KR20100011032A - 절전형 조도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역률 및 THD가 안 좋은 제품에 대해서는 보상장치를 두어 역률 및 THD를 개선할 수 있으며, 전력 제어를 통한 절전시의 역률 파괴 및 THD 상승을 보정할 수 있는 절전형 조도 제어 장치에 관한 것으로, 입력 전압의 역률 및 THD를 개선하는 역률 및 THD 개선 회로부와, PWM의 듀티비에 따라 상기 역률 및 THD 개선 회로부에서 출력된 전압을 강압하여 부하에 출력하는 전압 강압부와, 상기 전압 강압부에서 상기 부하로 출력되는 전압 및 전류를 감지하여 출력하는 전압 센싱부 및 전류 센싱부와, 상기 전압 및 전류 센싱부의 출력에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하고 외부 입력장치에 의해 입력된 신호에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하는 마이콤을 포함하여 구성된 것이다.
역률, THD, 조도 제어, 절전형

Description

절전형 조도 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INTENSITY OF ILLUMINA FOR POWER SAVING}
본 발명은 조도 제어 장치에 관한 것으로, 특히 전력 품질을 개선하고 전력 가변에 의한 절전형 조도 제어 장치에 관한 것이다.
사회의 발전에 따라서 가정 자동화 및 인텔리전트 빌딩(intelligent building) 화에 대응하는 쾌적한 조명 환경에 대해 관심이 높아지고 있으며, 조명 에너지의 절전 및 전력 품질에도 관심이 높아지고 있는 추세이다. 이러한 이유로 조명용 전력의 절감과 인테리어 측면에서 조명 제어의 필요성이 높아지고 있다.
특히, 최근에는 유가가 폭등하면서 조명용 뿐만 아니라, 일반 가정의 가전 제품, 회사 및 공장에서의 모든 전자 기기의 전력 사용을 절약하려고 하는 노력이 활발하게 진행되고 있고, 절전 제품들이 다양하게 출시되고 있다.
그러나, 일반적인 전력절감장치는 입력 전압의 위상을 제어한다. 따라서 일반적인 절전 제품은 절전 시에 역률 및 THD(total harmonic distortion)가 상승하게 되는 단점을 가지고 있다.
즉, 역률은 전압과 전류 위상차를 의미하고, 1에 가까울수록 전압, 전류에 대한 위상차가 없다고 할 수 있다. 전력이라 함은 크게 피상전력[KVA]. 유효전력[KW], 무효전력[KVAR]으로 구분되는데, 일반적인 전력절감장치는 입력 전압의 위상을 제어하므로 유효전력의 감소는 가져올 수 있지만 무효전력이 상승하므로 인하여 실질적 절전이라고 말할 수 없다.
그리고, THD는 파형 왜곡을 의미한 것으로, 입력에 어떤 신호를 넣었는데 내부의 증폭기(또는 전송, 저장 과정에 의해서도 발생함)에 의해 그 신호에 대한 고조파(Harmonic)성분이 생기는데 이 성분과 원 신호와의 비율을 THD라 한다. 그러나 THD는 타 기기의 오동작 및 기기 파손에 원인으로 알려져 있고, 변압기의 파손 및 화재의 원인이 된다.
현재 시중에 판매되는 절전형 전자 제품 가운데는 역률 및 THD가 매우 나쁜 제품들이 있으며, 국가적 차원에서 개선할 필요가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 역률 및 THD가 안 좋은 제품에 대해서는 보상장치를 두어 역률 및 THD를 개선할 수 있으며, 전력 제어를 통한 절전시의 역률 파괴 및 THD 상승을 보정할 수 있는 절전형 조도 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치는, 입력 전압의 역률 및 THD를 개선하는 역률 및 THD 개선 회로부와, PWM의 듀티 비에 따라 상기 역률 및 THD 개선 회로부에서 출력된 전압을 강압하여 부하에 출력하는 전압 강압부와, 상기 전압 강압부에서 상기 부하로 출력되는 전압 및 전류를 감지하여 출력하는 전압 센싱부 및 전류 센싱부와, 상기 전압 및 전류 센싱부의 출력에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하고 외부 입력장치에 의해 입력된 신호에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하는 마이콤을 포함하여 구성됨에 그 특징이 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다. 즉, 본 발명의 절전형 조도 제어 장치는 인덕터의 전류를 제어하여 입력 전류의 모양을 입력 전압 모양에 맞게 제어하므로 역률 및 THD를 개선할 수 있고, PWM의 듀티비를 제어하여 전압 크기를 조절하므로 전력을 절감할 수 있다.
이하, 상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 블럭 구성도이다
본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 전압(3)의 역률 및 THD를 개선하는 역률 및 THD 개선 회로부(1)와, PWM(pulse width modulation)의 듀티비(Duty rate)에 따라 상기 역률 및 THD 개선 회로부(1)에서 출력된 전압을 강압하여 전자식 안정기, 전열기, 백열전구, 컴팩트 램프, 및 기타 저항성 부하 등의 부하(5)에 출력하는 전압 강압부(BUCK converter)(2)와, 상 기 전압 강압부(2)에서 상기 부하(5)로 출력되는 전압 및 전류를 감지하여 출력하는 전압 센싱부 및 전류 센싱부(6, 7)와, 상기 전압 및 전류 센싱부(6, 7)의 출력에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하고 인체 감지 센서, 리모콘, 지그비(Zigbee), 전력선 통신, 유선 통신, 무선 통신 등의 외부 입력장치(4)에 의해 입력된 신호에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하는 마이콤(3)을 구비하여 구성된다.
상기 역률 및 THD 개선 회로부(1)는 입력 전류의 파형을 입력 전압의 파형에 좇아가게 만들어서 역률을 향상시키고 THD를 감쇄하도록 하였다.
상기 역률 및 THD 개선 회로부(1)의 능동 역률보상회로의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부의 능동 역률보상회로의 동작 원리를 설명하기 위한 회로 구성도이고, 도 3은 도 2의 스위치(SW1)의 동작에 따른 파형도이다.
즉, 본 발명에 따른 상기 역률 및 THD 개선 회로부(1)는 인덕터(L1), 다이오드(D1), 스위치(SW1), 커패시터(C1) 등으로 구성된 부스트 컨버터(Boost converter)의 형태를 갖는다. 입력 전원(AC)을 정류 및 평활하여 DC-링크 전압을 인버터에 공급하기 위해 상기 커패시터(C1)는 벌크(bulk) 커패시터가 사용되며, 입력 전류가 피크(peak) 전류가 되도록 하여 낮은 역률과 심각한 고조파(Harmonic) 왜곡이 일어나지 않도록 한 것이다.
도 2와 같이, 스위치(SW1)의 온/오프(ON/OFF)에 의한 두 가지 모드로 간단히 나누어 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 2의 모드 1(Mode 1)과 같이, 상기 스위치(SW1)가 온(ON)되면, 부하는 출력단의 커패시터(C1)에 의해 공급되며 인덕터(L1)에 에너지가 축적된다. 그리고 도 2의 모드 2(Mode 2)와 같이, 상기 스위치(SW1)가 오프(OFF)되면 인덕터(L1)는 축적하였던 에너지를 전류의 형태로 출력하게 된다. 이 때 상기 인덕터(L1)의 극성이 바뀌게 되고, 출력 전압은 입력 전압과 상기 인덕터(L1)의 전압을 합한 값이 되어 입력 전압보다 높아지게 된다.
따라서, 역률 보상은 상기 스위치(SW1)의 동작으로 인덕터(L1)의 전류를 제어할 수 있으므로 입력 전류의 모양을 전압 모양에 맞게 제어하여 역률을 보상한다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 입력전압 모양에 인덕터(L1)의 전류 크기를 비교한 상기 도 2의 스위치(SW1)를 통하여 전체적인 모양이 따라가도록 만든다. 인덕터(L1)의 전류는 곧 입력 전류의 모양이 된다.
이와 같은 동작 원리를 이용한 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부(1)의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부의 회로적 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부(1)는, 도 4에 도시한 바와 같이, RT1, 트랜스포머(T3, T4), 커패시터(C7, C10, C11, C14, C19) 등으로 구성되어 EMI(Electromagnetic Interference: 전자파 간섭, 전자파 장해)를 필터링하기 위한 EMI 필터부(11)와, 브리지 다이오드(D9), 커패시 터(C15), 저항(R2, R3, R9), 다이오드(D2), 커패시터(C1), 제너다이오드(D5) 등으로 구성되어 상기 EMI 필터부(11)에서 필터링된 전압을 정류 및 평활하여 입력 전류가 피크(Peak)가 되도록 하는 정류 및 평활부(12)와, 트랜스포머(T1), 다이오드(D1), 커패시터(C8), 저항(R4, R12, R21, R25), 스위치(M2) 등으로 구성되어 상기 정류 및 평활부(12)에서 정류 및 평활된 전압을 증폭하는 부스트 컨버터(13)와, 저항(R15, R31)을 통해 전압 분배하여 상기 정류 및 평활부(12)에서 공급된 입력 전압 모양을 입력받고 상기 부스트 컨버터(13)의 트랜스포머(T1)에서 출력된 전류의 모양을 입력받아 상기 부스트 컨버터(13)의 스위치(M2)가 오프되도록 제어하고 상기 트랜스포머(T1)의 전류가 0이 될 때 상기 부스트 컨버터(13)의 스위치(M2)를 온 시키는 제어부(15)를 구비하여 구성된다.
즉, 상기 제어부(15)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 인덕터(트랜스포머(T1))의 전류의 상승 파형을 센싱하여 상기 저항(R15, R31)에 의해 분압된 전압 파형과 비교한다. 그 결과 입력 전압 파형이 상기 인덕터(트랜스포머(T1))의 전류의 상승 파형보다 낮으면 상기 스위치(M2)를 오프하여, 도 2의 모드 2(Mode 2)와 같이, 입력 전압과 상기 인덕터(L1)의 전압을 합한 값이 되어 출력 전압이 입력 전압보다 높아지게 한다.
또한, 상기 제어부(15)는 상기 인덕터(트랜스포머(T1))의 전류의 하강 파형을 센싱하여 영으로 판단되면 상기 스위치(M2)를 온하여, 도 2의 모드 1과 같이 동작하도록 한다.
상기 도 4에서, 회로의 안정화를 위한 피드백(Feedback)제어는 저항(R25) 및 커패시터(C21)에 의해서 제어된다.
상기 전압 강압부(2)의 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 절전형 조도 제어 장치의 전압 강압부(2)의 구성도이다.
스위치(Q1), 트랜스포머(T2), 커패시터(C20), 다이오드(D20) 등으로 구성되어 전압을 가변하여 부하(5)로 출력하는 컨버터부(21), 상기 마이콤(3) 제어에 따라 듀티비가 가변되는 펄스폭변조(PWM) 신호를 발생하는 PWM 발생부(22)와, 상기 PWM 발생부(22)에서 출력된 PWM 신호에 따라 상기 컨버터부(21)의 스위치(Q1)를 온/오프하는 플로팅 스위치 구동 IC(23)를 구비하여 구성된다.
상기 컨버터부(21)의 트랜스포머(T2)는 전압을 승압하는 기능을 하지만 인덕터의 기능을 한다.
이와 같이 구성된 전압 강압부(2)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 컨버터부(21)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기 스위치(Q1)가 온(ON)되면, 상기 트랜스포머(T2)에 전력이 공급되며, 이때 상기 트랜스포머(T2) 양단 전압은 정극성(+)과 부극성(-)으로 걸리게 되고, 상기 양단 전압은 입력 전압의 차로 표현된다. 따라서 부하에 걸리는 전압(Vout)은 입력 전압(Vin)에서 상기 트랜스포머(T2)의 전압(Vt2) 만큼 감소되므로 전압이 낮아진다. 즉, Vout = Vin - Vt2가 된다. 또한, 일부 전류는 상기 커패시터(C20)에 충전되게 된다.
상기 스위치(Q1)가 오프(OFF)되면, 상기 트랜스포머(T2)의 전류는 상기 다이오드(D20)에 의해 선형적으로 감소하게 되며, 상기 부하(5)에는 상기 트랜스포 머(T2)의 전압이 공급된다. 그리고 상기 커패시터(C20)에 충전된 전류가 공급된다.
따라서, 상기 컨버터부(21)는 스위치(Q1)의 온/오프 주파수와 온타임(듀티비)에 의해 부하에 전력을 가변하여 공급한다.
즉, 전류 연속 모드일 때, 부하의 전력은 입력 전압과 상기 스위치(Q1)에 인가되는 펄스폭의 듀티비에 의해 결정된다. 예를 들면, 입력전압이 400V이고 듀티비가 0.5이면 상기 부하에 출력되는 전력은 200V가 된다.
상기 전압 센싱부(6) 및 전류 센싱부(7)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 전압 및 전류 센싱부의 회로적 구성도이다.
먼저 상기 전압 센싱부(6)는, 저항(R100, R200) 및 로우패스필터(R400, C100)으로 구성된다. 즉, 상기 저항(R100, R200)의 전압 분배에 의해 상기 컨버터부(21)에서 출력되는 전압을 검출하고 상기 로우패스 필터(R400, C100)에 의해 노이즈가 제거되어 정량화된 직류 전압(DC)으로 변환되어 상기 마이콤(3)의 아날로그/디지털 변환기(도면에는 도시되지 않음)에 입력된다.
상기 전류 센싱부(7)는, 저항(R300, R500, R600), 연산증폭기(OP1) 및 로우패스필터(R700, C200)로 구성된다. 즉, 상기 저항(R300)에 흐르는 전류는 전압의 형태로 검출되어 상기 연산증폭기(OP1)의 증폭도(K배) 만큼 증폭되고 증폭된 전압은 상기 로우패스 필터(R700, C200)에 의해 직류 전압(DC)으로 검출되어 상기 마이콤(3)의 아날로그/디지털 변환기(도면에는 도시되지 않음)에 입력된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 상기 역률 및 THD 개선부(1)에서 입력 전류의 파형을 입력 전압의 파형에 쫓아가게끔 만들어서 역률을 향상시키고 고조파를 감소시킨다.
그리고 이와 같이 역률 및 THD가 개선된 전압을 상기 전압 강압부(BUCK conberter)(2)에서 강압하여 상기 부하(5)에 출력한다.
즉, 도 7은 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 마이콤의 동작 순서도이다.
상기 마이콤(3)은, 상기 전압 강압부(2)에서 상기 부하(5)로 출력되는 전압 및 전류를 상기 전압 센싱부 및 전류 센싱부(6, 7)를 통해 센싱하여 상기 전압 강압부의 주파수 및 듀티비를 제어한다.
즉, 상기 마이콤(3)은 운영체계 함수를 작성하여 외부적인 인터럽트를 이용하지 않아 안정적인 시스템을 구현하도록 하였다. 초기 부하의 전력을 계산하여 주파수와 듀티를 결정하게 되며, 계속적으로 부하의 전력을 정 전력으로 유지한다. 그리고 외부의 입력에 의해서 전력을 변화시킬 때에는 듀티를 변화시키고 전력 계산 후 스위칭 주파수를 결정하게 된다. 처음 주파수가 결정이 되고, OS(operating system) 함수에 의해서 정 전력(50%)을 유지하게 된다.
즉, 인체감지, 리모콘, 지그비(Zigbee), 전력선 통신, 유선 통신, 무선 통신 등의 외부 입력장치(4)에 의해 제어신호가 발생되면, 상기 마이콤(3)은 상기 전압 강압부(2)의 듀티를 제어하는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 마이콤은 부하에 공급되는 전압 및 전류를 검출하여 주파수와 듀티 비를 가변하여 보다 낮은 스위칭 동작으로 안정된 전력을 부하에 공급하게 된다.
예를 들면, 상기 전압 및 전류 센싱부(6, 7)를 통해 부하에 인가된 전압과 전류를 검출하여 부하의 소비전력을 산출한다. 이와 같이 산출된 부하의 소비전력이 100W이면 상기 전압 강압부(2)의 컨버터부(21)의 스위치(Q1)의 스위칭 주파수를 100㎑로 제어하고, 외부의 제어에 의해 50W로 낮아지면 상기 스위치(Q1)의 스위칭주파수를 50㎑로 가변하게 된다.
또한, 부하의 소비전력이 50W 제품은 상기 전압 강압부(2)의 컨버터부(21)의 스위치(Q1)의 스위칭 주파수를 50㎑로 동작을 하고, 외부 신호에 의해 25W로 낮아지면 상기 스위치(Q1)의 스위칭 주파수를 25㎑로 가변하게 된다.
즉, 부하(5)의 소비전력에 의해서 스위칭 손실을 최소로 하는 프로세서를 가지게 된다. 또한, 작은 코아 사이즈로 최대 출력과 최소 출력을 지속적으로 포화없이 사용할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변형 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명의 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부의 능동 역률보상회로의 동작 원리를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 3은 도 2의 스위치(SW1)의 동작에 따른 파형도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 절전형 조도 제어 장치의 역률 및 THD 개선부의 회로적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 절전형 조도 제어 장치의 전압 강압부의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전압 및 전류 센싱부의 회로적 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 절전형 조도 제어 장치의 마이콤의 동작 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 역률 및 THD 개선 회로부 2: 전압 강압부
3: 마이콤 4: 외부 입력장치
5: 부하 6: 전압 센싱부
7: 전류 센싱부 11: EMI필터부
12: 정류 및 평활부 13: 부스트 컨버터
15: 제어부 21: 컨버터부
22: PWM 발생부 23: 플로팅 스위치 구동 IC

Claims (5)

  1. 입력 전압의 역률 및 THD를 개선하는 역률 및 THD 개선 회로부와,
    PWM의 듀티비에 따라 상기 역률 및 THD 개선 회로부에서 출력된 전압을 강압하여 부하에 출력하는 전압 강압부와,
    상기 전압 강압부에서 상기 부하로 출력되는 전압 및 전류를 감지하여 출력하는 전압 및 전류 센싱부와,
    상기 전압 및 전류 센싱부의 출력에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하고 외부 입력장치에 의해 입력된 신호에 따라 상기 PWM의 듀티비를 제어하는 마이콤을 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 절전형 조도 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 및 THD 개선 회로부는,
    입력전압에서 EMI를 필터링하기 위한 EMI필터부와,
    상기 EMI 필터부에서 필터링된 전압을 정류 및 평활하여 입력 전류가 피크가 되도록 하는 정류 및 평활부와,
    트랜스포머, 커패시터 및 스위치를 구비하여 상기 정류 및 평활부에서 정류 및 평활된 전압을 증폭하는 부스트 컨버터부와,
    상기 정류 및 평활부에서 공급된 입력 전압 모양을 입력받고 상기 부스트 컨버터의 트랜스포머에서 출력된 전류의 모양을 입력받아 상기 부스트 컨버터부의 스 위치가 오프되도록 제어하고 상기 트랜스포머의 전류가 0이 될 때 상기 부스트 컨버터부의 스위치를 온시키는 제어부를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 절전형 조도 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 강압부는,
    스위치, 트랜스포머, 커패시터, 다이오드 등으로 구성되어 상기 역률 및 THD 개선 회로부에서 출력된 전압을 가변하여 부하로 출력하는 컨버터부와,
    상기 마이콤의 제어에 따라 듀티비가 가변되는 펄스폭변조(PWM) 신호를 발생하는 PWM 발생부와,
    상기 PWM 발생부에서 출력된 PWM 신호에 따라 상기 컨버터부의 스위치를 온/오프하는 플로팅 스위치 구동 IC를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 절전형 조도 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 센싱부는, 전압 분배에 의해 상기 컨버터부에서 출력되는 전압을 검출하고 로우패스 필터에 의해 노이즈를 제거하여 정량화된 직류 전압을 상기 마이콤에 공급함을 특징으로 하는 절전형 조도 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 센싱부는, 저항에 흐르는 전류를 전압의 형태로 검출하여 증폭하고, 로우패스 필터에 의해 직류 전압(DC)으로 검출되어 상기 마이콤(3)에 공급함을 특징으로 하는 절전형 조도 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106170165A (zh) * 2016-08-03 2016-11-30 恒亦明（重庆）科技有限公司 Led控制电路及led驱动电源

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