KR20130118426A

KR20130118426A - 발광다이오드 조명 기기를 위한 스위칭 전원 공급 장치 회로

Info

Publication number: KR20130118426A
Application number: KR1020120041254A
Authority: KR
Inventors: 김영안
Original assignee: 김영안
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-30
Also published as: KR101365307B1; WO2013157884A1

Abstract

본 발명은 발광다이오드(LED) 조명기기의 구동 전원 장치 회로에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드(LED) 조명 장치 회로에 있어서 기존의 종래 기술에서 사용하는 정류부 평활 콘덴서을 제거한 결과로 맥류 상태의 정류 출력을 그대로 양극 주전원 단자(Vd)로 사용하고 강압 초퍼(chopper) 스위칭 전원 회로에 있어서 발광다이오드(LED) 조명 부하(22)에 흐르는 최대 전류 감지를 위한 저항기(R8)에 전류 감지부 다이오드(D6) 및 충-방전 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3) 그리고 히스테리시스(hysteresis) 특성을 회로적으로 제공하는 저항기(Rh)를 조합한 회로와 접합형 트랜지스터(BJT:Bipolar Junction Transistor, Q3)의 베이스 바이어스 회로와 결합된 비교적 간단한 회로를 사용하여 매우 훌륭한 성능을 실현할 수 있는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로인 것이다.

Description

발광다이오드 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로 {AC-DC conversion switching power supply circuit for LED lighting equipment}

본 발명은 교류-직류 변환회로(AC-DC conversion circuit)를 가지는 발광다이오드(LED) 전원 공급 회로(power supply circuit) 및 그것을 이용한 조명장치(lighting equipment)에 관한 것이다.

에디슨이 전구를 발명한 이래 전기 조명은 인류의 생활에 매우 큰 편리함을 제공하였다. 이러한 전기 조명장치는 백열전구를 비롯하여 형광등 및 할로겐 램프에 이르기까지 조도를 비롯하여 전력의 효율성 측면에서 많은 발전을 거듭해왔다. 근래 들어서는 전자 및 반도체 기술의 발전으로 다양한 발광 소자들이 개발되고 있으며, 전류가 인가되면, 빛을 발광하는 발광다이오드(LED:Light Emitting Diode) 소자가 개발되어 많은 분야에서 사용되고 있다. 발광다이오드(LED) 소자는 신뢰성이 높고, 변조가 용이하며, 동작이 안정된다는 장점을 가지고 있으며, 이러한 장점으로 다양한 분야의 조명 기구, 예를 들어, 가로등 시스템의 조명 기구, 경관용 조명 기구, 실내용 조명 기구 등에 적용되고 있다. 이러한 발광다이오드(LED) 조명기기는 자연스러운 색체를 표현할 수 있고, 설치가 간단하며, 일반 백열등에 비하여 같은 밝기 대비 전력 소비량은 대략 10%에 불과한 장점이 있어서 고효율 전원 설계를 통하여 많은 전력을 절감할 수 있게 되어,사회적 측면에서 에너지 절약 측면에서 조명 기기가 발광다이오드(LED) 조명기기로 교체되고 있는 실정이다.

일반 교류전원은 주파수 50Hz 또는 60Hz 의 110V 또는 220V 가 많이 사용되며, 이들 교류 전원으로부터 발광다이오드(LED) 조명기기의 발광다이오드(LED) 소자를 구동시키는 방법은 크게 3가지로 구분된다.

1) 첫째는, 선형 방식으로 전압 및 전류를 제어하여 발광다이오드(LED) 소자를 구동하는 방식으로, 변압기를 사용하여 교류 전압을 강압 시킨 후 정류기를 통해 일정 수준의 직류 전원을 얻은 다음, 정전압 IC(Integrated Circuit)에서 출력된 일정한 전압에 발광다이오드(LED) 소자와 저항기를 연결하여 일정한 전류를 흐르게 하여 구동시키는 방식이며, 선형 정전류 방식은 정전류 IC를 이용하여 일정한 전류를 출력한다. 선형 방식은 구동 회로가 간단한 반면 주로 저항기에서 열의 발생으로인한 전력 효율이 낮은 단점을 가지고 있다.

2) 둘째는, 교류 입력 단자에 직렬로 콘덴서를 연결하여 이를 브리지 정류부에 가한 후 상기 콘덴서의 충방전 시에 직류 전원에 발광다이오드(LED) 소자와 저항기를 연결하여 입력 교류 전압의 평균치에 비례하는 평균 구동 전류를 흐르게 하여 구동시키는 방식이며, 이러한 방식은 초기 전원 인가 시에 돌입전류에 대한 문제와 입력 교류 전압의 변동에 따른 발광다이오드(LED) 소자의 밝기가 변동하는 단점을 가지고 있다.

3) 셋째는, 스위칭 방식으로 구형파의 온-오프(On-Off)의 듀티(Duty) 비를 이용하여 제어하는 방식으로, 펄스 폭 변조(PWM :pulse width modulation) 방식을 이용한 구동 방식으로 선형 방식보다 효율이 향상되어 발광다이오드(LED) 소자 이외의 부가적인 회로에서 발생되는 열을 줄일 수 있음으로 인하여 발광다이오드(LED) 소자의 수명을 향상시킬 수 있다. 그러나 현재 발광다이오드(LED) 조명기기의 구동 장치는 일반적으로 인버터(inverter)를 사용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 스위칭 전원 공급장치 (SMPS:Switching Mode Power Supply)방식을 취하고 있다. 기존 인버터 방식 스위칭 전원 공급장치를 이용하여 발광다이오드(LED) 조명기기의 구동 장치를 구현하는 경우에는 이미 설계 구현이 완성된 스위칭 전원 공급장치를 구동 장치에 적용해야 하기 때문에 스위칭 전원 공급장치로 인한 회로 설계가 어려우며, 스위칭 전원 공급장치가 이미 완성되어 있기 때문에 구동 장치를 포함하는 발광다이오드(LED) 조명기기의 모양을 다양하게 설계할 수 없고, 발광다이오드(LED) 조명기기를 설치할 때 구동 장치로 인해 그 설치 조건이 한정된다. 즉, 기존 스위칭 전원 공급장치를 이용한 구동 장치를 포함하는 발광다이오드(LED) 조명기기는 회로 설계 및 외형 설계가 어려우며 발광다이오드(LED) 조명기기를 설치할 수 있는 설치 조건이 한정되는 문제가 있다.

이러한 문제점들로 인하여 최근에는 발광다이오드(LED) 조명 전원 공급장치 회로로서 기존의 인버터방식의 스위칭 전원 공급장치(SMPS)를 탈피하여, 기존의 인버터 방식의 스위칭 전원 공급장치의 회로에 필수적인 수백 볼트의 고압 대용량 콘덴서와 동작 주파수가 대략 50KHz 전-후인 고주파 트랜스 등을 사용하지 않은 직접적인 교류-직류 변환 전원 장치 회로에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있어 발광다이오드(LED) 조명 소자의 구동에 적용시키려는 시도가 활발히 일어나고 있으며, 이에 대한 대표적인 선행 기술로서 일본 공개특허 JP 2010-178571호를 일예로 들 수 있다.

미국 특허 제 US7,626,342 호 미국 특허 제 US7,659,673 호 미국 특허 제 US7,737,643 호 미국 특허 제 US8,076,855 호 일본 공개특허 제 2010-040878 호 일본 공개특허 제 2010-178571 호 일본 공개특허 제 2010-182883 호 일본 공개특허 제 2011-049075 호 대한민국 공개 특허 제 10-2009-0077872 호 대한민국 공개 특허 제 10-2012-0002408 호 대한민국 특허 제 10-0860565 호 대한민국 특허 제 10-0880561 호 대한민국 특허 제 10-0954123 호 대한민국 특허 제 10-1003073 호 대한민국 특허 제 10-1028587 호 대한민국 특허 제 10-1029885 호

보다 더 상세한 설명을 위하여 종래 기술로서 도 1에 도시된 일본 공개특허 JP 2010-178571을 통해 본 발명에서 해결하고자하는 과제를 제시하고자 한다.

도 1에 도시된 종래 기술은 잡음 방지용 콘덴서(condenser) C1, C2와 라인 필터(line filter) LF를 포함한 입력 필터(input filter) 회로와, 입력 필터(input filter) 회로에 접속되어 교류 전압(alternating voltage)을 전파 정류(full-wave rectification) 하는 브리지 다이오드(bridge diode) DB와, 브리지 다이오드 (bridge diode) DB의 출력에 접속되어 맥류 전압을 평활 하는 1μF이하의 용량인 평활 콘덴서(smoothing capacitor) C3와, 평활 콘덴서(smoothing capacitor) C3의 양단에 접속되는 DC－DC변환 회로(conversion circuit)(여기에서는 강압 초퍼(chopper) 회로)와, DC－DC변환 회로(conversion circuit)의 출력에 접속되는 발광다이오드(LED) 발광부 2에 따라 구성되는 발광다이오드(LED) 전원 회로(power supply circuit)와, 라인 필터(line filter) LF와 브리지 다이오드 (bridge diode) DB간의 입력 전원 라인으로부터, 지면접지 FG에 대해서 콘덴서(condenser) C11~C13를 삽입해 전원 라인으로부터 지면접지 FG에 대한 총용량이 평활 콘덴서(smoothing capacitor) C3의 1／200 이하가 되도록 설정한 것을 특징으로 하고 있으며, 이에 대한 효과로서 입력 전원 라인에 전파 되는 고주파 잡음을 억제함과 동시에 공통 모드(common mode)의 낙뢰서지(lightning surge) 인가시의 정류 후 인가 전압(applied electromotive force)을 억제해 DC－DC변환 회로(conversion circuit) 제어 회로(control circuit)나 발광다이오드(LED) 소자의 파괴를 방지할 수 있는 효과가 있음을 주장하고 있다.

그러나 도 1의 종래 기술에서는 평활 콘덴서 C3의 용량 값을 1uF 이하(제시된 값은 0.23 uF)의 값을 권장하고는 있지만 220V 상용 교류전원의 경우 브리지 다이오드(DB) 이후 맥류 파형의 최고 직류 전압을 감안하면 보통 평활콘덴서 C3 의 내압은 400V 이상이 사용되는 것이 일반적이며, 이경우 고압의 콘덴서는 비교적 작은 용량 이라 하더라도 부품의 부피가 커지므로 부피 및 단가를 줄이기 위하여 일반적으로 전해콘덴서를 사용하게 된다.

그러므로 발광다이오드(LED) 조명장치와 같이 고온의 작동 환경 하에서는 보통 섭씨 105도의 동작 온도 특성을 갖는 고가의 전해콘덴서가 사용되는 것이 일반적이며, 수명 또한 일반 전해콘덴서가 2,000 시간 내외인 것에 비하여 발광다이오드(LED) 조명장치의 경우 10,000 시간 이상의 것이 사용되어 발광다이오드(LED) 조명 기기의 전체 수명 단축을 최소화 하려는 노력이 이루어지고 있다. 그러나 고가의 고온-장수명 전해콘덴서를 사용한다 하더라도 전해콘덴서의 수명에는 한계가 있어서 다른 부품들에 비하여 상대적으로 매우 짧은 수명 주기를 갖음으로 인하여 발광다이오드(LED) 조명장치의 전체 수명 단축에 지대한 영향을 미치게 됨을 피할 수 없게 된다.

또한, 도 1의 종래 기술에서는 제어부 1의 기능릉 구현하기 위하여 복잡한 제어회로를 반도체 집적회로(IC)로 제작하여 사용되는 것이 일반적이며, 이 경우 반도체 집적회로(IC) 설계 및 생산에 따른 초기 투자 비용이 많이 소요되며, 전문 반도체 생산 업체에서 상용 제품으로 나온 반도체 집적회로(IC) 부품을 사용하더라도 부품 단가가 비싸기 때문에 원가에 미치는 영향이 크다.

이러한 상기 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은, 발광다이오드(LED) 조명 장치 회로에 있어서 기존의 종래 기술에서 사용하는 정류부 평활 콘덴서을 제거한 맥류 상태의 정류 출력을 그대로 양극 주전원 단자(23)로 사용하고 강압 초퍼(chopper) 스위칭 전원 회로에 있어서 발광다이오드(LED) 조명 부하(22)에 흐르는 최대 전류 감지를 위한 저항기(R8)에 전류 감지부 다이오드(D6) 및 충-방전 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3) 및 히스테리시스(hysteresis) 특성을 회로적으로 제공하는 저항기(Rh)를 조합한 회로와 접합형 트랜지스터(BJT: Bipolar Junction Transistor, Q3)의 베이스 바이어스 회로와의 결합으로 비교적 간단한 회로를 사용하여 매우 훌륭한 성능을 실현할 수 있는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로인 것이다.

그러므로 본 발명은, 발광다이오드(LED) 조명 장치에 있어서 원가 상승 및 수명 단축의 핵심 원인이 되고 있는 전해콘덴서를 사용하지 않으며, 복잡하지 않고 비교적 간단한 스위칭 전원회로를 고안하여 저가의 적은 부품 만으로도 훌륭한 성능을 달성할 수 있도록 하여, 생산 원가를 크게 절감 시킬 뿐만 아니라 수명을 크게 연장 시킬 수 있는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로를 제공한다.

도 1은 종래 기술의 실시예를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로의 제 1 실시 예를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 바이어스 전원 공급부에 전하펌프 회로를 적용한 제 2 실시 예를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 반도체 온도보상 회로를 적용한 제 3 실시 예를 도시한 회로도.
도 5는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 차동증폭기 회로를 채택한 플리커링(flickering) 방지 회로를 적용한 제 4 실시 예를 도시한 회로도.
도 6는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 역저항 특성의 써미스터(NTC) 온도보상 회로를 적용한 제 5 실시 예를 도시한 회로도.
도 7는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 전자회로적인 상보형소자[complementary device]를 사용한 상보형회로[complementary circuit]가 적용된 제 6 실시 예를 도시한 회로도.
도 8은 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 주요 부위의 동작 파형를 상세히 도시한 파형도.

본 발명에 관한 상세한 기술적 설명을 도 2 내지 도8 에 도시된 도면들을 통하여 개시하도록 한다.

본 발명의 제 1 실시예로서 도 2에 도시된 바와 같이 입력 교류 전원(Vs)이 정류부를 통과하여 회로 접지(G) 및 맥류 형태의 양극 주전원 단자(Vd)를 갖는 전원부가 형성되며, 상기 양극 주전원 단자(Vd)는 적어도 한개 이상의 강압 초크코일(L2)과 발광다이오드(LED) 조명 부하(22)가 직렬로 연결되는 직렬 부하 회로부에 결선되고 상기 부하 회로부와 회로 접지(G) 사이에 적어도 한개 이상의 전계효과 트랜지스터 또는 접합형 트랜지스터로 이루어지는 반도체 스위칭 소자(Q1)가 구비되며, 상기 양극 주전원 단자(Vd)와 반도체 스위칭 소자(Q1) 사이에 회생(free wheel) 다이오드(D4)가 회로적으로 존재하여 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 드레인 단자 또는 콜렉터 단자에는 상기 회생 다이오드(D4)의 애노드 단자가 결선되고 상기 양극 주전원 단자(Vd)에는 회생 다이오드(D4)의 캐소드 단자가 결선 되며,상기 양극 주전원 단자(Vd)와 회로 접지(G) 사이에 저항기(R1)와 콘덴서(C1)가 직렬로 결선되어 콘덴서 양단을 통하여 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 바이어스 회로 전원 Vcc가 제공될 때, 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 소스(Source) 단자 또는 에미터(Emitter) 단자와 회로 접지(G) 사이에는 직렬로 전류 검출용 저항기(R8)가 구비되고 상기 전류 검출용 저항기(R8)의 일단과 상기 스위칭 반도체 소자(Q1)와의 결선 노드에는 전류 검출부 다이오드(D6) 애노드(Anode) 단자가 연결된 후 전류 검출부 다이오드(D6)의 캐소드(Cathode) 단자와 회로 접지(G) 사이에 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3)가 구비된 후 상기 전류 검출부 다이오드와 콘덴서의 결선 노드는 상기 반도체 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로로서 저항기 R5,R6 및 R7으로 구성되는 회로에 연결되고 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 콜렉터 단자는 상기 스위칭 반도체 소자(Q1)의 게이트(Gate) 단자 또는 베이스(Base) 단자의 바이어스 공급회로와 결선될 때, 상기 직렬 부하 회로부의 임의의 노드와 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로 사이에 회로적으로 히스테리시스(hysteresis) 특성을 제공하는 저항기 Rh가 구비됨을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로가 개시되어 있다.

도 2의 실시예에서 보다 상세하게는, 전원 스위치(SW1) 와 과전류 차단 퓨즈(F1)를 각각 거친 교류 입력 전원(Vs)는 과전압 써지 흡수 소자인 바리스터(Z1)를 병렬로 거친 후에 브리지 다이오드(DB1)의 교류 입력부를 거처서 맥류 형태의 양극 주전원 단자(Vd)와 회로 접지(G)를 제공하게된다. 브리지 다이오드(DB1) 정류부는 양파정류(또는 전파정류) 파형을 제공하기 위한 회로로서 한 개의 일체형 브리지 다이오드 소자 또는 일반 정류 다이오드 4개를 조합하여 구성될 수 있으며, 정류부는 정류다이오드 1개로 구성된 반파 정류회로를 사용하여 구성되어도 무방하다. 정류부를 거친 양극 주전원 단자(Vd)는 저항기(R1) 및 콘덴서(C1)를 통해 전압 강하 및 평활 단계를 거쳐 바이어스 전원 VCC를 제공하며, 이때 제너다이오드(D3)를 통해 저항기 스위칭 반도체 소자(Q1)의 최대 바이어스 전압 크기를 제한하여 소자의 파괴를 막는다. 여기서 스위칭 반도체 소자(Q1)는 전계효과 트랜지스터(FET)가 사용되는 것이 일반적이지만 경우에 따라서는 접합형 트랜지스터(BJT)가 사용될 수도 있다. 이때 스위칭 반도체 소자(Q1)의 게이트 단자 또는 베이스 단자에 온-오프(On-Off) 제어 신호가 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)에 의해 바이어스 저항 R2를 통해 스위칭 반도체 소자(Q1)에 제공된다. 이와 같이 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)가 정상적으로 동작하기 위하여는 베이스 단자에 적절한 바이어스 회로가 구비되어야 한다. 이 바이어스 회로는 저항기 R5 와 R6 및 R7(콘덴서 C3의 방전 시간 설정용 저항기)로 이루어져 있으며, 콘덴서 C3의 정전 용량 값에 따라 저항기 R5 또는 R7의 경우는 생략되어 적용될 수 있다. 전류 검출부 다이오드(D6)는 스위칭 반도체 소자(Q1)가 온(On) 상태일 때에 전류 검출용 저항기(R8)를 통해 흐르는 부하전류치에 비례하는 전압을 받아서 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3)에 전하를 충전하여 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 바이어스 회로를 통하여 바이어스 전원을 공급하게 된다. 이때 전류 검출용 저항기(R8)를 통해 흐르는 부하전류의 값이 최대 설정치에 도달하게 되면 그에 거의 비례하는 전압이 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3)에 충전된 전하를 통해 나타나게 되고, 이 전압에 의해 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 작동이 온(On) 상태로 바뀌면서 스위칭 반도체 소자(Q1)의 게이트 전위 제어 또는 베이스 전류 제어를 통해 상기 스위칭 반도체 소자(Q1)가 오프(Off) 상태로 바뀌게 된다. 스위칭 반도체 소자(Q1)가 오프(Off) 상태로 바뀌게 되면 전류 검출용 저항기(R8)를 통해 흐르던 부하전류는 차단되어 상기 회생 다이오드(D4)로 회귀하고 상기 전류 검출용 저항기(R8) 양단간의 전위차는 거의 영(zero) 볼트(V)에 가깝게 떨어진다. 이때 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3)에 충전된 전하가 전류 검출용 저항기(R8)를 통해 역으로 급속히 방전되는 것을 차단하는 역할을 전류 검출부 다이오드(D6)가 담당하고, 이때 전류 검출부 다이오드(D6)는 순방향 전압이 낮은 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)가 사용되는 것이 바람직하며, 전류 검출부 충방전 콘덴서(C3)는 오로지 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 바이어스 회로를 통하여만 방전이 이루어지면서 일정 시간 동안 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 온(On) 상태를 유지시켜서 결과적으로 상기 스위칭 반도체 소자(Q1)의 오프(Off) 상태 시간인 Toff 값을 결정하게된다. 이와 같이 Toff 값이 존재하기 위하여는 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 바이어스 회로에 히스테리시스(hysteresis) 특성이 부여되어야 하는데, 이를 위하여 스위칭 반도체 소자(Q1)의 드레인 단자 또는 콜렉터 단자와 양극 주전원 단자(Vd) 사이에 위치한 직렬 부하 회로부의 임의의 노드와 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로 사이에 히스테리시스(hysteresis) 특성을 제공하는 저항기 Rh가 구비되며, 이 Rh 저항치 값이 클 수록 Toff 시간은 작아지게 된다. 또한 스위칭 반도체 소자(Q1)의 안정적인 스위칭 동작을 위하여, 도 2의 실시예에서는 이러한 회로적인 히스테리시스(hysteresis)의 크기를 일정하게 제공하기 위한 정전압 회로가 저항기 R4와 제너다이오드 D5로 구성되어 저항기 Rh에 제공되고 있다.

그리고, 도 2의 본 발명에 의한 제 1 실시예에서는 생략되어 있지만 과전압 써지 흡수 소자인 바리스터(Z1)와 브리지 다이오드(DB1) 교류 입력부 사이에 일반적으로 잘 알려진 회로로서 라인필터 회로를 부가하여 노이즈의 유입 및 유출을 일정 부분 만큼 감쇄시킬 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예로서, 도 3에 도시된 바와 같이,본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 상기 직렬 부하 회로부의 일단으로부터 전하 펌프 기능을 위한 콘덴서(C2)와 인덕터(L1)가 직렬 회로로 구성된 후 적어도 한 개 이상의 전하 펌프 충전용 다이오드(D1)의 애노드 단자와 전하 펌프 방전용 다이오드(D2)의 캐소드 단자와 함께 결선될 때, 상기 전하 펌프 충전용 다이오드(D1)의 캐소드 단자가 상기 바이어스 회로 전원 Vcc와 결선되고, 다른 전하 펌프 방전용 다이오드(D2)의 애노드 단자는 회로 접지(G)와 결선됨을 특징으로 하는 부가적인 회로도가 개시되어 있다.

상기 도 3에 도시된 회로는, 스위칭 반도체 소자(Q1)에 있어서 전계효과 트랜지스터(FET)가 사용되는 경우 게이트 정전 용량에 기인하거나 또는 접합형 트랜지스터(BJT)가 사용되는 경우 충분한 베이스 구동전류의 필요성 등으로 인하여 스위칭 속도를 향상시키기 위하여 바이어스 저항 R2 에 흐르는 전류치가 수 밀리 암페어(예컨데 10 mA 내외)를 충족시켜야될 필요가 있기 때문에 기존에 고압의 양극 주전원 단자(Vd)로부터 저항기 R1을 통한 전압 강하시 낭비되는 전력을 막기 위하여 상기 콘덴서 C2 및 인덕터 L1 과 다이오드 D1 내지 D2로 구성되는 전하 펌프 회로가 사용되게 된다.

본 발명의 제 3 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이,본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 상기 전류 검출부 다이오드(D6)의 캐소드 단자와 회로 접지(G) 사이에 온도 보상용 다이오드(D31) 및 접합형 트랜지스터(Q31) 회로가 존재할 때, 다이오드(D6)는 접합형 트랜지스터(Q31)의 베이스 단자에 저항기(R31)와 직렬 회로를 통하여 바이어스 회로를 제공하며 접합형 트랜지스터(Q31)의 에미터 단자는 회로 접지(G)와 결선되고 콜렉터 단자는 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로에 연결됨을 특징으로하는 회로가 개시되어 있다.

상기 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 3 실시예는 상기 전류 검출부 다이오드(D6) 및 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)에 대하여 각각의 소자의 동작 온도가 상승함에 따라 변하는 동작 특성을 보상하기 위한 목적을 가지고 있다. 이 경우 전류 검출부 다이오드(D6)는 소자의 온도가 상승함에 따라 일반적으로 같은 동작 전류 대비 순방향 전압 특성이 감소하는 성질을 가지고 있으며, 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 경우도 마찬가지로 소자의 온도가 상승함에 따라 베이스 에미터간 전압 특성치가 같은 동작 전류 대비 감소하는 특성을 가지고 있다. 그러므로 온도 보상용 다이오드(D31)은 상기 전류 검출부 다이오드(D6)와 같은 전기적 온도 동작 특성을 갖는 소자가 사용되는 것이 바람직하며, 온도 보상용 접합형 트랜지스터(Q31)도 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)와 같은 전기적 온도 동작 특성을 갖는 소자가 사용되는 것이 타당하다. 이러므로 도 4의 실시예에서는, D6 및 Q2 의 소자가 동작 온도의 상승으로 인하여 낮아진 동작 전압 특성에 기인하여 R8 을 통하여 검출되는 전류 검출치 전압이 낮은 상태 즉, 부하 전류의 최대치가 작은 상태에서 Q1의 스위칭 동작이 이루어지는 것을 보상하여 주변 온도 변화에 따른 부하 전류의 평균치 값이 변하는 것을 방지하게 된다.

본 발명의 제 4 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이,본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로와 결선되는 차동 증폭기 회로(51)가 존재할 때, 상기 맥류 형태의 양극 주전원 단자(Vd)로 부터 저항기 R41 내지 R42 를 통하여 전압 분할을 거친 후 정류 다이오드(D41)를 통과하여 평활 콘덴서(C41) 및 방전 저항기(R43)의 병렬 회로를 통하여 상기 양극 주전원(Vd)에 대한 평균 전위(Vavg) 감지부 회로를 이루어 상기 차동 증폭기 회로(51)의 제 일 입력단에 결선되며, 상기 바이어스 회로 전원 Vcc로부터는 저항기 R47 내지 R48 을 통하여 전압 분할 및 평활 콘덴서(C42)를 통한 기준 전위(Vref) 제공 회로를 이루어 상기 차동 증폭기 회로의 제 이 입력단에 결선됨을 특징으로하는 회로도가 상세히 개시되어 있다.

상기 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 4 실시예는 입력 교류 전원(Vs)의 평균 전압이 변동하여 발광다이오드 조명 부하(22)의 밝기가 변하는 것을 회로적인 보상으로 방지하며, 특히 입력 교류 전압(Vs)의 변동주기가 30 헤르츠(Hz) 이하에서 밝기에 있어서 일반 백열 전구와 달리 민감하게 반응하는 발광다이오드(LED) 조명 부하(22)가 주기적인 떨림 현상을 갖게 되면 인체의 시각 기관이 이를 인지하기 시작하는데 이를 플리커링(flickering)이라 하며 이를 방지하는 것에 효과가 있다. 이때 보상하고자 하는 플리커링(flickering) 주파수 설정은 콘덴서 C41과 저항기 R43의 시정수 값에 좌우되며, 바람직하게는 20 헤르츠(Hz) 전후로 설정되는 것이 좋다. 상기 차동 증폭기 회로(51)는 연산증폭기(OP-Amp)등의 집적회로(IC) 형태의 부품을 사용하여도 무방하며, 그 실시예는 이분야 통상의 지식을 가진 기술자라면 주지의 사실이므로 생략하기로한다.

도 6은 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 제 5 실시예를 나타내는 것으로, 상기 반도체 스위칭 소자(Q1)의 온-오프(On-Off) 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 바이어스 공급회로 내의 임의의 노드와 회로 접지(G) 사이에 온도 보상용 역저항 특성의 써미스터(NTC) 및 저항기(R51)가 직렬 회로를 구성하여 구비됨을 특징으로하는 회로가 개시되어 있다. 상기 도 6의 실시예는 도 4에 도시한 온도 보상 회로의 또 다른 실시 예를 나타낸 것으로서, 온도 역저항 특성을 갖는 써미스터(NTC) 즉, 일반적으로 엔티씨(NTC)라 불리는 소자를 적용한 회로이다. 여기서 온도 역저항 특성을 갖는다는 것은 소자의 온도가 상승함에 따라 저항 값이 감소하는 특성을 갖는다는 뜻으로서 일정 온도 구간에서의 NTC의 저항값 감소율과 직렬 저항기 R51과의 조합으로 Q2에 흐르는 바이어스 전류를 보상하여 온도 변화에 따른 D6 내지 Q2의 동작점 변화에 기인한 Q1의 스위칭 동작 불균일을 안정화시킬 수 있다.

도 7은 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서 제 6 실시예를 나타내는 것으로, 도 2에 도시된 제 1 실시예인 회로에 대응하는 전자회로적 상보형소자[complementary device]를 사용한 상보형회로[complementary circuit]가 대신 사용된 회로도가 개시되어 있다. 상기 도 7의 실시예에서 상보형소자[complementary device]라 함은 전계효과트랜지스터(FET)의 경우 N-채널 소자와 P-채널 소자를, 또한 접합형 트랜지스터(BJT)의 경우에는 NPN 형 소자와 PNP형 소자를 각각 상호간 일컬을 때 사용되며 이들 각각의 소자는 전기적 동작 극성은 정 반대이나 다른 특성들은 거의 동일하게 제조된다. 그리고 상보형회로[complementary circuit]라 함은 위 상보형소자[complementary device]를 사용하여 원래의 회로에서 전기적 극성을 반대로하여 설계된 회로를 말하며, 주로 극성을 갖는 부품들의 결선이 반대로 이루어 지게 된다. 대표적인 극성 부품으로는 다이오드와 전해콘덴서 및 탄탈륨 콘덴서 등을 예로 들 수 있다.

이와 마찬가지로 도 3 내지 도 6의 모든 실시예에 나타난 회로 역시 각각에 대응하는 전자회로적 상보형소자[complementary device]를 사용한 상보형회로[complementary circuit]가 대신 사용되어 적용될 수 있다는 사실은 이 분야에 종사하는 통상의 기술을 가진 기술자라면 쉽게 이해될 수 있는 부분이므로 상세한 실시 예를 생략하기로 한다.

도 8에는 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로에 있어서, 주요 부위인 입력 교류 전압(Vs)과 양극 주전원 단자(Vd) 그리고 반도체 스위칭 소자(Q1)의 게이트-소스간 전압 또는 베이스 에미터간 전압을 나타내는 Vp 및 발광다이오드(LED) 부하(22)에 흐르는 부하 전류 (Io)에 대한 동작 파형도가 도시되어 있다. 여기서 부하 전류 (Io)는 스위칭 임계치인 Imax를 중심으로 하락 상승이 반복되며 발광다이오드(LED) 부하(22)에 전류를 공급하며, 반도체 스위칭 소자(Q1)가 온(On) 상태일 때 전류가 상승하기 시작하여 Imax에 도달하여 반도체 스위칭 소자(Q1)가 오프(Off) 상태로 변하기 까지의 시간이 Ton 이며, 콘덴서 C3 와 저항기 R7 를 중심으로 하는 Q2의 베이스 바이어스 회로부에 의한 방전 시정수 값에 의한 일정 시간의 Toff 값 이후에 다시 반도체 스위칭 소자(Q1)가 온(On) 상태로 변하는 반복 동작이 이루어진다. 이때 실제로 회로적인 적용 예에서 그 동작 주파수는 대략 10 킬로 헤르츠(KHz) 전후에서 100 킬로 헤르츠(KHz) 전후 값까지 맥류 형태의 양극 주전원 단자(Vd)의 전압 상태에 따라 변동하며 인체의 시각 기관이 인지할 수 있는 범위를 벗어난 고주파 대역에서 동작이 이루어지게 된다.

상기 도면과 서술된 기술적 내용을 종합하여 볼 때, 본 발명의 산업상 이용 가능성에 관하여, 본 발명에 의한 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로는 가정용 조명기기로부터, 사무용 및 생산 공장용 조명기기를 비롯하여 가로등에 이르기까지 단상 교류 110V 에서 220V의 전력 공급이 가능한 모든 장소에서 이용이 가능하며, 적은 제조 비용으로 전력 효율이 높고 수명이 오래갈 뿐만 아니라 설치가 용이한 조명 기기 장치를 제공한다.

LED : Light Emitting Diode , 발광다이오드
AC : Alternating Current , 교류
DC : Direct Current, 직류
PWM : 펄스 폭 변조
FET : Field Effect Transistor , 전계효과 트랜지스터
BJT : Bipolar Junction Transistor , 접합형 트랜지스터

Claims

입력 교류 전원이 정류부를 통과하여 회로 접지 및 맥류 형태의 양극 주전원 단자를 갖는 전원부가 형성되며, 상기 양극 주전원 단자는 적어도 한개 이상의 강압 초크코일과 발광다이오드(LED) 조명 부하가 직렬로 연결되는 직렬 부하 회로부에 결선되고 상기 부하 회로부와 회로 접지 사이에 적어도 한개 이상의 전계효과 트랜지스터 또는 접합형 트랜지스터로 이루어지는 반도체 스위칭 소자가 구비되며, 상기 양극 주전원 단자와 반도체 스위칭 소자 사이에 회생 다이오드가 회로적으로 존재하여 상기 반도체 스위칭 소자의 드레인 단자 또는 콜렉터 단자에는 상기 다이오드의 애노드 단자가 결선되고 상기 양극 주전원 단자에는 캐소드 단자가 결선 되며,상기 양극 주전원 단자와 회로 접지 사이에 저항기와 콘덴서가 직렬로 결선되어 콘덴서 양단을 통하여 상기 반도체 스위칭 소자의 바이어스 회로 전원 Vcc가 제공될 때, 상기 반도체 스위칭 소자의 소스 단자 또는 에미터 단자와 회로 접지 사이에는 직렬로 전류 검출용 저항기가 구비되고 상기 전류 검출용 저항기의 일단과 상기 스위칭 반도체 소자와의 결선 노드에는 전류 검출부 다이오드 애노드 단자가 연결된 후 전류 검출부 다이오드의 캐소드 단자와 회로 접지 사이에 전류 검출부 충방전 콘덴서가 구비된 후 상기 전류 검출부 다이오드와 콘덴서의 결선 노드는 상기 반도체 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 베이스 단자의 바이어스 공급회로에 연결되고 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 콜렉터 단자는 상기 스위칭 반도체 소자의 게이트 단자 또는 베이스 단자의 바이어스 공급회로와 결선될 때, 상기 직렬 부하 회로부의 임의의 노드와 상기 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 베이스 단자의 바이어스 공급회로 사이에 회로적으로 히스테리시스 특성을 제공하는 저항기 Rh가 구비됨을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.
청구항 1에 있어서, 직렬 부하 회로부의 일단으로부터 전하 펌프 기능을 위한 콘덴서와 인덕터가 직렬 회로로 구성된 후 적어도 한 개 이상의 전하 펌프 충전용 다이오드의 애노드 단자와 전하 펌프 방전용 다이오드의 캐소드 단자와 함께 결선될 때, 상기 전하 펌프 충전용 다이오드의 캐소드 단자가 상기 바이어스 회로 전원 Vcc와 결선되고, 다른 전하 펌프 방전용 다이오드의 애노드 단자는 회로 접지와 결선됨을 특징으로 하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.
청구항 1에 있어서, 상기 전류 검출부 다이오드의 캐소드 단자와 회로 접지 사이에 온도 보상용 다이오드 및 접합형 트랜지스터 회로가 존재할 때, 다이오드는 접합형 트랜지스터의 베이스 단자에 저항기와 직렬 회로를 통하여 바이어스 회로를 제공하며 접합형 트랜지스터의 에미터 단자는 회로 접지와 결선되고 콜렉터 단자는 상기 반도체 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 베이스 단자의 바이어스 공급회로에 연결됨을 특징으로하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 베이스 단자의 바이어스 공급회로와 결선되는 차동 증폭기 회로가 존재할 때, 상기 맥류 형태의 양극 주전원 단자로 부터 저항기 전압 분할을 거친 후 정류 다이오드를 통과하여 평활 콘덴서 및 방전 저항기의 병렬 회로를 통하여 로 상기 양극 주전원 평균 전위 감지부 회로를 이루어 상기 차동 증폭기 회로의 제 일 입력단에 결선되며, 상기 바이어스 회로 전원 Vcc로부터는 저항기 전압 분할 및 평활 콘덴서를 통한 기준 전위 제공 회로를 이루어 상기 차동 증폭기 회로의 제 이 입력단에 결선됨을 특징으로하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.
청구항 1에 있어서, 상기 반도체 스위칭 소자의 온-오프 스위칭 제어용 접합형 트랜지스터의 베이스 단자의 바이어스 공급회로 내의 임의의 노드와 회로 접지 사이에 온도 보상용 역저항 특성의 써미스터 및 저항기가 직렬 회로를 구성하여 구비됨을 특징으로하는 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 회로에 대응하는 전자회로적 상보형소자[complementary device]를 사용한 상보형회로[complementary circuit]가 대신 사용된 발광다이오드(LED) 조명 장치를 위한 교류-직류 변환 스위칭 전원 공급 회로.