KR20170019978A

KR20170019978A - Led 조명 장치 조도 제어 방법 및 이를 적용하는 장치

Info

Publication number: KR20170019978A
Application number: KR1020150114568A
Authority: KR
Inventors: 정석명; 곽기석
Original assignee: 비엔이스 주식회사
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-02-22
Also published as: KR101814752B1

Abstract

LED 조명 장치 및 이에 적용되는 디밍 제어 장치에 대해 개시된다. 디밍 제어 장치:는 다수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 발광 모듈에 대한 목표 전류를 조절하는 것으로, 제1범위의 전류을 조절하는 제1전류 제어부와 제2범위의 전류량을 조절하는 제2전류 제어부를 포함하는 전류 제어 모듈; 그리고 상기 전류 제어 모듈의 제1, 제2전류 제어부를 공히 제어하여, 상기 제1, 2전류 제어부에 의한 제1제어전류와 제2제어전류 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 발광 모듈 에 대한 목표 전류를 결정하는 디밍 제어부;를 포함한다.

Description

LED 조명 장치 조도 제어 방법 및 이를 적용하는 장치{Method for controlling brightness of LED light apparatus and System adopting the Method}

본 발명은 LED 조명 장치의 조도를 제어하는 방법에 관한 것으로서 상세히는 조도 제어 범위가 확대된 조도 제어 방법 및 이를 적용하는 장치에 관한 것이다.

LED 조명 장치는 고출력 LED의 출현을 통해서 기존의 백열 전구, 형광등, 아아크 전등 등 전통적인 램프 장치를 빠른 속도로 대체해 가고 있다. 이러한 LED 조명 장치의 특징은 에너지 효율이 높다는 점과 색온도(色溫度, Color temperature) 및 조도 (illuminance)의 조절이 용이하다는 것이다.

LED 조명 장치에서 색온도의 조절은 밝기는 전류 제어에 의해서 이루어지는데, 일반 용도에서는 조도 제어만이 주로 이루어지며, 특별한 목적의 LED 조명 장치, 예를 들어 방송용 조명 램프는 색온도와 조도(디밍) 제어가 가능하도록 되어 있다.

그런데, 종래 LED 조명 장치에서의 디밍 제어 범위는 제한되어 있으며, 따라서, 조명의 밝기의 조절에 한계가 있다. 예를 들어, 색온도 조절과 디밍 제어가 동시에 가능한 고출력 고품질의 LED 조명장치는 램프로 흐르는 전류의 범위가 단색 LED 램프에 비해서 광범위한 조절 범위를 가져야 한다.

색온도 조절 범위가 3000Kelvin ~ 5700Kelvin이고 디밍 0.1~100%의 조도 제어가 가능한 2가지 단색광 광원을 가지는 LED 조명 장치를 예로 들면, 디밍이 0.1%이고 색온도가 3000Kelvin일 경우 5700Kelvin의 색온도를 가지는 LED 모듈로 흐르는 전류가 최저가 된다. 동일한 광원이 디밍 100%이고 색온도가 5700Kelvin일 경우 5700Kelvin의 색온도를 가지는 LED모듈로 흐르는 전류가 최대로 된다.

즉, 디밍 100%와 0.1%의 전류차이가 1000배이고, 색온도가 3000Kelvin이나 5700Kelvin일 경우 양쪽 광원의 전류 차이가 10배라고 가정하면 최대 대비 최저가 약 10000배의 차이가 나게 된다.

이와 같이 매우 넓은 범위의 조도 조절이 요구되는 구조에는 고증폭률의 앰프를 사용하여야 하는데, 이는 전원공급장치와 주변 회로에서 유입되는 노이즈의 영향을 받아 정밀한 제어가 되지 않고 따라서 LED 램프로 흐르는 전류의 변동이 커지게 된다. 따라서, 광량이 일정하지 않고 요동치는 플리커 현상이 커지게 된다.

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10-1116188

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10-1129287

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10-1304436

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본 발명은 광범위 디밍 제어가 가능한 LED 조명 제어 방법 및 이를 적용하는 LED 램프 장치를 제공한다.

본 발명은 넓은 범위의 디밍 제어 하에서도 안정적인 낮은 밝기와 높은 밝 유지가 가능하고, 특히 낮은 밝기에서 나타날 수 있는 플릭커링 현상을 효과적으로 억제 또는 방지할 수 있는 LED 조명 디밍 제어 장치 및 이를 적용하는 LED 램프 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 디밍 제어 장치:는

다수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 발광 모듈에 대한 목표 전류량를 조절하는 것으로, 제1범위의 전류량을 조절하는 제1전류 제어부와 제2범위의 전류량을 조절하는 제2전류 제어부를 포함하는 전류 제어 모듈;

상기 전류 제어 모듈의 제1, 제2전류 제어부를 공히 제어하여, 상기 제1, 2전류 제어부에 의한 제1전류와 제2전류 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 발광 모듈 에 대한 목표 전류를 결정하는 디밍 제어부;를 구비한다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상기 제1전류 제어부는 상기 발광 모듈의 높은 조도 범위의 디밍 조절을 위한 고전류 제어부이며, 제2전류 제어부는 상기 제1전류 제어부에 비해 상대적으로 낮은 조도 범위의 디밍 조절을 위한 저전류 제어부일 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상기 발광 모듈에 대한 목표 전류가 제2전류 제어부가 허용하는 최대 전류를 도과하는 경우, 상기 제2전류 제어부에 의한 최대의 제2전류와, 그리고 제1전류 제어부에 의해 조절된 제1전류에 의해 상기 목표 전류가 결정될 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상기 목표 전류가 제2전류 제어부의 최대 전류 이하인 경우, 상기 제2전류 제어부에 의해 조절된 제2전류에 의해서 상기 목표 전류가 결정될 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상기 제1, 제2전류 제어부 각각은 발광 모듈에 대한 전류를 조절하는 FET(Field Effect Transistor)와 상기 디밍 제어부로부터의 제어 신호에 의해 상기 FET의 게이트를 제어하는 FET 구동기로서의 OP-앰프(Operational Amplifier, OP-AMP), 상기 FET의 전류를 전압으로 검출하여 상기 OP-앰프로 피드백하는 센싱 저항을 포함한다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상대적으로 저전류 제어부인 상기 제1전류 제어부는 상기 센싱 저항으로부터의 검출 전압을 증폭하여 상기 OP-앰프로 피드백하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 LED 램프 장치:는

발광 색온도를 달리하는 제1발광모듈과 제2발광모듈;

상기 제1, 제2발광모듈 각각에 대한 전류를 결정하는 제1전류 제어부 및 제2전류 제어부를 각각 포함하는 제1, 제2전류 제어모듈;

상기 제1, 제2전류 제어모듈을 제어하여 제1, 제2발광모듈에 의한 전체 조도와 색온도를 제어하는 디밍 제어부;를 구비하며,

다수의 발광다이오드(LED)를 포함하는 발광 모듈의 전류량를 조절하는 것으로, 제1범위의 전류량을 조절하는 제1전류 제어부와 제2범위의 전류량을 조절하는 제2전류 제어부를 포함하는 전류 제어 모듈;

상기 전류 제어 모듈의 제1, 제2전류 제어부를 공히 제어하여, 상기 제1, 2전류 제어부에 의한 제1전류와 제2전류 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 발광 모듈 에 대한 목표 전류를 결정하는 디밍 제어부;를

상기 제1, 제2전류 제어모듈:은

해당 발광 모듈에 대한 목표 전류량를 조절하는 것으로, 제1범위의 전류량을 조절하는 제1전류 제어부와, 제2범위의 전류량을 조절하는 제2전류 제어부를 각각 포함한다.

본 발명에 따르면, 고비율의 디밍 제어를 위하여 고디밍 제어부와 저디밍 제어부를 마련하여 이를 병렬 연결하여 발광모듈에 연결한다. 즉, 본 발명은 목표 전류량의 조절을 저전력 제어부와 저전력 제어부로 분산하여 수행하고, 따라서, 노이즈의 영향이 없이 매우 안정적으로 플리커(깜박임)가 없이 넓은 범위의 조도 조절 및 색온도의 조절이 가능하게 된다. 이러한 본 발명에 따른 조명 장치는 수백 헬즈의 촬영속도에 대해서 플리커가 없고 색온도 조절이 가능하면서도 극히 낮은 밝기에서 극단적으로 밝은 초 고조도 방송용 조명 장치로서 적합하다.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치의 개략적 구성을 보이는 시스템 다이어그램이다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치에서 전류 제어 모듈에 구동 전류의 흐름을 설명하는 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치에서 류 제어 모듈의 두에 구제어 전류 발생부의 제어 전류의 범위 및 동작 구간을 설명하는 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치의 전류 제어 모듈의 구조를 설명하는 개략적 구성도이다.
도5은 본 발명의 구체적인 일 실시 예에 따른 전류 제어 모듈 및 이에 연결되는 조명 모듈의 개략적 구성 및 연결 구조를 보이는 회로도이다.
도6은 본 발명의 구체적인 일 실시 예에 따른 제2전류 제어부의 개략적 회로도이다.
도7은 본 발명의 구체적인 일 실시 예에 따른 제1전류 제어부의 개략적 회로도이다.
도8은 본 발명의 구체적인 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치에서, 마스터 제어 모듈에서의 제어 전류의 결정 및 출력 과정을 설명하는 흐름도이다.
도9은 본 발명의 구체적인 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치에서, 전류 제어 모듈에 내장된 마이크로프로세서에서의 신호 처리 과정을 설명하는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 LED 발광 모듈의 디밍 제어 장치와 이를 적용하는 LED 조명 장치의 실시 예에 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 조명 장치(10)의 개략적 구성을 보이는 시스템 다이어그램이다.

도1을 참조하며, 다양한 전위의 DC 파워를 공급하는 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등의 전원부(15)는 마스터 제어 모듈(14)과 발광 모듈(11)에 연결된다. 색온도(色溫度, Color temperature)를 달리하는 다수의 LED가 일정한 규칙으로 배열되어 있는 2개의 발광부(제1, 제2 발광부, 11a, 11a')를 내장하는 발광 모듈(11)에 두 개의 전류 제어 모듈(12, 12')이 연결되어 있다. 이러한 발광 램프(11)는 일반적으로 알려진 구조를 가질 수 있는데, 예를 들어 상기 두 LED 광원(11a, 11a')들은 3,200K와 5,500K의 색온도를 가지는 다수의 LED를 포함할 수 있다. 이들 두 LED 광원 간의 적절한 발광 비율의 조절에 의해 발광 모듈(10)의 조명 색온도를 3,200~5,500K 범위에서 조절할 수 있게 되는데, 두 전류 제어모듈(12, 12')에 의해 허용되는 구동 전류(Id, Id')에 의해 결정된다.

상기 구동 전류(Id, Id')는 결정하는 제1, 제2전류 제어 모듈(12, 12')은 색온도 및 조도 제어를 위한 신호를 발생하는 디밍 제어부 또는 마스터 제어 모듈(14)에 병렬 제어 되도록 연결되어 있다.

마스터 제어 모듈(14)은 상기 전류 제어 모듈(12, 12')에 대한 병렬 전류 제어 신호를 발생하는 것으로 사용자의 조정에 의한 색온도와 조도 설정을 입력 받고, 이에 대응하는 제어신호(제어 전류, Ic1, Ic2)를 발생한다. 마스터 제어 모듈(14)은 사용자의 입력 값에 따라 제1, 제2발광부(11a, 11a')의 색온도와 조도에 매칭되는 목표 전류값 1, 2를 설정하여, 이에 따른 제어신호(Ic1, Ic2)를 제1, 제2 전류 제어 모듈(12, 12')로 전송한다.

전류 제어 모듈(12, 12')은 목표 전류값 1, 2(Ic1, Ic2)에 따라 상기 제1, 제2발광 모듈(11)의 각 발광부(11a, 11a')를 제어하여, 각 제1, 제2구동 전류(Id, Id')를 결정한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1, 제2구동 전류(Id, Id')는 본 발명에 따라 복수의 구동 전류 제어모듈(부)에 의해 결정된다. 본 실시 예에서는 도2에 도시된 바와 같이, 두 개의 전류 제어부(12a, 12b)에 의해 구현되며, 여기에서 제1전류 제어부(12a)는 고전류 범위의 고디밍 제어부이며, 그리고 제2전류 제어부(12b)는 저전류 범위의 저디밍 제어부일 수 있다.

예를 들어, 상기 발광 모듈(11)에 대한 최대 전류가 5A 인 경우, 상기 제1전류 제어부(12a)의 전류 제어 범위를 50mA~5A, 제2전류 제어 모듈(12b)의 전류 제어 범위를 0.05mA~50mA로 설정할 수 있다. 이와 같이 전체 전류 제어 범위를 2 또는 그 이상으로 분할하게 되면, 전체 각 전류 제어 모듈에서의 증폭률을 큰 폭으로, 안정적인 100%로 낮출 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명의 특징에 따르면, 제어 조도가 매우 낮은 저디밍 제어 시에도 플리커링이 없이 조도 및 색온도의 조절이 가능하게 된다. 하나의 전류 제어부를 가지는 종래의 구조를 예를 들며, 조도 및 색온도 조절을 위해 전류의 제어범위를 0.05mA~5A이라 했을 때, 약 10,000배의 차이가 난다. 이러한 큰 전류 제어 범위를 종래와 같이 하나의 전류 제어부로 조절하게 되면, 여기에 사용되는 FET 구동기가 허용하는 제어 전압의 범위를 벗어 나기 때문에 안정된 램프 모듈의 제어에 실패할 수 있다.

여기에서 나타날 수 있는 문제 중 하나는 낮은 조도의 범위에서 플리커링의 발생이다. 이는 FET 구동기로 사용되는 OP-앰프에 입력되는 제어 전압이 매우 미세하여 오차가 커지기 때문이다. 예를 들어 오프셋 전압이 최대 10nV에 이르는 고정밀급 OP-앰프인 AD8552(Analog Devices Co.,)를 FET 구동기로 사용하고, 피드백 제어 전압을 검출하기 위한 센싱 저항을 0.01옴으로 설정한 경우에도, 예를 들어 최소 구동 전류인 0.05mA 근방에서 구동 전류를 제어를 할 때에 센싱 전압은 0.05uV까지 낮추어 지게 되는데, 이렇게 되면, OP-앰프의 특성인 10uV 오프셋 전압을 고려했을 때 0.05uV로는 정밀하고 안정되게 OP-앰프를 제어할 수 없고, 따라서 제어 전류가 불안정하게 변화되고 결과적으로는 발광 램프에서의 조도 불안정, 즉 플리커링이 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 도2에 도시된 바와 같이 하나의 발광 모듈(11)에 대한 제어 전류의 범위를 복수로 분할, 본 실시 예에서는 고전류 제어를 위한 제1전류 제어부(12a)와 저전류 제어를 위한 제2전류 제어부(12b)등이 전류 제어 모듈(12, 12')에 각각 마련된다. 따라서 발광 모듈(11)의 제1, 제2발광부(11a, 11a')에 대한 구동 전류 Id, Id' 는 아래와 정리된다.

'

여기에서, 본 발명의 실시 예에 따라, Ida의 제어 범위를 5mA~5A, 그리고 Idb의 제어 범위를 0.05mA~5mA 로 설정하였을 때, 예를 들어 결정된 구동(목표) 전류 Id 가 5mA 이하의 범위인 경우, 제2전류 제어부(12b)에 의해 조절된 구동 전류 Idb를 흘리고, 최대 전류 5mA를 허용하고, 그리고 제1전류 제어부(12a)는 제1구동 전류 Ida를 제로(0)로 차단한다.

그리고, 구동(목표) 전류 Id가 5mA 이상인 경우, 제2전류 제어부(12b)에 의해 최대 전류 5mA 를 흘리면서, 제1전류 제어부(12a)에 의해서는 제어된 제1구동전류(Idb)를 흘린다.

이러한 제어는 제2전류 제어부(12b)에서 동일하게 이루어 질 수 있는데, 위의 설명을 정리하면, 도 3에 도시된 바와 같다.

즉, 목표 전류(Id, Id')는 제1제어전류(Ida)와 제2제어전류(Idb)의 합이며, 제1제어전류(Ida)는 제1전류 제어부(12a)에 의해 결정되며, 제2전류 제어부(12b)에 의해 결정되며, 목표 전류에 상응하는 제1전류가 제어되는 제1전류제어 구간에는 최대 전류 상태의 제2전류 제어구간이 포함된다.

도4는 본 발명에 따른 전류 제어 모듈(12, 12')의 개략적 구성을 보이는 블록블럭다이어그램이다.

도4에 도시된 바와 같이, 전류 제어 모듈(12)은 전술한 바와 같은 제1, 제2 전류 제어부(12a, 12b)를 포함한다. 각 전류 제어부(12a, 12b)은 제1, 제2전류 제어를 수행하는 FET(FET1, FET2) 및 FET(T1, T2)를 제어하는 FET 구동기로서의 제1, 제2 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2), FET(T1, T2)의 전류를 전압으로 검출하는 센싱저항 1, 2(R1, R2), 그리고 각 FET(T1, T2) 에서의 제어 전압을 검출하는 A/D 컨버터(ADC1, ADC2), 그리고 제어 전류(Ic1, Ic2)를 제어 전압(Vc1, Vc2)으로 변환하여 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)로 출력하는 D/A 컨버터(DAC1, DAC2)를 구비한다. 한편, 제1전류 제어부(12a)는 센싱 저항(R1)에 의해 검출한 미소 전압을 소정 배수 증폭하여 제1 OP-앰프(OP-AMP1)로 피드백하는 피드백 앰프(AMPf)를 구비한다.

도5는 본 발명의 구체적인 실시 예에 따른 제1, 제2전류 제어부(12a, 12b)를 포함하는 전류 제어 모듈(12)를 개략적 회로도이다. 도면에 도시되어 있지 않지만, 전류 제어 모듈에는 제1, 제2전류 제어부(12a, 12b)를 제어하는 전류 제어 마이크로 프로세서(마이콤)가 마련되며, 이때에 OP-앰프로 인가되는 제어 전압을 검출하는 상기 A/D 컨버터(ADC1, ADC2)는 그 일부 또는 부속 요소일 수 있으며, 이에 더하여 제어 전압을 제1, 제2 OP-앰프로 출력하는 상기 DAC(DAC1, DAC2)가 한 내부 요소로 수 있다.

도5를 참조하면, 다수의 LED 광원(D1~D9)을 가지는 램프 모듈(11)의 발광 모듈(11a, 11a')에 전류 제어 모듈(12)의 제1, 제2전류 제어부(12a, 12b)가 병렬 접속되어 램프 모듈(11)에 전술한 바와 같은 구동 전류(Id)가 흐를 수 있도록 되어 있다.

상기 발광 모듈(11a)은 소오스에 센싱 저항(R1, R2)가 두 FET(T1, T2)의 드레인 측에 공통 병렬 접속되어 있다. 따라서, 발광 모듈(11a)에 대한 구동 전류(Id)는 두 FET(T1, T2)에 의해 결정되는 전류(Ida, Idb)의 합에 의해 결정된다.

두 FET(T1, T2)에 의한 제어 전류는 제1, 2 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)에 의해 결정되며, 이때 각 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)의 포지티브(+) 입력단에 제어 전압(Vc1, Vc2)가 입력되고, 마이너스(-) 입력단에 픽드백(F/B) 전압, 즉 센싱 저항(R1, R2)에 의해 검출된 피드백 전압이 인가된다. 여기에서, 고전류 제어부에 해당하는 제1전류 제어부(12a)에서 센싱 저항(R1)에 의해 검출 된 미소 전압은 앰프(AMPf)에 의해 1회 증폭된 후 제1 OP-앰프(OP-AMP1)로 피드백 된다.

위의 구조를 이용해 10000:1의 디밍 제어를 수행할 수 있게 되는데, 전술한 바와 같이 디밍 제어에서 고디밍 제어와 저디밍제어를 분리하여 병렬 수행한다.

예를 들어, 본 발명에 따른 디밍 제어 장치에서, 10000:1의 전류제어에서 최대 전류가 5A일 경우 최소전류는 0.05mA가 된다.

두 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)와 FET(T1, T2)로 전류를 제어하기 위해서 센싱 저항(R1, R2)을 사용하고 센싱 저항(R1, R2)으로 측정되는 전압 값을 각 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)의 네거티브(-) 전압 입력 단으로 피드백(F/B)시키면 각 OP-앰프OP-AMP1, OP-AMP2), 포지티브(+) 전압 입력으로 설정된 제어 전압과 동일하게 -전압 입력이 구동되어 센싱 저항(R1, R2)으로 정전류가 흐르는 정전류 제어가 된다.

이때, 센싱 저항(R1, R2)을 통한 열손실이 크지 않도록 제어하는 최대전류를 고려하여 센싱 저항을 선택하는 것이 필요하다. 예를 들어 센싱 저항으로 0.01옴을 사용할 경우 최대 전류 5A일 때, 센싱 저항을 통한 전력 손실은 I^2 X R = 0.25W가 된다.

이때 최소전류는 0.05mA로서 센싱저항 0.01옴을 사용하여 0.05mA전류를 제어하기 위해서는 0.05mA x 0.01옴 = 0.0005mV = 0.5uV의 제어 전압을 OP-앰프의 포지티브(+) 입력단으로 인가해야 한다. 따라서, 제어 전압이 너무 미세하여 오차가 커지게 되고 또한, 전원공급장치와 주변 회로에서 유입되는 노이즈의 영향으로 인해 정말한 제어가 되지 않고 LED 광원으로 흐르는 전류의 변동이 커지게 된다. 따라서, 광량이 일정하지 않고 요동치는 플리커 현상이 커지게 된다.

낮은 센싱 저항에 의한 문제를 해소하기 위하여, 센싱 저항 값을 높이게 되면 LED로 흐르는 최대 전류에서 센싱 저항의 발열이 커지게 되는 새로운 문제가 발생할 수 있고, 센싱 저항을 낮추면 최소 전류에서 제어 전압이 너무 낮아서 제어가 제대로 되지 못하는 문제가 있다.

이러한 이유로 전술한 바와 같이 전류 제어 경로를 병렬로 2원화 시켜 고전류와 저전류로 구분하고 고전류는 고디밍 제어부에서, 그리고 저전류는 저디밍 제어모듈에서 각각 담당하여 광대역 범위의 전류제어를 실현하였다.

이하에서, 상기 제1 OP-앰프(OP-AMP1)와 제2OP-앰프(OP-AMP2)의 보다 구체적인 실례를 설명한다. 먼저, 저디밍 제어부, 즉 저전류 제어부에 해당하는 제2전류 제어부(12b)의 구체적인 구조 및 작동을 살펴 본다.

저디밍 구동부인 제2전류 제어부(12b)는 전류제어 OP-앰프(OP-AMP2)와 FET2(T2), 센싱 저항(R2)을 포함한다. 본 실시 예에서 센싱 저항(R2)는 다수 저항이 병렬 접속된 어레이 구조를 가질 수 있다.

OP-앰프(OP-AMP2)의 포지티브(+) 입력단으로 제어 전압(Vc2)이 인가되면, OP-앰프(OP-AMP2)는 센싱 저항으로부터 검출된 센싱 전압이 OP-앰프(OP-AMP2)의 네가티브(-) 입력단으로 피드백된다. 따라서 포지티브 입력 값과 네가티브 입력 값이 같아지도록 센싱 전압이 결정되며, 따라서, 램프 모듈(11)은 센싱전압/센싱저항의 정전류로 구동된다.

이러한 저디밍 제어부, 즉 제2전류 제어부(12b)에서, 최대제어 전류의 0.01% ~ 1%이하인 전류에 대해서는 해당하는 전류 값만큼 동작되며 제어 전류가 최대전류의 1%를 초과할 경우는 1%에 해당하는 전류만큼 제어되도록 할 수 있다. 이와 같이 하면 센싱 저항(R2)은 저전류를 제어할 수 있으므로 충분히 큰 값을 사용하여 센싱 접압을 OP 앰프의 오프셋 전압의 범위를 벗어날 수 있으며, 따라 정밀하고 안정된 제어가 가능하게 된다.

예를 들어, 센싱 저항으로 100옴의 저항을 사용할 경우 예를 들어, 최대전류 5A인 램프 모듈에 대해서 0.5mA ~ 50mA의 전류제어 범위를 가질 수 있다. 이때 제어전압은 (0.5mA ~ 50mA) X 100 = 50mV ~ 5V가 된다. 이 정도의 제어 전압은 OP 앰프가 안정되게 작동할 수 있는 범위가 되게 된다.

한편, 램프 모듈이 완전히 OFF일 경우 음(-) 전압을 OP 앰프(OP-AMP2)의 포지티브(+) 입력단에 인가함으로써 FET(T2)를 통한 전류 흐름을 완전히 차단할 수 있다. 이때 FET(T2)를 통한 누설전류까지 차단하기 위하여서는 전원공급 전압을 모듈 모듈의 순방향 전압강하의 60%까지 낮출 수 있다.

이하에서, 도7을 참조하면서 고디밍 제어부, 즉 고전류 제어부에 해당하는 제1전류 제어부(12a)의 구체적인 구조 및 작동에 대해 살펴 보기로 한다.

고디밍 구동부이 제2전류 제어부(12a)는 전류 제어 OP-앰프(OP-AMP1)와 FET(T1), 센싱저항(R1), 피드백 증폭 OP-앰프(AMPf)를 포함한다.

OP-앰프(OP-AMP1)의 포지티브(+) 입력단으로 제어 전압(Vc1)이 인가되면, OP-앰프(OP-AMP1)는 센싱 저항(R1)에 의해 검출된 센싱 전압이 OP-앰프(OP-AMP1)의 네가티브(-) 입력단으로 인가된다. 이때 센싱 전압은 OP-앰프(OP-AMP1)의 전단에서 증폭된다. 이와 같이 피드백 증폭 앰프(AMPf)에 의해 증폭된 센싱 전압이 OP-앰프(OP-AMP1)의 네가티브(-) 입력단으로 인가된다. 결과적으로 OP-앰프(OP-AMP1)의 네가티브(-) 입력단으로 피드백됨으로써, (+) 입력값과 (-) 입력값이 같아지도록 센싱 전압이 결정된다. 따라서, 제1전류 제어부(12a)에 의하면, 램프 모듈(11)은 제어전압/(센싱저항 X 피드백증폭률)의 정전류로 구동되게 된다.

여기에서, 센싱 저항에서 검출된 센싱 전압을 증폭하여 피드백하는 이유는 다음과 같다. 제어 전류가 높으면 센싱 저항의 발열이 제어 전류의 제곱에 비례하여 커진다. 따라서, 센싱 저항을 충분히 낮추어 발열을 가급적 줄여야 한다. 이때 센싱 저항 값이 낮을수록 제어 전압도 비례해서 낮아지게 되고 낮은 제어 전압으로 인해 제어 전류의 오차가 증가하고 주변 노이즈의 영향이 높아지게 된다. 이때 센싱 전압을 증폭하여 피드백 하게 되면 증폭률만큼 제어 전압이 상승하게 되어 낮은 제어전압의 문제점을 해결할 수 있다.

예를 들어, 최대전류 5A의 램프 모듈에서, 고디밍(고전류 제어) 영역이 최대값의 1%로 까지라고 설정하면 50mA가 최저 전류가 된다. 이때 센싱 저항이 0.01 오옴일 경우 최저 전류를 구동하기 위한 제어 전압은 50mA x 0.01옴 = 0.5mV가 되어 낮은 값이다.

이때에 본 발명에 따라, 예를 들어 센싱 전압을 100배 증폭하게 되면 최저 제어 전압은 0.5mV x 100 = 50mV가 되어 100배 증가하게 된다. 따라서, 고디밍 제어전압 범위는 50mV ~ 5V가 되어 보다 안정적으로 최저 전류를 제어할 수 있게 된다.

고디밍은 최대 제어 전류의 1%초과 ~ 100%의 전류에 대해서 동작되며 램프 모듈의 목표 제어 전류가 최대 전류의 1%이하일 경우 OP-앰프(OP-AMP1)의 포지티브(+) 입력 단으로 음(-)의 전압을 인가함으로써 FET(T1)을 통한 전류가 흐름을 차단할 수 있다.

도8은 사용자의 입력 및 이에 따른 제어 전류(Ic1, Ic2)의 산출 과정을 설명한다. 먼저, 사용자가 색온도 및 조도에 대한 설정한 값을 변경 또는 조정하면(S81), 마스터 제어 모듈의 색온도 조절 및 조도 제어 마이크로 프로세서는 입력된 색온도와 조도에 매칭되는 제1, 제2제어전류(Ic1, Ic2)를 UART 등과 같은 통신부를 통해 전술한 전류 제어 모듈(12)의 제1, 제2전류 제어부(12a, 12b)로 각각 전송한다.

도9는 제1, 제2제어전류(Ic1, Ic2)를 입력 받은 전류 제어 모듈(12)에서의 제1, 제2전압(Vc1, Vc2)의 산출 과정을 보인다.

첫 번째 단계(S91)에서, 제1, 제2제어 전류를 포함하는 목표 전류치가 저전류 구동부인 제2전류 제어부(12b)의 최대 전류치 비해 큰 경우, 예를 들어, 제2전류 제어부(12b)를 최대 전류치를 담당하게 하고, 그 나머지 전류치는 제1전류 제어부에서 담당하도록 D/A 컨버터(DAC1, DAC2)를 설정한다.

그리고, 목표 전류치가 저전류 구동부인 제2전류 제어부(12b)의 최대 전류치 비해 작은 경우에는, 제2전류 제어부에 의해 목표 전류를 담당하게 하고, 제1전류 제어부는 0V의 제어전압을 발생하도록 한다.

예를 들어, 최대 전류치가 5A인 램프 모듈을 구동함에 있어서, 제1전류 제어부가 최대 전류치의 1~100%를 담당하고, 그리고 제2전류 제어부가 최대 전류치의 1% 이하 인 경우에, 제1전류 제어부(12a)의 전류 제어 범위는 50mA~5A 이며, 제2전류 제어부(12b)의 전류 제어 범위는 0.5mA~50mA가 된다. 이러한 실시 예에 따르면, 제1, 제2전류 제어부에 의한 전류 변화폭은 각각의 최저 전류값에 대해서 100%에 해당한다. 이러한 방법에 따르면 최대 10000:1 의 조도 제어가 가능하게 된다.

이와 같이 D/A 컨버터(DAC1, DAC2)에 의해 제어 전압(Vc1, Vc2)를 제1, 제2 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)로 입력한다.

이러한 상태에서, 다음 단계(S92)는 A/D 컨버터(ADC1, ADC2)를 통해 OP-앰프(OP-AMP1, OP-AMP2)로 인가되는 제어 전압을 검출하여, 이를 D/A 컨버터(DAC1, DAC2)의 설정치와 비교한다. 이때에 A/D 컨버터로부터 얻어진 검출 전압이 D/A 컨버터의 출력값과 음의 기준전위의 합에 비해 작으면, DAC 값(제어 전압)을 증가시켜 출력하고, 그 반대인 경우는 DAC 값을 감소 시켜 출력한다.

그리고, 인터럽트 단계(S93)로서, 사용자에 의해 목표 전류치가 변동된 경우는 첫번째의 S91 단계로 이행하며, 그렇지 않은 경우, S92 단계를 통해 목표 전류치에 대한 제어 전압의 보상을 진행한다.

전술한 본 발명의 실시 예에서, 조도와 색온도의 조절을 위해 하나의 조명 모듈이 2개의 발광부를 가지는 구조에 대해서 설명되었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 색온도 조정이 없이 특정 색광에 대해 조도 조절만 필요한 램프 모듈에도 적용될 수 있다. 이러한 실시 예에 따르면, 예를 들어, 도1의 구조에서 발발광 모듈(11)은 하나의 광원부(11a)와 하나의 전류 제어 모듈(12)만을 가질 수 도 있으며, 이 경우, 도1의 설명에서 언급된 마스터 제어 모듈은 색온도 제어 기능이 필요 없는 단순한 디밍 제어부에 해당할 것이다.

이러한 본 발명의 긍극적인 목적은 기존의 디밍 제어 시스템에서 구현할 수 없었던 초광대역 조도 조절을 가능하게 하는 것에 있으며, 부수적으로 이를 색온도의 조절이 가능한 시스템에도 적용할 수 있도록 하는 것이다.

LED의 조도제어 방법은 크게 2가지로 구분할 수 있는데, 하나는 LED의 순방향 전류 크기를 제어하는 아날로그(전류제어) 방식이며, 다른 하나는 LED의 ON/OFF를 빠르게 반복하여 그 주기 안에서 ON/OFF 비율(duty)을 조절하는 PWM 방식이 있다. 전자의 방법은 LED의 순방향 전류와 조도의 선형적 관계를 이용한 것으로써 빛을 일정하게 할 수 있지만, 조도제어 레벨이 낮을 시 잡음에 의해 빛이 깜박이는 현상(Flicker; 플리커)이 발생하기 쉬우며, 빛의 파장이 바뀌어 색이 변화하는 이른바 칼라 쉬프트(color shift) 현상이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명은 전술한 바와 같은 특징적 제어 구조를 가짐으로써 이러한 문제를 크게 개선하여, 종전에는 기대할 수 없었던 초광대역 조도 및 색온도 제어 시스템을 제공할 수 있게 되었다.

이러한 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: LED 조명장치
11: 발광 모듈
11a, 11a': LED 광원
12, 12': 전류 제어 모듈
12a, 12b: 제1, 제2전류 제어부
13: 마스터 제어 모듈
14: 전원부(SMPS)

Claims

다수의 발광 다이오드(LED)를 포함하는 발광 모듈에 대한 목표 전류를 조절하는 것으로, 제1범위의 전류을 조절하는 제1전류 제어부와 제2범위의 전류량을 조절하는 제2전류 제어부를 포함하는 전류 제어 모듈; 그리고
상기 전류 제어 모듈의 제1, 제2전류 제어부를 공히 제어하여, 상기 제1, 2전류 제어부에 의한 제1제어전류와 제2제어전류 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 발광 모듈 에 대한 목표 전류를 결정하는 디밍 제어부;를 포함하는 디밍 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1전류 제어부는 상기 발광 모듈의 높은 조도 범위의 디밍 조절을 위한 고전류 제어부이며, 제2전류 제어부는 상기 제1전류 제어부에 비해 상대적으로 낮은 조도 범위의 디밍 조절을 위한 저전류 제어부인 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1, 제2전류 제어부 각각은 발광 모듈에 대한 전류를 조절하는 FET(Field Effect Transistor)와 상기 디밍 제어부로부터의 제어 신호에 의해 상기 FET 를 제어하는 FET 구동기로서의 OP-앰프(Operational Amplifier, OP-AMP), 상기 FET의 전류를 전압으로 검출하여 상기 OP-앰프로 피드백하는 센싱 저항을 포함하며,
상대적으로 저전류 제어부인 상기 제1전류 제어부는 상기 센싱 저항으로부터의 검출 전압을 증폭하여 상기 OP-앰프로 피드백하는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
제1항에 있어서,
제1전류 제어부와 제2전류 제어부의 전류 제어 범위의 최대 제어 전류는 는 각각의 최저 제어 전류에 대해 100%의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
제2항에 있어서,
상기 목표 전류가 제2전류 제어부의 최대 제어 전류 보다 낮을 때, 상기 목표 전류는 제2전류 제어부에서 결정하고,
상기 목표 전류가 제2전류 제어부의 최대 제어 전류 보다 높을 때,
상기 제2전류 제어부의 최대 전류와 제1전류 제어부의 조절된 전류의 합에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 디밍 제어 장치.
발광 색온도를 달리하는 제1발광 모듈과 제2발광 모듈; 그리고
상기 제1, 제2발광모듈 각각에 대한 목표 전류를 결정하는 것으로, 청구항1 내지 청구항5 중의 어느 한 항에 기재된 구조를 각각 가지는 제1, 제2전류 제어 모듈; 그리고
상기 제1, 제2전류 제어 모듈에 대한 제어 전류를 조절하여 상기 제1발광 모듈과 제2발광 모듈의 발광에 의한 조명광의 조도 및 색온도를 조절하는 마스터 제어 모듈;을 구비하는 LED 조명 장치.