KR20140135453A

KR20140135453A - 다수의 ｌｅｄ 모듈을 구동하는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 led 조명 장치

Info

Publication number: KR20140135453A
Application number: KR20130055716A
Authority: KR
Inventors: 임행삼
Original assignee: 임행삼
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-11-26
Also published as: KR101518554B1

Abstract

본 발명은 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로컨트롤러를 제어 장치로 사용하여 다수의 LED 모듈 전원을 제어함으로써 다수의 LED 모듈을 구동하고 LED 모듈에 흐르는 전류가 일정한 범위의 값을 갖도록 제어되는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치에 관한 것이다.
상기 전원 공급 장치는 교류 전원의 입력 교류 전압을 입력 직류 전압으로 변환하는 정류 회로로 구성되는 직류 전원부; 상기 입력 직류 전압을 제어 장치 전압으로 변환하는 정전압 회로로 구성되는 제어 전원부; 상기 제어 장치 전압에 의해 구동되고, 다수의 스위치부의 전류를 아날로그 입력 신호로 입력받고, 높은 전압 제어 신호와 낮은 전압 제어 신호로 변환 처리하고, 상기 스위치부로 출력하는 제어부; 상기 높은 전압 제어 신호와 낮은 전압 제어 신호에 의해 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 전환되는 스위치 회로로 구성되는 다수의 스위치부; 및 상기 스위치부의 온 상태 또는 오프 상태에 의해 상기 입력 직류 전압을 다수의 LED 모듈 전압으로 변환하는 직류-직류 전압 변환 장치로 구성되는 다수의 LED 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
LED 조명 장치는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치 및 상기 전원 공급 장치에 의해 구동되는 다수의 LED 모듈로 구성되며, 상기 LED 모듈은 직렬 연결되는 다수의 LED를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다수의 ＬＥＤ 모듈을 구동하는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치 {Power supplies to drive the multiple LED modules and the lighting apparatus including the same}

본 발명은 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로컨트롤러를 제어 장치로 사용하여 다수의 LED 모듈 전원을 제어함으로써 다수의 LED 모듈을 구동하고 LED 모듈에 흐르는 전류가 일정한 범위의 값을 갖도록 제어되는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치에 관한 것이다.

LED는 에너지 효율, 수명, 환경 등 여러 측면에서 기존 광원에 비해 우수한 평가를 받고 있다. 조명 분야에서는 이러한 LED를 광원으로 한 조명 장치를 개발하는데 노력을 기울이고 있다. 또한 LED는 기존 광원에서는 구현하기 힘든 천연색을 표현하는 능력이 뛰어나 여러 가지 디스플레이 분야에서도 많은 적용이 이루어지고 있다.

그러나 LED는 반도체 소자가 갖는 단점을 갖고 있는데, 특히 열이 문제 된다. 열은 LED가 발광하면서 LED에 흐르는 전류의 크기가 클수록 많이 발생한다. 열은 LED 소자의 전기적 특성과 광학적 특성을 변화시키는데, 이는 빛을 제어하는 입장에서 매우 곤란한 상황을 야기한다. 따라서 여러 개의 LED 소자로 연결된 LED 모듈에 흐르는 전류가 일정한 범위의 값을 갖도록 제어되는 전원 공급 장치가 필요하다.

종래의 LED 모듈용 전원 공급 장치는 변압기를 사용하여 높은 전류와 낮은 전압을 출력하는 형식이 일반적인데, 이는 직병렬 혼합 형태를 갖는 LED 모듈만을 구동할 수 있다. 만약 직렬로 연결된 한쪽 직렬 LED가 고장이 나면, 여기로 흐르던 전류는 병렬 연결된 다른 쪽 직렬 LED로 흐르게 되어 높은 전류로 인한 예상치 못한 추가 열을 발생시킬 수 있다. 이는 전체 LED 모듈의 신뢰성에 나쁜 영향을 미친다. 따라서 높은 전류와 낮은 전압을 출력하는 형식과 다른 LED 모듈용 전원 공급 장치가 필요하다.

또한 종래의 LED 모듈용 전원 공급 장치를 가지고 천연색을 구현할 경우, 3개(RGB)의 독립된 LED 모듈을 구동할 수 있는 독립된 3개의 정전류 공급이 가능한 전원 공급 장치가 있어야 한다. 이는 종래의 LED 모듈용 전원 공급 장치의 구조에서는 복잡한 변화와 많은 비용을 초래한다. 따라서 독립된 LED 모듈을 구동하는데 필요한 부분을 최소로 할 수 있는 구조를 갖는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치가 필요하다.

본 발명이 해결하려는 과제로 하고 있는 종래 기술의 문제점은 변압기를 사용하여 높은 전류와 낮은 전압을 출력하는 형식으로 직병렬 혼합 형태를 갖는 LED 모듈만을 구동할 수 있다는 점이다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 변압기를 사용하지 않고 낮은 전류와 높은 전압을 출력하는 형식으로 직렬 형태를 갖는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치를 만든다. 또한 천연색을 구현할 경우, 3개(RGB)의 독립된 LED 모듈을 구동할 수 있는 독립된 3개의 정전류 공급이 가능한 전원 공급 장치가 필요한데, 종래의 LED 모듈용 전원 공급 장치의 구조는 복잡한 변화와 많은 비용을 초래한다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 독립된 다수의 LED 모듈을 구동하는데 필요한 부분을 최소로 할 수 있는 구조를 갖는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치와 이를 구비하는 LED 조명 장치를 만든다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은 교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)을 다수의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 변환하여 다수의 LED 모듈(201,202)을 구동하는 전원 공급 장치(100)와 이를 구비하는 LED 조명 장치(300)를 만드는 것이다.

상기 전원 공급 장치(100)는 교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)을 입력 직류 전압(VDC)으로 변환하는 정류 회로로 구성되는 직류 전원부(110); 상기 입력 직류 전압(VDC)을 제어 장치 전압(VCC)으로 변환하는 정전압 회로로 구성되는 제어 전원부(120); 상기 제어 장치 전압(VCC)에 의해 구동되고, 다수의 스위치부(141,142)의 전류를 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2)로 입력받고, 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)로 변환 처리하고, 상기 스위치부(141,142)로 출력하는 제어부(130); 상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)에 의해 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 전환되는 스위치 회로로 구성되는 다수의 스위치부(141,142); 및 상기 스위치부(141,142)의 온 상태 또는 오프 상태에 의해 상기 입력 직류 전압(VDC)을 다수의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 변환하는 직류-직류 전압 변환 장치로 구성되는 다수의 LED 전원부(151,152)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 직류 전원부(110)는 브리지 다이오드(B)로 구성되고, 상기 제어 전원부(120)는 정전압 회로로 구성되고, 상기 제어부(130)는 마이크로컨트롤러(X)로 구성되고, 상기 스위치부(141,142)는 NPN 트랜지스터(Q1,Q2), 전류 감지 저항(RE1,RE2) 및 전류 제한 저항(RB1,RB2)으로 구성되고, 상기 LED 전원부(151,152)는 인덕터(L1,L2), 다이오드(D1,D2) 및 커패시터(C1,C2)로 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어 전원부(120)는 상기 입력 직류 전압(VDC)의 값을 감지하여 스위치 OFF부(122)를 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 만드는 전압 감지부(121); 상기 전압 감지부(121)의 출력 값에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 전환되어 스위치 ON부(123)를 온 상태 또는 오프 상태로 만들고 정전압 스위치부(124)를 오프 상태로 만드는 스위치 OFF부(122); 상기 스위치 OFF부(122)의 출력 값에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 전환되어 정전압 스위치부(124)를 온 상태로 만드는 스위치 ON부(123); 상기 스위치 OFF부(122)에 의해 오프 상태 또는 상기 스위치 ON부(123)에 의해 온 상태로 전환되어 정전압 전원부(125)를 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되도록 하는 정전압 스위치부(124); 상기 정전압 스위치부(124)에 의해 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되어 정전압부(126)를 구동하는 정전압 전원부(125); 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)를 정전압으로 변환하여 상기 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하는 정전압부(126)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전압 감지부(121)는 제너 다이오드(Z), 풀업 감지 저항(R1)과 풀다운 감지 저항(R2)으로 구성되고, 상기 스위치 OFF부(122)는 풀다운 다이오드(DB)와 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)로 구성되고, 상기 스위치 ON부(123)는 풀업 저항(R3)과 풀업 NPN 트랜지스터(N2)로 구성되고, 상기 정전압 스위치부(124)는 NMOSFET 트랜지스터(NM)로 구성되고, 상기 정전압 전원부(125)는 조정기 입력 커패시터(CB)로 구성되고, 상기 정전압부(126)는 집적회로로 만들어진 전압조정기(U)로 구성하는 것을 특징으로 한다.

LED 조명 장치(300)는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100) 및 상기 전원 공급 장치(100)에 의해 구동되는 다수의 LED 모듈(201,202)로 구성되며, 상기 LED 모듈(201,202)은 직렬로 연결되는 다수의 LED를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전원 공급 장치는 변압기를 사용하지 않고 간단한 구조를 갖으며, 낮은 전류와 높은 전압을 출력하는 형식으로 직렬 형태를 갖는 다수의 LED 모듈을 구동하며, LED 모듈의 구조 또한 간단하게 만들 수 있다. 또한 본 발명의 전원 공급 장치는 독립된 1개 이상의 LED 모듈을 구동하는데 적합한 구조를 갖으며, 마이크로컨트롤러를 통해 독립된 다수의 LED 모듈에 흐르는 전류를 제어하여 조도 조절이 가능하며, 원격 제어에 의해 조도 조절이 가능한 LED 조명 장치를 만들 수 있다.

도1은 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치, 다수의 LED 모듈 및 LED 조명 장치의 개념도.
도2는 도1의 개념을 실시한 회로도.
도3은 도2의 회로에 역류 방지 다이오드를 포함하는 회로도.
도4는 도2와 도3의 제어 전원부를 실시한 회로도.
도5는 도4의 회로에 역류 방지 다이오드를 포함하는 회로도(예1).
도6은 도4의 회로에 역류 방지 다이오드를 포함하는 회로도(예2).

본 발명의 실시 예인 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100), 다수의 LED 모듈(201,202) 및 LED 조명 장치(300)의 구조와 기능을 도1 내지 도6을 참조하여 설명한다.

먼저 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100), 다수의 LED 모듈(201,202) 및 LED 조명 장치(300)의 개념을 설명한다. 상기 전원 공급 장치(100)는 교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)을 다수의 LED 모듈(201,202)의 구동 전압인 다수의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 변환하는 장치다. 상기 LED 모듈(201,202)은 다수의 LED를 직렬 연결한 발광 장치다. 상기 LED 조명 장치(300)는 상기 전원 공급 장치(100)와 상기 LED 모듈(201,202)을 결합하여 구성된다.

상기 전원 공급 장치(100)는

교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)을 입력 직류 전압(VDC)으로 변환하는 정류 회로로 구성되는 직류 전원부(110);

상기 입력 직류 전압(VDC)을 제어 장치 전압(VCC)으로 변환하는 정전압 회로로 구성되는 제어 전원부(120);

상기 제어 장치 전압(VCC)에 의해 구동되고, 다수의 스위치부(141,142)의 전류를 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2)로 입력받고, 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)로 변환 처리하고, 상기 스위치부(141,142)로 출력하는 제어부(130);

상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)에 의해 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 전환되는 스위치 회로로 구성되는 다수의 스위치부(141,142); 및

상기 스위치부(141,142)의 온 상태 또는 오프 상태에 의해 상기 입력 직류 전압(VDC)을 다수의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 변환하는 직류-직류 전압 변환 장치로 구성되는 다수의 LED 전원부(151,152)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이제 본 발명의 실시 예인 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100)의 구조와 기능을 도2와 도3을 참조하여 상세하게 설명한다.

상기 직류 전원부(110)는 브리지 다이오드(B)로 구성되며, 교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)은 상기 브리지 다이오드(B)의 두 입력 단자에 연결되고, 상기 브리지 다이오드(B)의 양극 출력 단자는 입력 직류 전압(VDC) 단자에 해당되고, 상기 브리지 다이오드(B)의 음극 출력 단자는 기준점(GND) 단자에 해당된다. 상기 브리지 다이오드(B)의 정류 작용에 의해 상기 입력 교류 전압(VAC)은 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 변환된다. 상기 입력 직류 전압(VDC)은 상기 제어 전원부(120)와 상기 LED 전원부(151,152)의 구동 전압으로 인가된다.

상기 제어 전원부(120)는 상기 입력 직류 전압(VDC)을 제어 장치 전압(VCC)으로 변환하는 정전압 회로로 구성된다. 상기 제어 장치 전압(VCC)은 상기 제어부(130)의 구동 전압으로 인가된다.

상기 제어부(130)는 아날로그 비교기 또는 아날로그-디지털 변환기를 내장하고, 전원(VCC, GND) 단자, 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2) 단자, 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자를 포함하는 마이크로컨트롤러(X)로 구성되며, 상기 전원 단자(VCC, GND)는 상기 제어 장치 전압(VCC) 단자와 상기 기준점(GND) 단자에 연결되고, 상기 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2) 단자는 상기 스위치부(141,142)의 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 이미터 단자에 연결되고, 상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자는 상기 스위치부(141,142)의 전류 제한 저항(RB1,RB2)에 연결되고, 상기 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자는 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스 단자에 연결된다. 상기 마이크로컨트롤러(X)는 상기 스위치부(141,142)의 전류 감지 저항(RE1,RE2)의 양단 전압을 상기 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2)로 입력받고, 상기 스위치부(141,142)에 흐르는 전류로 계산 처리한 후, 적절한 펄스 파형을 상기 스위치부(141,142)의 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)로 출력한다.

상기 스위치부(141,142)는 NPN 트랜지스터(Q1,Q2), 전류 감지 저항(RE1,RE2) 및 전류 제한 저항(RB1,RB2)으로 구성된다. 상기 전류 감지 저항(RE1,RE2)은 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 이미터 단자와 상기 기준점(GND) 단자 사이에 연결되고, 상기 전류 제한 저항(RB1,RB2)은 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스 단자에 연결된다. 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 콜렉터 단자는 상기 LED 전원부(151,152)의 다이오드(D1,D2)의 양극 단자에 연결된다.

상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태는 상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 상기 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)의 상태에 따라 결정된다.

본 발명에 있어서 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태 제어는 낮은 전류 구동 방식과 높은 전류 구동 방식을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 낮은 전류 구동 방식은 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)가 온 상태를 유지하는데 필요한 최소의 베이스 전류를 공급하는 것으로 상기 마이크로컨트롤러(X)의 소비 전력을 줄일 목적으로 사용된다. 이를 위해 본 발명에서는 낮은 전류를 발생시키는 전용 회로를 사용하는 방식으로 구현한다. 상기 전용 회로는 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스 단자와 상기 마이크로컨트롤러(X)의 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자 사이에 상기 전류 제한 저항(RB1,RB2)을 연결하여 구성된다. 상기 높은 전류 구동 방식은 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)가 온 상태에서 오프 상태로 변하는 과도 상태의 시간을 단축시킬 목적으로 사용된다. 이것은 트랜지스터의 스위칭 특성에 관한 것으로 트랜지스터의 스위칭 속도는 베이스 전류에 크게 의존한다. 트랜지스터의 스위칭 속도를 높이기 위해서는 높은 베이스 전류가 요구된다. 이를 위해 본 발명에서는 높은 전류를 발생시키는 전용 회로를 사용하는 방식으로 구현한다. 상기 전용 회로는 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스 단자를 상기 마이크로컨트롤러(X)의 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자에 직접 연결하여 구성된다. 실제 회로에 사용되는 마이크로컨트롤러의 출력 특성에 따라 직접 연결하지 않고 저항을 삽입하는 경우, 상기 전류 제한 저항(RB1,RB2)의 값과 비교하여 매우 작은 값을 갖는 저항을 사용하여야 한다.

상기 LED 전원부(151,152)는 인덕터(L1,L2), 다이오드(D1,D2) 및 커패시터(C1,C2)로 구성되며, 상기 다이오드(D1,D2)의 음극 단자와 상기 커패시터(C1,C2)의 양극 단자는 직렬 연결되고, 상기 인덕터(L1,L2)는 상기 다이오드(D1,D2)의 양극 단자와 상기 커패시터(C1,C2)의 음극 단자에 병렬 연결된다. 상기 커패시터(C1,C2)의 음극 단자는 상기 입력 직류 전압(VDC)이 인가되는 단자로 도2와 같이 직접 연결되는 방식과 도3과 같이 역류 방지 다이오드(501)을 경유하여 연결되는 방식이 있다. 상기 역류 방지 다이오드(501)는 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 구동되는 상기 LED 전원부(151,152)가 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 함께 구동되는 상기 제어 전원부(120)에 전기적인 영향을 주는 것을 차단하기 위해 사용된다.

상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)가 온 상태인 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자에서 상기 인덕터(L1,L2), 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2), 상기 전류 감지 저항(RE1,RE2)을 경유하여 상기 기준점(GND) 단자로 이어지는 경로가 형성되어 전류가 흐른다. 상기 전류는 상기 인덕터(L1,L2)에 상기 전류의 값에 해당하는 에너지를 저장한다. 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)가 온 상태에서 오프 상태로 바뀐 경우, 상기 인덕터(L1,L2)에 흐르던 전류는 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)로 흐르지 못하고 상기 인덕터(L1,L2)에 저장된 에너지에 의해 상기 다이오드(D1,D2)로 흐르게 된다. 이 다이오드 전류는 상기 커패시터(C1,C2)를 충전한다. 이때 충전된 전압은 상기 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)에 해당된다. 상기 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)은 상기 LED 모듈(201,202)의 구동 전압으로 인가된다.

도4 내지 도6는 상기 제어 전원부(120)를 실시한 예를 보인 것이다.

상기 제어 전원부(120)는

상기 입력 직류 전압(VDC)의 값을 감지하여 스위치 OFF부(122)를 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 만드는 전압 감지부(121);

상기 전압 감지부(121)의 출력 값에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 전환되어 스위치 ON부(123)를 온 상태 또는 오프 상태로 만들고 정전압 스위치부(124)를 오프 상태로 만드는 스위치 OFF부(122);

상기 스위치 OFF부(122)의 출력 값에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 전환되어 정전압 스위치부(124)를 온 상태로 만드는 스위치 ON부(123);

상기 스위치 OFF부(122)에 의해 오프 상태 또는 상기 스위치 ON부(123)에 의해 온 상태로 전환되어 정전압 전원부(125)를 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되도록 하는 정전압 스위치부(124);

상기 정전압 스위치부(124)에 의해 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되어 정전압부(126)를 구동하는 정전압 전원부(125);

상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)를 정전압으로 변환하여 상기 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하는 정전압부(126)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이제 상기 제어 전원부(120)의 구조와 기능을 도4 내지 도6를 참조하여 상세하게 설명한다.

상기 전압 감지부(121)는 제너 다이오드(Z), 풀업 감지 저항(R1)과 풀다운 감지 저항(R2)으로 구성되며, 상기 입력 직류 전압(VDC)에 의해 구동되고, 상기 풀다운 감지 저항(R2)의 양단 전압으로 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 제어한다. 상기 입력 직류 전압(VDC)의 값이 상기 제너 다이오드(Z)의 제너 전압보다 큰 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC)에서 제너 전압을 뺀 전압은 상기 두 저항(R1,R2)에서 전압 분배되고, 풀다운 감지 저항(R2)의 양단 전압이 트랜지스터 온(on) 전압보다 크면, 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)는 온 상태가 된다. 반면 상기 입력 직류 전압(VDC)의 값이 상기 제너 다이오드(Z)의 제너 전압보다 작은 경우, 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)는 오프 상태가 된다.

상기 스위치 OFF부(122)는 풀다운 다이오드(DB)와 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)로 구성되며, 상기 풀다운 감지 저항(R2)의 양단 전압에 의해 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)가 제어되고, 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)의 상태에 따라 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)와 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어한다. 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)가 온 상태인 경우, 상기 풀업 NPN 트랜지스터(N2)는 오프 상태가 되고, 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)의 게이트 전압은 상기 풀다운 다이오드(DB)와 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 통해 방전된다. 결국 NMOSFET 트랜지스터(NM)는 오프 상태가 된다. 상기 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)가 오프 상태인 경우, 상기 풀업 NPN 트랜지스터(N2)는 온 상태가 된다.

상기 스위치 ON부(123)는 풀업 저항(R3)과 풀업 NPN 트랜지스터(N2)로 구성되며, 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)의 상태에 의해 상기 풀업 NPN 트랜지스터(N2)가 제어되고, 상기 풀업 NPN 트랜지스터(N2)의 상태에 따라 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어한다. 상기 풀업 NPN 트랜지스터(N2)가 온 상태인 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC)은 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)의 게이트 전압을 충전시키고, 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 온 상태로 만든다.

상기 정전압 스위치부(124)는 NMOSFET 트랜지스터(NM)로 구성되며, 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)는 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)와 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)의 상태에 의해 제어되고, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자와 상기 정전압 전원부(125) 사이의 회로 연결 상태를 제어한다. 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)가 온 상태인 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자와 상기 정전압 전원부(125) 사이의 회로는 단락 회로가 되어 상기 정전압 전원부(125)는 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전된다. 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)가 오프 상태인 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자와 상기 정전압 전원부(125) 사이의 회로는 개방 회로가 되어 상기 정전압 전원부(125)는 더 이상 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되지 못한다.

상기 정전압 전원부(125)는 조정기 입력 커패시터(CB)로 구성되며, 상기 조정기 입력 커패시터(CB)는 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)의 상태에 따라 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되고, 상기 정전압부(126)를 구동한다. 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)가 온 상태인 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC)은 상기 조정기 입력 커패시터(CB)를 충전과 동시에 상기 정전압부(126)를 구동한다. 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)가 오프 상태인 경우, 상기 조정기 입력 커패시터(CB)는 더 이상 충전되지 못하고, 충전되었던 조정기 입력 전압(VB)으로 상기 정전압부(126)를 계속 구동한다.

상기 정전압부(126)는 집적회로로 만들어진 전압조정기(U)로 구성되며, 상기 전압조정기(U)는 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)를 정전압으로 변환하여 상기 제어 장치 전압(VCC)으로 출력한다.

지금까지 상기 제어 전원부(120)의 구조와 구성 요소들의 기능을 설명하였고, 이제 전체 작동을 상기 입력 직류 전압(VDC)의 전압 범위를 두 구간으로 나누어 설명한다.

(1) 상기 입력 직류 전압(VDC)이 상기 전압 감지부(121)의 제너 다이오드(Z)의 제너 전압보다 작은 경우, 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)는 오프 상태가 되고, 이는 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)를 온 상태로 만들고, 이어서 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 온 상태로 만든다. 이때 상기 입력 직류 전압(VDC)은 상기 조정기 입력 커패시터(CB)를 충전과 동시에 상기 정전압부(126)를 구동한다.

(2) 상기 입력 직류 전압(VDC)이 상기 전압 감지부(121)의 제너 다이오드(Z)의 제너 전압보다 큰 경우, 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)는 온 상태가 되고, 이는 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)를 오프 상태로 만들고, 이어서 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 오프 상태로 만든다. 이때 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 커패시터(CB)에 충전된 조정기 입력 전압(VB)으로 상기 정전압부(126)를 계속 구동한다.

한편 NMOSFET 트랜지스터는 소스 단자에서 드레인 단자로 다이오드가 연결된 등가 회로를 갖는다. 이로 인해 드레인 전압이 소스 전압보다 작을 경우 소스에서 드레인으로 전류가 역류한다. 따라서 상기 전원 공급 장치(100)의 제어 전원부(120)의 회로를 도4의 회로로 실시할 경우, 상기 입력 직류 전압(VDC)이 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 커패시터(CB)에 충전된 조정기 입력 전압(VB)보다 작을 때, 상기 조정기 입력 전압(VB)은 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 통해 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자에 연결된 상기 전원 공급 장치(100)의 LED 전원부(151,152)로 방전될 수 있다. 이는 상기 정전압부(126)를 제대로 구동시킬 수 없는 상황을 만드는 것이다. 따라서 상기 조정기 입력 커패시터(CB)의 역류를 방지하기 위한 수단이 필요하게 된다. 도5는 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자로 전류가 나가지 못하도록 역류 방지 다이오드(502)를 포함한 회로를 나타낸 것이고, 도6은 상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)의 드레인 단자에서 전류가 나오지 못하도록 역류 방지 다이오드(503)를 포함한 회로를 나타낸 것이다.

본 발명에 있어서 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태를 제어하기 위한 상기 마이크로컨트롤러(X)의 제어 알고리듬을 설명한다.

상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온 상태 제어는 다음 순서에 따라 실시할 수 있다.

(1) 상기 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자를 하이 임피던스(high impedance) 상태로 만든다.

(2) 상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자에 높은 전압을 출력한다.

상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 오프 상태 제어는 다음 순서에 따라 실시할 수 있다.

(1) 상기 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자에 낮은 전압을 출력한다.

(2) 상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자를 하이 임피던스 상태로 만들거나 낮은 전압으로 출력한다.

상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온 상태 또는 오프 상태의 시간 비율 제어는 다음 순서에 따라 실시할 수 있다.

(1) 상기 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2) 단자의 전압을 입력 받는다.

(2) 상기 전압을 상기 LED 전원부(151,152)의 인덕터(L1,L2) 전류로 변환한다.

(3) 상기 전류 값이 미리 설정한 값보다 크면, 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온 상태 시간은 감소시키고 오프 상태 시간은 증가시킨다. 상기 전류 값이 미리 설정한 값보다 작으면, 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 온 상태 시간은 증가시키고 오프 상태 시간은 감소시킨다.

상기 제어 알고리듬 구현은 마이크로컨트롤러의 소프트웨어 부분으로 프로그래밍 기술을 필요로 한다. 또한 상기 마이크로컨트롤러(X)에 통신 모듈이 내장된 경우, 원격 제어를 통해 상기 LED 모듈에 흐르는 전류량을 제어할 수 있다. 또한 상기 스위치부와 상기 LED 전원부를 여러 개 추가하여 빨강 LED 모듈, 초록 LED 모듈 및 파랑 LED 모듈을 각각 구동하면, 천연색 LED 조명 장치를 구현할 수 있다.

이제 본 발명으로 실시할 수 있는 LED 조명 장치(300)의 구조와 기능을 설명한다.

LED 조명 장치(300)는 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100) 및 상기 전원 공급 장치에 의해 구동되는 다수의 LED 모듈(201,202)로 구성되며, 상기 LED 모듈(201,202)은 직렬로 연결되는 다수의 LED를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100)의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)의 양극 출력 단자는 상기 LED 모듈(201,202)의 직렬 연결된 LED의 양극 단자에 연결되고, 상기 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)의 음극 출력 단자는 상기 LED 모듈(201,202)의 직렬 연결된 LED의 음극 단자에 연결된다. 상기 LED 모듈(201,202)에 흐르는 전류는 상기 LED 모듈(201,202)의 직렬 연결된 LED가 갖는 전류-전압 특성에 따라 상기 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)에 해당하는 전류만큼 흐른다. 상기 LED 조명 장치(300)의 밝기 제어는 상기 다수의 LED 모듈을 구동하는 전원 공급 장치(100)의 마이크로컨트롤러(X)의 소프트웨어에 의해 구현된다.

100 : 전원 공급 장치
110 : 직류 전원부
120 : 제어 전원부
121 : 전압 감지부
122 : 스위치 OFF부
123 : 스위치 ON부
124 : 정전압 스위치부
125 : 정전압 전원부
126 : 정전압부
130 : 제어부
141,142 : 스위치부
151,152 : LED 전원부
201,202 : LED 모듈
300 : LED 조명 장치
400 : 교류 전원
501,502,503 : 역류 방지 다이오드
VAC : 입력 교류 전압
VDC : 입력 직류 전압
VCC : 제어 장치 전압
VB : 조정기 입력 전압
VLED1,VLED2: LED 모듈 전압
AIN1,AIN2 : 아날로그 입력 신호
VH1,VH2 : 높은 전압 제어 신호
VL1,VL2 : 낮은 전압 제어 신호
GND : 기준점

Claims

교류 전원(400)의 입력 교류 전압(VAC)을 입력 직류 전압(VDC)으로 변환하는 정류 회로로 구성되는 직류 전원부(110);
상기 입력 직류 전압(VDC)을 제어 장치 전압(VCC)으로 변환하는 정전압 회로로 구성되는 제어 전원부(120);
상기 제어 장치 전압(VCC)에 의해 구동되고, 다수의 스위치부(141,142)의 전류를 다수의 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2)로 입력받고, 다수의 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 다수의 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)로 변환 처리하여 상기 스위치부(141,142)로 출력하는 제어부(130);
상기 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2)와 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2)에 의해 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 전환되는 스위치 회로로 구성되는 다수의 스위치부(141,142); 및
상기 스위치부(141,142)의 온 상태 또는 오프 상태에 의해 상기 입력 직류 전압(VDC)을 다수의 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 변환하는 직류-직류 전압 변환 장치로 구성되는 다수의 LED 전원부(151,152)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치(100).
청구항 1에 있어서,
직류 전원부(110)는 브리지 다이오드(B)를 포함하고, 상기 브리지 다이오드(B)의 입력은 입력 교류 전압(VAC)에 연결되고, 상기 브리지 다이오드(B)의 출력인 입력 직류 전압(VDC)은 제어 전원부(120)와 다수의 LED 전원부(151,152)를 구동하고;
상기 제어 전원부(120)는 정전압 회로를 포함하고, 상기 입력 직류 전압(VDC)을 제어 장치 전압(VCC)으로 변환하여 제어부(130)를 구동하고;
상기 제어부(130)는 아날로그 비교기 또는 아날로그-디지털 변환기를 내장하고, 전원(VCC, GND) 단자, 다수의 아날로그 입력 신호(AIN1,AIN2) 단자, 다수의 높은 전압 제어 신호(VH1,VH2) 출력 단자와 다수의 낮은 전압 제어 신호(VL1,VL2) 출력 단자를 포함하는 마이크로컨트롤러(X)를 포함하고, 상기 마이크로컨트롤러(X)는 다수의 스위치부(141,142)를 제어하고;
상기 스위치부(141,142)는 NPN 트랜지스터(Q1,Q2), 전류 감지 저항(RE1,RE2) 및 전류 제한 저항(RB1,RB2)을 포함하고, 상기 NPN 트랜지스터(Q1,Q2)의 콜렉터 단자는 LED 전원부(151,152)의 스위칭 작동을 제어하고;
상기 LED 전원부(151,152)는 인덕터(L1,L2), 다이오드(D1,D2) 및 커패시터(C1,C2)를 포함하고, 상기 커패시터(C1,C2)의 음극 단자는 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자에 연결되고, 상기 커패시터(C1,C2)의 전압은 LED 모듈 전압(VLED1,VLED2)으로 출력되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치(100).
청구항 2에 있어서,
LED 전원부(151,152)의 커패시터(C1,C2)의 음극 단자와 직류 전원부(110)의 입력 직류 전압(VDC) 단자 사이에 역류 방지 다이오드(501)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치(100).
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
제어 전원부(120)는
직류 전원부(110)의 입력 직류 전압(VDC)의 값을 감지하여 스위치 OFF부(122)를 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 만드는 전압 감지부(121);
스위치 ON부(123)를 온 상태 또는 오프 상태로 만들고, 정전압 스위치부(124)를 오프 상태로 만드는 스위치 OFF부(122);
상기 정전압 스위치부(124)를 온 상태로 만드는 스위치 ON부(123);
정전압 전원부(125)를 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되도록 하는 정전압 스위치부(124);
정전압부(126)를 구동하는 정전압 전원부(125); 및
상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)을 정전압으로 변환하여 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하는 정전압부(126)를 포함하고,
상기 전압 감지부(121)는 제너 다이오드(Z), 풀업 감지 저항(R1)과 풀다운 감지 저항(R2)을 포함하고, 상기 입력 직류 전압(VDC)에 의해 구동되고, 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 제어하고;
상기 스위치 OFF부(122)는 풀다운 다이오드(DB)와 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 포함하고, 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)와 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어하고;
상기 스위치 ON부(123)는 풀업 저항(R3)과 풀업 NPN 트랜지스터(N2)를 포함하고, 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어하고;
상기 정전압 스위치부(124)는 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 포함하고, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자와 상기 정전압 전원부(125) 사이의 회로 연결 상태를 제어하고;
상기 정전압 전원부(125)는 조정기 입력 커패시터(CB)를 포함하고, 정전압부(126)를 구동하고;
상기 정전압부(126)는 집적회로로 만들어진 전압조정기(U)를 포함하고, 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)을 정전압으로 변환하여 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하고;
상기 입력 직류 전압(VDC) 단자로 전류가 나가지 못하도록 역류 방지 다이오드(502)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치(100).
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
제어 전원부(120)는
직류 전원부(110)의 입력 직류 전압(VDC)의 값을 감지하여 스위치 OFF부(122)를 온(on) 상태 또는 오프(off) 상태로 만드는 전압 감지부(121);
스위치 ON부(123)를 온 상태 또는 오프 상태로 만들고, 정전압 스위치부(124)를 오프 상태로 만드는 스위치 OFF부(122);
상기 정전압 스위치부(124)를 온 상태로 만드는 스위치 ON부(123);
정전압 전원부(125)를 상기 입력 직류 전압(VDC)으로 충전되도록 하는 정전압 스위치부(124);
정전압부(126)를 구동하는 정전압 전원부(125); 및
상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)을 정전압으로 변환하여 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하는 정전압부(126)를 포함하고,
상기 전압 감지부(121)는 제너 다이오드(Z), 풀업 감지 저항(R1)과 풀다운 감지 저항(R2)을 포함하고, 상기 입력 직류 전압(VDC)에 의해 구동되고, 상기 스위치 OFF부(122)의 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 제어하고;
상기 스위치 OFF부(122)는 풀다운 다이오드(DB)와 풀다운 NPN 트랜지스터(N1)를 포함하고, 상기 스위치 ON부(123)의 풀업 NPN 트랜지스터(N2)와 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어하고;
상기 스위치 ON부(123)는 풀업 저항(R3)과 풀업 NPN 트랜지스터(N2)를 포함하고, 상기 정전압 스위치부(124)의 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 제어하고;
상기 정전압 스위치부(124)는 NMOSFET 트랜지스터(NM)를 포함하고, 상기 입력 직류 전압(VDC) 단자와 상기 정전압 전원부(125) 사이의 회로 연결 상태를 제어하고;
상기 정전압 전원부(125)는 조정기 입력 커패시터(CB)를 포함하고, 정전압부(126)를 구동하고;
상기 정전압부(126)는 집적회로로 만들어진 전압조정기(U)를 포함하고, 상기 정전압 전원부(125)의 조정기 입력 전압(VB)을 정전압으로 변환하여 제어 장치 전압(VCC)으로 출력하고;
상기 NMOSFET 트랜지스터(NM)의 드레인 단자에서 전류가 나오지 못하도록 역류 방지 다이오드(503)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치(100).
청구항 4의 전원 공급 장치(100); 및
상기 전원 공급 장치에 의해 구동되는 다수의 LED 모듈(201,202)을 포함하고, 상기 LED 모듈(201,202)은 다수의 LED를 직렬 연결되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치(300).
청구항 5의 전원 공급 장치(100); 및
상기 전원 공급 장치에 의해 구동되는 다수의 LED 모듈(201,202)을 포함하고, 상기 LED 모듈(201,202)은 다수의 LED를 직렬 연결되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 장치(300).