KR200361358Y1

KR200361358Y1 - 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기

Info

Publication number: KR200361358Y1
Application number: KR20-2004-0017245U
Authority: KR
Inventors: 김동열; 윤몽숙
Original assignee: 김동열; 윤몽숙
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2014-06-18

Abstract

본 고안은 양파(full wave)스위칭 소자(thyristor)를 이용하여 전열매트를 제어(온/오프)하도록 함으로써 전기적인 간섭과 온도센서의 수명단축을 방지하고, 전원공급이 휴지되는 기간동안 온도전압을 얻어 전기매트의 온도를 정밀제어하도록 하고, 주변전위를 감지하여 유해전자파의 확실한 차폐(shield)를 달성하고, 전기안전도는 크게 향상시킨 전열매트용 온도제어기에 관한 것이다.

Description

양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기{TEMPERATURE CONTROLLER OF HEATING MAT BY USING FULL WAVE THYRISTOR}

본 고안은 전열매트용 온도제어기에 관한 것으로, 특히 양파(兩波)스위칭 소자로 전열매트를 제어(on/off)하도록 함으로써 전기적인 간섭과 온도센서의 수명단축을 방지하고, 전원공급이 휴지되는 기간동안 온도전압을 얻어 전기매트의 온도를 정밀제어하도록, 주변전위를 감지하여 유해전자파의 확실한 차폐(shield)를 달성하고, 전기안전도는 크게 향상시킨 것이다.

전기에너지를 사용하거나 응용하는 전기ㆍ전자제품들은 전기에너지에 의해 전계(電界)가 발생되고, 상기 전계에 의해 강도(세력)의 차이는 있지만 유해전자파가 각각 방출되면서 주변에 위치하는 사물이나 생명체에 각종 해악을 끼치고 있다.

종래 전열매트는 전열수단(감열선)을 이용한 위상제어방식과 온도센서(써미스터 등)를 이용한 ON/OFF 제어방식으로 온도를 제어하고 있다. 전열수단을 이용한 위상제어방식은 온도제어의 정확성이 크게 떨어질 뿐 아니라 전열수단으로부터 열과 함께 부수적으로 발생되는 전기장에 의해 강도(세력)의 차이는 있지만 주변의 사물이나 생명체에 좋지 못한 유해전자파(EMI)가 방출된다.

특히, 전열매트 사용자의 경우 사용자의 체중에 의해 인체와 감열선이 가장 근접하고 있는 상태이므로 다량의 유해전자파가 인체로 직접 유도되어 매우 해로운 작용을 하고 있음은 주지의 사실이다.

이에 따라 유해전자파를 차폐시킬 수 있는 여러가지 방식의 차폐장치가 안출된 바 있다. 예컨데, 전기매트를 제작할 때 유해전자파를 흡수하거나 중화시키는 재질을 사용하거나 옥, 맥반석, 숯 등의 보조품을 사용하고는 있으나 그 효과는 기대치 이하로 미미한 편이다.

근자에는 전기매트의 감열선 상부 또는 감열선 상ㆍ하부에 도전체로 된 연질의 차폐부재, 이를테면 알루미늄 박(箔)이나 금속호일 또는 금속가루를 고정화시킨 시트류 또는 금속선을 촘촘히 엮은 금속망 등으로 구성된 차폐판을 설치한 다음 전원콘센트 및 전원플러그를 통하여 제공되는 접지선과 연결되도록 회로를 구성하여 전계 및 유해전자파의 차폐를 달성하고 있다.

일반적으로 220V의 상용교류전원은 감전의 위험으로부터 인체를 보호하기 위하여 뉴트랄선(Neutral-Line)과 핫선(Hot-Line) 이외에 별도의 접지선(Ground-Line)이 제공되고 있다.

따라서, 전원콘센트 및 전원플러그를 통하여 대지 접지선이 제공되는 경우에는 차폐부재가 상기 대지 접지선과 연결되므로 유해전자파가 효과적으로 차단되지만 전원콘센트 또는 전원플러그 또는 전원콘센트와 전원플러그에 접지공사가 되어 있지 않거나 대지 접지선과 연결되지 않는 경우(약 50% 정도)에는 유해전자파를 차단할 수 없게된다.

이와 같이 대지 접지선(그라운드 선)이 제 구실을 하지 못하거나 접지공사가 안된 경우를 대비하여 지면과 접지되는 뉴트랄선과 차폐부재가 연결되도록 온도제어기를 구성하고는 있으나, 전원콘센트나 전원플러그의 뉴트랄선이 명확히 구분되지 아니할 뿐 아니라, 설령 구분이 되더라도 사용 장소마다 뉴트랄선과 핫선이 바뀌어 배선되는 경우가 많은 편이며, 이러한 경우 전원플러그를 바꾸어 접속하여야하는 불편이 있으므로 정확하고 안전한 사용방법이 못될 뿐 아니라, 핫선이 차폐부재와 연결되는 경우 오히려 감전이나 화재 및 전기매트의 고장으로 이어질 수 있는 위험성이 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 온도제어기에 탐촉자를 설치하여 손가락이 터치되면 정전용량 변화로 뉴트랄선과 차폐부재 또는 핫선과 차폐부재의 연결상태를 비교 판단하여 뉴트랄선과 핫선이 바로 연결되어 있으면 램프가 점등되게 구성한 차폐확인장치도 있으나, 이는 사용자가 전기매트의 전원플러그를 전원콘센트에 꽂을 때마다 손가락을 탐촉자에 접촉시켜 램프의 점등상태를 확인해야하는 문제점이 있으며, 램프가 점등되지 아니하면 전원플러그를 반대방향으로 다시 꽂은 다음 신체의 일부분(주로 손가락)을 탐촉자에 접촉시켜 확인해야 하므로 절차가 번거로우며, 탐촉자를 통하여 인체로 미약한 전류가 흐르므로 민감한 사용자의 경우 미약한 감전현상이 있어서 사용에 주의가 요구되는 문제점이 있다.

또한, 기존의 전열매트용 온도제어기는 교류전원의 반파싸이클 기간동안 온도를 검출할 수 있게 SCR을 사용하여 감열선을 제어함으로써 양파(양방향) 스위칭(구동)을 하지 못하였기 때문에 여러가지의 문제점이 있었다.

즉, SCR을 이용한 반파 구동방식으로 전열매트를 제어하게 되면 주상변압기가 포화되면서 코어의 진동 및 소음이 발생할 뿐 아니라, 열화되어 주상변압기의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

또한, 전열매트에 설치되는 온도센서의 경우, 나이론 유기체등과 같은 고분자 물질로 제조되는바, 온도센서의 양단으로 인가되는 전위(220V 또는 110V 또는 0V)가 동일전위가 아닌 언밸런스 전위 상태로 인가되므로 전기적인 이온현상(전리현상)이 잘 이루어지지 않아 양극화되고, 물성이 변하면서 캐패시터 값이 빠르게 감소해 버린다.

즉, 전기매트를 사용함에 따라 도 3과 같이 온도센서의 (+)(-)이온이 경계층(TSL)을 중심으로 양극화 및 분리되면서 점차적으로 극성(TS+)(TS-)을 띄면서 정전용량값이 24시간 이내에 1/2 이하로 반감되면서 센싱감도가 크게 저하되고 수명이 짧아지므로 온도감지 및 제어에 대한 신뢰성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 양방향 스위칭소자의 일종인 사이리스터(thyristor), 예컨데 트라이악(TRIAC)등을 이용하여 전열수단(감열선)으로 공급되는 교류전원을 양파(full wave) 제어하도록 함으로써 제어온도의 정밀도와 온도상승속도 및 전기안전도를 보다 향상시킨 전열매트용 온도제어기를 제공함에 목적이 있다.

즉, 양방향 스위칭소자의 일종인 트라이악(TRIAC)등을 이용하여 전열수단(감열선)으로 공급되는 교류전원을 제어하도록 하되, 상기 트라이악으로 교류전원이 공급되지 않는 휴지기간동안 전열수단의 온도를 검출하도록 함으로써 양파(양방향) 제어방식으로 전기매트를 제어할 수 있으며, 양파제어에 의해 고분자로 제조되는 나이론 유기체 센서의 전기적인 이온현상(전리현상)이 잘 이루어지면서 물성변화가 방지되므로 온도센서의 수명이 크게 연장되며, 또한 정확한 온도검출(센싱)이 이루어지게 된다.

상기에서 예시한 트라이악(TRIAC)은 게이트 신호에 의해 어떠한 방향으로도 전류를 통전시킬 수 있는 양방향(全波) 교류 스위치이다.

도 1 : 일반 전기매트와 온도제어기의 구성도.

도 2 : 일반 전기매트에 사용되는 전열수단과 온도센서의 구성도.

도 3 : 전압 불균형에 의한 종래 온도센서의 전리 상태 참고도.

도 4 : 본 고안 일 실시 예로 도시한 온도제어기의 회로블럭도.

도 5 : 본 고안에서 사용전원이 AC110V인 경우 4/5분주되는 상태의 파형도.

도 6 : 본 고안에서 사용전원이 220V인 경우 1/5분주되는 상태의 파형도.

도 7 : 본 고안 전열수단(감열선)의 트리거 전압 파형도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(AC)--교류전원 (AC1)(AC2)--전원공급단자

(C)--캐패시터 (D)--다이오드

(F)--휴즈 (FR)--휴즈블저항

(G)--그라운드 접지 (G1)--앤드(AND)게이트

(G2)--낫(NOT)게이트 (H)--감열선(전열수단)

(MICOM)--마이콤 (PS)--탐지부

(R)--저항 (Ry)--릴레이

(TH1)--양파(양방향)스위칭소자 (TH2)--스위칭소자

(TF)--온도휴즈 (TS)--온도센서

(VR)--온도설정기 (2)--전기매트

(4)--전열매트 (6)--온도제어기

(10)--직류전원부 (12)--권심

(14)--NTC 소자 (16)--피복체

(18)--온도비교부 (20)--영전압검출부

(22)--전압레벨검출부 (28)--양파 스위칭소자 쇼트검출부

(38)--차폐판

본 고안을 설명함에 있어, 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 고안의 요지를 모호하지 않도록 하기 위하여 생략하도록 한다. 이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

전기매트(2)는 도 1에 도시한 것처럼 소정의 평면적을 갖는 전열매트(4)와, 전열매트(4) 내부에 고른 간격으로 설치되는 발열수단인 감열선(H)과, 상기 감열선(H)의 온도를 전압으로 검출하여 사용자가 설정한 온도범위로 발열온도를 유지하는 전열매트 온도제어기(6)와, 내부에 설치되는 유해전자파 차폐판(도시안됨) 등으로 구성된다.

그리고, 상기 전열매트 온도제어기(6)는 온도를 검출 및 제어하기 위한 회로와 온도검출수단을 비롯한 전원스위치와, 기능선택스위치와, 설정스위치와, 온도설정수단과, 온도표시 및 시간표시수단과, 전원플러그 등이 구비되며, 전열수단 또는 전기매트(2)와는 쉽게 분리 결합할 수 있는 구성이다.

도 2는 상기 전열매트(4)에 설치되는 감열선(H) 및 상기 감열선(H)의 온도를 전압으로 검출하는 온도센서(TS)를 도시한 것으로, 도면에 도시한 것처럼 상기 감열선(H)은 내열성 권심(12) 외주에 열선(H1)(H2)이 나선형으로 감기는 감열선(H)으로 구성되며, 온도센서(TS)는 상기 감열선(H) 외주에 피복되는 부(-)온도 특성의 내열 및 절연 NTC 소자(14)와 그 외주에 나선형으로 감기는 온도검출선(S1)(S2)으로 구성된다. 상기 온도센서(TS) 외주에는 절연 피복체(16)가 마감재로 피복되며, 감열선(H)과 온도센서(TS)는 전체 발열구간에 걸쳐 서로 반대방향으로 감기는 구조여서 95% 이상의 전기장이 제거된다.

상기 권심(12)의 재질로는 내열성 폴리에스터사 또는 내열성 유리섬유사가 일반적으로 사용되며, NTC 소자(14)의 재질로는 나일론 써미스터와 같이 부온도 특성의 내열성 물질이 사용되고, 피복체(16)로는 내열성 고무재나 실리콘 또는 내열성 합성수지재가 주로 사용된다.

그리고, 이들 권심(12)과, NTC 소자(14)와, 피복체(16)와, 감열선(H) 및 온도센서(TS)는 전기매트(4)를 감거나 펼칠 수 있게 연질이거나 플렉시블한 상태이거나 또는 그러한 물성을 갖는다.

감열선(H)과 온도센서(TS) 사이에 위치하는 상기 NTC 소자(14)는 온도변화에 따라 저항값이 극단적으로 크게 변화하며, 이와 같이 감열선(H)과 온도센서(TS)가 일체화 된 제품을 감열선(HEATER)이라고도 한다.

상기 온도센서(TS)는 감열선(H)으로부터 유도되는 전압 및 전류와 부온도 특성의 NTC 소자(14)에 의해 감열선(H)의 온도전압을 정확히 검출하게되며, NTC 소자(14)는 구조상 온도에 반비례하는 저항소자이므로 서지전압이나 대전류가 순간적으로 인가되더라도 쉽게 단선되지 않는 특성을 갖는다.

도 4는 본 고안 일 실시 예로 도시한 전열매트 온도제어기(6)의 회로블럭도로, 상용 교류전원(AC 110V/220V)이 공급되는 전원공급단자(AC1)(AC2)에 도시안된 전원스위치와, 회로보호부인 휴즈(F) 및 온도휴즈(TF)와, 감열선(H)과, 양파(全波)스위칭 소자(TH1)의 일종인 트라이악(TRIAC)이 직렬로 접속되며, 감열선(H)에는 도 2에 도시한 것처럼 온도센서(TS)가 구비되고, 뉴트랄선인 일측 전원공급단자(AC1 또는 AC2)에는 대지 접지(G)가 접속된다.

상기 양파 스위칭소자(TH1)의 게이트 단자에는 제어신호를 출력하는 앤드게이트(G1)와 낫게이트(G2)와 캐피시터(C16)와 다이오드(D1)(D4) 및 저항(R2)으로 구성되는 신호반전부가 차례로 접속된다. 상기 양파 스위칭소자(TH1)는 (-)전압에서 가장 양호하게 동작하므로 상기 신호반전부에 의해 양파 스위칭소자(TH1)로 인가되는 트리거 신호가 부전압(-V)으로 반전된다.

앤드게이트(G1)의 입력에는 기준온도설정부에서 설정된 기준온도전압과 온도센서(TS)로부터 입력되는 온도전압을 비교하여 입력온도전압이 기준온도전압을 초과하는 경우(과열되는 경우) 상기 앤드게이트(G1)로 가열신호를 출력하고 그 반대이면 가열중단신호를 출력하는 온도비교부(18)와, 도 7과 같이 교류전압(AC)의 영전압 부근전압(0V ±3V ~ 0V ±10V) 시점(또는 지점)을 검출하여 앤드게이트(G1)로 제어신호를 입력하는 영전압검출부(20)와, 사용 교류전압(AC)이 110V 인지 220V 인지를 검출하는 전압레벨검출부(22)와, 상기 전압레벨검출부(22)에 의해 검출된 전압이 110V이면 전원공급주기를 4/5분주하는 신호를 출력하고 220V이면 전원공급주기를 1/5분주하는 신호를 출력시켜 상기 앤드게이트(G1)로 입력하는 전원공급 분주부가 접속되어 감열선(H)을 양파 제어하게된다.

그리고, 기준온도전압과 감지온도전압이 입력되는 온도비교부(18)의 입력에는 각각 A/D 콘버터가 부가 구성되어 상기 신호들이 마이콤이 인식할 수 있는 디지털 데이터(신호)로 변환 입력되어 비교 제어된다.

상기 양파 스위칭소자(TH1)는 온도비교부(18) 및 영전압(zero voltge)검출부(20) 및 1/5분주부 및 4/5분주부로 부터 각각 출력되는 신호가 앤드게이트(G1)로 입력되며, 상기 앤드게이트(G1)로부터 출력되는 신호는 후단의 낫게이트(G2)로 입력되어 신호반전된 다음 출력되는 신호는 그 후단의 신호반전부에 의해 신호 반전(-V)된 다음 양파 스위칭소자(TH1)의 게이트 단자로 입력되며, 상기 양파 스위칭소자(TH1)는 게이트로 입력되는 신호에 따라 감열선(H)으로 공급되는 교류전원을 양파 단속(ON/OFF)하게 되므로 전열매트(4)가 설정된 온도로 제어된다.

본 고안에서 사용 교류전압에 따라 1/5분주신호 또는 4/5분주신호 중 하나의주기신호가 입력된다.

예컨데, 상기 1/5분주신호 또는 4/5분주신호 중 하나의 신호와, 온도비교신호와, 영전압 검출신호가 입력되지만, 이들 신호 중에서 하나 또는 둘 또는 3개의 신호가 동시 또는 시간차를 두고 입력된다.

즉, 사용 교류전원이 220V인 경우 1/5분주된 전원공급주기신호와, 가열신호와, 영전압검출신호가 앤드게이트(G1)로 입력되고 앤드게이트(G1)의 출력은 'LOW' 레벨이 된다. 그리고, 낫게이트(G2)에 의해 'HIGH' 레벨로 반전된 전압신호는 캐패시터(C16)에 의해 (+)전하로 충전된 다음 낫게이트(G2)가 'LOW'레벨이 되는 기간동안 캐패시터(C16)의 (+)충전 전하가 방전되면서 두개의 다이오드(D1)(D4)에 의해 얻어진 (-) 트리거 전압은 도 7과 같이 영전압 부근시점일 때 게이트로 입력되어 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거 온(on)되고, 감열선(H)이 가열된다.

상기에서 사용 교류전압이 110V인 경우, 1/5분주된 전원공급주기신호 대신 4/5분주된 전원공급주기신호가 앤드게이트(G1)로 입력될 것이다.

전열매트(4)가 기준온도보다 상승되어 온도비교부(18)로부터 가열중단신호(LOW 레벨)가 입력되면, 앤드게이트(G1)의 신호가 반전되므로 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거 오프(OFF)되고 감열선(H)으로 교류전원 공급이 중단되며, 이러한 과정의 반복으로 전열매트(4)의 온도가 설정된 온도로 유지되며, 이들 신호의 처리와 제어는 마이콤(MICOM)의 프로그램에 의해 진행된다.

본 고안에서 직류전원부(10)는 교류전원(AC)을 엔티씨소자(NTC)와 캐패시터(C10)로 강압시켜 정류 및 평활하고 정전압으로 안정화시킨 다음 필요 회로로 각각 공급하게 된다.

온도비교부(18)는 온도센서부와 기준온도설정부로 구분된다. 상기 온도센서부는 감열선(H)으로부터 발생되는 온도를 전압으로 검출하는 온도센서(TS)와, 상기 온도센서(TS)가 검출한 교류전압을 직류로 변환하는 다이오드(D9)와 캐패시터(C9)로 구성되어 검출온도전압을 온도비교부(18)로 실시간 입력하게되며, 기준온도설정부는 복수의 저항(R7)(R12)(R32)과 가변저항기(VR)에 의해 분압된 기준전압은 A/D컨버터에 의해 디지털 신호로 변환 입력되며, 가변저항기(VR)에 가변 결정된 분압전압은 다이오드(D10) 및 캐패시터(C4)에 의해 정류된 후 다른 A/D컨버터에 의해 디지털 신호로 변환된 다음 온도비교부(18)로 실시간 입력되어 온도센서(TS)로부터 입력되는 검출온도전압과 비교되며, 가변저항기(VR)에 병렬 접속된 저항(R12)에 의해 기준온도전압을 미세 설정할 수 있다.

그리고, 온도센서(TS)는 전압드롬이 없는 시점, 즉, 양파 스위칭소자(TH1)가 휴지(off)되는 기간동안 상기 감열선(H)으로부터 발생되는 온도를 전압으로 검출하여 온도비교부(18)에서 비교된 다음 설정온도(목적온도)를 얻게 되므로 정밀 온도제어가 달성된다.

상기 온도센서(TS)에 접속되는 보호저항(R5)은 온도센서(TS)의 단락(short)에 의해 과도한 전압이 인가되는 경우 과열되면서 이에 접하여 있는 온도휴즈(TF)가 용단되며, 이에 따라 교류전원(AC) 공급이 차단되므로 전열매트(4)의 과열이나 화재 및 회로손상이 방지된다.

한편, 온도비교부(18)로 입력되는 전압이 소정전압, 예컨데 3V를 초과하는경우 비교우세가 되어 온도비교부(18)의 출력이 "LOW" 레벨로 되고, 가열중단신호가 앤드게이트(G1)로 입력되므로 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거-오프되어 감열선(H)의 발열이 멈춘다.

또한, 온도비교부(18)로 입력되는 전압이 소정전압, 예컨데 3V 이하인 경우 비교열세가 되어 온도비교부(18)의 출력이 'HIGH' 레벨로 되어 가열신호가 앤드게이트(G1)로 입력되고, 양파 스위칭소자(TH1)는 트리거-온 되어 감열선(H)으로 양파 교류전원이 공급되면서 발열이 재개되며, 이러한 과정의 반복으로 감열선(H)의 발열온도가 설정된 목적온도 범위로 정밀 제어된다.

영전압검출부(20)는 입력에 접속된 저항(R9)과 캐패시터(C3)에 의해 감쇠된 교류전압이 입력되며, 교류전원(AC)의 영전압(0V ±3V ~ 0V ±10V)시점을 검출하여 이 시점에서 앤드게이트(G1)로 제어신호(트리거 신호)를 입력하여 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거-온 된다.

따라서, 교류전원의 영전압(zero voltge)부근 시점에서 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거-온(ON)되면서 감열선(H)으로 양파 교류전원이 인가되고 가열되므로 위상제어가 방지된다.

이에 따라 유해전자파(EMI)가 발생하지 않거나 발생이 억제된다. 즉, 영전위 부근 시점에서 양파 스위칭소자(TH1)를 트리거시킴으로서 위상제어(Phase Control)가 방지되고 유해전자파 발생이 억제 및 차단된다.

사용되는 교류전압(사용되고 있는 교류전압)이 110V 인지 또는 220V 인지를 검출하는 전압레벨검출부(22)는 저항(R9)(R10)에 의해 분압된 전압이 입력되어 전압 레벨이 비교되며, 전압 레벨(AC110V/AC220V)에 따라 양파 스위칭소자(TH1)로 인가되는 교류전원의 통전(또는 휴지)주기를 달리하는 방법으로 자동 절환된다.

즉, 입력되는 교류전원이 110V인 경우 도 5와 같이 4/5주기 기간동안(5싸이클을 기준으로 할 때 4싸이클 기간동안) 110V의 교류전원을 공급하고 나머지 1/5 주기 기간동안은 온도검출을 위하여 휴지하게되며, 교류전원이 220V인 경우 도 6과 같이 1/5주기 기간동안(5싸이클을 기준으로 할 때 1싸이클 기간동안) 220V의 교류전원을 공급하고, 나머지 4/5주기 기간동안 휴지하게되므로, 인가되는 교류전압이 110V 또는 220V로 달라지더라도 소비전력과 발열온도가 같아지며, 이는 감열선(H)을 사용전압에 맞추어 교환하지 않더라도 사용 교류전압의 공급주기를 달리함으로써 회로가 자동절환되는 효과가 있어서 AC 110V 또는 AC 220V 구분없이 사용할 수 있게되며, 소비전력에도 변동이 없다.

예컨데, 감열선(H)의 저항을 100Ω으로 가정할 때 전압레벨검출부(22)로 검출된 사용전압이 AC110V인 경우, 4/5분주에 의해 소비전력은 아래 (식1)과 같다.

그리고, 감열선(H)의 저항을 100Ω으로 가정할 때 전압레벨검출부(22)로 검출된 사용전압이 AC220V인 경우, 1/5분주에 의해 소비전력은 아래 (식2)와 같이 96.8W로 같음을 알 수 있다.

본 고안에서 양파 스위칭소자(TH1)의 게이트 단자에는 양파 스위칭소자(TH1)가 오프(OFF)일 때, 양파 스위칭소자(TH1)의 단락(Short) 여부를 검출하는 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)가 접속된다. 상기 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)의 입력에는 앤드게이트(G1)의 출력단과 풀다운저항(R21)을 갖는 전류제한저항(R11)이 각각 접속되고, 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)의 출력에는 교류전원 차단부인 SCR(TH2)의 게이트 단자가 접속되고, 상기 SCR(TH2)은 온도휴즈(TF)에 접하여 있는 저항(R8)을 통하여 교류전원단자(AC1)(AC2)에 접속된다.

즉, 앤드게이트(G1)의 출력단을 통하여 양파 스위칭소자(TH1)의 트리거 신호가 입력되면 양파 스위칭소자(TH1)가 정상 동작하는 것으로 판단하고, 양파 스위칭소자(TH1)의 게이트 단자가 "LOW" 레벨(트리거 off 신호)임에도 저항(R11)을 통하여 기준전위를 벗어나는 전위(또는 기준전위 미만 전압)가 입력되면 양파 스위칭소자(TH1)의 단락으로 판단하여 제어신호를 출력하게된다.

상기 제어신호에 의해 SCR(TH2)이 트리거-온되어 저항(R8)이 과열되고, 상기 저항(R8)에 접해있는 온도휴즈(TF)로 과도한 열이 전달되면서 용단되므로 교류전원(AC) 공급이 차단되고, 전열매트(4)의 과열이나 화재 및 회로손상이 방지된다.

한편, 전기매트(4)를 사용하는 장소에 접지공사가 되어 있고 전원콘센트 및 전원플러그에 차폐판(38)과 연결되는 접지단자가 있는 경우에는 접지선이 대지접지(G)와 바로 연결되므로 확실한 접지가 이루어지면서 유해전자파가 차폐된다. 하지만 접지공사가 되어 있지 않거나, 비록 접지공사는 되어 있더라도 전열매트(4)의 전원플러그에 접지단자가 없는 경우에는 차폐판(38)의 실드(Shield)에 문제가 발생된다.

그러나, 본 고안에서는 전원콘센트에 삽입되는 전원플러그의 방향에 구애됨이 없이 주변전위를 검출하여 콜드전위(Cold 電位)이면 현재의 상태로 차폐판(38)의 접지상태를 유지하고, 핫전위(Hot 電位)이면 차폐판(38)을 다른 전원공급단자에 자동으로 접속시켜 대지 그라운드(G)에 접지시키는 자동 접지부가 구비된다.

상기 자동 접지부는 전원콘센트에 전원플러그가 역삽입시 60Hz의 주변전위를 감지하는 탐지부(PS)와, 탐지부(PS)와 저항(R22)과 캐페시터(C12)의 시정수에 의해 60㎐ 부근의 교류는 통과시키고 60㎐를 훨씬 초과하는 고주파 노이즈(noise)를 차단하는 필터와, 회로를 보호하고 정류시키는 다이오드(D11)와, 상기 탐지부(PS)의 전압레벨로 1초 단위로 읽어 핫전위 또는 콜드전위를 판단하여 핫전위이면 스위칭부로 제어신호를 출력하는 레벨검출부와, 상기 제어신호에 따라 차폐판(38)이 접속된 단자를 스위칭시켜 콜드전원단자(뉴트랄선)에 접속시키는 스위칭부와, 차폐판(38)과 감열선(H)이 쇼트되는 경우 휴즈블저항(FR1)(FR2)이 용단되면서 핫전원을 차단시켜 감전 및 화재 등을 방지하는 보호회로로 구성된다.

상기 탐지부(PS)는 소정의 정전용량을 가질 수 있게 온도제어기(6)의 인쇄회로기판(PCB) 상에 5㎝ ~ 20㎝ 길이의 패턴으로 형성되어 인쇄회로기판(PCB)의 접지에 핫전원(상용전원전압)이 인가됨에 따라 주변에 형성되는 주변전위(주파수) 60Hz를 감지할 수 있게된다.

즉, 전원플러그가 전원콘센트에 역삽입됨에 따라 220V의 핫전원(상용전원전압)이 뉴트랄선을 통해 인쇄회로기판(PCB)상의 회로 접지에 인가되고, 그에 따라 PCB패턴 탐지부(PS)는 인쇄회로기판(PCB)의 접지에 인가되는 핫전원(상용전원전압)에 의해 주변에 형성되는 주변전위(주파수) 60Hz를 감지하게된다.

상기 레벨검출부에서는 상기 탐지부(PS)가 감지한 60Hz의 주변전위의 상태를 체크하여 콜드전위(저전위)이면 뉴트랄선에 해당하는 일측 교류전원공급단자(AC2)와 차폐판(38)이 정상 연결된 것으로 판단하여 차폐판(38)의 현재 접속상태를 유지한다. 즉, 차폐판(38)이 접속된 릴레이의 가동단자가 NC 접점에 연결되어 접지상태가 유지된다.

반대로, 상기 탐지부(PS)로부터 입력되는 주변전위가 핫전위(고전위)이면 차폐판(38)이 핫전원 상태의 교류전원공급단자(AC1)에 연결된 것으로 판단하여 차폐판(38)의 현재 접속상태를 변경하게 된다. 즉, 레벨검출부로부터 제어신호가 출력되면 릴레이(Ry)가 여자(勵磁)되면서 차폐판(38)이 접속된 릴레이(Ry)의 가동단자가 NO 접점에 연결되어 접지상태가 지속적으로 유지되며, 전원플러그가 반대로 끼워지면 상기의 반대 과정으로 릴레이(Ry)가 소자되면서 가동단자가 NC 접점으로 연결되어 접지가 달성된다.

그리고, 차폐판(38)을 통한 감전이나 감전에 준하는 사태 또는 감열선(H)과 차폐판(38)이 단락(short)되면 휴즈블 저항(FR1 또는 FR2)이 용단되면서 차폐판(38)으로 이상 공급되는 핫전원이 차단되며, 따라서 차폐판(38)을 통한 감전 및 화재 등이 방지된다.

자세히 설명하면, 전원플러그가 전원콘센트에 정상적으로 삽입되면뉴트랄선(AC2)은 그라운드 상태로 유지되고 이에 접속된 차폐판(38)의 접지가 유지되지만, 전원플러그가 전원콘센트에 역삽입되면 차폐판(38)으로 AC220V의 핫전원이 인가된다. 전원플러그가 전원콘센트에 역삽입 됨에 따라 전원플러그의 AC220V의 핫전원(상용전원전압)은 인쇄회로기판(PCB)상의 회로 접지에 인가되는 바, 이는 PCB 패턴으로 형성된 탐지부(PS)가 인쇄회로기판(PCB)의 접지에 핫전원(상용전원전압)이 인가됨에 따라 탐지부(PS) 주변에 형성되는 주변전위(주파수) 60Hz를 감지케 하는 소스(source)가 된다.

즉, 평면적이 넓어 정전용량을 갖는 탐지부(PS)에 의해 PCB상의 접지전위가 핫전위 또는 콜드전위로 감지되며, 상기 감지된 전압은 탐지부(PS)와 풀다운 저항(R23)의 분기점을 통하여 분압된 다음 A/D콘버터를 갖는 레벨검출부를 통하여 마이콤으로 입력되며, 마이콤에서는 1초 단위로 상기 전압을 체크하다가 핫전위이면 스위칭 신호를 출력시켜 상기 처럼 릴레이를 스위칭시키게 된다.

따라서, 본 고안은 접지공사가 안된 지역이나 전열매트(4)를 구성하는 차폐판(38)에 별도의 접지선이 배선되지 않더라도 전원콘센트에 삽입되는 전원플러그의 정삽입이나 역삽입에 상관없이 차폐판(38)의 자동 접지가 이루어지므로 전원플러그를 바꿔 결합하지 않아도 된다.

상기 자동 접지부는 마이콤(MICOM)이 입력신호를 인식할 수 있게 A/D콘버터가 내장되어 있다. 그리고, 본 고안에서 자동 접지부, 온도비교부(18) 이외의 다른 회로부 역시 상기 처럼 마이콤(MICOM)이 신호를 인식하고 처리할 수 있게 A/D콘버터 및/또는 정류부가 구비된다. 물론 필요에 의해 A/D콘버터 및/또는 정류부가 생략될 수도 있다.

본 고안에서 앤드게이트(G1)로 입력되는 전압레벨이 영 전압점보다 낮을 경우에는 최종출력이 'HIGH' 레벨로 되고 양파 스위칭소자(TH1)는 트리거-온 된다. 따라서 감열선(H) 양단으로 양파 교류전원이 공급되고 감열선(H)이 가열된다.

이때, 양파 스위칭소자(TH1)를 트리거시키는 펄스 파형은 도 7에 도시한 바와 같이 교류전압이 거의 제로가 되는 제로볼트(Zero Voltge)지점에서 발생되는 (-)펄스성 트리거 전압(TV)에 의해 양파 스위칭소자(TH1)가 트리거 온(ON)되므로 유해전자파 발생이 억제된다. 따라서, 양파 스위칭 소자인 양파 스위칭소자(TH1)에 무리를 주지않게 되고, 다른 회로소자에 잡음을 발생시키지 않아 더욱 안정된 회로동작이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 종래에는 온도센서회로가 미비하여 부정확한 온도제어가 이루어지는 문제점이 있었으나, 본 고안에서는 도 5, 도 6과 같이 전원공급이 중단되는 휴지기간 동안 온도를 검출하여 제어하게 되므로 온도제어가 종래에 비하여 매우 안정적이고 정확하다. 즉, 온도센서(TS)에 의한 온도검출은 전압드롭이 없는 휴지기간(정궤환이 되는 기간)에 검출하여 설정온도(목적온도)를 얻게 되므로 정밀 온도제어가 달성된다.

또한, 기존 온도제어기의 회로들은 NTC 소자 대신 대용량 저항을 많이 사용하여 발열이 심하고 저항의 구조상 단선 불량이 잦은 문제점이 있었으나, 본 고안에서는 부온도 특성의 NTC 소자(14)가 온도전압검출에 사용되므로 대용량 저항이 불필요할 뿐 아니라 과도한 발열이나 단선 및 전력 과소비가 방지되며, 서지전압이나 순간적인 대전류가 인가되더라도 NTC 소자(14)가 쉽게 단선되지 않는다.

그리고, 직류전원부(10)에는 NTC 소자(NTC)와 캐패시터(C10)가 직렬로 접속되어 있으므로 서지전압이나 과전압 등이 양파 스위칭소자로 유입되더라도 상기 NTC 소자(NTC)와 캐패시터(C10)에 흡수 제거되므로 회로가 보호되며, 양파 스위칭소자(TH1)의 양단에 접속된 캐패시터(C2)와 저항(R3)에 의해서도 서지전압이나 과전압 등으로 부터 양파 스위칭소자(TH1)가 보호되며, 또한 양파 스위칭소자(TH1)의 스위칭 동작에 의한 노이즈 발생이나 오동작 등도 방지된다.

또한, 본 고안은 온도센서(TS)를 갖는 감열선(H)을 이용하여 정확한 온도검출과 정밀온도제어가 가능하며, 영전압 부근 시점에서 양파 스위칭소자(TH1)를 트리거시켜 제어함으로써 유해전자파(EMI) 발생이 억제된다, 그리고, 감열선(H)의 과열에 의해 감열선(H)과 온도센서(TS)가 단락(Short)되거나 양파 스위칭소자(TH1)가 단락되는 경우에도 각각의 보호저항이 과열되고 이에 물리적으로 접하여 있는 온도휴즈(TF)로 과열이 전달되면서 용단되고 교류전원 공급이 차단되므로 온도제어기(6)가 보호되고 안전사고가 미연에 방지된다.

이상에서 설명한 본 고안은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 있어 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 본 고안 전열매트용 온도제어기는 양파(full wave)스위칭소자(thyristor)를 이용하여 전열매트를 제어(온/오프)하도록 함으로써 전기적인 간섭과 온도센서의 수명단축이 방지되고, 주변전위를 감지하여 유해전자파의 확실한 차폐(shield)가 달성되며, 전기안전도는 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 고안은 영전압검출부에 의해 영점부근 시점 전압으로 양파 스위칭소자를 트리거시키므로 위상제어가 방지되고 유해전자파의 발생이 억제되는 효과가 있다.

또한, 본 고안은 자동 접지부에 의해 차폐판의 접지가 자동으로 이루어지므로 전원플러그를 수동으로 바뀌 삽입하는 불편이 제거되고, 더불어 유해전자파의 확실한 차폐가 달성되는 효과가 있다.

또한, 종래 온도제어기의 경우 반파(半波) 스위칭소자인 SCR을 사용함으로써 온도센서의 양단으로 AC110V와 AC220V가 번갈아 인가되면서 이온 전리현상이 발생하여 온도센서의 사용수명이 크게 단축되는 문제가 있었으나, 본 고안에서는 양파구동형 사이리스터에 의해 온도센서의 양단으로 같은 교류전압이 인가되어 물성변화(양극화)가 방지되므로 온도센서의 수명단축이 방지되고, 온도감지에 대한 신뢰성이 우수한 효과가 있다.

또한, 감열선의 과열이나 NTC 소자의 절연파괴등에 의해 감열선과 온도센서가 단락(Short)되거나, 양파 스위칭소자가 쇼트되는 경우 각각의 보호저항이 과열되면서 이에 (물리적으로) 접해 있는 온도휴즈가 융단되면서 전원공급이 중단되어 온도제어기의 보호와 전열매트의 과열이나 화재등이 미연에 방지되는 등의 효과가 있다.

Claims

교류 및 직류전원부와, 발열부의 온도를 전압 검출하는 온도센서부와, 검출온도전압과 설정온도전압을 비교하여 제어신호를 출력하는 온도비교부와, 상기 제어신호에 따라 발열부의 통전을 단속하는 스위칭부로 구성된 전열매트용 온도제어기에 있어서 ;

전원공급단자(AC1)(AC2)에 직렬로 접속되는 온도휴즈(TF) 및 감열선(H) 및 양파 스위칭소자(TH1)와, 상기 감열선(H)에 구비되며 양파 스위칭소자(TH1)의 휴지(off)기간 동안 감열선(H)의 온도를 전압으로 변환 출력하는 온도센서(TS)와, 기준온도전압과 온도센서(TS)로부터 입력되는 온도전압을 비교하여 제어신호를 출력하는 온도비교부(18)와, 교류전원(AC)의 영전압 부근 시점 전압을 검출하여 제어신호를 출력하는 영전압검출부(20)와, 검출된 교류전압(AC)에 따라 감열선(H)으로 공급되는 전원공급주기신호를 출력하는 전압레벨검출부(22)와, 상기 온도비교부(18) 및 영전압검출부(20) 및 전압레벨검출부(22)로부터 입력되는 신호를 논리 출력하는 앤드게이트(G1)와, 상기 앤드게이트(G1)의 출력신호에 따라 양파 스위칭소자(TH1)를 제어하는 신호반전부로 구성하여서 된 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 1에 있어서 ; 온도비교부(18)로 입력되는 기준온도전압과 감지온도전압은 각각의 A/D컨버터에 의해 디지털 데이터로 변환 입력되어 비교 판단되게 함을특징으로 하는 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서 ; 교류전원(AC)의 영전압 부근 시점 전압은 0V ±3V ~ 0V ±10V 부근 임을 특징으로 하는 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서 ; 전압레벨검출부(22)는 사용 전압을 검출하여 110V이면 4/5주기 기간동안 110V의 교류전원이 양파 스위칭소자(TH1)로 공급되게 주기신호를 출력하고, 220V이면 1/5주기 기간동안 220V의 교류전원이 양파 스위칭소자(TH1)로 공급되게 주기신호를 출력하도록 함을 특징으로 하는 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서 ; 양파 스위칭소자(TH1)의 게이트 단자에 양파 스위칭소자(TH1)가 오프(OFF)일 때 양파 스위칭소자(TH1)의 단락(Short) 여부를 검출하는 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)를 접속하여서 된 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 7에 있어서 ; 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)의 입력에 앤드게이트(G1)의 출력부와 풀다운저항(R21)을 갖는 전류제한저항(R11)을 접속하고, 양파 스위칭소자 쇼트검출부(28)의 출력에 SCR(TH2)의 게이트 단자를 접속하고, 상기 SCR(TH2)은 온도휴즈(TF)에 접하여 있는 저항(R8)을 통하여 교류전원단자(AC1)(AC2)에 접속하여서 된 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서 ; 주변전위를 검출하여 콜드전위이면 현재의 상태로 차폐판(38)의 접지상태를 유지하고, 핫전위이면 차폐판(38)을 다른 전원공급단자에 자동으로 접속시켜 대지 그라운드(G)에 접지시키는 자동 접지부를 부가 구성하여서 된 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.
청구항 7에 있어서 ; 자동 접지부는, 전원콘센트에 전원플러그가 역삽입시 60Hz의 주변전위를 감지하는 탐지부(PS) 및 풀다운 저항(R23)과, 탐지부(PS)와 저항(R22)과 캐페시터(C12)의 시정수에 의해 60㎐ 부근의 교류는 통과시키고 60㎐를 훨씬 초과하는 고주파 노이즈(noise)를 차단하는 필터와, 회로를 보호하고 정류시키는 다이오드(D11)와, 상기 탐지부(PS)가 검출한 레벨을 A/D컨버터로 변환시켜 핫전위 또는 콜드전위를 판단하되 핫전위이면 스위칭부로 제어신호를 출력하는 레벨검출부와, 상기 제어신호에 따라 차폐판(38)이 접속된 단자를 스위칭시켜 핫전원단자 또는 콜드전원단자에 접속시키는 스위칭부와, 차폐판(38)이 감열선(H)과 쇼트시 용단되는 휴즈블저항(FR1)(FR2)으로 구성하여서 된 양파 사이리스터를 이용한 전열매트용 온도제어기.