KR20140088367A - 전원 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 형광등 안정기로부터 제1 출력 전압을 획득하고, 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하는 전압 조절 필터부, 상기 제2 출력 전압을 정류하여 출력하는 정류부, 상기 정류부의 출력 전압에 근거하여 발광 다이오드를 구동하는 구동부를 포함하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.

Description

전원 공급 장치 {POWER SUPPLY DEVICE}

본 발명은 형광등 안정기에 호환 가능한 전원 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 형광등의 경우 수은과 같은 유해물질이 포함되어 있고 램프의 수명 또한 10,000시간 이하로 짧을 뿐만 아니라 저주파 플리커로 인해 눈의 피로가 심한 편이다.

반면 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 유해물질이 전혀 포함되어 있지 않아 환경오염의 염려가 없고 고주파 구동으로 인해 저주파 플리커(flicker)가 작은 장점이 있다. 뿐만 아니라 소비전력이 형광등 대비 75% 수준으로 매우 낮으며 40,000시간 이상의 장수명을 가지므로 친환경 및 고유가 시대에 매우 적합한 차세대 조명용 광원으로 기대되고 있어 최근 LED 소자 및 구동회로에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

LED 조명으로 형광등을 대체하기 위해서는 기존 교류 전압으로 구동되는 형광등용 안정기를 모두 철거한 후 직류 구동을 필요로 하는 LED 조명에 적합한 조명설비를 다시 해야 하는 불편함과 비용 문제가 있다. 이로 인해 최근에는 선행기술문헌에 기재된 발명과 같이 이미 구축되어 있는 조명설비의 변경 없이 형광등 대신 LED 조명등만 교체하여 사용할 수 있는 형광등용 안정기 호환형 LED 구동회로에 대한 요구가 증가하고 있다.

한국공개특허 제2012-0061330호

본 명세서는 형광등 안정기와 LED 구동부를 연결할 때 발생하는 전압 상승을 제한하는 전원 공급 장치를 제공하고자 한다.

또, 본 명세서는 형광등 안정기와 LED 구동부를 호환시킬 수 있는 전원 공급 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 양상에 따른 전원 공급 장치는, 형광등 안정기로부터 제1 출력 전압을 획득하고, 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하는 전압 조절 필터부, 상기 제2 출력 전압을 정류하여 출력하는 정류부, 상기 정류부의 출력 전압에 근거하여 발광 다이오드를 구동하는 구동부를 포함할 수 있다.

상기 전압 조절 필터부는, 상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 전압보다 낮은 전압값을 갖는 제2 출력 전압으로 변환할 수 있다.

상기 전압 조절 필터부는, RC 필터 및 차동모드 필터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 정류부는, 브릿지 정류기를 포함할 수 있다.

상기 정류부는, LC 필터를 포함할 수 있다.

본 명세서에 의하면, 형광등 안정기와 LED 구동부를 연결할 때 발생하는 전압 상승을 억제하는 전원 공급 장치를 제공할 수 있다.

또, 본 명세서에 의하면, 형광등 안정기와 LED 구동부를 호환시킬 수 있는 전원 공급 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 전자식 안정기 공진형 하프 브릿지 회로를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 포함하는 발광 다이오드 구동 장치의 회로도이고, 도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 회로에 대한 형광등 점등 후의 등가 회로도이다.
도 4는 전압 조절 필터부의 저항 소자의 저항 성분의 변화에 따른 보드 플롯을 나타낸 도면이다.
도 5는 전압 조절 필터부의 커패시터 소자의 커패시턴스 변화에 따른 보드 플롯을 나타낸 도면이다.
도 6은 타려식 안정기에 본 발명의 다른 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 도면이다.
도 7은 자려식 안정기에 본 발명의 다른 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.

또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 형광등 안정기(10)에 연결될 수 있다. 또, 상기 전원 공급 장치(100)는 LED 구동부(20)에 연결될 수 있다.

상기 LED 구동부(20)는 발광 다이오드를 구동하기 위한 일반적인 구성을 포함할 수 있다.

상기 형광등 안정기(10)는 구동 방식에 따라 크게 자기식 안정기와 전자식 안정기로 분류할 수 있다. 또, 전자식 안정기는 크게 스위치 구동 방식과 PFC 방식에 따라 분류될 수 있다. 스위칭 구동 방식에는 자력식 구동 방식, 타려식 구동 방식 등이 있다. 또, PFC 방식에는 2-stage 방식, 1-stage 방식 등이 있다.

상기와 같은 형광등 안정기에 일반적인 LED 구동 장치를 연결하는 경우 LED 구동이 비정상적으로 될 수 있다.

예컨대, 2-stage 타려식 안정기에 LED 구동 장치를 직접 연결하는 경우, 안정기의 출력 전압이 크게 상승하고 LED 구동부의 소자 스트레스가 증가하며, LED 구동부의 오동작이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

상기 전원 공급 장치(100)는 전압 조절 필터부(110), 정류부(120)를 포함할 수 있다.

상기 전압 조절 필터부(110)는 형광등 안정기로부터 소정의 출력 전압을 획득하고 상기 출력 전압을 변환할 수 있다. 예컨대, 상기 전압 조절 필터부(110)는 형광등 안정기의 출력 전압 상승을 억제할 수 있다.

설명의 편의를 위하여, 형광등 안정기의 출력 전압을 제1 출력 전압이라고 정의하기로 한다. 또, 상기 전압 조절 필터부(110)가 상기 제1 출력 전압을 변환하여 출력하는 전압을 제2 출력 전압이라고 정의하기로 한다.

즉, 상기 전압 조절 필터부(110)는 상기 형광등 안정기로부터 제1 출력 전압을 획득하고, 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.

한편, 상기 제2 출력 전압은 상기 제1 출력 전압보다 전압값이 낮을 수 있다.

상기 전압 조절 필터부는 RC 필터, 차동모드필터 등으로 구성될 수 있다.

상기 정류부는 상기 제2 출력 전압을 정류하여 출력할 수 있다.

예컨대, 상기 정류부는 상기 제2 출력 전압을 정류하고, 상기 전류된 전압을 상기 LED 구동부(20)로 전달할 수 있다.

상기 정류부는 브릿지 정류기를 포함할 수 있다. 또, 상기 정류부는 LC 필터를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 구동부(20)는 상기 정류부(120)의 출력 전압에 근거하여 발광 다이오드를 구동할 수 있다.

도 2는 전자식 안정기 공진형 하프 브릿지 회로를 나타낸 것으로, 도 2(a)는 전자식 안정기 공진형 하프 브릿지의 회로도이고, 도 2(b)는 도 2(a)에 도시된 회로에 대한 형광등 점등 후의 등가 회로도이다.

도 2(a)를 참조하면, 전자식 안정기는 상측 MOSFET(S1), 하측 MOSFET(S2), 제1 커패시터 소자(C1), 제2 커패시터 소자(C2), 인덕터 소자(L)를 포함할 수 있다.

이 때, 상측 MOSFET(S1), 하측 MOSFET(S2)이 교번으로 켜지게 되고, 그에 따라 인덕터 소자(L), 제1 커패시터 소자(C1), 제2 커패시터 소자(C2)의 공진이 이루어지게 된다.

도 2(b)를 참조하면, 도 2(a)에 도시된 회로에 대한 형광등 점등 후의 등가 회로도를 확인할 수 있다. 이 때, 점등 후의 형광등은 R_Lamp로 표현할 수 있다.

도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 포함하는 발광 다이오드 구동 장치의 회로도이고, 도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 회로에 대한 형광등 점등 후의 등가 회로도이다.

도 3(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전압 조절 필터부(110)는 형광등 안정기(10)에 연결될 수 있다.

또, 본 발명의 일 실시예에 의한 정류부(120)는 LED 구동부(20)에 연결될 수 있다.

상기 LED 구동부(20)는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)를 포함할 수 있다. 상기 플라이백 컨버터는 출력 파워를 일정하게 제어하고 있기 때문에 입력 전압이 변하면 파워 밸런스를 맞추기 위해 입력 전류 또한 변화시킬 수 있다. 따라서 상기 플라이백 컨버터의 입력 임피던스는 부성 저항으로 해석될 수 있다.

상기 플라이백 컨버터의 구동에 의하여, LED가 발광할 수 있다.

도 3(b)를 참조하면, 상기 전압 조절 필터부(110)는 저항 소자(R5, R6), 커패시터 소자(C5)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 상기 저항 소자(R5)의 저항값을 Rd, 상기 저항 소자(R6)의 저항값을 R, 상기 커패시터 소자(C5)의 커패시턴스를 Cd라고 정의하기로 한다.

도 3(b)의 회로도에는 각 수동 소자의 임피던스 성분이 라플라스 변환되어 표시되어 있다.

도 3(b)에 표시된 등가 회로도에 대하여 입출력 전달함수를 구하면 이하와 같다.

상기 전달함수를 통하여 상기 전압 조절 필터부(110)의 입출력 특성을 확인할 수 있다.

도 4는 전압 조절 필터부의 저항 소자(R5)의 저항 성분의 변화에 따른 보드 플롯(Bode plot)을 나타낸 도면이다.

본 실시예에서는, 커패시터 소자(C5)의 커패시턴스를 3nF으로 고정하고, 저항 소자(R5)의 저항값을 0.1Ω, 1Ω, 10Ω, 50Ω, 100Ω, 1000Ω으로 변화시키면서 보드 플롯(Bode plot)을 작성하였다.

도 4를 통하여, 저항 소자(R5)의 변화에 따른 전압 조절 필터부의 크기와 위상(입출력 특성)을 확인할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 저항 소자(R5)가 상기 전압 조절 필터부(110)의 입출력 특성에 미치는 영향이 미미한 것을 확인할 수 있다.

도 5는 전압 조절 필터부의 커패시터 소자(C5)의 커패시턴스 변화에 따른 보드 플롯(Bode plot)을 나타낸 도면이다.

본 실시예에서는, 저항 소자(R5)의 저항을 5Ω으로 고정하고, 커패시터 소자(C5)의 커패시턴스를 0.1nF, 1nF, 5nF, 10nF, 20nF, 50nF으로 변화시키면서 보드 플롯(Bode plot)을 작성하였다.

도 5를 통하여, 커패시터 소자(C5)의 변화에 따른 전압 조절 필터부의 크기와 위상(입출력 특성)을 확인할 수 있다.

예컨대, 상기 커패시터 소자(C5)의 커패시턴스가 감소함에 따라 상기 전압 조절 필터부(110)의 게인(Gain)이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 3 내지 도 5에서 설명된 방법에 의하여, 전압 조절 필터부의 입출력 특성을 변경시킬 수 있으므로, 형광등 안정기, LED 구동부에 따라 상기 전압 조절 필터부의 입출력 특성을 적절하게 변경시킬 수 있다. 예컨대, 상기 전압 조절 필터부(110)는 상기 LED 구동부가 정상적으로 동작할 수 있는 범위의 전압을 출력할 수 있다.

도 6은 타려식 안정기에 본 발명의 다른 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 도면이다.

도 6을 참조하면, 상기 전압 조절 필터부(110)는 차동 모드 필터를 포함할 수 있다.

상기 차동 모드 필터는 서로 병렬로 연결된 인덕터 소자(L10, L20), 서로 병렬로 연결된 커패시터 소자(C10, C20)를 포함할 수 있다.

또, 상기 정류부는 브릿지 정류기를 포함할 수 있다. 또, 상기 정류부는 LC 필터를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 정류뷰는 상기 브릿지 정류기의 출력단에 인덕터 소자(L30), 커패시터 소자(C30)를 포함할 수 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전압 조절 필터부(110)는 타려식 안정기(10)에 연결될 수 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 의한 정류부(120)는 LED 구동부(20)에 연결될 수 있다. 한편, 상기 정류부(120)는 상기 전압 조절 필터부의 출력 전압을 정류하여 상기 LED 구동부(20)에 전달할 수 있다.

도 6에 도시되어 있는 회로에 대하여, 안정기 입력 전압, 안정기 출력 전압, LED 구동부 입력 전압, 안정기 스위치 전압을 확인할 수 있다.

표 1은 타려식 안정기에 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 경우, 안정기 입력 전압, 안정기 출력 전압, LED 구동부 입력 전압, 안정기 스위치 전압을 나타낸 표이다.

안정기 입력 전압	195Vrms	245Vrms
안정기 출력 전압	394V	302V
LED 구동부 입력 전압	190V	225V
안정기 스위치 전압	281V	346V

표 1을 참조하면, 전압 조절 필터부(110), 정류부(120)에 의하여, 안정기 출력 전압에 비하여 LED 구동부 입력 전압이 낮아진 것을 확인할 수 있다.

또, 상기 LED 구동부 입력 전압은 LED 구동부의 소자 내압을 만족하면서 LED 구동부를 원할하게 구동시킬 수 있는 값이다.

도 7은 자려식 안정기에 본 발명의 다른 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 도면이다.

도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전압 조절 필터부(110)는 자려식 안정기(10)에 연결될 수 있다. 또, 본 발명의 일 실시예에 의한 정류부(120)는 LED 구동부(20)에 연결될 수 있다. 한편, 상기 정류부(120)는 상기 전압 조절 필터부의 출력 전압을 정류하여 상기 LED 구동부(20)에 전달할 수 있다.

도 7에 도시되어 있는 회로에 대하여, 안정기 입력 전압, 안정기 출력 전압, LED 구동부 입력 전압, 안정기 스위치 전압을 확인할 수 있다.

표 2는 자려식 안정기에 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치를 적용한 경우, 안정기 입력 전압, 안정기 출력 전압, LED 구동부 입력 전압, 안정기 스위치 전압을 나타낸 표이다.

안정기 입력 전압	195Vrms	245Vrms
안정기 출력 전압	394V	303V
LED 구동부 입력 전압	276V	287V
안정기 스위치 전압	275V	346V

표 2를 참조하면, 전압 조절 필터부(110), 정류부(120)에 의하여, 안정기 출력 전압에 비하여 LED 구동부 입력 전압이 낮아진 것을 확인할 수 있다.

또, 상기 LED 구동부 입력 전압은 LED 구동부의 소자 내압을 만족하면서 LED 구동부를 원할하게 구동시킬 수 있는 값이다.

앞에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치는 LED 구동부(20)에 적절한 전압을 출력할 수 있으므로, 형광등 안정기와 LED 구동부를 연결할 때 발생하는 전압 상승을 억제할 수 있다.

또, 본 발명의 일 실시예에 의한 전원 공급 장치는, 형광등 안정기와 LED 구동부를 호환시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

10 : 형광등 안정기
20 : LED 구동부
100 : 전원 공급 장치
110 : 전압 조절 필터부
120 : 정류부

Claims (5)

1. 형광등 안정기로부터 제1 출력 전압을 획득하고, 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하는 전압 조절 필터부;
   상기 제2 출력 전압을 정류하여 출력하는 정류부; 및
   상기 정류부의 출력 전압에 근거하여 발광 다이오드를 구동하는 구동부;
   를 포함하는 전원 공급 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 전압 조절 필터부는,
   상기 제1 출력 전압을 상기 제1 출력 전압보다 낮은 전압값을 갖는 제2 출력 전압으로 변환하는 전원 공급 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 전압 조절 필터부는,
   RC 필터 및 차동모드 필터 중 적어도 하나를 포함하는 전원 공급 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 정류부는,
   브릿지 정류기를 포함하는 전원 공급 장치.
5. 제4 항에 있어서, 상기 정류부는,
   LC 필터를 포함하는 전원 공급 장치.

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