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KR101894002B1 - 서지 보호기의 특성저하 감지회로 - Google Patents

서지 보호기의 특성저하 감지회로 Download PDF

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KR101894002B1
KR101894002B1 KR1020160179174A KR20160179174A KR101894002B1 KR 101894002 B1 KR101894002 B1 KR 101894002B1 KR 1020160179174 A KR1020160179174 A KR 1020160179174A KR 20160179174 A KR20160179174 A KR 20160179174A KR 101894002 B1 KR101894002 B1 KR 101894002B1
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Abstract

본 발명은 PTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor) 써미스터를 서지 보호기에 직렬로 연결하고 부하에는 병렬로 연결하여 과전압으로 인한 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 동작전압이 감소되는 것을 LED 표시 등을 통해 외부에 전달하거나 별도의 릴레이를 통해 부하전류를 차단하는 서지 보호기의 특성저하 감지회로에 관한 것이다.
본 발명의 특성저하 감지회로(100)는 부하(10)에 병렬로 연결되어 입력단(LINE, GND)의 서지 전압으로부터 부하(10)를 보호하기 위한 서지 보호기(110)와, 서지 보호기(110)에 직렬로 연결되어 서지 보호기(110)의 누설전류(Is)에 따라 저항이 증가되는 피티시(PTC;120)와, 피티시(PTC;120)와 서지 보호기(110)의 공통 연결단의 전압(VIN)을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 서지 보호기의 특성 저하를 감지하기 위한 비교기(130)와, 비교기(130)가 서지 보호기의 특성 저하를 감지하면 점등되어 특성 저하를 표시하는 광 검출기(140)와, 광 검출기(140)가 점등되면 부하의 전류를 차단하는 릴레이(150)로 구성된다.

Description

서지 보호기의 특성저하 감지회로{A detection circuit for degradation of a surge protective device}
본 발명은 서지 보호기의 특성 저하를 감지하기 위한 서지 보호기의 특성저하 감지회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor) 써미스터를 서지 보호기에 직렬로 연결하여 과전압으로 인한 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 동작전압이 감소되는 것을 LED 표시 등을 통해 외부에 전달하거나 별도의 릴레이를 통해 부하전류를 차단하는 서지 보호기의 특성저하 감지회로에 관한 것이다.
일반적으로, 서지 보호기(SPD, Surge Protection Device)는 낙뢰 또는 전원 스위치 개폐 시 발생하는 서지 전압으로부터 부하를 보호하기 위해 사용되는 것으로, TVS(Transient Voltage Suppressor diode) 다이오드 또는 MOV(Metal Oxide Varistor)를 부하입력 측에 병렬로 연결하여 서지 보호기 동작전압 이상의 서지 전압 발생 시 순간적으로 내부저항이 낮아지고 단락상태를 유지하여 부하에 유입되는 서지 전류를 제한하는 것이다.
한편, 서지 보호기는 입력전압이 정상이면 내부저항이 매우 높아 누설전류가 미세하므로 그 특성 저하를 감지하는 것이 매우 어렵고, 따라서 과도한 서지 에너지로 인해 고장 전류가 인가되어 서지 보호기가 영구적으로 단락 또는 개방 상태에 이를 때까지 특성저하에 대응하여 미리 조치하기 어려운 문제점이 있다.
도 1은 종래의 서지 보호기의 보호회로를 도시한 개략도로서, 종래의 서지 보호기의 보호회로는 써멀 퓨즈(Thermal Fuse;FUSE)를 서지 보호기(SPD)에 직렬로 연결하고, 서지 보호기(SPD)에 병렬로 엘이디(LED)를 연결하여 퓨즈(FUSE)가 동작하면 별도의 표시등(LED)을 통해 서지 보호기(SPD)의 파손 여부 및 교체시기를 외부로 전달하도록 되어 있다.
그런데 이와 같은 종래의 보호회로는 서지 보호기(SPD)의 영구적 파손 시, 고장 전류로 인한 화재 예방에는 효과적이나 서지 보호기(SPD)의 특성저하(Degradation)로 인해 그 동작전압이 감소하고 누설전류가 증가하면 이를 감지하지 못해 퓨즈(FUSE)의 동작 시점까지 누설전류로 인해 부품의 과열이 지속됨과 아울러 입력전압이 낮아지는 문제점이 있다.
KR 10-1253229 B1 KR 10-1429078 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 서지 보호기에 PTC 써미스터를 직렬로 연결한 후 서지 보호기의 특성저하가 발생하여 그 동작전압이 감소하고 누설전류가 상승하면 PTC 저항이 올라가는 것을 이용하여 서지 보호기의 동작전압 가변을 지속적으로 감지하고, 미리 설정된 기준전압보다 낮아지면 인접한 LED를 ON시킴과 아울러 필요 시 별도의 스위치 회로를 통해 부하(LOAD)를 전원에서 분리할 수 있는 서지 보호기의 특성저하 감지회로를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일측면에 따른 회로는, 부하에 병렬로 연결되어 서지 전압으로부터 부하를 보호하기 위한 서지 보호기와, 상기 서지 보호기에 직렬로 연결되어 상기 서지 보호기의 누설전류에 따라 저항이 증가되는 피티시(PTC)와, 상기 피티시(PTC)와 상기 서지 보호기의 공통 연결단의 전압을 소정의 기준전압과 비교하여 상기 서지 보호기의 특성 저하를 감지하기 위한 비교기와, 상기 비교기가 서지 보호기의 특성 저하를 감지하면 점등되어 특성 저하를 표시하는 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 서지 보호기의 특성저하 감지회로는, 상기 광 검출기가 점등되면 상기 부하의 전류를 차단하는 릴레이를 더 포함하여 과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 피티시(PTC) 전압에 반비례하는 서지 보호기의 동작전압과 미리 설정된 서지 보호기 특성저하 기준전압을 비교기로 입력받아 그 출력으로 상기 릴레이를 제어하여 부하 전류를 차단하는 것이다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 회로는, 부하에 병렬로 연결되어 서지 전압으로부터 부하를 보호하기 위한 서지 보호기와, 상기 서지 보호기에 직렬로 연결되어 서지 보호기의 누설전류가 증가하면 이에 비례하여 저항이 증가하면서 전압이 상승하는 피티시(PTC)와, 상기 피티시(PTC)에 병렬로 연결되어 상기 피티시(PTC)의 전압에 따라 점등되면서 밝기가 변화되어 서지 보호기의 특성저하 상태를 표시하는 엘이디(LED)로 구성되어 과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 상기 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 상기 피티시(PTC) 전압에 비례하여 상기 엘이디(LED) 전류 세기를 조정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로는, 서지 보호기에 PTC 써미스터를 직렬로 연결하여 서지 보호기의 특성이 저하될 경우에도 누설전류에 의한 열로 인해 PTC 저항이 상승하는 것을 이용하여 서지 보호기의 특성저하를 감지하여 표시함으로써 미리 조치를 취해 누설전류로 인해 부품이 과열되어 화재가 발생하거나 입력전압이 낮아져 오동작하게 되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 서지 보호기의 보호회로를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로를 도시한 회로도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로를 도시한 회로도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로를 도시한 회로도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 부하(10)에 병렬로 연결되어 입력단(LINE, GND)의 서지 전압으로부터 부하(10)를 보호하기 위한 서지 보호기(110)와, 서지 보호기(110)에 직렬로 연결되어 서지 보호기(110)의 누설전류(Is)에 따라 저항이 증가되는 피티시(PTC;120)와, 피티시(PTC;120)와 서지 보호기(110)의 공통 연결단의 전압(VIN)을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 서지 보호기의 특성 저하를 감지하기 위한 비교기(130)와, 비교기(130)가 서지 보호기의 특성 저하를 감지하면 점등되어 특성 저하를 표시하는 광 검출기(140)와, 광 검출기(140)가 점등되면 부하의 전류를 차단하는 릴레이(150)로 구성되어 과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 피티시(PTC) 전압에 반비례하는 서지 보호기의 동작전압과 미리 설정된 서지 보호기 특성저하 기준전압을 비교기(130)로 입력받아 그 출력으로 릴레이(150)를 제어하여 부하 전류를 차단하는 것이다.
도 2를 참조하면, 서지 보호기(SPD;110)의 특성저하를 감지하기 위해 PTC 써미스터(120)를 입력전압(VLINE)과 서지 보호기(110) 사이에 직렬로 연결하고, 서지보호기(SPD;110)의 감지전압(VIN)은 비교기(CM, Comparator;130) 입력회로의 양(+) 단자에 연결한다. 비교기(CM;130)의 음(-) 단자에 연결되는 기준(Reference)전압 (VREF)은 서지 보호기(110)의 특성저하 기준전압이며, 그 설정은 서지 보호기(110)의 동작전압(VSPD, Maximum Operating Voltage or Reverse Stand-off Voltage) 및 그 감지 오차(VDIFF)를 고려하여 R2, R3 저항치로 설정한다. 따라서 기준전압(VREF)은 다음 수학식 1과 같이 구해지고, 미리 설정된 감지오차(VDIFF)가 작을수록 서지 보호기(110)의 특성저하를 보다 조기에 감지할 수 있다.
Figure 112016127398214-pat00001
서지 보호기(110)가 정상적인 상태에서는 다음 표 1과 같이, 서지 보호기(110)의 동작전압(VSPD)은 입력전압(VLINE) 보다 크거나 같고, 서지 보호기의 감지전압(VIN)은 입력전압(VLINE)과 같으며, 다시 기준전압(VREF)보다는 크므로 비교기(CM; 130)는 1을 출력하고, 광 검출기(140)의 내부 LED는 OFF 상태가 된다. 광 검출기(140)로는 출력단이 격리된 LED 등을 이용할 수 있다.
VSPD >= VLINE,
VIN = VLINE,
VIN > VREF,
LED = OFF
한편, 서지 보호기(110)의 특성저하 또는 과전압 입력 상태에서는 다음 표 2와 같이, 서지 보호기(110)의 동작전압이 입력전압(VLINE) 보다 낮아지면 누설전류(Is)가 증가하고, 이로 인해 PTC(120)의 내부 저항치가 높아지면 PTC 전압(VPTC)는 상승하고, 이에 따라 서지 보호기(110)는 내부 과열이 제한된다. 이 때, 기준전압(VREF)은 입력전압(VLINE)에 비례하므로 감지전압(VIN)이 기준전압(VREF) 보다 작아지고, 비교기(CM;130)는 0을 출력하며, LED(140)는 ON 상태가 된다.
VIN = VLINE - VPTC,
VIN < VREF,
LED = ON
일반적으로, 서지 전류가 PTC 최대 허용 전류(Maximum Fault Current)를 초과하여 발생하면, PTC(120)는 파손되고 영구적 개방 상태가 된다. 만일 서지 보호기(110) 역시 같은 시점에 영구적 개방 상태가 되면 다음 표 3과 같이, 감지전압(VIN)은 R1 저항을 통해 접지전압 VGND와 같아지고, 이는 다시 기준전압(VREF)보다 작으므로 비교기(CM;130)는 0을 출력하고, LED(140)는 ON 상태가 된다.
VIN = VGND,
VIN < VREF,
LED = ON
이러한 바람직한 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로(100)는 기준전압(VREF) 설정을 통해 특성저하 감지범위를 정밀하게 유지할 수 있으나 비교기(CM) 회로가 추가되어야 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로를 도시한 회로도로서, 비교기 없이 저항 및 LED을 이용하여 저렴하게 구성한 예이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 서지 보호기의 특성저하 감지회로(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 부하(10)에 병렬로 연결되어 서지 전압으로부터 부하(10)를 보호하기 위한 서지 보호기(210)와, 서지 보호기(210)에 직렬로 연결되어 서지 보호기의 누설전류가 증가하면 이에 비례하여 저항이 증가하면서 전압이 상승하는 피티시(PTC;220)와, 피티시(PTC;220)에 병렬로 연결되어 피티시(PTC)의 전압에 따라 점등되면서 밝기가 변화되어 서지 보호기의 특성저하 상태를 아날로그적으로 표시하는 엘이디(LED; 230)로 구성되어 과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 피티시(PTC) 전압에 비례하여 엘이디(LED) 전류 세기를 조정하는 것이다.
도 3을 참조하면, LED 전류(ILED)는 다음 수학식 2와 같이, PTC 전압 VPTC에 비례한다.
Figure 112016127398214-pat00002
서지 보호기(210)가 정상적인 상태에서 LED 전류(ILED)는 다음 표 4와 같이 매우 낮다.
VIN = VLINE,
VPTC = 0,
ILED = 0
서지 보호기(210)가 특성저하 또는 과전압 입력 상태에서는 다음 표 5와 같이 서지 보호기(210)의 동작전압이 입력전압(VLINE)보다 낮아지면 누설전류(Is)가 증가하고, 이로 인해 PTC(220)의 내부 저항 치가 높아지면 PTC 전압(VPTC)은 상승하고, 서지 보호기(210)의 내부 과열은 제한된다. 이 때, LED 전류 ILED 는 PTC전압(VPTC)에 비례하여 상승한다.
VLINE > VIN,
VPTC > 0,
ILED > 0
일반적으로 서지 전류가 PTC 최대 허용 전류를 초과하여 발생하면(Maximum Fault Current), PTC(220)는 파손되고 영구적 개방 상태가 된다. 만일 서지 보호기(210) 역시 같은 시점에 영구적 개방 상태가 되면, LED 전류 ILED는 다음의 수학식 3과 같이 R7, R8 저항에 합산에 반비례하고, 입력전압 VLINE에 비례한다.
Figure 112016127398214-pat00003
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100,200: 서지 보호기의 특성저하 감지회로 10: 부하
110,210: 서지 보호기 120,220: 피티시(PTC)
130: 비교기 140: 광 검출기
150: 릴레이 230: 엘이디(LED)

Claims (3)

  1. 부하에 병렬로 연결되어 서지 전압으로부터 부하를 보호하기 위한 서지 보호기와,
    상기 서지 보호기에 직렬로 연결되어 상기 서지 보호기의 누설전류에 따라 저항이 증가되는 피티시(PTC)와,
    상기 피티시(PTC)와 상기 서지 보호기의 공통 연결단의 전압을 소정의 기준전압(VREF)과 비교하여 상기 서지 보호기의 특성 저하를 감지하기 위한 비교기와,
    상기 비교기가 서지 보호기의 특성 저하를 감지하면 점등되어 특성 저하를 표시하는 광 검출기를 포함하고,
    상기 기준전압(VREF)은,
    상기 서지 보호기의 특성 저하를 검출하기 위한 기준전압으로서, 그 설정은 서지 보호기의 동작전압(VSPD, Maximum Operating Voltage or Reverse Stand-off Voltage) 및 그 감지 오차(VDIFF)를 고려하여 수학식
    Figure 112018031266214-pat00009
    으로 구해지고, 미리 설정된 감지 오차(VDIFF)가 작을수록 서지 보호기의 특성저하를 보다 조기에 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 서지 보호기의 특성저하 감지회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서지 보호기의 특성저하 감지회로는,
    상기 광 검출기가 점등되면 상기 부하의 전류를 차단하는 릴레이를 더 포함하여
    과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 피티시(PTC) 전압에 반비례하는 서지 보호기의 동작전압과 미리 설정된 서지 보호기 특성저하 기준전압을 비교기로 입력받아 그 출력으로 상기 릴레이를 제어하여 부하 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 서지 보호기의 특성저하 감지회로.
  3. 부하에 병렬로 연결되어 서지 전압으로부터 부하를 보호하기 위한 서지 보호기와,
    상기 서지 보호기에 직렬로 연결되어 서지 보호기의 누설전류가 증가하면 이에 비례하여 저항이 증가하면서 전압이 상승하는 피티시(PTC)와,
    상기 피티시(PTC)에 저항(R7)과 함께 병렬로 연결되어 상기 피티시(PTC)의 전압에 따라 점등되면서 밝기가 변화되어 상기 서지 보호기의 특성저하 상태를 아날로그적으로 표시하는 엘이디(LED)로 구성되고,
    상기 엘이디(LED)에 흐르는 전류(ILED)는
    수학식
    Figure 112018031266214-pat00010
    에 따라 산출되며,
    과전압 입력 또는 서지 보호기의 특성저하 발생 시 상기 서지 보호기의 내부 과열을 제한하고 상기 피티시(PTC) 전압(VPTC)에 비례하여 상기 엘이디(LED) 전류 세기를 조정하는 것을 특징으로 하는 서지 보호기의 특성저하 감지회로.
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