KR20140041224A - 교류전원 구동용 ｌｅｄ 조명장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 전원 구동용 LED 조명 장치에 관한 것이다. 상기 교류 전원 구동용 LED 조명 장치는, 상기 교류 전원과 연결되는 전원 입력 단자부; 하나 또는 둘 이상의 LED 소자들로 이루어진 다수 개의 LED 그룹들; 상기 LED 그룹들의 각각에 연결되어, 상기 전원 입력 단자부를 통해 제공되는 전원을 각 LED 그룹으로 인가하는 다수 개의 LED 구동 회로부;를 구비한다. 상기 다수 개의 LED 그룹들은 서로 병렬 연결되며, 상기 다수 개의 LED 그룹들은 각각 서로 다른 개수의 LED 소자들로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 LED 구동 회로부들은 상기 LED 그룹들이 순차 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하여, 상기 LED 조명 장치의 플리커 주파수(flicker frequency)를 AC 전원 주파수의 일정 배수로 증대시키는 것을 특징으로 한다.

Description

교류전원 구동용 ＬＥＤ 조명장치{LED Apparatus for AC Power Supply}
본 발명은 교류전원 구동용 LED 조명 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 교류 전원으로 인하여 발생하는 플리커(Flicker) 주파수를 증대시켜 사용자가 장시간 사용시 LED 조명 장치의 깜박거림으로 인한 눈의 피로감을 감소시킬 수 있는 교류전원 구동용 LED 조명 장치에 관한 것이다.
최근 LED를 이용한 조명 장치들이 널리 개발되어 사용되고 있다. 이러한 LED 조명 장치들은 주로 SMPS(Switching Mode Power Supply) 또는 정류 회로 등을 사용하여 상용 전원인 AC 전원을 DC로 변환시켜 구동하게 된다. 전술한 SMPS를 이용하는 경우 SMPS 내부에 대용량의 콘덴서 및 트랜스포머가 사용되므로 전력변환에 따른 손실이 많이 발생한다. 또한, SMPS를 구비하는 LED 조명 장치는 대용량의 콘덴서 및 트랜스포머 등으로 인하여 소형화 및 IC 집적화가 용이하지 않을 뿐만 아니라 제조단가도 높아지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, AC 전원인 상용 전원을 그대로 사용하는 LED 조명장치들이 제안되고 있다. 하지만, LED 조명장치를 구동시키기 위하여 AC 전원인 상용 전원을 사용하는 경우, LED 조명장치는 전원 주파수의 2배, 예컨대 60Hz인 경우 120번/초에 해당하는 깜박거림(Flicker)이 발생하게 되며, 이로 인해 장시간 사용시 눈의 피로감이 가중되는 문제점이 발생한다. 또한, LED 의 자체 발열로 인하여 온도가 증가하게 되고 그 결과 화재위험이 증가하고 효율이 감소하게 된다. 또한, 전원의 전압이 불안정하게 변동됨에 따라 LED 조명장치의 조도가 불안정하게 되는 문제점이 있다. 또한, 과전압이 인가되는 경우 LED 조명장치의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
전술한 교류 전원에서 구동되는 LED 조명장치들의 문제점을 해결하기 위한 다양한 방안들이 제시되고 있다. 한국등록특허 제 10-660800호의 "복수개의 발광셀 어레이들을 구비하는 교류용 발광 소자"는 명멸 현상을 완화할 수 있으며, 교류 전압의 위상변화에 대응하여 광을 방출하는 시간이 긴 교류용 발광 소자를 개시하고 있다. 또한, 한국등록특허 제 10-0942234호의 "발광다이오드 조명 장치"는 넓은 입력전압범위에서 고효율 및 저고조파 특성을 갖는 발광 다이오드 조명장치를 개시하고 있다. 또한, 한국등록특허 제 10-0943656호의 "발광다이오드 구동회로"는 발광다이오드에 인가되는 교류전압의 크기에 따라 흐르는 전류값을 조정하여 입력전압의 변화에도 안정적인 출력 전력을 갖는 구동회로를 개시하고 있다.
이와 같이, 다양한 기술들이 개시되고 있기는 하나, 교류 전원인 상용 전원을 이용하는 경우 전원 주파수에 따른 플리커 현상으로 인한 눈의 피로감을 감소시키는 방안은 아직 제안되고 있지 않은 실정이다. 따라서, 본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안을 제안하고자 한다.
(1) 한국등록특허 제 10-660800호 (2) 한국등록특허 제 10-0942234호 (3) 한국등록특허 제 10-0943656호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 AC 전원으로 구동되어 에너지효율을 향상시킬 뿐만 아니라 AC 전원에 의한 깜박거림으로 인한 눈의 피로감을 최소화시킬 수 있는 교류전원 구동용 LED 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 AC 전원으로 구동되어 에너지 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 깜박거림으로 인한 눈의 피로감도 최소화시키고 온도에 대해서도 안정적으로 구동되는 교류전원 구동용 LED 조명 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상용 전원을 사용하더라도 전원 변동에 대하여 조도를 안정화시킬 수 있으며 과전압이 인가되더라도 회로를 보호할 수 있는 교류전원 구동용 LED 조명장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일부 LED 소자들에 커패시커를 병렬 연결시킴으로써, LED 소자들이 완전히 턴오프되지 않도록 하면서 플리커 주파수를 향상시킬 수 있는 교류 전원 구동용 LED 조명 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치는, 사전 설정된 AC 전원 주파수를 갖는 교류 전원에 의해 구동되는 교류전원 구동용 LED 조명장치에 관한 것으로서, 상기 교류 전원과 연결되는 전원 입력 단자부; 하나 또는 둘 이상의 LED 소자들로 이루어진 다수 개의 LED 그룹들; 상기 LED 그룹들의 각각에 연결되어, 상기 전원 입력 단자부를 통해 제공되는 전원을 각 LED 그룹으로 인가하는 다수 개의 LED 구동 회로부;를 구비하고,
상기 다수 개의 LED 그룹들은 각각 서로 다른 개수의 LED 소자들로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 LED 구동 회로부들은 상기 LED 그룹들이 순차 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하여, 상기 LED 조명 장치의 플리커 주파수(flicker frequency)를 AC 전원 주파수의 일정 배수로 증대시키는 것을 특징으로 한다. 상기 LED 그룹들은 서로 병렬 연결되고, 각 LED 그룹을 구성하는 다수 개의 LED 소자들은 직렬 연결 상태와 병렬 연결 상태가 혼합되어 구성되거나 직렬 연결 상태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 LED 그룹들은 서로 직렬 연결되고, 각 LED 그룹을 구성하는 다수 개의 LED 소자들은 직렬 연결 상태와 병렬 연결 상태가 혼합되어 구성될 수 있다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 그룹 중 가장 많은 개수의 LED 소자들로 이루어진 LED 그룹에 연결된 LED 구동 회로부는 전원 전압이나 온도가 증가하더라도 LED 소자들로 제공되는 구동 전류 또는 전력이 일정하게 안정화되도록 하는 구동 전류를 LED 그룹으로 제공하며,
상기 가장 많은 개수의 LED 소자들로 이루어진 LED 그룹을 제외한 나머지 LED 그룹들에 연결된 LED 구동 회로부들은 각 LED 그룹이 교류 전원의 정현파의 반 주기동안 적어도 2번 이상 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하되, 각 LED 그룹은 모두 서로 다른 시각에 구동되도록 하여 순차 구동시키는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 상기 교류 전원에 의해 순차 구동되도록 연결된 둘 이상의 스위칭 소자; 및 상기 스위칭 소자의 동작을 제어하기 위하여 스위칭 소자의 제어 단자로 사전 설정된 바이어스 전압을 제공하는 둘 이상의 바이어스부;를 구비하고, 상기 스위칭 소자들 중 하나의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크 위치와 피크값을 갖는 파형의 구동 전류를 LED그룹으로 제공할 수 있다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부; 상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부; 를 구비하고, 상기 제2 트랜지스터의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 각각 제공할 수 있다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 제1 트랜지스터; 제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터의 출력 전류에 의해 구동되는 제3 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부; 상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제2 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부; 를 구비하고, 상기 제2 트랜지스터의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 제공할 수 있다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터와 병렬 연결된 제3 트랜지스터; 제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부; 상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제2 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부; 및 상기 제3 트랜지스터를 사전 설정된 제3 동작점에서 구동시키기 위한 제3 바이어스 전압을 제3 트랜지스터로 제공하는 제3 바이어스부; 를 구비하고, 제2 트랜지스터의 출력 전압을 LED 그룹으로 제공되도록 하여,사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 제공할 수 있다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자의 사이에 배치되어 상기 제2 트랜지스터의 제2 단자로 흐르는 전류를 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자로 피드백시키는 피드백 임피던스부;를 더 구비하여, 전원 전압이나 온도가 증가하더라도 전류를 일정하게 안정화시키는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은, 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 접지 단자의 사이에 과전압 보호 회로부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 상기 전원 입력 단자부에 정류 회로부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 상기 전원 입력 단자부와 상기 다수 개의 LED 구동 회로부의 사이에 배치되는 공통 바이어스 분배 회로부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 LED 조명 장치에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 가장 작은 개수의 LED 소자들로 구성된 LED 그룹에 병렬 연결된 커패시터를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는 다수 개의 트랜지스터들을 구비하는 다수 개의 LED 구동 회로부들을 이용함으로써, AC 전원인 상용전원을 그대로 사용하여 에너지 효율을 최대로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 플리커 주파수를 전원주파수의 다수 배로 증가시켜 깜박거림으로 인한 눈의 피로감을 최소화시킬 수 있다. 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 병렬 연결된 다수 개의 LED 그룹들을 순차 구동되도록 하여 사람의 눈이 인식할 수 있는 플리커 주파수(Flicker frequency) 이상으로 플리커링시킴으로써, LED 조명장치의 깜박거림을 사람이 인식할 수 없도록 한다. 그 결과, 장시간 사용하더라도 눈의 누적 피로감을 없앨 수 있게 된다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는 LED 그룹들을 병렬로 연결함으로써, LED 소자들의 수명을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 고전력 조명에도 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 서로 다른 개수의 LED 소자들로 구성되는 LED 그룹들을 병렬로 연결하고, 각 LED 그룹에 LED 구동 회로부를 각각 연결시킴으로써, 외부에 밝기 제어용 디머(dimmer) 스위치를 연결하여 밝기 제어가 가능해진다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 다수 개의 LED 구동 회로부를 사용함으로써, 온도가 증가하더라도 LED 구동전류의 안정화를 도모할 수 있게 된다. 특히, 본 발명에 따른 LED 조명장치의 플리커 주파수 체배 회로부는 온도에 대한 특성이 서로 상반된 FET와 BJT를 연결한 달링톤 회로를 사용함으로써, 온도가 증가하더라도 LED 구동전류 또는 전체 전력이 더욱 안정되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명장치의 LED 구동 회로부는 AC 전압이 일정 범위를 벗어나면 오프(OFF)되도록 함으로써, 과전압이 인가되거나 전압변동이 발생하더라도 안정적으로 동작할 수 있으며 회로에 과전압이 인가되는 것을 방지하여 회로도 보호할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 LED 그룹을 구성하는 일정 개수의 LED 소자들에 병렬로 커패시터를 연결함으로써, LED 소자들로 제공되는 전체 구동 전류가 완전하게 0로 떨어지지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 교류 전원용 LED 조명 장치를 전체적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 교류 전원용 LED 조명 장치에 있어서, LED 그룹들에 제공되는 구동 전류들을 예시적으로 도시한 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 교류 전원용 LED 조명 장치를 전체적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 교류 전원용 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부의 제1 실시 형태를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치에 있어서, 제1 실시 형태의 LED 구동 회로부에 의해 LED 소자들로 제공되는 구동 전류를 도시한 그래프로서, 도 5의 (a)는 T=20℃에서의 LED 구동 전류이며, 도 5의 (b)는 T=80℃에서의 LED 구동 전류를 나타낸다.
도 6 내지 도 13는 본 발명에 따른 교류 전원용 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부의 제2 실시 형태 내지 제7 실시 형태들 및 그 변형예들을 각각 도시한 회로도이다.
도 14는 본 발명에 따른 교류 전원용 LED 조명장치에 있어서, 다수 개의 LED 그룹들을 연결시키는 상태에 대한 다른 실시 형태를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 LED 조명 장치들의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 LED 조명 장치는 전력 변환 효율이 우수한 AC 전원으로 직접 구동되는 LED 조명장치에 관한 것으로서, 병렬로 연결된 LED 그룹들로 인가되는 구동 전류를 제어함으로써, LED 소자들이 초당 플리커(Flicker) 회수를 AC 전원 주파수의 4 배 이상이 되도록 한 것을 특징으로 한다. 따라서, AC 전원 주파수가 60Hz인 경우 플리커 회수는 초당 240회 이상이 되도록 한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 전력 변환 효율이 우수한 AC 전원으로 직접 구동하되 인체가 빛의 깜박거림을 감지하지 못하는 플리커 주파수 이상으로 LED 소자들이 구동되도록 LED 구동 전류를 조절함으로써, 눈의 피로누적을 줄임과 동시에 전원 전압의 변동과 온도에 대한 안정된 LED 구동회로를 제공하게 된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 조명 장치(1)는 사전 설정된 AC 전원 주파수를 갖는 외부의 교류 전원(5)에 연결되어 구동되는 것으로서, 전원 입력 단자부(10), 상기 전원 입력 단자부에 대하여 병렬 연결된 다수 개의 LED 그룹들(20,21,22), 상기 LED 그룹들로 구동 전류를 제공하는 다수 개의 LED 구동 회로부(30,31,32)를 구비한다. 본 발명에 따른 LED 조명 장치(1)는 다수 개의 LED 구동 회로부를 구비하여 각 LED 그룹에 공급되는 구동 전류의 파형을 변형시킴으로써, 플리커 주파수를 증대시켜 눈의 피로 누적을 줄임과 동시에 전원 전압의 변동과 온도에 대한 안정도를 제공한다. 본 명세서에서는 다수 개의 LED 소자들로 구성된 3개 LED 그룹들이 병렬로 연결되도록 구성하고 3단의 LED 구동 회로부를 구비하는 것을 예시적으로 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 본 특허의 권리범위를 3단의 LED 구동 회로부에 제한하거나 한정하고자 하는 것은 아니다.
상기 전원 입력 단자부(10)는 외부의 교류 전원(5)에 접속되어 교류 전원으로부터 제공되는 AC 전압을 LED 소자들로 제공하게 된다.
상기 LED 그룹부는 전원 입력 단자부에 대해 서로 병렬로 연결된 다수 개의 LED 그룹들(20,21,22)로 이루어지며, 각 LED 그룹은 다수 개의 LED 소자들로 이루어진다. 상기 LED 그룹들은 서로 다른 개수의 LED 소자들로 이루어지며, LED 구동 회로부에 의해 LED 그룹을 구성하는 LED 소자들의 개수에 따라 LED 그룹들이 순차 구동되는 것을 특징으로 한다.
도 14는 본 발명에 따른 교류 전원용 LED 조명장치에 있어서, 다수 개의 LED 그룹들을 연결시키는 상태에 대한 다른 실시 형태를 도시한 회로도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명장치의 LED 그룹부를 구성하는 다수 개의 LED 그룹들은 서로 직렬 연결되고, 각 LED 그룹들을 구성한 다수 개의 LED 소자들은 직렬 연결 상태와 병렬 연결 상태가 혼합되어 구성될 수도 있다. 이와 같이, LED 소자들의 일부를 병렬 연결시킴으로써, LED 조명 장치의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
상기 다수 개의 LED 구동 회로부는 제1 LED 구동 회로부(20), 제2 LED 구동 회로부(21), 제3 구동 회로부(22)를 구비하며, 이들은 LED 그룹에 각각 연결되어 각 LED 그룹이 순차 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공한다.
각 LED 구동 회로부는 순차적으로 연결된 둘 이상의 스위칭 소자들, 및 각 스위칭 소자들이 사전 설정된 동작점에서 구동될 수 있도록 상기 교류 전원을 분배하여 각 스위칭 소자들로 제공하는 둘 이상의 바이어스부를 구비한다. 각 LED 구동 회로부의 제1 입력 단자 및 출력 단자는 전원 입력 단자부에 접속되며, 각 LED 구동 회로부의 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자는 각 LED 그룹의 입력 단자 및 출력 단자에 각각 접속된다.
전술한 구성을 갖는 LED 구동 회로부는 LED 소자들로 인가되는 교류 전압이 사전 설정된 진폭 범위를 벗어나는 구간동안 오프되도록 하여 교류 전원의 파형을 변형시킴으로써, LED 구동 회로부에 연결된 LED 소자들의 플리커 주파수를 AC 전원 주파수의 4배 이상으로 증대시키게 된다. 또한, 전술한 구성을 갖는 LED 구동 회로부는 해당 LED 그룹의 LED 소자들이 교류 전원이 제공하는 전류의 정현파의 반 주기 동안 적어도 2회 이상 구동되도록 하는 구동 전류를 해당 LED 그룹으로 인가한다.
상기 LED 구동 회로부들은 각 LED 그룹들이 순차 구동되도록 하기 위하여 각 트랜지스터들의 동작점을 설정하고, 상기 트랜지스턴들이 사전 설정된 동작점에서 구동시키기 위한 바이어스 전압을 계산하고, 상기 계산된 바이어스 전압이 인가될 수 있도록 바이어스부의 회로들을 구성한다. 이와 같이, 상기 LED 구동 회로부들을 구성하는 둘 이상의 트랜지스터들의 바이어스 전압을 조정하여, LED 구동 회로부들에 연결된 LED 그룹들로 인가되는 구동 전류를 제어함으로써, 사전에 설정된 2개의 피크 위치에서 사전 설정된 피크값을 갖는 파형의 전류를 LED 소자들로 제공하게 되며, 또한 각 LED 그룹들이 순차 구동되도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치에 있어서 LED 소자들로 제공되는 구동 전류를 예시적으로 도시한 파형 그래프들이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각 LED 그룹에 각각 연결된 LED 구동 회로부를 구성하는 트랜지스터들이 사전 설정된 동작점에서 구동시키기 위한 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 각 LED 구동 회로부의 바이어스부들의 회로를 구성함으로써, 각 LED 구동 회로부는 (a), (b), (c), (d) 와 같은 파형을 갖는 구동 전류를 제공할 수 있게 된다. 도 2에 있어서, (a)는 LED 조명 장치의 LED 그룹들 중 제1 LED 그룹으로 제공되는 구동 전류를 도시한 파형 그래프이며, (b)는 LED 조명 장치의 LED 그룹들 중 제2 LED 그룹으로 제공되는 구동 전류를 도시한 파형 그래프이며, (c)는 LED 조명 장치의 LED 그룹들 중 제3 LED 그룹으로 제공되는 구동 전류를 도시한 파형 그래프이며, (d)는 LED 조명 장치의 LED 그룹들로 제공되는 구동 전류를 도시한 파형 그래프로서, 제1, 제2 및 제3 LED 그룹들로 제공되는 구동 전류들의 합을 도시한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 LED 그룹으로 제공되는 구동 전류들은 서로 다른 위치에서 피크값을 가지게 되며, 그 결과 서로 병렬로 연결된 각 LED 그룹들은 순차 구동된다.
한편, 전술한 LED 조명장치는 교류전원의 정현파의 반파를 사용하는 구성이나, 교류 전원의 정현파의 전파를 사용하기 위하여 상기 교류 전원의 출력 단자에 브리지 다이오드들로 구성되는 정류회로부를 더 구비함으로써, LED 조명장치가 정현파의 전파에서 구동될 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 조명 장치를 도시한 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 조명 장치(3)는 전원 입력 단자부와 각 LED 구동 회로부의 제1 입력 단자들 사이에 공통 바이어스 분배 회로부(38)를 더 구비하도록 함으로써, 각 LED 구동 회로부의 구성을 간단하게 구현할 수 있도록 한다. 상기 공통 바이어스 분배 회로부는 저항으로도 구성될 수 있으며, 그 외에 FET, JFET 나 BJT 등과 같은 스위칭 소자로도 구성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 조명 장치는 가장 작은 개수의 LED 소자들로 구성되는 제3 LED 그룹에 커패시터(39)를 병렬 연결시킨다. 이와 같이 커패시터를 가장 작은 개수의 LED 소자들로 구성되는 제3 LED 그룹에 병렬 연결시킴으로써, 제3 LED 그룹으로 제공되는 작은 양의 전압이 커패시터에 충전됨에 따라, LED 조명 장치로 제공되는 전체 구동 전류가 '0'로 떨어지는 것을 방지한다.
이하, 도 4 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명장치의 LED 구동 회로부의 다양한 실시 형태를 구체적으로 설명한다.
< LED 구동 회로부의 제1 실시형태>
도 4는 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명장치의 LED 구동 회로부의 제1 실시 형태이다. 도 4를 참조하면, 상기 LED 구동 회로부는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제1 바이어스부(132) 및 제2 바이어스부(134)를 구비한다.
상기 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 모두 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor; 이하 ‘FET’이라 한다)로 구성된다. 한편, 도 6은 전술한 제1 실시 형태의 변형된 형태를 도시한 회로도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 구동 회로부의 다른 실시 형태에서는 제1 트랜지스터(M1)을 바이폴라 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor; 이하 ‘BJT’라 한다)로 구성하고 제2 트랜지스터(M2)는 FET으로 구성할 수도 있다.
이하, 본 명세서에서는 FET의 게이트를 FET의 제1 단자로 표시하고, FET의 드레인 및 소스를 각각 FET의 제2 단자 및 제3 단자로 표시하며, BJT의 베이스를 BJT의 제1 단자로 표시하고, BJT의 콜렉터 및 에미터를 각각 BJT의 제2 단자 및 제3 단자로 표시한다.
제1 바이어스부(132)는 전원 입력 단자부를 통해 교류 전원과 연결되어, 사전에 설정된 동작점에서 제1 트랜지스터(M1)를 구동시키기 위한 바이어스 전압을 제1 트랜지스터의 제1 단자로 제공한다. 상기 제1 바이어스부(132)는 다수 개의 저항들로 구성되는 전압 분배 회로로 구성되거나, 다이오드, 트랜지스터, OP-AMP, 써미스트 등의 소자들로 구성될 수 있다. 아울러, 본 실시예에서는 제1 바이어스부를 제1 게이트 저항(R1)과 제2 게이트 저항(R4)로 구성하여 상기 교류 전원(5)의 전압을 분배하여 제1 트랜지스터인 FET의 게이트로 제공하는 것을 예시적으로 설명하고 있으나, 본 발명의 권리범위를 이것에 한정하는 것은 아니다. 따라서, 제1 트랜지스터(M1)의 제1 단자인 게이트에 사전에 설정된 문턱 전압이 인가되면, 상기 제1 바이어스부는 제1 트랜지스터(M1)가 온(on)되도록 한다.
제2 바이어스부(134)는 전원 입력단자부를 통해 교류 전원과 연결되어, 제1 트랜지스터의 제2 단자인 드레인으로 제공되는 드레인 전류를 제공하고, 사전에 설정된 동작점에서 제2 트랜지스터를 구동시키기 위한 바이어스 전압을 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 제공한다. 상기 제2 바이어스부(134)는 전술한 제1 바이어스부(132)와 마찬가지로 다수 개의 저항들로 구성되는 전압 분배 회로로 구성되거나, 다이오드, 트랜지스터, OP-AMP, 써미스트 등의 소자들로 구성될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 제1 바이어스부(132)는 제1 게이트 저항과 제2 게이트 저항으로 구성되고, 제2 바이어스부(134)는 드레인 저항(R2)으로 구성된 경우를 예시적으로 설명하나, 전술한 바와 같이 제1 및 제2 바이어스부는 다른 회로로도 구성될 수 있음은 당연하다.
FET으로 구성된 상기 제1 트랜지스터(M1)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1게이트 저항(R1)을 개재하여 LED 그룹부의 입력 단자에 접속되고 제2 게이트 저항(R4)를 개재하여 접지 단자에 접속되며, 제2 단자인 드레인은 드레인 저항(R2)을 개재하여 LED 그룹부의 입력 단자에 접속되고, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R3)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. FET으로 구성된 상기 제2 트랜지스터(M2)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 FET의 드레인에 접속되며, 제2 단자인 드레인은 LED 어레이의 출력 단자에 접속되며, 제3 단자인 소스는 접지 단자에 접속된다.
도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치에 있어서, 전술한 제1 실시 형태의 LED 구동 회로부의 동작을 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치에 있어서, 전술한 제1 실시 형태의 LED 구동 회로부에 의해 LED 소자들로 제공되는 구동 전류를 도시한 그래프로서, 도 5의 (a)는 T=20℃에서의 LED 구동 전류이며, (b)는 T=80℃에서의 LED 구동 전류를 나타낸다.
LED 조명장치에 교류 전압이 인가되는 경우, 교류 전원의 반파장 구간 동안 LED 소자들에 흐르는 전류의 파형을 살펴본다.
먼저, A 구간은 교류 전원이 저전압 구간으로서, ① 제1 트랜지스터의 게이트 전압이 사전 설정된 제1 트랜지스터의 바이어스 전압보다 낮아 제1 트랜지스터가 턴오프되고 --> ② 그 결과 제1 트랜지스터의 드레인 저항(R2) 전류가 흐르지 않고 드레인 저항에서의 전압 강하 없다. --> ③ 다음, 제2 트랜지스터의 게이트 전압이 사전 설정된 제2 트랜지스터의 바이어스 전압보다 증가하게 되면 --> ④ 제2 트랜지스터가 턴온되고 --> ⑤ LED 소자의 구동 전류가 제2 트랜지스터의 드레인과 소스를 통해 흐르게 된다.
B 구간은 교류 전원이 고전압 구간으로서, ① 제1 트랜지스터의 게이트 전압이 충분히 높아 사전 설정된 제1 트랜지스터의 바이어스 전압보다 높아지면 제1 트랜지스터가 턴온되고 --> ② 그 결과 제1 트랜지스터의 드레인 저항(R2)으로 드레인 전류가 흐르고 드레인 저항에서의 전압 강하가 생기게 된다. --> ③ 드레인 저항에서의 전압 강하로 인하여 제2 트랜지스터의 게이트 전압이 사전 설정된 제2 트랜지스터의 바이어스 전압보다 감소하게 되고 --> ④ 제2 트랜지스터가 턴오프되어 --> ⑤ 제2 트랜지스터로 전류가 흐르지 못하게 되어 LED 소자의 구동 전류가 차단된다.
C 구간은 교류 전압이 다시 저전압 구간으로 변환됨에 따라, ① 제1 트랜지스터의 게이트 전압이 다시 낮아져 제1 트랜지스터가 턴오프되고 --> ② 그 결과 제1 트랜지스터의 드레인 저항(R2)으로 전류가 흐르지 않고 드레인 저항에서의 전압 강하가 없다. --> ③ 드레인 저항에서의 전압 강하가 없기 때문에 제2 트랜지스터의 게이트 전압이 증가하게 되고 --> ④ 제2 트랜지스터가 턴온되어 --> ⑤ LED 소자의 구동 전류가 제2 트랜지스터의 드레인과 소스를 통해 흐르게 된다.
전술한 동작을 하는 LED 조명장치는 교류 전원으로부터 인가되는 교류 전압의 반파장 구간 중 전압이 일정값 이상이 되는 구간(도 5의 B 구간) 동안 제2 트랜지스터가 오프됨과 동시에 LED 소자들도 오프된다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 조명장치는 교류 전원의 반파장 구간 동안 LED 소자들이 한번 더 오프됨에 따라 LED 조명장치의 플리커 주파수는 AC 전원 주파수의 4배가 된다.
한편, 도 5의 (a)와 (b)를 참조하면, 파형의 반파장 동안 인가된 LED 소자들의 총 구동전류는 파형의 총 면적으로 나타낼 수 있는데, 도 5의 (a)는 T=20℃에서의 LED 구동 전류이며, (b)는 T=80℃에서의 LED 구동 전류를 나타낸다. 도 5의 (a) 및 (b)의 파형의 총 면적을 비교하면 온도가 증가함에 따라 총 전류 또는 전력이 일정함을 알 수 있다. 이를 통해, 본 실시예에 따른 LED 조명 장치는 온도가 증가하더라도 온도 보상이 되었음을 알 수 있다.
< LED 구동 회로부의 제2 실시형태>
본 발명에 따른 LED 조명 장치에서의 LED 구동 회로부의 제2 실시 형태는 FET와 BJT로 구성되는 달링톤 회로를 추가함으로써, 온도가 변화되더라도 반파장 동안의 LED 구동 전류에 대한 총 전류값 또는 전력을 일정하게 유지할 수 있도록 한 온도 안정화를 도모한 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명장치의 LED 구동 회로부의 제2 실시 형태를 도시한 회로도이다. 도 7을 참조하면, 제2 실시 형태에 따른 상기 LED 구동 회로부(230)는 LED 그룹의 입력 단자와 출력 단자에 접속되며, 상기 LED 구동 회로부에 연결된 LED 그룹으로 인가되는 교류 전원이 사전 설정된 진폭 범위를 벗어나는 구간동안 제2 트랜지스터가 오프되도록 하여 교류 전원의 파형을 변형시킴으로써, LED 소자들의 플리커 주파수를 AC 전원 주파수의 다수 배로 증대시키게 된다.
상기 LED 구동 회로부(230)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제3 트랜지스터(B1), 제1 바이어스부(232) 및 제2 바이어스부(234)를 구비한다. 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 제1 트랜지스터는 FET로 구성되며, 제3 트랜지스터는 BJT로 구성된다.
제1 바이어스부(232)는 상기 교류 전원과 연결되어 제1 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 바이어스 전압을 제공하며, 제2 바이어스부(234)는 상기 교류 전원과 연결되어 제1 트랜지스터의 제2 단자인 드레인으로 전류를 제공하고 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 바이어스 전압을 제공한다.
상기 제1 트랜지스터(M1)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 바이어스부를 통해 교류 전원으로부터 바이어스 전압이 인가되고, 제2 단자인 드레인은 제2 바이어스부와 연결되어 교류 전원으로부터 드레인 전류를 제공받는다. 상기 제2 트랜지스터(M2)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 트랜지스터의 제2 단자인 드레인에 접속되고 제2 바이어스부를 통해 교류 전원으로부터 바이어스 전압이 인가되며, 제2 단자인 드레인은 LED 그룹부의 출력 단자에 접속되며, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R6)를 개재하여 접지 단자에 접속된다. 상기 제3 트랜지스터(B1)는, 제1 단자인 베이스는 제1 트랜지스터의 제3 단자인 소스에 접속되고, 제2 단자인 콜렉터는 제2 트랜지스터의 게이트와 제1 트랜지스터의 드레인이 접속된 접점에 연결되어 제2 바이어스부를 통해 교류 전원으로부터 콜렉터 전류가 제공되며, 제3 단자는 제5 바이어스부(R5)를 개재하여 접지 단자에 접속된다.
상기 제5 바이어스부는 저항 등과 같은 소자로 구성될 수 있으며, 상기 제5 바이어스부(R5)를 조절함으로써 제3 트랜지스터인 BJT에 전류가 많이 흐르게 되면 BJT의 에미터 전류(IE)가 증가하게 되고, 그 결과 제2 바이어스부에 흐르는 전류를 증가시켜 제2 바이어스부에서의 전압 강하가 늘어나 되고, 이로 인해 제1 트랜지스터의 드레인 전류(ID)가 감소된다.
FET는 온도가 증가함에 따라 드레인 전류가 감소하는 특성을 가진 반면에, BJT는 온도가 증가함에 따라 콜렉터 전류가 증가하는 특성을 갖는다. 따라서, LED 구동 회로부의 본 실시 형태는 FET와 BJT의 전술한 온도 특성을 이용함으로써, LED 조명장치가 온도가 올라가더라도 총 전류 또는 전력을 일정하게 유지되도록 한다.
전술한 동작을 하는 LED 조명장치는 교류 전원의 반파장 구간 동안 전압이 일정값 이상이 되는 구간은 오프되며, 교류 전원이 오프되는 동안 LED 소자들이 오프된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부를 구비하는 LED 조명장치는 교류 전원의 반파장 구간 동안 한번 더 오프됨에 따라 LED 조명장치의 플리커 주파수는 AC 전원 주파수의 4배가 된다. 또한, 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부를 구비하는 LED 조명장치는 서로 다른 온도 특성을 갖는 FET와 BJT를 연결한 달링톤 회로를 추가함으로써, 온도가 증가하더라도 총전류 또는 전력을 일정하게 유지할 수 있도록 한 온도 보상 특성을 원하는 형태로 조절할 수 있게 된다.
< LED 구동 회로부의 제3 실시 형태>
도 8은 전술한 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명장치의 LED 구동 회로부의 제3 실시 형태에 대한 회로도이다. 제3 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제2 실시 형태의 변형된 예로서, 제2 실시 형태의 LED 구동 회로부와 유사하나, 1 트랜지스터는 BJT로 구성되며 제3 트랜지스터는 FET 으로 구성되는 점에서 차이가 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 이하, 제2 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부와의 차이점에 대하여 설명한다.
도 8을 참조하면, 상기 LED 구동 회로부(330)는 제1 트랜지스터(B1), 제2 트랜지스터(M2), 제3 트랜지스터(M1), 제1 바이어스부(332) 및 제2 바이어스부(334)를 구비한다. BJT로 구성되는 상기 제1 트랜지스터(B1)에 있어서, 제1 단자인 베이스는 제1 바이어스부와 연결되어 제1 바이어스부를 통해 교류 전원으로부터 바이어스 전압이 인가되고, 제2 단자인 콜렉터는 제2 트랜지스터의 게이트와 제3 트랜지스터의 드레인이 접속된 접점에 연결되고 제2 바이어스부(334)와 연결되어 제2 바이어스부로부터 콜렉터 전류가 제공되며, 에미터는 에미터 저항(R9)를 개재하여 접지 단자에 접속된다.
FET으로 구성되는 상기 제3 트랜지스터(M1)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 트랜지스터인 BJT의 에미터에 접속되고, 제2 단자인 드레인은 BJT의 콜렉터와 제2 트랜지스터의 게이트가 접속되는 접점에 연결되며 제2 바이어스부(334)를 통해 교류 전원으로부터 드레인 전류가 제공되며, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R3)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. FET으로 구성되는 상기 제2 트랜지스터(M2)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제3 트랜지스터의 드레인과 제1 트랜지스터의 콜렉터가 접속되는 접점에 접속되고 제2 바이어스부와 연결되어 제2 바이어스부를 통해 상기 교류 전원으로부터 바이어스 전압이 인가되며, 제2 단자인 드레인은 LED 그룹부의 출력 단자에 접속되며, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R6)를 개재하여 접지 단자에 접속된다.
상기 에미터 저항(R9)를 줄임으로써 제1 트랜지스터인 BJT에 전류가 많이 흐르게 되면 BJT의 에미터 전류(IE)가 증가하게 되고, 그 결과 드레인 저항(R2)에 흐르는 전류를 증가시켜 드레인 저항(R2)에서의 전압 강하가 늘어나 되고, 이로 인해 제3 트랜지스터인 FET의 드레인 전류(ID)가 감소된다. 한편, 제3 트랜지스터의 소스 저항(R3)을 줄이면 제3 트랜지스터의 드레인 전류가 증가하여 제1 트랜지스터인 BJT의 베이스 전류가 감소하게 된다. 달링톤 회로의 제3 트랜지스터의 드레인 전류(ID)와 제1 트랜지스터인 BJT의 컬렉터 전류(IC)의 합이 제3 트랜지스터의 드레인 저항(R2)으로 흐르게 된다.
FET는 온도가 증가함에 따라 드레인 전류가 감소하는 특성을 가진 반면에, BJT는 온도가 증가함에 따라 콜렉터 전류가 증가하는 특성을 갖는다. 따라서, 제3 트랜지스터의 소스 저항(R3)와 제1 트랜지스터의 에미터 저항(R9)의 값을 조절하여 온도 특성을 조절할 수 있게 된다. 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 FET와 BJT의 전술한 특성을 이용함으로써, LED 조명장치가 온도가 올라가더라도 총 전류또는 전력이 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
<LED 구동 회로부의 제4 실시 형태>
도 9는 본 발명에 따른 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부의 제4 실시 형태를 도시한 회로도이다. 이하, 도 9를 참조하여 제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제1 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부에 FET와 BJT를 평행하게 연결함으로써, 온도가 변화되더라도 반파장 동안의 LED 구동 전류에 대한 총 전류값 또는 전력을 일정하게 유지할 수 있도록 한 온도 안정화를 도모한 것을 특징으로 한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부(430)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제3 트랜지스터(B1), 제1 바이어스부, 제2 바이어스부 및 제3 바이어스부(434)를 구비한다. 제1 및 제2 트랜지스터는 FET 로 구성되고, 제3 트랜지스터는 BJT로 구성된다. 상기 제1 바이어스부는 제3 트랜지스터인 BJT의 베이스에 연결되어 상기 교류 전원을 이용하여 BJT의 베이스로 바이어스 전압을 인가하며, 제2 바이어스부는 제1 트랜지스터인 FET의 게이트에 연결되어 상기 교류 전원을 이용하여 제1 트랜지스터의 게이트로 바이어스 전압을 인가한다. 상기 제1 및 제2 바이어스부는 별개로 구성될 수도 있으며 도 11에 도시된 바와 같이 다수개의 저항을 이용하여 적절하게 전압분배함으로써 공통으로 사용할 수도 있다.
상기 제3 바이어스부는 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트에 연결되어 상기 교류 전원을 이용하여 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 바이어스 전압을 인가하고, 상기 제1 트랜지스터의 제2 단자인 드레인과 제3 트랜지스터의 제2 단자인 콜렉터에 연결되어 제1 트랜지스터의 드레인 전류를 제공하고 제3 트랜지스터의 콜렉터 전류를 제공한다.
FET으로 구성되는 상기 제1 트랜지스터(M1)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제2 바이어스부를 개재하여 LED 그룹부의 입력 단자에 접속되고 제2 단자인 드레인은 제3 바이어스부를 개재하여 LED 그룹부의 입력 단자에 접속되고, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R3)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. FET으로 구성된 상기 제2 트랜지스터(M2)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 트랜지스터의 드레인과 제3 트랜지스터의 콜렉터가 접속되는 접점에 접속되며, 제2 단자인 드레인은 LED 그룹의 출력 단자에 접속되며, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R6)를 개재하여 접지 단자에 접속된다. BJT로 구성되는 상기 제3 트랜지스터(B1)에 있어서, 제1 단자인 베이스는 제1 바이어스부를 개재하여 LED 그룹부의 입력 단자에 접속되고 제2 단자인 콜렉터는 제2 트랜지스터의 게이트와 제1 트랜지스터의 드레인이 접속된 접점에 연결되며, 제3 단자인 에미터는 에미터 저항(R9)를 개재하여 접지 단자에 접속된다.
상기 에미터 저항(R9)를 줄임으로써 BJT에 전류가 많이 흐르게 되면 BJT의 에미터 전류(IE)가 증가하게 되고, 그 결과 드레인 저항(R2)에 흐르는 전류를 증가시켜 드레인 저항(R2)에서의 전압 강하가 늘어나 되고, 이로 인해 제1 트랜지스터의 드레인 전류(ID)가 감소된다.
본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부도 달링톤 회로를 이용한 제2 및 제3 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부와 마찬가지로 온도 보상 특성이 매우 우수하다.
한편, 도 10은 제4 실시 형태의 변형된 LED 구동 회로부에 대한 회로도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 트랜지스터는 FET 으로 구성되고, 제3 트랜지스터는 BJT 로 구성된다. 이러한 LED 구동 회로부도 온도 보상 특성이 우수하다.
< LED 구동 회로부의 제5 실시 형태 >
도 11은 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부에 대한 회로도이다. 이하, 도 11을 참조하여, 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제1 실시예에 따른 LED 구동 회로부에 과전압 보호 회로와 피드백 임피던스부를 더 구비함으로써, 온도 안정화 특성을 더 향상시킬 뿐만 아니라 과전압이 인가되더라도 회로를 보호할 수 있게 된다.
본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부(530)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 과전압 보호 회로부(532), 제1 바이어스부(533), 제2 바이어스부(534) 및 피드백 임피던스부(536)를 구비한다. 상기 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 제1 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다. 상기 피드백 임피던스부(536)는 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트와 제2 단자인 드레인의 사이에 연결되어 제2 트랜지스터의 드레인 전류가 게이트로 피드백되도록 한다. 상기 피드백 임피던스부(536)는 제2 트랜지스터의 드레인 전류를 게이트로 궤환시키기 위한 것으로서, 피드백 저항(RFB)으로 구성되거나, 다이오드, 트랜지스터, Op-Amp, 또는 써미스터 등으로 구성될 수도 있다.
상기 과전압 보호 회로부(532)는 제너 다이오드(DZENER)로 구성될 수 있으며, 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트와 접지 단자 사이에 연결되어 제2 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 과전압이 인가되는 것을 방지한다.
한편, 전술한 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제2 트랜지스터(M2)의 드레인 전류를 게이트로 피드백시킬 수 있는 피드백 임피던스부를 더 구비함으로써, 온도 안정화 특성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 한편, 전술한 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제2 트랜지스터(M2)의 게이트와 접지 단자의 사이에 과전압 보호 회로부를 더 구비함으로써, 예상치 못한 과전압이 인가되더라도 LED 조명 장치의 회로를 보호할 수 있게 된다. 상기 과전압 보호 회로부는 제2 트랜지스터의 게이트로 과전압이 인가되는 것을 방지하기 위하여 제너 다이오드로 구성될 수 있을 것이다. 또한, 한편, 전술한 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 전술한 피드백 임피던스부와 과전압 보호 회로부를 모두 구비함으로써, LED 조명장치의 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
< LED 구동 회로부의 제6 실시 형태>
도 12는 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부의 제6 실시형태에 대한 회로도이다. 이하, 도 12를 참조하여 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 전술한 제5 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부와 마찬가지로 피드백 임피던스부와 과전압 보호 회로부를 구비한다는 점에서 서로 유사하며, 다만 피드백 임피던스부와 제1 트랜지스터의 드레인에 연결되는 제2 바이어스부가 공통으로 사용된다는 점에서 제5 실시형태와 차이가 있다.
도 12를 참조하면, 상기 LED 구동 회로부(630)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제1 바이어스부(633), 피드백 임피던스부(636) 및 과전압 보호 회로부(632)을 구비한다. 제1 바이어스부(633)는 전원 입력단자부와 제1 트랜지스터의 제1 단자인 게이트의 사이에 배치되어, 교류 전원을 이용하여 제1 트랜지스터의 제1 단자인 게이트로 바이어스 전압을 인가한다. FET으로 구성되는 상기 제1 트랜지스터(M1)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 바이어스부를 통해 교류 전원으로부터 바이어스 전압이 인가되며, 제2 단자인 드레인은 피드백 임피던스부를 개재하여 제2 트랜지스터의 제2 단자인 드레인에 접속되고, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R3)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. 한편, FET으로 구성되는 상기 제2 트랜지스터(M2)에 있어서, 제1 단자인 게이트는 제1 트랜지스터의 제1 단자인 드레인에 접속되며, 제2 단자인 드레인은 LED 그룹의 출력 단자에 접속되며, 제3 단자인 소스는 소스 저항(R6)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. 상기 피드백 임피던스부는 피드백 저항(RFB)으로 구성될 수 있으며, 제2 트랜지스터의 드레인과 게이트의 사이에 연결되어 제2 트랜지스터의 드레인 전류를 게이트로 피드백시키며, 제2 트랜지스터의 드레인과 제1 트랜지스터의 드레인의 사이에 연결되어 제2 트랜지스터의 드레인 전류를 제1 트랜지스터의 드레인 전류로 제공한다. 상기 과전압 보호 회로부(632)는 제2 트랜지스터의 게이트와 제1 트랜지스터의 드레인이 접속되는 접점과 접지 단자의 사이에 연결된다.
<LED 구동 회로부의 제7 실시 형태 >
도 13은 본 발명에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치의 LED 구동 회로부의 제7 실시 형태에 대한 회로도이다. 이하, 도 13을 참조하여 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 실시 형태에 따른 LED 구동 회로부는 제1 실시형태에 따른 LED 구동 회로부에 피드백 임피던스부를 더 구비함으로써, 회로 구성이 간단하면서도 온도 안정화 특성을 더 향상시킬 수 있게 된다.
도 13을 참조하면, 상기 LED 구동 회로부(1030)는 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제1 바이어스부(1032), 제2 바이어스부(1034) 및 피드백 임피던스부(1036)를 구비한다. 상기 제1 트랜지스터(M1), 제2 트랜지스터(M2), 제1 및 제2 바이어스부는 제1 실시형태의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다. 상기 피드백 임피던스부(1036)은 제2 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자인 게이트와 드레인의 사이에 연결되어, 제2 트랜지스터의 드레인 전류를 게이트로 제공한다.
상기 LED 구동 회로부는 제2 트랜지스터(M2)의 제1 단자와 제2 단자인 게이트와 드레인을 연결하는 피드백 임피던스부를 더 구비함으로써, 온도 안정화 특성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치를 설명한다. 본 실시예에 따른 교류 전원 구동용 LED 조명 장치는 적어도 하나 이상의 LED 소자들로 구성된 다수 개의 LED 그룹들이 서로 병렬 연결된 LED 그룹부, 외부의 교류 전원과 연결되어 각 LED 그룹이 순차 구동되도록 LED 그룹들로 구동 전류를 제공하는 다수 개의 LED 구동 회로부, 상기 LED 그룹들 중 가장 작은 개수의 LED 소자들로 구성되는 상기 LED 그룹에 병렬 연결된 커패시터를 구비한다. 본 실시예에 따른 LED 조명 장치는 가장 작은 구동 전류가 제공되는 LED 그룹에 커패시터를 병렬 연결시킴으로써, 전체 LED 소자들에 제공되는 구동 전류가 '0'상태로 떨어지지 않고 항상 + 상태를 유지하게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 LED 조명장치는 플리커 주파수를 사람이 인식하지 못하고 장시간 사용하더라도 눈의 피로를 가중시키지 않도록 하는 것으로서, LED 조명 장치가 사용되는 광대한 분야에 널리 사용될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 회로 구조는 전압이나 온도가 증가하여도 전류나 전력이 감소하거나 일정하게 하는 것이 요구되는 다른 전기기기에도 널리 사용될 수 있다.
1, 3 : LED 조명 장치
5 : 교류 전원
10, 12 : 전원 입력 단자부
20, 21, 22, 24, 25, 26 : LED 그룹
30, 31, 32, 34, 35, 36 : LED 구동 회로부
38 : 공통 바이어스 분배 회로부
39 : 커패시터

Claims (17)

  1. 사전 설정된 AC 전원 주파수를 갖는 교류 전원에 의해 구동되는 교류전원 구동용 LED 조명장치에 있어서,
    상기 교류 전원과 연결되는 전원 입력 단자부;
    하나 또는 둘 이상의 LED 소자들로 이루어진 다수 개의 LED 그룹들;
    상기 LED 그룹들의 각각에 연결되어, 상기 전원 입력 단자부를 통해 제공되는 전원을 각 LED 그룹으로 인가하는 다수 개의 LED 구동 회로부;를 구비하고,
    상기 다수 개의 LED 그룹들은 각각 서로 다른 개수의 LED 소자들로 이루어진 것을 특징으로 하며,
    상기 LED 구동 회로부들은 상기 LED 그룹들이 순차적으로 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하여, 상기 LED 조명 장치의 플리커 주파수(flicker frequency)를 AC 전원 주파수의 일정 배수로 증대시키는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED 구동 회로부들은 각 LED 그룹이 교류 전원의 정현파의 반 주기동안 적어도 2번 이상 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하되, 각 LED 그룹은 모두 서로 다른 시각에 구동되도록 하여 순차 구동시키는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 LED 그룹 중 가장 많은 개수의 LED 소자들로 이루어진 LED 그룹에 연결된 LED 구동 회로부는 전원 전압이나 온도가 증가하더라도 LED 소자들로 제공되는 구동 전류 또는 전력이 일정하게 안정화되도록 하는 구동 전류를 LED 그룹으로 제공하는 것을 특징으로 하며,
    상기 가장 많은 개수의 LED 소자들로 이루어진 LED 그룹을 제외한 나머지 LED 그룹들에 연결된 LED 구동 회로부들은 각 LED 그룹이 교류 전원의 정현파의 반 주기동안 적어도 2번 이상 구동되도록 각 LED 그룹으로 구동 전류를 제공하되, 각 LED 그룹은 모두 서로 다른 시각에 구동되도록 하여 순차 구동시키는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    상기 교류 전원에 의해 순차 구동되도록 연결된 둘 이상의 스위칭 소자; 및
    상기 스위칭 소자의 동작을 제어하기 위하여 스위칭 소자의 제어 단자로 사전 설정된 바이어스 전압을 제공하는 둘 이상의 바이어스부;
    를 구비하고, 상기 스위칭 소자들 중 하나의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크 위치와 피크값을 갖는 파형의 구동 전류를 LED그룹으로 제공하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수 개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부;
    상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부;
    를 구비하고, 상기 제2 트랜지스터의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 각각 제공하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는 FET 로 구성되고,
    상기 제1 트랜지스터는 FET 및 BJT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    제1 트랜지스터;
    제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 출력 전류에 의해 구동되는 제3 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부;
    상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제2 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부;
    를 구비하고, 상기 제2 트랜지스터의 출력 전류가 LED 그룹으로 제공되도록 하여, 사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 제공하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 트랜지스터는 FET 로 구성되고,
    상기 제1 트랜지스터 및 제3 트랜지스터는 각각 FET 및 BJT 로 구성되거나 또는 BJT 및 FET로 구성되는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터와 병렬 연결된 제3 트랜지스터;
    제1 트랜지스터와 순차 구동되도록 연결된 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터를 사전 설정된 제1 동작점에서 구동시키기 위한 제1 바이어스 전압을 제1 트랜지스터로 제공하는 제1 바이어스부;
    상기 제2 트랜지스터를 사전 설정된 제2 동작점에서 구동시키기 위한 제2 바이어스 전압을 제2 트랜지스터로 제공하는 제2 바이어스부; 및
    상기 제3 트랜지스터를 사전 설정된 제3 동작점에서 구동시키기 위한 제3 바이어스 전압을 제3 트랜지스터로 제공하는 제3 바이어스부;
    를 구비하고, 제2 트랜지스터의 출력 전압을 LED 그룹으로 제공되도록 하여,사전 설정된 피크값과 피크 위치를 갖는 파형의 구동 전류를 LED 그룹으로 제공하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자의 사이에 배치되어 상기 제2 트랜지스터의 제2 단자로 흐르는 전류를 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자로 피드백시키는 피드백 임피던스부;를 더 구비하여,
    전원 전압이나 온도가 증가하더라도 전류를 일정하게 안정화시키는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명장치.
  11. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 접지 단자의 사이에 과전압 보호 회로부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명 장치.
  12. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수개의 LED 구동 회로부의 각각은,
    상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 제2 단자의 사이에 배치되어 상기 제2 트랜지스터의 제2 단자로 흐르는 전류를 상기 제2 트랜지스터의 제1 단자로 피드백시키는 피드백 임피던스부; 및
    상기 제2 트랜지스터의 제1 단자와 접지 단자의 사이에 과전압 보호 회로부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명 장치.
  13. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 상기 전원 입력 단자부에 정류 회로부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명 장치.
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 상기 전원 입력 단자부와 상기 다수 개의 LED 구동 회로부의 사이에 배치되는 공통 바이어스 분배 회로부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명 장치.
  15. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LED 조명 장치는 가장 작은 개수의 LED 소자들로 구성된 LED 그룹에 병렬 연결된 커패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교류 전원 구동용 LED 조명 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 다수 개의 LED 그룹들은 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 다수 개의 LED 그룹들은 서로 직렬로 연결되고,
    각 LED 그룹들을 구성하는 다수 개의 LED 소자들은 병렬 연결 상태와 직렬 연결 상태가 혼합되어 구성된 것을 특징으로 하는 교류전원 구동용 LED 조명장치




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US10299324B2 (en) 2014-07-09 2019-05-21 Silicon Works Co., Ltd. LED lighting apparatus

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