KR100972368B1

KR100972368B1 - Ｌｅｄ 램프 조도제어용 보호회로

Info

Publication number: KR100972368B1
Application number: KR1020100038409A
Authority: KR
Inventors: 백성현; 황재원
Original assignee: (주) 파워에이앤디; 백성현; 황재원
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2010-07-26
Also published as: WO2011136495A3; WO2011136495A9; WO2011136495A2

Abstract

본 발명은 LED 램프 조도제어용 보호회로에 관한 것으로서, 자세하게는 LED 모듈의 조합으로 이루어진 LED램프를 조도제어하는데 있어서 LED 램프 입력되는 전력원에 변화되는 구동전원을 제어시에 요구되는 최적의 정전력 값이 유지되도록 하며 LED 모듈로 공급되는 전력이 항상 DC 전력원이 되도록 해주는 LED 램프의 정전력 보호회로에 관한 것이다.상기 목적으로 본 발명의 회로는 전원보호장치인 휴즈와 전원 노이즈 필터인 인덕터로 구성된 입력전원필터부와 정류부와 정전류생성부와 구동전력출력부를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ 램프 조도제어용 보호회로{Protect Circuit for Illumination Control of LED Lamp}

본 발명은 LED 램프 조도제어용 보호회로에 관한 것으로서, 자세하게는 LED 모듈의 조합으로 이루어진 LED램프를 조도제어하는데 있어서 LED 램프 입력되는 전력원에 변화되는 구동전원을 제어시에 요구되는 최적의 정전력 값이 유지되도록 하며 LED 모듈로 공급되는 전력이 항상 DC 전력원이 되도록 해주는 LED 램프의 정전력 보호회로에 관한 것이다.

LED를 이용한 조명 장치는 기존의 백열램프 및 형광등 같은 조명장치를 대체할 광원으로서 저전력이며 고효율과 긴 수명으로 많은 관심을 받고 있어 이에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 기존의 형광등을 고휘도 LED램프로 교체하면서 실제 건물내 조명의 조도는 더욱 밝아지기 때문에 에너지를 절약하기위해서 전체적으로 조도 제어의 필요성이 있다. 그러나 일반적으로 LED 램프 조도의 밝기를 제어하기 위해서는 별도로 제어가능한 구동 전원 장치를 만들어야 되며, 이 또한 LED램프 개별적으로 회로화된 제품이므로 제어 시스템 구성에도 문제가 많으며, 현재 이런 LED 램프 디밍 장치는 상용화된 것이 없다.

실제 LED 조명등에 사용되는 전원은 AC/DC 전원을 사용해야 하므로 LED 소자에 공급되는 전원구동장치는 별도의 컨버터를 구성하여 전원부로 사용되고 있다.

이는 일반적으로 LED 램프에 구동전원을 공급하기 위하여 사용되어지는 방법으로는 SMPS로 알려져 있는 스위칭-모드 전원 변환 공급 장치를 사용하고 있으며 이러한 장치는 플라이백-방식, 벅-변환 방식, 브릿지 변환 방식 등등을 사용하여 단일 및 복수의 형태로 사용이 되고 있다.

또한, LED 구동 전원 장치는 조명용 LED 모듈에 최적의 전원조건을 위해 정전류방식 또는 정전압 방식을 적용하여 부하 램프의 구성 형태에 따라 다양한 용량의 전원 회로로 적용된다.

그러나 실제 공용 조명설비인 36W의 형광등 설치시의 조도보다 24.5W의 LED등 교체 설치시 조도가 더 밝다. 그러므로 일반 사무공간 및 주차장 등의 상시 조명을 켜는 실내의 형광등을 모두 LED램프로 교체시 램프의 수량이 동일하여도 그 조도는 더 밝은 조명이 된다. 그래서 상기의 LED램프를 조도제어 하여 적정한 조도를 유지하면 에너지 절약을 더욱 많이 이루어지게 된다.

그러나 상기에 서술한 듯이 LED 램프의 전원구동장치인 컨버터들이 대부분 SMPS로 저전압의 고전류로 형태로 전력원을 공급하는 방식이며, SMPS 내부 구조는 PWM 신호를 이용한 적정 전력을 소신호용 트랜스를 거쳐 고압 발진시키는 방식으로 LED램프의 구동전력을 정전류 또는 정전압 방식으로 LED램프에 최적의 구동전력을 공급하도록 하였기 때문에 LED 램프 제어를 위해서는 SMPS방식의 전원 컨버터는 적용이 되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 이런 문제점을 개선하여 다등용 LED 컨버터를 사용하는 장치의 부하에 일정한 LED 모듈을 직병렬로 구성하여 LED 램프를 만들어 높은 입력 전압을 가지면서 저전류 특성을 갖는 LED 램프를 부하로 사용하는데 있어서, 이 LED 램프가 상용 AC 전원에도 영향을 받지 않으면서 구동되는 DC 전원의 제어를 통해 디밍이 가능하도록 한 것이다. 디밍시에도 공급되는 정전력의 변화가 일정하게 부하부에 공급되도록 하여 LED 수명 및 발열 특성등이 최적화 되도록 한 것이다.

본 발명은 도3에 기재된 바와 같은 전류조절부를 병렬 구성한 정전류생성부로써 부하부에 연결된 LED램프를 조도제어하고 상용 AC 전원을 공급시에도 DC 전원이 필요한 LED 소자에 이상없이 전원구동이 되어 LED 램프로서의 특성을 유지하고, 다등용 LED 컨버터에서 제공되는 전력원을 제공받아 디밍이 원활하게 이루어 지도록 한 것이다.

본 발명에 따라 LED 램프를 조도제어하는데 있어서, LED 램프의 입력단에 적용되는 보호회로에 의하여 LED 램프의 조도제어시 요구되는 LED 모듈의 구동전력 변화에 따른 조도변화가 이루어지면서 LED 개별 소자의 특성에 맞추어 제어시 정전력을 유지하도록 함으로써 LED 램프의 수명에 영향을 주지 않고, 특히 발열문제등을 해결하였으며, 상용 AC 전원을 사용해도 LED 소자가 파괴되거나 소손되지 않도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 LED용 1단자 정전류회로
도 2는 기존 커런터미러를 사용한 정전류회로
도 3은 본 발명의 디밍용 LED 컨버터 보호회로
도 4은 본 발명의 디밍용 LED 컨버터 보호회로(부하가변시)

본 발명의 기본 개념은 정전류원을 병렬로 여러단을 구성하여 고전압이면서도 저전류를 형성하는 LED 램프에 안정적인 전력원이 공급 유지 되도록 한것인데, 먼저, 본 발명의 넓은 전압 범위에서 사용할 수 있는 LED 모듈부하용 전류회로를 도 1과 같이 한 개의 정전류회로에서 설명하면, 부하인 LED가 넓은 공급전압 범위에 걸쳐 입력될시에도 일정한 휘도로 점등할 수 있도록 설계된 것인데, 예를들면 도1의 Q1/Q2에 적용되는 트랜지스터를 ST사의 ST13003 또는 페리차일드사의 E13003을 선택하여 사용시 동작전압의 범위는 +4V ~ +600V로 트랜지스터를 작동시킬 수 있다.

도 1의 부하 LED에 흐르는 전류 Id는 다음과 같은 식으로 구할 수 있는데

- 공식 1

공식 1에서 R 값을 33Ω 으로 적용하면 4~20V의 범위에서 20mA+/-10%의 안정화된 전류를 얻을 수 있다. 실제 공급전류에서 +/- 10% 정도의 전류변동으로는 LED의 휘도 변동은 거의 식별되지 않으며, 또한 LED의 휘도는 Id에 정확히 비례하지 않는다. 이는 온도상승에 의한 보상 효과가 작용하기 때문이다. 그러므로 직렬저항만으로 LED를 드라이버할 경우에는 전압상승에 의하여 손실전력이 2차 함수로 증가하는데, 도 1 회로에서는 전력상승이 직선적임을 계산상으로도 확인 할 수 있다.

다른 기술로서, 도2의 (1)과 도2의 (2) 및 도2의 (3) 회로로 정전류회로를 추가 구현 할 수 있는데 이는 커런트미러를 사용한 정전류회로로써, 예를 들어 도2의(1)에서는 커런트미러를 사용한 정전류 기본도로 Q2의 콜렉터는 흡입 정전류가되고, R1,R2,R3중 하나의 저항을 가변 저항으로 적용하면 간단한 방법으로 가변 정전류원이 되어 회로부하의 변화에 정전류의 공급을 원활하게 해준다. 그러나 실제로는 Q2의 콜렉터 전압이 변동하면 전류 I가 변동한다. 그러므로 보다 안정한 정전류의 공급을 위해서는 도2의(2) 회로와 같이 Q3를 추가하면 전류의 변동상태는 상당히 감소된다. 이때 도2의(2) 회로의 R4 시정수는 전압강하의 값이 0.7V 가 되도록 잡으면 된다. 그러나 이 또한 Q3의 콜렉터와 -Ve의 전압차를 크게 잡지 않으면 안정되지 않는 단점이 있다. 도2의(3)은 상기의 문제를 해결하기 위해 TR인 Q3대신 FET를 추가한 것으로 FET의 드레인 전압이 낮아져도 변동이 거의 없다. 단, FET의 Igs는 사용하는 정전류보다 커야 한다.

그래서, 본 발명은 도 3에 기재된 바와 같이 도 1의 기본적인 정전류회로를 병렬로 구성하여 사용하는데, 본 발명의 안정된 정전류원 회로를 이용한 LED 램프 조도제어용 보호회로는 크게 입력전원필터부(1), 정류부(2), 정전류생성부(3), 구동전력 출력부(4) 및 LED 모듈부하부(5)로 나눌 수 있다.

입력전원필터부(1)는 전원보호장치인 휴즈와 전원 노이즈 필터인 인덕터로 구성되어 있으며, 정류부(2)에서는 상용화된 정류소자를 사용하는데, 정류소자 입력단에는 콘덴서(C2)를 사용하여 입력 리플을 개선하고, 정류소자 출력단에는 콘덴서와 저항을 병렬로 접속하여 출력부 부하의 용량에 적합한 전원이 되도록 조정할 수 있도록 한다. 콘덴서는 전해콘덴서(C1)를 사용함으로써 평활율을 높이고, 저항 R13은 평활콘덴서의 방전값을 조정할 수 있도록 병렬로 접속하였다.

정전류 생성부(3)는 이미터가 부하단에 연결되고 베이스가 제 2트랜지스터(Q2)의 이미터에 연결되며 컬렉터가 제 2트랜지스터의 베이스에 연결되는 제 1트랜지스터(Q1)와, 이미터가 제 1트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고 베이스가 제 1트랜지스터의 컬렉터에 연결되며 컬렉터가 직류전원의 일단에 연결되는 제2 트랜지스터(Q2)와, 제 1트랜지스터의 이미터와 베이스사이에 연결된 바이어스저항(R2)와, 제 2트랜지스터의 베이스와 컬렉터사이에 연결된 바이어스 저항(R1)으로 구성된 1개의 정전류소자(도1)를 병렬로 여러 개 접속하여 부하에 공급되는 구동전류를 분산하여 공급하도록 구성되는데, 부하인 LED 모듈부에 공급되는 전류를 안정화할 수 있으며, 고전류의 생성에 따른 열적문제도 해결한 것이며, 다등용 컨버터에서 공급되는 전류를 부하에 적합한 정전류가 되도록 하는 회로이다.

즉, 기본적인 2석 정전류원(도1)에 R1, R2의 바이어스 저항값을 맞추어 수 개이상의 병렬회로로 구성함으로써, 트랜지스터의 용량증대와 소형화 모듈이 가능하여 3개의 정전류원 회로로 구성될때는 15W 급의 LED 램프 구동 전력원으로 5개의 정전류원 회로로 구성될때는 25W 급의 LED 램프 구동 전력원으로 6개의 정전류원 회로로 구성될때는 30W 급의 LED 램프 구동 전력원으로 사용하면 같은 회로로서 병렬연결 함으로써 용량을 증대 시킬수 있는 장점이 있으며, 정전류원 회로의 조합으로 부하용량에 따라 다양하게 적용할 수 있다.

예를들면 정전류원이 3개의 정전류원으로 회로로 구성이 되면 입력 전압이 약 DC 217V 인 경우 전류는 116mA로 R1,R2의 바이어스 저항값을 맞추면 15W급의 LED 램프 구동 전원 회로가 되며, 입력 전압이 AC 220V 인 경우는 전류가 145mA로 R1,R2의 바이어스 저항값을 맞추면 15.5W급의 LED 램프 구동 전원회로가 되는 보호회로부로서 역할을 한다.

또한 구동 전력 출력부(4)는 DC 전원 +/- 라인에 직렬저항을 삽입함으로써 출력단(부하 LED 반도체)의 작동시 임피던스를 조정함으로써 부하에 열폭주 현상등 반도체의 고유특성 즉, 음전위특성 및 열전자 방출을 효율적으로 되게 회로설계 한 것이다. 실제 안정화된 전류를 공급하기 위한 회로는 도 1과 같이 제 1전류 리피트회로로 구성되어 있는데 출력 Q2의 에미터 출력이 제 1전류통로로 제공되며 Q1의 베이스-에미터와의 순방향으로 바이어스된 R2 값에 의해 전력이 I²L형으로 Q2와 Q1 의 전류흐름을 Q2을 통해 전류가 고정되고 Q1에 의해 더욱 안정되는 정전류 리프트형인 것이다.

정전류생성부(3)에서 정전류 회로를 도 4에서와 같이 기본 모듈을 3개 연결시는 18W급의, 5개 연결시는 24W 급의, 6개 연결시는 30W급의 보호회로로 생성 전류는 110mA~140mA가 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 LED 모듈부하부(5)의 LED 소자가 수십에서~수백개가 직병렬로 접속되더라도 LED 소자당 0.2W 경우 약 수W~수십W 정도에 적합한 구동 전력원으로 보호될 수 있는 것이다.

1: 입력전원 필터부 2: 정류부
3: 정전류생성부 4: 구동전력 출력부
5. LED 모듈 부하부

Claims

전원보호장치인 휴즈와 전원 노이즈 필터인 인덕터로 구성된 입력전원필터부(1);
상기 입력전원필터부에 연결되어 AC전원을 정류하는 정류부(2);
이미터가 부하단에 연결되고 베이스가 제 2트랜지스터(Q2)의 이미터에 연결되며 컬렉터가 제 2트랜지스터의 베이스에 연결되는 제 1트랜지스터(Q1)와, 이미터가 제 1트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고 베이스가 제 1트랜지스터의 컬렉터에 연결되며 컬렉터가 직류전원의 일단에 연결되는 제 2트랜지스터(Q2)와, 제 1트랜지스터의 이미터와 베이스사이에 연결된 바이어스저항(R2)와, 제 2트랜지스터의 베이스와 컬렉터사이에 연결된 바이어스 저항(R1)으로 구성된 정전류소자들이 병렬로 연결되어 구성된 정전류생성부(3); 및
상기 정전류생성부의 양 단자에 각각 직렬로 연결된 저항(R14,R15) 및 병렬로 연결된 콘덴서(C3)로 구성된 구동전력출력부(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조도제어용 보호회로.