KR20180118407A - 소비 전력 절감을 위한 엘이디 조명 장치 - Google Patents

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Abstract

소비 전력 절감을 위한 엘이디 조명 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엘이디 조명 장치는, 제1 단자, 제2 단자, 제3 단자 및 제4 단자를 포함하며, 제1 인덕터가 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 제1 인덕터와의 공진을 위한 제1 커패시터가 상기 제2 단자와 상기 제3 단자 사이에 배치되는 전자식 안정기와 결합 가능한 엘이디 조명 장치로서, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 각각 접속되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 전원 입력단자; 상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 각각 접속되는 제3 전극 및 제4 전극을 포함하는 제2 전원 입력단자; 상기 제1 전원 입력단자 및 상기 제2 전원 입력단자를 통해 입력되는 교류 전원을 정류하고, 상기 정류된 전원을 엘이디 모듈에 전달하는 정류부; 및 상기 제1 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 직렬로 연결되거나, 상기 제2 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 직렬로 연결되는 제2 인덕터와 제3 인덕터를 포함하며, 상기 정류부는, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터에 각각 연결되고, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서의 전압이 상기 엘이디 모듈에 인가된다.

Description

소비 전력 절감을 위한 엘이디 조명 장치{LED LIGHTING APPARATUS FOR REDUCING POWER CONSUMPTION}
본 발명의 실시예들은 형광등을 점등시키는 데 사용되는 전자식 안정기와 결합 가능한 엘이디 조명 장치(또는 LED 램프)에 관한 것이다.
최근, 형광등 대신 발광다이오드(Light-Emitting Diode)(이하 엘이디라 함)를 이용한 조명 장치의 사용이 증가하고 있다. 일반적으로, 형광등은 공진으로 발생되는 매우 높은 전압(AC 600V 이상)에 의해 형광등 양극 사이에 방전을 일으키는 전자식 안정기에 의해 구동된다.
그러나, 전자식 안정기에 엘이디 조명 장치를 단순 결합하는 경우, 공진에 의한 전자식 안정기의 높은 출력(또는 전압)으로 인해 엘이디 조명 장치의 구동회로가 타거나 퓨즈가 끊어져 엘이디 조명 장치를 사용할 수 없게 되는 경우가 종종 발생하게 된다. 또한, 전자식 안정기의 높은 출력으로 인해 엘이디 조명 장치의 소비 전력이 증가하고 온도가 과도하게 올라가 엘이디 조명 장치를 오랫동안 쓸 수 없게 되는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 특1998-046172호(1998.09.15)
본 발명의 실시예들은 형광등용 전자식 안정기와 호환 가능한 엘이디 조명 장치의 소비 전력을 줄이는 수단을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 단자, 제2 단자, 제3 단자 및 제4 단자를 포함하며, 제1 인덕터가 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 제1 인덕터와의 공진을 위한 제1 커패시터가 상기 제2 단자와 상기 제3 단자 사이에 배치되는 전자식 안정기와 결합 가능한 엘이디 조명 장치로서, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 각각 접속되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 전원 입력단자; 상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 각각 접속되는 제3 전극 및 제4 전극을 포함하는 제2 전원 입력단자; 상기 제1 전원 입력단자 및 상기 제2 전원 입력단자를 통해 입력되는 교류 전원을 정류하고, 상기 정류된 전원을 엘이디 모듈에 전달하는 정류부; 및 상기 제1 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 직렬로 연결되거나, 상기 제2 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 직렬로 연결되는 제2 인덕터와 제3 인덕터를 포함하며, 상기 정류부는, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터에 각각 연결되고, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서의 전압이 상기 엘이디 모듈에 인가되는, 엘이디 조명 장치가 제공된다.
상기 제2 인덕터는, 일단이 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극에 연결되고 타단이 상기 제3 인덕터 및 상기 정류부에 각각 연결되며, 상기 제3 인덕터는, 일단이 상기 제2 전극 또는 상기 제4 전극에 연결되고 타단이 상기 제2 인덕터 및 상기 정류부에 각각 연결될 수 있다.
상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터는, 0보다 크고 500μH 보다 작은 크기의 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전원 입력단자와 정류부 사이에 복수의 인덕터를 직렬 연결하고 상기 복수의 인덕터의 타단측 센터탭에 정류부가 연결되도록 함으로써, 상기 복수의 인덕터에서 전자식 안정기로부터 출력되는 교류 전원에 대한 역기전력을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 엘이디 모듈에 인가되는 전원의 크기가 감소되며, 엘이디 모듈의 소비 전력이 절감될 수 있다. 또한, 상기 역기전력에 의해 엘이디 모듈에 걸리는 순간적인 과부하를 크게 줄일 수 있으며, 엘이디 모듈의 소비 전력이 절감됨에 따라 엘이디 조명 장치의 전체 회로에서의 역률(power factor)이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치의 회로도
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치의 회로도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(100)의 회로도이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(100)는 형광등용 전자식 안정기(10)에 결합되어 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 전자식 안정기(10)는 제1 단자(S1, 12), 제2 단자(S2, 14), 제3 단자(S3, 16) 및 제4 단자(S4, 18)를 포함한다. 이때, 제1 단자(S1, 12)에는 제1 인덕터(L1, 20)가 연결되며, 제2 단자(S2, 14)와 제3 단자(S3, 16) 사이에는 제1 커패시터(C1, 22)가 배치되어 제2 단자(S2, 14) 및 제3 단자(S3, 16)에 각각 연결될 수 있다. 또한, 전자식 안정기(10)는 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 구비할 수 있으며, 상기 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2)를 교대로 반복 구동시켜 고주파의 구형파를 발생시킬 수 있다. 상기 구형파는 제1 인덕터(L1, 20)와 제1 커패시터(C1, 22)의 공진에 의해 고주파 특성을 갖는 정현파로 변환될 수 있다. 여기서, 제1 인덕터(L1, 20)는 예를 들어, 2mH 크기의 인덕턴스 값을 가질 수 있으며, 제1 커패시터(C1, 22)는 예를 들어, 0.1μF 크기의 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 또한, 제4 단자(S4, 18)는 두 개의 제2 커패시터(C2, 24)의 센터탭(center tap)에 연결될 수 있다. 상기 공진에 의해 발생되는 전자식 안정기(10)의 높은 전압은 제1 단자(S1, 12) 내지 제4 단자(S4, 18)를 통해 출력될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(100)는 제1 전원 입력단자(110), 제2 전원 입력단자(120), 정류부(130), 엘이디 모듈(140), 제2 인덕터(152), 제3 커패시터(160) 및 제4 커패시터(170)를 포함한다.
제1 전원 입력단자(110)는 제1 단자(S1, 12) 및 제2 단자(S2, 14)에 각각 접속되는 제1 전극(J1, 102) 및 제2 전극(J2, 104)을 포함한다.
제2 전원 입력단자(120)는 제3 단자(S3, 16) 및 제4 단자(S4, 18)에 각각 접속되는 제3 전극(J3, 106) 및 제4 전극(J4, 108)을 포함한다.
상기 제1 전극(J1, 102), 제2 전극(J2, 104), 제3 전극(J3, 106) 및 제4 전극(J4, 108)은 전자식 안정기(10)로부터 교류전원을 입력 받기 위한 전원 입력단자로서, 전자식 안정기(10)의 제1 단자(S1, 12), 제2 단자(S2, 14), 제3 단자(S3, 16) 및 제4 단자(S4, 18)에 각각 삽입될 수 있다.
정류부(130)는 전자식 안정기(10)로부터 출력되는 교류 전원을 정류한다. 정류부(130)는 제1 전극(J1, 102) 내지 제4 전극(J4, 108) 중 어느 두 전극을 통해 입력되는 교류 전원을 전파 정류할 수 있다. 이를 위해, 정류부(130)는 하나 이상의 다이오드를 포함할 수 있다. 일 예시로서, 정류부(130)는 브릿지 다이오드 회로를 포함할 수 있으며, 전자식 안정기(10)에서 출력되는 상용 전원의 수백 배에 달하는 주파수의 교류 전원을 처리하기 위한 고주파용 다이오드의 조합으로 이루어질 수 있다. 정류부(130)는 상기 정류된 전원을 엘이디 모듈(140)에 전달할 수 있다.
엘이디 모듈(140)은 적어도 하나의 엘이디 소자를 포함할 수 있다. 엘이디 모듈(140)은 정류부(130)를 통해 정류된 전원을 인가 받아 발광할 수 있다. 이때, 엘이디 모듈(140)에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 커패시터(C4, 170)가 상기 엘이디 모듈(140)과 병렬 연결될 수 있다. 상기 커패시터(C4, 170)는 예를 들어, 약 0.1μF 의 커패시턴스 값을 가질 수 있다.
또한, 정류부(130)와 전원 입력단자(110, 120) 사이에는 인덕터 또는 커패시터가 연결될 수 있다. 구체적으로, 정류부(130)와 제1 전원 입력단자(110)에는 제2 인덕터(L2, 152)가 연결되고, 정류부(130)와 제2 전원 입력단자(120)에는 제3 커패시터(C3, 160)가 연결될 수 있다. 여기서, 제2 인덕터(L2, 152)는 예를 들어, 330μH 크기의 인덕턴스 값을 가질 수 있으며, 제3 커패시터(C3, 160)는 예를 들어, 5.6nF 크기의 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 이때, 제1 인덕터(L1, 20)의 용량이 가장 크기 때문에 선택도(또는 전압 증폭도)(Q)는 아래 수학식 1과 같이 L1 값(예를 들어, 2mH)에 의해 정해질 수 있다.
[수학식 1]
Q = wL1/R
여기서, w는 전자식 안정기(10)로부터 출력되는 교류 전원의 주파수를 나타내며, 예를 들어 40kHz일 수 있다. 또한, L1은 제1 인덕터(L1, 20)의 인덕턴스 값을 나타내며, R은 내부 저항 값을 나타낸다.
이때, 전자식 안정기(10)에서 엘이디 조명 장치(100)로 공급되는 전압(VT)은 아래 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
VT = (-1/jwC1) * i1 * Q
여기서, C1은 제1 커패시터(C1, 22)의 커패시턴스 값을 나타내며, i1은 제1 단자(S1, 12)로 흐르는 전류(또는 전원 입력단자(110, 120)에 흐르는 전류)를 나타낸다.
또한, 제2 인덕터(L2, 152)의 인덕턴스 값이 매우 작고 제3 커패시터(C3, 160)의 커패시턴스 값이 매우 크므로, 정류부(130)의 양단에 인가되는 전압(VD)은 아래 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
VD ≒ VT
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(100)에 따르면, 전자식 안정기(10)에서 엘이디 조명 장치(100)로 공급되는 전압(VT)과 정류부(130)의 양단에 인가되는 전압(VD), 즉 엘이디 모듈(140)에 인가되는 전압이 거의 동일하게 된다. 이 경우, 엘이디 모듈(140)에 인가되는 전압의 크기가 크므로 엘이디 모듈(140)의 소비 전력이 큰 값을 갖게 된다.
따라서, 이하에서는 엘이디 모듈(140)의 소비 전력을 감소시키기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(200)에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(200)의 회로도이다. 도 1을 참조하여 설명하였던 본 발명의 제1 실시예에서의 구성요소와 대응되는 구성요소는, 제1 실시예에서 설명한 바와 동일 또는 유사한 기능을 수행하므로, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(200)는 제1 실시예에서의 구성들을 포함하되 역기전력 발생부(150)를 더 포함할 수 있다.
역기전력 발생부(150)는 제1 전원 입력단자(110)와 정류부(130) 사이에 배치되거나 제2 전원 입력단자(120)와 정류부(130) 사이에 배치되어 전자식 안정기(10)로부터 출력되는 교류 전원에 대한 역기전력을 발생시킨다. 이를 위해, 역기전력 발생부(150)는 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)를 포함할 수 있다. 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)는 제1 단자(S1, 12) 및 제2 단자(S2, 14)에 직렬로 연결되거나, 제3 단자(S3, 16) 및 제4 단자(S4, 18)에 직렬로 연결될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의상 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)가 제1 전원 입력단자(110)와 정류부(130) 사이에 배치되어 제1 단자(S1, 12) 및 제2 단자(S2, 14)에 직렬로 연결되는 것으로 가정한다.
구체적으로, 제2 인덕터(L2, 152)의 일단은 제1 전극(J1, 102)(또는 제3 전극(J3, 106))에 연결되고, 제2 인덕터(L2, 152)의 타단은 제3 인덕터(L3, 154) 및 정류부(130)에 각각 연결될 수 있다. 또한, 제3 인덕터(L3, 154)의 일단은 제2 전극(J2, 104)(또는 제4 전극(J4, 108))에 연결되고, 제3 인덕터(L3, 154)의 타단은 제2 인덕터(L2, 152) 및 정류부(130)에 각각 연결될 수 있다. 이때, 정류부(130)는 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)가 상호 연결되는 지점에서 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)에 각각 연결될 수 있다. 즉, 정류부(130)는 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)의 타단측 센터탭(center tap)에 연결될 수 있다. 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)는 0보다 크고 500μH 보다 작은 크기의 인덕턴스 값을 가질 수 있으며, 예를 들어 330 μH 크기의 인덕턴스 값을 가질 수 있다.
이 경우, 전자식 안정기(10)에서 엘이디 조명 장치(200)로 공급되는 전압(VT)은 아래 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
VT = (jwL2 + jwL3 - 1/jwC1) * i1 * Q
즉, 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)에서의 임피던스는 제1 커패시터(C1, 22)에서의 임피던스와 역위상 관계를 가지며, 이에 따라 전자식 안정기(10)에서 엘이디 조명 장치(200)로 공급되는 전압(VT)이 줄어들게 된다.
또한, 정류부(130)의 양단에 인가되는 전압(VD)는 아래 수학식 5과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
VD ≒ VT
즉, 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)가 상호 연결되는 지점에서의 전압이 엘이디 모듈(140)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)는 상호 연결되어 전압을 출력할 수 있으며, 엘이디 모듈(140)은 제2 인덕터(L2, 152)와 제3 인덕터(L3, 154)가 상호 연결되는 지점에서의 출력을 인가받을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치(200)의 경우, 전자식 안정기(10)에서 엘이디 조명 장치(200)로 공급되는 전압(VT)이 앞선 제1 실시예와 비교하여 (jwL2 + jwL3) * i1 * Q 만큼 상쇄(또는 감소)되며, 이에 따라 엘이디 모듈(140)에 인가되는 전압 또한 제1 실시예와 비교하여 줄어들게 된다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 전원 입력단자(102 또는 104)와 정류부(130) 사이에 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)를 직렬 연결하고 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)의 타단측 센터탭에 정류부(130)가 연결되도록 함으로써, 제2 인덕터(L2, 152) 및 제3 인덕터(L3, 154)에서 전자식 안정기(10)로부터 출력되는 교류 전원에 대한 역기전력을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 엘이디 모듈(140)에 인가되는 전원의 크기가 감소되며, 엘이디 모듈(140)의 소비 전력이 절감될 수 있다. 또한, 상기 역기전력에 의해 엘이디 모듈(140)에 걸리는 순간적인 과부하를 크게 줄일 수 있으며, 엘이디 모듈(140)의 소비 전력이 절감됨에 따라 엘이디 조명 장치(200)의 전체 회로에서의 역률(power factor)이 개선될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 전자식 안정기
12 : 제1 단자
14 : 제2 단자
16 : 제3 단자
18 : 제4 단자
20 : 제1 인덕터
22 : 제1 커패시터
24 : 제2 커패시터
26 : 제1 스위칭 소자
28 : 제2 스위칭 소자
100 : 제1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치
102 : 제1 전극
104 : 제2 전극
106 : 제3 전극
108 : 제4 전극
110 : 제1 전원 입력단자
120 : 제2 전원 입력단자
130 : 정류부
140 : 엘이디 모듈
150 : 역기전력 발생부
152 : 제2 인덕터
154 : 제3 인덕터
160 : 제3 커패시터
170 : 제4 커패시터
200 : 제2 실시예에 따른 엘이디 조명 장치

Claims (3)

  1. 제1 단자, 제2 단자, 제3 단자 및 제4 단자를 포함하며, 제1 인덕터가 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 제1 인덕터와의 공진을 위한 제1 커패시터가 상기 제2 단자와 상기 제3 단자 사이에 배치되는 전자식 안정기와 결합 가능한 엘이디 조명 장치로서,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 각각 접속되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 전원 입력단자;
    상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 각각 접속되는 제3 전극 및 제4 전극을 포함하는 제2 전원 입력단자;
    상기 제1 전원 입력단자 및 상기 제2 전원 입력단자를 통해 입력되는 교류 전원을 정류하고, 상기 정류된 전원을 엘이디 모듈에 전달하는 정류부; 및
    상기 제1 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 직렬로 연결되거나, 상기 제2 전원 입력단자와 상기 정류부 사이에 배치되어 상기 제3 단자 및 상기 제4 단자에 직렬로 연결되는 제2 인덕터와 제3 인덕터를 포함하며,
    상기 정류부는, 상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서 상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터에 각각 연결되고,
    상기 제2 인덕터와 상기 제3 인덕터가 상호 연결되는 지점에서의 전압이 상기 엘이디 모듈에 인가되는, 엘이디 조명 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 인덕터는, 일단이 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극에 연결되고 타단이 상기 제3 인덕터 및 상기 정류부에 각각 연결되며,
    상기 제3 인덕터는, 일단이 상기 제2 전극 또는 상기 제4 전극에 연결되고 타단이 상기 제2 인덕터 및 상기 정류부에 각각 연결되는, 엘이디 조명 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 인덕터 및 상기 제3 인덕터는, 0보다 크고 500μH 보다 작은 크기의 인덕턴스 값을 갖는, 엘이디 조명 장치.
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