KR101267957B1

KR101267957B1 - Ｌｅｄ조명 제어장치

Info

Publication number: KR101267957B1
Application number: KR1020120020452A
Authority: KR
Inventors: 한용현; 주응택
Original assignee: 주응택; 그린칩 주식회사
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-05-27
Anticipated expiration: 2032-02-28

Abstract

본 발명은 LED조명 제어장치에 있어서, 교류 입력 전원 전압을 정류하여 입력 전압 레벨에 따라 탭(TAP) 구조를 갖는 발광다이오드 어레이를 각기 다르게 스위칭함으로써, 고효율, 고역률, 저고주파 특성, 회로 및 구조의 단순함을 특성으로 하는 교류입력전원을 사용하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 LED어레이부와, LED어레이부의 각 LED의 점,소등을 제어하는 LED제어부로 구성된 LED조명 제어장치에 있어서, LED에레이부는 정류부로부터의 라인전압에 병렬로 연결되며, 다수의 LED가 직,병렬 연결된 다수의 LED그룹으로 구성되며, 각 LED그룹 사이에 탭이 형성되며, LED제어부는 상기 LED어레이부의 각 탭을 온/오프 스위칭하는 탭스위칭부; 신호제어부의 출력에 따라 정류부로부터의 라인전압과 LED어레이부의 각 탭으로부터의 LED제어부의 공급전원을 라인전압레벨에 따라 각기 다르게 공급받도록 스위칭하는 전원공급스위칭부; 정류부로부터 인가된 라인전압을 검출하는 라인전압검출부; 라인전압검출부의 기준전압을 비교하는 비교부; 비교부의 출력신호에 따라 전원공급스위칭부 및 전류제어부를 제어하는 신호제어부; 신호제어부의 제어신호에 따라 탭스위칭부를 제어하는 최대전류를 제어하는 전류제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ조명 제어장치 {Apparatus for Control of LED Lamp}

본 발명은 교류입력전원을 사용하는 발광다이오드(이하, LED라 칭함) 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 입력 전원 전압을 정류하여 입력 전압 레벨에 따라 탭(TAP) 구조를 갖는 발광다이오드 어레이를 각기 다르게 스위칭함으로써, 고효율, 고역률, 저고주파 특성, 회로 및 구조의 단순함을 특성으로 하는 교류입력전원을 사용하는 LED조명 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 조명장치는 상용화 시장에서 고효율, 고역률, 저고주파의 전기적 특성뿐 아니라, 조명장치의 고수명화, 저가격화, 부품의 간소화, 제작의 간편화, 친환경화등이 요구되고 있다.

이러한 시장의 요구 조건에 맞추어 조명 설계자는 다양한 광원를 사용하여 변화하는 조명시장에 대응하고 있으며 광범위한 조명장치 중 현재 LED 광원의 다양한 장점으로 인해 LED 조명시장이 확대되고 있으며 각광받고 있는 추세이다.

LED 조명장치를 구현하는데 있어서 기본적인 제어방식은 전압 제어방식과 전류제어방식으로 나눌수 있다.

전압제어방식은 하나 이상의 LED로 구성된 LED의 양단 전압을 제어하여 발광량을 제어하는 방식이다. 전류제어방식은 LED를 통해 흐르는 전류를 제어하여 발광량을 조절하는 방식이다. LED의 특성상 순방향시 LED 양단의 작은 전압 변화에 큰 전류 변화특성을 갖는다. 또한 온도에 따라 전압특성이 많이 변하므로 일반적으로 LED 조명 장치는 전류 제어방식을 주로 이용한다.

도 1은 종래기술에 따른 교류 입력 전원을 사용하는 기본적인 전압제어방식의 일 예로서, LED 양단의 전압을 검출하여 기준 전압과 비교하여 출력 전압을 일정하게 제어하는 방식이다. AC TO DC 변환 회로는 간단한 평활 회로부터 PFC IC를 이용한 복잡한 회로 등 다양하다.

캐패시터를 이용한 간단한 평활 회로의 경우 고역률 조명장치를 만들기가 힘든 단점이 있으며, PFC IC를 이용하는경우 역률은 좋아지나 회로가 복잡하고 많은 부품을 필요로 한다.

출력전압을 제어하는 방식중 리니어 방식의 경우 입력전압은 출력전압보다 커야하고 리니어 소자에서의 전력 손실이 발생하여 효율이 떨어지는 단점이 있다.

스위칭방식의 경우 효율은 좋아지나 회로가 복잡하고 고주파 특성이 발생하고 가격이 바싸지는 단점이 있다. 또한 전압 제어 방식은 LED 어레이에서의 발열시 동일한 출력 전압에서 전류 특성이 많이 변하므로 조명장치의 발열시 조명장치의 밝기가 변하는 단점이 있다..

도 2는 종래기술에 따른 교류 입력 전원을 사용하는 기본적인 전류제어방식의 일 예를 보인 블록 구성도로서, 전류제어방식은 LED 어레이에 흐르는 전류를 검출하여 LED 어레이에 흐르는 전류가 일정하도록 제어하는 방식이다.

이와 같은 전류제어 방식의 장점은 전류 제어방식보다 LED의 전기적 특성상 제어가 좀더 수월하며 LED 어레이에서의 발열에도 전류의 변화가 적어 조명장치의 밝기 변화가 적다는 장점이 있다.

도 3은 교류 입력 전원을 사용하는 통상적으로 가장 많이 적용되는 스위칭 방식을 이용한 전류 제어 조명 장치의 블록 구성도로서, LED 어레이에 흐르는 전류는 전류센서저항를 통해 전압 변환되며 변환된 전압과 연산증폭기의 기준전압과 비교하여 출력 전압을 제어하며 결론적으로 LED 어레이의 전류가 제어된다.

이와 같은 스위칭 방식의 조명장치는 고효율 특성을 갖는 장점이 있으나 회로가 복잡하고 부품가격이 크기 때문에 비교적 전력이 크고 고가의 조명장치에 널리 사용되고 있다.

도 4는 LED의 기본적인 전압, 전류 특성을 나타내는 일 실시예를 보인 그래프로서, 조명장치에 있어서 고려해야 될 중요 요소들로는 전력효율 및 광효율, 역률(PF), EMI, EMC, 조명장치의 수명, 가격, 부품의 간소화, 안정성, 조명의 감성적 느낌 등이 있으며, 조명 설계자들은 이러한 다양한 요소들을 고려하여 조명장치를 설계한다.

본 발명은 교류 입력 전원 전압을 정류하여 입력 전압 레벨에 따라 탭(TAP) 구조를 갖는 발광다이오드 어레이를 각기 다르게 스위칭함으로써, 고효율, 고역률, 저고주파 특성, 회로 및 구조의 단순함을 특성으로 하는 교류입력전원을 사용하는 LED조명 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 LED조명 제어장치는 공급된 교류전원을 전파정류하는 정류부로부터 공급된 라인전압에 의해 점,소등되는 LED어레이부와, 상기 LED어레이부의 각 LED의 점,소등을 제어하는 LED제어부로 구성된 LED조명 제어장치에 있어서, 상기 LED에레이부는 상기 정류부로부터의 라인전압에 병렬로 연결되며, 다수의 LED가 직,병렬 연결된 다수의 LED그룹(DG1~DGN)으로 구성되며, 상기 각 LED그룹 (DG1~DGN) 사이에 탭(TAP 1~TAP N)이 형성되며, 상기 LED제어부는 상기 LED어레이부의 각 탭(TAP 1~TAP N)을 온/오프 스위칭하는 탭스위칭부; 상기 정류부로부터 공급되는 라인전압의 전압레벨에 따라 상기 LED제어부의 전원공급 경로를 라인전압 또는 상기 각 탭 중 하나를 선택하여 공급되도록 변환스위칭하는 전원공급스위칭부; 상기 정류부로부터 인가된 라인전압을 검출하는 라인전압검출부; 상기 라인전압검출부의 기준전압을 비교하는 비교부; 상기 비교부의 출력신호에 따라 상기 전원공급스위칭부 및 전류제어부를 제어하는 신호제어부; 상기 신호제어부의 제어신호에 따라 상기 탭스위칭부를 온/오프되도록 제어하며 상기 탭스위칭부의 최대전류를 제어하는 전류제어부;;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 탭스위칭부와 상기 신호제어부 사이에 부가되며, 상기 탭스위칭부에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및 상기 전류검출부로부터의 과전류, 과전압 또는 과온도를 검출하고, 검출결과에 따라 상기 신호제어부를 제어하여 각 부 회로를 보호하는 보호회로부;를 더 포함하여 구성된다.

상기 정류부는 AC전원을 전파정류 변환출력하는 브릿지회로를 포함한다.

본 발명에 따른 LED조명 제어장치는 기존방식이 가지는 회로의 복잡함 및 과다한 부품사용 및 발광다이오드 조명장치 제어수단의 캐패시터, 인덕터 사용에 의한 사이즈 증대가 가져오는 조명장치의 효율적 설계의 어려움 등을 캐패시터, 인덕터의 사용없이 AC 입력전압의 넓은 범위에서 고효율, 고역률, 장수명, 부품의 간소화, 저가격화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 라인 입력전압에 따라 LED를 효율적으로 스위칭하여 제어장치의 저전력 소모가 되도록 탭스위칭부의 스위칭 소자가 LED어레이의 탭과 병렬구조로 되도록 구성함으로써, LED조명장치의 LED제어부에서의 전력소모를 극소화되도록 하여 조명장치의 고효율화가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 라인입력전원전압파형과 LED의 전류파형이 근사되도록 LED어레이를 구성하고 이를 적절하게 스위칭함으로써, LED조명장치의 고역률을 실현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 전류제어부의 설정값에 에 의하여 라인전압의 전압레벨에 따라 LED에 흐르는 최대전류를 조절할 수 있도록 하여 LED조명 제어장치의 LED의 고역률을 구현하였다.

또한, 본 발명에 의하면, 전원공급스위칭부를 통하여 입력전원전압의 레벨에 따라 전원공급부의 전원공급을 라인전압 및 각기 다른 탭을 통해 공급되도록 구현하여 LED조명 제어장치 전체의 전력 소모를 극소화를 실현함으로서 본 조명장치의 효율이 극대화 되는 효과가 있다.

도 1은 교류입력전원을 사용하는 기본적인 전압제어방식의 일 예를 보인 LED조명 제어장치의 블록도이다.
도 2는 교류입력전원을 사용하는 기본적인 전류제어방식의 일 예를 보인 LED조명제어장치의 블록도이다.
도 3은 교류입력전원을 사용하는 통상적으로 가장 많이 적용되는 스위칭 방식을 이용한 전류제어 조명장치의 블록도이다.
도 4는 발광다이오드(LED)의 기본적인 전압,전류 특성을 나타내는 일 예를 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교류입력전원을 사용하는 LED조명 제어장치를 도시한 도면이다.
도 6은 AC입력전압이 220V인 AC전압의 한주기를 정류한 라인전압을 나타낸 도 이다.
도 7은 라인전압검출부의 출력 파형을 나타낸 도이다.
도 8은 각 블록의 타이밍도이다.
도 9는 단일발광다이오드 V-I특성 및 N개의 직렬 그룹화된 발광다이오드어레이부의 각 그룹의 V-I특성 예이다.
도 10은 도 9의 특성을 갖는 발광다이오드어레이부를 구성하고 각 구간에서의 발광다이오드어레이부의 전류특성을 나타낸 도이다.
도 11은 각 라인전압구간에서의 전원전압공급부의 입력전압특성을 보인 도이다.
도 12는 전원전압공급부에 입력되는 전원소스를 라인전압에서만 받았을때 의 전압,전류 및 전력 특성을 보인 도이다.
도 13은 각각의 전류제어부 최대 전류 제한치를 다르게 구현했을 때의 특성을 나타낸 도이다.
도 14는 10% 과전압 인가시 과전압 보호가 되도록 설정한 전압 전류 특성을 나타낸 도이다.

본 발명의 실시예에 따른 LED조명 제어장치의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 실시예 따른 LED조명 제어장치의 블록 구성도로서, 공급된 교류전원을 전파정류 변환하는 브릿지회로(101)와, 브릿지회로(101)로부터 공급된 라인전압에 의해 점,소등되는 LED어레이부(110)와, 상기 LED어레이부(110)의 각 LED의 점,소등을 제어하는 LED제어부(120)로 구성된다.

상기 LED에레이부(110)는 상기 브릿지회로(101)로부터의 라인전압에 병렬로 연결되며, 다수의 LED가 직,병렬 연결된 다수의 LED그룹(DG1~DGN)으로 구성되며, 상기 각 LED그룹 (DG1~DGN) 사이에 탭(TAP 1~TAP N)이 형성된다.

상기 LED제어부(120)는 상기 LED어레이부(110)의 각 탭(TAP 1~TAP N)을 온/오프 스위칭하는 탭스위칭부(140)와, 상기 탭스위칭부(140)에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부(151)와, 상기 전류검출부(151)로부터의 과전류, 과전압 또는 과온도를 검출하고, 검출결과에 따라 각부 회로를 보호하기 위한 제어신호를 발생하는 보호회로부(152)와, 상기 LED제어부(120)로 공급되는 공급전원을 상기 브릿지회로(101)로부터 공급된 라인전압과 상ㄱ lLEDdjfpdlqn110)의 각 탭으로부터 공급되도록 변환스위칭하는 전원공급스위칭부(131)와, 상기 LED제어부(120)에 구동전원을 공급하는 전원공급부(132)와, 상기 브릿지회로(101)로부터 인가된 라인전압을 검출하는 라인전압검출부(133)와, 상기 라인전압검출부(133)의 기준전압을 비교하는 비교부(170)와, 상기 비교부(170)의 출력신호 및 상기 보호회로부(152)의 제어신호에 따라 상기 전원공급스위칭부(131) 및 전류제어부(190)를 제어하는 신호제어부(170)와, 상기 신호제어부(180)의 제어신호에 따라 상기 탭스위칭부(140)를 제어하며, 상기 탭스위칭부(140)의 최대전류를 제어하는 전류제어부(190)로 구성된다.

상기 탭스위칭부(140)는 LED어레이부(110)의 각 탭(TAP 1 ~ 3)과 전류검출부 사이에 병렬 접속된 각각의 탭스위치1 내지 3으로 구성되며, 상기 각 탭스위치는 전류제어부(190)에 의해 제어되도록 접속된다.

상기 비교부(170)는 상기 각 탭(TAP 1 ~ 3)을 제어하도록 비교기1 내지 3으로 구성되며, 각 비교기1 내지 3의 기준전압을 설정하는 비교기기준전압1 내지 3은 각 비교기1 내지 3에 따라 각기 다르게 설정되며, 변동설정 가능하도록 구성한다.

상기 신호제어부(10)는 상기 비교부(170)의 각 비교기1 내지 3로부터의 출력신호 또는 상기 보호회로부(152)로부터의 제어신호에 따라 상기 전류제어부(190)의 각 전류제어기1 내지 3을 제어하는 각 신호제어기1 내지 3으로 구성된다.

상기 전류제어부(190)는 상기 신호제어부(180)의 제어신호에 의해 상기 탭스위칭부(140)의 각 탭스위치1 내지 3을 온/오프 제어하고, 상기 각 탭스위치1 내지3의 최대전류를 제어하여 LED어레이부(110)의 최대전류를 제어하도록 상기 각 탭스위치1 내지 3에 일대일 대응하는 전류제어기1 내지 3으로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 LED조명 제어장치의 작용에 대하여 첨부된 도 5 내지 15를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED조명 제어장치의 블록구성도로서, 브릿지회로부(101)는 상용 교류전원(AC)를 전파정류하여 본 발명의 LED조명장치에 전원을 공급하는 라인전압을 출력한다.

상기 LED어레이부(110)는 상기 브릿지회로부(101)의 출력 라인전압에 의해 점등되며, 하나 이상의 LED를 직렬 및 병렬 접속하여 하나의 그룹으로 그룹핑된 각 LED그룹은 다수개(DG1~DG3)으로 구성된다.

이와 같이 그룹핑된 다수개(n)의 LED그룹(DG1~DGn)은 직렬접속하고, 직렬 접속된 각 그룹과 그룹사이에는 하나의 탭(TAP)구조를 갖는다.

예를 들어, LED그룹(DG1)과 LED그룹(DG2) 사이에 탭(TAP1)이 형성되고, LED그룹(DG n-1)과 LED그룹(DG n)사이에는 탭(TAP n-1)이 형성되며 마지막 LED그룹(DG n)의 캐소드단자는 탭(TAP n)이형성된다. 이와 같이 n개의 LED그룹(DG 1~n)에는 n개의 탭(TAP 1~n)이 형성된다.

여기서, LED그룹(DG)은 다수개(n)로 구성이 가능하며, 본 발명에서는 3개의 LED그룹(DG1~DG3) 및 각각의 탭(TAP1~TAP3)을 일 실시예로 설명한다.

상기 LED어레이부(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 LED어레이부(110)의 LED V-I 특성을 나타낸 도로서, LED의 직,병렬 조합에 의해 LED의 턴온전압 및 전압,전류 특성이 결정된다.

상기 전류검출부(151)는 LED어레이부(110)와 병렬접속된 탭스위칭부(140)를 통해 흐르는 LED어레이부(110)의 전류를 검출한다.

상기 탭스위칭부(140)는 LED어레이부(110)의 3개의 탭(TAP1~TAP3)과 상기 전류검출부(151) 사이에 각각 병렬접속된 3개의 탭스위치1 내지 3으로 이루어지며, 또한 이것은 각각의 전류제어기1 내지 3에 의해 온/오프 및 최대전류가 결정된다.

상기 전류제어부(190)는 상기 신호제어부(180)의 제어신호에 따라 각 탭스위치1 내지 3을 개별적으로 온/오프 되도록 제어하며, 각각의 탭스위치 1 내지 3의 최대전류를 제어하여 LED어레이부(110)의 각각의 탭(TAP1~TAP3)에 흐르는 최대전류를 제어하도록 각각의 탭스위치1 내지 3에 연결된 각각의 전류제어기1 내지 3으로 이루어진다.

상기 신호제어부(180)의 각 신호제어기1 내지 3은 각기 다른 3개의 비교부1 내지 3의 출력에 의해 각각의 전류제어기1 내지 3과 전원공급스위칭부(131)를 제어하도록 각각의 신호제어부로 이루어진다.

상기 비교부(170)는 가각의 신호제어부(180)와 각기 다르게 설정된 비교기기준전압1 내지 3과 라인전압검출부(133)의 출력과 비교출력하는 각 비교기1 내지 3으로 이루어진다.

상기 비교기기준전압부(160)은 상기 각 비교기1 내지 3에 대응하여 각기 다른 비교기 기준전압1 내지 3으로 설정되어진다.

상기 라인전압검출부(133)는 상기 브릿지회로(101)에서 정류된 고전압의 라인전압(AC110~220V)을 검출하여 전압 강하하고 각각의 비교기1 내지 3에 입력되도록 한다.

상기 전원공급스위칭부(131)는 각각의 신호제어부(180)의 출력에 따라 전원공급부(132)가 라인전압 및 각기 다른 탭(TAP1~TAP3)에 연결되도록 스위칭역활을 한다.

상기 전원전압공급부(132)는 상기 전원공급스위칭부(131)를 포함하여 본 발명의 각 회로에 구동전원을 공급하게 된다.

도 6은 브릿지회로(101)에서 정류 출력된 AC입력전압이 220V인 AC전압의 한주기를 정류한 라인전압을 나타낸 도이고, 도 7은 도 5에서 라인전압검출부(133)에서 검출된 전압 출력 파형을 나타낸다.

상기 브릿지회로(101)에서 정류된 라인전압의 피크전압은

가 되며, 상기 라인전압검출부(133)에 의해 1/100로 전압강하할 경우 라인전압검출부의 피크전압은 3.11V가 된다.

또한, 각각의 비교기1 내지 3의 기준전압원1 내지 3을 다음 수학식1이 되도록 일 실시예로 설정하고 동작설명을 하면 다음과 같다.

상기 브릿지회로(101)의 AC 전압이 전파정류된 사인파는 도 7에 도시된 바와 같이, 각 전압 구간에서의 동작을 설명하면, 라인전압이 0~103.7V 인 구간에서 비교기1의 기준전압은 1.04V가 되고, 상기 라인전압검출부(133)의 검출전압이 비교기1의 반전단자에 입력될 경우 비교기1 출력은 하이(HIGH)상태가 된다.

또한 비교기2 및 비교기3의 출력도 하이(HIGH) 상태가 된다.

이때 신호제어부(180)는 각 비교기1 내지 3의 출력이 모두 하이(HIGH) 상태일때, 탭(TAP1)을 스위칭하는 탭스위칭부(140)의 탭스위치1이 온(ON)되도록 상기 전류제어기1을 제어한다.

또한, 탭스위칭부(140)의 각 탭스위치2,3은 오프(OFF) 상태가 되도록 전류제어기2,3을 각각 제어한다. 이에 따라 LED그룹(DG1)이 발광하고, 전류경로는 LED그룹(DG1)과 탭(TAP1), 그리고 탭스위치1 및 전류검출부(151)를 통해 흐른다.

또한, 이때 전원전압공급부(132)가 라인전압에서 전원공급을 받도록 전원공급스위칭부(131)를 제어하고, 전원공급부(132)와 탭(TAP1, TAT2)와의 연결은 오프시킨다.

이어서, 라인전압이 103.7V~207.3V인 구간에서 설명하면, 비교기1은 로우(LOW) 출력을 보내고 비교기2,비교기3 출력은 하이(HIGH) 상태가 된다. 이때, 신호제어부(180)는 탭2(TAP2)를 스위칭하는 탭스위칭부(140)의 탭스위치2가 온(ON)되도록 전류제어기2를 제어한다.

이때, 탭스위치1 및 탭스위치3은 오프(OFF) 상태가 되도록 전류제어기2 및 전류제어기3을 제어한다.

이에 따라 전류는 LED그룹(DG1,DG2)과 탭2(TAP2), 탭스위치2 및 전류검출부(151)를 통해 흐르고, LED그룹(DG1,DG2)는 발광하게 된다.

또한, 이 전압구간에서 전원공급부(132)는 탭1(TAP1)에서 전원공급을 받도록 전원공급스위칭부(131)를 제어하고, 전원공급부(132)와 라인전압 및 탭2(TAP2)와의 연결은 오프시킨다.

상기 라인전압이 207.3V~311V인구간에서 설명하면, 비교기1 및 비교기2는 로우(Low) 출력을 내보내고, 비교기3은 하이(HIGH)를 출력한다. 이때, 신호제어부(180)는 탭3(TAP3)을 스위칭하는 탭위칭부(140)의 탭스위치3이 온 되도록 전류제어기3을 제어한다.

또한, 이때 탭스위치1 및 탭스위치2는 오프 상태가 되도록 전류제어기1 및 전류제어기2를 제어한다. 이에 따라 전류는 LED그룹(DG1,DG2,DG3)과, 탭3(TAP3),탭스위치3 및 전류검출부(151)를 통해 흐르고 LED그룹(DG1,DG2,DG3)는 발광하게 된다.

또한, 이 전압구간에서 전원공급부(132)는 탭2(TAP2)에서 전원전압을 받도록 전원공급스위칭부(131)를 제어하고, 전원공급부(132)와 라인전압 및 탭1(TAP1)과의 연결은 오프 한다.

이어서, 라인전압이 감소하면 위 과정을 역순으로 동일한 동작을 수행하게 된다.

이러한 과정을 거쳐 본 발명에서는 교류입력시 각각의 LED그룹(DG1~DG3)은 라인전압의 전압레벨에 따라 발광하게 된다.

위의 동작구간에서 LED어레이(110)를 제외한 LED제어부(120)에서의 전력소모는 탭스위칭부(140)의 스위칭소자와 제어회로의 구성요소에서 발생하게 된다.

본 발명은 그룹화된 LED그룹(DG1~DG3)의 각 탭(TAP1~TAP3)과 연결된 각각의 탭스위칭부(140)가 병렬구조로 이루어진 것을 특징으로 하며, 이러한 구조로 인해 각 탭(TAP1~TAP3)을 스위칭시 탭과 전류검출부(151)에 연결된 하나의 탭스위치만 온 상태를 유지함으로써, 스위칭소자에서의 전력소모를 최소화 하였다.

도 8은 각 블록의 타이밍도를 나타낸 것으로, 입력된 교류전원에 따라 비교부(170)의 각 비교기1 내지 3과 탭스위칭부(140)의 각 탭스위치1 내지 3의 타이밍도 이다.

도 9는 단일 LED의 V-I특성 및 N개의 LED가 직렬접속되어 그룹화된 LED어레이부의 각 그룹의 V-I특성 예를 보인 도이다.

도 10은 도 9의 V-I 특성을 갖는 LED어레이부를 구성하고, 각 구간에서의 LED어레이부의 전류특성을 나타낸 것이다.

도 11은 각 라인전압 구간에서의 전원공급부의 입력전압특성을 보인 것이다.

도 12는 전원공급부에 입력되는 전원소스를 라인전압에서 공급할 때와 본발명의 방법으로 공급할때의 전압전류 및 소비전력 특성을 보인다.

본 발명에서는 각 라인전압 구간별 전원공급부(132)에 입력되는 전원소스를 각각 달리 함으로서, 전원공급장치에서의 전력소모를 최소화되도록 구성하였다.

즉, 상기 전원공급부(132)는 LED제어부(120)에 전원공급을 라인전압을 통해서 받을 때보다 제어회로의 전력 소모를 현격히 줄이는 효과를 갖는다.

상기 설명한 3탭(TAP1~TAP3)구조의 LED조명장치의 경우 LED제어부(120)에서의 소모전류가 일정하다고 하면, 라인전압이 0~104V구간에서는 같은 전력이 소모되고, 104~207V 구간에서는 라인전압에서 직접 전원공급을 받을 때보다 1/2로 전력소모가 줄어든다.

마찬가지로 207~311V 구간에서는 1/3로 줄어든다. 본 발명의 전원공급방식의 특징은 라인전압이 높아져도 각 구간별로 전원공급을 받는 경로를 달리해서 LED제어부(120)에 의한 전력소모를 구간별로 일정하게 구현하는데 있다.

이것은 LED 이외의 제어회로에서의 전력소모를 극소화하여 본 발명에 따른 LED 조명장치의 효율을 극대화 하는 역할을 수행한다.

도 12에서 보이는 바와 같이 라인전압에서 전원공급받을 때와 상기 전원공급부(132)에 의해 전원공급받을 때, 채색된 부분만큼 소비전력이 감소함을 알 수 있다. 이것은 LED 이외의 전력소비를 극소화함으로써, LED 조명장치의 효율을 극대화시켜 고효율 조명장치 구현을 이룰 수 있다.

상기 전류제어부(190) 각각은 탭스위칭부(140)의 스위칭뿐만 아니라, LED의 최대전류를 제한하는 역할을 수행한다.

또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 각 LED그룹(DG1,DG2,DG3)의 구성을 동일하게 하고, 각 전류제어부의 최대전류를 '전류제어기3 > 전류제어기2 > 전류제어기1' 이 되도록 설정하였을 때의 파형도로서, 이것은 라인전압의 전압구간에 따라 최대 전류를 조정하여 고역률을 구현하는 방법의 예이다.

실험적으로, 각 LED그룹(DG1~DG3)을 동일하게 구성하고, 각 전류제어기1 내지 3의 최대 전류를 동일하게 구성하여, 20W급 LED조명장치를 구성하였을 경우에도 역률은 0.95 이상의 값을 실현하여, 고역률 조명장치를 구현하였다.

또한, 각 전류제어기1 내지 3의 최대전류를 위와 같이 조절할 경우 역률 0.97이상의 고역률 조명장치 구현이 가능하였다. 이러한 특성은 조명기기 규격을 충분히 만족한다.

상기 전류검출부(151) 및 보호회로부(152)는 LED의 과전류를 검출하여 설정된 전류보다 클 때 모든 탭스위칭부(140)를 오프시킴으로써, 과전류로 인한 조명장치의 파괴를 방지하기 위한 보호기능을 수행한다.

또한, 라인전압이 설계값보다 과전압이 입력될 때, 본 발명에서는 전류제어부(190)의 설정값에 따라 전류 제한이 이루어지도록 구성하였다.

상기 브릿지회로(101)의 교류입력전압이 230V일 경우 위에서 설정된 예로 들면, 라인전압이 311V 이상인 구간에서는 각 비교기1 내지 3의 출력은 로우(LOW)가되고, 이때 신호제어부(180)는 과전압 보호를 위해 각 탭(TAP1~TAP3)을 스위칭하는 탭위칭부(140)의 각각의 탭스위치1 내지 3이 오프 되도록, 각각의 전류제어부(190)를 제어하여 과전압에 의한 조명장치가 파괴되지 않도록 보호 동작을 할 수 있다.

이때, 모든 LED는 오프 상태가 된다. 이 전압구간에서 전원공급부(132)는 라인전압에서 전원전압을 받도록 전원공급스위칭부(120)를 제어하고, 전원공급부(132)와 탭1,탭2(TAP1, TAP3)과의 연결은 오프 시킨다.

이후 라인전압이 하강하여 라인전압이 207.3V~311V인 구간에서는 위에서 설명한 바와 같이 동작한다.

따라서, 비교기기준전압3의 설정값은 실제 교류입력의 마진을 생각하여 약간 높게 설정할 필요가 있다.

도 14는 10% 과전압 인가시 보호회로부(152)에 의해 각 회로가 과전압으로부터 보호 되도록 설정한 전압 전류 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 'A'는 전류제어부3에 의해 전류제한되는 시점의 라인전압이고, 'B'는 비교기3 기준전압에 의해 보호회로 동작되는 시점의 라인전압이다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 고효율을 구현하기 위해, 발광다이오드 이외의 제어회로에서 의 전력 소모를 최소화하기 위해서 탭스위칭부의 병렬 구조를 통해 탭스위칭소자에서의 전력소모를 최소화하였으며, 제어회로에서의 전력소모를 극소화하기위해 라인전압구간별로 제어회로의 전원공급루트를 달리함으로서 라인전압이 높아져도 제어회로에서의 전력소모를 최소화 되도록 구현하였다. 이렇게 함으로서 기존의 SMPS 구조의 조명장치보다 월등한 전력효율을 달성할 수 있다.

또한, LED조명장치의 고역률 및 낮은 THD 구현을 위해 탭구조를 갖는 LED 조명장치를 구현하여 이루었다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 SMPS 발광다이오드조명장치에서 발생되는 복잡한 제어회로 및 단수명의 전해캐패시터 사용에 의한 조명장치의 수명저하, 캐패시터 및 인덕터 등을 사용하므로써, 발생되는 제어장치의 사이즈 문제 등의 단점 없이 본 발명에서는 간단하게 제어회로를 구현하면서도 고효율, 고역률, 낮은 THD 실현이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 LED어레이부(110)를 제외한 LED제어회로(120)에서의 전력소모를 최소화한 구조로서 발광다이오드 조명장치의 광전환 효율을 극대화할 수 있으며, 라인전압의 전압파형과 거의 일치된 전류가 흐름으로서 고역률을 실현시킬 수 있다. 또한 제어회로의 간소화로 조명장치 설계시 기존의 SMPS 방식의 조명장치보다 가격경쟁력 및 조명장치 기구의 설계시에도 많은 장점을 갖는다.

101 : 브릿지회로부 110 : LED어레이부
120 : LED제어부 131 : 전원공급스위칭부
132 : 전원공급부 133 : 라인전압검출부
140 : 탭스위칭부 151 : 전류검출부
152 : 보호회로부 160 : 비교기기준전압부
170 : 비교부 180 : 신호제어부
190 : 전류제어부

Claims

공급된 교류전원을 전파정류하는 정류부로부터 공급된 라인전압에 의해 점,소등되는 LED어레이부와, 상기 LED어레이부의 각 LED의 점,소등을 제어하는 LED제어부로 구성된 LED조명 제어장치에 있어서,
상기 LED에레이부는,
상기 정류부로부터의 라인전압에 병렬로 연결되며, 다수의 LED가 직,병렬 연결된 다수의 LED그룹(DG1~DGN)으로 구성되며, 상기 각 LED그룹 (DG1~DGN) 사이에 탭(TAP 1~TAP N)이 형성되며,
상기 LED제어부는,
상기 LED어레이부의 각 탭(TAP 1~TAP N)을 온/오프 스위칭하는 탭스위칭부;
상기 정류부로부터 공급되는 라인전압의 전압레벨에 따라 상기 LED제어부의 전원공급 경로를 라인전압 또는 상기 각 탭 중 하나를 선택하여 전원공급부의 공급전원을 변환스위칭하는 전원공급스위칭부;
상기 정류부로부터 인가된 라인전압을 검출하는 라인전압검출부;
상기 라인전압검출부의 출력과 기준전압을 비교하는 비교부;
상기 비교부의 출력신호에 따라 상기 전원공급스위칭부 및 전류제어부를 제어하는 신호제어부;
상기 신호제어부의 제어신호에 따라 상기 탭스위칭부를 온/오프되도록 제어하며 상기 탭스위칭부의 최대전류를 제어하는 전류제어부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 탭스위칭부와 상기 신호제어부 사이에 부가되며,
상기 탭스위칭부에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부; 및
상기 전류검출부로부터의 과전류, 과전압 또는 과온도를 검출하고, 검출결과에 따라 각 부 회로를 보호하기 위한 제어신호를 발생하는 보호회로부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 탭스위칭부는 LED어레이부의 각 탭과 전류검출부 사이에 병렬 접속된 각각의 탭스위치로 구성되며, 상기 각 탭스위치는 전류제어부에 의해 제어되도록 접속된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전원공급스위칭부는 상기 신호제어부의 출력에 따라 상기 정류부로부터의 라인전압이 상기 LED어레이부의 각 탭으로부터 LED제어부의 전원공급을 라인전압레벨에 따라 각기 다르게 공급받도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 4 항에 있어서,
상기 전원공급스위칭부에 부가하여 LED제어부 및 전원공급스위칭부에 구동전원을 공급하는 전원공급부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 비교부는 상기 각 탭을 제어하도록 다수의 비교기로 구성되며, 각 비교기의 기준전압을 설정하는 기준전압부는 각 비교기에 따라 각기 다르게 설정되며, 변동설정 가능한 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전류제어부는 상기 신호제어부의 제어신호에 의해 상기 탭스위칭부의 각 탭스위치를 온,오프하고, 상기 각 탭스위치의 최대전류를 제어하여 LED어레이부의 최대전류를 제어하도록 상기 각 탭스위치에 일대일 대응하는 다수의 전류제어기로 구성된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 탭스위칭부, 전류제어부, 신호제어부, 비교부, 라인전압검출부, 전원공급스위칭부, 전원공급부가 하나의 집접회로로 구성된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신호제어부는 과전류, 과전압 또는 과온도를 감지하는 보호회로부로부터의 제어신호에 따라 상기 전원공급스위칭부를 제어하는 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.
제 9 항에 있어서,
상기 신호제어부는 상기 비교부의 각 비교기로부터의 출력신호 또는 보호회로부로부터의 제어신호에 따라 전류제어부의 각 전류제어기를 제어하는 각각의 신호제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LED조명 제어장치.