KR101007902B1 - 발광다이오드 구동회로 - Google Patents

발광다이오드 구동회로 Download PDF

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Abstract

교류 전원을 인가받아 적어도 하나의 발광다이오드에 전력을 제공하기 위한 발광다이오드 구동회로가 개시된다. 이러한 발광다이오드 구동회로는, 적어도 하나의 발광다이오드에 N배 전압을 제공하기 위한 정류부를 포함하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 정류부는, 교류 전원의 한 주기 중 제1 반주기에서 제1 전압을 충전하기 위한 제1 충전부와, 교류 전원의 한 주기 중 제1 반주기 다음의 제2 반주기에서, 제1 충전부에 충전된 제1 전압과 교류 전원의 제2 반주기 동안의 전압을 제공받아 제2 전압을 충전하기 위한 제2 충전부를 포함함으로써, 발광 효율을 높이며, 플리커 현상을 저감할 수 있다.
발광다이오드, 변환기, 배전압, 플리커

Description

발광다이오드 구동회로{DRIVING CIRCUIT FOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광다이오드 구동회로에 관한 것으로서, 특히 교류-직류 변환기없이 교류 전원으로 발광다이오드를 구동할 수 있는 발광다이오드 구동회로에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 순방향 전압의 인가시 순방향 문턱 전압 이상에서만 동작하는 특성을 갖는다. 또한, 교류 전원의 인가시 동작 구간을 늘리기 위해 두 개의 발광다이오드를 역병렬로 연결하여 사용하기도 한다. 이 경우에는 교류 전원의 양의 반주기 및 음의 반주기 모두에서 동작할 수 있게 된다. 그러나, 이 경우에도 마찬가지로, 교류 전원의 양의 반주기에서는 양의 반주기 전압에 대해 순방향으로 연결된 발광다이오드만이 순방향 문턱전압 이상에서 턴온되고 음의 반주기에서도 음의 반주기 전압에 대해 순방향으로 연결된 발광다이오드만이 순방향 문턱전압 이상에서 턴온되는 특성을 갖는다. 따라서, 이러한 동작특성으로 인해 발광 효율은 50% 이하일 수 밖에 없고, 플리커 현상이 심화되기도 하는 문제점들이 있다.
또한, 발광다이오드는 순방향 문턱전압 이상에서만 동작하므로, 위와 같은 역병렬 연결된 발광다이오드를 사용하지 않는 경우에는 교류-직류 변환기(AC-DC converter)의 사용이 불가피하다. 따라서, 그러한 교류-직류 변환기의 사용으로 발광다이오드의 구동회로의 설계시 비용이 증가하고, 회로도 복잡해지는 문제점들이 있다.
또한, 종래와 같이 단순히 정류회로나 평활회로만을 사용하는 경우에는 직렬 연결하여 구동할 수 있는 발광다이오드의 개수에도 제약이 많이 따르는 문제점이 있다.
그러므로, 위와 같은 제 문제점들을 해결할 수 있는 발광다이오드 구동회로가 절실히 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발광 효율을 높이고 플리커 현상을 저감할 수 있는 발광다이오드 구동회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 교류-직류 변환기의 사용으로 인한 설계 비용을 줄이고, 간단하게 구현할 수 있는 발광다이오드 구동회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 서로간에 직렬 연결하여 구동 가능한 발광다이오드의 개수를 대폭 증가시킬 수 있는 발광다이오드 구동회로를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 양상에 따라, 적어도 하나의 LED 소자에 전력을 제공하기 위한 LED 구동회로는, 교류 전원을 인가받아 상기 LED 소자에 제공하기 위한 정류부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 정류부는 상기 교류 전원의 전압의 N배의 전압(여기서 N은 2 이상의 정수임)을 상기 LED 소자에 제공한다.
바람직하게는, 상기 정류부는 상기 교류 전원의 한 주기 중 제1 반주기에서 제1 전압을 충전하기 위한 제1 충전부와, 상기 교류 전원의 한 주기 중 상기 제1 반주기 다음의 제2 반주기에서, 상기 제1 충전부에 충전된 상기 제1 전압과 상기 교류 전원의 상기 제2 반주기 동안의 전압을 제공받아 제2 전압을 충전하기 위한 제2 충전부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 충전부는, 상기 교류 전원의 양단에 연결되고, 서로간에 직렬 연결된 제1 커패시터 및 제1 정류소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 충전부는, 상기 교류 전원의 양단을 기준으로 할 경우, 상기 제1 정류소자에는 병렬 연결되고 상기 제1 커패시터에는 직렬 연결되되, 서로간에 직렬 연결된 제2 정류소자 및 제2 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 LED 소자는 상기 제2 커패시터의 양단에 연결되어, 상기 제2 전압을 제공받아 동작한다.
바람직하게는, 상기 제1 정류소자 또는 상기 제2 정류소자는 적어도 하나의 LED 소자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 정류소자 또는 상기 제2 정류소자는 복수 개의 LED 소자가 직렬, 병렬 및 직/병렬의 조합으로 구성될 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 LED 구동회로는, m+1(여기서 m은 양의 정수)개의 제1 그룹의 노드들을 통해 서로 직렬 연결된 m개의 제1 그룹의 커패시터와, n+1(여기서 n은 양의 정수)개의 제2 그룹의 노드들을 통해 서로 직렬 연결된 n개의 제2 그룹의 커패시터와, 각각이 상기 제1 그룹의 노드들 중 어느 하나의 노드와 상기 제2 그룹의 노드들 중 어느 하나의 노드 사이에 연결되는 m+n개의 브랜치들;을 포함하되, 상기 브랜치들 각각은 적어도 하나의 정류소자를 포함하며, 상기 제1 그룹의 노드들 중 첫번째 노드와 상기 제2 그룹의 노드들 중 첫번째 노드로 교류 전원을 인가하여, 상기 제1 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상, 또는 상기 제2 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상에 연결된 LED 소자를 구동한다.
바람직하게는, 상기 브랜치들 중 짝수번째 브랜치는 상기 제2 그룹의 노드들 중 a번째 노드에서 상기 제1 그룹의 노드들 중 a번째 노드 방향으로 전류를 흘리기 위한 정류부를 포함하고, 상기 브랜치들 중 홀수번째 브랜치는 상기 제1 그룹의 노드들 중 b번째 노드에서 상기 제2 그룹의 노드들 중 b-1번째 노드 방향으로 전류를 흘리기 위한 정류부를 포함하며, 여기서, a는 2, 3, ..., n 및 n+1이고, b는 2, 3, ..., m-1 및 m 이다.
바람직하게는, 상기 정류부는 적어도 하나의 LED 소자를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정류부는 복수 개의 LED 소자가 직렬, 병렬 및 직/병렬의 조합으로 구성될 수 있다.
본 발명은 개선된 발광다이오드 구동회로를 제공함으로써, 발광효율을 증가시킬 수 있고 플리커 현상을 감소시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 개선된 발광다이오드 구동회로를 제공함으로써, 교류-직류 변환기의 사용으로 인한 발광다이오드 구동회로의 설계시의 비용 증가를 줄일 수 있고, 회로가 복잡해지는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 개선된 발광다이오드 구동회로를 제공함으로써, 서로간에 직렬 연결하여 구동할 수 있는 발광다이오드의 개수를 대폭 늘릴 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 구동회로의 등가 회로도이다. 도 1에서는 본 발명에 대한 설명의 편의를 위해, 회로 내의 저항이나, 그 밖의 교류 전원 구동시 필요한 부분들은 도시하지 아니하였다.
도 1을 참조하면, 교류 전원(Vac)을 인가받아 적어도 하나의 발광다이오드(12)에 전력을 제공하여 구동하기 위한 발광다이오드 구동회로는, 교류 전원(Vac)을 배전압 정류하기 위한 정류부(10)를 포함한다.
여기서, 발광다이오드(12)는 하나만으로 도시되어 있으나, 그 개수에는 특별한 제한은 없다. 정류부(10)에 의해 배전압 정류된 전압이 g-h 단으로 인가될 수 있으므로 종래의 경우 즉 배전압 정류되지 않은 직류 전압이 인가되는 경우에 비해 연결될 수 있는 발광다이오드의 개수는 대폭 증가될 수 있다.
정류부(10)는 교류 전원(Vac)의 한 주기 중 제1 반주기에서 제1 전압을 충전하기 위한 제1 충전부(C11, D11)와, 교류 전원(Vac)의 한 주기 중 제1 반주기 다음의 제2 반주기에서, 제1 충전부(C11, D11)에 충전된 제1 전압과 교류 전원(Vac)의 제2 반주기 동안의 전압을 제공받아 제2 전압을 충전하기 위한 제2 충전부(D12, C12)를 포함한다.
제1 충전부(C11, D11)는 교류 전원(Vac)의 양단(a-b)에 연결된 제1 커패시 터(C11) 및 제1 정류다이오드(D11)를 포함한다. 제1 커패시터(C11) 및 제1 정류다이오드(D11) 서로간에는 직렬 연결되어 있다.
제2 충전부(D12, C12)는 제2 정류다이오드(D12) 및 제2 커패시터(C12)를 포함한다. 제2 정류다이오드(D12) 및 제2 커패시터(C12)는 서로간에 직렬 연결되어 있다. 제1 충전부(C11, D11)와의 연결 관계를 살펴보면, 교류 전원(Vac)의 양단(a-b)을 기준으로 할 경우, 제1 정류다이오드(D11)에는 병렬 연결되고 제1 커패시터(C11)에는 직렬 연결된다.
발광다이오드(12)는 제2 커패시터(C12)의 양단에 연결되어 제2 전압을 제공받아 동작한다.
제1 충전부(C11, D11) 및 제2 충전부(C12, D12)에서 제1 정류다이오드(D11) 및 제2 정류다이오드(D12)의 방향은 바뀔 수 있다. 즉, 도 1에는 제1 정류다이오드(D11)가 d 노드에서 c 노드로 순방향 연결되어 있고, 제2 정류다이오드(D12)가 c 노드에서 e 노드로 순방향 연결되어 있는 조합으로 되어 있으나, 이와는 달리, 제1 정류다이오드(D11)가 c 노드에서 d 노드로 순방향 연결되고, 제2 정류다이오드(D12)가 e 노드에서 c 노드로 순방향 연결되는 조합으로 구성될 수도 있다. 물론, 이 경우에는 제2 커패시터(C12)에 충전되는 전압의 극성도 바뀌게 되므로 부하측의 발광다이 오드(12)의 연결 방향도 바뀌어야 할 것이다.
나아가, 제1 정류다이오드(D11) 및 제2 정류다이오드(D12)는 하나 또는 그 이상의 LED 소자일 수도 있다. 제1 정류다이오드(D11) 및 제2 정류다이오드(D12)가 각각 복수 개의 LED 소자로 대체되는 경우에는 LED 소자는 제1 커패시터(C11) 및 제2 커패시터(C12)의 극성에 상응하게 직렬, 병렬, 직/병렬 또는 이들의 조합으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 별도의 교류-직류 변환기 없이도 체배된 직류 전압을 발광다이오드(12)에 제공하여 구동할 수 있으므로, 종래와 같이 교류 전원에 직접 역병렬 연결된 발광다이오드를 연결하여 구동시킴으로 인한 발광 효율의 저하(50% 이하) 및 플리커 현상의 심화 문제를 개선할 수 있게 된다.
도 2는 도 1의 발광다이오드 구동회로의 충전 과정을 설명하기 위한 도면이다. 우선, 도 2에서 교류 전원(Vac)의 첨두치 전압을 Em으로 가정한다.
먼저, 교류 전원(Vac)의 음의 반주기를 고려하면, 제1 정류다이오드(D11)만이 턴온된다. 따라서, 전류의 방향은 b 노드(d 노드), 제1 정류다이오드(D11), c 노드, 제1 커패시터(C11) 및 a 노드를 따른다. 그리하여, 교류 전원(Vac)의 음의 반주기 구간동안 제1 커패시터(C11)에는 전압 Em이 충전된다. 제1 커패시터(C11)에 충전된 전압(Em)의 극성은 도 2에 도시된 바와 같이 c 노드측이 양극이고, a 노드 측이 음극 이다.
다음으로 교류 전원(Vac)의 양의 반주기를 고려하면, 제1 정류다이오드(D11)는 턴오프되고, 제2 정류다이오드(D12) 만이 턴온된다. 따라서, 전류의 방향은 a 노드, 제1 커패시터(C11), c 노드, 제2 정류다이오드(D12), e 노드, 제2 커패시터(C12) 및 f 노드(d 또는 b 노드)를 따른다. 이 경우에는, 앞서 충전된 제1 커패시터(C11)의 충전 전압(Em)과 교류 전원(Vac)의 양의 반주기 동안의 전압이 함께 제2 커패시터(C12)에 충전된다. 그리하여, 제2 커패시터(C12)에 충전되는 전압은 2Em이 된다. 제2 커패시터(C12)에 충전된 전압(2Em)의 극성은 도시된 바와 같이 e 노드 측이 양극이고, f 노드 측이 음극이다.
교류 전원(Vac) 및 제2 커패시터(C12)에 충전된 전압(2Em)을 g-h 단에 연결된 발광다이오드(12)와 함께 고려하여 보면, 교류 전원(Vac)의 양의 반주기 구간에서는 제2 커패시터(C12)의 충전이 이뤄지면서, 동시에 충전된 전압(2Em)이 발광다이오드(12) 측으로 제공되고, 음의 반주기 구간에서는 제2 커패시터(C12)는 앞서의 양의 반주기 구간에서 충전된 전압(2Em)을 방전하는 방식으로 동작한다. 물론, 교류 전원(Vac)의 주파수(주기)에 비해 제2 커패시터(C12)의 방전 시간은 매우 크다고 볼 수 있으므로, 발광다이오드(12) 측으로 제공되는 전압은 실질적으로 직류 전압으로 볼 수 있다.
앞서 언급하였듯이, 제1 정류다이오드(C11) 및 제2 정류 다이오드(C12)의 조합은 서로 바뀔 수 있고, 이 경우에는 제2 커패시터(C12)에 충전되는 전압의 극성도 바뀌므로, 부하측에 연결되는 발광다이오드(12)의 연결 방향도 바뀌어야 한다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드 구동회로는, 반파 배전압 정류회로를 예로 들어 설명하였으나, 이러한 예로 국한되지 않고, 교류-직류 변환기를 사용하지 않으면서도 직류를 발광다이오드 측으로 공급할 수 있는 회로라면 다양하게 존재할 수 있을 것이다. 예를 들면, 반파 배전압 정류회로가 아니라, 전파 배전압 정류회로가 사용될 수도 있고, 나아가 2배전압 정류회로가 아니라 3배 전압 정류회로, 4배 전압 정류회로 등이 사용될 수도 있을 것이다.
따라서, 도 3은 본 발명예에 따른 N배(N은 2 이상의 정수) 전압 정류회로를 포함하는 LED 구동회로의 등가 회로도를 나타내었다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 구동회로는 m개의 제1 그룹의 커패시터(C31, C32, ...., C3m), n개의 제2 그룹의 커패시터(C41, C42, ..., C4n), m+n개의 브랜치들(B1, B2, ..., Bm+n)을 포함한다.
제1 그룹의 커패시터(C31, C32, ..., C3m)는 m+1개의 제1 그룹의 노드들(N31, N32, ..., N3m+1)을 통해 서로 직렬 연결된다. 여기서 m은 양의 정수이다.
제2 그룹의 커패시터(C41, C42, ..., C4n)는 n+1개의 제2 그룹의 노드들(N41, N42, ..., N4n+1)을 통해 서로 직렬 연결된다. 여기서 n은 양의 정수이다.
도 3의 회로 구조에서 파악할 수 있듯이, m과 n은 동일한 수일 수도 있고, m이 n보다 1이 더 큰 수일 수도 있다.
브랜치들(B1, B2, ..., Bm+n) 각각은 제1 그룹의 노드들(N31, N32, ..., N3m+1) 중 어느 하나의 노드와 제2 그룹의 노드들(N41, N42, ..., N4n+1) 중 어느 하나의 노드 사이에 연결된다. 예를 들면, 브랜치 B1는 노드 N32와 노드 N41 사이에 연결되고, 브랜치 B2는 노드 N32와 노드 N42 사이에 연결된다.
브랜치들(B1, B2, ..., Bm+n) 중 짝수번째 브랜치(B2, B4, ...)는 제2 그룹의 노드들(N41, N42, ..., N4n+1) 중 a번째 노드에서 제1 그룹의 노드들(N31, N32, ..., N3m+1) 중 a번째 노드 방향으로 전류를 흘리기 위한 정류소자(D2, D4, ...)를 포함한다. 여기서 a는 2, 3, ..., n 및 n+1 이다.
상기 브랜치들(B1, B2, ..., Bm+n) 중 홀수번째(B1, B3, ...) 브랜치는 제1 그룹의 노드들(N31, N32, ..., N3m+1) 중 b번째 노드에서 제2 그룹의 노드들(N41, N42, ..., N4n+1) 중 b-1번째 노드들로 전류를 흘리기 위한 정류소자(D1, D3, ...)를 포함한다. 여기서 b는 2, 3, ..., m-1 및 m 이다.
이러한 본 발명에 따른 LED 구동회로에서, 제1 그룹의 노드들 중 첫번째 노 드(N31)와 제2 그룹의 노드들 중 첫번째 노드(N41) 간에는 교류 전원(Vac)이 인가된다. 인가되는 교류 전원(Vac)의 첨두치 전압은 Em으로 가정하였다.
LED 소자는 제1 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상에 병렬 연결될 수 있고, 제2 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상에 병렬 연결될 수 있다.
예를 들면, LED 소자가 제1 그룹의 커패시터 중 C31과 C32의 양단 즉, 노드 N31과 N33 사이에 연결되는 경우에는 3배의 정류전압(3Em)이 LED 소자에 인가될 수 있다. 또 다르게는, LED 소자가 제2 그룹의 커패시터 중 C41과 C42의 양단 즉, 노드 N41과 N43 사이에 연결되는 경우에는 4배의 정류전압(4Em)이 LED 소자에 인가될 수 있다. 이를 제1 그룹의 커패시터 전체 및 제2 그룹의 커패시터 전체에 대해 일반화하여 보면, 먼저 제1 그룹의 첫번째 커패시터에서부터 m번째 커패시터까지에 대해 LED 소자가 병렬 연결되는 경우(예를 들면, 참조부호 32)에는 (2m-1)배의 정류전압((2m-1)Em)이 LED 소자에 인가될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 그룹의 첫번째 커패시터에서부터 n번째 커패시터에까지에 대해 LED 소자가 병렬로 연결되는 경우에는 2n배의 정류전압((2nEm)이 LED 소자에 인가될 수 있다.
물론, 이러한 LED 구동회로에 연결되는 LED 소자는 하나의 LED 소자에 국한되는 것이 아니라, 복수 개가 직렬, 병렬, 및 직/병렬로 연결될 수도 있다.
또한, 브랜치들(B1, B2, ..., Bm+n) 각각은 하나의 정류다이오드(D1, D2, ..., Dm+n) 만으로 도시되어 있으나, 이러한 하나의 정류다이오드에 국한되지 않고, 정류 기능을 수행하는 연결 구조 내에서 복수 개가 직렬, 병렬, 직/병렬 또는 이들의 조합으로 연결될 수도 있다. 더 나아가 이러한 정류다이오드의 일부 또는 전체가 LED 소자일 수도 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 제시된 도면들 및 설명을 지침으로 하여 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변형시킬 수 있을 것이나, 이러한 것들도 본 발명의 범위 내에 있다는 것은 자명하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 구동회로의 등가 회로도이다.
도 2는 도 1의 발광다이오드 구동회로의 충전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명예에 따른 N배(N은 2 이상의 정수) 전압 정류회로를 포함하는 LED 구동회로의 등가 회로도이다.
<도면의 중요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 정류부 C11 : 제1 커패시터
C12 : 제2 커패시터 D11 : 제1 정류다이오드
D12 : 제2 정류다이오드 12, 32 : LED
Vac : 교류 전원 N31, N32, ..., N3m+1 : 제1 그룹의 노드
N41, N42, ..., N4n+1 : 제2 그룹의 노드
C31, C32, ..., C3m : 제1 그룹의 커패시터
C41, C42, ..., C4n : 제2 그룹의 커패시터
B1, B2, ..., Bm+n : 브랜치
D1, D2, ..., Dm +n : 정류소자

Claims (10)

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  8. m+1(여기서 m은 양의 정수)개의 제1 그룹의 노드들을 통해 서로 직렬 연결된 m개의 제1 그룹의 커패시터;
    n+1(여기서 n은 양의 정수)개의 제2 그룹의 노드들을 통해 서로 직렬 연결된 n개의 제2 그룹의 커패시터; 및
    각각이 상기 제1 그룹의 노드들 중 어느 하나의 노드와 상기 제2 그룹의 노 드들 중 어느 하나의 노드 사이에 연결되는 m+n개의 브랜치들;을 포함하되,
    상기 브랜치들 각각은 적어도 하나의 정류소자를 포함하며,
    상기 제1 그룹의 노드들 중 첫번째 노드와 상기 제2 그룹의 노드들 중 첫번째 노드로 교류 전원을 인가하여, 상기 제1 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상, 또는 상기 제2 그룹의 커패시터 중 어느 하나 또는 둘 이상에 연결된 LED 소자를 구동하기 위한 LED 구동회로.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 브랜치들 중 짝수번째 브랜치는 상기 제2 그룹의 노드들 중 a번째 노드에서 상기 제1 그룹의 노드들 중 a번째 노드 방향으로 전류를 흘리기 위한 정류소자를 포함하고, 상기 브랜치들 중 홀수번째 브랜치는 상기 제1 그룹의 노드들 중 b번째 노드에서 상기 제2 그룹의 노드들 중 b-1번째 노드 방향으로 전류를 흘리기 위한 정류소자를 포함하며, 여기서, a는 2, 3, ..., n 및 n+1이고, b는 2, 3, ..., m-1 및 m 인 LED 구동회로.
  10. 청구항 8 및 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정류소자는 적어도 하나의 LED 소자를 포함하는 LED 구동회로.
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