KR20140001779U - 비상조명 용 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

비상 조명용 배터리 시스템은 기존 납 축전지를 사용하며 220V의 교류전원을 직류로 전환 뒤 강압하여 사용한다. 교류를 사용하므로 견고한 케이스 내에 장착하고 승강기 내에 설치할 경우는 승강기의 사용을 제한해야 하며 작업 중 감전의 위험도 있다. 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소 또는 니켈 카드뮴 등의 원통형 이차 전지 1개로서 기존의 납 축전지를 대신하고, 상용 교류전원 대신 안전한 낮은 전압의 직류전원장치와의 연결하며, 기존의 입력 직류전원이 단절 되었을 경우 통용되는 저렴한 일반 LED등을 구동할 수 있는 높은 전압을 출력하도록 승압회로를 포함하는 것이 특징이며 입력전원이 항상 출력되도록 하는 선택수단과 역류방지용 다이오드를 두어 비상등이 정전의 경우만 동작하는 것이 아니라 상시 켜져 있도록 선택이 가능하며 견고한 케이스 대신 열 수축튜브로 마감을 대신하는 방법을 동원하여 저렴하고, 다루기 쉬우며, 안전한 쉬운 비상 조명용 배터리 시스템을 구현한다.

Description

비상조명 용 배터리 시스템 {Battery System for Emergency Light}
본 고안은 정전 또는 고장으로 인해 조명등이 작동하지 않는 암전 상황에서 이용자의 불안을 해소하고 심리적인 안정을 주며 긴급 호출 행위를 쉽게 하게 하기 위해 설치하는 비상 조명에 전원을 공급하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
비상 조명은 과거 필라멘트 램프에서 LED 광원으로 교체되어 설치된다. 정전 상황에서 LED 광원에 직류 전류를 공급하기 위해 평상 시에는 충전되고 외부에서 유입되는 외부 전원의 정전이 감지되면 비상조명으로 방전하는 충전시스템을 설치한다. 설치가 의무화된 승강기의 경우는 승강기 차(Cargo)의 위 또는 승강기 최상층 기계실 등에 설치한다.
기존에 사용되던 비상조명용 배터리 시스템을 보면 공급되는 교류 전류를 주로 분기하여 전원으로 연결하여 사용하며, 충전용 납 축전지, 인입되는 교류 전기를 납 축전지 충전용 직류로 전환하여 충전하는 기능, 외부에서 인입되는 전기가 차단된 경우 납 축전지에 충전된 전원을 광원으로 공급하는 기능으로 구성된 전기회로, 그리고 외부로부터 이물질의 오염이나 전기 감전의 위험을 막기 위한 케이스로 구성된다.
220/110V의 교류를 인입하여 사용하고 이는 외부 전력선에 연결되어 있으므로 합선 등 외부에 주는 영향을 차단하기 위해서 기존 비상조명용 배터리 시스템은 전기안전규격 등의 인증이 까다로울 수 있고 교류전압이 가지는 생물학적 위해성 때문에 감전 사고의 위험을 막기 위해 절연 및 케이스에 장착하고 있는 것이 일반적이다.
따라서 전기안전규격 등에 대한 대응을 위한 비용이 발생하며 케이스 제작을 위해 금형을 만들고 사출이나 판금 등으로 지출되는 비용은 모두 제조 및 판매 원가에 비용으로서 반영되고 있다.
아울러 설치 시에 220/110V의 교류 전선을 연결하여야 하므로 설치 작업을 위해 일시적으로 전원을 끊어야 한다. 법적으로 설치가 의무화된 승강기의 경우를 보면 전원을 끊어서 승강기비상조명 또는 그 배터리 시스템을 시공하는 도중에는 승객의 승강기 이용을 제한해야 한다.
기존 사용되는 납 축전지는 일반적인 다른 이차 전지에 무겁고 부피가 커서 좁은 공간에 설치되는 경우 관리와 시공에도 개선할 점이 있다.
LED 조명기술의 발전에 따라 저기 광 변환 효율이 높아져 일정시간 필요한 밝기의 조명을 유지하기 위한 전력량이 많이 줄어듦에 따라 비상전원장치의 크기를 대폭 줄여 시공과 유지보수의 편리를 꾀할 수 있다.
기존의 조명도 전력효율과 수명 등의 문제로 LED전구로 교체를 하고 있는 추세이며 LED전구를 이용할 경우 같은 사양인 경우 상시 조명용으로 사용하는 LED 전구 전원 인입단에 연결 설치하면 조명등과 비상등을 한 LED 전구로 양용할 수도 있다.
본 고안은 기존의 비상조명 배터리시스템에서 용량이 큰 납 축전지 적용에 따른 원가를 절감하고, 부피를 줄여 관리와 설치를 쉽게 하고, 설치 중에도 감전의 위험도 회피하고, 설치 중에도 이용의 통제가 불필요한 개선된 비상조명용 배터리시스템을 위한 것으로 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.
비교적 상용화가 된 가격이 저렴한 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소, 또는 니켈 카드뮴과 같은 주로 원통형 형상의 이차전지의 경우 LED 조명을 구동하기 위한 충분한 전력을 제공할 수 있다.
하나의 단위 셀의 낮은 전압으로 인하여 많이 통용되는 일반적인 12V 등의 LED조명등에 적절한 전압의 전원을 제공할 수 없으므로 비상 조명용 축전지는 주로 대용량의 큰 납 축전지를 사용하는데 이는 납 축전지의 가격 또는 무게와 부피 등으로 인해 비용과 불편함이 있다. LED 조명의 보편화에 따라 조명에 필요한 전력이 작아도 되지만 기존의 납 축전지를 계속 사용하는 추세이며 가격과 무게 부피에서 불리한 납 축전지 대신 저렴한 단 셀의 이차 전지를 사용할 수 있게 한다.
기존의 220/110V 상용전원을 사용하는 비상조명용 배터리시스템은 납 축전지를 사용하고 교류상용전원을 강압한 뒤 직류로 변환하여 충전전원으로 사용한다. 예컨대 12V 납 축전지의 경우 13.3V 정도의 약간 더 높은 직류전원으로 충전하도록 설계한다. 따라서 12V 납 축전지의 전원을 상용 12V 직류전원장치(일명 전원 어댑터)로서 충전하는데 어려움이 있다.
이로 인해 납 축전지가 적용되는 비상 조명의 경우는 상용의 직류전원장치(어댑터)로서 전원 공급을 하지 못하고 주로 220V 교류 전기를 적절한 전압으로 강압하는 트랜스포머와 정류회로를 사용하여 충전용 직류 전원을 만들었고 이는 낮은 직류 전원에 비해 고압이므로 감전의 위험을 막아야 하고 외부 이물질의 오염을 막기 위해 케이스를 사용이 필수적이다.
즉 일반적인 직류전원장치(어댑터)를 사용할 수 없고 상용 교류전기를 사용하기 위하여 감전 등의 위험으로 인해 케이스를 사용하여야만 했다. 케이스는 제품의 가격에 부담이 되는 금형과 사출 비용을 발생시키므로 이를 회피하여 견고한 케이스를 대체하는 경제적인 마감방식을 도입할 수 있도록 한다.
아울러 정격의 직류전원장치(일명 전원 어댑터)또는 그에 준하는 전압의 외부 직류전원을 이용하여 승강기와 같이 조명을 항시 켜두는 시스템에서는 정전 시 비상 조명용 배터리 시스템으로 작동하지만 LED전구를 단지 비상용으로 정전 시만 사용하지 않고 항시 조명으로 동시에 사용할 수 있도록 선택적으로 설치할 수 있는 수단도 필요하다.
납 축전지는 6V, 12V, 24V 등 상용으로 사용되는 여러 형태가 있을 수 있다. 납 축전지 대신 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소, 니켈 카드뮴 또는 기타 주로 원통형 형상의 1개의 이차 전지를 사용한다.
LED 광원의 효율이 높아졌고 일정 시간만 그 작동을 보장하면 되는 비상용 조명은 큰 전력이 필요치 않으므로 굳이 큰 용량의 납 축전지를 사용하지 않고 1셀의 원통형 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소, 또는 니켈 카드뮴과 같은 이차 전지로 대신하는 것이다.
현재 상용화되는 이들 이차전지의 단일 셀의 경우 전압이 3.7V 이하인 경우가 대부분이고 이를 사용하는 것이 가장 경제적이다. 따라서 하나의 원통형 이차전지를 사용하기 위해서 원통형 이차전지의 출력 전압을 LED 광원으로 많이 사용하는 LED전구(12V, 6V등)에서 요구하는 수준으로 승압하는 회로를 추가한다.
220V 교류 전기 대신에 5V, 12V 등의 상용의 직류전원장치(일명 어댑터)의 출력 직류 전원을 직접 또는 분기 케이블을 통하여 외부에서 받아 충전을 위한 정전류 전원 또는 정전압 전원으로 변환하여 충전 과정을 수행한다. 충전된 전압이 일반적인 LED 전구의 구동전압에 미치지 않으므로 직류전원의 전압을 LED 전구를 구동하는데 충분한 값으로 올려주는 승압회로를 사용한다. 이를 위해 직류전원장치(일명 어댑터)의 출력 플러그를 수용하는 전원 입력용 직류 파워 컨넥터(DC Jack)를 둔다.
원통형 1개의 이차전지를 사용하는 경우 작은 부피이며 직류전원을 사용하므로 감전의 위험도 낮다. 따라서 플라스틱이나 금속의 견고한 케이스를 만들 필요가 없고 가장 큰 부피를 차지하는 축전지가 원통형의 형상을 띠므로 충 방전을 위한 회로를 긴 사각형의 PCB에 실장하고 PCB와 원통형 이차전지를 케이스에 내장하는 대신 열을 가하면 수축하는 열 수축튜브를 사용하여 축전지와 PCB 회로 전선을 외부와 절연시켜 보호하는 구성으로 전체 시스템을 마감할 수 있다.
기존의 비상전원과 달리 입력단의 직류전원에서 승압회로 출력 방향으로 다이오드를 위치시켜, 만일 LED 전구의 구동이 가능한 12V 입력 전원이 인가되는 경우 LED 전구로 바로 출력이 되도록 하는 전류 통로와 항상 승압회로가 작동하도록 동작시키는 통로의 선택용 스위치 입력수단을 두어 선택에 따라 LED 전구를 평시에는 꺼져 있다가 비상시에만 작동하게 할 수도 있고 평시에도 LED 전구를 사용하고 비상시에도 동일한 LED 전구로서 비상용 조명으로 사용하게 할 수 있다. 이는 평상 시에도 항상 조명을 켜놓아야 하는 경우(예컨대 승강기 조명), 하나의 LED 전구를 조명용과 비상용으로 동시에 사용하는 수단도 제공한다.
기존 비상조명용 배터리 시스템은 가격, 무게, 부피에서 불리한 납 축전지를 사용한다. 이를 저렴하고, 가볍고, 작은 원통형의 이차 전지로 대체하여 제조원가감소, 무게감량, 부피감소, 설치의 편리 등의 이익을 가져온다.
리튬이온 전지의 경우 가격이 경제적이면서 내부에 과충전 과방전, 단락보호 회로 등가 내장되어 있어 외부에 정밀한 충방전 제어를 위하여 복잡한 회로를 구성할 필요가 없다.
교류전기를 직류화 한 뒤 납 축전지에 맞추어 강압하여 사용하지 않고 대신 정격의 직류전원장치(일명 전원 어댑터)로부터 정해진 전압의 직류전원을 공급받아 사용할 수 있으므로 교류 전류와 연결을 하기 위해 설치 공사 중 안전을 위해 승강기와 같은 경우 승객의 사용을 제한할 필요도 없으며 감전의 위험도 없으며 교류 전기와 연결하기 때문에 까다로울 수 있는 전기안전규격 수준을 구현하지 않아도 된다.
교류 전기를 직접 인입하지 않으므로 감전이나 합선을 예방하기 위해 견고한 케이스를 제작하여 그 안에 위치시켜야 할 필요도 없다. 원통형의 1개의 이차전지라면 각종 회로를 긴 사각형의 PCB 상에 위치시키고 둘을 같이 열을 가하면 수축하여 외부와 절연을 시켜주는 ‘열수축튜브’만으로 마감을 처리해도 안전에 문제가 없다. 케이스를 따로 제작하기 위한 금형 및 사출 비용도 불필요하고 케이스에 내장시키는 조립작업도 불필요하다.
입력전원을 승압회로 출력으로 다이오드를 통하여 연결되도록 하면 장수명의 LED 전구를 단지 비상용으로만 사용하지 않고 상시 조명으로 사용할 수 있어 설치에 따른 효용가치를 높인다.
도 1은 PCB에 장착이 되는 각 구성요소와 열 수축 튜브의 수축전의 모습이다.
도 2는 열 수축 튜브에 수축과정을 마친 후 제품의 형태이다.
도 3은 각 구성요소 간의 연결 관계를 나타내는 전체 구성도 이다.
비상 조명은 과거 램프에서 LED로 대체되었다. 승강기의 비상 조명은 비상 조명용LED 소자는 일반적으로 220V 상용 전원을 사용 하거나 12V로 구동하는 형태가 2014년 현재 대다수이다. 비상 조명용 배터리는 12V 납 축전지를 사용하며 6V, 24V 등의 다른 전압의 납 축전지를 사용할 수도 있다.
본 고안에서는 기존의 비상 조명용 납 축전지 대신에 3.7 V 이하의 원통형 이차 전지 1개를 대신 사용한다. 리튬 이온, 리튬 폴리머, 니켈 수소, 니켈 카드뮴 전지가 이에 부합한다. 현재 다수를 점하는 비상 조명의 광원 LED전구는 12V 등 3.7V 이상의 전압을 요구하므로 원통형 이차 전지에서 방출된 전기는 승압 회로를 거쳐 LED전구 구동에 적합한 전압으로 승압한다. 승압 방식은 다양하나 코일 인덕턴스에 흐르는 전원을 차단 시 발생하는 고압전압을 활용하는 것이 그 한 예이다. 1개의 원통형 이차전지를 이용하는 것은 납 축전지를 대신할 때 얻는 단가에서의 경제적 이익, 직류전원을 이용한 충전 등에서 얻는 이익을 위해서 이다.
3.7V 이하의 원통형 이차전지는 현재 상용화된 5V, 12V 등의 직류전원장치(일명 전원 어댑터)의 직류전원으로부터 정전류회로, 정전압회로 등의 충전회로를 통해 충전할 수 있다. 이는 기존의 납 축전지들이 5V, 12V, 24V등의 정격의 직류전원장치(일명 어댑터)로서 충전이 용이하지 않아 상용 교류전원를 직접 강압하여 사용하는 일반적인 회로방식의 단점을 보완해 준다. 따라서 본 고안에서는 상용의 직류전원장치(일명 어댑터)의 직류 출력 플러그를 수용하는 잭 콘넥터 또는 연결 케이블을 사용한다.
1개의 ‘원통형 이차 전지’와 직류전원장치의 전원을 수용하는 ‘직류용 파워잭’ 은 ‘PCB기판’ 상에 장착된다. ‘PCB기판’ 에는 ‘직류전원장치’의 ‘파워플러그’ 를 거치고 ‘직류용 파워잭’ 을 통해 인입되는 직류전원을 ‘원통형 이차 전지’ 에 충전하고 인입된 전원이 단절된 경우 충전된 전원을 ‘LED광원’ 을 위해 방출하며 ‘LED광원’ 의 소자가 요구하는 적절한 전압의 수준으로 승압을 실행하는 ‘승압회로’ 가 구성되어 있다.
비상 조명은 외부에서 조명으로 인입하는 전원의 차단을 감지하여 이에 대응하여 작동하여야 하므로 조명으로 인입하는 전원의 차단을 감지하는 구성부가 있어야 한다. 이를 위해서 ‘직류전원장치’로 공급되는 상용 교류전원이 조명과 같이 사용되도록 조명 전원에서 ‘콘센트’를 분기하여 직류전원장치를 이 ‘콘센트’에 꽂거나 승강기 천정에 마련된 보조 콘센트 등에서 전원을 받을 수 있다.
승강기와 같이 항상 켜놓아야 하는 조명이 DC 전원을 사용하는 12V LED 조명인 경우는 조명으로 가는 전원을 분리하고 사이에 본 고안의 장치를 설치하면 내장된 다이오드에 의하여 외부 전원이 있을 경우 외부 전원에 의하여 구동되다가 전원이 단절될 경우 전원차단의 감지에 의하여 축전지의 전원에 의한 승압된 전원으로 LED 전구를 구동하도록 할 수 있어 내부의 승압회로가 동작할 경우 일정 발생하는 열 문제 등을 피하여 기존의 조명용 LED등을 비상용 등으로 활용할 수 있다.
본 고안에서 직류전원장치(일명 어댑터)에서 ‘직류용 파워잭’을 통해 ‘PCB기판’ 로 인입되는 직류전원은 ‘직류전원차단감지회로’에서 그 직류 전류의 차단 또는 전압이 일정 이하로 떨어지는 것을 감지한다. 그 방법은 트랜지스터 등 전기 소자의 반전 특성을 이용하며 공통 에미터 트랜지스터 회로의 경우 입력의 차단으로서 베이스 전류를 흘리지 않는 경우 콜렉터 단의 전압은 높아지며 이를 이용하는 것도 그 한 예이다.
인입되는 직류의 차단을 ‘직류전원차단감지회로’에서 감지한 경우 ‘원통형 이차전지’ 에 충전되었던 전원을 ‘승압회로’ 를 거쳐 ‘LED광원’으로 공급하고 이에 따라 축전지의 전압이 일정 이하로 떨어지는 경우 ‘직류용 파워잭’ 으로부터 인입되는 직류전류로서 ‘원통형 이차전지’에 충전의 기능을 수행하는 ‘충전회로’가 필요하다.
‘승압회로’, ‘직류전원차단감지회로’, ‘충전회로’는 모두 ‘PCB기판’ 상에서 구현되며 이들 회로간의 상호 연결 관계는 [도 3]과 같다.
일반적으로 ‘직류전원장치’의 ‘파워잭 플러그’를 수용하는 ‘직류용파워잭’에는 GND와 전원단자 외에 플러그가 꽂혔는지를 감지하는 ‘파워잭감지접점’이 있다. ‘파워잭감지접점’은 ‘파워잭플러그’ 가 꽂혀 접촉하고 있음을 감지할 수 있는데 꽂혀 있지 않는 경우는 배터리 시스템이 설치되기 이전으로 해석하고 ‘원통형 이차 전지’에서 ‘LED광원’으로 전원을 방출하지 못하도록 막는 ‘전원방전차단회로’을 ‘PCB기판’ 상에 구비할 수 있다. 다른 회로들과의 상호 연결 관계는 [도 3]과 같다.
220/110V의 교류 전원 대신 ‘직류전원장치’을 이용한 낮은 전압의 직류 전원을 사용하므로 220/110V 교류 전원으로 인한 감전이나 안전의 문제로 견고한 플라스틱이나 금속성 케이스 내에 배터리 시스템을 내장할 필요성은 낮다. 그리고 ‘원통형 이차 전지’는 형상이 원통형이며 1개만을 사용하므로 ‘원통형 이차 전지’와 ‘직류용 파워잭’을 전기적으로 연결하는 가늘고 긴 ‘PCB기판’ 형상은 ‘열수축튜브’로 감쌀 수 있다.
열 수축튜브는 전선이나 신호선에서 절연과 외부 물질로부터 오염을 방지하기 위해 전선이나 신호선을 감싼 뒤 열을 가하면 반경의 중심을 향하여 등거리로 수축하여 전선을 단단히 감싸는 마감재료이다. 기존의 견고한 플라스틱이나 금속성 케이스 대신 ‘원통형 이차 전지’와 ‘직류용파워잭’을 전기적으로 연결한 가늘고 긴 ‘PCB기판’ 형상 모두를 직경이 큰 호스 형상의 ‘열수축튜브’로 감싼 뒤 열을 가해 수축시키면 절연과 오염방지의 기능을 하게 할 수 있다. 이는 보통 직육면체의 각진 납 축전지와 달리 사용하는 축전지가 원통형으로 1개란 점, 가늘고 긴 작은 PCB에 각 회로를 구비할 수 있다는 점, 비교적 직경이 큰 호스 타입의 열 수축튜브가 제조 시판되고 있다는 점에서 기인한다.
PCB : 인쇄회로기판(printed circuit board)

Claims (3)

  1. 축전지를 내장하는 비상 조명용 전원장치로서;
    외부 직류전원장치(일명 전원 어댑터) 또는 기타 직류화된 전원 소스에서 전기를 인입받는 ‘직류 파워잭’;’ 한 셀로 구성된 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 또는 니켈 수소 또는 니켈 카드뮴 의 ‘이차 전지’; ‘이차전지’의 ‘충전회로’, 정전 등으로 인한 입력전원의 차단을 감지하는‘전원차단감지회로, 전원 차단이 감지되면 상용 LED 전구 구동이 가능한 수준의 전압으로 ‘이차 전지’의 전원을 승압하는 ‘승압회로’, 승압된 출력을 외부와 연결하는 단자 또는 연선 케이블을 PCB상에 실장한 ‘PCB 기판’;으로 구성된 축전지를 내장하는 비상 조명용 배터리 시스템
  2. 1항에 있어서;
    ‘승압회로’의 출력 전압과 인입단 전원이 역류를 방지하기 위한 2개의 Diode; 인입단 전원의 출력 기능을 선택할 수 있는 스위치 또는 Shunt Jumper 또는 선택적인 부품 실장으로 출력 선택 수단이 있는 PCB 기판’으로 구성된 비상 조명용 배터리 시스템
  3. 1항에 있어서;
    외부 물질의 오염과 감전 사고를 예방하기 위한 외부 마감재료로서 견고한 금속 또는 플라스틱을 대체하여 열이 가해질 경우 수축하는 ‘열수축튜브’로 외피로서 마감한 것을 특징으로 하는 비상 조명용 배터리 시스템
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180090041A (ko) * 2017-02-02 2018-08-10 (주)우신에이펙 선박용 항해등

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KR20180090041A (ko) * 2017-02-02 2018-08-10 (주)우신에이펙 선박용 항해등

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