KR101177086B1 - 밝기 및 색상이 제어되는 공진 파워 led 제어 회로 - Google Patents
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Abstract
Description
표시 장치에서 발광 다이오드(light-emitting diode; LED)를 사용하는 것이 알려져 있다. 발광 다이오드는 초기에 광 출력이 작았기 때문에 오랬동안 그 응용 분야가 제한되었다. 그러나, 최근에는 조명 용도의 필요조건을 충족시킬 정도로 충분한 광 출력을 갖는 발광 다이오드가 점점 더 이용가능해졌다. 일반적으로 다수의 발광 다이오드가 매트릭스(matrix) 형태로 배치된다. 현재 알려진 가장 강력한 LED를 "파워 LED(power LED)"라 명명하고 있다. 그 광 출력은 백열 램프의 수배에 이르고 있다. 일반적으로 LED의 제어는 정전류 소스(constant current source)에 의해 이루어지며, 다이오드를 통해 흐르는 전류가 검출되고 상기 전류는 소정의 요구되는 값으로 제어된다. 펄스 폭 변조(pulse width modulation)에 의해 발광 다이오드 조명을 조절할 수도 있다. LED의 기능 및 크기와 관련하여 예상되는 장점들을 활용하고자 할 경우, 비용상으로 효율적인 LED 제어가 필요하다. 밝기와 색상 또는 색온도에 관한 실질적인 조명 필요조건을 충족시키는 것이 제어의 과제이다.
US 2003/0043611 A1호는 발광 다이오드의 밝기 제어가 가능하도록 하는 상기 발광 다이오드 작동의 전력 공급 및 제어를 위한 회로 배치를 개시한다. 직류 전압원에 연결되고 다양한 출력 주파수를 갖는 직류/교류 컨버터는, 직류 전압원에 의해 전달되는 공급 전압을 교류 전압으로 전환하기 위한 용도로서, 적어도 두개의 제어가능한 전원 스위치와 함께 사용된다. 부하 회로가 교류/직류 컨버터의 출력단자에 연결되며, 상기 회로는 공진 부재(resonance member)와 발광 다이오드를 포함한다. 부하 회로의 전원 스위치의 스위칭 주파수는 발광 다이오드의 밝기를 제어하기 위해 조절이 가능하다. (정류기를 포함하거나 포함하지 않는) LED는 공진 회로에 직접 연결될 수 있으며, 상기 공진 회로에는 밝기 제어를 위한 주파수-변조 하프 또는 풀 브릿지(frequency-modulated half or full bridge)에 의해 전원이 공급된다.
EP 0 314 324 A1호는 서로 다른 발광 주파수를 갖는 두개의 LED에 역병렬로(antiparallel) 직접 연결된 풀 브릿지 인버터로 구성되는 LED 전원 공급 장치를 포함하는 옥시미터(oxymeter)를 개시한다. 인버터는 각각의 LED가 서로 다른 고정적으로 설정된 주파수로 작동되도록 변조된다.
더욱이, 공지된 시스템들에서는 공통적으로, 하나의 LED 또는 몇개의 LED의 밝기 제어에 있어서 2단(two-stage) 전압 컨버터가 선호되고 있다{상기 기술된 2개의 1단(single-stage) 시스템들과 대조됨}. 제1 교류/직류 컨버터는 (예컨대 주 전압으로부터) 필요한 LED 직류 전압을 공급하며, 제2 교류/직류 컨버터는 펄스 폭이 변조된 전류 소스를 형성한다. 몇개의 LED로부터의 광을 혼합하여 색상을 제어하기 위해서, 이와 같은 몇개의 직류/교류 컨버터가 필요하다. 이로 인해, 색상의 가지수에 따라 구조상의 크기가 상당히 커지게 된다. 게다가, 알려진 시스템들은 그 구조적인 복잡성으로 인해 비용 집약적인 것으로 알려져 있다.
본 발명의 목적은 이러한 점을 개선하는 것이다. 상기 목적을 위해 본 발명은, 밝기 및 색상이 제어되며, 부품의 수가 감소되고 구조적인 크기가 작은 파워 LED에 대한 공진 제어 장치(resonant control)를 제공한다. 본 발명에 따르면, 상기 목적은 두 개의 LED 또는 LED들의 두 그룹의 밝기 및 색상을 동시에 그리고 독립적으로 제어하기 위한 단일 공진 컨버터를 포함하는 공진 파워 LED 제어 장치에 의해 달성되며, 컨버터는 제어부, 공진 캐패시터, 및 변압기(transformer)를 포함하는 하프 또는 풀 브릿지 직류/교류 컨버터로부터 실질적으로 형성된다.
본 발명은, 밝기 및 색상이 제어되며, 부품의 수가 감소되고 구조적인 크기가 작은 파워 LED에 대한 공진 제어 장치를 제공한다. 실질적으로 직류/교류 컨버터, 공진 캐패시터, 및 변압기로 구성되는 단일 공진 컨버터를 두 개의 LED 또는 LED들의 두 그룹(두 개 이상의 그룹이 제공될 수 있으며, 각가 독립적으로 제어된다)에 사용하고, 그에 따라 부품의 수가 확실히 감소됨으로써 비용 감소가 유도된다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 다이오드에 의해 방출된 광(light)은 제어부에 대한 입력값이 되며, 그 결과 광 결합(optical coupling)에 의해 입력값을 나타내는 입력 신호가 이루어진다. 그러므로 방출된 광은 직류/교류 컨버터의 입력측(input side)에서 두 개의 기준 신호를 따를 것이며, 따라서 온도 또는 에이징과는 관계가 없게 된다.
그 밖에, 제어되어야 하는 두 개의 LED 또는 LED들의 두 그룹에 관련되는, 변압기의 2차측(secondary side)에서의 전류가 측정 및 피드백될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 몇개의 LED는 각각 직렬 연결된 어레이의 그룹 내에 함께 포함된다. 그 결과, 세부 조명 필요조건에 따라 상당히 다양한 LED 구성이 제어될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, LED의 전압 공급은 변압기의 2차측을 통해 이루어진다. 따라서 변압기는 하나의 권선만을 포함할 수 있으며, 두 개의 LED(또는 LED 그룹)가 역병렬로 연결된다. 그 결과, 두 개의 LED(또는 LED 그룹)에는 연속적으로 전원이 공급되는데, 제1 LED(그룹)에는 변압기의 2차측에서의 전류의 첫번째 (양의) 반파(half wave)에 의해서, 제2 LED(그룹)에는 두번째 (음의) 반파에 의해 전원이 공급된다. 변압기의 1차측에서의 직류/교류 컨버터의 주파수 및 듀티 사이클(duty cycle)의 조정을 통해, 각각의 전류가 독립적으로 제어될 수 있다. 두 개의 LED(또는 직렬 연결된 서로 다른 수의 LED로 구성될 수 있는 LED 그룹)의 순방향 전압(forward voltage)이 크게 다른 경우, 순방향 전압에 맞추어질 수 있는 두개의 권선으로부터 변압기의 2차측이 만들어질 수도 있다. 상기 권선들의 감김 방향은, LED(또는 LED 그룹)에 연결하는 방법과 관련하여 선택되고, LED(그룹)에는 연속적으로 전원이 공급된다. 예컨대 중앙탭(central tap)이 있는 권선의 사용을 통해 상기 기초 설정이 이루어지며, 상기 중앙탭은 두 개의 LED(그룹)의 공통 캐소드(또는 애노드)에 연결되고, 중앙탭의 말단부들은 두 개의 LED(그룹)의 애노드(또는 캐소드)에 연결된다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 중앙탭으로 통하는 공통 브랜치(common branch) 내에 추가적인 LED(또는 LED 그룹)가 배치된다. 상기 브랜치에는 최대 전류가 흐르며, 여기에 배치된 LED(그룹)에는 변압기 출력 전류의 양쪽 반파들 모두에 의해 전원이 공급된다. 이러한 경우에, 공통 브랜치 내에 존재하는 LED(그룹)는 주광원으로 기능하며, 반파에 의해서만 각각 전원이 공급되는 다른 두 개의 LED(그룹)는 부광원으로 기능한다.
본 발명의 추가적인 실시예에서는, 반파에 의해 전원이 공급되는 LED(그룹) 중 하나 대신에 스위칭 다이오드가 제공된다. 이에 따라 주광원 및 부광원이 있는 배열이 이루어진다. 여기서 두 개의 LED(그룹)를 통하는 전류를 서로 독립적으로 조정할 수 있으며, 그 결과 전체 밝기 그리고 색상이 다른 LED(그룹)를 사용함으로써 혼합광의 색상 또는 색온도를 독립적으로 제어할 수 있다.
유리하게는, LED는 역저지 다이오드(reverse blocking diode)에 연결된다. 그에 따라 LED의 역 브레이크다운(reverse breakdown)이 방지된다. 또한, LED의 저지 지연 전류(blocking delay current)가 방지된다.
추가적인 바람직한 실시예에서, LED는 필터 캐패시터에 연결된다. 그에 따라, LED의 제곱 평균(rms)값에 대한 피크(peak)값의 비가 감소될 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 아래의 예시들에 의해 설명될 것이다.
도 1은 파워 LED 제어 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 작동 중에 있는 도 1의 LED 제어 장치(양 LED 모두 전원이 켜짐)의 전류 및 전압 변화를 도시한 도면.
도 3은 도 1의 LED 제어 장치{LED(Da)에 전원이 켜지고, 직류/교류 컨버터의 듀티 계수는 35%임}의 전류 및 전압 변화를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 LED 제어 장치{LED(Db)에 전원이 켜지고, 직류/교류 컨버터의 듀티 계수는 65%임}의 전류 및 전압 변화를 도시한 도면.
도 5는 하나의 권선만이 있는 출력 구성을 도시한 도면.
도 6은 LED의 직렬 배치를 도시한 도면.
도 7은 추가적인 역저지 다이오드(직렬 배치)가 있는 도 5의 구성을 도시한 도면.
도 8은 추가적인 역저지 다이오드(병렬 배치)가 있는 도 5의 구성을 도시한 도면.
도 9는 역저지 다이오드가 있는 도 1에 따른 제어 장치의 중앙탭을 도시한 도면.
도 10은 추가적인 필터 캐패시터가 있는 도 9의 구성을 도시한 도면.
도 11은 주광원 및 부광원이 있는 구성을 도시한 도면.
도 12는 역저지 다이오드가 있는 도 11의 구성을 도시한 도면.
도 13은 제2 부광원이 있는 도 11의 구성을 도시한 도면.
도 14는 역저지 다이오드가 있는 도 13의 구성을 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따른 파워 LED 제어 장치의 구조를 개략적으로 도시한다. 정류기 및 필터(1)는 교류 전압(vac)으로 작동되는 전원 네트워크에 연결된다. 정류기(1)의 출력단자에서의 직류 전압(vdc)은 변압기(3)가 연결된 직류/교류 컨버터(2)에 공급된다. 캐패시터(C)는 직류/교류 컨버터(2) 및 변압기(3) 사이에 직렬로 연결된다. 캐패시터는 변압기가 함께 공진 회로를 형성한다. 변압기(3)가 LED(41, 42)를 여자(excite)시킨다.
직류/교류 컨버터(2)는 하프 브릿지 회로(half bridge circuit)로 배치된 두개의 트랜지스터(22, 23)가 연결된 제어부(21)를 포함한다. 대안적으로, 직류/교류 컨버터는 풀 브릿지 회로(full bridge circuit)로 구성될 수도 있다. 제어부(21)는 그 입력단자에서 LED(41, 42)에 광학적으로 연결된다. 대안적으로, 반파에 관련된 변압기의 2차측에서의 전류가 측정 및 피드백될 수 있다. LED(41, 42)에 의해 방출된 광을 전기 신호로 전환하기 위해, 제어부(21)는 광센서(도시되지 않음)를 포함한다. LED(41, 42)의 캐소드가 변압기(3)의 2차측에서 중앙탭(33)에 직접 연결된다.
한편으로는 연결부(31 및 32) 사이의 각각의 인덕턴스(L2a 및 L2b)를 통해, 그리고 다른 한편으로는 중앙탭(33)을 통해 유도되는 두개의 출력 전압은, LED의 특정 순방향 전압을 조정하고 그에 대한 전류에 의해 각각의 밝기를 제어하기 위해 조정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 인덕턴스(L2a, L2b)는 변압기 (누설) 인덕턴스이다. LED(41)는 제1 색상의 광을 방출하며, LED(42)는 제2 색상의 광을 방출한다. 상기 실시예에서의 바람직한 색상은 백색(제1 반파) 및 호박색 내지 오렌지 색(약 590 내지 600㎚; 다른 반파)이다. 각각 한가지 색상만 있는 LED 그룹 대신에, 다른 색상의 LED가 그룹 내에 제공될 수 있다(예컨대, 한 그룹에 호박색 LED만 있는 대신에, 적색 및 녹색 LED의 혼합이 될 수도 있다).
각각의 출력 전류는 변압기의 1차측에서의 스위칭 비율에 의해 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 광은 출력 신호로서 하프 브릿지 제어부로 되돌려 보내진다. 대안적으로, 반파에 관련된 변압기의 2차측에서의 전류가 측정 및 피드백될 수 있다. 광 결합기(optical coupler)에 의한 네트워크-격리된(network insulated) 컨버터에서 일반적인 바와 같이, 상기 구조는 단순한 피드백 경로를 나타낸다.
작동 원리가 도 2 내지 도 4에서 전류 및 전압의 변화도의 형태로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 직류/교류 컨버터(2)는 공진에 의해 주어진 주파수에서 50%의 대칭적인 작동 주기로 작동한다. LED(41, 42)는 모두 여자(excited)된다. 맨 위에 있는 두개의 곡선은, 도 1에서 각각 변압기의 직류/교류 컨버터 전류 iC 및 자화 전류(magnetization current) iM(도 1에 도시되지 않음)을 나타내며, 이는 정상 상태(stationary state)에서의 두개의 스위칭 주기에 대한 vS(아래의 곡선)에 따른 직류/전류 컨버터 작동의 결과로서 나타난다. 가운데에 있는 두개의 곡선은 LED(41) 및 LED(42)를 각각 통하는 관련 전류의 변화도를 도시한다. 변압기의 출력 전류, 즉 iC 및 iM의 차이가 양(positive)인 경우, 상기 전류는 LED(41)를 통해 흐를 것이며, 이어지는 변압기 출력 전류의 음(negative)의 반파는 LED(42)를 통해 흐를 것이다.
도 3은 변경된 직류/교류 컨버터 작동을 도시한다. 여기에서 직류/교류 컨 버터 전압(Vs)의 변화도는 35%로 감소된 듀티 사이클과 약간 증가한 주파수를 가진다. 그 결과 변압기 출력 전류의 양의 반파, 즉 LED(41)을 통하는 전류는 거의 동일하게 유지되며, LED(42)를 통하여 흐르는 전류는 실질적으로 소멸된다.
도 4에서, 직류/교류 컨버터는 65%의 듀티 사이클로 작동한다. 여기에서 LED(42)를 통하는 전류는 상당히 뚜렷하며, 반면에 LED(41)을 통하는 전류는 실질적으로 소멸된다.
도 5는 하나의 권선(N2)만 있는 변압기의 2차측에서의 출력 구성을 도시한다. LED(41, 42)가 병렬로 연결되어 있다. LED(41) 또는 LED(42) 대신에, 직렬 연결된 다수의 LED가 대안적으로 제공될 수 있다(도 6 참조). LED(41, 42)는 그 순방향 전압에 가깝거나 심지어 그보다 작은 브레이크다운 전압을 가지거나, 무시될 수 없는 저지 지연 동작을 해야 하기 때문에, 역지연 다이오드(51, 52), 바람직하게는 쇼트키다이오드의 사용이 가능하다(도 7 및 도 8 참조). 도 9 및 10은 두개의 권선(N2a, N2b)이 있는 변압기의 2차측에서의 구성을 도시한다. LED의 제곱 평균(rms) 값에 대한 피크(peak)의 비율을 감소시키기 위해서, 필터 캐패시터(61, 62)가 추가적으로 포함될 수 있다(도 10 참조).
도 11은 제1 LED(43)가 변압기 출력 전류의 두 반파 모두에 의해 여자되는 주광원으로서 사용되고, 제2 LED(42)가 음의 반파에 의해서만 여자되는 부광원으로서 사용되는 LED 배치를 가능하게 하는 구성을 도시한다. 바람직하게는, LED 그룹(43)은 호박색/오렌지색이며, LED 그룹(42)은 청색/청록색이다. LED 그룹(42)은 듀티 사이클의 변화를 통해 더 높거나 더 낮은 정도로 여자되며, 그 결과 생성된 혼합광의 색상 또는 색온도가 변하고, 주파수의 변화는 출력 밝기의 변화를 유발한다.
더 넓은 색 스펙트럼 또는 더 넓은 색온도 범위에 대응하기 위해, 추가적인 부광원으로서(도 13 참조) 추가적인 LED(41)가 도 11의 회로에 부가될 수 있다. 그 다음에, 상기 추가적인 LED(41)는, LED(42)에 상보적으로, 양의 반파에 의해서만 여자된다. 상기 실시예에서 바람직한 색상은 LED(그룹)(43)에 대해서는 적색, 그리고 LED(그룹)(41 및 42)에 대해서는 청록색 및 녹색이다. 상기 배치는, 현재 사용가능한 적색 LED가 기술상의 이유로 인해 그 작동 전류 범위(일정한 전류-전압 특성)를 초과하여 특히 높은 순방향 전압 상승이 일어나는 문제를 해결한다. 그러나 여기에서 관련 토폴로지(topology)는 이상적인 경우의 부하-독립적인 출력 전압에 기초하며, 이는 이상적으로 가파른 다이오드 특성에 대응한다. 예컨대, 적색 LED(그룹)가 반파에 의해서만 전원이 공급되는 브랜치에 연결된다면, 최대 부하 변화에 필요한 전압 범위가 달성될 수 없기 때문에, 어떤 환경 하에서는 제어가 제한될 수 있을 것이다. 이는 LED들 중 하나는 절대로 완전 온(fully on) 또는 완전 오프(fully off)되지 않음을 의미한다. 전술한 배치에 있어서 LED 그룹은, 공통 브랜치(common branch) 내에 위치하며, 상기 브랜치의 전압 스윕(voltage sweep)은 듀티 사이클의 비대칭 정도가 아닌 주파수에 의해 설정된다. 청록색 및 녹색 그룹에 있어서 필요한 전압 스윕은 듀티 사이클 변화에 의해 설정될 수 있다.
도 11 및 13의 회로에도 역저지 다이오드(51, 52)(도 12 및 14 참조)가 제공될 수 있다.
참조 번호 목록
1 정류기
2 직류/교류 컨버터
3 변압기
4 LED들
41 LED
42 LED
43 LED
5 역저지 다이오드
6 필터 캐패시터
21 제어부
22 트랜지스터
23 트랜지스터
31 터미널(terminal)
32 터미널
33 중앙탭
51 역저지 다이오드
52 역저지 다이오드
61 필터 캐패시터
62 필터 캐패시터
L2a 인덕턴스
L2b 인덕턴스
Claims (14)
- 공진 파워 LED 제어 장치(resonant power LED control)로서,두 개의 LED(41, 42) 또는 두개의 LED 그룹의 밝기 및 색상을 동시에 그리고 독립적으로 제어하기 위한 단일 공진 컨버터를 포함하며,상기 단일 공진 컨버터는변압기(3)의 1차측에 접속된 공진 캐패시터에 스위칭된 전압(vS)을 제공하는 하프 또는 풀 브릿지(half or full bridge) 직류/교류 컨버터(2), 및상기 스위칭된 전압(vS)의 주파수 및 듀티 사이클(duty cycle)의 조정을 통해 상기 LED 또는 LED 그룹을 통하는 전류를 독립적으로 제어하기 위하여 제공되는 제어부(21)를 포함하고,상기 LED(41, 42) 또는 LED 그룹은 적어도 일부가 연속적으로 전압 공급이 이루어지도록 상기 변압기(3)의 2차측에 접속되고,제1 LED(41) 또는 LED 그룹에는 변압기의 2차측 전류의 첫번째 반파(half wave)(ia)에서 전압 공급이 이루어지고, 제2 LED(42) 또는 LED 그룹에는 상기 변압기의 2차측 전류의 두번째 반파(ib)에서 전압 공급이 이루어지는, 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED(41, 42)에 의해 방출된 광은 제어부(21)에 대한 입력값을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 입력값을 나타내는 입력 신호는 광 결합(optical coupling)에 의해 이루어지며, 이 광 결합을 통해 상기 LED(41, 42)에 의해 방출된 광의 측정된 출력 전류가 상기 제어부(21)로 피드백되는(fed back) 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED(41, 42)를 통하는 전류는 상기 제어부(21)에 대한 입력 값을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED 그룹 중 하나 이상의 LED가 함께 조인(join)하여 각각 직렬 연결된 어레이의 그룹들을 이루는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 변압기(3)는, 상기 LED(41, 42)가 역병렬 연결되는 제2 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 변압기(3)는, 상기 LED(41, 42)가 연속적으로 전류를 공급받기 위해 연결되는 두 개의 제2 권선을 갖는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 변압기(3)는 상기 변압기의 2차측에 중앙탭(33)을 가지며, 이 중앙탭에 상기 LED(41, 42)의 공통 애노드 또는 공통 캐소드가 연결되는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제8항에 있어서, 추가적인 LED(43)가, 부광원으로서 기능하는 상기 LED(41, 42)의 상기 공통 캐소드 또는 공통 애노드와 상기 중앙탭(33)의 사이에 주광원으로서 연결되는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제9항에 있어서, 스위칭 다이오드가 상기 부광원 LED(41, 42) 중 어느 하나 대신 사용되는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED들 중 제1 LED(41) 또는 그룹들의 색상은 백색이며 상기 LED들 중 제2 LED(42) 또는 그룹들의 색상은 호박색/오렌지색인 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 부광원 LED(41)의 색상은 녹색이며, 상기 부광원 LED(42)의 색상은 청색/청록색이고, 상기 주광원 LED(43)의 색상은 적색인 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 부광원 LED(41, 42)의 색상은 청록색/청색이며, 상기 주광원 LED(43)의 색상은 호박색/오렌지색인 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED(41, 42)는 필터 캐패시터(61, 62)에 연결되는 것을 특징으로 하는 공진 파워 LED 제어 장치.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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