KR20110012117A - 온도 보상이 가능한 아크 검출기 - Google Patents

온도 보상이 가능한 아크 검출기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아크 검출기에 관한 것으로서, 일면에 따른 아크 검출기는 중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(Line re-sistor)과, 선로 저항에 걸린 전압을 증폭시켜 제1 증폭 전압을 출력하는 제1 증폭부와, 제1 증폭 전압이 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 변화되는 것을 보상하여 주변 온도 변화에 대해 일정한 전압의 제2 증폭 전압을 출력하는 제2 증폭부와, 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 검출하는 검출부, 그리고 검출된 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 근거로 아크 발생 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
아크 검출, 중성선 선로, 온도 보상

Description

온도 보상이 가능한 아크 검출기{ARC DETECTING DEVICE DOING TEMPERATURE COMPENSATION}
본 발명은 온도 보상이 가능한 아크 검출기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선로 저항에 걸린 전압이 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 변화하는 것을 보상하고, 온도 보상된 전압을 통해 아크를 검출하는 온도 보상이 가능한 아크 검출기에 관한 것이다.
산업화된 현대 사회에서 전기는 사람들의 삶을 편하고 윤택하게 해주고 있다. 이러한 전기의 사용이 증가됨에 따라 전기로 인한 화재가 빈번하게 발생하여 재산상의 손실 및 인적 피해가 늘어나고 있다. 이러한 피해를 예방하기 위하여 누전차단기 등의 설치가 의무화되었으나 전기로인한 화재는 감소 되지않고 있다.
전기로 인한 화재의 발생 빈도를 줄이기 위해 전기화재의 발생 원인을 조사한 결과, 전기화재는 화재가 발생하기 전에 일차적 증후로 아크(Arc)를 발생시킨다는 것을 알게 되었다. 또한, 이렇게 발생된 아크(Arc)에 의해 전기화재가 발생할 수도 있다는 것을 알게 되었다. 따라서, 전기로 인한 화재의 발생을 줄이기 위해서는 아크(Arc)가 발생하였는지 여부를 검출하고, 아크가 발생하였을 경우, 이를 차 단하는 것이 무엇보다 중요하게 되었다.
아크를 검출하는 방식에는 변류기(CT : Current Transformer)를 이용하여 1차 측에 흐르는 전류를 감지하는 전류 검출 방식이 있었다.
본 발명은 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 전압이 변화하는 것을 보상하고 보상된 전압을 검출하여 아크 발생 여부를 판단하는 온도 보상이 가능한 아크 검출기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 아크 검출기는 중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(Line resistor); 상기 선로 저항에 걸린 전압을 증폭시켜 제1 증폭 전압을 출력하는 제1 증폭부; 상기 제1 증폭 전압이 상기 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 변화되는 것을 보상하여 상기 주변 온도 변화에 대해 일정한 전압의 제2 증폭 전압을 출력하는 제2 증폭부; 상기 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 검출하는 검출부; 및 검출된 상기 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 근거로 아크 발생 여부를 판단하는 판단부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 전압이 변화하는 것을 보상하고 보상된 전압을 검출하여 아크 발생 여부를 판단할 수 있어서 아크가 발생할 경우, 이를 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기를 설명하기 위한 블럭도이고, 도 2는 도 1의 제1 증폭부 및 제2 증폭부를 나타낸 회로도이고, 도 3은 온도 보상부를 나타낸 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기(500)는 중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(Line register, 510), 제1 증폭부(520), 제2 증폭부(530), 검출부(540) 및 판단부(550)를 포함한다.
중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(510)은 차단기 등의 내부 전선과 기계적 결합을 위해 별도의 금속 재질의 부재를 이용하여 기구적으로 구성 제작된 중 성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항일 수 있고, 전원 공급부(200)로부터 부하(400)로 전원이 공급되는 선로 상에 구비되는 선로 저항일 수 있다. 전원 공급부(200)와 부하(400) 사이에 직렬 연결된 선로 저항(510)은 스위치(100)가 온되어 전원 공급부(200)로부터 부하(400)에 교류 전원이 인가될 경우, 양단에 전압이 걸릴 수 있다.
중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(510)은 도 2에 도시된 바와 같이, RNT일 수 있다. 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도는 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도 변화에 따라 변화될 수 있고, 선로 저항(510)의 주변 온도 변화[예컨대, 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도가 기설정된 기준 온도보다 높거나 낮게 되는 것]에 따라 선로 저항(510, RNT)에 걸린 전압 또한 변화될 수 있다. 여기서 선로 저항(510)은 정 온도계수(PTC : Positive Temperature Coefficient)를 갖을 수 있다.
AC/DC 컨버터(300)는 교류 전원이 인가되면, 인가된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원을 아크 검출기(500)에 인가할 수 있다. 아크 검출기(500)에 포함된 제1 증폭부(520), 제2 증폭부(530), 검출부(540) 및 판단부(550)는 AC/DC 컨버터(300)로부터 인가된 직류 전원에 의해 동작할 수 있다.
제1 증폭부(520)는 AC/DC 컨버터(300)로부터 직류 전원을 인가받아 선로 저항(510, RNT)에 걸린 전압을 증폭시켜 제1 증폭 전압(Vin)으로 출력할 수 있다. 즉, 제1 증폭부(520)는 선로 저항(510, RNT)에 비례하는 제1 증폭 전압(VIN)을 출력할 수 있다.
제2 증폭부(530)는 제1 증폭 전압(VIN)이 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도 변화에 따라 변화되는 것을 보상하는 온도 보상부(531)를 포함할 수 있다. 제2 증폭부(530)는 제1 증폭 전압(VIN)이 온도 보상되어 온도 보상부(531)로부터 출력되면, 온도 변화에 대해 일정한 전압의 제2 증폭 전압(VOUT)을 출력할 수 있다. 즉, 제2 증폭부(530)는 제1 증폭 전압(VIN)을 입력받아 선로 저항(510, RNT)에 비례하고 온도 보상부(531)의 내부 가변 저항(Req)에 반비례하는 제2 증폭 전압(VOUT)을 출력할 수 있다.
온도 보상부(531)는 바이어스부(532) 및 가변 저항(533)을 포함할 수 있다.
바이어스부(532)는 도 3에 도시된 바와 같이, 온도에 따라 제어되는 기준 전압(Vref)을 입력받아 바이어스 전압(Vb)을 출력할 수 있다. 즉, 바이어스부(532)는 절대 온도(T)에 비례하는 기준 전압(Vref)이 인가되면, 바이어스 전압(Vb)을 출력할 수 있다.
가변 저항(533)은 바이어스 전압(Vb)에 따라 가변되는 저항값(Req)을 갖을 수 있고, 전류 미러 회로로 구성될 수 있다.
이하에서는 제2 증폭부에서의 온도보상 방식을 수식을 통해 표현한다.
제2 증폭부(530)의 증폭도는 도 2에 되시된 회로로부터 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046693629-PAT00001
수학식 1에서와 같이, 제2 증폭부(530)의 제2 증폭 전압(VOUT)은 중성선 선로의 선로 저항(510, RNT)과 온도 보상부(531)에 포함된 저항값(Req)의 비로써 결정될 수 있다. 따라서, 온도 보상부(531)에 포함된 가변 저항(533)의 저항 온도계수(TC : Temperature Coefficient)를 선로 저항(510, RNT)의 온도계수(TC)와 같은 정 온도계수(PTC)의 특성을 갖도록 온도 보상부(531)의 회로를 도 3에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다.
온도 보상부(531)의 가변 저항(533, Req)은 도 3에 도시된 회로(533) 상의 다이오드 열전압, 즉 써멀 볼티지(Thermal Voltage, VT)와 도 3에 도시된 회로(532) 상의 외부저항(REXT ) 에 흐르는 전류(I)로 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046693629-PAT00002
수학식 2를 보다 구체적으로 설명하면, 써멀 볼티지(Thermal Voltage, VT) 는 볼쯔만 상수(k)와 절대온도(T)에 비례하고, 전하량(q)에 반비례하므로, 써멀 볼티지(Thermal Voltage, VT)는 kT/q로 나타낼 수 있다.
외부저항(REXT ) 에 흐르는 전류(I)는 도 3에 도시된 회로(532)로부터 기준전압(V REF) / 외부정항(REXT)으로 나타낼 수 있다.
수학식 2를 근거로, 가변 저항(533, Req)은 바이어스부(532)에 포함된 외부저항(REXT)에 비례하고, 기준전압(Vref)에 반비례함을 알 수 있다.
수학식 2로부터 바이어스부(532)로 입력되는 기준전압(Vref)은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046693629-PAT00003
수학식 3에서와 같이, 기준 전압(Vref)은 절대온도(T)에 비례하므로, 기준 전압(Vref)을 조절하여 온도 보상부(531)의 온도에 따른 변화율이 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도에 따른 변화율과 동일하도록 설정할 수 있다.
중성선 선로의 선로 저항(RNT)과 가변 저항(533, Req)이 같은 온도계수를 갖기 위한 온도 특성 식은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 선로 저항(RNT)/ 가변 저항(533, Req)은 온도가 변하더라도 일정하게 유지되어야 한다. 이를 만족시키는 기준 전압(Vref)을 구하기 위해, 온도계수를 고려하여 선로 저항(RNT)을 수학식 2로 표시된 가변 저항(533, Req)으로 나누면, 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112009046693629-PAT00004
Figure 112009046693629-PAT00005
여기서 CRNT은 RNT의 온도계수이고, CVREF은 VREF의 온도계수이고, CVT은 VT의 온도계수이고, CREXT은 REXT의 온도계수이고, CRNT는 RNT의 온도계수이고, CREXT 은 REXT의 온도계수이다.
수학식 4를 근거로 제2 증폭부(530)에서 출력되는 제2 증폭 전압(VOUT)이 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도 변화에 따른 영향을 받지 않으려면 수학식 4는 상수(constant)이어야 하므로, 기준 전압(Vref)의 온도 특성 식은 수학식 5, 수학식 6 및 수학식 7과 같이 설정될 수 있고,
Figure 112009046693629-PAT00006
Figure 112009046693629-PAT00007
Figure 112009046693629-PAT00008
수학식 5,6 및 7을 근거로 기준 전압(Vref)의 온도계수를 구하면 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009046693629-PAT00009
즉, 기준전압(Vref)의 온도 특성계수는 -4.113mV/℃의 값을 갖을 수 있다.
수학식 8을 근거로 기준전압(Vref)의 온도에 따른 전압 특성 식은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009046693629-PAT00010
수학식 9를 근거로 기준전압(Vref)은 절대온도(T)에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 기준전압(Vref)을 온도에 따라 조절함으로써, 제2 증폭부(530)의 제2 증폭 전압(VOUT)이 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도 변화에 영향을 받지 않고 일정한 전 압을 출력하도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기(500)는 선로 저항(510, RNT)의 주변 온도 변화에 영향을 받지 않고, 일정한 증폭 전압(VOUT)을 출력할 수 있고, 출력된 전압을 검출하여 아크가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있어서 아크가 발생할 경우, 이를 정확하게 검출할 수 있다.
한편, 검출부(540)는 레벨 검출부(541) 및 파형 검출부(542)를 포함할 수 있고, 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨 또는 파형을 검출할 수 있다.
레벨 검출부(541)는 제2 증폭부(530)를 통해 증폭된 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨을 검출할 수 있다.
파형 검출부(542)는 제2 증폭부(530)를 통해 증폭된 제2 증폭 전압(VOUT)의 파형을 검출할 수 있다.
예컨대, 검출부(540)는 제2 증폭부(530)를 통해 출력된 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨 또는 파형을 검출할 수 있다. 검출부(540)의 전압 검출 범위는 기설정될 수 있고, 검출부(540)는 기설정된 범위 내에서만 전압의 레벨 또는 파형을 검출할 수 있다. 즉, 아크 발생으로 판단될 수 있는 전압의 레벨 또는 파형은 테스트를 통해 측정될 수 있고, 이러한 측정값을 통해 검출부(540)에서 검출하는 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨 또는 파형의 검출 범위를 좁혀 설정할 수 있다. 기설정된 범위에서만 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨 또는 파형을 검출할 수 있도록 함으로써, 검출 부(540)가 아크 신호를 정확하고 빠르게 검출하도록 할 수 있다.
판단부(550)는 아크 정의부(541) 및 아크 확인부(542)를 포함할 수 있고, 검출부(540)를 통해 검출된 제2 증폭 전압(VOUT)의 레벨 또는 파형을 근거로 아크 발생 여부를 판단할 수 있다.
아크 정의부(551)는 기설정된 전압의 레벨 및 파형 중 적어도 하나와 검출된 전압을 비교할 수 있다.
아크 확인부(552)는 아크 정의부(541)의 비교 결과를 근거로 아크가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다.
예컨대, 판단부(550)는 검출된 제2 증폭 전압(VOUT)을 기설정된 전압의 레벨 및 파형 중 적어도 하나와 비교할 수 있다. 비교결과, 검출된 값이 기설정된 값 중 적어도 하나를 초과할 경우, 판단부(550)는 아크가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기(500)는 Bi-polar 공정을 이용하여 주문형 반도체(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)로 제작될 수 있고, Bi-polar 반도체 공정을 사용하여 주문형 반도체(ASIC)로 아크 검출기(500)를 설계할 경우, 온도 보상 방안으로 정 온도계수(PTC) 특성의 Bias 회로의 구성 방안을 제시할 수 있다. 또는 제2 증폭부(530)만을 Bi-polar 공정을 이용하여 주문형 반도체(ASIC)로 제작할 수도 있다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 검출기를 설명한 블럭도.
도 2은 도 2의 제1 증폭부 및 제2 증폭부의 회로도.
도 3는 온도 보상부의 회로도.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100 : 스위치 200 : 전원 공급부
300 : AC/DC 컨버터 400 : 부하
500 : 아크 검출기 510 : 중성선 선로의 선로 저항
520 : 제1 증폭부 530 : 제2 증폭부
531 : 온도 보상부 532 : 바이어스부
533 : 가변 저항부 540 : 검출부
550 : 판단부

Claims (6)

  1. 중성선 선로(Neutral Wire)의 선로 저항(Line resistor);
    상기 선로 저항에 걸린 전압을 증폭시켜 제1 증폭 전압을 출력하는 제1 증폭부;
    상기 제1 증폭 전압이 상기 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 변화되는 것을 보상하여 상기 주변 온도 변화에 대해 일정한 전압의 제2 증폭 전압을 출력하는 제2 증폭부;
    상기 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 검출하는 검출부; 및
    검출된 상기 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 근거로 아크 발생 여부를 판단하는 판단부
    를 포함하는 아크 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 증폭부는 상기 선로 저항에 비례하는 상기 제1 증폭 전압을 출력하고,
    상기 제2 증폭부는,
    상기 제1 증폭 전압이 상기 선로 저항의 주변 온도 변화에 따라 변화되는 것을 보상하는 온도 보상부를 포함하되,
    상기 제1 증폭 전압을 입력받아 상기 선로 저항에 비례하고 상기 온도 보상 부에 포함된 가변 저항에 반비례하는 상기 제2 증폭 전압을 출력하고,
    상기 가변 저항의 온도에 따른 변화율은 상기 선로 저항의 상기 주변 온도에 따른 변화율과 동일한 것인 아크 검출기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 온도 보상부는,
    온도에 따라 제어되는 기준 전압을 입력받아 바이어스 전압을 출력하는 바이어스부; 및
    상기 바이어스 전압에 따라 가변 되는 저항값을 갖는 가변 저항
    을 포함하는 것인 아크 검출기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변 저항은 전류 미러 회로로 구성되는 것인 아크 검출기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는 검출된 상기 제2 증폭 전압의 레벨 또는 파형을 기설정된 전압의 레벨 또는 파형과 비교하고, 상기 비교결과 검출된 값이 기설정된 값 중 적어도 하나를 초과할 경우, 상기 아크가 발생한 것으로 판단하는 것인 아크 검출기.
  6. 제1항에 있어서,
    Bi-Polar 공정을 이용하여 주문형 반도체(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)로 제작되되,
    상기 주문형 반도체 내에 온도 계수 특성의 바이어스 회로가 포함되어 온도 보상이 수행되는 것인 아크 검출기.
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