KR200285069Y1 - 결함복구 led - Google Patents

Abstract

본 고안은 다수의 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)로 신호등, 전광판, 전등과 같은 발광부를 구성하는 다수의 LED 중 일부의 LED에 결함이 발생하더라도, 나머지 LED에 영향을 주지 않고 정상적인 동작이 가능한 LED에 관한 것이다.

본 고안의 결함복구 LED를 구비하는 하나이상의 결함복구 LED는 각각 직렬 또는 직·병렬로 연결되어, 일부 LED에 결함이 발생하여도 다른 LED에 의한 발광부에 단락을 방지하는 루프 형성 소자(제너다이오드)와, LED의 단락에 따른 전체 저항 값의 변화를 방지하는 저항(LED의 저항값 - 제너다이오드 저항값) 및 발광소자인 LED를 일체로 구성한 결함복구 LED이다.

Description

결함복구 LED { The LED recovering a defect }

본 고안은 다수의 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED , 이하 LED라 함)를 이용한 전광판, 교통 신호등, 백열등을 대체하는 LED 전등과 같은 발광부를 갖는 LED에 있어서 LED간에 배선을 직렬배선, 병렬배선 하거나 혼합하여 LED간에 직·병렬 배선하여 발광부를 구성하였다.

대표적인 일 예로 LED 교통신호등의 경우 신호를 표시하는 LED 발광부는 200-300개 정도의 LED를 직·병렬로 배선하여 사용하였다.

그러나, 직렬로 배선된 LED 중 한 개의 LED만이라도 결함이 발생하여 단락 될 경우 직렬 연결된 정상의 다른 LED들도 모두 소등되는 문제점이 있어 왔다.

그래서, 출원번호 10-1998-0022249; 발광다이오드를 이용한 전등회로 및 전등구조, 출원번호 10-2001-0030150; 내결함성 교통신호등, 출원번호 10-2001-7010020; 전원장치 및 LED 램프장치 등에서 상기의 문제점을 해결하고자 LED간 배치를 직·병렬의 매트릭스(matrix)구조로 배열하고 동일 행에서는 직렬 연결되고 동일 열에서는 병렬 연결되어 망상형(網狀形)으로 이루어지는 발광부와 각각의 마지막 열에는 극성이 반대 방향으로 제너다이오드(zener diode)를 병렬로 구성하여 특정열의 모든 LED에서 고장이 발생된 경우에는 제너항복(zener breakdown)이 발생하여 전류를 다음열의 LED로 전달하는 회로재생부를 갖거나, 모든 LED를 직렬로 배선하고 각각의 LED에 반대극성의 제너다이오드를 병렬로 구성하였다.

그러나 종래 기술은 아래와 같은 문제점이 있다.

첫째. 일 예로 도 3과 같이 모든 LED를 직렬로 배선하고 각각의 LED에 반대극성의 제너다이오드를 병렬로 구성할 경우, 16번 LED가 단락되어 제너항복(zener breakdown)이 발생하여 32번 제너다이오드가 전류를 도통시켜 나머지 17 ∼ 20번 LED를 점등시킬 경우 16번 LED가 갖게되는 저항분이 소멸되어 전체적으로 저항이 약 20%정도 감소하게 된다. 그에 따라 17 ∼ 20번 LED에 전류가 20% 정도 더 흐르게되고, 이에 따라 17 ∼ 20번 LED의 수명이 감소하며, 연쇄적으로 급속히 모든 LED의 수명이 짧아지는 악순환이 발생하게 된다.

둘째. 일 예로 도 4와 같이 직·병렬로 구성된 발광부의 경우 10번 LED에 결함이 발생하여 단락 되더라도 LED 들은 망상형 구조로 배선되어 있으므로 11번, 12번 LED가 전류를 도통하여 11 ∼ 15번 LED는 점등되나, 11번 12번 LED는 10번 LED의 전류분까지 나누어 분담하므로 11번 12번 LED는 정격전류(10번 LED의 단락전 전류량)의 150%의 전류가 흐르게되어 수명이 짧아져 연쇄적으로 11번 12번 LED가 조기에 단락된 후 30번 제너다이오드에 의해 전체적으로는 13번 LED 이후로의 LED가 점등된다. 그러나, 병렬 연결된 LED들의 수명단축 및 상기 첫째번의 문제와 같이 전체저항의 변화로 나머지 직렬 연결된 LED에 영향을 미치게 된다.

셋째. 일 예로 200개의 LED로 발광부를 갖는 LED 교통신호기에 있어서 LED가 20∼40% 사이에 심각한 고장에서 기인하는 광출력의 손실을 감지하도록 설계할 경우 LED의 고장에서 기인하는 광출력의 손실을 20%보다 작은 광출력의 손실에 대해서는 감지되지 않을 것이지만 40%를 초과하는 광출력의 손실에 대해서는 감지할 경우 광량의 유효한 손실을 감지함에 있어서 선간전류에 대하여 500㏀의 임피던스를 갖게끔 설계할 경우, LED의 20%가 단락될 경우 전체 저항은 20%가 감소하고 전류량이 20% 증가하며, 상대적으로 20%의 과전류가 흐르고 과전류는 일정치까지 LED의 광량을 증가시키게되어 광량의 20%감소는 LED의 20% 이상의 결함이 나타난 후일 수 있다. 이 경우 정상의 LED에 수명을 급격히 감소시키는 악순환이 초래되며, 이를 방지하고자 전류궤환회로를 삽입하여 저항의 감소분에 맞추어 정격전류만 도통시킬 수 있으나, 이 경우 각각의 LED들이 직렬 연결로만 이루어진 경우에 한하여 문제의 해결점을 찾을 수 있고, 상기 둘째 문제와 같이 직·병렬로 배선된 경우 단락된 LED의 병렬 연결된 해당열 LED들의 수명 단축은 피할 수 없게된다.

넷째. 일 예로 직렬로 200개의 LED로 구성된 발광부를 갖는 LED 교통신호등의 경우 일부 LED의 결함에 따른 전류량의 변화를 보상하는 정전류 제어를 실시할 때에 제작단가의 상승 및 200개의 제너다이오드가 회로기판에 LED와 함께 배치됨에 따라 배선의 복잡함이 나타나며, 각각의 LED가 20mA-2V의 정격용량을 가질 경우 LED 발광부의 전체에 정격 전압은 400V가 되어 220V 상용전원을 사용할 경우 승압트랜스를 사용하는 것이 적정하다고 할 수 있다. 트랜스를 사용할 경우 효율의 감소 및 제작단가의 상승을 초래하며, 기존의 전구식 신호등의 대체용으로 설계하여 함체의 변형없이 함체안에 대체용 LED 교통신호등 모듈을 설치할 경우 트랜스의 부피는 모듈설계에 장해 요소가 된다.

다섯째. 일 예로 LED 교통신호등 발광부의 경우 다수의 LED를 직·병렬로 배선하고 각각의 LED에 병렬로 반대 극성의 제너다이오드를 구성하여 기존의 전구식 신호등의 대체용으로 설계하여 함체의 변형없이 함체안에 대체용 LED 교통신호등 모듈을 설치 할 경우 결함이 발생한 LED만을 교체할 때 차량신호등 함체(약 가로 355mm, 세로 355mm, 폭 220mm) 안에 회로기판를 설치하고 LED와 같은 수의 제너다이오드를 회로기판에 배치할 경우 공간의 협소한 문제를 갖게된다.

여섯째. 일 예로 LED 교통신호등에 있어서 LED와 1:1로 제너다이오드를 병렬로 구성할 경우, 함체안에 LED와 제너다이오드가 1 : 1로 병렬 배선된 상태에서 한 회로기판에 설치할 경우 회로기판이 협소한 문제 및 결함이 발생한 LED만 교체할 경우 회로기판의 협소한 문제는 결함이 발생된 LED의 교체를 어렵게 한다.

그래서 LED가 배치된 회로기판과 제너다이오드, 전원공급부, 제어부를 별도의 회로기판상에 배치할 경우 200개 정도의 LED에 1:1로 제너다이오드를 배선하는 것은 어려움이 많으며, LED 회로기판의 이면에 서로 반대로 배치할 경우에도 역시 결함이 발생된 LED의 교체가 어려우며, 소켓 전구형으로 LED를 구성할 경우 교체의 편리성은 있으나 소켓부의 부피가 큰 문제가 있다.

상기와 같은 기존의 문제를 함축적으로 정리하면 회로기판의 협소 및 배선의 복잡함, 결함이 발생한 LED의 단락만으로 결함 부위를 최소화하기 위해 제너다이오드를 사용하지만 LED의 단락에 따른 저항 변화를 효과적으로 보상해주지 못해 다른 정상의 LED에 영향을 미쳐 수명단축의 문제를 유발하는 점, 결함이 발생한 LED만을 교체할 경우 LED와 1:1로 제너다이오드를 회로기판상에 같이 배선할 경우 회로기판의 협소화로 결함 LED에 교체의 어려움 등이 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제를 해결하고자 최적의 공간활용과 결함이 발생한 LED의 손쉬운 교체 및 일부 LED에 결함이 발생한 경우에도 다른 정상적인 LED의 점등 및 결함이 발생한 LED의 단락에 따른 저항 변화를 최소화할 수 있는 결함복구 LED에 관한 것이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 발광부를 형성하는 하나이상의 LED 중에서 일부 LED에 결함이 발생하더라도 다른 LED에 정상적인 동작이 가능하게 하며, 결함이 발생한 LED로 인해 전체적으로 저항값에 변화를 주지않아 전류량의 변화로 정상 LED들의 수명 단축의 문제를 초래하지 않으며, LED 배치 회로기판에 배선을 복잡하게 하지 않으며, 회로기판상의 점유면적을 최소화하는 구조로, 결함이 발생된 LED만을 쉽게 교체할 수 있는 LED 구조 및 회로기판을 제공하기 위해 도 1과 같이 결함복구 LED 내부에 LED 칩(80), 제너다이오드 칩(60), 저항(50)을 일체로 구성하고 제너다이오드는 LED와 극성이 반대방향으로 배치하며 저항은 점등시 LED 저항과 LED 단락시 전류를 도통할 때 제너다이오드 저항의 차에 해당하는 저항값을 갖게 하여 간단히 결함복구 LED를 회로기판에 삽입 후 고정시킴으로써 결함에 의한 일부 LED의 단락에도 제너다이오드의 제너항복 및 저항의 작용으로 다른 LED들은 정상 작동하며, 전체 저항의 변화가 없게하며, 회로기판에 LED 삽입구를 2배수 더 확보하고 공통 배선하여 유지보수를 편리하게 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 LED 칩, 제너다이오드 칩, 저항을 일체로 구성한 결함복구 LED 일례 도

도 2는 LED, 제너다이오드, 저항 각각의 개별소자를 일체로 구성한 결함복구 LED 일례 도

도 3은 기존의 제너다이오드를 이용한 직렬 발광부 회로도

도 4은 기존의 제너다이오드를 이용한 직·병렬 발광부 회로도

도 5는 본 고안의 결함복구 LED로 발광부를 직렬 구성하였을 때의 회로도

도 6은 본 고안의 결함복구 LED로 발광부를 직·병렬 구성하였을 때의 회로도

도 7은 이중의 에노드 단자, 캐소드 단자 삽입 홀과 공통 배선된 회로기판 일례 도

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10∼26 : LED 30 ∼ 43 : 제너다이오드

50 : 저항 60 : 제너다이오드 칩

70∼76 : 저항 80 : LED 칩

90 : LED 92 ∼ 95 : 회로기판 삽입구

97 : 에노드 단자 98 : 캐소드 단자

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 결함복구 LED는 제 1의 특징으로 LED와 제너다이오드의 극성이 반대로 병렬 연결됨과 동시에 점등시 LED 저항과 LED 단락에 따른 제너항복의 발생으로 제너다이오드 도통시 저항과의 차의 저항을 제너다이오드와 직렬로 구성하여 평상시 정상적으로 LED 점등시 제너다이오드와 저항은 전류를 도통시키지 않으나 LED 단락시 항복전압이 발생하여 제너다이오드가 도통되며 회로를 재구성하여 단락된 LED 이후의 LED를 점등시키며, 단락된 LED의 저항분을 제너다이오드와 직렬 연결된 저항이 대체하여 전체 저항의 변화를 주지 않는 것을 특징으로 한다.

제 2의 특징으로 직렬로 저항과 제너다이오드를 연결하고 LED와 병렬로 공통의 에노드 단자와 캐소드 단자에 결합함으로써 하나의 소자로 일체화한 결함복구 LED를 구성함을 특징으로 한다.

제 3의 특징으로 LED 내부에 LED 칩과 제너다이오드의 칩, 저항을 일체로 수지몰드안에 봉입하여 공통으로 에노드 단자와 캐소드 단자에 연결되어 하나로 일체화된 것을 특징으로 한다.

제 4의 특징으로 회로기판에 이중으로 결함복구 LED의 에노드 단자와 캐소드 단자의 삽입 홀을 구성하고 각각 공통으로 배선된 회로기판을 통해 LED에 결함이 발생할 경우 결함이 발생한 LED를 제거하고 공통으로 배선된 이중의 삽입 홀에 새 결함복구 LED를 삽입 후 고정하면 되는 회로기판을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안의 일 실시 예를 나타낸 것으로 결함복구 LED는 빛을 발광하는 LED 칩(80)과 극성을 반대로한 제너다이오드 칩(60)은 병렬로 연결하고, 정격전압 점등시 LED 칩(80)의 저항과 LED 단락시 전류를 도통할 때 제너다이오드 칩(60)의 저항과의 차에 해당하는 저항값을 갖는 저항(50)을 제너다이오드 칩(60)과 직렬로 일체 구성하여 수지몰드로 봉입한 것으로 동일한 에노드 단자(97), 캐소드 단자(98)를 사용한다.

도 2는 본 고안의 다른 일 실시 예로 LED(90), 제너다이오드(43), 저항(76)의 개별소자를 LED(90)의 에노드 단자(97), 캐소드 단자(98)에 결합하여 구성한 일 예로 역시 LED(90)와 제너다이오드(43)는 극성이 반대이며 저항(76)은 LED(90)와 제너다이오드(43)의 전류 도통시 저항값의 차에 해당하는 값을 가져 제너다이오드(43)와 직렬로 배선되어 LED(90)가 단락될 경우 제너다이오드(43)의 제너항복(zener breakdown)의 발생으로 전류를 도통시키며, 전류 도통시 제너다이오드(43)의 저항과 저항(76)의 합의 저항은 점등시 LED(90)와 동일한 저항으로 전체 저항에는 변화가 없게된다.

도 5는 본 결함복구 LED 2개를 직렬 연결할 경우 내부 회로도이며, 도 6은 본 결함복구 LED 4개를 2개는 직렬로 2개는 병렬로 직·병렬 연결 할 경우 내부 회로도이다.

도 7은 3행 3열 매트릭스 구조의 회로기판으로 결합복구 LED의 에노드, 캐소드 단자를 92, 93 구멍에 끼우고 사용하다 결함복구 LED에 결함이 발생되어 교체할 경우 결함이 발생한 결함복구 LED의 에노드, 캐소드 단자를 잘라버린 후 새로운 정상의 결합복구 LED를 94, 95 구멍에 끼우고 회로기판에 납땜 등으로 고정시키면 간편히 교체가 가능한 구조를 이루고 있는 회로기판으로 만약에 일반의 LED와 제너다이오드로만 구성된 발광부를 가질 경우에는 단락된 LED를 교체 후 납땜 등으로 고정하여야 하는 바 협소한 공간에 LED와 제너다이오드 등이 동시에 배치된 상태라 수리가 매우 불편할 것이다.

본 고안의 일 실시 예와 같이 하나의 결함복구 LED내에 LED, 제너다이오드, 저항이 일체로 구성되어 회로설계의 복잡성과 회로기판의 복잡함을 단순화하였으며, 하나이상의 결함복구 LED로 발광부를 구성함에 있어 제작과정이 단순화하는 특징을 갖는다.

본 고안의 실시에 따라 도 1의 경우 LED 칩(80)의 결함으로 단락될 경우 제너다이오드 칩(60)의 항복전압 발생으로 끊어진 회로를 복구하여 전류를 도통시키며, LED 칩(80)의 단락으로 전체 저항이 감소하는 것을 막기 위한 저항(50)의 작용으로 정상의 다른 결함복구 LED에 과전류가 흐르는 등의 문제를 발생하지 않고 정상 점등하게 한다.

바람직한 일 실시 예로 이해의 편의상 도 2와 같은 구성의 결함복구 LED를 교통신호등의 발광부에 적용할 경우, 220V 상용전원에 LED(90)은 20mA-2V LED 200개로 구성되면 한 개 LED(90)당 저항이 100Ω 이다. 제너다이오드(43)의 항복전압 발생으로 전류 도통시 제너다이오드(43)의 저항이 5Ω일 경우, 저항(76)의 저항 값은 95Ω이며, 결함복구 LED 교통신호등의 전원 공급부 등 기타의 구성 요소의 임피던스(부하저항)가 500Ω일 경우 결함복구 LED는 직렬로 100개, 병렬로 2개가 망상형으로 결합되어 100*2의 매트릭스를 구성한다. 그러면 기타 구성요소의 임피던스를 포함하여 전체 임피던스는 5.5㏀으로, 220V, 40mA의 특성을 갖는 결함복구 LED 교통신호등이 구성된다. 상기 예를 통해 보듯이 직렬과 병렬 연결을 조정하면 상용전원으로 사용하는 220V의 전압치를 손쉽게 얻을 수 있어 트랜스를 사용하지 않는 회로 응용 예가 가능해진다.

제너다이오드(43)와 저항(76), LED(90)을 일체로 구성함에 따라 간편한 제작과정과 LED(90)의 결함으로 인한 저항감소 등의 영향을 최소화하여 안전한 설계가 가능하다.

예민한 반도체 소자를 활용하는 관계로 미세한 전압, 전류변화에도 쉽게 파손될 수 있으므로 결함복구 LED의 LED(90)의 결함으로 LED(90)가 점등되지 않고, 저항(76)과 반대극성의 제너다이오드(43)의 항복전압으로 전류를 도통만 하는 경우 결함이 발생한 결함복구 LED의 간단한 교체를 위하여 도 7과 같이 회로기판에 결함복구 LED의 삽입 구멍을 이중으로 뚫고 배선을 공통으로 구성함에 따라 간단한 교체작업을 이룰 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 고안의 결함복구 LED는 발광다이오드(LED)와 반대극성의 제너다이오드를 병렬로 구성하고 제너다이오드와는 직렬로 점등시 발광다이오드(LED)의 저항과 전류 도통시 제너다이오드 저항의 차에 해당하는 저항을 구성하였으므로, LED의 결함으로 단락될 경우 제너다이오드의 항복전압 발생으로 전류를 도통하여 다음에 연결된 정상의 결함복구 LED를 점등시키며 제너다이오드와 직렬의 저항으로 전체 저항의 변화를 주지 않으며, LED의 단락에 따른 전체 저항의 변화로 다른 결함복구 LED의 전류량을 증가시키지 않아 수명단축을 막을 수 있으므로 직렬, 병렬 원하는 형태로 구성함에 따라 임피던스와 전압을 맞추거나, 직렬연결을 늘이는 방법 등에 따라 전류량을 감소시켜 전류손실을 최소화하는 응용설계가 쉬워지며 특히, 다른 특성의 LED를 조합하여 발광부를 표시할 경우 LED의 점등시 저항에 맞추어 제너다이오드와 직렬의 저항을 구성하여 회로설계 및 사용이 간편한 특징을 갖는다.

상기에서는 본 고안의 결함복구 LED를 교통신호등에 적용한 예를 중심으로 상세하게 기술하였지만 LED 전광판, LED 전등, 삼색 LED의 조합으로 백색 또는 다양한 색의 광원을 형성하는 등기구 등에 다양하게 적용이 된다. 특히 상기 내용은 하기 청구범위에 기술된 본 고안의 분야에만 한정되지 않으며, 상기 기술 분야에 있어서, 통상의 지식을 가진 사람은 본 고안의 범위 내에서 이를 다양하게 변경하거나 수정할 수 있는 것이 자명할 것이다.

Claims (4)

1. 하나 이상의 LED로 구성되어 발광부를 갖는 LED에 있어서, LED와 제너다이오드가 극성이 반대방향을 갖도록 병렬 연결되며, 제너다이오드와 직렬로 LED의 점등시 저항값과 제너다이오드의 항복전압이 발생하여 전류를 도통시킬 때의 제너다이오드 저항값의 차에 해당하는 저항 값을 갖는 저항을 연결하여, LED가 단락 될 경우에 저항값의 변동 없이 제너항복(zener breakdown)이 발생하여 전류를 다음의 LED로 전달하는 것을 특징으로 하는 결함복구 LED
2. 제 1 항에 있어서, LED와 제너다이오드가 극성이 반대방향을 갖도록 병렬 연결되며, 제너다이오드와 직렬로 LED의 점등시 저항값과 제너다이오드의 항복전압이 발생하여 전류를 도통시킬 때의 제너다이오드 저항 값의 차에 해당하는 저항 값을 갖는 저항을 연결하여, 공통으로 LED의 에노드 단자와 캐소드 단자에 연결되어 회로기판에 연결하는 것으로 구성된 LED, 제너다이오드, 저항이 하나로 일체화된 결함복구 LED
3. 제 2 항에 있어서, LED의 LED칩과 제너다이오드의 제너다이오드 칩, 저항을 일체로 수지몰드 안에 봉입하여 공통으로 에노드 단자와 캐소드 단자에 연결되어 하나로 일체화된 결함복구 LED
4. 제 2 항에 있어서, 회로기판에 이중으로 결함복구 LED의 에노드 단자와 캐소드 단자의 삽입 홀을 구성하고 각각 공통으로 배선된 결함복구 LED