KR20130104143A

KR20130104143A - Led 전원 장치.

Info

Publication number: KR20130104143A
Application number: KR1020120025373A
Authority: KR
Inventors: 김근용; 강현성
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-25
Also published as: KR101349516B1

Abstract

발명의 실시예에 따른 LED 조명 회로는 전원; 상기 전원으로부터 입력 전압을 수신하고 교류 전압을 발생시키는 TRIAC 디머; 상기 TRIAC 디머에서 발생하는 전압을 수신하며, 후단에 형성되는 드라이버와 상기 TRIAC 디머와의 호환성을 향상시키는 보조회로; 상기 보조회로의 출력전압을 정류하는 정류기; 및, 상기 정류기의 출력전압을 수신하고, 하나의 엘이디 모듈로 전원을 공급하는 드라이버;를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 조명 회로{CIRCUIT FOR LED LIGHTING}

본 발명은 발광 다이오드(light-emitting diodes,LEDs)의 디머 호환성 및 플리커 방지 등, 디밍 성능을 개선하기 위한 회로에 대한 것이다.

최근 들어, 적은 소비전력으로 구동하면서도 백열등과 같은 조명 장치에 필적할 정도의 휘도를 가진 LED 조명에 대한 관심이 높아지고 있다. LED 조명에 일정한 전류가 흐르도록 전류를 제어하여 LED 조명을 구동시키기 위한 LED 조명 구동 장치에 대한 연구, 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이러한, LED 조명 구동 장치는 다양한 조명연출 기능을 보유하고 있는데, 특히 직병렬 접속으로 배열 설치된 LED 소자들의 디밍을 변경함으로써, 다양한 조명 연출이 가능하다.

종래의 LED 조명 장치들에서 이용되는 LED 소자의 구동 방식은, LED 소자로 인가되는 전류를 PWM 제어 방식으로 제어하여, 사람의 눈이 인지하지 못하도록 단속적으로 LED 소자를 고속으로 점등하고 소등함으로써, LED 소자가 지속적으로 점등됨으로써 발생하는 발열로 인한 성능 열화 내지 수명의 단축을 방지하고 있다.

특히, 필요에 따라서 밝기를 조절하는 디밍을 수행하는 경우에, 종래의 방식은 PWM 제어 신호의 듀티비를 변경하여, LED 소자로 인가되는 전류량을 조절함으로써 디밍을 수행하고 있다.

본 발명은 LED 조명이 디밍 모드에서 동작할 때, 플리커 현상없이, 디밍을 수행할 수 있는 디밍 성능을 개선하는 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따르면 LED 조명이 디밍 모드에서 동작할 때, 디밍의 선형성(linearity)을 향상시키고, 트라이액 디머가 턴온 되는 시점에서 인러쉬(Inrush) 전류를 감쇄시킬 수 있다.

그리고, 발명의 실시예에 따르면 홀딩(Holding) 전류를 공급하기 때문에 플리커 현상을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한 인러쉬(Inrush) 전류 및 홀딩(Holding) 전류 부족에 따른 피크성 전류 현상에 수반되는 소음을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래의 주거용 및 상업용 조명 장치들에서의 전형적인 조광 배선 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2A, 2B, 및 2C는 페이즈 각도 스위칭에 이용되는 조광 스위치에 의해 출력되는 전형적인 램프 입력 전압 웨이브폼을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 AC-Direct 드라이버 및 TRIAC 디머를 사용하는 엘이디 모듈 구동 회로도이다.
도 4는, 도 3의 엘이디 모듈 구동 회로에 연관되는 파형(waveforms)을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SMPS 드라이버 및 TRIAC 디머를 사용하는 엘이디 모듈 구동 회로도이다.
도 6은, 도 5의 엘이디에 인가되는 전원 파형을 나타낸다.
도 7은 발명의 일 실시 예에 따른 도 3의 엘이디 모듈에 연관되는 파형(waveforms)을 나타낸다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 전형적인 주거용 및 상업용 조명 장치들에서의 일반적인 조광(dimmer) 배선 구조를 설명하기 위한 도면이다. 대부분, 백열등(incandescent lamp)은 교류(AC) 시스템의 동작을 오프 시킨다. 특히, 조광 스위치(dimmer switch)(10)는 입력 전압 소스(15) 및 백열등(20)과 직렬로 위치한다.

조광 스위치(10)는 백열등(20)의 요구되는 광 출력 세기를 설정하는 조광 입력 신호(dimming input siganl)(25)를 수신한다. 백열등(20)의 광 세기에 대한 제어는 백열등(20)에 적용되는 램프 입력 전압(30)을 조절함으로써 이루어진다.

많은 조광 스위치들은, 백열등을 조광(dim)하기 위하여 백열등에 적용되는 AC 입력 전력의 위상 각도를 제어함으로써, V-RMS를 조절한다. 위상 각도 제어는 TRIAC 장치와 같은 스위칭 장치에 의해 제공될 수 있다.

도 2A, 2B, 및 2C는 위상 각도 스위칭(phase angle switching)에 이용되는 조광 스위치들(dimming switches)에 의해 출력되는 전형적인 램프 입력 전압 웨이브폼을 설명하기 위한 도면이다.

도 2A는 조광 스위치(10)가 최대 광 세기(maximum light intensity)로 설정된 경우의 램프 입력 전압(30)을 나타낸다. 여기서, 입력 전압 소스(input voltage source)(15)로부터의 전압 신호(voltage signal)는 조광 스위치(10)에 의해 영향 받지 않는다.

도 2B는 조광 스위치(10)가 입력 전압 소스(15)의 부분적 섹션들(partial sections)(32)를 제거함에 따라 약간의 조광 효과(밝기를 약간 어둡게 조정)를 갖는 램프 입력 전압(30)을 나타낸다.

도 2C는 조광 스위치(10)에 의해 스위치 되는 입력 전압 소스(15)의 포션(portion)(34)을 더욱 증가시킴으로 조광 효과를 증가(밝기를 더 어둡게 조정)시키는 램프 입력 전압(30)을 나타낸다. 위상 각도를 제어하는 것은 백열 전구에 제공되는 RMS 전압을 조절하고, 조광 능력을 제공하는 효과적이고 간단한 방법이다.

그러나 도 7A에 도시된 바와 같이 엘이디 모듈에 인가되는 전류에 플리커가 발생하여 비정상적인 동작을 초래하게 된다. 상기와 같이 플리커가 발생하는 경우, 역률이 낮아지게 되는 구간이 발생하여 무효전력이 증가하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 AC-Direct 드라이버 및 TRIAC 디머를 사용하는 엘이디 모듈 구동 회로도이다. 도 4는, 도 3의 엘이디 모듈 구동 회로에 연관되는 파형(waveforms)을 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SMPS 드라이버 및 TRIAC 디머를 사용하는 엘이디 모듈 구동 회로도이다. 도 6은, 도 5의 엘이디에 인가되는 전원 파형을 나타낸다. 도 7은 발명의 일 실시 예에 따른 엘이디 모듈에 연관되는 파형(waveforms)을 나타낸다.

구동회로(200)는 전원(예로, 교류 전원)(102), 상기 전원으로부터 교류 입력 전압(VIn)을 수신하고 교류 전압 VTRIAC를 발생하는 TRIAC 디머(104), 상기 TRIAC 디머(104)에서 발생한 전압을 평활하는 보조회로(300), 정류 전압 VREC를 제공하기 위하여 상기 보조회로(300)로부터의 전압 VTRIAC을 정류하는 정류기(108), 및 정류 전압 VREC을 수신하고, 조절된 전력을 엘이디 모듈(118)으로 발생하는 드라이버(112)를 포함한다.

상기 디밍 컨트롤러는 엘이디 모듈(118)의 디밍을 조절하기 위하여 드라이버(112)의 출력 전력을 조절한다. 상기 디밍 컨트롤러는 TRIAC 디머(104)의 홀딩 전류(holding current)를 유지하기 위하여 전류 경로를 도통(도전, conducting)하는데 사용된다.

도 3에서, TRIAC 디머(104)는 전원(102)과 정류기(108) 사이에 결합된 트라이액(triac:206)을 포함한다. 상기 트라이액(206)은 제1 터미널 A1과 제2 터미널 A2 및 게이트를 포함한다. TRIAC 디머(104)는 추가로 캐패시터(210)에 직렬로 연결된 가변저항(208), 및 캐패시터(210)에 연결된 일단을 가지며, 트라이액(206)의 게이트에 연결된 타단을 가지는 다이액(212)을 포함한다.

상기 다이액(212)은 교류 전류용 다이오드로 TRIAC을 트리거링하고, 상기 다이액(212) 트리거링 전압으로 지칭되는 다이액 임계 전압이 초과된 이후에 전류를 전도하는 양방향 트리거링-다이오드이다. DIAC는 DIAC를 통하여 흐르는 전류가 임계 전류를 초과하여 유지되더라도 전도하는 것을 유지한다. 상기 전류가 상기 임계 전류 미만으로 감소한다면, 상기 DIAC는 고-저항성 상태로 다시 스위칭한다. 즉, 트라이액(206)이 트리거되면 전류를 양쪽 중 어느 방향으로도 흐르게 할 수 있는 이중 방향 스위치(bidirectional switch)이다. 트라이액(206)은 게이트에 인가되는 양(positive) 전압 또는 음(negative) 전압에 의해 트리거될 수 있다.

트라이액(206)이 트리거되면, 이를 통하여 흐르는 전류가 문턱값, 즉 홀딩 전류 이하로 떨어질 때까지 도전한다. 즉, triac(206)를 도전 상태로 유지하기 위하여는, triac를 통하여 흐르는 전류를 triac(206)이 트리거 된 후에는 홀딩 전류 이상으로 유지하여야 한다.

상기 보조회로(300)는 상호 직렬로 연결된 제1 저항(301) 및 제2 저항(302), 일단이 상기 제1 저항(301) 및 제2 저항(302)의 사이에 연결되고, 타단이 접지되며 상호 직렬로 연결되는 제3 저항(303) 및 평활 커패시터(305)를 포함할 수 있다.

상기 제1 저항(301) 및 제2 저항(302) 값을 조절함으로써 무효전력 성분을 감소시켜 역률이 증가할 수 있다. 또한 상기 제1 저항(301)에 의해 인러쉬 전류를 방지할 수 있고, 홀딩 전류를 유지할 수 있다.

상기 보조회로(300)에 포함되는 각 소자는 TRIAC 디머(104)에 따라 각각의 값이 변동할 수 있고, 각 소자가 직렬 또는 병렬로 추가로 연결될 수 있다.

상기 제3 저항(303)을 조절함으로써, 평활 커패시터(305)가 충전되는데 걸리는 시간을 조절할 수 있고, 상기 평활 커패시터(305)의 소자값을 조절하여, 시정수를 변화시킬 수 있다. 상기 제3 저항(303) 및 평활 커패시터(305)는 병렬로 복수개 연결될 수도 있다.

상기 정류기(108)는 다이오드를 포함할 수 있으며, 음극전압을 정류하여 양극으로 흐르도록 동작할 수 있다.

그리고 상기 드라이버(112)는 AC-Direct 드라이버일 수 있고, SMPS(Switching Mode Power Supply) 드라이버일 수도 있다.

상기 드라이버(112)가 AC-Direct 드라이버인 경우, 엘이디 모듈(118)은 복수의 그룹으로 나뉠 수 있고, 스위칭 소자가 LED 어레이 각각의 애노드와 캐소드에 접할 수 있다. 이 경우, 정류 전압의 레벨에 따라 스위칭 소자들의 온/오프 제어 신호를 출력하는 제어부가 포함될 수있고, 스위칭 소자들은 각각 병렬로 연결된 트랜지스터로 구성될 수 있다.

도 4는 상기 드라이버(112)가 AC-Direct 드라이버인 경우, 도 3의 엘이디 모듈 구동 회로에 연관되는 파형을 나타낸다. 구체적으로, 도 4는 교류(AC) 입력 전압, VIN의 파형, triac(206)의 터미널 A1과 터미널 A2 사이의 전압, VA2-A1의 파형, diac(212)를 통한 전류, IDIAC의 파형, TRIAC 디머가 제공한 교류 전압, VTRIAC의 파형 및 정류기(108)로부터의 정류 전압, VREC의 파형을 나타낸다. 도 2B에서, 교류 입력 전압, VIN의 파형은 사인(sine)파 형태이다. 도 2B는 이하에서 도 3과 연관하여 설명한다.

초기에는, triac(206)는 오프(off) 상태이고, 터미널 A1과 터미널 A2 사이의 전압 VA2-A1 은 시간 T1에서 교류 입력 전압 VIN에 따라 증가하고, 캐패시터(210)을 가로지르는 전압은 diac(212)를 온(on) 시킨다. diac(212)는 triac(206)의 게이트에 인가되는 전류 펄스를 발생한다. triac(206)는 전류 펄스에 대응하여 온(on) 된다. 결과적으로, 교류 입력 전압은 정류기(108)로 전달되고, triac(206)를 통하여 전류가 흐르게 된다. 교류 입력 전압의 첫 번째 1/2(half)) 사이클의 끝 부분에 가까운 시간 T2에서, triac(206)는 오프된다. 왜냐하면, triac를 통하여 흐르는 전류가 triac의 홀딩 전류 아래로 떨어지기 때문이다. 교류 입력 전압의 두번 째 1/2 사이클에서, triac는, 캐패시터(210)을 가로지르는 전압이 diac(212)를 온 시킬 때, 다시 온된다. 조정 가능 저항기(resistor)(208)의 저항을 증기시키거나 감소시켜, 캐패시터를 충전하는 전류를 변화시키며, diac는 다른 위상각(phase angle)에서 도통될(conducted) 수 있다. 결과적으로, triac는 조정가능 저항기의 저항에 따른 조정가능 도통각(conducting angle)으로 온 될 수 있다. 정류기(108)는, 정류 전압 VREC을 발생하기 위하여, 교류 전압VTRIAC의 음의 영역을 대응하는 양의 영역으로 변환한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 교류 전압은 시간의 경과에 따라 급격하게 감소하나, 상기 보조회로(300)에 의해 시간의 경과에 따른 전압의 감소폭이 원만해질 수 있고, 이에 따라 플리커가 발생하는 것을 개선할 수 있다.

그리고 상기 정류기(108)를 통과하는 전압의 파형은 음의 전압이 양의 전압으로 반전되어 드라이버(112)로 입력된다.

도 5와 같이, 상기 드라이버(112)가 SMPS(Switching Mode Power Supply) 드라이버인 경우, 제어 신호로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 발생시키고, 상기 PWM 제어 신호의 듀티비를 변경시켜 동작시간을 제어하는 구동 제어부를 포함할 수 있다.

상기 엘이디 모듈(118)은 도 3과 달리 복수의 그룹으로 나뉘지 않고 직렬 연결된다.

SMPS는 정류된 직류전압을 전력용 반도체 스위치의 온,오프 시간을 조절하여 듀티비(Duty Ratio)를 제어함으로써 요구되는 크기의 직류전압으로 변환하기 때문에 일반적으로 역률 면에서 개선의 여지가 있으나, 상기 구성에 의해 전압 변동에 따른 LED의 온/오프의 개수가 변동함으로서, 역률과 효율이 개선되는 효과를 기대할 수 있다. 상기 전력용 반도체 스위치로 트랜지스터가 사용될 수 있다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 돌입전류 및 플리커가 감소하여 역률 및 신뢰성이 개선된 LED 조명 회로가 제공될 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

전원;
상기 전원으로부터 입력 전압을 수신하고 교류 전압을 발생시키는 TRIAC 디머;
상기 TRIAC 디머에서 발생하는 전압을 수신하며, 후단에 형성되는 드라이버와 상기 TRIAC 디머와의 호환성을 향상시키는 보조회로;
상기 보조회로의 출력전압을 정류하는 정류기; 및,
상기 정류기의 출력전압을 수신하고, 하나의 엘이디 모듈로 전원을 공급하는 드라이버;를 포함하는 LED 조명 회로.
제1항에 있어서,
상기 보조회로는 TRIAC 디머와 직렬 연결되는 제1저항; 및,
상기 TRIAC 디머와 병렬로 연결되는 평활 커패시터;를 포함하는 LED 조명 회로.
제2항에 있어서,
상기 보조회로는 상기 제1 저항과 직렬 연결되는 제2 저항;을 더 포함하는 LED 조명 회로.
제2항에 있어서,
상기 보조회로는 상기 평활 카패시터와 직렬 연결되는 제3 저항을 더 포함하는 LED 조명 회로.
제4항에 있어서,
상기 평활 카패시터 및 제3 저항과 병렬 연결되는 저항 및 커패시터를 더 포함하는 LED 조명 회로.
제1항에 있어서,
상기 드라이버는 AC-Direct 드라이버이고, 상기 엘이디 모듈은 복수의 그룹으로 나뉘며, 상기 엘이디 모듈 각각의 애노드와 캐소드에 접하도록 형성되는 스위칭 소자;를 포함하는 LED 조명 회로.
제1항에 있어서,
상기 드라이버는 SMPS(Switching Mode Power Supply) 드라이버인 LED 조명 회로.
제7항에 있어서,
상기 SMPS 드라이버와 전기적으로 연결되고, 제어 신호로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 발생시키고, 상기 PWM 제어 신호의 듀티비를 변경시켜 동작시간을 제어하는 구동 제어부;를 더 포함하는 LED 조명 회로.