KR20130053950A - Ｌｅｄ 조명용 회로장치 및 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ＬＥＤ 조명용 회로장치 및 인쇄회로 기판에 관한 것으로, 인쇄회로기판은 평행하고 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 전극라인과, 전극라인들의 길이 방향으로 일정 간격으로 형성된 부품그룹부와, 부품그룹부들 사이에 직렬로 배치되는 LED 소자들을 구비하되, 부품그룹부의 저항, 제너다이오드는 제조되는 LED 조명의 종류에 따라 삽입 여부와 제1 전극, 제2 전극라인과의 접속여부가 결정된다. 본 발명에 의하면, 기존의 형광등(CCFL 또는 HCFL)을 구동하는데 사용되는 다양한 안정기를 구조 변경 없이 그대로 적용가능한 ＬＥＤ 조명용 회로장치 및 인쇄회로를 제공할 수 있게 된다.

Description

ＬＥＤ 조명용 회로장치 및 인쇄회로기판{CIRCUITRY FOR LED ILLUMINATION APPARATUS AND PRINTED CIRCUIT BOARD}

본 발명은 ＬＥＤ 조명용 회로장치 및 인쇄회로 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 형광등(CCFL 또는 HCFL)을 구동하는데 사용되는 다양한 안정기를 구조 변경 없이 그대로 적용가능한 ＬＥＤ 조명용 회로장치 및 인쇄회로 기판에 관한 것이다.

현재, 조명용으로 널리 사용되고 있는 형광등(열음극 형광램프(HCFL) 또는 냉음극 형광램프(CCFL)은 백열등에 비해 수명이 길고 전력 소모량이 적은 장점 등 을 갖는다. 그러나, 형광등에는 환경에 치명적인 수은 가스가 내부에 충진되어 있어, 폐기 후 형광등에서 누출되는 수은으로 인한 환경 오염을 발생시키는 단점이 있다.

이러한, 형광등의 단점을 해소하고 전력 소모를 감소시키기 위해 형광등을 대체할 수 있는 조명 광원으로서 LED에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

LED는 형광등이 갖는 환경 오염의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 형광등에 비해 약 30% 정도의 에너지 절감 효과를 거둘 수 있고 사용 가능한 수명이 더 긴 장점을 갖는다. 이러한 LED의 장점들로 인해 추후 조명 시장은 형광등에서 LED를 이용한 조명기구가 주력 상품으로 대체될 것으로 전망되고 있다.

한편, 현재 많은 조명 기구들은 형광등을 구동하기 위한 구조로 이루어져 있다. 즉, 형광등을 구동하기 위한 조명 기구에는 형광등의 특성 상 안정기와 형광등을 삽입하기 위한 소켓 등이 구비된다. 기존의 형광등 조명 기구를 그대로 활용하기 위해 LED를 이용한 램프는 그 외관이나 전원 접속 단자를 종래의 형광등과 동일한 구조로 제작하면 기존의 소켓은 활용이 가능하다. 그러나, 형광등을 구동하는 안정기의 경우 기존의 형광등과 같은 방전 램프의 구동에 필요한 전압, 전류를 제공하도록 설계되므로 LED를 구동하는데 적합하지 못한 문제점이 있었다.

현재 형광등(CCFL방식)을 구동하는데 사용되는 안정기의 종류는 글루스타트형, 래피드 스타트형, 전자식 안정기(인버터식), DC-AC 인버터형 등이 있다. 이러한 안정기들은 각 나라별로 다양한 형태(기술력, 시장의 특수성 등으로 인해)로 사용되고 있다. 특히 전자식안정기는 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 안정기인 만큼 다양한 특성을 지닌 제품들이 사용되고 있다.

이러한 안정기에 전기공사 없이 그대로 사용할 수 있는 안정기 호환형 LED형광등을 만들기 위해 국내외적으로 많은 고안이 있었지만 특정 국가의 특정 안정기에서만 사용이 가능한 제품들이며 실질적으로 모든 안정기에 사용이 가능한 LED 형광등은 거의 없는 상황이다.

특히 일본 등의 해외의 다양한 특성을 가지고 있는 형광등용 안정기에서는 거의 사용이 불가능한 상황이다.

특히, 전자식안정기 같은 경우는 안정기 제조사 및 모델에 따라서 발진주파수, 전압, 전류의 차이가 심하게 나타난다. 따라서, 일반 형광등의 안정기에 LED형광등을 사용하면 안정기의 부하조건 특성에 맞지 않아 출력전압을 차단시켜 작동이 되지 않으며, 작동이 되는 경우가 있다하더라도 소비전력에 큰 편차를 발생시켜 사용할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 다양한 안정기에 그대로 적용되어 LED를 이용한 램프의 점등을 안정적으로 수행할 수 있는 LED 조명용 회로장치 및 인쇄회로기판을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 LED 조명장치에 적용가능하도록 직 병렬로 연결된 LED 어레이 배열과 저항, 제너다이오드의 배치를 용이하게 조정할 수 있는 인쇄회로 기판 구조를 제안하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일측면은 LED조명용 인쇄회로 기판에 있어서,

실질적으로 평행하고 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 전극라인;

상기 전극라인들의 길이 방향으로 일정 간격으로 형성되고, 각각이 저항과 제너다이오드가 배열된 구성을 가지는 부품그룹부; 및

상기 부품그룹부들 사이에 직렬로 배치되는 LED 소자들을 구비하되,

상기 부품그룹부의 저항, 제너다이오드는 제조되는 LED 조명의 종류에 따라 삽입 여부와 제1 전극, 제2 전극라인과의 접속여부가 결정된다.

바람직하게는, 상기 부품그룹부들 각각은 상기 제1 전극라인에 접속되는 제1 저항부, 제너다이오드부 및 제2 전극라인에 접속되는 제2 저항부를 포함하고, 상기 부품그룹부들 사이에는 LED 소자들 사이에 제너다이오드 삽입부가 별도로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 LED 조명용 회로 장치에 있어서, 출력단자들을 가지는 안정기; 상기 안정기의 출력 단자들 사이에 연결된 제1 매칭회로; 상기 제1 매칭회로의 출력단에 각각의 입력단이 연결된 정류 회로; 상기 정류회로의 두 출력단에 연결된 제2 매칭회로를 포함하고,

상기 제1 매칭회로와 상기 안정기의 출력단 사이에는 저항과 케패시터를 병렬로 연결한 전류조절회로가 삽입된 LED 조명용 회로 장치를 제공한다.

바람직하게는, 전류조절회로와 상기 안정기의 일 출력단 사이에는 코일이 연결될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존에 조명을 위해 설치된 형광등용 조명 장치를 그대로 LED 램프에 적용하여 LED 구동이 가능하다. 이에 따라 형광등을 LED 램프로 교체하는데 있어 추가적인 비용의 발생을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 저전력용에서 고전력용까지 모두 대응이 가능하고 전자식 안정기, 래피드식 안정기, DC-AC 인버터형 특수 안정기를 사용하는 형광등 기구에서 안정된 전력소모 및 작동이 가능하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 LED 조명용 회로장치의 일례를 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1의 LED 조명 장치에 연결된 LED 모듈(20)을 도시하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2의 LED 모듈(20)을 활용한 다른 실시예를 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 상술한 LED 모듈 구조에 의해서 LED 어레이와 저항, 제너다이오드를 실제 구현한 예를 각각 도시하고 있다.
도 5에는 도 4a 구조의 실제 PCB 구조를 도시한 그림이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 LED 조명용 회로장치의 일례를 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 LED 조명용 회로 장치(10)는 안정기(110)와, 안정기의 출력 단자들 사이에 연결된 제1 매칭회로(150, 180)와 제1 매칭회로의 출력단에 각각의 입력단이 연결된 정류회로(140, 120)와, 정류회로(120,140)의 두 출력단에 연결된 제2 매칭회로(130)를 포함하여 구성되고, 제2 매칭회로의 출력단에는 LED 모듈(200)이 연결되어 있다.

안정기(110)는 형광등에 방전을 위한 고압의 전압을 인가한 후 방전이 개시되어 형광등의 발광이 이루어진 후 일정한 안정 교류 전압을 제공하는 기능을 하는 형광등 점등용 전기 장치이다. 특히, 안정기(110)는 방전이 이루어질 때 형광등에 제공되는 전류의 크기를 제한하여 램프의 파손을 막는 전기 장치이다.

본 발명에서는 다양한 종류의 안정기에 적용가능한 LED 조명용 회로장치를 구현하는 것으로, 한국을 비롯하여 일본, 중국, 유럽 및 전세계의 전자식안정 기및 래피드식 안정기 DC-AC 인버터형 특수안정기를 사용하는 형광등에 그대로 사용이 가능하며 가정용 및 빌딩용 조명을 막론하고 적용가능하다.

전자식 안정기의 출력단에 형광등 대신 LED로 이루어진 램프가 적용되면 RLC 공진 회로의 공진 조건이 변동되고 이로 인해 LED 램프의 올바른 점등이 이루어지지 못하는 문제점이 발생할 수 있었다. 예를 들어, 실질적인 동전위를 나타내는 두 출력단자들을 하나로 묶어 직접 LED에 전압을 제공하는 경우, 과도한 전류가 LED에 제공되어 전자식 안정기 내부에 구비된 보호 회로가 동작함으로써 LED의 점등이 불가능하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 안정기(10)의 제1 및 제2 출력단자(T1, T2) 사이에는 제1 매칭회로(150)인 인덕터들(L5, L6)를 구비하고 있고, 제3 및 제4 출력단(T2, T3) 사이에도 제2 매칭회로(180)인 인덕터들(L5, L6)을 구비한다. 매칭회로(160,180) 중 인덕터(L1, L4)는 선택적인 구성으로 안정기와 매칭하기 위한 기능을 수행하는 것으로 반드시 필요한 구성은 아니다. 제1 매칭회로(160, 180)를 이용하여 전자식 안정기(110)의 출력단에 LED 램프가 연결되면 전자식 안정기의 출력측 공진 주파수를 적절하게 조정하여 유지할 수 있고, 안정기에서 출력되는 전류의 크기를 제한하여 LED로 이루어진 램프의 구동을 안정적으로 수행할 수 있게 된다.

정류회로(140)는 안정기(110)로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전류으로 변환한다. 정류회로(140)는 4개의 다이오드로 이루어진 다이오드 브릿지 정류회로가 채용될 수 있다. 정류회로(140)는 캐소드가 서로 연결된 제1,2 다이오드(D1, D2)와 상기 제1 다이오드(D1)의 애노드에 캐소드가 연결된 제3 다이오드(D3)와 상기 제3 다이오드(D1)의 애노드에 애노드가 연결되고 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드에 캐소드가 연결된 제4 다이오드(D4)포함할 수 있다.

제2 매칭회로(130)는 저항(R1, R2)과 케패시터(C2)가 서로 병렬로 연결되어 있는 구조로 LED 모듈(200)에 인가되는 전원 전류의 리플을 감지시키는 등 LED 모듈(200,210)에서의 소자들의 수명을 연장하는 역할을 수행한다. 제2 매칭회로(130)는 반드시 필수적인 구성은 아니다.

제1 매칭회로와 안정기(110)의 출력단 사이에는 저항과 케패시터를 병렬로 연결한 전류조절회로(160)가 삽입된다. 전류조절회로(160)는 저항과 케패시터를 다양한 값과 특성을 갖는 것으로 변형하여 사용함으로써 다양한 종류의 형광등 안정기(110)에 적용가능한 구조가 될 수 있다. 전류조절회로(170)은 도면부호 160와 동일한 회로이므로 함께 설명한다.

전류조절회로(160,170)는 전류 특성이 다른 안정기(예를 들면, 전자 안정기와 래피드 안정기 등)에 공용으로 본 발명에 의한 회로장치가 사용될 수 있도록 하기 위한 회로부이다. 전자안정기는 20~30 Khz정도의 매우 높은 주파수에서 동작하고 래피드 안정기는 50~60Hz의 주파수에서 사용되는 것이 일반적이다. 따라서, 전자안정기에서 출력을 내보내면 코일(L1+RJ1, L4+RJ2)이 높은 임피던스를 유지하여 전류가 작게 흘러서 동작에 문제가 없지만 래피드 안정기의 경우에서는 임피던스가 매우 낮아져서 전류가 많이 흐르게 되고 동작에 문제가 발생된다. 따라서 래피드 안정기의 경우에는 (L1 + C4), (L4 + C5)로 구성되는 회로를 사용하여 임피던스를 높여 줌으로써 전류를 낮게 흘릴 수 있도록 하는 조절회로가 구성가능하게 된다. 이러한 구성에 의하면 다양한 특성을 가지고 있는 안정기에 본 발명의 회로장치를 사용할 수 있게 된다.

또한, 전류조절회로(160)와 안정기의 일출력단 사이에는 코일(L4, L1)을 직렬로 연결할 수도 있다. 코일(L4, L1)의 기능은 매칭회로의 기능을 보조하는 역할을 수행하는 것이다. 전류조절회로(170)도 마찬가지이다. 한편, 도 1에서 F1, F2는 퓨즈를 도시하고 있다.

다음으로, 도 1에서 도시한 LED 조명용 회로장치를 이용하는 LED 모듈(20)을 설명한다. 도 2는 도 1의 LED 조명 장치에 연결된 LED 모듈(20)을 도시하기 위한 개념도이다. 다만, 도 2의 LED 모듈(20)은 도 1의 LED 조명 회로장치를 반드시 사용해야 하는 것은 아니고 일반적인 구조를 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

LED 모듈(20)은 인쇄회로 기판 상에 형성되며, 실질적으로 평행하고 일정 간격(L1)으로 이격된 전극라인들(310,320), 상기 전극 라인들(310,320)의 길이 방향으로 일정 간격(L2)으로 형성되는 부품그룹부(300,400)로, 상기 부품그룹부들(300,400)은 각각이 저항과 제너다이오드가 배열된 구성을 가지되, 하나의 부품그룹부들(300,400) 각각은 제1 전극라인(310)에 접속되는 제1 저항부(330,430), 제너다이오드부(340,440) 및 제2 전극라인(320)에 접속되는 제2 저항부(350,450)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.

LED 소자들(D1,..,Dn)은 제1 전극라인(310)에서 제2 전극 라인(320)으로 직렬구조로 복수개 연결되어 있는 구조이다.

부품그룹부(300,400)의 저항, 제너다이오드는 제조되는 LED 조명, 안정기의 종류에 따라 삽입 여부와 제1 전극, 제2 전극라인과의 접속여부가 결정된다. 따라서, 본 구조에 의하면 다양한 종류의 LED 모듈(200)이 적용가능한 인쇄회로 기판이 제공될 수 있다.

일반적으로 조명용에 사용하는 LED 소자는 1개당 약 3V의 순방향 전압강하 특성이 있다. 따라서 배열 숫자를 어떻게 하느냐에 따라서 전압과 전류가 결정된다. 예를 들어, 120Cm 형광등의 대체용으로 사용되는 LED형광등의 경우 소비전력은 21(W)정도이며 LED 소자는 120개 정도를 사용한다. 이 경우, 종래에 고안된 LED 형광등의 구동방식은 LED소자 10개를 직렬로 묶어서 1개의 어레이를 만들고 이 어레이 12개를 다시 병렬로 연결하여 전류를 맞추는 방식으로 사용한다.

그러나, 이러한 방식은 극히 일부분의 안정기에서는 안정되게 동작은 하지만 각국의 다양한 형광등용 안정기들에서는 전력차이를 심하게 보임과 동시에 정상적인 동작을 하지 않는 경우가 대부분인 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 회로장치와 병행하여 LED 모듈 구성 및 배열을 복합적으로 사용할 수 있도록 LED 모듈의 설계구조를 고안하게 된 것이다.

도 3은 도 2의 LED 모듈(20)을 활용한 다른 실시예를 설명한다. LED 모듈은 실질적으로 평행하고 일정 간격으로 이격된 전극라인들(310,320), 상기 전극 라인들(310,320)의 길이 방향으로 일정 간격으로 형성되는 부품그룹부(300,400,500)를 구비하고 부품그룹부(400)과 부품그룹부(500) 사이에 제너다이오드 삽입부(600)가 형성된 구조이다. 이러한 구조에 의하면 제너다이오드 삽입부(600)에 제너다이오드가 삽입되면 직렬로 연결된 LED소자들의 중간에 제너다이오드가 삽입되는 형태가 된다.(도 4a 참조). 도 3에 의하면, 다양한 안정기에 구조에 적합한 다양한 LED 모듈의 제조함에 있어 인쇄회로기판의 구조를 급격하게 변화시키지 않을 수 있게 된다.

본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도 4a 내지 도 4c는 상술한 LED 모듈 구조에 의해서 LED 어레이와 저항, 제너다이오드를 실제 구현한 예를 각각 도시하고 있다. 도 4a 내지 도 4c의 LED 모듈의 구조는 각각 아래와 같다.

①제1배열(LED) : 직렬로 20개를 Array하고 Array회로 6개를 병렬로 연결.

②제2배열(LED) : 직렬로 30개를 Array하고 Array회로 4개를 병렬로 연결.

③제3배열(LED) : 직렬로 40개를 Array하고 Array회로 3개를 병렬로 연결.

도 4a를 참조하면, LED 소자들 10개(D21,D22...,D30)은 제 1전극라인(B+)과 저항(R6)를 사이에 두고 연결되는 구조를 갖는다. 도 5는 도 4a 구조의 실제 PCB 구조를 도시한 그림이다. 도 5를 참조하면, 저항(R5)는 제1 전극라인(B+)과 납땜으로 연결되는 구조이고, 구체적으로는 부품그룹부들이 형성된 PCB 구조에서 저항(R5)에 해당하는 부위에 해당하는 저항을 삽입하고 납땜작업을 수행함으로써 가능하게 된다.

도 4a를 참조하면, LED 소자들 10개(D21,D22...,D30)가 직렬로 배치된 이후, 다른 부품그룹부가 배치되고 이 부품그룹부에서는 제너다이오드가 연결되어 있다. 제너다이오드가 연결된 다음, LED 소자들 10개(D31,D32...,D40)가 다시 연결된다. 한편, 도 4a 에서는 LED 소자들 10개(D31,D32...,D40)의 중간에 제너다이오드를 삽입하기 위한 제너다이오드 삽입부(R11)가 형성된 경우를 도시하고 있으나 이는 반드시 필요한 구성요소는 아니다. 한편, 직렬로 연결된 LED 소자들 10개(D31,D32...,D40)의 마지막인 다이오드(D40)는 제2 전극라인(GND)와 저항(R13)을 사이에 두고 형성되어 있다.

도 4a에서는 직렬로 어레이된 20개를 도시하고 있으나 앞서 설명한 바와 같이 20개 어레이 회로 6개를 병렬로 연결되어 LED 모듈을 형성할 수 있다.

이러한 구조에 의하면, LED 모듈은 저항과 제너다이오드를 사용함으로써 다양한 안정기의 특성에도 모두 만족하는 전력을 구현할 수 있다. 이러한 LED 모듈의 적용범위는 한국을 비롯하여 일본, 중국, 유럽 및 전세계의 전자식안정기및 래피드식 안정기, DC-AC 인버터형 특수 안정기를 사용하는 형광등에 그대로 사용이 가능하며 가정용 및 빌딩용 조명을 비롯하여 형광등 기구를 사용하고 있는 모든 분야의 조명에 적용 가능하다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : LED 조명용 회로 장치,
110 : 안정기,
120, 140 : 정류회로,
130 : 제2 매칭회로,
150, 180 : 제1 매칭회로,
200 : LED 모듈

Claims (5)

1. LED조명용 인쇄회로 기판에 있어서,
   실질적으로 평행하고 일정 간격으로 이격된 제1 및 제2 전극라인;
   상기 전극라인들의 길이 방향으로 일정 간격으로 형성되고, 각각이 저항과 제너다이오드가 배열된 구성을 가지는 부품그룹부; 및
   상기 부품그룹부들 사이에 직렬로 배치되는 LED 소자들을 구비하되,
   상기 부품그룹부의 저항, 제너다이오드는 제조되는 LED 조명의 종류에 따라 삽입 여부와 제1 전극, 제2 전극라인과의 접속여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 LED 조명용 인쇄회로 기판.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 부품그룹부들 각각은 상기 제1 전극라인에 접속되는 제1 저항부, 제너다이오드부 및 제2 전극라인에 접속되는 제2 저항부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명용 인쇄회로 기판.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 부품그룹부들 사이에는 LED 소자들 사이에 제너다이오드 삽입부가 별도로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 조명용 인쇄회로 기판.
   
4. LED 조명용 회로 장치에 있어서,
   출력단자들을 가지는 안정기;
   상기 안정기의 출력 단자들 사이에 연결된 제1 매칭회로;
   상기 제1 매칭회로의 출력단에 각각의 입력단이 연결된 정류 회로;
   상기 정류회로의 두 출력단에 연결된 제2 매칭회로를 포함하고,
   상기 제1 매칭회로와 상기 안정기의 출력단 사이에는 저항과 케패시터를 병렬로 연결한 전류조절회로가 삽입된 것을 특징으로 하는 LED 조명용 회로 장치.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 전류조절회로와 상기 안정기의 일 출력단 사이에는 코일이 연결된 것을 특징으로 하는 LED 조명용 회로 장치.

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