KR100996815B1 - Ｌｅｄ 형광램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 형광램프에 관한 것이다. 본 LED 형광램프는 병렬 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이, 제1 내지 제4 연결핀, 캐소드가 제1 내지 제n LED 어레이의 일단이 공통으로 접속된 제1 노드에 연결되는 제1 다이오드, 애노드가 제1 내지 제n LED 어레이의 타단이 공통으로 접속된 제2 노드에 연결되는 제2 다이오드, 애노드가 제2 노드와 제2 다이오드의 애노드에 공통 접속되는 제3 다이오드, 캐소드가 제1 노드와 제1 다이오드의 캐소드에 공통 접속되는 제4 다이오드, 애노드는 제1 연결핀에 연결되고, 캐소드는 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제5 다이오드, 애노드는 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 제2 연결핀에 연결되는 제6 다이오드, 애노드는 제3 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 제3 연결핀에 연결되는 제7 다이오드, 및 애노드는 제4 연결핀에 연결되고, 캐소드는 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 제8 다이오드를 포함한다. 본 발명에 따른 LED 형광램프는 일반적인 형광등 기구내에 설치되어 있는 다양한 형태의 안정기를 그대로 사용할 수 있어, 부가적인 장치의 부착이나 배선의 변경없이 일반적인 형광램프를 대체하여 사용할 수 있다.
LED, 형광램프, 안정기

Description

ＬＥＤ 형광램프{LED fluorescent lamp}
본 발명은 LED 형광램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일반적인 형광등 기구내에 설치되어 있는 안정기를 교체하지 않고 형광램프만을 교환하여 사용할 수 있는 LED 형광램프에 관한 것이다.
기술의 발전에 따라, 과거 인디케이터 등의 소전력 지시등용으로 밖에 사용되지 못하던 LED(Light Emitting Diode)의 광효율이 실생활에 사용될 수 있을 만큼 향상되고 있다. 또한, LED는 다른 광원들과 달리 수은이 함유되지 않은 친환경 광원으로, 휴대 단말기용 백라이트, LCD TV용 백라이트, 차량용 램프, 및 일반 조명 등에 사용되는 차세대 광원으로 널리 각광을 받고 있다. 이에 따라, 지난 100여년 동안 조명의 주광원으로 사용되어 왔던 저전력 효율 특성을 갖는 백열등이나 환경 폐기물을 포함하고 있는 형광등이 LED 램프로 대체되기 시작하고 있다.
그러나, LED 램프의 경우, 백열등이나 할로겐 램프 등을 대체할 경우에는 그대로 교체가 가능하지만, 일반 조명의 주류를 이루고 있는 형광등을 대체할 경우에는 내부의 배선이나 등기구 자체를 바꾸거나 또는 전용 안정기를 별도로 설치하여야 되므로 시간적으로나 경제적으로 커다란 비용을 수반하게 한다. 이에 따라, 여 러가지 측면에서 많은 장점을 가지고 있는 LED 형광램프가 아직까지 보급의 초기 단계에 머무르고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 별도의 전용 안정기나 배선의 변경없이 기존 형광등용 안정기를 그대로 사용하여 구동가능한 LED 형광램프를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 형광램프는, 병렬 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이, 제1 내지 제4 연결핀, 캐소드가 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 일단이 공통으로 접속된 제1 노드에 연결되는 제1 다이오드, 애노드가 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 타단이 공통으로 접속된 제2 노드에 연결되는 제2 다이오드, 애노드가 상기 제2 노드와 상기 제2 다이오드의 애노드에 공통 접속되는 제3 다이오드, 캐소드가 상기 제1 노드와 상기 제1 다이오드의 캐소드에 공통 접속되는 제4 다이오드, 애노드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제5 다이오드, 애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제6 다이오드, 애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제7 다이오드, 및 애노드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 제8 다이오드를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 형광램프는, 제1 내지 제4 연결핀, 일단이 상기 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터, 애노드가 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 제2 다이오드, 애노드는 상기 제2 다이오드의 애노드에 접속되고, 캐소드는 상기 제3 커패시터의 타단에 연결되는 제3 다이오드,애노드는 상기 제4 커패시터의 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 캐소드에 접속되는 제4 다이오드, 애노드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제5 다이오드, 애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제6 다이오드, 애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제7 다이오드, 애노드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 제8 다이오드, 및 일단이 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제4 다이오드의 캐소드가 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 상기 제2 다이오드의 애노드 및 상기 제3 다이오드의 애노드가 연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 적어도 하나의 인덕터가 직렬 접속되는 LED 어레이 회로부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 별도의 전용 안정기 설치나 등기구 내부의 배선 변경없이 기존 형광등용 안정기에 그대로 사용할 수 있는 LED 형광램프가 제공된다. 따라서, 특별한 비용을 들이지 않고 간단하게 기존 형광등을 교체할 수 있어, 친환경, 고효율의 조명을 보다 쉽게 이용할 수 있도록 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
일반적으로 널리 사용되고 있는 전자식 형광등용 안정기의 기본 회로에는, 하프브릿지(Half Bridge) 방식, 인스턴트 스타트(Instant Start) 방식, 및 프로그램 스타트(Program Start) 방식 등이 있다. 본 발명에 따른 LED 형광램프는 이러한 형광등용 안정기에 쉽게 적용이 가능하도록 구성되어 있다. 먼저, 본 발명에 따른 LED 형광램프의 구성에 대하여 설명하고, 다음으로 본 발명에 따른 LED 형광램프가 다양한 형광등용 안정기에 사용된 경우 동작 과정을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(110)는 LED 어레이(10)와 용량성 소자인 커패시터 C11, C12, C13 및 C14를 포함하며, 외부 연결핀인 제1 내지 제4 연결핀(111, 112, 113, 114)을 구비한다. LED의 직렬 접속으로 구성된 LED 어레이(10)는 두 개 이상이 병렬연결된 구조로 사용될 수도 있으며, 이와 같은 구성은 이하 설명하는 다른 실시예에 따른 LED 형광램프에서도 동일하게 적용될 수 있다.
LED 어레이(10)는 직렬연결된 복수의 LED를 포함하며, 애노드측 단자(10a)와 캐소드측 단자(10b)를 구비한다. 커패시터 C11은 LED 어레이(10)의 애노드측 단자(10a)와 제1 연결핀(111)사이에 연결되고, 커패시터 C12는 LED 어레이(10)의 캐소드측 단자(10b)와 제2 연결핀(112) 사이에 연결된다. 커패시터 C13은 LED 어레이(10)의 애노드측 단자(10a)와 제3 연결핀(113) 사이에 연결되고, 커패시터 C14는 LED 어레이(10)의 캐소드측 단자(10b)와 제4 연결핀(114) 사이에 연결된다.
커패시터 C11 내지 C14는 제1 내지 제4 연결핀(111, 112, 113, 114)을 통해 후술하는 하프브릿지 방식의 형광등용 안정기 회로 등과 같은 다양한 종류의 안정기와 접속되는 경우, 인덕터와 커패시터로 구성된 직렬공진 회로의 복합 커패시턴스(Capacitance)를 변화시킬 수 있다. 이와 같은 공진 회로의 커패시턴스의 변화에 따라, 고정주파수로 동작하는 전자식 안정기의 경우에는 형광등용 안정기 회로내의 전류제어 인덕터의 임피던스를 증가시켜 LED 형광램프(110)로 흐르는 전류가 감소되므로, 일반적인 형광등용 안정기를 변경없이 사용하여 소비전력을 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 LED 어레이의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, LED 어레이(10)는 복수의 LED가 직렬 연결되는 구성이 일반적이다. 그러나, 직렬 연결된 LED의 보호를 위해, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 제너 다이오드 Z1 내지 Zn이 각각의 LED에 역방향으로 병렬 연결될 수도 있다.
이와 같이, 각 LED에 병렬로 제너 다이오드가 사용되는 경우, 교류 전압의 (+) 주기에는 다이오드 D1 내지 Dn 을 통해 전류가 흐르나, (-) 주기에서는 제너 다이오드 Z1 내지 Zn을 통해 전류가 흐를 수 있다. 제너 다이오드 Z1 내지 Zn를 통한 전류의 흐름은 무효 손실이 될 수 있다. 따라서, 제너 다이오드 Z1 내지 Zn를 통한 전류의 흐름을 방지하여 효율을 높이기 위해 본 발명에 따른 LED 형광램프는 다음에 설명하는 실시예와 같이 구성이 변경될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 3a를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)에는 다이오드 D51 내 지 D54가 사용되어, 다양한 형광등용 안정기에서 제1 내지 제4 연결핀(151, 152, 153, 154)에 인가되는 교류 전압의 위상변화와 무관하게 본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)가 안정적으로 동작되도록 한다.
본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)는 제1 실시예에 따른 LED 형광램프(110)에 비해 다이오드 D55 내지 D58이 추가된다. 다이오드 D55 내지 D58은 제1 내지 제4 연결핀(151, 152, 153, 154)에 일단이 연결된 커패시터 C41 내지 C44에 각각 병렬로 접속된다.
또한, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)에는 다이오드 D59 내지 D62가 더 추가되어 있다. 다이오드 D59는 캐소드는 제1 연결핀(151)에 접속되고 애노드는 다이오드 D52의 캐소드에 접속된다. 다이오드 D60은 애노드가 제2 연결핀(152)에 접속되고, 캐소드가 다이오드 D51의 애노드에 접속된다. 또한, 다이오드 D61은 캐소드가 제4 연결핀 (154)에 접속되고 애노드가 다이오드 D53의 캐소드에 접속되며, 다이오드 D62는 애노드가 제3 연결핀(153)에 접속되고 캐소드가 다이오드 D54의 애노드에 접속되어 외부로부터 인가되는 전압에 대해 완전히 대칭 동작을 하는 구성으로 되어 있어, 일반 형광등과 같이 완전 대칭으로 극성을 가리지 않고 바로 사용할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, LED 어레이(15)에 사용되는 LED의 직렬연결 개수에 따라, C51 내지 C54가 사용되지 않을 수도 있다. 도 3c에 도시한 바와 같이, 제1 내지 제n LED 어레이(15a ~ 15n)가 병렬 접속된 구조로 사용될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로이다. 본 실시예에 따른 LED 형광램프(170)는, 제1 연결핀(171) 과 제3 연결핀(173)사이에 인덕터 L71이 접속되고 제2 연결핀(172)과 제4 연결핀(174)사이에 인덕터 L72가 접속된다. 인덕터 L71 및 L72는 전자식 안정기의 초기 동작시에는 형광등의 필라멘트 역할을 하여 필라멘트 감지보호회로가 동작하지 않도록 하고, 점등시에는 L71 및 L72의 인덕턴스가 공진회로의 인덕턴스에 더해져서 LED에 인가되는 전력을 콘트롤하는 역할을 한다. 또한, 인덕터 L71 및 L72 대신 저항이 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 5a에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(190)는, 다이오드 D91의 캐소드와 D94의 캐소드의 연결점을 제1 노드라 하고, 다이오드 D92의 애노드와 D93의 애노드의 연결점을 제2 노드라고 정의하면, 제1 노드와 제2 노드 사이에 접속되는 LED 어레이(19)에 직렬로 인덕터 L93이 추가된다.
인덕터 L93은 점등시 LED 어레이(19)의 임피던스를 변화시켜 LED 전류를 콘트롤 하는 역할을 하고, 그 삽입 위치는 제1 노드와 제2 노드 사이에 자유로이 위치 할 수 있다. 도 5b에 도시한 회로도는 인덕터 L93을 LED 어레이(19)와 제2 노드 사이에 배치한 예이며, 도 5c에 도시한 회로도는 인덕터 L93을 제1 LED 어레이(19a)와 제2 LED 어레이(19b) 사이에 배치한 예를 나타낸 것이다.
또한, 제1 노드와 제2 노드 사이에 접속되는 인덕터와 LED 어레이는 복수로 사용될 수 있다. 즉, 제1 노드와 제2 노드 사이에 다양한 개수의 LED 어레이와 인덕터로 구성된 LED 어레이 회로부가 연결될 수 있다.
도 5d 및 도 5e에 도시한 회로도는 1개의 인덕터 L93과, n개의 제1 내지 제n LED 어레이(19a ~ 19n)를 사용하여 LED 어레이 회로부가 구성된 형태를 나타낸다. 도 5f와 도 5g에 도시한 회로도는 n개의 제1 내지 제n 인덕터(L93a ~ L93n)와, n개의 제1 내지 제n LED 어레이(19a ~ 19n)를 사용하여 LED 어레이 회로부가 구성된 예를 나타낸 것이다.
그리고, 도 5h와 도 5i에 도시한 회로도는 병렬 연결된 복수의 LED 어레이 사이에 1개 혹은 n개의 인턱터를 사용하여 LED 어레이 회로부가 구성된 예를 나타낸 것이다. 이외에도 다양한 형태의 LED 어레이와 인덕터의 배열이 사용하여 LED 회로부를 구성할 수 있다.
상기한 바와 같은 구성의 LED 형광램프는 별도의 회로변경 없이, 기존에 사용되는 형광등용 안정기에 연결되어 사용될 수 있다. 이에 대해 설명의 편의상 도 6에서 설명한 LED 형광램프를 예로 들어 다양한 형광등용 안정기에서 동작 과정을 설명하기로 한다.
도 6은 전자식 형광등용 안정기의 주류를 이루고 있는 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에서 형광램프 부하 사용시의 기본 동작을 설명하기 위해 참조되는 회로도이다. 이 방식은 고주파 동작하는 인버터의 출력단에 인덕터 Lo와 커패시터 C로 구성된 직렬공진 회로를 접속하고, 커패시터 C의 양단에 병렬로 형광램프(200)를 연결하여 인버터의 공진전압으로 초기 방전을 유도한다. 일단 방전이 이루어진 후에는 인덕터 Lo의 임피던스 jωLo 로 형광램프(200)에 흐르는 전류를 제어한다.
도 7은 도 6에 도시한 직렬 공진 방식의 전자식 안정기의 일례를 나타낸 것 이다. 이 방식은, 인버터의 스위칭 소자 Q1과 Q2는 제어회로에 의해 고정 주파수로 동작하는 타려식(Forced Oscillation)이며, 이 인버터의 출력점에 바이패스용 커패시터 Co 와 인덕터 Lo 그리고 공진용 커패시터 C1로 이루어지는 직렬 공진회로를 연결하여 형광램프를 구동한다. 이 방식의 전자식 안정기는 제어회로에 의해 미리 정해진 주파수로 구동되기 때문에 부하의 특성에 따라 동작점이 달라지는 자려식(Self Oscillation) 안정기에 비해 여러가지 단점을 내포하고 있으나, 최근 반도체 기술의 발전에 따라 스위칭 손실을 최소화 할 수 있고 형광램프(210) 상태를 항상 모니터링하여 안정기를 안정되게 동작 시킬 수 있는 등의 장점이 있어 점점 널리 쓰이는 추세이다.
그러나 이와 같이 형광등 특성에 맞추어 전용으로 설계된 안정기에 기존의 형광등과는 동작특성이 전혀 다른 LED 형광램프를 사용할 경우 LED로 인가되는 전력을 제어하기가 어렵다. 또한 초기 점등시에 형광등 특성에 맞추어 설계된 램프부하 이상상태 감지회로(220)가 동작하여 인버터의 보호회로가 동작함으로써 정상적인 점등이 이루어지기 어려운 문제점이 있다.
도 8은 정상상태에서 초기 구동시 형광램프 양단에 인가되는 전압파형을 도시한 것이다. 일반적으로 형광램프는 초기 구동시, 1) 예열, 2) 방전, 3) 점등의 3 단계로 동작하게 된다. 도 8의 경우에는 약 1초 정도의 예열구간(a 구간) 및 약 0.13초 정도의 방전구간(b 구간)을 나타내며, 그 이후 정상 점등 구간(c 구간)을 도시하고 있다
도 9는 이상상태에서 초기 구동시 형광램프 양단에 인가되는 전압파형을 도 시한 것이다. 도 9의 경우, 1.6초 정도의 예열구간(d 구간) 및 0.62초 정도의 방전 구간(e 구간) 후, 형광램프 양단에 인가되는 고전압에 의해 보호회로가 동작된 상태를 나타낸다.
한편, 형광램프 부하의 경우에는 램프의 방전 동작이 개시 될 때까지는 램프 부하는 무부하로 간주 할 수 있으므로, 방전 개시 전까지의 동작특성은 다음과 같다. 먼저, 공진시의 인덕터 Lo와 커패시터 C1 으로 이루어진 직렬 공진회로의 특성함수(Quality Factor) Q0는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009040309144-pat00001
여기서 Ro는 직렬공진회로의 내부 임피던스를 나타낸다. 그리고, 바이패스용 커패시터 Co는 상대 용량이 아주 크므로 무시할 수 있다.
또한, 공진커패시터 C1에 유기되는 전압을 Vc라 놓으면, 이 때의 Vc는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009040309144-pat00002
그러나 일반 형광램프 대신 LED 형광램프를 부하로 사용 할 경우에는 방전등 점등을 위한 커패시터 C1에 유기되는 초기 공진시의 고전압에 의하여 인버터 내부의 보호회로가 동작하는 문제가 발생 한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프를 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면이다.
LED 형광램프는 일반 형광램프와 달리 인버터 동작 초기부터 부하로 보이게 되며, 이를 저항으로 간략화하여 R이라 놓으면, 부하특성은 인버터 내부에 내장되어 있는 커패시터 C 에 부하저항 R이 병렬접속된 형태를 보이고, 이 병렬 부하의 복합 어드미턴스(Complex Admittance)를 Yrc 라 놓으면, Yrc는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009040309144-pat00003
Yrc의 복합임피던스를 Zrc라 놓으면, Zrc는 다음과 같이 R과 C의 함수로 나타낼 수 있다.
Figure 112009040309144-pat00004
T8/32W 형광램프의 임피던스는 약 500Ω 정도로 간주 할 수 있으므로, R 부하의 값을 R = 500Ω 로 놓고, Lo = 2.5mH, C= 6.8nF, f = 50KHz, Vm = 250V 의 정현파를 직렬공진 회로에 인가 했을 때 LED 형광램프 부하에 인가되는 전압을 PSpice(Professional Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)를 이 용하여 시뮤레이션한 결과를 도 11에 도시하고 있다. 도 11을 참조하면, LED 형광램프의 전압은, 250V의 첨두치가 148V 로 약 43% 정도 낮아져 있으며, 그 위상이 0.62π 정도 시프트되어 있음을 볼 수 있다. 즉 공진 초기부터 R 부하가 보이게 함으로써 특성함수 Q 값을 줄이고, 이에 따라 커패시터 C 양단의 피크 전압을 낮춰 인버터에 내장된 보호 회로가 동작하지 않게 할 수 있다.
도 10을 참조하면, 전자식 안정기 내부의 필라멘트 감지회로가 동작하는 것을 방지하기 위해 제1 연결핀(151)과 제3 연결핀(153), 및 제2 연결핀(152)과 제4 연결핀(154)은 직접 쇼트되거나 저항 또는 인덕터를 사용하여 DC 적으로 쇼트된다.
여기에서는 제1 연결핀(151)과 제3 연결핀(153), 및 제2 연결핀(152)과 제4 연결핀(154)이 쇼트된 경우를 가정하여 그 기본동작을 설명토록 한다. 제2 및 제4 연결핀(152, 154)를 기준으로 하여 전자안정기 내부의 공진용 커패시터 C에 걸리는 전압 Vc의 전위가 (+)가 되는 주기, 즉 제1 및 제3 연결핀(151, 153)에 인가되는 전압이 (+)인 주기에는 정현파 전압의 전위가 상승하여 LED 어레이(15)의 임계전압 (Vth)에 이르면, 전류는 [D55 - D51 - LED 어레이(15) - D52 - D56], [D55 - D51 - LED 어레이(15) - D53 - D61], [D62 - D54 - LED 어레이(15) - D52 - D56]. 및 [D62 - D54 - LED 어레이(15) - D53 - D61]의 복수 경로로 흐른다. 다시 이 전압이 하강하여 LED 어레이의 임계전압(Vth) 이하로 내려가게 되면 LED 어레이(15)에는 전류가 흐르지 않게 된다.
또한, 제1 및 제3 연결핀(151, 153)에 (-) 전압이 인가되는 (-) 주기에서는 전위가 하강하여 LED 어레이(15)의 임계전압(Vth) 보다 더 낮아지게 되면, 다시 전 류가 흐르기 시작하여 [D58 - D54 - LED 어레이(15) - D53 - D57]. [D58 - D54 - LED 어레이(15) - D52 - D59], [D60 - D51 - LED 어레이(15) - D53 - D57], 및 [D60 - D51 - LED 어레이(15) - D52 - D59]의 복수 경로로 전류가 흐르게 된다. 이때 LED 어레이(15)에 인가되는 전압의 첨두치는 다이오드에서의 전압 강하를 무시하면 인가전압 Vm sin(ωt + θ)의 최대치 Vm 이 인가된다.
도 12는 LED 어레이에 흐르는 전류에 대한 타이밍 다이어그램(Timing Diagram)을 나타낸 것이다. 도 12에서 각 구간별로 동작을 설명하면 다음과 같다.
■ 0 ~ ta 구간 : (C53 - D61) 및 (D62 - C54)의 경로로 커패시터 C53와 C54가 LED 어레이(15)에 전류가 흐르기 시작하는 시점 ta 까지 충전된다.
■ ta ~ tb 구간 : [D55 - D51 - LED 어레이(15) - D52 - D56], [D55 - D51 LED 어레이(15) - D53 - D61], [D62 - D54 - LED 어레이(15) - D52 - D56], [D62 - D54 - LED 어레이(15) - D53 - D61]의 복합경로로 주전류가 흐른다.
■ tb ~ π 구간 : LED에 주전류가 흐르지 않으며, 커패시터 C53과 C54에 충전되어 있던 전압이 tc 구간까지 방전한다.
■ π ~ tc 구간 : (D59 - C51) 및 (C52 - D60)의 경로로 커패시터 C51 과 C52가 LED 어레이(15)에 전류가 흐르는 시점 tc 까지 충전된다.
■ tc ~ td 구간 : [D60 - D51 - LED어레이(15) - D53 - D57],[D58 - D54 - LED 어레이(15) - D53 - D57], [D60 - D51 - LED어레이(15) - D52 - D59], [D58 - D54 - LED 어레이(15) - D52 - D59] 의 복합경로로 주전류가 흐른다.
■ td ~ 2π 구간 : LED에 주전류가 흐르지 않으며, 커패시터 C51과 C52에 충전되어 있던 전압이 ta 구간까지 방전한다.
■ td ~ (2π + ta) 구간 : LED에는 주전류가 흐르지 않으며, (C53 - D61) 및 (D62 - C54)의 경로로 커패시터 C53과 C54가 LED 어레이(15)에 전류가 흐르는 시점 (2π + ta)까지 Vth 값으로 충전되고, C51과 C52에 충전되어 있던 전압이 방전한다.
따라서 본 발명의 LED 형광램프의 경우 내장되어 있는 커패시터 C51 내지 C54의 값을 Ca라 놓으면, LED 어레이(15)에 전류가 흐르지 않는 td ~ ta, tb ~ tc 구간에는 인버터 내부에 내장되어 있는 커패시터 C에 2 Ca가 병렬로 접속되어 있는 것과 같이 동작하며, 이때의 실효 커패시턴스를 Cr는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009040309144-pat00005
따라서 수학식 1 에서 나타낸 바와 같이 직렬공진회로의 특성함수 (Quality
Factor)는 Qo = 1/(ω0RC) 로 나타낼 수 있으므로, 커패시턴스가 커지게 되면 Qo 값은 작아지게 되어 수학식 2에 의해 LED 형광램프 양단간에 걸리는 전압 Vc의 값이 작아지게 되며, 이 Ca 값을 변화시켜서 LED 형광램프에 흐르는 전류의 최대치 및 전류가 흐르는 구간을 제어할 수 있게 되므로, 결과적으로 LED 전력을 제어 할 수 있게 된다.
또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, 복수의 LED 어레이가 사용된 경우에도, LED 어레이(15)에 흐르는 전류가 제1 내지 제n LED 어레이(15a ~ 15n)로 분류되어 흐르는 것 뿐이며, 기본적인 동작은 전술한 바와 동일하게 이루어 질 수 있다.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프를 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에 사용한 경우의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, LED 형광램프(190)의 인덕터 L91과 L92는 형광램프의 필라멘트와 같은 역할을 하며, 인덕터 L91과 L92가 삽입됨으로써 인버터 내부의 필라멘트 이상상태 감지회로가 동작하지 않게 된다. 또한, LED 형광램프(190)는, 인덕터 L91 및 L92 대신에 저항이 사용될 수도 있다. 그러나 저항을 사용하는 경우에는 인덕터를 사용하는 경우와는 달리 공진전류가 이 저항을 통해 흐름으로 인한 전력손실이 생기는 단점이 있다.
도 13을 참조하면, 제1 연결핀(191)과 제2 연결핀(192)에 인버터 내부 공진 커패시터 C가 연결되고, 제3 연결핀 (193)과 제4 연결핀(194)에 인버터로부터의 출력이 연결되면, 인덕터 L91과 L92의 값을 La라 놓으면 전체 공진 인덕턴스 L은 L= Lo + 2La로 놓을 수 있다. 따라서, 제1 연결핀(191)과 제2 연결핀(192)에 가장 큰 전압이 걸리게 된다.
또한, LED 어레이(19)에 직렬접속된 인덕터 L93은 그 값을 Lb라 놓으면, LED 어레이(19)에 주전류가 흐르는 시구간에는 인버터 동작주파수의 2 배의 주파수의 LED 전류가 흐르게 되므로, ZLb = j2ωLb 의 임피던스 값이 LED 어레이(19)의 임피던스에 더해져 특성함수 Q 값을 변화 시킨다. 따라서, LED 어레이(19)에 인가되는 전압의 첨두치 Vm의 값을 제어하여 LED 어레이(19)에 흐르는 전류를 제어 할 수 있게 된다.
또한, 도 5c 내지 도 5i에 도시한 바와 같이, 복수의 LED 어레이나 인덕터가 사용된 경우에도, 기본적인 동작은 전술한 바와 동일하게 이루어 질 수 있다.
다음의 [표 1]은 Ca 값을 변화 시켰을 때의 LED 형광램프의 특성 변화를 나타낸 것으로, 인버터 동작주파수는 50KHz, LED 어레이(15)는 48개 x 3열, 그리고 C 는 6800pF인 경우이다.
커패시터 750pF 1000pF 1500pF 1800pF
Vi(V) 134 130.7 124.7 121.3
소비전력(W) 22.0 20.2 16.8 14.6
LED 전압(Vdc) 143.7 142.8 141.7 140.6
LED 전류(mAdc) 110 104 87 75
램프입력전류(mAac) 173 164 157 155
C공진전류(mAac) 298 289 278 266
이와 같이 본 발명에 따른 LED 형광램프는 일반적으로 사용되고 있는 전자식 안정기에 회로 변경없이 바로 장착하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 LED 형광램프는, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 2는 도 1의 LED 어레이의 구조를 나타낸 도면,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 5a 내지 도 5i는 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 6은 전자식 형광등용 안정기의 주류를 이루고 있는 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에서 형광램프 부하 사용시 기본 동작을 설명하기 위해 참조되는 회로도,
도 7은 도 6에 도시한 직렬 공진 방식의 전자식 안정기의 일례를 나타낸 도면,
도 8은 정상상태에서 초기 구동시 형광램프 양단에 인가되는 전압파형을 도시한 도면,
도 9는 이상상태에서 초기 구동시 형광램프 양단에 인가되는 전압파형을 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프를 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면,
도 11는 LED 형광램프 부하에 인가되는 전압을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 12는 LED 어레이에 흐르는 전류에 대한 타이밍 다이어그램, 그리고
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프를 직렬 공진 방식의 전자식 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
19: LED 어레이 190: LED 형광램프

Claims (12)

  1. 병렬 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이;
    제1 내지 제4 연결핀;
    상기 제1 내지 제n LED 어레이의 일단이 공통으로 접속된 제1 노드에 캐소드가 연결되는 제1 다이오드;
    상기 제1 내지 제n LED 어레이의 타단이 공통으로 접속된 제2 노드에 애노드가 연결되는 제2 다이오드;
    애노드가 상기 제2 노드와 상기 제2 다이오드의 애노드에 공통 접속되는 제3 다이오드;
    캐소드가 상기 제1 노드와 상기 제1 다이오드의 캐소드에 공통 접속되는 제4 다이오드;
    애노드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제5 다이오드;
    애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제6 다이오드;
    애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제7 다이오드; 및
    애노드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 제8 다이오드를 포함하는 LED 형광램프.
  2. 제1항에 있어서,
    캐소드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되는 제9 다이오드;
    캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되고, 애노드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제10 다이오드;
    캐소드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되는 제11 다이오드; 및
    캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되고, 애노드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제12 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  3. 제1 내지 제4 연결핀;
    일단이 상기 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터;
    애노드가 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되는 제1 다이오드;
    캐소드가 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 제2 다이오드;
    애노드는 상기 제2 다이오드의 애노드에 접속되고, 캐소드는 상기 제3 커패시터의 타단에 연결되는 제3 다이오드;
    애노드는 상기 제4 커패시터의 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 캐소드에 접속되는 제4 다이오드;
    애노드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노 드에 연결되는 제5 다이오드;
    애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제6 다이오드;
    애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제7 다이오드;
    애노드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되는 제8 다이오드; 및
    일단이 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제4 다이오드의 캐소드가 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 상기 제2 다이오드의 애노드 및 상기 제3 다이오드의 애노드가 연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 적어도 하나의 인덕터가 직렬 접속되는 LED 어레이 회로부를 포함하는 LED 형광램프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 접속되는 제1 LED 어레이;
    일단이 상기 제1 LED 어레이의 타단에 연결되는 제1 인덕터; 및
    일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 연결되고, 타단은 상기 제2 노드에 접속되는 제2 LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 접속되는 제1 인덕터; 및
    일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 공통 접속되며, 타단은 상기 제2 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이; 및
    일단은 상기 제1 내지 제n 어레이의 타단에 공통 접속되고, 타단은 상기 제2 노드에 접속되는 제1 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n 인덕터; 및
    일단이 상기 제1 내지 제n 인덕터의 타단에 각각 접속되고, 타단은 상기 제2 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이; 및
    일단이 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 타단에 각각 접속되고, 타단은 상기 제2 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 상기 제1 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이;
    일단이 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 타단에 각각 연결되는 제1 내지 제n 인덕터; 및
    일단이 상기 제1 내지 제n 인덕터의 타단에 각각 연결되고, 타단은 상기 제2 노드에 공통 접속되는 제n+1 내지 제2n LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 LED 어레이 회로부는,
    일단이 제1 노드에 공통 접속되는 제1 내지 제n LED 어레이;
    일단이 상기 제1 내지 제n LED 어레이의 타단에 공통 접속되는 제1 인덕터; 및
    일단이 상기 제1 인덕터의 타단에 공통 접속되고, 타단은 상기 제2 노드에 공통 접속되는 제n+1 내지 제2n LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    캐소드는 상기 제1 연결핀에 연결되고, 애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되는 제9 다이오드;
    캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되고, 애노드는 상기 제2 연결핀에 연결되는 제10 다이오드;
    캐소드는 상기 제4 연결핀에 연결되고, 애노드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되는 제11 다이오드; 및
    캐소드는 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되고, 애노드는 상기 제3 연결핀에 연결되는 제12 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
  12. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연결핀과 상기 제3 연결핀 사이에 접속되는 제1 제어 인덕터; 및
    상기 제2 연결핀과 상기 제4 연결핀 사이에 접속되는 제2 제어 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
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