KR101752444B1 - 교류 발광 장치를 위한 조광 장치 - Google Patents

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Abstract

교류 전원을 사용하는 교류 발광 장치에 대한 조광을 수행하는 조광 장치로서, 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 되어 상기 교류 전원을 상기 교류 발광 장치로 전달하며, 교류 초퍼가 가능토록 구성된 스위칭부; 상기 교류 발광 장치에 흐르는 전류를 검출하여 전류 검출 신호를 출력하는 전류 검출부; 및 외부의 기기로부터 상기 교류 발광 장치의 조광을 제어하는 조광 제어신호 및 상기 전류 검출신호에 따라 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 조광 장치가 제공된다.

Description

교류 발광 장치를 위한 조광 장치{APPARATUS FOR DIMMING AC LIGHT EMMITING DEVICES}
본 발명은 교류 발광 장치를 위한 조광장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 입력 전원 전압을 펄스폭 변조 제어를 통해 고속으로 스위칭하여 교류 입력 전원의 실효전압을 조절하여 교류 발광 장치에 대한 조광 기능을 효과적으로 달성하기 위한 교류 발광 장치를 위한 조광장치에 관한 것이다.
일반적으로, 램프의 조광(dimming) 기능은 램프의 밝기를 제어하여 사용자의 편의에 따라 사용하기 위한 기능으로서 그 사용이 매우 제한적이었다. 그러나, 현재 전기 에너지 사용량의 증가로 인해 에너지 소비 절약이 매우 중요한 문제로 대두되었다. 그에 따라 종래 단순한 사용자의 편의를 위한 선택적인 기능이었던 램프의 조광 기능은 전기 에너지 절약을 위한 필수적인 기능으로 부각되었다. 또한, 그러한 전기 에너지 절약의 필요성에 부합하고, 친환경 조명을 제공하는 LED(Light Emitting Diode)가 각광받고 있다.
일반적인 조광장치로서, 트라이악(Triac)과 같은 반도체 소자를 이용하여 교류 전원의 교류 위상 제어를 통해 교류 전원의 실효전압(Vrms)을 조절함으로써 교류 LED를 조광하는 방식이 있다.
도 1은 트라이악을 이용한 일반적인 조광장치의 일 예를 간략히 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 조광장치(10)는 트라이악 스위치(14)와 R/C 위상 제어부(resister/capacitor phase controller)(16)를 포함한다. 트라이악 스위치(14)는 교류 전원(12)으로부터 램프 부하 즉 교류 LED(18)로 교류 전압이 공급되거나 차단되도록 하는 기능을 수행한다. R/C 위상 제어부(16)는 저항(R)과 커패시터(C)를 포함하여 구성되며, 교류 입력전압이 "0V" 인 시점에서, 소정의 위상 제어 신호, 즉 게이트 턴온 신호를 발생시켜 트라이악 스위치(14)를 구동하게 된다. 상기 위상 제어 신호는, 교류 전압을 인가받아 R/C 위상 제어부(16)를 구성하는 저항과 커패시터의 시정수에 의해 지연된 신호이다. 트라이악 스위치(14)는 R/C 위상 제어부(16)로부터 제공되는 게이트 턴온 신호에 의해 턴온되어 교류 전압을 교류 LED(18)로 공급한다.
따라서, 트라이악을 이용한 조광장치는 최소 조광 범위와 최대 조광 범위가 트라이악 스위치(14)의 구동 전압과 R/C 위상 제어부(16)를 구성하는 저항 및 커패시터의 특성에 의해 매우 제한적으로 동작하여 교류 LED에 플리커(flicker)현상을 초래할 수 있다. 또한, 트라이악을 이용한 조광장치는 R/C 위상 제어기(16)로부터 출력되는 게이트 턴온 신호에 의해 트라이악 스위치(14)가 급작스럽게 스위칭되는 형태이므로, 이러한 스위칭 과정에서 고조파가 많이 발생하는 문제점이 있다.
아울러, 트라이악을 이용한 조광장치에서 위상 제어 방식은 출력전압을 결정하는데 매우 중요한 요소로 작용하는 교류 입력 전압은 현실적으로 고정된 값이 될 수 없다는 것이다. 이것은 상용교류 계통에서 다양한 형태의 부하가 형성되어 계통의 전압의 크기가 부하 조건에 따라 10 - 20% 수준으로 가변적이기 때문이다. 따라서, 트라이악을 이용한 조광장치는 조광범위를 결정하는 위상각의 값이 고정되었다고 하여도 교류 전압의 변화량에 대응한 출력전압이 일정비로 변화하게 된다. 따라서 교류 LED에 플리커 현상을 유발할 수 있다.
따라서, 보다 폭넓은 제어범위와 선형적 조광 기능을 달성하기 위해서는 새로운 방식의 교류 전원 구동회로와 제어 회로가 절실히 요구된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 조광 범위가 트라이악의 구동 전압과 R/C 위상 제어부의 저항 및 커패시터의 특성에 의해 제한되는 조광장치의 문제점을 해결하기 위한 개선된 교류 발광 장치를 위한 조광 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 교류 전원을 사용하는 교류 발광 장치에 대한 조광을 수행하는 조광 장치로서, 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 되어 상기 교류 전원을 상기 교류 발광 장치로 전달하며, 교류 초퍼가 가능토록 구성된 스위칭부; 상기 교류 발광 장치에 흐르는 전류를 검출하여 전류 검출 신호를 출력하는 전류 검출부; 및 외부의 기기로부터 상기 교류 발광 장치의 조광을 제어하는 조광 제어신호 및 상기 전류 검출신호에 따라 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 조광 장치가 제공된다.
상기 제어부는 상기 전류 검출 신호 및 상기 조광 제어 신호 간의 차이에 대응하는 듀티비를 갖는 상기 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부는 램프 신호를 더 입력받고, 상기 제어부는, 상기 조광 제어 신호를 입력받는 비반전 단자 및 상기 전류 검출 신호를 입력받는 반전 단자를 포함하는 제1 연산 증폭기; 및 상기 제1 연산 증폭기의 출력을 입력받는 반전 단자 및 상기 램프 신호를 입력받는 비반전 단자를 포함하는 비교기를 포함할 수 있다.
상기 조광 장치는 상기 교류 전원의 전압 변동을 판단하기 위한 전압 검출 신호를 출력하는 전압 검출부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전류 검출 신호 및 상기 전압 검출 신호 각각과 상기 조광 제어 신호 간의 차이에 대응하는 듀티비를 갖는 상기 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부는 램프 신호를 더 입력받고, 상기 제어부는, 상기 조광 제어 신호를 입력받는 비반전 단자 및 상기 전압 검출 신호를 입력받는 반전 단자를 포함하는 제1 연산 증폭기; 상기 제1 연산 증폭기의 출력을 입력받는 비반전 단자 및 상기 전류 검출 신호를 입력받는 반전 단자를 포함하는 제2 연산 증폭기; 및 상기 제2 연산 증폭기의 출력을 입력받는 반전 단자 및 상기 램프 신호를 입력받는 비반전 단자를 포함하는 비교기를 포함할 수 있다.
상기 전류 검출부는 상기 스위칭부에 연결된 저항을 포함하며, 상기 전류 검출부는 상기 저항에 흐르는 전류를 상기 전류 검출신호로 출력할 수 있다.
상기 전류 검출부는 상기 스위칭부에 연결된 전류 센서를 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 제어부의 스위칭 제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되어 상기 교류 발광 장치에 공급되는 상기 교류 전원을 공급을 선택적으로 스위칭하는 스위칭 트랜지스터; 상기 스위칭 트랜지스터를 과전압으로부터 보호하기 위해 상기 스위칭 트랜지스터에 연결되는 과전압 보호 다이오드; 및 상기 스위칭 트랜지스터에 순방향 전류를 공급하기 위해 브릿지 회로를 구성하는 전력용 다이오드들을 포함할 수 있다.
상기 조광 장치는 상기 교류 전원에 포함되는 전자기간섭을 제거하기 위한 전자기간섭 필터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 조광 범위가 트라이악의 구동 전압과 R/C 위상 제어부의 저항 및 커패시터의 특성에 의해 제한되었던 문제점을 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 의하면, 조광장치에서 턴온 스위칭시 고조파가 많이 발생하는 문제점을 해결하고, 교류 LED의 플리커 현상을 감소 또는 최소화할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 보다 정확한 교류 전압과 전류의 크기를 연산하여 조광 제어 신호와 비례하는 펄스폭변조 신호를 만들어 낼 수 있다. 더불어, 홈네트웍 시스템이나 리모컨등의 디지털 기반의 외부 기기와 상호 연결이 아날로그 제어회로보다 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 저항과 커패시터로 이루어진 아날로그 회로의 타이머 회로는 수동 소자의 용량값 편차에 따라 출력값에 오차를 발생시킬 수 있으나, 본 발명에 의하면, 마이크로 컨트롤러에 의한 디지털 제어를 수행함으로써 내부 타이머를 이용하여 정확한 시간 계산이 가능하고 펄스폭변조 신호 생성 또한 아날로그 제어기에 비하여 정밀하게 출력할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 교류 LED의 용량의 커지더라도 작은 용량의 트랜스포머로도 구현가능한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 트라이악을 이용한 일반적인 조광장치의 구성 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치의 구성 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 스위칭부로서 구현된 회로도의 일예이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 전압 검출부로서 구현된 회로도의 일예이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 전압 검출부로서 구현된 회로도의 다른 예이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 스위칭부로부터 교류 LED(170)에 출력되는 전류를 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 스위칭부에서 전류를 검출하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 제어부로서 구현된 회로도의 일예이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 입출력 전압 및 전류 파형을 보여주는 그래프이다.
도 10은 트라이악을 이용한 일반적인 조광장치에서의 입출력 전압 및 전류 파형을 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 제어부로서 구현된 회로도의 다른 예이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치의 구성 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치(100)는 EMI(ElectroMagnetic Interference) 필터부(110), 스위칭부(120), 제어 전원 공급부(130), 제어부(140), 전압 검출부(150), 및 전류 검출부(160)를 포함한다.
EMI 필터부(110)는 교류 전원(101)에 포함되는 전자기간섭을 제거한다. 즉, EMI 필터부(110)는 교류 전원(101)에서 교류 LED(170)까지의 전력선에 실리는 조광장치(100)의 내부 또는 외부의 전자기간섭으로 인한 임펄스성 노이즈, 고조파 등을 제거한다. EMI 필터부(110)의 사용은 선택적일 수 있으나, 전자기간섭으로 인한 영향을 줄이고, 역률을 개선하기 위해서는 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
스위칭부(120)는 제어부(140)로부터의 스위칭 제어 신호(SCS)에 따라 온/오프(on/off) 되어 필터링된 교류 전원(101)을 선택적으로 교류 LED(170)로 전달한다.
제어 전원공급부(130)는 정류 기능 및 전압 변환기능을 수행한다. 제어 전원공급부(130)는 교류 전원(101)을 공급받아 전파정류하여 직류 전압을 생성하고 강압함으로써, 전파 정류되고 강압된 제어 전압(Vcc)을 출력한다. 여기에서는, 교류 전원(101)이 제어 전원공급부(130)에 직접 입력되는 구성으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 교류 전원(101)이 전자기간섭 필터부(110)에 의해 전자기간섭이 제거된 후 제어 전원공급부(130)에 입력되도록 구성될 수도 있다.
제어부(140)는 외부의 기기로부터 교류 LED(170)의 조광 기능을 제어하기 위한 조광 제어 신호(Dimming Control Signal:DCS), 전압 검출부(150)로부터 전압 검출 신호(Voltage Detecting Signal: VDS), 및 전류 검출부(160)로부터 전류 검출 신호(Current Detecting Signal: CDS)를 입력받아 스위칭 제어신호(Switching Control Signal: SCS)를 출력한다.
제어부(140)는 전압 검출 신호(VDS) 및 전류 검출 신호(CDS) 각각과 조광 제어 신호(DSC) 간의 차이에 대응하는 듀티비를 갖는 스위칭 제어신호(SCS)를 출력한다. 구체적으로, 제어부(140)는 전압 검출 신호(VDS)와 조광 제어 신호(DSC) 간의 차이가 양(+)의 값을 가지면, 해당 차이 값만큼 스위칭 제어신호(SCS)의 펄스 폭을 1차적으로 감소시키고, 전류 검출 신호(CDS)에 따라 스위칭 제어신호(SCS)의 펄스 폭을 2차적으로 제어한다. 반면, 제어부(140)는 전압 검출 신호(VDS)와 조광 제어 신호(DSC) 간의 차이가 음(-)의 값을 가지면, 해당 차이 값만큼 스위칭 제어신호(SCS)의 펄스 폭을 1차적으로 증가시키고, 전류 검출 신호(CDS)에 따라 스위칭 제어신호(SCS)의 펄스 폭을 2차적으로 제어한다.
한편, 본 발명의 제어부(140)는 이에 한정되지 않고 전압 검출 신호(VDS) 및 전류 검출 신호(CDS) 중 어느 하나와 조광 제어 신호(DSC) 간의 차이에 대응하도록 스위칭 제어신호(SCS)를 생성할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 전압 검출 신호(VDS) 및 전류 검출 신호(CDS)를 감지하여 교류 LED(170)의 조광 레벨이 조광 제어 신호(DSC)에 대응되도록 제어한다. 이를 위해 제어부(140)는 비례, 적분(PI: Proportional Integral) 아날로그 제어 회로를 포함할 수 있다. 제어부(140)는 예컨대, 프로그램 가능한 8비트 마이크로 컨트롤러로 구현될 수 도 있으며, 외부기기(예: 리모컨, 홈네트웍 시스템)와의 상호 연결의 편의성을 높이고 조광 시스템의 동작(구현) 범위를 확장시킬 수 있다.
또한, 제어부(150)는 적어도 하나의 펄스를 갖는 스위칭 제어신호(SCS)를 생성하기 위해 램프 신호(ramp signal)를 입력받는다. 스위칭 제어신호(SCS)는 20kHz 내지 100kHz 또는 그 이상의 주파수를 갖는 구형파 신호일 수 있으며, 펄스폭 변조의 제어는 듀티비 1% 내지 100%의 넓은 범위 내에서 수행될 수 있다. 스위칭 제어신호(SCS)는 스위칭부(120)를 구성하는 트랜지스터가 턴온될 수 있는 전압의 크기와 트랜지스터가 턴오프될 수 있는 게이트 단자와 소오스 단자 간의 전압의 크기에 따라 그 레벨이 변화될 수 있다. 스위칭 제어신호(SCS)의 듀티비를 제어하기 위해 가변 저항을 이용할 수도 있다. 가변저항은 교류 LED(170)의 조광을 위한 조작부(미도시)와 직접 또는 간접적으로 결합되는 형태로 구현되어, 조광의 필요시 조작부에 의해 저항값이 조절됨으로써 교류 LED(170)에 대한 조광 기능을 수행할 수 있다. 이하, 제어부(140)의 구체적인 설명은 도 8 및 도 11을 참조하여 설명한다.
전압 검출부(150)는 교류 전원(101)의 전압을 검출하여 전압 검출 신호(VDS)를 출력한다. 전압 검출 신호(VDS)는 교류 전원(101)의 전압 변동을 판단하는데 사용된다.
전류 검출부(160)는 LED(180)에 흐르는 전류를 검출하여 전류 검출 신호(CDS)를 출력한다. 전류 검출부(160)는 스위칭부(120)에 예컨대 저항 또는 전류센서등을 연결하여 스위칭부(120)로부터 LED(180)에 흐르는 전류를 검출하도록 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 스위칭부로서 구현된 회로도의 일예이다.
도 3을 참조하면, 스위칭부(120)는 단상 브릿지 스위치 회로(Single Phase Bridge Switch) 로 구현될 수 있다. 상기 단상 브릿지 스위치는 교류전압을 제어할 수 있는 교류 초퍼기능을 가지도록 구성된 전력회로이다.
스위칭부(120)는 스위칭 트랜지스터(Q1), 과전압 보호 다이오드(Qd), 전력용 다이오드들(D1, D2, D3, D4)을 포함하여 구성될 수 있다.
스위칭 트랜지스터(Q1)는 드레인 단자가 과전압 보호 다이오드(Qd)의 캐소드 단자에 연결되고, 소스 단자가 과전압 보호 다이오드(Qd)의 애노드 단자에 연결된다. 또한, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자에는 제1 전력용 다이오드(D1)과 제3 전력용 다이오드(D3)의 노드에 연결되고, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자에는 제2 전력용 다이오드(D2)과 제4 전력용 다이오드(D3)의 노드에 연결된다. 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자에는 제어부(140)로부터 인가되는 스위칭 제어신호(SCS), 즉, 펄스폭변조 신호(pulse width modulation signal)가 입력된다. 스위칭 제어신호(SCS)는 게이트 턴온 신호로 동작한다. 이에 따라, 스위칭 트랜지스터(Q1)는 제어부(140)로부터 인가되는 스위칭 제어신호(SCS), 즉, 펄스폭변조 신호에 따라 턴온 또는 턴오프되어 교류 LED(170)에 공급되는 전류를 조절하여 조광기능을 수행한다.
과전압 보호 다이오드(Qd)는 과전압으로부터 스위칭 트랜지스터(Q1)를 보호하는 기능을 수행한다.
전력용 다이오드들(D1, D2, D3, D4)는 단상 브릿지 회로를 구성하여 교류 전압이 양의 전압과 음의 전압 방향으로 교번하여도 스위칭 트랜지스터(Q1)가 항상 순방향으로 동작할 수 있게 한다.
이와 같이 구성된 스위칭부(120)에서, 스위칭부(120)의 스위칭 트랜지스터(Q1)는 제어부(140)로부터 출력되는 스위칭 제어신호(SCS)를 게이트 단자를 통해 인가받아 턴온 또는 턴오프된다.
제어부(140)로부터 출력되는 펄스폭변조 신호의 듀티비에 따라 펄스폭변조 신호의 주기 내에서 스위칭부(120)는 온/오프되는 구간을 가지므로, 교류 LED(170)의 입력 전압 및 전류가 그에 따라 변하게 된다. 따라서, 교류 LED(170)의 입력 전압이 펄스폭변조 신호에 따라 변하는 구간에서의 내부 주기와, 입력 전류가 나타나는 구간에서의 내부 주기는 제어부(140)로부터 출력되는 펄스폭변조 신호의 주기와 동일할 수 있다.
여기에서는 스위칭 트랜지스터(Q1)로서 N형 MOSFET가 사용되는 예를 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 스위칭 트랜지스터(Q1)는 P형 MOSFET일 수도 있으며, 나아가 펄스폭변조 신호에 의해 고속으로 스위칭하여 교류 전력을 교류 LED로 인가할 수 있는 어떠한 형태의 스위칭 트랜지스터이라도 무방하다.
상기 스위칭부(120)의 동작은 2개의 전류 흐름 경로를 가질 수 있다. 즉, 교류 전압이 인가되면 노드 A를 기준으로 D1 -> Q1 -> D4의 순서로 각각의 반도체 소자는 순방향으로 동작하고, 노드 B를 기준으로 D3 -> Q1 -> D2의 순서로 각각의 반도체 소자는 순방향으로 동작하게 된다.
따라서, 교류 전압이 노드 A(교류 전원 입력을 기준으로 양의 전압)방향과 노드 B(교류 전원 입력을 기준으로 음의 전압)방향으로 교번하여 인가되어도 스위칭 트랜지스터 Q1은 항상 순방향으로 동작하게 된다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 전압 검출부(150)의 다양한 구현예를 보여주는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 전압 검출부(150)는 교류전압을 비교적 손쉽게 검출하기 위해 연산 증폭기(151)를 포함하여 이루어진 차동 증폭회로로서 구현될 수 있다.
교류 전원(Vac)의 제1 단자(Vac_L)가 저항(R1)을 통해 연산 증폭기(151)의 반전 단자(-)에 연결되고, 교류 전원(Vac)의 제2 단자(Vac_N)가 저항(R2)를 통해 연산 증폭기(151)의 비반전 단자(+)에 연결된다. 이때, 출력 전압의 이득은 저항(R1)과 저항(R2)으로 구성된 회로의 저항비와 저항(R3)과 저항(R4)로 구성된 회로의 저항비로 결정된다. 저항(R1)과 저항(R2)의 저항비는 저항(R3)과 저항(R4)의 저항비와 서로 같은 값이 되어야 한다. 아울러, 저항(R1)과 저항(R3)은 저항(R2)와 저항(R4)에 비해 대단히 큰 저항값이 되어야 한다.
예컨대, 220V의 교류 전원(Vac)이 사용되는 경우, 교류 전원(Vac)의 제1 단자(Vac_L)를 통해 입력되는 L상의 전압과 교류 전원(Vac)의 제2 단자(Vac_N)를 통해 입력되는 N상의 전압은 서로 220V의 차이를 유지하게 된다. 이러한 경우, 연산 증폭기(151)는 저항(R1)과 저항(R2)으로 구성된 회로의 저항비와 저항(R3)과 저항(R4)로 구성된 회로의 저항비에 따라 출력 전압 이득을 조절하기 때문에 예컨대, 1V의 전압 검출 신호(VDS)를 출력할 수 있다.
만약, 220V의 교류 전원(Vac)에서 정상적으로 동작하도록 설정된 회로에서, 변동이 생겨서 210V의 전압이 입력되거나 혹은 230V의 전압이 입력되는 경우 연산 증폭기(151)는 1V의 전압 검출 신호(VDS)가 아닌 다른 값을 출력하게 되는 것이다. 이에 따라, 전압 검출 신호(VDS)는 교류 전원(101)의 전압 변동을 판단하는데 사용된다.
전압 검출부(150)는 연산 증폭기(151)의 출력 단자로부터 출력되는 전압 검출 신호(VDS)를 제어부(140)에 제공한다. 제어부(140)는 전압 검출부(150)로부터 입력된 전압 검출 신호(VDS)에 기반하여 스위칭부(120)를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하게 된다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 LED 조광장치에서의 전압 검출부의 다른 구현예를 보여주는 회로도이다.
도 5을 참조하면, 도 2에 도시된 전압 검출부(150)는 포토 커플러(152)와 브릿지 정류기(D1)(153)를 포함하여, 양방향의 교류전압을 단상의 직류 전압으로 변환하여 검출할 수 있는 회로로 구현될 수 있다. 이때, 전압 검출부(150)는 포토 커플러(152)를 이용하여 교류 전압(101)으로부터 전기적으로 절연을 하여 교류 전압의 크기를 검출할 수 있는 특징이 있다.
전압 검출부(150)의 동작을 살펴보면, 브릿지 정류기(D1)(163)는 양방향의 교류전압을 단상의 직류 전압으로 변환하여 저항(R1)을 통해 광 결합기(152)의 1차 다이오드에 전류(Id)를 공급한다. 이에 따라, 광 결합기(152)의 2차 트랜지스터의 베이스 단자에 전류(Id)에 비례한 신호가 인가되면 광 결합기(152)의 2차 트랜지스터의 컬렉터 단자와 이미터 단자에는 전류(Id)에 비례하는 전류(Ice)가 흐르게 된다. 이때, 저항(R2)와 저항(R3)는 전류(Ice)의 크기를 결정하는 요소이며, 저항(R2)은 입력에 대해 반전 출력을 표현하며 저항(R3)는 비반전 출력을 표현한다. 따라서, 전류(Ice)이 저항(R3)을 흐를 때, 저항(R3)에 걸리는 전압이 교류 전원의 전압 검출 신호(VDS)로 제어부(140)에 전달된다.
도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 전류 검출부(160)의 다양한 구현예를 보여주는 회로도로서, 도 3에 도시된 스위칭부(120)의 회로에 연결되어 동작하도록 구현되어 있다.
도 6을 참조하면, 제1 실시예에 따른 전류 검출부(160)는 저항(R1)으로 구성될 수 있으며, 도 3에 도시된 단상 브릿지 스위치(120)의 회로에 연결되어 단상 브릿지 스위치(120)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 즉, 제1 실시예에 따른 전류 검출부(160)는 전류 검출부(160)를 구성하는 저항(R1)의 일측 단자를 도 3에 도시된 단상 브릿지 스위치(120)의 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자에 연결하고, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자에 연결된 저항(R1)의 일측 단자를 제어부(140)에 연결함으로써 저항(R1)에 흐르는 전류가 검출되어 전류 검출 신호(CDS)로 제어부(140)에 제공될 수 있게 하였다.
동작을 살펴보면, 도 3에 도시된 단상 브릿지 스위치(120)의 동작에서 설명된 바와 같이 전류의 흐름은 노드 A를 기준으로 교류 전압이 인가되면 전류는 D1 -> Q1 -> R1 -> D4 순서로 흐르며, 노드 B를 기준으로 교류 전압이 인가되면 전류는 D3 -> Q1 -> R1 -> D2 순서로 흐르게 된다.
따라서 교류 전압이 양방향 (양의 방향, 음의 방향)으로 인가되어도 스위칭 트랜지스터(Q1)을 통해 흐르는 출력 전류는 전류 검출부(160)를 구성하는 저항(R1)에 항상 순방향으로 흐르게 되고, 저항(R1)에 흐르는 전류는 전류 검출 신호(CDS)로 제어부(160)에 제공된다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 전류 검출부(160)는 전류센서로 구성될 수 있으며, 도 3에 도시된 단상 브릿지 스위치(120)의 회로에 연결되어 단상 브릿지 스위치(120)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 상기 전류 검출부(160)를 구성하는 전류센서에는 전류 변성기 또는 고주파 트랜스포머가 이용될 수 있다. 즉, 제2 실시예에 따른 전류 검출부(160)는 전류 검출부(160)를 구성하는 전류센서의 일측 단자를 도 3에 도시된 단상 브릿지 스위치(120)의 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자에 연결함으로써 스위칭부(120)로부터 교류 LED(170)로 출력되는 전류를 검출할 수 있다. 전류센서로 이루어진 전류 검출부(160)에서 검출된 전류는 제어부(140)에 제공된다. 동작을 살펴보면, 도 6과 같다. 동작의 차이점은 도 7에 도시된 회로는 전류 변성기 또는 고주파 트랜스포머를 구비하는 전류센서를 이용함에 따라 비교적 수십 A의 높은 전류를 검출할 수 있다. 도 6에 도시된 회로에서는 전류 검출을 위해 사용하는 저항(R1)은 일정량의 전력 손실 (Io 2*R) 이 발생하기 때문에 수 A 이상의 전류 검출에는 사용이 제한적일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 제어부로서 구현된 회로도의 일예이다.
도 8을 참조하면, 제어부(140)는 전압과 전류 두 가지 변수를 모두 사용하여 평균 전압과 평균 전류를 모두 제어하는 경우의 아날로그 제어기 회로로 구현될 수 있으며, 제1 연산 증폭기(141), 제2 연산 증폭기(142), 및 비교기(143)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 연산 증폭기(141)의 비반전 단자에는 외부기기, 예컨대 사용자의 리모컨(remote controller)로부터 입력되는 조광범위를 결정하는 조광 제어 신호(DCS)가 입력된다. 조광 제어신호는(DCS) 전압 검출 신호(VDS)와의 차이값을 출력하기 위한 기준신호(Vref)로 사용된다. 한편, 제1 연산 증폭기(141)의 반전 단자에는 전압 검출부(150)에 의해 검출된 전압 검출 신호(VDS)가 입력된다.
제1 연산 증폭기(141)는 두 입력 단자를 통해 입력된 두 입력의 차이를 출력한다. 이에 따라, 제1 연산 증폭기(141)는 조광 제어신호(DCS)를 기준신호로 하여 전압 검출부(150)에 의해 검출된 전압 검출 신호(VDS)와 외부기기로부터 입력되는 조광 제어신호(DCS)의 차이를 출력하게 된다.
한편, 제2 연산 증폭기(142)의 비반전 단자에는 제1 연산 증폭기(141)의 출력이 입력된다. 한편, 제2 연산 증폭기(142)의 반전 단자에는 전류 검출부(160)에 의해 검출된 전류 검출 신호(CDS)를 입력받는다. 이에 따라, 제2 연산 증폭기(142)는 두 입력 단자를 통해 입력된 두 입력의 차이를 출력한다. 이에 따라, 제2 연산 증폭기(142)는 전압 검출부(150)에 의해 검출된 전압 검출 신호(VDS)와 사용자의 원격조절 장치로부터 입력되는 조광 제어신호(DCS)의 차이가 반영된 제1 연산 증폭기(141)의 출력을 기준신호로 하여 전류 검출부(160)에 의해 검출된 전류 검출 신호(CDS)와 사용자의 원격조절 장치로부터 입력되는 조광 제어신호(DCS)의 차이를 출력하게 된다.
비교기(143)는 반전 단자에 제2 연산 증폭기(142)의 출력을 입력받고 비반전 자에 삼각파(램프파형)를 입력받는다. 상기 삼각파는 제2 연산 증폭기(142)의 출력에 따라 펄스폭 변조 듀티비를 조절하기 위해 적절한 주기와 크기로 설정될 수 있다. 이에 따라, 비교기(143)는 비반전 단자에 입력된 삼각파(램프파형)에 기반하여 반전 단자에 입력된 제2 연산 증폭기(142)의 출력에 따라 펄스폭 변조 듀티비가 조절된 펄스폭 변조 신호를 출력한다.
이와 같이, 도 8에 도시된 제어부(140)는 교류 전원으로부터 입력되는 전압 검출 신호를 조광 제어신호에 기반하여 그 차이값을 출력하고, 그 차이값을 교류 LED(170)로 출력되는 전류 검출 신호에 기반하여 다시 한번 차이를 산출하고, 그 차이에 따라 펄스폭변조 듀티비를 조절한 펄스폭 변조 신호를 생성하여 스위칭 제어 신호로 출력하도록 구성되어 있다. 따라서, 제어부(140)의 제어 동작에 가장 큰 변수는 전류 변수가 되어 교류 LED(170)에 보다 빠르고 일정한 평균 전류를 공급할 수 있다. 이와 같은 동작을 수행하는 제어부(140)를 구성하는 제1 연산 증폭기(141), 제2 연산 증폭기(142), 비교기(143)는 비례, 적분(PI: Proportional Integral) 아날로그 제어 회로를 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광 장치의 동작을 살펴보도록 한다.
제어부(140)는 도 8에 도시된 바와 같이 교류 LED(170)에 대한 조광 기능을 제어하기 위해 외부기기, 예컨대 리모콘으로부터 입력되는 조광 제어 신호를 기준 신호(Vref)로 하여 전압 검출부(150) 및 전류 검출부(160)에 의해 검출된 신호들을 기반으로 생성된 펄스폭변조 신호를 도 3에 도시된 스위칭부(120)의 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자에 인가한다.
이에 따라, 스위칭부(120)를 구성하는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자가 턴온(on) 상태일 때, 스위칭 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자에서 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자로 전류가 흘러 교류 LED(170)에 전류가 공급되어 교류 LED(170)가 발광된다.
반대로 스위칭 트랜지스터(Q1)의 게이트 단자가 턴오프(off) 상태이면 스위칭 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자에서 스위칭 트랜지스터(Q1)의 소스 단자로 전류가 흐를 수 없으므로 교류 LED(170)에는 전류가 공급되지 않는다. 따라서 교류 LED(170)는 발광하지 못한다.
이와 같은 스위칭 트랜지스터(Q1)의 동작은 도 3에 도시된 스위칭부(120)의 전력용 다이오드(D1, D2, D3, D4)에 의해 가능하다. 교류 입력전압이 양의 방향으로 인가되는 경우, 제1 전력용 다이오드(D1)의 순향향으로 스위칭 트랜지스터(Q1)를 통해 제4 전력용 다이오드(D4)의 순방향으로 전류가 흐른다. 한편, 교류 입력전압이 음의 방향으로 인가되는 경우 제3 전력용 다이오드(D3)의 순방향으로 스위칭 트랜지스터(Q1)을 통해 제2 전력용 다이오드(D2)의 순방향으로 전류가 흐르게 된다.
따라서 항상 교류 입력 전압과 전류는 스위칭 트랜지스터(Q1)의 드레인 단자에서 소스 단자로 흐를 수 있게 된다. 도 3에 도시된 스위칭부(120)의 전력용 다이오드(D1, D2, D3, D4)의 다이오드는 교류 입력 전압과 전류의 방향을 결정해 주는 매우 중요한 역할을 수행하며 더불어 양방향 형태의 교류 전류를 단상 형태로 검출할 수 있게 하는 역할도 수행할 수 있다.
교류 LED(170)의 광출력은 전압과 전류의 곱에 의존하므로, 펄스폭변조 신호의 듀티비가 증가함에 따라 첨두치들이 커지게 되어 교류 LED(170)의 광출력은 펄스폭변조 신호의 듀티비가 증가함에 따라 커지게 된다.
상기 펄스폭변조 신호는 소정의 범위 이내에서(예를 들면, 1%에서부터 100%까지) 듀티비를 조절함으로써 선형적으로 제어될 수 있다.
듀티비의 조절은 외부기기(예: 리모컨)로부터 입력되는 조광 제어 신호에 의해 조절되어 질 수 있다. 조광 제어 신호는 듀티비를 조절하기 위한 기준 신호(Vref)로 사용된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서의 입출력 전압 및 전류 파형을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광장치에서 펄스폭변조 제어 방식에 의해 구현된 교류 입력전압과 전류(a), 교류 LED(170)에 공급되는 전압과 전류(b), 교류 LED(170)에 인가되는 평균 전압과 전류(c)에 대한 파형을 볼 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 LED의 평균 전압과 전류(c)의 전류가 흐르는 구간은 교류 LED(170)에서 빛이 나오는 발광시간과 같다
도 10은 도 1에 도시된 트라이악을 이용한 조광장치에서의 입출력 전압 및 전류 파형을 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 트라이악을 이용한 조광장치에 의해 구현되는 위상제어 방식을 사용하는 경우의, 교류 입력전압과 전류(a), 교류 LED에 공급되는 전압과 전류(b), 교류 LED에 인가되는 평균 전압과 전류(c)에 대한 파형을 볼 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, LED의 평균 전압과 전류(c)의 전류가 흐르는 구간은 LED에서 빛이 나오는 발광시간과 같다.
도 9와 도 10을 비교하면, 전류 파형(c)을 기준으로 교류 LED(170)에서 빛이 나오는 시간을 비교하여 보면 도 9에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광 장치에서 사용되는 펄스폭 변조 제어 방식에서의 경우가 도 10에 도시된 조광 장치에 비하여 보다 넓은 구간 동안 빛이 나오는 것을 확인할 수 있다.
따라서 트라이악을 이용하는 조광 장치에서 사용되는 위상제어 방식보다는 본 발명의 일실시예에 따른 교류 LED 조광 장치에서 구현된 펄스폭 변조 제어에 의한 평균 전압 또는 평균 전류 제어 방식에서 보다 안정적인 광출력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 도 2에 도시된 제어부의 또 다른 구현예를 보여주는 회로도이다. 도 11을 참조하면, 제어부(140)는 전압 또는 전류 두 가지 변수 중 하나만을 이용하여 평균전압 제어 또는 평균 전류 제어를 하기 위한 아날로그 제어기 회로로 구현될 수 있으며, 연산 증폭기(144) 및 비교기(145)를 포함하여 구성될 수 있다.
연산 증폭기(144)의 비반전 단자에는 외부기기, 예컨대 사용자의 원격조절장치(remote controller)로부터 입력되는 조광범위를 결정하는 조광 제어 신호(DCS)가 입력된다. 조광 제어 신호(DCS)는 교류 전원의 검출된 전류 검출 신호(CDS)와의 차이를 출력하기 위한 기준 신호(Vref)로 사용된다. 한편, 연산 증폭기(144)의 반전 단자에는 전압 검출부(150)에 의해 검출된 교류 전원(101)의 전압 검출 신호(VDS) 또는 전류 검출부(150)에 의해 검출된 교류 LED(170)에 공급되는 전류 검출 신호(CDS)가 저항(Z1)을 통하여 입력된다.
연산 증폭기(144)는 두 입력 단자를 통해 입력된 두 입력의 차이를 출력한다. 이에 따라, 연산 증폭기(144)는 기준신호로 하여 전압 검출부(150)로부터의 전압 검출 신호(VDS)와 또는 전류 검출부(160)로부터의 전류 검출 신호(CDS)와, 사용자의 리모컨으로부터 입력되는 조광 제어신호(DCS)의 차이를 출력하게 된다.
비교기(145)는 반전 단자에 연산 증폭기(144)의 출력을 입력받고 비반전 단자에 삼각파(램프파형)를 입력받는다. 상기 삼각파는 연산 증폭기(144)의 출력에 따라 펄스폭 변조 듀티비를 조절하기 위해 적절한 주기와 크기로 설정될 수 있다. 이에 따라, 비교기(145)는 비반전 단자에 입력된 삼각파(램프파형)에 기반하여 반전 단자에 입력된 연산 증폭기(144)의 출력에 따라 펄스폭 변조 듀티비가 조절된 펄스폭 변조 신호를 출력한다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
예컨대, 상술된 본 발명의 실시예들에서는 교류 전원을 직접 사용하는 교류 발광 장치의 예로서, 교류 LED로서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 예를 들어 교류 LD(Laser Diode)등 교류 전원을 직접 사용하여 발광을 수행하는 다양한 발광 장치에 적절하게 변형하여 적용가능할 것이다.
또한, 본 발명은 교류 전원 전압을 검출하여 교류 전원을 직접 사용하는 조명 램프에 일정한 크기의 전압을 공급하는 평균 제어 기법에 다양한 변형이 가능할 것이다.
또한, 본 발명은 교류 전원 전압을 검출하여 교류 전원을 직접 사용하는 조명 램프에 일정한 크기의 전류를 공급하는 평균 전류 제어 기법에 다양한 변형이 가능할 것이다.
또한, 본 발명은 교류 전원을 직접 사용하는 조명 램프 구동을 위해 교류 전압을 펄스폭변조로부터 초퍼할 수 있는 단상 브릿지 스위치의 구조에 다양한 변형이 가능할 것이다
아울러, 본 발명은 교류 전원을 직접 사용하는 조명 램프의 정전압 제어 또는 보호를 목적으로 하여 제어회로의 제어변수로 사용하기 위해 적용하는 교류 전원 전압을 검출하기 위한 전압 검출부에 다양한 변형이 가능할 것이다.
또한, 본 발명은 교류 전원을 직접 사용하는 조명 램프의 정전류 제어를 또는 보호를 목적으로 하여 제어 회로의 제어 변수로 사용하기 위해 적용하는 교류 초퍼 회로의 전류 검출부에 다양한 변형이 가능할 것이다.
또한, 본 발명은 프로그램 가능한 마이크로 컨트롤러를 이용하여 펄스폭변조 방식으로 디지털 제어를 수행하는데 있어 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (10)

  1. 교류 전원을 사용하는 교류 발광 장치에 대한 조광을 수행하는 조광 장치로서,
    스위칭 제어 신호에 따라 스위칭 되어 상기 교류 전원을 상기 교류 발광 장치로 전달하며, 교류 초퍼가 가능토록 구성된 스위칭부;
    상기 교류 전원의 전압 변동을 판단하기 위한 전압 검출 신호를 출력하는 전압 검출부;
    상기 교류 발광 장치에 흐르는 전류를 검출하여 전류 검출 신호를 출력하는 전류 검출부; 및
    외부의 기기로부터 상기 교류 발광 장치의 조광을 제어하는 조광 제어신호 및 상기 전류 검출신호에 따라 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 조광 제어 신호 및 상기 전압 검출 신호를 입력 받고, 1차 차동 연산을 수행하는 제1 연산 증폭기;
    상기 1차 차동 연산 결과 및 상기 전류 검출 신호를 입력 받고, 2차 차동 연산을 수행하는 제2 연산 증폭기; 및
    상기 2차 차동 연산 결과 및 램프 신호를 입력 받아 비교하는 비교기를 포함하고,
    상기 교류 전원은 임의의 시간 주기에 따라 크기와 방향이 변하는 조광 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서
    상기 제어부는 상기 전류 검출 신호 및 상기 전압 검출 신호 각각과 상기 조광 제어 신호 간의 차이에 대응하는 듀티비를 갖는 상기 스위칭 제어 신호를 출력하는 조광 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 스위칭부에 연결된 저항을 포함하며,
    상기 전류 검출부는 상기 저항에 흐르는 전류를 상기 전류 검출신호로 출력하는 조광 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 스위칭부에 연결된 전류 센서를 포함하는 조광 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제어부의 스위칭 제어신호에 따라 턴온 또는 턴오프되어 상기 교류 발광 장치에 공급되는 상기 교류 전원을 공급을 선택적으로 스위칭하는 스위칭 트랜지스터;
    상기 스위칭 트랜지스터를 과전압으로부터 보호하기 위해 상기 스위칭 트랜지스터에 연결되는 과전압 보호 다이오드; 및
    상기 스위칭 트랜지스터에 순방향 전류를 공급하기 위해 브릿지 회로를 구성하는 전력용 다이오드들을 포함하는 조광 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 전원에 포함되는 전자기간섭을 제거하기 위한 전자기간섭 필터부를 더 포함하는 조광 장치.
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