JP6193383B2 - Led素子の寿命を保護するled照明装置及びその制御方法 - Google Patents

Led素子の寿命を保護するled照明装置及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、LED照明装置に関する。
一般的に発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を利用した照明装置は、複数のLEDが直列に接続されてLEDアレイを形成し、該LEDアレイが複数個並列に接続されてLEDモジュールを形成する。
複数のLEDを直列に接続したLEDアレイが複数個並列に接続された状態で駆動すれば、作動時間が増加するにつれてLED素子の動作電圧(Vf)が変わるので、並列に接続されたLEDアレイの電流バランスが割れるようになる。
すなわち、LED素子に異常が発生すれば、当該LED素子が含まれたLEDアレイは、LED素子の動作電圧(Vf)が増加し、正常電流より少ない電流が流れるか、またはLED素子の動作電圧(Vf)が減少し、正常電流より大きい電流が流れるようになる。しかし、定電流発生源の設定された電流は変動しないので、劣化したLEDアレイで変更された電流は、劣化しない他のLEDアレイに電流が増加または減少して流れるようになる。
したがって、LEDアレイの電流バランスが割れるようになり、全体的にLEDアレイ別に明るさが変わって、均一な明るさを維持することができない。また、特定のLEDアレイに電流が増加する場合、LED寿命が短縮される問題がある。
したがって、このような問題を解決するために、韓国公開特許第2009−0011744号では、それぞれのLEDアレイに定電流回路(constant−current circuit)をそれぞれ設置し、定電流を流すことによって、LEDユニットに流れる電流の不均衡を制御するLED駆動回路を開示している。
しかし、このようなLED駆動回路は、LED列に印加される電圧を遮断し、LEDの寿命が全体的に短縮されることを防止することはできるが、このようなLED駆動回路をLED照明装置に使用する場合には、LED素子が1つでも破損されても、LED照明装置はオフされ、照明装置としての役目を全然行うことができない問題がある。
本発明は、LEDアレイの間の電流バランスが割れた場合、LEDアレイ間の全体抵抗偏差を減らし、印加される電流が一定になるように補正することによって、LED素子を保護するLED照明装置を提供する。
本発明の一態様によるLED照明装置は、多数個のLED素子が直列連結されたLEDアレイが多数個並列に接続されたLEDモジュールと、前記LEDモジュールに定電流を印加する定電流供給部と、前記各LEDアレイに直列連結された可変抵抗部と、前記定電流供給部及び可変抵抗部を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱した場合には、各LEDアレイの合成抵抗を算出し、前記各LEDアレイの合成抵抗が一致しない場合には、前記可変抵抗部を調節し、各LEDアレイの全体抵抗を一致させて、電流バランスを維持する。
本発明の一態様によるLED照明装置において、前記正常範囲は、正常電流の90%〜110%であることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置において、前記制御部は、前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より小さい場合には、前記可変抵抗部を調節し、全体抵抗を一致させることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置において、前記制御部は、前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より大きい場合には、前記各LEDアレイの電流値のうち前記正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積し、増減された電流の累積値分だけ電流値が調節されるように前記定電流供給部を制御することができる。
本発明の一態様によるLED照明装置において、前記制御部は、前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より大きい場合には、前記損失電力があらかじめ定められた基準値と同一になる範囲まで前記可変抵抗部を調節し、可変抵抗部が調節された状態で各LEDアレイの電流値のうち前記正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積し、前記定電流駆動部が正格電流から前記累積した電流値を引いた調整電流を出力するように制御することができる。
本発明の一態様によるLED照明装置で、前記基準値は、正格電力の0.1%〜5%内で定められた任意の値であることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置は、前記LEDモジュールに配置された放熱板の温度を測定する温度センシング部をさらに含み、前記制御部は、前記放熱板の温度が基準温度範囲を満足するとき、前記各LEDアレイの合成抵抗を算出することができる。
本発明の一態様によるLED照明装置は、前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱した場合、順次に1つのLEDアレイにのみ測定電流を印加し、当該LEDアレイにかかる電圧(VLED)を測定することによって、各LEDアレイの合成抵抗を順次に算出し、前記測定電流は、正格電流を前記LEDアレイの個数で割った電流値であることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置は、前記制御部は、合成抵抗が最も大きいLEDアレイを基準として残りのLEDアレイに直列連結された可変抵抗を調節し、各LEDアレイの全体抵抗を一致させることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置は、前記可変抵抗部は、トランジスタ、FET、JFET、EMOSFET、及びポテンショメータのうち選択されたいずれか1つであることができる。
本発明の一態様によるLED照明装置は、前記各LEDアレイに直列連結された電流センシング部を含む。
本発明の一態様によるLED照明装置において、前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常電流の30%以下であるか、または130%以上である場合には、当該LEDアレイを遮断させ、当該LEDアレイの個数分だけ電流値が減少するように定電流供給部を制御することができる。
本発明の一態様によるLED照明装置の制御方法は、各LEDアレイの電流値が正常範囲であるかを判断する段階と、前記各LEDアレイのうちいずれか1つ以上の電流値が正常範囲を脱した場合に、前記各LEDアレイの合成抵抗を測定する段階と、前記各LEDアレイの合成抵抗が一致しない場合、前記各LEDアレイの全体抵抗が一致するように補正抵抗を算出する段階と、前記算出された補正抵抗を有するように可変抵抗部を制御し、前記各LEDアレイの全体抵抗を一致させる段階と、を含む。
本発明によれば、1つの照明装置内でLED素子の異常により電流バランスが維持されない場合、各LEDアレイの抵抗を一致させて、最小限の電力損失で電流バランスを維持することができる。
また、電流バランスを維持することによって、特定のLED素子の異常により当該LEDアレイの不良と、それによって他のLEDアレイが損傷されることを抑制することができる。
図1は本発明の実施例によるLED照明装置を説明するための図である。 図2は本発明の実施例によって各LEDアレイで測定された電流バランスを維持する過程を示す流れ図である。 図3は各LEDアレイの全体抵抗を一致させるために補正抵抗を算出する過程を示す図である。
本発明は、多様な変更を行うことができ、さまざまな実施例を有することができるところ、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。
なお、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解しなければならない。
本発明で使用した用語は、ただ特定の実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。
また、本発明で添付された図面は、説明の便宜のために拡大または縮小して図示したものと理解しなければならない。
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明し、参照符号に関係なく、同一または対応する構成要素は、同一の参照番号を付与し、これに対する重複する説明を省略する。
図1は、本発明の実施例によるLED照明装置を説明するための図である。
図1を参照すれば、本発明によるLED照明装置は、多数個のLED素子が直列連結されたLEDアレイ21、22…2Nが多数個並列に接続されたLEDモジュール20と、前記LEDモジュール20に定電流を印加する定電流供給部10と、前記各LEDアレイ21、22…2Nに直列連結された可変抵抗部90と、前記定電流供給部10及び可変抵抗部90を制御する制御部50とを含む。
LEDモジュール20は、複数個のLEDアレイ21、22…2Nが並列に連結されて構成され、各LEDアレイ21、22…2Nは、複数個のLED素子が直列に連結される。LEDモジュール20のサイズは、設置場所、構造などによって多様に変形されることができる。
定電流供給部10は、各LEDアレイ21、22…2Nに定電流を印加する公知の構成である。この際、直流(DC)入力方式は、シリーズパス(Series pass)方式と、スイッチング定電流方式があり、交流(AC)入力方式は、コンバータ方式があり、出力方式は、いずれもDC定電流を出力し、外部の0〜5Vの制御信号によって出力される定電流の大きさを調節する機能を有する。
また、定電流供給部10はPWM方式によって制御される装置を使用してもよく、定電流供給部10は、RS485などのシリアル通信方式によって制御される装置を使用してもよい。本発明の一実施例による定電流供給部10は、単一の定電流供給部で構成することができる。
可変抵抗部90は、一種の電流/電圧調節素子であって、それぞれのLEDアレイ21、22…2Nに直列連結され、制御部50で印加されるゲート(gate)電圧信号によって抵抗が可変され得るように構成される。このような可変抵抗部90は、トランジスタTR、FET、JFET、EMOSFET、ポテンショメータのうちいずれか1つを選択することができる。
アナログ−デジタル変換器40は、それぞれのLEDアレイ21、22…2Nに印加される電流と、定電流供給部10の出力電圧、及び放熱板温度情報をデジタル信号に変換する。
センシング抵抗30は、LEDアレイ21、22…2Nに直列連結される。この際、LED照明装置の効率が低下しないように、抵抗値は、極めて小さく設計することが好ましい。しかし、このようなセンシング抵抗の代わりに、可変抵抗部90を利用してLEDアレイ21、22…2Nの電流値をセンシングしてもよい。
制御部50は、電源が印加されれば、定電流供給部10の設定状態(出力電圧、出力定電流などの正常状態、最大値、最小値の範囲)と、LEDアレイ21、22…2Nの個数とアレイ当たりのLED数(LEDs per string)、そしてLED保護条件による各LEDアレイの可変抵抗制御と関連した設定値、電流臨界値、電圧臨界値、温度臨界値などを読み出す。
また、制御部50は、アナログ−デジタル変換器40を通じて各LEDアレイの電流I1、I2、I3、I4、〜Inと定電流供給部10の出力電圧VLED、そして放熱板の温度情報を受信する。
制御部50は、測定された各LEDアレイ21、22…2Nの電流値が正常範囲を脱するか否かを判断する。この際、LEDアレイの正常範囲は、正常電流の90%〜110%に定められるが、必ずこれに限定されるものではない。
LEDアレイ21、22…2Nの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱することは、特定のLED素子が劣化し、動作電圧Vfが増加または減少するからである。
このように電流バランスが割れるようになれば、特定のLEDアレイ21、22…2Nに電流が増加するかまたは減少し、全体的に各LEDアレイ21、22…2N毎に明るさが変わって、均一な照度を維持することができない。また、特定のLEDアレイ21、22…2Nに印加される電流が増加する場合、LED寿命が短縮される問題がある。
したがって、制御部50は、電流バランスが割れたと判断される場合には、各LEDアレイ21、22…2Nに含まれたLEDの合成抵抗(等価抵抗)を算出する。
もし、各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗が一致すれば、LED素子以外に他の異常があるものなので、所定期間以後、さらに電流バランスを測定する。
なお、各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗が一致しない場合には、LED素子に異常が発生したものと判断し、可変抵抗部90を調節し、各LEDアレイ21、22…2Nの全体抵抗(LEDアレイの合成抵抗+可変抵抗部の補正抵抗+センシング抵抗)を一致させることによって、電流バランスを維持する。
したがって、また、各LEDアレイ21、22…2Nに流れる電流は一定になるので、光の均一度を最大に維持することができ、LEDモジュール20のうち一部LED素子の異常によって全体LEDモジュールが不良になることを最小化することができる。
また、定電流供給部10を制御することなく、可変抵抗部90を利用するので、最小限の電力損失で電流バランスを維持することができる。
この際、各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗は、温度センシング部80から受信された放熱板の温度が基準温度範囲を満足するときに算出することが好ましい。
なお、可変抵抗部90を利用して抵抗値を調節する場合にも、電力損失が発生することができ、このような損失電力があらかじめ定められた基準値より大きい場合には、制御部50が各LEDアレイ21、22…2Nの電流値のうち正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積し、増減された電流の累積値分だけ電流値が調節されるように、前記定電流供給部10を制御することができる。
一方、他の方法として、制御部50が全体損失電力があらかじめ定められた基準値と同一になる範囲までに可変抵抗部90を調節した後、前記可変抵抗部が調節された状態で各LEDアレイの電流値のうち正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積し、正格電流から前記累積した電流値を引いた調整電流を出力するように定電流供給部10を制御してもよい。
例えば、基準値が正格電力の1%の場合には、正格電力の1%に該当する範囲まで可変抵抗部90を調節し、可変抵抗部90によって全体抵抗が補正された状態で正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積した後、正格電流から前記累積した電流値を引いた調整電流を出力するように、定電流供給部10を制御することができるものである。
この際、基準値は、正格電力の1%に例示したが、正格電力の0.1%〜5%の範囲で任意に定めることができる。
パルス幅変調部60は、制御部50から受けた信号によってパルスのデューティ比を調節して出力することによって、定電流供給部10の定電流の大きさを制御することができる。しかし、前述したように、定電流供給部10は、パルス幅変調部以外に多様なインターフェースが選択されることができる。
通信部70は、シリアル通信ポットを通じて各LEDアレイ21、22…2Nの電流I1〜In、定電流供給部10の全体出力電流IT、出力電圧VLED、放熱板温度などの状態を遠隔監視が可能になるように構成し、遠隔地でLEDアレイ21、22…2N(21、22、23、24、〜2n)の電流制御と環境設定値の変更が可能となるように通信インターフェースを提供する。このような通信インターフェースを通じて、遠隔地で後述する補正抵抗算出制御と可変抵抗制御などが可能になって、遠隔で各LEDアレイ間の電流バランスを調節することができる。
図2は、本発明の実施例によって各LEDアレイで測定された電流バランスを維持する過程を示す流れ図であり、図3は、各LEDアレイに全体抵抗を一致させるために補正抵抗を算出する過程を示す図である。
本発明による制御方法は、各LEDアレイ21、22…2Nの電流値が正常範囲であるかを判断する段階S10と、前記各LEDアレイ21、22…2Nのうちいずれか1つ以上の電流値が正常範囲を脱した場合に、前記各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗を測定する段階S20と、前記各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗が一致しない場合、前記各LEDアレイ21、22…2Nの全体抵抗が一致するように補正抵抗を算出する段階S30と、前記算出された補正抵抗を有するように可変抵抗部90を制御し、前記各LEDアレイ21、22…2Nの全体抵抗を一致させる段階S40とを含む。
まず、各LEDアレイ21、22…2Nの電流値が正常範囲であるかを判断する段階S10について説明する。制御部50は、各LEDアレイ21、22…2Nの電流値を含む情報を受信(S11)し、LEDアレイ21、22…2Nのうち1つ以上が正常範囲を脱した場合には、LED素子に異常が発生したものと判断(S12)する。この際、正常範囲は、正常電流の90%〜110%に定めることができる。
この際、制御部50は、LEDアレイ21、22…2Nの電流値が臨界範囲を脱するかを判断(S13)する。臨界範囲は、正常電流の30%以上130%以下の範囲に定めることができる。
すなわち、LEDアレイ21、22…2Nの電流値が正常電流の30%未満であるか、または130%を超過する場合には、当該LEDアレイが開放または短絡したものと判断し、当該LEDアレイを遮断させ、当該LEDアレイの個数分だけ電流値が減少するように定電流供給部10を制御(S14)する。
なお、LEDアレイ21、22…2Nの電流値が正常範囲は脱したが、臨界範囲は超過しない場合には、LED素子に異常はあるが、まだ開放または短絡したものではないので、最大限電流バランスを維持させて、これ以上状態が悪くならないように調節する。
その後、各LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗を測定する段階S20と、補正抵抗を算出する段階S30は、図3を参照して詳しく説明する。
まず、LEDアレイ21、22…2Nの合成抵抗を測定する段階S20は、制御部50がLEDアレイ21、22…2Nの構造、抵抗変数、定電流情報などを読み出す(S210)。
その後、制御部50は、定電流を減少させて測定電流を維持(S220)する。測定電流は、正格電流をN個のLEDアレイ21、22…2N個数で割った電流値である。例えば、LEDアレイ21、22…2Nが5個である場合、正格電流の1/5に該当する測定電流を印加する。すなわち、当該LEDアレイの正常電流を印加するものである。
その後、可変抵抗部90を選択的にスイッチング(S230)し、測定すべきLEDアレイ21、22…2Nを選択する。例えば、第1LEDアレイ21を選択した場合、第1LEDアレイ21の可変抵抗部90のみをスイッチオンし、残りのN−1個のLEDアレイ22…2Nは、スイッチをオフさせて遮断する。
その後、制御部50は、第1LEDアレイ21に含まれた複数個のLED素子の動作電圧Vfによって出力電圧VLEDを測定(S240)し、下記関係式1によって第1LEDアレイ21の合成抵抗(等価抵抗)を演算(S250)する。
[関係式1]
RAn=VLEDn/I測定電流
同一の方法で順次にN−1個のLEDアレイ22…2Nの合成抵抗を算出する。
補正抵抗を算出する段階S30は、測定された合成抵抗が各LEDアレイ21、22…2N別に偏差がある場合、合成抵抗が最も大きいLEDアレイ(すなわち電流が最も少なく流れるアレイ)を基準としてそれぞれのLEDアレイと抵抗偏差を確認する。その後、抵抗偏差分だけそれぞれの補正抵抗を算出する。
この際、合成抵抗及び補正抵抗、定電流情報などがメモリに保存されるので、当該LEDアレイの抵抗偏差を把握することができる長所がある。
さらに図2を参照すれば、全体抵抗を一致させる段階(S40)で、制御部50は、算出された補正抵抗の適用時に、発生する全体損失電力が正格電力の1%以上上昇するかを判断(S41)する。
全体損失電力が正格電力の1%未満の場合には、可変抵抗部90を制御し、補正抵抗を適用することによって、各LEDアレイ21、22…2Nの全体抵抗を一致(S42)させる。
結果的にLEDアレイの全体抵抗(LEDアレイの合成抵抗+可変抵抗部の補正抵抗+センシング抵抗)がすべて一致すれば、電流は、さらにバランスを維持するようになる。
なお、各LEDアレイ21、22…2Nに連結された可変抵抗部90を調節することによって、発生する全体損失電力が正格電力の1%以上の場合には、各LEDアレイ21、22…2Nの電流値のうち正常範囲を脱した電流値を累積した後、増減された電流の累積値分だけ電流値が調節されるように定電流供給部10を制御(S43)することができる。
または、損失電力があらかじめ定められた基準値と同一になる範囲まで前記可変抵抗部90を調節し、可変抵抗部90によって全体抵抗が補正された状態で正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積した後、正格電流から前記累積した電流値を引いた調整電流を出力するように定電流供給部10を制御することができる。
この際、基準値は、正格電力の1%と例示したが、正格電力の0.1%〜5%の範囲で任意に定めることができる。
以上、本発明者によって行われた発明を前記実施例によって具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲でいろいろに変更可能なことはもちろんである。

Claims (11)

  1. 多数個のLED素子が直列連結されたLEDアレイが多数個並列に接続されたLEDモジュールと、
    前記LEDモジュールに定電流を印加する定電流供給部と、
    前記各LEDアレイに直列連結された可変抵抗部と、
    前記定電流供給部及び可変抵抗部を制御する制御部と、を含み、
    前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱した場合には、前記可変抵抗部を調節し、各LEDアレイの全体抵抗を一致させて電流バランスを維持し、
    前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱した場合には、各LEDアレイの合成抵抗を算出し、前記各LEDアレイの合成抵抗が一致しない場合には、前記可変抵抗部を調節し、且つ前記正常範囲は、正常電流の90%〜110%である、LED照明装置。
  2. 前記制御部は、前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より小さい場合には、
    前記可変抵抗部を調節し、全体抵抗を一致させることを特徴とする請求項に記載のLED照明装置。
  3. 前記制御部は、前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より大きい場合には、
    前記損失電力があらかじめ定められた基準値と同一になる範囲まで前記可変抵抗部を調節し、
    前記可変抵抗部が調節された状態で各LEDアレイの電流値のうち前記正常範囲を脱したLEDアレイの電流値を累積し、前記定電流供給部が正格電流から前記累積した電流値を引いた調整電流を出力するように制御することを特徴とする請求項に記載のLED照明装置。
  4. 前記基準値は、正格電力の0.1%〜5%内で定められた任意の値であることを特徴とする請求項またはに記載のLED照明装置。
  5. 前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常範囲を脱した場合、
    順次に1つのLEDアレイにのみ測定電流を印加し、当該LEDアレイにかかる電圧VLEDを測定することによって、各LEDアレイの合成抵抗を順次に算出することを特徴とする請求項に記載のLED照明装置。
  6. 前記制御部は、合成抵抗が最も大きいLEDアレイを基準として残りのLEDアレイに直列連結された可変抵抗を調節し、各LEDアレイの全体抵抗を一致させることを特徴とする請求項に記載のLED照明装置。
  7. 前記LED照明装置は、遠隔地で前記制御部と接続されたインターフェースを通じて照明装置の設定値を制御し、照明装置の状態を監視することを特徴とする請求項1に記載のLED照明装置。
  8. 前記各LEDアレイに直列連結された電流センシング部を含むことを特徴とする請求項1に記載のLED照明装置。
  9. 前記制御部は、測定された各LEDアレイの電流値のうち1つ以上が正常電流の30%以下であるか、または130%以上である場合には、当該LEDアレイを遮断させ、前記遮断されたLEDアレイの個数分だけ電流値が減少するように定電流供給部を制御することを特徴とする請求項に記載のLED照明装置。
  10. 各LEDアレイの電流値が正常範囲であるかを判断する段階と、
    前記各LEDアレイのうちいずれか1つ以上の電流値が正常範囲を脱した場合に、前記各LEDアレイの合成抵抗を測定する段階と、
    前記各LEDアレイの合成抵抗が一致しない場合、前記各LEDアレイの全体抵抗が一致するように補正抵抗を算出する段階と、
    前記算出された補正抵抗を有するように可変抵抗部を制御し、前記各LEDアレイの全体抵抗を一致させる段階と、を含み、
    前記補正抵抗を算出する段階は、
    順次に1つのLEDアレイにのみ測定電流を印加し、当該LEDアレイにかかる電圧VLEDを測定することによって、各LEDアレイの合成抵抗を順次に算出する、LED照明装置の制御方法。
  11. 各LEDアレイの電流値が正常範囲であるかを判断する段階と、
    前記各LEDアレイのうちいずれか1つ以上の電流値が正常範囲を脱した場合に、前記各LEDアレイの合成抵抗を測定する段階と、
    前記各LEDアレイの合成抵抗が一致しない場合、前記各LEDアレイの全体抵抗が一致するように補正抵抗を算出する段階と、
    前記算出された補正抵抗を有するように可変抵抗部を制御し、前記各LEDアレイの全体抵抗を一致させる段階と、を含み、
    前記全体抵抗を一致させる段階で、
    前記各LEDアレイに連結された可変抵抗部を調節することによって、発生する損失電力があらかじめ定められた基準値より小さい場合には、
    前記可変抵抗部を調節し、全体抵抗を一致させるLED照明装置の制御方法。
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