KR101043533B1

KR101043533B1 - 고효율 전원을 구비한 ｌｅｄ 조명장치

Info

Publication number: KR101043533B1
Application number: KR1020110049443A
Authority: KR
Inventors: 이동원
Original assignee: 이동원
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-06-23
Also published as: US8736178B2; WO2012096455A2; WO2012096455A3; CN103238376A; CN103238376B; WO2012096455A9; EP2665344A2; EP2665344A4; US20120176037A1

Abstract

본 발명은 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하인 LED에 공급된 정류전압 중 설계값에 따라 상기 부하에서 사용되고 남은 잉여전압이 발생한 경우에는 상기 잉여전압으로 제어기에 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서를 충전하여 재활용함으로써 저 전력 LED 조명장치에서도 전원효율이 높은 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 관한 것이다.

Description

고효율 전원을 구비한 ＬＥＤ 조명장치{LED Lighting Device with High Effiency Power Supply}

발광다이오드는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 전광변환 반도체소자로서, 표시기 백라이트 등에 널리 사용되고 있으며, 기술의 발달로 전광변환 효율이 기존의 백열등 및 형광등보다 높아져서 현재는 일반 조명용으로 그 범위를 넓혀가고 있다.그러나, 발광 다이오드(Light Emitting diode, LED)는 미량의 전압변동에도 전류가 크게 변화된다. 이 때문에 정밀한 전류제어가 요구된다.

종래의 LED 조명장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류전압을 공급하는 교류전원(910), 상기 교류전원(910)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압 (Vrect)으로 변환하는 정류회로(940), 상기 정류회로(940)의 출력인 정류전압 (Vrect)으로 구동되는 부하인 제1 LED 발광블럭(971) 내지 제3 LED 발광블럭(973), 상기 LED 발광블럭의 전류를 바이패스시키는 제1 바이패스 스위치(SW11) 내지 제3 바이패스 스위치(SW13)이 직렬로 배치된 스위치 블럭, 상기 부하의 전류를 제한하는 전류원(CS9), 상기 스위치 블럭과 전류원을 제어하는 제어기(904), 상기 제어기(904)에 DC 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서(C9) 및 상기 전원공급 콘덴서(C9)를 충전하는 충전회로를 구성하는 저항(R9), 다이오드 (D9) 및 과전압 방지용 제너다이오드(ZD9)를 포함하여 구성된다.

따라서, 교류전원(910)이 상용전압 공급을 개시하면, 상기 충전회로에 의하여 제어기(904)에 DC 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서(C9)가 충전되고, 제어기(904)는 순시 정류전압(Vrect)에 적합한 개수의 LED 발광블럭을 직렬로 배치하도록 상기 스위치 블럭을 제어하고, 또한 상기 전류원(CS9)을 제어함으로써 부하에 흐르는 전류량을 제한한다.

좀더 구체적으로 상기 충전회로를 설명하면, 상기 정류회로(940)이 정류전압(Vrect)를 공급 개시하면 직렬로 연결된 저항(R9) 및 다이오드(D9)를 통과한 전류가 DC 전원공급 콘덴서(C9)에 충전되기 시작한다. 그리고 충전전류에 의하여 콘덴서(C9)가 충전되어서 콘덴서(C9) 양단전압(Vcc)가 제어기(904)가 동작할 수 있는 최소전압(예를 들면 DC 5V) 이상이 되면 상기 제어기(904)는 동작을 개시한다.

반면, 상기 DC 전원공급 콘덴서(C9)가 너무 많이 충전되어서, 콘덴서(C9) 양단 전압이 제어기(904)가 동작할 수 있는 최대동작전압(예를 들면 DC 28V)에 도달하면, 상기 과전압 방지용 제너다이오드(ZD9)가 동작하여 상기 콘덴서(C9)의 전압상승을 방지한다. 그리고 다이오드(D9)는 정류전압(Vrect)가 상기 콘덴서(C9)의 양단전압(Vcc) 이하로 내려가면 상기 DC 전원공급 콘덴서(C9)가 저항(R9)를 통하여 방전되는 것을 방지한다.

여기서, 종래의 문제점을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 교류전원(910)이 상용전압 220Vrms 를 공급하고, 제어기(904)의 최대동작전압은 DC 28.28V(즉, 20Vrms)이고, 상기 제어기(904)가 필요한 전류가 1mA 라고 가정하면, 상기 저항(R9)에서 소비되는 전력은 200V x 1mA 가 되어 200mW 가 된다.

이것은 높은 전력을 구동할 때, 일 예를 들면 20 와트 LED 램프를 구동할 때는 약 1% 가 제어기 구동전원을 발생하는데 사용됨을 의미한다. 그러나 낮은 전력을 구동할 때, 일 예를 들면 4.4 와트 LED 램프(220V x 20mA)를 구동할 때는 4.5% 가 제어기 구동전원을 발생하는데 사용되어 전원효율이 낮음을 의미하므로 저전력 LED 조명장치에서 전원효율을 높이기 위해서는 개선이 필요하다.

본 발명의 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 부하인 LED에 공급된 정류전압 중 설계값에 따라 상기 부하에서 사용되고 남은 잉여전압이 발생한 경우에는 상기 잉여전압으로 제어기에 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서를 충전하여 재활용함으로써 저 전력 LED 조명장치에서도 전원효율이 높은 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치는 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와; 복수개의 LED 발광블럭들을 포함하되, 상기 LED 발광블록들이 직렬로 연결되어 있는 부하와; 상기 각각의 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭과; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과; 상기 교류전압을 기초로 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값에 따라 상기 스위치 블럭을 제어하여 상기 부하 전류의 흐름을 제어하고, 상기 산출된 설계전류 값에 따라 상기 전류원을 제어하여 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 제어기와; 충전된 전원을 상기 제어기에 공급하는 전원공급 콘덴서와; 상기 정류회로가 전원공급을 개시하면 상기 전원공급 콘덴서를 충전하는 시동회로; 및 상기 정류회로에서 상기 부하에 공급한 정류전압 중 상기 제어기가 설계전류 값에 따라 상기 스위치 블럭과 전류원을 조절함으로써 상기 부하에서 사용되고 남은 잉여전압으로 상기 제어기를 동작시킬 수 있도록, 상기 잉여전압으로 상기 전원공급 콘덴서를 충전하는 부하전류 재활용회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기는 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 상기 설계전류 값을 정현파로 산출하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어기는 순시 정류전압 또는 정류전압 위상 중 어느 하나에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 상기 전류원을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스위치 블럭은 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬인 것이 바람직하다.

또한, 상기 부하전류 재활용회로는 상기 전원공급 콘덴서와 부하 사이에 직렬로 연결된 부하측 다이오드(D3) 및 상기 부하측 다이오드(D3)의 아노드와 접지(Vss)단자 사이에 연결된 부하측 스위치(SW3)를 포함하는 것이 바람직하다.

혹은, 상기 부하전류 재활용회로는 상기 전원공급 콘덴서와 부하 사이에 직렬로 연결된 충전 전류원(CS3) 및 상기 충전 전류원(CS3)의 입력단과 접지(Vss)단자 사이에 연결된 소비 전류원(CS2)을 포함하며, 상기 충전 전류원(CS3)의 전류가 크면 상기 소비 전류원(CS2) 전류는 작게 되고, 상기 충전 전류원(CS3)의 전류가 작으면 상기 소비 전류원(CS2) 전류는 커져서 상기 충전 전류원(CS3)과 소비 전류원(CS2)의 합 전류는 상기 설계전류와 일치하도록 시소(seesaw)처럼 연동되어 동작하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 의하면, 빛을 방출하는데 사용한 전류를 재활용하여 제어기를 구동하는데 사용함으로써, 제어기 구동전압을 발생하는데 필요한 전력소모를 줄여서 전원장치 효율이 높아진다. 또한, LED 발광블럭에 흐르는 전류를 제한하는 전류원의 양단전압을 낮추어, 전류원의 소비전력을 낮춤으로써 전류원에서의 열 발생을 억제하고 전원장치의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 종래의 LED 조명장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치 도면이다.
도 3는 제1 실시예에 사용된 LED 전압-전류 특성곡선이다.
도 4는 도 3을 모델링한 전압-전류 특성곡선이다.
도 5는 제1 실시예에 사용된 발광블럭 모델의 전압-전류 특성표이다.
도 6은 제1 실시예에 사용된 발광블럭 모델의 전압-전류 특성곡선이다
도 7은 제1 실시예에 사용된 모델전류를 전압 위상별로 나타낸 표이다.
도 8은 제1 실시예에 사용된 모델전류를 전압 위상별로 나타낸 도면이다.
도 9는 제2 실시예 따른 전류원 양단전압을 나타낸 표이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 조명장치 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석해서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공기구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 제1 실시예는 부하전류를 제한하는 전류원에서 소모되는 잉여전압을 제어기 전원공급 콘덴서 양단에 걸리도록 하여, 상기 부하전류를 상기 전원공급 콘덴서를 충전하는데 재활용하는 효율이 높은 LED 조명장치에 관한 것이다.

이하 도 2을 사용하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 교류전압을 공급하는 교류전원(1), 상기 교류전원(1)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로(2), 상기 정류회로(2)의 출력인 정류전압(Vrect)으로 구동되는 부하인 제1 LED 발광블럭(10) 내지 제3 LED 발광블럭(12), 상기 LED 발광블럭(10, 11, 12)의 전류를 바이패스 시키는 제1 바이패스 스위치(S11) 및 제2 바이패스 스위치(S12)가 병렬로 배치된 스위치 블럭, 상기 부하의 전류를 제한하는 전류원(CS1) 및 상기 스위치 블럭 및 상기 전류원을 제어하는 제어기(미도시)를 포함한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는 상기 제어기에 DC 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서(C1) 및 상기 전원공급 콘덴서(C1)를 충전하는 시동(충전)회로(5)를 구성하는 저항(R1), 전원측 다이오드(D1), 전원측 스위치(SW1) 및 과전압 방지용 제너다이오드(ZD1)를 포함한다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는 상기 부하전류를 재활용하여 상기 전원공급 콘덴서(C1)을 충전하는 부하전류 재활용 충전회로(8)를 구성하기 위해 부하측 스위치(SW3) 및 부하측 다이오드(D3)를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12), 전류원(CS1), 다이오드 (D3) 및 콘덴서(C1)은 모두 순서대로 직렬로 연결되어 정류전압(Vrect)와 접지(Vss)단자 사이에 연결되고, 상기 부하전류 재활용 충전회로(8)의 부하측 스위치(SW3)은 상기 부하측 다이오드(D3)의 아노드와 접지(Vss) 단자 사이에 설치된다.

또한, 제1 실시예에 따른 LED 조명장치의 시동(충전)회로(5)는 상기 저항(R1), 전원측 다이오드(D1), 전원측 스위치(SW1) 및 과전압 방지용 제너다이오드(ZD1)이 모두 순서대로 직렬로 연결되어 정류전압(Vrect)와 접지(Vss) 단자 사이에 연결되고, 상기 제너다이오드(ZD1)의 캐소드와 제어기 전원공급 콘덴서(C1)의 (+) 전압단자는 서로 연결되어 있다.

또한, 바람직하게 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)은 1개 이상의 LED 로 구성되며, 다수개의 LED가 직렬배열, 병렬배열 또는 직/병렬 배열로 구성될 수 있다. 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)는 널리 알려진 공지기술로 구성할 수 있으므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다

이하, 본 발명회로의 동작에 관하여 설명한다.

<상용전원 공급 이전>

먼저, 도 2의 회로에서, 상기 교류전원(1)이 상용전압 공급을 개시 이전에는 상기 전원공급 콘덴서(C1)가 충전이 되어 있지 않아서 제어기(미도시) 동작전원이 생성되지 않는다. 따라서, 제어기(미도시)가 동작하지 않는 상황에서 상용전원의 공급을 개시하면, 부하에 과전압이 공급되지 않도록 상기 스위치 블럭의 디폴트값을 설정하여 두는 것이 바람직하다.

더욱 상세히 설명하자면, 상기 LED 발광블럭의 전류를 바이패스 시키는 상기 제1 바이패스 스위치(S11) 및 제2 바이패스 스위치(S12)의 초기 상태는 모든 전류가 부하를 통하여 흐르도록 설정(차단, 노말 오픈)되어서 상기 부하 문턱전압이 최대가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 부하와 직렬로 연결된 스위치(미도시)를 차단하여 제어기(미도시)에 전원이 공급되어 제어기가 정상적으로 동작하기 이전에는 부하에 전류가 흐르는 것을 방지하는 것도 바람직하다.

<상용전원 공급개시 초기>

상기 교류전원(1)이 상용전압 공급을 개시하면, 상기 시동(충전)회로(5)에 의하여 제어기(미도시)에 DC 전원을 공급하는 전원공급 콘덴서(C1)가 충전 되도록 상기 전원측 스위치(SW1)은 도통(노말 클로즈) 되는 것이 바람직하다.

부하전류 재활용 충전회로(8)의 부하측 스위치(SW3)은 초기 상태에 대한 특별한 제한은 없다. 그러나 부하전류량이 정확히 제어되지 않은 상태에서는 상기 부하전류를 재활용하기보다는 안전을 위하여 접지(Vss)로 흘리는 것이 바람직할 것이다. 즉, 상기 부하측 스위치(SW3)은 도통(노말 클로즈) 되는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게 상기 제어기 전원공급 콘덴서(C1)에 충분한 전압[일 예를 들면 (Vcc1)이 6V 이상 50V 이하]이 형성된 이후에 상기 제어기(미도시)가 작동을 개시하여 순시 정류전압(Vrect)에 적합한 개수의 LED 발광블럭을 직렬로 배치하도록 상기 스위치 블럭을 제어하고, 상기 전류원 (CS1)을 제어하여 부하에 흐르는 전류량을 제한한다.

<부하전류 재활용 충전회로 작동>

부하전류 재활용 충전회로(8)은 부하측 스위치(SW3)의 상태에 따라 부하전류 재활용모드와 소비모드로 구분되어 동작한다. 즉 상기 부하측 스위치(SW3)이 도통 되어서 부하전류가 접지로 흐를 때는 "부하전류 소비모드", 상기 부하측 스위치(SW3)이 차단 되어서 부하전류가 부하측 다이오드(D3)을 통하여 전원공급 콘덴서(C1)을 충전할 때는 "부하전류 재활용모드"라 칭할 수 있다.

상기 제어기(미도시)가 작동을 하여 순시 정류전압(Vrect)이 낮으면 적은 부하전류가 흐르고, 반면 순시 정류전압(Vrect)이 높으면 많은 부하전류가 흐르도록, 상기 전류원 (CS1)을 제어하여 부하전류를 설정하여 역율을 개선하는 것이 바람직하다.

이하, 임의의 정류전압(Vrect)에서 상기 부하전류 재활용 충전회로(8)가 소비모드로 동작할 때 상기 전류원(CS1)의 양단에 걸리는 전압을 "소비모드 전류원전압"이라 칭하고, 재활용모드로 동작할 때 부하측 다이오드(D3)의 아노드 전압을 "재활용모드 DC 충전전압"이라 칭한다. 그러고, 소비전류 재활용모드에서 전류원(CS1)의 양단전압을 "재활용모드 전류원전압"이라 칭한다.

여기서, 소비모드 전류원전압이 재활용모드 DC 충전전압보다 높을 때는 상기 부하측 스위치(SW3)는 차단되어서 상기 부하전류 재활용 충전회로(8)은 부하전류 재활용모드로 작동하는 것이 바람직하다.

이때, 재활용모드 전류원전압은 아래의 '수식 1'과 같이 표현되며, 부하전류를 재활용하여 사용함으로써 전원효율도 올라가고, 또한 전류원(CS1)의 소비전력이 줄어들어서 열 발생도 줄어들어서 전류원(CS1)의 수명도 연장된다.

재활용모드 전류원전압 = 소비모드 전류원전압 - 재활용모드 DC 충전전압 ---(수식 1)

그리고, 정류전압(Vrect) 상승기(rising time)에서 상기 정류전압(Vrect)에 대응하여 상기 제1 스위치(S11) 및 제2 스위치(S12)의 절환이 일어나면, 상기 부하측 스위치(SW3)은 도통되어서 상기 부하전류 재활용 충전회로(8)을 부하전류 소비모드가 되도록 제어기가 동작하는 것이 바람직할 것이다.

그 이유는 상기 스위치절환 직후 전류원(CS1) 양단의 전압이 상기 스위치절환 직전 전류원(CS1) 양단의 전압보다 낮고, 대부분의 경우 전류원(CS1) 양단전압은 전류원 포화전압 정도이기 때문이다.

그리고, 제어기(미도시)는 정류전압이 계속 상승하여 소비모드 전류원전압이 재활용모드 DC 충전전압[콘덴서(C1) 양단전압 + 부하측 다이오드(D3) 도통전압)] 보다 높아지면, 상기 부하측 스위치(SW3)을 조작하여 상기 부하전류 재활용 충전회로(8)을 부하전류 재활용모드로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 정류전압(Vrect) 하강기에서 상기 정류전압(Vrect)에 대응하여 상기 제1 스위치(S11) 내지 제2 스위치(S12)의 절환이 일어나면, 상기 부하측 스위치(SW3)은 도통되어서 부하전류 소비모드가 되도록 제어기가 동작하고, 소비모드 전류원전압 및 전원공급 콘덴서(C1) 전압을 측정한 후 소비전류 재활용모드 설정 여부를 상기 제어기가 결정하는 것이 바람직하다.

그 이유는 상기 스위치절환 직후 전류원(CS1) 양단의 전압이 상기 스위치절환 직전 전류원(CS1) 양단의 전압(전류원 포화전압)보다는 높지만 재활용모드 DC 충전전압보다는 크지 않을 경우도 있기 때문이다.

여기서, 상기 제어기는 순시 정류전압에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 전류원을 제어하는 제어기인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제어기는 정류전압위상에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 전류원을 제어하는 제어기인 것도 바람직하다. 또한, 상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 발생하는 정현파 신호발생기능을 더 포함하여, 상기 정현파 신호에 대응하는 전류(이하 희망전류라 칭함)를 부하에 공급하도록 전류원을 제어하는 것도 바람직하다.

이때, 상기 제어기가 교류전압과 동 위상의 정현파를 발생하는 이유는 교류전원에서 공급되는 교류전류가 교류전압과 동일한 위상이고 그 형태는 정현파 이어서 역율이 개선되기를 바라기 때문이다. 그리고, 부하에 흐르는 부하전류는 상기 교류전류가 정류된 것임은 당연할 것이다.

상기 순시 정류전압에 근거한 계단파 전류를 부하에 공급하는 방법, 상기 순시 정류전압위상에 근거한 계단파 전류를 부하에 공급하는 방법 및 상기 정현파 신호발생기에 의한 희망전류를 부하에 공급하는 방법은 본 발명인이 출원한 출원특허 10-2010-0129538 및 출원특허 10-2011-0000013을 비롯하여 그 외 널리 알려진 공지기술로 구성할 수 있으므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다.

이상, 부하전류를 재활용하여 제어기 구동전류로 사용하는 본 발명의 제1 실시예인 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 대하여 상세히 설명하였다.

본 발명에 따른 제2 실시예는, 구체적인 수치를 사용하여 설명한 실시예 이다.

이하 도 2 내지 도 9을 사용하여 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

본 발명의 제2 실시예에서는 도 3에 도시된 전압-전류 특성을 갖는 LED 어레이를 10등분 하여 하나의 서브 발광블럭을 만들고, 이러한 서브 발광블럭을 11개 까지 직렬로 연결할 수 있는 부하를 도 2의 회로에 적용한 구체적인 예이다.

이때, 각 발광블럭에 전류가 흐르지 않도록 바이패스 시키는 바이패스 스위치가 설치되어야 함은 당연하다.

도 2 회로에서는 발광블럭이 3개인 것을 일 예로 도시하였으나, 3개에서 4개 처럼 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 표현하면, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 전류원(CS1)의 입력단 사이에 추가될 발광블럭(n+1)을 삽입하고, 추가된 바이패스 스위치는(n+1)은 추가된 발광블럭(n+1)의 입력단과 상기 전류원(CS)의 높은측 단자 사이에 삽입하면 된다. 이때, 상기 스위치들이 모두 병렬로 배치되어 있으므로 이를 소위 "병렬 스위치 블럭"이라 칭할 수 있다. 여기서 발광블럭은 2개 이상으로 구성할 수 있으며 그 수는 특별히 제한되지 않는다.

그리고, 상기 제어기(미도시)은 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 발생하는 정현파 신호발생기능을 가지고, 정현파 희망전류가 부하에 공급되도록 전류원 (CS1)을 제어하는 것이 바람직하다.

도 3에서의 특성곡선(950)은 LED 다수개를 직렬로 배열하여 만든 서울반도체사 AX3220의 전압-전류 특성곡선을 표시한 것으로서, 전류가 본격적으로 흐르기 시작하는 문턱전압은 대략 132V 이고, 220V 에서는 20mA 가 흐름을 알 수 있다.

아래의 표 1은 도 3의 전압-전류 특성곡선(950)에서 전류가 0mA 에서 30mA 까지 1mA 단위로 변할 경우의 전압을 추출하여 표로 나타낸 것이다.

전류	전압	전류	전압	전류	전압	전류	전압
0.0	131.18	8.0	174.45	16.0	205.36	24.0	233.52
1.0	140.11	9.0	178.91	17.0	209.13	25.0	236.61
2.0	145.80	10.0	182.69	18.0	212.57	26.0	240.04
3.0	151.79	11.0	186.81	19.0	216.35	27.0	243.48
4.0	156.25	12.0	190.59	20.0	219.44	28.0	246.91
5.0	161.40	13.0	194.71	21.0	223.21	29.0	250.34
6.0	166.21	14.0	198.15	22.0	226.65	30.0	253.09
7.0	170.67	15.0	201.58	23.0	230.08

상기 표 1을 그래프로 도시한 것이 도 4의 측정모델 전류곡선(A100)이다. 여기서, 수평축은 전압(순시전압을 1.414배 나눈 수치로 표시, 이하 이해의 편의를 위하여 특별한 언급이 없는 한 1.414배 나눈 수치로 전압을 표시함)이고, 수직축은 전류이며 그 단위는 각각 V 및 mA 이다.

상기 표 1을 기본으로 하여 이하에서 설명될 LED 발광블럭을 모델링 한다. 먼저, 일 예로서 측정모델 발광블럭을 균등하게 10 개의 서브 발광블럭(즉, 제1 발광블럭 내지 제10 발광블럭)으로 나누고 상기 서브 발광블럭을 1개를 모델링 하는 경우에 상기 서브 발광블럭의 등가직렬저항(Equivalent series resistace)는 상기 측정모델 발광불럭의 1/10 이다.

따라서, 표 1에 나타난 각 전류에 대응하는 상기 서브 발광블럭의 전압은 상기 측정모델의 1/10 값이 된다. 또한 동일한 원리로 상기 서브 발광블럭이 2개 직렬인 경우 표 1에 나타난 각 전류에 대응하는 상기 서브 발광블럭의 전압은 상기 측정모델 발광블럭의 2/10 값이 된다.

도 5는 부하인 직렬연결된 서브 발광블럭의 개수가 1개 내지 11개로 구성될 경우에 대하여 모델링한 것이다. 도 5에서 제1 모델(M1)은 상기 서브 발광 블럭이 1개 일 때, 제2 모델(M2)는 상기 서브 발광블럭이 2개 직렬일 때, 제3 모델(M3)는 상기 서브 발광블럭이 3개 직렬일 때, 같은 방식으로 제10 모델(M10)은 상기 서브 발광블럭이 10개 직렬일 때를 모델링 한 것이다. 여기서 제10 모델(M10)은 측정모델과 동일한 특성곡선이다. 그리고 제11 모델(M11)은 서브 발광블럭이 11개 직렬일 때를 모델링 한 것이다.

도 5에서 특정한 값을 몇 개 살펴보면, 먼저 상기 측정모델 발광블럭과 특성이 동일한 제10 모델(M10)은 전류 30mA 가 흐를 때 전압이 253.09V 이다. 따라서 제1 모델(M1)은 등가직렬저항이 상기 측정모델 발광블럭의 1/10 이므로 30mA 에서 전압은 25.31V 가 되고, 제2 모델(M2)은 등가직렬저항이 상기 측정모델 발광블럭의 2/10 이므로 30mA 에서 전압은 50.62V 가 된다. 각 모델에 대한 나머지 전압값들도 동일한 원리로 계산된다.

도 6은 상기 도 5의 값들을 사용하여 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)의 전압-전류 특성을 그래프로 도시한 것이다. 여기서, 수평축은 전압이고 수직축은 전류이며 단위는 각각 V 및 mA 이다.

상기 제1 모델(M1)의 특성곡선(A1) 내지 제11 모델(M11)의 특성곡선(A11)을 서로 비교하여 보면 직렬로 연결된 발광블럭의 개수가 적을수록 전류는 더욱 가파르게 증가함을 알 수 있다.

또한, 입력전압 150V 에서는, 상기 제6 모델(M6) 내지 제11 모델(M11) 모두가 전압 150V 에 상응하는 전류를 흘릴 수 있으므로 어떤 모델을 선택하느냐, 즉 발광블럭을 몇 개를 점등하느냐에 따라서 흐르는 전류량이 다르게 된다.

도 7은 상기 도 5의 전압을 입력전압 220V 에 대한 위상각으로 나타낸 것이다. 즉 입력전압 220V 에 대한 전류-전압위상을 나타낸 표이다. 여기서 (Ang1)은 제1 모델(M1)의 전압위상이고, (Ang2)은 제2 모델(M2)의 전압위상이고, (Ang3)은 제3 모델(M3) 의 전압위상이며, 같은 방식으로 (Ang11)은 제11 모델(M11)의 전압위상을 각각 나타낸 것이다.

상기 위상각(Ang1) 내지 위상각(Ang11)은 아래 (수식 2) 및 (수식 3)를 사용하여 계산된다.

순시전압 V = sin(위상각) x 220 --------(수식 2)

위상각 = Sin^-1(순시전압 V / 220) --------(수식 3)

도 8은 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)의 모델전류(A1) 내지 모델전류(A11)을 입력전압 220V 에 대하여 입력전압 위상별로 도시한 것이다. 즉, 도 7을 사용하여 입력전압 220V 의 위상별로 각 모델의 전류를 도시한 것이다. 여기서 수평축은 전압위상이고 수직축은 전류이며 단위는 각각 도(Degree) 및 mA 이다. 그리고 곡선(20S)는 희망전류를 나타낸 것으로 아래의 (수식 4)를 사용하여 계산하고 그래프로 나타낸 것이다.

희망전류 = sin(위상각) x 20 mA --------(수식 4)

도 8에서의 특징을 몇 가지 살펴 보면 아래와 같다.

1) 상기 제1 모델(M1)의 전류곡선(A1)은 기울기가 거의 수직에 가깝다. 즉, 제1 발광블럭(10)의 문턱전압 미만에서는 부하전류가 0 이고, 문턱전압 이상에서는 희망전류(20S)가 부하에 흐른다고 모델링 하여도 실제로 전류 오차는 미미하다.

2) 정류전압 상승기에서 제6 모델(M6)의 전류곡선(A6)는 대략 10mA 에서 희망전류(20S)와 교차하며, 이때 전류원(CS1) 양단전압은 최소가 되므로 상기 제어기는 상기 스위치 블럭을 제어하여 6개의 서브 발광블럭이 부하로서 작동하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 모델전류와 희망전류(즉, 설계전류)가 교차하는 지점이 상기 스위치 블럭을 제어하여 직렬로 연결된 서브 발광블럭의 개수를 변경하는 시점이다.

3) 일반화하여 표현하면, 정류전압 상승기에서 임의의 모델전류(n)와 희망전류가 교차하는 지점에서 직렬로 연결된 서브 발광블럭의 개수를 n개로 변경하면 전류원(CS1) 양단전압은 최소(전류원 포화전압)이 되고, 다음 모델전류(n+1)과 희망전류가 교차하는 지점까지는 상기 전류원(CS1)의 양단전압은 증가한다.

본 발명의 제2 실시예에서는 측정 모델을 10개의 서브 발광블럭으로 나누었지만, 보다 적은 개수의 서브 발광블럭으로 할 경우 상기 전류원(CS1) 양단의 전압이 더 증가함은 당연하다.

이하 도 9를 사용하여 전류원(CS1)의 양단전압을 구체적인 수치로 알아본다.

도 9에서 (Angle)은 정류전압 위상이고 그 값은 0도에서 90도까지 나타내었다.

(Vin)은 순시 정류전압이며, 전압위상 0도에서는 그 값이 0이고, 전압위상 90도에서는 그 값이 220V인 경우를 예시하였으며 상기 (수식 2)로 계산하였다.

(Isin)은 희망전류를 나타내며 전압위상 0도에서는 그 값이 0이고, 전압위상 90도에서는 그 값이 20mA 인 경우를 예시하였으며 상기 (수식 4)로 계산하였다.

그리고, (Vcs)는 상기 전류원(CS1) 양단의 전압을 나타낸다. 이것은 아래 절차에 의하여 구한다. 정류전압 위상이 5도 인 경우를 살펴보면,

1) 순시 정류전압은 19.2V 이고,

2) 희망전류는 1.74mA 이다.

3) 도 5에서 상기 희망전류 1.74mA가 나타나 있지 않으므로, 1.74mA 보다 높은 전류인 2.0mA에 상응하는 각 모델전압을 확인하면, 제1 모델(M1)은 14.58V 이고, 제2 모델(M2)는 29.16V 이다.

4) 순시 정류전압 19.2V 는 상기 제1 모델(M1)을 구동하여 희망전류 1.74mA[ (M1) 14.58V에서]를 공급할 수 있으므로, 희망전류를 공급하는데 필요한 전압 이외의 잉여전압은 상기 전류원(CS1)의 양단에 걸리도록 하면 된다. 따라서 상기 전류원(CS1) 양단전압은 19.2V 에서 14.58V 를 제외하면 4.62V 가 된다.

5) 하지만, 상기 제2 모델(M2)는 상기 희망전류 1.74mA 가 29.16V에서 공급되므로 정류전압 위상 5도에서 제공되는 순시 정류전압 19.2V 로는 제2 모델(M2)를 구동할 수 없다.

6) 전류원 양단전압(Vcs)은 각 전압위상에서 구동할 수 있는 최대 개수의 발광 모델을 구하고 상기 희망전류에서 순시 정류전압과 모델전압의 차이를 계산하여 구한다. 전압위상이 5도인 경우를 살펴보면, 상기 절차 1)내지 절차 6)으로 계산된 전류원 양단전압(Vcs)가 도 9에서는 4.6으로 표시되어 있다.

이상의 방법으로 정류전압 위상 0도에서 90도까지에 대하여 전류원 양단전압 (Vcs)를 구한 것이 도 9이다. 여기서 전압위상 0도에서 전압위상 7도까지는 제1 모델(M1)이 구동되고, 전압위상 8도에서 전압위상 12도까지는 제2 모델(M2)가 구동됨을 알 수 있다.

그리고 전압위상 58도에서 전압위상 79도까지는 제9 모델(M9)가 작동하는데, 특별히 전압위상 69도에서 살펴보면, 전류원 양단전압(Vcs)은 10.7V 로 표시되어 있는데 이것을 1.414배 하면 15.1V 이고, 이때 흐르는 희망전류는 18.67mA 이다. 그리고 전압위상 79도를 살펴보면, 전류원 양단전압(Vcs)은 18.5V 로 표시되어 있는데 이것을 1.414배 하면 26.2V 이고, 이때 흐르는 희망전류는 19.63mA 이다.

즉 전류원 양단전압(Vcs)가 제어기 전원공급 콘덴서(C1)를 충전할 수 있는 충분한 전압이 되며, 또한 전압위상 69도에서 79도 사이의 부하전류를 재활용하여 전원공급 콘덴서(C1)을 충전하는데 사용한다고 가정하면, 약 2mA의 전류(18mA x 10도 / 90도)가 제어기에 제공될 수 있음을 알 수 있다.

이상과 같이 종래의 기술에서는 제어기가 필요로 하는 전류가 1mA 라고 가정하였다. 그런데, 상기 전압위상 69도에서 79도 사이에 공급된 전류만 재활용하여도 약 2mA의 전류가 제어기에 제공된다. 이것은 종래기술로 시동(충전)회로(5)를 사용하여 만들면 전원측 저항(R1)에서 전력소비가 400mW (200Vrms x 2mA)가 발생되지만, 본 실시예에 의하여 부하 전류를 재활용하여 만들면 상기 시동(충전)회로(5)에서 소비되던 전력 400mW 를 절감할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 저 전력 LED 조명장치에서도 전원 효율이 높은 LED 조명장치를 제공할 수 있다.

이상, 부하전류를 재활용하여 제어기 구동전류로 사용하는 본 발명의 제2 실시예인 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 대하여 상세히 설명하였다.

이하 도 10의 회로를 사용하여 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.

도 10의 회로는 기본적으로 도 2 회로와 구성이 동일하지만, 그 외 부하전류 재활용 충전회로(8a)의 구성이 다르고, 부하인 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 다르다.

이하, 도 2에서 설명한 부분은 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략하고, 상기 차이점에 대하여 상세히 설명한다.

도 10 회로의 첫 번째 차이점은 부하전류 재활용 충전회로(8a)가 도 2 회로와 다르게 구성되어 있는 것이다. 즉, 부하전류를 재활용하여 전원효율을 높이는 목적은 동일하지만 그 구체적인 실현 방법이 다른 것이다.

도 10 회로에서는 부하를 통과한 전류가 흐를 수 있는 경로는 2개인데, 하나는 충전 전류원(CS3)를 통과하여 전원공급 콘덴서(C1)을 충전하는 하는 경로(충전전류)이고, 또 다른 하나는 소비 전류원(CS2)를 통과하여 접지(Vss)로 흐르는 경로(소비전류)이다.

여기서, 상기 충전 전류원(CS3) 및 상기 소비 전류원(CS2)는 시소(seesaw)처럼 연동되어 동작하는 것이 바람직하다. 즉, 충전 전류가 많으면 소비 전류는 작게 되고, 충전전류가 작으면 소비전류가 많아져서 상기 두 전류원의 합전류는 설계전류가 되도록 제어기(미도시)가 작동하는 것이다.

다만, 상기 제어기는 순시 정류전압에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 충전 전류원(CS3)과 소비 전류원(CS2)을 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 제어기는 정류전압위상에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 충전 전류원(CS3)과 소비 전류원(CS2)을 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 발생하는 정현파 신호발생기능을 더 포함하여, 상기 정현파 신호에 대응하는 전류(이하 희망전류라 칭함)를 부하에 공급하도록 충전 전류원(CS3)과 소비 전류원(CS2)를 제어할 수도 있다.

도 10 회로의 두번째 특징은 직렬로 배치된 스위치 블럭이다. 조금더 상세히 살펴보면 제2 발광블럭(11a)과 제2 스위치(S11a)는 병렬로 연결되어 있고, 제3 발광블럭(12a)과 제3 스위치(S12a)는 병렬로 연결되어 있으며, 상기 제2 스위치(S11a) 및 상기 제3 스위치(S12a)가 모두 직렬로 연결되어 있다.

여기서, 발광블럭을 3개에서 4개처럼 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 설명하면, 먼저 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 병렬로 연결하고, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 전류원(CS1)의 입력단 사이에 상기 병렬로 연결된 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 삽입하면 된다. 이때, 상기 스위치들이 모두 직렬로 배치되어 있으므로 이를 소위 "직렬 스위치 블럭"이라 칭할 수 있다. 여기서 발광블럭은 2개 이상으로 구성할 수 있으며 그 수는 특별히 제한되지 않음은 당연하다.

상기 도 10에 도시된 회로의 동작은 도 2에 도시된 회로와 스위치 상태만 다르고 나머지 스위치를 작동하는 판단기준 등은 동일하므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다.

이상, 부하전류를 재활용하여 제어기 구동전류로 사용하는 본 발명의 제3 실시예인 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치에 대하여 상세히 설명하였다.

이상 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하였다. 본 발명에서 상세히 설명된 정류회로, 전류원, 제어기 및 스위치는 하나의 반도체 소자로 제작할 수 있음은 당연하다.

이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 살펴보았으나 이는 예시에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형된 실시예가 가능함을 이해하여야 할 것이다. 그러므로, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

910, 1: 교류전원
940, 2: 정류회로
904: 제어기
971, 972, 973, 10, 11, 12: LED 발광블럭
11a, 12a, 13a, 14a: LED 발광블럭
CS9, CS1, CS2, CS3: 전류원
SW11, SW12, SW13: 스위치
S11, S12, S11a, S12a: 스위치
C9: 전원공급 콘덴서

Claims

교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와;
복수개의 LED 발광블럭들을 포함하되, 상기 LED 발광블록들이 직렬로 연결되어 있는 부하와;
상기 각각의 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭과;
상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과;
상기 교류전압을 기초로 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값에 따라 상기 스위치 블럭을 제어하여 상기 부하 전류의 흐름을 제어하고, 상기 산출된 설계전류 값에 따라 상기 전류원을 제어하여 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 제어기와;
충전된 전원을 상기 제어기에 공급하는 전원공급 콘덴서와;
상기 정류회로가 전원공급을 개시하면 상기 전원공급 콘덴서를 충전하는 시동회로; 및
상기 정류회로에서 상기 부하에 공급한 정류전압 중 상기 제어기가 설계전류 값에 따라 상기 스위치 블럭과 전류원을 조절함으로써 상기 부하에서 사용되고 남은 잉여전압으로 상기 제어기를 동작시킬 수 있도록, 상기 잉여전압으로 상기 전원공급 콘덴서를 충전하는 부하전류 재활용회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 상기 설계전류 값을 정현파로 산출하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 순시 정류전압 또는 정류전압 위상 중 어느 하나에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 상기 전류원을 제어하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치 블럭은 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬인 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 부하전류 재활용회로는,
상기 전원공급 콘덴서와 부하 사이에 직렬로 연결된 부하측 다이오드(D3) 및 상기 부하측 다이오드(D3)의 아노드와 접지(Vss)단자 사이에 연결된 부하측 스위치(SW3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 부하전류 재활용회로는,
상기 전원공급 콘덴서와 부하 사이에 직렬로 연결된 충전 전류원(CS3) 및 상기 충전 전류원(CS3)의 입력단과 접지(Vss)단자 사이에 연결된 소비 전류원(CS2)을 포함하며,
상기 충전 전류원(CS3)의 전류가 크면 상기 소비 전류원(CS2) 전류는 작게 되고, 상기 충전 전류원(CS3)의 전류가 작으면 상기 소비 전류원(CS2) 전류는 커져서 상기 충전 전류원(CS3)과 소비 전류원(CS2)의 합 전류는 상기 설계전류와 일치하도록 시소(seesaw)처럼 연동되어 동작하는 것을 특징으로 하는 고효율 전원을 구비한 LED 조명장치.