KR100806830B1 - 스위칭 장치 - Google Patents

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Abstract

트랜스포머의 크기에 제한받지 않으며 열발산이 적은 스위칭 장치를 제공한다. 이 스위칭 장치는 외부로부터 입력되는 외부 부하의 온/오프 신호에 응답하여 제어신호를 생성하는 제어부, 외부 교류전원에 연결되며, 제어신호에 응답하여 온/오프되는 제1 스위칭부, 제1 스위칭부를 통하여 입력되는 전류에 따라 온/오프되어 외부 교류전원으로부터 공급되는 전력을 외부 부하로 도통시키는 제2 스위칭부, 제1 스위칭부가 온인 상태에서, 외부 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제1 정류부, 제2 스위칭부가 오프된 상태에서 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제2 정류부, 제1 정류부 및 제2 정류부로부터 공급받는 직류전원을 제어부에 전달하는 직류전원부를 포함한다. 각 스위치부는 트라이악을 포함한다.
스위칭, 트라이악, 열발산, 정류

Description

스위칭 장치{SWITCHING DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 스위치 전원회로도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 블록도.
도 3은 트라이악의 기호를 보이는 개략도.
도 4a는 1구형 스위칭 소자의 외형을 보이는 사진.
도 4b는 3구형 스위칭 소자의 외형을 보이는 사진.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도.
본 발명은 스위칭 장치에 관한 것으로, 특히 유무선 제어용 스위칭 장치에 관한 것이다.
최근 가정 내 전자 기기 등을 자동으로 관리하는 홈오토메이션(home automation), 그리고 정보 가전 기기를 네크워크(network)로 연결하여 시간, 장소 에 구애받지 않고 이용할 수 있도록 하는 홈네트웍(home network) 기술이 급격하게 발전되고 있다.
홈오토메이션 및 홈네트워크는 무선형 제어 또는 유무선 복합형 제어에 의해 구현된다. 무선형 제어를 위해 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), RF(radio frequency), IR(Infra-red) 등의 방식이 이용되고 있으며, 유무선형 제어를 위해 전술한 무선형 제어를 위한 여러 방식과 더불어 PLC(power line communication)이 이용되고 있다.
한편, 홈오토메이션 및 홈네트워크의 일 예로 조명 스위치를 무선 또는 유무선으로 제어하기 위한 기술이 개발되고 있는데, 일반적으로, 조명 스위치는 스위칭 박스(switching box)에 내장되어 벽 등에 부착된다. 사용자가 기계적으로 온/오프 하는 수동식 조명 스위치는 하나의 전원공급선을 통해 주 전원부와 조명기에 연결되어, 주 전원부로부터의 전력을 조명기에 공급하거나 차단하기만 하면 된다. 그러나, 조명 스위치를 무선으로 원격 제어하기 위해서는 스위칭 박스 내에 제어부 등이 내장되어야 하고, 외부의 명령에 따라 제어부를 동작시켜 조명기를 온/오프하기 위해서 주 전원부로부터 공급되는 전력을 조명기와 무선 제어부에 나누어 공급하여야 한다.
종래 무선 스위치 전원회로는 제어부를 동작시키기 위한 전용 전원공급부를 구비하지 않음에 따라, 스위치의 온 또는 오프 상태에 따라 각기 다른 방식으로 제어부를 동작시키기 위한 전력을 공급한다.
도 1은 종래 변압기(transformer)와 트라이악(triac)을 각각 1개씩 구비하는 스위치 전원회로도이다.
종래의 스위치 회로 구성에서, 스위치 오프 상태에서는 콘덴서 (C1)과 브리지다이오드 (BD1)를 통하여, 조명기가 켜지지 않을 정도의 작은 교류전류 i1이 흐른다. 브리지 다이오드 (BD1)에서 교류전류는 직류전류로 변환된 후, 콘덴서 (C2)와 제너다이오드 (ZD1)을 거쳐 안정화되고 다이오드 (D1)을 통하여 제어부를 동작시키기 위한 전원공급부(도시하지 않음)로 전달된다.
스위치 온 상태에서는 트라이악 (TA1)이 온되어 교류전류 i2가 흐른다. 다이오드 (D2, D3)를 통해 정류된 전류는 조명기로 전달되고, 트랜스포머 (TF)는 다이오드 (D2 내지 D5)에 의해 강하된 전압을 승압하고, 승압된 전압은 브리지 다이오드 (BD2)를 통하여 직류전압으로 변환된 후, 콘덴서 (C3), 제너다이오드 (ZD2)를 거쳐 안정화된 후 제어부를 동작시키기 위해 전원공급부(도시하지 않음)로 전달된다.
이와 같이, 트랜스포머(TF)를 구비하는 종래 스위치 전원회로에서 전류의 크기는 트랜스포머의 크기와 다이오드의 수에 비례하여 정해지는데, 스위칭 박스의 크기는 KS 규격에 따라 한정되기 때문에 트랜스포머의 크기 역시 제약을 받게 되는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 트랜스포머의 크기에 제한받지 않으며 열발산이 적은 스위칭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 스위칭 장치는, 외부로부터 입력되는 외부 부하의 온/오프 신호에 응답하여, 제어신호를 생성하는 제어부; 외부 교류전원에 연결되며, 상기 제어신호에 응답하여 온/오프되는 제1 스위칭부; 제1 스위칭부를 통하여 입력되는 전류에 따라 온/오프되어 상기 외부 교류전원으로부터 공급되는 전력을 상기 외부 부하로 도통시키는 제2 스위칭부; 상기 제1 스위칭부가 온된 상태에서, 상기 외부 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제1 정류부; 상기 제2 스위칭부가 오프된 상태에서, 상기 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제2 정류부; 및 상기 제1 정류부 및 상기 제2 정류부로부터 공급받는 직류전원을 상기 제어부에 전달하는 직류전원부를 포함한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따른 스위칭 장치는, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 구성으로 구현될 수 있다. 즉, 스위칭 장치(100)는, 스위칭 제어부(110), 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150) 및 직류전원부(160)를 포함한다. 도 2에 도시되지 않았지만, 스위칭 장치(100)는 유무선 신호 송수신부, MCU(Micro Controller Unit) 등으로 구현되는 유무선 제어부, LED(luminescent diode)를 더 포함할 수 있다.
스위칭 제어부(110)는 외부로부터 입력되는 외부 부하 예컨대, 조명기, 환풍기, 전열기 등의 온 신호에 응답하여 제어 신호를 형성한다. 스위칭 제어부(110)는 유무선 제어부와 함께 하나의 MCU로 구현되거나 별도의 MCU로 구현된다.
제1 스위칭부(120)는 스위칭 제어부(110)로부터 입력되는 제어신호에 따라 온되어 외부 교류전원에 연결된다.
제2 스위칭부(130)는 제1 스위칭부(120)를 통해 전류를 입력받아 온되어 외부 교류전력을 외부 부하(L)에 공급한다.
제1 정류부(140)는 제1 스위칭부(120)에 연결되어, 제1 스위칭부(120) 및 제2 스위칭부(130)의 온 상태에서 외부 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환한다. 바람직하게, 제2 스위칭부(130)를 통하여 99.9%의 외부 교류전력이 외부 부하(L)에 공급되고, 0.1%의 외부 전력이 제1 스위칭부(120)를 거쳐 제1 정류부(140)에 도달하여 직류전력으로 변환된다.
제2 정류부(150)는 제1 스위칭부(120)의 오프 상태에서, 외부 교류전력을 직류전력으로 변환한다.
제1 정류부(140) 및 제2 정류부(150)에서 생성된 직류전력은 직류전원부(160)에 전달된다. 직류전원부(160)에는 스위칭 제어부(110)가 연결된다. 나아가 유무선 송수신부, LED, 유무선 제어부(도시되지 않음) 등도 직류전원부(160)에 연결된다.
제1 스위칭부(120) 및 제2 스위칭부(130)는 도 3에 보이는 바와 같은 트라이악(triac)을 이용하여 구현될 수 있다. 도 3에 보이는 바와 같이, 트라이악은 게이트 전극(G)과 2개의 주전극(T1, T2)을 갖는 반도체 소자로서 양방향 도통이 가능하여 교류를 스위칭한다. 즉, 트라이악은 게이트 전극(G)에 신호를 인가받으면 오프(off) 상태에서 온(on) 상태로 전환하여 교류전력의 위상이 0이 될 때까지 도통된다. 따라서, 어느 위상에서 게이트 신호가 입력되든 위상이 0이 될 때까지 출력을 낼 수 있다.
본 발명에 따른 스위칭 장치는 1구형 스위칭 장치 뿐 아니라, 다구형 스위칭 장치에 이용될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 1구형 및 3 구형 스위칭 장치의 외형을 보이고 있다. 이하에서는 본 발명에 따른 1구형 또는 n-구형 스위칭 장치의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치(200)는, 스위칭 제어부(110), 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150) 및 직류전원부(160)를 포함한다. 또한, 제2 정류부(150)와 외부 교류전원 220V 사이에 직렬 연결된 저항(R12)과 콘덴서(C11)를 더 포함한다.
스위칭 제어부(110), 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150) 및 직류전원부(160)의 기본적인 기능 및 구성은 전술한 도 2에 도시한 스위칭 장치(100)에서와 동일하다.
보다 구체적으로 설명하면, 스위칭 제어부(110)는 램프, 환풍기, 전열기 등의 외부 부하(L)의 온 신호에 응답하여 외부 부하의 오프 신호가 입력될 때까지 제어 신호를 생성한다. 제어 신호는 펄스 형태로 생성될 수 있다. 외부 부호의 오프 신호가 입력되면, 스위칭 제어부(110)는 제어신호의 생성을 중단한다. 외부 부하의 온/오프 신호는 유선 또는 무선 형태로 입력된다.
제1 스위칭부(120)는 외부 교류전원에 연결된 제1 저항(R12), 제1 트라이악 (TA11), 제2 트라이악(TA12), 제너 다이오드(ZD11)를 포함한다. 제1 트라이악(TA11)의 게이트 전극은 스위칭 제어부(110)에서 생성된 제어 신호를 입력받아 온 된다. 외부 교류전원과 제1 트라이악(TA11)에 연결된 제1 저항(R12)의 크기는 제1 트라이악(TA11)을 흐르는 전류의 세기를 고려하여 결정할 수 있다. 제2 트라이악(TA12)은 제1 트라이악(TA11)를 통과한 전류에 의해 온 되어, 외부 교류 전류의 일부를 도통시킨다. 제너 다이오드(ZD11)는 제2 트라이악(TA12)으로부터 교류전력을 입력받아 일정 크기의 전압을 생성한다. 도 5에서는 하나의 제너 다이오드(ZD11)를 보이고 있지만, 제너 다이오드(ZD11)는 다수개로 구현될 수도 있다.
제2 스위칭부(130)는 제3 트라이악(TA13)을 포함한다. 제3 트라이악(TA13)은 제너 다이오드로부터 입력되는 일정 크기의 전압에 의해 온되어, 외부 교류전력을 외부 부하(L)로 전달한다. 바람직하게 외부 교류전력 중 99.9 %는 제2 스위칭부(130)의 제3 트라이악(TA13)을 통하여 외부부하(L)로 공급되고, 0.1%는 제1 스위칭부(120)의 제2 트라이악(TA12)으로 공급되도록 한다. 분배되는 전력의 크기는 제2 트라이악(TA12)과 제3 트라이악(TA13)의 성능을 변화시켜 다양한 크기로 조절할 수 있다.
제1 정류부(140)는 제1 브릿지 다이오드(BD11)로 구현한다. 제1 브릿지 다이오드(BD11)는 제2 트라이악(TA12)에 연결되어 제2 트라이악(TA12)을 거쳐 입력되는 교류전력을 직류전력으로 변환한다.
제2 정류부(150)는 제2 브릿지 다이오드(BD12)로 구현한다. 제2 브릿지 다이오드(BD12)는 제1 스위칭부(120)와 제2 스위칭부(130)가 오프된 상태에서 저항 (R12) 및 콘덴서(C11)를 통하여 입력되는 교류전력을 직류전력으로 변환한다. 제3 트라이악(TA13)이 온 된 상태에서, 제2 브릿지 다이오드(BD12)로 전류가 흐르지 않도록, 저항(R12)의 크기를 결정한다.
직류전원부(160)는 제1 정류부(140) 및 제2 정류부(150)에서 생성된 직류전력을 공급받는다.
스위칭 장치(200)는 한 개의 트라이악(TA31)을 통해서 통하여 외부 부하(L)를 온시키기 위한 전력을 공급하면서 제1 스위칭부(120)에 소량의 전류를 흘려 직류전력을 생성함으로써, 열발산이 적다.
제1 실시예에 따른 스위칭 장치(200)의 제1 스위칭부(120)에서 저항(R1) 및 트라이악(TA11)은 생략될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도로서, 제2 실시예에 따른 스위칭 장치(300)의 제1 스위칭부(121)는 트라이악(TA21)과 제너 다이오드(ZD21)를 포함한다. 트라이악(TA21)은 스위칭 제어부(110)로부터 제어 제어신호를 입력받아 온 되어 외부 교류전원에 연결된다. 제너 다이오드(ZD21)는 트라이악(TA21)을 통과한 교류전력을 입력받아일정 크기의 전압을 생성한다. 이외의 다른 구성은 제1 실시예와 동일하므로 그 상세한 설명을 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 n구형 스위칭 장치의 구성을 보이는 회로도이다. 스위칭 장치(400)는 스위칭 제어부(310), 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150), 직류전원부(160) 그리고 적어도 하나의 제3 스위칭부(170)를 포함한다. 제1 실시예 또는 제2 실시예와 마찬가지로, 제2 정류부(150)와 외부 교류전원 사이에 직렬 연결된 저항(R12)과 콘덴서(C11)를 더 포함한다.
스위칭 장치(400)는 n구형(n은 1 이상의 정수) 스위칭 장치로서 제2 또는 제3의 실시예에 따른 스위칭 장치(200, 300)에 n-1개의 제3 스위칭부(170)가 부가된다. 예로서 도 7에 보이는 바와 같이 스위칭 장치(400)는 3개의 외부 부하(L1, L2, L3)의 온/오프를 스위칭 하기 위해 2개의 제3 스위칭부(170)를 포함한다.
제어부(310)는 3개의 외부 부하(L1, L2, L3) 중 선택된 외부 부하의 온 신호에 응답하여 해당 외부 부하의 오프 신호가 입력될 때까지 제어 신호를 생성한다. 제어 신호는 펄스 형태로 생성될 수 있으며, 선택된 외부 부하의 수만큼 생성될 수 있다. 예로서, 두 개의 외부 부하(L1, L3)의 온 신호가 동시에 또는 순차적으로 입력되면, 동시에 또는 순차적으로 해당 외부 부하에 대응하는 제어신호를 생성한다. 해당 외부 부호의 오프 신호가 입력되면, 제어부(310)는 해당 외부 부하에 대응하는 제어신호의 생성을 중단한다. 외부 부하 온/오프 신호는 유선 또는 무선 형태로 입력된다.
제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150) 및 직류전원부(160)의 기본적인 기능 및 구성은 전술한 도 2에 도시된 스위칭 장치(100)에서와 동일하다. 또한, 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(130), 제1 정류부(140), 제2 정류부(150) 및 직류전원부(160)는 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따른 스위칭 장치(200, 300)와 동일한 구성 및 기능을 가지므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
제3 스위칭부(170)는 제3 저항(R13), 제4 트라이악(TA14) 및 제5 트라이악(TA15)을 포함한다. 제3 스위칭부(170)가 다수개 구비될 경우 각기 다른 외부 부하에 연결된다.
예로써, 외부 부하 L2의 온 신호에 응답하여 제어부(310)에서 생성된 제어신호가 제4 트라이악(TA14)의 게이트 전극에 전달되어 제4 트라이악(TA14)이 온되면, 제3 저항(R31)을 통과한 교류 전류가 제4 트라이악(TA14)으로 흐른다. 제4 트라이악(TA14)을 통과한 전류는 제5 트라이악(TA15)의 게이트 전극에 전달되어 제5 트라이악(TA15)이 온되고, 외부 교류전력은 제5 트라이악(TA15)을 거쳐 외부하 L2에 전달된다. 제3 저항(R31)의 크기는 제5 트라이악(TA15)의 게이트 전극에 인가되는 신호의 세기를 고려하여 결정될 수 있다.
스위칭 장치(400)의 제1 스위칭부(120)에서 제1 저항(R11) 및 제1 트라이악(TA11)은 생략되어 제2 실시예에 따른 스위칭 장치(300)의 제1 스위칭부(121)와 동일하게 구성될 수 있다. 또한, 제3 스위칭부(170)에서 제3 저항(R13) 및 제5 트라이악(TA15)이 생략될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스위칭 장치(500)의 구성을 보이는 회로도로서, 제1 스위칭부(121) 및 제3 스위칭부(171)의 구성을 제외하고 제3 실시예에 따른 스위칭 장치(400)의 구성과 동일하다.
스위칭 장치(500)의 제1 스위칭부(121)는 제2 실시예에 따른 스위칭 장치(300)와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
스위칭 장치(500)의 제3 스위칭부(171)는 트라이악(TA51)을 포함한다. 트라 이악(TA51)은 스위칭 제어부(310)로부터 제어 제어신호를 입력받아 온 되어 외부 교류전원에 연결된다.
본 발명의 제3 실시예와 제4 실시예에서, 제3 스위칭부(171)는 릴레이(relay)로 구현될 수도 있다.
전술한 실시예는 본 발명의 원리를 이용한 다양한 실시예의 일부를 나타난 것이 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 스위칭 장치는 트랜스포머를 이용하지 않고 외부 부하가 온/오프되는 동안 유무선 제어를 위한 전력을 마련할 수 있다. 나아가, 각 외부 부하에 한 개의 트라이악을 통해서 전력을 공급하면서 소량의 전류를 바이패스시켜 직류전력을 생성함으로써 열발산을 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 스위칭 장치에 있어서,
    외부로부터 입력되는 외부 부하의 온/오프 신호에 응답하여, 제어신호를 생성하는 제어부;
    외부 교류전원에 연결되며, 상기 제어신호에 응답하여 온/오프되는 제1 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부를 통하여 입력되는 전류에 따라 온/오프되어 상기 외부 교류전원으로부터 공급되는 전력을 상기 외부 부하로 도통시키는 제2 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부가 온된 상태에서, 상기 외부 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제1 정류부;
    상기 제2 스위칭부가 오프된 상태에서, 상기 교류전원으로부터 공급되는 교류전력의 일부를 직류전력으로 변환하는 제2 정류부; 및
    상기 제1 정류부 및 상기 제2 정류부로부터 공급받는 직류전원을 상기 제어부에 전달하는 직류전원부를 포함하는, 스위칭 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 n(n은 1 이상의 정수)개의 외부 부하를 스위칭하며,
    n-1개의 외부 부하를 각각 상기 외부 교류전원에 연결하는 n-1개의 제3 스위칭부를 더 포함하는, 스위칭 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부는 쌍방향 스위칭 소자를 포함하는, 스위칭 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 쌍방향 스위칭 소자는 트라이악인, 스위칭 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부는,
    상기 제어신호에 따라 온되는 제1 트라이악;
    상기 제1 트라이악을 통과한 전류에 의해 온 되는 제2 트라이악; 및
    상기 제2 트라이악에 연결되어 상기 제2 스위칭부에 일정전압을 인가하는 제너 다이오드를 포함하고,
    상기 제2 스위칭부는
    상기 제너 다이오드로부터 입력되는 전압에 의해 온되는 제3 트라이악을 포함하는, 스위칭 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 교류전원과 상기 제1 트라이악 사이에 연결된 저항을 더 포함하는, 스 위칭 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부는,
    상기 제어신호에 따라 온되는 트라이악;
    상기 트라이악에 연결되어 상기 제2 스위칭부에 일정전압을 인가하는 제너 다이오드를 포함하고,
    상기 제2 스위칭부는,
    상기 제너 다이오드로부터 입력되는 전압에 의해 온되는 트라이악을 포함하는, 스위칭 장치.
  8. 제 5 항 내지 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류전원과 상기 제2 정류부 사이에 직렬 연결된 저항 및 콘덴서를 더 포함하는, 스위칭 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 정류부와 상기 제2 정류부는 브릿지 다이오드로 이루어지는, 스위칭 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3 스위칭부는,
    트라이악 또는 릴레이를 포함하는, 스위칭 장치.
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