KR20140013963A - 전원 장치, 조명 장치, 이를 이용하는 조명 기구 및 차량 - Google Patents

전원 장치, 조명 장치, 이를 이용하는 조명 기구 및 차량 Download PDF

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Abstract

본 실시예에 따른 전원 장치에서, 제2 커패시터가 고전압측에서의 커패시터의 단자와 입력 단자 사이에 삽입된다. 그러므로, 저전압측의 출력 단자에서 지락이 발생하는 경우, DC 전원에 연결된 입력측은 출력측으로부터 갈바니 전기적으로 분리되어, 제2 커패시터에 의해 부하에 연결된다. 결과적으로, 지락 전류가 연속적으로 흐르지 않는다. 따라서, 누전이 발생하는 경우 전원 장치는 회로를 통과하여 흐르는 누전을 0으로 또는 0에 가깝게 감소시킬 수 있으며, 따라서 누전과 관련된 문제(회로 고장, 등)를 방지할 수 있다.

Description

전원 장치, 조명 장치, 이를 이용하는 조명 기구 및 차량{POWER SUPPLY DEVICE, LIGHTING DEVICE, LIGHTING FIXTURE USING THE SAME, AND VEHICLE}
본 발명은 전원 장치, 조명 장치, 이를 이용하는 조명 기구 및 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 일본 공개 공보 제2002-159172호에 전원 장치가 개시되어 있다. 도 12에 도시된 것처럼, 종래 기술의 전원 장치는 DC 전원(E1a)의 전원 전압을 의도된 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 변환 회로를 포함한다. DC/DC 변환 회로는 스위칭 소자(S1a), 변압기(T1a), 다이오드(D1a) 및 평활 커패시터(C1a)를 포함한다. 변압기(T1a)의 2차 권선(N2a)와 다이오드(D1a)로 구성된 직렬 회로 양단부는 평활 커패시터(C1a)를 경유하여 DC 전원(E1a), 변압기(T1a)의 1차 권선(N1a) 및 스위칭 소자(S1a)를 포함하는 폐회로내의 회로 소자(스위칭 소자(S1a))에 연결된다.
필터의 역할을 하는 인덕터(L1a)의 일 단부는 평활 커패시터(C1a)와 2차 권선(N2a)의 연결점에 연결된다. 인덕터(L1a)의 다른 단부는 저전압측에 위치한 출력 단자(TO2a)에 연결된다. 필터의 역할을 하는 커패시터(COa)의 일 단부는 다이오드(D1a)의 캐소드와 고전압측에 위치한 출력 단자(TO1a)의 연결점에 연결된다. 커패시터(COa)의 다른 단부는 출력 단자(TO2a)에 연결된다.
제어 회로(CNa)는 출력 전압(출력 단자(TO1a, TO2a) 사이의 전압) 및 출력 전류(부하(Xa)로 흐르는 전류)를 검출하고, 출력 전류가 의도된 전류값에 도달하도록 스위칭 소자(S1a)에 대한 스위칭 제어(예를 들면, PWM(펄스 폭 변조) 제어)를 수행한다.
그러므로, 스위칭 소자(S1a)가 오프인 경우, 변압기(T1a)에 저장된 에너지가 다이오드(D1a)를 통해 2차 권선(N2a)으로부터 방출된다. 다음으로, 평활 커패시터(C1a)가 DC 전원(E1a) 및 1차 권선(N1a)을 통해 충전된다. 즉, 충전 전류가 DC 전원(E1a)으로부터 1차 권선(N1a)을 통해 평활 커패시터(C1a)로 흐른다. 그러므로, DC 전원(E1a)으로부터 DC/DC 변환 회로로 흐르는 입력 전류에 대해 전류 리플이 감소될 수 있다.
상술한 종래 기술의 전원 장치에서, 출력 단자(TO2a)에서 부하(Xa)로 연장하는 출력 라인에서 지락(누전)이 발생하는 경우, 필터의 역할을 하는 커패시터(COa)내에 저장된 전하가 방출(방전)되고, 따라서 누설 전류(지락 전류)은 도 12에서의 파선에 의해 도시된 경로를 통해 흐른다. 이 경우, 지락 전류(earth fault current)가 흐르는 경로에 저항과 같은 전류 제한 소자가 없으므로, 너무 많은 전류가 지락 전류로서 흐를 가능성이 있다. 결과적으로, 전원 장치는 회로에 문제가 있을 수 있다(예를 들면, 그러한 너무 많은 전류는 회로 고장을 초래할 수 있다).
반면에, 제어 회로(CNa)가 출력 단자(TO2a)로 흐르는 출력 전류를 검출하는 구조를 전원 장치가 갖는 경우, 출력 전류에 충접되는 지락 전류가 검출된다. 이 경우, 출력 전류는 제어되고, 따라서 지락 전류 또한 제어(억제)된다. 그러나, 출력 전류가 지락 전류에 의해 감소되고, 출력 전류가 감소됨에 따라 부하(Xa)에 공급된 전기가 감소되는 경우에 문제가 발생할 수 있다. 또는, 전원 장치는 지락 전류의 흐름으로 인해 회로에 대해 문제를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 누전이 발생할 경우 일어날 수 있는 문제를 방지할 수 있는 전원 장치, 조명 장치, 이를 이용한 조명 기구 및 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 전원 장치는: 고주파수에서 스위칭 동작이 수행되는 스위칭 소자; 1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 변압기 - DC 전원의 전원 전압은 상기 스위칭 소자를 통해 상기 1차 권선에 인가됨 - ; 상기 변압기의 2차 권선에 직렬로 연결된 정류 소자를 포함하며, 스위칭 소자 및 변압기의 상기 1차 권선 중 적어도 하나로 구성되는 회로 소자는 제1 및 제2 커패시터를 통해 상기 변압기의 상기 2차 권선 및 상기 정류 소자를 포함하는 직렬 회로의 양단부에 연결되며, 상기 직렬 회로의 양단부는 부하에 직접 또는 인덕터를 통해 연결된다.
상기 전원 장치에서, 바람직하게는 상기 변압기의 상기 1차 권선, 상기 제1 커패시터, 상기 변압기의 상기 2차 권선, 및 상기 정류 소자의 입력측 단자가 순서대로 직렬로 연결되며; 상기 스위칭 소자의 일 단부가 상기 변압기의 상기 1차 권선의 일 단부와 상기 커패시터의 연결점에 연결되며; 상기 인덕터의 일 단부가 상기 제1 커패시터와 상기 변압기의 상기 2차 권선의 연결점에 연결되며; 상기 제2 커패시터가 상기 스위칭 소자의 다른 단부와 상기 정류 소자의 출력측 단자 사이에 연결되며; 상기 변압기의 상기 1차 권선의 다른 단부가 상기 DC 전원의 포지티브 전극에 연결되며; 상기 스위칭 소자와 상기 제2 커패시터의 연결점이 상기 DC 전원의 네가티브 전극에 연결되며; 또한 상기 부하는 상기 인덕터의 다른 단부와 상기 정류 소자와 상기 제2 커패시터의 연결점 사이에 연결된다.
상기 전원 장치에서, 바람직하게는 상기 제2 커패시터는 상기 제1 커패시터보다 더 큰 전기 용량을 갖는다.
상기 전원 장치에서, 바람직하게는 상기 제2 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로를 더 포함하며, 상기 제어 회로는 상기 제2 커패시터와 상기 정류 소자의 출력측 단자의 연결점에서의 전위를 모니터하고, 상기 전위가 소정 범위 밖에 있는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 정지시키도록 구성된다.
상기 전원 장치에서, 바람직하게는 상기 제어 회로는 상기 부하에 제공되는 출력 전류를 모니터하고, 상기 출력 전류가 소정 전류값에 도달하도록 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하도록 구성된다.
상기 전원 장치에서, 바람직하게는, 상기 변압기에서, 상기 2차 권선에 대한 상기 1차 권선의 실제 권선비는 3 이하이다.
전술한 전원 장치 중 어느 하나를 이용하는 조명 장치로서, 상기 부하는 고체 발광 소자를 포함하는 조명 부하이다.
본 발명의 조명 기구는 상기 조명 장치 및 상기 조명 부하를 보유하는 기구 본체를 포함한다.
본 발명의 차량은 상기 조명 기구를 구비한다.
본 발명에서, 전원 장치, 조명 장치, 및 이를 이용하는 조명 기구 및 차량은 누전이 발생하는 경우에서 문제가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 더욱 상세히 설명될 것이다. 본 발명의 다른 특징 및 이점이 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 대해 보다 잘 이해될 것이다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 장치에서 스위칭 소자가 온인 경우의 상태를 도시하는 회로도이다.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 장치에서 스위칭 소자가 오프인 경우의 상태를 도시하는 회로도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 장치에서의 통상의 동작을 설명하기 위한 타임 차트이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 장치에서 지락이 발생하는 경우의 동작을 설명하는 타임 차트이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전원 장치에서 지락이 발생하는 경우의 동작을 설명하는 타임 차트이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명 장치를 도시하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조명 장치에서 통상의 동작을 설명하는 타임 차트이다.
도 7은 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따른 다른 전원 장치 및 조명 장치를 도시하는 회로도이다.
도 8은 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따른 다른 전원 장치 및 조명 장치를 도시하는 회로도이다.
도 9는 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따른 다른 전원 장치 및 조명 장치를 도시하는 회로도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 조명 기구를 도시하는 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량을 도시하는 투시도이다.
도 12는 종래 기술의 전원 장치를 도시하는 회로도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전원 장치가 도면을 참조로 이하 상세히 설명된다.
(제1 실시예)
도 1a에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 전원 장치는 DC 전원(E1)의 전원 전압을 의도한 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 변환 회로를 포함한다. DC/DC 변환 회로는 고주파수에서 스위칭 동작이 수행되는 스위칭 소자(S1); 1차 권선(N1) 및 2차 권선(N2)을 포함하는 변압기(T1) - DC 전원(E1)의 전원 전압은 스위칭 소자(S1)를 통해 1차 권선(N1)에 인가됨 - ; 변압기(T1)의 2차 권선(N2)에 직렬로 연결된 다이오드(정류 소자)(D1); 및 평활 커패시터(제1 커패시터)(C1)를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 전원 장치는 커패시터(제2 커패시터)(C2)를 포함한다. 변압기(T1)의 2차 권선(N2)과 다이오드(D1)으로 구성된 직렬 회로의 양단부는 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 통해 DC 전원(E1), 변압기(T1)의 1차 권선(N1) 및 스위칭 소자(S1)를 포함하는 폐회로에서의 회로 소자(스위칭 소자(S1))로 연결된다. 또한, 변압기(T1)의 2차 권선(N2) 및 다이오드(D1)에 의해 구성되는 직렬 회로의 양단부는 필터의 역할을 하는 인덕터(L1)를 통해 부하(X)에 연결된다.
구체적으로, 변압기(T1)의 1차 권선(N1), 제1 커패시터(C1), 변압기(T1)의 2차 권선(N2) 및 다이오드(D1)의 입력측 단자는 이 순서대로 직렬로 연결된다. 스위칭 소자(S1)의 일 단부는 변압기(T1)의 1차 권선(N1)의 일 단부와 제1 커패시터(C1)의 연결점 "a"에 연결된다. 인덕터(L1)의 일 부는 제1 커패시터(C1)와 변압기(T1)의 2차 권선(N2)의 연결점 "b"에 연결된다. 제2 커패시터(C2)는 스위칭 소자(S1)의 다른 단부와 다이오드(D1)의 출력측 단자 사이에 연결된다. 변압기(T1)의 1차 권선(N1)의 다른 단부는 DC 전원(E1)의 포지티브 전극에 연결된다. 스위칭 소자(S1)와 제2 커패시터(C2)의 연결점은 DC 전원(E1)의 네가티브 전극에 연결된다. 부하(X)는 인덕터(L1)의 다른 단부와 다이오드(D1)와 제2 커패시터(C2)의 연결점 "c" 사이에서 출력 단자(TO2, TO1)을 통해 연결된다. 구체적으로, 인덕터(L1)의 다른 단부는 저전압측에 위치한 출력 단자(TO2)에 연결된다. 필터의 역할을 하는 커패시터(CO)의 일 단부는 다이오드(D1)의 캐소드와 고전압측에 위치한 출력 단자(TO1)의 연결점에 연결된다. 커패시터(CO)의 다른 단부는 출력 단자(TO2)에 연결된다.
스위칭 소자(S1)는 예를 들면 전압 구동형 필드-효과 트랜지스터를 포함하며, 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작은 제어 회로(도시 없음)로부터 제공된 구동 신호를 통해 고주파수(예를 들면, 수백 kHz)에서 제어된다(PWM 제어). 그러나, 스위칭 소자(S1)에 대한 스위칭 제어 방법은 PWM 제어에 국한되지 않는다. 예를 들면, 스위칭 주파수가 변경되는 방법이 채용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서, DC 전원(E1)으로부터 입력 단자들(TI1, TI2) 사이에 인가되는 입력 전압 및 입력 전류는 각각이 Vin 및 IT1으로 표시된다. 출력 단자들(TO1, TO2) 사이에 인가되는 출력 전압은 Vout로 표시된다. 다음으로, 커패시터(C1, C2, CO)의 고전압측에 "+" 사인이 놓인다.
본 실시예에 따른 전원 장치에서, 도 1a 및 도 1b에서의 회로도 및 도 2a 내지 도 2g에서의 타임 차트를 참조로 기본 동작이 설명된다. 여기서, 도 2a에서의 파형은 스위칭 소자(S1)에 대한 구동 신호를 도시하고, 도 2b에서의 파형은 입력 전류(IT1)을 도시하며, 도 2c에서의 파형은 출력 전류(IL1)을 도시하고, 도 2d에서의 파형은 입력 전압(Vin)을 도시하고, 도 2e에서의 파형은 제1 커패시터(C1)와 스위칭 소자(S1)의 연결점 "a"과 제2 권선(N2)와 제1 커패시터(C1)의 연결점 "b" 사이의 전압 전위차(Va-Vb)를 도시하며, 도 2f에서의 파형은 제2 커패시터(C2)와 다이오드(D1)의 연결점 "c"에서의 전위(제2 커패시터(C2) 양단부 사이의 전압)를 도시하며, 도 2g에서의 파형은 출력 전압(Vout)을 도시한다.
먼저, 스위칭 소자(S1)이 시간 t=t0에서 온이 되는 경우, DC 전원(E1)에서 변압기(T1)의 1차 권선(N1)으로 공급되는 입력 전류(IT1)는 점차 증가되고, 변압기(T1)내에 에너지가 저장된다. 스위칭 소자(S1)가 시간 t=t1에서 오프가 되는 경우, 변압기(T1)내에 저장되는 에너지는 1차 권선(N1), 제1 커패시터(C1), 2차 권선(N2), 다이오드(D1), 제2 커패시터(C2), DC 전원(E1) 및 1차 권선(N1)을 순서대로 통과하는 경로를 따라 방출된다(도 1b 참조). 그러므로, 제1 커패시터(C1)의 양단부 사이의 전압(전압 전위차(Va-Vb)) 및 제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압(Vc)가 증가된다.
시간 t=t0 이전에 충전함에 의해 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)에 저장된 전하는 스위칭 소자(S1)가 온인 경우의 온 기간(t0와 t1 사이의 기간) 동안 방출된다. 그러므로, 출력 전류(IL1)는 제1 커패시터(C1), 스위칭 소자(S1), 제2 커패시터(C2), 커패시터(CO), 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)을 순서대로 통과하는 경로를 따라 흐르고, 에너지는 인덕터(L1)내에 저장된다(도 1a 참조).
반면에, 인덕터(L1)내에 저장된 에너지는 스위칭 소자(S1)가 오프가 되는 경우의 오프 기간(t1과 t2 사이의 기간) 동안 방출된다. 그러므로, 출력 전류(IL1)는 인덕터(L1), 제2 권선(N2), 다이오드(D1), 부하(X) 및 인덕터(L1)를 순서대로 통과하는 경로를 따라 흐른다(도 1b).
또한, 시간 t=t2 이후에, 도 2a 내지 도 2g에 도시된 파형을 갖는 전압 및 전류가 스위칭 소자(S1)의 온/오프 스위칭 동작을 반복함에 의해 생성되고, 따라서 본 실시예에 따른 전원 장치는 DC 전력을 부하(X)에 공급한다.
즉, 본 실시예에 따른 전원 장치의 동작은 도 12에 도시된 종래 기술의 전원 장치의 것과는 종래 기술의 전원 장치에서는 평활 커패시터(C1a)가 두 커패시터(제1 커패시터, 제2 커패시터(C1, C2))에 의해 공유된다는 점에서 상이하다. 제1 커패시터(C1)의 양단부 사이의 전압(Va-Vb)의 합과 제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압(Vc)의 합은 그 전기 용량 사이의 크기 관계(즉, 용량비)에 의존한다. 도 2a 내지 도 2g의 경우, 두 전기 용량은 서로 동일하다.
여기서, 도 2b에 도시된 입력 전류(IT1)의 파형은 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작과 동기화하여 순간적으로 변한다. 기본적으로, 입력 전류(IT1)의 변화율은 변압기(T1)의 실제 권선비에 의존한다. 본 실시예에서, 변압기(T1)의 1차 및 2차 권선(N1, N2)이 제1 커패시터(C1)를 통해 직렬로 연결되므로, 변압기(T1)의 실제 권선비는 1차 권선(N1)의 권선수와 2차 권선(N2)의 권선수의 합을 1차 권선(N1)의 권선수로 나눔에 의해 얻어지는 값이다. 입력 전류(IT1)내의 리플 및 변압기(T1)의 크기를 줄이기 위해서, 바람직하게는, 권선비는 3 이하로 설정되고, 보다 바람직하게는 2 이하로 설정된다. 권선비는 부하(X)의 유형에 의존하여 적절히 선택된다. 이 경우, 도 1 및 도 5에서, 변압기(T1)의 1차 및 2차 권선(N1, N2)이 직렬로 연결되어 있으므로, 스위칭 소자(S1)가 온이되는 경우, 전류는 1차 권선(N1)을 전류 경로로서 통과하여 흐르며, 스위칭 소자(S1)가 오프가 되는 경우, 전류는 1차 및 2차 권선(N1, N2)을 전류 경로로서 통과하여 흐른다. 그러므로, 실제 권선비는 1차 권선(N1)에서의 권선수와 2차 권선(N2)에서의 권선수의 합을 1차 권선(N1)에서의 권선수로 나눔에 의해 얻어지는 값이다. 반면에, 예를 들면 도 7, 도 8 및 이하 설명과 같이, 스위칭 소자(S1)가 온이 되는 경우, 전류는 1차 권선(N1)을 전류 경로로서 통과하여 흐르고, 스위칭 소자(S1)가 오프가 되는 경우, 전류는 2차 권선(N2)을 전류 경로로서 통과하여 흐른다. 그러므로, 실제 권선비는 2차 권선(N2)에서의 권선수를 1차 권선(N1)에서의 권선수로 나눔에 의해 얻어지는 값이고, 이 경우, 바람직하게는, 실제 권선비는 3 이하로 설정된다.
본 실시예에서의 특징적 동작 즉, 누전(지락 또는 전원 결함(supply fault))이 발생하는 경우의 동작이 이하 설명된다.
먼저, 도 3에서의 타임 차트를 참조로 동작이 설명되며, 이 경우, 고전압측에 위치한 출력 단자(TO1)에서 지락이 발생한다. 지락이 고전압측의 출력 단자에서 발생하는 경우, 출력 단자(TO1)의 전위는 그라운드 레벨로 고정된다. 그러므로, 제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압은 또한 접지 레벨로 감소된다. 바나면에, 제2 커패시터(C1)의 양단부 사이의 전압(Va-Vb)은 증가된다. 이 경우, 지락 전류는 흐르지 않고, 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작이 제어 회로에 의해 계속되는 경우라도, 전원 장치는 특별한 문제가 없다.
다음으로, 도 4의 타임 차트를 참조로 지락이 저전압측에 위치한 출력 단자(TO2)에서 발생하는 경우의 동작이 설명된다. 종래 기술의 전원 장치에서, 지락이 저전압측의 출력 단자(TO2a)에서 발생하는 경우, 충전에 의해 필터의 역할을 하는 커패시터(COa)내에 저장된 전하는 입력 단자를 통해 그라운드로 방출되고, 따라서 누설 전류(지락 전류)가 흐른다. 반면에, 본 실시예에서, 제2 커패시터(C2)가 커패시터(CO)의 고전압측 단자와 입력 단자(TI1) 사이에서 삽입되고, 다음으로 DC 전원(E1)에 연결된 입력측은 제2 커패시터(C2)에 의해 부하(X)에 연결된 출력측으로부터 갈바니 전기적으로 분리된다. 그러므로, 지락 전류가 연속적으로 흐르지는 않는다. 또한 이 경우, 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작이 제어 회로에 의해 계속되더라도, 전원 장치는 특별한 문제가 없다.
유사하게, 출력 단자(TO1, TO2) 중 하나와 DC 전원(E1) 사이에 도전 상태(전원 결함)가 발생하더라도, 전원 결함에 의해 야기된 전류는 연속적으로 흐르지 않는다. 그러므로, 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작이 제어 회로에 의해 계속되더라도, 전원 장치는 특별한 문제가 없다.
상술한 것처럼, 본 실시예의 전원 장치는 누전(지락 또는 전원 결함)이 발생하는 경우 회로로 흐르는 누설 전류를 감소할 수 있다. 결과적으로, 전원 장치는 누전과 관련된 문제(회로의 고장 등)를 방지할 수 있다.
또한, 제2 커패시터(C2)가 제1 커패시터(C1) 보다 더 큰 전기 용량을 갖는다면, 고전압측의 출력 단자(TO1)에 인가되는 출력 전압(Vout)은 그라운드 레벨에 더 가깝도록 설정될 수 있다.
(제2 실시예)
도 5에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 전원 장치는 저항(R1)이 제2 커패시터(C2)와 병렬로 연결된 점과, 평활 커패시터(CI)가 입력 단자(TI1, TI2)에 병렬로 연결된다는 점, 및 제어 회로(CN)의 구성을 특징으로 한다. 다른 구성 요소는 제1 실시예의 것과 유사하다. 그러므로, 그러한 소자들은 동일한 참조 번호로 할당되고, 그 설명은 적절히 생략한다. 여기서, 본 실시예에서 부하(X)는 복수개의 고체 발광 소자(예를 들면, 발광 다이오드 또는 유기 전계발광 소자)의 직렬 회로 또는 직렬-병렬 회로를 포함하는 조명 부하이다. 본 실시예에 따른 전원 장치는 조명 부하를 조명하는 조명 장치에 대응한다.
본 실시예에서의 제어 회로(CN)는: 연산 증폭기(AMP2), 커패시터(C13, C14), 및 저항(R13 내지 R16)을 갖는 차동 증폭 회로; 및 연산 증폭기(AMP1), 커패시터(C12) 및 저항(R12)을 갖는 에러 연산 회로를 포함한다. 차동 증폭 회로는 고전압측의 출력 단자(TO1)와 제2 커패시터(C2) 사이에 삽입된 센스 저항(R2)의 양단부 사이의 전압(출력 전류의 전류값에 비례하는 전압)을 증폭하며, 에러 연산 회로에 증폭된 전압을 출력한다. 에러 연산 회로는 차동 증폭 회로의 증폭된 출력 전압과 기준 전압(Vref2) 사이의 차이를 증폭한다. 제어 회로(CN)는 에러 연산 회로의 출력과 발진 회로(OSC1)로부터의 기준 발진 신호 출력을 비교하는 비교기(CMP2)를 더 포함한다. 다시 말하면, 에러 연산 회로의 출력 전압이 기준 발진 신호의 신호 전압을 넘는 경우, 비교기(CMP2)의 출력은 하이 레벨이다. 에러 연산 회로의 출력 전압이 기준 발진 신호의 신호 전압 이하인 경우, 비교기(CMP2)의 출력은 로우 레벨이다. 다음으로, 비교기(CMP2)의 출력은 AND-회로(AND-게이트)(AND1)로 입력된다.
제어 회로(CN)는 회로를 보호하는 무부하/단락-회로 보호 회로를 더 포함한다. 무부하/단락-회로 보호 회로는 부하(X)가 출력 단자(TO1, TO2)에 연결되지 않는 무부하 조건(개방된 조건); 및 단락-회로가 출력 단자들(TO1, TO2) 사이에서 생성되는 조건을 검출한다. 다음으로, 무부하/단락-회로 보호 회로는: 연산 증폭기(AMP3), 커패시터(C15) 및 저항(R17 내지 R19)을 갖는 반전 증폭 회로; 3개의 비교기(CMP3, CMP4, CMP5), 두개의 타이머(TM1, TM2); 및 NOR-회로(NOR-게이트)(NOR1)를 포함한다. 반전 증폭 회로는 비교기(CMP3, CMP4, CMP5)로 출력하기 위하여 부하(X)에 인가된 출력 전압(Vout)을 반전하고 증폭한다.
비교기(CMP5)는 반전 증폭 회로의 출력 전압과 기준 전압(Vref5)을 비교한다. 다음으로, 전원 장치가 무부하 조건인 경우에, 반전 증폭 회로의 출력 전압이 기준 전압(Vref5)을 넘는 경우, 비교기(CMP5)의 출력은 로우 레벨이다. 전원 장치가 무부하 조건이 아닌 경우에, 반전 증폭 회로의 출력 전압이 기준 전압(Vref5) 이하인 경우, 비교기(CMP5)의 출력은 하이 레벨이다.
반면에, 반전 증폭 회로의 출력 전압이 두 기준 전압(Vref3, Vref4) 사이의 통상 범위(이 경우, Vref5>Vref4>Vref3)내에 있는 경우, 다른 두 비교기(CMP3, CMP4)의 출력은 로우 레벨이다. 다음으로, 반전 증폭 히로의 출력 전압이 통상 범위 외부에 있는 경우, 이들 출력 중 하나는 하이 레벨이다. 여기서, 각 타이머(시간-지연 회로)(TM1, TM2)는 비교기(CMP3, CMP4)의 출력 단자에 연결된다. 비교기(CMP3, CMP4)의 출력이 로우 레벨로부터 하이 레벨로 상승하는 경우, 타이머(TM1, TM2)는 활성화되고, 소정 시간(예를 들면, 100ms)을 계수값을 각각 측정하기 시작한다. 소정 시간의 측정이 완료되기 이전에 비교기(CMP3, CMP4)의 출력이 하이 레벨에서 로우 레벨로 떨어지는 경우, 타이머(TM1, TM2)의 카운트값은 리셋되고 출력은 로우 레벨을 유지한다. 반면에, 비교기(CMP3, CMP4)의 출력이 하이 레벨을 유지하는 동안, 소정 시간의 측정이 완료되는 경우, 타이머(TM1, TM2)의 출력은 하이 레벨로 변경된다. 그러므로, 반전 증폭 회로의 출력 전압이 로우 기주준 전압(Vref3) 보다 높고 하이 기준 전압(Vref4) 보다 낮은 경우, NOR-게이트(NOR1)의 출력은 하이 레벨로 유지된다. 반면에, 반전 증폭 회로의 출력 전압이 로우 기준 전압(Vref3) 이하인 조건 또는 반전 증폭 회로의 출력 전압이 하이 기준 전압(Vref4) 이상인 조건이 소정 시간에 걸쳐 계속되는 경우, NOR-게이트(NOR1)의 출력은 로우 레벨로 변경된다.
또한, 제어 회로(CN)는 누전 검출 회로를 포함한다. 이 누전 검출 회로는: 저항(R11) 및 커패시터(C11)를 갖는 필터 회로(집적 회로); 비교기(CMP1); 시간-지연 회로(SS1); AND 회로(AND-게이트)(AND2); 제너 다이오드(Z11); 등을 포함한다. 비교기(CMP1)는 필터 회로를 통해 입력되는 제2 커패시터(C2) 양단부 사이의 전압(Vc)와 기준 전압(Vref1)을 비교한다. 다음으로, 전압(Vc)이 기준 전압(Vref1) 이하인 경우, 비교기(CMP1)의 출력은 하이 레벨이다. 전압(Vc)이 기준 전압(Vref1)을 초과하는 경우, 비교기(CMP1)의 출력은 로우 레벨이다. 여기서, 제너 다이오드(Z11)는 비교기(CMP1)의 마이너스 단자에 연결되고, 필터 회로에 병렬로 연결된다. 그러므로, 제너 다이오드(Z11)는 제너 전압을 초과하는 너무 많은 전압이 마이너스 단자로 입력되는 것을 방지한다.
AND-게이트(AND2)는 비교기(CMP1)의 출력과 시간-지연 회로(SS1)의 출력의 논리 AND를 동작하고, AND-게이트(AND1)에 출력된다. 즉, 비교기(CMP1)의 출력이 연속적으로 로우 레벨로 유지되는 동안의 기간이 지연 시간(예를 들면, 1ms)을 초과하는 경우, 시간-지연 회로(SS1)의 출력은 하이 레벨에서 로우 레벨로 변한다. 다음으로, 기간이 지연 시간보다 적은 경우, 시간-지연 회로(SS1)의 출력은 하이 레벨로 유지된다. DC 전원(E1)으로부터의 전력 공급이 중단되는 경우, 시간-지연 회로(SS1)의 출력은 리셋된다. 다음으로, DC 전원(E1)으로부터의 전력 공급이 재개되는 경우, 시간-지연 회로(SS1)의 출력은 하이 레벨로 유지된다. 여기서, 비교기(CMP1)의 출력이 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경되는 조건이 소정 시간(예를 들면, 1ms)에 걸쳐 반복적으로 발생하는 경우, 시간-지연 회로(SS1)의 출력은 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경될 수 있다.
다음으로, 무부하/단락 회로 보호 회로 및 누전 검출 회로가 이상을 검출하지 않고 하이 레벨 신호가 이들 회로로부터 AND-게이트(AND1)로 입력되는 경우, AND-게이트(AND1)의 출력은 비교기(CMP2)의 출력에 의존하여 변경된다. 즉, 제어 회로(CN1)는 기준 발진 신호의 발진 주파수와 동일한 주파수에서 스위칭 소자(S1)를 스위칭하고, 스위칭 소자(S1)에 대한 ON-기간을 조절하여, 출력 전류(부하 전류)는 기준 전압(Vref2)에 의해 결정되는 타겟값에 대응한다. 여기서, 도 6은 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 저항(R2)이 상대적으로 작은 저항값(예를 들면, 100Ω 또는 미만)을 갖는 경우의 타임 차트를 도시한다. 저항(R2)이 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결되므로, 제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압(Vc)은 도 6에 도시된 것처럼 실질적인 제로가 된다.
한편, 무부하 조건 또는 단락 회로 조건과 같은 이상 조건이 발생되는 경우, 무부하/단락-회로 보호 회로의 출력은 로우 레벨로 변경되고, 다음으로, AND-게이트(AND1)의 출력은 로우 레벨로 고정된다. 그러므로, 스위칭 소자(S1)는 OFF-상태를 유지하고, 전원 장치(조명 장치)는 비활성화된다.
누전이 발생하는 경우, 제어 회로(CN)의 동작이 이하 설명된다. 먼저, 저전압측의 출력 단자(TO2)에서 지락이 발생하는 경우, 필터의 역할을 하는 커패시터(CO) 양단의 전압이 현저히 증가되고, 포인트 "c"에서의 전위(제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압)(Vc)가 증가되며, 따라서, 비교기(CMP1)의 마이너스 단자로 입력되는 전압은 기준 전압(Vref1)을 넘어선다. 결과적으로, AND-게이트(AND2)의 출력은 로우 레벨로 변경되고, AND-게이트(AND1)의 출력은 로우 레벨로 고정된다. 그러므로, 스위칭 소자(S1)는 OFF-상태를 유지하고, 전원 장치(조명 장치)는 비활성화된다. 저전압측의 출력 단자(TO2)에서 또는 고전압측의 출력 단자(TO1)에서 전원 결함이 발생하는 경우, 제2 커패시터(C2)의 양단 사이의 전압(Vc)는 증가되고, 비교기(CMP1)의 마이너스 단자에 입력되는 전압은 기준 전압(Vref1)을 넘어선다. 그러므로, 전원 장치(조명 장치)는 비활성화된다.
한편, 고전압측의 출력 단자(TO10에서 지락이 발생하는 경우, 두 저항(R1, R2)이 실질적으로 병렬로 연결되는 겨 우가 생성된다. 다음으로, 충전에 의해 커패시터(CO)내에 저장되는 전압으로 인하여 두 저항(R1, R2)의 병렬 회로를 통해 부하(X)에 전류가 공급된다. 그러므로, 제2 커패시터(C2)의 양단부 사이의 전압(Vc)은 기준 전압(Vref1)을 넘어서고, 전원 장치는 출력 전류의 타겟값(기준 전압(Vref2)), 저항(R1, R2)의 저항값, 및 누전 검출 회로의 기준 전압(Vref1)을 적절히 결정함을 통해 비활성화될 수 있다.
상술한 것처럼, 본 실시예에서, 누전이 발생하는 경우 제어 회로(CN)가 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 중단하고, 이에 따라 전원 장치(조명 장치)를 비활성화한다. 그러므로, 전원 장치(조명 장치)는 누설 전류의 연속적인 흐름으로 인해 발생하는 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 출력 단자(TO1) 또는 출력 단자(TO2)에서 전원 결함이 발생하는 경우, 전류는 저항(R1)을 통해 연속적으로 흐른다. 이 경우, 이 전류가 저항(R1)에 의해 제한되므로, 회로에 대한 영향은 감소된다.
고전압측의 출력 단자(TO1)에서 지락이 발생하는 경우, 제어 회로(CN)는 누전 검출 회로내의 누전을 검출할 필요가 없이 스위칭 소자(S1)의 스위칭 동작을 계속할 수 있다. 예를 들면, 누전이 발생하는 경우 기준 전압(Vref1)은 센스 저항(R2)에서의 전압 강하(양단 사이의 전압) 보다 더 크도록 설정되며, 센스 저항(R2)의 저항값은 저항(R1)의 것보다 더 적도록 설정된다(예를 들면, R2: 0.15Ω, R1: 4.7Ω).
출력 단자(TO2)에서 지락이 발생하는 경우의 누전 검출 회로에서 이용되는 기준 전압(Vref1)은 전원 장치(조명 장치)가 비활성화되는 지락 전류의 크기의 요청시 적절한 값으로 설정된다.
제1 및 제2 실시예에 따른 메인 회로는 도 7 내지 도 9에 도시된 것과 같은 회로 구성을 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 회로 구성에서, 변압기(T1)의 1차 권선(N1)의 일 단부는 제1 커패시터(C1)를 통해 변압기(T1)의 2차 권선(N2)의 일 단부에 연결된다. 제2 커패시터(C2)의 일 단부는 스위칭 소자(S1)를 통해 1차 권선(N1)의 다른 단부에 연결된다. 다이오드(D1)의 아노드는 2차 권선(N2)의 다른 단부에 연결되며, 다이오드(D1)의 캐소드는 제2 커패시터(C2)의 다른 단부에 연결된다. 도 8에 도시된 회로 구성은 변압기(T1)의 2차 권선(N2)의 극성 및 다이오드(D1)의 연결 방향이 반대인 것을 제외하고는 도 7에 도시된 회로 구성과 유사하다. 또한, 도 9에 도시된 회로 구성은 스위칭 소자(S1)가 1차 권선(N1)과 고전압측의 입력 단자(TI2) 사이에 삽입되며, 필터의 역할을 하는 인덕터(L1)가 추가된다는 것을 제외하고는 도 8에 도시된 회로 구성과 유사하다.
상술한 제1 및 제2 실시예에서, 스위칭 소자(S1)는 전계 효과 트랜지스터에 국한되지 않고, 다른 반도체 스위칭 소자가 채용될 수 있다. 또한, 다이오드(D1)가 아닌 정류 소자가 채용될 수 있다.
본 실시예의 제어 회로(CN)는 에러 연산 회로에 의해 수행되는 비례 적분 제어를 이용하여 출력 전류를 상수가 되도록 제어하며, 출력 전류를 제어하는 방법은 이에 국한되지 않는다. 또한, 제어 회로(CN)는 마이크로컴퓨터로 구성될 수 있으며, 피드백 제어 또한 디지털적으로 수행될 수 있다. 또한, 제어 회로(CN)는 상전류 제어를 대체하여 출력 전압이 소정값이 되도록 제어할 수 있다.
(제3 실시예)
도 10은 본 발명에 따른 조명 기구를 도시하며, 도 11은 본 발명에 따른 차량을 도시한다. 본 실시예의 조명 기구(A)는 자동차와 같은 차량(B)의 헤드라이트이고, 제1 또는 제2 실시예에서 설명되는 전원 장치(조명 장치)(1), 조명 부하(X), 기구 본체(2), 커버(3), 광학 유닛(4), 방사판(5) 등을 포함한다.
기구 본체(2)는 전면이 열린 박스 형상을 갖는다. 방사판(5)은 기구 본체(2)의 후면에 고정된다(즉, 박스 형상의 바닥면). 조명 부하(X)는 방사판(5)에 부착된다. 광학 유닛(4)은 반구형 렌즈(40), 포물면 거울로 제조된 반사 부재(41) 등을 포함한다. 조명 부하(X)로부터의 광은 기구 본체(2)의 개구 전면을 통해 효과적으로 방출된다. 커버(3)는 실리카 유리 또는 아크릴 수지와 같은 반투명 물질을 후방이 개방된 박스-형태로 형성된다. 커버(3)는 그 개구 전면을 커버하도록 기구 본체(2)에 부착된다.
조명 장치(1)는 제1 또는 제2 실시예에서 설명되는 회로를 구성하는 회로 구성요소가 장착된 인쇄-배선 기판(도시 없음) 및 인쇄-배선 기판을 하우징하는 금속 케이스(10)를 포함한다. 케이스(10)는 기구 본체(2)의 외부 바닥면에 부착되며, 케이스(10)의 상부면으로부터 나오는 전기 배선(11)은 조명 부하(X)에 연결된다. 조명 장치(1)는 전원 배선(12)을 통해 차량(B)내에 설치되는 배터리(DC 전원(E1))에 연결된다.
여기서, 일반적인 차량(B)에서, 배터리의 네가티브 전극이 차량 본체에 연결된다(소위 "본체 접지"). 조명 기구(A)의 금속 구성 요소(예를 들면, 라디에이터판(5), 케이스(10) 등)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또는, 라디에이터판(5)은 노이즈 등에 대한 보호를 목적으로 케이스(10)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그러므로, 전기 배선(11)의 도전 본체가 조명 기구(A) 또는 차량 본체의 금속 구성 요소와 접촉하고, 전기 배선(11)의 피복의 훼손으로 인해 도전 본체가 노출되는 경우 조명 장치(1)의 출력 단자(TO1 또는 TO2)에서 지락이 발생된다.
그러나, 본 실시예에 따른 조명 기구(A)에서, 지락이 발생하더라도, 조명 장치(1)가 비활성화되거나 또는 출력 전류가 제어되어, 지락 전류로 인한 사고를 방지한다. 본 실시예에 따른 조명 기구(A)는 차량(B)의 헤드라이트로서만 이용될 수 있는 것이 아니라, 차량(B)의 미등, 차량(B)의 내부등, 도로 조명 및 실내 조명과 같은 다양한 조명 기구로서 이용될 수 있다.
본 발명이 특정 양호한 실시예를 참조로 설명되었지만, 다양한 개조물 및 변형물이 본 발명의 진정한 기술 사상 및 범위 즉, 특허청구범위로부터 벗어나지 않고도 당업자라면 구현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전원 장치로서:
    고주파수에서 스위칭 동작이 수행되는 스위칭 소자;
    1차 권선 및 2차 권선을 포함하는 변압기 - DC 전원의 전원 전압은 상기 스위칭 소자를 통해 상기 1차 권선에 인가됨 - ; 및
    상기 변압기의 상기 2차 권선에 직렬로 연결된 정류 소자를 포함하며,
    상기 스위칭 소자 및 상기 변압기의 상기 1차 권선 중 적어도 하나로 구성되는 회로 소자가 제1 및 제2 커패시터를 통해 상기 변압기의 상기 2차 권선 및 상기 정류 소자를 포함하는 직렬 회로의 양단부에 연결되며,
    상기 직렬 회로의 양단부는 부하에 직접 또는 인덕터를 통해 연결되는, 전원 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 변압기의 상기 1차 권선, 상기 제1 커패시터, 상기 변압기의 상기 2차 권선, 및 상기 정류 소자의 입력측 단자가 순서대로 직렬로 연결되며;
    상기 스위칭 소자의 일 단부가 상기 변압기의 상기 1차 권선의 일 단부와 상기 커패시터의 연결점에 연결되며;
    상기 인덕터의 일 단부가 상기 제1 커패시터와 상기 변압기의 상기 2차 권선의 연결점에 연결되며;
    상기 제2 커패시터가 상기 스위칭 소자의 다른 단부와 상기 정류 소자의 출력측 단자 사이에 연결되며;
    상기 변압기의 상기 1차 권선의 다른 단부가 상기 DC 전원의 포지티브 전극에 연결되며;
    상기 스위칭 소자와 상기 제2 커패시터의 연결점이 상기 DC 전원의 네가티브 전극에 연결되며; 또한
    상기 부하는 상기 인덕터의 다른 단부와, 상기 정류 소자와 상기 제2 커패시터의 연결점 사이에 연결되는, 전원 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 커패시터는 상기 제1 커패시터보다 더 큰 전기 용량을 갖는, 전원 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 커패시터에 병렬로 연결된 저항을 더 포함하는, 전원 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로를 더 포함하며,
    상기 제어 회로는 상기 제2 커패시터와 상기 정류 소자의 출력측 단자의 연결점에서의 전위를 모니터하고, 상기 전위가 소정 범위 밖에 있는 경우에 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 정지시키도록 구성되는, 전원 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 부하에 제공되는 출력 전류를 모니터하고, 상기 출력 전류가 소정 전류값에 도달하도록 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하도록 구성된, 전원 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 변압기에서, 상기 2차 권선에 대한 상기 1차 권선의 실제 권선비는 3 이하인, 전원 장치.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 전원 장치를 이용하는 조명 장치로서,
    상기 부하는 고체 발광 소자를 포함하는 조명 부하인, 조명 장치.
  9. 청구항 8에 기재된 조명 장치 및 조명 부하를 보유하는 기구 본체를 포함하는 조명 기구.
  10. 청구항 9에 기재된 조명 기구를 구비한, 차량.
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