KR20240030732A - 고출력 led 조명 발열 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 발광부의 발열을 최소화함과 동시에 광속을 유지할 수 있도록 하는 고출력 LED 조명의 발열 제어장치에 관한 것으로, 기판 상에 나란히 배열되는 복수의 LED 스트링이 서로 병렬 연결되어 빛을 방출하는 LED 어레이; 상기 LED 스트링을 이루는 LED 칩들 각각의 발광부 온도를 측정하는 온도센서; 상기 측정된 온도에 기초하여, 적어도 하나의 과열 LED 스트링과 보상 LED 스트링을 선택하고, 선택된 LED 스트링의 공급 전원에 대한 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

고출력 LED 조명 발열 제어장치{DEVICE FOR HEAT CONTROL OF HIGH-POWER LED LIGHTING}
본 발명은 고출력 LED 조의 발열 제어장치에 관한 것으로, 특히 LED 발광부의 발열을 최소화함과 동시에 일정한 광속을 유지할 수 있도록 하는 고출력 LED 조명 발열 제어장치에 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.
공개특허공보 제10-2011-0087787호(2011.08.03.)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고출력 LED 조명의 발열 제어장치에 관한 것으로, 특히 LED 발광부의 발열을 최소화하면서도 조명 전체의 조도를 유지할 수 있도록 하는 고출력 LED 조명의 발열 제어장치를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고출력 LED 조명 발열 제어장치는, 기판 상에 나란히 배열되는 복수의 LED 스트링이 서로 병렬 연결되어 빛을 방출하는 LED 어레이; 상기 LED 스트링을 이루는 LED 칩들 각각의 발광부 온도를 측정하는 온도센서; 상기 측정된 온도에 기초하여, 적어도 하나의 과열 LED 스트링과 보상 LED 스트링을 선택하고, 선택된 LED 스트링의 공급 전원에 대한 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제어부는, 상기 LED 스트링을 이루는 LED 칩들의 평균온도와 기 설정된 동작온도를 비교하여 상기 과열 LED 스트링을 선택하며, 선택된 과열 LED 스트링과 인접한 적어도 하나의 LED 스트링을 상기 보상 LED 스트링으로 선택할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제어부는, 상기 LED 스트링의 온도를 낮추기 위한 저전력 모드에 따라 상기 과열 LED 스트링의 듀티 사이클을 조절함과 동시에, 상기 LED 스트링의 광량을 증가시키기 위한 고전력 모드에서 상기 인접 LED 스트링의 듀티 사이클을 조절할 수 있다.
본 발명에 의하면, LED 발광부의 발열을 최소화하면서도 조명 전체의 조도를 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 LED 조명 발열 제어장치의 LED 어레이 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 LED 조명 발열 제어장치의 주요 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 실시 예를 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. "및/또는"은 언급된 항목들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 LED 조명 발열 제어장치의 LED 어레이 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 어레이(100)는 기판 상에 복수의 LED 칩(101)으로 구성되며, LED 칩(101)은 서로 나란히 배열되어 빛을 방출하는 광원의 역할을 수행한다.
LED 칩(101)은 일렬로 배열되어 서로 직렬 연결되는 복수의 LED 스트링(110-1 내지 110-5)을 구성할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 LED 스트링은 4개의 LED 칩(101)으로 구성될 수 있으며, 5개의 LED 스트링이 일정 간격으로 떨어져 배치되어 전체 LED 어레이(100)를 형성할 수 있다.
LED 스트링들(110-1 내지 110-5)은 서로 병렬로 연결되며, 전원공급장치(200)를 통해 전원을 각각 공급 받는다. 즉, 본 발명에서 LED 스트링들(110-1 내지 110-5)로 공급되는 전압 또는 전류의 듀티사이클을 서로 다르게 조절될 수 있으며, 이를 통해 발열을 최소화하면서 동시에 광원부의 광속을 일정하게 유지할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고출력 LED 조명 발열 제어장치의 주요 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고출력 LED 조명의 발열 제어장치는 LED 어레이(100), 전원공급장치(200) 및 제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
LED 어레이(100)는 복수의 LED 스트링(110)으로 구성되며, 각각의 LED 스트링(110)은 서로 병렬로 연결되어 전원공급장치(200)로부터 전원을 공급받는다.
LED 어레이(100)에는 온도센서(120)와 광속센서(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 온도센서(120)는 LED 모듈(101)의 발광부 온도를 측정할 수 있으며, 측정된 온도에 관한 데이터는 제어부(300)로 제공될 수 있다. 또한, 광속센서(130)는 LED 모듈(101)에서 발산되는 광속을 측정하고, 이를 제어부(300)로 제공할 수 있다.
전원공급장치(200)는 외부에서 인가된 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 스위칭을 통한 PWM 구동 방식으로 특정한 듀티 사이클(duty cycle)의 펄스 파형을 갖는 전압 또는 전류를 LED 어레이(100)로 공급할 수 있다.
이 경우, 각 LED 스트링(110)에 공급되는 전원의 듀티 사이클은 각 LED 스트링(110)의 온도와 LED 어레이(100)에서 발산되는 광량에 기초하여, 제어부(300)의 제어에 따라 서로 다르게 조절될 수 있다.
제어부(300)는 온도센서(120)에서 측정된 온도에 기초하여, 적어도 하나의 과열 LED 스트링과 보상 LED 스트링을 선택하고, 선택된 LED 스트링의 공급 전원에 대한 듀티 사이클을 조절할 수 있다.
제어부(300)는 LED 스트링(110)을 이루는 LED 칩(101)들의 평균온도와 기 설정된 동작온도를 비교하고, 비교 결과에 따라 적어도 하나의 LED 스트링(110)을 과열 LED 스트링으로 선택할 수 있다.
예컨대, 제2LED 스트링(110-2)를 구성하는 4개의 LED 칩(101)의 발광부 온도의 평균값이 정상동작 온도인 35℃~85℃를 벗어나 과열된 것으로 판단되면, 제어부(300)는 해당 LED 스트링(110-2)을 과열 LED 스트링으로 지정하고 발열제어를 위한 후속 조치를 취할 수 있다.
또한, 제어부(300)는 과열 LED 스트링(110)이 지정된 경우, 해당 LED 스트링에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 LED 스트링을 보상 LED 스트링으로 선택할 수 있다.
예컨대, 제2LED 스트링(110-2)이 과열 LED 스트링으로 지정하였을 때, 제어부(300)는 제1LED 스트링(110-1) 및/또는 제3LED 스트링(110-3)을 보상 LED 스트링으로 선택할 수 있다.
즉, 후술하는 바와 같이, 과열 LED 스트링의 온도를 낮추기 위해 공급전력을 조절하게 되는데, 이때 광속의 변화로 인한 조명 전체의 조도가 떨어지는 것을 막고 일정한 수준으로 유지하기 위해 보상 LED 스트링의 공급전력도 함께 조절하게 되는 것이다.
제어부(300)는 일반 모드, 저전력 모드 및 고전력 모드 중 어느 하나의 모드로 LED 스트링(110)의 전원공급을 제어할 수 있다.
모든 LED 스트링에서 과열이 발생하지 않은 일반저인 상황에서, 제어부(300)는 일반 모드에서 조명의 정격 출력에 따라 각 LED 스트링의 공급전원을 안정적으로 제어한다.
한편, LED 스트링들 중 적어도 하나에서 과열이 발생한 경우, 제어부(300)는 과열이 발생한 과열 LED 스트링을 저전력 모드로 전환하는 한편, 보상 LED 스트링을 고전력 모드로 전환할 수 있다.
저전력 모드와 고전력 모드는 각각 듀티 사이클을 달리하는 복수의 채널로 운영될 수 있다.
구체적으로, 저전력 모드는 N개의 채널로 구성되며, 각 채널은 평균 전력보다 작은 전력이 공급될 수 있는 듀티 사이클을 갖는다. 예컨대, 평균전력 공급을 위한 듀티 사이클을 50%로 가정할 때, 저전력 모드의 채널은 4개로 구성될 수 있으며, 저전력 제1채널은 10%, 저전력 제2채널은 20%, 저전력 제3채널은 30%, 저전력 제4채널은 40%로 각각 설정될 수 있다.
또한, 고전력 모드 역시 M개의 채널로 구성되며, 각 채널은 평균 전력보다 높은 전력이 공급될 수 있는 듀티 사이클을 갖는다. 예컨대, 예컨대, 평균전력 공급을 위한 듀티 사이클을 50%로 가정할 때, 고전력 모드의 채널은 4개로 구성될 수 있으며, 고전력 제1채널은 60%, 고전력 제2채널은 70%, 고전력 제3채널은 80%, 고전력 제4채널은 90%로 각각 설정될 수 있다.
저전력 및 고전력 모드에서 각 LED 스트링의 채널 선택은 조명의 전체 광량에 따라 결정될 수 있다.
즉, 제어부(300)는 광속센서(130)로부터 제공된 데이터에 기초하여, 과열 LED 스트링의 저전력 모드 전환에 따라 감소된 광속을 계산하고, 감소된 광속을 보상하기 위해 보상 LED 스트링를 고전력 모드로 전환하면서 적절한 채널을 선택할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 고전력 모드와 저전력 모드를 함께 운영하여 듀티 사이클 조절을 통해 과열된 LED 스트링의 온도를 낮출수 있으며, 나아가 이로 인한 전체 조도가 떨어지는 것을 방지하여 일정한 조도가 유지될 수 있는 장점이 있다.
이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : LED 어레이
101 : LED 칩
110 : LED 스트링
120 : 온도센서
130 : 광속센서
200 : 전원공급장치
300 : 제어부

Claims (3)

  1. 기판 상에 나란히 배열되는 복수의 LED 스트링이 서로 병렬 연결되어 빛을 방출하는 LED 어레이;
    상기 LED 스트링을 이루는 LED 칩들 각각의 발광부 온도를 측정하는 온도센서;
    상기 측정된 온도에 기초하여, 적어도 하나의 과열 LED 스트링과 보상 LED 스트링을 선택하고, 선택된 LED 스트링의 공급 전원에 대한 듀티 사이클을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 LED 조명 발열 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 LED 스트링을 이루는 LED 칩들의 평균온도와 기 설정된 동작온도를 비교하여 상기 과열 LED 스트링을 선택하며, 선택된 과열 LED 스트링과 인접한 적어도 하나의 LED 스트링을 상기 보상 LED 스트링으로 선택하는 것을 특징으로 하는 고출력 LED 조명 발열 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 LED 스트링의 온도를 낮추기 위한 저전력 모드에 따라 상기 과열 LED 스트링의 듀티 사이클을 조절함과 동시에, 상기 LED 스트링의 광량을 증가시키기 위한 고전력 모드에서 상기 인접 LED 스트링의 듀티 사이클을 조절하는 것을 특징으로 하는 고출력 LED 조명 발열 제어장치.
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