KR101561877B1

KR101561877B1 - 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 led램프

Info

Publication number: KR101561877B1
Application number: KR1020150024972A
Authority: KR
Inventors: 장세봉
Original assignee: 기민전자주식회사
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2015-10-22
Also published as: WO2016137046A1

Abstract

본 발명은 다등용 형광램프 안정기와 연결되어 사용되는 LED램프에 관한 것으로, 특히 상기 안정기의 LC공진회로의 동작 상태를 체크하는 피드백 제어부와; 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도를 높이기 위하여 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하고, 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 OFF동작을 감지하면 LED램프의 전류를 동작전류로 복귀시키는 디밍제어부를 포함하는 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명에서 상기 디밍제어부는 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도 향상 및 설정 목표 전압에 도달될때까지 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하는 기능을 갖추고 있어서 안정기의 종류에 관계 없이 LED램프에 안정적인 전압을 제공할 수 있고, 플리커도 방지된다.

Description

관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프{omitted}

본 발명은 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다등용 안정기에서의 램프 관전압 불일치에 의한 전력 불평형 및 플리커 현상을 방지하여 LED램프에 안정적인 출력전류를 공급할 수 있는 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프에 관한 것이다.

형광램프를 비롯한 방전램프는 램프전류가 증가하면 램프 양단의 전압이 감소하는 부성저항(negative resistance) 특성을 가지며, 이 특성으로 인한 점등의 불안정과 램프의 소손을 예상할 수 있으므로, 방전개시 후 계속되는 램프전류의 증가를 제한하기 위한 전류제한장치로 안정기(ballast stabilizer)를 사용한다.

안정기는 크게 자기식과 전자식으로 구분되며, 점등시키는 램프의 개수에 따라 1등용 또는 2등용으로 구분되기도 한다.

기존의 자기식 안정기는 철심과 초크(choke) 코일로 구성되어 상용전원이 안정기를 거치면서 전류와 전압의 위상차가 생겨 원활한 점등과 방전 후 전류의 무한 증가를 방지하게 된다.

자기식 안정기의 경우 상용 주파수 60Hz를 사용하기 때문에 1초에 60번의 ON/OFF를 반복하게 되므로 잔상효과로 인한 눈의 피로현상이 존재하게 된다.

이에 대한 대책으로 전자회로를 이용하여 상용 주파수를 수십 kHz의 고주파로 변환하여 램프를 점등시키는 전자식 안정기(electronic ballaster)를 사용함으로써, 자기식 안정기에 비해 약 15% 정도의 발광효율 향상과 25% 정도의 손실을 저감할 수 있다.

전자식 안정기는 자려식 발진(self-oscillation) 방식과 타려식 발진(external oscillation) 방식으로 구분된다.

자려식 발진은 스위칭과 동시에 트랜스포머의 궤환회로를 이용하여 발진을 병행하여 회로를 구동시키는 방법으로 입력전압의 변동에 따라 구동 주파수가 변화하는 단점이 있으나, 회로의 구성이 용이하고 경제적이기 때문에 저전력 기기에 상용화되고 있으며 푸시풀(push-pull) 방식과 하프브리지(half-bridge) 방식이 주로 사용된다.

푸시풀 방식은 트랜스포머의 권선비에 따라 출력전압을 변환할 수 있는 방식의 안정기로서, 저전압용의 전원에 많이 적용되고 있다.

하프브리지 방식의 인버터는 컬렉터 전류가 0[V]에서 스위칭하기 때문에 손실이 적고 변화율이 높은 장점을 갖는 반면에, 인가전원의 전압변동과 외부서지에 취약한 단점이 있다.

타려식 발진은 발진 및 제어를 위한 전용의 IC를 사용하여 인가 전압을 스위칭 함으로써 스위칭 주파수나 펄스폭의 설정이 용이하며, 시스템의 안정성이 우수한 장점을 갖는다.

형광램프, 냉음극형광램프(CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) 및 외부전극형광램프(EEFL, External Electrode Fluorescent Lamp)의 휘도는 입력되는 전력에 비례하므로, 전자식 안정기의 인버터 출력을 제어함으로써 조도조절(dimming)이 가능하게 되며, 다음과 같은 방법이 조도조절 방안으로 사용된다.

PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의한 조도조절방식은 램프의 ON/OFF 시간의 비율을 제어함으로써 밝기를 조절하는 방식이다. 스위칭 전원장치에 사용되는 PWM 방식과 유사하기 때문에 PWM 조도조절 방식이라 한다.

ON/OFF되는 주파수를 쵸핑주파수(chopping frequency)라 하며 램프의 구동주파수 및 LCD의 프레임 주파수(frame rate) 등과 간섭을 일으키게 되면 일종의 플리커(flicker) 현상이 발생할 수 있고, 가청 주파수대의 노이즈가 발생할 수 있다.

직류전압변화(DC Biasing Dimming)에 의한 조도조절방식은 공진회로의 푸시풀 트랜지스터의 전류를 가변하는 방식으로 아날로그 조절방식으로 볼 수 있으며, 전류가 연속적이기 때문에 램프의 스트레스가 최소화되며 입력전원과 냉음극형광램프의 밝기 사이에는 선형적인 비례관계가 형성된다.

대부분의 조도제어 범위에서 거의 일정한 효율을 유지하므로 PWM 방식에 비해 높은 효율을 나타내며, 쵸핑주파수가 존재하지 않으므로 초기에는 맥놀이 주파수(beat frequency)에 민감한 정밀기기나 효율이 중요시되는 휴대용 기기에 사용되었다.

LCD의 색조대비(contrast) 기능을 수반하기 때문에 광범위하게 사용되고 있으나, 밝기 제어의 범위가 PWM 방식에 비해 협소하며, 트랜지스터의 바이어스 저항이나 이와 연관된 신호를 제어하는 방식이므로 기타의 조도제어 방식에 비해 제어가 어려운 단점이 존재한다.

입력전압 변화에 의한 조도조절방식은 공진회로에 입력되는 직류전압을 가변하여 램프에 전달되는 전력을 조절하는 방식으로, 직류변환 방안은 일반 컨버터 등에 이용되는 벅(buck) 컨버터를 이용하는 것이 대부분이며 램프전류와 폐루프를 구성하고 대부분 PWM 제어기법을 사용한다.

램프전류는 직류전압 변화방식과 마찬가지로 연속적이며, 저주파의 쵸핑주파수가 존재하지 않으므로 맥놀이 주파수에 의한 안정성이 PWM 방식보다 양호하다.

또한, 램프전류의 유지도가 가장 높으며 밝기 제어범위 및 효율은 PWM 방식과 직류전압 변화방식의 중간 정도의 특성을 나타내며, 모니터 등에 가장 널리 이용되는 방식으로 다양한 기능의 추가가 용이하다.

LCC 공진형 방식의 회로는 L과 C의 직렬공진과 병렬공진이 복합된 LCC 직병렬 공진의 구조적 특징을 가지며, 램프 점등 전에는 직렬공진이 램프 점등 후에는 병렬공진의 영향이 크게 작용한다.

한편, 최근 에너지 절감을 위하여 형광등을 포함한 각종의 조명용 등기구가, 외관이 유사하고 소켓을 공용할 수 있으면서 효율이 좋은 LED램프로 교체하는 추세에 있다. 그러나 기설치되어 있는 기존의 형광램프 등기구 내에는 기존의 형광램프용 안정기가 내장되어 있어 일반 LED램프를 사용하기 위해서는 기존의 형광램프 등기구내에 탑재된 형광램프 안정기를 LED 컨버터로 교체해야 하는 불편함이 있어 LED램프의 보급이 활성화되지 못하고 있다. 따라서 기존의 형광램프 등기구에서 종래의 유리관 형광램프를 떼어내고, 그 자리에 형광램프 모양의 LED램프를 장착하여 사용할 수 있는 그러한 LED램프가 요구되어 왔다.

종래의 형광램프 등기구에 내장되어 있는 전자식 형광램프 안정기에 종래의 유리관형 형광램프를 연결하면 형광램프 안정기에서 약 45KHz의 공진형 발진기가 구동하여 유리관형 형광램프에 약 45KHz의 교류전류가 흐르면서 관 내부에 도색된 형광물질에 전자가 부딛쳐 빛을 발하게 되어 있다. 전자식 안정기는 안정기와 유리관형 형광램프 공진회로를 구성하여 형광램프 안정기마다 약간의 차이는 있으나 약 45KHz로 공진하도록 하여 효율을 극대화 하고 있다. 또 전자식 형광램프 안정기는 교류입력전압이 상승하면, 같은 비율로 출력전압도 상승하기 때문에, 그 출력을 특단의 대책이 없이는 LED램프에 사용할 수 없다. 즉 전자식 형광램프 안정기 출력을 LED램프에 사용할 경우 공진 주파수가 크게 변하여서는 안되고, 안정기 입력전원의 역율저하가 있어서는 안되며, 입력교류전압이 상승하여도 LED램프의 소비전력이 상승하지 않도록 해야한다. 또한 광효율이 상당히 개선되어야 하고, 광효율이 개선된만큼 입력전력을 낮추어 에너지가 절감되어야 한다.

공개특허공보 제10-2014-0123244호(공개일자 2014년10월22일)

본 발명의 목적은 다등용 안정기로부터 인가되는 전압을 제어하여 LED램프에 안정적인 출력전류를 공급함으로써, 다등용 안정기에서의 램프 관전압 불일치에 의한 전력 불평형 및 플리커 현상을 방지할 수 있는 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프를 제공하려는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 다등용 형광램프 안정기와 연결되어 사용되는 LED램프에 있어서, 상기 안정기의 LC공진회로의 동작 상태를 체크하는 피드백 제어부와; 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도를 높이기 위하여 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하고, 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 OFF동작을 감지하면 LED램프의 전류를 동작전류로 복귀시키는 디밍제어부를 포함하는 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프에 의해 달성된다.

본 발명에 의하면, LED램프가 형광램프와 같은 방전관 동작특성을 갖게 된다. 즉, 입력전압에 종속되는 디밍(DIMMING) 기능에 의해서 LED BUCK/BOOST 정전류 드라이버가 특정 입력전압 범위(방전관 동작점 이상)까지 상승하여야만, 디밍 레벨 100%가 성취된다.

DC 디밍에서는 알려진 기존 형광램프 관전압을 감안한 인스턴트식과 타려식 안정기의 설계값을 우선 반영하고, 목표하는 설계치에 근접하는 전력을 소비하는 형광램프의 관전류 및 목표 관전압 동작을 구현하게 되면(가령, 연결된 LED 어레이 전압 VF가 49VDC라 하더라도, DC 디밍 100%가 되는 전압을 85V로 설정하면, 이 연동에 의해 입력 전압 85VDC 이상에서만 동작하게 하는 방식), 이후 다른 종류 안정기마다의 설계 변수들에 대한 큰 고려 없이도, 이 목표 관전압을 구현하기 위한 BUCK/BOOST 동작상의 안정된 입력 전압(DIM 100% 레벨까지)을 기존 FL 안정기의 방전관 동작 특성상에서 자동으로 제공하게 되므로, LED 출력 전류가 고정되면서, 매우 안정적으로 LED 드라이버가 동작되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프의 제1 구동예를 나타낸 회로도,
도 2는 도 1의 동작특성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프의 제2 구동예를 나타낸 회로도,
도 4는 도 3의 동작특성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프의 제3 구동예를 나타낸 회로도,
도 6은 도 5의 동작특성을 나타낸 도면.

본 발명은 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프에 관한 것으로써, 다등용 안정기에서의 램프 관전압 불일치에 의한 전력 불평형 및 플리커 현상 발생을 방지하기 위한 것이다.

이를 위한 본 발명에 따른 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프(이하, LED램프)는 다등용 형광램프 안정기와 연결되어 사용되는 LED램프에 있어서, 상기 안정기의 LC공진회로의 동작 상태 체크 기능을 포함하는 피드백 제어부와; 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도를 높이기 위하여 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하고, 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 OFF동작을 감지하면 LED램프의 전류를 동작전류로 복귀시키는 디밍제어부를 포함한다.

여기서, 상기 디밍제어부는 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도를 높이기 위하여 LED램프의 전류를 동작전류값의 88% 정도로 일시적으로 유지하여 플리커를 방지한다.

또한, 상기 디밍제어부는 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도 향상 및 설정 목표 전압에 도달될때까지 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하여 안정기의 종류에 관계 없이 LED램프에 전류를 안정적으로 공급할 수 있다.

구체적으로, 4극에 대한 다상교류회로 정류부와, 관전압 유지를 위해 LC공진을 ON/OFF하는 정류단 평활 전압 피드백 제어부와, LC공진 동작을 검출하여 신속한 관전압 안정화를 지원하는 출력 전류 디밍제어부(10mSEC주기 미만의 디밍제어로 20% 최소전류가 유지되어, 플리커 방지. 디밍제어 안정성이 검증된 제어계로, LED패키지 효율 향상에 따른 저전력 램프 설계 대응 가능)와, 디밍제어 기능을 내장한 LED 정전류 회로를 포함하며, 동작원리는 다음과 같다.

형광램프 안정기에 전원이 인가되면, LC공진 회로가 동작(BRIDGE 정류기 + MOSFET 회로 ON)하고, 전압 상승에 의해 LED램프의 관전압이 상승한다. 이때 LC 공진회로가 ON됨을 피드백 감지부(예컨대, 포터 커플러)가 감지하여, 전압 상승 속도를 올리기 위해 LED램프의 전류를 일정 수준으로 낮추는 동작을 수행(DIMMING 회로 동작, 가령 10% ~ 88%)한다. 그리고 이 관전압이 필요한 전압 레벨을 넘어 서면, LC공진 회로 동작을 차단(BRIDGE 정류기 + MOSFET 회로 OFF)하게 된다. 이때, LC 공진회로가 OFF됨을 피드백 감지부가 감지하여, LED램프의 전류를 정상 수준으로 복귀하는 동작을 수행하는 과정을 반복한다.

이와 같이 구성되고 동작되는 본 발명은 오래된 안정기의 높은 파고 전압에 의해 PWM 디밍시의 플리커 문제를 해소할 수 있다. 즉, 전압 리플에 대해 노이즈 필터 기능이 추가된 것으로써 DC 디밍기능을 수행하는 것이다. LED 제어의 핵심은 정전류 출력이며, 이로써 형광램프 안정기 종류가 달라져도 동일한 광속을 보장한다. 기존에는 주로 1차측 입력 전력을 안정화시켜, 형광램프 안정기 종류가 달라져도 단순히 LED가 점등만 되면 만족하는 수준이어서, 형광램프 안정기의 종류가 달라지면 출력 LED 전류가 변화하여 LED램프의 총광속이 다르게 나오게 된다. 그러나 본 발명은 정류된 DC평활 전압에 비례하여 자동으로 DC 디밍을 수행하게 되어, 설정된 관전압 이상의 전위에서 매우 안정된 LED구동 전류가 흐르게 된다.

즉, DC 디밍기능은 초기 기동시의 평활 콘덴서 전위 상승에 비례하여 자동으로 디밍 전압이 올라가므로(0% > 100% IOUT 유도) 부드러운 기동이 이루어지며, 이를 관전압과 구동전류에 맞춰 설계한 인스턴트식 및 타려식 안정기 방식에서 관전압 설정과 연동시키면 매우 유효하게 동작한다.

또한, DC 디밍은 도 2,4,6과 같이 모두 시뮬레이션으로 검증되었고, 이 원리를 일반적인 BUCK 컨버터에 적용해, 실제 형광램프 안정기를 통해 구동시킨 결과, 다양한 출력 범위에서 고정밀한 LED 출력 전류가 구현 동작되었다(모든 형광등 안정기 종류를 사용하여, 설계 의도된 LED출력 전류의 ±5% 미만의 편차 이내로 시제품이 구현됨. 260㎃, 290㎃, 300㎃, 310㎃, 550㎃)

회로구조는 도 1,3,5와 같이 정류단 구조 3종류이며, PWM-DIM 및 DC-DIM은 선택적 사용이 가능함. 전원소스(안정기 전원, AC/HF) > 다상정류회로 3종 > 정류 전압에 의한 PWM-DIMMING 제어계 > 정류된 DC 전압에 의한 DC-DIMMING 제어계 > BUCK/BOOST 회로 > LED 및 광원회로.

제어단계는,

PWM DIM; POWER ON > LC RESONANCE START > IOUT ~ 88% > VOLTAGE BOOST UP > OV(OVER VOLTAGE) FEEDBACK > LC RESONANCE STOP > IOUT 100% > UV(UNDER VOLTAGE) FEEDBACK > LC RESONANCE START > IOUT ~ 88% > VOLTAGE BOOST UP > OV FEEDBACK > LC RESONANCE STOP > IOUT 100% > REPEATED.

DC-DIM; POWER ON > LC RESONANCE START > IOUT DIMMED BY VBUS > VOLTAGE BOOST UP > IOUT 100% BY VBUS UP> OV FEEDBACK > LC RESONANCE STOP VBUS DOWN > IOUT DIMMED BY VBUS > UV FEEDBACK > LC RESONANCE START > VOLTAGE BOOST UP > IOUT 100% BY VBUS > OV FEEDBACK > LC RESONANCE STOP > REPEATED 이다.

이와 같은 본 발명은 마치 LED램프과 형광램프와 같은 방전관 동작 특성을 가지게 되는 것이다. 즉, 입력 전압에 종속되는 디밍 기능에 의해서 LED BUCK/BOOST 정전류 드라이버가 특정 입력 전압 범위(방전관 동작점 이상)까지 상승하여야만, 디밍 레벨 100%가 성취된다.

DC 디밍에서는 알려진 기존 형광램프 관전압을 감안한 인스턴트식과 타려식 안정기의 설계값을 우선 반영하고, 목표하는 설계치에 근접하는 전력을 소비하는 형광램프의 관전류 및 목표 관전압 동작을 구현하게 하면(가령, 연결된 LED 어레이 전압 VF가 49VDC라 하더라도, DC 디밍 100%가 되는 전압을 85V로 설정하면, 이 연동에 의해 입력 전압 85VDC 이상에서만 동작하게 됨) 이후, 다른 종류 안정기마다의 설계 변수들에 대한 큰 고려 없이도, 이 목표 관전압을 구현하기 위한 BUCK/BOOST 동작상의 안정된 입력 전압(DIM 100% 레벨까지)을 기존 FL 안정기의 방전관 동작 특성상에서 자동으로 제공하게 되므로, LED 출력 전류가 고정되면서, 매우 안정적으로 LED 드라이버가 동작하게 된다. 필요에 따라 PWM 디밍에서는 LC공진 ON/OFF피드백과 함께 자려식/타려식 안정기의 파형율에 의한 리플 등을 감안한 전압 관리(가령, 100DC ~ 200VDC)를 수행한다.

Claims

다등용 형광램프 안정기와 연결되어 사용되는 LED램프에 있어서,
상기 안정기의 LC공진회로의 동작 상태를 체크하는 피드백 제어부와;
상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도를 높이기 위하여 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하고, 상기 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 OFF동작을 감지하면 LED램프의 전류를 동작전류로 복귀시키는 디밍제어부;를 포함하며,
상기 디밍제어부는 피드백 제어부에서 상기 LC공진회로의 ON동작을 감지하면 LED램프의 관전압 상승의 속도 향상 및 설정 목표 전압에 도달될때까지 LED램프의 전류를 동작전류 보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 하는 관전압 2중 제어계를 가진 형광등 안정기용 LED램프.
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