KR101471640B1 - 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체 - Google Patents

자기장을 흡수하는 서미스터 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체는, 기기의 온도를 측정하기 위한 서미스터; 및 상기 서미스터와 연결되며, 외부의 기기를 접속시키는 컨넥터를 구비하되, 상기 서미스터와 상기 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여 상기 서미스터로 인가되는 자기장을 흡수하도록 하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

자기장을 흡수하는 서미스터 구조체{THERMISTOR STRUCTURE FOR ABSORBING MAGNETIC FIELD}
본 발명은 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서미스터와 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여, 서미스터에 유입되는 자기장을 최대한 흡수함으로써, 배터리, 모터 등의 온도를 정확히 측정가능 하여 배터리, 모터 등의 기기를 안전하고 오래도록 사용할 수 있도록 해주는, 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체에 관한 것이다.
저항체(resistor)는 단자 양단에 단자를 통과하는 전류에 비례하는 전압을 생성하는 2-단자 전자 부품이고, 서미스터(thermistor)는 온도에 따라 저항 값이 변화하는 일종의 저항체로서, 이들은 옴의 법칙(Ohm's law) 즉 단자를 통과하는 전류에 대한 단자 양단에서 생성되는 전압의 비율로서 저항체의 값이 규정된다.
도 1은 서미스터의 저항변화로 인한 온도 변화를 측정하기 위한 일반적인 회로도를 나타낸 것이고, 도 2a 및 도 2b는 종래기술에 따른 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 상기 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 각각 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 서미스터(TH, 100)와 MCU(200)를 연결하는 접속점(A1, A2)을 사이에 두고, 서미스터(TH, 100) 주변의 온도 변화를 검출하기 위해 기준전압 VADC , 저항 R1 , RF , 커패시터 CA , CF를 포함하는 회로를 구비한다.
회로의 연결 관계를 간단히 설명하면, 제1 노드(N1)를 기준으로 상단에 기준전압 VADC가 인가되고, 제1 노드(N1)와 기준전압 VADC 사이에 저항 R1이 연결되며, 하부 단에 커패시터 CA가 연결되어 있다.
또한, 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 저항 RF이 연결되며, 제2 노드(N2) 하단으로 커패시터 CF가 연결되는데, 이 경우 RF , CF에 의해 제1 노드(N1)에 발생된 노이즈가 제거된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바대로, 종래의 서미스터(TH, 100)는 와이어(10)로 연결되거나, PCB(20) 내부에 형성된 PCB 패턴(21)을 통해 서미스터(TH)와 컨넥터(30)를 연결하는 형태를 갖는다.
이 경우 서미스터(TH, 100)는 온도가 증가하면 저항이 감소하는 부저항의 온도계수의 특성을 갖는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터(thermistor)를 사용하며, 온도에 다른 서미스터의 저항은 하기 수학식1로 표현된다.
Figure 112014041208543-pat00001
여기서, RTH(T)는 온도에 따른 서미스터의 저항 값, R0는 섭씨 25도 일 때의 서미스터의 저항 값, B는 서미스터의 온도정수, T는 절대온도, T0는 섭씨 25도 일 때의 절대온도를 각각 나타낸다.
한편, 서미스터(TH, 100) 주변의 온도 변동으로 인한 노드(N1)에서의 전압 V1은 하기 수학식2로 표현된다.
Figure 112014041208543-pat00002
여기서, VADC는 기준전압, R1는 기준전압(VADC)과 제1 노드(N1) 사이에 걸린 저항 값, RTH는 수학식 1로 표현되는 온도에 따른 서미스터의 저항 값을 각각 나타낸다.
상기 수학식1 및 수학식2를 참조하면, 서미스터(100) 주변의 외부로부터 큰 자기장이 인가되어 서미스터(100)가 직접 자기장의 영향을 받는 경우, 서미스터의 특성에 의해 RTH(T)는 감소하는데(즉 수학식1에 따라 온도가 증가하는 효과 발생), 이 경우 MCU(200)는 수학식2에 따라 제1 노드(N1)에서의 전압 V1이 감소한 것으로 판단한다.
이 경우 자기장의 노이즈에 의해 서미스터의 저항 값이 먼저 변화되므로, RF , CF의 필터가 제1 노드(N1)의 노이즈를 필터링하지 못한다. 따라서 MCU(200)는 서미스터(100)에 유입되는 노이즈를 제거하지 않은 채로 제1 노드(N1)에서의 전압 또는 온도를 측정함으로, 실제와 다른 값을 측정할 수 있게 된다.
한편 커패시터 CA는 일반적으로 노이즈 제거용으로 적용되어, ESD에 대한 효과는 있었으나, 서미스터(100)에 유입되는 자기장의 노이즈에 대한 효과는 없었다.
이로 인해, 종래기술은 서미스터에 의해 전기자동차의 배터리의 온도 측정 시 전기 자동차에 많이 사용되는 모터에서 발생된 자기장에 의해 서미스터의 저항 값에 변화가 발생한 경우, MCU(200)가 실제 상태와 다르게 온도를 측정함으로써, 정상상태임에도 불구하고 경고를 발생시켜 운행시간을 짧게 표시하는 문제점이 있었다.
즉 종래기술은 아직 저온에서 배터리가 사용조건 이하인데도 불구하고, MCU(200)가 온도를 높게 인식하고 배터리를 가동을 함으로써, 배터리 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 있었다.
또한 종래기술은 서미스터를 모터에 부착하고, 모터의 과부하를 점검하기 위하여 온도를 측정하는 경우, 서미스터에 유기되는 자기장은 서미스터가 직접 영향을 받으므로 더 큰 오차를 발생시키므로, MCU(200)가 모터가 과부하가 아닌데도 불구하고 과부하로 인지하여 자동차의 운전능력을 떨어뜨리게 할 수도 있고, 반대로 모터가 과부하임에도 이를 인지하지 못하여 모터가 과열로 타버리는 상황이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0051610호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 서미스터와 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여, 서미스터에 유입되는 자기장을 최대한 흡수함으로써, 배터리, 모터 등의 온도를 정확히 측정가능 하여 배터리, 모터 등의 기기를 안전하고 오래도록 사용할 수 있도록 해주는, 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체 를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체는, 기기의 온도를 측정하기 위한 서미스터; 및 상기 서미스터와 연결되며, 외부의 기기를 접속시키는 컨넥터를 구비하되, 상기 서미스터와 상기 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여 상기 서미스터로 인가되는 자기장을 흡수하도록 하는 기술을 제공한다.
본 발명은 자기장의 영향을 최소화 시킨 서미스터를 이용하여 배터리, 모터 등의 온도를 정확히 측정 가능하도록 함으로써, 부정확한 제어로 인한 배터리, 모터 등의 수명을 단축을 예방할 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 서미스터의 저항변화로 인한 온도 변화를 측정하기 위한 일반적인 회로도를 나타낸 것이다.
도 2a는 종래기술에 따른 제1 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 2b는 종래기술에 따른 제2 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명에 따른 제1 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3b는 본 발명에 따른 제2 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3c는 본 발명에 따른 제3 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3d는 본 발명에 따른 제4 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3e는 본 발명에 따른 제5 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 3f는 본 발명에 따른 제6 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 ~ 제6 실시예로 사용된 서미스터에 연결된 커패시터 따른 자기장의 영향을 검증하기 하기 위한 BCI 테스트 구성을 나나낸 것이다.
도 5a는 센서에 위치된 제1 서미스터에 연결된 1개의 커패시터로 인한, 주파수에 따른 임피던스의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
도 5b는 EUT 내부에 위치된 제2 서미스터에 연결된 2개의 커패시터로 인한, 주파수에 따른 임피던스의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 3a ~도 3f는 본 발명에 따른 제1 ~ 제6 실시예로, 다른 기기와 연결을 위한 서미스터와 서미스터에 연결된 연결부의 구조체를 각각 나타낸 것이다.
제1 ~ 제6 실시예에 따른 서미스터 구조체를 도 1의 서미스터(100)의 위치에 연결하는 경우, MCU(200)에 의해 온도 측정이 이루어지는데, 이에 대한 상세한 설명은 도 1에서 이미 한바 있으므로 생략하며, 이하 서미스터 구조체에 대해서 상세히 설명한다.
도 3a를 참조하면, 제1 실시 예로 서미스터(100)와 컨넥터(30) 사이에 제1 커패시터(41)와 제2 커패시터(42)가 병렬로 연결된 구성을 갖는데, 이 경우 각 구성요소들의 상호 연결을 위해 PCB(20)를 사용하여 외부를 케이싱하고, PCB(20) 내부에 PCB 패턴(21)을 사용하여 서미스터(100), 제1 커패시터(41), 제2 커패시터(42) 및 컨넥터(30)를 연결시킨다.
이 경우 서미스터(100)와 제1 커패시터(41) 사이의 거리는 7cm 이하를 유지함이 바람직하다.
도 3b를 참조하면, 제2 실시 예로 서미스터(100)는 제1 컨넥터(31)와 와이어(10)를 통해 연결되며, 또한 제1 컨넥터(31)와 상호 연결을 위한 제2 컨넥터(32)는, 제3 컨넥터(33) 사이에 제1 커패시터(41), 제2 커패시터(42), 제3 커패시터(43)가 병렬로 연결된 구성을 갖는다.
이 경우 각 구성요소들의 상호 연결을 위해 PCB(20)를 사용하여 외부를 케이싱하고, PCB(20) 내부에 PCB 패턴(21)을 사용하여 제2 컨넥터(32), 제1 ~ 제3 커패시터(41 ~ 43) 및 제3 컨넥터(33)를 연결시킨다.
이 경우 서미스터(100)와 제1 커패시터(41) 사이의 거리는 7cm 이하를 유지함이 바람직하다.
도 3c를 참조하면, 제3 실시예의 경우, 서미스터(100)와 병렬로 상호 접속된 제1 커패시터(41), 제2 커패시터(42) 및 제3 커패시터(43)가 원 칩 또는 임베디드(embedded) 형태로 구성된 일체화 모듈(A10)을 가지며, 이 경우 일체화 모듈(A10)은 와이어(10)를 통해 외부 단자와 연결된다.
도 3d를 참조하면, 제4 실시예의 경우, 서미스터(100)와 병렬로 상호 접속된 제1 커패시터(41), 제2 커패시터(42) 및 제3 커패시터(43)가 원 칩 또는 임베디드(embedded) 형태로 구성된 일체화 모듈(A10)을 가지며, 이 경우 일체화 모듈(A10)은 PCB(20)를 사용하여 외부를 케이싱하고, 상기 PCB(20) 내부에 PCB 패턴(21)을 사용하여 컨넥터(30)와 연결된다.
도 3e를 참조하면, 제5 실시예의 경우, 서미스터(TH)는 와이어를 통해 병렬로 연결된 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)와 연결되는데, 이 경우 상하 단의 와이어는 상부 전극은 상부 전극끼리 제1 전극과 연결되고, 하부 전극은 하부 전극끼리 제2 전극에 연결된다.
도 3f를 참조하면, 제6 실시예의 경우, 서미스터(TH) 위로 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 차례로 수직으로 적층하고, 좌우에 형성된 제1 전극 및 제2 전극과 연결된 형태로 실시된다.
도 4는 본 발명의 제1 ~ 제6 실시예로 사용된 서미스터에 연결된 커패시터 따른 자기장의 영향을 검증하기 하기 위한 BCI 테스트 구성을 나나낸 것이다.
도 4를 참조하면, 총전류주입법(Bulk Current Injection, BCI) 테스터는 LISN(Line Impedance Stabilization Network), sensor 내부에 설치된 제1 서미스터(TH1), EUT(Equipment Under Test)에 설치된 제2 서미스터(TH2), LISN와 EUT 사이에 설치된 Harness wire를 관통하는 Injection probe와 Monitoring probe, 상기 Injection probe에 연결된 Actuator, Power meter, Coupler, Generator & Amplifer, 상기 Monitoring probe에 연결된 Spectrum Analyser, 상기 LISN에 연결된 Battery 및 Power Supply를 포함하여 구성된다.
여기서 총전류주입법(Bulk Current Injection, BCI)은 전류 주입 프로브(Injection probe)로 배선장치에 직접 방해 신호를 유도하여 면역성 시험을 수행하는 방법으로, 면역성 시험은 시험 심각성 레벨 및 유도된 방해 주파수를 변화시켜 수행되며, 테스트 방법은 BCI 관련 규격(ISO 11452-4)으로 정해진 방법에 따라 수행된다.
상기 테스트 수행방법에 따라, Sensor 내부에 설치된 제1 서미스터(TH1) 및 EUT(Equipment Under Test)에 설치된 제2 서미스터(TH2) 인근에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결 한 후, Actuator를 동작시켜 Injection probe에 전류를 흐르게 하면, 전류에 의해 자기장이 유도되는데, 이 경우 유도된 자기장이 커패시터들에 의해 흡수됨을 확인할 수 있었다.
즉 제1 서미스터(TH1)는 EUT로부터 멀리 떨어진 곳 이를테면, 쿨러(Cooler)의 모터 온도 등을 측정하기 위해 센서에 설치되는데, 이 경우 100MHz이하에서 노이즈(noise)를 해결하면 되는데, 이때 임피던스(Impedance)와 해당 주파수와의 관계를 고려하여 다양한 시험을 통해 최적의 커패시터의 용량으로 10nF를 선정하였다.
시험결과 도 5a에 도시된 바대로, 1개의 10nF 커패시터에 대해 주파수와 임피던스의 관계를 살펴보면, 100MHz에서 0.35Ω으로 최하강점(fall)을 나타내었고, 100MHz 이외의 구간에서는 임피던스가 점차로 증가하는 경향을 나타내었다.
한편 미 도시 되었지만, 1개의 10nF 커패시터에 대해 40MHz에서 0.23Ω으로 최하강점(fall)을 나타내었고, 40MHz 이외의 구간에서는 임피던스가 점차로 증가하는 경향을 나타내었다.
상기 제1 서미스터(TH1)와 마찬가지로, 제2 서미스터(TH2)는 EUT 내부 이를테면, 전기자동차의 배터리 팩(Battery Pack) 내부에 설치되는데, 이 경우 400MHz를 초과하는 높은 주파수에서 에러가 발생하였고, 이로 인해120MHz~400MHz에서 노이즈(noise)를 해결하기 위해, 커패시터 1개로 전 영역이 커버(cover)가 되지 않아서 복수개의 커패시터를 제2 서미스터(TH2) 인근에 병렬로 연결하였다.
시험결과 도 5b에 도시된 바대로, 1.0nF 및 150pF 정전용량을 갖는 2개의 커패시터를 병렬로 연결한 결과, 1.0nF 커패시터의 경우 165MHz에서 0.31Ω으로 최하강점(fall)을 나타내었고, 165MHz 이외의 구간에서는 임피던스가 점차로 증가하는 경향을 나타내었으며, 150pF 커패시터의 경우 476MHz에서 0.11Ω으로 최하강점(fall)을 나타내었고, 476MHz 이외의 구간에서는 임피던스가 점차로 증가하는 경향을 나타내었다.
본 시험의 경우, 제1 서미스터(TH1) 또는 제2 서미스터(TH2)와 연결되는 최초의 커패시터까지의 거리는 2cm ~ 7cm 범위 내에서 시험하였으며, 거리가 가까울수록 우수한 효과를 나타내었다.
한편 본 시험의 경우 2개의 커패시터에 대해 구현하였지만, 커버해야 할 범위가 넓은 경우 3개 이상의 커패시터를 병렬로 연결하여 실시할 수 있음은 당연하며, 이 경우 주파수에 따른 임피던스의 최하강점(fall)의 크기가 제일 작은 값을 갖는 정전용량을 선택하여, 서미스터로 유입되는 자기장을 최대한 흡수할 수 있도록 함이 바람직하다.
이하 상기 BCI 테스트를 통해 본 발명의 기술적 특징을 아래와 같이 요약정리 한다.
첫째, 본 발명은 서미스터와 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여, 서미스터에 유입되는 자기장을 최대한 흡수할 수 있도록 함에 기술적 특징이 있다.
둘째, 본 발명은 서미스터와 컨넥터 사이의 연결 방법으로, 와이어 또는 PCB를 사용하며, 서미스터와 커패시터를 개별적으로 병렬로 연결하거나 일체화 모듈을 사용하여 제작할 수도 있음에 기술적 특징이 있다.
셋째, 본 발명은 병렬로 연결된 복수개의 커패시터들의 정전용량을 선택함에 있어서, 주파수에 따른 임피던스의 최하강점(fall)의 크기가 제일 작은 값을 갖는 정전용량을 선택함으로써, 서미스터로 유입되는 자기장을 최대한 흡수할 수 있도록 하는 데 기술적 특징이 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 : 서미스터
200 : MCU
10 : 와이어
20 : PCB
21 : PCB 패턴
30 ~ 33 : 컨넥터
40 ~ 43 : 커패시터

Claims (6)

  1. 기기의 온도를 측정하기 위한 서미스터; 및
    상기 서미스터와 연결되며, 외부의 기기를 접속시키는 컨넥터를 구비하되,
    상기 서미스터와 상기 컨넥터 사이에 복수개의 커패시터를 병렬로 연결하여 상기 서미스터로 인가되는 자기장을 흡수하도록 하며,
    상기 서미스터와 상기 복수개의 커패시터는,
    원 칩 또는 임베디드(embedded) 형태를 갖는 일체화 모듈을 구비하고,
    상기 서미스터와, 상기 복수개의 커패시터 중 상기 서미스터와 최 인근의 커패시터 사이의 간격은 7cm 이하 인 것을 특징으로 하는 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 서미스터와 상기 컨넥터는,
    와이어 또는 PCB를 통해 연결되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 서미스터와 와이어를 통해 연결되는 제1 컨넥터;
    상기 제1 컨넥터와 상호 접속되는 제2 컨넥터; 및
    상기 제2 컨넥터 사이에 병렬로 연결된 복수개의 커패시터를 구비하며, PCB를 통해 연결되는 제3 컨넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 서미스터는,
    NTC(Negative Temperature Coefficient) 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 자기장을 흡수하는 서미스터 구조체.
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