KR200425396Y1

KR200425396Y1 - 슈퍼커패시터 충전장치

Info

Publication number: KR200425396Y1
Application number: KR2020060016546U
Authority: KR
Inventors: 황희철; 백일현
Original assignee: 주식회사마이크로에어로봇
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2006-09-11

Abstract

본 고안은 슈퍼커패시터(SC)를 충전하기 위한 장치에 관한 것으로서, 충전 전압을 공급하는 배터리부(110)와, 일단이 배터리부의 양극에 직렬로 접속되어 배터리부로부터 공급되는 전원을 단속하는 스위치부(120)와, 스위치부의 타단(노드 A) 및 그라운드(GND)에 접속되는 충전단자부(130), 및 충전단자부에 병렬 접속되는 슈퍼커패시터(SC)의 충전상태를 단계별로 표시하는 표시부(140)로 구성된다.

이러한 본 고안의 충전장치는 충전대상인 슈퍼커패시터의 특성을 고려하여, 충전회로를 구성하는 소자를 간소화시킴으로써 제조비용을 절감할 수 있는 주된 특징이 있다.

슈퍼커패시터, 충전장치

Description

슈퍼커패시터 충전장치{SUPER-CAPACITOR CHARGING DEVICE}

도 1은 본 고안이 개시하는 충전장치(100)의 회로적 구성도,

도 2a 내지 도 2d는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 충전장치(100)의 개략적인 외관 구성도,

도 3은 종래 날개짓 비행체를 나타낸 예시도,

도 4는 본 고안의 충전단자부(130)와 날개짓 비행체에 마련된 충전단자(12) 간의 물리적 접속관계를 나타낸 예시도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

110, BT : 배터리부

120, SW : 스위치부

130 : 충전단자부

140 : 표시부

일반적으로 슈퍼커패시터로 분류되지 않는 종래의 일반 커패시터 소자들은 각종 회로에서 용량성(capacitive) 소자로서의 기본적 기능만을 수행해왔다. 예컨대 간헐적 또는 연속적인 충·방전의 반복을 통해 소정의 평활회로 내에서 전압강하를 보상하거나 혹은 용량의 크기에 따라 다양한 필터회로를 구성하는 핵심소자로 이용되어 왔다.

그러나 1980년대 일본에서 슈퍼커패시터(super-capacitor)로 일컬어지는 수 패럿(F) 대의 대용량을 갖춘 커패시터가 소개된 이래 지속적인 연구개발에 힘입어 그 용량이 점차 증가하게 되었고, 현재는 일부 장치에서 배터리를 대신하는 전원으로 채용되고 있다. 슈퍼커패시터는 그 크기가 매우 작고 가벼우며, 단시간 내에 고속으로 재충전 가능함과 아울러 앞서 언급한 바와 같이 전기적 용량이 종래의 커패시터에 비해 매우 크다는 장점이 있다.

한편, 비교적 용량이 큰 커패시터를 전원으로 사용하는 기술에 관하여 공개실용신안 제20-1987-19151호(고안의 명칭: 충전식 무선 원격조정기)(이하, '선행고안1') 이외에 다수 출원 및 등록된 상태이다. 선행고안1은 무선 원격조정기라는 특정 장치에 내장된 커패시터를 충전하기 위한 것이며, 이와 달리 커패시터만을 충전하기 위한 장치가 대한민국 공개번호 제20-1988-54977호(고안의 명칭: 전해콘덴서의 충전장치)(이하, '선행고안2')로 개시되어 있다. 선행고안2는 커패시터를 장치의 구동을 위한 전원으로 이용하는 선행고안1과 달리 전해 콘덴서 또는 전해 커패시터의 테스트를 위한 사전 충전을 목적으로 하고 있다.

이러한 종래의 충전장치들은 슈퍼커패시터 보다 용량이 적은 커패시터를 충전하기 위한 것이 대부분이므로, 이들이 개시하는 충전 관련 회로를 슈퍼커패시터 에 적용하기 어려우며 더욱이 가전제품으로의 응용에 편중된 것인바, 안전성 도모를 위한 회로적 부가 수단, 예를 들어 커패시터의 충전된 용량이 허용치를 초과할 경우 충전상태를 해제시키는 소위 과충전 방지회로 등을 마련하고 있기 때문에 필연적으로 그에 따른 비용 상승(제조비용)이 초래된다.

1. 휴대성 향상 : 사용자가 즉석에서 사용 가능토록 함.

2. 사용의 편리성 향상 : 충전 공급원으로서 시중에서 손쉽게 구입할 수 있는 건전지 또는 충전지를 이용하고, 이들의 잔량을 손쉽게 확인할 수 있도록 한다.

3. 제조비용 절감 : 충전회로를 구성하는 소자를 간소화시킴으로써 제조비용을 절감시킨다. (슈퍼커패시터 충전에 소요되는 시간이 수초 내지 수십초에 이르는 극히 단시간이라는 점을 감안하여, 종래와 같이 다소 복잡한 과충전 방지회로를 제거하고 이를 보완하기 위해 충전상태를 단계적으로 표시할 수 있는 표시수단을 채용한다.)

본 고안의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 고안자가 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미 와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 고안이 개시하는 충전장치(100)의 회로적 구성도이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 충전장치(100)의 개략적인 외관 구성도이다. 먼저, 도 1을 살피면 다수의 건전지 또는 충전지가 직렬 구성되는 배터리부(110, BT)와, 일단이 배터리부의 양극에 직렬로 접속되는 스위치부(120, SW)와, 상기 스위치부의 타단(노드 A) 및 배터리부의 그라운드(또는 음극, GND)에 접속되는 충전단자부(130), 및 상기 스위치부의 타단에 연결되어 충전단자부에 병렬 접속되는 슈퍼커패시터(SC)의 충전상태를 발광수단을 통해 단계별로 표시하는 표시부(140)로 이루어진다.

보다 구체적으로 배터리부(110)는 앞서 언급한바와 같이 다수의 건전지 또는 충전지가 직렬로 접속되어 슈퍼커패시터(SC)에 충전 전류(전압)를 공급하는 충전 공급원으로 기능하게 되는데, 도 2d에 보인바와 같이 이들 건전지가 몸체(101) 내에 수용되어 있음을 볼 수 있다. 이 배터리부의 전압은 상기 슈퍼커패시터(SC)의 내압 내지는 용량에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 본 실시예에서는 건전지 또는 충전지 3개가 직렬 구성되는 것으로 설정하겠으나, 본 고안이 이에 한정되는 것은 아니다.

스위치부(120)는 상기 배터리부(110)로부터 공급되는 전원을 단속하는 기능을 수행하며, 푸시 방식, 슬라이드 방식, 딥 방식, 토글 방식, 택(TAC) 방식 중 어느 하나의 스위치가 채용될 수 있겠으나, 슈퍼커패시터(SC)의 충전 시간이 수초 내지는 수십초 범위로 매우 짧다는 점을 감안하여, 스위치가 사용자에 의해 눌렸을 경우 회로적 경로가 연결되고 그 반대의 경우 자동적으로 경로가 해제되는 택 방식의 스위치로 설정되는 것이 바람직하다. 첨부된 도 2a 내지 도 2d에 보인바와 같이 스위치부는 상기 몸체(101)의 측면에 마련되어 있음을 볼 수 있다. 참고적으로 몸체(101)의 후면에는 원형의 고리(105)가 형성되어 있다.

한편, 충전단자부(130)는 노드 A, 즉 스위치부(120)가 접속되었을 경우 배터리부(110)의 양극(positive)과 회로적으로 연결되는 금속 재질의 제1 단자(130A)와, 배터리부의 음극(negative)과 회로적으로 연결되는 금속 재질의 제2 단자(130B)를 포함한다.

이 단자들(130A, 130B) 각각은 슈퍼커패시터를 채용하는 장치에 마련된 충전단자에 접속되는데, 설명의 편의를 위해 본 출원인이 출원한 '완구용 날개짓 비행체'(출원번호: 제10-2005-6717호)를 예로 든다.

상기 단자(130A, 130B)들은 도 3에 예시한 날개짓 비행체(10)의 충전단자(12)에 마련된 한 쌍의 단자(12A, 12B) 각각에 접속되며, 이에 대한 일예는 도 4에 상세히 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 충전단자부(130)가 날개짓 비행체(10)의 단자부(12)에 삽입되는 구조를 갖고 있으며, 완전히 삽입되었을 경우 상기한 충전단자부(130)의 제1 단자(130A) 및 제2 단자(130B)는 각각 날개짓 비행체의 제1 단자(12A) 및 제2 단자(12B)에 접촉되게 된다. 물론, 상기 날개짓 비행체의 제1 단자(12A)는 슈퍼커패시터(SC)의 양극에 회로적으로 연결되어 있으며, 제2 단자(12B)는 음극에 연결되어 있다. 참고적으로 상기한 몸체(101)의 정면에는 단자(130A, 130B)를 보호하기 위한 개폐 가능한 캡(103)이 마련되어 있다.

다음으로 본 고안의 특징적인 양상에 따른 표시부(140)는 전술한 슈퍼커패시터(SC)의 충전상태를 단계적으로 표시한다는 기능을 구현하기 위해 제1 표시회로(142)와 제2 표시회로(144), 그리고 제3 표시회로(146)를 구성하고 있다(도 1 참조).

제1 표시회로(142)는 노드 A와 그라운드(GND, LOW) 사이에서 접속되는 한 쌍의 저항(R1, R2)으로 구성된 제1 저항전압분배기와, 상기 제1 저항전압분배기의 전압분배점(N1)과 그라운드 사이에 순방향 접속된 제1 발광수단(D1)으로 이루어져 있다.

또한 제2 표시회로(144)는 제1 표시회로(142)와 동일하게, 노드 A와 그라운드(GND) 사이에 접속되는 제2 저항전압분배기(R3, R4로 직렬 구성)와, 제2 저항전압분배기의 전압분배점(N2)과 그라운드 사이에 순방향 접속되어 있는 제2 발광수단(D2)을 포함하고 있다.

그리고 제3 표시회로(146)는 한 쌍의 저항(R5, R6)으로 이루어진 제3 저항전압분배기(R5, R6로 직렬 구성)가 노드 A와 그라운드 사이에 접속되어 있고, 상기 제3 저항전압분배기의 전압분배점(N3)과 NPN형 트랜지스터(TR)의 베이스(base) 사이에 제너다이오드(ZD)가 역방향으로 접속되되, 상기 트랜지스터(TR)의 콜렉터(collector)는 노드 A에 접속되어 있고, 에미터(emitter)와 그라운드 사이에 제3 발광수단(D3)이 순방향 접속되어 있다.

여기서, 상기한 발광수단들(D1, D2, D3)은 도 2a, 2b, 2c, 2d에 나타낸 것과 같이 몸체(101)의 우측면에 위치하여 사용자가 그 점등 여부를 용이하게 식별할 수 있게 되어 있다. 본 실시예에서 상기 발광수단 각각은 서로 다른 광색을 내도록 함이 바람직한데, 예를 들어 D1의 광색을 녹색, D2는 황색 그리고 D3은 적색으로 설정함으로써 충전상태가 보다 용이하게 식별될 수 있도록 하는 것이 좋을 것이다.

이러한 기술적 구성의 표시부(140)는 슈퍼커패시터(SC)의 충전상태에 따라 순차적으로 발광수단을 작동시키는데(D1→D2→D3), 그 순차적 동작을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 스위치부(120)의 눌림에 의해 슈퍼커패시터(SC)에 대한 충전 경로가 연결되면, 뒤미처 상기 슈퍼커패시터(SC)는 배터리부(110)에 의해 충전(charging)이 이루어지고, 상기 노드 A에 병렬로 접속된 표시부(140)는 슈퍼커패시터(SC)의 충전된 전압을 인가 받게 된다.

제1 표시회로(142)의 제1 발광수단(D1)과 제2 표시회로(144)의 제2 발광수단(D2)은 그 각각의 저항전압분배기(R1:R2, R3:R4)에 의해 점등에 필요한 전압을 공급받게 된다(참고적으로 상기 공급되는 전압은 전압분배점에 걸리는 전압, 즉 R2, R4에 걸리는 전압이다). 앞서 설명한 것처럼 제1 발광수단이 제2 발광수단 보다 먼저 점등하도록 설정되어야 하는데, 이는 제1 저항전압분배기와 제2 저항전압분배기의 전압분배비율을 조절함으로써 구현될 수 있다.

예컨대, R1을 9.1Ω, R2를 91Ω, R3을 30Ω, 그리고 68Ω이라 하면, 제1 저항전압분배기의 전압분배비는 약 1:10, 제2 저항전압분배기의 전압분배비는 약 1:2 정도가 된다. 즉, 제1 발광수단(D1)이 제2 발광수단(D2)보다 먼저 점등하게 되는 것이다.

제3 표시회로(144)의 제3 발광수단(D3)은 상기 제1 및 제2 발광수단 보다 더 늦게 점등하게 되는데, 상기 제3 발광수단(D3)의 점등 시점은 슈퍼커패시터(SC)의 충전이 완료되는 시점이어야 한다. 이를 위해 트랜지스터(TR)는 상기 전압분배점(N3)과 베이스 사이에서 역방향 접속된 제너다이오드(ZD)를 도통하는 전류값에 의해 턴온(turn on)되고, 이에 따라 에미터에 공급되는 전압에 의해 제3 발광수단(D3)이 발광하게 된다. 여기서 노드 A로부터 공급되는 전압이 제너다이오드(ZD)에 충분히 인가되도록 제3 저항전압분배기(R5:R6)의 전압분배비가 높게 설정되는 것이 바람직하다. 예컨대 R5를 4.3Ω, R6을 100Ω으로 설정하게 되면 약 1:23정도의 전압분배비가 된다.

한편, 상기 트랜지스터(TR)가 턴온되는 조건은 제3 전압분배기에 의해 공급되는 전압이 제너다이오드(ZD)의 제너전압(V_Z) 이상일 경우이다. 예를 들어 제너전압(V_Z)이 3.3V인 'ZM4728A'로 설정하면, 3.3V이상 되는 전압이 제너다이오드에 인가되었을 때 제3 발광수단(D3)이 점등하게 되는 것이다.

참고적으로 상기한 발광수단(D1, D2, D3)의 점등 시점은 저항전압분배기의 전압분배비를 통해 용이하게 미세 조정될 수 있다. 그리고 본 고안이 개시한 충전장치(100)는 충전 공급원인 배터리부(110)의 잔량을 확인하는 기능이 부가적으로 제공된다. 즉, 충전단자부(130)에 슈퍼커패시터(SC)가 연결되지 않은 상태에서 스위치부(120)를 온(ON)상태로 만들면 앞서 상술한 동일한 작동 양상에 의해 표시 부(140)에 표시되는 것이다.

이상으로 본 고안의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 고안은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 고안에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 고안의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

상기와 같은 본 고안의 충전장치는, 충전대상인 슈퍼커패시터의 특성을 고려하여 충전 및 충전 표시회로를 구성하는 소자를 간소화시킴으로써 그에 따른 제조비용을 절감시킬 수 있다.

또한, 충전장치의 충전 공급원을 시중에서 손쉽게 구입할 수 있는 건전지 또는 충전지를 이용할 수 있는 사용상의 편리함이 있다.

Claims

슈퍼커패시터(SC)를 충전하기 위한 장치로서,

충전 전압을 공급하는 배터리부(110)와, 일단이 상기 배터리부의 양극에 직렬로 접속되어 배터리부로부터 공급되는 전원을 단속하는 스위치부(120)와, 상기 스위치부의 타단(노드 A) 및 그라운드(GND)에 접속되는 충전단자부(130), 및 상기 충전단자부에 병렬 접속되는 상기 슈퍼커패시터(SC)의 충전상태를 단계별로 표시하는 표시부(140)로 구성되며,

상기 표시부(140)는 상기 노드 A와 그라운드 사이에 접속된 제1 저항전압분배기(R1, R2)의 전압분배점(N1)과 그라운드 사이에 순방향 접속된 제1 발광수단(D1)을 포함하는 제1 표시회로(142)와; 상기 노드 A와 그라운드 사이에 접속된 제2 저항전압분배기(R3, R4)의 전압분배점(N2)과 그라운드 사이에 순방향 접속된 제2 발광수단(D2)을 포함하는 제2 표시회로(144); 및 상기 노드 A와 그라운드 사이에 접속된 제3 저항전압분배기(R5, R6)의 전압분배점(N3)과 NPN형 트랜지스터(TR)의 베이스 사이에 역방향 접속된 제너다이오드(ZD)로 구성되되, 상기 트랜지스터의 콜렉터는 상기 노드 A에 접속되고 에미터와 그라운드 사이에 순방향 접속된 제3 발광수단(D3)을 포함하는 제3 표시회로(146);로 이루어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 충전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 충전단자부(130)는,

상기 배터리부의 양극과 회로적으로 연결되는 금속재질의 제1 단자(130A)와 그라운드에 회로적으로 연결되는 금속재질의 제2 단자(130B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 충전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 발광수단(D1) 및 제2 발광수단(D2)의 점등은,

각각 상기 제1 저항전압분배기 및 제2 저항전압분배기의 전압분배비에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 충전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제3 발광수단(D1)의 점등은,

상기 제3 저항전압분배기의 전압분배비 및 제너다이오드의 제너전압에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 충전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 발광수단(D1, D2, D3) 각각은 서로 다른 광색을 내는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 충전장치.