です。差動増幅器からの電圧が分圧器によって設定された電圧を超えると、オペアンプU4の出力がハイになり、フリップフロップA1がセットされます。フリップフロップの反転出力はNMOS M1に接続され、外部回路に電力を供給できるかどうかを制御します。フリップフロップの反転出力が0になると (トリップ回路が障害を検出した場合)、NMOSはオフになり、外部回路は電力を供給できなくなります。フリップフロップA1のRESET入力に論理パルスを適用することでシステムをリセットできます。
このRCDの例の実用性
上記の回路は、トレースや接続を損傷する可能性のある電源の短絡など、複数の損傷や障害シナリオから回路を保護できますが、コンポーネント自体を保護することはできず、金属製の筐体が通電状態になることも防げません。実際、上記のRCDの例には欠点がないわけではなく、実際の環境で回路を使用する前にこれらの欠点を理解しておく必要があります。RCDの例では、ローサイド センス抵抗器を使用します。これは非常に扱いやすい (差動電圧を生成しないため) ですが、接続された回路のグランドに干渉する可能性があります。回路を設計する場合、接地接続 (VEE、VSS、0 Vと呼ばれることもあります) は回路基準となるため、0 Vにする必要があります。この0 V接続に抵抗器を直列に配置すると、小さな電圧が生成され、すべての0 V参照が真の0 V参照ではなくなることを意味します。この影響は、抵抗値が極めて小さいセンス抵抗器を使用することで軽減できますが、電流の検出が難しくなります。
設計に関するもう1つの問題は、オペアンプの選択です。ここで示す回路では、オペアンプが指定されていません。そうは言っても、選択する際には細心の注意を払う必要があります。多くのオペアンプ (LM358など) には、レールまで出力できない、最小入力電圧バイアスなどの現実的な制限があります。たとえば、センス抵抗がオペアンプの入力バイアス電圧よりも小さい電圧を生成する場合、オペアンプは電圧降下を記録できません。
結論
RCDは、予測が難しい異常な状況から回路を保護することができます。これらは主に、主電源電圧によるユーザーの感電を防ぐことを目的としていますが、最大限の信頼性が求められるデバイスの回路保護に実装することもできます。しかし、ソリッドステートタイプを設計する場合、設計者はローサイド抵抗器の問題とそれが回路のパフォーマンスにどのように影響するかを認識しておく必要があります。