ソリッドステート・サーキット・ブレーカー

MOS-FETをスイッチと電流検出に使い、過大電流になると電流を遮断する回路を考えた。

なぜこんな回路を考えたかといえば、お恥ずかしい話だが、またもやSITを飛ばしてしまったからだ。

必要に迫られて、必要は発明の母の言葉通りの賜物だ。

電流検出は負荷をスイッチするパワーMOS-FETのドレイン・ソース間のオン抵抗を使う。

このアイデアはD級アンプやスイッチング電源のICから拝借したが、ICの回路が実際どうなっているかは知らないので、そこは自分で考える必要があった。

下図が私の考えた回路だ。

動作に必要な電源にはフォトボルを使用しているため、絶縁フローティング状態で、回路のどのような部分にも挿入できる点が便利だ。

フォトボル（TLP590B）は2つ使う、下側のフォトボルのフォトダイオード側に発生する電圧（約9V）を、負荷をスイッチするパワーMOS-FET（2SK1382)のゲート・ソース間に与えて、ドレイン・ソース間をオン状態にする。

パワーMOS-FETのドレイン・ソース間に発生する電圧は、オン抵抗と負荷の電流の積である。

上側のフォトボルのフォトダイオード側に発生する電圧（約9V）は1MΩを通して定電流化する。

フォトダイオード側に発生する電流はLED側の電流に影響されるが、電圧はフォトダイオードの順方向電圧に制限されて一定しているからだ。

2つあるMOS-FET（2SK1825）の内、下側のMOS-FETはドレイン・ソースでパワーMOS-FETのゲート・ソース間を短絡してオフするためのものだ。

上側のMOS-FETは、パワーMOS-FETのドレイン・ソース間に発生する電圧に直流レベルシフトを与える。

その直流レベルシフト電圧は50kΩ可変抵抗で調整できる。

直流レベルシフト電圧は1MΩを通して定電流化した電流と50kΩ可変抵抗の積を上側のMOS-FETのゲート・ソース間電圧から引いた値である。

下側のMOS-FETのゲート・ソース間に与えられる電圧は、直流レベルシフト電圧と、パワーMOS-FETのドレイン・ソース間に発生する電圧と、それに1MΩを通して定電流化した電流と10kΩの積の3つの電圧を加算した値だ。

上側のMOS-FETと下側のMOS-FETが同じ特性なので、下側のMOS-FETのゲート・ソース間電圧が上側のMOS-FETのゲート・ソース間電圧と同じかそれ以上になれば、下側のMOS-FETのドレイン電流が上側のMOS-FETのドレイン電流と同じかそれ以上になり、パワーMOS-FETのゲート・ソース間電圧が低下して、パワーMOS-FETのオン抵抗が増加して、更に下側のMOS-FETのゲート・ソース間電圧が上昇してパワーMOS-FETのゲート・ソース間電圧が低下してターンオフする。

パワーMOS-FETがターンオフするとドレイン・ソース間には負荷の電源電圧が発生し、その電圧が10kΩを通してトリップインジケータのLEDを点灯させる。

下側のMOS-FETのゲート・ソース間に与えられるパワーMOS-FETのドレイン・ソース間に発生する電圧を、トリップインジケータのLEDの順方向電圧が制限する。

ターンオフ状態から復帰するには、負荷の電源を切ってパワーMOS-FETのドレイン・ソース間電圧を下げる必要がある。

電源投入時は負荷の電源より先に、フォトボルのLEDに通電してパワーMOS-FETをオン状態にしておく必要がある。

拡張性や汎用性や安定性を高めて、実用レベルの雛形ができた。

＋T/−T : トリップ出力
＋P/−P : インターロック入力
＋I/−I : フォトボルLED電流入力
＋L/-L : ロードスイッチ

動作テスト

下図のように商用交流電源（60Hz）をスライダックで可変して、EIコアの絶縁トランスを介して、ダイオードで半波整流した電圧を、1Ωの抵抗を通してロードスイッチに接続した。

トリップ電流は1Ωに発生する電圧をオシロスコープで観て割り出す。

上：1Ωの電圧　5V/div 下：ロードスイッチの電圧　0.2V/div　1ms/div

1Ωの電圧　5V/div　0.5mｓ/div

左の写真から、1Ωの電圧が10V（Iｄ=10A）の時のロードスイッチの電圧が約0.4Vだから、オン抵抗は40mΩ程度と判断できる。
右の写真はIｄ=20Aでトリップしている状態のオシロ波形。

VR200kΩでトリップ電流を8Aから35A程度まで設定できる。

アプリケーション

2つをリンクする例、トリップ出力（T）とインターロック入力（P）をたすき掛けに接続することで、片方が切れると両方とも切れる。