KR100996198B1 - 서지 보호기 및 서지 보호 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축 케이블과 같은 불평형 선로에 유입되는 뇌 서지에 대한 방전 속도 및 방전 성능을 향상시키고 고주파 신호의 손실을 방지할 수 있는 서지 보호기 및 서지 보호 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위한, 본 발명의 서지 보호기는 양단에 커넥터를 구비하고, 양단 커넥터의 신호 전송단자 접속되는 내부 도체와, 양측 커넥터의 접지단자과 접속되는 외부 도체 및 내부 도체에 일단이 접속되고 외부 도체에 타단이 접속되며 유도 성분을 갖는 코일을 포함하되, 코일은 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값 이상의 주파수 성분을 통과시키는 것이다.

Description

서지 보호기 및 서지 보호 소자의 제조 방법{SURGE PROTECTIVE DEVICE AND METHOD FOR MANUFATURING THE SURGE PROTECTIVE DEVICE}

본 발명은 서지 보호기와 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 동축 케이블과 같은 불평형 선로에 유입되는 뇌 서지에 대한 방전 속도 및 방전 성능을 향상시키고 고주파 신호의 손실을 방지할 수 있는 서지 보호기 및 서지 보호 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 평형 선로는 두 선로의 특성 임피턴스가 같아 뇌서지(surge)에 노출되어도 두 선로에 유기되는 에너지가 같아 선로 간에 작용하는 뇌서지 피해는 크지 않고, 선로와 대지간에 작용하는 뇌서지 전압이 문제가 된다.

그러나 동축케이블과 같은 불평형 선로는 평형 선로와 달리 내부도체와 외부도체 간의 특성 임피턴스가 달라 뇌서지에 노출되면 두 선로에 유기되는 에너지가 달라 선로 간에 작용하는 뇌서지 피해가 상대적으로 크다.

이에 따라, 뇌서지에 의한 과전압을 제한하고 서지 전류를 방전시키기 위한 서지 보호기(SPD; Surge Protective Device)가 이용되고 있다

도 1은 일반적인 서지 보호회로의 구성을 나타내는 회로도로서, 동축 케이블로부터 중심 신호선인 내부 도체(110)로 유입된 서지 신호가 전자기기 등으로 유입되는 것을 방지하기 위하여, 내부 도체(110)와 외부 도체(120) 사이에 서지 보호소자(130)를 연결한다.

이러한 구성에 따라, 내부 도체(110)를 통해 유입되는 서지는 서지 보호소자(130)를 통해 과전압 방전되면서 접지와 연결된 외부 도체(120)를 통해 방전된다.

일반적으로 서지 보호소자로는 전압 스위칭 소자와 전압 제한형 소자가 이용되고 있다.

전압 스위칭 소자는 가스 방전관(GDT; Gas Discharge Tubes)과 사이리스터(실리콘제어 정류기) 같이 서지가 없을 때에는 큰 임피던스를 나타내고, 서지 전압에 대해서는 임피던스가 급격하게 작아지는 특성을 갖지만, 방전관은 응답속도가 늦은 단점이 있고, 사이리스터와 같은 반도체소자는 전류용량이 작고 자체용량성분이 큰 단점이 있다.

도 2는 일반적인 가스 방전관의 방전 특성을 나타낸 전압 파형 그래프로서, 서지 전압이 크게 상승할 때까지 방전관 내부에 충진된 가스가 활성화되지 않다가, 일정 시간이 경과 한 후에 방전하는 특성이 있기 때문에 반응 속도가 느리고, 도 2와 같이 잔류 전압이 나타나 잔류 전압이 기기로 유입되어 기기가 손상되는바, 서지 보호 성능이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 전압 제한형 소자는 바리스터와 억제 다이오드와 같이 서지가 없는 경우 큰 임피던스를 나타내고, 서지 전류와 전압이 상승하면 임피던스가 연속적으로 작아지는 특성을 갖고 있다.

도 3은 일반적인 바리스터의 방전 특성을 나타낸 전압 파형 그래프로서, 바리스터는 반응 속도가 빠르고 서지 전류에 대한 억압 기능은 우수한 반면에, 내부 정전용량 성분이 크기 때문에 신호 라인에 정전용량 성분이 입력되어 고주파 신호가 손실되는 문제가 있다.

배경 기술의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 신호 전송선에 연결되는 내부 도체와 접지선에 연결되는 외부 도체 사이에 서지 주파수 대역 이상의 주파수 성분을 통과시키는 코일을 연결함으로써, 내부 도체로 유입되는 서지 전압을 빠른 속도로 통전시키며 서지 전압의 상승을 억제할 수 있도록 하는 서지 보호기와 서지 보호 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 신호 전송선에 연결되는 내부 도체와, 접지선에 연결되는 외부 도체 사이에 서지 주파수 대역의 주파수 성분을 저지하는 코일을 구비하고 선택적으로 커패시터를 연결함으로써, 신호성분에 대하여 손실 없이 통과시키면서, 내부 도체로 유입되는 서지 전압을 빠른 속도로 통전시킴으로써 서지 전압의 잔류를 방지할 수 있도록 하는 서지 보호기와 서지 보호 소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

과제를 해결하기 위한 본 발명의 서지 보호기는 동축 케이블의 서지 보호기에 있어서, 양단에 커넥터를 구비하고, 양단 커넥터의 신호 전송단자 접속되는 내부 도체와, 양측 커넥터의 접지단자과 접속되는 외부 도체 및 내부 도체에 일단이 접속되고 외부 도체에 타단이 접속되며 유도 성분을 갖는 코일을 포함하되, 코일은 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값 이상의 주파수 성분을 통과시키는 것이다.

여기서, 코일의 타단과 외부 도체 사이에는 코일에 직렬 연결되는 용량성 소자 또는 전압제한형소자가 더 결합되되, 코일과 용량성 소자 또는는 코일과 전압제한형소자의 결합에 의해 컷 오프 주파수가 20KHz ~ 20MHz인 리액턴스 값에 해당하는 주파수를 차단할 수 있다.

또한, 과제를 해결하기 위한 본 발명의 서지 보호 소자의 제조 방법은, 동축 케이블의 서지 보호기에 있어서, 양단 커넥터의 신호 전송단자에 내부 도체를 접속하고, 양단 커넥터의 접지단자에 외부 도체를 접속하며, 내부 도체와 외부 도체 사이에 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값을 가지는 코일을 접속시킨다.

또한, 코일의 타단과 외부 도체 사이에 코일에 직렬 연결되는 용량성 소자 또는 전압제한형소자를 더 결합시켜 컷 오프 주파수가 20KHz ~ 20MHz인 리액턴스 값이 되도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내부 도체로 유입되는 서지 전압을 빠른 속도로 방전시키며 서지 전압의 잔류를 방지함으로써, 서지 방전 성능을 향상시켜 전자기기의 손상을 효과적으로 방지하고 전송되는 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일반적인 서지 보호회로의 구성을 나타내는 회로도.
도 2는 일반적인 가스 방전관의 방전 특성을 나타낸 전압 파형 그래프.
도 3은 일반적인 바리스터의 방전 특성을 나타낸 전압 파형 그래프.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 서지 보호기의 구조도.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 서지 보호기의 회로 구성도.
도 6은 도 5의 서지 보호기의 일부 구성 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 서지 보호기의 주파수 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 서지 보호기의 주파수 대역별 신호 특성을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 서지보호기의 서지보호 특성을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서지 보호기의 회로 구성도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 서지 보호기의 구조도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 서지 보호기의 회로 구성도이고, 도 6은 도 5의 서지 보호기의 일부 구성 예시도이다.

본 발명의 서지 보호기는 동축 케이블(20)과 전자기기(30) 사이에 접속되어, 동축 케이블(20)을 통해 유입되는 서지 전압은 접지로 방전시키고, 서지 전압 이상의 고주파 신호는 전자기기(30)로 유입시킴으로써, 전자기기(30)에 뇌 서지(surge)가 유입되는 것을 차단하여 전자기기의 피해를 방지하기 위한 장치이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 서지 보호기(10)는 내부 도체(11)와, 외부 도체(12)와 코일(13) 및 커넥터(14,15)를 포함한다.

여기서, 내부 도체(11)는 제 1 커넥터(14)와 제 2 커넥터(15)에 형성된 신호 전송단자(미도시함)를 통해 동축 케이블(20)의 신호 전송선(21)과 전자기기(30) 사이에 접속되고, 외부 도체(12)는 제 1 커넥터(14)와 제 2 커넥터(15)에 형성된 접지단자(미도시함)를 통해 동축 케이블(20)의 접지선(22)과 전자기기(30) 사이에 접속된다.

그리고, 코일(13)은 일단이 내부 도체(11)에 접속되고, 타단이 외부 도체(12)에 접속되며 서지 주파수 대역 이상의 주파수를 통과시키는 고역 통과 필터 역할을 한다.

여기서, 양측 커넥터(14,15) 사이의 외부도체(12)는 케이스에 해당 하며, 케이스 내부 즉 코일의 외주면에는 에폭시와 같은 몰딩 수지로 몰딩 처리함으로써, 절연성능을 높이고 코일의 변형을 예방하여 성능변화를 예방할 수 있다.

여기서, 코일(13)은 KSC.IEC61000-4-5의 대표적인 서지파형인 1.25~50μs에 대응하는 컷 오프 주파수가 100Hz~ 20MHz에 해당하는 리액턴스 값 사이에서, 신호성분의 주파수 특성에 따라 선택적으로 컷 오프 주파수를 갖도록 하거나, UL497 및 ITU-T의 대표적인 서지파형인 10~700μs에 대응 하는 컷 오프 주파수인 최대 1.4kHz~1MHz에 해당하는 리액턴스 값 사이에서, 신호성분의 주파수 특성을 감안하여 선택인 주파수대역을 갖도록 할 수 있다.

여기서, 상기한 주파수 대역에 해당하는 리액턴스 값이란 리액턴스를 구하는 공식 (XL)=2πFL의 식에 대입하여 회로를 설계시 설정할 수 있으며, 바람직하게는, 코일(13)은 중심주파수인 830KHz 또는 뇌 서지 스펙트럼 상의 소정 주파수에 따라 리액턴스 값을 설정할 수 있다.

이에 따라, 서지 보호기(10)는 내부 도체(11)를 통해 유입되는 서지 전압 즉, 컷 오프 주파수 이하의 주파수에 해당하는 서지 전압은 코일(13)을 통해 외부 도체(12)를 통해 방전시키고, 컷 오프 주파수 이상의 전압은 전자기기(30)로 유입시킨다.

이때, 코일(13)은 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 공심으로 권취되어 내부 도체(11)와 외부 도체(12) 사이에 연결되거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 내부 도체가 삽입되도록 공심으로 권취시킬 수 있다.

또는, 코일(13)은 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 보빈(13a)의 외주면에 권취시키거나, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 페라이트 코어(13b)의 외주면에 공심으로 권취 또는 도 6의 (e)에 도시된 바와 같이 페라이트 코어(13b)가 삽입된 보빈(13a)의 외주면에 공심으로 권취시킬 수 있다. 여기서, 도 6의 (c),(d),(e)에는 내부 도체(13)가 코일의 내부에 삽입된 것으로 도시하였으나 다른 변형된 실시예를 통해 도 6의 (a)와 같이 내부 도체(11)와 외부 도체(12) 사이에 연결시키는 방식으로 제조할 수도 있다.

상술한 코일(13) 형성 방법에서 도 6의 (e)와 같이 보빈(13a) 내에 페라이트 코어(13b)를 삽입할 경우 공심으로 권취되는 코일에 비하여 자속밀도가 높아지므로 코일의 권수와 크기를 작게 할 수 있고, 신호 손실이 매우 적어 효과적인 서지보호기를 제조할 수 있든 장점이 있다.

또한, 코일(13)은 동축 케이블(20)이 접속되는 전자기기의 입력 회로부 또는 출력 회로부에 구비될 수 있으며, 도면에는 도시되지 않았으나 코일(13)의 외주면 또는 양 단자를 제외한 전체를 에폭시와 같은 수지를 이용하여 몰딩 처리함으로써 코일의 형태를 보호하여 특성변화를 예방하고, 절연성을 높일 수 있다.

이러한 구성에 따르면, 동축 케이블(20)의 신호 전송선(21)을 통해 내부 도체(11)로 뇌 서지가 유입되면, 내부 도체(11)로 유입된 뇌 서지 성분은 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값을 갖는 코일(13)을 통해서 내부도체(11)와 외부 도체(12)는 통전되어 서지를 소멸시킨다. 이에 따라, 뇌 서지 성분이 전자기기로 유입되는 것이 방지되는 것이다.

예를 들어, 제 1 커넥터(14)를 통해 고주파 신호가 유입되면, 내부 도체(11)와 외부 도체(12) 사이에는 고주파 신호에 의한 전위차가 발생하게 된다.

여기서, 리액턴스가 1μH이고, 고주파 신호의 주파수가 100MHz라면 임피던스(XL)는 2πFL 이므로 아래의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

XL=2× 3.14× 100× 10⁶ × 10^-6 = 628Ω

따라서, 입력된 신호의 임피던스는 628Ω이 되므로, 일반적인 불평형 선로의 특성 임피턴스가 50Ω 임을 감안하면, 신호 전위는 불과 100uV 수준으로 손실 없이 제 2 커넥터(15)를 통해 전자기기로 유입된다.

그런데, 서지 보호기(10)의 제 1 커넥터(14)를 통해 서지가 유입된다면, 내부 도체(11)와 외부 도체(12) 사이에는 높은 전위차가 발생하게 된다.

여기서, 리액턴스가 1μH이고, 고주파 신호의 주파수가 100Hz라면 임피던스(XL)는 2πFL 이므로 아래의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

XL=2 × 3.14 × 100× 10³× 10^-6 = 0.628Ω

따라서, 서지 임피던스는 0.628Ω이 되므로, 일반적인 불평형 선로의 특성 임피턴스가 50Ω 임을 감안하면, 신호 전위는 큰 손실로서 단락 상태가 되어 제 2 커넥터를 통과하지 못하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 서지 보호기의 주파수 특성을 나타낸 그래프도로서, KSC.IEC61000-4-5 표준지의 중심주파수인 약 833KHz대역에 대한 감쇄 특성을 나타낸 것으로서, 서지 전압에 대하여 32.7dB의 감쇄 특성을 나타낸다. 즉, 종래 기술의 도 2에 도시된 가스 방전관을 이용할 경우 서지전압 4KV가 828V로 감쇄됨으로 인해 13.9dB의 감쇄특성을 보이는 것에 비하여 약 19dB 상당의 서지 전압 저지 특성 나타내, 약 100배의 감쇄 효과를 보이는 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 서지 보호기의 주파수 대역별 신호 특성을 나타낸 그래프로서, 신호주파수가 서지영역에 속하는 30KHz ~10MHz 대역에서는 전압 감쇄 특성이 크게 나타나고, 고주파 신호영역에 속하는 30MHz ~ 3GHz에 대역에서는 매우 평탄한 전압 특성을 보임으로써, 고주파영역에 대하여 매우 안정된 신호특성을 보이고 있다.

도 9는 본 발명에 따른 서지보호기의 서지보호 특성을 나타낸 그래프로서, 4kV 서지 전압이 입력되면 이를 2.29V로 감쇄시킨 것으로써, 도 2에 나타낸 종래의 기술에 비하여 360배 수준의 서지 전압 개선 효과를 보이고 있다.

도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서지 보호기의 회로 구성도로서, 상술한 본 발명의 제 1 실시예와 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따르면 서지 보호기(10)는 내부 도체(11)와, 외부 도체(12)와 코일(13) 및 용량성 소자(16)를 포함한다.

여기서, 코일(13)의 일단은 내부 도체(11)에 접속되고 타단은 용량성 소자(16)의 일단과 접속되며, 용량성 소자(16)의 타단은 외부 도체(12)에 접속된다. 여기서, 본 발명의 제 2 실시예는 코일(13)의 타단에 용량성 소자(16)를 연결하였으나 다른 변형된 실시예를 통해 전압제한형소자(Metal Oxide Varistor)를 연결할 수 있다.

이때, 코일(13)과 용량성 소자(16) 또는 전압제한형 소자가 직렬 연결됨에 따라 대역 저지 필터가 형성되며, 대역 저지 필터는 컷 오프 주파수가 20KHz ~ 20MHz에 해당하는 리액턴스 값 사이에서, 신호성분의 주파수 특성을 감안하여 선택인 주파수대역을 갖도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 내부 도체(11)로 뇌 서지 성분이 유입되면 컷 오프 주파수가 20KHz ~ 20MHz인 리액턴스 값을 갖는 대역 저지 필터에 의해 내부도체(11)와 외부 도체(12)는 통전되어 뇌 서지 성분이 소멸된다. 이에 따라, 뇌 서지 성분이 전자기기로 유입되는 것이 방지되는 것이다.

10 : 서지 보호기 11 : 내부 도체
12 : 외부 도체 13 : 코일
14 : 제 1 커넥터 15 : 제 2 커넥터
16 : 용량성 소자 20 : 동축 케이블
21 : 신호 전송선 22 : 접지선
30 : 전자기기

Claims (16)

1. 동축 케이블의 서지 보호기에 있어서,
   양단에 커넥터를 구비하고,
   상기 양단 커넥터의 신호 전송단자 접속되는 내부 도체와, 상기 양측 커넥터의 접지단자과 접속되는 외부 도체 및 상기 내부 도체에 일단이 접속되고 상기 외부 도체에 타단이 접속되며 유도 성분을 갖는 코일을 포함하되,
   상기 코일은 상기 내부 도체가 삽입되도록 공심으로 권취되거나 상기 내부 도체와 외부 도체 사이에 위치하고 내부에 페라이트 코어가 삽입되고, 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값 이상의 주파수 성분을 통과시키는 것을 특징으로 하는 서지 보호기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 공심형 코일 내부에는 보빈이 더 삽입된 것을 특징으로 하는 서지 보호기.
   
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 코일의 외주면이 몰딩 처리된 것을 특징으로 하는 서지 보호기.
   
9. 동축 케이블의 서지 보호 소자의 제조 방법에 있어서,
   양단 커넥터의 신호 전송단자에 내부 도체를 접속하고, 상기 양단 커넥터의 접지단자에 외부 도체를 접속하며,
   상기 내부 도체와 상기 외부 도체 사이에 컷 오프 주파수가 100Hz ~ 20MHz인 리액턴스 값을 가지는 코일을 접속시키되,
   상기 코일은 상기 내부 도체가 삽입되도록 공심으로 권취되거나, 상기 내부 도체와 외부 도체 사이에 위치하고 내부에 페라이트 코어가 삽입되는 것을 특징으로 하는 서지 보호 소자의 제조 방법.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제 9항에 있어서,
    상기 코일을 보빈의 외주면에 권취하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서지 보호 소자의 제조 방법.
    
15. 삭제
16. 제 9항에 있어서,
    상기 코일의 외주면에 몰딩 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서지 보호 소자의 제조 방법.

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