[논문]하이브리드 슈퍼커패시터 DC-DC 컨버터를 이용한 LED 비상 유도등 동작 디밍 제어

황락훈; 김진선; 나용주

doi:10.12673/jant.2017.21.3.220

[국내논문] 하이브리드 슈퍼커패시터 DC-DC 컨버터를 이용한 LED 비상 유도등 동작 디밍 제어
Dimming Control of the LED Luminaire Emergency Exit Sign Operation using a Hybrid Super Capacitor of DC-DC Convertor 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.21 no.3 = no.84, 2017년, pp.220 - 229

황락훈 (세명대학교 전기공학과) , 김진선 (세명대학교 전기공학과) , 나용주 (세명대학교 전기공학과)

초록
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본 연구는 다양한 DC 전원을 활용할 수 있는 승압형 DC-DC 컨버터로 설계사양을 통한 인덕터 L과 커패시터 C의 값을 산출하여 PSPICE를 통한 최적의 값을 추정하였다. 승압형 DC-DC 컨버터는 스위치 소자로 IRF840을 사용하였으며 역회복 시간(reverse recovery time)이 뛰어난 쇼트키 다이오드(schottky rectifiers)인 D10SC6M을 사용하여 정전류 제어 (constant current controller)가 가능하도록 구성하였으며 열저항을 고려한 파워 LED 모듈 (power LED module)을 제작하여 구동하였다. 컨버터의 스위칭 주파수는 50 kHz로 최초 듀티비는 10 %에서 출력전압의 검출 값에 따라 점차적으로 증가시키도록 하였다. 그 결과로 승압형 파워 LED 구동기를 시뮬레이션 한 특성은 설계사양과 비교하여 5 %이하의 오차로 근사적으로 나타났고, 입력전압 15 V를 인가하여 안정된 24 V의 안정된 출력전압을 얻었으며 디밍제어 (dimming control)를 통한 밝기 조절 및 소비전류의 조정이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, To take advantage a variety of DC power as the boost DC-DC converter design specifications through the inductor L and capacitor C through PSPICE to calculate the best estimate of the value. Boost DC-DC converter with a switch device using IRF840 and reverse recovery time Schottky diodes with excellent with constant current controller using D10SC6M and resistance can be configured to considering the Power LED Module was driven by the production. Converter's switching frequency is 50 kHz, the first Duty Rate was made to increase gradually depending on the value of the detection were, 10 % in the output voltage. As a result, the simulated Boost Power LED driver characteristics is in comparison with the design specifications, 5% or less as the error was approximated. Finally, when input 15 V were offered, a stable output 24 V were obtained. and Dimming Control through the adjustment of brightness and current consumption were possible.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로 컨트롤러 MSP430를 이용한 승압방식의 정전류형 DC-DC 컨버터를 제안하였고 제한된 DC 전원에서 전력의 소비량을 조절하기 위해 PWM의 듀티비를 이용하여 디밍 동작을 구현하였으며 OP-Amp로 구성된 전류센서를 이용하여 PWM(pulse-width modulation)제어를 통해 Power LED를 구동하고자 한다.
제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 이용하여 LED 유도등의 비상전원으로 사용하기 위해 에너지 저장 매체로서의 전기적 특성을 평가하고 및 모듈을 설계하였다. 설계된 하이브리드 슈퍼커패시터를 LED 비상 유도등 전원으로써 사용 가능성 여부를 확인하였다.
본 연구는 실험을 승압형 Power LED 구동기를 제작하여 실험하였으며 실험을 통한 Power LED의 특성과 전력변환 과정에 대하여 고찰해 볼 수 있었다. 향후과제로 다양한 전원에서 사용가능한 고효율의 플라이 백 혹은 포워드 컨버터 형태의 구동기가 연구되어야 하며 마이크로 컨트롤러를 이용한 통신시스템 및 LCD를 이용하여 사용자의 전력소비량을 표시하며 전력공급자에 정보를 제공하는 스마트그리드 시스템 구성이 향후 과제로 사료된다.

제안 방법

그림 1은 슈퍼 커패시터를 이용한 LED 구동용 회로의 대표적인 예로서 에너지 저장 매체로서 슈퍼 커패시터 사용하고 슈퍼 커패시터 셀(cell) 밸런싱 및 LED의 전류를 제어할 수 있는 회로 구성이다. 본 논문에서는 비상용 유도등에 적용 가능한 에너지 저장 매체로서 슈퍼커패시터의 단점인 에너지 밀도를 향상한 리튬 티탄산산화물(Li₄Ti₅O₁₂)를 음극 물질로 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터 (hybrid super capacitor)를 제작하였다. 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 이용하여 LED 유도등의 비상전원으로 사용하기 위해 에너지 저장 매체로서의 전기적 특성을 평가하고 및 모듈을 설계하였다.
본 논문에서는 비상용 유도등에 적용 가능한 에너지 저장 매체로서 슈퍼커패시터의 단점인 에너지 밀도를 향상한 리튬 티탄산산화물(Li₄Ti₅O₁₂)를 음극 물질로 적용한 하이브리드 슈퍼커패시터 (hybrid super capacitor)를 제작하였다. 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 이용하여 LED 유도등의 비상전원으로 사용하기 위해 에너지 저장 매체로서의 전기적 특성을 평가하고 및 모듈을 설계하였다. 설계된 하이브리드 슈퍼커패시터를 LED 비상 유도등 전원으로써 사용 가능성 여부를 확인하였다.
승압형 컨버터는 동작원리를 근거로 인덕터, 커패시터, 저항의 값을 결정하였으며, 각 반도체 소자들은 입력 전압, 전류와 출력 전압, 전류의 특성을 반영하여 선택되었다. 승압형 컨버터의 설계사양 및 인덕터와 커패시터의 값은 표 1에 나타내었다.
디밍 제어를 위해 스위칭 소자인 MOSFET(matel-oxide semiconductor field-effect transistor)를 사용하여 구성하였으며 전류상승을 억제하고 제어하기 위한 전류 센싱 회로는 히다치 반도체의 Dual OP-AMP IC인 17358을 사용하였으며 과전압 보호를 위해 ADC컨버터를 이용하여 출력전압을 센싱 하였다. 또한 회로의 오동작시 마이크로컨트롤러를 보호하기 위해 컨버터와 절연을 위한 TLP250을 이용하여 그림 13과 같이 나타냈다.
인덕터의 값을 380uH, 480uH, 1100uH과 저항의 값은 30Ω, 47Ω, 68Ω 으로 변환하여 시뮬레이션 하였다.
제작된 승압형 컨버터는 그림 16과 같으며 LED 구동기를 이용하여 30분간 2회에 걸쳐 점등하였을 때 구동 특성을 조사하였다. 그림 17과 그림 18은 점등 후 구동시간에 대한 LED 온도변화와 출력전압의 변화를 나타내며 출력전압은 일정하게 유지되었다.
본 논문에서 Power LED의 구동효율을 높이고 간단한 조명 시스템을 구성하기 위해 승압형 Power LED 구동기를 구성하였으며 PSPICE를 통한 시뮬레이션을 수행하여 결과를 근거로 Micro-controller인 MSP430를 이용하여 승압형 Power LED 구동기의 특성을 조사하고 실험 수행한 결과 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

동작을 보면 정상상태에서는 상용 전원으로 DC-DC 컨버터를 이용하여 예비 전원을 충전하고 LED를 점등되도록 설계 되어있으며 비상시에는 비상전원에 충전된 에너지를 사용하여 LED를 점등시키는 구조로 구성 되어 있다. 구성으로서는 LED부, 회로부, 비상 전원부 및 표시부로 구성되어 있으며 LED부의 경우 7개의 LED로 구성 되어 있으며 예비 전원부의 경우 니켈 카드뮴 전지를 사용 하였다.
회로의 구성은 디밍 제어를 위한 디밍 제어부와 과전류 보호 및 전류제어를 위한 전류 센싱부와 과전압 검출을 위한 출력전압을 센싱부와 제어를 위한 MSP430F5438 실험키트를 이용하여 그림 12와 같이 구성하였다.

성능/효과

출력 전압은 18msec에서 안정된 값을 보였으며 출력 리플 전압 Δvo는 계산된 커패시터 값의 2배로 구성하여 변화가 매우 작은 것을 확인할 수 있었다.
[1] 일정한 출력전압과 전류를 얻기 위해 실제 승압형 DC-DC 컨버터와 시뮬레이션 결과 5% 이하의 오차로 거의 일치함을 알 수 있었으며 이를 이용하여 실제 승압형 DC-DC 컨버터를 효과적으로 구성하였다.
[2] Power LED 구동을 위해 정전류 제어법을 사용하여 승압형 DC-DC 컨버터를 제어하였으며 소프트 스타트를 통하여 첨두 출력전압에 의한 손상을 방지할 수 있었다.
[4] 디밍 제어를 통한 소비전류의 조절을 통해 제한된 DC전원의 전력소비를 조절할 수 있었다.

후속연구

본 연구는 실험을 승압형 Power LED 구동기를 제작하여 실험하였으며 실험을 통한 Power LED의 특성과 전력변환 과정에 대하여 고찰해 볼 수 있었다. 향후과제로 다양한 전원에서 사용가능한 고효율의 플라이 백 혹은 포워드 컨버터 형태의 구동기가 연구되어야 하며 마이크로 컨트롤러를 이용한 통신시스템 및 LCD를 이용하여 사용자의 전력소비량을 표시하며 전력공급자에 정보를 제공하는 스마트그리드 시스템 구성이 향후 과제로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED란?	최근 유도등의 광원으로는 LED를 주로 사용하는데 LED란 반도체로 된 다이오드의 일종으로서 양전극 단자에 전압을 걸면 한 방향으로만 전류가 주입되고 전자와 정공이 재결합해서 그 일부의 에너지를 빛으로 변환되는 다이오드이다. LED는 전구 등의 다른 열 변환 발광 소자에 비해 안정적이고 신뢰성이 있으며, 그 수명도 연속 통전 상태에서 10만 시간 이상으로 길다.
	최근 비상유도등 시스템에서 배터리 교체가 활발한 이유는?	LED는 다이오드의 일종이므로 소자 하나를 구동하는데 불과 수 V 전압 및 수 mA 전류로 구동된다. 현재의 유도등에 사용 중인 LED는 10년 이상의 수명을 가지는 반면, 예비전원으로 사용되는 니켈 카드뮴 전지의 경우 수명은 4∼6년으로 제한적이다. 최근에는 비상유도등 시스템에서 유지, 보수비용의 대부분을 차지하는 배터리 교체에 대한 비용을 줄이기 위하여 에너지 저장 매체로서 장 수명을 가지는 슈퍼 커패시터의 사용이 증가되고 있다.
	다른 전구와 비교해 LED의 장점은?	최근 유도등의 광원으로는 LED를 주로 사용하는데 LED란 반도체로 된 다이오드의 일종으로서 양전극 단자에 전압을 걸면 한 방향으로만 전류가 주입되고 전자와 정공이 재결합해서 그 일부의 에너지를 빛으로 변환되는 다이오드이다. LED는 전구 등의 다른 열 변환 발광 소자에 비해 안정적이고 신뢰성이 있으며, 그 수명도 연속 통전 상태에서 10만 시간 이상으로 길다. LED는 다이오드의 일종이므로 소자 하나를 구동하는데 불과 수 V 전압 및 수 mA 전류로 구동된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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