KR20130026095A - 단방향 엘이디 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, 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED 동작 특성으로 인한 광 효율 저하를 개선할 수 있으며, 교류 전원 전압의 레벨이 변동하더라도 전력 소모를 소정 범위 내에서 일정 레벨로 유지할 수 있는 단방향 LED 모듈 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단방향 엘이디 모듈 장치는, 인가되는 교류전원을 정류하는 정류부; 단방향으로 접속된 복수의 엘이디를 포함하는 단방향 엘이디 모듈부; 상기 단방향 엘이디 모듈부와 상기 정류부 타단부 사이에 인가되는 전압이 소정 레벨을 초과하면 정전압을 유지하는 정전압부; 활성영역과 포화영역에서 동작하는 반도체 소자를 포함하고, 상기 반도체 소자를 이용하여 상기 단방향 엘이디 모듈부가 소정 범위 내에서 정전력을 유지토록 제어하는 정전력제어부; 상기 정전압부로부터 출력되는 정전압을 분압하여 분압전압을 출력하는 분압부; 상기 분압전압을 증폭하여 증폭된 분압전압을 출력하는 증폭부; 상기 정전압부 내 3단자 제너 다이오드의 양단에 인가되는 전압을 이용하여 기준전압을 제공하는 기준전압제공부; 및 상기 증폭된 분압전압을 상기 기준전압과 비교하여 상기 3단자 제너 다이오드의 제어전압으로 이용하는 제1 검출부를 포함하는 조정전압제공부를 포함한다.

Description

단방향 엘이디 모듈 장치{UNIDIRECTIONAL LIGHTING EMITTING DIODE MODULE DEVICE}
본 발명은 LED 모듈 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 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 문제점이 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 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 단방향 LED 모듈 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 교류 전원 전압의 레벨이 변동하더라도 전력 소모를 소정 범위 내에서 일정 레벨로 유지할 수 있는 단방향 LED 모듈 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 단방향 엘이디 모듈 장치는, 인가되는 교류전원을 정류하는 정류부; 단방향으로 접속된 복수의 엘이디를 포함하는 단방향 엘이디 모듈부; 상기 단방향 엘이디 모듈부와 상기 정류부 출력단 사이에 인가되는 전압이 소정 레벨을 초과하면 정전압을 유지하는 정전압부; 활성영역과 포화영역에서 동작하는 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 반도체 스위칭 소자를 이용하여 상기 단방향 엘이디 모듈부가 소정 범위 내에서 정전력을 유지토록 제어하는 정전력제어부; 상기 정전압부로부터 출력되는 정전압을 분압 및 증폭하여 증폭된 분압전압을 출력하는 증폭부; 상기 정전압부의 출력을 이용하여 기준전압을 제공하는 기준전압제공부; 및 상기 증폭된 분압전압을 상기 기준전압과 비교하여 상기 정전력제어부의 제어전압으로 출력하는 제1 제어전압출력부를 포함하는 조정전압제공부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 조정전압제공부는, 상기 정전력제어부의 제어전압의 일부를 상기 기준전압과 비교하여 상기 정전력제어부의 제어전압으로 피드백하는 제2 제어전압출력부를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 조정전압제공부는, 상기 기준전압과 비교한 값을 적분하여 출력하도록 적분기를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 정전력제어부 내 반도체 스위칭 소자는, 전계 효과 트랜지스터, 바이폴라 정션 트랜지스터, 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 정전력제어부는, 상기 단방향 엘이디 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 단방향 엘이디 모듈부와 상기 정류부 타단 사이의 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및 상기 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전력을 제공하는 정전력 구동부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 제어전압 출력부는, 상기 단방향 엘이디 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하는 검출저항; 및 상기 검출저항에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 제너 전압을 출력하고, 상기 제어전압이 상기 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지하는 3단자 제너 다이오드를 포함한다.
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 있고, 교류 전원 전압의 레벨이 변동하더라도 전력 소모를 소정 범위 내에서 일정 레벨로 유지할 수 있다.
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 일실시예에 따른 단방향 LED 모듈 장치 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 단방향 LED 모듈 장치에서의 인가전압 대비 소비전력특성 그래프, 및
도 5는 본 발명에 따른 단방향 LED 모듈 장치에서의 인가전압 대비 전류특성 그래프이다.
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 일실시예에 따른 단방향 LED 모듈 장치 회로도로서, 교류전원(310), 정류부(320), 단방향 LED 모듈부(330), 정전압부(340), 정전력제어부(350), 분압부(360), 증폭부(370), 기준전압제공부(380), 및 조정전압제공부(390)를 포함한다.
정류부(320)는 인가되는 교류전원(310)을 정류한다.
단방향 LED 모듈부(330)는 정류부(320)의 출력측과 정전류부(350)의 상단 사이에 단방향으로 접속된다.
정전압부(340)는 단방향 LED 모듈부(330)와 정류부(320)의 타단 사이에 인가되는 전압이 소정 레벨, 예컨대 2.5볼트를 초과하면 제너 다이오드(ZD1) 양단은 제너 전압을 유지하고, 제1 FET(Q1)는 제너 전압에 턴온되어 제1 FET(Q1)의 소스단자(s1)에 제너 전압에 상응하는 정전압이 인가된다. 여기서, 3단자 제너 다이오드(ZD2)는 검출저항에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 일반적인 제너 다이오드 특성과 동일한 특성을 가져 제너 전압을 출력하고 제어전압이 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지한다. 이로 인해 낮은 입력전압에서도 단방향 LED 모듈부(330)가 턴온되어 플리커 현상이 줄게 되고, LED 동작 구간이 넓어져서 유효전력이 증가함으로 역률이 개선된다.
정전력제어부(350)는 3단자 제너 다이오드(ZD2)의 검출저항(R33 + R34)에 인가되는 제어전압의 크기에 따라 제2 FET(Q2)를 통과하는 전류(I1)가 달라진다. 예컨대, 3단자 제너 다이오드(ZD2)의 검출저항(R33 + R34)에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 3단자 제너 다이오드(ZD2)가 제너 전압을 출력하므로, 제2 FET(Q2)는 3단자 제너 다이오드의 제너 전압에 턴온되어 큰 전류(I1)가 흐른다. 한편, 큰 전류로 인해 션트 저항(R34)에 인가되는 전압(VR34)가 상승하면 3단자 제너 다이오드(ZD2)의 검출저항에 인가되는 제어전압이 상승하게 되고, 제어전압이 설정치를 초과하면 3단자 제너 다이오드(ZD2)는 단락상태로 전환된다. 3단자 제너 다이오드(ZD2)가 단락상태로 전환되면, 제2 FET(Q2)의 드레인단자와 소스단자 사이에는 역전압(VR34)이 인가되어 제2 FET(Q2)는 활성영역에서 동작하므로 부하전류(I1)의 크기가 줄어든다.
분압부(360)는 직렬연결된 저항(R35, R36)으로 구성되어, 저항(R31)과 제너 다이오드(ZD1)에 걸리는 전압을 분압한다.
증폭부(370)는 분압저항(R36)에 인가되는 분압전압을 증폭하여 증폭된 분압전압을 출력한다.
기준전압제공부(380)는 3단자 제너 다이오드(ZD2)에 인가되는 전압을 이용하여 기준전압(VR41)을 제공한다.
조정전압제공부(390)는 정전력제어부(350)의 기능을 개선하기 위한 것으로, LED 모듈부(330) 후단에 인가되는 전체 전압 변동분을 검출하는 제1 검출부와, 제1 FET(Q1)의 소스단자에 인가되는 전압 변동분을 검출하는 제2 검출부를 포함한다. 예컨대, 제1 검출부는 LED 모듈부(330) 후단에 인가되는 전체 전압(VR35 + VR36)이 변동하면 변동분에 상응하는 제1 변동값을 증폭부(370)에서 증폭하여 저항(R45)을 통해 제공한다. 그리고, 제2 검출부는 션트 저항(R34)에 인가되는 전압(VR34)이 변동하면 변동분에 상응하는 제2 변동값을 저항(R42)을 통해 제공한다. 제1 변동값과 제2 변동값을 가산한 합산 변동값은 기준전압(VR41)과 비교 및 적분하여 조정전압으로 출력되고, 3단자 제너 다이오드의 제어전압에 이용한다.
이에 따라, 제2 FET(Q2)을 활성영역과 포화영역에서 제어하는 것이 더욱 정교해지면서 정전력 제어가 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 단방향 LED 모듈 장치에서의 인가전압 대비 소비전력특성 그래프로서, 인가전압이 정격전압(220V) 대비 ±10% 변동하더라도, 소비전력은 정격전압에서의 소비전력 대비 91 내지 102%로 소비전력의 변동폭이 줄어든다. 특히, 215V 내지 240V 범위에서는 정전력 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 단방향 LED 모듈 장치에서의 인가전압 대비 전류특성 그래프로서, 인가전압이 증가함에 따라 전류는 줄어드는 것을 알 수 있다.
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.
310: 교류전원 320: 정류부
330: 단방향 LED 모듈부 340: 정전압부
350: 정전력제어부 360: 분압부
370: 증폭부 380: 기준전압제공부
390: 조정전압제공부

Claims (6)

  1. 인가되는 교류전원을 정류하는 정류부;
    단방향으로 접속된 복수의 엘이디를 포함하는 단방향 엘이디 모듈부;
    상기 단방향 엘이디 모듈부와 상기 정류부 출력단 사이에 인가되는 전압이 소정 레벨을 초과하면 정전압을 유지하는 정전압부;
    활성영역과 포화영역에서 동작하는 반도체 스위칭 소자를 포함하고, 상기 반도체 스위칭 소자를 이용하여 상기 단방향 엘이디 모듈부가 소정 범위 내에서 정전력을 유지토록 제어하는 정전력제어부;
    상기 정전압부로부터 출력되는 정전압을 분압 및 증폭하여 증폭된 분압전압을 출력하는 증폭부;
    상기 정전압부의 출력을 이용하여 기준전압을 제공하는 기준전압제공부; 및
    상기 증폭된 분압전압을 상기 기준전압과 비교하여 상기 정전력제어부의 제어전압으로 출력하는 제1 제어전압출력부를 포함하는 조정전압제공부
    를 포함하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조정전압제공부는,
    상기 정전력제어부의 제어전압의 일부를 상기 기준전압과 비교하여 상기 정전력제어부의 제어전압으로 피드백하는 제2 제어전압출력부를 더 포함하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조정전압제공부는,
    상기 기준전압과 비교한 값을 적분하여 출력하도록 적분기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정전력제어부 내 반도체 스위칭 소자는, 전계 효과 트랜지스터, 바이폴라 정션 트랜지스터, 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정전력제어부는,
    상기 단방향 엘이디 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하고, 검출된 부하전류의 크기에 따라 상기 단방향 엘이디 모듈부와 상기 정류부 출력단 사이의 전압을 제1 및 제2 레벨의 구동전압으로 변환하는 제어전압 출력부; 및
    상기 제1 및 제2 레벨의 구동전압에 제어되어 정전력을 제공하는 정전력 구동부
    를 포함하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어전압 출력부는,
    상기 단방향 엘이디 모듈부를 흐르는 부하전류를 검출하는 검출저항; 및
    상기 검출저항에 인가되는 제어전압이 설정치 이하이면 제너 전압을 출력하고, 상기 제어전압이 상기 설정치를 초과하면 애노드와 캐소드 사이에 단락상태를 유지하는 3단자 제너 다이오드
    를 포함하는 단방향 엘이디 모듈 장치.
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