KR20200007382A

KR20200007382A - Ac 상용전원에서 동작하는 대기전력 0.1w 미만의 범용 인체감지센서형 전자식스위치 장치

Info

Publication number: KR20200007382A
Application number: KR1020180081426A
Authority: KR
Inventors: 정승일
Original assignee: 정승일
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-22

Abstract

본 발명은 AC 상용전원을 사용하는 범용의 인체감지형 센서(PIR)를 구비한 전자식스위치 장치에 관한 것으로 인체감지형 센서를 구비한 전자식스위치는 조도센서 등과 함께 작용하여 사람의 움직임이 있는 동안에 연결되는 등기구 점등시키고, 움직임이 감지되지 않으면 연결 등기구를 소등하여 절전을 위한 목적으로 사용되고 있다, 종래의 인체감지형 전자식스위치 장치는 센서 동작에 필요한 0.4 ~ 0.5W 대기전력이 소모되고 있어, 전력 절감 효과가 적고 또한 자체 역률 95% 이상인 범용의 LED 전등과 부하로 연동하여 센서등을 구성하면 역률이 60% ~ 70%로 저하되어, 역률 90% 이상을 요구하는 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 없다.
따라서 본 발명은 AC 상용전원을 사용하는 인체감지형 전자식스위치는 신호분석부에 단일칩 마이크로프로세서를 적용하여 DC 동작 전원 소모를 최소화하고, 또한 AC/DC 동작전원 변환부를 1차 스위칭변환과 2차 선형변환의 2단 전력변환 기능을 통하여 고전압 AC 입력에서 저전압 DC 전압으로의 총 변환 효율을 최소 20% 이상으로 구현하여, 대기전력을 0.1W 미만으로 제공하며, 부하로 연동되는 범용 LED 등기구 자체의 역률 저하가 1% 이내로 제한되므로, 91% 이상으로 역률 보정된 범용의 LED 전등과 연동하여 규격 부합한 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 있는 범용의 인체감지센서형 전자식스위치 장치이다.

Description

AC 상용전원에서 동작하는 대기전력 0.1W 미만의 범용 인체감지센서형 전자식스위치 장치{AC TRIAC switch device with PIR sensor less than 0.1W standby power}

본 발명은 PIR(Pyroelectric InfraRed motion sensor) 인체감지형 센서를 구비한 전자식스위치에 관한 것으로 기존 백열등, 방전등은 물론 신규 다양한 LED 전등을 부하로 연동하여 센서등을 구성할 수 있는 AC 상용전원에서 동작하는 범용의 인체감지형 전자식스위치이다. 인체감지형 센서를 구비한 전자식 스위치는 PIR 및 조도센서 등과 함께 작용하여 사람의 움직임이 있는 동안에 연결되는 등기구를 점등시키고, 움직임이 감지되지 않으면 연결 등기구를 소등하여 절전을 위한 목적으로 사용되고 있다, 본 발명은 움직임이 감지되지 않은 소등시 대기전력을 0.1W 미만으로 제공하여 전력 절감 효과를 극대화하고 아울러 91% 이상 역률 보정된 LED 전등과의 연동 사용시에도 역률(PF) 특성 저하를 1% 이내로 제한되므로, LED 전등과 연동하여 규격 부합한 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 있는 범용의 인체감지센서형 전자식스위치 장치이다.

현재 인체감지형 전자식스위치는 10 ~ 50W 등기구와 연동 주로 복도, 현관에 적용되어 전력절감을 이루는데 사용되고 있다, 종래의 인체감지형 전자식스위치는 대기전력이 0.4 ~ 0.5W이다. 일반적으로 사용시간의 80 - 90%가 대기 소등된 상태로 동작하는 센서등의 특성상 대기전력의 절감이 필요하다. 현재 조명분야에서 백열등, 방전등(형광등)이 전력 효율이 좋은 LED 전등으로 대체되고 있다. 그리고 LED 전등에서는 역률(Power Factor, 유효전력/총전력)을 필수적으로 90% 이상을 요구하고 있다. 이는 전력공급자 측의 부담 감소를 통한 환경오염을 최소화하기 위한 방안이다. 따라서 현재 대부분 범용 LED 전등은 역률 특성이 95% 정도의 제품으로 제공되고 있다. 그러나 자체적으로 역률 95% 이상되는 LED 전등을 기존 범용 인체감지형 전자식스위치와 연동하여 센서등을 구성하면 역률이 60 ~ 70%로 저하되어 역률 규격을 만족하지 못하는 센서등이 된다, 이런 문제로 현재 LED 센서등은 범용의 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지형 전자식스위치를 사용하지 못하고, 도 3의 블록도와 같이 자체적으로 LED 소요 전력과 인체감지형 스위치 소요전력 전체에 대하여 역률보정회로를 가진 AC/DC 전력변환부에서 DC 전압으로 변환하고, 이 DC 전압에서 동작하는 인체감지센서형 스위치 기능을 구현하여 주로 일체형으로 제공되고 있다.

본 발명은 종래의 전등은 물론 최신의 LED 전등을 부하로 연동하여, 인체감지형 센서등 구성이 가능한, AC 상용전원에서 동작하는 인체감지형 전자식스위치 장치를 제공하는 것이다. 센서등 소등 제어 상태인 대기전력 소모를 0.1W 미만으로 제공하고, 아울러 부하로 연동되는 범용 LED 등기구 자체의 역률 저하가 1% 이내로 제한되므로, 91% 이상으로 역률 보정된 범용의 LED 전등과 연동하여 규격 부합한 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 있는 범용의 인체감지센서형 전자식스위치이다.

특허문헌 1 : 일본공개특허공보 제2016-173952호(2016.09.29.)/인감센서회로 특허문헌 2 : 미국공개특허공보 US006141230A(Oct. 31,2000)/VALLEY-FILL POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT 특허문헌 3 : 일본 공개특허공보 제2011-108645호(2011.06.02)/LED 램프와 LED 램프모듈

비특허문헌 1 : "MC34262" FOWER FACTOR CONTROLLERS DATASHEET (ON Semiconductor/MOTOROLA, FUNCTIONAL DESCRIPTION<6~8쪽>) 비특허문헌 2 : "Improved Valley-Fill Passive CurrentShaper"(K. Kit Sum,PowerSystemsWorld 1997)

종래의 인체감지형 전자식스위치 장치는 센서 동작에 필요한 0.4 ~ 0.5W 대기전력이 소모되고 있어, 전력 절감 효과가 적고 또한 자체 역률 95% 이상인 범용의 LED 전등과 부하로 연동하여 센서등을 구성하면 역률이 60% ~ 70%로 저하되어, 역률 90% 이상을 요구하는 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 없다. 현재 LED 센서등 제조사는 도 3과 같이 DC 전원에서 동작하는 인체감지센서회로를 포함하는 일체형 LED 센서등으로 역률 90% 이상의 제품이 제공하고 있다. 그러나 이 경우에도 LED 구동을 포함한 전력 회로를 기준으로 소자 설계가 필요하므로 대기전력을 0.5W이하로 제공하기 어렵다.

본 발명은 대기전력을 0.1W 미만으로 센서등의 전력절감 기능을 충실히 하면서, 부하로 연동되는 범용 LED 등기구 자체의 역률 저하를 1% 이내로 제한되도록 하여, 91% 이상 역률 보정된 범용의 LED 전등과 규격에 부합된 센서등을 구성할 수 있는 AC 상용전원에서 동작하는 범용의 인체감지센서형 전자식스위치 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시에 따른 인체감지형 전자식스위치는 AC 전원 입력에서 전자회로 동작에 필요한 동작 DC 전원을 공급하기 위한 AC/DC 변환부, 인체 움직임과 조도 등을 감지하기 위한 센서부, 센서부로부터의 아날로그 신호를 분석하여 AC 전자식스위치(TRIAC) 점등/소등 구동 제어 신호를 발생시키는 단일칩 마이크로프로세서(MPU:MicroProceessor Unit)에 의한 신호분석부, 신호분석부의 제어신호에 따라 연동 부하등을 점등/소등하는 AC 전자식스위치(TRIAC)를 포함한다.

상기 AC/DC 변환부는 AC 상용전원 입력으로부터 센서부 및 신호분석부 전자회로에 안정적인 DC 동작 전원을 공급하기 위한 변환부이다. 일반적으로 AC 상용전원입력에서 동작하는 종래의 인체감지형 전자식스위치장치 회로 동작에 필요한 AC 입력측에서 본 유효전력은 소등 제어 상태에서 0.4 ~ 0.5W이다. 본 발명에서는 종래의 연산증폭기를 사용한 신호분석부를 전력소모가 적은 단일 칩 마이크로세서 채택하여 회로 자체의 소모 전력을 낮추고, 아울러 AC 상용 고전압 입력에서 20% 이상의 고효율과 안정적인 DC 동작전압을 제공하기 위한 전력 변환 방식을 강구하여 소등 제어 상태의 전력을 0.1W 미만으로 제공한다. 역률은 유효전력과 무효전력의 총전력에서 유효전력이 차지하는 비율을 나타내는 것으로 AC 전원에서 전압과 전류의 위상과 파형이 동일하면 100%이고, 전압 전류 위상의 벗어나는 정도에 따라 총전력에서 무효전력이 증가하게 되어 역률이 저하한다. 고효율의 LED 전등의 등장과 함께 역률도 90% 이상을 필수적으로 요구하고 있다. 일반적 AC 입력전원에서 DC전원으로 변환하여 LED를 구동하는 LED 전등에 있어서 수십W 이상은 제어 특성이 정밀한 비특허문헌 1과 같은 Active 방식의 Power Factor Controller을 사용하고, 20W 이내의 LED 전등은 소자 구성이 간단한 점을 특징으로, 특허문헌 2, 3 및 비특허문헌 2와 같은 Passive 방식의 Valley-Fill 역률 보정 회로를 주로 적용하여 역률 90% 이상의 LED 전등을 제공하고 있다. 그러나 상기와 같은 어떤 역률 보정 회로를 '0.5W 이하의 AC/DC 변환부'에 적용하여도 역률 보정 효과가 없다. 이는 전자부품 오차에 의해서도 AC 상용고전압 입력에서 수 mA의 AC 전류를 선형으로 제어되기 어렵기 때문이다. 따라서 1W 이내에서 AC/DC 전력변환회로의 역률은 대개 논의되지 않는다. 국내 LED 규격에서도 5W 초과하는 LED 전등에 대해서만 90% 이상을 요구하고 있다. 상기와 같은 사유로 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지형 전자스위치장치에 역률 보정회로를 삽입한다고 해서 역률이 잘 보정되지 않는다. 또한 수십 W 전력에서 역률 보정된 회로도 부하가 감소하거나 무부하 상태가 되면 역률이 10% 이하로 크게 떨어진다. 종래의 인체감지형 전자스위치가 참고문헌에 언급된 방식으로 역률 보정된 범용의 LED 전등과 연동하여 센서등을 구성할 때 역률이 60 ~ 70%로 크게 감소하는 이유는 인체감지형 전자스위치의 AC/DC 변환부 정류 후단의 용량이 큰 값의 도 4의 C2 커패시터(115)가 LED 전등의 역률보정회로 영향을 크게 주기 때문이다. 이 캐패시터를 벅 캐패시터(Buck Capacitor) 또는 Storage Capacitor라 한다. 일반적으로 벅 커패시터 용량은 사용전력이 커질수록 안정된 AC/DC 변환을 위해서 증가되어 적용된다. 인체감지형 전자스위치의 AC/DC 변환부에서도 이 커패시터 용량이 클수록 전원변동률 특성은 좋아지나 반대로 LED 전등의 역률보정회로에는 영향이 크게 작용하여 구성된 연동 센서등 AC 입력에서 본 역률은 크게 감소한다. 따라서 본 발명은 인체감지센서형 전자식스위치의 AC/DC 변환부는 효율을 개선하고 아울러 회로부 전력소모을 줄여 대기전력 0.1W 미만으로 구현함으로써 벅 커패시터 3uF 이내에서 안정적인 전력변환을 통하여 이루어진다. 이리하여 참고문헌에 제공된 방식으로 91% 이상 역률 보정된 LED 전등의 역류보상회로에 1% 이내로 영향이 제한된다. 일반적으로 AC/DC 변환 과정을 보면 AC 입력전원을 반파 또는 전파 정류한 다음 출력 전력에 상응할 수 있는 커패시터에 전류를 충전하고 이 충전된 전력에서 DC 출력전원으로 변환하는 방식이다. 보정회로가 없는 한 이 벅 커패시터 용량이 클수록 AC 전류 전압 위상 차이가 커지면서 병렬 연결된 부하등 자체의 역률도 감소한다. 즉 센서부와 신호분석부에서 사용되는 사용 전력이 클수록 AC/DC 변환 효율이 낮을수록 벅 커패시터 용량은 커야하고 이와 병렬 연결되어 동작하는 부하등 자체의 역률도 함께 감소한다. 따라서 본 발명에서는 신호분석부로 단일칩 마이크로프로세서를 적용하여 종래의 연산증폭기를 사용한 방식보다 소모전력을 줄이고, 아울러 AC/DC 변환부의 효율의 개선하여 소등시 대기전력을 0.1W 미만으로 구현하여, 벅 커패시터 용량을 3uF 이내에서 안정적인 DC 전력변환이 가능함으로써 연동되는 LED 전등 역률보정회로에 영향을 최소화할 수 있다. AC 상용전원에서 전자회로 동작에 필요한 DC 전원을 생성하는 방법은 크게 선형모드변환(Linear Regulator) 방식과 스위칭모드변환(SMPS : Switched Mode Power Supply) 방식 두 방식이 있다. 고전압 AC 입력전압에서 저전압 DC 회로 동작 전원으로 선형모드 변환은 소요 부품이 적고, 출력전원 특성은 좋은 반면 효율은 수 % 정도에 불과하다. 반면 스위칭모드변환은 효율은 좋은 반면 출력전원 특성은 좋지 않다. 특히 점등제어시와 소등제어시의 부하전력 변동에 의한 리플이 크게 발생하여 특별한 대책을 세우지 않으면 센서의 오동작을 초래할 수 있다. 특허문헌 1은 이에 대한 안정하게 동작할 수 있는 한가지 일례이다. 일반적으로 전력변환에서 스위칭모드가 선형모드보다 효율이 좋다고 말하지만 입출력 간 전압차이가 작으면 선형변환효율이 더 좋을 수 있고 전압변동률도 작은 장점이 있다. 또한 부하 변동이 큰 스위칭모드 전력변환에서는 부하가 적을 때 스위칭주파수를 높게 유지하는 것이 전력변환 효율을 크게 떨어뜨린다. 따라서 본 발명에서는 고전압에서 가변주파수 스위칭모드 변환(Switched Mode Power Supply)에 의한 4.5VDC 1차 DC 변환부 및 이 전압에서 최종 동작전압인 3,3VDC 전압으로 2차 선형변환(Linear Regulator)부로 구성하여 5배 이상의 점등/소등시 부하변동에서도 센서동작에 안정적인 1%이내의 전압변동를을 상시 유지할 수 있도록 하면서 총 변환효율을 20% 이상을 실현하여 대기전력 소모를 0.1W 미만으로 제공된다.

상기 센서부는 적외선 인체움직임감지 센서(PIR)와 조도센서로 구성된다. 조도 변화와 움직임에 따른 아날로그 신호가 발생되어 신호분석부로 전송된다.

상기 신호분석부는 저전력소모의 단일칩 마이크로프로세서(MPU)를 사용하여, 센서부로부터의 아날로그 신호를 ADC(Analog to Digital Conversion)변환 후, 디지틀 신호에서 움직임과 조도 등을 분석 판단하여 AC 전자식스위치 구동 제어 신호를 생성한다. 하드웨어 변경없이 소프트웨어적으로 사용환경과 요구조건에 따라 센서 민감도와 동작조건 등을 변경할 수 있는 장점도 제공된다.

상기 AC 전자스위치(TRIAC)는 단일칩 MPU에 의한 신호분석부로부터의 제어신호를 받아 연동되는 전등 부하에 AC 전원을 공급/차단하는 전자식 스위치 소자로 구성되고 필요에 따라서 DC 전원과 절연 동작을 수행할 수 있도록 광절연 구동 소자가 포함될 수 있다.

본 발명의 일실시에 따른 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지형 전자식 스위치는 대기전력 0,1W 미만으로 센서등 본래 목적인 전력절감을 충실히 수행하면서, 아울려 연동되는 LED 등기구 자체의 역률 영향이 1% 이내로 제한되므로, 최신의 범용 역률 보정된 LED 전등을 부하로 연동하여 규격에 부합한 LED 센서등을 구성할 수 있다. 즉 다양한 제품, 다양한 전력 용량의 범용 LED 제품과 연동하여 센서등을 제공할 수 있는 범용의 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지형 전자식스위치 장치이다.

본 발명의 인체감지형 전자식스위치 장치는 소등된 상태에서의 전력 소모가 0.1W 미만으로 제공되고 종래의 인체감지형 전자식스위치의 전력소모 대략 0.4 ~ 0.5W이다. 센서등이 전체 사용시간의 80 ~ 90%가 소등되어 동작한다는 점을 감안하면 전력 절감 효과가 매우 크다. 한편 신호분석부를 전력소모가 작은 단일칩 마이크로프로세서를 사용하여 센서 민감도와 동작조건 등을 사용 환경에 따라 소프트웨어적으로 용이하게 변경 제공할 수 있다.

[도 1]종래 기술에 따른 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서형 전자식스위치의 블록도
[도 2]본 발명의 실시예에 따른 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서형 전자식스위치의 블록도
[도 3] DC 전원에서 동작하는 인체감지센서회로를 포함하는 일체형 LED 센서등 블록도
[도 4]종래 기술의 인체감지센서형 전자식스위치의 AC/DC 변환부 상세블록도
[도 5]본 발명의 인체감지센서형 전자식스위치의 AC/DC 변환부 상세블록도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서형 전자식스위치 장치의 블록도이다. 커패시터 충전에 의한 선형모드전력변환 방식의 AC/DC 변환부(110),인체감지센서(PIR) 조도센서로 구성되는 센서부(120), 연산증폭기(OP AMP : Operational Amplifier)로 구성된 신호분석부(130), 신호분석부로부터의 구동 제어 신호를 받아 AC 전원을 점등/소등하는 AC 전자스위치(140)으로 구성된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서형 전자식스위치 장치의 블록도이다. 스위칭 모드 1차 전력변환과 선형 모드 2차 전력 변환부로 구성되어 20% 이상의 총 변환 효율의 AC/DC 변환부(210), 인체감지센서(PIR) 조도센서로 구성되는 센서부(220), 단일칩 마이크로프로세어(MPU : MicroProcessor Unit)에 의한 신호분석부(230), 신호분석부로부터의 구동 제어 신호를 받아 AC 전원을 점등/소등하는 AC 전자스위치(240)으로 구성된다.

도 1 종래 기술과 도 2 본 발명의 블록도로부터 AC(Alternating Current) 상용전원 입력에서 전자회로에 동작에 필요한 DC(Direct Current) 전원을 공급하기 위한 AC/DC 변환부의 전력 변환 방식이 종래 기술(110)에서 본 발명(210) 방식으로 변경되었고, 아울러 인체움직임과 조도 신호로 부터 신호 비교 판단 기능을 종래의 연산증폭기(OP AMP)을 이용한 신호분석부(130)에서 본 발명의 단일칩 마이크로프로세서(MPU : MicroProcessor Unit)에 의한 신호분석부(230)로 변경되었음을 알 수 있다.

종래의 인체감지형 전자식스위치 장치는 센서 동작에 필요한 0.4 ~ 0.5W 대기전력이 소모되고 있어, 전력 절감 효과가 적고 또한 자체 역률 95% 이상인 범용의 LED 전등과 부하로 연동하여 센서등을 구성하면 역률이 60% ~ 70%로 저하되어, 역률 90% 이상을 요구하는 LED 센서등을 구성하여 사용할 수 없다. 이는 종래의 인체감지형 전자식스위치에서 부하변동시에도 안정적인 DC 동작 전원을 제공하기 위하여, 도 1의 AC/DC 변화부(110)는 효율은 적지만 전압변동율 특성이 좋은 선형변환모드 변환을 수행하는데, 소요 전력이 클수록 AC/DC 변환 효율이 낮을수록 도 3의 115와 같은 벅 커패시터의 용량 증가가 필수적이다. 이 큰 벅 커패시터가 특허문헌 2, 3 및 비특허문헌 1, 2를 적용하여 95% 이상으로 수 십W에서 역률 보정한 LED 전등과 연동하면, 병렬 연동된 이 큰 커패시터가 LED 전등의 역률 보정 제어회로에 영향을 주어 규격에 부합한 LED 센서등 구성을 할 수 없다.

도 3은 종래의 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서형 전자식스위치가 범용의 LED 장치와 연동하여 역률 90% 이상의 규격에 부합한 LED 센서등을 제공하지 못하는 문제를 해결하기 위한 블록도이다. 역률보정회로가 포함된 AC/DC 변환부(310)에서 LED 전등 구동 전력과 센서동작전원에 필요한 DC 전력변환을 수행하고, 인체감시센서 및 DC 전원스위치제어부(320)에서 LED구동부(350)에 공급되는 DC 전원을 ON/OFF 제어하는 방식이다. 이 방식은 AC/DC 변환부(310)에서 LED 전등 구동 전력과 센서 동작 전력이 포함된 상태에서 90% 이상으로 역률 보정이 제공되어 있으므로, 인체감시센서 및 DC 전원 스위치제어부(320)의 소등 제어 상태에서도 AC/DC 변환부(310)는 총 LED 구동전력을 포함한 회로에 맞는 전력 소자 기준으로 설계되어야 하므로 역률은 90% 이상을 용이하게 제공할 수 있으나 역시 대기전력을 0.5W 이내로 제공이 힘들고 또한 인체감지센서부를 범용으로 제공하기 어렵고 LED 등기구와 일체형 제공되어야 하는 단점이 있다.

본 발명은 범용의 LED 전등과 연동하여 역률 규격에도 부합하는 LED 센서등을 구성하기 위한 AC 상용전원에서 동작하는 범용의 인체감지형 전자식스위치 장치를 제공하기 위한 목적으로 대기전력 0.1W 미만과 벅 커패시터 3uF 이내를 사용하여 센서 회로 동작에 필요한 상시 전압변동률 1% 이내 안정된 전력변환 기능을 통하여 달성된다. 두 가지 측면에서 검토될 수 있다. 회로부의 전력소모를 줄이는 것과 AC/DC 변환부의 전력변환 효율을 최대화하는 것이다.

첫째는 AC 전자식스위치를 소등 제어한 상태에서 센서부와 신호분석부에서 소모하는 전류는 대개 종래의 연산증폭기를 사용한 방식에서는 통상 2mA 정도이다. 디지틀 기술의 발전에 따라 단일 칩 마이크로세서를 신호분석부로 사용하면 통상 1mA 구현될 수 있으며, 하드웨어 변경없이 소프트웨어적으로 다양한 환경 특성에 따라 센서 민감도 등을 변경하여 적용할 수 있는 장점도 제공된다. 한편 AC 전자식스위치를 점등하기 위한 구동 전류는 15mA 정도이다. 따라서 종래의 기술의 연산증폭기를 사용한 방식에서 DC 동작 전류는 소등제어시 2mA, 점등제어시 17mA 정도이다, 반면 본 발명의 단일 칩 마이크로세서을 이용한 신호분석부는 소등제어시 1mA, 점등제어시 16mA 정도로 제공된다. 두 째는 AC/DC 변환부 효율을 극대화한다.

도 4은 종래 기술의 AC/DC 변환부 상세 블록도이다. 동작 전류 소모가 수십 mA 정도 이내로 적은 경우 AC 상용전원에서 DC 동작전원으로 변환하는 전형적인 방법이다. 이는 커패시터 충방전의 반파정류 방식이다. AC 음의 반주기에서 커패시터 C1(111)은 충전되고, 양의 반주기에서는 방전된다. 저항 R1(112)은 제너다이오드 ZD1(113)을 통한 전류의 충방전량을 제한하며 제너전압은 커패시터 C2(115)의 충전전압을 결정한다. 이 충전된 전력이 선형변환 LDO(116)에 의하여 안정된 DC 출력 전압으로 변환 제공된다. 커패시터 C2(115)가 벅 커패시터로 동작하고 이 커패시터 용량은 전류 소모량에 따라 충분히 크게 설정되어야 안정적인 전압이 제공된다. 여기서 소등상태에서 동작전류소모는 상기와 같이 2mA이지만 점등제어시 16mA로 증가하므로 이 용량에서 전압 변동이 발생하지 않도록 16mA 전류소모기준으로 충분히 크게 하여야 하며, 종래의 인체감지형 스위치장치에서 330 ~ 470uF 값이 주로 적용하고 있다. 이 용량 큰 벅 커패시터에 영향으로 자체 역률이 95% 이상으로 보정된 LED 전등과 연등하여 센서등을 구성하여도 60 ~ 70%로 역률이 저하됨을 알 수 있다. 한편 효율 측면을 보면 소등 제어 상태의 소모전류가 5VDC에서 2mA라고 볼 때, AC 입력측에서 전체적인 전력소모를 대략 계산하면 220V x 0.002A = 0.44W임을 알 수 있다. 출력측 전력은 5V x 0.002 = 0.01W이다. 전력변환효율은 0.01/0.44 = 0.022로 3% 이내의 전력변환 효율에 불과하고, 소등시 대기전력이 0.4 ~ 0.5W 정도임을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 인체감지센서형 전자식스위치의 AC/DC 변환부 상세블록도이다. AC 입력에서 브리지 다이오드(211)에 의해 전파정류되고 인덕터 L1(212)에서 고주파 차등 성분 잡음이 제거되고 커패시터 C1(213)에 충전된다. 이 커패시터가 벅 캐패시터로 작용하고, 이 커패시터의 용량 값이 역률 저하에 영향을 준다.

일반적으로 스위칭모드 AC/DC 변환에서 브릿지 후단의 벅 커패시터는 소요 출력전력 W 전력당 2 ~ 3uF이 적용되어 사용된다. 따라서 본 발명에서는 종래 방식의 벅 커패시터(315) 비해 최소 1/100 정도인 커패시터 용량을 3uF 이내로 적용함으로써, 병렬 연결되는 부하 LED 등의 역률 영향이 1% 이내로 제한하면서 총 효율 20% 이상이 구현되도록 가변주파수 스위칭모드 변환(214)과 선형모드변환(215)의 2단계 전력변환을 수행한다. 일반적으로 부하변동이 큰 장치에서 부하가 적을 때는 스위칭주파수를 낮게 하는 것이 전력변환 효율을 높일 수있다. 소등시 대기 소모전류 1mA, 점등제어서 16mA의 부하변동에 대응하여 스위칭 주파수를 증가하여 전력변환량을 제어하는 방식의 가변 주파수 스위칭 방식에 의해 1차 DC 전압으로 변환한다. 일반적으로 고전압에서 저전압으로의 수십 W의 전력변환은 상용전원주파수 50 ~ 60Hz 비해 높은 50 ~ 100 KHz 주파수에서 스위칭방식의 전력변환을 사용하여 변환 효율을 보통 70% 이상으로 할 수 있다. 소용량 수십 mW 용량에서는 20% 정도이다. 인체감지형 전자식스위치와 같은 전력소모가 작고 점등/소등의 부하변동이 큰 경우 스위칭주파수 변화를 통해 효율의 최적화가 필요하다. 본 발명에서는 가변주파수 스위칭 방식을 사용하여 30% 정도를 달성한다. 선형 변환 방식이 2 ~ 3%인 점을 감안하면 최소 10배 이상의 효율을 달성된다. 스위칭 방식의 변환 효율의 단점은 부하 변동이 클 때에 발생하는 리플 성분(LOAD REGULATION)이 크다는 단점이 있다. 따라서 본 발명에 사용되는 제품 특성상 전등 소등 제어 상태 전류소모 1mA, 점등 제어 상태의 전류소모 16mA로 부하 변동이 크므로 부하 변동 경우에도 안정적인 동작전압을 제공하도록 본 발명에서는 고전압 입력에서 저전압으로 1차 스위칭방식에 의해 전력변환하고 이 전압을 더욱 안정적인 동작전압으로 2차 선형모드로 전력변환을 수행하는 2단 전력변환 방식을 제공한다. 2단계 변환을 통하여 소등시 대기전력을 0.1W 미만으로 1% 이내의 전압변동률을 가진 안정한 DC 동작전원을 공급한다. 일반적으로 입출력 간 전압차가 작으면 선형변환방식이 오히려 전력변환효율이 높다. 도 5의 선형변환부(215) 전력변환효율은 3.3/4.5 = 0.73로 70% 이상으로 제공된다, 가변주파수 스위칭방식 변환부(214)의 효율은 30%로 하면 AC 입력전압에서 최종 DC 동작전압으로 총 변환효율은 30% x 70%로 20% 이상을 달성할 수 있다. 따라서 전등 소등 제어 상태의 전력은 3.3VDC x 0.001A = 0.0033W 총 전력변환효율을 20%로 계산하면 대략 0.0033/0.2 = 0.0165W 입력 측의 이론상 소등 시 대기전력 소모는 0.02W이므로 실제 0.1W 미만으로 제공된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

백열등, 방전등 및 LED 전등을 부하로 연동하고 AC 상용전원에서 동작하는 인체감지센서를 구비한 범용의 전자식스위치 장치에 있어서,
AC 인체감지형 전자식스위치 장치는 AC 전원입력에서 전자회로에 동작에 필요한 동작 DC 전원을 공급하기 위한 AC/DC 변환부;
인체 움직임과 조도 등을 감지하기 위한 센서부;
센서부로부터의 신호를 분석하여 AC 전자식스위치(TRIAC)를 점등/소등 구동 제어하는 단일칩 마이크로프로세어(MPU: MicroProceessor Unit)에 의한 신호분석부; 및
신호분석부의 제어신호에 따라 연동 부하등을 점등/소등하는 AC 전자식스위치(TRIAC)를 포함하되,
상기 AC/DC 변환부는
AC 상용전압 입력에서 가변주파수 스위칭모드 변환(Switched Mode Power Supply)에 의한 4.5 VDC 1차 DC 변환부 및 이 전압에서 최종 동작전압인 3,3 VDC 전압으로 2차 선형변환(Linear Regulator)의 2단계 전력변환 방식으로 구성하여, 총변환 효율을 20% 실현 대기전력 0.1W 미만으로 제공하고, 이 때 벅 커패시터(BUCK CAPACITOR)도 용량 크기를 3uF 이내로 적용하여 연동 LED 전등 자체의 역률 저하를 1% 이내로 제한하여 제공되며,
상기 신호분석부는
단일칩 마이크로프로세서(MPU)를 사용함으로써, 센서부로부터 신호를 ADC(Analog to Digital Conversion)변환 후 신호 변화 크기를 판단하고, 설정 기준치 이상 발생시 AC 전자식스위치 구동 제어 신호를 생성할 때, 설정 기준치를 하드웨어 변경없이 소프트웨어적으로 센서 민감도를 변경하는 것을 특징으로 하는 인체감지형 전자스위치 장치