KR20120018773A - Ｌｅｄ 램프용 드라이버 - Google Patents

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KR20120018773A
KR20120018773A KR1020117027915A KR20117027915A KR20120018773A KR 20120018773 A KR20120018773 A KR 20120018773A KR 1020117027915 A KR1020117027915 A KR 1020117027915A KR 20117027915 A KR20117027915 A KR 20117027915A KR 20120018773 A KR20120018773 A KR 20120018773A
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마르쿠스 코르넬리우스 베르뮬렌
Original Assignee
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은, 조명 장치로서(100), 출력 라인들(5, 6)을 가지는 전류원(1); 전류원의 출력 라인들 사이에 직렬로 배치된 LED들(LED1,i)의 주 스트링(101); 전류원의 출력 라인들 사이에 직렬로 배치된 LED들(LED2,i)의 적어도 하나의 보조 스트링(102); 및 보조 스트링(102)의 LED들(LED2,i)과 직렬로 배치된 제어 가능한 전류 리미터(120)를 포함하는 조명 장치에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 제어 가능한 전류 리미터는 보조 스트링(102)의 LED들(LED2,i)과 직렬인 컬렉터-에미터 경로를 가지는 트랜지스터(T2); 상기 컬렉터-에미터 경로와 직렬로 배치된 전류 감지 저항기(R2x); 트랜지스터의 베이스에 연결된 출력, 상기 전류 감지 저항기(R2x)와 연결된 그것의 반전 입력 및 기준 전압 레벨에 연결된 비반전 입력을 가지는 오피앰프(opamp)(121)를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 램프용 드라이버{DRIVER FOR AN LED LAMP}
본 발명은 일반적으로 복수의 LED들 및 단일 전류원을 포함하는 조명 장치에 관한 것이다.
최근 몇 년간, 광원으로서 LED를 포함하는 조명 장치들은 큰 발전을 보였다. 마찬가지로, 그런 장치들에 대한 드라이버들도 발전해왔다. LED들에 전력을 공급하는 하나의 직접적인 방법은 전류원의 출력 단자들 사이에 직렬 연결된 LED들의 스트링(string)을 연결하는 것이다. 도 1은 이러한 설계를 개략적으로 설명한 블럭도이며, 전류원(1)이 직렬로 배열된 주전원, 유도성 임피던스(3) 및 정류기(4)에의 연결을 위한 입력 단자(2)를 가진 종래의 구리-철 밸러스트(copper-iron ballast)로서 구현된다. LED들의 제1 스트링(11)은 정류기(4)의 출력 단자(5 및 6) 사이에 연결된다.
직렬로 연결되어야 하는 LED들의 수는 각각의 LED의 전압 강하 및 출력 단자(5 및 6) 사이에서 이용 가능한 전압에 의존한다는 것은 당업자에게 명백하다. LED들의 수가 너무 크면, LED들은 빛을 만들어 내지 않을 것이다. LED들의 수가 너무 작다면, 전원과 LED들의 전압차를 직렬 저항이 수용해야 하며, 이러한 저항은 단순화를 위해 도시되지 않았다.
LED들의 수를 증가시키는 것이 바람직하다면, 도 1에도 도시된 바와 같이, 정류기(4)의 출력 단자(5 및 6) 사이의 LED들의 제2 스트링(12)을 제1 스트링(11)에 병렬로 연결하는 것이 가능하다. 특성들의 차이들을 수용하기 위해서는, 각각의 스트링에 자신의 직렬 저항기가 제공되어야 하지만, 단순화를 위해 도시되지 않았다. 전류원(1)에 의해 제공된 전류(ITOTAL)는 두 개의 스트링(11 및 12)에 대해 두 개의 전류(I1 및 I2)로 각각 분리되어, I1+I2=ITOTAL이 된다. 전류원이 제공 가능한 전류의 양에 따라 제3 스트링, 제4 스트링 등을 병렬로 연결하는 것이 또한 가능하다.
도 1의 설계가 단순화의 이점을 가지고 있음에도 불구하고, 다른 스트링들 사이의 전력비를 변경하는 것, 즉 I1:I2의 비율을 변경하는 것이 불가능하다는 단점을 가진다. 이것은, 모든 LED들이 같은 타입(컬러)이라면 문제를 야기하지 않을 것이다. 그러나, 좀 더 보편적인 설계에서는, LED들은 다른 컬러를 가지고, 전체적인 컬러 출력을 다양하게 하기 위해 스트링 전류 비율을 변화시키는 것이 바람직할 수 있으며, 또는 반대로, 다른 타입(컬러)의 LED들이 다른 온도 의존성을 가진다는 것을 감안할 때, 온도 변화의 경우 전체적인 컬러 출력을 일정하게 유지하기 위해 스트링 전류 비율을 변화시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 목적은 LED들의 두 개 이상의 스트링에 전력 공급 가능한 간단한 밸러스트를 제공하여, 상기 스트링들 사이의 전력 비율을 변화시키는 것이 가능하도록 하는 것이다.
본 발명의 중요한 양태에 따르면, 조명 장치는 전류원의 전력 출력 라인들 사이에 배치된 LED들의 주 스트링을 포함한다. LED들의 보조 스트링과 제어 가능한 전류 리미터(limiter)의 직렬 배치가 상기 주 스트링에 병렬로 배치된다. 전류 리미터를 제어하기 위한 제어기는 주 스트링의 노드(node)로부터 전력을 수신한다.
추가의 유리한 설명이 종속항에 언급된다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 양태들, 특징들 및 장점들이 도면들을 참조로 하나 이상의 바람직한 실시예들의 하기 설명에 의해 더 설명될 것이며, 같은 참조 번호들은 같거나 유사한 부분들을 지시한다;
도 1은 전류원의 출력 단자들 사이에 연결된 직렬 연결된 LED들의 스트링을 가진, LED들에 전력을 공급하는 종래의 방법을 간략하게 도시하는 블럭도이다;
도 2는 본 발명에 따른 조명 장치를 간략하게 도시하는 블럭도이다;
도 3은 본 발명에 따른 조명 장치에서 시간의 함수로써 전류를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 조명 장치(100)를 개략적으로 도시하는 블럭도이다. 장치는 통상적으로 전류원(1)의 전류 출력 단자들과 동일하거나 또는 전류원(1)의 전류 출력 단자들에 연결되는 전력 라인들(5, 6)을 가지고 있으며, 전류원은, 원칙적으로, 임의의 적절한 설계를 가질 수 있고, 도 1의 전류원과 동일할 수 있다. 전력 라인들(5, 6)은, 위쪽 라인(5)이 아래쪽 라인(6)에 대해 양극(positive)이 되는, 정류된 AC 전류를 전송하는 것으로 가정하지만, 전력 라인들(5, 6)이 DC 전류를 전송하는 경우에도 본 발명의 요점은 작용할 것이다. 전력원으로부터 수신된 전류는 ITOTAL로써 표시될 것이다.
장치(100)는 전력 라인들(5, 6) 사이에 연결되고, 서로 직렬로 배치되고, 직렬 저항기(R1)와 직렬로 배치된 LED들의 주 스트링(101)을 포함한다. 이 스트링의 전류는 I1으로서 표시된다. 이 스트링의 LED들은 LED1,i로써 표시되며, i는 1 내지 n의 범위를 가지고, n은 주 스트링(101)에서의 LED들의 개수이다.
장치(100)는 전력 라인들(5, 6) 사이에 연결되고, 서로 직렬로 배치되고, 직렬 저항기(R2)와 직렬로 배치된 LED들의 보조 스트링(102)을 포함한다. 보조 스트링의 전류는 I2로서 표시된다. 이 스트링의 LED들은 LED2,i로서 표시되며, i는 1 내지 n의 범위를 가지고, n은 보조 스트링(102)에서의 LED들의 개수이다. 보조 스트링(102)의 LED들의 개수는 주 스트링(101)의 LED들의 개수와 다를 수 있음을 유의해야 한다.
장치(100)는, 보조 스트링(102)과 직렬로 배치된, 보다 구체적으로는, 가장 아래 쪽 전력 라인(6)과 마지막 LED(LED2,n) 사이에 배치된, 제어 가능한 전류 리미터(limiter)(120)를 더 포함한다. 제어 가능한 전류 리미터(120)는, 본 명세서에서는 예시적으로, 마지막 LED(LED2,n)에 연결된 컬렉터(collector), 전류 감지 저항기 R2x를 통해 가장 아래쪽 전력 라인(6)에 연결된 에미터(emitter) 및 연산 증폭기(opamp)(121)의 출력에 연결된 베이스(base)를 갖는 NPN 트랜지스터 T2로서 구현된다. 오피앰프(opamp)(121)의 인버팅 입력은 트랜지스터의 에미터에 연결된다. 오피앰프(121) 비반전(non-inverting)은 캐패시터(122)를 통해 가장 아래쪽 전력 라인(6)에 연결되고, 저항기(123)를 통해 마이크로컨트롤러(124)의 출력에 연결된다.
마이크로컨트롤러(124)의 전력은 주 스트링(101)으로부터 공급받는다. 전형적 예시에서, 이 스트링의 각각의 LED는 대략 3.5 내지 4 볼트의 순방향 전압을 가진다. 따라서, 끝에서부터 세어 제2 및 제3 LED들(LED1,(n-2) 및 LED1,(n-1)) 사이의 노드 A에서는 약 7 내지 8 볼트의 전압이 가능하다. 이 전압은 다이오드(125), 캐패시터(126) 및 전압 안정기(127), 통상적으로 78L05 또는 이와 유사한 컴포넌트를 포함하는 단에서 정류된 후에 마이크로컨트롤러(124)에 공급하여 5 볼트 DC를 공급하는데 사용된다. 만약 마이크로컨트롤러의 동작 전압이 하나 이상의 LED들의 순방향 전압과 같은 범위 내에 있다면, 전압 레귤레이터(regulator)는 생략될 수 있다.
동작을 설명하기 앞서, I1 ,μC로 표시된, 마이크로프로세서(124)로부터 나온 전류는 무시할 수 있을 만큼 매우 작아서, 마지막 두 개의 LED들(LED1,(n-1) 및 LED1,n) 내의 전류 및 이들에 의해 방사된 빛의 영향은 무시할 만함을 유의해야 한다. 도시된 것과 같이 보조 스트링(102)과 유사한, 주 스트링(101)에 병렬인 제2 보조 스트링(103)을 가지는 것이 가능하다는 것에 또한 유의해야 한다. 더 많은 보조 스트링들이 추가될 수 있다. 각각의 추가적 보조 스트링(103)에는 그 자체의 제어 가능한 전류 리미터(220)가 제공될 것이다. 도 2에서, 제2 보조 스트링(103)에는 그 자체의 마이크로프로세서(224) 및 노드 A에 연결된 관련 공급 회로(225, 226, 227)가 제공되는 것으로 가정한다. 그러나, 이 공급 회로(225, 226, 227)는 생략이 가능하고, 마이크로프로세서(224)는 제1 보조 스트링(102)의 공급 회로(125,126,127)로부터 공급받는 것이 가능하다. 만약, 제1 마이크로 프로세서(124)가 제2 제어가능한 전류 리미터(220)를 제어하기 위한 제2 출력 단자를 가진다면 제2 마이크로프로세서(224)까지도 생략 가능하며, 즉 마이크로프로세서들(124 및 224)이 통합될 수 있다.
동작을 설명하기 위해서, 먼저, 트렌지스터 T2는 완전히 도통하고 있는 것으로 가정한다. 전류의 크기 I1 및 I2는 각각의 LED들의 동적 저항 및 각각의 스트링에서의 LED들의 개수에 기초하여 자체적으로 설정될 것이다. 이 상황은 전류(수직 축, mA)를 시간 함수(수평축, ms)로서 보여주는, 도 3의 왼쪽 그래프에 도시된다. 본 예에서는, 주 스트링(101)에서의 전류 I1은 700mA의 크기를 가지고, 보조 스트링(102)에서의 전류 I2는 300mA의 크기를 가진다. 따라서, ITOTAL 은 1000mA의 크기를 가진다.
마이크로컨트롤러(124)는 보조 스트링(102)에서의 전류(I2)에 대한 한계를 나타내는 신호를 입력하기 위한 사용자 입력(128)을 가진다. 이 입력 신호에 기초하여, 마이크로컨트롤러(124)는 오피앰프(opamp)(121)의 비반전 입력에서의 기준 레벨을 설정하는 출력 신호를 발생시킨다. 개시된 실시예에서, 마이크로컨트롤러(124)는, 그 레벨이 펄스 폭(pulse width)에 의존하는, 오피앰프(121)의 비반전 입력에서의 전압 레벨을 야기하는 가변 기간의 전류 펄스(PWM)을 생성한다. 이 전압 레벨이 오피앰프의 반전 입력에서의 전압 레벨보다 높기만 하다면, 오피앰프는 트랜지스터(T2)를 도통 상태로 유지하면서, 높은 출력 신호를 생성다. 오피앰프의 반전 입력에서의 전압 레벨은 전류(I2)에 항상 비례한다.
사용자가 사용자 입력(128)의 설정을 바꿔서, 오피앰프의 출력 펄스들의 펄스 폭을 감소키고, 따라서 오피앰프(121)의 비반전 입력에서의 전압 레벨을, 측정 저항기(R2x)에 의해 제공된 전압 신호의 크기보다 작은, 250mA와 등가로 감소시키는 것을 가정한다. 이 상황은 도 3의 오른쪽 그래프에 도시된다. 먼저, 전류 I2는 평소처럼 0부터 증가하여,약 8ms에서 I2는 오피앰프(121)가 트랜지스터(T2)를 부분적으로 스위칭 오프하기에 충분한, 250mA가 된다. 특히, 트랜지스터는 단지 전류(I2)가 250mA를 유지할 만큼 충분하게(도 3에서 곡선이 평평한 부분) 도통 상태를 유지한다. 따라서, 이 도면의 왼쪽의 경우와 비교할 때, 보조 스트링(102)의 전류 I2는, 피크(peak) 전류에 관한 한, 그리고 평균 전류에 관한 한, 감소했다. 10ms에서의 피크(peak)에서, 전체 전류 ITOTAL은 여전히 1000mA이며, 따라서 이 예에서 I1의 피크 전류는 이제 750mA이다.
따라서, I1과 I2 사이의 비가 바뀔 수 있다는 것을 알 수 있다.
입력부(128)의 마이크로컨트롤러(124)에 대한 제어 입력 신호는 여러가지 방법으로 생성될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들면, 장치에는 LED 어셈블리의 온도를 감지하고, 마이크로컨트롤러의 입력에 온도 신호를 제공하기 위한 온도 센서가 제공될 수 있으며, 이 경우 마이크로컨트롤러는 온도 영향에 대응하기 위해 전류 비를 변화시키도록 프로그램될 수 있다. 또한, 장치에는 양쪽의 스트링들 모두의 광출력을 측정하기 위해, 그리고 마이크로컨트롤러의 입력에 광 신호를 제공하기 위해 광 센서가 제공될 수 있으며, 이 경우 마이크로컨트롤러는 광 출력을 일정하게 유지하도록 프로그램될 수 있다. 또한, 장치에는 마이크로컨트롤러의 입력부에 연결된 전위차계와 같은 사용자 입력 장치가 제공될 수 있다. 또한, 마이크로컨트롤러는 무선 사용자 제어를 위한 원격 제어에 반응할 수 있다. 상기 선택 사항들(및 다른 사항들)은 조합하여 구현될 수 있다.
요약하면, 본 발명은,
출력 라인들(5, 6)을 가진 전류원;
전류원 출력 라인들 사이에 직렬로 배치된 LED들의 주 스트링(101);
전류원 출력 라인들 사이에 직렬로 배치된 LED들의 적어도 하나의 보조 스트링(102);
보조 스트링(102)의 LED들과 직렬로 배치된 제어가능한 전류 리미터(120)
를 포함하는 조명 장치(100)를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 제어가능한 전류 리미터는:
보조 스트링(102)의 LED들과 직렬인 컬렉터-에미터 경로를 가지는 트랜지스터(T2);
상기 컬렉터-에미터 경로와 직렬로 배치된 전류 감지 저항기(R2x); 및
트랜지스터의 베이스에 연결된 출력, 상기 전류 감지 저항기(R2x)에 연결된 오피앰프의 반전 입력 및 기준 전압 레벨에 연결된 오피앰프의 비반전 입력을 가지는 오피앰프(121)
를 포함한다.
본 발명이 도면들 및 전술한 상세한 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 그러한 도시와 설명이 제한적인 것이 아니라, 설명적 또는 예시적인 것으로 간주되어야 함을 본 기술 분야의 당업자라면 이해할 것이다. 본 발명은 개시된 실시예들에 한정적인 것이 아니며, 차라리 첨부 청구항에서 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 범위 내에서 다양한 변경예와 변형예가 가능하다. 예를 들면, 다이오드(125)는 생략될 수 있고, 또는 두 개의 다이오드들의 직렬 배치로 대체될 수 있다. 또한, 전류 리미터는 다른 방법으로 구현될 수 있다.
상기에서, 두 개 이상의 보조 스트링들을 가질 수 있음을 언급하였다. LED 스트링들의 개수를 결정할 때, 고려해야될 몇몇의 설계 고려사항들이 있다. 한편으로는, 모든 보조 스트링들이 스위치 온되었을 때, 이들 모두가 특정 전류 크기를 요구하고, 전류원은 이 전류를 제공할 수 있어야 한다. 다른 한편으로는, 모든 보조 스트링들이 스위치 오프되었을 때, 모든 전체 전류 ITOTAL이 주 스트링(101)을 통하여 흐를 것이고, 이것은 그 스트링에 과전력 공급을 유도해서는 안 된다.
도면, 상세한 설명 및 첨부 청구범위를 학습하여, 청구된 발명을 실시할 때, 개시된 실시예들에 대한 다른 변형예들이 본 기술 분야의 당업자들에 의해서 이해되고 달성될 수 있다. 청구항들에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것은 아니고, 부정관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하는 것이 아니다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구항들에 언급된 몇몇 아이템들의 기능들을 달성할 수 있다. 특정 측정치들이 서로 다른 종속 청구항에서 언급되었다는 단순한 사실은 이런 측정치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 청구항들에서의 임의의 참조 부호들은 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
상기에서, 본 발명은 본 발명에 따른 장치의 기능별 블럭들을 도시하는 블럭도를 참조하여 설명되었다. 하나 이상의 이런 기능 블럭들은 하드웨어에서 구현될 수 있으며, 그러한 기능 블럭들상의 기능이 각각의 하드웨어 컴포넌트들에 의해서 수행되지만, 이런 기능 블럭들 중 하나 이상이 소프트웨어로 구현되어, 그러한 기능 블럭의 기능이 컴퓨터 프로그램의 하나 이상의 프로그램 라인들 또는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 프로그램 가능한 장치에 의해 수행되는 것 또한 가능함을 이해해야 한다.

Claims (11)

  1. 조명 장치(100)로서,
    출력 라인들(5, 6)을 가지는 전류원(1);
    전류원 출력 라인들(5, 6) 사이에 직렬로 배치된 LED들(LED1,i)의 주 스트링(101);
    전류원 출력 라인들(5, 6) 사이에 직렬로 배치된 LED들(LED2,i)의 적어도 하나의 보조 스트링(102); 및
    상기 보조 스트링(102)의 상기 LED들(LED2,i)과 직렬로 배치된 제어가능한 전류 리미터(120)
    를 포함하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어가능한 전류 리미터(120)는,
    - 상기 보조 스트링(102)의 상기 LED들(LED2,i)과 직렬인 컬렉터-에미터 경로를 가지는 트랜지스터(T2);
    - 상기 컬렉터-에미터 경로와 직렬로 배치되고, 상기 트랜지스터의 에미터와 상기 전류원 출력 라인들(6)들 중 하나의 사이에 연결된 전류 감지 저항기(R2x); 및
    - 상기 트랜지스터의 베이스에 연결된 출력, 상기 트랜지스터의 에미터와 상기 전류 감지 저항기(R2x) 사이의 상기 노드에 연결된 반전 입력(inverting input) 및 기준 전압 레벨에 연결된 비반전 입력(non-inverting)을 갖는 오피앰프(opamp)(121)
    를 포함하는 조명 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기준 전압 레벨은 제어가능한 펄스 발생기(124) 및 펄스 적산계 단(123, 122)에 의해서 제공되는 조명 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 펄스 발생기(124)는 마이크로 프로세서로서 구현되는 조명 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 펄스 발생기(124)는 제어 입력 신호들을 수신하기 위한 제어 입력(128)을 가지는 조명 장치.
  6. 제5항에 있어서, LED 어셈블리 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 더 포함하고, 상기 펄스 발생기(124)는 온도 영향에 대응하기 위해 상기 주 스트링 및 보조 스트링의 전류들(I1,I2) 사이의 비를 변화시키기 위해 상기 센서의 온도 신호에 응답하는 조명 장치.
  7. 제5항에 있어서, 양쪽 스트링들의 광 출력을 측정하기 위한 광 센서를 더 포함하고, 상기 펄스 발생기(124)는 상기 광 출력을 일정하게 유지하기 위해 상기 센서의 광 신호에 응답하는 조명 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제어 입력(128)에 연결된 전위차계와 같은 사용자 입력 장치를 더 포함하는 조명 장치.
  9. 제3항에 있어서, 제어가능한 상기 펄스 발생기(124)를 위한 저전력 전압원(125, 126, 127)을 더 포함하고, 상기 저전력 전압원(125, 126, 127)은 상기 주 스트링(101)의 두 개의 인접한 LED들(LED1,i; LED1,i+1) 사이의 노드(A)에 연결된 전원 입력을 가지는 조명 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 노드(A)는 주 스트링(101)의 끝에서부터 카운트하여 두 번째 및 세 번째 LED들(LED1,(n-2); LED1,(n-1)) 사이에 있는 조명 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 저전력 전압원(125, 126, 127)은, 바람직하게는 그것의 입력 단자와 상기 노드(A) 사이에 배치된 다이오드(125)를 가지고, 바람직하게는 그것의 입력 단자에 병렬로 연결된 캐패시터(126)를 가지는 전압 안정기(127)를 포함하는 조명 장치.
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