KR20090075487A - 디밍 제어 장치 및 이를 이용한 발광다이오드 조명 시스템 - Google Patents

디밍 제어 장치 및 이를 이용한 발광다이오드 조명 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조명 시스템의 디밍 제어 장치에 관한 것으로, 특히 발광다이오드(LED) 조명 시스템용 디밍 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디밍 제어 장치는, 입력단자에 연결된 외부 저항의 저항값에 따라 점진적으로 변화하는 전류를 출력하는 정전류 구동부와, 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되며 베이스에 입력되는 전압이 적어도 일정 범위에서 변화함에 따라 턴온 저항값이 변경되는 트랜지스터를 갖는 디밍 제어부, 및 상기 트랜지스터의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
LED, 조명 시스템, 조명 연출, 정전류 구동

Description

디밍 제어 장치 및 이를 이용한 발광다이오드 조명 시스템{DIMMING CONTROL DEVICE AND LIGHT EMITTING DIODE LIGHTING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 조명 시스템의 디밍(dimming) 제어 장치에 관한 것으로, 특히 발광다이오드(Light Emitting Diode; 이하 'LED'라 한다) 조명 시스템용 디밍 제어 장치 및 이를 이용한 조명 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, LED란 반도체 제조 공정을 이용하여 제작되는 발광소자로서, 1920년대에 반도체 소자에 전압을 가하여 나타나는 발광 현상이 처음으로 관측된 후, 1960년대 말에 이르러 실용화되기 시작했다. 이후에도 LED의 효율을 개선하기 위한 연구, 개발이 꾸준히 이루어져 왔으며, 특히 기존의 백열등을 대체할 정도의 광특성을 가진 조명용 LED에 대한 관심이 커지고 있는 실정이다.
최근 들어 기존의 조명 장치에 필적할 정도의 휘도(brightness) 특성을 가진 LED 조명 시스템이 발표되고 있으나 LED 소자, LED 패키지, LED를 포함하는 광학 시스템, LED 제어 회로 등에 대한 연구는 여전히 많은 연구가 필요한 상황이다.
한편, 조명 시스템에 있어서 요구되는 중요한 요소 중의 하나는 조명의 밝기를 좌우하는 휘도이다. 일단 특정 어플리케이션(application)에 사용되는 조명의 휘도가 결정되면 그 다음으로 고려되어야 하는 것이 바로 조명의 연출이다. 조명을 연출하는 방법은, 예를 들어, 조명 시스템이 작동되는 경우 시간 지연이 없이 바로 조명이 켜지도록 하거나, 또는 일정 시간 간격을 두고 은은하게 조명이 켜지도록 할 수 있다. 이와 같은 조명의 연출은 여러 가지 연출 방법 중에서 사용자의 용도에 맞게 선택되어 적용되어야 한다. 예를 들어, 일반 가정이나 사무실 내부의 조명 같은 경우에는 조명 시스템을 작동시키는 것과 동시에 조명이 켜지는 것이 바람직하다. 반면에, 전자 제품이나 상품 진열대에 적용되는 조명 시스템의 경우에는 다양한 조명 연출 방법을 지원하는 것이 바람직하다.
이와 같이 LED의 여러 장점으로 인하여 현재 기존 조명 시스템에 사용되어 왔던 형광등이나 백열등과 같은 발광 소자를 LED로 대체하는 제품들이 출시되고 있다. 그러나 현재 출시되고 있는 LED를 이용한 조명 시스템은 기존의 형광등이나 백열등과 같은 발광소자를 사용하였던 조명 시스템에 대하여 발광 소자만을 LED로 대체한 것에 불과하다. 그 결과 조명 시스템에 사용되는 발광소자를 고가의 발광 소자인 LED로 대체하였음에도 불구하고, 일반 소비자들이 체감하기에는 기존의 형광등이나 백열등과 같은 발광소자를 사용한 경우와 비교하여 별다른 차이를 인식하지 못하는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 기존 조명 시스템에 대하여 LED로 발광 소자를 대체하는 것과 더불어 다양한 조명 연출 기능을 추가하여 LED 조명 시스템을 부각 시키려는 노력이 이루어지고 있다.
도 1은 종래의 LED 조명 시스템의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 조명 시스템(100)은 발광 소자인 LED(110)와, LED(110)에 정전류를 제공하는 정전류 구동 회로(120), 및 미리 프로그램된 제어 신호를 발생하는 마이크로 프로세서(130)로 구성된다.
상기 LED 조명 시스템(100)은 특정한 제어 신호가 발생되면 발광 소자인 LED(110)의 휘도를 0%에서 100%로 점진적으로 증가시키는 기능을 제공한다.
구체적으로, 정전류 구동 회로(120)는 마이크로 프로세서(130)에서 생성된 제어신호에 따라 LED(110)에 점진적으로 증가되는 전류를 제공함으로써 디밍 조명 기능을 구현한다.
마이크로 프로세서는(130) 펄스폭 변조(Pulse Width Modualtion; 이하 'PWM'이라 한다) 방식에 의하여 제어 신호의 펄스폭을 증감시켜 LED의 휘도를 조절하는 장치로서, 사용자의 특정 동작에 반응하여 LED의 휘도를 점진적으로 증가시키는 제어신호를 생성한 후, 생성된 제어신호를 정전류 구동 회로(120)에 제공한다.
그러면, 정전류 구동 회로(120)는 마이크로 프로세서(130)에서 생성된 제어신호에 따라 LED(110)에 점진적으로 증가되는 전류를 제공함으로써 디밍 조명 기능을 구현하게 된다.
그러나 종래의 LED 조명 시스템(100)은 조명 연출 기능을 구현하기 위하여 고가의 마이크로 프로세서(130)를 사용해야 하기 때문에, 이로 인하여 제품의 제작 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.
또한, 종래의 LED 조명 시스템(100)에 따른 마이크로 프로세서(101)는 PWM 방식에 의하여 제어 신호의 펄스폭을 증감시켜 LED의 광량을 조절한다. 그러나, PWM 방식과 같은 디지털 디밍 제어 방식을 적용하는 경우, 제어 신호의 펄스폭을 서로 다른 다수의 펄스폭으로 구분하기 위한 해상도(resolution)에는 한계가 있다. 이와 같은 디지털 디밍 제어 방식에서의 해상도 한계로 인하여, 결국 LED로부터 출력되는 광량이 불연속적으로 증감하게 되고, 이로 인하여 사용자에게 불쾌감을 유발하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 고가의 마이크로 프로세서를 사용하지 않고 간단한 구조로 발광소자의 휘도를 점진적으로 조절할 수 있는 디밍 제어 장치 및 이를 이용한 발광다이오드(LED) 조명 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 발광 소자의 밝기를 자연스럽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 조명 연출을 할 수 있는 디밍 제어 장치 및 이를 이용한 발광다이오드(LED) 조명 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광다이오드(LED) 조명 시스템은, 발광다이오드(LED)와, 입력단자에 연결된 외부 저항의 저항값에 따라 상기 발광다이오드(LED)에 점진적으로 변화하는 전류를 공급하는 정전류 구동부와, 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되며 베이스에 입력되는 전압이 적어도 일정 범위에서 변화함에 따라 턴온 저항값이 변경되는 트랜지스터를 갖는 디밍 제어부, 및 상기 트랜지스터의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 트랜지스터는, 컬렉터가 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되고, 에미터가 기저전압원에 연결되며, 베이스가 상기 스위칭부에 연결되는 NPN형 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 트랜지스터의 컬렉터와 상기 정전류 구동부의 입력 단자 사이에 연결되는 제1 저항, 및 상기 트랜지스터의 베이스와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 디밍 제어부는, 상기 트랜지스터와 상기 스위칭부 사이에 연결되어, 소정의 시정수에 의하여 상기 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전압을 점진적으로 변화시키는 로우 패스 필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 로우 패스 필터는, 제1 단이 상기 트랜지스터의 베이스에 연결되고 제2 단이 상기 스위칭부에 연결되는 제3 저항와, 상기 제3 저항의 제1 단과 기저 전압원 사이에 연결되는 커패시터로 이루어질 수 있다.
상기 스위칭부는, 소정의 직류 전압을 제공하는 스위칭 제어 전압원, 및 상기 제3 저항의 제2 단에 연결되어, 상기 스위칭 제어 전압원과 상기 로우 패스 필터를 연결하거나, 또는 상기 기저 전압원과 상기 로우 패스 필터를 연결하도록 스위칭하는 제1 스위치를 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 스위칭부는, 상기 로우 패스 필터와 상기 트랜지스터의 접점(N)에 연결되어, 상기 접점(N)을 상기 기저 전압원(GND)에 연결하거나, 또는 오픈(open)되도록 스위칭하는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디밍 제어 장치는, 입력단자에 연결된 외부 저항의 저항값에 따라 점진적으로 변화하는 전류를 출력하는 정전류 구동부와, 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되며, 베이스에 입력되는 전압이 적어도 일정 범위에서 변화함에 따라 턴온 저항값이 변경되는 트랜지스터를 갖는 디밍 제어부, 및 상기 트랜지스터의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 고가의 마이크로 프로세서를 사용할 필요없이, 수동소자인 저항 및 커패시터와, 능동소자인 트랜지스터로 형성된 간단한 구조의 디밍 제어 장치를 이용하여 발광소자의 휘도를 점진적으로 조절할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 발광 소자의 밝기를 자연스럽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 조명 연출을 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 발광다이오드(LED)를 이용하여 다양한 조명 연출을 할 수 있는 조명 시스템을 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드(LED) 조명 시스템(200)은 발광 소자인 발광다이오드(LED)(210)와, 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 점진적으로 조절하는 디밍 제어 장치(220)를 포함한다.
발광다이오드(LED)(210)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 전자 또는 정공을 생성하고, 상기 전자 또는 정공의 재결합에 의하여 발광하는 소자를 말한다. 또한, 상기 발광 다이오드(LED) 조명 시스템(200)의 용도 또는 설치될 장소에 따라, 상기 발광 다이오드(LED) 조명 시스템(200)에는 하나 또는 복수의 발광다이오드(LED)(210)가 구비될 수 있다.
디밍 제어 장치(220)는 상기 발광다이오드(LED)(210)에 정전류를 공급하는 정전류 구동부(230)와, 상기 정전류 구동부(230)의 입력단자에 인가되는 입력 저항값을 조정하여 상기 정전류 구동부(230)로부터 출력되는 전류를 점진적으로 조절하는 디밍 제어부(240), 및 상기 디밍 제어부(240)의 구동을 제어하는 스위칭부(250)를 포함한다.
구체적으로, 정전류 구동부(230)는 발광다이오드(LED)(210)와 디밍 제어 부(230) 사이에 연결되며, 상기 디밍 제어부(240)의 제어에 의하여 발광다이오드(LED)(210)에 정전류(constant current)를 공급하여 발광다이오드(LED)(210)를 구동시킨다. 상기 정전류 구동부(230)는 입력 단자에 연결되는 외부 저항의 저항값이 커짐에 따라 출력 전류의 값이 작아지는 특성을 가진 소자로서, 상기 출력 전류는 상기 디밍 제어부(240)가 제공하는 저항값에 따라 변화한다. 이와 같이, 상기 정전류 구동부(230)는 주변 온도 등 주변 환경의 변화에 관계없이 발광다이오드(LED)(210)에 일정한 전류를 공급함으로써, 발광다이오드(LED)(210)가 균일한 파장 및 광량을 유지하며 발광할 수 있도록 한다.
디밍 제어부(240)는 정전류 구동부(230)와 스위칭부(250) 사이에 연결되며, 상기 스위칭부(250)로부터 입력되는 스위칭 제어신호에 의해 상기 정전류 구동부(230)의 동작을 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off)시키거나, 본 발명에 따라 디밍 기능을 수행할 수 있도록 상기 정전류 구동부(230)의 입력단자에 연결된 가변 저항으로서의 기능을 한다.
스위칭부(250)는 디밍 제어부(240)의 입력단에 연결되며, 상기 디밍 제어부(240)의 출력 유무를 결정하는 턴온(Turn-On) 및 턴오프(Turn-Off) 스위칭 신호를 제공한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 세부 구성도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전류 구동부의 특성을 설명하는 도면이다. 이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 발광다이오드 조 명 시스템 및 디밍 제어 장치의 세부 구성 및 작용을 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 정전류 구동부(230)는 입력단자에 연결되는 외부저항의 크기에 따라 출력단에 서로 다른 크기의 전류를 출력하는 반도체 집적회로 칩으로 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 정전류 구동부(230)의 입력측에는 정전류 구동부(230)의 구동을 위한 구동 전압원이 연결되는 구동 단자(Vin)와, 기저 전압원과 연결되는 접지 단자(GND)와, 상기 정전류 구동부(230)의 출력의 유무를 제어하는 인에이블 단자(EN) 및 외부 저항이 연결되는 외부 저항 입력 단자(EXT) 등이 형성된다.
상기 정전류 구동부(230)는 외부 저항 입력 단자(EXT)에 연결되는 외부저항의 저항값이 커짐에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 출력단에서 출력되는 전류(Ioutput)의 크기를 감소시킨다. 도 4에서 가로축은 정전류 구동부(230)의 외부 저항 입력 단자(EXT)에 연결되는 외부저항(Rext)의 저항값을 나타내며, 세로축은 정전류 구동부(230)로부터 출력되는 전류(Ioutput)의 크기를 나타낸다. 반대로 상기 정전류 구동부(230)는 외부 저항 입력 단자(EXT)에 연결되는 외부저항(Rext)의 저항값이 작아짐에 따라 출력단에서 출력되는 전류의 크기를 증가시킨다. 예를 들어, 정전류 구동부(230)의 외부 저항 입력 단자(EXT)에 연결되는 외부저항(Rext)이 수 kΩ 내지 수백 kΩ 범위의 저항값을 가질 때, 출력단자로부터 출력되는 전류(Ioutput)는 약 5mA 내지 60mA 범위의 크기를 갖는다.
또한, 정전류 구동부(230)의 인에이블 단자(EN)에 하이(High) 값이 입력될 경우에는 정전류 구동부(230)의 출력단으로 전류가 출력되고, 반면에 상기 인에이블 단자(EN)에 로우(Low) 값이 입력될 경우에는 정전류 구동부(230)의 출력이 차단된다.
디밍 제어부(240)는 컬렉터가 정전류 구동부(230)의 외부 저항 입력 단자(Rext)에 연결되고, 베이스가 스위칭부(250)에 연결되며, 에미터가 기저 전압원(GND)에 연결되는 NPN형 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor; BJT)(Q1)와, 상기 트랜지스터(Q1)와 스위칭부(250) 사이에 연결된 로우 패스 필터(Low Pass Filter; LPF)(241)를 포함한다.
상기 트랜지스터(Q1)의 컬렉터는 제1 저항(R1)을 통하여 정전류 구동부(230)의 외부 저항 입력 단자(EXT)에 연결된다. 상기 제1 저항(R1)은 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항(RCE , ON)과 함께 정전류 구동부(230)의 입력단자에 연결되는 외부 저항으로서 기능을 한다.
상기 트랜지스터(Q1)의 베이스는 제2 저항(R2)의 일단과 연결된다. 상기 제2 저항(R2)는 트랜지스터(Q1)의 안정적인 구동을 위한 바이어스 저항이며, 또한 본 발명에 따른 디밍 지연시간을 증가시키는 기능을 한다. 상기 제2 저항(R2)의 타단은 로우 패스 필터(241)와 연결된다.
그리고, 상기 트랜지스터(Q1)의 에미터는 기저 전압원(GND)에 연결된다.
상기 로우 패스 필터(241)는 스위칭부(240)와 제2 저항(R2) 사이에 연결된 제3 저항(R3)과, 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)의 접점(N)과 기저 전압원(GND) 사이에 연결된 커패시터(C1)를 포함한다. 상기 제3 저항(R3)은 제1 단이 제2 저항(R2)을 통하여 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결되고 제2 단이 상기 스위칭부(240)에 연결된다. 상기 로우 패스 필터(241)는 제2 저항(R2)의 저항값 및 커패시터(C1)의 커패시턴스에 의해서 결정되는 시정수에 의해 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압이 점진적으로 증가 또는 감소되도록 한다.
스위칭부(250)는 소정의 직류 전압을 제공하는 스위칭 제어 전압원(Vcc)과, 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온(Turn-On) 또는 턴오프(Turn-Off) 동작을 제어하는 스위치(s1)를 포함한다. 상기 스위치(s1)는 상기 제3 저항(R3)의 제2 단에 연결되어, 상기 스위칭 제어 전압원(Vcc)과 상기 로우 패스 필터(241)를 연결하거나, 또는 기저 전압원(GND)과 상기 로우 패스 필터(241)를 연결하도록 스위칭한다. 이와 같은 스위칭부(24)의 스위칭 동작에 따라 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온 또는 턴오프 동작이 제어된다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 디밍 제어 장치(220)를 이용하여 발광다이오드 조명 시스템(200)에 디밍 기능을 제공하는 과정을 설명한다.
먼저, 상기 디밍 제어 장치(220)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴온시키고자 할 경우, 스위칭부(250) 내에 형성된 스위치(s1)는 스위칭 제어 전압원(Vcc)을 로우 패스 필터(241)와 연결한다.
그러면, 상기 스위칭 제어 전압원(Vcc)으로부터 제공되는 직류 전압은 로우 패스 필터(241) 및 제2 저항(R2)을 통하여 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가된다. 이 때 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압은 로우 패스 필터(241) 내부에 구성된 제3 저항(R3) 및 커패시터(C1)에 의해 결정되는 시정수에 비례하여 점진적으로 증가하게 된다. 이와 같이, 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압의 크기를 점진적으로 변화시킴으로써, 트랜지스터(Q1)가 턴온 될 시 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항 성분(RCE , ON), 즉 상기 트랜지스터(Q1)가 턴온 될 시 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 에미터 사이에 형성되는 저항값을 ∞에서부터 소정의 저항값까지 점진적으로 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항값(RCE , ON)이 감소함에 따라, 상기 정전류 구동부(230)의 출력 전류는 점진적으로 증가하게 되어, 턴온 시 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 연속적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 사용자는 상기 로우 패스 필터(241) 내부에 구성된 제3 저항(R3) 및 커패시터(C1)의 크기를 변경함으로써, 사용자가 원하는 시정수 값에 따라 디밍 지연 시간의 제어가 가능하다.
이와 같이, 트랜지스터(Q1)의 베이스에 입력되는 전압이 트랜지스터(Q1)의 턴온 전압(Vturn - on)을 초과하면 트랜지스터는 포화영역에서 동작하게 되며, 베이스에 인가되는 전압이 증가함에 따라 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항(RCE , ON)이 작아지게 된다. 즉, 상기 트랜지스터(Q1)는, 베이스에 인가되는 전압이 상기 트랜지스 터(Q1)의 턴온 전압(Vturn - on)을 초과하게 되면, 상기 베이스에 인가되는 전압이 증가함에 따라 상기 턴온 저항(RCE , ON)이 작아지는 가변저항으로서의 역할을 하게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면 별도의 가변 저항과 상기 가변 저항의 저항값을 변화시키기 위한 제어 회로를 부가함이 없이, 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압이 변화함에 따라 트랜지스터의 턴온 저항(RCE , ON)이 변화하는 특성을 이용함으로써 간단히 가변저항의 기능을 구현할 수 있다.
반대로, 상기 디밍 제어 장치(220)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴오프시키고자 할 경우, 스위칭부(250) 내에 형성된 스위치(s1)는 기저 전압원(GND)에 연결된다.
그러면, 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되었던 전압은 제3 저항(R3) 및 커패시터(C1)에 의해 결정되는 시정수에 비례하여 점진적으로 감소하게 되므로, 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항(RCE , ON)은 증가하게 되고, 결과적으로 정전류 구동부(230)의 출력 전류가 감소하게 된다. 이에 따라 턴오프 시에도 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 연속적으로 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 트랜지스터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하여 상기 트랜지스터(Q1)의 동작 특성을 설명하면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 컬렉터에 전압원(Vcc1)이 연결된다고 가정하였을 때, 베이스 에 인가되는 입력전압(Vinput)을 0 V에서 Vturn - on까지 점진적으로 증가시키면 컬렉터로 출력되는 출력전압(Voutput)은 Vcc1을 유지한다. 이 영역은 트랜지스터(Q1)의 컷오프(Cutoff) 영역(510)에 해당한다. 상기 컷오프(Cutoff) 영역(510)에서, 트랜지스터(Q1)는 일반적인 스위치의 오프(off) 동작과 같이 동작된다.
다음으로, 입력전압(Vinput)을 Vturn - on 이상으로 증가시키면 트랜지스터(Q1)는 액티브(Active) 영역(520)에서 동작하게 된다. 액티브(Active) 영역(520)에서, 상기 트랜지스터(Q1)는 입력전압(Vinput)이 증가함에 따라 소정의 기울기를 가지고 감소하는 출력전압(Voutput)을 출력하게 된다.
그리고, 입력전압(Vinput)을 더욱 증가시키면, 트랜지스터(Q1)는 포화(Saturation) 영역(530)에서 동작하게 되며, 이 경우 트랜지스터(Q1)의 출력전압(Voutput)은 VCEsat으로 일정하게 유지된다. 상기 포화(Saturation) 영역(530)에서, 트랜지스터(Q1)는 일반적인 스위치의 온(on) 동작과 같이 동작한다.
이와 같은 특성을 갖는 트랜지스터(Q1)는 베이스에 전압이 인가되면 출력전압으로 로우(Low)값이 출력되고, 반면에 베이스가 접지되면 출력전압으로 하이(High)값이 출력된다. 또한, 액티브(Active) 영역(520)에서 동작하는 동안에는, 상기 트랜지스터(Q1)는 입력전압(Vinput)이 증가함에 따라 소정의 기울기를 가지고 감소하는 출력전압(Voutput)을 출력하게 되며, 이러한 특성은 트랜지스터(Q1)가 턴온 될 시 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항 성분(RCE , ON), 즉 상기 트랜지스터(Q1)가 턴온 될 시 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 에미터 사이에 형성되는 저항값이 ∞에서부터 소정의 저항값까지 변화하기 때문이다. 이에 따라, 상기 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항(RCE , ON)의 저항값은 액티브(Active) 영역(520)에서 베이스에 인가되는 입력전압(Vinput)이 증가함에 따라 감소됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템에 있어서 디밍 신호 인가시 발광다이오드에 흐르는 전류를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 특정 시점(t=0)에서 스위칭부(250)의 스위치(s1)가 기저 전압원(GND)으로부터 스위칭 제어 전압원(Vcc)으로 연결됨으로써 스위치 오프(Switch Off) 상태에서 스위치 온(Switch On) 상태로 턴온되면, 본 발명에 따른 디밍 제어 장치(220)는 발광다이오드(LED)(210)로 0에서부터 미리 정해진 설정치까지 점진적으로 증가하는 전류(610)를 공급한다. 도 6에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 스위칭 제어 전압원(Vcc)으로부터 인가되는 전압(620) 및 발광다이오드(LED)(210)로 출력되는 전압(610)의 크기를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따른 디밍 제어 장치(220)는 발광다이오드(LED)(210)의 휘도가 점진적으로 증가하도록 제어할 수 있다. 반대로, 턴오프 동작시에도 상기 디밍 제어 장치(220)는 로우 패스 필터(241)의 시정수에 비례하여 발광다이오 드(LED)(210)의 휘도를 점진적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 발광다이오드(LED) 조명 시스템(200)은 발광 소자인 발광다이오드(LED)(210)가 자연스럽게 서서히 켜지거나 꺼지도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 세부 구성도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드(LED) 조명 시스템(700)은 발광 소자인 발광다이오드(LED)(210)와, 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 점진적으로 조절하는 디밍 제어 장치(720)를 포함한다.
상기 디밍 제어 장치(720)는 상기 발광다이오드(LED)(210)에 정전류를 공급하는 정전류 구동부(230)와, 상기 정전류 구동부(230)의 입력단에 인가되는 입력 저항값을 조정하여 상기 정전류 구동부(230)로부터 출력되는 전류를 점진적으로 조절하는 디밍 제어부(240), 및 상기 디밍 제어부(240)의 구동을 제어하는 스위칭부(750)를 포함한다.
여기서, 상기 발광다이오드(LED)(210), 정전류 구동부(230) 및 디밍 제어부(240)의 구성 및 작용은 본 발명의 제1 실시 예에서 설명된 것과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
따라서, 이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스위칭부(750)를 중심으로 상기 발광다이오드(LED) 조명 시스템(700) 및 디밍 제어 장치(720)를 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭부(750)는 스위칭 제어 전압원(Vcc)과, 로우 패스 필터(241)에 연결된 제1 스위치(s1)과, 상기 로우 패스 필터(241)와 트랜지스터(Q1)의 접점(N)에 연결된 제2 스위치(s2)를 포함한다.
상기 제1 스위치(s1)는 로우 패스 필터(241)에 연결되어, 상기 스위칭 제어 전압원(Vcc)과 상기 로우 패스 필터(241)를 연결하거나, 또는 기저 전압원(GND)과 상기 로우 패스 필터(241)를 연결하도록 스위칭한다.
상기 제2 스위치(s2)는 상기 로우 패스 필터(241)와 트랜지스터(Q1)의 접점(N)에 연결되어, 상기 로우 패스 필터(241)와 트랜지스터(Q1)의 접점(N)을 기저 전압원(GND)에 연결하거나, 또는 오픈(open)되도록 스위칭한다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 턴온시에만 발광다이오드 조명 시스템(700)에 디밍 기능을 제공하는 과정을 설명한다.
먼저, 상기 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴온시키고자 할 경우, 스위칭부(750) 내의 제1 스위치(s1)는 스위칭 제어 전압원(Vcc)을 로우 패스 필터(241)와 연결한다. 그리고 제2 스위치(s2)는 오픈된다.
그러면, 상기 스위칭 제어 전압원(Vcc)으로부터 제공되는 직류 전압은 로우 패스 필터(241) 및 제2 저항(R2)을 통하여 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가된다. 이 때 디밍 제어부(240) 내부에 형성된 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압은 로우 패스 필터(231) 내부에 구성된 제3 저항(R3) 및 커패시터(C1)에 의해 결정되는 시정수에 비례하여 점진적으로 증가하게 된다.
이와 같이, 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되는 전압이 점진적으로 증가하게 되면, 그에 따라 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항값(RCE , ON)이 감소하게 된다. 그리고, 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항값(RCE , ON)이 감소함에 따라, 상기 정전류 구동부(230)의 출력 전류는 점진적으로 증가하게 된다. 이에 따라, 턴온 시 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 연속적으로 증가시킬 수 있다.
반대로, 상기 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴오프시키고자 할 경우, 스위칭부(750) 내의 제1 스위치(s1)는 기저 전압원(GND)에 연결되고, 제2 스위치(s2)는 기저 전압원(GND)에 연결된다.
그러면, 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에는 기저 전압원(GND)이 연결됨으로써, 턴 오프 시에는 디밍 동작이 제공됨이 없이 바로 발광다이오드(LED)(210)를 턴오프시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템용 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 턴오프시에만 발광다이오드 조명 시스템(700)에 디밍 기능을 제공하기 위한 과정을 설명한다.
먼저, 상기 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴온시키고자 할 경우, 스위칭부(750) 내의 제1 스위치(s1)는 스위칭 제어 전압원(Vcc)을 로우 패스 필터(241)와 연결한다. 그리고 제2 스위치(s2)는 기저 전압원(GND)에 연결된다.
그러면, 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에는 스위칭 제어 전압원(Vcc)이 연결됨으로써, 턴 온 시에는 디밍 동작이 제공됨이 없이 바로 발광다이오드(LED)(210)를 턴온시킬 수 있다.
반대로, 상기 디밍 제어 장치(720)를 이용하여 발광다이오드(LED)(210)를 턴오프시키고자 할 경우, 스위칭부(750) 내의 제1 스위치(s1)는 기저 전압원(GND)에 연결되고, 제2 스위치(s2)는 오픈된다.
그러면, 상기 트랜지스터(Q1)의 베이스에 인가되었던 전압은 제3 저항(R3) 및 커패시터(C1)에 의해 결정되는 시정수에 비례하여 점진적으로 감소하게 되므로, 트랜지스터(Q1)의 턴온 저항(RCE , ON)은 증가하게 되고, 결과적으로 정전류 구동부(230)의 출력 전류가 감소하게 된다. 이에 따라 턴오프 시에도 상기 발광다이오드(LED)(210)의 휘도를 연속적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 디밍 제어 장치는 발광다이오드(LED)뿐만 아니라 정전류를 이용하여 발광되는 다른 발광소자에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 LED 조명 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 세부 구성도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전류 구동부의 특성을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에의 제1 실시 예에 따른 트랜지스터의 동작 특성을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템에 있어서 디밍 신호 인가시 발광다이오드에 흐르는 전류를 측정한 결과를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광다이오드 조명 시스템의 세부 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200, 700: 발광다이오드(LED) 조명 시스템
210: 발광다이오드(LED)
220, 720: 디밍 제어 장치
230: 정전류 구동부
240: 디밍 제어부
250, 750: 스위칭부

Claims (15)

  1. 발광다이오드(LED);
    입력단자에 연결된 외부 저항의 저항값에 따라 상기 발광다이오드(LED)에 점진적으로 변화하는 전류를 공급하는 정전류 구동부;
    상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되며, 베이스에 입력되는 전압이 적어도 일정 범위에서 변화함에 따라 턴온 저항값이 변경되는 트랜지스터를 갖는 디밍 제어부; 및
    상기 트랜지스터의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 트랜지스터는,
    컬렉터가 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되고, 에미터가 기저전압원에 연결되며, 베이스가 상기 스위칭부에 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 컬렉터와 상기 정전류 구동부의 입력 단자 사이에 연결되 는 제1 저항을 더 포함하는 것을 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 베이스와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 트랜지스터는,
    NPN형 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)인 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 디밍 제어부는,
    상기 트랜지스터와 상기 스위칭부 사이에 연결되어, 소정의 시정수에 의하여 상기 트랜지스터의 베이스에 인가되는 전압을 점진적으로 변화시키는 로우 패스 필터를 더 포함하는 것을 특징을 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 로우 패스 필터는,
    제1 단이 상기 트랜지스터의 베이스에 연결되고 제2 단이 상기 스위칭부에 연결되는 제3 저항; 및
    상기 제3 저항의 제1 단과 기저 전압원 사이에 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    소정의 직류 전압을 제공하는 스위칭 제어 전압원; 및
    상기 제3 저항의 제2 단에 연결되어, 상기 스위칭 제어 전압원과 상기 로우 패스 필터를 연결하거나, 또는 상기 기저 전압원과 상기 로우 패스 필터를 연결하도록 스위칭하는 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스텝.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 로우 패스 필터와 상기 트랜지스터의 접점(N)에 연결되어, 상기 접점(N)을 상기 기저 전압원(GND)에 연결하거나, 또는 오픈(open)되도록 스위칭하는 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 시스템.
  10. 입력단자에 연결된 외부 저항의 저항값에 따라 점진적으로 변화하는 전류를 출력하는 정전류 구동부;
    상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되며, 베이스에 입력되는 전압이 적어도 일정 범위에서 변화함에 따라 턴온 저항값이 변경되는 트랜지스터를 갖는 디밍 제어부; 및
    상기 트랜지스터의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 트랜지스터는,
    컬렉터가 상기 정전류 구동부의 입력단자에 연결되고, 에미터가 기저전압원에 연결되며, 베이스가 상기 스위칭부에 연결되는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 컬렉터와 상기 정전류 구동부의 입력 단자 사이에 연결되는 제1 저항; 및
    상기 트랜지스터의 베이스와 상기 스위칭부 사이에 연결되는 제2 저항을 더 포함하며,
    상기 트랜지스터는 NPN형 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)인 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    제1 단이 상기 트랜지스터의 베이스에 연결되고 제2 단이 상기 스위칭부에 연결되는 제3 저항; 및
    상기 제3 저항의 제1 단과 기저 전압원 사이에 연결되는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    소정의 직류 전압을 제공하는 스위칭 제어 전압원; 및
    상기 제3 저항의 제2 단에 연결되어, 상기 스위칭 제어 전압원과 상기 제3 저항의 제2 단을 연결하거나, 또는 상기 기저 전압원과 상기 제3 저항의 제2 단을 연결하도록 스위칭하는 제1 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 제3 저항의 제1 단과 상기 트랜지스터의 접점(N)에 연결되어, 상기 접점(N)을 상기 기저 전압원(GND)에 연결하거나, 또는 오픈(open)되도록 스위칭하는 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
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