KR101036869B1 - 에너지 절약형 ｌｅｄ 조명의 조도제어 시스템 - Google Patents

에너지 절약형 ｌｅｄ 조명의 조도제어 시스템 Download PDF

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전기선
이정임
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주식회사 지에이
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Abstract

본 발명은 LED 조명의 조도제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조도 제어시에도 고효율로 전력 변환이 가능하고, 효율적으로 조도를 제어할 수 있는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템에 관한 것이다.

Description

에너지 절약형 ＬＥＤ 조명의 조도제어 시스템{ILLUMINATION DIMMING CONTROL SYSTEM FOR SAVING ENERGY}
본 발명은 LED 조명의 조도제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조도 제어시에도 고효율로 전력 변환이 가능하고, 효율적으로 조도를 제어할 수 있는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템에 관한 것이다.
종래 조명으로 사용되던 형광등, 나트륨등 또는 메탈 할라이드 램프 등은 최근 LED(Light Emitting Diode) 조명으로 대체되고 있다.
LED 조명은 종래 조명기구에서 요구되었던 점화기(Igniter)가 필요 없고, DC 전원만 인가해주면 점등되기 때문에 구동회로가 종래 램프에 비해 비교적 간소화될 수 있는 장점이 있다.
그러나, LED 조명은 전류를 제어해야 수명을 보장할 수 있고, 일정한 조도를 유지하는 특성을 갖기 때문에 이에 대한 설계가 요구되고 있다.
또한, 한국 등록특허 제10-0810585호 등에서 LED 조명으로 가로등 시스템을 구현하는 방법은 개시되어 있으나, 고효율 전력변환 장치를 구현하는데 어려움이 있어, 아직 상용화되지 못하는 문제점이 있다.
그리고, 도 1과 같이, 각 가로등 기둥(1)에 이웃 가로등을 원격으로 제어할 수 있는 제어부(2)를 구비할 경우, 상기 선행기술을 포함하여 다양한 무선통신 방법이 개시되고 있으나, 가까운 거리에 2개 이상의 무선통신 제어부(2)가 설치됨에 따른 신호 혼선으로 제대로 가로등의 LED 조명부(3)를 제어하기 어려운 문제점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 LED 조명을 이용한 조도제어 시스템의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 조도 제어시에도 고효율로 전력 변환이 가능하고, 효율적으로 조도를 제어할 수 있는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템은 복수개의 LED로 구성된 LED 조명부와; 상기 LED 조명부를 구동하는 LED 구동부와; 상기 LED 구동부를 제어하는 제어부와; 상기 제어부에 동작신호를 보내는 센서부를 포함하여 구성되되, 상기 LED 구동부는 교류 전원의 입력단으로부터 EMI 필터, 정류회로, 역률 보정 회로, 직류 감압 회로 및 정전류 구동회로가 순차적으로 연결되고, 상기 직류 감압 회로는 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터이고, 상기 정전류 구동회로는 하나 이상의 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈로 구성되고, 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈의 제어신호 입력단에는 PWM 디밍 신호가 입력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 의하여, 조도 제어시에도 고효율로 전력 변환이 가능하고, 효율적으로 조도를 제어할 수 있는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템을 제공할 수 있게 된 효과가 있다.
도 1은 무선통신으로 제어 가능한 LED 가로등 시스템의 일 예를 보여준 개념도이다.
도 2는 본 발명의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 세부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 2의 LED 구동부의 세부 구성 일 예를 보여주는 회로도이다.
도 5는 도 4의 도면부호 22에 해당하는 EMI 필터를 구현하기 위한 일 회로도이다.
도 6은 도 4의 도면부호 24에 해당하는 역률 보정 회로를 MC33262로 스위칭 제어하며 동작 되도록 구성한 일 회로도이다.
도 7a는 벅 컨버터의 스위칭시 전압(Vs), 전류(Is) 및 소모되는 전력(Ps)를 보여주는 특성도이고, 도 7b는 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터의 스위칭시 전압(Vs) 및 전류(Is)를 보여주는 특성도이다.
도 8a 및 도 8b는 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터의 각 동작 상태별 전류 흐름을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 8a 및 도 8b의 각 회로가 정상상태에서 동작하는 경우 주요소자의 전압과 전류의 이론 파형을 보여준다.
도 10은 도 4의 도면부호 26에 해당하는 정전류 구동회로를 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈로 구현하기 위한 일 회로도이다.
도 11은 도 10의 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈을 스위칭 레귤레이터 구동 IC로 스위칭 되도록 구현한 PWM 디밍 회로의 일 예이다.
도 12는 PWM 디밍의 개략도이다.
도 13은 PWM Duty 비에 따른 상대조도의 변화를 도시한 것이다.
도 14는 AND Gate를 더 구비한 일 예를 보여주는 제어신호 출력부의 구성 블록도이다.
도 15는 Zigbee의 Protocol Stack을 보여준다.
도 16은 CSMA-CA의 동작원리를 보여주는 블록도이다.
도 17은 DSSS의 블록도이다.
도 18은 DSSS 과정의 신호 변화를 보여준다.
도 19는 지그비 통신 모듈의 일 제어 프로그램 순서도이다.
도 20은 지그비 통신 모듈에서 사용되는 데이터 프레임(frame)의 일 예이다.
도 21은 도플러 센서 구동회로 블록도이다.
도 22는 도플러 센서 구동회로 실험 파형이다.
도 23은 초전기 현상의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 24는 프레넬 렌즈와 이를 이용한 PIR 센서의 일 예시적 구성을 보여준다.
도 25는 PIR 센서 구동회로 블록도이다.
도 26a는 PIR 센서의 출력전압 및 증폭기 출력전압 실험 파형이다.
도 26b는 PIR 센서의 비교기 출력 및 BPF 출력 실험 파형이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.
우선, 본 발명에 의한 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템은 기본적으로, 도 2 및 도 3과 같이, 하나 이상의 LED 모듈(12)로 이루어진 LED 조명부(10)와; 상기 LED 조명부를 구동하는 LED 구동부(20)와; 상기 LED 구동부를 제어하는 제어부(30)와; 상기 제어부에 동작신호를 보내는 센서부(40)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 LED 구동부(20)는, 도 3 및 도 4와 같이, 교류 전원의 입력단으로부터 EMI 필터(22), 정류회로(23), 역률 보정 회로(24), 직류 감압 회로(26) 및 정전류 구동회로(28)가 순차적으로 연결된다.
상기 EMI 필터(22)는 외부의 전자기 잡음을 차단하기 위한 것으로, 도 5와 같은 회로로 구성할 수 있다.
잡음(noise)은 전원선을 통해 다른 기기에 영향을 주는 전도성 노이즈(CE: Conducted Emission)와 공기 중을 통해 다른 기기로 전달되는 방사성 노이즈(RE: Radiated Emission)가 있다.
전도성 노이즈는 다시 CM(Common Mode) 노이즈와 DM(Differential Mode) 노이즈로 나뉘게 되는데, DM 노이즈는 Line과 Line 사이에 발생되고, CM 노이즈는 Line과 Ground 사이에 발생하게 된다.
따라서, 상기 EMI 필터(22)는 이러한 전도성 노이즈를 저지시키기 위해 도 5와 같이 구현할 수 있다. 도 5에서 DM Noise는 붉은 색으로 표시된 누설 인덕턴스와 CDM으로 필터링 되고, CM Noise는 파란 색으로 표시된 인덕터와 CCM에 의해 필터링 되도록 하였다.
상기 정류회로(23)는, 도 4의 도면부호 23과 같이, 다이오드를 BRIDGE 형태로 구현할 수 있다.
그리고, 상기 역률 보정 회로(24)는 시스템의 역률(Power Factor)을 향상시키고, 총 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)을 저감시키는 역할을 하는 것으로, 도 6과 같이, MC33262로 스위칭 제어하며 역률을 보상하도록 함이 바람직하다.
MC33262의 내부 블록도는 도 6에서 점선 안에 파란색으로 채색된 부분인데, 이의 동작을 간단히 살펴보면, 하기와 같다.
출력전압은 FB 단자를 통해 센싱되며, 이는 Error Amp에 인가되어 진다. Error Amp는 일정한 VREF와 비교하여 출력전압이 정상적으로 나타나는지 확인하게 되며 그에 따른 오차를 출력한다. FB 전압이 작으면 Error Amp의 출력은 커지고, FB 전압이 크면 Error Amp의 출력은 작아진다. Error Amp의 출력은 MULT 단자의 입력전압의 모양과 곱의 연산과정을 거친다. 이 과정은 결국 출력전압의 크기에 따라 입력전압을 센싱 한 FB 전압 크기를 가변하는 것이 된다. 출력전압이 설계한 값보다 낮을 경우 MULTI 전압을 크게 키워 스위치 ON 시간을 늘려 출력전압이 증가하도록 동작하게 된다.
그리고, CS는 스위치에 흐르는 전류를 센싱한다. 이는 스위치 Off 동작에 기인하게 된다. CS는 비교기로 입력되어 MULTI와 Error Amp의 곱이 된 파형과 비교되어 진다. 곱이 된 파형보다 작으면 RS Latch의 Reset에 High를 인가하게 되어 스위치를 Off 시킨다. 이 과정은 입력전압 모양을 따라 스위치 Off 동작을 한다.
그리고, ZCD는 Off 된 스위치를 On 하는데 기여한다. 트랜스포머의 2차측을 ZCD 단자에 연결함으로써 인덕터의 전류가 0이 될 때를 판단하여 그 순간 스위치를 On을 시키도록 한다. 이처럼 인덕터 전류의 불연속 구간이 없고, 영전류 지점에서 바로 스위치 On이 되는 것을 Critical Conduction Mode라고 한다.
따라서, 도 6과 같이 MC33262로 제어하는 역률 보정 회로(24)를 구현할 경우 입력 교류전원 195~250V, 60Hz에 대하여, 출력 직류전압 400V, 출력전력 150W, 역률 95% 이상, 총 고조파 왜곡 15%이하로 설계할 수 있게 된다.
다음, 상기 직류 감압 회로(26)는, 도 4에 도시된 바와 같은, 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)인 것이 바람직하다.
상기 LLC 하프 브리지 컨버터(26)는, FSFR2100과 같은 하프 브리지 컨버터로 스위칭 제어를 하는 LLC 공진형 전력변환 장치이므로, 효율 면에 있어서 일반적으로 사용되는 플라이백 컨버터(Flyback Converter)나 벅 컨버터(Buck Coverter)와 같은 다른 전력변환 장치보다 우수하다.
즉, 벅 컨버터(Buck Coverter)는 스위치 Q의 Duty비에 따라 출력전압의 크기를 조절할 수 있는 강압형 컨버터이어서, 스위치 Q가 On/Off를 함으로써 RLOAD에 전력이 전달이 되는 구조인데, 도 7a와 같이, 스위치 OFF 되었을 때에도 미세한 누설전류로 인해 손실이 발생 되는 문제가 있다. 이러한 스위칭시 전력 손실은 스위칭 주파수에 비례해서 증가하게 된다.
그러나, 상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)는, 도 7b와 같이, 스위칭 순간 스위치의 전압이나 전류가 0(Zero)이 된 순간에 스위칭 동작을 함으로써, 스위칭시 전력손실이 최소화되어 높은 고주파에서도 높은 전력 변환효율을 가질 수 있다.
이와 같은 상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)의 일 예는, 도 4의 도면번호 26에 도시된 바와 같이, 상기 역률 보정 회로(24)의 출력단자에 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자(Q2)와; 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)의 양단에 직렬로 연결된 제 1 커패시터(CR), 제 1 인덕터(LR) 및 제 2 인덕터(LP)와; 상기 제 2 인덕터(LP)를 1차측 코일로 하고 상기 1차측 코일이 감긴 보빈에 2차측 코일로 층을 나누어 같은 방향으로 감기며 직렬 연결된 제 3 인덕터(LS1) 및 제 4 인덕터(LS2)와; 상기 제 3 인덕터(LS1) 및 제 4 인덕터(LS2) 중 어느 하나의 양단에 연결된 제 2 커패시터(C1)와; 상기 제 3 인덕터(LS1) 및 제 4 인덕터(LS2)의 양단에 서로 반대 방향으로 연결된 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)를 포함하여 구성되고, 상기 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)가 연결된 노드에 상기 제 2 커패시터(C1)의 일단이 연결되고, 상기 제 2 커패시터(C1)의 양단에 상기 정전류 구동회로(RROAD; 28)가 연결되는 구성을 할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 스위칭 소자(Q1) 및 제 2 스위칭 소자(Q2)는 FET로, 각 FET의 소스 및 드레인에 다이오드(D3, D4)가 병렬 연결되어 구성되고, 상기 FET의 게이트는 상기 제어부에 내장된 구동 IC(예컨대, FSFR2100)에 의하여 제어되고, 상기 제 1 인덕터(LR)는 상기 제 2 인덕터(LP)의 누설 인덕터이고, 상기 제 1 다이오드(D1) 및 제 2 다이오드(D2)는 각각 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)로 될 수 있다.
상기와 같이 구성된 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)의 동작원리를 도 8a, 8b 및 도 9를 참조하며 간단히 설명하면 하기와 같다.
도 8a, 8b에서 전류의 흐름은 굵은 적색 선(loop)으로 표시하였고 각 회로의 번호는 도 9에서 각 구간에 나타내었다. 그리고, 도 9는 회로가 정상상태에서 동작하는 경우 주요소자의 전압과 전류의 이론 파형, 즉 Q1, Q2의 구동 전압(VGS), 양단 전압(VDS) 및 전류(I), 1차측 인덕터로 인가되는 전류(ILP), CR의 양단전압, 그리고 2차측 각 다이오드를 통과 하는 전류(ID1, ID2)를 나타낸 것이다.
[State 1 (Q1 Turn On State)]
도 8a의 1은 Q1이 턴 온 되고, Q2는 오프 상태의 동작을 나타낸다. 제 1 스위칭 소자 Q1이 턴 온이 되면 공진 전류는 사인파 형태로 증가하게 되고, 최대 전류가 되는 시점에 도달하게 된 후 다시 전류가 감소하게 된다. 이때, 2차측 제 1 다이오드 D1을 통해 부하에 전력이 공급되어 지며, 전력의 일부는 Bulk 커패시터(Cbulk: C1)에 충전된다.
[State 2 (Resonant State)]
도 8a의 2는 Q1이 턴 온 된 상태의 공진전류가 흐르는 상태를 나타내고, 2차측 다이오드 D1, D2가 오픈 되어 있기 때문에 Bulk 커패시터(Cbulk: C1)의 방전에 의해서 부하에 전력을 공급한다.
[State 3 (Free Wheeling State)]
도 8a의 3은 Dead Time 구간으로서 Q1과 Q2 모두 턴 오프 된다. 이때, 남아있는 공진 전류는 Q2의 환류 다이오드(Free Wheeling Diode) D4를 통해 흐르게 된다. 이 순간에도 2차측의 Bulk 커패시터(Cbulk: C1)의 방전은 지속 된다.
[State 4 (Q2 Turn On State)]
도 8b의 4는 Q2가 턴 온이 되면서 역방향의 공진 전류가 흐르게 된다. 도 8a의 1과 마찬가지로 역방향의 사인파 형태로 감소하게 되며, 최소 전류가 되는 시점에 도달하게 된 후 다시 전류가 증가하게 된다. 마찬가지로 2차측 제 2 다이오드 D2를 통해 부하에 전력이 공급되어 지고, Bulk 커패시터(Cbulk: C1)는 충전된다.
[State 5 (Resonant State)]
도 8b의 5는 Q2가 턴 온이 된 상황으로 역방향의 공진 전류가 증가하게 되고, 2차측 다이오드가 OFF 상태가 되어 Bulk 커패시터(Cbulk: C1)가 방전하여 부하에 전력을 공급하게 된다.
[State 6 (Free Wheeling State)]
도 8b의 6은 Q1, Q2 모두 턴 오프 된 Dead Time 구간이다. Q1의 환류 다이오드 D3를 통해 역방향의 공진 전류의 루프를 형성시키며, 전류는 증가하게 되고, 2차측은 Bulk 커패시터(Cbulk: C1)의 방전으로 부하에 전력 공급이 이루어진다.
상기와 같이 구성됨으로써, 상기 LED 구동부(20)는 220V, 60Hz의 교류 전원을 받아 상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)의 출력단에 일정 직류 전원(예컨대, DC 12V)으로 변환하여 상기 정전류 구동회로(28)에 공급하고, 상기 정전류 구동회로(28)는 상기 각 LED 모듈(12)에 적합한 전류를 공급해주기 위하여 다시 전력변환을 하게 된다.
또한, 상기 정전류 구동회로는, 도 3과 같이, 하나 이상의 전류 궤환 부스트 컨버터(Boost Converter) 모듈(28)로 구성되어, 각 부스트 컨버터(Boost Converter) 모듈이 상기 제어부(30)의 제어신호에 따라 복수개의 LED가 직렬로 연결된 각 LED 모듈(12)에 적절한 전류를 흘러보내며 상기 LED 조명부(10)를 구동하게 함이 바람직하다.
상기 전류 궤환 부스트 컨버터(Boost Converter) 모듈(28)의 회로 구성 일 예를, 도 10에 도시하였다. 도 10에서 입력단 VL은 상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)의 출력단에 바로 연결되고, CAT4240의 입력핀 VIN에는 상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터(26)의 출력단 전압을 분배(감압)하여 연결하게 되며, CAT4240의 SHDN(Shut Down) 핀이 제어신호 입력단 VS이 되어 여기에 상기 제어부(30)의 제어신호가 입력하게 된다.
도 10과 같이, 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈의 제어신호 입력단 VS에는 PWM 디밍(Dimming) 신호가 입력되도록 하는 것이 바람직하다.
또는 상기 전류 궤환 부스트 컨버터(Boost Converter) 모듈(28)이, 도 11과 같이, 스위칭 레귤레이터 구동 IC로 스위칭 되도록 한 PWM 디밍 회로로 구현할 수도 있다.
도 10 또는 도 11과 같이, 전류 궤환 부스트 컨버터(Boost Converter) 모듈을 구현함으로써, PWM 디밍(조도제어)을 가능하게 할 수 있다.
여기서, 상기 PWM 디밍은 LED의 ON/OFF 반응속도가 빠른 특성과 사람 눈은 LED가 빠르게 ON/OFF되더라도 조명의 깜박거림을 인지하지 못하고 광출력이 낮아지는 것으로 인식하는 점을 이용하여 조도를 제어하는 것이다.
도 12는 PWM 디밍의 개략도를 나타낸 것이고, 도 13은 PWM Duty 비에 따른 상대조도의 변화를 도시한 것인데, 이로부터 PWM 디밍은 LED의 ON/OFF 즉 PWM Duty로 조도의 완벽한 선형제어가 가능함을 알 수 있다.
그리고, 상기 제어부(30)와 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈(28)의 제어신호 입력단 VS 사이에는, 도 14와 같이, AND Gate(27)가 더 구비되어 상기 제어부(30)에서 출력되는 디밍 신호 및 온/오프 신호를 상기 AND Gate(27)로 합성하여 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈(28)의 제어신호 입력단 VS 에 제어 신호로 입력되도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 함으로써, 제어부(30)를 구성하는 마이크로컨트롤러에서 여러 개의 부스트 컨버터 모듈(28) 각각에 직접 디밍 신호와 온/오프 신호를 별도로 인가할 경우 발생하게 되는 마이크로컨트롤러의 소비 전력이 증가 문제 및 이에 따른 제어회로의 발열이나 파손 등의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 제어부(30)에는, 도 2와 같이, 이웃 LED 조명부에 제어신호를 무선으로 전송하기 위한 지그비(Zigbee) 통신 모듈로 구성된 통신부(50)가 더 연결되고, 상기 지그비 통신 모듈은 수신측과 송신측이 알고 있는 의사 잡음을 곱해서 보내므로써, 다른 통신 신호와의 보안성을 향상시키도록 함이 바람직하다.
상기 지그비(Zigbee) 통신 모듈은 IEEE 802.15.4 표준을 기본으로 하는 무선 통신 모뎀으로, 저속 통신방식이나 통신거리가 100m 정도 되어 20~40m 간격으로 설치된 가로등 시스템에 적합하다.
도 15는 Zigbee의 Protocol Stack을 보여주는데, 여기서 MAC 계층(Medium Access Control Layer)은 채널 엑세스에 대하여 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) 메커니즘을 적용하는 역할을 한다.
상기 CSMA-CA의 동작원리는, 도 16과 같다. 즉, 송신단 측에서 수신단의 상태를 확인하기 위한 RTS 신호를 보낸다. 이때 RTS 신호를 받은 수신단은 CTS를 송신단으로 전송하게 되며, 현재 다른 송신단과 통신을 하고 있거나, 통신이 불가할 경우 CTS 신호는 송신단에 전송되지 않는다. 송신단은 CTS 신호를 받지 못하면, 일정 횟수만큼 RTS를 재전송하고 그래도 CTS 신호가 없다면, 일정시간 대기 후 다시 RTS를 전송하게 된다. CTS 신호를 받은 송신단은 실제 전송해야 할 메인 데이터를 수신단으로 전송하게 되고, 전송이 완료되면 수신단은 Ack 신호를 송신단으로 보내게 되어 통신이 종료된다.
이와 같이, CSMA-CA는 네트워크 데이터 충돌 방지를 위해 네트워크의 사용 빈도가 많아져서, 네트워크가 복잡해지면 충돌 방지의 신호가 흐르는 속도가 매우 느려지고 이에 따라 데이터의 전송도 많이 지연되는 단점은 있으나, 가로등 시스템과 같이 Zigbee 통신 빈도가 낮은 경우에는 문제없이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 지그비 통신 모듈은, 도 17과 같이, 송신측은 수신측과 송신측이 알고 있는 의사 잡음(Pseudo Random Noise)을 곱해서 보낸 다음, 수신측은 이를 다시 복조시키는 것이, 의사잡음을 모르는 제 3 자에 대하여 강력한 보안성을 지닐 수 있으며, 신호의 Bit 수가 더 늘어나기 때문에 오류의 확률을 줄여주게 되어 안정성을 더욱 높일 수 있게 된다.
도 17은 상기 동작을 하는 DSSS의 블록도이고, 도 18은 DSSS 과정의 신호 변화를 보여준다.
도 19는 지그비 통신 모듈의 일 제어 프로그램 순서도를 보여주고, 도 20은 지그비 통신 모듈에서 사용되는 데이터 프레임(frame)의 예를 보여준다.
상기 데이터 프레임 중에 Destination PAN(Personal Area Network)과 Destination Address는 각각 데이터를 수신하는 네트워크와 노드에 할당된 주소의 정보를 포함하며, Source PAN과 Source Address는 각각 데이터를 송신하는 네트워크와 노드에 할당된 주소의 정보를 포함한다.
따라서, 이에 따른 적합한 LED 가로등의 집단제어 또는 개별적 제어를 가능하게 된다. 실제 제어를 위한 정보는 Mac Payload에 있으며, 이 정보에 따라 ON / OFF와 50%, 80%, 100%의 Dimming을 할 수 있다. Dimming의 레벨과 범위는 0~100%값을 자유자재로 설정할 수 있다.
그리고, 상기 센서부(40)은 도플러 센서를 이용한 차량 감지회로 또는 PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 센서를 이용한 인체 감지회로를 포함하여 구비되도록 함이 바람직하다.
여기서, 상기 도플러 센서를 이용한 차량 감지회로는, 도 21에 도시된 블록도와 같이, 도플러 센서로부터 출력된 미소한 전압을 증폭시키고, 구형 펄스로 출력되도록 한다.
이렇게 출력된 구형 펄스는 상기 제어부(30)의 마이크로컨트롤러에 인터럽트 신호로 입력되어, 프로그램에 따른 Duty 비를 갖는 PWM 디밍 신호를 생성하게 하고, 상기 PWM 디밍 신호가 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈(28)의 제어신호 입력단 VS에 입력하게 된다.
도 22는 도 21에 도시된 블록도로 얻어지는 도플러 센서 구동회로의 실험 파형을 보여준다.
한편, PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 센서는, 도 23과 같이, 평상시 자발분극에 의하여 중성인 강유전체가 적외선이 입사되면 자발분극의 세기가 감소하게 되고, 그에 따라 표면 전하가 순간적으로 변화하여 전기적 중성이 되어야 하지만 표면전하가 자발분극 변화에 신속히 대응할 수 없기 때문에 짧은 시간 강유전체의 양극에 전위차가 발생 되는 초전성(Pyroelectric) 현상을 이용하는 것이다.
그리고, PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 센서를 이용한 인체 감지회로는, 도 24와 같이, 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)에 의해 인체에서 나오는 적외선을 집광하고, 센서 외부의 윈도우을 통하여 사람의 체온에 해당하는 8~12μm의 파장만을 필터링 한 후, 흑화막에서 적외선을 열로 변환하게 한 다음, 그 열이 PIR 센서 내부의 강유전체에 열이 전달되어 초전기가 발생되게 하고, 수 μV에서 수십 μV 정도인 초전기는 FET를 이용해 증폭하도록 구성될 수 있다.
도 25는 상기와 같은 PIR 센서 구동회로 블록도의 일 예를 보여주고, 도 26a는 PIR 센서 출력전압 및 증폭기 출력전압을, 도 26b는 PIR 센서 구동회로의 비교기 출력 및 BPF 출력을 각각 보여준다.
이에 의해 출력된 구형 펄스도 상기 도플러 센서를 이용한 차량 감지회로에서와 마찬가지로, 상기 제어부(30)의 마이크로컨트롤러에 인터럽트 신호로 입력되어, 프로그램에 따른 Duty 비를 갖는 PWM 디밍 신호를 생성하게 하고, 상기 PWM 디밍 신호가 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈(28)의 제어신호 입력단 VS에 입력하게 된다.
따라서, 상기 제어부(30)는 내부 프로그램에 따라 상기 센서부(40)로부터 인터럽트 신호가 들어오는 경우에는 상기 LED 조명부를 온(ON) 시킴과 동시에 100%의 조도를 일정시간 유지하고, 상기 지그비 통신 모듈을 통하여 제어 신호 데이터가 수신될 경우에는 상기 LED 조명부를 온(ON) 시킴과 동시에 수신된 PWM Duty로 해당 조도를 일정시간 유지하도록 제어하게 할 수 있다.
10: LED 조명부
20: LED 구동부
22: EMI 필터
23: 정류회로
24: 역률 보정 회로
26: 직류 감압 회로, 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터
28: 정전류 구동회로, 전류 궤환 부스트 컨버터
30: 제어부
40: 센서부
50: 통신부

Claims (10)

  1. 복수개의 LED로 구성된 LED 조명부와;
    상기 LED 조명부를 구동하는 LED 구동부와;
    상기 LED 구동부를 제어하는 제어부와;
    상기 제어부에 동작신호를 보내는 센서부를 포함하여 구성되되,
    상기 LED 구동부는 교류 전원의 입력단으로부터 EMI 필터, 정류회로, 역률 보정 회로, 직류 감압 회로 및 정전류 구동회로가 순차적으로 연결되고,
    상기 직류 감압 회로는 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터이고,
    상기 정전류 구동회로는 하나 이상의 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈로 구성되고, 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈의 제어신호 입력단에는 PWM 디밍 신호가 입력되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진형 LLC 하프 브리지 컨버터는,
    상기 역률 보정 회로의 출력단자에 직렬로 연결된 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자와;
    상기 제 2 스위칭 소자의 양단에 직렬로 연결된 제 1 커패시터, 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터와;
    상기 제 2 인덕터를 1차측 코일로 하고 상기 1차측 코일이 감긴 보빈에 2차측 코일로 층을 나누어 같은 방향으로 감기며 직렬 연결된 제 3 인덕터 및 제 4 인덕터와;
    상기 제 3 인덕터 및 제 4 인덕터 중 어느 하나의 양단에 연결된 제 2 커패시터와;
    상기 제 3 인덕터 및 제 4 인덕터의 양단에 서로 반대 방향으로 연결된 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드를 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드가 연결된 노드에 상기 제 2 커패시터의 일단이 연결되고,
    상기 제 2 커패시터의 양단에 상기 정전류 구동회로가 연결된 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자는 각각 FET의 소스 및 드레인에 다이오드가 병렬 연결되어 구성되고, 상기 FET의 게이트는 상기 제어부에 내장된 구동 IC에 의하여 제어되고,
    상기 제 1 인덕터는 상기 제 2 인덕터의 누설 인덕터이고,
    상기 제 1 다이오드 및 제 2 다이오드는 각각 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)인 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부와 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈의 제어신호 입력단 사이에는 AND Gate가 더 구비되어 상기 제어부에서 출력되는 디밍 신호 및 온/오프 신호를 상기 AND Gate로 합성하여 상기 각 전류 궤환 부스트 컨버터 모듈의 제어신호 입력단에 제어 신호로 입력되는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부에는 이웃 LED 조명부에 제어신호를 무선으로 전송하기 위한 지그비(Zigbee) 통신 모듈로 구성된 통신부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지그비 통신 모듈은 수신측과 송신측이 알고 있는 의사 잡음을 곱해서 보내는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서부는 도플러 센서를 이용한 차량 감지회로 또는 PIR(Pyroelectric Infrared Ray) 센서를 이용한 인체 감지회로를 포함하여 구비된 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서부로부터 인터럽트 신호가 들어오는 경우에는 상기 LED 조명부를 온(ON) 시킴과 동시에 100%의 조도를 일정시간 유지하고,
    상기 지그비 통신 모듈을 통하여 제어 신호 데이터가 수신될 경우에는 상기 LED 조명부를 온(ON) 시킴과 동시에 수신된 PWM Duty로 해당 조도를 일정시간 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 절약형 LED 조명의 조도제어 시스템.
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