WO2012081878A2 - 교류 구동 엘이디 조명장치 - Google Patents

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Lee Dong-Won
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    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the present invention relates to a lighting device using the LED, and more particularly, the brightness of the light is constant by limiting the overcurrent supply by lighting the LED light-emitting block using a constant current regardless of the height of the AC input voltage.
  • the present invention relates to an AC-driven LED lighting device that reduces the heat and lowers the heat generated by the LED lighting device and thus prolongs the life of the LED lighting device.
  • the light emitting diode is an all-optical semiconductor device that emits light when a current flows, and is widely used in a display backlight and the like. Due to the development of technology, the all-optical conversion efficiency is higher than that of a conventional incandescent lamp and a fluorescent lamp.
  • the light emitting diode has a large current change even with a slight voltage fluctuation. This requires precise current control.
  • an AC power supply 910 for supplying an AC voltage and a rectification circuit for converting an AC voltage supplied from the AC power supply 910 into a rectified voltage of DC (Vrect) 940 and the LED light emitting block 970 driven by the rectified voltage Vrect which is the output of the rectifier circuit 940 and the current slope setting resistor 930 which sets the current slope of the LED light emitting block 970.
  • Vrect DC
  • the current slope setting resistor 930 which sets the current slope of the LED light emitting block 970. It is configured to include.
  • the voltage-current characteristic curve 950 of FIG. 2 shows a characteristic curve of an arbitrary LED light emitting block 970 formed by arranging a plurality of LEDs in series, and the threshold voltage at which current starts to flow in earnest is 62.5V. Able to know.
  • the first linear model 951 and the second linear model 952 simply model the characteristic curve 950 in a straight line, and the first linear model 951 has a rectified voltage (Vrect) of 0 V to 112.5. It can be used to model when moving between V, and it can be seen that the current flows from 0mA at 62.5V and 31mA at 112.5V.
  • Vrect rectified voltage
  • the second linear model 952 can be used to model when the rectified voltage Vrect moves between 0V and 87.5V, and it can be seen that a current flows from 0mA at 62.5V and 11mA at 87.5V.
  • FIG 3 illustrates an example in which the first linear model 951 and the second linear model 952 have a power frequency of 50 Hz.
  • the rectified voltage Vrect is represented by the waveform 951V, and the rectified current is represented by the waveform 951A.
  • the rectified voltage Vrect is represented by the waveform 952V and the rectified current is represented by the waveform 952A.
  • the threshold voltage of the light emitting block is the same as 62.5V regardless of the magnitude of the rectified voltage Vrect, but the start time of lighting of the LED light emitting block 970 is the rectified voltage Vrect.
  • the time when the rectified maximum voltage passes 62.5 V which is the threshold voltage of the LED light emitting block 970, is calculated to be 2.53 ms and 1.87 ms, respectively, for 87.5 V and 112.5 V.
  • the current flowing through the LED light-emitting block 970 at the rectified voltage phase of 90 degrees is 11 mA and 31 mA, respectively, and the higher the rectified voltage (Vrect) effective value is, the higher the current flows at the same time. have.
  • the lighting start time of the LED light emitting module is faster, the lighting time is longer, and the amount of current flowing at the same time is increased.
  • the effective value of the rectified voltage (Vrect) is changed, the load current is also changed to change the brightness of the LED lighting apparatus.
  • the LED light emitting module which is a load, may be damaged by an overcurrent because there is no overcurrent protection circuit.
  • the present invention provides a protection circuit that protects the LED lighting device by blocking a current flowing in the device.
  • the AC drive LED lighting apparatus includes a rectifier circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage of direct current; An LED light emitting block having at least one LED as a load supplied with current from the rectifier circuit; A current source for controlling a current supplied to the LED light emitting block; And calculating a sine wave design current value calculated on the basis of the AC voltage, and providing the calculated design current value to the current source, when the current supplied to the LED light emitting block is greater than the design current value. And a controller configured to control the voltage drop to be supplied so that only the design current value is supplied to the LED light emitting block.
  • the current source controlled by the controller when the current supplied to the LED light emitting block is less than the design current value, the entire current supplied to the LED light emitting block without a voltage drop applied to the current source to the LED light emitting block It is preferable to supply.
  • controller preferably calculates the sine wave design current value using the sine wave signal in phase with the AC voltage.
  • the LED light emitting block is connected to the plurality of LED light emitting blocks in series, and having at least one switch connected in series or parallel to the LED light emitting block, through the on / off of the switch to the plurality of LED light emitting blocks connected in series
  • controller is preferably the number of LED light emitting blocks that are required to turn on of the plurality of LED light emitting blocks are alternately lighted alternately.
  • the controller may be turned on in the order of the odd number rectification cycle of the rectifying input supplied to the LED light emitting block in order from the LED light emitting block arranged on one side to the LED light emitting block arranged on the other side, the odd number in the even rectification cycle. Contrary to the first rectifying cycle, it is preferable to control the lighting to be made in order from the LED light emitting blocks arranged on the other side to the LED light emitting blocks arranged on the one side.
  • the controller sets the LED light emitting blocks that were turned on in the previous rectifying cycle among the rectifying inputs supplied to the LED light emitting blocks so as to be the last order (rotate left), and then sets the rotate left method in the next rectifying cycle.
  • the LED light-emitting block is turned on or the LED light-emitting block that was last lit from the previous rectification cycle among the rectification inputs supplied to the LED light-emitting block is set in the first order (rotate light) and then the next rectification cycle.
  • the control in order to turn on the LED light-emitting block in the order set by the rotate light method.
  • the AC drive LED lighting apparatus includes a rectifying circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage of direct current; A plurality of LED light emitting blocks having at least one LED are connected in series as a load supplied with current from the rectifier circuit; One or more switches connected to the LED light emitting blocks in parallel, and the current flow through the plurality of LED light emitting blocks connected in series through the on / off of the switch to change the number of lighting of the LED light emitting blocks connected in series And a switch block for controlling the on / off of the switch to turn on a large number of LED light emitting blocks when the instantaneous rectification input supplied to the LED light emitting blocks is large, and to provide an instantaneous supply to the LED light emitting blocks. And a controller for lighting a small number of LED light emitting blocks when the rectification input is small, wherein the controllers alternately light up as many LED light emitting blocks as needed to be turned on among the plurality of LED light emitting blocks. It is a rectifying circuit for rectifying the AC voltage to
  • the AC drive LED lighting device of the present invention when the AC voltage is higher, conventionally more current flows in the LED light emitting block, in the present invention LED light emitting block current (Lower) to allow current to flow as before.
  • LED light emitting block current Liwer
  • the AC-driven LED lighting device of the present invention regardless of the height of the AC input voltage, always lights up the LED light emitting block by using a constant current, the brightness of the light is constant, limiting the overcurrent supply to reduce power consumption, LED By lowering the heat generated from the lighting device has a long life of the LED lighting device.
  • FIG. 1 is a view showing a conventional LED lighting apparatus.
  • FIG. 4 is a view showing an LED lighting apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing an LED lighting apparatus suitable for the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a current waveform at a low AC voltage according to the present invention.
  • FIG 13 is another current waveform at high AC voltage according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view of another LED lighting apparatus suitable for the second embodiment of the present invention.
  • 15 is a view showing the LED lighting apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • 17 is an example of a current waveform of an AC power source according to the present invention.
  • the core concept of the present invention is that if the controller sends a control signal to a current source to supply a sinusoidal current (a sinusoidal current in phase with the rectified voltage) to the load, the current source is provided to supply the requested amount of current (sufficient in the circuit). If the current flows, the amount can be reduced), causing a voltage drop across the current source, reducing the voltage across the load so that the load current flows to the requested level.
  • a sinusoidal current a sinusoidal current in phase with the rectified voltage
  • the voltage across the current source is made the minimum (current source saturation voltage) to allow the maximum current to flow through the circuit.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the AC driving LED lighting apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the present invention includes an AC power supply 1, a rectifier circuit 2, an LED light emitting block 70 serving as a load, a current source CS1, and a controller 3.
  • the light emitting block 70 and the current source CS1 are connected in series.
  • the LED light emitting block 70 is composed of one or more LEDs, a plurality of LEDs may be configured in series, parallel or serial / parallel arrangement. Since the LED light emitting block 70 may be configured by a well-known technique, a detailed description thereof will be omitted below for the sake of simplicity.
  • the controller 3 generates a sine wave signal of the same phase as the AC voltage, rectifies the sine wave signal (converts the negative voltage to a positive voltage), and adjusts the magnitude of the rectified sine wave to adjust the current amount control signal. It generates (Csin), and supplies the generated control signal (Csin) to the current source (CS1).
  • controller 3 generates a sinusoidal wave in phase with the alternating voltage is that the alternating current supplied from the alternating current power source 1 is in phase with the alternating current voltage, and the shape must be sinusoidal so that the power factor is improved. It will be apparent that the load current flowing in the load is that the AC current is rectified.
  • the current source CS1 When the current source CS1 is supplied with a current corresponding to the control signal Csin provided from the controller 3 (when sufficient current flows in the load), the current source CS1 causes a voltage drop across the current source CS1 so that Reduce the voltage across the LED light emitting block 70 as the load so that the load current flows to the requested level, and if the condition is not satisfied (when the current flowing in the load is lower than the requested current), the voltage across the current source CS1 is minimized ( Current source saturation voltage) to allow the maximum current to flow through the load.
  • a DC power source VDC an input terminal for receiving a control signal Csin from the controller 3, a first variable having the same electrical characteristics as the variable resistor R1. It comprises a transistor Q1 and a second transistor Q2.
  • circuit connection of the current source CS1 is connected to the common terminal of the collector terminal of the first transistor Q1 while the base terminals of the first transistor Q1 and the second transistor Q2 are connected in common.
  • the collector terminal of the first transistor Q1 is connected to the DC power source VDC by the variable resistor R1.
  • the emitter terminals of the first transistor Q1 and the second transistor Q2 are connected to the ground GND, and the collector terminal of the second transistor Q2 is open.
  • the collector terminal of the open second transistor Q2 is connected to the rectified voltage Vrect by the LED light emitting module 70 serving as a load.
  • the emitter of the second transistor Q2 is the ground (Vss) terminal of the two terminals of the current source CS1 in FIG. 4, and the collector of the second transistor Q2 is the remaining terminal of the current source CS1 in FIG. 4. Im sure.
  • the control current Iin flowing in the variable resistor R1 is obtained by subtracting the voltage across the collector-emitter voltage Vce (Q1) of the first transistor Q1 from the DC voltage VDC. Divide by the (R1) value.
  • the control current Iin is a collector current [Ic (Q1)] of the first transistor Q1, a base current [I B (Q1)] of the first transistor Q1, and the second transistor Q2. ) Is composed of the sum of the base currents [I B (Q2)] and can be expressed by Equation 1.
  • the base currents of the two transistors (hereinafter, expressed as I B without distinguishing transistors) are the same.
  • the collector current Ic (Q1) of the first transistor Q1 is obtained by multiplying the base current I B of the first transistor Q1 by a current amplification factor h FE . Therefore, using this formula (1) can be summarized as (2) below.
  • Iin (h FE x I B ) + I B + I B
  • the output Iout of the current source is the collector current of the output second transistor Q2
  • the base current I B is multiplied by the current amplification factor h FE , which is expressed by Equation 3 below.
  • the adjustable current Iin is adjusted by varying the variable resistor R1, the output current Iout of the current source CS1 is adjusted, thereby making it a current source suitable for the present invention.
  • the effective value of the control current Iin changes, it is obvious that the effective value of the current source output Iout also changes.
  • the voltage-current characteristic curve of the output second transistor Q2 of the current source CS1 will be described with reference to FIG. 6.
  • the collector-emitter voltage Vce of the second transistor Q2 is the saturation voltage Vsat of the second transistor Q2.
  • a constant collector current Ic flows corresponding to the base current I B , but in the case of less than the saturation voltage Vsat, a saturation current Isat in which the current rapidly decreases to zero flows.
  • the controller 3 causes the sinusoidal desired current Isin (i.e., a current suitable for lighting the LED light-emitting block, hereinafter).
  • the current source CS1 supplies the design current Isin when the voltage across the output Vce (Q2) of the second transistor Q2 is greater than the saturation voltage Vsat in the state of 'design current'). It can be seen that the surplus voltage is applied across the current source, otherwise the current source CS1 supplies the saturation current Isat of the transistor.
  • the current source CS1 causes a voltage drop across both ends of the current source CS1 to lower the voltage across the load to designate the load current. To match. However, when the load current is lower than the design current Isin, the voltage at both ends of the current source CS1 is lowered as much as possible (below the saturation voltage Vsat) so that the load is applied to the load so that the load current simply flows. .
  • a bipolar transistor which is a current driving device, has been described, but it can be configured as a MOSFET, a Widler current source, and a Wilson current source.
  • the present invention can be modified in various forms such as a power supply and a voltage-current converter.
  • the current waveform 50A indicates a preferable sinusoidal design current Isin to be supplied to the load by the current source CS1 by the sinusoidal control signal Csin received by the controller 3 of the present invention. It is natural that the design current 50A is the same phase as the rectified voltage V Rect and is a rectified sinusoidal wave.
  • the current waveform 52A shows the load current 952A shown in FIG. 3 as described in the related art as it is, and has a rectified maximum voltage of 87.5 V and is calculated by the linear model 952.
  • the current source CS1 operates in the saturation region, and the current flowing through the current source CS1 becomes equal to the load current. That is, although the design current is set as high as the waveform 50A, the current of the current source CS1 actually flows lower than the design current 50A and becomes equal to the load current 52A.
  • the current waveform 50A indicates a preferable sinusoidal design current Isin to be supplied to the load by the current source CS1 by the sinusoidal control signal Csin received by the controller 3 of the present invention. It is natural that the design current 50A is the same phase as the rectified voltage V Rect and is a rectified sinusoidal wave.
  • the load current 59A shows the current waveform 951A of FIG. 3 described in the prior art as it is, and the rectified maximum voltage is 112.5V (voltage waveform 59V) when the power supply frequency is 50Hz. This is the current waveform calculated by the model 951.
  • the design current is represented by the waveform 50A
  • the current passing through the current source CS1 is the same as the waveform 59LA
  • the voltage across the load is the same as the waveform 59V in the prior art.
  • the voltage across the load becomes the same as the waveform 59LV
  • the difference voltage between the voltage waveform 59V and the voltage waveform 59LV is applied across the current source CS1.
  • the current flowing through the current source CS1 becomes the same as the conventional load current.
  • the section H1 since the conventional load current 59A is higher than the design current, a voltage drop occurs across the current source CS1, thereby reducing the voltage between the both ends of the LED light emitting block 70 serving as the current source CS1.
  • the current flowing through is made equal to the design current 50A.
  • the effective value of the design current is also lowered (i.e., the design current of the current source is lowered), so that it flows to the LED light emitting block which is the load in one cycle of the rectified voltage.
  • the total current is made equal to the total emission current at the design voltage.
  • the design current rms value of the current source can be adjusted corresponding to the rms value of the AC input voltage.
  • the rectifier circuit, the current source, the controller, and the switch described in detail in the present embodiment can be manufactured in one semiconductor device.
  • the controller 3 sets the sinusoidal design current Isin of the same phase as the AC voltage, and the current source CS1 sets the above when the load current is higher than the design current Isin.
  • a voltage drop is generated across the current source CS1 to reduce the voltage across the load so that the load current matches the design current.
  • This embodiment is composed of a plurality of sub light emitting blocks 10, 11 and 12 connected in series to the LED light emitting block 70 as a load in the first embodiment of the present invention.
  • the effect of this embodiment is that the lighting period is increased in the unit rectification period (i.e., the time to be turned off) reduces the flicker of light, improves the power factor, and also achieves the maximum rectification when the same brightness as in the prior art is realized. Since the load current can be lowered from the voltage, there is an effect of reducing the amount of heat and power consumed by the light emitting block and the current source.
  • FIG. 9 is an example of a circuit suitable for the present invention employing a parallel switch structure.
  • a circuit configuration includes an AC power source 1, a rectifier circuit 2, and a first light emitting block 10, a second light emitting block 11, and a third light emitting block 12, which are loads. (CS2) and the controller (4), wherein the first light emitting block 10 to the third light emitting block 12 and the current source (CS2) are all connected in series.
  • a first switch S11 and a second switch S12 for controlling the number of series of light emitting blocks 10, 11, and 12 that are turned on, and the first switch S11 includes a first light emitting block. It is provided between the output terminal of (10) and the input terminal of the current source (CS2), the second switch (S12) is provided between the output terminal of the second light emitting block 11 and the input terminal of the current source (CS2).
  • the first light emitting block 10 to the third light emitting block 12 is composed of one or more LEDs, a plurality of LEDs may be configured in series or in parallel or in a series / parallel arrangement. Since the light emitting blocks 10, 11, and 12 may be configured by a well-known technique, detailed description thereof will be omitted in the present specification for the sake of simplicity.
  • the controller 4 generates a sinusoidal signal having the same phase as the AC voltage, rectifies the sinusoidal signal (converts the negative voltage to a positive voltage), and adjusts the magnitude of the sinusoidal signal to adjust the current amount control signal Csin.
  • the control signal Csin is supplied to the current source CS2.
  • the controller 4 generates the first switch control signal SC11 and the second switch control signal S12 for controlling the first switch S11 to the second switch S12 by measuring the instantaneous rectified voltage. It is desirable to.
  • the current source CS2 when the current source CS2 is supplied with a current corresponding to the control signal Csin provided from the controller 4 (when sufficient current flows in the load), a voltage drop across the current source CS2 is applied. By reducing the voltage across the load to allow the load current to flow to the requested level, and if the condition is not present (when the current flowing in the load is lower than the requested current), the voltage across the current source CS2 to the minimum (current source saturation voltage). The maximum current that the load can flow is made.
  • the characteristic curve 950 shows the characteristic curve of the light emitting block 70 described in the first embodiment of the present invention with reference to FIG. 2, and in this embodiment, three sub light emitting blocks 10, 11, 12), that is, when the first light emitting block 10 to the third light emitting block 12 are all connected. In this case, it is obvious that both the first switch S11 and the second switch S12 of FIG. 9 should be shut off.
  • the third linear model 33 is a simple linear model of the characteristic curve 950.
  • the rectified voltage Vrect is 0V to 87.5V in the third linear model 33.
  • the current is 0 mA at the voltage 62.5V and 11 mA at the voltage 87.5V.
  • the second linear model 32 is a model of the case where the conventional light emitting block 70 is equally divided into three equal parts and two light emitting blocks are connected in series. That is, the first light emitting block 10 and the second light emitting block 11 are turned on and the third light emitting block 12 is turned off.
  • the first switch (S11) is cut off and the second switch (S12) is conductive is to operate the controller 4 to bypass the third light emitting block (12). Since the equivalent series resistance of the light emitting blocks 10 and 11 is 2/3 of the conventional, the threshold voltage is 41.7V, which is 2/3 of the conventional light emitting block 70.
  • the first linear model 31 models the case where the conventional light emitting block 70 is equally divided into three equal parts and only one light emitting block is turned on. That is, the first light emitting block 10 is turned on and the second light emitting block 11 and the third light emitting block 12 are turned off. At this time, the state of the second switch S12 is irrelevant and the first switch S11 is turned on so that the controller 4 operates to bypass the second light emitting block 11 and the third light emitting block 12. It should be natural.
  • the threshold voltage is 20.8 V, which is 1/3 of the light emitting block 70 of the related art
  • the conventional light emitting block 70 is 11 mA flows when the threshold voltage is increased by 25 V.
  • 11 mA flows at 29.2 V, which is 8.3V, which is 1/3 of 25V. Therefore, when the conventional light emitting block 70 follows the linear model 33, linearly modeling a case in which one light emitting block 10 is turned on by dividing the light emitting block 70 equally into three light emitting blocks. It appears as shown in the first linear model 31.
  • FIG. 11 illustrates a case in which the power supply frequency is 50 Hz and the rectified maximum voltage is 87.5 V using the first linear models 31 to 3 linear models 33 in the circuit diagram of FIG. 9.
  • the rectified voltage Vrect is represented by the voltage waveform 9V
  • the current waveform when the conventional light emitting block 70 is driven is represented by the waveform 9A.
  • the waveform 31a and the waveform 31b show the load current with respect to the rectified voltage Vrect using the first linear model 31.
  • the waveforms 32a and 32b show the load current with respect to the rectified voltage Vrect using the second linear model 32.
  • the sinusoidal design current provided as a control signal to the current source CS2 is represented by a waveform 50a (black line) having a maximum instantaneous current of 11 mA.
  • the rectified current flowing when the switch is properly adjusted by the controller 4 is represented by a waveform 70Ca (red line).
  • B1 represents the first light emitting block 10 and B2 represents the second light emitting block 11.
  • P1 is a point of time when the rectified voltage Vrect rises through the threshold voltage of the first light emitting block 10
  • P2 is the current 31a and the design current 50a by the first linear model 31.
  • P3 is the point where the current 32a by the second linear model 32 and the design current 50a intersect
  • P6 is by the current 32b by the second linear model 32
  • P7 is a point where the design current 50a intersects
  • P7 is a point where the current 31b by the first linear model 31 intersects with the design current 50a
  • P8 is a rectified voltage Vrect. It is a point in time passing through the threshold voltage of the light emitting block 10.
  • the interval between the P1 point at 0ms is a period that is not lit as below the threshold voltage of the first light emitting block 10.
  • the current source CS2 operates as a saturation region, so that the voltages at both ends of the current source CS2 are almost equal. It is a zero-volt interval.
  • the first light emitting block 10 is still turned on by the first linear model 31 after P2, and a voltage drop occurs across the current source CS2 so that the voltage across the load is adjusted to design current ( 50A) is supplied to the load. Also in this period, the voltage drop at the current source CS2 continues to increase with increasing time.
  • the switching of the switch occurs so that one light emitting block is further turned on. That is, the first and second light emitting blocks 10 and 11 are turned on.
  • the criterion of switch switching is model current by comparing 1) design current and 2) model current (current flowing in linear model when one additional light emission block is added at current rectified voltage, hereinafter referred to as model current). Is preferably greater than the design current, the controller 4 preferably performs switch switching. (Switch control rule when rectified voltage rises)
  • the voltage drop across the current source CS2 is large (approximately, the threshold voltage after the switch change-the threshold voltage before the change), but if the reverse occurs, the voltage drop across the current source CS2 is approximately the current source CS2. Saturation voltage (Vsat).
  • model current may be obtained using a multidimensional function in addition to the linear model, and may be found in a table of current-voltage measurement values of actual circuits (including switches) stored in memory.
  • the voltage phase from P3 to 90 degrees is a section that is turned on by the second linear model 32, which is a composite model of the first light emitting block 10 and the second light emitting block 11, and a voltage drop occurs across the current source CS2.
  • the voltage across the load is regulated so that the design current 50A is supplied to the load.
  • the controller 4 compares 1) design current and 2) model current 9A at each time and attempts to perform switch switching when the model current 9A is greater than the design current. Since it does not become high, the switch voltage rise period is no longer terminated. Also in this period, the voltage drop continues to increase with time.
  • the voltage drop across the current source (CS2) Occurs and the voltage across the load is regulated so that the design current 50A is supplied to the load.
  • the voltage drop of the output terminal of the current source CS2 continues to decrease.
  • the controller 4 monitors the output terminal voltage of the current source CS2 and controls the switch before the output terminal voltage drops below the saturation voltage Vsat to bypass one more light emitting block and remove it from the circuit. It is preferable to switch control rules when the rectified voltage falls.
  • From P6 to P7 is a section that is turned on by the second linear model 32 of the first light emitting block 10, the voltage drop across the current source (CS2) occurs, the voltage across the load is adjusted so that the design current (50A) is loaded It is a section supplied to. At this time, as the time increases, the voltage drop of the output terminal of the current source CS2 continues to decrease.
  • the switch switching point (P3 to P6) in the “switch control rule when the rectified voltage rises” and “switch control rule when the rectified voltage falls” is determined by the switch switching voltage ( Vref). That is, comparing the rectified voltage and the known switch switching voltage (Vref) through the calculation, when the rectified voltage rises or falls through the switch switching voltage (Vref) by switching the switch to add or remove the light emitting block. .
  • the switch switching voltage (Vref) is changed to a lower value. Since the time passing through the switching voltage Vref also becomes short (that is, the instantaneous desired current is also lowered), it is preferable to change the switch switching voltage Vref to a lower value even when the desired current effective value is not lowered. 3) However, it is desirable not to change the switch switching voltage (Vref) in consideration of the cost effect. In this case, although the light efficiency is lower than changing the switch switching voltage (Vref), it is natural that the light efficiency is higher than the prior art.
  • FIG. 12 illustrates a case in which the power supply frequency is 50 Hz and the maximum rectified voltage is 125 V using the first linear models 31 to 3 linear models 33 in the circuit diagram of FIG. 9.
  • the waveform 31c and the waveform 31d show the load current with respect to the rectified voltage Vrect using the first linear model 31.
  • the waveforms 32c and 32d represent the load current with respect to the rectified voltage Vrect using the second linear model 32
  • the waveforms 33c and 33d represent the third linear model 33.
  • the sinusoidal design current provided as a control signal to the current source CS2 is represented by a waveform 50a having a maximum instantaneous current of 11 mA, and the flowing rectified current is represented by a waveform 70Ca.
  • B1 represents the first light emitting block 10
  • B2 represents the second light emitting block 11
  • B3 represents the third light emitting block 12.
  • P1a is a point in time when the rectified voltage Vrect rises through the threshold voltage of the first light emitting block 10, and P2a is the current 31c and the design current 50A by the first linear model 31.
  • P3a intersects the current 32c by the second linear model 32 and the design current 50A
  • P4a is the point by which the current 33c by the third linear model 33
  • P5a is the point where the design current 50A intersects
  • P5a is the point where the current 33d by the third linear model 33 intersects with the design current 50A
  • P6a is the current by the second linear model 32.
  • 32d is the point where the design current 50A intersects
  • P7a is the point where the current 31d by the first linear model 31 intersects the design current 50A
  • P8a is the rectified voltage Vrect. It is the point of time when the voltage falls through the threshold voltage of the first light emitting block 10.
  • the point between the points P1a is equal to or less than the threshold voltage of the first light emitting block 10 and is a period in which all light emitting blocks are not lit.
  • the first light emitting block 10 is turned on by the first linear model 31 through P1a to less than P2a, and the current source CS2 operates as a saturation region so that the voltage at both ends of the current source CS2 is almost zero.
  • Zero is a bolt-in section.
  • the first light emitting block 10 is still turned on by the first linear model 31 after P2a and is below P3.
  • a voltage drop occurs across the current source CS2 to adjust the voltage across the load so that the design current ( This is the section where 50A) current is supplied to the load. Also in this period, the voltage drop at the current source CS2 continues to increase with increasing time.
  • P3a it is a time point at which the switch switching takes place and one light emitting block is further turned on. That is, the first and second light emitting blocks 10 and 11 are turned on.
  • the switch switching is according to the "switch control rule when the rectified voltage rises". That is, it is preferable that the controller 4 performs switch switching when the model current is larger than the design current by comparing 1) design current with 2) model current at the present time.
  • the voltage drop across the current source CS2 is large (approximately, the threshold voltage after the switch change-the threshold voltage before the change), but when switching occurs, the voltage drop across the current source CS2 is approximately the current source CS2. Saturation voltage (Vsat).
  • model current can be obtained by using a multidimensional function in addition to the linear model, and it can be found in the current-voltage measurement table of actual circuits (including switches) stored in memory.
  • P4a it is a time point at which the switch switching takes place and one light emitting block is further turned on. That is, the first to third light emitting blocks 10, 11 and 12 are turned on. Switching is in accordance with the "Switch control rules when the rectified voltage rises" used at point P3a.
  • the voltage phase up to 90 degrees at P4a is a section lit by the third linear model 33, which is a composite model of the first light emitting block 10 to the third light emitting block 12, and a voltage drop occurs across the current source CS2.
  • the voltage across the load is regulated so that the design current 50A is supplied to the load. Since all the light emitting blocks 10, 11, and 12 are already lit in this section, the rectified voltage rise period ends without further switching by the controller 4. In this period, the voltage drop across the current source CS2 continues to increase as time increases.
  • the light continues to be turned on by the third linear model 33, which is a composite model of the first light emitting block 10 to the third light emitting block 12, and a voltage drop across the current source CS2. Occurs and the voltage across the load is regulated so that the design current 50A is supplied to the load. At this time, as the time increases, the voltage drop of the output terminal of the current source CS2 continues to decrease. .
  • P5a it is a time point at which a switch is switched and one light emitting block is further turned off. That is, the third light emitting block 12 is turned off so that only the first light emitting block 10 and the second light emitting block 11 are turned on. Switching is in accordance with the above "switch control rules when the rectified voltage falls.” That is, the controller 4 monitors the output terminal voltage of the current source CS2 and controls the switch before the output terminal voltage falls below the saturation voltage Vsat to bypass one more light emitting block and remove it from the circuit. desirable.
  • P6a it is a time point at which a switch is switched and one light emitting block is further turned off. That is, the second light emitting block 11 is turned off so that only the first light emitting block 10 is turned on. Switching is in accordance with the above "switch control rules when the rectified voltage falls.”
  • the design current of the current source CS1 is preferably adjusted according to the level of the AC input voltage.
  • the current-voltage has a one-to-one correspondence relationship, so the switch switching points (P3a to P6a) in the switch control rule when the rectified voltage rises and the switch control rule when the rectified voltage falls are defined as Vref). That is, by comparing the rectified voltage and the switch switching voltage Vref known in advance, the switching switch is added or removed when the rectified voltage rises or falls through the switch switching voltage Vref.
  • the advantage is that the load is free from an overvoltage condition and can perform a function of emitting light, which is a basic function of the lighting device, even at an input voltage above the design voltage.
  • the light emitting block n + 1 to be added between the output terminal of the last light emitting block n and the ground Vss is described.
  • the switch n + 1 to be inserted may be inserted between the input terminal of the last light emitting block n + 1 and the input terminal of the current source.
  • FIG. 14 illustrates a switch in parallel arranged in series in the circuit of FIG. 10.
  • the second light emitting block 11 and the first switch S11a are connected in parallel, and the third light emitting block 12 and the second switch S12a are connected in parallel.
  • the first light emitting block 10, the second light emitting block 11, and the third light emitting block 12 are all connected in series.
  • the light emitting block (n + 1) to be added and the switch (n + 1) to be added are connected in parallel.
  • the light emitting block n + 1 to be added in parallel and the switch n + 1 to be added may be inserted between the output terminal of the last light emitting block n and the input terminal of the current source.
  • the circuit shown in FIG. 14 differs from the circuit shown in FIG. 9 only in the state of a switch and the same criteria for operating the remaining switches are the same. Therefore, detailed description thereof will be omitted for simplicity of description.
  • the second embodiment of the present invention has been described in detail above.
  • the rectifier circuit, the current source, the controller, and the switch described in detail in the present embodiment can be manufactured in one semiconductor device.
  • This embodiment is a further improvement of the second embodiment described above. That is, in the second embodiment, the LED light emitting block 970 serving as a load is divided into a plurality of sub light emitting blocks, and all of the plurality of light emitting blocks are configured in series to drive a small number of sub light emitting blocks at a low instantaneous rectification input. In the high instantaneous rectification input, a large number of sub light emitting blocks are driven to improve the overall lighting time. Further, in the third exemplary embodiment, the order in which the light emitting blocks are turned on is adjusted to minimize the brightness deviation between the light emitting blocks.
  • 15 is an example of a circuit suitable for the present invention.
  • a circuit configuration includes an AC power source 1, a rectifier circuit 2, a first light emitting block 11, a second light emitting block 12, a third light emitting block 13, and a fourth light emitting unit. It is composed of a block composed of a block 14, a first switch S11, a second switch S12, a third switch S13 and a fourth switch S14 which bypass the current flowing in each of the light emitting blocks. It comprises a series switch block, a current source (CS) and a controller (4).
  • CS current source
  • the first and fourth light emitting blocks 11 to 14 and the current source CS are all connected in series.
  • the first switch S11 for controlling the number of series of light emitting blocks to be turned on constitutes a parallel circuit with the first light emitting block 11, and the second switch S12 is parallel with the second light emitting block 12.
  • the third switch S13 forms a parallel circuit with the third light emitting block 13, and the fourth switch S14 forms a parallel circuit with the fourth light emitting block 14.
  • the first light emitting block 11 to the fourth light emitting block 14 is composed of one or more LEDs, a plurality of LEDs may be configured in a series, parallel or serial / parallel arrangement. Since the first light emitting blocks 11 to the fourth light emitting blocks 14 are well known technologies, detailed descriptions thereof will be omitted below for the sake of simplicity.
  • controller 4 operates in the same concept as in the second embodiment, detailed description thereof will be omitted below for the sake of simplicity.
  • the voltage-current characteristic curve 50 shows the voltage-current characteristic curve of the AX3220 manufactured by Seoul Semiconductor Inc. in which a plurality of LEDs are arranged in series, and in the present embodiment, the first light emitting blocks 11 to the fourth light emission. This is the case when all the blocks 14 are connected in series. In this case, it is obvious that all of the first switch S11 to the fourth switch S14 shown in FIG. 15 should be shut off.
  • the fourth linear model 74 is a simple linear model of the voltage-current characteristic curve 50.
  • the fourth linear model 74 uses a section in which the rectified voltage Vrect is 0V to 220V. It can be seen from the fourth linear model 74 shown in FIG. 16 that the current is 0 mA at the voltage 132V and the current is 20 mA at the voltage 220V.
  • the first linear model 71 models a case in which the conventional light emitting block 970 is equally divided into four equal parts and only one light emitting block is turned on. Since the equivalent series resistance of the first linear model 71 becomes 1/4 of the related art, the threshold voltage becomes 33V, which is 1/4 of the conventional fourth linear model 74, and the voltage through which the current 20 mA flows is the above. 55V which is 1/4 of the fourth linear model 74. Therefore, when the conventional light emitting block 970 is equally divided into four light emitting blocks and only one light emitting block is turned on, the linear model is shown as the first linear model 71.
  • one light emitting block to be turned on may be any one of the first light emitting block 11 to the fourth light emitting block 14. This is realized by switching only the switches arranged in parallel with the light-emitting blocks that are turned on, and all switches that are arranged in parallel with the other off-light emitting blocks.
  • the second linear model 72 is a model of a case in which two light emitting blocks are connected in series by equally dividing the conventional light emitting blocks 970. Since the equivalent series resistance of the second linear model 72 becomes 2/4 of the conventional, the threshold voltage becomes 66V, which is 2/4 of the conventional fourth linear model 74, and the voltage through which the current 20 mA flows is the fourth. It becomes 110V which is 2/4 of the linear model 74. Therefore, when the conventional light emitting block 970 is equally divided into four light emitting blocks and two light emitting blocks are connected in series, linear modeling is shown as the second straight model 72.
  • the second linear model 72 for lighting the two light emitting blocks may be a series connection of the first light emitting block 11 and the second light emitting block 12, and the first light emitting block 11 and The third light emitting block 13 may be connected in series.
  • the model corresponds to a case where two light emitting blocks are selected and lit.
  • the switch for controlling the number of series of the light emitting blocks is implemented by blocking all the switches arranged in parallel with the light emitting blocks that are turned on, and the switches arranged in parallel with the remaining light-emitting blocks are all conducted.
  • the third linear model 73 models a case in which the conventional light emitting blocks 970 are equally divided into four equal parts and three light emitting blocks are connected in series. Since the equivalent series resistance of the third linear model 73 becomes 3/4 of the conventional, the threshold voltage becomes 99V, which is 3/4 of the conventional fourth linear model 74, and the voltage through which a current of 20 mA flows is set to the third. 4, which is 3/4 of the linear model 74, 165V. Therefore, when the conventional light emitting block 970 is equally divided into four light emitting blocks and linearly modeled when three light emitting blocks are connected in series, the third linear model 73 appears as shown.
  • the model corresponds to a case where three light emitting blocks are selected and turned on among the four light emitting blocks.
  • the switch for controlling the number of series of the light emitting blocks is implemented by blocking all the switches arranged in parallel with the light emitting blocks that are turned on, and the switches arranged in parallel with the remaining light-emitting blocks are all conducted.
  • FIG. 17 illustrates a case in which the power source frequency is 50 Hz and the rectified maximum voltage is 230 V using the first linear models 71 to the fourth linear models 74 in the circuit diagram of FIG. 15.
  • the rectified voltage (Vrect) is represented by a voltage waveform (72V), and the waveform (71a) and the waveform (71b) is a load current for the rectified voltage (72V) using the light emitting block first linear model (71).
  • Waveforms 72a and 72b show the load current for the rectified voltage 72V using the light emission block second linear model 72.
  • the waveforms 73a and 73b represent load currents for the rectified voltage 72V using the light emission block third linear model 73, and the waveforms 74a and 74b are formed of the light emission block.
  • 4 shows a load current with respect to the rectified voltage (72V) using a linear model (74).
  • the sinusoidal design current provided to the current source (CS) is represented by a waveform (70S, dashed black line) with an instantaneous peak current of 20 mA.
  • the rectified current flowing when the switch is properly adjusted by the controller 4 is represented by a waveform 1AA (red dotted line).
  • the switch block is set such that one light emitting block is turned on from the rectified voltage phase 0 degree to the intersection point P1 where the design current 70S (black dotted line) meets the linear model current 71a.
  • the voltage across the current source CS is made the minimum voltage (current source saturation voltage) so that the model current 71a flows to the load.
  • any one of the first light emitting blocks 11 to the fourth light emitting blocks 14 may be continuously lit (hereinafter, referred to as a "single-stage continuous lighting method").
  • one-stage continuous lighting method a person may feel a difference in brightness from a light block that is continuously turned off, and a light block that is continuously turned off, so that one light block is alternately turned on at a time by alternately turning all the light blocks, thereby increasing the brightness of all light blocks. It is also desirable to feel the same (hereinafter, referred to as "one-stage alternating lighting method").
  • any two of the first light emitting blocks 11 to the fourth light emitting blocks 14 may be continuously lit (hereinafter, referred to as "two-step continuous lighting method").
  • two-stage continuous lighting method a person may feel a light difference between the light emitting block that is continuously turned off and the light emitting block that is continuously turned on, so that two light emitting blocks are alternately lit at a time while all the light blocking blocks are alternately turned on, so that the brightness of all the light blocking blocks is changed. It is also desirable to feel the same (hereinafter, referred to as "two-stage alternating lighting method").
  • the switch block is set to turn on, and a model current 73a higher than the design current 70S flows, causing a voltage drop across the current source CS to lower the voltage across the three light emitting blocks, thereby loading the load current.
  • the light-emitting block that is lit in this section may be continuously lit by any one of the first light-emitting blocks 11 to 4 (14). Is called).
  • a person may feel a light difference between the light emitting block that is continuously turned off and the light emitting block that is continuously lit, and thus, three light emitting blocks are alternately turned on at a time while all the light blocking blocks are alternately turned on, so that the brightness of all the light blocking blocks is changed. It is also desirable to feel the same (hereinafter, referred to as "three-stage alternating lighting method").
  • the switch block is set such that all four light emitting blocks are turned on at the intersection point P4 where the design current 70S (black dotted line) and the linear model current 74a meet the rectified voltage phase of 90 degrees. Since the model current 74a higher than 70S flows, it is preferable to cause a voltage drop across the current source CS to lower the voltages across the four light emitting blocks to match the load current with the design current 70S.
  • the light emitting block that is lit in this section may continuously light all of the first light emitting blocks 11 to the fourth light emitting blocks 14 (hereinafter, referred to as a "four-step continuous lighting method").
  • n-stage alternate lighting method and n-stage continuous lighting method
  • 11 represents the first light emitting block
  • 12 represents the second light emitting block
  • 13 represents the third light emitting block
  • 14 represents the fourth light emitting block 14.
  • the first stage lighting is turned on by the first light emitting block 11, and the second stage lighting is turned on by the first light emitting block 11 and the second emitting block 12, and the third stage lighting is continuously on.
  • the first light emitting blocks 11 to the third light emitting blocks 13 are turned on, and the fourth stage lighting is a method of turning on all the light emitting blocks 11 to 14.
  • the first light emitting block 11 has a different light emitting block 12 to 14 as shown in waveform 1AA.
  • the most current flows in comparison with the second light emitting block 12, and the current flows smaller than the first light emitting block 11 as in the waveform 2AA, and the current flows in the third light emitting block 13 with the waveform 3AA.
  • the second light emitting block 12 flows smaller than the second light emitting block 12, and a current in which the current flows in the fourth light emitting block 14 is smaller than that of other light emitting blocks, such as the waveform 4AA.
  • 11 represents the first light emitting block
  • 12 represents the second light emitting block
  • 13 represents the third light emitting block
  • 14 represents the fourth light emitting block.
  • the continuous lighting method is performed in which the lower number light emitting blocks are preferentially turned on in order from the first light emitting block 11 to the fourth light emitting block 14. That is, the first continuous lighting is turned on by the first light emitting block 11, the second continuous lighting lights on the first light emitting block 11 and the second light emitting block 12, and the third continuous lighting is performed on the above light.
  • the first light emitting blocks 11 to the third light emitting blocks 13 are turned on, and the four-stage lighting is continuously performed from the low number light emitting blocks that light up all the light emitting blocks (that is, from the left side with reference to the drawings). do.
  • the continuous lighting method is performed in which the higher number light emitting blocks are first turned on in order from the fourth light emitting block 14 to the first light emitting block 11. That is, the first stage lighting continuously turns on the fourth light emitting block 14, and the second stage lighting continuously turns on the fourth light emitting block 14 and the third lighting block 13, and the third stage lighting continuously indicates the above.
  • the fourth light emitting blocks 14 to the second light emitting blocks 12 are turned on, and the four-stage lighting is continuously started from the high number light emitting blocks that light up all the light emitting blocks (that is, from the right side with reference to the drawings). do.
  • the current flowing through each light emitting block in units of two rectifying cycles is compared. Since the current flows more uniformly than the fixed order lighting method, 1) the light emitted from each light emitting block is relatively constant, and 2) the life of each light emitting block is longer than the fixed order lighting method. .
  • 19 is another example of a circuit suitable for the reverse cyclic lighting method.
  • the biggest feature of the circuit configuration is a switch that bypasses the current flowing in the light emitting block.
  • the switch blocks SB arranged in series and the switch blocks SA arranged in parallel are provided.
  • the preferred operation of the circuit of Fig. 19 is 1) in the odd-numbered rectifying cycle, a continuous lighting method is performed in which the light is given priority from the low number light emitting block (i.e., from the left in the drawing). To this end, all of the serially arranged switch blocks SB are cut off and turned on using the parallelly arranged switch blocks SA. 2) In the even-numbered rectifying cycle, a continuous lighting method is performed in which the high number light emitting block (i.e., the right side from the right of the drawing) is turned on first. To this end, all of the parallelly arranged switch blocks SA are cut off and turned on using the serially arranged switch blocks SB.
  • the advantage of the circuit is that when the switch is composed of semiconductor elements, the circuit operates correctly even if there is some characteristic deviation between the semiconductor elements.
  • serial numbering block SB
  • the low number switch is in a state where all switches are turned on. Block off.
  • the second switch SB_2 when the second switch SB_2 is blocked and the second light emitting block is turned on, there are two paths through which the current passing through the second light blocking block can flow. Theoretically, all currents should flow through the third switch SB_3. However, if all the switches are not completely conducting because the characteristic deviation is large between the switches constituting the switchable block SB, the current is in the state of the third switch SB_3. Therefore, a large amount of current flows (when perfectly conductive), and a small amount of flow (when partially conductive) is large.
  • a base current (driving current) is necessarily required when conducting the transistor, and a base current is not necessary because the base current is zero when the transistor is turned off. In other words, all series switches can be shut off completely. However, all switch conduction may or may not be conducted depending on the amount of current flowing through the switch (instantaneous design current amount), that is, when the instantaneous design current is smaller than the switch driving current.
  • a parallel switch block (SC, not shown) is constructed according to the same concept (that is, only one switch is turned on and all other switches are cut off), and priority is given to the high-numbered light-emitting block (i.e. from the right side with reference to the drawings). It will be apparent to those skilled in the art that the lighting method can be continued.
  • the low number light-emitting block priority light is performed in the odd-numbered commutation cycle and the high number light-emitting block priority light is performed in the even-numbered commutation cycle. Law ".
  • the lighting can be performed by a cycle other than a rectifying cycle (preferably a cycle shorter than the rectifying cycle, hereinafter referred to as an "shift cycle"). That is, in the odd-numbered shift cycle, the low number light emitting block priority lighting is performed using the switch block SA, and in the even-numbered alternating cycle, the high number light emitting block priority lighting is performed using the switch block SB.
  • the cycle of the alternating cycle is preferably shorter than a period in which a person does not feel the difference in brightness between the lighted light block and the lighted off light block.
  • the circular cyclic lighting method rotates the light emitting blocks that were driven by the first continuous lighting method in the previous rectifying cycle, and moves them to the rear of the last light emitting block (see the second to fourth cycles in Table 5).
  • the light-emitting block that has newly participated in the second stage lighting of the rectifying cycle is driven by the first stage lighting method of the current cycle.
  • 11 represents the first light emitting block
  • 12 represents the second light emitting block
  • 13 represents the third light emitting block
  • 14 represents the fourth light emitting block.
  • the first continuous light-emitting method is applied to a low number light-emitting block in which the first light-emitting block 11 is driven by one-step continuous lighting.
  • the light emitting block that is, the first light emitting block 11
  • the last light emitting block that is, the first light emitting block 11
  • the continuous light-emitting method is applied in which the light-emitting block driven by the first continuous light-emitting method becomes the second light-emitting block 12.
  • the light emitting block that is, the second light emitting block 12
  • the last light emitting block ie, the second light emitting block 12
  • the first light-emitting block 11] and the continuous light-emitting method is applied in which the light-emitting block driven by the one-step continuous light-emitting method becomes the third light-emitting block 13.
  • the left light emitting block (that is, the third light emitting block 13) is circularly rotated to the left of the last light emitting block (that is, the third light emitting block 13).
  • the second light emitting block 12] is continued, and the continuous light emitting method in which the light emitting block driven by the first continuous lighting method becomes the fourth light emitting block 14 is applied.
  • the core concept of the present embodiment will be described once again: 1) dividing the load light emitting block into a plurality of sub light emitting blocks, 2) lighting a small number of sub light emitting blocks at a low rectified voltage, and a large number at a high rectified voltage.
  • the luminous blocks are turned on to increase luminous efficiency, and 3) the order in which each sub luminous block is turned on is adjusted to reduce the variation in brightness of each luminous block.
  • the lighting order adjusting method has been described in detail with reference to some examples above, but it is obvious that various other combinations are possible.
  • the concept of the present invention applied to the method for reducing the brightness deviation is valid even if the desired current source is not adopted.
  • the light emitting block (n + 1) to be added and the switch (n + 1) to be added are connected in parallel.
  • the light emitting block n + 1 to be connected in parallel and the switch n + 1 to be added may be inserted between the output terminal of the last light emitting block n and the input terminal of the current source.
  • the light emitting block is modeled as a straight line, but it can also be modeled as a multidimensional function, and it can be modeled as a table of current-voltage measurement values of actual circuits (including switches) previously stored in a memory.

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  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

본 발명은, LED 조명장치에 있어서, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와; 상기 정류회로로부터 전류를 공급받는 부하로서 1개 이상의 LED를 갖는 LED 발광블럭과; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원; 및 상기 교류전압을 기초로 산정된 정현파 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원으로 제공하여, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류가 상기 설계전류 값보다 큰 경우에는 상기 전류원에 걸리는 전압강하가 조절되도록 하여 상기 설계전류 값만 상기 LED 발광블럭에 공급되도록 제어하는 제어기;를 포함하여, 교류전압이 변하면 상기 설계전류를 변경하여 LED 조명장치의 밝기를 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 교류구동 LED 조명장치에 관한 것이다.

Description

교류 구동 엘이디 조명장치
본 발명은 LED를 사용하는 조명장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교류입력전압의 높낮이에 관계없이 항상 일정한 전류를 사용하여 LED 발광블락을 점등하여서 빛의 밝기가 일정하고 과전류공급을 제한하여 소비전력을 절감하고, LED 조명장치에서 발생하는 열을 낮추어 LED 조명장치의 수명이 길어지는 교류 구동 엘이디 조명장치에 관한 것이다.
발광다이오드는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 전광변환 반도체소자로서, 표시기 백라이트 등에 널리 사용되고 있으며, 기술의 발달로 전광변환 효율이 기존의 백열등 및 형광등보다 높아져서 현재는 일반 조명용으로 그 범위를 넓혀가고 있다.
그러나, 발광 다이오드(Light Emitting diode, LED)는 미량의 전압변동에도 전류가 크게 변화된다. 이 때문에 정밀한 전류제어가 요구된다.
종래의 LED 조명장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류전압을 공급하는 교류전원(910)과, 상기 교류전원(910)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로(940)와, 상기 정류회로(940)의 출력인 정류전압(Vrect)으로 구동되는 LED 발광블럭(970) 및 상기 LED 발광블럭(970)의 전류 기울기를 설정하는 전류 기울기 설정 저항(930)을 포함하여 구성된다.
그런데 종래의 LED 조명장치에서는, 교류입력전압이 높아지면 LED 발광블럭(970)에 흐르는 전류도 계속 증가하여 소비전력이 높아지고 열 발생도 많아져서 LED 소자의 특성이 저하되기도 한다.
이하 도 2 및 도 3을 사용하여 종래의 문제점을 설명한다.
도 2의 전압-전류 특성곡선(950)은 LED 를 다수개 직렬로 배열하여 만든 임의의 LED 발광블럭(970)의 특성곡선을 표시한 것으로서, 전류가 본격적으로 흐르기 시작하는 문턱전압은 62.5V 임을 알 수 있다.
제1 직선모델(951) 및 제2 직선모델(952)는 상기 특성곡선(950)을 간단하게 직선으로 모델링한 것으로서, 이 중 제1 직선모델(951)은 정류전압(Vrect)이 0V ~ 112.5V 사이를 움직일 때 모델링 하는데 사용 가능하며, 62.5V 에서 전류는 0mA 그리고 112.5V 에서는 31mA 가 흐르는 것을 알 수 있다.
그리고, 제2직선모델(952)는 정류전압(Vrect)가 0V ~ 87.5V 사이를 움직일 때 모델링 하는데 사용 가능하며, 62.5V 에서 전류는 0mA 그리고 87.5V 에서는 11mA 가 흐르는 것을 알 수 있다.
도 3은 상기 제1 직선모델(951) 및 제2 직선모델(952)를 전원주파수가 50Hz 인 경우에 대하여 일 예로 도시한 것이다.
먼저, 정류최대전압 112.5V 를 적용한 제1 직선모델(951)의 경우, 정류전압 (Vrect)은 파형(951V), 정류전류는 파형(951A)로 나타내었다. 그리고, 정류최대전압 87.5V 를 적용한 제2 직선모델(952)의 경우, 정류전압(Vrect)은 파형(952V), 정류전류는 파형(952A)로 나타내었다.
여기서, 동일한 발광블럭(970)을 사용하면, 정류전압(Vrect)의 크기에 관계없이 상기 발광블럭의 문턱전압은 62.5V 로 동일하지만, LED 발광블럭(970)의 점등 개시시각은 정류전압(Vrect) 실효값이 높아질수록 빨라져서, LED 발광블럭(970)의 점등기간이 길어진다.
일 예로, 전원주파수 50Hz 에 대하여, 정류최대전압이 87.5V 및 112.5V 에 대하여 LED 발광블럭(970)의 문턱전압인 62.5V 를 통과하는 시각을 각각 계산해보면 2.53ms 및 1.87ms 로 정류전압(Vrect) 실효값이 높아지면 점등개시각도 빨라짐을 알 수 있다.
또한, 정류전압위상 90도 에서 상기 LED 발광블럭(970)에 흐르는 전류는 각각 11mA 및 31mA 로 정류전압(Vrect) 실효값이 높으면 동일시각에 흐르는 전류량도 전압이 높은쪽이 더 많이 흐름을 알 수 있다.
도 3을 요약하면, 정류전압(Vrect) 실효값이 더 높아지면 LED 발광모듈의 점등 개시시각이 더 빨라져서 점등되는 시간이 길어지고, 그리고 동일한 시각에 흐르는 전류량도 더 많아지는 문제점이 있다. 즉, 정류전압(Vrect) 실효값이 변하면 부하전류도 같이 바뀌어 LED 조명장치의 밝기가 변하는 문제점이 있다. 그리고 설계보다 높은 정류전압이 인가될 경우는 과전류 보호회로가 없어서 부하인 LED 발광모듈이 과전류에 의하여 파손될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로서, 교류입력전압의 변동에 관계없이 빛의 밝기가 일정한 LED 조명장치를 제공 하고, 설계이상의 높은 교류입력전압이 인가될 경우는 상기 LED 조명장치에 흐르는 전류를 차단하여 상기 LED 조명장치를 보호하는 보호회로를 제공하는데 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 교류구동 LED 조명장치는 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와; 상기 정류회로로부터 전류를 공급받는 부하로서 1개 이상의 LED를 갖는 LED 발광블럭과; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원; 및 상기 교류전압을 기초로 산정된 정현파 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원으로 제공하여, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류가 상기 설계전류 값보다 큰 경우에는 상기 전류원에 걸리는 전압강하가 조절되도록 하여 상기 설계전류 값만 상기 LED 발광블럭에 공급되도록 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어기에 의해 제어되는 전류원은, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류가 상기 설계전류 값보다 작은 경우에는 상기 전류원에 걸리는 전압강하 없이 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류 전체를 상기 LED 발광블럭에 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 상기 정현파 설계전류 값을 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 LED 발광블럭은 복수개가 직렬로 연결되어 있고, 상기 LED 발광블럭에 직렬 또는 병렬 연결된 한 개 이상의 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프를 통해 상기 직렬로 연결된 복수개의 LED 발광블럭에 흐르는 전류 흐름을 변경하여 상기 직렬로 연결된 LED 발광블럭의 점등 개수를 조절하는 스위치블럭;을 더 포함하되, 상기 제어기는 상기 스위치의 온오프를 제어하여, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 순시 정류입력이 큰 경우에는 많은 수의 LED 발광블럭을 점등시키고, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 순시 정류입력이 작은 경우에는 작은 수의 LED 발광블럭을 점등시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 상기 복수개의 LED 발광블럭들 중 점등이 필요한 갯수만큼의 LED 발광블럭이 서로 번갈아 가며 교대로 점등되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 홀수번째 정류 싸이클에서는 일측에 배치된 LED 발광블럭부터 타측에 배치된 LED 발광블럭 순서로 점등이 이루어지도록 하고, 짝수번째 정류 싸이클에서는 상기 홀수번째 정류 싸이클과는 반대로 타측에 배치된 LED 발광블럭부터 일측에 배치된 LED 발광블럭 순서로 점등이 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어기는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 이전 번 정류 싸이클에서 점등되었던 LED 발광블럭을 제일 마지막 순서가 되도록 설정(로테이트 레프트)한 후 다음 번 정류 싸이클에서는 상기 로테이트 레프트 방식으로 설정된 순서로 LED 발광블럭을 점등시키거나, 또는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 이전 번 정류 싸이클에서 제일 마지막에 점등되었던 LED 발광블럭을 첫 번째 순서가 되도록 설정(로테이트 라이트)한 후 다음 번 정류 싸이클에서는 상기 로테이트 라이트 방식으로 설정된 순서로 LED 발광블럭을 점등시키도록 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류구동 LED 조명장치는 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와; 상기 정류회로로부터 전류를 공급받는 부하로서 1개 이상의 LED를 갖는 LED 발광블럭이 복수개가 직렬로 연결되어 있고; 상기 LED 발광블럭에 병렬 연결된 한 개 이상의 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프를 통해 상기 직렬로 연결된 복수개의 LED 발광블럭에 흐르는 전류 흐름을 변경하여 상기 직렬로 연결된 LED 발광블럭의 점등 개수를 조절하는 스위치블럭;을 포함하고, 상기 스위치의 온오프를 제어하여, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 순시 정류입력이 큰 경우에는 많은 수의 LED 발광블럭을 점등시키고, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 순시 정류입력이 작은 경우에는 작은 수의 LED 발광블럭을 점등시키는 제어기;를 포함하되 상기 제어기는 상기 복수개의 LED 발광블럭들 중 점등이 필요한 갯수만큼의 LED 발광블럭이 서로 번갈아 가며 교대로 점등되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 교류구동 LED 조명장치에 의하면, 본 발명의 교류구동 LED 조명장치는 교류전압이 높아지면, 종래는 LED 발광블럭에 전류가 더 많이 흐르게 되는데, 본 발명에서는 LED 발광블럭 전류를 조절(낮추어)하여 종래와 같은 전류가 흐르게 한다.
따라서, 본 발명의 교류구동 LED 조명장치에 따르면 교류입력전압의 높낮이에 관계없이 항상 일정한 전류를 사용하여 LED 발광블락을 점등하여서 빛의 밝기가 일정하고 과전류공급을 제한하여 소비전력을 절감하고, LED 조명장치에서 발생하는 열을 낮추어 LED 조명장치 의 수명이 길어지는 효과가 있다.
도 1은 종래의 LED 조명장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술의 따는 전압-전류 특성곡선이다.
도 3은 종래기술의 시간경과에 대한 전류파형이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따는 LED 조명장치 도면이다.
도 5은 본 발명에 적합한 전류원이다.
도 6은 본 발명에 적합한 전류원의 특성곡선이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예 따른 낮은 교류전압에서 전류파형이다.
도 8는 본 발명의 제1 실시예 따른 높은 교류전압에서 전류파형이다.
도 9은 본 발명의 제2 실시예에 적합한 LED 조명장치 도면이다.
도 10은 본 발명에 적합한 발광블럭의 전압-전류 특성곡선이다.
도 11는 본 발명에 따른 낮은 교류전압에서 전류파형이다.
도 12은 본 발명의 제2 실시예 따른 높은 교류전압에서 전류파형이다.
도 13는 본 발명의 제2 실시예 따른 높은 교류전압에서 또 다른 전류파형이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 적합한 또 다른 LED 조명장치 도면이다.
도 15은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 조명장치 도면이다.
도 16은 본 발명에 제3 실시예에 사용한 LED 직선모델의 일 예이다
도 17은 본 발명에 따른 교류전원의 전류 파형의 일 예이다.
도 18는 본 발명에 따른 각 발광블럭별 전류 파형의 일 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
또한 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석해서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공기구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 핵심 개념은, 제어기가 정현파 전류(정류전압과 같은 위상의 사인파 전류)를 부하에 공급하도록 제어신호를 전류원으로 보내면, 상기 전류원은 요청받은 양의 전류를 공급할 여건이 되면(회로에 충분한 전류가 흘러서 그 양을 줄일 수 있으면) 전류원 양단에 전압강하를 유발하여 부하 양단전압을 줄여서 부하전류를 요청받은 수준으로 흐르도록 한다.
반면, 여건이 되지 않으면(회로에 흐르는 전류가 요청전류보다 낮으면) 전류원 양단전압을 최소(전류원 포화전압)로 만들어 회로가 흘릴 수 있는 최대 전류가 흐르도록 하는 것이다.
즉, 정류최대전압이 설계값보다 높게 공급되면 잉여전압은 전류원 양단에 걸리고, 부하에는 설계전압이 걸리도록 하여서 부하최대전류는 상기 전류원에 의하여 제한되는 것이다.
실시예 1
이하 도 4 내지 도 8을 사용하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류구동 LED 조명장치를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류구동 LED 조명장치의 회로도이다.
먼저 도 4를 참조하여 회로구성을 살펴보면, 본 발명은 교류전원(1)과, 정류회로(2)와, 부하인 LED 발광블럭(70)과, 전류원(CS1) 및 제어기(3)을 포함하여 구성되며, 상기 발광블럭(70)과 전류원(CS1)은 직렬로 연결되어 있다.
이때, LED 발광블럭(70)은 1개 이상의 LED로 구성되며, 다수개의 LED 가 직렬, 병렬 또는 직/병렬 배열로 구성될 수 있다. LED 발광블럭(70)은 널리 알려진 공지기술로 구성할 수 있으므로, 이하에서는 설명의 간략화를 위하여 구체적인 기술은 생략한다
그리고, 바람직하게 상기 제어기(3)은 교류전압과 동일한 위상의 정현파 신호를 발생시키고, 상기 정현파 신호를 정류(음전압을 양전압으로 변환하고)하고, 정류된 정현파의 크기를 조절하여 전류량 조절신호(Csin)을 생성하며, 생성된 조절신호(Csin)을 전류원(CS1)에 공급한다.
제어기(3)이 교류전압과 동위상의 정현파를 발생하는 이유는, 교류전원(1)에서 공급되는 교류전류가 교류전압과 동일한 위상이고, 그 형태는 정현파 이어서 역율이 개선되도록 해야하기 때문이다. 부하에 흐르는 부하전류는 상기 교류전류가 정류된 것임은 당연할 것이다.
상기 전류원(CS1)은 상기 제어기(3)로부터 제공된 상기 조절신호(Csin)에 상응하는 전류를 공급할 여건이 되면(부하에 충분한 전류가 흐르면), 상기 전류원(CS1) 양단에 전압강하를 유발하여 상기 부하인 LED 발광블럭(70)의 양단전압을 줄여서 부하전류를 요청받은 수준으로 흐르도록 하고, 여건이 되지 않으면(부하에 흐르는 전류가 요청전류보다 낮으면) 상기 전류원(CS1) 양단전압을 최소(전류원 포화전압)로 만들어 부하가 흘릴 수 있는 최대 전류가 흐르도록 하는 것이다.
즉, 정류전압이 설계보다 높게 공급되면 잉여전압은 전류원(CS1) 양단에 걸리고, 부하(70)에는 설계전압이 걸리도록 하여서, 부하전류는 상기 전류원(CS1)에 의하여 제한되는 것이 바람직하다.
이하 도 5을 사용하여 본 발명에 적합한 전류원 회로의 일 예를 설명한다.
먼저, 전류원(CS1)의 회로 구성을 살펴보면, 직류전원(VDC)과, 제어기(3)으로부터 제어신호(Csin)를 입력받는 입력단자와, 가변저항(R1)과, 동일한 전기적 특성을 가지는 제1 트랜지스터(Q1) 및 제2 트랜지스터(Q2)를 포함하여 구성된다.
그리고, 전류원(CS1)의 회로결선은 제1 트랜지스터(Q1) 및 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자가 공통으로 연결된 상태에서 제1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터 단자가 상기 공통연결된 베이스 단자에 연결되고, 그와 동시에 제1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터 단자는 가변저항(R1)에 의하여 직류전원(VDC)에 연결되어 있다.
아울러, 제1 트랜지스터(Q1)과 제2 트랜지스터(Q2)의 에미터 단자는 접지(GND)에 연결되어 있고, 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자는 개방되어 있다. 상기 개방된 제2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자는 부하인 LED 발광모듈(70)에 의하여 정류전압(Vrect)에 연결된다.
여기서, 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 에미터는 도 4에서 전류원(CS1)의 두 단자 중 접지(Vss) 단자이고, 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터는 도 4에서 전류원(CS1)의 나머지 단자임은 당연하다.
그리고, 상기 가변저항(R1)에 흐르는 조절전류(Iin)은 상기 직류전압(VDC)에서 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터-에미터 양단전압[Vce(Q1)]을 차감한 전압을 상기 저항(R1)값으로 나누면 된다. 또한, 상기 조절전류(Iin)은 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터전류 [Ic(Q1)], 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스전류 [IB(Q1)] 및 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스전류 [IB(Q2)] 의 합으로 구성되며 (수식 1)로 표현 가능하다.
Iin = Ic(Q1) + IB(Q1) + IB(Q2) -------(수식 1)
또한, 상기 제1 트랜지스터(Q1) 및 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 전기적 특성이 동일하면, 상기 두 트랜지스터의 베이스전류(이하, 트랜지스터 구분없이 IB로 표현함)는 같다.
그리고 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 콜렉터전류[Ic(Q1)]은 상기 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스전류(IB)를 전류증폭율(hFE) 배 한 것이다. 따라서 이것을 활용하여 (수식 1)을 정리하면 아래 (수식 2)와 같다.
Iin = ( hFE x IB ) + IB + IB
= IB( hFE + 2 ) x IB -------(수식 2)
그리고 전류원의 출력(Iout)은 상기 출력 제2트랜지스터(Q2)의 콜렉터 전류이므로 상기 베이스전류(IB)에 전류증폭율(hFE)을 곱하면 되고 식으로 표현하면 (수식 3)이 된다.
Iout = hFE x IB -------(수식 3)
따라서 가변저항(R1)을 가변하여 조절전류(Iin)을 조정하면, 전류원(CS1)의 출력전류(Iout)이 조절되어서, 본 발명에 적합한 전류원이 된다. 여기서 조절전류 (Iin)의 실효값이 변하면 전류원 출력인(Iout)의 실효값도 같이 변함은 당연하다.
이하, 도 6을 사용하여 상기 전류원(CS1)의 출력 제2 트랜지스터(Q2)의 전압-전류 특성곡선을 살펴본다. 먼저 특성곡선(5)를 살펴보면 베이스전류(IB)가 200uA인 경우로서 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 콜렉터-에미터 양단전압(Vce)이 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 포화전압(Vsat) 이상인 경우는 전압에 관계없이 베이스전류(IB)에 대응는 일정한 콜렉터전류(Ic)가 흐르지만, 포화전압(Vsat) 이하인 경우는 전류가 급격히 0으로 줄어드는 포화전류(Isat)가 흐른다.
즉, 본 발명의 취지에 맞추어 상기 전류원(CS1)의 제2 트랜지스터(Q2)의 역활을 설명하면, 제어기(3)가 정현파 희망전류(Isin)(즉, LED 발광블럭의 점등에 적합한 전류, 이하 '설계전류'라 함)를 설정한 상태에서 상기 제2 트랜지스터(Q2)의 출력 양단전압[Vce(Q2)]이 포화전압(Vsat)보다 크면 상기 전류원(CS1)이 설계전류(Isin)을 공급하고(잉여전압은 상기 전류원 양단에 걸리고), 그렇지 않으면 상기 전류원(CS1)이 상기 트랜지스터의 포화전류 (Isat)를 공급함을 알 수 있다.
이 내용을 다르게 표현하면, 상기 전류원(CS1)은 부하전류가 설계전류(Isin)보다 높은 경우는 상기 전류원(CS1)의 양단에 전압강하가 일어나도록 하여서 상기 부하 양단전압을 낮추어 부하전류를 설계전류와 일치하도록 한다. 그러나 부하전류가 상기 설계전류(Isin)보다 낮을 경우는 상기 전류원(CS1)의 양단전압을 최대한 낮춤으로서[포화전압(Vsat)이하로] 부하에 전압이 전부 걸리게 하여서, 부하전류가 그냥 흐르도록 한다.
이상 본 발명에 적합한 전류원으로서 일 예로 전류구동소자인 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 설명하였으나 전압구동소자인 모스펫(MOSFET)으로 구성할 수 있으며, 또한 와이들러 전류원(Widlar current source), 윌슨 전류원(Wilson current source) 및 전압-전류 변환기(Voltage-current converter) 등과 같은 다양한 형태로 변형될 수 있음은 당연하다.
[ Case I : 부하전류 < 설계전류 ]
이하, 도 7을 사용하여 본 발명에 의한 일 실시예를 전원주파수 50Hz인 경우에 대하여 설명한다.
전류파형(50A)는 본 발명의 제어기(3)에서 수신된 정현파 제어신호(Csin)에 의하여 상기 전류원(CS1)이 부하에 공급하여야할 바람직한 정현파 설계전류(Isin)를 표시한 것이다. 여기서 설계전류(50A)은 정류전압(Vrect)와 동일한 위상이고 정류된 정현파인 것은 당연하다.
그리고, 전류파형(52A)는 종래의 기술을 설명한 도 3에서 도시하였던 부하전류(952A)를 그대로 도시한 것으로서, 정류최대전압이 87.5V 이고, 직선모델(952)에 의하여 계산된 전류파형이다.
전 시간영역에서, 부하전류(52A)가 설계전류(50A) 보다 낮기 때문에 상기 전류원 (CS1)은 포화영역에서 동작하고, 상기 전류원(CS1)을 흐르는 전류는 부하전류와 동일하게 된다. 즉 설계전류는 파형(50A)와 같이 높게 설정하였지만, 실제로 상기 전류원(CS1)의 전류는 상기 설계전류(50A) 보다 낮게 흘러서 부하전류(52A)와 같게 된다.
[ Case II : 부하전류 > 설계전류 ]
이하, 도 8를 사용하여 본 발명에 의한 일 실시예를 전원주파수 50Hz인 경우에 대하여 설명한다.
전류파형(50A)는 본 발명의 제어기(3)에서 수신된 정현파 제어신호(Csin)에 의하여 상기 전류원(CS1)이 부하에 공급하여야할 바람직한 정현파 설계전류(Isin)를 표시한 것이다. 여기서 설계전류(50A)은 정류전압(Vrect)와 동일한 위상이고 정류된 정현파인 것은 당연하다.
그리고, 부하전류(59A)는 종래기술을 설명한 도 3의 전류파형(951A)를 그대로 도시한 것으로서, 정류최대전압은 112.5V인 경우[전압파형(59V)]를 전원주파수 50Hz인 경우에 대하여 직선모델(951)로 계산된 전류파형이다.
본 발명의 의하면, 설계전류는 파형(50A)으로 나타나고, 전류원(CS1)을 통과한 전류는 파형(59LA)와 같으며, 부하 양단전압은 종래기술에서는 파형(59V)와 같지만, 본 발명에 의한 부하 양단전압은 파형(59LV)와 같게 되며, 전압파형(59V)와 전압파형(59LV)의 차이전압이 전류원(CS1) 양단에 걸리게 된다.
즉, 구간(L1) 및 구간(L2)에서는 종래의 부하전류(59A)가 설계전류(50A)보다 낮기 때문에 전류원(CS1)을 흐르는 전류는 종래의 부하전류와 같게 된다. 그러나 구간(H1)에서는 종래의 부하전류(59A)가 설계전류보다 높기 때문에, 상기 전류원(CS1)의 양단에 전압강하를 일으켜서, 부하인 LED 발광블럭(70)의 양단전압을 줄여서 전류원(CS1)에 흐르는 전류를 설계전류(50A)와 동일하게 되도록 한다.
여기서, 정류최대전압이 87.5V 인 정류전류(52A)와 정류최대전압이 112.5V인 정류전류(59LA)를 비교해 보면, 높은 정류최대전압의 경우가 점등개시 시각이 더 빨라서 역율이 개선되며, 전류가 흐르는 시간이 더 많음을 알 수 있고, 또한 동일시각에서 전류량도 더 많음을 알 수 있다.
따라서, 바람직한 본 발명의 응용으로는, 정류최대전압이 설계기준전압보다 높아지면 설계전류의 실효값도 낮추어서(즉, 전류원의 설계전류를 낮추어서), 정류전압 한 싸이클에서 부하인 LED 발광블럭에 흐른 전류총합(총전자량)이 설계전압에서의 발광전류총합과 동일하게 하는 것이다.
그러면, 설계전압보다 높은 최대정류전압이 공급되어도 부하인 LED 발광블럭의 밝기는 설계 정류전압의 경우와 동일하고, 상기 부하 및 전류원에서 소비되는 전력소모도 줄어들며, 열 발생도 줄어서 상기 부하와 상기 전류원을 보호하는 효과가 생긴다. 따라서 전류원의 설계전류 실효값은 교류입력전압의 실효값에 상응하여 조정될 수 있는 것이 바람직하다.
이상 본 발병의 제1 실시예를 상세히 설명하였다. 본 실시예에서 상세히 설명된 정류회로, 전류원, 제어기 및 스위치는 하나의 반도체 소자로 제작할 수 있음은 당연하다.
본 발명의 핵심개념을 다시 한번 요약하면, 제어기(3)은 교류전압과 동일한 위상의 정현파 설계전류(Isin)을 설정하고, 전류원(CS1)은 부하전류가 설계전류(Isin)보다 높은 경우에는 상기 전류원(CS1)의 양단에 전압강하를 일으켜서, 상기 부하 양단전압을 줄임으로써 부하전류가 설계전류와 일치되도록 한다.
반대로, 부하 전류가 설계전류(Isin)보다 낮을 경우에는 상기 전류원(CS1)의 양단전압을 최대한 낮추어서[포화전압(Vsat)이하로] 정류전압(Vrect)이 상기 부하에 모두 걸리게 하여 부하전류가 흐르도록 하는 것이다.
실시예 2
이하 도 9 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 조명장치를 상세히 설명한다.
본 실시예는 본 발명의 제1 실시예에서 부하인 LED 발광블럭(70)을 직렬 연결된 복수개의 서브 발광블럭(10, 11, 12)들로 구성한 것으로서, 낮은 순시 정류전압에서는 적은 개수의 서브 발광블럭을 구동하고, 높은 순시 정류전압에서는 많은 개수의 서브 발광블럭을 구동함으로써 전체적인 점등시간을 길게 한 것이다.
본 실시예의 효과로는 단위정류기간에서 점등되는 기간이 길어지므로(즉, 소등되는 시간이 줄어듬으로써) 빛의 흔들림(플리커)가 줄어들고, 역율이 개선되며, 또한 종래와 동일한 밝기를 구현할 경우 최대정류전압에서 부하전류를 낮출 수 있어서, 부하인 발광블럭과 전류원에서 소비되는 전력 및 열 발생량을 줄이는 효과가 있다.
도 9은 병렬 스위치 구조를 채택한 본 발명에 적합한 회로의 일 예이다.
먼저 도 9을 참조하여 회로구성을 살펴보면, 교류전원(1), 정류회로(2) 그리고 부하인 제1 발광블럭(10), 제2 발광블럭(11) 및 제3 발광블럭(12), 전류원(CS2) 및 제어기(4)로 구성되며, 이때 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12) 및 전류원(CS2)은 모두가 직렬로 연결되어 있다.
그리고 점등되는 발광블럭(10, 11, 12)의 직렬 개수를 제어하는 제1 스위치(S11) 및 제2 스위치(S12)를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 제1 스위치(S11)은 제1 발광블럭(10)의 출력단과 전류원(CS2) 입력단 사이에 설치되고, 상기 제2 스위치(S12)은 제2 발광블럭(11)의 출력단과 전류원(CS2) 입력단 사이에 설치된다.
바람직하게, 상기 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)은 1개 이상의 LED로 구성되며, 다수개의 LED가 직렬 또는 병렬 또는 직/병렬 배열로 구성될 수 있다. 상기 발광블럭(10, 11, 12)들은 널리 알려진 공지기술로 구성할 수 있으므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다
그리고, 상기 제어기(4)은 교류전압과 동일한 위상의 정현파 신호를 발생시키고, 상기 정현파 신호를 정류(음전압을 양전압으로 변환하고)하고 또한 상기 정현파 신호 크기를 조절하여 전류량 조절신호 (Csin)을 만들고, 상기 조절신호(Csin)을 전류원(CS2)에 공급한다. 또한, 상기 제어기(4)는 순시정류전압을 측정하여서 상기 제1 스위치(S11) 내지 제2 스위치(S12)를 제어하는 제1 스위치 제어신호(SC11) 및 제2 스위치 제어신호(S12)를 발생하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전류원(CS2)은, 상기 제어기(4)로부터 제공된 상기 조절신호 (Csin)에 상응하는 전류를 공급할 여건이 되면(부하에 충분한 전류가 흐르면), 상기 전류원(CS2) 양단에 전압강하를 유발하여 상기 부하 양단전압을 줄여서 부하전류를 요청받은 수준으로 흐르도록 하고, 여건이 되지 않으면(부하에 흐르는 전류가 요청전류보다 낮으면) 상기 전류원(CS2) 양단전압을 최소(전류원 포화전압)로 만들어 부하가 흘릴 수 있는 최대 전류가 흐르도록 하는 것이다.
즉, 정류최대전압이 설계보다 높게 공급되면 잉여전압은 전류원(CS2) 양단에 걸리고, 부하에는 설계전압이 걸리도록 하여서, 부하 최대전류는 상기 전류원(CS2)에 의하여 제한되는 것이 바람직하다.
이하, 도 10을 사용하여 본 실시예에서 사용하는 발광블럭의 특성에 대하여 설명한다.
먼저, 특성곡선(950)은 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 발광블럭(70)의 특성곡선을 그대로 도시한 것으로서, 본 실시예에서는 3개의 서브 발광블럭(10, 11, 12), 즉 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)를 모두 연결한 경우에 해당한다. 이 경우, 도 9의 제1 스위치(S11) 및 제2 스위치(S12)은 모두 차단되어야 함은 당연하다.
그리고, 제3 직선모델(33)은 상기 특성곡선(950)을 간단하게 선형으로 모델링한 것으로서, 본 실시예에서는 상기 제3 직선모델(33)에서 정류전압(Vrect)이 0V ~ 87.5V 인 구간을 사용한다. 그리고 전압 62.5V 에서 전류는 0mA 그리고 전압 87.5V 에서는 전류가 11mA 인 것을 제3 직선모델(33)에서 알 수 있다.
또한, 제2 직선모델(32)는 종래의 상기 발광블럭(70)을 균등하게 3 등분하고 그 중 2개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 모델링한 것이다. 즉, 제1 발광블럭(10)과 제2 발광블럭(11)을 점등하고 제3 발광블럭(12)는 소등하는 경우이다.
이때, 상기 제1 스위치(S11)은 차단되고 상기 제2 스위치(S12)는 도통되어 제3 발광블럭(12)을 바이패스 시키도록 제어기(4)가 작동하여야함은 당연하다. 그리고, 발광블럭(10, 11)의 등가직렬저항(Equivalent series resistance)는 종래의 2/3 이 되기 때문에, 문턱전압은 종래의 상기 발광블럭(70)의 2/3 인 41.7V 가 된다.
아울러, 종래의 발광블럭(70)은 문턱전압에서 25V 가 증가하였을때 11mA 가 흘렀으나, 2개의 발광블럭(10, 11)을 직렬로 연결한 경우는 25V 의 2/3 전압인 16.67V 가 증가한 58.3V 에서 11mA 가 흐르게 된다. 따라서 종래의 발광블럭(70)이 선형모델(33)을 따를 경우, 상기 발광블럭(70)을 균등하게 3개의 발광블럭으로 3 등분하여서 2개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 선형모델링하면 제2 직선모델(32)와 같이 나타난다.
또한, 제1 직선모델(31)는 종래의 상기 발광블럭(70)을 균등하게 3 등분하여서 그 중 1개의 발광블럭만을 점등하는 경우를 모델링한 것이다. 즉, 제1 발광블럭(10)은 점등하고 제2 발광블럭(11) 및 제3 발광블럭(12)은 소등하는 경우이다. 이때, 상기 제2스위치(S12)의 상태는 무관하고 상기 제1 스위치(S11)은 도통되어서 제2 발광블럭(11) 및 제3 발광블럭(12)을 바이패스 시키도록 제어기(4)가 작동하여야함은 당연하다.
그리고, 발광블럭(10)의 등가직렬저항은 종래의 1/3 이 되기 때문에, 문턱전압은 종래의 상기 발광블럭(70)의 1/3 인 20.8V 가 되고, 종래의 발광블럭(70)은 문턱전압에서 25V 가 증가하였을때 11mA 가 흘렀으나, 1개의 발광블럭(10)만을 점등하는 경우는 25V 의 1/3 전압인 8.3V 가 증가한 29.2V 에서 11mA 가 흐르게 된다. 따라서 종래의 발광블럭(70)이 선형모델(33)을 따를 경우, 상기 발광블럭(70)을 균등하게 3개의 발광블럭으로 3 등분하여서 1개의 발광블럭(10)을 점등하는 경우를 선형으로 모델링하면 제1 직선모델(31)과 같이 나타난다.
이하, 도 11를 사용하여 설명한다.
도 11는 도 9의 회로도에 상기 제1 직선모델(31) 내지 제3 직선모델(33)을 사용하여 전원주파수가 50Hz 이고 정류최대전압이 87.5V 인 경우를 도시한 것이다.
먼저 정류전압(Vrect)는 전압파형(9V)로 나타내었으며, 그때 종래의 발광블럭(70)을 구동할 경우의 전류파형은 파형(9A)로 나타내었다. 그리고 파형(31a) 및 파형(31b)는 제1 직선모델(31)을 이용하여 정류전압(Vrect)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다. 마찬가지로 파형(32a) 및 파형(32b)는 제2 직선모델(32)를 이용하여 정류전압(Vrect)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다.
그리고 전류원(CS2)에 제어신호로 제공되는 정현파 설계전류는 최고순시전류가 11mA 인 파형(50a,검은색선)로 나타내었다. 상기 제어기(4)에 의하여 스위치가 적절히 조절된 경우에 흐르는 정류전류는 파형(70Ca,붉은색선)로 나타내었다.
이하 표1을 사용하여 시간구간별로 상세히 설명한다.
표 1
구 간 점등 블럭 스위치 설정 비 고
0ms ~ P1 전체 미점등 S11 도통, S12무관 B1 문턱전압 이하
~P2 B1 점등 S11 도통, S12무관
~P3 B1 점등 S11 도통, S12무관 P3에서 스위치 절환
~P6 B1,B2 점등 S11 차단, S12도통 P6에서 스위치 절환
~P7 B1 점등 S11 도통, S12무관
~P8 B1 점등 S11 도통, S12무관
~10ms 전체 미점등 S11 도통, S12무관 B1 문턱전압 이하
여기서, B1 은 제1 발광블럭(10), B2 는 제2 발광블럭(11)을 나타낸 것이다.
먼저, P1은 정류전압(Vrect)이 제1 발광블럭(10)의 문턱전압을 통과하여 상승하는 시각의 지점이고, P2는 제1 직선모델(31)에 의한 전류(31a)와 설계전류(50a)가 교차하는 지점이고, P3는 제2 직선모델(32)에 의한 전류(32a)와 설계전류(50a)가 교차하는 지점이고, P6는 제2 직선모델(32)에 의한 전류(32b)와 설계전류(50a)가 교차하는 지점이고, P7은 제1 직선모델(31)에 의한 전류(31b)와 설계전류(50a)가 교차하는 지점이고, P8은 정류전압(Vrect)이 하강하여 제1 발광블럭(10)의 문턱전압을 통과하여 시각의 지점이다.
여기서, 0ms 에서 상기 P1 지점 사이는 제1 발광블럭(10)의 문턱전압이하로서 미점등 되는 구간이다.
그리고, P1를 지나서 P2 미만까지는 제1 발광블럭(10)이 제1 직선모델(31)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2)이 포화영역으로 작동하여 상기전류원(CS2)의 양단전압이 거의 영(제로) 볼트인 구간이다.
그리고, P2를 지나서 P3 미만 까지는 여전히 제1 발광블럭(10)이 제1 직선모델(31)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 또한 이 기간에서는 시간의 증가에 따라 상기 전류원(CS2)에서의 전압강하는 계속 증가한다.
P3에서는 스위치의 절환이 일어나서 하나의 발광블럭이 더 점등되는 것이 바람직한 시점이다. 즉 제1 및 제 2발광블럭(10)(11)이 점등되는 시점이다. 스위치 절환의 판단기준은, 현 시각의 1)설계전류와 2)모델전류(현 정류전압 에서 발광블럭을 하나 더 추가하였을 때의 직선모델에서 흐르는 전류, 이하 모델전류라 칭함)를 비교하여 모델전류가 설계전류보다 클 경우에 제어기(4)가 스위치 절환을 수행하는 것이 바람직하다. (정류전압 상승시 스위치 제어규칙)
스위치가 절환되기 전에는 상기 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 크지만(대략, 스위치 변경후 문턱전압 - 변경전 문턱전압), 반대로 절환이 일어나면 상기 전류원(CS2) 양단에 전압강하는 대략 전류원(CS2)의 포화전압(Vsat) 정도가 된다.
그리고 모델전류는 직선모델 이외에 다차원 함수를 사용하여 구할 수도 있으며, 메모리에 기 저장되어 있는 실제회로(스위치를 포함)의 전류-전압 측정값 테이블에서 찾을 수도 있음은 당연하다.
P3에서 전압위상 90도까지는 제1 발광블럭(10) 및 제2 발광블럭(11)의 합성모델인 제2 직선모델(32)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다.
이 구간에서 제어기(4)은 각 시각의 1)설계전류와 2)모델전류(9A)를 비교하여 모델전류(9A)가 설계전류보다 클 경우에 스위치 절환을 수행하려고 하지만 모델전류가 설계전류보다 높아지지 않기 때문에 스위치 절환은 더 이상 없이 정류전압 상승기간은 종료된다. 또한 이 기간에서도 시간의 증가에 따라서 상기 전압강하는 계속 증가한다.
전압위상 90도에서 P6 미만까지는 계속 제1 발광블럭(10) 및 제2 발광블럭(11)의 합성모델인 제2 직선모델(32)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이때 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 출력단의 전압강하는 계속 감소한다.
이 구간에서 제어기(4)은 전류원(CS2)의 출력단 전압을 감시하여 상기 출력단 전압이 포화전압(Vsat) 이하로 떨어지기 이전에 스위치를 제어하여 발광블럭 1개를 더 바이패스 시켜서 회로에서 제거하는 것이 바람직하다.(정류전압 하강시 스위치 제어규칙).
P6 에서 P7 까지는 계속 제1 발광블럭(10)의 제2 직선모델(32)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이때 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 출력단의 전압강하는 계속 감소한다.
이 구간에서는 오직 한 개의 발광블럭 즉 제1 발광블럭(10)만 점등되어 있어서 더 이상 바이패스 시킬 발광블럭이 없으므로 P8을 거쳐서 다음 정류 싸이클이 시작할 때까지 현 스위치 상태를 유지한다.
LED 발광블럭은 저항성 부하이므로 전류-전압이 일대일 대응 관계에 있기 때문에 “정류전압 상승시 스위치 제어규칙” 및 “정류전압 하강시 스위치 제어규칙”에서 스위치 절환시점(P3 내지 P6)는 스위치 절환전압(Vref)으로 나타낼 수도 있다. 즉, 정류전압과 계산을 통해 이미 알고 있는 스위치 절환전압(Vref)를 비교하여서, 정류전압이 스위치 절환전압(Vref)을 통과하여 상승하거나 하강할 때 스위치를 절환하여 발광블럭을 추가 또는 제거하는 것이다.
교류전압이 올라가서 1)희망전류 실효값을 낮추어야 할 경우 스위치 절환전압(Vref)를 더 낮은 값으로 변경하는 것이 바람직하다.(LED에서 전류가 낮아지면 전압도 낮아지므로) 또한, 2)기 설정된 스위치 절환전압(Vref)를 통과하는 시각도 빨라지므로(즉, 순시 희망전류도 낮아짐), 희망전류 실효값을 낮추지 않는 경우에도 스위치 절환전압(Vref)를 더 낮은 값으로 변경하는 것이 바람직하다. 3) 하지만 비용대 효과를 고려하여 스위치 절환전압(Vref)를 변경하지 않는 것도 바람직하다. 이 경우 스위치 절환전압(Vref)를 변경하는 것보다는 광 효율이 낮지만 종래의 기술보다는 광효율이 높은 것은 당연하다.
이상 정류최대전압이 87.5V 인 경우에 대하여 상세히 설명하였다.
이하, 정류전압최대값이 125V인 경우에 대하여 설명한다.
도 12은 도 11에서와 같이, 도 9의 회로도에 상기 제1 직선모델(31) 내지 제3 직선모델(33)을 사용하여 전원주파수가 50Hz 이고 최대 정류전압이 125V 인 경우를 도시한 것이다.
먼저, 파형(31c) 및 파형(31d)는 제1 직선모델(31)을 이용하여 정류전압(Vrect)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다. 마찬가지로 파형(32c) 및 파형(32d)는 제2 직선모델(32)를 이용하여 정류전압(Vrect)에 대한 부하전류를 나타낸 것이고, 파형(33c) 및 파형(33d)는 제3 직선모델(33)를 이용하여 정류전압(Vrect)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다. 그리고 전류원(CS2)에 제어신호로 제공되는 정현파 설계전류는 최고순시전류가 11mA 인 파형(50a)로 나타내었고, 이때 흐르는 정류전류는 파형(70Ca)로 나타내었다.
이하 표 2을 사용하여 시간구간별로 상세히 설명한다.
표 2
구 간 점등 블럭 스위치 설정 비 고
0ms ~ P1a 전체 미점등 S11 도통, S12 무관 B1 문턱전압 이하
~P2a B1 점등 S11 도통, S12 무관
~P3a B1 점등 S11 도통, S12 무관 P3a에서 스위치 절환
~P4a B1,B2 점등 S11 차단, S12 도통 P4a에서 스위치 절환
~P5a B1,B2,B3 점등 S11 차단, S12 차단 P5a에서 스위치 절환
~P6a B1,B2 점등 S11 차단, S12 도통 P6a에서 스위치 절환
~P7a B1 점등 S11 도통, S12 무관
~P8a B1 점등 S11 도통, S12 무관
~10ms 전체 미점등 S11 도통, S12 무관 B1 문턱전압 이하
여기서, B1은 제1 발광블럭(10), B2는 제2 발광블럭(11), B3은 제3 발광블럭(12)를 나타낸 것이다.
먼저, P1a 는 정류전압(Vrect)이 제1 발광블럭(10)의 문턱전압을 통과하여 상승하는 시각의 지점이고, P2a는 제1 직선모델(31)에 의한 전류(31c)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P3a는 제2 직선모델(32)에 의한 전류(32c)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P4a는 제3 직선모델(33)에 의한 전류(33c)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P5a는 제3 직선모델(33)에 의한 전류(33d)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P6a는 제2 직선모델(32)에 의한 전류(32d)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P7a은 제1 직선모델(31)에 의한 전류(31d)와 설계전류(50A)가 교차하는 지점이고, P8a은 정류전압(Vrect)이 제1 발광블럭(10)의 문턱전압을 통과하여 하강하는 시각의 지점이다.
0ms 에서 상기 P1a 지점 사이는 제1발광블럭(10)의 문턱전압 이하로서 모든 발광블럭이 미점등되는 구간이다.
P1a를 지나서 P2a 미만까지는 제1 발광블럭(10)이 제1 직선모델(31)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2)이 포화영역으로 작동하여 상기 전류원(CS2)의 양단전압이 거의 영(제로) 볼트인 구간이다.
그리고, P2a를 지나서 P3 미만까지는 여전히 제1 발광블럭(10)이 제1 직선모델(31)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)의 전류가 부하에 공급되는 구간이다. 또한 이 기간에서는 시간의 증가에 따라 상기 전류원(CS2)에서의 전압강하는 계속 증가한다.
P3a에서는 스위치 절환이 일어나서 하나의 발광블럭이 더 점등되는 시점이다. 즉 제1 및 제2 발광블럭(10)(11)이 점등되는 시점이다. 이때 스위치 절환은 "정류전압 상승시 스위치 제어규칙"에 따른다. 즉, 현 시각의 1)설계전류와 2)모델전류를 비교하여 모델전류가 설계전류보다 클 경우에 제어기(4)가 스위치 절환을 수행하는 것이 바람직하다.
스위치가 절환되기 전에는 상기 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 크지만(대략, 스위치 변경후 문턱전압 - 변경전 문턱전압), 절환이 일어나면 상기 전류원(CS2) 양단에 전압강하는 대략 상기 전류원(CS2)의 포화전압(Vsat) 정도가 된다.
그리고 모델전류는 직선모델 이외에 다차원 함수를 사용하여 구할 수도 있으며, 메모리에 기 저장되어있는 실제회로(스위치를 포함)의 전류-전압 측정값 테이블에서도 찾을 수 있음은 당연하다.
P3a를 지나서 P4a 미만 까지는 여전히 제1 및 제2 발광블럭(10)(11)이 제2 직선모델(32)에 의하여 점등되는 구간이다.
P4a에서는 스위치 절환이 일어나서 하나의 발광블럭이 더 점등되는 시점이다. 즉 제1 내지 제3 발광블럭(10)(11)(12)가 점등되는 시점이다. 스위치의 절환은 P3a 지점에서 사용하였던 "정류전압 상승시 스위치 제어규칙"에 따른다.
P4a 에서 전압위상 90도까지는 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)의 합성모델인 제3 직선모델(33)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이 구간에서 이미 모든 발광블럭(10, 11, 12)이 점등되고 있으므로 제어기(4)에 의한 추가 스위치 절환 없이 정류전압 상승기간이 종료된다. 또한 이 기간에서는 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 양단의 전압강하는 계속 증가한다.
전압위상 90도에서 P5a 미만까지는 계속 제1 발광블럭(10) 내지 제3 발광블럭(12)의 합성모델인 제3 직선모델(33)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이때 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 출력단의 전압강하는 계속 감소한다. .
P5a에서는 스위치의 절환이 일어나서 하나의 발광블럭이 더 소등되는 시점이다. 즉 제3 발광블럭(12)가 소등되어서 제1 발광블럭(10) 및 제2 발광블럭(11)만 점등되는 시점이다. 스위치의 절환은 상기 "정류전압 하강시 스위치 제어규칙"에 따른다. 즉, 제어기(4)은 전류원(CS2)의 출력단 전압을 감시하여 상기 출력단 전압이 포화전압(Vsat) 이하로 떨어지기 이전에 스위치를 제어하여 발광블럭 1개를 더 바이패스 시켜서 회로에서 제거하는 것이 바람직하다.
P5a 에서 P6a 미만까지는 계속 제1 발광블럭(10) 및 제2 발광블럭(11)의 합성모델인 제2 직선모델(32)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이때 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 양단의 전압강하는 계속 감소한다.
P6a에서는 스위치의 절환이 일어나서 하나의 발광블럭이 더 소등되는 시점이다. 즉 제2 발광블럭(11)가 소등되어서 제1 발광블럭(10)만 점등되는 시점이다. 스위치의 절환은 상기 "정류전압 하강시 스위치 제어규칙"에 따른다.
P6a 에서 P7a 미만까지는 계속 제1 발광블럭(10)의 제1 직선모델(31)에 의하여 점등되는 구간이며, 전류원(CS2) 양단에 전압강하가 일어나서 부하양단 전압이 조절되어 설계전류(50A)가 부하에 공급되는 구간이다. 이때 시간의 증가에 따라서 상기 전류원(CS2) 양단의 전압강하는 계속 감소한다. 이 구간에서는 단 한개의 발광블럭 즉 제1 발광블럭(10)만 점등되어 있어서 더 이상 바이패스시킬 발광블럭이 없으므로 P8a을 거쳐서 다음 정류 싸이클이 시작할 때까지 현 스위치 상태를 유지한다.
이상 정류최대전압이 125V 인 경우에 대하여 상세히 설명하였다.
도 11와 도 12을 비교해 보면 교류전압이 높아질수록 제1 발광블럭의 점등개시 시각은 더 빨라지고 역율은 더 개선되며, 전류가 흐르는 기간은 더 길어져서 밝기는 더 밝아 짐을 알 수 있다.
따라서, 교류입력전압이 높아지면 설계전류를 낮추어서 설계 기준전압에서의 밝기와 일치시키면, 밝기가 일정하고, 소비전력도 절감되고, 발광블럭(10, 11, 12)과 전류원(CS1)에서의 발열이 감소하여 발광블럭(10, 11, 12)과 전류원(CS1)을 보호하는 효과가 생기므로, 전류원(CS1)의 설계전류는 교류입력전압의 레벨에 상응하여 조정하는 것이 바람직하다.
LED 발광블럭은 저항성 부하이므로 전류-전압이 일대일 대응 관계에 있기 때문에 “정류전압 상승시 스위치 제어규칙” 및 “정류전압 하강시 스위치 제어규칙”에서 스위치 절환시점(P3a 내지 P6a)는 스위치 절환전압(Vref)으로 나타낼 수도 있다. 즉, 정류전압과 미리 계산으로 알고 있는 스위치 절환전압(Vref)를 비교하여서, 정류전압이 스위치 절환전압(Vref)을 통과하여 상승하거나 하강할 때 스위치를 절환하여 발광블럭을 추가 또는 제거하는 것이다.
교류전압이 올라가서 1)희망전류 실효값을 낮추어야 할 경우 스위치 절환전압(Vref)를 더 낮은값으로 변경하는 것이 바람직하다.(LED 에서 전류가 낮아지면 전압도 낮아지므로) 또한, 2)기 설정된 스위치 절환전압(Vref)를 통과하는 시각도 빨라지므로(즉, 순시 희망전류도 낮아짐), 희망전류 실효값을 낮추지 않는 경우에도 스위치 절환전압(Vref)를 더 낮은 값으로 변경하는 것이 바람직하다. 3) 하지만 비용대비 효과를 고려하여 스위치 절환전압(Vref)를 변경하지 않는 것도 바람직하다. 이 경우 스위치 절환전압(Vref)를 변경하는 것보다는 광 효율이 낮지만 종래의 기술보다는 광효율이 높은 것은 당연하다.
그리고, 설계전압보다 높은 정류전압이 제공된 경우(즉, 전류원 양단에 전압이 많이 걸려서 전류원 소비전력이 정격을 초과할 경우)에는 설계전류를 낮추어서 전류원에서의 소비전력이 낮아지도록 함으로써 전류원을 보호하는 것이 바람직하다. 혹은, 또 다른 방법으로서 정류전압위상 90도 근처에서는 전류가 최대이고 전압도 최대여서 최대의 전력소비가 발생하므로, 상기 정류전압위상 90도 부근에서 상기 전류원(CS2)의 전류를 거의 '0'(예를 들면 1mA이하)으로 설정하여 부하전류를 낮추고, 부하 양단전압은 문턱전압을 유지하여 전류원(CS2) 양단의 전압을 낮춤으로써 전력소비를 줄이는 방법도 있다.
이러한 경우를 도시한 것이 도 13의 전류파형(70Cb)이다. 그에 따라 발생하는 장점은 부하가 과전압상태에서 자유롭고, 설계전압 이상의 입력전압에서도 조명장치의 기본기능인 빛을 방출하는 기능을 수행할 수 있다는데 있다.
본 실시예에서는 발광블럭이 3개 그리고 스위치가 2개를 포함하는 실시예를 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 발광블럭이 2개 이상 포함하는 실시도 구현될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
그리고 발광블럭을 3개에서 4개처럼, 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 설명하면, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 접지(Vss) 사이에 추가될 발광블럭(n+1) 을 삽입하고, 추가될 스위치(n+1)은 마지막 발광블럭(n+1)의 입력단과 상기 전류원의 입력단 사이에 삽입하면 된다.
도 14는 도 10의 회로에서 병렬로 배치된 스위치를 직렬 스위치로 변경한 것이다.
도 14에서 스위치 배열의 특징을 살펴보면, 제2 발광블럭(11)과 제1 스위치(S11a)는 병렬로 연결되어 있고, 제3 발광블럭(12)과 제2 스위치(S12a)는 병렬로 연결되어 있고, 제1 발광블럭(10), 제2 발광블럭(11) 및 제3 발광블럭(12)가 모두 직렬로 연결되어 있는 것이다.
여기서, 발광블럭을 3개에서 4개처럼, 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 설명하면, 먼저 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 병렬로 연결하고, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 상기 전류원의 입력단 사이에 상기 병렬로 연결된 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 삽입하면 된다.
상기 도 14에 도시된 회로는 도 9에 도시된 회로와 스위치 상태만 다르고 나머지 스위치를 작동하는 판단기준등은 동일하므로, 본 명세서에서는 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 구체적인 기술은 생략한다.
이상 본 발병의 제2 실시예를 상세히 설명하였다. 본 실시예에서 상세히 설명된 정류회로, 전류원, 제어기 및 스위치는 하나의 반도체 소자로 제작할 수 있음은 당연하다.
실시예 3
본 실시예는 앞서 설명한 제2 실시예를 더욱 개량한 것이다. 즉, 제2 실시예에서는 부하인 LED 발광블럭(970)을 다수개의 서브 발광블럭으로 나누고 상기 다수개의 발광블럭 모두를 직렬로 구성하여, 낮은 순시 정류입력에서는 적은 개수의 서브 발광블럭을 구동하고, 높은 순시 정류입력에서는 많은 개수의 서브 발광블럭을 구동하도록 하여서 전체적인 점등시간을 길게 개선한 것이다. 그리고 더욱 나아가 제3 실시예에서는 각 발광블럭이 점등되는 순서를 조절하여서 각 발광블럭간의 밝기 편차를 최소화하도록 개선한 것이다.
이하 도 15 내지 도 19를 사용하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 교류구동 LED 조명장치를 상세히 설명한다.
도 15은 본 발명에 적합한 회로의 일 예이다.
먼저 도 15을 참조하여 회로구성을 살펴보면, 교류전원(1), 정류회로(2), 제1 발광블럭(11), 제2 발광블럭(12), 제3 발광블럭(13) 및 제4 발광블럭(14)으로 구성되는 부하, 상기 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 제1 스위치(S11), 제2 스위치(S12), 제3 스위치(S13) 및 제4 스위치(S14)로 구성되는 직렬 스위치블럭, 전류원(CS) 및 제어기(4)를 포함하여 구성된다.
상기 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14) 및 상기 전류원(CS)는 모두 직렬로 연결되어 있다. 그리고 점등되는 발광블럭의 직렬 개수를 제어하는 상기 제1 스위치(S11)은 제1 발광블럭(11)과 병렬회로를 구성하고, 상기 제2 스위치 (S12)는 제2 발광블럭(12)와 병렬회로를 구성하며, 상기 제3 스위치(S13)는 제3 발광블럭(13)와 병렬회로를 구성하고, 상기 제4 스위치(S14)는 제4 발광블럭(14)와 병렬회로를 구성한다.
바람직하게, 상기 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)는 1개 이상의 LED 로 구성되며, 다수개의 LED 가 직렬, 병렬 또는 직/병렬 배열로 구성될 수 있다. 상기 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)는 널리 알려진 공지기술이므로, 이하에서는 설명의 간략화를 위하여 그에 대한 구체적인 기술은 생략한다.
그리고, 바람직하게 상기 제어기(4)은, 제2 실시예에서와 동일한 개념으로 동작하므로, 이하에서는 설명의 간략화를 위하여 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이하, 도 16을 사용하여 본 실시예에서 사용하는 발광블럭의 특성에 대하여 설명한다.
먼저, 전압-전류 특성곡선(50)은 LED를 다수개 직렬로 배열하여 만든 서울반도체사의 AX3220의 전압-전류 특성곡선을 도시한 것으로서, 본 실시예에서는 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)를 모두 직렬로 연결한 경우에 해당한다. 이 경우, 도 15에 도시된 상기 제1 스위치(S11) 내지 상기 제4 스위치(S14)는 모두 차단되어야 함은 당연하다.
그리고, 제4 직선모델(74)은 상기 전압-전류 특성곡선(50)을 간단하게 선형으로 모델링한 것으로서, 정류전압(Vrect)이 0V ~ 220V 인 구간을 사용한다. 도 16에 도시된 제4 직선모델(74)로부터 전압 132V 에서 전류는 0mA이고, 전압 220V 에서는 전류가 20mA 인 것을 알 수 있다.
제1 직선모델(71)는 상기 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4 등분하여서 그 중 1개의 발광블럭만 점등하는 경우를 모델링한 것이다. 상기 제1 직선모델(71)의 등가직렬저항은 종래의 1/4이 되기 때문에, 문턱전압은 종래의 제4 직선모델(74)의 1/4인 33V 가 되고, 전류 20mA 가 흐르는 전압은 상기 제4 직선모델(74)의 1/4 인 55V 가 된다. 따라서 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4개의 발광블럭으로 등분하여서 1개의 발광블럭만 점등하는 경우를 선형모델링하면 제1 직선모델(71)과 같이 나타난다.
여기서, 점등되는 1개의 발광블럭은 상기 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)중 어느 하나가 될 수 있다. 이것은 상기 발광블럭들의 직렬개수를 제어하는 스위치는 점등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치만 차단하고, 나머지 소등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치는 모두 도통함으로써 구현된다.
그리고, 제2 직선모델(72)는 상기 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4 등분하여서 2개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 모델링한 것이다. 제2 직선모델(72)의 등가직렬저항은 종래의 2/4 가 되기 때문에, 문턱전압은 종래의 제4 직선모델(74)의 2/4 인 66V 가 되고, 전류 20mA 가 흐르는 전압은 제4 직선모델(74)의 2/4 인 110V 가 된다. 따라서 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4개의 발광블럭으로 등분하여서 그 중 2개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 선형모델링하면 제2 직선모델(72)와 같이 나타난다.
여기서, 2개의 발광블럭을 점등하는 제2 직선모델(72)는 상기 제1 발광블럭 (11)과 제2 발광블럭(12)의 직렬연결일 수 있으며, 또한 상기 제1 발광블럭(11) 및 상기 제3 발광블럭(13)의 직렬연결일 수도 있다. 즉 일반화하여 표현하면, 4개의 발광블럭 중 2개를 선택하여 점등할 경우에 해당하는 모델이다. 이때 상기 발광블럭들의 직렬개수를 제어하는 스위치는 점등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치만 모두 차단하고, 나머지 소등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치는 모두 도통함으로써 구현된다.
그리고, 제3 직선모델(73)는 상기 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4 등분하여서 그 중 3개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 모델링한 것이다. 제3 직선모델(73)의 등가직렬저항은 종래의 3/4 가 되기 때문에, 문턱전압은 종래의 제4 직선모델(74)의 3/4 인 99V 가 되고, 전류 20mA 가 흐르는 전압은 상기 제4 직선모델(74)의 3/4 인 165V 가 된다. 따라서 종래의 발광블럭(970)을 균등하게 4개의 발광블럭으로 등분하여서 3개의 발광블럭을 직렬로 연결한 경우를 선형모델링하면 제3 직선모델(73)와 같이 나타난다.
여기서, 3개의 발광블럭을 점등하는 제3 직선모델(73)을 일반화하여 표현하면 4개의 발광블럭 중 3개의 발광블럭을 선택하여 점등할 경우에 해당하는 모델이다. 이때 상기 발광블럭들의 직렬개수를 제어하는 스위치는 점등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치만 모두 차단하고, 나머지 소등되는 발광블럭과 병렬로 배치된 스위치는 모두 도통함으로써 구현된다.
이하, 도 17을 참조하여 설명한다.
도 17은 도 15의 회로도에 상기 제1 직선모델(71) 내지 제4 직선모델(74)를 사용하여 전원주파수가 50Hz 이고 정류최대전압이 230V 인 경우를 도시한 것이다.
먼저 정류전압(Vrect)는 전압파형(72V)로 나타내었으며, 그리고 파형(71a) 및 파형(71b)는 발광블럭 제1 직선모델(71)을 이용하여 상기 정류전압(72V)에 대한 부하전류를 나타낸 것이고, 파형(72a) 및 파형(72b)는 발광블럭 제2 직선모델(72)를 이용하여 상기 정류전압(72V)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다. 그리고 파형(73a) 및 파형(73b)는 발광블럭 제3 직선모델(73)를 이용하여 상기 정류전압(72V)에 대한 부하전류를 나타낸 것이고, 파형(74a) 및 파형(74b)는 발광블럭 제4 직선모델(74)를 이용하여 상기 정류전압(72V)에 대한 부하전류를 나타낸 것이다.
전류원(CS)에 제공되는 정현파 설계전류는 순시최고전류가 20mA 인 파형(70S, 검은색 점선)으로 나타내었다. 상기 제어기(4)에 의하여 스위치가 적절히 조절된 경우에 흐르는 정류전류는 파형(1AA, 붉은색 점선)로 나타내었다.
도 17의 정류전류 파형(1AA, 붉은색 점선)을 얻기 위한 도 15의 회로에서의 바람직한 동작을 정류전압 위상 0도에서 90도까지 상기 정류전압이 증가하는 순서로 설명한다.
먼저 정류전압 위상 0도부터 상기 설계전류(70S, 검은색 점선)와 직선모델전류(71a)가 만나는 교점(P1)까지는 1개의 발광블럭이 점등되도록 상기 스위치블럭을 설정한다. 이때, 설계전류(70S)보다 낮은 모델전류(71a)가 흐르고 있으므로 상기 전류원(CS) 양단전압을 최소인 전압(전류원 포화전압)으로 만들어서 부하에 모델 전류(71a)가 흐르게 한다.
*상기 설계전류(70S, 검은색 점선)와 상기 직선모델전류(71a)가 만나는 교점(P1)에서 상기 설계전류(70S)와 상기 직선모델전류(72a)가 만나는 교점(P2)까지는 계속 1개의 발광블럭이 점등되도록 상기 스위치블럭을 설정한다.
이때, 설계전류(70S)보다 높은 모델전류(71a)가 흐르므로 상기 전류원(CS) 양단에 전압강하를 일으켜서 상기 1개의 발광블럭 양단전압을 조절하여 부하전류를 상기 설계전류(70S)와 일치시킨다. 이 구간에서 점등되는 발광블럭은 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)중 어느 하나가 계속 점등될 수 있다(이하, "1단 계속 점등법"이라 칭함).
그런데 상기 1단 계속 점등법에서는 계속 소등된 발광블럭과 계속 소등된 발광블럭과 밝기차이를 사람이 느낄 수도 있으므로 모든 발광블럭을 빠르게 번갈아 가면서 교대로 한번에 1개의 발광블럭을 점등하여 모든 발광블럭의 밝기를 동일하게 느끼게 하는 것도 바람직하다(이하, "1단 교대 점등법"이라 칭함).
상기 설계전류(70S, 검은색 점선)와 상기 직선모델전류(72a)가 만나는 교점(P2)에서 상기 설계전류(70S)와 상기 직선모델전류(73a)가 만나는 교점(P3)까지는 2개의 발광블럭이 점등되도록 상기 스위치블럭을 설정하고, 설계전류(70S)보다 높은 모델전류(72a)가 흐르므로 상기 전류원(CS) 양단에 전압강하를 일으켜서 상기 2개의 발광블럭 양단전압을 낮추어 조절하여 부하전류를 상기 설계전류(70S)와 일치시킨다. 이 구간에서 점등되는 발광블럭은 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)중 어느 2개가 계속 점등될 수 있다(이하, "2단 계속 점등법"이라 칭함).
그런데 상기 2단 계속 점등법에서는 계속 소등된 발광블럭과 계속 점등된 발광블럭과 밝기차이를 사람이 느낄 수도 있으므로 모든 발광블럭을 빠르게 번갈아 가면서 교대로 한번에 2개의 발광블럭을 점등하여 모든 발광블럭의 밝기를 동일하게 느끼게 하는 것도 바람직하다(이하, "2단 교대 점등법"이라 칭함).
상기 설계전류(70S, 검은색 점선)와 상기 직선모델전류(73a)가 만나는 교점(P3)에서 상기 설계전류(70S)와 상기 직선모델전류(74a)가 만나는 교점(P4)까지는 3개의 발광블럭이 점등되도록 상기 스위치블럭을 설정하고, 설계전류(70S)보다 높은 모델전류(73a)가 흐르므로 상기 전류원(CS) 양단에 전압강하를 일으켜서 상기 3개의 발광블럭 양단전압을 낮추어 부하전류를 상기 설계전류(70S)와 일치시킨다.이 구간에서 점등되는 발광블럭은 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14)중 어느 3개가 계속 점등될 수 있다(이하, "3단 계속 점등법"이라 칭함).
그런데 상기 3단 계속 점등법에서는 계속 소등된 발광블럭과 계속 점등된 발광블럭과 밝기차이를 사람이 느낄 수도 있으므로 모든 발광블럭을 빠르게 번갈아 가면서 교대로 한번에 3개의 발광블럭을 점등하여 모든 발광블럭의 밝기를 동일하게 느끼게 하는 것도 바람직하다(이하, "3단 교대 점등법"이라 칭함).
그리고 상기 설계전류(70S, 검은색 점선)와 상기 직선모델전류(74a)가 만나는 교점(P4)에서 상기 정류전압 위상 90도 까지는 4개의 발광블럭이 모두 점등되도록 상기 스위치블럭을 설정하고, 설계전류(70S)보다 높은 모델전류(74a)가 흐르므로 상기 전류원(CS) 양단에 전압강하를 일으켜서 상기 4개의 발광블럭 양단전압을 낮추어 부하전류를 상기 설계전류(70S)와 일치시키는 것이 바람직하다. 이 구간에서 점등되는 발광블럭은 제1 발광블럭(11) 내지 제4 발광블럭(14) 모두를 계속 점등될 수 있다(이하, "4단 계속 점등법"이라 칭함).
이상에서 발광블럭이 4개인 경우에 대하여 1단 교대 점등법 내지 3단 교대 점등법 및 1단 계속 점등법 및 4단 계속 점등법을 설명하였다. 이것을 발광블럭이 n 개인 것으로 일반화하여 표현하면 각각 "n단 교대 점등법" 및 "n단 계속 점등법"이라 할 수 있다. 여기서 n은 2보다 큰 자연수이고, 그 크기는 특별히 제한되지 않음은 당연하다.
이하 표 3을 사용하여 고정된 순서로 각 단 계속 점등법을 시행하는 "고정순서 점등법"에 대하여 설명한다.
표 3 고정순서 점등법
정류 싸이클 1단 계속 2단 계속 3단 계속 4단 계속
제1 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제2 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제3 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제4 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
여기서, 11은 제1 발광블럭(11), 12는 제2 발광블럭(12), 13은 제3 발광블럭 그리고 14는 제4 발광블럭(14)를 나타낸다.
모든 정류 싸이클에서 1단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11)로 점등하고, 2단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11) 및 제2 발광블럭(12)이 점등되고, 3단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11) 내지 제3 발광블럭(13)이 점등되며, 4단 점등은 모든 발광블럭(11 내지 14)을 점등하는 방법이다.
도 18를 참조하여 상기 각 발광블럭(11 내지 14)에 흐르는 전류를 정류전압 한 싸이클에서 살펴보면, 상기 제1 발광블럭(11)에는 전류가 파형(1AA)와 같이 다른 발광블럭(12 내지 14) 대비 가장 많은 전류가 흐르며, 상기 제2 발광블럭(12)에는 전류가 파형(2AA)와 같이 상기 제1 발광블럭(11)보다 작게 흐르며, 제3 발광블럭(13)에는 전류가 파형(3AA)와 같이 상기 제2 발광블럭(12)보다 작게 흐르며, 상기 제4 발광블럭(14)에는 전류가 파형(4AA)와 같이 다른 발광블럭 대비 가장 작은 전류가 흐른다.
즉, 고정순서 점등법에서는 각 발광블럭별로 흐르는 전류가 다르기 때문에 상기 각 발광블럭별로 밝기 차이가 날 수도 있는 문제점이 있다. 또한 상대적으로 많은 전류가 흐르는 발광블럭은 적은 전류가 흐르는 발광블럭보다 수명이 짧아질 수도 있는 문제점이 있다.
이하 표 4를 사용하여 각 발광블럭간의 밝기차이를 줄이는 "역순환 점등법"에 대하여 설명한다.
표 4 역순환 점등법
정류 싸이클 1단 계속 2단 계속 3단 계속 4단 계속
제1 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제2 싸이클 14 13, 14 12, 13, 14 11, 12, 13, 14
제3 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제4 싸이클 14 13, 14 12, 13, 14 11, 12, 13, 14
여기서, 11은 제1 발광블럭, 12는 제2 발광블럭, 13은 제3 발광블럭, 그리고 14는 제4 발광블럭을 나타낸다.
홀수 번째 정류 싸이클에서는 상기 제1 발광블럭(11)에서 제4 발광블럭(14) 순으로 낮은 번호 발광블럭이 우선하여 점등되는 계속 점등법을 실시한다. 즉, 1단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11)로 점등하고, 2단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11) 및 제2 발광블럭(12)을 점등하고, 3단 계속 점등은 상기 제1 발광블럭(11) 내지 제3 발광블럭(13)을 점등하며, 4단 점등은 모든 발광블럭을 점등하는 낮은 번호 발광블럭부터(즉, 도면을 기준으로 좌측부터) 우선 계속 점등법을 실시한다.
그리고, 짝수 번째 정류 싸이클에서는 상기 제4 발광블럭(14)에서 제1 발광블럭(11) 순으로 높은 번호 발광블럭이 우선하여 점등되는 계속 점등법을 실시한다. 즉, 1단 계속 점등은 상기 제4 발광블럭(14)을 점등하고, 2단 계속 점등은 상기 제4 발광블럭(14) 및 제3 발광블럭(13)을 점등하며, 3단 계속 점등은 상기 제4 발광블럭(14) 내지 제2 발광블럭(12)을 점등하며, 4단 점등은 모든 발광블럭을 점등하는 높은 번호 발광블럭부터(즉, 도면을 기준으로 우측부터) 우선 계속 점등법을 실시한다.
이렇게, 높은 번호 발광블럭 우선 계속 점등법/ 낮은 번호 발광블럭 우선 계속 점등법을 교대로 실시하는 "역순환 점등법"을 채택함으로써, 2개의 정류 싸이클 단위로 상기 각 발광블럭에 흐르는 전류를 비교해 보면, 상기 고정순서 점등법보다는 전류가 균일하게 흐르므로 1)각 발광블럭에서 방출되는 빛도 상대적으로 일정함은 당연하며, 또한 2)각 발광블럭의 수명도 고정순서 점등법보다 길어지는 효과가 있다.
도 19는 역순환 점등법에 적합한 회로의 또 다른 예이다.
회로의 구성의 가장 큰 특징은 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치가
직렬로 배열된 스위치블럭(SB)과 병렬로 배열된 스위치블럭(SA)을 모두 구비한 것이다.
상기 도 19 회로의 바람직한 동작은 1)홀수 번째 정류 싸이클에서는 낮은 번호 발광블럭부터(즉, 도면을 기준으로 좌측부터) 우선하여 점등되는 계속 점등법을 실시한다. 이를 위하여 직렬배열된 스위치블럭(SB)는 모두 차단하고, 병렬배열된 스위치 블럭(SA)를 사용하여 점등을 실시한다. 2)짝수 번째 정류 싸이클에서는 높은 번호 발광블럭부터(즉, 도면을 기준으로 우측부터) 우선하여 점등되는 계속 점등법을 실시한다. 이를 위하여 병렬배열된 스위치블럭(SA)는 모두 차단하고, 직렬배치된 스위치블럭(SB)를 사용하여 점등을 실시하는 것이다.
상기 회로의 장점은, 스위치를 반도체 소자로 구성할 경우 각 반도체 소자간의 특성편차가 다소 존재하여도 상기 회로가 정확히 동작을 한다는 것이다.
조금 더 구체적으로 살펴보면, 직렬스위치 블럭(SB)를 사용하여 낮은번호 발광블럭부터 (즉, 도면을 기준으로 좌측부터) 우선하여 계속 점등법을 실시할경우에는 모든 스위치가 도통된 상태에서 낮은번호 스위치 부터 차단을 실시한다.
예를 들어 제2 스위치(SB_2)이 차단되어 제2 발광블럭이 점등되면 상기 제2 발광블럭을 통과한 전류가 흐를 수 있는 경로가 2개 존재한다. 이론적으로는 모든 전류가 상기 제3 스위치(SB_3) 통과하여 흘러야 하지만, 상기 스위치블륵(SB)를 구성하는 스위치간에 특성편차가 커서 모든 스위치가 완벽히 도통되어 있지 않으면 상기 제3 스위치(SB_3) 상태에 따라서 (완벽히 도통되어 있으면)전류가 많이 흐르기도 하고, (부분적으로 도통되어 있으면 회로의 직렬저항이 커서)적게 흐르기도 한다.
보다 구체적으로 설명하면, PNP 트랜지스터로 스위치를 구성할 경우를 살펴보면, 상기 트랜지스터를 도통시킬때는 베이스 전류(구동전류)가 반드시 필요하고, 차단시킬때는 베이스 전류가 제로 이기 때문에 베이스 전류는 필요 없다. 즉, 모든 직렬 스위치의 차단은 완벽히 할 수 있다. 그러나 모든 스위치 도통은 스위치를 흐르는 전류량(순시 설계전류량)에 따라 모두 도통되기도 하고 안 되기도(즉, 순시 설계전류가 스위치 구동전류보다 작은경우) 하는 문제점이 있다.
한편, 병렬스위치 블럭(SA)를 사용하여 낮은번호 발광블럭부터(즉, 도면을 기준으로 좌측부터) 우선하여 계속 점등법을 실시할 경우에는 추가로 점등하고자하는 발광블럭을 제어하는 스위치만 정확히 도통하고 나머지 모든 스위치가 차단 상태에 있으면 된다. 즉 각 반도체 소자간의 특성편차가 다소 존재하여도 상기 회로는 정확히 동작을 한다.
또한 동일한 개념(즉, 하나의 스위치만 도통하고 나머지 모든 스위치는 차단 하는 것)에 따라 병렬스위치 블럭(SC, 미도시)을 구성하고 높은 번호 발광 블럭부터(즉, 도면을 기준으로 우측부터) 우선적으로 계속 점등법을 실시할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기 직렬 스위치블럭(SB) 및 병렬 스위치블럭(SA) 내부의 세부적인 동작에 대한 설명을 앞서 도 9(병렬 스위치 블럭) 및 도 15(직렬 스위치 블럭)에서 상세히 설명하였으므로 설명의 간략화를 위하여 구체적인 기술은 생략한다.
이상에서, 표 4 및 도 19를 참조하여 정류 싸이클을 기준으로 홀수 번째 정류싸이클에서는 낮은 번호 발광블럭 우선점등을 실시하고, 짝수 번째 정류 싸이클 에서는 높은 번호 발광블럭 우선점등을 실시하는 이른바 "역순환 점등법"을 설명하였다.
한편, 도 19 회로에서 정류 싸이클이 아닌 싸이클(바람직하게는 정류 싸이클 보다 짧은 싸이클, 이하에서는 "교대 싸이클"이라 칭함)로 점등을 실시할 수 있다. 즉, 홀수 번째 교대 싸이클에서는 스위치 블럭(SA)를 사용하여 낮은 번호 발광블럭 우선점등을 실시하고, 짝수 번째 교대 싸이클에서는 스위치 블럭(SB)를 사용하여 높은 번호 발광블럭 우선점등을 실시하는 것은, 앞서 설명한 "교대 점등법"의 구체적인 실시예가 될 것이다. 여기서 교대 싸이클의 주기는 점등된 발광블럭과 소등된 발광블럭간의 밝기 차이를 사람이 느끼지 못하는 주기보다 짧은 것이 바람직하고, 그 값은 특별히 제한되지 않는다.
이하 표 5를 사용하여 각 발광블럭간의 밝기차이를 줄이는 "원형 순환 점등법"에 대하여 설명한다.
원형 순환 점등법은 이전 정류 싸이클에서 1단 계속 점등법으로 구동되었던 발광블럭을 로테이트 레프트(Rotate Left)시켜서 제일 마지막 발광블럭 뒤로 이동(표 5의 제2 싸이클 내지 제4 싸이클 참조)시키고, 상기 이전 정류 싸이클의 2단 계속 점등에 신규로 참여하였던 발광블럭을 현 싸이클의 1단 계속점등법으로 구동하는 것이다. 또 다른 방법으로는 로테이트 라이트(Rotete Right)시켜서 제일 마지막 발광블럭이 첫 번째 발광블럭으로 이동하는 것도 가능하다.
표 5 원형 순환 점등법
정류 싸이클 1단 계속 2단 계속 3단 계속 4단 계속
제1 싸이클 11 11, 12 11, 12, 13 11, 12, 13, 14
제2 싸이클 12 12, 13 12, 13, 14 12, 13, 14, 11
제3 싸이클 13 13, 14 13, 14, 11 13, 14, 11, 12
제4 싸이클 14 14, 11 14, 11, 12 14, 11, 12, 13
여기서, 11은 제1 발광블럭, 12는 제2 발광블럭, 13은 제3 발광블럭, 그리고 14는 제4 발광블럭을 나타낸다.
먼저 표 5의 제1 정류 싸이클에서는 상기 제1 발광블럭(11)이 1단 계속 점등법으로 구동되는 낮은 번호 발광블럭 우선 계속 점등법이 적용되었다.
그리고 제2 정류 싸이클에서는, 이전 싸이클에서 1단 계속 점등법으로 구동되었던 발광블럭[즉, 상기 제1 발광블럭(11)]을 원형으로 로테이트 레프트(Rotate Left)하여 제일 마지막 발광블럭[즉, 상기 제4 발광블럭(14)] 뒤로 이동시켜서, 1단 계속 점등법으로 구동되는 발광블럭이 상기 제2 발광블럭(12)가 되는 계속 점등법이 적용되었다.
그리고 제3 정류 싸이클에서는, 이전 싸이클에서 1단 계속 점등법으로 구동되었던 발광블럭[즉, 상기 제2 발광블럭(12)]을 원형으로 로테이트 레프트(Rotate Left)하여 제일 마지막 발광블럭[즉, 상기 제1 발광블럭(11)] 뒤로 이동시켜서, 1단 계속 점등법으로 구동되는 발광블럭이 상기 제3발광블럭(13)가 되는 계속 점등법이 적용되었다.
그리고 제4 정류 싸이클에서는, 이전 싸이클에서 1단 계속 점등법으로 구동되었던 발광블럭[즉, 상기 제3 발광블럭(13)]을 원형으로 로테이트 레프트(Rotate Left)하여 제일 마지막 발광블럭[즉, 상기 제2 발광블럭(12)] 뒤로 이동시키서, 1단 계속 점등법으로 구동되는 발광블럭이 상기 제4 발광블럭(14)가 되는 계속 점등법이 적용되었다.
본 실시예의 핵심개념을 다시 한번 요약하여 설명하면, 1)부하인 발광블럭을 다수개의 서브 발광블럭으로 나누고, 2)낮은 정류전압에서는 작은 개수의 서브 발광블럭을 점등하고, 높은 정류전압에서는 많은 개수의 발광블럭을 점등하여 발광효율은 높이고, 3)각 서브 발광블럭이 점등되는 순서를 조절하여 각 발광블럭의 밝기 편차를 줄이도록 하는 것이다.
점등 순서 조절방법은 위에서 몇몇 예를 들어 상세히 설명하였으나, 그 외의 다양한 조합이 가능함은 당연하다. 또한, 밝기 편차를 줄이는 방법에 적용된 본 발명의 개념은 희망전류원을 채택하지 않은 경우에도 유효함은 당연하다.
본 실시예에서는 발광블럭이 4개 그리고 스위치가 4개를 포함하는 실시예를 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 발광블럭이 2개 이상 포함하는 실시도 구현될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
여기서, 발광블럭을 4개에서 5개처럼, 발광블럭을 1개 더 추가할 때를 일반화하여 설명하면, 먼저 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 병렬로 연결하고, 마지막 발광블럭(n)의 출력단과 상기 전류원의 입력단 사이에 상기 병렬로 연결된 병렬로 연결된 추가될 발광블럭(n+1)과 추가될 스위치(n+1)을 삽입하면 된다.
그리고 본 실시예에서는 발광블럭을 직선으로 모델링 하였으나, 다차원 함수로 모델링 할 수도 있으며, 메모리에 기 저장되어 있는 실제회로(스위치 포함)의 전류-전압 측정값 테이블로 모델링 할 수 있음은 당연하다.
이상 본 발병의 실시예를 상세히 설명하였다. 본 실시예에서 상세히 설명된 정류회로, 전류원, 제어기 및 스위치는 하나의 반도체 소자로 제작할 수 있음은 당연하다.
이상, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 살펴보았으나 이는 예시에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형된 실시예가 가능함을 이해하여야 할 것이다. 그러므로 , 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술내용을 쉽게 설명하고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims (4)

  1. 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로와;
    상기 정류회로로부터 전류를 공급받으며 각각 1개 이상의 LED로 이루어진 복수개의 LED 발광블럭이 복수개 서로 직렬 연결된 부하와;
    상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류원과;
    상기 교류전압을 기초로 산정된 정현파 설계전류 값을 산출하고, 상기 산출된 설계전류 값을 상기 전류원으로 제공하여, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류가 상기 설계전류 값보다 큰 경우에는 상기 전류원에 걸리는 전압강하가 조절되도록 하여 상기 설계전류 값만 상기 LED 발광블럭에 공급되도록 제어하는 제어기; 및
    상기 LED 발광블럭에 직렬 또는 병렬 연결된 한 개 이상의 스위치를 구비하여, 상기 스위치의 온/오프를 통해 상기 직렬로 연결된 복수개의 LED 발광블럭에 흐르는 전류 흐름을 변경하여 상기 직렬로 연결된 LED 발광블럭의 점등 개수를 조절하는 스위치블럭;을 포함하되,
    상기 제어기는 상기 교류전압과 동 위상의 정현파 신호를 사용하여 상기 정현파 설계전류 값을 산출하고,
    상기 제어기에 의해 제어되는 전류원은 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류가 상기 설계전류 값보다 작은 경우에는 상기 전류원에 걸리는 전압강하 없이 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류 전체를 상기 LED 발광블럭에 공급하며,
    상기 제어기는 상기 직렬로 연결된 LED 발광블럭의 개수별로 순시 교류전압에 대한 공급전류를 모델링(즉, 순시 교류전압이 LED 발광블럭의 양단에 공급될 때의 공급전류를 모델링)하여 산출하고, 상기 산출된 모델링 전류값이 현재 교류전압 위상에서의 순시 설계전류 값보다는 크면서 가장 많은 개수의 LED 발광블럭이 점등되도록 상기 스위치 블럭을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류구동 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 복수개의 LED 발광블럭들 중 점등이 필요한 갯수만큼의 LED 발광블럭이 서로 번갈아 가며 교대로 점등되도록 상기 스위치 블럭을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류구동 LED 조명장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 홀수번째 정류 싸이클에서는 일측에 배치된 LED 발광블럭부터 타측에 배치된 LED 발광블럭 순서로 점등이 이루어지도록 하고, 짝수번째 정류 싸이클에서는 상기 홀수번째 정류 싸이클과는 반대로 타측에 배치된 LED 발광블럭부터 일측에 배치된 LED 발광블럭 순서로 점등이 이루어지도록 상기 스위치 블럭을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류구동 LED 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 이전 번 정류 싸이클에서 점등되었던 LED 발광블럭을 제일 마지막 순서가 되도록 설정(로테이트 레프트)한 후 다음 번 정류 싸이클에서는 상기 로테이트 레프트 방식으로 설정된 순서로 LED 발광블럭을 점등시키거나, 또는 상기 LED 발광블럭에 공급되는 정류입력 중 이전 번 정류 싸이클에서 제일 마지막에 점등되었던 LED 발광블럭을 첫 번째 순서가 되도록 설정(로테이트 라이트)한 후 다음 번 정류 싸이클에서는 상기 로테이트 라이트 방식으로 설정된 순서로 LED 발광블럭을 점등시키도록 상기 스위치 블럭을 제어하는 것을 특징으로 하는 교류구동 LED 조명장치.
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