KR101550042B1 - 교류 발광장치와 그의 구동장치 및 그에 따른 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 경로를 제공하는 서브 구동부와, 서브 구동부에 의해 발광 소자들 중 일부의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 프리차지부를 포함하는 발광 소자 구동장치 및 이러한 발광 소자를 사용하는 교류 발광장치에 관한 것으로서, 고조파 왜곡, 플리커 현상을 해결하고, 역률을 개선하며 광 효율을 증가시킬 수 있다.
LED, 교류, 플리커, 고조파 왜곡, 역률, 충전, 방전

Description

교류 발광장치와 그의 구동장치 및 그에 따른 구동방법{AC LIGHT EMITTING DIODE AND DRIVING DEVICE THEREOF AND DRIVING METHOD THEREBY}
본 발명은 발광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 전원에 의해 동작하는 교류 발광장치와 그의 구동장치 및 그에 따른 구동방법에 관한 것이다.
복수 개의 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 셀(cell)을 연결하여 사용하는 고집적 LED 칩 또는 패키지는 교류 전원에서 사용시 순방향 연결된 발광 다이오드 셀의 개수만큼 문턱전압이 증가하는 특징이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 교류 LED의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 1a는, 교류 LED(10), 교류 전원(vac) 및 저항 소자(R1)가 직렬로 연결된 등가 회로도로서, 교류 전원(vac)의 양의 반주기에서는 LED 셀(12)이 동작하고, 음의 반주기에서는 LED 셀(14)이 동작하고, 교류 LED(10)에 흐르는 전류의 크기는 저항 소자(R1)에 의해 결정된다.
도 1b는 도 1a의 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프로서, g1은 교류 전 원(vac)의 전압 그래프이고, g2는 도 1a 회로의 전류 그래프이다. x축은 시간을 나타내고, y축은 전압 또는 전류를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 함께 참조하면, 우선, 교류 전원(vac)의 양의 반주기 전압이 인가되는 경우, 전압의 크기가 LED 셀(12)의 순방향 문턱 전압(forward threshold voltage) 이상인 경우에 전류가 흐르고 LED 셀(12)이 발광하게 된다. 마찬가지로, 교류 전원(vac)의 음의 반주기에서도 전압의 크기가 LED 셀(14)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우에 전류가 흐르고 LED 셀(14)이 발광하게 된다.
따라서, 인가되는 전압의 크기가 순방향 문턱 전압 이상인 경우에만 동작하는 교류 LED(10)의 동작 특성, 즉, 교류 전원의 인가에 의해 순방향 연결되는 LED 셀(12 또는 14)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우에 도통되어 급작스럽게 전류가 흘러 동작하는 특성과, 인가되는 교류 전원의 한 주기 내에서 교류 LED의 동작 구간이 짧은 특성 등으로 인해, 역률(power factor)이 낮으며, 고조파 왜곡(total harmonic distortion, THD)(특히, 3차 고조파 왜곡)이 증가하고, 플리커(flicker) 현상이 과다하게 발생하며, 나아가 광 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED의 동작 특성으로 인한 역률 저하, 고조파 왜곡, 플리커 현상 및 광 효율 저하 문제를 개선하기 위한 교류 발광장치 및 그의 구동장치, 그리고 발광 소자의 구동방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 발광 소자 구동장치는, 교류 전원을 인가받아 적어도 두 개의 발광 소자들 중 일부의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 프리차지부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 발광 소자 구동장치는, 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 상기 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 경로를 제공하는 서브 구동부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드 단에 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 프리차지부는 상기 교류 전원의 양 전압 인가동안, 상기 양 전압을 인가받아 충전하기 위한 제1 충전부와, 상기 교류 전원의 음 전압 인가동안, 상기 음 전압을 인가받아 충전하기 위한 제2 충전부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 충전부는, 상기 교류 전원의 양 전압 구간에서 턴온되는 제1 정류 소자와, 상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 충전부는, 상기 교류 전원의 음 전압 구간에서 턴온되는 제2 정류 소자와, 상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 전원과 상기 발광 소자 사이에 연결되어, 상기 발광 소자의 온도 변화에 따라 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전류 제어부는, 상기 발광 소자의 온도가 높아지면 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 교류 발광장치는, 교류 전원으로 동작하는 적어도 두 개의 발광 소자들을 포함하는 발광부와, 상기 교류 전원을 인가받아 상기 발광 소자들을 구동하면서, 상기 발광 소자들 중 어느 하나의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 구동부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드 단에 제공된다.
바람직하게는, 상기 구동부는, 상기 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 별도로 턴온되어 상기 발광 소자들의 전류 경로를 제공하는 제1 및 제2 구동 소자와, 상기 교류 전원의 양 전압 구간에서는, 상기 양 전압 구간에서 동작하지 않는 제1 발광 소자가 상기 양 전압 구간 이후의 음 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 상기 제1 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하도록 충전하고, 상기 교류 전원의 음 전압 구간에서는, 상기 음 전압 구간에서 동작하지 않는 제2 발광 소자가 상기 음 전압 구간 이후의 양 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 상기 제2 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하도록 충전하는 프리차지부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 프리차지부는, 상기 교류 전원의 음 전압 구간에서, 상기 제1 발광 소자가 상기 음 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 상기 제1 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하기 위해 충전하는 제1 충전부와, 상기 교류 전원의 양 전압 구간에서, 상기 제2 발광 소자가 상기 양 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 상기 제2 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하기 위해 충전하는 제2 충전부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 충전부는, 상기 교류 전원의 양 전압 구간에서 턴온되는 제1 정류 소자와, 상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 충전부는, 상기 교류 전원의 음 전압 구간에서 턴온되는 제2 정류 소자와, 상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 교류 전원와 상기 발광부 사이에 연결되어 상기 발광부의 온도 변화에 따라 상기 발광부에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전류 제어부는, 상기 발광 소자의 온도가 높아지면 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양상에 따른 교류 발광장치는, 적어도 제1 발광 소자 및 제2 발광 소자를 포함하는 발광부와, 상기 교류 전원의 양 전압이 인가되는 구간동안, 상기 발광 소자들 중 제1 발광 소자를 동작시키기 위한 제1 구동부와, 상기 제1 구동부에 의해 상기 제1 발광 소자가 동작하는 동안 상기 교류 전원의 양 전압에 의해 충전되어, 상기 발광 소자들 중 상기 교류 전원의 양 전압이 인가되는 구간 동안 동작하지 않는 제2 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 제1 충전부와, 상기 교류 전원의 음 전압이 인가되는 구간 동안, 상기 제2 발광 소자를 동작시키기 위한 제2 구동부와, 상기 제2 구동부에 의해 상기 제2 발광 소자가 동작하는 동안 상기 교류 전원의 음 전압에 의해 충전되어, 상기 제1 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 제2 충전부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동부는, 상기 교류 전원의 양 전압 구간동안, 상기 제1 발광 소자의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제1 구동 소자와, 상기 제1 발광 소자의 동작시 전류를 제한하기 위한 제1 저항 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 충전부는, 상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안 턴 온되는 제1 정류 소자와, 상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 구동부는, 상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안, 상기 제2 발광 소자의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제2 구동 소자와, 상기 제2 발광 소자의 동작시 전류를 제한하기 위한 제2 저항 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 충전부는, 상기 교류 전원의 음 전압 구간동안 턴온되는 제2 정류 소자와, 상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 구동부는, 상기 발광부의 온도 변화에 따라 상기 발광부에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 구동부는, 상기 발광부의 온도 변화에 따라 상기 발광부에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 전류 제어부는 상기 발광 소자의 온도가 높아지면 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 충전부는, 상기 제1 커패시터와 상기 교류 전원 사이에 연결되어, 상기 제1 충전부의 충·방전 특성을 결정하기 위한 충·방전 특성 결정부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 충전부는, 상기 제2 커패시터와 상기 교류 전원 사이에 연결되어, 상기 제2 충전부의 충·방전 특성을 결정하기 위한 충·방전 특성 결정부를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 충·방전 특성 결정부는, 저항 소자 또는 인덕터일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 발광 소자에 제공하기 위한 전압 및 상기 제2 발광 소자에 제공하기 위한 전압 각각은, 상기 제1 발광 소자의 순방향 문턱 전압 및 상기 제2 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 제1 발광 소자의 애노드 단 및 상기 제2 발광 소자의 애노드 단에 제공된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른, 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 발광 소자 구동방법에 있어서, 교류 전원을 인가받아 상기 발광 소자들 중 일부의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 단계와, 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자가 상기 교류 전원을 인가받아 동작하기 전에, 상기 충전하는 단계에서 충전된 전압을 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자로 방전하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 충전하는 단계에서 충전된 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 방전하는 단계에서는 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드 단으로 방전한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 교류 발광장치 및 그의 구동장치, 그리고 발광 소자의 구동방법을 제공함으로써, 교류 전원의 인가에 따른 교류 LED의 동작 특성으로 인한 역률 저하, 고조파 왜곡, 플리커 현상 및 효율 저하 문제를 개선할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면들 및 이하의 설명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명에 대한 이해를 돕고자 하는 의도로 예를 들어 설명한 것에 불과하므로, 첨부된 도면들 및 이하의 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 구동장치를 설명하기 위한 구성 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 구동장치(20)는, 교류 전원(vac)을 인가받아 발광 소자들(LED, 26)를 구동하기 위한 서브 구동부(22) 및 프리차지부(24)를 포함한다. 참조번호 26은 적어도 두 개의 LED 셀들(또는 발광 소자들)을 포함하는 발광 소자를 편의상 하나의 블록으로 도시하였다. 또한, LED 셀들 또는 발광 소자들은 실질적으로 동일한 의미이므로 이하에서는 설명의 편의상 이들 모두를 발광 소자들로 통칭한다.
서브 구동부(22)는 교류 전원(vac)의 양 전압 구간(또는 양의 반주기) 및 음 전압 구간(또는 음의 반주기) 각각에 상응하게 턴온되어 발광 소자들(26)을 구동하기 위한 경로를 제공하며, 프리차지부(24)는 서브 구동부(22)에 의해 발광 소자들(26) 중 일부(예를 들어, 두 개의 발광 소자인 경우 하나의 발광 소자)의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 프리차지부(24)를 포함한다. 즉, 서브 구동부(22)를 통해 구동 신호(vd1, vd2)가 발광 소자들(26)로 인가된다.
동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위해 프리차지부(24)에서 충전하는 전압(v1 또는 v2)의 크기는 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하고, 상기 전압(v1 또는 v2)은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드(anode) 단으로 제공된다.
예를 들어, 발광 소자들(26)이 두 개의 발광 소자인 경우, 어느 하나의 발광 소자는 양 전압 구간 동안 동작하고, 다른 하나의 발광 소자는 음 전압 구간 동안 동작하되, 양 전압 구간 동안에는 충전 전압(v1)과 구동 신호(vd1)에 의해 동작하고, 음 전압 구간 동안에는 충전 전압(v2)과 구동 신호(vd2)에 의해 동작하게 된다.
그리하여, 교류 전원(vac)에 의한 발광 소자의 동작 구간을 늘릴 수 있어, 플리커 현상, 고조파 왜곡을 줄일 수 있고, 역률을 개선하며, 광 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 설명에서, 발광 소자의 동작은, 발광 소자에 순방향 문턱 전압 이상의 전압이 인가되어 발광 소자가 발광하는 것을 의미하고, 이는 이하에서도 마찬가지이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 구동장치를 설명하기 위해 발광 소자들(LED, 32)에 연결된 상태의 등가 회로도이다.
도 3a를 참조하면, 교류 전원(vac), 발광 소자(33, 34), 교류 전원(vac)의 일단(N33)과 발광 소자(33)의 애노드 단(N32) 사이에서 서로 직렬 연결된 저항 소자(R35) 및 커패시터(C32), 발광 소자(33)의 애노드 단(N32)과 상기 교류 전원(vac)의 일단(N34)사이에서 노드 N34로부터 노드 N32 방향으로 순방향 연결된 다이오드(D32), 노드 N34와 발광 소자(33) 사이에 연결된 서미스터(37) 및 저항 소자(R33), 노드 N34와 발광 소자(34)의 애노드 단(N31) 사이에서 서로 직렬 연결된 저항 소자(R34) 및 커패시터(C31), 노드 N33과 발광 소자(34)의 캐소드 단(N35) 사이에 연결된 저항 소자들(R31, R32)(저항 소자들 각각은 병렬 연결됨), 노드 N35와 노드 N32 사이에서 노드 N35로부터 노드 N32 방향으로 순방향 연결된 다이오드(D31), 발광 소자(33)의 캐소드 단(N36)과 발광 소자(34)의 애노드 단(N31) 사이에서 노드 N36로부터 노드 N31 방향으로 순방향 연결된 다이오드(D33), 노드 N33과 노드 N31 사이에서 노드 N33로부터 노드 N31 방향으로 순방향 연결된 다이오드(D34)가 도시되어 있다.
도 3a를 도 2와 함께 참조하면, 우선, 저항 소자(R31, R32) 및 다이오드(D31), 저항 소자(R33) 및 다이오드(D33)가 서브 구동부(22)를 이룬다. 그리하여, 먼저, 제1 서브 구동부를 이루는 저항 소자(R31, R32) 및 다이오드(D31)는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서 발광 소자(33)를 구동하기 위한 경로를 제공한다(도 2에서의 vd1). 또한, 제2 서브 구동부를 이루는 저항 소자(R33) 및 다이오드(D33)는 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서 발광 소자(34)를 구동하기 위한 경로를 제공한다(도 2에서의 vd2).
여기서, 발광 소자(32)의 동작시 흐르는 전류의 크기를 결정하기 위한 저항 소자(R31, R32) 및 저항 소자(R33)의 개수 및 크기는 설명의 편의를 위해 간단히 각각 두 개 및 하나의 저항 소자로 예시하였으나, 저항 소자의 개수 및 그들의 저항 크기, 또는 저항 소자의 연결 형태 등은 발광 소자(32)의 개수 및 정격 전력 등을 고려하여 사용자의 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있을 것이다. 또한, 교류 전원(vac)은 편의상 노드 N33로부터 N34 방향을 음 전압 방향으로 보고, 노드 N34로부터 노드 N33 방향을 양 전압 방향으로 보며, 이는 이하에서도 동일한 것으로 하여 설명하도록 한다.
예를 들어, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간(특히,양 전압 구간 중 전압의 크기가 발광 소자(33)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우)에서는, 교류 전원(vac), 노드(N33), 저항 소자들(R31, R32), 노드(N35), 다이오드(D31), 노드(N32), 발광 소자(33), 노드(N36), 저항 소자(R33)(또는 전류 제어부(37)) 및 노드(N34)의 전류 경로가 형성된다. 또한, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간(특히, 음 전압 구간 중 전압의 크기가 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우)에서는, 교류 전원(vac), 노드(N34), 저항 소자(R33)(또는 전류 제어부(37)), 다이오드(D33), 발광 소자(34), 노드(N35), 저항 소자들(R31, R32), 노드(N33)의 전류 경로가 형성된다.
다음으로, 정류 소자(D34), 커패시터(C31) 및 저항 소자(R34)와, 정류 소자(D32), 커패시터(C32) 및 저항 소자(R35)가 프리차지부(24)를 이룬다. 그리하여, 프리차지부(24)는 서브 구동부(22)에 의해 발광 소자(33 또는 34)가 동작할 때, 동작하지 않는 다른 발광 소자(34 또는 33)에 제공하기 위한 전압을 충전한다.
즉, 프리차지부(24)는 교류 전원(vac)의 양 전압 인가동안, 상기 양 전압을 인가받아 충전하기 위한 제1 충전부(D34, C31)를 포함하고, 교류 전원(vac)의 음 전압 인가동안, 상기 음 전압을 인가받아 충전하기 위한 제2 충전부(D32, C32)를 포함한다. 충·방전 특성을 조절하기 위해 제1 충전부(D34, C31)의 커패시터(C31)와 교류 전원(vac) 사이, 및 제2 충전부(D32, C32)의 커패시터(C32)와 교류 전원(vac) 사이에는 각각 저항 소자(R34)와 저항 소자(R35)가 더 연결될 수 있다. 충·방전 특성을 조절하기 위한 소자로서는 저항 소자(R34, R35) 이외에, 인덕턴스(이후의 도 5의 L51, L52 참조)가 사용될 수도 있다.
제1 충전부(D34, C31)는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서 턴온되는 제1 정류 소자(D34)와, 제1 정류 소자(D34)가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터(C31)를 포함한다. 한편, 제2 충전부(D32, C32)는, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서 턴온되는 제2 정류 소자(D32)와, 제2 정류 소자(D32)가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터(C32)를 포함한다.
예를 들어, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 동안, 서브 구동부(22) 중 다이오드(D31)가 턴온되어 발광 소자(33)가 동작할 때, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에 대해 순방향 연결된 다이오드(D34)가 턴온되어 커패시터(C31)가 충전된다. 커패시터(C31)에 충전된 전압(도 2의 v2)은 발광 소자(34)의 애노드 단(N31)으로 제공된다.
또한, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간 동안, 서브 구동부(22) 중 다이오드(D33)가 턴온되어 발광 소자(34)가 동작할 때, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에 대해 순방향 연결된 다이오드(D32)가 턴온되어 커패시터(C32)가 충전된다. 커패시터(C32)에 충전된 전압(도 2의 v1)은 발광 소자(33)의 애노드 단(N32)으로 제공된다.
그리하여, 프리차지부(22)는, 발광 소자(32)에 인가되는 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서는, 발광 소자(32)가 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 이후의 음 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 발광 소자(32)를 동작시키기 위한 전압을 충전하고, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서는, 발광 소자(33)가 교류 전원(vac)의 양 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 발광 소자(33)를 동작시키기 위한 전압을 충전한다.
따라서, 제1 커패시터(C31) 및 제2 커패시터(C32)에 충전되는 전압의 크기는 발광 소자(33 또는 34)의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하다. 즉, 제1 커패시터(C31)에 충전되는 전압의 크기는 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하고, 제2 커패시터(C32)에 충전되는 전압의 크기는 발광 소자(33)의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하다.
예를 들어, 제1 커패시터(C31) 및 제2 커패시터(C32)에 충전되는 전압의 크기는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 크기이므로, 교류 전원(vac)이 220Vrms(실효치)인 경우, 약 310 Vdc 크기의 전압으로 충전될 수 있다(즉, 220Vrms * 1.414 = 310 Vdc).
나아가, 교류 전원(vac)과 발광 소자(32) 사이에는, 발광 소자의 온도 변화에 따라 발광 소자에 인가되는 전류를 제어할 수 있는 전류 제어부(36)가 더 포함될 수 있다.
예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 서미스터 소자(37)와 저항 소자(R33)를 포함하는 회로로 구현될 수 있다. 즉, 발광 소자(32)를 계속 구동시키는 결과, 발광 소자(32)의 온도가 높아지게 되면, 발광 소자(32)로 인가되는 전류를 감소시 킬 수 있는 정특성 서미스터(Positive Temperature Coefficient, PTC) 회로가 사용될 수 있으나, 이러한 예로 국한되지는 않고 발광 소자(32)의 온도 변화를 고려하여 그에 상응하게 회로의 전류를 제어할 수 있는 회로라면 어떠한 형태의 회로가 사용되어도 좋다.
도 3b는 도 3a의 교류 전원(vac)의 인가에 의해 발광 소자 구동장치의 동작에 의한 발광 소자(32)의 동작 특성을 나타내는 그래프이다. 도 3b를 참조하면, 교류 전원(vac)의 그래프(g11)와 발광 소자(32)에 흐르는 전류의 그래프(g12)가 도시되어 있다. 여기서, x축은 시간을 나타내고, y축은 전압 또는 전류를 나타낸다.
도 2에서의 프리차지부(24)에 대한 설명에서와 같이, 프리차지부(24)는, 발광 소자(32)에 인가되는 교류 전원(vac)의 양 전압 구간(g11의 t1+t2 구간)에서는 발광 소자(32)가 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 이후의 음 전압 인가(g11의 t3+t4 구간의 전압)에 의해 동작하기 이전에 발광 소자(32)를 동작시키기 위한 전압을 충전하고, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간(g11의 t3+t4 구간)에서는 발광 소자(33)가 교류 전원(vac)의 양 전압 인가(g11의 t5+t6 구간의 전압)에 의해 동작하기 이전에 발광 소자(32)를 동작시키기 위한 전압을 충전한다.
여기서 구간 t1+t2와 t5+t6에서의 교류 전원(vac)의 특성 및 회로의 전류 특성은 한 주기 이후의 전압 및 전류라는 것 이외에는 동일하고 계속 반복되므로, 이하에서는 설명의 편의를 위해 한 주기 내에서의 특성(t1+t2 구간 및 t3+t4 구간) 만을 대상으로 하여 설명하도록 한다.
전류 그래프(g12)에서, 구간 t1은 교류 전원(vac)의 양 전압에 의해 발광 소자(33)가 동작하기 이전에, 제2 커패시터(C32)의 방전에 의한 전류로 인해 발광 소자(33)가 동작하는 구간을 나타내고, 구간 t2는 교류 전원(vac)의 양 전압에 의해 발광 소자(33)가 동작하는 구간을 나타낸다.
구간 t3는 교류 전원(vac)의 음 전압에 의해 발광 소자(34)가 동작하기 이전에, 제1 커패시터(C31)의 방전에 의한 전류로 인해 발광 소자(34)가 동작하는 구간을 나타내고, 구간 t4는 교류 전원(vac)의 음 전압에 의해 발광 소자(34)가 동작하는 구간을 나타낸다.
제1 커패시터(C31) 및 제2 커패시터(C32) 각각의 충전은 앞서 설명한 바와 같이, 발광 소자(32)가 동작하기 이전의 반주기, 즉 제1 커패시터(C31)의 경우에는 교류 전원의 양 전압 구간에서 충전되고, 제2 커패시터(C32)의 경우에는 교류 전원의 음 전압 구간에서 충전된다.
위의 설명에서, 다이오드들(D31, D32, D33, D34)의 역방향 연결에 관하여는, 다이오드의 순방향 문턱 전압 이하에서는 회로적으로 오픈 상태로 해석된다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사항이므로, 별도의 설명은 생략하였다.
이와 같이, 본 발명에 따라 교류 전원을 인가받아 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 발광 소자 구동장치는, 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 발광 소자들을 구동하기 위한 경로를 제공하는 서브 구동부(22)와 서브 구동부(22)에 의해 발광 소자들 중 일부의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 프리차지부를 포함함으로써, 그러한 발광 소자 구동장치를 채용한 발광 소자에서, 순방향 문턱 전압 이상에서 급격하게 전류를 흘리는 발광 소자의 특성에 기인한 고조파 왜곡(THD)을 감소시킬 수 있으며, 발광 소자(32)의 동작 구간을 증가시킴으로써 플리커 현상을 감소시킬 수 있으며, 역률(PF)도 개선될 수 있으며, 나아가 광 효율도 개선되는 이점들을 제공한다.
다음으로, 도 3a 내지 도 3f를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 발광장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교류 발광장치는, 교류 전원(vac)으로 동작하는 적어도 두 개의 발광 소자들(예를 들면, 33, 34)을 포함하는 발광부(32) 및 교류 전원(vac)을 인가받아 발광 소자들(33, 34)을 구동하면서, 발광 소자들(33, 34) 중 일부 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자(예를 들어, 발광 소자 33이 동작할 때 발광 소자 34, 또는 발광 소자 34가 동작할 때 발광 소자 33)에 제공하기 위한 전압을 충전하는 구동부(도 3a에서 발광부(32) 및 교류 전원(vac)을 제외한 부분)를 포함한다.
상기 전압, 즉 발광 소자들(33, 34) 중 일부 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압은, 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하고, 그러한 전압은 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드 단에 제공된다.
구동부는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 발광 소자들(33, 34)을 구동하기 위한 경로를 제공하는 서브 구동부(R31, R32, D31, R33, 37, D33), 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서는, 양 전압 구간에서 동작하지 않는 제1 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하도록 충전하고, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서는, 음 전압 구간에서 동작하지 않는 제2 발광 소자(33)가 음 전압 구간 이후의 양 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 제2 발광 소자(33)의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하도록 충전하기 위한 프리차지부(D34, C31, R34, D32, C32, R35)를 포함한다.
프리차지부(D34, C31, R34, D32, C32, R35)는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서, 제1 발광 소자(34)가 음 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 제1 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하기 위해 충전하는 제1 충전부(D34, C31, R34)를 포함하고, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서, 제2 발광 소자(33)가 양 전압 인가에 의해 동작하기 이전에 제2 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상의 전압을 제공하기 위해 충전하는 제2 충전부(D32, C32, R35)를 포함한다.
제1 충전부(D34, C31, R34)는 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서 턴온되는 제1 정류 소자(D34)와, 제1 정류 소자(D34)가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터(C31)를 포함한다. 제1 커패시터(C31)에 의한 충·방전 시간을 조절하기 위한 위한 충·방전 특성 결정부(이하의 충·방전 특성 결정부(R35)와의 구별을 위해 제1 충·방전 특성 결정부라 함)를 더 포함할 수 있다. 도 3a에서는 상기 제1 충·방전 특성 결정부가 저항 소자(R34)인 경우를 예시하였으나, 저항 소자(R34) 이외의 다른 것일 수도 있으며, 그러한 예들은 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
제2 충전부(D32, C32, R35)는 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서 턴온되는 제2 정류 소자(D32)와, 제2 정류 소자(D32)가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터(C32)를 포함한다. 제2 커패시터(C32)에 의한 충·방전 시간을 조절하기 위한 충·방전 특성 결정부(위의 제1 충·방전 특성 결정부와 구별하기 위해 제2 충·방전 특성 결정부라 함)를 더 포함할 수 있다. 제1 충·방전 특성 결정부와 마찬가지로 도 3a에서는 상기 제2 충·방전 특성 결정부가 저항 소자(R35)인 경우를 예시하였으나, 저항 소자(R35)이외의 다른 것일 수도 있으며, 그러한 예들은 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
상기 교류 발광장치는, 교류 전원(vac)과 발광부(32) 사이에 연결되어 발광부(32)의 온도 변화에 따라 발광부(32)에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부(36)를 더 포함할 수 있다. 전류 제어부(36)는, 발광부(32)의 온도가 높아지면 발광부(32)에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자(37)를 포함할 수 있으나, 이러한 것으로 한정되는 것이 아니라, 발광부(32)의 온도 변화에 상응하게 회로 전체의 전류를 제어할 수 있는 회로라면 어떠한 회로라도 가능하다.
상기 구동부에 관하여는 발광 소자 구동장치에 관한 앞서의 실시예의 설명에서 이미 설명되었으므로, 이를 참조할 수 있고, 이하에서는 도 3c 내지 도 3f를 참조하여 상기 구동부를 포함하는 교류 발광장치의 교류 전원의 반주기 별 동작 상태를 상세히 설명하도록 한다.
도 3c 및 도 3d는 각각 교류 전원(vac)의 양 전압이 인가되는 구간에서의 회로 전체의 전류 방향(a1, a2, a3, a4)과 교류 전원(vac)에 대한 발광 소자(33)에 흐르는 전류의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3c을 참조하면, a1은 교류 전원(vac)의 양의 반주기 구간에서 교류 전원(vac)에 의해 제공되는 전류의 방향이고, a2는 양의 반주기 구간에 앞선 음의 반주기 구간 동안 제2 커패시터(C32)에 충전된 전압에 의한 전류의 방향이고, a3는 교류 전원(vac)에 의한 전류의 방향으로서 발광 소자(33) 측으로 제공되는 전류의 방향이며, a4는 교류 전원(vac)의 양의 반주기 구간에서 제1 커패시터(C31)에 충전되는 경로를 나타낸다.
도 3c 및 도 3d를 함께 참조하면, 교류 전원(vac)의 양의 반주기 구간(g11)에서, 먼저 교류 전원(vac)의 양 전압 인가에 의해 발광 소자(33)가 동작하기 이전에(즉, a3에 의해 발광 소자(33)가 동작하기 이전에) 먼저 제2 커패시터(C32)에 충전된 전압이 발광 소자(33)의 애노드 단(노드 N32)으로 인가되어 발광 소자(33)가 동작하게 된다(구간 t1에서의 그래프 g12). 여기서, 제2 커패시터(C32)의 방전 특성은 저항 소자(R35)에 의해 결정된다(보다 구체적으로는 저항 소자(R35)의 저항 크기와 제2 커패시터(C32)의 커패시턴스의 곱에 비례함).
계속해서 교류 전원(vac)의 양 전압 구간에서 소정의 전압 크기 이상인 경우, 교류 전원(vac)에 의한 전류(a3)에 의해 발광 소자(33)가 동작하게 되고(구간 t2에서의 그래프 g12), 교류 전원(vac)의 양 전압의 크기가 발광 소자(33)의 순방향 문턱 전압 크기 이하로 되는 경우에는 발광 소자(33)는 동작하지 않게 된다(구간 t2 이후).
한편, 이러한 발광 소자(33)의 구동 동작과 함께, 제1 충전부(D34, C31, R34)에서는 교류 전원(vac)의 다음의 음의 반주기에서 사용되기 위한 전압을 충전하는 동작이 이뤄진다. 즉, 정류 소자(D34)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우 정류 소 자(D34)가 턴온되어 제1 커패시터(C31)가 충전된다. 제1 충전부(D34, C31, R34)의 충전 특성은 저항 소자(R34)에 의해 결정된다(보다 구체적으로는 저항 소자(R34)의 저항 크기와 제1 커패시터(C31)의 커패시턴스의 곱에 비례함).
그리하여, 발광 소자(33)의 동작 전류 특성을 나타내는 구간 t1에서의 그래프 g12를 살펴보면, 제2 커패시터(C32)에 의한 전류 경로(a2), 즉 제2 충전부(C32, R35)가 없는 경우(t1에서의 그래프 g12 중 점선으로 표시된 부분)와 있는 경우를 비교하면, 발광 소자(33)의 동작 시점이 훨씬 앞당겨짐을 알 수 있다.
따라서, 발광 소자(33)의 동작 시점이 앞당겨지고, 발광 소자(33)의 동작 구간이 넓어지므로, 플리커 현상 및 고조파 왜곡(THD) 문제가 개선될 수 있으며, 피상 전력(S)과 유효 전력(P)의 관계식(PF=P/S)으로 표현되는 역률(power factor, PF)도 개선될 수 있다.
계속해서, 도 3e 및 도 3f는 각각 교류 전원(vac)의 음 전압이 인가되는 구간에서의 회로 전체의 전류 방향(a5, a6, a7, a8)과 교류 전원(vac)에 대한 발광 소자(34)에 흐르는 전류의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3e를 참조하면, a5는 교류 전원(vac)의 음의 반주기 구간에서 교류 전원(vac)에 의해 제공되는 전류의 방향이고, a6은 교류 전원(vac)의 음의 반주기 구간에 앞선 양의 반주기 구간 동안(즉, 도 3c의 구간 동안) 제1 커패시터(C31)에 충전 된 전압에 의한 전류의 방향이고, a7은 교류 전원(vac)에 의한 전류의 방향으로서 발광 소자(34) 측으로 제공되는 전류의 방향이며, a8은 교류 전원(vac)의 음의 반주기 구간에서 제2 커패시터(C32)에 충전되는 경로를 나타낸다.
도 3e 및 도 3f를 참조하면, 교류 전원(vac)의 음의 반주기 구간(g11)에서, 먼저 교류 전원(vac)의 음 전압 인가에 의해 발광 소자(34)가 동작하기 이전에(즉, a7에 의해 발광 소자(34)가 동작하기 이전에) 먼저 제1 커패시터(C31)에 충전된 전압이 발광 소자(34)의 애노드 단(N31)으로 인가되어 발광 소자(34)가 동작하게 된다(구간 t3에서의 그래프 g12). 여기서, 제1 커패시터(C31)의 방전 특성은 저항 소자(R34)에 의해 결정된다(보다 구체적으로는 저항 소자(R34)의 저항 크기와 제1 커패시터(C31)의 커패시턴스의 곱에 비례함).
계속해서 교류 전원(vac)의 음 전압 구간에서 소정의 전압 크기 이상인 경우, 교류 전원(vac)에 의한 전류(a7)에 의해 발광 소자(34)가 동작하게 되고(구간 t4에서의 그래프 g12), 교류 전원(vac)의 음 전압의 크기가 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 크기 이하로 되는 경우에는 발광 소자(34)는 동작하지 않게 된다(구간 t4 이후).
한편, 이러한 발광 소자(34)의 동작과 함께, 제2 충전부(D32, C32, R35)에서는 교류 전원(vac)의 다음의 양의 반주기에서 사용되기 위한 전압을 충전하는 동작이 이뤄진다. 즉, 정류 소자(D32)의 순방향 문턱 전압 이상인 경우 정류 소자(D32)가 턴온되어 제2 커패시터(C32)가 충전된다. 제2 충전부(D32, C32, R35)의 충전 특성은 저항 소자(R35)에 의해 결정된다(보다 구체적으로는 저항 소자(R35)의 저항 크기와 제2 커패시터(C32)의 커패시턴스의 곱에 비례함).
그리하여, 발광 소자(34)의 동작 전류 특성을 나타내는 구간 t3에서의 그래프 g12를 살펴보면, 제1 커패시터(C31)에 의한 전류 경로(a6), 즉 제1 충전부(C31, R34)가 없는 경우(t3에서의 그래프 g12 중 점선으로 표시된 부분)와 있는 경우를 비교하면, 발광 소자(34)의 동작 시점이 훨씬 앞당겨짐을 알 수 있다.
따라서, 발광 소자(34)의 동작 시점이 앞당겨지고, 발광 소자(33)의 동작 구간이 넓어지므로, 플리커 현상 및 고조파 왜곡(THD) 문제가 개선될 수 있으며, 역률(PF)도 또한 개선될 수 있다.
도 3c와 도 3e에 따른 발광 소자(32)의 동작 특성을 함께 나타낸 그래프는 앞서 설명된 도 3b에 나타나 있으며, 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 발광장치는 전체적으로 발광 소자의 동작 구간이 넓어져, 종래와 비교할 경우 정현파에 더 가까운 것으로 볼 수 있어, 고조파 왜곡 및 플리커 왜곡 문제를 감소시킬 수 있으며, 역률도 개선되는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류 발광장치의 등가 회로도이다. 도 4를 참조하면, 상기 교류 발광장치는, 교류 전원(vac)으로 동작하는 적어도 두 개의 발광 소자들(43, 44)을 포함하는 발광부(42), 교류 전원(vac)의 양 전압이 인가되는 구간 동안, 상기 발광 소자들 중 제1 발광 소자(43)를 동작시키기 위한 제1 서브 구동부(R41, R42, D41), 제1 서브 구동부(R41, R42, D41)에 의해 제1 발광 소자(43)가 동작하는 동안 교류 전원(vac)의 양 전압에 의해 충전되어, 발광 소자들 중 교류 전원(vac)의 양 전압이 인가되는 구간 동안 동작하지 않는 제2 발광 소자(44)에 제공하기 위한 전압을 충전하는 제1 충전부(D44, C41, R44), 교류 전원(vac)의 음 전압이 인가되는 구간 동안, 제2 발광 소자(44)를 동작시키기 위한 제2 서브 구동부(46, D43), 제2 서브 구동부(46, D43)에 의해 제2 발광 소자(44)가 동작하는 동안 교류 전원(vac)의 음 전압에 의해 충전되어, 제1 발광 소자(43)에 제공하기 위한 전압을 충전하는 제2 충전부(D42, C42, R45)를 포함한다.
제1 서브 구동부(R41, R42, D41), 제1 충전부(D44, C41, R44), 제2 서브 구동부(46, D43) 및 제2 충전부(D42, C42, R45)는 각각이 독립적으로 동작하는 것이 아니라, 구동 및 충전에 있어서 서로 간에 영향을 미친다. 구체적으로 언급하지는 않았으나, 이는 앞서 설명된 도 3a의 실시예에서도 마찬가지이다.
예를 들면, 제1 충전부의 제1 커패시터(C41)가 충전되는 경우, 제1 서브 구동부(R41, R42, D41) 및 제2 서브 구동부(46, D43)의 충전 특성(예를 들면, 시정수)이 결정되고, 제2 충전부의 제2 커패시터(C42)가 충전되는 경우에도 마찬가지이다. 따라서, 위와 같은 구성요소의 구별은 설명의 편의를 위한 것임을 명심하여야 할 것이다.
이하에서는 각각의 구성요소들을 보다 구체적으로 살펴본다.
제1 서브 구동부(R41, R42, D41)는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 동안 제1 발광 소자(43)의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제1 구동 소자(D41)와, 제1 발광 소자(43)의 동작시 전류를 제한하기 위한 저항 소자들(R41, R42)(이하에서는 제1 저항 소자로 표현함)을 포함한다. 저항 소자들(R41, R42)은 두 개의 저항 소자들이 병렬로 연결된 예가 도시되어 있으나, 발광 소자들(42)의 개수, 정격 용량 등을 고려하여 사용자의 필요에 따라 적절하게 설계될 수 있다.
또한, 제1 구동 소자(D41)는 제1 저항 소자(R41, R42)와 발광 소자(43) 사이에서 제1 저항 소자(R41, R42)로부터 발광 소자(43) 방향으로 순방향 연결된 다이오드일 수 있다.
제1 충전부(D44, C41, R44)는, 교류 전원(vac)의 양 전압 구간 동안 턴온되는 제1 정류 소자(D44)와 제1 정류 소자(D44)가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터(C41)를 포함한다. 또한, 제1 충전부(D44, C41, R44)는 제1 커패시터(C41)와 교류 전원(vac) 사이에 연결되어, 제1 충전부(D44, C41, R44)의 충·방전 특성을 결정하기 위한 제1 충·방전 특성 결정부(R44)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 충·방전 특성 결정부(R44)는 도 4에 도시된 바와 같이 저항 소자(R44)일 수 있다.
제2 서브 구동부(46, D43)는, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간 동안, 제2 발광 소자(44)의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제2 구동 소자(D43)와, 제2 발광 소자(44)의 동작시 전류를 제한하기 위한 제2 저항 소자(R43)를 포함한다.
나아가, 발광부(42)의 온도 변화에 따라 발광부(42)에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부(47)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 전류 제어부(47)는, 동작 중 발광부(42)의 온도가 높아지면, 발광부(42)에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자(47)가 제2 저항 소자(R43)에 병렬 연결될 수 있다. 즉, 서미스터 소자(47)로서, 온도가 높아지면 저항이 높아지는 정특성 서미스터(PTC)가 사용될 수 있다.
예를 들면, 발광부(42)의 정상 동작 온도 범위에서는 제2 저항 소자(R43)의 저항이 서미스터 소자(47)의 저항에 비해 매우 커서, 발광부(42)의 구동 전류가 대부분 서미스터 소자(47)를 통해 흐르는 상태로 유지되다가, 발광부(42)의 온도가 점점 올라감에 따라 그에 상응하게 서미스터 소자(47)의 저항도 점점 커지게 되어 제2 저항 소자(R43) 측으로 전류를 많이 흘리는 방식으로 동작하여, 발광부(42)의 온도를 적절한 범위에서 조절하게 된다. 하지만, 서미스터 소자(47) 및 제2 저항 소자(R43)의 회로는 도 4에 도시된 예에 국한되지 않고, 온도가 높아지면 회로에 흐르는 전류를 줄이는 기능을 수행하는 회로라면 어떠한 것이라도 가능하다.
나아가, 이러한 전류 제어부(47)는, 도 4에서는 제2 서브 구동부(46, D43) 측에 연결되어 있으나, 제1 서브 구동부(R41, R42, D41) 측에 연결될 수도 있다. 예를 들면, 제1 저항 소자(R41, R42) 측에 병렬로 서미스터 소자(47)가 연결될 수도 있다.
제2 충전부(D42, C42, R45)는, 교류 전원(vac)의 음 전압 구간 동안 턴온되는 제2 정류 소자(D42), 제2 정류 소자(D42)가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터(C42)를 포함한다. 또한, 제2 충전부(D42, C42, R45)는 제2 커패시터(C42)와 교류 전원(vac) 사이에 연결되어, 제2 충전부(D42, C42, R45)의 충·방전 특성을 결정하기 위한 제2 충·방전 특성 결정부(R45)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 충·방전 특성 결정부(R45)는 도 4에 도시된 바와 같이 저항 소자(R45)일 수 있다.
앞서, 도 3a 내지 도 3f를 참조하여 설명된 실시예에서와 마찬가지로, 제1 발광 소자(43)에 제공하기 위한 전압 및 제2 발광 소자(44)에 제공하기 위한 전압 각각은, 제1 발광 소자(43)의 순방향 문턱 전압 및 제2 발광 소자(44)의 순방향 문턱 전압 이상인 것이 바람직하다.
제1 및 제2 구동부의 구동 및 제1 및 제2 충전부의 충전 과정, 그리고 발광 부의 동작은, 앞서 도 3c 내지 도 3f를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일하므로 중복 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6은 도 3a의 변형 실시예로서, 특히 도 5는 충·방전 특성 결정부로서, 저항 소자(R34, R35) 대신에 인덕터(L51, L52)가 사용될 수 있다. 이 경우, 도 3a의 실시예에 비해 저항 소자(R34, R35)에 의한 전력 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다. 도 6은 저항 소자(R34, R35) 및 인덕터(L51, L52) 그 어느 것도 삽입하지 않은 경우의 등가 회로도로서, 저항 소자(R34, R35)에 의한 전력 손실 및 인덕터(L51, L52)와 커패시터(C51, C52) 간의 공진으로 인한 노이즈를 줄일 수 있는 이점이 있다.
다음으로 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 발광 소자 구동방법은, (i) 교류 전원(vac)을 인가받아 발광 소자들(33, 34) 중 일부의 발광 소자(예를 들면 발광 소자 33)가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자(예를 들면 발광 소자 34)에 제공하기 위한 전압을 충전하는 단계와, (ii) 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자(34)가 교류 전원(vac)을 인가받아 동작하기 전에, 상기 충전하는 단계에서 충전된 전압을 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자(34)로 방전하는 단계를 포함한다.
충전하는 단계에서 충전된 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자(34)의 순방향 문턱 전압 이상이며, 방전하는 단계에서 이러한 충전 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자(34)의 애노드 단(노드 N31)으로 방전된다.
반대로, 교류 전원(vac)을 인가받아 발광 소자들(33, 34) 중 발광 소자(34)가 동작할 경우에는 동작하지 않는 다른 발광 소자(33)에 제공하기 위한 전압을 충전하고, 동작하지 않는 다른 발광 소자(33)가 교류 전원(vac)을 인가받아 동작하기 전에, 충전하는 단계에서 충전된 전압을 동작하지 않는 다른 발광 소자(33)로 방전하는 단계를 포함한다.
교류 전원(vac)의 양 전압 인가 또는 음 전압 인가에 의해 발광 소자들(33, 34)이 동작하기에 앞서(즉, 교류 전원(vac)의 양 전압 크기 또는 음 전압 크기가 각각에 순방향으로 연결된 발광 소자들(33 또는 34)의 순방향 문턱 전압보다 작은 경우에 있어서), 앞의 반주기에서 충전된 전압에 의해 미리 발광 소자들(33 또는 34)이 구동되는 것에 관하여는 도 3c 내지 도 3f를 참조하여 설명된 것과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
상기 실시예들의 설명에 있어서, 발광부 또는 발광소자들이 두 개인 경우를 예로 들어 설명한 것은 단지 설명의 편의를 위한 것이므로, 그보다 더 많은 임의의 개수일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 교류 발광장치 및 그의 발광 소자 구동장치는, 교류 전원의 반주기 동안, 커패시터에 에너지를 충전하여 그 충전된 에너지를 이용하여 발광 소자들의 동작 구간을 늘림으로써, 플리커 현상 및 고조파 왜곡을 감소시키며, 역률을 개선하고, 발광 소자의 동작 효율이 개선될 수 있다.
고조파 왜곡(THD) 및 역률(PF) 면, 그리고 플리커 현상의 저감 면에서 종래의 교류 발광장치(도 1 참조)와 본 발명에 따른 교류 발광장치(도 3a 참조) 간의 비교 데이터는 다음의 표 1에 나타나 있다.

 203V 입력 220V 입력
기존
(2.7W)		 본발명
(4.0W)		 기존
(4.1W)		 본발명
(5.45W)
PF 0.87 0.89 0.89 0.91
THD[%] 47 9.2 43 10
Iin_rms[mA] 15.4 22.2 20.5 27
위의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 교류 발광장치에 비해 본 발명에 따른 교류 발광장치의 역률(PF) 및 고조파 왜곡(THD) 문제가 현저히 개선된 것을 알 수 있다. 표 1에서 고조파 왜곡(THD)의 수치(%)는 3차 고조파에 대한 백분율이다. Iin_rms는 발광 소자의 동작 전류의 실효치(root mean square)로서, 이러한 실효치가 크다는 것은 한 주기 내에서의 발광 소자의 동작 구간이 길어진 것을 의미하므로, 이는 곧 플리커 현상의 개선으로 해석될 수 있다.
교류 전원(vac)의 주파수 별 플리커 현상의 개선을 설명하기 위해, 종래의 교류 발광장치(도 1 참조)와 본 발명에 따른 교류 발광장치(도 3a 참조) 간의 비교 실험 결과 데이터가 다음의 표 2에 나타나 있다.
입력 주파수(Hz) 40 45 50 55 60
광 출력 주기(ms) 12.5 11.1 10 9 8.3
광 출력
시간
(ms)		 기존
 7(5.5) 6(5.1) 5.5(4.5) 5(4) 4.8(3.5)
본발명
 10.8(1.7) 10(1.1) 8.4(1.6) 8(1) 7.6(0.7)
출력
전달비
(%)		 기존
 56 54 55 55 57
본발명
 86 90 84 88 91
위의 표 2에서, 광 출력 시간의 괄호속 숫자는 발광 소자의 오프타임(off time) 시간을 의미한다.
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 교류 발광장치에서 발광 소자의 광 출력 시간이 기존의 교류 발광장치에 비해 현저히 증가한 것을 알 수 있고, 그에 따라 플리커 현상도 줄어들게 된다.
나아가, 교류 발광장치의 평균 휘도 증가에 따른 전체 광 효율도 증가하게 되는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위들에 의해 한정되어야 할 것이고, 그러한 본 발명은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 상세한 설명을 지침으로 하여 다양하게 변경 또는 개조될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 교류 LED의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 구동장치를 설명하기 위한 구성 블록도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 발광장치를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류 발광장치의 등가 회로도이다.
도 5 및 도 6은 도 3a의 변형 실시예이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 발광 소자 구동장치 22 : 서브 구동부
24 : 프리차지부 26 : 발광 소자
R31~R35, R41~R45, R51~R53, R61~R63 : 저항 소자
D31~D34, D41~D44, D51~D54, D61~D64 : 다이오드 소자
32, 42, 52, 62 : 발광부

Claims (30)

  1. 교류 전원을 인가받아 양 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자와 음 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자 중 적어도 하나의 발광 소자가 동작될 때, 동작하지 않는 나머지 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 전압을 충전하는 프리차지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류전원에서 인가된 전압은 상기 동작하지 않는 나머지 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 동작하지 않는 나머지 발광 소자의 애노드 단에 제공되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 상기 적어도 하나의 발광 소자들을 구동시키는 서브 구동부를 더 포함하고,
    상기 서브 구동부는 상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안 소정의 전압 이상이 걸릴 때 턴온되는 제1 다이오드와 상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안 소정의 전압 이상이 걸릴 때 턴온되는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 프리차지부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안, 음 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 양 전압을 받아 충전하는 제1 충전부; 및
    상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안, 양 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 음 전압을 받아 충전하는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간에서 충전 경로를 제공하기 위한 제1 정류 소자; 및
    상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 교류 전원의 음 전압 구간에서 충전 경로를 제공하기 위한 제2 정류 소자; 및
    상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 전원과 상기 발광 소자 사이에 연결되어, 상기 발광 소자의 온도 변화에 따라 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 전류 제어부는,
    상기 발광 소자의 온도가 높아지면 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동장치.
  9. 교류 전원을 인가받아 양 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 제1 발광 소자와 음 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 제2 발광 소자를 포함하는 발광부; 및
    상기 교류 전원을 인가받아 상기 발광 소자들을 구동하고, 상기 발광 소자들 중 일부가 동작할 때, 나머지 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 전압을 충전하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 교류 전원에서 인가된 전압은 동작하지 않는 상기 나머지 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 동작하지 않는 나머지 발광 소자의 애노드 단에 제공되는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 및 음 전압 구간 각각에 상응하게 턴온되어 상기 적어도 하나의 발광 소자들을 구동시키는 서브 구동부; 및
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안 상기 적어도 하나의 제2 발광 소자에 문턱 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 양 전압을 충전하고, 상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안 상기 적어도 하나의 제1 발광 소자에 문턱 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 음 전압을 충전하는 프리차지부를 포함하며,
    상기 서브 구동부는 상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안 소정의 전압 이상이 걸릴 때 턴온되는 제1 다이오드와 상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안 소정의 전압 이상이 걸릴 때 턴온되는 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 프리차지부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안, 음 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 양 전압을 받아 충전하는 제1 충전부; 및
    상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안, 양 전압 구간 동안 동작하는 적어도 하나의 발광 소자에 전압을 제공하기 위해 상기 음 전압을 받아 충전하는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간에서 턴온되는 제1 정류 소자; 및
    상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 교류 전원의 음 전압 구간에서 턴온되는 제2 정류 소자; 및
    상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 교류 전원과 상기 발광부 사이에 연결되어 상기 발광부의 온도 변화에 따라 상기 발광부에 인가되는 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 전류 제어부는,
    상기 발광 소자의 온도가 높아지면 상기 발광 소자에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  17. 적어도 하나의 제1 발광 소자 및 적어도 하나의 제2 발광 소자를 포함하는 발광부;
    교류 전원의 양 전압이 인가되는 동안 상기 적어도 하나의 제1 발광 소자를 구동시키는 제1 서브 구동부;
    상기 교류 전원의 양 전압이 인가되는 동안 상기 적어도 하나의 제2 발광 소자에 문턱 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 양 전압을 충전하는 제1 충전부;
    상기 교류 전원의 음 전압이 인가되는 동안 상기 적어도 하나의 제2 발광 소자를 구동시키는 제2 서브 구동부; 및
    상기 교류 전원의 음 전압이 인가되는 동안 상기 적어도 하나의 제1 발광 소자에 문턱 전압을 제공하기 위해 상기 교류 전원에서 인가된 음 전압을 충전하는 제2 충전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 서브 구동부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안, 상기 제1 발광 소자의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제공하는 제1 구동 소자; 및
    상기 제1 발광 소자의 동작시 전류를 제한하기 위한 제1 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  19. 청구항 17에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 교류 전원의 양 전압 구간 동안 턴온되는 제1 정류 소자; 및
    상기 제1 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제1 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 제2 서브 구동부는,
    상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안, 상기 제2 발광 소자의 동작을 위한 전류 경로를 제공하는 제2 구동 소자; 및
    상기 제2 발광 소자의 동작시 전류를 제한하기 위한 제2 저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  21. 청구항 17에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 교류 전원의 음 전압 구간 동안 턴온되는 제2 정류 소자; 및
    상기 제2 정류 소자가 턴온된 동안 충전하는 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  22. 청구항 18에 있어서, 상기 제1 서브 구동부는,
    상기 발광부의 온도가 높아지면, 상기 발광부에 인가되는 전류를 감소시키는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  23. 청구항 20에 있어서, 상기 제2 서브 구동부는,
    상기 발광부의 온도가 높아지면, 상기 발광부에 인가되는 전류를 감소시키는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  24. 청구항 22 및 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는 상기 발광부의 온도가 높아지면 상기 발광부에 인가되는 전류를 감소시키는 서미스터 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  25. 청구항 19에 있어서, 상기 제1 충전부는,
    상기 제1 커패시터와 상기 교류 전원 사이에 연결되어, 상기 제1 충전부의 충·방전 특성을 결정하기 위한 충·방전 특성 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  26. 청구항 21에 있어서, 상기 제2 충전부는,
    상기 제2 커패시터와 상기 교류 전원 사이에 연결되어, 상기 제2 충전부의 충·방전 특성을 결정하기 위한 충·방전 특성 결정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  27. 청구항 25 및 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충·방전 특성 결정부는 저항 소자 또는 인덕터인 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  28. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 발광 소자에 제공하기 위한 전압 및 상기 제2 발광 소자에 제공하기 위한 전압 각각은, 상기 제1 발광 소자의 순방향 문턱 전압 및 상기 제2 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 제1 발광 소자의 애노드 단 및 상기 제2 발광 소자의 애노드 단에 제공되는 것을 특징으로 하는 교류 발광장치.
  29. 적어도 두 개의 발광 소자들을 구동하기 위한 발광 소자 구동방법에 있어서,
    교류 전원을 인가받아 상기 발광 소자들 중 일부의 발광 소자가 동작할 때 동작하지 않는 다른 발광 소자에 제공하기 위한 전압을 충전하는 단계; 및
    상기 동작하지 않는 다른 발광 소자가 상기 교류 전원을 인가받아 동작하기 전에, 상기 충전하는 단계에서 충전된 전압을 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자로 방전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동방법.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 충전하는 단계에서 충전된 전압은 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 순방향 문턱 전압 이상이며, 상기 방전하는 단계에서는 상기 동작하지 않는 다른 발광 소자의 애노드 단으로 방전하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 구동방법.
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