KR20060106476A - 정전압 유지 및 과전류 차단 기능을 구비한 회로보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전원과 부하사이에 개재되는 회로보호장치에 대한 것으로서, 상기 부하와 병렬 연결되는 정전압 소자; 상기 부하와 정전압 소자의 연결 노드의 일측과 전원사이에 직렬연결되는 PTC소자 ;를 포함하고, 상기 정전압 소자로부터 발생한 열이 상기 PTC 소자로 전도되도록 상기 PTC 소자와 정전압 소자는 열적으로 연결된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, PTC 소자 및 정전압소자를 채택하여 과전류 또는 과전압으로부터 회로를 보호하되, 전류는 작지만 전압은 항복전압보다 커서 정전압소자가 발열되는 경우에도 PTC 소자가 트립될 수 있어 PTC 소자가 정전압 소자의 손상을 방지한다.

PTC 소자, 정전압 소자, 제너다이오드

Description

정전압 유지 및 과전류 차단 기능을 구비한 회로보호장치{Electrical protection device for maintaining constant voltage and breaking overcurrent}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 2는 다른 종래 기술에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로보호장치의 개략적인 구성을 도시하는 분해사시도.

도 5는 도 4의 회로보호장치를 도시하는 사시도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200,300,400,500,600...회로보호장치 130...PTC 소자

210,310...보조 PTC 소자 140, 640...정전압 소자

150...기판 160...캡

본 발명은 회로보호장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 정전압을 일정하게 유지할 수 있을 뿐 아니라, 과전류를 한류 또는 차단하여 회로를 보호하는 회로보호장치에 관한 것이다.

일반적으로 송, 배전 등 전력계통에 고장 및 사고가 발생하는 경우 정상적인 상시전류의 10배 이상이 되는 과전류가 흐를 수 있다. 이러한 경우에 대한 대비책으로써 차단기나 한류기가 널리 사용된다. 한류기란 전력계통에서 발생하는 과전류 를 제한하고 차단하는 것으로서, 일반적으로 PTC(Positive temperature coefficient) 소자를 이용하여 구현한다.

PTC 소자는 상온에서는 저항이 낮아 전류를 잘 통과시킨다. 그러나 주위의 온도가 상승하거나 허용치 이상의 전류가 유입되어 자체적인 주울열에 의해 임계온도 이상으로 그 온도가 상승할 경우 저항이 수백 배 혹은 그 이상으로 급격히 상승되어 전류를 제한한다. 따라서 이를 이용하여 회로를 구성할 경우 과전류에 의한 회로의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 PTC 소자를 이용한 회로보호장치의 일 예(미국특허 제 6,349,022호) 를 도시한다. 도 1에 도시된 회로에 과전류가 흐르게 되면 PTC 소자(3)와 물리적으로 접촉하고 있는 센서소자(5)가 발열체로 작동하여 PTC 소자(3)의 온도를 임계온도 이상으로 상승시켜 회로를 트립시킨다. 그러나 이러한 회로보호 장치는 PTC 소자를 작동시키기 위해 별도의 센서소자(5)를 마련하여 발열시켜야 하므로, 센서소자(5)가 전력 손실의 주원인이 되는 문제점이 있다.

도 2는 PTC 소자를 이용한 회로보호장치의 다른 예(미국특허 제 5,864,458호)를 도시한다. 도 2에 도시된 회로에 과전류가 흐르면 PTC 소자(30)의 저항이 상승하여 회로를 트립시키며, 제너다이오드(40)는 부하(2) 양단에 정전압을 유지시킨다. 그런데 PTC 소자(30)의 한류작용을 유발하는 전류보다 작은 전류가 회로에 흐르는 상태에서 과전압이 제너다이오드(40)의 양단에 인가되면 제너다이오드(40)가 과열되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 트립 가능한 전류값이 낮은 PTC 소자를 사용할 수 있지만, 이러한 경우 초기저항 값이 높아지게 되어 전력손실이 발생하며 부하(2)에 흐를 수 있는 전류가 작아지게 된다. 이를 해결하기 위하여 최대전력손실이 높은 제너다이오드를 사용할 수 있는데, 이러한 경우에는 장치 전체의 크기가 증가하고 제너다이오드의 방열구조가 별도로 요구되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, PTC 소자 및 정전압소자를 채택하여 과전류 또는 과전압으로부터 회로를 보호하되, 전류는 작지만 전압은 항복전압보다 커서 정전압소자가 발열되는 경우에도 PTC 소자가 트립될 수 있는 회로보호장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회로보호장치는 전원과 부하사이에 개재되는 회로보호장치에 있어서, 상기 부하와 병렬 연결되는 정전압 소자; 상기 부하와 정전압 소자의 연결 노드의 일측과 전원사이에 직렬연결되는 PTC소자 ;를 포함하고, 상기 정전압 소자로부터 발생한 열이 상기 PTC 소자로 전도되도록 상기 PTC 소자와 정전압 소자는 열적으로 연결된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 정전압 소자는 제너다이오드로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 금속단자를 구비하는 기판; 상기 제1 및 제2 금속단자와 전기적으로 연결되면서 상기 기판 상에 마운트되는 제너다이오드; 상기 제너다이오드와 접촉하면서 상기 제1 금속단자 상에 마운트되는 PTC 소자; 및 제3 금속단자를 구비하고 상기 제너다이오드를 수납하며 접촉하도록 상기 PTC 소자 상에 결합하되, 상기 제3 금속단자는 PTC 소자와 전기적으로 연결되는 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 상기 정전압 소자와 직렬로 연결된 보조 PTC 소자;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 PTC 소자와 정전압 소자의 연결노드와 부하사이에, 직렬로 연결된 보조 PTC 소자;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 교류전원에 연결되는 경우 상기 정전압 소자는 양방향 전류에 대응하여 상호 반대방향으로 연결되는 한 쌍이 구비되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 회로보호장치(100)를 도시하는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 회로보호장치(100)는 전원(1)과 부하(2) 사이에 연결된 PTC 소자(130)와 상기 부하(2)와 병렬 연결된 정전압 소자(140)를 포함한다.

PTC 소자(130)는 상술한 바와 같이 주위 온도 상승에 따라 특정온도 값에서 전기저항이 급격히 상승하여 전력계통에서 과전류를 억제하는 소자이다. PTC 소자(130)는 정격전압, 차단하고자 하는 사고전류 등 사용환경에 따라 적절한 물성을 가지는 소자를 사용할 수 있는데, 본 실시예에서는 PTC 소자 저항의 급격한 상승이 일어나는 트립 온도는 80 내지 140℃ 인 것이 바람직하다. 또한 25℃에서 비저항이 0.01 내지 5Ωcm 이며, 트립 온도보다 약 20℃ 가량 높은 온도에서는 비저항이 100 Ωcm이상이 되는 소자를 사용한다. 상기 PTC 소자(130)는 PTC 특성을 갖는 폴리머 또는 세라믹 계열의 재료로 구성될 수 있다. 하지만 본 발명이 이러한 특성을 가진 PTC 소자로 한정되는 것이 아님은 물론이다.

상기 정전압 소자(140)는 전기 회로에서 부하의 변동 등에 의해 전류가 변화해도 일정한 전압을 유지할 수 있는 소자이다. 상기 정전압 소자(140)는 상기 PTC 소자(130)와 열적으로 연결된다. 따라서 정전압 소자(140)에서 열이 발생하면 PTC 소자(130)측으로 전도되고, 그 결과 PTC 소자(130)의 온도가 임계온도 이상으로 상승하면 PTC 소자에 의해 회로가 트립된다.

여기서, 상기 정전압 소자(140)에서 발생하는 열이 PTC 소자(130)로 보다 효과적으로 전도되도록 정전압 소자(140)와 PTC 소자(130)의 접촉면적이 최대한 넓도록 하는 것이 바람직하다.

바람직하게 상기 정전압 소자(140)는 제너다이오드로 한다. 제너다이오드는 역방향으로 전압을 가했을 때 전류가 거의 흐르지 않다가 어느 이상의 고전압을 가하면 제너항복(Zener breakdown)이 일어나 갑자기 전류가 흐르는 특성이 있다. 그리고 제너항복이 일어나면 제너다이오드에 흐르는 전류가 증가하더라도 전압은 일정하게 유지되므로 부하(2)에 인가되는 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로보호장치(100)의 구체적인 구성을 도시하는 분해사시도이고, 도 5는 도 4의 회로보호장치(100)가 조립된 모습을 보여주는 사시도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 회로보호장치는, 제1 및 제2 금속단자(151, 152)를 구비하는 기판(150)과, 상기 제1 및 제2 금속단자(151, 152)에 전기적으로 연결되도록 상기 기판(150) 상에 견고하게 마운트된 제너다이오드(140) 와, 상기 제너다이오드(140)에 상응하는 폭을 가진 U자형 요홈을 구비하는 한편, 요홈의 대향하는 내 측면에 의해 제너다이오드(140)의 측벽을 감싸도록 상기 제1 금속단자(151) 상에 마운트되는 PTC 소자(130)와, 상기 PTC 소자(130)의 U자형 요홈을 통하여 돌출되는 제너다이오드(140)가 긴밀하게 수납되는 공간과 제3 금속단자(163)를 구비하고 상기 PTC 소자(130)의 상부면에 견고하게 결합되는 캡(160)을 포함한다.

여기서, 상기 PTC 소자(130)는 PTC 특성을 가지는 물질층을 사이에 두고 금속 재질의 상부 및 하부 전극 플레이트가 라미네이팅된 구조를 가진다. 그리고, 상기 캡(160)은 열전도 특성이 우수한 알루미늄이나 구리와 같은 금속 재질로 구성하며, 상기 제3 금속단자(163)는 캡(160)과 일체로 구성한다.

상기 제너다이오드(140)의 동작 과정에서 발생되는 열의 일부는 PTC 소자(130)에 구비된 U자형 요홈의 내 측면을 통하여 직접적으로 PTC 소자(130)에 전달되고 대부분의 열은 1차로 제너다이오드(140)의 측벽과 긴밀하게 접촉하고 있는 캡(160)으로 전달된 후 2차로 PTC소자(130)로 전달된다.

상기와 갖은 구성을 갖는 회로보호장치(100)는 예컨데 제2 및 제3 단자(152, 163)에 전원을 연결하고, 제1 및 제2 단자(151, 152)에 부하를 연결하여 사용한다. 비록 상기 회로보호장치(100)의 구체적인 구성이 본 실시예에서 개시되었으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 상기 정전압소자(140)에서 발생한 열이 PTC 소자(130)에 직접적으로 전도될 수 있도록 하는 다양한 변형예가 채용 가능한 것으로 이해되어야 한다.

이하 상기와 같은 구성을 갖는 회로보호소자의 작동에 대해 설명한다.

회로에 정상전류가 흐르는 경우에 PTC 소자(130)는 비저항이 작은 상태를 유지하므로, 정상전류를 통전시킨다. 또한 정전압 소자(140)는 부하(2)에 맞는 정격전압을 일정하게 유지시킨다.

이 때, 사고 등으로 인한 과전류가 회로에 인가되면 PTC 소자(130)는 발열에 의한 온도상승으로 급속하게 저항이 상승하여 회로를 트립시킨다. 따라서 부하측으로 과전류가 흐르지 않게 된다.

한편, PTC 소자(130)를 트립시킬 정도의 과전류 보다는 작지만 정전압 소자(140)의 정격전압보다는 큰 전압이 인가되어 정전압 소자가 발열하는 경우, 정전압 소자(140)에서 발생된 열은, PTC 소자(130)측으로 전도된다. 따라서 PTC 소자(130)는 전도된 열에 의해 저항이 상승하여 회로가 트립되며 이에 따라 정전압 소자(140)를 보호하게 된다. 따라서 최대전력손실이 작은 정전압 소자(140)를 채용하여도 정전압 소자(140)에서 발생된 열이 PTC 소자(130)에 의해 흡수되므로 별도의 방열 구조를 필요로 하지 않는다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도들이다. 도 6 내지 도 9에서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리키므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 6 내지 도 8에 도시된 회로보호장치(200, 300, 400)는 정전압소자(140)와 직렬로 연결된 보조 PTC 소자(210) 및/또는 상기 PTC 소자(130)와 정전압 소자(140)의 연결노드와 부하사이에 직렬로 연결된 보조 PTC 소자(310)를 더 포함한다.

상기 보조 PTC 소자(210, 310)는 회로보호장치의 과전류 차단 기능과 정전압소자(140)의 보호기능을 강화시킨다. 바람직하게, 상기 보조 PTC 소자(210, 310)는 정전압소자(140)와 열적으로 연결된다.

도 9에 도시된 회로보호장치(500)는 상기 정전압 소자(140)와 직렬로 연결된 저항소자(510)를 더 포함한다. 상기 저항소자(510)는 정전압 소자(140)에 역전압이 항복전압을 초과하여 과도하게 인가되어 전류가 허용치 이상으로 흐르는 경우 전압을 분배시킴으로써 정전압 소자(140)에 흐르는 전류를 제한하여 정전압 소자(140)의 손상을 방지한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회로보호장치를 도시하는 회로도이다. 도 10에서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리키므로 그 상세한 설명은 생략한다.

도 10에 도시된 회로보호장치(600)는 교류전원(10)에 연결된다. 이러한 경우 전류의 방향이 주기적으로 변화하게 되는데 그렇다 하더라도 부하(2)에 걸리는 전압을 일정하게 유지시켜 줄 필요가 있다. 따라서 상기 정전압 소자 예컨데 제너다이오드(140, 640) 2개를 극성이 서로 반대가 되도록 직렬 연결한다. 그러면 회로보호장치(600)가 교류전원에 투입되었을 때도 부하(2)에 정전압을 인가할 수 있다. 본 실시예에서도 보조 PTC 소자가 앞서 설명한 실시예들과 동일하게 응용되어 채택될 수 있음은 당연하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지 식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 회로보호장치는 PTC 소자 및 정전압 소자를 채택하여 과전류 또는 과전압으로부터 회로를 보호하는 것 뿐 아니라, 전류는 작지만 전압은 항복전압보다 커서 정전압소자가 발열되는 경우에도 PTC 소자가 트립될 수 있어 PTC 소자가 정전압 소자의 손상을 방지할 수 있다. 따라서 별도의 방열장치 없이도 최대전력손실이 작은 정전압 소자가 채택될 수 있어 회로보호장치의 경박단소화가 가능하다.

Claims (8)

1. 전원과 부하사이에 개재되는 회로보호장치에 있어서,

   상기 부하와 병렬 연결되는 정전압 소자;

   상기 부하와 정전압 소자의 연결 노드의 일측과 전원사이에 직렬연결되는 PTC소자 ;를 포함하고,

   상기 정전압 소자로부터 발생한 열이 상기 PTC 소자로 전도되도록 상기 PTC 소자와 정전압 소자는 열적으로 연결된 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정전압 소자는 제너다이오드인 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
3. 제1 및 제2 금속단자를 구비하는 기판;

   상기 제1 및 제2 금속단자와 전기적으로 연결되면서 상기 기판 상에 마운트되는 제너다이오드;

   상기 제너다이오드와 접촉하면서 상기 제1 금속단자 상에 마운트되는 PTC 소자; 및

   제3 금속단자를 구비하고, 상기 제너다이오드를 수납하며 접촉하도록 상기 PTC 소자 상에 결합하되, 상기 제3 금속단자는 PTC 소자와 전기적으로 연결되는 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 정전압 소자와 직렬로 연결된 보조 PTC 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 PTC 소자와 정전압 소자의 연결노드와 부하사이에, 직렬로 연결된 보조 PTC 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 PTC 소자와 정전압 소자의 연결노드와 부하사이에, 직렬로 연결된 보조 PTC 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 정전압 소자와 직렬로 연결된 저항소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

   교류전원에 연결되는 경우, 상기 정전압 소자는 양방향 전류에 대응하여 상호 반대방향으로 연결되는 한 쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 회로보호장치.

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