KR101524013B1 - 저항성 부하를 시뮬레이션하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

저항성 부하들을 시뮬레이션하고, 동작 전력을 인출하기 위하여 다수의 부하의 직렬, 병렬 및/또는 직렬-병렬 접속들을 용이하게 하기 위한 방법들 및 장치들이 제공된다. 부하들의 전류 대 전압 특성들은 전원으로부터 전력을 인출하는 다수의 부하의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 변경된다. 예시적인 부하들은 LED 기반 광원들 및 LED 기반 조명 유닛들을 포함한다. 변경된 전류 대 전압 특성들은 부하가 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 전원에 대해 실질적으로 선형이거나 저항성인 소자로 보이게 할 수 있다. 그러한 다수의 부하의 접속들에서, 각각의 부하 양단의 전압은 비교적 더 예측 가능하다. 일례에서, 변경된 전류 대 전압 특성을 갖는 다수의 부하의 직렬 접속은 변압기를 필요하지 않고 라인 전압으로부터 동작될 수 있다.
저항성 소자, 직렬 접속, IV 특성, 부하, LED

Description

저항성 부하를 시뮬레이션하기 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR SIMULATING RESISTIVE LOADS}
발광 다이오드(LED)들은 지시를 위한 목적으로 저전력 계기 및 기구 응용들에 전통적으로 사용되는 반도체 기반 광원이며, 이들의 제조에 사용되는 재료들의 타입에 따라 다양한 칼라(예컨대, 적색, 녹색, 황색, 청색, 백색)로 이용될 수 있다. 이러한 LED들의 칼라 다양성은 최근에는 새로운 공간 조명 및 직접 뷰 응용들을 위해 충분한 광 출력을 갖는 새로운 LED 기반 광원들을 생성하는 데 이용되어 왔다. 예를 들어, 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된 미국 특허 제6,016,038호에 설명되어 있는 바와 같이, 다수의 다른 칼라의 LED들이 하나 이상의 내부 마이크로프로세서를 갖는 조명 설비 내에 결합될 수 있으며, 각각의 다른 칼라의 LED들의 강도는 다수의 상이한 색조를 생성하기 위해 독립적으로 제어되고 변경될 수 있다. 그러한 장치의 일례에서는, 단일 조명 설비로부터 말 그대로 수백 개의 상이한 색조를 생성하기 위해 적색, 녹색 및 청색 LED들이 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 적색, 녹색 및 청색 LED들의 상대적 강도들을 컴퓨터로 제어하여, 가변 강도 및 채도를 갖는 임의의 칼라 및 임의의 칼라들의 시퀀스를 생성하여 광범위한 시선 유도 조명 효과들을 가능하게 할 수 있는 프로그램 가능 멀티 채널 광원을 제공할 수 있다. 그러한 LED 기반 광원들은 최근에는 가변 칼라 조명 효과들을 필요로 하 는 다양한 설비 타입 및 다양한 조명 응용에 사용되어 왔다.
이러한 조명 시스템들 및 이들이 생성하는 효과들은 네트워크를 통해 제어되고 조정될 수 있으며, 이러한 네트워크에서는 정보의 패킷들을 포함하는 데이터 스트림이 조명 디바이스들로 전송된다. 조명 디바이스들의 각각은 시스템을 통해 전달된 정보 패킷들 모두를 등록할 수 있지만, 특정 디바이스로 어드레스되는 패킷들에 대해서만 응답할 수 있다. 적절히 어드레스된 정보 패킷이 도달하면, 조명 디바이스는 명령들을 판독하고 실행할 수 있다. 이러한 배열은 각각의 조명 디바이스가 어드레스를 갖고, 이러한 어드레스들이 네트워크 상의 나머지 조명 디바이스들에 관하여 고유해야 할 것을 요구한다. 통상적으로, 어드레스들은 설치 동안 조명 디바이스들 각각 상의 스위치들을 설정함으로써 설정된다. 스위치 설정은 시간 소모적이고 에러가 발생하기 쉽다.
영화관, 카지노, 테마 파크, 상점 및 쇼핑 몰과 같은 오락, 소매 및 건축 장소들 용의 조명 시스템들은 복잡한 조명 설비들의 조화, 따라서 광들을 조종하기 위한 제어 시스템들을 필요로 한다. 종래의 네트워크화된 조명 디바이스들은 다이얼, 딥 스위치 또는 버튼과 같은 일련의 물리 스위치들을 통해 설정되는 그들의 어드레스들을 갖는다. 이러한 디바이스들은 개별적으로 특정 어드레스들로 설정되어야 하며, 이러한 프로세스는 성가실 수 있다. 실제로, 조명 설계자들의 가장 성가신 작업들 중 하나인 시스템 구성은 모든 광들이 설치된 후에 이어진다. 통상적으로, 이러한 작업은 적어도 두 사람을 필요로 하며, 각각의 조명 기구 또는 설비로 가서, 그에 대한 네트워크 어드레스를 스위치 또는 다이얼의 사용을 통해 결정 및 설정한 후에, 조명 보드 또는 컴퓨터 상의 셋업 및 대응 요소를 결정하는 것을 필요로 한다. 놀랍지 않게도, 조명 네트워크의 구성은 위치 및 복잡성에 따라 많은 시간이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 새로운 오락 파크 라이드(ride)는 서로에 대해서도 어떤 단일 포인트에 대해서도 정렬되지 않은 수백 개의 네트워크 제어식 조명 설비들을 이용할 수 있다. 각각의 조명 설비는 조명 제어 보드 상에서 식별되고 그의 설정에 링크되어야 한다. 이러한 프로세스 동안, 혼란 및 혼동은 일반적이다. 충분한 계획 및 조정을 통해, 이러한 어드레스 선택 및 설정이 연역적으로 행해질 수 있지만, 여전히 상당한 시간과 노력을 필요로 한다.
이러한 단점들을 해결하기 위하여, 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 제6,777,891호(이하, '891 특허)는 복수의 LED 기반 조명 유닛을 컴퓨터 제어 가능 "광 스트링"으로서 배열하는 것을 고려하고 있는데, 여기서 각각의 조명 유닛은 개별적으로 제어 가능한 광 스트링의 "노드"를 구성한다. 이러한 광 스트링들에 적합한 응용들은 장식 및 오락 지향 조명 응용들(예컨대, 크리스마스 트리 조명, 디스플레이 조명, 테마 파크 조명, 비디오 및 다른 게임 아케이드 조명 등)을 포함한다. 컴퓨터 제어를 통해, 하나 이상의 그러한 광 스트링은 다양한 복잡한 시간 및 칼라 변경 조명 효과들을 제공한다. 많은 구현들에서, 조명 데이터는 다양한 상이한 데이터 전송 및 처리 방식에 따라, 주어진 광 스트링의 하나 이상의 노드로 직렬 방식으로 전송되는 반면, 전력은 (예컨대, 상당한 요동 전압을 갖는 사례들에서 정류된 고전압원으로부터) 스트링의 각각의 조명 유닛들에 병렬로 제공된다. 다른 구현들에서, 광 스트링의 개별 조명 유닛들은 광 스트링을 구성하는 다수의 조명 유닛의 쉬운 결합 및 배열을 제공하기 위한 다양한 상이한 콘딧 구성을 통해 서로 결합된다. 또한, 광 스트링 구성으로 배열될 수 있는 소형 LED 기반 조명 유닛들은 종종 데이터 처리 회로 및 LED 광원들에 대한 제어 회로를 포함하는 집적 회로들로서 제조되며, 광 스트링의 주어진 노드는 다수의 노드를 접속하기 위한 콘딧에 대한 쉬운 결합을 위해 LED들이 패키지된 하나 이상의 집적 회로를 포함할 수 있다.
따라서, '891 특허에 개시된 접근법은 LED 노드들에서의 컴포넌트들의 수를 최소화하는, LED 기반 광 스트링들에 대한 유연한 저전압 멀티 칼라 제어 솔루션을 제공한다. 이러한 접근법의 상업적 성공에 비추어 볼 때, 조명 산업은 복잡한 응용들을 위해 더 많은 노드를 갖는 더 긴 스트링들을 필요로 한다.
<발명의 요약>
본 출원인은 병렬이 아니라 직렬로 동작 전력을 수신하도록 다수의 조명 유닛 또는 광원은 물론, 다른 타입의 부하들의 접속을 고려하는 것이 종종 유용하다는 것을 인식하고 알게 되었다. 다수의 부하의 직렬 상호접속은 부하들에 동작 전력을 공급하기 위해 보다 높은 전압들의 사용을 허가할 수 있으며, 또한 전원(예컨대, 120 VAC 또는 240 VAC와 같은 벽 전력 또는 라인 전압)과 부하들 사이에 변압기를 필요로 하지 않고 다수의 부하의 동작을 허가할 수 있다(즉, 다수의 직렬 접속된 부하들은 라인 전압으로부터 "직접" 작동될 수 있다).
따라서, 본 발명의 다양한 양태는 일반적으로 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위해 다수의 부하의 직렬 접속을 용이하게 하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 여기에 개시되는 본 실시예들의 일부는 부하들과 연관된 전류 대 전압(I-V) 특성들을 변경하는 구성들, 개조들 및 개량들에 관한 것이다. 예컨대, 전류 대 전압 특성들은 부하들이 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위하여 직렬은 물론, 병렬 또는 직렬-병렬로 접속될 때 부하들의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 변경될 수 있다. 일부 실시예들에서, 부하들은 LED 기반 광원들(하나 이상의 LED를 포함함) 또는 LED 기반 조명 유닛들을 포함하며, LED 기반 광원들 또는 조명 유닛들과 연관된 전류 대 전압 특성들은 LED 기반 광원들/조명 유닛들이 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위하여 다양한 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 배열로 접속될 때 이들의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 변경된다.
본 출원인은 특히, 전원으로부터 전력을 인출하는 다수의 부하의 다양한 직렬, 병렬 및 직렬-병렬 접속이 일반적으로 저항성 부하들을 이용함으로써 용이해진다는 것을 인식하고 알게 되었다. 따라서, 일부 실시예에서, 여기에 개시되는 방법 및 장치에 따라 변경되는 전류 대 전압 특성들은, 부하가 자신이 전력을 인출하는 전원에 대해, 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이거나 "저항성"인 소자(즉, 저항기와 유사하게 거동함)로서 보이게 한다.
특히, 본 발명의 일부 실시예들에서, LED 기반 광원 또는 LED 기반 조명 유닛과 같은 비선형 및/또는 가변 전류 대 전압 특성을 갖는 부하들은 이들이 전원으로부터 전력을 인출할 때 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이거나 저항성인 소자들을 시뮬레이션하도록 개조된다. 이것은 또한, 개조된 LED 기반 광원 들 또는 조명 유닛들의 직렬 전력 접속을 용이하게 하며, 각각의 개조된 광원/조명 유닛 양단의 전압은 비교적 더 예측 가능하게 된다. 달리 말해서, 직렬 접속이 전력을 인출하는 전원의 단자 전압이 개조된 광원들/조명 유닛들 사이에서 더 예측 가능한(예를 들어, 동일한) 방식으로 공유된다. 저항성 부하를 시뮬레이션함으로써, 그러한 개조된 부하들은 단자 전류들 및 전압들에 관하여 예측 가능한 결과들을 갖도록 병렬로 또는 다양한 직렬-병렬 조합으로 접속될 수도 있다.
예를 들어, 일 실시예는 비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 부하, 및 상기 적어도 하나의 부하에 접속되는 컨버터 회로를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 상기 컨버터 회로는 상기 장치가 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 갖게 하도록 구성된다. 일 양태에서, 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때 상기 장치에 의해 전도되는 제1 전류는 상기 부하에 의해 전도되는 제2 전류와 무관하다.
또 하나의 실시예는 동작 전압(VL) 및 동작 전류(IL)를 갖는 적어도 하나의 조명 유닛을 포함하는 장치에 관한 것으로서, 상기 동작 전압(VL) 및 동작 전류(IL)에 기초하는 제1 전류 대 전압 특성은 상당히 비선형이거나 가변적이다. 상기 장치는 상기 적어도 하나의 조명 유닛에 결합되어, 상기 동작 전압(VL)을 공급하기 위한 컨버터 회로를 더 포함하고, 상기 컨버터 회로는, 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 장치가 단자 전류(IT)를 전도하고 단자 전압(VT)을 갖게 하도 록 구성된다. 다양한 양태에서, 상기 적어도 하나의 조명 유닛의 동작 전압(VL)은 상기 장치의 단자 전압(VT)보다 낮고, 상기 장치의 단자 전류(IT)는 상기 적어도 하나의 조명 유닛의 동작 전류(IL) 또는 동작 전압(VL)과 무관하고, 상기 단자 전압(VT) 및 단자 전류(IT)에 기초하는 상기 장치의 제2 전류 대 전압 특성은 명목 동작 포인트 VT = Vnom 근처의 단자 전압들의 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이다.
또 다른 실시예는 적어도 하나의 부하의 비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성으로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성은 상기 부하에 의해 전도되는 전류와 무관한 방법에 관한 것이다.
또 하나의 실시예는 전원으로부터 전력을 인출하기 위해 직렬로 결합되는 복수의 조명 노드를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다. 상기 복수의 조명 노드의 각각의 조명 노드는 상당히 비선형이거나 가변적인 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 조명 유닛; 및 상기 적어도 하나의 조명 유닛에 결합되고, 상기 조명 노드가 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 갖게 하도록 구성되는 컨버터 회로를 포함한다.
또 하나의 실시예는 적어도 하나의 조명 유닛을 각자 포함하는 복수의 조명 노드를 직렬로 결합하여, 전원으로부터 전력을 인출하는 단계; 및 각각의 조명 노드의 적어도 하나의 조명 유닛의 비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 실질적으 로 선형인 전류 대 전압 특성으로 변환하는 단계를 포함하는 조명 방법에 관한 것이다.
또 다른 실시예는 전원으로부터 전력을 인출하도록 직렬로 결합되는 복수의 조명 노드를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다. 상기 복수의 조명 노드의 각각의 조명 노드는 노드 전압을 갖고, 상당히 비선형이거나 가변적인 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 조명 유닛, 및 상기 적어도 하나의 조명 유닛에 대한 동작 전압을 공급하기 위해 상기 적어도 하나의 조명 유닛에 결합되는 컨버터 회로를 포함한다. 각각의 컨버터 회로는, 상기 복수의 조명 노드가 상기 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 복수의 조명 노드의 각각의 노드 전압들이 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 유사하게 하도록 구성된다.
또 다른 실시예는 적어도 하나의 조명 유닛을 각자 포함하는 복수의 조명 노드를 직렬로 결합하여, 전원으로부터 전력을 인출하는 단계; 및 복수의 조명 노드가 상기 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 복수의 조명 노드의 각각의 노드 전압들이 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 유사하게 되도록, 각각의 조명 노드의 적어도 하나의 조명 유닛의 비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 변환하는 단계를 포함하는 조명 방법에 관한 것이다.
또 다른 실시예는 제1 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 부하; 및 상기 적어도 하나의 부하에 결합되고, 전원으로부터 전력을 인출하기 위하여 상기 적어도 하나의 부하가 적어도 하나의 다른 부하와 직렬로 접속될 때, 상기 적어도 하나의 부하의 예측 가능 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 상기 제1 전류 대 전압 특성을 변경하는 컨버터 회로를 포함하는 장치에 관한 것이다. 일 양태에서, 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때 상기 장치에 의해 전도되는 제1 전류는 상기 부하에 의해 전도되는 전류와 무관하다.
또 다른 실시예는 동작 전압(VL), 동작 전류(IL), 및 상기 동작 전압(VL) 및 동작 전류(IL)에 기초하는 제1 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 광원을 포함하는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 상기 적어도 하나의 광원에 결합되어, 상기 동작 전압(VL)을 공급하기 위한 컨버터 회로를 더 포함하고, 상기 컨버터 회로는, 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 장치가 단자 전류(IT)를 전도하고 단자 전압(VT)을 갖게 하도록 구성된다. 다양한 양태에서, 상기 적어도 하나의 광원의 동작 전압(VL)은 상기 장치의 단자 전압(VT)보다 낮고, 상기 장치의 단자 전류(IT)는 상기 적어도 하나의 조명 유닛의 동작 전류(IL) 또는 동작 전압(VL)과 무관하고, 상기 컨버터 회로는, 상기 제1 전류 대 전압 특성과 상당히 다른, 상기 단자 전압(VT) 및 상기 단자 전류(IT)에 기초하는, 상기 장치에 대한 제2 전류 대 전압 특성을 제공하기 위해 사전 결정된 방식으로 상기 제1 전류 대 전압 특성을 변경하고, 상기 제2 전류 대 전압 특성은, 상기 전원으로부터 전력을 인출하기 위해 상기 적어도 하나의 부하가 적어도 하나의 다른 부하와 직렬로 접속될 때, 상기 적어도 하나의 부하의 예측 가능 거동을 용이하게 한다.
또 다른 실시예는 전원으로부터 전력을 인출하기 위하여 적어도 하나의 부하 가 적어도 하나의 다른 부하와 직렬로 접속될 때, 상기 적어도 하나의 부하의 예측 가능 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 상기 적어도 하나의 부하의 제1 전류 대 전압 특성을 변경하는 단계를 포함하고, 상기 전원으로부터 전도되는 제1 전류는 상기 적어도 하나의 부하에 의해 전도되는 제2 전류와 무관한 방법에 관한 것이다.
또 하나의 실시예는 비선형 전류 대 전압 특성 및 복수의 동작 상태를 갖는 적어도 하나의 부하, 및 상기 적어도 하나의 부하에 결합되는 컨버터 회로를 포함하는 장치로서, 상기 컨버터 회로는 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때 상기 장치에 의해 전도되는 전류가 상기 부하의 복수의 동작 상태와 무관하게 하도록 구성되는 장치에 관한 것이다.
본 개시의 목적을 위해 본 명세서에서 사용될 때, "LED"라는 용어는 전기 신호에 응답하여 방사선을 생성할 수 있는 임의의 전기 발광 다이오드 또는 다른 타입의 캐리어 주입/접합 기반 시스템을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, LED라는 용어는 전류에 응답하여 광을 방출하는 다양한 반도체 기반 구조, 발광 폴리머, 유기 발광 다이오드(OLED), 전기 발광 스트립 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 특히, LED라는 용어는 적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼, 및 가시 스펙트럼의 다양한 부분(일반적으로 약 400 나노미터 내지 약 700 나노미터의 방사선 파장들을 포함함) 중 하나 이상의 방사선을 생성하도록 구성될 수 있는 모든 타입의 발광 다이오드들(반도체 및 유기 발광 다이오드들을 포함함)을 지칭한다. LED들의 일부 예는 다양한 타입의 적외선 LED, 자외선 LED, 적색 LED, 청색 LED, 녹색 LED, 황색 LED, 황갈색 LED, 오렌지색 LED 및 백색 LED를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다(아래에 더 설명됨). 또한, LED들은 주어진 스펙트럼(예를 들어, 좁은 대역폭, 넓은 대역폭)에 대한 다양한 대역폭(예를 들어, 반치폭, 즉 FWHM), 및 주어진 일반 칼라 분류 내의 다양한 주 파장을 갖는 방사선을 생성하도록 구성되고 그리고/또는 제어될 수 있다는 것을 알아야 한다.
예를 들어, 본질적으로 백색인 광을 생성하도록 구성되는 LED의 일 구현(예를 들어, 백색 LED)은 본질적으로 백색인 광을 형성하도록 함께 혼합되는 상이한 전기 발광 스펙트럼들을 각각 방출하는 다수의 다이를 포함할 수 있다. 다른 구현에서, 백색광 LED는 제1 스펙트럼을 갖는 전기 발광을 상이한 제2 스펙트럼으로 변환하는 형광체 재료와 연관될 수 있다. 이러한 실시예의 일례에서, 비교적 짧은 파장 및 좁은 대역폭 스펙트럼을 갖는 전기 발광은 형광체 재료를 "펌핑"하며, 이어서 형광체 재료는 다소 더 넓은 스펙트럼을 갖는 더 긴 파장의 방사선을 방출한다.
또한, LED라는 용어는 물리적 및/또는 전기적 패키지 타입의 LED를 한정하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 전술한 바와 같이, LED는 (예를 들어, 개별적으로 제어되거나 제어되지 않을 수 있는) 상이한 방사선 스펙트럼들을 각각 방출하도록 구성되는 다수의 다이를 갖는 단일 발광 디바이스를 지칭할 수 있다. 또한, LED는 LED의 필수 부분으로 간주되는 형광체와 연관될 수 있다(예를 들어, 소정 타입의 백색 LED들). 일반적으로, LED라는 용어는 패키지화된 LED, 패키지화되지 않은 LED, 표면 실장 LED, 칩-온-보드 LED, T 패키지 실장 LED, 방사상 패키지 LED, 전력 패키지 LED, 소정 타입의 용기 및/또는 광학 소자(예컨대, 확산 렌즈)를 포함하는 LED 등을 지칭할 수 있다.
"광원"이라는 용어는 LED 기반 광원(위에 정의된 바와 같은 하나 이상의 LED를 포함함), 백열 광원(예컨대, 필라멘트 램프, 할로겐 램프), 형광 광원, 인광 광원, 고강도 방전 광원(예컨대, 나트륨 증기, 수은 증기 및 금속 할로겐 화합물 램프), 레이저, 다른 타입의 전기 발광 광원, 파이로(pyro) 발광원(예컨대, 불꽃), 캔들(candle) 발광원(예컨대, 가스 맨틀, 탄소 아크 방사원), 광 냉광원(예컨대, 가스 방전원), 전자 포화를 이용하는 캐소드 발광원, 전기 발광원, 결정 발광원, 운동 발광원, 열 발광원, 마찰 발광원, 음파 발광원, 라디오 발광원, 및 발광 폴리머를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 다양한 방사원 중 어느 하나 이상을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
주어진 광원은 가시 스펙트럼 내, 가시 스펙트럼 외, 또는 이들의 조합의 전자기 방사선을 생성하도록 구성될 수 있다. 따라서, "광" 및 "방사선"이라는 용어들은 본 명세서에서 교환하여 사용된다. 또한, 광원은 필수 컴포넌트로서 하나 이상의 필터(예를 들어, 칼라 필터), 렌즈 또는 다른 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 또한, 광원들은 지시, 표시 및/또는 조명을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 응용을 위해 구성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. "조명원"은 내부 또는 외부 공간을 효과적으로 조명하기 위해 충분한 강도를 갖는 방사선을 생성하도록 특별히 구성되는 광원이다. 이와 관련하여, "충분한 강도"는 주변 조명(즉, 간접적으로 인식될 수 있고, 예컨대 전체적으로 또는 부분적으로 인식되기 전에 다양한 개재 표면들 중 하나 이상으로부터 반사될 수 있는 광)을 제공하기 위해 공간 또는 환경 내에 생성되는 가시 스펙트럼의 충분한 방사 전력을 지칭한다(단위 "루멘"은 종종 광원으로부터 모든 방향으로 출력되는 전체 광을 방사 전력 또는 "광속(luminous flux)"으로 표현하기 위해 사용된다).
"스펙트럼"이라는 용어는 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선의 임의의 하나 이상의 주파수(또는 파장)를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, "스펙트럼"이라는 용어는 가시 범위 내의 주파수들(파장들)뿐만 아니라, 적외선, 자외선, 및 전체 전자기 스펙트럼의 다른 영역들도 지칭한다. 또한, 주어진 스펙트럼은 비교적 좁은 대역폭(예컨대, 본질적으로 소수의 주파수 또는 파장 성분들을 갖는 FWHM) 또는 비교적 넓은 대역폭(다양한 상대 강도를 갖는 여러 주파수 또는 파장 성분들)을 가질 수 있다. 또한, 주어진 스펙트럼은 둘 이상의 다른 스펙트럼의 혼합(예컨대, 다수의 광원으로부터 각각 방출된 방사선의 혼합)의 결과일 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 개시의 목적을 위해, "칼라"라는 용어는 "스펙트럼"이라는 용어와 교환하여 사용된다. 그러나, "칼라"라는 용어는 일반적으로 관찰자에 의해 인식 가능한 방사선의 특성을 주로 지칭하는 데 사용된다(그러나, 이러한 사용은 이 용어의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다). 따라서, "상이한 칼라들"이라는 용어는 상이한 파장 성분들 및/또는 대역폭을 갖는 다수의 스펙트럼을 암시적으로 지칭한다. 또한, "칼라"라는 용어는 백색 및 백색 아닌 광 양자와 관련하여 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
"칼라 온도"라는 용어는 일반적으로 본 명세서에서 백색광과 관련하여 사용되지만, 이러한 사용은 이 용어의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다. 칼라 온도는 본질적으로 백색광의 특정 칼라 내용 또는 음영(예를 들어, 붉은 색을 띤, 푸른 색을 띤)을 지칭한다. 주어진 방사선 샘플의 칼라 온도는 통상적으로 해당 방사선 샘플과 본질적으로 동일한 스펙트럼을 방출하는 흑체 방사기의 절대 온도(K)에 따라 특성화된다. 흑체 방사기 칼라 온도는 일반적으로 약 700 K(통상적으로 사람의 눈에 보이는 최초의 온도로 간주됨)에서 10,000 K 이상까지의 범위 내에 있으며, 백색광은 일반적으로 1500-2000 K 위의 칼라 온도로 인식된다.
더 낮은 칼라 온도는 일반적으로 더 큰 적색 성분 또는 "더 따뜻한 느낌"을 갖는 백색광을 지시하는 반면, 더 높은 칼라 온도는 일반적으로 더 큰 청색 성분 또는 "더 차가운 느낌"을 갖는 백색광을 지시한다. 예를 들어, 불은 약 1,800 K의 칼라 온도를 갖고, 통상의 백열 전등은 약 2848 K의 칼라 온도를 갖고, 이른 아침의 일광은 약 3,000 K의 칼라 온도를 갖고, 구름 낀 한낮의 하늘은 약 10,000 K의 칼라 온도를 갖는다. 약 3,000 K의 칼라 온도를 갖는 백색광 아래에서 보이는 칼라 이미지는 비교적 붉은 색을 띤 색조를 갖는 반면, 약 10,000 K의 칼라 온도를 갖는 백색광 아래에서 보이는 동일 칼라 이미지는 비교적 푸른 색을 띤 색조를 갖는다.
"조명 설비"라는 용어는 본 명세서에서 특정 폼 팩터(form factor), 어셈블리 또는 패키지 내의 하나 이상의 조명 유닛의 구현 또는 배열을 지칭하는 데 사용된다. "조명 유닛"이라는 용어는 본 명세서에서 동일 또는 상이한 타입들의 하나 이상의 광원을 포함하는 장치를 지칭하는 데 사용된다. 주어진 조명 유닛은 다양한 광원(들)의 실장 배열, 봉입/하우징 배열 및 형상 및/또는 전기 및 기계 접속 구성 중 어느 하나를 가질 수 있다. 또한, 주어진 조명 유닛은 옵션으로서 광원(들)의 동작과 관련되는 다양한 다른 컴포넌트(예를 들어, 제어 회로)와 연관될 수 있다(예를 들어, 포함하고, 결합되고 그리고/또는 함께 패키지될 수 있다). "LED 기반 조명 유닛"은 전술한 바와 같은 하나 이상의 LED 기반 광원을 단독으로 또는 다른 LED 기반 아닌 광원들과 조합하여 포함하는 조명 유닛을 지칭한다. "멀티 채널" 조명 유닛은 상이한 방사선 스펙트럼들을 각각 생성하도록 구성되는 적어도 2개의 광원을 포함하는 LED 기반 또는 LED 기반 아닌 조명 유닛을 지칭하며, 각각의 상이한 광원의 스펙트럼은 멀티 채널 조명 유닛의 "채널"로서 지칭될 수 있다.
"제어기"라는 용어는 본 명세서에서 일반적으로 하나 이상의 광원의 동작과 관련되는 다양한 장치를 설명하는 데 사용된다. 제어기는 여기에 설명되는 다양한 기능들을 수행하도록 다양한 방식으로(예를 들어, 전용 하드웨어를 갖는 등등) 구현될 수 있다. "프로세서"는 여기에 설명되는 다양한 기능을 수행하도록 소프트웨어(예컨대, 마이크로코드)를 이용하여 프로그래밍될 수 있는 하나 이상의 마이크로프로세서를 이용하는 제어기의 일례이다. 제어기는 프로세서를 이용하거나 이용하지 않고 구현될 수 있으며, 소정의 기능들을 수행하기 위한 전용 하드웨어와 다른 기능들을 수행하기 위한 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 프로그래밍된 마이크로프로세서 및 관련 회로)의 조합으로서 구현될 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서 이용될 수 있는 제어기 컴포넌트들의 예는 통상의 마이크로프로세서, 주문 형 집적 회로(ASIC) 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
다양한 구현에서, 프로세서 또는 제어기는 하나 이상의 저장 매체(일반적으로, 본 명세서에서 "메모리", 예를 들어 RAM, PROM, EPROM 및 EEPROM과 같은 휘발성 및 비휘발성 컴퓨터 메모리, 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프 등으로서 지칭됨)와 연관될 수 있다. 일부 구현들에서, 저장 매체는, 하나 이상의 프로세서 및/또는 제어기 상에서 실행될 때, 여기에 설명되는 기능들 중 적어도 일부를 수행하는 하나 이상의 프로그램으로 인코딩될 수 있다. 다양한 저장 매체는 프로세서 또는 제어기 내에 고정되거나, 운반 가능할 수 있으며, 따라서 그에 저장된 하나 이상의 프로그램은 여기에 설명되는 본 발명의 다양한 양태를 구현하기 위해 프로세서 또는 제어기에 로딩될 수 있다. "프로그램" 또는 "컴퓨터 프로그램"이라는 용어는 본 명세서에서 일반적으로 하나 이상의 프로세서 또는 제어기를 프로그래밍하는 데 사용될 수 있는 임의 타입의 컴퓨터 코드(예컨대, 소프트웨어 또는 마이크로코드)를 지칭하는 데 사용된다.
"어드레스 가능"이라는 용어는 본 명세서에서 그 자신을 포함하는 다수의 디바이스를 목적으로 하는 정보(예컨대, 데이터)를 수신하고 그 자신을 목적으로 하는 특정 정보에 응답하도록 구성되는 디바이스(예를 들어, 광원, 일반적으로 조명 유닛 또는 설비, 하나 이상의 광원 또는 조명 유닛과 연관된 제어기 또는 프로세서, 다른 조명과 관련 없는 디바이스 등)를 지칭하는 데 사용된다. "어드레스 가능"이라는 용어는 종종, 다수의 디바이스가 소정의 통신 매체 또는 매체들을 통해 서로 결합되는 네트워크화된 환경(또는 아래에 더 설명되는 "네트워크")과 관련하여 사용된다.
하나의 네트워크 구현에서, 네트워크에 결합되는 하나 이상의 디바이스는 네트워크에 결합되는 하나 이상의 다른 디바이스에 대한 제어기로서 기능할 수 있다(예를 들어, 마스터/슬레이브 관계). 또 하나의 구현에서, 네트워크화된 환경은 네트워크에 결합되는 디바이스들 중 하나 이상을 제어하도록 구성되는 하나 이상의 전용 제어기를 포함할 수 있다. 일반적으로, 네트워크에 결합되는 다수의 디바이스는 각각 통신 매체 또는 매체들 상에 존재하는 데이터에 액세스할 수 있지만, 주어진 장치는 예를 들어 그에게 할당된 하나 이상의 특정 식별자(예를 들어, "어드레스")에 기초하여 네트워크와 데이터를 선택적으로 교환하도록(즉, 네트워크로부터 데이터를 수신하고 그리고/또는 네트워크로 데이터를 전송하도록) 구성된다는 점에서 "어드레스 가능"할 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, "네트워크"라는 용어는 임의의 둘 이상의 디바이스 사이 및/또는 네트워크에 결합된 다수의 디바이스 사이에서의 (예를 들어, 디바이스 제어, 데이터 저장, 데이터 교환 등을 위한) 정보의 전달을 용이하게 하는 둘 이상의 디바이스(제어기 또는 프로세서를 포함함)의 임의의 상호접속을 지칭한다. 쉽게 이해되듯이, 다수의 디바이스를 상호접속하는 데 적합한 네트워크들의 다양한 구현은 임의의 다양한 네트워크 토폴로지를 포함할 수 있으며, 임의의 다양한 통신 프로토콜을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 다양한 네트워크에서, 두 디바이스 사이의 어느 하나의 접속은 두 시스템 사이의 전용 접속 또는 대안으로 비전 용 접속을 나타낼 수 있다. 두 디바이스를 목적으로 하는 정보의 전달에 더하여, 그러한 비전용 접속은 두 디바이스 중 어느 하나를 반드시 목적으로 하지는 않는 정보를 전달할 수 있다(예컨대, 개방 네트워크 접속). 더욱이, 여기에 설명되는 바와 같은 디바이스들의 다양한 네트워크는 하나 이상의 무선, 유선/케이블, 및/또는 광섬유 링크들을 이용하여 네트워크 전반의 정보 전달을 용이하게 할 수 있다는 것을 쉽게 알아야 한다.
본 명세서에서 사용될 때, "사용자 인터페이스"라는 용어는 인간 사용자와 하나 이상의 디바이스 사이의 통신을 가능하게 하는 인간 사용자와 하나 이상의 디바이스 사이의 인터페이스를 지칭한다. 본 발명의 다양한 구현에서 사용될 수 있는 사용자 인터페이스들의 예는 인간이 생성한 소정 형태의 자극을 수신하고 그에 응답하여 신호를 생성할 수 있는 스위치, 전위차계, 버튼, 다이얼, 슬라이더, 마우스, 키보드, 키패드, 다양한 타입의 게임 제어기(예컨대, 조이스틱), 트랙 볼, 디스플레이 스크린, 다양한 타입의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 터치 스크린, 마이크로폰 및 다른 타입의 센서를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
아래의 특허들 및 출원들은 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된다.
ㆍ 발명의 명칭이 "Multicolored LED Lighting Method and Apparatus"인 2000년 1월 18일자로 허여된 미국 특허 제6,016,038호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Illumination Components"인 2001년 4월 3일자로 허여된 미국 특허 제6,211,626호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus for Controlling Devices in a Networked Lighting System"인 2003년 8월 19일자로 허여된 미국 특허 제6,608,453호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus for Controlling Devices in a Networked Lighting System"인 2004년 8월 17일자로 허여된 미국 특허 제6,777,891호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus for Controlling Illumination"인 2005년 11월 22일자로 허여된 미국 특허 제6,967,448호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Controlling Illumination Sources"인 2005년 12월 13일자로 허여된 미국 특허 제6,975,079호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus for Providing Power to Lighting Devices"인 2006년 5월 2일자로 허여된 미국 특허 제7,038,399호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Generating and Modulating Illumination Conditions"인 2006년 3월 21일자로 허여된 미국 특허 제7,014,336호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Programming Illumination Devices"인 2007년 1월 9일자로 허여된 미국 특허 제7,161,556호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Light-Emitting Diode Based Products"인 2007년 3월 6일자로 허여된 미국 특허 제7,186,003호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Controlled Lighting Methods and Apparatus"인 2007년 4월 10일자로 허여된 미국 특허 제7,202,613호;
ㆍ 발명의 명칭이 "LED-Based Lighting Network Power Control Methods And Apparatus"인 2007년 6월 19일자로 허여된 미국 특허 제7,233,115호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Light System Manager" 인 2004년 11월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/995,038호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Power Control Methods and Apparatus for Variable Loads"인 2005년 9월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/225,377호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus for Implementing Power Cycle Control of Lighting Devices based on Network Protocols"인 2006년 6월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/422,589호;
ㆍ 발명의 명칭이 "Power Control Methods and Apparatus"인 2006년 5월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/429,715호; 및
ㆍ 발명의 명칭이 "Power Allocation Methods for Lighting Devices Having Multiple Source Spectrums, and Apparatus Employing Same"인 2006년 1월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/325,080호.
아래에 더 상세히 설명되는 상기 개념들 및 추가 개념들의 모든 조합(그러한 개념들이 서로 모순되지 않는 경우)은 여기에 개시되는 본 발명의 내용의 일부인 것으로 간주된다는 것을 알아야 한다. 특히, 본 개시의 끝에 나오는 청구 내용의 모든 조합은 여기에 개시되는 본 발명의 내용의 일부인 것으로 간주된다. 또한, 참고 문헌으로 포함된 임의의 개시에 나타날 수도 있는, 본 명세서에서 명시적으로 이용되는 용어는 여기에 개시되는 특정 개념들에 가장 적합한 의미가 주어져야 한 다는 것을 알아야 한다.
도면들에서, 동일한 참조 문자들은 일반적으로 상이한 도면들 전반에서 동일 부분들을 지칭한다. 또한, 도면들은 반드시 축척으로 그려진 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 원리들을 설명할 때 일반적으로 강조가 주어진다.
도 1은 일반적인 저항기의 전류 대 전압 특성의 플롯(plot).
도 2 및 3은 종래의 LED 및 종래의 LED 기반 조명 유닛 각각의 전류 대 전압 특성의 플롯.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 다수의 부하의 직렬 접속을 용이하게 하기 위한 장치와 함께 사용하기에 적합한 LED 기반 조명 유닛을 나타내는 일반 블록도.
도 5는 도 4의 LED 기반 조명 유닛들의 네트워크화된 조명 시스템을 나타내는 일반 블록도.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른, 부하의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 예시적인 장치의 일반 블록도.
도 7은 직렬로 접속된 복수의 도 6의 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 도면.
도 8은 도 6 및 7의 장치에 대해 고려되는 예시적인 전류 대 전압 특성의 플롯.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 6의 장치에 적합한 컨버터 회로의 회로도.
도 10은 도 9의 장치에 대한 전류 및 전압 특성의 플롯.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 6의 장치에 적합한 컨버터 회로의 회로도.
도 12는 도 11의 장치에 대한 전류 대 전압 특성의 플롯.
도 13 및 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른, 도 6의 장치에 적합한 FET 기반 컨버터 회로의 회로도.
도 15는 본 발명의 하나의 대안 실시예에 따른, 전압 제한된 부하를 포함하는 부하의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 다른 예시적인 장치의 회로도.
도 16은 전압 제한된 부하를 제어하기 위한 조작 회로를 더 포함하는 도 15의 장치에 기초하는 회로도.
도 17은 도 16에 도시된 조작 회로의 일례를 나타내는 회로도.
도 18 내지 20은 본 발명의 다양한 대안 실시예에 따른, 부하의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 장치들의 회로도들.
도 21은 도 20의 장치들에 대한 전류 대 전압 특성의 플롯.
도 22 및 23은 본 발명의 다른 실시예들에 따른, 소정의 명목 동작 포인트 주위에서의 장치의 유효 저항이 사전 결정된 방식으로 변경되는, 도 6에 도시된 장치의 컨버터 회로의 다른 예를 나타내는 회로도.
도 24 및 25는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른, 복수의 직렬 또는 직렬-병렬 접속된 도 6의 장치들을 포함하는 예시적인 조명 시스템을 나타내는 도면.
도 26은 본 발명의 특정 실시예에 따른, AC 라인 전압으로부터의 직접 작동을 위해 필터 및 브리지 정류기를 더 포함하는, 도 24 및 25에 도시된 것들과 유사한 조명 시스템을 나타내는 도면.
도 27은 도 4의 LED 기반 조명 유닛을 포함하고, 도 24, 25 및 26에 도시된 노드들을 구성하는 장치를 나타내는 도면.
이하, LED 기반 광원과 특히 관련되는 소정 실시예들을 포함하는 본 발명의 다양한 양태 및 실시예가 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 구현 방식으로 한정되지 않으며, 여기에 명시적으로 설명되는 다양한 실시예는 주로 설명을 위한 것임을 알아야 한다. 예를 들어, 여기에 설명되는 다양한 개념은 LED 기반 광원, LED를 포함하지 않는 다른 타입의 광원, LED 및 다른 타입의 광원 양자를 함께 포함하는 환경, 및 조명과 관련 없는 디바이스들을 단독으로 또는 다양한 타입의 광원과 함께 포함하는 환경을 포함하는 다양한 환경에서 적절히 구현될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 저항성 부하들을 시뮬레이션하는 것은 물론, 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위해 다수의 부하의 직렬, 병렬 및 직렬-병렬 접속들을 용이하게 하기 위한 독창적인 방법 및 장치에 관한 것이다. 여기에 개시되는 일부 구현들에서는, 비선형 및/또는 가변 전류 대 전압 특성을 갖는 부하들이 관심 대상이다. 다른 구현들에서, 관심 부하들은 하나 이상의 기능적 양태 또는 컴포넌트를 가질 수 있는데, 이들 기능적 컴포넌트들은 이들에 대한 전력을 변조함으로써 제어될 수 있다. 그러한 기능적 컴포넌트들의 예는 모터 또는 다른 액추에이터 및 모터가 달린/이동 가능 컴포넌트(예컨대, 릴레이, 솔레노이드), 온도 제어 컴포넌트(예컨대, 가열/냉각 요소) 및 적어도 일부 타입의 광원을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 기능적 컴포넌트들을 제어하기 위해 부하에서 이용될 수 있는 전력 변조 제어 기술들의 예는 펄스 주파수 변조, 펄스 폭 변조 및 펄스 수 변조(예를 들어, 1비트 D/A 변환)를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 방법 및 장치는 부하들과 연관된 전류 대 전압 특성들을 변경하는 구성들, 개조들 및 개량들에 관련된다. 전기 기술에서 공지된 바와 같이, 전류 대 전압(I-V) 특성은 전자 디바이스를 통과하는 DC 전류와 그의 단자들 양단의 DC 전압 간의 관계를 나타내는 그래프 상의 플롯이다. 도 1은 저항기에 대한 예시적인 I-V 특성 플롯(302)을 나타내는데, 여기서 인가되는 전압 값들은 수평 축(x축)을 따라 표시되고, 결과적인 전류 값들은 수직 축(y축)을 따라 표시된다. I-V 특성은 디바이스의 기본 파라미터들을 결정하고, 전기 회로 내의 그의 거동을 모델링하는 데 사용될 수 있다.
아마도 I-V 특성의 가장 간단한 예는 저항기에 대한 플롯(302)에 의해 제공되는데, 이는 옴의 법칙(V=IR)에 따라 저항기 양단에 인가되는 전압과 저항기를 통과하는 결과 전류 사이의 이론적으로 선형인 관계로 이어진다. 선형 I-V 특성의 플롯은 일반적으로 관계식 I=mV+b에 의해 설명될 수 있는데, 여기서 m은 플롯의 기울기이고, b는 수직축을 따르는 플롯의 절편이다. 도 1에 도시된 플롯(320)에서와 같이, 옴의 법칙에 따르는 저항기의 특정 사례에서, 절편 b=0이며(플롯은 그래프의 원점을 통과한다), 저항 R은 기울기(m)의 역수로 주어진다(즉, 큰 기울기는 낮은 저항을 나타내고, 작은 기울기는 높은 저항을 나타낸다).
본 발명의 다양한 양태에서, 부하들의 전류 대 전압 특성들은 다수의 부하가 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위해 직렬로 접속될 때 이들의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 변경될 수 있다. 여기에 개시되는 일부 예시적인 본 발명의 구현들에서, 부하들은 LED 기반 광원들(하나 이상의 LED를 포함함) 또는 LED 기반 조명 유닛들을 포함하거나, 이들로 본질적으로 구성되며, LED 기반 광원들 또는 조명 유닛들과 연관된 전류 대 전압 특성들은 이들이 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위해 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 배열로 접속될 때 이들의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 변경된다.
동작 전력을 얻기 위해 다수의 LED 또는 LED 기반 조명 유닛의 접속을 고려할 때 종종 발생하는 한 가지 문제는 이들의 전류 대 전압 특성들이 일반적으로 상당히 비선형적이거나 가변적이라는 것인데, 즉 이들은 저항기의 전류 대 전압 특성과 유사하지 못하다. 예를 들어, 통상의 LED의 I-V 특성은 대략 지수적이다(즉, LED에 의해 인출되는 전류는 대략적으로 인가 전압의 지수 함수이다). 통상적으로 (LED의 칼라에 따라) 약 1.6V 내지 3.5V의 범위 내인 작은 순방향 바이어스 전압을 넘어, 인가 전압의 작은 변화는 LED를 통과하는 전류의 큰 변화로 이어진다. LED 전압은 LED 전류와 대수적으로(logarithmically) 관련되므로, 전압은 LED의 동작 범위에 걸쳐 본질적으로 일정하게 유지되는 것으로 간주될 수 있으며, 이와 같이 LED들은 일반적으로 "고정 전압" 디바이스로서 간주된다. 도 2는 통상의 LED의 예시적인 전류 대 전압 특성 플롯(304)을 나타내는데, 여기에는 순방향 바이어스 전압(VLED) 바로 위의 명목 동작 포인트가 표시되어 있다. 도 2는 작은 전압 범위 내에서 LED가 명목 동작 포인트에서 상당히 크거나 가파른 기울기를 갖는 대략 지수적인 관계에 따라 광범위한 전류를 전도할 수 있다는 것을 보여준다.
LED의 고정 전압 특성으로 인해, LED에 의해 인출되는 전력은 본질적으로 전도 전류에 비례한다. LED를 통과하는 평균 전류(및 LED의 전력 소비)가 증가함에 따라, LED에 의해 생성되는 광의 휘도는 LED의 최대 전류 처리 능력에 이르기까지 증가한다. 다수의 LED의 직렬 접속은 도 2에 도시된 전류 대 전압 특성의 형상을 변경하지 않는다. 따라서, 전압의 작은 변화가 전류의 큰 변화를 유발하므로, I-V 특성을 "평탄화(flattening)"하기 위한 하나 이상의 전류 제한 디바이스 없이 전압원으로부터 하나 이상의 LED를 동작시키는 것은 비현실적이다.
LED 전류 및 전력을 인가 전압의 변동(및 제조 차이, 온도 변화 및 순방향 전압 변동의 다른 소스들로 인한 LED들 간의 물리적 특성의 변동)에 대해 비교적 예측 가능한 레벨로 유지하기 위해, 전류 제한 저항기가 종종 LED와 직렬로 배치된 후, 전원에 접속된다. 이것은 (일부 전력이 불가피하게 저항기에 의해 소비되고, 열로 발산되므로) 효율을 감소시키기는 하지만, 도 2에 도시된 IV 특성의 가파른 기울기를 다소 평탄화하는 효과를 갖는다. 충분한 전압이 이용 가능한 경우, 다수의 LED는 단일 전류 제한 저항기와 직렬로 접속될 수 있다. 그러나, 저항기와 LED(들)의 직렬 조합을 통해 흐르는 전류는 LED(들)의 순방향 전압(들)(VLED)의 함수이다. 달리 말하면, 저항기/LED(들)의 직렬 조합에 의해 전원으로부터 전도되는 전류는 LED(들)의 동작 파라미터들(전압, 전류)과 무관하지 않으며, 이러한 동작 파라미터들은 또한 LED(들)의 제조 허용 오차, 전압원의 가변성, 및 직렬 저항기에서 허용되는 총 전압의 비율에 의존한다.
정상 동작 시에, 많은 통상의 전기/전자 디바이스들은, 디바이스의 전력 요구에 관계없이 본질적으로 일정하고 안정된 전압들을 통상적으로 제공하는 공통 에너지원들로부터 가변적인 전류를 인출한다. 이것은 사실상 (도 4와 관련하여 더 후술하는 바와 같은) 특정 전류와 각자 연관된 다수의 상이한 LED(또는 다수의 상이한 LED들의 그룹들) 중 하나 이상에게 임의의 시간에 에너지를 공급하도록 동작할 수 있는 통상의 LED 기반 조명 유닛에 대한 사례이다. 따라서, 전류 대 전압 특성은 디바이스가 주어진 전원 전압에서 가변 전류(예를 들어, 다수의 상이한 전류)를 인출할 수 있다는 점에서 "가변적"인 것으로 간주될 수 있다.
도 3은 통상의 LED 기반 조명 유닛에 대한 3개의 플롯(3061, 3062, 3063) 및 예시적인 명목 동작 포인트를 포함하는 예시적인 가변 전류 대 전압 특성을 나타낸다. 도 3의 예에서, 3개의 상이한 전류가 주어진 전압에서 가능하며, 각각의 플롯에 대해, IV 특성을 상당히 평탄화하기 위해 정전류원이 사용된다. 정전류원들로 인해, 도 3은 임의의 주어진 동작 모드에 대해(플롯들 각각에 대해) 특히 작은 범위의 평균 전류가 넓은 범위의 인가 전압들에 걸쳐 조명 유닛에 의해 인출되지만, 임의의 주어진 전압에서 다시 다수의 상이한 전류가 가능하다는 것을 도시하고 있다. 도 3에 도시된 3개의 플롯은 주로 설명의 목적으로 제공되며, 다수의 동작 모드를 갖는 다른 타입의 조명 유닛들 또는 전자 디바이스들은 음의 기울기, 불연속성, 히스테리시스, 시간 가변 전력 소비(모든 형태의 변조를 포함함) 등을 갖는 것들을 포함하는 다양한 궤도를 그리는 다수의 플롯을 포함하는 IV 특성을 가질 수 있다는 것을 알아야 한다. 그러나, 이러한 가능성 모두는 그럼에도 소정의 전압 범위에 걸치는 최대 전류들의 세트에 의해 정해지는 유효 전압/전류 조합들의 영역에 의해 표현될 수 있다.
일반적으로, 도 2 및 3에 도시된 현저히 비선형이거나 가변적인 전류 대 전압 특성들은 특히 그러한 부하들의 직렬 전력 상호접속에 대해 맞지 않는데, 이는 그러한 비선형 IV 특성을 갖는 부하들 사이의 전압 공유가 예측 가능하지 않기 때문이다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서, 변경된 전류 대 전압 특성은 부하가 전력을 인출하는 전원에 대해 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이거나 "저항성"인 소자로서 보이게 한다(예를 들어, 저항기와 유사하게 거동한다). 특히, LED 기반 광원들 및/또는 LED 기반 조명 유닛들을 포함하는 부하들은 이들이 전원으로부터 전력을 인출할 때 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이거나 저항성인 소자들로서 기능하도록 개조될 수 있다. 이것은 또한, 개조된 LED 기반 광원들 또는 조명 유닛들의 직렬 전력 접속을 용이하게 하며, 이 경우에 각각의 개조된 광원/조명 유닛 양단의 전압은 비교적 더 예측 가능한데, 즉 직렬 접속이 전력을 인출하는 전원의 단자 전압이 개조된 광원들/조명 유닛들 사이에서 더 예측 가능한(예를 들어, 동일한) 방식으로 공유된다. 저항성 부하를 시뮬레이션함으로써, 그러한 개조된 부하들은 단자 전류들 및 전압들에 대해 예측 가능한 결과들을 갖도록 병렬 또는 다양한 직렬-병렬 배열로 접속될 수도 있다.
본 개시의 목적으로, 실질적으로 선형이거나 "저항성"인 소자는 적어도 일부 지정된 동작 범위(즉, 인가 전압들의 범위)에 걸치는 전류 대 전압 특성이 본질적으로 일정한 기울기를 갖는 소자인데, 달리 말하면, 소자의 "유효 저항"(Reff)은 지정된 동작 범위에 걸쳐 본질적으로 일정하게 유지되며, 여기서 유효 저항은 지정된 동작 범위에 걸치는 IV 특성 플롯의 기울기의 역수로 주어진다. 지정된 동작 범위 내의 소자의 "겉보기 저항"(Rapp)은 소자에 인가되는 특정 단자 전압(VT)과 소자에 의해 인출되는 대응 단자 전류(IT)의 비, 즉 Rapp=VT/IT로 주어진다. 후술하는 다양한 구현들에 따르면, 비선형 또는 가변 IV 특성을 갖는 부하들은 결과적인 장치가 소정의 명목 동작 포인트 VT=Vnom에서(또는 소정의 동작 범위에 걸쳐) 약 0.1(Rapp) 내지 10.0(Rapp) 사이의 유효 저항(Rapp)을 갖도록 개조될 수 있다(예를 들어, 추가 회로와 결합될 수 있다). 또 다른 구현들에서, 부하들은 결과적인 장치가 소정의 명목 동작 포인트에서(또는 소정의 동작 범위에 걸쳐) 약 Rapp 내지 4(Rapp) 사이의 유효 저항을 갖도록 개조될 수 있다. 일부 구현들에서, 원하는 전류 대 전압 특성은 명목 동작 포인트 주위의 특정 동작 범위를 실질적으로 초과하여 실질적으로 선형일 수 있지만, 다른 구현들에서 전류 대 전압 특성이 명목 동작 포인트 주위에서 실질적으로 선형인 전압 범위는 매우 클 필요가 없다.
본 발명의 실시예들에 따른 부하들과 연관된 변경된 전류 대 전압 특성들의 설명을 용이하게 하기 위해, 본 발명에 의해 고려되는 바와 같이 개조될 수 있는 통상의 LED 기반 조명 유닛은 물론, 그러한 조명 유닛들의 시스템들 또는 네트워크들을 포함하는 부하의 특정 예가 도 4 및 5와 관련하여 먼저 설명된다. 이어서, 예시적인 LED 기반 조명 유닛은 물론 다른 타입의 부하들의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 다양한 방법 및 장치가 후속 도면들과 관련하여 설명된다.
도 4는 LED 기반 조명 유닛(100)의 일례를 나타낸다. 도 4와 관련하여 후술하는 것들과 유사한 LED 기반 유닛들의 다양한 구현이 예를 들어 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된 미국 특허 제6,106,308호 및 제6,211,626호에서 발견될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 도 4에 도시된 조명 유닛(100)은 단독으로, 또는 (예를 들어, 도 5와 관련하여 후술하는 바와 같이) 조명 유닛들의 시스템 내의 다른 유사한 조명 유닛들과 함께 사용될 수 있다. 단독으로 또는 다른 조명 유닛들과 조합하여 사용되는 조명 유닛(100)은 직접 뷰 또는 간접 뷰 내부 또는 외부 공간(예를 들어, 건축) 조명 및 일반 조명, 물체 또는 공간의 직접 또는 간접 조명, 극장 또는 다른 오락 기반/특수 효과 조명, 장식 조명, 안전 지향 조명, 차량 조명, (예를 들어, 광고를 위해 그리고/또는 소매/소비자 환경들에서) 디스플레이 및/또는 상품과 관련된 조명 또는 그의 조명, 결합된 조명 또는 조명 및 통신 시스템 등은 물론 다양한 지시, 표시 및 정보 제공 목적을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 응용에 이용될 수 있다.
또한, 도 4와 관련하여 설명되는 것과 유사한 하나 이상의 조명 유닛은 다양한 형상 및 전기/기계 결합 배열(통상의 소켓 또는 고정구에 사용하는 데 적합한 교체 또는 "개조" 모듈들 또는 벌브들을 포함함)을 갖는 다양한 형태의 광 모듈들 또는 벌브들은 물론, 다양한 소비자 및/또는 가정용 제품들(예컨대, 야간 등, 장난감, 게임 또는 게임 컴포넌트, 오락 컴포넌트 또는 시스템, 용구, 기구, 주방용품, 청소 용품 등) 및 건축 요소(예를 들어, 벽, 바닥, 천장용의 조명 패널, 조명된 내장 및 외장 요소 등)를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 제품들에서 구현될 수 있다.
도 4를 참조하면, 조명 유닛(100)은 하나 이상의 광원(104A, 104B, 104C, 104D)(집합적으로 104로서 표시됨)을 포함하며, 광원들 중 하나 이상은 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 기반 광원일 수 있다. 광원들 중 임의의 2개 이상은 상이한 칼라들(예를 들어, 적색, 녹색, 청색)의 방사선을 생성하도록 적응될 수 있으며, 이와 관련하여, 전술한 바와 같이, 상이한 칼라 광원들의 각각은 "멀티 채널" 조명 유닛의 상이한 "채널"을 구성하는 상이한 소스 스펙트럼을 생성한다. 도 4는 4개의 광원(104A, 104B, 104C, 104D)을 도시하고 있지만, 본질적으로 백색광을 포함하는 다양한 상이한 칼라의 방사선을 생성하도록 적응되는 상이한 수 및 다양한 타입의 광원들(모든 LED 기반 광원들, LED 기반 및 LED 기반 아닌 광원들의 조합 등)이 후술하는 바와 같이 조명 유닛(100)에서 사용될 수 있으므로, 조명 유닛은 그와 관련하여 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다.
도 4를 계속 참조하면, 조명 유닛(100)은 또한 광원들로부터 다양한 강도의 광을 생성하도록 광원들을 구동하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 출력하도록 구성되는 제어기(105)를 포함한다. 예컨대, 일 구현에서, 제어기(105)는 각각의 광원에 의해 생성되는 광의 강도(예를 들어, 루멘 단위의 방사 전력)를 독립적으로 제어하기 위한 각각의 광원에 대한 적어도 하나의 제어 신호를 출력하도록 구성될 수 있으며, 대안으로 제어기(105)는 둘 이상의 광원의 그룹을 집합적으로 동일하게 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 광원들을 제어하기 위하여 제어기에 의해 생성될 수 있는 제어 신호들의 일부 예들은 펄스 변조 신호, 펄스 폭 변조 신호(PWM), 펄스 진폭 변조 신호(PAM), 펄스 코드 변조 신호(PCM), 아날로그 제어 신호(예컨대, 전류 제어 신호, 전압 제어 신호), 전술한 신호들의 조합들 및/또는 변조들, 또는 다른 제어 신호들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 일부 버전들에서, 특히 LED 기반 광원들과 관련하여, 하나 이상의 변조 기술들은 하나 이상의 LED에 인가되는 고정 전류 레벨을 이용하는 가변 제어를 제공하여, 가변 LED 구동 전류가 사용되는 경우에 발생할 수 있는 LED 출력의 잠재적인 바람직하지 않거나 예측 불가능한 변동들을 완화한다. 다른 버전들에서, 제어기(105)는 광원들을 제어하여 광원들 각각의 강도들을 변화시키는 다른 전용 회로(도 4에 도시되지 않음)를 제어할 수 있다.
일반적으로, 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선의 강도(방사 출력 전력)는 주어진 기간 동안 광원(들)에 전달되는 평균 전력에 비례한다. 따라서, 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선의 강도를 변경하기 위한 하나의 기술은 광원(들)에 전달되는 전력(즉, 광원의 동작 전력)을 변조하는 것을 포함한다. LED 기반 광원들을 포함하는 일부 타입의 광원들에 대해, 이것은 펄스폭 변조(PWM) 기술을 이용하여 효과적으로 달성될 수 있다.
PWM 제어 기술의 하나의 예시적인 구현에서, 조명 유닛의 각각의 채널에 대해, 채널을 구성하는 주어진 광원 양단에 사전 결정된 고정 전압(Vsource)이 주기적으로 인가된다. 전압(Vsource)의 인가는 제어기(105)에 의해 제어되는, 도 4에 도시되지 않은, 하나 이상의 스위치를 통해 달성될 수 있다. 전압(Vsource)이 광원의 양단에 인가되는 동안, (예컨대, 도 4에 역시 도시되지 않은 전류 조절기에 의해 결정되는) 사전 결정된 고정 전류(Isource)가 광원을 통해 흐르는 것이 가능하게 된다. 다시, LED 기반 광원은 하나 이상의 LED를 포함하며, 따라서 전압(Vsource)이 광원을 구성하는 LED들의 그룹에 인가될 수 있고, 전류(Isource)가 LED들의 그룹에 의해 인출될 수 있음을 상기한다. 광원에 에너지가 공급될 때, 광원 양단의 고정 전압(Vsource) 및 광원에 의해 인출되는 조절된 전류(Isource)는 광원의 순간 동작 전력(Psource)의 양을 결정한다(Psource = Vsource·Isource). 전술한 바와 같이, LED 기반 광원들에 대해, 조절된 전류를 사용하는 것은 가변 LED 구동 전류가 사용되는 경우에 발생할 수 있는 LED 출력의 잠재적인 바람직하지 않거나 예측 불가능한 변동들을 완화한다.
PWM 기술에 따르면, 전압(Vsource)을 광원에 주기적으로 인가하고, 주어진 온-오프 사이클 동안 전압이 인가되는 시간을 변화시킴으로써, 시간에 걸쳐 광원에 전달되는 평균 전력(평균 동작 전력)이 변조될 수 있다. 특히, 제어기(105)는 전압(Vsource)을 주어진 광원에 펄스 방식으로(예를 들어, 광원에 전압을 인가하기 위한 하나 이상의 스위치를 조작하는 제어 신호를 출력함으로써), 바람직하게는 사람의 눈에 의해 검출될 수 있는 것보다 큰(예컨대, 약 100 Hz보다 큰) 주파수로 인가하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 광원에 의해 생성되는 광의 관찰자는 개별 온-오프 사이클들을 인식하지 못하지만(일반적으로, "플리커 효과(flicker effect)"라고 한다), 대신에 눈의 통합 기능은 본질적으로 연속적인 광 생성을 인식한다. 제어 신호의 온-오프 사이클들의 펄스 폭(즉, 온 시간 또는 "듀티 사이클")을 조정함으로써, 제어기는 광원이 임의의 주어진 기간 내에 에너지를 공급받는 평균 시간 양을 변화시키며, 따라서 광원의 평균 동작 전력을 변화시킨다. 이러한 방식으로, 각각의 채널로부터 생성되는 광의 인식 휘도가 또한 변경될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 제어기(105)는 사전 결정된 평균 동작 전력으로 멀티 채널 조명 유닛의 각각의 상이한 광원 채널을 제어하여, 각각의 채널에 의해 생성되는 광에 대한 대응하는 방사 출력 전력을 제공할 수 있다. 대안으로, 제어기(105)는 하나 이상의 채널에 대한 규정 동작 전력들 및 따라서 각각의 채널에 의해 생성되는 광에 대한 대응하는 방사 출력 전력들을 지정하는, 사용자 인터페이스(118), 신호원(124) 또는 하나 이상의 통신 포트(120)와 같은 다양한 기원으로부터의 지시들(예를 들어, "조명 명령들")을 수신할 수 있다. 하나 이상의 채널에 대한 규정 동작 전력들을 (예를 들어, 상이한 지시들 또는 조명 명령들에 따라) 변경함으로써, 광의 상이한 인식 칼라들 및 휘도 레벨들이 조명 유닛에 의해 생성될 수 있다.
조명 유닛(100)의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이, 도 4에 도시된 광원들(104A, 104B, 104C, 104D) 중 하나 이상은 제어기(105)에 의해 함께 제어되는 다수의 LED 또는 다른 타입의 광원들의 그룹(예컨대, LED들 또는 다른 타입의 광원들의 다양한 병렬 및/또는 직렬 접속)을 포함할 수 있다. 또한, 광원들 중 하나 이상은 다양한 가시 칼라(본질적으로 백색인 광을 포함함), 백색광, 자외선 또는 적외선의 다양한 칼라 온도들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 다양한 스펙트럼(즉, 파장들 및 파장 대역들)을 갖는 방사선을 생성하도록 적응되는 하나 이상의 LED를 포함할 수 있다는 것을 알아야 한다. 다양한 스펙트럼 대역폭(예를 들어, 좁은 대역, 더 넓은 대역)을 갖는 LED들이 조명 유닛(100)의 다양한 구현에서 사용될 수 있다.
조명 유닛(100)은 광범위한 가변 칼라 방사선을 생성하도록 구성되고 배열될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 조명 유닛(100)은 둘 이상의 광원에 의해 생성되는 제어 가능한 가변 강도(즉, 가변 방사 전력) 광이 (다양한 칼라 온도를 갖는 본질적으로 백색인 광을 포함하는) 혼합 칼라 광을 생성하기 위해 결합되도록 특수하게 배열될 수 있다. 특히, 혼합 칼라 광의 칼라(또는 칼라 온도)는 예를 들어 제어기(105)에 의해 출력되는 하나 이상의 제어 신호에 응답하여 광원들의 각각의 강도들(출력 방사 전력들) 중 하나 이상을 변경함으로써 변경될 수 있다. 더욱이, 제어기(105)는 다양한 정적 또는 시간 가변(동적) 멀티 칼라(또는 멀티 칼라 온도) 조명 효과를 생성하기 위해 하나 이상의 광원에 제어 신호를 제공하도록 특별히 구성될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 다양한 실시예에서, 제어기는 하나 이상의 광원에 그러한 제어 신호들을 제공하도록 프로그래밍되는 프로세서(102)(예컨대, 마이크로프로세서)를 포함한다. 프로세서(102)는 조명 명령들에 응답하여, 또는 다양한 사용자 또는 신호 입력들에 응답하여 그러한 제어 신호들을 자율적으로 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
따라서, 조명 유닛(100)은 칼라 혼합을 생성하기 위한 적색, 녹색 및 청색 LED들 중 둘 이상을 포함하는 광범위한 칼라 LED들의 다양한 조합은 물론, 가변 칼라 및 칼라 온도의 백색광을 생성하기 위한 하나 이상의 다른 LED를 포함할 수 있다. 예컨대, 적색, 녹색 및 청색은 황갈색, 백색, UV, 오렌지색, IR 또는 다른 LED 칼라와 혼합될 수 있다. 또한, 상이한 칼라 온도를 갖는 다수의 백색 LED(예컨대, 제1 칼라 온도에 대응하는 제1 스펙트럼을 생성하는 하나 이상의 제1 백색 LED, 및 제1 칼라 온도와 다른 제2 칼라 온도에 대응하는 제2 스펙트럼을 생성하는 하나 이상의 제2 백색 LED)가 모두 백색 LED로 된 조명 유닛에서 또는 다른 칼라 LED들과 조합하여 사용될 수 있다. 조명 유닛(100) 내의 상이한 칼라 LED들 및/또는 상이한 칼라 온도 백색 LED들의 그러한 조합들은 많은 바람직한 스펙트럼의 조명 조건들의 정확한 재생을 이용하게 할 수 있는데, 그 예는 하루의 상이한 시간들에서의 다양한 외부 일광 등가물, 다양한 내부 조명 조건, 복잡한 멀티 칼라 배경을 시뮬레이션하기 위한 조명 조건 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 소정 환경들에서 특히 흡수, 감쇠 또는 반사될 수 있는 특정 스펙트럼 부분을 제거함으로써 다른 바람직한 조명 조건들이 생성될 수 있다. 예를 들어, 물은 광의 대부분의 청색 아닌 그리고 녹색 아닌 칼라들을 흡수 및 감쇠하는 경향이 있으며, 따라서 수중 응용들은 일부 스펙트럼 요소들을 다른 요소들에 비해 강조하거나 감쇠하도록 맞춰지는 조명 조건들로부터 이익을 얻을 수 있다.
도 4에 또한 도시된 바와 같이, 다양한 실시예에서, 조명 유닛(100)은 다양한 정보 항목을 저장하기 위한 메모리(114)를 포함할 수 있다. 예컨대, 메모리(114)는 (예를 들어, 광원들에 대한 하나 이상의 제어 신호를 생성하기 위해) 프로세서(102)에 의해 실행하기 위한 하나 이상의 조명 명령 또는 프로그램은 물론, 가변 칼라 방사선을 생성하는 데 유용한 다양한 타입의 데이터(예컨대, 후술하는 교정 정보)를 저장하는 데 사용될 수 있다. 또한, 메모리(114)는 조명 유닛(100)을 식별하기 위해 국지적으로 또는 시스템 레벨에서 사용될 수 있는 하나 이상의 특정 식별자(예컨대, 일련 번호, 어드레스 등)를 저장할 수 있다. 그러한 식별자들은 예를 들어 제조자에 의해 사전 프로그래밍될 수 있으며, (예를 들어, 조명 유닛 상에 위치하는 소정 타입의 사용자 인터페이스를 통해, 조명 유닛에 의해 수신되는 하나 이상의 데이터 또는 제어 신호를 통해, 기타 등등) 이후에 변경 가능하거나 변경 가능하지 않을 수 있다. 대안으로, 그러한 식별자들은 현장에서 조명 유닛의 최초 사용시에 결정될 수 있으며, 또한 이후에 변경 가능하거나 변경 가능하지 않을 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 조명 유닛(100)은 또한 (예를 들어, 일반적으로 조명 유닛(100)의 광 출력을 제어하고, 조명 유닛에 의해 생성될 다양한 사전 결정된 조명 효과들 변경 및/또는 선택하고, 선택된 조명 효과들의 다양한 파라미터를 변경 및/또는 선택하고, 조명 유닛의 어드레스들 또는 일련 번호들과 같은 특정 식별자들을 설정하는 등) 임의의 다양한 사용자 선택 가능 설정들 또는 기능들을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 사용자 인터페이스(118)와 조명 유닛 사이의 통신은 유선 또는 케이블, 또는 무선 전송을 통해 달성될 수 있다.
일 구현에서, 조명 유닛의 제어기(105)는 사용자 인터페이스(118)를 모니터링하고, 사용자의 인터페이스 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 광원들(104A, 104B, 104C, 104D) 중 하나 이상을 제어한다. 예컨대, 제어기(105)는 하나 이상의 광원을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 발생시킴으로써 사용자 인터페이스의 조작에 응답하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 프로세서(102)는 메모리에 저장된 하나 이상의 사전 프로그래밍된 제어 신호를 선택하거나, 조명 프로그램의 실행에 의해 생성되는 제어 신호들을 수정하거나, 메모리로부터 새로운 조명 프로그램을 선택하고 실행하거나, 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선에 영향을 미침으로써 응답하도록 구성될 수 있다.
하나의 특정 구현에서, 사용자 인터페이스(118)는 제어기(105)에 대한 전력을 인터럽트하는 하나 이상의 스위치(예를 들어, 표준 벽 스위치)를 구성한다. 이러한 구현의 일 버전에서, 제어기(105)는 사용자 인터페이스에 의해 제어되는 바와 같은 전력을 모니터링하고, 또한 사용자 인터페이스의 조작에 의해 유발되는 전력 인터럽션의 지속기간에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 광원을 제어하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 제어기는 예를 들어 메모리에 저장된 하나 이상의 사전 프로그래밍된 제어 신호를 선택하거나, 조명 프로그램을 실행함으로써 생성되는 제어 신호들을 수정하거나, 메모리로부터 새로운 조명 프로그램을 선택하고 실행하거나, 하나 이상의 광원에 의해 생성되는 방사선에 영향을 줌으로써 전력 인터럽션의 사전 결정된 지속 기간에 응답하도록 특별히 구성될 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 조명 유닛(100)은 하나 이상의 다른 신호원(124)으로부터 하나 이상의 신호(122)를 수신하도록 구성될 수 있다. 조명 유닛의 제어기(105)는 신호(들)(122)를 단독으로 또는 다른 제어 신호들(예컨대, 조명 프로그램을 실행함으로써 생성되는 신호들, 사용자 인터페이스로부터의 하나 이상의 출력 등)과 조합하여 사용하여, 사용자 인터페이스와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 광원들(104A, 104B, 104C, 104D) 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
제어기(105)에 의해 수신되고 처리될 수 있는 신호(들)(122)의 예는 하나 이상의 오디오 신호, 비디오 신호, 전력 신호, 다양한 타입의 데이터 신호, 네트워크(예컨대, 인터넷)로부터 얻은 정보를 나타내는 신호, 하나 이상의 검출 가능/감지 조건들을 나타내는 신호, 조명 유닛으로부터의 신호, 변조 광을 구성하는 신호 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 다양한 구현에서, 신호원(들)(124)은 조명 유닛(100)으로부터 원격 위치하거나, 조명 유닛의 컴포넌트로서 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 하나의 조명 유닛(100)으로부터의 신호는 네트워크를 통해 다른 조명 유닛(100)으로 전송될 수 있다.
도 4의 조명 유닛(100)에서 이용되거나, 그와 관련하여 이용될 수 있는 신호원(124)의 일부 예들은 소정의 자극에 응답하여 하나 이상의 신호(122)를 생성하는 임의의 다양한 센서 또는 트랜스듀서를 포함한다. 그러한 센서들의 예는 열 감지(예컨대, 온도, 적외선) 센서, 습도 센서와 같은 다양한 타입의 환경 조건 센서, 모션 센서, 포토 센서/광 센서(예를 들어, 포토 다이오드, 스펙트로라디오미터 또는 스펙트로포토미터와 같은 전자기 방사선의 하나 이상의 특정 스펙트럼을 감지하는 센서 등), 다양한 타입의 카메라, 사운드 또는 진동 센서 또는 다른 압력/힘 트랜스듀서(예를 들어, 마이크로폰, 압전 장치) 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
신호원(124)의 추가 예들은 전기 신호들 또는 특성들(예컨대, 전압, 전류, 전력, 저항, 정전 용량, 인덕턴스 등) 또는 화학적/생물학적 특성들(예컨대, 산도, 하나 이상의 특정 화학적 또는 생물학적 약품의 존재, 박테리아 등)을 모니터링하고, 그러한 신호들 또는 특성들의 측정 값들에 기초하여 하나 이상의 신호(122)를 제공하는 다양한 계측/검출 디바이스를 포함한다. 신호원(124)의 또 다른 예는 다양한 타입의 스캐너, 이미지 인식 시스템, 음성 또는 다른 사운드 인식 시스템, 인공 지능 및 로보틱스 시스템 등을 포함한다. 신호원(124)은 또한 조명 유닛(100), 다른 제어기 또는 프로세서, 또는 미디어 재생기, MP3 재생기, 컴퓨터, DVD 재생기, CD 재생기, 텔레비전 신호원, 카메라 신호원, 마이크로폰, 스피커, 전화, 셀룰러 폰, 인스턴트 메신저 디바이스, SMS 디바이스, 무선 디바이스, 개인용 오거나이저(organizer) 디바이스 기타 등등을 포함한다.
또한, 도 4에 도시된 조명 유닛(100)은 또한 광원들(104A, 104B, 104C, 104D)에 의해 생성되는 방사선을 광학적으로 처리하기 위한 하나 이상의 광학 소자 또는 설비(130)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 소자는 생성된 방사선의 공간 분포 및 전파 방향 중 하나 또는 양자를 변경하도록 구성될 수 있다. 특히, 하나 이상의 광학 소자는 생성된 방사선의 확산 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광학 소자(130)는 (예를 들어, 소정의 전기 및/또는 기계적 자극에 응답하여) 생성된 방사선의 공간 분포 및 전파 방향 중 하나 또는 양자를 가변적으로 변경하도록 특별히 구성될 수 있다. 조명 유닛(100)에 포함될 수 있는 광학 소자들의 예는 반사 재료, 굴절 재료, 반투명 재료, 필터, 렌즈, 미러 및 광섬유를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 광학 소자(130)는 또한 인광 재료, 발광 재료, 또는 생성된 방사선에 응답하거나 상호작용할 수 있는 다른 재료를 포함할 수 있다.
도 4에 또한 도시된 바와 같이, 조명 유닛(100)은 하나 이상의 다른 조명 유닛을 포함하는 임의의 다양한 다른 디바이스에 대한 조명 유닛(100)의 결합을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 통신 포트(120)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 통신 포트(120)는 다수의 조명 유닛을 네트워크화된 조명 시스템으로서 함께 결합하는 것을 용이하게 할 수 있으며, 이러한 시스템에서 조명 유닛들 중 적어도 일부 또는 전부는 어드레스 가능하고(예컨대, 특정 식별자들 또는 어드레스들을 갖고) 그리고/또는 네트워크를 통해 전송되는 특정 데이터에 응답한다. 하나 이상의 통신 포트(120)는 또한 유선 또는 무선 전송을 통해 데이터를 수신 및/또는 송신하도록 적응될 수 있다. 일 실시예에서, 통신 포트를 통해 수신되는 정보는 조명 유닛에 의해 후속 사용될 어드레스 정보와 적어도 부분적으로 관련될 수 있으며, 조명 유닛은 어드레스 정보를 수신한 후에 메모리(114)에 저장하도록 적응될 수 있다(예컨대, 조명 유닛은 하나 이상의 통신 포트를 통해 후속 데이터를 수신할 때 사용하기 위한 그의 어드레스로서 저장된 어드레스를 사용하도록 적응될 수 있다.
특히, 네트워크화된 조명 시스템 환경에서, (예를 들어, 도 5와 관련하여 후술하는 바와 같이), 데이터가 네트워크를 통해 통신될 때, 네트워크에 결합된 각각의 조명 유닛의 제어기(105)는 (예를 들어, 일부 사례들에서, 네트워크화된 조명 유닛들의 각각의 식별자들에 의해 지시되는 바와 같은) 그와 관련된 특정 데이터(예를 들어, 조명 제어 명령들)에 응답하도록 구성될 수 있다. 주어진 제어기가 그를 목적으로 하는 특정 데이터를 식별하는 경우, 제어기는 데이터를 판독할 수 있으며, 예를 들어 (예를 들어, 광원들에 대한 적절한 제어 신호들을 생성함으로써) 수신된 데이터에 따라 그의 광원들에 의해 생성되는 조명 조건들을 변경할 수 있다. 네트워크에 결합된 각각의 조명 유닛의 메모리(114)에는 예를 들어 제어기의 프로세서(102)가 수신하는 데이터에 대응하는 조명 제어 선호들의 테이블이 로딩될 수 있다. 이러한 구현들에서, 프로세서(102)가 네트워크로부터 데이터를 수신하면, 프로세서는 테이블을 참고하여, 수신 데이터에 대응하는 제어 신호들을 선택하고, (전술한 다양한 펄스 변조 기술을 포함하는 다양한 아날로그 또는 디지털 신호 제어 기술 중 어느 하나를 이용하여) 조명 유닛의 광원들을 적절히 제어한다.
많은 실시예에서, 주어진 조명 유닛의 프로세서(102)는 네트워크와의 결합 여부에 관계없이, 일부 프로그램 가능 조명 응용들을 위해 조명 산업에서 통상적으로 사용되는 조명 명령 프로토콜인 (예를 들어, 미국 특허 제6,016,038호 및 제6,211,626호에 설명된 바와 같은) DMX 프로토콜로 수선되는 조명 지시/데이터를 해석하도록 구성된다. DMX 프로토콜에서, 조명 지시들은 512 바이트의 데이터를 포함하는 패킷들로 포맷된 제어 데이터로서 조명 유닛으로 전송되며, 여기서 각각의 데이터 바이트는 0과 255 사이의 디지털 값을 나타내는 8비트로 구성된다. 이러한 512 데이터 바이트에는 "시작 코드" 바이트가 선행한다. 513 바이트(시작 코드 + 데이터)를 포함하는 전체 "패킷"이 RS-485 전압 레벨들 및 케이블링 실무들에 따라 250 kbit/s로 직렬 전송되며, 여기서 패킷의 시작은 적어도 88 마이크로초의 정지(break)에 의해 알려진다.
DMX 프로토콜에서, 주어진 패킷 내의 512 바이트의 각각의 데이터 바이트는 멀티 채널 조명 유닛의 특정 "채널"에 대한 조명 명령으로서 의도되는데, 0의 디지털 값은 조명 유닛의 주어진 채널에 대한 방사 출력 전력이 없음을 지시하고(즉, 채널 오프), 255의 디지털 값은 조명 유닛의 주어진 채널에 대한 최대 방사 출력 전력(100%의 이용 가능 전력)을 지시한다(즉, 채널 완전 온). 예를 들어, 일 양태에서, 우선 적색, 녹색 및 청색 LED들에 기초하는 3 채널 조명 유닛(즉, "R-G-B" 조명 유닛)을 고려하면, DMX 프로토콜에서의 조명 명령은 적색 채널 명령, 녹색 채널 명령 및 청색 채널 명령의 각각을 0에서 255까지의 값을 나타내는 8비트 데이터(즉, 데이터 바이트)로서 지정할 수 있다. 칼라 채널들 중 어느 하나에 대한 255의 최대 값은 프로세서(102)에게, 대응 광원(들)을 그 채널에 대한 최대 이용 가능 전력(즉, 100%)으로 동작하도록 제어하여 그 칼라에 대한 최대 이용 가능 방사 전력을 생성하도록 지시한다(R-G-B 조명 유닛에 대한 그러한 명령 구조는 일반적으로 24비트 칼라 제어로서 참조된다). 따라서, 포맷 [R,G,B]=[255,255,255]의 명령은 조명 유닛이 적색, 녹색 및 청색 광의 각각에 대해 최대 방사 전력을 생성하게(따라서, 백색광을 생성하게) 한다.
따라서, DMX 프로토콜을 이용하는 주어진 통신 링크는 통상적으로 512개까지의 상이한 조명 유닛 채널을 지원할 수 있다. DMX 프로토콜로 포맷된 통신들을 수신하도록 설계된 주어진 조명 유닛은 일반적으로 조명 유닛의 채널들의 수에 대응하는 패킷 내의 512 바이트 중 하나 이상의 특정 데이터 바이트에 대해서만 응답하고(예를 들어, 3채널 조명 유닛의 예에서는 3개의 바이트가 조명 유닛에 의해 사용된다), 패킷 내의 512 데이터 바이트의 전체 시퀀스 내의 원하는 데이터 바이트(들)의 특정 위치에 기초하여 다른 바이트들을 무시하도록 구성된다. 이를 위해, DMX 기반 조명 유닛들은 주어진 DMX 패킷 내에서 조명 유닛이 응답하는 데이터 바이트(들)의 특정 위치를 결정하기 위하여 사용자/설치자에 의해 수동으로 설정될 수 있는 어드레스 선택 메커니즘을 구비할 수 있다.
그러나, 다양한 실시예에 따른 조명 유닛들은 그들 각각의 광원들을 제어하기 위해 다른 타입의 통신 프로토콜/조명 명령 포맷들에 응답하도록 구성될 수 있으므로, 본 발명의 목적에 적합한 조명 유닛들은 DMX 명령 포맷으로 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다. 일반적으로, 프로세서(102)는 각각의 채널에 대한 0에서 최대의 이용 가능 동작 전력을 나타내는 소정 스케일에 따라 멀티 채널 조명 유닛의 각각의 상이한 채널에 대한 규정 동작 전력을 표현하는 다양한 포맷의 조명 명령들에 응답하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 다른 실시예들에서, 주어진 조명 유닛의 프로세서(102)는 통상의 이더넷 프로토콜(또는 이더넷 개념들에 기초하는 유사한 프로토콜)로 수신되는 조명 지시/데이터를 해석하도록 구성된다. 이더넷은 네트워크를 형성하는 상호접속된 디바이스들에 대한 와이어링 및 시그널링 요건은 물론, 네트워크를 통하여 전송되는 데이터에 대한 프레임 포맷들 및 프로토콜들을 정의하는 근거리 네트워크(LAN)들에 대해 종종 이용되는 공지된 컴퓨터 네트워킹 기술이다. 네트워크에 결합된 디바이스들은 각각의 고유 어드레스를 가지며, 네트워크 상의 하나 이상의 어드레스 가능 디바이스에 대한 데이터는 패킷들로서 체계화된다. 각각의 이더넷 패킷은 (패킷이 향하는) 목적지 어드레스 및 (패킷이 유래하는) 소스 어드레스를 지정하는 "헤더"를 포함하며, 헤더 뒤에는 여러 바이트의 데이터를 포함하는 "페이로드"가 이어진다(예를 들어, 타입 II 이더넷 프레임 프로토콜에서, 페이로드는 46 데이터 바이트 내지 1500 데이터 바이트일 수 있다). 패킷은 에러 보정 코드 또는 "체크섬"으로 마감된다. 전술한 DMX 프로토콜에서와 같이, 이더넷 프로토콜로 통신들을 수신하도록 구성되는 주어진 조명 유닛을 목적으로 하는 연속 이더넷 패킷들의 페이로드는 조명 유닛에 의해 생성될 수 있는 상이한 이용 가능 광 스펙트럼들(예컨대, 상이한 칼라 채널들)에 대한 각각의 규정 방사 전력들을 나타내는 정보를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 주어진 조명 유닛의 프로세서(102)는 예를 들어 미국 특허 제6,777,891호에 설명되는 바와 같은 직렬 기반 통신 프로토콜로 수신되는 조명 지시/데이터를 해석하도록 구성될 수 있다. 특히, 직렬 기반 통신 프로토콜에 기초하는 일 실시예에 따르면, 조명 유닛들의 직렬 접속(예컨대, 데이지 체인 또는 링 토폴로지)을 형성하기 위해 다수의 조명 유닛(100)이 그들의 통신 포트들(120)을 통해 서로 결합되며, 여기서 각각의 조명 유닛은 입력 통신 포트 및 출력 통신 포트를 갖는다. 조명 유닛들로 전송되는 조명 지시/데이터는 각각의 조명 유닛의 직렬 접속 내의 상대적 위치에 기초하여 순차적으로 배열된다. 조명 유닛들의 직렬 상호접속에 기초하는 조명 네트워크가 특히 직렬 기반 통신 프로토콜을 이용하는 실시예와 관련하여 설명되지만, 본 발명에 의해 고려되는 조명 네트워크 토폴로지들의 다른 예들이 도 5와 관련하여 아래에 더 설명되는 바와 같이, 본 발명은 그와 관련하여 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다.
직렬 기반 통신 프로토콜을 이용하는 실시예의 일부 예시적인 구현들에서, 직렬 접속 내의 각각의 조명 유닛의 프로세서(102)가 데이터를 수신하면, 프로세서는 그를 목적으로 하는 데이터 시퀀스의 하나 이상의 처음 부분을 "스트립 오프" 또는 추출하고, 데이터 시퀀스의 나머지를 직렬 접속 내의 다음 조명 유닛으로 전송한다. 예를 들어, 다수의 3채널(예를 들어, "R-G-B") 조명 유닛의 직렬 접속을 다시 고려하면, 수신된 데이터 시퀀스로부터 각각의 3채널 조명 유닛에 의해 3개의 멀티비트 값(채널당 하나의 멀티비트)이 추출된다. 직렬 접속 내의 각각의 조명 유닛은 차례로 이 절차, 즉 수신된 데이터 시퀀스의 하나 이상의 처음 부분(멀티비트 값)을 스트립 오프 또는 추출하고 시퀀스의 나머지를 전송하는 절차를 반복한다. 각각의 조명 유닛에 의해 차례로 스트립 오프된 데이터 시퀀스의 처음 부분은 조명 유닛에 의해 생성될 수 있는 상이한 이용 가능 광 스펙트럼들(예컨대, 상이한 칼라 채널들)에 대한 각각의 규정 방사 전력들을 포함할 수 있다. DMX 프로토콜과 관련하여 전술한 바와 같이, 다양한 실시예에서, 채널당 각각의 멀티비트 값은 각각의 채널에 대해 원하는 제어 해상도에 부분적으로 의존하여 8비트 값 또는 채널당 다른 수의 비트(예컨대, 12, 16, 24 등)일 수 있다.
직렬 기반 통신 프로토콜의 또 다른 예시적인 구현에서는, 수신된 데이터 시퀀스의 처음 부분을 스트립 오프하는 것이 아니라, 하나의 플래그가 주어진 조명 유닛의 다수 채널에 대한 데이터를 나타내는 데이터 시퀀스의 각각의 부분과 연관되며, 다수의 조명 유닛에 대한 전체 데이터 시퀀스가 직렬 접속 내의 조명 유닛마다 완전히 전송된다. 직렬 접속 내의 조명 유닛이 데이터 시퀀스를 수신함에 따라, 조명 유닛은 플래그가 (하나 이상의 채널을 나타내는) 주어진 부분이 아직 어떠한 조명 유닛에 의해서도 판독되지 않았음을 지시하는 데이터 시퀀스의 처음 부분을 찾는다. 그러한 부분을 발견한 때, 조명 유닛은 그 부분을 판독하고 처리하여, 대응 광 출력을 제공하며, 그 부분이 판독되었음을 지시하도록 대응 플래그를 설정한다. 다시, 전체 데이터 시퀀스가 조명 유닛마다 완전히 전송되며, 플래그들의 상태는 판독 및 처리에 이용 가능한 데이터 시퀀스의 다음 부분을 지시한다.
직렬 기반 통신 프로토콜에 관련된 하나의 특정 실시예에서, 직렬 기반 통신 프로토콜 용으로 구성되는 주어진 조명 유닛의 제어기(105)는 전술한 "데이터 스트립핑/추출" 프로세서 또는 "플래그 수정" 프로세스에 따라 조명 지시/데이터의 수신 스트림을 특별히 처리하도록 설계된 ASIC로서 구현될 수 있다. 구체적으로, 다수의 조명 유닛이 네트워크를 형성하기 위해 직렬 상호접속으로 서로 결합되는 하나의 예시적인 구현에서, 각각의 조명 유닛은 도 4에 도시된 프로세서(102), 메모리(114) 및 통선 포트(들)(120)의 기능을 갖는 ASIC 구현 제어기(105)를 포함한다 (물론, 옵션인 사용자 인터페이스(118) 및 신호원(124)은 일부 구현들에서는 포함될 필요가 없다). 그러한 구현은 미국 특허 제6,777,891호에 상세히 설명되어 있다.
도 4의 조명 유닛(100)은 하나 이상의 전원(108)을 포함하고 그리고/또는 그에 결합될 수 있다. 다양한 실시예에서, 전원(들)(108)의 예는 AC 전원, DC 전원, 배터리, 태양 전지 기반 전원, 열전기 또는 기계 기반 전원 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 전원(들)(108)은 외부 전원에 의해 수신되는 전력을 조명 유닛(100)의 다양한 내부 회로 컴포넌트 및 광원들의 동작에 적합한 형태로 변환하는 (예를 들어, 일부 사례들에서는 조명 유닛(100) 내부의) 하나 이상의 전력 변환 디바이스 또는 전력 변환 회로를 포함하거나 그와 연관될 수 있다.
조명 유닛(100)의 제어기(105)는 전원(108)으로부터 표준 AC 라인 전압을 수신하고, 미국 특허 제7,233,115호 및 함께 계류중인 미국 특허 출원 번호 11/429,715에 설명된 바와 같은 DC-DC 변환에 관련된 개념들 또는 "스위칭" 전원 개념들에 기초하여 조명 유닛의 광원들 및 다른 회로에 적합한 DC 동작 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 구현들의 일부 버전들에서, 제어기(105)는 표준 AC 라인 전압을 수신할 뿐만 아니라, 상당히 높은 역률로 라인 전압으로부터 전력이 인출되는 것을 보장하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
도 4에는 명시적으로 도시되지 않았지만, 조명 유닛(100)은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 여러 상이한 구조적 구성들 중 어느 하나의 구성으로 구현될 수 있다. 그러한 구성들의 예는 본질적으로 직선형이거나 곡선형인 구성, 원형 구성, 타원형 구성, 직사각형 구성, 이들의 조합, 다양한 다른 기하학적 형상의 구성, 다양한 2차원 또는 3차원 구성 등을 포함하지만, 그에 한정되지 않는다.
주어진 조명 유닛은 또한 다양한 광원(들)에 대한 실장 배열, 광원들을 부분적으로 또는 완전히 밀봉하기 위한 봉입/하우징 배열 및 형상, 및/또는 전기 및 기계적 접속 구성 중 어느 하나를 가질 수 있다. 특히, 일부 구현들에서, 조명 유닛은 통상의 소켓 또는 고정구 배열(예컨대, 에디슨 타입의 스크류 소켓, 할로겐 고정구 배열, 형광 고정구 배열 등) 내에 전기적으로, 기계적으로 결합하기 위한 교체물 또는 "개조물(retrofit)"로서 구성될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같은 하나 이상의 광학 소자는 조명 유닛을 위한 봉입/하우징 배열에 부분적으로 또는 완전히 통합될 수 있다. 더욱이, 전술한 조명 유닛의 다양한 컴포넌트(예를 들어, 프로세서, 메모리, 전원, 사용자 인터페이스 등)는 물론, 상이한 구현들에서 조명 유닛과 연관될 수 있는 다른 컴포넌트들(예를 들어, 센서/트랜스듀서, 유닛에 대한 통신을 용이하게 하기 위한 다른 컴포넌트 등)은 다양한 방식으로 패키지될 수 있는데, 예를 들어 다양한 조명 유닛 컴포넌트는 물론, 조명 유닛과 연관될 수 있는 다른 컴포넌트들의 임의의 서브세트 또는 전부가 함께 패키지될 수 있다. 패키지된 컴포넌트들의 서브세트들은 다양한 방식으로 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 함께 서로 결합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 네트워크화된 조명 시스템(200)의 일례를 나타내는데, 여기서는 도 4와 관련하여 전술한 것과 유사한 다수의 조명 유닛(100)이 서로 결합되어 네트워크화된 조명 시스템을 형성한다. 그러나, 도 5에 도시된 조명 유닛들의 특정 구성 및 배열은 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명은 도 5에 도시된 특정 시스템 토폴로지로 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다.
또한, 도 5에는 명시적으로 도시되지 않았지만, 네트워크화된 조명 시스템(200)은 하나 이상의 사용자 인터페이스는 물론, 센서/트랜스듀서와 같은 하나 이상의 신호원을 포함하도록 유연하게 구성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, (도 4와 관련하여 전술한 바와 같은) 하나 이상의 사용자 인터페이스 및/또는 센서/트랜스듀서와 같은 하나 이상의 신호원은 네트워크화된 조명 시스템(200)의 임의의 하나 이상의 조명 유닛과 연관될 수 있다. 대안으로(또는 그에 더하여), 하나 이상의 사용자 인터페이스 및/또는 하나 이상의 신호원은 네트워크화된 조명 시스템(200) 내의 "독립" 컴포넌트들로서 구현될 수 있다. 이러한 디바이스들은, 독립 컴포넌트들이거나 하나 이상의 조명 유닛(100)과 특별히 연관되는 것과 관계없이, 네트워크화된 조명 시스템의 조명 유닛들에 의해 "공유"될 수 있다. 달리 말해서, 하나 이상의 사용자 인터페이스 및/또는 센서/트랜스듀서와 같은 하나 이상의 신호원은 시스템의 임의의 하나 이상의 조명 유닛과 관련하여 사용될 수 있는 네트워크화된 조명 시스템 내의 "공유 자원"을 구성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일부 실시예에서, 조명 시스템(200)은 하나 이상의 조명 유닛 제어기(이하 "LUC")(208A, 208B, 208C, 208D)를 포함하며, 각각의 LUC는 그에 결합되는 하나 이상의 조명 유닛(100)과 통신하고 그를 일반적으로 제어하는 것을 담당한다. 도 5는 LUC(208A)에 2개의 조명 유닛(100)이 결합되고, 각각의 LUC(208B, 208C, 208D)에 하나의 조명 유닛(100)이 결합된 것을 도시하고 있지만, 다양한 상이한 통신 매체 및 프로토콜을 이용하여 상이한 수의 조명 유닛들(100)이 주어진 LUC에 다양한 상이한 구성으로(직렬 접속, 병렬 접속, 직렬과 병렬 접속의 조합 등) 결합될 수 있으므로, 본 발명은 그와 관련하여 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다.
도 5의 시스템에서, 각각의 LUC는 또한 하나 이상의 LUC와 통신하도록 구성되는 중앙 제어기(202)에 결합될 수 있다. 도 5는 4개의 LUC가 (임의 수의 다양한 통상의 결합, 스위칭 및/또는 네트워킹 디바이스들을 포함할 수 있는) 범용 접속(204)을 통해 중앙 제어기(202)에 결합된 것을 도시하고 있지만, 다양한 실시예에 따르면, 상이한 수의 LUC들이 중앙 제어기(202)에 결합될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, LUC들 및 중앙 제어기는 네트워크화된 조명 시스템(200)을 형성하기 위해 다양한 상이한 통신 매체 및 프로토콜을 이용하여 다양한 구성으로 서로 결합될 수 있다. 더욱이, LUC들 및 중앙 제어기의 상호접속, 및 조명 유닛들의 각각의 LUC들에 대한 상호접속은 상이한 방식으로(예를 들어, 상이한 구성, 통신 매체 및 프로토콜을 이용하여) 달성될 수 있다는 것을 알아야 한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 중앙 제어기(202)는 LUC들과의 이더넷 기반 통신을 구현하도록 구성될 수 있으며, 또한 LUC들은 조명 유닛들(100)과의 이더넷 기반, DMX 기반 또는 직렬 기반 프로토콜 통신들 중 하나를 구현하도록 구성될 수 있다(전술한 바와 같이, 다양한 네트워크 구현에 적합한 예시적인 직렬 기반 프로토콜들은 미국 특허 제6,777,891호에 상세히 설명되어 있다). 특히, 일 특정 실시예에서, 각각의 LUC는 어드레스 가능 이더넷 기반 제어기로서 구성될 수 있으며, 따라서 이더넷 기반 프로토콜을 이용하여 특정 고유 어드레스(또는 어드레스들 및/또는 다른 식별자들의 고유 그룹)를 통해 중앙 제어기(202)에 대해 식별될 수 있다. 이러한 방식으로, 중앙 제어기(202)는 결합된 LUC들의 네트워크 전반에서의 이더넷 통신을 지원하도록 구성될 수 있으며, 각각의 LUC는 그를 목적으로 하는 통신들에 응답할 수 있다. 또한, 각각의 LUC는 중앙 제어기(202)와의 이더넷 통신들에 응답하여 조명 제어 정보를 그에 결합된 하나 이상의 조명 유닛으로, 예를 들어 이더넷, DMX 또는 직렬 기반 프로토콜을 통해 전송할 수 있다(여기서, 조명 유닛들은 이더넷, DMX 또는 직렬 기반 프로토콜로 LUC로부터 수신된 정보를 해석하도록 적절히 구성된다).
도 5에 도시된 LUC들(208A, 208B, 208C, 208D)은 "지능적"이도록 구성될 수 있는데, 이는 중앙 제어기(202)가, 조명 제어 정보가 조명 유닛들(100)로 전송될 수 있기 전에 LUC들에 의해 해석되는 것이 필요한 보다 높은 레벨의 명령들을 LUC들로 전송하도록 구성될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 조명 시스템 운영자는 조명 유닛들의 서로에 관한 특정 배치가 주어질 때 전파하는 칼라들의 무지개("무지개 좇기")의 모습을 생성하는 방식으로 조명 유닛마다 칼라들을 바꾸는 칼라 변경 효과를 생성하기를 원할 수 있다. 이러한 예에서, 운영자는 이를 달성하기 위해 중앙 제어기(202)에 간단한 지시를 제공할 수 있으며, 이어서 중앙 제어기는 "무지개 좇기"를 생성하기 위한 하이 레벨 명령을 이더넷 기반 프로토콜을 이용하여 하나 이상의 LUC로 전송할 수 있다. 명령은 예를 들어 타이밍, 강도, 색조, 채도 또는 다른 관련 정보를 포함할 수 있다. 주어진 LUC가 그러한 명령을 수신할 때, 이 LUC는 명령을 해석하고, 추가 명령들을 다양한 프로토콜(예를 들어, 이더넷, DMX, 직렬 기반) 중 어느 하나를 이용하여 하나 이상의 조명 유닛으로 통신할 수 있으며, 이에 응답하여 조명 유닛들의 각각의 광원들은 임의의 다양한 시그널링 기술(예를 들어, PWM)을 통해 제어된다.
또한, 조명 네트워크의 하나 이상의 LUC는 다수의 조명 유닛(100)의 직렬 접속에 결합될 수 있다(예를 들어, 2개의 직렬 접속된 조명 유닛(100)에 결합되는 도 5의 LUC(208A)를 참조한다). 일 실시예에서, 이러한 방식으로 결합된 각각의 LUC는 직렬 기반 통신 프로토콜을 이용하여 다수의 조명 유닛과 통신하도록 구성되는데, 그 예는 위에 설명되었다. 구체적으로, 일 실시예에서, 주어진 LUC는 이더넷 기반 프로토콜을 이용하여 중앙 제어기(202) 및/또는 하나 이상의 다른 LUC와 통신하고, 또한 직렬 기반 통신 프로토콜을 이용하여 다수의 조명 유닛과 통신하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, LUC는 어떤 의미에서는 이더넷 기반 프로토콜로 조명 지시 또는 데이터를 수신하고 직렬 기반 프로토콜을 이용하여 지시들을 다수의 직렬 접속된 조명 유닛으로 전달하는 프로토콜 컨버터로서 간주될 수 있다. 물론, 다양한 가능한 토폴로지로 배열되는 DMX 기반 조명 유닛들을 포함하는 다른 네트워크 구현들에서는, 주어진 LUC가 마찬가지로 이더넷 프로토콜로 조명 지시들 또는 데이터를 수신하고 DMX 프로토콜로 포맷된 지시들을 전달하는 프로토콜 컨버터로서 간주될 수 있다는 것을 알아야 한다.
다시, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템에서 다수의 상이한 통신 구현들(예를 들어, 이더넷/DMX)을 이용하는 상기 예는 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명은 그러한 특정 예로 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다.
위로부터, 전술한 바와 같은 하나 이상의 조명 유닛은 넓은 칼라 범위에 걸치는 고도로 제어 가능한 가변 칼라 광은 물론, 넓은 칼라 온도 범위에 걸치는 가변 칼라 온도 백색광을 생성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 도 4 및 5와 관련하여 전술한 예시적인 조명 유닛(100)과 연관된 전류 대 전압(IV) 특성은 저항성 부하를 닮도록, 따라서 전원으로부터 전력을 인출하기 위해 그러한 조명 유닛들의 직렬 접속을 특히 용이하게 하도록 변경될 수 있다. 전술한 바와 같이, 조명 유닛(100)의 통상적인 전류 대 전압 특성이 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 임의의 주어진 동작 전압에서 다수의 전류가 가능하다는 것을 알 수 있다(즉, 전류 대 전압 특성은 가변적이다). 도 3에 도시된 현저히 가변적인 전류 대 전압 특성은 물론, 통상의 LED에 대한 도 2에 도시된 비선형 IV 특성은 일반적으로 그러한 부하들의 직렬 전력 상호접속에는 맞지 않는데, 이는 그러한 비선형 IV 특성을 갖는 부하들 사이의 전압 공유가 예측 가능하지 않기 때문이다.
따라서, 후술하는 일부 실시예들에 따른 본 발명의 방법들 및 시스템들에 따르면, 부하들이 전원으로부터 동작 전력을 인출하기 위해 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 배열로 접속될 때, 부하들의 예측 가능 및/또는 바람직한 거동을 용이하게 하기 위해 사전 결정된 방식으로 부하들의 전류 대 전압 특성들을 변경할 수 있다. 예를 들어, 변경된 전류 대 전압 특성들은 비선형 또는 가변 IV 특성을 갖는 부하가 전력을 인출하는 전원에 대해 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형 또는 저항성인 소자로서 보이게(예를 들어, 저항기와 유사하게 거동하도록) 할 수 있다. 여기에 개시되는 본 발명의 일부 실시예에서, LED 기반 광원(예를 들어, LED(104))과 같은 비선형 부하들 또는 LED 기반 조명 유닛(예를 들어, 조명 유닛(100))과 같은 가변 부하들은 이들이 전원으로부터 전력을 인출할 때 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형 또는 저항성인 소자로서 가능하도록 개조된다.
실질적으로 선형인 IV 특성은 개조된 부하들의 직렬 전력 접속을 용이하게 하며, 이러한 접속에서는 각각의 개조된 부하 양단의 단자 전압이 비교적 더 예측 가능한데, 다시 말해서, 직렬 접속이 전력을 인출하는 전원의 전체 단자 전압이 각각의 부하의 개별 단자 전압들 사이에 더 예측 가능하게 분할된다(전원의 전체 단자 전압은 개조된 부하들 사이에 본질적으로 동일하게 공유될 수 있다). 또한, 부하들의 직렬 접속은 부하들에 대한 동작 전력을 제공하기 위해 보다 높은 전압의 사용을 허가할 수 있으며, 또한 전원(예를 들어, 120 VAC 또는 240 VAC와 같은 벽 전력 또는 라인 전압)과 부하들 사이에 변압기를 필요로 하지 않고 부하들의 그룹들의 동작을 허가할 수 있다. 후술하는 다양한 예들에서, 여기에 개시되는 개념들에 따라 구성되는 다수의 개조된 부하(예를 들어, LED 기반 광원들 또는 LED 기반 조명 유닛들)의 직렬 또는 직렬/병렬 상호접속은 전력 레벨의 어떠한 감소 또는 다른 변환 없이(즉, 개재되는 정류기 및 필터 커패시터만을 이용하여) AC 라인 전압들 또는 본선(main)들로부터 직접 동작될 수 있다.
도 5와 관련하여 전술한 바와 같이(LUC(208A)에 결합된 조명 유닛들(100) 참조), LED 기반 조명 유닛은 다른 조명 유닛들과 병렬로 동작 전력원(예를 들어, DC 전압)을 수신하도록 구성되는 동시에, 직렬 데이터 상호접속 및 프로토콜에 기초하여 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 미국 특허 제6,777,891호에 설명됨). 후술하는 다양한 개념들에 따르면, 그러한 조명 유닛들은 동작 전력을 인출하기 위해 또한 직렬로 상호접속될 수 있도록 개조될 수 있다. 그러나, 아래의 설명에서, 개시되는 본 발명의 개념들은 본 명세서의 앞에서 그리고 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된 다양한 특허 및 특허 출원에서 개시되는 LED 기반 조명 유닛들의 특정 예들 외에도 다른 타입의 조명 유닛들(및 다른 타입의 조명과 무관한 부하들)에 일반적으로 적용 가능하다는 것을 알아야 한다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 부하(520)의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 장치(500)의 일반 블록도이다. 도 6을 참조하면, 장치(500)는 부하(520)를 포함하며, 이 부하는 부하(520) 양단에 부하 전압(534)(도면들에서 VL로 표시됨)이 인가될 때 인출되는 부하 전류(536)(도면들에서 IL로 표시됨)에 기초하는 제1 전류 대 전압 특성을 갖는다. 이 실시예의 일부 버전들에서, 부하(520)와 연관된 제1 전류 대 전압 특성은 (예를 들어, 도 2 및 3과 관련하여 전술한 바와 같이) 상당히 비선형이거나 가변적일 수 있다. 부하(520)는 LED 기반 광원(예를 들어, 하나 이상의 LED(104)) 및/또는 LED 기반 조명 유닛(예를 들어, 도 4에 도시된 조명 유닛(100))을 포함하거나, 본질적으로 이들로 구성될 수 있다.
도 6의 장치(500)는 또한 부하 전압(VL)을 제공하기 위해 부하(520)에 결합되는 컨버터 회로(510)를 포함한다. 컨버터 회로(510)(따라서 장치(500))는 장치가 전원(도 6에 도시되지 않음)으로부터 전력을 인출할 때 단자 전류(532)(IT)를 인출하고, 단자 전압(530)(VT)을 갖는다. 부하 전류(IL)는 컨버터 회로(510)를 통해 소정 방식으로 전달되며, 이러한 방식으로 부하(520)는 단자 전압(VT)을 통해 전원으로부터 전력을 인출한다. 컨버터 회로(510)로 인해, 장치(500)는 부하(520)와 연관된 제1 전류 대 전압 특성과 실질적으로 다른, 단자 전류(IT) 및 단자 전압(VT)에 기초하는, 제2 전류 대 전압 특성을 갖는다. 다양한 구현들에서, 부하 전압(VL)은 일반적으로 단자 전압(VT)보다 낮다. 또한, 단자 전류(IT)는 부하 전류(IL) 또는 부하 전압(VL)과 무관할 수 있다. 또한, 장치(500)와 연관된 제2 전류 대 전압 특성은 명목 동작 포인트 주위의 적어도 일부 동작 범위(예컨대, 명목 단자 전압 VT=Vnom 주위의 소정의 단자 전압들(VT)의 범위)에 걸쳐 실질적으로 선형일 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 장치와 유사한 부하의 전류 대 전압 특성을 변경하기 위한 복수의 직렬 접속 장치를 포함하는 시스템(1000)을 나타내는 일반 블록도이다. 도 7의 시스템은 3개의 장치(500A, 500B, 500C)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 시스템(1000)을 형성하기 위해 상이한 수의 장치들이 직렬로 접속될 수 있으므로, 시스템은 그와 관련하여 한정되지 않는다는 것을 알아야 한다. 도 6에서와 같이, 다양한 구현들에서, 도 7에 도시된 장치들(500A, 500B, 500C)의 각각의 부하들은 도 24, 25 및 26과 관련하여 또한 후술하는 바와 같이 LED 기반 광원들 또는 LED 기반 조명 유닛들이다. 각각의 장치(500A, 500B, 500C)는 시스템(1000)의 "노드"를 구성하며, 복수의 노드는 전원 단자 전압(VPS)을 갖는 전원(도 6에 도시되지 않음)으로부터 전력을 인출하기 위해 직렬로 결합된다. 각각의 노드들과 연관된 개별 단자 전압들(또는 "노드 전압들")은 도 7에 VT ,A, VT ,B 및 VT ,C로 표시되는데, 이들은 합해질 때 전원의 단자 전압(VPS)과 같게 된다. 직렬 접속은 장치들 각각을 통해 유사하게 흐르는 단자 전류(IT)를 전도한다. 일부 실시예들에서, 각각의 노드의 컨버터 회로는 시스템이 전원의 단자 전압에 결합될 때 복수의 조명 노드의 각각의 노드 전압이 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 유사하거나 본질적으로 동일하게 되도록 구성된다.
도 6 및 7을 계속 참조하면, 장치들 또는 노드들의 직렬 전력 접속에 대해 3개의 조건이 가정되는데, 즉 (1) 각각의 노드에 의해 인출되는 전류는 그의 부하의 전류, 전압 또는 동작 상태와 무관해야 하고, (2) 각각의 노드에 의해 인출되는 전류는 관심 있는 소정의 최소 전압 위에서(그리고 소정의 예상되는 동작 범위에 걸쳐) 노드 전압에 적어도 어느 정도는 비례해야 하며, (3) 각각의 노드의 전류 대 전압 특성은 실질적으로 유사하거나 동일해야 한다. 달리 말해서, 각각의 노드 또는 장치(500)의 전류 대 전압 특성은 노드/장치가 저항성 소자로서 보이도록 실질적으로 선형이어야 하며, 모든 노드의 전류 대 전압 특성은 실질적으로 유사해야 한다.
위에 비추어, 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 도 6 및 7에 도시된 장치(500)에 대해 고려되는 예시적인 전류 대 전압 특성의 플롯들(310, 312, 314)을 나타낸다. 도 8의 플롯들에는, 명목 동작 포인트(316)가 지시되며, 그 주위에서 전류 대 전압 특성들은 실질적으로 선형으로 나타난다(즉, 주어진 장치에 대한 소정의 단자 전압 VT=Vnom 주위에서, 장치는 본질적으로 "저항성"인 것으로 나타난다). 일부 구현들에서, 장치(500)에 대해 고려되는 전류 대 전압 특성은 직렬 접속된 장치들에 대해 실질적으로 유사하거나 동일한 한, 정확히 선형일 필요는 없다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 도 8의 플롯들(312, 314)은 명목 동작 포인트 주위에서 선형 IV 특성을 보이는 반면, 플롯(310)은 약간의 곡률을 갖는 IV 특성을 보이지만, 본 개시의 목적을 위해, 명목 동작 포인트(316) 주위에서 실질적으로 선형인 IV 특성이 예측 가능한 거동을 보장하기 위해 다수의 직렬 접속된 장치에 의해 동일하게 공유되는 한(예를 들어, 전압 공유), 플롯(310)은 명목 동작 포인트(316) 주위에서 실질적으로 선형인 IV 특성을 나타낸다.
도 8에 도시된 플롯들과 관련하여, 플롯들 중 어느 하나와 연관된 장치의 "유효 저항"은 장치에 대한 명목 동작 포인트 VT=Vnom 주위의 전압들의 범위에 걸쳐 플롯의 기울기의 역수에 의해 주어진다. 장치의 유효 저항은 전압들의 범위에 걸치는 임의의 주어진 포인트에서 장치의 "겉보기 저항"(Rapp)과 다를 수 있는데, 여기서 겉보기 저항은 소자에 인가되는 단자 전압(VT)과 소자에 의해 인출되는 대응 단자 전류(IT)의 비, 즉 Rapp=VT/IT에 의해 주어진다. 후술하는 다양한 실시예에 따르면, 장치(500)는 소정의 명목 동작 포인트 VT=Vnom에서(또는 소정의 동작 범위에 걸쳐) 약 0.1(Rapp) 내지 10.0(Rapp)의 유효 저항(Reff)을 갖도록 구성될 수 있다. 또 다른 구현들에서, 장치는 소정의 명목 동작 포인트에서(또는 소정의 동작 범위에 걸쳐) 약 Rapp 내지 4(Rapp)의 유효 저항을 갖도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 6에 도시된 장치(500)의 컨버터 회로(510)의 일례를 나타내는 회로도이다. 도 9를 참조하면, 컨버터 회로(510)는 가변 전류원으로서 구현되는데, 전류원을 통해 흐르는 전류의 제어는 단자 전압(VT)에 비례하는 제어 전압에 기초한다. 구체적으로, 저항기들(R50, R51)은 단자 전압(VT)에 기초하여 제어 전압(Vx)을 제공하기 위한 전압 분할기를 형성한다. 제어 전압(Vx)은 연산 증폭기(U50)의 비반전 입력에 인가되고, 이는 저항기(R53)를 가로지르는 제어 전압(Vx)을 생성하며, 따라서 전류원을 통해 흐르는 전류(Ics)는 Vx/R53으로 주어진다. 또한, 전류(IVD)가 R50 및 R51에 의해 형성된 전압 분할기를 통해 흐르며, 장치(500)에 의해 전도되는 단자 전류(IT)에 이르도록 Ics에 더해진다.
전류(Ics)는 부하(520)에 의해 인출될 수 있는 최대 전류(IL , MAX)보다 크도록 선택된다. 트랜지스터(Q51) 및 저항기(R52)에 의해 형성되는 전류 경로는 전류(Ics)에 이르도록 부하 전류(IL)에 추가되는 전류(IB)의 균형을 제공한다. 부하 전압(VL)은 단자 전압(VT) 마이너스 제어 전압(Vx)에 의해 주어진다. 인가되는 단자 전압(VT)의 변화에 따라, 부하 전압(VL)도 변하며, 따라서 부하 전류(IL)는 부하의 전류 대 전압 특성에 기초하여 변한다. 또한, 가변 IV 특성들을 갖는 부하들에 대해, 부하 전류(IL)는 주어진 VL 및 VT에서 변할 수 있다. 부하 전류(IL)가 변함에 따라, Q50 및 저항기(R52)를 통해 흐르는 전류도 변하며, 따라서 전류원을 통해 흐르는 총 전류(Ics)는 (R53을 통해) Vx에 비례한다. 이와 같이, 장치에 의해 전도되는 단자 전류(IT)는 (트랜지스터(Q50)가 전류를 전도하는 적어도 일부 동작 범위에 걸쳐) 단자 전압(VT)에 비례하고 부하 전류(IL)와 무관하게 유지된다. 특히, 트랜지스터(Q50)가 전도 상태일 때, 전류(IT)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112009047747721-pct00001
도 10은 도 9에 도시된 장치(500)에 대한 전류 대 전압 특성의 플롯(318)을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(Q50)가 전도하기 시작하는 소정 임계 전압 위에서, 플롯은 실질적으로 선형이다. 위의 식 1에 따르면, 플롯의 선형 부분은 수직 축 상에 0의 절편을 가지며(즉, IT=mVT+b, 여기서 b=0), 이러한 방식으로 원점을 지나는 IV 특성을 갖는 저항성 부하를 동일하게 시뮬레이션한다. 플롯의 이 영역에서의 장치의 유효 저항(Reff)은 기울기의 역으로서, 다음과 같이 주어진다.
Figure 112009047747721-pct00002
도 9에 도시된 장치는 다양한 가능한 단자 전압(VT) 및 명목 부하 전압(VL)에 기초하여 동작하도록 구성될 수 있다. 도 10에 도시된 IV 특성의 연장 선형 부분의 원점 절편(또는 "0의 절편")으로 인해, 선형 부분에 걸치는 장치의 유효 저항 및 그의 겉보기 저항은 동일하다는 것을 알아야 한다(즉, Reff=Rapp).
일반적으로, 실용적인 설계 구현들을 위해, 부하가 적절히 기능할 수 있는 최소 부하 전압보다 큰 최소 단자 전압이 장치에 대한 명목 동작 포인트로서 선택된다(VT=Vnom>VL , MIN). 또한, 이러한 명목 동작 포인트에서의 장치의 겉보기 저항은 부하가 명목 동작 포인트에서의 적절한 동작을 위해 필요로 할 수 있는 최대 부하 전류(IL , MAX)에 대응하는 최대 예상 단자 전류에 의해 지시된다. 따라서, 일부 예시적인 구현들에서, 명목 동작 포인트에서의 장치의 겉보기 저항에 대한 적당한 가이 드라인은 최소 부하 전압을 최대 부하 전류로 나눈 값으로 주어진다. 도 9의 실시예에서, 이것은 또한 유효 저항(Reff)에 대한 가이드라인, 따라서 다양한 회로 소자들의 성분 값들의 선택에 대한 가이드라인을 제공한다.
예를 들어, 도 9의 회로에 기초하는 일 구현에서, 최소 부하 전압(VL)은 약 4.5V로 취해지며, 최대 부하 전류(IL)는 약 45mA로 취해진다(부하가 도 4의 조명 유닛(100)인 경우, 최대 부하 전류는 도 3의 최상위 플롯(3063)에 의해 주어질 것이다). 이것은 약 100Ω의 유효 저항에 대한 가이드라인을 제공한다. 이러한 예시적인 파라미터들에 기초하여, 명목 단자 전압(VT=Vnom=5V)이 선택되고, 전류원을 통해 흐르는 전류(Ics)가 약 50mA로 설정되어, 필요시에 최대 부하 전류의 적절한 제공을 보장한다. 전류(Ics)는 예를 들어 제어 전압(Vx)을 0.3V로 설정하고, 저항기(R53)를 6Ω이 되도록 선택함으로써 제공될 수 있다. 식 2 및 약 100Ω의 타겟 유효 저항에 기초하여, 이러한 제어 전압(Vx=0.3V)은 또한 R50을 4700Ω으로, 그리고 R51을 300Ω으로 선택함으로써 제공될 수 있다. 이러한 저항값들에서는, 약 1mA의 전류가 R50 및 R51에 의해 형성된 전압 분할기를 통해 흐르고, 5V의 단자 전압에서 약 51mA의 단자 전류(IT)에 이르도록 전류(Ics=50mA)에 추가되어, IV 특성 플롯의 선형 영역 내의 명목 동작 포인트에서 겉보기/유효 저항이 98Ω(즉, 약 100Ω)이 되게 한다.
위의 예에 고유한 파라미터들이 설명의 목적으로 사용되는 도 10으로부터, 이러한 도 9의 회로의 특정 구현은 약 2V 내지 약 20V의 단자 전압들의 범위에 걸쳐, 구체적으로는 약 4.5V 내지 9V의 단자 전압들의 범위에 걸쳐 동작하면서 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다(즉, IV 특성은 10:1 전압 범위에 걸쳐 선형일 수 있다). 일부 구현들에서는, 연산 증폭기의 선택에 따라, 회로는 연산 증폭기를 동작시키는 데 필요한 최소 전압에서 다른 회로 디바이스들 및 부하의 전력 소비 및 전압 능력에 의해 제한되는 전압까지의 범위 내의 단자 전압들에서 전술한 유효 저항을 나타낼 수 있다. 그러나, 일부 응용들에서, 장치(500)의 IV 특성이 실질적으로 선형으로 유지되는 단자 전압들의 범위는, 주어진 구현에서 동작 동안의 실제 단자 전압이 크게 변하지 않을 수 있으므로, 커야 할 필요가 없다는 것을 알아야 한다. 또 다른 구현들에서, 장치는 장치에 의해 달성되는 선형성을 효율적으로 균형화하기 위해(즉, 부하 자체의 전력 소비를 초과하는 컨버터 회로에 의한 과다한 전력 소비를 줄이기 위해) 장치의 단자 전압이 부하 전압보다 실질적으로 커지지 않도록 구성될 수 있다(예를 들어, 성분 값들이 선택될 수 있다).
도 9의 회로에서, 저항기(R52)는 옵션일 수 있으며, 필요한 경우에 트랜지스터(Q50)의 적절한 콜렉터-이미터 전압을 보장하도록 선택될 수 있는데, 본 예에서는 4.5V의 부하 전압(VL)에서 저항기(R52)가 생략될 수 있다. 또한, 도 9에는 트랜지스터(Q50)가 BJT로서 도시되어 있지만, 도 9의 회로는 대안으로 집적 회로 구현을 용이하게 하기 위해 Q50에 대해 FET를 이용할 수 있다는 것을 알아야 한다. 또 한, 도 9의 컨버터 회로는 어떠한 에너지 저장 컴포넌트도 포함하지 않아서, 집적 회로 구현을 더 용이하게 한다는 점에 주목해야 한다. 도 9에 기초하는 일 실시예에서, 도 4를 참조하면, 부하(520)는 도 4에 도시된 조명 유닛(100)과 유사한 LED 기반 조명 유닛을 포함할 수 있으며, LED 기반 조명 유닛은 하나 이상의 LED(104) 및 LED(들)에 대한 제어 회로(예를 들어, 제어기(105))를 포함한다. 이러한 구현의 일부 버전들에서, 컨버터 회로(510) 및 LED(들)에 대한 제어 회로(예를 들어, 제어기(105))는 LED(들)가 결합되는 단일 집적 회로로서 구현될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 6에 도시된 장치(500)의 컨버터 회로(510)의 일례를 나타내는 회로도이다. 도 11에서, 컨버터 회로(510)는 전류 미러를 이용하며, 전류 미러를 통해 흐르는 전류는 단자 전압(VT)에 기초한다. 구체적으로, 도 11에서, 트랜지스터들(Q1, Q2) 및 "프로그래밍" 저항기(R1)는 전류 미러의 일부를 형성하며, 전류 미러는 단자 전압(VT) 및 단자 전류(IT)에 기초하여 장치의 전류 대 전압 특성이 소정의 동작 범위에 걸쳐 프로그래밍 저항기(R1)의 IV 특성을 실질적으로 미러링하도록(즉, 실질적으로 선형이 되도록) 본질적으로 강제한다. 도 11의 회로는 전류 미러 내에 PNP 트랜지스터들을 사용하지만, 다른 구현들에서는 전류 미러 내에 NPN 트랜지스터들 또는 다른 반도체 디바이스들이 사용되고, 도 11에 도시된 회로와 동일한 기능을 제공하도록 회로가 적절히 재배열될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 11에 도시된 컨버터 회로는 또한 부하 전압(VL)을 제공하기 위해 전류 미러의 "부하 레그(leg)" 내에 제너 다이오드(D1)와 같은 전압 조절기를 포함한다. 장치는 단자 전압(VT)이 제너 전압(즉, 부하 전압(VL)) 플러스 전류 미러의 드롭아웃 전압을 초과할 때 저항성 소자로서 거동한다.
도 11을 참조하면, 전류 미러는 또한 옵션으로서 저항기들(R2, R3)을 포함할 수 있다. 도 11에 도시된 회로의 일부 구현들에서, 프로그래밍 저항기(R1)에 의해 주로 결정되는 프로그래밍 전류(Ip)는 클 필요가 없으며, 옵션인 저항기들(R2, R3)은 부하에 대해 이용가능한 전류에 대한 곱셈 팩터를 제공하기 위해 사용될 수 있다(그리고/또는 Q1 및 Q2의 크기들은 소정의 곱셈 팩터를 제공하도록 선택될 수 있다). 다이오드 접속된 트랜지스터(Q1)로 인해, 프로그래밍 전류(Ip)는 (VT-0.7)/(R1+R2)에 의해 주어진다(약 0.7V의 통상의 실리콘 BJT에 대한 베이스-이미터 전압(VBE)을 가정하고, 베이스 전류는 무시함). 트랜지스터들(Q1, Q2)의 크기를 적절히 조절하는 것으로 가정하면, 트랜지스터들에 대한 VBE는 유사하며, 따라서 저항기들(R2, R3)을 지나는 전압은 유사하다. 따라서, (부하(520)가 제너 다이오드(D1)를 통해 접속되는) 전류 미러의 "부하 레그"를 통과하는 전류는 Ip*(R2/R3)에 의해, 따라서 저항기들(R2, R3)에 의해 제공되는 곱셈 팩터에 의해 결정된다. 전류 Ip*(R2/R3)는 부하(520)에 의해 인출될 수 있는 최대 전류(IL)보다 크고, 제너 다이오드가 최대 부하 전류에서 전도를 유지하기에 충분하도록 선택된다. 임의의 주어진 시간에 부하(520)에 의해 필요하지 않은 모든 전류는 제너 다이오드(D1)에 의해 션트(shunt)되며, 따라서 장치를 통과하는 단자 전압(IT)은 부하 전류에 무관 하고, Ip[1+(R2/R3)]로 주어진다.
도 12는 도 11에 도시된 장치(500)에 대한 전류 대 전압 특성의 플롯(320)을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제너 다이오드(D1) 및 전류 미러가 전도하기 시작하는 소정 임계 전압 위에서, 플롯은 실질적으로 선형이다. 이 영역에서, IT와 VT 사이의 관계는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112009047747721-pct00003
위로부터, IT=mVT+b에 따라, IV 특성의 연장된 선형 부분은 (도 12에서 알 수 있듯이, 수평축 상의 양의 절편에 대응하는) 수직축 상의 0이 아닌(음의) 절편을 갖는다는 것을 알 수 있다. 플롯의 이 영역에서의 장치의 유효 저항(Reff)은 다음과 같이 주어진다.
Figure 112009047747721-pct00004
또한, 0이 아닌 절편으로 인해, 주어진 동작 포인트에서의 겉보기 저항은 유효 저항(Reff)과 동일하지 않으며, 오히려 유효 저항은 일반적으로 음의 절편으로 인해 겉보기 저항보다 낮다는 것을 알 수 있다.
도 9의 장치와 같이, 도 11에 도시된 장치는 다양한 가능한 단자 전압(VT)에 기초하여 동작하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 명목 부하 전압(VL)은 약 20V로 취해지고(제너 다이오드(D1)는 20V로 조절하도록 지정된다), 최대 부하 전류(IL)는 약 45mA로 취해진다. 이것은 명목 동작 포인트에서 장치의 약 440Ω의 겉보기 저항에 대한 가이드라인을 제공한다. 이러한 예시적인 파라미터들에 기초하여, 전원의 단자 전압(VT)은 약 24V로 취해지고, (부하가 제너 다이오드(D1)를 통해 접속되는) 전류 미러의 "부하 레그"를 통해 흐르는 전류는 약 55mA로 설정되어, 제너 다이오드가 충분한 부하 전류에서 충분히 바이어스된 상태를 유지하는 것을 보장할 수 있다. (약 50의 곱셈 팩터를 제공하기 위하여) R1=21kΩ, R2=1kΩ 및 R3=20Ω을 선택함으로써 약 1.1mA의 프로그래밍 전류(Ip)가 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 다이오드 접속된 트랜지스터(Q1)는 2N3906일 수 있으며, "부하 레그"에서 더 높은 전류를 처리하는 트랜지스터(Q2)는 FZT790일 수 있다.
도 11의 회로의 전류 대 전압 특성 및 유효 저항에 대한 위의 식들에 기초하여, 이 예시적인 장치는 IV 특성 플롯의 선형 영역에서 약 430Ω의 유효 저항(Reff)을 갖는데, 이는 24V의 명목 단자 전압에서 약 0.98(VT/IT)이다. 위의 예에 고유한 파라미터들이 설명의 목적으로 사용되는 도 12로부터, 이러한 도 11의 회로의 특정 구현은 약 21V에서 약 30V까지의 단자 전압들의 범위에 걸쳐 동작하면 서 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 11의 회로는 트랜지스터들(Q1, Q2)에 대해 BJT들을 사용하는 전류 미러를 도시하고 있지만, 전류 미러를 포함하는 다른 구현들에 따르면, 전류 미러들은 보다 큰 정밀도를 달성하고, 보다 낮은 프로그래밍 전류를 요구하고, 보다 낮은 드롭아웃 전압을 달성하고, 집적 회로 구현을 용이하게 하기 위해 FET, 연산 증폭기, CASCODE 디바이스 또는 다른 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 위의 식 3 및 4에 주어진 관계들은 전류 미러들에 기초하는 다양한 컨버터 회로 구현을 표현하도록 일반화될 수 있다. 예를 들어, 전류 미러의 곱셈 팩터를 g(예를 들어, 식 및 4에서 g=R2/R3)로 표시하고, 전류 미러의 "프로그래밍 레그" 내의 저항기 값들의 합을 p(예를 들어, 식 3 및 4에서 p=(R1+R2))로서 표시하여, 식 3을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112009047747721-pct00005
여기서, 식 5의 값 b는 수직축 절편을 나타내고, 전류 미러의 프로그래밍 레그 내의 다이오드 접속된 트랜지스터(예를 들어, 도 11의 Q1) 양단의 전압과 관련된다. 마찬가지로, 식 4는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112009047747721-pct00006
식 5로부터, b의 음의 값들에 대해, 유효 저항은 일반적으로 명목 동작 포인트에서 겉보기 저항보다 낮고, b의 양의 값들에 대해, 유효 저항은 일반적으로 명목 동작 포인트에서 겉보기 저항보다 높다는 것을 알 수 있다. 대안적인 전류 미러 구현들의 일부 예들이 아래에 설명된다.
도 13 및 14는 본 발명의 대안 실시예들에 따른, 도 6에 도시된 컨버터 회로(510)의 다른 FET 기반 예들을 나타내는 회로도이다. 도 13 및 14에 도시된 예들에서는, P채널 MOSFET들이 사용되지만, N채널 MOSFET들도 마찬가지로 사용될 수 있으며, 회로가 적절히 재배열될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 13에서, 저항기들(R5, R6)은 도 11과 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 프로그래밍 전류(Ip)와 "부하 레그" 내의 전류 사이의 곱셈 팩터를 제공하기 위해 사용된다. 구체적으로, 도 13의 성분들에 기초하여 식 5 및 6의 파라미터들을 대체하면, g=R5/R5, p=R4+R5이고, b는 MOSFET(Q5) 양단의 드레인-소스 전압과 관련된다. 추가로 또는 도 14에 도시된 바와 같은 저항기들(R5, R6)을 사용하는 것의 대안으로, FET들의 각각의 폭 대 길이의 비(W/L)가 곱셈 팩터(g)를 구현하도록 선택될 수 있다. 일 구현에서, 이것은 집적 회로 설계에서 원하는 곱셈 팩터를 달성하기 위해 전류 미러 내에서 사용되는 FET들 어느 하나에 대해 다수의 FET를 함께 편성함으로써 달성될 수 있다.
컨버터 회로(510) 내에 MOSFET들을 사용하는 것은 장치(500)의 집적 회로 구현을 용이하게 한다. 또한, 도 9와 관련하여 전술한 바와 같이, 도 13 및 14의 컨버터 회로들은 어떠한 에너지 저장 컴포넌트도 포함하지 않아서, 집적 회로 구현을 더 용이하게 한다. 도 13 및 14를 참조하면, 예시적인 구현들에서, 부하는 도 4에 도시된 조명 유닛(100)과 유사한 LED 기반 조명 유닛을 포함하거나 본질적으로 그것으로 구성될 수 있으며, LED 기반 조명 유닛은 하나 이상의 LED(104) 및 LED(들)에 대한 제어 회로(예를 들어, 제어기(105))를 포함한다. 이러한 구현들의 일부 버전들에서, FET들을 사용하는 컨버터 회로 및 LED(들)에 대한 제어 회로(예를 들어, 제어기(105))는 LED(들)가 결합되는 단일 집적 회로로서 형성될 수 있다.
도 11을 다시 참조하면, 부하(520)가 (예를 들어, 통상의 LED에 대해 도 2에 도시된 바와 같이) 일반적으로 전압에 의해 제한되는 전류 대 전압 특성을 갖는 경우, 다른 실시예들에 따르면, 제너 다이오드를 부하 자체로 대체함으로써, 도 11, 13 및 14에 도시된 컨버터 회로들 중 임의의 컨버터 회로의 전류 미러 회로와 부하를 "통합"하는 것이 더 가능할 수 있다. 도 11에 기초하는 예시적인 구성이 도 15에 도시되어 있으며, 여기서 제너 다이오드는 단일 LED 부하로 대체되어 있다. 결과적인 장치(500)는 도 12에 도시된 IV 특성을 가지면, 그러한 다수의 장치는 다양한 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 배열로 (도 15에 도시된 정사각형 단자들을 통해) 접속될 수 있다. 단일 LED를 포함하는 부하에 기초하는 도 15에 도시된 장치는 각 노드의 단자 전압 및 단자 전류가 예측 가능한 다수의 노드들의 시스템에서 대체 가능 LED 노드들을 갖는 것이 편리한 응용들에서 이로울 수 있다. 이것은 특히 LED들의 순방향 전압들이 상이할 수 있는 경우에 하나의 LED 타입으로 다른 LED 타입을 대체하는 것을 가능하게 한다. 또한, 전술한 바와 같이, FET 구현은 LED가 컨버터 회로의 나머지 컴포넌트들을 포함하는 단일 집적 회로에 실장되거나 그 위 에 제조될 수 있는 집적 회로 통합을 용이하게 할 것이다.
도 15에 도시된 회로는 LED 부하(520)의 동작 파라미터들(예를 들어, 온/오프 상태 또는 휘도)이 변경되는 것을 가능하게 하도록 더 개조될 수 있다. 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같이, LED 부하 주위의 전류를 전환(divert)하도록 구성되는 조작 회로(550)를 추가함으로써 "명멸하는" LED 장치(500)가 구현될 수 있다. LED는 조작 회로(550)에 의해 LED 부하 양단의 전압을 LED의 순방향 전압의 약간 아래로 줄이도록 충분한 전류를 인출함으로써 또는 LED 부하 주위의 전류 미러의 부하 레그 내의 전류의 모두 또는 상당 부분을 본질적으로 전환하도록 낮은 임피던스에서 스위칭함으로써 턴온 및 오프될 수 있다. 도 7을 다시 참조하면, 그러한 명멸 LED 장치(500)는 명멸 LED들의 스트링을 제공하는 조명 시스템을 형성하기 위해 (도 16에 도시된 정사각형 단자들을 통해) 직렬로 접속될 수 있다.
도 16에 도시된 디바이스에서 사용될 수 있는 하나의 예시적인 조작 회로가 도 17에 도시되어 있다. 도 17에서, 마이크로컨트롤러(U2)(예를 들어, PIC12C509)는 LED로부터 전류를 다른 곳으로 전환하도록 구성된다. 마이크로컨트롤러는 다양한 아날로그 또는 디지털 회로를 포함하는 임의의 다른 적절한 종류의 타이머로 대체될 수 있다. 컴포넌트들(D10, C2)은 마이크로컨트롤러에 전력을 제공하며, 트랜지스터(Q14)는 제너 다이오드(D9)와 함께 대체 전류 경로를 제공한다. 제너 다이오드(D9)의 전압은 그의 전압 플러스 Q14의 베이스-이미터 전압(약 0.7V)이 도 16의 LED 순방향 전압(즉, 부하 전압)보다 작도록 선택된다. 일 구현에서, D9는 1) 이 조작 회로를 실행하도록 선택된 전류 미러가 충분한 전력 처리 능력을 갖고, 2) 미러 출력 임피던스가 큰 미러 에러들을 방지할 만큼 충분히 크며, 3) LED가 오프된 동안, 커패시터(C2)가 마이크로컨트롤러의 동작을 가능하게 하기에 충분한 큰 크기를 갖는 경우에 생략될 수 있다. 다이오드(D9)는 타이머 회로에 계속적인 전력을 제공하기 위해, 특히 LED 양단의 전압이 클 때 충분히 큰 순방향 전압을 가질 수 있다. 이것은 C2에 대해 최소의 용량이 사용되는 것을 가능하게 한다. 이 사례에서, 장치 단자 전압이 마이크로컨트롤러의 전압 요구에 비해 크지 않는 경우에 D10을 저항기로 대체하는 것이 가능할 수 있다.
다른 실시예에서, 도 17에 도시된 다이오드(D9)는 보다 낮은 전압의 LED로 대체될 수 있으며, 따라서 2칼라 트윈클(twinkle)이 생성될 수 있다. 2개의 LED 및 이들을 제어하기 위한 조작 회로를 사용하는 전압 제한 부하를 포함하는 장치가 도 18에 도시되어 있다. 도 18의 회로에서, 2개의 LED(D7, D11) 중 하나는 온 상태를 유지한다. LED 전류는 외부적으로 설정되며, 어떠한 추가 전류원도 필요하지 않지만, 장치의 단자 전압(VT)이 변하는 경우에는 LED 전류도 변한다는 점에 유의한다. 도 19에 도시된 또 다른 실시예에서, 제너 다이오드(D13)를 사용하는, 도 11에 도시된 것과 유사한 컨버터 회로(510)는 다수의 LED를 개별적으로 그리고 독립적으로 온 및 오프하기 위해 2개의 LED(D14, D15) 및 도 17 및 18에 도시된 것과 유사한 조작 회로를 포함하는 부하(520)에 결합된다. 도 19에는 2개의 독립적으로 제어되는 LED가 도시되어 있지만, 다양한 칼라의 상이한 수의 LED들(예를 들어, 3개 이상)이 마이크로컨트롤러(U3)에 의해 제어될 수 있다는 것을 알아야 한다. 도 19에 기초하는 또 다른 실시예에서, 부하(520)는 도 4 및 5와 관련하여 전술한 LED 기반 조명 유닛(100)으로 대체될 수 있으며, 여기서 개별 LED들(또는 동일 또는 유사한 스펙트럼을 갖는 LED들의 그룹들)로의 전류는 서로 무관하게 그리고 장치의 단자 전압(VT)과 무관하게 각각 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 11-19와 관련하여 전술한 회로들의 일반 기능은 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 다른 회로 변형들을 이용하여 구현될 수 있다. 여기에 설명되는 바와 같이, PNP 및 NPN BJT들은 물론, PFET들 및 NFET들도 다양한 전류 미러 구성에 사용될 수 있다. 또한, 전류 미러들은 보다 큰 정밀도를 달성하거나, 보다 낮은 프로그래밍 전류를 요구하거나, 드롭아웃 전압을 낮추거나, 다른 바람직한 특징들을 갖기 위해 연산 증폭기, CASCODE 디바이스 또는 다른 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수 있다.
도 12와 관련하여 설명된 바와 같이, 전류 미러를 사용하는 전술한 회로들은 일반적으로 연장시에 IV 그래프 상의 원점을 지나는 선형 부분을 갖는 전류 대 전압 특성을 갖지 않는다. 오히려, BJT들을 사용하는 도 11에 도시된 회로의 경우, IV 특성 플롯의 연장된 선형 부분은 식 3에 의해 지시되는 바와 같이 수직축을 따라 음의 절편을 갖는다. 특히, 수평(수직) 축을 따른 절편은 0V 위의 적어도 하나의 다이오드 접속 트랜지스터 전압 강하(예를 들어, 0.7V)이다. 전류 미러 내에 MOS 디바이스들을 이용하는 회로들에서, 전압축 절편은 2V 이상 정도일 수 있다.
장치(500)의 전류 대 전압 특성이 IV 그래프 상의 원점 절편을 갖는 것이 바 람직할 수 있는 구현들에 대해, 도 9 및 10과 관련하여 전술한 바와 같은 연산 증폭기에 기초하는 전류원이 사용될 수 있다. 대안으로, 컨버터 회로(510) 내에 전류 미러들을 사용하는 다른 본 발명의 실시예들에 따르면, 도 9에 도시된 것과 유사한 연산 증폭기 전류원이 전류 미러와 함께 사용될 수 있다. 도 20은 MOSFET 전류 미러(562)가 연산 증폭기(U4A)를 포함하는 프로그래밍 회로(564)에 결합되는 컨버터 회로(510)의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 20의 회로에서, 저항기(R27)는 전류 미러에 대한 프로그래밍 저항기로서 기능하며, 프로그래밍 저항기 양단의 제어 전압(Vx)은 R28 및 R29에 의해 형성된 전압 분할기를 통해 단자 전압(VT)의 일부가 되도록 설정된다. 결과적으로, 프로그래밍 전류(Ip)는 다이오드 접속된 MOSFET(Q29) 양단에서의 전압 강하의 함수가 아니며, 결과적인 장치는 도 21에 예로서 도시된 바와 같이 IV 그래프의 원점 가까이에 또는 원점에 연장된 선형 부분 절편을 갖는 IV 특성 플롯(322)을 갖는다. 일 양태에서, 이것은 보다 많은 수의 장치가 직렬로 접속되는 것을 가능하게 하는데, 이는 도 7에 도시된 바와 같은 장치들의 직렬 접속 스트링에서 일반적으로 보다 양호한 정밀도가 단자 전압들의 더 적은 확산으로 이어지기 때문이다.
도 20은 연장된 선형 부분이 원점 절편을 갖는 IV 특성을 갖는 장치에 대한 컨버터 회로의 다른 구현을 제공하지만, 이것은 다양한 응용에서 장치의 동작을 위해 반드시 필요한 특성은 아니다. 일반적으로, 여기에 설명되는 다양한 본 발명의 실시예에 따른 장치는 IV 그래프의 원점을 지나도록 연장하거나 연장하지 않을 수 있는 정상 동작 동안에 예상되는 단자 전압들의 소정 범위에 걸쳐 실질적으로 선형이거나 의사 선형인 전류 대 전압 특성을 가질 수 있다. 또한, 필요한 선형성의 정도는 상이한 응용들에 대해 상이할 수 있다. 부분적으로, 이것은 컨버터 회로 내의 임의의 중요한 에러 소스들(임의의 오프셋, 비선형성 또는 장치마다의 차이로 이어지는 컴포넌트 미스매치들)을 분석하고 둘 이상의 장치 사이의 결과적인 유효 단자 전압 미스매치를 결정함으로써 결정될 수 있다. 이러한 에러들은 감소될 수 있지만, 임의의 필요한 에러 감소도는 응용에 종속할 수 있다. 예를 들어, 주어진 응용에 대해 충분한 여분의 전원 전압이 이용 가능하고, 소정 장치에서의 여분의 전력 소비가 허용 가능한 경우, 다수의 장치가 전원으로부터 전력을 인출하기 위해 함께 접속되도록 더 유사한 전류 대 전압 특성들을 보장하기 위한 추가 수단들은 필요하지 않을 수 있다.
또 다른 본 발명의 실시예들에서, 도 6에 도시된 장치(500)에 대한 컨버터 회로들은 IV 특성의 연장된 선형 부분에 대해 0이 아닌 절편을 의도적으로 부과하도록 구성될 수 있으며, 따라서 장치의 유효 저항은 정상 동작 포인트에서 겉보기 저항과 상당히 다를 수 있다. 특히, 컨버터 회로는 명목 동작 포인트(VT=Vnom) 주위의 범위에서의 장치의 유효 저항이 0이 아닌 절편의 부과를 통해 정상 동작 포인트에서의 겉보기 저항(Rapp=VT/IT) 이상이 될 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 유효 저항(Reff=nRapp, 여기서 n>1)은 장치의 단자 전류의 전압 의존성을 줄이는 데 사용될 수 있다. 명목 동작 포인트 위의 전압 편차들이 예상 될 수 있는 응용들에서, 이러한 보다 큰 유효 저항은 그러한 전압 편차들에 걸쳐 보다 적은 디바이스 전력 소비로 이어진다. 예를 들어, 겉보기 저항을 단순히 배가시킴으로써, 즉 Reff=2Rapp가 되게 함으로써, 명목 동작 포인트보다 높은 전압들에서 50%의 전력 절약을 달성할 수 있으며, n=4에서 75%의 전력 절약을 달성할 수 있다. 일부 사례들에서 효과적인 전압 공유는 더 높은 n의 값에 대해 달성하기 더 어렵게 될 수 있는데, 이는 작은 표유 전류 에러들이 다수의 직렬 접속된 장치들의 각각의 단자 전압의 비례적으로 더 큰 변화를 유발할 수 있기 때문이지만, 이러한 효과는 많은 응용에서 중요하지 않을 수도 있다. 대안으로, 유효 저항(Reff=nRapp, 여기서 n<1)은 보다 높은 전원 전압들에서 직렬 접속된 장치들의 스트링 사이에서 보다 양호한 전압 공유를 실시하기 위해, 또는 다양한 다른 동작 상의 이유로 사용될 수 있다. 부하로서의 하나 이상의 광원 및 배터리를 포함하는 전원을 갖는 다수의 직렬 접속된 장치들에 관한 그러한 하나의 이유는 보다 높은 배터리 전압들에서 광 출력을 최대화하는 것일 수 있다. 이론적으로 승수 n은 임의 값을 가질 수 있지만, 여기에 설명되는 다양한 실시예에 따르면, 컨버터 회로들은 승수 n이 적어도 0.1<n<10의 범위 내의 값을 갖도록, 일부 구현들에서는 n이 1<n<4의 범위 내의 값을 갖도록 구성될 수 있다.
승수 n, 따라서 도 9의 컨버터 회로에 기초하는 주어진 장치의 유효 저항을 변화시키기 위하여, 저항기(R51)와 직렬로 양 또는 음의 전압을 삽입하여, 제어 전압(Vx)에 대한 오프셋을 제공할 수 있으며, 대안으로 연산 증폭기(U50)의 비반전 입력에 양 또는 음의 전류를 추가하여 제어 전압(Vx)에 대한 오프셋을 제공할 수 있다. 의도적인 오프셋을 도입하는 다른 방법들도 이용될 수 있다. 유사한 방식으로, 전류 미러를 이용하는 컨버터 회로들에서, 양 또는 음의 전압을 프로그래밍 저항기와 직렬로 삽입하거나, 대안으로 양 또는 음의 고정 전류를 프로그래밍 전류(Ip)와 병렬로 추가하여, 그러한 특성들을 달성할 수 있다. 위의 것들은 다양한 상이한 방식들로, 다양한 상이한 회로들을 이용하여 구현될 수 있으며, 유효 저항을 변경하는 다른 방법들도 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
예를 들어, 도 22 및 23은 본 발명의 다른 실시예들에 따라 명목 동작 포인트에서 겉보기 저항과 다른 유효 저항을 제공하기 위해 사전 결정된 방식으로 IV 특성의 0이 아닌 절편이 부과되는, 도 6에 도시된 장치의 컨버터 회로(510)의 다른 예들을 나타내는 회로도들이다. 도 22에서는, 추가적인 고정 전류(I2)가 프로그래밍 전류(Ip)와 병렬로 흐르는 전류 미러 구성을 이용한다. 저항기들(R40, R41), 제너 다이오드(D42), 트랜지스터(Q40) 및 연산 증폭기(U6)를 포함하는, 도 20에 도시된 것과 유사한 전류원 구성이 전류(I2)를 생성하기 위해 사용된다. 식 5는 고정 전류(I2)를 고려하여, 도 22의 회로에 대해 다음과 같은 IV 특성을 제공하도록 변경될 수 있다.
Figure 112009047747721-pct00007
식 7로부터, 고정 전류는 수직축 절편(b)(즉, 다이오드 접속된 트랜지스터의 효과)을 제거하거나, 수직축 절편에 대한 다른 최종 양 또는 음의 값들을 제공하도 록 선택될 수 있다는 것을 알 수 있다. 주어진 명목 동작 포인트 VT=Vnom 및 대응하는 전류 IT에서, I2에 대한 보다 높은 양의 값들(최종적인 양의 절편)은 보다 높은 유효 저항들을 가능하게 하며, 이와 달리 I2에 대한 보다 큰 음의 값들(최종적인 음의 절편)은 보다 낮은 유효 저항들을 가능하게 한다. 도 23은 IV 특성의 연장 선형 부분의 수직 절편이 프로그래밍 저항기와 직렬인 (예를 들어, 제너 다이오드(D20) 또는 소정의 다른 타입의 전압 기준에 의해 부과되는) 고정 전압(Voffset)의 추가를 통해 어떻게 아래로(즉, 더 큰 음의 전류로) 이동될 수 있는지를 나타낸다. 식 3 및 5를 참조하면, 전압(Voffset)은 다이오드 접속된 트랜지스터(Q26)를 통해 전압(Vtran)에 추가되어, 파라미터 b에 대한 음의 값을 증가시킨다. 이러한 동일한 기술은 도 22에 도시된 프로그래밍 저항기(R32) 또는 저항기(R40)와 관련하여 이용될 수 있다.
일반적으로, 제어 전압(Vx)을 생성하기 위해 다수의 부동 기준 다이오드들 및 저항기들을 사용하고, 옵션으로서 정밀도 또는 편리의 목적으로 연산 증폭기들 또는 다른 회로들을 추가함으로써 다양한 특성들이 생성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러한 회로들은 종종 피스-와이즈(piece-wise) 선형으로서 참조되는데, 그 이유는 그들이 그들의 기능에 대한 다수의 실질적으로 선형인 피스들을 갖기 때문이다. 그러한 기능을 생성하기 위한 회로들의 구성은 일반적으로 이해된다. 원하는 제어 전압(Vx)은 단자 전압(VT)으로부터 도출되며, 도 20 또는 22에 도시된 것들과 같은 전압 대 전류 컨버터 회로 구성(또는 임의의 다른 적절한 회로)을 이용하 여, 프로그래밍 전류와 병렬인 전류를 생성할 수 있으며, 이 전류는 부하에 대한 더 큰 전류를 생성하는 데 사용될 수 있다. 대안으로 그리고 도 9의 일 실시예에 도시된 바와 같이, 전류 미러는 부하가 적절한 상황들에서는 회피될 수 있으며, 연산 증폭기는 조정가능한 션트의 제어에서 이미 흐르고 있는 부하 전류를 제거하는 추가 기능을 부담할 수 있다.
도 4 및 5와 관련하여 전술한 바와 같이, 제어 가능한 LED 기반 조명 유닛(100)은 데이터를 직렬 방식으로 수신, 처리 및 전송할 수 있으며, 처리된 데이터는 조명 유닛에 의해 생성되는 광의 다양한 상태(예컨대, 칼라, 휘도)의 제어를 용이하게 한다. 그러한 조명 유닛의 예시적인 전류 대 전압 특성은 도 3과 관련하여 전술하였다. 그러한 조명 유닛은 변경된 전류 대 전압 특성들을 제공하기 위하여(예를 들어, 조명 유닛(100)을 포함하는 장치가 전력을 인출하는 전원에 대해 선형 또는 저항성 소자로서 보이도록 하기 위해) 도 6의 실시예 및 여기에 설명되는 다양한 다른 실시예에 도시된 장치(500)에서 부하로서 기능할 수 있다. 도 7과 관련하여 전술한 바와 같이, 그러한 장치는 전원으로부터 전력을 수신하기 위해 다양한 직렬, 직렬/병렬 조합들로 배열될 수 있다.
도 7에 도시된 장치의 직렬 전력 접속에 기초하여, 도 24 및 25는 조명 유닛(100)을 각자 포함하는 복수의 장치(500)를 포함하는 일부 예시적인 조명 시스템들(2000)을 도시한다. 도 7과 마찬가지로, 도 24 및 25에 도시된 각각의 장치(500)(작은 정사각형으로 표시됨)는 조명 시스템들(2000)의 "조명 노드"를 구성 하며, 복수의 조명 노드는 전원 단자 전압(VPS)을 갖는 전원으로부터 전력을 인출하기 위해 직렬(도 24) 또는 직렬-병렬(도 25)로 결합된다.
도 24 및 25에서, 복수의 노드는 직렬 방식으로 전력을 수신할 뿐만 아니라, 직렬 방식으로 데이터를 처리하도록 구성된다. 특히, 시스템들은 직렬 방식으로 각각의 노드의 통신 포트들(120)(도 4 및 5 참조)에 결합되는 데이터 라인(400)을 포함한다. 하나의 특정 실시예에서, 임의의 노드로부터의 데이터는 용량 결합의 이용을 통해 다음 노드에 접속될 수 있다. 다수의 조명 유닛들의 보다 큰 시스템들은 도 25에 도시된 바와 같이 직렬 접속된 조명 유닛들의 다수의 스트링을 병렬 방식으로 함께 결합함으로써 생성될 수 있다. 그러한 직렬-병렬 배열들에서, 데이터 라인들의 용량 결합을 위한 커패시터들은 Cx로 표시된 바와 같은 동일 전압의 노드들 사이에서 사용되거나, Cy의 부재를 통해 표시된 바와 같이 생략될 수 있다. 다른 실시예에서, 데이터 네트워크 및 노드 스택킹은 임의적일 수 있는데, 즉 데이터가 임의의 특정 패턴으로 하나의 노드에서 다음 노드로 이어져야 한다는 요구는 존재하지 않는다. 도시된 용량 결합은 데이터가 노드들 사이에서 임의의 시퀀스 또는 순서로 전달되는 것을 허가할 수 있다. (예를 들어, 도 25에 도시된 것과 유사한 노드들의 직렬-병렬 배열에 기초하는) 노드들의 하나의 예시적인 2차원 배열에서, 데이터는 행에서 행으로 또는 열에서 열로, 또는 사실상 모든 다른 방식으로 흐를 수 있다.
도 26은 도 24 및 25에 도시된 것들과 유사한 조명 시스템(2000)이 커패시 터(2020)에 의해 형성된 필터 및 브리지 정류기(2040)를 더 포함하고, 따라서 임의의 추가적인 전압 감소 회로(예컨대, 변압기) 없이 AC 전원(2060)(예를 들어, 120 VRMS 또는 240 VRMS의 라인 전압을 가짐)으로부터 직접 동작될 수 있음을 도시하고 있다. 이 실시예의 일 양태에서, 직렬 접속된 노드들의 수 및 각각의 노드 전압들은 정류되고 필터링된 AC 라인 전압(즉, 전압 VPS)이 복수의 노드에 전력을 제공하기에 적합하도록 선택된다. 도 9와 관련하여 전술한 일 실시예에서, 노드들은 5V 정도의 명목 단자 전압들을 가질 수 있으며, 따라서 최대 307R 이상의 노드들이 120 VRMS의 라인 전압에 기초하는 전압 VPS 사이에 직렬로 접속될 수 있다. 도 11과 관련하여 전술한 다른 실시예에서, 노드들은 24V 정도의 명목 단자 전압들을 가질 수 있으며, 따라서 최대 7개의 노드가 120 VRMS의 라인 전압에 기초하는 전압 VPS 사이에 직렬로 접속될 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 24, 25 및 26에 도시된 노드들을 포함하는 장치(500)의 일례를 도시하고 있는데, 여기서 노드는 도 4 및 5와 관련하여 전술한 바와 같은 3채널(예컨대, RGB) LED 기반 조명 유닛(100)을 포함한다. 설명의 목적으로, 조명 유닛(100)은 도 11의 구성에 기초하는 컨버터 회로(510)에 결합되는 것으로 도시되지만, 여기에 개시되는 개념들에 따르는 임의의 컨버터 회로가 장치 내에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 조명 유닛(100)의 3개 "채널"은 도 27에서는 간략화를 위해 3개의 LED(D23, D24, D25)로 도시된다. 그러나, 이러한 LED들 은 도 4에 도시된 LED 기반 광원들(104A, 104B, 104C, 104D)을 나타내며, 각각의 광원은 주어진 스펙트럼을 갖는 방사선을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 LED를 포함하고, 주어진 광원의 다수의 LED 자체는 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 배열들로 함께 결합될 수 있다는 것을 알아야 한다(일 실시예에서, 녹색 채널은 5개의 직렬 접속된 녹색 LED를 사용할 수 있고, 청색 채널은 5개의 직렬 접속된 청색 LED를 사용할 수 있으며, 적색 채널은 8개의 직렬 접속된 적색 LED를 사용할 수 있다). 도 24, 25 및 26과 관련하여 전술한 바와 같이, 도 27에 도시된 장치 (500)는 조명 유닛의 제어기(105)의 데이터 라인들 및 통신 포트들(120)을 통한 직렬 데이터 통신을 위해 구성될 수 있다.
여기에 제공되는 저항성 변환 실시예들 모두는 연속 시간 회로들이었지만, 부하 전압의 보다 양호한 제어, 보다 높은 효율 또는 다른 목적을 제공하기 위해 다양한 형태의 DC/DC 변환(그 예는 스위치 모드 전원들 및 전하 펌프 회로들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다)이 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 여기에 제공되는 개념들의 통합 구현들은 일반적으로 다양한 목적을 달성하기 위해 상당 수의 트랜지스터를 포함하는 더욱 복잡한 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 여러 실시예가 본 명세서에 설명되고 도시되었지만, 이 분야의 통상의 기술자들은 여기에 설명되는 기능을 수행하고 그리고/또는 결과들 및/또는 하나 이상의 이익을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이며, 그러한 변경들 및/또는 개조들은 여기에 설명되는 본 발명의 실시예들의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 일반적으로, 이 분야의 기술자들은 여기에 설명되는 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것을 의도하며, 실제의 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성들은 본 발명의 가르침이 이용되는 특정 응용 또는 응용들에 의존할 것이라는 것을 쉽게 알 것이다. 이 분야의 기술자들은 여기에 설명되는 본 발명의 특정 실시예들에 대한 많은 균등물을 인식하거나, 단지 일상적인 실험을 이용하여 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 위의 실시예들은 단지 예시적으로 제공되며, 첨부된 청구항들 및 그의 균등물들의 범위 내에서 본 발명의 실시예들은 구체적으로 설명되고 청구되는 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 실시예들은 여기에 설명되는 각각의 개별 특징, 시스템, 물건, 재료, 키트 및/또는 방법과 관련된다. 또한, 그러한 둘 이상의 특징, 시스템, 물건, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의 조합은 서로 모순되지 않으며, 본 발명의 범위 내에 포함된다.
여기에 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전적인 정의, 참고 문헌으로 포함된 문서들 내의 정의 및/또는 정의된 용어들의 통상의 의미를 지배하는 것으로 이 해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같은 부정관사 하나("a" 및 "an")는, 명확히 달리 지시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같은 문구 "및/또는"은 그것으로 결합된 요소들, 즉 일부 사례들에서는 결합하여 존재하고 다른 사례들에서는 분리하여 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 양자"를 의미하는 것으로 이해되어야 한 다. "및/또는"으로 리스트되는 다수의 요소는 동일 방식으로, 즉 그것으로 연결되는 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 문구에 의해 구체적으로 식별되는 요소들과의 관련 여부와 관계없이, 구체적으로 식별되는 요소들과 다른 요소들이 옵션으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방 언어와 관련하여 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 참조는 일 실시예에서는 A만을 참조할 수 있고(옵션으로서 B가 아닌 요소들을 포함함), 다른 실시예에서는 B만을 참조할 수 있으며(옵션으로서 A가 아닌 요소들을 포함함), 또 다른 실시예에서는 A와 B 양자를 참조할 수 있는 것(옵션으로서 다른 요소들을 포함함) 등등이 가능하다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용될 때, "또는"은 전술한 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트 내의 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로서, 즉 다수의 요소 또는 요소 리스트 중 적어도 하나를 포함하지만, 또한 둘 이상을 포함하는 것으로, 그리고 옵션으로서 리스트되지 않은 추가 항목들을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. "~ 중 하나만" 또는 "~ 중 바로 그 하나" 또는 청구범위에서 사용될 때 "~ 로 구성되는"과 같이, 명확히 달리 지시되지 않는 용어들만이 다수의 요소 또는 요소 리스트 중의 바로 그 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용될 때, "또는"이라는 용어는 "어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 하나만" 또는 "~ 중 바로 그 하나"와 같은 배타성의 용어들이 선행할 때 배타적인 대안들(즉, "하나 또는 다른 것이지만 둘 다는 아님")을 지시하는 것으로만 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용될 때, "필수적으로 구성되는"은 특허법의 분야에서 사용되는 바와 같은 그의 통상의 의미를 가져야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용될 때, 하나 이상의 요소의 리스트와 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 리스트 내의 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택되지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 리스트된 각각 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않고, 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의 조합들을 배제하지 않는 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 정의는 또한, "적어도 하나"라는 문구가 참조하는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별되는 요소들과의 관련 여부와 관계없이, 그러한 구체적으로 식별되는 요소들과 다른 요소들이 옵션으로 존재할 수 있는 것을 허가한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 일 실시예에서는 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 B의 존재 없이 A(옵션으로서 B가 아닌 요소들을 포함함)를, 다른 실시예에서는 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 A의 존재 없이 B(옵션으로서 A가 아닌 요소들을 포함함)를, 또 다른 실시예에서는 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 A 및 옵션으로서 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, 즉 B(옵션으로서 다른 요소들을 포함함)를, 그리고 기타 등등을 참조할 수 있다.
둘 이상의 단계 또는 동작을 포함하는 여기에 청구되는 임의의 방법들에서, 명확히 달리 지시되지 않는 한, 방법의 단계들 또는 동작들의 순서는 방법의 단계 들 또는 동작들이 기재되어 있는 순서로 반드시 제한되는 것은 아니라는 것도 이해해야 한다.
위의 명세서는 물론 청구범위에서, "포함하는", "보유하는", "구비하는", "갖는", "수반하는", "유지하는", "구성되는" 등과 같은 모든 전이어는 개방적인 것으로, 즉 그것을 포함하지만 그에 한정되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허 상표청의 특허 심사 절차, 섹션 2111.03의 매뉴얼에 설명되어 있는 바와 같이, "구성되는" 및 "필수적으로 구성되는"이라는 전이어들만이 각각 폐쇄적이거나 반 폐쇄적이어야 한다.

Claims (94)

  1. 전원으로부터 전력을 인출하기 위해서 적어도 하나의 부하의 접속을 용이하게 하기 위한 장치로서,
    비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 부하; 및
    상기 적어도 하나의 부하에 연결된 컨버터 회로
    를 포함하고,
    상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 장치는 단자 전압(VT)을 갖고, 상기 단자 전압(VT)과 비례하는 단자 전류(IT)를 전도하고,
    상기 컨버터 회로는 상기 단자 전압(VT)에 비례하는 제3 전류(ICS)가 흐르는 가변 전류원을 포함하고,
    상기 가변 전류원은 상기 부하가 가로질러 접속된 전류 경로를 포함하고, 상기 전류 경로는, 상기 제3 전류(ICS)에 도착하기 위한 상기 적어도 하나의 부하에 의해 전도된 제2 전류(IL)에 부가되는 균형 전류(IB)를 전도하고,
    상기 전원에 대해 상기 장치는 적어도 일부의 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 갖는 것으로 보이고, 상기 장치에 의해 전도되는 상기 단자 전류(IT)는 상기 적어도 하나의 부하에 의해 전도되는 상기 제2 전류(IL)와 무관한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨버터 회로는, 상기 장치가 상기 적어도 일부의 동작 범위 내의 적어도 명목(nominal) 동작 포인트 VT=Vnom에서 0.1(VT/IT)와 10.0(VT/IT) 사이의 유효 저항을 갖도록 구성되는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 컨버터 회로는, 상기 유효 저항이 상기 적어도 일부의 동작 범위 내의 적어도 상기 명목 동작 포인트 VT=Vnom에서 1.0(VT/IT)와 4.0(VT/IT) 사이에 있도록 구성되는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨버터 회로는 상기 적어도 하나의 부하에 대한 동작 전압을 제공하기 위한 전압 조절기를 더 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨버터 회로는 상기 가변 전류원에 연결되는 고정 전류원 및 고정 전압원 중 적어도 하나를 더 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컨버터 회로는 단일 집적 회로를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부하는 적어도 하나의 LED를 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 LED는 적어도 하나의 백색이 아닌 LED를 포함하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 LED는 적어도 하나의 백색 LED를 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부하는 적어도 하나의 LED 기반 조명 유닛을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 LED 기반 조명 유닛은,
    제1 스펙트럼을 갖는 제1 방사선을 생성하기 위한 적어도 하나의 제1 LED, 및
    상기 제1 스펙트럼과 상이한 제2 스펙트럼을 갖는 제2 방사선을 생성하기 위한 적어도 하나의 제2 LED
    를 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 LED는 적어도 하나의 백색이 아닌 LED를 포함하는 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 LED는 적어도 하나의 백색 LED를 포함하는 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 LED는 적어도 하나의 제2 백색 LED를 포함하는 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 컨버터 회로는 어떠한 에너지 저장 디바이스도 포함하지 않는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부하는 적어도 하나의 LED를 포함하며, 상기 장치는 단일 집적 회로를 포함하는 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 부하는 적어도 하나의 LED 기반 조명 유닛을 포함하고, 상기 적어도 하나의 LED 기반 조명 유닛은 적어도 하나의 LED 및 상기 적어도 하나의 LED에 대한 제어 회로를 포함하며, 상기 컨버터 회로와 상기 적어도 하나의 LED에 대한 제어 회로는 상기 적어도 하나의 LED가 연결되는 단일 집적 회로로서 구현되는 장치.
  17. 전원으로부터 전력을 인출하기 위해서 적어도 하나의 광원의 접속을 용이하게 하기 위한 장치로서,
    동작 전압(VL), 동작 전류(IL), 및 상기 동작 전압(VL)과 상기 동작 전류(IL)에 기초하는 제1 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 광원; 및
    상기 적어도 하나의 광원에 연결되어, 상기 동작 전압(VL)을 제공하기 위한 컨버터 회로 - 상기 컨버터 회로는, 상기 장치가 전원으로부터 전력을 인출할 때, 상기 장치가 단자 전류(IT)를 전도하며 단자 전압(VT)을 갖도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광원의 동작 전압(VL)은 상기 장치의 단자 전압(VT)보다 낮고,
    상기 장치의 단자 전류(IT)는 상기 적어도 하나의 광원의 동작 전류(IL) 또는 동작 전압(VL)과 무관하고,
    상기 컨버터 회로는, 상기 제1 전류 대 전압 특성과 상이한, 상기 단자 전압(VT) 및 상기 단자 전류(IT)에 기초하는, 상기 장치에 대한 제2 전류 대 전압 특성을 제공하기 위해서 사전 결정된 방식으로 상기 제1 전류 대 전압 특성을 변경하며,
    상기 제2 전류 대 전압 특성은, 상기 전원으로부터 전력을 인출하기 위해서 상기 적어도 하나의 광원이 적어도 하나의 다른 광원과 직렬로 접속될 때에 상기 적어도 하나의 광원의 예측가능 거동을 용이하게 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광원의 상기 제1 전류 대 전압 특성은 비선형이거나 가변이며, 상기 장치의 상기 제2 전류 대 전압 특성은 상기 단자 전압(VT)의 위의 전압들과 상기 단자 전압(VT)의 아래의 전압들을 커버하는 사전 결정된 전압 범위에 걸쳐 선형인 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 컨버터 회로는, 상기 장치가 적어도 명목 동작 포인트 VT=Vnom에서 0.1(VT/IT)와 10.0(VT/IT) 사이의 유효 저항을 갖도록 구성되는 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 컨버터 회로는, 유효 저항이 적어도 명목 동작 포인트에서 1.0(VT/IT)와 4.0(VT/IT) 사이에 있도록 구성되는 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 컨버터 회로는 가변 전류원을 포함하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은,
    제1 스펙트럼을 갖는 제1 방사선을 생성하기 위한 적어도 하나의 제1 LED; 및
    상기 제1 스펙트럼과 상이한 제2 스펙트럼을 갖는 제2 방사선을 생성하기 위한 적어도 하나의 제2 LED
    를 포함하는 장치.
  23. 전원으로부터 전력을 인출하기 위해서 비선형 또는 가변 전류 대 전압 특성을 갖는 적어도 하나의 부하의 접속을 용이하게 하는 방법으로서,
    단자 전압(VT)을 갖고, 상기 단자 전압(VT)에 비례하는 단자 전류(IT)를 전도하는 상기 전원으로부터 전력을 인출하는 장치를 제공하는 단계;
    상기 단자 전압(VT)에 비례하는 제3 전류(ICS)가 흐르는 가변 전류원을 제공하는 단계;
    상기 부하가 가로질러 접속된 전류 경로를 제공하는 단계 - 상기 전류 경로는, 상기 제3 전류(ICS)에 도착하기 위한 상기 적어도 하나의 부하에 의해 전도된 제2 전류(IL)에 부가되는 균형 전류(IB)를 전도함 -;
    상기 장치의 주어진 단자 전압(VT)에서 상기 적어도 하나의 부하에 의해 전도된 상기 제2 전류(IL)를 변경하는 단계; 및
    상기 제2 전류(IL)가 변경됨에 따라, 상기 가변 전류원을 통해 흐르는 상기 제3 전류(ICS)가 상기 단자 전압(VT)과 비례관계를 유지하도록 상기 전류 경로에 의해 전도된 상기 균형 전류(IB)를 변경하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 전원에 대해 상기 장치는 적어도 일부의 동작 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 전류 대 전압 특성을 갖는 것으로 보이는, 방법.
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