WO2014042372A1 - 병렬형 엘. 이. 디. 조명장치 - Google Patents

병렬형 엘. 이. 디. 조명장치 Download PDF

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compensation
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임춘택
이은수
최보환
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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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
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an LC parallel AC direct-connected LED lighting device. More specifically, the LC parallel AC direct-connected LED lighting device, which is intended to be controlled to improve characteristics such as power and power factor, by using an LED lighting device with a compensation circuit for driving the LED array for LED lighting. It is about.
  • LEDs have many advantages, such as low power consumption, semi-permanent long life, and brightness characteristics comparable to those of conventional fluorescent lamps. Therefore, many studies are being conducted all over the world. It is a trend that is widely used as LED lighting.
  • a fluorescent lamp is a kind of mercury discharge tube having negative resistance characteristics
  • a ballast is required as a device for stably maintaining a lighting state after induction by inducing the discharge of the fluorescent lamp.
  • the ballast applies high voltage to start the discharge necessary for the initial lighting of the fluorescent lamp and supplies stable voltage and current to the fluorescent lamp after the lighting.
  • lighting using LEDs can be operated by a constant voltage current without a component called ballast, and the power required to generate illuminance, such as fluorescent lamps, is half that of fluorescent lamps.
  • the ballast and fluorescent lamps are two components that of fluorescent lamps.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an AC direct type LED driving circuit connected with a resistor.
  • an embodiment of the present invention is to improve the characteristics such as output and power factor by using an LED lighting device with a compensation circuit to drive the LED array for LED (LED) lighting There is a purpose.
  • the one end of the AC input (parallel connected inductor and the first compensation capacitor) and the second compensation capacitor is connected in series A compensation circuit for compensating the AC input;
  • an LED array driven by an output of the rectifier wherein the capacitances of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, the compensation inductor, and the output voltage of the LED array correspond to a voltage of the AC input (the rectifier).
  • An AC direct-connected LED illuminating device is characterized in that it is determined so that the cosine of phase with respect to the voltage of (current) becomes 0.9 or more.
  • Capacities of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, and the compensation inductor may be set such that the phase of the current becomes a power factor that is a leading phase with respect to the voltage.
  • a third compensation capacitor is connected in parallel with the AC input, and the (compensating inductor and the first parallel connected to one end of the AC input) A compensation circuit for connecting the first compensation capacitor) and the second compensation capacitor in series to compensate for the AC input; A rectifier for rectifying the outputs of both ends of the second compensation capacitor with a direct current; And an LED array driven by an output of the rectifier, wherein the capacitance of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, the third compensation capacitor and the compensation inductor, and the output voltage of the LED array are the AC input.
  • the voltage of (the parallel value of the equivalent impedance R e of the rectifier and the LED array and the impedance of the second compensation capacitor) and (the parallel value of the impedance of the compensation inductor and the impedance of the first compensation capacitor) The first result (I 1 ) divided by the sum value and the second result (I 2 ) obtained by dividing the voltage of the AC input by (impedance (1 / j ⁇ s C 3 ) of the third compensation capacitor) (I 2 ) It provides an AC direct-connected LED lighting apparatus characterized in that the cosine value of the phase for the voltage of 1 + I 2 ) is determined to be 0.9 or more.
  • Capacities of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, the third compensation capacitor, and the compensation inductor may be set such that the phase of the current becomes a power factor that is a leading phase with respect to the voltage.
  • the equivalent impedance R e may be proportional to the output voltage of the LED array and inversely proportional to the output power of the LED array.
  • the value of the first compensation capacitor may be determined such that the following equation is 3 * f s or more and 4 * f s or less.
  • the output voltage of the LED array may have a value when the change in output power according to the number of LED elements constituting the LED array is the smallest.
  • the value of the second compensation capacitor may be set such that the output power has a predetermined output power value.
  • the one end of the AC input (parallel connected inductor and the first compensation capacitor) and the second compensation capacitor is connected in series A compensation circuit for compensating the AC input;
  • an LED array driven by an output of the rectifier wherein the capacitances of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, the compensation inductor, and the output voltage of the LED array correspond to a voltage of the AC input (the rectifier).
  • an AC direct-connected LED lighting apparatus characterized in that the phase with respect to the voltage of (current) is determined to be a leading phase.
  • a third compensation capacitor is connected in parallel with the AC input, and the (compensating inductor and the first parallel connected to one end of the AC input) A compensation circuit for connecting the first compensation capacitor) and the second compensation capacitor in series to compensate for the AC input; A rectifier for rectifying the outputs of both ends of the second compensation capacitor with a direct current; And an LED array driven by an output of the rectifier, wherein the capacitance of the first compensation capacitor, the second compensation capacitor, the third compensation capacitor and the compensation inductor, and the output voltage of the LED array are the AC input.
  • the voltage of (the parallel value of the equivalent impedance R e of the rectifier and the LED array and the impedance of the second compensation capacitor) and (the parallel value of the impedance of the compensation inductor and the impedance of the first compensation capacitor)
  • It provides an AC direct-connected LED lighting apparatus, characterized in that the phase with respect to the voltage of 1 + I 2 is determined to be a leading phase.
  • an LED lighting apparatus having a compensation circuit is added to drive the LED for lighting, thereby improving the output and power factor characteristics.
  • THD can be attenuated by adding a compensating inductor with an appropriate capacity, and an effect of improving the power factor by adding a compensating capacitor with an appropriate capacity is obtained.
  • a compensating capacitor with an appropriate capacity in parallel with the input terminal of the rectifier, It has the effect of attenuating harmonics coming from the array.
  • the power factor of the entire power system can be improved, and thus the power supply requirement can be reduced for a certain amount of power demand, which can provide a significant national effect. Invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an AC direct type LED driving circuit connected with a resistor.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a capacitor type AC driving circuit.
  • FIG 3 is a view showing an LC parallel AC direct-attached LED lighting device 300 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an equivalent circuit for the circuit of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a k-th harmonic current Iek generated by the LED array 340 and each device.
  • FIG. 6 is a view showing an LC parallel AC direct-connected LED lighting device 600 according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates an equivalent circuit for the circuit of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the k-th harmonic current I ek and the elements generated in the LED array 640.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method of designing a lighting system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a change in output power according to a change in R e with respect to various C 2 values.
  • FIG. 11 is a view illustrating waveforms in the compensation inductor 321 when the AC direct-type LED lighting device 300 operates in a discontinuous current mode (DCM) mode or a continuous current mode (CCM) mode.
  • DCM discontinuous current mode
  • CCM continuous current mode
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a capacitor type AC driving circuit.
  • the capacitor 212 may be connected to the AC input 211 to rectify through the rectifying unit 213, and the LED array 214 may be driven.
  • the circuit is simple and efficient, the THD ( Total Harmonic Distortion) and PF (Power Factor) characteristics are disadvantageous.
  • FIG. 3 is a view showing an LC parallel AC direct-connected LED lighting device 300 according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a view showing an equivalent circuit for the circuit of FIG.
  • the LED lighting apparatus 300 includes, for example, a compensation inductor 321 and a first connected to a sinusoidal AC input 311 input from an AC terminal of a home.
  • the second compensation capacitor 323 is connected in series to the parallel connection circuit of the compensation capacitor 322 to receive the outputs of both ends of the compensation circuit 320 and the second compensation capacitor 323 to compensate for the AC input 311.
  • It includes a rectifying rectifier 330 and the LED array 340 driven by the output of the rectifier 330.
  • the LED array 340 means a device in which one or more LED elements are connected in series, in parallel, or in parallel. It may also be connected in parallel to the LED array 340 to an output terminal of the rectifying part 330 further include an output capacitor (350) o C for smoothing the output of the rectifying part 330.
  • the equivalent impedance R e is the output voltage V o of the LED array. It is proportional to and inversely proportional to the output power (P o ) of the LED array.
  • Equation 3 is satisfied.
  • Equations 1 and 3 it is possible to determine n, the number of LEDs for a given P o . This will be described later.
  • the capacitances of the compensation inductor 321, the first compensation capacitor 322, and the second compensation capacitor 323 correspond to the voltage V s of the AC input 311 as shown in Equation 4 (rectifier).
  • the parallel impedance between the equivalent impedance R e of the 330 and the LED array 340 and the impedance (1 / j ⁇ s C 2 ) of the second compensation capacitor 323), and the impedance of the compensation inductor 321 ( The phase ( ⁇ ) of the voltage (V s ) of the result (current I s ) divided by the sum of j ⁇ s L) and the impedance of the first compensation capacitor 322 (parallel value of 1 / j ⁇ s C 1 ).
  • the cosine value is determined to be 0.9 or more and leading phase ( ⁇ s is the angular velocity of the input voltage V s ).
  • the output voltage of the array 340 is set.
  • the capacitance of the compensation inductor 321, the first compensation capacitor 322, and the second compensation capacitor 323 may be such that the phase of the current I s is a power factor that is a leading phase relative to the voltage V s .
  • the output voltage of the LED array 340 is set.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a k-th harmonic current I ek and each element generated in the LED array 340.
  • the capacities of the compensation inductor 321, the first compensation capacitor 322, and the second compensation capacitor 323 are set to minimize the THD (eg, 30% or less).
  • Equation 5 the component I sk that the k-th harmonic current I ek flows into the AC input 311 terminal is represented by Equation 5, and the component flows into the AC input 311 terminal of the fifth or higher harmonic current.
  • the size of is equal to Equation 6.
  • the harmonic frequency f 3 should be set to L, C 1 to satisfy Equation 7, In order to make the value of the first harmonic current I s3 equal to 25% of the first harmonic current I s1 , the values of L and C 1 must be set to satisfy Equation 8.
  • Equations 7 and 8 when L and C 1 are set such that 1 / [(2 ⁇ (LC 1 ) 1/2 ] is 4 * f s or less and 3 * f s or more, the AC input ( The value of the third harmonic current I s3 flowing into 311) is 25% or less than the size generated by the LED array 340, and when the size is such, the total THD is 30% or less (f s). Is the frequency of the AC input).
  • FIG. 11 is a view illustrating waveforms in the compensation inductor 321 when the AC direct-type LED lighting device 300 operates in a discontinuous current mode (DCM) mode or a continuous current mode (CCM) mode.
  • DCM discontinuous current mode
  • CCM continuous current mode
  • the AC direct-type LED lighting device 300 may operate in a DCM mode (FIG. 11A) or a CCM mode (FIG. 11B).
  • the determination of this operation mode may be determined according to the capacity of the LED compensation inductor 321. That is, in general, when the capacity of the compensation inductor 321 has a value exceeding a predetermined threshold, the AC direct-attached LED lighting device 300 operates in a CCM mode, and the capacity of the compensation inductor 321 does not exceed a predetermined threshold. If not, the AC direct type LED lighting device 300 operates in DCM mode.
  • FIG. 6 is a view showing an LC parallel AC direct-connected LED lighting device 600 according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a view showing an equivalent circuit for the circuit of FIG.
  • the LED lighting device 600 includes a second compensation capacitor 623 in a parallel connection circuit between the compensation inductor 621 and the first compensation capacitor 622.
  • the third compensation capacitor 624 are connected in series to compensate for the AC input 611, the rectifier 630 and the rectifier (630) for receiving and rectifying the output from both ends of the second compensation capacitor 623 ( LED array 640 driven by the output of 630.
  • the sinusoidal AC input 611 input from the AC terminal of the home is connected to both ends of the third compensation capacitor 624, and the compensation inductor (623) between the third compensation capacitor 624 and the second compensation capacitor 623. 621 and a parallel connection circuit of the first compensation capacitor 622 are connected.
  • the LED array 640 refers to a device in which one or more LED elements are connected in series, in parallel, or in parallel.
  • the output terminal of the rectifier 630 may be further included in parallel with the LED array 640, the output capacitor 650 (C o ) to smooth the output of the rectifier 630.
  • Equations 2 and 3 are satisfied similarly to the case of FIG. 3.
  • the capacitances of the compensation inductor 621, the first compensation capacitor 622, the second compensation capacitor 623, and the third compensation capacitor 624 and the output voltage of the LED array 640 are represented by Equation 9 As shown, the voltage V s of the AC input 611 (equivalent impedance R e for the rectifier 630 and the LED array 640 and the impedance (1 / j ⁇ s C of the second compensation capacitor 623).
  • the cosine of the phase ⁇ relative to the voltage V s of I 1 + I 2 is determined to be at least 0.9 and also to the leading phase ( ⁇ s is the angular velocity of the input voltage V s ).
  • the compensation inductor 621, the first compensation capacitor 622, and the second compensation capacitor 623 so that the cos ⁇ value (that is, the power factor) is 0.9 or more.
  • the capacitance of the third compensation capacitor 624 and the output voltage of the LED array 640 are set.
  • the output voltage of the LED array 640 varies depending on the number of LEDs connected in series constituting the LED array 640. That is, adjusting n becomes an element for adjusting the phase with respect to the voltage V s of the current I s .
  • the capacities of the compensation inductor 621, the first compensation capacitor 622, the second compensation capacitor 623, and the third compensation capacitor 624 are set to minimize the THD (eg, 30% or less).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the k-th harmonic current I ek and the elements generated in the LED array 640.
  • the impedance by C 3 has a very large value. Therefore, in FIG. 8, the k-th harmonic current I ek flows almost to the third compensation capacitor 624 and flows mostly into the AC input terminal. Accordingly, the component I sk that the k-th harmonic current I ek flows into the AC input 611 stage becomes almost the same as in Equation 5, and flows into the AC input 611 stage of the fifth-order harmonic current. The size of the component is shown in equation (6).
  • the values of L and C 1 must be set so that the third harmonic frequency satisfies Equation 7, and the AC input stage ( In order to make the value of the third harmonic current I s3 flowing into 611) 25% of the first harmonic current I s1 , the values of L and C 1 must be set to satisfy Equation 8.
  • Equations 7 and 8 when L / C 1 is set such that 1 / [(2 ⁇ (LC1) 1/2 ] is equal to or less than 4 * f s and equal to or greater than 3 * f s , the input flows into the input.
  • the value of the third harmonic current ( Is3 ) is 25% or less than the size generated in the LED array 340, when the size is such that the total THD is 30% or less.
  • the AC direct-type LED lighting device 600 may operate in a DCM mode (FIG. 11A) or a CCM mode (FIG. 11B).
  • the determination of this operation mode may be determined according to the capacity of the LED compensation inductor 621. That is, in general, when the capacity of the compensation inductor 621 has a value exceeding a predetermined threshold, the AC direct-connected LED lighting device 600 operates in the CCM mode, and the capacity of the compensation inductor 621 does not exceed the predetermined threshold. If not, the AC direct type LED lighting device 600 operates in DCM mode.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method of designing a lighting system according to an embodiment of the present invention.
  • the size of the compensation inductor L is set to have a minimum value within a range in which PF is 0.9 or more and THD is 30% or less.
  • the value of the compensation inductor L set here has a predetermined specific value, for example, 0.2H.
  • the capacity of the first compensation capacitor 622 is determined.
  • the capacity of the first compensation capacitor 622 is determined according to Equation 7 or Equation 8, or determined to have a value between Equation 7 or a value according to Equation 8. That is, the resonance frequency of the compensation inductor L and the first compensation capacitor 622 may be set to be between 3 * f s and 4 * f s .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a change in output power according to a change in R e with respect to various C 2 values.
  • the size of the second compensation capacitor 623 and n (the number of LEDs connected in series in the LED arrays 340 and 640) is set so that the result of applying the partial derivative of R e with respect to Equation 3 as shown in Equation 10 becomes zero. do. That is, as the number of LEDs changes, there is a case where the power of the LED arrays 340 and 640 is maximum. At this point, the number of LED elements is set to operate the LED arrays 340 and 640 (LED array 340 640) in series with n LED elements).
  • Equation 1 by setting P o to 20 W, a solution to C 2 and n can be obtained by solving the system parallel between Equation 1 and Equation 10.
  • P o changes with the values of L and C 1 , C 2 and R e .
  • L and C 1 may be fixed, and C 2 and R e satisfying a point at which the maximum value of P o satisfies 20W in the power graph according to the change of C 2 and R e may be determined. Therefore, when P o (output of the LED arrays 340 and 640) is set to 20 W, for example, a case having a value of C2 satisfying Equation 10 near 20 W may be selected. Therefore, when C 2 is obtained as described above, R e is also determined. Therefore, when the value of R e is determined, the value of n is also determined by Equation (1).
  • n has an integer value
  • the LED arrays 340 and 640 have been described on the assumption that they include a plurality of series-connected LED elements. However, even when the LED arrays 340 and 640 are configured in various combinations of LED elements connected in series or in parallel, The combination of LED elements connected in series or in parallel when the change in output power of the LED arrays 340 and 640 is the smallest can be obtained.
  • FIG. 10 illustrates a case in which a conventional lighting load and a lighting device according to an embodiment are connected in parallel.
  • the power factor and THD of the entire system can be improved by connecting the lighting device of an embodiment of the present invention having the existing lighting load having the lagging phase and the grounding phase in parallel. have.
  • LED lighting when looking at the change in grid power when replacing general lighting with LED lighting, LED lighting itself reduces power consumption due to the characteristics of LED lighting that has the same lighting effect as general lighting such as fluorescent lamps even with low power consumption.
  • the overall power system efficiency is increased by reducing the reactive power of the entire power system having the reactive power of the lagging phase.
  • the present invention is useful because it has the effect of improving the characteristics such as output and power factor by using the LED lighting device to which the compensation circuit is added to drive the LED for lighting.

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Abstract

본 발명은 LC 병렬 AC 직결형 LED 조명장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 엘이디 (LED) 조명을 위한 엘이디 어레이를 구동하기 위하여 보상회로를 부가한 엘이디 조명장치를 사용함으로씨 출력 및 역률 등의 특성을 향상시키도록 제어하고자 하는 LC 병렬 AC 직결형 조명장치에 관한 것으로 경제적인 병렬형 엘이디 조명장치를 제안한다.

Description

병렬형 엘. 이. 디. 조명장치
본 발명의 실시예는 LC 병렬 AC 직결형 LED 조명 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 엘이디(LED) 조명을 위한 엘이디 어레이를 구동하기 위하여 보상회로를 부가한 엘이디 조명장치를 사용함으로써 출력 및 역률 등의 특성을 향상시키도록 제어하고자 하는 LC 병렬 AC 직결형 LED 조명 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
LED는 전력 소모가 작고 반영구적으로 긴 수명을 가지며 기존의 형광등에 필적할 정도의 휘도(Brightness) 특성을 갖는 등 장점이 많으므로, 현재 전 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며 차츰 조명 광원으로서 형광등을 대체하는 LED조명등으로 널리 사용되고 있는 추세다.
일반적으로 형광등은 부성 저항특성을 갖는 수은방전관의 일종으로서, 형광등의 방전개시를 유도하여 점등 후 안정적으로 점등 상태를 유지하기 위한 장치로 안정기가 필요하다. 안정기는 초기 형광등의 점등에 필요한 방전개시 고전압을 인가해 주고 점등 후에는 형광등에 안정적인 전압과 전류를 공급하는 역할을 한다.
LED를 이용한 조명은 형광등과 달리 안정기라는 부품이 없이도 일정한 전압 전류에 의해서 바로 동작이 가능하며 형광등과 같은 조도를 발생시키기 위한 필요 전력이 LED조명등의 경우 형광등의 절반 수준인 장점이 있다. 그런데, 기존의 형광등 조명을 대체하여 LED조명등으로 교체하려면 안정기와 형광등을 제거하고 설치하면 된다.
도 1은 저항을 연결한 AC직결형 LED 구동회로를 예시한 도면이다.
기존의 신속점등식 안정기를 그대로 두고 형광등만 도 1과 같이 저항을 연결한 LED조명등으로 교체하는 방법을 사용할 수도 있으나, 도 1과 같이 단순히 기존의 형광등을 LED조명등으로 교체하게 되면 입력 역률도 나빠질 뿐만 아니라 THD(Total Harmonic Distortion)의 발생량이 많고, 출력전력도 원하는 출력을 내기 어려워 출력특성이 좋지 않은 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 엘이디(LED) 조명을 위한 엘이디 어레이를 구동하기 위하여 보상회로를 부가한 엘이디 조명장치를 사용함으로써 출력 및 역률 등의 특성을 향상시키고자 하는 데에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서, AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로; 상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이를 포함하고, 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과, (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 결과(전류)의 상기 전압에 대한 위상의 코사인 값이 0.9 이상이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치를 제공한다. 상기 전류의 위상이 상기 전압에 비해 진상(Leading Phase)인 역률이 되도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서, AC 입력과 병렬로 제3보상커패시터가 연결되고, 상기 AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로; 상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이를 포함하고, 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과 (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 제1결과(I1)와, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 제3보상커패시터의 임피던스(1/jωsC3))로 나눈 제2결과(I2)를 더한 값(I1+I2)의 상기 전압에 대한 위상의 코사인 값이 0.9 이상이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치를 제공한다. 상기 전류의 위상이 상기 전압에 비해 진상(Leading Phase)인 역률이 되도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정될 수 있다.
상기 등가 임피던스(Re)는 상기 LED어레이의 출력 전압에 비례하고 상기 LED어레이의 출력전력에 반비례할 수 있다. 상기 보상인덕터 값이 소정의 기설정된 값을 갖는 경우, 상기 제1보상커패시터의 값은 아래의 식이 3*fs 이상이고 4*fs 이하의 값을 갖도록 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2013007784-appb-I000001
(단, fs는 상기 AC 입력의 주파수)
상기 LED어레이의 출력 전압은 상기 LED어레이를 구성하는 LED소자의 갯수에 따른 출력전력의 변화가 가장 작은 경우의 값을 가질 수 있다. 상기 제2보상커패시터의 값은 상기 출력전력이 기설정된 출력전력값을 갖도록 설정될 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서, AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로; 상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이를 포함하고, 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과, (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 결과(전류)의 상기 전압에 대한 위상이 진상(Leading Phase)이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치를 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서, AC 입력과 병렬로 제3보상커패시터가 연결되고, 상기 AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로; 상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이를 포함하고, 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과 (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 제1결과(I1)와, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 제3보상커패시터의 임피던스(1/jωsC3))로 나눈 제2결과(I2)를 더한 값(I1+I2)의 상기 전압에 대한 위상이 진상(Leading Phase)이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 조명을 위한 엘이디를 구동하기 위하여 보상회로를 부가한 엘이디 조명장치를 사용함으로써 출력 및 역률 등의 특성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 적절한 용량의 보상인덕터를 부가함으로써 THD를 감쇄할 수 있고, 적절한 용량의 보상커패시터를 부가함으로써 역률을 향상하는 효과가 있고, 정류부의 입력단에 적절한 용량의 보상커패시터를 병렬로 연결하는 경우에는 LED 어레이로부터 유입되는 고조파를 감쇄하는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 의하면 전력계통에 진상부하를 제공함으로써 전체 전력계통의 역률을 향상하는 효과가 있어 일정 전력 수요량에 대하여 전력 공급 필요양을 감축시킬 수 있어 국가적으로 지대한 효과를 나타낼 수 있는 발명이다.
도 1은 저항을 연결한 AC직결형 LED 구동회로를 예시한 도면이다.
도 2는 커패시터 타입의 AC 구동회로의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LC병렬 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 5는 LED 어레이(340)에서 발생하는 k차 하모닉 전류(Iek)와 각 소자를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LC병렬 AC 직결형 엘이디 조명장치(600)를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 8은 LED 어레이(640)에서 발생하는 k차 하모닉 전류(Iek)와 각 소자를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조명 시스템을 설계하는 방법을 도시한 도면이다.
도 10은 여러 C2의 값에 대하여 Re의 변화에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면이다.
도 11은 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 모드 또는 CCM(Continuous Current Mode) 모드로 동작하는 경우의 보상인덕터(321)에서의 파형을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 커패시터 타입의 AC 구동회로의 예를 도시한 도면이다.
도 2에서와 같이 AC 입력(211)에 커패시터(212)를 연결하여 정류부(213)를 통하여 정류하고 LED 어레이(214)를 구동하는 방식을 사용할 수도 있으나, 이는 회로가 간단하고 효율이 좋지만 THD(Total Harmonic Distortion)와 PF(Power Factor, 역률) 특성이 나쁜 단점이 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LC병렬 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 엘이디 조명장치(300)는, 예컨대 가정의 AC 단자로부터 입력되는 정현파 AC 입력(311)에 연결되는 보상인덕터(321)와 제1보상커패시터(322)의 병렬연결 회로에 제2보상커패시터(323)가 직렬로 연결되어 AC 입력(311)을 보상하는 보상회로(320), 제2보상커패시터(323)의 양단의 출력을 수신하여 정류하는 정류부(330) 및 정류부(330)의 출력에 의해 구동되는 LED 어레이(340)를 포함한다. 여기서 LED 어레이(340)는 하나 이상의 LED 소자가 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결되는 장치를 의미한다. 또한 정류부(330)의 출력단에 LED 어레이(340)와 병렬로 연결되어 정류부(330)의 출력을 평활하는 출력커패시터(350) Co를 더 포함할 수도 있다.
도 3에서 LED 어레이(340)가 n개의 직렬연결된 LED를 갖는 경우, (Vo ≒ nV1)이고(여기서, V1은 1개의 LED에 의한 전압강하를 의미), 주어진 LED 어레이(340)의 출력전력 Po에 대하여 (Io = Po/Vo)가 성립한다. 따라서, LED 어레이(340)의 저항 성분의 값은 (Ro = Vo/Io = Vo 2/Po)가 되고, 도 3에서의 정류부(330)와 LED 어레이(340)에 대한 등가 임피던스(Re)에 대해서는 수학식 1을 만족한다.
만일, LED 어레이(340)가 n개의 직렬연결된 LED를 갖는 것이 아닌, 다양한 조합의 직렬/병렬 연결된 LED 소자를 갖는 경우로 일반화하면, 등가 임피던스(Re)는 LED어레이의 출력 전압(Vo)에 비례하고 LED어레이의 출력전력(Po)에 반비례한다.
수학식 1
Figure PCTKR2013007784-appb-M000001
수학식 1에서, α는 정류부를 등가화하여 나타낸 기설정된 소정의 변압 등가계수이다. 즉, 도 4에서 (Ve = αVo)가 되므로, 수학식 2를 만족한다(ωs는 입력 전압(Vs)의 각속도).
수학식 2
Figure PCTKR2013007784-appb-M000002
따라서, 수학식 3을 만족한다.
수학식 3
Figure PCTKR2013007784-appb-M000003
수학식 1과 수학식 3을 이용하여 주어진 Po에 대해 LED의 갯수인 n을 결정하는 것이 가능하다. 이에 대하여는 후에 상술한다.
한편, 도 3에서 보상인덕터(321), 제1보상커패시터(322) 및 제2보상커패시터(323)의 용량은, 수학식 4와 같이, AC 입력(311)의 전압(Vs)을 (정류부(330)와 LED 어레이(340)에 대한 등가 임피던스(Re)와 제2보상커패시터(323)의 임피던스(1/jωsC2)의 병렬값)과, (보상인덕터(321)의 임피던스(jωsL) 및 제1보상커패시터(322)의 임피던스(1/jωsC1)의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 결과(전류 Is)의 전압(Vs)에 대한 위상(Φ)의 코사인 값이 0.9 이상이 되고 또한 진상(Leading Phase)이 되도록 결정한다(ωs는 입력 전압(Vs)의 각속도).
수학식 4
Figure PCTKR2013007784-appb-M000004
즉, 전류 Is의 전압(Vs)에 대한 위상이 Φ라면, cosΦ 값이 0.9 이상이 되도록 보상인덕터(321), 제1보상커패시터(322) 및 제2보상커패시터(323)의 용량과 LED어레이(340)의 출력전압을 설정한다. 또한, 전류(Is)의 위상이 전압(Vs)에 비해 진상(Leading Phase)인 역률이 되도록 보상인덕터(321), 제1보상커패시터(322) 및 제2보상커패시터(323)의 용량과 LED어레이(340)의 출력전압이 설정된다. 또한, 수학식 1에 따라, LED어레이(340)를 구성하는 직렬연결된 LED 하나당 전압강하(V1)는 거의 일정하므로 LED어레이(340)의 출력전압(Vo=nV1)을 결정하는 요소는 소자 수(n)이다. 결국, 수학식 4에 따라서 전류 Is가 Re에 영향을 받고 Re는 n의 값에 따라 다르므로 n의 값이 전류 Is에 중요한 한 요소가 된다. 이하의 설명에서, 어떤 요소가 Re 값에 따라 변한다는 의미는 LED어레이(340)를 구성하는 직렬연결된 LED의 갯수(n)에 따라 변한다는 의미이다.
도 5는 LED 어레이(340)에서 발생하는 k차 하모닉 전류(Iek)와 각 소자를 도시한 도면이다.
여기서, 보상인덕터(321), 제1보상커패시터(322) 및 제2보상커패시터(323)의 용량은 THD가 최소화되도록(예컨대, 30% 이하) 설정한다.
도 5에서 k차 하모닉 전류(Iek)가 AC 입력(311)단에 유입되는 성분(Isk)은 수학식 5와 같으며, 5차 이상의 하모닉 전류의 AC 입력(311)단에 유입되는 성분의 크기는 수학식 6과 같다.
수학식 5
Figure PCTKR2013007784-appb-M000005
수학식 6
Figure PCTKR2013007784-appb-M000006
만일, AC 입력(311)으로 유입되는 3차 하모닉 전류의 값을 0으로 만들려면 하모닉 주파수(f3)는 수학식 7을 만족하도록 L, C1의 값을 설정해야 하며, 입력으로 유입되는 3차 하모닉 전류(Is3)의 값이 1차 하모닉 전류(Is1)의 25%로 만들려면 수학식 8을 만족하도록 L, C1의 값을 설정해야 한다.
수학식 7
Figure PCTKR2013007784-appb-M000007
수학식 8
Figure PCTKR2013007784-appb-M000008
따라서, 수학식 7 및 8에서, 1/[(2π(LC1)1/2]의 값이 4*fs 이하이면서 3*fs 이상이 되도록 L, C1의 값을 설정하면 AC 입력(311)으로 유입되는 3차 하모닉 전류(Is3)의 값이 LED 어레이(340)에서 발생하는 크기에 비해 25% 이하가 되며, 이와 같은 크기가 되는 경우 전체 THD가 30% 이하가 된다(fs는 AC 입력단의 주파수).
도 11은 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)가 DCM(Discontinuous Current Mode) 모드 또는 CCM(Continuous Current Mode) 모드로 동작하는 경우의 보상인덕터(321)에서의 파형을 도시한 도면이다.
AC 직결형 엘이디 조명장치(300)는 DCM 모드(도 11의 (a)) 또는 CCM 모드(도 11의 (b))에서 동작할 수 있다. LED 어레이 내의 LED의 갯수가 일정한 경우에 이러한 동작모드의 결정은 LED보상인덕터(321)의 용량에 따라 결정될 수 있다. 즉, 일반적으로 보상인덕터(321)의 용량이 소정의 임계치를 넘는 값을 갖는 경우 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)는 CCM 모드로 동작하고, 보상인덕터(321)의 용량이 소정의 임계치를 넘지 않는 경우 AC 직결형 엘이디 조명장치(300)는 DCM 모드로 동작한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LC병렬 AC 직결형 엘이디 조명장치(600)를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 회로에 대한 등가회로를 도시한 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엘이디 조명장치(600)는, 보상인덕터(621)와 제1보상커패시터(622)의 병렬연결 회로에 제2보상커패시터(623)와 제3보상커패시터(624)가 직렬로 연결되어 AC 입력(611)을 보상하는 보상회로(620), 제2보상커패시터(623)의 양단으로부터 출력을 수신하여 정류하는 정류부(630) 및 정류부(630)의 출력에 의해 구동되는 LED 어레이(640)를 포함한다. 또한, 예컨대 가정의 AC 단자로부터 입력되는 정현파 AC 입력(611)은 제3보상커패시터(624)의 양단에 연결되고, 제3보상커패시터(624)와 제2보상커패시터(623) 사이에 보상인덕터(621)와 제1보상커패시터(622)의 병렬연결 회로가 연결된다. 여기서 LED 어레이(640)는 하나 이상의 LED 소자가 직렬 또는 병렬 또는 직병렬로 연결되는 장치를 의미한다. 또한 정류부(630)의 출력단에 LED 어레이(640)와 병렬로 연결되어 정류부(630)의 출력을 평활하는 출력커패시터(650) Co를 더 포함할 수도 있다.
도 6에서 LED 어레이(640)가 n 개의 직렬연결된 LED로 이루어진 경우, (Vo ≒ nV1)이고(여기서, V1은 1개의 LED에 의한 전압강하를 의미), 주어진 LED 어레이(640)의 출력전력 Po에 대하여 (Io = Po/Vo)가 성립한다. 따라서, LED 어레이(640)의 저항 성분의 값은 (Ro = Vo/Io = Vo 2/Po)가 되고, 도 6에서의 정류부(630)와 LED 어레이(640)에 대한 등가 임피던스(Re)에 대해서 수학식 1을 만족한다.
또한, 도 7에서 (Ve = αVo)가 되므로, 도 3의 경우와 유사하게 수학식 2 및 수학식 3을 만족한다.
따라서, 여기서도 수학식 1과 수학식 3을 연립하면 주어진 Po에 대해 LED의 갯수인 n을 결정하는 것이 가능하다.
한편, 도 6에서 보상인덕터(621), 제1보상커패시터(622), 제2보상커패시터(623) 및 제3보상커패시터(624)의 용량과 LED어레이(640)의 출력전압은, 수학식 9와 같이, AC 입력(611)의 전압(Vs)을 (정류부(630)와 LED 어레이(640)에 대한 등가 임피던스(Re)와 제2보상커패시터(623)의 임피던스(1/jωsC2)의 병렬값과, 보상인덕터(621)의 임피던스(jωsL) 및 제1보상커패시터(622)의 임피던스(1/jωsC1)의 병렬값을 합한 값)으로 나눈 값(전류 I1)과, AC 입력(611)의 전압(Vs)을 (제3보상커패시터(624)의 임피던스(1/jωsC3))를 더한 값으로 나눈 값(전류 I2)을 합한 결과(I1+I2)의 전압(Vs)에 대한 위상(Φ)의 코사인 값이 0.9 이상이 되고 또한 진상(Leading Phase)이 되도록 결정한다(ωs는 입력 전압(Vs)의 각속도).
수학식 9
Figure PCTKR2013007784-appb-M000009
따라서, 전류 Is의 전압(Vs)에 대한 위상이 Φ라면, cosΦ 값(즉, 역률)이 0.9 이상이 되도록 보상인덕터(621), 제1보상커패시터(622), 제2보상커패시터(623) 및 제3보상커패시터(624)의 용량과 LED어레이(640)의 출력전압을 설정한다. 여기서도 LED어레이(640)의 출력전압은 LED어레이(640)를 구성하는 직렬연결된 LED의 갯수에 따라 변한다. 즉, n을 조절하는 것이 전류 Is의 전압(Vs)에 대한 위상을 조절하는 요소가 된다.
한편, 보상인덕터(621), 제1보상커패시터(622), 제2보상커패시터(623) 및 제3보상커패시터(624)의 용량은 THD가 최소화되도록(예컨대 30% 이하) 설정한다.
도 8은 LED 어레이(640)에서 발생하는 k차 하모닉 전류(Iek)와 각 소자를 도시한 도면이다.
제3보상커패시터(624, C3)의 값은 제1보상커패시터(C1, 622)에 비해 매우 작은 값을 갖도록 설정하므로 C3에 의한 임피던스는 매우 큰 값을 갖게 된다. 따라서, 도 8에서, k차 하모닉 전류(Iek)가 제3보상커패시터(624)로는 거의 흐르지 않게 되고 대부분 AC 입력단으로 유입된다. 따라서, k차 하모닉 전류(Iek)가 AC 입력(611)단에 유입되는 성분(Isk)은 수학식 5와 거의 동일하게 되며, 5차 이상의 하모닉 전류의 AC 입력(611)단에 유입되는 성분의 크기는 수학식 6과 같다.
여기서도, AC 입력(611)으로 유입되는 3차 하모닉 전류(Isk)의 값을 0으로 만들려면 3차 하모닉 주파수는 수학식 7을 만족하도록 L, C1의 값을 설정해야 하며, AC 입력단(611)으로 유입되는 3차 하모닉 전류(Is3)의 값이 1차 하모닉 전류(Is1)의 25%로 만들려면 수학식 8을 만족하도록 L, C1의 값을 설정해야 한다.
따라서, 수학식 7 및 8에서, 1/[(2π(LC1)1/2]의 값이 4*fs 이하이면서 3*fs 이상이 되도록 L, C1의 값을 설정하면 입력으로 유입되는 3차 하모닉 전류(Is3)의 값이 LED 어레이(340)에서 발생하는 크기에 비해 25% 이하가 되며, 이와 같은 크기가 되는 경우 전체 THD가 30% 이하가 된다.
한편, AC 직결형 엘이디 조명장치(600)는 DCM 모드(도 11의 (a)) 또는 CCM 모드(도 11의 (b))에서 동작할 수 있다. LED 어레이 내의 LED의 갯수가 일정한 경우에 이러한 동작모드의 결정은 LED보상인덕터(621)의 용량에 따라 결정될 수 있다. 즉, 일반적으로 보상인덕터(621)의 용량이 소정의 임계치를 넘는 값을 갖는 경우 AC 직결형 엘이디 조명장치(600)는 CCM 모드로 동작하고, 보상인덕터(621)의 용량이 소정의 임계치를 넘지 않는 경우 AC 직결형 엘이디 조명장치(600)는 DCM 모드로 동작한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 조명 시스템을 설계하는 방법을 도시한 도면이다.
먼저, 보상인덕터(L)의 크기를 PF가 0.9 이상이고 THD가 30% 이하인 범위 내에서 최소값을 갖도록 설정한다. 여기서 설정된 보상인덕터(L)의 값은 예컨대 0.2 H와 같이 소정의 특정 값을 갖는다. 보상인덕터(L)의 용량이 클수록 PF와 THD 특성이 좋아지는 장점이 있으나 부피가 커져서 경제성이 떨어진다. 따라서 보상인덕터(L)의 용량은 이러한 사항의 Tradeoff를 고려하여 0.1 ~ 1.5 H 사이에서 설정한다(예컨대, 0.2 H).
보상인덕터(L)의 용량이 결정된 후에는 제1보상커패시터(622)의 용량을 결정한다. 제1보상커패시터(622)의 용량은 수학식 7 또는 수학식 8에 따라 결정하거나, 수학식 7에 의한 값 또는 수학식 8에 의한 값 사이의 값을 갖도록 결정한다. 즉, 보상인덕터(L)와 제1보상커패시터(622)에 의한 공진주파수가 3*fs와 4*fs가 사이의 값이 되도록 설정할 수 있다.
도 10은 여러 C2의 값에 대하여 Re의 변화에 따른 출력전력의 변화를 도시한 도면이다.
제2보상커패시터(623)와 n(LED 어레이(340, 640)에서 직렬연결된 LED의 갯수)의 크기는 수학식 10과 같이 수학식 3에 대하여 Re에 대한 편미분을 적용한 결과가 0이 되도록 설정된다. 즉, LED 갯수가 변화함에 따라 LED 어레이(340, 640)의 파워가 최대인 경우가 존재하는데 이 점에서 LED 어레이(340, 640)가 동작하도록 LED 소자의 갯수를 설정한다(LED 어레이(340, 640)에서 직렬연결된 n 개의 LED 소자로 이루어진 경우).
수학식 10
Figure PCTKR2013007784-appb-M000010
또한, 수학식 1의 경우에 Po를 20 W로 설정함으로써 수학식 1 및 수학식 10 사이에 연립방적으로 풀면 C2 및 n에 대한 해를 구할 수 있다.
이러한 해는 그래프를 통하여서도 구할 수 있다. Po는 L과 C1, C2의 값의 변화와 Re에 따라 변화한다. 예를 들어, 도 10에서 L과 C1을 고정시키고 C2와 Re의 변화에 따른 Power 그래프에서 Po의 최대값이 20W를 만족하는 지점을　만족하는 C2와 Re를 결정할 수 있다. 따라서 Po(LED 어레이(340, 640)의 출력)가 예컨대 20 W로 설정된 경우 20 W 근처에서 수학식 10을 만족하는 C2의 값을 갖는 경우를 선택하면 된다. 따라서 이와 같이 C2를 구하게 되면 Re도 결정되고 따라서, Re의 값이 결정되면 수학식 1에 의해 n의 값도 결정된다. 하지만, n의 값은 정수값을 가지므로 수학식 10 및 수학식 1을 만족하는 n의 값이 정확한 정수값으로서 구하는 것은 불가능할 수도 있다. 따라서 계산된 값에 근사한 값을 갖되 정수값을 갖는 n을 구한다. 따라서, 수학식 10에서 n을 구하는 과정은 실제적으로는 LED의 갯수(즉, n의 값)을 서서히 변화시켜가면서(예를 들어, 증가시켜가면서) Po의 값이 가장 적게 변화되는 경우의 n의 값을 해로 구하면 된다. 이러한 과정은 도 3 및 도 6의 경우에 모두 공통적으로 수행될 수 있다.
여기서, LED어레이(340, 640)가 다수의 직렬연결된 LED소자를 포함하는 경우를 가정하여 설명하였으나, LED어레이(340, 640)가 직렬 또는 병렬 연결된 LED 소자의 다양한 조합으로 구성된 경우에도 LED소자를 추가함에 따른 LED어레이(340, 640)의 출력전력의 변화가 가장 적은 경우의 직렬 또는 병렬 연결된 LED 소자의 조합을 구할 수 있다.
한편, 도 6의 경우에 C3를 구하는 방법은 L, C1, C2, n의 값이 결정된 후에 C3 값을 조절한다. 이 경우 AC 입력단(611)에서의 PF가 0.9 이상이 되도록 C3 값을 조절한다.
도 10은 기존의 조명부하(Lagging Phase)와 일 실시예에 따른 조명장치(Leading Phase)를 병렬로 연결한 경우를 예시한 도면이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 지상(Lagging Phase)을 갖는 기존의 조명부하와 지상(Leading Phase)을 갖는 본 발명의 일 실시예의 조명장치를 병렬로 연결함으로써 전체 계통의 역률과 THD를 개선할 수 있다.
즉, 일반 조명을 LED조명으로 대체하는 경우의 계통전력의 변화를 살펴보면 적은 소비전력으로도 형광등과 같은 일반조명과 동일한 조명효과를 내는 LED조명의 특성상 LED조명 자체로 전력소비량을 감소시킬 뿐만 아니라, 진상의 역률을 제공함으로써 지상(Lagging Phase)의 무효전력을 갖는 전체 전력계통의 무효전력을 감소시킴으로써 전체 전력계통의 효율을 증대시킨다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 조명을 위한 엘이디를 구동하기 위하여 보상회로를 부가한 엘이디 조명장치를 사용함으로써 출력 및 역률 등의 특성을 향상시키는 효과가 있어 유용한 발명이다.
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Claims (12)

  1. AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서,
    AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로;
    상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이
    를 포함하고,
    상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과, (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 결과(전류)의 상기 전압에 대한 위상의 코사인 값이 0.9 이상이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압에 비해 진상(Leading Phase)인 역률이 되도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 AC 직결형 엘이디 조명장치는, CCM 모드 또는 DCM 모드에서 동작하도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  4. AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서,
    AC 입력과 병렬로 제3보상커패시터가 연결되고, 상기 AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로;
    상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이
    를 포함하고,
    상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과 (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 제1결과(I1)와, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 제3보상커패시터의 임피던스(1/jωsC3))로 나눈 제2결과(I2)를 더한 값(I1+I2)의 상기 전압에 대한 위상의 코사인 값이 0.9 이상이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전류의 위상이 상기 전압에 비해 진상(Leading Phase)인 역률이 되도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  6. 제 1항 또는 4항에 있어서,
    상기 등가 임피던스(Re)는 상기 LED어레이의 출력 전압에 비례하고 상기 LED어레이의 출력전력에 반비례하는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  7. 제 1항 또는 4항에 있어서,
    상기 보상인덕터 값이 소정의 기설정된 값을 갖는 경우, 상기 제1보상커패시터의 값은 아래의 식이 3*fs 이상이고 4*fs 이하의 값을 갖도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
    Figure PCTKR2013007784-appb-I000002
    (단, fs는 상기 AC 입력의 주파수)
  8. 제 1항 또는 4항에 있어서,
    상기 LED어레이의 출력 전압은 상기 LED어레이를 구성하는 LED소자의 갯수에 따른 출력전력의 변화가 가장 작은 경우의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2보상커패시터의 값은 상기 출력전력이 기설정된 출력전력값을 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 AC 직결형 엘이디 조명장치는, CCM 모드 또는 DCM 모드에서 동작하도록 상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량이 설정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  11. AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서,
    AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로;
    상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이
    를 포함하고,
    상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과, (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 결과(전류)의 상기 전압에 대한 위상이 진상(Leading Phase)이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
  12. AC 직결형 엘이디 조명장치에 있어서,
    AC 입력과 병렬로 제3보상커패시터가 연결되고, 상기 AC입력의 일단에 (병렬연결된 보상인덕터 및 제1보상커패시터)와 제2보상커패시터가 직렬로 연결되어 상기 AC 입력을 보상하는 보상회로;
    상기 제2보상커패시터 양단의 출력을 직류로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부의 출력에 의해 구동되는 LED어레이
    를 포함하고,
    상기 제1보상커패시터, 상기 제2보상커패시터, 상기 제3보상커패시터 및 상기 보상인덕터의 용량과 상기 LED어레이의 출력전압은, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 정류부와 상기 LED 어레이에 대한 등가 임피던스(Re)와 상기 제2보상커패시터의 임피던스의 병렬값)과 (상기 보상인덕터의 임피던스 및 상기 제1보상커패시터의 임피던스의 병렬값)을 합한 값으로 나눈 제1결과(I1)와, 상기 AC 입력의 전압을 (상기 제3보상커패시터의 임피던스(1/jωsC3))로 나눈 제2결과(I2)를 더한 값(I1+I2)의 상기 전압에 대한 위상이 진상(Leading Phase)이 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 AC 직결형 엘이디 조명장치.
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