KR20110087955A - 엘이디 조도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘이디 조도 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치와 커패시터를 이용한 저항 등가 회로를 고효율 LED 조명 회로에 연결하여 LED 조명 전류를 제어함으로써, 전력 손실이 적은 엘이디 조도 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 공급되는 전력에 따라 발광하는 LED와; 상기 LED로 구동 전력을 공급하는 전원과; 상기 전원으로부터 공급되는 전하를 충/방전하는 커패시터와, 상기 전원과 상기 커패시터를 연결하여 상기 커패시터가 전하를 충전하거나 상기 커패시터와 상기 LED를 선택적으로 연결하여 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED로 공급하도록 하는 스위치와, 상기 LED로 커패시터에 의해 충전된 전하를 공급하도록 스위칭 주파수를 생성하여 출력하는 드라이버 회로를 포함한다.

Description

엘이디 조도 제어 장치{lluminance controll apparatus for LED}
본 발명은 엘이디 조도 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치와 커패시터를 이용한 저항 등가 회로를 고효율 LED 조명 회로에 연결하여 LED 조명 전류를 제어함으로써, 전력 손실이 적은 엘이디 조도 제어 장치에 관한 것이다.
엘이디(LED: Light Emitting Diode, 발광 다이오드)는 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상을 이용한 광원이다. 1923년에 비소화갈륨 p-n 접합에서의 고 발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었고, 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르렀다.
발광다이오드에 적합한 재료로는 발광파장이 가시 또는 근적외영역에 존재할 것, 발광효율이 높을 것, p-n접합의 제작이 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 것으로서 주로 비소화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 갈륨-비소-인(GaAs1-x Px), 갈륨-알루미늄-비소(Ga1-xAlxAs), 인화인듐(InP), 인듐-갈륨-인(ln1-xGaxP) 등 3B 및 5B족인 2원소 또는 3원소 화합물 반도체가 사용되고 있다.
이러한 LED는 종래의 광원에 비해 소형이고, 수명은 길며, 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 좋은 장점을 가지고 있다. 특히 전구대비 1/8, 형광등대비 1/3수준으로 소비전력이 매우 적으며, 전구와 같이 필라멘트 단락 현상이 없어 수명은 통상 50,000~100,000시간으로 알려져 있어 반영구적이라 할 수 있다.
또한, 반도체 소자이므로 응답속도가 매우 빠르고, 다양한 색상의 구현이 가능하며, 대부분 Epoxy packaging으로 Molding 되어 있기 때문에 충격에 강하다. 그외에도 초박형 제작도 가능하며, LED의 직/병렬 확장으로 옥외간판과 같이 대형 화면의 구성에도 쓰이고 있고, 형광등과 같은 수은, 방전용 gas를 사용하지 않으므로 환경 친화적이다.
이렇게 기존의 광원에 비해 많은 장점이 있는 LED를 이용한 LED 조명 장치는 초박형 고효율 디스플레이가 요구되는 모바일이나 IT 기기의 디스플레이 조명으로 가장 수요가 많으며, 자동차, 신호등, 가로등, 싸인, 경관 조명, 실내조명, 간접조명, 농업용 조명등, 어업용 투광등 등 점차 그 활용범위가 확대되고 있는 실정이다.
한편, LED는 전류 제어를 통해 조도가 제어되며, LED로 공급되는 전류의 제어는 간단한 직렬로 연결된 저항 회로를 통해 이루어질 수 있다. 도 1은 가변 저항을 이용한 LED 조명의 전류 제어 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 이 회로에서 이 회로의 전류는 가변 저항 R1을 통해 제어된다. 이러한 방법은 매우 안정적이면 효과적으로 LED로 공급되는 전류를 제어할 수 있으며, 전류의 양을 계산하기 용이한 장점을 갖는다.
즉, LED와 저항은 직렬로 연결되어, LED의 전류의 값은 저항에 흐르는 전류량을 제어하면 된다. 저항에 흐르는 전류의 값은 저항 양측의 단자 전압 차와 저항값에 따라 그 값이 결정된다. LED로 공급되는 전류 값은 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
(ILED : LED로 공급되는 전류값, R : 저항값, VVCC : 전원 전압값, VVLED : LED에 인가되는 전압값)
가령 LED를 구동하기 위하여 공급되는 전압 값이 일정하다고 하자. 이때 저항값이 고정되어 있을 경우에는 LED에 단자 전압을 제외한 전압이 저항에 인가되고, 그 저항에 흐르는 전류는 그 저항값에 따라 결정된다. 따라서 LED의 전류는 저항값에 의하여 결정된다.
이 저항을 이용하여 LED의 전류를 제어하는 종래 회로의 단점이라면 저항값과 저항에 흐르는 전류의 제곱에 비례한 전력이 저항에서 열로 소모된다는 단점이 있다. 또한, 전류를 바꾸기 위하여 가변 저항을 사용한다면 저항에 비하여 가변 저항은 그 가격이 비싸고 제어가 수동으로 동작하므로 제한적으로 사용되고 있다.
또한, 저항에서 소요되는 전력도 그 크기가 작지 않다는데 있고, 이렇게 소요되는 전력은 저항값과 전류의 제곱에 비례한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 그 목적은 LED로 공급되는 전류의 제어를 위한 저항을 전력 소비가 적은 저항 등가 회로로 변경하여 정밀하게 LED의 전류를 검출하고, 전력 손실이 적은 엘이디 조도 제어 장치를 제공하는 데 있다.
나아가 저항 등가 회로를 디지털 로직으로 동작하는 스위치와 커패시터를 이용함으로써, 간단하고 제어가 간편한 엘이디 조도 제어 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 일 양상에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 스위치와 커패시터의 총/방전을 이용한 저항 등가 회로를 구성하여 기존의 가변 저항을 이용한 엘이디 조도 제어 장치보다 효율적인 조명 밝기 제어가 가능하다.
이에 따라 본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 공급되는 전력에 따라 발광하는 LED와; LED로 구동 전력을 공급하는 전원과; 전원으로부터 공급되는 전하를 충/방전하는 커패시터와, 전원과 커패시터를 연결하여 커패시터가 전하를 충전하거나 커패시터와 LED를 연결하여 커패시터에 충전된 전하를 LED로 공급하도록 하는 스위치와, 스위치 전환을 위한 스위칭 주파수를 생성하여 출력하는 드라이버 회로를 포함하는 저항 등가 회로를 포함한다.
본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 저항 등가 회로는 스위치 전환수와 커패시터의 용량에 따라 LED로 흐르는 전하량을 제어하도록 함으로써, 기존 저항을 이용한 회로에 비해 전력 손실이 적은 고 효율의 엘이디 조도 제어 장치의 구축이 가능하다.
본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 LED로 공급되는 전류의 제어를 위한 저항을 디지털 로직인 스위치와 커패시터를 이용한 저항 등가 회로로 변경하여 정밀하게 LED의 전류를 제어하고, 전력 손실이 적은 것은 물론 간단하고 제어가 간편한 장점을 갖는다.
도 1은 가변 저항을 이용한 LED 조명의 전류 제어 회로를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 엘이디 조도 제어 장치를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 엘이디 조도 제어 장치를 개략적으로 도시한 개요도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 엘이디 조도 제어 장치를 개략적으로 도시한 회로도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 전원과, 전원과 병렬로 연결되어 전원으로부터 공급되는 전하를 충전하거나 충전된 전하를 LED로 공급하는 커패시터(C1)와, 커패시터(C1)의 일단에 구비되며 스위칭 주파수에 따라 접점 b와 연결되어 커패시터(C1)가 전하를 충전토록 하고 접점 a와 연결되어 커패시터(C1)에 충전된 전하가 LED로 공급되도록 하는 스위치(SW)와, 커패시터(C1)로부터 공급되는 전하 즉, 전류에 따라 발광하는 LED로 구성된다.
이에 따라 스위칭 신호에 의해 스위치(SW)가 접점 b로 연결하면, 전원과 커패시터(C1)가 연결되고, 전원으로부터 흐르는 전하는 커패시터(C1)로 흘러 충전된다. 스위칭 신호에 의해 스위치(SW)가 접점 a로 전환되면 커패시터(C1)는 충전된 전하를 방전하게 되며, 방전된 전하는 LED로 흐르게 되어 이를 통해 LED는 발광하게 된다.
LED에 흐르는 전류량을 측정하면, 커패시터(C1)로부터 방전되어 LED를 통과하는 전하량을 측정할 수 있다. 즉, LED에 흐르는 전류를 1초 단위로 측정하면 전하량이 되며, 예를 들어 2A의 전류가 LED에 1초 동안 흐른다면, 총 2쿨롱(C)의 전하가 LED를 통과하는 것이 된다. 이러한 개념을 기반으로 하여 스위치(SW) 커패시터(C1)를 이용한 저항 등가 회로를 구현할 수 있다.
도 1에서 LED에 흐르는 전하를 계산하여 보기로 한다. 저항을 통하여 LED로 흐르는 전류가 T초 동안 LED에 공급되는 보내는 총 전하량을 계산하여 보기로 한다. 저항을 통하여 LED에 T 초 동안 흐르는 총 전하량은 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
(QtransR : LED로 공급되는 전하량, T : 시간(S) IR : LED로 공급되는 전류값, R : 저항값, VVCC : 전원 전압값, VVLED : LED에 인가되는 전압값)
본 발명에서 제시하는 회로는 도 2에 도시된 바와 같이 저항 등가 회로의 스위치(SW)가 접점 b와 연결되어 있다면, VCC로부터 흐르는 전하는 커패시터(C1)에 전하를 충전한다. 이때 충전되는 전하량은 커패시터(C1)의 크기에 따른다. 한편, 커패시터(C1)에 충전된 전하는 스위치(SW)가 접점 a와 연결되면, LED로 흐르게 된다. 한편, 커패시터(C1)에 충전되는 전하량은 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
(QVCC : 커패시터에 충전되는 전하량, C1 : 커패시터 용량, VVCC : 전원 전압값)
또한, LED에 흐르는 전하량은 LED에 인가되는 전압과 커패시터(C1)의 용량의 곱이 되므로 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
(QVLED : LED로 흐르는 전하량, C1 : 커패시터 용량, VVLED : LED에 인가되는 전압값)
즉 두 식을 통해 LED를 통과하는 전하량을 계산할 수 있으며, 한 번의 스위치(SW)의 전환으로 인해 옮겨지는 전하량은 수학식 5와 같다.
Figure pat00005
(Qtrans : 한 번의 스위치의 전환으로 인해 옮겨지는 전하량, C1 : 커패시터 용량, VVCC : 전원 전압값, VVLED : LED에 인가되는 전압값)
예를 들어 1초에 f번의 스위치(SW) 천이가 일어난다면 단위시간인 1초 동안에 전원에서 LED로 전달되는 총 전하량은 수학식 6과 같다.
Figure pat00006
(Qtrans : LED로 옮겨지는 전하량, T : 시간(S), f : 스위치 전환수, C1 : 커패시터 용량, VVCC : 전원 전압값, VVLED : LED에 인가되는 전압값)
즉, LED에 흐르는 전류는 수학식 6과 같고, 수학식 1과 수학식 6을 비교해 보면 수학식 6 에 의해 나타나는
Figure pat00007
은 저항값과 반비례하므로, 스위치의 동작 주파수와 커패시터(C1)의 용량 조정만으로 조절할 수 있는 값이므로 실질적으로 저항과 유사한 동작을 하는 저항 등가 회로이다. 이때 전류 값은 등가 저항회로의 양단의 단자 전압과 커패시터(C1)의 값, 동작 주파수의 값의 곱이 된다. 즉 이 전류 값이 LED에 공급되는 전류로서, 이 전류 값에 비례하여 LED이 조도를 제어할 수 있다.
도 1의 회로와 도 2의 회로를 비교하면, 도 1의 저항으로 전류를 제어하는 회로는 저항의 발열이 문제되고, 저항에서 손실되는 전력이 문제되지만, 도 2의 회로에서는 전류제어가 회로의 손실을 유발하지 않는 고효율의 전력 제어가 가능하다.
이에 반하여 본 발명에 따른 조명 제어 장치는 전원 전압과 LED 단자 간 전압이 커도 손실이 거의 없어 전압을 검출하여도 그 오차가 적고, 동작 주파수를 정확히 알 수 있어 정밀하게 LED의 전류를 검출하고, 제어할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 엘이디 조도 제어 장치는 전력 손실은 스위치(SW)의 스위칭 동작에 의해 생기는 손실과 커패시터(C1) 등 저항 등가 회로 내부 부품의 내부 저항에 의하여 생기는 손실이 전부이기 때문에 기존의 저항을 이용한 회로에 비하여 전력 손실이 매우 적다. 따라서 저항에 의하여 계산된 회로와 유사하게 동작하게 된다.
본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치에 구비되는 저항 등가 회로의 저항값은 수학식 7과 같다.
Figure pat00008
(Req : 저항 등가 회로의 저항값, f : 스위치 전환수, C1 : 커패시터 용량)
이 저항 등가 회로의 저항값은 커패시터(C1)의 크기와 스위칭 속도의 곱에 반비례한다. 이에 따라 본 발명에 따른 엘이디 조도 제어 장치는 전력 소비가 작으면서 고 효율이 가능한 저항을 가변 저항처럼 사용할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 스위칭 속도를 제어하는 동작 주파수의 제어만으로 저항값을 제어할 수 있어 손쉽게 LED 조명 장치의 밝기를 조정할 수 있는 장점을 갖는다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 엘이디 조도 제어 장치를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 조명 맑기 제어 장치는 공급되는 전력에 따라 발광하는 LED와, LED로 구동 전력을 공급하는 전원과, 전원으로부터 공급되는 전하를 충/방전하는 커패시터(C1)와, 전원과 커패시터(C1)를 연결하여 커패시터(C1)로 전하를 충전하게 하거나 충전된 전하를 LED로 공급하기 위하여 커패시터(C1)와 LED를 연결하는 스위치(SW1, SW2)와, 스위치(SW1, SW2)를 구동하기 위한 스위칭 주파수를 생성하여 출력하는 드라이버 회로를 포함하여 구성된다.
LED는 다양한 색상 표시가 가능한 멀티 컬러 LED로 구현될 수 있으며, 해당 조명 장치의 크기 및 사용처에 따라 다수의 LED로 구성될 수 있다. LED는 커패시터(C1)의 전하 충/방전에 따른 전류에 의해 발광 되며, 공급되는 전류 값은 커패시터(C1)의 용량 및 스위칭 횟수 즉, 스위칭 주파수에 의해 제어된다.
전원은 LED로 구동 전원을 공급하는 것으로 예를 들면, AC 상용 전원을 공급받아 LED 구동 전원인 DC 전원으로 변화하여 출력하는 어댑터로 구현될 수 있으며, 해당 LED 조명 장치가 휴대용 장치일 경우 DC 배터리로 구현될 수도 있다.
커패시터(C1)는 스위치(SW1, SW2)에 의해 전원과 연결되면 전원으로부터 공급되는 전하를 충전하고, 또한 스위치(SW1, SW2)에 의해 LED와 연결로 전환되면 충전된 전하를 LED로 공급한다. 이러한 커패시터(C1)는 LED 발광에 필요한 정도의 용량을 가지도록 구성되며, LED로 공급되는 전류의 값을 제어하는 요소가 된다.
스위치(SW1, SW2)는 예를 들면, 반도체회로 소자로 구현될 수 있다. 가령 MOSFET를 사용하여 구현이 가능하고, 이를 통해 제어가 간편한 회로를 구현할 수 있다.
스위치(SW1, SW2)는 드라이버 회로로부터 출력되는 스위칭 주파수에 의해 구동되어 전원과 커패시터(C1) 간 또는 커패시터(C1)와 LED 간의 연결을 설정한다. 이에 따라 커패시터(C1)는 전원으로부터 공급되는 전하를 충전하고, 충전된 전하를 LED로 공급할 수 있게 된다.
드라이버 회로는 내부에 구비되는 발진회로에 의해 소정 주기로 스위치(SW1, SW2)를 전환 시키기 위한 스위칭 주파수를 생성하여 스위치(SW1, SW2)로 출력한다. 드라이버 회로는 입력된 값에 따라 스위치(SW1, SW2)의 천이 속도를 제어하는데, 이러한 스위치(SW1, SW2) 천이 속도는 수학식 7에 의해 LED로 공급되는 전류 값을 제어하고자하는 등가 저항값의 한 결정 요소로 작용한다.
부가적으로 드라이버 회로는 외부로부터 입력되는 LED의 조도 제어 명령에 따라 LED로 공급되는 전류 값이 제어될 수 있도록 스위치(SW1, SW2)의 천이 속도를 조절한다. 즉, 드라이버 회로는 LED의 조도를 증가시키기 위해서는 전류량을 증가시켜야 하고, 이에 따라 스위치(SW1, SW2)의 천이 속도를 증가시키도록 스위칭 주파수를 증가시켜 출력한다. 반대로 LED 조도를 낮추기 위해서는 전류량을 감소시켜야 하므로 스위치(SW1, SW2)의 천이 속도를 낮추도록 스위칭 주파수를 감소시켜 출력한다. 따라서, 상술한 바와 같이 저항과 동일한 동작을 하는 저항 등가 회로로 동작한다.
이에 따라 드라이버 회로는 LED로 흐르는 전류 값에 대응되는 스위칭 주파수가 저장되는 메모리 및 디지털 회로를 더 포함할 수 있으며, 외부로부터 LED 조도 조절 명령에 따라 그와 대응되는 전류 값을 산출하고, 산출된 전류 값에 대응되는 스위칭 주파수를 메모리로부터 액세스하여 스위치(SW1, SW2)로 출력함으로써, 조도 조절이 가능하다.

Claims (5)

  1. 공급되는 전력에 따라 발광하는 LED와;
    상기 LED로 구동 전력을 공급하는 전원과;
    상기 전원으로부터 공급되는 전하를 충/방전하는 커패시터와, 상기 전원과 상기 커패시터를 연결하여 상기 커패시터가 전하를 충전하거나 상기 커패시터와 상기 LED를 연결하여 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED로 공급하도록 하는 스위치와, 상기 스위치 전환을 위한 스위칭 주파수를 생성하여 출력하는 드라이버 회로를 포함하는 저항 등가 회로를 포함하는 엘이디 조도 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 저항 등가 회로가:
    상기 스위치 전환수와 커패시터의 용량에 따라 LED로 흐르는 전하량을 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조도 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 저항 등가 회로가:
    상기 스위치에 구동에 따라 커패시터에 충전되는 전하량은
    Figure pat00009
    이고, 상기 LED로 방전되는 전하량은
    Figure pat00010
    이고, 한 번의 스위치의 전환으로 인해 옮겨지는 전하량은
    Figure pat00011
    이고, 상기 스위치가 전환으로 인해 옮겨지는 전하량(Qtrans)은
    Figure pat00012
    이고, 상기 LED에 흐르는 전류(ILED: 1초 동안에 LED에 흐르는 전하량)는
    Figure pat00013
    이고, 상기 저항 등가 회로의 저항값(Req)은
    Figure pat00014
    인 것을 특징으로 하는 엘이디 조도 제어 장치. (여기서 T는 시간(s), C1은 커패시터의 용량, VVCC는 전원의 전압값, VVLED는 LED에 인가되는 전압값, QVCC는 커패시터에 충전되는 전하량, QLED는 LED로 방전되는 전하량, Qtrans는 스위치의 한번 전환에 의해 LED로 공급되는 전하량, f는 스위치 전환수)
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 드라이버 회로가:
    수정 진동자에 의해 스위칭 주파수를 생성하여 디지털 회로에서 원하는 주파수를 변환하여 상기 스위치로 출력하는 발진회로인 것을 특징으로 하는 엘이디 조도 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 드라이버 회로가:
    상기 LED로 흐르는 전류 값에 대응되는 스위칭 주파수가 저장되는 메모리를 더 포함하고, 외부로부터 입력되는 전류 값에 대응되는 스위칭 주파수를 상기 메모리로부터 액세스하여 상기 스위치로 출력하는 엘이디 조도 제어 장치.
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