KR101217031B1 - Ｅｍｐ 방호 필터용 과전압 보호회로 및 장치 - Google Patents

Ｅｍｐ 방호 필터용 과전압 보호회로 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 EMP 방호 필터에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 보회로 및 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 전원라인에 직렬로 연결되는 제1, 2인덕터와 상기 제1인덕터의 전단 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제1과전압 보호부와 상기 제1인덕터와 제2인덕터 사이의 상기 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제2과전압 보호부를 포함하며 상기 제1과전압 보호부는 전류내량이 큰 어레스터를 포함하고 상기 제2과전압 보호부는 응답속도가 빠른 바리스터를 포함하여, 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 과전압 보호회로를 구성할 수 있어 손상 및 성능저하 없이 기능을 장기간 유지할 수 있고, 과전압 보호소자를 모듈화하여 장치의 케이스를 열지 않고서도 탈착식으로 장치에 결합시킬 수 있어 짧은 시간에 안전하게 과전압 보호소자를 교체할 수 있으며, 손상과 성능저하가 나타나는 바리스터의 상태를 외부에서 확인할 수 있는 과전압 보호회로 및 장치에 대한 것이다.

Description

ＥＭＰ 방호 필터용 과전압 보호회로 및 장치{Over voltage protection circuit and apparatus of filter for the EMP shelter}
본 발명은 EMP 방호 필터에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 보호회로 및 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 전원라인에 직렬로 연결되는 제1, 2인덕터와 상기 제1인덕터의 전단 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제1과전압 보호부와 상기 제1인덕터와 제2인덕터 사이의 상기 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제2과전압 보호부를 포함하며 상기 제1과전압 보호부는 전류내량이 큰 어레스터를 포함하고 상기 제2과전압 보호부는 응답속도가 빠른 바리스터를 포함하여, 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 과전압 보호회로를 구성할 수 있어 손상 및 성능저하 없이 기능을 장기간 유지할 수 있고, 과전압 보호소자를 모듈화하여 장치의 케이스를 열지 않고서도 탈착식으로 장치에 결합시킬 수 있어 짧은 시간에 안전하게 과전압 보호소자를 교체할 수 있으며, 손상과 성능저하가 나타나는 바리스터의 상태를 외부에서 확인할 수 있는 과전압 보호회로 및 장치에 대한 것이다.
일반적으로 전자기 펄스(ElectroMagnetic Pulse, EMP)란 핵폭발에 의하여 생기는 전자기 충격파로, 직접적으로 인명 피해를 주지 않지만 전자회로로 들어가 전류가 되는데 상기 EMP가 지닌 에너지가 엄청나기 때문에 전자회로를 파괴시켜 즉, 가공 전력선과 통신선을 통해 대략 50kV/m 이상의 전계와 5000A 정도의 나노초 펄스 및 약 20초 동안 지속되는 임펄스가 전자기기로 유도되어 전자회로를 파과시켜 반도체로 작동하는 모든 전자기기, 즉 군사용 장비, 통신장비, 컴퓨터, 이동수단, 전산망 등을 마비시킨다. 최근에는 인명 살상에 대한 국제적 비난을 피하면서, 현대전이 dc 3V 저압으로 동작되는 프로세서 제어에 기반을 둔 통신·무기 시스템에 의해 진행되는 만큼, 사람에게는 피해를 주지 않으면서 적의 군사용 통신·무기 시스템을 비롯한 산업용 전력 시스템과 제어계통을 일시에 무력화할 수 있는 EMP 폭탄, 고고도 핵전자기파(high altitude electromagnetic pulse) 전자 무기 등의 EMP 무기가 널리 개발되고 있다.
상기 EMP 무기에 의해 지휘·무기 체계의 마비는 전쟁의 승패를 좌우할 만큼 중요성이 커짐에 따라 EMP 무기뿐만 아니라 EMP를 방호할 수 있는 기술이 각광받고 있다. 상기 EMP를 방호하기 위한 기술의 대표적인 것이 EMP를 공간적으로 차단할 수 있도록 금속재질로 외부를 형성한 방호실 및 전원선 등을 통해 유입되는 EMP를 전도적으로 방호하기 위한 전원필터 및 신호필터가 사용 및 개발되고 있다. 상기 전원필터는 전원선의 방호실 인입구 등에 설치되어 전자기 펄스를 전도적으로 차단하는데, 상기 전원필터에는 과전압이 발생하였을 때 접지회로측으로 방전되는 바이패스 경로를 구성하기 위해 상기 전원필터에 과전압 보호회로 및 장치가 연결된다.
도 1은 종래의 전원필터와 과전압 보호장치의 회로도이며 도 2는 종래의 과전압 보호장치의 개략적인 사시도인데 도 1 내지 2를 참조하여 상기 과전압 보호회로 및 장치를 살펴보면, 상기 과전압 보호회로(100)는 전원필터 회로(200)의 전단에 위치하며 전원라인(power line, PWL)과 접지라인(grond line, GND) 사이에 바리스터(300)가 연결되어 전원라인(PWL)의 입력측(L)으로부터 유입된 과전압을 방전시켜 접지회로를 구성토록 하여 전원필터 회로(200)를 보호한다. 상기 바리스터(300)는 전기적으로 응답특성은 우수하나 산화아연(ZnO) 등의 메탈 옥사이드(metal oxide)로 이루어져서 전류내량이 낮아 쉽게 타거나 단선, 단락, 절연불량 및 성능저하가 급격하게 일어나 전원계통에 매우 중대한 문제를 일으켜 왔다. 또한, 상기 바리스터(300)는 정전용량이 커서 방전개시전압보다 낮은 전압에서 동작하는 문제가 있었다. 상기 바리스터(300)는 EMP 중펄스(1.5/3000us)로 시험시 순시값이 수 kA를 넘지 못하여 쉽게 파괴되거나 성능이 저하되며, 평균고장간격(MTBF)이 10만 시간 이하로 설계된다.
또한, 상기 과전압 보호회로(100)를 포함하는 과전압 보호장치(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 외부 케이스(410)의 내부에 바리스터(미도시)가 볼트 등으로 고정되어 있어, 쉽게 손상되는 바리스터를 교체하기 위해서는 외부 케이스(410)의 상부판을 제거하고 볼트를 풀어 손상된 바리스터를 제거하고 새로운 바리스터를 볼트를 조여 설치하여야 함으로 바리스터의 교체에 많은 시간(대략 20 내지 30분)이 소요되는 문제가 있었다. 또한, 상기 과전압 보호회로가 활선인 상태에서 손상된 부품을 교체해야 하기 때문에 작업자가 전기적 위험에 노출되는 문제가 있었다.
또한, 종래의 EMP 방호 전원필터의 과전압 보호회로 및 장치는 그 성능저하 상태를 감시하여 표시할 수 있는 기능을 가지지 못하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 과전압이 발생하였을 때 방전되어 접지회로로 바이패스 경로를 구성토록 하여 EMP 방호 대상기기에 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 과전압 보호회로 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전류내량이 큰 어레스터와 응답속도가 빠른 바리스터가 이중으로 과전압을 제거하므로, 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 회로를 구성할 수 있어 손상 및 성능저하 없이 기능을 장기간 유지할 수 있는 과전압 보호회로 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 회로 및 장치를 구성하는 과전압 보호소자를 모듈화하여 장치의 케이스를 열지 않고서도 탈착식으로 장치에 결합시킬 수 있어 복구시간을 단축시킬 수 있는 과전압 보호회로 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 손상과 성능저하가 나타나는 바리스터의 상태를 외부에 확인할 수 있어 고가의 EMP 방호실을 지능화시킬 수 있는 과전압 보호회로 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 EMP 방호 필터용 과전압 보호회로는 EMP를 전도적으로 방호하는 방호필터 회로의 전단에 위치하여 상기 방호필터 회로에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 보호회로에 있어서, 상기 과전압 보호회로는 전원라인에 직렬로 연결되는 제1, 2인덕터와, 상기 제1인덕터의 전단 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제1과전압 보호부와, 상기 제1인덕터와 제2인덕터 사이의 상기 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 제2과전압 보호부를 포함하며, 상기 제1과전압 보호부는 전류내량이 큰 어레스터를 포함하고, 상기 제2과전압 보호부는 응답속도가 빠른 바리스터를 포함하여, 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 과전압 보호회로를 구성할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 EMP 방호 필터용 과전압 보호회로에 있어서 상기 제2과전압 보호부는 상기 바리스터의 전단과 전원라인에 각각 연결되는 퓨즈와, 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 병렬로 연결되어 상기 바리스터의 성능상태를 감시하여 나타내는 성능표시부를 추가로 포함하며, 상기 성능표시부는 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 연결되어 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 흐르는 전류에 의해 빛을 발산하는 발광다이오드와, 상기 발광다이오드에서 발산되는 빛의 변화에 따라 변화하는 전류를 출력하는 광트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 EMP 방호 필터용 과전압 보호장치는 제1항 또는 제2항의 EMP 방호 필터용 과전압 보호회로를 포함하고, 외형을 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 외면에 탈착식으로 부착되는 모듈화된 제2과전압 보호부를 포함하며, 상기 모듈화된 제2과전압 보호부는 외형을 형성하는 케이스를 포함하고, 상기 케이스 내부에는 제2과전압 보호부를 구성하는 바리스터와 퓨즈가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 과전압이 발생하였을 때 방전되어 접지회로로 바이패스 경로를 구성토록 하여 EMP 방호 대상기기에 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전류내량이 큰 어레스터와 응답속도가 빠른 바리스터가 이중으로 과전압을 제거하므로, 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 회로를 구성할 수 있어 손상 및 성능저하 없이 기능을 장기간 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 회로 및 장치를 구성하는 과전압 보호소자를 모듈화하여 장치의 케이스를 열지 않고서도 탈착식으로 장치에 결합시킬 수 있어 복구시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 손상과 성능저하가 나타나는 바리스터의 상태를 외부에 확인할 수 있어 고가의 EMP 방호실을 지능화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 방호필터와 과전압 보호장치의 회로도.
도 2는 종래의 과전압 보호장치의 개략적인 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 분해사시도.
이하에서는 본 발명에 따른 EMP 방호 필터용 과전압 보호회로 및 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 회로도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호장치의 분해사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 EMP 방호 필터용 과전압 보호회로(1)는 방호필터 회로(2)의 전단에 위치하여 상기 방호필터 회로(2)에 과전압이 인가되는 것을 방지한다. 상기 방호필터는 EMP를 전도적으로 방호하는 전원필터 또는 시그널 필터를 의미하며 상기 전원필터 및 시그널 필터는 종래의 기술에 해당하므로, 상기 방호필터 회로(2)에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 과전압 보호회로(1)는 전원라인(power line, PWL)에 직렬로 연결되는 제1, 2인덕터(L1, L2)와, 상기 제1인덕터(L1)의 전단 전원라인(PWL)과 접지라인(ground line, GND) 사이에 연결되는 제1과전압 보호부(11)와, 상기 제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2) 사이의 상기 전원라인(PWL)과 접지라인(GND) 사이에 연결되는 제2과전압 보호부(12)를 포함한다.
상기 제1, 2인덕터(L1, L2)는 전원라인(PWL)에 직렬로 연결되며 고주파에 대해 높은 임피던스를 가지는 구성으로, 상기 제1인덕터(L1)는 제2인덕터(L2)보다 전원라인(PWL)의 입력측(L)에 가깝게 위치하며 인덕터 대신에 페라이트 비드가 사용되는 것도 가능하다.
상기 제1과전압 보호부(11)는 상기 제1인덕터(L1)의 전단 전원라인(PWL)과 접지라인(GND) 사이에 연결되어 과전압을 방전시켜 접지회로를 구성토록 하는 구성으로, 이상적인 부품으로 어레스터(arrestor)가 사용된다. 상기 어레스터는 응답속도가 상대적으로 느리나 전류내량이 커서 과전압 방전시 쉽게 파손되지 않는 특징을 가진다.
상기 제2과전압 보호부(12)는 상기 제1인덕터(L1)와 제2인덕터(L2) 사이의 상기 전원라인(PWL)과 접지라인(GND) 사이에 연결되어 상기 제1과전압 보호부(11)에 의해 제거되지 않은 과전압을 방전시켜 접지회로측으로 바이패스 경로를 구성토록 하는 회로로, 바리스터(121), 퓨즈(122), 성능표시부(123) 등의 구성을 포함한다.
상기 바리스터(varistor, 121)는 상기 전원라인(PWL)과 접지라인(GND) 사이에 연결되어 상기 제1인덕터(L1)로부터 출력되는 과전압에 의한 전류를 전도하는 구성으로, 전류내량이 낮으나 응답속도가 빨라 상기 제1과전압 보호부(11)에 의해 제거되지 않은 고속의 과전압을 제거할 수 있다. 상기 퓨즈(fuse, 122)는 상기 바리스터(121)의 전단과 전원라인(PWL)에 각각 직렬 연결되어 상기 바리스터(121)의 파손에 의한 전력계통의 단락사고를 예방한다.
상기 성능표시부(123)는 상기 바리스터(121)의 성능을 감시하여 나타내는 구성으로, 상기 바리스터(121)와 퓨즈(122) 사이에 병렬로 연결되는 정류 다이오드(123a)와, 상기 정류 다이오드(123a)의 후단에 연결되는 발광다이오드(123b)와, 상기 발광다이오드(123b)의 후단 및 접지라인(GND)에 각각 연결되는 저항(123c)와, 발광다이오드(123b)에서 발산되는 빛의 변화에 따라 변화하는 전류를 출력하는 광트랜지스터(123d)를 포함한다. 상기 바리스터(121)가 손상되어 단락회로가 되면 상기 퓨즈(122)는 단선 되어 상기 발광다이오드(123b)에서 빛이 더 이상 발산되지 않으므로, 상기 발광다이오드(123b)에서 빛이 발산되지 않는 경우 상기 바리스터(121)의 손상이 있는 것을 쉽게 파악할 수 있다. 또한, 상기 바리스터(121)가 손상되었으나 상기 퓨즈(122)가 완전히 단선되기 전까지는 상기 발광다이오드(123b)에서 발산되는 빛의 양이 변화하게 되는데, 상기 광트랜지스터(123d)가 변화하는 빛의 양에 따라 변화된 전류를 출력하므로, 상기 광트랜지스터(123d)에서 출력된 전기적 신호(변화하는 전류)를 스펙트럭 분석기(미도시) 등을 통해 확인하여 상기 바리스터(121)의 성능저하 상태를 확인할 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 포함하는 과전압 보호회로에서 과전압을 제거하는 원리를 살펴보기로 한다.
상기 과전압 보호회로는 하기와 같은 전기적 조건을 만족하도록 설계된다.
VAR ∠ VL1 + VVA.............(1)
VVA ∠ VL2 + VLoad............(2)
(VAR는 어레스터(11)의 방전개시전압이며, VL1은 제1인덕터(L1) 의해 강하되는 전압이고, VVA는 바리스터(121)의 방전개시전압이며, 상기 VL2는 제2인덕터(L2) 의해 강하되는 전압이고, VLoad는 방호필터 회로에서 강하되는 전압을 의미한다.)
상기 전원라인(PWL)의 입력측(L)에 과전압이 인가되면 상기 과전압 보호회로(1)는 상기 식 (1)과 같은 전기적 조건을 만족하므로 먼저 전류내량이 큰 어레스터(11)가 작동하여 과전압을 제거하고 상기 어레스터(11)가 제거하지 못한 고속의 과전압은 응답속도가 빠른 바리스터(121)가 제거하므로, 상기 과전압 보호회로(1)는 전류내량이 크고 응답속도가 빠른 회로로 구성할 수 있어 손상 및 성능저하 없이 기능을 장기간 유지할 수 있는 특징을 가진다. 상기 과전압 보호회로(1)는 EMP 중펄스(1.5/3000us)로 시험시 순시값이 100 kA이상이며, 응답속도가 20ns 이하이고, 평균고장간격(MTBF)이 100만 이상이 되게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 EMP 방호 필터의 과전압 보호장치를 도 3 내지 5를 참조하여 설명하면, 상기 과전압 보호장치(3)는 상기 과전압 보호회로(1)를 포함하여 이루어지므로, 이하에서는 과전압 보호회로(1)를 구성하는 부품들의 결합관계를 중심으로 상기 과전압 보호장치(3)를 설명하기로 한다. 상기 과전압 보호장치(3)는 외형을 형성하는 하우징(31)을 포함하고, 상기 과전압 보호회로(1)를 구성하는 제1,2인덕터(혹은 페라이트 비드, L1, L2)와 어레스터(11)는 상기 하우징(31)의 내부에 설치되고, 상기 제2과전압 보호부(12)는 모듈화되어 플러그 인 방식으로 상기 하우징(31)의 외면에 탈부착된다.
상기 하우징(31)과 모듈화된 제2과전압 보호부(32)의 결합관계를 자세히 살펴보면, 상기 하우징(31)은 후술할 모듈화된 제2과전압 보호부(32)가 삽입되는 함입부(311)과, 상기 함입부(311)의 하면에 관통되어 형성되며 후술할 삽입핀(322)이 삽입되는 삽입홈(312)을 포함한다. 상기 모듈화된 제1과전압 보호부(32)는 외형을 형성하는 케이스(321)를 포함하고, 상기 케이스(321)의 내부에는 제1과전압 보호부(12)를 구성하는 바리스터(121), 퓨즈(122) 등이 설치되고, 상기 케이스(321)의 일면에는 상기 케이스(321)의 내부에 설치된 제1과전압 보호부(12)와 전기적으로 연결된 삽입핀(322)이 돌출된다. 상기 모듈화된 제1과전압 보호부(32)가 상기 함입부(311)에 삽입되어 상기 삽입핀(322)이 상기 삽입홈(312)에 삽입되면, 상기 제1과전압 보호부(12)는 전원라인(PWL)와 접지라인(GND)에 연결된다.
상기 과전압 보호장치(3)는 제1과전압 보호부를 모듈화하여 장치의 케이스를 열지 않고서도 탈착식으로 장치에 결합시킬 수 있어 짧은 시간(대략 10초)에 안전하게 과전압 보호소자를 교체할 수 있는 특징이 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 과전압 보호회로 2: 방호필터 회로 3: 과전압 보호장치
11: 제1과전압 보호부(어레스터) 12: 제2과전압 보호부
31: 하우징 32: 모듈화된 제2과전압 보호부
121: 바리스터 122: 퓨즈 123: 성능표시부
123a: 정류다이오드 123b: 발광다이오드 123c: 저항
123d: 광트랜지스터 311: 함입부 312: 삽입홈
321: 케이스 322: 삽입핀

Claims (3)

  1. EMP 방호필터 회로에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 과전압 보호장치에 있어서,
    상기 과전압 보호장치는 외형을 형성하는 하우징과; 상기 하우징의 내부에 설치되며, 전원라인에 직렬로 연결되는 제1, 2인덕터와; 상기 하우징의 내부에 설치되며, 상기 제1인덕터의 전단 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 어레스터를 포함하는 제1과전압 보호부와; 상기 하우징의 외면에 탈착식으로 부착되는 모듈화된 제2과전압 보호부;를 포함하며,
    상기 모듈화된 제2과전압 보호부는 외형을 형성하는 케이스를 포함하고, 상기 케이스 내부에는 바리스터를 포함하는 제2과전압 보호부가 설치되고,
    상기 모듈화된 제2과전압 보호부가 상기 하우징에 부착시 상기 제2과전압 보호부는 상기 제1인덕터와 제2인덕터 사이의 전원라인과 접지라인 사이에 연결되는 것을 특징을 하는 EMP 방호 필터용 과전압 보호장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모듈화된 과전압 보호부는
    상기 바리스터의 전단과 전원라인에 각각 연결되는 퓨즈와, 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 병렬로 연결되어 상기 바리스터의 성능상태를 감시하여 나타내는 성능표시부를 추가로 포함하며,
    상기 성능표시부는 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 연결되어 상기 바리스터와 퓨즈 사이에 흐르는 전류에 의해 빛을 발산하는 발광다이오드와, 상기 발광다이오드에서 발산되는 빛의 변화에 따라 변화하는 전류를 출력하는 광트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 EMP 방호 필터용 과전압 보호장치.
  3. 삭제
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