WO2017018826A2 - 외부환경변화에 대한 안정성이 향상된 전력공급회로 - Google Patents

외부환경변화에 대한 안정성이 향상된 전력공급회로 Download PDF

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WO2017018826A2
WO2017018826A2 PCT/KR2016/008285 KR2016008285W WO2017018826A2 WO 2017018826 A2 WO2017018826 A2 WO 2017018826A2 KR 2016008285 W KR2016008285 W KR 2016008285W WO 2017018826 A2 WO2017018826 A2 WO 2017018826A2
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power
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이상구
김용신
권명주
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주식회사 아이에스디에프시스템
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00—Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10—Initiators therefor
    • F42B3/12—Bridge initiators
    • F42B3/13—Bridge initiators with semiconductive bridge
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources

Definitions

  • the present invention relates to a power supply circuit with improved stability against external environmental changes.
  • detonator In addition, the control of the detonator is emphasized in terms of precision.
  • detonators can be broadly classified into non-electric, electrical and electronic primers. Primers are used according to the delay time, and are classified into rapid primers and delayed (delayed) primers. Commonly used primers are classified into DS (deci second) primers and MS (milli second (20 ms) primaries) primers according to delay intervals. In the case of MS, it has been shown to have a great effect on maximizing blasting effect and controlling noise and vibration by sequentially detonating by precise time difference of 20 ⁇ 25ms.
  • Electronic primer developed for special purpose by using super precision parallax is used for special purpose in developed countries such as USA, Europe and Japan. It is similar to electronic primer, but it has a built-in electronic control board (IC circuit, electronic chip), The difference is that time can be removed.
  • the basic structure consists of hardware such as electron primer, accessories, blasting machine, dedicated program and other accessories.
  • an electronic circuit is applied, and a capacitor is applied to this circuit for signal control and noise removal for precise control.
  • Republic of Korea Patent Application No. 10-2013-0010656 relates to the detonator circuit of the electron detonator, the proposed detonator circuit of the detonator circuit of the electronic detonator having an input circuit and a control circuit, the input circuit upon charging command from the control circuit
  • a detonation capacitor which charges power inputted through the battery and discharges the charged charging power when the command is initiated from the control circuit
  • a charging FET which is turned on when charging the detonation capacitor and applies power supplied through the input circuit to the detonation capacitor
  • an FET for detonation output that conducts during detonation output of the detonation capacitor and applies charging power discharged from the detonation capacitor to the ignition jade.
  • the detonator capacitor used in the detonator circuit is a general electrolytic capacitor, which has a problem of small capacity and high resistance to cope with noise in the circuit or external noise.
  • the stability is insufficient due to the influence of the surrounding environment, such as temperature, humidity, especially pressure changes.
  • the correlation between the electric field E, the dielectric polarization P and the intrinsic inverse dielectric susceptibility X -1 (intrinsic) is as follows.
  • X -1 X -1 (intrinsic) + X -1 (extrinsic)
  • X -1 Intrinsic
  • X- 1 exrinsic
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly stable power supply circuit capable of maintaining an output without discharging the charging pressure even under external environmental changes such as temperature, humidity, especially mechanical stress or pressure. .
  • the present invention to solve the above problems,
  • a power supply unit and a power storage device for supplying power to the necessary device after storing the power supplied from the power supply unit, and provides a power supply circuit characterized in that the polymer capacitor is used as the power storage device.
  • the resistance may include a first resistance in front of the zener diode and a second resistance in the rear end of the zener diode.
  • the power supplied from the power supply may be supplied to the power storage device through a reverse current prevention diode, and may be provided with a low-dropout (LDO) regulator in the rear end of the power storage device.
  • LDO low-dropout
  • the power storage device may be a polymer capacitor withstanding an applied voltage of 6V or more.
  • the power supply circuit may be a detonator circuit for the primer.
  • the present invention also provides a military explosive applying the power supply circuit.
  • the power supply circuit there is almost no RC delay by using a polymer capacitor, so that high precision control is possible and the noise removal function is excellent.
  • the polymer capacitor is not a liquid component, it is excellent in stability since it is hardly affected by the influence of the surrounding environment such as temperature or humidity, and most importantly, the pressure change.
  • the circuit configuration to maximize the stability of the capacitor can minimize the malfunction caused by the loss of charging power, voltage leakage, signal transmission due to external stimulus.
  • FIG. 1 schematically illustrates a power supply circuit configuration using a polymer capacitor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an output test result after applying external noise to the power supply circuit according to FIG. 2.
  • FIG. 1 illustrates a power supply circuit configuration using a polymer capacitor according to an embodiment.
  • Zener diode for supplying the power supplied from the power supply to the polymer capacitor (C1) through the reverse current prevention diode (D1) and the resistor (R1), and to adjust the maximum voltage of the power supplied to the capacitor (C1) ( ZD1) may be included in front of the capacitor C1.
  • the power supply unit includes a voltage applying means and a rectifier circuit, and the current from the power supply unit passes through the reverse current prevention diode D1, passes through the resistor R1, is adjusted to an appropriate level of current, and then accumulates. It is charged in the polymer capacitor (C1) which is a device.
  • the diode D1 is necessary to prevent the reverse flow of current when the power is cut off.
  • a zener diode ZD1 is provided in front of the capacitor C1, which determines the maximum voltage according to the power supply voltage (at point B) of the micro control unit (MCU) to which the capacitor C1 will supply power.
  • the polymer capacitor is a conductive polymer having electrical conductivity as the electrolyte in order to improve the resistance characteristics of the capacitor as a conventional capacitor uses a liquid electrolyte as the electrolyte as a solid electrolyte.
  • Polymer capacitors have a low resistance of less than 1/10 compared to general electrolytic capacitors, and because of low resistance, there is almost no RC delay, which enables ultra-precision control and excellent noise reduction function.
  • the polymer capacitor does not use a liquid component, it is stable to changes in temperature or humidity, especially pressure, and thus has little effect on the surrounding environment, and thus has excellent stability against external environment changes.
  • a polymer capacitor based on aluminum is preferred, and more preferably a polymer capacitor capable of withstanding an applied voltage of 6 V or more.
  • the aluminum polymer capacitors disclosed in Korean Patent Registration Nos. 10-1524168, 10-1251990, and 10-1252681 may be used, but are not limited thereto.
  • FIG. 2 shows a power supply circuit configuration according to another embodiment of the present invention.
  • the second resistor R2 is included at the front end of the zener diode ZD1 and the first resistor R1 at the front of the zener diode ZD1, that is, at the front end of the capacitor C1.
  • the energy stored in the capacitor C1 decreases and the energy V N of the noise applied to the capacitor C1 increases, the energy charged in the capacitor C1 may be discharged through the zener diode ZD1.
  • a second resistor R2 may be added.
  • FIG. 3 shows a configuration of a power supply circuit according to another embodiment of the present invention.
  • LDO regulators are a type of linear regulator that uses transistors or FETs operating in a linear region to generate the desired output voltage by removing excess voltage from the input voltage.
  • the minimum input voltage for the output voltage differential required for the regulator to keep the output voltage within its nominal value of 100mV is called the dropout voltage.
  • the LDO regulator eliminates the zener diode (ZD1) needed in FIGS. 1 and 2 and withstands a significant range of input variations (about 30V).
  • ZD1 zener diode
  • the capacitor C1 stores energy only and there is no direct current flow path, there is no fear of discharge.
  • a small capacitor (C2) is preferably added to the LDO regulator output side for buffering.
  • the MCU power supply voltage connected to the point B was up to 5.6V, and the power supply unit maintained the DC lead voltage (V A ) of 7.9V for more than 4 seconds.
  • V A DC lead voltage
  • Energy was stored using an electrolytic capacitor with a capacity of 6.3V and 220uF and simulated with a load size of 50uA. As a result, it can be seen that the final output V B maintains 5 V or more for 10 seconds or more.
  • the noise model V N was added to the front of the capacitor C1 to simulate the change of the external environment. Specifically, a pulse of peak-to-peak 4V was input every 0.5 s for 0.1 ms at a 5.5 second time point. As a result, it was confirmed that a large amount of current flows to the zener diode ZD1 and the energy charged in the capacitor C1 is lost. After 6s, V B drops below 2V and falls below the MCU operating power range (2 to 5.5V), so no signal is delivered. That is, if the detonator circuit, the current of the capacitor is discharged by the noise generated during the blasting and the blasting signal is not transmitted.
  • the existing power supply circuit is vulnerable to external environmental changes such as pressure change over a certain level.
  • FIG. 6 is an output test result after applying external noise to the power supply circuit according to FIG. 2.
  • the other conditions were the same except that the second resistor (100?) was added after the zener diode ZD1. If the noise conditions are the same, it can be seen that a voltage of about 5V is maintained for 10 seconds. That is, the current discharged through the zener diode is reduced due to the presence of the second resistor.
  • the size of the second resistor is just an example, and the size of the preferred second resistor may be appropriately determined through various simulations according to the circuit configuration.
  • FIG. 7 is an output test result after applying external noise to the power supply circuit according to FIG. 3. If the LDO regulator is applied, it is preferable to use a high withstand voltage if the input is the same value, so the capacity of the capacitor (C1) is 16V, 220uF, and a small capacity capacitor (C2) up to 47uF is added to the LDO regulator output. It was.
  • the LDO regulator eliminates the need for a zener diode or a first resistor and, despite the noise, maintains a voltage of about 2.5V, which falls within the MCU drive voltage range.
  • the power supply circuit according to the present invention maintains an output voltage higher than a certain level despite external noise, thereby greatly reducing the possibility of malfunction or malfunction of the MCU.
  • the power supply circuit according to the present invention can be applied to various uses. Although not particularly limited, it is also possible to apply to the detonator circuit of the primer because of excellent stability against external environmental changes and precise power control.
  • the primer detonator circuit generally includes an input circuit and a control circuit, and operates by charging a voltage input through the input circuit at the time of charging command from the control circuit and discharging the voltage charged at the detonation command from the control circuit. The discharged voltage flows toward the jade jade to detonate the jade jade.
  • the configuration of the detonator circuit may be referred to as disclosed in the Republic of Korea Patent Application No. 10-2013-0010656 as an example.
  • Such a detonation circuit can be advantageously applied to various explosives, especially military explosives used for blasting rock, blasting waste buildings, and the like.

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Abstract

본 발명은 전력공급부 및 상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 저장한 후 필요한 장치에 전력을 공급하기 위한 축전장치를 구비하며, 상기 축전장치로서 고분자 커패시터를 사용하는 것을 특징으로 하는 외부환경 변화에 대한 안정성이 향상된 전력공급회로에 관한 것이다.

Description

외부환경변화에 대한 안정성이 향상된 전력공급회로
본 발명은 외부 환경 변화에 대한 안정성이 향상된 전력공급회로에 관한 것이다.
폭약과 같은 폭발물은 안정성의 문제로 인하여 충격 및 화염에 안정하도록 제조되고 있기 때문에 폭발을 일으키기 위해서는 별도의 외부 에너지가 필요하다. 최근 발파기술에서의 관심사는 최적의 기폭시스템을 개발하는 것보다 기폭 시스템에 따른 최대 발파 효과를 기대할 수 있는 기폭 장치의 개발 및 제어이다.
산업용 폭약의 발달과 더불어 산업용 뇌관의 발달에 있어서도 안정성과 정밀성이 강조되고 있다. 안정성 면에서는 뇌관의 구성요소 중 민감한 기폭약 대신 둔감한 약재를 사용하여 과거 기폭약의 폭굉에 의한 뇌관 폭발방식으로부터 뇌관 내부의 구조상 변화로 폭연에서 폭굉을 유도하는 방식으로 발전하고 있다.
또한 정밀성 면에서는 기폭 장치의 제어가 강조되고 있다. 이러한 기폭 장치는 크게 비전기식, 전기식, 전자식 뇌관으로 분류할 수 있으며 뇌관은 지연시차에 따라 사용되며 순발 뇌관과 지연(지발) 뇌관으로 구분된다. 일반적으로 사용되는 뇌관은 지연시간(delay interval)에 따라 DS(deci second, 기본초시 200ms) 뇌관과 MS(milli second, 기본초시 20ms) 뇌관으로 구분된다. MS의 경우 20~25ms의 정밀한 시차에 의해 순차적으로 기폭함으로써 발파 효과의 극대화와 소음 및 진동 제어에 큰 효과를 보여왔다.
최근 개발된 전자뇌관의 경우 자체 IC 회로(electronic chip)가 내장되어 1~2ms의 초정밀 시차(오차범위 0.1~0.2% 이내)로 기존 내관에 비해 더욱 우수한 진동 억제(vibration control), 제어발파 (control blasting) 효과의 극대화와 터널 최외곽공의 발파(contour blasting in tunnel) 에서 미려한 파단면의 생성에 따른 콘크리트 취부량 감소와 주변 암반의 손상 영역 저감 등에 대한 효과가 기대된다.
초정밀 시차를 이용하여 특수한 용도로 사용하기 위해 개발된 전자식 뇌관은 미국, 유럽과 일본 등 선진국에서 특수한 목적으로 사용되고 있으며, 전자식 뇌관과 비슷하지만 전자제어판 (IC 회로, 전자칩)을 내장하고 있어서 초정밀 지연시간제거가 가능하다는 점에서 차이가 있다. 기본 구조를 전자뇌관, 악세서리, 발파기 등의 하드웨어, 전용프로그램 및 기타 부속장치로 구성된다.
전자식 뇌관의 경우에는 전자회로가 적용되는데, 이 회로에 정밀한 제어를 위한 신호제어 및 노이즈 제거를 위하여 커패시터를 적용하게 된다.
대한민국특허출원 10-2013-0010656호는 전자뇌관의 기폭 회로에 대한 것으로서, 제시된 전자 뇌관의 기폭 회로는 입력 회로 및 제어 회로를 구비한 전자 뇌관의 기폭 회로에 있어서, 제어 회로로부터 충전 지령시 입력 회로를 통해 입력되는 전원을 충전하고, 제어 회로로부터 기폭 지령시 충전된 충전 전원을 방전하는 기폭 커패시터; 기폭 커패시터의 충전시 도통되어 입력 회로를 통해 공급되는 전원을 기폭 커패시터로 인가하는 충전용 FET; 및 기폭 커패시터의 기폭출력시 도통되어 기폭 커패시터로부터 방전되는 충전 전원을 점화 옥으로 인가하는 기폭출력용 FET를 포함한다.
그러나 상기 기폭회로에 사용된 기폭 커패시터는 일반적인 전해 커패시터로서 회로 내부의 노이즈나 외부 노이즈에 대응하기에는 용량이 작고 저항이 높은 문제점이 있다. 또한 발파환경을 고려할 때 온도, 습도, 특히 압력변화와 같은 주변환경의 영향을 많이 받아 안정성이 부족하다는 문제점이 있다.
구체적으로 예를 들어, Devonshire scalar model 에 따르면, 전기장 E 와 유전분극 P 및 고유 역 유전 감수율(intrinsic inverse dielectric susceptibility) X -1 (intrinsic)의 상관관계는 다음과 같다.
E = 2α(T)P + 4βP3 + 6γP5
X -1 (intrinsic) (T) =(∂E/∂P) = 2α(T) +12βP2 + 30γP4
라지 시그널 유전 감수율 X -1 은 다음과 같이 2개 인자의 합이다.
X -1 = X -1 (intrinsic) + X -1 (extrinsic)
일반적으로 X -1 (intrinsic) 은 온도, 전기장, 기계적 스트레스 및 진동수의 함수로 알려져 있다. 또한 연구결과에 따르면 X -1 (extrinsic) 역시 온도, 전기장, 및 기계적 스트레스의 영향을 받는 것으로 밝혀졌다(A. Amin and L.E. Cross, Jpn.J.Appl.Phys., 24 supplement 24-2, 229(1985); A. Amin, R.E. Newnham and L.E. Cross, Phys. Rev. B, 34(3), 1595(1986)).
이와 같이, 유전 감수율이 온도, 기계적 스트레스. 진동과 같은 외부적 인자에 의해 영향을 받기 때문에 기존 기폭회로에 사용된 기폭 커패시터는 주변환경의 영향으로 인한 안정성이 항상 문제가 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 온도, 습도, 특히 기계적 스트레스나 압력 등의 외부 환경 변화에도 충전압이 방전되지 않고 출력을 유지할 수 있는 안정성이 높은 전력공급회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여,
전력공급부 및 상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 저장한 후 필요한 장치에 전력을 공급하기 위한 축전장치를 구비하며, 상기 축전장치로서 고분자 커패시터를 사용하는 것을 특징으로 하는 전력공급회로를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드 및 저항을 통해 상기 축전장치로 공급하며, 상기 축전장치로 공급되는 전력의 최대 전압을 조절하기 위한 제너다이오드를 상기 축전장치 전단(입력부)에 포함하는 것일 수 있다.
이 때, 상기 저항은 제너다이오드 전단의 제1저항과 제너다이오드 후단의 제2저항을 포함하는 것일 수 있다.
또한 다른 구현예에 따르면, 상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드를 통해 상기 축전장치로 공급하며, 상기 축전장치 후단에 LDO(low-dropout) 레귤레이터를 구비하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 축전장치는 6V 이상의 인가전압을 견디는 고분자 커패시터일 수 있다.
특히, 상기 전력공급회로는 뇌관용 기폭회로일 수 있다.
본 발명은 또한 전력공급회로를 적용한 군사용 폭발물을 제공한다.
본 발명에 의한 전력공급회로는, 고분자 커패시터를 사용함으로써 RC delay가 거의 없어 초정밀 제어가 가능하고 노이즈 제거 기능도 뛰어나다. 또한, 고분자 커패시터는 액체 성분이 아니기 때문에 온도나 습도 등 주변 환경의 영향, 특히 무엇보다 중요한 압력변화의 영향을 거의 받지 않으므로 안정성이 뛰어나다. 게다가 커패시터의 안정성을 극대화 할 수 있는 회로 구성으로 외부 자극에 의한 충전 전력 손실, 전압 누설, 신호 미전달 등을 인한 오작동이 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 고분자 커패시터를 적용한 전력공급회로 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력공급회로의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력공급회로의 구성을 도시한다.
도 4는 비교예에 따른 전력공급회로의 외부 노이즈 인가 전 출력 시험 결과이다.
도 5는 비교예에 따른 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력 시험 결과이다.
도 6은 도 2에 따른 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력 시험 결과이다.
도 7은 도 3에 따른 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력 시험 결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따라 고분자 커패시터를 적용한 전력공급회로 구성을 나타낸다.
전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드(D1) 및 저항(R1)을 통해 상기 고분자 커패시터(C1)로 공급하며, 상기 커패시터(C1)로 공급되는 전력의 최대 전압을 조절하기 위한 제너다이오드(ZD1)를 상기 커패시터(C1) 전단에 포함하는 것일 수 있다.
상기 전력공급부는 전압인가수단 및 정류회로를 구비하는 것이 바람직하며, 전력공급부로부터의 전류는 역전류방지 다이오드(D1)를 통과하여 저항(R1)을 통과하여 적정 수준의 전류 크기로 조절된 후 축전장치인 고분자 커패시터(C1)에 충전된다. 다이오드(D1)는 전원 차단시 전류의 역류를 방지하기 위해 필요하다.
제너다이오드(ZD1)가 커패시터(C1) 전단에 구비되는데 이는 커패시터(C1)가 전력을 공급하게 될 MCU(micro control unit)의 전원 전압(포인트 B 에서의)에 따라 최대 전압을 정하는 역할을 한다.
커패시터(C1)로서 기존의 전해 커패시터 대신 고분자 커패시터를 사용하는 것이 본 발명의 특징 중 하나이다. 고분자 커패시터는 종래의 커패시터가 전해질로 액체 전해질을 사용하는데 비해 커패시터의 저항 특성을 향상시키기 위하여 전해질로 전기 전도도를 가지는 전도성 고분자를 고체 전해질로 적용한 것이다. 고분자 커패시터는 일반 전해 커패시터에 비하여 1/10 이하의 낮은 저항 특성을 보이며, 낮은 저항으로 인해 RC delay가 거의 없어 초정밀 제어가 가능하고, 노이즈 제거기능이 뛰어나다. 또한 고분자 커패시터는 액체 성분을 사용하지 않기 때문에 온도나 습도, 특히 압력변화에 안정하므로 주변환경의 영향을 거의 받지 않아 외부 환경 변화에 대한 안정성이 매우 뛰어나다는 장점이 있다.
알루미늄을 기재로 하는 고분자 커패시터가 바람직하며, 6V 이상의 인가전압을 견디는 고분자 커패시터인 것이 더욱 바람직하다. 예를 들어, 대한민국특허등록 10-1524168호, 10-1251990호 및 10-1252681호에 개시된 알루미늄 고분자 커패시터를 사용할 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 전력공급회로 구성을 나타낸다.
도 2에서는, 제너다이오드(ZD1) 전단의 제1저항(R1)과 제너다이오드(ZD1) 후단, 즉 커패시터(C1) 전단에 제2저항(R2)을 포함한다. 커패시터(C1)에 저장되어 있는 에너지가 적어지고 커패시터(C1)에 인가되는 노이즈의 에너지(VN)가 높아지면 커패시터(C1)에 충전된 에너지가 제너다이오드(ZD1)를 통해 방전될 우려가 있으므로 이를 방지하거나 방전량을 감소시키기 위하여 제2저항(R2)을 추가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전력공급회로의 구성을 나타낸다.
도 3에서는 전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드(D1)를 통해 커패시터(C1)로 공급하며, 상기 커패시터(C1) 후단에 LDO(low-dropout) 레귤레이터를 구비한 것이다. LDO 레귤레이터는 일종의 선형 레귤레이터로서, 선형 영역 내에서 작동되는 트랜지스터나 FET를 사용하여, 입력된 전압에서 과도한 전압을 제거해 줌으로써 원하는 출력 전압을 생성해주는 장치이다. 레귤레이터가 출력 전압을 공칭값 100mV 이내로 유지시키는데 필요한 출력전압차동(differential)에 대한 최소한의 입력 전압을 드롭 아웃 전압이라고 한다.
LDO 레귤레이터를 사용하면 도 1 및 도 2에서 필요했던 제너다이오드(ZD1)를 제거할 수 있고 상당한 범위의 입력 변화(약 30V)에도 견딜 수 있다. 또한 커패시터(C1)는 에너지 저장만 하고 직류 흐름 경로가 없으므로 방전염려가 없다. 다만 LDO 레귤레이터 내부 소자들의 온/오프 반복하고 있기 때문에 완충작용을 위해 LDO 레귤레이터 출력 쪽에 소용량의 커패시터(C2)가 추가되는 것이 바람직하다.
도 4는 기존의 전해 커패시터를 사용한 전력공급회로의 외부 노이즈 인가 전 출력을 시험한 결과이다.
제너다이오드(ZD1)를 이용하여 포인트 B로 연결되는 MCU 전원 전압을 최대 5.6V가 되도록 하였고, 전력공급부에서는 7.9V의 직류 도선전압(VA)를 4초 이상 유지하였다. 용량 6.3V, 220uF 의 전해 커패시터를 사용하여 에너지를 저장하였고 로드 크기 50uA 로 시뮬레이션 하였다. 그 결과 최종 출력(VB)이 5V 이상을 10 초 이상 유지함을 알 수 있다.
도 5는 도 4의 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력을 시험한 결과이다.
커패시터(C1) 전단에 노이즈 모델 VN을 추가하여 외부 환경 변화를 모사하였다. 구체적으로 5.5초 시점에서 피크-투-피크 4V의 펄스를 0.1ms 동안 0.5s 마다 입력하였다. 그 결과 제너다이오드(ZD1)로 많은 양의 전류가 흘러 커패시터(C1)에 충전된 에너지가 손실되는 것을 확인하였다. 6s 이후 VB가 2V 이하로 떨어져 MCU 동작전력범위(2~5.5V)에 미달하므로 신호가 전달되지 않는다. 즉 만일 기폭회로라면 발파시 발생하는 노이즈 등에 의해 커패시터의 전류가 방전되어 발파신호가 전달되지 않게 된다.
따라서 기존의 전력공급회로는 일정 수준 이상의 압력 변화와 같은 외부 환경 변화에 취약함을 알 수 있다.
도 6은 도 2에 따른 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력 시험 결과이다.
제너다이오드(ZD1) 후단에 제2저항(100Ω)을 추가한 것을 제외하고는 다른 조건은 동일하게 하였다. 노이즈 조건을 동일하게 한 경우 10 초 동안 약 5V의 전압을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉 제2저항의 존재로 인해 제너다이오드를 통해 방전되는 전류를 줄여준다. 상기 제2저항의 크기는 예시로 든 것이며, 바람직한 제2저항의 크기는 회로 구성에 따른 다양한 시뮬레이션을 통해 적절히 결정할 수 있다.
도 7은 도 3에 따른 전력공급회로에 외부 노이즈 인가 후 출력 시험 결과이다. LDO 레귤레이터를 적용하는 경우에는 입력이 같은 값이면 높은 내압을 견디는 것을 사용하는 것이 바람직하므로 커패시터(C1)의 용량을 16V, 220uF로 하고, LDO 레귤레이터 출력 쪽에 최대 47uF의 소용량 거패시터(C2)를 추가하였다.
LDO 레귤레이터를 적용한 결과 제너다이오드나 제1저항이 필요 없으며, 노이즈에도 불구하고, MCU 구동 전압 범위에 속하는 약 2.5V의 전압을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전력공급회로는 외부 노이즈에도 불구하고 일정 수준 이상의 출력 전압을 유지하므로, MCU의 미작동이나 오작동의 가능성을 대폭 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 전력공급회로는 다양한 용도에 적용될 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 외부환경 변화에 대한 안정성이 우수하고 정밀한 전력제어가 가능하기 때문에 뇌관의 기폭회로에 적용하는 것도 가능하다.
뇌관 기폭 회로는 일반적으로 입력회로 및 제어회로를 구비하며, 제어회로로부터 충전 지령시 입력회로를 통해 입력되는 전압을 충전하고, 제어회로로부터 기폭 지령시 충전된 전압을 방전하는 방식으로 작동한다. 방전된 전압은 점화옥 방향으로 흘러서 점화옥을 기폭시킨다. 기폭회로의 구성은 예로서 대한민국특허출원 10-2013-0010656호에 개시된 것을 참조할 수 있다.
이러한 기폭회로는 암반의 폭파, 폐건물 폭파 등에 사용되는 다양한 폭발물, 특히 군사용 폭발물에 유리하게 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 전력공급부 및
    상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 저장한 후 필요한 장치에 전력을 공급하기 위한 축전장치를 구비하며,
    상기 축전장치로서 고분자 커패시터를 사용하는 것을 특징으로 하는 전력공급회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드 및 저항을 통해 상기 축전장치로 공급하며, 상기 축전장치로 공급되는 전력의 최대 전압을 조절하기 위한 제너다이오드를 상기 축전장치 전단에 포함하는 것인 전력공급회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저항은 제너다이오드 전단의 제1저항과 제너다이오드 후단의 제2저항을 포함하는 것인 전력공급회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력공급부로부터 공급되는 전력을 역전류방지 다이오드를 통해 상기 축전장치로 공급하며, 상기 축전장치 후단에 LDO(low-dropout) 레귤레이터를 구비하는 것인 전력공급회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 축전장치는 6V 이상의 인가전압을 견디는 고분자 커패시터인 것인 전력공급회로.
  6. 제1항에 있어서,
    뇌관용 기폭회로인 전력공급회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전력공급회로를 적용한 군사용 폭발물.
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