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KR101476588B1 - 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치 - Google Patents

다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치 Download PDF

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KR101476588B1
KR101476588B1 KR20140070976A KR20140070976A KR101476588B1 KR 101476588 B1 KR101476588 B1 KR 101476588B1 KR 20140070976 A KR20140070976 A KR 20140070976A KR 20140070976 A KR20140070976 A KR 20140070976A KR 101476588 B1 KR101476588 B1 KR 101476588B1
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KR
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voltage
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정용기
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Abstract

본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 관한 것으로서, 전압이 유입되는 입력라인; 외부 라인에 연결되는 출력라인; 접지단을 구비한 서지방전부; 상기 입력라인과 상기 출력라인 사이에 설치되고, 상기 유입되는 전압이 서지전압이면 상기 접지단으로 방전시키는 적어도 2 이상의 서지보호회로들을 병렬로 구비하는 서지보호회로부; 상기 입력라인 및 상기 출력라인을 선택적으로 상기 서지보호회로들 중 하나로 연결시키는 회로전환부; 상기 입력라인의 입력단에 유입되는 입력전압, 및, 상기 서지보호회로에서 상기 접지단으로의 제2 방전전압을 측정하여, 상기 입력전압 및 상기 제2 방전전압 각각을 사전에 정해진 기준전압과 대비하는 상태측정부; 및, 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제2 방전전압의 대비 결과를 이용하여, 연결된 서지보호회로의 이상유무를 검출하고, 상기 연결된 서지보호회로가 이상으로 검출되면 상기 회로전환부를 통해 다른 서지보호회로로 전환하는 제어회로부를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 의하여, 서지 보호 회로의 손상 여부를 입력되는 서지 전압을 이용하여 검출함으로써, 서지 보호 회로의 손상 여부를 판단하기 위하여 별도의 전압을 인가할 필요가 없다.

Description

다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치 { A surge protection device with multi protection mode for communication }
본 발명은 서지 보호 회로를 다수로 구성하여 파손 및 기타 요인으로 일부의 회로가 정지되더라도 다른 회로에 의해 작동하도록 함으로써, 통신 불능 상태를 미연에 방지하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 관한 것이다.
산업 자동화 및 고속 통신기술의 발달에 힘입어 통신/제어 시스템의 발달은 날로 증가하고 있다. 통신/제어기기들은 반도체기술의 발달로 초고집적회로(VLSI)로 구성되어 서지에 대한 내성이 약해지면서 이로 인한 피해는 나날이 증가하고 있다. 이에 대한 대책으로 전원용 서지보호장치와 통신용 서지보호장치의 설치가 늘어나고 있다. 전원용 서지보호장치는 전력계통에 병렬연결로 장애 시 전력계통으로부터 분리하면 되지만 통신용 서지장치는 직렬연결로 장애 시 통신 불량으로 시스템에 미치는 영향은 즉각적이고 방대하다.
통신용 서지 보호장치의 주요소자는 MOV(Metal Oxide Varistor), GDT(Gas Discharge Tube), TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 저항 등 수동 소자로 구성된다. 이와 같은 서지 보호장치는 내/외부에서 발생되는 서지에 의해 본래의 특성을 잃어버리게 된다. 통신계통의 구조상 서지 보호장치는 선로 중간에 직렬로 삽입되어, 그 기능을 상실할 경우 피보호 장비에 대해 정상적인 보호가 불가능하다. 따라서 과도전압/전류에 의한 서지 보호장치의 고장은 장비에 직접적으로 피해를 줄 수 있다. 즉, 과전압 보호장치의 보호용량 이상의 서지전압이 유입되는 경우, 과전압 보호장치 내의 소자들이 손상되어 단락되는 경우가 많은데, 특히 가장 많이 손상이 일어나는 부품은 TVS 또는 바리스터이며 그 중에서도 TVS소자의 단락율이 가장 높다.
그러나, 과전압 보호장치는 육안으로는 고장 유무를 확인할 수 없어 과전압보호기의 수명이 다하였는데도 그 교체시기를 놓쳐 장비에 피해를 야기한 사례가 늘어나고 있다.
이를 위해, 바리스터와 TVS중 어느 하나 이상의 단락을 감지하여 LED로 표시하게 하여 즉각적 대응을 할 수 있게 한 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 또한, 배리스터의 수명을 연산하여 수명이 소정의 임계치에 이르렀을 경우 접속 전환을 하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 2]. 그러나 단락이 아닌 일부 손상된 경우에는 고장여부를 확인할 수 없어 서지유입시 장비의 피해가 발생되는 문제가 여전히 남아 있다.
이러한 문제를 해결하고자 다수의 서지 보호 회로를 구비하여, 하나의 서지 보호의 작동이 불능하면 자동으로 다른 서지 보호 회로로 전환하는 기술들이 제시되고 있다[특허문헌 3, 4].
도 1에서 보는 바와 같이, 종래 기술에 의한 서지(과전압) 보호 장치는 서지방전부(300)가 다수개로 이루어진다. 즉, 서지방전부(300)는 입력라인방전부(100)와 출력라인방전부(200) 사이에서 소정거리 이격된 다수개로 이루어지며, 선택적으로 입력라인방전부(100)와 출력라인방전부(200)에 연결되어 입력라인방전부(100)에서 유입되는 서지 또는 과전류가 출력라인방전부(200)로 배출되는 것을 방지한다.
구체적으로, 서지방전부(300)는 입력라인에 직렬적으로 연결되는 제1 선형저항(311), 제1 TVS(312)로 이루어진 제1 서지방전회로(310)와, 제2 선형저항(321), 제2 TVS(322)로 이루어진 제2 서지방전회로(320)로 이루어지고, 제1 서지방전회로(310)와 제2 서지방전회로(320)가 병렬적으로 위치한다. 이때, 서지방전부(300)의 제1 서지방전회로(310)와 제1 서지방전회로(320)는 제1 연결부(400)에 의해 입력라인방전부(100)에 선택적으로 연결되고, 제2 연결부(500)에 의해 출력라인방전부(200)에 선택적으로 연결된다.
이때, 입력라인방전부(100)와 출력라인방전부(200) 사이에 전압을 인가하고 서지방전회로의 손상여부를 확인한다. 입력라인방전부(100)에 연결되어 입력라인(110)에 소정의 체크전압을 인가한다. 특히, 입력라인방전부(100)의 제1 GDT(120)의 양단자에 연결되어 입력라인(110)의 양단에 함께 인가한다.
그리고 입력라인방전부(100)와 출력라인방전부(200)에 연결된 서지방전부(300)의 서지방전회로 사이의 전압을 검출하여 확인한다. 즉, 제1 서지방전회로(310)가 연결된 경우에는 제1 서지방전회로(310) 사이의 전압을 확인할 수 있고, 제2 서지방전회로(320)가 연결된 경우에는 제2 서지방전회로(320) 사이의 전압을 확인할 수 있다. 검출된 전압을 기준전압과 비교하여 서지방전회로의 이상 여부를 판단한다. 연결된 서지방전회로(310 또는 320)가 이상으로 판단되면 손상되지 않은 다른 서지방전회로(310 또는 320)로 연결한다.
그러나 상기와 같은 종래기술[특허문헌 3]은 서지방전회로의 손상 여부를 판단하기 위하여, 별도의 전압을 인가해야 한다는 문제점이 있다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1253229호 (2013.04.04.공고) [특허문헌 2] 일본특허공보 제5399856호 (2014.01.29.공고) [특허문헌 3] 한국등록특허 제10-1333547호 (2013.12.02.공고) [특허문헌 4] 한국등록특허 제10-1391823호 (2014.05.07.공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서지 보호 회로를 다수로 구성하여 파손 및 기타 요인으로 일부의 회로가 정지되더라도 다른 회로에 의해 작동하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 서지 전압이 인가되었을 때 서지 보호 회로의 손상 여부를 동시에 판단하여, 이상으로 검출되면 다른 정상적인 서지 보호 회로로 전환하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 관한 것으로서, 전압이 유입되는 입력라인; 외부 라인에 연결되는 출력라인; 접지단을 구비한 서지방전부; 상기 입력라인과 상기 출력라인 사이에 설치되고, 상기 유입되는 전압이 서지전압이면 상기 접지단으로 방전시키는 적어도 2 이상의 서지보호회로들을 병렬로 구비하는 서지보호회로부; 상기 입력라인 및 상기 출력라인을 선택적으로 상기 서지보호회로들 중 하나로 연결시키는 회로전환부; 상기 입력라인의 입력단에 유입되는 입력전압, 및, 상기 서지보호회로에서 상기 접지단으로의 제2 방전전압(본 발명에서 제2방전전압이라 함은 서지보호회로부에서 접지단으로 흐르는 전류를 전압으로 변환한 전압임)을 측정하여, 상기 입력전압 및 상기 제2 방전전압 각각을 사전에 정해진 기준전압과 대비하는 상태측정부; 및, 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제2 방전전압의 대비 결과를 이용하여, 연결된 서지보호회로의 이상유무를 검출하고, 상기 연결된 서지보호회로가 이상으로 검출되면 상기 회로전환부를 통해 다른 서지보호회로로 전환하는 제어회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제2 방전전압의 대비 결과가 동일하면 상기 서지보호회로가 이상한 것으로 검출하고, 다르면 상기 서지보호회로가 정상인 것으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 상태측정부는 상기 입력전압이 상기 기준전압 보다 더 크면 대비 결과를 1로 출력하고, 작으면 대비 결과를 0으로 출력하는 제1 비교기; 및, 상기 제2 방전전압이 상기 기준전압 보다 더 크면 대비 결과를 1로 출력하고, 작으면 대비 결과를 0으로 출력하는 제3 비교기로 구성하고, 상기 제어회로부는, 상기 제1 비교기와 상기 제3 비교기의 출력을 입력으로 하는 XNOR 게이트를 구비하여, 상기 XNOR 게이트의 출력이 0인 경우 상기 서지보호회로를 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 서지보호회로는 상기 입력라인과 직렬로 위치되는 선형저항과, 상기 입력라인과 상기 출력라인 사이에 병렬로 연결되는 TVS(Transient Voltage Suppressor)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 장치는, 상기 입력라인 상에 설치되어, 상기 입력라인으로 유입되는 서지전압을 상기 접지단으로 방전시키는 입력방전부; 및, 상기 출력라인 상에 설치되어, 상기 출력라인으로 역으로 유입되는 서지전압을 상기 접지단으로 방전시키는 출력력방전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 상태측정부는 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부에서 상기 접지단으로의 제1 방전전압을 측정하여, 상기 제1 방전전압을 사전에 정해진 기준전압과 대비하고, 상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제1 방전전압의 대비 결과를 이용하여, 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부의 이상유무를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제1 방전전압의 대비 결과가 동일하면 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부가 이상한 것으로 검출하고, 다르면 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부가 정상인 것으로 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서, 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부는 상기 입력라인 또는 상기 출력라인 상에 병렬로 설치되고 상기 접지단으로 연결되는 GDT(Gas Discharge Tube)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 의하면, 서지 보호 회로를 다수로 구성하여 파손 및 기타 요인으로 일부의 회로가 정지되더라도 다른 회로에 의해 작동하도록 함으로써, 통신 불능 상태를 미연에 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 의하면, 서지 보호 회로의 손상 여부를 입력되는 서지 전압을 이용하여 검출함으로써, 서지 보호 회로의 손상 여부를 판단하기 위하여 별도의 전압을 인가할 필요가 없는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래기술에 의한 서지 보호 장치에 대한 회로 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 대한 회로 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비교기에 대한 회로 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 및 제2 비교기의 출력 조합에 따라 입출력 방전부의 방전회로의 이상여부 판단을 나타낸 표.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제1 및 제3 비교기의 출력 조합에 따른 서지보호회로의 이상여부 판단을 나타낸 표.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 도 5 및 도 6의 판단에 대한 논리 진리표.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제어회로부의 회로 구성도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치의 개괄적인 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치는 입력방전부(10), 출력방전부(20), 서지보호회로부(30), 서지방전부(40), 회로전환부(50,60), 상태측정부(70), 제어회로부(80), 및, 전원부(90)로 구성된다.
입력방전부(10)는 입력단에 위치하며 1차적인 서지를 보호한다. 특히, 입력방전부(10)는 GDT(Gas Discharge Tube)를 구비하여 서지방전부(40)로 연결시켜 구성된다. 서지전압이 유입되면 1차적으로 GDT를 통해 서지방전부(40)의 접지단(G)으로 서지전압을 방전시킨다.
또한, 출력방전부(20)는 출력단에 위치하며 출력으로부터 역으로 들어오는 서지에 대해 보호하는 회로이다. 출력방전부(20)도 입력방전부(10)와 동일한 구성을 구비하여, 역으로 들어오는 서지전압을 접지단(G)(또는 서지방전부)을 통해 방출시킨다.
서지보호회로부(30)는 다수 개의 서지 보호 회로로 구성되며 회로전환부(40,50)에 의해 전환된다. 즉, 서지보호회로부(30)는 입력방전부(10)와 출력방전부(20) 사이에서 소정거리 이격된 다수 개로 이루어지며, 선택적으로 입력방전부(10)와 출력방전부(20)에 연결된다. 그래서 입력방전부(10)에서 유입되는 과전압이 출력방전부(20)로 인가되는 것을 방지하거나, 출력방전부(20)에서 역으로 유입되는 과전류를 서지방전부(40)를 통해 방출시킨다.
서지방전부(40)는 입력방전부(10), 출력방전부(20), 및 서지보호회로부(30)로부터 바이패스되는 서지 전류를 접지단(G)으로 방류하는 회로이다.
회로전환부(50,60)는 제어회로부(80)의 명령에 의해 다수 개의 회로로 구성된 서지보호회로부(30)에서 보호 회로를 교체, 변경한다
입력회로전환부(50)는 다수 개의 서지 보호 회로 중 어느 하나의 회로로 연결하는 연결부이다. 즉, 입력회로전환부(50)는 입력단의 입력라인(11)을 다수 개의 서지 보호 회로 중 선택적으로 어느 하나로 전환하여 연결한다.
출력회로전환부(60)는 출력단의 출력라인(21)을 다수 개의 서지 보호 회로 중 어느 하나를 선택하여 전환 연결한다. 이때, 입력회로전환부(50)와 출력회로전환부(60)는 모두 동일한 서지 보호 회로를 선택하여, 선택된 서지 보호 회로를 통해 서로 연결되어야 한다.
상태측정부(70)는 입력단의 전압 상태, 입출력 방전부의 방전 상태, 및, 서지보호회로에 의한 방전 상태를 측정하는 회로이다. 즉, 입력방전부(10)의 전단에 위치하여 인입부의 전압을 검출하고, 검출된 전압을 이용하여 정상상태와 과도전압(또는 서지)이 유입되는 비정상 상태인지 여부를 검출한다. 또한, 입출력방전부(10,20) 또는 서지보호회로부(30)에 의하여 방전하는 상태인지의 여부를 측정한다. 입력전압(또는 입력 전압의 상태)의 측정은 입력방전부(10)의 방전회로 다음에 위치하는 입력라인(11)으로부터 측정해도 된다. 입력방전부(10)에 의해 서지 전압이 모두 방전되지 않고 일부만 방전되고 나머지 전압이 입력라인(11)을 통해 서지보호회로부(30)로 입력되기 때문이다.
제어회로부(80)는 상태측정부(70)에서 측정된 값을 비교하여 서지보호회로부(30)의 이상유무를 판단한다. 그리고 제어회로부(80)는 이상유무의 판단결과에 따라, 회로전환부(50,60)에 전환 명령을 내려 정상적인 서지 보호 회로로 전환시킨다.
전원부(90)는 제어회로부(80) 및 회로전환부(50,60)에 전원을 공급하는 회로이다. 전원용 서지 보호 장치와는 달리, 통신용 서지 보호 장치는 통신라인의 전압을 전원으로 사용하면 전압 변동으로 인해 통신 에러를 발생시킬 수 있다. 따라서 통신라인의 전압 외의 별도의 전원으로 안정적인 공급을 해주어야 한다. 이를 위해, 별도의 전원부(90)를 두어, 제어회로부(80) 및 회로전환부(50,60)의 동작 전원을 공급한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치의 세부적인 구성 및 동작을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 입력단과 출력단에는 각각 입력방전부(10)와 출력방전부(20)가 구비된다.
입력방전부(10)는 서지가 유입되는 입력라인(11)의 인입단(In1, In2)과, 입력라인(11) 상에 병렬로 설치되는 제1 GDT(12)로 이루어진다. 제1 GDT(12)는 서지방전부(40)의 접지단(G)과 연결되어, 입력라인(11)으로 유입되는 서지전압을 1차로 방전시킨다. 즉, 제1 GDT(12)는 방전개시전압 이하에서는 개방상태가 되고 방전개시전압을 초과하는 서지가 유입되면 순간적으로 도통되어 서지를 제거하고, 다시 개방상태의 동작이 이루어지게 된다.
출력방전부(20)는 외부의 통신/신호 라인에 연결되는 출력라인(21)의 출력단(Out1, Out2)과 출력라인(21) 상에 병렬로 설치되는 제2 GDT(22)로 이루어진다. 제2 GDT(22)는 서지방전부(40)의 접지단(G)과 연결되어, 출력라인(21)으로부터 역으로 유입되는 전압을 접지단(G)을 통해 방출시킨다.
또한, 도 3에서 보는 바와 같이, 서지보호회로부(30)는 입력라인에 직렬적으로 연결되는 제1 선형저항(31a), 제1 TVS(31b)로 이루어진 제1 서지보호회로(31)와, 제2 선형저항(32a), 제2 TVS(32b)로 이루어진 제2 서지보호회로(32)로 이루어지고, 제1 서지보호회로(31)와 제2 서지보호회로(32)가 병렬적으로 위치한다. 그 외 다수의 서지보호회로가 추가적으로 병렬적으로 연결되어 구성될 수 있다.
이때, 서지보호회로부(30)의 제1 및 제2 서지보호회로(31,32,...) 등 다수의 서지보호회로는 후술하는 입력회로전환부(50)에 의해 입력방전부(10)에 선택적으로 연결되고, 출력회로전환부(60)에 의해 출력방전부(20)에 선택적으로 연결된다.
제1,2 선형저항(31a,32a)은 입력방전부(10)의 입력라인(11)(In1, In2)에 직렬로 위치하고, 입력회로전환부(50)에 의해 선택적으로 입력라인(11)에 연결되면 유입되는 과전류를 억제시켜 단락을 방지한다. 이러한 제1,2 선형저항(31a,32a)은 서지 보호장치에 사용되는 상용화된 소자로서 저항용량과 종류 및 형태를 한정하는 것은 아니다.
제1,2 TVS(31b,32b)는 입력방전부(10)의 입력라인(11)(In1, In2)과 출력방전부(20)의 출력라인(21)(Out1, Out2) 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 회로전환부(50,60)에 의해 선택적으로 입력라인(11) 및 출력라인(21)에 연결되면 입력라인(11) 또는 출력라인(21)으로부터 역으로 유입되는 서지전압을 접지단(GND)을 통해 방출시킨다. 즉, 제1,2 TVS(31b,32b)는 선로간 잔여 과도전압을 억제하여 절연파괴 이상의 전압이 센서 또는 계측제어기기에 침입하지 못하도록 한다.
또한, 제1,2 TVS(31b,32b)는 서지방전부(40)의 접지단(G)에 연결되어, 입력되는 서지 전압이 접지단(G)을 통해 방출된다.
도 3에 도시된 서지보호회로(31,32)의 구성은 그 일례일 뿐이다. 따라서 도 3과 같은 선형저항과 TVS(Transient Voltage Suppressor)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 과전압 보호 소자인 바리스터로 구성하거나, TVS 및 바리스터를 병렬로 구성하는 보호 회로 등도 본 발명에 적용할 수 있다.
또한, 앞서 제1 및 제2 GDT(12,22) 만으로는 서지를 100% 차단하지 못한다. GDT와 MOV의 주 기능은 서지전압을 제한하는 것이다. 예를 들어, 10Kv 서지전압 인가시 예로 2.5Kv로 전압을 낮게 만든다. 제1 및 제2 GDT(12,22)가 동작하여 낮아진 전압을 다시 TVS 다이오드에서 전압을 더 낮게 만든다. 이렇게 하여, 라인에 과전압을 최소로 한다. 상기와 같은 이유로, GDT와 TVS를 병행하여 사용하는 것이 바람직하다.
GDT와 TVS, MOV 전부 과전압을 억제하는 기능을 갖는다. 하지만 각 소자의 구성성분은 다르다. GDT는 가스로 구성되고, TVS는 반도체 소자이며, MOV 바리스터이다. 각 소자의 성분이 다른 만큼 서지에 반응하는 소자의 특성도 다르다. GDT는 서지유입시 방류하면서 속류라는 문제가 있어서, 라인과 N상에 사용되지 않고 N상과 접지쪽에 많이 사용되며 통신용에는 MOV 대신 TVS 소자를 사용하여 통신에 나타날 수 있는 신호 오류를 방지한다
GDT는 TVS 소자에 비해 전류방류 용량이 크다 일반적으로 10KA~20KA 이상의 서지방류 용량을 내장하고 있다. TVS소자는 서지 내량이 적어 파손 가능성이 높다. 이를 보호하기 위해 서지 내량이 큰 GDT를 사용한다.
이하에서 설명하듯이, GDT 고장유무를 판결하기 위해서는 각 GDT 접지라인에 CT를 설치하여 확인할 수 있다.
한편, 입력회로전환부(50)는 입력방전부(10)와 서지보호회로부(30) 사이에 위치하면서 입력라인(11)을 선택적으로 서지보호회로부(30)의 제1 및 제2 서지보호회로(31,32) 등 다수의 서지보호회로 중 어느 하나에 연결시킨다.
출력회로전환부(60)는 서지보호회로부(30)와 출력방전부(20) 사이에 위치하면서 출력라인(21)을 선택적으로 서지보호회로부(30)의 제1 및 제2 서지보호회로(31,32) 등 다수의 서지보호회로 중 어느 하나에 연결시킨다.
이때, 입력회로전환부(50)와 출력회로전환부(60)는 모두 동일한 서지 보호 회로를 선택하여, 선택된 서지 보호 회로를 통해 서로 연결되어야 한다. 예를 들어, 입력회로전환부(50)가 제1 서지보호회로(31)에 연결되면 출력회로전환부(60)도 제1 서지보호회로(31)에 연결되어야 하고, 입력회로전환부(50)가 제2 서지보호회로(32)에 연결되면 출력회로전환부(60)도 제2 서지보호회로(32)에 연결되어야 한다.
또한, 입력회로전환부(50)와 출력회로전환부(60)가 제1 서지보호회로(31)에 연결되면 제1 서지방전회로(31)가 구동되면서 유입된 서지를 제거하고, 입력회로전환부(50)와 출력회로전환부(60)가 제2 서지보호회로(32)에 연결되면 제2 서지보호회로(32)가 구동되면서 유입된 서지를 제거하게 된다.
다음으로, 상태측정부(70)는 제1 비교기(71), 제2 비교기(72), 및, 제3 비교기(73)로 구성된다.
상태측정부(70)는 OPAMP(Operational Amplifier)를 이용하여, 서지 전압인지 여부를 측정하는 비교회로이다. 즉, 각 비교기(71,72,73)는 정상상태의 전압과 서지에 의한 과도전압을 비교하기 위해 OPAMP(Operational Amplifier)를 이용한 비교 회로이다.
도 4에서 보는 바와 같이, OPAMP에 두 개의 입력이 주어지는데 기준전압값(예로 선로의 전압이 24V이면 기준전압값도 24V를 준다) 대비 측정값이 기준값 보다 높으면 하이(High) 신호, 같으면 (Low) 신호를 출력한다.
OPAMP를 이용한 비교회로는 전압측정을 위한 제1 비교기(71), 인입과 출력의 방전 전류 측정을 위한 제2 비교기(72), 및, 서지보호회로의 TVS 다이오드로부터 방류되는 전류측정용 제3 비교기(73) 등 총 3개의 회로로 구성된다.
제1 비교기(71)는 측정값으로 입력단의 입력전압을 기준전압(Vref)과 비교한다. 즉, 제1 비교기(71)는 기준전압(Vref)과 입력전압을 입력받아, 상기 양 전압을 비교하여, 그 결과를 출력하는 회로이다. 즉, 입력전압이 기준전압 보다 높으면 하이(high)(또는 1) 신호를 출력하고, 동일하면 로우(low)(또는 0) 신호를 출력한다.
또한, 제2 비교기(72)는 서지 측정 회로인 CT(Current Transformer) 센서(75a,75b)에 적용하여 평상시 보다 높은 출력이 있으면 하이(high) 신호(또는 1)를 출력한다. 제2 비교기(72)의 CT센서(75a,75b)는 입력단과 출력단의 GDT 전류측정용 회로로서, 병렬로 연결된다. 이것은 입력으로부터의 전류와, 역으로 출력라인으로부터 오는 서지 전류를 측정하기 위한 것이다.
CT센서(75a,75b)는 입력방전부(10) 또는 출력방전부(20)와, 서지방전부(40)(또는 접지단)와의 사이에 구비된다.
일반적으로 입력단으로 유입되는 서지는 입력단의 제1 GDT(12)에서 방류가 대부분 이루어지기 때문에, 출력단의 제2 GDT(22)에서는 방류 활동이 거의 없다. 따라서 입력과 출력단의 CT 센서(75a,75b)의 출력을 병렬로 연결하더라도 서지 유입시 전류측정값이 중복되지는 않는다.
또한, 제3 비교기(73)는 서지보호회로부(30)의 방전을 측정하는 CT센서(75c)의 측정값과, 기준전압을 비교한다. 제3 비교기(73)의 CT센서(75c)의 출력을 측정값으로 비교하는 구성은 제2 비교기(72)의 구성과 동일하다. CT센서(75c)는 서지보호회로부(30) 또는 TVS(32a,32b)와, 서지방전부(40) 또는 접지단(G)와의 사이에 구비된다.
결국, 제1 비교기(71)는 입력전압이 과도전압 또는 서지인지를 검출하고, 서지 전압인 경우 하이(high) 또는 1을 출력한다. 반대로, 제1 비교기(72)는 서지가 아닌 경우 로우(low) 또는 0을 출력한다.
또한, 제2 비교기(72)는 입력방전부(10) 또는 출력방전부(10)에서 서지가 방전되는지 여부를 검출하여, 서지가 방전하고 있는 상태이면 하이(high) 또는 1을 출력한다. 또한, 제2 비교기(72)는 입출력 방전부(10,20)에서 서지가 방전되지 않으면 로우(low) 또는 0을 출력한다.
또한, 제3 비교기(73)는 서지보호회로부(30)에서 서지가 방전되는지 여부를 검출하여, 서지가 방전하고 있는 상태이면 하이(high) 또는 1을 출력한다. 제3 비교기(73)는 서지가 방전되지 않으면 로우(low) 또는 0을 출력한다.
다음으로, 제어회로부(80)는 상태측정부(70)에서 입력전압 상태, 입출력 방전부(10,20), 및, 서지보호회로부(30)에서 측정하여 검출된 방전 상태를 이용하여, 현재 연결된 서지보호회로의 이상유무를 판단한다. 그리고 제어회로부(80)는 현재 연결된 서지보호회로가 이상 상태인 것으로 판단되면, 다른 정상적인 서지보호회로로 전환한다.
서지에 의한 회로가 파손되었는지에 대한 판단은 매우 중요하다. 정상적으로 동작하는 회로를 잘못 인식하여 불량로로 인식하지 않기 위해 정확한 판단기준을 만들고자 한다. 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 제1 비교기(71)에 의해 검출된 입력전압의 상태와, 제2 비교기(72)에 의해 검출된 입출력 방전부(10,20)의 방전 상태를 조합하면, 입출력 방전부(10,20)의 방전 회로(또는 GDT)의 이상유무를 판단할 수 있다.
즉, 입력전압이 정상상태의 전압이고(제1 비교기의 출력이 0이고) 입출력 방전부(10,20)의 제1 및 제2 GDT(12,22)에서 서지가 검출되지 않으면(제2 비교기의 출력이 0이면), 제1 및 제2 GDT(12,22)는 정상임을 알 수 있다. 반대로, 정상상태의 전압(제1 비교기의 출력이 0)에서, 제1 및 제2 GDT(12,22)에서 서지가 검출되면(제2 비교기의 출력이 1이면) 고장임을 알 수 있다.
또한, 입력전압이 비정상 상태, 즉, 서지가 입력되는 경우(제1 비교기의 출력이 1), 입출력 방전부(10,20)의 제1 및 제2 GDT(12,22)에서 서지가 검출되면(제2 비교기의 출력이 1이면), 제1 및 제2 GDT(12,22)는 정상임을 알 수 있다. 반대로, 서지상태에서(제1 비교기의 출력이 1), 제1 및 제2 GDT(12,22)에서 서지가 검출되면 정상임을 알 수 있다.
또한, 도 6에서 보는 바와 같이, 제1 비교기(71)에 의해 검출된 입력전압의 상태와, 제3 비교기(73)에 의해 검출된 서지보호회로부(30)의 방전 상태를 조합하면, 서지보호회로부(30)의 서지 보호 회로(또는 GDT)의 이상유무를 판단할 수 있다. 도 6의 이상유무 판단 방법은 도 5의 이상유무 판단 방법과 동일하다.
도 5와 도 6의 비교기의 입력에 대한 이상유무 판단을 논리의 진리표로 구성하면 도 7과 같다. 도 7에서 보는 바와 같이, 두 입력값이 다르면 0이고, 같으면 1이다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
[수학식 1]
Y=!((!A)B)+(A(!B))
여기서, A와 B는 비교기의 출력이고, Y는 이상유무의 판단 결과이다.
즉, 각 비교기의 출력은 서지유입을 검출하기 위한 제1 비교기(71)의 출력을 기준으로, 서지전압과 CT 출력(또는 GDT 출력), 그리고 서지전압과 TVS 출력을 XNOR 게이트 입력으로 적용하여 2개의 결과를 얻는다
플립플롭회로 중 XNOR 게이트 회로를 응용한 판단기준을 정하여 회로의 이상유무를 판단한다. 제어회로부(80)는 회로변환부(50,60)에 전환명령을 내리기 위한 판단기준은 앞서 수학식 1이나, 도 7과 같다.
이를 회로로 구현한 것이 도 8과 같다.
제1 비교기(71)의 출력(Vout1)과, 제2 비교기(72)의 출력(Vout2)를 XNOR 게이트의 입력으로 구성하여, 상기 XNOR 게이트의 출력에 따라, 입출력 방전부(10,20)의 제1 또는 제2 GDT(12,22)의 이상유무를 검출한다.
또한, 제1 비교기(71)의 출력(Vout1)과, 제3 비교기(72)의 출력(Vout3)를 XNOR 게이트의 입력으로 구성하여, 상기 XNOR 게이트의 출력에 따라, 서지보호회로부(30)의 제1 또는 제2 TVS(31b,32b)의 이상유무를 검출한다.
앞서 설명한 바와 같이, 입력전압이 정상상태와 낙뢰에 의한 과도전압 유입상태를 하나의 조건으로 하고, GDT와 접지간에 연결된 CT센서(current transformer)로부터 또 다른 조건을 입력, TVS 소자로부터 흐르는 전류 측 등 3가지 조건에 의한 정상/비정상을 제어회로부(80)에서 판단 및 전환명령을 정확하게 내릴 수 있게 된다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 입력방전부 11 : 입력라인
12 : 제1 GDT 20 : 출력방전부
21 : 출력라인 22 : 제2 GDT
30 : 서지보호회로부 31, 32 : 서지보호회로
31a, 32a : 제1, 제2 선형저항 31b, 32b : 제1, 제2 TVS
40 : 서지방전부 50 : 입력회로전환부
60 : 출력회로전환부 70 : 상태측정부
71,72,73 : 제1,2,3 비교기 75a,75b,75c : CT센서
80 : 제어회로부 90 : 전원부

Claims (8)

  1. 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치에 있어서,
    전압이 유입되는 입력라인;
    외부 라인에 연결되는 출력라인;
    접지단을 구비한 서지방전부;
    상기 입력라인과 상기 출력라인 사이에 설치되고, 상기 유입되는 전압이 서지전압이면 상기 접지단으로 방전시키는 적어도 2 이상의 서지보호회로들을 병렬로 구비하는 서지보호회로부;
    상기 입력라인 및 상기 출력라인을 선택적으로 상기 서지보호회로들 중 하나로 연결시키는 회로전환부;
    상기 입력라인의 입력단에 유입되는 입력전압, 및, 상기 서지보호회로에서 상기 접지단으로의 제2 방전전압을 측정하여, 상기 입력전압 및 상기 제2 방전전압 각각을 사전에 정해진 기준전압과 대비하는 상태측정부; 및,
    상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제2 방전전압의 대비 결과를 이용하여, 연결된 서지보호회로의 이상유무를 검출하고, 상기 연결된 서지보호회로가 이상으로 검출되면 상기 회로전환부를 통해 다른 서지보호회로로 전환하는 제어회로부를 포함하고,
    상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제2 방전전압의 대비 결과가 동일하면 상기 서지보호회로가 이상한 것으로 검출하고, 다르면 상기 서지보호회로가 정상인 것으로 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상태측정부는
    상기 입력전압이 상기 기준전압 보다 더 크면 대비 결과를 1로 출력하고, 작으면 대비 결과를 0으로 출력하는 제1 비교기; 및,
    상기 제2 방전전압이 상기 기준전압 보다 더 크면 대비 결과를 1로 출력하고, 작으면 대비 결과를 0으로 출력하는 제3 비교기로 구성하고,
    상기 제어회로부는,
    상기 제1 비교기와 상기 제3 비교기의 출력을 입력으로 하는 XNOR 게이트를 구비하여, 상기 XNOR 게이트의 출력이 0인 경우 상기 서지보호회로를 전환하는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서지보호회로는 상기 입력라인과 직렬로 위치되는 선형저항과, 상기 입력라인과 상기 출력라인 사이에 병렬로 연결되는 TVS(Transient Voltage Suppressor)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 입력라인 상에 설치되어, 상기 입력라인으로 유입되는 서지전압을 상기 접지단으로 방전시키는 입력방전부; 및,
    상기 출력라인 상에 설치되어, 상기 출력라인으로 역으로 유입되는 서지전압을 상기 접지단으로 방전시키는 출력방전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상태측정부는 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부에서 상기 접지단으로의 제1 방전전압을 측정하여, 상기 제1 방전전압을 사전에 정해진 기준전압과 대비하고,
    상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제1 방전전압의 대비 결과를 이용하여, 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부의 이상유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어회로부는 상기 입력전압과의 대비 결과 및 상기 제1 방전전압의 대비 결과가 동일하면 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부가 이상한 것으로 검출하고, 다르면 상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부가 정상인 것으로 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입력방전부 또는 상기 출력방전부는 상기 입력라인 또는 상기 출력라인 상에 병렬로 설치되고 상기 접지단으로 연결되는 GDT(Gas Discharge Tube)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 보호 모드의 통신용 서지 보호 장치.
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