KR101862693B1 - Led 모듈의 색온도 가변을 위한 led 구동회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 모듈의 색온도를 변화시키는 회로에 관한 것으로, 색온도가 상이한 복수 종류 이상의 LED로 구성된 LED 모듈에 입력되는 전압의 변화를 통하여 LED 모듈을 구성하는 각각의 LED에 흐르는 전류를 변화시킴으로써 전체 LED 모듈의 색온도를 가변시키는 LED 구동회로에 관한 것이다.

Description

LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로 {LED driving circuit for changing the colour temperature of LED Module}
본 발명은 LED 모듈의 색온도를 변화시키는 회로에 관한 것으로, 색온도가 상이한 복수 종류 이상의 LED로 구성된 LED 모듈에 입력되는 전압의 변화를 통하여 LED 모듈을 구성하는 각각의 LED에 흐르는 전류를 변화시킴으로써 전체 LED 모듈의 색온도를 가변시키는 LED 구동회로에 관한 것이다.
색온도는 광원으로부터 방사되는 빛의 색을 온도로 표시한 것으로, 색온도는 광원 자체의 온도가 아니고, 흑체라고 하는 가상 물체의 온도로 표시한 것으로 어떤 광원으로부터의 빛의 색과 어떤 온도의 흑체로부터 방사되는 빛의 색이 같을 경우 그 흑체의 온도를 그 광원의 색온도라 하고 절대온도 oK로 표시한다.
도 1은 태양광과 다양한 인공 광원의 색온도를 보여주는 도면으로서, 표시된 색온도는 절대적인 수치가 아니라, 일반적으로 측정되어지지 대략적인 수치를 하고 있으며, 이에 따르면 시간에 따라서 태양광의 색온도가 변화되고, 인공광원의 경우에도 그 종류별로도 색온도가 다름을 일 수 있다. LED 조명기술이 발달함에 따라 기존의 인공광원을 LED 조명이 대체해 가고 있으며, 기존의 친숙한 인공광원의 색온도에 맞추어 다양한 제품이 출시되고 있다.
태양광의 경우, 해뜰 때와 질 경우 2,000~3,000oK, 낮에는 5,000oK, 흐리고 푸른 하늘은 8000~10,000oK 정도로 우리가 접하는 태양광의 색온도는 널리 펴져 있고 친숙하고 오랜 시간 사용되어 온 인공 광원인 백열전구, 할로겐 램프는 2,000~4,000oK, 형광등은 3,500~6,500oK 으로 태양광의 색온도와 밀접하게 관련되어 있다. LED 제조기술 발달로 LED가 다양한 색온도를 방출할 수 있게 됨에 따라, 다양한 색온도를 가질 수 있게 되어 태양광 또는 기존의 다양한 인공광원을 표현할 수 있게 되었다. 이러한 기능을 가지는 LED 조명기구를 감성조명 또는 색온도 가변 LED 조명 (Tunable White LED Lighting)이라 부르며, 이에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
일반적으로 사용되는 LED 색온도 제어 방식은 주로 센서 또는 디지털 통신을 통해 전달된 제어 정보에 기초하여 색온도를 달리하는 여러 종류의 LED로 구성된 LED 모듈에 펄스폭(PWM)을 변경하는 PWM 제어방식이 사용된다(공개특허번호 제10-2010-0016469호 참조).
도 2는 이와 같은 일반적인 LED 색온도 제어 방식에 대한 구성도인데, 이러한 제어 방식을 구현하는 구성요소들로는 LED 모듈과, LED 모듈의 각 LED 그룹에 LED 밝기 제어신호를 제공하는 LED 드라이버(LED Driver)들과, LED 드라이버들을 제어하는 제어회로와, LED 컨버터 및 통신모듈로 연결되는 조명제어시스템을 구비하고 있다. 여기에서, 조명제어시스템은 건물 통합 제어를 위한 시스템일 수 있으며, LED 조명기기의 조도나 색온도에 대한 데이터를 통신 모듈을 통해 해당 LED 조명기기의 제어회로로 보내는 역할을 한다. 통신 방식으로는 0-10V 또는 1-10V로 밝기를 제어하는 아날로그 통신, DMX-512와 같은 RS-485을 이용한 디지털 통신, 그리고 지그비, 블루투스를 이용한 무선 통신 등을 사용할 수 있다. 통신 모듈을 이용한 방법 이외에 개별적인 제어를 위해, 조도 센서 등의 센서류를 통해 LED 조명기기를 제어하기 위한 정보를 얻을 수 있다. LED 컨버터는 LED 구동을 위한 전원을 공급하는 역할을 하며, AC 전원을 DC 전원으로 변환하는 AC-DC 컨버터, DC전원을 DC전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터로 구성된다. 제어회로는 주로 LED 컨버터를 통해 전원을 공급받아, 통신모듈을 통한 정보나 센서를 통한 정보를 분석하여 LED 모듈의 밝기를 조절할 수 있는 제어 신호를 각각의 LED 드라이버에 보내는 역할을 한다. 제어 신호는 주로 전압값(Voltage Level)을 사용하는 아날로그 신호 또는 PWM과 같은 디지털 신호이다. LED 드라이버는 LED 모듈을 구동하는 회로로 정전압 방식 또는 정전류 방식을 사용한다. LED 모듈은 색온도 변환을 위해 두 종류 이상의 다른 색온도를 가지는 LED 그룹으로 구성된다. 주로 사용되는 LED 그룹 조합은 RGB(RED, GREEN, BLUE), RGBW(RED, GREEN, BLUE, WHITE) 또는 다른 색온도를 가지는 White LED 조합이다. White LED 조합의 예로는 Warm White (2,700~3,000oK) 와 Cool White (5,000~7,000oK) 조합, Amber LED와 White LED 그룹의 조합 등이다.
이와 같은 시스템에 사용되는 색온도 가변용 LED 모듈(이하, 'Tunable White LED 모듈'이라고도 칭함)의 한 예로는 도 3에 도시된 바와 같이 LED ENGIN사에서 생산되는 Tunable White LED 모듈의 예가 있다. 도 3과 같이 색온도 가변을 위한 LED 드라이버, 통신용 회로 (아날로그: 0-10V, 디지털: DMX-512), 그리고 제어용 마이크로 컨트롤러(공개특허공보 제 10-2015-0030171호 참조)를 구비하고 있으며, 외부에는 이를 제어하기 위한 조명 제어 시스템이 추가로 필요하여, 색온도 가변 LED 조명기기를 제어하기 위해서는 많은 부가 장치들이 필요로 하게 된다.
그러나, 이와 같은 기존의 방식으로 색온도 가변 LED 조명기기를 제작할 경우에는 시스템이 복잡해지고 제조단가 및 판매 가격이 상승하여, 일반 소비자가 사용하기에는 많은 어려움이 따른다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 색온도를 달리하는 여러 종류의 LED 그룹으로 구성된 LED 모듈을 구비한 색온도 가변 LED 조명기기를 구성함에 있어서 종래 기술과 같은 복잡하고 높은 제작 비용이 소요되는 제어 장치요소들의 사용을 배제하고, 기존의 일반적인 조명장치에서 사용되고 있는 트라이악 디머와 같은 조광기와 일반적인 디밍용 LED 컨버터를 활용하여 LED 모듈의 공급 전압을 가변할 수 있는 구성을 제공하고, 여기에 LED 모듈로 공급되는 가변 전압의 수준에 따라서 색온도를 달리하는 각각의 LED 그룹의 통전 레벨을 조절하는 수단을 구현하는 것을 그 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여,
색온도를 달리하는 여러 종류의 LED 그룹으로 구성된 LED 모듈과;
상기 LED 모듈로의 공급 전압을 가변할 수 있는 공급 전압 가변 장치와; 그리고
상기 공급 전압 가변 장치로부터 상기 LED 모듈로 공급되는 가변 전압의 수준에 따라서 색온도를 달리하는 각각의 LED 그룹의 통전 레벨을 조절하는 색온도 가변 제어회로를 포함하여 이루어지는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로를 제공한다
여기에서, 상기 공급 전압 가변 장치로서 조광기 및 디밍용 LED 컨버터가 제공되는 것이 바람직하나, 반드시 트라이악 디머와 같은 조광기와 디밍용 LED 컨버터를 사용하여야 하는 것은 아니며, LED 모듈의 공급 전압을 가변할 수 있는 대체 구성을 통해 본 발명의 목적을 달성할 수도 있다.
또한, 상기 색온도 가변 제어회로는 LED 모듈에 입력되는 구동 전압이 낮은 단계에서는 LED 모듈을 구성하는 일부의 LED 그룹에서만 전류가 통전하게 되고, 구동 전압의 증가에 따라서 통전되던 LED 그룹을 흐르는 전류의 세기가 설정 수준에 도달하게 되면 통전되던 LED 그룹과 다른 색온도를 가진 LED 그룹에도 전류가 흐르게 제어하도록 형성되는 것이 바람직하며, 구체적으로
낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹에 흐르는 전류를 센싱하여 각각의 LED 그룹에 제공되는 제어회로에 설정된 기준값 이상이 되면 당해 LED 그룹의 전류 제어요 소자가 도통되어 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 집중 제어 방식으로 구현될 수 있으며, 이와 달리 낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹에 흐르는 전류를 센싱하여 제2 LED 그룹과 연결되는 제어회로에 설정된 기준값 이상이 되면 제2 LED 그룹의 전류 제어용 소자를 도통시켜서 전류가 흐르도록 전류를 제어하고, 제2 LED 그룹이 통전되게 되면 제2 LED 그룹에 흐르는 전류도 센싱하여 제3 LED 그룹과 연결되는 제어회로에 설정된 기준값 이상이 되면 제3 LED 그룹의 전류 제어용 소자도 도통시켜서 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 순차 제어 방식으로 구현될 수 있다.
상기 LED 그룹의 전류 제어용 소자로서는 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 반도체 소자를 사용하는 것이 바람직하고, 그리고 상기 LED 그룹과 연결되는 제어회로는 분배 저항 및 도통 저항을 포함하여 구성된 전압 분배 저항회로로 구성되며, 도통 저항의 양단 전압을 상기 LED 그룹의 전류 제어용 소자로서 제공되는 트랜지스터의 베이스-에미터 전압으로 인가하며 트랜지스터 도통 전압 이상이 되면 상기 LED 그룹의 전류 제어용 소자가 온(ON)됨으로써 당해 LED 그룹이 통전되도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 색온도를 달리하는 여러 종류의 LED 그룹으로 구성된 LED 모듈을 구비한 색온도 가변 LED 조명기기를 구성함에 있어서 종래 기술과 같은 복잡하고 높은 제작 비용이 소요되는 제어 장치요소들의 사용을 배제하고, 기존의 일반적인 조명장치에서 사용되고 있는 트라이악 디머와 같은 조광기와 일반적인 디밍용 LED 컨버터를 활용하여 LED 모듈의 공급 전압을 가변할 수 있는 구성을 제공하고, 여기에 LED 모듈로 공급되는 가변 전압의 수준에 따라서 색온도를 달리하는 각각의 LED 그룹의 통전 레벨을 조절할 수 있도록 하는 색온도 가변 제어회로를 간단한 장치로써 구현하여 기존의 디밍 시스템을 그대로 사용할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 구성이 단순하여 큰 비용 증가 없이 색온도 가변 LED 조명기기 제작이 가능할 뿐만 아니라, 색온도 가변형 LED 모듈의 확장도 매우 용이하게 수행될 수 있다.
도 1은 태양광과 다양한 인공 광원의 색온도를 보여주는 도면.
도 2는 일반적인 LED 색온도 제어 방식에 대한 구성도.
도 3은 LED ENGIN사에서 생산되는 Tunable White LED 모듈의 구성도.
도 4a는 일반적인 트라이악 디머 회로도이고, 도 4b는 트라이악 디머를 통해 인공 광원에 공급되는 AC 입력 전압 파형을 도시한 도면.
도 5a는 LED 조명기기에 사용되는 LED용 AC-DC 컨버터 구성도이고, 도 5b는 트라이악 디머와 디밍용 LED 컨버터의 연결 구성도.
도 6a는 본 발명에 따른 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로의 바람직한 일 실시예를 도시하고 있고, 도 6b는 본 발명의 시스템 패킹 구성도.
도 7a는 본 발명에 따른 색온도 가변 제어회로의 제1 실시예를 도시한 도면이고, 도 7b는 본 발명에 따른 색온도 가변 제어회로의 제2 실시예를 도시한 도면.
도 8a는 도 7a의 제1 실시예에 대한 구체예를 도시한 도면이고, 도 8b는 도 7b의 제2 실시예에 대한 구체예를 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b의 구체예에서 각각의 LED 그룹에 흐르는 전류량을 제어하기 위한 추가 저항을 구비한 구체예를 도시한 도면.
도 10은 전류 센싱회로로 사용된 저항의 전력 손실을 줄이기 위해 차등 증폭기인 OP-AMP를 사용하여 구성한 실시예의 회로도.
도 11은 LED 모듈을 구성하는 LED 그룹의 파손을 방지하기 위하여 LED 그룹에 정전류 회로를 첨부한 실시예의 도면이고, 도 12a 및 도 12b는 정전류 회로의 예를 도시한 도면.
도 13a는 LED 모듈의 밝기를 조절하는 PWM 출력 LED 드라이버를 구비한 LED 조명기기의 구성도이고, 도 13b는 이에 의한 펄스폭 제어(Pulse Width Modulation: PWM)의 설명도.
도 14a는 내지 도 14c는 PWM 출력 LED 드라이버와 Low Pass Filter를 구비한 실시예를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 6a는 본 발명에 따른 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로의 바람직한 일 실시예를 도시하고 있고, 도 6b는 본 발명의 시스템 패킹 구성도이며, 그리고 도 7a 내지 도 10은 본 발명에 따른 색온도 가변 제어회로의 보다 구체적인 실시예들을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 6a에 도시된 바와 같이,
색온도를 달리하는 여러 종류의 LED 그룹(1100, 1200, 1300)으로 구성된 LED 모듈(1000)과;
상기 LED 모듈(1000)로의 공급 전압을 가변할 수 있는 공급 전압 가변 장치(2000)와; 그리고
상기 공급 전압 가변 장치(2000)로부터 상기 LED 모듈(1000)로 공급되는 가변 전압의 수준에 따라서 색온도를 달리하는 각각의 LED 그룹(1100, 1200, 1300)의 통전 레벨을 조절하는 색온도 가변 제어회로(300)를 포함하여 이루어지는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로를 제공한다.
여기에서, 상기 공급 전압 가변 장치(2000)로서 조광기(100) 및 디밍용 LED 컨버터(200)가 제공되는 것이 바람직하나, 반드시 트라이악 디머와 같은 조광기(100)와 디밍용 LED 컨버터(200)를 사용하여야 하는 것은 아니며, LED 모듈(1000)로의 공급 전압을 가변할 수 있는 대체 구성을 통해 본 발명의 목적을 달성할 수도 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 구성하는 트라이악 디머에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 도 4a는 일반적인 트라이악 디머 회로도이고, 도 4b는 트라이악 디머를 통해 인공 광원에 공급되는 AC 입력 전압 파형을 도시하고 있는데, 트라이악 디머를 조절함에 따라 주기(Period)당 RMS 입력전압이 감소하거나 증가하게 되어서 인공 광원의 밝기가 조절될 수 있게 된다.
도 5a는 LED 조명기기에 사용되는 LED용 AC-DC 컨버터 구성도로서, 앞서 설명된 트라이악 디머(100)와 디밍용 LED 컨버터(200)가 도 5b에 도시된 바와 같이 연결되어 사용되는 경우에는 AC 입력 전압의 위상을 인식하여, LED 모듈(1000)에 공급되는 DC 전류를 제어하는 LED 제어회로(230)가 구비되어 있다. 즉, 트라이악 디머(100)의 턴온(Turn ON) 시간이 줄어들면, 디밍용 LED 컨버터(200)의 LED 제어회로(230)는 LED 모듈(1000)에 공급하는 전류를 감소시켜 LED 모듈(1000)의 밝기를 감소시킨다. LED 모듈(1000)로의 공급 전류를 감소시키면, 디밍용 LED 컨버터(200)의 출력 전압 즉, LED 모듈(1000)에 공급하는 전압이 감소되는 현상이 나타난다. 결국, LED 모듈(1000)의 입력 전류 감소는 입력 전압의 감소로 나타난다. 한편 LED는 다이오드 특성을 가지기 때문에, 작은 전압 변화에도 큰 전류 변화폭을 보인다. 따라서, 색온도 가변 LED 조명기기를 원활히 제어하기 위해서는 입력 전압 뿐만 아니라 LED 모듈에 흐르는 전류에 따른 제어회로도 필요하게 된다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로의 바람직한 실시예는 도 6a에 도시된 바와 같이, 별도의 색온도 가변 제어회로(300)를 구비하게 된다.
여기에서, 상기 색온도 가변 제어회로(300)는 LED 모듈(1000)에 입력되는 구동 전압이 낮은 단계에서는 LED 모듈(1000)을 구성하는 일부의 LED 그룹(예컨대, 제1 LED 그룹(1100))에서만 전류가 통하게 되고, 구동 전압의 증가에 따라서 통전되던 LED 그룹(예컨대, 제1 LED 그룹(1100))을 흐르는 전류의 세기가 설정 수준에 도달하게 되면 기통전되던 LED 그룹(예컨대, 제1 LED 그룹(1100))과 다른 색온도를 가진 LED 그룹(예컨대, 제2 LED 그룹(1200) 및 제3 LED 그룹(1300))에도 전류가 흐르게 제어하도록 형성되는 것이 바람직한데, LED 모듈(1000)을 구성하는 LED 그룹은 도면에 도시된 바와 같이 3개의 그룹으로 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 2개의 그룹, 또는 4개 및 5개의 그룹 등으로 축소 내지는 확장이 매우 용이하게 수행될 수 있다.
그리고, 도 6b에는 본 발명의 시스템 구성도가 예시되어 있는데, 본 발명에 따른 색온도 가변 제어회로(300)는 도 6b의 구분 기호 ⓐ와 같이 색온도 가변 제어회로를 기존의 디밍용 LED 컨버터와 LED 모듈사이에 따로 구성하는 방법, 구분 기호 ⓑ와 같이 LED 모듈에 추가하여 구성하는 방법, 구분 기호 ⓒ와 같이 디밍용 LED 컨버터에 구성하는 방법이 가능하여, 기존의 디밍 시스템에 바로 적용할 수 있음으로써 높은 경제성과 적응성을 가지게 된다.
이러한 색온도 가변 제어회로(300)는, 도 7a의 제1 구체 실시예에 도시된 바와 같이, 낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류를 전류 센싱 회로(310)를 통하여 센싱하여 나머지 각각의 LED 그룹(1200, 1300)용으로 제공되는 제어회로(321, 331)에 설정된 기준값 이상이 되면 당해 LED 그룹(1200, 1300)용 전류 제어용 소자(322, 332)가 도통되어 당해 LED 그룹(1200, 1300)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 집중 제어 방식으로 구현될 수 있으며, 이와 달리 도 7b의 제2 구체 실시예에 도시된 바와 같이, 낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류를 제1 전류 센싱 회로(310a)를 통하여 센싱하여 제2 LED 그룹(1200)과 연결되는 제어회로(321)에 설정된 기준값 이상이 되면 제2 LED 그룹(1200)용 전류 제어용 소자(322)를 도통시켜서 제2 LED 그룹(1200)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하고, 그리고는 나아가 제2 LED 그룹(1200)이 통전되게 되면 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류도 제2 전류 센싱 회로(310b)를 통하여 센싱하여 제3 LED 그룹(1300)과 연결되는 제3 LED 그룹(1300)용 제어회로(331)에 설정된 기준값 이상이 되면 제3 LED 그룹(1300)의 전류 제어용 소자(332)도 도통시켜서 제3 LED 그룹(1300)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 순차 제어 방식으로 구현될 수 있다.
그리고, 도 7a 및 도 7b에 도시된 제어 방식의 보다 구체적인 실시 유형을 예시한 구체예로서 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 LED 그룹용 전류 제어용 소자(322, 332)로서는 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터(FET)와 같은 반도체 소자를 사용하는 것이 바람직하고, 그리고 상기 LED 그룹과 연결되는 LED 그룹용 제어회로(321, 331)는 분배 저항(R2, R4) 및 도통 저항(R3, R5)을 포함하여 구성된 전압 분배 저항회로로 구성되는 것이 바람직한데, 예컨대 도 8a에 도시된 집중 제어 방식을 구현하기 위한 구체예에서와 같이, 도통 저항(R3)의 양단 전압을 제2 LED 그룹(1200)의 전류 제어용 소자(322)로서 제공되는 반도체 소자인 트랜지스터(Q1)의 베이스-에미터 전압으로 인가하며 트랜지스터(Q1)의 도통 전압 이상이 되면 상기 제2 LED 그룹(1200)용의 전류 제어용 소자(322)가 온(ON)됨으로써 제2 LED 그룹(1200)이 통전되도록 구성되는 것이 바람직하다.
앞서 설명된 집중 제어 방식의 경우를 도 7a의 실시예와 도 8a에 도시된 구체예를 들어서 설명하자면, 트라이악 디머(100)(도 6a 참조)가 턴온되어서 디밍용 LED 컨버터(200)에서 전압이 공급되기 시작하면, 제2 LED 그룹(1200) 및 제3 LED 그룹(1300)을 스위칭온시키는 반도체 소자(322, 332)인 트랜지스터(Q1, Q2)는 OPEN 상태이므로 제1 LED 그룹(1100)을 통해서만 전류가 흘러서 LED 모듈(1000) 중에서 제1 LED 그룹(1100)만 발광하게 된다. 트라이악 디머(100)의 턴온 각도가 증가하게 되어서 디밍용 LED 컨버터(200)에서 공급되는 전압이 증가함에 따라 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류가 증가하게 되고, 전류 센싱회로(310)를 구성하는 저항(R1)의 양단 전압은 수식 VR1= ILED1*R1 에 의해 증가하게 된다. 저항(R1) 양단 전압은 제2 LED 그룹용 제어회로(321)를 구성하는 전압 분배 저항회로의 분배 저항(R2)와 도통 저항(R3)에 의해 전압 분배가 되고, 도통 저항(R3) 양단의 전압, 즉 트랜지스터(Q1)의 베이스-에미터 전압{VR3=VBE=VR1*R3/(R2+R3)}이 트랜지스터의 Turn ON 전압 이상이 되면 제2 LED 그룹(1200)에 전류가 흐르게 되어서 제2 LED 그룹(1200)도 같이 발광하게 된다. 이 때, 제2 LED 그룹(1200)의 전류 제어용 소자(322)로서 제공되는 트랜지스터(Q1)의 증폭률(hFE)에 따라 컬렉터 전류 (IC=hFE*Ib)가 제어되는 원리에 따라서, 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류량(저항 R1으로 센싱되는 전류량)에 대해 선형적으로 제어된다.
한편, 제3 LED 그룹(1300) 또한 제2 LED 그룹(1200)과 같은 방식으로 제어되며, 트랜지스터(Q2)의 베이스-에미터 전압이 분배 저항(R4) 및 도통 저항(R5)의 시정수 값에 따라 변하게 되므로, 제3 LED 그룹(1300)에 흐르는 전류량도 제2 LED 그룹(1200)의 전류량에는 관계없이 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류량에 따라서 선형적으로 제어할 수 있다.
예를 들어서, 제1 LED 그룹(1100)은 AMBER LED(LED1), 제2 LED 그룹(1200)은 3000K의 Warm White LED(LED2), 제3 LED 그룹(1300)은 6000K의 Cool White LED(LED3)를 사용한 경우, 트라이악 디머(100)의 턴온 각도 (Turn on angle)가 작을 때, 디밍용 LED 컨버터(200)의 출력 전압은 낮게 되고, 따라서 디밍용 LED 컨버터(200)의 출력 전류가 적어져 낮은 색온도의 제1 LED 그룹(1100)에만 전류가 흐르게 된다. 트라이악(100)의 턴온 각도를 증가시킴에 따라 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류가 증가하게 되어서 앞서 설명한 바와 같이 제2 LED 그룹(1200)에 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 제1 LED 그룹(1100) 및 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류가 증가하여 색온도는 2500K 가까이 증가하게 된다. 트라이악 디머(100)의 턴온 각도가 더 증가하면 제3 LED 그룹(1300)에도 전류가 흐르게 되어 색온도는 더욱 증가하게 되며, 추가적으로 전압이 상승하여 트랜지스터(Q1) 및 트랜지스터Q2가 포화 영역에 들어가게 되면, 제3 LED 그룹(1300), 제3 LED 그룹(1300), 및 제3 LED 그룹(1300)을 포함하는 전체 LED 모듈(1000)이 완전히 발광하게 된다. 이 때 LED 모듈(1000)에 흐르는 총 전류는 정전류 타입인 디밍용 LED 컨버터(200)의 출력 전류값이 된다.
그리고, 앞서 설명된 순차 제어 방식의 경우를 도 7b의 실시예와 도 8b에 도시된 구체예를 들어서 설명하자면, 트라이악 디머(100)(도 6a 참조)가 턴온되어서 디밍용 LED 컨버터(200)에서 전압이 공급되기 시작하면, 제2 LED 그룹(1200) 및 제3 LED 그룹(1300)을 스위칭온시키는 반도체 소자(322, 332)인 트랜지스터(Q1, Q2)는 OPEN 상태이므로 제1 LED 그룹(1100)을 통해서만 전류가 흘러서 LED 모듈(1000) 중에서 제1 LED 그룹(1100)만 발광하게 된다. 트라이악 디머(100)의 턴온 각도가 증가하게 되어서 디밍용 LED 컨버터(200)에서 공급되는 전압이 증가함에 따라 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류가 증가하게 되고, 제1 전류 센싱회로(310a)를 구성하는 저항(R1)의 양단 전압은 수식 VR1= ILED1*R1 에 의해 증가하게 된다. 저항(R1) 양단 전압은 제2 LED 그룹용 제어회로(321)를 구성하는 전압 분배 저항회로의 분배 저항(R2)와 도통 저항(R3)에 의해 전압 분배가 되고, 도통 저항(R3) 양단의 전압, 즉 트랜지스터(Q1)의 베이스-에미터 전압{VR3=VBE=VR1*R3/(R2+R3)}이 트랜지스터의 Turn ON 전압 이상이 되면 제2 LED 그룹(1200)에 전류가 흐르게 되어서 제2 LED 그룹(1200)도 같이 발광하게 된다. 이 때, 제2 LED 그룹(1200)의 전류 제어용 소자(322)로서 제공되는 트랜지스터(Q1)의 증폭률(hFE)에 따라 컬렉터 전류 (IC=hFE*Ib)가 제어되는 원리에 따라서, 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류량(저항 R1으로 센싱되는 전류량)에 대해 선형적으로 제어된다.
한편, 순차 제어 방식의 경우에는 제3 LED 그룹(1300)이 제2 LED 그룹(1200)에 의해 제어되게 되는데, 트라이악 디머(100)의 턴온 각도가 증가하게 되어서 디밍용 LED 컨버터(200)에서 공급되는 전압이 증가함에 따라 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류도 증가하게 되고, 제2 전류 센싱회로(310b)를 구성하는 저항(R9)의 양단 전압은 수식 VR9= ILED2*R9 에 의해 증가하게 된다. 저항(R9) 양단 전압은 제3 LED 그룹용 제어회로(331)를 구성하는 전압 분배 저항회로의 분배 저항(R4)와 도통 저항(R5)에 의해 전압 분배가 되고, 도통 저항(R5) 양단의 전압, 즉 트랜지스터(Q2)의 베이스-에미터 전압{VR5=VBE=VR9*R5/(R4+R5)}이 트랜지스터(Q2)의 Turn ON 전압 이상이 되면 제3 LED 그룹(1300)에도 전류가 흐르게 되어서 제3 LED 그룹(1300)도 같이 발광하게 된다. 이 때, 제3 LED 그룹(1200)의 전류 제어용 소자(332)로서 제공되는 트랜지스터(Q2)의 증폭률(hFE)에 따라 컬렉터 전류 (IC=hFE*Ib)가 제어되는 원리에 따라서, 제3 LED 그룹(1300)에 흐르는 전류는 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류량(저항 R9으로 센싱되는 전류량)에 대해 선형적으로 제어된다.
이 경우에는 트랜지스터(Q2)의 베이스-에미터 전압이 분배 저항(R4) 및 도통 저항(R5)의 시정수 값에 따라 변하게 되므로, 제3 LED 그룹(1300)에 흐르는 전류량은 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류량과는 상관없이 제2 LED 그룹(1200)의 전류량에 따라서 선형적으로 제어할 수 있게 된다.
지금까지 도면을 통하여 설명된 본 발명의 실시예 및 구체예에 대하여, 각각의 LED 그룹에 흐르는 전류량을 보다 용이하게 제어하기 위하여 도 9a 및 도 9b의 구체예에 도시된 바와 같이 LED 그룹에 추가 조절 저항(350: R6, R7, R8)을 제공할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 전류 센싱회로로 사용된 저항의 전력 손실을 줄이기 위해 차등 증폭기인 OP-AMP를 사용하여 구성한 다른 실시예를 제공하는데, 도 10의 회로도로서 예시된 실시예에 따르면, OP-AMP U1은 전류 센싱회로의 저항(R1) 양단 전압과 같은 전압을 제2 LED 그룹(1200) 및 제3 LED 그룹(1300)용 제어회로을 구성하는 OP-AMP U2와 OP-AMP U3의 입력 신호로 공급하기 위해 사용한 것으로 OP-AMP의 높은 입력 임피던스 특성을 이용하여 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류치에 영향을 주지 않고 OP-AMP U2와 OP-AMP U3에 입력 신호를 인가할 수 있게 된다. OP-AMP U2, 저항 R2, R3 는 비반전 증폭회로로, 저항 R1의 전력 손실을 줄이기 위하여 작은 저항값을 사용했을 경우, OP-AMP U2의 출력 전압은 수식 VO=(1+R2/R3)VR1 에 따라 증폭된다. 증폭된 전압은 트랜지스터 Q1을 구동하기 충분하며, 위에서 설명한 것과 동일한 방법으로 R4와 R5에 의해 분배된 전압이 트랜지스터 Q1의 베이스에 인가하게 되어, 제2 LED 그룹(1200)의 전류는 제어된다. 제2 LED 그룹(1300)도 동일한 방법으로 저항 R8, R9에 의해 분배된 전압이 트랜지스터 Q2의 베이스에 인가하게 되어, 제2 LED 그룹(1200)의 전류도 제어된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이 LED 모듈을 구성하는 LED 그룹(1100, 1200, 1300)의 파손을 방지하기 위하여 LED 그룹(1100, 1200, 1300)에 정전류 회로(1100a, 1200a, 1300a)를 부가적으로 첨부할 수 있으며, 디밍용 LED 컨버터가 정전류 타입이 아닌 경우에 입력 전압을 변화시켜 앞서 설명한 정전류 타입의 디밍용 LED 컨버터와 동일한 방법으로 색온도 가변이 가능하도록 하는 기능을 수행하게 되는데, 이와 같이 LED 그룹의 최대 전류가 각 그룹별로 제어가 가능하도록 첨부되는 정전류 회로로는 도 12a에 도시된 바와 같이 레귤레이터 LM317가 정전류 레귤레이터로서 사용될 수 있으며, 그리고 도 12b에 도시된 바와 같이 2개의 트랜지스터를 이용한 정전류 회로가 사용될 수도 있을 것이다.
도 12a는 레귤레이터 LM317를 정전류 회로(1100a, 1200a, 1300a)로서 사용할 경우의 회로도이다. LM317은 ADJUST PIN과 OUTPUT PIN의 양단 전압이 1.25V 가 되도록 INPUT PIN과 OUTPUT PIN에 걸리는 전압을 제어함으로써, 수식 IO=1.25V/R 에 의해 저항 R의 값에 따라 각각의 LED 그룹(1100, 1200, 1300)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.
도 12b는 두 개의 트랜지스터로 구성된 정전류 회로(1100a, 1200a, 1300a)를 사용한 경우의 회로로이다. 트랜지스터 Q2는 저항 R2 양단 전압을 센싱하여 LED 그룹에 흐르는 전류를 측정한다. 트랜지스터 Q2의 베이스-에미터 전압(VBE)이 약 0.65V 정도가 되도록 트랜지스터 Q1의 베이스 전류를 제어한다. 따라서, 트랜지스터 Q1은 LED 모듈의 전류를 제어하기 위해, 증폭 영역 즉, 리니어 모드(Linear mode) 로 동작하며, 각각의 LED 그룹(1100, 1200, 1300)에 흐르는 전류는 iLED = VBE(Q2) / R2 과 같이 계산된다. 도면의 저항 R1은 트랜지시터 Q2가 동작할 수 있도록 트랜지스터 Q2의 베이스에 바이어스 전류를 공급하는 역할을 한다.
한편으로, 본 발명의 관점을 적용한 다른 실시예로서, 직류 전압을 입력으로 제공하며 펄스폭 제어(Pulse Width Modulation: PWM) 방식(도 13b 참조)으로 LED 모듈의 밝기를 조절하는 PWM 출력 LED 드라이버(200a)를 구비한 LED 조명기기에도 도 13a에 도시된 바와 같이 PWM 출력 LED 드라이버(200a)를 포함한 공급 전압 가변 장치(2000)에 본 발명에 따른 색온도 가변 제어회로(300)를 적용할 수도 있게 되는데, 이에 따르면 PWM 제어용 조명제어 시스템의 큰 변경없이 색온도 가변 LED 조명기기를 제어할 수 있게 되며, 아울러서 도 14a 내지 도 14c에 도시된 바와 같이 인덕터와 캐패시터로 구성된 Low Pass Filter(400)를 구성하여 LED 모듈로 공급되는 전압을 DC 전압(도 14b 및 도 14c의 평균전압)으로 변경함으로써, PWM 제어용 조명제어 시스템의 큰 변경없이 색온도 가변 LED 조명기기를 제어할 수 있는데, 도 14b와 도 14c는 Low Pass Filter(400) 전후("A" 및 "B" 위치)의 전압 파형도를 비교할 때, Duty측의 ON 시간을 증가(변경)시킴으로써 LED 모듈(1000)로 인가되는 "B" 위치의 전압 레벨이 상승하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 구체예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1000: LED 모듈
1100, 1200, 1300: 제1 LED 그룹, 제2 LED 그룹, 제3 LED 그룹
2000: 공급 전압 가변 장치
100: 조광기
200: 디밍용 LED 컨버터
300: 색온도 가변 제어회로
310: 전류 센싱 회로
310a, 310b: 제1 전류 센싱 회로, 제2 전류 센싱 회로
321: 제2 LED 그룹과 연결되는 제어회로
322: 제3 LED 그룹과 연결되는 제어회로
322: 제2 LED 그룹용 전류 제어용 소자
332: 제3 LED 그룹용 전류 제어용 소자

Claims (10)

  1. 색온도를 달리하는 여러 종류의 LED 그룹으로 구성된 LED 모듈(1000)과;
    상기 LED 모듈로의 공급 전압을 가변할 수 있는 공급 전압 가변 장치(2000)와; 그리고
    상기 공급 전압 가변 장치(2000)로부터 상기 LED 모듈(1000)로 공급되는 가변 전압의 수준에 따라서 색온도를 달리하는 각각의 LED 그룹의 통전 레벨을 조절하는 색온도 가변 제어회로(300)를 포함하여 이루어지고, 그리고
    상기 색온도 가변 제어회로(300)는 LED 모듈(1000)에 입력되는 구동 전압이 낮은 단계에서는 LED 모듈을 구성하는 일부의 LED 그룹(1100)에서만 전류가 통하게 되고, 구동 전압의 증가에 따라서 통전되던 LED 그룹을 흐르는 전류의 세기가 설정 수준에 도달하게 되면 통전되던 LED 그룹(1100)과 다른 색온도를 가진 LED 그룹(1200, 1300)에도 전류가 흐르게 제어하도록 형성되며,
    상기 다른 색온도를 가진 LED 그룹(1200, 1300)에 전류를 통전시키는 전류 제어용 소자(322, 332)로서 트랜지스터(Q1, Q2) 또는 전계효과 트랜지스터와 같은 반도체 소자가 제공되고, 상기 각각의 LED 그룹(1200, 1300)의 통전 레벨을 조절하도록 상기 LED 그룹(1200, 1300)과 연결되는 제어회로(321, 331)로서 분배 저항 및 도통 저항을 포함하여 구성된 전압 분배 저항회로가 제공되며, 그리고
    상기 전압 분배 저항회로의 상기 도통 저항의 양단 전압을 상기 LED 그룹(1200, 1300)의 전류 제어용 소자(322, 332)로서 제공되는 반도체 소자인 트랜지스터(Q1, Q2)의 베이스-에미터 전압으로 인가하며 트랜지스터 도통 전압 이상이 되면 상기 LED 그룹(1200, 1300)의 전류 제어용 소자(322, 332)가 온(ON)됨으로써 당해 LED 그룹이 통전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공급 전압 가변 장치(2000)로서 조광기(100) 및 디밍용 LED 컨버터(200)가 제공되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 색온도 가변 제어회로(300)는 낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류를 전류 센싱 회로(310)를 통하여 센싱하여 나머지 각각의 LED 그룹(1200, 1300)용으로 제공되는 제어회로(321, 331)에 설정된 기준값 이상이 되면 당해 LED 그룹(1200, 1300)용 전류 제어용 소자(322, 332)가 도통되어 당해 LED 그룹(1200, 1300)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 집중 제어 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 색온도 가변 제어회로(300)는 낮은 전압에도 통전되는 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류를 제1 전류 센싱 회로(310a)를 통하여 센싱하여 제2 LED 그룹(1200)과 연결되는 제어회로(321)에 설정된 기준값 이상이 되면 제2 LED 그룹(1200)용 전류 제어용 소자(322)를 도통시켜서 제2 LED 그룹(1200)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하고, 그리고는 나아가 제2 LED 그룹(1200)이 통전되게 되면 제2 LED 그룹(1200)에 흐르는 전류도 제2 전류 센싱 회로(310b)를 통하여 센싱하여 제3 LED 그룹(1300)과 연결되는 제3 LED 그룹(1300)용 제어회로(331)에 설정된 기준값 이상이 되면 제3 LED 그룹(1300)의 전류 제어용 소자(332)도 도통시켜서 제3 LED 그룹(1300)에도 전류가 흐르도록 전류를 제어하는 순차 제어 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  7. 제1항, 제2항, 제5항, 그리고 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 각각의 LED 그룹에 흐르는 전류량을 보다 용이하게 제어하기 위하여 각각의 LED 그룹에 추가 조절 저항(350: R6, R7, R8)이 제공되는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 전류 센싱회로로 사용된 저항의 전력 손실을 줄이기 위해 차등 증폭기인 OP-AMP를 사용하여, 제1 LED 그룹(1100)에 흐르는 전류치에 영향을 주지 않고서 전류 센싱회로의 저항(R1) 양단 전압과 같은 전압을 제2 LED 그룹(1200) 및 제3 LED 그룹(1300)용 제어회로을 구성하는 OP-AMP U2와 OP-AMP U3의 입력 신호로 공급하도록 OP-AMP U1을 연결 사용한 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  9. 제1항, 제2항, 그리고 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, LED 모듈(1000)을 구성하는 LED 그룹(1100, 1200, 1300)의 파손을 방지하기 위하여 각각의 LED 그룹(1100, 1200, 1300)에 정전류 회로(1100a, 1200a, 1300a)를 추가적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
  10. 제1항, 제5항, 그리고 제6항 중에서 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공급 전압 가변 장치(2000)로서 PWM 출력 LED 드라이버(200a)를 포함한 장치를 사용하고, 그리고
    상기 PWM 출력 LED 드라이버(200a)와 상기 색온도 가변 제어회로(300) 사이에 Low Pass Filter(400)를 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 색온도 가변을 위한 LED 구동회로.
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