WO2017217690A1 - 다각형 전류로 구동되는 엘이디 조명장치 - Google Patents

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WO2017217690A1
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led
load current
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이동원
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주식회사 루멘스
이동원
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    • 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]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/355—Power factor correction [PFC]; Reactive power compensation
    • 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

  • a light emitting diode (hereinafter referred to as "LED”) is an all-optical semiconductor device that emits light when current flows, and is widely used for general lighting because its efficiency is higher than that of conventional incandescent and fluorescent lamps.
  • the rectifier circuit rectifies the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of the direct current;
  • a load in which a plurality of LED groups are connected in series with each other;
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied;
  • a load current limiting circuit for limiting the load current;
  • a rectified voltage (Vrect) driven LED lighting device (refer to FIG. 1 for a representative circuit, which is cited in PCT US2013 / 022488) including a number of developments have been developed.
  • Fig. 2 shows a representative load current waveform of "voltage reference control".
  • the load current a-V is adjusted to a step wave based on predetermined voltage values. That is, the inclination of the load current a-V between the phase 0 degrees and 90 degrees of the alternating voltage v is repeatedly displayed at 0 degrees and 90 degrees. Since the load current (a-V) is changed into a step wave, a lot of harmonics tend to occur.
  • IEC 61000-3-2 Class C applied to all lighting devices except low-light incandescent lamps, hereinafter referred to as "standards"
  • standards there must be six or more LED blocks.
  • the rectifier circuit rectifies the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of the direct current;
  • a load in which a plurality of LED blocks are connected in series with each other;
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks when the rectified voltage Vrect is applied;
  • a load current limiting circuit for limiting the amount of current flowing in the load;
  • the LED lighting device comprising a, it is to provide an LED lighting device that satisfies the IEC 61000-3-2 Class C, which is brighter than the conventional but the current harmonics international standard.
  • the rectifying circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of direct current (Vrect);
  • An LED block composed of at least one LED;
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied;
  • the interval between the phase (Pm) at which the load current starts to be maximum hereinafter referred to as "load current saturation interval" of the load current
  • the slope is one; It is characterized by.
  • the slope of the load current is 0 degrees near the rectified voltage (Vrect) phase 90 degrees; This is preferred.
  • the load current may further have one or more slopes in the "load current desaturation period"; This is preferred.
  • the LED lighting device further comprises a circuit for flowing a current below the threshold voltage of the LED block that is first turned on among the plurality of LED blocks; This is preferred.
  • the LED drive circuit as a means for achieving the above object, driving a plurality of LED blocks connected in series with a rectified voltage (Vrect) of direct current;
  • a control signal generation circuit for generating a predetermined control signal;
  • a load current limiting circuit for limiting currents flowing through the plurality of LED blocks by the control signal;
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied;
  • the load current starts to be maximum in the phase Pth-u where the current is supplied to the load in earnest (when the rectified voltage Vrect increases from phase 0 to phase 90).
  • the slope of the control signal is one in a section between the phases Pm (hereinafter referred to as a " load current unsaturation section "); It is characterized by.
  • control signal generating circuit further generates at least one control signal slope in the "load current desaturation period"; This is preferred.
  • the LED driving circuit further comprises a circuit for flowing a current below the phase (Pth-u); This is preferred.
  • a rectifier circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of direct current
  • a load in which a plurality of LED blocks are connected in series with each other
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied
  • a load current limiting circuit for limiting the amount of current flowing in the load;
  • FIG. 5 is a basic shape of a load current according to the present invention.
  • FIG. 6 is a waveform for explaining a load current generation method according to the present invention.
  • Figure 10 is an example of another load current and current harmonics of the present invention.
  • 11 is a shape of another load current of the present invention.
  • Figure 13 is an example of another load current harmonic of the present invention.
  • Figure 14 is an example of another load current and current harmonics of the present invention.
  • Figure 15 shows the shape of another load current of the present invention.
  • Figure 16 shows the shape of another load current of the present invention.
  • Figure 17 shows the shape of another load current of the present invention.
  • the rectifying circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of direct current
  • a load in which a plurality of LED blocks are connected in series with each other
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied
  • a load current limiting circuit for limiting the amount of current flowing in the load; It is configured to include.
  • first LED block The LED block that is first turned on in the load when the AC voltage increases from phase 0 to phase 90 is referred to as “first LED block”.
  • first LED block the LED block which is turned off last among the loads when the AC voltage increases from phase 90 degrees to phase 180 degrees is also referred to as “first LED block”.
  • the threshold voltage (Vth-1) of the "first LED block” At higher rectification voltage (Vrect) the load current limiting circuit can be adjusted to allow the maximum current to flow at any time. In other words, the load current can always be maximized. Therefore, it should be noted that the load currents shown in this specification are all possible.
  • the load currents shown in this specification have an advantage that can be implemented regardless of the number of LED blocks constituting the load. That is, the load current of the present invention can be implemented even with a smaller number of LED blocks than before.
  • the slope of the load current a-6 is about 0 degrees near the AC voltage phases of 90 degrees and 270 degrees.
  • the inclination of the load current (a-6) is 0 degrees even in the vicinity of the AC voltage phase 0 degrees and 180 degrees, there is a section that is flat.
  • the rectified voltage (Vrect) phase Pth is determined as the threshold voltage of the "first LED block” (hereinafter referred to as “threshold phase”), and the “first LED block” in the rectified voltage (Vrect) phase (Pth-u).
  • the current is supplied in earnest (without the load current limiting circuit being saturated).
  • the load current slope Sth between the threshold phase Pth and the phase Pth-u is determined by a current-voltage characteristic curve of the “first LED block” and has a value close to 90 degrees.
  • the load current slope SS is a predetermined value except for 0 degree and 90 degree in the interval between the rectified voltage Vrect phase Pth-u and the rectified voltage Vrect phase Pm at which the maximum current is supplied to the load. Have one. In other words, the load current changes linearly in the interval.
  • the extension line of the load current slope SS has a current value greater than 0 in the rectified voltage Vrect phase 0 degrees (other embodiments may have 0 and negative values).
  • the load current a-6 becomes a hexagon. Therefore, in the present invention, the load current (a-6) is called a hexagonal current.
  • the full load current at the threshold phase (Pth) reaches a rectified voltage (Vrect) phase (Pm) with one slope starting from 0, the load current is a square current, the extension line of the slope is rectified
  • the voltage (Vrect) phase has a value less than zero at zero degrees.
  • the polygon according to the present invention is used in the section in which the instantaneous rectified voltage Vrect rises (that is, the section in which the rectified voltage Vrect phase is 0 degrees to 90 degrees, hereinafter referred to as the "rectified voltage increment section").
  • the current shape has been described in detail.
  • the load current waveform (a-6) Is symmetrical with respect to the "rectified voltage rising section” and the rectified voltage (Vrect) phase 90 degrees, and can be described in a similar manner since there is only a difference that decreases instead of an increase in load current. Therefore, the detailed description of the "rectified voltage (Vrect) reduction section" will be omitted.
  • the threshold voltage has a specific value
  • the letter “V” is added in front of the numerical value. For example, if the threshold voltage is 11% of the maximum rectified voltage (Vrect), V11, and if the level of 20% of the maximum rectified voltage (Vrect), V20.
  • the current limiting circuit corresponds to the control signal Ctrl in the period between the phases Pth-u and Pm where the current is supplied to the load in earnest (hereinafter referred to as the "load current desaturation period"). Limit the load current to the current value. At this time, the maximum current flows in the load in the phase (Pm).
  • the letter “U” is added in front of the numerical value.
  • U30 is indicated if the current is limited to 65% of the maximum load current.
  • phase Pm (where the maximum load current is supplied to the load) has a specific value
  • the letter “A” is added in front of the numerical value. As a specific example, it is described as A60 when the phase Pm is 60 degrees and A45 when 45 degrees.
  • the control signal Ctrl requires more current than the maximum load current, but the load current limiting circuit limits the current to the maximum load current.
  • the load current limiting circuit limits the current to the maximum load current.
  • One example of a specific implementation is when the load current limiting circuit is saturated to the maximum current.
  • the load current is limited to the predetermined value.
  • control signal Ctrl can be easily generated by a conventional technology such as a general digital counter or an analog signal generating circuit.
  • control signal Ctrl is a straight line having a value of 0 at the rectified voltage Vrect phase 0 and a value greater than 0 in the threshold phase Pth. Therefore, even if the "first LED block" is composed of one LED, the load current a-6a according to the present invention becomes a hexagonal current.
  • the threshold voltage of one LED is much lower than the maximum rectified voltage, so that the load current a-6a may be viewed as a square current.
  • the "first LED block” is defined as a square current when composed of one LED, and a hexagonal current when composed of two or more LEDs. This is because, assuming that the threshold voltage of one LED is 3.11 V, the threshold voltage of one LED at 220 Vrms is 1/100 of the maximum rectified voltage, where practically 1/100 is negligible as an error.
  • the load current may have a value between 0 and a maximum value.
  • the phase Pm may have a value between the phases Pth-u and 90 degrees.
  • This embodiment is an embodiment in which the load current is hexagonal.
  • the hexagonal current a-6b is the "hexagonal current generating method" of the present invention
  • 1) the threshold voltage of the "first LED block” is set to 11% of the instantaneous maximum value of the AC voltage Vac. (I.e., V11)
  • 2) at the threshold phase Pth the current is set to a level of 30% of the maximum load current (i.e., U30), and 3) the phase Pm at which the load current starts at maximum is 55 degrees. (I.e., A55), and 4)
  • the load current limiting circuit is controlled by a linear control signal having a slope SS and having the set current value in the phase Pth-u and the phase Pm.
  • the inclination of the hexagonal current a-6b near the phase 90 degree of the rectified voltage Vrect has a flat period of 0 degrees;
  • the inclination of the hexagonal current a-6b is characterized by being one between the phases Pth-u and the phases Pm which are the "load current unsaturation sections".
  • the total harmonic distortion is 11.5% and the power factor is 0.993. (Note, one cycle of 1024 samplings, two cycles of input, the "FFT" result is the maximum current of each harmonic.)
  • the line L10-a shown in FIG. 8 represents the limit value of the international standard IEC 61000-3-2 Class-C (a standard applied to all lighting devices except low-light incandescent lamps, hereinafter referred to as "standard").
  • each harmonic of the polygonal currents a-6b according to the present invention satisfactorily satisfies the "standard” to 50 levels or less of the limit value limited by the "standard”.
  • the LED lighting apparatus according to the present invention is also improved in brightness than the prior art.
  • the current supplied to the LED lighting device in the prior art there are many parts of the current (a-A) has a value less than the sine waveform in Figure 3, the current (a-S) has a value of approximately the sine waveform in FIG.
  • the polygonal current (a-6b) according to the present invention has many parts having a value greater than or equal to sine.
  • the present invention provides an LED lighting device that satisfies the "standard" while improving brightness compared to the prior art.
  • This embodiment is an embodiment of a polygonal current having a plurality of current slopes in a "load current desaturation period" and a section where the current slope is flat to 0 near the rectified voltage (Vrect) phase 90 degrees.
  • the hexagonal load current a-6 when the rectified voltage Vrect changes from phase 0 to 90 degrees, the hexagonal load current a-6 according to the present invention has one slope in the " load current unsaturation section ". On the other hand, the octagonal load current (a-8) has two slopes.
  • a control signal (Ctrl) generation circuit (for a load current limiting circuit) can be easily implemented by conventional techniques such as a general digital counter or an analog signal generation circuit. Therefore, when two control signals Ctrl are used in the "hexagonal current generation method" of the present invention, the octagonal load current a-8 can be generated.
  • control signal Ctrl is a straight first control signal Ctrl-1 from the phase Pth-u
  • first control signal Ctrl-1 is a second straight control signal. It is connected to (Ctrl-2), the second control signal may control the load current limiting circuit to start the maximum load current in the rectified voltage (Vrect) phase (Pm).
  • the inclination of the first control signal Ctrl-1 is greater than the inclination of the second control signal Ctrl-2. This is because more current can be supplied to the load faster.
  • the inclination of the octagonal current (a-8) has a section that is flat to 0 degrees near a rectified voltage (Vrect) phase of 90 degrees;
  • the octagonal current (a-8) slope is two in the "load current unsaturation period".
  • the polygon currents a-n1 and the polygon currents a-n2 add a predetermined value to the sine value of the control signal ctrl of the load current limiting circuit (i.e., have a value greater than 0 at phase 0 degrees), If the result is more than the maximum current, it is limited to the maximum current. Therefore, the current slope changes every time the rectified voltage (Vrect) phase is changed little by little.
  • the polygonal current a-n1 is a result of using the control signal Ctrl with a sine value plus 10.
  • the polygonal current (a-n1), 1) the threshold voltage of the "first LED block” is set to 10% of the instantaneous maximum value of the AC voltage (Vac) (that is, V10), 2 )
  • the current is set to 20% of the maximum load current (that is, the sine plus 10), i.e., 3)
  • the phase (Pm) at which the load current starts at maximum is 64 degrees.
  • the slope of the polygonal current (a-n1) between the phase (Pth-u) and the phase (Pm) of the "load current desaturation interval" is the same as the slope of the sine value. to be. It is easy to see that the polygonal current (a-n1) has a plurality of slopes and that the slope of the polygonal current (a-n1) is flat at 0 degrees near the rectified voltage (Vrect) phase 90 degrees. have.
  • Polygonal current (a-n2) is the result of using the control signal (Ctrl) by adding 45 to the sine value.
  • V10, U55 and A34 are the resulting currents.
  • a detailed description of the polygon current (a-n2) generating method is similar to that of the polygon current (a-n1) and thus will be omitted.
  • Fig. 10 also shows the result of comparing the polygonal current a-n2 with the "standard” by "FFT".
  • the polygonal currents a-n2 satisfy the "standard" at all harmonics.
  • the polygon current control data is stored in a memory, and the control stored in the memory sequentially as the rectified voltage (Vrect) phase is changed.
  • the data is used to control the load current limiting circuit.
  • the polygon current (a-n1) and polygon current (a-n2) also have a value greater than or equal to sine in most areas, LEDs satisfying the "standard” while improving brightness compared to the prior art An illumination device is provided.
  • This embodiment is another embodiment of the polygonal current having multiple current slopes in the "load current saturation period".
  • the polygonal current a-6c is the "hexagonal current generating method" of the present invention.
  • the threshold voltage of the "first LED block” is set to 11% of the instantaneous maximum value of the AC voltage Vac. (I.e., V11), 2) at the threshold phase Pth, the current is set to 65% of the maximum load current (i.e., U65), and 3) the phase Pm at which the load current becomes maximum is 38 degrees.
  • Fig. 12 shows the second to 39th harmonics in a bar graph with the first harmonic of the polygonal current a-6c as 100 in the result value of the " FFT ".
  • the line L10-a shown in Fig. 12 represents the limit value of "standard”.
  • the basic concept of this embodiment is to change the shape of the load current so that the first harmonic is made large and the remaining harmonics are made low.
  • the first control signal Ctrl-1 and the second control signal Ctrl-2 that are straight lines are used, but the second control signal Ctrl-2 is at a rectified voltage Vrect phase of 90 degrees. Indicating the maximum current is different. As a result, the load current slope does not become 0 degrees near the rectified voltage (Vrect) phase 90 degrees.
  • the threshold voltage of the “first LED block” is set to 11% of the instantaneous maximum value of the AC voltage Vac (that is, V11), and 2) the current in the threshold phase Pth is the first control signal.
  • (Ctrl U) is set to 30% of the maximum load current (i.e., U30), and 3) the current at the rectified voltage (Vrect) phase 30 degrees, the first control signal (Ctrl-1) and the second Set both control signals (Ctrl-2) to the level of 90% of the maximum load current (ie, U90), [ie, in general, let the two control signals be the same at one point (Px)], 4)
  • the heptagonal current a-7a can be realized by controlling the load current limiting circuit by setting the phase Pm at which the load current is set to 90 degrees (ie, A90). At this time, the heptagonal current (a-7a) can be easily expected to satisfy the "standard". This is because it is closer to sine than the polygonal current (a-6
  • the current harmonic values of the heptagonal current a-7a may sufficiently satisfy the “standard”.
  • the point Px is preferably equal to or greater than the sine waveform so that the brightness is improved from the prior art.
  • Polygonal current (a-n3) is implemented by a control signal (c-n3) made by the following formula.
  • Control signal (c-n3) A * sine + (B-B * sine) (0 ⁇ 180 degrees)
  • A is the maximum current and B is a predetermined positive value smaller than A as the control signal value at phase zero.
  • a polygonal current a-n3 is implemented in which the current slope also changes every time the phase of the rectified voltage Vrect changes little by little.
  • the polygonal currents a-n3 can easily have multiple slopes.
  • Fig. 14 also shows the result of comparing the polygonal current a-n3 with the "standard” by "FFT".
  • the polygonal current (a-n3) satisfies the "standard” at all harmonics, but it is preferable that B is less than 50 in the formula since the fifth harmonic is very close to the threshold of "standard”.
  • B is less than 50 in the formula since the fifth harmonic is very close to the threshold of "standard”.
  • similar polygonal currents can be generated using various functions such as cos, log, and exponent.
  • control signal (c-n3) data is stored in the memory, and the control signal (c) stored in the memory sequentially as the rectified voltage (Vrect) phase changes -n3) Control the load current limiting circuit using data.
  • the polygonal current (a-n3) also has a number of sections having a value of sine or more, an LED lighting apparatus that satisfies the "standard" while improving brightness compared to the prior art is provided.
  • This embodiment is an example to further explain some of the various polygonal currents of the present invention.
  • Fig. 15 is an embodiment in which a rectified current flows below the threshold voltage of the " first LED block " to adopt a current for adjusting the harmonics of the AC current (hereinafter referred to as " harmonic regulation current ").
  • harmonic regulation current a current for adjusting the harmonics of the AC current
  • hexagonal currents a-6h are currents flowing to the load. If the "harmonic control current” 211 additionally flows, it is natural that harmonics of the AC current are adjusted. It is natural that when the " harmonic control current " 211 is added to the hexagonal current a-6h as shown in Fig. 15, the alternating current becomes closer to sine than before, and the possibility of satisfying the "standard” becomes higher. .
  • the "harmonic control current” 213 may be more effective than the "harmonic control current” 211.
  • the "harmonic control current” may have a non-zero value in the rectified voltage (Vrect) phase 0 degrees.
  • the hexagonal load current a-6k has a "harmonic control current" 215 of 0 at the rectified voltage Vrect phase 0 degrees, and a load current limiting circuit as an extension of the "harmonic control current" 215. It is implemented by controlling.
  • the threshold voltage of the "first LED block” is 1/100 or less compared with the rectified maximum voltage, 1/100 can be treated as an error for practical use, and the load current (a-6k) has a square load current. do.
  • the rectangular load currents are in contact with each other without being separated from the rectangular load currents of the next period. That is, the alternating current flows continuously without a section in which no current flows.
  • the square load current a-4 is an embodiment in which the current is zero at or above the threshold voltage of the " first LED block ". According to the prior art, there may be a brightness difference between the "first LED block” and the other LED block.
  • it is a polygonal current that has the advantage of designing a load current in a desired shape without considering the brightness difference between the LED blocks.
  • the square load current (a-4) according to the present invention of Figure 17 is an example of a load current suitable for the prior art that does not improve the brightness difference between the LED blocks. More specifically, in the portion 171 in which the "first LED block" starts to light up, the load current is made smaller than before, so that the brightness of the "first LED block” is relatively darker than before, and the portion where many LED blocks are lit. In 173, the square load current a-4 which improves the brightness difference between the LED blocks by making the current of the LED blocks brighter than the conventional one by flowing a lower current than the conventional one.
  • Hexagonal current (a-6s) is a current that is lower than the current requested by the load current limiting circuit because the switch control circuit that provides the selective current path to the multiple LED blocks does not operate at a desired time and operates slightly faster or slightly later. 99). Therefore, when determining whether or not the load current waveform is a polygonal current according to the present invention, the abnormal current 99 portion appearing at the time when the switch control circuit changes the switch in the load current waveform should be removed and judged.
  • a rectifier circuit for rectifying the AC voltage to convert the rectified voltage (Vrect) of direct current
  • a load in which a plurality of LED blocks are connected in series with each other
  • a switch control circuit composed of at least one switch and providing a selective current path to the plurality of LED blocks as the rectified voltage Vrect is applied
  • a load current limiting circuit for limiting the amount of current flowing in the load;
  • the LED lighting device comprising a, LED lighting device that satisfies the IEC 61000-3-2 Class C, which is brighter than the conventional but the current harmonic is international standard is disclosed.
  • the present invention controls the load current limiting circuit with a very simple circuit, 1) the probability of occurrence of a failure is very low, and 2) can be implemented regardless of the number of LED blocks constituting the load. Small number of LED blocks also satisfies the current harmonic international group, which is cost competitive. Therefore, the present invention has a very high industrial applicability.
  • a-V, a-A, a-S Load Current Pth: Threshold Voltage Phase
  • Pth-u Phase through which current is supplied to the first LED block
  • Pm Phase in which the maximum current is supplied to the load.
  • a-6, a-6a, a-6b, a-6c hexagonal current
  • a-n1, a-n2, a-n3 polygonal current with multiple slopes

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 적어도 1개 이상의 LED 로 구성된 LED 블록; 상기 LED 블록이 다수 개가 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하의 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하여 구성되며, ( 상기 정류전압(Vrect)이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 ) 상기 부하전류 제한회로에 의하여 상기 부하전류는 n 각의 다각형( n >= 4 ) 전류이고; 상기 부하에 전류가 본격적으로 공급되는 위상(Pth-u) 에서 상기 부하전류가 최대가 되기 시작하는 위상(Pm) 사이의 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 상기 부하전류의 기울기는 1개 인 것; 이 특징이다.

Description

다각형 전류로 구동되는 엘이디 조명장치
본 발명은 LED 조명장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 블록이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하는 LED 조명장치에 있어서, 상기 부하에 흐르는 전류는 n 각 다각형 ( n >= 4 ) 인 LED 조명장치에 관한 것이다.
발광다이오드 ( 이하 "LED"라 칭함 ) 는 전류가 흐르면 빛을 방출하는 전광변환 반도체소자로서, 전광변환 효율이 기존의 백열등 및 형광등보다 높아 일반 조명용으로 많이 사용되고 있다.
LED 조명장치를 구동하는 기술 중에서, 시간에 따라 주기적으로 변하는 순시 교류전압을 사용하여 LED 를 점등하는 LED 조명장치가 다수 개발되어 있다. 더욱 상세하게는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 그룹이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 부하전류를 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하는 정류전압(Vrect) 구동 LED 조명장치 ( 대표적인 회로는 도1 을 참조, PCT US2013/022488 에서 인용 ) 들이 다수 개발되어 있다.
종래 LED 조명장치의 주요 기술들을 살펴보면, 특허 US 6,989,807 B2 등 에서는 스위치 제어회로가 순시 정류전압(Vrect)을 기준으로 점등되는 LED 블록 개수를 조절 ( 이하 "전압기준 제어"라 칭함 ) 한다. 특허 US 8,471,495 B2 및 US 9,253,837 B1 등 에서는 순시 부하전류를 기준으로 점등되는 LED 블록 개수를 조절 ( 이하 "전류기준 제어"라 칭함 ) 한다. 또한 도면으로 첨부를 하지는 않았지만, 스위치 제어회로가 순시 정류전압(Vrect)의 위상을 기준으로 점등되는 LED 블록 개수를 조절 ( 이하 "위상기준 제어"라 칭함 ) 하는 것도 있다.
이하, 도2 내지 도5 를 참조하여서 상기 주요 기술에 따른 부하전류의 문제점들을 설명한다.
먼저, 도2 는 "전압기준 제어"의 대표적인 부하전류 파형을 나타낸 것이다. 교류전압(v)이 위상 0도 에서 위상 180도 로 증가하면, 소정의 전압값들을 기준으로 부하전류(a-V)가 계단파로 조절된다. 즉, 교류전압(v)의 위상 0도 ~ 90도 사이에서 부하전류(a-V)의 기울기는 0도 및 90도 가 반복하여 나타난다. 상기 부하전류 (a-V)는 계단파로 변하기 때문에 고조파가 많이 발생하는 경향이 있다. 계단파로 국제 기준인 IEC 61000-3-2 Class C ( 저조도 백열등을 제외한 모든 조명장치에 적용됨, 이하 "표준"이라 칭함 ) 를 쉽게 만족하게 하려면 LED 블록이 6 개 이상은 되어야 하는 문제점이 있다.
도3 ( 특허 US 8,471,495 B2 에서 인용 ) 는 "전류기준 제어"의 대표적인 부하전류 파형을 나타낸 것이다. 정류전압(Vrect)(v)이 위상 0도 에서 위상 180도 로 증가하면, 소정의 전류값들을 기준으로 부하전류(a-A)가 조절된다. 이때, 정류전압(Vrect)(v)의 위상 0도 ~ 90도 사이에서 부하전류(a-A)의 기울기를 살펴보면, 기울기는 0도 와 소정의 기울기들이 있다. 상기 부하전류(a-A) 또한 ( 기울기가 0도 인 구간 때문에 )고조파가 많이 발생하는 경향이 있다. "전류기준 제어"방식 또한 "표준"을 쉽게 만족 하려면 LED 블록이 6 개 이상은 되어야 하는 문제점이 있다.
도4 ( 특허 US 7,936,135 B2 에서 인용 ) 는 부하전류 제한회로를 정현파로 제어하는 경우 대표적인 파형을 나타낸 것이다. 정류전압(Vrect)(v)이 위상 0도 에서 위상 180도 로 증가하면, 정현파를 기준으로 부하전류(a-S)가 조절된다. 이때, 부하전류가 흐르기 시작하는 문턱전압 위상에서 위상 90도 사이에서 부하전류(a-S)의 기울기를 살펴보면, 기울기는 0도 가 없으며, 소정의 연속된 기울기들이 있다. 상기 부하전류(a-S)는 아주 쉽게 "표준"을 만족하지만, 본 발명에 비하면 밝기가 어두운 문제점이 있다.
<선행기술문헌>
US 6,989,807 B2
US 8,471,495 B2
US 7,936,135 B2
US 9,253,837 B1
US 7,239,087 B2
WO 2016/058592 A1
RO 131013 A2
US 2013/0307423 A1
EP 2 645 816 A1
US 2010/0109535 A1
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출한 것이다. 즉, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 블록이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압 (Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하는 LED 조명장치에 있어서, 종래보다 밝기가 밝으면서도 전류 고조파가 국제 기준인 IEC 61000-3-2 Class C 를 만족하는 LED 조명장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명에 의한 LED 조명장치는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 적어도 1개 이상의 LED 로 구성된 LED 블록; 상기 LED 블록이 다수 개가 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하의 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하여 구성되며, ( 상기 정류전압 (Vrect)이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 ) 상기 부하전류 제한회로에 의하여 상기 부하전류는 n 각의 다각형( n >= 4 ) 전류이고; 상기 부하에 전류가 본격적으로 공급되는 위상(Pth-u) 에서 상기 부하전류가 최대가 되기 시작하는 위상(Pm) 사이의 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 상기 부하전류의 기울기는 1개 인 것; 을 특징으로 한다.
이때, 상기 부하전류의 기울기는 정류전압(Vrect) 위상 90도 근처에서 0도 인 것; 이 바람직하다.
또한, 상기 부하전류는 상기 "부하전류 비포화 구간"에서 1개 이상의 기울기를 더 가지는 것; 이 바람직하다.
또한, 상기 LED 조명장치는 상기 다수개의 LED 블록들 중에서 제일 먼저 점등개시 되는 LED 블록의 문턱전압 이하에서 전류를 흐르게 하는 회로를 더 포함하는 것; 이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명에 의한 LED 구동회로는, 직렬로 연결된 다수의 LED 블록을 직류의 정류전압(Vrect)으로 구동하고; 소정의 제어신호를 발생하는 제어신호 발생회로; 상기 다수의 LED 블록에 흐르는 전류를 상기 제어신호에 의하여 제한하는 부하전류 제한회로; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 를 포함하여 구성되고, ( 상기 정류전압 (Vrect)이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 ) 상기 부하에 전류가 본격적으로 공급되는 위상(Pth-u) 에서 상기 부하전류가 최대가 되기 시작하는 위상(Pm) 사이의 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 상기 제어신호의 기울기는 1개 인 것; 을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어신호 발생회로는 상기 "부하전류 비포화 구간"에서 1개 이상의 제어신호 기울기를 더 발생하는 것; 이 바람직하다.
또한, 상기 LED 구동회로는 상기 위상(Pth-u) 이하에서 전류를 흐르게 하는 회로를 더 포함하는 것; 이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압 (Vrect) 으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 블록이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하는 LED 조명장치에 있어서, 종래보다 밝기가 밝으면서도 전류 고조파가 국제 기준인 IEC 61000-3-2 Class C 를 만족하는 LED 조명장치가 제공되는 효과가 있다.
도1 은 종래기술의 회로도이다.
도2 는 종래기술의 부하전류 파형이다.
도3 은 종래기술의 또 다른 부하전류 파형이다.
도4 는 종래기술의 또 다른 부하전류 파형이다.
도5 는 본 발명에 따른 부하전류의 기본 형상이다.
도6 은 본 발명에 따른 부하전류 생성법을 설명하기 위한 파형이다.
도7 은 본 발명에 의한 부하전류의 일 예이다.
도8 은 본 발명의 부하전류 고조파의 일 예이다.
도9 는 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
도10 은 본 발명의 또 다른 부하전류 및 전류 고조파의 일 예이다.
도11 은 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
도12 는 본 발명의 또 다른 부하전류 고조파의 일 예이다.
도13 은 본 발명의 또 다른 부하전류 고조파의 일 예이다.
도14 은 본 발명의 또 다른 부하전류 및 전류 고조파의 일 예이다.
도15 는 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
도16 는 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
도17 는 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
도18 는 본 발명의 또 다른 부하전류의 형상이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때 첨부된 도면에서 동일한 구성요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 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 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압 (Vrect)으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 블록이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하여 구성된다.
본 발명에 바람직한 상기 스위치 제어회로는 본 발명인이 제안한 기술 ( US 2013/0307423 A1 ) 을 비롯하여 다양한 종래기술이 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 명세서에서 부하전류, 정류전압(Vrect) 및 교류전압은 특별히 언급하지 않는 한 모두 순시값을 사용한다. 그리고, 교류전압이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 부하 중에서 최초로 점등되는 LED 블록을 "제1 LED 블록"이라 칭한다. 그리고, 교류전압이 위상 90도 에서 위상 180도 로 증가할 때 부하 중에서 제일 나중에 소등되는 LED 블록도 "제1 LED 블록"이라 칭한다.
스위치 블록이 적절히 제어된다면 ( 극단적인 일 예, 설명의 편의를 위해서 "제1 LED 블록"만 항상 점등하고 나머지 블록은 소등되도록 한 경우 ), "제1 LED 블록"의 문턱전압(Vth-1) 보다 높은 정류전압(Vrect)에서는 언제든지 최대전류가 흐르도록 부하전류 제한회로를 조절할 수 있다. 즉, 부하전류가 항상 최대가 되도록 할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 나타난 부하전류들은 모두 실현이 가능함에 유의하여야 한다.
그리고, 본 명세서에 나타난 부하전류들은 부하를 구성하는 LED 블록의 개수에 관계없이 구현이 가능한 장점이 있다. 즉, 종래보다 적은 개수의 LED 블록으로도 본 발명의 부하전류를 구현할 수 있다.
이하 도5 ( 수평축 = 시간, 수직축 = 전압, 전류 ) 를 참조하여서 본 발명의 기본 개념을 상세히 설명한다.
본 발명의 핵심 개념은, 부하 전류가 n 각 다각형( n >= 4 ) 이 되도록 부하전류 제한회로를 제어하는 것이다. 도5 에 다소 과장되게 표현된 예시에 따르면, 교류전압 위상 90도 및 270도 부근에서 부하전류(a-6)의 기울기는 0도 로 평탄한 구간이 있다. 또한, 교류전압 위상 0도 및 180도 부근에서도 상기 부하전류(a-6)의 기울기는 0도 로 평탄한 구간이 있다.
정류전압(Vrect) 위상(Pth)는 "제1 LED 블록"의 문턱전압으로 결정 ( 이하 "문턱위상"이라고 칭함 ) 되고, 정류전압(Vrect) 위상(Pth-u)에서 "제1 LED 블록"에 ( 부하전류 제한회로가 포화되지 않으면서 ) 전류가 본격적으로 공급된다. 상기 문턱위상(Pth) 와 상기 위상(Pth-u) 사이의 부하전류 기울기(Sth)는 "제1 LED 블록"의 전류-전압 특성 커브에 의하여 결정되며, 90도 에 가까운 값을 가진다.
상기 정류전압(Vrect) 위상(Pth-u)와 부하에 최대전류가 공급 개시되는 정류전압(Vrect) 위상(Pm) 사이 구간에서 부하전류 기울기(SS)는 0도 및 90도 를 제외한 소정의 값 1개를 가진다. 즉, 상기 구간에서 부하전류는 선형적으로 변한다. 그리고, 상기 부하전류 기울기(SS)의 연장선은 정류전압(Vrect) 위상 0도 에서 0 보다 큰 전류값 ( 다른 실시예 에서는 0 및 음의값 을 가질수도 있음 ) 을 가지는 것이 바람직하다.
도5 에서 시간(즉, 수평축)을 다각형의 한 변으로 보면, 부하전류(a-6)은 육각형이 된다. 따라서 본 발명에서는 상기 부하전류(a-6)을 육각형 전류라 칭한다. 여기서, 만약 문턱위상(Pth)에서 본격적인 부하전류가 0 에서부터 출발하여 기울기 1개를 가지고 정류전압(Vrect) 위상(Pm)에 도달한다면, 상기 부하전류는 사각형 전류가 되고, 상기 기울기의 연장선은 정류전압(Vrect) 위상 0도 에서 0 보다 작은 값을 가진다.
이상, 순시 정류전압(Vrect) 이 상승하는 구간 ( 즉, 정류전압(Vrect) 위상이 0도 ~ 90도 인 구간, 이하 "정류전압(Vrect) 증가구간"이라 칭함 ) 에서, 본 발명에 따른 다각형 전류 형상에 대하여 상세히 설명하였다.
순시 정류전압(Vrect) 이 하강하는 구간 ( 즉, 정류전압(Vrect) 위상이 90도 ~ 180도 인 구간, 이하 "정류전압(Vrect) 감소구간"이라 칭함 ) 에서, 부하전류 파형(a-6)은 "정류전압(Vrect) 상승구간"과 정류전압(Vrect) 위상 90도 를 기준으로 대칭이고, 부하전류가 증가하는 대신 감소하는 차이점만 있으므로 유사한 방법으로 설명될 수 있다. 따라서 본 명세서 에서는 "정류전압(Vrect) 감소구간"에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이하 도6 을 참조하여서 본 발명에 바람직한 육각형 전류 생성방법의 일 예를 설명한다.
( 육각형 전류 생성방법 )
도6 에서, 정류전압(Vrect)이 위상 0도 에서 90도 로 증가할 때 부하전류 제한회로는 제어신호(Ctrl)에 대응하는 전류량으로 부하전류를 제한한다.
1) 위상 0도 ~ 문턱위상(Pth) 사이에서, 부하에는 전류가 공급되지 않는다. 그 이유는 정류전압(Vrect)가 "제1 LED 블록"의 문턱전압 보다 낮기 때문이다.
이하, 본 명세서에서, 상기 문턱전압이 특정 값을 가질 때는 수치 앞에 영문자 "V"를 부가하여서 표기한다. 구체적인 예로, 문턱전압이 최대 정류전압(Vrect)의 11 % 수준일 경우는 V11, 최대 정류전압(Vrect)의 20 % 수준일 경우는 V20 으로 표기한다.
2) 상기 문턱위상(Pth) ~ 위상(Pth-u) 사이에는 "제1 LED 블록"의 전류-전압 특성커브에 의한 전류가 부하에 공급된다. 이것은, 전류량 제어신호(Ctrl)은 더 많은 전류를 요구하지만, 부하전류 제한회로가 포화되어서 요구하는 전류를 제공할 수 없기 때문이다.
3) 본격적으로 부하에 전류가 공급되는 상기 위상(Pth-u) ~ 위상(Pm) 사이 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 전류제한회로는 상기 제어신호(Ctrl)에 대응하는 전류값으로 부하전류를 제한한다. 이때, 상기 위상(Pm)에서는 부하에 최대 전류가 흐른다.
이하, 본 명세서에서, 상기 위상(Pth-u)에서 흐르는 전류가 특정 값을 가질 때는 수치 앞에 영문자 "U"를 부가하여서 표기한다. 구체적인 예로, 상기 위상 (Pth-u)에서 최대 부하전류의 30 % 로 전류가 제한된다면 U30, 최대 부하전류의 65 % 로 전류가 제한된다면 U65로 표기한다.
또한, ( 부하에 최대 부하전류가 공급 개시되는 ) 상기 위상(Pm)이 특정 값을 가질 때는 수치 앞에 영문자 "A"를 부가하여서 표기한다. 구체적인 예로, 위상 (Pm)이 60도 일 때는 A60, 45도 일 때는 A45 로 표기한다.
4) 위상(Pm) ~ 90도 사이에서는, 최대 부하전류보다 많은 전류를 상기 제어신호(Ctrl)가 요구하지만, 부하전류 제한회로는 최대 부하전류로 전류를 제한한다. 구체적인 구현방법의 일 예는, 부하전류 제한회로가 최대전류로 포화되는 경우이다. 또 다른 예로는, 소정의 값보다 높은 제어신호(Ctrl)가 들어올 경우에는 상기 소정의 값으로 부하전류를 제한하는 경우이다.
여기서, 상기 제어신호(Ctrl)는 일반적인 디지털 카운터 또는 아날로그 신호 발생회로 등의 종래기술로 쉽게 생성할 수 있음은 당연하다.
도6 에서 상기 제어신호(Ctrl)은 정류전압(Vrect) 위상 0도 에서 0 이고, 문턱위상(Pth)에서 0 보다 큰 값을 가지는 직선인 경우이다. 그러므로, "제1 LED 블록"이 1개의 LED 로 구성되더라도 본 발명에 따른 부하전류(a-6a)는 육각형 전류가 된다.
한편 보는 시야에 따라서는 LED 1개의 문턱전압은 최대 정류전압보다 매우 낮으므로 상기 부하전류(a-6a)를 사각형 전류로 볼 수도 있다. 이를 감안하여서 본 발명에서는 "제1 LED 블록"이 1개의 LED 로 구성된 경우는 사각형 전류, 2개 이상의 LED 로 구성된 경우는 육각형 전류라 정의한다. 이것은, LED 1개의 문턱전압을 3.11 V 라 가정하면, 220 Vrms 에서 LED 1개의 문턱전압은 최대 정류전압의 1 / 100 이고, 여기서 실용상 1 / 100 은 오차로 무시할 수 있기 때문이다.
참고로, 위상(Pth-u)에서 부하전류는 0 ~ 최대값 사이의 값을 가질 수 있다. 그리고, 위상(Pm)은 위상(Pth-u) ~ 위상 90도 사이의 값을 가질 수 있다.
이상, 본 발명에 바람직한 육각형 전류 생성방법에 대하여 설명하였다.
(실시예 1)
본 실시예는 부하전류가 육각형인 일 실시예이다
도7 에서, 육각형 전류(a-6b)는 본 발명의 "육각형 전류 생성방법"으로, 1) "제1 LED 블록"의 문턱전압은 교류전압(Vac)의 순시 최대값의 11 % 전압으로 설정 ( 즉, V11 ) 하고, 2) 상기 문턱위상(Pth)에서 전류는 최대 부하전류의 30 % 수준으로 설정 ( 즉, U30 ) 하고, 3) 부하전류가 최대로 개시 되는 위상(Pm)은 55도 로 설정( 즉, A55 ) 하고, 그리고 4) 기울기(SS)를 가지며, 상기 위상(Pth-u) 및 상기 위상(Pm)에서 상기 설정된 전류값을 가지는 직선 제어신호로 부하전류 제한회로를 제어한 결과이다. 참고로, 문턱위상(Vth) = 6.315도 = asin(11/100) 이다.
정류전압(Vrect)이 위상 0도 에서 위상 180도 까지 증가할 때, 정류전압 (Vrect) 위상 90도 근처에서 상기 육각형 전류(a-6b)의 기울기는 0도 로 평탄한 구간이 있으며; "부하전류 비포화 구간"인 위상(Pth-u) ~ 위상(Pm) 사이에서 상기 육각형 전류(a-6b)의 기울기는 1개 인 것이 특징이다.
고속 푸리에 변환(이하, "FFT"라 칭함)으로 상기 육각형 전류(a-6b)를 분석하면, 총 고조파 왜곡은 11.5 % 이고, 역율은 0.993 이다. (참고, 한 주기 1024 개 샘플링, 2 주기 입력, "FFT"결과는 각 고조파의 최대 전류치임.)
그리고, 도8 은 상기 "FFT"의 결과값에서 상기 육각형 전류(a-6b)의 제1 고조파를 100 으로 하여서 제2 내지 제39 고조파를 막대 그래프로 나타낸 것이다. 도8 표시된 선(L10-a)는 국제 기준 IEC 61000-3-2 Class-C ( 저조도 백열등을 제외한 모든 조명장치에 적용되는 표준, 이하 "표준"이라 칭함 ) 의 한계값을 나타낸 것이다.
도8 에 의하면, 본 발명에 따른 다각형 전류(a-6b)의 각 고조파는 "표준"에서 제한하는 한계값의 50 수준 이하로 넉넉하게 "표준"을 만족한다.
그리고, 본 발명에 따른 LED 조명장치는 밝기도 종래기술보다 개선된다. 종래기술에서 LED 조명장치에 공급된 전류를 살펴보면, 도3 에서 전류(a-A)가 sine 파형 이하의 값을 가지는 부분이 많이 있고, 도4 에서는 전류(a-S)가 대략 sine 파형의 값을 가진다. 반면에 본 발명에 의한 다각형 전류(a-6b)는 sine 이상의 값을 가지는 부분이 많다. 일반적으로 LED 의 밝기는 전류량에 비례하므로, 본 발명에 의하면 종래보다 밝기가 개선되면서도 "표준"을 만족하는 LED 조명장치가 제공한다.
(실시예 2)
본 실시예는 "부하전류 비포화 구간"에서 전류 기울기가 다수 개이고, 정류전압(Vrect) 위상 90도 부근에서 전류 기울기가 0 으로 평탄한 구간이 있는 다각형 전류의 일 실시예이다.
도9 에서 정류전압(Vrect)가 위상 0도 에서 90도 까지 변할 때, 본 발명에 따른 육각형 부하전류(a-6)는 "부하전류 비포화 구간"에서 1개의 기울기를 가진다. 반면에 팔각형 부하전류(a-8)은 2개의 기울기를 가진다.
본 발명에서 바람직한, ( 부하전류 제한회로용 ) 제어신호(Ctrl) 발생회로는 일반적인 디지털 카운터 또는 아날로그 신호 발생회로 등의 종래기술로 쉽게 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 "육각형 전류 생성방법"에서 제어신호(Ctrl)을 2개 사용하면 팔각형 부하전류(a-8)을 만들 수 있다.
더욱 상세하게는 상기 제어신호(Ctrl)은, 위상(Pth-u)에서부터는 직선의 제1 제어신호(Ctrl-1) 이고, 상기 제1 제어신호(Ctrl-1)은 직선의 제2 제어신호 (Ctrl-2)로 연결되고, 상기 제2 제어신호는 정류전압(Vrect) 위상(Pm)에서 최대 부하전류가 개시되도록 부하전류 제한회로를 제어하면 된다.
이때, 제1 제어신호(Ctrl-1)의 기울기는 제2 제어신호(Ctrl-2)의 기울기보다 큰 것이 바람직하다. 그 이유는 더 빨리 더 많은 전류를 부하에 공급할 수 있기 때문이다.
상기 팔각형 전류(a-8)의 기울기는 정류전압(Vrect) 위상 90도 부근에서 0도 로 평탄한 구간이 있으며; "부하전류 비포화 구간"에서 상기 팔각형 전류 (a-8) 기울기는 2개 인 것이 특징이다.
도10 에는, "부하전류 비포화 구간"에서 부하전류의 기울기가 2개 보다 더 많은 경우를 예시하였다. 다각형 전류(a-n1) 및 다각형 전류(a-n2)는 부하전류 제한회로의 제어신호(ctrl)를 sine 값에 소정의 값을 더하고 ( 즉, 위상 0도 에서 0 보다 큰 값을 가지고 ), 그 결과가 최대전류보다 많으면 최대전류로 제한한 것이다. 그래서 정류전압(Vrect) 위상이 조금씩 변경될 때마다 전류 기울기도 변경되는 경우이다.
보다 상세하게는, 상기 다각형 전류(a-n1)은 sine 값에 10 을 더한 값으로 상기 제어신호(Ctrl)을 사용한 결과이다. 구체적인 수치로 설명하면 상기 다각형 전류(a-n1)은, 1) "제1 LED 블록"의 문턱전압은 교류전압(Vac)의 순시 최대값의 10 % 전압으로 설정 ( 즉, V10 ) 하고, 2) 문턱위상(Pth)에서 전류는 ( sine 값에 10을 더한 값인 ) 최대 부하전류의 20 % 수준 으로 설정( 즉, U20 ) 하고, 3) 부하전류가 최대로 개시 되는 위상(Pm)은 64도로 설정( 즉, A64 ) 하고, 4) "부하전류 비포화 구간"인 위상(Pth-u) ~ 위상(Pm) 사이에서 상기 다각형 전류(a-n1) 기울기는 sine 값의 기울기와 동일하게 한 결과이다. 시각적으로 상기 다각형 전류(a-n1)이 다수개의 기울기를 가지고 있고, 정류전압 (Vrect) 위상 90도 부근에서 상기 다각형 전류(a-n1)의 기울기는 0도 로 평탄한 구간이 있음을 쉽게 확인할 수 있다.
다각형 전류(a-n2)는 sine 값에 45 를 더한 값으로 상기 제어신호(Ctrl)을 사용한 결과이다. 간단히 요약하면 V10, U55 및 A34 한 결과 전류이다. 다각형 전류(a-n2) 생성방법에 대한 상세한 설명은 다각형 전류(a-n1)과 유사하므로 생략한다. 시각적으로 상기 다각형 전류(a-n2)는 다수개의 기울기를 가지고 있음을 확인하기는 힘들다. 도10 에 상기 다각형 전류(a-n2)를 "FFT"하여서 "표준"과 비교한 결과도 같이 나타내었다. 상기 다각형 전류(a-n2)는 모든 고조파에서 "표준"을 만족한다.
한편, 다각형 전류(a-n1)도 "표준"을 넉넉히 만족함은 쉽게 예측 가능하다. 그 이유는 "표준"을 만족하는 다각형 전류(a-6b) 보다 더욱 sine 에 가깝기 때문이다.
상기 다각형 전류(a-n1) 및 다각형 전류(a-n2)의 바람직한 구현방법은, 다각형 전류 제어 데이터를 메모리에 저장해 두고, 정류전압(Vrect) 위상이 변함에 따라 순차적으로 상기 메모리에 저장된 상기 제어 데이터를 이용하여서 부하전류 제한회로를 제어하는 것이다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 다각형전류(a-n1) 및 다각형전류(a-n2)도 대부분의 영역에서 sine 이상의 값을 가지므로, 종래보다 밝기가 개선되면서도 "표준"을 만족하는 LED 조명장치가 제공된다.
이상 본 발명의 바람직한 제2 실시예를 상세히 설명하였다.
(실시예 3)
본 실시예는 "부하전류 비포화 구간"에서 전류 기울기가 다수개인 다각형 전류의 또 다른 일 실시예이다.
먼저 도11 을 참조하여서, 본 실시예의 필요성을 설명한다.
도11 에서, 다각형 전류(a-6c)는, 본 발명의 "육각형 전류 생성방법"으로 1) "제1 LED 블록"의 문턱전압은 교류전압(Vac)의 순시 최대값의 11 % 전압으로 설정 ( 즉, V11 ) 하고, 2) 상기 문턱위상(Pth)에서 전류는 최대 부하전류의 65 % 수준으로 설정 ( 즉, U65 ) 하고, 3) 부하전류가 최대가 되는 위상(Pm)은 38도 로 설정( 즉, A38 ) 하고, 그리고 4) 기울기(SS)를 가지며, 상기 위상 (Pth-u) 및 상기 위상(Pm)에 상기 설정된 전류값을 가지는 직선 제어신호 (Ctrl)로 부하전류 제한회로를 제어한 결과이다.
"FFT"를 수행하여 상기 다각형 전류(a-6c)를 분석하면, 총 고조파 왜곡 은 29.2 % 이고, 역율은 0.960 이다. (참고, 한 주기 1024 개 샘플링, 2 주기 입력, "FFT"결과는 각 고조파의 최대 전류치임.)
그리고, 도12 은 상기"FFT"의 결과값에서 상기 다각형 전류(a-6c)의 제1 고조파를 100 으로 하여 제2 내지 제39 고조파를 막대 그래프로 나타낸 것이다. 도12 에 표시된 선(L10-a)는 "표준"의 한계값을 나타낸 것이다.
도12를 살펴보면, 제5 고조파 및 제 25 고조파가 한계에 근접한 값을 가지므로 이것을 낮추는 것이 바람직하다.
이하 도13 를 참고하여서, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다.
본 실시예의 기본 개념은, 부하전류의 형상을 변화시켜서 제1 고조파는 크게 하고, 나머지 고조파는 낮게 되도록 하는 것이다. 제2 실시예와 같이 직선인 제1 제어신호(Ctrl-1) 및 제2 제어신호(Ctrl-2)를 사용하지만, 제2 제어신호(Ctrl-2) 가 정류전압(Vrect) 위상 90도 에서 최대전류를 지시하는 것이 다르다. 그 결과, 정류전압(Vrect) 위상 90도 근처에서 에서 부하전류 기울기는 0도 가 되지 않는다.
이하, 구체적인 수치를 사용하여 칠각형 전류(a-7a)를 설명한다.
1) "제1 LED 블록"의 문턱전압은 교류전압(Vac)의 순시 최대값의 11 % 전압으로 설정 ( 즉, V11 ) 하고, 2) 상기 문턱위상(Pth)에서 전류는, 제1 제어신호 (Ctrl-1)에 의하여 최대 부하전류의 30 % 로 수준으로 설정 ( 즉, U30 ) 하고, 3) 정류전압(Vrect) 위상 30도 에서 전류는, 제1 제어신호(Ctrl-1) 및 제2 제어신호(Ctrl-2) 둘 다 최대 부하전류의 90 % 수준으로 설정 ( 즉, U90 ) 하고, [ 즉, 일반화하여서 설명하면, 두 제어신호가 한 지점(Px) 에서 동일한 값이 되도록 하고 ], 그리고 4) 부하전류가 최대로 개시되는 위상(Pm)은 90도 로 설정( 즉, A90 ) 하여서 부하전류 제한회로를 제어하면 칠각형 전류(a-7a)를 구현할 수 있다. 이때, 상기 칠각형 전류(a-7a)는 "표준"을 만족함을 쉽게 예상 할 수 있다. 그 이유는 아슬아슬하게 "표준"을 만족하는 다각형 전류(a-6c) 보다 더욱 sine 에 가깝기 때문이다.
여기서, 상기 두 제어신호가 교차하는 지점(Px)를 적절히 선정하면, 칠각형 전류(a-7a)의 전류 고조파 값들이 넉넉하게 "표준"을 만족할 수 있을 것이다. 이때 상기 지점(Px)는 sine 파형 이상의 값이 되도록 하여서 종래기술보다 밝기가 개선되는 것이 바람직하다.
도14 에는, 전류의 기울기 개수가 2개 보다 더 많은 또 다른 경우를 예시하였다. 다각형 전류(a-n3)는 아래 공식으로 만들어진 제어신호(c-n3)로 구현하였다.
제어신호(c-n3) = A * sine + (B - B * sine ) ( 0 ~ 180도)
여기서 A 는 최대전류이고, B 는 위상 0에서 제어신호 값으로 A 보다 작은 소정의 양의 수치이다.
상기 제어신호(c-n3)에 의하면, 정류전압(Vrect) 위상이 조금씩 바뀔 때마다 전류 기울기도 바뀌는 다각형 전류(a-n3)가 구현된다.
조금 더 구체적인 수치로 설명하면, 상기 다각형 전류(a-n3)는 A = 100, B = 50 으로 설정하여 생성된 전류이다. 시각적으로 상기 다각형 전류(a-n3)는 다수개의 기울기를 가지고 있음을 쉽게 할 수 있다. 도14 에 상기 다각형 전류(a-n3)을 "FFT"하여서 "표준"과 비교한 결과도 같이 나타내었다. 상기 다각형 전류(a-n3)는 모든 고조파에서 "표준"을 만족지만, 제5 고조파가 "표준"의 한계값에 매우 근접하므로 상기 공식에서 B 는 50 보다 작은 것이 바람직하다. 한편, cos, log, 지수 등의 다양한 함수를 사용하여서 유사한 다각형 전류를 생성할 수 있음은 당연하다.
상기 다각형 전류(a-n3)의 바람직한 구현방법은, 상기 제어신호(c-n3) 데이터를 메모리에 저장해 두고, 정류전압(Vrect) 위상이 변함에 따라 순차적으로 상기 메모리에 저장된 상기 제어신호(c-n3) 데이터를 이용하여서 부하전류 제한회로를 제어하는 것이다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 다각형전류(a-n3)도 sine 이상의 값을 가지는 부문이 많으므로, 종래보다 밝기가 개선되면서도 "표준"을 만족하는 LED 조명장치가 제공된다.
이상 본 발명의 바람직한 제3 실시예를 상세히 설명하였다.
실시예 4)
본 실시예는 본 발명의 다양한 다각형 전류들 중에서 몇 개를 더 설명하는 예이다.
먼저 도15 는 "제1 LED 블록"의 문턱전압 이하에서 정류전류를 흐르게 하여서, 교류전류의 고조파를 조절하는 전류(이하, "고조파 조절전류"이라 칭함)를 채용한 실시예이다. 다양한 종래기술 ( 예,WO 2016/058592 A1 등 ) 에서 문턱전압 이하에서 전류(211)(213) 를 흐르게 하는 방법을 소개하고 있으므로 본 명세서 에서는 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 관점에서 설명한다.
먼저, 육각형 전류(a-6h)는 부하에 흐르는 전류이다. 여기에 "고조파 조절전류"(211)이 추가로 흐른다면 교류전류의 고조파가 조절됨은 당연하다. 도15 에서 그림상으로 육각형 전류(a-6h)에 "고조파 조절전류"(211)을 추가하면, 교류전류는 추가 이전보다 더욱 sine 에 가깝게 되고, "표준"을 만족할 가능성은 더욱 높아짐은 당연하다.
이때, 육각형 전류(a-6h)의 고조파 성분에 따라서는 "고조파 조절전류" (213)이 "고조파 조절전류"(211) 보다 더 효과적일 수도 있다. 한편, "고조파 조절전류"는 정류전압(Vrect) 위상 0도 에서 0 이 아닌 값을 가질 수 있음은 당연하다.
도16 에서, 육각형 부하전류(a-6k)는 정류전압(Vrect) 위상 0도 에서 "고조파 조절전류"(215)가 0 이고, 상기 "고조파 조절전류"(215)의 연장선으로 부하전류 제한회로를 제어하여 구현한 것이다.
여기서, "제1 LED 블록"의 문턱전압이 정류최대 전압과 비교하여서 1 / 100 이하이면, 실용상 1 / 100 은 오차로 취급할 수 있고, 상기 부하전류(a-6k)는 사각형 부하전류가 된다. 그리고, 상기 사각형 부하전류는 다음 주기의 사각형 부하전류와 떨어져 있지 않고 서로 맞닿아 있다. 즉, 교류전류는 흐르지 않는 구간이 없이 연속적으로 흐른다.
도17 에서, 사각형 부하전류(a-4)는 "제1 LED 블록"의 문턱전압 또는 그 이상에서 전류가 0 인 일 실시예 이다. 종래의 기술에 의하면, "제1 LED 블록"과 타 LED 블록 간에는 밝기차가 존재할 수 있다.
이제 까지 설명한, 본 발명에 따른 다각형 전류는 밝기차를 개선한 종래기술 ( 예, "제1 LED 블록"과 타 LED 블록의 각 LED 에 흐르는 전류을 다르게 하여서 개선하는 US 2010/0109535 A1, LED 블록의 점등순서를 조절하여 개선하는 EP 2 645 816 A1 등 ) 에 바람직한 부하 전류이다. 즉, LED 블록 간의 밝기차를 고려할 필요 없이 원하는 모양으로 부하전류를 설계할 수 있는 장점이 있는 다각형 전류이다.
한편, 도17 의 본 발명에 따른 사각형 부하전류(a-4)는 LED 블록들 간의 밝기차를 개선하지 않은 종래기술에 적합한 부하전류의 일 예이다. 보다 상세하게는, "제1 LED 블록"이 점등 개시되는 부분(171)에서는 부하전류를 종래보다 작게 하여서 "제1 LED 블록"의 밝기를 종래보다 상대적으로 어둡게 하고, 많은 LED 블록이 점등되는 부분(173)에서는, 종래보다 저 많은 전류를 흐르게 하여서 모든 LED 블록의 밝기를 종래보다 더 밝게 함으로써 LED 블록들간 밝기차를 개선한 사각형 부하전류(a-4)이다.
그리고, 도18 은 본 발명에 따른 다각형 전류의 다양한 파생 중 하나를 예시한 것이다. 육각형 전류(a-6s)는, 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로가 바람직한 시점에 동작하지 않고 조금 빠르거나 조금 늦게 동작하여서, 부하전류 제한회로에 요청한 전류보다 낮은전류(99)가 있는 예이다. 따라서 부하전류 파형이 본 발명에 의한 다각형 전류인지 아닌지를 판단할 때는 부하전류 파형에서, 스위치 제어회로가 스위치를 변경하는 시점에서 나타나는 이상전류(99) 부분은 제거하고 판단하여야 한다.
이상 본 발명의 바람직한 제4 실시예를 상세히 설명하였다.
본 명세서에서는 4, 6, 7 및 팔각형 부하전류를 가지는 LED 조명장치에 대하여 설명하였다. 본 발명의 개념을 일반화하면 n 각 ( n >=4 ) 다각형 부하전류로 확장할 수 있음은 당연하다. 여기서 n 의 크기는 특별히 제한되지 아니한다.
본 명세서에서, 점등되는 LED 블록 개수를 조절하는 스위치 제어회로의 동작 방법에 대하여 특별한 언급은 없었으나 본 발명의 기술을 "전압기준 제어", "전류기준 제어"및 "위상기준 제어"등에 적용할 수 있음은 당연하다.
이상에서, 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들 및 특징들에 관해 설명하였지만, 본 발명은 위에서 설명한 실시예들 및 특징들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명에 의하면, 교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로; 다수 개의 LED 블록이 서로 직렬로 연결된 부하; 적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 상기 부하에 흐르는 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하는 LED 조명장치에 있어서, 종래보다 밝기가 밝으면서도 전류 고조파가 국제 기준인 IEC 61000-3-2 Class C 를 만족하는 LED 조명장치가 개시된다.
또한, 본 발명은 매우 간단한 회로로 부하전류 제한회로를 제어하므로 1) 고장이 발생할 확률이 매우 낮고, 2) 부하를 구성하는 LED 블록의 개수에 관계 없이 구현이 가능하고, 또한, 3) 종래보다 적은 개수의 LED 블록으로도 전류 고조파 국제기군을 만족하므로 원가 경쟁력이 있다. 따라서 본 발명은 산업상 이용 가능성이 매우 높다.
(부호의 설명)
rect :정류전압(Vrect) v,Vac :교류전압
a-V, a-A, a-S :부하전류 Pth : 문턱전압 위상
Pth-u : 제1 LED 블록에 전류가 공급되는 위상
Pm : 부하에 최대전류가 공급 개시되는 위상.
Sth, SS : 부하전류 기울기
a-4 : 사각형 전류
a-6, a-6a, a-6b, a-6c : 육각형 전류
a-6h, a-6k, a-6s : 육각형 전류
a-7a : 칠각형 전류
a-8 : 팔각형 전류
Ctrl, Ctrl-1, Ctrl-2 : 전류제한량 설정신호
Px: 두 제어신호가 교차하는 지점
a-n1, a-n2, a-n3 : 다수개의 기울기를 가지는 다각형 전류
211, 213, 215 : 고조파 조절전류

Claims (7)

  1. LED 조명장치에 있어서,
    교류전압을 정류하여 직류의 정류전압(Vrect)으로 변환하는 정류회로;
    적어도 1개 이상의 LED 로 구성된 LED 블록;
    상기 LED 블록이 다수 개가 직렬로 연결된 부하;
    적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로;
    상기 부하의 전류량을 제한하는 부하전류 제한회로; 를 포함하여 구성되며,
    ( 상기 정류전압(Vrect)이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 ) 상기 부하전류 제한회로에 의하여 상기 부하전류는 n 각의 다각형( n >= 4 ) 전류이고; 상기 부하에 전류가 본격적으로 공급되는 위상(Pth-u) 에서 상기 부하전류가 최대가 되기 시작하는 위상(Pm) 사이의 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 상기 부하전류의 기울기는 1개 인 것; 을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 부하전류의 기울기는 정류전압(Vrect) 위상 90도 근처에서 0도 인 것; 을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 부하전류는 상기 "부하전류 비포화 구간"에서 1개 이상의 기울기를 더 가지는 것; 을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 LED 조명장치는 상기 다수개의 LED 블록들 중에서 제일 먼저 점등개시 되는 LED 블록의 문턱전압 이하에서 전류를 흐르게 하는 회로를 더 포함하는 것; 을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 직렬로 연결된 다수의 LED 블록을 직류의 정류전압(Vrect)으로 구동하는 LED 구동회로에 있어서,
    소정의 제어신호를 발생하는 제어신호 발생회로;
    상기 다수의 LED 블록에 흐르는 전류를 상기 제어신호에 의하여 제한하는 부하전류 제한회로;
    적어도 1개 이상의 스위치로 구성되며 상기 정류전압(Vrect)이 인가됨에 따라 상기 다수 개의 LED 블록에 선택적인 전류 경로를 제공하는 스위치 제어회로; 를 포함하여 구성되고,
    ( 상기 정류전압(Vrect)이 위상 0도 에서 위상 90도 로 증가할 때 ) 상기 부하에 전류가 본격적으로 공급되는 위상(Pth-u) 에서 상기 부하전류가 최대가 되기 시작하는 위상(Pm) 사이의 구간 ( 이하, "부하전류 비포화 구간"이라 칭함 ) 에서 상기 제어신호의 기울기는 1개 인 것; 을 특징으로 하는 LED 구동회로.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어신호 발생회로는 상기 "부하전류 비포화 구간"에서 1개 이상의 제어신호 기울기를 더 발생하는 것; 을 특징으로 하는 LED 구동회로.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 LED 구동회로는 상기 위상(Pth-u) 이하에서 전류를 흐르게 하는 회로를 더 포함하는것; 을 특징으로 하는 LED 구동회로.
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