KR101072819B1 - Ｌｅｄ 형광램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 형광램프에 관한 것이다. 본 LED 형광램프는 제1 내지 제4 연결핀, 일단이 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터, 및 일단이 제1 캐패시터의 타단과 제3 커패시터의 타단이 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 제2 커패시터의 타단과 제4 커패시터의 타단이 연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 그 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 회로를 구비하는 LED 어레이 회로부를 포함한다. 본 발명에 따른 LED 형광램프는 일반적인 형광등 기구내에 설치되어 있는 다양한 형태의 안정기를 그대로 사용할 수 있어, 부가적인 장치의 부착이나 배선의 변경없이 일반적인 형광램프를 대체하여 사용할 수 있다.

Description

ＬＥＤ 형광램프{LED fluorescent lamp}

본 발명은 LED 형광램프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일반적인 형광등 기구내에 설치되어 있는 안정기를 교체하지 않고 형광램프만을 교환하여 사용할 수 있는 LED 형광램프에 관한 것이다.

기술의 발전에 따라, 과거 인디케이터 등의 소전력 지시등용으로 밖에 사용되지 못하던 LED(Light Emitting Diode)의 광효율이 실생활에 사용될 수 있을 만큼 향상되고 있다. 또한, LED는 다른 광원들과 달리 수은이 함유되지 않은 친환경 광원으로, 휴대 단말기용 백라이트, LCD TV용 백라이트, 차량용 램프, 및 일반 조명 등에 사용되는 차세대 광원으로 널리 각광을 받고 있다. 이에 따라, 지난 100여년 동안 조명의 주광원으로 사용되어 왔던 저전력 효율 특성을 갖는 백열등이나 수은 등의 환경 폐기물을 포함하고 있는 형광등이 LED 램프로 대체되기 시작하고 있다.

그러나, LED 램프의 경우, 백열등이나 할로겐 램프 등을 대체할 경우에는 그대로 교체가 가능하지만, 일반 조명의 주류를 이루고 있는 형광등을 대체할 경우에는 내부의 배선이나 등기구 자체를 바꾸거나 또는 전용 안정기를 별도로 설치하여야 되므로 시간적으로나 경제적으로 커다란 비용을 수반하게 한다. 이에 따라, 여러가지 측면에서 많은 장점을 가지고 있는 LED 형광램프가 아직까지 보급의 초기 단계에 머무르고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 별도의 전용 안정기나 배선의 변경 없이 다양한 종류의 기존 전자식 형광등용 안정기를 그대로 사용하여 구동가능하며 입력 전압의 변화 및 다양한 종류의 안정기를 사용함에 따른 외부 동작 조건의 변화에 큰 영향을 받지 않고 안정된 전류 특성을 가진 LED 형광램프를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 형광램프는, 제1 내지 제4 연결핀, 일단이 상기 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터, 및 일단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제3 커패시터의 타단이 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 상기 제2 커패시터의 타단과 상기 제4 커패시터의 타단이연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 상기 적어도 하나의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 회로를 구비하는 LED 어레이 회로부를 포함한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 형광램프는, 제1 내지 제4 연결핀, 일단이 상기 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터, 애노드가 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 제2 다이오드, 캐소드가 상기 제3 커패시터의 타단에 연결되는 제3 다이오드, 애노드가 상기 제4 커패시터의 타단에 연결되는 제4 다이오드, 및 일단이 상기 제1 다이오드의 캐소드와 상기 제4 다이오드의 캐소드가 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 상기 제2 다이오드의 애노드와 상기 제3 다이오드의 애노드가 연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 상기 적어도 하나의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 회로를 구비하는 LED 어레이 회로부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 별도의 전용 안정기 설치나 등기구 내부의 배선 변경없이 다양한 종류의 기존 형광등용 안정기에 설치가능하며, 다양한 종류의 전자식 형광등 안정기에 대해 안정된 전류의 동작 특성을 가지는 LED 형광램프가 제공된다. 따라서, 특별한 비용을 들이지 않고 간단하게 기존 형광등을 교체할 수 있으므로, 친환경, 고효율의 조명을 보다 쉽게 이용할 수 있도록 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 4 내지 도 7은 LED 어레이 회로부의 구조를 나타낸 도면,
도 8은 LED 어레이의 구조를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 10 및 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 12 및 도 13는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도,
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프를 하프브릿지(Half Bridge)형 인버터에 직렬공진 회로를 접속한 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면,
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프를 인스턴트 스타터 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면,
도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프를 소프트 스타터 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면, 그리고
도 18은 본 발명의 실험예에 따른 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

일반적으로 널리 사용되고 있는 전자식 형광등용 안정기의 기본 회로에는, 하프브릿지(Half Bridge) 방식, 인스턴트 스타트(Instant Start) 방식, 및 프로그램 스타트(Program Start) 방식 등이 있다. 또한, 종래의 철심형 쵸크식 안정기로는 스타터(Starter) 램프 방식, 래피드 스타트(Rapid Start) 방식 등이 있다. 본 발명에 따른 LED 형광램프는 이러한 형광등용 안정기에 쉽게 적용 가능하도록 구성되어 있다.

먼저, 본 발명에 따른 LED 형광램프의 구성에 대하여 설명하고, 다음으로 본 발명에 따른 LED 형광램프가 다양한 형광등용 안정기에 사용된 경우 동작 과정을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(140)는 외부 연결핀인 제1 내지 제4 연결핀(141, 142, 143, 144)을 구비하며, 기본적으로, LED 어레이 회로부(100)와, 일단이 제1 내지 제4 연결핀(141, 142, 143, 144)에 연결되는 용량성 소자인 커패시터 C41, C42, C43 및 C44를 포함한다.

커패시터 C41의 타단과 커패시터 C43의 타단의 연결점을 제1 노드라 하고, 커패시터 C42의 타단과 커패시터 C44의 타단의 연결점을 제2 노드라고 정의하면, LED 어레이 회로부(100)는 제1 노드와 제2 노드 사이에 접속된다. 이때, LED 어레이 회로부(100)는 직렬접속된 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이와, LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 회로를 포함한다.

본 실시예에 따른 LED 형광램프(140)는 커패시터 C41 내지 C44에 각각 병렬연결되는 다이오드 D41 내지 D44를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(140)는, 다이오드 D45 내지 D48을 더 포함할 수 있다.

이때, 다이오드 D45는 캐소드가 제1 연결핀(141)에 연결되고, 애노드는 다이오드 D42의 애노드에 연결된다. 다이오드 D46은 애노드가 제2 연결핀(142)에 연결되고, 캐소드가 다이오드 D41의 캐소드에 연결된다. 또한, 다이오드 D47은 애노드가 제4 연결핀(144)에 연결되고 캐소드는 다이오드 D43의 캐소드에 연결되며, 다이오드 D48은 캐소드는 제3 연결핀(143)에 연결되고, 애노드는 다이오드 D44의 애노드에 연결된다.

이와 같이 구성된 LED 형광램프(140)에서, 커패시터 C41 내지 C44는 제1 내지 제4 연결핀(141, 142, 143, 144) 중 적어도 하나를 통해 후술하는 다양한 방식의 형광등용 안정기 회로 등이 접속되는 경우, 주파수 변화에 따라 형광등용 안정기 회로내의 임피던스를 변화시켜 LED 형광램프(140)로 흐르는 전류를 제어할 수 있도록 하여, 기존의 형광등용 안정기를 변경 없이 사용할 수 있도록 한다.

다이오드 D41 내지 D44는 제1 내지 제4 연결핀(141, 142, 143, 144)에 직렬공진 방식의 전자식 안정기의 출력선이 연결되어, 전자식 안정기 내부의 공진 유지용 커패시터를 C1 이라 하면, 커패시터 C1 이 제1 연결핀(141)과 제2 연결핀(142) 사이 또는 제3 연결핀(143)과 제4 연결핀(144) 사이에 연결될 경우, 전자식 안정기로부터 입력되는 전압의 극성에 따라 병렬 연결된 커패시터 C41 내지 C44에 의해 LED 어레이 회로부(100)에 흐르는 전류의 제어가 가능하도록 한다. 예컨대, 제4 연결핀(144)을 기준으로 하여 제3 연결핀(143)에 (+)전압이 인가되고, 제1 연결핀(141)과 제2 연결핀(142) 사이에 직렬공진회로 방식의 전자안정기 내부의 공진 유지용 커패시터 C1 이 연결될 경우에는, 커패시터 C43은 다이오드 D43에 의해 쇼트 상태가 되고, 다이오드 D41과 D42는 오픈 상태가 되며, 커패시터 C44는 다이오드 D44에 의해 쇼트 상태가 되어, 공진 유지 커패시터의 복합 용량값은 커패시터 C41, 공진 유지용 커패시터 C1 그리고 커패시터 C42의 직렬 연결값으로 된다. 또한, 제4 연결핀(144) 기준으로 제3 연결핀(143)에 (-)전압이 인가되는 사이클에서는, 커패시터 C42는 다이오드 D42에 의해 쇼트 상태가 되고 커패시터 C41은 다이오드 D41에 의해 쇼트 상태가 되어, (-)주기에서의 공진 유지 커패시터의 복합 용량값은 커패시터 C44, 공진 유지용 커패시터 C1 그리고 커패시터 C43의 직렬 연결값으로 된다.

그리고, 다이오드 D45 내지 D48는, 외부로부터 인가되는 전압에 대해 완전히 대칭 동작을 하는 구성으로 되어 있어, LED 형광램프(140)가 일반 형광등과 같이 완전 대칭으로 극성을 가리지 않고 바로 사용할 수 있도록 한다.

또한, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(140)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 커패시터 C41 내지 C44에 인버터에 초기 트리거 구동을 위한 전류를 공급하기 위해 저항 R41 내지 R44가 각각 병렬로 추가될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(140)는, 도 3에 도시한 바와 같이, LED 어레이 회로부(100)의 양단자에 다이오드 D49 및 D50이 직렬로 추가될 수도 있다. 다이오드 D49 및 D50은 LED 어레이 회로부(100)에 순방향으로만 전류가 흐르도록 한다. 사용환경에 따라서는 다이오드 D49 및 D50 중 어느 하나만 추가될 수도 있다.

이와 같이, LED 어레이 회로부(100)의 양단자에 직렬로 다이오드가 추가되는 회로 구성은, 이하 설명하는 다른 실시예에 따른 LED 형광램프에도 모두 적용이 가능하다.

다음의 도 4 내지 도 7은 도 1에 도시한 LED 어레이 회로부의 실시예를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, LED 어레이 회로부(100)는 직렬접속된 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이(10), 인덕터 L1, NPN 트랜지스터 Q1, Q2, 및 저항 R1, R2를 포함할 수 있다.

인덕터 L1은 LED 어레이 회로부(100)의 제1 단자(100a)와 LED 어레이(10)의 일단(10a) 사이에 연결된다. NPN 트랜지스터 Q1은 콜렉터가 LED 어레이(10)의 타단(10b)에 연결된다. NPN 트랜지스터 Q2는 베이스는 NPN 트랜지스터 Q1의 에미터에 연결되고, 콜렉터는 NPN 트랜지스터 Q1의 베이스에 연결되며, 에미터는 LED 어레이 회로부(100)의 제2 단자(100b)에 접속된다. 그리고, 저항 R1은 LED 어레이(10)의 일단(10a)과 NPN 트랜지스터 Q1의 베이스 사이에 접속되고, 저항 R2는 NPN 트랜지스터 Q2의 베이스와 LED 어레이 회로부(100)의 제2 단자(100b) 사이에 접속된다.

이와 같은 구성에서, 인덕터 L1은 점등시 LED 어레이(10)의 임피던스를 변화시켜 LED 회로부(100)에 흐르는 주전류를 제어하는 역활을 하고, NPN 트랜지스터 Q1, Q2 및 저항 R1, R2로 구성되는 정전류 회로부는 LED 어레이(10)에 정전류가 공급되도록 한다.

정전류 회로부는, 바이폴라 트랜지스터 Q1, Q2 및 저항 R1, R2를 포함하며, NPN 트랜지스터 Q1 및 Q2로 부궤환(Negative Feedback)을 걸어 정전류원으로 사용한 회로이다. 즉, NPN 트랜지스터 Q1이 베이스 저항 R1에 의해 바이어스가 걸려 도통하면, 에미터 저항 R2에 전압이 걸리게 된다. 이 전압이 NPN 트랜지스터 Q2의 베이스-에미터에 걸리면 NPN 트랜지스터 Q2가 도통하면서 NPN 트랜지스터 Q1의 베이스 전류가 분류되어, NPN 트랜지스터 Q1의 전류가 줄어드는 부궤환이 이루어져 전류가 일정하게 흐르는 정전류원이 된다.

본 정전류 회로는, 일단인 100b 점을 기준으로 하여 LED 어레이의 애노드점(10a)에 인가되는 전압이 50V에서 100V로 변화하게 되면, 트랜지스터 Q2에 흐르는 전류는 2배로 증가하게 되나, 트랜지스터 Q2의 베이스-에미터 전압 Vbe(Q2)는 0.66V에서 0.69V로 30mV 밖에 변화하지 않으므로 LED 어레이(10)를 통해 트랜지스터 Q1으로 흐르는 전류 I의 변화치를 dI라 하면, dI는 다음의 식과 같다.

따라서, 전원 전압이 100% 변화되는 경우에도 트랜지스터 Q1을 통해 흐르는 LED 어레이(10)의 전류는 30mV/660mV 정도가 변화하여, 약 4.66%만 변화하는 상대적으로 안정된 정전류 특성을 보인다.

베이스 저항 R1은 NPN 트랜지스터 Q1의 H_FE와 필요한 정전류를 고려하여 결정하며, 회로 전체의 정전류의 크기는 에미터 저항 R1의 값에 의해 정해진다.

만일, LED 어레이(10)에 인가되는 맥동직류(Pulsatin DC) 전압이 일정한 값을 유지한다고 가정하면 LED 어레이(10)에 직렬 접속되는 인덕터 L1의 값을 변화시켜 LED 어레이(10)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 그러나, 실제 전자 안정기의 경우에는 부하의 조건에 따라 LED 어레이(10)에 인가되는 전압자체가 직렬공진 조건에 따라 가변적이 될 수 있으므로, 인덕터 L1의 값만으로는 전류를 제어하는데 한계가 있다.

따라서, 인덕터 L1에 직렬로 NPN 트랜지스터 Q1, Q2 및 저항 R1, R2로 구성된 정전류 회로를 연결하여 보다 안정적으로 LED 어레이(10)에 흐르는 전류의 변화량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 전자 안정기에 인가되는 전원의 전압이 상승하거나 혹은 사용하는 안정기의 특성이 달라짐에 따라 LED 형광램프(140)에서 소비되는 전력이 크게 변하는 것을 방지함으로써 LED 형광램프(140)가 안정된 영역에서 동작하게 된다.

한편, 정전류 회로는, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 단자(100a)와 제2 단자(100b)사이에서 자유로이 위치할 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, PNP 트랜지스터를 사용하여 정전류 회로를 구성할 수도 있으며, 그 동작 원리는 NPN 트랜지스터를 사용하는 경우와 기본적으로 동일하다. 이외에도 다양한 형태의 LED 어레이와 정전류 회로의 배열이 사용하여 LED 회로부를 구성할 수 있다.

도 8은 도 4 내지 도 7에 도시한 LED 어레이의 구성을 나타낸 도면이다. 도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, LED 어레이(10)는 직렬연결된 복수의 LED를 포함하며, 애노드측 단자(10a)와 캐소드측 단자(10b)를 구비한다. LED 어레이(10)는 복수의 LED가 직렬 연결되는 구성이 일반적이다. 그러나, 직렬 연결된 LED의 보호를 위해, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 제너 다이오드 Z1 내지 Zn이 각각의 LED에 역방향으로 병렬 연결될 수도 있다.

이와 같이, 각 LED에 병렬로 제너 다이오드가 사용되는 경우, 교류 전압의 (+) 주기에는 다이오드 D1 내지 Dn 을 통해 전류가 흐르나, (-) 주기에서는 제너 다이오드 Z1 내지 Zn을 통해 전류가 흐를 수 있다. 제너 다이오드 Z1 내지 Zn를 통한 전류의 흐름은 무효 손실이 될 수 있다. 따라서, 제너 다이오드 Z1 내지 Zn를 통한 전류의 흐름을 방지하여 효율을 높이기 위해 본 발명에 따른 LED 형광램프는 다음에 설명하는 실시예와 같이 구성이 변경될 수 있다.

또한, LED의 직렬 접속으로 구성된 LED 어레이(10)는 두 개 이상이 병렬연결된 구조로 사용될 수도 있으며, 이와 같은 구성은 이하 설명하는 다른 실시예에 따른 LED 형광램프에서도 동일하게 적용될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)에는 제1 내지 제4 연결핀(151, 152, 153, 154)에 일단이 각각 연결되는 커패시터 C51 내지 C54에, 다이오드 D51 내지 D54가 각각 직렬로 추가된다. 이때, 추가되는 다이오드 D51 내지 D54는 다이오드 D55 내지 D58과 함께 다양한 종류의 전자식 형광등 안정기에서 교류 전압의 위상과 무관하게 본 실시예에 따른 LED 형광램프(150)가 동작되도록 한다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(160)는, 다이오드 D61 내지 D64와 LED 어레이 회로부(100) 사이에 다이오드 D65 내지 D68가 추가로 사용되어, 다양한 전자식 형광등 안정기에서 제1 내지 제4 연결핀(161, 162, 163, 164)에 인가되는 교류 전압의 위상변화와 무관하게 본 실시예에 따른 LED 형광램프(160)가 안정적으로 동작되도록 한다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, LED 어레이 회로부(100)에서 사용되는 LED 개수에 따라, 다이오드 D65 내지 D68에 각각 병렬연결되는 커패시터 C61 내지 C64가 더 사용될 수 있다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로이다. 본 실시예에 따른 LED 형광램프(180)는, 제1 연결핀(181)과 제3 연결핀(183)사이에 인덕터 L81이 접속되고 제2 연결핀(182)과 제4 연결핀(184)사이에 인덕터 L82가 접속된다. 인덕터 L81 및 L82는 전자식 안정기의 초기 동작시에는 형광등의 필라멘트 역할을 하여 필라멘트 감지보호회로가 동작하지 않도록 하고, 점등시에는 L81 및 L82의 인덕턴스가 공진회로의 인덕턴스에 더해져서 LED에 인가되는 전력을 콘트롤하는 역할을 한다. 또한, 도 13에 도시한 바와 같이, 인덕터 L81 및 L82 대신 저항 R81 및 R82가 사용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 LED 형광램프의 회로도이다. 도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 LED 형광램프(200)는, 제1 내지 제4 연결핀(201, 202, 203, 204)에 일단이 연결되는 커패시터 C101 내지 C104와, LED 어레이 회로부(100)의 양단자에 직렬로 다이오드 D101 및 D102가 연결되는 회로 구성에서, 다이오드 D103 내지 D108이 추가되는 구성이다.

본 실시예에 따른 LED 형광램프(200)에서, 다이오드 D103 및 D104는 다양한 전자식 형광등 안정기에서 제1 내지 제4 연결핀(201, 202, 203, 204)에 인가되는 전압의 위상변화와 무관하게 본 실시예에 따른 LED 형광램프(200)가 동작되도록 한다.

또한, 커패시터 C101, C102, C103, C104에 각각 병렬 연결되는 다이오드 D105, D106, D107, D108은 극성의 방향을 모두 반대로 연결하여도 전류가 흐르는 경로만이 달라질 뿐이며 기본적인 동작은 전술한 바와 동일하게 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같은 구성의 LED 형광램프는 별도의 회로변경 없이, 기존에 사용되는 전자식 형광등 안정기에 연결되어 사용될 수 있다. 이에 대해 설명의 편의상 도 1에서 설명한 LED 형광램프를 예로 들어 다양한 형광등용 안정기에서 동작 과정을 설명하기로 한다.

도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프를 하프브릿지(Half Bridge)형 인버터에 직렬공진 회로를 접속한 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면이다. 하프브릿지 방식의 전자식 형광등 안정기는, 스위칭 소자로 구성된 하프브릿지 인버터의 스위칭 출력점에 인덕터 Lo와 커패시터 Co와 C1으로 이루어진 직렬 공진 회로를 연결하고, 공진 커패시터 C1의 양단에 유기되는 직렬공진 전압으로 방전관인 형광램프를 초기 점등시킨 후, 점등 후의 안정화 전류는 인덕터 Lo로 제어하는 방식이다.

이 방식의 전자식 형광등 안정기를 사용했을 경우 LED 형광램프(140)가 연결되면 그 동작은 다음과 같다, 스위칭 소자 Q61이 온(ON) 상태가 되어, (A) 점의 전위가 Vs가 되면, 초기 공진 전류는 인덕터 Lo - D43 - C41 - C1 - C42 - D44 - 2Co 의 경로로 흐르게 된다. 반대로 스위칭 소자 Q62가 온상태가 되면 (A) 점이 접지전위가 되어 초기 공진전류는 2Co - C44 - D42 - C1 - D41 - C43 - Lo로 흐르게 된다.

범용성을 위하여 LED 형광램프(140)는 대칭성을 가져야 하므로, LED 형광램프(140) 연결핀에 따라 극성을 가져서는 안되기 때문에 LED 형광램프(140) 내부의 커패시터 C41 내지 C44 를 같은 값인 C2로 놓으면, C41 - C1 - C42 또는 C43 - C1- C44 의 직렬로 이루어진 복합 캐피시터 Ca 값은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, C2 ≪ C1의 경우, Ca의 값은 Ca ≒ C2/2와 같이 나타낼 수 있고, LED 형광램프(140)에 흐르는 주전류는 안정기의 인덕터의 임피던스 jωLo에 의해 제어되며, 동작 주파수 f는 인덕턴스 값 Lo와 복합 커패시턴스 Ca 그리고 직렬 연결된 LED의 개수에 의해 결정되는 LED 어레이의 임피던스에 따라 변화하게 된다.

도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 형광램프를 인스턴트 스타트 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면이다. 도 16을 참조하면, 인스턴트 스타트 방식의 전자식 형광등용 안정기는, 트랜스포머 T1, T2와 커패시터 C1으로 구성되는 회로의 자체 발진동작에 의하여, 스위칭 소자의 Q71, Q72가 스위칭 동작을 지속토록 하고, 스위칭점 (A)의 출력을 AC적으로는 쇼트 상태이며 DC적으로는 1/2 Vcc인 직렬로 연결된 커패시터 Co의 중점인 (B)점에, 트랜스포머 T2의 1차 권선 T2-1으로 연결하여, 트랜스포머 T2의 2차 권선 T2-2에 유기되는 고전압으로 형광램프를 초기 방전시키고, 일단 방전이 이루어진 후에는 램프부하와 직렬로 연결된 커패시터 C1에 의해 안정화 램프 전류를 제어하는 방식이다.

이 방식의 전자식 형광등 안정기를 사용했을 경우, 기본 동작을 살펴보면, 트랜스포머 T2는 자체 발진에 의하여 2차 권선 T2-2에 고주파의 AC 전압을 유기시키며 (D) 점을 기준으로 (C)점이 (+) 전위인 경우, (C)점 - C1 - C51 - D51 - LED 어레이 회로부(100) - D52 - C52 - (D)점의 경로로 전류가 흐르고, (C)점이 (-) 구간이 되는 구간에서는 (D)점 - C52 - D56 - LED 어레이 회로부(100) - D55 - C51 - C1 - (C)점으로 전류가 흐르게 된다.

따라서, LED 어레이 회로부(100)에 흐르는 전류값은, 커패시터 C51 내지 C54의 커패시턴스를 C2라 놓으면, 안정기의 전류제어 커패시터 C1의 임피던스 1/jωC1과 직렬연결된 2개의 커패시터 C2의 임피던스 2/jωC2 의 합에 의해 제어된다.

도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프를 소프트 스타터 방식의 전자식 형광등 안정기에 사용한 경우 회로 구성을 나타낸 도면이다. 이 방식의 전자식 형광등 안정기는 스위칭 소자 Q81, Q82의 스위칭점인 (A)점에 인덕터 T3와 커패시터 C1으로 구성된 직렬 공진 회로를 접속하고, 공진 커패시터 C1의 양단에 1개 또는 복수의 형광 램프를 연결하는 구성으로 되어 있으며, 기본동작은 도 15에서 설명한 회로 구성과 유사하다. 단, 이 방식에 있어서, 형광램프 수명의 극대화를 위하여, 공진용 트랜스에 T3 2차 예열권선 T3-a, T3-b를 감아 램프 초기 점등시에 이 예열권선에서 발생하는 2차 전압으로 형광램프의 필라멘트를 충분히 예열 시킨 후, 고전압을 램프에 인가하는 방식으로, 점등시 램프 필라멘트의 옥사이드 비산을 최소화함으로써 램프 수명을 극대화 시키고자 하는 것이다.

이 방식을 사용한 경우, 스위칭 소자 Q81, Q82의 스위칭 주파수를 인덕터 T3의 인덕턴스값 L1과 커패시터 C1의 직렬공진 주파수에 일치시키면, 도 14에서 설명한 바와 같이 주파수 f는 Co≫ C1 일 경우, Co를 무시하면 다음과 같이 된다.

커패시터 C1의 양단에는 주파수 f의 AC 전압이 유기되게 된다. 동작 중에서는 인덕터 T3에 커플링되어 있는 필라멘트 가열용 권선 T3-a에 흐르는 전류는 도트 극성쪽이 (+)주기에는 Ca - D41 - C43의 경로로 전류가 흐르게 되며, (-)주기에서 D43 - C41- Ca의 경로로 흐르게 된다. 권선 T3-b에 흐르는 전류는 (+) 주기에는 C44 - D42 - Cb의 경로로 흐르고, (-) 주기에는 Cb - C42 - D44 의 경로로 흐르며, 이때의 전류를 제어하는 커패시터의 값은 C41, C42, C43, C44 값을 동일하게 C2라 놓으면

이 되며, 실제 Ca 》C2 이므로, 권선 T3-a, T3-b에 흐르는 전류는 C41 내지 C44값인 C2에 의해 결정되며, 이 커패시터 값은 수천 피코 파라드( pF) 정도 이하의 아주 작은 값이고, 이 또한 권선 T3-a, T3-b에 유기되는 전압은 수 볼트 정도의 낮은 전압이므로 인덕터 T3-a, T3-b에 의해 흐르는 전류는 거의 무시할 수 있다.

LED 형광램프(140)에 흐르는 주전류는 (B) 점의 전위가 (C)점 대비 (+) 주기에서는 (B)점 - D43 - LED 어레이 회로부(100) - D44 - (C)점의 경로로 전류가 흐르게 되며, (-) 주기에는 그 반대로 (C)점 - D47 - LED 어레이 회로부(100) - D48 - (B) 점의 경로로 전류가 흐르게 된다.

<실험예>

다음의 [표 1]는 도 4에서 제시한 정전류 회로를 포함하는 LED 어레이 회로부(100)에 50KHz의 고주파 교류 전원을 전파정류하여 얻어지는 100KHz의 맥동 직류 전압을 입력 전압으로 인가하였을 때와, 정전류 회로가 없는 상태에서 입력 전압을 인가하였을 때, 각 단계의 입력 전압에서 LED 어레이(10)에 흐르는 전류값을 나타낸 것이다. 본 실험예에서는 상기 도 4의 LED 어레이로 6 chip LED 패키지 32개를 직렬연결하였으며, R1은 30 kΩ, R2는 5.6 Ω 으로 하였다.

입력전압 (V)	인덕터(1mH)만 삽입시(mA)	인덕터(1 mH ) + 정전류회로 사용시( mA )
70	10	10.9
72.5	13.9	13.9
75	17	18.6
77.5	22.1	22.2
80	26.5	26.8
82.5	33.1	33.4
85	38	38.4
87.5	43.8	42.6
90	48.5	46.8
92.5	54.7	51.9
95	63.6	49.2
97.5	72.4	47
100	79	46
102.5	84.4	45.6
105	90.1	45.8
107.5	103.4	46.1
110	121.2	46.7
112.5	139.5	47.4
115	160.5	49.1
117.5	186.9	51.5
120	207.9	55.3

상기 표 1 의 결과를 도 18에 그래프로 나타내었다.

도 18은 입력 전압이 70V ~ 120V로 변할 때, LED 어레이(10)에 흐르는 전류를 나타낸 그래프이다. 도 18에서 도면부호 325인 곡선은 1mH 주전류 제어 인덕터 L1만이 사용된 경우를 나타낸 것이고, 도면부호 327 곡선은 1mH의 주전류 제어 인덕터와 정전류 회로가 함께 사용된 경우를 나타낸 것이다.

도 18에서 알 수 있는 바와 같이, LED 어레이(10)에 흐르는 전류를 주전류 제어 인덕터 만으로 제어하는 경우, 일정 전압을 넘어서면 흐르는 전류가 급격히 증가하여 LED 소자가 파괴될 수 있다. 그러나, 인덕터와 함께 정전류 회로를 함께 사용하는 경우, 넓은 입력 전압의 범위에서도 LED 어레이(10)에는 안정적으로 전류가 흐르게 됨을 알 수 있다.

이상 설명의 편의상, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 형광램프(140)를 예로 들어 동작을 설명하였지만, 다른 실시예에 따른 LED 형광램프의 경우에도 기본적인 동작은 전술한 바와 동일하게 이루어 질 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 LED 형광램프는 일반적으로 사용되고 있는 전자식 안정기에 회로 변경없이 바로 장착하여 사용할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100: LED 어레이 회로부 140: LED 형광램프

Claims (22)

1. 제1 내지 제4 연결핀;
   일단이 상기 제1 내지 제4 연결핀에 각각 연결되는 제1 내지 제4 커패시터; 및
   일단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제3 커패시터의 타단이 연결된 제1 노드에 접속되고, 타단이 상기 제2 커패시터의 타단과 상기 제4 커패시터의 타단이연결된 제2 노드에 접속되며, 적어도 하나의 LED 어레이와 상기 적어도 하나의 LED 어레이에 정전류를 공급하는 정전류 회로를 구비하는 LED 어레이 회로부;
   애노드는 상기 제1 노드에 연결되고, 캐소드는 상기 LED 어레이 회로부의 일단에 연결되는 제1 다이오드;
   애노드는 상기 LED 어레이 회로부의 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제2 노드에 연결되는 제2 다이오드;
   애노드가 상기 제1 커패시터의 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제3 다이오드;
   애노드가 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드가 상기 제2 커패시터의 타단에 연결되는 제4 다이오드;
   애노드가 상기 제3 커패시터의 타단에 연결되고, 캐소드가 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결되는 제5 다이오드; 및
   애노드가 상기 제2 다이오드의 캐소드에 연결되고, 캐소드가 상기 제4 커패시터의 타단에 연결되는 제6 다이오드를 포함하는 LED 형광램프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 LED 어레이 회로부는,
   직렬접속된 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이;
   상기 제1 노드와 상기 LED 어레이의 일단 사이에 연결되는 인덕터;
   콜렉터가 상기 LED 어레이의 타단에 연결되는 제1 NPN 트랜지스터;
   상기 LED 어레이의 상기 일단과 상기 제1 NPN 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되는 제1 저항;
   베이스는 상기 제1 NPN 트랜지스터의 에미터에 연결되고, 콜렉터는 상기 제1 NPN 트랜지스터의 베이스에 연결되고, 에미터는 상기 제2 노드에 연결되는 제2 NPN 트랜지스터; 및
   상기 제2 NPN 트랜지스터의 베이스와 상기 제2 노드 사이에 접속되는 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
3. 제1항에 있어서,
   상기 LED 어레이 회로부는,
   직렬접속된 복수의 LED를 포함하는 LED 어레이;
   상기 제1 노드와 상기 LED 어레이의 일단에 사이에 연결되는 인덕터;
   콜렉터가 상기 LED 어레이의 타단에 연결되는 제1 NPN 트랜지스터;
   상기 LED 어레이의 상기 타단과 상기 제1 NPN 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되는 제1 저항;
   베이스는 상기 제1 NPN 트랜지스터의 에미터에 연결되고, 콜렉터는 상기 제1 NPN 트랜지스터의 베이스에 연결되고, 에미터는 상기 제2 노드에 접속되는 제2 NPN 트랜지스터; 및
   상기 제2 NPN 트랜지스터의 에미터와 상기 제2 NPN 트랜지스터의 베이스 사이에 연결되는 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
4. 제1항에 있어서,
   상기 LED 어레이 회로부는,
   직렬접속된 복수의 LED를 포함하며, 일단이 상기 제2 노드에 접속되는 LED 어레이;
   콜렉터가 상기 LED 어레이의 타단에 연결되는 제1 PNP 트랜지스터;
   일단이 상기 제1 PNP 트랜지스터의 베이스에 연결되고, 타단이 상기 LED 어레이의 일단에 연결되는 제1 저항;
   베이스가 상기 제1 PNP 트랜지스터의 에미터에 연결되고, 콜렉터가 상기 제1 PNP 트랜지스터의 베이스에 연결되는 제2 PNP 트랜지스터;
   상기 제2 PNP 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 연결되는 제2 저항; 및
   일단이 상기 제1 노드에 연결되고, 타단이 상기 제2 PNP 트랜지스터의 에미터에 연결되는 인덕터
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
5. 제1항에 있어서,
   상기 LED 어레이 회로부는,
   직렬접속된 복수의 LED를 포함하며, 일단이 상기 제2 노드에 접속되는 LED 어레이;
   콜렉터가 상기 LED 어레이의 타단에 연결되는 제1 PNP 트랜지스터;
   상기 제1 PNP 트랜지스터의 베이스와 콜렉터 사이에 연결되는 제1 저항;
   베이스가 상기 제1 PNP 트랜지스터의 에미터에 연결되고, 콜렉터가 상기 제1 PNP 트랜지스터의 베이스에 연결되는 제2 PNP 트랜지스터;
   상기 제2 PNP 트랜지스터의 베이스와 에미터 사이에 연결되는 제2 저항; 및
   일단이 상기 제1 노드에 연결되고, 타단이 상기 제2 PNP 트랜지스터의 에미터에 연결되는 인덕터
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 커패시터에 각각 병렬연결되는 제1 내지 제4 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    애노드가 상기 제4 다이오드의 애노드에 연결되고, 캐소드는 상기 제1 커패시터의 상기 타단에 연결되는 제7 다이오드;
    애노드는 상기 제2 커패시터의 상기 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 다이오드의 캐소드에 연결되는 제8 다이오드;
    애노드는 상기 제4 커패시터의 상기 타단에 연결되고, 캐소드는 상기 제5 다이오드의 캐소드에 연결되는 제9 다이오드; 및
    애노드는 상기 제6 다이오드의 애노드에 연결되고, 캐소드는 상기 제3 커패시터의 상기 타단에 연결되는 제10 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 형광램프.
    
13. 삭제
14. 삭제
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18. 삭제
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