KR20140081292A - 전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 led 조명장치 - Google Patents

전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 led 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 LED 조명장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하여 출력하는 정류부; 적어도 하나 이상의 LED로 구성되는 제 1 발광그룹 및 제 2 발광그룹을 포함하는 LED 발광부; 충전구간에서 전하를 충전하며, 방전구간에서 상기 LED 발광부를 발광시키도록 전하를 방전하는 충방전부; 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 충전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 상기 LED 발광부에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 전하가 충전되도록 하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 방전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 접지에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 충전된 전하가 상기 LED 발광부로 방전되도록 하는 구동 제어부; 및 상기 충전구간에서 상기 정류부를 상기 LED 발광부에 연결하고, 상기 방전구간에서 상기 정류부를 접지로 연결하는 경로선택 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치가 제안된다.

Description

전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 LED 조명장치{LED LUMINESCENT APPARUTUS CAPABLE OF IMPROVING TOTAL HARMONIC DISTORTION IN SOURCE CURRENT}
본 발명은 전원전류의 고조파 성분을 개선하는 LED 조명장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 경로선택스위치 및 충방전부를 이용하여 정류부로부터 출력되는 입력전류의 파형을 사인파에 최대한 근접하게 함으로써 입력전류의 전고조파 왜곡(THD, Total Harmonic Distortion)을 개선하여 역률을 증대하고, 정류전압의 전압레벨에 따라 복수의 LED 그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 능동적으로 변경함으로써 LED소자의 수명 및 광 균일성을 향상시킬 수 있는 전원전류의 전고조파 왜곡을 개선하는 LED 조명장치에 관한 것이다.
LED(light emitting diode), 즉, 발광 다이오드란 Ga(갈륨), P(인), As(비소), 인듐(In), 질소(N), 알루미늄(Al) 등을 재료로 하여 만들어진 반도체로서, 다이오드의 특성을 가지고 있으며, 전류를 흐르게 하면 붉은색, 녹색, 노란색으로 빛을 발한다. 전구에 비해 수명이 길고 응답 속도(전류가 흘러서 빛을 발하기까지의 시간)가 빠르며, 전력 소비량이 작다는 이점이 있어 널리 이용되고 있는 추세이다.
일반적으로 발광 소자는 다이오드 특성에 의해 DC전원에서만 구동할 수 있었다. 이에 종래의 발광 소자를 이용한 발광 장치는 그 사용이 제한적일 뿐 아니라, 현재 가정에서 사용하는 교류전원에서 사용하기 위해서는 SMPS와 같은 별도의 회로를 포함하여야 한다. 이에 따라 발광 장치의 회로가 복잡해지고, 이의 제작 단가가 높아지게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다수의 발광 셀을 직렬 또는 병렬 연결하여 AC전원에서도 구동할 수 있는 발광 소자에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.
도 1a는 종래기술에 따른 LED 조명장치의 구성 블록도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 종래기술에 따른 LED 조명장치의 정류전압과 정류전류의 파형을 도시한 파형도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 LED 조명장치는 교류전원(Vac)과, 교류전원으로부터 교류전압을 인가받아 전파 정류하여 정류전압(Vrec)을 출력하는 정류부(10) 및 정류부(10)로부터 정류전압을 인가받아 발광되는 1개 이상의 LED를 포함하는 LED 발광부(LED 어레이)(20)를 포함하여 구성된다. 통상 정류부(10)로부터 정류전압이 인가되어도, LED 발광부(20)를 구동할 수 있는 문턱전압레벨(VTH)이 인가되기 전까지는 LED의 소자 특성상 정류부로부터 LED 발광부(20)로 전류가 흐르지 않는다. 결과적으로 정류전압의 크기가 문턱전압레벨(VTH) 미만인 구간에서는 LED 발광부(20)로 전류(Irec)가 흐르지 않게 되어, 도 1b에 도시된 바와 같이 정류부(10)로부터 출력되는 전류(Irec)의 파형이 사인파를 갖지 못해 THD 특성이 좋지 못하다는 문제점이 있다. 또한, 종래기술에 따른 LED 조명장치의 경우, 정류전압(Vrec)의 크기가 문턱전압레벨(VTH) 이상인 구간에 한하여 LED 발광부(20)가 발광하게 되므로, 역률이 나빠진다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 1a의 LED 조명장치에 역률보상(PFC, Power Factor Correction)회로를 부가하기도 하지만, 이러한 경우 LED 조명장치의 크기가 커지고, 제조단가가 상승하며, 회로구성이 복잡하게 된다는 문제점이 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 종래기술에 따른 LED 조명장치는 복수의 LED 어레이들을 포함하고, 정류전압의 전압레벨에 따라 복수의 LED 어레이들을 순차적으로 점등 및 소등시키는 소위 순차구동 방식을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 그러나 이러한 종래기술에 따른 순차구동 방식의 LED 조명장치의 경우, 복수의 LED 어레이들 각각의 발광구간이 상이하여 LED 조명장치의 광 균일도가 저해되고, LED 어레이들의 수명이 서로 상이하게 되어 LED 조명장치의 수명이 긴 발광구간을 갖는 LED 어레이에 종속된다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 위에서 언급한 종래기술의 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 일 목적은, 경로선택스위치 및 충방전부를 이용하여 정류부로부터 출력되는 입력전류의 파형을 사인파에 최대한 근접하게 함으로써 입력전류의 전고조파 왜곡(THD, Total Harmonic Distortion)을 개선하여 역률을 증대할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 목적은, 정류전압의 전압레벨에 따라 복수의 발광그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 능동적으로 제어하여, 일정한 전압레벨 이상에서 모든 발광그룹들이 발광되어 조명장치의 광 균일성 및 밝기를 개선할 수 있는 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특유의 효과를 달성하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하여 출력하는 정류부; 적어도 하나 이상의 LED로 구성되는 제 1 발광그룹 및 제 2 발광그룹을 포함하는 LED 발광부; 충전구간에서 전하를 충전하며, 방전구간에서 상기 LED 발광부를 발광시키도록 전하를 방전하는 충방전부; 상기 정류부로부터 출력되는 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 충전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 상기 LED 발광부에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 전하가 충전되도록 하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 방전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 접지에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 충전된 전하가 상기 LED 발광부로 방전되도록 하는 구동 제어부; 및 상기 충전구간에서 상기 정류부를 상기 LED 발광부에 연결하고, 상기 방전구간에서 상기 정류부를 접지로 연결하는 경로선택 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치가 제안된다.
바람직하게, 전술한 LED 발광부는, 상기 정류전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 발광그룹 및 상기 제 2 발광그룹이 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 연결되도록 회로를 변경하는 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 제 3 스위치를 더 포함하며, 상기 구동 제어부는 상기 정류전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 스위치 내지 제 3 스위치를 제어하여 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹의 연결 관계를 병렬 또는 직렬로 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 입력되는 정류전압이 제 1 문턱전압레벨 이상이고 제 2 문턱전압레벨 미만인 경우, 상기 구동 제어부는 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치를 턴-온하고 상기 제 3 스위치를 턴-오프하여, 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹이 병렬로 연결되도록 제어하는 구성될 수 있다.
바람직하게, 입력되는 정류전압이 상기 제 2 문턱전압레벨 이상인 경우, 상기 구동 제어부는 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 턴-오프하고 상기 제 3 스위치가 턴-온하여, 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹이 직렬로 연결되도록 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 정류전압의 전압레벨이 상기 제 1 문턱전압레벨 미만인 구간에서도 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 소등되지 않고 상기 충방전부에서 방전되는 전하에 의해 구동되도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 충방전부는 커패시터 및 충방전 제어스위치를 포함하며, 상기 구동 제어부는 상기 충방전 제어스위치를 제어하여 상기 충전구간 동안 전하를 상기 커패시터에 충전하고, 상기 방전구간 동안 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED 발광부에 공급하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 경로선택 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 경로선택 스위치 제어신호(SSW-CNT)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 LED 발광부에 포함된 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치의 제어는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 스위치 제어신호(SW_CNT1~3)에 의해 조절되도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 충방전 제어 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)에 의해 제어되도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 전술한 스위치들은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 접합형 트랜지스터(BJT), 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 사이리스터(Silicon controlled rectifier), 트라이악(Triac) 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하여 출력하는 정류부; 적어도 하나 이상의 LED로 구성되는 제 1 발광그룹 및 제 2 발광그룹을 포함하는 LED 발광부; 충전구간에서 전하를 충전하며, 방전구간에서 상기 LED 발광부를 발광시키도록 전하를 방전하는 충방전부; 및 상기 정류전압의 전압레벨이 충전구간에 진입하는 경우 상기 LED 발광부에 상기 정류전압을 공급하여 상기 충방전부에 전하가 충전되도록 하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 방전구간에 진입하는 경우 접지에 상기 정류전압을 연결하여 상기 충방전부에 충전된 전하가 상기 LED 발광부로 방전되도록 하는 구동 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치가 제공된다.
바람직하게, 전술한 LED 조명장치는, 상기 충전구간에서 상기 정류부를 상기 LED 발광부에 연결하고, 상기 방전구간에서 상기 정류부를 접지로 연결하는 경로선택 스위치를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 전술한 정류전압의 전압레벨이 상기 제 1 문턱전압레벨 미만인 구간에서도 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 소등되지 않고 상기 충방전부에서 방전되는 전하에 의해 구동될 수 있다.
바람직하게, 전술한 충방전부는 커패시터 및 충방전 제어스위치를 포함하며, 상기 구동 제어부는 상기 충방전 제어스위치를 제어하여 상기 충전구간 동안 전하를 상기 커패시터에 충전하고, 상기 방전구간 동안 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED 발광부에 공급할 수 있다.
바람직하게, 전술한 충방전 제어 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)에 의해 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 경로선택스위치 및 충방전부를 통해 정류부로부터 출력되는 입력전류의 파형을 사인파에 최대한 근접하게 함으로써 입력전류의 THD를 개선하여 역률을 증대될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 정류전압의 전압레벨에 따라 복수의 LED 발광그룹들 간의 직병렬 연결 관계를 능동적으로 제어하여, 일정한 전압레벨 이상에서 모든 LED 발광그룹들이 발광되어 조명장치의 광 균일성 및 밝기를 개선할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 LED 조명장치의 구성 블록도.
도 1b는 도 1a에 도시된 종래기술에 따른 LED 조명장치의 정류전압과 정류전류의 파형을 도시한 파형도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 구성 블록도.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 병렬로 연결되는 회로도.
도 3b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 직렬로 연결되는 회로도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정류전압과 LED 구동전압의 파형을 도시한 파형도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정류부로부터 출력되는 정류전류와 접지전류 및 LED 구동전류의 파형을 도시한 파형도.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
본 발명의 실시예에서, 용어 '발광그룹'이란 복수의 LED들이 직렬/병렬/직병렬로 연결되어 조명장치 내에서 발광하는 LED들(엘이디 패키지들)의 집합으로서, 제어부의 제어에 따라 하나의 단위로서 동작이 제어되는(즉, 같이 점등/소등되는) LED들의 집합을 의미한다.
또한, 용어 '문턱전압레벨(VTH)'이란 하나의 발광그룹을 구동할 수 있는 전압레벨로서, '제 1 문턱전압레벨(VTH _1)'은 제 1 발광그룹을 구동할 수 있는 전압레벨을 의미하며, '제 2 문턱전압레벨(VTH_2)'은 제 1 및 제 2 발광그룹을 구동할 수 있는 전압레벨을 의미한다. 제 1 발광그룹의 문턱전압레벨과 제 2 발광그룹의 문턱전압레벨이 동일한 경우, 제 2 문턱전압레벨(VTH_2)은 2VTH_1이다. 따라서 이하에서 '제 n 문턱전압레벨(VTH_n)'이라함은 제 1 내지 제 n 발광그룹을 모두 구동할 수 있는 전압레벨을 의미한다.
또한, 용어 '충전구간'이란 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH _1) 이상이어서 적어도 제 1 발광그룹을 구동할 수 있으며 충방전부에 전하를 충전시킬 수 있는 전압레벨구간을 의미한다. 또한, 용어 '방전구간'이란 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH _1) 미만이어서 어떠한 발광그룹도 구동할 수 없으며, 충방전부로부터 방전되는 전하에 의해 발광그룹이 구동되는 전압레벨구간을 의미한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 구성 블록도이다. 이하에서, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 LED 조명장치의 구성과 기능에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명장치(100)는, 정류부(110), 경로선택 스위치(120), 충방전부(130), LED 발광부(140) 및 구동 제어부(150)를 포함할 수 있다.
정류부(110)는 LED 조명장치(100)의 내부 또는 외부의 교류 공급기로부터 교류전원(Vac)을 인가받아 정류하여 정류전원(Vrec)을 출력하는 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 엘이디 조명장치의 특성상 SMPS 등의 정전류/정전압 회로를 구비할 수 없으므로, 본 발명에 따른 정류부(110)는 반파 정류회로 또는 풀 브리지로 구성된 전파 정류회로로 구현될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 정류부(110)는 서지전압으로부터 회로를 보호할 수 있는 바리스터 등의 소자로 구현될 수 있는 서지 보호부(미도시), 과전류로부터 회로를 보호할 수 있는 퓨즈 등의 소자로 구현될 수 있는 퓨즈부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
경로선택 스위치(120)는 본 발명에 따른 정류부(110)와 LED 발광부(140) 사이에 위치되어, 구동 제어부(150)의 제어에 따라 정류부(110)로부터 출력되는 정류전압(Vrec)을 LED 발광부(140)에 연결하거나 또는 바탕전압(접지)(Vss)으로 연결하는 기능을 수행하도록 구성된다. 즉, 전술한 바와 같은 정류부(110)로부터 출력되는 전류(Irec)의 고조파 특성을 개선하기 위하여, 본 발명에 따른 경로선택 스위치(120)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH_1) 미만인 구간에서는 정류부(110)를 제 2 경로(P2)를 통해 접지(Vss)로 연결하여 정류부(110)로부터 출력되는 전류(Irec)가 흐를 수 있도록 하며, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH _1) 이상인 구간에서는 정류부(110)를 제 1 경로(P1)를 통해 LED 발광부(140)에 연결하여 정류부(110)로부터 출력되는 정류전압(Vrec)이 LED 발광부(140)에 인가될 수 있도록 한다. 이러한 경로선택 스위치(120)의 제어는 구동 제어부(150)로부터 출력되는 경로선택 스위치 제어신호(SSW_CNT)에 의해 수행되며, 이를 위하여 본 발명에 따른 구동 제어부(150)는 정류전압(Vrec)의 전압레벨을 판단하고, 판단된 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 정류부(110)를 제 2 경로(P2)에 연결하거나 또는 제 1 경로(P1)에 연결하도록 경로선택 스위치 제어신호(SSW_CNT)를 생성하여 경로선택 스위치(120)로 출력하게 된다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정류부로부터 출력되는 정류전류와 접지전류 및 LED 구동전류의 파형을 도시한 파형도이다. 도 5의 상단에는 제 1 경로(P1)를 통한 LED 구동전류(ILED)의 파형이 도시되어 있으며, 중단에는 제 2 경로(P2)를 통한 접지전류(Ig)의 파형이 도시되어 있고, 하단에는 정류전압(Vrec)과 정류부(110)로부터 출력되는 정류전류(Irec)의 파형이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, LED 발광부(140)의 비발광구간(0 ~ t1, t4 ~ t6, t9 ~ t10) 동안 제 2 경로(P2)를 통해 접지전류(Ig)가 흐르게 되며, LED 발광부(140)의 발광구간(t1 ~ t4, t6 ~ t9) 동안 제 1 경로(P1)를 통해 구동전류(ILED)가 흐르게 되어, 결과적으로 정류부(110)로부터 출력되는 정류전류(Irec)의 파형이 도 5의 하단에 도시된 바와 같이 정류전압(Vrec)의 파형에 최대한 근접한 계단파형을 이루게 되어 고조파 특성이 개선되는 효과를 가져온다.
한편, 본 발명에 따른 충방전부(130)는 LED 발광부(140)의 발광구간 동안 전하를 충전하고, LED 발광부(140)의 비발광구간 동안 충전된 전하를 LED 발광부(140)에 공급하여 LED 발광부(140)를 구동하는 기능을 수행하도록 구성된다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 본 발명에 따른 충방전부(130)는 충방전 커패시터(C1) 및 충방전 제어스위치(SW4)를 포함할 수 있다.
충방전 제어스위치(SW4)는 구동 제어부(150)의 제어에 따라 충전 전류(Ic)와 방전 전류(Idis)를 제어함으로써, 충방전부(130)의 충전과 방전을 제어할 수 있도록 구성된다. 즉, 구동 제어부(150)는 충전구간에 진입한 것으로 판단되는 경우, 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)를 충방전 제어스위치(SW4)로 출력하고, 충방전 제어스위치(SW4)는 충전 전류(Ic)가 흐를 수 있게 한다. 또한, 구동 제어부(150)는 방전구간에 진입한 것으로 판단되는 경우, 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)를 충방전 제어스위치(SW4)로 출력하고, 충방전 제어스위치(SW4)는 방전 전류(Idis)가 흐를 수 있게 한다. 이러한 충방전 제어스위치(SW4)는 충전 전류(Ic)와 방전 전류(Idis)의 전류 값을 제어할 수 있는 전자식 스위칭 소자로 구현될 수 있다. 보다 바람직하게, 충방전 제어스위치(SW4)는 충전구간에서 LED 발광부(140)의 구동에 영향을 주기 않기 위하여 충전 전류(Ic)를 상대적으로 작은 값으로 제어하고, 방전구간에서 LED 발광부(140)를 원활하게 구동하기 위하여 방전 전류(Idis)를 상대적으로 큰 값으로 제어하도록 구성될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 충전구간(즉, LED 발광부(140)의 발광구간(t1 ~ t4, t6 ~ t9)) 동안 제 1 경로(P1)를 통해 정류전류(Irec)가 흐르게 되어 충방전부(130)는 전하를 충전한다. 즉, 정류부(110)로부터 출력되는 정류전류(Irec)의 대부분은 LED 발광부(140)를 구동하기 위한 LED 구동전류(ILED)로서 사용되지만, 이 중 일부분은 충방전 커패시터(C1)가 완전히 충전될 때까지 충방전 커패시터(C1)의 충전전류(Ic)로 이용된다.
한편, 충방전 커패시터(C1)의 정전용량은 방전구간(즉, LED 발광부(140)의 비발광구간(0 ~ t1, t4 ~ t6, t9 ~ t10))에서 LED 발광부(140)를 구동하기에 충분하게 설계된다. 따라서, 방전구간에서는 전술한 바와 같이, 정류부(110)로부터 출력되는 정류전류(Irec)가 제 2 경로(P2)를 따라 흐르며, 충방전 커패시터(C1)로부터 LED 발광부(140)로 전하가 방전되어 LED 발광부(140)가 발광하게 된다. 이에 의해, 본 발명에 따른 LED 조명장치(100)는 비발광구간 없이 항상 발광하는 효과를 기대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정류전압과 LED 구동전압의 파형을 도시한 파형도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH_1) 미만인 비발광구간(0 ~ t1, t4 ~ t6, t9 ~ t10)에서, 충방전 커패시터(C1)로부터 전하가 방전되어 제 1 문턱전압레벨(VTH _1)에 상당하는 LED 구동전압(VLED)이 LED 발광부(140)에 인가되며, 따라서, 본 발명에 따른 LED 발광부(140)가 발광하지 않는 비발광구간이 사라지게 된다.
본 발명에 따른 LED 발광부(140)는 정류부(110)로부터 인가되는 정류전압(Vrec) 또는 충방전부(130)로부터 인가되는 방전전압을 공급받아 발광하게 된다. 다양한 형태의 LED 발광부(140)가 본 발명에 따른 LED 조명장치(100)에 채택될 수 있으나, 보다 바람직하게 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 구동 제어부(150)의 제어에 따라 LED 발광부(140)를 구성하는 복수의 LED 발광그룹들 간의 연결관계가 직렬 또는 병렬로 스위칭될 수 있는 LED 발광부(140)가 이용될 수 있다. 이러한 직/병렬 스위칭 기능을 수행하기 위하여, 본 발명에 따른 LED 발광부(140)는, 적어도 하나 이상의 LED를 포함하는 제 1 발광그룹(142), 적어도 하나 이상의 LED를 포함하는 제 2 발광그룹(144)과 구동 제어부(150)의 제어에 따라 제 1 발광그룹(142) 및 제 2 발광그룹(144) 사이의 연결을 직렬 또는 병렬로 스위칭하기 위한 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2), 제 3 스위치(SW3)를 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서, 설명 및 이해의 편의를 위하여 직렬로 연결된 복수의 LED를 포함하며, 동일한 문턱전압레벨을 갖는 제 1 발광그룹(142) 및 제 2 발광그룹(144)을 기준으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되지 아니하며, 본 발명의 요지를 포함하고 있는 다양한 LED 발광부(140)의 구성이 본 발명의 권리범위에 속함은 당업자에게 자명할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 스위치(SW1)는 제 1 LED 발광그룹(142)의 캐소드단과 접지(Vss) 사이에 연결되며, 제 2 스위치(SW2)는 제 1 발광그룹(142)의 애노드단과 제 2 발광그룹(144)의 애노드단 사이에 연결되고, 제 3 스위치(SW3)는 제 1 발광그룹(142)의 캐소드단과 제 2 발광그룹(144)의 애노드단 사이에 연결되어, 구동 제어부(150)로부터 출력되는 스위치 제어신호에 따라 턴-온 되거나 또는 턴-오프된다.
이를 보다 상세하게 살펴보면, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 문턱전압레벨(VTH_2) 미만인 구간(도 4의 시간구간(0 ~ t2, t3 ~ t7))에서는 1개의 발광그룹만이 발광될 수 있으므로, 구동 제어부(150)는 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 서로 병렬로 연결되도록 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2), 제 3 스위치(SW3)를 제어한다. 따라서, 이 구간에서는 구동 제어부(150)는 제 1 스위치(SW1)를 턴-온하기 위한 제 1 스위치 제어신호(SW_CNT1)를 제 1 스위치(SW1)로 출력하고, 제 2 스위치(SW2)를 턴-온하기 위한 제 2 스위치 제어신호(SW_CNT2)를 제 2 스위치(SW2)로 출력하며, 제 3 스위치(SW3)를 턴-오프하기 위한 제 3 스위치 제어신호(SW_CNT3)를 제 3 스위치(SW3)로 출력한다. 그 결과 구성되는 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144) 사이의 병렬 연결관계가 도 3a에 도시되어 있다.
한편, 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 문턱전압레벨(VTH_2)에 도달하면(도 4의 t2, t7), 2개의 발광그룹이 모두 발광될 수 있으므로, 구동 제어부(150)는 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 서로 직렬로 연결되도록 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2), 제 3 스위치(SW3)를 제어한다. 따라서, 이 구간에서는 구동 제어부(150)는 제 1 스위치(SW1)를 턴-오프하기 위한 제 1 스위치 제어신호(SW_CNT1)를 제 1 스위치(SW1)로 출력하고, 제 2 스위치(SW2)를 턴-오프하기 위한 제 2 스위치 제어신호(SW_CNT2)를 제 2 스위치(SW2)로 출력하며, 제 3 스위치(SW3)를 턴-온하기 위한 제 3 스위치 제어신호(SW_CNT3)를 제 3 스위치(SW3)로 출력한다. 그 결과 구성되는 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144) 사이의 직렬 연결관계가 도 3b에 도시되어 있다.
다시, 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 2 문턱전압레벨(VTH _2) 미만으로 하강하는 시점(도 4의 t3, t8)에, 구동 제어부(150)는 다시 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 서로 병렬로 연결되도록 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2), 제 3 스위치(SW3)를 제어한다.
전술한 바와 같은 제어과정이, 정류전압의 한주기(교류전압의 반주기)마다 실행되어, 본 발명에 따른 LED 조명장치(100)에 포함되는 발광그룹들이 정류전압의 전압레벨과 무관하게 항상 발광하게 된다.
한편, 전술한 경로선택 스위치(120), 충방전 제어스위치(SW4), 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2), 제 3 스위치(SW3)는, 구동 제어부(150)로부터 입력되는 스위치 제어신호에 따라 턴-온 또는 턴-오프 될 수 있는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 접합형 트랜지스터(BJT), 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 사이리스터(Silicon controlled rectifier), 트라이악(Triac) 중 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 구동 제어부(150)는 전술한 바와 같이 LED 조명장치(100)의 전체적인 구동을 제어하는 기능을 수행하도록 구성된다. 보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 구동 제어부(150)는, i) 방전구간에서 정류부(110)를 제 2 경로(P2)에 연결하며, 충전구간에서 정류부(110)를 제 1 경로(P1)로 연결하는 기능, ii) 충전구간에서 충방전 커패시터(C1)에 전하를 충전하고, 방전구간에서 LED 발광부를 발광시키도록 충전된 전하를 방전하도록 하는 기능, iii) 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 따라 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144) 사이의 직병렬 연결관계를 제어하는 기능을 수행하도록 구성된다.
다음의 표 1은 정류전압의 1주기 동안의 정류전압(Vrec)의 전압레벨에 기초한 구동 제어부(150)의 제어에 따른 LED 조명장치(100)의 구성 각부의 동작상태를 정리한 표이다.
문턱전압(VTH) 경로선택 스위치 충방전부 SW1 SW2 SW3 동작
0 ≤ Vrec〈 VTH1 (P2) 방전 ON ON OFF 병렬
VTH1 ≤ Vrec 〈 VTH2 (P1) 충전 ON ON OFF 병렬
VTH2 ≤ Vrec (P1) 충전 OFF OFF ON 직렬
VTH1 ≤ Vrec 〈 VTH2 (P1) 충전 ON ON OFF 병렬
0 ≤ Vrec 〈 VTH1 (P2) 방전 ON ON OFF 병렬
이하에서, 표 1 및 도 4를 참조하여, 시간에 따른 정류전압(Vrec)의 전압레벨의 변화에 따라 구동 제어부(150)의 제어과정에 대하여 살펴보도록 한다. 표 1의 동작상태는 LED 조명장치(100)가 최초 구동되어 충방전부(130)에 충전이 이미 일어난 후의 정류전압(Vrec)의 1주기에 따른 동작 상태이다.
먼저, 구동 제어부(150)는 정류부(110)로부터 출력되는 정류전압(Vrec)의 전압레벨을 판단하고, 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 제 1 문턱전압레벨(VTH_1) 미만인 구간(시간 구간 0 ~ t1)에 속하는 경우, 경로선택 스위치(120)를 제어하여 정류부(110)가 제 2 경로(P2)를 통해 접지(Vss)로 연결되도록 하고, 충방전 제어신호(SW_CNT4)를 발생하여 충방전부(130)의 충방전 제어스위치(SW4)를 제어하여 충방전 커패시터(C1)에 전하가 충전될 수 있도록 하며, 동시에 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)는 턴-온 상태로 유지하고 제 3 스위치(SW3)를 턴-오프 상태로 유지하여 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 병렬로 연결되도록 제어한다. 이 상태에서, 병렬로 연결된 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)은 충방전부(130)에서 방전되는 전하에 의해 구동된다.
시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 상승하여 제 1 문턱전압레벨(VTH_1)에 도달하면(t1), 구동 제어부(150)는 충전구간에 도달한 것으로 판단하고, 경로선택 스위치(120)를 제어하여 정류부(110)가 제 1 경로(P1)를 통해 충방전부(130) 및 LED 발광부(140)로 연결되도록 하며, 충방전부(130)의 충방전 제어스위치(SW4)를 턴-온시켜 충방전 커패시터에 전하가 충전되도록 한다. 이때, 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)은 병렬연결 상태가 유지되며, 정류부(110)로부터 공급되는 정류전압(Vrec)에 의해 발광된다.
또한, 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 상승하여 제 2 문턱전압레벨(VTH_2)에 도달하면(t2), 구동 제어부(150)는 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)를 턴-오프하고 제 3 스위치(SW3)를 턴-온하여 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 직렬로 연결되도록 제어한다.
다시, 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 하강하여 제 2 문턱전압레벨(VTH_2) 미만이 되면(t3), 구동 제어부(150)는 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)를 턴-온하고 제 3 스위치(SW3)를 턴-오프하여 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)이 병렬로 연결되도록 제어한다.
또한, 시간의 경과에 따라 정류전압(Vrec)의 전압레벨이 하강하여 제 1 문턱전압레벨(VTH_1) 미만이 되면(t4), 구동 제어부(150)는 방전구간에 진입한 것으로 판단하고, 경로선택 스위치(120)를 제어하여 정류부(110)가 제 2 경로(P2)를 통해 접지(Vss)에 연결되도록 하며, 충방전부(130)의 충방전 제어스위치(SW4)를 턴-오프 하여 커패시터에 충전된 전하를 방전하도록 한다. 이때, 제 1 발광그룹(142)과 제 2 발광그룹(144)은 병렬연결 상태가 유지되며, 충방전부(130)에서 방전되는 전하에 의해 구동된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하여 출력하는 정류부;
    적어도 하나 이상의 LED로 구성되는 제 1 발광그룹 및 제 2 발광그룹을 포함하는 LED 발광부;
    충전구간에서 전하를 충전하며, 방전구간에서 상기 LED 발광부를 발광시키도록 전하를 방전하는 충방전부;
    상기 정류부로부터 출력되는 정류전압의 전압레벨을 판단하고, 상기 정류전압의 전압레벨이 충전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 상기 LED 발광부에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 전하가 충전되도록 하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 방전구간에 진입하는 경우 경로선택 스위치를 제어하여 접지에 상기 정류부를 연결하고 상기 충방전부를 제어하여 상기 충방전부에 충전된 전하가 상기 LED 발광부로 방전되도록 하는 구동 제어부; 및
    상기 충전구간에서 상기 정류부를 상기 LED 발광부에 연결하고, 상기 방전구간에서 상기 정류부를 접지로 연결하는 경로선택 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 발광부는, 상기 정류전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 발광그룹 및 상기 제 2 발광그룹이 직렬 또는 병렬 중 어느 하나로 연결되도록 회로를 변경하는 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 제 3 스위치를 더 포함하며,
    상기 구동 제어부는 상기 정류전압의 전압레벨에 따라 상기 제 1 스위치 내지 제 3 스위치를 제어하여 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹의 연결 관계를 병렬 또는 직렬로 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    입력되는 정류전압이 제 1 문턱전압레벨 이상이고 제 2 문턱전압레벨 미만인 경우, 상기 구동 제어부는 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치를 턴-온하고 상기 제 3 스위치를 턴-오프하여, 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹이 병렬로 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    입력되는 정류전압이 상기 제 2 문턱전압레벨 이상인 경우, 상기 구동 제어부는 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치가 턴-오프하고 상기 제 3 스위치가 턴-온하여, 상기 제 1 발광그룹과 상기 제 2 발광그룹이 직렬로 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류전압의 전압레벨이 상기 제 1 문턱전압레벨 미만인 구간에서도 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 소등되지 않고 상기 충방전부에서 방전되는 전하에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전부는 커패시터 및 충방전 제어스위치를 포함하며, 상기 구동 제어부는 상기 충방전 제어스위치를 제어하여 상기 충전구간 동안 전하를 상기 커패시터에 충전하고, 상기 방전구간 동안 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED 발광부에 공급하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 경로선택 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 경로선택 스위치 제어신호(SSW-CNT)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 LED 발광부에 포함된 상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치의 제어는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 스위치 제어신호(SW_CNT1~3)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치들은 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT), 접합형 트랜지스터(BJT), 접합형 전계효과 트랜지스터(JFET), 사이리스터(Silicon controlled rectifier), 트라이악(Triac) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  11. 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하여 출력하는 정류부;
    적어도 하나 이상의 LED로 구성되는 제 1 발광그룹 및 제 2 발광그룹을 포함하는 LED 발광부;
    충전구간에서 전하를 충전하며, 방전구간에서 상기 LED 발광부를 발광시키도록 전하를 방전하는 충방전부; 및
    상기 정류전압의 전압레벨이 충전구간에 진입하는 경우 상기 LED 발광부에 상기 정류전압을 공급하여 상기 충방전부에 전하가 충전되도록 하며, 상기 정류전압의 전압레벨이 방전구간에 진입하는 경우 접지에 상기 정류전압을 연결하여 상기 충방전부에 충전된 전하가 상기 LED 발광부로 방전되도록 하는 구동 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 LED 조명장치는,
    상기 충전구간에서 상기 정류부를 상기 LED 발광부에 연결하고, 상기 방전구간에서 상기 정류부를 접지로 연결하는 경로선택 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 정류전압의 전압레벨이 상기 제 1 문턱전압레벨 미만인 구간에서도 제 1 발광그룹과 제 2 발광그룹이 소등되지 않고 상기 충방전부에서 방전되는 전하에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 충방전부는 커패시터 및 충방전 제어스위치를 포함하며, 상기 구동 제어부는 상기 충방전 제어스위치를 제어하여 상기 충전구간 동안 전하를 상기 커패시터에 충전하고, 상기 방전구간 동안 상기 커패시터에 충전된 전하를 상기 LED 발광부에 공급하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 스위치는 상기 구동 제어부로부터 출력되는 충방전 스위치 제어신호(SW_CNT4)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
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