KR20160013766A

KR20160013766A - 두 개의 로우패스필터를 구비한 서지필터부를 갖는 전자개폐기.

Info

Publication number: KR20160013766A
Application number: KR1020140096018A
Authority: KR
Inventors: 한광수; 윤석원
Original assignee: (주)도일코리아
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-02-05
Also published as: KR101654570B1

Abstract

본 발명은 개폐 또는 스위칭 서지 및 낙뢰 관련 서지(surge)를 처리하기 위한 서지필터부 회로를 갖는 전자개폐기에 관한 것으로, 서지필터부(100)는, 서지임펄스를 클램핑하는 기능을 하는 클램핑부(110), 고주파노이즈를 제거하는 기능을 구비하는 제1로우패스필터부 (120), 제1로우패스필터부 (120)에 포함된 커패시터에 병렬연결되어, 제1로우패스필터부 (120)의 출력신호에 포함된 고주파노이즈를 추가 제거하는 기능을 하는 제2로우패스필터부(130), 제2로우패스필터부(130)에 포함된 커패시터에 병렬연결되고, 고주파노이즈 및 상기 클램핑된 서지임펄스를 감쇠시키는 기능을 하는 소거부(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기를 제공한다.

Description

두 개의 로우패스필터를 구비한 서지필터부를 갖는 전자개폐기.{An electronic switch comprising a surge filter circuit having two low pass filters.}

본 발명은 개폐 또는 스위칭 서지 및 낙뢰 관련 서지(surge)를 처리하기 위한 회로를 갖는 전자개폐기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, MOV 및 두 개의 로우패스필터를 구비한 서지필터부를 통해, 전원신호에 함유되어 있는 서지 및 고주파노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 전자개폐기에 관한 것이다.

옥내에 배선된 전기회로를 개폐하는 것으로 기기의 운전 정지 또는 고장의 점검이나 수리에 필요한 장치로서의 개폐기는 전기설비의 필수 구성요소 중의 하나인데, 개폐기 스위치 접점의 온-오프 시 발생되는 아크 등은 서지(surge)의 일종으로서 전기 안전 및 시스템 안정성에 큰 영향을 미치므로, 이에 대한 분석 및 아크의 영향을 최소화하는 해결방안이 모색되고 있다.

전자개폐기에서, 전류가 흐르고 있는 두 접점이 떨어지려고 할 때, 전류는 극히 좁은 영역에만 집중해서 흐르게 되어, 전류밀도는 국부적으로 접점을 용융시키기에 충분한 에너지를 가지며, 이 에너지에 의하여 접점사이에 용융 가교가 생기게 되어, 접점 간에 파열이 생기고 아크가 형성된다. 일반적인 개폐기의 경우, 1만회 내지 3만회의 스위치 온-오프가 이루어지면, 개폐시 아크에 의해서 접점의 일부가 용융되고 손상되며, 접점주위의 아크흔은 주로 전원측으로 확산되며, 스위치 온-오프 회수가 증가할수록 접점의 손상정도와 아크의 비산정도는 더욱 커지게 되며, 접점지지부분도 아크 열에 의해 기계적 강도가 약화된다.

일반적으로 차단기의 아크는 스위치를 오프할 때가 스위치를 온할 때보다 아크의 비산범위 및 지속시간이 길어서 가연성 물질을 착화시키기 쉬우나, 스위치를 온할 때의 경우도 주변여건에 따라 폭발 및 착화로 이어질 수 있다.

저압용 차단기 및 스위치를 온-오프할 때 발생하는 아크는 고온이지만 수 밀리초 내의 극히 짧은 시간동안 지속되기 때문에 착화되기 어려우나 가연물 중 인화점의 온도가 상대적으로 높은 물질도 수분, 분진, 염수 등에 의해 열화된 경우에 있어서는 착화가능성이 높아지게 된다.

최근에 전술한 스위치접점에서의 아크 등 서지(surge)에 의한 전자기기의 소손이나 컴퓨터 등 정보통신설비의 파손, 오동작 및 전도 등의 피해가 늘면서, 서지보호장치를 내장한 기기의 사용이 늘어나고 있다. 서지(surge)란 라인 또는 회로를 따라서 전달되며, 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적 전류, 전압 또는 전력의 과도파형으로서 정격내전압의 약 150%를 초과하는 전압을 일컫는다. 또한, 노이즈로 발생된 전압의 펄스폭이 200ms 내지 2s 사이로, 어느 정도의 전기적인 에너지를 가진 노이즈라고도 할 수 있다.

서지보호대책기술은 차폐 및 접지, 필터 사용, 비선형소자를 사용하는 방법 등으로 대별되는데, 상용으로 널리 사용되는 것은 개폐기 내부에 소호 구조를 구비하는 유형과 별도의 회로를 구비하는 유형이 존재한다. 전자의 유형에 속하는 종래기술1은, 하우징 내부의 고정접촉자와 가동접촉자의 인접부위에 자성판을 적당한 간격으로 배치하고 절연물로 지지하여 그리드를 만들어두고, 접촉자가 개리하여 아크가 발생하면 아크는 그리드의 안쪽으로 이동하면서 냉각되고, 동시에 각 그리드 사이에서 짧은 아크로 분할되며, 별도의 소호성의 가스 또는 공기가 유입되어 내압의 상승과 함께 아크를 급속히 소멸시키는 원리를 갖는다.

후자의 유형에 속하는 SPD(Serge Protective Device)는 과전압을 감쇄시키는 장치로서 TVSS(Transient Voltage Surge Suppressor)로도 불리며, 어떤 이유로 계통에 서지 전류가 들어올 때, 그 전류가 부하를 통해 흐르지 않고, 임피던스가 낮은 경로, 즉SPD자신을 통해 흐르도록 하여 부하에서 발생하는 전압강하가 과다하게 상승하는 것을 막아서 부하를 보호하려는 것이다. 다시 말하면, 과도한 에너지를 어스로 보내는 경로를 구성하는 것이다. 그 하나의 예로서의 대한민국 등록특허 제 10-1159457(“발명의 명칭 : 서지보호장치”, 이하 종래기술2라 함.)에서는 서지 전류가 인입되는 입력 단자,입력 단자에 연결되는 퓨즈부(150), 퓨즈부(150)를 통해 입력되는 전원을 근거로 동작하는 표시부, 퓨즈부(150)를 통해 입력되는 서지 전류를 출력하는 MOV부 및 접지에 연결되고, 상기 MOV부를 통해 출력된 서지 전류를 상기 접지로 도통시키는 출력 단자를 포함하여 구성되는 서지 보호 장치가 개시되어 있는데, MOV 입력 단자를 통해 서지 전압 또는 서지 전류가 인입될 경우, MOV의 임피던스가 급격히 낮아지고, 상기 인입된 서지 전류를 상기 MOV 출력 단자에 출력하며, 출력단자는 클램핑된 서지전류를 접지로 출력하게 되는 기능을 갖는다.

KR

10-1159457

B1

종래기술1은 개폐기의 하우징 내부에 발생된 아크 또는 스파크를 소거하기 위한 별도의 소거실을 갖는 것을 특징으로 하는데, 발생하는 아크의 임펄스신호를 클램핑하는 등의 처리를 하지 않고, 발생한 아크를 물리적으로 신장하거나 그리드 구조에 의해 분할하고, 별도의 수단을 통해 냉각하는 과정을 통해 소거한다. 즉 발생하는 아크의 크기를 줄이기보다는 아크의 크기는 그대로 둔 상태에서 아크를 처리하는데 초점이 맞춰져 있다. 이렇게 되면, 소거실은 발생된 아크의 높은 에너지를 흡수하기 위해, 그 크기가 커져야 하고, 따라서 이러한 소거실을 포함하고 있는 개폐기의 하우징을 소형화하기가 곤란해진다.

또한, 국내의 기기적합성시험이나 국가규격시험[KSC 4613 및 KSC 8321 등]을 통과하였더라도, 실제 사용환경에서는 인덕턴스 성분이 부하(로드)에 포함되어 있게 되는 경우가 많고, 이 경우 역기전력이 발생되며, 역률저하현상이 생기므로, 아크발생의 측면에서 볼 때, 전술한 시험조건에서보다 더 열악하게 됨을 감안하여야 한다. 이런 상황에서는 개폐기 접점부의 온도가 급격히 올라가 고정 접점부 및 이동 접점부간에 융착이 발생하는데, 이는 접점에서 단락(short)이 일어나고, 발열정도가 심해져 화재의 위험성이 높아지고, 접점저항이 커져 접점의 수명이 급감할 수 있다는 것을 의미한다.

종래기술2에 있어, 구성요소인 MOV는 발생된 서지임펄스를 정격내전압에 대해 소정의 범위, 일례로 정격내전압의 피크(peak)값의 120%를 기준으로 클램핑(clamping)하도록 설정되어 있고, 잔여분은 MOV출력단자를 통해 접지되어 처리되도록 되어 있다. 그런데, 실제 사용환경에서는 접지와 관련된 그라운드임피던스의 존재로 인해, MOV에서 기준치보다 덜 클램핑이 이루어지게 되고, 이렇게 되면 서지임펄스는 비록 클램핑이 되었다고 하더라도, 정격내전압보다 큰 전압값을 가지게 되어, 결국 부하에 손상을 입히게 된다는 문제가 있다. 또한, 접지되어 처리되는 서지임펄스는 다른 장비에 대해 커먼모드(common mode)노이즈, 즉 지중선 회유전류로 작용할 수 있다는 단점도 존재한다. 이러한 커먼모드 노이즈는 접지선과 전원선 사이에서 발생하는 것으로서,

두 전원선 사이로 들어오는 서지에 의한 노이즈가 입력 출력의 라인 간에 나타나는 노멀모드(normal mode) 노이즈와는 또 다른 특성의 문제가 발생한다.

상기의 문제점 및 요구사항에 부응하기 위해 개시되는 본 발명은, 내부에 서지필터부(100)를 구비하고, 양측에 전원입력단과 부하로의 출력단이 형성된 전자식개폐기에 있어서, 서지필터부(100)는, 서지임펄스를 클램핑하는 기능을 하는 클램핑부(110), 고주파노이즈를 제거하는 기능을 구비하는 제1로우패스필터부 (120), 제1로우패스필터부 (120)에 포함된 커패시터에 병렬연결되어, 제1로우패스필터부 (120)의 출력신호에 포함된 고주파노이즈를 추가 제거하는 기능을 하는 제2로우패스필터부(130), 제2로우패스필터부(130)에 포함된 커패시터에 병렬연결되고, 고주파노이즈 및 상기 클램핑된 서지임펄스를 감쇠시키는 기능을 하는 소거부(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기를 제안한다.

또한, 소거부(140)에 서지필터부(100)의 작동 여부를 표시하기 위한 광원소자(145)를 부가할 수 있다..

또한, 제1로우패스필터부 (120)의 전단에 과전류 방지를 위한 퓨즈부(150)를 부가할 수 있다.

본 발명은, 낙뢰 또는 스위치 개폐로 인해 발생하는 서지임펄스에 대한 소거실의 크기를 감소시키거나 제거할 수 있고, 결과적으로 장치 하우징의 크기를 소형화할 수 있다는 제1효과, 접점의 융착을 방지하고, 접점저항의 크기가 급격하게 커지는 것을 방지하여, 접점의 수명을 연장시킨다는 제2효과, 클램핑된 서지임펄스신호를 서지필터부(100)를 통해 감쇠 소산(消散)시킴으로써 그라운드임피던스값과 관계없이, 부하 손상을 방지할 수 있다는 제3효과, 로우패스필터를 구현에 있어, 2개의 필터를 적용하여 구현함으로써, 제조 공정 상 제품 수율(yield)을 높이고, 이를 통해 제조비용을 절감할 수 있다는 제 4효과를 갖는다.

제1효과 및 제2효과와 관련하여서는, 본 발명은 발생한 서지임펄스를 그대로 감수한 뒤 소호하려 하지 않고, 발생한 서지임펄스의 크기를 클램핑요소를 통해 적극적으로 감소시켜, 개폐기에서 과도한 에너지를 소거하려 하지 않기 때문이다.

제3효과와 관련하여서, 본 발명은, 노이즈에 의해 오염된 전원을 처리하여 부하에 가할 수 있고, 부하에 의해 발생하는 노이즈가 전원으로 유입되는 것을 최소화할 수 있어 깨끗한 정현파 전력을 각 부하요소에 공급하여 부하부를 보호하고, 장애를 예방할 수 있다. 또한, 특히 인입선을 통해 작용하는 유도뢰 관련 서지에 대하여서도, 서지전압 클램핑을 구현함에 있어서, 그라운드로 에너지를 흘려보내는 메커니즘이 아니고, 내부에서 소거시키는 방식을 채택함으로써 내부임피던스가 항상 일정하게 되어, 이에 따라 클램핑 전압이 일정하게 되고, 서지가 부하단에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

제 4효과와 관련하여서, 본 발명은 2개의 커패시터를 포함하여 로우패스필터를 구현함으로써, 하나의 커패시터로 구현하는 경우에서보다 필터의 차단특성을 좀더 샤프(sharp)하게 만들 수 있다는 명백한 장점을 갖는다. 즉, 1쌍의LC를 이용해 로우패스필터를 구현하는 경우, 차단주파수보다 큰 주파수에 대해 게인(gain)의 감소율이 -20dB/dec인데 반해, 본 발명의 경우, 감소율은 -40dB/dec가 되어 더욱 효과적으로 고주파 영역에 대한 필터링을 수행할 수 있다. 다시 말하면, 필터의 최종적인Q값이 더 커지게 된다는 것이다. 요구되는 차단주파수 및 차단특성을 갖는 서지필터회로의 양산제조에 있어서도, 본 발명은 1쌍의 LC를 이용하여 구현하는 경우보다 더 큰 수율(yield)를 기대할 수 있게 되고, 이로써, 제조비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

추가로, 본 발명의 개폐기를 사용하는 경우, 설비를 켜거나 끌 때 발생하는 부하단의 손상 등 과도현상의 영향을 최소화할 수 있어, 설비자체가 보유하는 라이프타임(수명)을 현실적으로 구현함을 제공한다.

도 1은 본 발명의 서지필터부의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어 서지필터부의 구성요소를 나타내는 회로도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어, 서지필터부의 특성방정식을 유도하기 위한 회로도.

본 발명은 양측에 전원입력단과 부하출력단을 갖추고 서지필터부(100)를 포함하여 구성되는 전자식개폐기에 관련한 것이며, 서지필터부(100)를 제외한 나머지 구성요소에 대하여는, 공지의 구성요소를 포함하여 적용하는데 있어 제한이 없다.

본 발명의 전자개폐기는, 그 출력단을 인버터(inverter) 또는 무정전전원장치(UPS) 등의 비선형 부하에 병렬로 연결하여 실시할 수 있으며, 이들 장치로부터 발생되는 고주파노이즈가 전원입력단측으로 입력되지 못하도록 이를 소산(消散)시키는 기능을 한다.

서지필터부(100)는, 전원입력단에서 입력되는 전원신호에 포함되는 노이즈를 제거하거나 또는 그 영향을 최소화하여 부하출력단에는 오염이 제거된 신호가 전달되도록 하는 는 기능을 하며, 제1로우패스필터부(120), 클램핑부(110), 제2로우패스필터부(130), 소거부(140)를 주요 구성요소로 갖는다. 서지필터부(100)는 전원에 서지(surge)및 고주파가 존재하는 등 전원에 오염이 존재하는 상황에서만 동작한다. 입력된 전원신호에 오염이 존재하지 않는 경우에는, 입력단의 신호가 그대로 출력단에 나타나게 된다.

회로의 동작에 대해 설명한다. 서지임펄스가 발생하여 서지필터부(100)에 입력되면, 그 전압신호는 클램핑부(110)에 의해 클램핑된다. 클램핑의 레벨은 rms값의 1.414배 근처가 되도록 설정하는 것이 바람직하며, 이는 후술하는 바와 같이 라인임피던스와의 상호관계에 의해 최종 결과를 갖게 된다. 즉, 일반적으로 전원전압 220V의 경우 340V이상 470V이하의 규격을 적용할 수 있다.

클램핑되는 순간 MOV는 매우 낮은 임피던스를 갖게 되어 일종의 전류발생기의 역할을 하게 된다. 또한, 제1커패시터(122) 양단의 전압은 MOV의 임피던스 변화에도 불구하고, 그 크기가 동시에 순간적으로 변화하지는 않으므로, 제1커패시터(122)는 가상의 단락회로가 되며, 높은 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공하게 되고, 이에 제1커패시터(122)에 축전이 시작된다. 이후, 또한 제2로우패스필터를 구성하고 있는 제2커패시터(132)는 제1커패시터(122)와 병렬로 연결되어 있으므로, 제2커패시터(132)의 존재는 서지필터부(100)의 전체 축전용량을 증가시키게 되므로, 제1커패시터(122)의 용량이 부족할 경우를 보충하는 역할을 하게 된다. 이후, MOV가 높은 임피던스를 다시 갖게 되면, 전술한 제1커패시터(122)와 제2커패시터(132)는 자신의 에너지를 소거부(140)로 전송하게 되고, 이러한 에너지는 소거부(140)에서 열에너지로 전환되어 소산되게 된다.

이렇게 소산되는 에너지의 크기는 서지전류(i)와 저항값(R)의 제곱 및 시간(t)에 비례하게 되는데, 제2인덕턴스소자(131) 및 제3인덕턴스소자(133) 제1커패시터(122) 및 제2커패시터(132)와의 상호관계에서 에너지의 저장소 역할을 하게 되어, 결과적으로 에너지의 회로내에서의 잔류시간(t)가 증가되어, 더 긴 시간동안 수집 및 흡수되게 되는 것이다.

클램핑부(110)는 파괴적인 과도현상 발생시에 이에 대응하는 기능을 제공한다. 클램핑은 입력전압신호를 설정된 레벨까지만 제한하는 것인데, 이를 구현하는 소자로는 MOV(Metal Oxide Varistor), 반도체다이오드, sidactor등의 사용될 수 있지만MOV가 클램핑 특성의 신뢰도가 높기 때문에 가장 많이 사용되는 추세이다. 금속산화물 바리스터(Metal Oxide Varistor: MOV)로 된 서지보호장치는 600 Vrms이하의 저전압 설비의 전원선을 따라 진전하는 이상전압으로 인한 전자시스템의 보호와 인덕터에 흐르는 전류가 차단될 때 유도성 부하단의 전압을 제한하는 용도로서 비선형 소자 중에서 가장 좋은 성능을 가진 보호소자로 인정되어 널리 사용된다. MOV는 양끝에 가해지는 전압에 의해서 저항값이 비선형적으로 변하는 반도체 저항소자로서, 평시에는 높은 저항의 부도체로 작용하나, 외부에서 정전기 및 서지 등의 순간적인 과전류 또는 과전압이 유입될 경우 저항이 낮은 도체로 작용하여 외부의 임펄스신호 등을 자체적으로 흡수 또는 소멸하도록 하여 회로 또는 소자를 보호하는 기능을 한다. 다시 말하면, MOV는 보호하고자 하는 부품이나 회로에 병렬로 연결하여 과도전압이 증가하면, 낮은 저항 회로를 형성하여 서지전류로서 바이패스하여, 과도전압이 더 이상 상승하는 것을 막아준다.

또한, 일반적인 단일디스크형 MOV의 경우, 세라믹 소체 1개로 견딜 수 있는 서지의 크기에는 제한이 있기 때문에, 두 개 이상의 세라믹 소체를 병렬연결(적층)하여 제작하여, 서지 흡수능력을 증가시키고, 겉보기 단위 면적당 방전(discharge)능력을 향상시킬 수 있는 MOV를 하이브리드(hybrid) MOV라 칭할 수 있다.

MOV 가 전압을 클램핑하는 원리는 라인임피던스와 MOV임피던스의 상관관계에 의한 전압분배에 의한 것이다. 즉, 평시에는 MOV임피던스가 매우 크므로, 라인임피던스에 의한 전압강하가 크지않으나, 큰 전압을 갖는 서지임펄스신호가 입력되면, MOV의 임피던스가 비선형적으로 낮아지므로, 서지전류가 크게 흐르게 되는데, 이렇게 되면, 라인임피던스로 인한 전압강하가 커지게 되어 결과적으로 서지임펄스전압에 대해 클램핑이 일어나게 되는 것이다. 그러므로, MOV 단독으로 클램핑부(110)가 동작하는 것이 아니라, 라인임피던스와의 관계에서 작동하는 것이므로, 라인임피던스가 작다면, MOV의 존재에도 불구하고, 전압 클램핑의 효과를 얻을 수 없음을 유념하여야 한다.

제1로우패스필터부(120)와 제2로우패스필터부(130)는 서로 병렬연결되는데, 로우패스필터는 기본적으로, 주어진 차단주파수보다 큰 주파수를 갖는 신호성분은 제거하고, 작은 주파수를 갖는 신호성분을 통과시킨다. 본 발명에서는, 제1로우패스필터부(120) 및 제2로우패스필터부(130) 공히, 서지임펄스 등의 파괴적인 과도현상이 발생하여 클램핑부(110)에 의해 클램핑이 일어난 전압신호에 대해 후처리를 하는 제1기능, 이러한 과도현상이 발생하지 않더라도, 실시환경에서 끊임없이 발생하는 내부 전원 오염을 처리하는 제2 기능을 갖는다.

제1기능과 관련하여서, MOV만으로도 서지임펄스신호의 피크 전압을 클램핑하여 제한하지만, MOV와 로우패스필터의 조합을 통해, 전압의 시간변화율의 값을 매우 낮은 값으로 줄이는 것이 필요하다. MOV 만으로 된 클램핑부(110)는 입사되는 서지전압 및 전류를 급속하게 차단하므로, 대체적으로 대전류에 대해서 높은 잔류전압이 나타나고, 차단전압에서는 고주파 성분이 많이 포함되어 있으므로 이것이 노이즈로 작용하여, 피보호기기나 전송선로를 통하여 전반되어 전체시스템의 전도나 오동작을 일으키게 되는 문제점을 내포할 수 있다. 이를 링잉 과도현상(ringing transient)라고 하는데, 본 발명에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위해 LC로우패스필터부를 통합하여, 클램핑 신호의 고주파 부분을 필터링하는 역할을 하게 한다.

제2기능과 관련하여서, 제1로우패스필터부 및 제2로우패스필터부가 관여하는 신호는 비선형부하가 발생시키는 전원신호의 고조파 성분 및 고주파 노이즈 부분이다. 특히 비선형부하의 입력임피던스와 전원의 출력임피던스가 매칭이 되지 않는 경우, 그 경계에서 에너지가 반사되어 노이즈가 발생하고, 이것이 다시 전원으로 유입되어 전원을 오염시킬 수 있는데, 이들에 대해 로우패스필터가 작용하여 그 영향을 최소화할 수 있는 것이다.

제1로우패스필터부(120)와 제2로우패스필터부(130)는 상기 제1기능과 제2기능에 모두 관여한다. 제1로우패스필터부(120)는 제1인덕턴스소자(121) 와 제1커패시터(122)로 구성되는 LC필터인데, 커패시터는 고주파신호에 대해 낮은 리액턴스 및 임피던스를 가지기 때문에 고주파신호는 커패시터를 통해 흘러나가 버리므로, 저주파신호만을 출력단에 나타날 수 있게 한다. 이 때, 상기 고주파 및 저주파 필터링의 경계가 되는 차단주파수는 실제로 발생하는 링잉 과도현상을 분석하여 문제가 되는 고주파노이즈의 주파수대역을 파악한 후, 결정하여야 한다. 이후, LC필터가 그러한 차단주파수를 형성할 수 있도록 필터의 구성요소인 L, C 의 크기를 결정하여야 한다. 후술하는 제2로우패스필터부(130)를 통해 추가로 고주파 영역을 필터링할 수 있으므로, 차단주파수를 너무 낮게 설정할 필요가 없고, 따라서 L, C 등의 구성요소의 물리적 크기가 너무 크게 되지 않을 수 있게 된다.

제2로우패스필터부(130)는 제1로우패스필터부(120)에 병렬연결되며, 2개의 코일, 즉 상기 제1커패시터(122)의 양측 단자에 각각 접속되는 제2인덕턴스소자(131) 및 제3인덕턴스소자(133) 그리고, 이들 인덕턴스소자의 타측 단자에 각각 양측단자가 연결되는 제2커패시터(132)로 구성된다. 즉, 제2로우패스필터부를 이루는 요소는, 제2인덕턴스소자(131), 제2커패시터(132), 제3인덕턴스소자(133)가 이러한 순서로 서로 직렬연결되는 것이다. 제2로우패스필터의 차단주파수는 제1로우패스필터의 차단주파수보다 작게 설정되어야 하며, 이로써, 제1로우패스필터와 제2로우패스필터 모두를 통과한 신호는 이러한 단계적인 필터링을 통해, 안정적으로 고주파 노이즈를 제거할 수 있게 된다. 특히 본 발명의 제2로우패스필터부는 제2커패시터 양쪽에 인덕턴스 소자가 1개씩 직렬로 연결되어 있어 양방향(bidirection)필터로 작동할 수 있다. 이는 교류의 극(pole)이 +,-로 계속 바뀜에도 불구하고, 필터가 교류의 전 주기에 걸쳐 노이즈를 처리할 수 있다는 의미이다.

구체적으로, 상기 제1로우패스필터부(120)와 제2로우패스필터부(130)를 이루는 인덕턴스소자는 연자성재료로 된 동축 무정형 토로이드 인덕터(coaxial amorphous toroid inductor) 또는 자기코어(magnetic core)인 나노-크리스탈라인(nano-crystaline) 토로이드 코어일 수 있다. 특히 나노-크리스탈라인 재료는 약 100 나노미터 이하의 크기의 입자를 갖는데, 거친 입자를 가지는 금속과 비교해서 낮은 코어 손실 특성, 즉 코어를 교류로써 자화할 때 발생하는 에너지 손실인, 히스테리시스 손실을 감소시킬 수 있다. 히스테리시스란 자성을 가진 물질에 자계를 걸면 내부의 자속밀도가 증가하다가 다시 자계를 0으로 하여도 내부 자속이 완전이 0이 되지 않는 현상인데, 이러한 현상으로 인해 외부의 자계가 계속 +,-로 바뀌면 재질 내부에서 손실이 발생하며, 그 손실의 정도는 히스테리시스 루프의 내부면적에 대응하므로, 적절한 자성물질을 사용함으로써 히스테리시스 루프의 내부면적을 줄이도록 하여야만 한다. 또한, 히스테리시스 손실은 자성코어 물질내부의 자속밀도와 주파수의 곱에 비례하는데, 본 발명의 서지필터부가 3kHz 이상의 고주파노이즈를 처리하는 것을 하나의 목적으로 한다는 점에서, 히스테리시스 손실을 감소시키기 위해서는 자성코어 물질의 자기특성이 더욱 중요한 요소가 되며, 이를 위해 나노-크리스탈라인 코어를 사용하는 것이 바람직한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 서지필터부의 인덕턴스 소자는 제1커패시터 및 제2커패시터와 함께 충방전을 반복하여 소거부에서 잔여에너지를 소산시키는 역할을 하고, 교류 특성상, 커패시터와 인덕턴스소자의 양단에 걸리는 극(pole)은 계속 변하게 되는데, 히스테리시스 손실에 의해 인덕턴스소자의 극성이 빠르고 충분하게 변하지 않을 경우, 소거부에서의 서지 및 고주파노이즈 에너지의 소산이 적정하게 이루어지지 않을 수 있다는 의미이다.

또한, 본 발명에서의 인덕턴스소자로서의 토로이드 코어는 높은 초기 투자율(μ=50,000) 및 높은 포화 자속 밀도(Bsat = 1.2 tesla)를 가지는 것이 바람직하다.

커패시터로서는 폴리프로필렌 커패시터를 사용할 수 있다. 나아가, 제2로우패스필터부(130)를 이루는 제2인덕턴스소자(131) 및 제3인덕턴스소자(133)는 각각 평활초크코일(choke coil)로 구성할 수도 있는데, 이들은, 고조파의 리플성분, 고주파노이즈에 대해서 높은 인덕턴스를 갖게 되어 이러한 잡음을 제거할 수 있다.

소거부(140)는 제1로우패스필터부(120)와 제2로우패스필터부(130)를 통하여 전달되어 온 신호를 열방산을 통해 소산시키기 위한 구성요소로서, 바람직하게는

탄소형 저항소자이다.

서지필터부 중 서지를 실질적으로 소산시키는 부분의 실시예가 도 3에 도시되어 있는데, 회로의 구성요소(인덕턴스소자, 커패시터)들의 물성값을 각각 C1, C2, La, Lb, R로 정하고, 회로의 구동 시 각부에 흐르는 전류의 크기를 i1, i2라 하였을 때, 당해 회로를 기술하는 미분 방정식은 다음의 수식 (1a) 및 (1b)로 표현된다.

[수 1]

(1a)

(1b)

상기 (1a)식 및 (1b)식에 라플라스 변환(Laplace Transform)을 취하면, 각각 식 (2a) 및 (2b)가 된다.

[수 2]

(2a)

(2b)

상기 수식 (2a)와 (2b)를 결합하여 다음의 식을 얻을 수 있다.

[수 3]

(3)

상기 식 (3)은 본 발명의 실시예의 서지필터부의 회로에 대한 특성방정식(characteristic equation)이 되며, 이 특성방정식의 해(solution) 중 하나라도 양의 실수부를 갖는 근이 있으면, 불안정한 시스템이 되어 서지를 소산시키지 못하게 되므로, 모든 해에 있어 실수부가 음이 될 수 있도록 각 소자의 물성값(C1, C2, La, Lb, R)을 결정하여야 한다.

또한, 전술한 소거부(140)와 직렬연결되고, 상기 소거부(140)에 전류가 흐르는지를 검출하는 기능을 하는 광원소자(145)를 더 포함할 수 있다. 소거부(140)에 흐르는 전류는 곧 전원신호에 서지임펄스신호이든 고주파신호이든 노이즈가 존재하고, 이러한 노이즈가 소거부(140)에서 처리되는 과정에 있음을 의미한다. 즉, 이렇게 서지필터부(100)가 정상 작동하고 있다는 정보를 시각적으로 나타내기 위해, 광원소자(145)를 적용한다는 것인데, 이러한 전류를 검출하기 위해 별도의 전류계 등을 장치하는 것을 배제하는 것은 아니다. 광원소자(145)로는 네온(neon)램프 또는 LED램프 등을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 서지필터부(100)는, 제1로우패스필터부(120)의 전단, 즉 서지필터부(100)의 진입부에 과도전류를 차단하기 위한 퓨즈부(150)를 더 포함할 수 있다. 이러한 퓨즈부(150)로는 과전류에 의해 온도가 상승하여, 지정된 온도조건을 넘어가게 되면, 개방되는 온도퓨즈를 적용할 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

전원입력단 : 10
부하출력단 : 11
라인 : 12
뉴트럴 : 13
서지입력 : 50
서지필터부 : 100
클램핑부 : 110
제1로우패스필터부 : 120
제1인덕턴스소자 : 121
제1커패시터 : 122
제2로우패스필터부 : 130
제2인덕턴스소자 : 131
제2커패시터 : 132
제3인덕턴스소자 : 133
소거부 : 140
저항 : 141
광원소자 : 145
퓨즈부 : 150

Claims

내부에 서지필터부(100)를 구비하고, 양측에 전원입력단과 부하로의 출력단이 형성된 전자식개폐기에 있어서,
상기 서지필터부(100)는, 서지임펄스를 클램핑하는 기능을 하는 클램핑부(110), 고주파노이즈를 제거하는 기능을 구비하는 제1로우패스필터부 (120), 상기 제1로우패스필터부 (120)에 포함된 커패시터에 병렬연결되어, 상기 제1로우패스필터부 (120)의 출력신호에 포함된 고주파노이즈를 추가 제거하는 기능을 하는 제2로우패스필터부(130), 상기 제2로우패스필터부(130)에 포함된 커패시터에 병렬연결되고, 고주파노이즈 및 상기 클램핑된 서지임펄스를 감쇠시키는 기능을 하는 소거부(140)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 1에 있어서,
상기 제1로우패스필터부 (120)는, 제1인덕턴스소자(121) 및 상기 제1인덕턴스소자(121) 와 직렬연결되는 제1커패시터(122)로 이루어지고, 상기 클램핑부(110)는, 상기 제1커패시터(122)와 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 2에 있어서,
상기 제2로우패스필터부(130)는, 상기 제1커패시터(122)와 병렬연결되고, 서로 직렬연결된 제2인덕턴스소자(131), 제2커패시터(132) 및 제3인덕턴스소자(133)로 된 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 1에 있어서,
상기 클램핑부(110)는 하이브리드MOV(Metal Oxide Varistor)인 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 인덕턴스소자(131) 및 상기 제3인덕턴스소자(133)는 각각 나노-크리스탈라인(nano-crystaline) 토로이드 코어인 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 3에 있어서,
상기 제2인덕턴스소자(131) 및 상기 제3인덕턴스소자(133)는 각각 평활초크코일인 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 1에 있어서,
상기 소거부(140)와 직렬연결되고, 상기 소거부(140)에 전류가 흐르는지를 검출하는 기능을 하는 광원소자(145)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 1에 있어서,
상기 제1로우패스필터부 (120)의 전단에 직렬연결되는 퓨즈부(150)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.
청구항 8에 있어서,
상기 퓨즈부(150)는 온도퓨즈로 된 것을 특징으로 하는 전자식개폐기.