KR20160126526A - 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디를 광원으로 하는 엘이디 광모듈에 100V(또는 110V)의 전압 또는 상대적으로 높은 220V의 전압이 인가되더라도 안정적으로 엘이디 광모듈을 구동할 수 있도록 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명의 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치는, 입력되는 상용 교류전압에서 구동되는 제1 엘이디 어레이부와 제2 엘이디 어레이부를 구비하고, 스위칭제어부에서 입력되는 상용 교류전원의 전압레벨을 감지한 후, 상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이상으로 감지한 경우 스위칭부를 제어하여 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 직렬로 연결되도록 하는 한편 상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이하로 감지한 경우 상기 스위칭부가 도통되어 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 병렬로 연결되도록 함으로써, 제1 엘이디 어레이부와 제2 엘이디 어레이부를 구성하는 각 엘이디소자 단품에는 입력되는 상용 교류전원의 전압레벨에 관계없이 항상 일정한 전압이 인가되어 안정적으로 구동되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치{FREE VOLTAGE CONTROLLED DRIVING DEVICE OF LED OPTICAL MODULE}

본 발명은 엘이디를 광원으로 하는 엘이디 광모듈에 상용교류전원을 인가하여 구동하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상용 교류전원이 상대적으로 낮은 100V(또는 110V)의 전압(이하 '저전압'이라 함) 또는 상대적으로 높은 220V의 전압(이하 '고전압'이라 함)으로 입력되더라도 안정적으로 엘이디 광모듈을 구동할 수 있도록 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치에 관한 것이다.

최근 필라멘트를 사용하는 램프가 대부분의 에너지를 열로 방출하고 일부만 빛으로 이용함에 따라 열효율이 낮다는 점을 개선하고자 반도체에 전압을 가할 때 발생하는 발광현상을 이용하는 광원인 엘이디(LED: Light Emitting Diode)를 직렬 또는 병렬로 연결한 광모듈이 개발되고 있으며, 이러한 엘이디 광모듈은 소비 전류가 매우 적고 제작비도 저렴하며 수명이 길기 때문에 필라멘트 램프를 대체하여 다양한 용도로서 널리 확산되고 있다.

엘이디는 플러스와 마이너스의 극성을 가지고 있어서 플러스 쪽인 애노드에 직류전압의 플러스전압이 인가되고 마이너스 쪽인 캐소드에 직류전압의 마이너스전압이 인가되는 경우에 엘이디 내부로 전류가 흐르게 되고 그 반대로 직류전압이 인가되는 경우에는 엘이디 내부로 전류가 흐르지 않게 되며, 엘이디 내부로 전류가 흐를 때 엘이디를 구성하고 있는 화학물질에 따라 각기 독특한 파장의 빛을 발하게 된다.

따라서 엘이디 광모듈에 구동전원을 공급하고자 할 때 입력전원이 상용교류전원인 경우에는 SMPS와 같은 전원회로를 이용하여 교류전압을 직류전압으로 정류함과 아울러 엘이디 광모듈을 효율적으로 구동하는데 필요한 레벨의 전압으로 변환하여 공급하게 된다.

그런데 엘이디 광모듈에 전원을 공급하기 위하여 SMPS와 같은 정전압/정전류 회로를 이용하여 구성하는 경우에는 안정적인 전압레벨을 갖는 구동전원을 확보할 수 있으나 엘이디 조명장치의 부피가 커지고 제작비용이 상승하는 문제가 있다.

또한 엘이디 광모듈은 밝기에 따라 다수 개의 엘이디를 직렬로 연결하거나, 직렬 연결과 병렬 연결을 혼용하여 구성한 엘이디 집합체 즉 엘이디 어레이부로 구성하고 있으므로 엘이디 어레이부를 구성하고 있는 엘이디들의 연결형태에 따라 정격전압을 인가하여야 하는데, 정격전압보다 과도한 전압을 인가하는 경우 엘이디 어레이부를 구성하고 있는 엘이디가 손상되게 된다.

그리고 현재 상용전원으로는 대부분 220V의 전압이 공급되고 있지만 지역에 따라 100V로 공급되고 있는 지역도 있으므로 엘이디 광모듈의 제작시 100V 또는 220V에서 사용할 수 있도록 별도로 제작하거나, 전원회로를 자동전압조절회로(free voltage circuit)로 구성하여야 함에 따라 제조원가가 상승되는 문제점이 있었다.

한국특허공고공보 제10-1299360호(2013.08.22. 공고)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 100V의 상용 교류전원에서 구동될 수 있는 엘이디 어레이부 2개를 상용 교류전원의 입력레벨에 따라 자동으로 병렬 또는 직렬로 연결되어 안정적으로 구동될 수 있도록 된 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치를 제공하고자 함에 있다.

또한 본 발명의 다른 해결하고자 하는 과제는 상기한 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치에서 역률과 효율을 향상시킨 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치를 제공하고자 함에 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치는, 입력되는 상용 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 출력단에 플러스 전극이 연결되는 제1 엘이디 어레이부; 상기 제1 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에 플러스 전극이 연결되는 제2 엘이디 어레이부; 상기 제1 엘이디 어레이부의 양단에 병렬연결되면서 정류부의 출력단과 상기 제2 엘이디 어레이부의 플러스 전극 사이에 연결되는 스위칭부; 상기 스위칭부의 일측에 연결되어 정류부에 입력되는 상용 교류전원의 전압 레벨에 따라 상기 스위칭부의 접속을 제어하는 스위칭제어부;를 포함하여 이루어져, 상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이상인 경우 스위칭부가 오프되어 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 직렬로 연결되는 한편 상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이하인 경우 상기 스위칭부가 도통되어 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 병렬로 연결되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제1 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에는 상기 제1 엘이디 어레이부에 정전류를 공급하는 제1 정전류부가 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 제2 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에는 상기 제2 엘이디 어레이부에 정전류를 공급하는 제2 정전류부가 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 엘이디 어레이부의 중간단에는 제1 엘이디 어레이부의 역률을 보정하는 제1역률보정부가 상기 스위칭제어부를 포함하여 연결된 것을 특징을 한다.

상기 제2 엘이디 어레이부의 중간단에는 제2 엘이디 어레이부의 역률을 보정하는 제2역률보정부가 연결된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치는 엘이디 광모듈에 공급되는 상용전원이 100V가 입력되거나 220V가 입력되거나 엘이디 광모듈을 구성하는 각 엘이디들에 일정한 전원이 공급되어 안정적으로 구동될 수 있는 장점이 있다.

또한 각 엘이디 어레이부에 연결되는 정전류회로에 의해 역률 및 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 구성도를 나타낸다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성도를 나타낸다.

100V 내지 220V의 상용 교류전원이 공급되는 입력단에는 다이오드(D1~D4)로 이루어지는 정류부(10)가 구비된다. 상기 정류부(10)는 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력한다. 그리고 상기 정류부(10)에는 입력전원의 서지전압을 방지하기 바리스터(RV1), 불필요한 고주파 신호를 차단하는 비드(L1), 또는 입력라인에 과도한 전류가 흐를시 녹아서 끊어지는 퓨즈(F1) 등이 연결될 수 있다.

엘이디 광모듈(LED)은 예컨대 동일한 구조로 이루어지는 한 쌍의 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)로 이루어지며, 후술되는 제어부를 이루는 구성요소들과는 별도의 기판에 구성되어 직류전원을 공급받아 빛을 발산할 수 있게 됨으로써 각종 조명장치의 광원으로 사용될 수 있는 것이다.

상기 정류부(10)의 출력단에는 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 플러스 전극(P1)이 연결된다. 상기 제1 엘이디 어레이부(LED1)는 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 플러스 전극(P1)과 마이너스 전극(K1) 사이에 다수의 엘이디들이 직렬로 연결되거나 직렬과 병렬이 혼용되어 연결된 집합체로서, 본 실시예에서는 예컨대 100V 의 상용 교류전압이 인가될 때 정상적으로 구동될 수 있는 수량의 엘이디들로 구성된 것이다.

또한 상기 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 마이너스 전극(K1)에는 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)이 연결된다. 상기 제2 엘이디 어레이부(LED2)는 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 마찬가지로 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)과 마이너스 전극(K2) 사이에 다수의 엘이디들이 직렬로 연결되거나 직렬과 병렬이 혼용되어 연결된 집합체로서, 본 실시예에서는 예컨대 100V 의 상용 교류전압이 인가될 때 정상적으로 구동될 수 있는 수량의 엘이디들로 구성된 것이다.

한편, 스위칭부(20)가 상기 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 양단에 병렬연결되면서 정류부(10)의 출력단과 상기 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2) 사이에 연결되고, 상기 스위칭부(20)에는 스위칭제어부(30)가 연결되며, 상기 스위칭제어부(30)는 입력되는 상용 교류전압의 전압레벨에 따라 상기 스위칭부(20)를 온 또는 오프상태로 제어하도록 이루어져 있다.

이에 따라 상기 스위칭제어부(30)가 상기 스위칭부(20)를 도통상태로 제어하는 경우 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)는 정류부(10)와 접지측 사이에서 병렬로 연결된 구조가 된다. 그러므로 정류부(10)의 출력전압은 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 플러스 전극(P1)에 인가됨과 동시에 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)에 각각 동일한 전압으로 인가된다.

그러나 상기 스위칭제어부(30)가 상기 스위칭부(20)를 오프상태로 제어하는 경우 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)는 정류부(10)와 접지측 사이에서 직렬로 연결된 구조가 된다. 그리하여 정류부(10)의 출력전압은 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 플러스 전극(P1)에만 인가되고 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)으로 차단되며, 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)에는 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 마이너스 전극(K1)을 거친 전압이 인가되는 구조로 이루어져 있다.

상기 스위칭제어부(30)는 예컨대 정류부(10)에 입력되는 상용 교류전원이 220V의 고전압인 경우 스위칭부(20)를 도통상태로 제어하여 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)가 직렬로 연결되게 함으로써 직렬 연결된 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2) 전체에 고전압이 인가되게 하고, 정류부(10)에 입력되는 상용 교류전원이 100V의 저전압인 경우 스위칭부(20)를 오프상태로 제어하여 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)가 병렬로 연결되게 함으로써 병렬 연결된 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2) 각각에 저전압이 인가되게 한다.

이는 입력되는 상용 교류전원의 전압레벨에 따라 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 연결상태를 변경하여 결국 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2) 각각을 구성하는 엘이디들 단품에는 동일한 레벨의 정격전압이 인가되어 안정되게 구동되도록 함이다.

한편, 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 마이너스 전극(K1)에는 정전류IC(U2)를 중심으로 하는 제1 정전류부(40)가 연결될 수 있다. 상기 정전류IC(U2)는 출력측에 FET를 통해 연결되는 엘이디 어레이부에 정전류가 흐를 수 있도록 제어하는 정전류 콘트롤러이며, 후술되는 정전류IC(U1,U3,U4)도 동일한 기능을 갖는 것이다. 이에 따라 제1 엘이디 어레이부(LED1)에 전류가 흐를 때 전류의 크기가 변동되더라도 항상 일정한 전류가 흐를 수 있도록 이루어져 있다.

이와 마찬가지로, 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 마이너스 전극(K2)에도 정전류IC(U4)를 중심으로 하는 제2 정전류부(50)가 구비되어 있다. 이에 따라 제2 엘이디 어레이부(LED2)에 전류가 흐를 때 전류의 크기가 변동되더라도 항상 일정한 전류가 흐를 수 있도록 이루어져 있다.

그리고 다수의 엘이디들이 직렬로 연결되거나 직렬과 병렬이 혼용되어 연결되어 이루어지는 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 중간단(C1)에는 상기 스위칭제어부(30)에 부가하여, 정전류IC(U1)를 중심으로 구성되어 제1 엘이디 어레이부(LED1)에 인가되는 전원의 역률을 개선하고 효율을 높일 수 있는 역률보정기능이 구비된 스위칭제어 및 역률보정부(60)가 구비될 수 있다.

또한, 상기와 같이 제1 엘이디 어레이부(LED1)측과 마찬가지로, 다수의 엘이디들이 직렬로 연결되거나 직렬과 병렬이 혼용되어 연결되어 이루어지는 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 중간단(C2)에는 정전류IC(U3)를 중심으로 하는 역률보정부(70)가 연결되어 제2 엘이디 어레이부(LED2)에 인가되는 전원의 역률을 개선함으로써 제2 엘이디 어레이부(LED2)에서의 전력손실을 감소하고 효율을 높일 수 있도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 정류부(10)의 상용 교류전원 입력단에 220V의 고전압이 인가된 경우 정류부(10)에서 직류전원전압으로 변환된다.

상기의 직류전원전압의 일단은 스위칭제어부(30)에 있는 정전류IC(U1)의 전원입력단(Vin)으로 직접 입력되는 한편 상기의 직류전원전압의 다른 일단은 저항(R7)(R8)에 의해 분압된 후 정전류IC(U1)의 전원레벨감지단(Vff)으로 입력된다.

상기 정전류IC(U1)는 전원입력단(Vin)으로 입력된 전압과 전원레벨감지단(Vff)으로 입력된 전압을 비교하여 상용 교류전원의 전압레벨이 사전에 설정된 컷오프 전압보다 높은지 낮은지 여부를 비교한다. 예컨대 사전에 설정된 컷오프 전압이 150V이고 상용 교류전원의 전압레벨이 220V인 것으로 판단하는 경우 출력을 제어하여 스위칭소자(Q2)를 오프시킨다.

상기 스위칭소자(Q2)가 오프되면 상기 스위칭소자(Q2)에 연결되어 있는 저항(R1)(R2)의 작용으로 예컨대 FET로 구성되는 스위칭소자(Q1)도 오프된다. 이에 따라 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 마이너스 전극(K1)에는 다이오드(D5)를 통해 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)이 직접 연결되는 상태가 되어 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)는 직렬로 연결되는 상태가 된다. 그리고 정류부(10)의 출력전류는 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 다이오드(D5) 및 제2 엘이디 어레이부(LED2) 및 제2 정전류부(50)를 차례로 거쳐 정전류를 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)에 공급하게 된다.

그러나, 상기 정전류IC(U1)는 전원입력단(Vin)으로 입력된 전압과 전원레벨감지단(Vff)으로 입력된 전압을 비교하여 상용 교류전원의 전압레벨이 예컨대 사전에 설정된 컷오프 전압인 150V보다 낮은 100V인 것으로 판단하는 경우 출력을 제어하여 스위칭소자(Q2)를 도통시킨다.

상기 스위칭소자(Q2)가 도통되면 상기 스위칭소자(Q2)에 연결되어 있는 저항(R1)(R2)의 작용으로 예컨대 FET로 구성되는 스위칭소자(Q1)도 도통된다. 이에 따라 정류부(10)의 출력단에는 제1 엘이디 어레이부(LED1)의 플러스 전극(P1)이 직접 연결되고 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 플러스 전극(P2)도 도통된 스위칭소자(Q1)를 통해 정류부(10)의 출력단에 직접 연결되어, 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)는 서로 병렬로 연결되는 상태가 된다.

그리고 정류부(10)의 출력전류는 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제1 정전류부(40)를 차례로 통과하는 루프를 형성하여 제1 엘이디 어레이부(LED1)에 정전류를 공급함과 아울러, 도통된 스위칭소자(Q1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2) 및 제2 정전류부(50)를 차례로 통과하는 루프를 형성하여 정전류를 제2 엘이디 어레이부(LED2)에 공급하게 된다.

한편, 상기와 같이 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)에 구동전원이 인가되는 동안에 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 중간단(C1(C2)에 각각 연결되어 있는 스위칭제어 및 역률보정부(60)와 역률보정부(70)의 작용으로 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)의 역률이 개선되어, 제1 엘이디 어레이부(LED1)와 제2 엘이디 어레이부(LED2)가 안정적으로 구동되면서 전력손실이 줄어들고 효율적으로 구동된다.

이상에서 설명된 본 발명의 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 -- 정류부, 20 -- 스위칭부,
30 -- 스위칭제어부, 40 -- 제1 정전류부,
50 -- 제2 정전류부, 60 -- 스위칭제어 및 역률보정부,
70 -- 역률보정부, LED -- 엘이디 광모듈,
LED1 -- 제1 엘이디 어레이부,
LED2 -- 제2 엘이디 어레이부,
U1~U4 -- 정전류IC.

Claims (5)

1. 입력되는 상용 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부;
   상기 정류부의 출력단에 플러스 전극이 연결되는 제1 엘이디 어레이부;
   상기 제1 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에 플러스 전극이 연결되는 제2 엘이디 어레이부;
   상기 제1 엘이디 어레이부의 양단에 병렬연결되면서 정류부의 출력단과 상기 제2 엘이디 어레이부의 플러스 전극 사이에 연결되는 스위칭부;
   상기 스위칭부의 일측에 연결되어 정류부에 입력되는 상용 교류전원의 전압 레벨에 따라 상기 스위칭부의 접속을 제어하는 스위칭제어부;를 포함하여 이루어져,
   상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이상인 경우 스위칭부가 오프되어 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 직렬로 연결되는 한편 상기 스위칭제어부가 사전에 설정된 컷오프 전압 이하인 경우 상기 스위칭부가 도통되어 상기 제1 엘이디 어레이부와 상기 제2 엘이디 어레이부가 병렬로 연결되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에는 상기 제1 엘이디 어레이부에 정전류를 공급하는 제1 정전류부가 연결된 것을 특징으로 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 엘이디 어레이부의 마이너스 전극에는 상기 제2 엘이디 어레이부에 정전류를 공급하는 제2 정전류부가 연결된 것을 특징으로 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 엘이디 어레이부의 중간단에는 제1 엘이디 어레이부의 역률을 보정하는 제1역률보정부가 상기 스위칭제어부를 포함하여 연결된 것을 특징으로 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 제2 엘이디 어레이부의 중간단에는 제2 엘이디 어레이부의 역률을 보정하는 제2역률보정부가 연결된 것을 특징으로 하는 엘이디 광모듈의 자동전압조절 구동장치.
   

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