KR100706311B1 - 전파정류 펄스폭 변조 제어에 의한 발광다이오드 구동회로 - Google Patents

전파정류 펄스폭 변조 제어에 의한 발광다이오드 구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광다이오드(Light emitting diode: LED) 구동회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교류전원을 전파정류 전압으로 변환하고 발광다이오드에 전원이 인가되는 경로를 연결/차단하는 스위칭 수단과 강압초퍼회로를 이용해 펄스폭 변조(Pulse width modulation: PWM) 제어하여 발광다이오드를 구동하는 회로에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 교류전원을 전원으로 사용하여 발광다이오드 구동회로의 구성이 간단, 간소해지면서 역률, 광출력 제어의 특성이 양호한 것이 가능하다.
발광다이오드, 교류전원, 펄스폭 변조, 전파정류

Description

전파정류 펄스폭 변조 제어에 의한 발광다이오드 구동회로{Driving circuit for light emitting diode by pulse width modulation control with full-wave rectifier}
도 1은 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 일 실시예에서 교류전원의 변화에 따른 각 부분의 신호의 변화를 나타낸 것이다.
{도면의 주요부분에 대한 설명}
11 : 전원공급부 12 : 필터부
13 : 전파정류부 14 : 컨버터부
14a : 컨버터부 인덕터 14b : 컨버터부 커패시터
14c : 컨버터부 다이오드 15 : 스위칭 소자
16 : 제어부 인덕터(2차 코일) 17 : 제어부
18 : 발광다이오드 유닛
본 발명은 발광다이오드(Light emitting diode: LED) 구동회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교류전원을 전파정류 전압으로 강압 변환하고 펄스폭 변조(Pulse width modulation: PWM) 제어하여 발광다이오드를 구동함으로써 입력전압에 대한 역률, 온도보상, 광출력 제어의 특성이 양호한 발광다이오드 구동회로에 관한 것이다.
발광다이오드는 반도체를 이용한 발광소자의 한 종류로, 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체소자로서, 반응속도, 전력소모, 발열 등의 제반특성이 종래의 광원에 비해 매우 우수하여 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 발광다이오드 구동회로는 교류전원전압을 직류 정전압으로 변환하고, 상기 변환된 직류 정전압을 이용해 발광다이오드의 전압, 전류를 제어하여 광출력을 조절한다.
그러나 상기와 같이 직류 정전압을 발광다이오드의 구동에 사용하기 위해서는 구동회로가 매우 복잡해지며 많은 개수의 소자가 필요하다. 회로가 복잡하고 소자의 개수가 증가하여, 상기 발광다이오드 구동회로를 구비한 제품은 크기가 증대되고, 이는 최근 발광다이오드를 채용하는 제품의 소형화, 경량화 추세에 반하는 것이다.
그리고 많은 수의 회로 소자에서의 발열에 의해 발광다이오드의 광출력이 감소하거나 광출력 효율이 저하되는 문제점도 있으며, 많은 수의 소자를 사용하는데 따르는 제품 가격의 상승 또한 문제점 중의 하나로, 상기와 같은 문제점으로 인하여 발광다이오드로 종래의 조명제품을 대체하는 데 다소의 어려움이 있다.
교류전원을 입력으로 하여 직접 발광다이오드를 구동하는 경우에는 회로의 구성은 간단해지지만, 광출력 크기의 제어가 어렵고 고전압 교류전원을 사용하기 곤란하며 서지전압 및 외부요인에 의한 전압 변동에 발광소자 및 회로가 취약하여 발광다이오드의 작동 및 운용에 많은 문제점이 있다. 그리고 교류전원을 사용하는 경우에는 역률이 낮아 별도로 역률의 향상을 위한 집적회로, 역률개선회로가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 커패시터, 인덕턴스 등의 회로소자를 이용하여 교류전원을 사용하여 회로의 부품 수와 크기를 줄일 수 있고 역률이 높으며 광출력 제어 성능이 우수한 발광다이오드 구동회로를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 발광다이오드 구동회 로는 교류전원을 입력받아 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원의 서지전압을 제거하는 필터링을 하는 필터부; 상기 필터부에서 필터링된 교류전원을 전파정류하여 정류전압을 출력하는 전파정류부; 상기 정류전압을 하나 이상의 발광다이오드 유닛에 전원으로 공급하는 컨버터부; 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해서 전원이 인가되는 경로를 연결 또는 차단하는 스위칭 소자를 구비하는 스위치부; 및 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 컨버터부는 상기 스위치부에서 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해 전원이 인가되는 경로가 연결 또는 차단됨에 따라 펄스폭 변조(PWM) 제어된 정류전압을 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛에 각각에 전원으로 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 컨버터부는 하나 이상의 인덕터와 상기 발광다이오드 유닛에 대해 병렬연결되는 하나 이상의 커패시터를 구비한 강압초퍼회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 커패시터는 상기 스위칭 소자가 상기 발광다이오드 유닛에 전원이 인가되는 경로를 차단한 상태(오프 상태)인 경우에는 상기 정류전압에 의해 전하를 충전하고, 상기 스위칭 소자가 상기 발광다이오드 유닛에 전원이 인가되는 경로를 연결한 상태(온 상태)인 경우에는 충전된 전하를 상기 발광다이오드 유닛에 전원으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 컨버터부의 인덕터 코일에 커플링되어 발진신호를 출력하는 2차 코일을 구비하고, 상기 2차 코일에 유도되는 기전력에 따라 상기 스위치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 서미스터(thermistor)를 더 포함하고 상기 2차 코일에 유도되는 기전력과 서미스터에 의한 전류값의 크기에 따라 상기 스위칭 소자에 다른 크기의 신호를 인가하여 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는 상기 2차 코일을 포함하는 LC발진회로와 수정발진회로를 포함하고 상기 LC발진회로와 상기 수정발진회로에 의해 생성되는 발진신호를 상기 스위칭 소자에 인가하여 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 스위치는 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해 전류가 흐르는 경로를 연결 또는 차단하는 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor)이고, 상기 제어부는 상기 각각의 전계효과 트랜지스터의 게이트에 상기 전계효과 트랜지스터의 동작을 제어하는 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 스위치는 상기 발광다이오드 유닛 각각에 대해 직렬연결되고, 상기 스위치와 상기 발광다이오드 유닛이 연결된 각각의 단위는 서로 병렬연결되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 1의 실시예에서 발광다이오드 구동회로는 교류전원을 입력받아 전원을 공급하는 전원공급부(11), 상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원의 서지전압을 제거하는 필터링을 하는 필터부(12), 상기 필터부에서 필터링된 교류전원을 전파정류하여 정류전압을 출력하는 전파정류부(13), 상기 정류전압을 발광다이오드 유닛(18)에 전원으로 공급하고 인덕터와 커패시터를 구비하는 컨버터부(14), 상기 발광다이오드 유닛(18)에 대해서 전원이 인가되는 경로를 연결 또는 차단하는 스위칭 소자(15), 상기 컨버터부(14)의 인덕터 코일에 커플링되어 발진신호를 출력하는 2차코일(16) 및 상기 2차코일(16)에서 출력되는 발진신호를 입력받고 상기 스위칭 소자(15)의 동작을 제어하는 제어부(17)를 포함한다.
상기 전원공급부(11)에서는 상용 교류전원을 구동회로에 입력한다.
상기 필터부(12)는 상기 전원공급부(11)로부터 입력되는 교류전원에서 전자파간섭(EMI) 및 외부 서지전압을 제거한다.
상기 전파정류부(13)는 브리지 다이오드 및 4개의 다이오드를 사용하여 상기 필터부(12)에서 서지전압이 제거, 차단된 교류전원을 정류하여 정류전압을 출력한다.
상기 컨버터부(14)는 상기 스위칭 소자(15)에 의해 발광다이오드 유닛(18)에 대해 전원이 인가되는 경로가 연결 또는 차단됨에 따라 상기 전파정류부(13)에서 출력된 정류전압을 펄스폭 변조(PWM) 제어하여 상기 발광다이오드 유닛(18)에 전원으로 인가한다.
상기 컨버터부(14)는 인덕터와 커패시터 및 다이오드를 구비하며, 상기 커패시터는 상기 발광다이오드 유닛(18)에 대해 병렬연결되어 상기 인덕터와 함께 강압쵸퍼(buck chopper)회로를 구성한다.
상기 컨버터부(14)에서의 전압 강압 변환은 상기 발광다이오드 유닛(18)로 전류전원이 인가되는 경로가 상기 스위칭 소자(15)에 의해서 연결 또는 차단됨에 의해, 즉 상기 스위칭 소자(15)의 온/오프(ON/OFF)에 의해 상기 전파정류부(13)에서 출력된 정류전압이 펄스폭 변조(Pulse width modulation: PWM)되어 이루어진다.
상기 스위칭 소자(15)의 동작에 따라 인덕터(14a), 커패시터(14b), 다이오드(14c)가 강압쵸퍼의 역할에 의해 전파정류부(13)에서 출력된 정류전압을 발광다이오드의 구동에 적당한 크기로 조절하는 것이 가능하다.
상세하게 설명하면, 상기 스위칭 소자(15)가 OFF동작 시에는 발광다이오드 유닛(18)으로의 전원인가가 차단되고 커패시터(14b)에 전하가 충전된다. 상기 발광다이오드 유닛(18)의 동작전압에 따라 적당한 값의 인덕턴스와 커패시턴스 값을 갖는 인덕터(14a)와 커패시터(14b)를 사용하면, 교류전원에 의한 입력전압의 값이 높아지더라도 커패시터(14b)는 OFF동작이 지속됨에 따라 충전전압의 상승이 억제되고 인덕터(14a)의 에너지는 다이오드(14c)에 의해 방출되어 커패시터(14b) 양단의 전 압이 입력전압에 비해 낮아진다.
스위칭 소자(15)가 ON동작 시에는 커패시터(14b)에 충전된 전하가 스위칭 소자(15)와 발광다이오드 유닛(18)을 통해 방전되며, 인덕터(14a)의 존재로 인해 발광다이오드 유닛(18)에 흐르는 전류값의 급격한 상승이 억제된다.
상기와 같이 스위칭 소자(15)의 ON/OFF동작에 의해 발광다이오드 유닛(18)에 전원이 인가되는 경로가 연결 또는 차단되는 시간이 달라짐에 따라 상기 발광다이오드 유닛(18)에 인가되는 전압의 크기가 조절되고 광출력이 제어된다.
상기 실시예에서 상기 스위칭 소자(15)는 상기 발광다이오드 유닛(18)에 전류가 흐르는 경로를 연결 또는 차단하는 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor)이며, 상기 발광다이오드 유닛(18)에 직렬연결된다.
상기 스위칭 소자(15)에 의한 경로의 연결 또는 차단 여부는 제어부(17)가 상기 전계효과 트랜지스터의 게이트에 인가하는 신호에 따라 달라진다.
상기 제어부(17)는 상기 스위칭 소자(15)가 발광다이오드 유닛(18)에 전원이 인가되는 경로를 연결 또는 차단할지 여부를 제어하며, 상기 스위칭 소자(15)의 ON/OFF동작 시간을 조절한다.
상기 제어부(17)는 상기 컨버터부(14)의 인덕터 코일에 커플링되어 발진신호를 출력하는 2차 코일(16)을 구비하고, 상기 2차 코일에 유도되는 기전력에 따라 상기 스위치의 동작을 제어하는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 컨버터부(14)의 인 덕터 코일에 인가되는 전파정류부(13)의 출력전압, 즉 정류전압의 변화에 따라 상기 스위칭 소자(15)의 ON/OFF 시간을 조절하여 발광다이오드 유닛(18)에 인가되는 전류를 제어한다.
상기 제어부(17)는 상기 2차 코일의 인덕터(16)를 포함하는 LC발진회로, 수정발진회로, 저항 등의 수동소자를 구비하여, 상기 스위칭 소자(15)의 ON/OFF동작의 시간을 제어하는 신호를 생성할 수 있다. 또는 상기 2차 코일의 인덕터(16)에 유도되는 전압 또는 전류값을 입력받는 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서 등의 능동소자를 이용하여 상기 스위칭 소자(15)의 동작을 제어하는 신호를 생성할 수도 있다.
상기 제어부(17)는 서미스터(thermistor), 특히 NTC 서미스터를 구비하여, 상기 2차 코일의 인덕터(16)에 유도되는 전압과 상기 서미스터의 저항에 의해 값이 결정되는 전류값에 따라 상기 스위칭 소자(15)에 다른 크기의 신호를 인가하는 것이 바람직하다. 이 경우 구동회로 및 발광다이오드의 온도에 따라 스위칭 소자(15)의 ON/OFF 동작이 달라져 온도보상과 과전류로부터의 회로의 보호가 가능하다.
도 2는 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 상기 도 2의 실시예는 여러 개의 발광다이오드 유닛(18)을 구비한다.
도 2의 실시예에서 스위칭 소자(15)는 각각의 발광다이오드 유닛(18)에 대해 직렬연결되고, 상기 스위칭 소자(15)와 상기 발광다이오드 유닛(18)이 직렬연결된 각각의 단위는 서로에 대해 병렬연결된다.
제어부(17)는 병렬연결된 상기 스위칭 소자(15)와 발광다이오드 유닛(18)의 단위에 속한 스위칭 소자(15)에 각각에 대해 따로따로 제어신호를 인가한다. 상기 스위칭 소자(15)는 각각 ON/OFF동작을 하여 그 각각에 연결된 발광다이오드 유닛(18)에의 전원 인가를 제어한다. 이로써 복수 개의 발광다이오드 유닛으로 이루어진 발광다이오드 어레이 또는 복수 개의 발광다이오드 어레이의 발광형태를 조절할 수 있으며 광색이 가변하는 발광다이오드 어레이의 제어도 가능하다.
상기 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와는 상기 발광다이오드 유닛(18)의 개수 및 그 연결에 있어서 차이가 있고, 다른 점에서는 큰 차이가 없다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 발광다이오드 구동회로의 일 실시예에서 교류전원의 변화에 따른 각 부분의 신호 변화를 나타낸 것이다.
도 3a는 필터부에서 외부 서지전압을 필터링한 후의 교류전원을 나타낸 것으로 특히 전압을 나타낸 것이고, 도 3b는 전파정류부에서 상기 필터부에서 출력된 교류전원을 정류한 정류전압을 나타낸 것이다.
도 3c는 컨버터부에서 상기 전파정류부에서 출력된 정류전압을 펄스폭 변조(PWM)한 결과 발광다이오드에 인가되는 전류값의 변화를 나타낸 것이다. 상기 펄스폭 변조는 스위칭 소자의 ON/OFF 동작에 따라 전원의 인가 여부가 달라지며, 상기 제어부에 의해 상기 스위칭 소자의 동작을 제어함으로써 상기 ON/OFF동작의 시간을 조절할 수 있다.
도 3d는 전원공급부에 인식되는 입력전류값의 변화를 나타낸 것이다. 전원공 급부에서 발광다이오드 전류는 필터부에 의해 필터링된 결과로 인식된다. 상기 필터부에 의해 전원공급부는 스위칭 소자의 스위칭 주기에 따른 평균값으로 발광다이오드에 흐르는 전류를 인식하며, 상기 스위칭 소자의 ON/OFF 동작 시간에 따라 상기 전원공급부에 입력전류는 사인파와 극히 유사한 형태로 인식된다.
본 발명에서는 스위칭 소자의 스위칭 동작이 교류의 주파수보다 빠르게 이루어져 전압값이 변하면 전류값 또한 즉시 변하게 되어, 입력측의 전압과 전류 간의 위상차가 크지 않다. 그리고 상기와 같이 전원공급부에 입력전류가 사인파의 형태로 인식되는 경우, 입력측의 역률값이 향상되어, 본 발명에 의하면 교류전원을 사용하면서 고역률로 발광다이오드를 구동하는 것이 가능하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 교류전원을 사용하여 회로의 구성 및 크기를 간편화, 간소화하면서 우수한 역률 성능으로 발광다이오드를 구동하는 것이 가능하다.

Claims (8)

  1. 교류전원을 입력받아 전원을 공급하는 전원공급부;
    상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원의 서지전압을 제거하는 필터링을 하는 필터부;
    상기 필터부에서 필터링된 교류전원을 전파정류하여 정류전압을 출력하는 전파정류부;
    하나 이상의 인덕터 및 하나 이상의 발광다이오드 유닛에 대해 병렬연결되는 하나 이상의 커패시터를 구비한 강압초퍼회로가 포함되어 상기 정류전압을 하나 이상의 발광다이오드 유닛에 전원으로 공급하는 컨버터부;
    상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해서 전원이 인가되는 경로를 연결 또는 차단하는 스위칭 소자를 구비하는 스위치부; 및
    상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 컨버터부는 상기 스위치부에서 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해 전원이 인가되는 경로가 연결 또는 차단됨에 따라 펄스폭 변조(PWM) 제어된 정류전압을 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛에 각각에 전원으로 인가하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 커패시터는 상기 스위칭 소자가 상기 발광다이오드 유닛에 전원이 인가되는 경로를 차단한 상태(오프 상태)인 경우에는 상기 정류전압에 의해 전하를 충전하고, 상기 스위칭 소자가 상기 발광다이오드 유닛에 전원이 인가되는 경로를 연결한 상태(온 상태)인 경우에는 충전된 전하를 상기 발광다이오드 유닛에 전원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 컨버터부의 인덕터 코일에 커플링되어 발진신호를 출력하는 2차 코일을 구비하고, 상기 2차 코일에 유도되는 기전력에 따라 상기 스위치의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제어부는 서미스터(thermistor)를 더 포함하고 상기 2차 코일에 유도되는 기전력과 서미스터에 의한 전류값의 크기에 따라 상기 스위칭 소자에 다른 크기의 신호를 인가하여 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제어부는 상기 2차 코일을 포함하는 LC발진회로와 수정발진회로를 포함하고 상기 LC발진회로와 상기 수정발진회로에 의해 생성되는 발진신호를 상기 스위칭 소자에 인가하여 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는 상기 하나 이상의 발광다이오드 유닛 각각에 대해 전류가 흐르는 경로를 연결 또는 차단하는 전계효과 트랜지스터(Field effect transistor)이고, 상기 제어부는 상기 각각의 전계효과 트랜지스터의 게이트에 상기 전계효과 트랜지스터의 동작을 제어하는 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는 상기 발광다이오드 유닛 각각에 대해 직렬연결되고, 상기 스위치와 상기 발광다이오드 유닛이 연결된 각각의 단위는 서로 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구동회로.
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