KR200294392Y1 - 매입형 콘센트의 전자파 적합성 필터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전원선의 전자파 차단을 차단하는 노이즈 필터에 관한 것으로, 벽면 혹은 바닥면에 매몰/매입 설치되는 매몰형 콘센트에 최적 상태로 적용할 수 있는 EMC 필터를 제공한다. 상기 EMC필터는 서로 소정 간격으로 이격된 활성선 및 중성선의 도체들 각각에 페라이트 비드들이 각각 장착된다. 상기 활성선과 접지선 및 상기 중성선과 상기 접지선 사이의 양측에 접속된 한쌍의 적층형 캐패시터들을 포함한다. 상기와 같은 EMC필터는 페라이트 비드에 의한 인덕턴스 값을 최대로 얻음과 동시에 각 도선들의 도체들 사이에 기생 캐패시턴스가 발생되지 않도록 함으로써 주파수 특성이 양호한 광대역 필터가 구현된다.

Description

매입형 콘센트의 전자파 적합성 필터{ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY FILTER OF BURIAL TYPE POWER CONCENT}

본 고안은 전원선의 전자파 차단을 차단하는 노이즈 필터에 관한 것으로, 특히 벽면 혹은 바닥면에 매몰/매입 설치되는 매몰형 콘센트(Burial type concent)의 전자파 적합성 필터(electromagnetic compatibility Filter : "이하 EMC 필터"라 칭함)에 관한 것이다.

통상적으로, 전기/전자기기, 예를 들면, 텔레비전, 영상녹화재생기, 퍼스널 컴퓨터, 에어컨 등을 작동시키기 위해서는 이미 잘 알려진 바와 같이 전자/전기기기에 연결되어 그 내부로 전원(power source)을 공급하는 플러그(plug)를 전원 콘센트에 연결하여야 한다. 상기 플러그는 전원전압의 입력레벨에 따라 적어도 두 개 이상의 플러그핀을 구비한다. 예를 들면, 활성핀(hot pin)과 중성핀(neutral pin) 및 접지핀(ground pin)들이다. 상기와 같은 전원 콘센트는 다양한 형태가 존재하나, 벽면 혹은 바닥에 매입/매몰(burial)된 형태가 주로 이용된다. 상기와 같은 플러그를 전원콘센트에 접속(connection)하여 전자/전기기기를 사용하는 경우 한 쌍의 플러그 핀, 예를 들면, 활성핀과 중성핀으로 유입되는 전류는 플러그에 연결된 전원입력케이블로 흐르게된다. 이때 전원입력코드의 두 개의 전극을 구성하는 양극(+)과 음극(-)선 사이에 자계에 의한 진동전류를 발생하게 되며, 이에 따라 상기 두 개의 전극으로부터는 전기적인 성질을 가진 전기장의 파동과 자기적인 성질을 가진 자기장의 파동이 공간으로 전파되는 형상으로서 전자기파를 발생시키게 된다. 이러한 전자기파는 옥외로부터 옥내로 공급되는 전력선 등으로 유입되는 노이즈에 의해 영향을 받음으로서 전원케이블 뿐만 아니라 전원콘센트로부터도 발생된다. 상기와 같이 발생된 전자기파는 대체적으로 인체에 유해한 것으로 적절하게 차단되어야 한다.

전자기파를 억제하기 위한 종래의 EMC필터는 본원 고안자 "배대환외 2명"에 의해 고안되어 "케이블의 노이즈 방지 구조"라는 명칭으로 2000년 1월 27일 특허출원된 제4102호(공개번호 특2001-0076750호, 이하 "선행기술"이라 칭함)가 있다. 상기 선행기술에는 중공을 가지는 페라이트 비드(ferrite bead)를 이용한 EMC필터의 구조가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 케이블의 노이즈 방지를 위한 EMC필터의 구성을 나타낸 도면으로서 케이블중에서 페라이트 비드를 형성된 부분의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 활성선 10과 중성선 12 및 접지선 14들을 페라이트 비드 16내의 중공에 삽입한 일체형 선로이다. 이때, 상기 활성선 10과 중성선 12 및 접지선 14들 각각은 통상의 피복전선들과 같이 도체 18과 소정의 유전율을 가지고 상기 도체 18에 피복된 절연체 20으로 구성되어 있다. 또한, 상기 선행기술은 상기 페라이트 비드 16의 구성이외에 활성선 10과 접지선 14, 중성선 12와 접지선 14의 사이에 방전관과 관통형 캐패시터(도면에는 도시하지 않음)를 더 접속하여 활성선 10 및 중성선 12의 과도전압을 제거하도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 케이블의 노이즈 방지 동작에 대하여서는 상기 선행기술의 특허공개공보 제2001-0076750호를 참조하기 바란다.

그러나, 상기 도 1과 같이 구성된 EMC필터는 몰드형 콘센트, 예를 들면, 벽면 혹은 바닥면에 매입되어 고정 설치되는 콘센트에 적용하기에 많은 어려움을 가지고 있게 된다. 첫째, 페라이트 비드 16의 중심에 형성된 하나의 중공에 활성선 10, 중성선 12 및 접지선 14의 세가닥 피복전선을 관통시켜야 하므로 공간의 제약을 받으며, 매입형 콘센트에 설치하기가 쉽지 않다. 둘째, 세가닥의 피복전선들의 절연을 유지하기 위한 절연체(피복)은 누설자속과 선간의 기생용량을 발생을 초래하여 필터의 고유특성을 저하시키는 문제로 대두된다. 이러한 기생용량의 발생은 하기 도 2의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 EMC필터의 등가회로(equivalent circuit)를 나타낸 도면이다. 도 2에서 참조부호 10EC, 12EC 및 14EC들은 페라이트 비드 16내의 중공에 삽입된 활성선 10, 중성선 12 및 접지선 14들의 영역에 해당하는 등가회로이며, 이들은 각각 손실저항 24와 인덕터(inductor) 16으로 표현된다. 상기 도 2와 같이 표현되는 종래의 EMC필터는 절연체(유전체) 20이 피복된 활성선 10, 중성선 12 및 접지선 14들내의 도체 18들 사이의 공간에는 하기 수학식 1과 같은 용량값 C를 갖는 기생 캐패시터(parasitic capacitor) 28이 도 2와 같이 생성된다.

여기서, 유전율 ε= ε₀+ ε_r이며, ε₀는 진공의 유전율, ε_r은 매질을 가지는 비유전율이다. 그리고, d는 두 도체간의 거리, S는 도체의 단면적이다. 일반적인 유전율 ε는 진공의 유전율 ε₀와 매질이 가지는 비유전율 ε_r로 구분되며, 비유전율 ε_r에 의해 각 도선들간의 기생 캐패시터 28들의 용량값 C가 변한다. 따라서, 도 1에 도시된 활성선 10과 중성선 12 및 접지선 14들중 이웃하는 두 전선들간의 기생 캐패시터 28들의 용량값을 C를 보다 구체적으로 살피면 이는 하기 수학식 2와 같이된다.

상기 수학식 2에서, d는 두 도체 18간의 거리, a₁, a₂는 도체 18 및 이웃하는 도체 18의 반지름이다.

상기 수학식 2에서 살펴본 바와 같이, 기생 캐패시턴스 C는 두 도체 18간의 유전체의 매질에 따라 특성이 달라 질 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 활성선 10과 중성선 12로 흐르는 전류의 용량이 증가하면 각 전선의 도체 18의 직경이 비례적으로 커지고, 전압이 증가하면 도선간의 절연도를 높이기 위하여 도체 18에 피복된 절연체 20의 두께가 상대적으로 증가하므로 수학식 2에 의하여 기생 캐패시턴스 C가 더욱 커지게 되는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 공기중인 경우 유전율 ε= ε₀=1 이 되므로 기생 캐패시터 C들의 값은 약 36 pi ×10^-9[F/m]된다.

상기와 같이 전선의 도체들간에 형성되는 기생 캐패시터의 용량값 C들이 증가되면, 도 2와 같이 저항 24 및 인덕터 26으로 표시되는 각 도체 선로의 주위에 발생하는 자계(H)를 완전하게 포화시킬 수 없게 되어 페라이트 비드 16에 의한 리액턴스 값 X_L(인덕턴스의 교류저항 성분)이 낮아지게 된다. 상기 페라이트 비드 16에 의한 리액턴스 값 X_L이 낮아지게 되면, 전선간의 의해 방사 가능한 고주파 노이즈를 억압(억제/제거)하지 못하는 문제가 발생하여 EMC필터의 기능을 상실하게 된다.

또한, 페라이트 비드 16의 리액턴스 값 X_L이 낮아지는 것을 보상하기 위하여 전선들 사이에 접속된 관통형 캐패시터의 용량값을 변화시켜 상기 리액턴스 값 X_L을 보상하는 것을 고려할 수 있으나, 관통형 캐패시터를 사용함으로써 높은 용량값을 가지기가 곤란하며, 용량값의 증가에 따라 캐패시터의 크기가 증가하여 매몰/매입형 콘센트에 적용하기에 많은 불편함이 있었다.

따라서 본 고안의 목적은 도선간에 의해 방사 가능한 노이즈를 효과적으로 억제시키고 주파수의 광대역화를 갖으며 소형으로 제작 가능한 매몰/매입형 콘센트의 EMC필터를 제공함에 있다.

본 고안의 다른 목적은 매몰/매입형 콘센트에 효과적으로 장착 가능한 구조를 가지면서 전원선으로부터 유입되는 노이즈 및 과도 전압이 전자/전기기기에 공급되지 않도록 소멸 및 바이패스 하는 매입/매몰형 콘센트의 EMC필터를 제공함에 있다.

본 고안에 따른 EMC필터는 전원 입력측과 부하측의 양단을 같은 구조로 구성하여 양방향으로 유입 또는 유출할 수 있는 노이즈를 제거하도록 하였다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 서로 이격된 활성선 및 중성선을 형성하는 도체의 외부에 소형의 고투자율을 가지고 장착된 페라이트 비드들과, 상기 활성선과 접지선 및 상기 중성선과 접지선 사이의 양측에 접속된 한쌍의 적층형 캐패시터들을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 페라이트 비드는 니켈-아연(Ni-Zn) 페라이트로서 투자율은 약 2200의 값을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 고안은 전선을 구성하는 도체들이 직접 페라이트 비드와 접촉함으로서 도체들 사이의 유전율이 "0"으로 되어 도체와 이웃하는 도체간의 기생 캐패시턴스가 거의 발생되지 않아 활성선 및 중성선의 도체 주위에 발생하는 자계 H를 완전하게 포화시켜 인덕턴스 값을 최대로 하여 고주파 노이즈를 최대로 억압/억제할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 기술에 의한 케이블의 노이즈 방지를 위한 EMC필터의 구성을 나타낸 도면.

도 2는 도 1에 도시된 EMC필터의 등가적 회로를 나타낸 도면.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 매몰형 콘센트의 EMC필터의 구성을 나타낸 도면.

도 4는 도 3에 도시된 각 활성선 및 중성선의 구성을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 도 3에 도시된 매몰형 콘센트의 EMC필터의 등가회로도를 나타낸 도면.

이하 본 고안의 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 그러나 본 고안은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 하기의 다양한 실시예들은 설명을 위한 것이라는 것이며 당업자에게 본 고안의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다. 또한 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명이 생략된다는 것에 유의하여야 한다.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 매몰형 콘센트의 EMC필터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 전도도가 양호한 도체로 형성되는 활성선 30과 이에 소정 거리로 이격된 중성선 31의 외부에는 소형이며 고투자율을 가지는 페라이트 비드 34와 36들이 각각 장착되어 있다. 또한, 상기 활성선 30과 소정 거리로 이격된 접지선 32 사이의 양측 및 상기 중성선 31과 상기 접지선 32 사이의 양측에는 한쌍의 적층형 캐패시터 38, 40 및 42, 44가 접속되어 있다.

이때, 상기 페라이트 비드 34와 36은 니켈-아연(Ni-Zn) 페라이트로서 투자율은 약 2200의 값을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 아몰퍼스에 의한 자속 변화율을 꾀할 수 도 있다. 또한, 상기 페라이트 비드 34, 36들은 투자율이 상이한 비드들을 적어도 2개 이상 직렬 조합하여 장착함으로써 노이즈가 각각의 페라이트 비드 34 및 36을 통과할 때 서로 다른 방향의 자계를 발생시킴과 동시에 쇄교되면서 소멸되게 하여 주파수의 광대역화를 도모할 수도 있다.

상기의 구성에서 활성선 30 및 중성선 31 및 접지선 32들 각각은 유전율을 가지는 절연피복이 없는 나선(裸線) 형태이며, 나선형태의 활성선 30 및 중성선 31에 페라이트 비드 34와 36이 도 4와 같이 직접 도포 혹은 장착되어 진다는 것에 유의하여야 한다.

도 4에서 3i는 도체 30, 31이며, 3j는 페라이트 비드 34와 36을 나타낸다. 상기 도 1과 같이 구성된 EMC필터의 등가회로를 살피면 도 5와 같이 표현된다.

도 5는 도 3에 도시된 매몰형 콘센트의 EMC필터의 등가회로도를 나타낸 도면이다. 도 5에서 참조부호 34EC 및 36EC는 활성선 31 및 중성선 31에 장착된 페라이트 비드 34 및 36에 해당하는 영역의 등가회로이다. 이와 같이 표현되는 EMC필터는 LC저역통과필처의 구조를 가지고 있으나, 인덕터 L1, L2의 구조적인 특성과 적층형 캐패시터 38, 40 및 42, 44의 특성에 따른 매칭 관계가 중요하게 작용하고 있다. 여기서, 상기 두 개의 인덕터 L1, L2는 니켈(Ni)-아연(Zn) 페라이트 비드로서, 투자율 2200의 값을 가지며 실수 값에 대응하는 등가회로이다. 또한, 저항 R1, R2는 허수 값에 해당하는 손실 값이다. 또한, 활성선 30과 접지선 32의 부하측 및 전원 입력측 사이에 접속된 한쌍의 캐패시터 38 및 40과, 중성선 31과 접지선 32의 부하측 및 전원 입력측 사이에 접속된 한쌍의 캐패시터 42 및 44들은 저주파 대역의 주파수 특성이 우수한 마일러 형태를 취하여 약 1㎌정도의 값을 갖도록 한다.

이하 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 EMC필터의 동작을 상세하게 설명한다.

지금, 도 3과 같이 구성된 EMC필터의 전원공급으로 상용 교류 전원 220볼트가 입력되는 상태에서 전자/전기기기/전자통신기기에 전원코드를 통해 연결된 플러그가 접속되면, 주지된 바와 같이 상기 상용 교류 전원의 전류는 상기 EMC필터의 활성선 30, 중성선 31 및 접지선 32들을 통해 상기 전자/전기기기/전자통신기기로 제공된다. 상기와 같이 전류가 흐르게되면 전원 입력측에 위치된 활성선 30과 중성선 31의 사이에는 동일방향으로의 전류 흐름에 의해 진동변화 현상을 갖는 자계가 형성된다. 상기와 같이 형성된 자계는 전자기 복사 이론과 파동의 성질에 의해 다른 영역의 공간으로 전파되는 성질의 유해 전자파로 발생하게 된다.

상기와 같이 자게 형성에 의해 유해 전자파가 발생되는 과정에 있어서, 활성선 30, 중성선 31로 흐르는 전류가 페라이트 비드 34, 36을 통과하는 경우 인덕터 L₁, L₂로 작용하는 상기 페라이트 비드 34, 36에 의해 자계의 방향이 변화되어 전자파를 중화 상쇄시켜 제거한다.

이때 상기 페라이트 비드 34, 36들은 도 4와 같이 절연 피복이 없는 나선형태의 활성선 30과 중성선 31에 장착되어 있어 상기 두 도체, 즉, 활성선 30과 중성선 31의 사이에는 유전체가 존재하지 않게 된다. 상기 두 도체의 사이에 유전체가 존재하지 않게 되면 유전율을 "0"로 됨으로써 두 도체 사이의 기생 캐패시터의 값은 "0"으로 되게된다(수학식 2참조).

따라서, 이웃하는 도선들 사이의 기생 캐패시턴스가 거의 "0"으로 억제된 상태에서는 상기 활성선 30 및 중성선 31의 주위에 발생하는 자계 H를 완전하게 포화시킬 수 있어 하기 수학식 3과 같이 효과적인 인덕턴스 값을 얻을 수 있다.

단, 여기서, μ는 페라이트 비드의 투자율, a₁과 a₂는 활성선 30 및 중성선 31을 형성하는 도체 18의 반지름이다.

상기 수학식 3과 같이 결정되는 인덕턴스의 값은 전자파의 주파수가 상승되면, 주파수의 저항성분인 페라이트 비드 34, 36들의 리액턴스 값 X_L이 비례적으로 증가함으로써 전자파의 노이즈를 차단한다. 즉, 페라이트 비드 34, 36은 높은 투자율에 의한 자기포화로 인하여 내부에서 높은 주파수대의 에너지를 발열하여 소모함으로써 노이즈를 차단한다.

또한, 활성선 30과 중성선 31 및 접지선 32들의 양측에 병렬로 접속된 두 쌍의 캐패시터 38~44들에 의해 부하측에서 발생된 노이즈와 외부에서 발생하여 전자/전기 기기의 내부측으로 유입되는 불요전자파 및 상기 페라이트 비드 34, 36에서 포화시킨 노이즈원을 접지측으로 바이패스하여 전원선으로 유입 가능한 노이즈를 차단하게 된다.

상기한 바와 같이 활성선 및 중성선의 도체들 사이의 유전율의 값이 "0"이 되도록 하여 페라이트 비드를 활성선 및 중성선에 장착하여 주파수에 대하여 리액턴스 값을 충분히 포화시킴으로써 고주파수 노이즈에 대한 필터링 특성을 더욱 향상시키게된다.

상술한 바와 같이 본 고안은 본 고안은 활성선 및 중성선의 도체에 고투자율의 페라이트 비드를 장착하여 상기 두 선로를 분리함으로써 페라이트 비드에 의한 인덕턴스 값을 최대로 얻을 수 있음과 동시에 도선과 이웃하는 도선사이의 기생 캐패시턴스의 발생을 억제할 수 있어 주파수 성분에 대한 노이즈를 최대로 억제할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 서로 이격된 활성선, 중성선 및 접지선을 연결하기 위한 매몰형 콘센트의 EMC필터에 있어서,

   상기 활성선 및 상기 중성선을 형성하는 도체의 외부에 소형의 고투자율을 가지고 장착된 페라이트 비드들과,

   상기 활성선과 상기 접지선 및 상기 중성선과 상기 접지선 사이의 양측에 접속된 한쌍의 적층형 캐패시터들을 포함하여 구성함을 특징으로 매몰형 콘센트의 EMC필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 활성선과 중성선 및 접지선을 형성하는 도체들 사이의 유전율은 "0"임을 특징으로 하는 매몰형 콘센트의 EMC필터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 페라이트 비드들 각각은 니켈-아연(Ni-Zn)계의 고투자율 페라이트임을 특징으로 하는 매몰형 콘센트의 EMC필터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐패시터들은 적층형 캐패시터임을 특징으로 하는 매몰형 콘센트의 EMC필터.