KR100788062B1 - 광원 및 ｌｅｄ 어레이 구동 방법 - Google Patents

광원 및 ｌｅｄ 어레이 구동 방법 Download PDF

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Abstract

광원은 각각의 다수의 색을 갖는 적어도 하나의 LED(10, 12, 14)를 포함하는 LED 어레이를 포함한다. 각각의 색에 대한 LED에 전류를 공급하는 수단(50, 30)은 적어도 제 1 부스트 부분과 "턴 오프" 부분을 가지는 측정 구동 펄스를 포함하는 측정 기간을 가지는 전류를 제공한다. 각각의 색에 관련된 LED(10, 12, 14)는, 통상적인 동작 동안에는 공칭 연속값을 가지며, 부스트 부분 동안에는 증가하고, "턴 오프" 부분 동안에는 인터럽트되는 광 출력을 가진다. 또한, 어레이는 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)에 전류가 공급되는 경우에 합성 광 출력을 가진다. 광 다이오드(24)는 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)의 광 출력을 측정하도록 배열된다. 광 다이오드(24)가 측정 구동 펄스에 대한 응답으로 각각의 색에 대한 광 출력을 개별적으로 측정하도록 LED(10, 12, 14)로의 전류를 선택적으로 턴 오프하는 수단이 제공된다. 가시적인 플리커를 방지하기 위하여, 측정 기간 동안의 평균 광 출력은 통상적인 동작 동안의 공칭 연속 광 출력과 실질적으로 동일하다.

Description

광원 및 ＬＥＤ 어레이 구동 방법{LED LUMINAIRE}
본 출원은 이전에 출원된, 미국특허 제6,127,783호의 일부 계속 출원이며, 이 미국특허는 본 명세서에서 참조로서 인용되고 있다.
본 발명은 적색, 녹색 및 청색 발광 다이오드(LEDS)의 어레이를 구비하는 광원(luminaire)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 개별적인 구성 요소를 조절하여 원하는 색 밸런스(color balance)(색도(chromaticity))를 유지하는 제어 시스템을 구비하는 백색광 발광 광원(white light emitting luminaire)에 관한 것이다.
미국특허 제5,301,090호에는 적색, 녹색 및 청색의 각 색을 가지는 다수의 LED를 포함하는 LED의 어레이를 구비하는 LED 광원(luminaire)이 개시되어 있다. 각각의 색에 대한 LED는 병렬로 배선되고, 개별적인 전력 공급원을 공급받으며, 어레이 전체에 걸쳐 확산 스크린(a diffusion screen)이 제공된다. 어셈블리의 색도는 각각의 색에 대한 3개의 노브(knobs)에 의해서 수동으로 제어되며, 자동 제어에 대해서는 언급하지 않는다.
LED는 반도체 기반이며, 소정의 구동 전류에 대하여, 광 출력은 클립(clip)마다 변화하며, 각각의 클립의 수명에 따라 변화한다. 광 출력은 또한 온도에 반비례하게 변화하지만, 각각의 색에 대하여 균일하게 변화하는 것은 아니다. 마지막으로, 소정의 색의 LED의 블록에서, 광 출력은 하나 이상의 LED가 고장나는 경우에도 변화할 것이다. LED 어레이의 색 밸런스에 영향을 미칠 수 있는 모든 요소를 고려하면, 특히 백색광 발광 광원에서는, 색 밸런스를 자동으로 모니터링(monitoring)하여 조정하는 것이 바람직할 것이다.
예를 들어, 교통 신호등(traffic light)의 경우에, 소정의 색 기반 온도로 LED 어레이로의 전류를 제어하는 것은 공지되어 있다. 이러한 방식은 다양한 색에 대하여 온도(및 그에 따른 광 세기)가 균일하게 변하지 않기 때문에 다수의 색의 LED를 가지는 광원에서는 불리할 것이다.
따라서, 각 색의 광 출력을 변화시키는 요인(factor)에 관계없이, 백색광 발광 광원의 색도를 자동으로 제어하는 것이 바람직할 것이다.
또한, 각각의 색을 위한 광 다이오드 및 필터와 같은 스펙트럼 분해 광 측정 시스템에 의존하지 않고서 그 색도를 자동으로 제어하는 것이 바람직할 것이다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 백색광 발광 LED 광원의 합성 광 출력(색도)은 어레이 내의 모든 LED의 광 출력을 측정하도록 배열된 단일 광 다이오드에 의한 측정에 근거하여 전자적으로 제어된다. 이러한 제어는 각 색의 LED의 광 출력을 시간 펄스의 시퀀스에서 개별적으로 측정함으로써 달성된다. 적색, 녹색 및 청색 LED의 어레이의 경우, 측정 시퀀스 내에는 3개의 시간 펄스가 존재한다. 각 시간 펄스 동안에는, 측정되지 않는 색에 대한 전류는 턴 오프(turn off)된다. 전형적인 광 다이오드의 응답 시간은 매우 짧기 때문에, 측정 시퀀스(measuring sequence)는 관찰자가 이러한 측정 시퀀스를 감지하지 못할 정도로 충분히 짧은 시간(예를 들면, 10ms) 내에 수행될 수 있다.
색에 대하여 측정된 광 출력은 사용자 제어에 의해서 설정될 수 있는 원하는 출력과 비교되어 필요에 따라 색 블록에 대한 전력 공급이 변경된다. 따라서, 색도를 변경시킬 수 있는 요인에 관계없이 색도가 자동으로 제어된다. 사용자 입력은 원하는 색도를 따뜻한 백색(warm white)(보다 적색을 띠는 출력) 또는 시원한 백색(cool white)(보다 청색을 띠는 출력) 중 하나로 변경하는 것을 가능하게 한다.
워밍업 상태(warm-up phase) 동안 온도에 따른 변화를 가장 잘 보상하기 위하여, 워밍업 동안 전자 제어 회로는 측정 시퀀스를 보다 자주 기도할 것이다. 안정된 동작 온도에 도달한 이후에는 LED 내의 장기간의 변화를 보상하는 데에는 보다 낮은 빈도로 측정하여도 충분하다.
각 색의 LED가 병렬로 배선되는 경우, LED의 고장은 다음 측정 시퀀스 동안에 잔여 LED로의 전류를 변화시킴으로써 자동으로 보상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, LED의 어레이는 전류 공급원에 의해서 구동되는데, 이 전류 공급원은 적어도 제 1 부스트 부분(a first boost portion) 및 "턴 오프(turn-off)" 부분을 가지는 측정 구동 펄스(measuring drive pulse)를 포함한다. 각 색의 LED는, 통상적인 동작 동안에는 공칭 연속값(a nominal continuous value)을 가지며, 부스트 부분 동안에는 증가하고, "턴 오프" 부분 동안에는 인터럽트(interrupt)되는 광 출력을 가진다. LED 어레이는 전류 공급원에 의해서 전류가 공급되는 경우에는 합성 광 출력을 가진다. 어레이 내의 모든 LED의 광 출력을 측정하도록 광 다이오드가 배열된다. LED로의 전류는 선택적으로 턴 오프되어, 광 다이오드가 측정 구동 펄스에 응답하여 각각의 색의 광 출력을 개별적으로 측정하게 한다.
본 발명의 이들 및 추가적인 장점은 이하의 도면 및 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
도 1은 광섬유 광 픽업(an optical fiber light pick-up)을 가지는 본 발명에 따른 광원의 단면도,
도 2는 광원(luminaire)을 도식적으로 도시하는 도면,
도 3은 제어기에 대한 로직 시퀀스(logic sequence)를 도시하는 도면,
도 4는 광학 피드백 시스템의 타이밍도,
도 5는 측정 시퀀스 동안의 측정 구동 펄스를 도시하는 도면.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 광원은 각각의 다수의 색을 갖는 다수의 LED를 포함하는 LED(10, 12, 14)의 2차원 어레이를 포함한다. 본 경우에 있어서, 어레이는 하우징(a housing)(18) 내의 배선 기판(a wired substrate)(16) 상에 탑재된 적색 LED(10), 녹색 LED(12) 및 청색 LED(14)를 포함한다. LED는 전체 광 출력이 백색이 되도록 배열되며, 하우징(18) 상에 탑재된 확산기(a diffuser)(22)가 빛의 합성도를 증대시키도록 제공된다. 합성도를 증대시키기 위해 호박색과 같은 다른 색의 LED가 사용될 수도 있다. 합성용의 광학 장치는 확산기 이외의 수단을 포함할 수 있다.
단일의 광 다이오드(24)가 배열되어 어레이 내의 모든 LED의 광 세기를 감지한다.
도 1에서 하우징(18)의 길이 방향을 따라 연장되는 광섬유는 광 다이오드(24)에 광을 보내며, 이 광 다이오드(24)는 피드백 라인(26)을 통하여 제어기(30)를 위한 상응하는 전류 신호를 발생시킨다. 작은 어레이에 대해서는 도 1에 도시한 광섬유 장치 대신에 각각의 어레이를 위한 광 다이오드가 이용된다.
또한, 도 2를 참조하면, 제어기(30)는 광 다이오드(24)로부터의 피드백을 색 포인트 측정값(color point measurements)으로 변환하는데, 이 컬러 포인트 측정값은 사용자 입력(40)을 통하여 제공되는 원하는 설정치와 비교된다. 이러한 비교에 근거하여 제어기(30)는 원하는 색 밸런스가 존재하는지의 여부를 결정하고, 이에 따라 각각의 다이오드(10, 12, 14)에 대한 전류 조정기(11, 13, 15)에 신호를 보낸다. 따라서, AC 변환기(50)로부터의 전력 입력은 전류 출력으로 변환되며, 이 전류 출력은 적색, 녹색 및 청색의 각각의 색에 대한 광 세기를 제어하여 원하는 색 밸런스를 획득한다. 어레이의 각 색에 대한 다이오드는 기판(16) 상의 배선에 의해 공통 전위로 유지된다. 설계된 설정값을 위한 사용자 제어부는 각각의 색에 대한 입력(41, 42, 43) 및 결과적으로 생성된 백색광의 전체 세기를 제어하는 조광기(dimmer)(44)를 포함한다.
도 3은 광원에 대한 제어 로직도를 나타낸다. 램프가 턴 온되었을 때에(31), LED에 전력이 공급되고, 측정 시퀀스가 개시된다(32). 색 포인트 측정값이 사용자 조정(35)에 따라 저장된(34) 원하는 설정치와 비교된다(33). 이러한 비교에 근거하여, 색 조정이 필요한지의 여부가 결정되며(36), 만약 필요한 경우에는 조정이 이루어지고(37), 측정 시퀀스가 반복된다(32). 색 조정이 필요하지 않다고 결정된다면(36), 제어기는 측정 시퀀스를 반복(32)하기 전에 사전결정된 측정 간격 동안 대기할 것이다(38).
도 4는 광원이 턴 온 상태인 동안에 실행되는 제어 로직을 나타내는 타이밍도이다. 4개의 트레이스(trace) 중의 가장 상측의 것은 짧은 시간(측정 간격)만큼 분리되는 3 펄스의 열(측정 시퀀스)로 구성되는 측정 신호이다. 제 1 펄스 동안에는 녹색 및 청색 LED가 턴 오프되어 광 다이오드가 적색 LED의 광 세기를 측정할 수 있고, 제 2 펄스 동안에는 적색 및 청색 LED가 턴 오프되어 광 다이오드가 녹색 LED의 광 세기를 측정할 수 있으며, 제 3 펄스 동안에는 적색 및 녹색 LED가 턴 오프되어 광 다이오드가 청색 LED의 광 세기를 측정할 수 있다. 그 다음, 제어 전자부는 측정된 광 세기를 원하는 광 세기와 비교하여, 필요에 따라 LED 그룹 중 하나 이상의 그룹으로의 전류를 조정한다.
전형적인 광 다이오드의 응답 시간은 매우 짧으며, 각각의 펄스는 관찰자가 이를 감지하지 못할 정도로 매우 짧을 수 있다(예를 들면 1.0ms). 따라서, 광원의 공칭 동작 동안에 측정 시퀀스가 수행될 수 있다. 측정 간격의 길이는 광 출력이 얼마나 급격하게 변화하는지에 따라 달라진다. 이 길이는, 예를 들어 LED의 온도가 얼마나 급속히 변화하는가에 의존한다. 측정 간격은 1분마다 또는 더 짧은 시간 간격 내지 몇 시간마다의 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 제어 로직은 개시(start-up) 직후의 빈번한 측정과, 그 뒤 안정적인 동작 온도에 도달하였을 때의 보다 낮은 빈도의 측정에 대해 프로그램될 수 있다.
광원의 경우, 각 색을 갖는 LED의 2개 이상의 스트링(string of LEDs)을 포함하고 이러한 스트링의 출력을 개별적으로 측정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 3개 색의 각각을 갖는 측정 시퀀스는 6개의 펄스를 가질 것이다. 모든 경우, 상응하는 광 출력에만 근거하여 각각의 색을 조정하는 것이 아니라 하나의 시퀀스 내의 모든 측정에 근거하여 색 밸런스를 조정하는 것이 바람직하다.
앞서 기술된 바는 예시적인 것이며, 이어지는 청구항의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 4를 참조하여 전술한 각각의 채널 내의 구동 펄스는, 예를 들어 1 내지 2ms 정도로 상당히 짧지만, 많은 관찰자가 여전히 방출된 광의 플리커(flickers)를 관찰할 수 있다. 이것은 인간의 눈이 약 15msec의 간격에 걸쳐 눈에서 받아들이는 광을 집적함으로써 광에 반응하기 때문이다. 따라서, 민감한 눈은 400㎲ 만큼 짧은 기간 동안의 광 인터럽트(interrupt)를 관찰할 수 있다. 따라서, 측정 시퀀스 내의 각각의 "턴 오프" 기간을 400㎲ 이하로 짧게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 지속 시간은 통상적인 전자 회로로 LED의 광 세기를 측정하기에는 매우 짧을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각 측정 시퀀스 동안의 각 채널의 구동 펄스가 변하여 이러한 가능한 플리커를 조절한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 시퀀스 동안의 예시적인 측정 구동 펄스를 도시한다. 측정 구동 펄스는 제 1 부스트 부분과, 그 뒤의 "턴 오프" 즉 인터럽트 기간과, 그 다음의 제 2 부스트 부분을 포함한다. 무엇보다도, 각 측정 구동 펄스의 선택에 영향을 미치는 3개의 제약이 존재한다. 첫째, LED에 대해 장기간에 걸친 임의의 손상을 방지하도록 각 펄스의 부스트 부분을 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 둘째, 보다 저렴한 비용의 구성 요소를 이용하여 정확한 측정을 용이하게 하도록 "턴 오프" 즉 인터럽트 기간을 가능한 한 길게 하는 것이 바람직하다. 셋째로, 가시적인 아티팩트(visible artifacts)를 방지하기 위하여, 제 1 부스트 부분, "턴 오프" 기간 및 제 2 부스트 부분의 전체 시퀀스를 약 15msec 정도로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED 내의 광 레벨의 안정한 출현을 제공하는 측정 구동 펄스는 공칭 광 출력의 120%의 5msec 부스트와, 다음의 2msec의 완전한 전류 인터럽트와, 그 다음의 공칭 광 출력의 120%의 다른 5msec의 부스트를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 구동 펄스 시퀀스는 대칭적이어서, 시퀀스 내의 2개의 부스트 부분은 동일한 진폭 및 지속 시간을 나타내지만, 본 발명이 이러한 점으로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 측정 구동 펄스는 제 1 부스트 부분과, 그 뒤의 "턴 오프" 기간을 포함하는 2개의 구성 요소를 포함한다. 또한, 적어도 하나의 부스트 부분과 하나의 "턴 오프" 부분을 가지는 측정 구동 펄스의 다른 형태가 본 발명의 원리에 따라 이용될 수도 있다. 펄스는, 인간의 눈의 집적 시간 이내, 즉 약 15msec 이내에, 구동된 LED의 평균 광 레벨이 통상적인 동작 동안의 공칭 연속값과 동일하도록 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 출력은 구동 전류에 근사적으로 비례하여, 특정 비율의 구동 전류 증가는 광 출력 레벨의 비례적인 증가에 상응한다. 따라서, 예를 들어, 도 5에 예시한 바와 같이 광 출력 레벨을 120%까지 증가시키고자 한다면, 전류도 사전결정된 비율, 예를 들어 120%까지 증가한다. 따라서, 모든 구동 레벨에 대한 특정 비율의 전류 부스트를 포함하는 측정 구동 펄스 시퀀스를 이용하는 것이 가능하다.
그러나, LED는 광 출력 레벨 변화와 구동 전류 변화 사이의 비례 관계를 반드시 모든 동작 전류로 나타낼 필요는 없다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 측정 시퀀스 동안에 광 출력 레벨을 일정하게 유지하는 데에 있어, 보다 양호한 정확도를 달성하기 위하여, 광 대 전류의 관계가 광원에 대하여 교정되며, 부스트 전류값은 광 레벨이 모든 동작 레벨에서 공칭 dc 레벨으로 평균화되도록 선택된다. 교정된 전류 대 광 출력의 관계를 저장하기 위하여, 인공 제어 회로(30)는 동작 조건의 범위에서 원하는 광 출력 레벨의 임의의 변화에 필요한 양의 전류 변화를 제공하는 데이터베이스를 포함하도록 구성된다.

Claims (14)

  1. 광원(a luminaire)으로서,
    각각의 다수의 색을 갖는 적어도 하나의 LED를 포함하는 LED(10, 12, 14)의 어레이(an array)와,
    각각의 상기 색을 갖는 상기 LED(10, 12, 14)에 전류(50)를 공급하는 수단 - 상기 전류는 적어도 제 1 부스트 부분(a first boost portion)과 "턴 오프" 부분(a "turn off" portion)을 가지는 측정 구동 펄스를 포함하는 측정 기간(a measuring period)을 갖고, 각각의 상기 색을 갖는 상기 LED(10, 12, 14)는 통상적인 동작 동안에는 공칭 연속값(a nominal continuous value)을 가지며, 상기 부스트 부분 동안에는 증가하고, 상기 "턴 오프" 부분 동안에는 인터럽트(interrupt)되는 광 출력을 가지며, 상기 어레이는 상기 전류가 상기 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)에 공급되는 경우에는 합성 광 출력을 가짐 - 과,
    상기 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)의 상기 광 출력을 측정하는 광 다이오드(24)와,
    상기 LED(10, 12, 14)로의 상기 전류를 선택적으로 턴 오프하여, 상기 광 다이오드(24)가 상기 측정 구동 펄스에 대한 응답으로 각각의 색에 대한 광 출력을 개별적으로 측정하는 수단
    을 포함하는 광원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    가시적인 플리커(visible flickers)를 방지하기 위하여, 상기 측정 기간 동안의 평균 광 출력은 상기 통상적인 동작 동안의 상기 공칭 연속 광 출력과 실질적으로 동일한 광원.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 구동 펄스는 상기 "턴 오프" 기간 다음에 오는 제 2 부스트 부분을 더 포함하는 광원.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부스트 부분은 동일한 지속 시간 및 진폭을 가지는 광원.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부스트 부분은 상기 공칭 연속 광 값의 120%인 광원.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부스트 부분의 상기 지속 시간은 대략 5msec이며, 상기 "턴 오프" 기간의 지속 시간은 2msec인 광원.
  7. 제 2 항에 있어서,
    LED 구동 전류 변화를 LED 광 출력 변화와 연관시키는 교정값을 저장하는 수단을 더 포함하는 광원.
  8. 광원 내에서 각각의 다수의 색을 갖는 적어도 하나의 LED를 포함하는 LED(10, 12, 14)의 어레이를 구동하는 방법에 있어서,
    각각의 상기 색을 갖는 상기 LED(10, 12, 14)에 전류를 공급하여, 통상적인 동작 동안에 상기 LED(10, 12, 14)가 공칭 연속값을 가지는 광 출력을 가지도록 하는 단계(31)와,
    측정 기간 동안에 상기 전류를 부스팅(boosting)하여 적어도 제 1 부스트 부분을 가지는 측정 구동 펄스를 규정하는 단계와,
    상기 측정 기간 동안 상기 전류를 "턴 오프"하여 "턴 오프" 부분을 규정함으로써, 상기 광 출력은 상기 부스트 부분 동안에는 증가하고 상기 "턴 오프" 부분 동안에는 인터럽트되며, 상기 어레이는 상기 전류가 상기 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)에 공급되는 경우에 합성 광 출력을 가지도록 하는 단계와,
    상기 어레이 내의 모든 LED(10, 12, 14)의 상기 광 출력을 측정하는 단계(32)와,
    상기 LED(10, 12, 14)로의 상기 전류를 선택적으로 턴 오프하여, 상기 측정 구동 펄스에 대한 응답으로 각각의 색에 대한 상기 광 출력을 개별적으로 측정하는 단계
    를 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    가시적인 플리커를 방지하기 위하여, 상기 측정 기간 동안의 평균 광 출력을 상기 통상적인 동작 동안의 상기 공칭 연속 광 출력과 실질적으로 동일하게 유지하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류를 부스팅하여, 상기 "턴 오프" 기간 다음에 오는 제 2 부스트 부분을 규정하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부스트 부분을 동일한 지속 시간 및 진폭으로 유지하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전류 신호를 상기 공칭 연속 광 값의 120%만큼 부스팅하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 부스트 부분의 상기 지속 시간을 약 5msec로 유지하고, 상기 "턴 오프" 기간의 지속 시간을 약 2msec로 유지하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    LED 구동 전류 변화를 LED 광 출력 변화와 연관시키는 교정값을 저장하는 단계를 더 포함하는 LED 어레이 구동 방법.
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