KR20120039846A

KR20120039846A - 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20120039846A
Application number: KR1020100101280A
Authority: KR
Inventors: 김향곤; 길형준; 김동욱; 김동우; 이기연; 문현욱
Original assignee: 한국 전기안전공사
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-04-26
Also published as: KR101169738B1

Abstract

본 발명의 바람직한 일실시예의 전원 공급 장치에 따르면, LED와 같은 조명 광원의 과열로 인한 오동작 및 화재 등의 사고를 방지하기 위하여 온도 센서에 의한 온도 정보를 이용하여 조명 광원이 과열되지 않도록 하는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 조명 광원을 위한 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락을 검출하여 전기화재 및 감전사고를 예방할 수 있는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전원 공급 장치는 교류 신호를 입력받아 직류 신호로 변환하여 조명 광원에 공급하는 전원 공급부; 상기 조명 광원에 접촉 또는 상기 조명 광원과 미리 설정된 일정 거리 이내에 설치되어 상기 조명 광원의 온도를 측정하기 위한 온도 센서로부터의 온도 신호, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호 중 적어도 어느 하나의 신호를 입력받아, 상기 PWM 제어부의 출력 신호의 듀티(Duty) 비율을 조절하는 것에 상기 조명 광원에 공급될 상기 전원 공급부의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하기 위한 PWM 제어부; 를 포함한다.

Description

조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치{Power Supply Equipped with Electric Safety Function for Lighting System}

본 발명은 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방법을 이용한 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치에 관한 것이다.

세계적으로 환경 오염의 저감을 위하여 기존 조명 설비의 광원으로 많이 사용하던 나트륨, 메탈할라이드, 수은등이나 백열전구, 할로겐램프 대신에 LED 소자(패키지, 모듈 등)를 사용함으로써 전력 소비량을 감소시킬 수 있게 되었다. LED는 긴 수명, 낮은 소비 전력, 높은 신뢰성 등 많은 장점을 지니고 있지만, 단점 또한 적지 않다. 특히 LED 조명 기술에서 시급하게 개발해야 할 과제는 방열 기술을 보완하는 것이다. LED 자체가 열에 취약한데다, 플라스틱 재질의 회로기판이 뜨거운 기운에 장기간 노출될 경우 쉽게 손상될 수 있으며, 이에 따라 절연열화로 인하여 소손을 가져올 수도 있게 된다.

LED 조명 설비는 일반적으로, 도 1과 같이 AC 220V 전원을 공급받아 AC-DC 변환기를 통하여 DC 전원으로 변환 후 LED 램프(LED 모듈)에 공급하여 램프를 점등하는 구조로 되어 있다(다만, AC 전원으로 구동되는 LED 램프가 일부 개발되어 있다).

LED 조명 설비의 일반적인 구성 요소인 AC-DC 변환기의 경우 에너지 효율이 높고 소형, 경량 등의 장점이 있는 SMPS(Switched Mode Power Supply)를 주로 사용하고 있다. SMPS는 도 2에 나타낸 것과 같이 교류 입력 전원으로부터 입력 정류 평활 회로를 통해 얻은 직류 입력 전압을 직류 출력 전압으로 변화하는 DC-DC 변환기와 출력 전압을 안정화시키는 궤환 제어 회로, 과전압, 과전류 등으로부터 시스템을 보호하는 보호 회로로 구성되어 있다. 궤환 제어 회로는 다시 출력 전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동 펄스를 생성하는 비교기, DC-DC 변환기의 주 스위치를 구동하는 구동회로 등으로 구성되어 있으며, DC-DC 변환기는 주 스위치와 환류 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC 필터 등으로 구성되어 있다.

SMPS의 구성요소 중 DC-DC 변환기는 전력의 변환을 담당하는 주요 부분으로 입출력 변화비의 크기 및 회로 구성에 따라 많은 종류의 변환기로 분류된다. SMPS의 회로 방식은 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 비절연형(Buck, Boost, Buck-boost, C'uk 방식 등)과 절연형(Flyback, Forward, Full-bridge, Half-bridge 방식 등)으로 나눌 수 있다. 하지만, 절연형과 비절연형은 SMPS의 응용에 있어 고전압 또는 누설 전류로 인한 사고로부터 사용자를 보호하기 위하여 입력과 출력 사이에 전기적 절연 유무의 차이가 있지만 기본 특성은 동일하게 일정한 전압을 내는 특징을 가지고 있다. 또한, 최근에는 LED 램프의 구동을 위하여 정전압 제어가 아닌 정전류 제어를 통하여 LED 램프의 효율과 수명을 늘리는데 효과적인 제어 기법이 적용되고 있다.

하지만, 정상적인 SMPS에 의하여 전력이 공급되었을 경우에는 별 문제가 없지만, 과전력이 공급되었을 때 LED 모듈은 더 밝은 빛을 내는 반면 수명이 급격하게 줄어들고 화재의 위험성이 존재하게 된다. 이러한 단점 때문에 최근 정전류, 정전압 제어기법을 적용한 SMPS가 적용되고 있지만, SMPS의 출력 전압 설정용 가변 저항이나 출력 포트 등에 이상이 발생할 경우 SMPS에는 비교적 큰 손상이 일어나지 않으나 LED 모듈로 공급되는 전압이 상승할 경우 공급 전류 또는 증가하여 LED 램프에서 발열로 인한 화재사고가 빈번하게 발생하기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다(도 3 참조).

또한, SMPS의 경우 누설 전류 및 지락이 발생하면, 전기 화재 및 감전 사고가 발생할 수 있어 LED용 전원 공급 장치의 경우 이러한 누설 전류 및 지락 상태를 검출하여 적절한 제어가 가능하여야만 한다.

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, LED와 같은 조명 광원의 과열로 인한 오동작 및 화재 등의 사고를 방지하기 위하여 온도 센서에 의한 온도 정보를 이용하여 조명 광원이 과열되지 않도록 하는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급하는 것에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 조명 광원을 위한 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락을 검출하여 전기화재 및 감전사고를 예방할 수 있는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급하는 것에도 그 목적이 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치는 교류 신호를 입력받아 직류 신호로 변환하여 조명 광원에 공급하는 전원 공급부; 및 상기 조명 광원에 접촉 또는 상기 조명 광원과 미리 설정된 일정 거리 이내에 설치되어 상기 조명 광원의 온도를 측정하기 위한 온도 센서로부터의 온도 신호, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호 중 적어도 어느 하나의 신호를 입력받아, 상기 PWM 제어부의 출력 신호의 듀티(Duty) 비율을 조절하는 것에 상기 조명 광원에 공급될 상기 전원 공급부의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하기 위한 PWM 제어부; 를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 전원 공급 장치는, 상기 전원 공급부의 출력 전압을 검출하여 상기 PWM 제어부에 입력하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전압을 일정한 수준으로 제어하기 위한 정전압 제어부; 또는 상기 전원 공급부의 출력 전류를 검출하여 상기 PWM 제어부에 입력하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전류를 일정한 수준으로 제어하기 위한 정전류 제어부;를 더 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 PWM 제어부는 상기 온도 센서로부터의 온도 신호에 의해 상기 조명 광원의 과열 여부를 판단하는 과열 제어 모듈;을 포함한다.

바람직한 일실시예에 따른 상기 과열 제어 모듈은, 상기 온도 신호가 일정 온도 미만인 경우에는 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 입력받아 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 제어하되, 상기 온도 신호가 일정 온도 이상인 경우에는 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 온도 신호가 일정 온도 미만이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PWM 제어부는 상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 상기 과열 제어 모듈에서 신호 처리 및 제어를 할 수 있도록 하는 온도 신호 전처리 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러 바람직한 일실시예에 따른 상기 온도 신호 전처리 모듈은, 상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭기; 과열 여부 판단의 기준 온도를 설정하기 위한 기준 온도 설정기; 및 상기 온도 센서로부터의 온도 신호가 상기 기준 온도 설정기에서 설정된 기준 온도 이상인지 여부를 판단하기 위한 비교기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 PWM 제어부는, 상기 전원 공급부로부터의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호에 의해 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태를 검출 및 제어하는 누설 및 지락 제어 모듈;을 포함하는 것이 바람직하다.

구체적으로 상기 누설 및 지락 제어 모듈에 의한 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태의 검출 및 검출에 따른 상기 전원 공급부의 출력 제어는, 비례 제어, 비례-적분 제어, 비례-미분 제어, 비례-적분-미분 제어 기법 중 어느 한 가지 방법을 이용하되, 상기 네 가지의 제어 기법은 궤환(Feedback) 제어기의 형태로 제어하고자 하는 대상의 출력값을 측정하여, 측정된 출력값을 미리 설정된 참조값과 비교하여 오차값을 산출하고, 산출된 오차값을 이용하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 일실시예에 따른 상기 누설 및 지락 제어 모듈은,상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨을 미리 설정된 제1 참조값과 비교하여 미리 설정된 제1 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제1 판단기; 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자와 음(-)의 단자의 신호 레벨의 차이값이 미리 설정된 제2 참조값과 비교하여 미리 설정된 제2 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제2 판단기; 및 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제3 참조값과 비교하여 차이값인 제3 오차값을 산출하고, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제4 참조값과 비교하여 차이값인 제4 오차값을 산출하고, 상기 제3 오차값과 제4 오차값을 비교하여 차이값인 제5 오차값을 산출하여, 제5 오차값이 미리 설정된 제5 참조값과 비교하여 미리 설정된 제6 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제3 판단기; 중 어느 하나 이상의 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 누설 및 지락 제어 모듈은, 상기 제1 오차값, 제2 오차값 또는 제6 오차값 이상의 차이가 발생하였다면, 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태가 발생한 것으로 판정한 후, 상기 전원 공급부의 출력 전압을 '0'V로 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 일실시예의 상기 PWM 제어부의 출력 신호는, 상기 전원 공급부에 포함된 스위칭 소자로 입력되어 상기 전원 공급부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 PWM 제어부는, 상기 조명 광원의 온도, 상기 전원 공급부로부터의 출력 전압 및 출력 전류에 이상이 발생하였을 경우, 사용자에게 경고하기 위한 알람 기능을 포함하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일실시예의 전원 공급 장치에 따르면, LED와 같은 조명 광원의 과열로 인한 오동작 및 화재 등의 사고를 방지하기 위하여 온도 센서에 의한 온도 정보를 이용하여 조명 광원이 과열되지 않도록 하는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 조명 광원을 위한 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락을 검출하여 전기화재 및 감전사고를 예방할 수 있는 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치를 공급할 수도 있다.

도 1은 LED 조명 설비의 일반적인 구성도를 나타낸다.
도 2는 SMPS의 구성도를 나타낸다.
도 3은 전압 상승에 의한 과열에 따른 LED 모듈의 소손예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치의 구성도를 나타낸다.
도 5는 PWM 제어부의 구성도를 나타낸다.
도 6은 Flyback 컨버터가 적용된 SMPS의 일실시예를 나타낸다
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전원 공급 장치에 의한 과열 방지 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 온도 신호 전처리 모듈의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 누설 전류 및 지락 검출 및 제어 기능을 갖는 전원 공급 장치의 설명도이다.
도 10은 누설 및 지락 제어 모듈의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일실시예에 따른 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

또한, 하기의 본 발명의 설명에서 LED 조명은 조명 광원의 일실시예로, LED 조명 뿐만 아니라 다른 종류의 조명 광원에도 적용될 수 있음은 물론이다.

먼저 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치의 구성도를 나타낸다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치(1000)는 전원 공급부(100), PWM 제어부(200), 정전압 제어부(300) 및 정전류 제어부(400)를 포함한다.

상기 전원 공급부(100)는 교류 신호를 입력받아 직류 신호로 변환하여 조명 광원에 공급하는 역할을 한다.

또한, 상기 PWM 제어부(200)는 상기 조명 광원에 접촉 또는 상기 조명 광원과 미리 설정된 일정 거리 이내에 설치되어 상기 조명 광원의 온도를 측정하기 위한 온도 센서로부터의 온도 신호, 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호 중 적어도 어느 하나의 신호를 입력받아, 상기 PWM 제어부(200)의 출력 신호의 듀티(Duty) 비율을 조절하는 것에 의해, 즉 펄스 폭을 변조하는 것에 의해 상기 조명 광원에 공급될 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 정전압 제어부(300)와 상기 정전류 제어부(400)는 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 및 출력 전류를 검출하여 상기 PWM 제어부(200)에 입력하는 것에 의해 일정한 수준으로 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 역할을 한다.

구체적으로 하기에 상기 PWM 제어부(200)의 구성에 대해 설명하기로 한다. 상기 PWM 제어부(200)의 구성에 대한 이해는 본 발명의 전원 공급 장치(1000)의 기능 이해에 많은 도움이 될 것이다.

도 5는 상기 PWM 제어부(200)의 구성도를 나타낸다.

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PWM 제어부(200)는 상기 온도 센서로부터의 온도 신호에 의해 상기 조명 광원의 과열 여부를 판단하는 과열 제어 모듈(210), 상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 상기 과열 제어 모듈(210)에서 신호 처리 및 제어를 할 수 있도록 하는 온도 신호 전처리 모듈(220) 및 상기 전원 공급부(100)로부터의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호에 의해 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태를 검출 및 제어하는 누설 및 지락 제어 모듈(230)을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전원 공급 장치(1000)는 도 5의 구성 요소로부터도 알 수 있는 바와 같이 조명 광원의 과열 방지, 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 검출과 제어의 두 가지 기능을 구비하고 있다.

먼저, 조명 광원의 과열 방지 기능에 대해 설명하기로 한다.

조명 광원의 과열 방지 기능

LED 조명의 전원 공급 장치는 내부의 DC-DC 컨버터의 형태에 따라 달라진다. DC-DC 컨버터의 종류는 비절연형인 Buck, Boost, Buck-boost, C'uk 방식 등이 있으며, 절연형은 Flyback, Forward, Full-bridge, Half-bridge 방식 등이 있다. 이러한 여러 가지 방식 중, 도 6은 LED 조명에 일반적으로 많이 사용되는 방식인 Flyback 컨버터가 적용된 SMPS 회로를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전원 공급 장치(1000)에 의한 과열 방지 기능을 설명하기 위한 도면이다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전원 공급 장치(1000)는 종래의 전원 공급 장치인 도 6에 나타낸 SMPS의 기능은 그대로 유지하면서 SMPS 내부의 DC-DC 컨버터의 종류에 관계없이 온도 센서를 이용하여 SMPS 내외부에서 이상이 발생하여 LED 조명에 과전력이 인가되어 온도가 상승하였을 때, 이를 감지하여 SMPS 출력 전압 및 전류를 낮춰 온도 상승을 막아 LED 램프에서 화재 등의 소손을 방지하는 기능을 갖는 SMPS를 설계하였다.

구체적으로, 정전압 제어 및 정전류 제어를 위해 정전압 제어부(300) 및 정전류 제어부(400)로부터의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호가 PWM 제어부(200)로 입력되어 전원 공급부(100)로 궤환된다.

또한, 전원 공급부(100)의 외부로부터 LED 조명의 온도 신호 또한 PWM 제어부(200)로 입력된다.

상기 과열 제어 모듈(210)은 상기 온도 신호가 일정 온도 미만인 경우에는 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 입력받아 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 제어하되, 상기 온도 신호가 일정 온도 이상인 경우에는 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 온도 신호가 일정 온도 미만이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 PWM 제어부(200)는 Duty 비율을 PWM 제어부(200)에 입력된 전압 신호, 전류 신호 및 온도 신호에 의해 변조하여 상기 전원 공급부(100)의 스위칭 소자(110)에 입력한다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 일실시예에서는 스위칭 소자(110)로서 FET(Field Effect Transistor)가 사용되었으며, 상기 PWM 제어부(200)의 출력은 FET의 Drain 전압으로 입력된다.

또한, 상기 온도 신호 전처리 모듈(220)은 도 8에 도시된 바와 같이 상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭기(221), 과열 여부 판단의 기준 온도를 설정하기 위한 기준 온도 설정기(222), 및 상기 온도 센서로부터의 온도 신호가 상기 기준 온도 설정기(222)에서 설정된 기준 온도 이상인지 여부를 판단하기 위한 비교기(223)를 포함하여 구성될 수 있다.

온도 데이터와 한계 온도의 설정은 온도 센서의 종류에 따라 다르다. 일반적으로 쉽게 사용하는 접촉식 온도 센서 K-Type의 경우 온도에 따라 발생하는 기전력이 40μV/℃ 이므로 만약 약 100℃의 한계 온도를 설정한다면, 도 8의 신호 증폭기(221)의 입력은 4mV가 입력되도록 회로를 구성하면 된다. 하지만, 4mV의 전압은 TTL 또는 CMOS 계열의 IC에서는 입력으로 받지 못할 수도 있기 때문에 입력 신호를 증폭할 필요가 있어 신호 증폭기(221)가 요구된다.

하기에 본원 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전원 공급 장치(1000)의 누설 전류 및 지락 검출과 제어 기능에 대해 설명하기로 한다.

누설 전류 및 지락 검출과 제어 기능

정전류 및 정전압 공급을 위한 전원 공급 장치의 설계를 위해서는 출력하고자하는 전류 및 전압에 대한 참조값(혹은 설정값)과 실제 출력되고 있는 전류 및 전압에 대한 값을 궤환(Feedback)하여 제어를 하게 된다. 제어를 위하여 일반적으로 PID 제어를 하게 된다.

PID 제어기는 비례-적분-미분 제어기를 말하며 실제 응용 분야에서 가장 많이 사용되는 대표적인 형태의 제어 기법이다. PID 제어기는 기본적으로 피드백(feedback) 제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.

표준적인 형태의 PID 제어기는 [수학식 1]과 같이 세 개의 항을 더하여 제어값(Manipulated Variable, MV)을 계산하도록 구성이 되어 있다.

상기 [수학식 1]에서의 각 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분(integral), 오차값의 미분(derivative)에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기 (Proportional Integral Derivative Controller)라는 명칭을 가진다. 이 세 개의 항들의 직관적인 의미는 다음과 같다.

- 비례항 : 현재 상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어 작용을 한다.

- 적분항 : 정상상태(steady-state) 오차를 없애는 작용을 한다.

- 미분항 : 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stability)을 향상시킨다.

PID 제어기는 [수학식 1]과 같은 표준식의 형태로 사용하기도 하지만, 경우에 따라서는 약간 변형된 형태로 사용하는 경우도 많다. 예를 들어, 비례항만을 가지거나, 혹은 비례-적분, 비례-미분항만을 가진 제어기의 형태로 단순화하여 사용하기도 하는데, 이때는 각각 P, PI, PD 제어기라 불린다.

도 9는 상술한 PID 제어 기능을 구비한 본 발명의 일실시예에 따른 누설 전류 및 지락 검출 및 제어 기능을 갖는 전원 공급 장치(1000)의 설명도이다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이 하나의 출력 전원에 대한 정보를 피드백하여 제어하는 것과는 달리, 출력 전원의 양(+)의 출력 단자와 음(-)의 출력 단자에 대한 정보를 피드백하여 제어하게 된다.

두 가지의 정보 중에서 기존의 전원 공급 장치와 같이 양(+)의 출력 단자의 정보는 정전류(정전압) 제어를 위하여 사용된다. 그러나, 음(-)의 출력 단자에 대한 정보는 양(+)의 출력 단자에 대한 정보와 함께 상기 누설 및 지락 제어 모듈(230)에서 전원 공급 장치(1000)의 누설 전류 및 지락 상태를 검출하는데 사용된다.

도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 누설 및 지락 제어 모듈(230)의 구성도이다.

도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 누설 및 지락 제어 모듈(230)은, 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨을 미리 설정된 제1 참조값과 비교하여 미리 설정된 제1 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제1 판단기(231); 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자와 음(-)의 단자의 신호 레벨의 차이값이 미리 설정된 제2 참조값과 비교하여 미리 설정된 제2 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제2 판단기(232); 및, 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제3 참조값과 비교하여 차이값인 제3 오차값을 산출하고, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제4 참조값과 비교하여 차이값인 제4 오차값을 산출하고, 상기 제3 오차값과 제4 오차값을 비교하여 차이값인 제5 오차값을 산출하여, 제5 오차값이 미리 설정된 제5 참조값과 비교하여 미리 설정된 제6 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제3 판단기(233); 중 어느 하나 이상의 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 누설 및 지락 제어 모듈(230)은, 상기 제1 오차값, 제2 오차값 또는 제6 오차값 이상의 차이가 발생하였다면, 전원 공급 장치에서 누설 전류 및 지락 상태가 발생한 것으로 판정한 후, 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압을 '0'V로 제어하게 된다. 상기 전원 공급부(100)의 출력 전압을 '0'V로 제어하는 방법은 상기 전원 공급부(100)에 포함된 스위칭 소자(110)로 상기 PWM 제어부(200)의 출력 신호를 입력하는 것에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 PWM 제어부(200)는, 상기 조명 광원의 온도, 상기 전원 공급부(100)로부터의 누설 전류 및 지락 등에 의해 출력 전압 및 출력 전류에 이상이 발생하였을 경우, 사용자에게 경고하기 위한 알람 기능을 포함할 수 있다. 또한, 상기 PWM 제어부(200)는 전류 신호의 분석을 통하여 LED 조명을 구성하는 각 모듈의 이상 여부를 검출하는 기능을 수행할 수도 있다.

LED 조명을 이용한 가로등, 보안등, 경관 조명등 등은 하나의 램프에 여러 개의 모듈로 구성되어 있다. 이러한 여러 개의 모듈 중에서 하나의 모듈에 이상이 발생하며, 조도가 떨어져 보행자 등에 불편을 줄 수 있으며 조명등 본래의 역할을 수행하는데 있어 지장을 줄 수 있다. 또한, 여러 개의 모듈 중 하나의 모듈에 이상이 발생하여 지속적인 구동이 되는 경우 나머지 모듈에 과부하로 인한 소손을 가져올 수 있기 때문에 PWM 제어부(200)로 입력되는 전류 데이터를 분석하여 LED 조명의 구성 모듈당 소비 전류를 분석한 데이터를 활용하면 LED 모듈의 소손 여부를 관리자가 쉽게 확인할 수 있기 때문에 전류 데이터 분석 결과를 활용하여 SMPS에 구성된 전류 이상 알람 램프를 점등시켜 관리자 등이 확인 가능하도록 알려주는 기능을 수행하도록 설계하였다.

1000 : 본 발명에 따른 전원 공급 장치
100 : 전원 공급부 200 : PWM 제어부
300 : 정전압 제어부 400 : 정전류 제어부
110 : 스위칭 소자
210 : 과열 제어 모듈 220 : 온도 신호 전처리 모듈
230 : 누설 및 지락 제어 모듈
221 : 신호 증폭기 222 : 기준 온도 설정기
223 : 비교기
231 : 제1 판단기 232 : 제2 판단기
233 : 제3 판단기

Claims

전원 공급 장치에 있어서,
교류 신호를 입력받아 직류 신호로 변환하여 조명 광원에 공급하는 전원 공급부; 및
상기 조명 광원에 접촉 또는 상기 조명 광원과 미리 설정된 일정 거리 이내에 설치되어 상기 조명 광원의 온도를 측정하기 위한 온도 센서로부터의 온도 신호, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호 중 적어도 어느 하나의 신호를 입력받아, 상기 PWM 제어부의 출력 신호의 듀티(Duty) 비율을 조절하는 것에 상기 조명 광원에 공급될 상기 전원 공급부의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하기 위한 PWM 제어부; 를 포함하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전원 공급 장치는,
상기 전원 공급부의 출력 전압을 검출하여 상기 PWM 제어부에 입력하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전압을 일정한 수준으로 제어하기 위한 정전압 제어부; 또는
상기 전원 공급부의 출력 전류를 검출하여 상기 PWM 제어부에 입력하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전류를 일정한 수준으로 제어하기 위한 정전류 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 PWM 제어부는,
상기 온도 센서로부터의 온도 신호에 의해 상기 조명 광원의 과열 여부를 판단하는 과열 제어 모듈;을 포함하되,
상기 과열 제어 모듈은,
상기 온도 신호가 일정 온도 미만인 경우에는 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 입력받아 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 및 출력 전류 신호를 제어하되,
상기 온도 신호가 일정 온도 이상인 경우에는 펄스 폭 변조 방법에 의해 출력 신호를 조절하는 것에 의해 상기 온도 신호가 일정 온도 미만이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 PWM 제어부는,
상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 상기 과열 제어 모듈에서 신호 처리 및 제어를 할 수 있도록 하는 온도 신호 전처리 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하되,
상기 온도 신호 전처리 모듈은,
상기 온도 센서로부터의 온도 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭기;
과열 여부 판단의 기준 온도를 설정하기 위한 기준 온도 설정기; 및
상기 온도 센서로부터의 온도 신호가 상기 기준 온도 설정기에서 설정된 기준 온도 이상인지 여부를 판단하기 위한 비교기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 PWM 제어부는,
상기 전원 공급부로부터의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호에 의해 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태를 검출 및 제어하는 누설 및 지락 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 누설 및 지락 제어 모듈에 의한 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태의 검출 및 검출에 따른 상기 전원 공급부의 출력 제어는,
비례 제어, 비례-적분 제어, 비례-미분 제어, 비례-적분-미분 제어 기법 중 어느 한 가지 방법을 이용하되, 상기 네 가지의 제어 기법은 궤환(Feedback) 제어기의 형태로 제어하고자 하는 대상의 출력값을 측정하여, 측정된 출력값을 미리 설정된 참조값과 비교하여 오차값을 산출하고, 산출된 오차값을 이용하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 누설 및 지락 제어 모듈은,
상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨을 미리 설정된 제1 참조값과 비교하여 미리 설정된 제1 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제1 판단기;
상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자와 음(-)의 단자의 신호 레벨의 차이값이 미리 설정된 제2 참조값과 비교하여 미리 설정된 제2 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제2 판단기; 및
상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 양(+)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제3 참조값과 비교하여 차이값인 제3 오차값을 산출하고, 상기 전원 공급부의 출력 전압 신호 또는 출력 전류 신호의 음(-)의 단자의 신호 레벨과 미리 설정된 제4 참조값과 비교하여 차이값인 제4 오차값을 산출하고, 상기 제3 오차값과 제4 오차값을 비교하여 차이값인 제5 오차값을 산출하여, 제5 오차값이 미리 설정된 제5 참조값과 비교하여 미리 설정된 제6 오차값 이상의 차이가 발생하는 지를 판단하는 제3 판단기;
중 어느 하나 이상의 구성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 누설 및 지락 제어 모듈은, 상기 제1 오차값, 제2 오차값 또는 제6 오차값 이상의 차이가 발생하였다면, 전원 공급 장치의 누설 전류 및 지락 상태가 발생한 것으로 판정한 후, 상기 전원 공급부의 출력 전압을 '0'V로 제어하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PWM 제어부의 출력 신호는, 상기 전원 공급부에 포함된 스위칭 소자로 입력되어 상기 전원 공급부의 출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PWM 제어부는,
상기 조명 광원의 온도, 상기 전원 공급부로부터의 출력 전압 및 출력 전류에 이상이 발생하였을 경우, 사용자에게 경고하기 위한 알람 기능을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 조명 시스템을 위한 전기 안전 기능이 구비된 전원 공급 장치.