KR20120078999A - 잉여 발광블럭을 구비한 led 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반의 LED 발광블럭 이외에 잉여 발광블럭을 더 구비하여 설계 중심전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되지 않고, 설계 중심전압보다 더 높은 전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되도록 하는 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치는 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와, 적어도 하나 이상의 LED 발광블럭들을 포함하되, 상기 LED 발광블록들이 직렬로 연결되어 있는 부하와, 상기 각각의 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭과, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과, 상기 교류전압을 기초로 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원의 제어신호로 제공하는 제어기 및 설계 중심전압에서는 점등되지 않고 상기 설계 중심전압보다 높은 전압에서는 점등되는 여분의 잉여 발광블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치{LED Lighting Device with Extra Lighting Blocks}

본 발명은 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일반의 LED 발광블럭 이외에 잉여 발광블럭을 더 구비하여 설계 중심전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되지 않고, 설계 중심전압보다 더 높은 전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되도록 하는 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치에 관한 것이다.

발광다이오드는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 전광변환 반도체소자로서, 표시기 백라이트 등에 널리 사용되고 있으며, 기술의 발달로 전광변환 효율이 기존의 백열등 및 형광등보다 높아져서 현재는 일반 조명용으로 그 범위를 넓혀가고 있다.그러나, 발광 다이오드(Light Emitting diode, LED)는 미량의 전압변동에도 전류가 크게 변화된다. 이 때문에 정밀한 전류제어가 요구된다.

종래의 LED 조명장치는 도 1에 도시된 바와 같이 교류전압을 공급하는 교류전원(910), 상기 교류전원(910)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로(940), 상기 정류회로(940)의 출력인 정류전압(Vrect)으로 구동되는 부하인 LED 발광블럭(970) 및 상기 LED 발광블럭(970)의 전류를 제한하는 전류제한소자(Current Limiting Diode)(971)을 포함하여 구성된다.

이하 도 1 및 도 2를 인용하여 종래의 문제점을 설명한다.

도 2에서, 특성곡선(950)은 LED 를 다수개 직렬로 배열하여 만든 서울반도체사 AX3220 의 전압-전류 특성곡선을 표시한 것으로서, 전류가 본격적으로 흐르기 시작하는 문턱전압은 132V 이고, 220V 에서는 20mA 가 흐름을 알 수 있다.

도 1의 회로에서 부하(970)가 특성곡선(950)을 따르고 전류제한소자(971)은 20mA 이상의 전류를 제한한다고 가정하면, 220V 보다 높은 전압이 공급되면 220V 는 부하(970)의 양단에 걸리고, 나머지 잉여전압은 상기 전류제한소자(971) 양단에 걸려 열로서 소비된다.

구체적이 수치를 예로 들면 입력전압이 220V 보다 15% 높은 253V 가 공급된다고 하면, 220V 보다 높은 15%의 잉여 전압은 상기 전류제한소자(971) 양단에서 열로서 소비되어 전력사용 효율이 낮아지는(간단히 해석하면 전원효율이 15% 낮아지는) 문제점이 있다.

본 발명의 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 일반의 LED 발광블럭 이외에 잉여 발광블럭을 더 구비하여 설계 중심전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되지 않고, 설계 중심전압보다 더 높은 전압에서는 잉여 발광블럭이 점등되도록 함으로써, 교류입력전압이 높아져도 전력 효율이 높은 LED 조명장치를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치는 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와; 적어도 하나 이상의 LED 발광블럭들을 포함하되, 상기 LED 발광블록들이 직렬로 연결되어 있는 부하와; 상기 각각의 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭과; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과; 상기 교류전압을 기초로 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원의 제어신호로 제공하는 제어기; 및 설계 중심전압에서는 점등되지 않고 상기 설계 중심전압보다 높은 전압에서는 점등되는 여분의 잉여 발광블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 정현파의 설계전류값을 산출하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 잉여 발광블럭은 상기 부하를 구성하는 총 LED 개수의 20% 이하의 개수로 구성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 스위치 블럭은 상기 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치에 의하면, 교류전압이 설계 중심전압보다 높아지면 그 높아진 잉여전압이 전류제한소자에서 낭비되어 전력효율이 낮아지는 것을 개선하도록 여분의 잉여 발광블럭 구비하여 상기 잉여전압을 잉여 발광블럭에서 소비하도록 함으로써 전력효율을 높이는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 잉여 발광블럭이 추가로 더 사용된 만큼 방출되는 빛의 발광량도 더 많아지므로, 구동 전류를 낮추어서 소비전력은 낮추면서도 종래와 동일한 밝기를 구현할 수도 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 LED 조명장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술의 따른 조명장치의 전압-전류 특성곡선이다.
도 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 사용된 LED 전압-전류 특성곡선이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 사용된 발광블럭의 전압-전류 특성표이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 사용된 발광블럭의 전압-전류 특성곡선이다
도 8은 본 발명의 제2 실시예에서 220V 입력에 대한 발광블럭의 전류를 전압 위상별로 나타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에서 220V 입력에 대한 발광블럭의 전류를 전압 위상별로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에서 253V 입력에 대한 발광블럭의 전류를 전압 위상별로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에서 197V 입력에 대한 발광블럭의 전류를 전압 위상별로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 적용된 계산과정을 설명한 도면이다.
도 13는 본 발명의 실시예의 실시결과를 수치로 표현한 표이다.
도 14는 본 발명의 실시예의 실시결과를 수치로 표현한 또 다른 표이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 적합한 발광블럭의 구성을 나타낸 표이다.
도 16은 본 발명의 실시예에서 잉여블럭에 따른 효율변화를 나타낸 표이다.
도 17은 본 발명의 실시예에서 잉여블럭에 따른 광량변화를 나타낸 표이다.
도 18은 본 발명의 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치에 적합한 또 다른 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석해서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공기구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.

이하 도 3을 사용하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는, 도 3에 도시된 바와 같이 교류전압을 공급하는 교류전원(1), 상기 교류전원(1)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로(2), 상기 정류회로(2)의 출력인 정류전압(Vrect)으로 구동되는 부하인 LED 발광블럭(70), 상기 발광블럭(70)과 직렬로 연결된 여분의 잉여 LED 발광블럭(70a) 및 상기 잉여 발광블럭(70a)에 흐르는 전류를 바이패스(bypass)시키는 스위치(SW)를 포함하여 구성된다.

높은 입력전압 대한 대책으로 종래기술에서는 전류제한소자(도 1의 971 참조)를 사용하여 발생된 잉여 전압을 전류제한소자에서 소비하도록 하여 부하에 소정의 값 이하의 전류를 공급하였지만, 본 발명에서는 보다 적극적으로 상기 잉여전압을 활용하는 방법으로 여분의 잉여 발광블럭(70a)을 구비하고, 잉여전압을 상기 잉여 발광블럭(70a)에서 소비하도록 함으로써 발광효율을 높인 것이다.

즉, 설계 중심전압 이하에서는 부하에 흐른 전류가 상기 잉여 발광블럭(70a)에는 흐르지 않도록 바이패스시키는 스위치(SW)를 조작(즉, 도통: ON)시켜 상기 잉여 발광블럭(70a)는 점등되지 않도록 하고, 상기 설계중심전압보다 높은 전압에서는 상기 스위치(SW)를 조작(즉, 차단: OFF)하여 상기 잉여 발광블럭(70a)가 점등되도록 하여 LED 램프의 발광효율을 높인 것이다.

그리고, 잉여 발광블럭(70a)이 감당할 수 있는 전압보다 더 높은 잉여전압이 공급될 때를 대비하여 전류가 흐르는 경로에 전류제한장치(미도시)를 삽입하는 것도 바람직하다.

본 실시예는 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 부하 LED 발광블럭(70)을 다수개의 발광블럭(10, 11, 12)으로 나누고 상기 다수개의 발광블럭 모두를 직렬로 연결한 것으로서, 설계 중심전압보다 낮은 순시 정류입력에서는 순시전압에 적합한 개수의 발광블럭을 점등하여서 발광 효율을 높인 것이다. 반면, 설계 중심전압 보다 높은 전압이 공급될 때는 공급전압과 설계중심전압과의 차이인 잉여전압을 여분의 잉여 발광블럭(29)에서 소비하도록 하여서 발광 효율을 높인 것이다.

도 4는 본 발명에 적합한 회로의 일 예이다.

먼저, 도 4를 참조하여 회로구성을 살펴보면, 교류전원(1), 정류회로(2), 제1 발광블럭(10), 제2 발광블럭(11) 및 제3 발광블럭(12)으로 구성된 부하, 상기 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스시키는 제1 스위치(S11) 및 제2 스위치(S12), 잉여 발광블럭(29), 상기 잉여 발광블럭(29)에 흐르는 전류를 바이패스시키는 잉여 스위치(S29), 전류원(CS) 및 제어기(4)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12), 잉여 발광블럭(29) 및 전류원(CS)는 모두 순서대로 직렬로 연결되어 있다. 그리고 상기 제1 스위치(S11)은 제1 발광블럭(10)의 출력단과 전류원(CS)의 높은 전압측 사이에 연결되어서 상기 제1 발광블럭(10)에 흐르는 전류가 나머지 발광블럭들을 바이패스 하고 바로 전류원(CS)으로 흐를지 아니면 다음 발광블럭인 제2 발광블럭(12)으로 흐를지를 제어한다.

그리고 상기 제2 스위치(S12)은 제2 발광블럭(11)의 출력단과 상기 전류원(CS)의 높은 전압측 사이에 연결되어서 상기 제2 발광블럭(11)에 흐르는 전류가 나머지 발광블럭들을 바이패스 하고 바로 전류원(CS)으로 흐를지 아니면 다음 발광블럭인 제3 발광블럭(12)으로 흐를지를 제어한다.

그리고, 잉여 스위치(S29)는 제3 발광블럭(12)의 출력단과 상기 전류원(CS)의 높은 전압측 사이에 연결되어서 상기 제3 발광블럭(12)에 흐르는 전류가 나머지 잉여 발광블럭(29)를 바이패스하고 바로 전류원(CS)으로 흐를지 아니면 잉여 발광블럭(29)으로 흐를지를 제어한다.

도 3 회로에서는 발광블럭이 3개를 일 예로 도시하였으나, 3개에서 4개 처럼, 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 표현하면, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 잉여 발광블럭의 입력단 사이에 추가될 발광블럭(n+1)을 삽입하고, 추가된 바이패스용 스위치는(n+1)은 추가된 발광블럭(n+1)의 입력단과 상기 전류원(CS)의 높은측 단자 사이에 삽입하면 된다. 상기 스위치들은 모두 병렬로 배치되어 있으므로 이를 소위 "병렬 스위치 블럭"이라 칭할 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12) 및 잉여 발광블럭(29)는 각각 1개 이상의 LED 로 구성되며, 다수개의 LED가 직렬배열, 병렬배열 또는 직/병렬 배열로 구성될 수 있다. 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12) 및 잉여 발광블럭(29)는 널리 알려진 공지기술로 구성할 수 있으므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다

그리고, 상기 제어기(4)은, 교류전압과 동일한 위상의 정현(사인)파 신호를 발생시키고, 상기 정현(사인)파 신호를 정류(음전압을 양전압으로 변환하고)하고, 또한 상기 정류된 정현(사인)파의 크기를 조절하여 전류량 조절신호(Csin)을 만들고, 상기 전류량 조절신호(Csin)을 전류원(CS)에 공급한다.

여기서, 상기 제어기(4)가 교류전압과 동위상의 정현(사인)파를 발생하는 이유는, 교류전원(1)에서 공급되는 교류전류가 교류전압과 동일한 위상이고, 그 형태는 정현(사인)파 이어서 역율이 개선되기를 바라기 때문이다. 그리고, 부하에 흐르는 부하전류는 상기 교류전류가 정류된 것임은 당연할 것이다.

그리고, 바람직하게 상기 전류원(CS)은 상기 제어기(4)로부터 받은 상기 조절신호(Csin)에 상응하는 전류(보통 희망전류 혹은 설계전류라 함)를 공급할 여건이 되면(부하양단에 전압이 많이 걸려서 부하에 희망전류보다 많은 전류가 흐르면) 상기 전류원(CS) 양단에 전압강하를 유발하여 상기 부하 양단전압을 줄여서 부하전류를 희망전류 수준으로 흐르도록 하고, 반면 여건이 되지 않으면(부하에 흐르는 전류가 희망전류보다 낮으면) 상기 전류원(CS) 양단전압을 최소(전류원 포화전압)로 만들어 부하에 공급가능한 최대 전류가 흐르도록 하는 것이다.

즉, 정류전압이 설계보다 높게 공급되면 잉여전압은 전류원(CS) 양단에 걸리고, 부하에는 설계전압이 걸리도록 하여서, 부하 전류가 상기 전류원(CS)에 의하여 제한되도록 하는 것이 바람직하다.

다만, 상기 제어기(4)는 정류전압이 상승하면 부하전류가 계단파로 상승하도록 제어하고, 정류전압이 내려가면 부하전류가 계단파로 하강하도록 제어하는 것 또한 본 발명의 요지를 벗어나지 않음은 당연하다.

먼저, 아래 표 1은 도 2에서 종래기술을 설명하면서 사용하였던 발광블럭 (970)의 특성곡선(950)에서 전류가 0mA 에서 30mA 까지 1mA 단위로 변할 경우의 전압을 추출하여 표로 나타낸 것이다.

전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 0.0 131.18 8.0 174.45 16.0 205.36 24.0 233.52 1.0 140.11 9.0 178.91 17.0 209.13 25.0 236.61 2.0 145.80 10.0 182.69 18.0 212.57 26.0 240.04 3.0 151.79 11.0 186.81 19.0 216.35 27.0 243.48 4.0 156.25 12.0 190.59 20.0 219.44 28.0 246.91 5.0 161.40 13.0 194.71 21.0 223.21 29.0 250.34 6.0 166.21 14.0 198.15 22.0 226.65 30.0 253.09 7.0 170.67 15.0 201.58 23.0 230.08

그리고, 상기 표 1을 그래프로 도시한 것이 도 5의 측정모델 전류곡선(A100)이다. 여기서, 수평축은 전압(순시전압을 1.414배 나눈 수치로 표시, 이하 이해의 편의를 위하여 특별한 언급이 없는 한 1.414배 나눈 수치로 전압을 표시함)이고 수직축은 전류이며 단위는 각각 V 및 mA 이다.

상기 표 1의 측정모델의 전류곡선(A100)을 따르는 측정모델 발광블럭을 기본으로 하여 이하 설명에서 사용될 LED 발광블럭을 모델링 한다. 먼저, 일 예로서 측정모델 발광블럭을 균등하게 10 개의 서브 발광블럭(즉, 제1 발광블럭 내지 제10 발광블럭)으로 나누고 상기 서브 발광블럭을 1개를 모델링 하는 경우에 상기 서브 발광블럭의 등가직렬저항(Equivalent series resistace)는 상기 측정모델 발광불럭의 1/10 이다. 따라서, 상기 표 1 에 나타난 각 전류에 대응하는 상기 서브 발광블럭의 전압은 상기 측정모델 발광블럭의 1/10 값이 된다.

상기 서브 블럭의 직렬 개수에 따른 모델을 도 6 에 도시하였다. 도 6 에서 제1 모델(M1)은 상기 서브 발광 블럭이 1개 일때, 제2 모델(M2)는 상기 서브 발광블럭이 2개 직렬일때, 제3 모델(M3) 는 상기 서브 발광블럭이 3개 직렬일 때이고, 같은 방식으로 제10 모델(M10)은 상기 서브 발광블럭이 10개 직렬일 때를 모델링 한 것이다. 여기서 제10 모델(M10) 은 측정모델과 동일한 특성곡선으로 잉여 발광블럭을 추가하기 이전의 특성곡선이다. 그리고 제11 모델(M11)은 상기 측정모델의 10%에 해당하는 잉여 발광블럭을 추가하였을 경우를 모델링 한 것이다.

상기 도 6에서 특정한 값을 몇 개 살펴보면, 먼저 상기 측정모델 발광블럭과 특성이 동일한 모델 제10 모델(M10)은 전류가 30mA 흐를때 전압은 253.09V 이다. 따라서 제1 모델(M1)은 직렬등가저항이 상기 측정모델 발광블럭의 1/10 이므로 30mA 에서 전압은 25.31V 가 되고, 제2 모델(M2)는 직렬등가저항이 상기 측정모델 발광블럭의 2/10 이므로 30mA 에서 전압은 50.62V 가 된다. 각 모델에 대한 나머지 전압값들도 동일한 원리고 구한 것이다.

도 7은 도 6의 값들을 사용하여 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)의 전압-전류 특성을 그래프로 도시한 것이다. 여기서, 수평축은 전압이고 수직축은 전류이며 단위는 각각 V 및 mA 이다.

상기 제1 모델(M1)의 특성곡선(A1) 내지 제11 모델(M11)의 특성곡선(A11)을 서로 비교하여 보면 직렬로 된 발광블럭의 개수가 적을수록 전류는 더욱 가파르게 증가함을 알 수 있다.

또한, 입력전압 150V 에서는, 상기 제6 모델(M6) 내지 제11 모델(M11) 모두가 전압 150V 에 상응하는 전류를 흘릴 수 있으므로 어떤 모델을 선택하느냐, 즉 발광블럭을 몇 개를 점등하느냐에 따라서 흐르는 전류량이 다르게 된다.

도 8은 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)의 전류-전압 특성을 수치로 나타낸 도 6에서의 전압을 입력전압 220V (본 실시예에서는 220V 를 설계 중심전압으로 사용하고, 상기 설계 중심전압의 함 +15% 인 253V 를 보증 상한전압, -15% 인 187V 를 보증 하한전압으로 사용함)에 대한 위상각으로 나타낸 것이다. 즉 입력전압 220V 에 대한 전류-전압위상을 나타낸 표이다.

여기서 (Ang1)은 제1 모델(M1)의 전류에 대한 전압위상이고, (Ang2)는 제2 모델(M2)의 전류에 대한 전압위상이고, (Ang3)은 제3 모델(M3)의 전류에 대한 전압위상이고, 같은 방식으로 (Ang11)은 제11 모델(M11)의 전류에 대한 전압위상을 각각 나타낸 것이며, 이는 아래 (수식 1) 및 (수식 2)를 사용하여 계산한 것이다.

순시전압 V = sin(위상각) x 220 -----------------------(수식 1)

위상각 = Sin-1(순시전압 V / 220) -----------------------(수식 2)

도 9는 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)의 제1 모델전류(A1) 내지 제11 모델전류(A11)을 입력전압이 220V 인 경우데 대하여 전압위상별로 도시한 것이다. 즉, 도 8을 사용하여 입력전압 220V 의 위상별로 각 모델의 전류를 도시한 것이다. 여기서 수평축은 전압위상이고 수직축은 전류이며 단위는 각각 도(Degree) 및 mA 이다.

그리고 곡선(20S)는 희망전류를 나타낸 것으로 아래 (공식 3)을 사용하여 계산하고 그래프로 나타낸 것이다.

희망전류 = sin(위상각) x 20 mA -----------------------(수식 3)

도 9에서 특징을 몇 가지 살펴 보면 아래와 같다.

1) 잉여 발광블럭을 포함한 제11 모델(M11)의 특성곡선(A11)은 전압위상 0도에서 90도 사이에서 한번도 희망전류보다 많이 흐르는 경우는 없다. 즉 교류 입력전압이 설계 중심전압으로 공급 될때는 잉여 발광블럭은 단 한번도 점등되지 않는다.

2) 또한, 도 9에서 상기 제1 모델(M1)의 전류곡선(A1)은 기울기가 거의 수직에 가깝다. 즉, 제1 발광블럭의 문턱전압 이하에서는 부하전류가 0 이고, 문턱전압 이상에서는 희망전류(20S)가 부하에 흐른다고 모델링 하여도 실제로 전류 오차는 미미하다.

따라서, 역율 측면에서 부하전류를 살펴보면, 상기 제1 발광블럭의 문턱전압을 기준으로 이전은 전류가 0이고, 이후는 정현(사인)파를 따르는 전류가 흐르기 때문에 동일한 부하를 다른 구동방법(본 명세서에서 특별히 설명하지는 않지만 종래의 어떠한 구동방법) 보다도 높은 역율이 제공된다.

도 9를 작성한 방법과 동일한 방법으로 도 10 및 도 11을 작성하였다.

도 10은 교류 입력전압이 253V (= 220V + 15%)인 경우로 설계 보증 상한전압을 예시한 것이고, 도 11은 교류 입력전압이 187V (= 220V - 15%)인 경우로 설계 보증 하한전압을 예시한 것이다.

교류 입력전압의 실효값이 높을수록 제1 모델전류(A1) 내지 제11 모델전류(A11)의 기울기가 가파름을 도 9와 도 10을 비교해 보면 알 수 있다. 즉 일 예로 제10 모델전류(A10)을 살펴보면, 교류 입력전압의 실효값이 낮은 도 10에서 상기 제 10 모델전류(A10)의 기울기는 대략 45도 정도이지만, 교류 입력전압의 실효값이 높은 도 11에서는 상기 제10 모델전류(A10)의 기울기는 대략 60도로 기울기가 크다.

그러나 상기 제1 모델전류(A1)의 기울기는 도 10 및 도 11 모두에서 수직에 가까울 정도로 크다. 즉,제1 발광블럭(10)의 문턱전압 이하에서는 부하전류가 0이고, 문턱전압 이상에서는 희망전류(20S)가 부하에 흐른다고 모델링 하여도 실제 전류 오차는 미미하다.

또한, 상기 제1 모델전류(A1) 내지 제11 모델전류(A11)이 상기 희망전류(20S)와 교차하는 지점의 전압위상 및 희망전류값를 도 10 및 도 11에서 살펴보면, 입력전압 실효값이 높은 도 10의 경우가 상기 교차지점의 전압위상이 더 빠르기 때문에 희망전류값이 더 낮음을 알 수 있다. 즉 교류 입력전압 실효값이 높은 쪽이 더 낮은 순시전압에서 점등 발광블럭의 직렬개수를 변경하는 스위치 조작이 일어나야 함을 알 수 있다.

이하 도 12를 사용하여 설명한다.

도 12는 향후 설명할 자료의 계산 과정을 일부분을 소개한 것이다.

먼저, 첫 번째 열(C1)은 정류전압 위상값을 나타낸 것으로 그 범위는 0도에서 180도 까지 사용하였다.

두 번째 열(C2)는 '수식 1'을 사용하여 순시 정류전압을 나타낸 것으로서, 정류전압 실효값이 220V 인 경우에 각 정류전압 위상에서 순시전압을 1.414배 나누어서 표시한 것이다.

세 번째 열(C3)는 싸인함수인 '수식 3'을 사용하여 계산한 것으로서 순시 희망전류를 나타낸 것이다.

네 번째 열(C4)는 순시 정류전압(C2)를 도 6의 상기 제1 모델(M1) 내지 제11 모델(M11)에 대입하여 상기 순시 정류전압(C2)에서 발광되는 최대의 점등블럭 개수를 나타낸 것이다.

다섯 번째 열(C5)는 상기 순시 정류전압(C2)로 상기 발광블럭(C4)를 점등할 때에 부하에 흐르는 전류를 나타낸 순시 부하전류이다. 두 개 이상의 발광블럭을 점등할 때는 상기 제어기(4) 및 상기 전류원(CS)에 의하여 순시 희망전류가 부하에 공급됨은 당연하다. 즉, 도 12 에서는 2 개의 발광블럭이 점등되는 전압위상 8도 이상에서는 순시 희망전류가 부하에 공급된다.

그리고, 한 개의 발광블럭이 점등되는 전압위상 7도 이하와 상기 제1 모델(M1)의 문턱전압 사이의 전압위상에서는 상기 제1 모델(M1) 전류와 상기 순시 희망전류(C3)를 비교한 결과 상기 모델전류가 상기 희망전류보다 모두 높기 때문에 이구간에서도 순시 희망전류가 부하에 공급되었다. 따라서 전압위상 1도 단위로 계산한 도 12에서는 상기 제1 모델(M1)의 문턱전압 이상의 모든 전압위상에서는 순시 희망전류가 부하에 공급되었다.

여섯 번째 열(C6)는 상기 순시 부하전류(C5)와 상기 점등된 발광블럭(C4)에 포함된 점등 LED 개수를 곱한 값으로 순시 LED 광 출력을 대표하는 값이다.

아홉 번째 열(C9)는 상기 순시 부하전류(C5)와 순시 정류전압(C2)를 곱한 값으로 교류전원이 공급한 순시 교류 전력을 대표하는 값이다.

여덟 번째 열(C8)는 상기 순시 부하전류(C5)가 상기 점등 블럭개수(C4)에 해당하는 발광블럭 모델에 흐를 때 상기 모델의 순방향 전압(도 6에서 찾음)과 상기 순시 부하전류(C5)의 곱을 표시한 것으로 순시 LED 발광블럭 소비전력을 대표하는 값이다.

일곱 번째 열(C7)는 상기 순시 교류전력(C9)와 순시 LED 전력(C8)의 차이 값으로서 전류원에서 소비된 순시 전류원 전력을 대표하는 값이다. 상기 순시 전류원 전력(C7)은 입력 전압위상에 대하여 톱니파 형태를 가진다.

도 12 하단에 상기 전압위상(C1)의 범위가 0도 에서 180도 까지 일 때에 대하여, 상기 교류전력(C7), 상기 LED 소비전력(C8) 및 상기 전류원 전력(C9)의 합과 평균을 나타내었다.

또한, 상기 도 12에서 점등블럭 개수 변경전압(이하, 변경전압이라 칭함) 및 변경전류(이하, 변경전류라 칭함)를 찾을 수 있다. 일 예로, 점등블럭이 1개에서 2개로 변경되는 경우는 각각 30.62V 및 2.78mA 이고, 2개에서 3개로 변경되는 경우는 각각 49.49V 및 4.5mA 이다.

이상에서 상세히 설명한 LED 발광블럭을 모델링 하는 방법(도 5 내지 도 7) 및 LED 소비전력을 구하는 방법(도 12)을 다른 발광블럭 구성을 가지는 부하 및 교류입력전압에 대하여 적용할 수 있음은 당연하다.

이하 도 13을 사용하여 설명한다.

도 13은 다른 교류입력전압에 대하여 LED 발광블럭 소비전력, 교류전력, 점등블럭 개수 변경전압 및 변경전류를 계산한 것을 요약한 것이다.

먼저 각 모델에서 LED 개수(D1)은 설계 중심전압에서 개수를 100으로 설정하고[도 13 에서는 제10 모델(M10)이 설계 중심전압에서 점등되는 모델이고, 제11 모델(M11)은 잉여 발광블럭이 점등될때의 모델임] 상대적인 개수를 나타낸 것이다.

그리고 교류 입력전압(D2)는 180V 에서 300V 사이를 10V 간격으로 계산하였으며, 특히 설계중심전압 220V의 + 15% 인 253V 및 -15%인 187V 도 계산하였다.

이때 전압위상 90도에서 희망전류(D3)을 도시하였는데, 이값은 평균 LED 광출력(D9)가 모두 동일한 값이 되는 전류값으로 조정된 결과이다.

그리고 평균 교류전력(D4), 평균 발광블럭 전력(D5), 평균 전류원 전력(D6), 평균 교류전력(D4) 대비 평균 발광블럭 전력(D5)이 차지하는 비율(D8) 및 평균 교류전력(D4) 대비 전류원 전력(D6)이 차지하는 비율(D8)을 나타내었다. 그리고 설계 중심전압인 220V 에 대하여 각 교류 입력전압 변동에 대하여 교류전력(D7)이 얼마나 변동되는지를 나타낸 교류입력전력 변동비율(D10)을 나타내었다.

또한, 점등블럭 개수가 1개에서 2개로 변경될 때 변경전압(Vth_B1) 내지 점등블럭 개수가 10개에서 11개로 변경될 때 변경전압(Vth_B10)을 도시하였으며, 점등블럭 개수가 1개에서 2개로 변경될 때 변경전류(A_B1) 내지 점등블럭 개수가 10개에서 11개로 변경될 때 변경전류(A_B10)을 도시하였다.

이때, 변경전압이 나타나지 않은 부분(D12) 및 변경전류가 나타나지 않은 부분(D14)는 소등된 발광블럭이 있음을 나타낸다.

도 13에서 구체적인 계산절차를 살펴보면, 교류 입력전압 220V 를 설계 중심전압으로 하여, 각 서브 발광블럭[(M1) 내지 (M10)] 및 잉여 발광블럭(M11)의 비율(D1)을 선정하고, 상기 설계 중심전압 220V 에서 순시 희망 최대전류(D3) 20mA 를 흘릴 경우의 LED 발광블럭 광출력량(D9)을 먼저 계산하고, 나머지 전압에 대해서도 동일한 LED 광출력이 되도록 희망전류 최대값을 조정한다.

여기서, 구체적인 수치를 일 예로 살펴보면, 먼저 각 발광블럭은 측정모델의 1/10 의 LED 개수로 구성되었으며, 잉여 발광블럭도 동일한 구성의 발광블럭이다. 그리고, 220V 에서 20mA 가 흐를 때의 LED 광출력은 1008 이고, 발광블럭 전력효율은 95.8% 이다. 또한, 220V 의 +15% 인 253V 에서의 LED 광출력도 1008 로 동일하고 발광블럭 전력효율은 94.8% 이다. 또한, 220V 의 -15% 인 187V 에서의 LED 광출력도 1008 로 동일하고 발광블럭 전력효율은 92.9% 이다.

또한, 변경전류(A_B1) 내지 변경전류(A_B10)은 입력전압 실효값이 올라감에 따라 모두 감소하였고, 변경전압(Vth_B5) 내지 변경전압(Vth_B10)도 모두 감소하였다. 그러나 영역(D11)로 표시된 변경전압(Vth_B1) 내지 변경전압(Vth_B4)는 대체적으로 감소하는 경향을 가지나 가끔 그 경향을 벗어나는 값들도 있다. 이것은 각 입력전압 실효값에 따라서 LED 광출력을 동일하게 유지하기 위하여 희망전류 최대값을 변경 하였기 때문으로 생각된다.

도 14는 도 13을 계산한 방법과 동일한 방법으로 계산한 것으로, 잉여 발광블럭(29)이 없는 경우(100), 잉여 발광블럭(29)의 갯수가 전체 LED 갯수의 10% 인 경우(110) 및 잉여 발광블럭(29)의 갯수가 전체 LED 갯수의 20% 인 경우(120)인 것을 예로 든 것이다.

먼저 잉여 발광블럭(29)이 없는 경우(100)에서, 발광블럭 전력효율이 90% 이상 입력전압은 240V 이하이었고, 입력전압 253V 이상 에서는 발광블럭 전력효율이 90% 이하로 나타나며, LED 광출력도 점점 낮아졌다.

잉여 발광블럭(29)이 10% 인 경우(110)에서는, 전력효율이 개선되어 발광블럭 전력효율이 90% 이상 입력전압은 270V 이하이었고, 입력전압 280V 이상에서는 발광블럭 전력효율이 90% 이하로 나타났으며, LED 광출력은 모든 입력전압에서 동일하였다.

잉여 발광블럭(29)이 20% 인 경우(120)에서는, 더욱 개선되어 발광블럭 전력효율이 90% 이상 입력전압은 290V 이하이었고, 입력전압 300V 이상에서는 발광블럭 전력효율이 90% 이하로 나타났으며, LED 광출력은 입력전압 253V 이상에서 점점 증가하였다.

상기 결과를 요약하면, 설계 중심전압에서 점등되지않는 잉여 발광블럭(29)을 추가하면 발광블럭 전력효율이 더 높아지는 전압구간이 생기며, 또한 LED 광출력이 증가되는 구간도 생긴다. 따라서, 잉여 발광블럭(29)을 추가하여 전류원에서 소비되던 잉여전압을 잉여 발광블럭(29)에서 소비되도록 함으로써 전류원을 보호하고, 발광블럭 전력 효율도 높이는 것이 바람직하다.

교류전압이 매우 안정된 지역(일 예를 들면, 입력전압 변동이 10% 이내인 지역)에서는 약 10% 정도의 잉여 발광블럭(29)을 구비하는 것이 바람직하며, 교류전압이 매우 불안한 지역(일 예를 들면, 순시 부하 전력변동이 매우 크면서 전기 배송이 넓은 지역에 걸쳐 있는 경우)에서는 약 20% 정도의 잉여 발광블럭(29)을 구비하는 것이 바람직할 것이다.

도 15는 본 발명에 바람직한 발광블럭 및 잉여 발광블럭의 구성을 나타낸 것이다.

먼저 (B1) 내지 (B15)는 발광블럭이 1개 내지 15개가 직렬로 연결된 것을 나타내며, (L8) 내지 (L20)은 부하인 발광블럭이 설계 중심전압에서의 발광블럭의 LED 개수를 100 이라 표현할 때, 각 서브 발광블럭에 들어가는 LED 개수를 나타낸 것이다. 즉 (L8)은 LED 8/100 개로 구성된 서브 발광블럭이고, (L20)은 LED 20/100 으로 구성된 서브 발광블럭을 나타낸다.

그리고, 도 15에 도시된 숫자는 각 발광블럭 모델에서의 LED 개수 비율을 나타낸 것이다. 여기서, 노란색 바탕색으로 표시된 것은 10% 의 잉여 발광블럭(29)을 가지는 경우, 초록색 바탕색으로 표시된 것은 20% 의 잉여 발광블럭(29)을 가지는 경우를 표시한 것이다. 아울러, 발광블럭의 구성을 임의로 조정한 구성(LM)은 낮은 전압에서 점등되는 발광블럭은 20/100 의 발광블럭으로 구성하며, 높은 전압에서 점등되는 발광블럭은 10/100 으로 구성하여 전체적인 서브 발광모듈의 개수를 줄이고자 한 것이다.

도 16은 상기 도 15에 나타난 각각의 발광블럭 구성에 대하여 도 13에 적용한 계산방식으로 계산한 발광블럭 전력효율이다. 각각의 발광블럭을 8/100 (L8) 내지 15/100 (L15)로 구성한 경우 및 임의로 LED 개수를 조정한 발광블럭 (LM)구성 모두 보증 설계전압 하한 187V (220V - 15%) 에서 보증 설계전압 상한 253V (220V + 15%) 사이에서 발광블럭 전력효율 90% 이상을 나타내었다(잉여 발광블럭 10% 및 20% 모두 해당함). 즉 90% 이상의 발광블럭 전력효율을 원하는 경우는 각 발광블럭을 15/100 개의 LED 개수 이하로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고 발광블럭을 구성하는 LED의 개수가 적을수록[즉, (L20)에서 (L8)쪽으로 갈수록] 낮은 입력전압에서 효율이 증가하였고, 잉여 발광블럭(29)이 많을 수록[즉, 10% 에서 20% 로 갈수록] 높은 전압에서 발광블럭 전력효율이 증가하였다. 상기 도 16에서는 발광블럭을 8/100 이하는 도시하지 않았지만 1/100 까지(즉, 더 작은 개수의 LED로) 구성할 수 있음은 당연하다.(220V x 1.414 = 311V 이고, 20mA 에서 LED 전압이 3.11V 라고 하면 220V 설계중심전압에서는 100개의 LED 로 발광블럭이 구성됨)

도 17은 상기 도 15에 나타난 각각의 발광블럭 구성에 대하여 도 13의 계산방식으로 계산한 LED 광출력을 참고로 도시한 것이다. 잉여 발광블럭(29)이 더 존재함에 따라서, LED 광출력이 증가하는 부분을 별도의 사각형안에 표시하였다.

여기서, 각 LED 발광블럭을 15/100 이하의 LED 개수 또는 조정된 발광블럭(LM)으로 각 발광블럭을 구성하는 경우 광출력이 1008 의 5% 이하인 950 이상 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 발광블럭의 광효율이 90% 이상을 유지하고 또한 광출력도 95% 이상을 유지하기 위해서는 15/100 이하 개수의 LED 또는 조정된 발광블럭(LM)으로 각 발광블럭을 구성하는 것이 바람직하다.

도 18은 도 4의 회로에서 병렬로 배치된 스위치를 직렬로 배치한 도면이다.

도 18에서 스위치 배열의 특징을 살펴보면, 제1 발광블럭(11a)과 제1 스위치(S11a)가 병렬로 연결되어 있고, 제2 발광블럭(12a)과 제2 스위치(S12a)는 병렬로 연결되어 있고, 제3 발광블럭(13a)과 제3 스위치(S13a)는 병렬로 연결되어 있으며 상기 제1 스위치(S11a) 내지 상기 제3 스위치(S13a)가 모두 직렬로 연결되어 있다.

또한, 잉여 발광블럭(29a)와 상기 잉여 발광블럭(29a)의 전류를 바이패스 시키는 스위치(SC29a)가 병렬로 연결되어 있고, 상기 제1발광블럭(11a) 내지 상기 제3발광블럭(S13a), 잉여 발광블럭(29a) 및 전류원(CS)가 모두 순서대로 직렬로 연결되어 있다.

여기서, 발광블럭을 3개에서 4개처럼 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 설명하면, 먼저 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 병렬로 연결하고, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 잉여 발광블럭(29a)의 입력단 사이에 상기 병렬로 연결된 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 삽입하면 된다.

상기 도 14에 도시된 회로의 동작은 도 9에 도시된 회로와 스위치 상태만 다르고 나머지 스위치를 작동하는 판단기준 등은 동일하므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다.

이상 본 발명의 실시예를 상세히 설명하였다. 본 발명에서 상세히 설명된 정류회로, 전류원, 제어기 및 스위치는 하나의 반도체 소자로 제작할 수 있음은 당연하다.

이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 살펴보았으나 이는 예시에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형된 실시예가 가능함을 이해하여야 할 것이다. 그러므로, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

910, 1: 교류전원
940, 2: 정류회로
4: 제어기
970, 70, 11, 12, 13, 14: LED 발광블럭
11a, 12a, 13a, 14a: LED 발광블럭
CS: 전류원
S11, S12, S13, S14: 스위치
S11a, S12a, S13a, S14a: 스위치
SC11, SC12, SC13, SC14: 스위치 제어신호

Claims (4)

  1. 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와;
    적어도 하나 이상의 LED 발광블럭들을 포함하되, 상기 LED 발광블록들이 직렬로 연결되어 있는 부하와;
    상기 각각의 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭과;
    상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과;
    상기 교류전압을 기초로 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원의 제어신호로 제공하는 제어기; 및
    설계 중심전압에서는 점등되지 않고 상기 설계 중심전압보다 높은 전압에서는 점등되는 여분의 잉여 발광블럭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 정현파의 설계전류값을 산출하는 것을 특징으로 하는 잉여 발광 블럭을 구비한 LED 조명장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 잉여 발광블럭은 상기 부하를 구성하는 총 LED 개수의 20% 이하의 개수로 구성된 것을 특징으로 하는 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 블럭은 상기 LED 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬인 것을 특징으로 하는 잉여 발광블럭을 구비한 LED 조명장치.
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