KR200482184Y1 - 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 고안은, 2극 전원공급 단자로 인가되는 직류 전압의 방향에 상관없이, 직류 전압의 전압준위를 강하시키지 않은 상태로 램프모듈에 직접 공급할 수 있으며, 서로 다른 개수의 발광다이오드가 직렬로 연결된 복수의 발광다이오드 스트링에서 소비하는 전력을 최적화하고, 제1 및 제2 NPN TR을 각각 추가 구성하여 제1경로변경회로 선택시 제2 P채널 FET의 활성화를 방지하고 제2경로변경회로 선택시 제1 P채널 FET의 활성화를 방지할 수 있는, 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템을 개시한다.

Description

스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템{System for improving energy efficiency using swithching device}
본 고안은 전류제한이 있는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 2극 단자로 인가되는 직류 전압의 인가 방향과 무관하게 직류 전압의 전압준위를 강하시키지 않은 상태로 램프 모듈에 직접 공급함으로써 에너지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 램프 모듈에 공급되는 PWM 신호의 듀티를 조절함으로써 램프 모듈을 구성하는 복수의 발광다이오드 스트링의 광량을 조절할 수 있는, 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 발광 다이오드는 대량생산과 소형화가 가능하며, 진동에 강하며, 수명이 길고, 별도의 전력 변환 장치 없이 직류 전원을 이용하므로, 전기 배선 공사 또는 매설공사시 경제적인 조명시스템을 구축하는 데 활용되고 있다.
전술한 ＬＥＤ 램프의 구성으로서, 도 1을 참조하면, 종래의 ＬＥＤ 램프(100)는 직류 전압(DC)이 2개의 터미널(T1, T2)로 인가되며, 2개의 터미널(T1, T2)에서 인가되는 전압의 극성에 상관없이 일정한 크기를 가지는 전원(VDC)을 공급하도록 통상적으로 브릿지 다이오드 회로(110)를 구성한다.
제1 발광다이오드 스트링(120-1)에는 모두 8개의 발광다이오드가 연결되어 있지만, 제2 발광다이오드 스트링(120-2)에는 2개의 발광 다이오드 및 하나의 임피던스부(121)이 연결되어 있다. 제1 발광다이오드 스트링(120-1) 및 제2 발광다이오드 스트링(120-2)을 구성하는 발광다이오드의 전기적인 특성이 동일하고, 제1 발광다이오드 스트링(120-1)에 흐르는 전류(i1)의 크기와 제2 발광다이오드 스트링(120-2)에 흐르는 전류(i2)의 크기가 동일하다고 가정한다면, 제2 발광다이오드 스트링(120-2)을 구성하는 임피던스부(121)은 총 6개의 발광다이오드에서 소비하는 전력과 동일한 전력을 소비하게 될 것이다.
제2 발광다이오드 스트링(120-2)을 구성하는 임피던스성분은 제1 발광다이오드 스트링(120-1)과 제2 발광다이오드 스트링(120-2)의 소비전력을 동일하게 하기 위하여 추가로 도입된 것으로, 실제 빛을 방출하지 않기 때문에 에너지의 낭비요소가 되는 문제점이 있다.
또한, 브릿지 다이오드 회로(110)를 통과하면서 발생하는 0.9V 내지 1.2V의 전압강하로 인해 소비되는 전력의 비효율성을 최소화할 필요성이 제기된다.
공개특허 10-2012-0004738호
본 고안이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 2극 전원공급 단자로 인가되는 직류 전압의 방향과 무관하게 직류 전압의 전압준위를 강하시키지 않은 상태로 램프모듈에 직접 공급할 수 있고, 복수의 발광다이오드 스트링의 광량을 조절할 수 있으며, PWM 신호의 듀티를 조절함으로써, 복수의 발광다이오드 스트링의 광량을 조절하여 ＬＥＤ 램프에서 소비되는 에너지를 최적화할 수 있고, NPN TR을 각각 추가 구성하여 제1경로변경회로 선택시 제2 P채널 FET의 활성화를 방지하고, 제2경로변경회로 선택시 제1 P채널 FET의 활성화를 방지할 수 있는 데 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안은, 제1입력단자 및 제2입력단자를 통해 인가되는 전원의 극성에 따라 상기 제1입력단자와 상기 제2입력단자의 경로를 제1전원 및 제2전원으로 선택하는 전원 경로선택회로; 스위칭 제어신호에 응답하여 상기 제1전원 및 상기 제2전원 사이에 연결된 적어도 하나의 발광다이오드 스트링을 동작시키는 램프 모듈; 펄스 폭 변조 신호의 형태를 가지는 상기 스위칭 제어신호를 생성하는 제어신호 생성기; 및 상기 제어신호 생성기의 동작을 제어하는 컨트롤러;를 포함하되, 상기 전원 경로선택회로는, 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 제2입력단자에 인가되면, 제1경로변경회로가 활성화되어 상기 제1입력단자를 상기 제1전원에 연결하고 상기 제2입력단자를 상기 제2전원으로 연결하며, 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 높은 전압이 제2 입력단자에 인가되면, 제2경로변경회로가 활성화되어 상기 제1입력단자를 상기 제2전원에 연결하고 상기 제2입력단자를 상기 제1전원에 연결하고, 상기 제1경로변경회로는, 드레인이 상기 제2입력단자에 연결되고 소스가 상기 제2전원에 연결되는 제1 N채널 FET; 드레인이 상기 제1입력단자에 연결되고 소스가 상기 제1전원에 연결되는 제1 P채널 FET; 일단자가 상기 제1입력단자에 연결되고, 타단자가 제1 N채널 FET의 게이트와 제1 다이오드의 입력단자에 연결되는 제1 저항; 일단자가 상기 제1 저항의 타단자에 연결되고, 타단자가 제3 다이오드의 입력단자에 연결되는 제3 저항; 입력단자가 제3 저항의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제2 저항의 일단자에 연결되는 제3 다이오드; 타단자가 제1 NPN TR의 베이스에 연결되는 제2 저항; 출력단자가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제1 다이오드; 출력단자가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제2 다이오드; 및 컬렉터가 상기 제1 전원에 연결되고, 이미터가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되거나 상기 제2 다이오드의 입력단자에 연결되는 제1 NPN TR;를 포함하고, 상기 제2경로변경회로는, 드레인이 상기 제1입력단자에 연결되고 소스가 상기 제2전원에 연결되는 제2 N채널 FET; 드레인이 상기 제2입력단자에 연결되고 소스가 상기 제1전원에 연결되는 제2 P채널 FET; 일단자가 상기 제2입력단자에 연결되고, 타단자가 제2 N채널 FET의 게이트와 제4 다이오드의 입력단자에 연결되는 제4저항; 일단자가 상기 제4 저항의 타단자에 연결되고, 타단자가 제6 다이오드의 입력단자에 연결되는 제6 저항; 입력단자가 제6 저항의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제5 저항의 일단자에 연결되는 제6 다이오드; 타단자가 제2 NPN TR의 베이스에 연결되는 제5 저항; 출력단자가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제4 다이오드; 출력단자가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제5 다이오드; 및 컬렉터가 상기 제1 전원에 연결되고, 이미터가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되거나 상기 제5 다이오드의 입력단자에 연결되는 제2 NPN TR;를 포함하는, 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템을 제공한다.
본 고안에 의하면, 직류 전원의 경로를 적절하게 변경함으로써 인가되는 전류 전원의 방향에 상관없이 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 직류전압의 전압준위를 강하시키지 않은 상태로 램프 모듈에 직접 공급할 수 있으며, 펄스 폭 변조신호의 듀티 싸이클을 조정함으로써 원하는 광량을 최소의 소비전력으로 취득할 수 있고, 제1 및 제2 NPN TR을 추가 구성하여 제1경로변경회로 선택시 제2경로변경회로의 제2 P채널 FET의 활성화를 방지하고, 제2경로변경회로 선택시 제1경로변경회로의 제1 P채널 FET의 활성화를 방지하여서, 궁극적으로 제1 및 제2 P채널 FET를 각각 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 고안에 따른 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 3은 본 고안에 따른 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템의 일 실시 예를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 스위칭 소자의 실시 예를 나타낸다.
도 5는 펄스 폭 변조신호인 스위칭 제어신호의 예를 나타낸다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 고안을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 고안에 따른 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템(200, 이하 시스템)은, 전원 경로선택회로(210), 램프 모듈(220), 제어신호 생성기(230) 및 컨트롤러(240)를 포함한다.
전원 경로선택회로(210)는 외부에서 2개의 단자 즉 제1입력단자(V1)와 제2입력단자(V2)로 인가되는 DC 전원의 극성에 따라 2개의 단자(V1, V2)의 경로를 조정하여 제1전원(VH) 및 제2전원(VL)을 생성한다.
램프 모듈(220)은 스위칭 제어신호(Scon)에 응답하여 제1전원(VH) 및 제2전원(VL) 사이에 연결된 발광다이오드 스트링을 동작시킨다. 램프 모듈(220)을 구성하는 발광다이오드 스트링에 대해서는 후술한다.
제어신호 생성기(230, Control signal generator)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 형태를 가지는 스위칭 제어신호(Scon)를 생성한다.
컨트롤러(240, Controller)는 제어신호 생성기(240)의 동작을 제어한다. 자세하게 도시하지는 않았지만, 후술하는 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)에 포함된 발광다이오드의 개수를 자동으로 인식하거나 사용자가 입력하면, 이에 따라 PWM신호의 듀티 사이클(Duty Cycle)을 조정하여 최적의 소비전력을 계산한 후, 제어신호 생성기(230)에서 생성되는 스위칭 제어신호(Scon)의 펄스 폭을 결정한다.
도 3은 본 고안에 따른 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템의 일 실시 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 전원 경로선택회로(210)는 제1경로변경회로(211) 및 제2경로변경회로(212)를 포함한다.
여기서, 제1경로변경회로(211)는 2개의 단자(V1, V2)로 인가되는 DC 전원을 그대로 램프 모듈(220)의 입출력 단자에 연결하여야 한다고 판단할 때 활성화되며, 제2경로변경회로(212)는 2개의 단자(V1, V2)로 인가되는 DC 전원을 서로 교차하여 램프 모듈(220)의 입출력 단자에 연결하면 된다고 판단할 때 각각 활성화된다.
제1경로변경회로(211)는 제1 N채널 FET(N1), 제1 P채널 FET(P1), 제1 NPN TR(TR1), 제1 내지 제3 저항(R1,R2,R3), 및 제1 및 제3 다이오드(D1,D3)로 구성된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 N채널 FET(N1)는 드레인이 제2입력단자(V2)에 연결되고, 소스가 제2전원(VL)에 연결된다.
제1 P채널 FET(P1)는 드레인이 제1입력단자(V1)에 연결되고, 소스가 제1전원(VH)에 연결된다.
제1 저항(R1)은 일단자가 제1입력단자(V1)에 연결되고, 타단자가 제1 N채널 FET(N1)의 게이트와 제1 다이오드(D1)의 입력단자에 연결된다.
제3 저항(R3)은 일단자가 제1 저항(R1)의 타단자에 연결되고, 타단자가 제3 다이오드(D3)의 입력단자에 연결된다.
제3 다이오드(D3)는 입력단자가 제3 저항(R3)의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제2 저항(R2)의 일단자에 연결된다.
제2 저항(R2)은 타단자가 제1 NPN TR(TR1)의 베이스에 연결된다.
제1 다이오드(D1)는 출력단자가 제1 P채널 FET(P1)의 게이트에 연결된다.
제1 NPN TR(TR1)은 컬렉터가 제1 전원(VH)에 연결되고, 이미터가 제1 P채널 FET(P1)의 게이트에 연결된다.
또한, 제2경로변경회로(212)는 제2 N채널 FET(N2), 제2 P채널 FET(P2), 제2 NPN TR(TR2), 제4 내지 제6 저항(R4,R5,R6), 및 제4 및 제6 다이오드(D4,D6)로 구성된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 N채널 FET(N2)는 드레인이 제1입력단자(V1)에 연결되고, 소스가 제2전원(VL)에 연결된다.
제2 P채널 FET(P2)는 드레인이 제2입력단자(V2)에 연결되고, 소스가 제1전원(VH)에 연결된다.
제4 저항(R4)은 일단자가 제2입력단자(V2)에 연결되고, 타단자가 제2 N채널 FET(N2)의 게이트와 제4 다이오드(D4)의 입력단자에 연결된다.
제6 저항(R6)은 일단자가 제4 저항(R4)의 타단자에 연결되고, 타단자가 제6 다이오드(D6)의 입력단자에 연결된다.
제6 다이오드(D6)는 입력단자가 제6 저항(R6)의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제5 저항(R5)의 일단자에 연결된다.
제5 저항(R5)은 타단자가 제2 NPN TR(TR2)의 베이스에 연결된다.
제4 다이오드(D4)는 출력단자가 제2 P채널 FET(P2)의 게이트에 연결된다.
제2 NPN TR(TR2)은 컬렉터가 제1 전원(VH)에 연결되고, 이미터가 제2 P채널 FET(P2)의 게이트에 연결된다.
램프 모듈(220)은 제1형 발광다이오드 스트링(221-1), 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)을 포함한다.
제1형 발광다이오드 스트링(221-1)은 제1전원(VH)과 제2전원(VL) 사이에 복수의 발광다이오드가 직렬로 연결되며, 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)도 제1전원(VH)과 제2전원(VL) 사이에 복수의 발광다이오드 및 스위칭 소자가 직렬로 연결된다. 여기서 제1형 발광다이오드 스트링(221-1)은 일반적으로 사용되는 발광다이오드 모듈을 대표한다. 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)은 필요에 따라 또는 상황에 따라 연결 가능한 모든 개수의 발광다이오드 중 일부의 발광다이오드만을 사용하는 실시 예를 대표한다.
여기서 스위칭 소자(222)는, 스위칭 제어신호(Scon)에 응답하여 스위칭하는 전계효과트랜지스터, 스위칭 제어신호(Scon)에 응답하여 스위칭하는 MOS 트랜지스터 및 스위칭 제어신호(Scon)에 응답하여 빛을 발광하는 발광소자와 상기 발광소자에서 발광하는 빛을 수신하는 수광소자로 이루어진 포토 커플러 중 하나로 구현할 수 있다.
이하에서는 시스템(200)의 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 전원 경로선택회로(210)의 동작에 대해서 설명하고자 한다.
상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이(예를 들면 접지전압) 제2입력단자에 인가된다고 가정한다. 이 경우, 제4다이오드(D4)의 P형 입력단자, 제2 P채널 FET(P2), 및 제2 N채널 FET(N2)의 게이트에 일정 이하의 전압이 인가되므로, 제2경로변경회로(212)는 비활성화된다.
반대로, 제1 다이오드(D1)는 도통되어 제1 P채널 FET(P1) 및 제1 N채널 FET(N1)의 게이트에 임계전압 이상의 전압이 인가되므로 제1경로변경회로(211)가 활성화된다.
따라서, 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 제2입력단자에 인가되면, 제1 N채널 FET(N1) 및 제1 P채널 FET(P1)가 각각 턴 온 되기 때문에, 제1입력단자(V1)의 전압은 제1 P채널 FET(P1)을 경유하여 제1전원(VH)으로 연결되고, 제2입력단자(V2)의 전압은 제1 N채널 FET(N1)을 경유하여 제2전원(VL)으로 연결된다.
또한, 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 제2입력단자에 인가되면, 제1 P채널 FET(P1)과 제2 NPN TR(TR2)가 동작하게 되는데, 즉 제2 NPN TR(TR2)의 베이스에 제5 저항(R5)에 의해 강하된 전압이 인가되고 제2 NPN TR(TR2)의 컬렉터로부터 이미터로 전류가 흐르게 되어서, 제2 P채널 FET(P2)의 게이트와 소스 간 전위차가 없어져서 제2 P채널 FET(P2)이 활성화되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 제2 NPN TR(TR2)을 제2경로변경회로(212)에 포함시켜 기재하고 도시하였으나, 이는 편의상 제1 및 제2 경로변경회로(211,212) 분류상의 구분일 뿐, 전술한 바와 같이, 실질적인 동작 및 구성과는 무관하므로, 제2 NPN TR(TR2)와, 이와 관련된 제5 저항(R5) 및 제5 다이오드(D5)를 제1경로변경회로(211)에 포함시킬 수 있음은 물론이다.
제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 높은 전압이 제2 입력단자에 인가된다고 가정하자. 이 경우 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 제2입력단자에 인가되는 것과는 반대로, 제1경로변경회로(211)가 비활성화되고 제2경로변경회로(212)가 활성화된다. 다시 말하면, 제2 N채널 FET(N2) 및 제2 P채널 FET(P2)가 각각 턴 온 되기 때문에, 제1입력단자(V1)의 전압은 제2 N채널 FET(N2)을 경유하여 제2전원(VL)으로 연결되고, 제2입력단자(V2)의 전압은 제2 P채널 FET(P2)을 경유하여 제1전원(VH)으로 연결된다.
또한, 제1 입력단자(V1)에 전압이 인가되고, 제2 입력단자(V2)에 제1 입력단자(V1)보다 높은 전압이 인가되면, 제2 P채널 FET(P2)과 제1 NPN TR(TR1)가 동작하게 되는데, 즉 제1 NPN TR(TR1)의 베이스에 제2 저항(R2)에 의해 강하된 전압이 인가되고 제1 NPN TR(TR1)의 컬렉터로부터 이미터로 전류가 흐르게 되어 제1 P채널 FET(P1)의 게이트와 소스 간 전위차가 없어져서 제1 P채널 FET(P1)이 활성화되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 제1 NPN TR(TR1)을 제1경로변경회로(211)에 포함시켜 기재하고 도시하였으나, 이는 편의상 제1 및 제2 경로변경회로(211,212) 분류상의 구분일 뿐, 실질적인 동작 및 구성과는 무관하므로, 제1 NPN TR(TR1)와, 이와 관련된 제2 저항(R2) 및 제2 다이오드(D2)를 제2경로변경회로(212)에 포함시킬 수 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 2개의 경로변경판단회로의 판단에 의해 제1입력단자(V1)와 제2입력단자(V2)를 제1전원(VH) 및 제2전원(VL) 중 적절한 곳에 자동으로 연결 시킴으로써, 사용자가 DC 전원(DC)의 극성을 바꿔서 입력한 경우라 할지라도 램프 모듈(220)의 동작에 영향을 주지 않게 된다.
또한, 제1 P채널 FET(P1)의 게이트와 소스 사이에 제1 NPN TR(TR1)을 연결하고 제2 다이오드(D2)를 추가로 구성하여 제2 입력단자(V2)에 제1 입력단자(V1)보다 높은 전위가 인가될 때 제2 저항(R2)(베이스 저항)을 통해 제1 NPN TR(TR1)을 동작되게 함으로써 제1 P채널 FET(P1)의 활성화를 방지할 수 있고, 제2 P채널 FET(P2)의 게이트와 소스 사이에 제2 NPN TR(TR2)을 연결하고 제5 다이오드(D5)를 추가로 구성하여 제1 입력단자(V1)에 제2 입력단자(V2)보다 높은 전위가 인가될 때 제5 저항(R5)(베이스 저항)을 통해 제2 NPN TR(TR2)을 동작되게 함으로써 제2 P채널 FET(P2)의 활성화를 방지할 수 있다.
또한, 제1 제 제2 경로변경회로(211,212)의 제1 및 제2 NPN TR (TR1,TR2)은 N채널 MOS FET로 각각 대체될 수도 있고, 제1 NPN TR(TR1)과 제2 NPN TR(TR2)과 같이 NPN TR을 사용할 경우는 제2 및 제5 다이오드(D2,D5)를 전체적인 회로 구성에서 생략할 수도 있다.
램프 모듈(220)에는 제1형 발광다이오드 스트링(221-1) 및 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)이 포함되어 있다. 이 중 제2형 발광다이오드 스트링(221-2)에는 제1전원(VH) 및 제2전원(VL)의 사이에 각각 직렬로 연결된 2개의 발광다이오드 및 스위칭 소자(222)가 있다. 스위칭 소자(222)에 인가되는 스위칭 제어신호(Scon)는 상술한 바와 같이 PWM 신호이다. 만일 PWM 신호의 듀티가 100%인 경우에는 2개의 발광다이오드에 전류가 연속적으로 흐르게 되어 소비전력이 최대가 되겠지만, 듀티가 줄어들게 되면 2개의 발광다이오드에 전류가 흐르는 시간이 그만큼 줄어들게 되어 소비전력은 상대적으로 감소하게 될 것이다.
이와 같이, 스위칭 제어신호(Scon)의 듀티를 변경함으로써 램프 모듈(220)에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 스위칭 소자의 실시 예를 나타내는데, 도 4a는 전계효과트랜지스터를 나타내고, 도 4b는 포토 커플러를 나타낸다.
전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor; FET)는 반도체 내의 내부 전기전도과정에 전자 또는 정공 중 하나의 캐리어(Carrier) 만 전도에 관여하는 단극성 반도체 소자로써, 반도체 결정의 도전성과 전기저항을 전계 (Electric Field)로 제어한다.
도 4a에 도시된 전계효과트랜지스터는, N형 반도체 기판의 좌측면 및 우측면에 각각 P형 반도체를 접합하고, N형 반도체의 양단과 양쪽 측면의 P형 반도체로부터 각각 단자를 끌어낸 구조를 가진다. 양쪽 측면의 P형 반도체로부터 끌어낸 두 단자에 스위칭 제어신호(SCon)가 인가되면 N형 반도체의 양쪽에서 끌어낸 드레인(+) 및 소스(-)가 전기적으로 연결되거나 차단된다. 여기서는, N형 반도체가 드레인 및 소스를 형성하므로, 전자가 캐리어가 된다.
포토 커플러(Photo Coupler)는 전기신호를 일단 빛의 신호로 변환하여 빛을 다시 전기신호로 변환하는 회로경로(Circuit Path)를 가리킨다.
도 4b에 도시된 포토 커플러(Photo Coupler)는 발광소자와 수광소자로 구성되며, 전기적으로는 분리되어 있는 2개의 터미널이 각각 발광소자와 수광소자에 연결되어 있으며, 광(Light)에 의하여 신호가 전달되는 소자를 포토 커플러(광 결합기)라고 한다. 동작원리는 극히 간단한데, 예를 들면 발광다이오드로 구현할 수 있는 발광소자에 동작제어신호가 입력되면 발광소자가 발광하게 되는데, 이를 포토다이오드로 구현할 수 있는 수광소자로 수집하면 전기적으로 서로 분리된 2개의 터미널(터미널 1, 터미널 2)이 전기적으로 연결된다.
포토 커플러는 일 방향성으로 되어 있다. 구조는 갈륨비소(GaAs) 적외선 발광 다이오드와 실리콘(Silicon) 포토 트랜지스터로 이루어진 발광소자와 수광소자가 투명한 수지에 넣어져 광학적으로 결합하고 있으며, 외부로부터 인가되는 빛을 차단하기 위하여 흑색 수지로 두껍게 피복되어 있다.
스위칭 제어신호(SCon)는, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM) 신호인 것이 바람직하며, 듀티는 스위칭 소자(242)가 포함된 발광다이오드 스트링의 구성 및 LED 램프의 전체 구성에 따라 가변시키면 될 것이다.
도 5는 펄스 폭 변조신호인 스위칭 제어신호의 예를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 펄스 폭 변조신호(PWM)는 펄스 형태를 가지는 신호로, 신호의 1주기(D1) 전체가 높은 전압준위를 가지거나, 신호의 1주기(D1)의 일부만(D2)이 높은 전압준위를 가지는 신호이라는 것을 알 수 있다. 듀티 싸이클 (Duty Cycle)은 신호의 1주기 내에서 높은 전압준위를 차지하는 비율을 의미하는 것으로, 도 4에서는 듀티가 25%인 경우를 예로 들었다.
도 1의 설명에서 이미 언급한 바와 같이, 종래의 발광다이오드 스트링은, 브릿지 다이오드 회로(110)에서 이미 일정한 크기로 강하된 전원을 사용하게 됨에 따라 발광다이오드 스트링(120-1)에 사용할 수 있는 발광 다이오드의 개수를 한정하게 되며, 임피던스 성분으로 사용되는 저항(Resistor)의 값을 변경시킴으로써, 2개의 발광다이오드 스트링(110-1, 110-2)의 광량을 일치시킬 수 있었는데, 이때 임피던스 성분에서는 제1발광다이오드 스트링(110-1)과 제2발광다이오드 스트링(110-2)에 포함되는 발광다이오드의 차이에 해당하는 에너지가 소모성으로 소비되는 전력이 낭비되는 단점이 있었다.
도 2 ~ 도 5에 도시된 본 고안에 따른 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템(200)에서는, 직류 전원의 경로를 적절하게 변경함으로써 인가되는 전원의 극성에 상관없이 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 직류 전압의 전압준위를 강하시키지 않은 상태로 램프 모듈에 직접 공급할 수 있으며, 또한, 스위칭 소자(242)에 인가하는 스위칭 제어신호(Scon)의 듀티 싸이클을 조정함으로써 제2 발광다이오드 스트링(241-2)의 광량을 조절할 수 있으며, 또한, 쉽고 간단하게 적용할 수 있는 고안으로서, 전술한 종래의 발광다이오드 스트링에서 발생하는 에너지가 소모성으로 소비되는 전력이 낭비되는 문제점을 극복할 수 있을 것이다.
이상에서는 본 고안에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 고안의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 고안을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 고안의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
110: 브릿지 다이오드 회로 120-1, 120-2: 발광 다이오드 스트링
121: 임피던스부 210: 전원 경로선택회로
220: 램프 모듈 230: 제어신호 생성기
240: 컨트롤러

Claims (7)

  1. 제1입력단자 및 제2입력단자를 통해 인가되는 전원의 극성에 따라 상기 제1입력단자와 상기 제2입력단자의 경로를 제1전원 및 제2전원으로 선택하는 전원 경로선택회로; 스위칭 제어신호에 응답하여 상기 제1전원 및 상기 제2전원 사이에 연결된 적어도 하나의 발광다이오드 스트링을 동작시키는 램프 모듈; 펄스 폭 변조 신호의 형태를 가지는 상기 스위칭 제어신호를 생성하는 제어신호 생성기; 및 상기 제어신호 생성기의 동작을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 전원 경로선택회로는, 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 상기 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 상기 제2입력단자에 인가되면, 제1경로변경회로가 활성화되어 상기 제1입력단자를 상기 제1전원에 연결하고 상기 제2입력단자를 상기 제2전원으로 연결하며, 상기 제1입력단자에 전압이 인가되고, 상기 제1입력단자에 인가된 전압보다 상대적으로 높은 전압이 인가되면, 제2경로변경회로가 활성화되어 상기 제1입력단자를 상기 제2전원에 연결하고 상기 제2입력단자를 상기 제1전원에 연결하되,
    상기 제1경로변경회로는,
    드레인이 상기 제2입력단자에 연결되고 소스가 상기 제2전원에 연결되는 제1 N채널 FET; 드레인이 상기 제1입력단자에 연결되고 소스가 상기 제1전원에 연결되는 제1 P채널 FET; 일단자가 상기 제1입력단자에 연결되고, 타단자가 제1 N채널 FET의 게이트와 제1 다이오드의 입력단자에 연결되는 제1 저항; 일단자가 상기 제1 저항의 타단자에 연결되고, 타단자가 제3 다이오드의 입력단자에 연결되는 제3 저항; 입력단자가 제3 저항의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제2 저항의 일단자에 연결되는 제3 다이오드; 타단자가 제1 NPN TR의 베이스에 연결되는 제2 저항; 출력단자가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제1 다이오드; 출력단자가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제2 다이오드; 및 컬렉터가 상기 제1 전원에 연결되고, 이미터가 제1 P채널 FET의 게이트에 연결되거나 상기 제2 다이오드의 입력단자에 연결되는 제1 NPN TR;를 포함하고,
    상기 제2경로변경회로는,
    드레인이 상기 제1입력단자에 연결되고 소스가 상기 제2전원에 연결되는 제2 N채널 FET; 드레인이 상기 제2입력단자에 연결되고 소스가 상기 제1전원에 연결되는 제2 P채널 FET; 일단자가 상기 제2입력단자에 연결되고, 타단자가 제2 N채널 FET의 게이트와 제4 다이오드의 입력단자에 연결되는 제4저항; 일단자가 상기 제4 저항의 타단자에 연결되고, 타단자가 제6 다이오드의 입력단자에 연결되는 제6 저항; 입력단자가 제6 저항의 타단자에 연결되고, 출력단자가 제5 저항의 일단자에 연결되는 제6 다이오드; 타단자가 제2 NPN TR의 베이스에 연결되는 제5 저항; 출력단자가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제4 다이오드; 출력단자가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되는 제5 다이오드; 및 컬렉터가 상기 제1 전원에 연결되고, 이미터가 제2 P채널 FET의 게이트에 연결되거나 상기 제5 다이오드의 입력단자에 연결되는 제2 NPN TR;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,2 경로변경회로의 제1,2 NPN TR은 N채널 MOS FET로 각각 대체되는 것을 특징으로 하는, 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 램프 모듈은,
    전원과 접지전압 사이에 복수의 발광다이오드가 직렬로 연결된 제1형 발광다이오드 스트링, 및 전원과 접지전압 사이에 복수의 발광다이오드 및 스위칭 소자가 직렬로 연결된 제2형 발광다이오드 스트링을 포함하고,
    상기 스위칭 소자는,
    상기 스위칭 제어신호에 응답하여 스위칭하는 전계효과트랜지스터, 및 상기 스위칭 제어신호에 응답하여 스위칭하는 MOS 트랜지스터 중 하나인 것을 특징으로 하는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    상기 스위칭 제어신호에 응답하여 빛을 발광하는 발광소자 및 상기 발광소자에서 발광하는 빛을 수신하는 수광소자로 이루어진 포토 커플러인 것을 특징으로 하는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조신호는,
    상기 발광다이오드 스트링을 구성하는 발광다이오드의 개수에 따라 듀티가 조정되는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 형태의 스위칭 제어신호의 신호의 듀티를 조절하여, 상기 발광다이오드 스트링의 광량을 조절하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자를 이용한 에너지 효율 향상 시스템.
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