KR100817485B1 - 방전제어전극이 구비된 방전소자 및 그 제어회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빠른 과도전압에 대하여 전압이 낮은 때에는 방전하지 아니하는 특성을 개선하여 낮은 전압에서도 방전을 유도하기 위한 방전제어전극을 갖는 신규한 방전소자 및 본 발명의 방전소자를 구동하기 위한 구동회로에 관한 것으로 상세하게는 세라믹 절연 재료로 형성된 기밀 실린더, 상기 기밀 실린더의 단부 개구에 대향되어 배치되는 한 쌍의 방전전극, 상기 한 쌍의 방전전극 사이에 형성된 방전 갭, 상기 기밀 실린더 내부에 봉입된 방전도움물질 및 상기 세라믹 절연 재료와 접해 있으며 상기 방전도움물질과 물리적으로 분리되어 있는 방전제어전극을 포함하여 구성되며, 상기 방전제어전극을 통해 인가된 제어전압에 의해 상기 한 쌍의 방전전극 간의 방전이 유도되는 특징이 있다.

본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 방전소자의 제어회로는 빠르게 인가되는 낮은 전압에서도 방전성능이 우수하며, 낮은 잔류전압 특성을 제공하고, 본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자를 포함하는 낙뢰/서지보호기는 서지의 유입에도 기기가 충분히 생존할 수 있는 낮은 잔류전압 특성을 제공함으로서 피 보호기기를 낙뢰로부터 완벽하게 보호할 수 있는 장점이 있다.

방전소자, 서지, 서지보호장치, 가스봉입방전관, 방전, 과도전압, 과도특성

Description

방전제어전극이 구비된 방전소자 및 그 제어회로{Discharge Element with Discharge-Control Electrode and the Control Circuit Thereof}

본 발명은 빠른 과도전압에 대하여 전압이 낮은 때에는 방전하지 아니하는 특성을 개선하여 낮은 전압에서도 방전을 유도하기 위한 방전제어전극을 갖는 신규한 방전소자 및 본 발명의 방전소자를 구동하기 위한 구동회로에 관한 기술이다.

도 1은 종래기술에 의한 2극형 방전소자를 도시한 것으로, 세라믹절연체로 조성된 원통형 관 양단에 방전전극1 및 방전전극2를 구비하여 관 내부에 방전갭을 구비되고, 방전갭 내부에는 방전도움물질(gas)이 봉입된 구조를 갖는다.

상기한 방전소자는 방전전극 1과 방전전극 2 간에 고전압이 인가되면 방전갭 내부에 봉입된 방전도움물질이 전리현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 방전전극 간에 인가된 전압이 순간적으로 방전하여 소멸하게 되는 것이다.

도 2는 종래기술에 의한 3극형 방전소자를 도시한 것으로, 세라믹절연체로 조성된 원통형 관 양단에 방전전극1, 방전전극2 및 어스전극이 구비되어, 방전전극 1과 방전전극 2에 의해 방전갭이 형성되고, 방전갭 내부에는 방전도움물질(gas)이 봉입된 구조를 갖는다.

도 2의 3극형 방전소자는 방전전극1-방전전극2, 방전전극1-어스전극 또는 방전전극2-어스전극 간에 고전압이 인가되면 내부에 봉입된 방전도움물질이 전리현상을 일으키면서 글로우 방전을 일으키기 시작하는데, 글로우 방전에 의하여 방전전류가 커지면 곧 아크방전으로 이어져 전극 간에 인가된 고전압이 순간적으로 방전되어 소멸되게 되는 것이다.

도 1과 도 2에서 알 수 있듯이 종래의 방전 소자에서는 방전 소자를 구성하는 모든 전극이 물리적 및 전기적으로 봉입된 방전도움물질과 연결되어 있다.

상술한 종래의 방전소자는 통상적으로 방전도움물질이 가스 또는 진공인 가스봉입방전관으로, 그 방전특성은 직류 또는 상승속도가 100V/sec 정도로 느린 과도전압에 대하여 약 90V 수준에서 방전을 한다. 그러나 1,000V/㎲ 수준의 빠른 과도전압이 인가되는 경우, 700V 이하의 수준에서는 방전이 일어나지 않는 방전특성을 가지고 있다.

종래의 방전형 소자의 방전특성에 의거 ITU-T의 권고는 ANSI/IEEE와 다른 규격을 가지고 있는 바, PSTN선로의 보호소자로 사용되는 방전소자는 ITU-T의 경우 100V/sec의 느린 상승속도에서 600V 이하의 수준에서 방전되어야 한다고 권고하지만, ANSI/IEEE 61000-4-5와 UL497규격에서는 1.2㎲/50㎲의 빠른 과도특성을 정의하고 있어, 상기한 규격은 국제규격 상호간에도 타협점을 찾을 수 없는 문제가 것이다.

이렇게 빠르게 인가되는 과도 전압에 대해 국제규격마저 단일화되지 못한 혼란스런 상태에서 방전소자는 통신분야의 서지보호소자로서 굳게 자리매김을 하고 있는 것이 현실인 것이다.

일예로, UL승인을 필한 EPCOS사의 방전소자 3P230-05는 직류에서는 225V에서 방전 하지만, IEC C62.41 규격의 빠른 과도파형을 시험한 결과 850V에 방전이 일어나게 된다.

따라서, ITU-T에서 PSTN의 기준인 보호소자는 600V 이내에 방전해야 한다는 국제규격에 의거한 시험에 대해, 서지의 유입과 같이 빠르게 인가되는 과도 전압특성에 대해 통상적으로 사용되는 방전소자는 모두 부적절할 수밖에 없는 것이며, 실질적으로 건축물의 단자함이나 MDF보호플러그가 설치된 경우라도 낙뢰피해를 막지 못하는 것이 현실이다.

상기 방전형 소자는 PSTN분야 뿐만 아니라 RS-232, 422, 485등 일반통신용 보호소자로서도 보편적으로 사용되는데, 그 방전특성의 한계로 말미암아 2차보호, 3차보호와 같이 다단계보호 회로를 부가하여 방전 후 잔류전압을 낮추려는 노력이 행해지고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 빠른 과도전압 특성의 서지에 대하여 낮은 과도전압에서도 방전을 할 수 있으며, 낮은 잔류전압특성을 갖는 저전압 방전소자 및 본 발명의 방전소자를 구동하는 회로를 제공하는 것이다.

상세하게는 마주하는 두 방전전극 사이에 빠른 과도전압 즉 IEC C62.41 표준 서지파형(1.2㎲/50㎲)을 인가하였을 때, 100V이하에서 방전을 하는 방전소자 및 본 발명의 방전소자를 효과적으로 구동하는 회로를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 방전소자가 구비된 서지보호장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자는 세라믹 절연 재료로 형성된 기밀 실린더(120), 상기 기밀 실린더(120)의 단부 개구에 대향되어 배치되는 한 쌍의 방전전극(111,112), 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 사이에 형성된 방전 갭(140), 상기 기밀 실린더(120) 내부에 봉입된 방전도움물질(130) 및 상기 세라믹 절연 재료(120)와 접해 있으며 상기 방전도움물질(130)과 물리적으로 분리되어 있는 방전제어전극(150)을 포함하여 구성되며, 상기 방전제어전극(150)을 통해 인가된 제어전압에 의해 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 간의 방전이 유도되는 특징을 갖는다.

상기 방전제어전극(150)은 금속선, 금속박 또는 금속편의 형태로, 상기 금속선, 금속박 또는 금속편의 금속 물질과 상기 기밀 실린더(120)의 외면을 형성하는 세라믹 절연 재료가 선 또는 면으로 접촉(밀착)되어 형성될 수 있으며, 상기 기밀 실린더(120)를 형성하는 세라믹 절연 재료의 내부에 장입되어 외부 단자로 인출되 어 형성될 수 있다.

이때, 상기 방전제어전극(150)이 링형, U형 또는 Y형의 금속선, 금속박 또는 금속편일 수 있으며, 또한 상기 방전제어전극(150)은 하나 이상의 금속선, 금속박 또는 금속편이 전기적으로 연결되어 단일한 단자로 인출될 수 있다.

상기 방전소자는 방전갭(140)과 상기 기밀 실린더(120) 사이에 관통구멍이 형성되어 상기 방전도움물질과 물리적으로 접촉하는 어스전극(113)을 더 포함하는 할 수 있다.

본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자(100)의 제어회로는 고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 포함하여 구성되며, 방전제어전극이 구비된 방전소자의 한 쌍의 방전전극의 한 단자(A)는 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자(312) 및 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 한 단자(322)는 상기 한 쌍의 방전전극의 다른 단자(B)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 다른 단자(321)는 상기 방전소자의 방전제어전극의 단자(C)와 접속되며, 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311) 사이에 구비되거나, 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 방전전극의 다른 단자(B) 사이에 구비되는 특징이 있다.

상기 제한소자(200)는 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터, TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자인 것이 바람직하다.

상기 제한소자(200)는 LC 공진회로인 것이 바람직한 바, 이는 상기한 제한소자(200)에 적용할 수 있는 소자가 가지는 자체 캐패시턴스와 고압트랜스포머가 가지는 리액턴스에 의한 것으로 고주파회로에서 매우 유익하게 작용할 수 있다.

상기 고압트랜스포머(300)는 압전트랜스포머인 것이 바람직하며, 상기 고압트랜스포머(300)는 제 1차 측에 인가된 전압에 대하여 적어도 10배 이상 승압하여 상승되는 것이 바람직하다.

본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자(100) 및 방전소자(100)의 제어회로는 서지보호장치를 구성하는 소자로 쓰일 수 있으며, 빠르게 인가되는 낮은 전압에 대해서도 우수한 방전 성능을 제공하고, 낮을 잔류전압 특성을 제공하여 보다 서지 보호성능이 우수한 서지보호장치를 제공하게 된다.

본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 방전소자의 제어회로는 빠르게 인가되는 낮은 전압에서도 방전성능이 우수하며, 낮은 잔류전압 특성을 갖는 종래기술과는 전혀 다른 새로운 방전소자 및 제어회로이다.

또, 본 발명의 방전제어전극을 갖는 방전소자 및 방전제어소자를 포함하는 낙뢰/서지보호기는 서지의 유입에도 기기가 충분히 생존할 수 있는 낮은 잔류전압 특성을 제공함으로서 피 보호기기를 낙뢰로부터 완벽하게 보호할 수 있을 뿐만 아니라 낮은 전압에서 방전이 이루어지는 방전소자를 제공함에 따라 각기 다른 국제규격의 통합도 가능할 수 있는 근거를 마련하는 계기를 제공할 수 있다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자 및 상기 방전소자를 구동시키는 구동회로에 대해 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자는 도 3에 도시된 바와 같이 세라믹 절연 재료로 형성된 기밀 실린더(120), 상기 기밀 실린더(120)의 단부 개구에 대향되어 배치되는 한 쌍의 방전전극(111,112), 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 사이에 형성된 방전 갭(140), 상기 기밀 실린더(120) 내부에 봉입된 방전도움물질(130, gas) 및 상기 세라믹 절연 재료(120)와 접해 있으며 상기 방전도움물질(130)과 물리적으로 분리되어 있는 방전제어전극(150)을 포함하여 구성되며, 상기 방전제어전극(150)을 통해 인가된 제어전압에 의해 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 간의 방전이 유도되는 특징이 있다.

도 3의 실시예에서는 금속 박으로 이루어진 링형의 방전제어전극(150)을 기밀 실린더(120)의 외면에 형성하고, 방전제어전극(150)이 형성되는 기밀 실린더(120) 외면을 음각하여 기밀 실린더(120) 외면에 방전제어전극(150)에 의한 단차가 형성되지 않도록 한 예이나, 본 발명의 방전제어전극은(150) 단순히 기밀 실린더(120) 외면에 금속피막, U형 또는 Y형의 금속체를 근접, 압착한 것일 수 있으며, 권선형의 금속체일 수 있다.

상기 방전제어전극(150)은 금속선, 금속박 또는 금속편의 형태로, 상기 금속선, 금속박 또는 금속편의 금속 물질과 상기 기밀 실린더(120)의 외면을 형성하는 세라믹 절연 재료가 선 또는 면(도 3 내지 도 6)으로 접촉되어 형성될 수 있다. 상기 방전제어전극(150)은 도 4와 같이 상기 기밀 실린더(120)를 형성하는 세라믹 절연 재료의 내부에 장입되어 외부 단자(150a)로 인출되어 형성될 수 있다.

또한 도 5에 도시한 바와 같이 하나 이상의 방전제어전극(151, 152)이 형성되고 각각의 방전제어전극(151, 152)가 전기적으로 연결되어 단일한 단자로 인출될 수 있다.

본 발명의 사상적 특징은 두 방전전극이 마주하고 있는 방전갭 외부에 서지(과도 전압)이 인가되지 않았을 때, 물리적, 전기적으로 완전하게 격리되고 절연된 방전제어전극을 구비하여, 매우 빠른 과도 전압의 유입시 방전제어전극에 방전전극에 가해지는 전압보다 높은 전압을 인가하여 방전갭 내부에 봉입된 방전도움물질에 전리현상을 유발함으로서 방전전극 간 방전을 유도하는 특징을 가지는 것이다.

바람직하게는 방전갭 내부에는 봉입된 방전도움물질은 공기 또는 특정한 진 공상태일 수 있으며, 통상적으로 가스봉입방전관에 봉입되는 가스가 사용될 수 있으며, 원소주기율표상 18족(Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)에 속하지 아니하는 가스 중에서 특성에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

또한 도 3 내지 도 5를 통해 2극 구조를 갖는 방전소자를 기준으로 하여 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전관의 실시예를 설명하였으나, 도 6에 도시된 바와 같이 3극 구조를 갖는 방전소자에도 본 발명의 핵심사상이 적용될 수 있다.

또한 도 6의 방전제어전극(151, 152)는 도 6(b)의 입체도에서 알 수 있듯이 방전 소자 자체에서 전기적으로 연결되지 않으나, 금속 선을 이용하여 방전전극(111, 112) 및 어스전극(113)과 연결되지 않으며, 하나 이상의 방전제어전극(151, 152)이 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 사상적 특징에 의해 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자는 도 7(c) 또는 도 7(d)와 같이 표현될 수 있다. 도 7(a)는 2극형 방전소자를 의미하며, 도 7(b)는 3극형 방전소자를 도시한 것이며, 도 7(c)는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 2극형 방전소자를 도시한 것이며, 도 7(d)는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 3극형 방전소자를 도시한 것이다. 도 7과 같이 본 발명은 종래의 방전소자의 구조와 현격한 차이가 있으며, 과도전압이 유입될 경우에, 상기 과도전압이 유입되지 않을 때에는 전기적으로 방전도움물질과 절연 상태에 있는 방전제어전극을 통해 방전전극 간 또는 방전전극과 어스전극 간의 방전이 유도되는 것이다.

상세하게는 본 발명에서 방전도움물질은 기밀실린더 내에 봉입되어 있고 방전제어전극은 기밀 실린더에 외부벽체에 존재하며, 방전제어전극과 기밀실린더 내 부에 봉입된 방전도움물질 사이에는 절연물체가 존재하게 된다. 원소주기율표상 18족에 속하는 Ne, Ar, Kr, Xe, Rn을 불활성 또는 비활성 기체라고 하는데, 원자 하나 자체가 최외각 전자를 꽉 채워서 아주 낮은 에너지를 갖기 때문이다. 예를 들어 활성기체인 NH₃ 의 경우 공유 결합을 통해 최외각 전자를 채우지만 공유결합에 의한 에너지는 비활성기체의 에너지보다 불안정하므로, 상대적으로 쉽게 깨지면서 전기화학 반응이 잘 일어난다. 원소주기율표상 18족을 제외한 대부분의 활성 기체들은 전기장 내부에 놓이게 되면 그 에너지로 인해 전기화학반응을 일어나는데, 전기장 내부에 놓인 활성가스는 전기장에 의한 에너지에 의하여 쉽게 전기화학 반응이 일어나는 것은 물리화학에 있어 상식인 것이다. 또한 전기장은 금속을 투과하기는 어렵지만 기밀실린더를 이루는 세라믹과 같은 물질은 큰 저항 없이 투과하는 특성이 있어, 기밀용기 내부의 활성가스는 기밀용기 외부의 방전제어전극에 가하진 고전압에 의하여 쉽게 활성화 되고, 가스가 활성화되면 양 전극에 가해진 전압은 미약한 글로우방전을 시작하다가 이로 인하여 가스는 더욱 활성화 되고 결국에는 아크방전을 일으키게 되는 것이다.

이하 도 8을 참조하여 본 발명의 제어전극이 구비된 방전소자를 제어하기 위한 제어회로를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 제어전극이 구비된 방전소자는 고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 포함하여 구성되며, 방전제어전극이 구비된 방전소자의 한 쌍의 방전전극의 한 단자(A)는 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311)에 접속 되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자(312) 및 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 한 단자(322)는 상기 한 쌍의 방전전극의 다른 단자(B)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 다른 단자(321)는 상기 방전소자의 방전제어전극의 단자(C)와 접속되며, 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311) 사이에 구비되거나(도 8a), 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 방전전극의 다른 단자(B) 사이에 구비(도 8b)되는 특징이 있다.

도 8(a)와 같이 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311) 사이에 구비되며 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터 TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자인 것이 바람직하다.

도 8(b)와 같이 상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 방전전극의 다른 단자(B) 사이에 구비되며 LC 공진회로인 것이 바람직하다.

본 발명의 제어회로의 핵심 사상은 상기한 방전제어전극(C)을 구비한 방전소자(100)의 방전제어전극(C)에 방전전극(A, B)에 유입(인가)되는 전압을 기준으로 하여, 방전전극(A, B)에 인가되는 전압을 승압하고 방전제어전극(C)에 인가하여 방전도움물질의 전리현상을 유발하여 방전전극(A-B) 간에 낮은 과도전압이 빠르게(수 ㎲) 인가되어도 방전소자의 방전을 유도하는 것이다.

도 8(a)과 같이 제네다이오드, 바리스터, 콘덴서 및 TVS 중 선택된 하나 이상의 제한소자(200)로 직렬로 접속 구비하는 경우에는 단순한 전압/전류의 제한기 능을 가지지만, 직렬형태의 공진회로를 구비하게 되면 방전소자(100)을 포한한 구동회로 전체의 주파수 특성을 크게 개선할 수 있는 바, 이는 IEEE C62.41규격의 뇌임펄스는 1.2us/50us인 점에 착안하여 이를 주파수 스펙트럼분석을 통하면 뇌서지의 중심주파수가 약 800KHz가 됨에 의거하고, 동 규격의 Ring wave 주파수가 100kHZ인 점을 감안하고, 5us/30us, 10us/700us등의 표준파형의 주파수 스펙트럼 등을 참조하여, 본 발명의 방전소자와 제어회로가 사용될 주파수 특성에 따라 적용하되, 본 설명에서는 뇌임펄스의 상승속도(1.2us)부근에서 집중적인 전류를 통과할 수 있는 특성의 LC공진회로(LC 필터)를 구성하는 것이다.

바람직하게는, 제한소자(200)는 세라믹공진자등 압전 소자로서 구비하는 것이 바람직하다. 다만, 이 경우 세라믹공진자의 공진주파수는 상기한 뇌임펄스의 주파수 범주에 있어야 한다.

통상적인 방전소자의 경우 한 전극(A) 과 다른 전극(B)사이에 5us의 상승속도를 지지는 100V의 서지전압이 유입되었다고 할 때, 방전전극(A-B)간에는 너무 작은 펄스가 순간적으로 유입되었으므로 방전을 하지 못한다.

도 8과 같이 본 발명의 제어회로에서 전류의 흐름은 제한소자(200)을 거쳐 고압트랜스포머(300)의 1차코일의 한단자(311)을 경유하여 다른 한 단자(312)를 경유하여 방전소자의 한 단자(B)로 흐르게 된다.

고압트랜스포머(300)의 2차코일은 1차전압에 대하여 적어도 10배 이상의 승압비를 가지는 것이 바람직하며, 10배 이상 100배 이하의 승압비를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 그러나 상기의 승압비는 본 발명의 제어회로에서 대한민국 내에서 의 정격전압 및 전원 공급 상태에 의해 결정된 수치이다. 가장 바람직하게는 상기 고압트랜스포머(300)는 통상적인 전원의 흔들림에는 방전을 유도하지 않으며, 서지의 유입과 같이 비 정상적인 과도전압의 유입에 따른 흔들림에는 방전을 유도하는 정도의 승압된 전압을 본 발명의 방전제어전극에 제공해야 하므로, 각 국가별 정격전압, 전원의 공급상태 및 사용 환경에 따른 전원의 통상적인 흔들림 정도를 고려하여 결정되어야 함을 자명하다.

도 9는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자 및 본 발명의 제어회로를 이용하여 인가전압에 따른 방전소자의 방전 특성을 측정한 것이다. 도 9(a)의 입력펄스는 고압트랜스포머의 1차측에 인가된 전압을 의미하며, 입력에 가해지는 펄스파형으로 IEEE C62.41에 의한 표준 Surge파형으로 1.2us/50us, 8us/20us혼합파형이며, 1차측에 인가된 전압이 73V를 초과하는 순간 도 9(b)에서 알 수 있듯이 2차측 전압은 2,000V를 초과하게 되며, 방전제어전극을 통하여 인가된 상기 고압(2차측 전압)에 의한 전기장은 절연물질 내부의 방전갭 안에 봉입된 방전도움물질을 충분히 전리시키는 작용을 하게 되는 것이다.

이로서 방전갭 내부의 방전도움물질이 전리현상을 일으키면, 전극(A-B)간에는 코로나방전-아크방전의 수순을 거쳐 순간적으로 방전하여 전극양단에 인가된 서지펄스는 그 순간 도 9(c)와 같이 소멸하고 마는 것이다. 도 9(c)와 같은 방전 특성은 종래기술에 의해서는 측정이 불가능한 파형으로 본 발명의 우수함을 실험적으로 입증하는 결과라 할 수 있다.

본 발명의 제어회로는 종래기술에 의한 3극형 방전소자에 적용되어, 어스전 극 단자를 방전제어전극으로 삼아 구동할 수 있다.

다만, 이때에는 방전제어전극(어스전극)이 내부의 방전도움물질에 노출되어 방전제어전극(어스전극)과 고압트랜스포머의 2차코일의 접속점(322) 방향으로는 방전현상이 가속되고 A측과 기호(321)측의 이온화가 더뎌지는 현상에 의하여 방전특성이 현저히 떨어질 수 있다.

도 10은 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자 및 방전제어회로가 구비된 서지보호장치의 실 제작물이며, 도 10의 서지보호장치를 이용하여 서지 및 전원중첩 테스트를 시행한 결과, AC 220 V가 인가된 상태에 4kV의 서지가 인가된 경우에도 서지보호장치가 트립(trip)되지 않았으며, 최대 전압이 464V로 매우 낮은 값을 가짐을 알 수 있다. 도 11은 도 10의 서지보호장치의 서지 테스트 결과의 일 측정예이다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면 및 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

도 1은 종래기술의 2극형 방전소자를 도시한 것이며,

도 2는 종래기술의 3극형 방전소자를 도시한 것이며,

도 3은 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 일 실시예이며,

도 4는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 다른 실시예이며,

도 5는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 또 다른 실시예이며,

도 6은 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 또 다른 실시예이며,

도 7은 종래의 방전소자 및 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 특징을 도시한 도면으로, 도 7(a)는 2극형 방전소자를 의미하며, 도 7(b)는 3극형 방전소자를 도시한 것이며, 도 7(c)는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 2극형 방전소자를 도시한 것이며, 도 7(d)는 본 발명의 방전제어전극이 구비된 3극형 방전소자를 도시한 것이며,

도 8은 본 발명의 방전제어전극이 구비된 방전소자의 구동 회로를 도시한 일 실시예이며,

도 9는 본 발명의 방전소자 및 제어회로의 특성을 측정한 결과로서, 도 9(a)는 입력에 가해지는 펄스파형으로 IEEE C62.41에 의한 표준 Surge파형으로 1.2us/50us, 8us/20us혼합파형이며, 도 9(b)는 본 발명의 방전소자의 방전제어전극에 가해지는 고압펄스이며, 도 9(c)는 방전소자가 동작하여 입력에 가해진 펄스를 방전하여 소멸되는 방전특성 결과이며,

도 10은 본 발명의 방전소자 및 제어회로가 구비된 서지보호장치의 실 제작 품이며,

도 11은 도 10의 서지보호장치를 이용하여 측정한 서지테스트 결과를 도시한 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 방전제어전극이 구비된 방전소자 111, 112 : 방전전극

120 : 세라믹 절연체 130 : 방전도움물질(gas)

140 : 방전갭 150, 151, 152 : 방전제어전극

113 : 어스전극 200 : 제한소자

300 : 고압트랜스포머

Claims (13)

1. 세라믹 절연 재료로 형성된 기밀 실린더;(120), 상기 기밀 실린더(120)의 단부 개구에 대향되어 배치되는 한 쌍의 방전전극;(111,112), 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 사이에 형성된 방전 갭;(140), 상기 기밀 실린더(120) 내부에 봉입된 방전도움물질;(130) 및 상기 세라믹 절연 재료(120)와 접해 있으며 상기 방전도움물질(130)과 물리적으로 분리되어 있고, 금속선 또는 금속박의 형태로, 상기 금속선 또는 금속박의 금속 물질과 상기 기밀 실린더(120)의 외면을 형성하는 세라믹 절연 재료가 선 또는 면으로 밀착되어 있는 방전제어전극;(150)을 포함하여 구성되며,

   상기 방전제어전극(150)을 통해 인가된 제어전압에 의해 상기 한 쌍의 방전전극(111,112) 간의 방전이 유도되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 방전제어전극(150)이 상기 기밀 실린더(120)를 형성하는 세라믹 절연 재료의 내부에 장입되어 외부 단자로 인출되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 방전제어전극(150)이 링형, U형 또는 Y형의 금속선, 금속박 또는 금속편인 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 방전제어전극(150)은 하나 이상의 금속선, 금속박 또는 금속편이 전기적으로 연결되어 단일한 단자로 인출되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 방전갭(140)과 상기 기밀 실린더(120) 사이에 관통구멍이 형성되어 상기 방전도움물질과 물리적으로 접촉하는 어스전극(113)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자.
7. 제 1항, 또는 제 3항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항의 방전제어전극이 구비된 방전소자(100)의 제어회로에 있어서,

   고압트랜스포머(300) 및 전류를 제한하는 제한소자(200)를 포함하여 구성되며,

   방전제어전극이 구비된 방전소자의 한 쌍의 방전전극의 한 단자(A)는 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 1차측 다른 단자(312) 및 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 한 단자(322)는 상기 한 쌍의 방전전극의 다른 단자(B)에 접속되며, 상기 고압트랜스포머(300)의 2차측 다른 단자(321)는 상기 방전소자의 방전제어전극의 단자(C)와 접속되며,

   상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 고압트랜스포머(300)의 1차측 한 단자(311) 사이에 구비되거나,

   상기 제한소자(200)는 방전전극의 한 단자(A)와 방전전극의 다른 단자(B) 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 제한소자(200)는 제너다이오드, 바리스터, 다이오드, 캐패시터, TVS(Transient Voltage Suppressor) 및 압전 소자에서 선택된 하나 이상의 소자인 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 제한소자(200)는 LC 공진회로인 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 고압트랜스포머(300)는 압전트랜스포머인 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 고압트랜스포머(300)는 제 1차 측에 인가된 전압에 대하여 10배 내지 100배 승압하여 전압이 상승되는 것을 특징으로 하는 방전제어전극이 구비된 방전소자의 제어회로.
12. 제 1항, 또는 제 3항 내지 제 6항에서 선택된 어느 한 항의 방전제어전극이 구비된 방전소자를 포함하는 서지보호장치.
13. 제 7항의 방전소자제어회로를 포함하는 서지보호장치.

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