KR101003073B1 - 조명용 ｌｅｄ의 정전류 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 조명용 LED로 구성된 부하를 구동하기 위한 정전류 공급회로를 포함하는 조명용 정전류 제어장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 장치는 고주파 통과 필터로 구성되며 차단주파수 의 필터상수를 조정하여 차단주파수의 차단 대역을 조정함으로써 최대 전류를 제한할 수 있는 전원공급부와, 브리지 다이오드로 구성된 정류부와, 상기 정류부를 통과하여 들어오는 맥류성분을 포함한 전류를 일정전류 이상 통과하지 않도록 하는 전류조절부와, 및 상기 전류조절부에 연결되고 공급되는 전류가 끊어질 경우 부하의 인덕턴스성분에 의한 회전하는 전류를 차단하여 상기 전류조절부의 소자들을 보호해 주는 역할을 하는 다이오드로 구성된 보호장치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

조명용 LED, 정전류, 고주파 통과필터, 차단주파수

Description

조명용 ＬＥＤ의 정전류 제어장치{CURRENT CONTROL APPARATUS FOR LED ILLUMINATION}

본 발명은 조명용 LED 정전류 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 복수의 조명용 LED로 구성된 부하를 구동하기 위한 정전류 공급회로를 포함하는 조명용 정전류 제어장치에 관한 것이다.

LED 조명 장치는 백열램프 및 형광등 같은 기존의 조명장치를 대체할 광원으로서 고효율과 긴 수명으로 많은 관심을 받고 있으며 이에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며 실제 사용에 있어서 모듈화 된 조명장치를 사용한다. LED 조명 모듈은 직렬 및 병렬로 구성이 될 수도 있고, 또한 이의 조합으로서 광원을 다양하게 구성할 수 있다. 어떠한 경우에도 LED 조명 모듈은 일반적으로 사용되는 전원인 AC 220V 나, 지역에 따라 110V AC 전원에서 직접적으로 사용되지는 못하고 공급되는 전원을 변환하여 적합한 전원을 공급하여야만 안전하게 사용할 수 있다.

적합한 전원을 공급하기 위하여 일반적으로 사용되는 방법으로는 SMPS로 알려져 있는 스위칭-모드 전원 변환 공급 장치를 사용하고 있으며 이러한 장치는 플라이백-방식, 벅-변환 방식, 반-브릿지 변환 방식 등을 사용하여 단일 및 복수의 형태로 사용이 된다. 또한 이렇게 변환된 저 전압 DC 전원을 펄스 폭 변조 신호의 형태를 이용하여 일정한 전류를 LED 조명 모듈에 공급할 수 있다.

일반적으로 LED 모듈은 신호용과 조명용으로 구분이 되는데 과거에는 안전한 LED 구동 방법으로 일정한 전압을 LED 양단에 공급해 주는 정 전압 방식에 의한 전원 공급 방식이 주종을 이루었으나, 근래에 들어서 조명용 LED 에서, LED 자체의 소모 파워가 증가하였고, 또한 구동시 온도가 올라감에 따라 일정한 전압으로 구동시에 나타나는 현상으로 비정상적으로 전류가 많이 흐르게 되고, 이로 인하여 전류가 다시 증가하는 상호작용으로 LED가 파괴되는 현상이 발생해서 이를 방지하는 방법으로 전류를 제한하는 방식이 좀더 안전한 LED 구동 방법으로 알려지고 있다.

안전한 조명용 LED 모듈의 구동을 위한 정전류방식의 전원 공급 장치는 상용화된 집적회로 형식의 소자를 사용하여 달성할 수 있다. 이는 PWM(펄스폭 변조) 형태의 방법을 사용하여 전류를 제한하고 있는데, 이러한 방법은 일반적으로 알려져 있고 현재로 가장 많이 사용되는 방법이다.

그러나, 위에서 설명한 방법들을 사용할 경우 상용 전원을 저 전압의 DC 전압으로 변환하는 부분과 전류제어를 달성하기 위해 변환된 전원을 가공하는 부분으로 나뉘어 다양한 집적회로와 부가 회로들이 필요하게 되어 구성에 많은 비용과 함께 사이즈가 커지는 단점이 있다. 이는 산업계에서 가장 고민하는 문제로서 전원 장치와 부하인 LED를 일체형으로 만들기가 힘들어 적용이 늦어지고 있고, 일체형으로 만들어 낼 때에도 디자인을 할때 부피가 커져 굉장히 불리한 측면이 있다. 또한 복잡한 회로로 인하여 불량 요인이 증가하고, 생산 단가가 높아지는 등의 많은 단 점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 조명용 LED로 구성된 부하에 일정한 전류를 공급하기 위한 것으로서, 별도의 SMPS 와 같은 전원장치나 펄스폭 변조 전원공급장치와 같은 복잡한 방법을 사용하지 않고 교류 AC전원으로부터 부하로 일정한 전류를 공급하면서 부하에 흐르는 전류를 원하는 대로 제한하는 방법을 달성하는 데에 있다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명에 의한 장치는 전류제한기능을 가지는 전원공급부와, 교류를 직류로 변환하는 정류부와, 직류를 공급받아 부하인 LED에 공급하는 전류의 양을 제한하는 전류제어부와, 부하에 공급되는 전류의 양이 많을 경우 순간적으로 흐르는 전류가 끊어 질 때 전류의 순방향 유지시켜주는 프리휠링 기능과 전류의 역류를 방지하는 보호장치부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 장치로 인하여, 조명용 LED 구동시의 가장 큰 문제인 과전류 공급 문제를 최소한의 회로구성으로 함으로써 LED가 비정상적으로 파괴되는 문제뿐만 아니라 전원 장치의 부피를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 구성되는 소자의 수량도 줄여서 생산단가를 많이 낮출 수 있다. 그리하여, 기존에 사용되던 별도의 SMPS와 같은 전원 장치를 사용함으로 인한 장치의 크기가 커지는 문제, 생산단가가 높은 문제, 전원 장치와 부하인 LED를 일체형으로 만들 때 과도한 부피로 인해 디 자인이 어려웠던 문제 등을 해결할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 일반적인 블록도를 도시한 것이며, 도 9는 상기 블록도의 각 구성부의 실제 회로의 예를 도시한 것이다. 이하 첨부된 도면에 따라 구체적인 구성 및 동작에 대하여 설명한다.

도 2 및 도 3은 최대 전류제한 기능을 가지는 전원공급부의 실시회로도로써, 실제 구성은 고주파 통과필터의 형태로 구성이 되고 필터 상수를 조정하여 차단 주파수의 차단 대역을 조정함으로써 상용 전원에서 최대 통과 전류량을 제한할 수 있다. 차단 주파수를 구하는 공식은 다음과 같다.

여기서 Fc 는 차단 주파수이다. 상용 전원의 경우 대한민국에서는 60Hz를 사용하고 있고, 고주파 통과 필터의 경우 차단 주파수 이상의 주파수에서 최대 전류가 흐르므로 차단 주파수를 60Hz 이상이 되도록 하면 차단 주파수(Fc)를 어느 주파수에 설정하는가에 따라 통과하는 전류량을 제한하고 또한 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들어 부하에 공급되는 전류를 증가시킬 경우 차단 주파수가 낮아지는 쪽으로 상수를 설정한다. 예를 들어 캐패시터의 값(C)을 높이고 저항의 값(R)을 높인다. 또한 부하에 공급되는 전류를 낮출 경우 차단 주파수를 높은 쪽으로 상수를 설정한다. 예를 들어 캐패시터의 값(C)을 낮추고 저항의 값(R)을 낮춘다. 실제 회로에서는 도 2 및 도 3와 같이 여러 가지 변형을 이용할 수 있으며, 고주파 통과 필터의 형태로 사용된다.

도 4는 정류부를 도시한 것으로서, 일반적으로 알려진 반파 정류방식과 전파 정류방식을 사용할 수 있으며, 본 실시예에서는 전파 정류방식을 사용한 것을 나타낸다.

도 5는 전류 조절부의 기본 구성을 나타내며, 도 6 및 도 7은 임의 조정부가 기능을 가진 전류 조절부를 도시한 것이다. 전류 조절부의 주요 동작은 정류부를 통과하여 들어오는 맥류 성분을 포함한 전류를 일정 전류이상 통과하지 않도록 하는 역할을 하는데 전류 제어부를 통과 하기전의 전류 파형은 도 9와 같이 나타나고 통과 후의 전류 파형은 도 10과 같이 나타난다.

실제로 구성된 회로의 예를 도 5를 통하여 설명하면, 정류부를 통과한 전원 중에서 양의 전원은 노드 9를 통하여 인가되고, 음의 전원은 노드 10을 통하여 인가 될 때 R8을 통과하여 D5에 전압이 인가되고 이때 인가된 전압은 D5에 의해 일정한 전압 레벨로 유지되는 제한 전압으로 유지가 된다. D5에 의해 유지된 전압은 다시 Q5의 베이스 단에 공급이 되고 공급된 전압에 상응하는 전류가 노드9 -> Q5 ->노드11을 통과하여 부하로 공급되게 된다. 이때 Q5에 흐르는 전류를 제한 하기위해서는 Q5의 베이스에 걸리는 전압을 Q5의 리니어한 구동 구간에서 결정하여야 하며 이를 결정할 수 있는 방법으로는 Q5를 제조한 제조사에서 제공하는 입력대비 출력 그래프를 이용하거나 실험적인 방법으로 Q5의 베이스에 가해지는 입력을 조절해서 흐르는 전류를 측정하여 결정하는 방법을 쓸 수가 있다. 또한 전압이 결정나면 D5를 제너 다이오드와 같이 전압을 제한할 수 있는 소자로 선택하여 결정할 수 있다. 도 6은 전류 조절부의 또 다른 응용 실시예로서 Q3과 Q4를 달링톤 접속하여 Q4를 통해 부하에 공급되는 전류량을 증가시켜 놓은 경우이며, 도 7은 회로 구동 중 임의로 사용자가 부하에 공급되는 전류량을 변경하여 제한하기 위해 도 5를 변형시킨 회로이다. Q6에 흐르는 최대 공급전류는 D6의 전압으로 결정을 해 놓은 상태에서 VR1의 중간탭의 위치를 조정함으로 저항 분배에 의해 Q6의 베이스에 공급되는 전압이 변경되게 하여 최종적으로 Q6에 흐르는 전류량을 조정할 수 있다.

상기 예에서 사용된 D4, D5, D6의 경우 제너 다이오드, 정전압 레귤레이터 등 가변의 전압을 입력으로 하고 고정된 전압을 출력으로 하는 소자이고 같은 동작을 수행하는 또 다른 소자로 변경하여도 동일한 결과를 얻을 수 있음은 주지의 사실이다. Q4, Q5, Q6 으로 표기된 소자의 경우 트랜지스터,FET (전계 효과 트랜지스터),IGBT 등 입력을 전압으로 받아 통과하는 전류를 제한할 수 있는 소자이면 전부 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것은 일반적인 사항이다.

도 8은 상기 설명에 따른 전원공급부, 정류부, 전류 조절부의 상세회로가 도시된 도면이다. 도 8에서 전류의 흐름을 설명하면 노드21 과 노드22를 통하여 상용 교류전원(AC)가 공급될때 노드21에 양의 전원이 가해지고 노드22에 음의 전원이 가해지면 상용 교류전원의 경우 대한민국의 경우 60Hz 220V의 주파수 성분을 가지고 있으므로 고주파 통과 필터부인 C1과 R1의 작용으로 인하여 미리 설정된 전류량 정도만 통과 시키게 된다. 통과 전류량을 결정하는 방법은 상기의 방법을 따른다. 고주파통과 필터 형태로 구성된 전원 공급부를 통과한 전원은 전파정류 장치인 D1을 통과하여 직류의 맥류파 형태로 변환이 된다. 직류의 맥류파 형태는 C3을 거치면서 평활화 과정을 거치게 되고 전류 제어부인 R4,D2,Q1으로 인가된다. R4,D2에 인가된 전압에서 D2에서 제한된 전압만큼만 Q1의 베이스단인 Q1의 2번 단자로 인가되고, 인가된 전압에 준하는 정도의 전류가 Q1을 통과하여 C4로 인가된고, C4에서 평활화 과정을 거쳐 노드23, 노드24를 통하여 부하에 전원이 공급이된다. 노드21에 음의 전원이 가해지고, 노드22에 양의 전원이 가해질 때도 상기의 설명과 같이 동작을 하게 된다.

도 11은 본 발명의 보호장치부를 도시한 것이다. D13의 경우 공급되는 전류가 순간적으로 끊어 질 경우 프리휠링 다이오드로 작용이 된다. 즉 노드 35, 노드 36 으로부터 전원이 끊어질 경우 부하에 인덕턴스 성분이 포함되어 있으면 계속적으로 전류를 흘리려 하는 경향을 가지게 되는데 이때 노드 38 -> D15 -> D13 -> D11 -> 노드 37 부하로 회전하는 전류를 흘리는 역할을 한다. 이것은 전류조절부의 Q8을 보호하는 역할을 한다. 또한 D11, D15는 부하에 가해지는 전류가 항상 일정한 방향이 되도록 하는 역할을 하는 역류 방지용 다이오드이다. 보호장치부는 부하에 포함된 성분이 인덕터의 성분이 없거나 대용량의 전류를 흘리지 않는 경우 등 필요에 따라 전체 회로에 포함을 시킬 수도 있고 삭제를 할 수도 있다.

도 12는 상기 보호장치부가 부가된 본 발명의 실시예를 나타낸 도면이다.

즉, 공급전류가 강할 때 보호 장치부가 추가된 것인데 이때의 전류의 흐름을 설명하면 노드21 과 노드22를 통하여 상용 교류전원(AC)가 공급 될 때 노드21이 양의 전원이 가해지고 노드22가 음의 전원이 가해지면 상용 교류전원의 경우 대한민국의 경우 60Hz 220V의 주파수 성분을 가지고 있으므로 고주파 통과 필터부인 C14 과 R16의 작용으로 인하여 미리 설정된 전류량 정도만 통과 시키게 된다. 통과 전류량을 결정하는 방법은 상기의 방법을 따른다. 고주파통과 필터 형태로 구성된 전원 공급부를 통과한 전원은 전파정류 장치인 D12를 통과하여 직류의 맥류파 형태로 변환이 된다. 직류의 맥류파 형태는 C15을 거치면서 평활화 과정을 거치게 되고 전류 제어부인 R15,D14,Q8으로 인가된다. R15,D14에 인가된 전압에서 D14에서 제한된 전압만큼만 Q8의 베이스단인 Q8의 2번 단자로 인가되고, 인가된 전압에 준하는 정도의 전류가 Q8을 통과하여 C16로 인가되고, C16에서 평활화 과정을 거쳐 보호 장치부인 D11,D13,D15에 전원이 인가 된다. 이때 D13은 전단부에서 전원 공급이 순간적으로 끊어 질 때 D15 -> D13 -> D11로 이어지는 전류 경로를 제공하여 전단부의 소자가 파괴되는 것을 방지하여 준다, 정상적으로 전원이 공급 될 때에는 D13은 작용하지 않고 D11,D15는 순방향으로만 전류를 공급해주는 작용을 한다. 보호 장치부를 통과한 전류는 노드23, 노드24를 통하여 부하에 공급 된다. 노드21에 음의 전원이 가해지고, 노드22에 양의 전원이 가해질 때도 상기의 설명과 같이 동작을 하게 된다.

도 13은 실제 구성된 회로 장치에서 전원공급부의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

조명용 LED 10개가 직렬로 접속되어 한 그룹을 이루고 병렬로 3개의 그룹을 연결하여 부하부로 구성되었으며 구동전력은 전류 조절부 회로에서 적용된 30V용 제너 다이오드를 통한 정전압을 공급받게 되며, 필요 정전류는 부하용 LED의 한개의 구동전류가 약 20mA용 이므로, 조명용 LED 부하부의 실제 저항값은 약 350Ω 미 만의 값으로. 전원공급부내 AC 입력 전류제한부의 필터를 볼때 R의 값은 부하부의 저항값에 대해 굉장히 큰값이므로 의미가 없고, C의 값에서 유도되는 전류를 생각해 보면, 콘덴서의 소자 값이 1pF 면 통과하는 전류가 100%라고 하면, 콘덴서의 값이 0.01pF값이라면 이를 통과하는 전류량은 1/100배 정도로 줄어들게 되는 것이다.

상기 설명한 차단주파수의 공식에 따라, 60Hz이상시 100%의 전류량을 통과시킨다면 실제 부하부를 구성하고 있는 회로의 소자값으로 계산해본 차단주파수의 계산값은 6~8Hz 정도의 값을 갖기 때문에 1/10배 정도의 전류로 제한되어 공급하는 것으로 2단의 고주파 필터를 거치면 그만큼 더 전류가 낮아지는 결과를 얻을 수 있는데, 이는 조명용 LED의 부하구성에 따라서 R값과 C의 값을 보다 쉽게 조합하여 구할 수 있다.
한편, 도 14는 본 발명에 따른 장치의 전체회로도를 나타낸 것이다.

이와같이, 본 발명에 따라 조명용 LED로 구성된 부하에 일정한 전류를 공급하는 데 있어서 별도의 SMPS와 같은 전원장치나 펄스폭 변조 전원공급장치와 같은 복잡하고 고가의 장치를 사용하지 않고도 교류전원으로부터 부하로 일정한 전류를 공급하면서 부하에 흐르는 전류를 설계자가 원하는 수치로 제한할 수가 있다.

도 1은 본 발명을 사용한 장치의 간략도

도 2는 전원 공급부의 실시 회로도

도 3은 전원 공급부의 또 다른 실시 회로도

도 4는 다이오드브리지 정류 회로도

도 5은 전류 조절부 실시 회로도

도 6은 전류 조절부의 또 다른 실시 회로도

도 7은 전류 임의 조정 기능이 첨가된 전류 조절부 실시 회로도

도 8은 본 발명의 실시 회로도 1

도 9는 다이오드브리지를 통과한 전류 파형

도 10은 전류조절부를 통과한 전류 파형

도 11은 보호 장치부 실시 회로도

도 12은 본 발명의 실시 회로도 2

도 13은 실제구성된 전원구성부을 포함한 실시 회로도
도 14는 일실시예의 전체회로도를 나타낸 도면

Claims (3)

1. 조명용 LED 의 정전류 제어장치에 있어서,

   AC 전원에 연결되고, 콘덴서와 상기 콘덴서와 병렬로 연결된 저항을 포함한 고주파 통과 필터로 구성되며 차단주파수

   

   의 필터상수를 조정하여 차단주파수의 차단 대역을 조정함으로써 최대 전류를 제한할 수 있는 전원공급부와,

   상기 전원공급부에 연결되고 브리지 다이오드로 구성된 정류부와,

   상기 정류부의 양의 전원 노드에 연결된 저항과, 음의 노드에 연결된 다이오드 , 상기 저항 및 다이오드의 중간에 연결된 트랜지스터로 구성되어, 상기 정류부를 통과하여 들어오는 맥류성분을 포함한 전류를 일정전류 이상 통과하지 않도록 하는 전류조절부와, 및

   상기 전류조절부에 연결되고 공급되는 전류가 끊어질 경우 부하의 인덕턴스성분에 의한 회전하는 전류를 차단하여 상기 전류조절부의 소자들을 보호해 주는 역할을 하는 다이오드로 구성된 보호장치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명용 LED 의 정전류 제어장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전류조절부는 상기 트랜지스터를 달링톤 접속하거나, 가변저항기에 의한 트랜지스터에 공급되는 전압을 변경하여 임의적으로 전류량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 조명용 LED의 정전류 제어장치.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 전원공급부는 부하의 용량에 따라 전류제한이 가능하도록 차단주단수의 설정에 따라 회로에 연결되는 콘덴서 및 저항의 숫자가 달라지는 것을 특징으로 하는 조명용 LED의 정전류 제어장치.

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