KR100612596B1 - 조도 조절기 - Google Patents

Abstract

조도 조절기에 관하여 개시한다. 본 발명의 장치는, 상용 교류 전압을 직류전압으로 변환하여 스위치 구동부에 인가하고 사인펄스로 대변되는 펄스 폭을 가진 고주파를 교호적으로 스위치 구동부에 인가하여 출력된 고주파 교류 전압을 저역 통과 필터로 고주파를 제거함으로써 안정적인 교류 전압으로 조광기의 조도를 조절하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 종래의 경우보다 조도 조절의 폭이 매우 크며 원하는 조도로 완전하게 조절할 수 있으며, 저역 통과 필터를 이용하여 고주파 성분을 제거함으로써 조광기에 입력되는 전압의 서지를 제거하여 조도 조절기의 신뢰성과 조광기의 수명이 향상되고, 조광기의 조도를 완전하게 제어할 수 있으므로 전기에너지가 불필요하게 소모되는 것을 방지할 수 있다.

조도 조절기, 조광기, 사인파, 고주파, 펄스 변환기, 스위치 구동기, 저역 통과 필터

Description

조도 조절기{Dimmer}

도 1a는 종래의 조도 조절기를 설명하기 위한 블록도;

도 1b는 도 1a에 따른 조도 조절기에서 선형 부하인 경우의 출력 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프;

도 1c는 도 1a에 따른 조도 조절기에서 비선형 부하인 경우의 출력 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프;

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 조도 조절기를 설명하기 위한 블록도;

도 2b는 도 2a에 따른 조도 조절기의 구동부를 설명하기 위한 개략도;

도 3a 및 3b는 도 2a에 따른 조도 조절기에서의 펄스 출력 파형도들; 및

도 3c는 도 2b에 따른 구동부에서의 파형도이다.

본 발명은 조도 조절기에 관한 것으로서, 특히 안정적인 교류 전압을 공급하여 조광기의 조도를 조절하는 조도 조절기에 관한 것이다.

조도를 조절하는 방법은 조광기에 인가되어지는 전압의 크기를 변경함으로써 행하여진다. 그 방식으로는 양방향 턴 온 스위치 소자인 트라이악을 사용하는 소(小)전력의 경우와, 단방향 턴 온 스위치 소자 두 개를 사용하여 전압 혹은 전류의 위상을 판단의 근거로 삼아 스위치를 턴 온시키는 시점을 조절함으로써 조광기에 입력되는 전압의 평균값이나 최고값을 변경시켜 조도를 조절하는 위상 제어 방법을 이용하는 대(大)전력의 경우가 있다.

도 1a는 종래의 조도 조절기를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 조도 조절기는 조도 조절 입력부(10)와, 교류 전원과, 위상 검출부(20)와, 비교 판단부(30)와, 턴 온 스위치 소자(Triac, SCR)를 포함하는 출력부(40)로 이루어진다. 위상 검출부(20)는 조도 조절 입력부(10)에서 설정한 조도값과 상용 교류 전압의 위상을 각각 입력받아 조도값과 전압의 위상이 교차하는 영점을 검출한다. 비교 판단부(30)에서는 조도 조절 입력부(10)에서 설정한 조도값을 위상 검출부(20)에서 검출한 영점 검출시점과 비교함으로써 스위치의 턴 온 시점을 판단하여 스위치의 턴 온 지령을 출력부(40)에 출력한다. 출력부(40)는 그 지령을 받아 스위치를 온시킴으로써 그 시점부터 상용 교류 전압이 조광기에 입력되며, 조광기에서는 입력된 교류 전압의 실효치에 해당하는 조도를 가지게 된다.

도 1b는 도 1a에 따른 조도 조절기에서 선형 부하인 경우의 출력 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 1c는 도 1a에 따른 조도 조절기에서 비선형 부 하인 경우의 출력 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프이다.

도 1b를 참조하면, 조도를 조절하기 위한 목적으로 턴 온 스위칭 소자를 사용할 경우 출력단의 부하가 순수 선형 부하(저항)이면 전압과 전류는 동형 위상이므로 턴 온 소자의 특성에 따라 5%∼95%까지 출력 전압을 제어 할 수 있다.

하지만, 조광기 중에서 특히 안정기를 가진 형광등, 삼파장 램프 등의 경우에는 안정기의 내부 구조상 전파 정류 소자, 정류 콘덴스, 인덕터 등을 포함하고 있기 때문에, 도 1c와 같이 전압과 전류의 위상 차이가 발생하게 되므로 턴 온 스위칭 소자를 사용할 경우의 출력 제어는 20%∼50% 미만이 된다는 문제점이 있다.

또한, 턴 온 스위치 소자의 특성상 턴 온 시점에 전압이나 전류에 서지(surge)가 발생함으로써 조도 조절기의 신뢰성 및 조광기의 사용시간을 떨어트리는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 조도 조절의 폭과 조도 조절 성능을 향상시키고, 조도 조절기의 신뢰성과 조광기의 수명을 향상시킬 수 있는 조도 조절기를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 조도 조절기는: 임의 조도값을 설정하는 조도 조절 입력부와; 상기 조도 조절 입력부로부터 상기 조도값을 입력받아 사인파로 변환하여 출력하는 사인파 발생기와; 고주파수의 삼각파를 발생시키는 삼각파 발생기와; 상기 사인파와 상기 삼각파를 각각 입력받아 그들의 최대값을 비교한 비교값을 출력하는 비교기와; 상기 사인값과 상기 비교값을 각각 입력받아 상기 비교값을 펄스로 변환하고, 정펄스 단자 및 부펄스 단자를 통해 정펄스와 부펄스를 교호적으로 출력하는 펄스 변환부와; 교류 전원과; 상기 교류 전원으로부터 인가된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로와; 상기 전파 정류 회로에서 정류된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 직류 평활 회로와; 상기 정펄스 및 부펄스를 각각 입력받고, 상기 직류 전압을 입력받아 상기 직류 전압을 서로 다른 극성으로 스위칭하여 고주파 교류 전압을 발생시키는 스위치 구동부와; 상기 고주파 교류 전압을 입력받아 고주파 성분은 제거하고 사인파형 전압을 조광기로 출력하는 저역 통과 필터가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 조도 조절기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2b는 도 2a에 따른 조도 조절기의 구동부를 설명하기 위한 개략도이며, 도 3a 및 3b는 도 2a에 따른 조도 조절기에서의 펄스 출력 파형도들이고, 도 3c는 도 2b에 따른 구동부에서의 파형도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 조도 조절기는 조도 조절 입력부(100), 사인파 발생기(200), 삼각파 발생기(300), 비교기(400), 펄스 변환부(500)와 구동부를 포함하여 이루어진다. 구동부는 교류 전원, 전파 정류 회로(600), 직류 평활 회로(700), 스위치 구동부(800) 및 저역 통과 필터(900)를 포함하여 이루어진다.

조도 조절 입력부(100)는 임의 조도값(L)을 설정하여 출력한다. 그러면, 사인파 발생기(200)에서는 그 임의의 조도값(L)을 입력받아 조도값(L)에 전원 주파수 파형(50Hz, 60Hz)인 sinθ를 곱하여 산출한 사인값(L*sinθ)을 비교기(400)와 펄스 변환부(500)로 각각 출력한다.

삼각파 발생기(300)에서는 임의의 스위칭 주파수(수십 kHz)를 가지는 고주파수의 삼각파를 비교기(400)로 출력한다.

비교기(400)에서는 사인파 발생기(300)로부터 입력받은 조도값(L)에 대한 사인값(L*sinθ)과 삼각파 발생기(300)로부터 입력받은 삼각파의 최대값(Ksw)을 비교하여 그 비교값(Vp)을 펄스 변환부(500)로 출력한다. 이 때의 펄스 출력 파형은 도 3a에 도시되었다.

Vp = L*sinθ- Ksw

펄스 변환부(500)에서는 사인파 발생기(200)로부터 사인값(L*sinθ)을 입력받고 비교기(400)로부터 비교값(Vp)을 입력받아 정펄스 단자와 부펄스 단자를 통하여 정펄스와 부펄스를 교호적으로 출력한다. 즉, 펄스 변환부(500)에서는 비교값을 변환하되, 정펄스 단자를 통해서는 변환된 펄스 그대로인 정펄스를 출력하고, 부펄스 단자를 통해서는 역변환(inverse)된 펄스인 부펄스를 출력한다.

전파 정류 회로(600)는 단상 또는 3상의 상용 교류 전원으로부터 인가된 교류 전압을 정류하여 출력한다.

직류 평활 회로(700)는 전파 정류 회로(600)에서 정류된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다.

스위치 구동부(800)는 펄스 변환부(500)로부터 정펄스 및 부펄스를 각각 입력받고, 직류 평활 회로(700)로부터 직류 전압을 입력받아 직류 전압을 서로 다른 극성으로 스위칭함으로써 교류 전압을 발생시켜 출력한다. 이를 위하여 스위치 구동부(800)는 정펄스 단자와 연결된 제1-1 스위치와 제1-2 스위치로 이루어진 스위치 1조와 부펄스 단자와 연결된 제2-1 스위치와 제2-2 스위치로 이루어진 스위치 2조를 포함하여 이루어진다. 이 때, 스위치로는 Tr, FET, IGBT와 같은 턴 온/오프 스위칭 반도체소자가 이용된다.

따라서, 예를 들어 펄스 그대로를 출력하는 것을 p+의 펄스 출력이라고 하고 역변환하여 출력하는 것을 p-의 펄스 출력이라고 할 경우, 펄스 변환부(500)에서는 사인파 발생기(300)로부터 입력된 Lsinθ의 위상을 판단하여 Lsinθ의 값이 양(+)의 값을 가지면 p+의 펄스가 정펄스 단자를 통하여 스위치 1조로 출력되고, 동시에 p-의 펄스는 부펄스 단자를 통하여 스위치 2조로 출력된다. 그리고, Lsinθ의 값이 음(-)의 값을 가지면, p+의 펄스는 부펄스 단자를 통하여 스위치 2조로 출력되고, p-의 펄스는 정펄스 단자를 통하여 스위치 1조로 출력된다. 이 때의 펄스 출력 파형은 도 3b에 도시되었다. 이렇게 입력된 펄스들에 의하여 스위치 1조와 스위치 2조가 임의의 스위칭 주파수(수십 kHz)에 동기하여 교호적으로 동작하여 전원 주파 수(50Hz, 60Hz)를 포함한 고주파 교류 전압(Vs)을 출력한다. 이와 같이, 고주파수 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어를 이용함으로써 에러에 강하고 S/N 비가 우수하다.

상술한 바와 같이, 펄스 변환부(500)에서 출력된 p+의 펄스와 p-의 펄스로 스위치 구동부(800) 내의 스위치 1조와 스위치 2조가 교호적으로 온/오프되면, 인입단의 상용 교류 전원은 다음과 같이 동작하게 된다. 전파 정류 회로(600)에 의해 전파 정류된 교류 전원 전압을 'V'하고 하면 직류 평활 회로(700)에서는 직류 전압 'E'로 변환되고, 스위치 1조와 스위치 2조간의 전압 'Vs'에는 펄스 변환부(500)에서 출력된 p+의 펄스와 p- 펄스에 의해 스위치 1조와 스위치 2조가 교호적으로 스위칭 동작함으로써 전원 주파수(50Hz, 60Hz) 전압(Vnf sinθ)과 고주파 전압(Vsw) 성분이 포함되게 된다.

저역 통과 필터(900)는 리엑터와 콘덴서로 이루어져 특정한 주파수 대역 이상의 고주파 성분은 제거하고 특정한 주파수 대역 이하의 주파수만을 통과시킨다. 이 때, 그 특정한 주파수 대역은 저역 통과 필터(900)의 파라메터 값에 따라 달라진다. 따라서, 스위치 구동부(800)에서 출력된 고주파 교류 전압(Vs)이 저역 통과 필터(900)에 입력되면 고주파 전압(Vsw)은 제거되고 전원 주파수(50Hz, 60Hz)만을 가진 전압(Vnf sinθ)으로 변환된다. 이 때의 파형은 도 3c에 도시되었다.

이렇게 변환된 교류 전압이 조광기에 입력되면, 그 전압의 실효치의 크기에 따라 조광기의 조도가 조절된다.

종래의 조도 조절기에 대한 파형도인 도 1b 및 도 1c와 본 발명의 조도 조 절기에 의한 도 3c를 비교하면, 종래의 경우에는 조도 조절의 폭이 20∼50% 정도이지만 본 발명에 의할 경우에는 0∼100%임을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 조도 조절기에 의하면, 종래의 경우보다 조도 조절의 폭이 매우 크며, 원하는 조도로 완전하게 조절할 수 있다.

또한, 저역 통과 필터를 이용하여 고주파 성분을 제거함으로써 조광기에 입력되는 전압의 서지를 제거하여 조도 조절기의 신뢰성과 조광기의 수명이 향상된다.

나아가, 조광기의 조도를 완전하게 제어할 수 있으므로 전기에너지가 불필요하게 소모되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (3)

1. 임의 조도값을 설정하는 조도 조절 입력부와;

   상기 조도 조절 입력부로부터 상기 조도값을 입력받아 사인파로 변환하여 출력하는 사인파 발생기와;

   고주파수의 삼각파를 발생시키는 삼각파 발생기와;

   상기 사인파와 상기 삼각파를 각각 입력받아 그들의 최대값을 비교한 비교값을 출력하는 비교기와;

   상기 사인값과 상기 비교값을 각각 입력받아 상기 비교값을 펄스로 변환하고, 정펄스 단자 및 부펄스 단자를 통해 정펄스와 부펄스를 교호적으로 출력하는 펄스 변환부와;

   교류 전원과;

   상기 교류 전원으로부터 인가된 교류 전압을 정류하는 전파 정류 회로와;

   상기 전파 정류 회로에서 정류된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 직류 평활 회로와;

   상기 정펄스 및 부펄스를 각각 입력받고, 상기 직류 전압을 입력받아 상기 직류 전압을 서로 다른 극성으로 스위칭하여 고주파 교류 전압을 발생시키는 스위치 구동부와;

   상기 고주파 교류 전압을 입력받아 고주파 성분은 제거하고 사인파형 전압을 조광기로 출력하는 저역 통과 필터가 구비되는 조도 조절기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스위치 구동부는 턴 온/오프 스위칭 반도체 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조도 조절기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 저역 통과 필터는 리엑터와 콘덴서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조도 조절기.

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