KR101981640B1

KR101981640B1 - 교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기

Info

Publication number: KR101981640B1
Application number: KR1020180159111A
Authority: KR
Inventors: 김현탁; 김빛나; 조성우
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-08-30

Abstract

본 발명에서는 교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기에 관한 것으로서, 교류전류용 전류센서에 있어서, 교류전류가 흐르는 전력도선과 이격되어 배치된 센서부; 및 상기 전력도선에 흐르는 교류에 의해 발생하는 유도 기전력에 의하여 상기 센서부에서 발생된 전자파를 측정하여 교류 전류를 검출하는 수단; 을 포함하며, 상기 교류 전류를 검출하는 수단은 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기{CURRENT SENSOR FOR MEASURING ALTERNATIVE ELECTROMEGNETIC WAVE AND CURRENT BREKER USING THE SAME}

본 발명은 교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기에 관한 것으로서, 교류 전력도선과 나란히 전자파 측정도선을 배치하고 전력도선에서 발생되는 전자파를 직접 측정하는 전류센서로서, 기존의 전류센서 보다 소형화와 단순화하며, 이를 이용하여 전력 차단기에 적용하여 고신뢰성의 소형의 차단기를 제작할 수 있는 교류 전자파를 측정하는 전류센서와 이를 이용한 차단기에 관한 것이다.

최근에 전력 사용량이 급증하고 정확한 전류의 측정은 전력 시스템의 보호와 전력 사용 효율의 극대화 측면에서 필수 불가결한 요소가 되었다. 수용가의 측면에서는 정확한 전류의 측정을 통해 전력 수요를 예측 및 분석하면 효율을 높일 수 있으며, 전력 시스템의 측면에서는 정격전류뿐만 아니라 이상 및 고장 전류의 정확한 측정을 통해 사고전류를 검출하고 사고계통을 신속히 분리함으로써 전원 계통을 보호할 수 있다.

이를 위해 현재 사용되고 있는 기존의 전류 측정방식으로는 다음과 같은 것이 있다.

첫째, 교류 전류센서로 원형의 자성 재료에 전류를 측정하고자 하는 1차측 전력도선인 측정 도체(1차 측)에 흐르는 교류 전류에 의한 자기 코어 내에 발생한 자속 Φ를 제거할 수 있도록 2차 측의 권선에 권선비에 따른 교류 전류가 흐르는 2차 전류는 션트 저항으로 흐르고 션트 저항 양단에 전압이 발생하는 CT(Current Transformer)센서가 있다. 3차원적으로 크기가 크며 직선성이 떨어진다는 문제점이 있다.

둘째, 첫째의 CT 구조에서 2차 도선을 사용하지 않고 홀(Hall) 소자와 홀 원리로 전류를 측정하는 반도체 전류센서가 있다. 온도보상과 신호증폭이라는 복잡한 과정을 거쳐서 전류를 측정한다는 문제점이 있다.

셋째, 자성체 물질없이 코일을 원형으로 감고 가운데에 전력도선이 지나가며 코일을 감는 첫 부분이 코일 내부로 들어가서 코일의 끝부분과 만나서 코일의 처음과 양단에 전압변화를 측정하는 로고스키 코일 전류 센서가 있다. 이것은 자기 포화가 없고 대전류까지 측정할 수 있고 임피던스가 작아서 신호를 증폭해서 사용하며 개방형 전류 센서라고 해서 많이 사용되고 있다.

넷째, CT에서 교류 전류에 의한 자기 코어 내에 발생한 자속 Φ를 제거할 수 있도록 2차 코일이 감겨 있지만 저주파수에서는 그 자속이 사라지지 않아서 2 차 코일 부분에 추가로 자속 보상용 코일(권선)과 증폭기를 사용하여 자속이 사라지도록 한 AC 제로 플럭스 방식(권선 검출형) 전류센서가 있다. 이것은 CT에서 직선성이 많이 개선된 센서이다.

다섯째, AC 제로 플럭스 방식에서 추가로 보강한 권선형 코일 대신에 홀소자를 이용한 AC/DC 제로 플럭스 방식(홀소자 검출형) 전류센서가 있다.

끝으로, 홀 소자 대신 플럭스 게이트 소자를 사용하여 저주파수에서 남아 있는 자속을 앰프회로로 제거하는 것으로 AC/DC 제로 플럭스 방식(플럭스 게이트 검출형) 전류센서가 있다.

AC 제로 플럭스 방식들은 CT 보다 직선성이 뛰어나며 낮은 레벨까지 고정밀도로 측정한다.

그러나, 상기 기존에 사용되고 있는 센서들은 온도보상과 신호증폭이라는 복잡한 과정을 거처서 전류를 측정하거나 3차원적으로 어느 정도 볼륨을 가지고 있다. 그런데 오늘날 전자기기는 보다 소형화 되고 저전력화 되고 고신뢰성을 요구하므로 기존 전류센서들을 바로 적용하기에는 한계가 있다.

한편, 과전류를 차단하는 종래의 차단기는, 주로 바이메탈을 사용하는데, 바이메탈의 경년변화(經年變化)가 발생된다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 교류도선에서 나오는 전자파를 직접 측정하는 전류센서와 이를 이용하여 단순하며 소형화된 고신뢰성의 전력차단기를 제공하는데 주된 목적이 있다.

더욱이, 본 발명의 추가적인 목적은, 외부 노이즈에 취약한 전자파 및 유도 기전력에 의한 전류센서를 제공하면서도, 외부 고주파 노이즈가 심한 가혹 환경하에서도 성공적으로 센싱이 가능한 전류센서 및 차단기를 제공하기 위함이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 개발된 본 발명의 제1 측면에 따른 전류센서는, 전력기기에 교류전력을 공급하는 목적을 가지며 제1 입출력단과 제2 입출력단 간에 교류전류가 흐를 수 있도록 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 양단에 전압차를 갖는 전력도선에서의 교류전류를 측정하는 교류전류용 전류센서로서, 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선과 일정 거리만큼 전기적 절연물로 이격되어 나란히 배치된 비코일성의 측정도선을 포함하는 센서부; 및 상기 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선에 흐르는 교류에 의해 발생된 자기장으로부터 상기 측정도선에 유기된 유도 기전력을 측정하여 교류 전류를 검출하는 수단; 을 포함하며, 상기 교류 전류를 검출하는 수단은 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.

삭제

더욱 바람직하게는, 상기 절연물은, 공기, 절연 개스, 순수한 물, 절연 물질, 고분자 비닐 절연물질, 혹은 페라이트를 포함한 고체결정 절연물질로 이루어지는 군으로 형성된 것 중에서 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 센서부는, 폴리이미드 기판(150a)에 마이크로 센서 패턴(152)으로 배치되며; 유연인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board)을 구성하여 유연성을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 개발된 본 발명의 제2 측면에 따른 전류센서는, 전력기기에 교류전력을 공급하는 목적을 가지며 제1 입출력단과 제2 입출력단 간에 교류전류가 흐를 수 있도록 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 양단에 전압차를 갖는 전력도선에서의 교류전류를 측정하는 교류전류용 전류센서로서, 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선과 이격거리 없이 전기적으로 접촉되어 나란히 배치된 비코일성의 측정도선을 포함하는 센서부; 및 상기 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선에 흐르는 교류에 의해 발생된 자기장으로부터 상기 측정도선에 유기된 유도 기전력을 측정하여 교류 전류를 검출하는 수단; 을 포함하며, 상기 교류 전류를 검출하는 수단은 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한 바람직하게는, 상기 제1 측면 및 제2 측면에 따른 전류센서들은, 측정도선을 타고 들어오는 고주파수 잡음을 제거하기 위한 페라이트 비드 고주파수 필터가 상기 증폭기 앞단에 연결되는 것이 좋다.

상기 측정도선은, 1차원 도선, 2차원 평면 및 3차원 관 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는, 전력도선과 측정도선이 굴곡 패턴을 가지며; 상기 굴곡 패턴은 자기장을 모으며; 상기 굴곡 패턴을 통하여 상기 전력도선과 측정도선의 길이를 조절할 수 있는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 전력도선에서 발생된 외부로 나가는 전자파 또는 외부에서 들어오는 전자파 잡음을 차단하는 실드막(136)을 더 포함하는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 검출된 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터를 더 포함하는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 상기 증폭기와 연결된 마이크로컨트롤러(220)를 더 포함하며, 상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것이 좋다.

더욱 바람직하게는, 통신부(224)를 더 포함하며, 상기 통신부(224)를 통해 전류센서가 외부기기와 통신할 수 있는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 상기 증폭기 대신 고정밀도의 A/D 컨버터로 대신하는 것이 좋다.

또한 바람직하게는, 상기 교류 전류를 검출하는 수단은 마이크로컨트롤러(220)로 대체되며, 상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 센서부(100)의 출력 신호에 직접 연결되어 디지털 신호로 변경하는 고정밀도의 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것이 좋다.

더욱 바람직하게는, 통신부(224)를 더 포함하며, 통신부(224)를 통해 전류센서가 외부기기와 통신할 수 있는 것이 좋다.

더욱 바람직하게는, 상기 측정도선은 도전성 금속 박막인 것이 좋다.

더욱이, 상기 전력도선과 측정도선의 금속도선을 보호하기 위해, 절연물로 상기 전력도선과 측정도선을 감싸도록 하는 것이 요구된다.

한편, 본 발명의 제3 측면에 따른 차단기는, 상기 전류센서; 및 상기 전류센서의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 전력을 차단하는 절환수단(500); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 절환수단(500)은, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 신호처리부(200); 상기 신호처리부(200)로부터 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330); 및 상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 절환수단(500)은, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 신호처리부(200); 및 상기 신호처리부(200)에서 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 절환수단(500)은, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 비교제어부(252); 상기 비교제어부(252)로부터 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330); 및 상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 절환수단(500)은, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 비교제어부(252); 및 상기 비교제어부(252)에서 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 신호처리부(200)는, 상기 전류센서와 연결된 마이크로컨트롤러(220)를 포함하며; 상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 전류센서(100)의 출력 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한층 더 바람직하게는, 상기 신호처리부(200)는, 상기 전류센서와 연결된 증폭기(210)와, 상기 증폭기(210)와 연결된 마이크로컨트롤러(220)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

가장 바람직하게는, 통신부(224)를 더 포함하며, 통신부(224)를 통해 차단기가 외부기기와 유선 혹은 무선으로 통신할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 교류 전력도선과 나란히 전자파 측정도선을 배치하고 전력도선에서 발생되는 전자파를 직접 측정하는 전류센서로서, 기존의 전류센서 보다 작고 단순하며, 전력 차단기에 적용될 경우 높은 신뢰도를 갖는 소형의 차단기가 제공될 수 있다.

특히, 페라이트 비드가 고주파수 노이즈 필터로서 사용될 경우, 외부 노이즈가 심한 가혹 환경 하에서도 성공적으로 전류 센싱이 가능할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류센서용 센서부의 PCB 사진 및 단면도 이다.
도 2는 제1 실시 예의 전류센서의 개략적인 회로도 이다.
도 3은 제1 실시 예의 변형 예의 전류센서의 개략 회로도
도 4는 제1 실시 예의 전류센서를 이용하여 100Hz 교류전류를 측정한 데이터 및 그래프
도 5는 제1 실시 예의 전류센서를 이용하여 60Hz 교류전류를 측정한 데이터 및 그래프 이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 전류센서용 센서부의 개략 구성도 이다.
도 7은 제2 실시 예의 전류센서용 센서부의 변형 예들 이다.
도 8은 제2 실시 예의 전류센서의 전력도선과 측정도선의 구조도 및 데이터 특성을 나타내는 그래프 이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 예의 전류센서용 센서부의 개략 구성도 이다.
도 10은 제3 실시 예의 전류센서의 개략 회로도 이다.
도 11은 제3 실시 예의 전류센서로 측정된 전류별 전압 특성 그래프 이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시 예의 전류센서용 마이크로 센서부의 상세 사진 이다.
도 13은 제4 실시 예의 전류센서의 개략 회로도 이다.
도 14는 제4 실시 예의 전류센서로 측정된 오실로스코프 파형도 이다.
도 15는 제5 실시 예의 전류센서의 개략 구성도 및 센서부 사진 이다.
도 16은 제5 실시 예의 전류센서로 측정된 데이터 및 그래프 이다.
도 17은 본 발명의 제6 실시 예의 전류센서의 블럭도 이다.
도 18은 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제1 실시 예의 블럭도 이다.
도 19는 도 18에 따른 실시 예의 변형 예에 해당하는 차단기의 블럭도 이다.
도 20은 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제2 실시 예의 블럭도 이다.
도 21은 도 20에 따른 실시 예의 변형 예에 해당하는 차단기의 블록도 이다.
도 22는 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제3 실시 예의 차단기의 구성도 이다.
도 23은 도 22에 따른 실시 예의 차단기에서 통신으로 얻어진 그래프 이다.
도 24는 도 3의 실시 예의 전류센서의 비드 유무에 따른 비교실험을 위한 실험장치 사진 이다.
도 25는 도 24의 실험장치에 의해 측정된 실험 결과 그래프 이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

(본 발명의 제1 측면에 따른 전류센서)

먼저 본 발명의 제1 측면인 전류센서에 대하여 도 1 내지 도 17을 참조하여 기술한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이고, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제3 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이고, 도 12 내지 도 14는 본 발명의 제4 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이고, 도 15 내지 도 16은 본 발명의 제5 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이며, 도 17은 본 발명의 제6 실시 예의 전류센서의 설명에 대한 참조 도면이다.

우선, 본 발명의 제안된 전류센서의 원리에 대하여 설명하면, 맥스월의 전자기 제3법칙인 패러데이 법칙은 변하는 자기장은 전기장을 만들고, 맥스웰의 제4법칙은 시간에 따라 변하는 전기장은 자기장을 만든다. 교류전류는 변하는 자기장을 만들고 변하는 자기장 속에 금속 도체를 놓으면 유도전류가 생성된다. 이 유도전류는 맥스웰 패러데이 법칙에 따라 자기장의 수직 방향에서 형성된다. 이 법칙에 의하면 시간에 따라 변하는 교류가 흐르는 전력도선 옆에 나란히 전력도선에서 나오는 전자파를 측정하는 측정도선을 배치하면 유도전류를 측정할 수 있다.

그 전력도선에 나란히 배치된 측정도선을 전자파 전류센서라고 한다. 이 측정도선으로 어느 정도 긴 1차원 도선, 2차원 평면 및 3차원 도체관 중 어느 하나로 구성할 수 있다. 그리고 측정도선은 인덕턴스를 갖는 코일이 아니고 인덕턴스가 없는 도체를 의미하는 바, 이하, 본 명세서에서 '비코일성의 측정도선'이라 한다. 그리고 전력도선과 나란한 측정도선인 측정라인을 현탁 라인이라고도 한다.

나아가, 이 전류센서를 응용하면, 센서의 작은 신호를 증폭하여 비교기나 A/D (Analog Digital Converter) 컨버터에 입력시켜서 설정 전류와 비교하여 설정 값 보다 큰 값이 나오면 전자석 제어신호를 발생하여 전력도선의 전력을 차단하는 차단기를 제작할 수 있다는 기술적 특징을 가진다.

(제1 실시 예의 전류센서)

먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전류센서에 대하여 설명하면, 도 1은 본 발명의 제1 실시 예의 전류센서용 센서부의 PCB 사진 및 단면도인바, 도 1의 (a)는 단일의 굴곡부를 갖는 센서부의 PCB 사진이고, 도 1의 (b)는 이중의 굴곡부를 갖는 센서부의 PCB 사진이며, 도 1의 (c)는 도 1 (a)의 절단면 1C-1C 선을 따른 단면도 이다. 도 2는 제1 실시 예의 전류센서의 개략 회로도이고, 도 3은 제1 실시 예의 변형 예의 전류센서의 개략 회로도이고, 도 4 (a) 및 (b)는 각각, 제1 실시 예의 전류센서를 이용하여 100Hz 교류전류를 측정한 데이터 및 그래프이며, 도 5 (a) 및 (b)는 각각, 제1 실시 예의 전류센서를 이용하여 60Hz 교류전류를 측정한 데이터 및 그래프이다.

본 실시 예의 전류센서(100, 110, 120)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력도선(111)과 측정도선(112)이 나란히 배치된 전류센서의 센서부(110)와 상시 센서부(110)에서 센싱된 유도 전자기파를 증폭하는 증폭부(118, R1)로 이루어진다.

일반적으로 상기 센서부(110)에서의 유도전류가 작기 때문에 측정되는 전압도 작다. 따라서 증폭회로(118, R1)가 필요하며, 도 2에서의 실시 예에서는, 연산증폭기(118)를 갖는 증폭부가 제안되고 있다.

즉, 도 2는 전류센서의 증폭부(110)를 연산증폭기(Operational Amplifier)(118)에 연결하여 신호를 증폭한 회로도이며, 직류성분 차단용 결합용 커패시터(117) 및/또는 고주파 잡음 필터 비드(116)는 경우에 따라서 생략될 수 있다. 다만, 상기 센서부에서 센싱된 신호가 미약하기 때문에, 오차를 줄이기 위하여 추가하는 것이 바람직하다.

센서부(110)에 대하여 상술하면, 도 1(a)에서 보는 바와 같이, 2차원 평면 위에 제1 입출력단자 ‘11a’및 제2 입출력단자 ‘11b’를 갖는 전력도선(111)과 제1 입출력단자 ‘12a’및 제2 입출력단자 ‘12b’를 갖는 측정도선(112)이 나란히 배치된 전류센서의 센서부가 도시되어 있다. 2개의 인접한 도선(111,112)에, 굴곡이 있는 것은 굴곡 패턴(113) 부분에 자기장을 강하게 모으거나 제한된 면적의 영역 내에서 길이를 길게 하기 위함이다.

도 1(b)는 전력도선의 제1 또는 제2 입출력단자(21a, 21b)에서 멀어지는 방향에서 가까워지는 방향으로 ‘S’자 형태 또는 ‘ㄹ’자 형태와 같이 굴곡지게 전력도선(121)을 배치하며, 측정도선(122) 역시, 측정도선의 제1 또는 제2 입출력단자(22a, 22b)에서 멀어지는 방향에서 가까워지는 방향으로 ‘S’자 형태 또는 ‘ㄹ’자 형태로 굴곡지게 전력도선(121)과 나란히 배치된 것을 나타내며, 전류센서의 길이와 크기는 전류의 크기에 의존하므로 굴곡 패턴(123)부분에 자기장을 더 강하게 모으거나 제한된 면적의 영역 내에서 길이를 길게 하기 위하여 이중으로 굴곡 패턴을 형성한 것을 나타낸다.

여기서 측정도선은 전력도선에서 얼마의 이격거리(d)(도 1 (c) 참조)를 두고 떨어져 있으며 수학적으로 d0으로 표현되며, 바람직하게는 그 이격거리 사이에는 절연물로 채워진다. 단, 이격거리가 실질적으로 거의 없는 경우(d

0)는, 절연물 없이 전력도선과 측정도선이 전기적으로 붙어 있음을 의미한다. 이때 붙은 도선에 매우 강한 자기장(자기장 B ∝ I/d, 여기서 I 는 전류, d 는 이격거리)이 있어서 그로 인해 매우 큰 전자파 신호를 얻을 수 있다. 그렇지만, 전력선과 신호선이 붙어 있어서 잘못하면 큰 전력이 신호선을 타고 들어가서 측정 시스템을 파괴시킬 수 있다는 문제점이 존재한다. 상기 절연물이란 공기, 절연 개스 (혹은 SF₆ 개스), 순수한 물, 절연 물질, 고분자 비닐 절연물질, 혹은 고체결정 절연물질을 포함한다. 고체결정 절연물질은 세라믹 재료를 포함한다. 페라이트가 고주파 잡음을 제거하는 고주파 필터로도 사용되는 경우, 그 고주파 필터는 측정도선을 타고 들어오는 고주파수 잡음을 잡기 위해 측정도선과 증폭기 사이에 붙일 수 있다.

본 실시 예의 설명은 전력도선과 측정도선이 얼마간 이격된 거리(d)로 떨어져 있는 경우(d≠0인 경우)의 전류센서에 대한 것이다.

한편 제1 실시 예의 변형 예로서, 도 3은, 연산증폭기(118)가 비반전 증폭기로 사용되는 회로도를 나타내고 있다.

즉, 상기 설명한 도 2의 전류센서는 연산증폭기(Operational Amplifier)(118)가 제1 저항(R1)과 함께 반전 증폭회로로 시용되고 있는 실시 예이며, 도 3의 전류센서는, 연산증폭기(118)가 제1 및 제2 저항(R1, R2)과 함께 비반전 증폭회로로 시용되고 있는 변형 예의 회로도이다.

이를 실험한 실험예로 도 4(a)를 참조하면, 100Hz 교류전류를 제안된 전류센서를 이용하여 측정된 유도 전자파의 교류 전압과 전류의 데이터를 나타낸다. 도 4(b)는 도 4(a)의 데이터로 그려진 그래프이며 가로축의 교류전류 증가에 따라 세로축의 유도전압이 대체로 비례적으로 증가하는 직선성을 나타내고 있다.

또한, 다른 실험예로 도 5(a)를 참조하면, 60Hz 교류전류를 제안된 전류센서를 이용하여 측정된 전압의 전류 의존성 데이터를 나타낸다. 도 5(b)는 도 5(a)의 데이터로 그려진 그래프이며, 역시 가로축의 교류전류 증가에 따라 세로축의 유도전압이 대체로 비례적으로 증가하는 직선성을 나타내고 있다.

(제2 실시 예의 전류센서)

한편, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전류센서에 대하여 설명하면, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예의 전류센서용 센서부의 개략 구성도이고, 도 7 (a) 내지 (e)는 각각, 제2 실시 예의 전류센서용 센서부의 변형 예들이며, 도 8(a) 및 (b)는 각각, 제2 실시 예의 전류센서의 전력도선과 측정도선의 구조도 및 데이터 특성을 나타내는 그래프이다.

본 실시 예의 전류센서는, 기본적으로는 제1 실시 예와 동일하나 센서부에 있어서 차이가 있는바, 본 실시 예의 센서부(130)는, 도 6에서 보는 바와 같이, 전력도선(131)과 측정도선(132)의 결합기판(135)에 전력도선(131)과 측정도선(132)이 결합되어 배치된 것을 나타낸다. 즉, 결합기판(135)의 일측(一側)에 전력도선(131)을 굴곡진 형태로 배치하고, 측정도선(132)을 나란히 배치하거나 결합기판(135)의 타측(他側)에 측정도선(132)을 굴곡진 형태로 배치할 수 있는 것을 나타내고 있다.

즉, 본 실시 예의 전류 센서는, 2차원 평면에서 같은 층에 나란히 배치하거나 다른 층에 적층하여 배치하는 것을 기술적 특징으로 한다.

한편 제2 실시 예의 변형 예로서, 전력도선(131)과 측정도선(132)의 구성의 형태에 따른 센서부의 변형 예를 나타낸다.

도 7(a) 및 도 7(b)에서와 같이, 개별적으로 구성된 전력도선(131) 위에 혹은 밑에 혹은 옆에 측정도선(132)을 배치할 수 있으며, 전력도선(131)과 측정도선(132)을 결합하여 배치하여 전력도선과 측정도선의 결합기판(135)을 구성할 수 있다.

도 7(c) 및 도 7(e)는 접지된 실드막(136)이 전력도선과 측정도선을 덮은 모습을 나타내며, 실드막(136)을 통하여 전자파가 외부로 나가는 것을 차단하며, 또한 다른 전력도선 에서 발생된 전자파가 들어오는 것을 차단하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 도 7(d)와 같이 전력도선(131‘)에 측정도선(132)을 감아서 배치할 수 있는바, 이때 상기 전력도선(131’)은 비닐커버와 같은 절연피복을 가진 전력도선이어야 하며, 도 8(a)는 측정도선(132)이 전력도선(131‘)을 어떤 임의이 각도(θ=α)로 비스듬하게 감는다는 것을 나타내며, 비스듬한 측정도선(132)의 전류는 물리적으로 벡터량이므로 비스듬히 흐르는 전류를 x 축과 y 축으로 나누어서 생각할 수 있다. 따라서 도 8(a)와 같이 x 축은 전력도선(131’)에 평행하며 측정도선(132)이 전력도선(131’)을 감는다 하여도 전력도선(131‘)과 나란한 성분이 존재하므로 측정도선(132)에 전자기파 신호가 검출된다. 도 8(b)는 전력도선(131’)을 감은 측정도선(132)으로 측정된 데이터이며 가로축의 교류전류 증가에 따라 세로축의 유도전류가 대체로 비례적으로 증가하는 직선성을 나타낸다.

또한, 도 7 (e)에서와 같이, 전력도선(131‘)에 감겨진 측정도선(132)이 고정 및 안정화되도록 실드(Shield)막(136)을 형성할 수 있으며, 전력도선에서 발생된 전자파가 외부로 나가거나 다른 전력도선에서 발생된 전자파가 들어오는 것을 차단하며, 상기 실드막(136)을 접지로 연결할 수 있고 이를 이용하여 대전류 측정시스템을 소형으로 단순하게 제작할 수 있다는 기술적 특징을 가진다.

(제3 실시 예의 전류센서)

다음, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 전류센서에 대하여 설명하면, 도 9는 본 발명의 제3 실시 예의 전류센서용 센서부의 개략 구성도이고, 도 10은 제3 실시 예의 전류센서의 개략 회로도이며, 도 11은 제3 실시 예의 전류센서로 측정된 전류별 전압 특성 그래프이다.

본 실시 예의 전류센서는, 전력도선(141)과 측정 도체관(144) 및 증폭기(118)를 이용하여 단방향 증폭기 회로(118, R1, R2)를 구성할 수 있으며, 측정도체관(144)은 전력도선과 나란하다고 볼 수 있다.

이때, 본 실시 예의 센서부(140)는, 도 9에서 보는 바와 같이, 전력도선(141)과 측정도선(142) 중, 측정도선(142)의 인접 부분을 3차원 도체관인 측정 도체관(144)으로 이용한 것이 특징이다. 상기 전력도선(141)은 피복 전선일 수 도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 실시 예의 경우, 전류센서의 전력도선(141)을 3차원 도체관인 측정 도체관(144)을 통하여 전자파를 검출할 수 있는 것을 나타낸다.

따라서, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 의하면, 본 발명의 전류센서의 측정도선(142)은, 배치에 따라서 1차원 도선, 2차원 평면, 3차원 도체관 중 어느 하나로 구성하여 사용할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.

한편 제3 실시 예의 전류센서를 실험한 실험예로, 도 11을 참조하면, 교류전력 전류가 증가함에 따라 측정된 센서의 전압도 함께 증가하는 것을 나타내고 있다. 해당 증폭기에 단일 전원을 인가하여 마이너스 부분 신호는 제거되고 플러스 부분만 측정된 것을 나타낸다. 따라서 단방향 증폭기로 측정된 전류센서 신호의 교류전류 의존성을 더욱 명확히 나타내고 있다.

본 제3 실시 예의 전류센서는, 측정된 신호를 통해 차단기를 동작할 수 있으며 전력도선(141)과 나란한 측정 도체관(144)은 대전류 측정을 용이하게 할 수 있다는 것을 기술적 특징으로 한다.

(제4 실시 예의 전류센서)

계속해서, 도 12 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 전류센서에 대하여 설명하면, 도 12의 (a)는 본 발명의 제4 실시 예의 전류센서용 마이크로 센서부의 상세 사진이고, 도 12의 (b)는 도 12 (a)의 마이크로 센서패턴의 상세사진이며, 도 13은 제4 실시 예의 전류센서의 개략 회로도이고, 도 14는 제4 실시 예의 전류센서로 측정된 오실로스코프 파형도이다.

본 실시 예의 전류센서는, 전력도선(111)과 측정도선(112) 및 증폭기(118)를 이용하여 도 13과 같이 양방향 증폭기 회로를 구성할 수 있으며, 센서 패턴에 따라 전력도선과 반은 나란하지만 나머지 반은 반대 방향으로 형성될 수 있다.

따라서 양방향 증폭기 회로를 통하여 이를 실험한 실험예로 도 14를 참조하면, 전력 전류 6[A]에서 측정된 오실로스코프 이미지(180)를 나타내고 있는바, 전력도선(111)과 나란한 센서의 신호와 반대인 센서의 신호는 서로 상쇄시키는 현상이 발생될 수 있는 것을 나타낸다.

본 실시 예의 전류센서의 센서부(150)는, 도 12에서 보는 바와 같이, 플렉시블(Flexible) 동박(Copper Film) 위에 패턴 형성된 점이 특징이다.

전류센서를 플렉시블(Flexible)한 기판인 폴리이미드 기판(150a) 위에 마이크로 센서 패턴(152)(도 12(b) 참조)을 배치하고, 비아(via)(153)를 통해 연결하며, 전극 패드(152a)를 배치하여 웨어러블 기기에 응용이 가능한 유연성 있는 전류센서를 제작할 수 있다는 것을 기술적 특징으로 한다.

경우에 따라서는 PCB 기판을 적층으로 해서 제작할 수도 있으며, 반도체 공정을 이용하여 마이크로 전류센서로도 만들 수 있어 다양한 형태의 전류센서를 제작할 수 있다는 기술적 특징을 가진다.

(제5 실시 예의 전류센서)

이제, 도 15 및 도 16을 참조하여, 본 발명의 제5 실시 예의 전류센서에 대하여 설명하면, 도 15 (a) 및 (b)는 각각, 제5 실시 예의 전류센서의 개략 구성도 및 센서부 사진이고, 도 16 (a) 및 (b)는 각각, 제5 실시 예의 전류센서로 측정된 데이터 및 그래프이다.

본 실시 예의 전류센서는, 전력도선과 측정도선의 양쪽 도선 사이에 이격거리 없이 전기적으로 붙어서 하나가 된 경우(d=0인 경우)에 대한 실시 예이다.

먼저, 도 15 (b)에서와 같이, 교류 전력도선(151)의 피복을 벗겨내고 길이 6cm 길이의 센싱영역(162)을 형성한 후, 상기 센싱영역(162) 양단에 전자파 측정용 단자(162a, 162b)를 연결하고, 그 측정용 단자들(162a, 162b)을 Keithley 2000 차동 증폭기에 연결하여, 그 전력도선에 흐르는 전류를 변화시키면서, 증폭기 출력단에서 유도전압을 측정하였다.

도 16의 데이터는 전력도선에 흘리는 전류에 따라 전자파 신호가 직선적으로 증가하는 것을 보여준다.

만약, 제1 실시 예의 측정도선(112)의 재료가 전력도선(111)의 재료와 같고 양자가 전기적으로 연결되었다고 가정하면, 이것은 6cm 길이의 측정영역(162)이 전력도선(161)에 나란한 본 실시 예와 등가라고 볼 수 있다. 이것이 전력도선과 측정도선 사이에 실질적인 이격거리가 없다는 것을 의미한다. 일반적으로 이 경우에 자기장은 이격거리에 반비례(자기장 B ∝ I/d, 여기서 I 는 전류, d 는 이격거리) 한다. 이 이격거리가 없다는 것은 그 도선에 최대의 자기장이 존재한다고 볼 수 있으며, 그 결과 최대 크기의 전자파가 도선에 존재한다고 볼 수 있다. 이것은 장점이 될 수 있기는 하나, 잘못하면 측정기기와 쇼트현상이 일어나서 측정기기를 파괴시킬 수 있는 위험요소가 있다.

(제6 실시 예의 전류센서)

마지막으로, 도 17을 참조하여, 본 발명의 제6 실시 예에 따른 전류센서에 대하여 설명하면, 도 17은 본 발명의 제6 실시 예의 전류센서의 블록도이다.

본 실시 예의 전류센서는, 도 17에서 보는 바와 같이, 센서부(100)에 신호처리부(200)가 결합된 전류센서에서, 신호처리부(200)가 증폭기(210) 및 원칩 마이크로컨트롤러(220)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는바, 즉, 제1 실시 예의 전류센서(도 2 참조)에 원칩 마이크로컨트롤러(220)가 연결된 것으로 볼 수 있다.

즉, 전류센서(100, 210)가 A/D 컨버터(Analog-Digital Converter)와 통신 기능이 내장된 원칩 마이크로콘트롤러(220)에 연결될 수 있다.

다만, 전류센서의 센서부(100)가, 저전압 기준전압을 갖는 분해능이 좋은 A/D 컨버터(221)에 연결될 경우에는, 전류센서의 센서부(100) 자체를 증폭기(210) 없이도 바로 센서로 사용할 수 있다. 즉, A/D 컨버터(221)가 증폭기(210)의 역할을 대신할 수도 있다. 고전압 기준전압을 갖는 분해능이 나쁜 A/D 컨버터(221)의 경우에는 증폭기(210)를 A/D 컨버터(221) 앞단과 전류센서의 센서부(100) 뒤에 배치하는 것이 좋다.

또한, 본 실시 예와 같이, 마이크로컨트롤러(220)를 연결하여 사용하면, 전류센서의 출력 신호를 A/D 컨버터(221)에서 디지털 신호로 변경하며, 변경된 디지털 신호를 표준 전압 또는 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222), 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호 발생부(223)를 통해 제어신호를 발생하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 통신부(224)를 더 포함할 수 있으며, 통신부(224)를 통해 전류센서(110)가 외부기기와 통신할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 이에 대해서는, 도 22를 참조하여, 후술한다.

(본 발명의 제2 측면에 따른 차단기)

이제, 본 발명의 제2 측면에 따른 전류센서를 이용한 차단기에 대하여, 도 18 내지 도 23을 참조하여 상술한다.

도 18 및 도 19는 각각, 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제1 실시 예 및 그 변형 예의 블록도이고, 도 20 및 도 21은 각각, 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제2 실시 예 및 그 변형 예의 블록도이며, 도 22는 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제3 실시 예의 차단기의 구성도이고, 도 23은 도 22에 따른 실시 예의 차단기에서 통신으로 얻어진 그래프이다.

본 발명의 제2 측면에 따른 제안된 차단기에 대하여 개략적으로 설명하면, 상기 전류센서의 센서부(100)와 연결된 신호처리수단(200)으로서의 마이크로컨트롤러(220)에 절환부(300, 300‘)가 배치되도록 하여, 본 발명의 차단기를 구성할 수 있으며, 상기 절환부는, 제어 트랜지스터(33)와 릴레이(340)의 결합에 의해, 혹은 그 대신에 전력반도체 스위칭 소자(350)를 사용할 수도 있다. 전력반도체 스위칭 소자는 IGBT, SCR, 트라이악, 파워 트랜지스터를 포함한다.

또한, 매우 급격하게 전력을 차단해야 하는 경우에는, 마이크로컨트롤러를 사용하면 차단기 내부에 소프트웨어가 작동하는데 걸리는 시간으로 인해 전력 차단을 지연시킬 수 있기 때문에, 전류센서를 사용하여 직접 아날로그 회로를 구성하여 전력을 차단할 수 있으며, 본 발명의 차단기는 모터 제어에 사용되는 전자개폐기, 누전차단기, 전력차단기 등 전류를 차단하는 기기에 적용이 가능한 것을 기술적 특징으로 한다.

(제1 실시 예의 차단기)

먼저, 도 18 및 도 19를 참조하여, 본 발명의 제2 측면에 따른 차단기의 제1 실시 예에 대하여 설명한다.

먼저, 도 18에서 보는 바와 같이, 본 발명의 교류 전자파를 측정하는 전류센서를 이용한 차단기는, 전류센서의 센서부(100)의 출력 신호를 신호처리부(200)에서 신호처리하고, 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 전력을 차단하는 절환부(300)를 포함하는 절환수단(500)을 갖는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 절환수단(500)은, 신호처리부(200)와 절환부(300)로 구성되며, 다시 상기 신호처리부(200)는 전류센서의 센서부(100)에서 검출되거나 증폭기(210)에 의해 증폭된 신호를, A/D 컨버터(221)를 통해 디지털 신호를 변경하고, 변경된 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)를 통하고, 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)를 통하여 전류센서에서 검출되거나 증폭된 신호를 처리하는 구성을 가진다.

또한, 절환부(300)는, 신호처리부(200)로부터의 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330) 및 상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340)로 구성된다.

상기 마이크로컨트롤러(220)는 A/D 컨버터(221), 판단비교부(222) 및 제어신호 발생부(223)로 구성된다.

그리하여, 전류센서(100)가 연결된 마이크로컨트롤러(220)에 릴레이(340)가 배치되어 전력을 차단하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 실시 예의 차단기의 신호처리부(200)는, 통신부(224)를 더 포함하기도 하며, 통신부(224)를 통해 차단기가 외부기기와 통신할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.

한편, 도 19의 변형 예에서 보는 바와 같이, 절환부(300’)는 마이크로컨트롤러(220)를 포함하는 신호처리부(200)로부터 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350: 도 19, 도 21 참조)로 구성될 수 있으며, 이때, 전력반도체 스위칭 소자(350)는 IGBT, SCR, 트라이악, 파워 트랜지스터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

(제2 실시 예의 차단기)

한편, 도 20 및 21을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차단기에 대하여 설명하면, 도 20에서 보는 바와 같이, 본 실시 예에 따른 차단기의 절환수단(500)은, 또다른 신호처리부(250)와 절환부(300)로 구성된다.

이때, 본 실시 예의 신호처리부(250)는, 전류센서의 센서부(100)에서 검출되거나 증폭기(251)를 통해 증폭되어 출력되는 신호를, 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 비교제어부(252)를 통하여, 전류센서에서 검출되거나 증폭된 신호를 처리하는 구성을 가진다.

또한, 절환부(300)는, 신호처리부(250)로부터 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330) 및 상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340)로 구성되어, 급격하게 전력을 차단해야 하는 경우에는 직접 아날로그 회로를 구성하여 전력을 차단할 수 있다는 기술적 특징을 갖는다.

역시, 변형 예에 따른 절환부(300’)는, 비교제어부(252)를 포함하는 신호처리부(250)로부터 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350)로 대체될 수 있으며, 전력반도체 스위칭 소자(350)는 IGBT, SCR, 트라이악, 파워 트랜지스터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

(제3 실시 예의 차단기)

추가로 통신기능을 갖는 제3 실시 예로서, 도 22에서 보는 바와 같은 차단기에 의하면, 도 17 및 도 19와 같은 통신기능을 갖는 차단기 구성을 보여준다.

먼저, 절연물질이 피복된 전력도선(171)의 위에 10mm 정도의 동박(Copper film)을 말아서 측정도선(172)을 형성하고 증폭기(118)에 연결하여 전류센서를 만든다. 증폭기의 출력신호를 ST 마이크로사의 32비트 마이크로콘트롤러(220‘)의 A/D 입력부에 연결하였다.

15A의 설정값을 정하고 그 설정값 보다 크면 제어신호를 2N3904 NPN 트랜지스터(330)로 내도록 마이크로콘트롤러(220’) 내부에 프로그램을 만들어 넣었다.

마이크로콘트롤러(220’)에서 나오는 출력 신호로 트랜지스터(330)의 출력을 내어 일반 상용 DC 릴레이(340)를 제어하도록 하였다. 릴레이가 동작될 때 동작을 확인하기 위하여 LED(350)를 붙였다. 또 그 마이크로콘트롤러 내부의 통신포트로 PC(Personal computer)(700)와 통신(600)하도록 하였다.

도 23에서 보는 바와 같은 실험예로서, 전력도선에 교류전류 부하를 2A씩 단계적으로 올렸다. 그 결과는 PC 통신되고, 결국 PC(700)에서 도 23의 데이터를 얻었다.

아울러, 제어 설정 전류 (일례로 15A) 에서 릴레이의 동작으로 LED에 불이 들어오는 것을 확인하였다. 일련의 동작이 차례대로 잘 진행되는 것을 확인함으로서 본 발명이 실현가능한 기술임을 밝힌다.

추가적으로, 본 실시 예에서와 같이 동박과 같은 박형 필름으로 측정도선(172)을 형성하는 경우, 삼차원적 크기가 무시될 수도 있으며, 나노 기술에도 작용가능하다는 추가적인 이점을 지닌다. 상기 본 실시 예에서의 동박은 전력도선을 완전히 감쌀 수도 있고, 일부만 (일례로 90～270°) 감싸도록 하여도 된다.

(고주파 노이즈 차단에 관한 실험예)

한편, 도 24는 제1 실시 예의 변형 예에 따른 전류센서 (도 3 참조) 의 경우에, 고주파 잡음 필터 비드(116)의 유무에 따라 외부 전자파(특히 고주파 노이즈)의 영향을 어느 정도 차단하게 되는지에 대한 비교실험을 통해 확인하고자 실시한 실험장치의 사진인바, 도 24의 (a) 및 (b)는 비드를 삽입하지 않은 경우의 회로 및 실험상태를 보여주고 있으며, 도 24의 (c) 및 (d)는 비드를 삽입한 경우의 회로 및 실험상태를 보여주고 있다.

도 25는, 도 24의 실험장치에 의해 측정된 실험 결과 그래프인바, 도 24의 (a) 및 (b)는 비드를 삽입하지 않은 경우의 실험결과 그래프를 보여주고 있으며, 도 24의 (c) 및 (d)는 비드를 삽입한 경우의 실험결과 그래프를 보여주고 있다.

본 실험에서, 도 24의 (a) 및 도 24의 (c)에서 보는 바와 같이, 전류센서용 센서부(172)는, 절연물질이 피복된 전력도선(171)의 위에 길이 30mm, 폭 2mm 정도의 동박(Copper film)을 말아서 측정도선(172)을 형성하고, 이를, 제1 및 제2 저항(R1,R2)을 주변회로로 갖는 증폭기(118)에 연결하여 전류센서를 형성하게 되며, 상기 측정도선(172)의 일측 단자(①)는 증폭기(118)의 비반전 단자(+)에 연결하고 있는바, 도 24의 (b) 및 도 24의 (d)에서는 적색 연결 클립에 의해 물려있음을 알 수 있다. 참고로, 센서선은 HIV IV 전선 4SQ가 사용되고 있으며, 증폭기로는 LM2904N 칩을 사용하였다.

한편, 도 24의 (a) 및 도 24의 (c)에서의 상기 측정도선(172)의 타측 단자(②)는, 증폭기(118)의 반전 단자(-)에 제1 저항(R1)을 통해 연결되는바, 도 24의 (b) 및 도 24의 (d)에서는 흑색 연결 클립에 의해 물려있음을 알 수 있다.

다만, 도 24의 (a) 및 (b)에서와 같이, 페라이트 비드를 갖지 않는 실험예에서는, 상기 일측 단자(①)가 직접 상기 증폭기의 비반전 단자(+)에 연결되나, 도 24의 (c) 및 (d)에서와 같이, 페라이트 비드(116)를 갖는 실험예에서는, 상기 일측 단자(①)가 페라이트 비드(116)를 통해 상기 증폭기의 비반전 단자(+)에 연결됨을 알 수 있다.

마지막으로, 상기 증폭기(118)의 출력단(③)은 동시에 제2 저항(R2)에 연결됨과 동시에, 전류파형을 측정하는 오실로스코프(미도시됨)에 연결되어, 최종 출력 파형을 디스플레이함으로써, 파형의 변화를 관찰할 수 있도록 하였다.

이제, 전력도선(171)에 8A, 10V의 교류 전원을 인가한 상태에서, 센서에 스마트폰을 약 20～30cm 가까이 대고 통화를 하면서, 파장의 증폭과 변화를 관찰하였다.

먼저, i) 도 24의 (a) 및 (b)에서의 페라이트 비드를 갖지 않는 경우로서, 스마트폰이 ‘오프’ 상태일 경우에는, 도 25의 (a)에서 보는 바와 같이, 다소 변형되기는 하지만 그런대로 사인파 파형을 유지하나, ii) 스마트폰이 ‘온’ 상태일 경우에는, 도 25의 (b)에서 보는 바와 같이, 외부 고주파 노이즈로 인하여 파형이 완전히 찌그러져 파형을 알아볼 수 없을 정도가 되었다.

반면, iii) 도 24의 (c) 및 (d)에서의 페라이트 비드를 고주파 노이즈 필터로 사용한 경우에는, 스마트폰의 온/오프 상태와 상관없이, 도 25의 (c) 및 (d)에서 보는 바와 같이, 온전한 사인파 파형을 출력하였다. 특히, 스마트폰이 ‘오프’ 상태일 경우에는, 도 25의 (c)에서 보는 바와 같이, 거의 완벽한 사인파를 출력하였으며, 스마트폰이 ‘온’ 상태일 경우에도, 도 25의 (d)에서 보는 바와 같이, 그런대로 충분히 측정가능한 사인파 파형을 출력함을 알 수 있었다.

즉, 상기 실험예에 의하면, 페라이트 비드를 고주파 노이즈 필터로 사용할 경우, 본 발명의 전류센서는 외부 노이즈에 관계없이 (스마트 폰으로 통화하면서 본 발명의 전류 센서가 동작하는 도중에도), 오동작없이 전류 센싱이 성공적으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않는다. 본 발명은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 다양한 변형에 의하여 전류센서와 차단기에 적용시킬 수 있으며, 기술적으로 용이하게 변형시키는 기술의 범주도 본 특허의 권리범위에 속하는 것으로 인정해야 할 것이다.

100 : 전류센서용 센서부
11 : 전력도선 단자
12 : 측정도선 단자
21 : 전력도선 단자
22 : 측정도선 단자
110 : 단일 굴곡형 전류센서용 센서부
111 : 전력도선
112 : 측정도선
113 : 굴곡 패턴
114 : PCB 기판
115 : 절연물질
116 : 고주파 잡음 필터 비드
117 : 커패시터
118 : 연산증폭기(Operational Amplifier)
120 : 이중 굴곡형 전류센서용 센서부
121 : 전력도선
122 : 측정도선
123 : 굴곡 패턴
130 : 전류센서용 센서부
131 : 전력도선
131‘ : 절연 피복으로 덮인 전력도선
132 : 측정도선
135 : 전력도선과 측정도선 결합 기판
136 : 실드(Shield)막
140 : 전류센서용 센서부
141 : 절연 피복으로 덮인 전력도선
142 : 측정도선
144 : 측정 도체관
150 : 전류센서용 마이크로 센서부
150a : 폴리이미드 기판(Polyimide Substrate)
152 : 마이크로 센서 패턴(Micro-Sensor Pattern)
152a : 전극 패드(Electrode Pad)
153 : 비아(Via)
180 : 오실로스코프 이미지
160 : 전류센서용 센서부
161 : 피복이 벗겨진 전력도선
162 : 센싱영역
162a, 162b : 전자파 측정용 단자
118 : 연산증폭기
200 : 신호처리부
210 : 증폭기
220 : 마이크로컨트롤러
221 : A/D 컨버터(Analog-Digital Converter)
222 : 판단비교부
223 : 제어신호 발생부
224 : 통신부
300,300’ : 절환부
330 : 제어 트랜지스터
340 : 릴레이(Relay)
350 : 전력반도체 스위칭 소자
500 : 절환수단
250 : 신호처리부
251 : 증폭기
252 : 비교제어부
300,300’ : 절환부
330 : 제어 트랜지스터
340 : 릴레이(Relay)
350 : 전력반도체 스위칭 소자
500 : 절환수단
171 : 전력도선
172 : 측정도선 (동박으로 감은 것으로 동관으로 대응됨)
118 : 증폭기
220‘ : ST 마이크로사 32비트 마이크로콘트롤러
330 : 릴레이 제어용 트랜지스터 (2N3906)
340 : 1A용 일반 릴레이
350 : 릴레이 테스트 확인용 LED
600 : 마이크로콘트롤러와 외부컴퓨터와 통신망
700 : 외부컴퓨터
710 : 외부컴퓨터(600)에서 얻은 실험 데이터

Claims

전력기기에 교류전력을 공급하는 목적을 가지며 제1 입출력단과 제2 입출력단 간에 교류전류가 흐를 수 있도록 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 양단에 전압차를 갖는 전력도선에서의 교류전류를 측정하는 교류전류용 전류센서로서,
상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선과 일정 거리만큼 전기적 절연물로 이격되어 나란히 배치된 비코일성의 측정도선을 포함하는 센서부; 및
상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선에 흐르는 교류에 의해 발생된 자기장으로부터 상기 측정도선에 유기된 유도 기전력을 측정하여 교류 전류를 검출하는 수단;
을 포함하며,
상기 교류 전류를 검출하는 수단은 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
전력기기에 교류전력을 공급하는 목적을 가지며 제1 입출력단과 제2 입출력단 간에 교류전류가 흐를 수 있도록 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 양단에 전압차를 갖는 전력도선에서의 교류전류를 측정하는 교류전류용 전류센서로서,
상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선과 이격거리 없이 전기적으로 접촉되어 나란히 배치된 비코일성의 측정도선을 포함하는 센서부; 및
상기 상기 제1 입출력단과 제2 입출력단 사이에 있는 전력도선에 흐르는 교류에 의해 발생된 자기장으로부터 상기 측정도선에 유기된 유도 기전력을 측정하여 교류 전류를 검출하는 수단;
을 포함하며,
상기 교류 전류를 검출하는 수단은 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
측정도선을 타고 들어오는 고주파수 잡음을 제거하기 위한 페라이트 비드 고주파수 필터가 상기 증폭기 앞단에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항에 있어서,
상기 절연물은, 공기, 절연 개스, 순수한 물, 절연 물질, 고분자 비닐 절연물질, 혹은 페라이트를 포함한 고체결정 절연물질로 이루어지는 군으로 형성된 것 중에서 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 측정도선은,
1차원 도선, 2차원 평면 및 3차원 관 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항에 있어서,
전력도선과 측정도선이 굴곡 패턴을 가지며;
상기 굴곡 패턴은 자기장을 모으며;
상기 굴곡 패턴을 통하여 상기 전력도선과 측정도선의 길이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
전력도선에서 발생된 외부로 나가는 전자파 또는 외부에서 들어오는 전자파 잡음을 차단하는 실드막(136)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
검출된 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항에 있어서,
상기 센서부는, 폴리이미드 기판(150a)에 마이크로 센서 패턴(152)으로 배치되며;
유연인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board)을 구성하여 유연성을 갖는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 증폭기와 연결된 마이크로컨트롤러(220)를 더 포함하며,
상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류센서.
청구항 제12항에 있어서,
통신부(224)를 더 포함하며, 상기 통신부(224)를 통해 전류센서가 외부기기와 통신할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 증폭기 대신 고정밀도의 A/D 컨버터로 대신하는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전류를 검출하는 수단은 마이크로컨트롤러(220)로 대체되며,
상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 센서부(100)의 출력 신호에 직접 연결되어 디지털 신호로 변경하는 고정밀도의 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류센서.
청구항 제15항에 있어서,
통신부(224)를 더 포함하며, 통신부(224)를 통해 전류센서가 외부기기와 통신할 수 있는 것을 특징으로 하는 전류센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 측정도선은 도전성 금속 박막인 것을 특징으로 하는 전류센서.
삭제
제1항 또는 제2항에 따른 전류센서; 및
상기 전류센서의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 전력을 차단하는 절환수단(500);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 차단기.
청구항 제19항에 있어서,
상기 절환수단(500)은,
상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 신호처리부(200);
상기 신호처리부(200)로부터 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330); 및
상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340);
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차단기.
청구항 제19항에 있어서,
상기 절환수단(500)은,
상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 신호처리부(200); 및
상기 신호처리부(200)에서 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350);
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차단기.
청구항 제19항에 있어서,
상기 절환수단(500)은,
상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 비교제어부(252);
상기 비교제어부(252)로부터 제어신호를 수신하는 제어 트랜지스터(330); 및
상기 제어 트랜지스터(330)에 의해 작동하여 전력을 차단하는 릴레이(340);
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차단기.
청구항 제19항에 있어서,
상기 절환수단(500)은,
상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 기 설정된 값과 비교하고 설정 값 보다 큰 전류가 검출되면 제어신호를 발생하는 비교제어부(252); 및
상기 비교제어부(252)에서 발생된 신호로 작동하여 전력을 차단하는 전력반도체 스위칭 소자(350);
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차단기.
제20항에 있어서,
상기 신호처리부(200)는, 상기 전류센서와 연결된 마이크로컨트롤러(220)를 포함하며;
상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것을 특징으로 하는 차단기.
제21항에 있어서,
상기 신호처리부(200)는, 상기 전류센서와 연결된 마이크로컨트롤러(220)를 포함하며;
상기 마이크로컨트롤러(220)는, 상기 전류센서용 센서부(100)의 출력 신호를 디지털 신호로 변경하는 A/D 컨버터(221)와, 상기 A/D 컨버터(221)에서의 디지털 신호를 설정 전류와 비교하여 판단하는 판단비교부(222)와, 상기 판단비교부(222)에서 기 설정된 전류보다 큰 값이 측정되면 제어신호를 발생하는 제어신호 발생부(223)로 구성되는 것을 특징으로 하는 차단기.
청구항 제24항에 있어서,
통신부(224)를 더 포함하며, 통신부(224)를 통해 차단기가 외부기기와 유선 혹은 무선으로 통신할 수 있는 것을 특징으로 하는 차단기.