KR100464596B1 - 과부하 검출 회로 차단기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과부하 검출 회로 차단기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 과부하 검출 회로 차단기는 소스에서 부하로 전력을 전달하는 도전선 상에 결합되어 과부하가 발생할 경우 상기 도전선을 차단하는 과부하 검출 회로 차단기에 있어서, 상기 도전선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 전류 검출부에서 출력하는 신호를 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 출력하는 신호를 적분하고, 적분된 신호를 기준 전압과 비교하여 과부하 지시 신호를 출력하는 과부하 지시 신호 생성부; 상기 정류부에서 출력하는 신호를 분석하여 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 아크 검출부; 상기 아크 검출부에서 아크 검출 신호를 생성할 경우 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전시키는 제1 방전 제어부를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 아크 신호가 발생한 경우에는 과부하 지시 신호 생성부에서 전압을 축적하지 않으므로 아크가 발생하였음에도 불구하고 과부하를 이유로 회로를 차단하는 문제점을 해결할 수 있다.

Description

과부하 검출 회로 차단기{Circuit Breaker for Detecting Overload}

본 발명은 회로 차단기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자적으로 과부하를 검출하여, 과부하가 발생할 경우 소스에서 부하로 공급되는 회로를 차단하며, 아크와 과부하를 정확히 검출할 수 있는 과부하 검출 회로 차단기에 관한 것이다.

일반적으로 화재나, 감전 사고 예방을 위해서 가정에서는 배선용 차단기와 누선 차단기를 사용한다. 배선용 차단기는 전선을 보호하기 위한 목적에 사용되는 것이다. 부하를 사용하는 중에 전류가 정격 이상으로 초과되면, 차단기 내부에 흐르는 전류가 정상 전류보다 높게 되어 열이 발생하고, 이 열에 의하여 내부의 바이메탈이 만곡되어 회로가 차단되며, 더 이상 전자 제품 등의 부하에 전원이 공급되지 않는다. 또한, 부하 측에서 전동 공구나 다른 금속 물건에 의하여 상간에 단락이 발생하는 경우에도 회로가 차단된다. 이 경우에는 순간적으로 고전류가 발생하기 때문에 바이메탈이 열을 받아 전자 제품 등의 부하가 동작하기 전에 내부의 자석을 동작시키고, 따라서 전자 제품으로 전원이 공급되지 않는다. 이와 같은 고전류는 많은 자기장을 발생시키게 되고, 그에 따라 전자 제품 내부의 자석이 동작되는 것이다. 누선 차단기는 이러한 배선용 차단기의 기능뿐만 아니라, 사용자가 전자 제품을 사용하는 중에 감전되었을 때, 이를 회로적으로 감지하여 전원을 차단함으로써 사용자를 보호하는 기능을 한다.

과부하로 인한 피해로부터 전자 제품을 보호하기 위하여 회로 차단기에 구비되어 과부하 검출에 이용되는 바이메탈은 열팽창 계수가 서로 다른 2 종류의 금속판을 압연법으로 붙인 것이다.

바이메탈은 온도의 변화에 따라 두 금속판의 팽창 정도가 다르기 때문에 온도의 변화에 따라 만곡된다. 이러한 바이메탈은 비교적 작은 온도 변화에 대단히 큰 변위로 만곡되기 때문에, 온도계로서 사용하거나 온도 변화를 검출하여 자동적으로 작동하는 스위치로서 가정용 전자 제품에 널리 사용된다.

과부하 검출 기능을 갖는 회로 차단기에서, 바이메탈은 과전류가 흘러서 금속판의 온도가 상승하는 경우 저 팽창 금속 쪽으로 휘는 특성을 이용하여 회로를 차단한다.

바이메탈에 사용되는 저팽창 금속으로는 열팽창이 대단히 작은 합금이 사용되고, 고팽장 금속으로는 니켈-크롬-철 합금, 니켈-망간-철 합금 또는 망간-구리-니켈 합금 등이 사용된다.

바이메탈을 이용한 과부하 검출은 정해진 시간, 예컨대 4분 내지 1시간 동안 과전류의 변화 상태를 계속적으로 검출하여야 하므로 과부하 검출 동작 및 과부하검출 회로의 테스트에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있다. 또한 과부하 보호 회로를 사용하는 기간에 따라 과전류에 의한 바이메탈의 만곡 정도가 쉽게 변하기 때문에, 시간이 지남에 따라 과부하 보호 회로의 동작 특성이 변하기 쉽다. 결국, 시간이 지남에 따라 과부하 검출회로에 의한 과부하 검출 동작이 제대로 이루어지기 어려워진다. 또한 , 과부하 검출에 의하여 바이메탈이 만곡되어 그에 따라 회로가 차단된 후에는, 이후의 과부하 검출 동작을 위하여 만곡된 바이메탈이 원래의 위치로 복귀되어야 하는데, 이 때 바이메탈의 복귀에 많은 시간이 소요되기 때문에, 과부하 검출 회로의 연속적인 검출 동작을 위한 경제적, 시간적 손실이 많은 문제점이 있다.

또한, 근래에는 회로 차단기가 과부하, 아크, 접지 결함 등을 모두 검출하여 차단하는 콤비 타입으로 제작되는 경우가 많다. 이와 같은 콤비 타입의 회로 차단기에서 아크가 발생할 경우 고전류가 도전선에 흐르기 때문에 아크가 발생한 경우에도 과부하가 발생한 것으로 판단되는 경우가 있었다.

아크는 배전선의 문제점에 의해 발생하는 것으로 근본적인 원인이 해결되지 않으면, 회로를 다시 연결할 경우 화재가 발생하나, 과부하는 일시적인 과전류에 의한 것이므로 회로가 차단된 후 다시 회로를 연결하여도 무방하다.

따라서, 콤비 타입의 회로 차단기는 회로 차단의 원인을 정확히 표시하여야 하는데, 종래의 회로 차단기는 아크가 고전류를 동반하므로 과부하와 아크를 정확히 구별하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 과부하와 아크를 보다 정확히 구별할 수 있는 회로 차단기를 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 아크가 발생할 경우 과부하 검출 장치에 축적된 전압을 방전하여 아크와 과부하를 구별하는 회로 차단기를 제안하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 검출 회로 차단기의 전체 구성을 도시한 블록도.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출부의 회로 구성을 도시한 도면.

도 2b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출부의 회로 구성을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류부의 상세 구성을 도시한 회로도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 결함 검출부의 구성을 도시한 블록도.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 지시 신호 생성부의 구성을 도시한 블록도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 제어부의 상세 구성을 도시한 회로도

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 검출부의 상세 구성을 도시한 블록도.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 지시 신호 생성부의 상세한 구성을 도시한 회로도.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로 차단부의 구성을 도시한 회로도.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 과부하 검출 회로 차단기는 소스에서 부하로 전력을 전달하는 도전선 상에 결합되어 과부하가 발생할 경우 상기 도전선을 차단하는 과부하 검출 회로 차단기에 있어서, 상기 도전선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 전류 검출부에서 출력하는 신호를 정류하는 정류부; 상기 정류부에서 출력하는 신호를 적분하고, 적분된 신호를 기준 전압과 비교하여 과부하 지시 신호를 출력하는 과부하 지시 신호 생성부; 상기 정류부에서 출력하는 신호를 분석하여 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 아크 검출부; 상기 아크 검출부에서 아크 검출 신호를 생성할 경우 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전시키는 제1 방전 제어부를 포함할 수 있다.

상기 전류 검출부는 상기 도전선에 흐르는 전류의 변화량을 검출하여 이에 비례하는 신호를 출력하는 전류 변환기를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전류 검출부는 상기 도전선에 병렬로 연결된 저항을 설치하여 저항에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 션트 회로를포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전류 검출부는 상기 전류 검출부는 로고스키 코일 센서를 포함할 수 있다.

상기 정류부는 전파 정류를 수행하는 4개의 다이오드를 포함하거나 반파 정류를 수행하는 1개의 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 과부하 지시 신호 생성부는 상기 정류부의 출력 신호를 축적하는 적분부; 과부하라고 판단되는 미리 설정 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생부; 및 상기 기준 전압 발생부의 출력 전압과 상기 적분부의 출력 전압을 비교하여 과부하 지시 신호를 생성하는 비교부를 포함할 수 있다.

상기 과부하 지시 신호 생성부의 적분부는 저항과 캐패시터를 포함하며, 상기 캐패시터에 상기 정류부의 출력신호를 충전시킬 수 있다.

상기 과부하 지시 신호 생성부의 기준 전압 발생부는 바이어스 전원과 상기 바이어스 전원의 전압을 분배하는 적어도 하나의 저항을 포함할 수 있다.

상기 과부하 지시 신호 생성부의 비교부는 상기 적분부의 출력 신호와 상기 기준 전압 발생부의 출력 신호를 입력으로 하는 OP 앰프를 포함할 수 있다.

상기 아크 검출부는, 상기 정류부의 출력 신호 중 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 필터부; 상기 필터부의 출력신호의 레벨를 기 설정된 레벨 이하로 제한하는 레벨 제한부; 아크라고 판단되는 미리 설정한 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생부; 상기 레벨 제한부의 출력신호와 상기 기준 전압 발생부의 출력신호를 비교하여 레벨 제한부의 출력신호가 더 클 경우 아크 검출 신호를 생성하여상기 제1 방전 제어부에 입력하는 비교부를 포함할 수 있다.

상기 아크 검출부의 필터부는 저항과 캐패시터를 포함하는 고주파 대역 통과 필터일 수 있다.

상기 아크 검출부의 레벨 제한부는 제너 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 아크 검출부의 기준 전압 발생부는 바이어스 전원과 상기 바이어스 전원의 전압을 분배하는 하나 이상의 전압 분배 저항을 포함할 수 있다.

상기 아크 검출부의 비교부는 상기 레벨 제한부의 출력신호와 상기 기준 전압 발생부의 출력신호가 입력되는 OP 앰프를 포함할 수 있다.

상기 제1 방전 제어부는 상기 아크 검출 신호를 게이트 단자에 입력받으며, 상기 아크 검출 신호를 입력받을 경우 턴-온 되어 상기 캐패시터를 접지시키는 SCR을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 과부하 또는 아크 결함 및 접지 결함을 포함하는 회로 차단 원인에 의해 상기 도전선이 차단될 경우, 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전하는 제2 방전 제어부를 더 포함할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 과부하 검출 회로 차단기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 검출 회로 차단기의 전체 구성을 도시한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 검출회로 장치는 전류 검출부(104), 정류부(106), 아크 검출부(108), 제1 방전 제어부(110), 과부하 지시 신호 생성부(112), 제2 방전 제어부(114) 및 회로 차단부(116)를 포함할 수 있다.

도 1에는, 과부하 검출용에 한정된 회로 차단 장치의 블록도를 도시하였으나, 본 발명에 의한 기술적 사상이 과부하 검출은 물론 아크 결함 및 접지 결함 검출을 함께 수행하는 회로 차단기에도 적용될 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

전류 검출부(104) 소스에서 부하로 흐르는 전류의 크기를 검출하며, 전류의 크기에 비례하는 전류 검출 신호를 전압 또는 전류의 형태로 출력하는 기능을 한다.

도 1에는, 전류 검출부(104)가 상도전선 상에 연결되어 전류의 양을 검출하는 경우를 도시하였으나, 상도전선과 중성선에 모두 연결되어 전류의 크기를 검출할 수도 있으며, 중성선 상에 연결되어 전류의 크기를 검출하는 경우도 모두 포함할 수 있을 것이다.

또한, 직접적으로 전류의 크기를 검출하는 구성은 물론 전류의 크기를 직접 검출하지 않고, 전류의 변화량을 검출한 후 그로부터 전류의 크기를 예측하는 구성도 본 발명의 범주에 속할 수 있음은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 전류 검출부(104)로 전류 변환기를 사용할 수 있다.

전류 변환기는 전류의 크기를 검출하는 장치는 아니고 전류의 변화량을 검출하는 장치이나, 도전선 상에 흐르는 전류가 교류이므로 전류의 변화량은 전류의 크기에 비례하는 바, 전류의 변화량을 검출하는 전류 변환기가 전류 검출부(104)를 구성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도전선 상에 분로를 설치하여 분로에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 션트(shunt) 회로가 전류 검출부(104)를 구성할 수도 있다.

정류부(106)는 상기 전류 검출 신호를 정류하는 기능을 한다. 직접적으로 전류의 크기를 측정하는 션트(Shunt) 방식의 경우 소스에서 부하로 공급되는 전류가 교류이므로 정류 과정이 필요하며, 전류의 시간에 따른 변화량 정보를 검출하는 전류 변환기의 경우에도 여전히 교류 신호가 출력되므로 정류 과정이 필요하다. 정류부(106)는 일반적인 다이오드를 이용하여 구현될 수 있으며, 반파 정류를 하는 경우와 전파 정류를 하는 경우가 모두 정류부(106)의 범주에 속할 수 있을 것이다.

과부하 지시 신호 생성부(112)는 상기 정류부(106)의 출력 신호를 수신하여 과부하가 발생하였는지 여부를 판단하고, 일정 시간동안 과부하가 발생할 경우, 회로를 차단하도록 하는 과부하 지시 신호를 출력한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 과부하 지시 신호 생성부(108)는 정류부(106)의 출력 신호를 계속적으로 적분하고, 적분된 신호가 기 설정된 레벨을 초과할 경우, 과부하 지시 신호를 출력하도록 동작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호의 적분 수단으로 캐패시터 또는 이를 이용한 아날로그 적분회로가 사용될 수 있으며, 본 발명의 또 다른 실시예에따르면, 디지털 적분기가 상기 적분 수단으로 사용될 수도 있을 것이다. 디지털 적분기가 사용되려면 정류 신호를 디지털 신호로 변환하는 작업이 선행되어야 할 것이다.

아크 검출부(108)는 상기 정류부에서 출력하는 정류 신호를 분석하여 아크가 발생하였는지 여부를 판단하는 기능을 한다. 아크가 발생하였다고 판단되는 경우, 아크 검출부는 제1 방전 제어부(100)로 아크 결함 검출 신호를 출력하며 아크가 발생하지 않은 경우에는 아무런 신호도 출력하지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 아크 검출부(108)는 지연 시간 없이 빠르게 아크 발생을 검출하도록 구현되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 아크가 발생할 경우, 이를 과부하로 판단하지 않도록 하여야 한다. 따라서, 아크 검출이 늦게 이루어지는 경우, 아크로 인한 결함임에도 불구하고 과부하 지시 신호 생성부에서 신호가 적분되어 과부하 지시 신호를 출력할 수 있으므로, 아크 발생 여부를 빠르게 판단하도록 하는 것이 바람직하다.

제1 방전 제어부(110)는 상기 아크 검출부(108)가 아크 검출 신호를 출력할 경우, 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전시키는 기능을 한다. 아크가 검출된 경우, 제1 방전 제어부(110)에 의해 적분된 신호가 방전되므로, 아크 결함임에도 불구하고 과부하로 판단하는 문제점을 해결할 수 있다.

제2 방전 제어부는 과부하, 아크, 접지 결함 등으로 인해 회로가 차단될 경우, 상기 적분된 신호를 모두 방전 시켜 초기 상태로 전환하는 기능을 한다. 적분된 신호를 방전시키지 않으면, 사용자가 회로를 다시 연결할 경우 신호가 어느 정도 적분된 상태에서 다시 과부하를 검출하여 오동작을 할 수 있는 문제점이 있기 때문이다.

회로 차단부(116)상기 과부하 지시 신호를 수신할 경우, 소스에서 부하로 전력이 공급되지 않도록 회로를 차단하는 기능을 한다. 도 1에는 회로 차단부(116)가 상도전 상에 연결되어 상도전선을 차단하는 경우를 도시하였으나, 중성선을 차단하는 경우 또는 상도전선과 중성선을 모두 차단하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 회로 차단부(114)는 과부하 지시 신호를 수신할 경우 솔레노이드를 턴온 시키고, 솔레노이드의 자기 신호에 의해 스위치의 위치를 바꾸어 회로를 차단할 수 있다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 검출부(104)의 상세 구성을 도시한 도면이다. 도 2a는 전류 변환기를 이용하여 전류를 검출하는 경우를 도시한 것이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 전류 검출부(104)는 상도전선의 전류의 변화량을 검출하는 코일(CT20)과 이에 병렬로 연결된 저항(R21)으로 구현될 수 있다.

코일(CT20)은 패러데이 법칙에 따라 상도전선에 흐르는 전류의 변화량을 검출하고 이에 비례하는 전류 검출 신호를 출력한다. 코일이 상도전선이 아닌 중성선에 연결되어 전류의 변화량을 검출할 수 있음은 전술한 바 있다. 상도전선에 흐르는 전류가 교류이므로 전류의 변화량은 전류의 크기에 비례하는 값이라고 할 수 있다.

코일(CT20)에 병렬로 연결된 저항(R21)은 코일(CT20)에서 출력되는 신호를 감쇠시키고, 임피던스를 매칭시키는 기능을 한다. 따라서, 저항(R21)은 본 발명에 따른 회로 차단기의 본질적인 기능에 영향을 미치지는 않는다. 저항(R21)으로 인해 너무 큰 전류가 상도전선에 흘러 코일에 과도한 전압이 걸리는 경우, 이로 인한 회로의 불안정성을 억제할 수 있는 효과가 있다.

코일은 패러데이 법칙에 따라 전류의 변화량에 비례하는 전압을 출력하므로, 도 2a에 도시된 전류 검출부(104)에서 출력되는 전류 검출 신호는 전압의 형태로 출력될 것이다.

도 2b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출부(104)의 회로 구성을 도시한 도면이다.

도 2b에 도시된 전류 검출 회로는 션트(Shunt) 방식에 의해 전류량을 검출하는 회로이다. 션트 방식은 병렬 저항을 통해 전류가 흐르는 경로를 분리하여 분리된 경로에서의 전류의 크기를 검출하여 전류량을 측정하는 방법이다.

도 2b에서는 상도전과 병렬로 연결된 저항(R22)이 상기 병렬 저항의 역할을 한다. 도 2b에서는 상도전선에 병렬 저항을 연결하는 구성을 도시하였으나, 중성선에 병렬 저항을 연결하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

상도전선에 병렬로 저항(R22)을 연결하면 상도전선 고유의 임피던스와 병렬 저항의 크기의 비에 따라 전류가 병렬 저항으로 흐른다. 따라서, 상도전선에 흐르는 전류의 크기와 병렬 저항(204)에 흐르는 전류의 크기는 비례 관계에 있으므로,병렬 저항에 흐르는 전류의 크기 정보가 과부하를 판단하는 정보로 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전류 검출부(104)는 로고스키 센서로 구성되어 전류 변환기와 유사하게 전류의 변화량에 비례하는 신호를 전압으로 출력할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류부의 상세 구성을 도시한 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정류부(106)는 4개의 다이오드(D30, D31, D32, D33)로 구현될 수 있을 것이다. 도 3에서, 왼쪽에 위치한 두 개의 다이오드(D30, D31)는 교류 신호 중 양의 값을 가지는 신호를 통과시키며, 오른쪽에 위치한 두 개의 다이오드(D32, D33)는 교류 신호 중 음의 값을 가지는 신호를 양의 값으로 전환시켜 전파 정류를 수행한다.

도 3에서는 4개의 다이오드를 이용하여 전파 정류를 수행하는 정류부에 대한 구성을 도시하였으나, 하나의 다이오드를 이용하여 반파 정류를 수행하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다는 것은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 결함 검출부의 구성을 도시한 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 결함 검출부는 필터부(400), 레벨 제한부(402), 비교부(404) 및 기준 전압 발생부(406)를 포함할 수 있다.

필터부(400)는 고주파 대역 필터로 구성되며, 상기 정류부(106)의 출력 신호에서 아크와 관련이 없는 저주파 신호를 차단하고 고주파의 신호만을 통과시킨다. 아크와 관련이 없는 저주파 성분을 제거하므로 필터부를 통과한 신호의 레벨은 정류부에서의 출력신호 레벨보다 더 낮아지게 된다. 필터부(400)는 일반적인 고주파 대역 통과 필터를 구성하는 저항과 캐패시터의 조합으로 구현될 수 있으며, 기타 다른 방법으로 고주파 대역 통과 필터를 구현하는 구성도 본 발명의 범주에 속할 것이다.

레벨 제한부(1404)는 상기 필터부(400)에서 출력되는 신호가 미리 설정된 기준 신호 레벨을 초과할 경우, 초과하는 신호 레벨을 미리 설정된 기준 신호 레벨로 제한하는 기능을 한다. 상기 전류 검출부(104)에서의 전류 변화량의 검출이 전류 변환기를 통해 이루어질 경우, 필터부(400)의 출력신호는 전압으로 출력될 것이며, 이 경우 전압 레벨을 제한하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압 레벨의 제한을 위해 제너 다이오드를 이용할 수 있다. 예를 들면, 27V의 기준 전압을 설정한 경우 30V의 전압이 출력되면 이를 27V로 제한하는 것이다. 이와 같은 전압 레벨의 제한은 과도한 전압의 출력으로 회로가 불안정해지는 것을 방지하기 위해서이다.

기준 전압 발생부(406)는 아크라고 판단되는 미리 설정된 전압을 발생시켜 이를 비교부(404)로 입력한다. 본 발명의 일 실시예에 ??르면, 기준 전압 발생부(406)는 바이어스 전원과 가변 저항 등을 이용하여 전압을 분배시켜, 미리 설정한 전압을 출력하도록 구현될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면,독립 전원을 이용하여 기준 전압 발생부(406)를 구현할 수도 있을 것이다.

비교부(404)는 상기 레벨 제한부(402)의 출력 신호 및 상기 기준 전압 발생부(406)에서 출력되는 신호를 비교하여 레벨 제한부(402)의 출력신호가 기준 전압 발생부의 출력 전압 레벨보다 높을 경우, 아크 검출 신호를 출력한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 비교부는 OP 앰프 또는 OP 앰프를 집적한 회로로 구현될 수 있다.

비교부(404)에서 출력하는 아크 검출 신호는 제1 방전 제어부(110)로 입력된다.

아크 신호는 전기 기기의 기동 신호와 조광기(Dimmer)의 동작에 의한 신호와 매우 유사하다. 전기 기기의 기동 신호와 아크 신호를 보다 정확히 구별하기 위해 아크 신호는 오랫동안 지속된다는 특징을 이용하여 상기 비교부(404)에서 출력되는 신호를 적분하여 기 설정한 임계치를 초과할 경우에 아크가 발생하였다고 판단할 수도 있다.

위와 같은 아크 검출 방법은 보다 정확하게 아크를 구별할 수 있으나, 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 아크 검출부가 시간의 지연 없이 빠르게 아크 발생을 감지하여야 하므로 신호를 적분하지 않고 전류 변화량만을 비교하여 아크를 검출하도록 하는 것이 바람직하다.

그러나, 도 4와 같은 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과하며, 상기한 신호를 적분하여 아크 여부를 검출하는 아크 검출부가 사용될 수도 있을 것이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 지시 신호 생성부의 구성을 도시한 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 지시 신호 생성부(112)는 적분부(500), 비교부(502) 및 기준 전압 발생부(504)를 포함할 수 있다.

적분부(500)는 정류부(106)에서 출력되는 정류 신호를 계속적으로 적분하고 이 값을 비교부(502)에 입력한다. 과부하가 아닌 정상 전류가 흐를때는 작은 값이 적분되며, 과부하에 의한 전류가 흐를 때에는 큰 값이 적분될 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적분부(500)는 저항과 캐패시터로 이루어지는 적분회로로 구현될 수 있을 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 디지털 방식으로 과부하를 검출할 경우 디지털 카운터로 적분부(500)를 구현할 수도 있을 것이다.

기준 전압 발생부(504)는 과부하 상태라고 판단되는 미리 설정된 전압을 발생시켜 이를 비교부(502)로 입력한다. 본 발명의 일 실시예에 ??르면, 기준 전압 발생부(802)는 가변 저항 등을 이용하여 바이어스 전압을 분배시켜, 미리 설정한 전압을 출력하도록 구현될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 독립 전원을 이용하여 기준 전압 발생부(502)를 구현할 수도 있을 것이다.

비교부(804)는 상기 적분부(800)에서 출력되는 적분신호와 기준 전압 발생부(802)에서 출력되는 기준 전압을 비교하여 적분신호의 값이 더 클 경우 과부하 지시 신호를 출력하는 기능을 한다

본 발명의 일 실시예에 따르면 비교부(804)는 OP 앰프 또는 OP 앰프가 집적된 회로로 구현될 수 있을 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 디지털 발식으로 과부하를 검출할 경우, 디지털 논리회로를 이용하여 비교부(804)를 구현할 수도 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 제어부의 상세 구성을 도시한 회로도이다.

제1 방전 제어부(110)는 아크가 발생하였을 경우에 과부하 지시 신호 생성부(112)에 적분된 신호를 방전시키고, 제2 방전 제어부는 회로가 차단되었을 경우에 과부하 지시 신호 생성부(112) 방전시키므로, 제1 방전 제어부와 제2 방전 제어부는 동일한 회로로 구현될 수 있을 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 제어부는 SCR(60), SCR(60)의 게이트 단자에 연결된 저항(R61)과 캐패시터(C62)를 포함한다.

도 6에서, SCR(60)의 캐소드 단자는 접지되어 있으며, 아크 검출부(508)에서 아크 검출 신호가 출력될 경우 이는 SCR(60)의 게이트 단자에 입력된다. SCR(60)은 게이트 단자에 일정 전압이 인가될 경우에 턴온된다. SCR(60)은 턴온 되기 전에는 회로를 오픈 상태로 유지하나 일단 턴온이 되면 회로를 연결시키는 기능을 한다. 도 6에는 SCR(60)의 애노드 단자가 과부하 지시 신호 발생부의 적분부에 연결되는 것으로 도시되어 있으며, 더욱 구체적으로 적분부가 캐패시터로 구현될 경우 캐패시터에 애노드 단자가 연결된다.

SCR(60)의 게이트 단자에 연결되어 있는 저항(R51)과 캐패시터(C52)는 회로의 안정을 위해 연결된 소자이며, 회로의 기능에 영향을 미치는 소자는 아니므로,저항(R61)과 캐패시터(C62)가 없더라도 회로의 기능이 바뀌지는 않는다.

아크 검출 신호가 입력되어 SCR(60)이 턴온 되면, 적분부의 캐패시터는 접지되며 방전이 이루어진다.

아크 검출 신호가 출력되면, 제1 방전 제어부(110)를 통해 과부하 지시 신호 생성부에 적분되는 전압이 방전되므로, 과부하 지시 신호 생성부는 아크가 발생할 경우에는 과부하 지시 신호를 발생시키지 않는다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 검출부의 상세 구성을 도시한 블록도이다.

도 7에서, 저항(R70)과 캐패시터(C71)는 필터부를 구성한다. 정류 신호에서, 저항(R70)과 캐패시터(C71)에 의해 저주파 성분은 통과를 못하고 고주파 성분의 신호만이 통과한다.

제너 다이오드(ZD73)는 레벨 제한부의 기능을 한다. 캐패시터(C71)에서 출력되는 신호가 제너 다이오드의 정격 전압을 초과할 경우, 제너 다이오드(ZD73)는 정격 전압에 해당하는 전압만을 출력한다. 전술한 바와 같이, 전류 검출부에서 과도한 전압을 출력할 경우 회로가 손상되는 것을 보호하기 위해서 출력 전압의 레벨을 제한하는 것이다.

제어 다이오드(ZD73)와 연결된 다이오드(D74)는 일반적인 역류 방지 기능을 한다.

다이오드(D74)를 통과한 신호는 OP 앰프(700)의 비반전 입력 단자로 입력된다.

바이어스 전압(Vcc)과 가변 저항(VR76)은 기준 전압 발생부를 구성한다. 가변 저항(VR76)의 값을 조절함으로써 아크가 발생하였다고 판단할 수 있는 적절한 크기의 전압을 설정하도록 한다. 기준 전압은 가변 저항을 이용하여 조절할 수도 있으나, 두 개의 저항을 직렬로 연결하여 전압 분배에 의해 기준 전압을 조절할 수도 있을 것이다.

가변 저항(VR76)에 걸리는 기준 전압은 OP 앰프(700)의 반전 입력 단자로 입력된다.

OP 앰프(700)는 비교부의 역할을 한다. OP 앰프(700)의 비반전 입력 단자로는 다이오드(D74)를 통과한 신호가 입력되며, OP 앰프(700)의 반전 입력단자로는 기준 전압이 입력된다.

OP 앰프(700)는 기준 전압보다 비반전 입력 단자로 입력되는 전압이 더 클 경우 출력 전압을 발생한다. 이러한 출력 전압은 아크 검출 신호로서 제1 방전 제어부에 입력되며, OP 앰프의 출력 전압은 제1 방전 제어부가 SCR로 구현될 경우 SCR을 턴온시켜 과부하 지시 신호 생성부에 축전된 전압이 방전되도록 한다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 과부하 지시 신호 생성부의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.

정류부에서 출력되는 정류 신호는 다이오드(D80)에 입력된다. 다이오드(D80)는 일반적인 다이오드의 기능인 역류를 방지하는 역할을 한다.

다이오드(D80)의 캐소드 단자에 직렬로 연결된 저항(R81)과 저항과 병렬로 연결된 캐패시터(C82)는 적분부의 역할을 한다. 캐패시터(C82)에는 상기 정류부에서 출력하는 전압이 계속적으로 축적된다. 이때 축적 시간은 저항(R81)의 크기와 캐패시터(C82)의 용량에 의해 결정된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 전압이 축적되는 캐패시터(C82)는 제1 방전 제어부(110) 및 제2 방전 제어부(114)와 연결되어 있다.

아크 검출 신호 또는 회로 차단 신호가 출력되지 않으면 캐패시터(C82)와 제1 방전 제어부(110) 및 제2 방전 제어부는 캐패시터와 오픈된 상태이다. 그러나 아크 검출 신호가 출력되면 제1 방전 제어부(110)의 SCR이 턴온되어 캐패시터(C82)는 접지되고 축적된 전압이 방전된다. 회로 차단 신호가 출력되면 제2 방전 제어부(114)의 SCR이 턴온되어 캐패시터(C82)는 접지되고 축적된 전압이 방전된다.

캐패시터(C82)에 축적된 전압은 OP 앰프(800)의 비반전 입력 단자로 입력된다.

바이어스 전압(Vcc)과 가변 저항(VR83)은 기준 전압 발생부를 구성한다. 가변 저항(VR83)의 값을 조절함으로써 과부하가 발생하였다고 판단할 수 있는 적절한 크기의 전압을 설정하도록 한다. 기준 전압은 가변 저항을 이용하여 조절할 수도 있으나, 두 개의 저항을 직렬로 연결하여 전압 분배에 의해 기준 전압을 조절할 수도 있을 것이다.

가변 저항(VR83)에서 출력되는 전압은 OP 앰프(800)의 반전 입력 단자로 입력된다.

OP 앰프(800)는 비교부의 역할을 한다. OP 앰프(800)는 기준 전압보다 캐패시터에 축전된 전압이 더 클 경우 출력 전압을 발생한다. 이러한 출력 전압은 과부하 지시 신호로서 회로 차단부(116)에 입력된다,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회로 차단부의 구성을 도시한 회로도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 차단부(114)는 스위치(900), 솔레노이드(902), SCR(904)과 상기 SCR(1304)의 게이트 단자에 연결되는 캐패시터(C90)와 저항(R91)을 포함할 수 있다.

도 9에서, 과부하가 검출될 때 출력되는 과부하 지시 신호는 SCR(904)의 게이트 단자로 입력된다. SCR(904)의 게이트 단자에 연결된 저항(R91)과 캐패시터(C90)는 신호의 안정적인 공급을 위한 소자이며, 회로의 기능에 영향을 미치는 소자는 아니다.

SCR(904)은 초기 상태에서는 전류를 도통시키지 않으나, 일정 전압 이상이 인가되면 전류를 도통시키는 기능을 하는 소자이다.

따라서, 과부하 지시 신호가 입력되지 않는 경우, SCR(904)이 연결되어 있는 노드는 개방되어 있는 상태이며, 솔레노이드(902)는 어떠한 전압도 인가되지 않아 동작하지 않는다.

과부하 지시 신호 생성부(112)로부터 과부하 지시 신호가 입력되면, SCR(904)은 회로를 연결시키며, 솔레노이드(902)로 과부하 지시 신호가 입력된다. 솔레노이드에 전류가 흐르면, 솔레노이드(902)는 자석으로 동작하며 따라서 스위치(900)의 위치는 솔레노이드(902)쪽으로 옮겨지고 소스와 부하를 연결하는 도전선은 차단된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 과부하 검출 회로 차단기에 의하면, 아크 신호가 발생한 경우에는 과부하 지시 신호 생성부에서 전압을 축적하지 않으므로 아크가 발생하였음에도 불구하고 과부하를 이유로 회로를 차단하는 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명에 따르면, 아크와 과부하를 정확히 구별할 수 있으므로, 회로의 차단 시 사용자가 회로를 다시 연결할 경우 화재가 발생할 가능성을 줄일 수 있다.

Claims (18)

1. 소스에서 부하로 전력을 전달하는 도전선 상에 결합되어 과부하가 발생할 경우 상기 도전선을 차단하는 과부하 검출 회로 차단기에 있어서,

   상기 도전선에 흐르는 전류의 변화량을 검출하여 이에 비례하는 신호를 출력하는 전류 변환기;

   상기 전류 변환기부에서 출력하는 신호를 정류하는 정류부;

   상기 정류부의 출력 신호를 축적하는 적분부; 과부하라고 판단되는 미리 설정한 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생부; 및 상기 기준 전압 발생부의 출력 전압과 상기 적분부의 출력 전압을 비교하여 과부하 지시 신호를 생성하는 비교부;로 구성되는 과부하 지시 신호 생성부;

   상기 정류부의 출력 신호 중 특정 주파수 대역의 신호를 통과시키는 필터부; 상기 필터부의 출력신호의 레벨를 기 설정된 레벨 이하로 제한하는 레벨 제한부; 아크라고 판단되는 미리 설정한 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생부; 상기 레벨 제한부의 출력신호와 상기 기준 전압 발생부의 출력신호를 비교하여 레벨 제한부의 출력신호가 더 클 경우 아크 검출 신호를 생성하는 비교부;로 구성되는 아크 검출부;

   상기 아크 검출 신호를 게이트 단자에 입력받으며, 상기 아크 검출 신호를 입력받을 경우 턴-온 되어 상기 캐패시터를 접지시키는 SCR을 포함하여 상기 아크 검출부에서 아크 검출 신호를 생성할 경우 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전시키는 제1 방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 전류 검출부는 상기 도전선에 병렬로 연결된 저항을 설치하여 저항에 흐르는 전류의 크기를 검출하는 션트 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전류 검출부는 로고스키 코일 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 과부하 지시 신호 생성부의 적분부는 저항과 캐패시터를 포함하며, 상기 캐패시터에 상기 정류부의 출력신호를 충전시키는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 과부하 지시 신호 생성부의 기준 전압 발생부는 바이어스 전원과 상기 바이어스 전원의 전압을 분배하는 적어도 하나의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서,

    상기 아크 검출부의 기준 전압 발생부는 바이어스 전원과 상기 바이어스 전원의 전압을 분배하는 하나 이상의 전압 분배 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
15. 삭제
16. 삭제
17. 제1항에 있어서,

    과부하 또는 아크 결함 및 접지 결함을 포함하는 회로 차단 원인에 의해 상기 도전선이 차단될 경우, 상기 과부하 지시 신호 생성부에 적분된 신호를 방전하는 제2 방전 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과부하 검출 회로 차단기.
18. 삭제