WO2017057925A1 - 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법 - Google Patents

전력 분배 회로 및 전력 분배 방법 Download PDF

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구재회
이호영
이기찬
윤병석
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서울엘이디(주)
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    • H05B45/37—Converter circuits
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Definitions

  • the present invention relates to a power distribution circuit and a power distribution method, and more particularly, to a power distribution circuit and a power distribution method for supplying constant power to a load stage by using a capacitor component.
  • the background art described below is technical information possessed by the inventors for the derivation of the present invention or acquired in the derivation process of the present invention, and is not necessarily a publicly known technique disclosed to the general public before the application of the present invention.
  • LEDs Light emitting diodes
  • LEDs are semiconductor devices that generate light by flowing a current through a PN junction in a forward direction. LEDs are attracting attention as next-generation lighting devices because of their high efficiency, long lifespan, low power consumption, and low maintenance and repair costs.
  • high-power lighting such as search lamps and display boards used for lighting of indoor and outdoor stadiums such as floor lamps, ski resorts, golf courses, etc.
  • Various devices are being developed.
  • the performance of the LED device is improving very rapidly, but the LED converter (Control) which controls the power supply to the LED device has not yet developed significantly.
  • the life expectancy of LED devices is about 100,000 hours, but in the case of LED lighting in the field, it is often encountered that is much shorter than the life expectancy.
  • SMPS switch mode power supply
  • SMPS has a problem in that the circuit configuration is complicated and the manufacturing cost rises.
  • the SMPS life is relatively short compared to the LED life, and there is an inconvenience in that the SMPS needs to be replaced in the middle of using the LED light.
  • SMPS is particularly inefficient in high power situations of 80 watts (W) or more when used in LED lighting devices due to its constant voltage method.
  • High power LED lighting devices such as floodlights, searchlights and electronic signs are usually 80 watts. It has an output corresponding to (W) to 200 watts (W), there is a problem that can not achieve sufficient efficiency when SMPS is used in such a high-power LED lighting device.
  • the present invention has been made to solve the above problems, to provide a power distribution circuit and a power distribution method that can supply a constant power to the load stage.
  • an object of the present invention is to provide a power distribution circuit and a power distribution method capable of flowing a constant current to a load stage.
  • the present invention provides a power distribution circuit as a power distribution circuit, wherein the power distribution circuit distributes power by using one or more capacitors between a power input terminal and a power output terminal. do.
  • the present invention provides a power distribution circuit, wherein the voltage distribution circuit distributes power by using a plurality of capacitors between a power input terminal and a power output terminal.
  • the transformer and output level control unit provides a power distribution circuit, characterized in that (consisting of) one or more capacitors.
  • the plurality of capacitors provide a power distribution circuit, characterized in that connected to each other in parallel.
  • a connection of one end of the plurality of capacitors connected in parallel to each other provides a power distribution circuit, characterized in that connected by a slide switch.
  • the capacitance of the plurality of capacitors connected in parallel to each other provides a power distribution circuit, characterized in that by changing the movement of the slide switch.
  • the power distribution circuit provides a power distribution circuit, characterized in that used for AC power distribution.
  • the power distribution circuit provides a power distribution circuit, characterized in that used in the power supply of the light emitting diode.
  • the power distribution circuit provides a power distribution circuit, characterized in that used in the power supply of the high output light emitting diode of 80 watts (W) or more.
  • the present invention is a power input unit for commercial power input; A power output unit for supplying power to the load stage; And a transformer and an output level controller positioned between the power input unit and the power output unit, wherein the transformer and output level controller are configured as elements of a capacitor component.
  • a power distribution circuit characterized in that no capacitor is interposed between the rectifier circuit portion and the transformer and output level control portion.
  • the transformer and the output level control unit is composed of a plurality of capacitors, the plurality of capacitors provide a power distribution circuit, characterized in that connected in parallel to each other.
  • a connection of one end of the plurality of capacitors connected in parallel to each other is provided by a slide switch.
  • the capacitance of the plurality of capacitors connected in parallel to each other provides a power distribution circuit, characterized in that by changing the movement of the slide switch.
  • the apparatus may further include a surge filter unit configured to remove a surge of power input from the power input unit between the power input unit and the transformer and output level adjuster.
  • a surge filter unit configured to remove a surge of power input from the power input unit between the power input unit and the transformer and output level adjuster.
  • the surge filter unit may further include a fuse; It provides a power distribution circuit, characterized in that it comprises a varistor (varister).
  • the power distribution circuit may further include a rectifier circuit between the transformer and output level controller and the power output unit.
  • the power distribution circuit may further include a DC power supply unit between the rectifier circuit unit and the power output unit.
  • the DC power supply may further include a coil configured to remove a ripple of a current output from the rectifier circuit; It provides a power distribution circuit comprising a; a smoothing capacitor for smoothing the current output by the rectifier circuit.
  • the present invention is a first AC input terminal; A second AC input terminal; A fuse having one end connected to the first AC input terminal; A varistor having one end connected to the other end of the fuse and the other end connected to the second AC input end; At least one capacitor connected to the other end of the fuse and connected to the slide switch at the other end; A rectifying circuit unit having one input terminal connected to the other end of the capacitor and the other input terminal connected to the second AC input terminal; A coil having one input terminal connected to one output terminal of the rectifier circuit unit and another input terminal connected to the other output terminal of the rectifier circuit unit; A smoothing capacitor having one end connected to one output terminal of the coil and the other end connected to the other output terminal of the coil; A first DC output terminal connected to one output terminal of the coil; And a second DC output terminal connected to the other output terminal of the coil.
  • the present invention comprises the steps of inputting AC power;
  • the AC power is distributed to a rectifying circuit part by power distribution by a transformer and an output level adjusting part consisting of a capacitor component;
  • It provides a power distribution method characterized in that it comprises a; converting the full-wave alternating current output by the rectifier circuit unit to a direct current through a filter and a smoothing capacitor.
  • the transformer and output level controller are connected in series with the front end of the rectifier circuit, and the transformer and output level controller And a capacitor connected in parallel with the rectifier circuit unit is disposed between the rectifier circuit unit and the rectifier circuit unit.
  • the power applied to the rectifier circuit is adjusted by changing the capacitance of the transformer and output level controller.
  • a power distribution method is provided.
  • the change of the capacitance of the transformer and the output level adjusting unit provides a power distribution method characterized in that the change through the movement of the slide switch provided at one end of the transformer and output level adjusting unit.
  • the AC power passing through the surge filter unit provides a power distribution method characterized in that it further comprises.
  • the surge filter unit provides a power distribution method characterized in that it comprises a; varistor.
  • the power distribution method provides a power distribution method characterized in that it is used at the time of power supply required for the light emitting diode.
  • the power distribution method provides a power distribution method, characterized in that used in the power supply of the high output light emitting diode of 80 watts (W) or more.
  • the conventional SMPS has a shorter lifespan than the light emitting diode, and thus should be frequently replaced, but the power distribution circuit according to the preferred embodiment of the present invention does not need to replace a product since the lifespan is extended as long as the light emitting diode. Therefore, the replacement cost is also reduced.
  • the IC-free design improves the low temperature response.
  • FIG. 1 is a view showing a state of a conventional LED power control device used.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an equivalent circuit in consideration of the voltage regulating part in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view illustrating the circuit of FIG. 2 in a simpler manner.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the circuit of FIG. 3 is converted into a Laplace equivalent circuit.
  • FIG. 5 is a view showing the output characteristics of the conventional LED power supply control device according to the change in the size of the load stage mounted with the LED.
  • FIG. 6 shows how the output characteristics of the conventional LED power supply control device are changed while changing the capacitance of the capacitor of the voltage charging unit to the capacitance of the capacitor of the voltage adjusting unit while maintaining the size of the load stage on which the LED is mounted. It is a figure which shows the result of an experiment.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating each block of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention applied to a light emitting diode circuit.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic view of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a conversion of a power distribution circuit to a Laplace circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the output characteristics of the power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention according to the change in the size of the load stage.
  • FIG. 12 is a view showing experimentally a change in power supplied to a load stage according to a change in capacitance of a transformer and an output level controller in a power distribution circuit and a power distribution method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a circuit diagram of a power distribution circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram briefly summarizing a power distribution circuit according to another embodiment of the present invention in terms of power transmission.
  • 15 is a view showing a state of the Laplace conversion circuit of the power distribution circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing the performance of the power distribution circuit of the present invention and the SMPS.
  • FIG. 1 is a view showing a state of a conventional LED power control device used.
  • the reason for describing the conventional LED power supply control device in the detailed description for carrying out the invention is that the difference between the power distribution circuit and the power distribution method according to the preferred embodiment of the present invention is different from the conventional LED power supply control device.
  • Conventionally used light emitting diode power control device is an alternating current (AC) filter unit (1), the voltage adjusting unit (2). And a voltage charging section 3, an AC / DC conversion section 4, a current regulating section 5, and a smoothing section 6, respectively.
  • AC alternating current
  • the AC filter unit 1 serves to prevent an overvoltage occurring instantaneously from an applied AC current, and the voltage adjusting unit 2 supplies a power supply voltage for operating the LED. It plays a role of generating.
  • the voltage charging unit 3 controls an appropriate turn-on voltage of the voltage applied by the voltage adjusting unit 2 and bypasses the high voltage to prevent abnormal operation due to the initial low voltage ( This will be described later), and the AC / DC converter 4 is composed of a bridge rectifier circuit composed of a rectifying diode to convert an applied AC current into a DC current. .
  • the current adjusting unit 5 adjusts the DC current applied from the AC / DC converter 4 to a current suitable for driving the light emitting diode, and the smoothing unit 6 serves to absorb ripple. do.
  • the most important part of controlling the magnitude of the voltage applied to the light emitting diode in the conventional LED power controller is a voltage regulator (2) consisting of a capacitor and a resistor.
  • the conventional LED power controller has a voltage connected in parallel with the AC / DC converter 4 between the voltage regulator 2 and the AC / DC converter 4 connected in series. It is necessary to provide the charging unit 3, which is to provide a power circuit that prevents the semi-phenomena of weak light coming in even low voltage when used in a low-power LED bulb of less than 10 watts (W).
  • an RC power circuit including the voltage adjusting unit 2 and the voltage charging unit 3 is configured to convert the voltage of AC supplied from the power supply into the voltage adjusting unit ( 2) is fine-tuned to meet the appropriate load capacity of the LED bulb, and the voltage charging unit (3) charges the fine-adjusted low voltage AC through the capacitor (C3) and bypass the high voltage above the appropriate voltage.
  • the conventional LED power supply control apparatus of FIG. 1 can be changed into a simple symmetrical circuit centering on the voltage adjusting unit 2 as described below.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an equivalent circuit in consideration of the voltage regulating portion of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the circuit of FIG.
  • the fuse Fuse1 is substantially devoid of voltage, and since the varistor VR1 and the surge absorber SA1 are connected in parallel to the input terminal, the input voltage is applied to the voltage regulator 2 as it is. Can be.
  • the rear end including the AC / DC converter 4 can be simply expressed as a Thevenin load (RTh). Therefore, the circuit of FIG. 1 can be converted into the equivalent circuit of FIG.
  • FIG. 2 since the two capacitors C1 and C2 of the voltage adjusting unit 2 are connected in parallel, it can be arranged as one equivalent capacitor Cx.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the circuit of FIG. 3 is converted into a Laplace equivalent circuit.
  • the voltage regulator 2 may be considered as one impedance component Z1 in which two resistance components 1 / (S? Cx) and R1 are connected in parallel, and the voltage charger 3 is also used. It can be considered as one impedance component Z2 in which the impedance component 1 / (S? C3) and the resistance component of R3 are connected in parallel.
  • Vo is a voltage applied to the input terminal of RTh, which is a Thevenin equivalent resistance, and can be referred to as a voltage applied finally to the LED circuit. Referring to the circuit of FIG. The output characteristics of can be summarized as follows.
  • the impedance component Z2 can also be expressed as follows.
  • Equation 4 Equation 4 below.
  • Io the current flowing below the RTh.
  • Vo increases in value as shown below.
  • Equation 6 The important thing to note in Equation 6 is that there are three RTh terms in Io's denominator. In addition, when the denominator is developed, since the RTh term is five, it can be seen that the Io of the conventional LED power supply control device is greatly affected by the load.
  • the current value decreases more quickly than the increase in the voltage value flowing to the load. Decreases.
  • the light emitting diode is a current driving device, and since the value of the current flowing in the load stage changes very much, it adversely affects the life of the light emitting diode.
  • FIG. 5 is a view showing the output characteristics of the conventional LED power supply control device according to the change in the size of the load stage mounted with the LED.
  • the LED load is changed while the capacitance of the two capacitors connected in parallel of the voltage regulator 2 and the capacitance of the capacitor of the voltage charger 3 are the same.
  • W 1.4 watts
  • FIG. 6 shows how the output characteristics of the conventional LED power supply control device are changed while changing the capacitance of the capacitor of the voltage charging unit to the capacitance of the capacitor of the voltage adjusting unit while maintaining the size of the load stage on which the LED is mounted. It is a figure which shows the result of an experiment.
  • the capacitor of the voltage charging unit 3 charges a low voltage AC current applied from the voltage adjusting unit 2 and serves to adjust an appropriate turn-on voltage according to its charging capacity. If the capacity is increased to perform the function, it may be confirmed that there is a problem in that it does not supply enough power to the load stage, and thus does not properly perform the role of a power control device for supplying power to the light emitting diode.
  • the capacitor C3 of the voltage charging unit 3 charging the alternating current applied from the voltage adjusting unit 2 in order to prevent the semi-phenomena of weak light coming from the LED bulb even at low voltage.
  • This capacitor (C3) controls the proper turn-on voltage according to its charge capacity to suppress abnormal operation due to the initial low voltage, but at the same time the capacitor (C1, C2) And a change in the amount of power applied to the load stage including the AD / DC converter 4 according to the distribution ratio according to the charging capacity of the capacitor C3, resulting in a problem that the output efficiency of the load stage is lowered.
  • the conventional light emitting diode power supply control device is a constant voltage (CV) type power supply device that is applicable only to a low power LED product having a low output of less than 20 Watts (W), for example, in a constant current (CC) manner.
  • CV constant voltage
  • CC constant current
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating each block of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention applied to a light emitting diode circuit.
  • the AC power input unit 110 the surge filter unit 120, the transformer and output level control unit 130, the rectifier circuit unit 140, and a DC power source. It may be configured to include a supply unit 150.
  • the light emitting diode (LED) light emitting unit 160 may be connected to an output terminal of the DC power supply unit 150.
  • the AC power input unit 110 of the power distribution circuit is a part that is connected to an AC power source and serves to receive a used power
  • the surge filter unit 120 is a transient generated from a power line. It can serve to protect the circuit of the subsequent stage from the surge voltage which is the voltage.
  • the transformer and output level controller 130 distributes the input AC power to a power suitable for use in subsequent load stages, and the rectifier circuit 140 controls the transformer and output level controller 130. As a preliminary step for converting rough alternating current into direct current, it converts alternating current into full-wave rectified current.
  • a capacitor is not interposed between the transformer and the output level controller 130 and the rectifier circuit 140 of the power distribution circuit according to the preferred embodiment of the present invention, and the transformer and output level controller 130 is composed of a capacitor ( consisting of) distributes the power input from the power input stage and delivers it to the power output stage.
  • the DC power supply unit 150 removes the AC ripple of the full-wave rectified current and performs the smoothing operation of the DC by using the smoothing capacitor, and the LED emitting unit 160 is a final part composed of LED elements. It can serve to supply power to the bottom.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the AC power input unit 110 is composed of terminals that can be connected to a commercial power supply terminal
  • the surge filter unit 120 is a fuse and a varistor (TNR) You can see that it is configured.
  • the fuse of the surge filter unit 120 is open when a transient voltage of a predetermined voltage or more is introduced to serve to protect the circuit at the rear end, and the varistor may also serve to protect the circuit at the rear end by being conducted when the voltage is higher than the predetermined voltage. .
  • the transformer and output level adjusting unit 130 plays the most important role in the power distribution circuit according to the preferred embodiment of the present invention, and may be configured with one or more capacitors, and when configured with a plurality of capacitors in parallel with each other. Can be connected. Then, one end of the transformer and output level adjusting unit 130 may be connected to a slide switch.
  • the transformation and output level adjusting unit 130 of the power distribution circuit may change the capacitance of the capacitor using such a slide switch.
  • the amount of power supplied to the load stage can be changed by changing the capacitance.
  • the rectifier circuit 140 connected to the rear end of the transformer and output level controller 130 has four diodes connected in a bridge shape to rectify both + and ⁇ of the AC output from the transformer and the output level controller 130.
  • the DC power supply unit 150 may be composed of a coil and a smoothing capacitor to remove the AC component of the current output from the rectifier circuit unit 140 and to stabilize the DC component supplied. Can be. Finally, the DC power supply passing through the smoothing capacitor is applied to the load terminal including the light emitting diode through a terminal called the light emitting diode light emitting unit 160.
  • FIG. 9 is a schematic view of a power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the most important part of the power distribution circuit according to the preferred embodiment of the present invention is the transformer and output level adjusting unit 130, and the entire circuit is the equivalent capacitor element Ceq and the load stage provided between the power input terminal and the power output terminal as shown in FIG. Can be simply summarized as RTh.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a conversion of a power distribution circuit to a Laplace circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the power distribution circuit and the power distribution method according to the preferred embodiment of the present invention even if the value of the load stage including the light emitting diode is changed, the value of the voltage Vo and the current I supplied to the load stage This does not change significantly.
  • the denominator of Io of the conventional LED power controller described above has five RTh terms, which greatly affects the value of Io in the size of the load stage.
  • the power distribution circuit and the power distribution method according to the preferred embodiment of the present invention are not significantly affected by the change of the load including the light emitting diode, and there is an effect of supplying constant power to the load stage.
  • FIG. 11 is a view showing the output characteristics of the power distribution circuit according to a preferred embodiment of the present invention according to the change in the size of the load stage.
  • the power distribution circuit according to the preferred embodiment of the present invention does not react sensitively to the change in the capacity of the load stage including the light emitting diode, and it can be seen that a constant output is supplied to the load stage. That is, there is an effect of minimizing the change in the output that can have a decisive influence on the lifespan of the light emitting diode.
  • a separate capacitor is interposed between the transformer stage and the load stages 140, 150, and 160 including the rectifier circuit 140.
  • FIG. 6 which shows the output characteristics of the conventional light emission control apparatus
  • the case where C3 / C is 0 corresponds to the output characteristic of the power distribution circuit of the present invention. You can see that there is a significant difference with the performance of.
  • the power distribution circuit of the present invention When the power distribution circuit of the present invention is used in high-power LED lighting devices of 80 watts or more, such as floodlights, searchlights, and electronic signs, 'semi-light phenomena of weak light even at low voltage' may occur in the existing low-power emission control device. Since it is not necessary to consider, the high efficiency can be achieved by not interposing a capacitor connected in parallel with the rectifying circuit unit 140 between the output level adjusting unit 130 and the rectifying circuit unit 140.
  • FIG. 12 is a view showing experimentally a change in power supplied to a load stage according to a change in capacitance of a transformer and an output level controller in a power distribution circuit and a power distribution method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the amount of power supplied to the load may be adjusted according to the change in the capacitance of the transformer and the output level controller 130.
  • FIG. 13 is a circuit diagram of a power distribution circuit according to another embodiment of the present invention.
  • an additional capacitor may be separately provided between the surge filter unit 120 and the transformer and output level control unit 130.
  • the additional capacitor may be referred to as a surge protection capacitor 300 and may serve to remove a surge of a power input from a commercial power source such as a fuse or a varistor of the surge filter unit 120.
  • FIG. 14 is a diagram briefly summarizing a power distribution circuit according to another embodiment of the present invention in terms of power transmission.
  • Ct representing the transformer and output level controller 130 as one capacitor component, C4, a surge protection capacitor, and an equivalent resistance including a light emitting diode may be collectively expressed as RTh. have.
  • Such a circuit can be rearranged into a Laplace conversion circuit as shown in FIG.
  • 15 is a view showing a state of the Laplace conversion circuit of the power distribution circuit according to another embodiment of the present invention.
  • the power distribution circuit and the power distribution method according to another embodiment of the present invention also have a stable power supply effect while minimizing the power change even when the load is changed.
  • FIG. 16 is a diagram showing the performance of the power distribution circuit of the present invention and the SMPS.

Landscapes

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)

Abstract

본 발명은 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 관한 것으로, 커패시터 성분으로 이루어진 변압 및 출력 레벨 조절부에 의하여 부하단의 크기 변화에도 안정적으로 일정한 전력을 공급할 수 있는 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 관한 것이다. 전력 분배 회로는 전력 입력단과 전력 출력단 사이의 복수의 커패시터들을 이용하여 전력을 분배하고, 변압 및 출력 레벨 조절부는 하나 이상의 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 분배 회로 및 전력 분배 방법
본 발명은 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 커패시터(capacitor) 성분을 이용하여 정전력을 부하단에 공급하는 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 관한 것이다.
이하 서술하는 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)는 PN 접합에 순방향으로 전류를 흐르게 하여 빛을 발생시키는 반도체 소자이다. LED 는 빛에너지로 변환하는 효율이 높고, 긴 수명을 가지며, 소비 전력이 적고, 유지 및 보수 비용을 크게 절감할 수 있어 차세대 조명용 소자로 주목 받고 있다.
특히, 4m 이상으로 층고가 높은 공장, 물류창고, 박람회장과 같은 대규모 실내 건축물의 조명으로 사용되는 투광등(flood lamp), 스키장, 골프장 등 실내외 경기장의 조명으로 사용되는 써치라이트 및 전광판과 같은 고출력 조명장치가 다양하게 개발되고 있다.
하지만, LED 소자의 성능은 매우 빠르게 향상되고 있는 반면 LED 소자로의 전원 공급을 제어하는 LED 컨버터(Converter)의 경우 아직 크게 발전하지 못하고 있는 실정이다. LED 소자의 경우 기대수명이 약 100,000 시간 정도이지만 실제 현장에 적용된 LED 조명의 경우에는 기대 수명에 훨씬 못 미치는 경우를 흔히 접할 수 있다.
이는 대부분 단순 정전압(Constant Voltage) 방식의 컨버터를 사용해서 나타나는 현상이며, LED를 제어하는 컨버터가 LED 소자의 수명을 유지시키지 못하고 오히려 수명저하와 불량원인을 가중시키고 있는 실정이다.
이는 정전류 방식으로 구동해야 하는 LED 특성을 무시하고 컨버터를 저가형으로 설계하거나 생산비용을 낮추기 위해 정전압 방식을 채택하여 전류 변화와 외부 요인에 대처를 못했기 때문이다.
종래의 LED의 전원 공급 장치중에는 SMPS(Switch mode power supply)를 활용한 컨버터가 있다. SMPS는 외부에서 공급되는 교류 전류를 직류 전류로 전환 시킨 후, 각종 전자기기의 조건에 맞는 전압으로 변환시켜 공급하는 장치이다. SMPS는 입력 전압에 변동이 있더라도 일정한 출력 전압을 전자기기에 공급함으로써 전압 변동에 따른 문제를 방지하는 역할을 한다.
하지만, 이러한 SMPS를 이용하는 경우 SMPS의 성능에 따라 LED의 수명 및 안전성에 큰 편차가 발생한다. 또한, SMPS는 회로 구성이 복잡하고 이로 인하여 제조원가가 상승하는 문제점이 있었다. 또한, LED 수명에 비해 SMPS 수명이 상대적으로 짧아 LED 조명의 사용 중간에 SMPS를 교체해야 하는 등의 불편한 점이 있었다.
나아가, SMPS는 정전압 방식으로 구동되는 특성상 LED 조명장치에 사용될 경우 80와트(W) 이상의 고출력 상황에서 특히 효율이 떨어지는 특징이 있는데, 투광등, 써치라이트 및 전광판과 같은 고출력 LED 조명장치는 보통 80와트(W) 내지 200와트(W)에 상당하는 출력을 가지는바, 이러한 고출력 LED 조명장치에 SMPS가 사용될 경우 충분한 효율을 도모할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 부하단에 일정한 전력을 공급할 수 있는 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법을 제공하고자 한다.
또한, 부하단에 일정한 전류를 흘러 보낼 수 있는 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 전력 분배 회로로서, 상기 전력 분배 회로는 전력 입력단과 전력 출력단 사이의 하나 이상의 커패시터(capacitor)를 이용하여 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 본 발명에서는 전력 분배 회로로서, 상기 전압 분배 회로는 전력 입력단과 전력 출력단 사이의 복수의 커패시터들을 이용하여 전력을 분배하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 하나 이상의 커패시터로 구성되는(consisting of) 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 복수의 커패시터들은 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 서로 병렬로 연결된 상기 복수의 커패시터들의 일단의 접속은 슬라이드 스위치(slide switch)로 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 서로 병렬로 연결되는 상기 복수의 커패시터들의 정전용량은 상기 슬라이드 스위치의 이동을 통하여 변경되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 전력 분배 회로는 교류 전력 분배에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 전력 분배 회로는 발광 다이오드의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 전력 분배 회로는 80와트(W) 이상의 고출력 발광 다이오드의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 본 발명은 상용 전원이 입력되는 전원 입력부; 부하단에 전원을 공급하는 전원 출력부; 상기 전원 입력부와 전원 출력부 사이에 위치하는 변압 및 출력 레벨 조절부;를 포함하며, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 커패시터 성분의 소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 정류 회로부와 상기 변압 및 출력 레벨 조절부 사이에 커패시터가 개재되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 복수의 커패시터들로 이루어지며, 상기 복수의 커패시터들은 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 서로 병렬로 연결되는 상기 복수의 커패시터들의 일단의 접속은 슬라이드 스위치로 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 서로 병렬로 연결되는 상기 복수의 커패시터들의 정전용량은 상기 슬라이드 스위치의 이동을 통하여 변경되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 전원 입력부와 상기 변압 및 출력 레벨 조절부 사이에는 상기 전원 입력부로부터 입력되는 전원의 서지를 제거하는 서지 필터(filter)부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 서지 필터부는 퓨즈(fuse); 바리스터(varister);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부와 상기 전원 출력부 사이에는 정류 회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 정류 회로부와 상기 전원 출력부 사이에는 직류 전원 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 상기 직류 전원 공급부는 상기 정류 회로부가 출력하는 전류의 리플을 제거하는 역할을 수행하는 코일; 상기 정류 회로부가 출력하는 전류를 평활화하기 위한 평활 커패시터;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1 교류 입력단; 제2 교류 입력단; 상기 제1 교류 입력단에 일단이 연결되는 퓨즈; 상기 퓨즈의 타단에 일단이 연결되고, 타단은 상기 제2 교류 입력단에 연결되는 바리스터; 상기 퓨즈의 타단에 일단이 연결되고, 타단은 슬라이드 스위치에 연결되는 하나 이상의 커패시터; 상기 커패시터의 타단에 일 입력단이 연결되고, 상기 제2 교류 입력단에 타 입력단이 연결되는 정류 회로부; 상기 정류 회로부의 일 출력단에 일 입력단이 연결되고, 상기 정류 회로부의 타 출력단에 타 입력단이 연결되는 코일; 상기 코일의 일 출력단에 일단이 연결되고, 상기 코일의 타 출력단에 타단이 연결되는 평활 커패시터; 상기 코일의 일 출력단에 연결되는 제1 직류 출력단; 상기 코일의 타 출력단에 연결되는 제2 직류 출력단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로를 제공한다.
또한, 본 발명은 교류 전원이 입력되는 단계; 상기 교류 전원이 커패시터 성분으로 구성된(consisting of) 변압 및 출력 레벨 조절부에 의하여 전력 분배되어 정류 회로부에 입력되는 단계; 상기 정류 회로부가 입력 교류를 전파 교류로 변환하는 단계; 상기 정류 회로부가 출력한 전파 교류가 필터와 평활 커패시터를 통하여 직류로 변환되는 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 교류 전원이 상기 변압 및 출력 레벨 조절부에 의하여 전압 분배되어 정류 회로부에 입력되는 단계에서, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 상기 정류 회로부 앞단에 직렬로 연결되며, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부와 상기 정류 회로부 사이에 상기 정류 회로부와 병렬로 연결되는 커패시터가 개재되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 교류 전원이 변압 및 출력 레벨 조절부에 의하여 전압 분배되어 정류 회로부에 입력되는 단계에서, 상기 정류 회로부에 인가되는 전력은 상기 변압 및 출력 레벨 조절부의 정전용량의 변경을 통하여 조절되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 변압 및 출력 레벨 조절부의 정전용량의 변경은 상기 변압 및 출력 레벨 조절부의 일단에 구비되는 슬라이드 스위치의 이동을 통하여 변경되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 교류 전원이 입력되는 단계 이후에, 상기 교류 전원이 서지 필터부를 통과하는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 서지 필터부는 퓨즈; 바리스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 전력 분배 방법은 발광 다이오드에 필요한 전원 공급시에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
또한, 상기 전력 분배 방법은 80와트(W) 이상의 고출력 발광 다이오드의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 발광 다이오드를 포함하는 부하단에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다. 즉, 부하단 값의 변화에도 일정한 전력 공급을 유지할 수 있는 전력 공급 회로를 제공할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 발광 다이오드를 포함하는 부하단에 정전류를 공급할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 발광 다이오드를 정전류 방식으로 제어함으로써, 발광 다이오드의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다. 또한, 발광 다이오드를 강제로 정전압 방식으로 구동함으로써 발생되었던 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 부하단의 변화에 강인한 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법을 제공함으로써 외부 환경의 변화에도 부하단에 안정적인 전력을 제공할 수 있으며, 추가적인 손실 없이 부하단에 전력을 공급함으로써 전력 효율을 제고시키는 효과가 있다.
넷째, 발광 다이오드를 정전력 또는 정전류 방식으로 구동시킴으로써, 발광 다이오드의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 발광 다이오드를 정전력 또는 정전류 방식으로 구동시킴으로써, 특히 투광등, 써치라이트 및 전광판과 같은 80와트(W) 이상의 고출력 LED 조명장치에 사용될 경우 충분한 효율을 도모할 수 있는 장점이 있다.
여섯째, 슬라이드 스위치를 이용하여 정전용량을 변화시킴으로써, 다양한 부하단에 적절한 전력을 제공할 수 있는 효과가 있다. 즉, 부하단에 공급되는 정전력의 값을 조절함으로써, 다양한 발광 다이오드 회로에 활용할 수 있는 효과가 있다.
일곱째, 전력 분배 회로를 간단한 수동소자로만 구성함으로써 제조 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
여덟째, 기존의 SMPS는 발광 다이오드보다 수명이 짧아 자주 교체하여야 했으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로는 발광 다이오드만큼 수명이 연장되어 제품을 교체할 필요가 없다. 따라서, 교체 비용 또한 감소되는 효과가 있다.
아홉째, 아이씨 프리(IC-free) 설계로 저온 대응성이 향상되는 효과가 있다.
도면 1도는 기존에 사용되던 발광 다이오드 전원 제어장치의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 2도는 도면 1도에서 전압 조절 부분을 고려하여 보다 간략하게 등가회로로 나타낸 도면이다.
도면 3도는 도면 2도의 회로를 더 간단하게 정리하여 보여주는 도면이다.
도면 4도는 도면 3도의 회로를 라플라스 등가 회로로 변환한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 5도는 발광 다이오드가 실장된 부하단의 크기의 변화에 따른 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성을 보여주는 도면이다.
도면 6도는 발광 다이오드가 실장된 부하단의 크기는 일정하게 유지하면서, 전압조절부의 커패시터의 정전용량 대비 전압충전부의 커패시터의 정전용량을 변화시키면서 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성이 어떻게 변화하는지 실험한 결과치를 보여주는 도면이다.
도면 7도는 발광 다이오드 회로에 적용된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 각 구성을 블럭으로 보여주는 블럭도이다.
도면 8도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 회로도를 보여주는 도면이다.
도면 9도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 간략하게 보여주는 도면이다.
도면 10도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로를 라플라스 회로로 변환하여 보여주는 도면이다.
도면 11도는 부하단의 크기 변화에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 출력 특성을 보여주는 도면이다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에서 변압 및 출력 레벨 조절부의 커패시턴스 용량의 변화에 따라 부하단에 공급되는 전력의 변화를 실험적으로 보여주는 도면이다.
도면 13도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 회로도를 보여주는 도면이다.
도면 14도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로를 전력 전달 측면에서 간단하게 정리하여 보여주는 도면이다.
도면 15도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 라플라스 변환 회로의 모습을 보여주는 도면이다.
도면 16도는 본 발명인 전력 분배 회로와 SMPS의 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면 1도는 기존에 사용되던 발광 다이오드 전원 제어장치의 모습을 보여주는 도면이다.
본 발명의 설명에서 종래 발광 다이오드 전원 제어 장치를 발명의 실시하기 위한 구체적인 내용에 서술하는 이유는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법의 차이점을 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치와의 차이점을 보다 명확히 서술하기 위함이다.
기존에 사용되던 발광 다이오드 전원 제어장치는 교류(AC) 필터부(1), 전압 조절부(2). 전압충전부(3), 교류/직류(AC/DC) 변환부(4), 전류조절부(5), 평활부(6)을 포함하여 구성되어 있다.
기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서 교류 필터부(1)는 인가된 교류 전류에서 순간적으로 발생하는 과전압을 방지하는 역할을 수행하며, 전압조절부(2)는 발광 다이오드가 동작할 수 있는 전원 전압을 발생시키는 역할을 수행한다. 그리고, 전압충전부(3)는 전압조절부(2)에서 인가된 전압의 적절한 턴온(turn-on) 전압을 조절하며 고전압을 바이패스(bypass)함으로써 초기의 저전압으로 인한 이상 동작을 방지하는 역할(이에 관하여는 후술함)을 수행하며, 교류/직류 변환부(4)는 정류용 다이오드(diode)로 구성된 브리지(bridge) 정류회로로 구성되어 인가된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 역할을 수행한다. 또한, 전류조절부(5)는 교류/직류 변환부(4)에서 인가된 직류 전류가 발광 다이오드의 구동에 적합한 전류로 조정하며, 평활부(6)은 리플(ripple)을 흡수하는 역할을 수행한다. 이러한 기존에 사용되던 발광 다이오드 전원 제어장치에서 발광 다이오드에 인가되는 전압의 크기를 조절하는 가장 중요한 역할을 수행하는 부분은 커패시터와 저항으로 구성되는 전압조절부(2)이다.
한편, 도면 1도에 나타나듯이 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치는 직렬로 연결된 전압조절부(2)와 교류/직류 변환부(4) 사이에, 교류/직류 변환부(4)와 병렬로 연결된 전압충전부(3)를 반드시 필요로 하는데, 이는 10와트(W) 이하의 저출력 LED 전구에 사용되는 경우 저전압에서도 약한 불이 들어오는 반불현상을 방지하는 전원회로를 제공하기 위한 것이다. 구체적으로, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서는 반불현상을 방지하기 위해 전압조절부(2)와 전압충전부(3)로 구성되는 RC 전원회로를 구성하여 전원으로부터 공급되는 교류의 전압을 전압조절부(2)가 LED 전구의 적절한 부하용량에 부합할 수 있도록 미세 조정하고, 전압충전부(3)가 커패시터(C3)를 통해 미세 조정된 저전압 교류를 충전하고 적정전압 이상의 고전압을 바이패스하도록 하고 있다.
도면 1도의 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치는 이하에서 설명되는 바와 같이 전압조절부(2)를 중심으로 간단한 대칭회로로 변경이 가능하다.
도면 2도는 도면 1도에서 전압 조절 부분을 고려하여 보다 간략하게 등가회로로 나타낸 도면이며, 도면 3도는 도면 2도의 회로롤 더 간단하게 정리하여 보여주는 도면이다.
도면 1도에서 퓨즈(Fuse1)는 실질적으로 소모하는 전압이 없으며, 바리스터(VR1)와 서지 흡수기(SA1)은 입력단에 병렬로 연결되어 있으므로 입력 전압이 그대로 전압조절부(2)로 인가되는 것으로 볼 수 있다. 그리고, 교류/직류 변환부(4)를 포함하는 뒷 단은 테브냉 부하(RTh)로 간단히 나타낼 수 있다. 따라서, 도면 1도의 회로는 도면 2도의 등가 회로로 변환이 가능하다. 그리고, 도면 2도에서 전압조절부(2)의 두 커패시터(C1, C2)는 병렬로 연결되어 있으므로, 하나의 등가 커패시터인 Cx로 정리할 수 있다.
이하, 이러한 도면 3도의 회로를 기준으로 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성을 살펴보고자 한다.
도면 4도는 도면 3도의 회로를 라플라스 등가 회로로 변환한 모습을 보여주는 도면이다.
도면 3도에서 전압조절부(2)는 1/(S?Cx)와 R1이라는 두 개의 저항 성분이 병렬로 연결되는 하나의 임피던스(impedance) 성분 Z1으로 고려할 수 있으며, 전압충전부(3)도 역시 1/(S?C3)라는 임피던스 성분과 R3의 저항 성분이 병렬로 연결된 하나의 임피던스 성분 Z2로 고려할 수 있다. 그리고, 도면 3도에서 Vo는 테브냉 등가 저항인 RTh에 입력단에 걸리는 전압으로서, 발광 다이오드 회로에 최종적으로 인가되는 전압이라고 할 수 있다.이러한 도면 4도의 회로를 기준으로 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성을 수식으로 확인하면 다음과 같이 정리할 수 있다.
앞서 살펴본 Z1은 아래의 수식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000001
(수식 1)
그리고, 임피던스 성분 Z2도 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000002
(수식 2)
그리고, 테브냉 등가 저항인 RTh의 입력단에 걸리는 전압인 Vo를 전압 분배 공식에 의하여 구하면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000003
(수식3)
그리고, 수식 3을 풀어서 정리하면 다음의 수식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000004
(수식 4)
또한, 위의 수식에서 분자와 분모를 RTh로 나누면 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000005
(수식 5)
여기서 RTh의 아래로 흐르는 전류를 Io라고 하면, Io는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000006
(수식 6)
위의 두 식을 통하여, 우리는 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력단의 특징을 다음과 같이 확인할 수 있다.
위의 식에서 RTh가 증가한다고 고려하면, Vo는 아래의 식과 같이 그 값이 증가하게 된다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000007
또한, RTh가 증가하는 경우, 부하에 흐르는 전류인 Io도 다음과 같이 그 값이 감소하게 된다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000008
수식 6에서 주목해야 할 부분은 Io의 분모식에 RTh 텀이 3개나 있다는 점이다. 그리고, 분모식을 전개하면 RTh 텀이 5개나 되기 때문에, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 Io는 부하의 매우 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다.
다시 정리하면, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치는 발광 다이오드를 포함하는 부하가 증가하면 부하에 흐르는 전압값의 증가보다 전류 값이 더 빨리 감소하게 되므로 결국에는 부하단에 인가되는 전력이 일정하게 유지되지 않고 감소하게 된다.
또한, 앞서 살펴 보았듯이, 발광 다이오드는 전류 구동 소자인데, 부하단에 흐르는 전류의 값이 매우 크게 변화하므로 발광 다이오드의 수명에도 악영향을 주게 된다.
이는 다음의 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 실험 결과를 통해서도 알 수 있다.
도면 5도는 발광 다이오드가 실장된 부하단의 크기의 변화에 따른 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성을 보여주는 도면이다.
기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서 전압조절부(2)의 병렬로 연결된 두 커패시터의 정전용량 값과 전압충전부(3)의 커패시터의 정전용량 값을 동일하게 한 상태에서 발광 다이오드 부하를 변화한 결과 출력은 약 1.4 와트(W)로 매우 낮게 나옴을 확인할 수 있었다.
이는 이미 기판의 부하가 너무 커져서 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서 출력하는 전류의 값이 급속하게 저하되었고 이로 인하여 출력 전력이 저하되어 발광 다이오드를 적절하게 구동할 수 없게 되었음을 실험적으로 보여준다.
도면 6도는 발광 다이오드가 실장된 부하단의 크기는 일정하게 유지하면서, 전압조절부의 커패시터의 정전용량 대비 전압충전부의 커패시터의 정전용량을 변화시키면서 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 출력 특성이 어떻게 변화하는지 실험한 결과치를 보여주는 도면이다.
도면을 통하여 알 수 있듯이, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치는 전압조절부(2)의 커패시터 용량(C=C1+C2) 대비 전압충전부(3)의 커패시터의 용량(C3)이 커질수록 발광 다이오드 소자를 포함하는 부하단에 인가되는 전력의 양이 현저히 감소해가는 것을 알 수 있다.
즉, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서 전압충전부(3)의 커패시터는 전압조절부(2)에서 인가된 저 전압 교류 전류를 충전하고, 그 충전용량에 따라 적절한 턴온 전압을 조절하려는 역할을 수행하였으나, 해당 기능을 수행하기 위하여 용량이 증가하는 경우 부하단에 충분한 전력을 공급하지 못하여, 발광 다이오드로 전원을 공급하는 전원 제어장치의 역할을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 있는 것을 확인할 수 있다.
다시 말해, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치에서는 LED 전구에 대해 저전압에서도 약한 불이 들어오는 반불현상을 방지하기 위해 전압조절부(2)에서 인가된 교류 전류를 충전하는 전압충전부(3)의 커패시터(C3)를 반드시 필요로 하며, 이 커패시터(C3)는 그 충전 용량에 따라 적정한 턴온(turn-on) 전압을 조절하여 초기의 저전압으로 인한 이상 동작을 억제하는 기능을 하지만, 동시에 커패시터(C1, C2)와 커패시터(C3)의 충전 용량에 따른 분배율에 따라 AD/DC 변환부(4)를 포함한 부하단에 인가되는 전력의 양에 변화를 초래하여 부하단의 출력 효율이 저하되는 문제점을 초래한다.
결과적으로, 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치는, 예컨대 20와트(W) 미만의 낮은 저출력의 발광 다이오드 제품에만 적용가능한 CV(Constant Voltage) 방식의 전원 공급 장치로서, 정전류(CC, Constant Current) 방식으로 구동되어야 하는 발광 다이오드의 특성에 제대로 대처하지 못하여 발광 다이오드의 수명을 단축시키고 출력 효율을 저하시키는 한계가 있다.
도면 7도는 발광 다이오드 회로에 적용된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 각 구성을 블럭으로 보여주는 블럭도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로는 교류(AC) 전원 입력부(110), 서지 필터부(120), 변압 및 출력 레벨 조절부(130), 정류 회로부(140), 직류(DC) 전원 공급부(150)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 직류 전원 공급부(150)의 출력단에는 발광 다이오드(LED) 발광부(160)가 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 교류 전원 입력부(110)는 교류 전원단에 연결되어 사용 전원을 입력받는 역할을 수행하는 부분이며, 서지 필터부(120)는 전원라인에서 발생하는 과도전압인 서지 전압으로부터 후단의 회로를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 그리고, 변압 및 출력 레벨 조절부(130)는 입력받는 교류 전력을 이후의 부하단에서 사용하기 적절한 전력으로 분배하는 역할을 수행하며, 정류 회로부(140)는 변압 및 출력 레벨 조절부(130)를 거친 교류를 직류로 변환하기 위한 전 단계로서 교류를 전파 정류된 전류로 변환하는 역할을 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 변압 및 출력 레벨 조절부(130)와 정류 회로부(140) 사이에는 커패시터가 개재되지 않고, 변압 및 출력 레벨 조절부(130)는 커패시터로 구성되어(consisting of) 전력 입력단으로부터 입력 받은 전력을 분배하여 전력 출력단으로 전달한다.
다음으로, 직류 전원 공급부(150)는 전파 정류된 전류의 교류 리플을 제거하는 역할과 평활화 커패시터를 이용하여 직류의 평활화 작업을 수행하고, 발광 다이오드 발광부(160)는 발광 다이오드 소자로 구성된 최종 부하단에 전원을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
도면 8도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 회로도를 보여주는 도면이다.
도면을 통하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로에서 교류 전원 입력부(110)는 상용 전원단에 접속이 가능한 단자로 구성되어 있으며, 서지 필터부(120)는 퓨즈와 바리스터(TNR)로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
서지 필터부(120)의 퓨즈는 일정 전압 이상의 과도 전압 도입시 개방되어 뒷단의 회로를 보호하는 역할을 수행하며, 바리스터는 일정 전압 이상시 도통됨으로써 역시 뒷단의 회로를 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
변압 및 출력 레벨 조절부(130)는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로에서 가장 중요한 역할을 수행하는 부분으로서, 하나 이상의 커패시터로 구성될 수 있으며, 복수의 커패시터로 구성되는 경우 서로 병렬로 접속될 수 있다. 그리고, 변압 및 출력 레벨 조절부(130)의 일단은 슬라이드 스위치로 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 변압 및 출력 레벨 조절부(130)는 이러한 슬라이드 스위치를 이용하여 커패시터의 정전 용량을 변화시킬 수 있다. 그리고, 이러한 정전 용량 변화를 통하여, 부하단으로 공급하는 전력의 양을 변화시킬 수 있다.
변압 및 출력 레벨 조절부(130)의 뒷 단에 연결되는 정류 회로부(140)는 4개의 다이오드가 브릿지 모양으로 접속되어 변압 및 출력 레벨 조절부(130)로부터 출력되는 교류의 +, - 모두를 정류하여 출력단으로 내보내는 역할을 수행할 수 있으며, 직류 전원 공급부(150)는 정류 회로부(140)가 출력한 전류의 교류 성분을 제거하고, 공급되는 직류 성분을 안정화시키기 위하여, 코일과 평활 커패시터로 구성될 수 있다. 그리고, 최종적으로 평활 커패시터를 거친 직류 전원은 발광 다이오드 발광부(160)라 불리는 단자를 통하여 발광 다이오드를 포함하는 부하단에 인가되게 된다.
도면 9도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 간략하게 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로에서 가장 중요한 부분은 변압 및 출력 레벨 조절부(130)로서, 전체 회로는 도면 9도와 같이 전원 입력단과 전원 출력단 사이에 구비되는 등가 커패시터 소자 Ceq와 부하단인 RTh로 간단히 정리하여 나타낼 수 있다.
도면 10도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로를 라플라스 회로로 변환하여 보여주는 도면이다.
발광 다이오드를 포함한 부하단 RTh에 걸리는 전압인 Vo를 계산하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000009
(수식 7)
Figure PCTKR2016010916-appb-I000010
(수식 8)
이 수식을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법은 발광 다이오드를 포함하는 부하단의 값이 변화하더라도 부하단에 공급되는 전압인 Vo와 전류인 I의 값이 크게 변화하지 않는다.
즉, Vo의 경우에는 분모와 분자에 모두 RTh 텀이 있으므로, RTh가 증가해도 그 영향이 상쇄되며, 감소되어도 그 영향이 Vo의 출력에 큰 영향을 미치지 않는다.
또한, I의 경우에도 앞서 살펴본 기존의 발광 다이오드 전원 제어장치의 Io의 분모식에는 RTh텀이 5개나 있어서, 부하단의 크기에 Io의 값에 크게 영향을 미쳤으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 변압 및 출력 레벨 조절부(130)의 I에는 RTh 텀이 하나 밖에 존재하지 않는다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법은 발광 다이오드를 포함하는 부하의 변화에도 큰 영향을 받지 않으며, 일정한 전력을 부하단에 공급할 수 있는 효과가 있다.
이는, 발광 다이오드의 구동 회로에 있어서는 더욱 중요한 의미를 가지는 특성으로, 전류 구동 방식을 취해야 발광 다이오드 회로에서 공급되는 전류의 양을 일정하게 유지할 수 있으므로, 발광 다이오드의 수명과 안전성을 훨씬 보장할 수 있는 효과가 있다.
도면 11도는 부하단의 크기 변화에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 출력 특성을 보여주는 도면이다.
도면을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로는 발광 다이오드를 포함하는 부하단의 용량 변화에도 민감하게 반응하지 않으며, 일정한 출력을 부하단에 공급하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드의 수명에 결정적인 영향을 줄 수 있는 출력의 변화를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 경우, 변압 및 출력 레벨 조절부(130)와 정류 회로부(140)를 포함하는 부하단(140, 150, 160) 사이에 별도의 커패시터가 개재시키지 않음으로써 변압 및 출력 레벨 조절부(130)의 출력단을 통해 공급되는 전력이 손실 없이 모두 부하단으로 공급되도록 하는 효과를 달성할 수 있다.
즉, 기존의 발광 제어 장치의 출력 특성을 나타내는 도면 6도에서 C3/C가 0인 경우가 본 발명의 전력 분배 회로의 출력 특성에 대응되는 것으로서, C3 값이 0보다 큰 값인 기존의 발광 제어 장치의 성능과 확연히 차이가 남을 알 수 있다.
본 발명의 전력 분배 회로가 투광등, 써치라이트 및 전광판과 같은 80와트(W) 이상의 고출력 LED 조명장치에 사용되는 경우, 기존의 저출력 발광 제어 장치에서 발생 가능한 ‘저전압에서도 약한 불이 들어오는 반불현상’을 고려할 필요가 없으므로, 출력 레벨 조절부(130)와 정류 회로부(140) 사이에 정류 회로부(140)와 병렬로 연결되는 커패시터를 개재시키지 않음으로써 고효율을 도모할 수 있다.
도면 12도는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에서 변압 및 출력 레벨 조절부의 커패시턴스 용량의 변화에 따라 부하단에 공급되는 전력의 변화를 실험적으로 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법은 변압 및 출력 레벨 조절부(130)의 커패시턴스의 변화에 따라, 부하에 공급하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
즉, 변압 및 출력 레벨 조절부(130)에 구비되는 슬라이드 스위치를 이용하여 병렬 접속되는 커패시터들의 숫자를 조절함으로써, 부하단에 공급되는 전력의 크기를 다양하게 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 의하면, 발광 다이오드 소자로 구성되는 다양한 부하에 대하여 그 속성에 맞추어 필요한 적절한 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
도면 13도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 회로도를 보여주는 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 경우, 서지 필터부(120)와 변압 및 출력 레벨 조절부(130) 사이에 별도로 추가 커패시터를 구비할 수 있다.
추가 커패시터는 서지 보호 커패시터(300)로 지칭될 수 있으며, 서지 필터부(120)의 퓨즈, 바리스터와 같이 상용 전원으로부터 입력되는 전원의 서지를 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
도면 14도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로를 전력 전달 측면에서 간단하게 정리하여 보여주는 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로는 변압 및 출력 레벨 조절부(130)를 하나의 커패시터 성분으로 표현한 Ct와 서지 보호 커패시터인 C4 그리고 발광 다이오드를 포함한 등가 저항은 RTh로 정리하여 표현할 수 있다.
그리고, 이러한 회로는 다시 도면 15와 같이 라플라스 변환 회로로 정리할 수 있다.
도면 15도는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로의 라플라스 변환 회로의 모습을 보여주는 도면이다.
테브냉 등가 저항인 RTh의 입력단 노드의 전압을 Vo라고 하고, RTh에 흐르는 전류를 I라고 한 경우, C4 커패시터의 양단에 걸리는 전압은 Vi로 동일하며 Vo와 I는 다음의 식과 같이 정리될 수 있다.
Figure PCTKR2016010916-appb-I000011
(수식 9)
Figure PCTKR2016010916-appb-I000012
(수식 10)
즉, 이전의 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 분배 회로와 부하단에 공급되는 전압과 전류의 식은 동일한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법도 부하단의 변화에도 전력 변화를 최소화하면서 안정적인 전력 공급의 효과가 있음을 확인할 수 있다.
도면 16도는 본 발명인 전력 분배 회로와 SMPS의 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
도면 16을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 전력 분배 회로 및 전력 분배 방법에 의하면 SMPS를 배제하고도 간단한 수동 소자의 조합으로도 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 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.

Claims (12)

  1. 교류를 직류로 변환하여 공급하는 전원 공급 회로에 구비되는 전력 분배 회로로서,
    상기 전력 분배 회로는 변압 및 출력 레벨 조절부를 포함하고,
    상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 교류를 전파 정류하는 정류 회로의 앞 단에 위치하되 상기 정류 회로와 상기 변압 및 출력 레벨 조절부의 사이에 커패시터(capacitor)가 개재되지 않고,
    상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 커패시터로 구성되어(consisting of) 전력 입력단으로부터 입력받은 전력을 분배하여 전력 출력단으로 전달하며,
    상기 전력 분배 회로는 발광 다이오드의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  2. 상용 전원이 입력되는 전원 입력부;
    상용 전원의 교류를 전파 정류하는 정류 회로부;
    상기 전원 입력부와 상기 정류 회로부 사이에 위치하는 변압 및 출력 레벨 조절부;를 포함하며,
    상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 커패시터 성분의 소자로 구성되고,
    상기 정류 회로부와 상기 변압 및 출력 레벨 조절부 사이에 커패시터가 개재되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전원 입력부와 상기 변압 및 출력 레벨 조절부 사이에는 상기 전원 입력부로부터 입력되는 전원의 서지를 제거하는 서지 필터(filter)부;를 더 포함하고,
    상기 서지 필터부는
    퓨즈(fuse);
    바리스터(varister);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정류 회로부의 후단에 구비되어 부하단에 전원을 공급하는 전원 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정류 회로부와 상기 전원 출력부 사이에는
    직류 전원 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 직류 전원 공급부는
    상기 정류 회로부가 출력하는 전류의 리플을 제거하는 역할을 수행하는 코일; 및
    상기 정류 회로부가 출력하는 전류를 평활화하기 위한 평활 커패시터;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배 회로는 80와트(W) 이상의 고출력 부하의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 회로.
  8. 교류 전원이 입력되는 단계;
    상기 교류 전원이 커패시터 성분으로 구성된(consisting of) 변압 및 출력 레벨 조절부에 의하여 전력 분배되어 정류 회로부에 입력되는 단계;
    상기 정류 회로부가 입력 교류를 전파 교류로 변환하는 단계;
    상기 정류 회로부가 출력한 전파 교류가 필터와 평활 커패시터를 통하여 직류로 변환되는 단계;가 포함되고,
    상기 변압 및 출력 레벨 조절부는 상기 정류 회로부의 앞단에 직렬로 연결되며,
    상기 변압 및 출력 레벨 조절부와 상기 정류 회로부 사이에 상기 정류 회로부와 병렬로 연결되는 커패시터가 개재되지 않는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    교류 전원이 입력되는 단계 이후에,
    상기 교류 전원이 서지 필터부를 통과하는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 서지 필터부는
    퓨즈;
    바리스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전력 분배 방법은 발광 다이오드에 필요한 전원 공급시에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전력 분배 방법은 80와트(W) 이상의 고출력 부하의 전원 공급 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 전력 분배 방법.
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