KR20160145506A - 광전지와 광도 측정 디바이스를 포함하는 시스템 및 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법 - Google Patents

광전지와 광도 측정 디바이스를 포함하는 시스템 및 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

측정 디바이스 (10) 는 출력에서 DC-DC 컨버터를 통해 전기 에너지 저장 유닛에 및 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터에 전기적으로 접속되는 광전지에 의해 수신된 광도를 결정한다. 측정 디바이스는:
- 입력 단자와 접지 단자 사이에 배열되는 가변 저항기 (14);
- 복수의 결정된 저항 값들 내에서 가변 저항기의 값을 변화시키도록 배열된 제어 유닛 (16);
- 외부 커패시터를 레퍼런스 전압으로 방전하도록 제어 유닛에 의해 제어되는 외부 커패시터에 대한 방전 유닛 (18); 및
- 측정이 실행될 경우, 상기 입력 단자에서의 전압이 소정 시간 간격으로 분리되는 2 개의 인스턴트들 사이에 증가하는지 또는 감소하는지의 여부를 결정할 수 있도록 배열되는 광전지 전압 변화 검출기 (20)
를 포함한다.

Description

광전지와 광도 측정 디바이스를 포함하는 시스템 및 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법{SYSTEM COMPRISING A PHOTOVOLTAIC CELL AND A LUMINOUS INTENSITY MEASURING DEVICE AND METHOD FOR MEASURING LUMINOUS INTENSITY RECEIVED BY THE PHOTOVOLTAIC CELL}
본 발명은 광전지, 광전지에 의해 수신된 전기 에너지를 저장하는 유닛, 광전지와 저장 유닛 사이에 배열된 DC-DC 컨버터, 및 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 입력 커패시터를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명은 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 디바이스에 관한 것이며, 광전지의 일차 기능은 전기 에너지의 생성이고, 광전지는 이러한 목적을 위해 전기 에너지 저장 유닛에 접속된다. 그러한 디바이스는 또한 럭스미터 (luxmeter) 라 불린다.
본 발명은 또한, 출력에서 DC-DC 컨버터를 통해 전기 에너지 저장 유닛에 및 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터에 전기적으로 접속되는 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
몇몇 타입의 럭스미터들이 당업자에게 알려져 있다. 제 1 타입은 광전도성 광 센서를 포함한다. 이러한 솔루션이 갖는 문제점은 수신된 광의 함수에 따라 센서 단자들에 걸친 전압의 비선형성이다. 다른 타입은 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 사용한다.
전기 에너지 소스로서 광전지를 통합하는 시스템에서, 광의 강도를 측정하기 위해 특정 센서를 추가하는 것을 회피하는 것이 유리하다. 사실, 럭스미터에서 광전지를 사용하는 것이 알려져 있다. 문제점은 그러한 측정을 정확히 그리고 광전지에 의해 제공된 전기 에너지를 저장하는 엘리먼트의 충전 효율을 감소시키지 않고 수행하는 것이다. 상대적으로 간단한 솔루션은 개방-회로 전압 (광전지가 어떤 전류도 전달하지 않는 출력 전압) 을 측정하는 것이지만, 그러한 솔루션은 개방-회로 전압이 수신된 광도의 함수에 따라 거의 변화하지 않고, 또한 이러한 변화가 광도의 함수에 따라 선형이 아니기 때문에, 부정확한 결과를 제공한다.
광전지를 통한 광도 측정은, 시스템이 하나 이상의 광전지 셀들로 작동하는 상황들을 고려할 때, 기술적 문제를 발생한다. 그러한 시스템은 병렬로 배열되는 외부 입력 커패시터를 갖는 DC-DC 컨버터를 통해 광전지의 출력 단자에 접속되는 저장 엘리먼트 (저장 커패시터 또는 배터리) 를 포함한다. 이러한 외부 커패시터는 일반적으로 상대적으로 높은 값, 특히 수 마이크로패럿을 갖는다. 이는 컨버터의 적절한 효율을 위해 필수적이다. 다음에, 태양 전지는 일반적으로 광범위에 걸쳐, 특히 수 마이크로암페어부터 수 밀리암페어까지 전류를 생성할 수 있다. 추가로, 광도 측정을 수행하기 위해서는, 측정이 예컨대 100 밀리초 (100 ms) 미만의 상당히 짧은 시간 간격에 실행되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 전자 디바이스 (예컨대, 시계 또는 모바일 폰) 를 전력공급하는데 사용된 광전지에 의해 수신되는 광도를 측정하기 위한 디바이스 (럭스미터) 를 제안하는 것이며, 그 디바이스는 정확하고, 효율적이며, 전기 에너지 소스로서 그리고 또한 럭스미터용 센서로서 사용된 광전지를 통합하는 광 에너지 수집 시스템의 전력 효율을 가능하면 거의 방해하지 않는다.
본 발명의 범위 내에서, 발명자들은 먼저, 광의 강도를 측정하기 위해 유리하게 고려될 수 있는 물리적 변수를 구했다. 개방 회로 전압은 양호한 컨텐더 (good contender) 는 아니지만, 광전지의 단락 회로 전류는 광전지가 수신하는 광도에 관한 우수한 정보를 제공할 수 있는 것이 명백하다. 사실 단락 회로 전류는 광도에 따라 실질적으로 선형으로 변화한다.
본 발명은 본 특허 출원의 청구항 제 1 항에 기재된 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 디바이스를 제안한다. 본 발명은 또한, 그러한 측정 디바이스와, DC-DC 컨버터, 외부 커패시터, 및 측정 디바이스와 병렬로 접속된 출력 단자를 갖는 광전지 셀을 포함하는 청구항 제 4 항에 기재된 시스템을 제안한다. 결과적으로, 본 발명은 독립 청구항 제 6 항에 기재된 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법을 제안한다. 다양한 유리한 변형들이 종속 청구항들의 주제를 형성한다.
본 발명의 특징들의 결과로서, 광전지에 의해 전력공급된 저장 디바이스의 전기 효율은, 특히 광도 측정을 수행하기 위해 광전지 출력 단자와 DC-DC 컨버터 입력 사이에 어떤 저항성 엘리먼트, 예컨대 스위치도 배열되지 않는다는 사실로 인해, 제안된 측정 디바이스에 의해 사실상 감소되지 않는다. 다음으로, 특히 트랜지스터 스위치의 낮은 값의 저항기를 통해 외부 커패시터를 방전하도록 유리하게 배열되는 외부 커패시터 방전 유닛의 결과로서, 광도에 따라 선형으로 변화하는 단락 회로 전류와 유사하거나 실질적으로 동일한 광전지 출력 전류를 검출하기 위해, 커패시터 단자들에 걸친 전압을 상대적으로 낮은 레퍼런스 전압으로 신속하게 드롭시키는 것이 가능하다. 따라서, 측정 방법은 광전지의 출력 단자와 외부 커패시터 사이의 전기적 접속을 차단하지 않고 상대적으로 짧은 주기에 달성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 비-제한적인 예를 들어 이하 설명될 것이다:
도 1 은 광전지 및 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 회로를 통합하는 시스템의 일반적인 실시형태의 개략적인 뷰를 도시한다.
도 2 는 광도 측정 회로의 흐름도이다.
도 3 은 다양한 광도들에 대한 광전지 출력 전류의 함수에 따른 출력 전압의 그래프들을 도시한다.
도 4 는 도 2 의 측정 회로의 변형에 포함되는 외부 커패시터에 대한 충전/방전 유닛의 일 실시형태이다.
도 5 는 도 2 의 광도 측정 회로의 변형으로 배열되는 광전지 출력에서의 전압 변화 검출기의 일 실시형태이다.
도 6 은 도 4 의 충전/방전 유닛의 제어 신호들 및 출력 신호에 대한 시간 그래프들을 도시한다.
도 7 은 도 5 의 전압 변하 검출기의 제어 신호들 및 출력 신호에 대한 시간 그래프들을 도시한다.
도 8 은 도 2 의 광도 측정 회로의 변형에서 배열된 가변 저항기에 의해 취득된 복수의 저항 값들 내의 다양한 저항 값들에 의해 정의된 복수의 광도 범위들을 도시한다.
도 9 는 광전지의 출력 전압의 변화의 시간 그래프이고, 그러한 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법의 일 구현에서 광전지의 수신된 광도가 측정된다.
도 1 내지 도 3 을 참조하여, 광전지 (4) 를 포함하는 광 에너지 수집 시스템 (2) 의 일반적인 실시형태가 이하 기술될 것이며, 광전지 (4) 의 출력은 DC-DC 컨버터 (8) 를 통해 전기 에너지 저장 유닛 (6) 에 및 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터 (C1) 에 전기적으로 접속된다. 이러한 시스템 (2) 은 본 발명에 따라, 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 디바이스 (10) 를 더 포함한다. 바람직하게, 측정 디바이스 및 컨버터 (8) 는 동일한 집적 회로 (12) 내에 통합된다. 그러나, 다른 변형들에서, 측정 디바이스는 컨버터로부터 별개의 집적 회로에 의해 형성되는 것에 유의할 것이다.
측정 디바이스 (10) 의 입력 단자 (10A) 는 DC-DC 컨버터 및 외부 커패시터 (C1) 와 병렬로 광전지 (4) 의 출력 단자 (4A) 에 접속된다.
측정 디바이스 (10) 는:
- 상기 측정 디바이스 입력 단자 (10A) 와 10B 로 참조되는 접지 단자 (VSS) 사이에 배열되는 가변 저항기 (14);
- 복수의 결정된 저항 값들 내에서 가변 저항기 (14) 의 값을 변화시키도록 배열된 제어 유닛 (16);
- 외부 커패시터 (C1) 에 대한 방전 유닛 (18); 이 방전 유닛은 외부 커패시터 단자들에서의 전압이 레퍼런스 전압 (VREF) 과 실질적으로 동일할 때까지 상기 외부 커패시터를 방전하도록 제어 유닛에 의해 제어되는, 방전 유닛 (18); 및
- 측정 디바이스 입력에 공급되는 광전지 출력 전압 (VOUT) 에 대한 전압 변화 검출기 (20); 이 검출기는 제어 유닛 (16) 에 의해 제어되고, 측정이 실행될 경우, 입력 단자 (10A) 에서의 전압이 소정 시간 간격으로 분리되는 2 개의 인스턴트들 사이에서 증가했는지 또는 감소했는지의 여부를 결정할 수 있도록 배열되는, 전압 변화 검출기 (20)
를 포함한다.
제어 유닛 (16) 은 가변 저항기 (14) 의 복수의 저항 값들 내에서, 출력 전압 (VOUT) 변화 검출기가 각각, 입력 단자 (10A) 에서 전압의 감소와 전압의 증가를 검출하는 연속하는 제 1 및 제 2 저항 값들을 결정하거나, 또는 적절한 경우에, 광전지에 의해 제공되는 전류 (IOUT) 가 가변 저항기의 복수의 저항 값들 중 최대 값으로 나눈 레퍼런스 전압 (VREF) 미만인지, 또는 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값으로 나눈 레퍼런스 전압 이상인지의 여부를 결정하도록 배열된다.
따라서, 측정 디바이스 (10) 는 복수의 결정된 전류 범위들로부터, 어떤 전류 범위에 레퍼런스 전압에서 광전지에 의해 제공된 전류 (VREF) 의 값이 놓이는지를 결정하도록 배열된다. 이러한 디바이스에는 10C 로 참조되고 저장 엘리먼트 (6) 에 의해 제공되는 공급 전압 (VDD) 이 공급된다. 레퍼런스 전압 (VREF) 은 바람직하게, 레퍼런스 전압에서 광전지 (4) 에 의해 제공된 전류 (IOUT) 에 대하여 충분히 낮게, 광전지의 단락 회로 전류에 유사하도록 또는 실질적으로 동일하도록 선택된다. 상기의 후자의 경우에, 이러한 전류 값은 이론상 광전지에 의해 수신된 광도의 선형 함수이며, 따라서 이들 전류 범위들은, 그 극한 값들이 전술된 전류 범위들의 극한 값들에 선형으로 의존하는, 대응하는 광도 범위들을 정의할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 덜 바람직한 변형에서, 레퍼런스 전압은 더 높을 수도 있는 것을 유의할 것이다. 사실, 선형 의존성은 장점이지만, 광도 레벨을 표시하도록 요구되는 것을 고려하면, 필수적이지는 않다. 그러나, 매우 정확한 광도 정보를 제공할 것이 요구된다면, 고려되는 시스템에 통합된 광전지에 대하여, 전류 (IOUT) 와 광도의 함수에 따른 특징 (IOUT) 의 인식은 제어 회로에서 또는 추가의 프로세싱 회로에서 구현된 알고리즘에 의해 그러한 결과를 제공할 수 있다.
비-제한적인 예의 실시형태에서, 그 개별 값들이 10n lux 이고, n = 1 내지 5 인 광도들에 대하여 개별적으로 도 3 의 특성 곡선들 (22A 내지 22EE) 을 실질적으로 나타내는 광전지에 대하여, 여기서 전류 (IOUT) 는 일 마이크로암페어부터 수 밀리암페어까지의 광범위의 값들에서 변화할 수 있으며 (전류 IOUT 의 스케일은 여기서는 로그 스케일임), 다음이 획득된다:
- 그 값이 특히 4 ㎌ 과 12 ㎌ 사이에 포함되는 수 마이크로패럿의 외부 커패시터 (C1);
- m=1 내지 8 인 복수의 저항기들 (Rm) 로 형성된 가변 저항기 (14), 여기서 R1 = 7 ㏀ 이고 Rm +1 = Rm / 2;
- 레퍼런스 전압 VREF = 70 mV.
특정 변형에서, 외부 커패시터 (C1) 의 값은 일 마이크로패럿 (1 ㎌) 보다 높거나 실질적으로 동일하고, 복수의 저항 값들 중 최대 값은 일 킬로옴 (1 ㏀) 보다 높거나 실질적으로 동일하다. 다른 특정 변형에서, m=1 내지 16 인 복수의 Rm 이 존재하고, 여기서 R1 = 70 ㏀ 이고 Rm +1 = Rm / 2 이며; 특정 변형에서, 레퍼런스 전압은 그 자릿수가 측정 디바이스에 의해 검출된 일반적인 광도 범위에서 광전지의 평균 개방 회로 전압 (IOUT = 0) 의 1/10 이도록 선택된다. 예를 들어, 1 볼트와 2 볼트 사이 (1 내지 2 V) 에 포함된 평균 개방 회로 전압에 대하여, 레퍼런스 전압은 50 mV 와 250 mV 사이이다.
바람직한 실시형태에 따르면, 방전 회로 (18) 는 또한, 외부 커패시터 단자들에 걸친 초기 전압이 레퍼런스 전압 미만인 경우에 외부 커패시터 (C1) 를 충전하도록 배열된다. 그러한 경우에, 방전 회로는 따라서, 충전-방전 유닛 (18) 을 형성한다. 방전 기능은, 수 마이크로패럿의 외부 커패시터 (C1) 의 존재에도 불구하고, 특히 100 밀리초 미만의 주기에 빠른 광도 측정이 실행될 수 있게 하는데 있어 중요하다. 실제로, 도 4 에 도시된 바람직한 변형에서, 충전-방전 유닛 (18) 은 입력 단자 (10A) 와 접지 단자 (VSS) 사이에 배열된 스위치를 포함하며; 이 스위치는 트랜지스터가 전도성이거나 비-전도성일 수 있도록 제어 유닛 (유닛 (16A)) 에 의해 제어되는 트랜지스터 (M1) 로 형성된다. 제어 유닛은 외부 커패시터 (C1) 를 방전하는 단계에서 전도성 상태로부터 비-전도성 상태로 트랜지스터를 스위칭하고 외부 커패시터 단자들에서의 전압이 실질적으로 레퍼런스 전압 (VREF) 과 동일하면 트랜지스터를 다시 비-전도성으로 만들도록 배열되며; 이러한 인스턴트는 2 개의 입력들에 걸쳐 VOUT 및 VREF 를 수신하는 비교기의 도움으로 결정된다. 방전 유닛에서 트랜지스터를 사용하는 장점은, "ON" 상태에서 매우 낮은 저항, 예컨대 10 Ω 을 갖는 것이다. 따라서, 시간 상수 (RC) 는 상대적으로 낮고; 이는 외부 커패시터의 초기 전압, 및 따라서 광전지 단자들에서의 초기 전압이 상대적으로 높을 때에도, 낮은 전압 레퍼런스가 신속하게 도달되게 한다.
그러나, 덜 효과적인 변형에서, 가변 저항기 (14) 의 최소 저항 값이 사용될 수도 있다. 광도 측정 동안 트랜지스터 (M1) 를 통한 외부 커패시터 (C1) 에 대한 방전 경로에 부가하여, 이분법 알고리즘을 구현하기 위해 중요한 외부 커패시터 충전 경로가 존재하며, 이하 설명될 것이다. 이러한 충전 경로는 단자 (10A) 와 양의 공급 전압 (VDD) 사이에 배열되고, 충전 전류 제한 저항기 (R) 및 다이오드 (D) 와 직렬로 배열되는 트랜지스터 (M2) 에 의해 형성된 스위치를 포함한다. 제어 유닛 (유닛 (16A)) 은 외부 커패시터 (C1) 충전 단계에서 트랜지스터 (M2) 를 전도성 상태로부터 비-전도성 상태로 스위칭하고, 외부 커패시터 단자들에서의 전압이 레퍼런스 전압 (VREF) 과 실질적으로 동일하면 트랜지스터를 다시 비-전도성으로 만들도록 배열된다.
도 5 는 광전지 (4) 의 출력 전압 (VOUT) 에 대한 전압 변화 검출기 (20) 의 일 실시형태를 도시한다. 따라서, 이러한 검출기 (20) 는 입력에서 측정 디바이스 입력 단자 (10A) 에 존재하는 전압 (VOUT) 을 수신한다. 이는 본질적으로 4 개의 엘리먼트들로 형성된다: 신호 (S2) 에 의해 제어되는 제 1 스위치 (SW1), 스위치 (SW1) 와 함께 전압 (VOUT) 에 대한 메모리 셀 (21) 을 형성하는 커패시터 (C2), 신호 (S3) 에 의해 제어되는 제 2 스위치 (SW2), 및 신호 (S5) 에 의해 작동되고 2 개의 입력들이 각각 2 개의 스위치들 (SW1 및 SW2) 의 출력 단자들에 접속되는 비교기 (24). 이들 2 개의 스위치들의 입력 단자들은 입력 단자 (10A) 에 접속된다. 신호들 (S2, S3, 및 S4) 이 제어 유닛 (16) 에 의해 제공된다. 검출기 (20) 는 비교기 (24) 에 의한 비교 결과가 포지티브인지 또는 네거티브인지의 여부를 표시하는 이진 신호 (S5) 를 출력한다. 포지티브 신호는 전압 (VOUT) 의 증가를 표시하고, 네거티브 신호는 전압 (VOUT) 의 감소를 표시하며, 이는 스위치 (SW1) 가 활성화될 때 후속하는 주기에 스위치 (SW2) 가 활성화되기 (전도성이 되기) 때문이다.
도 6 및 도 7 을 참조하여, 유닛들 (18 및 20) 의 동작과 그들의 상호작용이 기술될 것이다. 로직 유닛 (16A) 은 광도 측정시 발생하는 사이클 시작 신호 (S0) 를 수신한다. 도 6 에 도시된 것과 같이, 전압 (VOUT) 이 초기에 레퍼런스 전압보다 높다면, 신호 (S0) 는 그 전압이 실질적으로 레퍼런스 전압에 도달할 때까지 커패시터 (C1) 를 신속하게 방전하기 위해, 시간 (t0) 에서 트랜지스터 (M1) 를 전도성으로 만든다. 그 시간에, 비교기는 이러한 이벤트를 로직 유닛 (16A) 에 표시한다. 그 후에, 로직 유닛은 트랜지스터 (M1) 를 비-전도성으로 만들고, 동시에 시간 (t1) 에 신호 (S1) 를 제어 유닛 (16) 의 중앙 유닛에 전송한다. 이러한 신호의 수신은 도 7 에 도시된 것과 같이, 실질적으로 시간 (t1) 에 유닛 (20) 을 즉시 작동시킨다. 그 후에, 제어 유닛은 레퍼런스 전압에서 커패시터 (C2) 를 충전하기 위해, 스위치 (SW1) 를 단락하도록 신호 (S2) 를 유닛 (20) 에 전송하고, 비교기 (24) 를 작동시키기 위해 신호 (S4) 를 전송한다. 특정 시간 간격 이후에, 스위치 (SW1) 는 시간 (t2) 에 다시 개방되고, 실질적으로 전압 (VREF) 과 동일한 전압 (VOUT) 이 커패시터 (C2) 에 일시적으로 저장된다. 다음에, 가변 저항기 (14) 에 대한 저항 값을 선택한 후에, 제어 유닛은 스위치 (SW2) 를 단락하는 시간 (t3) 까지의 특정 시간 주기 동안 시스템이 변화하게 하고, 따라서 그 후에 비교기 (24) 는 입력에서 시간 (t3) 이후에 VREF 및 전압 (VOUT) 과 실질적으로 동일한 커패시터 (C2) 의 단자들에서의 전압을 수신할 수 있다. 비교 완료 시간 간격 이후에, 비교기는 인스턴트 (t4) 에서 비교 결과를 표시하는 신호 (S5) 를 제어 유닛 (16) 에 공급하고, 시간 간격 (t4 - t5) 에 이러한 결과를 저장한다. 다음에, 제어 유닛은 인스턴트 (t5) 에 유닛 (20) 을 비활성화시키며, 따라서 측정 사이클을 종료한다.
본 발명의 측정 디바이스는 레퍼런스 전압에서 광전지에 의해 전달되는 전류에 대한 개별 전류 범위를 정의하는 가변 저항기의 복수의 저항 값들 내에서 임의의 2 개의 연속하는 값들을 결정하도록 배열되며, 따라서 그 전류 범위들의 각각은 도 8 에 도시된 것과 같이, 광전지에 의해 수신되거나 캡처될 수 있는 광도에 대한 개별 값 범위를 정의한다. 측정 디바이스는 어떤 광도 범위가 광전지에 의해 수신되거나 캡처된 광도의 값에 대응하는지를 결정하고, 이러한 정보 (SM) 를 측정 디바이스와 연관된 디스플레이에 의해 표시하도록 배열된다.
본 발명의 측정 디바이스의 동작, 특히 본 발명의 주제인 광도 측정 방법이 이하 설명될 것이다. 이러한 방법은 전술된 것과 같이, 그 출력이 DC-DC 컨버터를 통해 전기 에너지 저장 유닛에 및 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터에 전기적으로 접속되는 광전지에 의해 수신된 광도를 측정한다. 이러한 측정 방법은 바람직하게, 광도 측정 디바이스에 의해 구현되며, 측정 디바이스의 입력 단자는 전술된 것과 같이, DC-DC 컨버터 및 외부 커패시터와 병렬로 광전지의 출력 단자에 접속된다.
일반적으로, 측정 방법은 다음 단계들을 포함한다:
A) 측정 디바이스 (10) 의 입력 단자 (10A) 와 접지 단자 (10B) 사이에 가변 저항기 (14) 를 접속하는 것으로서, 이러한 가변 저항기는 복수의 결정된 저항 값들 내에서 다양한 값들을 취득하도록 배열되고 측정 디바이스의 제어 유닛 (16) 에 의해 프로그래밍되는, 상기 가변 저항기 (14) 를 접속하고 그리고 초기 저항 값을 선택하는 단계.
B) 외부 커패시터 (C1) 의 단자들에 걸친 전압이 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일할 때까지, 외부 커패시터 단자들에 걸친 전압이 레퍼런스 전압 (VREF) 보다 높거나 상기 레퍼런스 전압 (VREF) 미만일 경우에, 각각, 외부 커패시터 (C1) 를 방전 또는 충전하는 단계.
C) 입력 단자 전압이, 전압이 단계 B) 이후 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일할 때의 제 1 인스턴트와 제어 유닛에 의해 제공된 제 2 의 후속하는 인스턴트 사이에서 증가하는지 또는 감소하는지의 여부를 결정하는 단계.
D) 단계 B) 및 단계 C) 를 반복하는 단계로서, 선행하는 반복에서 단계 C) 로부터의 결과가 입력 단자에서의 전압의 증가를 표시하는 경우 및 선행하는 반복에서 가변 저항기의 값이 복수의 저항 값들 중 최소 값에 대응하지 않았던 경우에 가변 저항기의 값을 감소시키거나, 또는 선행하는 반복에서 단계 C) 로부터의 결과가 입력 단자에서의 전압의 감소를 표시하는 경우 및 선행하는 반복에서 가변 저항기의 값이 복수의 저항 값들 중 최대 값에 대응하지 않았던 경우에 가변 저항기의 값을 증가시키는, 상기 단계 B) 및 단계 C) 를 반복하는 단계, 및 상기 복수의 저항 값들 내에서, 출력 전압 변화 검출기가 상기 입력 단자에서 전압의 감소와 전압의 증가를 각각 검출하는, 연속하는 제 1 저항 값 및 제 2 저항 값의 결정까지, 또는 적절한 경우에, 광전지에 의해 상기 출력 단자로 공급되는 전류가 복수의 저항 값들 중 최대 값으로 나눈 레퍼런스 전압 미만인 것으로, 또는 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값으로 나눈 레퍼런스 전압 이상인 것으로 결정될 때까지 단계 D) 를 수행하는 단계.
바람직한 변형에서, 레퍼런스 전압은 레퍼런스 전압에서 광전지에 의해 공급된 전류가 광전지의 단락 회로 전류와 유사하거나 실질적으로 동일하도록, 충분히 낮게 배열된다.
도 9 를 참조하여, 본 발명에 따른 측정 방법의 특정 구현이 이하 설명될 것이고, 여기서 이분법 알고리즘은 앞서 언급된 단계 D) 에서 연속하는 저항 값 선택들 동안 초기 저항 값을 선택하도록 구현된다. 측정 방법은 레퍼런스 전압에서 광전지에 의해 공급되는 전류에 대한 개별 전류 범위를 정의하는, 복수의 저항 값들 내의 임의의 2 개의 연속하는 값들을 결정하도록 고안되며, 따라서 전류 범위들의 각각은 광전지에 의해 수신되거나 캡처될 수 있는 광도에 대한 값들의 범위를 정의한다. 측정 방법은 광전지에 의해 실제로 수신되거나 캡처된 광도에 대응하는 값들의 범위를 결정한다. 측정 방법이 광전지에 의해 공급된 전류가 복수의 저항 값들 중 최대 값으로 나눈 전압 (VREF) 미만이거나, 또는 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값으로 나눈 전압 (VREF) 이상인 것을 결정한다면, 수신되거나 캡처된 광도가 각각, 하단 범위 내에 또는 상단 범위 내에 있는 값을 가지는 것으로 결정한다.
도 9 의 그래프는 8 개의 저항기들을 갖는 가변 저항기 (Rn, n = 1 내지 8; Rn +1 < Rn) 의 경우에 이분법 알고리즘을 구현하는 측정 동안 출력 전압 (VOUT) 의 변화를 개략적으로 도시한다. 전압 (VOUT) 은 일반적으로 전압 (VREF) 보다 높은 초기 전압을 갖는다. 제 1 사이클 (Cy1) 동안, 전압 (VOUT) 은 유닛 (18) 의 도움으로 제 1 주기 (T1) 동안 전압 (VREF) 으로 저하된다. 다음에, 중간 저항기 (R4) 가 선택되고, 유닛 (20) 은 주기 (T2) 에서 활성화된다. 이전에 설명된 것과 같이, 이러한 주기 (T2) 의 최종 단계에서, 측정 디바이스는 전압 (VOUT) 이 주기 (T2) 동안 증가한 것을 검출하였다. 그로부터, 광전지에 의해 공급된 전류 (IOUT) 가 VREF / R4 에 의해 정의된 레퍼런스 전류보다 높고, 따라서 저항기 (R4) 가 매우 높은 것이 추론된다. 그 후, 제 1 사이클과 유사한 제 2 사이클 (Cy2) 에는 선택된 저항기 (R6) 가 제공된다. 짧은 주기 (T3) 동안, 전압 (VOUT) 은 유닛 (18) 에 의해 전압 (VREF) 으로 다시 리턴되고, 그 후에 유닛 (20) 은 주기 (T4) 동안 활성화되며, 유닛 (20) 은 이러한 주기 (T4) 동안 전압의 변화를 다시 결정한다. 주기 (T4) 의 최종 단계에서, 측정 디바이스는 전압 (VOUT) 이 주기 (T4) 동안 감소한 것을 검출하였고, 그로부터 전류 (IOUT) 가 VREF / R6 에 의해 정의된 레퍼런스 전류보다 낮고, 따라서 저항기 (R6) 가 매우 낮은 것을 추론한다. 그 후에, 제 2 사이클과 유사한 제 3 의 최종 사이클 (Cy3) 에는 선택된 저항기 (R5) 가 제공된다. 주기들 (T3 및 T4) 과 유사한 주기들 (T5 및 T6) 을 포함하는 이러한 최종 사이클은, 광전지에 의해 공급된 전류 (IOUT) 가 VREF / R5 에 의해 정의된 레퍼런스 전류보다 높고, 따라서 저항기 (R5) 가 매우 높도록 전압이 다시 포지티브하게 변화한 것을 표시한다. 그 후에, 측정 디바이스는 따라서 전류 (VOUT) 가 레퍼런스 전류들 (VREF / R5 및 VREF / R6) 간의 범위에 놓이는 것을 표시하는 광도 측정을 완료하고, 이러한 범위는 광전지에 대하여 주어진 광도 범위에 대응한다.
결과적으로, 특정 실시형태는 전술된 측정 방법 이후에, 광전지에 의해 공급된 전류 (IOUT) 의 값이 정확히 결정되는 것을 제공한다. 이를 위해, 측정 디바이스는 선행하는 측정 동안 결정된 가변 저항기 (앞의 예에서, 저항기 (R5 또는 R6)) 의 연속하는 제 1 저항 값 또는 제 2 저항 값을 선택하고, 가변 저항기가 입력 단자 (10A) 에 접속되게 한다. 시스템이 정상 상태로 리턴하게 하는 특정 시간 간격 이후에, A/D 컨버터 (아날로그-디지털) 에 의해 전압 (VOUT) 을 정확히 측정하고, 따라서 단락 회로 전류에 실질적으로 대응하는 전류 (IOUT) 의 값, 및 그 후에 관련된 광전지에 대한 단락 회로 전류의 함수에 따라 광도의 선형 특성을 사용하여 수신된 광도의 값을 정확히 결정한다.
2 광 에너지 수집 시스템
4 광전지
6 전기 에너지 저장 유닛
8 DC-DC 컨버터
10 측정 디바이스
12 집적 회로
14 가변 저항기
16 제어 유닛
18 방전 유닛
20 전압 변화 검출기

Claims (10)

  1. DC-DC 컨버터 (8) 를 통해 전기 에너지 저장 유닛 (6) 에 및 상기 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터 (C1) 에 전기적으로 접속되는 출력 단자를 갖는 광전지 (4) 에 의해 수신된 광도를 측정하는 디바이스 (2) 로서,
    상기 측정 디바이스는 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 외부 커패시터와 병렬로 상기 광전지의 상기 출력 단자에 접속되도록 의도된 입력 단자 (10A) 를 가지며,
    상기 측정 디바이스는,
    - 상기 측정 디바이스의 입력 단자와 접지 단자 사이에 배열되는 가변 저항기 (14);
    - 복수의 결정된 저항 값들 내에서 상기 가변 저항기의 값을 변화시키도록 배열된 제어 유닛 (16);
    - 외부 커패시터 단자들에 걸친 전압이 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일할 때까지 상기 외부 커패시터 (C1) 를 방전하도록 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 상기 외부 커패시터에 대한 방전 유닛 (18); 및
    - 광전지 출력 전압에 대응하는 상기 입력 단자에서의 전압에 대한 전압 변화 검출기 (20) 로서, 상기 검출기는 상기 제어 유닛에 의해 제어되고, 측정이 실행될 경우, 상기 입력 단자에서의 전압이 소정 시간 간격으로 분리되는 2 개의 인스턴트들 사이에서 증가하는지 또는 감소하는지의 여부를 결정할 수 있도록 배열되는, 상기 전압 변화 검출기 (20)
    를 포함하고; 그리고
    상기 제어 유닛은 상기 복수의 저항 값들 내에서, 상기 전압 변화 검출기가 상기 입력 단자에서, 각각 상기 입력 단자에서의 전압의 감소와 전압의 증가를 검출하는 연속하는 제 1 및 제 2 저항 값들을 결정하거나, 또는 적절한 경우에, 상기 광전지에 의해 상기 출력 단자에 공급되는 전류가 상기 복수의 저항 값들 중 최대 값으로 나눈 레퍼런스 전압 미만인지, 또는 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값으로 나눈 레퍼런스 전압 이상인지의 여부를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광도 측정 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    충전 유닛이 상기 입력 단자와 상기 접지 단자 사이에 배열된 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 트랜지스터가 전도성이거나 비-전도성일 수 있도록 상기 제어 유닛에 의해 제어되는 트랜지스터 (M1) 로 형성되고,
    상기 제어 유닛은 상기 측정 디바이스를 통해 상기 외부 커패시터를 방전하는 단계에서 상기 트랜지스터를 전도성 상태로부터 비-전도성 상태로 스위칭하고, 상기 외부 커패시터 단자들에 걸친 전압에 대응하는 상기 입력 단자에서의 전압이 상기 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일하면 상기 트랜지스터를 다시 비-전도성으로 만들도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광도 측정 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방전 유닛들은 또한, 상기 외부 커패시터 단자들에 걸친 초기 전압에 대응하는 상기 입력 단자에서의 전압이 상기 레퍼런스 전압 미만인 경우에 상기 외부 커패시터를 충전하도록 배열되고, 상기 방전 유닛은 따라서 충전-방전 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 광도 측정 디바이스.
  4. 시스템으로서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 측정 디바이스, 광전지, DC-DC 컨버터 및 외부 커패시터 (C1) 를 포함하고,
    상기 측정 디바이스는 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 외부 커패시터와 병렬로 상기 광전지의 출력 단자에 접속되는 입력 단자 (10A) 를 가지며,
    상기 시스템은, 상기 레퍼런스 전압이 상기 레퍼런스 전압에서 상기 광전지에 의해 공급된 전류가 상기 광전지의 단락 회로 전류와 유사하거나 실질적으로 동일하도록, 충분히 낮게 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 저항 값들 내의 임의의 2 개의 연속하는 값들은 상기 레퍼런스 전압에서 상기 광전지에 의해 공급될 수 있는 전류에 대한 개별 전류 범위를 정의하고, 따라서 전류 범위들의 각각은 상기 광전지에 의해 수신되거나 캡처될 수 있는 광도에 대한 값들의 범위를 정의하고, 그리고
    상기 측정 디바이스는 어떤 값 범위가 상기 광전지에 의해 실제로 수신되거나 캡처된 광도에 대응하는지를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 출력이 DC-DC 컨버터 (8) 를 통해 전기 에너지 저장 유닛 (6) 에 및 상기 DC-DC 컨버터와 병렬로 배열된 외부 커패시터 (C1) 에 전기적으로 접속되는 광전지 (4) 에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법으로서,
    상기 측정 방법은, 입력 단자 (10A) 가 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 외부 커패시터와 병렬로 상기 광전지의 출력 단자에 접속되는, 상기 광도를 측정하는 디바이스 (2) 에 의해 구현되고;
    상기 측정 방법은,
    A) 상기 측정 디바이스의 상기 입력 단자와 접지 단자 사이에 가변 저항기 (14) 를 접속하는 것으로서, 상기 가변 저항기는 복수의 결정된 저항 값들 내에서 다양한 값들을 취득하도록 배열되고 상기 측정 디바이스의 제어 유닛에 의해 프로그래밍되는, 상기 가변 저항기 (14) 를 접속하고 그리고 초기 저항 값을 선택하는 단계;
    B) 상기 외부 커패시터의 단자들에 걸친 전압이 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일할 때까지, 상기 외부 커패시터 단자들에 걸친 전압이 상기 레퍼런스 전압보다 높거나 상기 레퍼런스 전압 미만일 경우에, 각각, 상기 외부 커패시터를 방전 또는 충전하는 단계;
    C) 상기 입력 단자의 전압이 상기 전압이 단계 B) 이후 상기 레퍼런스 전압과 실질적으로 동일할 때의 제 1 인스턴트와 상기 제어 유닛에 의해 제공된 제 2 의 후속하는 인스턴트 사이에서 증가하는지 또는 감소하는지의 여부를 결정하는 단계;
    D) 단계 B) 및 단계 C) 를 반복하는 단계로서, 선행하는 반복에서 단계 C) 로부터의 결과가 상기 입력 단자에서의 전압의 증가를 표시하는 경우 및 상기 선행하는 반복에서 상기 가변 저항기의 값이 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값에 대응하지 않았던 경우에 상기 가변 저항기의 값을 감소시키거나, 또는 선행하는 반복에서 단계 C) 로부터의 결과가 상기 입력 단자에서의 전압의 감소를 표시하는 경우 및 상기 선행하는 반복에서 상기 가변 저항기의 값이 상기 복수의 저항 값들 중 최대 값에 대응하지 않았던 경우에 상기 가변 저항기의 값을 증가시키는, 상기 단계 B) 및 단계 C) 를 반복하는 단계 (D), 및 상기 복수의 저항 값들 내에서, 출력 전압 변화 검출기가 상기 입력 단자에서 전압의 감소와 전압의 증가를 각각 검출하는 연속하는 제 1 저항 값 및 제 2 저항 값의 결정까지, 또는 적절한 경우에, 상기 광전지에 의해 상기 출력 단자로 공급되는 전류가 상기 복수의 저항 값들 중 최대 값으로 나눈 레퍼런스 전압 미만인 것으로, 또는 상기 복수의 저항 값들 중 최소 값으로 나눈 레퍼런스 전압 이상인 것으로 결정될 때까지 단계 D) 를 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 레퍼런스 전압은 상기 레퍼런스 전압에서 상기 광전지에 의해 공급된 전류가 상기 광전지의 단락 회로 전류와 유사하거나 실질적으로 동일하도록, 충분히 낮게 배열되는 것을 특징으로 하는 광도 측정 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    이분법 알고리즘이 상기 단계 D) 에서 연속하는 저항 값들의 선택들 동안 상기 초기 저항 값을 선택하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 광도 측정 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 저항 값들 내에서 임의의 2 개의 연속하는 값들은 상기 레퍼런스 전압에서 상기 광전지에 의해 공급되는 전류에 대한 개별 전류 범위를 정의하고, 따라서 전류 범위들의 각각은 상기 광전지에 의해 수신되거나 캡처될 수 있는 광도에 대한 값들의 범위를 정의하고; 그리고
    상기 측정 방법은 상기 광전지에 의해 실제로 수신되거나 캡처된 광도에 대응하는 값 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 광도 측정 방법.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 측정 방법은 이하 후속하는 추가의 단계들:
    E) 단계 D) 에서 결정된 상기 가변 저항기의 상기 연속하는 제 1 저항 값 또는 상기 제 2 저항 값을 선택하고, 상기 가변 저항기가 상기 측정 디바이스의 상기 입력 단자에 접속된 채로 두는 단계;
    F) 특정 시간 간격 이후에, 시스템이 정상 상태로 리턴하게 하고, 아날로그-디지털 컨버터에 의해 상기 입력 단자에서 전압 (VOUT) 을 측정하고, 이에 따라 상기 광전지에 의해 공급된 전류 (IOUT) 의 값을 정확히 결정하는 단계;
    G) 상기 광전지에 대한 단락 회로 전류의 함수에 따라 광도의 선형 특성을 사용하여 상기 광전지에 의해 캡처된 광도의 값을 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광도 측정 방법.
KR1020160071885A 2015-06-10 2016-06-09 광전지와 광도 측정 디바이스를 포함하는 시스템 및 광전지에 의해 수신된 광도를 측정하는 방법 KR101883547B1 (ko)

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