KR200207397Y1

KR200207397Y1 - 직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로

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Publication number: KR200207397Y1
Application number: KR2019980024695U
Authority: KR
Inventors: 허기호
Original assignee: 허기호; 주식회사금강시스템
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR19990011795U

Abstract

본 고안은 직류 전원공급장치(DC Power Supply)에 관한 것으로, 상세하게는 SCR로 위상(Phase)을 자동 제어하여 직류 전원공급장치의 출력전력을 고(高)효율로 제어하도록 함으로써 종래 직류 전원공급장치의 단점인 대형화, 고 중량, 저 효율을 개선하여 소형화 및 경량화와 더불어, 저비용 고 효율의 직류 전원공급장치를 제공하도록 한 것이다.

즉, 출력 제어트랜지스터의 에미터와 콜렉터 사이 전압을 감지하여 SCR을 위상 제어(Phase Control)하게 되는데 비교기의 기준전압을 5V로 설정하였다면 비교기는 트랜지스터의 에미터와 콜렉터 전압차를 기준전압 5V와 같게 유지하기 위하여 SCR의 위상을 제어하도록 함으로써 트랜지스터의 에미터와 콜렉터간 전압을 항상 5V로 유지되도록 한다.

이때 입력전압이 55V이고 출력전압이 1V, 출력전류가 5A일 경우 트랜지스터의 에미터와 콜렉터간 전압은 5V로 유지되고, {P=VI} 공식을 적용하면 {5V × 5A = 25W}가 된다. 따라서, 종래 직류 전원공급장치는 54V X 5A = 270W의 손실(발열량)이 있고 출력전력은 1V X 5A = 5W가 됨에 비하여 본 고안 직류 전원공급장치는 5V X 5A = 25W의 발열량 손실과, 출력 1V X 5A = 5W가 되므로 소형화, 경량화 및 저비용으로 고 효율화를 실현한 것이다.

Description

직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로.

본 고안은 직류 전원공급장치(DC Power Supply)의 개량에 관한 것으로, 상세하게는 출력 트랜지스터(Transistor)에서 발생하는 발열량을 획기적으로 감소시켜 출력 트랜지스터의 용량과 방열판의 크기를 줄이고 전력손실을 크게 줄임으로써 직류 전원공급장치의 원가와 전기에너지를 절감하고 부피와 무게를 소형화 및 경량화시킨 것이다.

도 1은 일반적인(종래) 직류 전원공급장치의 회로도로, 입력전압이 55V이고 출력 전압이 1V, 출력전류가 5A이면 출력 트랜지스터1의 에미터(Emitter)와 콜렉터(Collector)사이에 54V의 전압이 인가되므로 트랜지스터1의 전력량을 계산하면 (전력P=전압V×전류I)의 공식에 따라 (54V X 5A = 270W) 약 270W의 손실전력이 발생하고, 상기 손실전력에 의해 출력 트랜지스터1로 고열이 발생하므로 대형 방열판과 냉각팬으로 출력 트랜지스터1을 보호하게 된다.

여기에서 전열기구를 생각해 보면 여기에서 270W의 발열량은 굉장히 큰 것이다. 즉, 출력제어용 트랜지스터가 270W 이상 견딜 수 있는 대용량의 트랜지스터가 필요하며, 상기 출력 트랜지스터를 보호하기 위한 방열판과 변압기의 크기가 커지며, 따라서 직류전원장치의 전체적인 부피와 소비전력이 증가하고 원가가 상승되는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 SCR로 위상(Phase)을 자동 제어하여 직류 전원공급장치의 출력전력을 고(高)효율로 제어하도록 함으로써 종래 직류 전원공급장치의 단점인 대형화, 고 중량, 저 효율성의 문제점을 개선하여 소형화 및 경량화와 더불어, 저비용 고 효율의 직류 전원공급장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 출력 제어트랜지스터의 에미터와 콜렉터 사이 전압을 감지하여 SCR을 위상 제어(Phase Control)하여 출력전력을 제어하게 되는데 비교기의 기준전압을 5V로 설정하였다면 비교기는 트랜지스터의 에미터와 콜렉터 전압차를 기준전압 5V와 같게 유지하기 위하여 SCR의 위상을 자동 제어하도록 함으로써 트랜지스터의 에미터와 콜렉터간 전압을 항상 5V로 유지되도록 한다.

이때 입력전압이 55V이고 출력전압이 1V, 출력전류가 5A일 경우 트랜지스터의 에미터와 콜렉터간 전압은 5V로 유지되고, {P=VI} 공식을 적용하면 {5V × 5A = 25W}가 된다. 따라서, 종래 직류 전원공급장치는 54V X 5A = 270W의 손실(발열량)이 있고 출력전력은 1V X 5A = 5W가 됨에 비하여, 본 고안 직류 전원공급장치는 5V X 5A = 25W의 발열량 손실과, 출력 1V X 5A = 5W가 되므로 소형화, 경량화 및 저비용으로 고 효율화를 실현한 것이다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 - 종래 직류 전원공급장치의 회로도.

도 2 - 본 고안 일 실시 예의 회로도.

도 3 - 종래 직류 전원공급장치의 출력전압에 따른 V_CE의 변화 그래프도.

도 4 - 본 고안 직류 전원공급장치의 출력전압에 따른 V_CE의 변화

그래프도.

도 5 - 본 고안의 회로블럭도.

도 6 - 일반적인 상용 교류전원의 파형도.

도 7 - 본 고안 탭 포인터(TP1)의 출력 파형도.

도 8 - 본 고안 탭 포인터(TP11)의 출력 파형도.

도 9 - 본 고안 일 실시 예의 상세회로도.

도 10 - 본 고안 다이오드(D2)(D3)에 의한 정류 파형도.

도 11 - 본 고안 탭 포인터(TP3)의 출력 파형도.

도 12 - 본 고안 탭 포인터(TP4)의 출력 파형도.

도 13 - 본 고안 오픈 콜렉터(Open-Collector)형 OP-앰프(AMP)도 내부 구조도.

도 14 - 본 고안 탭 포인터(TP6)의 출력 파형도.

도 15 - 본 고안 탭 포인터(TP6)의 시간축을 확대한 파형도.

도 16 - 본 고안 표준상태에서 탭 포인터(TP10)의 출력 파형도.

도 17 - 본 고안에서 전위가 낮아졌을 때의 탭 포인터(TP10) 출력 파형도.

도 18 - 본 고안 표준상태에서 탭 포인터(TP12)의 출력 파형도.

도 19 - 본 고안에서 출력전압을 상승시켰을 때의 탭 포인터(TP12)의 출 력 파형도.

도 20 - 본 고안에서 부하전류가 적을 때의 탭 포인터(TP10) 출력 파형도.

도 21 - 본 고안에서 부하전류가 커질 때의 탭 포인터(TP10) 출력 파형도.

도 22 - 본 고안 위상제어부의 다른 실시 예 회로도.

도 23 - 본 고안 위상제어부의 또 다른 실시 예 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(OP3)--비교기 (AC)--교류전압

(DC)--직류전압 (TRANS)--변압기

(D1)--브리지 다이오드 (L1)--코일

(TP1)(TP2)--교류 전원입력단자 (D2)~(D3)--다이오드

(TP1)~(TP19)--탭 포인터 (T1)--트랜스

(TP16)(TP17)--출력단자 (TP13)--기준전압 포인터

(U1)~(U4)--비교기 (OUT)--출력

(GND)--그라운드 (R1)~(R21)--저항기

(R17)--반고정 저항 (R20)--가변저항기

(Q1)~(Q3)--트랜지스터 (C1)~(C5)--캐패시터

(PC1)--포토커플러 (SCR)--실리콘 제어 정류기

(BLK1)--정류부 (BLK2)--위상 제어부

(BLK3)--DC전원 평활부 (BLK4)--DC전압 제어부

(BLK5)--전류 검출부. (BLK6)--출력전압 검출 비교부

(BLK7)--위상 동기 및 톱니파 발생부 (BLK8)--위상 제어파 발생부

(BLK9)--위상 제어량 검출부

(BLK10)--기준전압 발생 및 출력전압 설정부.

(BLOCK1)--본 고안의 자동 위상 제어부

도 2는 직류 전원공급장치(DC Power Supply)의 발열량을 줄이기 위한 본 고안 자동 위상제어 회로로 트랜지스터2의 발열량을 줄이기 위하여 트랜지스터2의 에미터와 콜렉터 사이 전압을 감지하여 SCR로 위상 제어하게 되는데 비교기(OP3)의 기준전압을 5V로 설정하였다면 비교기(OP3)는 트랜지스터2의 에미터와 콜렉터 전압차를 기준전압 5V와 같게 유지하기 위하여 SCR의 위상을 자동 제어함으로써 트랜지스터2의 에미터와 콜렉터간 전압이 항상 5V로 유지되며, 이때 입력전압이 55V이고 출력전압이 1V, 출력전류가 5A일 경우 트랜지스터2의 에미터와 콜렉터간 전압은 5V로 유지된다.

상기에서 {P=VI} 공식을 적용하면 {5V × 5A = 25W}가 된다. 따라서 종래 직류 전원공급장치의 경우 54V X 5A = 270W의 발열 손실이 있고, 출력 = 1V X 5A = 5W가 됨에 비하여 도 2의 경우 5V X 5A = 25W의 발열 손실이 있고, 출력 = 1V X 5A = 5W가 된다.

이상과 같은 결과를 정리하면 아래 [표1]과 같다.

[표1]

구 분	종 래 회 로	본 고안의 회로	비 고
필요로 하는 부하전력	1V ×5A = 5W	1V ×5A = 5W	같 음
트랜지스터의 소비전력(손실)	54V ×5A = 270W	5V ×5A = 25W	약 11 : 1
효 율	낮 음	높 음	높을수록 좋음
발 열 량	많 음	적 음	적을수록 좋음
방열판/트랜지스터 등 소자의 크기 및 용량	큼	작 음	작을수록 좋음
장 치 의 크 기	큼 (대 형)	작음(소형)	작을수록 좋음
장 치 의 중 량	고 중 량	경 량	가벼울수록 좋음
원 가(Cost)	높 음	낮 음	낮을수록 좋음

도 3, 4는 일반적인 종래형 직류 전원공급회로와 본 고안 직류 전원공급회로의 출력전압에 따른 V_CE(에미터, 콜렉터 사이의 전압)의 변화를 비교한 그래프로서 일반적인 직류 전원공급회로는 도 3과 같이 출력전압이 낮을수록 V_CE의 전압이 많이 걸림을 알 수 있다. 반면 본 고안에 의한 직류 전원공급회로는 도 4와 같이 출력전압에 상관없이 일정한 V_CE전압이 걸림을 알 수 있다.

도 5는 본 고안의 개략적인 구성을 도시한 블록 다이어그램(Block Diagram)으로, 특히 자동 위상제어부는 위에서 언급한 일반적인 직류 전원공급장치의 단점들을 개선하기 위한 본 고안에서의 핵심 부분이다.

먼저, 도 6과 같은 파형의 상용 교류전압(AC)을 변압기(TRANS)를 이용하여 본 고안에서 필요로 하는 전압으로 변압한 다음 브리지 다이오드(Bridge Diode)로 정류하게 되는데 그 파형은 도 7과 같은 맥류가 된다.

다음으로 위상제어 부분에서 필요로 하는 만큼의 전력을(시간, 파형) 통과시켜 평활회로에서 완전한 직류로 변환하고, 변환된 직류는 다시 직류 제어회로를 거쳐 필요로 하는 전압만을 출력하게 되는데 여기에서의 기능은 직류의 가변성이다.

비교용 기준전압이 인가되는 직류(DC) 비교부에서는 상시 제어치와 출력치를 비교 감시하여 오차분을 보정하여 정확한 직류를 출력하고, 위상 제어량을 검출하는 검출부에서는 출력에서 필요로 하는 전력량보다 약간 상향된 값을 레벨(Level)비교 및 펄스 폭(Pulse Width) 제어부로 보내 기준 파형과 비교 동기화(Synchronous)된 제어 파형을 포토커플러(Photo Coupler)를 통해 위상제어(Phase Control)부로 보내 항상 최적의 전력량만을 평활부로 보내는 것이다. 이렇게 함으로써 불필요하게 소모되는 전력량을 줄일 수 있다.

여기에서 중요한 부분은 위상제어량 검출부, 레벨비교 및 펄스폭 제어부, 위상 제어부로 이어지는 피드백(Feedback)부분(자동 위상제어부)이라 할 수 있겠다.

한편, 도 9는 본 고안 일 실시 예로 제시한 상세 회로도로, 전원입력단자(TP1)(TP2)의 양단에 도 6과 같이 약 60㎐의 정현파로 된 AC전원을 인가하면 정류부(BLK1)의 브리지 다이오드(D1)을 통하여 약 120㎐의 맥류가 얻어진다.

이때의 파형은 도 8과 같으며, 코일(L1)의 역할은 허상전력(무효전력)분을 보상해 줌과 동시에 초기 전원을 투입할 때 DC평활부에 있는 평활용 캐패시터에 의한 서지전류(Surge Current), 서지전압 및 노이즈(Noise)를 제거해 준다.

상기에서 코일(L1) 대신 적절한 값의 저항을 접속하여도 비슷한 효과를 얻을 수 있으나 코일을 사용하는 경우 코일의 양단 전압 강하분은 권선저항 성분만 갖고 있기 때문에 저항을 사용할 때보다 훨씬 작아지고 무효전력 손실이 적지만 부피가 커지는 단점도 있다. 이와 같은 이유로 출력 전류가 커지거나 고안정을 필요로 하는 회로의 경우 코일(coil)을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 위상동기 및 톱니파(Sawtooth Wave) 발생부(BLK7)에서는 다이오드(D1)을 통해 탭 포인터(TP11)에 발생한 맥류와 위상이 동기 된 120㎐의 맥류가 다이오드(D2)(D3)에 의해 도 10과 같은 파형이 발생되는데, 탭 포인터(TP3)에 걸리는 파형 및 전압은 분압저항(R13)(R18)에 의해 결정된 전압(V_TP3= V(R18/(R13+R18)))으로 도 11과 같으며, 이때의 파형과 위상은 진폭(전압)만 다를 뿐 다이오드(D2)의 캐소드에 걸리는 것과 같다.

탭 포인터(TP4)의 전압(V_TP4= VCC(R19(R14+R19))) 또한 도 12와 같이 걸리게 된다. 비교기(U4)의 1차 적인 역활은 비교기(Comparator)로서의 기능인데 OP-AMP의 특성상 위상동기 및 톱니파 발생부(BLK7)과 같이 구성된 경우 입력의 극성을 비교하여 출력이 입력의 극성을 따라가게 된다.

즉, 입력에 순방향의 극성이 걸려있을 경우 출력은 양으로 최대의 출력을 얻게 되고 역방향의 극성이 걸려있을 경우 출력은 음으로 최대의 값을 얻게 된다.

좀더 자세히 설명하면 탭 포인터(TP4)의 기준점(Reference)을 중심으로 탭 포인터(TP3)의 전압레벨을 비교하여 기준전위보다 높으면 하이(High)로, 기준전위보다 낮으면 로우(Low)로 비교기(U4)의 출력이 스위칭(Switching)된다.

즉, 두 개의 출력 상태만을 가지고 있는 것이다. 여기에서 주목해야 될 부분은 상기 비교기(U4)는 오픈-콜렉터(Open-Collector)형으로 도 13과 같이 내부 출력의 끝단에 트랜지스터(Transistor)의 콜렉터(Collector)가 연결되어 있어서 출력이 양으로 되는 경우 전기적으로 오픈(Open) 상태가 되고, 출력이 음으로 되는 경우 콜렉터와 이미터(Emitter)를 통해서 전류를 흘림으로서 출력(OUT)이 그라운드(GND)전위에 가까워진다.

이렇게 될 경우 양의 출력을 이용하기 위하여 비교기(U4)의 출력(OUT)에 풀업(Pull-Up)저항(R21)이 접속되는데 비교기(U4)의 양단 입력을 비교하여 탭 포인터(TP4)의 전위보다 탭 포인터(TP3)의 전위가 높아지면 출력(OUT)이 오픈 되므로 V_CC전압이 풀업저항(R21)과 (R16)을 통해서 캐패시터(C5)에 충전된다.

탭 포인터(TP3)의 파형은 정현파를 정류한 맥류파로 일정한 주기와 듀티비(Duty Cycle)를 가지고 탭 포인터(TP4)보다 높아짐과 낮아짐을 반복하게 되는데, 탭 포인터(TP4)의 전위가 탭 포인터(TP3)보다 낮아질 경우 비교기(U4)의 출력은 그라운드(GND) 전위로 변하고 이때 캐패시터(C5)에 충전되어 있던 전하는 저항(R16)만을 통해서 방전된다.

결국 탭 포인터(TP6)의 전위는 충전시에는 저항(R21) + 저항(R16)을 통해서 이루어지고 방전은 저항(R16)을 통해서만 이루어지므로 충전시간 = C5(R21 + R16) > 방전시간 = C21 ×R16이 되어 항상 방전시간 보다 충전시간이 길어지게 된다.

따라서, 이 부분의 풀업저항(R21)과 출력저항(R16)의 비율을 적절히 조정함으로써 도 14와 같은 형태의 원하는 톱니파를 얻을 수 있다.

한편, 기준전압 발생 및 출력전압 설정부(BLK10)는 모든 비교의 기준이 되는 만큼 최소한의 오차를 갖기 위해서 각별하게 정도를 요하는 소자와 회로를 이용하여 설계하는 것이 바람직하고 온도에 의한 변화 대책 등도 마련하는 것도 필요하다.

만약 이곳의 기준 전압이 틀어진다면 나머지 DC 출력 값은 항상 오차를 가지고 출력되며, 또 이곳의 기준전압이 시간을 가지고 변한다면 DC출력 또한 시간을 가지고 변하게 되는 것이다.

탭 포인터(TP13)에서 출력되는 기준전압은 항상 일정하며 출력전압 설정용 가변저항(R20)을 통해 분압 된 전압이 비교기(U1)의 반전단자로 연결되는데 비교기(U1)의 반전단자(-)로 입력되는 전압은 가변저항(R20)의 가변 값에 따라 최소 0V에서 최대 기준전압까지의 전압 조정이 가능한 것이다. 상기에서 좀더 세밀한 전압조정을 원할 경우 포텐셔미터(Potentiometer)와 같이 여러 회전이 가능한 가변저항을 이용할 수 있다.

출력전압 검출 비교부(BLK6)의 탭 포인터(TP14)는 저항(R1)(R3)을 통해서 출력단자(TP16)(TP17)의 DC 전압을 감시하고 기준전압 발생부에서 항상 일정하게 발생하는 기준전압(TP13)은 가변저항(R20)을 통해서 설정한 전압과 비교하여 발생하는 오차분에 대한 보정값은 비교기(U1)을 통해서 출력되는데 이때 보정분의 전압이 탭 포인터(TP15) 전압이다. 이상적인 회로에서 탭 포인터(TP15)의 값은 거의 변화가 없이 일정하게 유지된다.

직접적으로 DC출력 전압을 제어하는 DC전압 제어부(BLK4)는 탭 포인터(TP15)로부터 오차 보정분 만큼의 전압을 트랜지스터(Q3)의 베이스저항 (R11)을 통해서 트랜지스터(Q3)의 베이스 전류를 제어하고, 또한 저항(R12)와 트랜지스터(Q2) 및 저항(R6) 등을 통하여 트랜지스터(Q1)을 제어함으로써 트랜지스터(Q1)의 이미터와 콜렉터의 양단전압, 즉 탭 포인터(TP19)와 탭 포인터(TP18)의 전압차를 제어하는 것이다.

여기에서 저항(R4)는 급격하게 상승하는 트랜지스터(Q1)의 에미터 전류로부터 트랜지스터(Q1)을 보호하기 위한 저항으로 낮은 값의 저항을 사용한다. 트랜지스터(Q1)은 전체적인 전류와 최대로 걸리는 에미터 컬렉터간 전압, 최대로 걸리는 전력량을 계산하여 설정하여야 하며 충분한 방열설계가 뒤따라야 한다. 적절하지 못한 회로 설계로 인한 잦은 고장의 대부분이 이곳에서 발생된다.

만약 큰 전류를 요구하는 직류전원공급 장치의 경우 DC전압 제어부(BLK4) 를 병렬로 복수 개 연결하여 사용할 수도 있다. 일반적으로 DC전원 공급장치들은 정류회로를 통해서 출력하고자 하는 최대 전압 및 손실을 고려하여 필요로 하는 DC전원의 전압을 정류하게 되므로 본 회로의 트랜지스터(Q1)과 같은 제어용 트랜지스터(출력 트랜지스터)에 최대의 전압이 걸리게된다.

이는 정류전압(DC입력전압) 55V, 최대 출력 50V/5A의 정격을 가진 전원 공급장치에 1V/5A의 출력을 사용하는 경우 출력 트랜지스터에서 감당해야 하는 전력은, 전압 55V - 1V = 54V, 전류 = 5A, 전력 = 54 X 5 = 270W의 전력을 소모해야 하는 것이다.

전열기구를 생각해 보면 여기에서 270W의 발열량은 굉장히 큰 것이다. 그러므로 출력제어용 트랜지스터가 270W 이상 견딜 수 있는 용량이 필요하고 방열에 필요한 방열판과 변압기의 크기가 커지며, 따라서 전체적인 부피가 증가하며, 원가가 상승하는 요인이 된다.

그러나 본 고안의 회로를 이용하면 위상제어부(BLK2)에 의해 위상제어가 되므로 탭 포인터(TP12)의 전압은 항상 필요로 하는 전력과 전압의 최소치를 약간 상회하여 유지되므로 트랜지스터(Q1)의 양단에는 최대 5V이상의 전압이 걸리지 않는다.

이 때의 전력을 위와 같이 구해 보면, 전압 5V, 전류 = 5A, 전력 = 5 X 5 = 25W가 된다. 이는 기존의 회로에 비하여 전력소모가 약1/11에 불과하며, 발열량이 적으므로 방열의 설계가 작게 될 수 있고, 출력제어용 트랜지스터는 25W만 견딜 수 있으면 되므로 직류전원장치의 크기를 줄일 수 있는 것이다.

즉, 기존의 종래 방식과 비교하여 보면 장점으로는 출력 트랜지스터의 용량이 크지 않아도 되므로 전체 크기가 작아지고, 방열판의 크기가 현저히 작아지고 출력 트랜지스터 또한 적은 용량이므로 원가(Cost)와 소모성 전력을 절감할 수 있으며, 기기의 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다.

만약 출력전압을 높이기 위하여 가변저항(R20)을 조정하면 출력전압 검출비교부(BLK6)를 통해 탭 포인터(TP15)의 전압이 낮아지며 이는 트랜지스터(Q1)의 이미터(TP19)와 콜렉터(TP18) 양단간의 전압을 강압시키게 된다. 이곳의 양단 전압을 강압시키는 것은 결국 탭 포인터(TP16)의 전위를 낮게 만드는 것으로, 탭 포인터(TP17)와 탭 포인터(TP16)의 전위차는 넓어지므로 출력전압은 높아지게 된다.

종래의 직류 전원공급회로는 이러한 동작으로 전압을 조정하게 된다. 그러나 본 고안의 직류 전원공급회로는 위와 같은 1차 적인 동작 외에 트랜지스터(Q1)의 양단간에 낮아진 전압을 비교기(U2)의 비반전 단자를 통해서 받아들이며 정류부의 마이너스 탭 포인터(TP19)와 (Q1의 양단 전압과 같은 의미) 비교하여 보정분을 탭 포인터(TP9)로 출력을 하게된다.

이때, 탭 포인터(TP9)의 전위는 평소와 달리 낮아지게 되는데 이는 저항(R15)를 통하여 위상제어파 발생부(BLK8)에 위치하는 비교기(U3)의 비반전 단자로 입력된다. 상기에서 저항(R17)의 역할은 표준(Normal)상태에서 최소한으로 필요한 전력을 공급하기 위한 펄스폭을 조정하기 위해서 사용된다.

한편 비교기(U3)의 반전단자에는 위에서 설명한 도 14의 톱니파가 항상 일정하게 입력되고 있는데 탭 포인터(TP10)의 출력 폭은 비교기(U3)의 비반전 단자로 인가되는 전위에 의해서 결정된다. 즉, 탭 포인터(TP9)의 전위가 낮아지면 탭 포인터(TP10)의 펄스 폭은 넓어지게 된다.(부논리).

여기에서 펄스 폭의 의미는 위상제어의 온-타임(ON-Time)을 의미한다. 도 16은 표준상태의 탭 포인터(TP10) 상태를 나타내고, 도 17은 탭 포인터(TP9)의 전위가 낮아질 때의 탭 포인터(TP10) 변화를 나타낸다. 이렇게 만들어진 탭 포인터(TP10)의 파형은 포토커플러(PC1)을 통해서 SCR1로 전달이 되는데 포토커플러(PC1)의 목적은 전기적으로 절연을 시키는데 있다.

SCR1에서는 탭 포인터(TP11)의 파형과 같은 전압을 탭 포인터(TP10)의 파형만큼만 ON시켜 탭 포인터(TP12)로 전달하게 되는데 이때의 맥류파형은 곧 바로 평활 캐패시터(C1), (C2), (C3)를 통해 직류로 변환된다.

다시 살펴보면 SCR(Silicon Controlled Rectifier - 실리콘 제어 정류기)의 온-타임(ON time)이 평소보다 넓어졌으므로 탭 포인터(TP12)의 전위는 도 18에서 도 19와 같이 높아지게 되고 탭 포인터(TP17)의 전위가 상승된다. 이는 곧바로 출력전압 감시를 위한 탭 포인터(TP14)로 전달되는데 비교기(U1)의 출력 탭 포인터(TP15)는 전위가 다시 높아지게 되므로 트랜지스터(Q1)의 양단 전압차는 커지게 되며, 트랜지스터(Q1)의 양단간 전압차는 항상 일정하게 유지된다.

이때 탭 포인터(TP16)의 전위는 높아져 DC 출력은 항상 필요로 하는 정전압을 얻게 되는 것이다. 이와 같은 동작들은 동시에 이루어진다.

만약, 일정한 전압을 출력하고 있는데 부하가 늘어나서 전류가 상승하면 위와 같은 동작들을 수행하게 되고 탭 포인터(TP12)의 전압은 변화가 없이 일정하면서 탭 포인터(TP10)의 펄스 폭(ON-time)이 도 20에서 도 21과 같이 넓어짐으로써 출력하는 전류, 전력을 상승시키고 필요로 하는 정전압을 유지하게 된다.

상기 도 9에서 자동 위상 제어부(BLOCK1)는 본 고안의 핵심부분으로서 DC전압 제어부(BLK4), 위상제어량 검출부(BLK9), 위상제어파 발생부(BLK8), 위상제어부(BLK2), DC전원 평활부(BLK3)로 구성됨을 나타내고 있다.

한편, 도 22와 도 23은 자동 위상 제어부(BLOCK1)의 구성 부분 중 위상제어부(BLK2)를 소자의 변경(교체), 소자 위치의 변경 등으로 구성이 가능한 회로의 예를 나타내고 있다.

즉, 도 22는 SCR1 대신 교류의 위상을 제어할 수 있는 트라이악을 브리지 다이오드(D1)의 전단에 접속하여 위상 제어하도록 함으로써 본 고안을 달성할 수 있게 한 것으며, 또한 도 23과 같이 브리지 다이오드(D1)를 생략하고 대신 SCR을 사용하여 직접 정류하면서 위상을 제어하여 본 고안을 달성할 수도 있다.

전류 검출부(BLK5)는 검출되는 전류를 이용하여 전류를 모니터하고 과전류에 의한 회로의 보호 및 외부에 알리는 장치, 또는 정전류 제어의 기본값 등으로 쓰일 수 있다.

이곳에 사용되는 저항(R5)는 높은 저항값을 사용하면 높은 전압을 얻을 수 있으므로 유리한 면이 있으나 발열량이 많아지므로 사용저항의 용량이 커지고, 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance)에 의한 오차가 커지는 등의 문제점이 있다. 따라서, 저항값이 0.1Ω정도의 낮은 망간계열(Manganin-망가닌)의 션트저항(Shunt Resistor)을 사용하도록 한다.

상기 저항을 사용함으로써 얻어지는 이득은 저항온도 계수가 좋고, 열기전력이 작으며, 저항값이 작음으로써 발열량과 저항의 용량을 줄일 수 있으며, 저항의 특성이 우수하여 선형성(Linearity)이 양호한 등의 유리한 점이 있다.

상기에서 얻어지는 전류의 값은 다음과 같이 전압으로 얻어지는데 V_shunt= I x R5로 만약 0.1Ω의 저항을 사용했다면 1A에서는 1x0.1 = 0.1V, 2A에서는 2X0.1 = 0.2V와 같이 구할 수 있다. 이러한 값은 너무 낮아서 바로 사용할 수는 없고 OP-AMP 등을 통해서 증폭을 한 후에 사용한다.

이상과 같이 본 고안은 항상 필요로 하는 정전압을 얻기 위해 적절한 전력을 유지하게 되고, 출력 트랜지스터(Transistor)에서 발생하는 발열량을 획기적으로 감소시켜 출력 트랜지스터의 용량과 방열판의 크기를 줄이고 전력 손실을 줄임으로써 직류전원장치의 원가를 절감하고 부피와 무게를 소형화 및 경량화 시킬 수 있는 등의 효과가 있는 매우 유용한 고안이다.

Claims

상용 교류전압(AC)을 변압한 다음 정류, 평활 및 제어하여 원하는 전압(전력)으로 출력하는 직류 전원공급장치에 있어서, 정류회로를 거쳐 위상제어부를 형성하여 출력 TR의 에미터, 콜렉터간 전압을 검출하여 위상제어부로 피드백 시키는 구성으로 이루어지며, 위상제어 부분에서 필요로 하는 만큼의 전력을(시간, 파형) 통과시켜 평활회로에서 직류로 변환하고, 변환된 직류는 다시 전압 제어회로를 거쳐 필요 전압을 출력하고, 출력전압 비교부는 상시 제어치와 출력치를 비교 감시하여 오차분을 보정하여 정확한 전압을 출력하도록 하고, 위상 제어량을 검출하는 검출부(출력 TR 에미터-콜렉터간)에서는 출력에서 필요로 하는 전압치보다 약간 상향된 값을 레벨(Level)비교하여 펄스 폭(Pulse Width) 제어부로 보내 기준파형과 비교 동기화(Synchronous)된 제어파형을 포토커플러(Photo Coupler)를 통해 위상제어(Phase Control)부로 보내 항상 최적의 전력량만을 평활부로 보내도록 함을 특징으로 하는 직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로.
제 1 항에 있어서, SCR1 대신 트라이악으로 된 위상 제어부를 정류부의 전단에 접속하여 위상 제어할 수 있도록 함을 특징으로 하는 직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로.
제 1 항에 있어서, 정류부(BLK1)의 브리지 다이오드(D1)를 생략하고 대신 SCR을 사용하여 직접 정류하면서 위상을 제어하도록 함을 특징으로 하는 직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로.
제 1 항에 있어서, 자동 위상제어부는 위상제어부와 평활부와, 직류제어부와, 검출부와, 레벨 비교부 및 펄스폭 제어부와, 위상제어부와 레벨 비교부 및 펄스폭 제어부를 포토커플러로 절연 연결하여 구성한 직류 전원공급장치의 발열량과 부피를 줄이기 위한 자동 위상제어 회로.