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KR101537990B1 - 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치 - Google Patents

스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치 Download PDF

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KR101537990B1
KR101537990B1 KR1020130064988A KR20130064988A KR101537990B1 KR 101537990 B1 KR101537990 B1 KR 101537990B1 KR 1020130064988 A KR1020130064988 A KR 1020130064988A KR 20130064988 A KR20130064988 A KR 20130064988A KR 101537990 B1 KR101537990 B1 KR 101537990B1
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led
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임춘택
이은수
천준필
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한국과학기술원
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Abstract

스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 개시한다.
총 고조파 왜율 및 역률 특성을 만족시키면서, 입력 전압보다 높은 주파수로 엘이디 모듈을 동작하여 결과적으로 점멸 현상이 낮아지도록 동작하는 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 제공한다.

Description

스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치{LED Lighting Apparatus}
본 실시예는 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 수동소자 필터를 이용하여 총 고조파 왜율(THD: Total Harmonic Distortion) 및 역률(Power Factor) 특성을 만족시키면서, 입력 전압보다 높은 주파수로 엘이디 모듈을 동작하여 결과적으로 점멸(Flickering) 현상이 낮아지도록 동작하는 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
엘이디(LED: Light Emitting Diode)는 전력 소모가 작고 반영구적으로 긴 수명을 가지며 기존의 형광등에 필적할 정도의 휘도(Brightness)특성을 갖는 장점이 존재하므로, 현재 활발한 연구가 이루어지고 있으며 차츰 조명 광원으로서 형광등을 대체하는 엘이디 조명등(엘광등)으로 널리 사용되고 있는 추세다.
한편, 미국 에너지 스타가 지정한 사람이 조명의 깜빡(Flickening)임을 인지할 수 없는 주파수는 120Hz 이상이다. 그러므로 엘이디를 사용하는 조명의 경우 120Hz보다 낮은 주파수로 구동시 사람이 조명의 깜빡임을 인식하여 사람 눈의 피로 및 작업효율이 낮아지는 문제가 발생한다.
LED 조명 장치와 관련된 기술은 한국공개특허 제2012-0078999호에 개시되어 있다.
본 실시예는 수동소자 필터를 이용하여 총 고조파 왜율 및 역률 특성을 만족시키면서, 입력 전압보다 높은 주파수로 엘이디 모듈을 동작하여 결과적으로 점멸 현상이 낮아지도록 동작하는 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 입력 전원의 양단에 직렬로 연결되어, 상기 입력 전원에서 발생한 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부; 상기 정류부의 양단에 직렬로 연결된 발광 다이오드 어레이(LED(Light Emitting Diode) Array)를 포함하며, 상기 정류부에서 발생한 출력 전압(V0)을 수신하여 동작하는 엘이디 부하회로; 및 상기 엘이디 부하회로의 일부와 병렬로 연결되며, 상기 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 스위칭하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치를 제공한다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 발광 다이오드 어레이는, 제 1 스위치(Q1)와 병렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n); 및 상기 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)와 직렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 1 발광 다이오드 어레이(n)를 포함한다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 제 1 스위치(Q1)는 상기 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)의 양단에 병렬로 연결된다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 제 1 스위치(Q1)는 상기 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온(On)으로 스위칭하여 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n이 되도록 한다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 스위칭부는 상기 출력 전압(V0)을 기 설정된 비율에 따라 센싱전압(VR2)으로 출력하는 전압 분배부; 상기 센싱전압(VR2)이 일정전압을 초과하여 인가되는 경우 온으로 스위칭하는 제 2 스위치(Q2); 및 상기 제 2 스위치(Q2)를 온 시키기 위한 제어 전압(VB2)을 기 설정된 전압 레벨로 설정하는 제너 다이오드(Zener Diode)부를 포함하며, 상기 제 1 스위치는 상기 제 2 스위치의 동작에 근거하여 온 또는 오프로 스위칭한다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 스위칭부는 상기 센싱전압(VR2)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 상기 제 1 스위치(Q1)가 온으로 스위칭되고, 상기 제 2 스위치(Q2)가 오프로 스위칭되어 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n이 되도록 하며, 상기 센싱전압(VR2)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 상기 제 1 스위치(Q1)가 오프로 스위칭되고, 상기 제 2 스위치(Q2)가 온으로 스위칭되어 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n + △n이 되도록 한다.
또한, 엘이디 조명 장치의 상기 제너 다이오드부는 기 설정된 일정전압에 따른 개수의 제너 다이오드를 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
또한, 엘이디 조명 장치는 상기 입력 전원에 직렬 또는 병렬로 연결되는 인덕턴스-캐패시턴스 소자를 추가로 포함하며, 상기 인덕턴스-캐패시턴스 소자는 상기 입력 전원에 직렬로 연결되는 인덕턴스 소자(L1)와, 상기 인덕턴스 소자(L1)와 병렬로 연결되는 제 1 캐패시턴스 소자(C1)와 상기 인덕턴스 소자(C1)와 직렬로 연결되는 제 2 캐패시턴스 소자(C2)를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 총 고조파 왜율 및 역률 특성을 만족시키면서, 입력 전압보다 높은 주파수로 엘이디 모듈을 동작하여 결과적으로 사람이 엘이디 모듈의 깜빡임을 인식할 수 없도록 하는 효과가 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 ≠ 0)가 0이 아닌 경우의 출력 전압, 출력 전력, 부하 전류 및 제어 전류를 나타낸 도면이다.
도 6은 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 = 0)가 0인 경우의 출력 전압, 출력 전력, 부하 전류 및 제어 전류를 나타낸 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
제 1 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치는 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120), 엘이디 부하회로(130) 및 스위칭부(140)를 포함한다. 제 1 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치가 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120), 엘이디 부하회로(130) 및 스위칭부(140)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 제 1 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 또는 변형하여 적용 가능할 것이다.
인덕턴스-캐패시턴스 소자(110)는 교류 전원에 직렬 또는 병렬로 연결된다. 즉, 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110)는 교류 전원에 직렬로 연결되는 인덕턴스 소자(L1)와, 인덕턴스 소자(L1)와 병렬로 연결되는 제 1 캐패시턴스 소자(C1)와 인덕턴스 소자(C1)와 직렬로 연결되는 제 2 캐패시턴스 소자(C2)를 포함한다. 여기서, 인덕턴스 소자(L1)에는 인덕터가 구현되고, 제 1 캐패시턴스 소자(C1) 및 제 2 캐패시턴스 소자(C2)에는 캐패시터가 구현될 수 있다. 이러한, 인덕턴스 소자(L1), 제 1 캐패시턴스 소자(C1), 제 2 캐패시턴스 소자(C2)는 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110)에 포함되어 고조파 필터(Harmonic Filter) 및 역률(Power Factor)을 만족시키는 회로를 구현한다.
정류부(120)는 교류 전원의 양단에 직렬로 연결되어, 교류 전원에서 발생한 교류 전류를 직류 전류로 정류한다. 여기서, 교류 전원은 입력 전원을 말하며, 입력 전원의 입력 전압(vs)은 60 Hz를 갖는다. 이때, 정류부(120)는 풀브릿지 정류기(Full Bridge Rectifier)가 사용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 정류부(120)와 병렬로 연결되는 캐패시터(C0)를 구비한다.
엘이디 부하회로(130)는 정류부(120)의 양단에 직렬로 연결된 발광 다이오드 어레이(LED(Light Emitting Diode) Array)를 포함하며, 정류부(120)에서 발생한 출력 전압(V0)의 발광 다이오드 어레이에 인가되어 발광 다이오드가 점등되도록 한다. 즉, 엘이디 부하회로(130)는 발광 다이오드 어레이를 포함하는데, 발광 다이오드 어레이는 복수의 발광 다이오드 그룹(예컨대, 제 1 발광 다이오드 그룹 내지 제 N 발광 다이오드 그룹)으로 이루어지며, 발광 다이오드 그룹에는 발광 다이오드 병렬로 연결되어 있다. 이때, 엘이디 부하회로(130)는 풀브릿지 정류기인 정류부(120)에 직렬 연결된 발광 다이오드 어레이를 사용하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 다이오드 어레이는 제 1 스위치(Q1)(142)와 병렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)와 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)와 직렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 1 발광 다이오드 어레이(n)를 포함한다.
스위칭부(140)는 엘이디 부하회로(130)와 병렬로 연결되며, 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 스위칭한다. 즉, 스위칭부(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)에 의해 생성된 센싱전압(VR2)이 일정전압보다 클 경우 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 한다.
한편, 제 1 실시예에 따른 스위칭부(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 목적으로 구현하는 회로도 구현 가능할 것이다.
제 1 실시예에 따른 스위칭부(140)는 제 1 스위치(Q1)(140)를 포함한다. 제 1스위치(140)는 발광 다이오드 어레이에 출력전압(V0) 인가 시 전압 분배부(210)의 분배저항(R1, R2)에 의해 분배된 센싱전압(VR2)이 일정전압보다 크거나 작을 경우 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 조절한다. 이때, 제 1 스위치(Q1)(140)는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)의 양단에 병렬로 연결된다. 또한, 제 1 스위치(Q1)(140)는 스위칭을 온/오프하기 위한 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 따른 제 1 제어 전류(iB1)로 동작한다. 여기서, 제 1 스위치(Q1)(140)는 스위칭 소자(Switching Element)로 구현된다.
이러한, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 제 1 제어 전압(VB1)이 인가되어 제 1 스위치(Q1)(140)를 온으로 동작하여 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 n으로 한다. 즉, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온(On)으로 스위칭하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 하는 것이다. 한편, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 오프로 동작하여 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 추가적으로 동작시킨다.
제 1 실시예에 따른 스위칭부(140)는 정류부(120)에서 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 저전압인 경우 엘이디 부하회로(130)에 부하 전류(iO)가 바이패스되도록 스위칭을 '온'으로 동작하고, 정류부(120)에서 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 고전압인 경우 엘이디 부하회로(130)에 부하 전류(iO)가 인가되도록 스위칭을 '오프'로 동작한다. 즉, 제 1 실시예에 따른 스위칭부(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 저전압인 경우, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작하여 부하 전류(io)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 바이패스되도록 하여, 결과적으로 엘이디 부하회로(130)에서 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132)만 발광하게 되는 것이다. 한편, 제 1 실시예에 따른 스위칭부(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 고전압인 경우, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되어 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 발광 다이오드가 발광하게 되며, 결과적으로 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132) 및 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134) 모두가 발광하게 되는 것이다.
도 2는 제 2 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
제 2 실시예에 따른 스위치 제어를 이용한 엘이디 조명 장치는 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120), 엘이디 부하회로(130) 및 스위칭부(140)를 포함한다. 여기서, 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120) 및 엘이디 부하회로(130)에 대한 설명은 제 1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치와 동일하므로, 그 기재를 생략한다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 엘이디 부하회로(130)와 병렬로 연결되며, 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 발광 다이오드 어레이 중 일부에 부하 전류(iO)가 인가 또는 바이패스되도록 스위칭한다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 전압 분배부(210), 제너 다이오드부(220), 제 2 스위치(Q2)(230) 및 제 1 스위치(Q1)(140)를 포함한다. 전압 분배부(210)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)을 기 설정된 비율에 따라 출력한다. 즉, 전압 분배부(210)는 분배 저항인 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)를 구비하며, 구비된 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)에 따라 수신된 출력 전압(V0)을 분배하여 출력하는 것이다.
제너 다이오드부(220)는 제 2 스위치(Q2)(230)를 온 시키기 위한 제어 전압(VB2)을 기 설정된 전압 레벨로 설정한다. 예컨대, 제너 다이오드부(220)는 센싱전압(VR2)를 10V와 같은 전압레벨로 증가시키기 위해 사용된다. 또한, 제너 다이오드부(220)는 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 증가하고자 제 2 스위치(Q2)(230)를 온으로 동작시키기 위한 전위는 일반적인 BJT의 경우 1V 내외로서 매우 작은 센싱전압(VR2)을 필요로 한다. 그러므로 제너 다이오드부(220)는 높은 센싱전압(VR2)에서 동작시키기 위해 제 2 스위치(Q2)(230)에 제너 다이오드를 직렬로 연결하여 10V와 같은 센싱전압레벨을 구현할 수 있다.
제 2 스위치(Q2)(230)는 센싱전압(VR2)가 일정전압 이상이 될 경우 제 2 제어 전압(VB2)에 턴온 전압 이상이 인가되어 턴온이 된다. 이때, 제 1 스위치(Q1)(140)는 제 2 스위치(Q2)(230)의 동작에 근거하여 오프로 스위칭한다. 한편, 제너 다이오드부(220)의 확인 결과 전압 분배부(210)로부터 출력된 전압이 기 설정된 일정전압 이하인 경우, 제 2 스위치(Q2)(230)는 오프로 스위칭하며, 제 1 스위치(Q1)(140)는 온으로 스위칭한다.
제 1 스위치(Q1)(140)는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)의 양단에 병렬로 연결된다. 또한, 제 1 스위치(Q1)(140)는 스위칭을 온/오프하기 위한 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 따른 제 1 제어 전류(iB1)로 동작한다. 이러한, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 근거하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 스위칭(즉, 온으로 동작)한다. 즉, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온으로 스위칭하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 하는 것이다. 한편, 제 1 스위치(Q1)(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되도록 하는 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 근거하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)로 인가되도록 스위칭(즉, 오프로 동작)한다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 고전압인 경우 제너 다이오드부(220)가 도통되므로, 제 2 스위치(230)인 'Q2'가 '온'이 되고, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'되는 것이며, 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 저전압인 경우 제너 다이오드부(220)가 도통되지 않으므로 제 2 스위치(230)인 'Q2'가 '오프'되고, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'되는 것이다. 보다 구체적으로 설명하자면, 스위칭부(140)는 출력 전압(V0)을 전압 분배부(210)에 포함된 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 따라 전압을 분배하고, 분배된 전압이 기 설정된 일정전압 초과하는 경우 제너 다이오드부(220)인 제어 다이오드가 도통되므로, 제 2 스위치(230)인 'Q2'가 '온'이 되고, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'되는 것이다. 한편, 출력 전압(V0)은 전압 분배부(210)에 포함된 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 따라 전압을 분배하고, 분배된 전압이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 제너 다이오드부(220)인 제어 다이오드가 도통되지 않으므로, 제 2 스위치(230)인 'Q2'는 '오프'되며, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'되는 것이다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 저전압인 경우, 제 2 스위치(230)인 'Q2'가 '오프'로 동작하며, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 바이패스되도록 하여, 결과적으로 엘이디 부하회로(130)에서 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132)만 발광하게 되는 것이다. 한편, 제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 고전압인 경우, 제 2 스위치(230)인 'Q2'가 '온'로 동작하며, 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되어 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 발광 다이오드가 발광하게 되며, 결과적으로 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132) 및 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134) 모두가 발광하게 되는 것이다.
한편, 제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 제 3 저항(R3)을 포함한다. 여기서, 제 3 저항(R3)은 제 2 스위치(Q2)(230)가 '오프'로 스위칭할 때, 제 2 스위치(Q2)(230)를 제어하기 위한 제 2 제어 전류(iB2)가 드라이빙할 수 있는 레벨까지 전류가 발생하도록 하며, 제 2 스위치(Q2)(230)가 '온'으로 동작할 때, 제 2 스위치가 단락되지 않도록 하는 역할을 한다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
제 1 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치는 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120), 엘이디 부하회로(130) 및 스위칭부`(310)를 포함한다. 여기서, 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120) 및 엘이디 부하회로(130)에 대한 설명은 제 1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치와 동일하므로, 그 기재를 생략한다.
스위칭부`(310)는 트랜지스터(Transistor)로 구현된 제 1 스위치`(312)를 포함한다. 이때, 스위칭부`(310)는 BJT(Bipolar Junction Transistor) 또는 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)로 구현 가능하다.
스위칭부`(310)는 엘이디 부하회로(130)와 병렬로 연결되며, 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 스위칭한다. 즉, 스위칭부`(310)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)에 의해 생성된 센싱전압(VR2)이 일정전압보다 클 경우 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 한다.
제 1 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 제 1 스위치`(312)를 포함한다. 제 1스위치`(312)는 발광 다이오드 어레이에 출력전압(V0) 인가 시 전압 분배부(210)의 분배저항(R1, R2)에 의해 분배된 센싱전압(VR2)이 일정전압보다 크거나 작을 경우 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 조절한다. 이때, 제 1 스위치`(312)는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)의 양단에 병렬로 연결된다. 또한, 제 1 스위치`(312)는 스위칭을 온/오프하기 위한 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 따른 제 1 제어 전류(iB1)로 동작한다.
이러한, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 제 1 제어 전압(VB1)이 인가되어 제 1 스위치`(312)를 온으로 동작하여 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 n으로 한다. 즉, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온(On)으로 스위칭하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 하는 것이다. 한편, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 오프로 동작하여 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 추가적으로 동작시킨다.
제 1 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 정류부(120)에서 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 저전압인 경우 엘이디 부하회로(130)에 부하 전류(iO)가 바이패스되도록 스위칭을 '온'으로 동작하고, 정류부(120)에서 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 고전압인 경우 엘이디 부하회로(130)에 부하 전류(iO)가 인가되도록 스위칭을 '오프'로 동작한다. 즉, 제 1 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 저전압인 경우, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '온'으로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 바이패스되도록 하여, 결과적으로 엘이디 부하회로(130)에서 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132)만 발광하게 되는 것이다. 한편, 제 1 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 고전압인 경우, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '오프'로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되어 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 발광 다이오드가 발광하게 되며, 결과적으로 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132) 및 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134) 모두가 발광하게 되는 것이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치를 나타낸 도면이다.
제 2 실시예에 따른 트랜지스터가 적용된 엘이디 조명 장치는 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120), 엘이디 부하회로(130) 및 스위칭부`(310)를 포함한다. 여기서, 인덕턴스-캐패시턴스 소자(110), 정류부(120) 및 엘이디 부하회로(130)에 대한 설명은 제 1 실시예에 따른 엘이디 조명 장치와 동일하므로, 그 기재를 생략한다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 전압 분배부(210), 제너 다이오드부(220), 제 2 스위치`(410) 및 제 1 스위치`(312)를 포함한다. 여기서, 스위칭부`(310)는 트랜지스터로 구현된 제 1 스위치`(312) 및 트랜지스터로 구현된 제 2 스위치`(410)를 포함한다. 이때, 스위칭부`(310)는 BJT 또는 MOSFET로 구현 가능하다.
제너 다이오드부(220)는 제 2 스위치`(410)를 온 시키기 위한 제어 전압(VB2)을 기 설정된 전압 레벨로 설정한다. 예컨대, 제너 다이오드부(220)는 센싱전압(VR2)를 10V와 같은 전압레벨로 증가시키기 위해 사용된다. 또한, 제너 다이오드부(220)는 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수를 증가하고자 제 2 스위치`(410)를 온으로 동작 시키기 위한 전위는 일반적인 BJT의 경우 1V 내외로서 매우 작은 센싱전압(VR2)을 필요로 한다. 그러므로 제너 다이오드부(220)는 높은 센싱전압(VR2)에서 동작시키기 위해 제 2 스위치`(410)에 제너 다이오드를 직렬로 연결하여 10V와 같은 센싱전압 레벨을 구현할 수 있다.
제 2 스위치`(410)는 센싱전압(VR2)가 일정전압 이상이 될 경우 제 2 제어 전압(VB2)에 턴온 전압 이상이 인가되어 턴온이 된다. 이때, 제 1 스위치`(312)는 제 2 스위치`(410)의 동작에 근거하여 오프로 스위칭한다. 한편, 제너 다이오드부(220)의 확인 결과 전압 분배부(210)로부터 출력된 전압이 기 설정된 일정전압 이하인 경우, 제 2 스위치`(410)는 오프로 스위칭하며, 제 1 스위치`(312)는 온으로 스위칭한다.
제 1 스위치`(312)는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)의 양단에 병렬로 연결된다. 또한, 제 1 스위치`(312)는 스위칭을 온/오프하기 위한 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 따른 제 1 제어 전류(iB1)로 동작한다. 이러한, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 근거하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 스위칭(즉, 온으로 동작)한다. 즉, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온으로 스위칭하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)를 바이패스하도록 하는 것이다. 한편, 제 1 스위치`(312)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되도록 하는 제 1 제어 전압(VB1)을 발생하고, 제 1 제어 전압(VB1)에 근거하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)로 인가되도록 스위칭(즉, 오프로 동작)한다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 고전압인 경우 제너 다이오드부(220)가 도통되므로, 제 2 스위치`(410)인 'Q2'가 '온'이 되고, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '오프'되는 것이며, 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 한 주기 내에서 저전압인 경우 제너 다이오드부(220)가 도통되지 않으므로 제 2 스위치`(410)인 'Q2'가 '오프'되고, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '온'되는 것이다. 보다 구체적으로 설명하자면, 스위칭부`(310)는 출력 전압(V0)을 전압 분배부(210)에 포함된 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 따라 전압을 분배하고, 분배된 전압이 기 설정된 일정전압 초과하는 경우 제너 다이오드부(220)인 제어 다이오드가 도통되므로, 제 2 스위치`(410)인 'Q2'가 '온'이 되고, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '오프'되는 것이다. 한편, 출력 전압(V0)은 전압 분배부(210)에 포함된 분배 저항인, 제 1 저항(R1), 제 2 저항(R2)에 따라 전압을 분배하고, 분배된 전압이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 제너 다이오드부(220)인 제어 다이오드가 도통되지 않으므로, 제 2 스위치`(410)인 'Q2'는 '오프'되며, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '온'되는 것이다.
제 2 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 저전압인 경우, 제 2 스위치`(410)인 'Q2'가 '오프'로 동작하며, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '온'으로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 바이패스되도록 하여, 결과적으로 엘이디 부하회로(130)에서 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132)만 발광하게 되는 것이다. 한편, 제 2 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 정류부(120)로부터 수신된 출력 전압(V0)이 한 주기 내에서 고전압인 경우, 제 2 스위치`(410)인 'Q2'가 '온'로 동작하며, 제 1 스위치`(312)인 'Q1'이 '오프'로 동작하여 부하 전류(iO)가 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 인가되어 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134)에 발광 다이오드가 발광하게 되며, 결과적으로 제 1 발광 다이오드 어레이(n)(132) 및 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)(134) 모두가 발광하게 되는 것이다.
한편, 제 2 실시예에 따른 스위칭부`(310)는 제 3 저항(R3)을 포함한다. 여기서, 여기서, 제 3 저항(R3)은 제 2 스위치(Q2)(230)가 '오프'로 스위칭할 때, 제 2 스위치(Q2)(230)를 제어하기 위한 제 2 제어 전류(iB2)가 드라이빙할 수 있는 레벨까지 전류를 발생하도록 한다.
도 5는 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 ≠ 0)가 0이 아닌 경우의 출력 전압, 출력 전력, 부하 전류 및 제어 전류를 나타낸 도면이다.
도 5는 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 ≠ 0)가 0이 아닌 경우 세 번의 사이클(Cycle) 동안의 교류 전압이 입력되는 경우의 출력 전압(V0), 출력 전력(P0), 부하 전류(iO) 및 제어 전류(iB)를 나타낸 도면이다. 캐패시터(C0 ≠ 0)가 0이 아닌 경우 출력 전압(V0)의 세 번의 사이클을 나타내므로, 120 Hz이며, 제어 전류(iB), 부하 전류(iO) 및 출력 전력(P0)은 360 Hz가 되는 것이다.
한편, 제 2 실시예에 따른 스위칭부(140)는 제 3 저항(R3)을 포함한다. 여기서, 여기서, 제 3 저항(R3)은 제 2 스위치(Q2)(230)가 '오프'로 스위칭할 때, 제 2 스위치(Q2)(230)를 제어하기 위한 제 2 제어 전류(iB2)가 드라이빙할 수 있는 레벨까지 전류를 발생하도록 한다.
도 5에 도시된 제어 전류(iB)는 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온', '오프'를 나타낸다. 즉, 출력 전압(V0)이 기 설정된 일정전압까지는 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작함으로써 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수는 n이 된다. 출력 전압(V0)이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'으로 동작한다. 이후 출력 전압(V0)이 다시 기 설정된 일정전압 이하로 떨어지는 경우 다시 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작함으로써, 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수는 n이 된다. 즉, 출력 전력(P0)은 CCM(Continuous Conduction Mode)으로 동작한다.
도 5의 첫 번째 그래프에서 출력 전압(V0) 한 주기 동안의 부하 전류(iO)에 대한 상승 곡선 중 피크(Peak)를 확인하는 경우, 두 번의 피크점과 두 번의 피크점 간의 반파를 확인할 수 있다. 즉, 120 Hz의 한 주기 내에서 세 배수('두 번의 피크점' 각각과 '두 번의 피크점 간의 반파')의 주파수로 동작한다는 것이므로, 전류와 시간축에서의 그 면적은 발광다이오드 어레이에 흐르는 총 전하량으로서, 전하량은 그 밝기의 크기를 의미한다. 따라서, '두 번의 피크점' 각각과 '두 번의 피크점 간의 반파'에 해당하는 면적이 동일(또는 거의 동일)하도록 동작되어야 한다.
도 6은 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 = 0)가 0인 경우의 출력 전압, 출력 전력, 부하 전류 및 제어 전류를 나타낸 도면이다.
도 6는 엘이디 조명 장치의 캐패시터(C0 = 0)가 0인 경우 세 번의 사이클 동안의 교류 전압이 입력되는 경우의 출력 전압(V0), 출력 전력(P0), 부하 전류(iO) 및 제어 전류(iB)를 나타낸 도면이다. 캐패시터(C0 = 0)가 0인 경우 출력 전압(V0)의 세 번의 사이클을 나타내므로, 120 Hz이며, 부하 전류(iO), 제어 전류(iB) 및 출력 전력(P0)은 360 Hz가 되는 것이다.
도 6에 도시된 제어 전류(iB)는 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온', '오프'를 나타낸다. 즉, 출력 전압(V0)이 기 설정된 일정전압까지는 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작하고, 이때, 부하 전류(iO) 및 출력 전력(P0)도 기 설정된 일정전압까지 상승함을 알 수 있다. 출력 전압(V0)이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '오프'으로 동작한다. 이후 출력 전압(V0)이 다시 기 설정된 일정전압 이하로 떨어지는 경우 다시 제어 전류(iB)에 의해 제 1 스위치(140)인 'Q1'이 '온'으로 동작한다. 즉, 출력 전력(P0)은 DCM(Discontinuous Conduction Mode)으로 동작한다.
도 6의 첫 번째 그래프에서 출력 전압(V0) 한 주기 동안의 부하 전류(iO)에 대한 상승 곡선 중 피크(Peak)를 확인하는 경우, 두 번의 피크점과 두 번의 피크점 간의 반파를 확인할 수 있다. 즉, 120 Hz의 한 주기 내에서 세 배수('두 번의 피크점' 각각과 '두 번의 피크점 간의 반파')의 주파수로 동작한다는 것이므로, 전류와 시간축에서의 그 면적은 발광다이오드 어레이에 흐르는 총 전하량으로서, 전하량은 그 밝기의 크기를 의미한다. 따라서, '두 번의 피크점' 각각과 '두 번의 피크점 간의 반파'에 해당하는 면적이 동일(또는 거의 동일)하도록 동작되어야 한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 인덕턴스-캐패시턴스 소자 120: 정류부
130: 엘이디 부하회로 140: 스위칭부
142: 제 1 스위치 210: 전압 분배부
220: 제너 다이오드부 230: 제 2 스위치
310: 스위칭부` 312: 제 1 스위치`
410: 제 2 스위치`

Claims (7)

  1. 입력 전원의 양단에 직렬로 연결되어, 상기 입력 전원에서 발생한 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부;
    상기 정류부의 양단에 직렬로 연결된 발광 다이오드 어레이(LED(Light Emitting Diode) Array)를 포함하며, 상기 정류부에서 발생한 출력 전압(V0)을 수신하여 동작하는 엘이디 부하회로; 및
    상기 엘이디 부하회로의 일부와 병렬로 연결되며, 상기 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 스위칭하는 스위칭부
    를 포함하되, 상기 스위칭부는 상기 출력 전압(V0)을 기 설정된 비율에 따라 센싱전압(VR2)으로 출력하는 전압 분배부; 상기 센싱전압(VR2)이 일정전압을 초과하여 인가되는 경우 온으로 스위칭하는 제 2 스위치(Q2); 및 상기 제 2 스위치(Q2)를 온 시키기 위한 제어 전압(VB2)을 기 설정된 전압 레벨로 설정하는 제너 다이오드(Zener Diode)부를 포함하며, 상기 발광 다이오드 어레이에 포함된 제 1 스위치(Q1)는 상기 제 2 스위치(Q2)의 동작에 근거하여 온 또는 오프로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드 어레이는,
    상기 제 1 스위치(Q1)와 병렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 m 발광 다이오드 어레이(△n); 및
    상기 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)와 직렬로 연결된 발광 다이오드들을 포함하는 제 1 발광 다이오드 어레이(n)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치(Q1)는,
    상기 제 m 발광 다이오드 어레이(△n)의 양단에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치(Q1)는,
    상기 출력 전압(V0)의 전압 레벨이 O부터 기 설정된 일정전압까지 온(On)으로 스위칭하여 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    상기 센싱전압(VR2)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압 이하인 경우 상기 제 1 스위치(Q1)가 온으로 스위칭되고, 상기 제 2 스위치(Q2)가 오프로 스위칭되어 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n이 되도록 하며,
    상기 센싱전압(VR2)의 전압 레벨이 기 설정된 일정전압을 초과하는 경우 상기 제 1 스위치(Q1)가 오프로 스위칭되고, 상기 제 2 스위치(Q2)가 온으로 스위칭되어 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 n + △n이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  7. 입력 전원의 양단에 직렬로 연결되어, 상기 입력 전원에서 발생한 교류 전류를 직류 전류로 정류하는 정류부;
    상기 정류부의 양단에 직렬로 연결된 발광 다이오드 어레이(LED(Light Emitting Diode) Array)를 포함하며, 상기 정류부에서 발생한 출력 전압(V0)을 수신하여 동작하는 엘이디 부하회로; 및
    상기 엘이디 부하회로의 일부와 병렬로 연결되며, 상기 출력 전압(V0)의 전압 레벨에 근거하여 상기 발광 다이오드 어레이에서 점등하는 발광 다이오드의 개수가 조절되도록 스위칭하는 스위칭부
    를 포함하되, 상기 입력 전원에 직렬 또는 병렬로 연결되는 인덕턴스-캐패시턴스 소자를 추가로 포함하며, 상기 인덕턴스-캐패시턴스 소자는 상기 입력 전원에 직렬로 연결되는 인덕턴스 소자(L1)와, 상기 인덕턴스 소자(L1)와 병렬로 연결되는 제 1 캐패시턴스 소자(C1)와 상기 인덕턴스 소자(C1)와 직렬로 연결되는 제 2 캐패시턴스 소자(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
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