KR101746462B1 - 고효율 정전류 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열 폭주 현상을 방지할 수 있는 현탁 트랜지스터 (hyuntak Transistor)와 고증폭과 정전류를 가능하게 하는 보조 트랜지스터를 이용한 저발열 고효율 정전류 회로이다. 본 회로는 발광 다이오드 및 모터의 구동에 적용될 수 있다.

Description

고효율 정전류 회로{Constant Current Circuit of High Efficiency}
본 발명은 전자 장치의 회로에 관한 것으로, 구체적으로 고효율 특성을 갖는 정전류 회로에 관한 것이다.
통상적으로, 바이폴라 트랜지스터에 전류가 흐르면 줄(Joule) 열이 발생하고, 발생한 열에 의하여 반도체 소자의 전기 저항은 감소된다. 이에 따라, 더 큰 전류가 바이폴라 트랜지스터에 흘러, 더 큰 줄 열이 발생된다. 이러한 과정이 반복되면, 바이폴라 트랜지스터에 매우 큰 전류가 흐르게 되어, 이에 따라 발생된 매우 큰 줄(Joule) 열에 의해 바이폴라 트랜지스터의 전원(Power)특성은 크게 떨어진다.
큰 줄 열에 의해 결국에는 바이폴라 트랜지스터가 파괴될 수 있는데, 이러한 현상은 열 폭주(Thermal Runaway)라고 불려진다. 이와 같은 열 폭주 현상을 방지하기 위한 해결책은 바이폴라 트랜지스터 혹은 반도체 소자에 정전류를 흐르게 하는 것이다.
대표적으로 알려진 정전류 회로는 부하 단에서 피드백 전류와, 기준 전류를 비교하는 비교기를 필수적으로 구비한다. 따라서 비교기가 요구되므로 정전류 회로는 비교적 복잡하며 고가이다. 이와 같은 정전류 회로도 큰 전류가 흐르면 반도체 소자 그 자체에서 열 폭주 현상이 일어나기 때문에 상대적으로 큰 전류를 흐르게 하는 정전류 회로로서 적합하지 못하다.
위와 같은 정전류 회로의 단점을 감안하여 개발된 정전류 회로로서, 열 폭주가 상대적으로 일어나기 어렵고 상대적으로 큰 정전류를 흘릴 수 있는 기술이 발명자 김현탁외 다수에 의해 발명되어 특허등록된 대한민국 특허등록번호 10-0964186-00-00호의 제목 "금속-절연체 전이(MIT)소자를 이용한 트랜지스터 발열제어 회로 및 그 발열제어 방법" 하에 개시되어 있다.
상기 등록 특허의 특허청구범위의 청구항 18에 기재된 바와 같이 MIT 소자와 2개의 전력용 트랜지스터들을 이용하면, 보다 큰 전류를 흘릴 수 있는 정전류 회로의 개발이 가능할 수 있다.
그렇지만, 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 정전류 회로를 설계할 경우에 베이스 전류가 비효율적으로 낭비되는 단점이 존재한다. 따라서, 바이폴라 트랜지스터를 이용한 정전류 회로에서 트랜지스터의 효율을 보다 높일 수 있는 대책이 요망된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 열 폭주 현상을 방지할 수 있는 현탁 트랜지스터(HTR)를 이용하여 비교적 간단한 회로로 고효율의 큰 정전류 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 베이스 전류의 낭비를 개선하여 트랜지스터의 효율을 최대화 또는 높일 수 있는 정전류 회로 및 정전류 회로 구동방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예의 일 양상에 따른 정전류 회로는,
전원전압원;
상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 부하의 타단과 접지연결 저항 사이에 연결된 발열 제어부;
상기 발열 제어부의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어부와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 발열 제어부는 적어도 2개의 바이폴라 트랜지스터와 금속-절연체 전이 소자를 포함하는 현탁 트랜지스터(HTR)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 현탁 트랜지스터는, 상기 부하의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 마스터 바이폴라 트랜지스터;
상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 슬레이브 바이폴라 트랜지스터; 및
상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 슬레이브 바이폴라 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되어 온도에 따라 저항이 변하는 금속-절연체 전이 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 부하의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되며 인가되는 베이스 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 에미터에 콜렉터가 연결되고 접지에 에미터가 연결되며 상기 접지연결 저항의 노드 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 제2 트랜지스터의 콜렉터 사이에는 전류 제한용 저항이 더 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 부하는 정전류를 요구하는 부하일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 부하는 LED, 조명용 파워 LED, 모터 중의 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 정전류 회로는 하나의 칩 패키지에 패키징된 것일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 정전류 회로는 금속-절연체 전이 소자를 제외한 부분이 하나의 칩 패키지에 패키징되고, 상기 하나의 칩 패키지는 상기 금속-절연체 전이 소자를 패키지 외부에서 연결하기 위한 단자들을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예의 다른 양상에 따른 정전류 회로는,
전원전압원;
상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
상기 부하의 타단과 접지연결 저항 사이에 연결된 바이폴라 파워 트랜지스터;
상기 바이폴라 파워 트랜지스터의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 바이폴라 파워 트랜지스터와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 정전류 회로는,
전원전압원;
상기 전원전압원에 공통 애노드가 접속되며 행과 열의 매트릭스 형태로 LED가 배열된 LED 어레이;
반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 LED 어레이의 공통 캐소드와 접지연결 저항 사이에 연결된 발열 제어부;
상기 발열 제어부의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어부와는 병렬로 상기 공통 캐소드에 연결된 제1 트랜지스터; 및
상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 정전류 회로는,
전원전압원;
상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 부하의 타단에 에미터가 연결되고 접지연결 저항에 콜렉터가 연결된 PNP 형 발열 제어 트랜지스터;
상기 발열 제어 트랜지스터의 동작 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어 트랜지스터와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예의 또 다른 양상에 따른 정전류 회로 구동 방법은,
전원전압원을 부하의 일단에 인가하는 단계;
상기 부하의 타단에 연결된 발열 제어 트랜지스터의 콜렉터와, 상기 발열 제어 트랜지스터와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터의 콜렉터에 부하 전압을 공통으로 인가하는 단계;
상기 제1 트랜지스터의 베이스에 베이스 전압을 인가하여 상기 제1 트랜지스터의 에미터 전압이 상기 발열 제어 트랜지스터의 베이스로 인가되도록 하는 단계; 및
상기 발열 제어 트랜지스터의 에미터와 접지연결 저항 사이의 노드 전압이 소정 전압 이상으로 나타날 때마다 제2 트랜지스터를 이용하여 상기 발열 제어 트랜지스터의 베이스 전류가 접지로 흐르도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면, 열 폭주 현상에 상대적으로 강하므로 상대적으로 큰 정전류를 흘릴 수 있다. 또한, 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전류가 최소화 또는 감소되므로 정전류 회로의 전력 소모가 최소화 또는 줄어든다. 따라서 보다 고 효율의 정전류 회로가 제공되는 이점이 있다.
도 1은 통상적인 트랜지스터의 전력 대 온도 특성을 보인 그래프,
도 2는 MIT(Metal-Insulator Transition)를 갖는 현탁 트랜지스터 (Hyuntak Transistor: HTR)의 회로도,
도 3은 도 2의 HTR을 가리키는 심볼,
도 4는 도 2의 HTR 특성 중 외부환경 의존성을 나타내는 그래프,
도 5는 도 2의 HTR에 부하가 걸린 경우를 보여주는 회로도,
도 6은 도 5의 회로에 증폭용 제1 트랜지스터가 추가적으로 연결된 경우를 보인 회로도,
도 7은 도 5의 회로에 정전류 구동용 제2 트랜지스터가 추가적으로 연결된 경우를 보인 회로도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 정전류 회로도,
도 9는 도 8의 회로에 콜렉터 저항을 추가로 연결한 경우를 보여주는 회로도,
도 10은 도 8의 회로에 Power LED가 부하의 일 예로서 연결된 경우를 보인 적용 회로도, 및
도 11은 도 10에 따른 회로에 의해 측정된 소모전력 및 구동 효율을 예시적으로 보여주는 테이블.
위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자 블록에 연결된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자 블록에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다.
또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다. 일부 도면들에 있어서, 소자 및 라인들의 연결관계는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 나타나 있을 뿐, 타의 소자나 회로블록들이 더 구비될 수 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함될 수 있으며, NPN 타입 바이폴라 트랜지스터나 PNP 타입 바이폴라 트랜지스터의 기본적 동작과 제조에 세부는 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 상세히 설명되지 않음을 유의(note)하라.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 정전류 회로를 도시한 도 8을 설명하기 전에, 본 발명에 대한 보다 철저한 이해를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이 도 1 내지 도 7을 참조로 정전류 회로의 효율 개선의 필요성이 설명될 것이다. 그렇지만, 본 발명의 회로 구조와 이해가 우선적으로 시급하게 필요한 경우라면 도 1 내지 도 7에 대한 설명부분의 리딩이 스킵되고 도 8에 대한 설명부분부터 접근될 수 있을 것이다.
먼저, 도 1은 통상적인 트랜지스터의 전력 대 온도 특성을 보인 그래프이다. 도면의 수평축은 온도를 수직축은 전력을 나타낸다.
그래프 G2는 통상적인 트랜지스터의 전력 대 온도 특성을 나타낸다. 상기 그래프 G2는 트랜지스터의 온도가 높아지면 전력특성이 급격히 저하되는 것을 보여준다. 바이폴라 트랜지스터 등과 같은 반도체 소자는 금속과는 반대로 온도가 높아질 수록 저항이 급격히 낮아진다. 그러므로, 온도가 높을 수록 전류가 많이 흐르게되어 열 폭주 현상이 나타날 확률리 높아지는 것이다. 바람직한 경우에 트랜지스터의 전력 대 온도 특성은 대쉬 라인으로 보여지는 그래프 G1과 같이, 온도에 둔감하게 전력 특성이 일정해야 한다. 결국, 그래프 G1와 같은 특성을 갖는 정전류 회로가 조명 제어 분야나 모터 제어 분야에서 요구되는 것이다.
열 폭주 현상을 줄여 보다 큰 전류를 흐르게 할 수 있는 선행 기술로서, 대한민국 특허등록번호 10-0964186-00-00호의 제목 "금속-절연체 전이(MIT)소자를 이용한 트랜지스터 발열제어 회로 및 그 발열제어 방법" 하의 기술에는 도 2와 같은 회로가 설명의 일부로서 개시되어 있다.
도 2를 참조하면, 2개의 바이폴라 트랜지스터(BT1,BT2)와 금속-절연체 전이 소자(M1)를 포함하는 회로가 도시된다. 상기 MIT(Metal-Insulator Transition)소자(M1)는 마스터 바이폴라 트랜지스터(BT1)의 베이스와 슬레이브 바이폴라 트랜지스터(BT2)의 베이스 간에 연결되어 있다. 상기 MIT 소자(M1)는 상기 바이폴라 트랜지스터들(BT1,BT2)이 임계온도로 상승 시에 금속으로 전이하는 특성을 갖는다. 이에 따라 전류의 흐름이 차단 또는 줄어들어 발열이 중지 또는 감소되므로 바이폴라 트랜지스터들(BT1,BT2)은 냉각된다. 또는 상기 바이폴라 트랜지스터들(BT1,BT2)이 일정 온도 이하로 냉각되면 상기 MIT 소자(M1)는 다시 절연체로 전이되어, 다시 정상적인 전력이 상기 바이폴라 트랜지스터들(BT1,BT2)에 의해 구동된다.
본 발명의 실시 예에서는 상기 도 2의 회로가 설명의 편의상 발명자 김현탁의 이름을 따서 현탁 트랜지스터 (Hyuntak Transistor: HTR)로서 칭해질 것이다. 또한, 상기 현탁 트랜지스터는 도 3과 같은 심볼로서 간략히 도시될 것이다.
도 3은 도 2의 HTR을 가리키는 심볼로서, 도 2의 회로를 간략히 표현한 것이다.
도 4는 도 2의 HTR 특성 중 외부환경 의존성을 나타내는 그래프로서, 가로와 세로 축은 주위 온도와 현탁 트랜지스터의 온도를 각기 나타내고, 수직축은 콜렉터 전류를 나타낸다. 도 4의 그래프를 통해서는 콜렉터 전류가 증가할 경우에 현탁 트랜지스터의 발열 온도가 높아지는 것을 알 수 있으며, 발열 특성은 주위 온도에도 의존함을 알 수 있다.
도 5는 도 2의 HTR에 부하가 걸린 경우를 보여주는 회로도이다. 여기서 부하는 전원전압원(Vpower)의 일단과 상기 현탁 트랜지스터(HTR)의 콜렉터 간에 접속된다. 도 5와 같은 심플한 회로의 경우에 베이스 전류가 높아 회로의 효율이 낮아지는 단점이 있다.
결국, 현탁 트랜지스터의 에미터, 베이스, 콜렉터를 통해서 흐르는 전류를 각기 IE IB IC 라고 할 경우에 IE = IB + IC 이다.
여기서, IC = hIB , 여기서 h는 게인을 나타낸다. 따라서, IE = (1+h)IB
Figure 112011088508500-pat00001
hIB 가 된다. 예를 들어 h=100, IC =1A 일 경우에 IB =1A/100 = 0.01 A가 된다.
이와 같이, 베이스 전류를 보다 줄이는 것이 보다 좋은 효율을 갖는 회로를 제공함을 알 수 있다.
베이스 전류를 줄이기 위해 도 6과 같은 회로가 본 발명자에 의해 강구되었다. 도 6은 도 5의 회로에 증폭용 제1 트랜지스터(12)가 현탁 트랜지스터(10)에 추가적으로 연결된 경우를 보인 회로도이다.
도 6과 같이 다알링톤(Darlington)트랜지스터 구조를 갖는 회로의 경우에, 베이스 전류를 100분의 일로 감소시킬 수 있다. 결국, 제1 트랜지스터(12)와 현탁 트랜지스터(10)의 게인 h를 100이라 하고, 현탁 트랜지스터(10)의 콜렉터 전류를 1A라고 가정하면, 현탁 트랜지스터(10)의 베이스 전류는 1A/h=0.01A 이고,
ITR1 E = IHTR B 이므로, IE = (1+h)IB
Figure 112011088508500-pat00002
hIB 로 되어, ITR1 B = ITR1 E /100 = 0.0001 A가 된다. 따라서, 상기 제1 트랜지스터(12)의 채용에 의해 베이스 전류의 효율이 개선된다. 따라서, 회로의 제어가 보다 세밀하게 될 수 있다.
도 6과 같은 회로의 경우에 베이스 전류의 현저히 줄어들지만 정전류 제어 특성이 미흡한 점이 있는 바, 도 7과 같이 정전류 특성이 개선된 회로가 본 발명자에 의해 실험되었다.
도 7은 도 5의 회로에 정전류 구동용 제2 트랜지스터(14)가 추가적으로 연결된 경우를 보인 회로도이다. 도 7에서 상기 제2 트랜지스터(14)와 함께 추가된 저항 (RE:16)은 현탁 트랜지스터(10)의 에미터에 접속된 에미터 저항(16)이다.
도 7의 회로에서, 현탁 트랜지스터(10)의 에미터 전압 VE = 0.7 V 이상이 되면, 상기 제2 트랜지스터(14)가 구동된다. 이에 따라 현탁 트랜지스터(10)의 베이스 전류가 상기 제2 트랜지스터(14)를 통해 접지로 흐르게 되므로, 현탁 트랜지스터(10)의 베이스 전류는 줄어든다. 현탁 트랜지스터(10)의 베이스 전류가 줄어들면 현탁 트랜지스터(10)의 에미터 전압은 0.7V 이하로 낮아져서, 상기 제2 트랜지스터(14)는 구동되지 않는다. 상기 제2 트랜지스터(14)는 구동되지 않으면 상기 현탁 트랜지스터(10)의 에미터 전압 VE = 0.7 V 이상으로 다시 올라간다. 제2 트랜지스터(14)의 턴온 및 턴오프 동작 또는 전류 조절 동작이 반복됨에 따라 현탁 트랜지스터(10)의 에미터 전압 VE = 0.7 V로 유지되는 가운데, 에미터에는 정전류가 흐르게 된다.
위와 같은 도 6 및 도 7의 실험 및 관찰을 통해 본 발명자는 베이스 전류를 최소화하면서도 정전류 특성이 좋은 도 8과 같은 퓨전 회로를 마침내 강구하였다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 정전류 회로도이다.
도면을 참조하면, 정전류 회로는 전원전압원(Vpower), 부하(2), 발열 제어부(10), 제1,2 트랜지스터(12,14)를 포함한다.
상기 부하(2)의 일단은 상기 전원전압원(Vpower)에 접속된다.
상기 발열 제어부(10)는 반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 부하(2)의 타단과 접지연결 저항(16) 사이에 연결된다. 여기서, 상기 저항(16)은 에미터 저항(RE)이다.
상기 제1 트랜지스터(12)는 상기 발열 제어부(10)의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어부(10)와는 병렬로 상기 부하(2)의 타단에 연결된다.
상기 제2 트랜지스터(14)는 상기 접지연결 저항(16)과 상기 제1 트랜지스터 (12)사이에 연결되어 상기 접지연결 저항(16)으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압(VE)에 따라 스위칭된다.
상기 발열 제어부(10)는 적어도 2개의 바이폴라 트랜지스터와 금속-절연체 전이 소자를 포함하는 현탁 트랜지스터(HTR)일 수 있다.
상기 현탁 트랜지스터(10)는, 도 2에서 보여지는 바와 같이,
상기 부하(2)의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 마스터 바이폴라 트랜지스터(BT1);
상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 슬레이브 바이폴라 트랜지스터(BT2); 및
상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 슬레이브 바이폴라 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되어 온도에 따라 저항이 변하는 금속-절연체 전이 소자(M1)를 포함할 수 있다.
상기 제1 트랜지스터(12)는 상기 부하(2)의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터(BT1)의 베이스에 에미터가 연결되며 인가되는 베이스 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
상기 제2 트랜지스터(14)는 상기 제1 트랜지스터(12)의 에미터에 콜렉터가 연결되고 접지에 에미터가 연결되며 상기 접지연결 저항(16)의 노드 전압(VE)을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터일 수 있다.
상기 부하(2)는 정전류를 요구하는 부하일 수 있으며, LED, 조명용 파워 LED, 모터 중의 적어도 하나가 될 수 있다.
도 8의 상기 정전류 회로는 하나의 칩 패키지에 패키징될 수 있으며, 보다 구체적으로, 금속-절연체 전이 소자를 제외한 부분이 하나의 칩 패키지에 패키징되고, 상기 하나의 칩 패키지는 상기 금속-절연체 전이 소자를 패키지 외부에서 연결하기 위한 단자들을 가질 수 있다.
도 8과 같은 구성을 갖는 정전류 회로는 도 6 및 도 7에서 언급된 바와 같은 장점을 가지므로, 열 폭주 현상에 상대적으로 강하다.
따라서, 상대적으로 큰 정전류를 흘릴 수 있으며, 또한, 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전류가 최소화 또는 감소되어 정전류 회로의 전력 소모가 최소화 또는 줄어들게 된다. 그러므로, 보다 고 효율의 정전류 회로를 제공한다.
도 8의 변경 실시 예로서, 도 8의 회로에 전류 제한용 저항이 더 연결된 구조가 도 9에서 도시된다.
도 9는 도 8의 회로에 콜렉터 저항을 추가로 연결한 경우를 보여주는 회로도이다.
도 9를 참조하면, 상기 현탁 트랜지스터(10)의 베이스와 상기 제2 트랜지스터(14)의 콜렉터 사이에는 전류 제한용 저항(18:Rc)이 도 8에 비해 추가로 더 연결된다. 도 9와 같은 회로의 경우에도 도 8이 갖는 장점을 그대로 가지는 것이 본 발명자에 의해 확인되었다.
한편, 도 8이나 도 9의 정전류 회로에서 현탁 트랜지스터(HTR) 대신에 바이폴라 파워 트랜지스터를 채용할 경우에도 선행 기술 대비 고 효율의 정전류 회로가 제공될 수 있음은 물론이다.
도 10은 도 8의 회로에 Power LED가 부하의 일 예로서 연결된 경우를 보인 적용 회로도이다.
또한, 도 11은 도 10에 따른 회로에 의해 측정된 소모전력 및 구동 효율을 예시적으로 보여주는 테이블이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 전원전압원(Vin),
상기 전원전압원에 공통 애노드가 접속되며 행과 열의 매트릭스 형태로 LED가 배열된 LED 어레이,
반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 LED 어레이의 공통 캐소드와 접지연결 저항 (RE)사이에 연결된 발열 제어부(10),
상기 발열 제어부(10)의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어부와는 병렬로 상기 공통 캐소드에 연결된 제1 트랜지스터(TR1), 및
상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터(TR2)를 구비하는 정전류 회로가 도시된다.
여기서, LED 어레이의 행과 열의 수는 11행 6열이다. 즉, 11개의 LED가 병렬로 연결되고, 6개의 LED가 직렬로 연결된 부하 구조이다.
상기 발열 제어부(10)로서 사용된 트랜지스터는 현탁 트랜지스터 HTR이고, 제1 바이폴라 트랜지스터 TR1는 SN222 였고, 제2 바이폴라 트랜지스터 TR2는 2N3904였다.
또한, Rb=82kW, Re=1.3W, 정격 IF=ICE=550mA 이다. 조명용 LED는 생산될 때 LED 인가 전압이 2.8~3.2V (LED 편차, 최대 0.4V)까지 편차가 있어서 6 직렬 연결시 최소 16.2 ~ 19.2V 까지 입력전압 편차를 갖는다. HTR의 입력전압은 HTR 에미터 저항전압 포함 20.5V 이다. 이 경우에 HTR의 콜렉터-에미터 사이에 최대 약 3V의 전압 차가 나서 HTR에 큰 발열이 일어날 수 있다.
그러나 도 8과 같은 정전류 회로를 이용하면 HTR의 콜렉터-에미터 전류 IF의 편차를 9mA까지 줄일 수 있고, 소자의 발열도 도 11을 통해 보여지는 바와 같이 크게 줄어들 수 있다.
일반적으로 정전류 회로에서 550mA에 대해서 편차가 9mA인 것은 매우 효율이 좋은 것으로 취급된다. 왜냐하면, 일반적으로 알려진 정전류 회로에서 허용 편차는 40mA 정도이기 때문이다. 도 11의 테이블을 참조 시, 도 10에 따른 정전류 회로의 발열 효율은 82.0 ~90.7% 정도, 정전류 소모전력은 1.07 ~ 2.11W로서 일반 정전류 회로보다 매우 뛰어난 특성을 나타냄을 알 수 있다.
결국, 도 10과 같은 고효율 정전류 회로는 비교기 회로의 채용 없이도, HTR과 보조 트랜지스터들을 이용하기 때문에 간단하게 설계될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 현탁 트랜지스터(HTR)를 발열 제어부로서 이용하므로 큰 전류가 흘러도 열 폭주가 일어나기 어렵다. 또한, 제1 바이폴라 트랜지스터를 채용함에 의해 베이스 전류가 최소화되어 전력의 낭비가 크게 줄어든다. 따라서, HTR의 고효율이 달성된다. 또한, 제2 바이폴라 트랜지스터의 채용에 의해 정전류 동작이 원활히 되도록 한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서를 통해 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이, 회로의 연결구성이나 바이폴라 트랜지스터의 타입을 NPN에서 PNP로 대치하거나, 바이폴라 트랜지스터 대신에 모오스 트랜지스터 등과 같은 타의 소자를 채용하여 회로를 다양한 형태로 변경 및 변형할 수 있을 것이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 현탁 트랜지스터
12: 제1 트랜지스터
14: 제2 트랜지스터

Claims (31)

  1. 전원전압원;
    상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
    반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 부하의 타단과 접지연결 저항 사이에 연결된 발열 제어부;
    상기 발열 제어부의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어부와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
    상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 정전류 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열 제어부는 적어도 2개의 바이폴라 트랜지스터와 금속-절연체 전이 소자를 포함하는 현탁 트랜지스터(HTR)임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 현탁 트랜지스터는,
    상기 부하의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 마스터 바이폴라 트랜지스터;
    상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 콜렉터에 콜렉터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 에미터가 연결된 슬레이브 바이폴라 트랜지스터; 및
    상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 슬레이브 바이폴라 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되어 온도에 따라 저항이 변하는 금속-절연체 전이 소자를 포함함을 특징으로 하는 정전류 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 부하의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되며 인가되는 베이스 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 에미터에 콜렉터가 연결되고 접지에 에미터가 연결되며 상기 접지연결 저항의 노드 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 제2 트랜지스터의 콜렉터 사이에는 전류 제한용 저항이 더 연결됨을 특징으로 하는 정전류 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부하는 정전류를 요구하는 부하임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 부하는 LED, 조명용 파워 LED, 모터 중의 적어도 하나임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 정전류 회로는 하나의 칩 패키지에 패키징된 것을 특징으로 하는 정전류 회로.
  10. 제3항에 있어서, 상기 정전류 회로는 금속-절연체 전이 소자를 제외한 부분이 하나의 칩 패키지에 패키징되고, 상기 하나의 칩 패키지는 상기 금속-절연체 전이 소자를 패키지 외부에서 연결하기 위한 단자들을 가짐을 특징으로 하는 정전류 회로.
  11. 전원전압원;
    상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
    상기 부하의 타단과 접지연결 저항 사이에 연결된 바이폴라 파워 트랜지스터;
    상기 바이폴라 파워 트랜지스터의 전류 효율을 증가시키기 위해 상기 바이폴라 파워 트랜지스터와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
    상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 정전류 회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 부하의 타단에 콜렉터가 연결되고 상기 바이폴라 파워 트랜지스터의 베이스에 에미터가 연결되며 인가되는 베이스 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 에미터에 콜렉터가 연결되고 접지에 에미터가 연결되며 상기 접지연결 저항의 노드 전압을 베이스로 수신하는 NPN형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  14. 삭제
  15. 삭제
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  17. 삭제
  18. 전원전압원;
    상기 전원전압원에 그의 일단이 접속된 부하;
    반도체의 열폭주 현상을 억제하기 위해 상기 부하의 타단에 에미터가 연결되고 접지연결 저항에 콜렉터가 연결된 현탁 트랜지스터 타입 PNP 형 발열 제어 트랜지스터;
    상기 발열 제어 트랜지스터의 동작 효율을 증가시키기 위해 상기 발열 제어 트랜지스터와는 병렬로 상기 부하의 타단에 연결된 제1 트랜지스터; 및
    상기 접지연결 저항과 상기 제1 트랜지스터 사이에 연결되어 상기 접지연결 저항으로의 정전류 흐름을 유지하기 위해 상기 접지연결 저항의 노드 전압에 따라 스위칭되는 제2 트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 정전류 회로.
  19. 제18항에 있어서, 상기 현탁 트랜지스터는,
    상기 부하의 타단에 에미터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 콜렉터가 연결된 PNP 형 마스터 바이폴라 트랜지스터;
    상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 에미터에 에미터가 연결되고 상기 접지연결 저항에 콜렉터가 연결된 PNP 형 슬레이브 바이폴라 트랜지스터; 및
    상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스와 상기 슬레이브 바이폴라 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되어 온도에 따라 저항이 변하는 금속-절연체 전이 소자를 포함함을 특징으로 하는 정전류 회로.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터는 상기 부하의 타단에 에미터가 연결되고 상기 마스터 바이폴라 트랜지스터의 베이스에 콜렉터가 연결되며 인가되는 베이스 전압을 베이스로 수신하는 PNP형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는 상기 제1 트랜지스터의 콜렉터에 에미터가 연결되고 접지에 콜렉터가 연결되며 상기 접지연결 저항의 노드 전압을 베이스로 수신하는 PNP형 바이폴라 트랜지스터임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  22. 삭제
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  24. 제18항에 있어서, 상기 부하는 LED, 조명용 파워 LED, 모터 중의 적어도 하나임을 특징으로 하는 정전류 회로.
  25. 제18항에 있어서, 상기 정전류 회로는 하나의 칩 패키지에 패키징된 것을 특징으로 하는 정전류 회로.
  26. 제19항에 있어서, 상기 정전류 회로는 금속-절연체 전이 소자를 제외한 부분이 하나의 칩 패키지에 패키징되고, 상기 하나의 칩 패키지는 상기 금속-절연체 전이 소자를 패키지 외부에서 연결하기 위한 노출 단자들을 가짐을 특징으로 하는 정전류 회로.
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