KR101653596B1 - 발광 다이오드 구동 장치 - Google Patents

발광 다이오드 구동 장치 Download PDF

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KR101653596B1
KR101653596B1 KR1020150077252A KR20150077252A KR101653596B1 KR 101653596 B1 KR101653596 B1 KR 101653596B1 KR 1020150077252 A KR1020150077252 A KR 1020150077252A KR 20150077252 A KR20150077252 A KR 20150077252A KR 101653596 B1 KR101653596 B1 KR 101653596B1
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김덕용
이정수
정회환
김상도
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(주)지티씨
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Abstract

본 발명에 따른 발광 다이오드 구동 장치는 직렬로 연결되어 있고 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제1 발광 다이오드부와 상기 제1 발광 다이오드부에 연결되어 있고 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제2 발광 다이오드부를 구동하는 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것으로서, 상기 제1 발광 다이오드부에 연결되어 있는 교류 전원을 정류하는 정류부, 상기 정류부와 제1 발광 다이오드부 사이에 연결되어 있고, 제1 발광 다이오드부를 흐르는 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제1 전류 감지부, 상기 정류부와 제2 발광 다이오드부 사이에 연결되어 있고, 제2 발광 다이오드부를 흐르는 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제2 전류 감지부, 그리고 상기 제1 전류 감지부와 상기 제2 전류 감지부 사이에 연결되어, 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부의 직렬 연결을 위한 통로를 제공하는 역전류 방지부를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부는 상기 제1 및 제2 전류 감지부의 동작 상태에 따라 병렬 연결 상태 또는 직렬 연결 상태를 가진다.

Description

발광 다이오드 구동 장치{APPARATUS FOR DRIVING LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광 다이오드 구동 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode, LED)는 일반적인 다이오드 특성과 같이 순방향 전압이 인가될 때 인가되는 전압의 크기가 문턱 전압 이상이면 턴온되어 전류가 흘러 빛이 방출되는 특성을 가지고 있다.
교류 전원의 전압(이하, '전원 전압'이라 함)에 직접 구동되는 직결 형태의 발광 다이오드는 전파 정류기에 연결되어 있고, 이때, 한 개 이상의 발광 다이오드는 직렬 형태로 연결되거나, 직렬 형태와 병렬 형태의 연결 구조가 혼합된 직병렬 형태로 연결되어 있다.
이러한 발광 다이오드는 위에 기재된 것처럼, 턴온 전압 이상의 전압이 인가되면 발광 다이오드는 턴온되어 발광 다이오드를 통해 전류가 흐르지만, 턴온 전압 미만의 전압이 인가될 때는 턴오프되어 발광 다이오드에는 전류가 흐르지 않는다.
따라서, 전원 전압의 한 주기를 기준으로 할 때 발광 다이오드의 턴온 구간이 짧아 발광 다이오드의 발광량이 저하되고 전고조파 왜곡(total harmonic distortion) 현상이 발생한다.
직렬로 연결되어 있는 발광 다이오드의 개수가 증가하면 발광 다이오드를 턴온 시키기 위한 전압의 크기는 역시 증가하여, 발광 다이오드의 턴온 구간은 더욱 짧아지고, 이로 인해, 발광량 저하 현상과 전고조파 왜곡 현상은 더욱더 심하게 나타나며, 이로 인해 제조원가도 증가하게 된다.
반대로 직렬로 연결되는 발광 다이오드의 개수가 줄어 들면, 발광 다이오드를 구동하기 위한 전압의 크기는 감소하나 발광 다이오드에 과전류가 흘러서 발광 다이오드의 수명을 크게 단축시키는 문제가 발생하고, 교류 전원의 전압 변동에 따라 과전류 현상 역시 나타나는 문제점이 있다.
따라서 전원 전원의 전압 변동에 영향을 받지 않고, 발광량을 증가시키며, 전고조파 왜곡을 감소시키고, 과전류를 방지하고, 제조원가를 줄일 수 있는 발광 다이오드의 구동 장치의 개발이 필요하다.
도 1은 교류 전원(AC)에 정류 다이오드부(Dr), 전류 조절 저항(Rr) 및 직렬로 연결된 복수의 발광 다이오드를 구비한 발광 다이오드부(De)가 직렬로 연결된 발광 다이오드 구동 회로를 도시한다.
도 2는 도 1에서 인가한 교류 전원(AC)의 전압(이하, '전원 전압'이라 함)(VAC)과 교류 전원(AC)의 전류(IAC) 그리고 정류 다이오드부(Dr)에 의해 정류된 전압인 정류 전압(Vcc)과 발광 다이오드부(De)에 흐르는 정류 전류(Icc)의 파형을 도시한다.
도 1과 같이, 전원 전압(VAC)이 정류 다이오드부(Dr)를 통과하면 전파 정류되어 전파 정류된 정류 전압(Vcc)이 저항(Rr)을 거쳐서 발광 다이오드부(De)로 인가된다.
정류 전압(Vcc)의 크기가 직렬로 연결된 복수의 발광 다이오드를 구비한 발광 다이오드부(De)의 전체 순방향 문턱전압(즉, 각 발광 다이오드의 순방향 문턱 전압의 합)(Vth1) 이하이면, 도 2와 같이 일정시간(t1, t3) 동안 발광 다이오드부(De)는 턴오프되어 발광 다이오드부(De)로 전류(Icc)가 흐르지 않는다.
하지만, 정류 전압(Vcc)이 순방향 문턱전압(Vth1)보다 큰 경우(t2) 발광 다이오드부(De)가 턴온되어 발광 다이오드부(De)를 통해 전류(Icc)가 흐르기 시작하고, 흐르는 전류(Icc)의 크기는 정류 전압(Vcc)과 순방향 문턱전압(Vth1) 차이를 저항(Rr)으로 나눈 값에 해당하는 값이다. 따라서, 정류전압(Vcc)이 증가하면 발광 다이오드부(De)에 흐르는 전류가 최대허용전류보다 커지는 문제가 있다.
직렬로 연결되는 발광 다이오드의 개수에 비례하여 발광 다이오드부(De)의 턴온 동작에 필요한 전압의 크기, 즉 순방향 문턱전압(Vth1)의 크기가 증가하므로, 발광 다이오드부(De)의 턴온 구간이 짧아진다.
이로 인해, 전고조파 왜곡의 크기가 증가하고 발광 다이오드부(De)의 발광량도 저하된다.
발광 다이오드부(De)의 순방향 문턱 전압(Vth1)을 낮추거나 전원 전압(VAC)이 증가할 경우, 허용 전류 이상의 전류가 발광 다이오드부(De)에 흐를 수 있어 발광 다이오드부(De)의 수명이 단축되며 동작의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 발생한다.
전고조파 왜곡은 다양한 전기적인 잡음을 일으키는 원인으로서, 세계적으로 규제 대상이며, 발광 다이오드부(De)의 발광량이 저하되면 저하된 만큼 더 많은 발광 다이오드를 사용해야 하므로 발광 다이오드를 구비한 발광 장치의 제조 비용이 증가한다.
다음, 도 3은 전고조파 왜곡을 개선하는 발광 다이오드 구동 회로를 도시한다.
도 3을 참고로 하면, 전원(AC)에 전류 조절용 저항(R), 제1 발광 다이오드부(Da) 및 제2 발광 다이오드부(Db)가 직렬로 연결되어 있고, 제1 발광 다이오드부(Da)는 역병렬 형태로 연결되어 있는 두 개의 발광 다이오드(Da1, Da2)를 구비하고, 또한, 제2 발광 다이오드부(Db) 역시 역병렬 형태로 연결되어 있는 두 개의 발광 다이오드(Db1, Db2)를 구비한다.
도 3에 도시한 발광 다이오드 구동 회로는 전고조파 왜곡을 개선하기 위해 커패시터(C1)가 저항(R)과 제1 발광 다이오드부(Da)사이의 연결점(na)과 제1 발광 다이오드부(Da)와 제2 발광 다이오드부(Db)사이의 연결점(nb)에 연결되어 있고, 전원 전압(VAC)은 정류기 없이 저항(R)을 거처 바로 제1 및 제2 발광 다이오드부(Da, Db)에 연결되어 있다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 발광 다이오드부(Da, Db)에 인가한 전원 전압(VAC)과 전류(IAC), 저항(R)을 통과한 전압(VR), 제1 발광 다이오드부(Da)를 흐르는 전류(IDa) 및 제2 발광 다이오드부(Db)를 흐르는 전류(IDb)의 파형을 도시한다.
전압(VR)의 크기가 순방향 문턱전압(Vth2)보다 작을 때 제1 발광 다이오드부(Da)에는 전류가 흐르지 않고, 전체 순방향 문턱전압(Vth2) 이상일 때 전원 전압(VAC)의 양(+)의 반주기 동안 제1 발광 다이오드부(Da)의 순방향 발광 다이오드(Da2)에 전류(IDa2)가 흐르며, 전원 전압(VAC)의 음(-)의 반주기 동안 제1 발광 다이오드부(Da)의 역방향 발광 다이오드(Da1)에 전류(IDa1)가 흘러서 제1 발광 다이오드부 전류(IDa)가 된다.
순방향 문턱전압(Vth2)보다 작을 경우, 제2 발광 다이오드부(Db)에는 전원 전압(VAC)이 양(+)의 방향으로 상승할 때 커패시터(C1)를 통하여 충전 전류가 흐르며, 전원 전압(VAC)이 음(-)의 방향으로 상승할 때에도 커패시터(C1)를 통하여 방전 전류가 흐른다.
순방향 문턱전압(Vth2) 이상일 때, 전원 전압(VAC)의 양(+)의 반주기 동안 제1 발광 다이오드부(Da)의 순방향 발광 다이오드(Da2)를 통하여 제2 발광 다이오드부(Db)의 순방향 발광 다이오드(Db2)에 전류(IDb2)가 흐르며, 전원 전압(VAC)의 음(-)의 반주기동안 제1 발광 다이오드부(Da)의 역방향 발광 다이오드(Da1)를 통하여 제2 발광 다이오드부(Db)의 역방향 발광 다이오드(Db1)에 전류(IDb1)가 흘러서 제2 발광 다이오드부 전류(IDb)가 된다.
하지만, 전원 전압(VAC)이이 하강할 때는 커패시터(C1)를 통하여 전류가 흐르지 않으며 순방향 문턱전압(Vth2)보다 작을 때에서는 제1 발광 다이오드부(Da)와 같이 제2 발광 다이오드부(Db)에도 전류가 흐르지 않는다.
전원 전압(VAC)이 상승할 때는 제2 발광 다이오드부(Db)를 통하여 커패시터(C1)에 충방전 전류를 발생하여 전원 전압(VAC)에서 흐르는 전류(IAC)의 전고조파 왜곡을 어느 정도 개선시킬 수 있다. 하지만, 커패시터(C1)는 수명이 짧고 고전압을 견뎌야 하므로, 커패시터(C1)의 가격 상승 문제와 커패시터(C1)의 크기로 인한 제품의 소형화가 어렵다.
또한, 사용된 발광 다이오드의 절반인 제2 발광 다이오드부(Db)에서만 전고조파 왜곡을 줄이기 위한 커패시터(C1)의 충방전 전류가 흐르게 되어 제2 발광 다이오드부(Db)에 흐르는 전류가 제1 발광 다이오드부(Da)에 흐르는 전류보다 증가하여, 제1 발광 다이오드부(Da)에 전류를 최대로 공급할 경우 제2 발광 다이오드부(Db)에는 과전류가 흐르게 된다. 이로 인해, 발광 다이오드 구동 회로에 제1 및 제2 발광 다이오드부(Da, Db)를 구동하기 위한 충분한 크기의 전류를 공급할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 발광 다이오드의 최대허용전류를 제1 발광 다이오드부(Da)와 제2 발광 다이오드부(Db)에 흐르게 할 수 없어서 발광량이 떨어지는 문제점이 있다.
또한 전원 전압(VAC)이 전압 변동에 의해서 증가하게 되면 제1 및 제2 발광 다이오드부(Da, Db)에 흐르는 전류의 크기가 최대허용전류의 크기보다 커지는 문제점이 있어서 전원 전압(VAC)의 전압 변동을 고려하면 발광 다이오드에 흐르는 전류는 최대 허용 전류까지 도달하지 못하여 발광량이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0126166호(공개일: 2010. 12.01) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0104819호(공개일: 2011. 09.23)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 다이오드 구동 장치의 구조를 간소화시키는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 역률을 개선하기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 발광 다이오드 구동 장치는 직렬로 연결되어 있고 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제1 발광 다이오드부와 상기 제1 발광 다이오드부에 연결되어 있고 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제2 발광 다이오드부를 구동하는 발광 다이오드 구동 장치로서, 상기 제1 발광 다이오드부에 연결되어 있는 교류 전원을 정류하는 정류부, 상기 정류부와 제1 발광 다이오드부 사이에 연결되어 있고, 제1 발광 다이오드부를 흐르는 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제1 전류 감지부, 상기 정류부와 제2 발광 다이오드부 사이에 연결되어 있고, 제2 발광 다이오드부를 흐르는 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제2 전류 감지부, 그리고 상기 제1 전류 감지부와 상기 제2 전류 감지부 사이에 연결되어, 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부의 직렬 연결을 위한 통로를 제공하는 역전류 방지부를 포함하고, 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부는 상기 제1 및 제2 전류 감지부의 동작 상태에 따라 병렬 연결 상태 또는 직렬 연결 상태를 갖고 있다.
이때, 상기 제1 전류 감지부는 상기 정류부에 일측 단자가 연결되어 있는 제1 저항, 상기 제1 저항의 타측 단자에 컬렉터 단자가 연결되어 있는 제1 트랜지스터, 상기 제1 저항의 타측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 상기 제1 트랜지스터의 에미터 단자와 상기 역전류 방지부의 캐소드 단자와 상기 제2 발광 다이오드부에 애노드 단자가 연결되어 있는 제1 제너 다이오드, 그리고 상기 제1 저항의 일측 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 상기 제1 저항의 타측 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 제2 트랜지스터를 포함하며, 상기 제2 전류 감지부는 상기 정류부에 일측 단자가 연결되어 있는 제2 저항, 상기 제2 저항의 일측 단자에 에미터 단자가 연결되어 있는 제3 트랜지스터, 상기 제2 저항의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 상기 제3 트랜지스터의 컬렉터 단자가 연결되어 있는 제2 제너 다이오드, 그리고 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 역전류 방지부의 애노드 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 상기 제2 제너 다이오드의 캐소드 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며 상기 제2 저항의 타측 단자와 상기 제3 트랜지스터의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 제4 트랜지스터를 포함한다.
상기 특징에 따른 발광 다이오드 구동 장치는 상기 정류부와 상기 제1 전류 감지부 사이 그리고 상기 정류부와 상기 제2 전류 감지부 사이 중 적어도 하나에 정전류부를 더 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 교류 전원이 인가되면 발광 다이오드에 흐르는 전류를 감지하여 총 순방향 문턱 전압 이하에서도 모든 발광 다이오드에 전류가 흐르도록 하는 전류 스위치를 구현한다. 이로 인해, 발광 다이오드의 구동 시간이 증가하여 전고조파 왜곡이 줄어들고 발광량이 향상된다.
또한, 발광량이 높고 전압변동에 따른 과전류를 방지하여 조명장치의 신뢰성이 매우 높으며 전고조파 왜곡이 개선된 효과가 있다.
도 1은 종래의 교류용 발광 다이오드 구동 회로의 한 예에 대한 회로도이다.
도 2는 도 1에서의 교류 전압, 교류 전류, 정류 전압 및 정류 전류에 대한 파형도를 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 교류용 발광 다이오드 구동 회로의 다른 예에 대한 회로도이다.
도 4는 도 3에서의 교류 전압, 교류 전류, 정류 전압, 정류 전류에 대한 파형도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드 구동 장치의 회로도이다.
도 6은 도 5에서의 교류 전압, 정류 전압 및 발광 다이오드부를 흐르는 전류에 대한 파형도를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드 구동 장치에 대하여 설명한다.
먼저, 도 5을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드 구동장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드 구동 장치는 교류 전원(AC)에 연결되어 있는 정류부(10), 정류부(10)에 연결되어 있는 제1 및 제2 정전류부(21, 22), 제1 정전류부(21)에 연결되어 있는 제1 전류 감지부(31), 제1 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 제1 발광 다이오드부(51), 제1 전류 감지부(31)에 연결되어 있는 역전류 방지부(40), 제2 정전류부(22)와 역전류 방지부(40)에 연결되어 있는 제2 전류 감지부(32), 그리고 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)에 연결되어 있는 제2 발광 다이오드부(52)를 구비한다.
교류 전원(AC)의 전압인 전원 전압(VAC)은 110V나 220V일 수 있다.
정류부(10)는 전파 정류기로서, 일 예로, 네 개의 다이오드(D11-D14)를 구비한 브리지 정류기(bridge rectifier)이다.
이러한 정류부(10)의 동작에 의해 교류 전원(AC)은 전파 정류되어, 정류부(10)는 전원 전압(VAC)을 전파 정류한 전압인 정류 전압(Vcc)을 출력한다.
제1 및 제2 정전류부(21, 22)는 각각 정류 전압(Vcc)이 설정 전압 이상으로 상승하더라고 설정 전류를 초과하지 않고 정해진 크기의 일정 전류, 즉 설정 전류를 출력하여, 정류 전압(Vcc)의 변화에 관계없이 설정 전류를 제1 및 제2 전류 감지부(31, 33)로 공급하도록 한다.
이러한, 제1 및 제2 정전류부(21,22)의 동작에 의해, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)에 허용된 최대 전류까지 전류 공급이 이루어진다.
따라서, 전원 전압(VAC)의 전압 변화에 따른 과전류가 제1 및 제2 발광 다이오드부(51 52)로 인가되지 않으므로 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 구비한 조명 장치의 수명이 증가되며 조명 장치의 발광량이 향상된다.
제1 정전류부(21)의 한 예는 정류부(10)의 일측 단자에 드레인 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제1 트랜지스터)(T211), 정류부(10)의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T211)의 게이트 단자에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(제1 저항)(R211), 저항(R211)의 타측 단자에 컬렉터 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T211)의 소스 단자에 베이스 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제2 트랜지스터)(T212), 그리고 트랜지스터(T211)의 소소 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T212)의 에미터 단자에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(제2 저항)(R212)을 구비한다.
제2 정전류부(22)의 한 예 역시 제1 정전류부(21)와 동일한 구성요소와 유사한 구조로 이루어져 있어, 정류부(10)의 타측 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 저항(제2 저항)(R222), 저항(R222)의 타측 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제1 트랜지스터)(T221), 정류부(10)의 타측 단자에 에미터 단자가 연결되어 있고 저항(R222)의 타측 단자에 베이스 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제2 트랜지스터)(T222), 트랜지스터(T222)의 컬렉터 단자와 상기 트랜지스터(T221)의 게이트 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T221)의 드레인 단자에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(제1 저항)(R221)을 구비한다.
본 예에서, 트랜지스터(T211, T221, T212, T222)는 스위칭 소자로 기능하고, 트랜지스터(T211, T221)는 N 채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor)로 이루어져 있고, 트랜지스터(T212, T222)는 NPN 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)로 이루어져 있다. 이때, 저항(R212, R222)의 저항값에 따라 트랜지스터(T212, T222)의 동작 상태가 변해 제1 및 제2 정전류부(21, 22)의 정전류 동작 상태가 제어되므로, 제1 및 제2 정전류부(21, 22) 각각에 의해 제한되는 전류의 크기는 저항(R212, R222)의 저항값에 의해 정해진다.
하지만, 본 예와 달리, 제1 및 제2 정전류부(21, 22)는 도 5에 한정되지 않고 다른 구조를 갖는 정전류부가 사용될 수 있고, 또한, 하나의 정전류부만 사용될 수 있다.
제1 전류 감지부(31)는 제1 발광 다이오드부(51)를 흐르는 전류를 감지하고 제2 전류 감지부(32)는 제2 발광 다이오드부(52)를 흐르는 전류를 감지하여, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 점등 상태를 제어한다.
제1 전류 감지부(31)는 제1 정전류부(21)의 트랜지스터(T212)의 에미터 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 저항(제1 저항)(R311), 저항(R311)의 타측 단자에 컬렉터 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제1 트랜지스터)(T311), 저항(R311)의 타측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T311)의 에미터 단자와 역전류 방지부(40)의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있는 제너 다이오드(제1 제너 다이오드)(ZD31), 트랜지스터(T311)의 에미터 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 저항(R312), 그리고 저항(R311)의 일측 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 저항(R311)의 타측 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며, 저항(R312)의 타측 단자와 트랜지스터(T311)의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제2 트랜지스터)(T312)를 구비한다.
제2 전류 감지부(32)는 제2 정전류부(22)의 트랜지스터(T22)의 드레인 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 저항(제2 저항)(R321), 저항(R321)의 일측 단자에 에미터 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제3 트랜지스터)(T321), 저항(R321)의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 트랜지스터(T321)의 컬렉터 단자와 제1 발광 다이오드부(51)에 애노드 단자가 연결되어 있는 제너 다이오드(제2 제너 다이오드)(ZD32), 트랜지스터(T321)의 컬렉터 단자에 일측 단자가 연결되어 있는 제1 발광 다이오드부(51)에 타측 단자가 연결되어 있는 저항(R322), 그리고 저항(R322)의 타측 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 저항(R322)의 일측 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며 저항(R321)의 타측 단자와 트랜지스터(T321)의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 트랜지스터(제4 트랜지스터)(T322)를 구비한다.이때, 스위칭 소자인 제1 및 제2 전류 감지부(31)의 트랜지스터(T311, T312)는 NPN 바이폴라 트랜지스터이고, 스위칭 소자인 제1 및 제2 전류 감지부(31)의 트랜지스터(T312, T322)는 N 채널 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 이루어져 있다.
이러한 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)는 정류 전압(Vcc)에 따른 전류의 크기에 따라 동작 상태가 달라져, 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52)의 동작 상태를 병렬 구동 또는 직렬 구동 형태로 제어한다.
이때, 저항(R311, R321)의 저항값에 따라 트랜지스터(T311, T321)의 동작 상태가 변해, 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52)의 동작 상태를 제어한다.
역전류 방지부(40)는 제1 전류 감지부(31)와 제2 전류 감지부(31) 사이에 역방향으로 연결되어 있는 다이오드(D41)로 이루어져 있다.
이로 인해, 다이오드(D41)는 제1 전류 감지부(31)의 제너 다이오드(ZD31)의 애노드 단자, 트랜지스터(T311)의 에미터 단자 및 저항(R312)의 일측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고, 제2 전류 감지부(32)의 저항(R321)의 일측 단자, 트랜지스터(322)의 드레인 단자에 애노드 단자가 연결되어 있다.
이러한 역전류 방지부(40)는 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 동작 상태에 따라 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)가 병렬 구동 또는 직렬 구동이 이루어질 때, 병렬 구동이나 직렬 구동을 위해 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52)를 전기적으로 분리시키거나 전기적으로 연결하여 제1 발광 다이오드부(51)에서 제2 발광 다이오드부(52)로의 전류 흐름의 경로를 제공한다.
제1 발광 다이오드부(51)는 제1 전류 감지부(31)의 저항(R311)과 역전류 방지부(40)의 다이오드(D41)의 애노드 단자 사이에 순방향으로 직렬 연결되어 있는 적어도 하나의 발광 다이오드(LED511-LED51n)를 구비한다.
또한, 제2 발광 다이오드부(52)는 제1 전류 감지부(31)의 트랜지스터(T311)의 에미터 단자[또는, 역전류 방지부(40)의 캐소드 단자)]와 제2 전류 감지부(32)의 트랜지스터(T321)의 에미터 단자[또는 저항(R322)의 일측 단자]사이에 순방향으로 직렬 연결되어 있는 적어도 하나의 발광 다이오드(LED521-LED52n)를 구비한다.
각 발광 다이오드(LED511-LED51n, LED521-LED52n)는 자신의 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때 도통되어 발광하게 된다.
이러한 구조를 갖는 본 예의 발광 다이오드 구동 장치의 동작을 도 6을 참고로 하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 6의 (a)에 도시한 것과 같은 교류 전원의 전압(VAC)이 정류부(10) 인가되면, 정류부(10)는 교류 신호를 전파 정류하여 직류 신호로 변환하므로, 도 6의 (b)와 같은 정류 전압(Vcc)을 출력한다.
이러한 정류 전압(Vcc)은 제1 및 제2 정전류부(21, 22)로 인가되고, 제1 및 제2 정전류부(21, 22) 중 적어도 하나를 통과해 해당하는 크기의 전류(I1)를 출력한다.
따라서, 도 6의 (b)와 같은 정류 전압(Vcc)이 제1 및 제2 정전류부(21, 22)를 통해 인가되면, 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 동작 상태는 인가되는 전류(I1)의 크기에 따라 정해진다.
이때, 설정 전압(Vth31)은 서로 동일한 구조를 갖고 있는 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52) 각각에 존재하는 모든 발광 다이오드(LED511-LED51n, LED521-LED52n)를 발광하는데 필요한 전압으로서, 각 발광 다이오드부(51 또는 52)의 순방향 문턱 전압이다.
이미 설명한 것처럼, 저항(R311, R321)의 저항값에 따라 저항(R311, R321)를 흐르는 전류의 크기(I22)가 결정되고, 이로 인해, 트랜지스터(T311, T321)의 턴온 및 턴오프 시점이 정해지므로, 설정 전압(Vth31)은 저항(R311, R321)의 저항값에 따라 조정된다.
먼저, 정류 전압(Vcc)이 설정 전압(Vth31)에 도달하기 전까지 정류 전압(Vcc)은 설정 전압(Vth31)에 도달하지 못했으므로, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52) 모두 턴오프 상태를 유지하여 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 소등 상태가 된다.
따라서, 저항(R311, R321)에 인가되는 전압이 증가 또는 감소하여 트랜지스터(T311, T321)는 턴오프 상태를 유지하고, 이로 인해, 트랜지스터(T312, T322)는 턴온 상태를 유지한다.
이처럼, 트랜지스터(T312, T322)가 턴온됨에 따라, 턴온된 트랜지스터(T312)-제2 발광 다이오드부(52)-제2 정전류부(22)와 같은 폐루프가 생성되고, 제1 발광 다이오드부(51)-턴온된 트랜지스터(T322)-제2 발광 다이오드부(52)-제2 정전류부(22)와 같은 폐루프가 생성되어, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 서로 병렬 연결 상태가 된다.
이처럼, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)가 병렬 연결 상태를 유지할 경우 정류 전압(Vcc)은 설정 전압(Vth31)에 도달하지 못했으므로, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 모두 턴오프 상태를 유지한다.
따라서, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 모드 소등 상태가 되어, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 통해 흐르는 전류 역시 존재하지 않는다[도 6의 (c)의 P1구간].
다음, 위에 기재한 것처럼, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)가 병렬 연결 상태를 유지할 때 정류 전압(Vcc)이 설정 전압(Vth31)에 도달하면, 정류 전압(Vcc)의 크기가 각 발광 다이오드부(51, 52)의 순방향 문턱 전압에 도달한 상태이므로, 각 발광 다이오드부(51, 52)는 턴온되어 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 모두 점등된다.
이러한 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 점등 동작에 의해, 저항(R311, R321) 양단에 인가되는 전압이 감소하거나 증가하여 트랜지스터(T311, T321)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 바뀌고, 이로 인해, 트랜지스터(T312, T322)는 턴온 상태에서 턴오프 상태로 바뀐다.
트랜지스터(T312, T322)의 턴오프 동작에 의해, 제1 발광 다이오드부(51), 역전류 방지부(40)의 다이오드(D41)-제2 발광 다이오드부(52)-제2 정전류부(22)의 폐루프가 생성되어, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 서로 직렬 연결 상태가 된다.
이처럼, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)가 병렬 연결에서 직렬 연결 상태가 바뀌면, 직렬로 연결된 모든 발광 다이오드(511-51n, 521-52n)를 점등하기 위한 구동 전압은 각 발광 다이오드부(51, 52)의 순방향 문턱 전압을 모두 합친 총 순방향 문턱 전압(Vth3)이 필요하다.
하지만, 현재 정류 전압(Vcc)은 총 순방향 문턱 전압(Vth3)에 도달하지 못한 상태이지만, 점등 상태를 유지하고 있는 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52) 각각은 포화 상태(saturation state)를 유지하여 소등되지 않고 계속 점등 상태를 유지한다.
하지만, 저항(R311, R321) 양단에 인가되는 전압의 크기가 바뀌게 되어 트랜지스터(T311, T321)는 다시 턴오프 상태가 되고 트랜지스터(T312, T322)는 턴온 상태가 된다.
이처럼, 트랜지스터(T312, T33)가 턴온 상태를 유지할 경우 이미 기재한 것처럼 두 개의 폐루프가 형성되어 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 다시 병렬 연결 상태가 되고, 이로 인해, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 다시 안정적으로 점등 상태로 변한다.
제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 병렬 연결 상태로 인해, 각 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 발광 다이오드(D511-D51n, D521-D52n)가 모두 턴온되어 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)에서의 전류 소모가 이루어지면, 위에 기재한 것처럼, 트랜지스터(T311, T321)는 다시 턴온 상태가 되고 트랜지스터(T312, T322)는 다시 턴오프 상태가 바뀌어 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 연결 상태는 다시 직렬 연결 상태가 된다. 이미 설명한 것처럼, 직결 연결 상태에서도 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 점등 상태를 유지된다.
이처럼, 전원 전압(Vcc)이 크기가 설정 전압(Vth31) 이상이고 총 순방향 문턱 전압(Vth3) 미만인 경우에, 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 동작에 따라 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 병렬 연결 상태와 직렬 상태를 번갈아 유지하고,
제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 흐르는 전류(I22)는 각 발광 다이오드부(51, 52)가 구동될 때의 크기를 가지면서 점등 상태를 유지한다.
따라서, 순방향 문턱전압(Vth31) ≤ 정류 전압(Vcc) < 총 순방향 문턱 전압(Vth3)에서의 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 흐르는 전류 파형은 도 6의 (c)의 P2 구간과 같은 상태를 유지하게 된다.
이처럼, 정류 전압(Vcc)이 총 순방향 문턱 전압(Vth3)에 도달하지 않더라고 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 연결 상태를 병렬 연결 상태로 제어하여 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 점등시킨다.
이로 인해, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 발광 시간이 증가하여 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 발광량과 전고조파 왜곡이 개선되며 역률(power factor)이 향상된다.
다음, 정류 전압(Vcc)가 증가하여 순방향 문턱 전압(Vth3)에 도달하면, 정류 전압(Vcc)은 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52)의 총 순방향 문턱 전압(Vth3)이므로, 직렬로 연결된 제1 발광 다이오드부(51)와 제2 발광 다이오드부(52)의 모든 발광 다이오드(LED511-LED51n, LED521-LED52n)는 턴온되어 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 직렬 연결 상태에서 점등된다.
따라서, 총 순방향 문턱전압(Vth3) ≤ 정류 전압(Vcc)인 구간에서는 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 트랜지스터(T311, T321)는 턴온 상태를 유지하고 트랜지스터(T312, T322)는 턴오프 상태를 유지하여, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 직렬 연결 상태를 유지하며, 제1 발광 다이오드부(51) 및 제2 발광 다이오드부(52) 역시 점등 상태를 유지하게 된다[도 6의 (c)의 P3 구간 참조].
이때, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 직렬 연결 상태에서의 점등 상태를 유지하므로, 이때, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 흐르는 전류의 크기는 전류(I22)보다 큰 값을 된다.
이런 상태에서, 정류 전압(Vcc)의 증가로 인해, 제1 및 제2 다이오드부(51 52)를 흐르는 전류의 크기가 제1 및 제2 정전류부(21, 22)의 저항(R212, R222)에 의해 정해진 설정 전류(I21)를 초과하게 되면, 제1 및 제2 정전류부(21, 22) 중 적어도 하나가 동작한다.
따라서, 정류 전압(Vcc)의 크기가 해당 설정 전류(I21)에 대응하는 전압(예, Vth3)을 초과하게 되면, 제1 및 제2 정전류부(21, 22) 중 적어도 하나의 트랜지스터(T212, T222)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 전환되고 트랜지스터(T211, T221)는 반대로 턴온 상태에서 턴오프 상태로 바뀐다.
이로 인해, 정류 전압(Vcc)은 해당 정전류부(21, 22)의 저항(R211, R221)과 트랜지스터(T212, T221)를 거쳐 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)로 인가하여, 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)로 설정 크기(I21)를 초과하지 않는 정전류가 인가되도록 한다.
이때, 제1 및 제2 정전류부(21, 22)는 설계상 동일하게 제작되지만, 주변 환경이나 각 소자의 허용 오차 등으로 인해 동작 특상이 완전히 일치하지 않는다.
따라서, 제1 및 제2 정전류부(21, 22) 중에서 저항(R212, R222)의 저항값이 실질적으로 큰 정전류부나 트랜지스터(T212, T222)의 베이스-에미터간 전압이 낮은 정전류부가 먼저 동작을 시작하게 된다.
또한, 정류 전압(Vcc)에 순간적인 과전압 발생 등으로 인해 하나의 정전류부(21 또는 22)의 동작만으로 설정 전류를 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)로 공급할 수 없을 경우, 비동작 중인 나머지 정류부(22 또는 21)도 함께 동작하여 두 개의 정전류부(21, 22) 모두의 동작에 의해 설정 전류를 초과하는 전류에 대해서는 서로 분할 소진하게 된다.
이로 인해, 순간적인 과전류로 인한 정전류부(21, 22)의 소손이 방지된다. 또한, 발광 다이오드 구동 장치의 상태에 따라 두 개의 정전류부(21 또는 22) 중에서 하나씩 동작이 행해지므로, 하나의 정전류부만을 이용할 때보다 각 정전류부(21, 22)의 수명은 증가한다.
이처럼, 제1 및 제2 점등 발광 다이오드부(51, 52)를 흐르는 전류의 크기(I22, I21)는 1차적으로 제1 및 제2 전류 감지부(31,32)의 저항(R311, R321)의 저항값에 의해 정해지고, 2차적으로 제1 및 제2 정전류부(21, 22)의 저항(R212, R222)의 저항값에 정해진다.
이때, 발광 다이오드 구동 장치가 정상적으로 행해지기 위해서는 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 저항(R311, R321)에 의해 정해지는 전류의 크기가 제1 및 제2 정전류부(21, 22)의 저항(R212, R222)에 의해 정해지는 전류의 크기보다 작아야 하므로, 제1 및 제2 정전류부(R212, R222)의 저항값은 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 저항(R311, R321)의 저항값보다 작아야 된다.
이러한 발광 다이오드 구동 장치의 동작에 의해, 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)는 정류 전원(Vcc)의 전압 변화에 따라 병렬 구동, 병렬-직렬 구동 교대 및 직렬 구동을 행하게 되고, 이들 동작 상태에 따라 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)를 흐르는 전류의 크기 역시 정류 전원(Vcc)의 변화에 동기하여 제1 및 제2 발광 다이오드부(51, 52)의 동작 상태가 변하므로 역률이 크게 향상된다.
도 5에서, 제1 및 제2 전류 감지부(31, 32)의 제너 다이오드(ZD31, ZD32)는 트랜지스터(T311, T321)의 에미터-컬렉터 사이의 전압을 안전하게 제어하여 해당 트랜지스터(T311, T321)를 보호하기 위한 것이고, 저항(R312, R322)은 해당 제너 다이오드(ZD31, ZD32)의 양단 전압을 일정하게 유지하게 위한 것이다.
하지만 대안적인 예에서, 이들 소자(ZD31, ZD32, R312, R322) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
도 6의 (c)에서 구간(P4)에서 발광 다이오드 구동 장치의 동작은 이미 설명한 구간(P2)에서의 동작과 동일하며 구간(P5)에서 발광 다이오드 구동 장치의 동작 역시 구간(P1)에서의 동작과 동일하므로 생략한다.
본 예의 경우, 바이폴라 트랜지스터의 경우 모두 NPN 트랜지스터가 사용되고, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)일 경우 모드 N 채널의 트랜지스터가 사용되고, 제조 시 사용자의 편리성이 향상된다.이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 정류부 21, 22: 정전류부
31, 32: 전류 감지부 40: 역전류 방지부
51, 52: 발광 다이오드부

Claims (2)

  1. 직렬로 연결되어 있고 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제1 발광 다이오드부와 적어도 하나의 발광 다이오드를 구비한 제2 발광 다이오드부를 구동하는 발광 다이오드 구동 장치에서,
    교류 전원에 연결되어 상기 교류 전원을 정류한 정류 전압을 출력하는 정류부,
    상기 정류부와 제1 발광 다이오드부의 일측 사이에 연결되어 있고, 상기 정류 전압에 따른 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제1 전류 감지부,
    상기 정류부와 상기 제2 발광 다이오드부의 타측 사이에 연결되어 있고, 상기 정류 전압에 따른 전류의 크기에 따라 동작 상태가 변하는 제2 전류 감지부, 그리고
    상기 제1 전류 감지부와 상기 제2 발광 다이오드부의 일측 단자에 일측 단자가 연결되어 있고 상기 제2 전류 감지부와 상기 제1 발광 다이오드부의 타측에 타측 단자가 연결되어 있으며, 상기 제1 전류 감지부와 상기 제2 전류 감지부의 동작 상태에 따라 상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부를 직렬 연결시키는 역전류 방지부
    를 포함하고,
    상기 제1 발광 다이오드부와 상기 제2 발광 다이오드부는 상기 제1 및 제2 전류 감지부의 동작 상태에 따라 병렬 연결 상태 또는 직렬 연결 상태를 갖고,
    상기 제1 전류 감지부는,
    상기 정류부에 일측 단자가 연결되어 있는 제1 저항,
    상기 제1 저항의 타측 단자에 컬렉터 단자가 연결되어 있는 제1 트랜지스터,
    상기 제1 저항의 타측 단자에 캐소드 단자가 연결되어 있고 상기 제1 트랜지스터의 에미터 단자와 상기 역전류 방지부의 캐소드 단자와 상기 제2 발광 다이오드부에 애노드 단자가 연결되어 있는 제1 제너 다이오드, 그리고
    상기 제1 저항의 일측 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 상기 제1 저항의 타측 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며, 상기 제1 트랜지스터의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 제2 트랜지스터
    를 포함하며,
    상기 제2 전류 감지부는,
    상기 정류부에 일측 단자가 연결되어 있는 제2 저항,
    상기 제2 저항의 일측 단자에 에미터 단자가 연결되어 있는 제3 트랜지스터,
    제2 저항의 일측 단자에 애노드 단자가 연결되어 있고 상기 제3 트랜지스터의 컬렉터 단자가 연결되어 있는 제2 제너 다이오드, 그리고
    상기 제1 발광 다이오드부와 상기 역전류 방지부의 애노드 단자에 드레인 단자가 연결되어 있고 상기 제2 제너 다이오드의 캐소드 단자에 게이트 단자가 연결되어 있으며 상기 제2 저항의 타측 단자와 상기 제3 트랜지스터의 베이스 단자에 소스 단자가 연결되어 있는 제4 트랜지스터
    를 포함하는
    발광 다이오드 구동 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 정류부와 상기 제1 전류 감지부 사이 그리고 상기 정류부와 상기 제2 전류 감지부 사이 중 적어도 하나에 정전류부를 더 포함하는 발광 다이오드 구동 장치.
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KR102316206B1 (ko) * 2021-02-04 2021-10-25 (주)알에프세미 다단 전류제어 발광다이오드 조명장치
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