KR102614451B1 - AC-DC power system utilizing a multi-functional non-linear resistances array - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 트랜스포머를 사용하지 않고 아주 작으면서 리플없이 직류성이 좋으며 노이즈에 강한 1와트 이하의 밀리와트급 AC-DC 전원 시스템을 제공하기 위한 것으로, 주전력의 주전류가 흐르는 도선에 선형저항을 사용하지 않고 PN 접합 소자들을 직렬로 연결하여 비선형 저항 어레이를 만들어서 내부 저항을 감소시키고, 다기능 비선형 저항 어레이는, PN 접합을 갖는 소자가 6개 이상 직렬로 연결되되, 적어도 2개는 역방향 PN 접합 소자 쌍을 형성하고, 각각의 소자들이 연결되는 부분 중 적어도 한 곳은 외부 단자로도 연결되는 것을 특징으로 한다.The present invention is to provide a milliwatt-class AC-DC power system of less than 1 watt that does not use a transformer, is very small, has good direct current performance without ripples, and is resistant to noise. The purpose of the present invention is to provide a milliwatt-class AC-DC power system of less than 1 watt, which has a linear resistance in the conductor through which the main current of main power flows. Instead of using PN junction elements, a non-linear resistance array is created by connecting PN junction elements in series to reduce internal resistance. A multi-function non-linear resistance array consists of 6 or more elements with PN junctions connected in series, with at least 2 having reverse PN junctions. It forms a pair of elements, and at least one of the parts where each element is connected is also connected to an external terminal.

Description

다기능 비선형 저항 어레이 및 이를 이용한 교류-직류 전원 시스템{AC-DC power system utilizing a multi-functional non-linear resistances array}Multifunctional non-linear resistance array and AC-DC power system utilizing the same {AC-DC power system utilizing a multi-functional non-linear resistances array}

본 발명은 비선형 저항 소자들을 직렬로 연결하여 어레이를 만들어 소형 저전력 교류-직류 전원 시스템의 제조에 활용하기 위한 다기능 비선형 저항 어레이 및 이를 이용한 교류-직류 전원 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-functional nonlinear resistance array for manufacturing a small, low-power AC-DC power system by connecting nonlinear resistance elements in series to form an array, and to an AC-DC power system using the same.

최근에는 마이크로콘트롤러(Micro-Controller Unit: MCU) 시대라고 할 만큼 산업계 전반에서 MCU를 많이 쓰고 있다. 그 MCU는 아날로그 센서 신호를 관측하고 제어하는 용도로 많이 사용되며, 대부분이 저전력용이므로 3.3V 전압과 30mA 이하의 전류를 가장 많이 쓴다. 이와 같이 저전력 시스템 구동용 전원은 요구사항으로 (1) 리플없이 직류성이 매우 좋아야 하며, (2) 아주 작으면서, (3) 노이즈에 강하면서, (4) 1와트 이하의 밀리와트급이 되어야 한다.Recently, MCUs are being used a lot throughout the industry, so much so that it can be called the era of micro-controller units (MCUs). The MCU is widely used to observe and control analog sensor signals, and since most of them are low-power, they most often use a voltage of 3.3V and a current of 30mA or less. As such, the power supply for driving low-power systems must (1) have very good direct current characteristics without ripples, (2) be very small, (3) be resistant to noise, and (4) be of milliwatt class or less than 1 watt. do.

위 요구사항에 맞는 페어차일드 회사에서 개발된 AC-DC 리니어 레귤레이터 IC (FSAR001B)가 시판 중인데, MCU의 디지털 부분은 잘 동작하지만 아날로그 부분에서는 노이즈가 심해서 아날로그 신호가 관측되지 않았다. 유사한 리니어 레귤레이터 IC가 글로벌 컴퍼니에서 개발되어 시판되지만 위 요구사항 중 적어도 어느 하나가 만족되지 못하는 것이 현실이다.An AC-DC linear regulator IC (FSAR001B) developed by Fairchild Company that meets the above requirements is commercially available. The digital part of the MCU works well, but the analog part is so noisy that no analog signal is observed. Similar linear regulator ICs have been developed and sold by global companies, but the reality is that at least one of the above requirements is not satisfied.

위 요구사항에 따라, 교류의 고전압에서 저전압으로 떨어뜨리는 방법은, 1차측 고전압에서 2차측 저전압으로 변환하는 트랜스포머를 사용하는 것과 트랜스포머를 사용하지 않고 커패시터의 임피던스를 이용하여 전압을 떨어뜨리는 방법이 있다. 전자의 경우는 트랜스포머라는 부피가 큰 것이 단점이며, 후자는 전류가 크게 줄어들지만 전압은 크게 줄어들지 않아서 정류 다이오드로 정류 후에도 교류 입력 전압의 정도로 유지되므로 전력 다운이 어렵다. 이 경우 열이 많이 나서 비효율이 크다. 그래서 일반적으로는 전자를 많이 사용하고 후자는 거의 사용하지 않는다. According to the above requirements, there are two ways to drop the AC voltage from high voltage to low voltage: using a transformer that converts the high voltage on the primary side to low voltage on the secondary side, and a method of dropping the voltage using the impedance of a capacitor without using a transformer. . In the case of the former, the disadvantage is that the transformer is bulky, and in the latter, the current is greatly reduced, but the voltage is not greatly reduced, so it is maintained at the level of the AC input voltage even after rectification with a rectifier diode, making it difficult to power down. In this case, a lot of heat is generated, resulting in great inefficiency. So, in general, the former is used a lot and the latter is rarely used.

전자의 경우에는 교류가 정류된 후 전류를 직류화하기 위하여 입력 교류 전압보다 큰 전해 커패시터로 평활화하는 것과 평활화된 전류를 필요한 전압으로 떨어뜨려서 정전압을 만드는 과정에서 열을 동반한다. 또한, 교류를 타고 들어오는 노이즈가 존재한다. 그런데 전해콘덴서의 용량이 클수록 좋고 또한 정류전압보다 커야 한다는 것 때문에 평활용 콘덴서는 매우 크다. 그래서 이 평활용 콘덴서는 소형화에 걸림돌이다. In the former case, after the alternating current is rectified, heat is accompanied by smoothing with an electrolytic capacitor larger than the input alternating voltage to direct the current, and in the process of creating a constant voltage by dropping the smoothed current to the required voltage. Additionally, there is noise coming through alternating current. However, the larger the capacity of the electrolytic capacitor, the better, and since it must be greater than the rectified voltage, the smoothing capacitor is very large. Therefore, this smoothing condenser is an obstacle to miniaturization.

또한, 교류 노이즈는 공통모드 노이즈와 차동모드 (혹은 노멀모드) 노이즈가 있다. 이 노이즈 문제의 해결을 위해 별도의 노이즈 필터를 붙여야 한다. 따라서 이런 문제로 전원 시스템이 결코 작아지지 않는다.Additionally, AC noise includes common mode noise and differential mode (or normal mode) noise. To solve this noise problem, a separate noise filter must be attached. Therefore, the power system will never become smaller due to this problem.

따라서, 위 문제들로 인해서, 리플없이 직류성이 매우 좋고 아주 작으면서 노이즈에 강한 1와트 이하의 밀리와트급 전원 시스템은 아직 존재하지 않는다. 결국, 위 문제의 핵심은 전원시스템의 내부 저항을 떨어뜨리는 것이다.Therefore, due to the above problems, a milliwatt-class power system of less than 1 watt that has very good direct current performance without ripples, is very small, and is resistant to noise does not yet exist. Ultimately, the core of the above problem is lowering the internal resistance of the power system.

미국 등록 특허 US 9,912,253 B2 (명칭: Full Bridge Tunnel Diode Inverter)US registered patent US 9,912,253 B2 (name: Full Bridge Tunnel Diode Inverter) 미국 공개 특허 US 2011/0163679 A1 (명칭: AC Light Emitting Diode Device Having Integrated Passive Device)US published patent US 2011/0163679 A1 (name: AC Light Emitting Diode Device Having Integrated Passive Device)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 트랜스포머를 사용하지 않고 아주 작으면서 리플없이 직류성이 좋으며 노이즈에 강한 1와트 이하의 밀리와트급 AC-DC 전원 시스템 및 그에 사용되는 다기능 비선형 저항 어레이를 제공하는 것이다.The present invention is intended to solve the above problems, and its purpose is to develop a milliwatt-class AC-DC power system of less than 1 watt that does not use a transformer, is very small, has good direct current performance without ripples, and is resistant to noise, and a multi-function system used therein. The goal is to provide a nonlinear resistor array.

이상의 목적 및 다른 추가적인 목적들이, 첨부되는 청구항들에 의해 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 당업자들에게 명백히 인식될 수 있을 것이다.The above objects and other additional objects will be clearly recognized by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention by the appended claims.

상기 과제의 목표를 달성하기 위하여, 본 발명은 교류 전력 시스템에서 주전력의 주전류가 흐르는 도선에 선형저항을 사용하지 않고 PN 접합 소자들을 직렬로 연결하여 비선형 저항 어레이를 만들어서 내부 저항을 감소시킨다.In order to achieve the goal of the above problem, the present invention reduces internal resistance by creating a non-linear resistance array by connecting PN junction elements in series without using a linear resistance in the conductor through which the main current of main power flows in an AC power system.

즉, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르는 다기능 비선형 저항 어레이는, 입력단자에서 출력단자 사이에서 PN 접합을 갖는 소자가 6개 이상 직렬로 연결되는 다기능 비선형 저항 어레이로서, 상기 6개 이상의 소자 중에서 적어도 2개는 역방향 PN 접합 소자 쌍을 형성하고, 각각의 소자들이 연결되는 부분 중 적어도 한 곳의 중간단자는 외부 단자로도 연결되며, 다기능 비선형 저항 어레이에서의 전류 흐름 방향은 입력단자에서 출력단자로 향하거나 중간단자에서 출력단자로 향하거나 입력단자에서 중간단자로 향하는 것을 특징으로 한다.That is, the multi-function non-linear resistor array according to the first aspect of the present invention for solving the above problem is a multi-function non-linear resistor array in which six or more elements having PN junctions are connected in series between the input terminal and the output terminal, and the 6 At least two of the at least two elements form a reverse PN junction element pair, and at least one middle terminal of the parts where each element is connected is also connected to an external terminal, and the direction of current flow in the multi-function nonlinear resistor array is input It is characterized by heading from the terminal to the output terminal, from the middle terminal to the output terminal, or from the input terminal to the middle terminal.

바람직하게는, 상기 다기능 비선형 저항 어레이는, 하이브리드 방식으로 제조되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the multi-functional nonlinear resistance array is manufactured using a hybrid method.

또한 바람직하게는, 상기 다기능 비선형 저항 어레이는, 반도체 공정에 의해 칩으로 제조되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the multi-functional nonlinear resistance array is manufactured as a chip through a semiconductor process.

더욱 바람직하게는, 상기 칩은, 하나의 패키지로 제조되는 것을 특징으로 한다.More preferably, the chip is manufactured as one package.

또한 바람직하게는, 상기 PN 접합을 갖는 소자는, 다이오드, 제너다이오드, 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터를 포함한다.Also preferably, the device having the PN junction includes a diode, Zener diode, bipolar transistor, and field effect transistor.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르는 교류-직류 전원 시스템은, 교류 전원에 연결된 상기 다기능 비선형 저항 어레이가, 합성부하와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the AC-DC power system according to the second aspect of the present invention for solving the above problem is characterized in that the multi-function nonlinear resistance array connected to the AC power source is connected in series with the composite load.

바람직하게는, 상기 합성부하는, PN 다이오드 혹은 PN 접합 제너다이오드와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the composite load is connected in series with a PN diode or a PN junction Zener diode.

더욱 바람직하게는, 교류 입력 전원에 병렬로 연결되는 커패시터를 포함한다.More preferably, it includes a capacitor connected in parallel to the alternating current input power supply.

한층 더 바람직하게는, 교류 입력 전원에 직렬로 연결되는 커패시터를 포함하거나, 교류 입력 전원에 직렬로 연결되는 인덕터를 포함한다.More preferably, it includes a capacitor connected in series to the alternating current input power source, or includes an inductor connected in series to the alternating current input power source.

가장 바람직하게는, 다기능 비선형 저항 어레이와 합성부하가 두 개 이상 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.Most preferably, two or more multi-functional nonlinear resistance arrays and synthetic loads are connected in parallel.

또한 바람직하게는, 프로세서 유니트를 포함하는 1W 이하의 합성부하를 포함한다.Also preferably, it includes a composite load of 1W or less including a processor unit.

더욱 바람직하게는, 상기 프로세서 유니트는, 코어, CPU, MPU, MCU 등과 같이 연산 기능을 하는 장치가 내장되어 있는 프로세서를 포함한다.More preferably, the processor unit includes a processor with a built-in device performing a calculation function, such as a core, CPU, MPU, MCU, etc.

본 발명에 의하면, 부피가 큰 트랜스포머의 사용없이 정전압 제너 브릿지 다이오드의 출력의 정류된 전압 파형이 평활화된 신호로 나오므로 부피가 큰 평활 콘덴서가 불필요하여 소형화가 가능하고, 정류 전압에서 필요한 정전압으로 다운시키는 과정에서 비선형 가변저항과 비선형 저항의 어레이를 사용함으로 60Hz 이상의 노이즈의 제거로 리플이 없는 우수한 직류성이 가능하며, 제너 브릿지 다이오드의 정전압 특성으로 교류 노이즈의 제거로, 상기 목적의 요구사항에 맞는 1W 이하의 밀리와트급 교류-직류 전원 시스템 및 그에 사용되는 다기능 비선형 저항 어레이의 발명이 가능하다.According to the present invention, the rectified voltage waveform of the output of the constant voltage zener bridge diode is output as a smoothed signal without the use of a bulky transformer, so a bulky smoothing capacitor is not required, making miniaturization possible, and reducing the voltage from the rectified voltage to the required constant voltage. By using a nonlinear variable resistor and an array of nonlinear resistors in the process, excellent direct current performance without ripples is possible by eliminating noise above 60Hz, and by eliminating alternating current noise with the constant voltage characteristics of the Zener bridge diode, it is possible to meet the requirements for the above purpose. It is possible to invent a milliwatt-level AC-DC power system of less than 1W and a multi-functional nonlinear resistor array used therein.

한편, 상기 목적 및 효과 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 상세한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Meanwhile, other purposes and advantages of the present invention in addition to the above purposes and effects will be clearly revealed through the detailed description with reference to the attached drawings.

도 1a는 동일 조건에서 비선형 저항이 선형 저항보다 작다는 것을 보여준다.
도 1b는 비선형 저항의 대표적인 소자인 PN 접합 다이오드의 특성곡선을 보여준다. 순방향은 보통의 정류다이오드 특성이지만, 역방향은 제너 다이오드의 특성을 보여준다.
도 2a는 두 개의 PN 접합 다이오드로 구성된 바이폴라 트랜지스터와 제너 다이오드로 구성된 제일 단순한 정전압 회로를 보여준다.
도 2b는 도 2a의 정전압 회로에서 피드백 기능이 바이폴라 트랜지스터로 구성된 회로를 보여준다.
도 3a는 도 2의 정전압 회로에서 피드백 기능이 연산 증폭기로 구성된 회로를 보여준다.
도 3b는 정전압 회로에서 주전류가 흐르는 부분에서 전계효과 트랜지스터가 사용되고 피드백 기능이 연산 증폭기로 구성된 회로를 보여준다.
도 4a는 비선형 저항 어레이(non-linear resistance array)에서 여러 종류의 비선형 저항 소자들의 내부 배선도를 보여준다: (a) 순방향 다이오드들이 직렬연결된 것; (b) 순방향 다이오드와 역방향 다이오드들이 직렬연결된 것; (c) 순방향 다이오드와 역방향 다이오드와 바이폴라 트랜지스터들이 혼합되어 직렬연결된 것; (d) 순방향 다이오드와 역방향 다이오드와 바이폴라 트랜지스터와 전계효과 트랜지스터들이 함께 직렬연결된 것.
도 4b 내지 도 4f는, 비선형 저항 어레이의 변형예들을 보여준다.
도 5(a)는 도 4a에서의 비선형 저항 어레이가 하이브리드 구조 혹은 반도체 칩 구조의 레이아웃을 보여준다. 또한, 각각의 소자들이 연결되는 부분에서 외부 단자로 연결되는 것을 보여준다. 이 단자들은 다른 기능을 추가할 때 사용되는 것이다. 이 도 5(a)는 다기능 비선형 저항 어레이(Multi-functional non-linear resistance array)가 되는 구조를 보여준다.
도 5(b)는 다기능 비선형 저항 어레이(도 5(a))의 기호의 정의를 보여준다. 여기서 작성의 편리를 위하여 기호를 만든 것이다.
도 6은 다기능 비선형 저항 어레이의 실시예로서, 교류에 연결된 다기능 비선형 저항 어레이가 합성 부하저항(450)과 직렬연결된 것을 보여준다.
도 7은 다기능 비선형 저항 어레이의 실시예로서, 도 6의 회로에서 AC 전원과 다기능 비선형 저항 어레이(R)에 대해 커패시터(C)(460)가 병렬로 연결되어 고주파수 제거용 저주파수 통과 필터(RC Low Pass Filter)의 기능이 추가된 것을 보여준다.
도 8은 도 7의 회로에서 AC 전원과 다기능 비선형 저항 어레이 사이에 AC 임피던스용 커패시터(470)를 더 추가한 것을 보여준다.
도 9는 도 8의 회로에서 AC 전원과 다기능 비선형 저항 어레이 사이에 AC 임피던스용 인덕터(480)를 더 추가한 것을 보여준다.
도 10은 도 8의 회로에서 다기능 비선형 저항 어레이와 합성 부하 저항이 병렬로 연결된 것을 보여준다.
도 11a는 다기능 비선형 저항 어레이를 포함하는 교류-직류 전원 시스템의 일 실시예를 보여주는바, 도 11a의 (a)는 소형 1W 이하의 3.3V의 리플이 없고 AC 80 ~ 280V의 프리전압과 150KHz 이상에서도 안정적인 동작을 보여주는 회로를 보여주고, 도 11a의 (b)는, 도 11a의 (a)에 대응하는 다기능 비선형 저항 어레이의 내부 구성도이다.
도 11b는 다기능 비선형 저항 어레이를 포함하는 교류-직류 전원 시스템의 다른 실시예를 보여주는바, 도 11b의 (a)는 소형 1W 이하의 3.3V의 리플이 없고 AC 80 ~ 280V의 프리전압과 150KHz 이상에서도 안정적인 동작을 보여주는 회로를 보여주고, 도 11b의 (b)는, 도 11b의 (a)에 대응하는 다기능 비선형 저항 어레이의 내부 구성도이다.
도 12는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 각 지점에서의 전압 파형도이다.
도 13은 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로의 실험용 구현예에 대한 사진이다.
도 14는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 실제 실험을 행하는 사진이다.
도 15는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 실제 구현된 사진이다.
Figure 1a shows that the nonlinear resistance is smaller than the linear resistance under the same conditions.
Figure 1b shows the characteristic curve of a PN junction diode, a representative nonlinear resistance device. The forward direction shows the characteristics of a normal rectifying diode, but the reverse direction shows the characteristics of a Zener diode.
Figure 2a shows the simplest constant voltage circuit consisting of a bipolar transistor consisting of two PN junction diodes and a Zener diode.
Figure 2b shows a circuit in which the feedback function is composed of a bipolar transistor in the constant voltage circuit of Figure 2a.
Figure 3a shows a circuit in which the feedback function in the constant voltage circuit of Figure 2 is comprised of an operational amplifier.
Figure 3b shows a circuit in which a field effect transistor is used in the part where the main current flows in a constant voltage circuit and the feedback function is composed of an operational amplifier.
Figure 4a shows the internal wiring diagram of several types of non-linear resistance elements in a non-linear resistance array: (a) forward diodes connected in series; (b) Forward and reverse diodes connected in series; (c) a mixture of forward and reverse diodes and bipolar transistors connected in series; (d) Forward diode, reverse diode, bipolar transistor, and field effect transistor connected in series.
Figures 4b to 4f show variations of the nonlinear resistor array.
FIG. 5(a) shows the layout of the nonlinear resistor array in FIG. 4a having a hybrid structure or semiconductor chip structure. In addition, it shows that each element is connected to an external terminal at the connection point. These terminals are used to add other functions. Figure 5(a) shows the structure of a multi-functional non-linear resistance array.
Figure 5(b) shows the definition of the symbol for the multi-functional nonlinear resistor array (Figure 5(a)). Here, symbols were created for convenience of writing.
Figure 6 is an example of a multi-functional non-linear resistor array, and shows a multi-function non-linear resistor array connected to alternating current connected in series with a composite load resistor 450.
Figure 7 is an embodiment of a multi-functional non-linear resistor array. In the circuit of Figure 6, a capacitor (C) 460 is connected in parallel to the AC power source and the multi-function non-linear resistor array (R) to form a low-frequency pass filter (RC Low) for high-frequency removal. It shows that the function of Pass Filter has been added.
FIG. 8 shows the addition of a capacitor 470 for AC impedance between the AC power source and the multi-function nonlinear resistor array in the circuit of FIG. 7.
FIG. 9 shows the addition of an inductor 480 for AC impedance between the AC power source and the multi-function nonlinear resistor array in the circuit of FIG. 8.
FIG. 10 shows a multi-function nonlinear resistor array and a composite load resistor connected in parallel in the circuit of FIG. 8.
FIG. 11A shows an embodiment of an AC-DC power system including a multi-functional nonlinear resistor array. (a) in FIG. 11A has a small size of 1W or less, no ripple of 3.3V, a free voltage of AC 80 to 280V, and 150KHz or more. A circuit showing stable operation is shown, and Figure 11a (b) is an internal configuration diagram of a multi-functional nonlinear resistor array corresponding to Figure 11a (a).
Figure 11b shows another embodiment of an AC-DC power system including a multi-functional nonlinear resistor array. (a) in Figure 11b has a small size of 1W or less, no ripple of 3.3V, a free voltage of AC 80 ~ 280V, and 150KHz or more. It shows a circuit that shows stable operation, and Figure 11b (b) is an internal configuration diagram of the multi-functional nonlinear resistor array corresponding to Figure 11b (a).
Figure 12 is a voltage waveform diagram at each point for the multi-function nonlinear resistance array circuit according to the present invention.
Figure 13 is a photograph of an experimental implementation of a multi-functional nonlinear resistance array circuit according to the present invention.
Figure 14 is a photograph of an actual experiment on the multi-functional nonlinear resistance array circuit according to the present invention.
Figure 15 is a photograph of the actual implementation of the multi-functional nonlinear resistance array circuit according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings.

하지만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.However, the embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as limited to the embodiments described in detail below, and should not be construed as limiting the scope of the present invention to those skilled in the art. It is provided for complete explanation.

본 발명의 일 측면에서는, 아날로그 센서 신호를 감지하고 전력기기 제어용 제어 신호를 내는 1W 이하의 전력을 소비하는 마이크로콘트롤러 직류 시스템에 3.3V의 직류 전압을 공급하기 위하여, AC 전원에 연결된 고주파수용 인덕터와 저주파수용 커패시터와 AC-DC용 브릿지용 제너 다이오드 (혹은 브릿지용 다이오드) 와 비선형 저항 시스템이 직렬로 연결되며 각 소자에서 발열이 없는 AC-DC 전원 시스템을 개발한다.In one aspect of the present invention, in order to supply a DC voltage of 3.3V to a microcontroller DC system consuming less than 1W of power that detects an analog sensor signal and produces a control signal for controlling power devices, a high-frequency inductor connected to an AC power source and A low-frequency capacitor, an AC-DC bridge zener diode (or bridge diode), and a nonlinear resistance system are connected in series to develop an AC-DC power system that generates no heat from each element.

본 발명의 다른 측면에서는, 매우 작은 (일례로 1W 이하의) 저전력형 AC220V에서 DC 3V용 AC-DC 전원 시스템을 제작하였다.In another aspect of the present invention, a very small (e.g., 1W or less) low-power AC-DC power system for AC220V to DC 3V was manufactured.

제너 다이오드는 낮은 전압에서 누설전류가 크고, 높은 전압에서는 저항이 커서 큰 전류를 흘리지 못한다. 이때 큰 전류를 흘리기 위해 전압을 높이면 열이 나서 제너의 터널 특성이 떨어져서 사용할 수가 없다. 그래서 적당히 큰 전압을 이용한다. 그러면 이때 적당히 큰 전압에서 매우 작은 전압으로 떨어뜨릴 때 비선형 저항을 사용해야 한다.Zener diodes have large leakage current at low voltages, and have large resistance at high voltages, so they cannot flow large currents. At this time, if the voltage is increased to pass a large current, heat is generated and the Zener's tunnel characteristics deteriorate, making it unusable. So use a moderately large voltage. Then, when dropping from a moderately large voltage to a very small voltage, a nonlinear resistor must be used.

제너 브릿지를 이용하면 평활된 신호가 나오므로 평활용 콘덴서를 사용하지 않아도 되며, 정류된 신호에는 리플만 남게 된다. 정류된 신호는 아직 사용하기에는 너무 높아서 비선형 가변 저항소자를 통과시켜서 전압을 떨어뜨리면, 상대적으로 리플의 크기도 따라서 줄어들게 된다. 이 전압다운 과정을 비선형 저항 소자를 통과하면 리플의 크기를 최소화할 수 있다. 그리고 마지막 단계에서 전압 레귤레이션을 시키면 그 작은 리플이 완전한 직류로 변하게 된다. 그리고 그 리플에 타고 있는 노이즈를 제거하기 위하여 저역통과 필터 (일례로 60Hz 이하 파형만 통과하는 Low pass filter) 커패시턴스 (콘덴서)를 비선형 저항소자에 병렬로 연결한다.When a Zener bridge is used, a smoothed signal is produced, so there is no need to use a smoothing condenser, and only ripples remain in the rectified signal. The rectified signal is still too high to be used, so if the voltage is lowered by passing it through a nonlinear variable resistance element, the size of the ripple is relatively reduced accordingly. By passing this voltage down process through a nonlinear resistance element, the size of the ripple can be minimized. And when voltage regulation is performed in the last step, the small ripple changes into complete direct current. And to remove noise in the ripple, a low-pass filter (for example, a low-pass filter that only passes waveforms below 60Hz) is connected in parallel to the nonlinear resistance element.

그러면 고용량의 커패시턴스 대신에 저용량 저전압용 커패시턴스를 사용하게 된다. 그러면 그 전원 시스템은 소형화가 가능해진다. 즉, 일례로 60Hz 이상의 파형을 제거한다.Then, a low-capacity, low-voltage capacitance is used instead of a high-capacitance capacitance. Then, the power system can be miniaturized. That is, for example, waveforms above 60Hz are removed.

(다기능 비선형 저항 어레이의 실시예)(Embodiment of multi-functional nonlinear resistor array)

먼저, 본 발명의 제1 측면에 따르는 다기능 비선형 저항 어레이의 실시예 및 변형예를, 도 1a 내지 도 5를 참조하여 설명한다.First, embodiments and modifications of a multi-functional nonlinear resistor array according to the first aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 5.

도 1a는 동일 조건에서 비선형 저항이 선형 저항보다 작다는 것을 보여준다. Figure 1a shows that the nonlinear resistance is smaller than the linear resistance under the same conditions.

즉, 도 1a의 V-I 특성 그래프에서, 기울기의 역수가 저항(R)이 되는바, 선형 (저항소자의) 직선의 기울기(1/R2) 및 비선형 (저항소자의) 커브(20)의 기울기(1/R1)에 대해, I=V1/R1=V2/R2 이므로, V1/V2=R1/R2<1 이므로, 비선형 소자의 저항(R1)이 선형 소자의 저항(R2) 보다 작게 된다. 즉, 비선형 소자의 기울기(1/R1)가 선형 소자의 기울기(1/R2) 보다 크다. That is, in the V-I characteristic graph of FIG. 1A, the reciprocal of the slope is the resistance (R), so the slope (1/R2) of the linear (resistive element) straight line and the slope (1/R2) of the non-linear (resistive element) curve 20 ( 1/R1), since I=V1/R1=V2/R2, and V1/V2=R1/R2<1, the resistance (R1) of the nonlinear element is smaller than the resistance (R2) of the linear element. That is, the slope (1/R1) of the nonlinear element is greater than the slope (1/R2) of the linear element.

한편, 도 1b는 비선형 저항의 대표적인 소자인 PN 접합 다이오드의, 순방향 비선형 특성커브(30) 및 역방향 비선형 특성커브(40)를 보여준다. 순방향은 보통의 정류다이오드 특성이지만, 역방향은 제너 다이오드의 특성을 보여준다. 따라서, 역방향 다이오드의 브렉다운 특성은 제너 다이오드의 특성(50)을 보여주며, 역방향 다이오드는 제너다이오드로 간주될 수 있다.Meanwhile, Figure 1b shows the forward nonlinear characteristic curve 30 and the reverse nonlinear characteristic curve 40 of a PN junction diode, a representative nonlinear resistance device. The forward direction shows the characteristics of a normal rectifier diode, but the reverse direction shows the characteristics of a Zener diode. Therefore, the breakdown characteristics of the reverse diode show the characteristics of the Zener diode (50), and the reverse diode can be considered a Zener diode.

계속해서, 도 2a는 두 개의 PN 접합 다이오드로 구성된 바이폴라 트랜지스터와 제너 다이오드로 구성된 제일 단순한 정전압 회로를 보여주는바, 전력이 지나가는 제1 바이폴라 트랜지스터(101)의 콜렉터와 베이스 단 사이에 접속되는 선형 (가변) 저항(102)과 베이스 단자와 접지 사이에 연결되는 정전압용 제너 다이오드(103)로 이루어진다. Continuing, Figure 2a shows the simplest constant voltage circuit consisting of a bipolar transistor consisting of two PN junction diodes and a Zener diode, and a linear (variable) circuit connected between the collector and base terminal of the first bipolar transistor 101 through which power passes. ) It consists of a resistor 102 and a Zener diode 103 for constant voltage connected between the base terminal and ground.

도 2b는, 상기 도 2a의 정전압 회로에서 피드백 기능이 바이폴라 트랜지스터로 구성된 회로를 보여주고 있는바, 출력단 분압저항(106,107)의 접속점에 제어단이 연결되고 상기 제너 다이오드(103)에 에미터 단이 접속되는 상기 제1 바이폴라 트랜지스터(101) 제어용 제2 바이폴라 트랜지스터(104)가 추가되어 진다.FIG. 2B shows a circuit in which the feedback function in the constant voltage circuit of FIG. 2A is composed of a bipolar transistor, where the control terminal is connected to the connection point of the output voltage dividing resistors 106 and 107, and the emitter terminal is connected to the Zener diode 103. A second bipolar transistor 104 for controlling the first bipolar transistor 101 is added.

이때, 상기 제1 NPN 트랜지스터(101)는, 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NP형 다이오드와 PN형 다이오드의 역방향 다이오드쌍(240)으로 대체될 수 있다.At this time, the first NPN transistor 101 can be replaced with a reverse diode pair 240 of an NP-type diode and a PN-type diode in a multi-functional nonlinear resistance array.

또한, 도 3a는 도 2b의 정전압 회로에서 피드백 기능이 연산 증폭기로 구성된 회로를 보여주는바, 상기 제2 트랜지스터(104)가 비교용 증폭기(105)로 대체되더라도 마찬가지이다. In addition, FIG. 3A shows a circuit in which the feedback function of the constant voltage circuit of FIG. 2B is composed of an operational amplifier, and the same applies even if the second transistor 104 is replaced with the comparison amplifier 105.

더욱이, 상기 도 3a에서 제1 NPN 바이폴라 트랜지스터(101)는, 전력이 지나가는 전계효과 트랜지스터(111)로 대체될 수 있으며, 상기 제1 전계효과 트랜지스터(111)는 다시 전계효과 채널이 형성된 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NP형 다이오드와 PN형 다이오드의 역방향 다이오드쌍(250)으로 대체될 수 있다. 즉, 도 3b는 정전압 회로에서 주전류가 흐르는 부분에서 전계효과 트랜지스터(111)가 사용되고 피드백 기능이 연산 증폭기(105)로 구성된 회로를 보여준다.Moreover, in FIG. 3A, the first NPN bipolar transistor 101 can be replaced with a field effect transistor 111 through which power passes, and the first field effect transistor 111 is a multi-function nonlinear resistor in which a field effect channel is formed. It can be replaced with a reverse diode pair 250 of an NP-type diode and a PN-type diode in the array. That is, Figure 3b shows a circuit in which the field effect transistor 111 is used in the part where the main current flows in the constant voltage circuit and the feedback function is composed of the operational amplifier 105.

이제, 도 4a는, 비선형 저항 어레이(non-linear resistance array)에서 여러 종류의 비선형 저항 소자들의 내부 배선도를 보여주는바, 도 4a의 (a)는 순방향 다이오드들만이 직렬연결된 다기능 비선형 저항 어레이(200-1) 속에 있는 순방향 다이오드 어레이(210)는 본 발명의 범주에 속하지 않는다. Now, Figure 4a shows an internal wiring diagram of various types of non-linear resistance elements in a non-linear resistance array. Figure 4a (a) shows a multi-functional non-linear resistance array (200-) in which only forward diodes are connected in series. 1) The forward diode array 210 does not fall within the scope of the present invention.

반면, 도 4a의 (b) 내지 도 4a의 (d)의 순방향 다이오드와 역방향 다이오드들이 직렬연결된 다기능 비선형 저항 어레이(200-2, 200-3, 200-4)는 전계효과 채널의 형성 여부, 역방향 다이오드쌍의 개수, NPN형인가 PNP형인가 여부에 관계없이, 본 발명의 범주에 속한다.On the other hand, the multifunctional nonlinear resistor arrays 200-2, 200-3, and 200-4 in which forward diodes and reverse diodes of FIGS. 4A(b) to 4A(d) are connected in series are determined whether a field effect channel is formed or not, and whether a field effect channel is formed or not. Regardless of the number of diode pairs and whether they are NPN or PNP types, they fall within the scope of the present invention.

보다 구체적으로, 도 4a의 (b)는 NP형 다이오드와 PN형 다이오드가 역방향으로 직렬 접속된 다이오드쌍(220)(본 명세서에서 'NPN형 다이오드쌍'이라 함)이 적어도 하나 이상 존재하는 비선형 저항 어레이의 예(200-2)를 보여 준다.More specifically, (b) in FIG. 4A shows a nonlinear resistance in which at least one diode pair 220 (referred to as 'NPN type diode pair' in this specification) in which an NP-type diode and a PN-type diode are connected in series in the reverse direction is present. An example of an array (200-2) is shown.

도 4a의 (c)는, PNP형 다이오드쌍(230)과 NPN형 다이오드쌍(240)을 아울러 갖는 비선형 저항 어레이의 예(200-3)이고, 도 4a의 (d)는, 전계효과 채널이 형성된 PNP형 다이오드쌍(250)과 NPN형 다이오드쌍(240)을 아울러 갖는 비선형 저항 어레이의 예(200-4)이다.Figure 4a (c) is an example of a nonlinear resistance array (200-3) including a PNP type diode pair 230 and an NPN type diode pair 240, and Figure 4a (d) shows a field effect channel. This is an example 200-4 of a nonlinear resistor array including a PNP type diode pair 250 and an NPN type diode pair 240.

미설명부호 (221), (241) 및 (251)은, 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 순방향 다이오드와 역방향 다이오드의 접속점에서의 외부 단자이다.Non-illustrated symbols (221), (241), and (251) are external terminals at the connection points of the forward diode and reverse diode in the multi-function nonlinear resistance array.

한편, 상기 다기능 비선형 저항 어레이는, 도 4b 내지 도 4f에서 보는 바와 같이, PNP형 다이오드쌍(250) 또는 NPN형 다이오드쌍(240)에 직렬 접속된 추가의 순방향 다이오드를 더 포함할 수 있으며, 혹은 이상의 비선형 저항 어레이들이 2쌍 이상 직렬 연결될 수도 있는바, 도 4b 내지 도 4f는 이러한 다양한 변형예들을 보여준다.Meanwhile, the multi-function nonlinear resistor array may further include an additional forward diode connected in series to the PNP type diode pair 250 or the NPN type diode pair 240, as shown in FIGS. 4B to 4F, or Two or more pairs of the above nonlinear resistor arrays may be connected in series, and FIGS. 4B to 4F show various modifications.

추가적으로, 이러한 도 4a의 (b) 내지 도 4a의 (d)의 순방향 다이오드와 역방향 다이오드들이 직렬연결된 다기능 비선형 저항 어레이(200-2, 200-3, 200-4)는, 반도체 공정에 의해 단일 칩 안에 내장되어 제조될 수 있는바, 이러한 다기능 비선형 저항 어레이의 칩(300)에는 접속 단자들(221, 241, 251)만이 외부로 노출되도록 할 수 있다. 즉, 도 5(a)는 도 4a의 (b) ~ (d)의 다기능 비선형 저항 어레이가 하이브리드 구조 혹은 반도체 칩 구조로 제조된 레이아웃을 보여준다. 또한, 각각의 소자들이 연결되는 부분에서 외부 단자로 연결되는 것을 보여준다. 이 단자들은 다른 기능을 추가할 때 사용되는 것으로, 도 5(a)는 다기능 비선형 저항 어레이(Multi-functional non-linear resistance array)가 되는 구조를 보여준다. Additionally, the multifunctional nonlinear resistor arrays 200-2, 200-3, and 200-4 in which the forward diodes and reverse diodes of FIGS. 4A (b) to 4A (d) are connected in series are manufactured on a single chip through a semiconductor process. Since it can be manufactured by being built into the chip 300 of this multi-functional nonlinear resistance array, only the connection terminals 221, 241, and 251 can be exposed to the outside. That is, Figure 5(a) shows the layout of the multi-functional nonlinear resistor array of Figures 4a (b) to (d) manufactured in a hybrid structure or semiconductor chip structure. In addition, it shows that each element is connected to an external terminal at the connection point. These terminals are used to add other functions, and Figure 5(a) shows the structure of a multi-functional non-linear resistance array.

미설명 부호 (310) 은, 이러한 다기능 비선형 저항 어레이의 기호인바, 작성의 편리를 위하여 기호를 만든 것이다. 즉, 도 5(b)는, 상기 다기능 비선형 저항 어레이(300)를, 기호로 간단히 표기하는 기호의 정의를 보여준다. 미설명 부호 (311) 은 상기 다기능 비선형 저항 어레이(300)의 입력단자이고, 미설명 부호 (312) 는 상기 다기능 비선형 저항 어레이(300)의 출력단자이며, 미설명 부호 (313) 은 상기 다기능 비선형 저항 어레이(300)의 중간단자이다.The unexplained symbol 310 is a symbol for such a multi-functional nonlinear resistance array, and was created for convenience of writing. That is, Figure 5(b) shows the definition of a symbol that simply represents the multi-functional nonlinear resistance array 300. An unexplained symbol 311 is an input terminal of the multi-function nonlinear resistor array 300, an unexplained code 312 is an output terminal of the multi-function nonlinear resistor array 300, and an unexplained code 313 is an input terminal of the multi-function nonlinear resistor array 300. It is the middle terminal of the resistor array 300.

(교류-직류 전원 시스템의 실시예)(Embodiment of AC-DC power system)

이제, 상기 다기능 비선형 저항 어레이가 교류 전원에 연결되고, 합성부하와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 본 발명의 제2 측면에 따르는 교류-직류 전원 시스템에 대하여, 도 6 내지 도 15를 참조하여 설명한다.Now, with reference to FIGS. 6 to 15, for an AC-DC power system according to the second aspect of the present invention, characterized in that the multi-functional nonlinear resistor array is connected to an AC power source and connected in series with a composite load. Explain.

즉, 상기 다기능 비선형 저항 어레이(310)를 전원 시스템에 실제 응용한 실시예들을 설명하는바, 도 6은 다기능 비선형 저항 어레이의 제1 응용예로서, 교류 전원(400)에 연결된 강압용 직류 변환기로서의 다기능 비선형 저항 어레이(310)가 합성 부하저항(450)과 직렬연결된 것을 보여준다.That is, embodiments of the actual application of the multi-function nonlinear resistor array 310 to the power system are described. FIG. 6 is a first application example of the multi-function nonlinear resistor array, as a step-down DC converter connected to the AC power source 400. It shows that the multi-functional nonlinear resistor array 310 is connected in series with the composite load resistor 450.

도 6의 회로에서는, 우선 교류 전원(40) 및 합성 부하저항(450) 사이에 본 발명의 다기능 비선형 저항 어레이(310)가 직렬 접속되어, 정 방향 전류는, "교류 전원(40) -> 다기능 비선형 저항 어레이(310) -> 합성 부하저항(450) -> 제2 정류용 다이오드(420) -> 교류 전원(40)" 의 순으로 흐르게 된다 (실선 화살표 참조). 아울러, 상기 다기능 비선형 저항 어레이(310)의 입력단자(311)와 접지 사이에 제1 정류용 다이오드(410)가 삽입되고, 상기 다기능 비선형 저항 어레이(310)의 중간단자(313)와 교류 전원(40) 사이에 제3 정류용 다이오드(430)가 삽입되어, 역 방향 전류는, "교류 전원(40) -> 제3 정류용 다이오드(430) -> 다기능 비선형 저항 어레이(310) -> 합성 부하저항(450) -> 제1 정류용 다이오드(410) -> 교류 전원(40)" 의 순으로 흐르게 된다 (점선 화살표 참조). 상기 정류용 다이오드(410,420,430)는 바람직하게는 정류용 제너 다이오드이다.In the circuit of Figure 6, first, the multi-function nonlinear resistance array 310 of the present invention is connected in series between the AC power source 40 and the composite load resistor 450, and the forward current is "AC power source 40 -> multi-function. It flows in the following order: nonlinear resistance array 310 -> composite load resistance 450 -> second rectifying diode 420 -> AC power supply 40 (see solid arrow). In addition, a first rectifying diode 410 is inserted between the input terminal 311 of the multi-function nonlinear resistor array 310 and ground, and the middle terminal 313 of the multi-function nonlinear resistor array 310 and the AC power supply ( 40), the third rectifying diode 430 is inserted between them, and the reverse current is "AC power supply 40 -> third rectifying diode 430 -> multi-functional nonlinear resistance array 310 -> composite load. It flows in the following order: resistance 450 -> first rectifying diode 410 -> AC power supply 40 (see dotted arrow). The rectifying diodes 410, 420, and 430 are preferably Zener diodes for rectifying.

도 7은 다기능 비선형 저항 어레이의 제2 응용예로서, 교류 전원(400)에 연결된 로우 패스 필터(LPF)로서의 다기능 비선형 저항 어레이(310)가 합성 부하저항(450)과 직렬연결된 것을 보여준다.Figure 7 shows a second application example of a multi-function nonlinear resistor array, in which a multi-function nonlinear resistor array 310 as a low pass filter (LPF) connected to an AC power source 400 is connected in series with a composite load resistor 450.

도 7의 회로에서는, 도 6의 회로에서의 AC 전원과, 다기능 비선형 저항 어레이(310)에 대해 병렬로, 저주파수 통과 필터용 커패시터(C)(460)가 연결되어 고주파수 제거용 저주파수 통과 필터(RC Low Pass Filter)의 기능이 추가된 것을 보여준다.In the circuit of FIG. 7, a capacitor (C) 460 for a low-frequency pass filter is connected in parallel with the AC power source in the circuit of FIG. 6 and the multi-function nonlinear resistor array 310 to form a low-frequency pass filter (RC) for high-frequency removal. It shows that the function of Low Pass Filter has been added.

도 8은 다기능 비선형 저항 어레이의 제3 응용예로서, 도 7의 회로에서 AC 전원과 다기능 비선형 저항 어레이(310) 사이에 AC 임피던스용 커패시터(470)를 더 추가한 것을 보여준다. 이것은 AC 전압을 줄이는 역할을 한다.FIG. 8 shows a third application example of a multi-function nonlinear resistor array, in which an AC impedance capacitor 470 is added between the AC power source and the multi-function nonlinear resistor array 310 in the circuit of FIG. 7. This serves to reduce AC voltage.

도 9는 다기능 비선형 저항 어레이의 제4 응용예로서, 도 8의 회로에서 AC 전원과 다기능 비선형 저항 어레이(310) 사이에 AC 임피던스용 인덕터(480)를 더 추가한 것을 보여준다. 이것은 AC 전압을 줄이는 역할을 한다.FIG. 9 shows a fourth application example of a multi-function nonlinear resistor array, in which an inductor 480 for AC impedance is added between the AC power source and the multi-function nonlinear resistor array 310 in the circuit of FIG. 8. This serves to reduce AC voltage.

도 10은 다기능 비선형 저항 어레이의 제5 응용예로서, 도 8의 회로에서 다기능 비선형 저항 어레이와 합성 부하 저항이 병렬로 연결된 것을 보여준다. 이 병렬연결의 기능은 전원을 다양한 목표 전압 (예를들면, +3.3V, -3.3V, 5V 등) 을 만들기 위함이다. 즉, 상기 제1 다기능 비선형 저항 어레이(310-1)의 다른 중간단자(314)에, 제2 다기능 비선형 저항 어레이(310-2)와 제2 합성 부하저항(450-2)의 회로가 접속됨으로써, 제1 다기능 비선형 저항 어레이(310-1) 보다 더욱 강압된 직류 전압을 생성하게 된다. 추가적으로, 상기 제1 다기능 비선형 저항 어레이(310-1)의 다른 중간단자(314)에 제3 다기능 비선형 저항 어레이(310-3)와 제3 합성 부하저항(450-3)의 회로가 병렬 연결될 수도 있다.FIG. 10 is a fifth application example of a multi-function nonlinear resistor array, and shows a multi-function nonlinear resistor array and a composite load resistor connected in parallel in the circuit of FIG. 8. The function of this parallel connection is to create a power supply with various target voltages (e.g. +3.3V, -3.3V, 5V, etc.). That is, the circuit of the second multi-function non-linear resistor array (310-2) and the second composite load resistor (450-2) is connected to the other intermediate terminal 314 of the first multi-function non-linear resistor array (310-1). , a more stepped-down direct current voltage is generated than that of the first multi-functional nonlinear resistance array 310-1. Additionally, the circuit of the third multi-function non-linear resistor array (310-3) and the third composite load resistor (450-3) may be connected in parallel to the other intermediate terminal 314 of the first multi-function non-linear resistor array (310-1). there is.

한편, 상기 도 6 내지 도 10에서는, 제1 내지 제3 정류용 다이오드(410,420,430)를 정류용 제너 다이오드로 예를 들었으나, 제너 다이오드가 아닌 일반 정류 다이오드로 하여도 상관없는바, 일반 정류 다이오드도 본 발명의 범위를 벗어나는 것이 아니다.Meanwhile, in FIGS. 6 to 10, the first to third rectifying diodes 410, 420, and 430 are used as Zener diodes for rectification, but they may be used as general rectifier diodes rather than Zener diodes. It is not outside the scope of the present invention.

도 11a는 다기능 비선형 저항 어레이의 또다른 응용예를 보여준다. 도 11a의 (a)는, 소형 1W 이하의 3.3V의 리플이 없고 AC 80 ~ 280V의 프리전압과 150KHz 이상에서도 안정적인 동작을 보여주는 회로를 보여준다. 도 11a의 (b)는, 도 11a의 (a)에 대응하는 다기능 비선형 저항 어레이의 내부 구성도이다. Figure 11a shows another application example of a multi-functional nonlinear resistor array. Figure 11a (a) shows a small circuit with no ripple of 3.3V under 1W and stable operation even at a free voltage of AC 80 to 280V and over 150KHz. FIG. 11A (b) is an internal configuration diagram of a multi-function nonlinear resistance array corresponding to FIG. 11A (a).

보다 구체적으로 상술하면, AC 교류 전원(400)이 교류 저항용 커패시터(C2) 및 저주파수 통과 필터용 커패시터(C1)를 통하여 브릿지다이오드(BD1)에 접속되며, 다시 상기 브릿지다이오드(BD1)에는 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NPN 트랜지스터(240)와 등가의 NPN형 다이오드쌍(240)과 가변저항(VR1)의 제1 강압회로가 접속되어 진다. 상기 제1 강압회로는, NPN형 다이오드쌍(240)의 베이스와 컬렉터 사이에 제1 가변저항(VR1)이 접속되어 이루어지고, 한편, 제2 강압회로는 제2 NPN형 다이오드쌍(240')의 베이스와 컬렉터 사이에 제2 가변저항(VR2)이 접속되면서 제1 제너다이오드(ZD1)가 베이스단에 접속되어 이루어지며, 제3 강압회로 역시, 제3 NPN형 다이오드쌍(240")의 베이스와 컬렉터 사이에 제3 가변저항(VR3)이 접속되면서 제2 제너다이오드(ZD2)가 베이스단에 접속되어 이루어진다. 다른 한편, 제4 강압회로는, 전계효과 채널이 형성된 PNP형 다이오드쌍(250)의 게이트와 소스 사이에 제4 가변저항(VR4)이 접속되면서 제3 제너다이오드(ZD3)가 게이트단에 접속되어 이루어지되, 피드백 기능의 연산 증폭기(OP1) 및 제5 가변저항(VR5) 및 제6 저항(R6)으로 구성된 피드백 회로가 구비된 경우를 보여준다. More specifically, the AC AC power supply 400 is connected to the bridge diode BD1 through the AC resistance capacitor C2 and the low-frequency pass filter capacitor C1, and the bridge diode BD1 has a multi-function nonlinear The NPN transistor 240 in the resistor array and the equivalent NPN type diode pair 240 and the first step-down circuit of the variable resistor VR1 are connected. The first step-down circuit is formed by connecting a first variable resistor (VR1) between the base and the collector of the NPN type diode pair 240, while the second step-down circuit is formed by connecting the second NPN type diode pair 240'. A second variable resistor (VR2) is connected between the base and the collector, and the first Zener diode (ZD1) is connected to the base terminal, and the third step-down circuit is also connected to the base of the third NPN type diode pair (240"). A third variable resistor (VR3) is connected between and the collector, and a second zener diode (ZD2) is connected to the base terminal. On the other hand, the fourth step-down circuit is a PNP-type diode pair 250 in which a field effect channel is formed. The fourth variable resistor (VR4) is connected between the gate and the source, and the third zener diode (ZD3) is connected to the gate terminal, and the feedback function operational amplifier (OP1), the fifth variable resistor (VR5), and the 6 This shows a case where a feedback circuit consisting of a resistor (R6) is provided.

경우에 따라서, 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 순방향 다이오드(210)가 추가될 수 있으며, 각 NPN형 다이오드쌍(240, 240', 240")의 접속점에는 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NPN 트랜지스터의 베이스의 외부단자(240B)가 구비되고 (도 11a의 (b) 참조), 전계효과 채널이 형성된 PNP형 다이오드쌍(250)의 게이트에도 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 전계효과 트랜지스터의 게이트의 외부단자(250G)가 구비되어 진다. In some cases, a forward diode 210 in the multi-function non-linear resistor array may be added, and the connection point of each NPN type diode pair (240, 240', 240") is outside the base of the NPN transistor in the multi-function non-linear resistor array. The terminal 240B is provided (see (b) of FIG. 11A), and the gate of the PNP-type diode pair 250 in which the field effect channel is formed also has an external terminal 250G of the gate of the field effect transistor in the multi-functional nonlinear resistor array. It is provided.

상호 인접하는 NPN형 다이오드쌍(240과 240'; 240'와 240")들 간의 접속점에도 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NPN 트랜지스터의 외부단자(241)가 구비되어진다. The external terminal 241 of the NPN transistor in the multi-function nonlinear resistor array is also provided at the connection point between the adjacent NPN type diode pairs (240 and 240'; 240' and 240").

부가적으로, 리플에 타고 있는 노이즈를 제거하기 위하여 저역통과 필터 (60Hz 이하 파형만 통과하는 Low pass filter) 용 커패시턴스(C3)를 비선형 저항소자(210)에 병렬로 연결하기도 한다.Additionally, in order to remove noise in the ripple, a capacitance (C3) for a low pass filter (a low pass filter that only passes waveforms of 60 Hz or less) is connected in parallel to the nonlinear resistance element 210.

한편, 상기 도 11a에서는, 상기 브릿지다이오드(BD1)에 제너 다이오드를 사용하여 구현한 예를 예시하였으나, 상기 브릿지다이오드(BD1)에 사용되는 다이오드는 도 11b에서 보는 바와 같이 제너 다이오드가 아닌 일반 다이오드를 사용하여도 문제가 없으며, 일반 다이오드를 사용한 경우도 본 발명의 범위를 벗어나는 것이 아니다.Meanwhile, in FIG. 11a, an example of implementation using a Zener diode is shown for the bridge diode (BD1). However, as shown in FIG. 11b, the diode used in the bridge diode (BD1) is a general diode rather than a Zener diode. There is no problem in using it, and even if a general diode is used, it does not go beyond the scope of the present invention.

즉, 도 11b는 다기능 비선형 저항 어레이의 추가적인 또다른 응용예를 보여주는바, 도 11b의 (a)는, 소형 1W 이하의 3.3V의 리플이 없고 AC 80 ~ 280V의 프리전압과 150KHz 이상에서도 안정적인 동작을 보여주는 회로를 보여준다. 도 11b의 (b)는, 도 11b의 (a)에 대응하는 다기능 비선형 저항 어레이의 내부 구성도로서, 일반 다이오드를 사용하는 브릿지 다이오드(210)가 포함되어 있다. That is, Figure 11b shows another additional application example of a multi-functional nonlinear resistor array. Figure 11b (a) shows a small size with no ripple of 3.3V under 1W and stable operation even at a free voltage of AC 80 to 280V and over 150KHz. Shows a circuit that shows . (b) in FIG. 11B is an internal configuration diagram of a multi-functional nonlinear resistance array corresponding to (a) in FIG. 11B, and includes a bridge diode 210 using a general diode.

도 11a의 (a) 및 도 11b의 (a)에서, 부재번호 510, 520, 530, 540 및 550을 비롯한 굵은 점인 도트(dot)로 표현된 지점은 외부단자를 표현한 것이고, 특히 부재번호 510, 520, 530, 540 및 550은 각각, 제1 내지 제5 측정지점을 나타내며, 510 및 520 등은 각각, 도 11a의 (b) 및 도 11b의 (b)에서 부재번호 221 및 241 등으로 표현되기도 한다.In Figure 11a (a) and Figure 11b (a), the points expressed as bold dots, including member numbers 510, 520, 530, 540, and 550, represent external terminals, especially number 510, 520, 530, 540, and 550 represent the first to fifth measurement points, respectively, and 510 and 520 are also represented by reference numerals 221 and 241 in Figures 11a (b) and Figure 11b (b), respectively. do.

(실험예)(Experimental example)

마지막으로, 도 12 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 다기능 비선형 저항 어레이 회로를 이용한 교류-직류 전원시스템의 실험예를 상술한다.Finally, with reference to FIGS. 12 to 15, an experimental example of an AC-DC power system using the multi-functional nonlinear resistance array circuit of the present invention will be described in detail.

도 12는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 각 지점에서의 전압 파형도이고, 도 13은 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로의 실험용 구현예에 대한 사진이고, 도 14는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 실제 실험을 행하는 사진이며, 도 15는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로를 이용한 교류-직류 전원시스템(700)의 실제 구현된 사진이다.FIG. 12 is a voltage waveform diagram at each point for the multi-function nonlinear resistor array circuit according to the present invention, FIG. 13 is a photograph of an experimental implementation example of the multi-function nonlinear resistor array circuit according to the present invention, and FIG. This is a photo showing an actual experiment on the multi-functional nonlinear resistance array circuit, and Figure 15 is a photo of the actual implementation of the AC-DC power system 700 using the multi-functional nonlinear resistor array circuit according to the present invention.

즉, 도 13에서, 상기 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로를 실험용으로 구현한 후, 도 14에서 보는 바와 같이, 상기 실험용 다기능 비선형 저항어레이를 포함하는 교류-직류 전원시스템(600)에 대하여 오실로스코프를 사용하여 각 지점의 파형을 관측한 실험 결과가 도 12에 도시되어 있다. 부재번호 (800)은 파형 측정을 위한 오실로스코프인바, 오실로스코프 프로브(810)가 부하(450)에 연결된 모터 제어용 과부하계전기(900)의 일 지점에 접속되고, 최종 목표인 DC 3.3V 측정 파형이 오실로스코프 출력파형(820)으로 나타나 있다.That is, in FIG. 13, after implementing the multi-functional nonlinear resistance array circuit according to the present invention for experimentation, as shown in FIG. 14, an oscilloscope was used for the AC-DC power system 600 including the multifunction nonlinear resistance array for experimentation. The experimental results of observing the waveform at each point using are shown in Figure 12. Reference number 800 is an oscilloscope for waveform measurement. The oscilloscope probe 810 is connected to a point of the motor control overload relay 900 connected to the load 450, and the final target DC 3.3V measurement waveform is output from the oscilloscope. It is shown as waveform 820.

도 12에서의 회로에서, 상기 브릿지다이오드(BD1)에 의해 1차 정류된 지점(510)의 12.4V 전압 (도 12의 (a) 참조) 이, 제1 강압회로(240, VR1)에 의해 더 낮은 11.4V 전압 (도 12의 (b) 참조) 으로 강압되고, 다시 제2 강압회로(240', VR2, ZD1, C3)에 의해 더욱 낮은 5.92V 전압 (도 12의 (c) 참조) 으로 강압되며, 추가로 제3 강압회로(240", VR3, ZD2)에 의해 한층 더 낮은 5.12V 전압 (도 12의 (d) 참조) 으로 강압되는바, 최종적으로 제4 강압회로(250, VR4, ZD3, OP1)에 의해 원하는 안정된 DC 3.4V 전압을 얻을 수가 있게 된다.In the circuit of FIG. 12, the 12.4V voltage (see (a) of FIG. 12) at the point 510 first rectified by the bridge diode (BD1) is further reduced by the first step-down circuit (240, VR1). It is stepped down to a low voltage of 11.4V (see (b) in FIG. 12), and then stepped down again to an even lower voltage of 5.92V (see (c) in FIG. 12) by the second step-down circuit (240', VR2, ZD1, C3). In addition, it is reduced to a lower voltage of 5.12V (see (d) of FIG. 12) by the third step-down circuit (240", VR3, ZD2), and finally, the fourth step-down circuit (250, VR4, ZD3) , OP1), the desired stable DC 3.4V voltage can be obtained.

도 12는 본 발명에 관한 다기능 비선형 저항 어레이 회로에 대한 각 지점에서의 전압 파형도인바, 도 12의 (a)는 도 11a의 (a)에서의 510 접속점의 출력 파형이고, 도 12의 (b)는 도 11a의 (a)에서의 520 접속점의 출력 파형이고, 도 12의 (c)는 도 11a의 (a)에서의 530 접속점의 출력 파형이며, 도 12의 (d)는 도 11a의 (a)에서의 540 접속점의 출력 파형인바, 비교를 위해 최종 출력파형 (550 접속점의 파형) 과 같이 도시하였다.FIG. 12 is a voltage waveform diagram at each point for the multi-functional nonlinear resistance array circuit according to the present invention. FIG. 12 (a) is the output waveform of the 510 connection point in FIG. 11A (a), and FIG. 12 (b) ) is the output waveform of the 520 connection point in (a) of Figure 11A, (c) in Figure 12 is the output waveform of the 530 connection point in (a) of Figure 11A, and (d) in Figure 12 is ( This is the output waveform of the 540 connection point in a), and is shown as the final output waveform (waveform of the 550 connection point) for comparison.

즉, 이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.In other words, although the present invention has been described above according to an embodiment of the present invention, changes and modifications made by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains without departing from the technical spirit of the present invention are also included in the present invention. Belonging is natural.

10 : 선형 직선
20 : 비선형 커브
30 : 순방향 다이오드의 비선형 특성 커브
40 : 역방향 다이오드의 비선형 특성 커브
50 : 역방향 다이오드의 브렉다운 특성 (제너 다이오드의 특성)
101 : 전력이 지나가는 바이폴라 트랜지스터
102: 선형 저항
103: 정전압용 제너 다이오드
104: (전력이 지나가는 바이폴라 트랜지스터의) 제어용 바이폴라 트랜지스터
105: 비교용 증폭기
106: 비례용 선형 저항 1
107: 비례용 선형 저항 2
111: 전력이 지나가는 전계효과 트랜지스터
210: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 순방향 다이오드
211: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 순방향 다이오드의 외부 단자
220: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 역방향 다이오드 (제너 다이오드)
221: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 역방향 다이오드의 외부단자
230: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 PNP 트랜지스터(역방향 PN 접합 소자 쌍)
240: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NPN 트랜지스터(역방향 PN 접합 소자 쌍)
240B: NPN 트랜지스터의 베이스의 외부단자
241: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 NPN 트랜지스터의 외부단자
250: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 전계효과 트랜지스터(역방향 PN 접합 소자 쌍)
250G: 전계효과 트랜지스터의 게이트 단자
251: 다기능 비선형 저항 어레이 속에 있는 전계효과 트랜지스터의 외부단자
300: 다기능 비선형 저항 어레이의 칩 구조
310: 다기능 비선형 저항 어레이
310-1: 제1 다기능 비선형 저항 어레이
310-2: 제2 다기능 비선형 저항 어레이
310-3: 제3 다기능 비선형 저항 어레이
400: 교류 전원
410: 제1 정류용 다이오드(제너 혹은 정류 다이오드)
420: 제2 정류용 다이오드(제너 혹은 정류 다이오드)
430: 제3 정류용 다이오드(제너 혹은 정류 다이오드)
450: 합성 부하저항
450-1: 제1 합성 부하저항
450-2: 제2 합성 부하저항
450-3: 제3 합성 부하저항
460: 저주파수 통과 필터용 커패시터
470: 교류 저항용 커패시터
480: 교류 저항용 인덕터
510: 측정지점 1
520: 측정지점 2
530: 측정지점 3
540: 측정지점 4
550: 측정지점 5
600: 실험용 다기능 비선형 저항어레이를 포함하는 교류-직류 전원시스템
700: 본 발명의 다기능 비선형 저항어레이를 포함하는 교류-직류 전원시스템
800: 오실로스코프
810: 오실로스코프 프로브
820: 오실로스코프 출력파형 (3.3V 목표)
900: 부하에 연결된 모터 제어용 과부하계전기
10: linear straight line
20: Non-linear curve
30: Nonlinear characteristic curve of forward diode
40: Nonlinear characteristic curve of reverse diode
50: Breakdown characteristics of reverse diode (characteristics of Zener diode)
101: Bipolar transistor through which power passes
102: linear resistance
103: Zener diode for constant voltage
104: Bipolar transistor for control (of the bipolar transistor through which power passes)
105: Amplifier for comparison
106: Linear resistance 1 for proportional
107: Linear resistance 2 for proportional
111: Field effect transistor through which power passes
210: Forward diode in multifunctional nonlinear resistor array
211: External terminal of the forward diode in the multi-function nonlinear resistor array
220: Reverse diode (Zener diode) in a multi-functional nonlinear resistor array
221: External terminal of reverse diode in multi-function nonlinear resistor array
230: PNP transistor (reverse PN junction element pair) in a multi-function nonlinear resistor array
240: NPN transistor (reverse PN junction element pair) in a multi-function nonlinear resistor array
240B: External terminal of the base of the NPN transistor
241: External terminal of NPN transistor in multi-function nonlinear resistor array
250: Field-effect transistor (reverse PN junction element pair) in a multi-function nonlinear resistor array
250G: Gate terminal of field effect transistor
251: External terminal of the field effect transistor in the multi-functional nonlinear resistor array
300: Chip structure of multifunctional nonlinear resistor array
310: Multifunctional nonlinear resistor array
310-1: First multi-function nonlinear resistor array
310-2: Second multi-function nonlinear resistor array
310-3: Third multi-function nonlinear resistance array
400: AC power
410: First rectifying diode (Zener or rectifying diode)
420: Second rectifier diode (Zener or rectifier diode)
430: Third rectifying diode (Zener or rectifying diode)
450: Composite load resistance
450-1: 1st composite load resistance
450-2: Second composite load resistance
450-3: Third composite load resistance
460: Capacitor for low-frequency pass filter
470: Capacitor for alternating current resistance
480: Inductor for alternating current resistance
510: Measuring point 1
520: Measuring point 2
530: Measuring point 3
540: Measuring point 4
550: Measuring point 5
600: AC-DC power system including a multi-functional nonlinear resistance array for experimentation
700: AC-DC power system including the multi-functional nonlinear resistance array of the present invention
800: Oscilloscope
810: Oscilloscope probe
820: Oscilloscope output waveform (3.3V target)
900: Overload relay for motor control connected to the load

Claims (14)

입력단자에서 출력단자 사이에서 PN 접합을 갖는 소자가 6개 이상 직렬로 연결되는 다기능 비선형 저항 어레이로서, 상기 6개 이상의 소자 중에서 적어도 2개는 역방향 PN 접합 소자 쌍을 형성하고, 각각의 소자들이 연결되는 부분 중 적어도 한 곳의 중간단자는 외부 단자로도 연결되며, 다기능 비선형 저항 어레이에서의 전류 흐름 방향은 입력단자에서 출력단자로 향하거나 중간단자에서 출력단자로 향하거나 입력단자에서 중간단자로 향하는 다기능 비선형 저항 어레이.
It is a multi-functional nonlinear resistor array in which six or more elements having a PN junction are connected in series between an input terminal and an output terminal, where at least two of the six or more elements form a reverse PN junction element pair, and each element is connected Among the parts, at least one middle terminal is connected to an external terminal, and the direction of current flow in the multi-function nonlinear resistor array is from the input terminal to the output terminal, from the middle terminal to the output terminal, or from the input terminal to the middle terminal. Multifunctional nonlinear resistor array.
제 1 항에 있어서,
상기 다기능 비선형 저항 어레이는, 하이브리드 방식으로 칩이 제조되는 다기능 비선형 저항 어레이.
According to claim 1,
The multi-function non-linear resistor array is a multi-function non-linear resistor array whose chips are manufactured using a hybrid method.
제 1 항에 있어서,
상기 다기능 비선형 저항 어레이는, 반도체 공정에 의해 모노리틱 방식으로 칩으로 제조되는 다기능 비선형 저항 어레이.
According to claim 1,
The multi-function non-linear resistor array is a multi-function non-linear resistor array manufactured as a monolithic chip through a semiconductor process.
제 3 항에 있어서,
상기 칩은, 하나의 패키지로 제조되는 다기능 비선형 저항 어레이.
According to claim 3,
The chip is a multi-functional nonlinear resistor array manufactured in one package.
제 1 항에 있어서,
상기 PN 접합을 갖는 소자는, 다이오드, 제너다이오드, 바이폴라 트랜지스터, 전계효과 트랜지스터를 포함하는 다기능 비선형 저항 어레이.
According to claim 1,
The device having the PN junction is a multi-functional nonlinear resistor array including a diode, Zener diode, bipolar transistor, and field effect transistor.
교류 전원에 연결된 제 1 항의 다기능 비선형 저항 어레이가, 합성부하와 직렬로 연결되는 교류-직류 전원 시스템.
An AC-DC power system in which the multi-functional nonlinear resistor array of claim 1 connected to an AC power source is connected in series with a composite load.
제 6 항에 있어서,
상기 합성부하는, PN 다이오드 혹은 PN 접합 제너다이오드와 직렬로 연결되는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 6,
The composite load is an AC-DC power system connected in series with a PN diode or PN junction Zener diode.
제 7 항에 있어서,
교류 입력 전원에 병렬로 연결되는 커패시터를 포함하는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 7,
An alternating current-direct current power system that includes a capacitor connected in parallel to an alternating current input power source.
제 8 항에 있어서,
교류 입력 전원에 직렬로 연결되는 커패시터를 포함하는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 8,
An alternating current-direct current power system that includes a capacitor connected in series with an alternating current input power source.
제 8 항에 있어서,
교류 입력 전원에 직렬로 연결되는 인덕터를 포함하는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 8,
An alternating current-direct current power system that includes an inductor connected in series with an alternating current input power source.
제 9 항에 있어서,
다기능 비선형 저항 어레이와 합성부하가 두 개 이상 병렬로 연결되는 교류-직류 전원 시스템.
According to clause 9,
An AC-DC power system in which a multi-functional nonlinear resistance array and two or more composite loads are connected in parallel.
제 6 항에 있어서,
프로세서 유니트를 포함하는 1W 이하의 합성부하를 포함하는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 6,
An AC-DC power system with a combined load of 1W or less, including a processor unit.
제 12 항에 있어서,
상기 프로세서 유니트는, 코어, CPU, MPU, MCU 와 같이 연산 기능을 하는 장치가 내장되어 있는 프로세서를 포함하는 교류-직류 전원 시스템.
According to claim 12,
The processor unit is an AC-DC power system including a processor with a built-in device that performs arithmetic functions, such as a core, CPU, MPU, or MCU.
제 2 항에 있어서,
상기 칩은, 하나의 패키지로 제조되는 다기능 비선형 저항 어레이.
According to claim 2,
The chip is a multi-functional nonlinear resistor array manufactured in one package.
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Title
미국 공개 특허 US 2011/0163679 A1 (명칭: AC Light Emitting Diode Device Having Integrated Passive Device)
미국 등록 특허 US 9,912,253 B2 (명칭: Full Bridge Tunnel Diode Inverter)

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