KR100814650B1 - 보호소자 및 보호회로 - Google Patents

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Abstract

과전류나 과전압에 대응할 수 있는 보호소자를 보다 적은 부품수로 간편하고 저렴한 비용으로 제조할 수 있도록 한다.
보호소자 (20A) 를 1 개의 PTC 재료 (1') 와 그 위에 형성된 3 개 이상의 전극 (11a,11b,11c) 으로 구성하고, 이 PTC 재료 (1') 를 2 개 이상의 PTC 소자 (1a,1b) 로서 작용시킨다.
보호소자, 보호회로

Description

보호소자 및 보호회로{PROTECTIVE ELEMENT AND PROTECTIVE CIRCUIT}
도 1 은 본 발명의 보호소자의 평면도 (1A) 및 단면도 (1B) 이다.
도 2 은 본 발명의 보호회로를 나타내는 회로도이다.
도 3 은 본 발명의 보호소자의 평면도 (3A) 및 단면도 (3B) 이다.
도 4 는 본 발명의 보호소자의 평면도 (4A) 및 단면도 (4B) 이다.
도 5 는 본 발명의 보호소자의 평면도 (5A) 및 단면도 (5B) 이다.
도 6 은 종래의 보호장치의 회로도이다.
도 7 은 종래의 보호소자의 평면도 (7A) 및 단면도 (7B) 이다.
도 8 은 종래의 보호장치의 회로도이다.
도 9 는 종래의 보호소자의 정면도 (9A) 및 측면도 (9B) 이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1,1a,1b : PTC 소자 1' : PTC 재료
2 : 저융점 금속체 3 : 발열체
4 : 기판 5a,5b,5c,5d : 전극
6 : 절연층 7 : 보호캡 (케이스)
8 : 스테인리스판 9a,9b : 스프링
11a,11b,11c,11d : 전극 20A,20B,20C,20D : 본 발명의 보호소자
20X,20Y : 종래의 보호소자
본 발명은 PTC 소자의 트립에 의해 피보호회로를 과전류 또는 과전압으로부터 보호하는 보호소자 및 보호회로에 관한 것이다.
종래, 피보호회로로의 과전류를 차단하는 보호소자로서, 납, 주석, 안티몬 등의 저융점 금속체로 이루어지며, 과전류에 의해 발열하여 용단하는 전류퓨즈가 알려져 있다.
또한, 과전류시에 발열하며, 그럼으로써 저항치가 상승하여 피보호회로로 흐르는 전류를 억제하는 것으로서는 PTC (Positive Temperature Coefficient) 소자가 알려져 있다.
그리고, 이들 보호소자와 전압검지수단을 조합하여, 과전류 뿐만 아니라 과전압으로부터도 피보호회로를 보호하는 보호장치가 제안되어 있다.
도 6 은 이와 같은 보호장치의 회로도이고, 도 7 은 이 회로중에 사용되는 보호소자 (20X) 의 평면도 (6A) 및 단면도 (6B) 이다 (일본 공개특허공보 평8-236305 호 참조). 도 6 의 회로에 있어서, 단자 (A1,A2) 는 리튬이온전지 등의 피보호장치의 전극단자에 접속되고, 단자 (B1,B2) 는 충전기 등의 전극단자에 접속된다.
이 회로에서는 그 제 1 단자 (a) 와 제 2 단자 (b) 사이에서 PTC 소자 (1) 와 저융점 금속체 (2) 가 직렬로 접속되며, 그 접속점 (전극 (5d)) 과 제 3 단자 (c) 사이에 발열체 (3) 가 접속되고, 저융점 금속체 (2) 와 발열체 (3) 는 근접하게 배치되어 있다. 그리고, 이들 PTC 소자 (1), 저융점 금속체 (2) 및 발열체 (3) 로 1 개의 보호소자 (20X) 가 구성되어 있다.
이 보호소자 (20X) 는, 도 7 에 나타낸 바와 같이 기판 (4) 상에 전극 (5a,5b,5c,5d) 을 형성하고, 이 전극 (5c) 과 전극 (5d) 사이에 발열체 (3) 를 형성하고, 발열체 (3) 를 절연층 (6) 으로 덮고, 전극 (5a) 상에 PTC 소자 (1) 를 적층하고, PTC 소자 (1) 와 기판 (4) 상의 전극 (5b) 과 전극 (5d) 에 걸쳐지도록 저융점 금속체 (2) 를 형성하고, 그리고 이들을 보호캡 (7) 으로 덮음으로써 제조된다.
또한, 이 보호장치에는 전압검지수단 및 스위칭수단으로서 제너 다이오드와 트랜지스터가 설치되어 있다.
이 보호장치에 의하면, 평상시에는 발열체 (3) 로는 통전되지 않고, PTC 소자 (1) 및 저융점 금속체 (2) 가, 리튬이온전지 등의 피보호장치의 전극단자와 충전기 등의 전극단자 사이의 통전라인으로 되는데, 제너 다이오드에 소정 항복전압 이상의 역전압이 인가되면, 급격하게 베이스전류 (ib) 가 흐르며, 그럼으로써 큰 컬렉터전류 (iC) 가 발열체 (3) 로 통전되어 발열체 (3) 가 발열하고, 발열체 (3) 에 근접한 위치에 있는 저융점 금속체 (2) 가 용단하여 단자 (A1,A2) 에 접속된 리튬이온전지 등의 피보호장치에 있어서의 과충전의 진행이 저지된다.
한편, 단자 (A1,B1) 사이에 규정치 이상의 과전류가 흐른 경우에는, 우선 PTC 소자 (1) 가 전류억제기능을 발휘하며, 이어서 저융점 금속체 (2) 가 용단하여 전류를 차단한다.
도 8 은 또 다른 보호장치의 회로도이고, 도 9 는 이 회로중에 사용되는 보호소자 (20Y) 의 정면도 (9A) 및 측면도 (9B) 이다 (일본 공개특허공보 평10-98829 호 참조). 이 회로에 있어서, 보호소자 (20Y) 는 제 1 PTC 소자 (1a) 와 제 2 PTC 소자 (1b) 를 스테인리스판 (8) 의 양면에 배치하고, 이들을 스프링 (9a,9b) 으로 탄성적으로 끼워 폴리머제 보호케이스 (7) 에 설치한 것이다. 또한, 전압검지수단 및 스위칭수단으로서는, 상술한 도 6 의 회로와 마찬가지로 제너 다이오드와 트랜지스터가 설치되어 있다.
따라서, 도 8 의 보호회로에 의하면, 평상시에는 제 1 PTC 소자 (1a) 로만 통전되고, 과전류시에는 제 2 PTC 소자 (1b) 로 급격하게 전류가 흘러서 제 2 PTC 소자가 발열하며, 그 열이 제 1 PTC 소자로 신속하게 전도되어 제 1 PTC 소자가 트립하여 피보호회로로의 통전이 억제된다.
그러나, 상술한 PTC 소자를 사용한 보호소자에 있어서는, 이상시에 통전라인의 전류억제를 하는 PTC 소자 (1,1a) (도 6, 도 8) 를 작용시키기 위하여 발열체 (3) (도 6) 나 제 2 PTC 소자 (1b) (도 8) 를 개별적으로 사용하여야만 한다.
그리고, 이들 PTC 소자 (1,1a,1b) 나 발열체 (3) 를 사용하여 보호소자 (20X,20Y) 를 구성하기 위해서는, 기판 (4) 이나 케이스 (7) 도 필요해진다.
따라서, 종래의 보호소자에는 부품수가 많기 때문에 소형화가 어렵고, 제조비용이 높아지는 등의 문제가 있다.
이와 같은 종래기술의 문제에 대하여 본 발명은, 보다 적은 부품수로 간편하고 저렴한 비용으로 제조할 수 있고, 과전류나 과전압에 대응할 수 있는 보호소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 1 개의 PTC 재료에 3 개 이상의 전극을 형성하면, 그 중 2 개의 전극으로 끼워지는 PTC 재료가 각각 1 개의 PTC 소자로서 작용함을 발견하여 본 발명의 보호소자를 완성시켰다. 또한, 피보호회로로의 통전라인에 2 개의 PTC 소자를 병렬하여 접속함에 있어서, 평상시에는 2 개의 PTC 소자의 쌍방으로 통전되고, 이상시에는 그 중 일측으로만 통전되도록 회로를 구성하면, 평상시에 대한 이상시의 전류가 비교적 작은 경우라도 PTC 소자를 트립시키는 것을 발견하여 본 발명의 보호회로를 완성시켰다.
즉, 본 발명은 1 개의 PTC 재료와 그 위에 형성된 3 개 이상의 전극으로 이루어지고, 상기 PTC 재료가 2 개 이상의 PTC 소자로서 작용하는 것을 특징으로 하는 보호소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 제 1 PTC 소자와, 직렬로 접속된 스위칭소자 및 제 2 PTC 소자가 병렬로 접속되고, 상기 스위칭소자는 평상시에는 제 2 PTC 소자로의 통전을 가능하게 하고, 피보호회로의 단자전압이 소정 전압 이상으로 되었을 때에는 제 2 PTC 소자로의 통전을 차단하여 제 1 PTC 소자가 통전전류에 의해 트립하도록 한 보호회로를 제공한다.
발명의 실시형태
이하, 본 발명을 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 그리고, 각도면중 동일부호는 동일 또는 동등한 구성요소를 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 보호소자 (20A) 의 평면도 (1A) 및 단면도 (1B) 이다.
이 보호소자 (20A) 는 직사각형 판상의 PTC 재료 (1') 의 한쪽 면에 제 1 전극 (11a), 제 2 전극 (11b), 제 3 전극 (11c) 을 각각 띠형상으로 형성한 것이다. 여기서, PTC 재료 (1') 로서는, 그 PTC 소재 자체에 특별히 제한은 없으며, 도전성 입자를 결정성 고분자 (예컨대, 폴리올레핀계 수지) 에 분산시킨 소위 폴리머 PTC, 티탄산발륨계 PTC, 크리스토발석계 PTC (일본 공개특허공보 평10-261505 호) 등을 사용할 수 있다.
또한, 전극 (11a,11b,11c) 의 형성소재나 형성방법에도 특별히 제한은 없으며, 예컨대 스퍼터링 등에 의해 전극 (11a,11b,11c) 을 형성할 수 있다.
이 보호소자 (20A) 는, 상술한 바와 같이 1 개의 PTC 재료 (1') 로 이루어지며, 간편하게 제조됨에도 불구하고, 제 1 전극 (11a) 과 제 2 전극 (11b) 과 이들 사이의 PTC 재료 (1') 를 제 1 PTC 소자 (1a) 로서 작용시키고, 제 2 전극 (11b) 과 제 3 전극 (11c) 과 이들 사이의 PTC 재료 (1') 를 제 2 PTC 소자 (1b) 로서 작용시킬 수 있다.
또한, 이 보호소자 (20A) 는 각 전극 (11a,11b,11c) 이 PTC 재료 (1') 의 한쪽 면에 형성되어 있으므로, 표면 실장에 적합한 것으로 된다.
도 2 는 상술한 보호소자 (20A) 를 사용한 본 발명의 보호회로를 나타내는 회로도이다. 이 보호회로에 있어서, 단자 (A1,A2) 는 리튬이온전지 등의 피보호장치의 전극단자에 접속되고, 단자 (B1,B2) 는 충전기 등의 전극단자에 접속된다.
또한, 이 보호회로에 있어서는 스위칭소자로서 FET 가 사용되고 있으며, FET의 소스단자 (S) / 드레인단자 (D) 와 제 2 PTC 소자 (1b) 가 직렬로 접속되고, 이들과 제 1 PTC 소자 (1a) 가 병렬로 접속되어 있다.
한편, FET 의 게이트단자 (G) 는 피보호회로의 단자전압을 검출하는 IC 와 접속하고 있으며, IC 는 검출한 피보호회로의 단자전압의 값에 대응하여 FET 의 게이트단자 (G) 의 전위를 제어한다. 즉, IC 가 이상을 검지하지 못한 경우, 즉 피보호회로의 단자전압이 소정 전압보다 낮은 때에는, IC 는 FET 를 ON 상태로 하여 FET 는 제 2 PTC 소자 (1b) 로의 통전을 가능하게 한다. 따라서, 이 때 제 1 PTC 소자 (1a) 와 제 2 PTC 소자 (1b) 의 쌍방으로 이들의 저항치에 맞는 전류가 통전된다. 그리고, 이와 같이 쌍방의 PTC 소자 (1a,1b) 로 통전이 이루어지는 경우에 과전류가 발생한 때에는, 각각의 PTC 소자 (1a,1b) 의 트립에 의해 전류가 억제된다.
이에 비하여 IC 가 이상을 검지한 경우, 즉 피보호회로의 단자전압이 소정 전압 이상의 과전압을 검지한 경우에는, IC 는 FET 를 OFF 상태로 하여 FET 는 제 2 PTC 소자 (1b) 로의 통전을 차단한다. 그 결과, 이상시에는 제 1 PTC 소자 (1a) 로만 통전되고, 제 1 PTC 소자 (1a) 는 통전전류에 의해 신속하게 트립한다.
이와 같이 본 발명의 보호회로에 의하면, 매우 간편한 구성으로 피보호회로를 과전류 및 과전압으로부터 보호할 수 있다.
본 발명의 보호회로에 있어서, 제 1 PTC 소자 (1a) 및 제 2 PTC 소자 (1b) 의 평상시의 저항치 또는 트립을 일으키는 전류치는 적절히 정할 수 있는데, 제 1 PTC 소자 (1a) 를 제 2 PTC 소자 (1b) 에 비하여 고저항으로 하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 제 2 PTC 소자 (1b) 는 그 전류가 큰 때에 트립하고, 제 1 PTC 소자 (1a) 는 그 전류가 비교적 작은 경우라도 트립하기 때문에, IC 에 의해 과전압이 검출되었을 때에 매우 신속하게 제 1 PTC 소자 (1a) 를 트립시킬 수 있다.
그리고, 도 2 의 보호회로는 도시한 바와 같이 제 1 PTC 소자 (1a) 와 제 2 PTC 소자 (1b) 를 병렬로 접속하는 한, 종래의 2 개의 PTC 소자를 기판에 실장하여도 실현할 수 있으며, 반드시 본 발명의 보호소자 (20A) 를 사용하지 않아도 실현할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 다른 태양에 관한 보호소자 (20B) 의 평면도 (3A) 및 단면도 (3B) 이다. 이 보호소자 (20B) 는 도 1 의 보호소자 (20A) 에 있어서 PTC 재료 (1') 의 대략 중앙부에 형성되어 있던 제 2 전극 (11b) 을 제 3 전극 (11c) 의 반대측에 형성한 것이다. 이 보호소자 (20B) 에 의하면, 제 1 전극 (11a) 과 제 3 전극 (11c) 및 이들 사이의 PTC 재료 (1') 를 제 1 PTC 소자 (1a) 로서 작용시키고, 제 2 전극 (11b) 과 제 3 전극 (11c) 및 이들 사이의 PTC 재료 (1') 를 제 2 PTC 소자 (1b) 로서 작용시킬 수 있다.
도 4 는 또 다른 본 발명의 태양에 관한 보호소자 (20C) 의 평면도 (4A) 및 단면도 (4B) 이다. 이 보호소자 (20C) 는 도 1 의 보호소자 (20A) 의 전극형성면과 반대측 PTC 재료 (1') 에 제 4 전극 (11d) 을 더욱 형성한 것이다. 이 보호소자 (20C) 에 의하면, 도 1 의 보호소자 (20A) 에 비하여 전극 (11b) 과 전극 (11c) 사이의 저항을 낮게 할 수 있다.
도 5 는 또 다른 본 발명의 태양에 관한 보호소자 (20D) 의 평면도 (5A) 및 단면도 (5B) 이다. 이 보호소자 (20D) 에 의하면, 도 4 의 보호소자 (20C) 에 비하여 전극 (11b) 과 전극 (11c) 사이의 저항을 더욱 낮게 할 수 있다.
본 발명의 보호소자 또는 보호회로는 상술한 예로 한정되지 않고, 여러 가지 태양을 취할 수 있으며, PTC 재료 (1') 의 형상, 이것에 형성하는 전극의 수, 전극의 형상 등은 적절히 정할 수 있다. 예컨대, 도 3 ∼ 도 5 의 보호소자는 각각 PTC 재료의 일면에 2 개 이상의 전극을 형성하고, PTC 재료의 타면에 전극을 더욱 형성한 것인데, 이 경우 PTC 재료의 어느 면에 몇개의 전극을 형성할지는 적절히 정할 수 있다.
또한, 본 발명의 보호회로에 있어서, 스위칭소자로서는 FET 외에 바이폴러형 트랜지스터, 릴레이 등도 사용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
도 4 에 나타낸 구성의 보호소자를 제작한다. 이 경우, PTC 재료 (1') 로서는 폴리머 PTC 를 사용하며, 그 크기는 9 ㎜ ×3 ㎜ ×0.3 ㎜ (두께) 로 한다. 전극은 스퍼터링에 의해 3 ㎜ ×1.5 ㎜ 로 형성한다.
얻어진 PTC 소자 (20C) 의 제 1 전극 (11a) 과 제 2 전극 (11b) 사이 (제 1 PTC 소자 (1a)) 는 300 mΩ, 제 2 전극 (11b) 과 제 3 전극 (11c) 사이 (제 2 PTC 소자 (1b)) 는 30 mΩ이었다.
이 PTC 소자 (1a) 와 PTC 소자 (1b) 에 병렬로 전류를 흐르게 하면, PTC 소자 (1a) 와 PTC 소자 (1b) 는 동시에 5A 로 트립한다. 한편, PTC 소자 (1a) 로만 전류를 흐르게 하면 PTC 소자 (1a) 는 0.8 A 로 트립한다.
본 발명에 의하면, 2 개 이상의 PTC 소자의 기능을 갖는 보호소자를 1 개의 PTC 재료로 간편하고 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. 또한, 이것을 사용하여 피보호회로를 과전류나 과전압으로부터 보호할 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 보호소자, 및 스위칭 소자를 구비하며,
    상기 보호소자는 하나의 PTC재료 및 그 표면상에 형성된 3개 이상의 전극을 구비하며, 상기 PTC 재료는 제 1 PTC소자와 제 2 PTC소자로서 작용하며,
    제 1 PTC 소자는, 직렬로 접속된 스위칭소자 및 제 2 PTC 소자와 병렬로 접속되며,
    상기 스위칭소자는 평상시에는 제 2 PTC 소자로의 통전을 가능하게 하고, 피보호회로의 단자전압이 소정 전압 이상으로 되었을 때에는 제 2 PTC 소자로의 통전을 차단하여 제 1 PTC 소자가 통전전류에 의해 트립하도록 하는 것을 특징으로 하는 보호회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제 1 PTC 소자는 제 2 PTC 소자에 비해 고저항인 것을 특징으로 하는 보호회로.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    스위칭소자는 FET 인 것을 특징으로 하는 보호회로.
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