WO2013133579A1 - 디밍 가능한 엘이디 조명장치 - Google Patents

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WO2013133579A1
WO2013133579A1 PCT/KR2013/001694 KR2013001694W WO2013133579A1 WO 2013133579 A1 WO2013133579 A1 WO 2013133579A1 KR 2013001694 W KR2013001694 W KR 2013001694W WO 2013133579 A1 WO2013133579 A1 WO 2013133579A1
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current
phase
dimming
controller
switch
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PCT/KR2013/001694
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English (en)
French (fr)
Inventor
이동원
Original Assignee
Lee Dong Won
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/40—Details of LED load circuits
    • H05B45/44—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix
    • H05B45/48—Details of LED load circuits with an active control inside an LED matrix having LEDs organised in strings and incorporating parallel shunting devices

Definitions

  • the present invention relates to a lighting apparatus using an LED (light emitting diode), and more particularly to an LED lighting apparatus capable of dimming.
  • LEDs Light-emitting diodes
  • LED direct current driving method a number of methods for driving the LED lamps with AC voltage (hereinafter, “LED direct current driving method") are introduced, including the inventors' patent No. 10-110380.
  • an AC power supply 910 for supplying an AC voltage
  • a rectifier circuit for converting an AC voltage supplied from the AC power supply 910 into a rectified voltage Vrect of DC ( 940, a first light emitting block 871, a second light emitting block 872, a third light emitting block 873, and a fourth light emitting block 874 driven by the rectified voltage Vrect, which is an output of the rectifying circuit 940. It is composed of
  • a parallel switch block (first switch SW1, second switch SW2, third switch SW3, and fourth) that adjusts the number of light emitting blocks that are turned on by changing a current path according to the instantaneous voltage of the AC power source.
  • Switch SW4 and a controller 942.
  • Patent No. 10-0942234 and Patent No. 10-0997050 Representative examples of the configuration may include Patent No. 10-0942234 and Patent No. 10-0997050, and the method of operation thereof is described in detail in the above patents, and thus will be omitted for convenience of description.
  • the controller 942 controls the parallel switch block such that only one switch of the first switch SW1 to the fourth switch SW4 is turned on and the other is always shut off.
  • the power supply current is limited by the current limiting device I1 to be 5 mA.
  • the power supply current is limited by the current limiting device I2 to be (10 mA).
  • the third switch SW3 is turned on, the first light emitting blocks 871 to 373 turn on and the power supply current becomes (15 mA).
  • the fourth switch SW4 is turned on, the first light emitting blocks 871 to 874 are turned on, and the power supply current is (20 mA).
  • a current waveform of 710 is obtained. That is, a stepped wave-type power current appears.
  • FIG 3 shows the circuit of the inventor's patent 10-1110380.
  • the main item related to the present invention is that the controller 942 is in phase with the AC voltage 910, the shape of the sinusoidal control signal (Csin) to control the current source (CS) so that the power supply current waveform (710A) of FIG. It appears in sinusoidal form as At this time, the operation principle of the controller 942 to control the switch (S11) to the switch (S14) is described in detail in the Patent No. 10-1110380, and will be omitted for convenience of description.
  • the voltage waveform 310 shows an AC power supply voltage in which a part of an AC power supply phase is cut by using an AC power supply phase control element (eg, TRIAC).
  • an AC power supply phase control element eg, TRIAC
  • the stepped wave waveform 311 of FIG. 5 is implemented by the circuit of FIG. 1, and the sine wave waveform 311A of FIG. 5 is the circuit of FIG. 3. It is implemented. At this time, all of the light emitting blocks are turned on at least once in each rectifying cycle.
  • the power supply current appears as in the stepped wave waveform 312 or the sinusoidal wave waveform 312A of FIG. 6. At this time, all of the light emitting blocks are turned on at least once in each rectifying cycle.
  • the stepped wave power supply current 313 or sine wave power supply current 313A of FIG. 7 is implemented.
  • a light emitting block that is not turned on in each of the rectifying cycles is generated. That is, if dimming is performed more than 50% in the LED lighting device made by the prior art, there is a problem in that a light emitting block that does not light up within one cycle of rectified voltage exists (wherein dimming 50% is an LED lighting device). Means the brightness is 1/2.)
  • Patent 10-1110380 Patent 10-0942234
  • Patent No. 10-0971757 Patent No. 10-0997050
  • the present invention has been made to solve the conventional problems, and in a dimming method in which a part of an AC power phase is cut by using an AC power phase control element, even if dimming is performed at least 50%, a cycle of rectified voltage is achieved. It is intended to provide an LED lighting device in which all light emitting blocks are turned on within one cycle.
  • the dimmable LED lighting device the rectifier circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage of direct current;
  • An LED light emitting block comprising one or more LEDs; a load (n ⁇ 1 natural number) in which the LED light emitting blocks are connected in series of n;
  • a switch block comprising a switch for bypassing current flowing through each light emitting block of the load;
  • a current limiting device controlling a current supplied to the LED light emitting block;
  • the controller is to control the current limiting device with a sinusoidal signal in phase with the AC voltage phase;
  • the controller is to control the current limiting device in the form of a staircase wave based on any one of the instantaneous rectified voltage or the rectified voltage phase;
  • the controller generates a sine wave (hereinafter referred to as "sinusoidal wave 2") of a frequency lower than the rectified frequency, so as to supply a current corresponding to the sinusoidal wave 2 signal to the load It is also preferable that the current limiting device is controlled and that the maximum instantaneous value of the sinusoidal wave 2 appears at each rectified voltage phase 90 degrees.
  • the controller adds Pulse Width Modulation (PWM) control to the current waveform before dimming so that the waveform formed by the average current values of one cycle of PWM is dimming current. It is also preferable to further include a PWM control function to form a waveform.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the switch block is preferably an array of switches for bypassing the current flowing in each light emitting block of the load, either in series, in parallel or in parallel.
  • the conventional dimmable LED lighting device is a dimming method in which a part of an AC power phase is cut by using an AC power phase control element, and when dimming is performed at 50% or more, it is within one cycle of rectified voltage.
  • a light emitting block that does not light up in the LED lighting apparatus, the brightness difference occurs, but the dimmable lighting apparatus according to the present invention has the effect that all light emitting blocks are turned on to provide an LED lighting apparatus having a smaller brightness difference than the prior art. have.
  • 1 is a circuit diagram of a conventional LED lighting device.
  • 3 is a view showing another conventional LED lighting device.
  • FIG. 5 is an example of a power supply current waveform when dimming is performed with a phase removal amount of 0 degrees to 90 degrees.
  • FIG. 6 is a power supply current waveform when dimming is performed with a phase removal amount of 90 degrees.
  • FIG. 7 is an example of the power supply current waveform when dimming is performed with a phase removal amount of 90 degrees to 80 degrees.
  • FIG. 8 is a dimmable LED lighting device circuit according to the present invention.
  • the current flowing through the LED is kept the same, and only the removed power supply voltage phase is dimmed.
  • the concept of "dimming acceleration coefficient" is introduced to more actively dimming. That is, the amount of phase removed is measured, and the amount of current flowing through the LED lighting apparatus is adjusted in proportion to the amount of phase removed, thereby actively dimming.
  • an AC power supply 1 a rectifying circuit 2 rectifying the AC input voltage and converting the DC input voltage into a rectified voltage of DC, a first LED light emitting block 11 including a plurality of LEDs, and a second LED light emitting block 12, the third light emitting block 13 and the fourth light emitting block (14).
  • a current source or "current limiting device” CS2 for limiting the current supplied to the LED light-emitting block.
  • switch blocks may include one or more switch blocks that can adjust the number of lighting blocks by changing the flow of current flowing through the sub light emitting block. It is of course preferable to include a controller 4 for controlling the switch.
  • the forward lighting switch block SA which lights up sequentially from the front to the back, may include a first forward switch SA_1, a second forward switch SA_2, and a third forward switch SA_3.
  • the reverse-lighting switch block SB which is sequentially turned on from the back, may be configured of the first reverse switch SB_1, the second reverse switch SB_2, and the third reverse switch SB_3.
  • the first example of the switch block activation is a case in which the switch block SA operates between 0 degrees and 180 degrees of the input voltage phase, and the switch block SB operates between 180 degrees and 360 degrees of the input voltage phase.
  • a second example of switch block activation is to perform switch block SA and switch block SB activation at predetermined intervals shorter than the rectification cycle.
  • the method of constructing the LED light emitting block and the method of configuring the switch block are also well-known technologies described in detail in the above Patent Nos. 10-1110380 and the prior art documents, and thus are omitted for convenience of description.
  • the controller 4 preferably controls the current source CS2 to supply the step wave current to the load based on the instantaneous rectified voltage.
  • controller 4 controls the current source CS2 to supply the stepped wave current to the load based on the rectified voltage phase.
  • the controller 4 further includes a function of generating a sinusoidal signal (hereinafter referred to as "sinusoidal wave 1") having the same phase as the rectified voltage, and a current corresponding to the sinusoidal wave 1 signal (hereinafter referred to as “desired current 1"). Or controlling the current source CS2 to supply a “ sinusoidal wave 1 current " to the load.
  • sinusoidal wave 1 a sinusoidal signal having the same phase as the rectified voltage
  • desired current 1 a current corresponding to the sinusoidal wave 1 signal
  • the reason why the controller 4 generates the sinusoidal wave 1 of the same phase as that of the alternating voltage is that the alternating current supplied from the alternating current power source is in the same phase as the alternating voltage, and the shape is sinusoidal, and thus the power factor is improved.
  • the load current flowing through the load is, of course, that the AC current is rectified.
  • the controller 4 generates a sine wave (hereinafter referred to as "sine wave 2") of a frequency lower than the rectified frequency (twice the frequency of the AC power supply frequency), and a current corresponding to the sinusoidal wave 2 signal (hereinafter, “desired” It is also preferable to control the load current source CS2 to supply current 2 "or” sinusoidal wave 2 current "to the load. Here, it is preferable that the maximum instantaneous value of the sinusoidal wave 2 appears at each rectified voltage phase 90 degrees.
  • the power current harmonic content of a low power (eg, 25 watts or less) LED lighting device is set to 30% or less.
  • the harmonic content of the power supply current is theoretically 0% in the case of general resistance, and 1% or less in the case of LED lighting apparatus. Therefore, it is also desirable to provide an LED lamp whose brightness is improved by the sinusoidal wave 2 current even though the power current harmonic content is slightly increased and the power factor is slightly lowered.
  • the controller preferably measures whether there is a phase cut in the AC input voltage, and if so, how much the removed phase is. That is, when the phase of the AC voltage is partially removed by using an AC phase control element such as TRIAC, the removal amount is measured. And 2) the controller calculates the current regulation control amount of the current limiting device CS2 based on the measured Delta phase, and controls the current source CS2 with the calculated current regulation control amount.
  • Idim Instantaneous maximum current source (CS2) current in dimming.
  • the control input signal Csin of the current limiting device CS2 is calculated as shown in Equation (1).
  • the instantaneous maximum current Idim at dimming is calculated by Equation 2.
  • the dimming acceleration coefficient is 1.0.
  • Idim 0.1 / 90 x Im.
  • the instantaneous maximum all-current current Idim becomes 1/900 of the instantaneous maximum current Im when dimming.
  • the switch for determining the number of series of LED light-emitting blocks is changed at the same time (power supply voltage phase) as before dimming, and the brightness of the LED is proportional to the current
  • the brightness of the LED lighting device is proportional to the amount of power supply current. In other words, "one hundredth of the brightness before dimming is 100% dimming.”
  • the dimming current waveform 15A is a case in which the input voltage is removed by a phase of 15 degrees
  • the dimming current waveform 75A is in a phase of 75 degrees
  • the dimming current waveform 85A is in a case of removing a phase of 85 degrees, respectively. It is shown.
  • the current adjustment curve A1 of FIG. 10 is obtained by 1) obtaining the total dimming power current amount of the cycle of the rectified voltage according to the method described above while changing the removal phase amount from 0 degrees to 85 degrees in 5 degrees. This is obtained by dividing by the total current source current (a cycle of rectified voltage) in the case of 0 degrees and 3) multiplying by 90 to normalize (ie, normalizing to 90) (the horizontal axis is the removal phase amount and the vertical axis is the normalized current source current amount).
  • dimming amount DS1 of FIG. 10 is calculated
  • the linear regression equation of the normalized current amount A1 is obtained and the correlation coefficient (R-squared value) is calculated, it is 0.995. That is, in practice, the removal phase amount and the dimming amount may be viewed as linearly proportional.
  • the current flows in the dimming current waveform 45A where 50% of the dimming is performed even near the voltage phase of 0 degrees, which is shown as a sine wave for the sake of convenience in view of the present invention.
  • the threshold voltage of the first light emitting block for example, the first light emitting block.
  • the phase removal is performed after the tailing is performed at 90 degrees, and the phase removal may be performed before the leading edge is removed by 90 degrees.
  • the case in which the current waveform before dimming is a sine wave is described as an example, but the concept of the present invention can be applied to the case of a staircase wave.
  • the dimming current waveforms 15A, 45A, 75A, 85A have been described as instantaneous currents implemented by the controller 4 controlling the current limiting device CS2.
  • the current waveforms 15A to 85A may be viewed as average current waveforms by pulse width modulation (PWM). That is, PWM control is added to the current waveform before dimming so that the waveform formed by the average current values of one PWM cycle becomes the dimming current waveform 15A to the dimming current waveform 85A.
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM duty may be calculated by Equation 4.
  • Iduty is the duty of PWM control signal applied to one period of rectified voltage and unit is%.
  • dPhase is the removal phase of AC input voltage and alpha is the dimming acceleration factor. At this time, it is obvious that the PWM frequency must be higher than the rectified frequency, which is twice the power frequency.
  • a switch (not shown) connected in series with the current limiting device may be provided and implemented by applying a PWM control signal to the control terminal of the series switch.
  • the current limiting device CS2 may be provided with an output enable / disable terminal and a PWM control signal may be applied to the enable / disable terminal.
  • the second embodiment of the present invention uses the same formula as the first embodiment of the present invention and sets the dimming acceleration coefficient to 3.0.
  • Fig. 11 is a view corresponding to Fig. 9, which is the first embodiment (the horizontal axis is the removal phase amount, and the vertical axis is the normalized power current amount).
  • the current waveform 0B is the case where the removal phase amount is 0
  • the current waveform 10B is the case where the removal phase amount is 10 degrees
  • the current waveform 28B is the case where the removal phase amount is 28 degrees, respectively.
  • the current regulation curve A3 shows that the maximum dimming is provided before the removal phase amount is 30 degrees (the horizontal axis is the removal phase amount and the vertical axis is the normalized power current amount). Then, the dimming amount is represented by the curve DS3 (where the vertical axis is%).
  • the correlation coefficient (R-squared value) is calculated to be 0.999.
  • the removal phase amount and the dimming amount may be viewed as a linear relationship in practical use.
  • the conventional dimmable LED lighting device is a dimming method in which a part of an AC power phase is cut by using an AC power phase control element. When dimming is performed at 50% or more, the dimmable LED lighting device is within one cycle of rectified voltage. Although there is a light emitting block which does not light up in the LED lighting apparatus, the brightness difference is generated, but the dimmable lighting apparatus according to the present invention has the effect that all light emitting blocks are lit to provide an LED lighting apparatus having a smaller brightness difference than the prior art. have. In other words, since the LED lighting device of excellent light quality is provided, the industrial use value is high.

Abstract

본 발명은 디밍가능한 LED 조명장치에 관한 것으로서, 교류전압을 정류하여직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로; 1개 이상의 LED 로 구성되는 LED 발광블럭; 상기 LED 발광블럭이 n 개 직렬로 연결된 부하(n≥1 자연수); 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 제한하는 전류제한장치; 상기 스위치 블럭과 상기 전류제한장치를 제어하는 제어기;를 포함하여 구성되며, 상기 제어기는, 교류전압 이 위상제어기에 의하여 일부분이 제거(Phase cut)되어 공급될 때 제거된 위상량 (Delta phase)를 측정하는 기능을 추가로 구비하며; 상기 제어기는 상기 측정된 위상량(Delta Phase)를 사용하여 전류제한장치의 전류량을 조절하여; 디밍을 50 % 이상 하여도 각 정류싸이클에서 모든 LED 발광블럭이 점등되는 것;을 특징으로 한다.

Description

디밍 가능한 엘이디 조명장치
본 발명은 LED(발광다이오드)를 사용하는 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디밍(Dimming)이 가능한 LED 조명장치에 관한 것이다.
발광다이오드(LED)는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 전광변환 반도체소자로서, 표시기 백라이트 등에 널리 사용되고 있으며, 기술의 발달로 전광변환 효율이 기존의 백열등 및 형광등보다 높아져서 현재는 일반 조명으로 그 범위를 넓혀가고 있다.
LED를 구동하는 방법 중에서, 교류전압으로 LED램프를 구동하는 방법(이하, "LED 교류 직구동 방법")들이 본 발명인의 특허 제 10-110380 호를 비롯하여 다수 개 소개되어 있다.
이하 도 1 내지 도 3 를 사용하여 종래기술로 디밍 할 때 나타나는 문제점에 대하여 설명한다.
<종래의 기술 예 1>
종래의 LED 조명장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 교류전압을 공급하는 교류전원 (910), 상기 교류전원(910)으로부터 공급받은 교류전압을 직류의 정류전압(Vrect)로 변환하는 정류회로(940), 상기 정류회로(940)의 출력인 정류전압 (Vrect)으로 구동되는 제1 발광블럭(871), 제2 발광블럭(872), 제3 발광블럭 (873) 및 제4 발광블럭(874)으로 구성된다.
그리고 상기 교류전원의 순시전압에 맞추어서 전류 경로를 변경하여 점등된 발광블럭의 개수를 조정하는 병렬 스위치블럭 [제1 스위치 (SW1), 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)] 및 제어기(942)를 포함한다.
또한, 상기 제1 발광블럭 내지 제4 발광블럭에 흐르는 전류를 제한하는 전류원(또는, "전류제한장치" 로 칭함)인 제1 전류원(I1), 제2 전류원(I2), 제3 전류원(I3) 및 제4 전류원(I4)를 포함한다.
상기 구성의 대표적인 예로는 특허 제 10-0942234호 및 특허 제 10-0997050호 를 들 수 있으며, 그 작동 방법은 상기 특허들에 상세히 설명되어 있으므로 설명의 편의상 생략한다.
도 1의 종래회로에서 제어기(942)는 제1 스위치(SW1) 내지 제4 스위치(SW4) 중에서 하나의 스위치만 도통 되고 나머지는 항상 차단되도록 상기 병렬스위치블럭을 제어하는 경우에 대하여 설명한다
제1 스위치(SW1)만 도통되어 제1 발광블럭이 점등되는 경우에 전원전류는 전류제한장치(I1)에 의하여 제한되어 (5mA) 가 된다. 또한, 제2 스위치(SW1)만 도통되어 제1 발광블럭(871) 및 제2 발광블럭(872)가 점등되는 경우에 전원전류는 전류제한장치(I2)에 의하여 제한되어 (10mA) 가 된다. 동일한 방법으로 제3 스위치 (SW3)만 도통 될 경우 제1 발광블럭(871) 내지 제3 발광블럭(873)이 점등되고 전원전류는 (15mA) 가 된다. 그리고, 제4 스위치(SW4)만 도통 될 경우는 제1 발광블럭 (871) 내지 제4 발광블럭(874)이 점등되고 전원전류는 (20mA) 가 된다.이것을 정류전압 1주기에 대하여 도시하면 도 2의 전류파형(710)이 된다. 즉, 계단파 형태의 전원전류가 나타난다.
도 3은 본 발명인의 특허 제 10-1110380호 의 회로를 도시한 것이다.
본 발명과 관련된 주요 항목은, 제어기(942)가 교류전압(910)과 동위상이고, 형태는 정현파인 제어신호(Csin)로 전류원(CS)를 제어하여 전원전류가 도 2의 파형 (710A)과 같이 정현파 형태로 나타난다는 것이다. 이때 제어기(942)가 어떠한 동작원리로 스위치(S11) 내지 스위치(S14)를 제어하는 지는 상기 특허 제 10-1110380 호 에 상세히 설명되어 있으므로 설명의 편의상 생략한다.
이하 도 4 내지 도 7을 사용하여 종래장치의 문제점에 대하여 설명한다.
도 4에서 전압파형(310)은 교류전원 위상제어소자[일 예를 들면, 트라이악(TRIAC)]를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)한 교류전원 전압을 도시한 것이다.
교류전압의 위상이 0 도 ~ 90 도 사이의 량이 제거될 때, 도 5의 계단파 파형(311)는 도 1의 회로로 구현된 것이며, 도 5의 정현파 파형(311A)는 도 3의 회로로 구현된 것이다. 이때는 모든 발광블럭이 각 정류싸이클에서 1번 이상은 점등된다.
그리고, 교류전압의 제거량이 90 도 일 경우는 도 6의 계단파 파형(312) 또는 정현파 파형(312A) 와 같이 전원전류가 나타난다. 이때에도 모든 발광블럭이 각 정류싸이클에서 1번 이상은 점등된다.
그런데 교류전압의 위상이 90 도 ~ 180 도 사이의 량이 제거될때는, 도 7의 계단파 전원전류(313) 또는 정현파 전원전류(313A)가 구현된다. 이때에는 각 정류 싸이클에서 한번도 점등되지 않는 발광블럭이 생긴다. 즉, 종래의 기술로 만든 LED 조명장치에서 디밍을 50 % 이상 실시하면 정류전압 한 싸이클(one cycle)내에서 점등되지 않는 발광블럭이 존재하는 문제점이 있다.(여기서, 디밍 50 % 는 LED 조명장치의 밝기가 1/2 로 되는 것을 의미함.)
선행기술문헌
특허 제 10-1110380 호, 특허 제 10-0942234 호
특허 제 10-0971757 호, 특허 제 10-0997050 호
특허 제 10-0979432 호
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것으로서, 교류전원 위상제어소자를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)하는 디밍 방식에 있어서, 디밍을 50 % 이상 실시하여도 정류전압 한 싸이클(one cycle) 내에서 모든 발광블럭이 점등되는 LED 조명장치를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로; 1개 이상의 LED 로 구성되는 LED 발광블럭;상기 LED 발광블럭이 n 개 직렬로 연결된 부하(n≥1 자연수); 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭; 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 조절하는 전류제한장치; 상기 스위치 블럭과 상기 전류제한장치를 제어하는 제어기;를 포함하여 구성되며, 상기 제어기는, 교류전압이 위상제어기에 의하여 일부분이 제거(Phase cut)되어 공급될때 제거된 위상량 (Delta phase)를 측정하는 기능을 추가로 구비하며; 상기 제어기는 상기 측정된 제거위상량(Delta Phase)를 사용하여 전류제한장치의 전류량을 조절하고; 디밍을 50 % 이상 하여도 각 정류 싸이클에서 모든 LED 발광블럭이 점등되는 것;이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 상기 제어기는 교류전압 위상과 동위상의 정현파 신호로 상기 전류제한장치를 제어하는 것;도 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 상기 제어기는 순시 정류전압 또는 정류전압 위상 중 어느 하나에 근거하여 계단파 형태로 상기 전류제한장치를 제어하는 것;도 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 상기 제어기는 정류주파수 보다 낮은 주파수의 정현파(이하, "정현파2"라 칭함)를 발생시키고, 상기 정현파2 신호에 대응하는 전류를 부하에 공급하도록 상기 전류제한장치를 제어하고, 또한 각 정류전압 위상 90 도에서 상기 정현파2의 최대순시값이 나타나는 것;도 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 상기 제어기는 디밍 전 전류파형에 대하여 PWM (Pulse Width Modulation)제어를 부가하여, PWM 한 싸이클 (one cycle)의 평균전류값들이 이루는 파형이 디밍 전류파형이 되도록 PWM 제어기능을 더 포함한 것;도 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 디밍 가능한 LED 조명장치는, 상기 스위치블럭은 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬 또는 직병렬 중 어느 하나인 것;도 바람직하다.
종래의 디밍 가능한 LED 조명장치는, 교류전원 위상제어소자를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)하는 디밍 방식에 있어서, 디밍을 50 % 이상 실시하면, 정류전압 1 싸이클 (one cycle)내에서 점등되지 않는 발광블럭이 존재하여 LED 조명장치의 내부에서 밝기 차가 발생하였으나, 본 발명에 의한 디밍 가능한 조명장치는 모든 발광블럭이 점등되어 종래기술보다 보다 밝기 차가 작은 LED 조명장치가 제공되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 LED 조명장치 회로도이다.
도 2는 종래기술에 따른 LED 조명장치의 전원전류 파형이다.
도 3은 또다른 종래의 LED 조명장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 디밍을 위상제거방식으로 한 경우의 전원전류 파형이다.
도 5는 디밍을 위상 제거량 0 도 ~ 90 도로 수행할 때 전원전류 파형의 일 예이다.도 6은 디밍을 위상 제거량 90도 로 수행할 때 전원전류 파형이다.
도 7은 디밍을 위상 제거량 90도 ~ 80도 로 수행할 때 전원전류 파형의 일 예이다.도 8은 본 발명에 의한 디밍 가능한 LED 조명장치 회로이다.
도 9는 디밍 가속계수=1 인 경우의 전원전류 파형이다.
도 10은 디밍 가속계수=1 인 경우의 위상 제거량과 디밍량 과의 관계를 도시한 것이다.
도 11는 디밍 가속계수=3 인 경우의 전원전류 파형이다.
도 12은 디밍 가속계수=3 인 경우의 위상 제거량과 디밍량 과의 관계를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타 내고 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 공지구성 및 기능에 대한 상세한 설명을 생략한다.
종래의 전원전압위상을 제거하는 방식의 LED 조명장치는 LED에 흐르는 전류는 동일하게 유지하고, 단지 제거된 전원전압 위상만으로 디밍을 실시하였다. 그러나 본 발명에서는 "디밍 가속계수"라는 개념을 도입하여 보다 적극적으로 디밍을 실시한다. 즉, 제거된 위상량을 측정하고, 제거된 위상량에 비례하여 LED 조명장치에 흐르는 전류량을 조절하여 종래보다 적극적으로 디밍을 실시한다.
< 본 발명에 바람직한 회로예>
이하 도 8을 사용하여 본 발명에 바람직한 회로의 일 예에 대하여 설명한다.
먼저 도 8의 회로구성을 살펴보면, 교류전원(1),교류입력전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로(2), 복수개의 LED로 이루어진 제1 LED 발광블럭(11), 제2 LED 발광블럭(12), 제3 발광블럭(13) 및 제4 발광블럭(14)으로 구성된다.
또한, 상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 제한하는 전류원(또는 "전류제한장치"라 칭함)(CS2)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다
그리고, 상기 서브 발광블럭에 흐르는 전류의 흐름을 변경하여 점등블럭 개수를 조절할 수 있는 1개 이상의 스위치 블럭을 포함할 수도 있다. 물론 스위치를 제어하는 제어기(4)를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 스위치 블럭은 앞에서 뒤로 순서대로 점등하는 순방향 점등 스위치 블럭(SA)는 제1 순방향 스위치(SA_1), 제2 순방향 스위치(SA_2) 및 제3 순방향 스위치(SA_3)로 구성될 수 있다. 그리고, 뒤에서 앞으로 순서대로 점등하는 역방향 점등 스위치 블럭(SB)는 제1 역방향 스위치(SB_1), 제2 역방향 스위치(SB_2), 및 제3 역방향 스위치(SB_3)로 구성될 수 있다.
순방향 점등 스위치 블럭(SA) 또는 역방향 점등 스위치 블럭(SB) 중 어느 하나의 스위치블럭 만을 구비하고, 점등을 실시할 경우에, 스위치는 도 1 또는 도 3 에 도시된 종래기술과 동일한 원리로 제어되면 된다.
스위치 블럭 2개를 모두 구비하고, 점등을 실시할 경우에 각 스위치 블럭 내부는 종래기술과 동일한 원리로 동작한다. 이때, 제어기(4)가 순방향 점등 스위치 블럭(SA) 와 역방향 점등 스위치 블럭(SB)가 번갈아 가면서 활성회 시키는 것이 바람직하다.
즉 스위치 블럭 활성화의 첫번째 예로는, 입력전압위상 0 도 ~ 180 도 사이는 스위치블럭(SA)가 작동하고, 입력전압위상 180 도 ~ 360 도 사이는 스위치 블럭(SB)가 작동하는 경우이다.
그리고 스위치 블럭 활성화의 두번째 예로는, 스위치 블럭(SA) 와 스위치 블럭(SB) 활성화를 정류싸이클 보다 짧은 소정의 주기로 실시하는 것이다.
상기 스위치블럭 2 개를 사용하는 점등방법은 본 발명인의 특허 제 10-1110380 호의 구체적인 실시예의 한 형태이므로 동작방법에 대한 기술은 설명의 편의상 생략한다.
그리고 LED 발광블럭의 구성방법 및 스위치 블럭의 구성방법 또한 상기 특허 제 10-1110380 및 선행기술문헌에 상세히 설명되어 있는 공지기술 이므로 설명의 편의상 생략한다.
여기서, 상기 제어기(4)는 순시 정류전압에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 전류원(CS2)을 제어하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제어기(4)는 정류전압위상에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 전류원(CS2)을 제어하는 것도 바람직하다.
또한, 상기 제어기(4)는 상기 정류전압과 동 위상의 정현파 신호(이하, "정현파1"라 칭함)를 발생기능을 더 포함하고, 상기 정현파1 신호에 대응하는 전류( 이하 "희망전류1" 또는 "정현파1 전류"라 칭함)를 부하에 공급하도록 전류원(CS2)을 제어하는 것도 바람직하다.
이때, 상기 제어기(4)가 교류전압과 동 위상의 정현파1 을 발생하는 이유는, 교류전원에서 공급되는 교류전류가 교류전압과 동일한 위상이고, 그 형태는 정현파 이어서 역율이 개선되기를 바라기 때문이다. 그리고, 부하에 흐르는 부하전류는 상기 교류전류가 정류된 것임은 당연하다.
또한, 상기 제어기(4)는 정류주파수(교류전원 주파수의 2배 주파수)보다 낮은 주파수의 정현파(이하, "정현파2" 라 칭함)를 발생시키고, 상기정현파2 신호에 대응하는 전류( 이하 "희망전류2" 또는 "정현파2 전류"라 칭함)를 부하에 공급하도록 부하전류원(CS2)을 제어하는 것도 바람직하다. 여기서, 각 정류전압 위상 90 도 에서 상기 정현파2 의 최대순시값이 나타나도록 하는 것이 바람직하다.
이렇게 하면 전원전류 고조파 함유율이 상대적으로 높아지지만 보다 밝은 LED 램프를 제공할 수 있기 때문이다.
일 예를 들면, 우리나라는 저전력(예, 25 와트 이하) LED 조명장치의 전원전류 고조파 함유율을 30 % 이하로 규정하고 있다. 그런데, 정현파1 전류에 의하면, 전원전류 고조파 함유율이 일반 저항의 경우에는 이론상 0 % 이고, LED 조명장치의 경우는 1 % 이하로 만들 수 있다. 따라서 전원전류 고조파 함유율이 약간 증가하여서 역율이 약간 낮아지더라도 정현파2 전류에 의하여 밝기를 개선한 LED 램프를 제공하는 것도 바람직하다.
이때, 상기 정현파2 에 근거하여 계단파 전류를 부하에 공급하도록 전류원 (CS2)를 제어하는 것이 본 발명의 사상을 벗어나지 않음은 당연하다.
이상에서 설명하였듯이 부하에 전류를 공급하는 방법이 다수 개 존재하고, 이것들이 본 발명의 요지가 아니므로 반복전인 설명을 피하기 위하여 부하에 정현파 전류를 공급하는 방법을 대표로 설명한다.
도 8 회로를 본 발명의 관점에서 살펴보면, 1) 제어기는 교류입력전압에서 위상이 제거(Phase cut)된 것이 있는지, 있다면 제거된 위상량(Delta phase)이 얼마인지를 측정하는 것이 바람직하다. 즉 트라이악(TRIAC) 등과 같은 교류위상제어 소자를 활용하여 교류전압의 위상이 일부분 제거된 경우 그 제거량을 측정하는 것이다. 그리고 2) 제어기는 상기 측정된 위상 제거량(Delta phase)를 기초로 전류제한장치 (CS2)의 전류조절 제어량을 계산하고, 상기 계산된 전류조절 제어량으로 전류원 (CS2)를 제어하는 것이 바람직하다.
<실시예 1 : 디밍 가속계수 = 1.0>
이하 도 9 내지 도 10을 사용하여 본 발명에 바람직한 일 예를 설명한다.
먼저, 제어기(4)가 측정한 제거위상량(Delta phase)를 기초로 전류제한장치 (CS2)의 제어량을 계산하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저 필요한 용어를 정의하면 아래와 같다.
1) Im : 디밍(Dimming) 하지 않을 경우 순시최대 전류원(CS2) 전류.
2) Idim : 디밍Dimming)시 순시최대 전류원(CS2) 전류.
3) alpha : 디밍 가속계수(실수).
4) dPhase : 교류입력전압 위상 제거량(Delta phase).
전류제한장치(CS2)의 제어입력신호(Csin)은 (수식1) 과 같이 계산한다.
Csin = Idim x sin(전원전압위상) --- (수식1)
그리고, 디밍(Dimming)시 순시최대전류 Idim 은 (수식2) 로 계산한다.
Idim = [ ( 90 - dPhase x alpha ) / 90 ] x Im ---(수식2)
본 발명의 제1 실시예는 디밍 가속계수가 1.0 인 경우이다.
먼저, 제거위상량 dPhase 가 0 도 인 경우, 상기 (수식2)는 Idim = Im 으로 된다. 즉 디밍 0 % 인 경우는 순시최대 전류원전류 Idim 은 디밍하지 않을 경우의 순시최대 전류원전류 Im 과 같다.
그리고, 제거위상량 dPhase 가 89.9 도 인 경우 상기 (수식2)는 Idim = 0.1 / 90 x Im 으로, 디밍시 순시최대 전유원전류 Idim 은 디밍하지 않을 경우 순시최대전류 Im 의 1 / 900 이 된다. LED 발광블럭의 직렬개수를 결정하는 스위치가 디밍전과 동일한 시각(전원전압 위상)에서 변경되었다고 가정하고, LED 의 밝기는 전류에 비례한다고 가정하면, LED 조명장치의 밝기는 전원전류량에 비례하게 된다. 즉 "디밍전 밝기의 900 분의 1 밝기는 100 % 디밍이 되었다"라고 말할 수 있다.
현실적으로 100 % 디밍을 하고 싶으면 전원스위치를 차단하면 되므로, 실제 상용제품의 관점에서 최대 디밍은 80 % 에서 95 % 사이가 적당할 것이다.
제거위상량 dPhase 가 45 도인 경우(예를들면, 교류위상제어 소자가 전압위상 135도에서 180도를 제거) (수식2) 는 Idim = 1/2 x Im 이 된다. 전원전압 위상에 대한 순시전류값을 전압위상에 대하여 도시하여 보면 도 9의 파형(45A) 로 나타날 수 있다. 즉, 전압위상 0 도에서 135 도 까지는 Idim = 1/2 x Im 인 정현파로 전류제한장치(CS2)에서 전류를 제한하고, 135 도에서 180 도 까지는 교류위상 제어 소자에 의하여 전류가 제거된 파형(45A)이다.
도 9에서 디밍전류파형(15A)는 입력전압을 위상 15 도 만큼 제거된 경우를 나타낸 경우이고, 디밍전류파형(75A)는 위상 75 도, 디밍전류파형(85A)는 위상 85 도를 각각 제거한 경우를 도시한 것이다.
도 10의 전류조절곡선(A1)은, 1)제거위상량을 0 도에서 85 도 까지 5 도 단계로 변경하면서 앞서 설명한 방법대로 정류전압 한 싸이클의 총 디밍 전원전류량을 구하고, 2)제거위상량 0 도인 경우의 총 전류원전류(정류전압 한싸이클)로 나누고, 3) 90 을 곱하여 정규화(즉, 90으로 정규화) 시켜서 구한 것이다(수평축은 제거위상량이고, 수직축은 정규화된 전류원 전류량임).
그리고, 도 10의 디밍량(DS1)은 (수식3) 으로 구한 것이다. (수평축은 제거위상량이고, 수직축은 % 임).
디밍량 = [ (90- 정규화전류량) / 90 ] x 100 ---(수식3)
여기서, 상기 정규화된 전류량(A1)의 선형 회귀식을 구하여 상관계수(R제곱값)을 계산하면 0.995 가 된다. 즉, 실용상 제거위상량과 디밍량은 선형적으로 비례하는 관계로 보아도 된다.
결론적으로, 본 발명의 관점에서 상기 도 10을 살펴보면, 교류전원 위상제어소자를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)하는 디밍 방식에 있어서, 디밍을 50 % 이상 실시하여도 정류전압 1 싸이클(one cycle)내에서 모든 발광블럭이 점등되는 LED 조명장치가 개시된다.
본 실시예에서, 디밍을 50 % 실시한 디밍전류파형(45A)에서 전압위상 0 도 부근에서도 전류가 흐르는 것으로 도시하였는데 이것은 본 발명의 관점에서 설명의 편의상 정현파로 도시한 것이다. 실제 회로에서는 제일 처음 점등되는 발광블럭(예를들면 제1 발광블럭)의 문턱전압 이하에서는 전류가 흐르지 않음은 당연하다.
본 실시예에서는 위상제거를 90 도 이후에서 실시(Tailing edge cut)한 경우이고, 위상제거를 90도 이전에 실시(Leading edge cut) 할 수도 있음은 당연하다.
그리고, 본 실시예에서는 디밍 전 전류파형이 정현파인 경우를 일 예로 설명하였으나 계단파인 경우에도 본 발명의 개념을 적용할 수 있음은 당연하다.
또한, 디밍 전류파형(15A)(45A)(75A)(85A)은 제어기(4)가 전류제한장치(CS2)를 제어하여 구현되는 순시전류로 설명하였다. 그런데, 상기 전류파형(15A) 내지 전류파형(85A)는 PWM(Pulse Width Modulation, 이하 "PWM"이라 칭함)에 의한 평균전류파형으로도 볼 수 있음은 당연하다. 즉 디밍 전 전류파형에 대하여 PWM 제어를 부가하여, PWM 1 싸이클 (one cycle)의 평균전류값들이 이루는 파형이 상기 디밍 전류파형(15A) 내지 디밍 전류파형(85A)가 되도록 하는 것이다.
이때, PWM 듀티는 (수식4) 로 계산될 수 있다.
Iduty = [ ( 90 - dPhase x alpha ) / 90 ] x 100 ---(수식4)
여기서, Iduty 는 정류전압 1 주기에 적용되는 PWM 제어신호의 듀티이며 단위는 % 이다. dPhase 는 교류입력전압의 제거위상량이며, alpha 는 디밍가속계수 이다. 이때, PWM 주파수는 전원주파수의 2 배인 정류주파수보다 높아야 함은 당연하다.
구체적인 PWM 구현 방법으로는, 전류제한장치와 직렬로 연결된 스위치(미도시)를 구비하고, 상기 직렬 스위치의 제어단자에 PWM 제어신호를 가하여 구현할 수 있다. 또 다른 구현 방법으로는, 전류제한장치(CS2)에 출력 Enable / Disable 단자를 구비하고 상기 Enable / Disable 단자에 PWM 제어신호를 가하여 구현할 수도 있다.
이상, 디밍 가속계수를 1.0 으로 한경우에 대한 실시예를 상세히 설명하였다.
<실시예 2: 디밍 가속계수 = 3.0>
본 발명의 제2 실시예는 본 발명의 제1 실시예와 동일한 공식을 사용하고, 디밍 가속계수를 3.0 으로 한 경우이다.
도 11은 제1 실시예인 도 9에 대응하는 도면이다(수평축은 제거위상량 이고, 수직축은 정규화된 전원전류량임). 여기서 전류파형(0B)는 제거위상량이 0 인 경우이고, 전류파형(10B)는 제거위상량 10 도, 전류파형(28B)는 제거위상량 28 도인 경우를 각각 도시한 것이다.
그리고, 도 12는 제1 실시예인 도 10에 대응하는 도면이다. 먼저 전류조절곡선(A3)를 살펴보면 제거위상량 30 도 이전에 최대 디밍이 제공됨을 알 수 있다(수평축은 제거위상량이고, 수직축은 정규화된 전원전류량임). 그리고, 디밍량은 곡선(DS3)로 나타난다(이때, 수직축은 % 임).
상기 정규화된 전류량(A3)의 선형 회귀식을 구하여 상관계수(R제곱값)을 계산하면 0.999 이다. 즉, 실용상 제거위상량과 디밍량을 선형적으로 비례하는 관계로 보아도 된다.
본 발명의 관점에서 상기 도 12을 살펴보면, 교류전원 위상제어소자를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)하는 디밍 방식에 있어서, 디밍을 50% 이상 실시하여도 정류전압 1 싸이클(one cycle)내에서 모든 발광블럭이 점등되어 종래기술보다 보다 밝기 차가 작은 LED 조명장치가 개시된다.
이상, 전류제한장치가 정현파로 전류를 제한할 경우에 대하여 설명하였으나, 계단파 형태로 전류제한장치를 제어하여도 본 발명의 기본 사상을 벗어나지 않음은 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.
종래의 디밍 가능한 LED 조명장치는, 교류전원 위상제어소자를 사용하여 교류전원 위상 일부를 제거(Phase cut)하는 디밍 방식에 있어서, 디밍을 50 % 이상 실시하면, 정류전압 1 싸이클 (one cycle)내에서 점등되지 않는 발광블럭이 존재하여 LED 조명장치의 내부에서 밝기 차가 발생하였으나, 본 발명에 의한 디밍 가능한 조명장치는 모든 발광블럭이 점등되어 종래기술보다 보다 밝기 차가 작은 LED 조명장치가 제공되는 효과가 있다. 즉 우수한 광품질의 LED 조명장치가 제공되므로 산업상 이용가치가 높다.

Claims (6)

  1. LED 조명장치에 있어서,
    교류전압을 정류하여 직류의 정류전압으로 변환하는 정류회로;
    1개 이상의 LED 로 구성되는 LED 발광블럭;
    상기 LED 발광블럭이 n 개 직렬로 연결된 부하(n≥1 자연수);
    상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치로 구성된 스위치 블럭;
    상기 LED 발광블럭에 공급되는 전류를 제한하는 전류제한장치;
    상기 스위치 블럭과 상기 전류제한장치를 제어하는 제어기;를 포함하여 구성 되며
    상기 제어기는, 교류전압이 위상제어기에 의하여 일부분이 제거(Phase cut) 되어 공급될 때 제거된 위상량(Delta phase)를 측정하는 기능을 추가로 구비하며;
    상기 제어기는 상기 측정된 제거위상량(Delta Phase)를 사용하여 전류제한장치의 전류량을 조절하여;
    디밍을 50 % 이상 하여도 각 정류싸이클에서 모든 LED 발광블럭이 점등되는 것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기가 교류전압 위상과 동위상의 정현파 신호로 상기 전류제한장치를 제어하는 것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기가 계단파 형태로 상기 전류제한장치를 제어하는 것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 정류주파수 보다 낮은 주파수의 정현파(이하, "정현파2"라 칭함)를 발생시키고, 상기 정현파2 신호에 대응하는 전류를 부하에 공급하도록 상기 전류제한장치를 제어하고, 또한 각 정류전압 위상 90 도에서 상기 정현파2의 최대 순시값이 나타나는 것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    디밍 전 전류파형에 대하여 PWM(Pulse Width Modulation)제어를 부가하여, PWM 1 싸이클 (one cycle)의 평균전류값들이 이루는 파형이 디밍 전류파형이 되도록 PWM 제어기능을 더 포함한 것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위치블럭은 상기 부하의 각 발광블럭에 흐르는 전류를 바이패스 시키는 스위치의 배열이 직렬 또는 병렬 또는 직병렬 중 어느 하나인
    것;을 특징으로 하는 디밍 가능한 LED 조명장치.
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