KR100578624B1

KR100578624B1 - 노이즈 필터 및 이것을 구비한 전자장치

Info

Publication number: KR100578624B1
Application number: KR1020030087646A
Authority: KR
Inventors: 데라카와다카시게; 야마나카히데유키
Original assignee: 이엠씨 가부시키가이샤
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2006-05-11
Also published as: EP1492230A1; TWI312232B; KR20050005719A; US20040263284A1; JP2005020448A; CN1578128A; US7015774B2; TW200501570A; JP3957206B2

Abstract

본 발명의 노이즈 필터는, 서로 병렬로 접속된 인덕터와 저항기를 포함하고 있다. 전원 주파수 전류는 저항기를 통과하지 않고 아무런 손실없이 인덕터를 통과한다. 한편, 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 노이즈 전류는 인덕터를 통과하지 않고, 저항기에서 소비된다. 따라서, 노이즈 필터에 노이즈 전력이 축적되지 않으므로, 전력의 방출에 의한 문제의 피해를 받지 않는다. 노이즈 필터와 접지 용량에 의한 공진 주파수 전류도 또한 저항기에서 소비된다. 따라서, 공진 주파수 전류에 의한 아무런 문제도 발생하지 않는다.

Description

노이즈 필터 및 이것을 구비한 전자장치{NOISE FILTER AND ELECTRONIC APPARATUS HAVING THE SAME}

도 1(a)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제1실시형태를 나타내는 회로도.

도 1(b)는 도 1(a)의 노이즈 필터의 사용 상태를 나타내는 회로도.

도 2는 도 1(a)의 노이즈 필터에서의 인덕터의 전류-전압 특성의 예(No. 1)를 나타내는 그래프.

도 3은 도 1(a)의 노이즈 필터에서의 인덕터의 전류-전압 특성의 예(No. 2)를 나타내는 그래프.

도 4는 도 1(a)의 노이즈 필터에서의 인덕터의 주파수-임피던스 특성의 예를 나타내는 그래프.

도 5는 도 1(a)의 노이즈 필터의 주파수-임피던스 특성의 예를 나타내는 그래프.

도 6은 도 1(a)의 노이즈 필터의 효과의 예를 나타내는 그래프.

도 7은 저항기의 저항치를 변경함으로써 측정한, 도 1(b)의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 그래프.

도 8(a)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제2실시형태를 나타내는 회로도.

도 8(b)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제3실시형태를 나타내는 회로도.

도 9는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제4실시형태를 나타내는 사시도.

도 10(a)는 종래의 노이즈 필터를 나타내는 회로도.

도 10(b)는 도 10(a)의 노이즈 필터의 사용 상태를 나타내는 회로도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 30, 40, 50, 70: 노이즈 필터 11, 41: 저항기

12, 71: 인덕터 31: 가변 저항기

53: 프레임 54: 회전축(저항치 가변수단)

72, 73: 단자 75: 전자장치

L: 인덕터(12)의 인덕턴스 R: 저항기(11)의 저항치

C: 전자장치(75)의 접지 용량

본 발명은, 접지선에 부착되어서, 전자장치에 생성된 단락(短絡) 전류를 접지측에 방전시키는 노이즈 필터, 상세하게는, 접지선에 유도(誘導)된 노이즈를 억제하는 인덕터를 구비한 노이즈 필터에 관한 것이다.

이러한 타입의 종래의 노이즈 필터는, 인덕터로써 구성되어서, "노이즈"라고 하는 불필요한 신호의 주파수를 기타의 신호로부터 판별함으로써 상용 전원으로부터의 단락 전류를 접지측에 통과시키는 기능을 갖고 있다(예로서, 일본국 실용신안공개 제61-140620호 공보(도 1 등) 참조). 노이즈의 주파수는, 예로서, 10㎑ 이상 이다. 일본에서 상용 전원 주파수는 50㎐ 또는 60㎐이다.

도 10(a)는 종래의 노이즈 필터를 나타내는 회로도이다. 도 10(b)는 도 10(a)에 나타낸 노이즈 필터를 사용한 상태를 나타내는 회로도이다. 이하 이 도면들을 참조로 하여 노이즈 필터에 대하여 설명한다.

노이즈 필터(70)는 하나의 인덕터(71)를 포함하는, 접지선용의 2단자 타입 노이즈 필터이다. 하나의 단자(72)는 접지선(74)을 통하여 접지되고 다른 하나의 단자(73)는 전자장치(75)에 접속된다. 또한, 인덕터(71)의 인덕턴스는, 누설 등에 의한 상용 전원의 단락 전류 Is가 전자장치(75)로부터 접지측(76)으로 통과하는 동시에, 접지선(74)에 유도된 노이즈 전류가 차단되도록 설정되어 있다.

그러나, 종래의 노이즈 필터는 이하의 문제를 가지고 있다.

(1) "노이즈"라고 하는 잡음 전력은 정상 상태 전류에서 접지선(74)에 유도될 뿐만 아니라 펄스 상태의 전류에서도 비정기적으로 유도된다. 이러한 경우에, 노이즈 필터(70)를 구성하는 인덕터(71)는 전계 및 자계에 의해서 전력을 축적하고, 노이즈 전력의 유입이 정지되면 상기 축적한 전력을 방출한다. 이 때문에, 이 방출된 전력은 전자장치(75)의 오동작 또는 일시적인 기능 저하를 일으킬 수도 있다.

(2) 접지선(74)에 유도된 노이즈 전류를 감소시키기 위해서는, 상기와 같이 인덕터(71)가 효과적이다. 한편, 접지선(74)에 접속되는 전자장치(75) 중에서 대형 전자장치는 상당히 큰 접지 용량 C를 갖고 있으므로, 때때로 인덕터(71)와 결합되 어서 직렬 공진을 일으킬 수도 있다. 이로 인한 공진 주파수 전류가 전자장치(75)에 유입되면, 노이즈로 인한 장애를 일으킬 수도 있다.

(3) 인덕터(71)의 인덕턴스는, 노이즈 전류 In을 차단하기 위해서 될 수 있는 한 높은 것이 바람직하고, 단락 전류 Is를 도통시키기 위해서는 될 수 있는 한 낮은 것이 바람직하다. 이러한 상반된 특성 사이에서 균형을 맞추는 것은 상당히 곤란하였다. 즉, 노이즈 전류 In을 완전히 차단하기 위해서 인덕턴스를 증가시키면, 단락 전류 Is가 잘 도통되지 않고, 단락 전류 Is를 잘 도통시키기 위하여 인덕턴스를 감소시키면, 노이즈 전류를 완전히 차단할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은, 노이즈 필터로부터 방출되는 전력의 문제, 노이즈 필터와 접지 용량과의 결합에 의한 공진 주파수 전류의 문제, 및 노이즈 전류의 차단과 단락 전류의 도통과의 사이의 균형의 문제를 해결할 수 있는 노이즈 필터를 제공하고, 또한 상기 노이즈 필터를 사용한 전자장치를 제공하는 것이다.

본 발명자는 이러한 문제를 해결하기 위한 연구에 몰두하였고, "노이즈 필터로부터 방출되는 전력으로 인한 문제는, 노이즈 필터가 노이즈 전류를 소비하는(노이즈 전류를 열 에너지로 변환하는) 기능을 갖고 있지 않으면, 발생하는 것" 및 "노이즈 전류의 차단과 단락 전류의 도통과의 사이의 균형 작용은 인덕턴스의 자기 포화 효과를 이용하여 달성할 수 있는 것"을 발견하였다. 본 발명은 이러한 발견에 따라서 이루어진 것이다. 즉, 인덕터에 병렬로 노이즈 필터의 저항기를 접속함으로써, 노이즈 전류가 저항기에서 소비된다. 또한, 이러한 회로 구성에서, 저항기는 또한 접지 용량과 인덕터와의 결합에 의해서 발생하는 직렬 공진 전류를 감쇠시키는 작용을 하는 것을 발견하였다. 또한, 단락 전류에 의해서 자기 포화된 인덕터이면, 단락 전류에 대해서는 인덕턴스에 관계없이 임피던스가 낮아진다. 따라서, 인덕턴스를 증가시킴으로써 노이즈 전류를 충분히 차단할 수 있다. 이하에 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 노이즈 필터는, 접지선에 부착되어서 전자장치에 발생하는 단락 전류를 방출하고, 상기 접지선에 유도된 노이즈 전류를 억제하는 인덕터 및 상기 인덕터에 병렬로 접속된 저항기를 구비하고 있다. 여기서, 노이즈 전류의 하한(下限) 각주파수(角周波數)를 ωn[rad], 상기 인덕터의 인덕턴스를 L[H], 상기 저항기의 저항치를 R[Ω], 전자장치의 접지 용량을 C[F]라고 하면, √(L/C)＜R＜2ωn²L(C ＞1/(4ωn⁴L)인 경우)의 관계가 성립한다.

전원 주파수 등 낮은 주파수의 전류, 즉, 단락 전류는 저항기를 통과하지 않고 낮은 주파수에 대하여 낮은 임피던스를 갖는 인덕터를 통과한다. 반면에, 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 노이즈 전류는 인덕터를 통과하지 않고 저항기에서 소비된다. 따라서, 노이즈에 의한 전력이 노이즈 필터에 축적되지 않으므로, 전력의 방출에 의한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 노이즈 필터와 접지 용량으로 인한 공진 주파수 전류가 저항기에서 또한 소비되므로, 공진 주파수 전류에 의한 문제가 발생하지 않는다.

저항기의 저항치가 작으면 작을수록, 공진 주파수 전류가 더 많이 억제되고 병렬로 접속된 인덕터로부터 방출되는 전류가 용이하게 소비된다. 그러나, 저항기의 저항치가 작으면, 고주파 노이즈 전류가 억제되지 않는다. 여기서, √(L/C)＞R인 것으로 하면, 인덕터와 접지 용량에 의한 직렬 공진이 아무 것도 발생하지 않지만, 동시에, 고주파 노이즈 전류가 억제되지 않는다. 따라서, 좌변을 √(L/C)＜R로서 설정한다. 그러나, √(L/C)≪R인 것으로 하면, 인덕터와 접지 용량에 의한 직렬 공진 전류를 무시할 수 없게 된다. 그러므로, 우변을 R＜2ωn²L로서 설정한다. 우변의 조건을 만족시킴으로써, 저항기에서 소비되는 전류가 인덕터에 축적되는 전류를 초과하여, 노이즈 전류의 소비 능력이 높은 특성을 취득할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 노이즈 필터는, 상용 전원을 이용하는 전자장치의 접지선에 부착되는 타입의 것으로서, 접지선에 유도된 노이즈 전류를 억제하고 또한 상용 전원에 의한 단락 전류에 의해서 자기적(磁氣的)으로 포화되는 특성을 갖는 인덕터, 및 상기 인덕터에 병렬로 접속된 저항기를 구비하고 있다.

전자장치에서 단락 등의 장애가 발생하면, 단락 전류는 노이즈 필터를 통하여 접지측으로 흐른다. 이 때, 노이즈 필터의 인덕터가 자기적으로 포화되므로, 단락 전류는 거의 손실없이 인덕터를 통과한다. 한편, 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 노이즈 전류는 인덕터를 통과하지 않고 저항기에서 소비된다. 따라서, 노이즈 전력이 노이즈 필터에 축적되지 않아서, 상기 방출된 전력에 의한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 노이즈 필터와 접지 용량으로 인한 공진 주파수 전류가 저항기에서 또한 소비되므로, 공진 주파수 전류에 의한 문제가 발생하지 않는다. 또한, 인덕터가 상용 전원에 의한 단락 전류에 의해서 자기적으로 포화되므로, 인덕터의 인덕턴스가 증가되어도 단락 전류는 거의 손실없이 인덕터를 통과한다. 이 때문에, 고주파 노이즈 전류를 더욱 억제할 뿐만 아니라 전원 주파수 등 저주파 노이즈 전류도 억제할 수 있다.

전원 전류의 각주파수를 ωp[rad], 노이즈 전류의 하한(下限) 각주파수를 ωn[rad], 상기 인덕터의 인덕턴스를 L[H], 상기 저항기의 저항치를 R[Ω]이라고 하면, 바람직하게는, 10(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/10의 관계가 성립하고, 더욱 바람직하게는, 100(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/100의 관계가 성립하며, 가장 바람직하게는, 1000(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/1000의 관계가 성립한다. 이와 같이 R 값의 범위를 좁힘으로써, ωp에서의 감쇠량이 적절하게 작고, ωn에서의 감쇠량이 적절하게 큰, 균형이 잘 이루어진 특성을 취득할 수 있다. 환언하면, 이와 같이 R 값의 범위를 좁힘으로써, 노이즈 필터가 ωp에서 인덕터로서 동작하고 ωn에서 저항기로서 동작할 수 있는 특성을 취득할 수 있다.

인덕터와 저항기를 포함하는 병렬 회로는, 하나의 단자가 접지선을 통하여 접지되고, 다른 하나의 단자가 전자장치에 접속되도록 구성될 수도 있다. 인덕터와 저항기의 수는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다. 인덕터가 복수인 경우는, 최소한 하나의 인덕터가 저항기에 병렬로 접속되는 구성이 될 수도 있다.

단락 전류가 25[A]일 때, 노이즈 필터의 임피던스는 0.1[Ω] 이하이다. 이것은 IEC 규격에 일치하는 특성이다. 노이즈 전류의 주파수가 10[㎑]일 때, 인덕터의 리액턴스는 2[㏀] 이상이다. 10[㎑] 이상의 노이즈 주파수에 대하여 2[㏀] 이상의 리액턴스가 존재하면, 성능은 노이즈 필터로서 충분하다.

또한, 저항기는 가변 저항기일 수도 있다. 노이즈 필터가 부착되는 전자장치에 따라서, 접지 용량이 변동한다. 이러한 경우에도, 가변 저항기의 저항치를 변경함으로써 공진 주파수의 변동에 대하여 적절하게 조절할 수 있다. 환언하면, 본 발명의 노이즈 필터는, 접지 용량이 각각 상이한 장치의 접지선에 부착되는 타입의 것으로서, 접지선에 유도된 노이즈를 억제하는 인덕터, 및 상기 인덕터에 병렬로 접속된 가변 저항기를 구비하고 있다. 가변 저항기는, 노이즈 필터가 접지선에 부착된 상태에서 인덕터와 접지 용량에 의한 공진 주파수 전류를 억제하는 저항치를 갖도록 조절될 수 있다. 여기서 설명하는 "가변 저항기"는, 고정 저항기와 가변 저항기를 구비한 직렬회로, 소위 반고정 저항기와, 상이한 저항치를 갖는 복수의 고정 저항기를 구비한 회로와, 이러한 저항기의 하나를 선택하는 스위치 등을 포함하는 것을 염두에 두어야 한다.

노이즈 필터는, 인덕터가 환상(環狀) 코일이고, 환상 코일과 가변 저항기를 포함하는 병렬 회로가 프레임 내에 수용되고, 가변 저항기가 환상 코일의 내주(內周) 벽으로써 둘러싸인 공간 내에 배치되고, 또한 가변 저항기의 저항치를 변경하는 저항치 가변 수단이 프레임의 외측으로부터 조작될 수 있는 위치에 배치되는 구성으로 할 수도 있다.

프레임의 외측으로부터 저항치 가변 수단을 조작함으로써, 접지 용량의 값의 변동을 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 가변 저항기가 환상 코일의 내주 벽으로써 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있으므로, 프레임 내의 공간을 효과적으로 이용할 수 있다.

본 발명의 전자장치는 상기의 노이즈 필터의 어느 하나가 설치된 것이다.

본 발명의 노이즈 필터는, 종래의 노이즈 필터의 인덕터에 저항기가 서로 병렬로 접속되는 간단한 구성을 구비하여, 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 노이즈 전류가 인덕터를 통과하지 않고 저항기에서 소비되므로 전력 방출로 인한 전자장치의 오동작을 방지하고 또한 전자장치의 접지 용량으로 인한 공진 주파수 전류도 억제할 수 있다.

본 발명의 노이즈 필터는, 노이즈 전류의 하한 각주파수를 ωn, 상기 인덕터의 인덕턴스를 L, 상기 저항기의 저항치를 R, 전자장치의 접지 용량을 C라고 하면, √(L/C)＜R＜2ωn²L의 관계가 성립한다. 따라서, 공진 주파수 전류의 억제와 고주파 노이즈 전류의 억제가 균형을 이루는 특성을 취득할 수 있고, 또한 노이즈 전류의 소비에 있어서 고성능인 특성을 취득할 수 있다.

본 발명의 노이즈 필터에 의하면, 인덕터가, 전자장치에서 발생된 단락 전류에 의해서 자기적으로 포화되므로, 임피던스가 인덕턴스에 관계없이 단락 전류에 대하여 낮아져서 인덕턴스가 충분히 증가된다. 따라서, 고주파 노이즈 전류 뿐만 아니라 저주파 노이즈 전류도 양호하게 억제될 수 있다.

또한, 본 발명의 노이즈 필터에 있어서, 전원 전류의 각주파수를 ωp, 노이즈 전류의 하한 각주파수를 ωn, 상기 인덕터의 인덕턴스를 L, 상기 저항기의 저항치를 R이라고 하면, 바람직하게는, 10(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/10의 관계가 성립하 고, 더욱 바람직하게는, 100(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/100의 관계가 성립하며, 가장 바람직하게는, 1000(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/1000의 관계가 성립한다. 따라서, ωp에서의 감쇠량이 적절하게 작고, ωn에서의 감쇠량이 적절하게 큰, 균형이 잘 이루어진 특성, 즉, 노이즈 필터가 ωp에서 인덕터로서 또한 ωn에서 저항기로서 확실하게 동작할 수 있는 특성을 취득할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 노이즈 필터는, 인덕터와 저항기를 포함하는 병렬 회로가, 하나의 접지선에 부착되어서, 하나의 단자가 접지되고, 다른 하나의 단자가 전자장치에 접속되도록 구성될 수도 있다. 따라서, 이것을 접지선용 노이즈 필터로서 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 노이즈 필터에 의하면, 단락 전류가 25[A]일 때, 노이즈 필터의 임피던스는 0.1[Ω] 이하이므로, 상기 노이즈 필터는 IEC 규격에 일치한다.

또한, 본 발명의 노이즈 필터는, 10[㎑] 이상의 노이즈 주파수에 대하여 리액턴스가 2[㏀] 이상이므로, 노이즈 전류가 양호하게 억제된다.

또한, 본 발명의 노이즈 필터에 의하면, 인덕터에 병렬로 접속된 저항기는 가변 저항기일 수도 있다. 따라서, 전자장치에 따라서 접지 용량의 값이 변동하는 경우에도, 가변 저항기의 저항치를 변경함으로써 공진 주파수의 변동을 적절하게 조절할 수 있다. 즉, 노이즈 필터가 장치의 접지선에 부착된 후 장치의 접지 용량에 대응하여 가변 저항기의 저항치를 조절함으로써, 노이즈 필터의 인덕터와 장치의 접지 용량에 의한 공진 주파수 전류를 억제할 수 있다. 또한, 장치를 기타 장소로 이동하거나 또는 상기 장치의 주변에 또 다른 장치를 배치함으로써 장치의 접지 용량이 변동하면, 가변 저항기의 저항치를 조절함으로써, 공진 주파수 전류를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 노이즈 필터는, 가변 저항기의 저항치를 변경하는 저항치 가변 수단이 프레임의 외측으로부터 조작될 수 있는 위치에 배치되는 구성으로 되어 있다. 따라서, 프레임의 외측으로부터 저항치 가변 수단을 조작함으로써, 접지 용량의 값의 변동을 또한 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 가변 저항기가 환상 코일의 내주 벽으로써 둘러싸인 공간 내에 배치되어 있으므로, 프레임 내의 공간을 효과적으로 이용할 수 있다. 따라서, 노이즈 필터의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.

도 1(a)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제1실시형태를 나타내는 회로도이고, 도 1(b)는 도 1(a)의 노이즈 필터의 사용 상태를 나타내는 회로도이다. 이하 이 도면들을 참조로 하여 본 발명에 대하여 설명한다. 이 들 도면에서 도 10(a)의 구성 부분과 동일한 구성 부분은 동일한 참조 번호로써 표시하고 그 설명을 생략한다.

본 실시형태의 노이즈 필터(10)는 서로 병렬로 접속된 인덕터(12) 및 저항기 (11)를 포함하고 있다. 인덕터(12) 및 저항기(11)로 구성된 병렬 회로는, 접지선(74)을 통하여 접지되는 하나의 단자(72) 및 전자장치(75)에 접속되는 다른 하나의 단자(73)를 구비하고 있다. 이와 같이, 상기 노이즈 필터(10)는 접지선용의 2단자 타입 노이즈 필터이다.

전자장치(75)에서 단락 등의 장애가 발생하면, 단락 전류 Is는 노이즈 필터(10)를 통하여 접지측(76)으로 흐른다. 이 때, 노이즈 필터(10)의 인덕터(12)가 자기적으로 포화되므로, 단락 전류 Is는 거의 손실없이 인덕터(12)를 통과한다. 한편, 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 노이즈 전류 In은 인덕터(12)를 통과하지 않고 저항기(11)에서 소비된다. 따라서, 노이즈 필터(10)는 노이즈 전력을 축적하지 않으므로, 전력의 방출에 기인하는 아무런 문제도 없다. 또한, 노이즈 필터(10)와 접지 용량 C로 인한 공진 주파수 전류가 저항기(11)에서 또한 소비되므로, 공진 주파수 전류에 의한 아무런 문제도 발생하지 않는다.

이어서, 인덕터(12)의 인덕턴스를 L, 각주파수를 ω라고 하면, 리액턴스는 ωL이다. 한편, 전자장치(75)의 접지 용량 C에 의한 리액턴스는 1/ωC이고, 이것은 ωL과 직렬 공진함으로써 노이즈 전류가 발생한다.

본 실시형태에서, 인덕터(12)는 저항기(11)와 병렬로 접속되어 있다. 그러므로, 상용 전원의 약간의 누설 전류 등, 저주파수의 소전류는 낮은 리액턴스를 갖는 인덕터(12)를 통과하고, 더욱 높은 주파수 성분을 갖는 노이즈 전류 In은 저항기(11)를 통과하여 여기에서 전력이 소비된다.

즉, 저항기(11)의 저항치를 R이라고 하면, 노이즈 필터(10)의 임피던스 Z는 이하의 식으로 표시된다.

Z=[1/{R²+(ωL)²}]ㆍ{R(ωL)²+jR²(ωL)} ㆍㆍㆍ(1)

ωL≪R이면,

Z=[1/{1+(ωL/R)²}]ㆍ{(ωL)²/R+jωL}≒jωL ㆍㆍㆍ(2)

ωL≫R이면,

Z=[1/{1+(R/ωL)²}]ㆍ{R+jR(R/ωL)}≒R ㆍㆍㆍ(3)

식 (2)로부터 명백한 바와 같이, ω가 작은 경우, 즉 저주파 전류(상용 전류)의 경우에, 노이즈 필터(10)의 임피던스는 Z≒jωL이므로, 거의 아무런 손실없이 노이즈 필터(10)를 통과한다. 한편, 식 (3)으로부터 명백한 바와 같이, ω가 큰 경우, 즉 공진 주파수 전류를 포함하는 고주파 전류(노이즈 전류)의 경우에, 노이즈 필터(10)의 임피던스가 Z≒R이므로, 노이즈 필터(10)에서 소비된다.

전원 전류의 각주파수를 ωp[rad], 노이즈 전류의 하한(下限) 각주파수를 ωn[rad], 인덕터(12)의 인덕턴스를 L[H], 저항기(11)의 저항치를 R[Ω]이라고 하면, 식 (2) 및 (3)으로부터 명백한 바와 같이, 이하의 식이 만족되어야 한다.

(ωpㆍL)≪R≪(ωnㆍL) ㆍㆍㆍ(4)

상기 식의 좌변의 (ωpㆍL)≪R의 관계에 대하여, R은 (ωpㆍL)보다도 가능한 한 훨씬 큰 것이 바람직하다. 한편, 상기 식의 우변의 R≪(ωnㆍL)의 관계에 대하여, R은 (ωnㆍL)보다도 가능한 한 훨씬 작은 것이 바람직하다. 이 두 가지의 관계를 절충하기 위해서는, 예로서, 이하의 식이 성립되는 것이 바람직하다.

10(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/10 ㆍㆍㆍ(5)

더욱 바람직하게는, 이하의 식이 성립되는 것이다.

100(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/100 ㆍㆍㆍ(6)

가장 바람직하게는, 이하의 식이 성립되는 것이다.

1000(ωpㆍL)＜R＜(ωnㆍL)/1000 ㆍㆍㆍ(7)

이와 같이 R 값의 범위를 좁힘으로써, ωp에서의 감쇠량이 적절하게 작고, ωn에서의 감쇠량이 적절하게 큰, 균형이 이루어진 특성을 취득할 수 있다. 환언하면, R의 범위가 가능한 한 많이 좁아짐에 따라서, 노이즈 필터가 ωp에서 인덕터로서, 또한 ωn에서 저항기로서 확실하게 동작할 수 있는 특성을 취득할 수 있다.

이하에, 도 1(b)를 참조로 하여, ωn, L, 및 R 사이의 적절한 관계를 더욱 상세하게 설명한다.

노이즈 전원 전압 Vn에 의한 노이즈 전류 In이 접지선(74)을 통하여 전자장치(75)로 흐름에 따라서, 전자장치(75)에서 장애를 발생시킨다. 이러한 전자장치(75)의 장애는, 노이즈 전류 In의 일부를 저항기(11)에서 열로 변환하는 노이즈 필터(10)에 의해서 방지될 수 있다. 전자장치(75)의 장애의 정도가 사소한 경우에는, 노이즈 전류 In의 적은 부분만을 저항기(11)에서 소비함으로써, 때때로 장애가 회복될 수도 있다. 따라서, 기본적으로 R의 값은 한정되지 않는다.

여기서, 노이즈 필터(10) 양단의 전압을 Vf, 인덕터(12)를 통하여 흐르는 전류를 Il, 저항기(11)를 통하여 흐르는 전류를 Ir이라고 하면, 이하의 식이 성립한다.

Il=Vf/(ωnㆍL) ㆍㆍㆍ(8)

Ir=Vf/R ㆍㆍㆍ(9)

따라서, 인덕터(12)에 축적되는 전력 W1은 이하의 식으로 표시된다.

W1=LㆍIl²/2=Vf²/(2ωn²ㆍL) ㆍㆍㆍ(10)

이어서, 저항기(11)에서 소비되는 전력 Pr은 이하의 식으로 표시된다.

Pr=Ir²ㆍR=Vf²/R ㆍㆍㆍ(11)

이 경우에, 저항기(11)에서 소비되는 전력 Pr은 최소한 인덕터(12)에 축적되는 전력 W1을 초과하는 것, 즉, Pr

W1이 되는 것이 바람직하다. 말할 필요도 없이, 그 이유는, 저항기(11)에서 소비되는 전력 Pr이 크면 클수록, 노이즈 전류는 더 많이 억제되기 때문이다. 따라서, 식 (10) 및 (11)로부터 이하의 식이 성립한다.

W1/Pr=R/(2ωn²ㆍL)

1 ㆍㆍㆍ(12)

∴ (ωnㆍL)/R

1/(2ωn) ㆍㆍㆍ(13)

예로서, L=3[mH], ωn=2π×100[rad]으로 한다. 파라미터 ωn은 주파수가 50[㎐]인 상용 전원의 제2고조파(高調波)를 나타낸다. 이 경우, 식 (13)으로부터 이하의 식이 된다.

(2π×100 ×0.003)/R = 0.6π/R

1/(4π×100)

∴ R

240π²≒2.37[㏀] ㆍㆍㆍ(14)

즉, 식 (14)를 만족시키는 R 값을 갖는 저항기(11)를 구비한 노이즈 필터 (10)는, 전원 주파수의 제2고조파보다 높은 주파수의 노이즈를 실질적으로 차단할 수 있다.

이어서, 인덕터(12)를 특정 값에 따라서 상세하게 설명한다.

예로서, 외경이 90㎜, 내경이 74㎜, 두께가 13.5㎜인 페라이트 환상 코어에 직경 2㎜인 동선이 100회 감기도록 인덕터(12)가 구성되어 있다. 이 경우에, 인덕터(12)의 인덕턴스가 32mH이므로, 10㎑의 노이즈 전류 In에 대한 리액턴스는 2㏀이 된다. 따라서, 상당한 노이즈 전류가 억제되는 효과를 예상할 수 있다.

한편, IEC 규격 및 UL 규격은, 25A의 상용 주파수 전류가 60초 동안 도통되는 상태에서, 접지선(74)에 삽입되어 있는 회로 소자의 임피던스가 0.1Ω이하가 되어야 하는 것으로 규정하고 있다. 인덕터(12)의 리액턴스는, 60㎐의 상용 전원 주파수에 대하여 32mH의 인덕턴스를 이용하여 산출하면 12Ω이 되고, 이것은 규격에 일치하지 않는다. 그러나, 실질적으로, 규격에 일치하기 위해서는 인덕터(12)의 임피던스가 0.1Ω이하가 되어야 한다. 이것은, 페라이트 환상 코어가 25A의 전류치에 대하여 B-H 특성의 포화 영역내에 들어감에 따라서, 인덕터(12)가 인덕터로서의 기능을 잃고 도통선 저항치만을 갖는 회로 소자로 되기 때문이다.

즉, 노이즈 필터(10)는, 자성 재료의 포화 특성을 적극적으로 이용하는, 접지선용 노이즈 필터이다. 접지선(74)은, 전자장치(75)의 기준 전위를 설정하는 기준 전위 기능과, 전자장치(75)에서 단락의 장애가 발생할 때 단락 전류 통로(소위 안전 접지선)로서의 역활을 하는 단락 보호 기능을 갖고 있다. 기준 전위 기능은, 전원측의 기준 전위와 전력이 공급되는 장치의 기준 전위를 동일화하는 기능으로서, 전류를 흘리고자 하는 것이 아니다. 한편, 단락 보호 기능은, 전력이 공급되는 장치측에서의 단락의 장애의 의한 소손 손상을 최소한으로 억제하고, 또한 장치의 프레임에 접촉하는 인체를 보호하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 단락 보호 기능에서는 대량의 전류가 도통되는 것으로 상정되고 있다. 그러므로, 상기와 같은 엄격한 규격이 마련되어 있다.

도 2 및 도 3은 인덕터(12)의 전류-전압 특성의 예를 나타내는 그래프이다. 이하에, 도 1(a), 1(b), 2, 및 3을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3은 인덕터(12)에 20Ω의 전류 제한 저항기를 직렬로 접속하고, 50㎐의 상용 전원 주파수의 전류를 도통시켰을 때, 전류치와 인덕터 양단의 전압치를 플롯한 것을 나타낸다. 도 2로부터 명백한 바와 같이, 전류치가 80㎃를 초과하면, 전류-전압 관계에 있어서의 직선성이 상실되고, 코어 재료가 포화 영역에 들어간다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 25A의 전류가 흐를 때의 리액턴스 값은 0.072Ω으로 판독되고, 이것은 상기의 규격을 만족시킨다. 한편, 접지선(74)에 유도된 노이즈 전류 In이 80㎃를 초과하는 경우는 전혀 없을 수도 있다. 인덕터(12)가 노이즈 전류 In에 의해서 자기적으로 포화되는 경우는 없으므로, 인덕터(12)는 상용 전원 주파수를 포함하는 노이즈 전류를 차단하는 필터로서 상당한 효과를 발휘할 것으로 예상된다. 즉, 인덕터(12)는 상용 전원에 의한 단락 전류 Is(대전류)에 의해서 자기적으로 포화된다. 그러므로, 인덕터(12)의 인덕턴스가 증가되어도, 단락 전류 Is는 거의 아무런 손실없이 인덕터(12)를 통과한다. 따라서, 고주파 노이즈 전류 In을 더욱 억제할 뿐만 아니라, 저주파 노이즈 전류 In(소전류)도 억제할 수 있다.

이어서, 인덕터(12)에 병렬 접속되는 저항기(11)의 필요성을 설명한다.

널리 알려진 바와 같이, 코일이 감겨진 인덕터의 회로 소자로서의 표시 기호는 인덕턴스 L이다. 그러나, 더욱 엄밀하게는, 저항치 R과 인덕턴스 L을 포함하는 직렬 2단자 회로가 병렬 용량 C'에 접속된 복합 2단자 회로로서 표시된다. 여기서, 저항치 R은 페라이트 또는 실리콘강 등의 자성 재료를 코어 재료로서 사용하는 경우 자기 손실을 나타내고, 병렬 용량 C'는 코일 권선간에 발생하는 부유 용량을 나타낸다. 따라서, 인덕터(12)를 회로 소자로서 사용할 때, L과 C'의 병렬 공진이 발생한다. 즉, 공진 각주파수 ω=1/√(LC')인 경우, 회로 소자의 임피던스 ｜Z｜는 이하와 같이 표시된다.

｜Z｜= √{R²+(ωL)²}/ √{(1-ω²LC')²+(ωRC')²} ㆍㆍㆍ(15)

여기서, ｜Z｜의 최대치는 이하와 같이 된다.

｜Z｜= √{R²+(ωL)²}/ RωC' ㆍㆍㆍ(16)

또한, 1≪ω²LC'와 같이 이러한 높은 값을 나타내는 각각의 주파수에 대하여 ｜Z｜는 이하와 같이 된다.

｜Z｜≒ √{R²+(ωL)²}/ √{(ω²LC')²+(ωRC')²}

= √{R²+(ωL)²}/ [ωC'√{R²+(ωL)²}]

= 1/ωC' ㆍㆍㆍ(17)

따라서, 이 회로 소자는 부유 용량만을 갖는 소자로 된다. 또한, 더 큰 인덕턴스를 얻기 위해서 코일 선의 권선 수를 증가시킴에 따라서, 부유 용량이 더욱 증 가되어서, 인덕턴스로서의 작용을 하는 각주파수가 낮아진다.

도 4는 인덕터(12)의 주파수-임피던스 특성의 예를 나타내는 그래프이다. 이하에 도 1 및 도 4를 참조로 하여 설명한다.

도 4는 페라이트 환상 코어에 100회 또는 80회 권선하여 인덕터(12)를 구성해서, 임피던스 애널라이저로써 측정한 결과를 나타낸다. 100회 권선의 경우에, 임피던스는 약 320㎑에서 공진하고, 80회 권선의 경우에, 약 470㎑에서 공진한다. 1㎒ 내지 2㎒ 사이의 영역에서, ｜Z｜는 1/ωC의 형상을 갖는 특성 곡선을 나타낸다. 5㎒ 이상의 주파수의 경우에는, ｜Z｜의 값은 진동 파형을 나타낸다. 이러한 ｜Z｜의 진동 현상은 인덕터(12)가 나선형(螺旋形) 안테나로서 동작하기 때문인 것으로 생각된다.

따라서, 인덕터(12)에 병렬로 저항기(11)를 접속함으로써, 안테나로서의 동작 현상을 억제하는 동시에 상용 주파수를 포함하는 고주파 노이즈가 저항기(11)에서 소비된다.

도 5는 인덕터(12)에 병렬로 저항기(11)를 접속한 경우의 주파수-임피던스 특성의 예를 나타내는 그래프이다. 이하에 도 1 및 도 5를 참조로 하여 설명한다.

도 5는 페라이트 환상 코어에 100회 권선하여 인덕터(12)를 구성하고, 인덕터(12)에 300Ω 또는 3000Ω의 저항기(11)를 접속하여, 임피던스 애널라이저로써 측정한 결과를 나타낸다. 도 5로부터 명백한 바와 같이, 노이즈 필터(10)는 1㎑ 이하에서 인덕턴스로서의 기능을 하는 것으로 예상된다. 1㎑ 이상의 노이즈 주파수에 대해서는 저항기로서의 기능이 증대한다. 또한, 인덕터(12)의 임피던스 값이 고주파 대역에서 진동 파형으로 변화하는 현상에 있어서, 최대치와 최소치는 코어 재료의 형상, 자기 특성의 변동, 코일 선의 직경, 권선 회수, 권선 방법 등에 따라서 변동한다. 따라서, 노이즈 필터(10)에 있어서, 변동에 의해서 발생하는 노이즈 저감 효과의 변동을 보정하기 위하여 저항기(11)가 필요하다.

도 6은 노이즈 필터(10)의 효과의 예를 나타내는 그래프이다. 이하에 도 1 및 도 6을 참조로 하여 설명한다.

도 6은 노이즈 필터(10)가 대형 전자장치에 부착되기 전후의 주파수-노이즈 전류 특성을 나타낸다. 노이즈 필터(10)가 부착되기 전에, 접지선(74)에 노이즈 전류 In이 대량으로 유기되어 있다. 노이즈 필터(10)가 부착되면, 노이즈 전류 In이 상당히 감소된다. 예로서, 상용 주파수 부근에서 노이즈 전류치로서 38㏈의 저감 효과를 인지할 수 있다. 이것은 노이즈 필터로서 잘 동작하는 것을 나타낸다.

이어서, 도 1(b) 및 도 7을 참조로 하여 저항기(11)의 저항치 R의 하한을 검토한다.

노이즈 전류 In의 각주파수를 ω[rad], 상기 인덕터(12)의 인덕턴스를 L[H], 상기 저항기(11)의 저항치를 R[Ω], 전자장치(75)의 접지 용량을 C[F]라고 하면, 에너지 소스측(노이즈 소스측)에서 본 회로의 입력 임피던스 Zin은 이하와 같이 산출된다.

Zin = jRωL/(R+jωL)-j(1/ωC)

= {jRω²LC-j(R+jωL)}/{ωC(R+jωL)}

= [RωL(ω²LC)-j{R²+(ωL)²-R²ω²LC}]/[ωC{R ²+(ωL)²}] ㆍㆍㆍ(18)

여기서, 식 (18)의 허수(虛數)가 0인 각주파수 부근에서 직렬 공진이 발생한다. 따라서,

R²+(ωL)²-R²ω²LC = 0 ㆍㆍㆍ(19)인 것으로 하면,

이하의 식이 성립한다.

ωr = 1/√(R²LC-L²) ㆍㆍㆍ(20)

직렬 공진 현상을 피하기 위해서는 식 (2)는 허수이어야 한다. 요컨대, 루트 부호 내부가 (R²LC-L²)

0이 되어야 한다. 즉, 저항기(11)의 저항치가 R

√(L/C) ㆍㆍㆍ(21)의 조건을 만족시켜야 한다.

한편, 도 7은 저항기(11)의 저항치 R을 변화시키면서, 도 1(b)의 임피던스 Zin의 주파수 특성을 측정한 그래프를 나타낸다. 이 측정에서, 임피던스 애널라이저를 사용하고, 조건으로서는 L=13.5[mH], C=0.47[㎌]로 설정되어 있다. R은, 9개의 값, 즉, 25[Ω], 100[Ω], 400[Ω], 600[Ω], 800[Ω], 1[㏀], 1.3[㏀], 1.7[㏀], 및 2[㏀]으로 설정되어 있다.

여기서, 식 (21)에서의 R

√(L/C)의 직렬 공진이 발생하지 않는 조건에서, R

170의 관계가 성립한다. 도 7에 있어서, 이러한 조건이 만족되는 25[Ω]의 경우에 직렬 공진이 발생하지 않는다. 그러나, 이러한 조건이 만족되지 않는 400[Ω] 이상의 경우에는, 2[㎑]의 직렬 공진 현상을 인지할 수 있다. 저항치 R이 증가함에 따라서, 직렬 공진 주파수의 임피던스 Zin이 감소하지만, 직렬 공진 주파수보다 높은 주파수 범위에서의 임피던스 Zin은 완만하게 증가한다.

상기한 바와 같이, R

√(L/C)의 조건을 만족시키는 R의 경우에는, 직렬 공진이 발생하지 않지만, 공진 주파수보다 높은 주파수는 잘 억제될 수 없다. 이것을 극복하기 위하여, R＞√(L/C) ㆍㆍㆍ(22)인 것으로 하면, 이 식 (22)의 조건을 상기 식 (5), (6), (7), (13) 등의 조건과 함께 이용할 수 있다.

예로서, 노이즈 전류 In의 하한 각주파수를 ωn[rad]이라고 하면, 식 (13)으로부터 R＜2ωn²L을 산출할 수 있다. 이것을 식 (22)와 결합하면, 이하의 관계가 성립한다.

√(L/C)＜R＜2ωn²L (C＞(4ωn²L)인 경우) ㆍㆍㆍ(23)

도 8(a)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제2실시형태를 나타내는 회로도이다. 이하, 도 8(a)를 참조로 하여 설명한다. 이 도면에서 도 1(a)의 구성 부분에 동일한 구성 부분은 동일한 참조 부호로써 표시하고, 그 설명을 생략한다.

본 실시형태의 노이즈 필터(30)에서는, 제1실시형태의 저항기(11)(도 1(a) 참조)를 가변 저항기(31)로써 대체한 것이다. 노이즈 필터(30)가 부착되는 전자장치에 따라서, 접지 용량 C가 변동한다. 이러한 경우에도, 가변 저항기(31)의 저항치를 변경함으로써 공진 주파수의 변동을 적절하게 조절할 수 있다.

도 8(b)는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제3실시형태를 나타내는 회로도이다. 이하, 도 8(b)를 참조로 하여 설명한다. 이 도면에서 도 8(a)의 구성 부분에 동일한 구성 부분은 동일한 참조 부호로써 표시하고, 그 설명을 생략한다.

본 실시형태의 노이즈 필터(40)에서는, 제2실시형태의 가변 저항기(31)가 고정 저항기(41)에 접속되어 있다. 노이즈 필터(40)가 부착되는 전자장치에 따라서, 접지 용량 C가 변동한다. 이러한 경우에도, 가변 저항기(31)의 저항치를 변경함으로써 공진 주파수의 변동을 적절하게 조절할 수 있다.

도 9는 본 발명에 의한 노이즈 필터의 제4실시형태를 나타내는 사시도이다. 이하, 도 9를 참조로 하여 설명한다. 본 실시형태는 도 8(a)의 회로와 동일한 회로를 사용하므로, 이 도면에서 도 8(a)의 구성 부분에 동일한 구성 부분은 동일한 참조 부호로써 표시하고, 그 설명을 생략한다.

본 실시형태의 노이즈 필터(50)는, 서로 병렬로 접속된, 인덕터인 환상 코일(12)과 가변 저항기(31)를 포함하고 있다. 환상 코일(12)과 가변 저항기(31)를 포함하는 병렬 회로에 있어서, 그 하나의 단자가 커넥터(51)를 통하여 접지되어 있고, 다른 하나의 단자가 커넥터(52)를 통하여 전자장치에 접속되어 있다. 따라서, 노이즈 필터(50)는 접지선용의 2단자 노이즈 필터이다. 환상 코일(12)과 가변 저항기(31)를 포함하는 병렬 회로는 프레임(53) 내에 수용되어 있다. 이 프레임(53)은, 예로서, 알루미늄 등의 금속 또는 도전성 플라스틱으로 제조한다.

또한, 환상 코일(12)의 중심에 가변 저항기(31)가 배치되어 있다. 즉, 환상 코일(12)의 중심에 가변 저항기(31)가 수용되어서, 프레임(53) 내의 공간을 효과적으로 이용한다.

또한, 가변 저항기(31)의 저항치를 변경하기 위한 회전축(저항치 가변 수단)(54)이 프레임(53)의 외측으로부터 조작될 수 있는 위치에 배치되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 프레임(53)의 외측으로부터 회전축(54)을 조작함으로써, 접지 용량 C의 변동을 용이하게 조절할 수 있다. 상세하게는, 프레임(53)에 관통 구멍(55)이 형성되어 있으므로, 상기 관통 구멍(55)으로부터 표준형 드라이버를 삽입하여 회전축(54)을 용이하게 회전시킬 수 있다.

노이즈 필터(50)가 부착되는 전자장치에 따라서, 접지 용량 C의 값이 변동한다. 따라서, 노이즈 필터(50)가 전자장치에 부착된 후에, 회전축(54)을 조작하여 필요로 하는 감쇠 특성을 취득할 수 있다.

본 발명에 의해서, 노이즈 필터로부터 방출되는 전력의 문제, 노이즈 필터와 접지 용량과의 결합에 의한 공진 주파수 전류의 문제, 및 노이즈 전류의 차단과 단락 전류의 도통과의 사이의 균형의 문제를 해결할 수 있는 노이즈 필터가 제공되고, 또한 상기 노이즈 필터를 사용한 전자장치가 제공된다.

Claims

전자장치에 발생하는 단락 전류를 접지측에 방출하는 접지선,

상기 전자장치와 상기 접지선 사이에 접속되어서, 상기 접지선에 유도되는 노이즈 전류가 상기 접지선으로부터 상기 전자장치 내로 유입되는 것을 억제하는 인덕터, 및

상기 인덕터에 병렬로 접속된 저항기를 포함하며,

노이즈 전류의 하한(下限) 각주파수(角周波數)를 ωn[rad], 상기 인덕터의 인덕턴스를 L[H], 상기 저항기의 저항치를 R[Ω], 전자장치의 접지 용량을 C[F]라고 할 때,

√(L/C)＜R＜2ωn²L (C＞1/(4ωn⁴L)인 경우)의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 노이즈 필터.
전자장치에 발생하는 단락 전류를 접지측에 방출하는 접지선,

상기 전자장치와 상기 접지선 사이에 접속되어서, 상기 접지선에 유도되는 노이즈 전류가 상기 접지선으로부터 상기 전자장치 내로 유입되는 것을 억제하고, 또한, 상기 단락 전류에서 자기 포화(磁氣飽和)되어 상기 단락 전류를 상기 전자장치로부터 상기 접지선을 향해 흐르게 하는 인덕터, 및

상기 인덕터에 병렬로 접속된 저항기를 포함하며,

노이즈 전류의 하한(下限) 각주파수(角周波數)를 ωn[rad], 상기 인덕터의 인덕턴스를 L[H], 상기 저항기의 저항치를 R[Ω], 전자장치의 접지 용량을 C[F]라고 할 때,

상기 저항기의 저항치를 √(L/C)＜R＜2ωn²L (C＞1/(4ωn⁴L)인 경우)로 설정한 것을 특징으로 하는 노이즈 필터.
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제2항에 있어서, 상기 저항기는 가변 저항기인 것을 특징으로 하는 노이즈 필터.
제11항에 있어서, 상기 인덕터는 환상 코일이고,

상기 환상 코일과 상기 가변 저항기를 포함하는 병렬 회로가 프레임 내에 수용되고,

상기 가변 저항기는 상기 환상 코일의 내주 벽으로써 둘러싸인 공간 내에 배치되고,

상기 가변 저항기의 저항치를 변경하는 저항치 가변 수단을 외부로부터 조작할 수 있도록, 상기 프레임에는 상기 저항치 가변 수단에 대응하는 위치에 관통 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노이즈 필터.
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