KR101054244B1 - 임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 전자통신기기 및 서지보호장치 등의 성능시험을 위한 임펄스발생기의 트리거장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극사이의 갭 간격이 고정된 방전스위치와, 상기 방전스위치를 트리거하기 위한 고압펄스변압기와, 상기 방전스위치로 흐르는 전류를 제어하는 저항과, 트리거신호를 인가하는 트리거파트로 구성되어 기존의 보편적으로 사용되던 트리거 회로를 개선하여 충전전압의 크기에 따라 갭 스위치 양단의 간격을 변화시키지 않아도 되는 갭 스위치의 간격조정이 필요없는 임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.

Description

임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법{Trigger device and driving method for impulse generator}

본 발명은 전자통신기기 및 서지보호장치 등의 성능시험을 위한 임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극사이의 갭 간격이 고정된 방전스위치와, 상기 방전스위치를 트리거하기 위한 고압펄스변압기와, 상기 방전스위치로 흐르는 전류를 제어하는 저항과, 트리거 신호를 인가하는 트리거파트로 구성되어 기존의 보편적으로 사용되던 트리거 회로를 개선하여 충전전압의 크기에 따라 갭 스위치 양단의 간격을 변화시키지 않아도 되는 갭 스위치의 간격조정이 필요없는 임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.

현대사회에서 전자통신 기기의 사용은 필수적이며 디지털 기기가 급속도로 보급된 상황에서 기기의 효율 및 사용의 편의성은 증가하였지만 한편으로는 낙뢰에 의한 고장도 증가하고 있다.

이는 이들 전자, 통신, 디지털 기기가 과거에 비해 소형화와 고집적화 됨에 따라 낙뢰에 의한 서지내성이 매우 저하되었기 때문이다.

이를 예방하기 위해 각종 전기전자기기에도 서지내성 시험을 수행하도록 IEC, IEEE 등의 관련규격에 명시되어 있으며 국내에서도 이를 적극적으로 도입하고 있다.

또한, 낙뢰로 인해 발생되는 뇌 서지 전류는 구조물 내부에 설치되어 있는 저압의 전기, 전자, 통신시스템에 커다란 위협이 되고 있다.

IEC, IEEE 등과 같은 국제규격이 국내에도 도입됨에 따라 전자통신기기의 판매를 위해서는 서지에 대한 안정성이 검증되어야 한다.

이를 위해서는 제품의 개발 단계에서 이를 고려한 설계가 이루어져야 하며 수시로 이러한 성능을 검증해야할 필요가 있다.

이러한 서지 특성평가를 위해서는 먼저 서지를 기기에 인가할 수 있는 서지발생장치가 필수적이다.

이러한 서지발생장치는 거의 해외에서의 수입에 의존하고 있는 실정이다.

임펄스 전류발생기는 일반적으로 커패시터(C)-저항(R)-인덕터(L)의 직렬회로로 구성되며 커패시터에 충전된 전하를 R-L을 통해 방전함으로써 임펄스 전류파형을 발생시킨다.

여기서 R, L, C 값의 상호관계에 따라 과진동파형, 감쇠진동파형, 비진동성파형이 발생한다.

이러한 임펄스발생기에 사용되던 스위치에는 진공스위치, 갭 스위치 등의 방법이 있다.

진공스위치의 경우 안정적인 스위치 동작이 이루어지지만 최소 동작전압이 수 kV 이상은 되어야 하므로 수백V 정도의 낮은 서지전압을 발생시키기 어려우며 매우 고가로 보급형의 소형 서지 제너레이터 적용하기는 어려운 상황이다.

갭 스위치에 의한 트리거방식은 광범위하게 사용되지만 갭 양단의 충전된 전압의 크기에 따라 저압에서는 갭 간격을 줄여야 하고 고압에서는 갭 간격을 넓혀야 하는 등의 불편함이 있다.

참고로 트리거란 비정현파와 그 밖의 특수파형을 발생시키는데 필요한 기동신호를 가리키며, 트리거회로란 펄스의 상승 또는 하강 등을 이용하여 다른 회로에 그 변화를 알리거나, 회로의 작동이나 상태의 변동을 일으키게 하는 회로이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 두 전극으로 구성된 방전스위치를 이용하여 수백V-수kV 의 충전전압에 대해서 갭 간격의 조정 없이 안정적인 스위칭 동작이 구현되도록 하고자 한다.

본 발명은 임펄스발생기에 사용되는 트리거 장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 본 발명의 트리거 장치는 전극사이의 갭 간격이 고정된 방전스위치와, 상기 방전스위치를 트리거 하기 위한 고압 펄스변압기와, 상기 방전스위치로 흐르는 전류를 제어하는 저항과, 트리거 신호를 인가하는 트리거 파트로 구성된 것이 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 갭 스위치의 간격조정이 필요없는 트리거장치는 충전전압의 크기에 따라 갭 스위치의 간격을 조정하던 기존의 트리거장치의 불편함을 해소할 수 있기 때문에 신속한 트리거장치가 구성되는 서지발생장치 등에 사용함으로써 신속한 검증을 할 수 있게 한다.

또한, 상대적으로 진공 갭 스위치보다 비용이 저렴한 일반 갭 스위치를 사용할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 전형적인 임펄스 전류발생기의 기본적인 회로구성도.
도 2는 임펄스 전류 파형 피라미터의 정의도.
도 3은 기존 갭 스위치의 일반적인 구성도.
도 4는 본 발명의 트리거장치 구성도.
도 5는 GDT스위치소자가 적용된 트리거장치의 회로구성도.

본 발명의 갭 스위치의 간격조정이 필요없는 임펄스발생기용 트리거장치 및 그 구동방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 전형적인 임펄스전류발생기의 기본적인 회로구성도이다.

설명에 앞서 본원의 도면에 도시된 전자회로부호는 기본적으로 전기·전자부분에 일반적으로 통용되는 기호와 호칭(명칭)을 따르기로 한다.

일반적인 임펄스전류발생기는 도 1과 같이 고전압 발생부와 커패시터 충전을 위한 충전저항(Rc), 에너지 저장용 커패시터, 출력파형 성형용 인덕터, 저항으로 구성되며 커패시터에 충전된 전하를 방전시키기 위한 방전스위치(20)가 필요하다.

방전스위치(20)는 Vc로 충전된 커패시터의 전하를 저항과 인덕턴스의 직렬회로에 방전하여 임펄스 전압, 전류 파형을 발생시킨다.

도 2는 임펄스 전류 파형 피라미터의 정의도이다.

도 2는 발생하는 임펄스 전류파형의 파리미터를 설명하기 위한 것으로 최대치의 10% 지점과 90% 지점을 직선으로 연결하고 이 선과 전류 0 및 100%와의 교점사이의 시간간격(T1)을 파두장이라 하며 이는 최대치의 10% 지점의 시삭(t1)과 90%지점의 시각(t2)과의 차로 나타내는 상승시간 tr의 1.25배에 해당한다.

또한, 최대치의 50%값에 이르는 시각 t3에서 규약원점(t3)의 차를 파미장(T2)으로 나타내며 임펄스 전류파형은 일반적으로 파두장(T1)/파미장(T2)으로 표현한다.

본 발명에서는 이의 한 예로써 8/20us의 임펄스전류발생기(1)를 구현하고자 한다.

방전용 스위치(20) 소자로는 종래에는 구갭 형태의 대칭형 전극구조의 스위치가 사용되어졌으나 이는 온습도 등의 주변 환경에 따라 동작특성이 달라지며 인가되는 직류전압의 크기에 따라 갭 간격을 조정해야 하는 불편함과 방전시 큰 소음을 동반한다.

이러한 특성을 개선하기 위해 진공 갭 스위치가 사용되기도 하지만 이는 최소동작 전압이상이 충전되었을 경우에만 안정적으로 동작하므로 일반적으로 수백V 정도의 저전압에서는 동작이 안정적이지 못하며 상대적으로 일반 갭 스위치에 비해 매우 고가이다.

도 3은 기존 갭 스위치의 일반적인 구성도이다.

도 3은 일반적인 갭 형태의 스위치로서 2개의 반구 또는 구형태의 방전전극(21a, 21b)과 한쪽 전극 내부에 트리거용의 제3 전극(22)을 포함한 형태로 구성된다.

물론 트리거용 전극(22)은 절연체(23)에 의해 둘러싸여 구성되어 있다.

이의 동작원리는 먼저 트리거신호에 의해 트리거용 전극(22)과 방전전극(21a, 21b)간에 스파크가 발생하며 이를 통해 두 방전전극(21a, 21b) 사이에 연속적으로 방전이 발생하도록 하여 스위치(20)가 도통되는 구조이다.

여기서 초기에 트리거신호에 의해 발생하는 트리거용 전극(22)과 방전전극(21a, 21b) 사이의 스파크는 주 방전전극(21a, 21b)의 초기 아크발생을 쉽게 하기 위한 보조적인 역할을 하며 연속적으로 방전이 발생하기 위해서는 두 방전전극(21a, 21b) 사이에 고전계가 형성되어 있어야 한다.

여기서 두 방전전극(21a, 21b) 사이의 전계가 너무 높아 공기의 절연파뢰전압 이상이 되었을 경우에는 트리거신호가 없어도 자동적으로 방전이 발생할 수 있으므로 장비를 안정적으로 제어하기 어렵다.

또 반대로 갭 간격 d가 너무 큰 경우에는 두 방전전극(21a, 21b)사이의 전계가 미약해 트리거 신호에 의해 1차 방전이 형성된 후에도 주 방전전극(21a, 21b) 간에는 방전이 안 되는 경우가 있다.

즉, 이러한 모델의 스위치는 충전되는 전압에 따라 방전전극(21a, 21b) 간의 간격도 수시로 조정해야만 하는 불편함이 따르며 이를 자동으로 제어하기 위해서는 모터 및 컨트롤러 등으로 구성된 부가적인 장치가 필요하다.

도 4는 본 발명의 트리거장치 구성도이다.

도 4는 기존의 갭 스위치(20)의 단점을 보완하기 위하여 본 발명에서는 전극사이의 갭 간격이 고정된 방전스위치(11)와 이를 트리거하기 위한 고압펄스변압기(12), 방전스위치(11)로 흐르는 전류를 제어하기 위한 저항(13) 및 트리거신호를 인가하는 트리거파트(14)로 구성된다.

또한, 본 발명에서는 방전전극(11a, 11b)의 갭 간격이 고정된 형태로서 이 갭 간격은 서지발생기의 최고 충전전압상태에서 자동적으로 방전이 발생하지 않을 정도의 간격이다.

두 방전전극은 각각 11a와 11b로 구성된다.

예로 6kV급 서지발생기를 제작시에는 방전스위치 양단에 6kV의 직류전압을 인가시 방전스위치의 트리거신호의 유입없이는 자동적으로 방전이 발생해서는 안 된다.

동작원리는 커패시터 C에 일정전압으로 충전이 되면 이 전압이 동시에 방전스위치의 양단에 형성된다.

트리거신호시에는 펄스발생기의 2차 측에 고압의 임펄스가 생성되며 이는 방전스위치 양단의 절연을 파괴할 수 있을 정도로 충분한 전압이 인가된다.

이로 인해 방전스위치(11) 양단에 방전이 발생 되면 커패시터 C에 충전되었던 전하가 방전스위치(11)를 통해 R-L회로로 전달되어 원하는 서지파형을 얻을 수 있다.

이러한 방법은 방전스위치(11) 양단의 충전전압이 낮아도 스위치에 병렬로 연결된 트리거회로에서 충분한 방전전압을 공급하므로 인정적인 트리거동작이 가능하다.

실제의 회로구성시에는 도 5와 도시된 바와 같이 스위치소자로써 GDT(Gas Discharge Tube)와 같은 소자를 적용할 수 있다.

도 5는 GDT스위치소자가 적용된 트리거장치의 회로구성도이다.

하기 기술된 부분은 도 5에 도시된 부호를 참조해 이해하길 바란다.

GDT스위치소자를 사용시 매우 간단하게 구성할 수 있으며, 매우 경제적인 방법이다.

GDT스위치를 구동하기 위한 회로는 직류전압으로 커패시터(C1)에 충전된 전하로 인해 SCR이 턴온(Turn on)됨에 따라 펄스변압기(X1)의 1차 측을 통해 흐르며 펄스변압기(X1)의 권선비에 따라 2차 측에 승압된 고전압 펄스가 발생한다.

GDT스위치를 구동하기 위한 회로는 펄스전압으로 외부 제어장치에 의해 스위치 동작신호가 유입되면 SCR이 턴온(Turn on)된다.

SCR이 턴온됨에 따라 커패시터(C1)에 충전된 전하가 펄스변압기(X1)의 1차 측을 통해 흐르며 펄스변압기(X1)의 권선비에 따라 2차 측에 승압된 고전압펄스가 발생하게 된다.

여기서 다이오드(D1)는 SCR보호용이며 D2, R1은 SCR이 OFF될 때 X1이 1차측에 발생하는 고전압을 방류시키기 위한 회로이다.

펄스변압기(X1)의 2차 측에 발생된 고전압 펄스는 커패시터 C2를 충전시키며 GDT양단에 고압의 임펄스가 가해져 스위치를 방전시키고 결과적으로 도통 상태를 유지하도록 한다.

저항 R2는 방전스위치 양단으로 흐르는 전류를 제한함과 동시에 주 서지발생기의 전류가 스위치를 통해 트리거회로 쪽으로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.

1. 임펄스발생기
10. 트리거장치 11. 방전스위치 12. 고압펄스변압기
13. 저항 14. 트리거파트
20. 방전스위치 21a, 21b. 방전전극 22. 트리거용 전극
23. 절연체

Claims (4)

1. 임펄스발생기에 사용되는 트리거장치에 있어서,
   상기 트리거장치(10)는 전극사이의 갭 간격이 고정된 방전스위치(11)와, 상기 방전스위치를 트리거하기 위한 고압펄스변압기(12)와, 상기 방전스위치(11)로 흐르는 전류를 제어하는 저항(13)과, 트리거신호를 인가하는 트리거파트(14);
   로 구성되되,
   상기 방전스위치(11)는 트리거용 전극없이 2극으로 이루어진 방전전극(11a, 11b)으로서 트리거회로가 병렬로 구성되어, 방전스위치(11)의 양단의 충전전압이 낮아도 충분한 방전전압을 공급받아 안정적인 트리거동작이 가능한 것이 특징인 임펄스발생기용 트리거장치.
   
2. 삭제
3. 임펄스발생기에 사용되는 트리거장치의 구동방법에 있어서,
   커패시터 C에 일정전압으로 충전이 되면 이 전압이 동시에 방전스위치(11)의 양단에 형성되고, 트리거신호시에는 펄스발생기의 2차 측에 고압의 임펄스가 생성되며 이는 방전스위치(11) 양단의 절연을 파괴할 수 있을 정도로 충분한 전압이 인가되어 이로 인해 방전스위치(11) 양단에 방전이 발생 되면 커패시터 C에 충전되었던 전하가 방전스위치(11)를 통해 R-L회로로 전달되어 원하는 서지파형을 얻을 수 있도록 구성되되;
   상기 방전스위치(11)는 트리거용 전극이 없는 2극으로 이루어진 방전전극(11a, 11b)으로서 트리거회로가 병렬로 구성되어, 방전스위치(11)의 양단의 충전전압이 낮아도 충분한 방전전압을 공급받아 안정적인 트리거동작이 가능한 것이 특징인 임펄스발생기용 트리거장치의 구동방법.
   
4. 삭제

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