電子サーキットブレーカー：設計、回路図、動作原理を徹底解説

電子サーキットブレーカー – 回路図、動作原理、用途

家庭で使用するAC機器には、電流と電圧の処理限界があります。これらの閾値電圧と電流は「機器定格」と呼ばれ、メーカーが正常動作する範囲として示しています。定格電圧と電流は最適な動作条件であるだけでなく、これを超えると機器が損傷する可能性がある限界値でもあります。故障した機器は、同一ネットワークに接続されている他の機器にも悪影響を及ぼすことがあります。

これらの問題は、送電網からの電圧変動によって発生し、一般的に避けられません。電圧サージは、家庭の小型電子機器から大型高性能産業機械まで、多くの電子機器を破損させる原因となります。本記事では、電子サーキットブレーカーの作り方について、その回路を用いて突然の電圧サージから機器を守り、負荷をネットワークから切り離す方法を解説します。

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電子サーキットブレーカーの回路図

回路の概略図を以下に示します：

電子サーキットブレーカーに必要な部品

1. LM358 オペアンプ
2. 7805 レギュレータ = +5V
3. リレー = 5V
4. BC547 トランジスタ = 2個
5. 降圧トランス = 12V
6. 可変ポテンショメータ = 10kΩ
7. ダイオードブリッジ
8. 抵抗 = 1kΩ、2kΩ、2.2kΩ、5.1kΩ、10kΩ
9. コンデンサ = 0.1μF、10μF、100μF

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LM358

LM358 ICはオペアンプICです。低消費電力デュアルチャネルオペアンプICで、内部で周波数補償された2つの独立した高利得オペアンプを内蔵しています。単一電源で動作するよう設計され、幅広い電圧範囲で動作可能です。DCゲインブロック、トランスデューサアンプ、従来のオペアンプ回路など、多くの用途があります。このICは8ピンパッケージです。

ピン配置は以下の図の通りです。

上図に内部構造を示します。ICには2つの独立したオペアンプがあります。端子1と7がオペアンプの出力端子、端子3と5が非反転入力端子、端子2と6が反転入力端子です。通常のグランド端子とVCC端子がそれぞれ4と8にあります。

このICは経済的で入手しやすいだけでなく、電子的な側面でさらに優れた特徴を持っています：

1. 2つのオペアンプが内部で周波数補償済み
2. 単一電源範囲：3〜32V
3. デュアル電源範囲：±1.5V〜±16V
4. 電圧利得：100dB、帯域幅：1MHz
5. 消費電流：約500µAと非常に低い
6. 入力オフセット電圧：約2mVと小さい
7. コモンモード電圧範囲にグラウンド電位を含む
8. 差動入力電圧と電源電圧が比較可能

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7805レギュレータIC

電圧源を含む回路では、変動により固定電圧出力が得られない場合があります。この目的でよく使用されるのが7805レギュレータICで、固定リニア電圧レギュレータの一種としてこうした変動を抑制します。主な用途は以下の通り：

1. 固定出力レギュレータ
2. 負電源での正レギュレータ
3. 可変出力レギュレータ
4. 定電流レギュレータ
5. 可変DC電圧レギュレータ
6. デュアル電源レギュレータ
7. 出力極性反転保護回路
8. 逆バイアス保護回路

ピン番号	ピン名	機能
1	Input	非調整電圧を印加して調整済み出力を得る
2	Ground	グラウンドに接続
3	Output	調整済み電圧信号を出力

このICは入力電圧7.2V時に最大効率を達成します。

IC 7805電圧レギュレータでは、多くのエネルギーが熱として消費されます。入力電圧と出力電圧の差が熱として現れるため、差が大きいほど発熱が多くなります。トランジスタの穴はヒートシンク接続用です。したがって、このICもヒートシンク用のプロビジョンを提供しています。

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BC547トランジスタ

BC547はNPNバイポーラ接合トランジスタです。主にスイッチング用途と増幅用途で使用されます。ベースの微小電流で、コレクタとエミッタの大電流を制御します。基本用途はスイッチングと増幅です。BC547トランジスタのピン配置は以下の通り：

トランジスタの動作はシンプルです。端子に入力電圧を印加すると、ベースからエミッタへ電流が流れ始め、コレクタ電流を制御します。NPN構造のため、ベース・エミッタ間電圧はベース側が正、エミッタ側が負になります。

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リレー

リレーは電気的、電磁的、または電子的に動作するスイッチです。スイッチはメーク接点、ブレーク接点、またはこれらの組み合わせなど、複数の接点形態を持つことができます。リレーは、独立した低電力信号で回路を制御する場合や、1つの信号で複数の回路を制御する場合に使用されます。従来型リレーは電磁石で接点を開閉しますが、ソリッドステートリレーのように半導体特性を利用して可動部品なしで制御する動作原理も発明されています。本回路で使用する5Vリレーのピン配置は以下の通り：

ピン番号	ピン名	説明
1	コイル端子1	リレー駆動用
2	コイル端子2	リレー駆動用
3	コモン（COM）	負荷の一端に接続
4	常時閉鎖（NC）	負荷の他端をこれに接続すると、トリガー前は負荷が接続状態
5	常時開放（NO）	負荷の他端をこれに接続すると、トリガー前は負荷が非接続状態

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電子サーキットブレーカーの動作

上記回路図に従って部品を正しく接続してください。上記回路図には3つの部分があります。これら3つの部分を接続して1つの大きな回路を形成します。3つの部分は：

• 電源モジュール
• オペアンプモジュール
• リレーモジュール

これら3モジュールについて以降で簡単に説明します。

電源モジュール

この回路のオペアンプは、プロジェクトのサーキットブレーカーのコントローラーです。このオペアンプには5Vの安定化電源が必要です。家庭用コンセントのAC電圧（約220V）からこの回路を動作させます。まず、オペアンプに電源を供給するために、商用電源から入手可能な電圧を降圧する必要があります。

このために降圧トランスを使用し、ここでは12Vの降圧電圧を得るトランスを使用しました。トランスから得られる12V AC電圧は、ダイオードブリッジで構成される整流回路で整流し、AC電圧をDC電圧に変換します。

この整流出力により、約12VのDC電圧が得られます。この12V DCをLM7805電圧レギュレータICで調整します。可変抵抗と抵抗による分圧回路を使用して、電源モジュールの出力電圧を0〜5Vの範囲で任意に設定できます。ポテンショメータ電圧を変更することで、さまざまな電圧を得られます。12Vから5Vへのコンバータ回路を使用しても構いません。

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オペアンプモジュール

オペアンプモジュールは回路の主要部分であり、ここで電圧比較が行われます。今回作成するサーキットブレーカーは高電圧サージと低電圧サージの両方から保護するため、両ケースを考慮する必要があります。両ケースそれぞれに個別の回路があり、ラベル付き接続点でメイン回路に接続されます。

回路内のオペアンプは差動モードで使用されます。オペアンプのあらゆる用途の中から、この回路では電圧コンパレータとして使用しています。このコンパレータは、2つの端子の電圧を比較した後、ハイまたはローを出力します。下限と上限の閾値電圧は抵抗ネットワークで設定できます。

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リレーモジュール

オペアンプ回路に適切な電源を供給し、オペアンプを意図した通りに機能させた後、電子サーキットブレーカーによって高電圧または低電圧サージが検出された後の回路動作について考える必要があります。

電圧サージは、上述のオペアンプモジュールから得られます。オペアンプモジュールから得られるオペアンプの出力に基づいて、リレーがトリガーされます。両方のオペアンプ出力がハイのときのみリレーがトリガーされ、AC負荷が直接商用電源に接続されます。追加の1kΩ抵抗が電流制限用に使用されます。

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