KR20150115265A - Led 조명의 전류제공장치 및 led 조명 - Google Patents

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Abstract

전류제공부, 상기 전류제공부의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부, 및 상기 전류제공부의 일 단자와 상기 LED부의 일 단자 사이에 연결되어 있는 커패시터를 포함하는 조명장치를 공개한다. 상기 조명장치는 상기 전류제공부에 입력되는 입력전압이 상기 LED부의 순방향전압보다 큰 구간에서는 상기 커패시터에 에너지를 저장하도록 되어 있으며, 상기 전류제공부에 입력되는 입력전압이 상기 LED부의 순방향전압보다 작은 구간에서는 상기 커패시터에 저장되어 있던 에너지 중 일부를 상기 LED부에게 제공하도록 되어 있다.

Description

LED 조명의 전류제공장치 및 LED 조명{LED light and device for providing current for the same}
본 발명은 복수 개의 LED 패키지들이 결합되어 있는 교류전원 동작용 LED 조명 시스템에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 PN 다이오드 형성을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색의 광을 구현할 수 있는 일종의 반도체 소자를 말한다. 이러한 발광 소자는 수명이 길고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 저전압 구동이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 이러한 LED는 충격 및 진동에 강하고, 예열시간과 복잡한 구동이 불필요하며, 다양한 형태로 기판이나 리드프레임에 실장한 후, 패키징할 수 있어서 여러 가지 용도로 모듈화하여 백라이트 유닛(backlight unit)이나 각종 조명 장치 등에 적용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 LED 구동회로(101)이다.
도 1의 회로는 LED를 구동하기 위한 기본적인 구조의 예를 나타낸다. 도 1a에 따른 LED 구동회로(101)는 전원부(20)와 LED 어레이(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 전원부(20)는 정류회로를 포함할 수 있다. 전원부(20)는 외부의 교류전원(10)에 연결되어 있을 수 있다. 또한, LED 구동회로(101)는 전원부(20)를 통과한 맥류 전압을 평활하기 위한 커패시터(capacitor)(C1)(70)를 더 포함할 수 있다. 이때, 커패시터(70)의 제1측에 저항(R)의 일 단부가 연결되고, 저항(R)의 타단부에 LED 어레이(30)가 연결되어 있을 수 있다. 이때, 예컨대, 커패시터(70)는 평활용 콘덴서를 이용하여 구현될 수 있다. 이때, 도 1에 나타낸 전압(VLED)은 LED 어레이(30)가 턴-온(turn-on)되기 위한 문턱전압(즉, 순방향 전압)을 의미한다. 이때 LED 어레이(30)에 흐르는 전류(ILED(t))는 입력전류(IS(t))에서 커패시터(C1)(70)에 흐르는 전류(IC1(t))를 뺀 값일 수 있다(즉,
Figure pat00001
)
상기 LED 조명이 턴-온 되는 순간에 커패시터(70)를 통해 큰 순간 전류가 흐른다. 따라서 LED 구동회로(101) 전체의 역률이 작다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 전원부(20)를 통과한 입력전원의 전압(VS(t))의 레벨에 따라 켜지는 LED 조명의 개수를 조절하도록 하는 교류방식을 사용할 수 있다. 상기 교류방식은 커패시터(70)를 사용하지 않기 때문에, 역률이 악화되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 커패시터(70)를 없앰으로 인해 불빛의 플리커(flicker)가 100%까지 되는 단점이 있다.
이상, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 기재한 일 실시예에 따른 발명은 본 발명의 일 실시예에 따라 청구하는 청구범위의 이해를 돕기 위한 배경기술을 의미하는 것이며, 본 발명의 출원 시점에 이미 존재하던 종래기술로서 인정하는 것은 아니다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 역률을 개선하고 광변환 효율을 높일 수 있는 LED 구동회로 및 시스템을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 조명장치는, 전류제공부; 및 상기 전류제공부의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부를 포함하며, 상기 전류제공부는, 상기 전류제공부에 입력되는 전압이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있다.
이때, 상기 전류제공부는, 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하며, 상기 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며, 상기 전압의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화될 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 전류원은 서로 병렬로 연결되어 있으며, 상기 복수 개의 전류원 중 제1 전류원의 제1 드레인 단자와 제2 전류원의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 전류제공부는, 서로 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터를 포함하며, 상기 복수 개의 트랜지스터의 게이트들에는 서로 다른 크기의 게이트 전압이 인가되도록 되어 있고, 상기 복수 개의 트랜지스터는, 각 게이트에 인가되는 전압이 클수록 더 큰 전류를 제공하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 트랜지스터 중 제1 트랜지스터의 제1 드레인 단자와 제2 트랜지스터의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 서로 연결되어 있는 상기 복수 개의 트랜지스터의 소스들과 상기 전류출력단자 사이에는 감지저항이 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 서로 다른 크기의 게이트 전압은 상기 전류출력단자의 전압을 기초로 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라 제공되는 조명장치는, 비직류전압을 제공하는 전원부; 전류제공부; 및 상기 전류제공부의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부를 포함하며, 상기 전류제공부는, 상기 전류제공부에 입력되는 상기 비직류전압이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있다.
이때, 상기 전류제공부는, 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하며, 상기 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며, 상기 비직류전압의 크기가 커질수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라 제공되는 조명제어장치는, 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하는 전류제공부를 포함하며, 상기 전류제공부의 전류출력단자에는 LED부가 연결되도록 되어 있으며, 상기 전류제공부에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며, 상기 전압의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 높은 역률과 광변환 효율을 갖는 LED 구동회로 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 LED 구동회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 LED 구동회로를 나타내는 회로도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 LED 구동회로에서 전원부를 통과한 입력전원의 전압(VS(t))과 전류(IS(t))의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로를 나타내는 회로도이다.
도 3b 내지 도 3d는 LED 어레이의 구조의 예를 나타낸 것이다.
도 4a는 도 3a의 전류원 어레이에서 오직 전류원(I0)만 턴-온된 상태를 나타낸다. 도 4b는, 오직 전류원(I0)만 턴-온된 상태에 있어서, 도 4a에 도시된 회로도에서 전원부에서 출력된 전압(VS(t))과 전류(IS(t))의 파형을 나타낸다.
도 5a는 도 3의 전류원 어레이에서 오직 전류원(IK)만 턴-온된 상태를 나타낸다. 도 5b는 도 5a에 도시된 회로도에서 전원부에서 출력된 전압(VS(t))과 노드 f에서의 전압(VS,K(t))의 파형을 나타낸다.
도 6a는, 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로에서, 전류원 어레이에 5개의 전류원(I0, I1, I2, I3, I4)이 포함되어 구성되어 있는 경우의 입력전원의 전압(VS(t))과 전류(IS(t))의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6b는 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동회로에서, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있는 경우의 입력전원의 전류(IS(t))와 LED 어레이의 전류(ILED(t))의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6c는 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동회로에서, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있지 않는 경우의 입력전원의 전류(IS(t)) 및 정상상태에서의 LED 어레이의 전류(ILED(t))의 파형을 나타내는 그래프이다.
7a는 도 3a에 도시한 LED 구동회로에서, 각 전류원에 해당하는 부분을 나타낸다. 도 7b는 도 7a의 전류원의 구체적인 구현 예를 나타낸다. 도 7c는 도 7a에서의 전압(V(t))와 전류(I(t))의 대응관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 7b에 따른 회로를 적용한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로를 나타낸다.
도 9a는 도 8의 실시예에서, 전류원(IV0)만 턴-온된 상태일 경우의 회로도를 나타내며, 도 9b는 전류원(IV2)만 턴-온된 상태일 경우의 회로도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
상술한 도 1에 따른 회로에서, 커패시터(70)를 사용함에 따른 순간전류현상을 없애기 위해서는 LED 어레이(30)가 켜지는 순간에 전류가 무한정 흐르는 현상을 방지하면 된다. 이를 해결할 수 있는 다른 실시예에 따른 LED 구동회로(102)를, 이하 도 2a 및 도 2b를 참고하여 설명한다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 LED 구동회로(102)를 나타내는 도면이다.
도 2b의 그래프(21)는 도 2a의 전압(VS(t))의 반주기 파형을 나타낸다. 그래프(21)에서, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 전압(VS(t))의 크기를 나타낸다. 도 2b의 그래프(22)는 도 2a의 전류(IS(t))의 파형을 나타낸다. 그래프(22)에서, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 전류(I)의 크기를 나타낸다. 이하, 도 2a 및 도 2b를 함께 참고하여 설명한다.
도 2a에 도시된 LED 구동회로(102)는 전원부(20)의 제1측(지점(d))과 커패시터(70)의 제1측(지점(e)) 사이에 제1 전류원(41)이 더 포함되어 구성되어 있다. 이때, 전압(VL(t))의 값이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)의 값을 넘을 경우(VL(t) > (VLED)), 제1 전류원(41)의 전류값은 I0의 값을 갖도록 되어 있다. 따라서 전원부(20)의 전류(IS(t))가 I0의 값으로 일정하게 유지되는 동안, 전원부(20)의 전압(VS(t))의 값은 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)의 값을 초과한다(VS(t) > VLED). 이때, 입력전류(IS(t))가 I0 값으로 일정하게 유지되므로, 정상상태(steady state)에서는 LED 어레이(30)에 흐르는 전류(ILED(t)) 또한 전원부(20)의 전류(IS(t)), 즉, I0 값과 동일할 수 있다(IS(t)=ILED(t)=I0).
이에 대해 도 2b를 참고하여 설명하면, 도 2b의 그래프(21)와 같이, 전원부(20)의 전압(VS(t))의 값이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)보다 낮은 전압 구간(PO)에서는 제1 전류원(41)에 전류가 흐르지 않는다. 따라서 구간(PO)의 정상상태에 있어서, LED 어레이(30)에는 전류가 흐르지 않는다.
그리고 제1 전류원(41)에 일정한 전류(I0)가 흐르는 시구간에서는 전압(VS(t))의 값이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)보다 높은 구간(PA)에 있다. 따라서 구간(PA)의 정상상태에 있어서, LED 어레이(30)에는 일정한 전류(I0)가 흐를 수 있다.
이때, 회로부(110)에서 소비되는 소비전력(PT1)은 전원부(20)의 입력전압(VS(t))과 입력전류(IS(t))의 파형의 모양에 의해 결정되도록 되어 있다(즉,
Figure pat00002
).
도 2a의 구성에 따르면, 제1 전류원(41) 덕분에, 순간 피크 전류가 흐르는 현상을 방지할 수 있으며, 그 결과 역률을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 2b의 구간(PA)에서는, 도 2b의 그래프(21)의 'A' 부분이 LED 어레이(30)에서 소비되는 전력(PLED)에 기여한다. 그리고 도 2b의 그래프(21)의 'B' 부분이 제1 전류원(41)에서 소비되는 전력(PI0)에 기여한다. 제1 전류원(41)에서 소비되는 전력(PI0)은 빛으로 전환되지 않기 때문에 전체적인 광 효율을 떨어뜨린다. 따라서 전류원에서 열로서 소비되는 에너지를 줄일 필요가 있다.
아래의 수학식 1은, 도 2a에 도시된 구간(PA) 중 정상상태 구간에서, LED 어레이(30)의 소비전력(PLED), 회로부(110)의 전체소비전력(PT1), 및 제1 전류원(41)의 소비전력(PI0)의 값을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure pat00003

도 2a와 같이 전류원을 한 개만 사용하는 경우에는 전류(IS(t))의 파형의 모양이 단순한 구형파이기 때문에 회로 전체의 역률의 향상에 한계가 있다. 또한, LED 어레이(30)의 광방출 효율도 향상시키기 어렵다.
<제1 실시예>
상술한 문제점들을 해결하기 위한 방법으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로를 이하 도 3a 내지 도 6을 함께 참고하여 설명한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로(103)를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a의 LED 구동회로(103)는, 전원부(20), 전류원 어레이(60), 및 LED 어레이(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 전류원 어레이(60)의 제1측(노드 e)과 LED 어레이(30)의 제1측(노드 a) 사이에는 저항(RS)(50) 및 커패시터(C1)(70)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 도 3a에 도시된 제2 전류원(80)은 실시예에 따라 생략될 수도 있다.
이때, 전원부(20)는 외부로부터 입력받은 상용의 교류전원(10)을 반파 정류, 또는 전파 정류한 파형을 제공할 수 있다. 이를 위하여, 전원부(20)는 브릿지 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 또는, 전원부(20)는 정현파형이 아닌 임의의 모양으로 형성된 파형을 제공할 수도 있다.
전류원 어레이(60)는 복수 개(N+1)의 전류원(I0, I1, I2, …, IN)을 포함하여 구성될 수 있다(단, N은 자연수). 이때, 전류원 어레이(60)의 일측 단자는 전원부(20)의 일측 단자에 연결될 수 있다(단자 d). 그리고 전류원(I0, I1, I2, …, IN)들은 서로 병렬로 연결되어 있을 수 있다. 또한 전류원 어레이(60)는 복수 개(N)의 다이오드 세트(D1, D2, D3, …, DN)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 다이오드 세트(DN)는 전류원(IN-1)의 일측과 전류원(IN)의 일측 사이에 연결되어 있을 수 있다. 이때, 복수 개(N)의 다이오드 세트 전체의 양단의 전압(VN)은 각각의 다이오드 세트(D1, D2, D3, …, DN)의 양단의 전압(VD1, VD2, VD3, …, VDN)의 합과 같다(즉,
Figure pat00004
). 그리고 각각의 다이오드 세트는 한 개 또는 복수 개의 다이오드들로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에서는 상기 각각의 다이오드 세트가 LED 세트로 대체될 수 있다. 이 경우, 이 LED 세트 중 일부 또는 전부에서 특정 시구간에서 빛을 방출할 수도 있다.
도 3b 내지 도 3d는 LED 어레이(30)의 구조의 예를 나타낸 것이다. LED 어레이(30)는 도 3b에 도시한 바와 같이, 복수 개의 LED 패키지(200)들이 서로 직렬로 연결된 것일 수 있다. 이때, 각각의 LED 패키지(200)는 도 3c에 나타낸 바와 같이, 도 3d에 나타낸 복수 개의 LED 칩(300)들 서로 직렬로 결합된 것일 수 있다. 이때, LED 어레이(30)에 포함된 각각의 LED 칩(300)의 순방향전압(Vfv)은 모두 같을 수도 있고, 일부 또는 전부 서로 다를 수도 있다. 그리고 LED 패키지(200) 내에 포함된 한 개 또는 복수 개의 LED 칩(300)들은 육안으로는 식별되지 않을 수도 있다.
도 3a에 따른 LED 구동회로(103)에서는 입력전류(IS(t))의 일부가 커패시터(70)에 축적되었다가 방전되도록 되어 있다.
이때, 커패시터(70)에 축적된 에너지는, 입력전압(VS(t))이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)보다 낮은 구간 동안, LED 어레이(30)에게 공급될 수 있다. 따라서 LED 어레이(30)는 끊임없이 빛을 발생할 수 있으며, LED 조명의 플리커(flicker) 현상을 저감할 수 있다.
이때, 커패시터(C1)(70)의 용량에 따라, 사람에게 감지되는 플리커의 정도가 달라질 수 있다. 즉, 커패시터(70)의 용량을 늘리게 되면 플리커 현상은 줄어들 수 있다.
LED 어레이(30)에 흐르는 전류를 더 제한할수록 플러커 현상을 더 저감할 수 있다. LED 어레이(30)에 흐르는 전류를 더 제한하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로(103)는 제2 전류원(Id)(80)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제2 전류원(Id)(80)은 LED 어레이(30)의 제2측(지점(b))에 연결되어 있을 수 있으며, LED 어레이(30)에 흐르는 전류(ILED(t))를 일정한 크기의 전류(Id)로 흐르도록 한다.
한편 도 3a에 도시한 LED 구동회로(103)에서, 전류원(I0)만 턴-온(turn-on)된 상태일 경우와 전류원(IK)만 턴-온된 상태일 경우의 각각에 대해서 이하, 도 4a, 도 4b, 도 5a, 및 도 5b를 함께 참고하여 설명한다.
도 4a는 도 3a의 전류원 어레이(60)에서 오직 전류원(I0)만 턴-온된 상태를 나타낸다. 도 4b는, 오직 전류원(I0)만 턴-온된 상태에 있어서, 도 4a에 도시된 회로도(104)에서 전원부(20)에서 출력된 전압(VS(t))과 전류(IS(t))의 파형을 나타낸다.
도 5a는 도 3의 전류원 어레이(60)에서 오직 전류원(IK)만 턴-온된 상태를 나타낸다. 도 5b는 도 5a에 도시된 회로도(105)에서 전원부(20)에서 출력된 전압(VS(t))과 노드 f에서의 전압(VS,K(t))의 파형을 나타낸다.
도 4a에 도시한 회로도(104)와 같이, 입력전압(VS(t))의 크기가 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)을 넘어서게 되고 전류원(I0)이 도통되며 입력전류(IS(t))는 I0가 된다. 이때의 입력전압(VS(t))과 입력전류(IS(t))의 그래프는 도 4b에 도시한 바와 같을 수 있다.
이때, 전류원(I0)만 턴-온된 상태일 경우, 회로부(110)의 총 소비전력(PT2)은 전류원(I0)의 소비전력(PI0), 저항(RS)의 소비전력(PRS), LED 어레이(30)의 소비전력(PLED), 및 제2 전류원(Id)(80)의 소비전력(PId)을 합한 값일 수 있다(즉, PT2 = PI0 + PRS + PLED + PId). 아래의 수학식 2는 회로부(110)의 소비전력(PT2), LED 어레이(30)의 소비전력(PLED), 저항(RS)의 소비전력(PRS), 제2 전류원(Id)(80)의 소비전력(PId), 및 전류원(I0)의 소비전력(PI0)을 나타낸다.
[수학식 2]
Figure pat00005

이때, 입력전압(VS(t))의 값이 더 상승하여 입력전압(VS(t))의 값이, LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)과 전류원 어레이(60)에 포함되어 있는 다이오드 세트(D1)의 전압(VD1)의 합보다 큰 구간(즉, VS(t) > VLED+VD1)에 진입하면, 전류원(I0)은 턴-오프(Turn-off) 상태가 되고 전류원(I1)만이 도통 상태로 바뀌게 되어, 입력전류(IS(t))는 I1의 값을 갖도록 되어 있다.
이와 같이 반복하여, 입력전압(VS(t))이 전압(VLED+VD1+VD2+…+VDk)보다 높은 구간(즉, VS(t) > VLED+VD1+VD2+…+VDk)에 진입하면, 도 5a에 도시한 LED 구동회로(105)와 같이, 전류원(I0, I1, …, IK-1)은 모두 턴-오프 상태가 되고 전류원(IK)만이 도통되어 입력전류(IS(t))의 값은 IK가 된다. 이때의 입력전압(VS(t))과 전류원(IK)의 일 단부(노드 f)에서의 전압(VS,K(t))의 그래프는 도 5b에 도시한 바와 같을 수 있다. 이때, 노드 f에서의 전압(VS,K(t))의 값은 입력전압(VS(t))에서 K개의 다이오드 세트(D1, D2, D3, …, DK)의 순방향 전압(VD1, VD2, VD3, …, VDK)의 합(
Figure pat00006
)를 뺀 값일 수 있다(즉, VS,K(t) = VS(t)-VK).
아래의 수학식 3은, 도 5a에 도시된 회로부(110)의 소비전력(PT3), 다이오드 세트들(501)의 소비전력(PVK), 전류원(IK)(502)의 소비전력(PIK), 저항(RS)(503)의 소비전력(PRS), 및 LED 어레이(504)의 소비전력(PLED), 및 제2 전류원(Id)(505)의 소비전력(PId)을 나타낸다.
[수학식 3]
Figure pat00007

도 6a는, 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로(103)에서, 전류원 어레이(60)에 5개의 전류원(I0, I1, I2, I3, I4)이 포함되어 구성되어 있는 경우의 입력전원의 전압(VS(t))과 전류(IS(t))의 파형을 나타내는 그래프이다. 이때, 도 6a에 도시된 그래프(51)는 입력전압(VS(t))의 파형을 나타내는 그래프로써, 가로축은 시간(t)의 변화를 나타내며, 세로축은 전압(V)의 크기의 변화를 나타낸다. 그리고 도 6a에 도시된 그래프(52)는 입력전류(IS(t))의 파형을 나타내는 그래프로써, 가로축은 시간(t)의 변화를 나타내며, 세로축은 전류(I)의 크기의 변화를 나타낸다.
도 6a에서, 구간(tA)과 구간(tC)에서는 전류원 어레이(60)에 전류가 흐르지 않으며, 구간(tB)에서는 도 6a의 그래프(52)와 같이 전류원 어레이(60)에 전류(IS(t))가 흐르도록 되어 있다. 이에 따라, 구간(tA~tC)에서의 입력전압(VS(t))의 파형 또한 입력전류(IS(t))의 파형과 유사한 형태를 나타낼 수 있다. 이때, 도 6의 그래프(51)에 도시된 파형과 같이, 전류원의 개수에 따라 얼마든지 원하는 전류 스텝 파형을 만들 수 있다. 이때, 도 6a를 도 2b와 비교하여 살펴보면, 도 2a에 따른 회로의 전체 역률에 비하여, 도 3a에 따른 회로의 전체 역률이 더 좋다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 3a에서 상술한 바와 같이, 입력전압(VS(t))이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)보다 낮은 구간, 즉, 구간(tA)과 구간(tC) 동안 커패시터(70)에 축적된 에너지가 LED 어레이(30)에 공급됨으로써, LED 어레이(30)는 모든 구간, 즉, 구간(tA)~구간(tC)에서 빛을 발생할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
도 6b는 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동회로에서, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있는 경우의 입력전원의 전류(IS(t))와 LED 어레이(30)의 전류(ILED(t))의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6b에 따르면, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있는 경우의 입력전원의 전류(IS(t))는 그래프(71)와 같이 스텝 형태의 파형으로 출력될 수 있다. 그리고 LED 어레이(30)의 전류(ILED(t))는 그래프(72)와 같이 제2 전류원(Id)에 의해 일정한 크기의 전류값(Id)을 갖는 파형으로 출력될 수 있다.
도 6c는 도 3a 내지 도 5b를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 LED 구동회로에서, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있지 않는 경우의 입력전원의 전류(IS(t))(73) 및 정상상태에서의 LED 어레이(30)의 전류(ILED(t))(74)의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6c에 따르면, 제2 전류원(Id)이 포함되어 있지 않은 경우의 입력전원의 전류(IS(t))는 그래프(73)와 같이 스텝 형태의 파형으로 출력될 수 있다. 그리고 LED 어레이(30)의 전류(ILED(t))는 그래프(74)와 같이 입력전류(IS(t))의 파형과 유사한 형태의 파형(76)이 출력될 수 있다(즉, IS(t) = ILED(t)). 이때, 제2 전류원(Id)(80)의 값은, 예컨대 입력전류(IS(t))의 평균값과 동일한 값을 갖도록 설계할 수 있다. 이때, 입력전류(IS(t))의 값이 제2 전류원(Id)(80)의 전류값보다 큰 구간(IS(t) > Id)에서는, 두 전류의 차분값 즉, 'C 부분'의 면적에 대응하는 전류가 커패시터(70)에 축적되도록 되어 있다. 반대로, 입력전류(IS(t))의 값이 제2 전류원(Id)(80)의 전류값보다 작은 구간(IS(t) < Id)에서는 커패시터(70)에 축적되어 있던 에너지 중 'D 부분'의 면적에 대응하는 만큼 LED 어레이(30)에 공급될 수 있다. 따라서 LED 어레이(30)에 흐르는 전류(ILED(t))는 입력전류(IS(t))의 크기에 관계없이 전 구간에서 실질적으로 일정하게 되어 LED 어레이(30)에는 플리커 현상이 발생하지 않는다. 예컨대, 일 실시예에서 C=2*D의 관계를 갖도록 Id의 값을 조절할 수 있다.
도 7a는 도 3a에 도시한 LED 구동회로(103)에서, 각 전류원(81~84)에 해당하는 부분을 나타낸다. 도 7b는 도 7a의 전류원의 구체적인 구현 예를 나타낸다. 도 7c는 도 7a에서의 전압(V(t))와 전류(I(t))의 대응관계를 나타내는 그래프이다. 이때, 도 7c의 그래프에서 가로축은 전압(V(t))의 크기를 나타내며, 세로축은 전류(I(t))의 크기를 나타낸다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 전류원(41)의 양단자 사이의 전압을 전압(V(t))이라고 지칭할 수 있으며, 이에 흐르는 전류를 전류(I(t))라고 지칭할 수 있다. 이때, 도 7b 및 도 7c에 도시한 바에 따르면, 두 개의 노드(+, -) 간의 전압이 일정한 값 이상이 될 경우 전류원(41)은 일정한 크기의 전류(I)를 제공할 수 있다. 이때, 전류(I)의 값은 노드(X)와 노드(Y) 사이에 인가되는 전압(VXY)과 저항(Rs)에 의해 결정될 수 있다.
<실시예 2>
도 8은 도 7b에 따른 회로를 적용한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 구동회로(106)를 나타낸다.
도 8에 도시한 LED 구동회로(106)는, 전원부(20), 전류원 어레이(61), 저항(RS)(50), 커패시터(C1)(70), 및 LED 어레이(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 도 8에 도시된 LED 구동회로(106)에서 전류원 어레이(61)는 5개의 전류원(IV0, IV1, IV2, IV3, IV4)을 포함한다.
전류원 어레이(61)는 복수 개의 전류원(IV0, IV1, IV2, IV3, IV4), 복수 개의 LED 세트(D1, D2, D3, D4), 복수 개의 저항(R1, R2, R3, R4, R5), 및 전원(VXY)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 전류원 어레이(61)가 N+1개의 전류원(IV0, IV1, IV2, IV3, IV4)과 N개의 LED 세트(D1, D2, …, DN)를 포함하여 구성되는 경우, 각각의 전류원(IV0, IV1, IV2, IV3, IV4)은 병렬 형태로 연결될 수 있으며, 전류원(IVN-1)와 전류원(IVN) 사이에는 LED 세트(DN)가 연결되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 전류원(IV0), 전류원(IV1), 및 전류원(IV2)은 병렬 형태로 연결되어 있을 수 있으며, 전류원(IV0)와 전류원(IV1) 사이에는 LED 세트(D1)가 연결될 수 있고, 전류원(IV1)과 전류원(IV2) 사이에는 LED 세트(D2)가 연결될 수 있다. 이때, 전류원(IV0, IV1, IV2, …, IVN)은 예컨대, 트랜지스터를 이용하여 구현될 수 있다.
도 9a는 도 8의 실시예에서, 전류원(IV0)만 턴-온된 상태일 경우의 회로도(107)를 나타내며, 도 9b는 전류원(IV2)만 턴-온된 상태일 경우의 회로도(108)를 나타낸다.
도 9a에 도시한 회로도(107)에서, 입력전압(VS(t))의 값이 LED 어레이(30)의 순방향 전압(VLED)을 넘어가게 되면, 전류원(IV0)만이 도통되면서 입력전류(IS(t))의 값은 I0가 된다. 이때, 전류원(IV0)을 구성하는 트랜지스터의 게이트에 입력되는 전압(V0)은 아래의 수학식 4와 같은 값일 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00008

이때, 입력전압(VS(t))의 값이 더 상승하여, 입력전압(VS(t))의 값이 LED 어레이(30)의 전압(VLED)과 전류원 어레이(60)에 포함되어 있는 LED 세트(D1)의 순방향 전압(VD1)의 합보다 높은 구간에서는(즉, VS(t)) > VLED+VD1), 전류원(IV0)은 턴-오프(Turn-off) 상태가 되며 전류원(IV1)만이 도통되어 입력전류(IS(t))는 I1가 된다.
이와 같이 반복하여, 입력전압(VS(t))이 전압(VLED+VD1+VD2+…+VDK)보다 높은 구간에서는(즉, VS(t) > VLED+VD1+VD2+…+VDK), 도 9b에 도시한 회로도(108)와 같이, 전류원(IV0, IV1)은 모두 턴-오프 상태가 되고 전류원(IV2)만이 도통되어 입력전류(IS(t))는 IV2로 흐르도록 되어 있다. 이때, 전류원(IV2)을 구성하는 트랜지스터의 게이트에 입력되는 전압(V2)은 아래의 수학식 5와 같은 값일 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00009

<실시예 3>
이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치를 도 3a를 참조하여 설명한다.
상기 조명장치는, 전류제공부(71); 전류제공부(71)의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부(30); 및 전류제공부(71)와 LED부(30) 사이의 결합 노드에 연결되어 있는 커패시터(70)를 포함할 수 있다.
이때, 전류제공부(71)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 LED부(30)의 순방향전압(VLED)보다 큰 적어도 일부의 구간(VS(t) > VLED)에서는 커패시터(70)에 에너지를 저장하도록 되어 있으며, 전류제공부(71)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 LED부(30)의 순방향전압(VLED)보다 작은 구간(VS(t) < VLED)에서는 커패시터(70)에 저장되어 있던 에너지 중 일부 또는 전부를 LED부(30)에게 제공하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 전류제공부(71)는, 전류제공부(71)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 전류제공부(71)는, 서로 다른 크기의 전류(I0~IN)를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원(81~84)을 포함하며, 입력전압(Vs(t))의 크기에 따라, 복수 개의 전류원(81~84) 중 어느 하나의 전류원(ex: 82)이 활성화되어 전류제공부(71)의 출력전류를 제공할 수 있다.
그리고 입력전압(Vs(t))의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화될 수 있다.
이때, 복수 개의 전류원(81~84)은 서로 병렬로 연결되어 있으며, 복수 개의 전류원(81~84) 중 제1 전류원(ex: 81)의 제1 드레인 단자와 제2 전류원(ex: 82)의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트(ex: D1)가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 조명장치는 전류제공부(71)에 비직류전압을 제공하는 전원부(20)를 더 포함할 수 있다.
<실시예 4>
이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명장치를 도 3을 참조하여 설명한다.
상기 조명장치는 전류제공부(71) 및 전류제공부(71)의 전류출력단자(72)에 연결되어 있는 LED부(30)를 포함할 수 있다. 전류제공부(71)는, 전류제공부(71)에 입력되는 전압(Vs(t))이 상승함에 따라 더 큰 출력전류(I0~IN)를 출력할 수 있다.
이때, 전류제공부(71)는, 서로 다른 크기의 전류(I0~IN)를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원(81~84)을 포함하며, 전압(Vs(t))의 크기에 따라, 복수 개의 전류원(81~84) 중 어느 하나의 전류원(ex: 82)이 활성화되어 전류제공부(71)의 출력전류를 제공할 수 있다. 그리고 전압(Vs(t))의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화될 수 있다.
이때, 복수 개의 전류원(81~84)은 서로 병렬로 연결되어 있으며, 복수 개의 전류원(81~84) 중 제1 전류원(ex: 81)의 제1 드레인 단자와 제2 전류원(ex: 82)의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트(ex: D1)가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 조명장치는 전류제공부(71)에 비직류전압을 제공하는 전원부(20)를 더 포함할 수 있다.
<실시예 5>
이하 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명장치를 도 8을 참조하여 설명한다.
상기 조명장치는, 전류제공부(91); 전류제공부(91)의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부(30); 및 전류제공부(91)와 LED부(30)의 연결노드에 연결되어 있는 커패시터(70)를 포함할 수 있다.
이때, 전류제공부(71)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 LED부(30)의 순방향전압(VLED)보다 큰 구간(VS(t) > VLED)에서는 커패시터(70)에 에너지를 저장하도록 되어 있으며, 전류제공부(71)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 LED부(30)의 순방향전압(VLED)보다 작은 구간(VS(t) < VLED)에서는 커패시터(70)에 저장되어 있던 에너지 중 일부를 LED부(30)에게 제공하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 전류제공부(91)는, 전류제공부(91)에 입력되는 입력전압(VS(t))이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 전류제공부(91)는, 서로 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터(91~95)를 포함하며, 복수 개의 트랜지스터(91~95)의 게이트들에는 서로 다른 크기의 게이트 전압(V1~V5)이 인가되도록 되어 있다. 그리고 복수 개의 트랜지스터(91~95)는, 각 게이트에 인가되는 전압이 클수록 더 큰 전류를 제공하도록 되어 있을 수 있다. 예컨대 트랜지스터(95)의 게이트에 인가되는 전압(V4)은 트랜지스터(91)의 게이트에 인가되는 전압(V0)에 비하여 큰데, 이때, 트랜지스터(95)가 제공할 수 있는 전류(IV4)는 트랜지스터(91)가 제공할 수 있는 전류(IV0)보다 큰 값을 갖는다.
이때, 복수 개의 트랜지스터(91~95) 중 제1 트랜지스터(ex: 91)의 제1 소스단자와 제2 트랜지스터(ex: 92)의 제2 소스단자 사이에는 LED 세트(ex: D1)가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 서로 연결되어 있는 복수 개의 트랜지스터(91~95)의 소스들과 전류출력단자(92) 사이에는 감지저항(50)이 연결되어 있을 수 있다.
이때, 서로 다른 크기의 게이트 전압(V0~V4)은 전류출력단자(92)의 전압을 기초로 생성될 수 있다.
<실시예 6>
이하 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명장치를 도 8을 참조하여 설명한다.
상기 조명장치는 전류제공부(91) 및 전류제공부(91)의 전류출력단자(92)에 연결되어 있는 LED부(30)를 포함할 수 있다. 전류제공부(91)는, 전류제공부(91)에 입력되는 전압(Vs(t))이 상승함에 따라 더 큰 출력전류(IV0~IV4)를 출력할 수 있다.
이때, 전류제공부(91)는, 서로 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터(91~95)를 포함하며, 복수 개의 트랜지스터(91~95)의 게이트들에는 서로 다른 크기의 게이트 전압(V1~V5)이 인가되도록 되어 있다. 그리고 복수 개의 트랜지스터(91~95)는, 각 게이트에 인가되는 전압이 클수록 더 큰 전류를 제공하도록 되어 있다. 예컨대 트랜지스터(95)의 게이트에 인가되는 전압(V4)은 트랜지스터(91)의 게이트에 인가되는 전압(V0)에 비하여 큰데, 이때, 트랜지스터(95)가 제공할 수 있는 전류(IV4)는 트랜지스터(91)가 제공할 수 있는 전류(IV0)보다 큰 값을 갖는다.
이때, 복수 개의 트랜지스터(91~95) 중 제1 트랜지스터(ex: 91)의 제1 드레인 단자와 제2 트랜지스터(ex: 92)의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트(ex: D1)가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 서로 연결되어 있는 복수 개의 트랜지스터(91~95)의 소스들과 전류출력단자(92) 사이에는 감지저항(50)이 연결되어 있을 수 있다.
이때, 서로 다른 크기의 게이트 전압(V0~V4)은 전류출력단자(92)의 전압을 기초로 생성될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

Claims (10)

  1. 전류제공부; 및
    상기 전류제공부의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부;
    를 포함하며,
    상기 전류제공부는, 상기 전류제공부에 입력되는 전압이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있는,
    조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류제공부는, 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하며,
    상기 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며,
    상기 전압의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화되는 것을 특징으로 하는,
    조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 전류원은 서로 병렬로 연결되어 있으며,
    상기 복수 개의 전류원 중 제1 전류원의 제1 드레인 단자와 제2 전류원의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
    조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류제공부는, 서로 병렬 연결된 복수 개의 트랜지스터를 포함하며,
    상기 복수 개의 트랜지스터의 게이트들에는 서로 다른 크기의 게이트 전압이 인가되도록 되어 있고,
    상기 복수 개의 트랜지스터는, 각 게이트에 인가되는 전압이 클수록 더 큰 전류를 제공하도록 되어 있는,
    조명장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수 개의 트랜지스터 중 제1 트랜지스터의 제1 드레인 단자와 제2 트랜지스터의 제2 드레인 단자 사이에는 LED 세트가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
    조명장치.
  6. 제4항에 있어서,
    서로 연결되어 있는 상기 복수 개의 트랜지스터의 소스들과 상기 전류출력단자 사이에는 감지저항이 연결되어 있는, 조명장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 서로 다른 크기의 게이트 전압은 상기 전류출력단자의 전압을 기초로 생성되는, 조명장치.
  8. 비직류전압을 제공하는 전원부;
    전류제공부; 및
    상기 전류제공부의 전류출력단자에 연결되어 있는 LED부;
    를 포함하며,
    상기 전류제공부는, 상기 전류제공부에 입력되는 상기 비직류전압이 상승함에 따라 더 큰 출력전류를 출력하도록 되어 있는,
    조명장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전류제공부는, 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하며,
    상기 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며,
    상기 비직류전압의 크기가 커질수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화되는 것을 특징으로 하는,
    조명장치.
  10. 서로 다른 크기의 전류를 제공하도록 되어 있는 복수 개의 전류원을 포함하는 전류제공부를 포함하며,
    상기 전류제공부의 전류출력단자에는 LED부가 연결되도록 되어 있으며,
    상기 전류제공부에 인가되는 전압의 크기에 따라, 상기 복수 개의 전류원 중 어느 하나의 전류원이 활성화되어 상기 전류제공부의 출력전류를 제공하도록 되어 있으며,
    상기 전압의 크기가 클수록 더 큰 전류를 제공하는 전류원이 활성화되는 것을 특징으로 하는,
    조명제어장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102296219B1 (ko) * 2020-12-21 2021-09-01 주식회사 웰랑 조명 기기의 부품에 전력을 공급하기 위한 장치 및 이를 포함하는 조광가능 조명 기기

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