KR101757475B1 - 형광등 대체용 엘이디 조명등의 전원 연결방법 및 그에 의한 엘이디 조명등 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광등 대체용 LED 조명등의 전원 연결방법 및 그에 의한 LED 조명등에 관한 것으로, 더 상세하게는 종래 형광등의 다양한 종류의 안정기를 제거하지 않고도 LED 조명등을 바로 꽂아 쓸 수 있도록 하기 위하여 두쌍의 전원 커넥터 중 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

LED 조명등, 전원연결

Description

형광등 대체용 엘이디 조명등의 전원 연결방법 및 그에 의한 엘이디 조명등 {The Method For Connecting Power Of LED Lamp For Substituting Fluorescent Lamp and The LED Lamp Thereby}

본 발명은 형광등 대체용 LED 조명등의 전원 연결방법 및 그에 의한 LED 조명등에 관한 것으로, 더 상세하게는 종래 형광등의 다양한 종류의 안정기를 제거하지 않고도 LED 조명등을 바로 꽂아 쓸 수 있도록 하기 위하여 두쌍의 전원 커넥터 중 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

인공광원의 종류에는, 진공 또는 기체를 봉입한 유리구 안에 녹는점이 높은 금속 코일이나 텅스텐 선 등을 넣어서 흰 빛을 내는 백열전구, 유리구 안에 할로겐 원소를 주입하여 텅스텐의 증발을 더욱 억제한 할로겐전구, 아크방전이나 글로방전 등 기체방전을 이용한 방전등, 방전관 내부에 형광물질을 입힌 형광등, 고체상태 광원으로 EL 램프, OLED 램프, LED 램프 등이 있다.

형광등은 방전관 내에 수은을 봉입하여 저전압으로 방전시키기 위하여 열음극을 사용한 저압 수은램프의 일종이며, 방전에 의하여 생긴 파장 253.7 nm 의 강역한 자외선이 관내 벽의 형광 도료를 자극하여 강한 형광을 발생한다.

열음극의 텅스텐 필라멘트는 2중 코일로 하고, 열전자의 방출을 쉽게 하기 위하여 바륨(Ba) 등의 산화피막을 칠한다.

형광램프용 안정기는 자기식, 반도체식, 전자식으로 구분되는데, 전기적 안전성이 뛰어나며, system 설계가 용이하고, 램프 수명이 긴 고급형 전자식 안정기가 소비자 요구에 적합한 안정기로 부상하였다.

발광다이오드(light emitting diode ; LED) 소자는 PN접합에 순방향으로 전류를 흐르게 함으로써 빛을 발생시키는 반도체 소자이다. 반도체를 이용한 발광다이오드 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 5 ∼ 10년 이상으로 길어, 전력소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명기기 응용분야에서 주목을 받고 있다.

특히, 수은과 같은 환경유해물질을 사용하지 않아도 되므로 형광등 대체용 LED 조명등에 대한 관심이 고조되고 있다. 최근, 기존 형광등 소켓에 바로 꽂아서 쓸 수 있는 형광등 대체용 LED 조명등 개발이 활발하다.

형광등은 전압-전류 특성이 부특성으로 되므로 상용전원으로 점등할 경우는 램프에 직렬로 안정기를 삽입하여 전원전압에 대하여 정특성을 갖도록하여 전류를 제한하고 있다. 이와같은 형광등 안정기의 종류에는 다음과 같이 다양한 종류가 있다.

스타터식 안정기는 수동 또는 자동으로 동작하는 스타터를 사용하여 스타터의 스위치 작용에 관계가 있고, 이것에 따라 안정기 회로가 크게 달라진다.

래피드 스타터식 안정기는 안정기에 부설된 전극 가열용 권선으로 램프의 전극을 예열하고 전극이 전자방출에 충분한 온도에 도달했을 때 전극간에 충분한 전압을 가하여 램프를 시동시키며, 점등 중에는 램프 전류 및 전극가열용 권선에 의해 전극이 가열되는 회로방식에 사용되는 안정기이다.

순시시동식 안정기는 별도의 전극 예열이 필요하지 않는 대신 램프의 양쪽 전극간에 충분히 높은 전압을 가하여 순간적으로 시동시키며, 점등중에는 램프 전류에 의해 전극이 가열되는 회로방식에 사용되는 안정기이다.

반도체 스타터식 안정기는 안정기에 시동용 반도체 소자를 포함시킨 것으로 그 스위치 작용이나 전극가열용 권선으로 전극을 예열하고 반도체 스위치 작용으로 램프를 시동시키며, 점등중에는 램프 전류 및 전극 가열용 권선에 의해 전극이 가열되는 회로방식에 사용되는 안정기이다.

전자식 안정기는 램프 시동방식에 따라 예열방식 및 비예열방식으로 구분하 고 발진기의 초기 작동 및 제어방식에 따라서 자려식과 타려식으로 구분된다.

반도체 소자와 변압기, 쵸크고일, 캐패시터 등의 전부 또는 일부의 조합에 의한 시동 및 점등회로를 가지며, 교류 220[V] 60[Hz]의 전원을 정류회로에 의해 직류전원으로 변환한 다음 다시 스위칭 회로(인버터)에 의해서 20~50[kHz]의 고주파의 교류전원으로 변환하여 램프를 적정하게 점등시키는 안정기이다.

기존에 설치된 형광등은 이와 같은 다양한 종류의 안정기가 설치되어 있기 때문에, 등기구를 그대로 둔채 형광등을 LED 조명등으로 바로 교체할 수 있도록 하기 위해서는, LED 조명등에서 상기에서 열거한 안정기 모두에서 동작하는 회로를 갖추어야 한다.

도 1은 스타터식 안정기의 회로도이다. 예열시동형 형광램프에 적용된다. 점등시 스위치 S를 단락하여 램프전류의 약 1.5~2배의 예열전류를 램프 필라멘트 F에 흘리고, 이것이 충분히 가열된 때에 S를 열면, 순간 초크코일 L에 수백 V의 높은 과도전압이 발생하여 이것이 램프에 가해져서 시동이 된다.

스위치 대신에 점등관(글로 스타터)을 사용한 것이 많은데, 점등관은 유리구 내에 U자형의 바이메탈로 만들어진 가동전극과 리드와이어를 이용한 고정전극을 설치한 소형의 네온 또는 아르곤 글로방전관이다. 점등관의 방전개시전압은 전원전압보다 낮고 관전압보다 높게 설계되어 있다.

점등관회로에 전원전압이 인가되면 전극간에 글로방전이 개시되고, 이 방전전류에 의하여 1~2초 후에 바이메탈의 고온팽창측이 팽창하여 구부려져서 양극이 접촉하고 회로가 단락된다. 이것에 의하여 전극에 평상시의 약 1.5~2배의 전류가 흘러서 전극은 급속히 가열되어 전자방사를 하게 된다. 글로 스위치의 양극은 단락되고 있는 사이에는 열의 발생이 없으므로 저온팽창측으로 냉각되고, 1~2초 후에 자동적으로 원위치로 되돌아가기 위해 떨어지므로 회로의 전류는 급격히 차단되어서 쵸크코일 내에 발생하는 고전압에 의하여 방전이 개시되어 점등한다.

형광램프의 점등 중 점등관에 관전압이 가해지고, 20W 형광램프의 경우 관전압은 70V 이하로 되어 있으므로, 방전개시전압이 85V 이상인 점등관에서는 글로방전이 일어나지 않으며, 바이메탈의 접점이 열려있는 상태로 소등 후 다음의 점등까지 대기하게 된다.

이러한 스타터식 안정기를 설치한 곳에서 형광등을 LED 램프로 대체하기 위해서는, 초크코일에서 방생하는 고전압을 방지하고 점등관의 이상동작을 방지해야 한다.

형광등 대체용 LED 조명등의 베이스에는 한 전극당 2개의 핀이 나와 있는데 한쌍은 외부전원측과 연결되고 한쌍은 스타터측과 연결된다. 이중 스타터측과 연결되는 핀에 LED PCB의 전극이 연결되지 않게 하면, LED PCB는 통상의 AC 전원을 공급받는 것과 같이 동작하고 스타터는 어느 전원도 연결되어 있지 않으므로 이상동작을 하지 않는다. 이와 같은 전원연결 방법 및 그에 의한 LED 조명등을 이용하는 경우, 소켓의 어느 쌍이 외부전원인지 모르다라도 쌍을 바꾸어 한번만 꽂아 보면 되므로 크게 불편하지 않다.

도 2는 래피드 스타트식 안정기의 회로도이다. 래피드 스타트 점등회로는 속 시기동회로라고 하며 누설변압기가 사용된다. 램프의 양극에는 안정기로부터 전극가열용 권선이 별도로 감겨진 것으로 항상 4V 정도의 전압이 가해지고 있고, 전원전압은 승압되어 가열과 동시에 램프에 가해지므로 1~2초 정도에 시동한다. 전극은 삼중코일 필라멘트로 되어 있어서 전자방사물질이 충분히 칠해져 있다.

이러한 스타터식 안정기를 설치한 곳에서 형광등을 LED 램프로 대체하기 위해서는, 같은 전극에 있는 핀 끼리도 4V 정도의 전압차가 있음을 고려해야 한다.

형광등 대체용 LED 조명등의 베이스에는 한 전극당 2개의 핀이 나와 있는데 두쌍 모두 외부전원측과 연결되지만 전압차는 다르다. 이중 일측과 연결되는 핀에 LED PCB의 전극이 연결되지 않게 하면, LED PCB는 통상의 AC 전원을 공급받는 것과 같이 동작한다.

도 3은 인스턴트 스타트형 안정기의 회로이며 초크코일과 콘덴서를 포함하여 직렬로 접속해서 이용하면 우수한 안정기가 된다. 이 경우 전원의 주파수에 대해서 임피던스가 용량성이 되도록 초크코일과 콘덴서의 값을 선정하면 램프전류, 램프전압은 전원전압에 대해서 진상으로 된다. 이 방식에서는 콘덴서 단자 전압이 중첩해서 가해지기 때문에 초크코일 안정기에 비해서 램프전압이 상당히 높은 형광등에서도 안정하게 점등시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 전압의 변동에 대해서 매우 안정한 특성을 얻는 것이 가능하다. 그러나 이 방식은 전원투입과 동시에 점등하는 특징이 있는 반면, 높은 시동전압이 필요하고 필라멘트가 소모되기 쉽기 때문에 램프의 수명이 짧게 되는 단점이 있다.

이러한 인스턴트 스타트형 안정기를 설치한 곳에서 형광등을 LED 램프 로 대체하기 위해서는, 점등전압 600V를 수용할 수 있는 전원을 만들어야 한다. 이는 LED PCB의 정격전압에 반영하면 된다.

형광등 대체용 LED 조명등의 베이스에는 한 전극당 2개의 핀이 나와 있는데 두쌍 모두 외부전원측과 연결된다. 이중 일측과 연결되는 핀에 LED PCB의 전극이 연결되지 않게 하면, LED PCB는 통상의 AC 전원을 공급받는 것과 같이 동작한다.

도 4는 반도체 스타터식 안정기의 회로도이다. 상기의 스타터식 안정기의 동작과 유사하게 설명되며, 대체용 LED 조명등도 비슷하게 설명된다.

형광등 램프용 안정기는 자기식, 반도체식, 전자식으로 구분되는데, 전기적 안전성이 뛰어나며, system 설계가 용이하고, 램프 수명이 긴 고급형 전자식 안정기가 소비자 요구에 적합한 안정기로 부상하였다.

자기식 안정기는 상기와 같이 초크코일, 누설트랜스와 대용량 콘덴서를 사용하므로 형광등에서 빛으로 소비되는 전력 이외에 안정기 자체의 철심 및 동선에 의한 열 발생으로 약 8W이상의 많은 전력손실이 발생된다. 또한 60Hz의 상용전선으로 점등시키므로 깜빡임이 생기고 주위온도가 낮거나 습도가 높을 때 깜박임이 더욱 심하며 점등이 안되는 경우도 있다. 이러한 결점을 보완하기 위해 전자식 안정기는 반도체 소자를 사용하여 AC 60Hz의 사용전원을 정류하여 DC로 만들고, 인버터 회로에서 25~50kHz의 높은 고주파로 변환하여 출력전류 제한회로를 통해 안정하게 형광등을 점등시킨다. 전자식 안정기는 자기식 안정기와 비교하여 고주파 전원으로 점등시키기 때문에 발광효율이 약 15% 정도 향상되며 반도체 소자를 사용하므로 초크코일에서 자체 발열로 인한 손실을 약 25% 정도 줄일 수 있다. 전자식 안정기는 에 너지 절약효과뿐만 아니라 고주파 점등으로 눈으로 감지할 수 없는 양질의 빛을 공급하여 시력을 보호한다. 또한 자기식 안정기의 초크코일과 철심코일에 의해 생기는 전자기력의 진동에 의한 소음을 제거할 수 있다. 전자식 안정기는 자기식 안정기에 비해 가볍고 안정기 자체 발열도 10 이상 낮다. 전자식 안정기는 저전압에서도 점등이 가능하다.

비예열식은 상기의 인스턴트 스타트형 안정기에 LED 램프를 꽂는 것과 유사하게 설명되고, 예열식은 상기의 래피드 스타트식 안정기에 LED 램프를 꽂는 것과 유사하게 설명된다. 단지 상대적으로 저전압의 고주파 전원이라는 점이 다르다.

따라서 본 발명의 형광등 대체용 LED 조명등의 전원 연결방법은 종래 형광등의 두쌍(전기적으로 쌍을 이룬다.)의 전원 커넥터 중 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

또한 본 발명의 형광등 대체용 LED 조명등은 종래 형광등의 두쌍(전기적으로 쌍을 이룬다.)의 전원 커넥터 중 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

상기에서 연결되지 않은 커넥터를 아주 큰 저항을 이용하여 연결하는 것도 같은 효과를 낼 수 있음은 자명하다.

본 발명과 같이 형광등 대체용 LED 조명등의 베이스 핀을 연결하면 기존에 설치된 다양한 종류의 안정기에 직접 꽂아 쓸 수 있으므로, 형광등기구의 제거 및 LED 조명등용 등기구의 설치에 따른 막대한 사회적 비용을 절검할 수 있다.

또한, 스타터형이나 래피드 스타트형, 반도체식 안정기 및 예열식 전자식 안 정기와 비교하여 예열하는 전력을 원천적으로 차단하므로 절전효과도 기대할 수 있다.

스타터형이나 래피드 스타트형 등과 비교하여 스타터의 동작을 무력화하므로 소음의 발생이 적다.

LED 조명등은 하나의 실시예(도 10)로서 2개 이상의 긴 막대 형상의 방열판(도 5)과 상기 방열판의 일면에 붙여지는 LED 소자를 장착한 LED PCB(도 6), 형광등 소켓에 LED 조명등을 장착하기 위한 방열판 끝에 부착되는 베이스(도 7)와 방열판 내부의 구동회로 삽입부(101)에 삽입되는 구동회로 PCB(도 8) 및 LED PCB 전면에 부가된 확산판(도 9)으로 구성될 수 있다.

형광등 유리관의 단면이 원이므로 방열판의 단면모양이 원에 가장 유사한 모양이 되도록 디자인하는 것이 형광등을 대체하는데 있어 소비자들의 심리적 저항을 적게할 것이다.

LED 조명등은 LED 소자가 부착된 LED PCB를 붙일 수 있는 면이 필요한데, 바람직하게는 평면이 되어야 열적으로 안정하게 접착가능하다.

따라서 방열판의 단면이 원을 수평방향으로 자른 반원이 되도록 하는 것이 일반적인데 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어 사각형태의 모양이 될 수도 있고, 또는 반원보다 더 큰 각을 갖는 호의 모양이 될 수도 있으며, 임의의 다각형 모양이 될 수도 있다.

이하에서는 방열판의 단면이 원을 수평방향으로 자른 반원이 되도록 한 것을 기준으로 설명한다.

반원을 수직방향으로 자르면 2개의 4분원이 생긴다. 본 실시예는 방열판의 단면모양이 이와 같이 되도록 한 것이다. 4분원 사이에 일정한 간격이 생기도록 4분원에 못미치게 자르는 것이 바람직한데, 4분원으로 자른 후에 이격하여 배치하는 방법도 있다.

서로 마주보는 면과 LED PCB가 부착되는 하면이 직각이 되는 것이 방열판 사이의 간격과 방열판 내부의 빈 공간을 조화시킨다는 점에서 바람직하다.

LED PCB는 부착이 용이한 Flexible PCB가 바람직하다. Flexible PCB는 긴 롤을 만드는 것이 가능하여 다양한 길이를 재단하여 사용할 수 있기 때문이다.

LED PCB를 방열판의 원하는 면에 붙이기 위해서는 열전도도가 좋은 양면접착제를 사용하여 붙이는 것이 바람직하다. 물론 고정을 강화하기 위해 볼트를 사용하는 것도 가능하다. 이때는 방열판에 탭이 형성되어 있어야 한다.

도 5 기준 직접조명으로 사용하는 경우에는 하면에 LED PCB를 붙이고, 간접조명으로 사용하는 경우에는 빗면에 LED PCB를 붙이는 것이 바람직하다. 물론 하면에 붙인 것을 뒤집어 사용하는 간접조명도 가능하고, 하면과 빗면에 모두 붙이는 것도 가능하다.

형광등 소켓에 LED 조명등을 장착하기 위한 방열판 끝에 부착되는 베이스(도 7)는 일반적으로 G13 표준을 사용한다. 직관형의 경우 베이스는 양 끝에 2개가 사용된다.

P형 등 램프 종류가 바뀌면 관 크기 및 베이스 종류가 바뀐다. 이하에서는 T8, G13 형광등을 기준으로 설명하지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되는 것은 아니다.

베이스는 방열판을 감쌀 수 있도록 베이스 내부모양을 방열판 외곽모양에 맞추는 것이 바람직하다. 물론 핀이 위치하는 공간은 전선과 연결하는 작업 등을 위하여 추가로 빈 공간을 만드는 것이 바람직하다.

핀과 전선의 연결공간을 확보하기 위한 보(105)가 형성되어야 방열판이 삽입되다가 보 위치에서 멈출 수가 있다.

베이스의 강도를 높이거나 방수, 방진 등을 위하여 외부로 노출된 상하 보 사이의 빈 공간에 추가의 보를 형성하는 것도 가능하다.

최종 조립이 완성할 때는 핀과 전선의 연결공간을 확보하기 위한 보(105)에 접착제를 발라 방열판과 붙일 수 있다.

구동회로를 일체형으로 제작하고자 하는 경우에는 방열판 내부의 구동회로 삽입부(101)에 구동회로 PCB(도 5)를 삽입할 수 있다.

고정되어 흔들리지 않도록 홈이 파여 있으므로 PCB 설계시 최외곽에는 부품이나 배선을 배치하지 않는 것이 바람직하다.

구동회로 PCB를 방열판 길이와 같게 만드는 경우는 단단히 고정되나, 구동회로 PCB를 방열판보다 짧게 만드는 경우에는 접착제 등을 사용하여 길이방향으로 움직이지 않도록 하여야 한다.

LED PCB가 위치하는 방향에 따라 간접조명 및 직접조명으로 사용할 수 있는데, 직접조명으로 사용하는 경우에는 LED PCB 전면에 확산판(도 6), 프리즘, 경통 이나 차단벽, 렌즈, 반사판 등이 추가로 부가될 수 있다.

예를 들어 확산판(도 6)은 방열판의 확산판 삽입부(102)에 삽입하여 1차로 고정되고, 베이스의 확산판 지지부(106)에 의하여 2차로 고정된다. 고정을 더 단단히 하기 위해서는 접착제 등을 사용할 수 있다.

방수가 요구되는 경우에는 방열판과 베이스, 방열판과 확산판, 베이스와 확산판 사이를 실리콘고무등으로 채우는 방법이 있다.

본 발명의 형광등 대체용 LED 조명등의 전원 연결방법은 종래 형광등의 두쌍(전기적으로 쌍을 이룬다. 도 7의 107과 맞은편 핀, 108과 맞은편 핀)의 전원 커넥터 중 107 또는 108 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

또한 본 발명의 형광등 대체용 LED 조명등은 종래 형광등의 두쌍(전기적으로 쌍을 이룬다. 도 7의 107과 맞은편 핀, 108과 맞은편 핀)의 전원 커넥터 중 107 또는 108 한쌍만 연결되도록 한 것이다.

상기에서 연결되지 않은 커넥터를 아주 큰 저항을 이용하여 연결하면 저항없이 연결된 커넥터의 쌍과 저항에 의한 전류분배를 하게 된다. 이 저항값이 작아질 수록 안정기의 이상동작 등으로 인한 무용한 전력 손실이 많이 발생하게 되므로 저항이 8 즉, 끊겨 있는 것이 바람직하다.

하지만 상기 무용한 전력손실이 허용하는 범위 내에서는 유한한 저항값을 달아도 본 발명의 기술적 사상이 적용된다.

도 1은 스타터식 안정기의 회로도이다.

도 2는 래피드 스타트식 안정기의 회로도이다.

도 3은 인스턴트 스타트형 안정기의 회로이다.

도 4는 반도체 스타터식 안정기의 회로도이다.

도 5는 LED 조명등을 구성하는 방열판이다.

도 6은 LED 조명등을 구성하는 LED PCB이다.

도 7는 LED 조명등을 구성하는 베이스이다.

도 8는 LED 조명등을 구성하는 구동 PCB이다.

도 9은 LED 조명등을을 구성하는 확산판이다.

도 10은 LED 조명등의 일 실시예이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

101: 구동회로 삽입부

102: 확산판 삽입부

105: 핀과 전선의 연결공간을 확보하기 위한 보

106: 확산판 지지부

107, 108: 베이스의 핀

Claims (4)

1. 종래 형광등의 한쪽 전극의 2개의 핀 중 어느 하나만 전기적으로 연결하고, 다른 쪽 전극의 2개의 핀 중 상기 연결된 한쪽 전극의 핀과 전기적으로 쌍을 이루는 하나만 전기적으로 연결하는 형광등 대체용 LED 조명등의 전원 연결방법
2. 삭제
3. 종래 형광등의 한쪽 전극의 2개의 핀 중 어느 하나만 전기적으로 연결되고, 다른 쪽 전극의 2개의 핀 중 상기 연결된 한쪽 전극의 핀과 전기적으로 쌍을 이루는 하나만 전기적으로 연결되도록 구성된 형광등 대체용 LED 조명등
4. 삭제

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