KR200448077Y1 - 균등부하제어회로를 포함한 조명용 ｌｅｄ 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 복수의 조명용 LED의 구동을 위한 균등부하 제어회로를 포함한 조명용 LED 장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 장치는 발광 다이오드에 전원을 공급하는 전원생성부와,상기 전원생성부에서 전력을 공급받아 발광 다이오드구동용 전압을 생성하는 구동정전력원과,구동전압에 맞는 숫자의 발광 다이오드를 포함하는 데, 상기 각 발광 다이오드의 양 단에 병렬로 콘덴서를 연결하여 발광다이오드에 흐르는 전류의 흐름을 안정화시킬 수 있는 균등부하 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

조명용 발광 다이오드, 콘덴서

Description

균등부하제어회로를 포함한 조명용 ＬＥＤ 장치{Lighting LED device with equal load control circuit}

본 고안은 조명용 LED 장치에 관한 것으로서, 특히 복수의 조명용 LED의 구동을 위한 균등부하 제어회로를 포함한 조명용 LED 장치에 관한 것이다.

현재 백열램프 및 형광등같은 기존의 조명장치이외에 LED를 조명장치로 사용하기 위하여 조명용 LED 모듈이 많은 영역에 걸쳐서 사용되고 있는데, 예를 들어 교통신호등 , 거리 조명용 경광등 및 차량 조명등에 관련된 상품 이외에 가정에서 일부 특정목적으로 손전등, 스탠드 조명등에서 사용되고 있지만, 아직도 제품이 고가이고, LED 소자에서 발생하는 열적 문제등을 해결하지 못해 일반화는 되지 못하고 있는 실정이다. 하지만, 제품의 저가화와 열적 문제만 해결한다면 충분히 지금의 일반적인 조명 매체인 형광등 조명을 대체할수 있을 것이기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.

종래 LED 조명장치의 일반화에는 큰 두가지 문제점이 있는데, 현재 고휘도용 LED를 직/병렬 조합으로 배열 구성하여 모듈화하고, 이 모듈을 직/병렬로 구성하여 패킷화한 조명용 LED 장치로서 높은 광효율을 내고 있는데, 이런 조명용 LED 장치의 가격은 기존의 형광등과 같은 광효율을 내기 위해 구성시 상당히 고가일 수밖에 없으며, 구동 전력의 불안정으로 인해 효율이 50% 정도이면서 LED 의 수명도 반영구적이 아닌 문제점이 있다.

도 1은 일반적인 조명용 LED 모듈의 회로를 나타낸 것으로서 일반적으로 고주파에서 직류전압을 스위치 온/오프하는 전원으로부터 동작전력을 수신하는 데 이는 스위칭 파워라 불리는 SMPS(스위칭 모드 파워 스플라이)로 부터 다양한 입력전압/전류 및 구동전압/전류를 공급받는다. 한편, 조명용 LED 모듈에서 구동전력의 불안정문제는 주로 SMPS로 인하여 문제로 일어난다. 즉, SMPS는 AC전원을 정류다이오드를 거쳐 DC 레벨화 한다음 이를 발진 트랜스를 통하여 필요한 전원을(예를들면, DC5V 300mA or DC12V 500mA 등) 생성 출력전원을 만드는 방식으로 출력되는 전압 및 전류의 값이 정격화 하는데, 만약 부하에서의 장애 발생으로 어느 한쪽에서 정격치를 오버하면 전력원의 급격한 변화가 생기며 결국은 SMPS가 파손된다.

부하인 LED 모듈에서는 입력전원 일단의 구동 전압에서 전류의 세기가 공칭전류 세기의 일정률 이하로 하락하면, 전류세기와 구동부하인 조명용 LED 광 출력 사이의 관계는 더 크게 비선형이 되어, 조명용 LED 모듈의 광 효율은 전혀 최적화되지 않는다. 즉, 조명용 LED 소자에 급격한 전류변화로 고열을 동반하다가 소자가 파괴되거나, 또는 급격한 광 출력의 변화로 소자의 장애로 나타나게 되는 것이다.

다른 문제점은 조명용 LED 모듈의 객체로 살펴보면 고휘도 발광다이오드로 이루어져 있는데, 일반적으로 반도체 발광소자는 최적의 구동 전력을 받지 못하면 시간의 경과나 온도변화에 대해 발광강도가 변하는 것으로 알려져 있다. 예를 들면 , 시간의 경과에 따라 발광출력이 반도체 발광소자의 열화에 수반하여 출력저하 하는 것으로 알려져 있으며, 만일, 일정 광출력을 낼수 있도록 구동전력을 공급하였을 경우에도 구동전류나 구동전압중 어느하나가 이상이 생기면 반도체 발광소자의 열화와 함께 온도가 상승하여, 머지않아 발광하지 않게 되어 수명이 짧아지고, 또한, 온도가 높아지면 조명용 LED등에 역치 전류가 높아짐과 동시에 같은 발광출력을 얻는데 보다 많은 구동전류나 구동전압이 필요하게 되는 문제점이 생긴다.

이는 조명용 LED 발광 다이오드에 대해서도 마찬가지로 온도가 높아지면 일정한 구동전류에 있음에도 불구하고 발광출력이 저하하고, 반대로 저온이 되면 같은 전류값이라도 보다 큰 발광출력을 얻을 수 있다. 이러한 반도체 발광소자의 경과시간에 따른 순간 전력 변화나 온도변화에 수반하는 발광출력의 변동, 변화가 생기면 발광다이오드로 이루어지는 디스플레이나 조명의 경우 빛의 강도나 색의 얼룩등이 생기는 원인이 된다.

이런 통상의 조명용 LED 모듈장치는 부하측의 LED 특성상 연결방법에 따라서 전압 변동이 심하기 때문에 구동정전력원에 보상용 회로(2)를 두고 ,부하블럭 전단에 높은 용량의 보상용 필터(캐퍼시티 뱅크(3))를 두었으나 LED는 개별소자로서 LED 소자마다 특성에 차이가 있으므로 근본적인 문제가 있는 것이다. 이는 LED 소자의 생산시 발생되는 소자특성의 오차등의 문제점을 해결할 수가 없다.

상기의 문제점등을 무시한채로 LED 부하 갯수에 따라 구동정전력원에서 정전압을 만들어 제공하면서 보상용 캐퍼시터를 사용하는 방법은 장시간 구동 시킬때 개별 LED 소자에 대한 근본적인 문제로 최적의 광효율을 맞추지 못함으로 인해 열적 문제로 소자에 피로도를 올려 급격한 광 효율을 잃게된다.

이러한 광출력의 변동에 대한 문제점을 보완하기 위해 도 2에 기재된 것처럼 조명용 LED 모듈의 온도를 감시 보상하여 개선하는 회로가 있으나, 이는 최소한 FET 나 바이폴라 트랜지스터등과 서미스터로 이루어지는 복잡한 회로로 구성되어져 있어, 고가의 제품 일 수밖에 없다.

또한, 실제 상용화 제품에서 발생되는 상기 문제점을 해결하기 위해 도 3에 기재된 바와 같이, LED 소자의 열 문제의 처리를 위해 일반적으로 LED에 공급하는 전력에서 전압보다는 전류의 변동이 많아 LED 소자에 열이 많이 발생되므로 전류가 정격전류보다 많이 공급된다고 판단하여, 전류의 세기(양)를 줄이기 위해 회로상에 직렬로 저항을 삽입하는 경우가 있는데, 이것 역시 근본적인 문제해결은 되지 않는데, 직렬로 접속한 저항에는 전체부하 회로상의 잉여 전류가 열로 나타나므로 접속된 직렬 저항은 소모 전력분에 대한 열에 견딜 수 있는 수 Watt급의 저항류(탄소,시멘트)가 되어야 하며, 저항 또한, 열적 피로도에 의해 빨리 파손되며 파손시 제품의 장애로 나타나게된다.

또 다른 해결책으로 도 4에 기재된 바와 같이 구동전류 보정용 블럭의 회로상에 직/병렬로 연결된 부하 연결점에 저항 또는 콘덴서를 이용하여 필터 또는 전원용 바이어스 소자로 구현하기도 하는데 이러한 방법 또한, 부하의 전체적인 전원에 대한 보완 회로가 되기도 하지만, LED소자의 특성을 만족시키지 못하기 때문에 즉, 소자의 전류적 정특성은 만족시키지 못하기 때문에 결국 열폭주 현상을 막지 못하는 문제가 있다.

따라서, 본 고안은 상기의 문제들을 개선하여 구동전력의 변화에 안정적으로 대처하고 온도변화나 전압/전류의 불안정에 변화 공급에 대해서도 항상 일정한 구동전류를 공급하여 조명용 LED의 광 출력이 최적화 되도록 하면서, 저가로 조명용 LED를 구성된 제품이 되도록 하는 것이다.

그리하여, 본 고안은 조명용 LED를 이용하여 최적의 광 출력을 얻는데 있어서 LED 부하소자를 직렬 구성하였음에도 공급되는 정전압을 LED 수량으로 나누어진 구동전압을 공급받고, 각 소자별로 일정한 전류를 공급할 수 있도록 하여 조명용 LED 소자가 균일한 광 출력을 유지하여 최적의 상태를 유지하면서 연속적 또는 단속적인 운용을 통한 장시간의 광 출력에도 소자의 열화등이 없이 구동 전력 변화에 보상이 되는 복수의 조명용 LED의 구동을 위한 균등부하 제어회로를 이루는데 있다.

본 고안에 따른 조명용 LED 구동에 대한 균등 부하 제어 회로는 기존의 직렬구성된 조명용 LED 회로에 적절한 값의 콘덴서만을 병렬 접속하여 운용함으로써 회로구현에 따른 비용을 최소화하며, 순간 이상 전력에 의한 발열문제를 해결하고, 또한 조명용 LED 장치의 구성시에 각 LED 소자에 대한 전류변동을 최소화 하여 광효율의 변동을 없앰으로써 조광 효율을 높혀 유지보수 비용등을 개선할 수 있다.

도 5는 본 고안에 따른 실시예를 나타낸 것으로서, 본 고안에 따른 복수의 조명용 LED의 구동을 위한 균등부하 제어회로는 전원생성부(5)와 조명용 LED을 구 동하기 위한 구동정전력원(6), 조명용 LED의 구동전류 보정회로(7)로 구성된 것을 알 수 있으며 그 밖에 조명용 LED(8)들이 연결되어 있다.

전원생성부(5)는 일반화된 전원공급장치 회로가 사용되며, 구동정전력원(6)은 부하에 대한 정전압 유지 목적으로 전압/전류 제어를 담당한다. 상기의 전원 생성부(5)나 구동정전력원(6)에 대한 회로 내용은 종래의 공지된 기술이 많으므로 설명은 생략한다.

한편, 조명용 LED는 일반 발광 다이오드를 개량하여 고휘도를 얻고 또한 1개의 LED 소자에 여러 개의 발광 다이오드를 그룹화해 구성하여 조명용 모듈화된 발광하는 반도체 소자이다. 발광 원리는 전계 발광 ( Electroluminescence) 효과를 이용하고 있으며, 또한 수명도 백열전구보다 상당히 길다. 발광 다이오드는 반도체를 이용한 PN 접합의 구조를 가지는데, PN 접합에서 전자가 가지는 에너지를 직접 빛 에너지로 변환되어 나타난다, 거시적으로는 열이나 운동에너지를 필요로 하지 않는다.

도 6에서와 같이 발광다이오드에서 전극으로부터 반도체에 주입된 전자와 정공은 다른 에너지대 (전도대나 원자가대)를 흘러 PN 접합부 부근에서 전공터널을 넘어 재결합한다. 재결합할 때 거의 전위장벽에 상당한 에너지가 광자, 즉 빛으로 방출되는 것이다.

이런 발광다이오드는 다른 일반적인 다이오드와 동일하게 극성을 가지고 있으며, 캐소드 (음극)에서 애노드 (양극)로 정전압을 가해서 사용하는데. 전압이 낮은 동안은 전압을 올려도 거의 전류가 흐르지 않고, 발광도 하지 않다가 적정 전 압 이상이 되면 전압 상승에 대하여 전류가 빠르게 흘러서, 전류량에 비례해서 빛이 발생된다. 이 전압을 순방향 강하전압이라고 하는데, 일반적인 다이오드와 비교해서 발광 다이오드는 순방향 강하전압이 높다. 이 전압점은 발광색에 따라 다르지만, 빨간색, 오렌지색, 노란색, 초록색에서는 2.1V 정도이다. 빨간빛을 내지 않는 것은 1.4V 정도이다. 백색과 파란색은 3.5V 정도이다. 고출력 제품은 5V 전후인 것 등 다양하게 있다. 또한, 발광할 때 소비 전류는 표시등 용도에서는 수 mA ~ 50 mA정도 이지만, 조명 용도에서는 소비 전력이 수W단위의 대출력 발광 다이오드도 판매되고 있어 구동 전류가 1 A 를 넘는 제품도 있다.

본 고안에 따른 실시예에서 회로의 조광용 LED 의 구동전압은 2.83V ,전류는 80mA 전력점에서 최적의 광효율을 갖는 것을 사용한다.

본 고안에 따른 장치의 구성은 이런 발광다이오드 PN 접합의 순방향 강하전압 및 전류 특성을 이용하여 발광 다이오드의 PN 접합점 사이에 마일러 콘덴서를 외부에 병렬로 부착하여 전류의 변화를 줄이고 전압의 변동을 없도록 한 것을 특징으로 한다.

즉, LED 부하와 같이 직렬 연결된(전위레벨로 볼때 서로 다른 극성으로 직렬 연결되어 전류의 흐름을 콘덴서가 고정전류화 하여 LED에 공급되도록 하고 있는 것임)상태로 직류 전압의 흐름은 막아주고 전류는 흘려주는데 양극의 연결점이 직렬상태이므로 서로간의 전류흐름도 제한하여 최적의 전류 상태를 유지하도록 한 것이다.

즉, 도 5에 기재된 바와 같이, 각 LED의 에노드에 -극성, 캐소드가 +극성으 로 전류를 흘리는데(전압의 흐름과 전류의 흐름은 반대이다) ,개별의 LED 소자 두 극성점에 병렬로 콘덴서(극성이 없는 콘덴서)를 삽입하면 직렬로 연결된 LED의 일단의 점에서는 +/- 극이 공존함으로써 콘덴서 양단에 전류를 일정하게 유지 할 수 있게 한 것으로서, 삽입된 콘덴서는 일단의 점에서 보면 서로 다른 극성을 직렬로 연결되어 있으므로 LED의 PN 접합점의 미세한 정공 흐름의 발진자를 고정 시켜줌으로써 전류의 흐름을 안정화시키는 역할을 하는 것이다.

한편, 도 5의 본 고안에 의한 장치에서 발광 다이오드와 균등부하 제어회로는 다른 부분과 별도로 모듈화되어 구성될 수도 있다.

이와같이, 본 고안에 따른 장치는 PN 접합 특성의 발광다이오드 양극간 사이에 적정한 값의 콘덴서를 삽입함으로써 양극간의 구동 전류를 안정하게 해주고 전자방출의 흐름을 콘덴서가 충방전하며 LED의 정격치를 넘는 과도한 전자방출을 상쇄 및 바이패스시킴으로써 LED 구동 전압의 잉여 에너지를 열로 발산하는 것을 막아주고, 시간의 흐름에 따른 광출력의 변화율도 최소화 할 수 있는 것이다.

특히, 입력 공급전압에 맞추어 구성된 조명용 LED의 직렬구성에 있어 적절한 구동전압을 유지 시키는것과, 구동전류의 일정한 공급이 균일 조도를 필요로 하는 조명에 있어 매우 중요한 요구 사항으로 본 고안에 따른 장치로써 문제를 해결할 수 있는 것이다.

도 1은 종래 조명용 LED 구동장치에 관한 구성도

도 2는 다른 종래 조명용 LED 구동장치에 관한 구성도

도 3은 종래 구동전류 보정용 회로에 관한 구성도

도 4는 다른 종래 구동전류 보정용 회로에 관한 구성도

도 5는 본 고안에 따른 장치의 개념도

도 6은 본 고안에 따른 장치의 구성도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

1: 전원생성부 및 구동정전력원 2: 캐퍼시티충전회로

3: 캐퍼시티 뱅크 4,8: 조명용 LED

5: 전원생성부 6: 구동정전력원

7: 균등부하 제어회로 231,232,233: 조명용 LED

234: 온도측정소자 235: 제어부

Claims (2)

1. 조명용 발광 다이오드 장치에 있어서,

   상기 발광 다이오드에 전원을 공급하는 전원생성부와,

   상기 전원생성부에서 전력을 공급받아 발광 다이오드구동용 전압을 생성하는 구동정전력원과,

   구동전압 및 구동전류에 맞는 2개 이상의 발광 다이오드를 포함하는 데,

   상기 각 발광 다이오드의 양 단에 병렬로 콘덴서를 연결하여 발광다이오드에 흐르는 전류의 흐름을 안정화시킬 수 있는 균등부하 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명용 발광 다이오드 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 발광 다이오드와 균등부하 제어회로는 별개로 모듈화 된 것을 특징으로 하는 조명용 발광 다이오드 장치.

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