KR101279493B1 - 전원공급회로 - Google Patents

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KR101279493B1
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Abstract

본 발명은 전원공급회로에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 진폭이 다른 복수의 교류전압을 출력할 수 있는 멀티레벨전압출력회로와 스위칭회로를 이용한 전원공급회로에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전원공급회로는 주기적으로 크기가 변하는 전압이 입력되는 입력단과 진폭이 다른 복수의 전압이 출력되는 복수의 출력단들을 구비한 멀티레벨전압출력회로와, 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 크기 또는 위상의 변화에 따라, 상기 멀티레벨전압출력회로에서 출력되는 복수의 전압 중에서 하나의 전압을 선택하여 부하 측에 공급하는 스위칭회로를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 전원공급회로는 멀티레벨전압출력회로에서 출력되는 진폭이 다른 복수의 교류 전압들 중에서 선택된 교류 전압을 부하에 인가한다. 이를 통해서, 교류 전압원에 의해서 인가되는 교류 전압의 크기가 위상에 따라서 계속 변화하여도 거의 크기가 일정한 전압을 부하에 인가할 수 있다는 장점이 있다.

Description

전원공급회로{POWER SUPPLY CIRCUIT}
본 발명은 전원공급회로에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 진폭이 다른 복수의 교류전압을 출력할 수 있는 멀티레벨전압출력회로와 스위칭회로를 이용한 전원공급회로에 관한 것이다.
발광다이오드(LED)는 광효율이나 내구성 측면에서 장점이 있기 때문에, 조명장치나 디스플레이 장치의 백라이트용 광원으로서 각광을 받고 있다.
발광다이오드는 낮은 직류전류에서 구동된다. 따라서, 종래에는 상용 교류전압(교류 220볼트)을 직류전압으로 변경시키기 위한 전원공급장치를 사용하였다. 예를 들면, SMPS(Switched-Mode Power Supply), 리니어 파워(Linear Power) 등이 사용되었다. 그러나 이러한 전원공급장치는 변환효율이 대체로 떨어진다. 또한, 사용된 부품 중 전해콘덴서의 수명이 짧기 때문에, 이러한 전원공급장치의 사용은 발광다이오드 조명장치의 수명을 단축시킨다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 직류로 변환하지 않고, 교류 전원에 직접 두 개의 발광다이오드 스트링을 순방향과 역방향으로 연결하는 방법이 개발되었다. 그러나 이러한 방식은 연결된 발광다이오드 중에서 50%이하만이 켜지게 되므로 효율이 낮다는 문제가 있었다. 또한, 입력 전압의 크기가 변화하면서, 발광다이오드에 흐르는 전류가 급격하게 변화하므로, 발광다이오드 소자에 악영향을 미칠 수 있으며, 밝기의 변화도 크다는 문제가 있었다. 또한, 입력 전압의 크기가 발광다이오드 스트링에 포함된 발광다이오드 모두를 작동시킬 수 있는 값 이상일 때만 회로에 전류가 흐르기 때문에 회로에 흐르는 교류 전류의 파형과 교류 전압의 파형의 차이가 크며, 이로 인해서 역률이 저하되는 문제가 발생한다.
상기, 교류 전원을 직접 사용하는 방법의 문제점을 해결하기 위해서, 교류를 브릿지 회로를 통해서 정류한 후에 사용하는 다양한 방법이 개발되었다. 예를 들어, 한국공개특허 10-2012-0041093에는 교류 전압을 정류한 후에 정류 전압의 크기 변화에 따라서 정류 전압이 인가되는 발광다이오드의 수를 조절하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 방법은 교류 전원을 직접 이용하는 방법에 비해서 작동하는 발광다이오드 수가 증가하므로 효율이 높으며, 전류 공급 시간이 빨라져서 역률이 개선된다는 장점이 있다.
한국등록특허 10-0971757 한국공개특허 10-2012-0041093
상술한 교류 전원을 정류한 후 스위치를 이용하여 정류 전압이 인가되는 발광다이오드의 수를 조절하는 방법은, 정류 전압의 크기가 변화함에 따라서 작동하는 발광다이오드의 수가 계속 변화한다는 문제가 있다. 따라서 위치별, 시간별 밝기의 편차가 발생할 수 있다.
또한, 교류 전원의 특성상 위상이 180도 정도인 영역에서의 발광다이오드의 미점등이 발생하게 된다. 또한, 구동주파수가 120㎐로 고정되어 사용자에 따라서는 광 발작이나 거부감을 야기하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 멀티레벨전압출력회로와 스위치를 이용하여 발광다이오드에 인가되는 전압의 크기를 거의 일정하게 유지할 수 있는 전원공급회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 멀티레벨전압출력회로와 정류회로, 스위치 및 충방전회로를 이용하여 발광다이오드의 미점등이 발생하는 시간을 최소화할 수 있는 전원공급회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전원공급회로는 주기적으로 크기가 변하는 전압이 입력되는 입력단과 진폭이 다른 복수의 전압이 출력되는 복수의 출력단들을 구비한 멀티레벨전압출력회로와, 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 크기 또는 위상의 변화에 따라, 상기 멀티레벨전압출력회로에서 출력되는 복수의 전압 중에서 하나의 전압을 선택하여 부하 측에 공급하는 스위칭회로를 포함할 수 있다.
상술한 전원공급회로는 교류 전압원과 상기 부하 사이에 설치되며, 입력된 교류 전압을 전파 정류하여 출력하는 정류회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스위칭회로는 상기 출력단들에서 출력된 전압들을 공급 또는 차단시키는 스위치와 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 크기 또는 위상의 변화를 확인하여 상기 스위치를 제어하기 위한 제어신호를 상기 스위치에 출력하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 스위치는 상기 제어신호에 따라서 상기 복수의 출력단들 중에서 선택된 출력단에 접속되는 멀티 폴 스위치(multi-pole switch) 또는 상기 제어신호에 따라서 상기 복수의 출력단들에서 출력된 전압을 공급 또는 차단시키는 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 멀티레벨전압출력회로는 복수의 탭(tab)을 구비한 변압기 또는 복수의 2차 권선을 구비하는 다권선 변압기(multi-winding transformer)일 수 있다. 또한, 전압분배의 원칙에 따라 전압을 분배할 수 있도록 전압원과 직렬로 연결된 전압 분배 소자들과 상기 전압 분배 소자들의 사이에 설치된 복수의 탭을 포함할 수 있다.
각각의 상기 전압 분배 소자들은 저항, 인덕터, 캐패시터 중에서 하나의 소자, 또는 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 둘 이상의 소자를 포함할 수 있다.
상술한 전원공급회로에 있어서, 상기 제어기는 전압의 크기가 어느 영역에 속하는지를 검출하는 전압검출회로 또는 전압의 위상을 검출하는 위상검출회로를 포함할 수 있다.
상술한 전원공급회로 상기 부하와 직렬로 연결된 전류제한회로를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 부하에 입력되는 전압의 과변동을 억제하여 일정한 전압의 전원이 공급되도록 하는 전압제한회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 정류회로는 브리지 다이오드 회로일 수 있다.
상술한 전원공급회로는 교류 전압원에서 상기 멀티레벨전압출력회로로 인가되는 전압을 차단하기 위한 교류 전압원 차단 스위치를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 써지전압으로부터 회로를 보호하기 위한 보호회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제어기는 상기 스위칭회로의 스위칭 간격을 조절하여 출력 전압 펄스의 온시간과 오프시간의 비율을 조절할 수 있다.
상기 전원공급회로는 상기 스위칭회로와 상기 부하 사이에 상기 부하에 인가되는 전압의 노이즈를 감쇠하고 안정적인 전원공급을 위해 직렬 또는 병렬로 연결된 충방전회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 교류 전압원과 상기 부하 사이에 설치되며, 전기에너지를 충전하여 상기 부하 측으로 공급하는 충방전회로를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 충방전회로는 상기 스위칭회로가 상기 부하 측에 전압을 인가하지 않을 때에 충전 또는 방전되는 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 전원공급회로는 복수의 탭이 설치된 1차 권선과 부하와 연결된 2차 권선을 구비한 변압기와, 상기 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 크기 또는 위상의 변화에 따라서 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 복수의 탭 중에서 선택된 하나의 탭을 통해서 상기 변압기의 1차측에 인가하는 스위칭회로를 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 전원공급회로는 복수의 1차 권선과 부하와 연결된 2차 권선을 구비한 다권선 변압기와, 상기 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 크기 또는 위상의 변화에 따라서 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 복수의 1차 권선 중에서 선택된 하나의 권선을 통해서 상기 변압기의 1차측에 인가하는 스위칭회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전원공급회로는 멀티레벨전압출력회로에서 출력되는 진폭이 다른 복수의 교류 전압들 중에서 선택된 교류 전압을 부하에 인가한다. 이를 통해서, 교류 전압원에 의해서 인가되는 교류 전압의 크기가 위상에 따라서 계속 변화하여도 거의 크기가 일정한 전압을 부하에 인가할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 발광다이오드 등 부하가 작동하지 않는 낮은 교류 전압은 발광다이오드에 인가되지 않기 때문에 발광다이오드에 인가되는 전압 파형과 전류 파형의 차이가 작으며, 이로 인해서 역률이 개선된다.
일반적인 교류 전압원에 의해 인가되는 교류 전압은 10% 정도 진폭이 변화한다. 본 발명에 따른 일부 실시예는 교류 전압의 진폭이 변화하여도 거의 크기가 일정한 전압을 부하에 인가할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 일부 실시예는 충방전회로를 이용하여 위상 180도 주변의 영역에서 부하에 전원을 인가할 수 있다는 장점이 있다. 발광다이오드를 부하로 사용하는 경우에는 플리커 현상을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 각각의 탭에서 출력되는 전압을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 제어기의 블록도이다.
도 5는 도 2에 도시된 전원공급회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 전원공급회로의 정류회로에서 출력되는 전압의 형태를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 전원공급회로의 정류회로에서 출력되는 다른 전압의 형태를 나타낸 도면이다.
도 8 내지 11은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 전원공급회로의 스위칭회로에서 출력되는 전압의 형태를 나타낸 도면이다.
도 13과 14는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 전원공급회로의 부하에 인가되는 전압의 형태를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
이하에서는 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 전원공급회로는 멀티레벨전압출력회로(3), 정류회로(4), 스위칭회로(5), 충방전회로(6) 및 전류 또는 전압제한회로(7)를 포함한다.
본 발명에 따른 전원공급회로는 멀티레벨전압출력회로(3)에서 출력되는 진폭이 다른 복수의 교류 전압 중에서 특정한 교류 전압을 선택적으로 부하(2)에 공급함으로써, 부하(2)에 인가되는 전압의 크기가 일정한 범위 내에 속하도록 한다. 출력되는 교류 전압의 크기가 위상의 변화에 따라서 변화하여, 부하(2)의 정격전압 범위를 벗어나면, 스위칭회로(5)를 이용하여 진폭이 다른 교류 전압을 부하(2)에 공급함으로써 부하(2)에 계속 일정한 범위에 속하는 교류 전압이 공급되도록 한다.
멀티레벨전압출력회로(3)는 교류 전압원(1)으로부터 교류 전압을 인가받아 진폭이 다른 복수의 교류 전압을 출력할 수 있도록 구성된다. 진폭이 다른 복수의 교류 전압을 출력할 수 있다면 어떠한 형태의 회로도 사용할 수 있다. 예를 들어, 멀티레벨전압출력회로(3)는 인턱터, 커패시터, 저항과 같은 수동소자를 직렬로 연결하고, 수동소자들 사이에 탭을 설치하여 전압분배의 원칙에 따라 다양한 크기의 교류 전압을 출력할 수 있도록 구성된 회로일 수 있다. 또한, 멀티레벨전압출력회로(3)는 1차 측 또는 2차 측에 복수의 탭이 설치된 변압기 또는 1차 측 또는 2차 측에 복수의 권선이 감긴 다권선 변압기일 수 있다. 또한, 변압기는 일반적인 변압기뿐 아니라 하나의 권선을 1차와 2차로 공용하는 단권 변압기일 수 있다.
스위칭회로(5)는 멀티레벨전압출력회로(3)에서 출력될 수 있는 교류 전압 중에서 하나를 선택하여 정류회로(4)에 공급하는 역할을 한다. 스위칭회로(5)는 스위치와 멀티레벨전압출력회로(3)에 입력 또는 출력되는 교류 전압의 위상 또는 크기를 측정하여 스위치를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다. 또한, 제어기 없이, 복수의 OP AMP와 스위칭소자를 이용하는 방법 등 다양한 방법을 사용하여 구현할 수 있다.
정류회로(4)는 멀티레벨전압출력회로(3)에서 출력되는 교류 전압을 전파 정류하는 역할을 한다. 정류회로(4)는 브리지 다이오드 회로일 수 있다. 정류회로(4)는 멀티레벨전압출력회로(3)와 스위치(5)의 사이 또는 스위치(5)와 부하(2) 사이에 설치될 수 있다. 또한, 정류회로(4)는 교류 전압원(1)과 멀티레벨전압출력회로(3)의 사이에 설치될 수도 있다.
충방전회로(6)는 스위칭회로(5)가 부하(2) 측에 전원을 공급하지 않을 때 방전되어 부하(2) 측에 필요한 전원을 공급하는 역할을 한다.
전류제한회로 또는 전압제한회로(7)는 부하에 걸리는 전류 또는 전압을 제한하는 역할을 한다.
전류제한회로는 전계효과 트랜지스터(FET) 혹은 트랜지스터(TR)와 보조소자의 조합으로 구현하는 방법, 그리고 OP AMP 혹은 레귤레이터 등 집적회로를 이용하는 방법 등으로 구현할 수 있다.
전류제한회로 대신에 전압제한회로를 사용할 수도 있다. 전압제한회로는 입력되는 전압에 관계없이 일정한 전압의 전원이 공급되도록 하기 위한 구성이다. 전압제한회로는 저항, 제너다이오드 또는 배리스터 소자를 적용하여 구성할 수 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 스위칭회로와 부하 사이에 부하에 인가되는 전압의 노이즈를 감쇠하고 안정적인 전원공급을 위해 직렬 또는 병렬로 연결된 캐패시터를 더 포함할 수도 있다.
이하에서는 좀 더 구체적인 실시예들을 통해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전원공급회로는 멀티레벨전압출력회로(10), 정류회로(20), 스위치(30), 제어기(40) 및 전류제한회로(50)를 포함한다.
멀티레벨전압출력회로(10)는 220V 교류 전압원(1)으로부터 인가된 교류 전압의 진폭을 조절하여 진폭이 다른 복수의 교류 전압을 출력하기 위한 것이다.
멀티레벨전압출력회로(10)의 1차 측(11)에는 220V 교류 전압원(1)이 연결되어 있다. 2차 측(12)에는 사용되는 발광다이오드의 정격전압 및 직렬로 연결된 발광다이오드의 수에 따른 적절한 전압이 출력되도록 2차 권선(13)이 감겨있다. 2차 권선(13)에는 복수의 탭(tab, 14)이 설치되어 있다. 탭(14)은 2차 권선(13)의 양단 사이의 특정한 위치에 연결되어 있는 도선을 의미한다. 복수의 탭(14)을 사용함으로써, 진폭이 다른 복수의 출력 교류 전압을 얻을 수 있다.
예를 들어, 부하로 구동전압이 5.5 ~ 6.5V 인 백색 발광다이오드 10개가 연결된 발광다이오드 어레이(2)를 사용한다면, 발광다이오드 어레이(2)가 정상적으로 작동하기 위해서는 구동전압의 10배인 55 ~ 65 V의 전압이 인가되어야 한다.
이때, 멀티레벨전압출력회로(10)의 2차 측(12)에는 최상단의 탭(14-1)에서 출력되는 교류 전압(V1)의 최대값이 100V이고, 위에서 2번째 탭(14-2)에서 출력되는 교류 전압(V2)의 최대값은 87V이고, 3번째 탭(14-3)에서 출력되는 교류 전압(V3)의 최대값은 77V이며, 4번째 탭(14-4)에서 출력되는 교류 전압(V4)의 최대값은 69V가 되도록, 2차 권선(13)이 감기고, 탭(14)이 설치될 수 있다.
도 3은 각각의 탭에 출력되는 전압을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, V1 내지 V4는 위상이 모두 동일하며, 최대값에만 차이가 있다.
스위치(30)는 각각의 탭(14)에서 연장된 도선들에 설치되는 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)을 포함한다. 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(metal oxide silicon field effect transistor, MOSFET)스위치일 수 있다.
제어기(40)는 MOSFET 스위치의 게이트(gate)에 전압을 인가하여, MOSFET 스위치를 온/오프시키는 역할을 한다.
도 4는 도 2에 도시된 제어기의 블록도이다. 도 4를 참고하면, 제어기(40)는 메모리(41), 전압검출회로(42) 및 스위치제어부(43)를 포함한다. 전압검출회로(42)는 최상단의 탭(14-1)과 연결되어 그 탭(14-1)으로 출력되는 교류 전압(V1)의 크기가 어느 범위에 속하는지를 확인한다. 전압검출회로(42)는 전자회로 분야에서 널리 쓰이는 다양한 회로를 사용할 수 있다. 예를 들면, 트라이악이나 복수의 OP 앰프를 이용한 전압 비교기 등을 사용할 수 있다.
메모리(41)에는 발광다이오드의 수 및 구동전압, 1차 권선과 2차 권선의 비, 변압기의 탭의 수 및 간격 등에 따라서 전압구간별로 스위칭 소자(30-1 내지 30-4)들을 구동하기 위한 구동 데이터가 저장되어 있다. 또는, 각각의 스위칭 소자를 온오프하는 시간이 설정되어 있는 구동 데이터가 저장되어 있다.
스위치제어부(43)는 메모리(41)에 저장된 구동 데이터와 전압검출회로(42)에서 검출된 교류 전압의 값을 비교하여, 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)을 제어하기 위한 제어신호를 발생시켜, 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)의 게이트에 전달한다.
스위치(30)를 거쳐서 선택된 교류 전압은 정류회로(20)에서 전파 정류된 후에 발광다이오드 어레이(2)에 전달된다. 정류회로(20)는 브릿지 다이오드 회로를 사용할 수 있다.
전류제한회로(50)는 발광다이오드 어레이(2)에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로서, 발광다이오드 어레이(2)에 직렬로 연결된다. 전류제한회로(50)는 저항, 캐패시터, 바이폴라 트랜지스터, 모스 트랜지스터 등으로 구현할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 전원공급회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제어기(40)에서 V1을 측정한 결과, V1의 크기가 A영역(0~35V)에 속하는 것으로 판단된 경우에는 30-1 내지 30-4를 모두 오프시킨다. A영역에서는 발광다이오드가 작동하지 않고 열만 발생하기 때문이다.
V1의 크기가 B영역(35~65V)에 속하는 것으로 판단된 경우에는 30-1 스위칭 소자를 온시키고, 나머지 스위칭 소자(30-2 내지 30-4)는 모두 오프시킨다. 따라서 이때에는 V1이 정류회로(20)에 입력되고, 발광다이오드 어레이(2)는 전파 정류된 V1에 의해서 동작한다.
발광다이오드는 구동전압의 60%정도의 전압에서도 동작을 하기 때문에 V1의 크기가 35~55V인 구간에서도 발광다이오드 어레이(2)가 발광한다. 이 구간에서는 발광다이오드의 밝기가 충분히 밝지 않을 수 있으므로, 35~55V구간에서는 30-1 스위칭 소자를 오프시키고, 55~65V구간에서만 온시킬 수도 있다.
V1의 크기가 C영역(65~75V)에 속하는 것으로 판단된 경우에는 30-2 스위칭 소자를 온시키고, 나머지 스위칭 소자(30-1, 30-3, 30-4)는 모두 오프시킨다. 이때에는 V2가 정류회로(20)에 입력되고, 발광다이오드 어레이(2)는 전파 정류된 V2에 의해서 동작한다. V1의 크기가 C영역에 속할 때, V2의 크기는 약 55~65V 범위에 속하므로 발광다이오드 어레이(2)를 동작시키기에 적합하다.
V1 내지 V4는 위상이 동일하고, V1과 나머지 전압 V2 내지 V4의 크기의 비는 탭의 위치에 의해서 미리 결정되므로, V1의 크기만으로 V2 내지 V4의 크기를 알 수 있다. 따라서 V1만의 크기를 측정하는 것만으로 적절한 출력 전압이 무엇인지 알 수 있으며, 이를 통해서 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)을 제어할 수 있다. V1 대신 V2 내지 V4 중 어느 하나의 크기 변화를 전압검출회로(42)를 통해서 측정할 수도 있다.
V1의 크기가 D영역(75~85V)에 속하는 것으로 판단된 경우에는 30-3 스위칭 소자를 온시키고, 나머지 스위칭 소자(30-1, 30-2, 30-4)는 모두 오프시킨다. 이때에는 V3가 정류회로(20)에 입력되고, 발광다이오드 어레이(2)는 전파 정류된 V3에 의해서 동작한다.
마지막으로, V1의 크기가 D영역(85~100V)에 속하는 것으로 판단된 경우에는 30-4 스위칭 소자를 온시키고, 나머지 스위칭 소자(30-1 내지 30-3)는 모두 오프시킨다. 이때에는 V4가 정류회로(20)에 입력되고, 발광다이오드 어레이(2)는 전파 정류된 V4에 의해서 동작한다.
V1의 크기가 감소하는 구간에서는 역순(30-3 -> 30-2 -> 30-1)으로 스위칭 소자가 온되고, 나머지 스위칭 소자는 모두 오프된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원공급회로를 사용하면, 도 6에 도시된 것과 같은, 35 ~ 65V 사이에서 변화하는 직류 전압에 의해서 구동되는 것과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 상기 예의 경우에는 듀티사이클이 약 78%이고, 주파수가 120㎐인 펄스에 의해서 구동되는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 탭의 수와 스위칭 소자의 수를 늘리면, 출력 전압의 변동폭을 더욱 낮출 수 있다.
도 7은 도 2에 도시된 전원공급회로의 정류회로에서 출력되는 전압의 다른 형태를 나타낸 도면이다. 도 6의 경우에는, B 영역을 예를 들어, V1의 크기가 B영역에 속할 때, 30-1 스위칭 소자를 계속 온 상태로 유지하지만, 도 7의 경우에는 30-1 스위칭 소자의 온/오프를 반복하여, 주파수가 더 큰 펄스 형태의 전압을 출력하도록 한다. 이때, 각각의 스위칭 소자가 온/오프되는 시간을 조절하면, 듀티사이클과 주파수도 조절할 수 있다.
각각의 스위칭 소자가 온/오프되는 시간은 부하에 인가되는 평균 전압의 크기가 일정하도록 조정하는 것이 바람직하다. 전압의 크기가 작은 영역에서는 스위칭 소자의 온 시간을 길게 하고, 전압의 크기가 큰 경우에는 스위칭 소자의 온 시간을 짧게 하면 부하에 인가되는 평균 전압의 크기를 일정하게 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 실시예는 도 2에 도시된 실시예와 멀티레벨전압출력회로(60)와 스위치(70)에 차이가 있으므로, 여기에 대해서만 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는, 도 2에 도시된 실시예와 달리, 멀티레벨전압출력회로(60)의 2차 측(62)에 감긴 횟수가 다른 복수의 권선(63-1 내지 63-4)이 감겨있다. 본 실시예의 멀티레벨전압출력회로(60)는 도 1에 도시된 실시예와 달리, 2차 측(62)의 각각의 회로들이 격리되어 있다는 장점이 있다.
본 실시예에 있어서, 스위치(70)는 각각의 권선(63-1 내지 63-4)에서 연장된 도선 중 하나에 선택적으로 연결될 수 있는 멀티 폴 스위치(multi-pole switch, 70)를 사용한다.
또한, 도시하지 않았으나, 본 실시예에 있어서, 제어기에는 전압검출회로 대신에 위상검출회로를 사용할 수 있다. 위상검출회로는 교류 전원의 순시값이 0이되는 순간을 검출할 수 있는 제로크로스 검출기 등을 이용하여 구성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 실시예는 도 2에 도시된 실시예와 달리, 멀티레벨전압출력회로(100) 1차 측(101)에 탭(103)들을 설치하고, 제어기(90)는 교류 전압원(1)에 의해서 인가되는 전압의 크기 또는 위상을 확인하여 스위치(80)를 제어한다. 제어기(90)에서 교류 전압원(1)에 의해서 인가되는 전압의 크기 또는 위상의 변화를 확인하여, 1차 측(101)의 특정한 탭(103)과 연결된 스위칭 소자(80)를 온시키므로, 2차 측(102)에는 항상 발광다이오드 어레이(2)를 동작시키기에 적합한 교류 전압이 유도된다. 출력된 교류 전압은 정류회로(20)를 통해서 전파정류된 후 발광다이오드 어레이(2)에 공급된다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 실시예는 도 2에 도시된 실시예와 달리, 1차 측에 교류 전압원(1)을 차단하기 위한 교류 전압원 차단 스위치(120)를 더 포함한다. 또한, 2차 측(12)이 아닌 1차 측(11)에 인가되는 전압의 크기 또는 위상을 확인하여 스위치(30)를 제어한다. 본 실시예에 있어서, 제어기(110)는 스위치(30)의 스위칭 소자(30-1 내지 30-4)뿐 아니라 교류 전압원 차단 스위치(120)도 제어한다. 제어기(110)는 1차 측(11)의 전압의 크기 또는 위상을 확인하여, 2차 측(12)에 유도된 전압에 의해서 발광다이오드 어레이(2)가 작동할 수 없는 상태로 판단되면, 교류 전압원 차단 스위치(120)를 오프시킨다. 스위치(30)의 스위칭 소자들(30-1 내지 30-4)을 모두 오프시킴으로써 유사한 효과를 얻을 수 있으나, 멀티레벨전압출력회로(10)의 1차 측(11)의 권선에 전류가 흐름으로써 발생하는 손실도 방지할 수 있다는 점에서 교류 전압원 차단 스위치(120)를 오프시키는 것이 유리하다. 상기 교류 전압원 차단 스위치(120)는 트라이악일 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에 있어서, 멀티레벨전압출력회로(130)는 직렬로 연결된 저항들(131)과 저항들(131) 사이 및 저항(131)과 교류전압원(1) 사이에 설치된 탭(132)들을 포함한다. 각각의 탭(132)들에서 연장된 도선들에는 스위칭 소자(140)들이 설치된다.
도면상 가장 아래에 위치하는 스위칭 소자(140-4)를 온시키고, 나머지 스위칭 소자들(140-1, 140-2, 140-3)을 오프시키면, 저항들(131-1, 131-2, 131-3)과 발광다이오드 어레이(8) 및 전압제한회로(51)가 직렬로 연결된다. 그리고 두 번째 스위칭 소자(140-3)를 온시키고, 나머지 스위칭 소자들(140-1, 140-2, 140-4)을 오프시키면, 가장 아래의 저항(131-3)을 제외한 나머지 저항들(131-1, 131-2)과 발광다이오드 어레이(8) 및 전압제한회로(51)가 직렬로 연결된다. 이러한 방법으로 발광다이오드 어레이(8)와 직렬로 연결된 저항값을 조절할 수 있으며, 발광다이오드 어레이(8)에는 전압분배의 원칙에 따라서 정해진 진폭의 교류전압이 인가된다.
직렬로 연결된 저항(131)들의 값을 적절하게 선택하면, 각각의 스위칭 소자(140)를 온시킬 때, 발광다이오드 어레이(8)에 인가되는 교류전압의 진폭을 적절하게 조절하여, 도 12에 도시된 것과 형태의 전압이 발광다이오드 어레이(8)에 인가되도록 할 수 있다.
본 실시예에서는 정류회로를 사용하지 않았기 때문에, 발광다이오드 어레이(8)에 도 12에 도시된 바와 같은 형태의 교류전압이 인가된다. 본 실시예에 있어서, 발광다이오드 어레이(8)는 직렬로 연결된 복수의 발광다이오드를 포함하는 두 개의 발광다이오드 스트링(8-1, 8-2)을 극성이 반대가 되도록 병렬로 연결한 것으로서, 양의 전압이 인가될 때에는 도면상 좌측의 발광다이오드 스트링(8-1)의 발광다이오드들이 발광을 하고, 음의 전압이 인가될 때에는 우측의 발광다이오드 스트링(8-2)의 발광다이오드들이 발광을 한다.
전압제한회로(51)는 발광다이오드 어레이(8)에 정격전압 이상의 과도한 전압이 인가되는 것을 방지하기 위한 안전장치이다. 멀티레벨전압출력회로(130)와 스위치(140)가 적절하게 작동하면, 발광다이오드 어레이(8)에 과도한 전압이 인가되지 않지만, 만약의 경우를 대비하는 것이다.
멀티레벨전압출력회로(160)에 저항 대신에 도 13에 도시된 바와 같이 저항이 병렬로 연결된 캐패시터를 사용하여 전압을 분배할 수도 있으며, 도시하지 않았으나, 인덕터를 사용하여 전압을 분배할 수도 있다. 또한, 복수의 수동소자를 직렬, 병렬 또는 직병렬로 서로 연결하여 전압을 분배할 수도 있다.
또한, 전원공급회로 서지전압으로부터 회로를 보호하기 위한 저항(54)과 메인 전원을 보호하기 위한 퓨즈(fuse, 53)를 더 포함한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예는 충방전회로(170)를 구비한 것 이외에는 도 11에 도시된 실시예와 동일하므로, 충방전회로(170)에 대해서만 설명한다. 본 실시예에 있어서, 충방전회로(170)는 인덕터(171)와 인덕터(171)와 교류전압원(1) 사이에 설치된 스위칭소자(172)와 인덕터(171)와 부하(8) 사이에 설치된 스위칭소자(173)를 포함한다. 각각의 스위칭소자(172, 173)는 제어기(150)에 의해서 제어된다. 인덕터(171)와 교류전압원(1) 사이에 설치된 스위칭소자(172)가 온되고 인덕터(171)와 부하(2) 사이에 설치된 스위칭소자(173)가 오프되면 인덕터(171)에 전기에너지가 충전되며, 반대로 인덕터(171)와 교류전압원(1) 사이에 설치된 스위칭소자(173)가 오프되고 인덕터(171)와 부하(8) 사이에 설치된 스위칭소자(173)가 온되면 인덕터(171)에 충전된 전기에너지가 방전되면서, 부하(2) 측에 공급된다.
충방전회로(170)를 사용할 경우에는 도 15와 같은 형태의 전압이 부하(8)에 공급된다. 즉, 스위칭소자(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)들이 오프되는 동안에 충방전회로(170)에 충전된 전기에너지가 교류 전압원(1)에서 인가되는 교류전압의 크기가 가장 작아지는 위상 180도 근처 영역에서 방전되어 부하(2)에 공급된다. 충방전회로(170)를 사용하면, 위상 180도 근처 영역에서 발광다이오드(8)와 같은 부하가 꺼지면서 깜박이는 것처럼 보이는 플리커 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전원공급회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 실시예는 충방전회로(180)를 구비한 것 이외에는 도 8에 도시된 실시예와 동일하다. 본 실시예에 있어서, 충방전회로(180)은 인덕터(181)와 인덕터(181)와 교류전압원(1) 사이에 설치된 스위칭소자(182)를 포함한다. 인터터(181)에 충전된 전기에너지는 멀티 폴 스위치(multi-pole switch, 70)가 인덕터(181)와 연결된 도선과 접촉하고, 인덕터(181)와 교류전압원(1) 사이에 설치된 스위칭소자(182)가 오프될 때 부하에 공급된다.
상기 충방전회로는 인덕터 외에 커패시터와 같은 충방전 소자를 이용하여 구성할 수도 있다.
이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
예를 들어, 도 10에 도시된 실시예에서는 저항과 부하가 서로 직렬로 연결되는 것으로 설명하였으나, 저항과 부하가 서로 병렬로 연결되도록 회로를 구성할 수도 있다.
1: 교류 전압원 2, 8: 부하
3, 10, 60, 100, 130: 멀티레벨전압출력회로
4, 20: 정류회로 5: 스위칭회로
6: 충방전회로
30, 70, 80, 140: 스위치
40, 90, 110, 150: 제어기
41: 메모리 42: 전압검출회로
43: 스위치제어부 50: 전류제한회로
51: 전압제한회로 120: 교류 전압원 차단 스위치
170, 180: 충방전회로

Claims (23)

  1. 주기적으로 크기가 변하는 전압이 입력되는 입력단과 진폭이 다른 복수의 전압이 출력되는 복수의 출력단들을 구비한 멀티레벨전압출력회로와,
    상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화에 기초하여, 상기 멀티레벨전압출력회로에서 출력되는 복수의 전압 중에서 그 순시치가 미리 정해진 범위에 속하는 하나의 전압을 선택하여 부하 측에 공급하도록 구성된 스위칭회로를 포함하며,
    상기 스위칭회로는 상기 출력단들에서 출력된 전압들을 공급 또는 차단시키도록 구성된 스위치와 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화를 확인하여 상기 스위치를 제어하기 위한 제어신호를 상기 스위치에 출력하도록 구성된 제어기를 구비하며, 상기 제어기는 전압의 크기가 어느 영역에 속하는지를 검출하도록 구성된 전압검출회로를 포함하는 전원공급회로.
  2. 제1항에 있어서,
    교류 전압원과 상기 부하 사이에 설치되며, 입력된 교류 전압을 전파 정류하여 출력하는 정류회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 제어신호에 따라서 상기 복수의 출력단들 중에서 선택된 출력단에 접속되는 멀티 폴 스위치(multi-pole switch)를 포함하는 전원공급회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 제어신호에 따라서 상기 복수의 출력단들에서 출력된 전압을 공급 또는 차단시키는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 전원공급회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨전압출력회로는 복수의 탭(tab)을 구비한 변압기를 포함하는 전원공급회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨전압출력회로는 복수의 2차 권선을 구비하는 다권선 변압기(multi-winding transformer)를 포함하는 전원공급회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 멀티레벨전압출력회로는 전압분배의 원칙에 따라 전압을 분배할 수 있도록 교류 전압원과 직렬로 연결된 전압 분배 소자들과 상기 전압 분배 소자들의 사이에 설치된 복수의 탭을 포함하는 전원공급회로.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 상기 전압 분배 소자들은 저항, 인덕터, 캐패시터 중에서 하나의 소자, 또는 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 둘 이상의 소자를 포함하는 전원공급회로.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전압검출회로는 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 위상을 검출하여 상기 멀티레벨전압출력회로의 전단 또는 후단의 전압의 순시치가 어느 영역에 속하는지를 검출하도록 구성된 위상검출회로를 포함하는 전원공급회로.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부하에 흐르는 전류를 제한하도록 상기 부하와 연결된 전류제한회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 부하에 입력되는 전압의 과변동을 억제하여 일정한 전압의 전원이 공급되도록 하는 전압제한회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 정류회로는 브리지 다이오드 회로인 전원공급회로.
  15. 제1항에 있어서,
    교류 전압원에서 상기 멀티레벨전압출력회로로 인가되는 전압을 차단하기 위한 교류 전압원 차단 스위치를 더 포함하는 전원공급회로.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 스위칭회로의 스위칭 간격을 조절하여 출력 전압 펄스의 온시간과 오프시간의 비율을 조절하는 전원공급회로.
  17. 제1항에 있어서,
    써지전압으로부터 회로를 보호하기 위한 보호회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭회로와 상기 부하 사이에 상기 부하에 인가되는 전압의 노이즈를 감쇠하고 안정적인 전원공급을 위해 직렬 또는 병렬로 연결된 충방전회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  19. 제1항에 있어서,
    교류 전압원과 상기 부하 사이에 설치되며, 전기에너지를 충전하여 상기 부하 측으로 공급하는 충방전회로를 더 포함하는 전원공급회로.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 충방전회로는 상기 스위칭회로가 상기 부하 측에 전압을 인가하지 않을 때에 충전 또는 방전되는 전원공급회로.
  21. 복수의 탭이 설치된 1차 권선과 부하와 연결된 2차 권선을 구비한 변압기와,
    상기 변압기를 통해서 그 순시치가 미리 정해진 범위에 속하는 전압이 출력되도록, 상기 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화에 기초하여 상기 복수의 탭 중에서 선택된 하나의 탭을 통해서 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 변압기의 1차측에 인가하도록 구성된 스위칭회로를 포함하며,
    상기 스위칭회로는 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 변압기의 복수의 탭 중 하나에 공급 또는 차단시키도록 구성된 스위치와 상기 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화를 확인하여 상기 스위치를 제어하기 위한 제어신호를 상기 스위치에 출력하도록 구성된 제어기를 구비하며, 상기 제어기는 전압의 크기가 어느 영역에 속하는지를 검출하도록 구성된 전압검출회로를 포함하는 전원공급회로.
  22. 복수의 1차 권선과 부하와 연결된 2차 권선을 구비한 다권선 변압기와,
    상기 다권선 변압기를 통해서 그 순시치가 미리 정해진 범위에 속하는 전압이 출력되도록, 상기 다권선 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화에 기초하여 상기 복수의 1차 권선 중에서 선택된 하나의 1차 권선을 통해서 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 다권선 변압기의 1차측에 인가하도록 구성된 스위칭회로를 포함하며,
    상기 스위칭회로는 주기적으로 크기가 변하는 전압을 상기 다권선 변압기의 복수의 1차 권선 중 하나에 공급 또는 차단시키도록 구성된 스위치와 상기 다권선 변압기의 전단 또는 후단의 전압의 순시치의 변화를 확인하여 상기 스위치를 제어하기 위한 제어신호를 상기 스위치에 출력하도록 구성된 제어기를 구비하며, 상기 제어기는 전압의 크기가 어느 영역에 속하는지를 검출하도록 구성된 전압검출회로를 포함하는 전원공급회로.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    교류 전압원과 상기 부하 사이에 설치되며, 입력된 교류 전압을 전파 정류하여 출력하는 정류회로를 더 포함하는 전원공급회로.


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