KR100572423B1 - 바리스터 기능을 갖는 ｐｔｃ 과전류 보호 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자는, PTC 물질을 수납하는 PTC부와 바리스터 물질을 수납하는 바리스터부를 가지며, 하나의 입력단자와 2개의 출력단자들을 가진 본체; 및 본체 내부에서 PTC 물질과 바리스터 물질을 병렬 연결시키기 위해 입력단자 측의 본체 내부에 수납되는 전기 전도 물질;을 구비하며, 바리스터 물질에 연결되는 출력단자는 접지되어 있다.

Description

바리스터 기능을 갖는 ＰＴＣ 과전류 보호 소자{PTC overcurrent protector having varistor}

도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 PTC와 바리스터가 함께 사용된 회로 구성 도면.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 원리를 설명하는 개념적 회로 구성도.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 개념적 구성도.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 동작을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21...입력단자 22...PTC 부 23...제1 출력단자

24...바리스터부 25...제2 출력단자 26...전기 절연 물질

27...전기 전도 물질 28...전기 절연 물질 29...접지

30...본체 32...PTC 물질 34...바리스터 물질

본 발명은 회로 보호 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PTC(Positive Temperature Coefficient)와 바리스터가 단일의 제품에 함께 구성된 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자에 관한 것이다.

일반적으로, PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자는 주위의 온도가 상승하거나 허용 전류 이상의 전류가 유입되면 소자의 저항이 급격하게 상승되면서 전기적으로 연결된 회로를 차단시킴으로써 회로를 보호하기 위한 것이다.

PTC 소자는 정상 작동시에 일정 전류가 흐르는 정전류 회로이지만, 이상 전류 발생시 PTC가 회로를 차단시키게 되므로 정전압 회로로 전환된다. 그러나, PTC가 인가하는 정격전압 이상의 이상 전류가 회로에 유입이 되면, PTC가 타거나 회로를 손상시킬 수 있다. 따라서, 이러한 과전압 발생에 대하여 PTC를 보호하기 위해서는 바리스터(varistor)를 PTC와 함께 사용함으로써 회로를 보호하는 방법이 있다.

상기 바리스터는 전압에 따라 저항값이 변하는 것으로, 일정 전압 이하에서는 전류가 흐르지 않다가 과전압 상태에서는 전류를 통하게 하는 부품이다.

미국 특허 제5,737,160호, 제5,864,458호, 및 제5,745,322호는 PTC와 바리스터가 함께 사용된 보호 회로들을 개시하고 있다. 이들 특허에서는 mechanical switch라고도 불리우는 바이메탈(일정 과전류가 흐르면 휴즈와 같이 전류가 차단되고 다시 온도가 떨어지면 회로를 연결해주는 부품)과 바리스터 등을 사용하여 PTC 기능을 보완하는 회로 구성이다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 PTC와 바리스터가 함께 사용된 회로 구성들이다.

도 1을 참조하면, 바이메탈 스위치(6)는 정상 조건에서는 두 개의 금속소자가 붙어있지만, 이상 전류로 인하여 과열이 되면 연결된 두 금속이 떨어져 전류를 차단하여 회로를 보호하는 기능을 갖는다. 바이메탈 스위치(6)는 그 기능면에서 PTC(2)와 유사하다고 할 수 있다. 즉, 바이메탈 스위치(6)는 PTC(2)에 의해 차단되지 않는 과전류를 위한 보조 장치라 할 수 있다.

도 2를 참조하면, 바리스터(8)는 일반적으로 금속 산화물 등으로 제조되는 바, 일정한 전압 이상인 경우 전류를 통하게 하는 부품으로서, 회로상에 병렬로 연결되어 PTC(2) 혹은 기타의 스위치 등의 부품에 의해 병렬의 다른 회로를 차단시킨다. 또한, 바리스터(8)는 이상 전류, 전압 상황에서, PTC(2)가 인가할 수 있는 정격전압 이상의 전압이 유입되면 회로를 개방시켜 PTC(2)를 보호한다.

도 3은 PTC와 바리스터가 함께 사용되고 있는 회로를 도식화한 도면이다.

도 3을 참조하면, 바리스터는 회로와 접지되고, PTC에 연결된다.

종래 기술에 있어서, 바리스터나 바이메탈 스위치 등 사용하여, 회로 상에서 이상 작동 조건 발생시 PTC의 작동 범위를 넘게 되는 경우에 대하여 제안된 회로를 통해 기능을 보완하게 된다.

그러나, 종래의 이러한 회로 보호 소자들은 PTC 소자, 바리스터 부품, 바이메탈 등을 별도로 구성해야 하므로 복잡하고 제품의 신뢰로가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 2개의 기능을 하나의 부품에서 구현시킴으로써 보다 컴팩트하고 신뢰성 있는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명의 목적은 기존의 PTC만을 사용하여 회로를 보호하는 보호소자로서의 PTC에 있어서 바리스터 기능을 추가시킴으로써, 이상 과전압 상황에서도 정상적인 작동을 할 수 있는 하나의 부품으로 된 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자를 제공하는 데 있다. 이것은 PTC와 바리스터를 이용하여 제품을 하나로 구성하여, PTC만을 사용할 때 과전압에 대하여 불안한 요소를 바리스터로 보완하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자는, 입력 단자; 제1 출력 단자; 제2 출력 단자; 상기 입력단자와 상기 제1 출력 단자를 연결하는 PTC부; 및 상기 입력단자와 상기 제2 출력 단자를 연결하고, 상기 입력 단자로부터 상기 PTC부와 병렬로 연결되는 바리스터부;를 구비한다.

바람직하게, 상기 PTC부와 상기 바리스터부는 각각 전기전도물질로 이루어지는 입력 연결부에 의해 상기 입력단자에 연결된다.

바람직하게, 상기 PTC부는 고분자 수지와 전도성 물질의 혼합물로 이루어진다.

바람직하게, 상기 고분자 수지는 결정성 혹은 결정성을 포함하는 고분자 수지이며, 그 용융열의 값은 적어도 30 J/g이상이다.

바람직하게, 상기 고분자 수지의 녹는점은 60~160℃이다.

바람직하게, 상기 전도성 물질은 탄소계 재료이다.

바람직하게, 상기 PTC부는 BaTiO₃를 주성분으로 한다.

바람직하게, 상기 바리스터부는 산화아연, 탄화규소 등을 주성분으로 한다.

바람직하게, 상기 제2 출력 단자는 접지되어 사용된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 원리를 설명하는 개념적 회로 구성도이다.

도 4를 참조하면, 상기 과전류 보호 소자(10)는 PTC부(12)와 바리스터부(14)가 각각 병렬로 연결된다. 상기 과전류 보호 소자(10)는 인가 전압 이내에서는 일반적인 PTC 소자의 구동 방식과 동일하다. 그러나, 과전류의 차단 후 발생되는 큰 인덕턴스로 인하여 발생되는 이상 과전압 등의 위험 인자에 대하여 PTC부(12) 및 연결된 회로의 보호를 위하여 상기 과전류 보호 소자(10)는 바리스터부(14)를 PTC부(12)와 함께 구성하여 보다 안전한 회로 보호용 제품을 구현할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 과전류 보호 소자(10)는 바리스터부(14)와 PTC부(12)가 하나의 부품에 구현되고, 바리스터부(14)의 출력은 접지시켜 둔다. 기능적으로는 PTC 소자의 기능을 바리스터가 더 보완하는 것이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 개념적 구성도이다.

도 5를 참조하면, 상기 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자(20)는 기판에 실장하여 사용할 수 있는 부품으로서, PTC부(22)와 바리스터부(24)를 가지며 전기 절연 물질(26)에 의해 외부가 절연된 본체(30)와, PTC부(22) 및 바리스터부(24)에 각각 수납되는 PTC 물질(32) 및 바리스터 물질(34)을 구비한다. 상기 본체(30)는 하나의 입력단자(21)와 2개의 출력단자들(23)(25)을 가진다. 본체(30)의 PTC부(22)와 바리스터부(24)는 전기 절연 물질(28)에 의해 절연된다. 그러나, PTC 부(22)와 바리스터부(24)는 회로적으로 병렬 연결된다. 입력단자(21) 측에서 PTC 부(22)와 바리스터부(24)는 전기 전도성 물질(27)에 의해 전기적으로 연결된다. 그리고, 바리스터부(24)와 연결된 제2 출력단자(25)는 접지(29)에 연결된다. 한편, 상기 제2 출력단자(25)는 접지시키지 않고 전류를 흘려보내는 경우도 가능함은 물론이다.

상기 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자(20)의 입력단자(21)로 유입된 전류는 병렬 회로에서 제1 출력단자(23) 혹은 제2 출력단자(25)로 흐르게 되는 구조이다. 상기 소자(20)는 병렬 회로이므로, 입력단자(21)와 제1 출력단자(23)에 걸리는 전압과 입력단자(21)와 제2 출력단자(25)에 걸리는 전압은 서로 동일하다.

상기 PTC 물질(32)은 상온에서는 사용자가 요구하는 충분히 낮은 저항값을 갖지만, 인가 이상의 온도, 전류 조건이 되면 초기 저항의 수 백 이상으로 값이 상승하는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 나타낼 수 있는 재료는 BaTiO₃ 등을 사용하는 세라믹계 재료 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 등의 고분자 수지와 카본 등의 전기 전도성 물질의 혼합물인 고분자 PTC 재료를 모두 사용할 수 있다.

상기 고분자 PTC재료의 경우는 결정성 혹은 일부가 결정성인 특성의 고분자 수지로서 용융열(heat of fusion)의 값이 적어도 30 J/g 이상이며, 녹는점은 60~160℃ 범위의 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 전기 전도성 물질은 카본류의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 바리스터 물질(34)은 전압에 따라 저항이 변하는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 가진 물질은 주로 산화아연, 탄화규소 등을 주성분으로 하여 제조될 수 있다.

본 실시예에 사용되는 전기 전도성 물질(27)은 구리, 납, 금, 은, 구리합금 등의 전도성 금속을 사용하여 회로를 병렬로 연결한다. 그러나, 상기 전기 전도성 물질(27)은 입력단자(21)와 연결되는 부분에 PTC 물질(32)과 바리스터 물질(34)의 입력 전극을 전기적으로 연결시켜 외부 단자와 연결되도록 구성한다. 제1,2 출력단자(23)(25)는 각각 PTC 물질(32) 및 바리스터 물질(34)의 출력 전극에 각각 전기적으로 연결된다. 그러나, PTC 물질(32)과 바리스터 물질(34)은 입력부의 전기 전도성 물질(27)과 연결된 것 외에는 전기 절연 물질(28)에 의해 전기적으로는 서로 분리되고, 물리적으로는 서로 접착된다. 전기 절연 물질(28)은 접착성 전기 절연 물 질을 사용한다.

상기 본체(30)의 대부분은 에폭시 수지와 같은 절연물질(26)을 이용하여 외부 단자에 연결되는 부분을 제외하고 모두 도포됨으로써 외부적으로 절연된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, 정상적으로 회로가 작동되면, 회로에 걸리는 전압(바리스터의 작동 이하의 전압 범위)은 충분히 작기 때문에, 바리스터 물질(34)은 전류를 통과시키지 않는다. 따라서, 입력단자(21)와 제2 출력단자(25)의 회로는 닫혀있게 된다. 한편, PTC 물질(32)은 저항값이 충분히 작기 때문에 정상적으로 작동하게 되므로 회로의 전류는 입력단자(21)와 제1 출력단자(23) 사이에서만 정상적으로 흐르게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 이상 과전류(PTC 물질의 인가 전압 범위 내에서 바리스터 작동 전압 이하)가 회로에 유입되어, PTC 물질(32)에 이상 과전류가 유입되면, PTC 물질(32)은 저항이 급상승하여 회로를 차단하게 된다. 또한, 바리스터 물질(34)은 충분한 전압에 도달하지 않았으므로 작동하지 않게 된다. 따라서, 이 경우에는 입력단자(21)와 제1 출력단자(23) 사이, 및 입력단자(21)와 제2 출력단자(25) 사이 모두 차단된 상태가 된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 과전류 유입으로 인해 PTC 물질(32)이 높은 저항값으로 회로를 차단한 상태에서 다시 정상 조건으로 복귀하기 위해 PTC 물질(32)의 온도가 내려가면서 회로에 일정 전류가 유입되면서 회로가 다시 열리게 되면, 회로 내부에 사용된 높은 인덕턴스로 인하여 전압이 이상 상승하게 된다. 이 경우 PTC 물질(32)을 손상시킬 수도 있지만, 본 실시예에 있어서, 이상 과전압은 바리스터 물질(34)에 의해 우회(by-pass)된다. 따라서, PTC 물질(32)의 손상을 방지한다.

여기서, 인덕턴스는 전류 변화에 따른 전압을 변화시켜주는 인자로써 전류값이 변하게 되면 경우에 따라 전압을 증가 혹은 감소시키는 역할을 한다. 따라서, 도 7에서와 같이, 일정 전류가 유입되다 차단되는 경우 이를 회복하기 위한 전압 상승이 예상된다.

갑작스런 인덕턴스에 의해 발생되는 이상 과전압에 따라 바리스터 물질(34)이 작동되어 입력단자(21)와 제2 출력단자(25) 사이로 전류를 통과시킴으로써, 접지(29) 측으로 전류를 흘려 보냄으로써 PTC 물질(32)을 보호함과 동시에 제1 출력단자(21)와 연결된 이상 과전압으로부터 회로를 보호할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 기존에 PTC 부품만을 사용할 경우, 회로 내에 발생되는 높은 인덕턴스에 의한 이상 과전압 발생시 PTC가 손상될 수 있는 경우에 대하여 서로 병렬로 연결된 바리스터 물질이 외부 접지 단자로 이상 전압 조건을 흘려 보낼 수 있으므로, 함께 구성된 PTC 물질을 보호할 수 있다.

둘째, PTC 출력 단자 이후의 회로에 대하여는 별도의 구성품 없이 회로를 보호할 수 있는 효과를 갖는다.

셋째, 선행 기술 혹은 유사 기술에서의 PTC 소자, 바리스터 부품 등을 별도로 구성하는 것보다 하나의 제품으로 안전 회로를 구성할 수 있다.

넷째, 회로 보호용 안전소자인 PTC에 바리스터 기능을 첨가하여 보다 안전하게 사용할 수 있도록 구성하였다.

Claims (9)

1. 입력 단자;

   제1 출력 단자;

   제2 출력 단자;

   상기 입력단자와 상기 제1 출력 단자를 연결하는 PTC부; 및

   상기 입력단자와 상기 제2 출력 단자를 연결하고, 상기 입력 단자로부터 상기 PTC부와 병렬로 연결되는 바리스터부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 PTC부와 상기 바리스터부는 각각 전기전도물질로 이루어지는 입력 연결부에 의해 상기 입력단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 PTC부는 고분자 수지와 전도성 물질의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 고분자 수지는 결정성 혹은 결정성을 포함하는 고분자 수지이며, 그 용융열의 값은 적어도 30 J/g이상인 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
5. 제3항에 있어서,

   상기 고분자 수지의 녹는점은 60~160℃인 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
6. 제3항에 있어서,

   상기 전도성 물질은 탄소계 재료인 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 PTC부는 BaTiO₃를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 바리스터부는 산화아연, 탄화규소 등을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제2 출력 단자는 접지되어 사용되는 것을 특징으로 하는 바리스터 기능을 갖는 PTC 과전류 보호 소자.

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