KR20010068048A - 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치 - Google Patents

부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 교통 신호등에 사용되는 전원 장치에 있어서, LED의 잔류 전류를 소거할 수 있는 전원 장치에 관한 것이다. 본 발명은 입력 교류 전류를 소정 크기 이하로 제한하는 과전류 차단부, 정류부, 정류부의 출력을 소정 크기 이하로 전압을 제한하는 과전압 차단부, 전원 장치 출력 전압 크기를 조절하고 정전압으로 유지하는 정전압 유지 회로, 전원이 턴 오프되는 경우 부하의 잔류 전류를 소거하기 위한 잔류 전류 소거 회로를 구비한다. LED에 전원 공급이 순간적으로 끊어진 경우에 LED의 잔류 전류에 의한 잔상을 제거할 수 있고, 각각의 신호등의 LED가 장기간 악천후 속에서 과전류로 손상되었을 때 매번 손상된 회로를 수리해야 하는 불편을 제거하여 효과적으로 과전류를 차단할 수 있다.

Description

부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치{POWER SUPPLY DEVICE DISCHARGING RESIDUAL CURRENT OF LOAD}
본 발명은 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 다이오드(LED)로 된 교통 신호등에 사용되는 전원 장치에 있어서, 용량성 부하인 발광 다이오드의 전원 턴 오프시의 잔류 전류를 소거할 수 있는 전원 장치에 관한 것이다.
전자 회로 또는 전기 장치를 구동하기 위해 전원 전압을 공급해주는 회로를 전원 회로라고 한다. 이하, 기존의 일반적인 전원 공급 장치에 대하여 설명한다.
도 1a는 종래의 일반적인 전원 공급 장치의 구성 블록도를 나타내고, 도 1b는 도1a의 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 일반적인 전원 공급 장치는 변압기(100), 변압기(100) 출력단에 연결된 정류부(110), 정류부(110) 출력단에 연결된 정전압부(120)로 구성된다.
변압기(100)에서 교류 전원 신호를 입력받아 원하는 크기의 교류 전압으로 변환하고, 정류부(110)에서 교류를 직류로 변환한다. 정류 회로로는 브리지 다이오드 및 평활용 콘덴서가 일반적으로 많이 쓰인다. 정전압부(120)에서 정류부(110)의 출력인 직류 전압을 일정한 크기의 정전압으로 만들어 부하(130)에공급한다.
도 2a는 종래의 전압 조절기능을 가진 전원 공급 장치의 구성 블록도를 나타내고, 도 2b는 도 2a의 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 전압 조절기능을 가진 전원 공급 장치는 정류부(200), 정류부(200)의 출력단에 연결된 전압 조절부(210)로 구성된다.
종래의 전압 조절기능을 가진 전원 공급 회로는 상용 교류 전원(AC)에 연결되어 있는 휴즈(FL), 휴즈에 연결되어 있는 다이오드 브리지(DB), 다이오드 브리지(DB)에 결합된 평활 콘덴서(C11), 평활 콘덴서(C11)에 1차측 코일이 병렬로 연결되어 있는 트랜스포머(TN), 트랜스포머(TN)의 2차측 코일에 애노드 단자가 연결되어 있는 다이오드(D11), 다이오드(D11)의 캐소드 단자에 연결되어 있는 콘덴서(C12) 그리고 콘덴서(C12)에 병렬로 연결되어 있는 부하(10)로 구성된다.
상용 교류 전원(AC)이 휴즈(FL)를 거쳐서 다이오드 브리지로 인가되면, 휴즈는 상용 교류 전원(AC)이 정격 용량을 벗어나서 과도하게 인가되는 경우에 이를 차단한다.
다이오드 브리지(DB)는 상용 교류 전원(AC)을 전파 정류하여 맥류 파형으로 출력하고, 콘덴서(C11)는 다이오드 브리지로부터 인가되는 맥류 파형을 평활시켜 직류(DC) 신호를 트랜스포머(TN)로 출력한다.
트랜스포머(TN)는 입력 전압의 전압 레벨을 적절하게 변동시켜 출력함으로써 출력 전압을 조절한다. 다이오드(D11) 및 콘덴서(C12)는 트랜스포머(TN)의 출력을 다시 반파 정류 및 평활화시켜 출력함으로써 부하(10)를 동작시킨다.
종래의 전원 회로는 과전압이 인가되는 경우에 이를 차단하지 못하게 됨으로써 부하가 손상을 입게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 전원 회로는 과도한 전류가 인가되는 경우에 퓨즈를 이용하여 차단함으로써 전원 회로를 보호할 수 있지만, 끊어진 부분을 다시 이어야 하므로 매번 회로를 수리해야 하는 불편이 있다.
즉, 상기 종래의 일반적인 전원 공급 장치는 회로 내의 과전류로 인한 회로 및 부하의 손상을 막을 수 없고, 변압기 출력인 교류 전압의 피크 값에 의한 과전압을 차단할 수 없다. 이러한 문제점을 개선하여 과전류 및 과전압을 차단할 수 있도록 하기 위한 전원 공급 회로가 고안되고 있다
과전압으로 인한 문제점을 해결하기 위하여, 과전압이 인가되는 경우에 이를 차단시킴으로써 부하를 보호하기 위한 기술이 국내 실용신안 공개 제1991-008100호 (발명의 명칭 "과전압 제어회로")의 과전압 제어 회로와 국내 실용신안 공개 제1989-021872호 (발명의 명칭 "파워 서플라이의 과전압 차단 회로")의 파워 서플라이 과전압 차단 회로에서 개시된 바 있다.
그러나, 상기 과전압 제어 회로와 파워 서플라이 과전압 차단 회로는 회로 구성이 너무 복잡한 문제점이 있다.
회로가 복잡하지 않으면서 과전압을 차단시키기 위한 기술로서, 국내 실용신안 공개 제1991-010125호 (발명의 명칭 "과전압 보호 회로")의 과전압 보호 회로가 개시된 바 있다.
그러나, 상기한 과전압 보호 회로는, 트랜지스터의 문턱 전압이 일반적으로상당히 낮은 데도 불구하고 트랜지스터의 문턱 전압을 이용하여 과전압을 검출 및 판단하기 때문에 과전압 판단을 위한 기준 전압을 상기한 트랜지스터 문턱 전압보다 높게 설정할 수 없는 설계상 제약이 뒤따르게 된다.
또한, 상기한 과전압 보호 회로는 과전압을 차단하기 위하여 설치되어 있는 실리콘 제어 소자가 과전압을 차단하기도 전에 트랜지스터를 통해서 과도하게 입력되는 과전압에 의해 손상될 수도 있으므로 회로상 구성이 매우 취약한 문제점도 있다.
상기와 같은 문제점을 해결한 과전압 차단회로로 국내 실용신안 공개 제1998-011886호 (발명의 명칭 "전원 공급 회로의 과전압 차단장치")가 있다. 상기 발명의 회로 구성을 도 3a 및 도 3b에 도시하였다.
도3a는 도 2a의 과전압 차단 기능을 개선한 전원 공급 장치의 구성 블록도를 나타내고, 도 3b는 도 2b의 과전압 차단 기능을 개선한 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예를 나타낸다.
이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 과전압을 차단하기 위한 회로의 동작 원리를 설명한다.
상기 과전압 차단 회로는 비교기(302)를 사용하여 입력 전압을 기준 전압인 Vref와 비교할 수 있도록 함으로써 회로 설계시에 과전압 판단을 위한 기준 전압을 임의로 설정할 수 있도록 하고 있다. 포토커플러를 이용하여 과전압이 걸린 경우 이를 검출하고, 과전압 검출 신호가 전달되도록 함으로써, 전기적인 노이즈 또는 과전압에 의해 영향을 받지 않으면서 과전압이 안전하게 차단될 수 있도록 한다.또한, 과전압 차단 수단을 2중으로 설치함으로써 매우 큰 과전압이 입력되는 경우에도 부하는 결코 손상을 받지 않도록 한다.
한편, 상기 과전류로 인한 문제점을 해결하기 위한 종래의 과전류 차단을 위한 회로에 대한 기술을 살펴보면 다음과 같다.
도 2b 및 3b의 퓨즈를 이용한 과전류 차단 회로의 경우는 과전류로 인해 퓨즈가 끊어진 경우에 이를 복구해주어야 하는 문제점이 있다.
상기와 같은 단선으로 인한 복구 문제를 해결하여 입력 전압의 갑작스런 변동 등으로 인하여 발생되는 과전류로부터 스위칭 소자들을 보호하기 위한 회로로, 스위칭 소자인 트랜지스터의 이미터단에 와트(Watt) 저항을 두는 회로가 있다. 이 회로는 와트 저항의 사이즈가 크고, 저항에 흐르는 전류가 모두 열로 소비되는 문제점이 있다.
또한, 스위칭 전원 회로(SMPS; Switched Mode Power Supply)에 입력 전압의 갑작스런 변동 등에 의해 과전압이 발생하면, 스위칭 소자의 베이스로 인가되는 전류를 차단하여 스위칭 소자를 턴-오프 시킴으로써 과전류로부터 회로를 보호하는 회로가 있다. 이 회로는 스위칭 소자의 콜렉터와 이미터간의 전류를 직접 센싱하지 않고, 간접적으로 스위칭 소자의 베이스로 흐르는 전류를 제어함으로써, 와트 저항을 이용하지 않아도 과전류를 차단할 수 있어 가격 및 사이즈를 줄일 수 있다. 또한, 이 회로는 스위칭 소자의 베이스로 흐르는 전류는 콜렉터에 흐르는 전류에 비해 1/fec 전류만 흐름으로 인하여 저항에 의한 열 소비를 억제하는 효과가 있다.
또한, 상기 모터 회로에서 과전류로부터 회로를 보호하기 위한 수단으로써,모터가 동작할 때 모터에 설정값 이상인 과전류가 인가될 때 적분 동작을 실행하여 적분 면적이 설정치 이상일 경우 동작 중인 모터의 회전 동작을 중지시키기 위한 제어 신호를 출력하는 과전류 보호 회로가 있다.
위와 같은 과전류 차단 회로들은 회로 구성이 복잡하고, 교통 신호등의 전원 장치로 사용될 경우처럼 장시간 악천후 속에서 작동되어야하는 때에는 안정적인 동작이 보장되기 어려운 문제점이 있다.
부하로 매우 많은 수의 발광 다이오드(LED)를 사용할 경우에 부하를 구동하기 위해 회로내 큰 전류 및 전압이 필요하고 이 경우 과전류 및 과전압을 차단하기 위한 회로가 필요하다.
종래의 전원 회로는 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 신호등으로 사용하는 교통 신호등에 적용할 경우, 전국적으로 널리 퍼져 있고, 매우 많은 수의 신호등과 같은 부하가 과전류로 인한 손상되었을 때 손상된 신호등을 매번 복구하기에는 매우 불편하다. 특히, 부하인 LED에 쇼트(short)가 생긴 경우 기존의 변압기를 사용한 LED 신호등 용 전원 회로는 변압기가 타버리는 문제점이 있다.
또한, 스위칭 동작에 의해 LED에 전원 공급이 순간적으로 끊어진 경우에 LED에는 잔류 전류가 흐르게 되며, 이때의 잔류 전류를 방전시키지 않으면 LED가 완전히 꺼지지 않고 잔상이 남는 문제가 발생한다. LED를 교통 신호등에 사용할 경우 잔상이 남게되면 신호등으로서의 정확한 교통신호 표시를 할 수 없는 문제가 있다.
결국, 종래의 과전압 차단 및 과전류 제어 회로로는 LED를 부하로 사용할 경우에 잔류 전류를 방전하여 잔상을 없애기 어려운 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, LED 신호등을 사용하는 교통 신호등에서 LED에 전원 공급이 순간적으로 끊어진 경우에 LED의 잔류 전류에 의한 잔상을 제거할 수 있는 잔류 전류 소거 기능을 구비한 LED를 신호등으로 사용하는 교통 신호등의 전원 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 LED를 신호등으로 사용하는 교통 신호 등의 전원 장치에 있어서, 각각의 신호등의 LED가 장기간 악천후 속에서 과전류로 손상되었을 때, 매번 손상된 회로를 수리해야 하는 불편을 제거하기 위하여 효과적으로 과전류를 차단할 수 있는 전원 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 적은 수(예를 들어, 약 120 개정도)의 LED로도 신호등으로서의 충분한 밝기를 제공함과 동시에 과전류 및 과전압으로 인한 부하인 LED가 손상을 입지 않도록 하기 위한 과전류 및 과전압을 차단할 수 있는 전원 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1a는 종래의 일반적인 전원 공급 장치의 구성 블록도.
도 1b는 도1a의 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예.
도 2a는 종래의 전압 조절기능을 가진 전원 공급 장치의 구성 블록도.
도 2b는 도 2a의 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예.
도3a는 도 2a의 과전압 차단 기능을 개선한 전원 공급 장치의 구성 블록도.
도 3b는 도 2b의 과전압 차단 기능을 개선한 전원 공급 장치의 회로 구성도의 일예.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 공급 장치의 전체 회로 구성도의 일예.
도 5는 도 4의 과전압 차단부의 회로 구성도의 일예.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 정류부 400: 과전압 차단부
410: 잔류 전류 소거부 430: 정전압 유지부
422: 과전류 차단 콘덴서
상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 교류 전원 신호를 입력받는 제1 교류 전원 입력부 및 제2 교류 전원 입력부, 용량성 부하에 직류 전압을 공급하는 제1 전원 공급부 및 제2 전원 공급부, 상기 제1 교류 전원 입력부에 일단이 결합하여 소정 크기 이상의 과전류를 차단하는 과전류 차단부, 상기 과전류 차단부와 상기 제1 교류 전원 입력부에 결합하여 상기 과전류 차단부의 출력 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류부, 상기 제1 전원 공급부와 상기 제2 전원 공급부 사이에 결합하여 상기 입력 교류 전원이 턴 오프될 때, 상기 용량성 부하의 잔류 전류를 방전시키는 방전용 스위칭 소자를 포함하는 방전 경로, 상기 과전류 차단부의 타단 및 상기 제2 교류 전원 입력부와 결합하여 교류 전원의 +, - 신호에 각각 응답하여 광전 효과를 이용하기 위한 빛을 방출시키는 교류 전원 검출용 발광부 및 상기 교류 전원 검출용 발광부 및 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단에 결합되어 상기 교류 전원 검출용 발광부로부터 빛을 입력받은 경우 상기 방전용 스위칭 소자를 턴 오프시켜 상기 방전 경로를 오픈시키는 교류 전원 검출용 수광 소자를 포함하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치가 제공된다.
상기 검출용 발광부는 캐소드와 애노드의 방향을 반대로 하여 병렬 연결한 2개의 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 과전류 차단부는 교류 전원 신호를 입력받아 소정 크기 이상의 전류를 차단하는 제1 콘덴서를 포함할 수 있다. 상기 제1 콘덴서는 상기 제1 콘덴서를 가변시켜 상기 과전류 차단부의 출력 전류 크기를 조절함으로써 상기 용량성 부하에 공급되는 전압 크기를 조절할 수 있다. 또한, 상기 제1 콘덴서에 병렬로 제2 콘덴서를 결합함으로써 콘덴서 용량을 가변시켜 상기 용량성 부하에 공급되는 전압 크기를 조절할 수도 있다. 또한, 상기 과전류 차단부는 상기 제1 콘덴서에 병렬로연결되어 입력 전원이 턴-오프 되는 경우 상기 제1 콘덴서에 축적된 전류를 소거하는 제1 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 방전 경로는 상기 방전용 스위칭 소자의 일단 및 상기 제1 전원 공급부에 결합되어 입력 교류 전원이 턴-오프될 때 상기 부하의 전류를 상기 방전 경로를 통하여 방전시키는 방전용 저항을 더 포함할 수 있다. 상기 방전용 스위칭 소자는 상기 제1 전원 공급부와 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단에 결합되어 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단으로 유입되는 전류를 제한하기 위한 제1 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 교류 전원 검출용 수광 소자는 바이폴라 트랜지스터(BJT)가 될 수 있다. 또한, 상기 교류 전원 검출용 수광 소자는 상기 교류 전원 검출용 수광 소자에 병렬로 연결되어 상기 교류 전원 검출용 수광 소자의 출력 전압이 양의 값을 유지하도록 하는 제1 콘덴서를 더 포함할 수 있다.
잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는 상기 과전류 차단부의 일단과 상기 교류 전원 검출용 발광부의 일단에 결합된 제1 저항 및 상기 제2 교류 전원 입력부와 상기 교류 전원 검출용 발광부의 타단에 결합된 제 2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 부하는 용량성 부하가 될 수 있고, 바람직하게는 교통 신호등에 사용되는 복수 개의 발광 다이오드(LED)가 될 수 있다.
상기 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는 상기 제1 전원 공급부와 상기 제2 전원 공급부에 병렬로 연결된 제1 콘덴서를 더 포함할 수 있다.
상기 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는 상기 정류부의 출력을 입력으로 하여 소정 크기 이하로 전압을 제한하여 과전압을 차단하는 과전압 차단부 및 상기 과전압 차단부의 출력을 입력으로 하여 소정 범위 내에서 일정한 크기의 정전압을 생성하여 상기 부하에 공급하는 정전압 유지부를 더 포함할 수 있다.
상기 정류부는 상기 과전류 차단부의 일단, 상기 제2 교류 전원 입력부, 상기 과전압 차단부의 일단 및 상기 제2 전원 공급부에 결합되어 교류 전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지 다이오드 및 상기 브리지 다이오드의 출력단에 병렬로 결합되어 상기 브리지 다이오드의 출력 전압을 평활하하는 평활용 콘덴서를 포함할 수 있다.
상기 과전압 차단부는 상기 평활용 콘덴서의 양(+)의 출력 전압을 애노드단에 입력받아 턴-온 되는 제1 다이오드 및 상기 제1 다이오드의 캐소드단 및 상기 제2 전원 공급부에 병렬로 결합하여 상기 제1 다이오드가 턴-온 되는 경우에 출력 전압을 소정 크기 이하로 제한하는 제너다이오드를 포함할 수 있다.
상기 정전압 유지부는 상기 제2 전원 공급부에 결합하여 복수의 제너 다이오드의 조합을 이용하여 상기 부하에 공급되는 전압 크기를 조절하고 정전압을 제공하는 제너 다이오드, 상기 과전압 차단부의 출력단, 상기 제1 전원 공급부 및 상기 제너 다이오드의 캐소드단에 결합하여 상기 제너 다이오드의 정전압 출력보다 소정 크기만큼 작은 정전압을 상기 제1 전원 공급부로 제공하는 정전압용 트랜지스터 및 상기 과전압 차단부의 출력단 및 상기 제너 다이오드의 캐소드단에 결합되어 상기정전압용 트랜지스터의 베이스로 흘러 들어가는 전류를 안정화시키는 저항을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 공급 장치의 전체 회로 구성도의 일예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 공급 장치는 크게 교류 전원 입력부의 일단(452, 또는 제1 교류 전원 입력부)에 연결된 과전류 차단부(420), 과전류 차단부(420)의 출력단(노드 N1)과 교류 전원 입력부의 타단(454, 또는 제2 교류 전원 입력부)에 연결된 정류부(110), 정류부(110)의 출력단(노드 N3, N0)에 연결된 과전압 차단부(400), 과전압 차단부(400)의 출력단(노드 N5) 및 정류부(110)의 출력단(노드 N0)에 연결된 정전압 유지부(430) 및 전원 장치의 출력단(노드 N7, N0)에 연결된 부하(440)로부터 잔류 전류를 방전하기 위해 전원 공급부(456, 458)(노드 N7, N0), 과전류 차단부(420)의 출력단(노드 N1) 및 교류 전원 입력단의 타단(노드 N2)에 결합된 잔류 전류 차단부(410)를 포함한다.
이하, 각 부분 별로 회로의 동작을 설명한다.
과전류 차단부(420)는 교류 전원(예를 들어, 220V 교류 전원)을 입력받아 전류의 크기를 일정한 최대값 이하로 제한하는 역할을 한다. 본 발명은 과전류 차단부(420)로 콘덴서(422)를 사용한다.
과전류 차단부(420)는 콘덴서(422), 콘덴서(422)에 병렬로 연결된 저항(R1, R2)(각각 저항값 100K 내지 500K)을 포함한다. 콘덴서(422)로는 약 내전압 교류 220V 이상의 마일러 콘덴서를 사용할 수 있다.
교류 전원 입력단(452, 454)에 220V의 교류 전압이 인가되면 콘덴서(422)를 통하여 일정 크기 이상의 전류는 차단하고, 그 이하의 전류만을 통과시킨다. 콘덴서의 용량에 비례하여 통과할 수 있는 전류의 최대값이 제한된다. 예를 들어, 220 V 교류 전압이 인가되면, 콘덴서의 정전 용량이 0.1uF인 경우에는 약 0.09A로 전류가 제한되고, 정전 용량이 6.6uF인 경우에는 약 0.59A로 전류가 제한된다. 바람직하게는 약 0.5 V로 제한된 전류를 통과시키도록 콘덴서 용량을 1.25uF 정도로 조정한다(이하, 콘덴서에 의한 제한 전류를 0.5 V를 기준으로 설명한다).
콘덴서(422)에 의해 제한되는 최대 전류 크기는 상기 예에 한정되지 않고 콘덴서의 용량을 변화시켜가면서 다양하게 변형이 가능함은 물론이다. 즉, 콘덴서(422)로 가변 콘덴서를 사용하거나, 콘덴서(422)에 별도의 콘덴서를 병렬로 연결함으로써 콘덴서의 용량을 변화시킬 수 있다.
본 발명인 콘덴서를 사용할 경우 복잡한 회로 구성 없이도 간단히 전원 입력단에서 과전류를 차단할 수 있다. 또한, 콘덴서의 용량을 가변시킴으로써 과전류 차단부(420)의 출력 전류 크기를 조정함으로써 본 발명인 전원 장치의 출력 전압 크기를 조절할 수 있다.
정류부(110)는 과전류 차단부(420)를 거친 교류 출력을 직류로 변환해주며, 도 4에 도시한 브리지 다이오드 및 평활용 콘덴서(C2)(내전압 25V 이상, 용량 500내지 3000uF)만 가능한 것이 아니라 정류 작용을 하는 회로라면 그 외의 회로도 사용 가능함은 물론이다.
브리지 다이오드의 출력은 전파 정류된 전압이고, 평활용 콘덴서를 거치면서 교류 전압의 리플이 평활화되고, 그 결과 출력은 직류 전압이 된다.
과전압 차단부(400)는 정류부(110)를 거친 직류 전압을 일정한 최대값 이상은 통과되지 않도록 한다. 즉, 최대값 이하의 전압만을 통과시켜 회로를 과전압으로부터 보호한다. 자세한 설명은 도 5에서 후술한다.
정전압 유지부(430)는 과전압 차단부의 출력(노드 N5), + 전원 공급부(노드 N7)에 결합되어 출력 전압을 일정한 정전압으로 유지하도록 하는 정전압용 트랜지스터 회로(432), 정전압용 트랜지스터(TR 1)의 베이스단(노드 N6)에 연결되어 부하에 공급되는 출력 전압을 원하는 크기로 세팅할 수 있는 제너 다이오드(또는 정전압 다이오드)(434)(정격 전력 0.5 W 이상 사용)를 포함한다.
정전압용 트랜지스터 회로(432)는 노드 N5와 TR 1의 베이스단간에 결합하여 정전압용 트랜지스터(TR 1)의 베이스로 과도한 전류가 흘러 들어가지 않도록 전류를 안정화시키는 저항(R5)(저항값으로 3 내지 7K)을 포함한다.
과전압 차단부(400)의 출력 전류는 저항 R5을 거쳐 정전압용 트랜지스터(TR 1)의 베이스로 흘러가며, 베이스(노드 6)에 문턱 전압(Vth) 이상의 전압이 인가되어 TR 1을 동작시킨다. 또한, 노드 N6에는 제너 다이오드(434)의 총 제너 전압 Vz(여기서는 Vz = 13 + 2.4 = 15.4 V) 보다 큰 전압(24 V)이 결리도록 설계된다. 따라서, 제너 다이오드 전압-전류 특성상 노드 N6의 전압은 약 15.4로 일정하게 유지된다. 노드 7의 전압은 제1 TR의 베이스-에미터단 전압 강하만큼 떨어진 전압으로 일정하게 유지된다.
본 회로에서는 출력 전압을 조절하기 위해 제너 다이오드를 사용한다. 예를 들어, 부하에서 요구하는 전압이 20V이면 약 15V의 제너 다이오드, 약 6 V의 제너 다이오드를 사용하여 부하단의 전압이 20V 정도가 되도록 조절할 수 있다. 즉, 요구 전압의 크기는 제너 다이오드의 브레이크다운 전압(Vz)의 조합을 이용하여 얼마든지 조절할 수 있다.
결과적으로, TR 1(432) 및 제너 다이오드(434)를 거치면 부하에 공급되는 전압(노드 7)은 제너 다이오드의 조합에 의해 조절될 수 있고, 일정하게 정전압이 유지될 수 있다.
LED와 같은 용량성 부하에 전원이 공급되지 않는 경우 LED에서 발광이 없어져야 함에도 실제로는 잔류 전류가 흘러 희미한 잔상이 남는다. 이를 제거하기 위한 회로가 잔류 전류 소거부(410)이다.
잔류 전류 소거부(410)는 전원이 순간적으로 끊어진 경우 부하에 남은 전류를 방전시키기 위한 것이다. 전원이 순간적으로 끊어졌는지 여부는 교류 전원 입력부(454) 및 과전류 차단부(420)의 출력단(노드 N1)을 통해 감지한다.
도 4를 참조하면, 잔류 전류 소거부(410)는 방전용 저항(R6, 416) 및 방전용 스위칭 소자(TR 2)를 포함하는 방전 경로(414)를 갖고, 포토커플러(413)을 갖는다. 방전용 저항(R6)(정격 전력 20 내지 50W, 저항값은 약 50 내지 300)은 부하단(노드 7)에 결합된다. 방전용 스위칭 소자로는 바람직하게는 트랜지스터(TR 2)를 사용할 수 있다.
방전용 트랜지스터(TR 2)의 콜렉터단은 방전용 저항(R6)에 결합되고, 베이스단은 저항 R7(저항값 3 내지 7K)을 통하여 정전압 유지부(430)의 출력단(노드 N7)에 결합됨과 동시에 교류 전원 검출용 수광 소자(412)의 콜렉터 출력(노드 N8)에 결합된다. 또한, 방전용 트랜지스터의 에미터단은 부하단(노드 N0)에 결합된다. 여기서, 수광 소자(412)는 바람직하게는 바이폴라 트랜지스터(BJT)가 될 수 있다.
포토커플러(413)는 교류 전원 검출부(411), 교류 전원 검출용 수광 소자(412) 및 콘덴서(C4)로 구성된다.
교류 전원 검출부(411)는 캐소드와 애노드의 방향을 반대로 하여 병렬로 연결한 2개의 발광 다이오드로 구성되며, 저항 R4(저항값 1 내지 5K)를 통하여 과전류 차단용 콘덴서(C1)의 출력단(노드 N1)에 결합되고, 저항 R3(저항값 1 내지 5K)을 통하여 교류 전원 입력부(노드 N2)와 결합된다. 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)의 콜렉터단(노드 N8)은 방전용 트랜지스터(TR 2)의 전압 제어 입력단인 베이스단에 결합되고, 에미터단은 부하단(노드 N0)에 결합된다. 콘덴서(C4)는 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)의 콜렉터단과 에미터단에 병렬로 연결된다.
이하, 회로 동작을 설명한다.
전원이 턴 오프(TURN OFF)로 된 직후, 부하에 흐르는 잔류 전류를 빼내기 위해 방전용 트랜지스터(TR 2), 방전용 저항(R6) 및 저항 R7을 사용한다. 전원이 턴오프 된 직후에는 부하단에 병렬 연결된 콘덴서 C3(내저압 25V 이상, 용량 800 내지 1500uF) 및 용량성 부하에는 전하가 충전되어 있고, 포토커플러(413)의 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)도 턴 오프되어 포토커플러(413)와 방전용 트랜지스터의 베이스단 사이는 오픈(open)된다. 콘덴서 C3에 충전된 전압이 노드 N7에 걸리고, 제2 트랜지스터의 베이스단에는 노드 N7의 전압에서 저항 R7에서의 전압 강하 분만큼 뺀 전압이 걸린다. 즉, 교류 전원이 턴 오프된 이후, 콘덴서 C3에 충전된 전압에 의한 방전용 트랜지스터의 베이스에 걸리는 전압이 문턱 전압보다 큰 경우에는 방전용 트랜지스터(TR 2)가 턴 온(TURN ON) 된다. 따라서, 방전용 저항(R6) 및 방전용 트랜지스터(TR 2)를 통해 부하에 남아 있던 잔류 전류가 접지(GND)로 방전된다.
바람직하게는, 본 발명의 전원 회로에서는 방전용 저항은 내전압이 약 1/4 와트(Watt)인 저항을 사용할 수 있고, 방전용 트랜지스터로는 달링톤 트랜지스터를 사용할 수 있다.
교류 전원이 공급되고 있는 동안에는 포토커플러(413)가 작동이 되고 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)의 콜렉터단 전압이 접지 전압에 가까워져 방전용 트랜지스터(TR 2)의 베이스에 문턱 전압 이하의 전압을 인가하므로 방전용 트랜지스터(TR 2)는 턴 오프 된다. 즉, 전원이 공급되고 있는 동안에는 방전용 트랜지스터(TR 2)는 동작을 하지 않도록 설계되어 있다.
포토커플러(412)는 콘덴서 C1에서 일단 과전류가 차단이 된 후, 보호 저항(R3, R4)을 거쳐 교류 전압을 인가 받는다. 포토커플러(413)에 인가되는 교류전압이 +에서 -로 바뀌는 순간 즉, 0이 되는 순간이 있는데, 이 때 콘덴서 C4(내전압 50V 이상, 용량 3 내지 10uF)는 C4에 충전된 전압을 이용하여 순간적으로 전압이 0이 되는 것을 방지해주는 역할을 한다.
교류 전원이 제공되고 있는 동안에는 교류 전압이 +일 때 뿐만 아니라 - 일 때에도 발광 다이오드(411)를 동작시켜 발광을 일으킨다. 즉, 발광된 빛이 전기적 신호로 변환되어 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)의 베이스에 문턱 전압 이상의 전압이 인가되도록 설계하여 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)를 턴 온시킨다. 교류 전원이 턴 오프된 동안에는 발광 다이오드(411)에서 발광이 일어나지 않으므로 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)의 베이스에 전압이 걸리지 않고, 따라서 교류 전원 검출용 트랜지스터(412)는 턴 오프 된다.
본 발명인 과전압 차단부(400)로는 RBO 40이라는 IC 칩(차단 전압 24 V)을 사용한다(이하, 과전압 차단 회로의 차단 전압을 24V로 보고 이를 기준으로 설명한다). 본 발명에서는 과전압 차단 전압을 24 V가 되도록 회로 구성을 하였으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니고, 설계 사양에 맞도록 얼마든지 변형이 가능하고, 그에 따라 이를 구현하기 위한 회로가 달라질 수 있음은 물론이다.
도 5는 도 4의 과전압 차단부의 회로 구성도의 일예를 나타내며, 이는 RBO 40 칩의 내부 회로 구성을 나타낸다. 도 5를 참조하여 회로 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 노드 N3에 문턱 전압 이상인 + 전압이 인가되면 다이오드 D1에 순방향 바이어스가 걸린다. 만약 노드 3에 25 V 전압이 인가되면, 다이오드 D1을 거쳐 노드 N8에 인가되는 전압은 제너 다이오드(또는 정전압 다이오드) T2의 Vz(브레이크다운 전압; 여기서는 Vz = 24V) 보다 큰 전압이 인가되고, 제너 다이오드 T2의 전압-전류 특성상 24 V 이상의 전압은 차단되어 출력단인 노드 N8의 전압은 24 V로 제한된다.
본 회로에서는 노드 3에는 24 V 이상인 직류 전압이 걸리도록 설계하였으므로 출력단인 노드 8에는 최대 24 V로 제한된 전압이 출력된다.
본 발명인 전원 회로는 바람직하게는 부하로 LED를 사용하는 교통 신호등의 전원 장치로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 전원 장치는 출력 전류가 직류이므로 자동차용 신호등 및 브레이크 등에도 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는 LED 신호등을 사용하는 교통 신호등에서 LED에 전원 공급이 순간적으로 끊어진 경우에 LED의 잔류 전류에 의한 잔상을 제거할 수 있는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 LED를 신호등으로 사용하는 교통 신호 등의 전원 장치에 있어서, 각각의 신호등의 LED가 장기간 악천후 속에서 과전류로 손상되었을 때, 매번 손상된 회로를 수리해야 하는 불편을 제거하여 효과적으로 과전류를 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 적은 수의 LED로도 신호등으로서의 충분한 밝기를 제공함과 동시에 과전류 및 과전압으로 인한 부하인 LED가 손상을 입지 않도록 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (18)

  1. 전원 장치에 있어서,
    교류 전원 신호를 입력받는 제1 교류 전원 입력부 및 제2 교류 전원 입력부;
    용량성 부하에 직류 전압을 공급하는 제1 전원 공급부 및 제2 전원 공급부;
    상기 제1 교류 전원 입력부에 일단이 결합하여 소정 크기 이상의 과전류를 차단하는 과전류 차단부;
    상기 과전류 차단부와 상기 제1 교류 전원 입력부에 결합하여 상기 과전류 차단부의 출력 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류부;
    상기 제1 전원 공급부와 상기 제2 전원 공급부 사이에 결합하여 상기 입력 교류 전원이 턴 오프될 때, 상기 용량성 부하의 잔류 전류를 방전시키는 방전용 스위칭 소자를 포함하는 방전 경로;
    상기 과전류 차단부의 타단 및 상기 제2 교류 전원 입력부와 결합하여 교류 전원의 +, - 신호에 각각 응답하여 광전 효과를 이용하기 위한 빛을 방출시키는 교류 전원 검출용 발광부 및
    상기 교류 전원 검출용 발광부 및 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단에 결합되어 상기 교류 전원 검출용 발광부로부터 빛을 입력받은 경우 상기 방전용 스위칭 소자를 턴 오프시켜 상기 방전 경로를 오픈시키는 교류 전원 검출용 수광 소자
    를 포함하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출용 발광부는 캐소드와 애노드의 방향을 반대로 하여 병렬 연결한 2개의 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 과전류 차단부는
    교류 전원 신호를 입력받아 소정 크기 이상의 전류를 차단하는 제1 콘덴서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 콘덴서는
    상기 제1 콘덴서를 가변시켜 상기 과전류 차단부의 출력 전류 크기를 조절함으로써 상기 용량성 부하에 공급되는 전압 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 콘덴서에 병렬로 제2 콘덴서를 결합함으로써 콘덴서 용량을 가변시켜 상기 용량성 부하에 공급되는 전압 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 과전류 차단부는
    상기 제1 콘덴서에 병렬로 연결되어 입력 전원이 턴-오프 되는 경우 상기 제1 콘덴서에 축적된 전류를 소거하는 제1 저항
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방전 경로는
    상기 방전용 스위칭 소자의 일단 및 상기 제1 전원 공급부에 결합되어 입력 교류 전원이 턴-오프될 때 상기 부하의 전류를 상기 방전 경로를 통하여 방전시키는 방전용 저항
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방전용 스위칭 소자는
    상기 제1 전원 공급부와 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단에 결합되어 상기 방전용 스위칭 소자의 전압 제어 입력단으로 유입되는 전류를 제한하기 위한 제1 저항
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전원 검출용 수광 소자는
    바이폴라 트랜지스터(BJT)인 것
    을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 교류 전원 검출용 수광 소자는
    상기 교류 전원 검출용 수광 소자에 병렬로 연결되어 상기 교류 전원 검출용 수광 소자의 출력 전압이 양의 값을 유지하도록 하는 제1 콘덴서
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는
    상기 과전류 차단부의 일단과 상기 교류 전원 검출용 발광부의 일단에 결합된 제1 저항; 및
    상기 제2 교류 전원 입력부와 상기 교류 전원 검출용 발광부의 타단에 결합된 제 2 저항
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부하는
    용량성 부하인 것
    을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 부하는
    교통 신호등에 사용되는 복수 개의 발광 다이오드(LED)인 것
    을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는
    상기 제1 전원 공급부와 상기 제2 전원 공급부에 병렬로 연결된 제1 콘덴서
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치는
    상기 정류부의 출력을 입력으로 하여 소정 크기 이하로 전압을 제한하여 과전압을 차단하는 과전압 차단부; 및
    상기 과전압 차단부의 출력을 입력으로 하여 소정 범위 내에서 일정한 크기의 정전압을 생성하여 상기 부하에 공급하는 정전압 유지부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는
    상기 과전류 차단부의 일단, 상기 제2 교류 전원 입력부, 상기 과전압 차단부의 일단 및 상기 제2 전원 공급부에 결합되어 교류 전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 브리지 다이오드; 및
    상기 브리지 다이오드의 출력단에 병렬로 결합되어 상기 브리지 다이오드의 출력 전압을 평활하하는 평활용 콘덴서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 과전압 차단부는
    상기 평활용 콘덴서의 양(+)의 출력 전압을 애노드단에 입력받아 턴-온 되는 제1 다이오드; 및
    상기 제1 다이오드의 캐소드단 및 상기 제2 전원 공급부에 병렬로 결합하여 상기 제1 다이오드가 턴-온 되는 경우에 출력 전압을 소정 크기 이하로 제한하는 제너다이오드
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 정전압 유지부는
    상기 제2 전원 공급부에 결합하여 복수의 제너 다이오드의 조합을 이용하여 상기 부하에 공급되는 전압 크기를 조절하고 정전압을 제공하는 제너 다이오드;
    상기 과전압 차단부의 출력단, 상기 제1 전원 공급부 및 상기 제너 다이오드의 캐소드단에 결합하여 상기 제너 다이오드의 정전압 출력보다 소정 크기만큼 작은 정전압을 상기 제1 전원 공급부로 제공하는 정전압용 트랜지스터; 및
    상기 과전압 차단부의 출력단 및 상기 제너 다이오드의 캐소드단에 결합되어 상기 정전압용 트랜지스터의 베이스로 흘러 들어가는 전류를 안정화시키는 저항
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 부하의 잔류 전류 소거 기능을 구비한 전원 장치.
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