4. 전력선통신 커플링 회로 - 안전이슈 (아이솔레이션, 누설전류, 퓨즈...)

이번 포스트는 PL 스마트 트랜시버를 사용한 회로 디자인에서의 안전 문제들에 관한 간략한 소개를 하고자 합니다. 현 내용은 전기적 안전이나 규칙에 관한 입문서가 아니고, 관련된 안전 규정이나 룰에 대해 알아보는 것은 개발자의 몫입니다. 모든 디자인을 충분한 안전 관련 컨설턴트 및 적절한 규제(pertinent regulatory) 또는 안전 관련 전문가에게 리뷰받는 것을 강력히 추천합니다.

 

Safety Isolation Considerations (아이솔레이션)

 

많은 제품들에는 이용자가 위험한 전도체와 접촉하지 않도록 제품외형 형태의 절연 방벽이 포함하고 있습니다. 한마디로 제품케이스입니다. 이러한 제품의 일반적인 예로는 조명 스위치로써, PL 스마트 트랜시버를 포함한 모든 전기적 컴포넌트들이 스위치 케이스 내부에 위치합니다. 이러한 어플리케이션에서 사용할 수 있는 커플링 회로를 non-isolated coupling circuit(비절연 커플링 회로)이라고 부릅니다. 쉽게 얘기해 사용자가 내부 회로에 손을 댈 수 없는 제품을 이야기 합니다. 비절연 커플링 회로는 일반적으로 가격에 민감한 제품 및 배선 디바이스에 사용되기 좋도록 저렴한 가격의 컴포넌트를 사용합니다. 지금까지 제시된 모든 커플링 회로 예시들은 비절연 방식이였습니다.

일부 제품들에서 사용되는 케이스가 절연 방벽으로 충분하지 못하여, 별도의 안전 장치가 필요한 경우가 있습니다. 예를 들어, non-isolated line-to-neutral 커플링 회로와 PL 스마트 트랜시버를 함께 사용하며 I/O 핀에 사용자가 접근 가능하게 되어있는 회로 기판에는 잠재적인 전기 쇼크의 위험성이 존재합니다. Neutral 도선(mains lead)이 회로 기판 common으로 직접 연결되어 있기 때문에, 사용자는 I/O 커넥터의 위험한 전압, 특히 line과 neutral 연결이 실수로 바뀌었을 때, 이에 노출될 위험이 있습니다. 이와 같은 제품에서는 사용자가 접근 가능한 I/O 커넥터와 전선, neutral conductor 사이에 안전 절연 방벽을 위하여 추가적인 회로 배선이 필요하게 됩니다.

 

가장 널리 사용되는 방법으로는 간단한 커플링 회로를 수정하는 방법으로 커플링 회로에 절연성을 더하는 방법이 있습니다. 이러한 방식의 커플링 회로를 isolated coupling circuit(절연 커플링 회로)이라고 부릅니다. 주로 사용되는 절연 커플링 회로는 transformer-isolation(변압기 절연)을 사용합니다. 변압기 절연은 L101의 위치에 안전 관련 업체의 인증을 받은(safety agency-recognized), 통신에 적합한 특성을 가진 변압기로 바꾸는 것을 필요로 합니다. 트랜스포머 절연은 line-to-neutral과 line-to-earth 커플링 모두 사용할 수 있습니다. 트랜스포머 절연 커플링의 이점은 트랜스포머의 누설 인덕턴스(leakage inductance)가 L102의 값과 맞게 디자인하는 방법으로, resonant inductor L102를 절연 트랜스포머 안에 통합시킬 수 있는 것입니다. 트랜스포머 절연 커플링 회로는 아래 그림과 같으며, 트랜스포머가 PL 스마트 트랜시버를 line conductor와 neutral 또는 earth conductor와 절연시키고 있음을 볼 수 있습니다.

 

중요한 것은 절연된 회로의 교류 전원(mains powered) 은 절연된 커플링 회로와 절연된 전원장치 모두 통합 시켜야만 합니다. 절연된 커플링 회로는 절연되지 않은 전원장치와 (역 또한 같음) 사용될 수 있지만 혼합된 제품은 절연되지 않게 됩니다.

 Functional Transformer-Isolated Coupling Circuit

 

 

트랜스포머 절연 커플링 회로의 수신 모드상의 임피던스는 C101과 T101의 series resonant 효과로 인해 10kHz가량 하락(dip)합니다. 통신 밴드 외에서의 임피던스 하락은 통신 성능에 아무런 역영향을 미치지 않지만, 만일 지역 규정(local regulations)에 해당 resonant 주파수(frequency)에서의 수신 임피던스를 5ohm 이상으로 정하고 있다면, 아래 그림과 같이 RLC 회로를 추가하여 해결할 수 있습니다.

Transformer-Isolated Coupling Circuit with Optional RLC Circuit

 

 

Ground Leakage Currents (누설전류)

 

Line-to-earth 커플링을 사용하는 전력선 시스템에서는, ground 누설 전류 허용량에 따라 안전 및 실무상(practical)의 제한이 존재합니다. 상업 빌딩 또는 가정용 제품의 경우에는, 대부분의 안전 기관의 ground 누설 전류 허용량은 3.5mA입니다. 이 누설 전류 제한과 관련하여 line-to-earth 커플링 회로의 C101의 최대 값이 결정된다. 앞선 line-to-earth 커플링 회로에서의 C101의 값은 ground 누설 전류를 3.5mA 이하로 제한하는 값으로 선택되었습니다.

 

Line-to-earth 커플링 사용에는 실질적인 제한이 존재합니다. 많은 단일 회로들의 감전 차단기(ground fault interrupter, GFI, or residual current devices, RCD)는 4mA정도의 적은 ground 전류에도 반응을 하게 됩니다. 만일 각각의 line-to-earth 커플링을 사용하는 PL 스마트 트랜시버가 3mA정도의 ground 전류를 생성한다고 가정하면, 감전 차단기(GFI)로 보호되는 회로에는 트랜시버가 한 개밖에 설치될 수 없게 됩니다. 이러한 이유 때문에 line-to-earth 커플링은 저전류 감전 차단기(GFI)가 사용되는 어플리케이션에는 적합하지 않고, 대신에 line-to-neutral 커플링이 사용되어야 합니다. 또한 지역 규정(local regulation)에서 earth를 신호 시스템의 return path로 사용하는 것을 금지하는 경우도 있습니다.

Capacitor Charge Storage

앞의 그림에서의 커플링 capacitor는 PL 스마트 트랜시버 기반 디바이스가 전원에서 분리된 후에도 상당한 충전상태를 유지할 수 있습니다. 이러한 사실은 전원 연결이 끊어진 이후 연결 코드를 사용자가 만질 가능성이 있는 어플리케이션에서 중대한 문제를 야기할 수 있게 됩니다. 감전의 위험성을 최소화하기 위해서, 커플링 회로 내부에 전원 연결 해제 이후에 커플링 capacitor을 방전시킬 충분한 크기의 value bleeder resistor가 포함되어야 합니다. 전원에 항상 연결되어 있는 어플리케이션의 경우라도, 서비스 직원의 안전을 위하여 resistor를 포함하는 것이 좋습니다. 지금까지 설명한 커플링회로에는  적합한 bleeder resistor가 포함되어 있었습니다. 만일 이 capacitor를 방전시킬 다른 방법이 있다면(예를 들어 선형 power supply transformer에의 primary winding) bleeder resistor은 제거해도 상관없습니다.

 

Fuse Selection (퓨즈)

안전 문제를 고려하여 전원에 퓨즈(fuse)를 필요로 할 경우가 있습니다. 최종 상품이 계속 동작하기 위해서는(사용자의 개입 없이), 선택한 퓨즈가 명시된 라인 서지(line surge)에 이어 open되지 않아야 합니다. Branch circuit과 서지 이벤트로 인한 의도하지 않은 퓨즈 동작을 피하려면 최소 6A time-lag(“slow blow”)이 필요합니다. 외부 어플리케이션(outdoor application)의 경우에는 10A의 time-lag part가 필요하게 됩니다.

 

만약 varistor protection을 포함한 커플링 회로를 사용한다면, varistor 생산자의 퓨즈 최대 전류 허용 수치를 따라야 합니다. 여러 varistor 생산자들은 1250A surge-rated varistor에는 6~6.3A 퓨즈를, 4500A surge-rated varistor에는 18A 퓨즈를 추천합니다.

만약 어플리케이션에서 6.3A보다 높은 전류 수치의 퓨즈가 필요하다면, 서지 전류 수치가 2000A 이상인 varistor를 사용하는 것을 추천합니다.

통신 신호 전송을 위하여, 퓨즈의 저항이 매우 낮은(<0.1ohm) 것도 중요합니다. 6~10A 퓨즈를 사용하면 이 요건을 충족할 수 있게 됩니다.

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