KR200356587Y1 - 보호소자 - Google Patents

Abstract

본 고안은 보호소자에 관한 것으로, 특히 본 고안은 특정 임피던스를 유지하여, 전자기기 내에 허용되는 전류 이하로 돌입전류를 제한하고, 수십 [ms] 동안 수십 [A] 인 Surge 성 돌입 전류에는 충분한 내구성을 지녀, 돌입 전류 제한 소자의 용도에 적합하면서, 과전류가 지속적으로 유입되는 경우에는 빠른 시간 내에 용단되어, 과전류 보호 기능을 동시에 지닌 보호소자이다.

이를 위해 본 고안은 세라믹 로드에 한 쌍의 캡을 조립하고, 이 캡에 리드와이어를 부착하고, 과전류 인가시 용단되는 용단층을 캡 사이에 연결하고, 외부를 절연피복으로 둘러싼 보호소자에 있어서, 돌입전류에 의해서는 용단되지 않고, 지속적인 과전류에 의해서는 용단될 수 있게 하기 위해 상기 용단층을 60~80%의 니켈(Ni)과 40~20%의 철(Fe)을 함유한 Ni-Fe 합금선으로 구성하고, 돌입전류를 제한하기 위해 Ni-Fe 합금선의 굵기와 턴수를 조절하여 보호소자의 완성 저항치를 1~10 [Ω]으로 유지시킨다.

Description

보호소자 {Protector}

본 고안은 보호소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가전기기의 전원회로 보호용으로 사용되는 보호소자에 관한 것이다.

도 1과 같이, 가전기기의 전원회로에는 과전류와 돌입 전류로부터 전원회로를 보호할 수 있도록 과전류 차단소자인 메인 퓨즈(2)와, 돌입전류 제한 소자인 시멘트 저항 또는 NTC(3)이 전원 측에 마련되어 있다.

전원회로에서 전원스위치(SW)(1)를 온(ON) 시켜 가전기기의 전원을 켜게 되면, 순간적으로 약 100[A] 이상의 전류가 전자기기 내로 유입되어 전원스위치(1)나 메인퓨즈(2)를 파손시킬 수 있는 데, 이러한 전류를 돌입 전류하며, 이러한 돌입 전류를 제한하기 위해 종래에는 시멘트 저항기나 Power용 NTC(Negative Temperature Coefficient)(3) 등의 돌입전류 제한 소자를 사용하여, 적절한 임피던스 일예로, 1~10 [Ω]을 부여하여, 돌입 전류를 30 [A] 이하로 낮추어 사용하였다. 이때, 임피던스가 높을수록 돌입 전류가 낮게 유입되지만, 정상 상태에서는 돌입제한용 임피던스가 전력 손실에 해당하므로, 전자기기의 회로 설계자가 이러한 점을 고려하여 적절한 임피던스를 선정하게 되며, 보통 1~10 [Ω]사이로 선정하고 있다.

또한, 돌입전류 제한 소자를 사용했을 때, 유입되는 돌입 전류는 수 [ms] 동안 최대 30~60[A]에 이르기 때문에 돌입전류 제한 소자는 이러한 돌입 전류 조건에 용단되지 않고 충분한 내구성을 지녀야 한다.

또한, 전원회로 내의 브리지 다이오드(4)나 평활 캐패시터(C)(5)가 쇼트되어 과전류가 지속적으로 전자기기 내로 유입 되었을 경우, 주변 여러 부품이 파손 및 부품의 과부하로 인한 발열로 화재가 발생하는 등의 문제가 생길 수 있는 데 이를 예방하기 위해 과전류 발생시 적당한 시간 내에 단락되어, 과전류로부터 전체 회로를 보호하는 메인퓨즈 등의 과전류 차단소자가 마련되어 있다.

그러나, 이 돌입전류 제한 소자인 시멘트 저항 또는 NTC와, 과전류 제한 소자인 메인 퓨즈는 타 부품에 비해 단가가 높아 제조비용을 상승시킬 뿐만 아니라, 제품 제조시 자동 삽입이 되지 않아 인력에 의한 삽입공정이 추가가 되므로 작업공정이 많아지는 문제점이 있다.

또한, 이 두 부품의 경우 대용량 전류를 취급하기 때문에 그 크기가 타 부품에 비해 커서 최종 완성 제품을 소형화하기 어려운 문제점이 있다.

본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은 돌입 전류 제한기능과 과전류 차단기능을 함께 갖춤으로써 제조비용은 낮추면서도 작업 공정을 단순화할 수 있는 보호소자를 제공하는 데 있다.

또한, 본 고안의 목적은 돌입 전류 제한기능과 과전류 차단기능을 함께 갖게 하면서도 소형화시킬 수 있는 보호소자를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 가전기기의 전원회로도이다.

도 2는 본 고안에 따른 보호소자를 구비한 가전기기의 전원회로도이다.

도 3은 도 2의 보호소자에 대한 사시도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

11 : 보호소자 20 : 세라믹 로드

21 : 캡 22 : 리드와이어

23 : Ni-Fe 합금선 24 : 절연피복

전술한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 보호소자는 세라믹 로드에 한 쌍의 캡을 조립하고, 상기 캡에 리드와이어를 부착하고, 과전류 인가시 용단되는 용단층을 상기 캡 사이에 연결하고, 외부를 절연피복으로 둘러싼 보호소자에 있어서, 돌입전류에 의해서는 용단되지 않고, 지속적인 과전류에 의해서는 용단될 수 있게 하기 위해 상기 용단층을 60~80%의 니켈(Ni)과 40~20%의 철(Fe)을 함유한 Ni-Fe 합금선으로 구성하고, 상기 돌입전류를 제한하기 위해 상기 Ni-Fe 합금선의 굵기와 턴수를 조절하여 상기 보호소자의 완성 저항치를 1~10 [Ω]으로 유지시킨 것을 특징으로 한다.

상기 Ni-Fe 합금선의 굵기는 0.05~0.4[Φ]이고, 선저항치는 1.5~100 [Ω/m]이며, 상기 턴수는 10~20회인 것을 특징으로 한다.

상기 합금선의 온도계수를 4,000~5,000 [ppm/℃]로 유지시키는 것을 특징으로 한다.

먼저, 돌입전류 제한 소자는 돌입 전류를 소정전류로 제한시키고, 돌입 전류와 같은 높은 전류에 의해 용단 되지 않고, 견디어야 하는 특성을 지니고 있고, 이와 반대로 메인 퓨즈와 같은 과전류 차단소자는 특정 수치 이상의 높은 전류가 지속적으로 공급되는 경우에는 빠른 시간 내 용단이 되어야 한다. 이와 같이 요구되는 기능에 따라 서로 상반되는 특성을 가지고 있는 두 부품을 단일 부품으로 설계하는 것에는 많은 어려움이 따른다.

돌입 전류 제한 소자로 사용되고 있는 시멘트 저항이나 권선 저항기에 사용되는 기존의 저항선을 분석하면 [50~60% 구리(Cu) + 50~40% 니켈(Ni)]인 합금선을 사용한다. 이 합금선은 49[μΩ/cm] 비저항치를 갖고, 50[ppm/℃]의 낮은 저항온도계수를 지니고 있다.

이러한 돌입전류 제한소자는 완성 저항치를 1~10[Ω]사이로 제작이 가능하고, 돌입 전류와 같은 수 [ms] 동안 최대 30[A]의 전류에 충분한 내구성을 지니고 있어, 충분한 돌입 전류 제한 기능을 지니지만, 저항 온도계수가 낮아 과전류 인가 시 온도 상승에 따른 저항치 상승폭이 작아 빠른 시간 내 용단이 되지 않고, 계속적인 과부하 상태로 유지하게 되며, 이 경우 자체 발열이 심해져서 기판 손상을 야기 시키거나, 타 부품에 열적 손상을 가하게 된다.

일반적인 과전류 보호 소자인 메인 퓨즈에 사용되는 엘리멘트 성분인 금속선은 구리선으로 1.7 [μΩ/cm]의 매우 낮은 비저항치를 가지고, 4,000 [ppm/℃]의 높은 저항 온도계수를 지니고 있다.

과전류 차단의 동작 과정을 살펴보면, 과전류 인가 시 높은 저항 온도 계수에 의해 과부하에 따른 자기 발열로 저항치 상승이 높아 빠른 기간 내 금속선의 융점에 이르러 용단이 되어, 효과적으로 과전류를 차단한다.

하지만, 비저항치가 1.7 [μΩ/cm]로 매우 낮으므로 메인 퓨즈의 임피던스는 수십 [mΩ]대의 극저 저항치이다. 따라서, 만일, 돌입 전류 제한 소자로 사용될 경우, 충분한 임피던스 1~10 [Ω]를 제공하지 못하여 돌입 전류가 충분히 낮춰지지 않아, 허용되는 돌입전류 이상의 과전류가 전자기기 내로 유입이 되어, 스위치 접점의 파손 및 기타 부품의 파손을 야기 시킬 수 있다.

따라서, 본 고안에서는 특정 임피던스(일예로, 1~10[Ω])를 유지하여, 전자기기 내에 허용되는 전류 이하로 돌입전류를 제한하고, 수십 [ms] 동안 수십 [A] 인 서지성 돌입 전류에는 충분한 내구성을 지녀, 돌입 전류 제한 소자의 용도에 적합하면서, 과전류에 해당하는 특정 이상의 전류가 지속적으로 유입되는 경우 빠른 시간 내 용단이 되어, 과전류 보호 기능을 동시에 소형화할 수 있는 보호소자를 제공한다.

본 고안에서 사용된 금속선은 조성이 [60~80% 니켈(Ni) + 40~20% 철(Fe)] 로 구성된 Ni-Fe 합금선이다. 일예로, Ni-Fe 합금선을 갖는 보호소자의 완성 저항치가 1~10[Ω]을 갖도록 Ni-Fe 합금선의 굵기는 0.05~0.4[φ]이고, 선저항치는 1.5~100 [Ω/m]이며, 세라믹 로드에 권선되는 턴수는 10~20회이다. 이때, 합금선의 온도계수는 4,000~5,000 [ppm/℃]로 유지시킨다.

이 합금선의 비 저항치가 20 [μΩ/cm]이고, 길이가 2.5 X 8 [mm] 인 세라믹 로드 위에 권선을 했을 때, 1 [Ω]이상 최대 10 [Ω]까지 완성 저항치를 구현 할 수 있다. 전자기기에 적용을 하면, 돌입 전류를 30 [A] 이하로 제한 할 수 있어, 돌입전류 제한 특성을 만족할 수 있다.

과전류 차단기능은 저항 온도계수로 판단 가능한데, 메인 퓨즈의 엘리멘트의 저항 온도계수인 4,000 [ppm/℃]보다 높은 4,200 [ppm/℃]를 지니고 있다. 그래서 메인 퓨즈와 같이 과전류가 유입 되었을 때, 자기 발열 시 온도 상승에 따라 저항치가 급속히 상승하여, 순간 발열을 높여 빠른 시간 내 금속선의 융점에 이르러 용단이 되도록 한다.

따라서 돌입 전류 제한 소자 특성과 과전류 보호 소자 특성을 동시에 구현 가능하다.

이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 과전류 차단소자인 메인 퓨즈(2)와, 돌입전류 제한 소자인 시멘트 저항 또는 NTC(3) 대신에 본 고안에 따른 보호소자(11)를 전원 측에 마련함으로써 보호소자(11)가 기존의 메인 퓨즈(2)와 시멘트 저항 또는 NTC(3)의 역할을 수행할 수 있도록 한다.

본 고안에 따른 보호소자를 좀더 상세히 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 권선을 위하여 세라믹 로드(20)의 양 쪽에 캡(21)을 씌운 후 외부와의 전기적인 연결을 위하여 리드와이어(22)를 연결한다.

그 후, 캡(21)의 한 쪽에 본 고안의 합금선(23) 일단을 전기적으로 연결 후 합금선(23)을 일예로, 10회에서 20회 회전시켜 권선한다. 이때, 전기적인 연결은 아크 용접 등의 방법이 사용된다. 충분한 저항치가 형성이 되면 반대편 캡(21)에 합금선(5)의 타단을 전기적으로 연결시킨다.

이어서, 외부적으로 절연 및 보호를 위한 절연피복(24)을 형성한다. 이때, 절연피복(24)은 소자의 외측면에 절연성분인 실리콘 등을 충분히 두껍게 형성한다. 또는 절연성분의 튜브 등을 이용하여 마감함으로써 동일 효과를 가능하게 할 수 있다. 이렇게 함으로써 돌입전류 제한 기능과 과전류 차단기능을 갖는 보호소자를 완성할 수 있다.

본 고안의 합금선(23)에 대해 좀더 상세히 살펴보면, 세라믹 로드(20) 위에 합금선(23)을 권선하여 특정 저항치를 얻기 위해서는 완성 저항치에 맞는 선 저항치를 지녀야 한다. 2.5 X 8 [cm] 크기의 세라믹 로드(20)에 권선할 경우, 1~3[Ω]의 완성 저항치를 얻기 위해 일반적으로 선 저항치가 24~38.58 [Ω/m]가 되어야 한다.

표1 은 본 고안에 사용된 Ni 70%+ Fe 30% 합금선의 굵기 대비 선 저항치를 나타 낸 것이다.

[표 1]

선경(φ)	선 저항치 (Ω/m)
0.4	1.55
0.3	3.08
0.2	6.15
0.1	24.6
0.05	98.425

본 고안에서는 선 저항치가 24.6[Ω/m]인 굵기가 0.1[φ]인 합금선을 2.5 X 8 [cm] 인 세라믹 로드에 권선하였다. 그리고, 종래 돌입 전류 소자인 시멘트 저항과 과전류 차단 소자인 메인 퓨즈(1A 정격)와 특성을 비교하기 위해 대해 각각 돌입전류 제한 능력과 용단 특성을 측정하였다.

표2 는 전원을 켜는 순간 돌입전류를 측정한 것이다.

[표 2]

소자 종류	저항치	돌입전류	비고
시멘트 저항(1)	2.5Ω	28A	돌입전류 제한소자
시멘트 저항(2)	2.9Ω	29A
Ni+Fe 합금선(1)	2.7Ω	30A	본 고안
Ni+Fe 합금선(2)	2.6Ω	27.6A

표3 은 전류 인가 시 용단 시간을 측정한 것이다.

[표 3]

소자 종류	인가 전류	용단 시간	비고
메인퓨즈	2.65A	20 sec	종래 과전류 차단소자
Ni+Fe 합금선		16.2sec	본 고안
메인퓨즈	3.44A	1.4 sec	종래 과전류 차단소자
Ni+Fe 합금선		4.5sec	본 고안
메인퓨즈	5A	0.9 sec	종래 과전류 차단소자
Ni+Fe 합금선		0.6 sec	본 고안
메인퓨즈	12.5A	0.05 sec	종래 과전류 차단소자
Ni+Fe 합금선		0.05sec	본 고안

시험 결과 본 고안은 돌입 전류를 30[A] 이하로 제한하면서도 충분한 내구성을 가지고 있어, 안정적인 돌입전류 제한기능을 가지며, 과전류 인가 시 보다 우수한 용단 특성을 나타내 안정적인 과전류 차단기능을 지니고 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안은 돌입 전류를 충분히 제한하며, 내구성이 우수하며, 온도계수가 높아 과전류 유입 시 빠른 시간 내 용단이 가능하도록 하여, 돌입 전류 제한기능과 과전류 차단기능을 모두 갖춘 보호소자를 제공함으로써 두 부품을 하나의 보호소자로 통합할 수 있어 제조비용을 줄일 수 있으며, 작업공정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 고안은 기존의 권선 저항기 공정을 그대로 사용 가능함으로써 초기 투자비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 고안은 비교적 작은 크기의 보호소자를 사용함으로써 가전기기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 세라믹 로드에 한 쌍의 캡을 조립하고, 상기 캡에 리드와이어를 부착하고, 과전류 인가시 용단되는 용단층을 상기 캡 사이에 연결하고, 외부를 절연피복으로 둘러싼 보호소자에 있어서,

   돌입전류에 의해서는 용단되지 않고, 지속적인 과전류에 의해서는 용단될 수 있기 하기 위해 상기 용단층을 60~80%의 니켈(Ni)과 40~20%의 철(Fe)을 함유한 Ni-Fe 합금선으로 구성하고, 상기 돌입전류를 제한하기 위해 상기 Ni-Fe 합금선의 굵기와 턴수를 조절하여 상기 보호소자의 완성 저항치를 1~10 [Ω]으로 유지시킨 것을 특징으로 하는 보호소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 Ni-Fe 합금선의 굵기는 0.05~0.4[φ]이고, 선저항치는 1.5~100 [Ω/m]이며, 상기 턴수는 10~20회인 것을 특징으로 하는 보호소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 합금선의 온도계수를 4,000~5,000 [ppm/℃]로 유지시키는 것을 특징으로 하는 보호소자.