KR200456194Y1 - 릴레이를 이용한 ｐｔｃ 발열체의 돌입전류 방지회로 - Google Patents

릴레이를 이용한 ｐｔｃ 발열체의 돌입전류 방지회로 Download PDF

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Abstract

본 고안은 ＰＴＣ 발열체의 구동 초기 발생하는 돌입전류를 방지하기 위한 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로에 관한 것이다. 본 고안은 복수의 세라믹 PTC 발열체를 갖는 전기발열체에 있어서, PTC 발열체의 발열온도가 기설정 온도에 도달했는 지를 감지하기 위한 온도센서와, 온도센서의 감지결과에 따라 작동이 "온(ON)/오프(OFF)"되어 복수의 세라믹 PTC 발열체의 직병렬 회로 구성을 절환시키는 릴레이로 구성된다. 따라서, 본 고안은 구동 초기의 발열온도가 기설정 온도에 도달하기 전에는 릴레이를 통해 복수의 세라믹 PTC 발열체를 직렬회로로 구성되도록 하여 돌입전류를 최소화함으로써, 다양하게 회로 설계를 할 수 있는 효과를 제공한다.
세라믹 ＰＴＣ, 돌입전류, 릴레이

Description

릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로{ＰＴＣ inrush current prevention circuit using relay}
본 고안은 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 릴레이를 이용하여 구동 초기에는 PTC 발열체들간에 직렬연결로 구성되어 발열되고 이후 발열체가 적정온도에 도달하면 병렬연결로 절환되어 PCT 발열체에 구동초기의 발열 시 전기적 저항의 감소로 인하여 급격하게 전류가 증가되는 것을 제한하여 돌입전류를 방지할 수 있도록 한 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로에 관한 것이다.
전기발열체는 전기를 가하면 주울열에 의해 열을 발생하는 것으로, 니크롬선을 대신하는 안전한 발열체이다. 전기발열체에는 정온도계수써미스터(positive temperature coefficient thermistor; PTC)와 부온도계수써미스터(negative temperature coefficient thermistor; NTC)가 있다.
ＰＴＣ 발열체는 극히 단시간 동안 일정 전원에 의한 과도전류가 흐르면 전기저항이 자체적으로 커져서 전류를 차단하는 물성을 가져 텔레비젼의 섀도마스크(shadow mask)에서의 소자(消磁)의 용도나 차량의 예열기, 난방기, 레저 온풍기 및 가정의 비데, 온수기, 에어컨, 냉장고, 보조 가열기 등의 구성부품으로 응용되고 있으며, 생활주변에서 가까이 볼 수 있는 것으로 헤어드라이나 의료건조기에 사용되기도 한다.
PTC 발열체에 의한 전기발열체 특성인 PTC 고유 특성에서 저항 대 온도 특성에 의하면 구동 초기에 전기발열체의 온도 상승으로 인하여 전기저항이 감소되다가 PTC 발열체의 최소 저항을 지나 다시 증가하여 발열체의 적정 저항용량에 도달되며, 주위 환경에 의한 불필요한 온도 상승시 PTC 고유특성에 의한 저항의 증가로 발열량이 감소하는데, 여기서 발열체의 초기 전원 인가시 온도상승 초기에 PTC 발열체의 고유 전기저항 값이 감소하여 급속한 전류의 증가하는 현상이 발생하게 된다.
이러한 구동초기의 과도한 돌입전류로 인해 전기계통시스템의 과도한 부하를 초래하여 내구성능이 저하되게 되며, 이로 인하여 전기 공급원의 용량 및 제어하는 소자를 대용량 부품으로 사용해야 되므로 경제적인 손실과 다양한 회로 설계를 할 수 없다는 문제점을 갖고 있다.
PTC 발열체가 가진 우수한 특성의 장점에도 불구하고 구동초기의 과도한 돌입전류로 인한 단점 때문에 응용되거나 사용되는 전기제품이 소형에 국한되고 대형으로 확대시키는데 장애가 되고 있다.
종래에 사용되고 있는 돌입전류를 억제하기 위한 방법으로는, 발열라인을 다수로 분할하고 일정시간의 격차를 두어 스위칭하는 스텝 바이 스텝 스위칭(step by step switching) 방법이나, ＰＴＣ 발열체의 양쪽면이나 한쪽면에 PTC 발열체를 가 열하기 위한 목적의 박판형 발열체를 추가 부착하는 방법 등이 있으나 효과가 미비하고 별도의 부품이 장착되어야 하는 등의 문제가 있었다.
따라서, 본 고안의 목적은 전술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 릴레이를 이용하여 구동초기에는 PTC 발열체들간에 직렬연결로 구성되어 발열되고 이후 발열체가 적정온도에 도달하면 병렬연결로 절환되어 PCT 발열체에 구동초기의 발열 시 전기적 저항의 감소로 인하여 급격하게 전류가 증가되는 것을 제한하므로서, 별도의 추가 부품을 사용하지 않고 발열체 자체 저항을 이용하여 돌입전류를 방지할 수 있도록 한 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로는, 전기발열체의 돌입전류 방지를 위한 회로에 있어서, 일측의 전극이 서로 공통 연결되는 복수개의 PTC 발열체와, 상기 PTC 발열체의 발열온도가 기설정 온도에 도달했는 지를 감지하기 위한 온도센서, 및 상기 복수개의 PTC 발열체의 타측 전극 사이에 연결되며, 상기 온도센서의 감지결과에 따라 "온(ON)/오프(OFF)"되어 상기 복수개의 PTC 발열체의 직병렬 회로 구성을 절환시키는 릴레이를 포함하며, 상기 릴레이는 구동 초기의 발열온도가 기설정 온도에 도달하기 전에는 복수개의 PTC 발열체를 직렬회로로 구성하여 돌입전류를 방지함을 특징으로 한다.
본 고안의 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로는, 릴레이 스위치를 이용하여 구동 초기에는 PTC 발열체들간에 직렬연결로 구성되어 발열되고 이후 발열체가 적정온도에 도달되면 병렬연결로 절환되어 PTC 발열체 구동 초기의 발열시 전기적 저항의 감소로 인하여 급격하게 전류가 증가되는 것을 제한함으로써, 돌입전류를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.
이로 인하여, 대용량 부품을 사용하지 않아도 되고, 돌입전류를 방지하기 위한 추가부품의 장착없이 전기발열체에 대한 제어 관련 경제성과 안전성을 확보할 수 있으며, 사용자가 사용용도에 맞게 다양하게 회로 설계를 할 수 있다는 편리성을 갖는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 본 고안에 따른 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 돌입전류 방지회로는 전원부(10)와, 메인스위치(20), 복수개의 PTC 발열체(30,40), 그리고 릴레이(50)로 구성된다.
전원부(10)는 AC 220V의 상용전원 공급원이지만, 적용 제품에 따라 DC 전압 공급원이 될 수도 있다.
복수개의 PTC 발열체(30,40)는 일측의 전극(33,43)이 서로 공통 연결되며, 타측의 전극(31,41) 사이에 릴레이(50)가 연결되게 되고, 복수개의 ＰＴＣ 발열체(30,40)중 어느 하나의 ＰＴＣ 발열체에 온도센서를 내장시킨다. 본 실시예에서 는, 제 1PTC 발열체(30) 내부에 온도센서(35)가 탑재된다.
릴레이(50)는 마그네틱 코일로 된 기계식이나 전자접촉기(SSR)로 된 전자식 모두 가능하며, 본 실시예에서는 마그네틱 코일로 된 기계식 릴레이 스위치를 사용한다.
이러한 구성을 갖는 도 1 회로의 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체 돌입전류 방지동작에 대해 도 2a 및 2b를 통해 구체적으로 설명한다.
메인스위치(20)가 "온(ON)"되는 동작 초기에는 메인스위치(20)를 통해 전원부(10)의 AC 220V의 전원이 제 1PTC 발열체(30) 측에 공급되게 된다. 이때, 제 1PTC 발열체(30)를 구성하는 다수의 PTC소자들이 공급되는 전원에 의해 발열하게 되며, 온도센서(35)는 발열 온도를 감지한다. 온도센서(35)는 제 1PTC 발열체(30)의 발열온도가 기설정온도에 도달하기 전까지 "턴-온(turn-on)" 상태가 되어 릴레이(50)측으로 전원을 전달하여 릴레이(50)를 "온(ON)" 시킨다. 본 실시예에서는 구이판에 적용하려는 목적으로 회로 설계 및 구이판의 재질에 따른 열전도성을 고려하여 온도센서(35)의 온도를 130℃ "오프(OFF)" 센서로 설정하였다.
제 1PTC 발열체(30)의 온도센서(35)를 통해 전달되는 전원에 의하여 릴레이(50)의 2번과 5번단자(②,⑤)에 있는 마그네틱 코일에 전류가 도통되면, 이 마그네틱 코일에 자기력이 발생되고, 이 자기력에 의하여 7번과 8번단자(⑦,⑧)가 각각 4번과 6번단자(④,⑥)에 접속된다. 따라서, 전원부(10) 측에 연결되어 있는 릴레이(50)의 8번단자(⑧)에 6번단자(⑥)가 접속되고, 접지 측에 연결되어 있는 릴레이(50)의 7번단자(⑦)에 4번단자(④)가 접속됨에 따라 릴레이(50)의 6번단자(⑥)와 4번단자(④) 측에 연결되어 있는 제 1PTC 발열체(30)와 제 2PTC 발열체(40)가 직렬로 회로를 구성하여 발열하게 된다. 여기서, 복수개의 PTC 발열체(30,40)가 직렬로 회로를 구성함으로써 저항값이 2배로 증가하게 되어 돌입전류가 제한되게 된다. 물론, 돌입전류가 제한됨에 따라 발열량이 줄어들게 되어 발열시간이 증가하게 되지만 대신 도 2b와 같이 돌입전류 현상이 감소하게 된다.
도 2a 및 2b는 도 1의 돌입전류 방지회로를 적용하기 전 및 후의 상태를 각각 보여주는 그래프로, 가로축은 시간(sec), 세로축은 전류(A)를 각각 나타낸다.
도 2a 및 2b를 비교하여 살펴보면, 도 1의 돌입전류 방지회로를 적용하기 전에는 구동초기에 전류가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있는 반면, 적용 후에는 돌입전류(A)가 거의 발생되지 않는 것을 볼 수 있다.
한편, 제 1PTC 발열체(30)에 있는 온도센서(35)가 발열 온도를 감지하여 기설정온도에 도달했으면 "턴-오프(turn-off)" 상태가 되어 릴레이(50)측으로의 전원 전달을 차단시켜 릴레이(50)를 "오프(OFF)" 시킨다.
그러면, 릴레이(50)의 7번과 8번단자(⑦,⑧)가 각각 1번과 3번단자(①,③)에 접속된다. 따라서, 전원부(10) 측에 연결되어 있는 릴레이(50)의 8번단자(⑧)에 3번단자(③)가 접속되고, 접지 측에 연결되어 있는 릴레이(50)의 7번단자(⑦)에 복수개의 PTC 발열체(30,40) 측에 공통 연결되어 있는 릴레이(50)의 1번단자(①)가 접속됨에 따라 제 1 및 제 2PTC 발열체(30,40)가 병렬로 회로를 구성하여 발열하게 된다.
이는 세라믹 ＰＴＣ의 고유특성인 정온특성 즉, 온도가 상승되면 저항값이 증가하는 특성을 역으로 이용한 것으로, 구동초기에 기설치된 복수개의 ＰＴＣ 발열체를 직렬회로로 구성하여 발열체에 메인전원을 인가하기 전에 발열체 자체 온도를 상승시켜 돌입전류가 발생되지 않는 환경을 조성한 것이다.
따라서, 본 고안은 릴레이 스위치를 이용하여 PTC 발열체들의 직병렬 회로 구성에 의해 과도한 초기 돌입전류 유입을 방지하도록 함으로써, 전기계통의 손상 및 부하를 최소화하는 것이 가능하다. 아울러, 회로가 단순해지므로 설계 자유도가 상승하고 유지보수가 용이해지는 장점을 제공한다.
이상, 본 고안을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 고안의 기술적 사상의 범위 내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 고안에 따른 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로를 나타내는 구성도,
도 2a-2b는 도 1의 돌입전류 방지회로 적용 전 및 후를 비교하여 보여주는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전원부 20 : 메인스위치
30,40 : PTC발열체 35 : 온도센서
50 : 릴레이

Claims (4)

  1. ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지를 위한 회로에 있어서,
    일측의 전극이 서로 공통 연결되는 복수개의 PTC 발열체;
    상기 복수개의 PTC 발열체중 하나의 PTC 발열체에 내장되어, PTC 발열체의 발열온도가 기설정 온도에 도달했는 지를 감지하기 위한 온도센서; 및
    상기 복수개의 PTC 발열체의 타측 전극 사이에 연결되며, 상기 온도센서의 감지결과에 따라 "온(ON)/오프(OFF)"되어 상기 복수개의 PTC 발열체의 직병렬 회로 구성을 절환시키는 릴레이를 포함하며,
    상기 릴레이는
    구동 초기의 발열온도가 기설정 온도에 도달하기 전에는 복수개의 PTC 발열체를 직렬회로로 구성하여 돌입전류를 방지함을 특징으로 하는 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 온도센서는 상기 복수개의 PTC 발열체중 제 1PTC 발열체에 탑재되며, 구동 초기 제 1PTC 발열체의 발열온도가 기설정 온도에 도달하기 전까지 "온(ON)"되어 상기 릴레이를 "온(ON)"시키고, 제 1PTC 발열체의 발열온도가 기설정 온도에 도달하면 "오프(OFF)"되어 상기 릴레이를 "오프(OFF)"시킴을 특징으로 하는 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 릴레이는 "온(ON)" 상태에서 상기 제 1PTC 발열체 측에 연결되는 단자에 전원입력단자가 접속되고, 제 2PTC 발열체 측에 연결되는 단자에 접지단자가 접속되어, 제 1 및 제 2PTC 발열체를 직렬로 회로 구성하여 저항값을 증가시켜 돌입전류를 방지함을 특징으로 하는 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 릴레이는 "오프(OFF)" 상태에서 상기 제 2PTC 발열체 측에 연결되는 단자에 전원입력단자가 접속되고, 제 1 및 제 2PTC 발열체의 공통 연결단자에 접지단자가 접속되어, 제 1 및 제 2PTC 발열체를 병렬회로로 절환시킴을 특징으로 하는 릴레이를 이용한 ＰＴＣ 발열체의 돌입전류 방지회로.
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