KR200321477Y1 - 피더불유엠(주파수 변조)방식을 이용한 1,600만 칼라고휘도 알지비 엘이디 조명장치. - Google Patents

Abstract

본 고안은 고휘도의 RGB(Red, Green, Blue) LED(Light Emmitted Diode)를 이용한 조명장치에 관한 것이다.

본 고안은 4각의 막대바(Bar) 및 원형의 PCB(Printed Circuit Board) 상에 RGB LED를 다수 일정한 패턴으로 배치하고 마이컴에서 생성된 PWM(Pulse Width Mudulation) 신호로서 각각의 적색, 녹색, 청색 LED의 밝기를 조절하면서 색을 중첩시켜 다수의 색상을 구현 하도록 한 것이다.

본 고안은 조명부(1), PC(2), 중계기(3), 제어기(4) 그리고 전원부(6)로 구성되며 PWM신호로서 각 LED(RED, GREEN, BLUE)를 256 단계로 밝기를 조절하고, 각 LED마다 점등과 소등 타이밍을 달리하여 색을 중첩함으로서 RGB LED의 3원색이 조합되며 1,600만 칼라를 구현할 수 있다. 그리고 LED, 저항 그리고 전원공급부로 부터 발생하는 열을 최소화 하기 위한 구동 회로 방식을 채택 한 것이다.

본 고안은 다양한 색상을 연출하기를 원하는 실내 및 야외에서 사용하는 조명 장치로서 적합하며, 다양한 이벤트용 조명에 적용이 가능한 효과가 있다.

Description

피더불유엠(주파수 변조)방식을 이용한 1,600만 칼라 고휘도 알지비 엘이디 조명장치.{1.6 millions color directing SuperBrightness RGB LED light source using PWM drive method.}

본 고안은 고휘도 RGB LED 어레이를 조명연출을 위해 옥내 및 옥외에 다수개 설치하도록 고안된 것으로서, 하드웨어 조작 및 마이컴 제어에 의해서 LED의 색상을 1,600만가지 생성하도록 한 것이다.

기존의 조명은 전지를 이용한 것과 전기공급을 통해 이루어 지고 있으며, 각종 색상 연출을 위해 전구의 외표면에 색채필름을 코팅하거나 셀로판지를 끼워서 특정한 색상를 발하도록 한 단조로운 형태이다. 그리고 이들 조명들은 전력소모가 많으며 다양한 연출이 힘든 것이 단점이다.

최근 LED 기술의 발달과 더불어 LED를 이용한 조명이 다양한 제작되고 있으며, 반영구적인 저전력의 LED가 전구의 몫을 대신하고 있다. 이러한 추이와 더불어 등록특허 제 10-0367215에 "엘이디 조명장치 및 제어방법"에서는 본 고안과 유사한 내용이 게시되어 있다. 그러나 기술의 발달과 함께 LED의 재질이 과거에 비해 뛰어나고 고휘도이며 특성이 우수하다는 것과, 고안자에 따른 하드웨어 구성 방식과 연출을 위한 소프트웨어의 제어방식이 다르기 때문에 전혀 다른 것이다.

특허출원 10-2001-0067457에 "변색등"에서는 색상이 단계적으로 변하고 색상이 64가지로 다양하게 연출되는 것으로 기술하고 있으나, 제어 방식 뿐아니라 최대 허용하는 색상이 본 고안보다 적다는 이유와 LED 자체가 고휘도가 아니라는 사실, 그리고 소프트웨어적 뿐아니라 하드웨어적 구성 자체가 엄연히 다른 것이다.

야외에서 또는 점진적이면서 부드럽게 화려한 조명 연출을 원하는 장소에서는 상기의 발명은 적절하지 않다고 생각된다.

본 고안에서는 이러한 문제점을 해결하면서, 아주 세밀하면서도 점진적으로 색상을 변화 시킬 수 있으며, 다양한 효과 선택 모드를 가지도록 하여 기존의 문제점들을 해결하였다.

다수의 고휘도 RGB LED 어레이를 막대바(36) 및 원형 PCB 기판(36-1)에 RGB순으로 3의 배수로 장착하고, 상기 각각의 RGB LED를 마이컴의 PWM제어로서 적색, 녹색, 청색 3원색의 밝기를 256단계로 조절하면서, RGB LED를 서로 다른 타이밍에 따라 색상을 중첩시켜 다양한 색상으로 발광하도록 하는 발광 수단을 장착한다. 그리고 제어기(4)를 통해서 효과를 9단계에 걸쳐 지정하고, 각 단계에 따른 옵션을 설정할 수 있도록 하여 연출의 속도와 지정된 색상을 표시하도록 한다.

본 고안은 고휘도 RGB LED 어레이모듈(28, 29, 30)을 조합하여 광범위한 장소에서 다양한 조명 연출을 가능하도록 한 것이다. 색상 효과 제어와 옵션 모드 설정을 위해서 전용 마이컴을 이용하고, 단일 모듈 및 다수의 모듈로서 제어가 가능하도록 한 것이다.

그리고 또한 LED, 부하저항 그리고 전원 공급부에서 발생하는 열을 원천적으로 차단하도록 한 장치에 관한 것이다.

도1은 조명부의 전체 블록도.

도2는 고휘도 적색(R), 녹색(G), 청색(B) LED의 점화 타이밍 중첩도.

도3은 고휘도 RGB LED의 제어 흐름도.

도4는 RGB LED의 연출효과 구성도.

도5는 고휘도 RGB LED 모듈의 구동 및 배선도.

도6은 고휘도 RGB LED의 중첩에 따른 PWM 제어도.

도7은 고휘도 RGB LED의 막대 및 원형 PCB면 장착도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:LED 조명 장치의 제어 및 구동부 2:PC

3:중계기 3-1,3-2:노이즈 제거 필터

3-2:OP AMP 4:제어기

4-1:마이컴 4-2:POWER S/W

4-3:EFFECT UP S/W 4-4:EFFECT DOWN S/W

4-5:OPTION UP S/W 4-6:OPTION DOWN S/W

4-7:상태저장 S/W 5:마이컴 제어부

6:전원부 7:모드설정부

8:저장부 9:고휘도 LED 구동부

10:고휘도 LED 표시부 11:적색 LED 점화 타이밍

11-1,11-2,12-1,12-2,13-2:LED의 점등상태

12:녹색 LED 점화 타이밍 13:청색 LED 점화 타이밍

14:Fixed color 제어 모드 15:Fixed color strobe 제어 모드

16:Random color 제어 모드 17:Cross color 제어 모드

18:Variable color 제어 모드 19:Color wash synchronizer 제어 모드

20,21:Color wash asynchronizer 1,2 제어 모드

22:User define 제어모드 23,23-1,23-2:공급 DC전원

24,24-1,24-2:LED 부하저항 25:고휘도 적색 LED

25-1:고휘도 녹색 LED 25-2:고휘도 청색 LED

26, 26-1, 26-2:스위칭 트랜지스터 27, 27-1, 27-2:PWM 제어 신호

28, 29, 30:RGB LED 어레이 블록 31:적색 LED HIGH 구간

32:녹색 LED HIGH 구간 33:청색 LED HIGH 구간

34:구간 1 35:구간 2

36:막대바 PCB(기판) 36-1:원형 PCB(기판)

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 고휘도 RGB LED 조명장치(1)는, 조명장치를 구동하는데 필요한 제어신호를 발생하는 마이컴 제어부(5), 고휘도 RGB LED를 구동하는 구동부(9), 고휘도 RGB LED를 어레이화 한 표시부(10), 제어정보를 저장하기 위한 저장부(8), LED와 각종 장치에 전원을 공급하기 위한 전원부(6), 원격조정, 고정칼라, 무작위 칼라 지정을 위한 모드 설정부(7), 조명 어레이를 다수 연결하기 위한 중계기(3), 색상 연출을 위한 효과와 옵션을 지정하는 제어기(4), PC(2)와 제어기(4)간 제어신호를 수수하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치이다.

본 고안의 조명장치는 고정된 RGB 색상뿐만 아니라, 무작위 RGB 색상, 그리고 원격조정을 PC와 마이컴으로 제어하여 다양한 색상을 연출하도록 고안된 장치이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 고안을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1에서 마이컴 제어부(5)는 1,600만 색상을 구현하기 위한 각종제어 알고리즘을 적용하기 위한 수단이다. 저장부(8)로 제어정보를 쓰거나 지울 수가 있으며, 적용을 원하는 색상 효과 정보를 저장하고, DIP 스위치 설정에따라 고정색상 및 무작위 색상, 원격 조정과같은 다양한 색상 연출을 내도록 모드 설정부(7)가 포함된다. 모드설정부(7)의 DIP 스위치(본 고안에서 도시하지 않았음)는 12비트로 구성되며 3비트는 원격조정, 고정칼라, 무작위 칼라를 지정하는 수단이며, 나머지 9비트는 RGB LED의 레벨 분해능을 설정하는 수단이다. 그리고 적색(Red) 15개, 녹색(Green) 15개, 청색(Blue) 15개의 LED를 PWM 신호로서 구동하기 위한 수단이 포함 되며, 마이컴 제어부에서 설정한 구동부의 출력으로서 고휘도 LED 어레이를 각각 점등 및 소등한다.

조명장치(1)내의 45개로 이루어진 RGB LED에레이를 다수 접속시키기 위해 중계기(3) 수단을 포함하며 중계기(3) 당 16채널 이상 LED 어레이를 부착할 수 있다.

PC(2)는 총괄적으로 제어기(4)와 다수의 중계기(3)를 켜거나 끄도록 제어하는 수단이다.

중계기(3)는 다수의 LED 어레이를 구동하기 위해서 제어기(4)로부터 들어오는 신호를 분배하고, 노이즈 제거 및 신호 증폭을 행하는 수단이다.

제어기(4)는 조명장치(1)를 제어하는 수단으로 사용되며, 색상변화를 위해 효과와 옵션으로서 속도, 고정색상, 무작위 색상등을 발생시키는 것이다.

제어기(4)에 내장된 마이컴(4-1)은 연결된 스위치(4-2,4-3,4-4,4-5,4-6,4-7)의 레벨을 읽어 효과와 옵션을 판단하고 이에 따른 제어를 수행한다.

이하에서는 본 고안에 다른 고휘도 RGB LED 조명장치의 작동을 설명하면,

도 2는 RGB LED가 PWM 신호에 따라 점차 밝아 지거나, 색상이 중첩되어 다양한 색상 연출 효과를 설명하는 타이밍이다.

각각의 LED는 Red(11), Green(12), Blue(13) LED는 다음과 같이 순서로 점등하거나 소등되는 순차를 밟게 된다.

도 2에서 곡선이 상승하는 구간을 가속 구간, 가속이 완료되어 일정한 레벨을 유지하는 구간을 등속 구간, 그리고 하강하는 구간을 감속 구간이라고 이후 표기하기로 한다.

LED를 서서히 밝게 하기 위해서 PWM 제어를 통해 가속 구간을 이용하고, 등속 구간에서는 최대 휘도의 빛을 발하게 되며, 감속구간에서는 LED의 휘도를 점차 감소 시키도록 한다.

RGB가 서로 교차하는 구간에서 혼합된 색상이 생성되며 구간의 가속, 등속, 감속과 중첩의 정도에 따라 LED의 휘도가 서로 다른 색상이 생성되는 것이다.

이들의 작동순서는 도 3과 같으며,

적색 점차 밝아짐(11-1) → 녹색 점차 밝아짐(12-1) → 적색 점차 어두워짐(11-2) → 청색 점차 밝아짐(13-1) → 녹색 점차 어두워짐(12-2) → 적색 점차 밝아짐(11-1) → 청색 점차 어두워짐(13-2) → 녹색 점차 밝아짐(12-1)순으로 색상 연출을 반복한다.

제어기(4)는 PC와 RS-232C 통신을 행하며 제어 명령을 PC로 부터 받으며, 중계기와는 RS-485통신을 행하고, 조명부(1)에 PWM신호를 제공한다.

제어기(4)내에 연결된 스위치에 기능에 관해 설명하면,

SW1(4-2)은 POWER 단자로서 전원을 공급하거나 끊는 수단이다.

SW2(4-3)는 EFFECT UP으로서 도 4에 표시한 바와 같이 스위치를 누를 때마다 9단계(예를 들면 Fixed color.. → Color wash asynchronizer순)로 증가하며 RGB LED의 연출효과를 선택하는데 사용하는 수단이다.

SW3(4-4)은 EFFECT DOWN 으로서 SW2 9단계를 역순으로 설정한다.

SW4(4-5)는 OPTION UP은 SW2(4-3), SW3(4-4)에서 정해진 효과를 토대로 색상을 정하거나, 속도를 지정하는 역할을 하며 9단계로 구성된다. 스위치를 누를 때마다 옵션이 선택되는 수단이다.

SW5(4-6)는 OPTION DOWN으로서 OPTION UP의 역순으로 옵션을 설정하는데 사용한다.

SW6(4-7)은 상태 기억 스위치로서 효과와 옵션을 기억하고자 할 때 사용하는 수단이다.

스위치 설정에 따른 연출효과(EFFECT)는 도4와 같으며 9가지의 다채로운 색상효과 연출이 가능하고 그 기능은 다음과 같다.

- 단계 1:고정 칼라 (Fixed Color, 14)는 9단계의 OPTION으로 구성되며 독립적인 색상을 연출한다. 그 색상은 청(Blue), 백청색(White Blue), 녹색(Green), 호박색(Amber), 분홍색(Pink), 바다색(Aqua), 귤색(orange), 적색(red), 백색(White)이다.

- 단계 2:고정 칼라 스트로브(Fixed Color Strobe, 15)는 고정칼라(14) 기능에 싸이키 조명 효과를 부가한 것으로 0.5초부터 지정한 값만큼 점멸속도로서 지연시켜 지속적인 점멸을 행하는 효과이다. 색상 OPTION은 고정칼라(14)의 경우와 마찬가지로 9단계로 구성된다.

- 단계 3:무작위 칼라(Random Color, 16)는 고정칼라(14), 고정칼라 스트로브(15)의 경우와 마찬가지로 OPTION으로서 점멸의 속도를 9단계로 제어할 수 있으며 9단계의 색상을 무작위로 연출한다. 이러한 효과 연출로서 1,600만 색상의 다양한 변형이 가능하다.

- 단계 4:교차 칼라(Cross Color, 17)로서 칼라의 연출이 특정 구간에서 교차해서 표시되는 방식으로 9단계로 구분되고, 단계 6과 비슷하면서 단계 6에 비해 색상표현이 제한되는 특징을 가진다. 예를 들어 설명하자면 R→G→B로 색상이 변한다고 가정시, 45개의 LED중에 좌측에 R(적색) 우측에 G(녹색)의 색상이 표현된다고할때, R→G, R←G순으로 색상 구간이 교차로 표시되는 것이다. B(청색)구간까지는 표현 하지 못하는 것이 특징이다.

각 효과에 사용되는 9단계의 OPTION으로서 1단계에서는 Blue↔Green, 2단계는 Green↔Red, 3단계는 Red↔Blue, 4단계는 Blue↔Amber, 5단계는 Amber↔Aqua, 6단계는 Aqua↔Pink, 7단계는 Pink↔White Blue, 8단계는 White Blue↔Orange, 9단계는 Orange↔Blue로 구성되며 교차 칼라로서 정해진 구간에서 색상 변화를 가지는 것이다.

- 단계 5:변화가능 칼라 스트로브(Variable color strobe, 18)는 무작위 칼라(16)에 깜박이는 기능을 추가한 것으로 OPTION에서 속도를 9단계로 조절이 가능하다.

- 단계 6:Color wash Synchronizer(19)는 여러개의 막대모듈을 설치하고 이를 하나처럼 취급하여 동시에 같은 색상으로 조정하는 것이다. 역시 무작위 칼라를 적용하며 색상이 변화하는 속도를 OPTION으로 9단계로 조정이 가능하다.

- 단계 7:Color wash Asynchronizer 1(20)는 여러개의 막대 모듈을 조합하여 색상을 표현하는 방식으로서 특정한 모듈부터 모듈까지 색상까지 연출하는 것이다. 예를 들면 여러개의 막대 모듈이 설치되었다고 가정시, 막대바의 좌측이 적색이고 우측이 청색인 경우로서 점차 중간 막대 바들이 적색에서 청색으로 가는 색상이 연출되는 것이다. 이 기능 역시 OPTION으로 9단계의 속도 조절이 가능하다.

- 단계 8:Color wash Asynchronizer 2(21)는 상기 Color wash Asynchronizer(20)와 유사하나, 막대바의 색상 위치가 다르게 된다. 예를 들면, 좌측 막대바가 적색이고 우측막대바가 적색인 경우에서 중간에 설치된 중간 막대 모듈에 녹색과 청색의 색상형태가 배열하게 된다. 이 기능 역시 OPTION으로 9단계의 속도 조절이 가능하다. 즉, 한개의 모듈을 하나의 색상으로 지정하여 제어하는 방식이다.

- 단계 9:사용자 정의(User define, 22)는 사용자가 원하는 색상과 연출응 행하도록 설정하는 수단이다.

도 5는 RGB LED 구동부로서 RGB LED별 모듈은 총45개 단위로 구성이 되며, 직렬로 5개 병렬로 3열, 총 45개의 LED 어레이로 구성된다.

적색 어레이(28), 녹색 어레이(29), 청색 어레이(30)를 구동하기 위한 수동소자는 부하저항(24, 24-1, 24-2)과 스위칭 트랜지스터(26, 26-1, 26-2)로서 구성되며, LED의 휘도조절은 마이컴으로부터의 PWM(27, 27-1, 27-2)신호에 의해 제어된다.

일반적으로 고휘도 LED의 정격전류는 20[mA]로 제한되며, LED 양단간에 걸리는 순방향 전압은 2[V]∼3.7[V] 가량이다. 순방향전압은 적색, 녹색, 청색순으로 높게 걸리며 청색 LED의 순방향 전압이 3.7[V]이라고 가정하면 3.7×5 = 18.5[V]가 되며, 스위칭이 되여 트랜지스터(26, 26-1, 26-2)가 포화 상태로 가고 트랜지스터의 에미터와 컬렉터간에 약 0.7[V]이상의 전압강하를 감안하면 LED와 트랜지스터간에 걸리는 전압은 20[V]를 초과하지 않는다.

계산 된 전압 이상으로 DC 전원 공급기를 사용한다면 공급전압과 LED와 트랜지스터간의 전압차는 부하저항(24, 24-1, 24-2)을 가열하는 역할을 하게 된다.

본 고안에서는 이러한 LED와 부하저항의 발열을 막기 위해서 별도의 전원공급기를 제작하여 정격 전압 및 정전류를 공급하도록 하였다. 본 고안에서는 도시하지 않았다.

마이컴 제어부(5)에서는 1,600만 색상을 내기 위한 제어신호로서 PWM신호로서 LED의 제어를 행한다.

제어하는 방식은 도 6과 같다.

펄스폭의 HIGH구간을 제어하는 방식으로 이 구간에서 LED가 켜지게 되며 보다 자세히 설명하면,

구간1(255~0)과 구간 2(0~255)는 총 512로 구분되며 이 구간폭을 HIGH로서 적절히 할당하여 적용하면 펄스폭 변조가 된다. 예를들어 R=255, G=100, B=50이라고 지정하면 도 6과 같이 구간 1의 255부터 구간 2의 255까지 HIGH 구간으로 설정된다. HIGH구간은 LED가 켜지는 시간이 된다. 녹색은 100에서 100영역까지 HIGH구간이 된다. 적색에 비해 HIGH구간이 적으므로 점등시간도 그만큼 작아진다. 녹색은 도 6에서 보는 바와 같이 HIGH 구간이 녹색보다 적으므로 점등시간이 짧다.

이렇게 PWM 타이밍을 다르게 하여 다양한 휘도와 색상연출을 할 수 있는 것이다.

도 7은 막대(26) PCB와 원형(26-1)에 LED 어레이를 배열한 것을 도시한 것이다. 상기의 LED어레이와 제어기를 다수 조합함으로서 상기의 효과와 옵션을 적용할 수 있는 LED조명장치가 완성되는 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 조명 제어장치의 효과와 옵션으로서 고휘도 RGB LED를 통해 적색, 녹색, 청색을 적절하게 중첩하여 조합함으로서 세밀하면서 자연스러운 색상 연출이 가능하며, LED의 점멸 속도를 자유자재로 설정 가능하다. 그리고 다수개의 LED 어레이를 광범위하게 설치 가능하며 PC제어를 통한 제어로서 통합된 조명연출을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 고휘도 RGB LED 조명 연출장치에 있어

   고휘도 RGB LED를 마이컴의 PWM 제어 신호와 점화 타이밍(도2)으로서 1,600만 칼라 구현이 가능한 것을 포함하며,

   휘도에 있어 적색 256 단계, 녹색 256단계, 청색 256단계 총합 16777216단계의 색상을 표시할 수 있는 특징을 가지는 조명장치
2. EFFECT와 OPTION 모드설정에 따른 다양한 색상과 속도 연출과 타이밍을 주는 것을 포함하며,
3. 제어기와 중계기를 통한 다수개의 LED 어레이가 연결되는 것을 포함하며,

   다수의 고휘도 RGB LED 어레이를 동작하게 하기 위해 부착되는 중계기를 특징으로 하는 조명장치.
4. LED 및 부하저항의 발열 을 최소화하는 방식을 포함하며,

   다수의 고휘도 RGB LED를 구동함에 따라 발생하는 열량을 전원공급기를 통한 적정전압과 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 조명장치.