KR20130021552A - 부하의 이상 상황을 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 접속 장치 - Google Patents

부하의 이상 상황을 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 접속 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 전원 접속 장치는, 미세 아크 검출부, 전원 차단부와 검출 신호 수신부를 포함하며 추가로 대전류 아크 검출부를 더 포함할 수 있다. 미세 아크 검출부는 전원 선로에 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류에 의해 고주파 초크 코일에 유기되는 전압에 따라 제1 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제1 스위칭 소자가 도통되는 동안에 출력하는 아크 검출 전류를 지연 커패시터에 소정의 시정수를 가지고 누적적으로 충전시키며, 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 미세 아크 검출 신호를 출력할 수 있다. 전원 차단부는 부하 측과 전원 선로를 전기적으로 연결하거나 단절시킬 수 있고, 검출 신호 수신부는 미세 아크 검출 신호의 수신 여부에 따라 전원 차단부를 구동할 수 있다. 대전류 아크 검출부는 전원 선로에 대전류 아크로 인해 전원 선로에 삽입된 교류 저항에 전압이 유기되고, 유기된 전압에 의해 검출 커패시터에 충전된 전압이 소정의 레벨에 이르면 대전류 아크 검출 신호를 출력할 수 있다.

Description

부하의 이상 상황을 감지하여 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 접속 장치{ELECTRIC POWER SOCKET CAPABLE OF CIRCUIT-BREAKING AT VARIOUS FAILURES OF ELECTRIC LOADS}
본 발명은 전원 접속 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 부하에 발생할 수 있는 다양한 이상 상황의 감지 시에 전력 공급을 차단할 수 있는 전원 접속 장치에 관한 것이다.
가정용 또는 산업용으로 전기 장치들을 사용할 때에, 전원 선로의 불량, 접지 불량, 부하의 고장, 사용자의 실수 등의 원인으로 발생하는 이상 상황들은 선로의 단락, 부하의 과전류, 아크 등의 다양한 형태로 나타난다.
속칭 콘센트(power outlet 또는 socket)나 멀티탭(multi strip 또는 power board)으로 불리는 전원 접속 장치들은 이상 상황을 감지하는 기능이 아예 없거나, 있더라도 몇몇 제한된 이상 상황, 예를 들어 누전을 감지할 경우 전원 공급을 차단하는 단독 기능만 갖추고 있어서, 다른 이상 상황을 검출하지 못하는 경우가 많고 전기 재해를 예방하는 데에 한계가 있다.
예를 들어, 전기 누전은 통상적으로 화재의 원인으로 알려져 있지만, 누전이 전력 낭비나 감전 사고의 원인이 될 가능성이 크다고 할지라도 실제로 누전 현상으로 인해 화재가 일어날 가능성은 크지 않다. 따라서 전기 누전을 검출하는 전원 접속 장치의 경우, 전기 누전을 검출하여 전원을 차단하는 기능만으로는 화재를 방지하는 효과를 발휘하기 어렵다.
오히려, 전기 화재는 전기 선로나 전기 기기의 이상으로 인한 아크의 불꽃에 의해 주변의 인화 물질이 착화하거나, 부하에 많은 전류가 흐르는 과부하로 인한 과전류에 의한 과열 때문에 발생하거나, 부하 자체의 과전류가 아니더라도 부하에 연결되는 말단 전원 선로가 단락을 일으킬 경우에 그 선로가 용량이 작은 일종의 부하로써 작용하면서 생기는 과열에 의해 발생하는 경우가 많다.
그런데, 화재의 원인이기는 하지만, 아크는 전원 스위치를 올리거나 플러그를 꽂거나 뺄 때도 쉽게 관찰되는 현상이기 때문에 아크를 검출하였을 때에 무조건 전원을 차단한다면 전기 기기를 제대로 사용할 수 없을 것이다. 따라서, 과부하를 감지하는 기능을 기본적으로 가지면서, 사용자가 전원을 켜거나 끌 때 생길 수 있는 짧은 아크는 무시하면서 화재의 원인이 될 수 있는 연속적인 아크를 검출하여 전원을 차단할 수 있는 전원 공급 장치가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 화재를 발생시킬 수 있는 연속적인 전압형 미세 아크와 대형 전류형 아크를 검출할 수 있는 전원 접속 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전원 접속 장치는
전원 선로에 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류에 의해 고주파 초크 코일에 유기되는 전압에 따라 제1 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제1 스위칭 소자가 도통되는 동안에 출력하는 아크 검출 전류를 지연 커패시터에 소정의 시정수를 가지고 누적적으로 충전시키며, 상기 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 미세 아크 검출 신호를 출력하는 미세 아크 검출부;
부하 측과 상기 전원 선로를 전기적으로 연결하거나 단절시킬 수 있는 전원 차단부; 및
상기 미세 아크 검출 신호의 수신 여부에 따라 상기 전원 차단부를 구동하는 검출 신호 수신부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 미세 아크 검출부는,
상기 고주파 초크 코일, 애노드가 한 전원 선로에 접속된 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 고주파 초크 코일 사이에 연결된 커패시터, 그리고 캐소드가 다른 전원 선로에 접속된 제2 다이오드 및 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 아크 검출 회로를 포함하며,
상기 고주파 초크 코일은 일단이 고주파 정류용 다이오드를 통해 상기 제1 스위칭 소자의 제어 단자와 상기 커패시터에 공통적으로 연결되고, 타단이 상기 제1 스위칭 소자의 접속 단자와 상기 제2 다이오드에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 지연 회로는
상기 아크 펄스 검출 신호의 적어도 일부를 상기 지연 커패시터로 유도하는 저항; 및
상기 지연 커패시터에 누적적으로 충전된 전압이 소정 레벨에 이르면 도통하면서 상기 미세 아크 검출 신호를 흘리는 정전압 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 검출 신호 수신부는
제어 단자에 상기 미세 아크 검출 신호가 수신되면 접속 단자들이 전기적으로 연결되는 커플링 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 전원 차단부는
상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되는 릴레이; 및
상기 전원 선로에 삽입되며 단자 1 위치에서 부하 측에 연결되는 제2 스위치를 포함하며,
상기 릴레이는, 상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되면, 상기 제2 스위치를 단자 1 위치에서 이탈시켜 부하에 대한 전원 공급을 차단할 수 있다.
일 실시예에 따라서,
상기 제2 스위치는 단자 1 위치에서는 부하 측에 연결되고 단자 2 위치에서는 상기 릴레이에 연결되며,
상기 릴레이는, 상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되면, 상기 제2 스위치를 단자 1 위치에서 단자 2 위치로 절환하도록 동작하여, 부하에 대한 전원 공급을 계속적으로 차단할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 전원 차단부는,
상기 제2 스위치의 단자 2 위치와 상기 릴레이 사이에 삽입되며, 상기 릴레이가 동작 중에 있을 때에 닫히면, 상기 릴레이의 동작이 중단되고 상기 제2 스위치가 단자 1 위치로 절환되도록 하는 복귀 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 제2 스위치는 상기 전원 선로에 과전류가 흐르면 과열되면서 단자 1 위치에서 이탈하는 바이메탈 스위치일 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 전원 접속 장치는,
상기 전원 선로에 대전류 아크로 인해 상기 전원 선로에 삽입된 교류 저항에 전압이 유기되고, 상기 유기된 전압에 의해 검출 커패시터에 충전된 전압이 소정의 레벨에 이르면 대전류 아크 검출 신호를 출력하는 대전류 아크 검출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라서, 상기 대전류 아크 검출부는
상기 교류 저항에 유기된 전압에 의해 상기 검출 커패시터에 충전된 전압에 따라 도통되면 상기 대전류 아크 검출 신호를 출력하는 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 전원 접속 장치에 따르면, 전선 및 전기 기구 등의 이상 상태, 즉 연결 불량, 단락에 의한 합선, 접속 불량, 과부하 등으로 인하여 발생할 수 있는 스파크, 아크, 과부하와 과열로 인한 화재 등의 재해를 하나의 전원 접속 장치로써 방지할 수 있다.
특히, 전기 기구 내부에서 일어날 수 있는 미세 아크도 감지할 수 있고, 대형 전류형 아크도 감지하여 대처할 수 있다.
나아가, 접지 라인을 필요로 하지 않고 단상 교류 선로에 간단히 적용할 수 있어 가정용 및 산업용 전원 접속 장치에 폭넓게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 미세 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 전원 차단부를 예시한 회로도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치를 예시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치를 구체적으로 예시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 전원 접속 장치(10)는 통상적으로 건물 벽체에 설치되어 있는 속칭 콘센트(power outlet)에 삽입할 입력 플러그(11)와, 전기 부하 장치의 플러그를 삽입할 소켓(12), 그리고 플러그(11)와 소켓(12) 사이에 연결된 미세 아크 검출부(13), 대전류 아크 검출부(14), 검출 신호 수신부(15), 전원 차단부(16)를 포함할 수 있다.
먼저, 각 구성요소들을 간략히 소개하면 다음과 같다.
기본적으로 과부하 시에 전원 차단부(16)가 과전류를 검출하여 전력 공급을 차단할 수 있다. 만약 소켓(12)에 삽입되어 교류 전력을 공급받는 전기 부하 장치에서 과전류가 흐르면, 전원 차단부(16)가 플러그(11)와 소켓(12) 사이의 연결을 차단한다.
다음으로, 전기 부하 장치에서 전압형 미세 아크가 발생할 경우에, 미세 아크 검출부(13)가 전원 선로 상의 미세 아크로 인한 고주파 펄스가 검출될 때마다 아크 검출 전류를 출력할 수 있다.
만약 검출된 전압형 아크가 화재 유발 가능성이 있는 지속적인 미세 아크라면, 아크 검출 전류들의 누적 신호가 소정의 기준 전압 레벨보다 높아지고, 이에 따라 미세 아크 검출 신호(A1)가 생성된다. 미세 아크 검출부(13)는 미세 아크 검출 신호(A1)를 검출 신호 수신부(15)에 출력한다. 반면에 만약 검출되는 미세 아크가 일시적이고 순간적인 아크라면 누적 신호는 시간이 지남에 따라 사라진다.
만약, 전기 부하 장치에 한두 번의 발생으로도 화재를 일으킬 수 있는 대규모의 전류형 아크가 발생할 경우에, 대전류 아크 검출부(14)가 대전류 아크로 인해 전원 선로에 나타나는 유기 교류 전압 및 고주파 펄스 전류를 검출할 수 있다. 만약 검출된 유기 교류 전압 및 고주파 펄스 전류가 소정 크기 이상일 경우에, 대전류 아크 검출부(14)는 대전류 아크 검출 신호(A2)를 검출 신호 수신부(15)에 출력한다.
검출 신호 수신부(15)는 미세 아크 검출부(13) 및 대전류 아크 검출부(14)로부터 출력되는 아크 검출 신호들(A1, A2) 중 하나에 따라 닫힌다. 실시예에 따라, 검출 신호 수신부(15)는 두 아크 검출부들(13, 14)을 전원 차단부(16)와 전기적으로 절연할 수 있는 예를 들어, 포토커플러 또는 릴레이와 같은 커플링 소자로써 구현될 수 있다.
검출 신호 수신부(15)가 닫히면 전원 차단부(16)가 동작되며, 플러그(11)와 소켓(12) 사이의 전기적 연결이 단절된다. 예를 들어, 전원 차단부(16)는 플러그(11)와 소켓(12) 사이의 도선에 삽입된 릴레이(161)를 포함하며, 검출 신호 수신부(15)의 동작에 의해 이러한 릴레이(161)를 활성화함으로써 부하에 대한 전력 공급을 차단시킬 수 있다.
일단 전원 차단부(16)가 부하에 전력 공급을 차단하면 그러한 차단 상태는 플러그(11)로부터 외부에서 전력이 전원 차단부(16)에 공급되는 한 또는 복귀 스위치(SW3)가 작동하지 않는 한 계속된다. 만약 플러그(11)를 벽체 콘센트에서 분리하거나 또는 복귀 스위치(SW3)를 작동시켜 전원 차단부(16)에 전력 공급을 중단하면, 전원 차단부(16)는 차단 동작 이전 상태로 복귀한다.
먼저 도 1 및 도 3을 참조하여 미세 아크 검출부(13)의 구성과 동작을 좀더 상세하게 설명하면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 미세 아크 검출부에 대한 구체적인 회로도를 예시한 것이다.
미세 아크 검출부(13)는 양 전원 선로(AC1, AC2) 사이에 연결되어 전원 선로에 미세 아크로 인한 고주파 펄스를 검출하고, 이러한 고주파 펄스의 검출에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)를 도통시키며, 제1 스위칭 소자(Q1)가 도통되는 동안 출력하는 아크 검출 전류들을 소정의 시정수를 가진 지연 커패시터에 누적적으로 충전시키며, 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 미세 아크 검출 신호를 출력한다.
만약 교류 전원 선로나 부하에서 발생한 아크로 인해 교류 전압 신호에 고주파 펄스 전류가 발생하면, 미세 아크 검출부(13)는 두 전원 선로로부터 고주파 펄스 전류 성분을 검출할 수 있다.
미세 아크는 플러그를 꽂거나 뺄 때에나, 전원 스위치를 켜고 끌 때에 순간적으로 일어날 수 있고, 전기 부하나 선로의 이상으로 인해 미세한 스파크가 수 초 이내에 연속적으로 발생할 수도 있는데, 전자의 경우에는 전원을 차단하지 말아야 하거나 차단할 필요가 없지만 후자의 경우에는 화재의 위험이 있으므로 전원을 차단하여야 한다.
미세 아크 검출부(13)는 고주파 펄스 전류를 검출하고, 검출된 고주파 펄스가 소정 시간 이상 지속되면 미세 아크 검출 신호(A1)를 출력한다. 이를 위해, 아크 검출부(13)는 필터 회로(131), 아크 검출 회로(132), 지연 회로(133)를 포함한다.
필터 회로(131)는 전원 선로와 아크 검출 회로(132) 사이에 연결되어 정상적인 상용 전원의 교류 성분은 통과시키지만 부하 측에서 발생한 미세 아크에 의한 고주파 펄스가 계통 측으로 전파되는 것을 저지하며, 또한 미세 아크로 인한 고주파 펄스가 미세 아크 검출부(13)의 동작을 촉발할 수 있도록 보조할 수 있다.
이를 위해 필터 회로(131)는 교류 선로에 병렬로 연결된 제1 커패시터(C1) 및 각각 직렬로 연결된 두 인덕터(L1, L2)로 구성될 수 있다. 제1 인덕터(L1)와 제2 인덕터(L2)는 고주파 인덕터로써, 일정 주파수 이상의 고주파의 통과를 저지할 수 있다.
구체적으로, 필터 회로(131)에서, 교류 선로(AC1, AC2)의 입력 측 양단에, 또는 부하 측 양단에 제1 커패시터(C1)와 인덕터(L1, L2)를 삽입함으로써, 부하 측에서 발생한 고주파 펄스가 입력 플러그(11) 측의 계통(grid)으로 전파되는 것을 억지하고, 또한 입력 플러그(11) 측에서 올 수 있는 외부의 고주파 서지를 저지함으로써 전원 접속 장치(10)가 파손되는 것을 막을 수 있다.
정상적인 상태에서는 제1 커패시터(C1) 양단에는 미세 아크 검출부(13)의 동작을 촉발할 수 있는 고주파 전압이 나타나지 않는다. 하지만 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류가 발생할 경우, 고주파 펄스 전류는 제1 및 제2 인덕터(L1, L2)를 통과하지 못하고 제1 커패시터(C1)의 양단에서 강한 고주파 펄스 전압의 형태로 나타난다.
한편, 필터 회로(131)는 외부로부터 전달되는 서지를 흡수할 수 있도록 입력 플러그(11) 측의 전원 선로에 병렬로 연결된 TNR(비선형 가변 저항기(NVR: non-linear variable resistor)의 일종으로서 TNR은 상표명)을 더 포함할 수 있다.
하지만 필터 회로(131)의 필터 정수는 아크 발생에 따른 20MHz 이상의 고주파 펄스 성분을 감쇄시키지 않도록 결정되어야 한다. 부하나 선로에서 발생한 미세 아크는 대체로 수 kHz에서 수 GHz까지의 주파수 성분을 가진 펄스 전류로 발현한다. 그러한 고주파 펄스 전류는 교류 선로를 타고 전파되다가, 필터 회로(131)에서 저지되고 필터 회로(131) 내의 제1 커패시터(C1)에서 고주파 펄스 전압의 형태로 나타나며, 이 고주파 펄스 전압이 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 통해 아크 검출 회로(132)에 인가되면서 아크 펄스의 발생이 검출될 수 있다.
아크 검출 회로(132)는 전원 선로 사이에 직렬로 연결된 제1 다이오드(D1), 제2 커패시터(C2), 제3 인덕터(L3), 제2 다이오드(D2)를 포함한다. 제3 인덕터(L3)는 고주파 초크(choke) 소자로 구현될 수 있으며, 제1 단자는 제2 커패시터(C2)와 제3 다이오드(D3)의 역방향 단자에 연결되고, 제3 다이오드(D3)의 순방향 단자와 제3 인덕터(L3)의 제2 단자는 각각 제1 스위칭 소자(Q1)의 입력으로 인가된다. 고주파 초크 코일 소자인 제3 인덕터(L3)는 고주파 교류 신호에 대해 높은 임피던스를 가지기 때문에 아크 펄스에 의한 고주파 펄스 전압이 인가되면 양단에 전압차를 발생시킨다. 정상 상태에서는 제3 인덕터(L3)는 저주파 교류 전압을 통과시키며 양단에 전압차가 형성되지 않는다.
평상 시에는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)에 의해 교류 전원 전압이 정류되면서 제2 커패시터(C2)에는 직류 전압이 고정적으로 유지되고, 제3 인덕터(L3)는 전류가 흐르지 않는 상태로 유지된다. 제3 인덕터(L3)에 직렬 연결된 제3 다이오드(D3)에도 전류가 흐르지 않으며 제1 스위칭 소자(Q1)의 양 입력의 전압차는 없다.
아크 펄스가 전파되면, 아크 검출 회로(132)는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)와 제2 커패시터(C2)를 통해 아크 펄스의 전류를 통과시키지만 고주파 초크로 구현되는 제3 인덕터(L3)는 이 고주파 전류 성분에 의해 제3 인덕터(L3) 양단에 소정의 전압차를 일시적으로 유기시킨다. 제3 다이오드(D3)는 고주파 정류 다이오드로서 제3 인덕터(L3)의 고주파 전압을 정류하여 좀더 안정적으로 제1 스위칭 소자의 제어 단자에 인가한다. 제3 인덕터(L3) 양단의 전압차는 제3 다이오드(D3)에 의해 정류된 후에 제1 스위칭 소자(Q1)의 제어 단자(단자 1)에 인가되어 제1 스위칭 소자(Q1)를 도통시키며, 전원 선로로부터 제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 3와 단자 2를 통해 전류가 흐를 수 있는 경로가 일시적으로 형성된다.
이러한 방식으로 아크 검출 회로(132)는 미세 아크의 발생 시마다 제1 스위칭 소자(Q1)의 단자 2와 단자 3의 일시적인 도통으로 인한 펄스 형태의 아크 검출 전류를 일으킨다.
이어서, 미세 아크가 소멸하면서 고주파 펄스가 사라지면 제3 인덕터(L3)가 그 양단에 일으킨 전압차도 사라지며, 제1 스위칭 소자(Q1)는 다시 비활성되고, 아크 검출 전류도 소멸한다.
한편, 미세 아크의 고주파 펄스 전류가 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 통과할 때에 저주파 대역은 통과하지 못하며 다이오드(D1, D2)의 역저지 주파수 범위 이상의 고주파 대역만 통과하는데, 이 펄스 전류가 다시 제2 커패시터(C2)를 거치면 수십 MHz 이상의 고주파 성분만 남게 된다. 이에 따라, 부하의 사용으로 인해 생길 수 있는 수 kHz에서 수천 kHz 정도의 노이즈 성분은 아크 검출에 배제되고, 전원 접속 장치(10)의 오동작이 최소화될 수 있다.
아크 검출 회로(132)가 출력하는 아크 검출 전류는 지연 회로(133) 내의 지연 커패시터(1331)를 충전한다. 지연 회로(133)는 연속적인 아크에 의한 아크 검출 전류들이 인가되면서 충전되는 지연 커패시터(1331)의 전압 레벨이 소정의 기준 전압을 초과하면 검출 신호 수신부(15)를 도통시킬 수 있는 미세 아크 검출 신호(A1)를 생성한다.
이때, 지연 회로(133)는 한두 차례의 짧은 아크가 발생할 경우에는, 지연 커패시터(1331)에 충전된 전압 레벨이 소정의 기준 전압을 초과하지 못하기 때문에 아크 검출 신호(A1)를 생성하지 못한다.
나아가, 더 이상 아크가 발생하지 않으면 지연 커패시터(1331)에 연결된 저항(1332)에 의해 지연 커패시터(1331)가 시간이 지나면서 조금씩 방전되도록 구성된다.
이렇게 하여 아크 검출부(13)는 위험성이 크지 않은 한두 차례의 순간적이거나 인위적인 아크는 무시하면서 실제 화재의 위험성이 큰 연속적인 미세 아크를 정확하게 검출할 수 있다.
한편, 지연 회로(133)의 지연 커패시터(1331)에서 안정적인 충전이 이루어질 수 있도록, 전원 선로의 교류 전압을 평활하여 직류 동작 전압을 지연 커패시터(1331)의 애노드에 제공하는 직류 동작 전압 생성 회로(134)가 더 포함될 수 있다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 아크 검출 회로(132)의 제1 스위칭 소자(Q1)에서 출력된 아크 검출 전류는 아크 펄스가 검출될 때마다 실질적으로 아크 펄스와 유사한 파형을 가지고 발생할 수 있으며, 지연 회로(133)에 인가되면 지연 회로(133) 내의 제4 커패시터(C4)의 충전을 야기한다. 제4 커패시터(C4)의 충전에 걸리는 시간은 제2 저항(R2)의 가변 저항 값에 의해 조절할 수 있다.
만약 충분히 연속적인 아크 펄스가 존재하지 않으면, 제1 스위칭 소자(Q1)가 오프되면서 아크 검출 전류가 더 이상 흐르지 않으며, 그때까지 제4 커패시터(C4)에 충전된 전하는 제2 및 제3 저항(R2, R3)에 의해 천천히 방전될 수 있다.
만약 충분히 연속적인 아크 펄스의 존재로 인해 아크 검출 전류가 지속적으로 발생하면 제4 커패시터(C4)의 양단에 소정의 기준 전압보다 충분히 높은 전압이 유기될 수 있고, 이에 따라 미세 아크 검출 신호(A1)가 생성될 수 있다.
예를 들어 도 3에서 아크 검출 전류가 지속적으로 흐르면 제3 및 제4 커패시터(C3, C4)가 계속 충전되고, 제4 커패시터(C4) 양단의 전압이 예를 들어 제너 다이오드(zener diode)로 구현될 수 있는 제5 정전압 다이오드(D5)의 항복 전압보다 높아질 수 있는데, 이 경우 제5 다이오드(D5)가 도통되면서 검출 신호 수신부(15)를 동작시킬 미세 아크 검출 신호(A1)가 생성된다.
한편, 제5 다이오드(D5)와 직렬로 연결된 제6 다이오드(D6)는 역방향 전류를 억지하기 위한 용도이다.
또한, 제4 다이오드(D4) 및 제1 저항(R1)은 전원 선로의 전압에 비해 지연 회로(133)에 적절한 전압 강하를 제공하고 전류의 역류를 방지하며, 제3 커패시터(C3)의 충전 속도를 제어하기 위함이다.
이어서, 도 1 및 도 4를 참조하여 대전류 아크 검출부(14)의 구성과 동작을 좀더 상세하게 설명하면, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 대전류 아크 검출부를 예시한 회로도이다.
대전류 아크가 발생하면서 소켓(12)에서 입력 플러그(11) 측으로 펄스 전류가 흐르면, 검출 저항(141)의 양단에 소정의 전압이 유기된다. 유기된 전압은 검출 저항(141)의 양단에 병렬로 연결된 검출 커패시터(142)를 충전시키고, 검출 커패시터(142)의 충전 전압이 소정 전압 레벨 이상이면 대전류 아크 검출부(14)는 대전류 아크 검출 신호(A2)를 생성할 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 대전류 아크가 발생하면서 검출 저항(RL)의 양단에 전압이 유기된다. 검출 저항(RL)은 전원 선로에 코일을 몇회 감은 교류 저항으로서 아주 작은 임피던스를 가지며, 평소의 교류 전원이나 동작 노이즈에는 존재를 드러내지 않는다. 만약 전원 선로에 전류형 아크 펄스가 흐르면 검출 저항(RL)에는 코일이 갖는 임피던스에 의해 약간의 교류 전압이 유기된다.
검출 저항(RL)에 유기된 전압은 제9 및 제10 다이오드(D9, D10)을 통과하면서 제6 커패시터(C6)를 충전시킨다. 제6 커패시터(C6)의 전압 신호는 제8 다이오드(D8)에서 정류되면서 제2 스위칭 소자(Q2)의 단자 1에 인가되고, 제2 스위칭 소자(Q2)를 일시 도통시킨다. 일시적으로 도통된 제2 스위칭 소자(Q2)의 단자 3에서 단자 2로 전류가 일시적으로 흐를 수 있게 되는데, 이 전류 펄스가 검출 신호 수신부(15)를 동작시킬 대전류 아크 검출 신호(A2)로 이용될 수 있다.
한편, 제5 커패시터(C5)는 제2 스위칭 소자(Q2)의 단자 2와 단자 3의 도통이 있을 시에, 제2 스위칭 소자(Q2)의 단자 2에서 맥류를 억지하여 제4 다이오드(D4)와 제10 다이오드(D10)에 의해 대전류 아크 검출 신호(A2)가 안정적인 직류 전류로서 흐를 수 있게 만들기 위함이다.
제5 저항(R5)은 대전류 아크 검출 신호의 전류 크기를 제한하고, 제7 다이오드(D7)는 역방향 전류를 억제할 수 있다. 제6 커패시터(C6)에 충전된 전압은 제6 저항(R6)에서 점차 방전되면서 원 상태로 돌아갈 수 있다. 제6 커패시터(C6)의 전압이 낮아지면 제2 스위칭 소자(Q2)도 다시 비활성된다.
이어서, 도 1 및 도 5를 참조하여 전원 접속 장치(10)의 검출 신호 수신부(15), 전원 차단부(16)의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 접속 장치의 전원 차단부를 예시한 회로도이다.
도 1에서 검출 신호 수신부(15)는 미세 아크 검출 신호(A1) 또는 대전류 아크 검출 신호(A2)가 발생할 경우에 닫히면서, 전원 차단부(16)의 릴레이(161)를 구동시킨다.
릴레이(161)는 평시에는 제2 스위치(SW2)를 단자 1의 위치에 유지하지만, 구동 시에는 코일(162)의 자화에 의해 제2 스위치(SW2)를 단자 2 위치로 절환시킬 수 있다.
이때, 릴레이(161)는 자기 유지 릴레이로 구현될 수 있다. 이 경우, 자기 유지 릴레이(161)는, 동작 신호가 사라지면 원 위치로 복귀하는 보통의 교류 릴레이와 달리, 동작 신호가 인가되어 단자 2 위치로 절환된 후에 그 동작 신호가 사라지더라도 절환된 단자 2 위치를 스스로 유지할 수 있다.
전원 선로에 삽입된 제2 스위치(SW2)는 정상 상태에서는 단자 1의 위치에서 입력 플러그(11) 측과 소켓(12) 측을 전기적으로 연결하지만, 자기 유지 릴레이(161)에 의해 절환되면 단자 2의 위치에서 입력 플러그(11) 측과 자기 유지 릴레이(161)를 전기적으로 연결한다.
자기 유지 릴레이(161)의 코일(162)은 일측이 검출 신호 수신부(15)를 통해 전원 선로와 제2 스위치(SW2)의 단자 2에 연결되어 있다. 검출 신호 수신부(15)가 도통되면, 코일(162)이 자화되면서 자기 유지 릴레이(161)가 전원 선로에 삽입된 제2 스위치(SW2)를 단자 1에서 단자 2로 절환시키며, 소켓(12) 측에 대한 전원 공급을 차단시키면서 동시에 단자 2로부터 코일(162)에 전류를 계속 흐를 수 있게 한다. 이로써 일단 자기 유지 릴레이(161)가 구동되면, 입력 플러그(11)에서 전원이 연결되어 있는 한, 이후에 아크 검출 신호들(A1, A2)가 비활성되더라도 자기 유지 릴레이(161)는 계속 구동하면서 부하 측에 대한 전원 공급을 차단할 수 있다.
복귀 스위치(SW3)는, 만약 사용자가 이를 누를 경우에, 자기 유지 릴레이(161)가 구동된 상태에서 제2 스위치(SW2)의 단자 2와 자기 유지 릴레이(161)의 전기적 연결을 차단한다. 따라서 복귀 스위치(SW3)가 오프되면 코일(162)에 흐르던 전류가 끊기고, 자기 유지 릴레이(161)의 동작이 중단되고, 코일(162)에 의한 자기력으로 단자 2에 절환되어 있던 제2 스위치(SW2)가 단자 2에서 다시 단자 1로 절환되며, 부하 측에 전력 공급이 재개될 수 있다.
한편, 도 5에서 구체적으로 설명하면, 검출 신호 수신부(15)는 포토커플러 스위치(SW1) 또는 통상적인 릴레이로도 구현될 수 있다. 이 경우, 미세 아크 검출 신호(A1) 또는 대전류 아크 검출 신호(A2)가 활성화되었을 때에 포토커플러 스위치(SW1) 내부의 발광 다이오드에 동작 전류가 흐르면서 발광하고, 수광 다이오드가 광을 수신하면서 통전된다. 만약 릴레이로 구현될 경우에는 미세 아크 검출 신호(A1) 또는 대전류 아크 검출 신호(A2)가 활성화되었을 때에 릴레이 스위치가 닫히면서 통전된다. 포토커플러나 릴레이의 특성상, 양단이 전기적으로 절연되므로, 아크 검출 신호들(A1, A2)의 생성이나 소멸이 전원 차단부(16)의 동작에 의해 영향을 받지 않는다.
포토커플러 스위치(SW1)의 수광 다이오드가 통전되면, 자기 유지 릴레이(161)를 구성하는 일종의 솔레노이드 코일인 제4 인덕터(L4)(즉, 코일(162))에 전류가 흐른다.
제4 인덕터(L4)는, 전류가 흐르면 자성코어에 형성되는 강한 자기장이 제2 스위치(SW2)를 움직여 단자 1에서 단자 2의 위치로 절환시킴으로써, 전원 선로가 부하와 전기적, 물리적으로 단절되도록 할 수 있다.
제2 스위치(SW2)의 단자 2는 전류를 제한하는 제4 저항(R4)와 복귀 스위치(SW3)를 거쳐 자기 유지 릴레이(161)를 구성하는 제4 인덕터(L4)에 연결되어 있다. 따라서, 전원 선로가 제2 스위치(SW2)의 절환에 의해 단자 2에 연결되면, 아크 검출 신호들(A1, A2)이 사라져 포토커플러 스위치(SW1)가 오프되더라도, 자기 유지 릴레이(161)를 구성하는 제4 인덕터(L4)에 전류가 계속 흐를 수 있다.
한편, 제2 스위치(SW2)는 바이메탈 스위치로 구현될 수 있으며, 이 경우 단자 1 위치에 있을 때에 부하에 과전류가 흐르면, 바이메탈(163)이 과열되면서 단자 1의 위치에서 단자 2의 위치로 절환될 수 있다. 일단 과열로 전원이 차단되면, 아크가 검출되었을 때와 마찬가지로, 제2 스위치(SW2)가 단자 2로 절환되어 제4 인덕터(L4)에 전류가 흐르면서, 복귀 스위치(SW3)가 열리기 전까지 또는 외부 전력 계통과 입력 플러그(11)가 분리되기 전까지는, 제2 스위치(SW2)의 절환 상태가 유지된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
11 입력 플러그 12 소켓
13 미세 아크 검출부 131 필터 회로
132 아크 검출 회로 133 지연 회로
14 대전류 아크 검출부 141 검출 저항
142 검출 커패시터 15 검출 신호 수신부
16 전원 차단부 161 자기 유지 릴레이
162 코일

Claims (10)

  1. 전원 선로에 미세 아크로 인한 고주파 펄스 전류에 의해 고주파 초크 코일에 유기되는 전압에 따라 제1 스위칭 소자를 도통하며, 상기 제1 스위칭 소자가 도통되는 동안에 출력하는 아크 검출 전류를 지연 커패시터에 소정의 시정수를 가지고 누적적으로 충전시키며, 상기 지연 커패시터의 전압이 소정의 레벨에 이르면 미세 아크 검출 신호를 출력하는 미세 아크 검출부;
    부하 측과 상기 전원 선로를 전기적으로 연결하거나 단절시킬 수 있는 전원 차단부; 및
    상기 미세 아크 검출 신호의 수신 여부에 따라 상기 전원 차단부를 구동하는 검출 신호 수신부를 포함하는 전원 접속 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 미세 아크 검출부는,
    상기 고주파 초크 코일, 애노드가 한 전원 선로에 접속된 제1 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 고주파 초크 코일 사이에 연결된 커패시터, 그리고 캐소드가 다른 전원 선로에 접속된 제2 다이오드 및 상기 제1 스위칭 소자를 포함하는 아크 검출 회로를 포함하며,
    상기 고주파 초크 코일은 일단이 고주파 정류용 다이오드를 통해 상기 제1 스위칭 소자의 제어 단자와 상기 커패시터에 공통적으로 연결되고, 타단이 상기 제1 스위칭 소자의 접속 단자와 상기 제2 다이오드에 연결되는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 지연 회로는
    상기 아크 펄스 검출 신호의 적어도 일부를 상기 지연 커패시터로 유도하는 저항; 및
    상기 지연 커패시터에 누적적으로 충전된 전압이 소정 레벨에 이르면 도통하면서 상기 미세 아크 검출 신호를 흘리는 정전압 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 검출 신호 수신부는
    제어 단자에 상기 미세 아크 검출 신호가 수신되면 접속 단자들이 전기적으로 연결되는 커플링 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전원 차단부는
    상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되는 릴레이; 및
    상기 전원 선로에 삽입되며 단자 1 위치에서 부하 측에 연결되는 제2 스위치를 포함하며,
    상기 릴레이는, 상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되면, 상기 제2 스위치를 단자 1 위치에서 이탈시켜 부하에 대한 전원 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 스위치는 단자 1 위치에서는 부하 측에 연결되고 단자 2 위치에서는 상기 릴레이에 연결되며,
    상기 릴레이는, 상기 미세 아크 검출 신호를 수신한 상기 검출 신호 수신부에 의해 상기 전원 선로에 전기적으로 연결되면, 상기 제2 스위치를 단자 1 위치에서 단자 2 위치로 절환하도록 동작하여, 부하에 대한 전원 공급을 계속적으로 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 전원 차단부는,
    상기 제2 스위치의 단자 2 위치와 상기 릴레이 사이에 삽입되며, 상기 릴레이가 동작 중에 있을 때에 닫히면, 상기 릴레이의 동작이 중단되고 상기 제2 스위치가 단자 1 위치로 절환되도록 하는 복귀 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 제2 스위치는 상기 전원 선로에 과전류가 흐르면 과열되면서 단자 1 위치에서 이탈하는 바이메탈 스위치인 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원 선로에 대전류 아크로 인해 상기 전원 선로에 삽입된 교류 저항에 전압이 유기되고, 상기 유기된 전압에 의해 검출 커패시터에 충전된 전압이 소정의 레벨에 이르면 대전류 아크 검출 신호를 출력하는 대전류 아크 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 대전류 아크 검출부는
    상기 교류 저항에 유기된 전압에 의해 상기 검출 커패시터에 충전된 전압에 따라 도통되면 상기 대전류 아크 검출 신호를 출력하는 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 접속 장치.
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