KR101711901B1 - 디밍 가능한 ａｃ ｌｅｄ용 스펙트럼 시프트 제어 - Google Patents

Abstract

방법 및 장치는 선택된 파장의 상대적 세기가 전기 여기의 함수로서 시프트하는 LED 광 엔진의 동작을 포함한다. 예시적인 예에서, 전류는 전류 또는 그와 관련된 주기성 여기 전압이 사전 결정된 레벨에 도달할 때까지 실질적으로 직렬 회로에 배열된 다수의 LED의 적어도 하나로부터 선택적으로 그리고 자동적으로 우회될 수 있다. 우된 전류는, 여기 전류 또는 전압이 사전 결정된 임계 레벨의 실질적으로 위로 상승함에 따른 전이에서 스무드하게 감소될 수 있다. 광 출력의 색 온도는 실질적으로 여기 전압의 사전 결정된 함수로서 변경될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 AC 전압 여기를 디밍하는 것(예를 들어, 위상 커팅 또는 진폭 변조에 의해)에 응답하여 고체 상태 광 엔진에 의해 출력된 색 온도를 실질적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

Description

디밍 가능한 ＡＣ ＬＥＤ용 스펙트럼 시프트 제어{SPECTRAL SHIFT CONTROL FOR DIMMABLE AC LED LIGHTING}

다양한 실시예는 일반적으로 발광 다이오드(LED)를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다.

역률은 소비자에게 전력을 전달하는 전력 공급 업체에 있어서 중요하다. 동일한 레벨의 실제 전력을 필요로 하는 2개의 부하에 대하여, 더 나은 역률을 갖는 부하는 실제로 전력 공급 업체로부터의 더 적은 전류를 요구한다. 1.0의 역률을 갖는 부하는 전력 공급 업체로부터 최소량의 전류를 필요로 한다. 전력 공급 업체는 높은 역률 부하를 갖는 소비자에게 감소된 요금을 제공할 수 있다.

열악한 역률은 전압과 전류 사이의 위상차 때문일 수 있다. 또한, 역률은 전류의 왜곡(distortion) 및 고조파(harmonic) 성분에 의해 열화될 수 있다. 일부 경우에, 왜곡된 전류 파형은 고조파 에너지 성분을 증가시키고 기본 주파수에서의 에너지를 감소시키는 경향이 있다. 정현 전압 파형에 대하여, 기본 주파수에서의 에너지만이 부하에 실제 전력을 전송할 수 있다. 왜곡된 전류 파형은 정류기 부하와 같은 비선형 부하로부터 발생할 수 있다. 정류기 부하는 예를 들어 LED와 같은 다이오드를 포함할 수 있다.

LED는 전류가 공급될 때 투광할 수 있는 널리 사용되는 소자이다. 예를 들어, 하나의 적색 LED는 장치 조작자에게 작동 상태(예를 들어, 온 또는 오프)에 대한 눈에 보이는 표시를 제공할 수 있다. 다른 예로서, LED는 휴대용 전자 계산기와 같은 일부 전자 기반의 장치에서 정보를 디스플레이하는데 사용될 수 있다. 또한, LED는, 예를 들어, 조명 시스템, 데이터 통신 및 모터 제어에 사용되어 왔다.

일반적으로, LED는 아노드와 캐소드를 갖는 반도체 다이오드로서 형성된다. 이론적으로, 이상적인 다이오드는 한 방향으로만 전류를 전도할 것이다. 충분한 순방향 바이어스 전압이 아노드와 캐소드 사이에 인가되면, 일반적인 전류가 다이오드를 통해 흐른다. LED를 통한 순방향 전류 흐름은 광자(photon)가 정공과 결합하여 빛의 형태로 에너지를 방출하게 한다.

일부 LED로부터 방출된 빛은 가시광선 파장 스펙트럼에 있다. 반도체 재료의 적합한 선택에 의해, 개별 LED는 예를 들어 적색, 청색 및 녹색과 같은 소정의 색상(예를 들어 파장)을 방출하도록 구축될 수 있다.

일반적으로, LED는 종래의 반도체 다이에서 형성될 수 있다. 개별 LED는 동일한 다이에서 다른 회로와 통합될 수 있거나 개별 단일 부품으로서 패키지될 수 있다. 통상, LED 반도체 요소를 포함하는 패키지는 빛이 패키지로부터 나오게 하는 투명 창을 포함할 것이다.

방법 및 장치는 선택된 파장의 상대적 세기가 전기 여기의 함수로서 시프트하는 LED 광 엔진의 동작을 포함한다. 예시적인 예에서, 전류는 전류 또는 그와 관련된 주기성 여기 전압이 사전 결정된 레벨에 도달할 때까지 실질적으로 직렬 회로에 배열된 다수의 LED의 적어도 하나로부터 선택적으로 그리고 자동적으로 우회될 수 있다. 우회 전류는, 여기 전류 또는 전압이 사전 결정된 임계 레벨의 실질적으로 위로 상승함에 따른 전이에서 스무드하게(smoothly) 감소될 수 있다. 광 출력의 색 온도는 실질적으로 여기 전압의 사전 결정된 함수로서 변경될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 AC 전압 여기를 디밍하는 것(예를 들어, 위상 커팅 또는 진폭 변조에 의해)에 응답하여 고체 상태 광 엔진에 의해 출력된 색 온도를 실질적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

다양한 예에서, LED 스트링 내에서의 선택적 전류 우회는 입력 전류 전도 각도를 늘리고, 이에 의해 실질적으로 AC LED 조명 시스템에 대하여 역률을 개선하고 그리고/또는 고조파 왜곡을 감소시킨다.

다양한 실시예는 하나 이상의 이점을 획득할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는, 예를 들어, 매우 간단하고, 비용이 낮고, 전력이 낮은 회로를 이용하여 AC 입력 전류 파형에서의 고조파 왜곡을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 실질적으로 감소된 고조파 왜곡을 획득하기 위한 추가 회로는 단일 트랜지스터를 포함할 수 있거나, 또는 제2 트랜지스터 및 전류 감지 요소를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 센서는 LED 전류의 일부가 흐르는 저항 요소일 수 있다. 일부 실시예에서, 상당한 크기 및 제조비 감소가 다이 상의 고조파 개선 회로를 고조파 개선 회로에 의해 제어되는 하나 이상의 LED와 통합함으로써 획득될 수 있다. 소정의 예에서, 고조파 개선 회로는 LED의 단독 제조에 필요한 공정 단계의 수를 증가시키지 않으면서 공통 다이 상에 대응하는 제어된 LED와 함께 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, AC 입력 전류의 고조파 왜곡은 예를 들어 반파 또는 전파 정류를 이용하여 AC 구동 LED 부하에 대하여 실질적으로 개선될 수 있다. 일부 구현례는 AC LED 광 엔진에서의 개선된 역률을 위하여 입력 전류를 조절하는 제어된 바이패스 경로를 제공하기 위하여 2개의 트랜지스터 및 3개의 저항과 같은 적은 개수를 필요로 할 수 있다. 일부 구현례는 선택된 입력 여기 범위에 대하여 사전 결정된 증가하거나, 감소하거나 또는 실질적인 일정한 색 온도를 제공할 수 있다.

다양한 실시예에 대한 상세는 첨부된 도면과 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명된다. 다른 특징 및 이점은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 도면 및 청구항으로부터 자명할 것이다.

도 1은 정류기로부터 단방향 전류를 수신하도록 구성된 LED 스트링 및 전파(full-wave) 정류기로서 구성된 LED를 갖는 예시적인 AC LED 회로의 개략적인 표현이다.
도 2 내지 5는 도 1의 AC LED 회로의 대표적인 성능 곡선 및 파형을 도시한다.
도 6 내지 9는 개선된 전력 품질을 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 전파 정류기 조명 시스템의 일부 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10 및 11은 선택적 전류 우회를 가지지 않는 반파 정류에 대하여 구성된 AC LED 스트링을 도시한다.
도 12 및 13은 선택적 전류 우회를 갖는 반파(half-wave) 정류에 대하여 구성된 AC LED 스트링을 갖는 예시적인 회로를 도시한다.
도 14 내지 16은 종래의(예를 들어, LED가 아닌) 정류기를 이용하는 AC LED 토폴러지를 개시한다.
도 17 내지 19는 도 14의 AC LED 토폴러지에 적용된 선택적 전류 우회를 도시하는 예시적인 실시예를 개시한다.
도 20은 조명 장치의 실시예에서 역률 개선을 캘리브레이션하거나 시험하기 위한 예시적인 장치의 블록도를 도시한다.
도 21은 개선된 고조파 인자 및/또는 역률을 갖는 LED 광 엔진을 위한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.
도 22는 도 21의 광 엔진 회로에 대한 여기 전압의 함수로서의 정규화된 입력 전류의 그래프를 도시한다.
도 23은 도 21의 회로의 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 도시한다.
도 24는 도 23의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다.
도 25는 도 23의 전압 및 전류 파형에 대한 고조파 프로파일을 도시한다.
도 26은 개선된 고조파 인자 및/또는 역률 성능을 갖는 LED 광 엔진을 위한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.
도 27은 도 26의 광 엔진 회로에 대한 여기 전압의 함수로서의 정규화된 입력 전류의 그래프를 도시한다.
도 28은 도 26의 회로의 일 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 도시한다.
도 29는 도 28의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다.
도 30은 도 26의 회로의 다른 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 도시한다.
도 31은 도 30의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다.
도 32는 도 27 내지 29를 참조하여 설명되는 바와 같이 도 26의 회로의 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 도시한다.
도 33은 도 32의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다.
도 34는 도 32의 파형에 대한 고조파 성분을 도시한다.
도 35는 도 32의 전압 및 전류 파형에 대한 고조파 프로파일을 도시한다.
도 36 및 37은 도 27을 참조하여 설명된 바와 같이 광 엔진에 대한 광 출력의 실험 측정값에 대한 그래프 및 데이터를 도시한다.
도 38 내지 43은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 하나 이상의 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.
도 44 및 45는 도 9의 광 엔진의 일 실시예에 대한 다양한 디머 제어 설정에 대한 예시적인 합성 색 온도 변동을 도시하기 위한 그래프이다.
도 46은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.
도 47은 AC 입력 여기가 2개의 대응하는 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 2개의 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.
도 48a 내지 48c는 예를 들어 도 46의 광 엔진 회로에 대한 예시적인 전기 및 광 성능 파라미터를 도시한다.
도 49a 내지 49c, 도 50a 내지 50c, 및 도 51a 내지 51c는 여기 전압의 함수로서 색 온도를 시프트시키도록 구성된 선택적 전류 우회 조절 회로를 갖는 3개의 예시적인 AC LED 광 엔진의 성능 그래프를 도시한다.
다양한 도면에서의 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소 나타낸다.

이해를 돕기 위하여, 본 문서는 대체로 다음과 같이 구성된다. 첫째, 다양한 실시예의 논의를 소개하는 것을 돕기 위하여, LED를 이용한 전파 정류기 토폴러지를 갖는 조명 시스템이 도 1 내지 5를 참조하여 소개된다. 둘째, 개선된 역률 성능을 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 전파 정류기 조명 시스템의 일부 예시적인 실시예에 대한 설명이 도 6 내지 9를 참조하여 소개된다. 셋째, 도 10 내지 13을 참조하여, 선택적 전류 우회가 반파 정류를 위해 구성된 예시적인 LED 스트링에 대한 애플리케이션에서 설명된다. 넷째, 도 14 내지 19를 참조하여, 논의는 종래의(예를 들어, LED가 아닌) 정류기를 이용하여 LED 스트링에 적용된 선택적 전류 우회를 예시하는 예시적인 실시예를 참조한다. 다섯째, 도 20을 참조하여, 본 문서는 조명 장치의 실시예에서 역률 개선을 캘리브레이션하거나 시험하는데 유용한 예시적인 장치 및 방법을 설명한다. 여섯째, 본 개시 내용은 실험 데이터의 검토와 2개의 LED 광 엔진 토폴러지의 논의를 참조한다. 하나의 토폴러지는 도 21 내지 25를 참조하여 검토된다. 3개의 상이한 실시예(예를 들어, 3개의 상이한 부품 선택) 내의 두번째 토폴러지는 도 26 내지 37을 참조하여 검토된다. 일곱째, 본 문서는 입력 전류 파형을 조절하기 위한 선택적 전류 우회를 포함하는 AC LED 광 엔진에 대한 다수의 상이한 토폴러지를 도 38 내지 43을 참조하여 소개한다.

여덟째, 본 개시 내용은, 나머지 도면을 참조하여, 입력 여기(예를 들어, 디밍)에서의 변동에 응답하여 색 온도에서의 원하는 시프트를 제공하기 위하여, 본 명세서에 설명되는 바와 같은 다양한 실시예에서, AC LED 광 엔진이 어떻게 선택적 전류 우회와 함께 구성될 수 있는지를 도시하는 예를 설명한다. 마지막으로, 본 문서는 AC LED 조명 애플리케이션에 대한 개선된 전력 품질과 관련하는 추가적인 실시예, 예시적인 애플리케이션 및 양태를 논의한다.

도 1은 정류기로부터의 단방향(unidirectional) 전류를 수신하도록 구성된 LED 스트링 및 전파 정류기로서 구성된 LED를 갖는 예시적인 AC LED 회로의 개략적인 표현을 도시한다. 도시된 AC LED는 자기 정류형(self-rectified) LED 회로의 일 예이다. 화살표로 표시된 바와 같이, 정류기 LED(4개의 측면에 도시됨)는 4개의 AC 4분면(Q1, Q2, Q3, Q4) 중 2개에서만 전류를 전도한다. 부하 LED(정류기 내에서 대각선으로 도시됨)는 4개의 4분면 모두에서 전류를 전도한다. 예를 들어, Q1 및 Q2에서, 전압이 양이고 각각 상승하거나 하강할 때, 전류는 정류기 LED(+D1 내지 +Dn)를 통해 그리고 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 통해 전도된다. Q3 및 Q4에서, 전압이 음이고 각각 상승하거나 감소할 때, 전류는 정류기 LED(-D1 내지 -Dn)를 통해 그리고 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 통해 전도된다. 어느 경우에도(예를 들어, Q1 - Q2 또는 Q3 - Q4)에서, 입력 전압은 LED가 상당한 전류의 전도를 개시하기 위하여 사전 결정된 전도 각도(conduction angle)에 도달해야만 할 수 있다.

도 2는 4개의 4분면에 미치는 한 주기에서의 전압을 도시한다. Q1은 0도에서 90도의 범위에 있으며(전기적으로), Q2은 90도에서 180도의 범위에 있으며(전기적으로), Q3은 180도에서 270도의 범위에 있으며(전기적으로), Q4은 270도에서 360도(또는 0도)의 범위에 있다(전기적으로).

도 3은 LED에 대한 예시적인 특성 곡선을 도시한다. 이 도면에서, 전류는 대략 2.8 볼트의 임계 전압 아래에서 실질적으로 무시가능한 것으로 도시된다. 비록 대표적인 것이지만, 이러한 특정 특성은 한 LED에 대한 것이며, 다른 적합한 LED에 대하여는 상이할 수 있고, 따라서, 특정 도면은 한정적인 것으로 의도되지 않는다. 이 특성은 온도의 함수로서 가변할 수 있다.

도 4는 도 1의 회로에 인가된 도 2의 정현 전압에 대한 예시적인 전류 파형을 도시한다. 양의 반 사이클(half-cycle)에 대하여, 도시된 바와 같이, 전도 각도는 대략 30도에서 시작하고, 전기적으로 대략 150도까지 연장한다. 음의 반 사이클에 대하여, 전도 각도는 대략 210도(전기적으로) 내지 대략 330도(전기적으로)로 연장한다. 각 반 사이클은 대략 단지 120도에 대하여 전류를 전도하는 것으로 도시된다.

도 5는 예를 들어 상이한 회로 구성에서의 전류 파형에서의 대표적인 변동을 도시한다. 예를 들어, 증가된 전도 각도(곡선 "a"로 표시됨)는 직렬 LED의 개수를 감소시켜 획득될 수 있으며, 이는 과도한 피크 전류를 발생시킬 수 있다. 도시된 예에서, 고조파 감소(곡선 "b"로 표시됨)는 추가의 직렬 저항을 도입함으로써 시도될 수 있으며, 이는 전력 소비를 증가시키고 그리고/또는 광 출력을 감소시킬 수 있다.

본 명세서에서 다음에 설명되는 방법 및 장치는 유익하게는 AC LED의 전도 각도를 증가시키고 그리고/또는 역률을 개선할 수 있는 선택적 전류 우회 회로를 포함한다. 일부 구현례는 유익하게는 추가로 부하 LED 사이에서 전류 부하의 균형을 실질적으로 개선하도록 배열될 수 있다.

도 6은 개선된 역률 성능에 대한 선택적 전류 우회를 갖는 전파 정류기 조명 시스템의 예시적인 제1 실시예를 도시한다. 본 예에서, 노드 A와 노드 B 사이에서 직렬로 연결된 부하 LED 그룹에 걸쳐 추가된 추가 바이패스 회로가 있다. 바이패스 회로는 스위치(SW1)와 감지 회로(SC1)을 포함한다. 동작시, 바이패스 회로는 SW1가 닫힐 때 부하 LED의 적어도 일부 주위에서 전류를 우회시키도록 활성화된다. 스위치(SW1)는 바이패스 회로를 활성화할 때를 선택하는 감지 회로(SC1)에 의해 제어된다.

일부 실시예에서, SC1은 입력 전압을 감지함으로써 동작한다. 예를 들어, 감지된 입력 전압이 임계값 아래에 있을 때, 바이패스 회로는 Q1 또는 Q3에서의 전류 전도를 촉진하고, 그 다음 Q2 또는 Q4에서의 전류 전도를 유지하도록 활성화될 수 있다.

일부 실시예에서, SC1은 전류을 감지함으로써 동작한다. 예를 들어, 감지된 LED 전류가 임계값 아래에 있을 때, 바이패스 회로는 Q1 또는 Q3에서의 전류 전도를 촉진하고, 그 다음 Q2 또는 Q4에서의 전류 전도를 유지하도록 활성화될 수 있다.

일부 실시예에서, SC1은 정류된 전압으로부터 유래하는 전압을 감지함으로써 동작한다. 예를 들어, 전압 감지는 저항 분배기를 이용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 임계 전압은 SW1의 상태를 제어하는 광 커플러의 LED를 통해 전류를 구동하도록 결합된 높은 값의 저항에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, SW1은 전압 파형에서의 특정 점(예를 들어 제로 크로싱(zero crossing) 또는 전압 피크)에 대한 사전 결정된 시간 지연에 기초하여 제어될 수 있다. 이러한 경우에, 타이밍은 AC 전원으로부터 광 장치로 공급된 전류 파형의 고조파 왜곡을 최소화하도록 결정될 수 있다.

예시된 예에서, 바이패스 스위치(SW1)는 임계값을 초과하는 전압 신호에 주로 응답하여 활성화하도록 배열될 수 있다. 전압 감지 회로는 사전 결정된 임계값 근처에서 디더링(dithering)을 제어하기 위하여 사전 결정된 양의 히스테리시스를 가지고 스위칭하도록 갖추어질 수 있다. 백업 제어 신호를 증가시키거나 그리고/또는 제공하기 위하여(예를 들어, 전압 감지 및 제어에 있어서의 폴트 이벤트에서), 일부 실시예는 보조 전류 및/또는 타이밍 기반의 스위칭을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류가 일부 사전 결정된 임계값을 초과하거나 그리고/또는 사이클에서의 타이밍이 사전 결정된 임계값을 넘고, 어떠한 신호도 전압 감지 회로로부터 아직 수신되지 않았다면, 바이패스 회로는 감소된 고조파 왜곡을 계속하여 획득하도록 활성화될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 회로(SC1)는 입력 전압(VAC)을 감지하도록 구성될 수 있다. SC1의 출력은 입력 전압이 소정의 또는 사전 결정된 값(VSET) 아래에 있을 때 하이(high)(참(true))이다. 스위치(SW1)는 SC1이 하이(참)일 때 닫힌다(전도한다). 유사하게, SC1의 출력은 입력 전류가 소정의 또는 사전 결정된 값(VSET) 위에 있을 때 로우(low)(거짓(faulse))이다. 스위치(SW1)는 SC1이 로우(거짓)일 때 열린다(전도하지 않는다). VSET은 설정된 전류에서 정류기 LED(+D1 내지 +Dn)의 전체 순방향 전압을 나타는 값으로 설정된다.

예시적인 실시예에서, 전압이 Q1으로 시작하는 사이클의 개시시에 AC LED에 인가되자마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 될 것이고, 스위치(SW1)는 활성화될 것이다(닫힐 것이다). 전류는 정류기 단지 LED(+D1 내지 Dn)를 통해 그리고 SW1을 통한 바이패스 회로 경로를 경유하여서만 전도된다. 입력 전압이 VSET까지 증가한 후에, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)으로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화된(개방된) 상태로 전이될 것이다. 이 포인트에서, 바이패스 회로에서의 SW1이 실질적으로 전도하지 않을 때까지, 전류는 정류기 LED(+D1 내지 +Dn) 및 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 통해 전도되도록 전이한다. 감지 회로(SC1)는, VSET의 절대값에 응답하여 SW1의 임피던스 상태를 제어할 수 있다는 점에서, 양의 반 사이클 및 음의 반 사이클 모두에 유사하게 기능한다. 따라서, 부하 전류가 Q3 - Q4 동안 정류기 LED(-D1 내지 -Dn)를 통해 흐를 것이라는 것을 제외하고는, 실질적으로 동일한 동작이 양 반 사이클(예를 들어, Q1 - Q2, 또는 Q3 - Q4)에서 발생한다.

도 7은 도 6의 회로에 대한 선택적 전류 우회를 수행하기 위하여 바이패스 회로 경로를 사용하거나 사용하지 않는 대표적인 전류 파형을 도시한다. 선택적 전류 우회를 이용하는 입력 전류에 대한 예시적인 특성 파형은 곡선 (a) 및 (b)에서 도시된다. 곡선 (c)는 선택적 전류 우회가 디스에이블되는(예를 들어, 바이패스 경로에서의 높은 임피던스) 경우의 입력 전류에 대한 예시적인 특성 파형을 나타낸다. 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 바이패스함으로써, 전도 각도는 상당히 증가될 수 있다. 본 도면에서, 곡선 (a) 및 (b)의 파형에 대한 전도 각도는 Q1, Q2에서 대략 10 - 15도(전기적으로) 내지 대략 165 - 170도(전기적으로)의 범위로 연장하고, Q3, Q4에서 대략 190 - 195도(전기적으로) 내지 대략 345 - 350도(전기적으로)의 범위로 연장한다.

다른 예시적인 실시예에서, SC1은 감지된 전류에 응답하여 동작할 수 있다. 본 실시예에서, SC1은 정류기 LED(+D1 내지 +Dn; 또는 -D1 내지 -Dn)를 통해 흐르는 전류를 감지할 수 있다. SC1의 출력은 순방향 전류가 소정의 사전 설정되거나 사전 결정된 값(ISET) 아래에 있을 때 하이(참)이다. 스위치(SW1)는 SC1이 하이(참)일 때 닫힌다(전도한다). 유사하게, SC1의 출력은 순방향 전류가 소정의 또는 사전 결정된 값(ISET) 위에 있을 때 로우(거짓)이다. ISET은, 예를 들어, 정류기 LED(+D1 내지 +Dn)의 공칭 순방향 전압에서의 전류를 나타내는 값으로 설정될 수 있다.

이하, 예시적인 장치의 동작이 설명될 것이다. 전압이 AC LED에 인가되자마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 될 것이고, 스위치(SW1)는 활성화될 것이다(닫힐 것이다). 전류는 단지 정류기 LED(+D1 내지 +Dn)를 통해서 그리고 SW1을 통한 바이패스 회로 경로를 경유하여서만 전도된다. 순방향 전류가 임계 전류(ISET)까지 증가한 후, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화(개방) 상태로 전이할 것이다. 이 포인트에서, 바이패스 회로가 높은 임피던스 상태로 전이함에 따라, 전류는 정류기 LED(+D1 내지 +Dn) 및 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 통해 전도되도록 전이한다. 유사하게, 입력 전압이 음일 때, 전류는 정류기 LED(-D1 내지 -Dn)를 통해 흐를 것이다. 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)를 선택적으로 바이패스하도록 선택적 전류 우회를 도입함으로써, 전도 각도는 상당히 개선될 수 있다.

도 8은 직렬 저항(R3)을 통해 여기 소스(VAC)에 의해 공급된 입력 전류에 응답하는 바이패스 회로에 응답하여 바이패스 회로를 동작시키는 예시적인 실시예를 도시한다. 저항(R1)은 부하 LED 스트링(±D1 내지 ±D18)과 직렬로 제1 노드에서 도입된다. R1은 콜렉터가 N 채널 전계 효과 트랜지스터(FET)(T2)의 게이트 및 풀업 저항(R2)에 연결되는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)(T1)의 베이스 및 이미터와 병렬로 연결된다. 저항(R2)은 그 반대단에서 LED 스트링의 제2 노드에 연결된다. 트랜지스터(T2)의 드레인 및 소스는 각각 LED 스트링의 제1 및 제2 노드에 연결된다. 본 실시예에서, 감지 회로는 스스로 바이어스되며, 외부 전원에 대한 필요는 없다.

예시적인 일 구현례에서, 저항(R1)은 R1에 걸친 전압 강하가 사전 결정된 전류 임계값(ISET)에서 대략 0.7V에 도달하는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, ISET이 15mA라면, R1에 대한 근사값은 R = V/I = 0.7V / 0.015A ≒ 46Ω로부터 예측될 수 있다. 전압이 AC LED에 인가되자마자, 트랜지스터(T2)의 게이트는 순방향으로 바이어스될 수 있고, 값이 수백 ㏀으로 설정될 수 있는 저항(R2)을 통해 공급될 수 있다. 스위치(T1)는 입력 전압이 대략 3V에 도달한 후에 완전히 닫힐(활성화될) 것이다. 이제, 전류는 정류기 LED(+D1 내지 +Dn), 스위치(T2)와 저항(R1)(바이어스 회로)를 통해 흐른다. 순방향 전류가 대략 ISET에 도달하자마자, 트랜지스터(T1)는 트랜지스터(T2)에 대한 게이트-소스 전압을 감소시키는 경향이 있을 것이며, 이는 바이패스 경로에서의 임피던스를 증가시키는 경향이 있을 것이다. 이 상태에서, 입력 전류 진폭이 증가함에 따라, 전류는 트랜지스터(T2)로부터 부하 LED(±D1 내지 ±Dn)로 전이할 것이다. 전류가 대신에 정류기 LED(-D1 내지 -Dn)로 흐르는 것을 제외하고는, 유사한 상황이 음의 반 사이클에서 반복할 것이다.

다양한 실시예에 관하여 설명된 바와 같이, 부하 균형은 비대칭 듀티 사이클을 유익하게 감소시키거나, 또는 정류기 LED와 부하 LED(예를 들어 모든 4분면에서 단방향 전류를 전달하는 것) 사이에서와 같이 듀티 사이클을 실질적으로 균등화한다. 일부 예에서, 유익하게는 이러한 부하 균형은 더 높은 듀티 사이클을 갖는 LED에서 전체적으로 더 낮은 플리커링 효과(flickering effect)를 실질적으로 더 감소시킬 수 있다.

바이패스 회로 실시예는 2 이상의 바이패스 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 역률의 추가적인 개선이 2 이상의 바이패스 회로가 선택된 LED를 바이패스하는데 사용될 때 획득될 수 있다.

도 9는 2개의 바이패스 회로를 도시한다. SC1 및 SC2는 상이한 임계값을 가질 수 있고, 훨씬 더 높은 전도 각도를 획득하기 위하여 입력 전류 파형을 더 개선하는데 있어서 효율적일 수 있다.

개별 AC LED 회로를 위한 바이패스 회로의 개수는, 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 또는 15, 대략 18, 20, 22, 24, 26, 28이나 적어도 30과 같은 그 이상일 수 있지만, 전력 품질을 개선하는데 실용적일 수 있는 만큼의 변경을 가질 수 있다. 바이패스 회로는 회로 상태에 응답하여 전류를 단일 LED 또는 그룹으로서의 임의의 개수의 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결된 LED로부터 우회시키도록 구성될 수 있다.

바이패스 회로는 도 6, 8 및 10에서의 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 부하 LED 내의 LED에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 바이패스 회로는 전파 정류기 스테이지에서 하나 이상의 LED 주위에서 전류를 선택적으로 우회시키도록 적용될 수 있다.

도 8에서의 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 자기 바이어스(self-biasing) 바이패스 회로는 여러 개별 부품으로 구현될 수 있다. 일부 구현례에서, 바이패스 회로는 LED를 갖는 단일 다이 상에 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 바이패스 회로는 별개의 부품을 이용하여 전체적으로 또는 부분적으로 구현되거나 그리고/또는 바이패스된 LED 그룹 또는 전체 AC LED 회로와 관련된 하나 이상의 LED와 통합될 수 있다.

도 10은 각 LED 스트링이 교번하는 반 사이클에서 전도하고 조명하는 반파 정류기로서 구성된 2개의 LED 스트링을 포함하는 예시적인 AC LED 조명 장치를 도시한다. 특히, 양의 그룹(+D1 내지 +Dn)은 Q1 및 Q2에서 전류를 전도하고, 음의 그룹(-D1 내지 -Dn)은 Q3및 Q4에서 전류를 전도한다. 어느 경우(Q1 - Q2, 또는 Q3 - Q4)에서도, AC 입력 전압은, 도 4를 참조하여 논의된 바와 같이, LED가 상당한 전류를 전도하는 것을 시작하기 위하여 대응하는 전도 각도에 대응하는 임계 여기 전압에 도달하여야만 할 수 있다.

도 11은 도 10의 AC LED 조명 장치를 여기하기 위한 일반적인 정현 여기 전압(Vac) 파형을 도시한다. 이 파형은 도 2를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 유사하다.

본 명세서에서 설명된 예시적인 방법 및 장치의 일부는 주기적으로 교번하는 극성(예를 들어, 정현 AC, 삼각파, 구형파) 중 적어도 한 극성을 갖는 여기 전압으로 AC LED의 전도 각도를 상당히 개선할 수 있다. 일부 구현례에서, 여기 전압은 예를 들어, 위상 변조, 펄스 폭 변조를 앞서거나 그리고/또는 뒤따라 감으로써 수정될 수 있다. 일부 예는 부하 LED에 대한 실질적으로 균형이 맞추어진 전류로 유익한 성능 개선을 획득할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 도 10의 회로는 부하 LED의 적어도 일부에 걸쳐 추가된 2개의 바이패스 회로를 포함하도록 수정된다. 제1 바이패스 회로는 감지 회로(SC1)에 의해 제어되는 스위치(SW1)를 포함한다. 제2 바이패스 회로는 감지 회로(SC2)에 의해 제어되는 스위치(SW2)를 포함한다. 각 바이패스 회로는 각각 스위치(SW1 또는 SW2)에 의해 활성화고 비활성화될 수 있는 바이패스 경로를 제공한다.

예시적인 실시예에서, 예시적인 광 엔진은 해당하는 양의 반 사이클 및 음의 반 사이클 동안의 전도를 위해 39개의 LED를 직렬로 포함할 수 있다. 직렬 및 병렬로의 LED의 임의의 적합한 조합이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 다양한 구현례에서, 선택된 LED의 개수 및 배열은 예를 들어 광 출력, 전류 및 전압 사양의 함수일 수 있다. 일부 영역에서, rms(root mean square) 라인 전압은 대략 100V, 120V, 200V, 220V 또는 240V일 수 있다.

예시적인 제1 실시예에서, 바이패스 스위치는 입력 전압에 응답하여 활성화된다. SC1은 입력 전압을 감지할 수 있다. SC1의 출력은 전압이 소정의 또는 사전 결정된 값(VSET) 아래에 있을 때 하이(참)이다. SC1이 하이(참)이면, SW1은 닫힌다(전도한다). 유사하게, SC1의 출력은 전압이 소정의 또는 사전 결정된 임계값(VSET) 위에 있을 때 로우(거짓)이다. SC1이 로우(거짓)이면, 스위치(SW1)는 열린다(전도하지 않는다). VSET은 예를 들어, 설정된 전류에서의 바이패스 회로에 의해 바이패스된 LED 외부의 모든 LED의 전체 순방향 전압을 나타내는 값으로 설정된다.

이하, 장치의 동작이 설명될 것이다. 전압이 AC LED에 인가되자마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 되고 스위치(SW1)는 활성화될(닫힐) 것이다. 전류는 단지 (+D1 내지 +D9)과 (+D30 내지 +D39)를 통하여 그리고 제1 바이패스 회로를 경유하여서서만 전도된다. 입력 전압이 VSET까지 증가한 후에, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화될(열릴) 것이다. 그 포인트에서, 전류는 모든 LED(+D1 내지 +D39)를 통해 전도되도록 전이되고, 제1 바이패스 회로는 높은 임피던스(예를 들어, 실질적으로 전도하지 않은) 상태로 전이된다.

양의 LED 그룹을 참조하여 설명된 바와 같이, 부하가 음의 LED 그룹(-D1 내지 -D30)을 통해 흐르는 것을 제외하고는, 입력 전압이 음일 때 동일한 과정이 반복된다. 따라서, 감지 회로(SC2) 및 스위치(SW2)는 입력 전압이 음의 값의 VSET에 도달함에 따라 활성화되거나 비활성화될 수 있다.

도 13은 도 12의 회로에 대한 선택적 전류 우회를 수행하기 위하여 바이패스 회로 경로를 사용하거나 사용하지 않는 대표적인 전류 파형을 도시한다. 선택적 전류 우회를 이용하는 입력 전류에 대한 예시적인 특성 파형은 곡선 (a) 및 (b)에서 도시된다. 곡선 (c)는 선택적 전류 우회가 디스에이블되는(예를 들어, 바이패스 경로에서의 높은 임피던스) 경우에 입력 전류에 대한 예시적인 특성 파형을 나타낸다. 본 예의 선택적 전류 우회 기술은 실질적으로 도 7을 참조하여 설명된 바와 같이 전도 각도를 상당히 증가시킬 수 있다. LED(+D10 내지 +D29) 및 LED(-D10 내지 -D29)를 각각 바이패스함으로써, 전도 각도는 상당히 개선될 수 있다.

예시적인 제2 실시예에서, 바이패스 스위치(SW1, SW2)는 입력 전압 감지 신호에 응답하여 활성화될 수 있다. SC1, SC2는 각각 LED(+D1 내지 +D19) 및 LED(+D30 내지 +D39)를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 순방향 전류가 소정의 또는 사전 결정된 임계값(ISET) 위에 있을 때, SC1의 출력은 하이(참)이다. SC1이 하이(참)이면, 스위치(SW1)는 닫힌다(전도한다). 유사하게, 순방향 전류가 ISET 소정의 또는 ISET을 초과할 때, SC1의 출력은 로우(거짓)이다. SC1이 로우(거짓)인 동안, 스위치(SW1)는 열린(전도하지 않는) 상태로 전이할 수 있다. ISET은, 예를 들어, LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)의 합의 공칭 순방향 전압에서의 전류를 대략적으로 나타내는 값으로 설정될 수 있다.

이하, 예시적인 장치의 동작이 설명될 것이다. 전압이 AC LED에 인가되자 마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 될 것이고, 스위치(SW1)는 비활성화될(닫힐) 것이다. 전류는 단지 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)를 통해 그리고 바이패스 회로를 경유하여서만 전도될 것이다. 순방향 전류가 ISET까지 증가한 후에, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화될(열릴) 것이다. 그 포인트에서, 전류는 LED(+D1 내지 +D39)를 통해 전도되도록 전이할 것이고, 제1 바이패스 회로에서의 SW1은 실질적으로 전도하지 않는다. 유사하게, 입력 전압이 감소하고 전류가 실질적으로 ISET 아래로 떨어지면, 스위치(SW1)는 비활성화되고, 전류의 적어도 일부는 LED(+D10 내지 +D29)가 아니라 바이패스 스위치(SW1)를 통해 흐르도록 우회될 수 있다.

입력 전압이 음일 때, 부하 전류가 음의 LED 그룹 및/또는 제2 바이패스 회로를 통해 흐를 것이라는 것을 제외하고는, 실질적으로 동일한 과정이 발생할 것이다.

일부 실시예에서, 부하 균형은 유익하게는 임의의 플리커링 효과를 감소시킬 수 있다. 적용가능한 경우, 플리커링 효과는 전체적으로 LED에 대한 전도 각도 및/또는 듀티 사이클을 증가시켜 감소될 수 있다.

선택적 전류 우회 기술을 이용하여 전류를 조절하도록 동작가능한 바이패스 회로는 단지 하나의 바이패스 회로를 갖는 실시예에 한정되지 않는다. 역률의 추가 개선을 위하여, 일부 실시예는 증가된 개수의 바이패스 회로를 가질 수 있으며, 다수의 서브 그룹으로 LED를 배열할 수 있다. 2 이상의 바이패스 회로를 갖는 예시적인 실시예는 예를 들어 도 9, 12, 20, 39, 42 또는 43을 적어도 참조하여 설명된다.

일부 구현례에서, 도 8의 예시적인 바이패스 회로와 같은 일부 바이패스 회로 실시예는 AC LED 광 엔진에서 하나 이상의 LED로 단일 다이 상에 제조될 수 있다.

도 14는 LED 스트링에 전력을 공급하는 종래의 다이오드 정류기를 포함하는 예시적인 AC LED 토폴러지를 도시한다. 이 예시적인 토폴러지는, 도 14에 도시된 바와 같이, 풀브리지 정류기와 부하 LED(±D1 내지 ±D39)를 포함한다.

도 15는 풀브리지 정류기에 의해 처리된 후의 정현 전압을 도시한다. LED(±D1 내지 ±D39)에 걸친 전압은 극성에서 실질적으로 항상 단방향(예를 들어, 양)이다.

도 16은 도 14의 AC LED 회로의 동작을 예시하는 전류 파형을 도시한다. 특히, 입력 전압은 LED가 더 높은 전류의 전도를 개시하기 위하여 사전 결정된 전도 각도 전압에 도달하여야만 한다. 이 파형은 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 유사하다.

도 17 내지 19는 도 14의 AC LED 토폴러지에 적용된 선택적 전류 우회를 도시하는 예시적인 실시예를 개시한다.

도 17은 부하에서의 LED 부분에 적용된 바이패스 회로를 더 포함하는 도 14의 AC LED 토폴러지의 개략도를 도시한다.

본 명세서에서 설명된 방법 및 장치는 AC LED의 전도 각도를 상당히 개선할 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 부하 LED에 걸쳐 추가된 예시적인 바이패스 회로가 있다. 바이패스 회로는 스위치(SW1)에 의해 활성화되고 비활성화된다. 스위치(SW1)는 감지 회로(SC1)에 의해 제어된다.

예시적인 제1 실시예에서, SC1은 입력 전압에 응답하여 바이패스 스위치를 제어한다. SC1은 노드 A(도 17 참조)에서 입력 전압을 감지할 수 있다. SC1의 출력은 전압이 소정의 또는 사전에 결정된 값(VSET) 아래에 있을 때 하이(참)이다. SC1이 하이(참)이면 스위치(SW1)는 닫힌다(전도한다). 유사하게, SC1의 출력은 전압이 소정의 또는 사전 결정된 값(VSET) 위에 있을 때 로우(거짓)이다. SC1이 로이(거짓)이면 스위치(SW1)는 열린다(전도하지 않는다). 일례에서, VSET은 설정된 전류에서 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)의 전체 순방향 전압 합을 대략적으로 나타내는 값으로 설정된다.

전압이 AC LED에 인가되자마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 될 것이고, 스위치(SW1)는 활성화될(닫힐) 것이다. 전류는 단지 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)를 통해 그리고 바이패스 회로를 경유하여 전도될 것이다. 입력 전압이 VSET까지 증가한 후에, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화(열린) 상태로 전이될 것이다. 그 상태에서, 전류는 LED(+D1 내지 +D9), LED(+D9 to +D29) 및 LED(+D30 내지 +D39)를 통해 전도되도록 전환될 것이다. 바이패스 회로는 실질적으로 전도하지 않도록 전이할 수 있다. 유사하게, 입력 전압이 Q2 또는 Q4에서 VSET 아래로 감소하는 경우에, 스위치(SW1)는 활성화될 것이고, 전류 흐름은 LED(+D10 내지 +D29)를 바이패스할 것이다.

도 18은 입력 전류에 대한 예시적인 효과를 도시한다. LED 그룹(+D11 내지 +D29)을 바이패스함으로써, 전도 각도는 상당히 개선될 수 있다.

예시적인 제2 실시예에서, SC1은 전류 감지에 응답하여 바이패스 스위치를 제어한다. SC1은 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)를 통하여 각각 흐르는 전류를 감지한다. SC1의 출력은 순방향 전류가 소정의 또는 사전 결정된 값(ISET) 아래에 있을 때 하이(참)이다. SC1이 하이(참)이면 스위치(SW1)는 닫힌다(전도한다). SC1의 출력은 순방향 전류가 소정의 또는 사전 결정된 값(ISET) 위에 있을 때 로우(거짓)이다. SC1이 로우(거짓)이면 스위치는 열린다(전도하지 않는다). ISET은 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)의 합의 공칭 순방향 전압에서의 전류를 나타내는 값으로 설정된다.

전압이 AC LED에 인가되자마자, 감지 회로(SC1)의 출력은 하이가 될 것이고, 스위치(SW1)는 활성화될(닫힐) 것이다. 전류는 단지 LED(+D1 내지 +D9) 및 LED(+D30 내지 +D39)을 통해서 그리고 바이패스 회로를 경유하여서만 전도된다. 순방향 전류가 ISET로 증가한 후에, 감지 회로(SC1)의 출력은 로우(거짓)로 되고, 스위치(SW1)는 비활성화될(열릴) 것이다. 이제, 전류는 LED(+D1 내지 +D9), LED(+D30 내지 +D39) 및 LED(+D10 내지 +D29)를 통해서 전도된다. 바이패스 회로는 전도하지 않는다. 유사하게, 전류가 Q2 또는 Q4에서 ISET 아래로 강하할 때, 스위치(SW1)는 비활성화될 것이고, 전류 흐름은 LED(+D10 내지 +D29)를 바이패스할 것이다.

유익하게는, 플리커링 효과에서의 감소가 더 높은 듀티 사이클로 동작하는 LED에 대하여 대체로 더 낮을 수 있는 전파 정류 AC LED 광 엔진에 대한 다양한 실시예가 제공될 것이다.

일부 실시예는 LED 그룹 주위에서 전류를 우회하도록 배열된 2 이상의 바이패스 회로를 포함할 수 있다. 역률의 추가 개선을 위하여, 예를 들어, 2 이상의 바이패스 회로가 채용될 수 있다. 일부 예에서, 2 이상의 바이패스 회로는 바이패스 LED 그룹을 서브 그룹으로 분할하도록 배열될 수 있다. 일부 다른 예에서, 광 엔진 실시예는 2개의 별개의 LED 그룹 주위에서 전류를 선택적으로 우회시키도록 배열된 적어도 2개의 바이패스 회로를 포함할 수 있다(예를 들어, 도 9 및 26 참조). 도 12는 2개의 바이패스 회로를 포함하는 예시적인 광 엔진을 도시한다. 예를 들어, 2 이상의 바이패스 경로를 갖는 광 엔진 회로의 추가적인 실시예가 적어도 도 42 및 43을 참조하여 설명된다.

도 19는 LED 광 엔진을 위한 바이패스 회로의 예시적인 구현례를 도시한다. LED 그룹을 선택적으로 바이패스하기 위한 바이패스 회로(1900)는 바이패스될 LED와 병렬로 연결된 트랜지스터(T2)(예를 들어, n 채널 MOSFET)를 포함한다. 트랜지스터(T2)의 게이트는 풀업 저항(R2)과 바이폴라 접합 트랜지스터(T1)에 의해 제어된다. 트랜지스터(T1)는 트랜지스터(T2)와 LED를 통한 순시 전류의 합을 운반하는 감지 저항(R1)에 걸친 전압에 응답한다. 예를 들어 도 32를 참조하여 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 바이패스 회로에 인가된 순시 회로 전압 및 전류 상태가 스무드하고 연속적인 방법으로 변동하기 때문에, 트랜지스터(T2)와 LED 사이의 입력 전류 분배는 스무드하고 연속적인 방법으로 변동할 것이다.

다양한 실시예는 트랜지스터(T2)의 임피던스를 라인 주파수(예를 들어, 대략 50 또는 60 Hz)의 정수(예를 들어, 1, 2, 3)배로 변조함으로써 광 엔진을 동작시킬 수 있다. 임피던스 변조는 회로 상태(예를 들어, 전압, 전류)의 대응하는 범위의 전체에 걸쳐 포화 영역, 선형 영역 및 컷-오프 영역을 사용함으로써 선형적인(예를 들어, 연속적이거나 아날로그식의) 방법으로 바이패스 경로에서 트랜지스터(T2)를 동작시키는 것을 포함할 수 있다.

일부 예에서, 트랜지스터의 동작 모드는 순시 입력 전류의 레벨의 함수일 수 있다. 이러한 함수는 예를 들어 적어도 도 22, 27 또는 32를 참조하여 설명될 것이다.

도 20은 조명 장치의 실시예에서 역률 개선을 캘리브레이션하거나 시험하기 위한 예시적인 장치의 블록도를 도시한다. 본 장치는 전류의 고조파 성분을 시험하고, 독립적으로 제어되는 전압 또는 전류 임계값에서의 바이패스 스위치의 많은 수의 구성에 대한 역률을 측정하는 성능을 제공한다. 이러한 방법으로, 자동화된 시험 절차는, 예를 들어, 임의의 조명 장치를 위한 하나 이상의 바이패스 스위치에 대한 최적 구성을 신속하게 결정할 수 있다. 결과에 따른 최적 구성은 데이터베이스에 저장되거나 그리고/또는 피시험 조명 장치와 관련된 데이터 저장 장치에 다운로드될 수 있다.

도시된 장치(2000)는 부품의 보조 모듈과 조명을 위한 LED 스트링를 포함하는 부하와 직렬로 연결된 정류기(2005)(LED, 다이오드 또는 그 양자를 포함할 수 있음)를 포함한다. 본 장치는 다수의 바이패스 스위치 중 어느 하나의 단자에 다이오드 스트링의 임의의 노드를 연결할 수 있는 아날로그 스위치 매트릭스(2010)를 더 포함한다. 일부 예에서, 테스트 핀 장치가 피시험 조명 장치의 노드와 접촉하는데 사용될 수 있다. 본 장치는 조명 장치에 의해 출력된 세기 및/또는 색 온도를 모니터하도록 구성될 수 있는 광 센서(2020)를 더 포함한다. 본 장치는 전력 분석기(2030)로부터 역률(예를 들어, 고조파 왜곡) 데이터와 광 센서(2020)로부터의 정보를 수신하고, 바이패스 스위치를 구성하게 제어 명령을 생성하도록 프로그래밍된 컨트롤러(2025)를 더 포함한다.

동작시, 컨트롤러는 조명 장치의 선택된 노드를 하나 이상의 바이패스 스위치에 연결하도록 명령을 전송한다. 시험 환경에서, 바이패스 스위치는 릴레이, 리드(reed) 스위치, IGBT 또는 다른 제어가능한 스위치 요소로서 구현될 수 있다. 아날로그 스위치 매트릭스(2010)는 LED 스트링의 사용가능한 노드로부터 다수의 사용가능한 바이패스 스위치로의 유연한 연결을 제공한다. 또한, 컨트롤러는 각 바이패스 스위치가 열리거나 닫힐 수 있는 임계 조건을 설정한다.

컨트롤러(2025)는, 실행될 때 컨트롤러가 바이패스 스위치 배열의 다수의 조합을 제공하도록 다수의 바이패스 스위치를 동작시키게 하는 실행가능한 명령어의 프로그램(2040)를 액세스할 수 있다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(2025)는 임의의 또는 모든 바이패스 스위치와 관련하여 사전 결정된 임계 전압을 수신하기 위한 명령어 프로그램을 실행할 수 있다.

예를 들어, 컨트롤러(2025)는 바이패스 스위치 중 선택된 하나가 낮은 임피던스 상태와 동적 임피던스 상태 사이에서 전이하게 하도록 동작할 수 있다. 일부 예에서, 컨트롤러(2025)는 인가된 여기 전압이 사전 결정된 임계 전압을 가로지를 때 전이를 발생시킬 수 있다. 일부 예에서, 컨트롤러(2025)는 입력 전류가 사전 결정된 임계 전류를 가로지를 때 그리고/또는 하나 이상의 시간 기반 조건을 만족시킬 때 전이를 발생시킬 수 있다.

다양한 파라미터 범위 하에서의 회로 성능의 실험적 평가에 의해, 일부 구현례는 사전 결정된 사양 세트를 만족할 구성을 식별할 수 있다. 한정이 아닌 예로서, 사양은 역률, 전체 고조파 왜곡, 효율, 광 세기 및/또는 색 온도를 포함할 수 있다.

특정된 기준을 만족하는 각 구성에 대하여, 하나 이상의 비용 값이 결정될 수 있다(예를 들어, 부품비, 제조비에 기초하여). 예시된 예에서, 가장 낮은 비용 또는 최적의 출력 구성은 2개의 바이패스 경로, 각 바이패스 회로에 의해 바이패스될 LED 세트, 및 2개의 바이패스 회로를 포함하는 구성으로 식별될 수 있다. 각 경로는 각 바이패스 회로에서의 특정된 임피던스 특성으로 특징지어질 수 있다.

실험 결과가 도 21 내지 37을 참조하여 설명된다. 실험 측정은 LED 광 엔진에 대한 전류를 조절하기 위한 선택적 전류 우회를 포함한 다수의 예시적인 실시예에 대하여 수집되었다. 각 측정에서, 인가된 여기 전압은 Agilent 6812B AC 전원/분석기를 이용하여 120Vrms 60Hz 정현 전압원(달리 표시되지 않는다면)으로 설정되었다. 입력 여기 전압 및 전류에 대한 계산된 전력 품질 파라미터 및 파형 그래프는 DP03PWR 모듈을 갖는 Tektronix DP03014 Digital Phospor 오실로스코프를 이용하여 캡쳐되었다. 실험 여기 전압 진폭, 파형 및 주파수는 예시적인 것으로, 필수적으로 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.

도 21은 개선된 고조파 인자 및/또는 역률 성능을 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 도시된 예에서, 광 엔진 회로(2100)는 주기성 전압원(2110)으로부터 전기 여기를 수신하는 전파 정류기(2105)를 포함한다. 정류기(2105)는 부하 회로에 실질적으로 단방향의 출력 전류를 공급한다. 부하 회로는 전류 제한 저항(Rin), 전류 감지 저항(Rsense), 다섯개의 LED 그룹(LED 그룹 1 내지 LED 그룹 5)의 네트워크에 연결된 바이패스 스위치(2115)를 포함한다.

LED 그룹 1 및 LED 그룹 2 는 제1 병렬 네트워크에서 연결된 2개의 LED 네트워크이다. 유사하게, LED 그룹 4 및 LED 그룹 5는 제2 병렬 네트워크에서 연결된 2개의 LED 네트워크이다. LED 그룹 3은 제1 및 제2 병렬 네트워크 사이에서 직렬로 연결된 LED 네트워크이다. 바이패스 스위치(2115)는 LED 그룹 3과 병렬로 연결된다. 바이패스 스위치를 동작시키기 위한 제어 회로는 도시되지 않지만, 적합한 실시예가 예를 들어 적어도 도 6, 8, 19, 26 또는 27을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

동작시, 바이패스 스위치(2115)는 AC 입력 여기 전류가 사전 결정된 임계값 아래에 있는 동안 각 주기의 시작 및 종료시에 낮은 임피던스 상태에 있다. 바이패스 스위치(2151)가 낮은 임피던스 상태에 있는 동안, LED 그룹 1 및 2를 통해 흐르는 입력 전류는 LED 그룹 3에 병렬인 바이패스 스위치(2115)를 통한 경로를 따라 우회된다. 따라서, AC 입력 여기(2110)가 사전 결정된 임계값 아래에 있는 동안 광 엔진(2100)에 의해 방출된 광은 실질적으로 LED 그룹 1, 2, 4, 5에 의해서만 제공된다. 낮은 여기 레벨에서 LED 그룹 3 주위에서 전류를 우회시키기 위하여 바이패스 스위치(2115)를 사용하는 것은 입력 전류를 인출하는데 필요한 순방향 임계 전압을 효율적으로 낮출 수 있다. 따라서, 이것은 바이패스 스위치(2115)가 없는 동일한 회로에 비하여 전도 각도를 실질적으로 증가시킨다.

바이패스 스위치는, AC 입력 여기 전류가 사전 결정된 입계값(예를 들어, LED 그룹 3의 순방향 임계 전압) 위로 상승함에 따라, 높은 임피던스 상태로의 실질적으로 선형의 전이를 보여줄 수 있다. 바이패스 스위치(2115)가 높은 임피던스 상태로 전이함에 따라, 제1 및 제2 그룹의 LED를 통해 흐르는 입력 전류도 바이패스 스위치(2115)를 통해 흐르는 것으로부터 LED 그룹 3을 통해 흐르는 것으로의 전이를 시작한다. 따라서, AC 입력 여기가 사전 결정된 임계값 위에 있는 동안 광 엔진에 의해 방출된 광은 실질적으로 LED 그룹 1 내지 5에 의해 제공된 광의 조합이다.

120Vrms 적용례에 대한 예시적인 예에서, LED 그룹 1, 2, 4 및 5는 각각 대략 16개의 LED를 직렬로 포함할 수 있다. LED 그룹 3은 대략 23개의 LED를 직렬로 포함할 수 있다. LED 그룹 1, 2, 4, 5는 제1 색 출력을 방출하는 LED를 포함할 수 있으며, LED 그룹 3은 실질적인 전류에 의해 구동될 때 적어도 제2 색 출력을 방출하는 LED를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, LED의 개수, 색상 및/또는 종류는 LED의 다양한 그룹에서 그리고 그 사이에서 상이할 수 있다.

한정이 아닌 예로서, 제1 색은 대략 2400 내지 3000K의 색 온도를 갖는 실질적으로 따뜻한 색(예를 들어, 청색 또는 녹색)일 수 있다. 제2 색은 대략 5000 내지 6000K의 색 온도를 갖는 실질적으로 차가운 색(예를 들어, 백색)일 수 있다. 일부 실시예는, 유익하게는, 광 엔진에 공급된 AC 여기가 예를 들어 디머(dimmer) 제어에서의 사용자 입력 요소의 위치를 낮게 함으로써 감소함에 따라 출력 색을 갖는 예시적인 광 장치를 차가운(제2) 색에서 따뜻한(제1) 색으로 스무드하게 전이시킬 수 있다. 예를 들어 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Color Temperature Shift Control for Dimmable AC LED Lighting"인 2009년 8월 14일 Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/234,094에서의 도 20a 내지 20c를 참조하여, 색 시프트를 제공하기 위한 회로의 예가 설명된다.

일례에서, LED 그룹 1, 2, 4, 5는 각각 8, 9 또는 10개의 LED를 직렬로 포함할 수 있으며, LED 그룹 3은 각각 대략 23, 22, 21 또는 20개의 LED를 포함할 수 있다. 다양한 실시예는 예를 들어 허용가능한 피크 전류를 이용하여 원하는 출력 조명을 제공하기 위하여(예를 들어 피크 AC 입력 전압 여기에서), 적합한 저항 및 직렬 연결된 다수의 다이오드를 가지고 배열될 수 있다.

LED 그룹 1 내지 3에서의 LED는 패키지로서 또는 단일 모듈 내에서 구현되거나, 또는 개별적으로 및/또는 다수 LED 패키지의 그룹으로서 배열될 수 있다. 개별 LED는 일부 예에서 모두 동일한 색 스펙트럼을 출력할 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 LED는 나머지 LED와는 실질적으로 상이한 색을 출력할 수 있다.

일부 실시예에서, LED 그룹 1, 2, 4, 5의 병렬 배열은 유익하게는 LED 그룹 1, 2, 4, 5의 노화에 비하여 LED 그룹 3의 노화에 관한 불균형을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 불균형은, 예를 들어, 바이패스된 LED를 통한 전류의 전도 각도가 제1 및 제2 그룹의 LED를 통한 전류의 전도 각도보다 실질적으로 작을 수 있는 경우에 발생할 수 있다. LED 그룹 1, 2, 4, 5는, 실질적으로 AC 여기 입력 전류가 흐를 때마다 전류를 전도한다. 대조적으로, LED 그룹 3은 바이패스 스위치(2115)가 LED 그룹 3과 병렬인 경로를 통해 입력 전류의 적어도 일부를 우회시키지 않을 때만 순방향 전류를 전도한다.

정류기 브리지(2105)는 전압원(2110)으로부터 공급된 단일 위상 AC 여기를 정류하기 위한 풀브리지로서 도시된다. 이 구성에서, 정류기 브리지(2105)는, 입력 라인 여기 주파수의 두배인 기본 주파수를 갖는 단방향 전압 파형을 생성하기 위하여 AC 입력 여기의 양의 반 사이클 및 음의 반 사이클 모두를 정류한다. 따라서, 일부 구현례는 LED 출력 조명이 진동하는 주파수를 증가시켜 임의의 인지가능한 플리커를 감소시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 반파 정류 또는 전파 정류가 사용될 수 있다. 일부 예에서, 정류는 3, 4, 5, 6, 9, 12, 15 또는 그 이상의 위상 소스와 같이, 단일 위상 소스 이상의 위상 소스로부터 동작할 수 있다.

도 22 내지 25는 실질적으로 도 21을 참조하여 도시되고 설명된 바와 같은 예시적인 LED 광 엔진 회로의 동작에 의해 수집된 실험 결과를 도시한다. 본 실험에서, LED는 예를 들어 일본의 Citizen Elecrtronics Co., Ltd로부터 상업적으로 입수가능한 모델 CL-L233-MC13L1이다. 시험된 LED 그룹 1, 2, 4, 5는 각각 8개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하고, LED 그룹 3은 23개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하였다. 시험된 부품 값은 500Ω의 Rin과 23.2Ω의 Rsense로 특정되었다.

도 22는 도 21의 광 엔진 회로에 대한 여기 전압의 함수로서의 정규화된 입력 전류의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 그래프(2200)는 전류를 조절하기 위하여 선택적 전류 우회를 이용한 입력 전류에 대한 그래프(2205)와, 선택적 전류 우회가 디스에이블된 입력 전류에 대한 그래프(2210)를 포함한다. 그래프(2210)는 본 명세서에서 저항 조절과 관련되는 것이라 할 수 있다.

실험 데이터는, 유사한 피크 전류에 대하여, 실질적 전도가 시작하는 유효 순방향 임계 전압이 점(2215)에서의 대략 85V(저항 조절)로부터 점(2220)에서 대략 40V(선택적 전류 우회)로 감소되었다는 것을 보여준다. 이것은 50% 이상의 임계 전압에서의 감소를 나타낸다. 각 사이클의 상승 및 하강 4분면 모두에 적용될 때, 이것은 전도 각도의 실질적인 확장에 대응한다.

그래프(2205)는 일부 실시예에서 LED 그룹 1, 2, 4, 5의 함수일 수 있는 제1 변곡점(2220)을 도시한다. 특히, 변곡점(2220)에서의 전압은 LED 그룹 1, 2, 4, 5의 순방향 임계 전압에 기초하여 결정될 수 있으며, 추가로 브리지 정류기(2105)의 동작 브랜치의 순방향 임계 전압의 함수일 수 있다.

그래프(2205)는 제2 변곡점(2225)을 더 포함한다. 일부 예에서, 제2 변곡점(2225)은 바이패스 제어 회로와 관련된 전류 임계값에 대응할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전류 임계값은 예를 들어 입력 전류에 기초하여 결정될 수 있다.

점(2220, 2225) 사이의 그래프(2205)의 기울기(2230)는, 그 역수에서, 선택적 전류 우회를 갖는 광 엔진 회로(2100)가 이 범위 내에서 그래프(2210)에 의해 표시된 임의의 임피던스보다 실질적으로 더 낮은 임피던스를 표시한다는 것을 나타낸다. 일부 구현례에서, 유익하게는 이러한 감소된 임피던스 효과는 낮은 여기 전압에서 상대적으로 신속하게 상승하는 전류에 의해 출력된 향상된 광을 촉진할 수 있으며, LED 전류는 광 출력에 대략 비례한다.

그래프(2205)는 제3 변곡점(2240)을 더 포함한다. 일부 예에서, 점(2240)은 바이패스 스위치 경로를 통한 전류가 실질적으로 0에 가깝게 위에 있는 임계값에 대응할 수 있다. 점(2240) 아래에서, 바이패스 스위치(2115)는 LED 그룹 3 주위에서 입력 전류의 적어도 일부를 우회시킨다.

점(2225, 2240) 사이의 그래프(2205)의 범위(2250)에 도시된 가변하는 기울기는, 그 역수에서, 바이패스 스위치가 이 범위에서 증가하는 여기 전압에 응답하여 스무드하고 연속적으로 증가하는 임피던스를 표시한다는 것을 나타낸다. 일부 구현례에서, 유익하게는, 이러한 동적 임피던스 효과는 실질적으로 바이패스 스위치(2115)를 통해서만 흐르는 전류로부터 실질적으로 LED 그룹 3에서만 흐르는 것으로의 스무드하고 실질적으로 선형인(예를 들어 고조파 왜곡) 전이를 촉진한다.

도 23은 도 21의 회로의 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 나타낸다. 그래프(2300)는 정현 전압 파형(2305) 및 전류 파형(2310)을 나타낸다. 전류 파형(2310)은 머리-어깨(head-and-shoulders) 형상을 나타낸다.

본 예에서, 어깨(2315)는 더 낮은 AC 입력 여기 레벨의 범위 내에서의 바이패스 스위치를 통해 흐르는 전류에 대응한다. AC 입력 여기 레벨의 제2 중간 범위에서, 바이패스 전류의 임피던스는 증가한다. 제2 범위와 중첩하는 제3 범위 내에서 여기 전압이 실질적으로 스무드하고 연속적으로 계속 상승함에 따라, 바이패스 스위치에 걸친 전압은 LED 그룹 3의 유효 순방향 전압 이상으로 증가하고, 입력 전류는 바이패스 스위치(2115)에서 흐르는 것으로부터 LED 그룹 3을 통해 흐르는 것으로 실질적으로 스무드하고 연속적인 방법으로 전이한다. 더 높은 AC 입력 여기 레벨에서, 전류는 바이패스 스위치(2115) 대신에 실질적으로 LED 그룹 3을 통해서만 흐른다.

일부 실시예에서, 제1 범위는 LED 그룹 1, 2, 4, 5에 의해 형성된 네트워크의 유효 순방향 임계 전압의 함수인 하한을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 범위는 사전 결정된 임계 전압에 의해 정의되는 하한을 가질 수 있다. 일부 예에서, 제2 범위의 하한은 사전 결정된 임계 전류에 실질적으로 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 사전 결정된 임계 전류는 접합 온도(예를 들어, 베이스-이미터 접합 순방향 임계 전압)의 함수일 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 범위의 하한은 LED 그룹 3의 유효 순방향 임계 전압의 함수일 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 범위의 상한은 LED 그룹 3을 통해 실질적으로 주로(예를 들어, 부하에 대한 순시 입력 전류 적어도 대략 90%, 91%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 적어도 대략 99.5%) 흐르는 입력 전류에 대응할 수 있다. 일부 예에서, 제3 범위의 상한은 실질적으로 거의 0(예를 들어, 부하에 대한 순시 입력 전류의 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9% 미만 또는 10% 미만)인 바이패스 스위치(2115)를 통해 흐르는 전류의 함수일 수 있다.

도 24는 도 23의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다. 특히, 측정은 역률이 대략 0.987(예를 들어, 98.7%)로 측정된 것을 나타낸다.

도 25는 도 23의 전압 및 전류 파형에 대한 고조파 프로파일을 도시한다. 특히, 측정된 전체 고조파 왜곡은 대략 16.1%로 측정되었다.

따라서, 선택적 우회 회로를 갖는 LED 광 엔진의 실시예는, 유익하게는, 정격 여기 전압에서 예를 들어 실질적으로 대략 90%, 92.5%, 95%, 97.5% 이상의 또는 적어도 대략 98% 이상의 역률을 가지면서 동작할 수 있으며, 동시에, 실질적으로 25%, 22.5%, 20% 또는 대략 18% 이하의 THD를 획득할 수 있다. AC LED 광 엔진의 일부 실시예는 추가로 진폭 변조 및/또는 위상 제어 변조 하에서 인가된 여기 전압의 전체 범위(예를 들어, 0 내지 100%)에 대하여 실질적으로 스무드하고 연속적으로 디밍가능할 수 있다.

도 26은 개선된 고조파 인자 및/또는 역률 성능을 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 다양한 실시예는 유익하게는 LED로부터 출력된 주어진 피크 조명에 대하여 개선된 역률 및/또는 감소된 고조파 왜곡을 제공할 수 있다.

광 엔진 회로(2600)는 브리지 정류기(2605)와, 각각 복수의 LED를 포함하고, 각각 노드 A 및 노드 C 사이에 연결된 2개의 병렬로 연결된 LED 그룹(LED 그룹 1 및 LED 그룹 2)을 포함한다. 회로(2600)는 노드 C와 노드 B 사이에 연결된 LED 그룹 3을 더 포함한다. 동작시, LED 그룹 1, 2, 3의 각각은 인가된 피크 여기 전압의 실질적인 일부인 유효 순방향 전압을 가질 수 있다. 전류 제한 요소와 결합된 이들의 결합된 순방향 전압은 피크 순방향 전류를 제어할 수 있다. 전류 제한 요소는 저항(R1)으로서 도시된다. 일부 실시예에서, 전류 제한 요소는, 예를 들어, 조합된 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 이러한 요소는 고정 저항, 전류 제어 반도체, 및 온도 민감 저항으로부터 선택될 수 있다.

광 엔진 회로(2600)는 회로(2600)의 유효 순방향 턴온 전압을 감소시키도록 동작하는 바이패스 회로(2610)를 더 포함한다. 다양한 실시예에서, 바이패스 회로(2610)는 낮은 AC 입력 여기 레벨에서의 전도 각도를 확장하는데 기여할 수 있으며, 이는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축함으로써 역률 및/또는 고조파 인자를 유익하게 하는 경향이 있을 수 있다.

바이패스 회로(2610)는 노드 C로부터 그리고 LED 그룹 3과 직렬 저항(R1) 주위에서 전류를 우회시키기 위하여 연결된 채널을 갖는 바이패스 트랜지스터(Q1)(예를 들어, MOSFET(metal oxide semicondutor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar transistor), BJT(bipolar junction transitor), 등)를 포함한다. 채널의 전도는 제어 단자(예를 들어, MOSFET의 게이트)에 의해 변조된다. n 채널 MOSFET(Q1)의 게이트는 저항(R2)을 통해 노드 C로 전압에 있어서 풀업된다. 일부 다른 실시예에서, 저항은 노드 A까지 풀업될 수 있다. 게이트 전압은 풀다운 트랜지스터(Q2)(MOSFET, IGBT, JFET(junciton field effect transistor) 등)에 의해 트랜지스터(Q1)의 소스의 전압 근처의 전압으로 감소될 수 있다. 도시된 예에서, 트랜지스터(Q2)(NPN BJT(bipolar junciton transitor))의 콜렉터는 트랜지스터(Q2)에 대한 베이스-이미터 전압을 구축하는 부하 전류에 응답하여 게이트 전압을 조절하도록 구성된다. 감지 저항(R3)은 트랜지스터(Q2)의 베이스-이미터에 걸쳐 연결된다. 다양한 실시예에서, 트랜지스터(Q1)의 게이트에서의 전압은 입력 전류 크기에서의 대응하는 스무드하고 연속하는 변동에 응답하여 실질적으로 스무드하고 연속적으로 변동될 수 있다.

도 27 내지 29, 36 및 37은 실질적으로 도 26을 참조하여 도시되고 설명된 바와 같이 예시적인 LED 광 엔진 회로의 동작에 의해 수집된 실험 결과를 도시한다. 본 실험에서, LED 그룹 1, 2는 예를 들어 대만의 Everlight Electronics Co., LTD로부터 상업적으로 입수가능한 모델 EHP_A21_GT46H(백색)이었다. LED 그룹 3은 역시 예를 들어 대만의 Everlight Electronics Co., LTD로부터 상업적으로 입수가능한 모델 EHP_A21_UB01H(청색)이었다. 시험된 LED 그룹 1, 2는 각각 24개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하고, LED 그룹 3은 21개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하였다. 시험된 부품의 값은 R1이 13.4Ω, R2가 4.2Ω, R3이 806㏀으로 특정되었다.

도 27은 도 26의 광 엔진 회로에 대한 여기 전압의 함수로서의 정규화된 입력 전류의 그래프를 도시한다. 도시된 바와 같이, 그래프(2700)는 전류를 조절하기 위하여 선택적 전류 우회를 이용한 입력 전류에 대한 그래프(2705)와, 선택적 전류 우회가 디스에이블된 입력 전류에 대한 그래프(2710)를 포함한다. 그래프(2710)는 본 명세서에서 저항 조절과 관련되는 것이라 할 수 있다.

실험 데이터는, 유사한 피크 전류에 대하여, 실질적 전도가 시작하는 유효 순방향 임계 전압이 점(2715)에서의 대략 85V(저항 조절)로부터 점(2720)에서 대략 45V(선택적 전류 우회)로 감소되었다는 것을 보여 준다. 이것은 45% 이상의 임계 전압에서의 감소를 나타낸다. 각각의 정류된 정현 사이클의 상승 및 하강 4분면 모두에 적용될 때, 이것은 전도 각도의 실질적인 확장에 대응한다.

그래프(2705)는 일부 실시예에서 LED 그룹 1, 2의 함수일 수 있는 제1 변곡점(2720)을 도시한다. 특히, 변곡점(2720)에서의 전압은 LED 그룹 1, 2의 순방향 임계 전압에 기초하여 결정될 수 있으며, 추가로 브리지 정류기(2605)의 동작 브랜치의 순방향 임계 전압의 함수일 수 있다.

그래프(2705)는 제2 변곡점(2725)을 더 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제2 변곡점(2725)은 바이패스 제어 회로(2610)와 관련된 전류 임계값에 대응할 수 있다. 다양한 예에서, 전류 임계값은 예를 들어 트랜지스터(Q1)에 대한 전송 특성, 입력 전류, 베이스-이미터 접합 전압, 온도 및/또는 전류 이득에 기초하여 결정될 수 있다.

점(2720, 2725) 사이의 그래프(2705)의 기울기(2730)는, 그 역수에서, 선택적 전류 우회를 갖는 광 엔진 회로(2600)가 이 범위 내에서의 그래프(2710)에 의해 표시된 임의의 임피던스보다 실질적으로 더 낮은 임피던스를 표시한다는 것을 나타낸다. 일부 구현례에서, 유익하게는 이러한 감소된 임피던스 효과는 낮은 여기 전압에서 상대적으로 신속하게 상승하는 전류에 의해 출력된 향상된 광을 촉진할 수 있으며, LED 전류는 광 출력에 대략 비례한다.

그래프(2705)는 제3 변곡점(2740)을 더 포함한다. 일부 예에서, 점(2740)은 바이패스 스위치를 통한 전류가 실질적으로 0에 가깝게 위에 있는 임계값에 대응한다. 점(2740) 아래에서, 트랜지스터(Q1)는 LED 그룹 3 주위에서 입력 전류의 적어도 일부를 우회시킨다.

점(2725, 2740) 사이의 그래프(2705)의 범위(2750)에 도시된 가변하는 기울기는, 그 역수에서, 트랜지스터(Q1)가 이 범위에서 증가하는 여기 전압에 응답하여 스무드하고 연속적으로 증가하는 임피던스를 표시한다는 것을 나타낸다. 일부 구현례에서, 유익하게는, 이러한 동적 임피던스 효과는 실질적으로 트랜지스터(Q1)를 통해서만 흐르는 전류로부터 실질적으로 LED 그룹 3에서만 흐르는 것으로의 스무드하고 실질적으로 선형인(예를 들어 고조파 왜곡) 전이를 촉진한다.

도 28은 도 26의 회로의 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 나타낸다. 그래프(2800)는 정현 전압 파형(2805) 및 전류 파형(2810)을 나타낸다. 전류 파형(2310)은 머리-어깨 형상을 나타낸다.

본 예에서, 어깨(2815)는 더 낮은 AC 입력 여기 레벨의 범위 내에서의 트랜지스터(Q1)을 통해 흐르는 전류에 대응한다. AC 입력 여기 레벨의 제2 중간 범위에서, 트랜지스터(Q1)의 임피던스는 증가한다. 제2 범위와 중첩하는 제3 범위 내에서 여기 전압이 실질적으로 스무드하고 연속적으로 계속 상승함에 따라, 트랜지스터(Q1)에 걸친 전압은 LED 그룹 3의 유효 순방향 전압 이상으로 증가하고, 입력 전류는 트랜지스터(Q1)에서 흐르는 것으로부터 LED 그룹 3을 통해 흐르는 것으로 실질적으로 스무드하고 연속적인 방법으로 전이한다. 더 높은 AC 입력 여기 레벨에서, 전류는 트랜지스터(Q1) 대신에 실질적으로 LED 그룹 3을 통해서만 흐른다.

일부 실시예에서, 제1 범위는 LED 그룹 1, 2에 의해 형성된 네트워크의 유효 순방향 임계 전압의 함수인 하한을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 범위는 사전 결정된 임계 전압에 의해 정의되는 하한을 가질 수 있다. 일부 예에서, 제2 범위의 하한은 사전 결정된 임계 전류에 실질적으로 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 사전 결정된 임계 전류는 접합 온도(예를 들어, 베이스-이미터 접합 순방향 임계 전압)의 함수일 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 범위의 하한은 LED 그룹 3의 유효 순방향 임계 전압의 함수일 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 범위의 상한은 LED 그룹 3을 통해 실질적으로 주로(예를 들어, 부하에 대한 순시 입력 전류 적어도 대략 95%, 96%, 97%, 98%, 99% 또는 적어도 대략 99.5%) 흐르는 입력 전류에 대응할 수 있다. 일부 예에서, 제3 범위의 상한은 실질적으로 거의 0(예를 들어, 부하에 대한 순시 입력 전류의 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 미만 또는 5% 미만)인 트랜지스터(Q1)를 통해 흐르는 전류의 함수일 수 있다.

도 29는 도 28의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 나타낸다. 특히, 측정은 역률이 대략 0.967(예를 들어, 96.7%)로 측정된 것을 나타낸다.

도 30 및 31은 실질적으로 도 26을 참조하여 도시되고 설명된 예시적인 LED 광 엔진 회로의 동작에 의해 수집된 실험 결과를 도시한다. 본 실험에서, LED 그룹 1, 2, 3은 예를 들어 한국의 삼성 LED Co, Ltd로부터 상업적으로 입수 가능한 모델 SLHNNWW629T0를 포함하였다. LED 그룹 3은 예를 들어 캘리포니아주의 Avago Technologies로부터 상업적으로 입수가능한 모델 AV02-0232EN을 더 포함하였다. 시험된 LED 그룹 1, 2는 각각 24개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하고, LED 그룹 3은 18개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하였다. 시험된 부품의 값은 R1이 47Ω, R2가 3.32Ω, R3이 806㏀으로 특정되었다.

도 30은 도 26의 회로의 다른 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 나타낸다. 그래프(3000)는 정현 여기 전압 파형(3005) 및 입력 전류 파형(3010)을 나타낸다. 전류 파형(3010)은 실질적으로 도 28을 참조하여 설명된 바와 같이 수정된 특성 임계값, 변곡점 또는 기울기를 갖는 머리-어깨 형상을 나타낸다.

도 31는 도 30의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다. 특히, 측정은 역률이 대략 0.978(예를 들어, 97.8%)로 측정된 것을 나타낸다.

도 32 내지 35은 실질적으로 도 26을 참조하여 도시되고 설명된 예시적인 LED 광 엔진 회로의 동작에 의해 수집된 실험 결과를 도시한다. 본 실험에서, LED 그룹 1, 2는 예를 들어 한국의 삼성 LED Co, Ltd로부터 상업적으로 입수 가능한 모델 SLHNNWW629T0(백색) 및 캘리포니아주의 Avago Technologies로부터 상업적으로 입수가능한 모델 AV02-0232EN(적색)을 포함하였다. LED 그룹 3은 예를 들어 일본의 Citizen Electronics Co., Ltd로부터 상업적으로 입수 가능한 모델 CL-824-U1D(백색)을 포함하였다. 시험된 LED 그룹 1, 2는 각각 24개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하고, LED 그룹 3은 20개의 다이오드를 직렬 스트링으로 포함하였다. 시험된 부품의 값은 R1이 715Ω, R2가 23.2Ω, R3이 806㏀으로 특정되었다.

도 32는 도 27 내지 29를 참조하여 설명된 도 26의 회로의 실시예에 대한 전압 및 전류 파형의 오실로스코프 측정을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 그래프(3200)는 정현 여기 전압 파형(3205), 전체 입력 전류 파형(3210), 트랜지스터(Q1)를 통한 전류에 대한 파형(3215), 및 LED 그룹 3을 통한 전류에 대한 파형(3220)을 포함한다.

도 27을 참조하여, 실험 데이터는 제1 변곡점(2720)과 제2 변곡점(2725) 사이 내의 여기 전압에 대하여, 전체 입력 전류 파형(3210)은 실질적으로 파형(3215)과 일치하는 것을 제시한다. 입력 전류 및 트랜지스터(Q1)을 통한 전류는 제2 변공점(2725) 위의 여기 범위에 대하여 실질적으로 동일하게 유지된다. 그러나, 점(2725, 2740) 사이의 범위(2750)에서의 전이 변곡점(3225)에서, 파형(3215)은 파형(3220)에서의 대응하는 증가만큼 실질적으로 오프셋되는 속도로 감소하기 시작한다. 파형(3215, 3220)은 여기 전압이 변곡점(3225)에 대응하는 전압을 변곡점(2740)에 대응하는 전압으로 상승시킴에 따라 동일하고 반대의 대략 일정한(예를 들어 선형의) 기울기를 갖는 것으로 보인다. 점(2740) 위의 여기 전압에서, LED 그룹 3을 통한 전류에 대한 파형(3220)은 실질적으로 입력 전류 파형(3210)과 동일하다.

도 33은 도 32의 전압 및 전류 파형에 대한 전력 품질 측정을 도시한다. 특히, 측정은 역률이 대략 0.979(예를 들어, 97.9%)로 측정된 것을 나타낸다.

도 34는 도 32의 파형에 대한 고조파 성분을 도시한다. 특히, 고조파 크기는 실질적으로 홀수 고조파로서만 측정되었으며, 가장 강한 것은 기본 주파수의 적어도 20%인 7차 고조파이다.

도 35는 도 32의 전압 및 전류 파형에 대한 고조파 프로파일을 도시한다. 특히, 측정된 전체 고조파 왜곡은 대략 20.9%로 측정되었다.

따라서, 선택적 우회 회로를 갖는 AC LED 광 엔진의 실시예는 30%, 29%, 28%, 27%, 26%, 25%, 24%, 23%, 22% 미만 또는 대략 21% 미만의 THD를 가지면서 동작할 수 있으며, 1 kHz 이상의 주파수에서의 고조파의 크기는, 예를 들어, 실질적으로 기본 주파수의 진폭의 대략 5% 미만이다.

도 36 및 37은 도 27을 참조하여 설명된 바와 같이, 광 엔진의 광 출력의 실험 측정에 대한 그래프 및 데이터를 도시한다. 120Vrms에서의 인가된 여기 전압으로의 실험 동안, 광 출력은 렌즈 및 백색(예를 들어 파라볼라) 반사기와 관련된 대략 20%의 광 손실을 보여주는 것으로 측정되었다. 전체 여기 전압(120 Vrms)에서, 측정된 입력 전력은 14.41Watt이었다.

따라서, 유익하게는, 선택적 우회 회로를 갖는 AC LED 광 엔진의 실시예는 대략 120Vrms의 정현 여기로 공급될 때, 적어도 대략 42, 44, 46, 48, 50 또는 대략 51의 와트당 루멘으로, 그리고 적어도 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95% 또는 적어도 96%의 역률을 가지면서 동작할 수 있다. AC LED 광 엔진의 일부 실시예는 추가로 진폭 변조 및/또는 위상 제어 변조 하에서 인가된 여기 전압의 전체 범위(예를 들어, 0 내지 100%)에 대하여 실질적으로 스무드하고 연속적으로 디밍가능할 수 있다.

도 36은 다양한 디밍 레벨에서 결합된 전체 출력 계산과 광 출력의 계산된 성분의 그래프를 도시한다. 그래프는 본 구현례에서의 선택적 우회 회로가 실질적인 전압 범위에 대하여 스무드하고 디밍가능한 광 출력을 제공하는 것을 나타낸다. 본 예에서, 광 출력은 전체 정격 여기(예를 들어, 본 예에서 120V)에서의 100%에서 정격 여기의 대략 37%(예를 들어, 본 예에서 45V)에서 0%로 스무드하게 감소되었다. 따라서, 전류를 조절하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 AC LED 광 엔진의 일부 구현례에 대한 진폭 변조를 이용한 스무드한 디밍에 대한 사용가능한 제어 범위는 정격 여기 전압의 적어도 60% 또는 적어도 대략 63%일 수 있다.

도 37은 다양한 디밍 레벨의 범위에서 결합된 전체 출력 계산과 광 출력의 계산된 성분에 대한 실험 데이터를 도시한다. LED 그룹 1, 2는 50V 이하에서 적어도 5 루멘의 광을 출력하고, LED 그룹 3은 대략 90V에서 적어도 5 루멘의 광을 출력한다.

도 38은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하도록 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 유익하게는 다양한 실시예는 LED로부터 출력된 주어진 피크 조명에 대한 감소된 고조파 왜곡 및/또는 개선된 역률을 제공할 수 있다.

광 엔진 회로(3800)는 브리지 정류기(3805)와 각각 복수의 LED를 포함하는 2개의 직렬 연결된 LED 그룹(LED 그룹 1 및 LED 그룹 2)을 포함한다. 동작시, LED 그룹 1 및 2의 각각은 인가된 피크 여기 전압의 실질적인 일부인 유효 순방향 전압을 가질 수 있다. 전류 제한 요소와 결합된 이들의 결합된 순방향 전압은 피크 순방향 전류를 제어할 수 있다. 전류 제한 요소는 저항(R1)으로서 도시된다. 일부 실시예에서, 전류 제한 요소는, 예를 들어, 조합된 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 이러한 요소는 고정 저항, 전류 제어 반도체, 및 온도 민감 저항으로부터 선택될 수 있다.

광 엔진 회로(3800)는 회로(3800)의 유효 순방향 턴온 전압을 감소시키도록 동작하는 바이패스 회로(3810)를 더 포함한다. 다양한 실시예에서, 바이패스 회로(3810)는 낮은 AC 입력 여기 레벨에서의 전도 각도를 확장하는데 기여할 수 있으며, 이는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축함으로써 역률 및/또는 고조파 인자를 유익하게 하는 경향이 있을 수 있다.

바이패스 회로(3810)는 LED 그룹 2와 병렬로 연결된 채널을 갖는 바이패스 트랜지스터(Q1)(예를 들어, MOSFET, IGBT, 바이폴라 등)를 포함한다. 채널의 전도는 제어 단자(예를 들어, MOSFET의 게이트)에 의해 변조된다. 도시된 예에서, 게이트는 저항(R2)을 통해 정류기의 양의 출력 단자(노드 A)로 전압에서 풀업되지만, NPN 트랜지스터(Q2)의 콜렉터에 의해 트랜지스터(Q1)의 소스의 전압 근처의 전압으로 풀다운될 수 있다. 다양한 실시예에서, 트랜지스터(Q1)의 게이트에서의 전압은 감지 저항(R3)을 통해 흐르는 입력 전류 크기에서의 대응하는 스무드하고 연속적인 변동에 응답하여 실질적으로 스무드하고 연속적으로 변동될 수 있다. NPN 트랜지스터(Q2)는 NPN 트랜지스터(Q2)의 베이스-이미터가 감지 저항(R3)을 통한 충분한 LED 전류에 의해 순방향 바이어스되는 경우에 트랜지스터(Q1)의 게이트 전압을 풀다운할 수 있다.

도시된 예는 MOSFET의 게이트-소스 전압을 제한하기 위한 예시적인 보호 요소를 더 포함한다. 본 예에서, 제너 다이오드(3815)(예를 들어, 14V 고장(breakdown) 전압)은 게이트에 인가된 전압을 트랜지스터(Q1)에 대한 안전 레벨로 제한하는 역할을 할 수 있다.

도 39는 AC 입력 여기가 2개의 대응하는 사전 결정된 레벨 아래인 동안 2개의 LED 그룹을 바이패스하기 위한 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다.

광 엔진 회로(3900)는 도 38의 광 엔진 회로와 직렬로 배열된 추가 LED 그룹 및 대응하는 추가 바이패스 회로를 포함한다. 광 엔진 회로(3900)는 노드 A 및 노드 C 사이에 연결된 LED 그룹 1, 노드 C 및 노드 D 사이에 연결된 LED 그룹 2, 및 LED 그룹 1 및 2와 직렬로 노드 D 및 노드 B 사이에 연결된 LED 그룹 3을 포함한다. LED 그룹 2 및 3과 병렬로, 바이패스 회로(3905, 3910)가 각각 2개 레벨의 선택적 전류 우회를 제공한다.

도시된 실시예에서, 바이패스 회로(3905, 3910)은 각각 노드 C 및 D까지 자신의 해당하는 게이트 전압을 풀업하도록 연결된 풀업 저항(R2, R4)을 포함한다. 다른 실시예에서, 풀업 저항(R2, R4)은 각각 노드 A 및 C까지 자신의 해당하는 게이트 전압을 풀업하도록 연결될 수 있다. 이러한 실시예의 예는 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "LED Lighting for Liverstock Developemnt"인 2009년 10월 29일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/255,855에서의 도 5B를 적어도 참조하여 설명된다.

다양한 실시예에서, 그리고 즉각적인 개시내용에 따라, 각각의 바이패스 회로(3905, 3910)에 대하여 적합한 전류 및 전압 임계값을 설정하는 것은, 광 엔진(3900)과 같은 AC LED 광 엔진에서 개별적으로 또는 조합하여 취해진 적어도 THD 및 역률의 관점에서 개선된 성능을 제공할 수 있다.

여기 전압 및 입력 전류가 광 엔진 회로(3900)에서 증가함에 따라, 예를 들어, 바이패스 회로 중 하나는 제1 여기 범위 동안 낮은 임피던스에서 높은 임피던스로 전이할 수 있으며, 다른 바이패스 회로는 제2 여기 범위 동안 낮은 임피던스에서 높은 임피던스로 전이할 수 있다. 일부 구현례에서, 해당하는 각 바이패스 회로에 대하여 해당하는 전압 및 전류 임계값은 제1 및 제2 여기 범위가 적어도 부분적으로 중첩하도록 설정될 수 있다. 이러한 중첩하는 여기 범위는 예를 들어 개선된 역률을 갖는 최적의 THD 성능을 제공하기 위한 전류 및 전압 임계값의 적합한 선택에 의하여 마련될 수 있다. 일부 다른 구현례에서, 제1 및 제2 여기 범위는 실질적으로 중첩하지 않을 수 있으며, 이는 유익하게는 예를 들어 거의 단위(예를 들어, 대략 97%, 98%, 98.5%, 99%, 99.25%, 99.5%, 또는 대략 99.75%) 역률을 획득하도록 더 넓은 전도 각도를 촉진할 수 있다.

유익하게는, 다양한 실시예는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축하고, 그리고/또는 반 사이클당 180도에 더 가깝게 전도 각도를 확장하는데 있어서 추가적인 자유도를 허용하기 위하여 2, 3 또는 그 이상의 바이패스 회로를 제공할 수 있다. 추가 회로는 추가 자유도를 도입할 수 있으며, 이에 따라 LED로부터의 출력된 주어진 피크 조명에 대한 고조파 왜곡에서의 추가 감소 및 역률에 대한 추가 개선을 제공할 수 있다.

도 40은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 도 40에 도시된 개략도는 브리지 정류기(4005), 전류 제한 저항(R1) 및 하나가 바이패스 회로(4010)에 의해 인터럽트가능한 2개의 병렬 LED 경로의 한 실시예를 포함한다.

광 엔진 회로(4000)는 저항(R1)을 통해 단방향 부하 전류를 공급하는 브리지 정류기(4005)를 포함한다. 부하 전류는 감지 저항(R2)을 통해 각각 복수의 LED(예를 들어, 직렬, 병렬 또는 직병렬 네트워크로 배열됨)로 형성되는 2개의 병렬 LED 그룹(LED 그룹 1 및 LED 그룹 2)으로 흐른다. 또한, 부하 전류는 바이패스 회로(4010)로 공급되며, 바이어스 전류는 LED 그룹 1 및 2 주위에서 흐를 수 있다. 바이패스 회로(4010)는 LED 그룹 2를 통한 전류 경로와 직렬로 연결된 P 채널 MOSFET 트랜지스터(Q1)를 포함한다. 트랜지스터(Q1)는 드레인 전류가 저항(R2)으로부터 LED 그룹 2로 흐르도록 연결된다. 트랜지스터(Q1)의 게이트의 전압은 베이스-이미터 전압이 감지 저항(R2)을 통한 LED 그룹 1 및 2로의 부하 전류에 응답하여 제어되는 PNP 바이폴라 접합 트랜지스터(Q2)에 의해 제어된다. 저항(R2)을 통한 부하 전류에 응답하여 흐르는 콜렉터 전류는 트랜지스터(Q2)와 바이어스 저항(R3)을 통한 콜렉터 전류를 가져다 준다. 게이트 전압은 저항(R3)에 걸친 전압의 함수이다. 콜렉터 전류가 증가함에 따라, 예를 들어, 게이트 전압은 상승한다. 정격 여기 전압에서의 동작에서, 게이트 전압은, 실질적으로 낮은 임피던스 상태(예를 들어, 100, 50, 30, 20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1, 0.05Ω 미만)로부터, 증가하는 임피던스 상태(예를 들어, 저항과 병렬인 실질적으로 일정한 전류원의 등가 회로)로, 높은 임피던스 상태(예를 들어, 실질적으로 개방된 회로)로의 트랜지스터(Q1)에서의 스무드한 전이에 대응하여, 증가한다.

LED 그룹 1 및 2의 각각은 인가된 피크 여기 전압의 일부인 유효 순방향 전압을 가질 수 있으며, 실질적으로 모든 부하 전류는 LED 그룹 1 및 2 사이에서 분배될 수 있다. 인가된 여기 전압이 LED 그룹 1의 유효 순방향 임계 전압을 극복하기에 충분한 경우, 저항(R2)을 통한 부하 전류는 LED 그룹 1을 통한 전류 흐름에 응답하여 증가할 수 있다. 일부 실시예에서, LED 그룹 2를 통한 전류 흐름은 범위 내에서 실질적으로 스무드하고 연속적으로 증가하는 감지 저항을 통한 전류에 응답하여 실질적으로 스무드하고 연속적으로 감소할 수 있다. 일부 구현례에서, 이 범위는 실질적으로 LED 그룹 1의 유효 순방향 임계 전압 위의 여기 전압에 대응할 수 있다.

예시적인 실시예에서, LED 그룹 2는 LED 그룹 1보다 실질적으로 더 낮은 유효 순방향 임계 전압을 가질 수 있다. 일부 실시예에 따르면, AC 여기의 연속적이고 스무드한 증가 동안에, 부하 전류는 LED 그룹 1을 통해 먼저 흐를 수 있다. 여기가 LED 그룹 1의 유효 순방향 임계 전압 위로 상승함에 따라, 부하 전류는 LED 그룹 1 및 2 모두를 통해 흐른다. 부하 전류가 임계값에 도달함에 따라, 바이패스 회로(4010)가 트랜지스터(Q1)의 채널의 임피던스를 증가시킬 때, LED 그룹 2를 통한 전류 흐름은 0을 향하여 스무드하고 연속적으로 전이할 수 있다. 일부 임계 전류 값 위에서, 부하 전류는 실질적으로 LED 그룹 1을 통해서만 흐르고, 부하 전류의 작은 일부가 바이패스 회로(4010)에서 트랜지스터(Q2)로 바이어스 전류를 공급한다.

따라서, 광 엔진 회로(4000)는 회로(4000)에서 유효 순방향 턴온 전압을 감소시키도록 동작하는 바이패스 회로(4010)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 바이패스 회로(4010)는 낮은 AC 입력 여기 레벨에서의 전도 각도를 확장하는데 기여할 수 있으며, 이는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축함으로써 역률 및/또는 고조파 인자를 유익하게 하는 경향이 있을 수 있다.

도 41은 직렬 배열로의 추가 LED 그룹을 갖는 도 40의 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 본 실시예에서, 광 엔진 회로(4000)는 직렬 저항(R1)과 직렬로 연결된 LED 그룹 3을 포함하도록 수정될 수 있다. 도시된 예에서, LED 그룹 3은 LED 그룹 1 및 2에 대한 유효 순방향 임계 전압 요건을 증가시킬 수 있다.

예시적인 스무드하고 연속적으로 증가하는 여기 전압에 대하여, 일부 실시예는 LED 그룹 1이 낮은 여기 레벨에서 조명할 때, LED 그룹 1 및 2가 중간 레벨에서 조명할 때, 그리고 LED 그룹 2가 조명하고 LED 그룹 1이 더 높은 레벨에서 조명하지 않지 않을 때, LED 그룹 3이 조명하는 것을 제공할 수 있다.

예시적인 예에서, 일부 실시예는 여기 레벨의 함수로서 실질적으로 상이한 합성 색 온도를 제공하기 위하여(예를 들어, 정격 전압의 0 내지 100%의 범위 내에서의 디밍 레벨에 응답하는 색 시프트), LED 그룹 1 및 LED 그룹 2에서 상이한 색상을 사용할 수 있다. 일부 실시예는 LED 그룹 1, 2 및 3의 각각에 대해 출력된 스펙트럼의 적절한 선택에+ 의해 원하는 색 시프트 성능을 획득할 수 있다.

도 42는 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 다른 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 도 42에 도시된 개략도는 브리지 정류기(4205), 전류 제한 저항(R1) 및 2개가 실질적으로 도 40을 참조하여 전술한 바와 같이 독립적인 바이패스 회로에 의해 인터럽트가능한 2개의 병렬 회로인 4개의 병렬 LED 경로를 포함하는 광 엔진 회로의 일 실시예를 포함한다.

도 42의 개략도는 도 40의 광 엔진 회로(4000)의 요소를 포함하고, 추가로 바이패스 회로(4210)에 의해 인터럽트가능한 LED 그룹 3을 포함하는 제3 병렬 경로를 더 포함한다. 본 실시예에서, 바이패스 회로(4010, 4210)는 바이어스 트랜지스터로서 P 채널 MSOFET(Q1, Q2)을 각각 포함한다. 각 바이패스 트랜지스터(Q1, Q2)의 게이트는 PNP 타입 바이폴라 접합 트랜지스터(Q3, Q4)에 의해 제어된다. PNP 트랜지스터(Q3, Q4)는 2개의 전류 감지 저항(R2, R3)을 통한 전류에 응답하도록 배열된다. 본 예에서, LED 그룹 3에 대한 바이패스 회로(4210)는 LEDs2가 턴오프하는 대응하는 임계값보다 더 낮은 여기 임계값에서 턴오프한다.

도 43은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 다른 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 도 43에 도시된 개략도는 실질적으로 도 42를 참조하여 전술한 바와 같은 광 엔진 회로에 대한 일 실시예를 포함하며, 실질적으로 도 41을 참조하여 전술한 바와 같은 추가 LED 그룹을 더 포함한다.

도 43은 직렬 배열로의 추가 LED 그룹을 갖는 도 42의 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 본 실시예에서, 광 엔진 회로(4200)는 직렬 저항(R1)과 직렬로 연결된 LED 그룹 4를 포함하도록 변경된다. 도시된 예에서, LED 그룹 4는 LED 그룹 1, 2 및 3에 대한 유효 순방향 임계 전압 요건을 증가시킬 수 있다.

도 44 및 45는 도 9의 광 엔진의 실시예에 대한 다양한 디머 제어 설정에 대한 예시적인 합성 색 온도를 예시하기 위한 그래프를 도시한다. 도 9는, 본 예의 목적을 위하여, 부하 LED(D1 내지 D18)와 브리지 정류기를 형성하는 LED 사이의 2개의 상이한 색 온도를 포함할 수 있는 LED를 갖는 예시적인 AC LED 소스의 개략도를 도시한다. 개선된 전도 각도를 제공하면서, 선택적 우회 회로(SC1, SC2)는 다양한 입력 여기 상태에 대한 제어된 색 온도 시프트를 더 제공할 수 있다.

설명의 간략하게 하기 위한 목적으로, 디머는 예를 들어 위상 제어 또는 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM)를 이용하여 정류된 정현 여기 전압의 제곱 평균의(root mean square, rms) 진폭을 변조할 수 있다.

도 9의 예시적인 회로에서, 2개의 바이패스 스위치는 SC1에 대한 Th1과 SC2에 대한 Th2의 상이한 임계 설정에서 제공된다. 본 예시적인 예를 위하여, 전파 브리지 정류기를 형성하는 LED는 3500K의 공칭 색 온도를 가지며, 단방향 전류 부하를 형성하는 LED는 7000K의 공칭 색 온도를 가진다.

도 44는 디머 제어 설정에 대한 광 출력의 그래프를 도시한다. 낮은 디머 제어 설정에서, 모든 7000K LED는 바이패스된다. 디머 제어가 증가함에 따라, 3500K LED의 광 출력은 증가한다. 디머 제어 설정이 임계 조건(TH1)을 만족하기에 충분한 여기 점에 도달하면, LED(D1 내지 D9 LED)로부터 벗어나는 전류 우회는 인터럽트되어, 7000K KED의 광출력이 증가하게 한다.

디머 제어 설정이 계속 증가함에 따라, 이는 임계 조건(TH2)를 만족하기에 충분한 점에 결국 도달한다. 이 점에서, LED(D10 내지 D18)로부터의 전류 우회는 인터럽트되고, 7000K LED의 광출력이 더 증가하게 한다.

도 45는 3500K 및 7000K LED의 광 출력 변동이 어떻게 합성 색 온도에서의 변동을 제공할 수 있는지를 도시한다. 낮은 디머 제어 설정에서, 실질적으로 모든 광 출력은 3500K LED로부터 출력된다. 따라서, 색 온도는 대략 3500K이다.

디머 제어 설정이 증가함에 따라, 7000K LED가 합성 광 출력을 형성하기 위하여 3500K LED와 결합하는 광 출력에 기여하기 시작한다. 광 출력에 대한 기여는 각 LED 소스에 의해 기여되는 광 출력의 크기에 의존한다.

일부 구현례에서, 도 45 에서의 합성 색 온도 곡선 곡선의 기울기는 예를 들어 임계값(TH1, TH2) 사이에의 범위에서와 같이 스무드할 필요는 없다. 실제 기울기는 본 실시예에서 3500K 및 7000K LED에 대한 광 출력 특성의 상대적 응답에 의존할 수 있다.

도 46은 AC 입력 여기가 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안 LED 그룹을 바이패스하기 위하여 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 일 회로의 개략도를 도시한다. 유익하게는 다양한 실시예는 LED로부터 출력된 주어진 피크 조명에 대한 감소된 고조파 왜곡 및/또는 개선된 역률을 제공할 수 있다.

도 46의 광 엔진 회로는 브리지 정류기 및 각각 복수의 LED의 직렬 및/또는 병렬 네트워크를 포함하는 2개의 LED 그룹(LEDs1 및 LEDs2)을 포함한다. 동작시, LEDs1, LEDs2의 각 그룹은 인가된 피크 여기 전압의 실질적인 일부인 유효 순방향 전압을 가질 수 있다. 전류 제한 요소와 결합한 이들의 결합된 순방향 전압은 순방향 전류를 제어할 수 있다. 전류 제한 회로는, 예를 들어, 고정 저항을 포함할 수 있다.

광 엔진 회로는 회로의 유효 순방향 턴온 전압을 감소시키도록 동작가능한 바이패스 회로를 더 포함한다. 다양한 실시예에서, 바이패스 회로는 낮은 AC 입력 여기 레벨에서의 전도 각도를 확장하는데 기여할 수 있으며, 이는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축함으로써 역률 및/또는 고조파 인자를 유익하게 하는 경향이 있을 수 있다.

바이패스 회로는 LEDs2와 병렬로 연결된 채널을 갖는 바이패스 트랜지스터(예를 들어, MOSFET, IGBT, 바이폴라 등)를 포함한다. 채널의 전도는 제어 단자(예를 들어, MOSFET의 게이트)에 의해 변조된다. 도시된 예에서, 게이트는 저항을 통해 정류기의 양의 출력 단자로 전압에서 풀업되지만, NPN 트랜지스터의 콜렉터에 의해 MSOFET의 소스의 전압 근처의 전압으로 풀다운될 수 있다. NPN 트랜지스터는 NPN 트랜지스터의 베이스-이미터가 감지 저항을 통한 충분한 LED 전류에 의해 순방향 바이어스되는 경우에 MOSFET의 게이트 전압을 풀다운할 수 있다.

도시된 예는 MOSFET의 게이트-소스 전압을 제한하기 위한 예시적인 보호 요소를 더 포함한다. 본 예에서, 제너 다이오드(예를 들어, 14V 고장 전압)는 게이트에 인가된 전압을 MOSFET에 대한 안전 레벨로 제한하는 역할을 할 수 있다.

도 47는 AC 입력 여기가 2개의 대응하는 사전 결정된 레벨 아래인 동안 2개의 LED 그룹을 바이패스하기 위한 선택적 전류 우회를 갖는 LED 광 엔진에 대한 예시적인 회로의 개략도를 도시한다. 도 47의 광 엔진 회로는 도 46의 광 엔진 회로에 추가 LED 그룹 및 대응하는 추가 바이패스 회로를 더한다. 유익하게는 다양한 실시예는 예를 들어 더욱 정현 형상인 전류 파형을 구축하는데 있어서의 추가 자유도를 허용하기 위하여 2 이상의 바이패스를 제공할 수 있다. 추가 자유도는 LED로부터 출력된 주어진 피크 조명에 대한 더욱 감소된 고조파 왜곡 및 역률에 대한 더욱 잠재적인 개선을 제공할 수 있다.

도 48a 내지 48c는 예를 들어 도 46의 광 엔진 회로에 대한 예시적인 전기 및 광 성능 파라미터를 도시한다.

도 48a는 도 46의 광 엔진 회로에 대한 예시적인 전압 및 전류 파형을 도시한다. V로 레이블된 그래프는 AC 입력 여기 전압을 도시하고, 정현 파형으로서 도시된다. Iin=I1로 레이블된 그래프는 입력 전류에 대한 예시적인 전류 파형을 도시하고, 본 회로에서 LEDs1을 통한 전류와 동일하다. I2로 레이블된 그래프는 LEDs2를 통한 전류를 나타낸다.

일반적인 반 사이클 동안, LED1은 AC 입력 여기 전압이 회로에서 다이오드에 대한 유효 순방향 턴온을 실질적으로 극복할 때까지 전도하지 않는다. 위상이 사이클에서 A에 도달할 때, 전류는 LEDs1 및 바이패스 스위치를 통해 흐르기 시작한다. 입력 전류는 바이패스 회로가 B에서 MOSFET을 턴오프하기 시작할 때까지 증가한다. 일부 예에서, MOSFET은 전류가 MOSFET 채널과 LEDs2 사이에서 분배됨에 따라 선형 영역(예를 들어, 포화되지 않고 2진 상태 사이에서 신속하게 스위칭하지 않음)에서 거동할 수 있다. MOSFET 전류는 LEDs2를 통한 전류(I2)가 입력 전류에 접근함에 따라 0으로 떨어질 수 있다. 피크 입력 전압 여기에서, 피크 광 출력에 도달된다. 이 단계들은 AC 입력 여기 전압이 자신의 피크를 통과하고 강하하기 시작한 후에, 반대로 일어난다.

도 48b는 위상 제어에 응답하여 LEDs1 및 LEDs2의 휘도 사이의 예시적인 관계의 예시적인 그래프를 도시한다. LEDs1 및 LEDs2 각각의 출력 휘도의 상대적인 거동은 디밍에 대응하는 점진적으로 증가하는 위상 커팅에 대하여 검토될 것이다.

원점에서 전도 각도 A까지, 위상 제어는 LEDs1 또는 LEDs2를 통한 어떠한 전류 흐름도 감쇠시키지 않는다. 따라서, LEDs1은 자신의 피크 휘도(L1)를 유지하고, LEDs2는 자신의 피크 휘도(L2)를 유지한다.

위상 제어가 A와 B 사이의 각도에 대하여 전도를 지연시킬 때, LEDs1의 평균 휘도는 감소되지만, 위상 제어는 LEDs2를 통한 전류 프로파일에 영향을 미치지 않아, LEDs2는 휘도(L2)를 유지한다.

위상 제어가 B와 C 사이의 각도에 대하여 전도를 지연시킬 때, 위상 커팅에서의 증가 LED의 평균 조명 시간을 계속 단축시킴에 따라 LEDs1의 평균 휘도는 계속 떨어진다. 또한, 위상 제어는 LEDs2의 평균 전도 시간을 단축시키기 시작하여, L2 휘도는 위상 제어 턴온 지연이 C에 접근함에 따라 0을 향해 떨어진다.

위상 제어가 C와 D 사이의 각도에 대하여 전도를 지연시킬 때, 위상 컨트롤러는 여기 입력 레벨이 바이패스 스위치를 턴오프하는데 필요한 임계값 위에 있는 시간 동안 전류를 완전히 차단한다. 그 결과, LEDs2는 전류를 절대로 운반하지 않고, 따라서 광을 출력하지 않는다. LEDs1은 D에서의 0을 향하여 계속 떨어진다.

D 너머에서의 위상 커팅에서, 위상 컨트롤러에 의해 공급된 여기 전압 레벨이 LEDs1의 유효 순방향 턴온 전압을 극복하기에 충분하지 않기 때문에, 광 엔진은 실질적으로 광을 출력하지 않는다.

도 48c는 도 46의 LED 광 엔진에 대한 위상 제어 하에서의 예시적인 합성 색 온도 특성을 도시한다. 본 예에서, LEDs1 및 LEDs2는 상이한 색 온도(T1, T2)를 각각 갖는다. 도 48b를 참조하여 설명된 바와 같은 LEDs1 및 LEDs2의 휘도 거동은 예시적인 광 엔진은 디밍됨에 따라 자신의 출력 색상을 시프트할 수 있다는 것을 나타낸다. 예시된 예에서, 예를 들어 종래의 위상 커팅 디머 제어에 의해 세기가 디밍됨에 따라 색 온도는 차가운 백색으로부터 따뜻한 적색 또는 녹색을 향하여 시프트할 수 있다.

원점에서 전도 각도 A까지, 위상 제어는 LEDs1 또는 LEDs2의 휘도를 감쇠시키지 않는다. 따라서, 광 엔진은 자신의 상대적인 세기에 따른 부품 색 온도의 조합에 따르는 합성 색 온도를 출력할 수 있다.

위상 제어가 A 및 B 사이의 각도에 대한 전도를 지연시킬 때, 낮은 색 온도의 LEDs1의 휘도가 감소됨에 따라(도 48b 참조), 평균 색 온도는 증가한다.

위상 제어가 B 및 C 사이의 각도에 대한 전도를 지연시킬 때, 증가된 위상 커팅이 더 높은 색 온도의 0을 향하여 감쇠시킴에 따라 색 온도는 상대적으로 신속하게 떨어진다. 이 범위에서, 더 낮은 색 온도의 LEDs1는 상대적으로 느리게 떨어지지만, 0에까지 떨어지지 않는다.

위상 제어가 C 및 D 사이의 각도에 대한 전도를 지연시킬 때, 유일하게 기여하는 색 온도는 T1이고, 따라서, 색 온도는 LED1s의 휘도가 D에서의 0을 향해 떨어짐에 따라 일정하게 유지한다.

도 48c의 예는 합성 색 출력을 생성하도록 상이한 색의 LED가 공간적으로 배향되고 배치되는 실시예를 포함할 수 있다. 예로서, 복수의 색상의 LED는 각 LED 색으로부터의 조명이 다른 색과 공통 배향 및 방향을 실질적으로 공유하는 빔을 형성하도록 배열될 수 있다.

전술한 바에 비추어, 합성 색 온도는 선택된 LED 그룹을 통한 또는 이를 우회하는 전류 흐름을 제어함으로써 조작될 수 있다. 다양한 예에서, LED 그룹을 통한 전류 흐름의 조작은 사전 결정된 AC 여기 레벨에 응답하도록 구성된 하나 이상의 바이패스 회로에 의해 자동으로 수행될 수 있다. 더욱이, 예를 들어 주어진 피크 출력 조명 레벨에 대하여 역률을 개선하고 그리고/또는 고조파 왜곡을 감소시기기 위하여 전류를 선택적으로 우회시키는 다양한 실시예가 설명되었다. 유익하게는 낮은 전력 손실과 낮은 전체 비용으로, 적은 개수의 부품만으로 LED 광 엔진을 형성하기 위하여 종래의 LED 모듈로 구현되거나 LED 모듈에 통합될 수 있는 바이패스 회로가 본 명세서에서 설명되었다.

도 49a 내지 49c, 도 50a 내지 50c, 및 도 51a 내지 51c는 여기 전압의 함수로서 색 온도를 시프트하도록 구성된 선택적 전류 우회 조절 회로를 갖는 3개의 예시적인 AC LED 광 엔진에 대한 성능 그래프를 도시한다. 이러한 실험에서, 3개의 광 엔진의 각각은 60Hz에서 동작하는 진폭 변조된 정현 전압원으로 여기되었다. 시험된 램프는 도 26 또는 38에 대체로 도시된 바와 같은 회로의 예시적인 구현례이었다. 상관 색온도(correlated color temperature, CCT) 및 스펙트럼 세기의 측정은 각 피시험 램프에 대하여 정격 전압까지 5V의 증분마다 기록되었다.

도 49a 내지 49c는 LED 그룹 1에서 적색 및 백색 LED를 포함하고, LED 그룹 2에서 백색 LED를 포함하는 광 엔진을 갖는 예시적인 램프에 대한 측정 데이터를 나타낸다. 도 49a는 색 온도 값이 120V에서의 대략 3796K에서 80V에서의 대략 3162K로 떨어졌다는 것을 나타낸다(V 값은 rms 값). 이것은 색 온도 값에서의 16.7%의 감소를 나타낸다. 이것은 정현 입력 전압 여기의 진폭 변조에 응답하는 더 따뜻한 색으로의 시프트라 한다. 이러한 실험에서는 도시되지 않지만, 대체로 유사한 동작이 유효 AC 입력 전압 여기를 감소시키기 위한 위상 컷 변조로부터 기대될 수 있다.

도 49b는 정격 여기 전압의 100%에서 60%의 디밍 동안, 적색 파장(630nm)에서의 피크 세기는 청색 파장(446nm)에 대한 피크 세기와 녹색 파장(563nm)에 대한 피크 세기보다 실질적으로 더 느린 속도로 감소하였다는 것을 보여준다. 정격 전압의 90%에서 70%까지, 청색 및 녹색 파장의 세기는 입력 전압에서의 매 5V 마다 대략 5 내지 9%로 떨어졌다. 정격 입력 전압의 대략 83%에서 대략 75%에서, 녹색 및 청색의 피크 세기의 감소 속도는 적색의 피크 세기의 감소 속도의 적어도 2배이었다. 따라서, 본 실시예에서의 적색 파장의 상대 세기는, 입력 전압이 정격 여기로부터의 범위에서 감소됨에 따라, 감소된 입력 여기 전압에 응답하여 자동적으로 그리고 실질적으로 스무드하게 증가하였다. 본 예에서, 범위는 적어도 70% 정격 전압까지로 아래로 연장하였다, 그 점 아래에서, LED 그룹 1에서의 LED가 전도하고 있고 전압이 더 감소됨에 따라 광 출력에 있어서 계속 감소하는 반면, LED 그룹 2에서의 LED는 실질적인 비전도 상태에 있을 수 있다고 여겨진다.

도 49c는 정격 전압까지 5V 증분마다 시험된 램프에 대한 400nm 내지 700 nm의 스펙트럼 세기 측정을 도시한다. 전압이 감소됨에 따라, 도 49a 및 49b를 참조한 전술한 논의에 따라, 모든 파장의 세기는 떨어지지만 동일한 비율로는 떨어지지 않는다. 도 48b를 참조하여 논의된 피크 세기는 전체 입력 전압 여기에서 3개의 국부 최대로서 선택되었다.

도 50a 내지 50c는 LED 그룹 1에서 백색 LED를 포함하고, LED 그룹 2에서 적색 및 백색 LED를 포함하는 광 엔진을 갖는 예시적인 램프에 대한 측정 데이터를 나타낸다. 도 50a는 색 온도 값이 120V에서의 대략 4250K에서 60V에서의 대략 5464K로 상승하였다는 것을 나타낸다(V 값은 rms 값). 이것은 색 온도 값에서의 28.5%의 증가를 나타낸다. 이것은 정현 입력 전압 여기의 진폭 변조에 응답하는 더 차가운 색으로의 시프트(차가운 백색으로의 시프느)라 한다. 이러한 실험에서는 도시되지 않지만, 대체로 유사한 동작이 유효 AC 입력 전압 여기를 감소시키기 위한 위상 컷 변조로부터 기대될 수 있다.

도 50b는 정격 여기 전압의 100%에서 75%의 디밍 동안, 녹색 파장(560nm)에서의 피크 세기는 청색 파장(446nm)에 대한 피크 세기와 적색 파장(624nm)에 대한 피크 세기보다 실질적으로 더 느린 속도로 감소하였다는 것을 보여준다. 정격 전압의 96%에서 75%까지, 청색 및 적색 파장의 세기는 입력 전압의 매 5V 감소에 대하여 대략 6 내지 13% 사이로 떨어졌고, 녹색 파장의 세기는 입력 전압의 매 5V 감소에 대하여 대략 2 내지 10%로 떨어졌다. 정격 입력 전압의 대략 96%에서 대략 75%로는, 적색 및 청색의 피크 세기의 감소 속도는 녹색의 피크 세기의 감소 속도의 대략 37% 더 높은 것으로부터 대략 300%까지의 범위에 있었다. 따라서, 본 실시예에서의 녹색 파장의 상대 세기는, 입력 전압이 정격 여기로부터의 범위에서 감소됨에 따라, 감소된 입력 여기 전압에 응답하여 자동적으로 그리고 실질적으로 스무드하게 증가하였다. 본 예에서, 범위는 대략 75% 정격 전압까지로 아래로 연장하였다. 그 점 아래에서, LED 그룹 1에서의 LED가 전도하고 있고 전압이 더 감소됨에 따라 광 출력에 있어서 계속 감소하는 반면, LED 그룹 2에서의 LED는 실질적인 비전도 상태에 있을 수 있다고 여겨진다.

도 51c는 정격 전압까지 5V 증분마다 시험된 램프에 대한 400nm 내지 700 nm의 스펙트럼 세기 측정을 도시한다. 전압이 감소됨에 따라, 도 51a 및 51b를 참조한 전술한 논의에 따라, 모든 파장의 세기는 떨어지지만 동일한 비율로는 떨어지지 않는다. 도 51b를 참조하여 논의된 피크 세기는 전체 입력 전압 여기에서 국부 최대로서 선택되었다.

도 51a 내지 51c는 LED 그룹 1에서 녹색 및 백색 LED를 포함하고, LED 그룹 2에서 백색 LED를 포함하는 광 엔진을 갖는 예시적인 램프에 대한 측정 데이터를 나타낸다. 도 51a는 색 온도 값이 120V에서의 대략 6738K에서 60V에서의 대략 6985K로 상승하였다는 것을 나타낸다(V 값은 rms 값). 이것은 색 온도 값에서의 3.6%의 증가를 나타낸다. 이것은 정현 입력 전압 여기의 진폭 변조에 응답하는 더 차가운 색으로의 시프트라 한다. 이러한 실험에서는 도시되지 않지만, 대체로 유사한 동작이 유효 AC 입력 전압 여기를 감소시키기 위한 위상 컷 변조로부터 기대될 수 있다.

도 51b는 정격 여기 전압의 100%에서 65%의 디밍 동안, 적색 파장(613nm)에서의 피크 세기는 청색 파장(452nm)에 대한 피크 세기와 녹색 파장(521nm)에 대한 피크 세기보다 실질적으로 더 빠른 속도로 감소하였다는 것을 보여준다. 정격 압의 96%에서 70%까지, 청색 및 녹색 파장의 세기는 입력 전압의 매 5V 감소에 대하여 대략 3 내지 8% 사이로 떨어졌고, 적색 피장의 세기는 입력 전압의 매 5V 감소에 대하여 대략 7 내지 12%로 강하하였다. 정격 입력 전압의 대략 96%에서 대략 71%로는, 적색의 피크 세기의 감소 속도는 녹색 및 청색의 피크 세기의 감소 속도보다 대략 40% 더 높았다. 따라서, 본 실시예에서의 적색 파장의 상대 세기는, 입력 전압이 정격 여기로부터의 범위에서 감소됨에 따라, 감소된 입력 여기 전압에 응답하여 자동적으로 그리고 실질적으로 스무드하게 감소하였다. 본 예에서, 범위는 대략 65% 정격 전압까지로 아래로 연장하였다, 그 점 아래에서, LED 그룹 1에서의 LED가 전도하고 있고 전압이 더 감소됨에 따라 광 출력에 있어서 계속 감소하는 반면, LED 그룹 2에서의 LED는 실질적인 비전도 상태로 들어갈 수 있다고 여겨진다.

도 51c는 정격 전압까지 5V 증분마다 시험된 램프에 대한 400nm 내지 700 nm의 스펙트럼 세기 측정을 도시한다. 전압이 감소됨에 따라, 도 51a 및 51b를 참조한 전술한 논의에 따라, 모든 파장의 세기는 떨어지지만 동일한 비율로는 떨어지지 않는다. 도 51b를 참조하여 논의된 피크 세기는, 파장이 사용가능한 국부 세기 최대점없이 선택된 것 이외에는, 전체 입력 전압 여기에서 3개의 국부 최대로서 선택되었다.

따라서, 본 명세서에서의 개시 내용으로부터 입력 여기 파형의 함수로서의 색 온도 시프트는 선택된 LED 그룹 주위에서 바이패스 전류를 변조하기 위하여 하나 이상의 선택적 전류 우회 조절 회로의 배열 및 적합한 LED 그룹의 적절한 선택에 기초하여 구현되거나 설계될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 각 그룹에서의 다이오드 개수, 여기 전압, 위상 제어 범위, 다이오드 색상, 및 피크 세기 파라미터의 선택은 다양한 조명 애플리케이션을 위하여 개선된 전기 및/또는 광 출력 성능을 제공하도록 조작될 수 있다.

다양한 실시예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 다른 실시예가 가능하다. 예를 들어, 일부 바이패스 회로 구현예는, 별개이거나, 통합되거나 각각의 조합일 수 있는 아날로그 또는 디지털 부품으로부터의 신호에 응답하여 제어될 수 있다. 일부 실시예는 프로그램되고 그리고/또는 프로그래밍가능한 장치(예를 들어, PLA, PLD, ASIC, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서)를 포함할 수 있고, 단일 또는 멀티 레벨의 디지털 데이터 저장 성능을 제공하고, 휘발성 및/또는 비휘발성일 수 있는 하나 이상의 데이터 저장소(예를 들어, 셀, 레지스터, 블록, 페이지)를 포함할 수 있다. 일부 제어 기능은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 임의의 그 조합으로 구현될 수 있다.

컴퓨터 프로그램 제품은, 프로세서 장치에 의해 실행될 때, 프로세서가 사전 설정된 기능을 수행하게 하는 명령어 세트를 포함할 수 있다. 이러한 기능은 프로세스와 통신하여 작동하는 제어된 장치와 함께 수행될 수 있다. 소프트웨어를 포함할 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품은, 전자 저장 장치, 자기 저장 장치 또는 회전하는 저장 장치와 같은 저장 매체에 유형으로 임베디드된 데이터 저장소에 저장될 수 있으며, 고정되거나 또는 탈착가능할 수 있다(예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크, 썸 드라이브(thumb drive), CD, DVD).

다양한 실시예의 각각에서의 LED의 개수는 예시적이며, 한정하는 것을 의미하지 않는다. LED의 개수는 소스로부터 공급되는 인가된 여기 진폭 및 선택된 LED의 순방향 전압 강하에 따라 설계될 수 있다. 도 26을 참조하면, 예를 들어, 노드A, C 사이에서의 LED 그룹 1, 2에서의 LED의 개수는 개선된 역률을 획득하기 위하여 감소될 수 있다. 노드 A, C 사이의 LED는, 유익하게는, 예를 들어 LED 그룹 3의 부하에 대한 자신의 상대적인 듀티 사이클에 따라 2 세트의 LED의 부하를 실질적으로 균형맞추도록 병렬로 배치될 수 있다. 일부 구현례에서, 노드 C와 노드 B 사이의 전류가 대략 피크 여기에서만 실질적으로 흐를 수 있지만, 입력 전류가 소스로부터 인출되고 있을 때마다 전류는 노드 A로부터 노드 C로 흐를 수 있다. 다양한 실시예에서, 장치 및 방법은 유익하게는 직렬의 LED 스트링에서 실질적인 저항 소비를 도입시키지 않으면서 역률을 개선할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 조명 장치에서의 하나 이상의 LED는 상이한 색상 및/또는 전기 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 6의 실시예의 정류기 LED(교번하는 반 사이클 동안에만 전류를 운반함)는 모든 4분면 동안 전류를 운반하는 부하 LED와 상이한 색 온도를 가질 수 있다.

다른 실시예에 따라, 예를 들어 다이어드를 통한 역누설 전류를 감소시키기 위하여 추가 부품이 포함될 수 있다. 예를 들어, LED가 아닌 낮은 역누설 정류기가 정류기에서의 양의 전류 경로 및 음의 전류 경로에서 역누설을 최소화하기 위하여 정류기의 양 브랜치와 직렬로 포함될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 정류기에 대한 AC 입력은 다른 전력 처리 회로에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 각 반 사이클에서의 선택된 점에서 턴온을 지연시키고 그리고/또는 전류 흐름을 인트럽트하기 위하여 위상 제어를 사용하는 디머 모듈이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 여전히 유익하게는 고조파 개선은 전류가 디머 모듈에 의해 왜곡될 때 획득될 수 있다. 또한, 개선되 역률은 정류된 정현 전압 파형이 예를 들어 디머 모듈, 가변 변압기 또는 변항기(rheostat)에 의해 진폭 변조되는 경우에 획득될 수 있다.

일 예에서, 여기 전압은 50 또는 60Hz에서의 대략 120VAC의 라인 전압과 같은, 실질적인 정현 파형을 가질 수 있다. 일부 예에서, 여기 전압은 각 반 사이클에서 선택된 위상에서 턴온을 지연시키거나 턴오프를 인터럽트하도록 동작하는 위상 제어 스위치와 같은 디밍 회로에 의해 처리된 실질적인 정형 파형일 수 있다. 일부 예에서, 디머는 AC 정현 전압의 진폭을 변조하거나(예를 들어 AC-AC 컨버터) 또는 정류된 정현 파형을 변조할 수 있다(예를 들어, DC-DC 컨버터).

라인 주파수는 예를 들어 대략 50, 대략 60, 대략 100 또는 대략 400Hz를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 기본 동작 주파수는 실질적으로 1 kHz 아래일 수 있으며, 이는 유익하게는 고조파 전류와 관련될 수 있을 때 허용할 수 있는 무선 주파수 방출을 초과하는 문제를 감소시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 동작하는 동안의 실질적으로 스무드한 선형 파형은, 유익하게는 실질적으로 무시가능한 고조파 레벨을 제공할 수 있다. 일부 예는 음성 또는 RF 범위에서 실질적으로 무시가능한 것으로 고려될 수 있는 낮은 레벨 및 낮은 주파수에서 전도되거나 방사된 방사물을 방출할 수 있다. 일부 실시예는 주거용 또는 상업용 조명 제품에 적용할 수 있는 것과 같이, 전도되거나 방사된 전자기 방사를 통상적으로 지배할 수 있는 광범위하게 적용가능한 표준을 만족하기 위한 필터링 부품을 실질적으로 필요로 하지 않을 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예는 커패시터(예를 들어, 알루미늄 전해식), 인덕터, 쵸크, 또는 자기장이나 전기장을 흡수하거나 차폐하는 재료와 같은 필터 부품 없이 주거용 또는 상업용 애플리케이션에서 유익하게 동작할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예는 유익하게는 이러한 필터 부품과 관련된 비용, 무게, 패키징, 위험 재료 및 부피가 없는 높은 효율의 디밍가능한 조명을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 바이패스 회로는 조명 LED의 일부 또는 전부와 통합된 단일 다이 상에 제조될 수 있다. 예를 들어, AC LED 모듈은 바이패스될 그룹에 있는 하나 이상의 LED를 포함하는 다이를 포함할 수 있으며, 그리고, 바이패스 회로 및 상호 연결부의 일부 또는 모두를 더 포함할 수 있다. 이러한 구현례는 바이패스 회로의 실시예와 관련된 배치 및 배선을 감소시키거나 실질적으로 제거함으로써 조립비 및 부품비를 실질적으로 더 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 동일한 다이 또는 하이브리드 회로 조립체 상에서 LED를 갖는 바이패스 회로의 통합은 적어도 하나의 배선 또는 적어도 하나의 인터페이스 전기 연결을 제거할 수 있다. 예시적인 예에서, 개별 기판에서의 바이패스 회로와 LED 사이의 전기적 인터페이스는 바이패스될 LED로부터 그리고 멀리 바이패스 회로로의 전류 우회를 허용하기 위하여 배선 또는 다른 상호 연결부(예를 들어, 보드-보드 헤더)를 포함할 수 있다. 일체화된 실시예에서, 바이패스 경로를 위한 부품 배치 및/또는 상호 연결부 경로 배치를 위한 공간은 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있어, 완성된 AC LED 광 엔진의 비용 감소 및 소형화를 더 촉진한다.

정현 여기에 대하여 본 명세서에서 전체적으로 사용된 바와 같이, 전도 각도는 실질적인 여기 입력 전류가 LED를 발광시키도록 부하에서의 하나 이상의 LED로 흐르는 동안인 (반 사이클에 대한 180도인) 정류된 정현 파형의 일부('도'로 측정됨)를 말한다. 예시로서, 저항 부하는 180도 전도 각도를 가질 수 있다. 일반적인 LED 부하는 각 다이오드의 순방향 턴온 전압 때문에 180도 미만의 전도 각도를 나타낼 수 있다.

예시된 예에서, AC 입력은, 예를 들어, 60Hz의 공칭 120V 정현 전압으로 여기될 수 있지만, 이러한 특정 전압, 파형 또는 주파수에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일부 구현례는 400Hz 115V의 구형파의 AC 입력 여기로 동작할 수 있다. 일부 구현례에서, 여기는 예를 들어 실질적으로 단극(정류된) 정현 파형, 구형파, 삼각파 또는 사다리꼴 주기 파형일 수 있다. 다양한 실시예에서, AC 여기의 피크 전압은, 대략 46, 50, 55, 60, 65, 70, 80, 90, 100, 110, 115, 120, 125, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 260, 280, 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000, 1100, 1300 또는 적어도 대략 1500V일 수 있다.

예시적인 디머 모듈은 전위차계에 결합될 수 있는 슬라이딩(sliding) 회로를 통한 사용자 입력에 응답하여 동작할 수 있다. 다른 실시예에서, 사용제 제어 입력은 하나 이상의 다른 입력으로 증가되거나 하나 이상의 다른 입력으로 교체될 수 있다. 예를 들어, 광 엔진에 공급된 AC 여기는 자동으로 생성된 아날로그 및/또는 디지털 입력에 단독으로 또는 사용자로부터의 입력과 조합한 것에 응답하여 변조될 수 있다. 예를 들어, 프로그래밍가능한 컨트롤러는 디머 제어 모듈을 위한 동작점을 구축하기 위한 제어 신호를 공급할 수 있다.

예시적인 디머 모듈은 AC 여기 파형의 어느 부분이 예시적인 광 엔진 회로의 단자에 대한 공급으로부터 실질적으로 차단되는지를 제어하기 위한 위상 제어 모듈을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, AC 여기는 하나 이상의 다른 기술을 단독으로 또는 조합하여 이용하여 변조될 수 있다. 예를 들어, 펄스폭 변조는 단독으로 또는 위상 제어와 조합하여 기본 AC 여기 주파수보다 실질적으로 더 높은 변조 주파수로 AC 여기를 변조하는데 사용될 수 있다.

일부 예에서, AC 여기 신호의 변조는 광 엔진에 인가된 여기가 실질적으로 없는 단전 모드를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 구현례는 여기 모듈 제어(예를 들어 위상 제어 모듈)과 조합된 차단 스위치(예를 들어 고체 상태 또는 기계식 릴레이)를 포함할 수 있다. 차단 스위치는 광 엔진에 대한 AC 여기의 공급 연결을 인터럽트하기 위하여 직렬로 배열될 수 있다. 일부 예에서, 차단 스위치는 전력 공급 업체의 소스로부터 AC 입력을 수신하고 AC 여기를 디머 모듈로 분배하는 회로 차단기 패널에 제공될 수 있다. 일부 예에서, 차단 스위치는 회로 차단기 패널에서의 노드와는 상이한 노드로 회로에 배열될 수 있다. 일부 예는 자동화된 입력 신호(예를 들어 프로그래밍가능한 컨트롤러로부터의) 및/또는 사전 결정된 위치로 배치되는(예를 들어, 이동 위치의 끝으로 이동되거나 스위치 등을 결합시키도록 눌러지는 등) 사용자 입력 요소에 응답하도록 배열된 차단 스위치를 포함한다.

일부 실시예는 원하는 세기 및 하나 이상의 대응하는 색 시프트 특성을 제공할 수 있다. 일부 실시예는 디밍가능한 LED 광원의 비용, 크기, 부품 수, 무게, 신뢰성 및 효율을 실질적으로 감소시킨다. 일부 실시예에서, 선택적 전류 우회 회로는 예를 들어 매우 간단하고, 비용이 낮고 전력이 낮은 회로를 이용하여 AC 입력 전류 파형에서의 역률 및/또는 감소된 고조파 왜곡을 가지면서 동작할 수 있다. 따라서, 일부 실시예는 조명을 위한 에너지 요건을 감소시키고, 간단한 디머 제어를 이용하여 생물학적 사이클에 대하여 원하는 조명 세기 및 색을 제공하고, 원하지 않는 파장을 갖는 조명을 피할 수 있다. 유익하게는, 일부 실시예는 가압된 냉수 분사기를 이용한 청소를 허용하도록 방수 하우징 내에 봉입될 수 있다. 여러 실시예에서, 하우징은 내구성을 가지며, 낮은 재료비 및 조립비를 필요로 하며, 동작하는 동안 LED 광 엔진에 실질적인 열 싱크를 제공할 수 있다. 다양한 예는 실질적으로 균일하고 그리고/또는 직접적인 조명 패턴을 제공하기 위하여 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 실시예는 드랍 코드(drop cord)로의 간단한 연결을 포함할 수 있는 간단하고 저비용의 설치 구성을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 실질적으로 감소된 고조파 왜곡을 획득하기 위한 추가 회로는 단일 트랜지스터를 포함할 수 있거나, 또는 제2 트랜지스터 및 전류 감지 요소를 더 포함할 수 있다. 일부 예에서, 전류 센서는 LED 전류의 일부가 흐르는 저항 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상당한 크기 및 제조비 감소가 다이 상의 고조파 개선 회로를 고조파 개선 회로에 의해 제어되는 하나 이상의 LED와 통합함으로써 획득될 수 있다. 소정의 예에서, 고조파 개선 회로는 LED의 단독 제조에 필요한 공정 단계의 수를 증가시키지 않으면서 공통 다이 상에 대응하는 제어된 LED와 함께 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, AC 입력 전류의 고조파 왜곡은 예를 들어 반파 또는 전파 정류를 이용하여 AC 구동 LED 부하에 대하여 실질적으로 개선될 수 있다.

"에디슨 스크류(Edison-screw)" 스타일의 소켓이라고도 가끔 불릴 수 있는 스크류 타입의 소켓이 LED 광 엔진에 대란 전기적 인터페이스를 형성하고 LED 램프 조립체를 위한 기계적 지지를 제공하는데 사용될 수 있지만, 다른 종류의 소켓이 사용될 수 있다. 일부 구현례는 소켓에서의 대응하는 슬롯을 결합하는 방사형으로 배향된 하나 이상의 전도 핀의 특징을 가지고 LED 램프 조립체가 제자리로 회전될 때 전기적 기계적 지지 연결을 형성할 수 있는 바요넷(bayonet) 스타일의 인터페이스를 사용할 수 있다. 일부 LED 램프 조립체는, 예를 들어 핀을 전기적 및 기계적으로 소켓으로 결합하는 트위스트 모션을 이용하여, 예를 들어 대응하는 소켓을 결합할 수 있는 2 이상의 접촉 핀을 이용할 수 있다. 한정이 아닌 예로서, 전기 인터페이스는 예를 들어 상업적으로 이용가능한 GU-10 스타일의 램프로서 2개의 핀 배열을 이용할 수 있다.

일부 구현례에서, 컴퓨터 프로그램 제품은 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 LED 조명을 포함할 수 있는 조명의 색 온도 및/또는 세기를 조정하게 하는 명령어를 포함할 수 있다. 색 온도는 각각 고유의 색 온도 및/또는 광 출력 특성을 갖는 하나 이상의 비 LED 광원과 하나 이상의 색 온도의 하나 이상의 LED를 결합하는 합성 광 장치에 의해 조작될 수 있다. 한정이 아닌 예로서, 다수의 색 온도 LED는 다양한 여기 상태에 대하여 원하는 색 온도 특성을 제공하기 위하여 하나 이상의 형광등, 백열등, 할로겐등 및/또는 수은등 광원과 결합될 수 있다.

유익하게는, 일부 실시예가 광 엔진에 공급된 AC 여기가 감소됨에 따라 차가운 색에서 따뜻한 색으로의 광 설비의 출력 색상을 스무드하게 전이할 수 있지만, 다른 구현례가 가능하다. 예를 들어, AC 입력 여기는 LED 설비의 색 온도를 예를 들어 상대적으로 따뜻한 색에서 상대적으로 차가운 색으로 시프트시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 원하는 합성 특성을 생성할 LED를 제공하기 위하여 재료 선택 및 처리는 LED 색 온도 및 다른 광 출력 파라미터(예를 들어, 세기, 방향)를 조작하도록 제어될 수 있다. 바이패스 회로를 위한 적절한 애플리케이션 및 임계 결정과 조합하여, 원하는 색 온도를 제공하기 위하여 LED를 적절히 선택하는 것은, 유익하게는 다양한 입력 여기에 대하여 색 온도 변동을 맞추는 것을 허용할 수 있다.

일부 구현례에서, 여기 전압의 진폭은, 예를 들어, 변압기 탭의 제어된 스위칭에 의해 변조될 수 있다. 일반적으로, 탭의 일부 조합은 다수의 상이한 권수비(turn ratio)와 관련될 수 있다. 예를 들어, 고체 상태 또는 기계식 릴레이가 원하는 AC 여기 전압에 가장 가까운 권수비를 제공하기 위하여 변압기의 1차 및/또는 2차에서의 사용가능한 다수의 탭 중에서 선택하는데 사용될 수 있다.

일부 예에서, AC 여기 진폭은 동작 범위에 대하여 AC 여기 전압의 스무드한 연속 조정을 제공할 수 있는 가변 변압기(예를 들어 바리악(variac))에 의해 동적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, AC 여기는 가변 속도/전압 전기-기계 발전기(예를 들어, 디젤로 작동됨)에 의해 생성될 수 있다. 발전기는 LED 기반의 광 엔진에 원하는 AC 여기를 제공하기 위하여 제어된 속도 및/또는 전류 파라미터로 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 광 엔진에 대한 AC 여기는 AC-DC 정류, DC-DC 변환(예를 들어, 벅-부스트, 부스트, 벅, 플라이백(flyback)), DC-AC 변환(예를 들어, 하프 브리지 또는 풀 브리지, 결합된 변압기), 및/또는 직접 AC-AC 변환을 결합할 수 있는 널리 알려진 고체 상태 및/또는 전기-기계 방법을 이용하여 제공될 수 있다. 고체 상태 스위칭 기술은, 예를 들어, 공진(의사 공진(quasi-resoant), 공진), 제로 크로스(예를 들어, 제로 전류, 제로 전압), 스위칭 기술을 단독으로 또는 적합한 변조 방법(예를 들어, 펄스 밀도, 펄스 폭, 펄스 스키핑(skipping), 수요(demand) 등)과 결합하여 사용할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 정류기는 AC(예를 들어, 정현) 전압을 수신하고, 직렬로 배열된 LED 모듈로 실질적인 단방향 전류를 전달한다. AC 입력 전압이 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안에, LED 부하의 유효 턴온 전압은 스트링에서의 다이오드의 적어도 하나 주위에서 전류를 우회시켜 감소될 수 있다. 다양한 실시예에서, LED 스트링 내에서의 선택적 전류 우회는 입력 전류 전도 각도를 확장할 수 있으며, 이에 의해 AC LED 조명 시스템에 대한 고조파 왜곡을 실질적으로 감소시킨다.

다양한 실시예에서, 유익하게는, 장치 및 방법은 직렬의 LED 스트링에서 실질적인 저항 소비를 도입시키지 않으면서 역률을 개선할 수 있다. 예를 들어, AC 여기의 사전 결정된 임계값에서 선택된 LED를 통한 하나 이상의 전류 경로의 제어된 변되에 의해, LED 부하는 증가된 레벨의 AC 여기에 대하여 증가된 유효 턴온 순방향 전압 레벨을 제공할 수 있다. 주어진 전도 각도에 대하여, 원하는 피크 입력 여기 전류를 유지하기 위한 유효 전류 제한 저항값은 이에 따라 감소될 수 있다.

다양한 실시예는, AC 입력 여기 주파수의 2배로 단방향 전류를 운반하도록 LED를 동작시켜, 플리커에 기여할 수 있는 인간 또는 동물에 잠재적으로 인지가능한 정도로 실질적으로 감소된 광 세기 변조를 제공할 수 있다. 예를 들어, 전파 정류기는 50 또는 60Hz 정현 입력 전압 여기에 응답하여 각각 100 또는 120Hz 부하 전류(정류된 사인파)를 공급할 수 있다. 증가된 부하 주파수는 인간 또는 일부 동물에 의해 인지될 수 있는 레벨을 향하여 또는 그 이상으로 플리커 에너지를 푸시하는 경향이 있는 조명의 플리커 주파수에서의 대응하는 증가를 생성한다. 더욱이, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 선택적 전류 우회를 갖는 광 엔진의 일부 실시예는 전도 각도를 실질적으로 증가시킬 수 있으며, 이는 LED에 의해 광이 출력되지 않는 동안인 "데드 타임(dead time)"을 대응하여 감소시킬 수 있다. 더욱 유익하게는, 이러한 동작은 다양한 실시예에서 검출가능한 광 진폭 변조 효과를 약화시킬 수 있다.

예시적인 장치 및 관련된 방법은 최대 출력 조명에서 전도하는 제2 LED 세트보다 더 큰 전도 각도를 가지며 최소 출력 조명 근처에서 전도하는 제1 LED 세트를 제공하기 위한 하나 이상의 전류 경로의 전도를 변조하기 위한 바이패스 모듈을 포함할 수 있다. 예시적인 예에서, 제2 LED 세트의 일부와 병렬인 바이패스 경로의 전도는 AC 입력 여기가 사전 결정된 임계 전압 또는 전류 위에 있는 동안 감소될 수 있다. 바이패스 경로는 입력 여기가 사전 결정된 임계값 아래에 있는 동안 감소된 유효 턴온 전압을 제공하도록 동작될 수 있다. 최대 입력 여기에서의 주어진 최대 출력 조명에 대하여, 바이패스 모듈은 실질적으로 개선된 역률과 감소된 고조파 왜곡을 갖는 입력 전류 파형을 구축하기 위하여 선택된 LED를 통해 전류를 제어할 수 있다.

다양한 예에서, 전류 변조는 전기 소스로부터 인출된 입력 여기 전류의 유효 전도 각도를 늘릴 수 있다.

일부 예에서, 변조는 입력 여기 전압의 기본 주파수의 파형 및 위상을 실질적으로 근사화하도록 구축된 입력 여기 전류를 인출할 수 있으며, 이는 개선된 고조파 왜곡 및/또는 역률을 제공할 수 있다. 예시된 예에서, LED 부하의 턴온 전압은 여기 입력 전류 또는 그와 관련된 주기성 여기 전압이 사전 결정된 레벨에 도달할 때까지 감소될 수 있으며, 여기 전압 또는 전류가 실질적으로 사전 결정된 임계 레벨 위에 있는 동안 턴온 전압 감소를 중지한다.

다양한 실시예는 하나 이상의 이점을 획득할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 종래의 LED 모듈을 다시 설계하지 않고서 개선된 전기 특성 및/또는 디밍 성능을 제공하기 위하여 용이하게 포함될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 종래의 LED 모듈과 조합하여 적은 개수의 개별 부품을 이용하여 용이하게 구현될 수 있다. 일부 구현례가 예를 들어 매우 간단하고, 비용이 낮고 전력이 낮은 회로를 이용하여 AC 입력 전류 파형에서의 고조파 왜곡을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 실질적으로 감소된 고조파 왜곡을 획득하기 위한 추가 회로는 단일 트랜지스터를 포함할 수 있거나, 또는 제2 트랜지스터 및 전류 감지 요소를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 센서는 LED 전류의 일부가 흐르는 저항 요소일 수 있다. 일부 실시예에서, 상당한 크기 및 제조비 감소는 다이 상의 고조파 개선 회로를 고조파 개선 회로에 의해 제어되는 하나 이상의 LED와 통합함으로써 획득될 수 있다. 소정의 예에서, 고조파 개선 회로는 LED의 단독 제조에 필요한 공정 단계의 수를 증가시키지 않으면서 공통 다이 상에 대응하는 제어된 LED와 함께 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, AC 입력 전류의 고조파 왜곡은 예를 들어 반파 또는 전파 정류를 이용하여 AC 구동 LED 부하에 대하여 실질적으로 개선될 수 있다.

일부 실시예는, 예를 들어, 정격 여기에서 그 경로에서 운반되는 전류의 제곱 평균에 대략 비례하여 모든 그룹에 걸친 각 경로 사이에서의 전류 부하를 균형맞추기 위하여 LED 그룹에 대한 다수의 병렬 LED 경로를 제공할 수 있다. 유익하게는, 이러한 균형은 AC LED 광 엔진의 서비스 수명 동안에 다이의 실질적으로 균형이 맞추어진 열화를 획득할 수 있다.

장치 및 방법은 전류 또는 그와 관련된 주기성 여기 전압이 사전 결정된 임계 레벨에 도달할 때까지 직렬 회로로 배열된 다수의 LED로부터 실질적으로 멀리 여기 전류를 우회시켜 여기 전류의 고조파 왜곡을 감소시키고, 여기 전압 또는 전류가 실질적으로 사전 결정된 임계 레벨 위에 있는 동안 전류 우회를 중지한다. 예시적인 실시예에서, 정류기는 AC(예를 들어, 정현) 전압을 수신하고, 직렬 연결된 LED 스트링으로 단방향 전류를 전달한다. AC 전압이 사전 결정된 레벨 아래에 있는 동안에, 다이오드 스트링의 유효 턴온 임계 전압은 스트링에서의 다이오드의 적어도 하나 주위에서 전류를 우회시켜 감소될 수 있다. 다양한 실시예에서, LED 스트링 내에서의 선택적 전류 우회는 입력 전류 전도 각도를 늘릴 수 있으며, 이에 의해 AC LED 조명 시스템에 대한 고조파 왜곡을 실질적으로 감소시킨다.

본 문서는 LED 조명 시스템의 높은 역률과 낮은 고조파 왜곡을 위한 구조에 관한 기술을 개시한다. 관련된 예는 본 개시 내용과 발명자가 공통된 이전에 출원된 개시 내용에서 찾을 수 있다.

일부 실시예에서, 구현례는 패키징 및/또는 열 관리 하드웨어와 같은 다른 요소와 통합될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 실시예와 유익하게 통합될 수 있는 열 또는 다른 요소의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 2008년 11월 19일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 특허 공보 2009/0185373 A1의 도 15를 참조하여 설명된다.

AC 여기 하에서의 LED 조명의 색 시프트에 대한 개선된 역률과 감소된 고조파 왜곡에 대한 기술의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Reduction of Harmonic Distortion for LED Loads"인 2009년 8월 14일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/233,829에서의 도 20A 내지 20C를 참조하여 설명된다.

AC 여기를 이용한 LED의 디밍 및 색 시프트에 대한 기술의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Color Temperature Shift Control for Dimmable AC LED Lighting"인 2009년 9월 14일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/234,094에서의 다양한 도면을 참조하여 설명된다.

LED 램프 조립체의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 명칭이 "LED Downlight Assembly"인 2009년 10월 22일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 디자인 출원 번호 29/345,833에서의 다양한 도면을 참조하여 설명된다.

다양한 실시예는 조명 장치로부터 여기 소스로의 전기적 연결을 형성하기 위한 하나 이상의 전기 인터페이스를 포함할 수 있다. 다운라이트(downlight)의 일부 실시예에서 사용될 수 있는 전기 인터페이스의 일 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 명칭이 "Lamp Assembly"인 2009년 10월 27일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 디자인 출원 번호 29/342,578에서의 도 1 내지 3 또는 5를 적어도 참조하여 설명된다.

집적된 모듈 패키지를 포함하는 AC LED 광 엔진에 대한 예시적인 선택적 우회 회로 구현례를 보여주는 다른 실시예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Architecture for High Power Factore and Low Harmonic Distortion LED Lighiting"인 2009년 10월 28일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/255,491에서의 도 1, 2, 5A, 5B, 7A, 7B, 10A 및 10B를 적어도 참조하여 설명된다.

다양한 실시예는 가축을 위한 디밍가능한 조명 장치에 관련할 수 있다. 이러한 장치 및 방법의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "LED Lighting for Livestock Development"인 2009년 10월 29일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/255,855에서의 도 3, 5A 내지 6C를 적어도 참조하여 설명된다.

일부 구현례는 일부가 실질적인 히트 싱크 성능을 제공할 수 있는 컴플라이언트 핀(compliant pin)을 갖는 LED를 이용하여 회로 기판에 AC LED 광 엔진을 장착하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 장치 및 방법의 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Lighting Emitting Diode Assembly and Method"인 2010년 2월 12일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 12/705,408에서의 도 11 및 12를 적어도 참조하여 설명된다.

AC 여기 하에서의 LED 조명의 색 시프트에 대한 개선된 역률과 감소된 고조파 왜곡에 대한 기술의 다른 예는, 예를 들어, 전문이 본 명세서에 편입되고, 발명의 명칭이 "Reduction of Harmonic Distortion for LED Loads"인 2010년 5월 24일 Z. Grajcar에 의해 출원된 미국 특허 출원 번호 12/785,498에서의 도 21 내지 43을 참조하여 설명된다.

다수의 실시예가 도면 및 그 밖을 참조하여 다양한 양태에서 설명되었다.

예시적인 일 양태에서, 광 엔진에서 전류를 조절하는 방법은, 교번하는 극성 여기 전압을 수신하는 한 쌍의 입력 단자를 제공하는 단계를 포함한다. 한 쌍의 단자 중 각각의 하나 내로 흐르는 전류는 크기가 동일하고 극성이 반대이다. 본 방법은 제1 네트워크 내에 배치된 복수의 발광 다이오드(LED)를 제공하는 단계를 구비한다. 제1 네트워크는, 제1 네크워크와 관련된 순방향 임계 전압을 적어도 초과하는 여기 전압에 응답하여 상기 전류를 전도하도록 배치된다. 본 방법은 상기 제1 네트워크와 직렬 관계로 제2 네트워크 내에 배치된 복수의 LED를 제공하는 단계를 더 구비한다. 예시적인 전류 조절 방법은, 상기 제2 네트워크와 병렬 관계에 있고, 상기 제1 네트워크와 직렬 관계에 있는 바이패스 경로를 제공하는 단계를 더 구비한다. 다른 단계는, 임계 전류값 위의 범위에서 증가하는 상기 전류 진폭에 응답하여 상기 전류 진폭의 실질적으로 스무드하고 연속적인 함수로서 바이패스 경로의 임피던스를 동적으로 증대시키는 단계; 및 상기 전류가 상기 제1 전류를 통해 흐르게 하고, 바이패스 경로를 걸친 전압 강하가 실질적으로 제2 네트워크와 관련된 순방향 임계 전압 아래에 있는 동안 상기 제2 네트워크로부터 멀리 상기 전류를 실질적으로 우회시키는 단계이다.

다양한 예에서, 본 방법은 제2 네트워크의 순방향 전압 위로 증가하는 바이패스 경로에 걸친 전압 강하에 응답하여 실질적으로 선형인 방식으로 상기 바이패스 경로로부터 제2 네트워크로 상기 전류를 전이시키는 단계를 구비할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 단계는, 여기 전압이 제2 임계값 위에 있는 동안에 상기 제1 및 제2 네트워크를 통해 상기 전류를 흐르게 하는 단계를 더 구비할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 단계는, 제2 임계값 위의 여기 전압 크기에서의 실질적으로 스무드하고 연속적인 증가에 응답하여 상기 제2 네트워크로부터 멀어지게 우회되는 전류 흐름을 실질적으로 스무드하고 연속적으로 감소시키는 단계를 더 구비할 수 있다. 또한, 선택적으로 바이패스하는 단계는, 상기 전류의 크기를 나타내는 제어 입력 신호를 수신하는 단계를 더 구비할 수 있다.

상기 단계는 제2 네트워크와 병렬인 경로의 임피던스를 변경하는 단계를 구비하며, 상기 임피던스는 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 범위의 적어도 일부에서 여기 전압이 증가함에 따라 단조 증가한다. 이 단계는, 여기 전압 크기가 제1 임계값에 있거나 또는 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 범위의 적어도 일부에 있는 동안에 제2 네트워크와 병렬로 낮은 임피던스 경로를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 단계는 여기 전압이 실질적으로 제2 임계값 위에 있는 동안에 제2 네트워크와 병렬로 실질적으로 높은 임피던스 경로를 제공하는 단계를 구비할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 방법은 입력 단자에서 수신된 여기 전압을 상기 전류를 구동하는 실질적으로 단극 전압 여기로 정류하는 단계를 구비할 수 있다. 본 방법은 여기 전압의 주파수의 정수배인 기본 주파수에서 상기 전류를 선택적으로 바이패스하는 단계를 더 구비한다. 상기 정수는 적어도 3일 수 있다.

또 다른 예시적인 양태에서, 광 엔진은 교번하는 극성의 여기 전압을 수신하는 한 쌍의 입력 단자를 구비할 수 있다. 한 쌍의 단자 중 각각의 하나 내로 흐르는 전류는 크기가 동일하며 극성이 반대이다. 광 엔진은 제1 네트워크 내에 배치된 복수의 발광 다이오드(LED)를 구비하며, 상기 제1 네트워크는, 제 1 네크워크와 관련된 순방향 임계 전압 크기의 제1 임계값을 적어도 초과하는 여기 전압에 응답하여 상기 전류를 전도하도록 배치된다. 또한, 광 엔진은 상기 제1 네트워크와 직렬로 제2 네트워크 내에 배치된 복수의 LED를 더 구비한다. 제2 네트워크는 제1 네트워크와 관련된 순방향 전압 크기와 제2 네트워크와 관련된 순방향 전압 크기의 적어도 합의 제2 임계값을 초과하는 여기 전압에 응답하여 상기 전류를 전도하도록 배치된다. 이는 제1 네트워크를 통해 전류를 흐르게 하여, 여기 전압이 제2 임계값 아래에 있는 동안 전류를 제2 네트워크로부터 멀어지게 실질적으로 우회시킴으로써 제2 네트워크를 선택적으로 바이패스하는 수단을 더 구비한다.

한정이 아닌 예로서, 선택적으로 바이패스하는 예시적인 수단은 본 명세서에서 적어도 도 19, 26 및 38 내지 43을 참조하여 설명된다.

일부 실시예에서, 선택적으로 바이패스하는 수단은 제1 네트워크를 통해 전류를 더욱 흐르게 하여, 여기 전압이 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 범위의 적어도 일부 내에 있는 동안 전류를 제2 네트워크로부터 멀어지게 실질적으로 우회시킬 수 있다. 또한, 선택적으로 바이패스하는 수단은 여기 전압이 제2 임계값 위에 있는 동안에 상기 제1 및 제2 네트워크를 통해 전류를 흐르게 할 수도 있다. 선택적으로 바이패스하는 수단은 제2 임계값 위의 여기 전압 크기에서의 실질적으로 스무드하고 연속적인 증가에 응답하여 바이패스 수단을 통해 전류 흐름을 실질적으로 스무드하고 연속적으로 감소시키도록 동작할 수 있다.

일부 예에서, 선택적으로 바이패스하는 수단은 전류의 크기에 응답하는 제어 입력을 구비할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 수단은, 제2 네트워크와 평행한 가변 임피던스 경로를 제공하도록 동작 가능할 수 있어, 여기 전압이 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 범위의 적어도 일부에서 증가함에 따라 가변 임피던스가 단조 증가할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 수단은, 여기 전압이 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 범위의 적어도 일부에 있는 동안 제2 네트워크와 병렬로 낮은 임피던스 경로를 제공하도록 동작할 수 있다. 선택적으로 바이패스하는 수단은, 여기 전압이 실질적으로 제2 임계값 위에 있는 동안에 제2 네트워크와 병렬로 실질적으로 높은 임피던스 경로를 제공하도록 동작할 수 있다.

일부 실시예에서, 광 엔진은 입력 단자에서 수신된 여기 전압을 상기 전류를 구동하는 실질적으로 단극 전압 여기로 변환하는 정류기 모듈을 더 구비할 수 있다.

다수의 구현례들이 기술되었다. 그럼에도, 각종 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 개시된 기술의 단계들이 상이한 시컨스로 수행되었거나, 또는 개시된 시스템의 성분들이 상이한 방식으로 조합되었거나, 또는 성분이 다른 성분으로 보충되었다면 유리한 결과가 성취될 수 있다. 따라서, 하기의 특허청구범위 내에서 다른 구현례가 고려된다.

Claims (22)

1. 부하에 대한 인가된 전기 여기를 수신하는 한 쌍의 단자;
   제1 전류 경로를 형성하도록 직렬 연결로 배열된 제1 색 특성을 갖는 제1 복수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는, 상기 부하에서의 제1 네트워크;
   제2 전류 경로를 형성하도록 직렬 연결로 배열된 상기 제1 색 특성과 실질적으로 상이한 제2 색 특성을 갖는 제2 복수의 LED를 포함하는, 상기 부하에서의 제2 네트워크;
   상기 제1 및 제2 네트워크 사이의 바이패스 경로에 있으면서, 상기 제1 네트워크를 통해 전류가 흐르도록 허용하며 상기 제2 네트워크로부터 멀어지게 상기 전류를 전부 우회시키는 제어가능한 임피던스 요소; 및
   우회된 상기 전류의 전부를 상기 바이패스 경로로부터 상기 제2 네트워크로 스무드하고 연속적으로 전이시켜 상기 제1 및 제2 네트워크의 결합된 광 출력의 색 특성을 상기 제1 색 특성과 상기 제2 색 특성 사이에서 상기 인가된 전기 여기의 함수로서 가변시키도록 상기 제어가능한 임피던스 요소에 결합된 동적 임피던스 제어 모듈
   을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 네트워크는 직렬로 연결되고, 상기 제1 네트워크 및 상기 바이패스 경로는 병렬로 연결되고, 상기 제어가능한 임피던스 요소는 상기 바이패스 경로 내에 배열되는,
   고체 상태 광 엔진 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어가능한 임피던스 요소는, 인가된 전압에서의 감소에 응답하여 측정된 색 온도를 실질적으로 증가시키는,
   고체 상태 광 엔진 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 인가된 전압에서의 감소는 위상 커팅 모듈에 의해 처리된 주기성 전압 신호와 관련되는,
   고체 상태 광 엔진 장치.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 인가된 전압에서의 감소는 진폭 변조된 주기성 전압 신호와 관련되는,
   고체 상태 광 엔진 장치.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 제어가능한 임피던스 요소는, 인가된 전압에서의 감소에 응답하여 색 온도를 실질적으로 감소시키는,
    고체 상태 광 엔진 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 인가된 전압에서의 감소는 위상 커팅 모듈에 의해 처리된 주기성 전압 신호와 관련되는,
    고체 상태 광 엔진 장치.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 인가된 전압에서의 감소는 진폭 변조된 주기성 전압 신호와 관련되는,
    고체 상태 광 엔진 장치.
    
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 제1항에 있어서,
    상기 인가된 전기 여기는 실질적인 정현 전압을 포함하는,
    고체 상태 광 엔진 장치.
    
21. 제1항에 있어서,
    상기 인가된 전기 여기는 교류 전류를 포함하는,
    고체 상태 광 엔진 장치.
    
22. 제1항에 있어서,
    상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 실질적으로 단방향 전류를 공급하는 정류기 모듈을 더 포함하는,
    고체 상태 광 엔진 장치.

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