KR20160070447A - 고발열 및 고전력 led 조명을 위한 효율적인 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공장등 경관등 등과 같이 고발열이 발생하고 고전력이 요구되는 엘이디(LED) 조명에 있어서, 전력의 소모를 줄이면서 발열을 최소화하기 위한 제어시스템에 관한 것으로, 기판의 엘이디 칩의 근접한 위치에 온도센서를 설치하여 실시간으로 기판의 온도를 측정하고 그 측정값을 중앙처리장치로 전달하며, 중앙처리장치는 입력된 온도가 상한에서 하한 사이에서만 점등이 이루어지도록 하고, 점등간격은 사람의 착시현상을 유지할 수 있는 시간범위를 초과할 때는 즉시 다시 점등이 되도록 제어함을 특징으로 한다.

Description

고발열 및 고전력 LED 조명을 위한 효율적인 제어시스템{Effective control system for high-heating and high-power LED lighting}

본 발명은 공장등, 경관등 등과 같이 고발열이 발생하고 고전력이 요구되는 엘이디(LED) 조명에 있어서, 전력의 소모를 줄이면서 발열을 최소화하기 위한 제어시스템에 관한 것이다.

LED는 발광다이오드(Light-Emitting Diode)의 영어명을 줄인 말로 빛을 내는 반도체를 이용한 조명중 하나이다. 반도체라는 특성으로 인해 처리속도, 전력소모, 수명 등의 제반사항에서 큰 장점을 갖는다. 각종 전자제품의 전자표시 부품으로 각광받고 있으며 기존 전구램프처럼 눈이 부시거나 엘러먼트가 단락되는 경우가 없으며, 반영구적인 수명(약 1백만 시간)으로 활용도가 높다.

근래에는 기존 백열등이나 형광등, 수은등을 대체하는 조명수단으로 사용이 급격히 확대되고 있는데, 기존의 백열전등에 비하여 전기 절감 효과가 높고 형광등에 비하여 수은을 사용하지 않아 친환경적이기 때문에 녹색성장의 대표 주자 중 하나로 각광받고 있다.

또한, LED는 반도체이기 때문에 제어가 가능한 장점이 있다. 이러한 이유로 지식경제부는 2015년 조명의 30%를 LED로 대체하는 1530 프로젝트를 수립하는 등 세계적으로 그 보급량이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.

그러나 반도체인 LED는 전기 에너지가 인가되면 전자의 준위 차에 의해 빛과 열이 발생하는데, 이때 빛 에너지는 전체 에너지의 15% 정도이고 나머지는 모두 열에너지를 발생시켜 발열 현상이 발생한다. 이러한 발열현상이 지속되면 LED는 내부적으로 파손되어 수명단축을 유발하게 된다.

이를 해결하기 위한 방법으로는 각 LED 마다 저항을 연결하거나 방열설계를 하는 방법이 있지만, 제조 단가의 상승을 유발하고 장치의 크기와 무게가 커지며, 전기적 효율이 떨어지는 단점이 있다.

등록특허공보 10-0948736(공고일자: 2010년03월22일)

본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 저전력, 저발열을 위한 효율적인 LED Lighting 제어 시스템을 목적으로 하되, 상한온도와 하한 온도를 설정하여 그러한 범위 내에서 점등과 소등을 반복하되, 반복되는 시간 간격은 사람이 인지하지 못하는 속도로 전압 입력 시간을 제어하여 특정 온도 이상으로 발열되지 않도록 제어하고, 전압사용 시간을 최적화하여 저전력과 저발열에 효과적인 LED Lighting 제어 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엘이디 칩이 설치되는 기판의 엘이디 칩의 근접한 위치에 온도센서를 설치하여 실시간으로 기판의 온도를 측정하고 그 측정값을 중앙처리장치로 전달하도록 구성하였다.

중앙처리장치의 제어로는 입력된 온도가 상한 온도에 다다르면 전원을 차단하여 엘이디 칩을 소등하고, 하한 온도에 다다르면 전원을 공급하여 다시 엘이디 칩을 점등하는 것을 특징으로 하며, 나아가 온도가 하한온도에 도달하기 전에 소등 시점으로부터 시간 간격이 사람의 착시현상을 유지할 수 있는 시간범위를 초과할 때는 즉시 다시 점등이 되도록 제어함을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 매우 빠른 속도로 전원을 끄고 켜는 것을 반복함으로써 꺼지는 시간 동안 전원을 절약할 수 있는 것은 물론이고, 동시에 꺼지는 시간간격 동안 발열을 제어할 수 있게 되므로 인하여 발열에 의해 엘이디의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있는 등 엘이디를 효율적으로 제어할 수 있는 시스템을 제공하게 되는 것이며, 특히 이러한 ON/OFF 시간간격 동안에도 사람의 착시현상을 유지할 수 있는 시간 간격으로 제어하므로 사용자가 아무런 불편을 느끼지 아니하면서 효율적인 절전과 방열의 제어를 이룩할 수 있게 되는 유용한 발명이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 구성 예시도
도 2는 본 발명의 제어순서 흐름도
도 3은 본 발명에 의한 제어과정 그래프

이하 본 발명의 구현을 위한 바람직한 구성실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 시스템은 많은 전력을 소모하게 되고 점등 시간이 매우 길게 소요되는 공장등이나 경관등 등을 대상으로 하며, 본 발명은 기본적으로 CPU(MCU), LED, 전원 공급기를 기반으로 전압을 인가를 제어할 수 있는 환경을 기반으로 개발되었다.

일반적인 엘이디의 전압 인가 사이클은 다음의 참고도 1과 같다.

[참고도 1]

본 발명은 상기 기본적인 전압 인가 사이클을 다음의 참고도 2와 같이 가변시킴으로써 목적을 달성할 수 있다.

[참고도 2]

상기 참고도 1과 2는 3.3V에서 동작하는 LED를 예를 들어 일반적인 전압인가 방법과 가변적인 전압 인가 사이클을 나타내고 있다. 도면에서 High상태라고 표현되는 전압이 3.3V인 경우, High 상태가 지속되는 시간이 길어질수록 발열이 심해 질 수밖에 없다. 따라서 참고도 2와 같이 동일한 한 사이클 T동안 High가 유지되는 시간을 최소화하여 발열과 전력 소모를 줄이고자 하는 것이다.

LED는 칩의 종류나 공정과정에 따라 광추출 정도나 양자효율 등 그 특성이 달라짐으로 제조사에서 제공하는 자료를 바탕으로 최적의 가변적 전압 인가 사이클을 실험을 통해 먼저 파악해야 한다.

즉, 아래 참고도 3은 기본적인 제어의 개념을 도식화한 그림이다.

[참고도 3]

상기 참고도 3은 하나의 사이클 T에서 High 구간을 255개의 시간으로 나누어 LED 특성에 따라 안정적인 점등을 유지하고, 효율적으로 발열과 인가전압 제어를 위한 개념을 도식화한 것이다. LED가 선택되면 255에서 점차적으로 High 유지 구간을 줄여가며 빛의 떨림 현상이 발생하지 않는 범위에서 발열을 확인하여 해당하는 LED의 최적의 전압인가 Duty Cycle을 선택적으로 적용할 수 있다.

본 발명이 상기와 같이 전압인가 사이클에서 HIGH 상태의 유지 시간을 줄이는 것은 엘이디 발열에 의한 온도를 측정하여 온도에 의하여 전압인가 시간을 줄이는 것이다.

온도의 측정과 그러한 온도에 의한 제어는 도 1과 같은 기본적인 구성에 의한다.

즉, 엘이디 칩(1)이 설치되는 기판(2)상 엘이디 칩(1)의 근접한 위치에 온도센서(3)를 설치하여 실시간으로 온도를 측정하여 그 측정값을 중앙처리장치(4)로 전달하여 중앙처리장치(4)가 입력된 온도에 따라 전원공급장치(5)를 제어하여 엘이디 칩(1)의 ON/OFF를 제어하는 것이다.

구체적인 제어과정을 도 2를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

전원을 인가하면, 엘이디 칩(1)이 점등되고 즉시 온도센서(3)가 기판(2)의 온도를 측정하는데, 엘이디 칩(1)의 발열에 의해 기판(2)의 온도가 상승하므로 기판(2)의 미세한 온도의 변화를 감지하는 온도센서(3)가 지속적으로 측정온도를 CPU, 또는 MPU 등의 중앙처리장치(4)로 전달한다.

중앙처리장치(4)의 프로그래밍에 의하여 미리 설정된 상한온도에 도달하였는지를 판단한다. 상한 설정온도에 도달하지 않았으면 점등상태를 유지한 상태에서 계속 온도의 측정을 반복한다.

만약 설정된 상한 온도에 도달함을 판단하면, 중앙처리장치(4)가 전원차단 신호를 발생하여 전원의 공급을 중단함으로써 엘이디 칩(1)을 소등시킨다.

이러한 상태에서 계속 온도를 측정하게 되는데, 설정된 하한온도까지 도달하지 않으면 소등을 유지한 상태로 온도측정을 반복한다.

만약 측정된 온도가 설정된 하한온도에 도달함을 판단하면, 중앙처리장치(4)는 전원의 공급을 명령하여 엘이디 칩(1)을 다시 점등하게 한다.

이와 같은 점등과 소등의 반복이 매우 빠르게 일어나면서 일정한 범위 내의 온도를 유지하게 되는데, 본 발명의 목적과 같이 사람 시각의 착시현상에 의하여 소등을 감지하지 못하는 상태를 유지하여야 하므로 일전한 시간 간격을 유지하도록 제어되어야 한다.

즉 본 발명은 상기 상한온도에 도달함과 동시에 소등을 하고, 소등과 동시에 시간을 측정하여 사람의 착시현상을 유지할 수 있는 시간 간격과 비교하여 이러한 착시현상 유지시간 범위를 초과할 때는 즉시 다시 점등이 되도록 제어하는 것이다. 다시 말해, 도면과 같이 정해진 시간범위를 초과하지 않은 상태에서는 소등을 유지하고 또한 하한온도에 도달하여 점등이 이루어지면 정상적인 작동 흐름이 이어지지만, 하한온도에 도달하기 전에 한계시간 범위를 초과하면 온도가 하한온도에 도달하는 것과 관계없이 즉시 점등이 되도록 제어하는 것이다.

사람의 시각으로 착시가 유지되는 반복 정도는 60Hz, 즉 1/60초이며, 다시 말해 0.0167초 정도 간격을 가지면 소등 내지 깜박임을 감지하지 못하는 착시가 유지된다.

이와 같은 본 발명의 제어에 의한 작동을 과정을 그래프로 표시하자면 도 3과 같은데, 전원의 인가와 동시에 전원이 유지되면서 온도가 점차 상승을 하고 상한온도에 도달하면 전원이 차단되면서 소등된 상태가 유지되며, 점차 온도의 하락이 일어나다가 하한 온도에 도달하면 다시 전원이 공급되어 점등이 일어나며, 최초전원이 차단되지 않는 이상 상기한 동작이 무한 반복되어 엘이디 칩의 점등과 소등이 사람이 인식하지 못하는 빠른 속도로 반복이 되는 것이고, 이에 따라 전원의 절약과 온도의 제어가 가능하게 되는 것이다.

즉, 상기 그래프에서 전압인가 후 측정되는 온도가 발열 한계점(Overheating point)을 넘지 말아야하고, 냉각시간이 길어지더라도 착시현상 시간 범위에 있어야 함을 알 수 있다.

따라서 안정적인 점등구간(ON)을 유지시키고 냉각을 위해 소등시간(OFF)을 유지하도록 하여 발열을 억제하여 LED의 온열구간을 길게 확보할 수 있도록 하는 LED 발열제한 제어기법의 고안이다.

상기 그래프의 기본 원리를 활용하여 점등과 소등의 구간을 착시현상이 발생하는 주파수 이상으로 하여 펄스의 Duty를 조절하여 발열을 온열구간에 유지토록 하는 것이다.

조도의 특성은 착시 현상으로 조도의 차이를 극복도록 하고 조도의 량은 LED의 수를 가감하거나 전류로 조절할 수 있도록 한다. 따라서 조도의 문제없이 상기 제어기법으로 발열을 제어하여 방열판의 비용을 절감하고 전체 조도대비 소비전력을 절감하여 보다 효율적인 LED 고휘도 조명을 구현할 수 있도록 하였다.

이러한 작용은 많은 전력을 소모하게 되고 점등 시간이 매우 길게 소요되는 공장등이나 경관등 등에 매우 적합하게 적용될 것이다.

1: 엘이디 칩
2: 기판
3: 온도센서
4: 중앙처리장치
5: 전원공급장치

Claims (3)

1. 엘이디 칩(1)이 설치되는 기판(2)상 엘이디 칩(1)의 근접한 위치에 온도센서(3)를 설치하여 전원이 공급되기 시작하면 실시간으로 온도를 측정하고 그 측정값을 중앙처리장치(4)로 전달하며,
   중앙처리장치(4)에는 상한 온도와 하한 온도를 설정하여 입력된 온도가 상한 온도에 다다르면 전원을 차단하여 엘이디 칩을 소등하고, 하한 온도에 다다르면 전원을 공급하여 다시 엘이디 칩을 점등하는 것을 특징으로 하는 고발열 및 고전력 LED 조명을 위한 효율적인 제어시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상한온도에 도달하여 소등을 함과 동시에 온도가 하한온도에 도달하기 전에, 소등 시점으로부터 시간을 측정하여 사람의 착시현상을 유지할 수 있는 시간 간격과 비교하여 이러한 착시현상 유지시간 범위를 초과할 때는 온도에 관계없이 즉시 다시 점등이 되도록 제어함을 특징으로 하는 고발열 및 고전력 LED 조명을 위한 효율적인 제어시스템.
3. 제2항에 있어서,
   사람의 시각으로 착시가 유지되는 시간 반복 정도는 60Hz 이상이 되도록 제어함을 특징으로 하는 고발열 및 고전력 LED 조명을 위한 효율적인 제어시스템.

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