KR20140102951A - Led 전원 공급 장치 및 이를 사용하는 led 조명 기구 - Google Patents

Abstract

LED 전원 공급 장치는 교류 전원을 정류하여 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부에 제공하는 정류부, 상기 정류부에서 출력된 전원을 승압하여 상기 발광부로 공급하는 컨버터, 상기 발광부의 출력단에 일단자가 접속된 인덕턴스 소자, 상기 인덕턴스 소자와 병렬 관계를 갖도록 상기 발광부의 출력단에 접속되어, 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하는 감지부, 상기 감지부에서 감지된 전압 변화에 기초하여 제어신호를 생성하는 스위칭 제어부, 상기 스위칭 제어부의 제어신호에 따라 상기 인덕턴스의 타단자와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시키는 스위칭부를 포함하되, 상기 제어신호의 주파수가 증가함에 따라, 상기 컨버터에 포함된 평활소자의 리액턴스가 감소하고, 상기 인덕턴스 소자의 리액턴스가 증가한다.

Description

LED 전원 공급 장치 및 이를 사용하는 LED 조명 기구{LED POWER SUPPLY AND LED LIGHTING APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 LED 전원 공급 장치 및 이를 사용하는 LED 조명 기구에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 저전력으로 고휘도의 광을 발생시킬 수 있는 소자로, 최근 들어 다양한 분야에 광원으로서 사용되고 있다. 이를 이용한 LED 조명 장치는 소비 전력이 작고, 수명이 길다는 장점으로 인하여, 백열등, 형광등과 같은 종래 조명 기구의 단점을 해소해줄 것으로 기대되고 있다. 통상적인, LED 조명 장치는 LED의 구동을 위하여 직류 전압을 이용하는 방식을 사용하며, 이를 위해, 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 별도의 컨버터 회로 또는 SMPS를 추가시켜야 하는 부담이 있다. 이러한, 별도의 컨버터 회로를 추가함에 따라 비용의 증가는 물론 LED 조명 장치의 부피가 커지는 문제점이 발생한다.

따라서, LED 조명 장치의 구성을 위하여 컨버터와 같은 별도의 전력변환회로 없이 상용 교류전원에서 구동이 가능하도록 동작하는 것이 필요하다. 이와 관련하여, 종래 기술에서는 역병렬 구조로 복수의 발광 다이오드를 접속시키고 교류 전압을 정류시켜 공급함으로써, 비교적 단순한 구조로 교류 발광 다이오드를 구현할 수 있었다. 예를 들면, 브릿지 정류 회로를 통해 교류 전원을 전파 정류하여 LED에 공급한다. 그러나, 이러한 구성을 취할 경우 전원 전력 품질과 관련하여 고조파 또는 역률 특성이 저하되거나, 플리커(flicker) 현상 등이 발생함으로 인하여 사용상의 제약이 따르는 문제점이 있었다. 예를 들어, 발광 다이오드의 특성상 일정 전압이 발광 다이오드에 인가되기 전까지는 발광 다이오드는 OFF 상태로 존재하며, 이로 인해 입력 전압이 발광 다이오드의 문턱 전압에 이르기 전까지는 입력 전류가 흐르지 않는 상태가 존재하며, 이에 따라 입력 유효전력과 입력 실효전력의 비로 표현되는 역률이 저하되거나, 고조파 성분이 증가하게 된다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 브릿지 정류 회로의 전단 또는 후단에 역률 보상 회로(PFC: power factor correction)를 추가하고 있다. 다만, 이러한 역률 보상회로에는 상당한 크기의 용량을 갖는 전해 콘덴서를 사용하게 되는데, 전해 콘덴서의 수명은 LED의 수명보다 짧기 때문에, LED의 교체 주기보다 LED의 구동 회로의 교체 주기가 더 짧아지게 되는 문제점이 있다. 또한, 전해 콘덴서의 부피로 인하여, LED 구동 회로를 소형화하는데 어려움이 있다.

한편, 이와 관련하여 대한 민국 공개 특허(제2012-0056162호, 발명의 명칭: LED 전원 공급 장치)는 적어도 하나의 LED를 구비하는 발광부; 외부 전원으로부터 인가된 교류 전압을 정류하는 정류부; 상기 발광부에 구동 전원을 공급하며, 상기 발광부의 출력단과 연결되는 인덕터를 포함하는 전원공급부; 상기 정류부로부터 출력된 전압을 인가 받아 상기 정류부로부터 출력된 전압에 비례하는 기준전압을 생성하고, 상기 기준전압과 상기 인덕터에 흐르는 전류를 검출하여 생성된 입력 전압을 비교하여, 상호 전압이 일치하는 시점에서 스위치를 오프시켜 상기 인덕터에 흐르는 전류의 피크를 연결한 파형이 상기 입력 전압이 나타내는 파형과 비례하도록 스위치를 온/오프 제어하는 스위치 제어부; 및 상기 스위치 제어부와 연결되어 상기 발광부로 입력되는 전원을 제어하는 스위치를 포함하는 LED 전원 공급 장치를 개시하고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 전해 커패시터를 채용하지 않고서도 교류 구동시 플리커가 발생하는 문제를 최소화할 수 있는 LED 전원 공급 장치 및 이를 사용하는 LED 직관 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 LED 전원 공급 장치는 교류 전원을 정류하여 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부에 제공하는 정류부, 상기 정류부에서 출력된 전원을 승압하여 상기 발광부로 공급하는 컨버터, 상기 발광부의 출력단에 일단자가 접속된 인덕턴스 소자, 상기 인덕턴스 소자와 병렬 관계를 갖도록 상기 발광부의 출력단에 접속되어, 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하는 감지부, 상기 감지부에서 감지된 전압 변화에 기초하여 제어신호를 생성하는 스위칭 제어부, 상기 스위칭 제어부의 제어신호에 따라 상기 인덕턴스의 타단자와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시키는 스위칭부를 포함하되, 상기 제어신호의 주파수가 증가함에 따라, 상기 컨버터에 포함된 평활소자의 리액턴스가 감소하고, 상기 인덕턴스 소자의 리액턴스가 증가한다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 LED 조명 기구는 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부, 상기 발광부가 내장된 하우징, 상기 하우징의 일측에 결합되고, 소켓과 결합되는 제 1 결합부, 상기 하우징의 타측에 결합되고, 상기 소켓과 결합되는 제 2 결합부 및 상기 제 1 결합부를 통해 외부 교류 전원과 접속되며, 상기 하우징, 제 1 결합부 또는 제 2 결합부에 내장된 형태로 결합된 전원 공급 장치를 포함하되, 상기 전원 공급 장치는 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하고, 감지된 전압 변화에 기초하여 역률 보상을 수행한다.

또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 LED 전원 공급 장치는 교류 전원을 정류시킨 전원에 기초하여 LED어레이를 발광시키면서 플리커(flicker) 현상을 최소화하는 것으로, 상기 전원 공급 장치는 상기 발광부에 공급된 전원의 변화 정도를 감지하고, 감지된 변화 정도에 기초하여 역률 보상을 수행한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, LED의 교류 구동에 따른 플리커 현상을 최소화시키면서도 전해 커패시터를 사용하지 않아, LED전원 공급 장치 또는 LED 조명기구의 부피를 최소화 할 수 있다. 특히, 발광부에 공급되는 전원의 변화 상태를 감지하고 이에 기초하여 역률 보상을 수행하므로, 최적의 역률 보상 효과를 나타낼 수 있다.

또한, LED 보다 수명이 짧은 전해 커패시터를 사용하지 않아, LED 전원 공급 장치 또는 LED 조명기구의 교체주기를 연장시킬 수 있다.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치를 도시한 도면이다.

도시된 LED 조명 장치는 LED 직관 램프(10)를 도시한 것으로, 본원 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 예시에 해당하며, 본원 발명의 LED 전원 공급 장치는 LED직관 램프(10)외에도 다양한 형태의 LED 조명 장치에 적용될 수 있다.

LED 직관 램프(10)는 기구적인 면에서는 일반 형광등과 관경, 관의 길이 및 연결핀의 구조가 동일하나, 내부 구성과 구동 방법은 전혀 상이하다. LED 직관 램프(10)는 제 1 결합부(20), 하우징(30), 제 2 결합부(40), LED 어레이(50)를 포함한다. 제 1 결합부(20), 제 2결합부(40) 및 하우징(30)의 형상과 크기는 표준적인 형광등의 형상 및 크기와 거의 동일하여, 형광등 소켓에 결합될 수 있다.

제 1 결합부(20)와 제 2 결합부(40)는 통상의 형광등 소켓에 각각 결합되는 구성으로서, 제 1 결합부(20)는 전원 공급 단자를 포함한다. 제 1 결합부(20)는 형광등 소켓을 통해 인가되는 외부 전원과 접속되는 제 1 전극(22) 및 제 2 전극(24)을 포함하고, 각각의 전극(22, 24)은 LED 전원 공급 장치(미도시됨)와 결합된다. 한편, 제 2 결합부(40)는 형광등의 소켓에 결합되는 돌기(42, 44)를 포함할 뿐, 전극 등은 포함하지 않는 구성일 수 있다. 즉, 제 1 결합부(20)만을 통해 전원이 공급되도록 구성될 수 있다.

한편, 제 1 결합부(20)와 결합되는 LED 전원 공급 장치는 LED 어레이(50)에 전원을 공급하는 전원 공급 장치로서, AC 구동 방식에 따라 LED를 구동하면서도, 전해 콘덴서를 포함하지 않는 구성을 통해, 그 부피를 최소화 함으로써 LED 직관 램프(10)에 내장되는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들면, 제 1 결합부(20) 내부 또는 제 1 결합부(20)와 제 2 결합부(40)에 나뉘어 소형의 PCB 상에 회로부품을 결합한 형태로 LED 전원 공급 장치가 내장될 수 있다. 즉, 이후에 설명할 LED 전원 공급 장치의 구성 부품이 제 1 결합부(20) 또는 제 2 결합부(40)내의 공간에 각각 격납되어, LED 직관 램프(10)의 구동을 위한 회로 부품이 LED 직관 램프(10) 내부에 내장될 수 있다.

한편, LED 직관 램프(10)는 전원 공급 장치를 내장하고 있는 구성이기 때문에, 제 1 결합부(20)의 제 1 전극(22)과 제 2 전극(24)을 통해 상용 교류 전원을 접속시키는 것 만으로, LED를 점등할 수 있으며, 예를 들면, 형광등의 구동을 위한 안정기나 LED 전용 외장형 컨버터와 같은 별도의 회로 장치를 필요로 하지 않는다.

도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

LED 조명 장치(100)는 정류부(110), 컨버터(120), 역률 보상부(130), 발광부(140), 감지부(150), 스위칭 제어부(160), 인덕턴스 소자(170), 스위칭부(180)를 포함한다.

먼저, LED 조명 장치(100)는 상용 교류 전원에 의하여 구동되는 것으로, 상용 교류 전원의 주파수 및 전압값은 지역 또는 국가에 따라 상이할 수 있다. 이때, 교류 전원은 LED 직관 램프(10)에 형성된 전극 등을 통해 LED 조명 장치로 전달될 수 있다.

정류부(110)는 교류 전원을 정류하여 컨버터(120)로 전달한다. 예를 들면, 정류부(110)는 브릿지 정류회로와 같은 전파 정류 회로를 포함할 수 있다.

컨버터(120)는 정류부(110)에서 출력된 전압을 승압하여 발광부(140)로 전달한다. 이때, 컨버터(120)로는 부스트 컨버터 구조를 사용할 수 있으며, 구체적인 구성에 대해서는 추후 설명하기로 한다. 한편, 컨버터(120)의 출력단에는 전파 정류된 전원의 맥동을 제거하기 위한 평활소자가 결합된다. 이때, 평활소자는 발광부(140)와 결합되며, 전파 정류된 전원의 맥동을 제거한다. 교류 전원이 정류된 경우라 하더라도, 이를 그대로 사용할 경우 교류 전원의 전압이 최저가 되는 지점인 맥류(脈流)의 골에서는 LED가 점멸하게 되는 플리커(flicker) 현상이 발생하게 된다. 이러한 플리커를 제거하기 위해서 통상적으로 커패시터와 같은 평활소자를 결합하게 되는데, 현재의 상용품에서는 교류 전원을 직류에 가깝게 평활시키기 위해서는 수백 마이크로 패럿에 달하는 상당한 용량의 커패시터를 사용한다. 한편, 이러한 평활소자의 사용으로 인한 역률 저하 문제를 개선하기 위하여 역률 보상부(130)를 필요로 한다.

일반적인 LED전용의 교류를 직류로 변환하는 AC/DC 컨버터는 20W의 소비전력을 갖는 직관램프의 경우 40V이하의 낮은 전압으로 구동하기 때문에, 구동전류가 500~1000mA 로 높게 되어 높은 축전용량이 요구된다. 이로 인하여, 높은 축전용량이 가능한 전해콘덴서를 사용하게 된다. 반면, 본 발명에서는 100~220V의 교류전원을 입력전원으로 직접 사용하기 때문에, 입력전류가 100mA로 낮아지므로, 축전용량이 1/5~1/10로 낮은 커패시터를 사용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 이러한 평활소자를 사용함에 있어서, 전해 커패시터와 동일한 용량의 리액턴스를 공급할 수 있는 구성을 채택함으로써, 전해 커패시터를 대체할 수 있도록 한다. 예를 들면, MFC(Metallized Film Capacitor)와 같은 형태의 커패시터를 사용할 수 있다. 이에 따라, 전해 커패시터의 커다란 부피 또는 짧은 수명으로 인한 여러 문제점을 해소할 수 있다.

역률 보상부(130)는 교류 전원의 교류 성분을 억제하고, 컨버터(120)의 평활소자에 의하여 발생된 부하 입력 전류와 전압 간의 위상차를 보상하여 역률을 개선한다. 역률 보상부(130)의 구체적인 구성에 대해서는 추후 설명하기로 한다.

발광부(140)는 하나 이상의 LED를 포함하며, 예를 들어 직렬 접속된 복수의 LED를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 직렬 접속된 복수의 LED 어레이를 복수 개 포함하는 구성을 사용할 수 있다.

한편, 컨버터(120)의 평활소자의 커패시턴스를 증가시키는 효과를 위하여, 본원 발명은 감지부(150), 스위칭 제어부(160), 인덕턴스 소자(170) 및 스위칭부(180)를 포함한다. 특히, 본원 발명에서는 발광부(140)로 전달되는 전원의 상태를 감지하고, 이에 기초하여 스위칭부(180)의 동작을 제어하는 제어신호의 주파수를 가변함으로써, 인덕턴스 소자(170)를 통한 리액턴스 공급을 보다 원활히 수행하여 플리커 현성을 최소화할 수 있도록 한다.

감지부(150)는 발광부(140)로 전달되는 전원의 변화 상태를 감지하고, 그 감지 결과를 스위칭 제어부(160)로 전달한다.

스위칭 제어부(160)는 감지부(150)를 통해 감지한 감지 결과에 기초하여 고주파의 제어신호를 발생시켜 스위칭부(180)에 공급한다.

인덕턴스 소자(170)는 발광부(140)와 스위칭부(180) 사이에 결합되어, 플리커 제거를 위해 평활소자(C1)가 제공해야하는 리액턴스를 부담하게 된다. 즉, 스위칭부(180)에 의하여 인덕턴스 소자(170)가 고속으로 접지 단자와 접속됨에 따라 인덕턴스 소자(170)가 제공하는 리액턴스가 증가하게 되고, 이에 따라 평활소자의 리액턴스는 감소하게 되므로, 평활소자의 커패시터 용량을 감소시킬 수 있다. 한편, 고속 스위칭으로 인하여, 인덕턴스 소자(170)의 유도성 리액턴스(2πfL)에서 주파수 성분이 증가함에 따라, 작은 인덕턴스를 가진 인덕턴스 소자(170)로도 충분히 높은 값의 리액턴스를 제공할 수 있다.

스위칭부(180)는 스위칭 제어부(160)에서 출력된 제어신호에 기초하여 인덕턴스 소자(170)와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시킨다. 이때, 제어신호의 주파수에 따라 스위칭 타이밍이 조절됨에 따라 인덕턴스 소자(170)의 인덕턴스도 변화된다. 즉, 제어신호의 주파수가 상승함에 따라 인덕턴스도 증가하게 된다. 한편, 제어신호의 주파수의 변화에 따라 평활소자의 용량성 리액턴스도 감소하게 되어, 전해 커패시터와 같이 커패시턴스가 큰 커패시터를 사용하지 않고서도, 평활소자가 동일한 성능을 발휘할 수 있게 된다.

도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.

먼저, 정류부(110)는 네 개의 다이오드(D1~D4)로 이루어진 브릿지 정류 회로를 포함한다. 브릿지 정류 회로의 제 1 다이오드(D1)와 제 3 다이오드(D3)의 접속노드 및 제 2 다이오드(D2)와 제 4 다이오드(D4)의 접속노드는 교류 전원과 접속되고, 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2)의 접속노드 및 제 3 다이오드(D3)와 제 4 다이오드(D4)의 접속노드는 컨버터(120)와 접속된다. 한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 회로 보호를 위하여 교류 전원과 정류부(110) 사이에 퓨즈가 추가로 결합될 수 있다.

컨버터(120)는 커패시터(C0), 인덕터(L1), 다이오드(D5), 제 1스위칭 소자(SW1) 및 평활소자(C1)를 포함한다. 컨버터(120)는 제 1 스위칭 소자(SW1)의 동작에 따라 교류 전원으로부터 전달되는 전력을 인덕터(L1) 를 통해 평활소자(C1)로 전달한다.

커패시터(C0)는 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2)의 접속노드에 일측단자가 접속되고, 제 3 다이오드(D3)와 제 4 다이오드(D4)의 접속노드에 타측단자가 접속된다. 커패시터(C0)는 교류 전원으로부터 전달되는 고주파 신호를 필터링할 수 있다.

인덕터(L1)는 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2)의 접속노드에 일측단자가 접속되고, 다이오드(D5) 및 제 1 스위칭 소자(SW1)의 접속노드에 타측단자가 접속된다. 인덕터(L1) 소자의 특성에 따라 정류된 전원을 평활소자(C1)로 전달한다.

제 1 스위칭 소자(SW1)는 인덕터(L1)의 타측단자와 다이오드(D5)의 일측단자가 접속된 노드와 접지노드 사이에 접속되고, 역률 보상부(130)에서 출력된 제어신호에 따라 스위칭된다. 예를 들어, 제 1 스위칭 소자(SW1)는 제어신호를 게이트로 수신하는 FET 스위치 일 수 있으나, 이는 예시에 해당하는 것으로 본원 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

다이오드(D5)는 인덕터(L1)의 타측단자와 제 1 스위칭 소자(SW1)의 접속노드와 평활소자(C1)의 일측 단자 사이에 결합된다. 이에 따라, 인덕터(L1)를 경유하여 흐르는 전류가 평활소자(C1)를 향하는 방향으로만 흐르게 된다.

평활소자(C1)의 일측단자는 다이오드(D5)의 타측단자와 발광부(140)의 접속노드에 결합되고, 평활소자(C1)의 타측단자는 접지에 접속된다. 이때, 평활소자(C1)로는 전해 커패시터가 아닌 커패시터를 사용할 수 있다. 예를 들어, 맥류의 평활을 위해 통상적으로는 220uF 정도의 고용량 커패시터를 사용하였으나, 본원 발명에서는 고주파수에서 스위칭되는 스위칭부(180)의 구성에 따라 낮은 용량의 커패시터를 통해서도 동일한 평활 성능을 구현할 수 있다.

컨버터(120)의 동작을 살펴보면, 제 1 스위칭 소자(SW1)가 단락(short) 상태인 경우, 인덕터(L1)를 통과하는 인덕터 전류가 상승하게 된다. 반면에, 제 1 스위칭 소자(SW1)가 개방(open) 상태인 경우, 인덕터 전류는 다이오드(D5)를 경유하여 평활소자(C1)로 흐르게 되고, 이에 따라 평활소자(C1)가 충전된다.

역률 보상부(130)는 제 1 스위칭 소자(SW1)를 스위칭 시키는 제어신호를 공급한다. 예를 들면, PWM 제어신호를 생성하여, 제 1 스위칭 소자의 단락 및 개방 타이밍을 조절할 수 있고, 그에 따라 평활소자(C1)의 충방전 상태를 조절할 수 있다. 역률 보상부(130)는 컨버터(120)의 입력단과 출력단의 전압 또는 전류값에 기초하여, 인덕터에 흐르는 전류가 입력 교류 전압의 변화를 추종할 수 있도록 PWM제어신호를 출력한다. 이에 따라, 전압과 전류의 위상차에 의해 발생하는 무효 전력을 최소화하도록 한다. 역률 보상부(130)의 구체적인 구성에 대해서는 추후 설명하기로 한다.

발광부(140)는 컨버터(120)의 출력단에 결합되어, 컨버터(120)의 평활소자(C1) 를 통해 전력을 공급받는다. 발광부(140)는 직렬 접속된 복수의 LED(LED1~LEDn)를 포함할 수 있으며, 직렬 접속된 LED 어레이 복수 개를 병렬 접속 시킨 형태로 포함할 수 도 있다.

감지부(150)는 발광부(140)의 출력단과 접지 단자 사이에 접속된 감지용 발광 다이오드(LEDs)와 발광부(140)의 출력단에 감지용 발광 다이오드(LEDs)와 병렬로 접속된 광 센서(152)를 포함한다.

감지용 발광 다이오드(LEDs)는 발광부(140)에서 전달된 전원에 기초하여 발광하므로, 발광부(140)에 포함된 발광 다이오드와 동일한 상태로 발광하게 된다. 예를 들면, 발광부(140)에 포함된 발광 다이오드와 동일한 주파수를 갖는 전원에 의하여 구동된다. 따라서, 감지용 발광 다이오드(LEDs)를 통해 발광부(140)의 발광 상태를 감지할 수 있다.

광 센서(152)는 감지용 발광 다이오드(LEDs)의 발광 상태에 따라 저항값이 변화하며, 이러한 저항값의 변화는 스위칭 제어부(160)로 전달된다. 예를 들면, 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 또는 Cds 센서 등이 사용될 수 있다.

스위칭 제어부(160)는 광 센서(152)에서 전달된 저항값의 변화에 따라 주파수가 조절되는 제어신호를 스위칭부(180)로 전달한다. 역률 보상부(130) 및 평활소자(C1)를 통해 발광부(140)로 전달되는 전원에서 교류 성분이 최소화된다 하더라도, 미약하나마 교류 성분이 존재할 수 있다. 이러한 교류 성분에 의한 신호의 변화를 감지부(150)를 통해 감지하고, 이에 기초하여 스위칭부(180)를 구동하는 제어신호의 주파수를 조절하여, 최대의 역률 보상을 수행하도록 한다.

스위칭 제어부(160)의 제어신호는 예를 들면, 10KHz의 주파수를 갖는 구형파 신호이다. 이러한 제어신호의 인가에 따라 스위칭부(180)가 고속으로 스위칭 되고, 스위칭부(180)에 의한 스위칭 주파수에 의하여 평활소자(C1)와 인덕턴스 소자(170)의 리액턴스를 조절할 수 있게 되며, 이에 따라 플리커 현상을 최소화할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 주파수가 증가함에 따라 평활소자(C1)의 리액턴스는 감소하고, 인덕턴스 소자(170)의 리액턴스는 증가하게 된다.

인덕턴스 소자(170)는 발광부(140)의 출력단과 스위칭부(180) 사이에 접속되며, 인덕터 또는 초크 코일 소자 등이 접속될 수 있다. 고주파수에 의하여 고속으로 스위칭되는 스위칭부(180)에 의하여, 인덕턴스 소자(170)의 유도성 리액턴스가 증가하게 되며, 이에 따라 평활소자(C1)가 부담하여야 할 리액턴스를 분담하게 되므로, 용량이 작은 커패시터를 평활소자(C1)에 사용할 수 있도록 한다. 즉, 플리커 현상을 제거하기 위해서는 일정량 이상의 리액턴스가 필요한데, 인덕턴스 소자(170)를 결합하고, 이를 고속으로 접지와 선택적으로 접속되게 하여, 리액턴스를 증가시키므로, 평활소자(C1)가 부담해야하는 리액턴스 양을 감소시켜, 결과적으로 낮은 용량의 커패시터를 평활소자(C1)로 사용할 수 있게 된다.

스위칭부(180)는 스위칭 제어부(160)의 제어신호에 따라 인덕턴스 소자(170)와 접지 사이를 스위칭하는 스위칭 소자(SW2)를 포함한다. 예를 들면, 스위칭부(180)는 스위칭 제어부(160)의 제어신호를 게이트로 수신하고, 인덕턴스 소자(170)와 드레인 단자가 접속되고, 접지와 소스 단자가 접속된 FET 스위치일 수 있으나, 이는 예시에 해당하는 것으로 본원 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따른 LED 조명 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.

전체적인 구성은 도 3의 LED 조명 장치와 유사하고, 역률 보상부(130)와 스위칭 제어부(160)의 구성을 구체적으로 도시하고 있다.

한편, 정류부(110), 컨버터(120) 및 역률 보상부(130)는 제 1 결합부(20) 내에 실장되는 형태로 결합될 수 있고, 감지부(150), 스위칭 제어부(160), 인덕턴스 소자(170) 및 스위칭 제어부(180)는 제 2 결합부(40) 내에 실장되는 형태로 결합될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

역률 보상부(130)는 역률 보상 알고리즘에 따라 PWM 제어신호를 출력하는 IC 회로(IC1)와 IC회로의 각 핀에 접속되는 복수의 수동소자(C1~C4, R1~R4) 및 능동소자(ZD1)를 포함한다.

IC 회로(IC1)로는 모델번호MC33260(ON SemiconductorTM)인 제어 컨트롤러가 사용될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 실시자의 선택에 따라 변경가능하다. 한편, 사용되는 IC 회로(IC1)의 스펙에 따라 수동소자의 결합상태가 달라질 수 있다.

예를 들어, IC회로(IC1)의 1번 핀(저항(R1) 및 커패시터(C1) 접속노드와 접속됨)으로는 컨버터(120)의 출력단과 저항(R1)을 통해 접속되어, 피드백 전류가 입력된다. 피드백 전류는 컨버터(120)의 출력단에 인가되는 전압, 즉 평활소자(C5)에 걸리는 전압에 비례하는 것으로, IC 회로(IC1)가 이에 기초하여 PWM 제어를 수행할 수 있도록 한다.

IC 회로(IC1)의 3번 핀에 접속된 커패시터(C3)는 IC회로(IC1)에 내장된 오실레이터를 위한 커패시터로서 사용된다.

IC 회로(IC1)의 4번 핀에 접속된 저항(R3)을 통해 정류된 교류 전원으로부터의 전류가 입력될 수 있으며, 이에 기초하여, 인덕터(L1)를 경유하는 전류가 영전류 상태가 되는지 여부를 감지한다. 그리고, 인덕터(L1)를 경유하는 전류가 0에 도달하는 경우에 한하여, 스위칭 소자(SW1)가 단락(Short)되도록 제어한다.

IC 회로(IC1)의 7번 핀은 스위칭 소자(SW1)의 게이트와 접속되고, 7번 핀을 통해 제어신호가 출력된다.

IC 회로(IC1)의 8번 핀에 접속된 제너다이오드(ZD1)는 IC 회로(IC1)로의 직류 전압을 공급하는 전원으로서 기능한다.

다음으로, 스위칭 제어부(160)는 고주파를 발생시키는 IC 회로(IC2) 및 IC회로의 각 핀에 접속되는 복수의 수동소자(R5~R8, C6, C7)를 포함한다.

IC 회로(IC2)로는 모델 번호 NE555(STMicroelectronicsTM)가 사용될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 실시자의 선택에 따라 변경가능하다. 한편, 사용되는 IC 회로(IC2)의 스펙에 따라 수동소자의 결합상태가 달라질 수 있다. IC 회로(IC2)는 대략 500Hz에서 250KHz의 주파수를 발생시킬 수 있다.

광 센서(152)의 저항값은 발광부(140) 및 감지용 발광 다이오드(LEDs)에 공급되는 전원의 상태에 따라 달라지며, 이에 따라 IC 회로(IC2)의 제어신호의 주파수가 상이해진다.

예를 들어, 발광부(140)에 공급되는 전원의 전압 변화에 따라 광 센서(152)의 저항값 또한 변화하게 되며, 이를 반영하여 IC 회로(IC2)의 제어신호의 주파수도 변화하게 된다.

즉, 발광부(140)에 공급되는 전원의 전압이 상승함에 따라 감지용 발광 다이오드(LEDs)의 출력광의 강도가 높아지고, 이에 따라 광 센서(152)의 저항값은 낮아지게 된다. 이로 인하여, 스위칭 제어부(160)가 출력하는 제어신호의 주파수가 증가하게 되며, 이에 따라 인덕턴스 소자(170)의 리액턴스는 증가하고, 평활소자(C1)의 리액턴스는 감소하게 된다.

이와는 반대로, 발광부(140)에 공급되는 전원의 전압이 하강하게 되면, 감지용 발광 다이오드(LEDs)의 출력광의 강도는 낮아지고, 이에 따라 광 센서(152)의 저항값은 높아지게 된다. 이로 인하여, 스위칭 제어부(160)가 출력하는 제어신호의 주파수가 감소하게 되며, 이에 따라 인덕턴스 소자(170)의 리액턴스는 증가하고, 평활소자(C1)의 리액턴스는 감소하게 된다.

한편, IC 회로(IC2)의 커패시터(C6)는 운전 주파수를 결정하는데 사용될 수 있다.

이와 같이, 본원 발명에서는 광 센서(152)를 이용하여 발광부(140)로 공급되는 전원의 변화 정도를 감지하고, 이에 기초하여 스위칭부(180)의 스위칭 주파수를 조절함으로써, 플리커 현상을 최소화할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: LED 조명 장치 110: 정류부
120: 컨버터 130: 역률 보상부
140: 발광부 150: 감지부
160: 스위칭 제어부 170: 인덕턴스 소자
180: 스위칭부

Claims (13)

1. LED 전원 공급 장치에 있어서,
   교류 전원을 정류하여 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부에 제공하는 정류부,
   상기 정류부에서 출력된 전원을 승압하여 상기 발광부로 공급하는 컨버터,
   상기 발광부의 출력단에 일단자가 접속된 인덕턴스 소자,
   상기 인덕턴스 소자와 병렬 관계를 갖도록 상기 발광부의 출력단에 접속되어, 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하는 감지부,
   상기 감지부에서 감지된 전압 변화에 기초하여 제어신호를 생성하는 스위칭 제어부,
   상기 스위칭 제어부의 제어신호에 따라 상기 인덕턴스의 타단자와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시키는 스위칭부를 포함하되,
   상기 제어신호의 주파수가 증가함에 따라, 상기 컨버터에 포함된 평활소자의 리액턴스가 감소하고, 상기 인덕턴스 소자의 리액턴스가 증가하는 LED 전원 공급 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 컨버터에 접속되어 역률을 보상하는 역률 보상부를 더 포함하는 LED 전원 공급 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 감지부는
   상기 발광부의 출력단에 접속되고, 상기 발광부에서 전달된 전원에 기초하여 구동되는 감지용 발광 다이오드 및
   상기 발광부의 출력단에, 상기 감지용 발광 다이오드와 병렬로 접속되어, 상기 감지용 발광 다이오드에서 발광된 광을 감지하는 광 센서를 포함하되,
   상기 감지된 전압 변화에 따라 상기 광 센서의 저항값이 변화하고,
   상기 스위칭 제어부는 상기 광 센서의 저항값에 기초하여 제어신호의 주파수를 조절하는 LED 전원 공급 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 스위칭 제어부는 상기 광 센서의 저항값이 증가하면 상기 제어신호의 주파수를 감소시키고, 상기 광 센서의 저항값이 감소하면 상기 제어신호의 주파수를 증가시키는 LED 전원 공급 장치.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 광 센서는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터 또는 Cds 센서인 LED 전원 공급 장치.
6. LED 조명 기구에 있어서,
   하나 이상의 LED를 포함하는 발광부,
   상기 발광부가 내장된 하우징,
   상기 하우징의 일측에 결합되고, 소켓과 결합되는 제 1 결합부,
   상기 하우징의 타측에 결합되고, 상기 소켓과 결합되는 제 2 결합부 및
   상기 제 1 결합부를 통해 외부 교류 전원과 접속되며, 상기 하우징, 제 1 결합부 또는 제 2 결합부에 내장된 형태로 결합된 전원 공급 장치를 포함하되,
   상기 전원 공급 장치는 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하고, 감지된 전압 변화에 기초하여 역률 보상을 수행하는 LED 조명 기구.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 전원 공급 장치는,
   교류 전원을 정류하여 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부에 제공하는 정류부,
   상기 정류부에서 출력된 전원을 승압하여 상기 발광부로 공급하는 컨버터,
   상기 발광부의 출력단에 일단자가 접속된 인덕턴스 소자,
   상기 인덕턴스 소자와 병렬 관계를 갖도록 상기 발광부의 출력단에 접속되어, 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하는 감지부,
   상기 감지부에서 감지된 전압 변화에 기초하여 제어신호를 생성하는 스위칭 제어부,
   상기 스위칭 제어부의 제어신호에 따라 상기 인덕턴스의 타단자와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시키는 스위칭부를 포함하되,
   상기 제어신호의 주파수가 증가함에 따라, 상기 컨버터에 포함된 평활소자의 리액턴스가 감소하고, 상기 인덕턴스 소자의 리액턴스가 증가하는 LED 조명 기구.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 감지부는
   상기 발광부의 출력단에 접속되고, 상기 발광부에서 전달된 전원에 기초하여 구동되는 감지용 발광 다이오드,
   상기 발광부의 출력단에, 상기 감지용 발광 다이오드와 병렬로 접속되어, 상기 감지용 발광 다이오드에서 발광된 광을 감지하는 광 센서를 포함하되,
   상기 전압의 변화에 따라 상기 광 센서의 저항값이 변화하고,
   상기 스위칭 제어부는 상기 광 센서의 저항값에 기초하여 제어신호의 주파수를 조절하는 LED 조명 기구.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 스위칭 제어부는 상기 광 센서의 저항값이 증가하면 상기 제어신호의 주파수를 감소시키고, 상기 광 센서의 저항값이 감소하면 상기 제어신호의 주파수를 증가시키는 LED 조명 기구.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 정류부 및 컨버터는 상기 제 1 결합부에 내장되고,
    상기 감지부, 인덕턴스 소자, 스위칭 제어부 및 스위칭부는 상기 제 2 결합부에 내장되는 LED 조명 기구.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징의 관경과 관의 길이는 표준 형광등과 관경 및 관의 길이가 각각 동일한 것인 LED 조명 기구.
12. 교류 전원을 정류시킨 전원에 기초하여 LED어레이를 발광시키면서 플리커(flicker) 현상을 최소화한 LED 전원 공급 장치에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하고, 감지된 전압 변화에 기초하여 역률 보상을 수행하는 LED 전원 공급 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는,
    교류 전원을 정류하여 하나 이상의 LED를 포함하는 발광부에 제공하는 정류부,
    상기 정류부에서 출력된 전원을 승압하여 상기 발광부로 공급하는 컨버터,
    상기 발광부의 출력단에 일단자가 접속된 인덕턴스 소자,
    상기 인덕턴스 소자와 병렬 관계를 갖도록 상기 발광부의 출력단에 접속되어, 상기 발광부에 공급된 전원의 전압 변화를 감지하는 감지부,
    상기 감지부에서 감지된 전압 변화에 기초하여 제어신호를 생성하는 스위칭 제어부,
    상기 스위칭 제어부의 제어신호에 따라 상기 인덕턴스의 타단자와 접지 단자 사이를 선택적으로 접속시키는 스위칭부를 포함하되,
    상기 제어신호의 주파수가 증가함에 따라, 상기 컨버터에 포함된 평활소자의 리액턴스가 감소하고, 상기 인덕턴스 소자의 리액턴스가 증가하는 LED 전원 공급 장치.

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