KR20120010483A - 엘이디 조명등 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 회로 구성으로 엘이디 어레이를 최소의 전력 소모로 구동하여 방열수단 없이도 점등할 수 있도록 하고자, 교류 입력에서 노이즈 성분을 제거하는 AC 필터부(2)와, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부(4)와, 상기 정류부(4)의 출력 전압을 역률 보상하여 일정 전압으로 출력되게 하는 역률 보상부(6)와, 상기 역률 보상부(6)의 출력신호를 손실 없이 제어하는 DC-DC 제어부(8), 그리고 직 병렬로 배치되는 엘이디 군(10)으로 이루어지고, 상기 역률 보상부(6)와 DC-DC 제어부(8) 및 엘이디 군(10)은 하나의 정류부(4) 후단으로 병렬 접속되어서 복수 배열된 구성으로 한 것이다.

Description

엘이디 조명등 모듈{LED lamp module}

본 발명은 낮은 소비전력으로 높은 조도를 나타내는 엘이디 조명등 모듈로서, 특히 바타입 조명등으로 사용하기에 적합한 구성으로 된 엘이디 조명등 모듈에 관한 것이다.

에너지 효율이 높고 친환경적인 조명원으로 각광받고 있는 엘이디 조명등은 낮은 직류전압으로 구동되어야 하므로 일반 가정용 220V의 교류 전원을 직접 인가하는 방식으로는 많은 문제점을 나타내기 때문에 통상은 별도의 직류 전압 구동 장치를 전원으로 갖추고 있다.

직류 전압 구동장치는 입력 측 교류전압을 변압기로 강압시킨 교류를 정류하여 엘이디의 구동에 필요한 직류 저전압을 출력하게 되어 있다.

상기 직류 저전압 구동장치의 예로는 교류-직류 변환기, 스위칭 모드 전원(SMPS) 등으로 공지되어 있으며, 이들 장치를 채용하면 다수의 엘이디를 병렬 구동할 수 있어서 안정적인 조명 효과를 얻을 수 있다.

그러나 직류 전압 구동장치는 비교적 부피가 크기 때문에 기존 형광등의 안정기에 대체하기가 사실상 불가능하고 설비비용도 고가이므로 기존 형광등을 엘이디 조명등으로 교체하기에 많은 지장을 주고 있다.

상술한 문제점은 변압기나 스위칭 모드 전원을 채용하지 않아도 되는 구동회로를 개발하여 해결할 수 있으나, 이 경우 전류의 리플, 부하 변동에 따른 급격한 전류, 전압 변화와 같은 또 다른 문제를 해결해야 한다.

다음 특허문헌 1에 게재된 엘이디등 전원장치는 교류를 정류하여 얻은 직류를 부스터에 통과시켜 역률을 보상하고, 분기회로를 통해 직류 전압을 다수가 직렬 연결된 엘이디 군으로 직접 인가하여 점등시키는 회로를 제안하여, 상술한 변압기 없이도 안정된 전원으로 엘이디를 구동시키는 구성을 개시하고 있다.

또, 특허문헌 2는 교류전원에 의해 구동하는 엘이디 조명장치 및 구동회로의 배열방법을 게재하고 있으며, 여기에는 교류를 직류로 정류하여 공급하는 LED 구동회로부의 출력전압을 엘이디 구동전압으로 나눈 값의 수량으로 엘이디를 직렬 연결하고 상기 정류된 출력전압으로 엘이디 군을 점등시키게 한 구성을 개시하고 있다.

특허문헌 3에 게재된 엘이디 조명 구동회로는, 교류 전원을 직류로 정류하고 역률을 보상한 정전류로 LED모듈에 공급하면서 일부를 피드백하여 상기 LED모듈에 지속적으로 정전류가 공급되도록 하여 LED모듈의 조도를 일정하게 유지시키고 발열량을 줄여 효율을 높이고 LED모듈의 수명 연장화를 도모하는 구성을 개시하고 있다.

특허문헌 4에 게재된 엘이디 조명회로는 교류를 직류로 변환시키는 정류기의 출력에서 커패시터로 맥류를 제거한 직류전원을 복수 배열된 엘이디 군으로 공급되도록 하고, 이 엘이디 군을 구성하는 모든 엘이디마다 제너 다이오드를 병렬 결선하여 어느 하나의 엘이디가 오픈 되어도 공급되는 전압이 지속하도록 함과 아울러 상기 엘이디 군으로 공급되는 전원을 일정하게 유지시키기 위한 정전류 회로가 부가된 구성을 개시하고 있다.

한국공개특허 제10-2009-0056025호 한국공개특허 제10-2009-0092215호 한국등록특허 제10-0877521호 한국등록특허 제10-867361호

상술한 바와 같이 공지되어 있는 엘이디 조명등용 구동회로는 기본적으로 교류를 직류로 정류하고 역률 보상하여 얻어지는 전원을 엘이디 구동전압으로 나눈 수치만큼 엘이디를 직렬 연결하여 하나의 엘이디 군을 조합하고, 상기 전원으로 엘이디 군을 구동시키는 방식으로 되어 있기 때문에 변압기를 이용한 전압 강하 없이도 엘이디 조명등을 구동할 수 있는 이점이 있다.

그리고 상술한 이점을 활용하여 기존 바 타입 형광등과 같은 형태로 모듈화하면 막대한 설비 투자 없이 바로 형광등을 엘이디 조명등으로 교체할 수 있는 이점이 있는 것이다.

그러나 공지된 엘이디 조명등 구동회로에 있어서도, 엘이디가 구동 중에 일으키는 발열을 해결하기 위하여 방열수단을 겸비해야 하는 문제점은 해소하지 못하고 있다.

본 발명자는 한국특허출원 제10-2010-0015227호, 엘이디 조명등 모듈을 통해 상기의 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시한 바 있다.

본 발명자가 제시한 방안은 AC 필터로 교류 입력의 노이즈 성분을 제거하여 전원을 직류전압으로 정류하고 역률 보상하여 일정 전압으로 출력되게 하고, 그 출력신호를 DC-DC제어부로 손실 없도록 제어하면서 직 병렬로 배치된 엘이디군의 전원으로 인가하되, 상기 엘이디군은 3열로 배치되고 스위칭 제어부에 의해 일정 주기로 반복하여 점 소등되도록 함으로써 기존 형광등에서와 동일하게 60Hz로 명멸하게 되는 효과와, 일정 주기로 번갈아 점 소등되는 것에 의한 소비전력의 절감효과를 기대할 수 있게 되어 있다.

그렇지만 본 발명자가 제안한 엘이디 조명 모듈은 3열로 배열된 엘이디어레이가 각각 번갈아 일정 주기로 점 소등되는 구성이기 때문에 전체 조도가 다른 낮게 나타나는 문제가 있다.

이에 본 발명의 목적은 변압기나 스위칭 모드 전원과 같은 설비를 갖추지 않고도 점등될 수 있고, 또한 방열수단 없이도 점등상태를 안정적으로 유지하도록 함으로써 기존 형광등에서와 같이 안정기를 설치하지 않고도 간편하고 저렴하게 설치할 수 있는 엘이디 조명등 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 구현하는 본 발명은, 교류 입력에서 노이즈 성분을 제거하는 AC 필터부와, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부, 상기 정류부의 출력 전압을 역률 보상하여 일정 전압으로 출력되게 하는 역률 보상부와, 상기 역률 보상부의 출력신호를 손실 없이 제어하는 DC-DC 제어부, 및 다수 배열되는 엘이디 군으로 이루어지고, 상기 역률 보상부, DC-DC 제어부 및 엘이디 군은 하나의 정류부 후단으로 병렬 접속되어서 복수 배열되도록 구성된다.

상술한 구성에서, 상기 AC 필터부는 교류 입력선 사이로 바리스터, 제1콘덴서, 커먼 노이즈필터, 제2콘덴서, 직결된 제3콘덴서와 제4콘덴서의 양단이 병렬 접속되고, 또한 서미스터가 개재된 구성으로 되고, 상기 정류부는 브리지 정류기와 TVS다이오드로 이루어지며, 상기 역률 보상부는 양 출력단 사이로 직결접속되는 제5콘덴서, 제1다이오드, 및 제2다이오드, 제6콘덴서, 그리고 상기 제5콘덴서와 제1다이오드의 접속점에서 상기 제2다이오드와 제6콘덴서의 접속점 사이로 직결 배치되는 제3다이오드, 상기 출력단 사이에 병렬 접속되는 제1저항을 구비하며, 상기 DC-DC 제어부는 벅 컨버터, 전계효과 트랜지스터, 인덕터, 제4다이오드 및 제7콘덴서, 그리고 제2저항, 제3저항, 제4저항을 포함한 구성으로 될 수 있다.

상술한 본 발명의 엘이디 조명등 모듈은 종래의 변압기나 스위칭 모드 전원을 통해 전압을 강하시키지 않고 엘이디를 220V 교류 전원에서 손실 없는 안정된 직류전압으로 엘이디를 구동하는 것이므로 최소의 전력 소비로 조명에 필요한 조도를 충분히 확보할 수 있다.

그리고, 전력 소모가 줄어듦으로써 엘이디 어레이의 구동 시에 발생하는 열량도 줄어들어 별도의 방열수단에 의존하지 않는 자연 냉각방식으로 엘이디를 점 소등시킬 수 있는 이점도 있다.

게다가 회로 구성이 간단하여 제조 언가가 저렴하고 사용 중에 고장이 쉽게 발생하지 않는 구조이므로 수명도 길다.

도 1은 본 발명에 관련된 회로 구성도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 회로도에 따라 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 엘이디 조명등 모듈은 입력되는 교류 전압에서 노이즈 성분을 제거하는 AC 필터부(2)와, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부(4)와, 역률을 보상하여 일정 전압으로 출력신호가 송출되게 하는 역률 보상부(6)와, 출력신호의 전압을 손실 없이 제어하는 DC-DC 제어부(8)와, 엘이디로 다수 배열된 엘이디 군(10)으로 이루어지고, 상기 역률 보상부(6)와 DC-DC 제어부(8), 엘이디 군(10)은 상기 정류부(4)의 후단에 복수로 병렬 접속된 구성으로 된다.

AC 필터부(2)는 교류 입력선 사이로 바리스터(Z21)와 제1 콘덴서(C21)를 병렬접속하고 그 후단에 커먼 노이즈필터(F21)와 제2콘덴서(C22), 그리고 직결된 제3콘덴서(C23)와 제4콘덴서(C24)의 양단을 병렬 접속함과 아울러 서미스터(NTC21)를 개재시킨 필터회로로 구성된 것이다.

정류부(4)는 4개의 다이오드로 형성된 브리지 정류기(41)와, 그 출력단 사이에서 출력 과전압을 바이패스 하도록 결선되는 TVS다이오드(TVS41)로 구성된다.

역률 보상부(6)는 직결접속되는 제5콘덴서(C65)와 제1다이오드(D61), 제2다이오드(D62)와 제6콘덴서(C66), 그리고 상기 출력단 사이에서 별도로 병렬 배치되는 제1저항(R61)을 포함하고, 상기 제5콘덴서(C65)와 제1다이오드(D61)의 접속점에서 상기 제2다이오드(D62)와 제6콘덴서(C66)의 접속점 사이로 제3다이오드(D63)가 가로 걸치도록 접속 연결되어 있으며, 또한 상기 출력단 사이로는 제1저항(R61)이 병렬 배치되어서 DC-DC 제어부(8)의 인덕터(L81)와 엘이디 군(10)으로 인가되는 전류의 최대치를 제한하게 되어 있다.

상기 제5콘덴서(C65)와 제1다이오드(D61), 그리고 제2다이오드(D62)와 제6콘덴서(C66)는 양 출력단 사이에서 브리지 회로를 구성하는 것이며, 그 사이로 직결된 제3다이오드(D63)는 출력전압의 역률 보상작용을 하게 된다.

DC-DC 제어부(8)는 상기 출력단에 개재되는 벅 컨버터(BC)와, 이 벅 컨버터(BC)의 출력 측으로 게이트가 접속되는 전계효과 트랜지스터(FET), 그리고 전계 효과 트랜지스터(FET)의 드레인으로 접속되는 인덕터(L81), 신호의 환류(還流) 작용을 나타내는 제4다이오드(D84)와 제7콘덴서(C87), 또 상기 전계효과 트랜지스터(FET)의 소스로 접속되는 제2저항(R82)과 제3저항(R83), 및 상기 벅 컨버터(BC)로 신호를 피드백하는 제4저항(R84)으로 이루어지고, 상기 벅 컨버터(BC)의 접지선에는 제8콘덴서(C88)가 개재되어 있다.

상기 벅 컨버터(BC)는 일정 주파수나 일정 시간 개방 모드로 프로그램될 수 있는 IC 칩으로서, 8~450V의 선형 레귤레이터와, PWM 디밍 기능을 갖추고 있는 것이며, 주지된 바와 같이 입력 파형 검출, 비교, 펄스폭 변조 및 이를 위한 발진 등의 작용을 나타낸다.

DC-DC 제어부(8)의 출력단에 배열되는 엘이디 군(10)은 다수의 엘이디를 직렬 접속한 구조로 배치되는 것이며, 더 바람직하게는 R, G, B 엘이디를 1군의 엘이디로 조합시킨 3칩 엘이디를 다수로 직렬 접속한 엘이디 어레이로 구성된다.

그리고 상기 엘이디 군(10)에 배열되는 엘이디의 수량은 상기 DC-DC 제어부(8)에서 출력되는 전압을 하나의 엘이디 구동전압으로 나누어 산출되는 값으로 배치할 수 있다.

다음에 본 발명의 엘이디 조명등 모듈의 작동 관계를 설명한다.

AC 필터부(2)에서 교류 입력단을 타고 정격전압 이상의 과전압(서지 고압 노이즈)이 흘러들어오면 상기 바리스터(Z21)가 바이패스 시켜서 입력 측에 접속된 장치의 손상이 발생하지 않도록 막아주고, 또한 막을 수 없는 일반적 외부 노이즈는 제1콘덴서(C21)에 의한 노이즈 제거 필터 작용으로 차단하여 교류 입력을 보호하며, 이렇게 바리스터(Z21)와 제1콘덴서(C21)를 통과하여 안정화된 전압과 노이즈 없는 신호로 보호된 AC 전원은 다시 노이즈필터(F21)와 제2콘덴서(C22)를 통과하면서 노이즈 필터링 되고, 또 제3콘덴서(C23)와 제4콘덴서(C24)는 2개의 전원선 간 노이즈를 제거하도록 작용하여 노이즈 없는 전압으로 된 후에 정류부(4)로 인가된다.

또, AC 필터부(2)의 서미스터(NTC21)는 입력 전원이 과전류로 인가되었을 때는 저항값이 커지면서 과전류를 차단하여 회로를 보호하는 작용을 한다.

노이즈 필터링 된 교류 전압은 정류부(4)에서 브리지 정류기(41)를 거치면 직류로 변환 출력되고 그 출력전압은 입력 전압의

배가 되므로, 예로서 220V 교류전압은 약 310V의 직류전압으로 된다.

한편, TVS다이오드(TVS41)는 브리지 정류기(41)의 출력단으로 일정 이상의 과전압, 예를 들면 회로 동작에 필요한 350V 이상의 전압이 입력되면 이를 내부에서 바이패스 시켜 입력 측 이후의 다른 장치가 손상되지 않게 보호하여 준다.

브리지 정류기(41)에서 150V의 직류로 출력되는 전압은 역률 보상부(6)를 거쳐 310V의 맥류전압으로 송출된다.

이를 더 상세히 설명하면, 브리지 정류기(41)의 출력이 피크치일 때 충전 전류가 제5콘덴서(C65) - 제3다이오드(D63) - 제1저항(R61) - 제6콘덴서(C66)를 통하여 직렬접속됨으로써 상기 제5 및 제6콘덴서(C65)(C66)가 충전된다.

여기서 상기 제5 및 제6콘덴서(C65)(C66)는 통상 정류 전압 피크치의 1/2로 설정하여 두는 것이 좋다.

한편, 브리지 정류기(41)의 출력이 피크치 이상인 때에 출력은 부하로 직접 가해지지만 부하의 작용으로 상기 출력전압의 피크치는 1/2로 강하하게 되고, 이때는 상기 제5콘덴서(C65)와 제6콘덴서(C66)가 제1다이오드(D61)와 제2다이오드(D62)를 통해 부하에 병렬 접속됨으로써 방전을 시작하게 되고, 이때의 방전으로 출력 전압이 보충되면서 부하로는 전압과 전류의 위상차가 최소로 되어 역률이 보상된 전압으로 출력된다.

또, 회로가 동작하지 않고 있는 상태에서는 제1저항(R61)을 통하여 상기 제5콘덴서(C65)와 제6콘덴서(C66)에 충전된 전압을 방전시켜서 회로의 안전을 도모한다.

이와 같이 역률 보상부(6)에서 역률 보상된 출력은 DC-DC 제어부(8)에 의해 출력 손실 없이 엘이디 군(10)으로 인가된다.

DC-DC 제어부(8)에서 벅 컨버터(BC)는 펄스 폭 변조를 통해 소정의 듀티비로 직류전압을 출력함으로써 전계효과 트랜지스터(FET)를 스위칭하여 손실 없는 전원이 엘이디 군(10)으로 인가되게 한다.

더 구체적으로, 상기 벅 컨버터(BC)는 인가되는 전압을 대략 100KHz의 주파수로 상기 전계효과 트랜지스터(FET)를 스위칭하여 온 오프 구동시키면 그 결과로 인덕터(L81)가 온 오프 되면서 엘이디군(100)으로 공급하기 위한 전압을 발생하게 되고, 또 전계효과 트랜지스터(FET)의 소스 단자로 접속된 제2저항(R82)과 제3저항(R83)의 설정 값을 통하여 상기 엘이디군(10)에 인가되는 전류가 일정한 값으로 인가되도록 제어할 수 있다.

다시 말하면 전계효과 트랜지스터(FET)가 온으로 되면, 인덕터(L81)와 제7콘덴서(C87)에 의해 출력성분이 축적되고, 상기 전계효과 트랜지스터(FET)가 오프로 되면 인덕터(L81)에 축적된 교류성분이 역기전력을 일으켜 제4다이오드(D84)를 통해 제7콘덴서(C87)를 충전시키게 되며, 이렇게 제7콘덴서(C87)에 충전된 전압이 방전되면서 엘이디군(10)으로 인가되는 출력 전압으로 된다.

본 발명에 있어서, 벅 컨버터(BC)의 접지 단 VDD 단자의 출력을 LD 단자와 PWM 단자로 입력되게 결선한 것은 상기 벅 컨버터(BC)의 펄스 폭 변조 작용과 리니어 디밍 작용이 나타나지 않게 하려는 것이며, 이를 위하여 접지 단에 필터로서 제8콘덴서(C88)를 배치하여 안정적인 전압이 상기 VDD 단자와 LD 단자로 인가되도록 하고 있다.

상술한 회로 구성에 의해 엘이디 군(10)으로 인가되는 실제 전압은 역률 보상부(6)의 출력보다 높은 전압으로 되며, 이로 인하여 엘이디 조명등 모듈의 동작에 필요한 전원이 충분하게 공급되어 점등 시의 전류 소모의 적산 량은 최소로 되고 점등 시의 조도는 최대로 발휘된다.

또한, 본 발명은 기존 매입형 형광등에 적용될 수 있도록 엘이디군(10)을 복수 배치할 수 있으며, 이 경우에 역률 보상부(8)와 DC-DC 제어부(8)도 하나의 엘이디군(10)에 배속되고, 이들이 정류부(4)의 후단 사이로 병렬 접속되는 것에 의해 복수 배열될 수 있다.

본 발명에서 엘이디군(10)의 복수 배열은 2열, 3열, 4열 등으로 할 수 있다.

2: AC 필터부 Z21: 바리스터
C21: 제1콘덴서 C22: 제2콘덴서
C23: 제3콘덴서 C24: 제4콘덴서
4: 정류부 41: 브리지 정류기
TVS41: TVS다이오드 6: 역률 보상부
C65:제5콘덴서 D61: 제1다이오드
D62: 제2다이오드 C66: 제6콘덴서
D63: 제3다이오드 R61: 제1저항
8: DC-DC 제어부 BC: 벅 컨버터
FET: 전계효과 트랜지스터 L81: 인덕터
D84: 제4다이오드 C87: 제7콘덴서
C88: 제8콘덴서 R82: 제2저항
R83: 제3저항 R84: 제4저항
10: 엘이디 군

Claims (5)

1. 교류 입력에서 노이즈 성분을 제거하는 AC 필터부(2)와, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부(4)와, 상기 정류부(4)의 출력 전압을 역률 보상하여 일정 전압으로 출력되게 하는 역률 보상부(6)와, 상기 역률 보상부(6)의 출력신호를 손실 없이 제어하는 DC-DC 제어부(8), 그리고 직 병렬로 배치되는 엘이디 군(10)으로 이루어지고, 상기 역률 보상부(6)와 DC-DC 제어부(8) 및 엘이디 군(10)은 하나의 정류부(4) 후단으로 병렬 접속되어서 복수 배열된 구성을 포함하고 있는 엘이디 조명등 모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 AC 필터부(2)는 교류 입력선 사이로 바리스터(Z21), 제1콘덴서(C21), 및 커먼 노이즈필터(F21), 제2콘덴서(C22), 직결된 제3콘덴서(C23)와 제4콘덴서(C24)의 양단이 병렬 접속되고, 또한 서미스터(NTC21)가 개재된 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 엘이디 조명등 모듈.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 정류부(4)는 브리지 정류기(41), 및 그 출력단 사이로 결선 되는 TVS다이오드(TVS41)를 포함한 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 엘이디 조명등 모듈.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 역률 보상부(6)는 양 출력단 사이로 직결접속되는 제5콘덴서(C65), 제1다이오드(D61), 및 제2다이오드(D62), 제6콘덴서(C66), 그리고 상기 제5콘덴서(C65)와 제1다이오드(D61)의 접속점에서 상기 제2다이오드(D62)와 제6콘덴서(C66)의 접속점 사이로 직결 배치되는 제3다이오드(D63) 및, 상기 출력단 사이에 병렬 접속되는 제1저항(R61)을 포함한 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 엘이디 조명등 모듈.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 DC-DC 제어부(8)는 벅 컨버터(BC), 전계효과 트랜지스터(FET), 인덕터(L81), 제4다이오드(D84) 및 제7콘덴서(C87), 그리고 제2저항(R82), 제3저항(R83), 제4저항(R84)을 포함한 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 엘이디 조명등 모듈.

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