KR200364041Y1 - 피뢰탄기 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 피뢰탄기에 관한 것으로서, 낙뢰 등으로 인한 2∼5kV의 높은 과전압이 인가되더라도 이를 안정적으로 방전시킴으로써, 피뢰탄기 후단의 회로나 장비의 파손을 미연에 방지한다.

따라서, 본 고안은 입력 과전압에 대하여 평균 65∼75%의 전압강하가 일어나고, 전압 제한소자로 사용되는 사이리스터의 사용을 통해 안정적인 방전제어를 수행함으로써, 과전압 인가에 따른 피뢰탄기 후단의 회로나 장비의 파괴를 미연에 방지할 수 있으며, 이를 통해 피뢰탄기 후단의 회로나 장비를 보다 안정적으로 사용할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

피뢰탄기 {Surge protector}

본 고안은 피뢰탄기에 관한 것이다.

보다 상세하게는 낙뢰 등으로 인한 높은 과전압이 인가될 경우, 이를 안정적으로 방전시켜 피뢰탄기 후단의 회로나 장비를 보호할 수 있도록 하는 피뢰탄기에 관한 것이다.

최근들어 기술의 발달로 인하여 전력전송, 정보전송장치 등의 통신 및 전기전자장치에는 트랜지스터, 다이오드를 비롯하여 각종 반도체소자가 집적회로(IC)화 되어 있다.

이러한 반도체소자들이 장착되어 있는 대부분의 통신 및 전기전자장치는 작은 전기적인 교란에도 민감하기 때문에 이상전압인 과도 서지가 유입되면 각종 소자가 손상, 파괴되어 제기능을 발휘하지 못하게 된다. 전기적인 교란을 발생하는 과도 서지는 일반적으로 개폐서지, 사고서지, 뇌서지 등으로 구분할 수 있다.

개폐서지는 송전선로상에서 설치된 고전압장치의 차단기를 개폐조작시 발생하는 서지이며, 사고서지는 외부의 물리적인 힘에 의하여 선로에 지락되는 경우 발생되는 과전압에 의한 서지를 말한다.

또한, 대기중에서 낮은 곳의 공기가 상대적으로 너무 가볍거나 또는 높은 곳의 공기가 너무 무거운 경우, 이를 완화하기 위해서 상승기류가 발생하는데, 상승기류에 의한 온도하강으로 수증기가 수적(얼음 알갱이)이 되어 뇌우가 발생하며, 수적의 상승, 하강에 의한 마찰로 뇌우의 상층부에는 양전하가, 하층부에는 음전하가 대규모로 충전된다. 충전 전하가 지상으로 방전될 때 이를 낙뢰라고 하며, 선로상에는 뇌전압인 서지가 전기전자장치로 유입되어 전기적인 교란을 발생하게 된다. 이 서지를 뇌서지라 한다.

한편, 상술한 각종 서지중 대도시 및 농어촌 등에서는 낙뢰에 의한 뇌서지가 발생될 때, 각종 통신 및 전기전자장치 내의 반도체소자로 뇌서지로 인한 고전압이 유기되어 절연파괴 등의 심각한 손상이 발생되는데, 이를 방지하기 위하여 입력되는 과전압을 방전시켜 반도체소자를 보호하는 피뢰탄기를 사용하였다.

도 1은 상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 피뢰탄기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 높은 건물이 많은 도심에서 주로 사용되는 피뢰탄기의 구성이다.

도시된 바와 같이 종래의 피뢰탄기는, 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전압을 차단하여 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 제한하는 주 전압 제한소자(1)와, 입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전류를 차단하여 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 제한하는 과전류 제한소자(3a)(3b)로 구성된다.

이때, 주 전압 제한소자(1)는 어레스터(arrestor) 등으로 구성되며, 과전류 제한소자(3a)(3b)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 등으로 구성된다.

PTC 소자의 소재는 세라믹 계열과 폴리머 계열로 나누어진다.

세라믹 계열의 PTC 소자는 특성상 자기의 최대 허용치 전류 이상의 경우 초기의 과전류 상태를 유지하지 못하고 NTC(Negative Temperature Coefficient) 현상을 나타내게 된다. NTC 현상이란 저항값이 높아져서 차단 상태를 유지하지 못하고 다시 저항이 낮아지는 현상으로 NTC 현상이 발생되면 회로로 다시 전류가 흐르게 되므로 회로의 고장을 발생시킨다.

폴리머 계열의 PTC 소자는 세라믹 계열의 PTC 소자의 NTC 현상을 보완한 소재로 자기의 정격치를 넘는 과전류 유입시에는 회로를 보호하도록 소재가 파괴된다. 정격치란 소재의 용량을 의미하는 것으로 과전류 제거시 다시 정상적으로 자기 복구될 수 있는 최대 허용 전류치를 의미한다.

또한, 도 2는 종래 기술에 따른 피뢰탄기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 높은 건물이 없어 뇌전압의 피해가 우려되는 농어촌 지역에서 사용되는 피뢰탄기의 구성이다.

도시된 바와 같이 종래의 피뢰탄기는, 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 입력단으로부터 입력되는 과전압을 차단하여 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 제한하는 주 전압 제한소자(11)와, 입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전류를 차단하여 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 제한하는 과전류 제한소자(13a)(13b)와, 과전류 제한소자(13a)(13b)의 출력측에 직렬로 연결되어 있으며, 출력단으로 과전류가 유입되는 것을 차단하는 저항(R1)(R2)과, 저항(R1)(R2)과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며 입력단으로부터 입력되는 과전압을 주 전압 제한소자(11)가 동작하기 전에 검출하여 1차적으로 피크치를 보다 낮게 제한해주는 보조전압 제한소자(15a)(15b)로 구성된다.

이때, 주 전압 제한소자(11)는 어레스터 등으로 구성되고, 과전류 제한소자(13a)(13b)는 PTC 등으로 구성되며, 보조전압 제한소자(15a)(15b)는 배리스터(varistor) 등으로 구성된다. 또한, 배리스터로 구성된 보조전압 제한소자(15a)(15b)에서 과전압을 1차적으로 제한하는 이유는, 보조전압 제한소자(15a)(15b)의 반응시간이 어레스터로 구성된 주 전압 제한소자(11)보다 빠르기 때문이다.

배리스터는 재질이 탄화규소(SiC)로 이루어져 탄화규소입자간에 존재하는 전위장벽에 기인하여 상시전압시에는 절연저항에 가깝고, 전압이 높아지면 전류가 흐르기 시작하지만 그 이후는 극히 미세한 전압상승에 대하여 전류가 급격하게 증가하게 되어 전압전류 그래프는 비직선 저항특성을 가지게 된다. 따라서 고전압의 서지가 출력단으로 유입되는 것을 방지한다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 피뢰탄기의 경우, 낙뢰 등으로 인한 2∼5kV의 높은 과전압이 인가될 때 평균적으로 40∼60% 정도의 전압강하가 일어났지만, 방전범위가 균일하지 않고 전압이 높아질수록 범위가 늘어나기 때문에 과전압으로 인하여 피뢰탄기 후단의 회로나 장비에 구비된 각종 반도체소자들이 손상 또는 파괴될 수 있었으며, 이로 인해 피뢰탄기의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.

본 고안의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 낙뢰 등으로 인한 2∼5kV의 높은 과전압이 인가되더라도 이를 안정적으로 방전시킴으로써, 피뢰탄기 후단의 회로나 장비의 파손을 미연에 방지할 수 있도록 하는 피뢰탄기를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 피뢰탄기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 피뢰탄기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 고안에 따른 피뢰탄기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 본 고안에 따른 피뢰탄기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 5는 본 고안에 따른 피뢰탄기를 설명하기 위한 파형도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110, 210 : 주 전압 제한소자

120a, 120b, 230a, 230b : 과전류 제한소자

130a, 130b, 220a, 220b : 전압 제한소자

240a, 240b : 보조 전압 제한소자

R10, R20 : 저항

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 피뢰탄기는, 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 주 전압 제한소자와; 입력단과 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 제한하는 과전류 제한소자와; 과전류 제한소자의 출력측과 출력단 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 주 전압 제한소자를 통해 입력된 과전압을 주 전압 제한소자가 동작하기 전에 우선적으로 검출하여 피크치를 보다 낮게 제한해주는 전압 제한소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 고안에 따른 피뢰탄기는, 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 주 전압 제한소자와; 주 전압 제한소자의 출력측에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력된 과전압을 주 전압 제한소자가 동작하기 전에 우선적으로 검출하여 피크치를 보다 낮게 제한해주는 전압 제한소자와; 입력단과 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 입력단으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 하는 과전류 제한소자와; 과전류 제한소자의 출력측과 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 과전류 제한소자를 통해 제한된 과전류를 추가로 제한하여 과전류가 출력단으로 유입되는 것을 방지하는 저항과; 저항과 출력단 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 전압 제한소자를 통해 1차적으로 제한된 전압을 2차로 제한하여 과전압이 출력단으로 출력되지 않도록 하는 보조전압 제한소자를 포함하여 구성된 것을 다른 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 피뢰탄기를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 고안에 따른 피뢰탄기의 일 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 주 전압 제한소자(110)는 입력단(input)과 출력단(output) 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 출력단(output)으로 과전압이 출력되지 않도록 한다.

과전류 제한소자(120a)(120b)는 입력단(input)과 출력단(output) 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 출력단(output)으로 과전류가 출력되지 않도록 한다.

전압 제한소자(130a)(130b)는 과전류 제한소자(110)의 출력측과 출력단(output) 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력된 과전압을 주 전압 제한소자(110)가 동작하기 전에 우선적으로 검출하여 피크치를 보다 안정적으로 낮게 제한하여 출력단(output)으로 과전압이 출력되지 않도록 한다.

이때, 주 전압 제한소자(110)는 어레스터 등으로 구성되고, 과전류 제한소자(120a)(120b)는 PTC 등으로 구성되며, 전압 제한소자(130a)(130b)는 사이리스터(thyristor) 등으로 구성된다. 또한, 사이리스터로 구성된 전압 제한소자(130a)(130b)에서 과전압을 1차적으로 제한하는 이유는, 전압 제한소자(130a)(130b)의 반응시간이 어레스터로 구성된 주 전압 제한소자(110)보다 빠르기때문이다.

상술한 사이리스터는, 전력 시스템에서 전류 및 전압의 제어에 사용되는 전력반도체소자로서, 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier ; SCR)라고도 한다. 양극(anode), 음극(cathode), 게이트(gate)의 3단자로 구성되어 있으며, 게이트에 신호가 인가되면 양극과 음극 사이에 전류가 흐르고 게이트 신호가 없으면 양극과 음극 사이에 전류는 흐르지 않고 높은 전압이 유지되는 특성을 지니고 있다.

또한, 도 4는 본 고안에 따른 피뢰탄기의 다른 실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 주 전압 제한소자(210)는 입력단(input)과 출력단(output) 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 출력단(output)으로 과전압이 출력되지 않도록 한다.

전압 제한소자(220a)(220b)는 주 전압 제한소자(210)의 출력측과 과전류 제한소자(230a)(230b) 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력된 과전압을 주 전압 제한소자(210)가 동작하기 전에 우선적으로 검출하여 피크치를 보다 안정적으로 낮게 제한하여 출력단(output)으로 과전압이 출력되지 않도록 한다.

과전류 제한소자(230a)(230b)는 입력단(input)과 출력단(output) 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 입력단(input)으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 출력단(output)으로 과전류가 출력되지 않도록 한다.

저항(R10)(R20)은 과전류 제한소자(230a)(230b)의 출력측과 출력단(output) 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 과전류 제한소자(230a)(230b)를 통해 제한된 과전류를 추가로 제한하여 과전류가 출력단(output)으로 유입되는 것을 방지한다.

보조 전압 제한소자(240a)(240b)는 저항(R10)(R20)과 출력단(output) 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 전압 제한소자(220a)(220b)를 통해 1차적으로 제한된 전압을 2차로 제한하여 과전압이 출력단(output)으로 출력되지 않도록 한다.

이때, 주 전압 제한소자(210)는 어레스터 등으로 구성되고, 전압 제한소자(220a)(220b)는 사이리스터 등으로 구성되고, 과전류 제한소자(230a)(230b)는 PTC 등으로 구성되며, 보조전압 제한소자(240a)(240b)는 배리스터 등으로 구성된다. 또한, 사이리스터로 구성된 전압 제한소자(220a)(220b)에서 과전압을 1차적으로 제한하고, 배리스터로 구성된 보조전압 제한소자(240a)(240b)에서 과전압을 2차적으로 제한하는 이유는, 반응시간이 전압 제한소자(220a)(220b), 보조전압 제한소자(240a)(240b), 주 전압 제한소자(210) 순서로 빠르기 때문이다.

다음에는, 이와 같이 구성된 본 고안에 따른 피뢰탄기의 동작과정을 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 고안에 따른 피뢰탄기를 설명하기 위한 파형도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 입력단(input)으로부터 각각 2kV, 3kV, 5kV의 뇌서지가 입력된다면, 종래의 피뢰탄기의 경우에는 후술되는 표 1에 나타낸 바와 같이 평균적으로 각각 1.219V, 1.712V, 2.028V의 전압이 출력단(output)을 통해 출력단(output)에 연결된 회로(통신 및 전기전자장치의 PCB 등)나 장비로 인가된다.

이와 같이 종래의 피뢰탄기의 경우에는 비교적 높은 전압이 출력단(output)을 통해 피뢰탄기 후단의 회로나 장비로 인가되기 때문에 5kV의 뇌서지가 입력되는 경우 평균 2.028V의 전압이 출력단(output)을 통해 피뢰탄기 후단의 회로나 장비로 인가되어 회로 및 장비에 구비된 소자들의 절연파괴 현상이 발생될 수 있다.

하지만, 본 고안에 따른 피뢰탄기의 경우에는 입력단(input)으로부터 각각 2kV, 3kV, 5kV의 뇌서지가 입력된다면, 표 1에 나타낸 바와 같이 평균적으로 각각 0.717V, 0.946V, 1.321V의 전압이 출력단(output)을 통해 피뢰탄기 후단의 회로나 장비(통신 및 전기전자장치의 PCB 등)로 인가된다.

즉, 본 고안에 따른 피뢰탄기의 경우에는 종래의 피뢰탄기에 비하여 훨씬 낮은 전압이 출력단(output)을 통해 피뢰탄기 후단의 회로나 장비로 인가되기 때문에 5kV의 뇌서지가 입력되는 경우 평균 1.321V의 전압이 출력단(output)에 연결된 피뢰탄기 후단의 회로나 장비로 인가되어 최악의 경우에도 사이리스터로 구성된 전압 제한소자만이 파괴될 뿐, 피뢰탄기 후단의 회로나 장비상의 각종 회로소자에는 별다른 이상이 없게 된다.

	회수	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	평균
종래	2kV	1.19	1.47	1.38	1.06	1.16	1.53	1.25	1.03	1.00	1.12	1.219
본 고안		0.72	0.69	0.75	0.75	0.72	0.69	0.66	0.72	0.72	0.75	0.717
종래	3kV	1.72	1.75	1.44	1.75	1.84	1.69	1.66	1.84	1.81	1.62	1.712
본 고안		0.94	0.97	1.00	0.94	0.91	0.94	0.94	0.91	0.97	0.94	0.946
종래	5kV	2.38	1.28	1.47	2.09	1.59	2.44	2.25	2.34	2.56	1.88	2.028
본 고안		1.16	1.41	1.16	1.22	1.22	1.44	1.25	1.47	1.47	1.41	1.312

상술한 표 1은 종래의 피뢰탄기와 본 고안에 따른 피뢰탄기를 이용하여 입력단(input)으로부터 2kV, 3kV, 5kV의 뇌서지가 입력되는 경우 출력단(output)을 통해 출력되는 전압을 10회의 측정을 통해 나타난 결과이다.

이상에서와 같이 본 고안의 피뢰탄기에 따르면, 낙뢰 등으로 인한 2∼5kV의 높은 과전압이 인가될 때 평균 40∼60% 정도의 전압강하가 일어나는 종래의 피뢰탄기와는 달리 평균 65∼75%의 전압강하가 일어나고 전압 제한소자로 사용되는 사이리스터의 사용을 통해 입력 과전압의 안정적인 방전제어를 수행함으로써, 과전압 인가에 따른 피뢰탄기 후단의 회로나 장비상에 구비된 각종 회로소자의 파괴를 미연에 방지할 수 있으며, 이를 통해 피뢰탄기 후단에 연결되는 회로나 장비를 보다 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

여기에서, 상술한 본 고안에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 실용신안등록청구범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 상기 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 주 전압 제한소자;

   상기 입력단과 상기 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 상기 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 하는 과전류 제한소자; 및

   상기 과전류 제한소자의 출력측과 상기 출력단 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 상기 주 전압 제한소자를 통해 입력된 과전압을 상기 주 전압 제한소자가 제한하기 전에 먼저 검출하여 입력된 과전압을 우선적으로 제한하여 상기 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 전압 제한소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피뢰탄기.
2. 입력단과 출력단 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 입력되는 과전압을 제한하여 상기 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 주 전압 제한소자;

   상기 주 전압 제한소자의 출력측에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 상기 주 전압 제한소자를 통해 입력된 과전압을 상기 주 전압 제한소자가 제한하기 전에 먼저 검출하여 입력된 과전압을 우선적으로 제한하여 상기 출력단으로 과전압이 출력되지 않도록 하는 전압 제한소자;

   상기 입력단과 상기 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 상기 입력단으로부터 입력되는 과전류를 제한하여 상기 출력단으로 과전류가 출력되지 않도록 제한하는 과전류 제한소자;

   상기 과전류 제한소자의 출력측과 상기 출력단 사이에 각각 직렬로 연결되어 있으며, 상기 과전류 제한소자를 통해 제한된 과전류를 추가로 제한하여 과전류가 상기 출력단으로 유입되는 것을 방지하는 저항; 및

   상기 저항과 출력단 사이에 각각 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전압 제한소자를 통해 1차적으로 제한된 전압을 2차로 제한하여 과전압이 상기 출력단으로 출력되지 않도록 하는 보조전압 제한소자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피뢰탄기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전압 제한소자는,

   사이리스터(thyristor)인 것을 특징으로 하는 피뢰탄기.