KR20120037526A

KR20120037526A - 스위칭방식 led등 전류 제한 회로 및 그 회로를 채택한 led등 구동장치.

Info

Publication number: KR20120037526A
Application number: KR1020100099031A
Authority: KR
Inventors: 김진국
Original assignee: 하가전자 주식회사
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-20

Abstract

LED등용 전류제한 회로 및 그 회로를 채택한 기기에 대하여 개시한다. 최근 에너지 절감 및 친환경 그린산업의 일환으로 LED등의 보급이 활성화 되고 있다. LED등의 경우 순방향전압, 약 3.0?3.3 V에 0.5?2.0W의 LED 소자를 직병렬로 필요한 개수만큼 연결하여 구성한다. 예를들어 20W의 LED등을 구성할 때 0.5W의 LED 소자 40개를 직렬로 10개씩 연결한 후 병렬로 4회로 연결하여 구성할 수도 있고, 1.0W의 LED 소자 20개를 직렬로 10개씩 연결한 후 병렬로 2회로 연결하여 구성할 수도 있다. 예를들어 순방향전압 3.0V, 1W LED 소자를 직렬로 10개씩, 병렬로 2회로 연결하여 20W의 LED등을 구성하였다고 하자. 이 때 LED등에 공급해야하는 SMPS의 전압은 DC 30V, 총 전류는 약 666mA가 된다. 회로당 333mA가 되는 셈이다. 그런데 LED소자는 LED 소자에 가하는 전압이 정격전압의 10％만큼 상승할 경우 전류는 약 120％가 상승하는 특성이 있다. 예를 들어 상기와 같이 구성된 LED 등에서 20개중 1개의 LED가 불량이 나서 단락될 경우 같은회로의 나머지 9개 LED에 30V가 인가되는 셈이 되어 LED 소자당 정격의 약 11％가 상승된 3.33V가 인가되어 전류는

가 되어 정격의 242％가 흐르게 된다. 이것을 방치할 경우 LED 각 소자는 정격의 2.4배의 열에 못견디어 파괴되고 만다. 본 발명의 LED등용 전류제한 회로는 직렬로 연결된 수개의 LED중 비록 1개 또는 그 이상의 LED가 불량이 나서 단락되었다 할지 라도 나머지 LED에 흐르는 전류를 최초 설정한 전류치로 제한하여 LED등의 수명을 크게 향상 시켜주기 때문에 에너지 절감효과 및 가치 상승의 효과가 크다.

LED등용 전류제한 회로

Description

LED등용 전류 제한 회로 및 그 회로를 채택한 기기.{Current limiting circuit for LED lamps and the product with the current limiting circuit}

본 발명은 LED등용 전류제한 회로에 관한 것으로 LED 소자를 직.병렬로 연결하여 구성한 LED등에 있어 그 중 몇 개의 LED 소자가 스트레스등의 요인으로 사용중 단락(Short)되어도 남아있는 모든 LED에 공장에서 생산시 최초 설정한 전류만 흐르도록 하는 회로 및 그 회로를 채택한 기기에 관한 것이다.

종래의 전류제한 회로 방식은 Current Regulator 회로를 사용한 전류제한 회로를 사용하고 있기 때문에 직렬로 연결된 LED중 1개가 단락될 때마다 Current Regulator에서 약10％[10개를 직렬로 연결하여 구성한 LED등의 경우]의 전력을 소모하게 되어 그만큼 LED등의 효율이 저감될 뿐 아니라 단락된 LDE숫자가 증가하면 Current Regulator가 발열 Stress를 못이겨, 파괴되는 현상이 있었다. 따라서 LED등용 전류제한 회로가, 직병렬로 연결된 LED중 1개 또는 수개의 LED가 단락되어도 전류 제한회로 소자에서 전력이 거의 소모되지 않는 그러한 LED등용 전류제한 회로가 요구되어 왔다.

본 발명의 목적은 다수의 LED 소자를 직.병렬로 연결하여 구성한 LED등에 있어 다수의 LED소자 중 1개 또는 수개의 LED 소자가 단락되어도 개별 LED에 흐르는 전류가 증가하지 않게 제한하면서 전류제한 회로에서 전력을 소모하지 않도록 하여 결과적으로 LED등의 효율과 수명을 크게 향상 시키는 것에 있다.

본 발명은 다수의 LED 소자를 직.병렬로 연결하여 구성한 LED등에 있어, 수개의 LED 소자를 직렬로 연결한 한 회로에 1개씩 전류제한 회로를 구성해서, 각 회로마다 일정한 전류이상 흐르지 않도록 제한 하되, 전류감지 및 스위칭 회로를 구성해서 일정전류이상 흐르면 오프타임[OFF Time]을 두어 결과적으로 적분시 흐르는 DC전류의 평균치는 일정하면서 온[ON]저항이 영[Zero]에 가까운 스위칭 소자에서는 에너지를 거의 소모하지 않도록 하는 회로 구성에 특징이 있다.

본 발명의 LED등용 전류제한 회로 및 그 회로를 채택한 기기는 LED등[LED LAMP]에 사용된 다수의 LED 소자중 1개 또는 수개의 LED 소자가 단락[Short]되어도 전류 제한을 스위칭[Switching]방식으로 하기 때문에 전류제한 회로 소자에서 에너지를 거의 사용하지 않게되어, LED등의 효율 및 수명을 크게 향상시키는 효과가 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LED등용 전류제한 회로 및 그 회 로를 채택한 기기의 동작원리를 도면과 함께 상세히 설명한다. 도1은 LED의 개별소자에 가하는 순방향전압[Forward Voltage]과 순방향전류[Forward Current]의 관계를 나타내는 도면이다. 도1에서 알 수 있듯이 순방향전압 3.2V, 순방향전류 700mA의 LED 10개를 직렬로 연결하여 사용하던 중 1개가 단락되면 나머지 9개에 32V가 인가되어 LED 1개에는

가 인가되어 전류는 약1600mA[2.3배]로 증가하게 되어 그대로 방치하면 나머지 LED도 순차적으로 파괴한다. 따라서 LED에 있어서는 LED 소자를 직렬로 연결하여 구성한 한 Line에 1개씩 전류 제한 회로를 설치하는 것이 바람직하다. 그러나 종래의 전류제한 회로는 정전류[Current Regulator]방식으로 구성되어 있어, 1개 또는 그 이상의 LED가 단락되었을 때 나머지 LED에는 동일한 정전류가 흐르기 때문에 추가 불량을 유발하지는 않으나, LED 소자가 1개씩 단락될 때 마다 양10％의 효율저하가 발생함은 물론 그 효율저하분의 에너지가 정전류 소자에서 소모되기 때문에 단락된 LED 소자의 숫자가 늘어 날수록 정전류 소자의 수명은 기하급수적으로 단축된다. 도3의 실시예에서와 같이 구성된 본 발명에 따른 LED등용 전류제한 회로는 LED 소자를 직렬로 연결한 회로수만큼 [도3의 실시예에 있어서는 3]전류제한 회로를 두고 있고, 전류제한회로[3,4,5]가 LED등용 SMPS[1]와 직.병력 LED 소자기판[2]의 사이에 구성되어 있고 스위칭 소자로 온.저항[ON Resistance]이 극히작은 FET를 사용하고 있다. 도 3의 실시예에서 U1은 정전압 IC[Regulator]이고 U₁₁, U₁₂는 비교기이며 제 11저항[R₁₁]은 전류검출용 저항이다. 제 12저항[R₁₂]과 제 11콘덴서[C₁₁]는 LED 부하전류 적분용이고 제 15저항 [R₁₅], 제 14저항[R₁₄], 제13저항[R₁₃]은 제한전류 설정 및 각 비교기[U₁₁, U₁₂]의 기준전압 설정용이다. 예를들어 U₁의 출력전압이 12V이고, 제 11저항치를 0.5Ω 직렬 연결된 LED 1회로 제한 전류치를 500mA라고하고, 제 13저항치를 75Ω이라고 하면 전류 검출용 저항[R₁₁]에 500mA가 흐를 때 저항[R₁₁]양단의 전압은 0.25V가 된다. 따라서 비교기[U₁₁]의 - 단자에 0.25V의 기준전압으로 설정하면 LED전류가 500mA초과시 비교기[U_11]의 + 단자 전압이 - 단자전압보다 높게 되어 출력은 High가 되고 U₁₂의 출력 Low가 되어 FET[Q₁₁]가 오프[OFF]된다. 반대로 LED전류가 500mA 이하시는 U₁₁의 출력이 Low가 되고 U₁₂의 출력이 High가 되어 FET[Q₁₁]는 항상 온[ON] 상태를 유지하게 된다. U₁₂의 + 단자 전압을 6V로 한다면 R₁₅와 R₁₄의 저항치를 거의 같은 값으로 설정하면 되고 U₁₁의 - 단자 전압을 0.25V로 설정하기 위해서는 R₁₃, R₁₄, R₁₅의 저항치를 r₁₃,r₁₄,r₁₅이 라고 한다면

r₁₃ = 75이므로 (1)식에서

R₁₄, R₁₅의 저항치를 같게 설정한다면 (2)식에서

가 된다.

한 회로의 LED전류치가 500mA를 초과하면 앞서 설명하였듯이 FET[Q₁₁]가 OFF하고, OFF하면 C₁₁에 충전된 전하가 R₁₂와 R₁₁을 통하여 방전하기 때문에 U₁₁의 + 단자 전압이 하강하여 다시 U₁₁의 출력이 Low가 되고 U₁₂의 출력은 High가 되어 FET[Q₁₁]가 ON된다. LED전류가 크면 C₁₁이 빠르게 충전되어 빠르게 OFF된다. 이렇게 ON.OFF를 반복하며 U₁₁의 + 단자 전압이 0.25V를 유지하도록 FET[Q₁₁]의 온.타임과 오프타임이 조절된다. 도 3의 실시예에서 U₁₁과 U₁₂를 비교기로 구성하였으나 U₁₁과 U₁₂는 OP Amp로 구성해도 무방하며 U₁₂는 인버터[Imverter]로 구성할 수도 있다. 또 도 3의 실시예에 있어서는, 파형의 성형을 위하여 스위칭 회로 블럭[33]의 구성을 2단으로 구성하였으나, 저가형에 있어서는 U₁₁의 +, - 극성을 바꾸어 U₁₁의 출력을 직접 FET[Q₁₁]의 게이트 단에 연결하여 1단으로 구성할 수도 있다. 도 3의 실시예에 있어서는 10개의 LED 소자를 직렬연결한 회로를 3개 구성해서 다시 이 3회로를 병렬 연결하여 구성해서 3개의 전류제한회로블럭[3, 4, 5]를 사용하였으나, 직.병렬 회로의 수는 LED등의 출력전력에 따라 달라질 수 있다. U₁₀과 C₁₀으로 구성된 전원회로블럭[30]은 전류제한회로블럭[3, 4, 5]에 구동전력을 공급하기 위한 구성이다. 전류제한회로블럭[4], [5]의 동작원리는 이상에서 설명한 전류제한회로블럭[3]의 동작원리와 동일하다. 이상과 같이 구성된 본 발명의 LED등용 전류제한 회로는 LED등 등기구내에 장착되지만 LED등용 SMPS[1]와 직.병렬 LED 소자 기판[2]이 분리되어 있기 때문에, SMPS[1] 또는 LED소자 기판[2]의 어느 한쪽에 장착되는 것이 바람직하다. 통상 병렬연결회로수가 적을 때에는 SMPS[1]쪽에, 병렬연결회로수가 많을 때에는 LED 소자 기판[2]쪽에 장착되는 것이 바람직하다.

도1은 LED등용 LED소자의 VF(Forward Voltaye)와 IF(Forward Current)의 특성을 나타내는 도면.

도2는 바람직한 LED등의 구성도.

도3은 본 발명에 따른 LED등의 일 실시예를 나타내는 도면.

＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1; SMPS[Switching Mode Power Supply]

2; 직병렬 LED 회로기판

3; 전류제한 회로블럭

4; 전류제한 회로블럭

5; 전류제한 회로블럭

30; 전류제한 회로블럭[3, 4, 5]의 전원부

31; 전류검출 및 적분회로블럭

32; 스위칭회로블럭

U₁₀; 정전압 IC[Regulator]

U₁₁; 전류검출용 비교기

U₁₂; 반전용 비교기

Q₁₁; 스위칭 소자[FET]

C₁₀, C₁₁; 제 10콘덴서, 제 11콘덴서

R₁₁? R₁₅; 제 11 ? 제 15 저항

G; FET의 게이트 단자

D; FET의 드레인 단자

S; FET의 소스단자

D₁₀? D₃₉; 제 10 ? 제 39 발광용 다이오드

Claims

SMPS[1]와, 직.병렬 LED 소자 기판[2]과 전류제한회로블럭[[3], [4], [5]]을 포함하고, 전류제한회로블럭[3]에 전원부[30]와 전류 검출 및 적분회로블럭[31], 스위칭회로블럭[32], 스위칭 소자[Q₁₁]를 구성해서, LED전류가 설정치 이하 일 때에는 스위칭 소자[Q₁₁]가 항시 온[ON]되고, LED전류가 설정치 이상일 때에는, LED전류의 적분치가 설정치와 동일하게 유지하도록 스위칭 소자[Q₁₁]가 온.오프 타임을 조절하여 동작하는 것을 특징으로 하는 LED등.
1항에 있어 전원부[30]와 전류 검출 및 적분회로블럭[31], 스위칭회로블럭[32], 스위칭소자[Q₁₁]로 구성된 전류제한 회로블럭[3]을 내장한 LED등용 SMPS.
1항에 있어 전원부[30]와, 전류검출 및 적분회로블럭[31], 스위칭회로블럭[32], 스위칭소자[Q₁₁]로 구성된 전류제한회로블럭[3]을 내장한 직.병렬 LED 소자 기판.
1항에 있어 전류제한 회로블럭[3]의 구성에 있어, 검출용 저항[R₁₁]으로 검출한 전류를 저항[R₁₂]과 콘덴서[C₁₁]로 적분해서 비교기[U₁₁]의 한단자에 연결하고 비교기[U₁₁]의 다른 한 단자에는 제한전류 설정치의 기준이 되는 전압을 인가해서, LED전류가 기준치 이하일 때에는 스위칭소자[Q₁₁]의 게이트에 스위칭 회로블럭[32]이 High를 출력하여 스위칭 소자가 항상 온[ON]이 되게하고, LED 전류가 기준치 이상일 때에는 LED전류의 적분치가 설정치와 동일하게 유지하도록 스위칭소자[Q₁₁]가 온.오프 타임을 조절하여 작동하는 것을 특징으로 하는 LED등용 전류제한 회로.