KR20230143876A - 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병 - Google Patents

에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병은 에너지 하베스팅 소자, 에너지 하베스팅 소자와 병렬 연결된 배터리를 포함하여 전원을 제공하는 전원부, 전원부로부터 전원을 공급받아 점등하는 부하, 배터리의 출력 전압에 기초하여 전원부의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 배터리 연결 제어부, 제어전압에 따라 온오프 동작하며 전원부의 전원 공급 여부를 결정하는 전원 스위치 및 전원 스위치의 온 동작시 전원부에서 전원을 공급받아 기설정된 주기에 따라 전원부와 부하를 연결 또는 차단하며, 기설정된 주기에 따라 축적된 전압이 간헐적으로 부하에 제공되도록 하는 부하 연결 제어부를 포함한다.

Description

에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병{The Hybrid Road Stud Based on Energy Harvesting}
본 발명은 도로표지 병에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 하베스팅 소자를 포함하여 에너지 하베스팅 소자에서 발생된 전원으로 점등되는 도로표지 병에 관한 것이다.
도로표지 병은 도로의 경계에 설치되어 발광함으로써 운전자와 보행자가 도로의 경계를 명확하게 파악하도록 하는 장치이다. 이와 관련하여 종래에는 광전지를 포함하여 낮 시간 동안 태양광을 에너지원으로 전력을 축적하고 야간에 점등되는 도로표지 병이 개시되고 있다.
이러한 종래의 광전지를 포함한 도로표지 병은 설치가 간편하여 유지보수가 쉬우며 전기요금을 절감하는 장점이 있으나 광전지에서 전원을 공급받는 특성상 광량이 작은 환경에서는 이용할 수 없는 한계가 있다.
특히, 터널의 경우 태양광이 들지 않으므로 종래의 광전지를 포함한 도로표지 병을 적용하지 못해 전력선을 통해 외부로부터 전원을 공급받아 점등되는 도로표지 병을 이용하고 있다.
이러한 경우 도로표지 병에 대한 전력선을 추가로 설치해 전원을 공급해야 하므로, 설치 비용과 유지보수 비용이 증가하며, 도로표지 병을 점등하기 위해 별도로 전기를 사용해야 하는 문제점이 있다.
대한민국 특허출원번호 제10-2018-0008078호 대한민국 특허출원번호 제10-2013-0127186호
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에너지 하베스팅 소자에서 부하를 점등할 전압에 못 미치는 전원이 제공되는 환경에서도 에너지 하베스팅 소자에서 발생되는 전원으로 점등 가능한 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병은 에너지 하베스팅 소자, 에너지 하베스팅 소자와 병렬 연결된 배터리를 포함하여 전원을 제공하는 전원부, 전원부로부터 전원을 공급받아 점등하는 부하, 배터리의 출력 전압에 기초하여 전원부의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 배터리 연결 제어부, 제어전압에 따라 온오프 동작하며 전원부의 전원 공급 여부를 결정하는 전원 스위치 및 전원 스위치의 온 동작시 전원부에서 전원을 공급받아 기설정된 주기에 따라 전원부와 부하를 연결 또는 차단하며, 기설정된 주기에 따라 축적된 전압이 간헐적으로 부하에 제공되도록 하는 부하 연결 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 에너지 하베스팅 소자에서 부하를 점등할 전압에 못 미치는 전원이 제공되는 환경에서도 에너지 하베스팅 소자에서 발생되는 전원으로 점등 가능한 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병을 제공하는 효과가 있다.
이에 따라 터널과 같이 조명외에 다른 광원이 없어 광량이 부족한 환경에서도 광전지에서 발생되는 전원으로 점등할 수 있는 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병의 회로도의 각 노드에서 출력되는 전압의 파형을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병의 사이도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)은 전원부(110), 부하(120), 배터리 연결 제어부(140), 전원 스위치(150), 부하 연결 제어부(200)를 포함하는 것일 수 있다.
전원부(110)는 에너지 하베스팅 소자(111), 에너지 하베스팅 소자(111)와 병렬 연결되어 에너지 하베스팅 소자(111)에서 발생한 전기 에너지에 의해 충전되는 배터리(113)를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 에너지 하베스팅 소자(111)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전지, 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 열전소자, 진동 에너지는 전기 에너지로 변환하는 진동소자 중 적어도 하나가 적용될 수 있다.
에너지 하베스팅 소자(111)에서 발생한 전기 에너지는 배터리(113)를 먼저 충전하고, 배터리(113)가 완충된 이후에 부하(120)로 전원이 공급될 수 있다. 이에 따라, 에너지 하베스팅 소자(111)에서 획득되는 전력이 적을 때에도 배터리(113)를 통해 부하(120)를 점등할 정도의 전압을 제공할 수 있다.
상기한 구성에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)은 이종 전원으로 하이브리드 구동할 수 있다.
부하(120)는 전원부(110)로부터 전원을 공급받아 점등하는 것일 수 있다.
배터리 연결 제어부(140)는 배터리(113)의 출력 전압에 기초하여 전원부(110)의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 것일 수 있다.
배터리 연결 제어부(140)는 배터리(113)의 출력 전압을 기설정된 저항비에 따라 분배한 전압과 기설정된 임계전압을 비교하여 전원부(110)의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 것일 수 있다.
이때, 전원부(110)와 배터리 연결 제어부(140)의 사이에는 일단이 전원부와 연결된 제1 분배저항(131)과, 일단이 제1 분배저항(131)의 타단과 연결되고 타단이 접지된 제2 분배저항(133)이 더 구비될 수 있다.
배터리 연결 제어부(140)는 제1 분배저항(131)의 타단 및 제2 분배저항(133)의 일단에서 출력되는 전압을 입력받는 것일 수 있다. 배터리 연결 제어부(140)는 배터리(113)의 출력 전압을 제1 분배저항(131)의 저항값과 제2 분배저항(133)의 저항값에 따라 분배한 전압을 입력받아 기설정된 임계전압과 비교하여 전원부(110)의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 것일 수 있다.
배터리 연결 제어부(140)는 배터리(113)의 출력 전압을 기설정된 저항비에 따라 분배한 전압이 기설정된 임계전압(예를 들어, 3.5V 이상에서 동작하는 부하와 연결되는 경우 3.6V)보다 작아지면 전원부(110)의 전원 공급을 차단하기 위해 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 제어전압을 출력하는 것일 수 있다.
배터리 연결 제어부(140)는 배터리(113)의 출력 전압을 기설정된 저항비에 따라 분배한 전압이 기설정된 임계전압 이상이면 전원부(110)에서 전원을 공급하게 하기 위한 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 제어전압을 출력하는 것일 수 있다.
여기서, 로우레벨 전압값은 전원 스위치(150)의 문턱전압값보다 작게 설정되고 하이레벨 전압값은 전원 스위치(150)의 문턱전압값보다 크게 설정되는 것일 수 있다.
전원 스위치(150)는 배터리 연결 제어부(140)에서 출력되는 제어전압에 따라 온오프 동작하며 전원부(110)의 전원 공급 여부를 결정한다.
전원 스위치(150)는 온 동작함에 따라 전원부(110)와 부하 연결 제어부(200)를 연결하여 전원부(110)에서 부하 연결 제어부(200)로 전원이 공급되도록 하고, 오프 동작함에 따라 전원부(110)와 부하 연결 제어부(200)를 차단하여 전원부(110)에서 부하 연결 제어부(200)로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
전원 스위치(150)는 소스단이 전원부(110)의 일단과 연결되고, 드레인단이 부하 연결 제어부(200)와 연결되며, 게이트단으로 제어전압을 입력받는 PMOS로 구성될 수 있다.
전원 스위치(150)는 배터리 연결 제어부(140)에서 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 제어전압이 출력되면 오프 동작함에 따라 개방되어 전원부(110)에서 부하 연결 제어부(200)로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
전원 스위치(150)는 배터리 연결 제어부(140)에서 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 제어전압이 출력되면 온 동작함에 따라 단락되어 전원부(110)에서 부하 연결 제어부(200)로 전원이 공급되도록 할 수 있다.
상기한 구성에 따라 터널 붕괴, 전력 차단 등의 사고로 인해 실내 조명이 꺼져 에너지 하베스팅 소자(111)에서 전원 생성이 불가능한 상황에서 부하(120)가 배터리(113)로부터 소정 시간동안 전원을 공급받아 점등될 수 있다.
그리고, 배터리(113)의 출력 전압에 따라 부하(120)로의 전원 공급을 차단함으로써, 배터리(113)가 완전히 방전되는 것을 방지한다. 사고가 수습된 이후 배터리(113)는 에너지 하베스팅 소자(111)에서 전원을 공급받아 충전되며 자동 복구될 수 있다. 이에 따라, 완전 방전에 의한 배터리(113) 교체를 방지하는 이점이 있다.
부하 연결 제어부(200)는 전원 스위치(150)의 온 동작시 전원부(110)에서 전원을 공급받아 기설정된 주기에 따라 전원부(110)와 부하(120)를 연결 또는 차단하며, 기설정된 주기에 따라 축적된 전압이 간헐적으로 부하(120)에 제공되도록 한다.
부하 연결 제어부(200)는 제1 스위치(210), 제1 저항(220), 제1 커패시터(230), 비교기(240), 제1 딜레이부(250), 반전기(260), 제2 딜레이부(270), 제2 스위치(280)를 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
제1 스위치(210)는 온오프 동작에 따라 전원부(110)와 부하(120)를 연결하거나 차단하는 것일 수 있다.
제1 스위치(210)는 온 동작함에 따라 전원부(110)와 부하(120)를 연결하여 전원부(110)에서 부하(120)로 전원이 공급되도록 하고, 오프 동작함에 따라 전원부(110)와 부하(120)를 차단하여 전원부(110)에서 부하(120)로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
제1 스위치(210)는 소스단이 전원 스위치(150)의 타단(드레인단)과 연결되고, 드레인단이 부하(120)와 연결되며, 게이트단으로 비교전압(
Figure pat00001
)을 입력받는 PMOS로 이루어지는 것일 수 있다.
제1 스위치(210)는 전원스위치(150)의 온 동작에 따라 전원부(110)의 전원을 공급받고, 비교전압에 따라 온 또는 오프 동작하며 전원부(110)에서 제공된 전원을 부하(120)에 공급하거나 전원부(110)에서 부하(120)로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
제1 스위치(210)는 게이트단으로 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 비교전압이 입력되면 온 동작하며 단락됨으로써 전원 스위치(150)의 드레인단에서 제공된 전원을 부하(120)로 공급할 수 있다.
제1 스위치(210)는 게이트단으로 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 비교전압이 입력되면 오프 동작하며 개방됨으로써 전원 스위치(150)의 드레인단에서 부하(120)로의 전원 공급을 차단할 수 있다.
제1 저항(220)는 일단이 전원 스위치(150)의 타단(드레인단)과 연결되어 전원 스위치(150)의 온 동작에 따라 전원부(110)로부터 전원을 공급받는 것일 수 있다.
제1 커패시터(230)는 전원부(110)에서 전원을 공급받아 충전될 수 있다.
제1 커패시터(230)는 일단이 제1 저항(220)의 타단과 연결되고 타단이 접지되는 것일 수 있다. 제1 커패시터(230)는 제1 저항(220)을 통해 전원부(110)의 전원을 공급받아 충전되는 것일 수 있다.
비교기(240)는 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00002
)과 기설정된 기준전압(
Figure pat00003
)을 비교하여 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00004
)이 기준전압(
Figure pat00005
)이상이면 제1 스위치(210)를 온 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00006
)을 출력하는 것일 수 있다.
비교기(240)는 전원부(110)로부터 전원을 공급받아 구동되는 OP AMP로 이루어지는 것일 수 있다. 비교기(240)는 OP AMP의 +입력단인 제1 입력단으로 기설정된 기준 전압을 입력받고, OP AMP의 -입력단인 제2 입력단으로 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00007
)을 입력받는 것일 수 있다.
비교기(240)는 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00008
)이 기준전압(
Figure pat00009
)이상이면 출력단으로 제1 스위치(210)를 온 동작시기키 위한 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00010
)을 출력하는 것일 수 있다.
비교기(240)는 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00011
)이 기준전압(
Figure pat00012
)보다 작으면 출력단으로 제1 스위치(210)를 오프 동작시키기 위한 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00013
)을 출력하는 것일 수 있다.
여기서, 로우레벨 전압값은 제1 스위치(210)의 문턱전압값보다 작게 설정되고 하이레벨 전압값은 제1 스위치(210)의 문턱전압값보다 크게 설정되는 것일 수 있다.
제1 딜레이부(250)는 비교기(240)에서 출력되는 비교전압(
Figure pat00014
)의 상승엣지(Rising edge) 또는 하강엣지(Falling edge)의 기울기를 조정하여 출력하는 것일 수 있다.
제1 딜레이부(250)는 일단이 비교기(240)의 출력단과 연결된 제2 저항(251), 일단이 제2 저항(251)의 타단과 연결되고 타단이 접지된 제2 커패시터(253)를 포함하는 것일 수 있다.
제1 딜레이부(250)는 비교전압(
Figure pat00015
)의 상승엣지 또는 하강에지에서 제2 저항(251)의 저항값 또는 제2 커패시터(253)의 정전용량에 따른 기울기를 가지도록 비교전압(
Figure pat00016
)의 기울기를 조정한 전압(
Figure pat00017
)을 출력하는 것일 수 있다.
제1 딜레이부(250)는 도 2에 도시된 바와 같이 비교기(240)에서 출력되는 비교전압(
Figure pat00018
)의 상승엣지와 하강엣지의 기울기를 눕혀서 출력하는 것일 수 있다.
제1 딜레이부(250)의 제2 저항(251)은 가변저항으로 이뤄지는 것일 수 있다. 제2 저항(251)은 사용자의 조작에 따라 제2 저항(251)의 저항값을 변경하기 위한 제1 조작수단(301)과 물리적으로 연결될 수 있다. 제2 저항(251)의 저항값은 제1 조작수단(301)에 대한 사용자의 조작에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어 사용자가 제1 조작수단(301)을 제1 방향으로 회전시키는 것에 대응하여 제2 저항(251)의 저항값이 증가할 수 있으며, 사용자가 제1 조작수단(301)을 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키는 것에 대응하여 제2 저항(251)의 저항값이 감소할 수 있다.
도 3을 참조하면 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)은 소정 높이 돌출되게 형성될 수 있다. 그리고, 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)의 외부로는 에너지 하베스팅 소자(111), 부하(120), 제1 조작수단(301), 제2 조작수단(303)이 노출될 수 있다.
에너지 하베스팅 소자(111)는 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)의 상부에 구비되어 외부의 광원으로부터 발생한 광 에너지를 입력받아 전기 에너지로 변환할 수 있다. 도면에서 에너지 하베스팅 소자(111)로 광전지가 적용되는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
부하(120)는 에너지 하베스팅 소자(111)에서 발생된 전원에 의해 점멸되며 도로의 경계를 표시할 수 있다.
제1 조작수단(301)은 사용자의 조작에 따라 회전하며 제2 저항(251)의 저항값을 변경할 수 있다. 제2 조작수단(303)은 사용자의 조작에 따라 회전하며 제3 저항(271)의 저항값을 변경할 수 있다. 사용자는 제1 조작수단(301) 또는 제2 조작수단(303)을 조작함으로써 부하(120)의 점멸주기를 조절할 수 있다.
반전기(260)는 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00019
)을 반전시켜 출력하는 것일 수 있다.
반전기(260)는 입력단이 제2 저항(251)의 타단 및 제2 커패시터(253)의 일단에 연결되어, 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00020
)을 입력받는 것일 수 있다.
반전기(260)는 슈미트 트리거 인버터로 이루어져 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00021
)의 전압값이 기설정된 제1 임계값보다 작아진 시점 이후부터 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00022
)의 전압값이 기설정된 제2 임계값보다 커지는 시점 이전까지 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 전압(
Figure pat00023
)을 출력하는 것일 수 있다.
그리고, 반전기(260)는 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00024
)의 전압값이 기설정된 제2 임계값보다 커지는 시점 이후부터 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00025
)의 전압값이 기설정된 제1 임계값보다 작아진 시점 이전까지 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 전압(
Figure pat00026
)을 출력하는 것일 수 있다.
제2 딜레이부(270)는 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00027
)의 상승엣지 또는 하강엣지의 기울기를 조정하여 출력하는 것일 수 있다.
제2 딜레이부(270)는 제3 저항(271)과 제3 커패시터(273)로 구성되는 것일 수 있다. 제3 저항(271)은 일단이 반전기(260)의 출력단과 연결되어 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00028
)을 입력받을 수 있다. 제3 커패시터(273)는 일단이 제3 저항(271)의 타단 및 제2 스위치(280)와 연결되고 타단이 접지되는 것일 수 있다.
제2 딜레이부(270)는 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00029
)의 상승엣지 또는 하강엣지에서 제3 저항(271)의 저항값 또는 제3 커패시터(273)의 정전용량에 따른 기울기를 가지도록 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00030
)의 기울기를 조정한 전압(
Figure pat00031
)을 출력하는 것일 수 있다.
제2 딜레이부(270)는 도 2과 같이 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00032
)의 상승엣지와 하강엣지의 기울기를 눕혀서 출력할 수 있다.
제3 저항(271)은 일단이 반전기(260)의 출력단과 연결되는 것일 수 있다. 제3 저항(271)은 가변저항으로 이뤄지는 것일 수 있다. 제3 저항(271)은 사용자의 조작에 따라 제3 저항(271)의 저항값을 변경하기 위한 제2 조작수단(303)과 물리적으로 연결될 수 있다. 제3 저항(271)의 저항값은 제2 조작수단(303)에 대한 사용자의 조작에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어 사용자가 제2 조작수단(303)을 제1 방향으로 회전시키는 것에 대응하여 제3 저항(271)의 저항값이 증가할 수 있으며, 사용자가 제2 조작수단(303)을 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 회전시키는 것에 대응하여 제3 저항(271)의 저항값이 감소할 수 있다.
제3 커패시터(273)는 일단이 제3 저항(271)의 타단과 연결되고 타단이 접지되는 것일 수 있다.
제2 딜레이부(270)는 제1 딜레이부(250)와는 다른 시정수에 따른 제2 스위치(280)의 개폐 조건을 제공하기 위한 구성이며, 경우에 따라 생략될 수 있다. 제2 딜레이부(270)가 생략되는 경우 제2 스위치(280)에는 반전기(260)의 출력이 입력될 수 있다.
제2 스위치(280)는 반전기(260)의 출력에 따라 제1 스위치(210)가 온 동작한 시점에서 기설정된 지연시간 이후에 온 동작하며 제1 커패시터(230)가 방전되도록 할 수 있다. 이에 따라, 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00033
)이 기준전압(
Figure pat00034
)보다 작아져 비교기(240)에서 제1 스위치(210)를 오프 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압을 출력하도록 한다.
제2 스위치(280)는 소스단이 접지되고 게이트단이 제1 저항(220)의 타단 및 제1 커패시터(230)의 일단과 연결되며 게이트단으로 반전기(260)에서 출력되는 전압을 입력받는 NMOS로 이루어지는 것일 수 있다.
반전기(260)와 제2 스위치(280)사이에 제2 딜레이부(270)가 더 구비되는 경우, 제2 스위치(280)는 게이트단으로 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압을 입력받아 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00035
)에 따라 온오프 동작할 수 있다.
제2 스위치(280)는 게이트단으로 기설정된 문턱전압값 이상의 전압값을 가지는 전압이 입력되면 온 동작하며 제1 저항(220)의 타단 및 제1 커패시터(230)의 일단과 접지를 연결하여 제1 커패시터(230)가 방전되도록 할 수 있다. 제2 스위치(280)는 게이트단으로 기설정된 문턱전압값보다 작은 전압값을 가지는 전압이 입력되면 오프 동작하며 제1 저항(220)의 타단 및 제1 커패시터(230)의 일단과 접지의 연결을 차단하고 제1 커패시터(230)가 전원부(1120)의 전원을 공급받아 충전되도록 할 수 있다.
즉, 제2 스위치(280)는 비교전압(
Figure pat00036
)을 지연 및 반전시킴에 따른 전압값에 따라 온오프 동작하며 제1 커패시터(230)가 충방전 되도록 하는 것일 수 있다.
이에 따라 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00037
)은 기설정된 주기에 따라 기준전압(
Figure pat00038
)보다 커지고 작아지는 것을 반복하고, 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00039
)과 기준전압(
Figure pat00040
)을 비교한 결과에 의해 제1 스위치(210)가 온오프 동작하며 기설정된 주기에 따라 부하(120)에 전원이 공급되도록 한다.
사용자는 제2 저항(251)의 저항값 또는 제3 저항(271)의 저항값을 변경하며 제1 커패시터(230)의 충방전 주기와, 제1 커패시터(230)의 충방전 주기에 따른 제1 스위치(210)의 온오프 스위칭 주기를 조절할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 부하 연결 제어부(200)의 동작을 더 구체적으로 설명해보도록 한다.
전원부(110)에서 공급되는 전압(
Figure pat00041
)이 입력되기 시작하면 제1 커패시터에 걸리는 전압(
Figure pat00042
)이 기준전압(
Figure pat00043
)을 초과하기 전까지 비교기(240)에서 출력되는 비교전압(
Figure pat00044
)은 기설정된 하이레벨 전압값까지 증가한다.
그리고, 비교기(240)는 제1 커패시터에 걸리는 전압(
Figure pat00045
)이 기준전압(
Figure pat00046
)을 초과하기 시작한 시점(t1, t7, t13)부터 로우레벨 전압값을 가지는 비교전압을 출력하기 시작하고, 제1 스위치(210)가 온 동작하며 부하(120)에 기설정된 하이레벨의 전압값을 가지는 전압(
Figure pat00047
)이 공급된다.
제1 딜레이부(250)는 비교기(240)의 비교전압(
Figure pat00048
)이 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값으로 변경된 시점(t1, t7, t13)부터 비교전압(
Figure pat00049
)이 로우레벨 전압값에서 하이레벨 전압값으로 변경되는 시점(t4, t10)까지 출력 전압(
Figure pat00050
)의 전압값이 기설정된 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값이 될 때까지 시간에 따라 감소시켜 출력한다.
반전기(260)는 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00051
)의 전압값이 기설정된 제1 임계값보다 작아진 시점(t2, t8, t14)부터 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 전압(
Figure pat00052
)을 출력한다.
제2 딜레이부(270)는 반전기(260)에서 출력되는 전압(
Figure pat00053
)의 전압값이 로우레벨 전압값에서 하이레벨 전압값으로 변경되는 시점(t2, t8, t14)부터 반전기(260)의 전압()의 전압값이 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값으로 변경되는 시점(t5, t11)이전까지 전압값이 기설정된 로우레벨 전압값에서 하이레벨 전압값까지 시간에 따라 증가하는 전압(
Figure pat00055
)을 출력한다.
제2 스위치(280)는 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00056
)의 전압값이 증가하기 시작한 시점(t2, t8, t14) 이후 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00057
)의 전압값이 기설정된 문턱전압을 초과하는 시점(t3, t9, t15)부터 온 동작한다.
이때, 제1 커패시터(230)는 제2 스위치(280)의 온 동작에 의해 일단이 접지와 연결되며 방전을 시작한다. 즉, 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00058
)은 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00059
)의 전압값이 기설정된 문턱전압을 초과하는 시점(t3, t9, t15)부터 점차 감소한다.
비교기(240)는 제1 커패시터(230)의 방전에 의해 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00060
)이 기준전압(
Figure pat00061
)보다 작아진 시점(t4, t10)부터 하이레벨 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00062
)을 출력하고, 이때, 제1 스위치(210)는 오프 동작하게 된다.
제1 딜레이부(250)는 비교전압(
Figure pat00063
)이 로우레벨 전압값에서 하이레벨 전압값으로 변경된 시점(t4, t10)부터 비교전압(
Figure pat00064
)이 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값으로 변경되는 시점(t7, t13)까지 전압값이 로우레벨 전압값에서 하이레벨 전압값이 될 때까지 시간에 따라 증가하는 전압(
Figure pat00065
)을 출력한다.
반전기(260)는 제1 딜레이부(250)에서 출력되는 전압(
Figure pat00066
)의 전압값이 기설정된 제1 임계값보다 작아진 시점(t2, t8, t14) 이후 기설정된 제2 임계값보다 커진 시점(t5, t11)부터 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 전압(
Figure pat00067
)을 출력한다.
제2 딜레이부(270)는 반전기(260)의 전압(
Figure pat00068
)이 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값으로 변경되는 시점(t5, t11)부터 기설정된 하이레벨 전압값에서 로우레벨 전압값이 될 때까지 시간에 따라 감소하는 전압(
Figure pat00069
)을 출력한다.
제2 스위치(280)는 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00070
)이 기설정된 문턱전압값보다 커진 시점(t3, t9)부터 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00071
)이 기설정된 문턱전압값보다 이하가 되는 시점(t6, t12)까지는 온 동작하고, 제2 딜레이부(270)에서 출력되는 전압(
Figure pat00072
)의 전압값이 기설정된 문턱전압값보다 작아진 시점(t6, t12)부터 오프 동작한다.
제1 커패시터(230)의 일단은 제2 스위치(280)의 오프 동작에 의해 접지와의 연결이 끊어지고 제1 저항(220)과 연결되어 제1 저항(220)을 통해 전원부(110)의 전원을 공급받아 충전된다.
제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00073
)은 제2 스위치(280)가 오프 동작을 시작한 시점(t6, t12)부터 시간에 따라 점차 증가한다.
비교기(240)는 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00074
)의 전압이 기준전압(
Figure pat00075
)보다 작아진 시점(t4, t10)부터 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00076
)을 출력하다가, 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00077
)의 전압이 기준전압(
Figure pat00078
)보다 작아진 시점(t4, t10) 이후 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00079
)이 기준전압(
Figure pat00080
)이상이 된 시점(t7, t13)부터 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 비교전압(
Figure pat00081
)을 출력할 수 있다.
제1 스위치(210)는 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00082
)이 기준전압(
Figure pat00083
)보다 작아진 시점(t4, t10)부터 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00084
)이 기준전압(
Figure pat00085
)보다 커진 시점(t7, t13)이전까지 오프 동작하며 부하(120)로의 전원 공급을 차단하고, 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00086
)이 기준전압(
Figure pat00087
)보다 작아진 시점(t4, t10) 이후에 제1 커패시터(230)의 전압(
Figure pat00088
)이 기준전압(
Figure pat00089
)보다 커진 시점(t7, t13)부터 온 동작하며 부하(120)로 전원부(110)의 전원을 공급할 수 있다.
즉, 제1 커패시터(220)가 충전되며 비교기(240)에서 제1 스위치(210)를 온 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압이 출력되어 제1 스위치(210)가 온 동작하고, 비교전압을 지연 및 반전시킴에 따른 전압의 전압값에 의해 제1 커패시터(220)가 방전되며 비교기(240)에서 제1 스위치(210)를 오프 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압이 출력되어 제1 스위치(210)가 오프 동작하고, 제1 스위치(210)가 오프 동작한 이후 비교전압을 지연 및 반전시킴에 따른 전압의 전압값에 의해 제1 커패시터(220)가 다시 충전되며 기설정된 주기에 따라 제1 스위치(210)가 온오프 동작하며 부하(120)에 간헐적으로 전원을 공급할 수 있다.
상기한 구성에 따라 에너지 하베스팅 소자(111)에서 발생된 전력이 부하(120)를 점등할 전압에 못 미치는 환경에서도 에너지 하베스팅 기반으로 부하(120)를 점등할 수 있다.
예를 들어, 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병(10)은 에너지 하베스팅 소자로 광전지를 포함하고, 터널과 같이 실내 조명 외의 광원이 없는 환경에서 별도로 전력선 설치없이 광전지에서 발생되는 전기 에너지로 점등될 수 있다.
이에 따라, 도로병 점등을 위한 전력선을 별도로 설치하지 않아도 되므로, 설치 및 유지가 비교전 간편하며, 전기 사용을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병
110 : 전원부
111 : 에너지 하베스팅 소자
113 : 배터리
120 : 부하
140 : 배터리 연결 제어부
150 : 전원 스위치
200 : 부하 연결 제어부
210 : 제1 스위치
220 : 제1 저항
230 : 제1 커패시터
240 : 비교기
250 : 제1 딜레이부
251 : 제2 저항
253 : 제2 커패시터
260 : 반전지
270 : 제2 딜레이부
271 : 제3 저항
273 : 제3 커패시터
280 : 제2 스위치
301 : 제1 조작수단
303 : 제2 조작수단

Claims (6)

  1. 에너지 하베스팅 소자, 상기 에너지 하베스팅 소자와 병렬 연결된 배터리를 포함하여 전원을 제공하는 전원부;
    상기 전원부로부터 전원을 공급받아 점등하는 부하;
    상기 배터리의 출력 전압에 기초하여 상기 전원부의 전원 공급 여부를 제어하기 위한 제어전압을 출력하는 배터리 연결 제어부;
    상기 제어전압에 따라 온오프 동작하며 상기 전원부의 전원 공급 여부를 결정하는 전원 스위치; 및
    상기 전원 스위치의 온 동작시 상기 전원부에서 전원을 공급받아 기설정된 주기에 따라 상기 전원부와 상기 부하를 연결 또는 차단하며, 기설정된 주기에 따라 축적된 전압이 간헐적으로 상기 부하에 제공되도록 하는 부하 연결 제어부;를 포함하는 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하 연결 제어부는
    온오프 동작에 따라 상기 전원부와 상기 부하를 연결하거나 차단하는 제1 스위치와,
    상기 전원부에서 전원을 공급받아 충전되는 제1 커패시터와,
    상기 제1 커패시터의 전압과 기설정된 기준전압을 비교하여 상기 제1 커패시터의 전압이 상기 기준전압 이상이면 상기 제1 스위치를 온 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압을 출력하는 비교기와,
    상기 비교전압의 상승에지 또는 하강에지의 기울기를 조정하여 출력하는 제1 딜레이부와,
    상기 제1 딜레이부에서 출력되는 전압을 반전시켜 출력하는 반전기와,
    상기 반전기의 출력에 따라 상기 제1 스위치가 온 동작한 시점에서 기설정된 지연시간 이후에 온 동작하며 상기 제1 커패시터가 방전되도록 함으로써 상기 제1 커패시터의 전압이 상기 기준전압 보다 작아져 상기 비교기에서 상기 제1 스위치를 오프 동작시키기 위한 전압값을 가지는 비교전압을 출력하도록 하는 제2 스위치를 포함하는 것
    인 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비교기는
    상기 제1 커패시터의 전압이 상기 기준전압을 초과하면 상기 제1 스위치를 온 동작시키기 위한 기설정된 로우레벨 전압값을 가지는 비교전압을 출력하고,
    상기 제1 커패시터의 전압이 상기 기준전압 이내이면 상기 제1 스위치를 오프 동작시키기 위한 기설정된 하이레벨 전압값을 가지는 비교전압을 출력하는 것
    인 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스위치는
    소스단이 상기 전원 스위치의 타단과 연결되고, 드레인단이 상기 부하와 연결되며, 게이트단으로 상기 비교전압을 입력받는 PMOS로 이루어지는 것
    인 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 스위치는
    소스단이 접지되고 게이트단이 상기 제1 커패시터의 일단과 연결되며 게이트단으로 상기 반전기에서 출력되는 전압을 입력받는 NMOS로 이루어지는 것
    인 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 연결 제어부는
    상기 배터리의 출력 전압을 분배함에 따른 전압의 전압값이 기설정된 임계값 미만이면 상기 전원 스위치를 오프 동작시키기 위해 기설정된 전압값을 가지는 제어전압을 출력하고,
    상기 전원 스위치는
    오프 동작시 상기 전원부와 상기 부하 연결 제어부를 차단하며 상기 전원부의 전원 공급을 차단하는 것
    인 에너지 하베스팅 기반의 하이브리드 도로표지 병.






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