KR101574855B1

KR101574855B1 - 디밍기능이 구비된 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템

Info

Publication number: KR101574855B1
Application number: KR1020130134962A
Authority: KR
Inventors: 강태구
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2015-12-08
Also published as: KR20150053143A

Abstract

종래에는 집합건물, 도로변, 공원 또는 빌딩 등의 복도, 통로, 현관, 계단 등에 설치되는 램프는 일정한 조도상태를 유지한 채로 설치되기 때문에 많은 전력이 소모되는 문제가 있다. 본 발명은 주변의 조도에 따라 플라즈마 램프가 자동으로 점등 및 소등되거나 광량이 조절되고, 객체(예컨대 사람)의 접근 및 존재를 감지하면 단계적으로 디밍되거나 램프를 온/오프하는, 디밍기능이 구비된 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템에 관한 것이다.

Description

디밍기능이 구비된 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템 {Energy saving plasma lighting device with dimming function}

본 발명은 플라즈마 조명시스템의 소비 전력 절감 기술에 관한 것으로서 디밍기능이 구비된 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 일정 영역 내에 피사체의 접근 및 존재를 감지하여 플라즈마 램프의 조도를 제어할 수 있는 디밍(dimming) 제어회로 및 이를 이용한 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템에 관한 것이다.

일반적으로 집합건물, 도로변, 공원 또는 빌딩 등의 복도, 통로, 현관, 계단 등에 설치되는 램프는 야간 중 시야확보와 방범의 목적을 가지고 있으며, 발광물질의 종류에 따라 수은등, 네온등, 형광등, 나트륨등 등으로 구분하고 있다.

그러나 이러한 램프는 전력 소모량이 크고 수명이 짧아서 전구를 자주 교체해야 하는 등, 유지 관리가 번거롭고 비용이 과다하게 소요되는 등의 단점이 있다.

이에 따라, 최근에는 휘도가 높고 전력 소모량이 상대적으로 적은 LED 램프가 각광을 받고 있는 실정이나, LED 램프의 경우, 휘도가 높기 때문에 야간 중 빛을 발하는 광원 기능 외에 별다른 기능이 없고, 시각적으로도 디자인적인 요소가 없이 단조롭기 때문에 그 활용성이 한계가 있다는 단점이 있다.

일반적으로 플라즈마 조명은 `빛의 혁명'으로 불리는 최첨단 차세대 “자연광” 조명시스템을 말한다.

기존의 전구처럼 음극과 양극의 전극에 전류를 흘려보내 빛을 발생시키는 것이 아니라, 불활성가스에 2.4GHz의 고주파수를 쏴 플라즈마를 발생시켜 빛을 내는 기술이다.

이런 기술을 통해 손톱 크기의 플라즈마 조명으로 축구공만한 가로등 이상의 밝기를 낼 수 있다.

특히 플라즈마 라이팅 시스템은 전극, 필라멘트, 수은을 사용하지 않고, 형광체가 아닌 비형광체 발광이란 점에서 `3무(無) 1비(非)'로도 불린다.

이러한 플라즈마 조명 한 개로 400W 메탈할라이드 네 개의 광속을 낼 수 있고 50% 이상의 에너지 절감효과를 얻을 수 있다. 또, 필라멘트 없이 플라즈마 발광원리에 의해 빛을 방출하기 때문에 광속저하 없이 오랜 시간을 사용할 수 있다.

또, 자연 백색광과 동일한 연속 광스펙트럼을 구현하기 때문에 시력보호는 물론 자외선이나 적외선의 방출을 줄여 편안한 조명 환경을 제공할 수 있다.

그러나 종래 플라즈마 조명은 고출력용(500W이상)만 개발되어 주로 건물 외부에 설치되는 용도로 주로 사용되고 있어 사용 범위가 제한되어 있는 문제점이 있었다.

또한, 일반적으로 설치되는 플라즈마 램프는 고출력임에도 불구하고, 디밍(dimming) 제어장치 없이 일정한 조도상태를 유지하도록 설치되기 때문에 많은 전력이 소모되는 문제가 있다.

종래에는 집합건물, 도로변, 공원 또는 빌딩 등의 복도, 통로, 현관, 계단 등에 설치되는 램프는 일정한 조도상태를 유지한 채로 설치되기 때문에 많은 전력이 소모되는 문제가 있다. 다시 말해, 램프는 램프 주변에 피사체(사람, 차량, 동물 등)가 존재하지 않는 경우에도 CCTV가 피사체를 확인할 수 있는 조도 이상의 높은 조도로 집합건물, 도로변, 공원 등에 조명을 제공하기 때문에 많은 전력을 소모하는 문제가 있다.

이에 본 발명은 주변의 조도에 따라 플라즈마 램프가 자동으로 점등 및 소등되거나 광량이 조절되고, 객체(예컨대 사람)의 접근 및 존재를 감지하면 단계적으로 디밍(dimming)되어 최대 밝기가 되고, 움직임 감지가 없으면 최대 밝기의 20%로 디밍되도록 광량이 자동으로 조절되어 전력의 낭비를 방지하고, 전 조명영역에서 균일한 조도를 유지할 수 있는 디밍기능이 구비된 절전형 스마트 플라즈마 조명시스템에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 주변조도 센서와 객체(예컨대 사람)존재 센서를 갖는 센서부, 데이터 처리부, 플라즈마 조명부로 구성되는 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템에 있어서, 상기 주변조도 센서가 검출한 상기 플라즈마 조명시스템 주변의 조도에 따라 상기 CPU는 상기 디밍제어기로 하여금 상기 플라즈마 램프의 광량을 제어하고, 상기 객체존재 센서가 검출한 객체의 존재 및 접근 거리에 따라 상기 CPU는 상기 디밍제어기로 하여금 상기 플라즈마 램프의 광량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템을 제공한다.

상기 센서부는 플라즈마 램프가 설치된 주변의 조도를 측정하는 주변조도 센서와, 램프를 기준으로 일정 영역 내에 사람의 존재 내지는 접근 여부를 감지하는 객체존재 센서를 포함하고, 상기 데이터 처리부는 상기 센서부와 연결되어 플라즈마 조명부의 디밍제어기를 제어하는 CPU와, CPU에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 디밍제어기로 전송하는 DAC를 포함하고, 상기 플라즈마 조명부는 플라즈마 램프와 이 플라즈마 램프의 광량을 조절하는 디밍제어기를 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 CPU에 의한 상기 플라즈마 램프의 광량 제어는 플라즈마 램프의 온/오프를 전환하는 것을 의미한다.

다른 실시예에서, 상기 CPU에 의한 상기 플라즈마 램프의 광량 제어는 플라즈마 램프의 광량을 단계적으로 변화시키는 것을 의미한다.

이제 보다 구체적으로 구성 및 작용에 대해 설명한다.

주변조도 센서는 광을 검출하여 전기신호로 출력하는 포토다이오드 PD와, 포토다이오드 PD에서 출력된 신호를 증폭하는 선형증폭기와, 선형증폭기에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC와, ADC에서 출력된 디지털 신호를 CPU로 전송하는 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.

또한 객체존재 센서는 마이크로파를 사용한 센서이며, 외부에서 인가된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류기와, 마이크로파 센서를 이용하여 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 신호증폭부에서 출력된 전압이 설정값보다 큰지를 비교하여 특정 객체가 플라즈마 램프 주위에 존재하는지 여부를 판단하는 비교회로부와, 비교회로부의 출력에 따라 플라즈마 램프를 제어하기 위한 데이터 신호를 CPU로 출력하는 출력회로부를 포함할 수 있다.

또한 상기 플라즈마 조명부는, 입력된 구동 신호를 DC로 변환하는 AC-DC 파워서플라이에서 출력된 DC 전압이 입력되는 RF 드라이버와, RF 드라이버가 마이크로파를 생성하여 방사하면 이 마이크로파를 전송하는 RF 케이블과, RF 케이블을 통해 마이크로파를 받는 이미터 어셈블리를 추가로 포함할 수 있다. 그리고 상기 디밍제어기는 상기 RF 드라이버에 연결된다.

이 구조에서, 상기 RF 드라이버는 전기에너지를 RF 전력으로 변환하기 위한 파워앰프 수단과 디지털 및 아날로그 조명 제어를 위한 제어 회로를 포함하고, 상기 이미터 어셈블리는 세라믹 공진기와 무전극램프를 포함하여, 상기 RF 드라이버로부터 입사된 마이크로파로써 상기 무전극램프 내에 충전된 불활성가스를 여기시킨다.

상기 디밍제어기는 상기 데이터 처리부로부터의 플라즈마 램프 제어신호에 따라 상기 RF 드라이버를 제어하여 상기 이미터 어셈블리를 통해서 플라즈마 램프의 광량을 제어한다.

앞에서 언급한 것과 같이 플라즈마 램프의 광량을 제어하는 것은 램프의 온/오프 제어 또는 단계적 광량 변경을 의미한다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 조명에 동작 및 주변조도 센서와 디밍(dimming) 제어회로를 장착하여 절전형 스마트 플라즈마 조명 시스템을 구성함으로써, 피사체의 접근 및 존재를 감지하여 플라즈마 조명의 빛 세기를 적절하게 조정할 수 있다.

또한, 플라즈마 램프 주변에 피사체의 접근 및 존재를 감지하면 서서히 디밍하여 최대 밝기가 되고, 움직임 감지가 없으면 최대 밝기의 20%로 디밍되도록 조도가 자동으로 조절되기 때문에 야간에 플라즈마 램프가 과도하게 밝은 빛을 발산하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 램프에서 발생 되는 전력 소모를 효과적으로 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 전체 구성도
도 2는 주변조도 센서의 세부 구성도
도 3은 객체존재 센서의 세부 구성도
도 4는 플라즈마 조명부의 세부 구성도
도 5는 디밍전압에 의한 플라즈마 램프의 광량 조절을 나타내는 그래프

도 1은 본 발명에 따른 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템의 구성을 도시하는 개략도이다. 크게 센서부(100), 데이터 처리부(200), 플라즈마 조명부(300)로 구성된다. 각각에 대해서 구체적으로 설명한다.

1. 센서부(100)

센서부(100)는 플라즈마 램프가 설치된 주변의 조도를 측정하는 주변조도 센서와, 램프를 기준으로 일정 영역 내에 사람의 존재 내지는 접근 여부를 감지하는 객체존재 센서로 구성된다.

주변조도 센서는 조도검출 센서(조도센서)로부터 공급되는 조도검출 신호에 따라 주간인지 야간인지(주야간이 아니더라도 불을 켜야 할 상황인지 아닌지 등도 포함됨)를 판별하여, 주간일 경우에는 플라즈마 램프가 꺼지고 야간일 경우에는 플라즈마 램프가 켜지도록 플라즈마 램프를 온오프 제어하는 역할을 한다. 또는 주변조도의 크기를 단계적으로 검출하고 각 단계 등급에 따라 플라즈마 램프의 광량을 단계적으로 제어할 수도 있다.

주변조도 센서는 도 2와 같이, 광을 검출하여 전기신호로 출력하는 포토다이오드 PD와, 포토다이오드 PD에서 출력된 신호를 증폭하는 선형증폭기와, 선형증폭기에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)와, ADC에서 출력된 디지털 신호를 CPU로 전송하는 통신 인터페이스로 구성된다. CPU는 통신 인터페이스에서 출력된 신호를 받아서 플라즈마 램프가 설치된 주위의 조도를 판단하고 도 1의 디밍제어기를 이용하여 플라즈마 램프의 광량을 조절한다.

여기서, 주변조도 센서는 아날로그 방식이 아닌 디지털 방식의 조도센서를 사용하면, 오차범위가 적고 응답속도가 빠르며 광원의 종류에 따른 편차도 감소되어 정확한 조도를 측정할 수 있다. 또한, 디지털 조도센서의 경우에는 조도의 분해능이 16 Bit로 높아서 약 1룩스(Lux) 단위까지 측정할 수 있을 정도로 정밀도가 우수하다. 뿐만 아니라, 상기 주변조도 센서의 통신 인터페이스로서 I2C(IIC)를 사용함으로써 CPU와의 고속통신이 가능하고, 두 개의 라인(클럭라인 및 데이터라인)만으로도 통신이 가능하며, 다수의 디바이스와 통신이 가능한 장점이 있다.

한편, 객체존재 센서는 동작센서 내지는 접근센서 등의 역할을 하는 것으로서, 마이크로파, 레이저, 레이더, 음향파, 초음파 등을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 마이크로파를 사용하였다. 객체존재 센서는 구체적으로, 도 3과 같이, 외부에서 인가된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류기와, 마이크로파 센서를 이용하여 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 신호증폭부에서 출력된 전압이 설정값보다 큰지를 비교하여 특정 객체가 플라즈마 램프 주위에 존재하는지 여부를 판단하는 비교회로부와, 비교회로부의 출력에 따라 플라즈마 램프를 제어하기 위한 데이터 신호를 CPU로 출력하는 출력회로부로 구성된다.

CPU는 이 데이터 신호를 받아서 도 1의 디밍제어기를 이용하여 플라즈마 램프를 제어한다. 여기서도 주변조도 센서의 경우처럼 객체(예컨대 사람)의 존재 여부에 따라 플라즈마 램프를 온/오프 제어할 수도 있고, 객체의 접근거리를 검출하여, 예컨대 객체가 설정값보다 멀리 있는지 설정값보다 가까이 있는지 또는 설정값의 범위 내에 드는지 등을 판단하여, 각 경우에 따라 플라즈마 램프의 광량을 단계적으로 제어할 수도 있다.

2. 데이터 처리부(200)

다시 도 1에서 데이터 처리부(200)는 센서부(100)와 연결되어 플라즈마 조명부(300)의 디밍제어기를 제어하는 CPU와, CPU에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 디밍제어기로 전송하는 DAC(Digital to Analog Converter)로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, CPU는 센서부의 주변조도 센서 및 객체존재 센서에 각각 연결된다. 즉, CPU는 주변조도 센서에서 검출한 주변부 조도에 따라 디밍제어기를 제어하여 플라즈마 램프를 온/오프하거나 광량을 단계적으로 조절한다. 또한, 객체존재 센서를 통해 일정 범위 내에 감지된 객체(예컨대 사람)의 유무 또는 접근정도에 따라 디밍제어기를 제어하여 플라즈마 램프를 온/오프하거나 광량을 단계적으로 조절한다. 도 1에서 CPU에는 메모리가 연결되어 있음을 볼 수 있다.

DAC는 CPU로부터 각종 데이터(주변조도 센서에서 측정된 주변 조도)를 병렬전송 방식에 의해 8 Bit의 디지털 신호로 수신한 후, 0~10V의 아날로그 신호로 변환하여 디밍제어기로 전송한다. 또한, DAC에는 커넥터가 마련되어 최대 8개의 램프를 제어할 수 있다.

CPU와 DAC의 연결구조 및 신호변환과정을 살펴보면, CPU는 디지털 신호(예컨대 8 Bit)를 전송하고 DAC는 이 신호를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후 디밍제어기로 전송한다. DAC는 상기 CPU에서 전송되는 8 Bit(16진수)의 디지털 신호를 다음과 같은 수식에 대입하여 아날로그 신호로 변환한다.

예를 들어, 상기 CPU에서 8 Bit 디지털 신호 중 70단계 신호(0×46 = 0100 0110)를 상기 수식에 입력하면,

와 같이 1.367V의 아날로그 신호가 나오게 된다. 즉, 최소 단계인 0단계(0×0 = 0000 0000)에서 0V로 변환되고, 최대 단계인 256단계(0×FF = 1111 1111)에서 10V로 변환된다. 즉, 상기 DAC에서 변환되는 아날로그 신호는 총 256단계로 변환 가능하여, 플라즈마 램프의 광량을 256단계로 조절할 수 있다. 여기서 본 실시예의 상기 DAC는 상술한 바와 같이 병렬전송방식으로 데이터를 전송하고 전압분해능은 8 Bit이다.

3. 플라즈마 조명부(300)

도 4를 참조하여 플라즈마 조명부(300)에 대해 상세히 살펴본다. AC-DC 파워서플라이에 구동 신호가 입력되면 AC-DC 파워서플라이는 DC 28V를 출력하고 이 전압은 RF 드라이버로 입력된다. RF 드라이버는 전기에너지를 RF 전력으로 변환하기 위해 LDMOS 디바이스를 사용하는 파워앰프(PA) 어셈블리로 구성되고, 디지털 및 아날로그 조명 제어를 위한 제어 회로를 포함하고 있다.

RF 케이블은 RF 드라이버와 이미터 어셈블리(310)를 연결한다(동축 케이블인 것이 바람직함). RF 드라이버는 마이크로파를 생성하고, 이렇게 생성된 마이크로파는 RF 케이블을 통해 이미터 어셈블리(310)로 방사된다.

이미터 어셈블리(310)는 세라믹 공진기, 무전극램프(석영 벌브)로 구성된다. 이미터 어셈블리(310)로 입사된 마이크로파는 무전극램프 내에 충전된 불활성가스를 여기(exiting)시켜 발광물질이 지속적으로 플라즈마화 되면서 고유한 방출 스펙트럼을 갖는 빛을 발생하도록 하고, 이 빛은 미러(도시하지 않음)에 의해 전방으로 반사되어 최종 조사된다.

한편, 도 4에서 보면, RF 드라이버에 디밍제어기가 연결되어 플라즈마 램프를 아날로그 디밍(1~10V)한다. 도 5와 같이 디밍의 범위는 20%에서 100%까지 광 출력을 조절할 수 있다. 도 5는 본 발명에서 디밍 전압에 따른 램프의 광량을 %로 나타낸 것이다.

도 1에서와 같이 데이터 처리부(200)에 포함된 DAC와 디밍제어기는 직접 연결된다. DAC는 CPU 신호를 수신하여 아날로그 신호로 변환한 후, 디밍제어기로 전송하고, 수신된 신호에 따라 특정 출력 DC전압으로 가변시켜 디밍 제어가 가능하게 된다.

본 발명에 따른 플라즈마 조명시스템은 자연광, 친환경, 고효율, 신광원 기술로서 초고주파 플라즈마 방전에 의한 발광을 하여 고효율(90 ㏐/W 이상), 고연색성(Ra 85이상), 중수명(60,000시간 이상)등 최상의 특성을 가지며 경제성과 간편성이 높은 조명 램프 시스템 기술로서 무전극 방식의 새로운 방전 광원시스템이라 할 수 있다. 또한, 적용분야에 따라 30 ~ 90%의 에너지절약이 가능하다.

100 센서부 200 데이터 처리부 300 플라즈마 조명부 310 이미터 어셈블리

Claims

디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템으로서, 플라즈마 램프가 설치된 주변의 조도를 측정하는 주변조도 센서와, 램프를 기준으로 일정 영역 내에 사람의 존재 내지는 접근 여부를 감지하는 객체존재 센서를 포함하는 센서부와; 센서부와 연결되어 플라즈마 조명부의 디밍제어기를 제어하는 CPU와, CPU에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 디밍제어기로 전송하는 DAC를 포함하는 데이터 처리부를 이용하여, 상기 주변조도 센서가 검출한 상기 플라즈마 조명시스템 주변의 조도에 따라 상기 CPU가 상기 디밍제어기로 하여금 상기 플라즈마 램프의 광량을 제어하도록 하고, 상기 객체존재 센서가 검출한 객체의 존재 및 접근 거리에 따라 상기 CPU가 상기 디밍제어기로 하여금 상기 플라즈마 램프의 광량을 제어하도록 하는 플라즈마 조명시스템에 있어서,
입력된 구동 신호를 DC로 변환하는 AC-DC 파워서플라이에서 출력된 DC 전압이 입력되는 RF 드라이버와, RF 드라이버가 마이크로파를 생성하여 방사하면 이 마이크로파를 전송하는 RF 케이블과, RF 케이블을 통해 마이크로파를 받는 이미터 어셈블리와, 플라즈마 램프와 이 플라즈마 램프의 광량을 조절하는 디밍제어기를 포함하는 플라즈마 조명부를 추가로 포함하되, 여기서
상기 RF 드라이버는 전기에너지를 RF 전력으로 변환하기 위한 파워앰프 수단과, 디지털 및 아날로그 조명 제어를 위한 제어 회로를 포함하고, 상기 이미터 어셈블리는 세라믹 공진기와 무전극램프를 포함하여, 상기 RF 드라이버로부터 입사된 마이크로파로써 상기 무전극램프 내에 충전된 불활성가스를 여기시키며,
상기 데이터 처리부의 디밍제어기는 상기 RF 드라이버에 연결되어, 상기 데이터 처리부로부터의 플라즈마 램프 제어신호에 따라 상기 RF 드라이버를 제어하여 상기 이미터 어셈블리를 통해서 플라즈마 램프의 광량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템.
제1항에 있어서, 상기 CPU에 의한 상기 플라즈마 램프의 광량 제어는 플라즈마 램프의 온/오프를 전환하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템.
제1항에 있어서, 상기 CPU에 의한 상기 플라즈마 램프의 광량 제어는 플라즈마 램프의 광량을 단계적으로 변화시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주변조도 센서는
광을 검출하여 전기신호로 출력하는 포토다이오드 PD와, 포토다이오드 PD에서 출력된 신호를 증폭하는 선형증폭기와, 선형증폭기에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC와, ADC에서 출력된 디지털 신호를 CPU로 전송하는 통신 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 객체존재 센서는 마이크로파를 사용한 센서로서,
외부에서 인가된 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류기와, 마이크로파 센서를 이용하여 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 신호증폭부에서 출력된 전압이 설정값보다 큰지를 비교하여 특정 객체가 플라즈마 램프 주위에 존재하는지 여부를 판단하는 비교회로부와, 비교회로부의 출력에 따라 플라즈마 램프를 제어하기 위한 데이터 신호를 CPU로 출력하는 출력회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디밍기능이 구비된 절전형 플라즈마 조명시스템.
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