サージ保護素子：バリスタについて教えて下さい

質問

バリスタについて、基本的な事ですが、教えて下さい。

・バリスタは「一定以上の大きさの電圧が印加されると、インピーダンスを小さくし、電流を流す事によって電圧を制限する」とされています。何故、電流を流す事で、電圧を制限する事が出来るのでしょうか？（P=VIより、Pを一定と考え、理解すれば良いのでしょうか？）

・立ち上がり時間の早いサージに対しては、バリスタの持つインダクタンス成分の影響で反応しない（XL=wLでwが大きく、インピーダンスが低下しないとの考え？）という人と、単純に制限電圧がオーバーシュートして高くなるだけという人がいます。どちらが正しいのでしょうか？

・接触器接点には、火花消去対策として、接点と並列にバリスタが取り付けられる場合があります。接点サージによる電流がバリスタに流れた後、ラインに流れ、機器が破損する事は無いのでしょうか？

回答No.2

LCR707 · ベストアンサー

サージ電圧は一般に回路のインダクタンスにより発生します。
インダクタンスに流れている電流がＩの場合、回路が開いて負荷抵抗がＲになったとき、Ｖ＝ＲＩの電圧が発生します。従って、バリスタのような、電圧によって抵抗が変化する非線形素子をつなげば、サージ電圧を抑制できます。

立ち上がり時間については、リードインダクタンス成分の影響も出るし、バリスタの応答時間の影響も出るので、両方とも正しいと思います。

接点に１Ａの電流が流れていて、それが開いたとき２０００Ｖのサージ電圧が発生したとしても、そこに等価抵抗１０Ωのバリスタをつなげば２００Ａのサージ電流が生じるなどということはありません。インダクタンスに流れる電流の大きさは連続するので、バリスタに流れる電流は１Ａです。

こういう保護素子（バリスタに限らずダイオードなども）は、回路の電流がどのように流れ、回路が開いたとき電流がどのように迂回しようとするかを考える必要があります。それをしないと、まったく見当違いの場所に保護素子を入れてしまうことがあります。
また、インダクタンスについては、「逆起電力」という言葉がいまだによく用いられますが、この言葉の弊害はこれが電圧源であるかのような印象を与えることです。これで誤解している人がかなり多く見られます。

お礼

御回答ありがとうございます。

まだ理解出来ていませんので、下記ついて教えて下さい。

＞インダクタンスに流れている電流がＩの場合、回路が開いて負荷抵抗がＲになったとき、Ｖ＝ＲＩの電圧が発生します。
回路が開いて負荷抵抗がRになるとは、具体的にどのようなことでしょうか？知識不足で全く分かりません…。補足して頂けると助かります。

・立ち上がり時間の早いサージについてですが、インダクタンスの影響で反応しない理由は、「XL=wLでwが大きく、インピーダンスが低下しないとの考え」でよいのでしょうか？（理由を自分なりにひねり出しただけで全く自信が有りません…）。

＞インダクタンスに流れる電流の大きさは連続するので、バリスタに流れる電流は１Ａです。
バリスタの制限電圧は、バリスタに流れる電流値によって変化するかと思いますが、この場合は、発生したサージ電圧が何Vであっても、それとは関係なく、1Aに対応する制限電圧に電圧が抑えられるということでしょうか？

・迂回電流について追加で確認させて下さい。迂回電流が持つエネルギーはサージエネルギー以下のエネルギーになると思います。迂回電流は、回路を流れている時に、RI^2で熱に変換されるかと思います。よって、大きな抵抗が迂回経路にある場合は、その抵抗より後段の回路には流れないと考えて良いのでしょうか？

＞インダクタンスについては、「逆起電力」という言葉がいまだによく用いられますが、この言葉の弊害はこれが電圧源であるかのような印象を与えることです。
インダクタンスはLdi/dtで表される電圧として働くのではないということでしょうか？

基礎がなってない質問ばかりですが、宜しくお願い致します。

回答No.4

LCR707

インダクタンスに流れる電流は連続するので、回路が開いたときのインダクタンスから見た負荷抵抗がＲであれば、インダクタンスの電圧はＲＩになります。このときインダクタンスは電流源であると考えます。
接点回路のような場合はたいていそこが開けば、Ｒ＝∞になるので、高いサージ電圧が発生します。ですがその接点に並列に、あるいはインダクタ自体に並列にバリスタのような非線形素子が入っていれば、電流Ｉに応じた抵抗値が負荷抵抗になり、サージ電圧は抑制されます。

ωＬは周波数軸におけるインピーダンスなので、サージの周波数成分について考えれば、立ち上がりの早いサージほどインダクタンスの影響を大きく受けるという考えかたは間違いではありません。
ただ、定量的な計算をしようとした場合、過渡現象を周波数軸で計算するのは非常に面倒になるので、普通は微分方程式やラプラス変換を使います。

＞発生したサージ電圧が何Vであっても
まだ質問者さんと私では、考え方がかみ合っていないようですね。
雷などの外来サージは別として、ここでは回路内のインダクタが発生するサージの抑圧について述べています。
サージ電圧はバリスタの特性と無関係に発生したりはしません。

インダクタは、(1/2)LI^2 の電流エネルギーを持ちます。
接点が開いた後が、サージエネルギーになっても、迂回電流であっても、そのエネルギーの大きさは同じです。

インダクタンスには、v=Ldi/dtの電圧が発生しますが、ここでは電圧源ではなく、電流源であるということを強調してそのように書いています。

お礼

LCR707様、丁寧な御回答有難うございます。

インダクタンスを電圧源ではなく、電流源と捉えれば良いのですね。
大変勉強になりました。有難うございました！

ちなみに私はインダクタンスについて下記のように誤解していました。

■私の誤解
　→電圧が電流を決める
　・インダクタンス負荷をスイッチング
　・電流の時間変化率di/dtよりサージ電圧V=Ldi/dtが発生
　・サージ電圧Vによるサージ電流iが流れる。
　　回路のインピーダンスをZとすると、i=Vs/Z。

■少し勉強した結果（WEB）
　→電流が電圧を決める！
　・インダクタンス負荷をスイッチング
　・電流が最も流れやすい経路で（電圧降下の小さい経路）
　　で電流が流れる。
　・電流が流れた経路の電圧より、V=Ldi/dtで電流の
　　減少率が決まる。

まだまだ理解出来ていない部分、間違っている部分があると
思いますので、勉強を続けていかないと駄目ですね～

回答No.3

foobar

http://www.chemi-con.co.jp/catalog/pdf/va-j/va-sepa-j/va-appguide-j-090901.pdf
の(2)式では、Isは、Vcramp<Vsの領域では大きくなります。

(1),(2)でVclampを使っているので違和感があるように思います。
それよりも、(1),(2)式で、Vclampではなくバリスタの両端電圧 Vvを使って、
Vs=ZsIs+Vv ...1'
Is=Vs/Zs-Vv/zs ...2'
とおいて、2'を図1の上にプロットして、バリスタの両端電圧、Isは交点のIs,Vvになり、Vv<VsではVsによらず一定（Vclamp)になる。
という具合に示す方がよさそうに思います。

もし、最初からVclampを導入するなら、(2)をVcramp=と変形するのではなく、むしろ、Is=の形に変形して、Vcramp=一定として、Vs>Vcrampの時にどういう挙動になるか、を見る方がよさそうに思います。

スイッチ開閉時のサージ保護に関しては、＃２さんの回答のとおり。
インダクタンス負荷では、スイッチが開くときに負荷電流を維持しようとする挙動をします。
この電流を強引に（急激に）0にしようとすると、高電圧が発生します。
バリスタは（ある電圧を保持しながら）負荷電流の経路を確保する動作をするため、負荷電流までしか流れません。（でもって、回路電流はバリスタ電圧/負荷インダクタンスで決まる比率で下がっていきます。）

お礼

御回答ありがとうございます。

難しいです…バリスタについてなかなか理解出来ず↓
本質的な部分が理解出来てないのかも…

電源ライン上のサージと、スイッチングサージは別物と理解した方が良いでしょうか？

例えば、バリスタによる制限電圧を考える時、
(1)電源ライン上のサージ
　Vclamp(Vv)=Vs-ZsIs
(2)スイッチングサージ
　Is=負荷電流と考え、電圧電流特性図より、電流値=負荷電流に対する制限電圧を読みとる

補足

電源ライン上のサージは「Vs>Vv」で、
Vs-Vvの値が大きいほど大きなサージ電流が流れる。

スイッチングサージは「Vs=Vv」で、
ΔIs=0。よって、バリスタには負荷電流以上の電流は
流れない。

あってるでしょうか？

回答No.1

foobar

（電流を流すことで電圧を制限する、というよりも、バリスタには定電圧特性があるので、電圧が制限される、の方がよさそうに思います。）
バリスタよりも上流側のインピーダンス（配線のインピーダンスなど）のため、電流が大きくなると、電圧降下が起きて、バリスタ部分の電圧が制限されます。

接点を開くときにバリスタを流れる電流は、接点を流れていた電流以下です。
負荷からバリスタを結ぶ経路上では、単に負荷電流のOFFが少し遅れるように見えるだけです。

お礼

御回答ありがとうございます。

＞バリスタよりも上流側のインピーダンス（配線のインピーダンスなど）のため、電流が大きくなると、電圧降下が起きて、バリスタ部分の電圧が制限されます。

下記URLの1Page目のことですね。
http://www.chemi-con.co.jp/catalog/pdf/va-j/va-sepa-j/va-appguide-j-090901.pdf

下記(1)(2)を整合させる考え方について教えて下さい。(2)では、電流が大きくなっておらず、電圧降下も大きくならないと思うのですが、何故、電圧が制限されるのでしょうか？

(1)電流が大きくなると、電圧降下が起きて、バリスタ部分の電圧が制限されます。
(2)接点を開くときにバリスタを流れる電流は、接点を流れていた電流以下です。

基本的な内容かも知れませんが、宜しくお願い致します。