KR100635491B1 - 고전력 집단부하의 조도제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 전력이 소요되는 수 십개의 방전등류 및 백열등류로 이루어지는 집단 부하의 전체적인 조도조절을 위한 디밍 기능 수행 및 이들 집단부하 중 선택된 형광등류의 개별적인 조도 조절을 할 수 있는 고전력 집단부하의 조도제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 외부 입력전원을 필터링하여 전원생성부에 필요한 전원을 공급하는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 공급되는 AC 전압을 전력제어부와 전력 제어신호 생성부 및 CPU 제어부에 필요한 정전원 및 정전류를 공급해주는 전원생성부와,전력제어신호 생성부에서 제공되는 제어신호를 레벨 변환 시키고 변환된 제어신호를 전력조절부에서 사용되는 소자의 게이트 입력조건에 맞게 제어 신호를 만드는 전력 제어부와, 전력 제어부를 통한 구동 제어신호를 받아 내부의 IGBT를 구동 시키고, 동시에 AC 신호의 흐름에 문제가 없도록 하는 서버너회로를 포함하는 전력조절부와,전원 생성부에서 제공되는 정전압 전원과 입력전원의 영전위 검출 윈도우 신호를 제공받아 전력제어부에 적합한 제어 신호를 각각의 전력제어부에 공급해 주는 전력 제어신호 생성부와, 상기 전력 제어신호 생성부의 출력제어 정보 및 전원생성부의 정전압 신호와 영전위 검출 윈도우 신호를 받아 조도제어장치의 운용 및 정보처리를 하는 CPU 제어부와, 및 제어된 신호를 이용한 전원출력부을 포함하는 것을 특징으로 한다.

조도제어, IGBT, 디밍제어

Description

고전력 집단부하의 조도제어 장치{A DIMMING APPATUS FOR THE HIGH POWER GROUP LOAD}

도 1은 본 발명에 따른 장치가 부하 회로에 적용되는 것을 나타낸 도면

도 2는 본 발명에 따른 장치의 내부 구성도

도 3, 4 및 5는 도 2의 내부구성의 각 부분의 상세회로도

도 6a 및 6b는 장치에 입력되는 신호의 파형 및 디밍제어를 위한 파형의 레벨을 추출하는 과정을 나타낸 도면

도 7은 디밍제어시 주파수변조의 클럭신호와 이에 따른 전압/전류레벨 제어를 나타낸 도면

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2-1, 3-1: 전원입력부 2-2, 3-2: 전원생성부

2-3, 3-3: 전력제어부 2-4, 3-4: 전력조절부

2-5: 전력제어신호생성부

2-6, 3-6: CPU제어부 2-7,3-7: 표시부

2-8, 3-8: 가청부 2-9, 3-9: 운용부

2-10,3-10: 전원출력부

본 발명은 고전력 집단부하의 조도제어장치에 관한 것으로서, 특히 고 전력이 소요되는 수 십개의 방전등류 및 백열등류로 이루어지는 집단 부하의 전체적인 조도조절을 위한 디밍 기능 수행 및 이들 집단부하 중 선택된 형광등류의 개별적인 조도 조절을 할 수 있는 조도제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 조명기구의 제어는 전력절감 및 조명등의 안전을 위해 개별 및 집단으로 분리해 단순 온/오프 기능 스위치를 통하여 전원공급을 받으며 해당 조명등의 온/오프 스위치상태에 따라 그 특성을 나타낸다.

특히 형광등 및 저/고압 방전등의 경우 점등시 높은 시동전압이 요구되며 시동후 정격전류를 유지하기 위해 안정기를 필요로 하며, 부하변화가 부성 저항특성을 갖기 때문에 조도제어시 부하의 변화를 쉽게 변경할 수가 없고 방전등의 전압전류가 일정하게 유지되도록 전원을 제어하는 것이 용이하지 않았다.

따라서, 방전등의 조도를 제어할 때에는 별도의 조도제어장치가 필요하게 되어 다양한 조도제어장치들이 개발되어 왔다. 이러한 종래의 조도제어장치들 은 대체적으로 AC 입력전원을 DC변환한 후 제어장치에 의해 효율을 높인 다음 다시 AC변환하여 출력단으로 출력하여 부하전원에 공급하는 형식이다.

하지만, 이러한 기존의 조도제어장치는 조도변화에 따른 전력량의 변화가 작아 전력절감 효과와 무관하게 간접조명의 효과를 얻어 전력절감에 큰 효과를 얻을 수 없으며 집단적인 조명부하에 대한 조도제어시 별도의 설비공사등이 필요하는 등 의 전력설비의 구성변화가 불가피한 문제점이 있었다.

본 발명은 AC 전원용 브레이커로부터 유입되는 전원을 DC 변환 후 다시 AC 변환하여 출력하는 기존의 조도제어장치와 달리, AC 전원용 브레이커로부터 입력되는 전원을 본 발명에 따른 고 전력 집단부하 조도제어 장치에 입력한 다음 DC변환 없이 출력단을 통하여 조명부하의 전원으로 연결 사용함으로써 별도의 DC변환 장치 없이도 조명용 램프를 운용할 수 있도록 한 것으로 부하 전력의 전압/전류를 동시 제어함으로써 전압형태의 특성을 안정화시켜 고효율을 유지함으로써 절전의 효과를 얻을 수 있으며, 별도의 설비공사가 필요치 않도록 하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조도제어장치가 전등용 전원반과 집단 접속부하들 사이에 개재되어 설치된 것을 나타낸다. 집단 접속부하에는 형광등, 백열등, 저/고압 방전등, 할로겐등 여러 종류의 조명등이 접속된다.

도 2는 본 발명에 따른 고전력 집단부하 조도제어장치의 구성을 나타낸 것으로, 본 발명에 의한 장치는 외부로부터 공급되는 전원을 입력으로 제공받아 이를 필터링하여 전원생성부(2-2)에 필요한 전원을 공급하는 전원입력부(2-1)와, 전원입력부(2-1)에서 공급되는 AC 전압을 DC 정전압원과 부전압원으로 생성하고 전력제어부와 전력 제어신호 생성부 및 CPU 제어부에 필요한 정전원 및 정전류를 공급해주는 전원생성부(2-2)와, 전원생성부(2-2)에서 제공받은 정/부 전압을 이용하여 전력제어신호 생성부에서 제공되는 제어신호를 레벨 변환 시키고 변환된 제어신호를 전력조절부에서 사용되는 소자의 게이트 입력조건에 맞게 제어 신호를 만드는 전력 제어부(2-3)와, 전력 제어부를 통한 구동 제어신호를 받아 내부의 고속 스위칭 소자(IGBT)를 구동 시키고, 동시에 AC 신호의 흐름에 문제가 없도록 하는 서버너(snubber)회로를 포함하는 전력조절부(2-4)와, 전원 생성부(2-2)에서 제공되는 정전압 전원과 입력전원의 영전위 검출 윈도우 신호를 제공받아 전력제어부에 적합한 제어 신호를 각각의 전력제어부에 공급해 주는 전력 제어신호 생성부(2-5)와, 상기 전력 제어신호 생성부(2-5)의 출력제어 정보 및 전원생성부(2-2)의 정전압 신호와 영전위 검출 윈도우 신호를 받아 조도제어장치의 운용 및 정보처리를 하는 CPU 제어부(2-6)으로 구성된다.

그 밖에 CPU 제어부(2-6)에서 운용상의 정보를 볼 수 있도록 하는 표시부(2-7)와 정보의 실행상태 및 장애 문제등의 신호상태를 운용자가 들을 수 있도록 하는 가청부(2-8)와, 본 발명에 의한 장치를 조광 제어 또는 타임 설정을 통한 자동 제어 기능등의 특성에 맞게 운용할수 있도록 푸시버튼등의 수동 스위치와 원격제어가 가능한 RF 리모컨등으로 구성된 운용부(2-9)와, 및 전력조절부(2-4)를 통해 출력되는 조도 및 전력 조절된 전압 레벨에서 야기되는 저주파 및 고주파를 제거하는 전원 대역필터부를 포함하여 출력전원공급을 위한 전원출력부(2-10)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전원생성부(2-2)는 외부 입력전원과 동기된 전원의 상태검출을 위해 동일한 주파수를 갖는 전원입력부(2-1)에서 변환 공급된 전원 주파수상의 영 전위 검출된 윈도우신호를 형성하여 동기된 신호로 전력제어 신호를 만들기 위한 입력전원 노이즈 및 주파수 필터부 및 필터된 AC 전원상의 주파수에서 동위상을 검출하기 위한 영전위 윈도우 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전력 제어부(2-3)는 고속 스위칭 소자인 아이지비티(IGBT)의 요구 레벨에 맞도록 IGBT 드라이버 IC를 통해 레벨 변환시키고, IGBT의 게이트 전류 및 전압 조건에 맞도록 2차 드라이버 회로를 포함하며, 전력 조절부에 사용되는 고속스위칭 소자별로 전력제어부가 별도로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전력제어부(2-3)가 스위칭 소자별로 구성됨과 마찬가지로 전원 생성부(2-2)도 전력 레벨별 신호제어가 용이하도록 각각 별도로 구성된다.

또한, 상기 전력조절부(2-4)는 본 발명의 실시예에서는 고속 스위칭 소자인 IGBT를 4개 사용함으로써 AC 신호 특성상 정/부의 펄스 신호를 정(+사인펄스) 신호일 경우는 전력제어부 1, 3이, 부(-사인펄스)신호일 경우는 전력제어부 2, 4가 동작되도록 제어되며, 정/부의 신호가 동작시 서로의 포트에는 상기 서버너 회로가 동작됨으로써 IGBT에서 AC 신호를 직접 축출해 낼 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전력 제어신호부(2-5)의 제어신호 생성은 전력 조절부(2-4)의 게이트 출력 정보를 반영해 제어값에 보상하는 방식으로 제어레벨의 폭을 조절하는 것을 특징으로 한다. 이는 제어되는 AC 신호의 전압/전류를 보다 미세하게 조절할 수 있기 때문이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명 하고자 한다.

도 3, 도 4 및 도 5는 도 2에 기재되어 있는 본 발명 조도제어장치의 각 구성부의 상세도를 나타낸 것으로, 전원입력부(3-1), 전원생성부(3-2), 전력제어부(3-3), 전력조절부(3-4), CPU 제어부(3-6), 표시부(3-7), 가청부(3-8), 운용부(3-9) 및 전원출력부(3-10)를 도시하고 있다.

전원입력부(3-1)는 외부에서 공급되는 전원을 필터링하여 노이즈 제거된 AC입력신호로 만들고 전원의 장애 혹은 제어장치의 내부회로 장애시 부하에 전원이 연속적으로 공급될 수 있도록 바이패스 전원공급 기능을 수행한다.

전원생성부(2-2)(3-2)는 두개의 전원 트랜스(T1,T2)를 통해 독립된 8개의 감압된 AC전원의 레벨을 적정 레벨로 변환시킨다(예를 들어,AC 15/10V). 이를 정전압 구성 회로 방식의 하나인 전압 레귤레이트 IC를 사용하여 전력제어부에 적정한 DC 정/부 전원 (VCC,VEE) 및 그라운드 신호를 생성하고, 또 다른 한개의 전원 트랜스(T3)를 통해 독립된 3개의 감압된 AC전원의 레벨을 적정 레벨로 변환시킨다(예를 들어AC 12/8V).

전원생성부(2-2)(3-2)중 하나는 정전압 구성회로 방식의 하나인 전압 레귤레이트 IC를 사용하여 전력제어신호 생성부(2-5) 및 CPU제어부(2-6)에 적정한 DC(VCC) 정전원 및 디지털 그라운드 신호를 생성하여 제공하고, 두 번째는 레벨 저하된 AC 전압을 상용 필터를 사용하여 고주파 노이즈를 제거한후 AC 신호 상태에서 상용 오피앰프 IC를 이용하여 AC 신호상의 영전위점을 추출한 신호에서 윈도우 신호를 만든 후 이 윈도우 신호를 전력제어신호 생성부 및 CPU 제어부에 제공하며, 또한 전력조절부의 주요 소자의 발열상태제어를 위한 팬(FAN)을 구동하기 위한 신호를 생성한다.

CPU제어부(2-6)(3-6)는 이런 영전위 윈도우 신호를 이용하여 매주기 마다 전압/전류의 설정되는 레벨로 조정되는 PWM 신호를 동기화 한 후 수동/원격 제어시 입력신호에 동기된 신호값을 출력하게 된다.

도 6a는 입력된 AC 전압의 디밍(dimming) 스위칭 하기전의 파형 형태이며, 도 6b는 디밍레벨 업/다운시의 AC 출력전압의 파형 형태를 도시한 것이다.

도 7은 AC 전압을 디밍시에 샘플링한 전압레벨을 PWM 신호 변조한 것과 이에 따른 디밍레벨 업/다운시의 전류레벨을 조절하여 출력 파형의 제어를 통한 조도레벨의 제어를 할 수 있는 것을 나타낸다.

이와같이 함으로써 신호의 흐름이 끊어짐이 없이 전압전류의 레벨제어가 이루어 질 수가 있다.

CPU 제어부(2-6)(3-6)에서는 고 전력 부하의 디밍 온/오프시 급격한 전류의 흐름을 막기 위해 소프트 스타트, 소프트 오프 기능이 되도록 정보화함으로써 부하에 영향을 주지 않도록 함과 동시에 소프트 스타트시는 항상 전원이 일정한 전압까지 상승하도록 하였는데 이는 형광등의 특성상 초기 정격전압 유지와 방전등의 특성상 필라민트의 예열되는 시간을 주기 위함이며, 조도조절시는 방전등의 예열된 필라민트상에서는 최대 30볼트까지의 전압을 단계적으로 낮추거나 올림으로써 전압/전류 제어에 의한 실제적인 형광등의 디밍 효과를 얻을 수 있다.

CPU제어부내의 장애처리부는 시스템 내/외부의 모든 문제 발생시에 대비해 외부 입력 전원이 직접 내부 회로를 거치지 않고 바이 패스되어 안정기로 공급될 수 있도록 한다.

전력제어부(2-3)(3-3)는 상기 전원생성부(2-2)(3-2)에서 제공되는 정전압과 부전압을 이용하여 고속 스위칭(IGBT) 전용 게이트 드라이버 소자인 상용 IC를 이용하여 4개의 IGBT 의 1차 드라이버 회로를 구성 하고, 신호를 2차 드라이버회로를 통하여 현재 전력조절부내의 IGBT 부하용량에 따른 제어되는 값을 정하여 전력조절부에 사용되는 IGBT가 게이트단과 에미터단의 전위차에 의해 파손되는 문제를 해결하였다.

본 발명의 실시예에서는 4개의 IGBT 드라이버회로 구성을 나타냈으나, 이런 IGBT의 숫자는 제어할 부하의 특성 및 수량에 따라 짝수로 구성될 수 있다.

또한, 영전위점의 윈도우 신호가 불확실할 경우 AC 전원의 양측파대의 제어가 용이하지 않을 뿐만 아니라 AC 신호의 정부측 밸런스가 깨어져 IGBT에 치명적인 손상을 줄 수 있는데, 이는 IGBT가 현재 DC 신호의 고속 스위칭 소자로 상용화 되어 있으므로 IGBT에 AC 신호를 바로 입/출력 신호로 직접 이용할 수 없기 때문이다.

하지만, 본 발명에 의한 장치는 AC 신호의 영전위점을 이용한 정확한 AC 양측파대의 신호 대역이 유지되도록 제어함으로써 이러한 문제점을 해결할 수가 있다.

전력조절부(3-4)는 고 전력 스위칭 소자(IGBT)를 이용함으로써 신뢰도를 높이고 모듈화된 제품을 사용함으로써 주변에 노이즈 및 전원장애를 일으킬 염려가 없도록 하였으며 유지보수가 용이하도록 하였다.

특히, 현재 고 전력 스위칭 소자(IGBT)를 이용하여 AC 전력 제어에 적용할 시는 AC신호를 컨버트하여 DC신호 하에서 제어하고 이를 다시 발진트랜스를 이용 인버트하여 AC 신호로 변환하는 공지의 기술을 감안하여, 본 발명의 장치에서는 직접 AC 신호를 입/출력 신호로 연결된 상태에서 전력조절부(3-4)의 AC신호 제어를 전력제어부(3-3) 신호를 이용하여 제어하도록 함으로써 회로의 간략화와 AC신호의 제어시 발생하는 왜곡률등을 개선할 수 있다.

전원출력부(2-10)(3-10)에서는 디밍 제어점에서 발생되는 저주파 및 고주파 신호를 필터링하는 대역 필터부를 포함하여 장치 출력단에 연결되어 있는 집단 조명부하에 저주파/고주파가 제거된 AC 신호를 출력하게 된다.

전력 제어신호 생성부(3-5)와 전력 제어부(3-3) 및 전력조절부(3-4)의 주 회로 구성의 본 발명의 고 전력 집단 조도 조절장치에 의해서, 기존 안정기에 고주파 및 역률, 그리고 전자식 안정기상의 방전 전류의 변화에 민감한 FET 소자등에 일정한 전류 공급과 최소의 전압을 연속적으로 제공하도록 구현 하고, 입력 AC 파형에 근사한 AC신호를 구현해 냄으로써 출력 파형의 첨두 피크치등을 제거하여 고조파 문제를 해결하고, 출력의 전압, 전류를 동시에 제어함으로써 전력 효율이 최대가 되도록 할 수가 있다. 또한 부하단에 기존의 다양한 형광등 조명 램프를 제어함에 있어 AC 전압 대역을 220V에서 최소 전압 30V까지 부하 전류와 동반된 상승 하강의 형태를 이루면서 디밍의 구현에 문제점 없이 이루어 질 수가 있다.

그 밖에, 내부회로의 장애시 스위치 본래의 기능을 계속 수행할 수 있도록 바이패스 기능상에서 메인 브레이크에서와 같이 장치의 전원 스위치 온/오프를 통하여 조광용 브레이크 스위치 본래의 기능이 유지할 수가 있다.

Claims (3)

1. 외부 입력전원을 필터링하여 전원생성부(2-2)에 필요한 전원을 공급하는 전원입력부(2-1)와,

   상기 전원입력부(2-1)에서 공급되는 AC 전압을 DC 정전압원과 부전압원으로 생성하여 전력제어부(2-3)와 전력 제어신호 생성부(2-5) 및 CPU 제어부(2-6)에 필요한 정전원 및 정전류를 공급해주는 전원생성부(2-2)와,

   전력제어신호 생성부(2-5)에서 제공되는 제어신호를 레벨 변환 시키고 변환된 제어신호를 전력조절부에서 사용되는 소자의 게이트 입력조건에 맞게 제어 신호를 만드는 전력 제어부(2-3)와,

   전력 제어부를 통한 구동 제어신호를 받아 내부의 고속 스위칭 소자(IGBT)를 구동 시키고, 동시에 AC 신호의 흐름에 문제가 없도록 하는 서버너(snubber)회로를 포함하는 전력조절부(2-4)와,

   전원 생성부(2-2)에서 제공되는 정전압 전원과 입력전원의 영전위 검출 윈도우 신호를 제공받아 전력제어부에 적합한 제어 신호를 각각의 전력제어부에 공급해 주는 전력 제어신호 생성부(2-5)와,

   상기 전력 제어신호 생성부(2-5)의 출력제어 정보 및 전원생성부(2-2)의 정전압 신호와 영전위 검출 윈도우 신호를 받아 조도제어장치의 운용 및 정보처리를 하는 CPU 제어부(2-6)와, 및

   대역필터부를 포함하여 AC 전원의 고주파신호를 필터링한 후 장치의 출력단 에 공급하는 전원출력부(2-10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 집단부하 조도제어 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 CPU제어부는 자체장애 상태를 나타내는 표시부, 가청부 및 수동스위치 및 원격제어기등을 포함하는 운용부등을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전력 집단부하 조도제어 장치.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 전력제어부는 해당 조명부하별로 게이트 드라이버회로 및 드라이버 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 고전력 집단부하 조도제어 장치.

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