KR100967172B1

KR100967172B1 - 정전류 구동형의 발광다이오드 신호등 구동회로

Info

Publication number: KR100967172B1
Application number: KR1020080112985A
Authority: KR
Inventors: 최준호
Original assignee: 주식회사 비엔씨넷
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-07-05
Also published as: KR20100054053A

Abstract

본원 발명은 신호등에 사용되는 LED를 정전류로 구동시키기 위한 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SMPS(Switching Mode Power Supply)로부터 만들어진 전압을 이용하여 정전류를 생성하고, 생성한 정전류를 이용하여 외부 LED를 구동하는 회로에 대한 것이다.

최근 전기소모량을 절약하기 위해 종래의 백열등 신호등을 LED 신호등으로 교체하고자 하는 움직임이 많은바, 이는 기존의 백열전구 신호등은 많은 전력을 소모하고 잦은 고장으로 인해 많은 유지보수 비용이 필요로 하는 문제점을 갖고 있었다.

이에 비하여 LED신호등은 안정성이나 효율성 면에서 기존의 백열등 신호등 보다 우수하며, 또한 LED는 반도체 소자이기 때문에 거의 반영구적으로 사용할 수 있고, 모듈 자체가 작아 경량화가 가능하다는 장점도 있어 LED신호등의 사용량은 점점 늘어나고 있는 추세이다.

그런데 LED 신호등을 구동하기 위해서는 LED에 일정한 전류를 흐르게 하는 구동회로가 필요하게 되는바, 현재까지 LED를 구동하기 위하여 정전압을 사용하는 방식은 직렬로 연결된 LED 중 하나에 문제가 발생하면 여러개의 LED가 연속적으로 고장이 발생하게 되는 문제점을 갖고 있었다.

따라서 본원 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 구성으로 정전류 회로를 이용하여 LED에 일정한 전류를 흘려주는 LED 구동회로를 창안하여 전압구동 방식의 문제점을 보완한 기술이다.

LED, 신호등, 정전류 구동회로

Description

정전류 구동형의 발광다이오드 신호등 구동회로{Constant Current Type LED Driver Circuit for LED Stoplight}

본원 발명은 신호등에 사용되는 LED를 정전류로 구동하기 위한 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SMPS(Switching Mode Power Supply)로부터 만들어진 전압을 이용하여 정전류를 생성하고, 생성한 정전류를 이용하여 외부 LED를 구동하는 회로에 대한 것이다.

SMPS란 Switching Mode Power Supply의 약자로서, 전자소자를 서로 스위칭 시켜 DC를 AC로 만들고 이를 원하는 전압대로 변환한 뒤 다시 정류하여 DC를 만들에 제공하는 장치이다. 즉 일반 규격인 220V의 전원을 LED 신호등으로 공급하기 전에 SMPS를 거쳐 24V 정도의 정전압을 얻어내게 된다.

LED(Light Emitting Diode) 신호등은 기존의 신호등에 비해 85% 이상의 에너지를 절약할 수 있으면서도 내구수명이 5년 이상으로 길고 유지비용 역시 기존 전구식 신호등의 10% 수준에 그칠 정도이다. 특히 유색렌즈나 반사경을 사용할 필요가 없고 발열량이 낮아 장시간에 걸쳐 선명하게 빛을 낼 수 있는 특징을 갖고 있어 기존의 백열등 신호등은 앞으로 LED 신호등으로 교체될 것으로 예측된다.

LED 신호등은 빨간색, 노란색, 초록색 등을 표현하기 위해서 다수개의 LED를 사용하게 되는바, 예를 들어 빨간색은 120여개, 초록색은 250여개의 LED를 사용하게 된다. 이에 다수개의 LED가 직렬로 연결되고, 다시 직렬로 연결된 LED줄 여러 개가 병렬로 연결되어 원형태의 회로를 이루게 되며, 이를 LED 어레이라 표현할 수 있다.

SMPS는 DC전압을 출력전압으로 LED 어레이에 공급하는데 전체적인 LED의 갯수에 따라 적정한 전류를 얻을 수 있도록 전압을 공급하게 된다. 그런데 만약 하나의 LED가 불량 등의 이유로 단락되어 버리면 그 줄의 모든 LED에 전류가 흐르지 않게 되는 문제점을 갖는다.

또 다른 문제점으로 하나의 LED 줄이 끊어져 버라는 상황이 발생하게 되는데, 하나의 줄에 흐르던 전류가 흐르지 않게 됨으로써 결과적으로 다른 줄에 흐르는 전류량이 많아지게 되고 이에 다른 줄에 걸려 있는 LED에 과부하가 걸려 LED의 수명을 단축시키고 단락시키는 악순환이 발생하게 된다는 문제점을 갖는다.

즉 N개의 LED가 직렬로 연결된 줄 M개가 병렬로 연결된 LED 회로에서 하나의 LED가 단락되면 N개의 LED가 단락되어 버림과 동시에 각 줄에 흐르는 전류는 M / (M-1) 만큼의 증가가 일어나게 되는 것이다.

도 1은 종래에 개시된 LED 신호등의 전압방식 구동회로를 나타낸 것으로서, 신호 표시용 직렬 LED 어레이(100)로 구성되는 신호동 구동회로에 SMPS(110)가 전력을 제공하는 것을 도시하고 있다.

상기 SMPS의 출력전압은 대략 24V이므로 적정전류가 흐르는 상태로 동작하도록 LED어레를 구동시키게 되고, 직렬로 연결할 수 있는 LED의 수는 적색(Red), 녹색(Green), 또는 황색(Yellow) LED의 순방향전압(VF)의 특성에 따라 결정되는데, VF전압이 크면 클수록 직렬로 연결가능한 LED의 갯수는 줄어들게 된다.

일반적으로 LED의 전류는 VF전압에 따라서 지수함수로 변화하기 때문에 VF의 변화에 따라 LED에 흐르는 전류는 변화하게 되고 이런 이유로 VF의 변화에 따른 전류의 증가를 제한하기 위해서는 LED와 직렬로 저항을 연결하여 사용하게 된다.

그러나 상기 구조에서는 직렬로 연결된 LED 중에서 어느 한 개라도 불량이 발생하는 경우, 즉 단락이 생기는 경우, 나머지 LED의 VF 전압이 증가되므로 과전류가 흐르게 되어 직렬로 연결된 모든 LED가 고장을 야기하는 원인이 된다.

이에 본원에서는 LED 신호등의 전압구동방식을 전류구동방식으로 변경하고 LED 어레이에 정전류가 흐를 수 있도록 함으로써, 직렬로 연결된 LED 중 어느 하나의 LED가 불량 등의 사유로 단락되는 상황이 발생하더라도 나머지 LED가 그 영향을 받지 않고 정상적으로 동작할 수 있는 구동회로를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본원에서는 LED가 단락되었을 때에도 전류증가 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여 LED에 흐르는 전류를 트랜지스터를 사용하여 LED에 일정한 전류를 흐르게 하는 구동회로에 관한 기술사상이 개시된다.

더욱 구체적으로 본원은 SMPS로부터 전압을 공급받아 신호등의 LED어레이(200)를 구동하는 회로가, SMPS의 출력전압을 입력전압으로 받아 5V 정도의 회로 전원 전압으로 변환하여 정전류 생성단으로 출력하는 전원전압 생성단(210)과 밴드갭 정전압회로(221)를 이용하여 정전압을 생성시키는 정전압생성단(220)과 상기 정전압생성단(220)에서 생성된 정전압을 정전류로 변환시켜 LED 출력단으로 전송하는 정전류 생성단(230)과 상기 정전류 생성단(230)에서 생성된 전류를 증폭하는 LED출력단(240)을 포함하도록 구성되어 LED를 구동시키는 신호등의 정전류 구동회로에 의하여 본원의 목적을 달성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

또한 상기 전원전압 생성단(210)은 제너다이오드 Z₁에 저항 R₁이 직렬로 연결되고, 캐퍼시터 C₁이 제너다이오드 Z₁과 병렬로 연결됨으로써, 제너다이오드의 출력전압이 일정하게 회로의 전원전압으로 사용되도록 제공되고, 상기 정전류 생선단(230)은 정전압 생성단(210)의 출력을 받는 OP앰프(231), 상기 OP앰프의 출력단에 연결되는 CMOS 트랜지스터(N₁), 상기 트랜지스터(N1)와 GND 사이에 연결되는 저항 R₂, 그리고 상기 CMOS 트랜지스터 N₁의 드레인전류를 복사하는 4개의 PMOS 트랜지스터 (P₁, P₂, P₃, P₄)로 구성되며, LED 출력단(240)은 다수개의 고전압 트랜지스터로 구성되되, 이중 하나의 트랜지스터 H₀의 게이트와 드레인 단자가 정전류 생성단(220)의 드레인 단자와 연결되고, 하나의 트랜지스터 H₀의 게이트 단자가 나머지 다른 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되며, H₀를 제외한 나머지 트랜지스터는 각각 LED가 연결되어 정전류를 인가하도록 제공되는 기술사상을 갖고 본원의 목적을 달성할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

본원에서 제공하는 정전류식 LED구동회로는 직렬로 연결된 어느 한 LED의 불량여부에 관계없이 다른 LED에 일정한 전류를 지속적으로 공급할 수 있도록 함으로써 연속적인 LED 불량 발생을 방지하는 효과가 있다.

도 2는 본원에서 제공하는 정전류 구동회로를 도시한 것으로서, 신호등에 사용되는 LED를 구동하기 위하여 창안된 정전류 구동 회로를 도시하고 있다.

LED 어레이(200)에 정전류를 공급하기 위해서 상기 회로는 전원전압 생성단(210), 정전압 생성단(220), 정전류 생성단(230), 그리고 LED 출력단(240)을 포함하여 이루어지는 기술구성을 갖는다.

또한 24 V의 전압에서 동작이 가능하도록 LED 구동 출력단에 사용된 트랜지스터 H₁, H₂, H₃, ..., H_M 등의 내압, 즉 드레인과 소스 사이의 항복전압은 24V보다 큰 것을 사용하는 기술사상을 포함한다.

본원의 전원전압 생성단(210)은 SMPS의 V_DD에 입력단이 연결되어 정전류 생성단(230)으로 5V의 전압을 공급하며, 저항(R₁), 제너다이오드(Z₁), 및 캐퍼시터(C₁)로 구성된다.

일반적인 회로의 동작전압이 5V이므로 동작전압이 대락 5V인 제너다이오드를 사용하고, 회로의 동작전압이 다른 전압이면 이 전압과 유사한 동작전압을 갖는 제너다이오드를 사용하게 되는바, 순간적으로 고전압이 들어와 제너다이오드의 스펙 전류치를 초과하게 되었을 때 도통된 제너다이오드가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 저항(R₁)을 제너다이오드와 직렬로 연결하고, 일정한 전압을 지속적으로 공급할 수 있도록 하기 위하여 캐퍼시터(C₁)가 제너다이오드와 병렬로 연결되도록 구성된 다.

본원의 정전압 생성단(220)은 밴드갭 정전압 회로(221)로 구성되며, 정전류 생성단의 OP앰프(231)에 일정한 출력전압을 전달하게 되는바, 밴드갭 정전압회로(221)는 전원전압이나 온도 등의 환경변화에 일정한 출력전압을 갖는 것으로서 바이폴라, CMOS, 또는 BiCMOS 공정기술로 구현할 수 있으며, 밴드갭 정전압회로의 출력전압은 대략 1.2V이다.

본원의 정전류 생성단(230)은 정전압 생성단(210)의 출력을 받아 OP앰프(231)와 CMOS 트랜지스터(N₁) 및 저항(R₂)으로 구성되며 트랜지스터(M₁)의 출력전류, 드레인전류가 일정한 값을 갖도록 하는 기능을 한다. 즉 M₁의 드레인 전류 I_REF는 식 (1)과 같다.

[ 식 1 ] I_REF = 1.2V / R₂

이렇게 생성된 정전류는 4개의 PMOS 트랜지스터(P₁, P₂, P₃, P₄)로 이루어진 전류미러를 거쳐 복사되어 LED 구동 출력단(240)에 있는 트랜지스터 H₁의 드레인 단자로 전달된다. 전류미러란 왼쪽 트랜지스터에 흐르는 전류가 오른쪽 트랜지스터에도 동일하게 흐르게 구성된 회로를 말한다.

LED 구동출력단(240)의 H₁로 전달된 정전류 I_REF는 전류미러 형태로 구성된 H₁, H₂, .., H_M 트랜지스터로 복사되어 LED Array에 일정한 전류를 흐르게 한다. 여기서 H₁, H₂, .. H_M의 크기는 모두 동일하며 H₀과 일정한 크기 비율을 갖고 있다. 이 크기 비율은 이들 트랜지스터에 흐르는 전류비와 비례하며 H₂/H₀ = 10 인 경우 H₂에 흐르는 전류 I_LED는 I_REF의 10배가 된다. H₁, H₂, .., H_M 등의 트랜지스터는 구동할 LED Array의 수에 따라서 확장이 가능하다.

본 발명은 도면에 제시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이것으로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 LED 신호등의 구동회로.

도 2는 본원의 정전류 구동회로.

******* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *******

100 : LED ARRAY 110 : SMPS

200 : LED 어레이 210 : 전원전압 생성단

220 : 정전압 생성단 221 : 밴드갭 정전압회로

230 : 정전류 생성단 231 : OP Amp

240 : LED 출력단

Claims

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SMPS의 출력전압을 입력전압으로 받아 회로 전원전압으로 변환하여 정전류 생성단으로 출력하는 전원전압 생성단(210); 밴드갭 정전압회로(221)를 이용하여 정전압을 생성시키는 정전압생성단(220); 상기 정전압생성단(220)에서 생성된 정전압을 정전류로 변환시켜 LED 출력단으로 전송하는 정전류 생성단(230); 상기 정전류 생성단(230)에서 생성된 전류를 증폭하는 LED출력단(240);을 포함하도록 구성되어 SMPS로부터 전압을 공급받아 신호등의 LED어레이(200)를 구동하는 회로에 있어서,

상기 정전류 생선단(230)은 정전압 생성단(210)의 출력을 받는 OP앰프(231), 상기 OP앰프의 출력단에 연결되는 CMOS 트랜지스터(N₁), 상기 트랜지스터(N1)의 콜렉트단과 GND 사이에 연결되는 저항 R₂, 그리고 상기 CMOS 트랜지스터 N₁의 드레인전류를 복사하는 4개의 PMOS 트랜지스터 (P₁, P₂, P₃, P₄)로 구성되는 것을 특징으로 하는 신호등의 정전류 구동회로.
SMPS의 출력전압을 입력전압으로 받아 회로 전원전압으로 변환하여 정전류 생성단으로 출력하는 전원전압 생성단(210); 밴드갭 정전압회로(221)를 이용하여 정전압을 생성시키는 정전압생성단(220); 상기 정전압생성단(220)에서 생성된 정전압을 정전류로 변환시켜 LED 출력단으로 전송하는 정전류 생성단(230); 상기 정전류 생성단(230)에서 생성된 전류를 증폭하는 LED출력단(240);을 포함하도록 구성되어 SMPS로부터 전압을 공급받아 신호등의 LED어레이(200)를 구동하는 회로에 있어서,

상기 LED 출력단(240)은 다수개의 고전압 트랜지스터로 구성되되, 이중 하나의 트랜지스터 H₀의 게이트와 드레인 단자가 정전류 생성단(220)의 드레인 단자와 연결되고, 하나의 트랜지스터 H₀의 게이트 단자가 나머지 다른 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되며, H₀를 제외한 나머지 트랜지스터는 각각 LED가 연결되어 정전류를 인가하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 신호등의 정전류 구동 회로.