KR101453053B1 - 엘이디 소자를 보호하는 엘이디 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법 - Google Patents

엘이디 소자를 보호하는 엘이디 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LED 소자에 열화가 발생되어 LED 어레이들에 전류 편차가 커지면 내부온도 상승 등으로 LED가 쇼트되거나 개방이 되어 LED 전체 조명등에 심각한 상황이 발생되지 않도록 한 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 관한 것으로서, 정전류 발생장치와; 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과; 상기 전류 감지수단으로부터 감지된 전류·전압 신호들을 받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 신호 변환기와; 상기 아날로그-디지털 신호 변환기로부터 입력되는 전류 신호로부터 상기 각각의 LED 어레이가 열화, 개방, 단락된 것인지를 판단하고, 그 판단에 따라 정전류 발생장치의 정전류의 크기를 제어하거나 중지시키도록 명령하는 중앙처리장치와; 상기 중앙처리장치에서 명령하는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭변조 신호로 변환하는 펄스폭 변조기;를 포함하고, 상기 정전류 발생장치는 상기 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭 변조기의 신호에 의해 전류를 발생하던가 전류 발생을 중지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 의하면, LED 소자가 열화되거나 개방된 경우에도 다른 LED 어레이들이 정상적으로 동작하고, 단락된 경우에는 조명을 차단함으로써, 정전류 발생장치를 보호한다.

Description

엘이디 소자를 보호하는 엘이디 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법{Lighting equipment using LED and control method of the same}
본 발명은 다수의 어레이로된 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 LED 소자에 열화가 발생되어 LED 어레이들에 전류 편차가 커지면 내부 온도 상승 등으로 LED가 쇼트되거나 개방이 되어 LED 전체 조명등에 심각한 상황이 발생되지 않도록 한 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)를 이용한 조명 장치는 복수의 LED를 직렬로 접속한 LED 어레이 형태로 복수 개 병렬로 접속되어 구성되어 있다.
복수의 LED를 직렬로 접속한 LED 어레이가 복수 개 병렬로 접속된 상태에서 구동되면, 작동 시간이 늘어남에 따라 LED 어레이의 동작전압(각각의 LED의 순방향 전압(Vf))이 불균일하게 발생되기 때문에, 병렬로 접속된 LED 어레이의 전류가 불균형 상태로 되어버린다.
따라서 각각의 LED 어레이에 정전류회로(定電流回路)를 각각 설치하여 정전류를 흐르게 함으로써 LED 유닛에 흐르는 전류의 불균형으로 인한 문제가 발생되지 않도록 하고 있다.
이러한 LED 조명 장치에서 LED는 소비되는 전력에서 약 15%의 전력은 빛으로 변환되고 약 85%의 전력은 열에너지로 변환되며 이때 적외선을 발생시키지는 않는다.
LED에서 발생되는 빛 에너지에 대한 특성은 그 변동이 매우 심해서 기본적으로 LED의 접합온도 40℃를 정격이라고 기준할 때 White LED는 0℃에서 115%, 20℃에서 110%, 40℃에서 100%, 60℃에서 95%, 80℃에서 90%, 100℃에서 80%, 120℃에서 70%이하의 광량이 발생되며, 사용하는 온도의 상승에 따라 그 수명이 현저하게 저하되는 특성을 갖는다.
LED 내부온도는 주변온도의 상승과 과도한 자체 열발생에 의해 온도가 상승하게 되고, 자체 열발생의 원인은 높은 순방향전류와 열저항에 기인하게 된다.
내부 온도의 상승은 LED 칩과 보호막간의 층간 분리를 유발시키게 되는데 특히 백색 LED의 경우에는 형광체 코팅과 실리콘 보호막 사이 또는 칩과 형광체 코팅사이에서 층간 분리를 발생시키고, 이층간 분리는 광출력을 지속적으로 저하시키게 된다. 그리고 주변의 과도한 온도변화는 실리콘의 수축팽창을 반복하여 LED 패키지 내부의 와이어의 절단현상까지도 발생시키게 된다.
또한 전기적으로 LED 소자에 한계치 이상으로 순방향전류를 흘리거나 순간적인 피크 과도전류가 인가될 때 LED 내부의 칩 또는 와이어가 파손되는 문제가 발생되기도 한다.
이와 같은 LED의 열적·전기적 특성들은 이미 잘 알려져 있는 사실들이다.
LED의 전기적 특성에 대해 좀더 상세히 기술하면 LED는 기본적으로 가해지는 전압에 따라 전류가 흐르는 반도체소자이다.
그러나 LED는 다음과 같은 이유 때문에 정전류로 제어하는 것이 일반적이다.
첫째, LED는 발광소자로서 LED에서 발생되는 광량은 소자에 가해지는 전류에 비례하여 나타난다. 즉, 광량에 가장 밀접한 관계를 갖는 전류를 기준으로 LED를 구동시켜야 광학적 특성을 파악하고 조절하기가 용이하다.
둘째, LED는 전류보다는 전압에 더 민감하게 영향을 받기 때문에 전류를 고정시키는것이 LED의 전기적 특성을 유지시키기가 더 용이하기 때문에 정전류 제어를 일반적으로 하게 된다. 또한, LED의 구동 전압은 인가되는 전류와 온도에 따라 변화가 매우 심하다.
이러한 특성에 유의하여도 LED를 직렬로 접속한 LED 어레이 형태의 조명 장치에 있어서 직렬로 접속한 LED 어레이에서 하나 이상의 LED가 파손된 경우에 전체 LED 어레이가 파손되는 것을 방지하기 위한 엘이디 구동회로에 관한 기술의 일 예가 하기 특허문헌에 개시되어 있다.
즉, 하기 특허문헌에 개시된 LED 구동회로는 도 1에서 보는 바와 같이 DC 전압을 공급하는 전원 제어부와, PWM 신호를 공급하는 PWM 신호 발생부와, 상기 PWM 신호 또는 로우(Low)신호에 따라 스위칭 동작 또는 오프(Off)되는 스위칭부와, 병렬로 연결된 다수의 LED열들을 포함하고, 상기 DC 전압을 공급받고 아울러, 상기 스위칭부가 스위칭 동작 또는 오프됨에 따라 발광 또는 오프되는 디스플레이부와, 상기 PWM 신호를 공급받고 아울러, 상기 다수의 LED열들의 전압을 감지하여 차감시킨 감지전압이 기 설정된 기준 전압의 비교결과에 따라 상기 스위칭부에 상기 PWM 신호 또는 로우(Low)신호를 인가하는 보호 회로부를 포함하고, 상기 보호 회로부는 상기 다수의 LED열들의 전압을 감지하여 차감시킨 감지전압을 인가하는 감지수단과, 기준전압(Vref)을 인가받고 아울러, 상기 감지전압을 인가받아 상기 기준전압과 비교하여 상기 감지전압이 상기 기준전압보다 작은 경우에 하이(High) 신호를 인가하고, 상기 감지전압이 상기 기준전압보다 큰 경우에 로우 신호를 인가하는 비교기와, 상기 PWM 신호를 공급받고 아울러, 상기 하이 신호를 인가받는 경우에 온(On)되어 상기 PWM 신호를 상기 스위칭부에 인가하고, 상기 로우신호를 인가받는 경우에 오프되어 상기 PWM 신호를 차단하여 상기 스위칭부에 로우(Low) 신호를 인가하는 스위칭 수단을 포함한다.
그러나, 하기 특허문헌에 의한 LED 구동회로는 LED 열들에 인가되는 전압을 차단하여 LED의 수명이 전체적으로 단축되는 것을 방지할 수는 있으나, 이러한 LED 구동회로를 LED 조명 장치에 사용하는 경우에는 LED 소자 한 개만 파손되어도 LED 조명 장치는 오프되어 조명 장치로서의 역할을 전혀 할 수 없게 된다.
대한민국 공개특허공보 제2009-0011744호 (2009. 02. 02. 공개)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, LED 소자에 열화가 발생되어 LED 어레이들에 전류 편차가 커지면 내부온도 상승 등으로 LED가 단락되거나 개방되지 않도록 하여 LED 전체 조명등에 심각한 상황이 발생되지 않도록 한 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정의 LED 어레이가 개방된 경우에 다른 LED 어레이에 과도한 전류가 흘러 다른 LED 어레이가 열화되는 것을 방지한 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 특정의 LED 어레이가 단락된 경우에는 조명 장치의 동작을 중지시키는 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치는 다수의 LED 어레이가 병렬로 접속된 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 조명 장치에 전류원으로 제공하는 정전류 발생장치와; 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과; 상기 전류 감지수단으로부터 감지된 전류 신호들과 상기 LED 어레이에 걸리는 전압 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 신호 변환기와; 상기 아날로그-디지털 신호 변환기로부터 입력되는 전류 신호로부터 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류가 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정격전류 내지 정격전류의 95%의 범위인 제 1의 전류 임계치보다 작은 경우에는 열화된 것으로 판단하여 상기 정전류 발생장치에서 발생하는 전류의 크기가 상기 열화된 정도에 따라 감소되도록 명령하고, 제2의 전류 임계치보다 작은 경우에는 개방으로 판단하여 상기 정전류 발생장치에서 발생하는 전류의 크기를 정격 발생전류에 대해 동작되는 LED 어레이의 수(n)분의 1이 감소되도록 명령하며, 제3의 전류 임계치보다 크고 상기 전압 신호가 전압 임계치보다 작은 경우에는 단락으로 판단하여 상기 정전류 발생장치의 전류발생을 중지시키도록 명령하는 중앙처리장치와; 상기 중앙처리장치에서 명령하는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭변조 신호로 변환하는 펄스폭 변조기;를 포함하고, 상기 정전류 발생장치는 상기 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭 변조기의 신호에 의해 전류를 발생하던가 전류 발생을 중지하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 전류 감지수단은 상기 LED 어레이와 직렬로 연결된 저항인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 제 1의 전류 임계치는 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정격전류 내지 정격전류의 95%의 범위이고, 상기 제 2의 임계치는 정격전류의 10 내지 30%의 범위인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 중앙처리장치에서 전류 크기를 감소시키기 위한 명령은 상기 정전류 발생장치가 발생할 전류의 크기에 해당하는 신호의 크기를 연산하여 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭 변조기로 보내는 신호인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 조명장치는 원격지에서 상기 중앙처리장치와 접속된 인터페이스를 통하여 상기 정전류 발생장치(10)에서 발생하는 정전류의 크기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법은 병렬로 접속된 다수의 LED 어레이와, 상기 다수의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 발생장치와, 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과, 상기 전류 감지수단에서 감지한 신호에 따라 상기 정전류 발생장치에서 상기 다수의 LED 어레이로 공급하는 정전류의 크기를 제어하는 중앙처리장치를 포함하는 LED 조명 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 다수의 LED 어레이들 중에서 제 1의 LED 어레이가 열화되었는지 여부를 판단하는 열화여부 판단단계; 상기 제 1의 LED 어레이의 열화여부 판단단계에서 열화되지 않은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이가 개방되었는지 여부를 판단하는 개방여부 판단단계; 상기 제 1의 LED 어레이가 열화되었거나 개방된 것으로 판단된 경우에는 상기 열화 또는 개방됨으로써, 상기 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정격전류보다 감소된 전류의 크기를 계산하는 감소전류 계산단계; 상기 감소전류의 크기에 해당하는 신호를 상기 정전류 발생장치로 출력하는 전류감소 명령단계; 상기 정전류 발생장치는 상기 감소전류 명령에 따라 감소시킨 정전류를 상기 다수의 LED 어레이에 공급하는 제어된 정전류 출력단계;를 포함하고, 상기 열화여부 판단단계는 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류가 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정격전류 내지 정격전류의 95%의 범위인 제 1의 전류 임계치보다 작고, 제 2의 전류임계치 이상이면 상기 제 1의 LED 어레이가 열화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 열화여부 판단은 상기 다수의 LED 어레이들 중에서 제 1의 LED 어레이에 흐르는 전류가 상기 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정격전류 내지 정격전류의 95%의 범위에서 설정된 제 1의 전류임계치보다 작고, 상기 정격전류의 10 내지 30%의 범위에서 설정된 제 2의 전류임계치 이상이면 상기 제 1의 LED 어레이가 열화된 것으로 판단하고, 상기 제 1의 전류임계치보다 작고, 상기 제2의 전류임계치보다 작으면 상기 제 1의 LED 어레이가 개방된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법은 병렬로 접속된 다수의 LED 어레이와, 상기 다수의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 발생장치와, 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과, 상기 전류 감지수단에서 감지한 신호에 따라 상기 정전류 발생장치에서 상기 다수의 LED 어레이로 공급하는 정전류의 크기를 제어하는 중앙처리장치를 포함하는 LED 조명 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 제 1의 LED 어레이가 열화되거나 개방되지 않은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이가 단락되었는지 여부를 판단하는 단락여부 판단단계; 상기 제 1의 LED 어레이의 단락여부 판단단계에서 단락된 것으로 판단된 경우에는 상기 정전류 발생장치로 정전류 발생을 정지시키는 전류발생 정지명령단계; 상기 정전류 발생장치는 상기 전류발생 정지명령에 따라 정전류 발생을 정지하여 조명을 중지하는 조명중지단계;를 포함하고, 상기 단락여부 판단단계는 제 3의 전류 임계치이상인 경우로서 그 LED 어레이에 걸리는 정상동작전압의 범위를 전압 임계치로 설정하고, 상기 전압 임계치보다 작으면 그 LED 어레이는 단락된 LED 소자를 포함하고 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 소자를 보호하는 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 의하면, LED 소자에 열화가 발생되어 LED 어레이들에 전류 편차가 커지면 즉, 각각의 LED어레이들의 전류밸런스가 맞지 않게 되면 내부온도 상승 등으로 LED가 단락되거나 개방되지 않도록 각각의 LED 어레이별 정상전류와의 차이 분을 누적하여 정전류발생장치의 정격전류를 감소시킴으로써, 정상적인 LED어레이는 정상상태를 유지시키고 열화된 LED 어레이는 열화의 진행속도를 늦춰지게 하여 LED 전체 조명등에 심각한 상황이 발생되지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 의하면, 특정의 LED 어레이가 개방된 경우에 다른 LED 어레이에 과도한 전류가 흘러 다른 LED 어레이가 열화되는 것을 방지하는 효과도 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치 및 그 조명 장치의 제어 방법에 의하면, 특정의 LED 어레이가 단락된 경우에는 조명 장치의 동작을 중지시켜 정전류 발생장치의 고장을 방지하고, 문제가 된 어레이 회로내의 단락되지 않은 정상적인 LED 소자들이 과전류에 의해 더 이상 고장이 발생하지 않도록 하는 효과도 얻어진다.
도 1은 종래의 LED 구동회로를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 개념을 나타낸 구동회로 도면,
도 3은 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 구동회로 도면,
도 4는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대한 개념을 나타낸 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대한 부분 흐름도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
우선 본 발명의 개요를 설명한다.
일반적으로 LED를 구동시킬 때 정전류 회로에서 전류를 흘려주도록 구성하는데 다수의 LED 소자를 구동시키기 위해 1:1로 정전류 회로에서 전류를 흘려주면 회로 구현의 비용이 상승되기 때문에 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 일정 개수의 LED 소자를 직렬로 연결한 회로(이하, 본 발명에서는 "LED 어레이"라고 한다)를 병렬로 다수 개 연결한 회로(이하, 본 발명에서는 "LED 모듈"이라고 한다)에 전류를 흘려주도록 구현하는 것이 일반적이다.
LED 소자는 온도변화에 따라 내부 특성이 달라지기 때문에 상술한 바와 같은 LED 모듈에서 병렬회로간에 전류의 밸런스가 깨어지게 된다. 더 구체적으로는 LED 소자마다 특성이 상이하므로 동일한 환경을 갖는 LED 조명에서 열화의 진행과정이 소자마다 상이하게 나타나게 된다.
즉, LED 소자별로 순방향 동작전압의 변동이 일어나면 LED 어레이들의 각각은 순방향동작전압의 차이가 발생되므로 각각의 LED 어레이들의 전류 밸런스가 깨어지게 된다.
이러한 상태가 발생되면 정상적인 다른 LED 어레이들에 정격이상의 전류가 흐르게 되어 LED 내부 온도가 증가되고, 그 회로에 연결된 모든 LED의 광학적 효율이 저하될 뿐만 아니라 LED 소자의 수명이 단축되기까지에 이르게 된다.
따라서, 본 발명의 개념은 이와 같이 비정상적으로 동작하는 LED 모듈에서 LED 어레이들에 정격보다 큰 전류(과전류)가 흐르지 못하도록 정전류 발생장치에서 LED 모듈로 공급하는 전류를 제한하는 것이다.
예를들어 보면, 도 2에서 LED 어레이의 개수(n)가 10개라고 할 때, 총 전류가 3.5A인 정전류 출력 회로에 LED들의 구성이 10개의 어레이 회로가 있고 각각의 LED 어레이는 7개의 LED 소자가 직렬연결 되어있는 경우에 LED 소자가 모두 정상적 일 때는 LED 어레이들의 전류(I1 ~ I10)는 밸런스가 유지되어 각각 0.35A가 흐르게 된다. 여기서 0.35A는 LED 어레이들의 정상전류이다.
그러나, 조명의 사용시간이 증가됨에 LED 소자에 열화가 진행되면 열화된 LED 소자가 포함된 LED 어레이는 순방향 동작전압(Vf)이 증가되어 0.35A 보다 적은 전류가 흐르게 되고, 정전류 발생원의 설정된 전류(3.5A)가 변동하지 않으므로 열화는 지속되면서 열화된 LED 어레이에서 줄어든 전류는 열화되지 않은 다른 LED 어레이들에 전류가 증가되어 흐르게 된다.
이와 같이 LED 어레이에 흐르는 전류가 정격전류보다 커지면 정상적인 LED 어레이들의 내부온도가 증가되어 과도하게 열이 발생되어 광학적 효율이 떨어지고 LED 조명 장치의 수명이 단축되는 결과를 초래하게 되므로 본 발명은 정상적인 LED 어레이들의 정격 전류를 유지하도록 열화된 LED 소자가 포함된 LED 어레이에 흐르는 정상적인 동작전류에 대해 상한 및 하한의 범위를 정하고, 하한의 범위(제 1의 임계치 : 정격전류의 95%)보다 적은 전류가 흐르게 되면 LED 소자가 열화된 것으로 판단한다.
그리고 상기 제 1의 임계치보다 훨씬 적은 전류, 즉 정격전류의 10∼30%(가장 바람직하게는 20%)의 전류를 제 2의 임계치로서 정하고, 제 2의 임계치이하로 흐르게 되면 본 발명에서 그 LED 소자가 포함된 LED 어레이는 개방된 것으로 판단한다. 이와 같이 LED 어레이에 흐르는 전류가 제 1의 전류 임계치보다 적거나 제 2의 전류 임계치보다 적으면 넓은 의미의 열화로 보지만, 본 발명에서는 제 1의 임계치보다 적고, 제 2의 임계치이상의 전류가 흐를 때를 열화로 정의하고, 더욱 열화가 진행되어 LED 어레이에 흐르는 전류가 더욱 감소되어 제 2의 임계치보다 적게 흐를 때를 상기와 같이 개방된 것으로 정의한다.
이와 같이 LED 어레이에 흐르는 전류가 제 1의 임계치보다 적게 흐르는 경우(제 2의 임계치인 경우 포함)에는 정전류 발생장치(컨버터)의 출력 전류를 제한함으로써, 정상적인 LED 어레이들에 흐르는 전류가 정상동작 전류로 흐르도록 하는 것이다.
또한, 어느 특정 LED 어레이에 포함된 LED 소자가 단락된 경우에는 그 LED 어레이에는 정격전류보다 훨씬 큰 전류가 흐르게 되는데 본 발명에서는 정상동작전류의 상한(제 3의 전류 임계치 : 정격전류의 120%)의 범위로 정하고, 제 3의 전류 임계치이상인 경우로서 그 LED 어레이에 걸리는 전압이 정상동작전압(전압 임계치)의 범위를 정하고, 전압 임계치보다 작으면 그 LED 어레이는 단락된 LED 소자를 포함하고 있는 것으로 판단하여 LED 모듈에 전류를 공급하지 않도록 정전류 장치에서의 전류 공급을 정지시키는 것이다.
상술한 정상동작전압의 범위인 전압 임계치의 범위는
LED 어레이에 걸리는 정격전압*(1-1/(직렬로 접속한 LED 소자의 수)) ∼ ( (LED 어레이에 걸리는 정격전압*(1-1/(직렬로 접속한 LED 소자의 수))) + ((직렬로 접속한 LED 소자의 수-1)*Vf*0.08))
의 범위를 갖는다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 개념을 나타낸 구동회로 도면이다.
도 2에 있어서, 도면부호 20은 LED 소자 7개가 직렬로 연결된 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)이 병렬로 연결되어 있는 LED 모듈이고, 도면부호 30은 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)에 저항들(Rs1, Rs2, Rs3, Rs4, …, Rsn)이 각각 직렬로 연결된 전류 감지수단이이며, 도면부호 10은 LED 모듈(20)에 전류를 공급하기 위한 정전류 발생원인 정전류 발생장치이다.
LED 어레이들의 각각에 연결된 저항에는 LED 어레이들에 흐르는 전류에 비례한 전압이 유기되고 이 유기된 전압은 LED 어레이별 전류 감시(45)에서 열화, 개방, 단락의 상태를 판단하여 그 상태에 따라 후술하는 바와 같이 열화나 개방인 경우에는 정상동작 전류에 대한 차이를 1차 연산(55)하고 정전류 발생장치(10)에서 이 연산된 전류값 만큼 작은 정전류를 발생하도록 2차 연산(57)를 통하여 제어신호를 정전류 발생장치(10)에 보내게 되고, LED 모듈(20)의 전압(VLED)과 함께 어레이별 전류·전압 감시(45)에서 단락으로 판단된 경우에는 1차 연산(55)에서 정전류 발생장치(10)가 정전류를 발생하지 않도록 2차 연산(57)을 통하여 제어신호를 정전류 발생장치(10)에 보내게 된다.
2차 연산(57)은 LED 모듈(20)이 설치된 도시되지 않은 방열판의 온도를 방열판 온도감시(85)에서 감지하여 정전류 발생장치(10)가 그 온도에 반비례하여 전류를 발생시키도록 제어신호를 보내게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 구동회로 도면이다.
도 3에는 도 2에서 LED 어레이별 전류 감시(45)와 1차 연산(55)과 2차 연산(57)에 대한 구체적인 기술적 구성을 나타내고 있다.
도 3에 있어서, 도면 부호 40은 전류 감지수단(30)에서 들어오는 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류 크기와 LED 모듈(20)의 전압(VLED) 크기에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(40)이고, 도면 부호 50은 아날로그-디지털 변환기(40)의 디지털 신호를 입력받아 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류와 제 1의 전류 임계치 그리고 제 2의 전류 임계치를 비교하고, LED 어레이들에 걸린 전압과 전압 임계치를 비교하여 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 열화, 개방, 단락인지 여부를 판단하고, 열화와 개방인 경우에는 정전류 발생장치(10)에서 발생되는 정전류를 감소시켜야 하는 전류값을 계산하여 디지털 신호로 출력하는 마이크로프로세서(50)이다.
또한, 도면 부호 60은 정전류 발생장치(10)를 제어하기 위해 마이크로프로세서(50)로부터 출력된 디지털신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기이던가 펄스폭 변조(PWM)하는 펄스폭 변조기이다.
미설명 부호 70은 마이크로프로세서(50)에서 처리하는 이벤트들을 도시되지 않은 원격지로 전송하고, 원격지에서 본 발명에 따른 LED 조명 장치를 제어하기 위해 통신하기 위한 인터페이스이다.
이하에서는 정전류 발생장치(10), 아날로그-디지털 변환기(40), 마이크로프로세서(50), 디지털-아날로그 변환기(60) 또는 펄스폭 변조기(60), 인터페이스(70)에 대하여 상세히 설명한다.
정전류 발생장치(10)의 직류(DC) 입력방식은 시리즈 패스(Series pass)방식과, 스위칭 정전류 방식이 있고, 교류(AC) 입력방식은 컨버터 방식이 있으며, 출력방식은 모두 DC 정전류를 출력하고, 외부의 0∼5V의 제어신호에 의해 출력되는 정전류의 크기를 조절하는 기능을 가진다. 또한, 정전류 발생장치(10)는 PWM 방식에 의해 제어되는 장치를 사용할 수도 있다.
아날로그-디지털 변환기(40)는 각각의 어레이 회로별 전류와 정전류 발생장치(10)의 출력전압, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 방열판 온도 등의 아나로그 값들은 아날로그-디지털 신호 변환기(ADC)의 풀(full) 스케일에 맞춰 일정 크기로 조절하고 순차적으로 변환한다. 각각 디지털로 변환된 포인트들은 정해진 스케일링 값으로 재연산 된다. 참고로 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)에 직렬로 접속된 전류 크기 감지용 저항들(Rs1∼Rsn)은 LED 조명 장치의 조명 효율이 떨어지지 않도록 저항값을 극히 작게 하는 것이 바람직하다.
마이크로프로세서(50)는 전원이 인가되면 정전류 발생장치(10)의 설정상태(출력전압, 출력 정전류등의 정격상태, 최대값, 최소값 의 범위)와, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 수와 어레이별 LED 수(LEDs per string), 그리고 LED 보호 조건에 따른 전류 임계치, 전압 임계치, 온도 임계치 등을 읽어온다.
아날로그-디지털 변환기(40)를 통해 LED 어레이(21, 22, 23, 24, …, 2n)별 전류(I1, I2, I3, I4, …, In)와 정전류 발생장치(10)의 출력 전압(VLED) 그리고 방열판의 온도를 디지털로 입력받는다.
첫째, 어레이 회로별 전류는 전류 발란스가 맞는지 먼저 확인하고 전류발란스가 맞지 않을 경우 정전류 발생장치(10)의 출력전압과 같이 비교하여 문제가 있는 LED 어레이의 LED 열화/단락/개방을 분석하고 입력전류에 따라 전류 임계치와 비교하여 조건별 전류조절값의 결과를 취득한다.
둘째, LED 모듈(20)에 걸리는 전압(VLED)과 방열판 온도를 비교하여 방열판 온도가 일정 온도이상이고 출력전압(VLED)이 일정 전압 이하가 되면 LED의 내부온도가 상승한 것으로 판단하고, 온도 임계치와 비교하여 온도 상승분에 따른 전류제한 값을 연산한다.
두 번째의 결과에 따라 정전류 발생장치(10)의 초기 정격전류(IT1)의 상한은 먼저 변동(IdT)된다. 그리고 첫 번째의 결과에 따라 정격전류를 조건별 처리 결과(IADJ)에 따라 조절한다.
상기 두 결과에 의해 다음과 같은 출력이 얻어진다.
정상시 : IT = IT1
비정상시 : IT = (IT1 - IdT) - IADJ
IT1 = 초기 출력 정격전류, IdT = 온도에 변화에 따른 정격전류 제한값
IADJ = LED열화로 보호를 위한 전류조절값, IT = 재설정된 출력 정격전류
디지털-아날로그 변환기(60)는 정전류 발생장치(10)의 정전류 제어신호를 제어하기 위해 마이크로프로세서(50)에서 일반적으로 8비트의 디지털 신호로 받아 이 디지털 입력신호를 0∼5V의 아날로그 신호로 출력한다.
예를들어, 정전류 발생장치(10)의 정전류를 100%로 출력할 경우 0V, 50%로 출력할 경우 2.5V, 출력하지 않을 경우는 5V의 아날로그 신호를 선형적으로 출력함으로써, 정전류 발생장치(10)의 정전류 출력을 제어 가능하도록 한다.
펄스폭 변조기(60)는 마이크로프로세서(50)로부터 받은 신호를 펄스폭 변조(PWM)에 의한 펄스폭 변동으로 변환하여 일정 주파수 범위 내에서 펄스의 듀티율을 조절하여 출력함으로써, 정전류 발생장치(10)의 출력 정전류의 크기를 제어할 수 있다.
예를들어, 정전류 발생장치(10)의 정전류를 100%로 출력할 경우 0%의 듀티율, 50%로 출력할 경우 50%의 듀티율, 출력하지 않을 경우는 100%의 듀티율을 선형적으로 유지하도록 함으로써, 정전류 발생장치(10)의 출력 정전류의 크기를 제어할 수 있다.
인터페이스(70)는 시리얼 통신포트를 통해 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 각 LED 어레이들의 전류상태(I1∼In), 정전류 발생장치(10)의 총 출력전류(IT), 출력전압(VLED), 방열판 온도 등의 상태를 원격감시가 가능하도록 구성하고, 원격지에서 LED 어레이(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류 제어와 환경 설정값의 변경이 가능하도록 통신 인터페이스를 제공한다.
이하에서는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대한 개념을 나타낸 흐름도이다.
우선, 도 4에 따라 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대한 개념을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 사용자는 도시되지 않은 입력장치를 사용하여 동작조건인 환경설정값을 입력하여 LED 조명 장치를 초기화한다(S100). 동작조건인 환경설정값은 각 LED 어레이들의 직렬 접속된 LED 소자 수, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 수, 제 1의 전류 임계치, 제 2의 전류 임계치, 제 3의 전류 임계치, 전압 임계치와 방열판의 온도 임계치(필요한 경우) 등을 입력하고, 아날로그-디지털 변환기(40)에 입력되는 아날로그 값들을 아날로그-디지털 변환기(40)의 풀(full) 스케일에 맞춰 일정크기로 조절한다.
도 3에서와 같이 정전류 발생장치(10)에서 발생된 정전류(IT)가 LED 모듈(20)에 공급되면 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)에는 전류(I1, I2, I3, I4, …, In)가 흐르게 되고, 이 전류들(I1, I2, I3, I4, …, In)에 의해 전류 감지수단(30)의 저항(RS1, RS2, RS3, RS4, …, RSn)에 걸리는 전압은 아날로그 상태로 아날로그-디지털 변환기(40)에서 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(50)로 입력된다(S200).
마이크로프로세서(50)는 아날로그-디지털 변환기(40)에서 입력된 신호와 마이크로프로세서(50) 내에 저장되어 있는 제 1의 전류 임계치 및 제 2의 전류 임계치와 비교하여 제 1의 전류 임계치와 제 2의 전류 임계치의 범위내인지(열화여부 판단), 제 2의 전류 임계치보다 작은지(개방여부 판단)를 판단(S300)한다.
그리고 그 판단된 결과에 따라 정전류의 크기를 조절할 필요가 있는 경우에는 정전류 발생장치(10)에서 감소시켜 출력할 크기 즉, 정전류 조정값을 연산한다(S500).
이와 같이 연산된 조정값은 통신인터페이스(70)를 통해 원격감시제어반으로부터 제어하여 설정되는 내용에 따라 전류조절이 필요한지를 판단(S600)하여 필요한 경우에는 디지털-아날로그 변환기/펄스폭 변조기(60)로 정전류 제어신호를 출력하고(S700), 필요하지 않은 경우에는 시스템 초기화(S100)의 다음 단계로 진행한다.
디지털-아날로그 변환기/펄스폭 변조기(60)에 입력된 신호는 아날로그 신호 또는 PWM 신호로 변환되어 정전류 발생장치(10)로 입력되어 정전류 발생장치(10)에서 출력되는 정전류(IT)의 출력값을 변경시키고(S800), 시스템 초기화(S100)의 다음 단계로 진행한다.
또한, 전류 밸런스 판단(S300)에서 제 3의 전류 임계치이상으로 판단되고, LED 모듈(20)에 걸리는 전압(VLED)을 측정(S400)하여 전압 임계치보다 작은 경우에는 그 LED 어레이는 단락된 것이므로 정전류 조정값 연산(S500)으로 진행하여 정전류 발생장치(10)에서 정전류를 발생하지 않도록 감소시켜 출력할 크기를 연산(즉, 정전류 발생 정지 명령)하여 S600 단계로 진행한다.
도 5는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 제어 방법에 대한 부분 흐름도이다.
도 5에 따른 본 발명의 부분 흐름도는 도 4에서 점선 블록(BL) 부분을 상세히 설명하기 위한 것으로서, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 열화, 개방, 단락의 여부를 판단하고, 그 판단결과에 따라 정전류 발생장치(10)로 보낼 신호의 크기를 연산하는 과정을 나타내고 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, LED 어레이(21)의 전류값과 제 1의 전류 임계치를 비교(S310)하여 LED 어레이(21)의 전류값이 제 1의 전류 임계치이상이면 S200 단계로 진행하고, 작으면 다음 단계로 진행한다.
LED 어레이(21)의 전류값과 제 2의 전류 임계치를 비교(S320)하여 LED 어레이(21)의 전류값이 제 2의 전류 임계치 이상이면 열화된 것으로 판단하고 열화된 정도에 따른 정전류 조정값을 누적(S510)한다. 여기서 LED 어레이(21)만을 설명하였지만, LED 어레이(21)로부터 LED 어레이(2n)까지 계속 판단하여 열화된 LED 어레이들이 다수 존재하는 경우에는 각각의 열화된 정도에 따른 정전류 조정값을 누적(S510)한다. 여기서 누적된 정전류 조정값(S550), 즉, 정전류 감소분은
Figure 112011029328606-pat00001
이다.
I(x) : LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)에 흐르는 전류(I1, I2, I3, I4, …, In)
마이크로프로세서(50)는 정상적인 LED 어레이들에 정상 전류를 유지하기 위해 정전류 감소분에 해당하는 신호를 디지털-아날로그 변환기/펄스폭 변조기(60)로 출력한다(S550).
단계 320에서 LED 어레이(21)의 전류값이 제 2의 전류 임계치보다 작으면 개방된 것으로 판단하고 정전류 조정값을 누적(S520)한다. 여기서 LED 어레이(21)만을 설명하였지만, LED 어레이(21)로부터 LED 어레이(2n)까지 계속 판단하여 개방된 LED 어레이들이 다수 존재하는 경우에는 각각의 개방된 수에 따른 정전류 조정값을 누적(S510)한다.
여기서 개방회로수 누적에 따른 정전류 조정값(S550), 즉 정전류 감소분은
정전류 감소분 = 정격전류 * (개방 회로수 / 총 어레이 회로 수)
이다.
역시 마이크로프로세서(50)는 정상적인 LED 어레이들에 정상 전류를 유지하기 위해 개방된 LED 어레이로 인한 정전류 감소분에 해당하는 신호를 디지털-아날로그 변환기/펄스폭 변조기(60)로 출력한다(S550).
그리고, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류값과 제 3의 전류 임계치를 비교(S330)하여 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류값이 제 3의 전류 임계치보다 작으면 S200 단계로 진행하고, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)의 전류값이 제 3의 전류 임계치 이상이면 다음 단계로 진행한다.
또한, LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)에 걸리는 전압(VLED)과 전압 임계치를 비교(S410)하여 전압(VLED)이 전압 임계치 이상이면 S400 단계로 진행하고, 작으면 다음단계로 진행한다.
S330 단계와 S410 단계에서 신호가 모두 입력되는 경우에는 LED 어레이들(21, 22, 23, 24, …, 2n)중 측정중인 LED 어레이는 단락된 것으로 판단(S420)하고 단락된 LED 어레이의 정상적인 LED 소자의 보호를 위해 정전류 발생장치(10)에서 정전류 발생을 정지하도록 정지명령 신호[여기서 정지명령 신호는 정전류 발생장치(10)에서 정전류를 발생하지 않도록 감소시켜 출력할 크기를 의미한다]를 발생한다(S530)(S550).
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims (8)

  1. 다수의 LED 소자를 직렬로 연결한 LED 어레이가 다수 개 병렬로 접속된 LED 모듈을 포함하는 LED 조명 장치에 있어서,
    상기 LED 모듈에 정전류를 공급하는 정전류 발생장치와;
    상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과;
    상기 전류 감지수단으로부터 감지된 전류 신호들과 상기 LED 어레이에 걸리는 전압 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 신호 변환기와;
    상기 아날로그-디지털 신호 변환기로부터 입력되는 전류 신호에 의해 상기 LED 어레이들에 흐르는 전류의 밸런스가 유지되는지 여부를 확인하고, 전류 밸런스가 맞지 않을 경우에 상기 LED 어레이들 중에서 제 1의 LED 어레이에 흐르는 전류가 정상전류 내지 정상전류의 95%의 범위인 제 1의 전류 임계치보다 작은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이에 열화된 LED소자를 포함하고 있는 것으로 판단하여 상기 정전류 발생장치에서 발생하는 전류의 크기가 상기 제 1의 전류 임계치의 정도에 따라 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정상전류보다 감소된 전류의 크기만큼 감소되도록 명령하고,
    상기 정상전류의 10 내지 30%의 범위인 제2의 전류 임계치보다 작은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이에 개방된 LED소자를 포함하고 있는 것으로 판단하여 상기 정전류 발생장치에서 발생하는 전류의 크기를 정격 발생전류에 대해 동작되는 LED 어레이의 수(n)분의 1이 감소되도록 명령하며,
    제3의 전류 임계치보다 크고 상기 전압 신호가 전압 임계치보다 작은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이에 단락된 LED 소자를 포함하고 있는 것으로 판단하여 상기 정전류 발생장치의 전류발생을 중지시키도록 명령하는 중앙처리장치와;
    상기 중앙처리장치에서 명령하는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭 변조 신호로 변환하는 펄스폭 변조기;를 포함하고,
    상기 정전류 발생장치는 상기 디지털-아날로그 변환기 또는 펄스폭 변조기의 신호에 의해 전류의 크기가 감소되도록 명령받은 경우에는 그 감소된 전류를 발생하고, 전류발생 중지명령을 받은 경우에는 전류 발생을 중지하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 조명장치는 원격지에서 상기 중앙처리장치와 접속된 인터페이스를 통하여 상기 정전류 발생장치에서 발생하는 전류의 크기 및 초기 설정값을 제어하고, 각각의 LED 어레이들의 전류상태, 정전류 발생장치의 출력전류, 출력전압 및 방열판 온도의 상태를 감시하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  6. 다수의 LED 소자를 직렬로 연결한 LED 어레이가 다수 개 병렬로 접속된 LED 모듈과, 상기 다수의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 발생장치와, 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과, 상기 전류 감지수단에서 감지한 신호에 따라 상기 정전류 발생장치에서 상기 다수의 LED 어레이로 공급하는 정전류의 크기를 제어하는 중앙처리장치를 포함하는 LED 조명 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 LED 어레이들에 흐르는 전류의 밸런스가 유지되는지 여부를 확인하고, 전류 밸런스가 맞지 않을 경우에 상기 다수의 LED 어레이들 중에서 제 1의 LED 어레이가 열화되었는지 여부를 판단하는 열화여부 판단단계;
    상기 제 1의 LED 어레이의 열화여부 판단단계에서 열화되지 않은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이가 개방되었는지 여부를 판단하는 개방여부 판단단계;
    상기 제 1의 LED 어레이가 열화되었거나 개방된 것으로 판단된 경우에는 상기 열화 또는 개방됨으로써, 상기 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정상전류보다 감소된 전류의 크기를 계산하는 감소전류 계산단계;
    상기 감소전류의 크기에 해당하는 신호를 상기 정전류 발생장치로 출력하는 전류감소 명령단계;
    상기 정전류 발생장치는 상기 감소전류 명령에 따라 감소시킨 정전류를 상기 다수의 LED 어레이에 공급하는 정전류 출력단계;를 포함하고,
    상기 열화여부 판단단계는 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류가 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정상전류 내지 정상전류의 95%의 범위인 제 1의 전류 임계치보다 작고, 정상전류의 10 내지 30%의 범위인 제 2의 전류임계치 이상이면 상기 제 1의 LED 어레이에 열화된 LED 소자가 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치의 제어 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 개방여부 판단단계는 상기 제 1의 전류임계치보다 작고, 상기 제2의 전류임계치보다 작으면 상기 제 1의 LED 어레이에 개방된 LED 소자가 포함된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치의 제어 방법.
  8. 다수의 LED 소자를 직렬로 연결한 LED 어레이가 다수 개 병렬로 접속된 LED 모듈과, 상기 다수의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 발생장치와, 상기 각각의 LED 어레이에 흐르는 전류의 크기를 감지하기 위한 전류 감지수단과, 상기 전류 감지수단에서 감지한 신호에 따라 상기 정전류 발생장치에서 상기 다수의 LED 어레이로 공급하는 정전류의 크기를 제어하는 중앙처리장치를 포함하는 LED 조명 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 LED 어레이들에 흐르는 전류의 밸런스가 유지되는지 여부를 확인하고, 전류 밸런스가 맞지 않을 경우에 상기 다수의 LED 어레이 중에서 제 1의 LED 어레이가 열화되거나 개방되지 않은 경우에는 상기 제 1의 LED 어레이에 단락된 LED 소자를 포함하고 있는지 여부를 판단하는 단락여부 판단단계;
    상기 제 1의 LED 어레이의 단락여부 판단단계에서 단락된 LED 소자를 포함하고 있는 것으로 판단된 경우에는 상기 정전류 발생장치로 정전류 발생을 정지시키는 전류발생 정지명령단계;
    상기 정전류 발생장치는 상기 전류발생 정지명령에 따라 정전류 발생을 정지하여 조명을 중지하는 조명중지단계;를 포함하고,
    상기 단락여부 판단단계는 상기 제 1의 LED 어레이에 흐르는 정상전류보다 큰 값을 갖는 제 3의 전류 임계치이상인 경우로서 그 LED 어레이에 걸리는 정상동작전압의 범위를 전압 임계치로 설정하고, 상기 전압 임계치보다 작으면 그 LED 어레이는 단락된 LED 소자를 포함하고 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치의 제어 방법.
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