KR101455131B1 - 균등수명 지수형 가변 스위칭 엘이디 장치 및 그를 이용한 엘이디 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 균등수명 가변 스위칭 엘이디 장치 및 그를 이용한 엘이디 조명장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 반파 입력 또는 전원입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 지수 모듈그룹 n-1 개(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1임)와 직렬 연결된 m개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹을 포함하고, 모듈그룹 각각의 양단에 하나의 스위치 소자를 병렬 연결하되, 상기 n은 3 이상의 자연수 값을 갖는 엘이디부; 및 상기 모듈그룹 각각에 대하여 상기 전원입력 주기 동안 온(On) 시에 균등 전하량을 가지도록 상기 복수개의 스위치 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 엘이디 장치 및 엘이디 조명장치를 제공한다.

Description

균등수명 지수형 가변 스위칭 엘이디 장치 및 그를 이용한 엘이디 조명장치{Direct Connection Type LED Apparatus for Even Life by Switching Exponential Variably and LED Lighting Apparatus Using The Same}
본 발명의 실시예는 균등수명 지수형 가변 스위칭 엘이디 장치 및 그를 이용한 엘이디 조명장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 교류전원 또는 직류전원을 이용하여 엘이디 조명을 하기 위하여 복수개의 엘이디모듈을 연결하고 소정의 엘이디모듈에 스위치를 병렬로 연결하여 각각의 엘이디의 스위칭을 제어함으로써 전체 엘이디 조명등의 수명을 극대화하고자 하는 균등수명 지수형 가변 스위칭 엘이디 장치 및 그를 이용한 엘이디 조명장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
LED는 전력 소모가 작고 반영구적으로 긴 수명을 가지며 기존의 형광등에 필적할 정도의 휘도(Brightness)특성을 갖는 등 장점이 많으므로, 현재 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며 차츰 조명 광원으로서 형광등 또는 일반 전등을 대체하는 LED조명등으로 널리 사용되고 있는 추세다.
한편, LED를 이용한 조명은 형광등과 달리 안정기라는 부품이 없이도 일정한 전압 전류에 의해서 바로 동작이 가능하며 형광등과 같은 조도를 발생시키기 위한 필요 전력이 형광등의 절반 수준인 장점이 있다.
종래의 LED를 이용한 조명 중 한가지 방법으로, 교류입력을 정류기에 의해 정류하고 정류된 반파를 직렬로 연결된 다수의 엘이디모듈에 인가한 후 소정의 엘이디모듈 마다 병렬로 연결된 스위치 소자를 제어하여 원하는 출력을 갖는 엘이디 조명을 제공하는 방법을 사용하였다. 하지만, 각 엘이디모듈이 온/오프되는 과정에서 일부 엘이디모듈만 긴 시간동안 온이 됨으로써 해당 엘이디모듈만 조기에 파손되어 단선이 되는 경우가 발생할 수가 있어 이로 인한 전체 엘이디모듈의 수명이 단축되는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 교류전원 또는 직류전원을 이용하여 엘이디 조명을 하기 위하여 복수개의 엘이디모듈을 연결하고 소정의 엘이디모듈에 스위치를 병렬로 연결하여 각각의 엘이디에 균등 전하를 공급하도록 각 스위치의 온/오프를 제어함으로써 전체 엘이디 조명등의 수명을 최대로 만드는데 주된 목적이 있다
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 반파 입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 각각 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 n-2 개의 지수 모듈그룹(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이고, n은 4 이상의 자연수)과 직렬 연결된 기설정된 m 개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹을 포함하고, 각 모듈그룹 양단에 하나의 스위치 소자가 병렬 연결되는 엘이디부; 및 상기 모듈그룹 각각에 대하여 상기 반파입력 주기 동안 온(On) 시에 균등 전하량을 가지도록 상기 복수개의 스위치 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 반파입력의 피크점을 0˚로 가정한 위상(θ)이 [|θ| ≤ π/6]을 만족하는 경우 상기 모듈그룹 중에서 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)이 온(On)이 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반파입력의 피크점을 0˚로 가정한 위상(θ)이 [|θ| ≤ π/6]을 만족하는 경우 상기 제m 모듈그룹이 온(On)이 되도록 상기 제m 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 반파입력의 위상(θ)이 π/31.8인 경우에 상기 제m 모듈그룹의 전압강하와 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)의 전압강하의 합이 상기 반파입력과 같아지도록 m의 크기를 결정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반파입력의 위상(θ)이 [0 ≤ |θ| ≤ π/31.8]인 경우와 [π/6 ≤ |θ| ≤ π/2.79]인 경우에 상기 제n-2 모듈그룹이 온 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.69]인 경우와 [π/2.79 ≤ |θ| ≤ π/2.32]인 경우에 2n-3 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-3 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-3 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.07]인 경우와 [π/2.32 ≤ |θ| ≤ π/2.14]인 경우에 2n-4 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-4 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-4 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/4.94]인 경우와 [π/2.14 ≤ |θ| ≤ π/2.07]인 경우에 2n-5 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-5 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-5 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 엘이디 장치는 상기 엘이디부와 직렬로 전류의 피크값을 제한하는 전류제한 모듈을 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 교류 직결형 엘이디 조명장치에 있어서, 교류 입력을 정류하여 반파 입력을 생성하는 정류부; 및 상기 엘이디 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치를 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 스위칭 엘이디 장치에 있어서, 전원 입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 각각 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 n-2 개의 지수 모듈그룹(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이고, n은 4 이상의 자연수)과 직렬 연결된 기설정된 m 개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹을 포함하고, 각 모듈그룹 양단에 하나의 스위치 소자가 병렬 연결되는 엘이디부; 및 상기 모듈그룹 각각에 대하여 상기 전원입력 주기 동안 온(On) 시에 균등 전하량을 가지도록 상기 복수개의 스위치 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 전원입력의 피크점을 0˚로 한 위상(θ)이 [|θ| ≤ π/6]을 만족하는 경우 상기 모듈그룹 중에서 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)이 온(On)이 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 전원 입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 각각 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 n-2 개의 지수 모듈그룹(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이고, n은 4 이상의 자연수)과 직렬 연결된 기설정된 m 개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹을 포함하고, 각 모듈그룹 양단에 하나의 스위치 소자가 병렬 연결되는 엘이디부할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전원입력의 위상(θ)이 [0 ≤ |θ| ≤ {θ|cosθ = 1/2 + 31/2/4})]을 만족하는 경우 상기 m개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹이 온(On)이 되도록 제m 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있으며, 상기 전원 입력의 위상(θ)이 π/31.8인 경우에 상기 제m 모듈그룹의 전압강하와 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)의 전압강하의 합이 상기 반파입력과 같아지도록 m의 크기를 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전원 입력의 위상(θ)이 [0 ≤ |θ| ≤ π/31.8]인 경우와 [π/6 ≤ |θ| ≤ π/2.79]인 경우에 상기 제n-2 모듈그룹이 온 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하고, 상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.69]인 경우와 [π/2.79 ≤ |θ| ≤ π/2.32]인 경우에 2n-3 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-3 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-3 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하고, 상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.07]인 경우와 [π/2.32 ≤ |θ| ≤ π/2.14]인 경우에 2n-4 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-4 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-4 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하고, 상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/4.94]인 경우와 [π/2.14 ≤ |θ| ≤ π/2.07]인 경우에 2n-5 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-5 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-5 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 교류 또는 직류전원을 이용하여 엘이디 조명을 하기 위하여 복수개의 엘이디를 연결하고 엘이디에 스위치를 병렬로 연결하여 각 스위치의 온/오프를 제어하여 부하로 흐르는 전류를 제어함으로써 모든 엘이디의 평균전류를 동일하게 하여 전체 엘이디조명등의 수명을 최대로 늘려주는 효과가 있다.
그리고, 교류전원의 경우에 엘이디 부하에 정현파에 가까운 출력 파형을 발생함으로써 입력에서의 하모닉스를 줄여주는 효과도 부수적으로 얻을 수 있다. 또한, 엘이디에 필터회로를 부착하는 경우에 소요되는 인덕터나 커패시터의 용량을 줄일 수 있어서 경제적인 면이나 엘이디 조명장치의 사이즈에도 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 전체회로가 엘이디와 스위치 및 디지털제어회로만으로 구성될 수 있어서 일반적으로 큰 부피를 차지하는 일체의 인덕터나 커패시터를 사용하지 않을 수 있고, 만일 사용하더라도 아주 작은 용량의 필터로서 인덕터와 캐패시터만 필요하므로 소형화 및 저가화에 크게 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명장치(100)를 도시한 도면이다.
도 2는 엘이디모듈(121)에 대한 등가회로(a)와 흐르는 전류와 전압에 대한 특성곡선(b)을 도시한 도면이다.
도 3은 제어부(130)가 엘이디부(120)의 전압(Vo)과 전류(Io)를 1/4 주기 동안 각각 정규화(Normalize)하여 나타낸 도면이다.
도 4는 제어부(130)가 제m 모듈그룹(Bm)의 스위치 소자(122)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제어부(130)가 제n-2 모듈그룹(Bn-2)의 스위치 소자(123)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제m 모듈그룹(Bm) 및 제n-2 모듈그룹(Bn-2)에 의한 전위 및 온(On) 스위칭 구간을 도시한 도면이다.
도 7은 제어부(130)가 제n-3 모듈그룹(Bn-3)의 스위치 소자(124)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제어부(130)가 제n-4 모듈그룹(Bn-4)의 스위치 소자(125)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 제어부(130)가 제n-5 모듈그룹(Bn -5)의 스위치 소자를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명장치(1000)를 도시한 도면이다.
도 11은 스위치 소자에 대한 스위칭 주파수가 입력전원 주파수의 16배인 경우에 스위칭하는 경우의 결과 파형을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명장치(100)를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명장치(100)는 엘이디부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 정류부(110) 및 전류제한 모듈(140)을 더 포함할 수 있다.
정류부(110)는 교류 입력을 정류하여 반파 입력을 생성한다. 도 1에서와 같이 정류부(110)의 입력단자에 가정 혹은 사무실 등의 교류입력(Vs)을 직접 연결함으로써 조명을 발생할 수 있다.
엘이디부(120)는 정류부(110)에서 생성된 반파 입력의 인가로 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈(121) 및 복수개의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)로 구성될 수 있다. 복수개의 엘이디모듈(121)은 다수의 모듈그룹(예컨대, B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)을 구성할 수 있는데, 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹 n-1개(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2)와 직렬 연결된 m개의 엘이디모듈(121)로 구성된 모듈그룹 1개(Bm)를 형성하고, 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 각각의 양단에 하나의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 병렬 연결한다. 여기서, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이 되도록 한다. 예컨대, k값은 4, 3, 2, 1을 가지고 각 모듈그룹에 서로 다른 k 값이 할당되도록 한다. 그러면 모듈그룹 n-1개의 모듈그룹은 (B1, B2, B3, B4)으로 이루어지고, k값은 모듈그룹 B4의 경우에 4, 모듈그룹 B3의 경우에 3, 모듈그룹 B2의 경우에 2, 모듈그룹 B1의 경우에 1이 되도록 할 수 있다. 또한, n은 3 이상의 자연수 값을 갖도록 한다.
참고로 다수의 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)을 구성함에 있어서 모듈그룹 사이의 연결은 도 1에 도시된 바와 같은 순서로 직렬 연결되는 것에 한정되지 않을 수 있는데, 모듈그룹이 직렬 연결되는 순서는 다양한 순서로 직렬 연결될 수 있다. 예컨대, 도 1에서는 (Bm, Bn -2, Bn -3 ~ B1, B0)의 순으로 배열된 것을 가정하였으나, 실시예에 따라서는 (B0, Bm, B1 ~ Bn -3, Bn -2)와 같은 배열 등 다양한 배열로 모듈그룹들이 직렬 연결되도록 할 수 있다. 이하의 설명에서는 (Bm, Bn -2, Bn -3 ~ B1, B0)의 순으로 배열된 것을 가정하고 최하단의 모듈그룹(B0)의 엘이디모듈(121) 갯수는 1개인 것으로 가정하여 설명한다.
본 발명의 실시예에서, 도 1과 같이 각각의 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)에는 각각 하나의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 포함하여 구성될 수 있는데, 전술하였듯이 2k 의 지수 k는 0부터 n-2까지 순차적으로 1씩 증가하는 값을 가질 수 있다. 직렬 연결된 하나 이상의 엘이디모듈(121)로 구성된 각 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 마다 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 하나씩 연결함으로써 엘이디부(120)를 제어하기 위한 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)의 개수를 최소화할 수 있다. 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)로는 FET(Field Effect Transistor), BJT(Bipolar-junction Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등 다양한 소자를 사용할 수 있다.
전술하였듯이, 엘이디부(120)는 n 개의 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)으로 구성될 수 있으며, 제m 모듈그룹(Bm)을 제외한 각각의 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2)은 2k 개의 엘이디모듈(121)과 각각 병렬연결된 1개의 스위치(123, 124, 125, 126)를 포함하여 구성된다. 그러나 제m 모듈그룹(Bm)은 m 개의 엘이디모듈(121)과 병렬 연결된 1개의 스위치(122)로 구성된다. 여기서 제m 모듈그룹(Bm)이 2의 거듭제곱형인 2m 개의 엘이디모듈로 구성되지 않고 m 개의 엘이디모듈(121)을 가지는 이유와 m의 크기를 결정하는 방법은 후술한다.
제m 모듈그룹(Bm)을 제외한 나머지 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2)은 각각 2k 개(k = 0, 1, 2, …, n-2)의 엘이디모듈(121)과 1개의 스위치(122, 123, 124, 125)로 구성될 수 있다. 즉, 제n-2 모듈그룹(Bn -2)은 2n-2 개의 엘이디모듈과 거기에 병렬연결된 1개의 스위치(123)로 구성되고, 제n-3 모듈그룹(Bn -3)은 2n-3 개의 엘이디모듈과 거기에 병렬연결된 1개의 스위치(124)로 구성되며, 제n-4 모듈그룹(Bn -4)은 2n-4 개의 엘이디모듈과 거기에 병렬연결된 1개의 스위치로 구성된다. 제n-5 내지 제0 모듈그룹의 구성도 동일한 방식으로 구성되어 제0 모듈그룹(B0)의 경우는 1 개의 엘이디모듈과 병렬연결된 1개의 스위치(126)로 구성된다. 한편, 엘이디부(120)를 구성하는 전체 엘이디모듈(121)의 개수 N은 수학식 1과 같다.
Figure 112013005871807-pat00001
제어부(130)는 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 각각에 전체 구동시간 동안 평균적으로 거의 균등한 전류량과 유사한 크기의 전류가 흐르도록 복수개의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 제어할 수 있다. 엘이디모듈(121)의 수명은 기본적으로 엘이디모듈(121)이 구동되는 시간 동안의 전류의 흐름에 의한 전하량에 절대적인 영향을 받는다. 따라서 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 각각에 구동시간 동안 거의 균등한 전하량만큼 전류가 흐르도록 구현함으로써 실질적으로 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)을 구성하는 각 엘이디모듈(121) 또한 거의 균등한 전하량이 흐르도록 함으로써 전체 엘이디모듈(121)의 수명을 큰 차이없이 거의 균등하게 할 수 있다. 그리하여 일부 모듈그룹의 스위치만 상대적으로 장시간 동안 ON이 되어 해당 모듈그룹의 내의 엘이디모듈(121)의 파손으로 인한 단선으로 전체 엘이디부(120)의 수명이 단축되는 문제를 방지할 수 있다.
제어부(130)는 각 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 각각에 병렬 연결된 복수개의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 2진코드를 이용하여 제어할 수 있다. 즉, 각 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)의 ON/OFF를 2진수 hk(k = 0, 1, 2, …, n-2, m)로 정의하고, 각 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)을 구성하는 엘이디모듈(121)의 ON/OFF를 2진수 gk(k = 0, 1, 2, …, n-2, m)로 정의하면, 엘이디부(120)의 구동시간 내에서 각 동작의 상태를 나타내는 2진코드 y는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013005871807-pat00002
도 2의 (a)는 N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹 및 그에 대한 등가회로(a), 도 2의 (b)는 N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹에 흐르는 전류와 전압에 대한 특성곡선, 도 2의 (c)는 입력전압의 변화에 따른 필요한 N의 크기의 변화를 나타낸 도면이다. 여기서, υS는 N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹에 인가되는 전압을 의미한다.
도 2에 도시한 바와 같이 N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹이 도통모드로 진입한 경우 인가되는 전압(υS)의 크기에 비례하여 전류의 크기가 급격하게 증가하는 구간에서 동작하도록 제어한다. 즉, 도 2 (b)와 같이 인가되는 전압(υS)이 NV1에 이르는 시점부터 전류가 점점 증가하기 시작하면서 일정구간 동안은 인가되는 전압에 비례하여 거의 선형적으로 전류값이 증가하게 된다. 이때, 선형적인 특성은 N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹의 등가저항인 NR1에 의해 결정된다. 즉, N 개의 엘이디모듈(121)로 이루어진 엘이디그룹에 흐르는 전류(io)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013005871807-pat00003
수학식 3에서 IM은 iO의 최대값을 의미한다.
또한, 수학식 3으로부터 수학식 4가 성립한다.
Figure 112013005871807-pat00004
그리고, 수학식 4를 N에 대하여 정리하면 수학식 5가 된다.
Figure 112013005871807-pat00005
도 2의 (b)에서 보듯이, 엘이디그룹에서 전압강하 NV1 이후에는 전류가 아무리 커지더라도 추가적인 전압강하의 크기인 IM*NR1의 크기는 NV1에 비해서 제한적인 크기를 갖는 것으로 볼 수 있다. 따라서 수학식 5에서는 N = 1인 경우를 설명한 것이므로 V1의 크기는 IM*R1의 크기에 비해서 매우 큰 것으로 가정할 수 있다.
따라서, 수학식 5로부터 수학식 6이 성립한다.
Figure 112013005871807-pat00006
수학식 6에서 V1은 고정된 값인 상수이므로 입력전압인 VM*cosθ를 따라가려면 N을 변화시켜야 한다. 따라서, 도 2의 (c)와 같이 입력전압인 VM*cosθ가 인가될 경우 N이 적절하게 선택되도록 각 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)에 병렬연결된 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)가 적절하게 스위칭되어야 한다. 즉, 입력전압의 크기(VM*cosθ)에 따라 N의 크기가 변화되는 경우를 예시한 것이다.
도 3은 제어부(130)가 엘이디부(120)의 전압(Vo)과 전류(Io)를 1/4 주기 동안 각각 정규화(Normalize)하여 나타낸 도면이다. 전압(Vo)과 전류(Io)를 각각 정규화하였으므로 도 3과 같이 전압(Vo)과 전류(Io)를 하나의 그래프로 표현할 수 있다.
제어부(130)는 엘이디부(120)의 각 모듈그룹에 흐르는 전하량을 거의 균등하게 유지함은 물론, 엘이디부(120)의 전류(Io)와 전압(Vo)은 크기가 서로 다를 수 있으나 형상과 주기가 동일한 반파형으로 출력되도록 하기 위해 복수개의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 제어한다. 즉, 제어부(130)가 도 1의 출력전압(Vo)과 그에 비례하는 크기를 갖는 출력전류(Io)를 크기가 1이고 주기가 2π인 코사인(Cosine) 파형으로 정규화하여 1/4 주기의 파형만 도시하면 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 도 3과 같이 출력전압(Vnorm)과 동일한 형태로 정규화된 출력전류(Inorm)를 나타낼 수 있다.
제어부(130)는 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm)이 한 주기 안에서 켜지는 동안 전체 주기의 절반의 전하량이 흐르도록 함으로써 각 모듈그룹에서 흐르는 전하량의 동일 또는 거의 유사(이하에서는 이를 "균등 전하량"이라 정의한다.)하도록 복수개의 스위치 소자(122, 123, 124, 125, 126)를 제어할 수 있다. 여기서, 모듈그룹(B0, B1 ~ Bn -3, Bn -2, Bm) 각각에 소정의 크기를 갖는 한 주기 동안의 구동시간에 흐르는 전하량이 균등 전하량을 가지도록 하는 조건은 수학식 7과 같다.
Figure 112013005871807-pat00007
한 주기 동안의 구동시간에 흐르는 전하량을 정규화하기 위하여 출력전류(Inorm)의 1/4 주기 동안 Qmax = 1 로 가정한다. 이하의 설명에서 별도의 설명이 없는 한, 전하량의 크기의 기준은 출력전류(Inorm)의 1/4 주기 동안의 전하량을 의미한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명장치(1000)를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명장치(1000)는 엘이디부(1020) 및 제어부(1030)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 정류부(1010) 및 전류제한 모듈(1040)(후술하는 제1 실시예의 전류제한모듈(140)의 기능과 유사)을 더 포함할 수 있다.
정류부(1010)는 교류 입력을 정류하여 반파 입력을 생성한다. 도 10에서와 같이 정류부(1010)의 입력단자에 가정 혹은 사무실 등의 교류입력(Vs)을 직접 연결함으로써 조명을 발생할 수 있다.
도 10은 일반적인 2진 LED 제어를 구현하기 위한 엘이디 조명장치(1000)를 예시한 것으로서, 엘이디부(1020)는 정류부(1010)에서 생성된 반파 입력의 인가로 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈(1021) 및 복수개의 스위치 소자(1022, 1023, 1024)로 구성될 수 있다. 복수개의 엘이디모듈(1021)은 다수의 모듈그룹(예컨대, Bn-3, Bn-2, Bn-1)을 구성할 수 있는데, 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹 b 개(여기서 b는 3)로 구성되고, 모듈그룹(Bn -3, Bn -2, Bn -1) 각각의 양단에 각각 하나의 스위치 소자(Sn -1: 1022, Sn -2: 1023, Sn -3: 1024)를 병렬 연결한다. 여기서, 각 모듈그룹에서 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이 되도록 한다. 즉, 3개의 모듈그룹을 갖는 경우 모듈그룹 Bn -3, Bn -2, Bn -1이 각각 2n-3, 2n-2, 2n-1 개(n은 자연수)의 엘이디모듈(1021)을 갖는다.
예를 들어, 스위치 소자(Sn -1: 1022, Sn -2: 1023, Sn -3: 1024)에 대한 스위칭 주파수(fSW)가 입력전원 주파수(fS)의 16배인 경우에(fSW = 16*fS), 도 11 (a)와 같이 반파 입력전압(Vo)에 대한 출력전류(Io)가 발생하도록 도 11 (b)와 같이 스위칭소자를 스위칭한다.
도 11의 (b)에 도시한 바와 같이 가장 높은 차수의 모듈그룹인 Bn -1의 경우에는 제어부(1030)는, 하나의 반파입력에 대하여 피크점의 위상(θ)을 0이라 가정하고 위상이 |θ| ≤ π/4 구간동안은 On이 되도록 하고 π/4 ≤ |θ| ≤ π/2 구간동안은 Off가 되도록 한다.
또한 제어부(1030)는 다음 차수의 모듈그룹 Bn -2에 대해서는 Bn -1가 온(On)이 되는 동안(|θ| ≤ π/4)에 모듈그룹 Bn -2의 온/오프가 한번씩 반복되도록 하되 Bn -1가 온(On)되는 구간에 대하여 반으로 나누어 그 중에서 위상이 0에 가까운 구간동안(|θ| ≤ π/8)은 Bn -2가 On이 되도록 하고 Bn -1 온(On) 구간의 나머지 구간(π/8 ≤ |θ| ≤ π/4)에서는 Off가 되도록 제어한다. 또한 모듈그룹 Bn -2에 대해서 Bn -1가 오프(Off)되는 동안(π/4 ≤ |θ| ≤ π/2)에도 모듈그룹 Bn -2의 온/오프가 한번씩 반복되도록 하되 Bn -1가 오프(Off)되는 구간을 반으로 나누어 그 중에서 위상이 0에 가까운 구간동안(π/4 ≤ |θ| ≤ 3π/8)은 Bn -2가 On이 되도록 하고 Bn -1 Off 구간의 나머지 구간(3π/8 ≤ |θ| ≤ π/2)에서는 Off가 되도록 제어한다.
제어부(1030)는 다음 차수의 모듈그룹 Bn -2의 경우와 유사하게 그 다음 차수의 모듈그룹 Bn -3에 대해서는 Bn -2가 온(On)이 되는 동안에 모듈그룹 Bn -3의 온/오프가 한번씩 반복되도록 하되 Bn -2가 온(On)되는 구간에 대하여 반으로 나누어 그 중에서 위상이 0에 가까운 구간동안은 Bn -3가 On이 되도록 하고 Bn -2 온(On) 구간의 나머지 구간에서는 Off가 되도록 제어한다. 또한 모듈그룹 Bn -3에 대해서 Bn -2가 오프(Off)되는 동안에도 모듈그룹 Bn -3의 온/오프가 한번씩 반복되도록 하되 Bn -2가 오프(Off)되는 구간을 반으로 나누어 그 중에서 위상이 0에 가까운 구간동안은 Bn -3가 On이 되도록 하고 Bn -2 Off 구간의 나머지 구간에서는 Off가 되도록 제어한다.
즉, 도 1과 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명장치(100)로 구현할 수도 있으나 도 10과 같이 모든 모듈그룹이 2의 거듭제곱형태의 개수가 되도록 하는 경우는 제어가 단순해지는 장점이 있으나 정확한 균등전하량 조건을 만족하도록 제어하기가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 해결하기 위해서 이하의 설명에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명장치(100)의 제어에 대한 설명을 다룬다.
도 4는 제어부(130)가 제m 모듈그룹(Bm)의 스위치 소자(122)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 아래 부분에는 제m 모듈그룹(Bm)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
도 4를 참조하여 제어부(130)가 2k(k = 0, 1, ..., n-2)과 같은 지수형 개수가 아닌 m 개의 엘이디모듈(121)을 갖는 제m 모듈그룹(Bm)의 스위치 소자(123)를 제어하는 방법을 설명하면, 제어부(130)는 먼저, 도 4와 같은 1/4주기에서 전하량이 절반이 흐르는 위상(θ1)을 계산한다. 즉, 도 4와 같이 정규화된 출력전압 그래프(즉, 입력전압의 피크값을 1이라 가정)에서, 제어부(130)는 위상 (θ1≤|θ|≤π/2)에서 흐르는 전류(inorm)에 의한 전하량과 위상 (0°≤|θ|≤θ1)에서 흐르는 전류에 의한 전하량이 같아지는 위상(θ1)을 계산하고, 위상 (0°≤|θ|≤θ1)에서는 제m 모듈그룹(Bm)이 온(On)이 되고 위상 (θ1≤|θ|≤π/2)에서는 제m 모듈그룹(Bm)이 오프(Off)가 되도록 스위치 소자(122)를 제어한다.
따라서, 이 경우 출력전압이 V1 이하(θ1≤|θ|≤π/2)에서는 제m 모듈그룹(Bm)의 엘이디모듈이 꺼지고, 출력전압이 V1 이상(0°≤|θ|≤θ1)에서는 제m 모듈그룹(Bm)의 엘이디모듈은 켜지도록 스위치 소자(122)를 제어한다.
여기서, 위상(θ1)을 구하는 식은 수학식 8과 같다.
Figure 112013005871807-pat00008
위와 같이 균등 전하량 조건을 만족하는 θ1을 구한 후, θ1 위상에 대응하는 정규화된 전압인 vnorm, 즉 V1을 구하면 수학식 9와 같다.
Figure 112013005871807-pat00009
제어부(130)는 도 4의 빗금친 영역에 해당하는 구간(위상(0)의 시각부터 위상(θ1)에 해당하는 시각) 동안 제m 모듈그룹(Bm)이 ON 하도록 스위치 소자(122)를 제어하고 위상 θ1≤|θ|≤π/2 에서는 제m 모듈그룹(Bm)이 OFF가 되도록 스위치 소자(122)를 제어한다.
수학식 8로부터 제m 모듈그룹(Bm)의 온/오프 타이밍 기준점은 계산하였으나 아직 m의 값이 얼마인지는 나타내지 않았다. 하지만 후술하는 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 대한 온/오프 타이밍을 계산하는 방법에 대한 설명에 이어서 m의 값을 구하도록 한다.
도 5는 제어부(130)가 제n-2 모듈그룹(Bn -2)의 스위치 소자(123)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 아래 부분에는 제n-2 모듈그룹(Bn -2)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
도 5를 참조하여 제어부(130)가 제n-2 모듈그룹(Bn -2)의 스위치 소자(123)를 제어하는 방법을 설명하면, 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 대한 전압강하 값은 위상(θ1)에 해당하는 입력전압 값의 1/2이 되도록 한다. 따라서, 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 대한 전압강하 크기가 V1/2 가 되도록 하여 제n-2 모듈그룹(Bn -2) 양단의 전압은 위상(θ1)에 해당하는 엘이디부(120)의 전압의 반(V2 = V1/2 = 0.433)이 되도록 하여 이에 해당하는 위상(θ2)을 설정한다. 여기서 (cosθ2 = 0.433)를 만족하는 θ2를 구하면 θ2는 π/2.79 가 된다. 제어부(130)는 위상 θ1≤|θ|≤θ2 에서 제n-2 모듈그룹(Bn -2)이 온(On) 되도록 스위치 소자(123)의 스위칭 타이밍을 제어한다. 하지만, 위상 θ1≤|θ|≤θ2 구간에서 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 흐르는 전하량을 구하면 수학식 10과 같이 되어 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 대한 전하량이 제n-2 모듈그룹(Bn-2)의 온(On) 기간 동안 균등 전하(즉, 약 0.5를 의미)가 되지 않는다.
Figure 112013005871807-pat00010
따라서, 위상 θ1≤|θ|≤θ2 이외의 다른 구간에서도 제n-2 모듈그룹(Bn -2)이 ON 이 되는 구간이 존재해야 함을 의미한다. 위상 0°≤|θ|≤θ1 에서 제m 모듈그룹(Bm)이 켜지기는 하지만 제n-2 모듈그룹(Bn -2)도 이 구간(0°≤|θ|≤θ1) 내에서 켜지는 구간이 존재해야 한다. 이 경우, 제n-2 모듈그룹(Bn -2)이 추가적으로 켜지는 구간(0°≤|θ|≤θ3 )에 대한 위상(θ3)을 수학식 10의 결과를 이용하여 수학식 11에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112013005871807-pat00011
결국, 제어부(130)는 도 5의 왼쪽의 빗금 영역과 같이 위상(0)에 해당하는 시각부터 위상(θ3)에 해당하는 시각까지 제n-2 모듈그룹(Bn -2)을 추가적으로 ON 되도록 스위치 소자(123)를 제어한다. 하지만, 이 경우에 위상 θ3에서 제n-2 모듈그룹(Bn -2) 및 제m 모듈그룹(Bm)의 전압강하의 합이 위상 θ3인 경우의 입력전압 값과 같도록 m 값을 설정한다.
수학식 12에 θ3의 값을 구하는 식을 나열하였다.
Figure 112013005871807-pat00012
도 5의 왼쪽 빗금 부분(위상이 (0°≤|θ|≤θ1)인 구간)에서 제n-2 모듈그룹(Bn -2)을 추가적으로 온이 되도록 하고 θ3에서 제m 모듈그룹(Bm)과 제n-2 모듈그룹(Bn-2)에서 발생하는 전압강하가 입력전압의 크기와 같도록 m 값을 설정한다.
따라서, 위상(θ3)에서의 cos값은 수학식 13에 의해 결정된다.
Figure 112013005871807-pat00013
따라서, m의 값은 수학식 14와 같이 결정된다.
Figure 112013005871807-pat00014
여기서, VLED 는 엘이디모듈 하나가 도통하기 시작하여 온이 되기 시작하는 순간의 전압강하를 의미하며, 그 크기는 엘이디모듈의 종류에 따라 달라질 수 있다.
도 6은 제m 모듈그룹(Bm) 및 제n-2 모듈그룹(Bn -2)에 의한 전위 및 온(On) 스위칭 구간을 도시한 도면이다. 도 6의 아래 부분에는 제m 모듈그룹(Bm)과 제n-2 모듈그룹(Bn-2)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
도 6에서 빗금친 부분은 해당 위상 구간동안 온 되는 것을 의미하며 빗금의 높이는 해당 모듈그룹에서 발생하는 전압강하를 의미한다.
제어부(130)는 도 6의 입력전압 곡선 아랫부분에서 빗금이 없는 부분에 나머지 모듈그룹의 온(On) 구간이 할당되도록 스위칭소자들을 제어한다.
도 7은 제어부(130)가 제n-3 모듈그룹(Bn -3)의 스위치 소자(124)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 아래 부분에는 제m 모듈그룹(Bm), 제n-2 모듈그룹(Bn -2) 및 제n-3 모듈그룹(Bn -3)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
제n-3 모듈그룹(Bn-3)의 전압강하량은 V1/4이므로 [cosθ4 = V1/4 = 0.2165] 가 된다. 따라서, θ4 는 π/2.32가 된다. 균등전하량 조건에 의하여 수학식 15가 성립한다.
Figure 112013005871807-pat00015
따라서 수학식 15에 의해 [sinθ4 - sinθ2 + sinθ5 - sinθ3 = 1/2]이 되므로 θ2 = π/2.79, θ3 = π/31.8, θ4 = π/2.32 를 이용하면 sinθ5 = 0.5246이 되고, 따라서 θ5 = 31.6°(= π/5.69)가 된다.
도 8은 제어부(130)가 제n-4 모듈그룹(Bn-4)의 스위치 소자(125)를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 8의 아래 부분에는 제m 모듈그룹(Bm), 제n-2 모듈그룹(Bn -2), 제n-3 모듈그룹(Bn -3) 및 제n-4 모듈그룹(Bn -4)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
제n-4 모듈그룹(Bn-4)의 전압강하량은 V1/8이므로 [cosθ6 = V1/8 = 0.1082] 가 된다. 따라서, θ6 는 π/2.14가 된다. 균등전하량 조건에 의하여 수학식 15에서와 유사하게 [sinθ6 - sinθ4 + sinθ7 - sinθ3 = 1/2]이 되므로 θ6 = π/2.14, θ3 = π/31.8, θ4 = π/2.32를 이용하면 sinθ7 = 0.5806이 되고, 따라서 θ7 = 35.49°(= π/5.07)가 된다.
도 9는 제어부(130)가 제n-5 모듈그룹(Bn -5)의 스위치 소자를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 9의 아래 부분에는 제m 모듈그룹(Bm), 제n-2 모듈그룹(Bn -2), 제n-3 모듈그룹(Bn -3), 제n-4 모듈그룹(Bn -4) 및 제n-5 모듈그룹(Bn -5)이 온/온프 되는 타이밍을 구형파 그래프로 나타내었다.
제n-5 모듈그룹(Bn-5)의 전압강하량은 V1/16이므로 [cosθ8 = V1/8 = 0.0541] 가 된다. 따라서, θ8 는 π/2.07가 된다. 균등전하량 조건에 의하여 수학식 15에서와 유사하게 [sinθ8 - sinθ6 + sinθ9 - sinθ3 = 1/2]이 되므로 θ8 = π/2.07, θ6 = π/2.14, θ3 = π/31.8을 이용하면 sinθ9 = 0.594이 되고, 따라서 θ9 = 36.44°(= π/4.94)가 된다.
이와 같이 제n-2, 제n-3, 제n-4 및 제n-5 모듈그룹의 스위칭 방식과 유사하게 제 n-5 모듈그룹(Bn -5) 아랫단의 스위칭 타이밍도 결정될 수 있다. 즉, 제어부(130)는 이전 단의 모듈그룹이 오프된 타이밍에서부터 해당 모듈그룹의 전압강하가 반파입력신호의 크기와 같아지는 위상까지 기간동안(제1 기간) 해당 모듈그룹을 온 하고, 또한 해당 모듈그룹의 균등전하 조건을 충족하도록 해당 모듈그룹에 대한 오프시점 위상을 설정하여 위상이 π/31.8 에서 해당 모듈그룹을 온 하고 설정된 오프시점 위상에서 해당 모듈그룹을 오프 시키고, 또한 제1 기간동안 해당 모듈그룹을 온을 시켜서 전체 온 시간 동안 균등전하 조건을 만족하도록 제어한다.
한편, 본 실시예에서 다양한 원인에 의해 흐르는 전류의 피크값이 달라질 수 있다.
예컨대, 반파입력의 전압의 피크값(Vsmax)이 가변될 경우, 흐르는 전류의 크기는 (Vsmax - n*VLED)/(n*Ro)가 되므로 피크값(Vsmax)이 어느 정도 이상 커지는 경우 과전압으로 인하여 엘이디 장치(100)가 위험할 수 있다.
또한, 입력전압에 고조파 전압이 포함되어 있는 경우 그 전류특성이 달라질 수도 있으며, 엘이디 장치(100)가 제어되는 동안에 전류리플이 발생할 수도 있다.
따라서, 이러한 전류특성을 고려하여 엘이디 장치(100)는 입력되는 반파입력의 전압 크기가 커지는 경우에 발생하는 피크전류를 제한하기 위하여 전류제한 모듈(140)을 더 포함할 수 있다.
전류제한 모듈(140)은 전류의 피크값을 제한하는 것으로서 전류가 어느 정도 이상 흐르지 않도록 제한함으로써 엘이디모듈(121)을 보호한다.
이상의 설명은 본 발명 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명 실시예들은 본 발명 실시예의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명 실시예의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명 실시예의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 교류전원을 이용하여 엘이디 조명을 하기 위하여 복수개의 엘이디모듈을 연결하고 소정의 엘이디모듈에 스위치를 병렬로 연결하여 각각의 엘이디에 균등 전하를 공급하도록 각 스위치의 온/오프를 제어함으로써 모든 엘이디의 평균전류를 동일하게 하여 전체 엘이디조명등의 수명을 최대로 늘려주는 효과가 있는 유용한 발명이다.

Claims (16)

  1. 스위칭 엘이디 장치에 있어서,
    반파 입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 각각 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 n-2 개의 지수 모듈그룹(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이고, n은 4 이상의 자연수)과 직렬 연결된 기설정된 m 개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹을 포함하고, 각 모듈그룹 양단에 하나의 스위치 소자가 병렬 연결되는 엘이디부; 및
    상기 모듈그룹 각각에 대하여 상기 반파입력 주기 동안 온(On) 시에 균등 전하량을 가지도록 상기 복수개의 스위치 소자를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 반파입력의 피크점을 0˚로 가정한 위상(θ)이 [|θ| ≤ π/6]을 만족하는 경우 상기 제m 모듈그룹이 온(On)이 되도록 상기 제m 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반파입력의 위상(θ)이 π/31.8인 경우에 상기 제m 모듈그룹의 전압강하와 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)의 전압강하의 합이 상기 반파입력과 같아지도록 m의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 반파입력의 위상(θ)이 [0 ≤ |θ| ≤ π/31.8]인 경우와 [π/6 ≤ |θ| ≤ π/2.79]인 경우에 상기 제n-2 모듈그룹이 온 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.69]인 경우와 [π/2.79 ≤ |θ| ≤ π/2.32]인 경우에 2n-3 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-3 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-3 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.07]인 경우와 [π/2.32 ≤ |θ| ≤ π/2.14]인 경우에 2n-4 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-4 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-4 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 반파입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/4.94]인 경우와 [π/2.14 ≤ |θ| ≤ π/2.07]인 경우에 2n-5 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-5 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-5 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  8. 엘이디 조명장치에 있어서,
    교류 입력을 정류하여 반파 입력을 생성하는 정류부; 및
    제1항의 엘이디 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  9. 스위칭 엘이디 장치에 있어서,
    전원 입력이 인가되어 조명을 발생하는 직렬 연결된 복수개의 엘이디모듈 및 복수개의 스위치 소자를 구비하되, 상기 복수개의 엘이디모듈은 각각 직렬 연결된 2k 개의 엘이디모듈로 구성된 n-2 개의 지수 모듈그룹(단, 각 지수 모듈그룹은 서로 다른 k 값을 가지되 인접한 지수 모듈그룹과의 k값의 차이는 1이고, n은 4 이상의 자연수)과 직렬 연결된 기설정된 m 개의 엘이디모듈로 구성된 제m 모듈그룹을 포함하고, 각 모듈그룹 양단에 하나의 스위치 소자가 병렬 연결되는 엘이디부; 및
    상기 모듈그룹 각각에 대하여 상기 전원입력 주기 동안 온(On) 시에 균등 전하량을 가지도록 상기 복수개의 스위치 소자를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 피크점을 0˚로 가정한 위상(θ)이 [|θ| ≤ π/6]을 만족하는 경우 상기 제m 모듈그룹이 온(On)이 되도록 상기 제m 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 위상(θ)이 π/31.8인 경우에 상기 제m 모듈그룹의 전압강하와 2n-2 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-2 모듈그룹)의 전압강하의 합이 상기 전원 입력의 위상(θ)이 [0 ≤ θ ≤ π]인 동안의 입력인 반파입력과 같아지도록 m의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 위상(θ)이 [0 ≤ |θ| ≤ π/31.8]인 경우와 [π/6 ≤ |θ| ≤ π/2.79]인 경우에 상기 제n-2 모듈그룹이 온 되도록 상기 제n-2 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.69]인 경우와 [π/2.79 ≤ |θ| ≤ π/2.32]인 경우에 2n-3 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-3 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-3 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/5.07]인 경우와 [π/2.32 ≤ |θ| ≤ π/2.14]인 경우에 2n-4 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-4 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-4 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 입력의 위상(θ)이 [π/31.8 ≤ |θ| ≤ π/4.94]인 경우와 [π/2.14 ≤ |θ| ≤ π/2.07]인 경우에 2n-5 개의 엘이디모듈로 구성된 모듈그룹(제n-5 모듈그룹)이 온 되도록 상기 제n-5 모듈그룹에 병렬 연결된 스위치 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
  16. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 엘이디 장치는 상기 엘이디부와 직렬로 전류의 피크값을 제한하는 전류제한 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100995793B1 (ko) * 2010-08-20 2010-11-22 김남규 발광 다이오드 어레이 구동회로
KR20110090201A (ko) * 2010-02-03 2011-08-10 (주)로그인디지탈 발광 다이오드 조명 구동 장치

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