KR101740652B1 - 휴대용 본질 안전 방폭 라이트 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트는: 구동 전압을 제공하는 원통형 리튬 셀과, 구동 전압을 통과시키되, 구동 전압이 임계 전압 미만인 경우에는 구동 전압을 차단하여 리튬 셀의 방전을 차단하는 셀 보호 회로와, 셀 보호 회로와 연결되고, 다이오드를 포함하되, 다이오드는 리튬 셀이 역방향으로 삽입될 때 도통되도록 배치된 본질 안전 회로와, 사용자로부터 본질 안전 방폭 라이트 동작 지시를 제공받아 라이트를 구동하는 구동 신호를 제공하는 드라이버 회로와, 드라이버 회로가 제공하는 신호에 따라 광을 제공하는 발광 소자를 포함한다.

Description

휴대용 본질 안전 방폭 라이트{Portable Intrinsic Safety Explosion Proof Light}

본 발명은 휴대용 본질 안전 방폭 라이트에 관한 것이다.

본질 안전(intrinsically safe) 회로라 함은, 회로의 정상 작동 및 특정의 고장 상태에서 발생한 전기 불꽃(spark)이나 고온에 의하여 해당 폭발 가스 분위기에 점화를 일으킬 수 없는 회로를 의미한다. 본질 안전 회로는 0종 지대(Zone 0)에서 사용된다. 0종 지대는 폭발 등의 위험이 지속적으로 존재하는 지역으로, 탱크 내부, 파이프 라인 또는 장비의 내부 등과 같이 폭발성 기체 또는 증기가 폭발 가능한 농도로 계속해서 존재하는 지역을 의미한다. 이에 반하여 수선, 유지 보수 등으로 인해 자주 폭발성 가스가 위험수준 이상으로 존재할 수 있는 지역은 1종 지대(Zone)라고 하며, 인화성, 휘발성 액체나 가스가 다루어지거나 처리되거나 사용되지만, 위험물이 일반적으로 닫힌 용기 혹은 닫힌 시스템 안에 갇혀 있기 때문에 오직 사고로 인해 용기나 시스템이 파손되는 경우, 혹은 설비의 부적절한 운전의 경우에만 위험물이 유출될 가능성이 있는 지역 이상상태, 비상 상황에서 폭발성 가스가 존재할 수 있는 지역을 2종 지대(Zone 2)라고 한다. 0종 지대에서는 반드시 본질 안전(intrinsically safe) 회로를 구비한 전기 또는 전자 장비를 사용하여야 한다.

0종 지대는 폭발위험성이 다른 지대에 비하여 높다. 따라서, 가능한 폭발의 확율을 낮추기 위하여 전자 장치 등의 전류값을 제한하고, 전자장치가 고온으로 발열하는 것을 제한한다. 랜턴의 경우에는 랜턴이 제공하는 광에 의하여 폭발성 가스가 점화되는 광점화(light ignition) 현상을 방지하기 위하여 랜턴이 제공하는 광이 집중되지 않도록 충분한 조사각을 가지도록 형성하며, 복수의 광원들이 제공하는 광들이 어느 부분에 집중되지 않도록 한다.

한국 표준 KS C 60079-11에 규정된 본질 안전 회로는 " 정상 작동 및 특정의 고장 조건 상태에서 발생한 전기 불꽃이나 고온에 의하여 해당 폭발 가스 분위기에 점화를 일으킬 수 없는 회로"를 의미하며, 본질 안전 기기는 내부의 모든 회로가 본질적으로 안전한 전기 기기를 의미한다.

라이트 등의 기기가 본질 안전 방폭 규정을 만족하기 위하여는 극성 반전에 대한 보호 규정을 만족하여야 한다. 즉, 전지 등이 플러그나 소켓 등으로 삽입되는 경우에는 플러그 및 소켓의 오접속이 불가능하게 잠금 장치 등의 조치를 하여야 한다. 또한, 기기에 공급되는 전원의 극성이 바뀌거나 또는 축전지의 전지간의 접속에서 극성이 바뀜으로써 방폭 성능이 미치는 악영향을 방지하기 위하여서는 회로 내에 보호 장치를 설치하여야 하며, 이를 위하여 하나 이상의 다이오드를 구비하여야 한다.

종래의 본질 안전 방폭 라이트는 상기한 극성 반전 문제를 해결하기 위하여 극성 반전 차단용 다이오드와 전류 제한 저항이 직렬로 연결된 극성 반전 보호 회로에서 출력된 전압으로 라이트를 구동하였다.

그러나, 종래 기술에 따른 본질 안전 방폭 라이트가 취하는 극성 반전 보호 회로에서는 직렬로 연결된 퓨즈, 다이오드와 저항에서 각각 전압 강하가 발생한다. 일반적인 라이트에 사용되는 리튬 전지는 3.7V를 제공한다. 그러나, 리튬 전지가 제공하는 전압은 극성 반전 보호 회로에서 대략 1V 정도 감압되므로 발광 소자를 구동하는 드라이버 회로에 제공되는 전압은 결국 2.9V ~ 2.7V 남짓한 전압에 불과하다. 따라서, 극성 반전 보호 회로에서 불필요한 전력 소모가 발생하여 라이트의 사용 시간이 감소되고, 라이트의 광량이 저하된다.

따라서 본 실시예는 상기한 종래 기술에 따른 본질 안전 방폭 라이트의 단점을 해소하기 위한 것으로, 본질 안전 방폭 표준에 부합하되, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있는 보호회로를 구비한 본질 안전 방폭 라이트를 제공하는 것이 주된 목표 중 하나이다.

본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트는: 구동 전압을 제공하는 원통형 리튬 셀과, 구동 전압을 통과시키되, 구동 전압이 임계 전압 미만인 경우에는 구동 전압을 차단하여 리튬 셀의 방전을 차단하는 셀 보호 회로와, 셀 보호 회로와 연결되고, 다이오드를 포함하되, 다이오드는 리튬 셀이 역방향으로 삽입될 때 도통되도록 배치된 본질 안전 회로와, 사용자로부터 본질 안전 방폭 라이트 동작 지시를 제공받아 라이트를 구동하는 구동 신호를 제공하는 드라이버 회로와, 드라이버 회로가 제공하는 신호에 따라 광을 제공하는 발광 소자를 포함한다.

본 실시예에 의한 본질 안전 방폭 라이트에 의하면 본질 안전 방폭 표준에 부합하는 보호회로를 구비하고, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있으며 동작 시간을 향상시킬 수 있고, 라이트가 제공하는 광량도 증가시킬 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트의 개요를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 실시예에 따른 리튬 셀(100)과 셀 보호 회로(200)의 개요를 도시한 도면이다.
도 3(a)는 종래기술에 따른 본질 안전 회로의 개요적 등가 회로도이고, 도 3(b)는 본 실시예에 따른 보호 회로의 개요적 회로도로, 리튬 셀이 순방향으로 전압을 제공하는 것을 도시한 도면이고, 도 3(c)는 리튬 셀이 역방향으로 전압을 제공하는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 사용자가 본 실시예에 의한 본질 안전 방폭 라이트를 제어할 수 있는 구조를 개요적으로 도시한 회로도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트의 개요를 도시한 블록 다이어그램이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 본질 안전 방폭 라이트(10)은: 구동 전압을 제공하는 원통형 리튬 셀(100)과, 구동 전압을 통과시키되, 구동 전압이 임계 전압 미만인 경우에는 구동 전압을 차단하여 리튬 셀의 방전을 차단하는 셀 보호 회로(200)와, 셀 보호 회로와 연결되고, 직렬로 연결된 다이오드(D1)와 저항(R1)을 포함하되, 다이오드는 리튬 셀이 역방향으로 삽입될 때 도통되도록 배치된 본질 안전 회로(300)와, 사용자로부터 본질 안전 방폭 라이트 동작 지시를 제공받아 라이트를 구동하는 구동 신호를 제공하는 드라이버 회로(400) 및 드라이버 회로가 제공하는 신호에 따라 광을 제공하는 발광 소자(500)를 포함한다.

리튬 셀(100)은 에너지를 충전하고, 충전된 에너지를 방전하여 라이트를 구동하는 에너지를 제공한다. 본 실시예에 따른 리튬 셀(100)은 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지 중 어느 하나이다. 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지에 과충전(over-charge)이 이루어져 셀(Cell)당 충전전압이 4.5V를 넘으면 전해질이 분해되어 가스가 발생하게 되어 셀에서 전해질이 누출되고, 결국 폭발에 이를 수 있다. 이와 반대로, 셀이 과방전(over-discharge)되어 일정 전압 이하로 떨어지면 셀이 파손되어 충전용량이 급격히 줄어들고 결국에는 회복 불가능하게 성능을 상실할 수 있다.

셀 보호 회로(200)는 리튬 셀(100)이 제공하는 전압이 임계 전압에 도달하면 방전을 차단하여 셀 파손 및 충전용량 감소를 방지한다. 또한, 셀 보호 회로(200)는 리튬 셀(100) 충전시 상한 전압 이상의 전압이 리튬 셀(100)에 제공되면 전압 제공을 차단하여 위험을 셀 폭발의 위험을 미리 차단할 수 있다. 일 실시예로, 리튬 셀(100)은 충전시 최대 4.35V의 전압을 제공하나, 평상시의 동작 전압(nominal voltage)은 3.7V이다. 리튬 셀(100)이 충전한 에너지를 방전하여 제공함에 따라 제공하는 전압은 감소하며, 리튬 셀(100)이 제공하는 전압이 2.8V 미만으로 감소하면 셀 보호 회로(200)은 리튬 셀(100)의 성능 상실을 방지하기 위하여 방전을 차단한다.

도 2는 본 실시예에 따른 리튬 셀(100)과 셀 보호 회로(200)의 개요를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 리튬 셀(100)은 원통 형태를 가지며, 중공을 가지는 원통형 라이트 하우징(미도시)에 수납된다. 셀 보호 회로(200)는 리튬 셀(100)과 접착되며, 리튬 셀(100)의 단면 형태와 동일한 단면 형태를 가져 원통형 라이트 하우징에 리튬 셀과 수납된다. 일 실시예에서, 셀 보호 회로(200)는 회로 표면에 몰드(mold)가 형성되어 외부 환경으로부터 회로를 보호한다.

리튬 셀(100)이 제공한 전압은 셀 보호 회로(200)을 거쳐 본질 안전 회로(300)에 제공된다. 본질 안전 회로(300)는 본질 안전 방폭에 관한 한국 표준인 KS C 60079-11과 국제 표준 IEC 60079-11에 부합하도록 회로의 특성을 제한한다. 일 실시예로, 기기에 공급되는 전원의 극성이 바뀌거나, 또는 축전지의 전지간의 접속에서 극성이 바뀜으로써 방폭 성능에 미치는 악영향을 방지하기 위하여서는 본안 회로 내에 보호장치를 설치하여야 한다.

도 3(a)는 종래기술에 따른 본질 안전 회로의 개요적 등가 회로도이고, 도 3(b)는 본 실시예에 따른 보호 회로의 개요적 회로도이다. 도 3(a)를 참조하면, 종래 기술에 따른 보호 회로는 퓨즈와, 다이오드 및 저항이 셀 보호회로(200)의 출력에 직렬로 연결된다. 종래 기술에 따른 보호 회로에 의하면, 셀(150)이 도시된 바와 같이 연결된 경우에 한하여 다이오드가 도통되나, 셀(150)의 극성을 반대로 하면 차단된다.

종래 기술에 따른 본질 안전 회로에 의하면 입력으로 제공된 전압에서 퓨즈에서의 전압 강하, 다이오드에서의 전압 강하 및 저항에서의 전압강하의 합만큼 감소한 전압이 출력된다. 일 예로, 동작 전압이 3.7V인 경우에는 퓨즈에서의 전압 강하 0.1V, 다이오드에서의 전압강하 0.4V 및 저항에서의 전압 강하 0.45V 총 0.95V의 전압 강하가 발생한다. 따라서, 총 0.95V의 불필요한 전압강하가 발생한다. 불필요한 전압 강하는 불필요한 전력을 소모하는 것으로, 리튬 셀(100)에 저장된 에너지를 불필요하게 소모하는 것이다.

도 3(b)는 본 실시예에 따른 본질 안전 회로의 개요적 회로도이다. 도 3(b)를 참조하면, 퓨즈는 셀 보호회로(200)의 출력에 직렬로 연결되며, 각 다이오드(D1, D2)의 일단은 일단이 퓨즈의 일단과 연결되고, 다이오드의 타단은 기준전위와 연결되어 병렬 가지(310, 320)를 형성한다. 본 실시예에 의한 본질 안전 회로(300)에 의하면 다이오드(D1, D2)는 셀(150)이 도시된 바와 같이 정극성으로 연결된 경우에는 도통되지 않으므로 리튬 셀(150)이 제공하는 전압은 종래 기술과 같이 0.95V의 전압강하가 형성되지 않고, 단지 퓨즈에 의한 전압 강하만 발생하고 출력된다.

종래 기술의 본질 안전 회로는 총 0.95V의 전압 강하가 있었으며 그로부터 불필요한 전력 소모가 있었으나, 본 실시예에 의한 본질 안전 회로에 의하면 불필요한 전압 강하가 없어 라이트 밝기를 향상시킬 수 있으며, 불필요하게 소모되는 전력이 없으므로 라이트 작동 시간을 연장시킬 수 있다는 장점이 제공된다.

도 3(c)에 도시된 바와 같이 리튬 셀이 역극성으로 삽입되어 회로에 반대 극성의 전압이 제공되면 제1 병렬 가지(310)와 제2 병렬 가지(320)에 포함된 다이오드(D1)과 다이오드(D2)는 도통되어 전류를 흘린다. 따라서, 리튬 셀(150)이 제공하는 전류는 병렬 가지들 및 퓨즈를 거치는 폐회로를 따라 순환하며, 이후의 회로에는 흐르지 않는다. 따라서, 리튬 셀(150)이 반대 극성으로 제공되더라도 본질 안전 회로(300) 이후의 회로가 전기적으로 격리될 수 있다.

본 실시예에 의한 본질 안전 회로는 아래 본질 안전 조건들을 충족하도록 설계된다. 우선, 도 3(c)로 도시된 바와 같이 리튬 셀이 역극성으로 삽입되어 회로에 역전압이 제공되는 경우에, 본질 안전 회로(300)는 폐회로에 흐르는 전류(i)의 전류값이 1.7과 퓨즈 정격 전류 값의 곱에 안전율 1.5의 곱 이하를 가지도록 설계되며, 각 병렬 가지에 흐르는 전류의 값이 다이오드의 정격 전류에 안전율 1.5의 곱에 상응하는 전류값 이하를 가지도록 설계된다.

또한, 본질안전 회로는 무고장 조건으로 설계된다. 도 3(b)와 도 3(c)로 도시된 실시예에 의한 본질 안전 회로(300)는 두 개의 병렬 가지(310, 320)들을 가진다. 기기에 공급되는 전원의 극성이 바뀌는 경우 등에서 방폭 성능에 미치는 악영향을 방지하기 위한 본질 안전 보호 장치는 ia 구분과 ib 구분으로 나눌 수 있다. ia 구분은 본질 안전 표준의 구조상 요건에 관련된 기기 일부분에서 발생하는 가산 고장(countable fault) 두 개와 본질 안전 표준의 구조상 요건과 무관한 비가산 고장(non-countable fault) 무한대 개수에도 점화가 발생하지 않는 것을 말한다. ib 구분은 가산 고장(countable fault) 한 개와 비가산 고장(non-countable fault) 무한대 개수에도 점화가 발생하지 않는 것을 말한다.

ia 구분 회로에서는 상기한 두 개의 가산 고장에 불구하고 동작하기 위하여는 최소 3개의 독립된 접속 경로를 가져야 하고, ib 구분에서는 한 개의 가산 고장에도 불구하고 동작하기 위하여는 최소 두 개의 독립된 접속 경로를 가져야 한다. 그러나, 전원을 역극성으로 삽입하는 것도 가산 고장의 하나이므로, ia 구분 회로에서는 두 개 이상의 독립된 접속 경로를 가질 수 있으며, ib 구분 회로에서는 한 개 이상의 독립된 접속 경로를 가질 수 있다.

따라서, 도 3(b) 및 도 3(c)에 도시된 본질 안전 회로는 두 개의 병렬 가지들(310, 320)을 가지므로 ia 구분에 속할 수 있다. 도시되지 않은 실시예에 의하면 본질 안전 회로는 하나의 병렬 가지를 가져 ib 구분에 속할 수 있다.

본 실시예에 의한 본질 안전 회로(300)가 형성되는 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)은 1mm 이상의 폭을 가지는 두 개의 도체가 병렬로 연결되거나, 최소폭이 2mm 이상 또는 길이 대비 1% 이상의 폭을 가지는 하나의 도체로 배선되거나, 또는 각 도체의 두께가 35μm 이상인 동으로 배선된다. 따라서, 개방 고장에 대한 고장이 없는 것으로 간주될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 드라이버 회로(400)는 본질 안전 회로(300)가 출력한 전압을 제공받고, 사용자의 입력에 따라 발광 소자(500)을 제어한다. 일 실시예에서, 사용자는 라이트 하우징(미도시)에 형성된 on/off 스위치를 이용하여 본질 안전 방폭 라이트의 점등여부를 제어할 수 있다. 일반적인 라이트에 있어서, 라이트의 점등을 결정하는 스위치는 슬라이드 스위치등과 같이 접점이 기계적으로 접촉하거나 이격되어 스위치의 단락과 차단(make, break)을 제어하게 되어 있다. 따라서, 스위치 접점이 단락되어 전류를 흘리다 차단되는 경우에는 불꽃(spark)이 발생할 수 있다.

도 4는 사용자가 본 실시예에 의한 본질 안전 방폭 라이트를 제어할 수 있는 구조를 개요적으로 도시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 스위치(SW)는 센서(S)와 반도체 스위치(M)를 포함한다. 사용자는 센서(S)를 터치하여 라이트를 제어한다. 센서(S)는 사용자의 접촉을 감지할 수 있는 센서이면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 일 예로 사용자의 터치를 검출할 수 있는 감압식 터치 센서 또는 정전식 터치 센서일 수 있다.

센서(S)는 사용자의 터치를 검출한 신호를 드라이버 회로(400)에 제공한다. 드라이버 회로(400)는 사용자의 터치 입력에 상응하도록 반도체 스위치(M)을 턴 온하거나, 턴 오프한다. 일 예로, 드라이버 회로(400)는 사용자의 터치 입력을 받으면 다음 터치 입력을 제공받을 때 까지 반도체 스위치를 턴 온하도록 구동할 수 있다. 다른 예로, 드라이버 회로(400)는 사용자가 최초 터치시 반도체 스위치(M)를 턴 온하되 발광 소자(500)가 약한 광을 제공하도록 제어하고, 다음 터치에는 발광 소자(500)가 중간 광을 제공하도록 반도체 스위치(M)를 제어한다. 사용자가 세번째 터치 입력시 드라이버(400)는 발광 소자(500)가 가장 높은 휘도의 광을 제공하도록 반도체 스위치(M)를 제어하고, 사용자가 네번째 터치 입력시 라이트를 턴 오프하도록 제어할 수 있다.

발광 소자(500)는 리튬 셀(100)이 제공하는 구동 전력을 제공받아 광을 제공한다. 발광 소자(500)는 일 실시예로 발광 다이오드(Light Emitting Diode)로 구현할 수 있다. 일 실시예로, 발광소자(500)는 백색광을 제공할 수 있으며, 청색광, 적색광등 가시광 대역의 파장을 가지는 광을 제공할 수 있다.

100: 리튬 셀 200: 셀 보호 회로
300: 본질 안전 회로 310, 320: 병렬 가지
400: 드라이버 500: 발광 소자

Claims (8)

1. 본질 안전 방폭 라이트에 있어서, 상기 본질 안전 방폭 라이트는:
   구동 전압을 제공하는 원통형 리튬 셀;
   상기 구동 전압을 통과시키되, 상기 구동 전압이 임계 전압 미만인 경우에는 상기 구동 전압을 차단하여 상기 리튬 셀의 방전을 차단하는 셀 보호 회로;
   상기 셀 보호 회로와 연결되고, 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 상기 리튬 셀이 역방향으로 삽입될 때에만 도통되도록 배치된 본질 안전 회로;
   사용자로부터 상기 본질 안전 방폭 라이트 동작 지시를 제공받아 라이트를 구동하는 구동 신호를 제공하는 드라이버 회로;
   상기 드라이버 회로가 제공하는 신호에 따라 광을 제공하는 발광 소자를 포함하며,
   상기 본질 안전 회로는 인쇄 회로 기판상에 형성되되, 상기 인쇄 회로 기판은 1mm 이상의 폭을 가지는 두 개의 도체가 병렬로 연결되거나, 상기 인쇄 회로 기판은 최소폭이 2mm 이상 또는 길이 대비 1% 이상의 폭을 가지는 하나의 도체로 배선되며,
   상기 인쇄 회로 기판은 배선을 수행하는 도체의 두께가 35μm 이상인 동이고,
   상기 원통형 리튬 셀과 상기 셀 보호 회로는 용접되어 부착되며,
   상기 셀 보호 회로는 상기 원통형 리튬 셀의 단면과 동일한 형태를 가지며, 상기 셀 보호 회로의 단면은 상기 원통형 리튬 셀의 상기 단면과 같거나 작고,
   상기 본질 안전 방폭 라이트는, 사용자의 입력을 제공받는 센서와, 상기 발광 소자에 전력을 제공하거나 차단하는 반도체 스위치를 포함하는 스위치 부를 더 포함하며, 상기 반도체 스위치는 상기 드라이버 회로에 의하여 제어되는 본질 안전 방폭 라이트.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 본질 안전 회로는, 상기 다이오드와 병렬로 연결되며, 상기 리튬 셀이 상기 역방향으로 삽입될 때에만 도통되도록 배치된 제2 다이오드를 포함하는 본질 안전 방폭 라이트.
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