KR101965249B1 - 색온도 제어를 위한 ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 색온도 제어를 위한 LED 조명장치에 관한 것으로, 제1 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제1 발광다이오드(LED)와, 상기 제1 발광다이오드(LED)와 다른 제2 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제2 발광다이오드(LED)와, 상기 제1 발광다이오드(LED)를 구동하는 제1 LED 구동부와, 상기 제2 발광다이오드(LED)를 구동하는 제2 LED 구동부와, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율에 의해 변화되도록 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 기 설정된 PWM 주파수(fPWM), PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원의 상승시간(rising time)(PWMrising) 및 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)을 바탕으로 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)를 설정하고, 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어함으로써, 발광다이오드(LED)의 온도가 올라가더라도 구동 전력이 낮아지게 되어 보다 안정적인 발광다이오드(LED)의 색온도 제어를 수행할 수 있으며, 색재현의 왜곡을 제거하여 보다 정확한 발광다이오드(LED)의 색상 제어를 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

색온도 제어를 위한 ＬＥＤ 조명장치{LED LIGHTING DEVICE FOR CONTROLLING COLOR TEMPERATURE}
본 발명은 서로 다른 색온도(Color temperature)를 갖는 두 개 이상의 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)들의 안정적이고 정확한 색온도 제어를 위한 LED 조명장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광원의 빛은 색온도(Color temperature)라는 파라미터를 통해 수치적으로 나타낼 수 있다. 어떤 물체가 빛을 띄고 있을 때에, 이 빛과 같은 빛을 띄는 흑체의 온도를 이용하여 물체의 색온도를 결정한다.
이상적인 흑체가 방출하는 빛의 색은 플랑크의 복사법칙에 의해 온도에 의해서만 결정된다. 물체가 가시광선을 내며 빛나고 있을 때에 그 색이 어떤 온도의 흑체가 복사하는 색과 같이 보일 경우, 그 흑체의 온도와 물체의 온도가 같다고 보고 그 온도를 물체의 색온도라고 한다.
즉, 물체의 색온도는 같은 색광을 흑체의 온도(절대온도 K)로 표시된다. 가령 전구의 빛은 2,800K, 형광등의 빛은 4,500∼6,500K, 정오의 태양빛은 5,400K, 흐린 날의 낮빛은 6,500∼7,000K, 맑은 날의 푸른 하늘빛은 12,000∼18,000K 정도의 색온도이다.
조명은 백열등, 할로겐 등, 형광등, 나트륨등, 수은등, 방전등 및 LED(Light Emitting Diode) 조명 등과 같이 다양하게 분류되는데, 각각의 조명은 서로 다른 색온도를 가질 수 있다. 서로 다른 색온도를 갖는 두 개 이상의 광원을 함께 밝힘으로써 새로운 색온도를 얻을 수 있다.
예를 들어, 5,700K의 색온도를 갖는 LED 광원과 3,500K의 색온도를 갖는 LED 광원을 인접 배치하고 동일한 전력으로 구동하면 약 4,400K의 색온도를 얻을 수 있다. 또한 각 광원을 구동하는 전력을 변화시킴으로써 색온도를 변화시킬 수 있다.
이와 같이 LED 광원의 구동 전력을 균일하게 제어하게 되면, LED 편차 및 LED의 온도 변화에 의해 광량 등 동작 조건이 변화하고, 심하게는 파괴가 될 수 있다. 즉, LED의 온도가 올라갈 경우 LED 광원의 전력은 줄어들게 되고 이를 보상하기 위해서 전력을 올려주게 되면 LED가 비정상 동작 조건에게 계속 동작하게 될 수 있는 문제점이 있다.
국내 등록특허 제10-1294106호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 다른 색온도(Color temperature)를 갖는 두 개 이상의 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)들의 색온도 제어를 위하여 전류원을 통해 정전류(Constant Current) 구동 방식으로 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어를 수행함으로써, 발광다이오드(LED)의 온도가 올라가더라도 구동 전력이 낮아지게 되어 보다 안정적인 발광다이오드(LED)의 색온도 제어를 수행할 수 있도록 한 색온도 제어를 위한 LED 조명장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기 설정된 PWM 주파수, PWM 입력에 따른 전류원의 상승시간 및 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값을 바탕으로 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위를 설정하고, 상기 설정된 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위에 따라 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 색온도가 변화되도록 제어하여 광원의 제어 가능한 영역 즉, 광원의 색상 제어 영역을 제한함으로써, 색재현의 왜곡을 제거하여 보다 정확한 발광다이오드(LED)의 색상 제어를 구현할 수 있도록 한 색온도 제어를 위한 LED 조명장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 제1 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제1 발광다이오드(LED); 상기 제1 발광다이오드(LED)와 다른 제2 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제2 발광다이오드(LED); 상기 제1 발광다이오드(LED)를 구동하는 제1 LED 구동부; 상기 제2 발광다이오드(LED)를 구동하는 제2 LED 구동부; 및 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율에 의해 변화되도록 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 기 설정된 PWM 주파수(fPWM), PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원의 상승시간(rising time)(PWMrising) 및 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)을 바탕으로 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)를 설정하고, 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)는 하기의 식 1에 의해 설정됨이 바람직하다.
(식 1)
PWMrising × fPWM < CODEMIN / M,
R = [CODEMIN, M-CODEMIN]
여기서, PWMrising은 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)이고, fPWM는 PWM 주파수(frequency)이며, M은 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값이며, CODEMIN은 최소 PWM 코드(code) 값으로 양의 정수이다.
바람직하게, 상기 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)(PWMrising)은 안정화 전류의 85％ 내지 95％ 범위시점으로 설정될 수 있다.
바람직하게, 상기 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)(PWMrising)은 50nsec 내지 50usec 범위로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 PWM 주파수(fPWM)는 1kHz 내지 50kHz 범위로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 색온도는 2000K 내지 3500K 범위로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제2 색온도는 5700K 내지 6500K 범위로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 LED 구동부는, 상기 제어부로부터 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 정전류(Constant Current) 구동 방식으로 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기를 조절하기 위한 스위칭 입력신호를 상기 제어부로 출력하는 적어도 하나의 밝기조절 스위치부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 밝기조절 스위치부로부터 출력된 스위칭 입력신호를 제공받아 이를 기반으로 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 독립적으로 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 상기 제1 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태에서 상기 제2 발광다이오드(LED)의 광원이 오프(OFF)되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하며, 상기 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태에서 상기 제1 발광다이오드(LED)의 광원이 오프(OFF)되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율은, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 밝기가 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)의 진행에 따라 서로 대칭되게 선형적으로 증가 및 감소되도록 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 색온도 제어를 위한 LED 조명장치에 따르면, 서로 다른 색온도(Color temperature)를 갖는 두 개 이상의 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)들의 색온도 제어를 위하여 전류원을 통해 정전류(Constant Current) 구동 방식으로 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어를 수행함으로써, 발광다이오드(LED)의 온도가 올라가더라도 구동 전력이 낮아지게 되어 보다 안정적인 발광다이오드(LED)의 색온도 제어를 수행할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기 설정된 PWM 주파수, PWM 입력에 따른 전류원의 상승시간 및 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값을 바탕으로 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위를 설정하고, 상기 설정된 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위에 따라 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 색온도가 변화되도록 제어하여 광원의 제어 가능한 영역 즉, 광원의 색상 제어 영역을 제한함으로써, 색재현의 왜곡을 제거하여 보다 정확한 발광다이오드(LED)의 색상 제어를 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용된 발광다이오드의 광원 색상제어범위를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 PWM 입력에 따른 전류원의 상승시간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 PWM 주파수별 및 전류원의 상승시간별 최소 PWM 코드 값을 나타낸 표이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고, 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 적용된 발광다이오드의 광원 색상제어범위를 설명하기 위한 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용된 PWM 입력에 따른 전류원의 상승시간을 설명하기 위한 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 PWM 주파수별 및 전류원의 상승시간별 최소 PWM 코드 값을 나타낸 표이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED(Light Emitting Diode) 조명장치는, 크게 적어도 하나의 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N), 적어도 하나의 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N), 제1 LED 구동부(300), 제2 LED 구동부(400), 제어부(500), 및 전원공급부(600) 등을 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치는 적어도 하나의 밝기조절 스위치부(700) 등을 추가적으로 더 포함할 수도 있다. 한편, 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치는 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 가질 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치의 구성요소들에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)는 웜 발광다이오드(Warm LED)로서, 제1 색온도를 갖는 광원을 발생하는 기능을 수행한다.
이때, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)에서 발생하는 광원의 제1 색온도는 예컨대, 약 2000K 내지 3500K 범위로 이루어짐이 바람직하다.
제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)는 쿨 발광다이오드(Cool LED)로서, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)와 다른 제2 색온도를 갖는 광원을 발생하는 기능을 수행한다.
이때, 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 발생하는 광원의 제2 색온도는 예컨대, 약 5700K 내지 6500K 범위로 이루어짐이 바람직하다.
제1 LED 구동부(300)는 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)를 구동하는 기능을 수행하는 바, 제어부(500)로부터 생성된 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호에 따라 복수의 구동 스위치들의 온/오프(ON/OFF) 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하여, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)에 공급되는 출력 전류를 제어하는 기능을 수행한다.
즉, 제1 LED 구동부(300)는 전류원(current source)(미도시)을 통해 전력(power)이 아닌 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 전류를 제어하는 정전류(Constant Current) 구동 방식을 사용한다.
이러한 제1 LED 구동부(300)는 제어부(500)로부터 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 정전류 구동 방식으로 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)를 구동함이 바람직하다.
한편, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 구동 전력을 균일하게 제어하게 되면, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 편차 및 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 온도 변화에 의해 광량 등 동작 조건이 변화되고, 심하게는 파괴가 될 수 있다.
즉, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 온도가 올라갈 경우, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 광원 전력은 줄어들게 되고 이를 보상하기 위해서 광원 전력을 올려주게 되면 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)가 비정상 동작 조건에게 계속 동작하게 될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 정전류 구동 방식을 사용하게 되는데, 이는 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 온도가 올라가게 되면 전류는 고정임에 반하여, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 순방향 전압(Vf)이 낮아지게 되므로 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 구동 전력은 낮아지게 된다.
이러한 정전류 구동 방식은 예컨대, 일반적인 교류(AC) LED 구동 방식, Valley-fill을 사용한 플리커 프리(flicker-free) 구조, 안정적인 디밍 기능을 구현할 수 있는 교류 LED 구동회로의 플리커 프리(flicker-free) 구조(국내특허등록 제10-1626360호 참조), SMPS(Switched mode power supply)를 사용 직류(DC) 구동시 전류원 제어 방식 등으로 구현될 수 있다.
제2 LED 구동부(400)는 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)를 구동하는 기능을 수행하는 바, 제어부(500)로부터 생성된 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호에 따라 복수의 구동 스위치들의 온/오프(ON/OFF) 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하여, 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에 공급되는 출력 전류를 제어하는 기능을 수행한다.
또한, 제2 LED 구동부(400)는 전술한 제1 LED 구동부(300)와 동일한 기능을 수행하므로, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 제1 LED 구동부(300)의 설명을 참조하기로 한다.
제어부(500)는 본 발명의 일 실시예에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치의 전체적인 제어를 수행하는 바, 특히, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 각각 발생하는 광원의 제1 색온도 및 제2 색온도가 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율에 의해 변화되도록 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)의 동작을 각각 제어하는 기능을 수행한다.
또한, 제어부(500)는 기 설정된 PWM 주파수(fPWM), PWM 입력(input)에 따른 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)에 구비된 전류원(current source)(미도시)의 상승시간(rising time)(PWMrising) 및 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 밝기단계 값(M)을 바탕으로 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 색상제어범위(R)를 설정하고, 상기 설정된 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)의 동작을 각각 제어하는 기능을 수행한다.
이때, 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 색상제어범위(R)는 하기의 식 1에 의해 설정됨이 바람직하다.
(식 1)
PWMrising × fPWM < CODEMIN / M,
R = [CODEMIN, M-CODEMIN]
여기서, PWMrising은 PWM 입력(input)에 따른 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)이고, fPWM는 PWM 주파수(frequency)이며, M은 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 밝기단계 값이며, CODEMIN은 최소 PWM 코드(code) 값으로 양의 정수(1, 2, 3, ……)이다.
즉, 펄스 폭 변조(PWM) 제어의 경우, PWM 입력에 대해 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원의 상승시간(PWMrising)이 색상 제어 영역의 한계로 나타난다.
한편, 상기 PWM 입력에 따른 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원의 실제 상승시간(PWMrising)은 PCB(Printed Circuit Board)의 기생적인(parasitic) 성분과 제어 회로의 RC 상수(constant)에 의해서 결정되며, 최종 제품 개발에 따라 상승시간 측정이 필요하다. 이렇게 측정된 PWM 입력에 따른 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원의 상승시간(PWMrising)은 최소 PWM 코드(code) 값을 결정한다.
그리고, PWM 입력에 따른 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원의 상승시간(PWMrising)은 안정화 전류의 약 85％ 내지 95％ 범위시점(더욱 바람직하게, 약 90％ 시점)으로 설정됨이 바람직하다.
만약, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 각각 발생하는 광원의 제1 색온도 및 제2 색온도를 선형적으로 M 단계로 구분할 경우, 그리고 PWM 주파수(frequency)를 fPWM으로 할 때, 상기 식 1의 관계를 가질 수 있다.
한편, PWM 입력에 따른 제1 및 제2 LED 구동부(300 및 400)에 구비된 전류원의 상승시간(PWMrising)은 약 50nsec 내지 50usec 범위로 이루어짐이 바람직하며, PWM 주파수(fPWM)는 약 1kHz 내지 50kHz 범위로 이루어짐이 바람직하다.
예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 각각 발생하는 광원을 M=256 단계로 밝기 제어하기를 희망하는 경우, 각 case별(case 1, case 2, 및 case 3) PWM 주파수(fPWM)의 조건에 따른 최소 PWM 코드 값(CODEMIN)은 도 4의 (a)와 같이 결정된다. 즉, 40kHz의 PWM 주파수를 사용하기 위해서는 case 1, case 2, 및 case 3에 대한 최소 PWM 코드 값(CODEMIN)은 1, 2, 및 3으로 결정된다.
그리고, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 각각 발생하는 광원을 M=512 단계로 밝기 제어하기를 희망하는 경우, 각 case별(case 1, case 2, 및 case 3) PWM 주파수(fPWM)의 조건에 따른 최소 PWM 코드 값(CODEMIN)은 도 4의 (b)와 같이 결정된다.
이때, 최소 PWM 코드 값(CODEMIN)이 4이면, 제어 가능한 범위는 4∼(M-4)에 해당하는 구간과 필요에 따라 광원 오프(OFF)와 최대 밝기 영역을 사용 가능한 것으로, 1∼3, M-3, M-2, 및 M-1로 표시되는 영역의 광원 제어는 제외되도록 광원 제어 가능한 구간을 제한한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 2의 (a)의 경우는 일반적으로 기대하는 두 광원을 이용한 이상적인 색상 및 색온도 조절방식이다. 색상 2 상황에서는 색상 2를 위한 광원이 최대이고, 색상 1광원은 0의 값이다. 반대로 색상 1 상황에서는 색상 1을 위한 광원이 최대이고, 색상 2 광원은 0이다.
하지만, 도 2의 (b)의 경우가 보통의 실제 구현했을 때 발생하는 상황이다. 도 2의 (b)에서 색상 1 광원과 색상 2 광원 모두 낮은 밝기를 표현하는데 어려움을 겪는 것을 볼 수 있다.
이것은 제어신호의 아날로그 및 디지털 신호의 오차, 그리고 광원 출력의 최소 표현 단위 값 등에 의해 결정되며, 낮은 크기의 출력에서는 그 오차 값이 상대적으로 커지기 때문에, 더 이상 안정적인 제어가 되지 않게 된다.
이는 디지털, 아날로그 방식 모두에서 발생하는 것으로 디지털 신호에서는 상승시간(rising time)/하강시간(falling time)의 한계, 아날로그에서는 신호의 허용 오차(tolerance) 등에서 발생한다고 볼 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 각각 발생하는 광원의 제1 색온도와 제2 색온도의 오차가 커지는 영역에 들어가기 전으로 색상 제어 영역 즉, 광원 색상제어범위(R)를 제한하는 것이다. 이에 따라, 전체 색상 제어 범위를 약간 희생하는 대신에 매우 정확한 색상 제어를 구현할 수 있게 된다.
또한, 제어부(500)는 밝기조절 스위치부(700)로부터 출력된 스위칭 입력신호를 제공받아 이를 기반으로 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 발생하는 광원의 제1 색온도 및 제2 색온도가 변화되도록 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)의 동작을 각각 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 제어부(500)는 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태에서 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)의 광원이 오프(OFF)되도록 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)의 동작을 각각 제어할 수 있다.
또한, 제어부(500)는 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태에서 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)의 광원이 오프(OFF)되도록 제1 LED 구동부(300) 및 제2 LED 구동부(400)의 동작을 각각 제어할 수 있다.
즉, 제어부(500)는 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N)의 광원 색상제어범위(R = [CODEMIN, M-CODEMIN])의 영역과 제어 코드(control code) 값 0, M 에 대해서만 제어를 진행하여, 색재현의 왜곡을 제거할 수 있다.
이때, 상기 제어 코드(control code) 값 0, M 은 각 제1 및 제2 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N)(200-1 내지 200-N) 광원의 오프(OFF), 최대 밝기(Max brightness) 영역이므로, 제어에 의한 왜곡이 없으므로 필요시 사용 가능하다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율은, 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)에서 발생하는 광원의 밝기가 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)의 광원 밝기단계 값(M)의 진행에 따라 서로 대칭되게 선형적으로 증가 및 감소되도록 이루어짐이 바람직하다.
전원공급부(600)는 각 부들 즉, 제1 LED 구동부(300), 제2 LED 구동부(400), 제어부(500), 및 밝기조절 스위치부(700) 등에 필요한 전원을 공급하는 기능을 수행하는 바, 계속적인 전원 공급을 위해 상용 교류(AC) 전원(예컨대, AC 220V)을 직류(DC) 및/또는 교류(AC) 전원으로 변환되도록 구현함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 통상의 휴대용 배터리로(Battery) 구현할 수도 있다.
밝기조절 스위치부(700)는 각 제1 발광다이오드(LED)(100-1 내지 100-N) 및 각 제2 발광다이오드(LED)(200-1 내지 200-N)의 광원 밝기를 조절하기 위한 스위칭 입력신호를 제어부(500)로 출력하는 기능을 수행한다.
이러한 밝기조절 스위치부(700)는 예컨대, 토글(Toggle) 스위치, 풀(Pull) 스위치, 슬라이드(Slide) 스위치, 누름(Push) 스위치, 마이크로(Micro) 스위치, 딥(Dip) 스위치 또는 로터리(Rotary) 스위치 중 적어도 하나의 스위치로 이루어짐이 바람직하다.
여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 그러한 실시예들이 제어부(500)에 의해 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 절차나 기능과 같은 실시예들은 적어도 하나의 기능 또는 작동을 수행하게 하는 별개의 소프트웨어 모듈과 함께 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션에 의해 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어 코드는 저장부(미도시)에 저장되고, 제어모부(500)에 의해 실행될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 색온도 제어를 위한 LED 조명장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100-1 내지 100-N : 제1 발광다이오드(LED),
200-1 내지 200-N : 제2 발광다이오드(LED),
300 : 제1 LED 구동부,
400 : 제2 LED 구동부,
500 : 제어부,
600 : 전원공급부,
700 : 밝기조절 스위치부

Claims (11)

  1. 제1 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제1 발광다이오드(LED);
    상기 제1 발광다이오드(LED)와 다른 제2 색온도를 갖는 광원을 발생하는 적어도 하나의 제2 발광다이오드(LED);
    상기 제1 발광다이오드(LED)를 구동하는 제1 LED 구동부;
    상기 제2 발광다이오드(LED)를 구동하는 제2 LED 구동부; 및
    상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율에 의해 변화되도록 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 제어신호를 생성하고, 상기 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)는 하기의 식 1에 의해 설정되고,
    (식 1) PWMrising × fPWM < CODEMIN / M, R = [CODEMIN, M-CODEMIN]
    여기서, PWMrising은 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)이고, fPWM는 PWM 주파수(frequency)이며, M은 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값이며, CODEMIN은 최소 PWM 코드(code) 값으로 양의 정수이다.
    상기 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)(PWMrising)은 안정화 전류의 85％ 내지 95％ 범위시점으로 설정되며,
    상기 PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원(current source)의 상승시간(rising time)(PWMrising)은 50nsec 내지 50usec 범위로 이루어지고, 상기 PWM 주파수(fPWM)는 1kHz 내지 50kHz 범위로 이루어지며,
    상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하기 위한 기 설정된 정전류의 비율은, 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 밝기가 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)의 진행에 따라 서로 대칭되게 선형적으로 증가 및 감소되도록 이루어지며,
    상기 제어부는, 기 설정된 PWM 주파수(fPWM), PWM 입력(input)에 따른 상기 제1 및 제2 LED 구동부에 구비된 전류원의 상승시간(rising time)(PWMrising) 및 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)을 바탕으로 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)를 설정하고, 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하며, 상기 광원 색상제어범위(R)가 최대(M-CODEMIN)인 상태부터 상기 제1 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태까지의 범위[M-CODEMIN, M]에서 상기 제2 발광다이오드(LED)의 광원이 오프(OFF)되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하며, 상기 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기단계 값(M)이 최대인 상태부터 상기 광원 색상제어범위(R)가 최소(CODEMIN)인 상태까지의 범위[0, CODEMIN]에서 상기 제1 발광다이오드(LED)의 광원이 오프(OFF)되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치.
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  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 색온도는 2000K 내지 3500K 범위로 이루어지며,
    상기 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제2 색온도는 5700K 내지 6500K 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 LED 구동부는, 상기 제어부로부터 생성된 펄스 폭 변조(PWM) 제어신호에 따라 정전류(Constant Current) 구동 방식으로 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)를 구동하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 밝기를 조절하기 위한 스위칭 입력신호를 상기 제어부로 출력하는 적어도 하나의 밝기조절 스위치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 밝기조절 스위치부로부터 출력된 스위칭 입력신호를 제공받아 이를 기반으로 상기 설정된 제1 및 제2 발광다이오드(LED)의 광원 색상제어범위(R)에 따라 상기 제1 및 제2 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광원의 제1 및 제2 색온도가 변화되도록 상기 제1 및 제2 LED 구동부의 동작을 각각 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 색온도 제어를 위한 LED 조명장치.
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