KR101699396B1

KR101699396B1 - 엘이디 조명 제어 장치 및 엘이디 조명 제어 방법

Info

Publication number: KR101699396B1
Application number: KR1020150151191A
Authority: KR
Inventors: 신동석; 박철형
Original assignee: 박철형
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-01-24

Abstract

본 발명의 엘이디 조명 제어 장치는, 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자; 발광 소자의 비선형 특성을 고려하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 외부에서 요청받은 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 조도 범위 판단부; 상기 요청받은 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 상기 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자를 제어하는 제1 PWM 신호를 출력하는 제1 제어부; 및 상기 요청받은 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 상기 스위치 소자를 제어하는 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.

Description

엘이디 조명 제어 장치 및 엘이디 조명 제어 방법{LED LIGHTING CONTROL DEVICE AND METHOD}

본 발명은 LED 광원에 대한 도 제어가 가능한 엘이디 조명 제어 장치 및/또는 엘이디 조명 제어 방법에 관한 것으로, 특히, 저조도에서 고 조도 환경까지의 넓은 조도 범위에서 비교적 정확한 조도가 요청되는 방송용 LED 조명 장치에 대한 엘이디 조명 제어 장치 및/또는 엘이디 조명 제어 방법에 관한 것이다.

LED 광원은 제조 기술의 발달에 의한 광효율(luminous efficiency)이 향상됨에 따라서 실내·외 조명뿐만 아니라 방송용 조명에도 적용되고 있다. 방송용 조명에서 LED가 기존의 광원인 고압 방전등을 대치하는 이유는 광 효율의 지속적인 상승뿐만 아니라 내구성이 우수하고 다양한 색상 및 조도제어가 용이하며, 특히 타 광원에 비해 매우 우수한 수명 특성을 갖고 있기 때문이다.

RGB LED의 조도를 조절하여 출력되는 색을 삼자극치 이론을 적용하여 제어하는 알고리즘과 시스템이 연구되었다. 이 색 제어 방법들은 목표 색도좌표, 색온도, 조도를 직접 입력하여 RGB LED의 조도를 제어하는 방법이며, LED를 흐르는 전류에 대한 조도 또는 제어 듀티비에 대한 조도가 선형적일 때 성립된다.

기존 방송용 LED 조명은 DMX 512 통신을 이용하여 RGB LED출력 조도를 256 디밍 레벨로 사용자가 색을 보면서 각각 LED의 디밍 레벨을 결정하였다. 이는 사용자의 감각에 따라 색을 표현하게 되므로 출력되는 색과 조도에 대한 정량적인 값을 알 수 없으며 정확한 색 재현이 어려운 문제점이 있다.

그리고, 방송환경이 발달함에 따라서 화면에 표현되는 색의 범위도 넓어지고 있어, LED 조명 장치에서도 더 많은 색을 표현할 수 있어야 한다. 그러나 LED는 일정 전류 미만에서 출력 조도가 불균일하므로 이 영역에서 색을 표현할 수 없어 색 표현 범위를 넓힐 수 없다.

또한, 일반적으로 LED의 출력조도는 LED에 흐르는 전류의 크기에 비례한다고 알고 있다. 이런 관계는 그림 1에서 보는바와 같이 일정 구간에서만 타당하며, 최대 조도부터 0까지의 조도를 제어를 한다면 비선형적인 출력조도 특성을 갖게 된다. 이로 인해 LED의 선형적 조도특성을 기초로 하는 기존 방법으로 색과 조도를 제어하면 저 조도에서 색 제어가 안 되고, 선형적인 조도제어가 어렵다.

하기 그래프는 Phillips 社의 LUXEON REBEL 제품인 LXML -PD01(RED), LXML-PM01(GREEN), LXML-PR01(BLUE), LXML-PWC1-0100(WHITE) 광 출력 특성을 나타낸다. 실선은 RGB LED에 350[mA]의 연속 전류가 흐를 때 출력되는 조도 값으로 정규화한 출력조도를 보여며, 점선은 최대조도에서 0 조도까지 직선을 연결한 것으로 실선의 비선형곡선과 비교하기 위해 나타냈다.

<LED에 흐르는 전류에 따른 출력조도>

일정 범위(100~350[mA])에서는 전류에 대해 출력조도가 선형성을 갖기 때문에 기존 색 제어 방법으로 목표 색을 구현 시 오차가 발생하지 않으며, 선형적으로 제어가 가능하다.

그러나, 넓은 색 제어범위와 큰 광량을 요구하는 무대조명 장치의 요구에 맞춰 넓은 전류 범위(100~1000[mA])에서 제어를 한다면, 이 범위에서는 전류에 대한 출력조도가 비선형적이므로 색 제어 시 오차가 발생하며 선형적인 조도제어가 되지 않는다.

또한, 100 [mA] 미만에서는 전류에 대한 출력조도 데이터가 없기 때문에 이 구간에서는 제어가 불가능하고, 이 구간에서 출력되는 저 조도 곡선에 따라 원하는 색을 표현할 수 없어 조명 장치의 색 표현 범위가 좁아진다.

한국등록특허 제0850249호

본 발명은 넓은 조도 범위에서도 비교적 정확한 조도 제어가 가능한 엘이디 조명 제어 장치 및/또는 엘이디 조명 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 엘이디 조명 제어 장치는, 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자; 발광 소자의 비선형 특성을 고려하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 외부에서 요청받은 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 조도 범위 판단부; 상기 요청받은 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 상기 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자를 제어하는 제1 PWM 신호를 출력하는 제1 제어부; 및 상기 요청받은 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 상기 스위치 소자를 제어하는 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 범위는 저 조도 범위이고, 상기 제2 범위는 고 조도 범위이며, 상기 제1 제어부는 리니어 구동 방식의 레귤레이터 회로를 포함하며, 상기 제2 제어부는 스위칭 구동 방식의 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 발광 구동부는, 상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호 중 하나를 선택하여, 상기 스위치 소자로 출력하는 아날로그 먹스를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 스위치 소자는, 오믹 영역과 세츄레이션 영역으로 동작 영역이 구분되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 PWM 신호의 주파수 보다 제2 PWM 신호의 주파수가 낮으며, 상기 제1 PWM 신호의 진폭 보다 제2 PWM 신호의 진폭이 큰 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 조도 범위 판단부는 R, G, B 각각에 대하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하고, 상기 제1 제어부는 R, G, B 각각의 발광 소자에 공급할 전류의 양을 조절하는 방식으로 제어하고, 상기 제2 제어부는, R, G, B 각각의 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 펄스의 듀티비를 조절하는 방식으로 제어할 수 있다.

여기서, 외부에서 입력되는 색상 정보 및 조도 정보에 따라, R, G, B 각각의 조도를 산정하는 RGB 조도 산정부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 엘이디 조명 제어 방법은, 색상 정보와 조도 정보를 포함하는 조명 정보를 입력받는 단계; 상기 조명 정보에 적합한 R, G, B 각각의 조도를 산정하는 단계; 상기 산정된 각 R, G, B의 조도에 대하여, 각 R, G, B 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 듀티비를 산정하는 단계; 및 상기 산정된 PWM 듀티비에 따라, 각 R, G, B 발광 소자를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 PWM 듀티비를 산정하는 단계에서는, 각 R, G, B의 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 상기 산정된 각 R, G, B의 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 단계; 상기 산정된 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 제1 PWM 신호에 대한 듀티비를 산정하는 단계; 및 상기 산정된 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 제2 PWM 신호에 대한 듀티비를 산정하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 범위는 저 조도 범위이고, 상기 제2 범위는 고 조도 범위이며, 상기 제1 PWM 신호는 리니어 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호이며, 상기 제2 PWM 신호는 스위칭 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호인 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 상기 조명 정보를 입력받는 단계는, 사용자로부터 목표 색도 좌표와 조도를 입력받는 단계; 색 혼합 이론을 이용하여 입력받은 목표 색도 좌표와 조도에 대한 R, G, B 조도를 계산하는 단계; 계산된 R, G, B 조도에 따라, 소정의 데이터 통신으로 송신할 R, G, B 디밍 값을 계산하는 단계; 소정의 데이터 통신으로 계산된 R, G, B 디밍 값을 송신하는 단계; LED 조명 장치에서 소정의 데이터 통신으로 R, G, B 디밍 값을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 R, G, B 목표 조도를 산정하는 단계에서는, 상기 수신받은 R, G, B 각각의 디밍 값을, 각 R, G, B 발광 소자의 비선형 특성에 따라 보정하여 R, G, B 각각의 목표 디밍 값을 산정할 수 있다.

상기 구성에 따른 본 발명의 엘이디 조명 제어 장치 및/또는 엘이디 조명 제어 방법을 실시하면, 저조도에서 고조도까지 넓은 조도 범위에서도 비교적 정확한 조도 제어가 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 장치를 도시한 블록도.
도 2는 방송 환경에서 사용될 수 있는 LED 조명 시스템을 도시한 블록도.
도 3은 도 2의 메인 컨트롤러 위치에 배치될 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 장치를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 사상에 따른 엘이디 조명 제어 장치에 구비될 수 있는, PWM 신호로 구동될 수 있는 리니어 레귤레이팅 제어 회로의 일 례를 도시한 회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 도 2의 구조에 따른 방송용 LED 조명 시스템에 도 5의 엘이디 조명 제어 방법을 적용하여 구체화한 흐름도.
도 7은 상술한 바와 같은 도 6의 흐름도와 같은 엘이디 조명 제어 방법을, 도 2 및 도 3의 엘이디 조명 제어 장치에 대하여 구체화 한 흐름도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 장치를 도시한다.

도시한 엘이디 조명 제어 장치는, 발광 소자(80)에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자(77)를 포함하는 발광 구동부(70); 발광 소자(80)의 비선형 특성을 고려하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 외부에서 요청받은 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 조도 범위 판단부(20); 상기 요청받은 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 상기 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자(77)를 제어하는 제1 PWM 신호를 출력하는 제1 제어부(40); 및 상기 요청받은 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 상기 스위치 소자(77)를 제어하는 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 제어부(50)를 포함할 수 있다.

외부에서 요청받은 조도가 낮은 조도의 제1 범위에 속하면, 상기 제1 제어부(40)에 의해, 상기 엘이디 조명 제어 장치는 리니어 구동 방식의 레귤레이터 회로로 동작한다.

반면, 외부에서 요청받은 조도가 높은 조도의 제2 범위에 속하면, 상기 제2 제어부(50)에 의해, 상기 엘이디 조명 제어 장치는 스위칭 구동 방식의 레귤레이터 회로로 동작한다. 즉, 본 발명의 엘이디 조명 제어 장치는 하이브리드 LED 구동 회로로 동작한다.

구현에 따라, 상기 발광 구동부(70)는, 리니어 구동 방식의 레귤레이터 및 스위칭 구동 방식의 레귤레이터를 각각 구비할 수도 있지만, 외부 입력에 따라 리니어 구동 방식 또는 스위칭 구동 방식으로 동작할 수 있는 단일 레귤레이터를 구비할 수도 있다. 예컨대, 상기 발광 전류 공급부는, 오믹 영역과 세츄레이션 영역으로 동작 영역이 구분되는 스위칭 소자(77)를 구비할 수 있다.

비록, 도면에서 함께 도시되었지만, 발광 소자(80)는 엘이디 조명 제어 장치의 외부에 속함이 일반적이다.

도 2는 방송 환경에서 사용될 수 있는 LED 조명 시스템을 도시한 블록도이다. 도시한 바와 같이, 방송 환경의 LED 조명 시스템은, LED 조명 장치(200); 오퍼레이터가 목표 색과 조도를 설정 및/또는 확인하기 위한 조명 콘솔(600); 상기 목표 색과 조도로 출력되도록 상기 LED 조명 장치를 제어하는 메인 컨트롤러(300)를 포함할 수 있다.

상기 LED 조명 장치(200)는, 풀 브릿지 정류기(220); 액티브 PFC(Power Factor Corrector)(230); DC/DC 컨버터(240); LED 드라이버(270); LED 스트링(280)을 구비할 수 있다. 구현에 따라, 상기 LED 드라이버(270)에 본 발명의 사상에 따른 엘이디 조명 제어 장치를 구성하는 스위치 소자(77)가 배치될 수 있다. 상기 LED 조명 장치(200)의 구성 요소들은 공지된 구성이므로 상세 설명은 생략하겠다.

도시한 메인 컨트롤러(300)는, 상기 조명 콘솔로부터 목표 색과 조도를 입력받는 입력 모듈(302); 및 상기 목표 색과 조도로 출력되도록 하는 PWM 제어 신호를 출력하는 출력 모듈(306)을 기본적인 기능 블록으로서 구비할 수 있다.

도 2는 일반적으로 LED 조명 장치를 방송환경에서 제어하는 원리를 나타내기 위한 것이다. 조명 장치의 색과 조도는 사용자가 DMX 조명 콘솔을 사용하여 RGB LED 디밍 레벨을 조절하여 조명 장치에서 출력되는 색을 눈으로 확인하며 목표 색과 조도를 만들거나, 색도계로 LED에서 출력되는 컬러와 조도를 매번 측정하면서 목표 색과 조도를 만든다. 이와 같은 방법으로 무대의 광색을 제어하면 다른 LED 조명장비에서 출력되는 색과 동일한 색을 만들지 못하고 색과 조도에 오차를 발생시키며, 제어되는 색과 조도를 정량적인 값으로 알기 위해서는 계측기의 측정을 통해서만 알 수 있다.

하기 그래프는 LED 조명 장치를 100∼350[mA] 범위에서 DMX512 통신으로 조도를 제어할 때 디밍 레벨에 따른 출력을 나타낸다. DMX512 통신으로 수신된 디밍 레벨에 비례한 PWM 듀티 값, LED에 흐르는 전류, 최대 디밍 레벨에서의 조도를 기준으로 상대조도 모두 선형적인 관계이다.

그러나, 넓은 전류 범위에서 기존의 제어 방법과 동일하게 디밍 레벨에 비례한 PWM 듀티비로 조도를 제어하면, 비선형적으로 조도를 출력한다. 따라서, 본 발명의 사상에 따른 제어가 요구된다.

<일반적인 방송용 LED 조명기기의 디밍 값에 따른 (a) PWM 듀티비 (b) LED 전류 (c) 상대조도>

도 3은 도 2의 메인 컨트롤러(300) 위치에 배치될 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 장치를 도시한다.

도시한 엘이디 조명 제어 장치는, 외부에서 입력받은 조명 신호에 요청된 조도가 고 조도 범위 및 저 조도 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 조도 범위 판단 컨트롤러(320); 상기 조도가 저 조도 범위에 속하면, 상기 산정된 조도에 따라, 해당 발광 소자에 공급할 전류의 양을 조절하는 방식으로 제어하는 리니어 레귤레이팅 제어회로(340); 상기 조도가 고 조도 범위에 속하면, 상기 산정된 조도에 따라, 해당 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 펄스의 듀티비를 조절하는 방식으로 제어하는 스위칭 레귤레이팅 제어회로(350); 상기 리니어 레귤레이팅 제어회로(340)에서 출력되는 제어 신호 또는 스위칭 레귤레이팅 제어회로(350)에서 출력되는 제어 신호 중 하나를 선택하기 위한 아날로그 먹스(360); 및 상기 아날로그 먹스(360)의 출력 신호에 따라 LED 스트링(280)에 공급되는 구동 전류를 조절하는 발광 구동 회로(270)를 포함할 수 있다.

도시한 조도 범위 판단컨트롤러(320)는, 색상 정보 및 조도 정보를 포함하는 외부 조명 정보로서, DMX512 디밍 신호를 입력받는다.

상기 조도 범위 판단컨트롤러(320)는, 외부에서 입력받은 조명 신호에 요청된 조도가 저 조도 범위에 속하면 상기 리니어 레귤레이팅 제어 회로(340)를 위한 PWM1 펄스를 출력하고, 외부에서 입력받은 조명 신호에 요청된 조도가 고 조도 범위에 속하면 상기 스위칭 레귤레이팅 제어회로(350)를 위한 PWM2 펄스를 출력한다.

상기 생성된 PWM2 펄스는 직류 성분을 제거하기 위한 저역통과필터(330)를 거쳐 상기 스위칭 레귤레이팅 제어회로(350)로 입력될 수 있다. 상기 저역통과필터(330)는 저조도 디밍의 정확성을 높이기 위해 펄스 폭 값에 영향을 줄 수 있는 직류성분을 억제하기 위함이며, 다른 구현에서 상기 저역통과필터(330)는 생략될 수도 있다.

도시한 발광 구동 회로(270)는, 오믹 영역과 세츄레이션 영역으로 동작 영역이 구분되는 스위칭 소자로서, 전력 공급용 MOSFET를 구비한다. 즉, 상기 MOSFET은, 저 조도 영역에서는 상기 PWM1 펄스를 게이트로 입력받아 오믹 영역에서 동작하며, 고 조도 영역에서는 상기 PWM2 펄스를 게이트로 입력받아 세츄레이션 영역에서 동작할 수 있다.

상기 발광 구동 회로(270)에 구비된 커패시터나 인덕터 등 전력 축적 소자에 의해 직류 전력이 축적되도록, 커패시터나 인덕터 등에 의한 감쇄 시간 보다 짧게 스위칭 동작을 반복하기 위해, 상기 PWM1 펄스는 보다 높은 주파수를 가질 수 있다.

반면, 상기 발광 구동 회로(270)에 구비된 커패시터나 인덕터 등에 의한 감쇄에 영향받지 않고, 스위칭 동작에 의한 on/off 상태가 확실히 구별될 수 있도록, 상기 PWM2 펄스는, 보다 낮은 주파수를 가질 수 있다.

또한, 확실한 스위칭 동작을 보장하기 위해, 상기 PWM2 펄스는 상기 PWM1 펄스 대비 큰 진폭을 가질 수 있다.

도면에서는 하나의 단일 LED 스트링(280)을 구동하는 구조 만을 표현하였지만, LED 조명 장치는 R, G, B 각각의 기본 단위 색상에 대한 LED 스트링들을 구비함이 일반적인 바, 도 3에 도시한 엘이디 조명 제어 장치도, R, G, B 각각의 기본 단위 색상에 대한 LED 스트링들을 위하여 각각 구비될 수 있다.

구현에 따라, 도 3에 도시된 구성 요소들이 R, G, B 각각에 대하여 따로 따로 하나씩 구비되거나, 도시된 구성 요소들 중 전부 또는 일부가 R, G, B에 대한 작업을 모두 수행하는 형태로 구비될 수 있다.

즉, 상기 조도 범위 판단 컨트롤러(320)는 R, G, B 각각에 대하여 조도 범위를 제1 범위(저 저도 범위) 및 제2 범위(고 조도 범위)로 구분하고, 상기 리니어 레귤레이팅 제어회로(340)는 R, G, B 각각의 발광 소자에 공급할 전류의 양을 조절하는 방식으로 제어하고, 상기 스위칭 레귤레이팅 제어회로(350)는, R, G, B 각각의 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 펄스의 듀티비를 조절하는 방식으로 제어할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 외부에서 입력되는 색상 정보(또는 색온도 정보) 및 조도 정보에 따라, R, G, B 각각의 조도를 산정하는 RGB 조도 산정부를 더 포함할 수 있다. 구현에 따라, 상기 RGC 조도 산정부는, 도 2의 조명 콘솔(600) 또는 메인 컨트롤러(300)의 내부에 구비될 수 있다.

도 4는 본 발명의 사상에 따른 엘이디 조명 제어 장치에 구비될 수 있는, PWM 신호로 구동될 수 있는 리니어 레귤레이팅 제어회로(340)의 일 례를 도시한다. 도시한 회로 외에도 공지된 다른 리니어 레귤레이팅 제어회로도 적용 가능함은 물론이다.

상기 설명에서 상기 저조도용 PWM 구동 회로 및 상기 고 조도용 PWM 구동 회로는 서로 독립적인 블록으로 표현되었지만, 다른 구현에서는, 상기 저조도용 PWM 구동 회로 및 상기 고 조도용 PWM 구동 회로 중 어느 하나의 전부 또는 일부가, 다른 하나와 중복되는 구조를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도시한 엘이디 조명 제어 방법은, 색상 정보와 조도 정보를 포함하는 조명 정보를 입력받는 단계(S10); 상기 조명 정보에 적합한 R, G, B 각각의 조도를 산정하는 단계(S60); 상기 산정된 각 R, G, B의 조도에 대하여, 각 R, G, B 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 듀티비를 산정하는 단계(S70); 및 상기 산정된 PWM 듀티비에 따라, 각 R, G, B 발광 소자를 구동하는 단계(S90)를 포함할 수 있다.

도 6은 도 2의 구조에 따른 방송용 LED 조명 시스템에 도 5의 엘이디 조명 제어 방법을 적용하여 구체화한 흐름도이다.

도시한 엘이디 조명 제어 방법은, 콘솔 사용자로부터 목표 색도 좌표와 조도(전체 조도)를 입력받는 단계(S110); 색 혼합 이론을 이용하여 입력받은 목표 색도 좌표와 조도에 대한 R, G, B 조도를 계산하는 단계(S120); 계산된 R, G, B 조도에 따라, DMX512 통신으로 송신할 R, G, B 디밍 값을 계산하는 단계(S130); DMX512 통신으로 계산된 R, G, B 디밍 값을 송신하는 단계(S130); 방송용 LED 조명 장치에서 DMX512 통신으로 R, G, B 디밍 값을 수신하는 단계(S150); 수신된 R, G, B 디밍 값에 따른 R, G, B 목표 조도를 계산하는 단계(S160); 각 R, G, B 발광 소자(LED)의 R, G, B 조도의 비선형 특성을 고려해, 계산된 R, G, B 목표 조도를 달성하는데 필요한 PWM 듀티비 계산하는 단계(S170); 하이브리드 LED 구동 회로에 계산된 PWM 듀티비를 적용하는 단계(S180); 각 R, G, B 발광 소자(LED)에서 목표 조도로 R, G, B 광을 출력하는 단계(S190)를 포함할 수 있다.

도시한 S110 단계 내지 S150 단계는 도 5의 S10 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있으며, 도시한 S160 단계는 도 5의 S60 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있으며, 도시한 S170 단계는 도 5의 S70 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있으며, 도시한 S180 단계 및 S190 단계는 도 5의 S90 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있다.

본 발명의 사상에 따라, 상기 PWM 듀티비를 계산(산정)하는 단계(S170)에서는, 각 R, G, B의 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 상기 산정된 각 각 R, G, B의 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 단계; 및 상기 제2 범위에 속하면, 상기 산정된 조도에 따라, 상기 PWM 펄스의 듀티비를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만, 상기 산정된 각 각 R, G, B의 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 상기 산정된 조도에 따라, 해당 발광 소자에 공급할 전류의 양을 조절하는 방식으로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도시한 흐름도에서, 조명 장치의 색과 조도를 정량적으로 제어하기 위해 목표 색을 CIE1391 색 공간의 색도좌표(x,y)로 사용하며, 이 색도좌표와 조도를 출력하기 위한 RGB LED의 각각의 조도를 색 혼합이론에 의해 계산한다. 계산된 조도 값은 DMX512 통신으로 송신할 RGB 디밍 레벨로 변환하며 DMX 조명 콘솔을 통해 조명 장치로 송신한다.

조명 장치에서는 DMX512 통신으로 RGB 디밍 레벨을 수신하여 각각 LED의 출력할 목표 조도 값을 역으로 계산하고, 이 조도를 출력하는 PWM 듀티 값을 계산하여 하이브리드 구동회로에 반영한다. 이 때 각 LED의 비선형 특성을 고려하여 PWM 듀티 값을 계산한다.

다음, 목표 색도좌표와 조도를 출력하기 위한 RGB LED 각각의 조도 값을 계산하고, 이 값을 DMX 512 통신으로 송신할 R, G, B 디밍 값으로 변환하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 하이브리드 LED 구동회로로 RGB LED를 제어하는 방법에 대해 설명한다. 또한, LED의 비선형 조도 특성을 고려하여 RGB LED의 목표 조도를 출력하기 위한 하이브리드 LED 구동회로의 PWM 듀티비를 계산하는 방법에 대해 설명한다.

방송조명은 DMX512 통신에 의해 제어되므로 기존에 연구된 색제어 알고리즘과 같이 목표 색도좌표와 조도를 직접 조명 장치에 입력할 수 없다. 그러므로 본 발명에서는 목표 색도좌표와 조도를 출력하기 위한 RGB LED의 조도를 계산하고 이 조도를 출력하기 위한 DMX512 통신의 RGB 디밍 레벨을 계산하여 조명 장치로 송신한다. 디밍 값을 구하는 과정은 다음과 같다.

색 조합 이론에 따라서 RGB LED를 혼합한 목표 색의 목표 색도좌표

와 목표 조도

를 만들기 위한 RGB LED 각각의 조도

,

는 하기 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서

,

는 각 RGB LED들의 색도 좌표이다.

상기 수학식 1을 간략히 표현하면 하기 수학식 2와 같다.

는 목표 색도 좌표돠 조도를 출력하기 위한 R, G, B 목표 조도 행렬,

은 시스템행렬,

는 목표 색의 조도 행렬이다. 시스템 행렬은 사용된 R, G, B LED의 색도 좌표와 목표 색의 색도 좌표로 계산된다.

계산된 목표 조도

,

를 출력하기 위한 DMX512 통신의 RGB 디밍 레벨

,

는 하기 수학식 3과 같다.

여기서

,

는 각각의 LED의 최대 조도이다.

다음, 하이브리드 LED 구동 회로로 RGB LED를 제어하는 방법에 대해 설명하겠다.

LED의 전기적 특성은 일정전류 이하에서 연속전류로 제어가 안 된다. 즉, 낮은 조도로 제어가 되지 않는다. 그러나 방송 환경에서는 RGB LED 의 조도를 혼합하여 낮은 조도에서도 색을 표현하여 더 많은 색을 표현하기가 요청된다. 하이브리드 LED 구동회로는 저 조도부터 고 조도까지 조도제어가 가능하며, 플리커도 발생하지 않아 방송용 LED 구동회로에 적합하다.

본 발명에서는 상기 도 3에 도시한 바와 같은 하이브리드 LED 구동 회로에서, RGB LED를 각각 구동하는 방식으로 구현될 수 있다.

예컨대, 한 종류의 LED 조도를 제어하기 위해서는 저 조도를 제어하기 위한 PWM1과 고 조도를 제어하기 위한 PWM2가 필요하다. 따라서 모든 LED의 조도를 제어하기 위해서 메인 컨트롤러의 PWM 신호 6개와 아날로그 먹스를 제어하기 위한 입출력 포트 6개가 필요하다.

다음, RGB LED 조도 제어 방법을 설명하겠다.

하기 그래프는 RGB LED를 하이브리드 구동회로로 0~100[mA]범위에서는 PWM 1의 듀티비를 제어하고 101~500[mA] 범위에서는 PWM 2의 듀티비를 제어하여 LED 흐르는 전류를 가변하면서 출력되는 각 LED의 출력 조도를 측정한 데이터다. 이때, LED에 흐르는 전류는 기본 방법과 동일하게 PWM 듀티비와 비례한다. 모든 LED가 전류에 대해서 조도가 비선형적으로 출력된다.

<기존 제어방법에 의해 측정된 LED 전류에 따른 조도>

LED의 비선형 특성을 고려하지 않고 기존의 방식으로 DMX512 통신의 디밍 레벨에 비례한 듀티비로 LED에 흐르는 전류를 제어를 하면 목표 색도좌표와 조도를 만들기 위해 계산된

,

가 실제 LED 의 출력 조도와 오차를 갖게 되므로 목표 색과 오차를 발생하며 선형적인 조도 제어가 안 된다.

본 발명에서는 DMX512 통신의 RGB 디밍 값에 비례한 듀티비를 적용하는 기존 방식과 다르게 LED의 듀티비에 대한 비선형 출력조도의 데이터를 이용하여 목표조도를 출력하기 위한 듀티비를 계산하여 LED 구동회로에 적용한다.

우선 하이브리드 구동회로로 각 RGB LED에 인가되는 전류에 대한 출력 조도 또는 듀티에 대한 출력조도 데이터를 구한다. 하이브리드 구동회로의 PWM1의 듀티비를 가변하면서 저 조도영역에서 출력되는 각 LED 조도는 하기 그래프와 같다.

<저 조도영역에서 PWM 듀티비에 대한 R, G, B LED의 측정된 조도>

한편, 하이브리드 구동회로의 PWM2의 듀티비를 가변하면서 고 조도영역에서 출력되는 각 LED 조도를 측정한 데이터는 하기 그래프와 같다.

<고 조도영역에서 PWM 듀티비에 대한 R, G, B LED의 측정된 조도>

Matlab으로 최소자승법을 적용하여 듀티비에 대한 출력조도의 근사 다항식을 구하면 하기 수학식 4와 같다.

여기서

,

는 각 LED에 100 [mA]가 흐를 때 출력되는 조도이다.

도 7은 상술한 바와 같은 도 6의 흐름도와 같은 엘이디 조명 제어 방법을, 도 2 및 도 3의 엘이디 조명 제어 장치에 대하여 구체화 한 흐름도이다.

LED 조명 장치에서 DMX512 통신으로 RGB LED의 디밍 레벨을 수신 후 각각 LED의 목표 조도를 계산한다. 계산된 목표 조도

과

(n=R,G,B) 비교하여 목표 조도가 작으면 PWM 1 듀티비를 계산하고 크면 PWM 2 듀티비를 계산한다. PWM 듀티비는 목표 조도를 식 (4)에 대입하여 해를 구한다. 2차 다항식의 해의 음수는 참 값이 아니므로 무시한다. 계산된 듀티비는 하이브리드 LED 구동회로에 적용하여 LED의 출력 조도를 제어한다.

도시한 S250 단계는 도 6의 S150 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있으며, 도시한 S260 단계는 도 6의 S260 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있으며, 도시한 S271 단계 내지 S279 단계는 도 6의 S170 단계를 구체화한 것으로 볼 수 있다.

도시한 흐름도에서 저 조도 영역과 고 조도 영역을 구분하는 기준은 S271 단계에서 나타난 바와 같이 100mA에서의 조도

(n=R,G,B)이다. 도면에서는 R, G, B 모두 100mA에서의 조도를 기준으로 하고 있으나, 다른 구현에서는, 각 R, G, B의 기준 조도가 되는 기준 전류가 다를 수 있다.

도시한 S272 단계 내지 S274 단계는 앞서 설명한 바와 같은 저 조도 영역에서 리니어 레귤레이터 제어 회로를 구동하기 위한 과정이며, 도시한 S277 단계 내지 S279 단계는 앞서 설명한 바와 같은 고 조도 영역에서 스위칭 레귤레이터 제어 회로를 구동하기 위한 과정이다.

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

20 : 조도 범위 판단부
40 : 제1 제어부
50 : 제2 제어부
70 : 발광 구동부
77 : 스위치 소자

Claims

발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자;
발광 소자의 비선형 특성을 고려하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 외부에서 요청받은 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 조도 범위 판단부;
상기 요청받은 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 상기 발광 소자에 발광 전류를 공급하는 스위치 소자를 제어하는 제1 PWM 신호를 출력하는 제1 제어부; 및
상기 요청받은 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 상기 스위치 소자를 제어하는 제2 PWM 신호를 출력하는 제2 제어부
를 포함하고,
상기 스위치 소자는, 오믹 영역과 세츄레이션 영역으로 동작 영역이 구분되고,
상기 제1 제어부 및 상기 제2 제어부는 상기 스위치 소자로부터 전류를 센싱하여 동작하고,
상기 제1 범위는 저 조도 범위이고, 상기 제2 범위는 고 조도 범위이며,
상기 제1 PWM 신호는 리니어 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호이며,
상기 제2 PWM 신호는 스위칭 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 범위는 저 조도 범위이고, 상기 제2 범위는 고 조도 범위이며,
상기 제1 제어부는 리니어 구동 방식의 레귤레이터 회로를 포함하며,
상기 제2 제어부는 스위칭 구동 방식의 레귤레이터 회로를 포함하는 엘이디 조명 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 엘이디 조명 제어 장치는,
상기 제1 PWM 신호 및 상기 제2 PWM 신호 중 하나를 선택하여, 상기 스위치 소자로 출력하는 아날로그 먹스
를 더 포함하는 엘이디 조명 제어 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 PWM 신호의 주파수 보다 제2 PWM 신호의 주파수가 낮으며, 상기 제1 PWM 신호의 진폭 보다 제2 PWM 신호의 진폭이 큰 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조도 범위 판단부는 R, G, B 각각에 대하여 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하고, 상기 제1 제어부는 R, G, B 각각의 발광 소자에 공급할 전류의 양을 조절하는 방식으로 제어하고, 상기 제2 제어부는, R, G, B 각각의 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 펄스의 듀티비를 조절하는 방식으로 제어하는 엘이디 조명 제어 장치.
제1항에 있어서,
외부에서 입력되는 색상 정보 및 조도 정보에 따라, R, G, B 각각의 조도를 산정하는 RGB 조도 산정부
를 더 포함하는 엘이디 조명 제어 장치.
색상 정보와 조도 정보를 포함하는 조명 정보를 입력받는 단계;
상기 조명 정보를 토대로 R, G, B 각각의 조도를 산정하는 단계;
상기 산정된 R, G, B의 조도에 대하여, 각 R, G, B 발광 소자의 비선형 특성을 고려한 PWM 듀티비를 산정하는 단계; 및
상기 산정된 PWM 듀티비에 따라, 각 R, G, B 발광 소자를 구동하는 단계
를 포함하고,
상기 PWM 듀티비를 산정하는 단계에서는,
각 R, G, B의 조도 범위를 제1 범위 및 제2 범위로 구분하되, 상기 산정된 각 R, G, B의 조도가 상기 제1 범위 및 제2 범위 중 어느 것에 속하는지 판단하는 단계;
상기 산정된 조도가 상기 제1 범위에 속하면, 제1 PWM 신호에 대한 듀티비를 산정하는 단계; 및
상기 산정된 조도가 상기 제2 범위에 속하면, 제2 PWM 신호에 대한 듀티비를산정하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 범위는 저 조도 범위이고, 상기 제2 범위는 고 조도 범위이며,
상기 제1 PWM 신호는 리니어 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호이며,
상기 제2 PWM 신호는 스위칭 방식의 레귤레이터를 위한 스위치 제어 신호이고,
상기 제1 PWM 신호는 및 상기 제2 PWM 신호는 상기 각 R, G, B 발광 소자를 구동하는 소자로부터 전류를 센싱하여 동작하는 제어 신호인 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 제어 방법.
삭제
삭제
제8항에 있어서,
상기 조명 정보를 입력받는 단계는,
사용자로부터 목표 색도 좌표와 조도를 입력받는 단계;
색 혼합 이론을 이용하여 입력받은 목표 색도 좌표와 조도에 대한 R, G, B 조도를 계산하는 단계;
계산된 R, G, B 조도에 따라, 소정의 데이터 통신으로 송신할 R, G, B 디밍 값을 계산하는 단계;
소정의 데이터 통신으로 계산된 R, G, B 디밍 값을 송신하는 단계; 및
LED 조명 장치에서 소정의 데이터 통신으로 R, G, B 디밍 값을 수신하는 단계를 포함하는 엘이디 조명 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 R, G, B 목표 조도를 산정하는 단계에서는,
상기 수신받은 R, G, B 각각의 디밍 값을, 각 R, G, B 발광 소자의 비선형 특성에 따라 보정하여 R, G, B 각각의 목표 디밍 값을 산정하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 제어 방법.