KR100971757B1 - Ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명은 상용전원을 전파 정류한 파형을 공급전압으로 구동가능한 LED 조명장치에 관한 것으로, 상용전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 정류회로부와, 다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와, 상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자들의 한 단자는 상기 복수의 LED 어레이의 각각의 애노드에 접속되고, 상기 스위칭소자들의 나머지 한 단자는 최하위의 LED 어레이의 캐소드에 접속된 구동부와, 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 포함함으로써, 역률을 극대화할 수 있음은 물론 전력 사용에 따른 손실을 최소화할 수 있다.

Description

ＬＥＤ 조명장치{LED Lighting Apparatus}
본 발명은 발광 다이오드(LED) 조명장치에 관한 것으로, 특히 상용전원을 전파 정류한 파형을 공급 전압으로 하여 구동가능한 LED 조명장치에 관한 것이다.
석유 공급이 부족해지는 상황이 점차 현실화되고 있어 향후 유가의 가격은 점진적인 상승이 예상되며, 또한 온난화 현상을 방지하기 위해 이산화탄소의 배출을 최대한 줄이기 위한 노력이 국제적으로 가속화되고 있다.
따라서 조명분야에서도 전력 손실을 절감시키고, 또한 환경보호 문제를 해결하기 위해 LED 조명장치에 대한 기술 개발이 계속되고 있다. 그동안 LED 조명장치에는 일반적으로 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 적용되었다.
이 SMPS를 구비한 LED 조명장치는 SMPS 내부에 대용량의 콘덴서 및 트랜스(페라이트 트랜스포머)가 사용됨으로써 전력 변환에 따른 손실이 최소한 15% 이상이 된다. 즉, 이 SMPS를 구비한 LED 조명장치는 상용전원을 직류전압으로 변환하고, 이 직류전압을 구동전압으로 사용함으로써 전력효율이 떨어지며, 또한 스위칭에 의한 전자파 장애(Electro-Magnetic Interference, EMI) 등의 노이즈에 대한 대책 등이 수립되어야 한다.
또한, 이 SMPS를 구비한 LED 조명장치는 대용량의 콘덴서 및 트랜스 등으로 인하여 초소형화 및 IC 집적화를 실현하기 어렵고, 또한 제조 단가도 높다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상용전원을 전파 정류한 파형을 콘덴서 등으로 직류 전압으로 변환하지 아니한 맥류 상태의 전파 정류 파형을 공급 전압으로 하여 구동가능한 LED 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 LED 조명장치는 상용전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 정류회로부와, 다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와, 상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자들의 한 단자는 상기 복수의 LED 어레이의 각각의 애노드에 접속되고, 상기 스위칭소자들의 나머지 한 단자는 최하위의 LED 어레이의 캐소드에 접속된 구동부와, 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 포함한다.
상기 복수의 LED 어레이의 각각은 상기 다수의 LED가 행과 열의 매트릭스 형태로 접속되어 있는 것이 바람직하다.
상기 행과 열의 매트릭스 형태로 접속된 상기 다수의 LED의 각 행마다 역방향으로 제너 다이오드가 더 접속되어 있는 것이 바람직하다.
상기 최하위의 LED 어레이의 캐소드와 상기 정류회로부의 접지단 사이에 연결된 과전류 보호회로부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구동부는 상기 스위칭소자들을 제어하기 위해 상기 제어부로부터 출력되는 상기 제어신호를 시프트하는 레벨 시프트 회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구동부는 상기 스위칭소자들의 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터들로 이루어질 수 있다.
상기 스위칭소자들은 DMOS 트랜지스터인 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 상기 제어신호를 출력하기 위한 복수의 비교기를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 비교기는 각각 비반전 단자와 반전 단자를 구비한 연산증폭기를 포함하고, 상기 연산 증폭기의 상기 비반전 단자에는 일정한 기준전압이 제공되고, 상기 반전 단자에는 상기 정류회로부의 정류전압이 분배되어 제공되는 것이 바람직하다.
상기 연산 증폭기의 상기 비반전 단자에 공급되는 전압은 상기 정류회로부의 정류전압과 상기 접지단 사이에 직렬로 접속된 저항들을 이용하여 얻어진 분배 전압인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 상용전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 정류회로부와, 다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와, 상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자 들과, 상기 스위칭소자들을 제어하기 위해 제어신호를 시프트하는 레벨 시프트 회로들을 구비한 구동부와, 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 레벨 시프트 회로들을 통해 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 상기 제어신호를 출력하는 제어부를 포함함으로써 상술한 목적을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 상용전원을 전파 정류하여 접지단을 기준으로 정류전압을 출력하는 정류회로부와, 다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와, 상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자들을 구비한 구동부와, 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 제어신호를 출력하기 위한 복수의 연산증폭기를 구비하고, 상기 연산 증폭기의 비반전 단자에는 일정한 기준전압이 제공되고, 상기 연산 증폭기의 반전 단자에는 상기 정류회로부의 정류전압이 분배되어 제공되는 제어부를 포함함으로써, 상술한 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 상용전원을 전파 정류한 파형을 직류 전압으로 변환하지 아니하고 그대로 사용가능함으로써, 역률을 크게 개선하면서 전력 사용에 따른 손실을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명은 대용량의 콘덴서 및 트랜스를 이용할 필요가 없기 때문에 IC 집적화의 구현이 용이하며, 고주파 발생회로가 없기 때문에 노이즈에 대한 대책을 위한 EMI 필터 등이 불필요하므로, 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명은 구동부의 스위칭소자들의 이미터 단자를 모두 하나의 접속점으로 연결함으로써, 스위칭소자들이 온되었을 때 스위칭소자들의 양단 전압(이미터 - 컬렉터간의 전압)에 의해서만 전력손실이 발생한다.
또한, 본 발명은 LED 어레이의 다수의 LED를 매트릭스 형태로 배열함으로써 LED 등의 단선으로 인해 발생할 수 있는 조도의 감소를 방지할 수 있고, 행마다 제너 다이오드를 적용함으로써 병렬로 연결되어 있는 LED들이 모두 오픈되어도 구동전류가 흐를 수 있다.
또한, 본 발명은 구동부에 레벨 시프트 회로를 사용함으로써, 제어부와 구동부의 전압차에 따라 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 연산 증폭기의 비반전 단자에는 일정한 기준전압을 제공하고 반전 단자에는 정류전압의 레벨에 따른 전압을 제공함으로써, 정류전압의 변동에 따른 레벨의 검출이 용이하다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치를 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1a은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 LED 조명장치의 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 설명을 위한 전파 정류전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, LED 조명장치(100)는 LED부(110), 구동부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
LED부(110)는 LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)이 직렬로 연결되어 있으 며, LED3(116)의 애노드에는 구동전압 Vi가 공급되고, LED1(112)의 캐소드는 접지단에 접속되어 있다. 여기서 구동전압 Vi는 도 1b에 도시된 전파 정류전압의 파형이다.
구동부(120)는 LED부(110)의 LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)에의 발광 전류를 순차적으로 공급 또는 차단하기 위해, 제1 스위칭소자 SW1(122), 제2 스위칭소자 SW2(124) 제3 스위칭소자 SW3(126)를 포함한다. 제1 스위칭소자 SW1(122)는 LED1(112)의 애노드와 접지단에 접속되고, 제2 스위칭소자 SW2(124)는 LED2(114)의 애노드와 접지단에 접속되고, 제3 스위칭소자 SW3(126)는 LED3(116)의 애노드와 접지단에 접속된다.
제어부(130)는 구동부(120)의 제1 스위칭소자 SW1(122), 제2 스위칭소자 SW2(124) 및 제3 스위칭소자 SW3(126)가 각각 온 또는 오프되도록 제어신호를 출력한다.
이하에서는 도 1a에 도시된 구성에 의한 LED 조명장치(100)의 동작을 설명한다.
이해를 돕기 위해, LED부(110)의 LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)는 각각 1개의 LED로 가정하여 기술한다.
먼저, LED부(110)의 LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)의 각각이 발광하여 점등되는 발광전압이 3.5V라고 가정하면, LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)의 전부가 발광하기 위해서는 LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압 Vi가 10.5V 이상이어야 한다.
즉, LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압 Vi가 10.5V 이상이면, 예를 들어, 도 1b에 도시된 10.5V 이상의 구간이면, 제어부(130)는 구동부(120)의 제1 스위칭소자 SW1(122), 제2 스위칭소자 SW2(124) 및 제3 스위칭소자 SW3(126)의 모두가 오프 상태가 되도록 제1 스위칭소자 SW1(122), 제2 스위칭소자 SW2(124) 및 제3 스위칭소자 SW3(126)에 오프신호를 출력한다.
그러나 LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압 Vi가 10.5V 이하가 되면, 예를 들어, 도 1b에 도시된 10.5V 이하에서 7V 이상의 구간이면, LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)가 모두 발광할 수 없으므로, 제어부(130)는 구동부(120)의 제1 스위칭소자 SW1(122)가 온 상태가 되도록 제1 스위칭소자 SW1(122)에 온신호를 출력한다. 이 경우 제1 스위칭소자 SW1(122)의 양단 전압이 0V가 되므로, LED1(112)의 애노드에 걸린 전압도 0V가 된다. 그러나 LED2(114) 및 LED3(116)에는 발광전압 이상의 구동전압 Vi이 공급되므로, LED2(114) 및 LED3(116)은 계속하여 발광할 수 있다.
또한, LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압 Vi가 더 하강하여 7V 이하가 되면, 예를 들어, 도 1b에 도시된 7V 이하에서 3.5V 이상의 구간이면, LED2(114) 및 LED3(116) 둘 다 발광할 수 없으므로, 제어부(130)는 구동부(120)의 제2 스위칭소자 SW2(124)가 온 상태가 되도록 제2 스위칭소자 SW2(124)에 온신호를 출력한다. 이 경우 제2 스위칭소자 SW2(124)의 양단 전압이 0V가 되므로, LED2의 애노드에 걸린 전압도 0V가 된다. 그러나 LED3(116)에는 발광전압 이상의 전압이 구동전압 Vi이 공급되므로, LED3(116)은 계속하여 발광할 수 있다.
그러나, LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압 Vi가 더 하강하여 3.5V 이하가 되면, 예를 들어, 도 1b에 도시된 3.5V 이하의 구간이면, LED3(116)도 발광할 수 없으므로, 제어부(130)는 구동부의 제3 스위칭소자 SW3(126)이 온 상태가 되도록 제3 스위칭소자 SW3(126)에 온신호를 출력한다. 따라서 LED3(116)에도 구동 전류가 차단되고, LED1(112), LED2(114) 및 LED3(116)의 모두는 소등 상태가 된다.
그리고 LED3(116)의 애노드에 공급되는 구동전압(Vi)이 0V에서 상승하면, 제어부(130)는 위의 제1 스위칭소자 SW1(122), 제2 스위칭소자 SW2(124) 및 제3 스위칭소자 SW3(126)에 대한 순차적인 온신호의 출력과는 반대로, 제3 스위칭소자 SW3(126), 제2 스위칭소자 SW2(124) 및 제1 스위칭소자 SW1(122)에 대하여 순차적으로 오프신호를 출력함으로써 LED3(116), LED2(114) 및 LED1(112)를 순차적으로 발광시킨다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치(100)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 교류 220V 등의 상용전원에 이용되는 LED 조명장치(100)는 정류회로부(200), LED부(210), 구동부(220), 제어부(230), 기준전압 공급부(250) 및 과전류 보호회로부(240)를 포함한다.
정류회로부(200)는 상용전원을 전파 정류하기 위한 것으로, 다이오드 D12(202), 다이오드 D14(204), 다이오드 D16(206) 및 다이오드 D18(208)로 이루어진다.
LED부(210)는 다수의 LED 어레이로 구성되며, 도 2에서는 설명의 편의를 위 해 제1 LED 어레이(212), 제2 LED 어레이(214), 제3 LED 어레이(216)으로 이루어진 것으로 한다.
도 3은 도 2에 도시된 LED 조명장치에 이용되는 LED 어레이의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
LED 어레이(212, 214, 216)의 각각은 직렬로 연결된 다수의 LED로 이루어지며, 또한 각각 백색 발광 다이오드로 이루어질 수 있다. 그러나 도 3에 도시된 바와 같이, LED 어레이(212, 214, 216)는 다수의 LED11 ~ LED53가 행과 열의 매트릭스 형태로 전기적으로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
즉, 다수의 LED11 ~ LED53의 결선 방법은 전기적으로 직렬로 5개의 LED, 즉 LED11, LED21, LED31, LED41 및 LED51를 연결하고, 첫번째 라인의 LED51, LED52 및 LED53의 애노드를 서로 전기적으로 연결하며, 마지막 라인의 LED11, LED12, LED13의 캐소드를 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
그러나 이러한 결선 방법은 직렬로 연결된 5개의 LED 중에서 단 하나라도 고장이 발생하면 한 라인이 발광할 수 없다는 문제가 발생한다. 따라서 다수의 LED11 ~ LED53를 결선하는 바람직한 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 5개의 LED가 연결되는 노드를 다시 병렬로 서로 연결하여 행과 열의 매트릭스 형태를 이루는 것이 바람직하다. 이 경우 5개의 LED 중에서 어느 하나, 예를 들면LED32에 단선이 발생하여도 다른 LED의 발광에는 영향을 미치지 않으므로 조도가 크게 떨어지지 않는다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, LED 매트릭스의 각 행마다, 역방향으로 제 너 다이오드가 접속되어 있다. 즉, LED51의 애노드에 제너 다이오드 ZD51의 캐소드가 LED51의 캐소드에 제너 다이오드 ZD51의 애노드가 병렬로 연결되어 있다. 이 경우 제너 다이오드의 항복 전압은 LED의 발광전압보다 약간 높은 것이 바람직하다.
한편, 도 3에서는 LED 어레이(212, 214, 216)의 배열을 5 X 3 매트릭스로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 LED 어레이(212, 214, 216)의 수는 상용전원의 입력전압 등에 따라 적당하게 선택하여 설계할 수 있다.
구동부(220)는 LED부(210)의 제1 LED 어레이(212), 제2 LED 어레이(214) 및 제3 LED 어레이(116)에의 구동 전류를 순차적으로 공급 또는 차단하기 위해, 제1 스위칭회로(222), 제2 스위칭회로(224) 제3 스위칭회로(226)를 포함한다.
제1 스위칭회로(222)는 제1 LED 어레이(212)의 애노드단과 접지단에 접속되고, 제2 스위칭회로(224)는 제2 LED 어레이(214)의 애노드단과 접지단에 접속되고, 제3 스위칭회로(226)는 제3 LED 어레이(216)의 애노드단과 접지단에 접속된다.
즉, 제1 스위칭 트랜지스터 Q1, 제2 스위칭 트랜지스터 Q2 및 제3 스위칭 트랜지스터 Q3의 이미터의 각각이 제1 LED 어레이(212)의 캐소드에 접속된다. 한편, 도 2에 도시된 바와 다르게, 제4 스위칭 트랜지스터(미도시됨), 제5 스위칭 트랜지스터(미도시됨) 및 제6 스위칭 트랜지스터(미도시됨)의 컬렉터들은 LED 어레이(212, 214, 216)의 각 애노드에 접속되고, 제4 스위칭 트랜지스터, 제5 스위칭 트랜지스터 및 제6 스위칭 트랜지스터의 이미터들은 LED 어레이(212, 214, 216)의 각 캐소드에 접속될 수 있으며, 따라서 본 발명은 청구항에 제한된 구성을 갖지 아니하는 한, 청구범위의 해석에서 이러한 구성을 배제하는 것이 아니다.
그러나 LED 어레이(212, 214, 216)의 각각에 병렬로 접속하는 제4 스위칭 트랜지스터, 제5 스위칭 트랜지스터 및 제6 스위칭 트랜지스터의 경우에는 제4 스위칭 트랜지스터, 제5 스위칭 트랜지스터 및 제6 스위칭 트랜지스터의 접속이 직렬이므로, 각 스위칭 트랜지스터의 양단에 걸리는 온 전압의 합에 구동전류 Io가 흘려 불필요한 전력의 소모가 발생한다. 한편, 도 2에 도시된 제1 스위칭 트랜지스터 Q1, 제2 스위칭 트랜지스터 Q2 및 제3 스위칭 트랜지스터 Q3의 경우에는 하나의 스위칭 트랜지스터의 양단에 걸리는 온 전압과 구동전류 Io에 의한 전력만이 소비되는 것이므로, 불필요한 전력소모를 방지할 수 있다.
각 스위칭회로(222, 224, 226)는 도 2에 동일한 회로로 도시되어 있는 바, 제1 스위칭회로(222)를 예로 들어 설명한다.
제1 스위칭회로(222)는 도 1a의 스위칭소자의 예로 도시된 반도체 소자인 제1 스위칭 트랜지스터 Q1, 이 제1 스위칭 트랜지스터 Q1를 온시키고 전압 레벨을 시프트하기 위한 트랜지스터 TR12, 저항 R12, 저항 R21, 저항 R22 및 다이오드 D21로 이루어진 레벨 시프트 회로로 이루어진다.
그리고 도 2에서는 도 1a의 스위칭소자(122)로 제1 스위칭 트랜지스터 Q1 하나만 도시되어 있으나, 제1 스위칭 트랜지스터 Q1와 병렬로 동일한 스위칭 트랜지스터(미도시됨)를 연결할 수 있다. 한편, 스위칭 트랜지스터 Q1, 스위칭 트랜지스터 Q2, 스위칭 트랜지스터 Q3는 온 저항이 낮은 DMOS(Double Diffused MOS) 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직하다.
제어부(230)는 구동부(220)의 제1 스위칭회로(222), 제2 스위칭회로(224) 및 제3 스위칭회로(226)를 각각 온 또는 오프 상태로 제어하기 위한 제어신호를 출력한다. 즉, 제어부(230)는 제1 스위칭회로(222)를 제어하기 위한 제1 비교기(231) 및 트랜지스터 TR22(232)와, 제2 스위칭회로(224)를 제어하기 위한 제2 비교기(233) 및 트랜지스터 TR24(234)와, 제3 스위칭회로(226)를 제어하기 위한 제3 비교기(235) 및 트랜지스터 TR26(236)를 포함한다.
그리고 비교기(232, 234, 236)는 모두 동일한 구성을 구비하며, 제1 비교기(231)는 연산 증폭기 OP1(231)과 저항 R31, R32로 이루어진다.
또한, 제어부(230)는 레벨 검출 회로를 포함할 수 있다. 레벨 검출 회로는 LED 어레이(212, 214, 216)를 각각 점등 또는 소등시키기 위해 정류회로부(200)의 전파 정류전압의 레벨, 즉 위상값을 감지한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 레벨 검출 회로는 전파 정류전압의 레벨을 감지하기 위해 저항 R42, 저항 R44, 저항 R46 및 저항 R48로 이루어진다. 따라서 레벨 검출 회로는 정류전압의 레벨에 따라 저항들(R42, R44, R46, R48) 간의 각 노드에 전압이 분배되어 걸리게 된다. 이 분배 전압들은 연산 증폭기들의 반전 단자에 제공된다.
기준전압 공급부(250)는 제어부(230)의 연산증폭기들의 비반전 단자에 기준전압을 공급한다. 기준전압 공급부(250)는 일정 전압 Vcc를 공급받기 위해 또는 유지하기 위해 제너 다이오드 ZD1와 캐패시터 C1를 포함할 수 있다. 또한, 기준전압 공급부(250)는 저항 R52 및 저항 R54를 통해 기준전압 Vref를 제어부(230)의 연산증폭기들의 비반전 단자에 제공한다.
과전류 보호회로부(260)는 LED부(210)의 LED 어레이(212, 214, 216)를 통하여 흐르는 전류량을 제어하기 위한 보호회로이다.
도 4는 도 2에 도시된 LED 조명장치에 이용되는 과전류 보호회로부의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 과전류 보호회로부(260)는 트랜지스터 TR32(402), 트랜지스터 TR34(404), 트랜지스터 TR36(406), 저항 R62(412) 및 저항 R64(414), R66(416)로 이루어진다.
저항 R62(412)의 일단은 트랜지스터 TR32(402) 및 트랜지스터 TR34(404)의 컬렉터에 접속되고, 저항 R62(412)의 타단은 트랜지스터 TR34(404)의 베이스 및 트랜지스터 TR36(406)의 베이스에 접속되어 있다. 그리고 트랜지스터 TR34(404)의 이미터는 TR32(402)의 베이스에 접속되어 있다.
한편, 트랜지스터 TR32(402)의 이미터는 TR36(406)의 베이스에 접속되어 있고, 트랜지스터 TR36(406)의 이미터는 접지단에 접속되어 있다. 그리고 트랜지스터 TR36(406)의 베이스와 접지단 사이에는 저항 R64(414) 및 저항 R66(416)이 접속되어 있다.
LED부(210)를 통해 구동전류 Io가 흐르면, 저항 R62(412)를 통해 해당하는 전류가 흐르게 되고, 이에 의해 트랜지스터 TR34(404)가 온되고, 따라서 트랜지스터 TR36(406)도 온된다. 한편, 트랜지스터 TR34(404) 및 트랜지스터 TR36(406)은 달링톤 접속이므로 증폭도가 크다.
저항 R64(414) 및 저항 R66(416)를 통해 흐르는 전류가 증가하면, 트랜지스 터 TR36(406)의 베이스와 이미터 사이의 전압 Vbe가 증가하여 트랜지스터 TR36(406)가 온됨과 동시에 트랜지스터 TR34(404)의 베이스 전류가 감소하게 된다. 그리고 트랜지스터 TR36(406)의 베이스와 이미터 사이의 전압 Vbe가 더 증가하면, 트랜지스터 TR34(404)은 오프되고, 이에 의해 트랜지스터 TR32(402)도 오프된다. 이에 의해 LED부(210)에 흐르는 전류는 제한되고, 따라서 LED 조명장치(100)는 과전류로부터 보호될 수 있다.
이하에서는 도 2에 도시된 구성에 의한 LED 조명장치(100)의 동작을 설명한다.
상용전원, 예를 들면 220V가 공급되면, 정류회로(210)에 의해 전파 정류된다.
이 때, 전파 정류전압이 접지단을 기점으로 0V가 출력되면, 각 LED 어레이(212, 214, 216)에 공급되는 구동전압이 LED 어레이(212, 214, 216)에 구비된 다수의 LED를 발광시킬 수 없다. 따라서 구동부(230)의 스위칭 트랜지스터 Q1, 스위칭 트랜지스터 Q2, 스위칭 트랜지스터 Q3은 온되어야 한다.
즉, 전파 정류전압이 접지단을 기점으로 0V가 출력되면, 제어부(230)의 각 비교기(232, 234, 236)의 반전 단자에 0V가 제공되고, 각 비교기(232, 234, 236)의 비반전 단자에는 0V보다는 높은 기준전압 Vref, 예를 들면 6V가 제공된다. 따라서 각 비교기(232, 234, 236)은 H신호를 출력하고, 트랜지스터 TR22(232), 트랜지스터 TR24(234) 및 트랜지스터 TR26(236)의 컬렉터에는 각각 L신호가 출력된다. 이 L신호에 의해 구동부(230)의 트랜지스터 TR12, 트랜지스터 TR14 및 트랜지스터 TR16가 온되고, 이에 의해 스위칭 트랜지스터 Q1, 스위칭 트랜지스터 Q2 및 스위칭 트랜지스터 Q3가 온된다.
그리고 전파 정류전압의 출력이 접지단을 기점으로 하여 LED 어레이(212, 214, 216) 중의 하나를 발광시킬 수 있는 구동전압 이상일 경우를 살펴본다.
LED 어레이(212, 214, 216) 중의 하나를 발광시킬 수 있는 구동전압 이상이 되면, 레벨 검출 회로의 저항 R42, 저항 R44, 저항 R46 및 저항 R48의 각 노드점에는 저항값에 비례하여 제어부(230)의 연산 증폭기들의 반전 단자에 분배 전압이 제공된다. 이 때 가장 높은 분배전압이 제공되는 비교기(235)의 연산 증폭기의 반전 단자에는 기준전압 Vref보다 높은 전압이 제공되므로, 비교기(235)는 L신호를 출력하고, 트랜지스터 TR26(236)에는 H신호가 출력된다. 이 L신호에 의해 구동부(230)의 트랜지스터 TR16이 오프되고, 이에 의해 스위칭 트랜지스터 Q3도 오프된다. 따라서 LED부(210)의 제3 LED 어레이(216)의 다수의 LED들은 발광하여 점등된다.
또한, 전파 정류전압의 출력이 접지단을 기점으로 하여 LED 어레이(212, 214, 216) 중의 두 개를 발광시킬 수 있는 구동전압 이상일 경우를 살펴본다.
LED 어레이(212, 214, 216) 중의 두 개를 발광시킬 수 있는 구동전압 이상이 되면, 레벨 검출 회로의 저항 R42, 저항 R44, 저항 R46 및 저항 R48의 각 노드점에는 저항값에 비례하여 제어부(230)의 연산 증폭기들의 반전 단자에 분배 전압이 제공된다. 이 경우 다음으로 높은 분배전압이 제공되는 비교기(233)의 연산 증폭기들의 반전 단자에는 기준전압 Vref보다 높은 전압이 제공되므로, 비교기(233)는 L신호를 출력하고, 트랜지스터 TR24(234)에는 H신호가 출력된다. 이 L신호에 의해 구 동부(230)의 트랜지스터 TR14가 오프되고, 이에 의해 스위칭 트랜지스터 Q2도 오프된다. 따라서 LED부(210)의 제2 LED 어레이(214)의 다수의 LED들은 발광하여 점등되므로, 제3 LED 어레이(216)만 점등될 때보다 조도가 증가한다.
또한, 전파 정류전압의 출력이 접지단을 기점으로 하여 LED 어레이(212, 214, 216) 전부를 발광시킬 수 있는 구동전압 이상일 경우를 살펴본다.
LED 어레이(212, 214, 216) 전부를 발광시킬 수 있는 구동전압이 되면, 레벨 검출 회로의 저항 R42, 저항 R44, 저항 R46 및 저항 R48의 각 노드점에는 저항값에 비례하여 제어부(230)의 연산 증폭기들의 반전 단자에 분배 전압이 제공된다. 그리고 마지막 남은 비교기(231)의 연산 증폭기들의 반전 단자에는 기준전압 Vref보다 높은 전압이 제공되므로, 비교기(233)는 L신호를 출력하고, 트랜지스터 TR26(236)에는 H신호가 출력된다. 이 L신호에 의해 구동부(230)의 트랜지스터 TR12가 오프되고, 이에 의해 스위칭 트랜지스터 Q1도 오프된다. 따라서 LED부(210)의 제1 LED 어레이(212), 제2 LED 어레이(214) 및 제3 LED 어레이(216) 전부가 점등된다.
한편, 전파 정류전압의 출력이 접지단을 기점으로 하여 감소하면, 위의 동작과 반대로 순차적으로 스위칭 트랜지스터 Q1, 스위칭 트랜지스터 Q2, 스위칭 트랜지스터 Q3가 온되므로, 제1 LED 어레이(212), 제2 LED 어레이(214) 및 제3 LED 어레이(216) 순서로 점등된다.
본 발명은 LED 조명장치가 상용전원을 전파 정류한 파형을 공급 전압으로 구동가능하게 함으로써 역률을 개선하고 전력소비를 감소시킬 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 LED 조명장치의 개략도이다.
도 1b는 도 1a의 설명을 위한 전파 정류전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조명장치(100)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 LED 조명장치에 이용되는 LED 어레이의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 LED 조명장치에 이용되는 과전류 보호회로부의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
200 : 정류회로부 210 : LED부
220 : 구동부 230 : 제어부
240 : 레벨 검출부 250 : 기준전압 공급부
260 : 과전류 보호회로부

Claims (15)

  1. 상용전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 정류회로부와,
    다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와,
    상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자들의 한 단자는 상기 복수의 LED 어레이의 각각의 애노드에 접속되고, 상기 스위칭소자들의 나머지 한 단자는 최하위의 LED 어레이의 캐소드에 접속된 구동부와,
    상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 LED 어레이의 각각은 상기 다수의 LED가 행과 열의 매트릭스 형태로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 행과 열의 매트릭스 형태로 접속된 상기 다수의 LED의 각 행마다 역방향으로 제너 다이오드가 더 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 최하위의 LED 어레이의 캐소드와 상기 정류회로부의 접지단 사이에 연결된 과전류 보호회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 스위칭소자들을 제어하기 위해 상기 제어부로부터 출력되는 상기 제어신호를 시프트하는 레벨 시프트 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 스위칭소자들의 각각은 병렬로 연결된 트랜지스터들로 이루어진 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭소자들은 DMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 상기 제어신호를 출력하기 위한 복수의 비교기를 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 비교기는 각각 비반전 단자와 반전 단자를 구비한 연산증폭기를 포함하고,
    상기 연산 증폭기의 상기 비반전 단자에는 일정한 기준전압이 제공되고, 상기 반전 단자에는 상기 정류회로부의 정류전압이 분배되어 제공되는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 상용전원을 전파 정류하여 접지단을 기준으로 정류전압을 출력하는 정류회로부와,
    다수의 LED로 이루어진 LED 어레이를 직렬로 복수개 연결하고, 최상위의 LED 어레이의 애노드에 상기 정류회로부의 정류전압이 공급되는 LED부와,
    상기 복수의 LED 어레이에 구동전류를 공급 또는 차단시키는 스위칭소자들을 구비한 구동부와,
    상기 정류회로부의 정류전압의 레벨에 따라 상기 구동부의 스위칭소자들을 온 및 오프하도록 제어신호를 출력하기 위한 복수의 연산증폭기를 구비하고, 상기 연산 증폭기의 비반전 단자에는 일정한 기준전압이 제공되고, 상기 연산 증폭기의 반전 단자에는 상기 정류회로부의 정류전압이 분배되어 제공되는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연산 증폭기의 상기 비반전 단자에 공급되는 전압은 상기 정류회로부의 정류전압과 상기 접지단 사이에 직렬로 접속된 저항들을 이용하여 얻어진 분배 전압인 것을 특징으로 하는 LED 조명장치.
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