KR100515871B1 - 트라이액을 이용한 교류 전류 센서 및 교류 전류 감지 방법 - Google Patents

트라이액을 이용한 교류 전류 센서 및 교류 전류 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트라이액을 이용하여 교류 전류를 감지하는 교류 전류 센서 및 그 감지 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 교류 전류 센서는 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 결합되는 트라이액과, 상기 트라이액의 T1 단자 및 T2 단자 사이의 전압을 감지하는 전압 감지부와, 상기 트라이액의 전류 전압 특성을 이용하여, 상기 전압 감지부로부터 입력되는 전압값을 전류값으로 변환하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 따른 교류 전류 센서는 트라이액을 이용하기 때문에 제품의 초소형화가 가능하고 제작 비용이 저렴하며, 증폭기가 필요없어 회로 구성이 간단해진다.

Description

트라이액을 이용한 교류 전류 센서 및 교류 전류 감지 방법 {AC CURRENT SENSOR USING TRIAC AND MEHOD THEREOF}
본 발명은 교류 전류 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트라이액을 이용하여 교류 전류를 감지하는 교류 전류 센서 및 그 감지 방법에 관한 것이다.
종래의 교류 전류 감지 기술로는 변류기(current transformer)를 이용한 방식, 홀 소자(Hall Effect Sensor)를 이용한 방식, 저항을 이용한 방식 등이 있다.
먼저, 변류기를 이용한 방식은 교류 전류가 흐르는 도전체 주위에 도너츠 모양의 자심을 배치하고, 그 자심에 1차 및 2차 코일을 감아 2차 코일의 전류를 측정함으로써 1차 전류를 감지하는 방식이다. 그러나, 이 방식의 경우 1차 회로, 자심, 2차 회로, 절연체 등이 필요하여 부피가 커지고 제작비가 높아지며, 2차 코일로부터 측정된 전류의 값이 아주 작기 때문에 별도의 증폭기가 필요하다. 또한, 자심의 포화 특성으로 인하여 그 측정 범위가 지나치게 좁고, 2차 출력이 비선형성을 갖는다는 문제점이 있다.
또한, 홀 소자를 이용한 방식은 교류 전류가 흐르는 도전체에 의하여 형성되는 자계 내에 홀 소자(Hall IC)를 배치하여 홀 전압을 측정함으로써 자계의 강도, 즉 전류의 강약을 감지하는 방식이다. 그러나, 이 방식의 경우 홀 소자가 온도 의존성이 높고 비교적 고가라는 문제점이 있다. 또한, 홀 소자를 이용하는 경우에도 홀 소자로부터 측정된 전압의 세기가 매우 작기 때문에 별도의 증폭기가 필요하여 회로 구성이 복잡해진다.
또한, 저항을 이용한 방식은 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 센스 저항기(sense resistor)를 직렬 연결하여, 이 센스 저항기에 걸리는 전압을 판독하여 이를 전류로 변환하는 방식이다. 그러나, 이 방식의 경우 센스 저항기의 자체 발열로 인한 오차가 크고, 측정 전류와 출력 신호간이 전기적 절연이 이루어지지 않기 때문에 시스템에 치명적인 손상을 미칠 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 센스 저항기의 저항값이 매우 작기 때문에 저항기로부터 측정되는 전압값 역시 작게 나타나므로 별도의 증폭기 필요하게 된다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 트라이액(triac)을 이용하여 소형이고 회로 구성이 간단하며 제작 비용이 저렴하고 측정도가 정확한 교류 전류 센서 및 그 전류 감지 방법을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적 및 장점 이외에 다른 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 통하여 명백해 질 것이다.
본 발명의 제1 특징에 따른 교류 전류 센서는 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 결합되는 트라이액과, 상기 트라이액의 T1 단자 및 T2 단자 사이의 전압을 감지하는 전압 감지부와, 상기 트라이액의 전류 전압 특성을 이용하여, 상기 전압 감지부로부터 입력되는 전압값을 전류값으로 변환하는 제어부를 포함한다.
상기 특징에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 트라이액의 게이트 단자에 소정의 전류를 공급하여 상기 트라이액을 턴 온 상태로 유지시킨다.
또한, 상기 특징에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류 전류 센서는 적어도 2개 이상의 온도 조건에서의 트라이액의 전압-전류 특성 데이터가 포함되어 있는 전압-전류 룩업 테이블(Voltage to Current Look Up Table)이 저장되어 있는 메모리를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전압-전류 룩업 테이블을 이용하여 상기 전압 감지부로부터 입력되는 전압값을 전류값으로 변환한다.
또한, 상기 특징에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류 전류 센서는 상기 트라이액의 온도를 감지하여, 감지된 온도 데이터를 제어부로 전송하는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 온도 데이터를 입력받아 변환된 전류값을 보정한다. 여기서, 상기 전류값의 보정은 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 수행된다.
또한, 상기 특징에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류 전류 센서는 상기 전압 감지부로부터 입력되는 아날로그 전압 신호에서 DC 성분을 제거하고, 디지털 전압 신호로 변환하여 상기 제어부로 전송하는 신호 처리부를 더 포함한다.
본 발명의 제2 특징에 따른 트라이액을 이용한 교류 전류 감지 방법은 (a) 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 트라이액을 연결하는 단계와, (b) 상기 트라이액의 게이트 단자에 소정의 전류를 인가하여 상기 트라이액을 턴 온 상태로 유지시키는 단계와, (c) 상기 트라이액의 T1 단자 및 T2 단자 사이의 전압을 감지하는 단계와, (d) 상기 감지된 전압값을 상기 트라이액의 전류 전압 특성을 이용하여 전류값으로 변환하는 단계를 포함한다.
상기 특징에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는 적어도 2개 이상의 온도 조건에서의 트라이액의 전압-전류 데이터가 포함되어 있는 전압-전류 룩업 테이블(Voltage to Current Look Up Table)을 이용한다.
또한, 상기 특징에 따른 다른 바람직한 실시예에 있어서, 상기 교류 전류 감지 방법은 (e) 상기 트라이액의 온도를 감지하는 단계와, (f) 상기 감지된 온도 데이터를 이용하여 상기 (d) 단계에서 변환된 전류값을 보정하는 단계를 더 포함한다. 이때, 상기 (f) 단계의 전류값의 보정은 선형 보간법을 통하여 수행된다.
본 발명에 따른 교류 전류 센서는 트라이액을 이용하기 때문에 제품의 초소형화가 가능하고 제작 비용이 저렴하며, 증폭기가 필요없어 회로 구성이 간단해진다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교류 전류 센서의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 상기 교류 전류 센서(100)는 트라이액(triac)(10), 전압 감지부(12), 신호 처리부(14), 제어부(16), 온도 센서(18) 및 메모리(20)를 포함한다.
상기 교류 전류 센서(100)에 대한 구체적인 설명에 앞서 상기 트라이액(10)의 동작 특성에 대하여 개략적으로 살펴 보도록 한다.
상기 트라이액(10)은 양방향성 3단자 사이리스터(thyrister)로서, 게이트(G) 단자에 일정 전류 이상이 인가될 때 양단(T1,T2)을 턴 온(turn on)시키는 양방향 스위칭 반도체 소자이다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 트라이액(10)의 전압 전류 특성을 설명한다.
먼저, 도 2는 턴 온 상태에서 트라이액의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도된 바와 같이, 전류는 트라이액의 양단(T1,T2)에 인가되는 전압의 증가에 비례하여 선형적으로 증가하고 있다. 또한, 트라이액의 온도 변화에 따라 인가 전압에 따른 전류값이 변화됨을 알 수 있다.
도 3은 턴 온 상태에서 트라이액의 온도-전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 전류는 트라이액의 온도 증가에 비례하여 선형적으로 증가하고 있다.
결국, 트라이액의 전류는 턴 온 상태에서 전압 및 온도 변화에 대하여 선형적으로 변화됨을 알 수 있다.
이제, 본 발명의 교류 전류 센서(100)에 대하여 설명하면, 먼저 상기 트라이액(10)은 교류 전류가 흐르는 도전체(1) 사이에 삽입되어 그 양단에 연결된다. 이 때, 도전체의 (+)단 및 (-)단은 각각 트라이액의 T2 단자 및 T1 단자에 연결되는 것이 바람직하다. 한편, G 단자는 상기 제어부(16)에 연결되어 소정 값의 전류를 인가받아 트라이액을 턴 온 상태로 유지한다.
상기 전압 감지부(12)는 상기 트라이액(10)의 양단(T1,T2)에 인가되는 전압을 감지하며, 상기 신호 처리부(14)는 전압 감지부(12)로 입력된 아날로그 전압 신호에서 DC 성분을 제거한 후 디지털 전압 신호로 변환하여 상기 제어부(16)로 전송한다.
상기 제어부(16)는 교류 전류 센서(100)의 각 구성 요소의 동작을 제어하고, 상기 온도 센서(18)는 상기 트라이액(10)의 온도를 감지하여 상기 제어부(16)로 전송하며, 상기 메모리(20)에는 후술할 전압-전류 룩업 테이블(Voltage to Current Look Up Table)이 저장되어 있다. 또한, 상기 제어부(10)는 상기 신호 처리부(14)로부터 입력되는 디지털 전압 신호, 상기 온도 센서(18)로부터 입력되는 온도 데이터, 및 상기 메모리(20)에 저장된 전압-전류 룩업 테이블을 이용하여 출력 전류값(I0)을 결정한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전압-전류 룩업 테이블을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 트라이액(10)의 온도가 각각 -40℃, 20℃ 및 80℃인 조건에서 트라이액(10)의 전압값에 대응하는 전류값이 나타나 있다. 본 실시예에서 도 4에 도시된 전압-전류 룩업 테이블은 도 2에 도시된 트라이액의 전류 전압 특성 곡선에 기초하여 제작되었다.
상기 제어부(16)에서는 메모리(20)에 저장되어 있는 상기 전압-전류 룩업 테이블과, 상기 신호 처리부(14)로부터 입력되는 전압 데이터와, 상기 온도 센서(18)로부터 입력되는 온도 데이터를 기초로 출력 전류(Io)을 결정하게 된다.
이 때, 입력되는 전압 데이터 또는 온도 데이터가 상기 전압-전류 룩업 테이블에 설정된 데이터와 일치하지 않는 경우에는 선형 보간법(linear interpolation)에 의하여 출력 전류(Io)를 결정하게 된다. 전술한 바와 같이, 턴 온 상태에서 트라이액의 전류가 전압 및 온도에 대하여 선형성을 갖기 때문에 선형 보간법에 의하여 출력 전류(I0)를 결정하더라도 그 오차는 무시할만한 것에 불과할 것이다.
상기 선형 보간법에 의한 출력 전류의 결정 방법에 대하여 상술하면, 출력 전류를 전압(V) 및 온도(T)의 함수 I(V,T)라고 가정하고, 만일 온도 T = T0이고, 전압 V가 V0, V1 사이 값인 경우, 출력 전류 I(V,T0)는 아래의 수학식을 통하여 산출될 수 있다.
여기서, 상기 I(V0) 및 I(V1)은 각각 I(V0,T0) 및 I(V1 ,T0)을 간략히 표현한 것으로서, 상기, V0, V1, I(V0,T0) 및 I(V1,T0 ) 모두는 전압-전류 룩업 테이블에 설정되어 있는 데이터이다.
유사한 방식으로, 전압 V = V0이고, 온도 T가 T0, T1 사이 값인 경우, 출력 전류 I(V0,T)는 아래의 수학식으로 산출될 수 있다.
여기서, I(T0) 및 I(T1)은 각각 I(V0,T0) 및 I(V0,T 1)을 간략히 표현한 것으로서, 상기 V0, V1, I(V0,T0) 및 I(V0,T1 ) 모두는 전압-전류 룩업 테이블에 설정되어 있는 데이터이다.
이제, 전술한 구성을 갖는 교류 전류 센서(100)의 동작을 보다 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교류 전류 센서의 동작 절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 트라이액을 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 연결한 후, 상기 트라이액을 턴 온 시킨 상태에서 트라이액의 양단(T1,T2)에 걸리는 전압을 감지한다(단계 10). 다음, 감지되는 아날로그 교류 전압 신호에서 DC 성분을 제거한다(단계 12). 다음, DC 성분이 제거된 아날로그 교류 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환한다(단계 14). 다음, 전압-전류 룩업 테이블을 이용하여 전압값을 전류값으로 변환한다(단계 16). 이때, 온도 데이터는 소정의 값(예컨대, 20℃)을 이용한다. 한편, 입력되는 디지털 전압 신호의 전압값이 전압-전류 룩업 테이블에 설정된 전압값과 일치하지 않는 경우 전류값은 전술한 수학식 1의 선형 보간법을 이용하여 결정될 수 있다.
다음, 트라이액의 온도를 감지하고(단계 18), 감지된 온도 데이터를 기초로 단계 16에서 변환된 전류값을 보정한다(단계 20). 즉, 단계 16에서 이용된 소정 온도(예컨대, 20℃)와 실제 트라이액의 온도 간의 차이에 기인한 전류값의 편차를 보정하는 것이다. 이 때, 전류값의 편차 보정은 수학식 2의 선형 보간법을 이용하여 보정될 수 있다. 다음, 보정된 전류값을 출력함으로써 본 절차를 종료한다(단계 22).
본 발명에 따른 교류 전류 센서는 트라이액을 이용하기 때문에 제품의 초소형화가 가능하고 제작 비용이 저렴하게 된다. 또한, 트라이액의 선형적인 전류-전압 특성을 이용하고 감지되는 전류값의 세기가 종래의 방식에 비하여 크기 때문에 별도의 증폭기가 필요없게 된다.
이상으로, 본 발명을 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으나, 이 분야의 당업자라면 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도에서 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 즉, 본 발명은 첨부된 청구 범위 내에서 변경 가능하므로, 전술한 예시적인 실시예로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교류 전류 센서의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 턴 온 상태에서 트라이액의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 턴 온 상태에서 트라이액의 온도-전류 특성을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전압-전류 룩업 테이블을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교류 전류 센서의 동작 절차를 개략적으로 도시한 흐름도.
< 도면 부호의 주요 부분에 대한 설명 >
1 : 도전체
10 : 트라이액
12 : 전압 감지부
14 : 신호 처리부
16 : 제어부
18 : 온도 센서
20 : 메모리
100 : 교류 전류 센서

Claims (11)

  1. 트라이액을 이용한 교류 전류 센서로서,
    교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 결합되는 트라이액과,
    상기 트라이액의 T1 단자 및 T2 단자 사이의 전압을 감지하는 전압 감지부와,
    상기 트라이액의 전류 전압 특성을 이용하여, 상기 전압 감지부로부터 입력되는 전압값을 전류값으로 변환하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 트라이액의 게이트 단자에 소정의 전류를 공급하여 상기 트라이액을 턴 온 상태로 유지시키는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 2개 이상의 온도 조건에서의 트라이액의 전압-전류 특성 데이터가 포함되어 있는 전압-전류 룩업 테이블(Voltage to Current Look Up Table)이 저장되어 있는 메모리를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전압-전류 룩업 테이블을 이용하여 상기 전압 감지부로부터 입력되는 전압값을 전류값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 트라이액의 온도를 감지하여, 감지된 온도 데이터를 제어부로 전송하는 온도 센서를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 온도 데이터를 입력받아 변환된 전류값을 보정하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전류값의 보정은 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 감지부로부터 입력되는 아날로그 전압 신호에서 DC 성분을 제거하고, 디지털 전압 신호로 변환하여 상기 제어부로 전송하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 센서.
  7. 상기 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 기재된 교류 전류 센서를 포함하는 전력 기기.
  8. 트라이액을 이용하여 도전체에 흐르는 교류 전류를 감지하는 방법에 있어서,
    (a) 교류 전류가 흐르는 도전체 사이에 트라이액을 연결하는 단계와,
    (b) 상기 트라이액의 게이트 단자에 소정의 전류를 인가하여 상기 트라이액을 턴 온 상태로 유지시키는 단계와,
    (c) 상기 트라이액의 T1 단자 및 T2 단자 사이의 전압을 감지하는 단계와,
    (d) 상기 감지된 전압값을 상기 트라이액의 전류 전압 특성을 이용하여 전류값으로 변환하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 적어도 2개 이상의 온도 조건에서의 트라이액의 전압-전류 데이터가 포함되어 있는 전압-전류 룩업 테이블(Voltage to Current Look Up Table)을 이용하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 감지 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    (e) 상기 트라이액의 온도를 감지하는 단계와,
    (f) 상기 감지된 온도 데이터를 이용하여 상기 (d) 단계에서 변환된 전류값을 보정하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 감지 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 전류값의 보정은 선형 보간법을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 트라이액을 이용한 교류 전류 감지 방법.
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