KR101002869B1

KR101002869B1 - 교류 전원 라인에 조광 제어 신호 변조 전송 방법 및 이를 이용한 엘이디 조명등 조광 제어 구동 장치

Info

Publication number: KR101002869B1
Application number: KR1020090039069A
Authority: KR
Inventors: 정승일
Original assignee: 정승일
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-12-21
Also published as: KR20100120254A

Abstract

본 발명은 부가 제어선이 필요없이 AC 전원 라인 상에서 조광 제어 신호 변조 전송 방법 및 이를 이용한 LED 조명등 조광제어 구동장치에 관한 것으로서, 기존의 백열전구 조광제어에 사용된 방식은 AC 전원 라인 상에서 도 1과 같이 위상각 크기에 따라 조광제어하는데 해당 위상각에서 트라이악을 도통할 때, 전압 있는 상태에서 전류가 흐르기 때문에 과도한 서지가 발생에 의한 EMI 문제와 스위칭 소자의 발열 문제로 최대 사용 출력이 제한되는 단점이 있다. 본 발명은 도3와 같이 전자파 발생과 스위칭 소자의 발열을 최소로 할 수 있도록 AC 교류 전원 상의 Zero Crossing(영전위)을 기준으로 트라이악을 도통 AC 전원 반주기 신호 단위로 출력을 제어한다, 한편 조광제어신호 발생 방법은 AC 전원 반주기 단위로 차단 반주기 신호에 대한 도통 반주기 신호 개수를 다르게 변조하여 조광 제어 요구 신호를 발생시킨다. 본 발명에 의하면 별도에 통신 제어선이 필요없이 AC 전원 라인에서 EMI 발생과 스위칭 소자 발열을 최소로 하면서, LED 조명등 구동장치에 조광기능을 제공할 수 있다.

조광제어기, 디머, 엘이디 조명등, 트라이악, 위상각, 피더블유엠, 에스엠피에스

Description

교류 전원 라인에 조광 제어 신호 변조 전송 방법 및 이를 이용한 엘이디 조명등 조광 제어 구동 장치{The modulation transmission method for dimming control signal only with AC power line and its dimmable LED lighnting systems}

본 발명은 부가 제어선이 필요없이 AC 전원 라인 상에서 조광 제어 신호 변조 전송 방법 및 이를 이용한 LED 조명등 조광제어 구동장치에 관한 것으로서, AC 전원입력에서 점등 및 소등을 제어하고, AC 교류 전원 상의 Zero Crossing(영전위)을 기준으로 AC 반주기 신호 단위로 출력을 제어 변조하여 조광제어요구신호를 발생시키는 조광제어기 장치와 이 장치와 연동되어 변조된 AC 전원 입력으로부터 조광제어요구 신호를 복조 분리하여 조광제어 요구량을 판단하여 LED 구동 전원 장치부의 전류 궤환 회로에 부가하기 위한 신호를 발생시키는 조광제어 복조부 및 LED 조명등 구동에 적합한 전압 및 전류 궤환 회로를 갖는 절연 또는 비절연 LED 구동 전원 장치부로 이루어진 조광기능을 갖는 LED 조명등 구동 전원 장치로 구성된다.

종래의 조명등에 사용되는 조광제어 방법은 조명등의 특성상 저항성 부하인 백열전구 방식과 방전등인 형광등의 방식이 있다. 백열전구는 AC 전원 입력을 받아 서 도 1과 같이 위상제어방식에 의해서 AC 전원 출력에 위상을 제어하여, 출력되는 평균 전압의 크기에 따라 조도를 제어하는 방식을 사용한다. 형광등은 방전등의 특성상 고압의 인버터가 필요하므로 인버터를 통하여 방전등에 흐르는 전류를 제어하여 조광을 하는 방식이다. 한편 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)로 이루어진 LED(Light Emitting Diode) 조명등은 일반적으로 DC 전원으로 구동되며 LED의 순방향에 흐르는 전류량에 따라 조도가 제어되는데, 보통 LED 조명등은 소요 밝기에 필요한 조명을 확보하기 위하여 다수개의 LED를 M개의 직렬과 N개를 병렬로 연결하여 구성하고, 이를 구동하기 위하여 정격전압은 LED 하나의 순방향 전압의 M배, 정격전류는 한 개의 직렬 스트링 전류의 N배로 하여 AC 전원에서 DC 전원으로 전원공급장치(SMPS : Switched Mode Power Supply)에 의해서 구동하는 방식이다. 조광은 LED에 흐르는 DC 전류를 조절하는 방식이 사용하며, 조광제어 명령은 별도의 리모콘 또는 전력선 통신 모뎀 등을 이용하여 조광제어요구 신호를 LED 구동 전원 회로부에 전달하는 방식이 사용되고 있다.

또한 아래 참고 문헌 1과 같이 기존의 백열전구 조광제어에 사용했던 월디머(벽 조광제어기)를 사용하여 LED 조광제어를 수행하는 방법이 NATIONAL SEMICONDUCTOR 사에 의해 특허 출원 중이고 관련 반도체 칩이 2009년 2월부터 출시되고 있다. 그러나 위상제어방식을 사용하는 월디머는 조광제어요구신호에 따라서 도 1과 같이 AC 전원의 해당 위상각에서 TRIAC(양방향 교류 스위치)을 도통하는 방식을 사용하는데, 전압 있는 상태에서 전류가 흐르기 때문에 과도한 서지가 발생되기 쉽고 또한 TRIAC 소자의 스위칭 손실로 인한 발열 때문에 최대 사용 출력이 제 한되는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 부가 제어선이 필요없이 AC 전원 입력에서 LED 조명등 조광제어를 이루기 위한 방법의 하나로, 도 3과 같이 전자파 발생을 최소로 할 수 있도록 AC 교류 전원 상의 Zero Crossing(영전위)을 기준으로 TRIAC을 도통 AC 반주기 신호 단위로 출력을 제어하고, 조광제어요구신호 발생 방법은 AC 전원 반주기 단위로 차단 반주기 신호에 대한 도통 반주기 신호 개수를 다르게 변조하여 조광 제어 요구 신호를 발생시킨다. 또한 차단 반주기 신호가 연속적으로 두 개 이상을 허용하지 않고 한 개만 허용하는 변조 방식을 채택하여 후단의 절연 및 비절연 LED 구동 전원 회로 장치의 기존 설계 방식에 최소한 변경으로 적용 가능하도록 제공된다.

[참고 1] LM3445 : Triac Dimmable Offline LED Driver datasheet

본 발명은 상기와 같이 LED 조명등에 조광제어기능을 제공하기 위해서 별도의 통신선, 전력선 모뎀 , 리모콘 등의 부가 장치에 의해 수행되어야 하는 방식의 문제점과 또한 AC 전원 입력만을 사용하는 방식인 기존의 월디머를 적용한 위상각 제어에 의한 LED 조명등 조광제어 방식에서 발생하는 과도한 EMI 발생과 스위칭 소자의 발열 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명은 별도의 부가 제어선이 필요없이 AC 전원 라인 상에서 EMI(ELetro-Mignetic Interference) 전자파 장애 발생과 스위칭소자 발열 문제를 최소화할 수 있는 조광제어신호 발생 방법과 이를 이용한 LED 조명등 조광제어장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 부가 제어선이 없는 AC 전원입력에서 LED 조명등 조광제어기능을 제공하는 방법이 사용된다. 한편 본 발명에서는 기존의 AC 전원 입력만을 사용하여 위상각 제어에 의해 전압 평균치를 조절하여 백열전구에 조광제어기능을 제공했던 방식을 개량하여 LED 조명등에 조광제어를 제공하는 기술에서도 상존하고 있는 위상각 제어시 스위칭 시점에서 주로 발생하는 EMI와 소자 발열 문제점을 해결하기 위하여, 위상각 제어 방식 대신 AC 교류 전압에서 반복되는 Zero Crossing(영전위) 지점을 검출하여 영전위 상태에서 TRIAC 소자를 도통(ON), 차단(OFF) 되도록 스위칭함으로서 EMI 발생과 소자 발열 문제가 최소화된 방법이 사용된다. 이 경우 기존 위상각에 따른 평균전압의 차이에 의해서 조광제어신호를 발생시키는 방법은 사용이 불가능하다. 본 발명에서는 EMI 발생과 소자 발열이 최소화될 수 있도록 AC 교류전압의 반주기마다 반복되는 Zero Crossing(영전위) 지점을 검출하여 영전위 상태에서 TRIAC 소자가 ON, OFF 되도록 AC 신호 반주기 단위로 출력이 제어되는데 조광제어신호의 발생 방법은 도 4의 일실시 예와 같이 차단 반주기 신호에 대한 도통 반주기 신호 개수를 다르게 하는 변조 방식을 통하여 제공된다. 한편 본 발명에서 후단의 LED 구동 전원 장치 설계의 부담을 최소화할 수 있도록 차단 반주기 신호가 두 개 이상 연속적으로 나타나지 않는 변조 방식이 사용된다. 후단의 조광제어 기능의 LED 구동 전원 장치부에서는 변조된 신호를 복조하여 조광제어요구량을 판단하고 120Hz 저주파에 의한 플리커 발생가 발생하지 않도록 조광제어에 적합한 6 kHz PWM 신호를 발생시켜 DC 평균 전압을 제어하여 LED 구동 전원 장치의 전류 궤환 회로에 제공되어, LED 조명등의 조광제어기능이 제공된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 AC 전원입력만으로 조광제어기능의 LED 구동 전원 장치의 제공이 가능하여 추가 제어선 또는 부가 장치의 설치가 필요하지 않고 또한 다른 전기 전자 제품에 EMI 장애를 발생시키지 않은 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 위상각 제어에 의한 백열전구 조광제어 개념을 나타낸 것으로 트라이악이 도통되는 위상각 θ를 제어함으로써 평균값의 차이에 의하여 조광제어되는 방식이다. 이 방식은 스위칭 동작이 전압이 있는 상태에서 전류가 흐르기 때문에 과도한 서지가 발생되기 쉽고 또한 TRIAC 소자의 스위칭 손실로 인한 발열 때문에 최대 사용 출력이 제한되는 단점을 가지고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 AC 전원 입력 상에서 LED 조명등 조광제어를 제공하기 위한 구성도이다. 전원입력부에 위치하여 사용자의 조광제어요구에 따라 AC 전원의 ZERO-CROSSING(영전위) 지점을 검출하여 AC 전원 반주기 단위로 트라이악 ON, OFF 가 제어되고 도 4와 같은 조광제어요구량에 따른 변조 코드를 적용하여 AC 전원 반주기 단위로 변조하는 조광제어기 장치(100)와 LED 구동부에 위치하여 변조된 전원으로부터 조광제어요구신호를 복조하여 LED 조명등에 흐르는 전류가 조절되도록 제어하여 조광기능을 수행하는 조광기능을 갖는 LED 조명등 구동 전원장치(200)로 구성된다.

도 3a은 본 발명에 따른 ZERO-CROSSING(영전위) 지점에서의 AC 전원 반주기 단위로 출력이 도통 차단되는 것을 나타내며 도 3b는 LED 구동을 위한 전원 장치에서 AC-DC 변환시 입력단에서 적용되는 브리지 정류(도 6의 210 BD1 출력) 지점에서 파형을 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이 AC 신호가 영전위를 기준으로 도통되고 차단됨으로써 EMI와 소자 발열 문제를 최소화할 수 있다. 한편 조광제어 신호는 차단되는 AC 신호 반주기와 도통되는 AC 신호 반주기 신호의 조합으로 코딩(부호화)하여 제공하는 방식이 사용된다.

도 4는 본 발명에 따른 브리지 정류 지점에서 본 조광제어요구량에 따른 변 조 코드 사용 일실시예를 나타낸 것으로 여기서는 하나의 차단 AC 신호 반주기에 대하여 도통되는 AC 신호 반주기 개수를 다르게 하여 조광 제어 요구량에 따라 부호화되는 방식을 사용하였다. 이렇게 함으로써 후단의 LED 구동전원장치부의 설계시 적용되는 도 6의 브리지 정류 후 평활에 사용하는 커패시터(220)가 과도하게 커지는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 조광제어기 장치 상세 블록 구성도이고, 도 5b는 상세 블록 회로도 일실시예를 나타내고 있다. AC 전원입력(110)에서 회로구동에 필요한 전압은 AC-DC 전원부(120)에 의해 제공된다. 한편 본 발명의 영전위 검출부(130)는 BD1에 의해 브리지 정류되어 검출되어진 영전위 신호가 R1, R2에 의해서 트랜지스터 Q1의 동작 지점이 바이어스되고 절연구동을 위한 포토 커플러을 ON-OFF 함으로써 포토 트랜지스터 출력에 영전위 지점에서 High Level 신호가 만들어져 변조코드 발생부(150)에 보내진다. 변조코드발생부(150)는 마이크로프로세서에 의해서 수행되며, 조광제어스위치(140)에서 한번 누를 때마다 조광제어요구량을 결정하여 영전위 검출부로부터의 신호를 기준으로 도 4와 같은 조광제어신호가 발생되도록 변조하여 절연 트라이악(160)을 통하여 양방향 교류스위치(TRIAC)을 구동함으로써 본 발명의 영전위를 기준으로 조광제어요구량에 따라 AC 신호 반주기 단위로 변조 코딩된 AC 신호가 발생되어 도 2의 LED 조명등 구동 전원장치부(200)로 전달된다.

한편 LED 조명등 구동 전원장치부(200)는 LED 구동에 필요한 일반적인 AC-DC 전원 변환 스위칭파워(SMPS : Switched Mode Power Supply)로써 이 분야에 종사하 는 통상적인 기술을 가진 사람에 의해 쉽게 이해될 수 있으므로 전형적인 회로를 기반으로 설명한다.

도 6은 조광기능이 없는 전형적인 절연형 LED 구동전원장치 회로도 일실시예를 나타낸다. AC 입력에서 브리지정류회로(210)에 의해 DC 변환되고 Bulk 커패시터(220)에 의해 평활된다. Bulk 커패시터(220)는 AC 신호의 높은 값에서 충전하여 AC 신호가 낮은 값으로 변할 때 연속적인 전력을 공급하는 역할을 한다. 이 때 Bulk 커패시터의 크기는 일반적으로 AC 전원 주파수, 사용 직류(DC) 출력 전력과 허용 리플 등에 의해서 결정되는 값으로, 본 발명에서는 반주기 신호의 변조 코드를 사용함으로, 기존의 조광기능이 없는 LED 조명등 구동 전원장치부 회로에 조광기능을 제공하기 위한 회로로 변환시 이 커패시터의 용량만 확장하여 그대로 적용가능하다. 스위칭 전원 변환장치의 핵심부인 PWM 제어부(240)는 DC 전원 출력에 일정한 전압과 전류를 제공하기 위하여, 출력 측의 전압 감시부(260) 및 전류 감시부(270)의 비교 신호 출력에 따라 포토 커플러(250) PC1의 발광다이오드에 흐르는 전류 변화에 따른 PC1의 트랜지스터에 흐르는 전류로 절연 전달되는 피드백 신호를 입력받아 펄스폭을 조정 출력하여 절연 전력변환부(230)의 Q1을 ON-OFF 제어하여 출력 측에 일정한 전압 및 전류가 유지되도록 제어한다. 전압피드백은 U2a에서 설정된 기준 전압 보다 낮으면 포토커플러에 흐르는 전류값이 낮아져 PWM IC U1의 피드백 입력이 낮아져 출력펄스가 커지도록 제어되며, 반대로 출력이 기준전압보다 높아지면 펄스폭을 줄이는 방향으로 제어되어 출력전압이 조정된다. 또한 전류 피드백 회로도 유사한 방법으로 제어되는데 LED에 흐르는 전류가 R9에 의해서 전압으 로 변환되어 U2b에 설정된 전류 레퍼런스 전압과 비교되어 LED 흐르는 전류가 이 설정치에 추종하도록 제어된다. 본 발명에 따른 조광 제어 기능을 갖는 LED 조명등 구동 전원장치 일실시예는 이 전류 레퍼런스 전압에 변화를 주도록 하여 전류가 조절되고 이에 따른 조광기능이 제공된다.

도 7a는 본 발명에 따른 조광기능을 제공하기 위하여 도 6에 추가하는 블록 구성도이고, 도 7b는 추가 블록 회로도 일실시 예를 나타낸다. 조광제어기 장치(100)로부터 영전위를 기준으로 조광제어요구량에 따라 AC 반주기 단위로 변조된 AC 전원으로부터 영전위를 검출하기 위한 영전위 검출부(280)는 조광제어기 장치의 영전위 검출회로와 동일하게 적용될 수 있다. 검출된 영전위 지점은 포토 커플러(285) PC1에 의해 절연되어 변조코드 복조부에 전달된다. 변조코드복조부(290)는 마이크로프로세서에 의해서 수행되며, 영전위 검출부의 신호에서 차단된 반주기 사이의 영전위 검출 펄스 수로부터 간단히 조광제어요구 정보를 검출한다. 검출된 조광제어요구 정보량에 따라 도 8과 같은 6kHz 주기의 주파수에서 PWM(Pulse Width Modulation : 펄스폭변조) 변조하여 조광제어구동신호를 발생시키다. 펄스폭 변조된 조광제어구동신호는 R3, C3에 의하여 DC 평균값(295)으로 변환되어 R4 저항에 의해 도7a 의 LED 조명등 구동 전원장치부의 전류 피드백 회로의 전류 레퍼런스 전압의 기준 전위를 변화시키도록 제어하여 결과적으로 LED에 흐르는 전류가 조절되고 이에 따라 조광제어 된다.

본 발명의 조광제어요구신호 변조 방식은 부가 제어선 없이 AC 전원 입력에서 조광제어 신호대신 다른 제어 데이타 전송 기능으로 활용될 수도 있다. 예를 들 면 도 4의 일실시 코드 중 하나를 조명등의 ON-OFF 제어에 적용할 수도 있다. 이와같이 제어데이타의 전송으로도 활용될 수도 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 AC 전원의 위상각 제어 파형 및 그의 브리지 정류 파형

도 2는 본 발명의 AC 입력 라인에서의 LED 조명등 조광제어 구동장치 구성도

도 3은 ZERO-CROSSING 지점에서의 AC 전원 반주기 단위의 출력 ON-OFF 파형 및 그의 브리지 정류 파형

도 4는 브리지 정류 파형에서 본 조광제어요구량에 따른 변조 코드 사용 일실시예

도 5a는 조광제어장치 상세 블록 구성도

도 5b는 조광제어장치 상세 블록 회로도 일실시예

도 6은 조광기능이 없는 전형적인 절연형 LED 구동전원장치 회로도 일실시예

도 7a는 본 발명에 따른 조광기능을 제공하기 위한 추가 구성 블록도

도 7b는 본 발명에 따른 조광기능을 제공하기 위한 추가 블록 회로도 일실시예

도 8은 조광제어요구량에 따른 조광제어용 PWM 신호 발생 개념도

Claims

AC 전원 라인 상에서 영전위를 검출하여 영전위를 기준으로 AC 전원 반주기 단위로 도통(ON) 및 차단(OFF)을 제어하고, 차단된 반주기 개수와 도통된 반주기 개수의 조합에 따라 제어 데이타 정보를 발생 전송하는 방법.
제 1항에 있어서 차단 AC 전원 반주기 신호 하나에 대하여 도통되는 AC 전원 반주기 개수를 다르게 변조하여 조광제어요구 정보를 전송하는 방법.
AC 전원 반주기 신호 하나에 대하여 도통되는 AC 전원 반주기 개수를 다르게 변조하는 방식을 적용한 조광제어기 장치 및 조광기능을 갖는 LED 조명등 구동 전원 장치.