KR101027717B1 - 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 부하의 조광제어의 범위를 확장시킬 수 있고, 트라이액의 게이트전류의 위상지연을 최소화할 수 있는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치를 제공한다.
본원의 제1 발명에 따른 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치는, 상용 교류 전원과 교류 LED 부하 사이에 직렬 연결된 트라이액의 도통각을 확장하기 위하여 상기 교류 LED 부하에 병렬연결되는 조광 보조 장치에 있어서, 상기 교류 LED 부하와 병렬 연결되어 상기 상용 교류 전원 전압의 절대치가 상기 교류 LED의 순방향 강하 전압보다 낮은 경우 상기 트라이액의 온상태 유지전류보다 적어도 같거나 큰 전류가 내부를 흐르게 한다.

Description

교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치{DIMMING ASSITANT APPARATUS FOR AC DRIVED LIGHT EMITTED DEVICE AND DIMMING APPARATUS USING IT}

본 발명은 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 확장된 조광 범위를 갖는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 램프의 조광(dimming) 기능은 램프의 밝기를 제어하여 사용자의 편의에 따라 사용하기 위한 기능으로서 그 사용이 매우 제한적이었다. 그러나, 현재 전기 에너지 사용량의 증가로 인해 에너지 소비 절약이 매우 중요한 문제로 대두되었고, 그에 따라 종래 단순한 사용자의 편의를 위한 선택적인 기능이었던 램프의 조광 기능은 전기 에너지 절약을 위한 필수적인 기능으로 부각되었다. 또한, 그러한 전기 에너지 절약의 필요성에 부합하고, 친환경 조명을 제공하는 LED(Light Emitting Diode)가 각광받고 있다.

종래의 대표적인 조광장치로서, 트라이악(Triac)과 같은 반도체 소자를 이용하여 교류 전원의 교류 위상 제어를 통해 교류 전원의 실효전압(Vrms)을 조절함으로써 백열 전구를 조광하는 방식이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 백열 전구용 조광 장치 회로도이고, 도 2는 종래기술에 따른 백열 전구용 조광 장치의 전압, 전류 파형도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 가변저항(R1)을 사용하여 부하인 백열전구를 조광하게 된다. 그런데, 백열전구는 저항소자이므로 입력전압과 트라이액의 게이트전류의 위상이 동일하므로, 다이악(D1)의 동작전압인 30볼트를 초과하는 순간부터 30볼트 미만으로 하강하는 순간까지 조광제어가 가능하다. 구체적으로, 제어 가능한 도통각(

)은 대략 5도 내지 175도이다.

한편, 최근 백열 전구의 부하 대신 AC LED로 대체되고 있다. 도 3에 보이는 바와 같이, LED는 문턱전압 미만에서는 커패시터 부하특성을 나타내고, 문턱전압과 순방향 강하 전압 사이에서는 저항 및 커패시터 부하특성을 나타내며, 순방향 강하 전압을 초과하면 저항 부하특성을 나타낸다.

따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, LED는 순방향 강하 전압을 초과하기 전까지 매우 높은 용량성 리액턴스 성분을 가지므로, 입력전압의 위상에 비하여 트라이액의 게이트전류의 위상이 매우 뒤지게 된다. 구체적으로, 트라이액의 게이트전류의 위상이 입력전압의 위상에 비하여 대략 140도 내지 150도 뒤진다. 이에 따라, LED 부하의 조광제어를 위한 도통각(β)은 대략 140도 내지 175도 정도에 머물러 조광제어의 범위가 극히 제한적이다. 이에 따라 가변저항(R1)과 연동되는 노브를 이용하여 조광제어를 하고자 하는 경우, 노브의 시작점으로부터 75 내지 80% 정도까지는 조광제어가 전혀 수행되지 않다가 마지막 일부 구간에 대해서만 조광제어가 수행되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 LED 부하의 조광제어의 범위를 확장시킬 수 있는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 트라이액의 게이트전류의 위상지연을 최소화할 수 있는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치 및 이를 이용한 조광 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

본원의 제1 발명에 따른 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치는, 상용 교류 전원과 교류 LED 부하 사이에 직렬 연결된 트라이액의 도통각을 확장하기 위하여 상기 교류 LED 부하에 병렬연결되는 조광 보조 장치에 있어서, 상기 교류 LED 부하와 병렬 연결되어 상기 상용 교류 전원 전압의 절대치가 상기 교류 LED의 순방향 강하 전압보다 낮은 경우 상기 트라이액의 온상태 유지전류보다 적어도 같거나 큰 전류가 내부를 흐르게 한다.

바람직하게는, 상기 상용 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 스위칭소자를 포함하는 유지전류생성부; 상기 소정 전압에 도달하면 상기 유지전류생성부의 스위칭소자를 턴오프시키는 스위칭제한부; 및 상기 스위칭제한부에 기준전압을 제공하는 기준전압제공부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 기준전압제공부는, 상기 정류부의 일단 및 타단과 연결되어 상기 정류전압을 분압하는 직렬연결의 제1 및 제2 저항을 포함하고, 상기 스위칭제한부는, 상기 제2 저항에 인가되는 분압전압에 대응하여 단락되는 3단자 제너다이오드와, 상기 정류부의 일단 및 상기 3단자 제너다이오드의 캐소드측 사이에 연결된 제3 저항을 포함하며, 상기 유지전류생성부는, 상기 제3 저항에 인가되는 바이어스 전압에 따라 턴온되고, 상기 3단자 제너다이오드의 단락에 따라 턴오프되는 트랜지스터와, 상기 정류부의 일단 및 상기 트랜지스터의 드레인측과 연결되어 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 제4 저항을 포함한다.

또한, 본원의 제2 발명에 따른 교류 구동 발광 소자용 조광 장치는, 상용 교류 전원과 교류 LED 부하 사이에 직렬 연결되는 트라이액; 상기 트라이액의 게이트에 인가되는 게이트 전류를 제어하는 게이트제어부; 및 상기 교류 LED 부하와 병렬 연결되어 상기 상용 교류 전원 전압의 절대치가 상기 교류 LED의 순방향 강하 전압보다 낮은 경우 상기 트라이액의 온상태 유지전류보다 적어도 같거나 큰 전류가 내부를 흐르게 하는 능동 부하 회로부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 능동 부하 회로부는, 상기 상용 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부; 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 스위칭소자를 포함하는 유지전류생성부; 상기 소정 전압에 도달하면 상기 유지전류생성부의 스위칭소자를 턴오프시키는 스위칭제한부; 및 상기 스위칭제한부에 기준전압을 제공하는 기준전압제공부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 기준전압제공부는, 상기 정류부의 일단 및 타단과 연결되어 상기 정류전압을 분압하는 직렬연결의 제1 및 제2 저항을 포함하고, 상기 스위칭제한부는, 상기 제2 저항에 인가되는 분압전압에 대응하여 단락되는 3단자 제너다이오드와, 상기 정류부의 일단 및 상기 3단자 제너다이오드의 캐소드측 사이에 연결된 제3 저항을 포함하며, 상기 유지전류생성부는, 상기 제3 저항에 인가되는 바이어스 전압에 따라 턴온되고, 상기 3단자 제너다이오드의 단락에 따라 턴오프되는 트랜지스터와, 상기 정류부의 일단 및 상기 트랜지스터의 드레인측과 연결되어 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 제4 저항을 포함한다.

본 발명은 LED 부하의 조광 제어의 범위를 최대로 확장시킬 수 있어 LED 부하에 대한 조광 제어를 백열전구 부하에 대한 조광 제어처럼 가능하게 하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 능동부하를 LED 부하에 간단하게 병렬연결하는 것만으로 백열전구의 조광 제어에 이용하는 조광장치를 LED부하의 조광제어에 활용할 수 있어 기존의 LED 제품을 변형하지 않고 사용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 백열 전구 조광 장치 회로도,
도 2는 종래기술에 따른 백열 전구 조광 장치에서의 파형도,
도 3은 종래기술에 따른 LED의 전압별 부하 특성 그래프,
도 4는 종래기술에 따른 LED 조광 장치에서의 파형도,
도 5는 본 발명에 따른 교류 LED 조광 장치 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 교류 LED 조광 제어 개선용 능동 부하 회로도,
도 7a 및 도 7b는 도 6의 능동 부하 회로의 동작 설명도, 및
도 8은 본 발명에 따른 LED 조광 장치에서의 파형도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5는 본 발명에 따른 교류 LED 조광 장치 회로도이다.

본 발명에 따른 교류 LED 조광 장치는, 상용 교류 전원과 교류 LED 부하(530) 사이에 직렬 연결되는 트라이액(510), 트라이액(510)의 게이트에 인가되는 게이트 전류를 제어하는 게이트제어부(520), 교류 LED 부하(530)와 병렬 연결되어 게이트 전류의 위상을 대략 상용 교류 전원 전압의 위상에까지 전진시키는 능동 부하(540)를 포함한다.

도 6은 본 발명에 따른 교류 LED 조광 제어 개선용 능동 부하 회로도이고, 도 7a 및 도 7b는 도 6의 능동 부하 회로의 동작 설명도이다.

본 발명에 따른 교류 LED 조광 제어 개선용 능동 부하는, 상용 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부(610); 정류부(610)로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 스위칭소자를 포함하는 유지전류생성부(620); 소정 전압에 도달하면 유지전류생성부의 스위칭소자를 턴오프시키는 스위칭제한부(630); 및 스위칭제한부(630)에 기준전압을 제공하는 기준전압제공부(640)를 포함한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 교류 LED 조광 제어 개선용 능동 부하는 기존 LED 제품에 회로를 내장하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 교류 LED 조광 제어 개선용 능동 부하는 기존 LED 제품의 LED 부하와 병렬연결하여 사용할 수 있다.

도 7a는 정류부(610)로부터 출력되는 정류전압의 크기가 다이액(DIAC) 동작전압 도달 전까지의 능동 부하 회로의 동작 설명도로서, 제3 저항(R3)을 통해 바이어스 전압이 인가되면 트랜지스터(Q1)가 턴온되고, A -> D1 -> R4 -> Q1 -> D4 -> B를 거쳐 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류가 흐르며, 제4 저항(R4)에 인가되는 전압이 병렬연결된 교류 LED 부하(530)에도 인가되므로 교류 LED 부하(530)를 턴온시킨다.

도 7b는 정류부(610)로부터 출력되는 정류전압의 크기가 다이액(DiAC) 동작 전압에 상응하는 정도로 증가한 경우의 능동 부하 회로의 동작 설명도로서, 분압용 제2 저항(R2)에 인가되는 전압이 3단자 제너다이오드(3ZD)의 제너전압 이상으로 상승하면, 3단자 제너다이오드(3ZD)의 애노드와 캐소드는 단락 상태에 이르게 된다. 3단자 제너다이오드(3ZD)의 애노드와 캐소드가 단락 상태에 이르면, 트랜지스터(Q1)의 게이트단자와 소스단자가 단락되어 트랜지스터(Q1)가 턴오프된다. 이때에는, 능동 부하 회로를 통해 흐르는 전류는 매우 작고, 대부분 교류 LED 부하(530)를 통해 흐르게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 LED 조광 장치에서의 파형도이다.

본 발명에 따른 LED 조광 장치는, 게이트제어부(520)에 흐르는 게이트 전류의 위상을 대략 상용 교류 전원 전압의 위상으로까지 전진시킴으로써 게이트제어부(520)의 가변저항을 이용한 조광제어의 범위를 대략 5도 내지 175도까지 확대시킬 수 있다. 즉, 게이트제어부(520)의 도통각(γ)을 5도 내지 175도의 범위로 확대시킴으로써 출력전압(Vout)의 범위를 대폭 확대시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

본 발명의 교류 발광 소자용 조광 보조 장치는 교류 발광 소자용 조광 장치에 단순히 병렬연결함으로써 조광 장치에 이용 가능하다.

510: 트라이액 520: 게이트제어부
530: 교류 LED 부하 540: 능동 부하
610: 정류부 620: 유지전류생성부
630: 스위칭제한부 640: 기준전압제공부

Claims (6)

1. 상용 교류 전원과 교류 LED 부하 사이에 직렬 연결된 트라이액의 도통각을 확장하기 위한 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치에 있어서,
   상기 교류 LED 부하와 병렬 연결되고, 상기 상용 교류 전원의 전압 절대치가 상기 교류 LED의 순방향 강하 전압보다 낮은 경우 상기 트라이액의 온상태 유지전류보다 적어도 같거나 큰 전류가 흐르는 유지전류생성부를 포함하는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상용 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
   소정 전압에 도달하면 상기 유지전류생성부의 스위칭소자를 턴오프시키는 스위칭제한부; 및
   상기 스위칭제한부에 기준전압을 제공하는 기준전압제공부를 포함하고,
   상기 유지전류생성부는, 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 상기 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 기준전압제공부는, 상기 정류부의 일단 및 타단과 연결되어 상기 정류전압을 분압하는 직렬연결의 제1 및 제2 저항을 포함하고,
   상기 스위칭제한부는, 상기 제2 저항에 인가되는 분압전압에 대응하여 단락되는 3단자 제너다이오드와, 상기 정류부의 일단 및 상기 3단자 제너다이오드의 캐소드측 사이에 연결된 제3 저항을 포함하며,
   상기 유지전류생성부는, 상기 제3 저항에 인가되는 바이어스 전압에 따라 턴온되고, 상기 3단자 제너다이오드의 단락에 따라 턴오프되는 트랜지스터와, 상기 정류부의 일단 및 상기 트랜지스터의 드레인측과 연결되어 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 제4 저항을 포함하는 교류 구동 발광 소자용 조광 보조 장치.
   
4. 상용 교류 전원과 교류 LED 부하 사이에 직렬 연결되는 트라이액;
   상기 트라이액의 게이트에 인가되는 게이트 전류를 제어하는 게이트제어부; 및
   상기 교류 LED 부하와 병렬 연결되어 상기 상용 교류 전원의 전압 절대치가 상기 교류 LED의 순방향 강하 전압보다 낮은 경우 상기 트라이액의 온상태 유지전류보다 적어도 같거나 큰 전류가 흐르는 유지전류생성부를 포함하는 능동 부하 회로부
   를 포함하는 교류 구동 발광 소자용 조광 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 능동 부하 회로부는,
   상기 상용 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
   소정 전압에 도달하면 상기 유지전류생성부의 스위칭소자를 턴오프시키는 스위칭제한부; 및
   상기 스위칭제한부에 기준전압을 제공하는 기준전압제공부를 포함하고,
   상기 유지전류생성부는 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 상기 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 스위칭소자를 포함하는 것
   을 특징으로 하는 교류 구동 발광 소자용 조광 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 기준전압제공부는, 상기 정류부의 일단 및 타단과 연결되어 상기 정류전압을 분압하는 직렬연결의 제1 및 제2 저항을 포함하고,
   상기 스위칭제한부는, 상기 제2 저항에 인가되는 분압전압에 대응하여 단락되는 3단자 제너다이오드와, 상기 정류부의 일단 및 상기 3단자 제너다이오드의 캐소드측 사이에 연결된 제3 저항을 포함하며,
   상기 유지전류생성부는, 상기 제3 저항에 인가되는 바이어스 전압에 따라 턴온되고, 상기 3단자 제너다이오드의 단락에 따라 턴오프되는 트랜지스터와, 상기 정류부의 일단 및 상기 트랜지스터의 드레인측과 연결되어 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압이 소정 전압에 도달하기 전까지 상기 트라이액의 온상태 유지전류에 상당하는 전류를 통과시키는 제4 저항을 포함하는 교류 구동 발광 소자용 조광 장치.
   

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