KR20090122252A - 전원 - Google Patents

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KR20090122252A
KR20090122252A KR1020097019508A KR20097019508A KR20090122252A KR 20090122252 A KR20090122252 A KR 20090122252A KR 1020097019508 A KR1020097019508 A KR 1020097019508A KR 20097019508 A KR20097019508 A KR 20097019508A KR 20090122252 A KR20090122252 A KR 20090122252A
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데이비드 더블유. 바아르만
조슈아 케이. 슈완넥케
조슈아 비. 테일러
존 제임스 로드
웨슬리 제이. 바크만
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액세스 비지니스 그룹 인터내셔날 엘엘씨
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Abstract

하나 이상의 부하에 전력을 공급하기 위한 전원이 개시된다. 전원은 전자 장치들에 조정 가능하고 적응 가능한 전원을 제공하기 위한 공진 에어 코어 변압기를 포함할 수 있다. 전원은 분리된 1차측 회로 및 2차측 회로를 포함할 수 있다. 1차측 회로는 특히 1차측 스위칭 회로에 대한 구동 파형들을 제공하는 제어 회로를 포함할 수 있다. AC 출력을 생성하도록 구성된 실시예들에서, 2차측 회로도 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 1차측 제어 회로는 2차측 스위칭 회로에 대한 구동 파형들을 제공할 수 있다. 2차측 회로는 출력의 전압 및/또는 전류를 측정하고 측정치들을 분리 회로를 통해 제어 회로에 제공하는 측정 회로를 포함할 수 있다. 제어 회로는 1차측 및/또는 2차측 스위칭 회로에 대한 구동 파형들을 측정된 값들의 함수로서 조정할 수 있다.
Figure P1020097019508
전자 장치, 전원, 공진 에어 코어 변압기, 스위칭 회로, 제어 회로

Description

전원{POWER SUPPLY}
본 발명은 전원에 관한 것으로서, 구체적으로는 주 전력을 AC 또는 DC 전력으로 변환하기 위한 변압기를 구비하는 전원에 관한 것이다.
통상적인 전원은 변압기를 포함한다. 변압기는 2차 코일에 전기적 부하가 추가될 때 1차 코일로부터 전기 에너지를 가변 자장을 통해 2차 코일로 전달하는 전기 장치이다. 변압기는 전자 장치 및 어린이용 완구들에 대한 주 전력 전달과 같은 다양한 응용에 이용되며, 매우 큰 것부터 매우 작은 것까지 다양한 크기를 갖는다.
종래의 변압기는 철 또는 소정의 다른 철 함유 재료에 의해 루프 형상으로 제조될 수 있는 코어로 구성된다. 코어의 일측에서, 코어 주위에 와이어가 감기며, 1차 또는 주 전압이 인가된다. 이러한 코어 측을 1차 코일이라고 한다. 1차 코일의 반대편에는 2차 코일이라고 하는 유사한 배열이 존재한다. 코일의 권선 수, 더 명확하게는 1차 코일 대 2차 코일의 권선 비를 변화시킴으로써, 필요한 용도 및 2차 코일에 인가되는 부하에 따라 전압이 스텝 업 또는 다운될 수 있다.
철 코어를 사용하는 변압기들의 한 가지 단점은 필요한 성능을 달성하기 위해 코어가 상당한 크기 및 필수 중량을 가져야 한다는 것이다. 이것은 변압기들이 부피가 크고 패키지하기 어렵게 한다. 많은 사례에서, 주 플러그 내에 직접 설치된 변압기들과 같은 이러한 부피가 큰 변압기들은 귀중한 공간을 소비하며, 따라서 변압기는 전력 스트립들 또는 벽 아웃렛들의 경우와 같이 다른 아웃렛들을 차단한다. 종래의 변압기들의 중량으로 인해, 정상적인 사용 동안 발생할 수 있는 낙하에 견디도록 변압기의 케이싱이 적절히 강한 것을 보증하기 위해 추가적인 노력이 소모되어야 한다. 변압기가 벽에 설치될 경우, 벽 설치물에 걸리는 과다한 중량으로 인해 소정의 응용들은 적합하지 않을 수 있다.
또한, 종래의 변압기들에서는 철의 가격도 바람직하지 않은 팩터이다. 철 또는 다른 철 금속들의 직접적인 재료 가격에 더하여, 종래의 변압기는 큰 코일을 수용하기 위해 더 커야 하며, 따라서 플라스틱과 같은 추가적인 다른 재료들의 사용을 필요로 하여 비용을 증가시킨다. 1차 및 2차 코일들을 형성함에 있어서 구리 와이어 또는 다른 도전성 재료가 많이 사용되며, 따라서 종래의 변압기들의 비용이 더 증가하게 된다.
또한, 철 코어는 상당한 에너지 버퍼를 본질적으로 보유하며, 에너지는 단락을 통해 방전될 수 있다. 에너지는 철 코어 내에 저장되므로, 단락의 경우, 에너지가 시스템으로부터 방출되는 데에는 상당한 시간이 걸릴 수 있어, 손상을 유발할 수 있다. 또한, 변압기는 주 전력 차단기가 작동하거나, 변압기 자체가 고장 나거나, 단락이 제거될 때까지 계속 전력을 공급할 수 있다.
종래의 변압기 전원들은 설정된 출력 전압을 위해 입력 전압만을 스텝 업 또는 다운하는 그들의 일정한 권선들의 결과로서 디밍(dimming) 가능하지 않다. 결 과적으로, 디밍이 요구되는 경우, 변압기를 구비한 전원은 전원으로서 바람직한 선택이 아니다. 예를 들어, 조명의 경우, 안전 조명의 경우와 같이, 모든 시간에 최대 광 강도가 요구되는 것은 아닌 많은 응용이 존재한다. 안전 라이트(light)는 정상 동작 동안에는 최대 전력 아래의 전력으로 동작하고, 예를 들어 시스템에 접속된 모션 센서가 모션을 검출하는 경우에는 최대 전력으로 스위칭하도록 설정될 수 있다. 이러한 동작은 에너지를 보존할 뿐만 아니라, 외관 및 안전을 위한 조명도 제공할 것이다. 불행하게도, 종래의 변압기를 구비한 전원은 이러한 응용에서 사용하지 못한다.
거리에 따른 전압 강하는 종래의 변압기들을 구비하는 전원들의 문제점이었다. 경관(landscape) 조명의 예를 이용하면, 변압기는 주 전원 근처에 배치되고, 전원 라인이 그에 접속된다. 라인은 전원으로부터 소정 거리, 예를 들어 50피트 떨어져 끝날 때까지 연장한다. 전기 접속을 형성하기 위해 와이어를 관통하는 커넥터들을 이용하여 전원 라인 내에 클립핑되는 라이트들이 제공된다. 이러한 방식으로, 라이트들의 위치는 특정 경관 응용에 따라 변할 수 있다. 임의의 와이어와 같은 전원 라인은 소정의 저항을 갖는다. 따라서, 전원 라인의 단부에서 측정되는 전압은 변압기에 가까이 위치하는 지점에서보다 낮을 것이다. 종래의 변압기를 구비하는 전원에서, 취급 설명서는 와이어의 저항 효과를 보상하기 위해 전원 라인을 따라 어느 정도 동일한 거리들에 라이트들을 배치할 것을 권장한다. 그러나, 특정 경관 응용은 라이트들의 대다수 또는 전부가 전원 라인의 단부 쪽에 설치되는 것을 요구할 수 있다. 종래의 변압기를 구비하는 전원은 라이트들에 적절히 급전하는 데 어려움을 겪을 수 있으며, 바로 단부에 있는 라이트들은 희미하거나 조명에 실패할 수 있다. 이러한 상황은 바람직하지 못하며, 경관 조명 또는 다른 응용들을 불필요하게 제한한다.
철 코어 변압기의 또 다른 단점은 주 전압의 변동을 보상하지 못하는 것이다. 전력 스파이크 또는 하락이 존재하는 경우, 철 코어 변압기는 그가 급전하고 있는 장치들을 보호하기 위한 장비를 갖추고 있지 않으며, 이는 영구적 손상으로 이어질 수 있다. 종래의 변압기를 구비한 전원 내에는 전력 변동을 검출하기 위한 논리 또는 회로가 존재하지 않는다. 많은 현대의 전자 장치들은 그러한 전력 변동에 민감하므로, 그러한 장치들과 함께 종래의 변압기를 사용하는 것은 그러한 장치들의 손상 또는 파괴로 이어질 수 있다.
<발명의 요약>
본 발명은 종래의 철 코어 변압기들의 많은 단점들을 극복하면서 이전에 이용할 수 없었던 추가적인 특징들을 제공하는 공진 에어 코어 변압기를 구비하는 전원을 제공한다. 일 실시예에서, 변압기는 코어가 없고, 어떠한 철 코어도 없이 에어 갭에 의해 분리되는 한 쌍의 1차 및 2차 코일들을 포함한다.
일 실시예에서, 전원은 분리된 1차측 및 2차측 회로를 포함한다. 전력의 무선 전달은 1차 코일과 2차 코일 간의 유도성 결합을 통해 제공되며, 제어 신호들의 무선 전달은 분리 회로를 통해 제공된다. 일 실시예에서, 분리 회로는 하나 이상의 광음향 결합기 또는 광음향 분리기를 포함한다.
일 실시예에서, 2차측 회로는 AC 출력을 생성한다. 이 실시예에서, 2차측 회로는 변압기 출력을 정류하기 위한 회로 및 원하는 주파수 및 전압의 AC 출력을 생성하기 위한 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 2차측 회로는 2차측 스위치 회로의 출력 전압을 측정하고 2차측 스위칭 회로의 듀티 사이클을 조정하여 평균 전압을 제어하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 1차측 제어 회로는 분리 회로를 통해 2차측 스위칭 회로의 듀티 사이클을 조정할 수 있다. 이 실시예에서, 2차측 회로는 2차측 스위칭 회로 출력의 전압 및/또는 전류를 측정하고 1차측 회로 내의 제어 회로에 대응하는 신호를 전송하는 측정 회로를 포함할 수 있다. 이 신호는 분리 회로를 통해 전송될 수 있다. 1차측 제어 회로는 2차측 스위칭 회로의 듀티 사이클을 측정된 전압 및/또는 전류의 함수로서 제어할 수 있다. 제어 회로는 또한 측정 회로로부터 수신되는 측정 전류를 모니터링하여, 과전류 상황들의 존재를 찾을 수 있다. 제어 회로는 과전류 상황의 존재를 리셋, 디스에이블 또는 응답할 수 있다.
일 실시예에서, 2차측 회로는 DC 출력을 생성한다. 이 실시예에서, 2차측 회로는 2차 코일의 AC 출력을 정류하기 위한 정류기를 포함할 수 있다. 정류기의 출력은 필터링 회로 및/또는 전압 조절기를 통해 전달될 수 있다.
DC 출력 실시예들에서, 2차측 회로는 2차측 출력의 전압 및/또는 전류를 측정하고 대응하는 신호를 분리 회로를 통해 1차측 회로 내의 제어 회로로 전송하는 측정 회로를 포함할 수 있다. 1차측 제어 회로는 1차측 스위칭 회로(예를 들어, 주파수 또는 듀티 사이클)를 측정 전압 및/또는 전류의 함수로서 제어할 수 있다. 제어 회로는 또한 측정 회로로부터 수신되는 측정 전류를 모니터링하여, 과전류 상 황들을 찾을 수 있다. 제어 회로는 과전류 상황의 존재를 리셋, 디스에이블 또는 응답할 수 있다.
AC 및 DC 출력 실시예들 양자에서, 제어 회로는 2차측 출력을 특정 전압 설정 포인트로 유지하도록 프로그래밍될 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명은 2차측 출력에서 부하(들)로 연장하는 전력 라인들의 저항 변화를 보상하기 위해 전압 설정 포인트가 조정되는 것을 허가하는 하나 이상의 원격 전압 모니터를 구비하는 전원 튜닝 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 조정들은 설치 동안 또는 다른 시간들에 행해질 수 있다. 원격 전압 모니터들은 무선일 수 있고, 무선 신호들을 베이스에 제공할 수 있으며, 베이스는 신호들을 수집하고, 컴퓨터 상의 소프트웨어를 제어하기 위해 신호들을 제공한다. 소프트웨어는 전원 라인들로부터 발생하는 전력 손실을 나타내는 정보를 제공하여 손실을 보상하기 위해 전압 설정 포인트가 조정되게 할 수 있다. 예를 들어, 복수의 램프가 전원 라인을 따라 설치되는 경관 조명 응용에서, 하나 이상의 원격 전압 모니터는 각각의 램프에서 전압을 측정하는 데 사용될 수 있다. 상당한 전력 손실이 발견되는 상황들에서, 전원의 전압 설정 포인트는 측정된 전력 손실의 함수로서 증가되어, 복수의 램프 사이의 필요한 균형을 산출하는 전압을 제공할 수 있다.
에어 코어 변압기는 코어 변압기와 동일한 방식으로 에너지를 저장하지 않으며, 따라서 단락의 경우에, 유도성 코일의 1차측은 철 코어 변압기보다 훨씬 빠르게 반응할 수 있으며, 에어 코어 변압기의 유도성 코일의 2차측에 남은 에너지는 빠르게 사라진다. 이러한 고장 검출 능력 및 빠른 복구는 종래의 철 코어 변압기 에는 존재하지 않는다. 결과적으로, 단락이 발생하는 경우, 종래의 변압기는 라인 회로 차단기가 작동하거나 단락의 원인이 제거될 때까지 전력을 계속 공급할 수도 있다. 이러한 상황은 바람직하지 못하며, 또한 잠재적으로 위험하다. 많은 응용에서, 종래의 변압기들은 단락의 가능성이 더 큰 응용들에서 사용된다. 예를 들어, 옥외 조명 응용들에서, 유선 램프들은 변압기에 의해 급전된다. 전원 와이어는 경관 내에 매설되지만, 수분 및 원소들에 노출된다. 램프들의 경관 영역들 내의 위치로 인해, 전원 와이어는 이웃 식물들을 돌보는 데 사용되는 날카로운 도구들로부터 위험에 처할 가능성이 크다. 날카로운 도구는 전원 라인을 절단하거나 손상시킬 수 있으며, 따라서 단락 상황이 발생하는 것을 상상할 수 있다. 여기에 개시되는 바와 같은 에어 코어 변압기의 빠른 응답으로 인해, 그러한 사고가 발생하는 경우에, 라인 내의 전압은 비교적 빠르게 차단될 것이다.
공진 에어 코어 변압기의 다른 특징은 전원이 도입 와이어 전압 강하를 보상하는 능력이다. 에어 코어 변압기에 통합된 회로를 이용하여 전압 강하가 보상되며, 따라서 부하들의 배치 및 전원으로부터 거리가 허가된다. 회로는 전원 라인의 저항을 고려하는 것을 포함하여 그에게 부과된 부하(들)를 감지함으로써 최상의 주파수를 결정한다. 따라서, 전원은 전원 라인 상에서 변압기로부터 멀리 떨어져 덩어리를 이루는 부하들에 공급되는 것과 동일한 전력을 변압기 근처에서 덩어리를 이루는 부하들에게 공급할 수 있다.
공진 에어 코어 변압기의 또 다른 이점은 주 전압의 변동을 빠르게 조정하고 보상하는 능력이다. 전력 스파이크 또는 하락의 경우, 전원은 2차측 전압을 쉽게 검출하고 조절하여, 부족 전압 또는 과전압 상황들을 방지한다. 전원의 논리 또는 회로는 주 전압의 변화를 감지하고 적절히 조정하여, 부하를 인출하는 임의의 부착된 장치들을 보호한다. 따라서, 공진 에어 코어 변압기는 주 전압의 이상으로 인한 손상으로부터 장치들을 보호하는 데 도움이 된다.
전원의 또 다른 특징은 전자 장치들에 대한 시동 스트레스를 줄이기 위해 제어 회로를 이용하여 소프트 시동되는 능력이다. 소프트 시동은 장치(들)에 공급되는 전력을 램프 업(ramp up)하거나 천천히 증가시켜 장치의 손상을 방지하는 능력이다. 많은 민감한 현대의 장치들은 소프트 시동을 필요로 하거나 이용하며, 소프트 시동이 사용되지 않는 경우에는 손상될 수 있다. 또한, 소프트 시동은 급전되는 컴포넌트들에 더 적은 스트레스를 가함으로써 많은 장치의 수명을 연장할 수 있다.
전원의 또 다른 특징은 디밍 능력이다. 제어 회로로 인해, 출력 전압은 권선 비가 일정한 경우에도 조절 가능하다. 결과적으로, 예를 들어, 조명 응용에서, 에어 코어 변압기에 접속된 라이트들은 최대 강도에서 완전한 비조명까지 디밍 가능하다.
에어 코어 변압기는 또한 종래의 변압기들보다 높은 주변 온도에서 동작할 수 있다. 종래의 철 코어 변압기들은 주변 실온보다 매우 높은 온도에서는 동작할 수 없다. 일부 실시예들에서는, 에어 코어 변압기의 자기 가열 효율, 큰 도전성 철 코어의 부재로 인해, 동작 온도는 종래의 변압기에 비해 거의 주변 온도로 크게 감소된다. 이러한 온도 감소는 이익이 되는데, 이는 종래의 변압기의 과다한 열이 에너지를 낭비하며, 종래 변압기의 높은 동작 온도에 노출될 때 근처에 위치하는 전자 장치들 또는 다른 아이템들에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다. 또한, 철 코어 변압기는 그의 동작에 수반되는 열을 수용하도록 설계되어야 하며, 이는 비용을 증가시킨다.
전원은 또한 과전류 방지 회로를 포함할 수 있는데, 이 회로는 그 자신 및 전력을 인출하는 임의의 장치들 양자의 보호를 돕는다. 너무 많은 경관 램프들을 전원 라인에 추가하는 것과 같은 과전류 상황의 경우에, 펄스 폭 변조 듀티 사이클이 소정 레벨에 도달할 때, 변압기는 순간적으로 셧다운될 수 있으며, 이후 소프트 시동이 개시된다. 이 예에서, 램프들은 과전류 상태가 해결될 때까지 감소된 전력 출력으로 반짝일 것이다. 다른 사례들에서, 애플리케이션의 요구에 따라 가청 톤(tone) 또는 다른 지시자들과 같은 다른 시그널링 수단들이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 추가 특징들 및 이익들과 함께, 본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 첨부 도면들과 관련하여 행해지는 아래의 설명을 참조하며, 본 발명의 범위는 청구항들에 기재된다.
본 발명의 컴포넌트들은 일반적으로 설명되고 도면들에 도시되는 바와 같이 다양한 상이한 구성들로 배열되고 설계될 수 있다. 따라서, 첨부 도면들에 도시된 바와 같은 본 발명의 장치, 시스템 및 방법의 실시예들에 대한 아래의 보다 상세한 설명은 청구되는 바의 본 발명의 범위를 한정하려는 의도는 없고, 단지 본 발명의 선택된 실시예들을 설명하는 것이다.
본 명세서 전반에서 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"로(또는 유사하게) 지 칭되는 것은 그 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 다양한 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "하나의 실시예에서"라는 문구들의 출현은 모두가 동일 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
더욱이, 설명되는 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 아래의 설명에서, 본 발명의 실시예들에 대한 충분한 이해를 제공하기 위해 예들과 같은 다양한 특정 상세들이 제공된다. 그러나, 이 분야의 기술자는 본 발명이 특정 상세들 중 하나 이상 없이도, 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등을 이용하여 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 사례들에서, 공지된 구조들, 재료들 또는 동작들은 본 발명의 양태들을 불명확하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 도시되거나 설명되지 않는다.
설명되는 본 발명의 실시예들은 도면들을 참조하여 가장 잘 이해될 것이며, 도면들 전반에서 동일 부분들은 동일한 번호 또는 기타 라벨들로 표시된다. 아래의 설명은 단지 예시적인 것을 의도하며, 본 명세서에서 청구되는 바와 같은 본 발명에 따르는 장치들, 시스템들 및 프로세스들의 소정의 선택된 실시예들을 간단히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원의 블록도.
도 2는 에어 코어 변압기의 분해 사시도.
도 3은 에어 코어 변압기의 단면도.
도 4는 DC 전력 출력을 제공하도록 적응되는 대안 전원의 블록도.
도 5는 전원 소프트웨어에 대한 주 다이얼로그 스크린을 나타내는 도면.
도 6은 전원 소프트웨어에 대한 EEPROM 구성 다이얼로그 스크린을 나타내는 도면.
도 7은 원격 전압 모니터들을 구비하는 대안 실시예의 블록도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원의 회로도.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 코어 변압기(20)를 구비하는 전원(10)이 도시되어 있다. 전원(10)은 일반적으로 1차측 회로(12) 및 2차측 회로(14)를 포함한다. 아마도 도 2에 가장 양호하게 도시된 바와 같이, 1차측 회로(12)는 1차 코일(16)을 포함하고, 2차측 회로(14)는 2차 코일(18)을 포함한다. 1차 코일(16) 및 2차 코일(18)은 변압기(20)를 형성하도록 협동한다. 변압기(20)는 무선일 수 있다. 1차측 회로(12)는 또한 일반적으로 제어기(22), 스위치 드라이버(24) 및 스위칭 회로(26)를 포함한다. 제어 회로(22)는 스위치 드라이버(24)의 동작을 제어하며, 이어서 스위치 드라이버(24)는 1차 코일(16)에 대한 전력의 인가를 제어한다. 2차측 회로(14)는 일반적으로 정류기(28), 스위칭 회로(30), 측정 회로(32), 분리 회로(34) 및 스위치 드라이버(36)를 포함한다. 2차측 회로(14)의 출력은 부하(L)에 인가될 수 있다. 2차측 회로(14)의 출력은 제어 회로(22)에 의해 제어된다. 측정 회로(32)는 2차측 회로(14)의 출력에 관한 정보를 분리 회로(34)를 통해 제어 회로(22)에 제공한다. 제어 회로(22)는 측정 회로(32)에 의해 제공되는 정보를 분석하고, 분리 회로(34)를 통해 스위치 드라이버(36)의 동작을 제어한다.
이제, 도 1의 실시예는 전원(10)의 동작 개요와 관련하여 더 상세히 설명된다. 80-270 VAC와 같은 일반 범위의 라인 주 전압이 라인 필터 및 AC 주 정류기(37)에 공급된다. 개시의 목적으로, 본 발명은 80-270 VAC의 라인 주 전압으로 동작하는 전원과 관련하여 설명된다. 본 발명은 다양한 대안 AC 및 DC 전원들로부터 AC 또는 DC 전력을 제공하도록 쉽게 적응될 수 있다. 라인 필터는 주 전압에 존재할 수 있는 임의의 원하지 않는 전기 잡음을 제거하고, 전기 잡음이 변압기로부터 방출되는 것을 방지하는 것을 도우며, 정류기는 VAC를 VDC로 변환한다. 다양한 필터링 및 정류 회로들이 이 분야의 기술자들에게 공지되어 있으며, 따라서 구체적인 라인 필터/AC 주 정류기 회로는 상세히 설명되지 않는다. 도시된 실시예의 라인 필터/AC 주 정류기(37)는 본질적으로, 들어오는 라인 주 전력의 원하는 필터링 및 정류를 제공할 수 있는 임의의 라인 필터링 및 정류 회로일 수 있다고 말하는 것으로 충분하다.
도시된 실시예에서는, 라인 필터/AC 주 정류기(37)로부터 약 113-382 VDC의 DC 전압이 2개의 컴포넌트, 즉 스위칭 전원(38) 및 하프 브리지 스위칭 회로(26)를 향해 출력된다. 스위칭 전원(38)은 113-382 VDC를 수신하고, 이를 원하는 레벨, 예를 들어 13 VDC로 처리한다. 다양한 스위칭 전원들이 이 분야의 기술자들에게 공지되어 있으며, 따라서 도시된 실시예의 스위칭 전원은 상세히 설명되지 않는다. 스위칭 전원(38)은 본질적으로, 라인 필터/AC 주 정류기(37)의 출력으로부터 스위치 드라이버(24) 및 제어 회로(22)용의 DC 전력을 생성할 수 있는 임의의 스위칭 전원 또는 다른 회로 컴포넌트들일 수 있다.
제어 회로(22)는 스위칭 전원(38)으로부터 생성된 VDC를 공급받아 구동 파형들을 생성하며, 구동 파형들은 스위치 드라이버(24) 및 분리 회로(34)로 전송된다. 일 실시예에서, 제어 회로(22)는 1차측 및 2차측 구동 파형들을 생성할 수 있는 마이크로컨트롤러(35; 도 8 참조)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 마이크로컨트롤러(35)는 여기에 설명되는 바와 같은 다양한 특징들 및 기능들을 수행하도록 프로그래밍된다. 원할 경우, 마이크로컨트롤러(35)의 특정 특징들 및 기능들은 대안으로 아날로그 회로 컴포넌트들로 구현될 수 있다. 이어서, 스위치 드라이버(24)는 제어 회로(22)로부터 전송된 구동 파형들을 증폭하여, 이러한 새로 증폭된 파형들을 하프 브리지 스위칭 회로(26)로 전송한다. 도시된 실시예에서, 스위치 드라이버(24)는 드라이버로서 기능하도록 특별히 설계된 마이크로프로세서일 수 있다. 스위치 드라이버(24)는 대안으로 본질적으로 구동 파형들을 충분히 증폭하여 이들을 1차측 스위칭 회로(26)에 인가할 수 있는 임의의 회로일 수 있다.
1차측 스위칭 회로(26)는 고전압 레일에 접속된 드레인 및 탱크 회로(21)에 접속된 소스를 갖는 제1 FET, 및 탱크 회로(21)에 접속된 드레인 및 접지에 접속된 소스를 갖는 제2 FET를 구비한 하프 브리지 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 스위치 드라이버(24)는 2개의 FET의 게이트들에 접속되어, 구동 파형들에 따라 탱크 회로를 고전압 레일 및 접지에 선택적으로 접속할 수 있다.
도시된 실시예의 탱크 회로(21)는, 일반적으로 1차 코일(16) 및 커패시터(17)를 포함하는 직렬 공진 탱크 회로이다. 1차 코일(16) 및 커패시터(17)는 탱크 회로(21)가 예상 주파수 범위 내에서 동작할 때 실질적으로 공진하도록 선택될 수 있다. 원할 경우, 조정 가능한 공진 주파수를 갖는 탱크 회로(21)를 제공하기 위해, 커패시터(17)는 가변 커패시터일 수 있고, 그리고/또는 1차 코일(16)은 가변 인덕터일 수 있다. 직렬 공진 탱크 회로와 관련하여 설명되지만, 전원(10)은 병렬 공진 탱크 회로와 같은 대안 탱크 회로들을 포함할 수 있다.
동작에 있어서, 스위치 드라이버(24)는 하프 브리지 스위칭 회로(26)의 제1 및 제2 FET를 교대로 개폐하여 직렬 공진 1차 코일(16) 및 커패시터(유도 결합된 코일의 "1차" 절반)를 고전압 DC(113-382 VDC) 레일과 접지 사이에 교대로 접속한다. 결과적인 교류(AC)가 유도성 코일의 1차 부분으로 흐른다. 하프 브리지(26)의 회로 컴포넌트를 이용할 경우, 1차 코일(16)로 전송된 구동 파형들이 주파수 또는 듀티 사이클 변조를 이용하여 조정될 수 있다.
유도성 코일의 제2 절반, 이 실시예에서는 2차 중심 탭핑(center-tapped) 코일(18)이 1차 코일에 의해 생성되는 자기장 내에 배치된다. 2차 코일(18)이 (직접적인 전기 접촉이 아니라) 범위 내에 있는 경우, 유도성 결합이 달성되고, 1차 코일(16)에서 2차 코일(18)로 전력이 전달되며, 코일들 사이에는 코어 또는 직접적인 전기 접촉이 존재하지 않고, 따라서 본선으로부터의 전기적 분리가 제공된다.
1차 코일(16)로부터 수신된 AC 전류는 2차 코일(18)에서 전파(full wave) 정류기(28)로 전달된다. 반파 정류기가 사용될 수 있지만, AC 파형의 양쪽 성분을 DC로 변환한다는 점에서 전파 정류기가 더 효율적이다. 그러나, 변환된 DC 전압은 일정하지 않으며, 일정한 DC 전압이 되도록 추가 처리를 필요로 한다. 선형 조절기(40)를 이용함으로써, 정류기(28)로부터 출력되는 변환된 DC 전압이 일정한 12 VDC로 안정화된다. 선형 조절기들은 이 분야의 기술자들에게 공지되어 있으며, 따라서 상세히 설명되지 않는다. 선형 조절기(40)는 원하는 조절 레벨을 제공할 수 있는 본질적으로 임의의 선형 조절기 회로 또는 다른 회로로부터 선택될 수 있다고 말하는 것으로 충분하다.
이러한 선형 조절기(40)로부터의 일정한 12 VDC는 변압기의 2차측 상의 분리 회로(34), 측정 회로(32) 및 스위치 드라이버(36)에 급전하는 데 사용된다. 스위칭 전원(38)으로부터 13 VDC를 급전 받고, 구동 파형들을 스위치 드라이버(24)에 제공하는 제어 회로(22)는 또한 구동 파형들을 분리 회로(34)에 제공한다. 이어서, 분리 회로(34)는 분리된 구동 파형들을 스위치 드라이버(36)로 전달하며, 구동 파형들은 스위치 드라이버에서 증폭된다. 분리 회로(34)는 직접적인 전기 접속 없이 2차측 회로(14)에서 1차측 회로(12)로 신호들을 전달할 수 있는 본질적으로 임의의 회로 또는 회로 컴포넌트(들)일 수 있다. 도시된 실시예에서, 분리 회로(34)는 2개의 광음향 결합기(또는 광음향 분리기)를 포함하며, 이들 중 하나는 측정 회로(32)에서 제어 회로로 신호들을 전달하며, 다른 하나는 제어 회로(22)에서 2차측 스위치 드라이버(36)로 구동 파형들을 전달한다.
증폭된 구동 파형들은 스위치 드라이버(36)로 하여금, 전파 정류기(28)로부터 공급된 조절되지 않은(일정하지 않은) DC 전압을 조절된 저전압 AC 파형으로 다시 변조하는 풀 H-브리지 스위칭 회로(30)에 교대로 접속하게 한다. 측정 회로(32)는 풀 H-브리지 스위칭 회로(30)로부터 저전압 AC 출력을 모니터링하고 보고한다. 측정 회로(32)는 전압 센서(도시되지 않음) 및 전류 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 측정 회로(32)의 전압 센서의 출력은 제어 회로(22)에 의해 처리되어, 풀 H-브리지 스위칭 회로(30)로 전송될 구동 파형들을 결정하는 데 사용된다. 도시된 실시예에서, 제어 회로(22)는 전원(10)의 출력을 일정 전압으로 유지하려고 시도하도록 프로그래밍된다. 이 전압은 메모리에 전압 설정 포인트로서 저장된다. 측정 회로(32)에 의해 측정된 전압이 전압 설정 포인트보다 높은 경우, 제어 회로(22)는 2차측 스위치 드라이버(36)에 인가되는 구동 파형들의 듀티 사이클을 줄일 것이다. 이어서, 듀티 사이클의 감소는 출력 전압을 줄일 것이다. 마찬가지로, 측정 회로(32)에 의해 측정된 전압이 전압 설정 포인트 아래인 경우, 제어 회로(22)는 2차측 스위치 드라이버(36)에 인가되는 구동 파형들의 듀티 사이클을 증가시킬 것이다. 측정 회로(32)의 전류 센서의 출력은 2차측 출력이 과전류 상태인지 전류 부족 상태인지를 결정하기 위해 제어 회로(22)에 의해 처리된다. 그러한 경우, 제어 회로(22)는 전원을 셧오프시키거나 리셋하는 것과 같은 적절한 액션을 취할 수 있다. 제어 회로(22)는 이에 더하여 또는 대안으로 경고 광(LED) 또는 가청 경고 신호와 같은 과전류 또는 부족 전류 신호를 활성화할 수 있다.
제어 회로(22)는 필요에 따라 추가 기능을 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(22)는 전원(10)의 출력의 전압 또는 전력을 선택적으로 스케일 업 또는 스케일 다운시키도록 프로그래밍될 수 있다. 이러한 기능을 달성하기 위하여, 제어 회로(22)는 구동 파형들 중 하나 또는 양자의 주파수 및/또는 듀티 사이클을 변화시키는 것 등에 의해 1차측 및 2차측 스위칭 회로 중 하나 또는 양자에 인가되는 구동 파형들을 조정할 수 있다. 경관 조명 응용들과 관련하여, 이러한 기능은 경관 램프들이 선택적으로 디밍되는 것을 가능하게 한다. 이러한 기능은 다른 응용들에서 대안 제어 동작들을 허가할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기능은 부하가 모터를 포함하는 응용에서 모터 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 기능은 전원으로 하여금, 부하(L)에 대한 전력이 느리게 램프 업하는 "소프트 시동"을 갖는 것을 허가할 수 있다.
변압기(20)의 설계 및 구성은 응용에 따라 다를 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에서, 변압기(20)는 분할된 2차 코일(18) 사이에 샌드위치된 1차 코일(16)을 갖는 에어 코어 변압기이다. 도 2는 1차 코일(16)의 대향 측들 상에 배치된 제1 코일 부분(18a) 및 제2 코일 부분(18b)을 갖는 2차 코일(18)을 나타내는 이 실시예의 변압기(20)의 분해도이다. 제1 코일 부분(18a)은 파선 접속 포인트 A에 포인트 A'로 표시되는 바와 같이 제2 코일 부분(18b)에 전기적으로 접속될 수 있다. 이제, 도 3을 참조하면, 일 실시예의 유도성 코일들의 단면도가 도시되어 있다. 알 수 있듯이, 도시된 유도성 코일들은 층들로 구성되며, 서로 상당히 동일 공간에 걸쳐 있고, 유사한 내경 및 외경을 갖는다. 1차 코일(16)은 이 실시예에서 260 x 38 리츠(Litz) 와이어로 나선 형태로 감겨져 있으며, 이 실시예에서 #20 AWG 자석 와이어로 제조된 분할된 2차 나선형 코일 부분들(18a, 18b) 사이에 샌드위치된다. 도시된 실시예는 분할된 2차 코일 부분들(18a, 18b) 사이에 샌드위치된 1차 코일(16)을 포함하지만, 1차 코일(16)은 대안으로 분할될 수 있다. 예컨대, 2차 코일(18)은 1차 코일의 분할된 코일 부분들 사이에 샌드위치된 단일 코일을 포함할 수 있다. 그러나, 1차 코일(16) 또는 2차 코일(18)이 분할되는 것이 필요한 것은 아니다.
1차 및 2차 코일들(16, 18)은 각각 서로 인접하게 배열되거나, 뒤섞이지만 작은 갭들에 의해 분리되고 에폭시 계열의 접착제로 유지되거나 회로 보드 내에 인쇄될 수 있다. 코일들 사이의 공간들 또는 에어 갭들은 매우 작을 수 있지만, 종래의 철 또는 금속 코어 변압기와 달리, 여기에 개시되는 바와 같은 분리 보호를 허가하기 위해 여전히 충분한 공간이 존재한다. 원할 경우, 코일들은 원하는 전기적 분리에 필요한 갭을 제공하기 위한 절연에 의존하여 서로에 대해 직접 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원의 회로도이다. 다양한 부 회로들이 함께 그룹화되고, 도 1의 실시예의 설명에 대응하는 참조 번호들로 표시된다. 도시된 바와 같이, 회로도는 라인 필터/AC 주 정류기(37), 스위치 드라이버(24), 1차측 스위칭 회로(26), 1차 코일(16) 및 병렬 커패시터들(17)을 구비한 탱크 회로(21), 2차 코일(18), 정류기(28), 스위칭 회로(30), 측정 회로(32), 분리 회로(34a, 34b), 2차측 스위치 드라이버(36) 및 선형 조절기(40)를 포함한다. 그러나, 도 8의 실시예는 측정 회로(12)가 분리 회로(32)를 통해 제어 회로(22)에 접속되지 않는다는 점에서 다르다. 오히려, 측정 회로(32)는 제어 회로(22)에 직접 접속된다. 이러한 대안은 도 1에 가상선 D로 표시되어 있다. 측정 회로(32)는 측정 회로(32)와 제어 회로(22) 사이에 광음향 결합기 또는 광음향 분리기와 같은 분리기를 추가함으로써 제어 회로(22)로부터 분리될 수 있다. 또한, 도 8의 요소들(34a, 34b)은 레벨 시프터들로서 기능할 수 있다.
이제, 도 4를 참조하면, 에어 코어 변압기의 대안 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, AC 주 전압은 전원(10')에 의해 조절된 DC 전압으로 변환된다. 출력인 DC 전압은 태양 전지들 및 이들의 저장 배터리들, 임의의 종류의 배터리들, 자동차 응용들, 전화 및 기타 통신 수단들, 연료 전지들, 및 지하철 또는 기타 전동 수송 시스템들과 같은 수송 시스템들에서의 사용과 같은 소정의 응용들에 바람직하다. 이 실시예의 컴포넌트들 중 대다수는 도 1의 실시예의 컴포넌트들과 유사하다. 따라서, 동일한 컴포넌트들은 동일한 참조 번호들로 식별되며, 유사하지 않은 컴포넌트들만이 상세히 설명된다.
태양 전지 응용들에서, 변압기는 태양 전지 저장 배터리들을 보조하는 시스템 내에 통합될 수 있다. 태양 시스템들에 사용되는 배터리들은 일반적으로 DC이지만, AC 저장 시스템이 사용되는 경우에는 여기에 개시되는 바와 같은 AC 공진 에어 코어 변압기가 대용될 수 있다. 전력 수요들은 시간에 따라 변하는데, 이는 전력의 비용도 변한다는 것을 의미한다. 따라서, 공지 에어 코어 변압기는 이른 아침 시간들과 같은 오프 피크 및/또는 오프 수요 기간들에 태양 시스템 배터리들을 공급하는 데 사용될 수 있다. 다른 공급 기간들은 비용 또는 전기 그리드 용량에 기초하여 결정될 수 있다. 따라서, DC 또는 AC 형태의 공진 에어 코어 변압기는 태양 전지 시스템을 증대시킬 수 있다.
대부분이 DC 전력으로 동작되지만, 일부는 AC로도 동작되는 수송 시스템들에 대해, 공진 에어 코어 변압기는 또한 이러한 수송 시스템들의 운동 부분들 및 온보드 저장 배터리들 및 시스템들에 전력을 공급하는 데 매우 적합하다. 에어 코어 변압기를 스케일 업하고, 예를 들어 지하철 또는 경량 레일 시스템 주위에 전략적으로 배치된 복수 개를 포함함으로써, 전술한 바와 같은 속성들을 갖는 수송 차량의 전기 모터들, 조명등들, 기후 제어 및 기타 시스템들에 전력이 공급될 수 있다. 따라서, 예를 들어 공진 에어 코어 변압기의 소형화는 보다 작은 수송 지원 풋프린트를 제공하는 하나의 그러한 이익이다. 도시 영역들에서, 공간은 수요가 많으며, 변압기들(그리고 이들의 필요한 안전 구역)에 많은 공간을 할애하는 것은 공진 에어 코어 변압기에 의해 피해진다.
이제, 도 4의 실시예가 전원(10')의 동작 개요와 관련하여 설명된다. 80-270 VAC와 같은 일반 범위의 라인 주 전압이 라인 필터 및 AC 주 정류기(37')에 공급된다. 라인 필터는 주 전압에 존재할 수 있는 원하지 않는 전기 잡음을 제거하고, 변압기로부터 전기 잡음이 방출되는 것의 방지를 도우며, 정류기는 VAC를 VDC로 변환한다.
라인 필터/AC 주 정류기(37')로부터 약 113-382 VDC의 DC 전압이 2개의 컴포넌트, 즉 스위칭 전원(38') 및 하프 브리지 스위칭 회로(26')로 출력된다. 스위칭 전원(38')은 113-382 VDC를 수신하고, 이를 원하는 레벨, 예를 들어 13 VDC로 처리한다.
제어 회로(22')는 스위칭 전원(38')으로부터 생성된 VDC에 의해 급전되고, 구동 파형들을 생성하며, 구동 파형들은 스위치 드라이버(24')로 전송된다. 이어서, 스위치 드라이버(24')는 스위칭 전원(38')으로부터의 전력을 이용하여 구동 파형들을 증폭하고, 이러한 새로 증폭된 파형들을 하프 브리지 스위칭 회로(26')로 전송한다.
하프 브리지의 스위칭 회로는 탱크 회로(21')(예를 들어, 직렬 공진 1차 코일 및 커패시터)를 고전압 DC(113-382 VDC)와 접지 사이에 교대로 접속한다. 결과적인 교류(AC)가 유도성 코일의 1차 부분으로 흐른다. 하프 브리지의 회로 컴포넌트를 사용하는 경우, 1차 코일(16')로 전송되는 파형들은 주파수 또는 듀티 사이클 변조를 이용하여 조정될 수 있다.
유도성 코일의 제2 절반, 이 실시예에서는 2차 중심 탭핑 코일(18')은 1차 코일(16')에 의해 생성되는 자기장 내에 배치된다. 도시된 실시예에서, 2차 코일(18')이 (직접 접촉하지 않고) 범위 내에 있는 경우, 유도성 결합이 달성되며, "에어 코어"를 사이에 두고 1차 코일(16')에서 2차 코일(18')로 전력이 전달된다.
1차 코일(16')로부터 수신되는 AC 전류는 제2 코일(18')로부터 전파 정류기(28')로 전달된다. 반파 정류기가 사용될 수 있지만, AC 파형의 양 성분이 DC로 변환된다는 점에서 전파 정류기가 더 효율적이다. 그러나, 변환된 DC 전압은 일정하지 않으며, 일정한 DC 전압이 되도록 추가 처리를 이용할 수 있다. 2차측 회로(14')는 변환된 DC 전압을 안정화하여 일정한 12 VDC를 제공하기 위한 선형 조절기(40')를 포함할 수 있다. 이러한 선형 조절기(40')로부터의 일정한 12 VDC는 변압기(20')의 2차측 상의 분리 회로(34') 및 측정 회로(32')에 급전하는 데 사용된다.
조절되지 않은 DC 전압은 입력 DC 전압을 원하는 DC 출력 전압으로 조절하는 옵션인 전압 조절기(31')에 접속될 수 있다. 다양한 전압 조절기가 이 분야의 기술자들에게 공지되어 있다. 전압 조절기(31')는 예상되는 입력 및 출력 전력 특성들로 동작하는 데 적합한 본질적으로 임의의 전압 조절기일 수 있다. 원할 경우, 2차측 회로(14')는 부하(L)를 위한 전력을 생성하기 위한 추가적인 필터링 및 컨디셔닝 회로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 종래의 필터링 및 컨디셔닝 회로가 정류기(28')와 2차측 출력 사이에 포함될 수 있다. 일부 응용들에서, 정류기(28')에 의해 생성되는 DC 전력은 추가적인 컨디셔닝, 필터링 또는 다른 처리 없이 부하(L)에 급전하기에 적합하다. 그러한 응용들에서, 옵션인 전압 조절기(31')는 제거될 수 있다.
측정 회로(32')는 DC 출력 전압을 분석하고, 그 데이터를 분리 회로(34')에 전압 및 전류 피드백 신호로서 제공한다. 이러한 신호들은 분석을 위해 그리고 1차 코일 측 상에 공급되는 전류에 대한 연속(또는 대안으로 주기적) 제어로서 분리 회로(34')를 통해 제어 회로(22')로 전달된다. 일 실시예에서, 제어 회로(22')는 과전류 및 전류 부족 상태를 모니터링한다. 이 실시예에서, 측정 회로(32')는 2차측 출력의 전류를 측정하거나 결정하는 전류 센서 회로를 포함할 수 있다. 과전류 또는 전류 부족 상태가 발생하는 경우, 제어 회로(22')는 도 1의 실시예와 관련하여 전술한 바와 같은 적절한 액션을 취할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 회로(22')는 대안으로 또는 추가로 2차측 출력의 전압을 모니터링할 수 있다. 전압이 너무 높거나 낮은 경우, 제어 회로(22')는 교정 액션을 취할 수 있다. 예를 들어, 전압이 너무 낮은 경우, 제어 회로(22')는 1차 코일(16')에 인가되는 구동 파형들을 변화시킬 수 있다. 이것은 구동 파형들의 듀티 사이클 또는 주파수를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 측정된 전압이 너무 낮은 경우, 제어 회로(22')는 1차 코일(16')에 인가되는 구동 파형들의 듀티 사이클 및/또는 주파수를 증가시킬 수 있으며, 측정된 전압이 너무 높은 경우, 제어 회로(22')는 1차 코일(16')에 인가되는 구동 파형들의 듀티 사이클 및/또는 주파수를 감소시킬 수 있다.
전원(10, 10')은 사용자가 임의의 추가 컴포넌트의 지원 없이 전원(10, 10')을 프로그래밍할 수 있게 하는 간단한 통합 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스는 응용마다 다를 수 있지만, 일 실시예에서 사용자 인터페이스는 푸시 버튼 및 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 푸시 버튼 및 LED는 다양한 동작 파라미터를 설정하는 데 사용된다. 전과 같은 경관 조명 예를 이용할 경우, 사용자가 다수의 라이트를 그의 전원 케이블을 통해 에어 코어 변압기에 접속하고, 변압기를 주 전력에 접속한 때, 사용자 인터페이스는 다음과 같이 사용될 수 있다.
전원은 옵션으로, 전기를 보존하기 위해 라이트들이 파워 온 및 오프되어야 하는 시기를 제어하는 데 사용되는(이 예에서) 포토셀 또는 기타 광 측정 장치를 구비한다. 사용자는 푸시 버튼을 이용하거나 전원을 주 전력에 접속함으로써 전원에 에너지를 공급한다. 포토셀 또는 유사한 장치들은 주변 광 레벨의 측정을 개시하고, 교정된 포토셀이 충분한 주변 광 레벨에 도달하는 경우에 라이트들을 턴오프한다(전력 공급을 중지한다).
사용자가 전원 및 그에 접속된 라이트들을 설정하기를 원하는 경우, 사용자는 전원 상의 푸시 버튼을 이용하며, 이는 전원이 구성 모드에 들어가게 한다. 이 예에서, 4개의 설정, 즉 높음(광 휘도), 중간, 낮음 및 오프가 가능하다. 푸시 버튼의 각각의 누름은 전원이 다음 설정으로 동작하게 할 것이다. 푸시 버튼의 5 번째 누름은 첫 번째로의 복귀로 이어져, 루프를 형성할 것이다. 따라서, 버튼이 3번 눌러지는 경우, 전류 설정은 낮을 것이다(광 휘도). 선택되는 설정이 낮 동안에 이루어지는 경우(램프들 중 하나가 소정의 강도에 있는 경우), 램프들은 그 낮 기간 동안, 다음 밤 내내 조명을 유지할 것이며, 램프들은 다음날 낮에 충분한 주변 광으로 인해 꺼질 것이다.
도시된 실시예에서 전원을 영구적으로 설정하기 위해, 버튼을 누르고, 이 예에서 5초 이상 동안 유지함으로써 설정 모드에 들어간다. LED는 설정 모드에 들어갔음을 지시하기 위해 50%의 듀티 사이클로 느리게 반짝일 것이다. LED가 반짝거리기 시작하면, 사용자는 버튼에서 손을 뗀다. 이 시점에서, 버튼은 위와 같이 동작하며, 이러한 설정 모드에서만 선택이 전원의 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EEPROM)에 저장된다. 사용자가 5초 내에 동작 모드를 선택하지 않는 경우, 전원은 (높음 등의) 소정 모드로 디폴트될 것이다. 사용자가 5초 내에 동작 모드를 선택한 경우, 그 모드는 메모리에 저장되며, 전원의 후속 활성화마다(밤마다) 그 모드를 따를 것이다.
전원이 자동 모드에 있는 동안 전원 라인을 통해 흐르는 과다한 양의 전류(단락)를 검출하는 경우, 전원은 자동으로 램프들을 비활성화하고, LED를 이용하여 에러를 지시할 것이다. 이러한 지시는 이 예에서 여러 번의 반짝임에 이은 일시 중지 및 다른 그룹의 여러 번의 LED 반짝임과 같은 일련의 LED 반짝임들을 이용하여 행해진다.
전원이 개방 회로(전류 부족 상태)를 검출하는 경우, 다시 전원은 비활성화하고, LED를 이용하여 그러한 상태가 존재함을 표시할 것이다. 전류 부족 상태의 경우, 예를 들어 단일 LED 반짝임에 이은 긴 중지, 반복이 표시될 수 있다.
정상 동작시에, LED는 전원이 프로그래밍된 대로 동작하고 있고 동작 결함이 존재하지 않음을 사용자에게 지시하기 위해 조명을 유지한다.
그래픽 사용자 인터페이스를 구비한 컴퓨터 소프트웨어(도 5 및 6 참조)가 전원(10 또는 10')이 진단을 수행하도록 프로그래밍하기 위해 추가로 또는 대안으로 사용될 수 있다. 전원(10 또는 10')은 유선 또는 무선 프로그래밍 포트(50 또는 50')를 포함할 수 있다. 전원은 옵션으로서, 랩탑 컴퓨터 또는 다른 유사한 장치 등과의 통신을 가능하게 하는 유선 또는 무선 통신 링크(50)를 구비한다. 이러한 소프트웨어는 에어 코어 변압기의 하이 레벨 유지, 수리 또는 설치를 허가하며, 변압기의 성능 및 동작 상태에 관한 훨씬 더 상세한 정보 및 파라미터들을 제공한다.
랩탑 컴퓨터 상에서, 접속이 설정된 경우, 컴퓨터 소프트웨어의 주 표시 윈도우가 나타난다. 컴퓨터 소프트웨어의 일 실시예의 주 표시 윈도우(100)가 도 5에 도시되어 있다. 사용자는 아래에 요약되는 바와 같이 주 표시 윈도우와 상호작용함으로써 전원에 대한 정보를 취득하고 그의 동작 파라미터들을 제어할 수 있다.
직렬 포트(102) - 사용자가 통신을 위한 포트를 선택할 수 있게 하는데, 이 사례에서는 직렬 컴퓨터 포트를 이용한다.
상태 폴(poll) 인터벌(104) - 상태 정보에 대한 변압기의 폴들 사이의 밀리초 단위의 인터벌의 표시. 숫자가 작을수록, 표시 윈도우는 더 빠르게 갱신될 것이다.
장치 접속/장치 분리 버튼(106) - 이 버튼은 사용자가 표시 윈도우 버튼을 토글링함으로써 변압기에 접속하거나 분리할 수 있게 한다.
출력 주파수(108) - 변압기의 현재 출력 주파수를 나타낸다.
새로운 주파수(110) - 사용자가 변압기에 대한 새로운 주파수를 수동으로 입력할 수 있게 하는 편집 가능 필드.
변환되지 않은 ISEC A/D(112) - 교정 목적에 유용한 2차 코일 전류 감지 피크 검출기에 대한 로 A/D 리턴(raw A/D return)을 나타내는 필드.
2차 전류(114) - 로 A/D 값을 암페어로 변환한 결과를 나타내는 필드.
포토셀 전압(116) - CdS 셀에 의해 검출된 바와 같은 주변 광 레벨의 지시를 제공한다. 일반적으로, 낮은 전압들은 더 많은 광을 지시하고, 높은 전압들은 낮은 광을 지시한다.
출력 활성화/비활성화 버튼(118) - 사용자가 변압기의 출력 상태를 토글링할 수 있게 한다.
주파수 커미트 버튼(120) - 새로운 주파수 필드의 값을 변압기로 전송하고 이를 활성 주파수로서 할당한다. 이어서, 출력 주파수 필드가 새로운 값을 표시하도록 갱신된다.
EEPROM 구성 버튼(122) - EEPROM 구성 다이얼로그를 론칭한다.
이제, 도 6을 참조하면, EEPROM 구성 다이얼로그(200)는 사용자로 하여금 변압기의 동작을 지배하는 다양한 파라미터들을 설정할 수 있게 한다. 파라미터들 중 일부가 아래에 리스트된다.
전류 변환 팩터(202) - 로 A/D 값들과 암페어 단위의 추정 2차 전류 사이의 변환에 사용되는 값.
전류 오프셋(204) - 로 A/D 값들과 암페어 단위의 추정 2차 전류 사이의 변환에 사용되는 값.
최대 2차 전류(206) - 변압기가 비활성화하고 단락 상태를 지시하기 전에 2차 코일에 제공할 암페어 단위의 최대 전류.
최소 2차 전류(208) - 변압기가 비활성화하고 개방 상태를 지시하기 전에 제공할 암페어 단위의 최소 전류.
자동 활성화를 위한 포토셀 전압(210) - 포토셀 전압이 최소 포토셀 레벨 유지 시간 동안 이 값 위에 있는 경우, 변압기는 램프들을 활성화하고 급전할 것이다.
자동 셧오프를 위한 포토셀 전압(212) - 위의 역. 온 및 오프 광 전압 레벨들을 2개의 값으로 분리함으로써, 광 레벨들과 관련하여 유용한 히스테리시스가 발전될 수 있으며, 따라서 원하는 광 조작을 제공한다.
최소 포토셀 레벨 유지 시간(214) - 변압기가 동작 상태를 변경하기 전에 포토셀 전압이 자동 활성화 임계치 위이거나 자동 셧오프 임계치 아래이어야 하는 시간의 양. 이것은 변압기의 표준 동작을 방해하지 않고 주변 광의 순간적인 변경을 허가한다. 예를 들어, 통과 차량으로부터 광이 주변 광의 순간적인 증가를 유발하는 경우, 변압기는 라이트들에 계속 급전할 것이다.
주파수 상한(216) - 변압기가 (푸시 버튼을 이용하는) 수동 제어 하에서도 라이트들에 급전할 최소 주파수. 안전한 동작 레벨들로 설정된다.
주파수 하한(218) - 위와 동일하지만, 하한에 대한 것임.
높음 설정을 위한 주파수(220) - 변압기가 높은 레벨의 출력으로 프로그래밍되는 주파수.
중간 설정을 위한 주파수(222) - 중간 변압기 출력을 위한 주파수.
낮음 설정을 위한 주파수(224) - 낮은 변압기 출력을 위한 주파수.
활성 설정(226) - 변압기의 현재 동작 설정을 나타낸다.
대안 실시예에서, 본 발명은 전원(10 또는 10')에 의해 급전되는 전원 라인을 따른 전력 손실을 보상하기 위해 전원(10 또는 10')의 전압 설정 포인트 또는 다른 동작 특성들을 조정하는 데 유용한 전원 튜닝 시스템(300)을 포함할 수 있다. 튜닝 시스템(300)은 일반적으로 베이스(302), 하나 이상의 원격 전압 모니터(304) 및 컴퓨터(306) 또는 다른 유사한 장치를 포함한다. 도시된 실시예에서, 베이스(302)는 원격 전압 모니터들(304)로부터 전압 측정치들을 수신하도록 구성된다. 원격 전압 모니터들(304)은 전원 라인을 따른 다양한 위치에서 전압을 측정하고 측정된 라인 전압들을 베이스(302)로 통신하는 데 사용될 수 있다. 베이스(302)는 예를 들어 USB 접속에 의해 랩탑 컴퓨터와 같은 컴퓨터(306)에 접속된다. 컴퓨터(306)는 베이스(302)와 인터페이스하고 원격 전압 모니터들(304)로부터 수신된 전압 측정치들을 지시하는 출력을 제공하도록 구성된 소프트웨어를 실행한다. 소프트웨어는 원격 전압 모니터들(304)의 각각에서의 전압 또는 전압 손실을 나타낼 수 있다. 소프트웨어의 출력을 검토함으로써, 설치자는 전원 라인을 따른 전압 손실을 결정하고, 전압 설정 포인트를 변화시켜 최적의 전압을 부하(들)에 제공할 수 있다. 원할 경우, 소프트웨어는 전압 손실을 평가하고 최적의 전압 설정 포인트를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다. 원격 전압 모니터들(304)은 설치 동안 또는 다른 시간에 전력 손실을 측정하는 데 사용될 수 있다. 원격 전압 모니터들(304)은 이동 가능하거나 부하들 내에 통합될 수 있다.
일 실시예에서, 베이스(302)는 전원(10 또는 10')을, 예를 들어 전압 설정 포인트를 할당하도록 프로그래밍할 수 있다. 이 실시예에서, 시스템(300)은 전원 제어 회로(22 또는 22')와 인터페이스하고 베이스(302)와 통신하도록 구성되는 프로그래머 모듈(308)을 포함한다. 프로그래머 모듈(308)은 프로그래머 모듈(308)이 베이스(302)와 무선 통신하는 것을 허가하는 트랜시버를 포함할 수 있다. 대안 실시예에서, 프로그래머 모듈(308)은 무선 접속에 의해 베이스(302) 또는 컴퓨터(306)에 결합될 수 있다. 어느 경우에나, 컴퓨터(306) 상에 동작하는 소프트웨어는 컴퓨터(306)가 직접 또는 베이스(302)를 통해 전원(10 또는 10')의 전압 설정 포인트를 설정하는 것을 허가하는 기능을 포함할 수 있다. 전원의 전압 설정 포인트에 대한 조정과 관련하여 설명되지만, 시스템(300)은 원할 경우에 전원(10 또는 10')의 다른 동작 파라미터들을 변경하는 데 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 원격 전압 모니터들(304) 각각은 라인 전압을 측정하기 위한 트루(true) RMS 전압계를 포함하며, 폴링시에 측정된 값을 베이스(302)에 보고할 수 있다. 예를 들어, 원격 전압 모니터들(304) 및 베이스(302)는 각각 RF 트랜시버를 포함할 수 있다. 다수의 원격 전압 모니터(304)를 포함하는 응용들에서, 각각의 전압 모니터(304)에는 베이스(302)와의 RF 링크 상에서의 충돌을 피하기 위해 고유 어드레스가 부착될 수 있다. 도시된 실시예에서, 각각의 원격 전압 모니터(304)는 회로 보드 상의 일련의 딥 스위치에 의해 설정된 그의 어드레스를 갖는다. 동작에 있어서, 베이스(302)는 각각의 원격 전압 모니터(304)를 폴링하여 모니터(304)에서의 라인 전압을 결정할 수 있다. 도시된 실시예의 원격 전압 모니터들(304)은 무선 통신 시스템을 포함하지만, 이들은 유선 접속을 대안으로 이용할 수 있다.
복수의 램프가 전원 라인을 따라 설치되는 경관 조명 응용들에서는, 각각의 램프(L)에서의 전압을 측정하기 위해 하나 이상의 원격 전압 모니터(304)가 사용될 수 있다. 전원 라인을 따라 상당한 전력 손실이 발견되는 상황들에서, 전원의 전압 설정 포인트는 복수의 램프(L) 사이의 가장 적절한 균형을 산출하는 전압 설정 포인트를 제공하기 위해 측정된 전압들의 함수로서 증가될 수 있다.
여기에 달리 언급되지 않는 한, 여기에 언급되고 인용된 모든 특허, 특허 출원, 특허 공보 및 기타 공보들(웹 기반 공보 포함)은 그 전체가 여기에 설명되는 바와 같이 여기에 참조 문헌으로서 완전히 포함된다.
본 발명의 예시적인 구현들은 첨부 도면들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그러한 바로 그 실시예들로 한정되지 않으며, 균등론을 포함하는 특허법의 원리들에 따라 해석되어야 하는 청구항들에 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 이 분야의 기술자에 의해 다양한 다른 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어 관사 "a", "an", "the" 또는 "said"를 이용하는 단수의 청구항 요소들에 대한 임의의 언급은 그 요소를 단수로 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (28)

  1. 전원으로서,
    상기 전원의 동작을 제어하는 제어 회로 및 1차 코일을 구비하는 1차측 회로;
    2차 코일 및 측정 회로를 구비하는 2차측 회로;
    상기 1차측 회로와 상기 2차측 회로를 결합하는 분리 회로(isolation circuitry)
    를 포함하고,
    상기 분리 회로는 상기 측정 회로와 상기 제어기 간의 통신을 제공하고, 상기 제어기는 상기 측정 회로로부터의 통신들에 응답하여 상기 전원의 동작을 조정하도록 구성되는 전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일은 에어 코일을 통해 유도 결합되는 전원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 1차측 회로는 직렬 공진 탱크 회로를 포함하고, 상기 탱크 회로는 상기 1차 코일 및 커패시터를 포함하는 전원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 2차측 회로는 상기 2차 코일에 전기적으로 접속되는 정류기를 포함하고, 상기 정류기는 상기 2차 코일에서 유도적으로 생성된 전력을 정류하는 전원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 2차측 회로는 스위칭 회로를 포함하는 전원.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 구동 파형들을 상기 측정 회로로부터의 상기 통신들의 함수로서 생성하도록 구성되는 전원.
  7. 제5항에 있어서, 상기 측정 회로는 전압 센서를 포함하고, 상기 측정 회로는 측정된 전압을 상기 분리 회로를 통해 상기 제어 회로로 통신하고, 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 상기 구동 파형들의 듀티 사이클을 상기 측정된 전압의 함수로서 변경하도록 구성되는 전원.
  8. 제5항에 있어서, 상기 측정 회로는 전류 센서를 포함하고, 상기 측정 회로는 측정된 전류를 상기 분리 회로를 통해 상기 제어 회로로 통신하고, 상기 제어 회로는 상기 측정된 전류가 과전류 또는 전류 부족 상태를 나타내는 경우에 교정 액션을 취하도록 구성되는 전원.
  9. 제7항에 있어서, 상기 2차측 전류는 상기 2차측 스위칭 회로에 전기적으로 접속되는 스위치 드라이버를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 분리 회로를 통해 상기 스위치 드라이버에 결합되고, 이에 따라 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 상기 구동 파형들을 상기 2차측 스위치 드라이버에 인가하는 전원.
  10. 제7항에 있어서, 상기 2차측 회로는 상기 2차측 정류기에 전기적으로 접속되는 선형 조절기(line regulator)를 포함하고, 상기 선형 조절기는 상기 스위치 드라이버, 상기 측정 회로 및 상기 분리 회로 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 전원.
  11. 제10항에 있어서, 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일 중 적어도 하나는 분할된 코일이고, 상기 분할된 코일은 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일 중 다른 하나를 샌드위치하는 2개의 코일 부분을 포함하는 전원.
  12. 전원으로서,
    상기 전원의 동작을 제어하는 제어 회로 및 1차 코일을 구비하는 1차측 회로;
    2차 코일 및 스위칭 회로를 구비하는 2차측 회로 - 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일은 에어 코어를 통해 유도 결합됨 -; 및
    상기 1차측 회로와 상기 2차측 회로를 결합하는 분리 회로
    를 포함하고,
    상기 분리 회로는 상기 1차측 회로와 상기 2차측 회로 간의 통신을 제공하고, 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 구동 파형들을 상기 분리 회로를 통해 제공하도록 적응되는 전원.
  13. 제12항에 있어서, 상기 2차측 회로는 상기 2차 코일에 전기적으로 접속되는 정류기를 포함하고, 상기 정류기는 상기 2차 코일에서 유도 생성된 전력을 정류하여 실질적으로 DC인 출력을 생성하는 전원.
  14. 제13항에 있어서, 상기 2차측 스위칭 회로는 상기 정류기에 결합되고, 상기 2차측 스위칭 회로는 상기 DC 출력으로부터 AC 출력을 생성할 수 있는 전원.
  15. 제14항에 있어서, 상기 2차측 스위칭 회로는 풀 H-브리지 스위칭 회로인 전원.
  16. 제15항에 있어서, 상기 2차측 회로는 상기 풀 H-브리지 스위칭 회로에 결합되는 스위치 드라이버를 포함하는 전원.
  17. 제16항에 있어서, 상기 2차측 회로는 전압 센서를 구비하는 측정 회로를 포함하고, 상기 측정 회로는 측정된 전압을 상기 분리 회로를 통해 상기 제어 회로로 통신하고, 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 상기 구동 파형의 듀 티 사이클을 상기 측정된 전압의 함수로서 변경하도록 구성되는 전원.
  18. 제17항에 있어서, 상기 측정 회로는 전류 센서를 포함하고, 상기 측정 회로는 측정된 전류를 상기 분리 회로를 통해 상기 제어 회로로 통신하고, 상기 제어 회로는 상기 측정된 전류가 과전류 또는 전류 부족 상태를 나타내는 경우에 교정 액션을 취하도록 구성되는 전원.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 분리 회로를 통해 상기 스위치 드라이버에 결합되고, 이에 따라 상기 제어 회로는 상기 2차측 스위칭 회로에 대한 상기 구동 파형들을 상기 2차측 스위치 드라이버에 인가하는 전원.
  20. 유도성 결합으로서,
    1차 코일;
    2차 코일;
    을 포함하고,
    상기 2차 코일은 제1 및 제2 코일 부분들을 포함하고, 상기 제1 코일 부분 및 상기 제2 코일 부분은 상기 1차 코일의 대향 측들 상에 배치되고, 이에 따라 상기 1차 코일은 상기 제1 코일 부분과 상기 제2 코일 부분 사이에 샌드위치되는 유도성 결합.
  21. 제20항에 있어서, 상기 1차 코일, 상기 제1 코일 부분 및 상기 제2 코일 부분은 실질적으로 동일 공간에 걸쳐 있는(substantially coextensive) 유도성 결합.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 1차 코일은 내경 및 외경을 갖고, 상기 제1 코일 부분 및 상기 제2 코일 부분은 각각 내경 및 외경을 가지며,
    상기 1차 코일의 내경, 상기 제1 코일 부분의 내경 및 상기 제2 코일 부분의 내경은 실질적으로 동일하고, 상기 1차 코일의 외경, 상기 제1 코일 부분의 외경 및 상기 제2 코일 부분의 외경은 실질적으로 동일한 유도성 결합.
  23. 전원 라인에 전력을 인가하는 전원의 동작 파라미터를 설정하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 원격 전압 모니터를 상기 전원 라인에 접속하는 단계;
    상기 하나 이상의 원격 전압 모니터에서 측정된 전압을 베이스로 통신하는 단계;
    상기 측정된 전압을 분석하여 상기 전원 라인을 따른 전압 손실을 결정하는 단계; 및
    상기 전력 손실을 보상하도록 상기 전원의 동작 파라미터를 설정하는 단계
    를 포함하는, 동작 파라미터 설정 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 통신하는 단계는 상기 하나 이상의 원격 전압 모니터에서 측정된 전압을 상기 베이스로 무선 통신하는 단계로서 더 정의되는, 동작 파라미터 설정 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 원격 전압 모니터를 부하 내에 통합하는 단계를 더 포함하고, 이에 따라 상기 원격 전압 모니터는 상기 부하와 함께 상기 전원 라인에 결합되는, 동작 파라미터 설정 방법.
  26. 제25항에 있어서, 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터에 상기 베이스를 결합하여 상기 베이스와 상기 컴퓨터를 인터페이스하는 단계를 더 포함하는, 동작 파라미터 설정 방법.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 전원은 경관 조명(landscape lighting)을 위한 전원으로서 더 정의되고, 상기 전원 라인은 복수의 경관 램프에 대한 전원 라인으로서 더 정의되며,
    상기 접속하는 단계는 적어도 하나의 경관 램프의 위치의 근처의 전원 라인에 원격 전압 모니터를 접속하는 단계로서 더 정의되는, 동작 파라미터 설정 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 전원은 경관 조명을 위한 전원으로서 더 정의되고, 상기 전원 라인은 복수의 경관 램프에 대한 전원 라인으로서 더 정의되며,
    상기 접속하는 단계는 상기 전원으로부터 가장 먼 경관 램프의 위치의 근처의 전원 라인에 원격 전압 모니터를 접속하는 단계로서 더 정의되는, 동작 파라미터 설정 방법.
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