KR101065709B1 - 조명 제어 방법, 조명 장치 및 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

본 명세서에서는 본 발명에 따른 조명 장치, 조명 시스템 및 조명 제어 방법이 개시된다. 특히, 본 발명에 따른 조명 장치의 일 예는, LED 모듈; LED 모듈에서 발생되는 열을 방출하는 히트 싱크; 입력되는 상용 교류 전원을 정류하는 정류기; 정류된 전원을 변압하는 주 권선과 보조 권선을 포함한 변압기; 및 보조 권선을 통해 전달되는 입력 전압에 따라 LED 모듈을 구동하는 전류를 바이어스하는 전자 모듈;을 포함한다.

Description

조명 제어 방법, 조명 장치 및 조명 시스템{A method of controlling a lighting device, a lighting apparatus, and a lighting system}

본 발명은 조명 제어 방법, 조명 장치, 및 조명 시스템에 관한 것이다.

조명 산업에서는 여전히 광원, 발광 방식, 구동 방식 등에 대한 연구들이 계속되고 있다.

종래 조명 시스템에서는 백열 전구, 방전등, 형광등과 같은 광원을 가정용, 경관용, 산업용으로 주로 이용하였다. 다만, 백열 전구와 같은 저항성 광원은 효율이 낮을 뿐만 아니라 발열 문제가 있고, 방전등은 높은 가격과 높은 전압으로 인한 문제가 있으며, 형광등은 수은 사용으로 인한 환경 문제가 있다.

이러한 종래 조명 시스템의 광원 문제를 해결하기 위해 최근 효율, 색 다양성, 디자인 자율성 등에 장점이 있는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하 LED)에 대한 관심이 커지고 있으며 LED를 광원으로 하는 조명 시스템에 대한 연구도 많이 이루어지고 있다.

LED는 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 수명이 길고, 소비 전력이 낮으며, 대량 생산에 적합한 전기적, 광학적, 물리적 특성들을 가진다. 이러한 특성으로 인해 LED는 표시 장치, 조명 장치 등에서 전술한 종래 광원들을 빠르게 대체하고 있다.

일반적으로 조명 장치는, 전력 공급원으로 교류 상용 전원을 사용한다. 따라서, LED를 광원으로 하는 조명 장치도 교류 상용 전원으로 동작할 수 있어야 한다.

종래 백열 전구를 광원으로 하는 조명 장치에서는 조광기를 이용하여 백열 전구의 밝기 즉, 조광을 제어하였다. 이러한 조광기로 종래에는 교류 스위칭 소자인 트라이액(TRIAC)을 이용하는 위상 제어 조광기가 주로 이용되었다. 위상 제어 조과기는, 상기 트라이액을 이용하여 교류 상용 전원의 전압 파형의 한 위상각에서 온(on) 되도록 제어하고, 상기 온 되는 위상각을 가변함으로써 자유롭게 조광을 제어한다.

관련하여, 위상 제어 조광기를 이용하여 LED 조명 장치의 조광을 제어할 수도 있다. 다만, LED 조명 장치는 일반적으로 입력되는 교류 상용 전원을 정류하고, 정류 후 이를 비교적 대용량의 평활 커패시터에서 전원 전압의 변동을 억제하도록 구성된다. 따라서, 상기에서 위상 제어 조광기를 이용하여 조광하기 위해 입력되는 교류 상용 전원의 전압을 저하시켜도 상술한 평활 커패시터에서 LED를 점등시키기에 충분한 전하를 저장하고 LED의 전류가 일정하도록 제어하여 상술한 위상 제어 조광기가 요청한 만큼 조광이 제어되지 않는다. 다시 말해, 위상 제어 조광기로 조광을 제어하는 만큼 LED 조명 장치에서는 LED의 밝기가 백열 전구처럼 저하되지 않는다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 조광기를 조명 제어 수단으로 포함하여 조명을 제어하는 조명 시스템을 제공하는 것을 일 과제로 한다.

또한, 본 발명에서는 조명 제어 과정에서 입력 전압에 따라 발생하는 깜박거림 현상을 개선하거나 전력 소모를 줄일 수 있는 조명 제어 방법, 상기 조명 제어 방법을 수행하는 조명 장치, 및 상기 조명 장치를 포함한 조명 시스템을 제공하는 것을 다른 과제로 한다.

상술한 과제들을 해결하기 위하여, 본 명세서에서는 본 발명에 따른 조명 제어 방법, 상기 조명 제어 방법을 수행하는 조명 장치, 및 상기 조명 장치를 포함한 조명 시스템을 해결 수단으로 제공한다.

관련하여, 본 발명에 따른 조명 장치는, LED 모듈, LED 모듈에서 발생되는 열을 방출하는 히트 싱크, 입력되는 상용 교류 전원을 정류하는 정류기, 정류된 전원을 변압하는 주 권선과 보조 권선을 포함한 변압기 및 보조 권선을 통해 전달되는 입력 전압에 따라 LED 모듈을 구동하는 전류를 바이어스하는 전자 모듈을 포함하는 것을 일 실시 예로 한다.

상기에서 전자 모듈은, 교류 입력 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변하도록 바이어스할 수 있다. 또는, 상기 전자 모듈은, 교류 입력 전압에 반비례하는 LED 모듈의 구동 전압의 제한 값이 높아지도록 바이어스할 수도 있다.

또한, 상기에서 전자 모듈은, 교류 입력 전압을 정류한 파형의 평균값, 피크 전압 또는 조명 장치의 밝기 제어를 위한 조광기가 온 되는 위상각에 기초하여 바이어스할 수 있다.

그리고 조명 장치는, 소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 듀티 비를 조절하는 스위칭 회로;를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 조명 장치는, 입력 전압에 따라 자동으로 출력을 저하시키는 댐퍼부;를 더 포함할 수도 있다.

그리고 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면, 스위칭 회로의 온 타임을 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어하고, 출력을 저하시키도록 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결된 댐퍼부를 제어할 수 있다. 또는, 상기 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면, 상기 댐퍼부는 출력을 저하시키도록 제어하나 상기 스위칭 회로는 온 타임의 듀티 비를 조절하지 않도록 제어할 수도 있다.

관련하여, 본 발명에 따른 조명 시스템은, 조명 장치의 LED 모듈의 밝기를 조절하는 조광기; 및 상술한 조명 장치;를 포함하여 구성하는 것을 일 실시 예로 한다.

본 발명에 따라 LED 모듈을 포함한 조명 장치와 상기 조명 장치의 조광 제어를 위한 조광기를 포함한 조명 시스템에서 조명 제어 방법은, 상기 조광기를 통해 입력되는 교류 전원의 위상을 제어하여 출력하는 단계, 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 단계, 입력 전원이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계, 정류된 전원을 변압하고 변압된 전압에 따라 LED 모듈의 구동을 위한 전류를 바이어스하는 단계 및 LED 모듈을 구동시켜 광을 조사하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 일 실시 예로 한다.

여기서, 상기 바이어스하는 단계는, 교류 입력 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변화되거나 LED 모듈의 구동 전압의 제한값이 상승되도록 바이어스될 수 있다.

그리고 상기 바이어스하는 단계는, 교류 입력 전압을 정류한 파형의 평균값, 피크 전압, 상기 조광기가 온되는 위상각 중 어느 하나에 기초하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 조명 제어 방법은, 소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 상기 정류된 전원의 듀티 비를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 입력 전압이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는, 상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는, 상기 정류된 전원이 듀티 비를 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어할 수 있다.

또한, 상기 입력 전압이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는, 상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는, 상기 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하고, 상기 정류된 전원의 듀티 비는 조절하지 않도록 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면,

첫째, LED를 광원으로 하는 조명 시스템에서도 조광기를 정상적으로 동작 가능하도록 함으로써 상기 조광기를 이용하여 조명을 제어할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 입력 전압에 따라 조명 장치에서 발생하는 깜박거림 현상을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, 입력 전압에 따라 조명 장치에서 발생하는 전력의 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조명 장치의 일 예에 대한 투시도를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 조명 시스템의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 조명 시스템의 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 조명 시스템의 또 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 조명 시스템의 또 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 6은 도 2 내지 5의 바이어스 제어 회로 및 바이어스 회로의 상세 회로 구성의 일 예를 도시한 도면
도 7은 본 발명에 따른 바이어스 제어회로의 회로 구성의 다른 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 바이어스 제어회로의 회로 구성의 또 다른 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 벅형 조명 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 10과 11은 본 발명에 따른 벅-부스트형 조명 시스템의 실시 예를 도시한 도면, 그리고
도 12는 본 발명에 따라 조광기의 도통 위상각과 바이어스 제어회로의 출력전압, 변압기의 3차 권선(T3)을 정류, 평활화한 전압, 바이어스 회로 전류의 관계의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함을 고려하여 부여되는 것으로서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.

더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다. 한편, 이하 본 명세서에서 제1 또는 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.

이하 본 명세서에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 조명 제어 방법, 상기 조명 제어 방법을 수행하는 조명 장치, 및 상기 조명 장치를 포함한 조명 시스템에 대해 상세하게 설명한다.

특히, 본 명세서에서는 본 발명에 따라 입력 전압에 따라 조명 장치에서 발생하는 깜박거림 현상을 감소시키고 전력 소모를 줄일 수 있는 조명 제어 방법, 상기 조명 제어 방법을 수행하는 조명 장치, 및 상기 조명 장치를 포함한 조명 시스템에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

이하 본 명세서에서 “조명 장치”라 함은, 종래 백열 전구나 형광등이 아닌 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드)를 광원(lighting source)으로 하여 발생되는 광을 조사하는 장치를 통칭하는 의미로 사용한다. 특히, 본 발명에 따른 조명 장치는 벌브(bulb) 타입, 평판 타입(flat type), PAR(Parabolic Aluminized Reflector) 등과 같은 다양한 타입을 포함할 수 있으나, 이하에서는 본 발명의 이해를 돕고 설명의 편의를 위해 벌브 타입을 일 예로 하여 설명한다.

또한, 본 명세서에서 “조광기(dimmer or light controller)”라 함은, 조명 장치를 제어하는 조명 제어 수단을 모두 포함하는 의미로 사용한다. 특히, 이하에서는 본 발명의 이해를 돕고 설명의 편의를 위하여 사용자 등에 의한 조명 장치의 조광 제어를 위한 장치로서, 트라이액(TRIAC) 위상 제어 조광기를 일 예로 하여 설명한다.

다만, 본 발명의 권리범위는 상기한 또는 후술할 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 특허청구범위를 기준으로 권리범위가 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 조명 장치(1)의 일 예에 대한 투시도를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조명 장치(1)는 일반적인 백열 전구를 대신하여 최근 저전력을 소모하고, 긴 수명을 가지며 친환경적인 LED를 광원으로 이용한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 조명 장치(1)는, 복수의 LED 칩을 구비한 LED 모듈(2), LED 모듈(2)의 구동을 제어하는 구동 회로(3), LED 모듈(2)과 구동 회로(3)를 수납하고 LED 모듈(2)에서 발생되는 열을 방열하는 케이스(4), LED 모듈(2)을 보호하고 상기 LED 모듈(2)에서 조사되는 광을 투과하는 커버(5) 및 베이스(6)를 포함한다. 여기서, 본 발명에 따른 조명 장치(1)는, LED 모듈(2)에서 발생되는 열을 흡수하여 방출하기 위한 히트 싱크(Heat Sink)(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 또한, 이러한 히트 싱크는, 소정 영역 예를 들어, 케이스(4)와 LED 모듈(2) 사이에 배치되어 LED 모듈(2)에서 발생되는 열이 더욱 효과적으로 방열되도록 할 수도 있다.

LED 모듈(2)은, 절연층(insulation layer)을 구비한 금속 베이스의 프린트 기판(printed circuit board)이나 세라믹 기판(ceramic substrate) 상에 형성되며, LED 칩이 탑재된다. 이러한 LED 모듈(2)은, LED 칩의 직렬 또는/및 병렬 연결 수를 적절히 선택하여 구동 전압 또는/및 구동 전류를 설정할 수 있다.

구동 회로(3)는, 베이스(6)와 연결되어 상기 베이스(6)를 통해 공급되는 외부 전원을 리드(lead) 선을 통해 LED 모듈(2)로 전달하여 상기 LED 모듈(2)의 구동을 제어한다. 여기서, 상기 외부 전원은 예를 들어, 상용 전원 특히, 교류 전원일 수 있으며, 110v 또는 220v일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 국내 또는 국외에서 일반적으로 사용하는 상용 교류 전원에 모두 적용될 수 있다. 또한, 구동 회로(3)는 입력되는 교류 전원을 정류하여 직류로 변환한 후 LED 모듈(2)의 구동에 적절한 정도로 변압하여 상기 LED 모듈(2)로 공급한다.

이하에서는 본 발명에 따라 전술한 도 1의 조명 장치(1)를 포함한 조명 시스템의 다양한 구성 내지 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 조명 장치의 일 예는, LED 모듈, LED 모듈에서 발생되는 열을 방출하는 히트 싱크, 입력되는 상용 교류 전원을 정류하는 정류기, 정류된 전원을 변압하는 주 권선과 보조 권선을 포함한 변압기, 및 보조 권선을 통해 전달되는 입력 전압에 따라 LED 모듈을 구동하는 전류를 바이어스(bias)하는 전자 모듈을 포함한다. 그리고 상기 조명 장치는, 소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 듀티 비를 조절하는 스위칭 회로와, 입력 전압에 따라 자동으로 출력을 저하시키는 댐퍼부를 더 포함할 수 있다.

여기서, 전자 모듈은, 교류 입력 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변화하도록 바이어스 또는 LED 모듈의 구동 전압의 제한값이 높아지도록 바이어스 할 수 있다.

그리고 전자 모듈은, 교류 입력 전압을 정류한 파형의 평균값, 피크 전압, 및 조명 장치의 밝기 제어를 위한 조광기가 온 되는 위상각 중 어느 하나에 기초하여 바이어스 할 수 있다.

상기에서 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면, 상기 스위칭 회로의 온타임을 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어하고, 상기 댐퍼부는 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어할 수 있다.

또한, 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면, 상기 댐퍼부는 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하고, 상기 스위칭 회로는 온 타임의 듀티 비를 조절하지 않도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 저입력 전압시의 LED 구동회로 소비 전류가, 조광기의 정상 동작 가능한 하한값 이하가 되지 않도록 스위칭 회로의 듀티비를 설정, 제어한다. 상기 설정, 제어에 의해 저입력 전압시의 LED가 원하는 값보다 너무 밝은 경우에는, 교류 입력 전압에 반비례하여 전류가 변화하는 바이어스 회로를 LED 구동회로의 출력 측에 LED의 전류를 바이어스하도록 추가한다.

그 밖에 본 발명에 따른 조명 장치는, 교류 전압이 입력되어 LED를 구동시키는 LED 구동장치로서, 정류 후의 평활 커패시터 용량 합계를 1uF 이하로 하고, 아울러 LED 구동회로의 SW 소자가 고정 온 타임의 CRM(임계 도통 모드) 제어되도록 구성하여, 교류 입력 전압이 저하되었을 경우 스위칭 회로의 온 타임을 줄이는 제어는 수행하지 않고, 아울러 저항과 커패시터의 직렬 회로로 이루어지는 댐퍼 회로를 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 접속시킬 수 있다.

또는, 교류 전압이 입력되어 LED를 구동시키는 LED 구동장치로서, 정류 후의 평활 커패시터 용량 합계를 1uF 이하로 하고, 아울러 LED 구동회로의 SW 소자가 고정 온 타임의 CRM(임계 도통 모드) 제어되도록 구성하여, 교류 입력 전압이 저하되었을 경우에 스위칭 회로의 온 타임을 교류(AC) 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정, 제어하고, 아울러 저항과 커패시터의 직렬 회로로 이루어지는 댐퍼 회로를 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 접속시킬 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 조명 시스템의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 조명 시스템은, 전원부(11), 조명 장치(2,3) 및 상기 조명 장치(2,3)를 제어하는 조광기(12)를 포함한다.

여기서, 조명 시스템에서 조명 장치(2,3)는, 외부의 조광기(12)를 통해 상용 교류 전원을 공급하는 전원부(11)와 연결되는 것을 일 예로 하여 설명한다.

전술한 바와 같이, 전원부(11)는 상용 교류 전원을 조명 장치(2,3)로 공급하는 역할을 한다.

조광기(12)는, 전원부(11)를 통해 공급되는 상용 교류 전원의 도통 위상각을 교류 스위칭 소자인 트라이액을 이용하여 제어한다. 이를 통해 LED 모듈(3)의 밝기가 제어된다. 다시 말해, 사용자가 조광기의 조절기(미도시)를 조작하면, 조광기(12)는 상기 조작 정도에 따라 트라이액을 제어하여 도통 위상각을 제어하고, 도통 위상각에 따라 출력의 실효 전압이 변화된다.

도 2에서는 도 1의 조명 장치(1) 중 편의상 LED 모듈(2)과 구동 회로(3)만 도시하였다.

전술한 바와 같이, LED 모듈(2)은 적어도 하나 이상의 LED 칩이 직렬 또는/및 병렬로 연결되어 구성된다. 다만, 도 2에서는 편의상 복수의 LED 칩이 직렬로 연결되어 구성된 LED 모듈(2)을 예시하였다.

구동 회로(3)는, 조광기(12)에서 제어된 도통 위상각에 따라 변화된 상용 교류 전원을 입력으로 하여 후단의 LED 모듈(2)을 구동하기 위한 전원을 공급한다.

이를 위해, 구동 회로(3)는 예를 들어, 정류기(13), 변압기(17) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 구동 회로(3)는 필요에 따라 스위칭 회로(14)와 댐퍼 회로(18) 중 적어도 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 2를 참조하여, 구동 회로(3)의 각 구성과 그의 기능에 대해 더욱 상세하게 기술하면, 다음과 같다.

정류기(13)는, 전원부(11)를 통해 공급되는 상용 교류 전원이 전술한 바와 같이, 조광기(12)에서 1차 제어되어 입력되면, 이를 정류하여 직류로 변환시킨다. 이때, 상기에서 정류라 함은, 반파 정류와 전파 정류를 모두 포함할 수 있으나, 편의상 효율이 더 좋은 전파 정류를 일 예로 하여 설명한다.

정류기(13)에서 직류로 정류된 전원은, 변압기(17)의 1차 권선 단자(I1), 커패시터(C1), 및 댐퍼 회로(18) 중 적어도 하나 이상으로 입력된다.

변압기(17)는, 입력 측이 되는 1차 권선(T1)과 출력 측이 되는 2차 권선(T2) 다시 말해, 주 권선을 포함하며, 필요에 따라 보조 권선 즉, 3차 권선(T3)을 더 포함할 수 있다.

변압기(17)의 1차 권선 단자(I2)는, 정류기(13)의 마이너스 출력 단자(BD2)와 연결된다. 이 과정에서 스위칭 회로(14)가 변압기(17)의 1차 권선 단자(I2)와 정류기(13)의 마이너스 출력 단자(BD2) 사이에 삽입되어 연결될 수 있다.

상기에서, 스위칭 회로(14)는, 소정 주파수와 듀티 비(duty ratio)로 온/오프를 반복하고, 변압기(17)로 전원을 보낸다.

이상 상술한 본 발명에 따른 도 2의 조명 시스템에 의하면, 조명 장치의 구동 회로에 스위칭 회로(14)를 포함함으로써, 조광기(12)에 의한 입력 전압의 변화에 따라 발생되는 LED 모듈(2)의 깜박거림 현상을 감소시킬 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 조명 시스템의 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

여기서, 도 3의 조명 시스템을 설명함에 있어서, 도 2와 중복되는 부분에 대한 설명은 전술한 내용들을 참조하고, 이하에서는 상이한 부분을 위주로 설명한다.

특히, 도 3의 조명 시스템은 구동 회로(3)를 구성함에 있어서 전술한 도 2와 달리, 정류기(13)에서 정류되어 입력되는 전압에 기초하여 듀티 비를 제어하는 듀티 제어 회로(19)를 더 포함한다.

듀티 제어 회로(19)는, 정류기(13)의 플러스 출력단자(BD1)와 마이너스 출력단자(BD2) 사이에 연결될 수 있으며, 또한 스위칭 회로(14)의 전단에 위치할 수 있다.

듀티 제어 회로(19)는 정류기(13)를 거쳐 입력되는 전압이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단한다. 듀티 제어 회로(19)는, 판단 결과 조광기(12)의 전류가 지나치게 저하되면 컷-오프(cut-off) 될 수 있는바 상기 입력 전압의 저하에 따른 조광기(12)의 전류 저하에 따른 컷-오프를 방지하기 위해 상기 정류기(13)의 입력 전압의 듀티 비를 제어할 수 있다.

상술한 도 3에 의할 경우, 도 2와 마찬가지로 구동 회로(3)에 스위칭 회로(14)와 함께 듀티 비 제어 회로(19)를 더 포함하여 조광기(12)를 거쳐 저입력 전압의 경우에는 LED 모듈(2)의 구동 회로의 소비 전류가 조광기(12)의 소정 범위 이하가 되지 않도록 상기 스위칭 회로(14)의 듀티 비를 설정 또는/및 제어할 수 있다. 상기에서 소정 범위라 함은 예를 들어, 조광기(12)가 정상적으로 동작 가능한 하한값을 말한다. 이는 결국 구동 회로에서 필요한 최소 전류를 위하여 PWM 동작시에 듀티 비를 올리는 것과 유사하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 저입력 전압시에 조광기(12)의 전류가 지나치게 저하되어 컷-오프(cut-off)되는 현상을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 조명 시스템의 또 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

여기서, 도 4의 조명 시스템을 설명함에 있어서, 도 2와 중복되는 부분에 대한 설명은 전술한 내용을 참조하고, 상이한 부분을 위주로 설명한다.

도 4에서는 도 2와 달리, 구동 회로(3)는 조광기(12)에서 제어된 도통 위상각에 따라 변화된 상용 교류 전원을 입력으로 하여 후단의 LED 모듈(2)을 구동하기 위한 전원을 공급함에 있어서, 정류기(13), 스위칭 회로(14), 바이어스 제어 회로(15), 바이어스 회로(16), 변압기(17) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 구동 회로(3)는 댐퍼 회로(18)를 더 포함할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 구동 회로(3)의 각 구성과 그의 기능에 대해 기술하면, 다음과 같다.

정류기(13)는 조광기(12)를 통해 전원부(11)에서 공급되는 상용 교류 전원을 입력받아 이를 정류하여 직류로 변환 출력한다. 이때, 상기 정류는 전파 정류일 수 있다.

정류기(13)에서 교류에서 직류로 정류된 전원은, 변압기(17)의 1차 권선 단자(I1), 커패시터(C1), 및 댐퍼 회로(18)에 연결된다.

변압기(17)는, 입력 측이 되는 1차 권선(T1), 출력 측이 되는 2차 권선(T2) 및 3차 권선(T3)을 포함한다.

변압기(17)의 1차 권선 단자(I2)는, 스위칭 회로(14)를 통해 정류기(13)의 마이너스 출력 단자(BD2)에 연결된다.

여기서, 스위칭 회로(14)는, 소정 주파수와 듀티 비(duty ratio)로 온/오프를 반복하고, 변압기(17)로 전력을 보낸다.

바이어스 제어부(15)는, 정류기(13)의 플러스 출력 단자(BD1)와 마이너스 출력 단자(BD2) 사이에 연결되어 정류기(13)의 플러스 출력 단자(BD1)의 전압을 평균값, 피크 전압, 조광기(12)의 온 위상 등에 비례하는 전압으로 변환시켜 바이어스 회로(16)로 출력한다.

바이어스 회로(16)는, 변압기(17)의 출력 권선(T3)의 단자(A1)의 전압을 다이오드(D1)에서 정류하고, 커패시터(C3)에서 평활화한 전원과 정류기(3)의 마이너스 출력 단자(BD2)에 연결되어 바이어스 제어회로(15)의 출력에 의하여 전류가 제어된다.

도 5는 본 발명에 따른 조명 시스템의 또 다른 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

여기서, 도 5의 조명 시스템을 설명함에 있어서, 도 2 내지 4와 중복되는 부분에 대한 설명은 전술한 내용을 참조하고, 상이한 부분을 위주로 설명한다.

도 5의 구동 회로(3)는 도 2의 구동 회로(3)에 비해 바이어스 제어 회로(15), 바이어스 회로(16) 및 듀티 비 제어 회로(19)를, 도 3의 구동 회로(3)에 비해 바이어스 제어 회로(15) 및 바이어스 회로(16)를, 그리고 도 4의 구동 회로(3)에 비해 듀티 비 제어 회로(19)를 더 포함하는 것이 상이하다.

도 4 내지 5에서, 바이어스 회로(16)는, 스위칭 부분으로서, 다이오드(D5)의 음극 단자에서 바이어스 제어 회로(15)의 출력을 받고, 다이오드(D5)의 양극 단자는 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스(base)와 베이스 저항(R7)에 연결된다. 제2 트랜지스터(Q2)는 제1 트랜지스터(Q1)와 달링톤 연결되어 있으므로 트랜지스터(Q1)의 베이스 전류는 매우 작은 값으로 억제된다. 제2 트랜지스터(Q2)의 이미터(emitter)에는 저항(R8)이 연결된다. 바이어스 회로(15)의 전류는, 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스 전압, 제1 트랜지스터(Q1)와 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스-이미터 간 전압, 변압기(17)의 3차 권선(T3)을 정류 내지/및 평활화한 전원 전압과 저항(R8)에 의해 결정된다.

조광기(12)의 도통 위상각이 작은 경우, 정류기(13)의 출력전압 평균값은 작아지므로 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스 전압은 낮아지고, 반대로 조광기(12)의 도통 위상각이 큰 경우에는, 정류기(13)의 출력전압 평균값은 커진다. 여기서, 변압기(17)의 3차 권선(T3)을 정류 내지/및 평활화한 전압은, LED 모듈(2)의 순방향 전압과 비례 관계에 있어 거의 일정 값의 값이 된다. 따라서, 바이어스 회로(16)의 전류는, 조광기(12)의 도통 위상각이 증가할수록 감소하고, 바이어스 제어회로(15)의 출력 전압이 변압기(17)의 3차 권선(T3)을 정류 내지/및 평활화한 전압 이상의 값이 되는 경우에는 바이어스 회로(16)로는 전류가 흐르지 않게 된다.

변압기(17)의 2차 권선 T2의 단자(O1)는, 다이오드(D2)의 양극에 연결된다. 이때, 다이오드(D2)의 음극은 커패시터(C4)와 LED 모듈(2)의 플러스 단자에 연결된다.

LED 모듈(2)의 마이너스 단자는 변압기(17)의 2차 권선(T2)의 단자(O2)와 커패시터(C4)의 마이너스 단자에 연결된다.

스위칭 회로(14)가 오프되어 변압기(17)의 전류가 정지되면, 변압기(17)의 코어에 저장된 자기에너지가 전류로 변환된다. 이 전류는 2차 권선 (T2)의 다이오드(D2)를 통해 LED 모듈(2)로 공급된다. 더불어, 상기 전류로 인해 3차 권선(T3)에도 권선비로 정해지는 전압이 유기되어 다이오드(D1)를 통해 바이어스 회로(16) 및 커패시터(C3)로 공급된다. 커패시터(C4)는, LED 모듈(2)을 흐르는 전류를 평활화한다.

도 4 내지 5를 참조하면, 본 발명에 따를 경우, 스위칭 회로(14)를 고정 온타임의 CRM(임계 도통 모드) 동작시켜 저입력 전압시에도 스위칭 회로(14)를 정지시키거나 듀티 비를 낮추지 않고 동작시켜 조광기(12)가 정상 동작하기에 충분한 전류가 흐른다.

여기서, 조건에서는 입력 전압이 낮기 때문에 입력 전압의 평균값인 바이어스 제어회로(15)의 출력전압이 낮아져 LED 모듈(2)의 순방향 전압으로 거의 정해지는 3차 권선(T3)을 정류, 평활화한 전압인 바이어스 회로(16)의 단자(B1)의 전압보다 낮아진다. 따라서, 바이어스 회로(16)에 바이어스 제어회로(15) 출력과 바이어스 회로(16)의 단자(B1)의 전위차로 정해지는 전류가 흘러 전력이 소비된다. 그 결과, 바이어스 회로(16)에서 소비되는 전력만큼 LED 모듈(2)로 공급되는 전력이 저하되어 저전압 영역에서의 밝기를 억제할 수 있다.

바이어스 제어회로(15)와 바이어스 회로(16)의 조정에 의해 조광기(12)의 안정 동작을 확보하면서 낮은 전압 영역의 LED 모듈(2)의 전류를 적절히 설정할 수 있다.

도 6은 도 2 내지 5의 바이어스 제어 회로(15) 및 바이어스 회로(16)의 상세 회로 구성의 일 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 바이어스 제어회로(15)는 입력되는 전압을 분압하는 전압 센싱부와 분압된 전압을 평균 전압으로 평활화하는 평활화부를 포함하여 구성된다. 일 예로, 전압 센싱부는 입력 전압을 저항 소자(R5,R6)으로 구성된 분압 회로로 분압하고, 평활화부는 분압된 전압을 커패시터 소자(C5)로 평활화한다. 상기 평활화 과정을 통하여 분압된 전압은 평균값으로 변환된다. 이렇게 평균값으로 평활화된 전압은 바이어스 회로(16)로 출력된다.

도 7은 본 발명에 따른 바이어스 제어회로(15)의 회로 구성의 다른 예를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 바이어스 제어회로(15)의 회로 구성의 또 다른 예를 도시한 도면이다.

전술한 도 6의 경우에는, 바이어스 제어회로(15)는, 정류기(13)의 출력 전압의 평균값에 비례한 전압을 출력하도록 구성한 것이다.

이에 반해, 도 7의 경우에는, 바이어스 제어회로(15)는, 정류기(13)의 출력 전압의 피크 전압에 따른 전압을 출력하도록 구성할 수 있다. 또한, 도 8의 경우에는, 바이어스 제어회로(15)는, 조광기(122)의 온 위상 각에 비례한 전압을 출력하도록 구성할 수도 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태로 플라이백(flyback)형 회로를 기초로 일 실시 예로 설명했으나, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않음은 물론, 도 9와 같은 벅(buck)형 회로 내지 도 10 내지 11과 같은 벅-부스트(buck-boost)형 회로를 기초로 조명 장치를 구성할 수도 있다.

특히, 도 9 내지 11의 조명 시스템의 다른 예를 포함하여 본 발명에 따른 실시 예들에서는 도시된 바에 한정되지 않으며, LED 모듈, 변압기, 스위칭 회로, 바이어스 제어 회로 및 바이어스 회로 등은 형태나 시스템 내 배치를 다양하게 구성할 수 있으며, 그에 따라 관련 회로나 구성요소의 구성, 형태, 또는 배치도 다양하게 구성될 수 있다.

도 12는 본 발명에 따라 조광기(12)의 도통 위상각과 바이어스 제어회로(15)의 출력전압, 변압기(17)의 3차 권선(T3)을 정류, 평활화한 전압, 바이어스 회로 전류의 관계의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

본 발명에 따라 LED 모듈을 포함한 조명 장치와 조광기를 포함한 조명 시스템에서 조명 제어 방법의 일 예는, 상기 조광기를 통해 입력되는 교류 전원의 위상을 제어하여 출력하는 단계, 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 단계, 교류 입력 전원이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계, 정류된 전원을 변압하고 변압된 전압에 따라 LED 모듈의 구동을 위한 전류를 바이어스하는 단계, 및 LED 모듈을 구동시켜 광을 조사하는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 바이어스하는 단계는, 교류 입력 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변화되거나 LED 모듈의 구동 전압의 제한값이 상승되도록 바이어스할 수 있다.

그리고 상기 바이어스하는 단계는, 교류 입력 전압을 정류한 파형의 평균값, 피크 전압, 상기 조광기가 온되는 위상각 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

또한, 상기 조명 제어 방법은, 소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 상기 정류된 전원의 듀티 비를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 교류 입력 전압이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는, 상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는, 상기 정류된 전원이 듀티 비를 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어할 수 있다.

또한, 상기 교류 입력 전압이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는, 상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는, 상기 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하고, 상기 정류된 전원의 듀티 비는 조절하지 않도록 제어할 수 있다.

조광기(12)의 도통 위상각 제어 범위에는, 사용되고 있는 트라이액 소자 등의 제약으로 인해 한계가 있다. 일반적으로 출력 전압이 가장 낮아지는 조광 위상은 160도 정도로, 이때의 정류기(13)의 출력 전압 피크값은 상용 전원의 실효 전압 V에 대해, √2Vsin160deg이며, 상용 전원이 100V인 경우에는 48V 정도가 된다.

종래 백열 전구의 경우, 이러한 조건에서 입력 전압이 낮아 필라멘트 온도가 저하되어 발광 효율이 떨어져 매우 어둡게 점등된다.

이에 반해, LED의 경우에는, 전류가 저하되어도 발광 효율은 저하되지 않기 때문에 백열 전구와 동일한 비율로 전력이 저하되어도 상대적으로 백열 전구의 경우보다 밝기의 저하율이 작다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, LED를 광원으로 하는 조명 시스템에서도 조광기를 정상적으로 동작 가능하도록 함으로써 상기 조광기를 이용하여 조명을 제어할 수 있으며, 입력 전압에 따라 조명 장치에서 발생하는 깜박거림 현상을 감소시키거나 또는 전력의 소모를 줄일 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 저입력 전압 영역에서도 위상 제어 조광기를 정상 동작시키기에 충분한 전류를 안정적으로 흘릴 수 있으므로, LED 조명 장치와 위상 제어 조광기를 조합하는 경우에 발생할 수 있는 깜박거림 현상을 감소시키거나 또는 전류 바이어스 회로는 입력 전압에 반비례하여 전류를 변화시키도록 제어되므로 고입력 전압 영역이나 비조광 영역에서는 바이어스 회로 전류가 흐르지 않아 전력 소모를 줄일 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해돼서는 안 될 것이다.

그리고, 당해 명세서에서는 물건 발명과 방법 발명이 모두 설명되고 있으며, 필요에 따라 양 발명의 설명은 보충적으로 적용될 수가 있다.

1: 조명 장치 2: LED 모듈
3: 구동 회로 4: 케이스
5: 커버 6: 베이스
11: 전원부 12: 조광기
13: 정류기 14: 스위칭 회로
15: 바이어스 제어회로 16: 바이어스 회로
17: 변압기 18: 댐퍼 회로
19: 듀티 비 제어 회로

Claims (17)

1. LED 모듈;
   LED 모듈에서 발생되는 열을 방출하는 히트 싱크;
   입력되는 교류 전원을 정류하는 정류기;
   정류된 전원을 변압하는 주 권선과 보조 권선을 포함한 변압기; 및
   보조 권선을 통해 전달되는 입력 전압에 따라 LED 모듈을 구동하는 전류를 바이어스하는 전자 모듈;을 포함하고,
   상기 전자 모듈은, 교류 입력 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변화하도록 바이어스하는 조명 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전자 모듈은,
   교류 입력 전압에 반비례하는 LED 모듈의 구동 전압의 제한값이 높아지도록 바이어스하는 조명 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전자 모듈은,
   교류 입력 전압을 정류한 파형의 평균값에 의해 바이어스하는 조명 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전자 모듈은,
   교류 입력 전압을 정류한 파형의 피크 전압에 의해 바이어스하는 조명 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전자 모듈은,
   조명 장치의 밝기 제어를 위한 조광기가 온되는 위상각에 기초하여 바이어스하는 조명 장치.
7. 제1항에 있어서,
   소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 듀티 비를 조절하는 스위칭 회로;를 더 포함하는 조명 장치.
8. 제7항에 있어서,
   입력 전압에 따라 자동으로 출력을 저하시키는 댐퍼부;를 더 포함하는 조명 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면,
   상기 스위칭 회로의 온타임을 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어하고, 상기 댐퍼부는 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하는 조명 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 조명 장치는, 교류 입력 전압이 저하되면,
    상기 댐퍼부는 정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하고, 상기 스위칭 회로는 온 타임의 듀티 비를 조절하지 않도록 제어하는 조명 장치.
11. 조명 장치의 LED 모듈의 밝기를 조절하는 조광기; 및
    제1항의 조명 장치;를 포함하는 조명 시스템.
12. LED 모듈을 포함한 조명 장치와 상기 조명 장치의 조광 제어를 위한 조광기를 포함한 조명 시스템에서 조명 제어 방법에 있어서,
    상기 조광기를 통해 입력되는 교류 전원의 위상을 제어하여 출력하는 단계;
    출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 단계;
    입력 전원이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계;
    정류된 전원을 변압하고 변압된 전압에 따라 LED 모듈의 구동을 위한 전류를 바이어스하되, 상기 바이어스는 상기 변압되어 입력되는 전압에 반비례하여 바이어스 전류가 변화되도록 이루어지는 단계; 및
    LED 모듈을 구동시켜 광을 조사하는 단계;를 포함하여 이루어지는 조명 제어 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 바이어스하는 단계는,
    상기 LED 모듈의 구동 전압의 제한값이 상승되도록 바이어스하는 조명 제어 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 바이어스하는 단계는,
    상기 변압되어 입력되는 전압을 정류한 파형의 평균값, 피크 전압, 상기 조광기가 온되는 위상각 중 어느 하나에 기초하여 이루어지는 조명 제어 방법.
15. 제12항에 있어서,
    소정 주파수와 듀티 비로 온/오프를 반복하며 상기 정류된 전원의 듀티 비를 조절하는 단계;를 더 포함하는 조명 제어 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 입력 전원이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는,
    상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는,
    상기 정류된 전원이 듀티 비를 교류 라인 전류의 단속이 발생하지 않는 범위에서 감소시키도록 설정 및 제어하는 조명 제어 방법.
17. 제15항에 있어서,
    상기 입력 전원이 소정 범위 이하로 저하되는지 판단하는 단계는,
    상기 판단 결과 소정 범위 이하로 저하된 경우에는,
    정류 후의 전원 라인과 그라운드 사이에 연결시켜 출력을 저하시키도록 제어하고, 상기 정류된 전원의 듀티 비는 조절하지 않도록 제어하는 조명 제어 방법.

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