KR20110045247A - 정전류 구동 단방향 ｌｅｄ 모듈 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인한 플리커 현상을 억제할 수 있고, 광 효율 저하를 개선할 수 있으며, 역률 저하를 개선할 수 있는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치를 제공한다.
본 발명의 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치는, 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부; 상기 정류부의 일단과 연결된 단방향 LED 모듈부; 및 상기 단방향 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이에 연결되어 정전류를 제공하는 정전류부를 포함한다.
LED, 교류, 정전류, 단방향, 역률

Description

정전류 구동 단방향 ＬＥＤ 모듈 장치{UNIDIRECTIONAL LIGHTING EMITTING DIODE MODULE DEVICE TO DRIVE WITH CONSTANT CURRENT}
본 발명은 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 정전류로 구동하는 단방향의 LED 모듈 장치에 관한 것이다.
LED(Luminescent Diode)는 전류 구동 소자로 정전류가 안정적으로 공급되어야 동작할 수 있다. 특히 고전력을 요구하는 LED는 구동 전류가 크기 때문에(보통 350mA 이상) LED 자체에서 많은 열이 발생하며, 이로 인해 휘도의 열화율이 저전력에서의 LED보다 크다. 이는 LED의 수명과 직접적으로 연결되며 조명 시장에서 매우 중요한 요소로 작용하게 된다. 이에 따라, 고전력에서의 LED는 모두 정전류로 구동하고 있으며, 정전류의 전원으로 사용되는 SMPS의 전력을 보다 효율적으로 사용하기 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 구동하고 있다.
그러나, 이러한 방식은 전자부품을 필요로 하여 제조비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 최근에는 교류전원을 정류하여 직렬연결된 LED 모듈에 인가하는 방식을 적용하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 단방향 LED 모듈 장치이다.
종래기술에 따른 단방향 LED 모듈 장치는, 인가되는 교류전원(110)을 정류하는 브릿지 다이오드(120)와, 브릿지 다이오드(120)에 저항(R1)을 통해 결합되는 단방향 LED모듈(130)을 포함한다.
여기서, 저항(R1)은 단방향 LED모듈(130)에 흐르는 전류의 크기를 결정한다.
도 2는 종래기술에 따른 단방향 LED 모듈에서의 인가 전압 및 구동 전류 파형도로서, v는 인가되는 전압 파형이고, i는 인가되는 교류전압에 따라 브릿지 다이오드(120)의 전단에 흐르는 전류 파형이다.
교류전원(110)의 양의 반주기 전압이 인가되면, 전압의 크기가 LED 모듈(130)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우에 전류가 흐르고 LED 모듈(130)이 발광하게 된다. 마찬가지로, 교류전원(110)의 음의 반주기에서도 전압의 크기가 LED 모듈(130)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우에 전류가 흐르고 LED 모듈(130)이 발광하게 된다. 즉, 도 2에 보이는 바와 같이, a 구간과 b 구간에서 부하전류가 흐르지 않는다.
이와 같이, 인가되는 전압의 크기가 순방향 문턱 전압 이상인 경우에만 동작하는 LED 모듈(130)의 동작 특성, 즉, 교류 전원의 인가에 의해 순방향 연결되는 LED 모듈(130)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우에 도통되어 급작스럽게 전류가 흘러 동작하는 점과, 인가되는 교류 전원의 한 주기 내에서 LED 모듈의 동작 구간이 짧은 점 등으로 인해, 역률(power factor)이 낮으며, 고조파 왜곡(total harmonic distortion, THD)이 증가하고, 플리커(flicker) 현상이 과다하게 발생하는 문제점 이 존재한다. 또한, 이로 인해 광 효율이 저하되는 문제점도 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인한 플리커 현상을 억제할 수 있는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인한 광 효율 저하를 개선할 수 있는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인한 역률 저하를 개선할 수 있는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치는, 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부; 상기 정류부의 일단과 연결된 단방향 LED 모듈부; 및 상기 단방향 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이에 연결되어 정전류를 제공하는 정전류부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 정전류부는, 상기 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이에 연결되어 상기 정류부가 출력하는 맥류를 이용하여 스위칭하는 스위칭부; 상기 단방향 LED 모듈부에 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 스위칭부로부터 출력되는 스위칭 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및 상기 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전류를 제공하는 정전류 구동부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정전류부는, 상기 단방향 LED 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이의 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및 상기 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전류를 제공하는 정전류 구동부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정류부의 상부 다이오드 및/또는 하부 다이오드와 병렬연결되는 저항-커패시터로 구성되는 충방전부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정전류 구동부는 전계 효과 트랜지스터(FET), 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 중 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어전압 출력부는, 상기 단방향 LED 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하는 검출저항; 및 상기 검출저항에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 제너 전압의 제1 레벨의 구동전압을 출력하고, 상기 제어전압이 상기 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지하는 제2 레벨의 구동전압을 출력하는 3단자 제너다이오드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 교류 전원의 인가전압이 정격전압의 10% 범위에서 변동하는 경우, 상기 단방향 LED 모듈부에 흐르는 부하전류는 5 내지 20% 범위로 변동 한다.
바람직하게는, 상기 교류 전원의 인가전압이 10% 범위에서 변동하는 경우, 상기 단방향 LED 모듈부의 광량은 5 내지 20% 범위로 변동한다.
본 발명에 따르면, 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인해 발생하는 플리커 현상을 억제할 수 있어 조명장치로 사용하기에 적합하다. 플리커 현상이 억제됨으로 인하여 조명장치의 수명이 연장되는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 광 효율 저하를 개선할 수 있으며, 역률의 저하를 개선할 수 있다.
또한, 종래기술에 비하여 LED 동작 구간이 더 넓어 유효전력이 증가하여 역률(PF: Power Factor)이 개선되고, 기본파의 실효치가 더 크기 때문에 전체 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)이 개선된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예(들)에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치 회로도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치는, 상용 교류 전원(310)을 입력받아 정류하는 정류부(320); 정류부(320)의 일단과 연결된 단방향 LED 모듈부(330); LED 모듈부(330)와 정류부(320)의 타단 사이에 연결되어 정전류를 제공하는 정전류부(340)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 정전류부(340)는, LED 모듈부(330)와 정류부(320)의 타단 사이에 연결되어 정류부(320)가 출력하는 맥류를 이용하여 스위칭하는 스위칭부(341), 단방향 LED 모듈부(330)를 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 스위칭부(341)로부터 출력되는 스위칭 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부(342), 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전류를 제공하는 정전류 구동부(343)를 포함한다.
스위칭부(341)는 LED 모듈부(330)와 정류부(320)의 타단 사이에 직렬연결된 제1 저항(R1) 및 제1 제너 다이오드(ZD1)와 제1 제너 다이오드(ZD1)의 제너 전압에 온오프되는 제2 FET(Q2), 그리고 제2 FET(Q2)의 소스 단자에 일단부가 결합된 제2 저항(R2)을 포함한다.
제어전압 출력부(342)는 제1 FET(Q1)의 소스 단자와 정류부(320) 타단 사이에 결합된 검출저항(Rsen), 제2 저항(R2)의 타단부와 정류부(320) 타단 사이에 결합되고 검출저항에 인가되는 제어전압(Vcon)에 제어되어 제1 및 제2 레벨의 구동전압을 출력하는 3단자 제너 다이오드(3ZD)를 포함한다.
정전류 구동부(343)는 단방향 LED 모듈부(330)와 검출 저항(Rsen) 사이에 결합되어 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 따라 동작 영역을 달리하는 제1 FET(Q1)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
LED 모듈부(330)와 정류부(320)의 타단 사이에 인가되는 전압이 소정 레벨을 초과하면 제너 다이오드(ZD1) 양단은 제너 전압을 유지하고, 제2 FET(Q2)는 제너 전압에 턴온된다.
3단자 제너다이오드(3p-ZD)는 검출저항에 인가되는 제어전압(Vcon)이 설정치 이하이면 일반적인 제너 다이오드 특성과 동일한 특성을 가져 제너 전압을 출력하고, 제어전압(Vcon)이 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지한다.
제1 FET(Q1)는 제어전압이 설정치 이하이면 3단자 제너다이오드(3p-ZD)로부터 인가되는 제1 구동전압 즉, 제너 전압에 따라 포화영역에서 동작한다. 한편, 제 어전압이 설정치를 초과하면 3단자 제너다이오드(3p-ZD)는 단락상태로 동작하므로 검출저항(Rsen)에 인가되는 제어전압이 제1 FET(Q1)의 게이트-소스 단자에 역전압 상태로 인가되어 제1 FET(Q1)는 활성영역에서 동작하며, 이에 따라 부하전류는 정전류 특성을 갖는다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도로서, 도 3의 제1 실시예와 대부분의 구성이 동일하다.
다만, 도 3의 제1 실시예에서의 스위칭부(341) 대신 2개의 FET를 사용하여 정전류를 제공하는 스위칭부(441)를 구성하는 점이 상이할 뿐 정전류부(440)의 동작은 동일하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도로서, 도 3의 제1 실시예와 대부분의 구성이 동일하다.
다만, 도 3의 제1 실시예에서의 스위칭부(341)가 제거된다는 점이 상이할 뿐 정전류부(540)의 동작은 동일하다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도로서, 도 3의 제1 실시예의 회로에 충방전부(350)를 더 포함한다.
충방전부(350)는 정류부(320)의 상부 다이오드(D3) 및 하부 다이오드(D4)에 각각 병렬결합된 저항(R3)-커패시터(C1)와 저항(R4)-커패시터(C2)를 포함한다. 커 패시터(C1)와 커패시터(C2)는 교류 전원의 에너지를 상보적으로 충전하여 LED 모듈부로 에너지를 방전한다. 즉, 저항(R3)-커패시터(C1)는 교류 전원의 양의 반주기동안 교류 전압을 저장하고, 음의 반주기 동안 저장된 에너지를 방전한다. 저항(R4)-커패시터(C2)는 교류 전원의 음의 반주기 동안 교류 전압을 저장하고, 양의 반주기 동안 저장된 에너지를 방전한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 충방전부(350)는 도 4의 제2 실시예 또는 도 5의 제3 실시예에서도 동일하게 적용 가능하다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치의 전압 및 전류 파형도로서, 본 발명에 따르면, 도 1의 종래기술에 따른 회로에 비하여 LED 동작 구간이 더 넓어 유효전력이 증가하여 역률(PF: Power Factor)이 개선되고, 기본파의 실효치가 더 크기 때문에 전체 고조파 왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)이 개선된다.
도 8은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 광 출력 대비 종래기술에 따른 광 출력 파형도이다.
본 발명에 따르면, 입력 전원 전압이 변동하더라도 교류 피크 저류의 증가를 제한하여 전류 변화를 최소화할 수 있기 때문에 광 출력에 변화가 없음을 알 수 있다.
이에 반해, 도 1의 종래기술에 따르면, 교류 전원 전압의 변동에 비례하여 전류가 변동하므로 광 출력 역시 변동하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충방전부에 의한 영향은 무시한 것이다.
도 9는 종래기술과 본 발명의 인가 전압 대비 전류 특성 그래프로서, 종래기술에 비하여 본 발명에서는 인가전압이 변동하더라도 부하 전류의 변동은 극히 미미한 정전류 특성을 보인다.
즉, 종래기술에 따르면, 인가전압이 정격전압에 비해 10% 감소하여 200볼트가 인가되면, 부하전류는 (40.04-29.87)/40.04*100 = 25.4% 감소하고, 인가전압이 정격전압에 비해 10% 증가하여 240볼트가 인가되면, 부하전류는 (50.71-40.04)/40.04*100 = 26.6% 증가한다.
반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 200볼트 인가시 부하전류는 (39.71-36.95)/39.71*100 = 7 % 감소하고, 240볼트 인가시 부하전류는 (41.83-39.71)/39.71 = 5.3% 증가한다. 여기서, 종래기술의 회로 및 본 발명의 회로는 8와트 LED 램프에 대하여 실시한 것이다.
도 10은 종래기술과 본 발명의 인가 전압 대비 광량 특성 그래프로서, 종래기술에 비하여 본 발명에서는 인가전압이 증가하더라도 광량의 증가가 크지 않음을 알 수 있다.
즉, 종래기술에 따르면, 인가전압이 정격전압에 비해 10% 감소하여 200볼트 가 인가되면, 광량은 (401-300)/401*100 = 25.2% 감소하고, 인가전압이 정격전압에 비해 10% 증가하여 240볼트가 인가되면, 광량은 (502-401)/401*100 = 25.2% 증가한다.
반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 200볼트 인가시 광량은 (430-386)/430*100 = 10.2 % 감소하고, 240볼트 인가시 광량은 (464-430)/430 = 7.9% 증가한다. 여기서, 종래기술의 회로 및 본 발명의 회로는 8와트 LED 램프에 대하여 실시한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예(들)에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 단방향 LED 모듈 장치,
도 2는 종래기술에 따른 단방향 LED 모듈에서의 인가 전압 및 구동 전류 파형도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치 회로도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도,
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도,
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치 회로도,
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 정전류로 구동되는 단방향 LED 모듈 장치의 전압 및 전류 파형도,
도 8은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 광 출력 대비 종래기술에 따른 광 출력 파형도,
도 9는 종래기술과 본 발명의 인가 전압 대비 전류 특성 그래프, 및
도 10은 종래기술과 본 발명의 인가 전압 대비 광량 특성 그래프이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
310 : 상용 교류 전원 320 : 정류부
330 : 단방향 LED 모듈부 340 : 정전류부
341 : 스위칭부 342 : 제어전압 출력부
343 : 정전류 구동부 350 : 충방전부

Claims (8)

  1. 교류 전원을 입력받아 정류하는 정류부;
    상기 정류부의 일단과 연결된 단방향 LED 모듈부; 및
    상기 단방향 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이에 연결되어 정전류를 제공하는 정전류부
    를 포함하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전류부는,
    상기 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이에 연결되어 상기 정류부가 출력하는 맥류를 이용하여 스위칭되는 스위칭부;
    상기 단방향 LED 모듈부에 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 스위칭부로부터 출력되는 스위칭 전압을 제1 또는 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및
    상기 제1 또는 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전류를 제공하는 정전류 구동부
    를 포함하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정전류부는,
    상기 단방향 LED 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 LED 모듈부와 상기 정류부의 타단 사이의 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및
    상기 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전류를 제공하는 정전류 구동부
    를 포함하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 정류부의 상부 다이오드 및/또는 하부 다이오드와 병렬연결되는 저항-커패시터로 구성되는 충방전부를 더 포함하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정전류 구동부는 전계 효과 트랜지스터(FET), 바이폴라 정션 트랜지스터(BJT), 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어전압 출력부는,
    상기 단방향 LED 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하는 검출저항; 및
    상기 검출저항에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 상기 제1 레벨의 구동전압인 제너 전압을 출력하고, 상기 제어전압이 상기 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지하는 제2 레벨의 구동전압을 출력하는 3단자 제너다이오드
    를 포함하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 교류 전원의 인가전압이 정격전압의 10% 범위에서 변동하는 경우, 상기 단방향 LED 모듈부에 흐르는 부하전류는 5 내지 20% 범위로 변동하는 것을 특징으로 하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 교류 전원의 인가전압이 10% 범위에서 변동하는 경우, 상기 단방향 LED 모듈부의 광량은 5 내지 20% 범위로 변동하는 것을 특징으로 하는 정전류 구동 단방향 LED 모듈 장치.
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