KR970005118Y1 - 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기 - Google Patents

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Description

통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기

제1도는 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 안정기에 의한 한 실시예의 회로도이다.

제2도는 종래의 일반적인 전기 및 전자기기에 응용되고 있는 무단조정이 가능한 무접점 전력제어 회로도이다.

제3도는 제1에서의 주요부의 회로도이다.

제4도는 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기의 원리를 설명하는 회로도이다.

제5도는 제44도의 원리를 응용한 실험용 회로도이다.

제6도는 제5도의 회로도에서, 부하체의 양 단자 사이에서 측정한 전압을 표시하는 그래프이다.

제7도 (a)는 부하체와 개폐기만으로 폐회로를 형성하고, 부하체쪽 개폐기의 한 접점에서 측정한 전원의 전압을 표시한 그래프이다.

제7도 (b)는 상기한 (a)에서의 개페기를 작동시키는 순간에 발생된 고전압이 정상전압으로 될 때까지의 시간(ΔS1)을 표시한 그래프이다.

제7도 (c)는 제1도에 표시된 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기의 회로를 설치하여 측정한 지연되는 동안의 전압파형과 지연시간(ΔS2)을 표시한 그래프이다.

제7도 (d)는 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 설치하여, 부하체(18)의 양단에서 측정한, 지연되어 통전하는 전압파형과 (c)에서의 지연전압과 지연시간(ΔS2)으로 작동된, 제1도에서의 시간(ΔS3)만큼 지연통전하는 것을 표시한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 3 : 트라이액 2 : 다이액

4 : 배리스터 5 : 브리지형 정류기

6 : 방전용 부하저항 7 : 작류콘덴서

8, 9 : 콘덴서 10 : 가변저항

11 : 저항 16 : 개폐기

본 고안은 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게 설명하면, 개폐기를 작동시켜서 부하체에 전원을 공급할 때에, 개폐기의 접점 사이에서 순간적으로 발생되는 불꽃 방전의 고전압을 부하체에 소정의 지연시간 동안에는 흐르지 못하도록 차단 및 지연시킨 후 통전시키므로써, 부하체를 보호하는, 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기에 관한 것이다.

예기치 못한 상황에서 고전압 등에 의한 과전류가 회로 및 부하체에 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로는, 종래로부터 각종 서지 흡수기(surge absorber)(배리스터, CR필터, 노이즈필터 등)가 사용되고 있었다.

본 고안의 고안자는 전구 등의 수명이 단축되는 원인이 무엇인지를 알고자하여 각종 실험을 하는 과정에서, 개폐기를 작동시키는 순간에 발생되는 불꽃 방전의 고전압에 의한 피로의 누적이나, 또는, 통전능력을 초과하는 고전압의 과전류가 부하체의 수명을 단축시키는 원인의 한 가지라는 것을 알게 되었으며, 이것을 확인하기 위하여, 220V-20W의 형광등 2조와 220V-60W의 백열등 5개(모두 시중에서 새로 구입한 일반적인 제품)를 개폐기를 설치함이 없이 직접 전원과 연결하여, 1990년 7월 1일부터 현재(1994년 4월 20일)까지 계속 점등시키고 있는데(점등 시간 : 33,360시간), 백열등과 형광등 모두 계속 점등상태를 유지하고 있으며, 형광 등의 경우 최초로 점등시켰을 때의 밝기와 거의 변함이 없고, 수명이 오래된 형광등에서 볼 수 있는 양쪽 끝에서의 흑점 현상도 발생되지 않았다. 또, 백열등의 경우 실수에 의해 파손된 1개를 제외하면, 형광 등의 경우에 마찬가지로, 최초의 밝기와 변함이 없었다. 즉, 각종 부하체의 수명은 개폐기의 작동시에 발생되는 불꽃 방전의 고전압에 의한 피로의 누적 및 피로의 누적에 의한 열화가 그 원인이라는 것이 판명되었다. 그래서, 각종 서지 흡수기나 필터를 사용하는 실험을 계속하였지만, 정도의 차이만 있을 뿐, 불꽃 방전의 고전압이 부하체에 대한 피로를 누적시키는 문제점은 해소하지 못하였다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안에 의한 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기는, 개폐기의 작동에 의해 부하체에 공급되는 전원의 전압과 전류를 제한 및 조절하는 가변저항, 상기한 가변저항을 거쳐서 위상제어하는 회로망의 시정수를 위한 콘덴서와 저항 및 2중으로 위상제어된 콘덴서의 신호가 분할 공급되는 다이액(DIAC), 상기한 다이액의 트리거펄스로 점호(트리거)되는 게이트의 입력에 의해 점호되는 트라이액(TRIAC), 상기한 분할 제어되어 위상제어된 신호 전압/전류를 직류로 정류하는 브리지형 정류기, 상기한 브리지형 정류기에 의해 정류된 직류가 충전되는 직류콘덴서, 상기한 직류콘덴서에 충전된 전하를 방전시키기 위한 방전용 부하저항, 상기한 직류회로의 시정수를 안정된 상태로 트라이액의 게이트에 작용시키는 안정용 저항, 상기한 직류 충방전 시정수로 지연되어 점호작동하는 게이트에 의한 점호동작으로 통전하는 트라이액, 개폐기의 작동시에 발생하는 불꽃 방전에 의한 고전압으로부터 트라이액을 보호하는 서지전압 필터인 CR필터, 상기한 CR필터의 능력을 보완하며 유도성 반발기전력을 자체적으로 흡수처리하는 배리스터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

[실시예]

다음에, 첨부된 도면을 참조하면서 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기에 대해서 설명한다.

제1도는 본 고안의 한 실시예를 표시하는 회로도, 제2도는 종래의 일반적인 전기 및 전자기기에 응용되고 있는 무단(無段)조정이 가능한 무접점 전력제어 회로도, 제3도는 제1도에서의 주요부의 회로도이다.

제1도를 참조하면서, 전원에 직렬로 연결된 개폐기(16)와 휴즈(17)를 거쳐서 부하체(18)에 전원이 공급된다(개폐기(16)와 휴즈(17)의 설치위치는 바뀌어도 상관없다). 트라이액(1)의 게이트를 점호작동하기 위하여 부하체(18)를 통과한 전류를 가변저항(10)에서 조절하며, 이 전류를, 위상제어를 위한 시정수로 계산되어 설치된 저항(11), 콘덴서(9) 및 콘덴서(8)로 위상제어된 전류신호(전압)로 다이액(전압 구동형)(2)은 점호펄스를 발생하여 트라이액(1)의 게이트를 점호하여 부하체(18)를 비롯한 회로가 통전 및 점등하게 되는데, 트라이액(1)의 통전을 지연시키기 위해 다이액(2)의 점호펄스의 발생을 억제하도록 저항(11)을 거친 위상 제어된 전류신호를 정류하는 브리지형 정류기(5)와, 이 브리지형 정류기(5)에 의해 정류된 직류가 충방전되는 직류콘덴서(7)와, 개폐기(16)를 개방했을 때에 빠른 재작동을 대기하기 위해 직류콘덴서(7)에 충전된 전하를 방전시키기 위한 방전용 부하저항(6)으로 구성되는 충방전의 상수로 된 지연시간에 트라이액(3)을 통전시키며, 상기한 트라이액(1)이 통전되기 위해서는, 다이액(2)은 펄스를 발생할 수 있는 임계점 이상의 전류신호를 받아야 하는데, 다이액(2)의 임계점(25∼50V)을 초과하는 전압이 인가되지 못하면 다이액(2)은 점호용 다이액(2)은 점호용 펄스를 발생시키지 못하며, 따라서, 상기한 트라이액(3)으로 다이액(2)의 전류신호 입력측과 트라이액(1)의 MT1의 양쪽 끝을 패쇄하여 트라이액(3)이 상기한 직류콘덴서(7) 등으로 구성된 지연회로와 통전될 때, 트라이액(1)의 게이트회로를 MT1과 단락시키는 효과의 작동으로 트라이액(1)의 통전을 지연시간 동안만 차단되도록 하는 것이 본 고안의 통전을 지연시키는 원리이다. 충전이 완료(90%이상)된 직류콘덴서(7)에 대한 전류의 유입이 급격히 감소하면 브리지형 정류기(5)의 교류 입력측 양단(端) 사이에는 더 이상의 전류가 흐르지 않으며, 트라이액(3)은 단락적인 통전상태를 더 이상 유지하지 못하여 폐쇄된 상태의 트라이액(1)의 게이트회로를 개방시켜서, 상기한 다이액(2) 및 트라이액(1)은 점호동작의 개시에 의해 통전하게 된다.

이러한 통전을 지연시키는 작동의 조정은 주로 가변저항(10)에 의해 미세하게 조정하며, 회로의 내부적인 조정은 고정저항(11), 콘덴서(9) 및 콘덴서(8)로 구성된 위상제어회로를 거친 위상이 제어된 전류(전압)신호가 브리지형 정류기(5)에 의한 직류로 직류콘덴서(7)를 충전하는 등의 복합적인 시간상수로 정해진다. 다음에, 개폐기를 개방하면 회로 전체에 대한 통전이 중단되는데, 방전용 부하저항(6)이 없으면, 직류콘덴서(7)에 충전된 전하는 자체의 누설전류 이외에는 방전을 하지 못하며, 시간(누설되는 전류값에 따라 수 시간 이상이 되는 경우도 있다)이 경과하여도 전하가 충전된 상태를 유지하게 되어, 개폐기를 개방한 직후 다시 개폐기를 다시 작동시키는 경우에는, 직류콘덴서(7)에 충전되는 시간만큼의 지연시간을 얻을 수 없어서, 통전을 지연시키는 작동은 이루어질 수 없다. 그러므로, 방전용 부하저항(6)을 직류콘덴서(7)와 직류로 연결하여 직류콘덴서(7)에 충전된 전하를 최소한 방전시간(0.1∼0.5초가 바람직하다)동안 방전시켜서 개폐기(16)의 재작동에 대비하는 것이다.

다음에는 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기의 작동원리에 대하여, 백열전구를 부하체를 예로 하여 설명한다.

제1도를 참조하면서, 전원의 한 쪽 배선은 개폐기(16)를 거쳐서 부하체(18)와 접속되며, 전원의 다른 쪽 배선은 휴즈(17)와 트라이액(1)을 거쳐서 부하체(18)에 전원을 공급하게 된다.

전원을 공급하기 위하여 개폐기를 작동시키면 부하체(18)를 통과한 전류는 트라이액(1)의 MT2에 분할하여 입력되며, 이때, 부하체(18)를 통과한 전류는 트라이액(1)이 아직 통전되지 않은 상태, 즉, 개폐기(16)가 개방된 것과 같은 상태이므로, 부하체는 통전(점등, 고온에서 포지티브(positive)성인 온도계수)되지 않은 낮은 저항값이어서, 전원의 전류는 손실없이 부하체(18)를 통과한다.

부하체(18)의 다른 한쪽 배선으로 공급되는 전원의 전류는 휴즈(17)를 거쳐서, 점(a)와 점(b) 사이에 설치된 콘덴서(8, 9)를 거쳐서 가변저항(10)으로 조절되어 공급받은 전류를 저항(11)으로 회로를 구성하여 위상을 2중으로 제어하며, 이에 의해 발생되는 점호각 펄스로 다이액(2)을 점호하므로써, 제2의 개폐기(무접점 스위치)의 역할을 하는 트라이액(1)이 통전되도록하여 부하체(18)에 전원을 공급하게 된다. 가변저항(10)에서 조정된 전류가 위상제어회로 중의 저항(11)을 거쳐서 통전을 지연시키는 트라이액(3)과 다이액(2)으로 분할되어 입력되면, 먼저, 브리지형 정류기(5)에서 직류로 정류되어 직류콘덴서(7)를 충전시키게 되는데, 충전되지 않은 초기값의 직류콘덴서(7)는 단락된 것과 같은 상태이므로, 가변저항(10)을 통과한 이후의 위상제어된 전류(전압)신호는 브리지형 정류기(5)를 비롯한 직류콘덴서(7)의 전위가 극히 낮아서 다이액(2)을 점호하지 못한 상태로 직류콘덴서(7)를 충전시킨다. 전하가 충전되는 직류콘덴서(7)를 통하여 브리지형 정류기(5)는 교류적으로 낮은 등가저항(수Ω∼수백Ω 정도)이 되어 트라이액(3)의 게이트에 위상제어된 신호를 전달하며, 트라이액(3)을 통전시켜서 다이액(2)의 펄스신호 발생을 억제하여 트라이액(1)의 통전을 금지(트라이액의 MT1과 게이트를 단락시키면 통전이 불가능하다)하게 되므로써, 개폐기(16)를 작동시켜도 소정의 지연시간동안 통전을 지연시키게 된다. 미리 설정된 용량의 충전이 완료되면, 충전된 전하를 소모시킬 별도의 부하가 없으므로, 브리지형 정류기(5)의 교류전압 양 단자 사이에는 더 이상의 전류가 흐를 수 없으며, 따라서, 브리지형 정류기(5)는 개방된 것과 같은 상태로 되어 트라이액(3)의 게이트에 대한 점호용 전류신호를 공급할 수 없어서, 트라이액(1)은 통전을 지속하지 못하며, 이에 의해서, 가변저항(10)으로부터 다이액(2)에 유입된 전류를 콘덴서(9) 등에 의해 위상이 제어된 전류신호로 점호하여 트라이액(1)이 점호되는 것이다.

제3도는 트라이액(3), 브리지형 정류기(5) 및 직류콘덴서(7)로 구성되는, 본 고안의 통전을 지연시키는 실시예의 한 예의 회로도이며, 제2도에 표시한 회로와 이 회로를 합성하므로써, 제1도에 표시된 본 고안에 의한 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기의 한 실시예의 회로도가 구성된다.

제4도는 본 고안의 원리를 표시하는 회로도이며, 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 단자(A)와 단자(B) 사이에 전압(Vd)이 인가되면, 브리지형 정류기(5) 내의 다이오드의 통전 방향특성에 의해, 단자(A)와 (B)에 유입된 교류전압(Vd)은 양극과 음극으로 분할되어 서로 모이게 된다. 이렇게 형성된 브리지형 정류기(5)의 양극과 음극 사이에서 전류를 통전시키는 어떠한 매개체(임의의 도체)가 존재하지 않으면 단자(A)와 (B) 사이에는 전압(Vd)만 입전될 뿐, 전류는 흐를 수 없다. 이 때, 양극과 음극 사이에 전선 또는 저항과 같은 도체를 연결하여 단락시키면 그 순간에 단자(A)와 (B) 사이에는 교류전압(Vd)이 통전되는데, 단자(A)로 유입된 교류는 1차로 1개의 다이오드의 에노우드로 입전되고 케소우드로 출력하면 이를 통상 반파전류라 한다. 이렇게 반파정류의 직류로 된 전류는 도체를 통과하여 다시 2차로 다른 한 개의 다이오드의 에노우드로 입전되고 케소우드로 출력되어서 단자(B)로 출력되며, 단자(B)로 입력된 교류는 상기한 단자(A)로부터의 출력신호의 역상(逆相)으로 정류되어 단자(A)로 출력되는 원리로서, 정류작용의 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 중요한 작용은 양극의 음극 사이에 설치되는 도체에 관한 것으로, 다양한 매개체를 사용하여 실험한 결과, 전해콘덴서 등과 같은 직류콘덴서가 가장 적합하다는 것을 알게 되었다.

제5도는, 본 고안의 통전을 지연시키는 방법을 고안하는 과정에서, 브리지형 정류기(5), 직류콘덴서(7) 및 방전용 부하저항(6)으로 구성된 제4도의 회로를 제2도의 회로에 추가했을 때, 본 고안이 목적으로 하는 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기가 완성은 되었으나, 직류콘덴서(7)의 용량이 커야 한다는 문제점을 발견하게 되어, 보다 효율적인 시간제어를 위해 트라이액(3)을 설치하고 실험한 회로도이며, 부하체(18)의 양단 사이에서의 통전시간(ΔS2)을 제5도에 표시하였다.

제7도에서, (a)는 부하체(18)와 개폐기(16)만으로 폐회로를 형성하고, 부하체(18)쪽 개폐기(16)의 한 접점에서 측정한 전원(AC 220V)의 전압을 표시한 그래프, (b)는 상기한 (a)에서의 개폐기(16)를 작동시키는 순간에 발생된 고전압이 정상전압으로 될때까지의 시간(ΔS1)을 표시한 그래프이다. 또, 제7도에서의 (c)는 제1도에 표시된 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기의 회로를 설치하여 측정한 지연되는 동안의 전압파형과 지연시간(ΔS2)을 표시한 것으로 제2도에서의 지연시간과 동일하다는 것이 판명되었다. (d)는 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 설치하여, 부하체(18)의 양단에서 측정한, 지연되어 통전하는 전압파형과 (c)에서의 지연전압과 지연시간(ΔS2)으로 작동된 제1도에서의 시간(ΔS3)만큼 지연통전하는 것을 표시한그래프이다.

이 때, ΔS1<ΔS2≤ΔS3의 관계가 성립된다.

다음에는, 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 개발하는 과정에서 실시한 각종 실험의 결과를 간단하게 설명한다.

(1) 220V-20W의 형광등 2개를 개폐기를 설치함이 없이 2200V의 전원과 직접 연결하여 1990년 7월 1일부터 1994년 4월 20일 현재(점등 시간 ; 33,360시간)까지 계속 점등상태를 유지하고 있으며, 최초 점등시의 밝기와 변함이 없고, 형광등 양쪽 끝이 검게 되는 현상도 발생되지 않았다.

(2) 220V-60W의 백열등 6개를 그 중의 5개는 개폐기와 직접, 나머지 1개의 백열등은 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 거쳐서 220V의 전원과 병렬로 설치하였으며, 10초간 점등 20초간 소등되도록 개폐기를 주기적으로 작동시키면서 그 개폐수를 측정하였다.

① 개폐기와 직접 연결한 경우, 백열등이 파손되었을 때의 개폐기의 작동회수를 보면, 1,000회 미만 : 39개, 1,000회 초과 : 47개, 5,000회 초과 : 42개, 10,000회 초과 : 38개, 20,000회 초과 : 23개, 30,000회 초과 : 17개, 50,000회 초과 : 14개, 10,000회 초과 : 1개 이었으며, 150,000회를 초과하는 것은 1개도 없었다.

② 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 거쳐서 연결한 경우, 1993년 5월 1일부터 실험이 진행되고 있는 현재까지 파손된 백열등은 없었으며, 개폐기의 작동회수는 1,022,500회를 넘고 있다.

(4) 110V-60W의 백열등을 220V의 전원에 직접 연결하는 경우와, 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 거쳐서 연결하는 경우로하여 개폐기를 작동시키는 실험을 하였다.

① 220V의 전원과 직접 연결시키고 개폐기를 작동시키는 경우, 개폐기를 작동시키는 순간에 모두 파손되었다.

② 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 거쳐서 220V의 전원과 연결시키고 개폐기를 작동시켰을 때 대부분의 경우 개폐기의 작동회수가 50회 이하에서 파손되었으며, 50회 초과 : 32개, 100회 초과 : 16개, 500회 초과 : 7개, 1,000회 초과 : 2개의 결과가 나타났다.

상기한 실험은, 극단적인 과부하가 적용되었을 때의 결과를 알고자하여 정격전압 이상의 전압을 공급한 것이며, 이 결과로부터 부하체의 수명이나 파손은 단순히 과전류 또는 과전압에 의한 것이 아니라, 개폐기를 작동시킬 때 발생되는 불꽃 방전에 의한 순간적인 고압에 의한 피로의 누적이 그 원인이라는 것을 알 수 있다.

지금까지는 전구를 부하체의 한 예로 들어서 설명하였는데, 본 고안의 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기를 컴퓨터, 통신기기, 가전제품, 조명기기, 공업용 전기제품 등, 각 분야에서 활용할 수 있음은 물론이다.

Claims (3)

1. 개폐기(16)를 작동시켜서 전원을 공급할 때 통전이 지연되도록 작동하며, 다이액(2), 전압/전류를 조절하는 가변저항(10), 위상을 제어하는 콘덴서(9) 및 콘덴서(8)와 저항(11)으로 구성되는 트라이액(1)과, 다이액(2)과 함께 분할된 위상제어된 전류신호를 정류회는 브리지형 정류기(5)와, 상기형 브리지형 정류기(5)에 의해 정류된 직류로 충방전되는 직류콘덴서(7)와, 상기한 직류콘덴서(7)에 충전된 전하를 개폐기(16)의 개방시에 방전시키는 방전용 부하저항(6)과, 상기한 브리지형 정류기(5), 직류콘덴서(7) 및 방전용 부하저항(6)의 폐회로의 충방전 시정수에 의해 통전 작동하는 트라이액(3)과, 상기한 트라이액(3)의 안정된 작동을 위한 안정용 저항(12)과, 고전압의 유입으로부터 상기한 트라이액(1)을 보호하기 위하여, 저항(13)과 콘덴서(14)로 구성되는 CR필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기.
2. 제1항에 있어서, 외부에 부착하는 배리스터(4)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기.
3. 제1항에 있어서, 가변저항(10) 대신, 고정저항을 사용하는 것을 특징으로 하는 통전을 지연시키는 부하체 보호용 안정기.