KR101332941B1 - 변류기와 mosfet를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법 - Google Patents

Abstract

가정용 전기전자기기의 대기전력과 과전류를 검출해서 차단하는 대기전력차단기와 같은 기기에 요구되는 광대역의 전류를 검출하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 MOSFET의 스위칭 동작에 의해, 선택부하저항이 고정부하저항에 병렬로 연결되거나 분리될 수 있게 하여 변류기의 감도를 2단계 이상 가변하는 방법으로 전류를 검출 수단을 제시한다.
본 발명의 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법은종래의 변류기와 전압증폭기의 조합에 의한 전류센서부와 비교하여 노이즈가 작아서 측정의 정도를 향상킬 수 있으며, 대 전류의 영역에서 낮은 저항을 사용할 수 있어서, 동일한 대역의 전류를 검출하는 경우라면 소형의 변류기로 가능하고, 동일한 크기의 변류기라면 검출 대역을 확장할 수 있다.

Description

변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법 {Current sensing method of stand by power breaker using MOSFET and current transformer}

본 발명은 변류기(계기용 변성기)를 이용하여 전류를 검출하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 가정용 전기전자기기의 대기전력과 같은 수십 와트 이내의 소 전력을 검출하고 차단하여 불필요한 전력의 소모를 방지하며, 더불어 수십 암페어 수준의 과전류를 검출해서 차단하는 보호장치의 기능을 겸비하여야 하는 대기전력차단기는, 주로 벽면에 매입하거나 분전함에 내장되어야 하는 등의 이유로 제품의 크기에 제한이 따르는데, 이와 같은 소형의 장치에 유리하고, 전류검출수단과 연관된 변류기를 포함한 부속품의 수량이나 부피가 작고 비용이 싸며, 수 밀리 암페어에서 수십 암페어에 이르는 광대역의 전류를 용이하게 검출하기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적인 가정용 전자전기기기의 대다수는 사용자가 전원 스위치를 끄더라도 전원코드를 콘센트로부터 강제로 분리하기 전에는 소량의 전기를 소모하는 상태에 있게 되는데 이를 대기전력이라고 하며, 대기전력차단기는 각종 전기전자기기에 소모되는 전류를 검출하고, 그 소모량이 대기전력에 근사한 일정 수준 이하이고 일정 시간 이상 지속되면 대기전력으로 판단하여 교류전원으로 부터 전기전자기기를 차단하여 불필요한 전력이 소모되지 않게 하는 장치로, 도 1은 종래의 대기전력차단기의 일반적인 구성을 도시한 블록다이어그램이다.

도 1에서 교류전원(200), 즉 벽체에 매입된 단상전원은 릴레이(50)와 대기전력차단기의 콘센트부(40)를 통하여 부하(300)에 연결되며, 릴레이(50)의 전단에는 대기전력차단기 내부의 제어장치를 구동하기 위한 직류전원부(60)가 있고, 릴레이(50)와 콘센트부(40) 사이에는 부하(300)에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서부(20)가 존재하며, 전류센서부(20)에서 검출된 아날로그 신호는 마이크로컨트롤러(10)에 내장된 AD변환기(11a)에 의해 디지털 값으로 변환되어 CPU(13)에서 처리되고, 저 전류인 경우 전압증폭기(30)로 증폭한 다음 AD변환기(11b)로 전달된다.

한편 마이크로컨트롤러(10)는 입출력 포트를 통하여 사용자가 동작을 설정하도록하는 조작부(70) 외에도 무선이나 적외선 송신 등의 수단으로 원격제어하기 위한 리모컨수신부(80)를 가지며, 동작의 상태를 표시하는 동작표시부(90) 등을 갖추고 있다.

상기의 종래의 대기전력차단기는 부하(300)에 흐르는 전류를 감시하면서, 그 값이 조작부(70)에 의해 설정된 값이나 메모리(14)에 기 설정된 기준치 이하가 되면, 프로그램된 절차에 따라 마이크로컨트롤러(10)가 릴레이(50)가 OFF 되도록 신호를 발신하면 릴레이구동부(55)는 그 신호를 사용하여 릴레이(50)가 OFF 상태로 전환되게 한다.

이 외에도 부하(300)에 과도한 전류가 흐를 경우, 기기나 선로의 보호를 위하여 릴레이(50)를 차단하는 과전류 차단기능이 부가되며, 사용자는 대기전력을 검출하여 차단상태에 있는 대기전력차단기를 조작부(80)의 스위치나 리모컨발신기를 이용하여 복귀시키며, 필요에 따라서 부하(300)를 교류전원(200)으로부터 강제로 차단하거나 접속하는 스위치기능이 있다.

일반적으로 부하(300)가 대기전력상태인 경우 전류센서부(20)에서 검출되는 전류는 수십 밀리암페어 내외의 적은 양이고 소비전력으로는 수 와트에서 수십 와트의 사이의 값이며, 과전류 상태에서는 가정용의 경우 10 암페어 이상의 전류가 흐르게 되는데, 이를 검출하는 수단으로는 한국 공개특허 제10-2007-0106912호 도면 5a에서 도시된 바와 같이 변류기(계기용 변성기)를 이용하여 전류를 검출하고 그 신호를 정류한 다음, 출력신호를 연산증폭기로 전압 증폭하여 저 전류에서의 분해능을 향상시키는 방법으로 검출영역을 확장하고 있다.

이와는 달리 한국 등록특허 제10-0975916호 도면 11에서는 홀 센서로 전류를 검출하는 방법을 제시하고 있으며, 상기 특허 제 15-16쪽에서는 그 출력신호를 상기와 같이 전압 증폭하여 저전류 영역을 확장하여 대기전력을 검출하고, 증폭하지 않은 출력신호는 과전류검출신호로 사용하고 있다.

[특허문원1] 한국 공개특허 제10-2007-0106912호, 도면 5a [특허문원2] 한국 등록특허 제10-0975916호, 도면 11, 15-16쪽

변류기는 큰 전류를 일정한 비율의 작은 전류로 변성해서 전류의 변화를 검출하기 위한 일종의 변압기로, 각종 전기보호장치를 비롯한 다양한 전기전자기기에 이용되고 있는데, 소형 변류기의 기본적인 구조는 주로 원형의 통구가 형성된 원반형의 규소강판과 같은 자성체를 적층 하거나, 자성체 금속판을 필름처럼 감는 방법으로 원통형의 철심을 형성하고, 철심의 내주와 외주를 돌아가면서 2차 절연 코일을 다수 감은 다음, 코일의 외주를 절연한 것이다.

여기서 절연된 원통형 철심의 원주에 1차 측 권선을 수 회 감아서 통과시키는데, 이때 2차 측 권수를 1차 측 권선 대비 수백 배에서 수천 배로 하면, 2차 권선에는 1차 측과 비교하여 권선비만큼 감소한 전류가 흐르고, 2차 전류를 부하저항에 인가하면, 1차 권선과 절연되면서 1차 전류에 비례하는 출력전압을 얻을 수 있다.

변류기는 절연된 상태에서 외부전원의 공급 없이 전류를 검출할 수 있다는 장점이 있지만, 철심의 단면적이 작은 변류기는 자기저항이 커서, 1차 전류의 증가에 따라 철심이 빨리 포화되어 측정범위 좁아 지므로, 대전류의 측정을 위해서는 가능하면 1차 전류에 비례하여 철심의 단면적이 큰 변류기를 사용하여야 하지만, 변류기의 부피가 커지면 소형의 제품에는 장착이 용이하지 않고 가격이 상승하는 단점이 있다.

철심이 작은 소형 변류기를 적용하기 위해서는 2차 권선의 부하저항을 작은 저항값로 하여야 하는데, 이는 2차측 전류를 증가시켜 2차 여자 자속을 증가시키고, 증가된 2차 여자자속은 1차 전류에 의해 증가한 1차 여자자속을 상쇄시켜 철심의 포화를 지연시키게 되어, 대 전류의 검출 영역은 확대되지만, 부하저항이 작아서 출력전압이 낮아지므로 저 전류 대역의 분해능은 오히려 줄어들게 되므로, 전압증폭기로 전압을 증폭하여 저 전류 대역을 확장하여 주어야한다.

하지만 변류기가 작을수록 전압증폭기의 이득(GAIN)을 높여주어야 하고, 이득이 높을수록 증폭기의 노이즈나 직류 드리프트가 증가하는 등의 영향으로, 저 전류에서의 분해능과 정밀도가 저하되고, 증폭기와 그 부속품 및 전원의 안정화나 저 노이즈화를 위한 부품의 증가로 비용이 상승하며, 나아가 부피가 증가하는 단점이 발생한다.

따라서 전압증폭기를 이용하여 저 전류를 검출하더라도 상기의 단점을 고려하여 변류기 부하저항을 적절한 선에서 높은 값을 유지하여야 하고, 그에 비례하여 철심의 단면적을 키워야하므로, 변류기 크기를 줄이는데는 한계를 가진다.

도 2는 종래의 대기전력차단기의 전류센서부(20)와 릴레이(50) 및 릴레이구동부(55)로 구성되는 차단부의 회로의 일례로, 전류센서부(20)에는 변류기(CT1)를 사용하여 전류를 검출하고, 그 신호를 마이크로컨트롤러(U11)의 AD변환기(111a)에 입력하여 대 전류를 검출하고, 다시 전압증폭기(150)로 증폭하여 저 전류의 분해능력을 향상시켜서 AD변환기(111b)에 입력하여 대기전력을 검출하고 있다.

대기전력차단기의 부피를 줄이기 위해서 소형의 변류기를 사용하게 되면, 저항값이 작은 부하저항(R11)을 사용하게 되어 출력전압이 낮아지므로, 대기전력과 같은 소 전류를 검출하기 위한 전압증폭기(150)의 이득을 높여야하고, 동시에 노이즈나 직류 드리프트도 증가하므로, 증폭기와 전원부의 안정성을 향상시켜야 하고, 이로 인하여 증폭회로와 전원부는 복잡해지고 비용은 상승한다.

한편 한국 등록특허 제10-0975916호에서와 같이 홀(HALL) 센서를 이용하여 전류를 검출할 경우 변류기에 비하여 부피가 작아지는 장점은 있지만 홀 센서를 구동하기 위한 주변회로와 저 전류를 검출하기 위한 증폭기 또한 구비하여야 하므로 회로가 복잡해지고 부품이 증가하여 비용이 상승하는 외에도, 부수적으로 이들 회로를 구동하기 위한 소비전류도 증가하는 등의 단점이 존재한다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법에서는 증가형 M0SFET(산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)와 저항을 이용하여 변류기의 2차 권선에는 고정부하저항을 항상 연결하고, MOSFET의 스위칭 동작에 의해 선택부하저항이 고정부하저항에 병렬로 연결되거나 분리될 수 있게 하되, 선택부하저항은 상시부하저항보다 작은 저항값으로 설정하면, MOSFET가 OFF 일 때는 변류기의 부하저항은 고정부하저항이 되어 소 전류를 검출하고, MOSFET ON 일 때는 고정부하저항과 선택부하저항의 병렬저항이 부하저항이 되면서 대 전류를 검출하게 하여 변류기의 감도를 2단계로 가변하는 것에 의해, 저 전류와 대전류를 소형의 변류기로 증폭기 없이 측정할 수 있는 수단을 제공한다.

MOSFET의 게이트(GATE)와 드레인(DRAIN) 소스(SOURCE) 간의 채널(CHANNEL)은 전기적으로 직접 연결되지 않으며, 특히 N 채널 증가형 MOSFET의 경우 트레시홀드(TRESH HOLD) 이하의 전압을 게이트와 소스 간에 인가하면 드레인 소스간에 전류가 흐르지 않으며, 반면 게이트와 소스 간에 충분한 전압을 인가하면 드레인 소스 사이에 낮은 저항값을 갖는 스위칭 특성이 나타나는데, 특히 대전류형 MOSFET의 경우 ON 시, 채널의 저항값이 100mΩ 이하로, 부하저항 값에 비하여 대단히 작으므로 변류기의 출력전압에 대한 영향을 최소화할 수 있어서, 변류기 부하저항을 전환하는 스위칭 수단으로 최적이다.

이러한 MOSFET의 스위칭 특성을 이용하여, 변류기를 통하여 흐르는 부하 전류의 양이 적을 때는, 큰 부하저항을 선택하여 전류대비 높은 출력전압특성이 되게 하여 저 전류를 검출하고, 반대로 대 전류에서는 작은 부하저항을 선택하여 전류대비 낮은 출력전압특성이 되게 하여 대전류를 검출한다.

본 발명의 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법은 대기전력차단기의 전류센서부에 변류기 외에 MOSFET와 저항만을 사용하여 감도를 가변할 수 있어서, 종래의 변류기와 전압증폭기의 조합에 의한 전류센서부와 비교하여 노이즈가 작아서 측정의 정도를 향상시킬 수 있으며, 대 전류의 영역에서 낮은 저항을 사용할 수 있어서, 동일한 대역의 전류를 검출하는 경우라면 소형의 변류기로 가능하고, 동일한 크기의 변류기라면 검출 대역을 확장할 수 있다.

MOSFET 및 저항만으로 구성되며, 외부전원의 전류를 소모하지 않으므로 부속품의 수가 줄어서 비용이 싸고 부피가 작아진다.

도 1은 종래의 대기전력차단기의 일반적인 구성을 도시한 블록다이어그램이다.
도 2는 종래의 대기전력차단기의 전류센서부 및 차단부 회로도의 일례이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류센서부 및 차단부의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류센서부 및 차단부의 회로도이다.
도 5는 도 2의 본 발명의 제2 실시 예에 따른 부하전류와 변류기의 출력전압특성을 그래프로 도시한 것이다.

본 발명의 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 대기전력차단기의 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류센서부 및 차단부의 회로도로서, 변류기(CT21)의 2차 권선에 고정부하저항(R21)이 항상 연결되고, MOSFET(Q21)의 스위칭 동작에 의해 선택부하저항(R22)이 고정부하저항(R21)에 병렬로 연결되게 하면, MOSFET(Q21)이 OFF 이면 변류기의 부하저항은 고정부하저항(R21)이고, ON 이면 고정부하저항(R21)과 선택부하저항(R22)의 병렬저항이 부하저항이며, 마이크로컨트롤러(U21)의 출력포트(122)로 MOSFET(Q21)을 스위칭하는 것에 의해, AD변환기(121)에 입력되는 변류기(CT21)의 출력전압특성, 즉 감도를 2 단계로 가변할 수 있다.

여기서 고정부하저항은 변류기 2차권선에 고압의 유기기전력으로 인한 변류기의 소손을 방지하기 위한 역할을 겸한다.

도 3에서 변류기(CT21)를 철심의 단면적이 작은 소형,소용량을 적용하더라도, 고정부하저항(R21)을 충분히 고 저항으로 하고 ,선택부하저항(R22)을 고정부하저항(R21)의 수 배에서 수십 배 이하의 저 저항으로 설정한다면, MOSFET(Q21)를 OFF하면 변류기(CT21)는 고감도가 되어 별도의 전압 증폭 수단이 없이도 대기전력과 같은 수십 와트 이내의 저 전류를 검출할 수 있으며, MOSFET(Q21)를 ON하면 감도가 저하되어 대기전력차단기에 접속된 부하의 통상적인 동작 전류나 고장전류와 같은 대 전류를 검출할 수 있어서 변류기의 검출영역을 확장할 수 있다.

마이크로컨트롤러(U21)는 MOSFET(Q21)을 OFF하여 저 전류를 검출하다가 전류가 일정 값을 초과하면 MOSFET(Q21)을 ON 하여 변류기의 감도를 저하시켜 대 전류 영역으로 전환하고, 대 전류 영역에서 일정 수준 이하의 값이 되면 MOSFET(Q21)을 OFF 하여 변류기(CT21)의 감도를 향상시켜 저 전류 영역으로 전환하는 동작을 반복하며, 각각의 영역에 맞춰 AD변환기(121) 출력의 기준치를 적용하면, 대기전력차단기의 부하에 흐르는 수 밀리 암페어에서부터 수십 암페어에 이르는 광범위한 전류를 검출할 수 있고, 기 설정된 대기전력과 과전류의 차단값을 비교하여 출력포트(123)에 연결된 릴레이 구동 트랜지스터(Q22)로 릴레이 (Y21, Y22)를 제어하여, 교류전원(200)으로부터 부하(300)를 차단하거나 접속할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 제2 실시 예로서, 변류기의 부하저항은 마이크로컨트롤러(U31)의 2개의 출력포트(132a,132b)를 통하여 가변하는데, MOSFET Q31과 Q32를 동시에 OFF하면 변류기(CT31)의 부하저항은 고정부하저항(R31)이 되고, MOSFET Q31을 ON Q32를 OFF 하면 부하저항은 고정부하저항(R31)과 제1 선택부하저항(R32)의 병렬저항이 되며, Q31을 OFF Q32를 ON 하면 부하저항은 고정부하저항(R31)과 제2선택부하저항(R33)의 병렬저항이 되어, 3단계에 걸쳐서 감도를 가변할 수 있게 되어, 도 3의 2단계로 감도를 변경하는 것보다 더 세밀하게 전류를 검출할 수 있다.

설명하지 않은 도 3과 도4의 AD변환기 입력단의 저항 R23과 R34, 콘덴서 C21과 C31은 저역필터이다.

도 4의 본 발명의 제2 실시 예에서, 내경 12㎜, 단면적이 3.6㎟이며 2차측 권수가 1,000회이며, 코어는 아몰퍼스계 자성체 금속판을 말아서 트로이달 형상을 갖는 변류기를 사용하고, 부하저항으로는 고정부하저항(R31)을 4.7㏀, 제1 선택부하저항(R32)을 470Ω, 제2 선택부하저항(R33)을 15Ω으로 하고, 부하에 흐르는 전류를 가변시켰을 때, AD변환기(131)의 입력부에 인가되는 변류기(CT31)의 출력전압특성 즉 감도를 측정한 결과를 도 5의 그래프에 도시하고 있으며, 도 5의 그래프의 세로축은 변류기의 출력전압이며 가로축은 부하에 흐르는 전류다.

MOSFET Q31과 Q32를 OFF하여 부하저항이 고정부하저항 4.7㏀이 되게 하였을 때의 부하전류와 출력전압의 특성은 도5의 a 커브이며, 약 80㎃／300㎷의 출력이 될 때까지 선형적이 유지되었으나 이 후로 포화 되기 시작하였으며, MOSFET Q31을 ON하고 Q32를 OFF하여 상시부하저항(R31) 4.7㏀과 제1 선택부하저항(R32) 470Ω의 병렬 값 427Ω이 부하저항이 되게 하였을 때의 부하전류와 출력전압의 특성은 도5의 b 커브로 나타나며, 약 400㎃／170㎷의 출력까지 선형성이 유지되었으며, MOSFET Q31을 OFF하고 Q32을 ON하여 상시부하저항과 제2선택부하저항 15Ω의 병렬값 14.95Ω이 부하저항이 되게 하였을 때의 특성은 c 커브로 나타나며, 약 15A／213㎷의 출력까지 선형성이 유지되었다.

상기의 실험에서 MOSFET Q31과 Q32는 N 채널 증가형 MOSFET인 DML3401L을 사용하였으며, MOSFET DML3401L은 게이트전압 4.5V에서 턴온저항은 약 42mΩ으로 제2 선택부하저항에 비교하더라도 대단히 작은 값이어서 유의성 있는 오차를 유발하지 않았다.

상기의 도 4의 본 발명의 제2 실시 예에서 마이크로컨트롤러(U31)에 내장된 AD변환기(131)의 분해능은 10 비트이며 2V의 기준전압을 설정하였고, 상기의 입출력특성에 따른 도 5의 결과를 이용하여, 대기전력은 1W에서 80W까지의 범위에서 검출하여 차단하고 과전류는 15A에서 차단하는 기능의 대기전력차단기를 제작이 가능하였으며, 대기전력차단 동작은 설정치 대비 3% 이내의 오차를 유지하였으며, 릴레이를 구동하는 소비전력을 제외하고는 직류전원부 자체의 소비전력을 포함하여 0.2W의 저전력을 소모하는 대기전력차단기를 완성할 수 있었다.

상기의 도 4의 본 발명의 제2 실시 예에서 보듯이 각 단계별 변류기의 감도를 결정하는 저항은 자유로이 설정이 가능하고, 각 단계의 동작이 다른 단계의 동작에 영향을 끼치지 않으므로, 변류기의 크기를 결정하는 대 전류의 영역에서 부하저항이 변류기 내부저항값 이하의 대단히 낮은 저항이라 하더라도, 마이크로컨트롤러(U31)가 인식할 수 있는 수준의 출력전압이라면 적용이 가능하며, 특히 저 저항일수록 노이즈의 발생이 줄어서 측정의 정도를 향상킬 수 있으며, 저 전류 영역의 확장을 위하여 저항값을 높게 하여도 종래의 증폭기로 인한 노이즈의 증가에 비교하여 노이즈의 발생량이 적기 때문에, 종래의 증폭기를 사용한 전류 검출 수단에 비하여 동일한 대역의 전류를 검출하는 경우라면 소형의 변류기로 가능하고, 동일한 크기의 변류기라면 검출 대역을 확장할 수 있다.

200 : 교류전원 300 : 부하
10 : 마이크로컨트롤러 20 : 전류센서부
30 : 전압증폭기 40: 콘센트부
50 : 릴레이 60 : 직류전원부
70 : 조작부 80 : 리모콘수신부
90 : 동작표시부 111a : AD변환기
112 : 출력포트 124 : CPU
Q21 : MOSFET R21 : 고정부하저항
R22 : 선택부하저항

Claims (2)

1. 변류기와 MOSFET를 이용하여 전류를 검출하는 대기전력차단기의 전류 검출 방법에 있어서,
   변류기의 2차 권선에는 고정부하저항을 상시 연결하고, MOSFET의 스위칭 동작에 의해 선택부하저항이 고정부하저항에 병렬로 연결되거나 분리될 수 있게 하되 선택부하저항은 상시부하저항보다 낮은 저항으로 설정하며, MOSFET가 OFF 일 때는변류기의 부하저항은 고정부하저항이 되고, MOSFET가 ON 일 때는 고정부하저항과 선택부하저항의 병렬저항이 부하저항이 되게 하는 방법으로 변류기의 감도를 2단계로 가변하는 것에 의해 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법
2. 상기 1항에 있어서,
   2개 이상의 MOSFET와 2개 이상의 선택부하저항을 사용하여 고정부하저항과 병렬로 연결하거나 분리되게 하고, 각 단계의 저항값을 다르게 하여 변류기의 감도를 다단계로 가변하는 것에 의해 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 변류기와 MOSFET를 이용한 대기전력차단기의 전류 검출 방법

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