KR20210138889A - 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20210138889A
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Abstract

본 발명은 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다. 본 발명에 따른 교류 전원 감지기는, 교류 전원, 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류기, 교류 전원의 제로값을 검출하는 디텍터 및 직류 전원으로 동작하고, 검출에 상응하여 미리 설정된 신호를 출력하는 절연기를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 적은 대기 전력을 사용하고 구성 요소 특성에 따른 결과 편차가 적은 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.

Description

교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치{AC Power Detector and Electronic Device having AC Power Detector}
본 발명은 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
디지털 제품에서, AC 부하(예를 들어, 모터, 히터 등)의 위상 제어를 위해 감지된 AC 전원의 전압 변동에 따라 듀티(duty)를 주기적으로 변동시켜 AC 부하의 위상을 제어한다. 이 때 듀티를 변동시키는 DC 회로가 AC 전원의 전압 변동을 주기적으로 입력 받기 위해 절연 IC인 포토 커플러(Photo coupler)가 사용될 수 있다. 포토 커플러는 LED와 디텍터(Detector)를 포함하는데, LED측의 전류 대비 디텍터 측의 전류 비율인 CTR(Current Transfer Ratio, 전류 전달 효율)이 제품 별 편차가 크고, 온도 변화에 따라 변동이 있어 정밀하게 AC 부하의 위상을 제어하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 포토 커플러는 AC 전압 변동을 입력받기 위해 0.25[W]정도의 대기전력을 필요로 하여 전력 소모가 큰 문제점도 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 적은 대기 전력을 사용하고 구성 요소 특성에 따른 결과 편차가 적은 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치를 제안하려 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 교류 전원; 상기 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류기; 상기 교류 전원의 제로값을 검출하는 디텍터; 및 상기 직류 전원으로 동작하고, 상기 검출에 상응하여 미리 설정된 신호를 출력하는 절연기;를 포함하는 교류 전원 감지기가 개시된다.
실시예에 따라, 상기 디텍터는 상기 정류기에서 전파 정류된 신호를 이용하여 상기 제로값을 검출할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 절연기는, 상기 검출에 상응하여 발광하는 LED; 및 상기 LED가 발광하면 검출 신호를 출력하는 포토 다이오드;를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 LED는 상기 제로값이 검출되면 미리 설정된 시간 동안 발광할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제로값은 상기 교류 전원의 값이 미리 설정된 범위에 상응할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 교류 전원 감지기; 및 상기 교류 전원 감지기로부터 입력된 검출 신호에 의해 사용자의 조작에 상응하는 위상 제어 신호를 출력하는 콘트롤러; 를 포함하는 전자 장치가 개시된다.
실시예에 따라, 상기 콘트롤러는 상기 사용자의 조작에 따라 지연 시간을 제어하되, 상기 지연 시간은 상기 검출 신호의 입력 후 상기 위상 제어 신호가 출력되는 시간일 수 있다.
본 발명에 따르면, 적은 대기 전력을 사용하고 구성 요소 특성에 따른 결과 편차가 적은 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기에 대한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기에 대한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지 및 이에 따른 부하의 동작을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 5 내지 도 12는 종래 교류 전원 감시기의 위상 제어 결과와 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감시기의 위상 제어 결과를 비교 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치에 대한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치(100)는 모터, 히터 등과 같은 AC 부하를 동작시키는 보일러, 온수기, 선풍기 등과 같은 전자 장치로서, 교류 전원 감지기(AC POWER DETECTOR, 110), 콘트롤러(MCU, 120), 트라이액(TRIAC, 130) 및 AC 부하(AC LOAD, 140)를 포함한다.
교류 전원 감지기(110)는 입력되는 교류 전압(예를 들어, 220[Vac]와 같은 상용 전압)의 변화를 감지하여 디지털 신호(이하, '검출 신호'라 칭함)를 출력하는 구성일 수 있다. 여기서, 교류 전원 감지기(110)는 DC 전원으로 동작되는 포토 커플러(Photo coupler)를 포함할 수 있다. 교류 전원 감지기(110)의 구체적인 동작에 대해서는 후술한다.
콘트롤러(120)는 교류 전원 감지기(110)로부터 출력된 검출 신호에 의해 사용자의 조작에 상응하는 위상 제어 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(100)가 선풍기이고, AC 부하(140)가 5단의 출력 세기로 동작되도록 형성된 경우를 가정한다. 즉, 출력이 가장 작은 1단은 20%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되고, 2단은 40%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되고, 3단은 60%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되고, 4단은 80%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되며, 출력이 가장 큰 5단은 100%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되도록 형성된 경우를 가정한다. 이때, 사용자가 3단을 선택하면, 콘트롤러(120)는 60%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되도록 하는 위상 제어 신호를 출력할 수 있다.
트라이액(130)은 AC 전원(미도시)과 AC 부하(140) 사이에 연결되어 AC 부하(140)에 인가되는 전력을 제어할 수 있다. 이때 트라이액(130)은 콘트롤러(120)에서 수신된 위상 제어 신호에 따라 AC 부하(140)에 인가되는 전력을 제어할 수 있다. 즉, 트라이액(130)은 60%의 전원이 AC 부하(140)에 인가되도록 하는 위상 제어 신호가 입력되면 AC 부하(140)에 AC 전원(미도시)이 60%만 인가되도록 스위칭될 수 있다. 트라이액(130)이 위상 제어 신호에 따라 AC 부하(140)에 인가되는 전력을 스위칭하는 동작은 당업자에 있어서 자명한 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
AC 부하(140)는 연결된 AC 전원(미도시)에서 인가된 전력을 통해 동작되는 모터(MOTOR), 히터(HEATER)와 같은 부하(LOAD)일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치(100)는 AC 전원(미도시)에서 인가된 전력을 위상 제어 동작을 통해 AC 부하(140)에 제공하여 사용자의 선택에 상응하는 출력으로 동작되도록 하되, DC 전원으로 동작되는 포토 커플러(Photo coupler)를 통해 위상 제어 동작을 수행하여 적은 대기 전력과 정밀한 위상 제어를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기(110)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기에 대한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기(110)는 정류기(RECTIFIER, 210), 디텍터(DETECTER, 220) 및 절연기(포토 커플러, PHOTO COUPLER, 230)를 포함할 수 있다.
정류기(210)는 AC 전원(미도시)을 전파 정류(Full-wave Rectification)하여 DC 전원을 출력할 수 있다. 예를 들어, 정류기(210)는 브릿지 정류기(Bridge Rectifier)를 포함할 수 있고, 이를 통해 AC 전원을 DC 전원으로 변환할 수 있다.
디텍터(220)는 AC 전원(미도시)의 제로값을 검출할 수 있다. 예를 들어, 디텍터(220)는 AC 전원이 (+)값에서 제로('0')값으로 되었을 때를 검출할 수 있고, (-)값에서 제로('0')값으로 되었을 때를 검출할 수 있다. 여기서 '제로값'은 AC 전원의 값이 정확히 '0[Vac]' 인 경우만 의미하는 것이 아니라, AC 전원의 값이 미리 설정된 범위에 상응하는 경우를 포함하는 개념일 수 있다. 예를 들어, 제로값이 '0.5[Vac] 내지 -0.5[Vac]'로 미리 설정된 경우를 가정하면, 디텍터(220)는 AC 전원의 값이 (+)0.5[Vac]에서 (-)0.5[Vac]로 되는 동안을 제로값으로 검출하거나 (-)0.5[Vac]에서 (+)0.5[Vac]로 되는 동안을 제로값으로 검출할 수 있을 것이다.
또한, 디텍터(220)는 정류기(210)에서 전파 정류된 신호를 이용하여 제로값을 검출할 수도 있다. 예를 들어, 디텍터(220)는 정류기(210)에서 전파 정류된 신호를 입력받을 수 있고, 입력된 전파 정류된 신호의 최소값이 발생되는 시점을 제로값으로 검출할 수 있을 것이다.
절연기인 포토 커플러(230)는 DC 전원으로 동작하고, 디텍터(220)의 제로값 검출에 상응하여 미리 설정된 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 포토 커플러(230)는 정류기(210)에서 출력된 DC 전원이 인가되어 동작될 수 있다. 또한, 포토 커플러(230)는 LED와 포토 다이오드를 포함할 수 있고, LED는 디텍터(220)에서 제로값이 검출될 때마다 발광(發光)할 수 있다. 즉, 포토 커플러(230)의 LED는 AC 전원(미도시)가 제로값이 아닐 경우에는 OFF 상태이고, 디텍터(220)에서 제로값이 검출되는 순간에만 발광할 수 있다. 예를 들어, 디텍터(220)는 제로값이 검출되면 미리 설정된 신호(전류)가 미리 설정된 시간 동안 흐르도록 할 수 있고, 포토 커플러(230)의 LED는 당해 신호(전류)가 입력되는 시간 동안 발광할 수 있을 것이다. 포토 커플러(230)의 포토 다이오드는 LED와 절연되어 LED의 발광을 인식할 수 있다. 포토 커플러(230)의 포토 다이오드는 LED 발광이 검출되면 검출 신호(전류)를 출력할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기(110)에 대한 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기(110)에 따른 부하의 동작을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 4에는 3개의 시뮬레이션 결과가 예시되는데, 가장 상단의 결과는 교류 전원 감지기(110)의 정류기(210)에서 출력된 AC 전원의 전파 정류 결과를 의미한다. 이를 참조하면 AC 전파 정류 결과의 최소값이 인지될 때마다(즉, 제로값이 검출될 때마다) 포토 커플러(230)의 LED가 점등(ON/OFF)됨을 알 수 있다.
또한, 도 4의 중단의 결과를 참조하면 콘트롤러(120)는 포토 커플러(230)에서 검출 신호가 입력되면 (MCU AC TIMING 입력), 사용자의 설정에 상응하여 위상 제어 신호(PWM 신호)를 트라이액(130)으로 출력할 수 있다. 트라이액(130)은 위상 제어 신호(PWM 신호) 따라 AC 부하(140)에 연결될 전원을 스위칭하여 AC 부하(140)의 위상을 제어할 수 있다.
이때, 콘트롤러(120)는 사용자의 설정에 상응하여 위상 제어 신호의 출력 지연 시간을 조절 할 수 있다. 예를 들어, 콘트롤러(120)는 AC 부하(140)의 가동 시간이 클수록 위상 제어 신호를 출력하는 지연 시간을 줄일 수 있고, 반대로 AC 부하(140)의 가동 시간이 작을수록 위상 제어 신호를 출력하는 지연 시간을 늘릴 수 있다. 트라이액(130)은 위상 제어 신호가 입력되면 AC 부하(140)에 AC 전원(미도시)을 위상에 따라 공급할 수 있다. 따라서, 도 4의 하단의 결과와 같이 AC 부하(140)에 AC 전원(미도시)가 공급될 수 있는 것이다.
한편, 도 3에 예시된 회로도는 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한할 수 없음은 자명하다.
상술한 바와 같이, 본원발명의 포토 커플러(230)의 LED는 제로값이 검출되는 순간에만 발광할 수 있으므로 종래에 비하여 대기 전력의 소모가 줄어들 수 있다. AC 전원에 의해 동작되는 종래의 포토 커플러의 LED는 본원발명의 포토 커플러(230)와 반대로 AC 전원이 제로가 되는 순간에 OFF가 되고 나머지 순간에는 발광하고 있으므로, 대기 전력의 소모가 상대적으로 클 수 밖에 없다.
또한, AC 전원에 의해 동작되는 종래의 포토 커플러는 제품 별 CTR(Current Transfer Ratio, 전류 전달 효율)의 편차가 커서 부하에 공급되는 AC 전원(미도시)의 위상 제어가 정밀할 수 없었으나, 본원발명의 포토 커플러(230)는 AC 전원의 제로값 만을 검출하므로 CTR의 편차가 AC 전원(미도시)의 위상 제어에 반영되지 않는 장점이 있다.
이하 도 5 내지 도 12를 참조하여 종래의 포토 커플러기 적용된 교류 전원 감지기와 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감지기(110)의 시뮬레이션 결과에 대해 비교 설명한다.
도 5 내지 도 12는 종래 교류 전원 감시기의 위상 제어 결과와 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전원 감시기의 위상 제어 결과를 비교 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
먼저, 도 5는 종래 교류 전원 감시기에서 포토 커플러의 CTR 값에 따라 AC 전원(미도시)를 감지한 파형이 달라지는 결과를 나타낸다. AC 전원(미도시)에 대한 감지 파형의 차이로 인해 비교기 출력의 폭이 변동이 되고, 결과적으로 AC 부하를 동작시키는 시간 폭이 도 5의 아래 도표와 같이 달라짐을 확인할 수 있다. 도 5에 도시된 결과와 같이, CTR 100[%]와 400[%]는 AC 부하의 동작 시간이 최대 1.5[ms]까지 벌어질 수 있다.
반면, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토 커플러(230)는 CTR 100[%], 200[%], 300[%], 400[%] 시료 일 때 AC 부하(140)의 동작 전압이 도시된다. 본 발명에 따르면, 포토 커플러(230) CTR의 차이가 있더라도 부하 동작 시간은 최대 0.02[ms] 밖에 차이 나지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 본원발명에 따르면 포토 커플러(230)의 CTR 차이에 영향을 받지 않거나, 매우 미미한 영향을 받을 뿐이다.
또한, 종래의 기술에 따르면, AC 부하(140)의 동작 시간차로 인해, 콘트롤러(MCU)에서 일정하게 PWM 제어했음에도 불구하고 도 7과 같이 AC 부하(140)에서 소비되는 전력이 포토 커플러의 CTR에 따라 상이함을 알 수 있다. 즉, AC 부하(140)가 150옴 부하일 경우, CTR 100%일 때는 AC 부하(140) 소비 전력이 150[W]로 측정되었고, 400%일 때는 AC 부하(140) 소비 전력이 240[W]로 측정되었다. 양자의 소비 전력이 90[W]나 상이한 것으로 확인된 것이다. 결국 종래의 기술이 적용된다면, AC 부하(140)가 히터일 경우 90[W]만큼의 발열량이 다를 것이고, 모터나 팬일 경우 90[W]만큼 회전 속도가 다르게 될 수 있는 것이다.
반면, 150옴 AC 부하(140)가 적용된 본 발명의 경우 도 8에 도시된 바와 같이 CTR 100[%]와 400[%]일 때 각각 154[W], 152.5[W]로 측정되어 양자의 차이는 고작 1.5[W] 밖에 되지 않음을 알 수 있다.
또한, 도 9에는 주위 온도가 섭씨 25도일 때와 섭씨 75일 때 종래의 기술에 연결된 AC 부하의 동작 파형이 도시된다. 도 9를 참조하면 종래의 기술에 연결된 AC 부하의 동작 시간은 각 온도에서 0.5[ms]까지 차이남을 알 수 있다.
반면, 도 10에는 주위 온도가 섭씨 25도일 때와 섭씨 75일 때 본 발명의 일 실시예가 연결된 AC 부하(140)의 동작 파형이 도시된다. 도 10을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 연결된 AC 부하(140)의 동작 시간은 각 온도에서 고작 5[us] 밖에 차이 나지 않음을 알 수 있다.
또한 도 11에는 주위 온도가 섭씨 25도일 때와 섭씨 75일 때 종래의 기술에 연결된 AC 부하의 동작 전력의 차이를 보여준다. 도 11을 참조하면, 25도의 경우는 150[W], 75도의 경우 110[W]로 약 40[W] 차이를 보임을 알 수 있다.
반면, 도 12에는 주위 온도가 섭씨 25도일 때와 섭씨 75일 때 본 발명의 일 실시예가 연결된 AC 부하(140)의 동작 전력 차이가 도시된다. 도 12를 참조하면, 25도의 경우는 152.8[W], 75도의 경우 152.4[W]로 고작 0.4[W] 밖에 차이 나지 않음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원발명에 따르면 포토 커플러(230)의 CTR 차이 및 주변 온도에 영향을 거의 받지 않지 않고 안정적으로 AC 부하(140)의 위상을 제어할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 전자 장치
110 : 교류 전원 감지기
120 : 콘트롤러
130 : 트라이액
140 : 교류 부하

Claims (7)

  1. 교류 전원;
    상기 교류 전원을 정류하여 직류 전원을 출력하는 정류기;
    상기 교류 전원의 제로값을 검출하는 디텍터; 및
    상기 직류 전원으로 동작하고, 상기 검출에 상응하여 미리 설정된 신호를 출력하는 절연기;
    를 포함하는 교류 전원 감지기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디텍터는 상기 정류기에서 전파 정류된 신호를 이용하여 상기 제로값을 검출하는, 교류 전원 감지기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연기는,
    상기 검출에 상응하여 발광하는 LED; 및
    상기 LED가 발광하면 검출 신호를 출력하는 포토 다이오드;
    를 포함하는 교류 전원 감지기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LED는 상기 제로값이 검출되면 미리 설정된 시간 동안 발광하는, 교류 전원 감지기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제로값은 상기 교류 전원의 값이 미리 설정된 범위에 상응하는 경우인, 전자 장치.
  6. 제1항 내지 제5항에 따른 교류 전원 감지기; 및
    상기 교류 전원 감지기로부터 입력된 검출 신호에 의해 사용자의 조작에 상응하는 위상 제어 신호를 출력하는 콘트롤러;
    를 포함하는 전자 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 사용자의 조작에 따라 지연 시간을 제어하되,
    상기 지연 시간은 상기 검출 신호의 입력 후 상기 위상 제어 신호가 출력되는 시간인, 전자 장치.
KR1020200056891A 2020-05-13 2020-05-13 교류 전원 감지기 및 이를 포함하는 전자 장치 KR20210138889A (ko)

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