KR101469796B1

KR101469796B1 - 교류전원 직결형 발광 다이오드 조명기기

Info

Publication number: KR101469796B1
Application number: KR1020130139098A
Authority: KR
Inventors: 조춘경
Original assignee: 주식회사 대원정밀전자
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2014-12-05

Abstract

본 발명은 교류 전원(AC)이 발광다이오드(LED)에 직접 연결된 교류 전원 직결형 LED 조명기기에 관한 것으로서, 특히 교류 전원이 직접 연결됨에 따라서 발생되는 플리커(flicker)의 발생을 저감시키며 LED 조명기기의 디밍(dimming)을 효율적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.

Description

교류전원 직결형 발광 다이오드 조명기기{AC DIRECT CONNECTION TYPE LED LIGHTING DEVICE}

본 발명은 교류 전원(AC)이 발광다이오드(LED) 조명기기에 직접 연결된 교류 전원 직결형 LED 조명기기에 관한 것으로서, 특히 교류 전원이 직접 연결됨에 따라서 발생되는 플리커(flicker)의 발생을 저감시키며 LED 조명기기의 디밍(dimming)을 효율적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.

조명기기로서 사용되는 LED 조명기기의 경우 일정한 전압하에서 공급되는 전류를 변화시킴으로써 조명의 밝기를 조절하거나, 전류의 양을 검출하여 일정한 양의 전류가 LED 조명기기에 공급되도록 함으로써 LED 조명기기의 밝기를 조절한다.

LED 조명기기의 경우 크게 2가지 방식으로 구분될 수 있다. 첫 번째 방식은 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply : SMPS)를 통해 공급 교류 전원을 직류 전원(DC)으로 변환한 후 변환된 DC를 LED 조명기기에 공급하는 DC 전원 이용 방식 및 AC 전원이 직접 LED 조명기기에 연결되도록 하는 AC 직결형 방식으로 구분할 수 있다.

DC 전원 이용 방식의 경우 교류를 직류로 변환하기 위한 스위칭 모드 파워 서플라이가 추가되어야 하는 관계로 조명기기의 무게 및 중량이 늘어나게 되는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 AC 전원에 대한 별도의 DC 변환이 없이 AC 전원을 직접 LED 조명기기에 연결하는 AC 전원 직결형 LED 조명기기에 대한 요구가 증대되고 있다.

그러나 AC 전원의 사용에 의한 플리커(flicker) 발생은 AC 전원의 주기적인 전류 변화에 의한 밝기 변화에 의해 유발되는 것으로서 일정 주파수 이상의 경우 사람이 인지할 수 없으나 플리커 현상이 발생되는 조명기기의 사용자는 장시간 사용시 눈의 피로감을 느낄 수 있다.

또한, 조명기기의 효율적인 사용을 위해 사용 장소 및 목적에 맞게 LED 조명기기의 조도를 조절할 필요가 있다.

이와 관련 공개특허10-2013-0091461에는 플리커 제거를 위해 커패시터에 충전된 전하를 바이패스시키기지 않고 LED 어레이에서 소모되도록 함으로써 스위칭 소자의 돌입 전류를 방지함으로써, 플리커를 제거하는 한편 효율의 저하를 방지하는 플리커 제거 기능의 고효율 직결형 LED 구동 회로가 개시되어 있다.

또한, 등록특허10-1198408에는 전류의 충전 및 방전 동작을 통해서 상기 브릿지 다이오드를 통해 전파정류된 120Hz의 맥류 파형 중에서 주기적으로 발생하는 제로 크로싱 부분의 첨두 전류에 대한 파고치(Depth)를 조절하여 공급함에 의해, 입력 전류의 보상 처리를 진행하여 DC 평균 전류(Average Current)에 근접하는 전류를 출력함으로써 플리커를 감소시키는 방법이 기술되어 있다.

그러나, 상기 발명들에는 유효 듀티비 제어 방법 및 자동으로 유효 제어 듀티비를 찾는 방법에 대한 내용이 기술되어 있지는 않다.

본 발명의 목적은 AC 직결형 LED 조명기기에서 발생되는 플리커를 저감시키고 디밍을 효율적으로 제어하기 유효 듀티비를 자동으로 찾는 방법을 구현하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따르면, 본 발명은 트라이액(TRIAC)을 이용하여 AC 입력 전원의 위상 제어(phase control)를 하며, LED 드라이버에 전력 공급을 제한함으로써 LED 조명기기의 디밍을 제어한다. 이를 위해서는 AC 입력 전원의 위상 제어에서 유효한 듀티비 제어 방법이 필요하며, 이를 위해 실제 부하전류가 흐르는 구간을 PWM 듀티 제어함으로써 디밍을 제어하게 된다.

아울러, 유효한 듀티비 제어 방법을 수행하기 위해서는 유효 제어 듀티비를 자동으로 찾는 방법이 필요하며, 방법은 초기 전원 인가 후, 듀티비 100%에서 제로-크로싱(zero-crossing) 신호를 이용한 위상 상태와 부하 전류를 측정하여 유효 듀티비 구간을 측정함으로써 유효 제어 듀티를 찾게 된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 AC 직결형 LED 조명기기에서 발생되는 플리커를 감소시킴으로써 플리커에 의해 파생되는 문제점이 해소되게 된다.

또한, AC 직결형 LED 조명기기의 디밍을 효과적으로 제어할 수 있어 AC 직결형 LED 조명기기의 광 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 AC 직결형 LED 조명기기의 구동 회로를 도시하는 도면이다.
도 2는 AC 입력 전원과 부하전류의 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 유효한 듀티비 제어를 위해 유효 구간을 찾아내는 방법의 흐름도이다.

도 1은 본 발명의 AC 직결형 LED 조명기기의 구동 회로(100)를 도시하는 도면이다. 구동 회로(100)를 구성하는 구성요소로는 전자파 장해 필터(EMI Filter)(110), 트라이액(TRIAC)(120), LED 드라이버(130), LED 패널(140), 모니터링 장치(150), 게이트 스위칭 장치(160), 그리고 제어기(170)로 구성되어 있다.

상기 구성요소에서 전자파 장해 필터(110)는 입력되는 전원에 포함되어 있는 노이즈(noise)를 제거함으로써 필요성분만이 입력되도록 하는 기능을 한다. 이와 같이 전자파 장해 필터(110)를 통해 입력되는 전원은 모니터링 장치(150)에 의해 제로-크로싱(zero-crossing)과 전류가 모니터링 된다. 이와 같이 모니터링 장치(150)에 의해 모니터된 데이터에 기초하여 제어기(170)는 게이트 신호를 트라이액(120)에 인가하거나 인가하지 않도록 게이트 스위칭 장치(160)를 제어하게 된다. 트라이액(120)은 양방향성 전류 제어가 이루어지는 반도체 제어 부품으로, 규소의 5층 pn 접합으로 구성되며 2개의 주전극과 1개의 게이트(제어 전극)로 구성된다. 기능적인 면에서 트라이액(120)은 게이트 신호가 인가되지 않으면 어느 방향으로도 오프(off)이지만 게이트 신호가 인가되면 주전극의 극성에 관계없이 턴온(turn-on) 된다. 즉, 트라이액은 짧은 온 펄스 신호만으로 온이 되어 온 상태가 유지되며 전류가 0A된 다음에 제로-크로싱에서 자동 오프된다. 따라서, 이러한 트라이액(120)을 이용하여 AC 입력 전원의 위상을 제어하며, LED 드라이버(130)에 인가되는 전력공급을 제한할 수 있다. 즉, LED 드라이버(130)에 공급되는 전력을 제한함으로써 LED 패널(140)의 디밍을 제어할 수 있게 된다.

도 2는 AC 입력 전원과 부하전류의 관계를 도시하는 파형도(200)이다. 파형도(200)에는 AC 입력 전원을 나타내는 전압곡선(210)과 전류곡선(220)이 도시되어 있다. 파형도(200)에 도시되어 있듯이 전압곡선(210)과 전류곡선(220)은 비슷한 파형을 이루고 있다. LED 조명기기의 특성상 LED 조명기기에 전압이 인가된다고 하더라도 일정 기준 전압 이상(예를 들어, 0.6V~0.7V 이상)이 인가되어야만 LED 조명기기가 동작하여 전류가 흐르게 된다. 이와 관련하여 파형도(200)를 살펴보면 전압곡선(210)은 t₀와 t₁ 사이의 제로-크로싱을 지나 상승하기 시작하며 전류곡선(220)은 t₁에서 부하전류가 흐르기 시작한다. 이러한 전압곡선(210)과 전류곡선(220)은 일정 기간 교차됨이 없이 증가하게 되며, 일정시점에서 전압곡선(210)과 전류곡선(220)이 서로 교차하게 된다. 파형도(200)에서 알 수 있듯이 전류곡선(220)은 t₁ 이후 일정 시점에서 거의 수직으로 상승하게 된다. 이후 전압곡선(210)의 최대치에서 트라이액(110)이 온(on)되며 제로-크로싱에서 트라이액(110)이 오프(off)된다. 이러한 파형도(200)를 통해 또한 알 수 있는 것은 실제 부하전류가 흐르는 구간이며, 부하전류가 흐르는 t₁ 과 t₂ 구간이 유효한 듀티비 제어를 위한 유효 구간이 된다. 즉, t₁ 와 t₂ 구간의 듀티비는 100%이다. 유효 구간이 갖는 의미는 유효 구간내 펄스 폭 변조(PWM) 방식에 의해 듀티비를 변화시킴으로써 평균전압을 제어하며, 이 구간 동안 LED 조명기기의 광량을 조절할 수 있다는데 있다. 따라서, 듀티비 제어를 위해 유효 구간을 정확히 찾아내는 것이 중요하다.

도 3은 유효한 듀티비 제어를 위한 유효 구간을 찾아내는 방법의 흐름도(300)이다. 단계(310)에서 AC 전원이 입력된다. AC 전원 입력 후에서 자동으로 듀티비 제어를 위한 유효 구간을 검출하게 되며 듀티 타이밍을 설정하게 된다. 단계(320)의 경우 단계(330) 내지 단계(360)의 과정을 통해 이루어지게 된다. 단계(330)에서 듀티비 100%로 동작한다. 단계(340)에서는 제로-크로싱 지점, 즉 도 2에 도시되어 있는 t₀에서부터 시간을 측정하기 시작한다. 이어 단계(350)에서 부하전류가 흐르기 시작하는 순간(t₁)과 부하전류가 0A가 되는 시간(t₂)을 측정하게 된다. 이어 단계(360)에서 듀티 타이밍을 설정하게 된다. 즉, 도 2에서 듀비티 100%는 t₁이며, 듀티비 0%는 t₂이므로 유효 듀티 구간(D_eff)은 t₂ - t₁이 된다. 이와 같이 계산된 유효 듀티 구간(D_eff)과 t₁(100%)을 이용하여 지령된 조도(D_com %)에 맞춰 트라이액을 제어하는 게이트 신호를 생성하고 트라이액을 온 시킨다. 즉, 제로-크로싱 발생 후, T_on 시간 뒤에 게이트 신호를 출력하며, T_on 시간과 T_off 시간 사이가 유효 파워 구간이 된다.

T_on = t2 + D_eff*(100 - D_com)/100

이러한 과정은 PC 모니터링 시스템 기반하에서 제어된다(370). 이어 더 이상의 조명이 필요없게 되는 경우 전원이 오프되게 된다(380).

이상에서, 본 발명은 본 발명의 실시예 및 첨부도면에 기초하여 설명되었으며, 이러한 실시예 및 첨부도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한된다.

110 : 전자파 장해 필터(EMI Filter)
120 : 트라이액(TRIAC)
130 : LED 드라이버(130)
140 : LED 패널
150 : 모니터링 장치
160 : 게이트 스위칭 장치
170 : 제어기

Claims

제로-크로싱 지점인 t₀에서부터 시간을 측정하는 단계;
부하전류가 흐르기 시작하는 순간(t₁)을 측정하는 단계;
부하전류의 흐름이 중단되는 순간(t₂)을 측정하는 단계; 그리고
부하전류가 흐르기 시작하는 순간(t₁)과 부하전류의 흐름이 중단되는 순간(t₂)의 유효 듀티 구간(D_eff)을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유효 듀티비 제어 구간 측정 방법.
제1항에 있어서,
유효 듀티 구간(D_eff)은 부하 전류의 흐름이 중단되는 순간(t₂)에서 부하전류가 흐르기 시작하는 순간(t₁)을 뺀 값인 것을 특징으로 하는 유효 듀티비 제어 구간 측정 방법.
제1항에 있어서,
유효 듀티 구간(D_eff)과 t₁을 이용하여 지령된 조도(D_com %)에 맞춰 트라이액을 제어하는 게이트 신호를 생성하고 트라이액을 온(T_on) 시키는 것을 특징으로 하는 유효 듀티비 제어 구간 측정 방법.
제1항에 있어서,
부하전류가 0A가 된 후 제로-크로싱에서 트라이액이 자동 오프(T_off)되는 것을 특징으로 하는 유효 듀티비 제어 구간 측정 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서,
유효 파워 구간은 트라이액 온(T_on)과 트라이액 오프(T_off) 구간인 것을 특징으로 하는 유효 듀티비 제어 구간 측정 방법.