KR20140113999A - 라이팅 엘리먼트들의 어레이들을 위한 구동기 - Google Patents

Abstract

적어도 하나의 리액터를 구동시키는 익사이터를 포함하는 라이팅 시스템이 개시된다. 익사이터는 약 50 kHz 내지 약 100 MHz의 주파수에서 AC 파형을 생성하는 전기적 파형 발생기이다. 리액터는 라이팅 엘리먼트들의 네트워크를 포함하는 언더-댐프된 공진 회로이다. 반응성 컴포넌트들은 라이팅 엘리먼트들 사이에 분배된다. 이들 반응성 컴포넌트들은 개별 라이팅 엘리먼트들에 대해 전류 및 전압을 조절할 수 있다. 구동 시스템은 LED들과 같은 저-전압 라이팅 엘리먼트들의 어레이들에 대해 특히 유용하다. 개별 엘리먼트들의 실패가 나머지 엘리먼트들의 동작에 영향을 미치지 않아도 되며, 엘리먼트들은 다른 엘리먼트들의 서비스능력에 영향을 미치지 않고서 추가되거나 제거될 수 있다는 점에서 고장이 방지된다.

Description

라이팅 엘리먼트들의 어레이들을 위한 구동기{DRIVER FOR ARRAYS OF LIGHTING ELEMENTS}

[001] 본 출원은 본원에 인용에 의해 포함되는 2011년 12월 31일에 출원되는 미국 가 출원번호 제 61/582,351 호의 우선권을 주장한다.

[002] 본 발명의 하나 또는 그 초과의 실시예들은 복수의 라이팅(lighting) 엘리먼트들을 구동하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

[003] 발광 다이오드들(LED들)은 종종 특정 라이팅 애플리케이션들을 위한 라인들/스트링들 또는 어레이들로서 직렬 및/또는 병렬 조합들로 배열된다. LED는 비-광학 애플리케이션들을 위해 이용되는 다이오드들과 같은, 단지 일 방향으로 전도하는 전기적인 다이오드이다. LED들은 순방향 구동 전류에 비례하는 발광(luminous) 출력을 갖는 내재적으로 저-전압 디바이스들이다. 종래의 LED 라이팅 시스템들은 따라서 전원(mains)으로부터의 AC 전력과 같은 이용가능한 전력을 LED를 구동하기 위해 적합한 DC 전류로 변환하도록 설계되는, 어떤 종류의 전류 구동기를 포함한다. 구동기들은 단일 LED들을 구동하도록 또는 직렬 및/또는 병렬로 배열되는 다수의 LED들을 포함하는 시스템들을 구동하도록 설계될 수 있다. 다수의 LED들을 구동할 때, 단락(short circuit) 또는 개방 회로와 같은 실패는 임의의 단일 LED가 구동하는데 실패하거나 나머지 LED들을 손상시킴으로써 시스템의 완전한 실패를 야기할 수 있음을 의미한다.

[004] 또한 AC 전류를 이용하는 LED 구동기들이 존재한다. Elferich 및 Lurkens에 대한 U.S. 특허 번호 제 7,573,729 호 B2는 출력 변환기의 1차 측 상에 위치되는 공진 회로를 개시한다; 각 쌍의 하나의 LED가 AC 전류의 각 하프 사이클(half cycle) 동안 전도하도록 역전된 극성들로 쌍이 되는 2차 측은 LED들을 구동한다. 다수의 쌍들은 직렬로 접속될 수 있다. 그러나, 이러한 설계는 또한 개별 LED들의 실패에 민감하다. 많은 쌍들의 스트링은 구동 회로에 대한 단일 엘리먼트와 유사하며, 스트링 내의 임의의 컴포넌트의 실패는 전체 스트링이 디스에이블되게 야기할 수 있다. 또한 요구되는 공진이 파괴될 수 있다.

[005] Miskin et al에 대한 U.S. 특허번호 제 8,145,905 호 B2는 AC 전류 및 "역-평행(anti-parrallel)" LED들을 이용하는 다른 구동기를 개시한다. Miskin은 고정된 주파수 및 전압 AC 출력을 갖는 "고정된 고주파수 인버터(inverter)"를 개시한다. 인버터는 LED 커플릿들(couplets)(역-병렬 LED들)의 다양한 가능한 네트워크들을 구동한다. 전류는 커패시터 또는 레지스터(resistor)를 이용하여 개별 커플릿들 또는 직렬 스트링들로 조정될 수 있다. 어떠한 직렬 또는 병렬 인덕터도 LED 회로에 이용되지 않으며 어떠한 바이패스 커패시터들도 이용되지 않는다. 출력 회로는 특정 주파수 및 특정 전압에서 구동되며 어떠한 고유 공진도 이용하지 않는다. 최종 시스템은 단일 LED들의 실패에 민감하다. LED들에서의 전류 파형들은 고조파 왜곡(harmonic distortion)을 나타내는 경향이 있으며 따라서 상당한 라디오 주파수 간섭을 방출하는 경향이 있다. 전체 에너지 효율성은 공진 시스템에서만큼 높지 않다.

[006] Boeckle 및 Hein에 대한 U.S. 특허 번호 제 6,826,059 호 B2는 형광 라이팅을 위한 밸러스트들(ballasts)에 기초한 LED 구동기를 개시한다. 출력은 공진 회로이다. LED들은 반대 극성으로 배열되는 2개의 어레이들 또는 하나의 어레이를 갖는, 스트링들 또는 어레이들로 구성된다. 각 어레이는 전적으로 반응성 컴포넌트들을 갖지 않는 LED들로 이루어진다. 어레이들 바깥의 2개의 커패시터들 및 단일 인덕터는 공진 회로를 완성한다; LED 어레이들을 통해 분배되는 반응성 컴포넌트들은 존재하지 않는다.

[007] 필요한 것은 개별 LED들의 실패(단락 또는 개방 회로)에 추가로 민감하지 않으며 추가적인 능동 반도체 컴포넌트들을 요구하지 않는 LED 어레이에서의 개별 엘리먼트들에 제어된 전력을 제공하기 위해 자기-조정할 수 있는 구동 회로이다.

[008] 적어도 하나의 리액터(reactor)를 구동하는 익사이터(excitor)를 포함하는 라이팅 시스템이 개시된다. 익사이터는 약 50 kHz 내지 약 100 MHz의 주파수에서 AC 파형을 생성하는 전기적 파형 발생기이다. 리액터는 라이팅 엘리먼트들의 네트워크를 포함하는 언더-댐프된(under-damped) 공진 회로이다. 반응성 컴포넌트들이 라이팅 엘리먼트들 사이에 분배된다. 이들 반응성 컴포넌트들은 개별 라이팅 엘리먼트들에 대해 전류 및 전압을 조절할 수 있다. 구동 시스템은 LED들과 같은 저-전압 라이팅 엘리먼트들의 어레이들에 대해 특히 유용하다. 개별 엘리먼트들의 실패가 나머지 엘리먼트들의 동작에 영향을 미치지 않아도 되며, 엘리먼트들은 다른 엘리먼트들의 서비스능력에 영향을 미치지 않고서 추가되거나 제거될 수 있다는 점에서 고장이 방지된다.

[009] 리액터는 그 본질적 기능에 대해 라이팅 엘리먼트들과 다른 어떠한 반도체 엘리먼트들도 포함하지 않는다. LED들은 대부분의 반응성 스트링 토폴로지들에 대한 커플릿 쌍들로(하나의 애노드 대 다른 하나의 캐소드) 접속된다. 라이팅 시스템은 리액터 공진 회로의 공진 주파수를 낮춤으로써 또는 익사이터 구동 주파수를 증가시킴으로써 공진 회로의 공진의 Q를 낮춤으로써 디밍(dimmed)될 수 있다.

[0010] 리액터는 또한 독립적 공진 회로들을 각각 갖는 복수의 다른 리액터들로 구성될 수 있다. 이들은 개별적으로 디밍될 수 있다.

[0011] 추가적인 라이팅 엘리먼트들이 라이팅 엘리먼트들의 네트워크에 추가될 수 있으며, 공진 회로는 이미 라이팅 엘리먼트들의 네트워크의 부분인 라이팅 엘리먼트들 및 추가적인 라이팅 엘리먼트들 둘 다를 계속해서 발진시키고 구동한다. 하나의 다른 리액터에서의 라이팅 엘리먼트들은 다른 것들에서와 타입 및 수에서 다를 수 있다. 개별 라이팅 엘리먼트들 및/또는 개별 리액터들은 나머지 엘리먼트들 또는 리액터들의 동작에 영향을 미치지 않고서 시스템에 추가될 수 있거나 시스템으로부터 제거될 수 있다.

[0012] 예시적인 라이팅 시스템들이 영역 조명, 포토테라피(phtotherapy), 살균(sterilisation), 광화학 반응을 자극하고, 광루미네선스(photoluminescence)를 자극하거나 발광 디스플레이 디바이스의 엘리먼트들을 위해 이용될 수 있다.

[0013] 리액터는 2선식 접속을 이용하여 익사이터로부터 떨어져 있을 수 있다.

[0014] 도 1은 LED들의 직렬-접속된 체인을 구동하는 DC를 위한 종래의 시스템을 도시한다.
[0015] 도 2는 LED들의 병렬-접속된 체인을 구동하는 DC를 위한 종래의 시스템을 도시한다.
[0016] 도 3은 본 발명에 따른 익사이터-리액터 배치를 이용하는 AC-구동의 일 실시예를 도시한다.
[0017] 도 3a는 단일 리액터를 구동하는 익사이터를 위한 예시적인 회로를 도시한다. 도 3b는 다수의 리액터들을 구동하는 익사이터를 위한 예시적인 회로를 도시한다. 도 3c는 전형적인 공진 피크를 도시한다.
[0018] 도 4는 익사이터 공급 전압의 함수로서 리액터 어레이 전류를 도시한다.
[0019] 도 5b는 각각 전류 제한 및 바이패스 커패시터들을 갖는 LED들의 커플릿을 갖는, 도 5a에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이를 위한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0020] 도 6b는 하나의 실패된 LED(개방 회로)를 갖는 도 5a에서와 유사한, 도 6a에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이를 위한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0021] 도 6d 및 6e는 도 5a에서와 유사하지만

의 동일하지 않은 값들을 갖는 도 6c에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이를 위한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0022] 도 7b는 2개의 실패된 LED들(개방 회로)을 갖는 도 5a에서와 유사한, 도 7a에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이를 위한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0023] 도 8b는 2개의 실패된 LED들(하나의 개방 회로, 하나의 단락)을 갖는 도 5a에서와 유사한, 도 8a에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이를 위한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0024] 도 9는 외부 제어를 갖는 예시적인 풀-브리지(full-bridge) 익사이터의 더 상세한 실시예를 도시한다.
[0025] 도 10은 공진가능하게 조절되고 정류된 전원 전압에 대한 접속을 위해 적합한 하프-브리지 파워 서플라이를 도시한다.
[0026] 도 11은 LED 셀들의 예시적인 체인을 도시한다. 도 11a는 3개 타입들의 셀들을 도시한다.
[0027] 도 11c는 다수의 셀 타입들을 포함하는 네트워크를 갖는 도 5a에서와 유사한, 도 11b에 도시되는 라이팅 셀들의 모델 어레이에 대한 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다.
[0028] 도 12는 3개의 병렬 셀들의 배열을 도시한다.
[0029] 도 13은 직렬 및 병렬 접속들 둘 다를 이용하는 셀들의 배열을 도시한다.
[0030] 도 14는 2선식 접속을 통해 복수의 원격 리액터들을 구동하는 익사이터를 도시한다.
[0031] 도 15는 복수의 리액터 어레이들에 대한 접속들의 가능한 변형들을 도시한다.
[0032] 도 16은 비로딩된 회로에 리액터 어레이를 추가하는 효과를 도시한다.
[0033] 도 17은 AC 익사이터에 의해 구동되는 2개의 LED들의 출력을 조합하는 효과를 도시한다.
[0034] 도 18은 자기적으로 커플링되는 반응성 스트링을 도시한다.

[0035] 본 발명이 상세하게 설명되기 전에, 달리 표시되지 않는 한 본 발명은 특정 회로들, 라이팅 엘리먼트들 또는 라이팅 엘리먼트들의 타입들에 제한되지 않음이 이해될 것이다. 복수의 라이팅 엘리먼트들을 포함하는 임의의 라이팅 시스템은 본원에 설명되는 회로를 이용하여 유익하게 구동될 수 있다. 또한 본원에 이용되는 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다. 전형적인 예들은 예시적인 실시예들로서 LED들을 이용하여 설명되지만, 다른 라이트 엘리먼트들이 또한 이용될 수 있다. 유사하게, 예시적인 실시예들이 영역 라이팅에 이용하기 위해 설명되지만, 다른 애프리케이션들 중에서 이미지 디스플레이들, 포토테라피, 광루미네선스, 살균, 생화학 및 광화학을 위해 다른 실시예들이 이용될 수 있다.

[0036] 본원 및 청구범위에 이용된 바와 같이, 단수 형태들 "하나", "및" 그리고 "그"는 문맥이 명백하게 달리 서술하지 않는 한 복수 지시 대상들(referents)을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "LED"에 대한 참조는 2개 또는 그 초과의 LED들을 포함하는 등이다.

[0037] 값들의 범위가 제공되는 경우에, 각 개입하는 값은 그 범위의 상한과 하한 사이에, 문맥이 명백하게 달리 서술하지 않는 한 하한의 단위의 1/10까지, 그리고 그 범위에서의 임의의 다른 서술되거나 개입하는 값은 본 발명 내에 망라된다. 이들 더 작은 범위들의 상한 및 하한들은 더 작은 범위들에서 독립적으로 포함될 수 있으며, 또한 서술된 범위에서의 임의의 구체적으로 배제되는 한계에 종속하여, 본 발명 내에 망라된다. 서술된 범위는 한계들 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우에, 한계들을 포함한 것들 중 어느 한 쪽 또는 둘 다를 배제하는 범위들이 또한 본 발명에 포함된다. 용어 "약"은 일반적으로 서술된 값의 ±10%를 지칭한다. 용어 "실질적으로 전부"는 일반적으로 총 가능한 양의 95%보다 큰 양을 지칭한다.

정의들;

[0038] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "발광 다이오드" 또는 "LED"는 전기적 전류가 다이오드를 통과할 때 광을 방출하는 반도체 다이오드를 지칭한다. 임의의 이용가능한 파장, 광도 또는 입력 파워에서 광을 방출하는 디바이스들을 포함하는 임의의 타입의 LED가 이용될 수 있다. 임의의 이용가능한 반도체 재료들이 이용될 수 있으며, "익사이터"에 대한 적절한 전기적 접속들이 이루어질 수 있는 경우에 임의의 이용가능한 패키지 설계가 이용될 수 있으며, 적절한 "리액터"가 구성될 수 있다.

[0039] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "스티어링 다이오드"는 광을 방출하도록 이용되지 않지만 단지 특정 경로들에서 전류 흐름을 지시하기 위한 다이오드를 지칭한다.

[0040] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "익사이터"는 "리액터"를 구동하기 위해 적합한 전압 및 주파수를 갖는 AC 전압 소스로 전기적 에너지의 소스를 변환하는 회로를 지칭한다.

[0041] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "리액터"는 공진 회로를 포함하는 반응성 디바이스들 및 라이팅 엘리먼트들의 네트워크 또는 어레이를 지칭한다.

[0042] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "라이팅 엘리먼트"는 직접(예를 들어, 백열 전구들, 아크 램프들, 가시광 LED들) 또는 간접으로(예를 들어, 형광 램프들, 인광체들을 갖는 LED들) 가시광을 방출하는 임의의 컴포넌트를 지칭한다. 라이팅 엘리먼트들은 또한 유기 LED들(OLEDs), 양자점들(quantum dots), 미세공동 플라즈마 램프들, 전자발광 디바이스들, 및 전기 전류를 가시광으로 변환할 수 있는 임의의 엘리먼트를 포함한다.

[0043] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "반응성 컴포넌트"는 실제 임피던스(즉, 저항)를 거의 갖지 않지만 상당한 가상 임피던스(즉, 인덕턴스 및/또는 커패시턴스의 형태로의 리액턴스(reactance))를 갖는 전자 컴포넌트를 지칭한다. 반응성 컴포넌트들은 일반적으로 회로에 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 추가하지만 상당한 저항을 추가하지는 않도록 의도되는 커패시터들, 인덕터들, 변환기들 등으로서 판매되는 디바이스들이다.

[0044] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "반응성 스트링"은 각각 라이팅 엘리먼트들 및 반응성 컴포넌트들을 포함하는 복수의 셀들을 포함하는 리액터를 지칭한다. 반응성 스트링은 임의선택적으로 전류-스티어링 다이오드들을 포함할 수 있지만, 다른 반도체 디바이스들을 포함하지 않으며 라이팅 엘리먼트들 자체와 다른 파워 소멸 디바이스들을 포함하지 않는다.

[0045] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "공진 회로"는 자연 발진 주파수를 갖는 회로를 지칭하며 공진에 가까이 구동되도록 의도되거나 "언더-댐프(under-damped)"되게 이용되며, 그에 의해 회로에서의 LED 저항에 의한 임의의 에너지 흡수는 발진을 억제하는데 불충분하다; 즉, 회로는 계속해서 "링(ring)"하거나 더 이상 구동되지 않을 때 적어도 하나의 사이클 동안 발진할 것이다.

[0046] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "품질 팩터" 또는 "Q"는 공진 시스템의 댐핑(damping)을 특성화하기 위해 이용된다. Q는 또한 공진의 첨예도(sharpness)를 설명한다. Q = 2π(저장된 에너지)/(사이클 당 소멸된 에너지)에 의해 정의된다. 또한

로서 계산될 수 있으며, 여기서

는 공진 주파수이며

는 또한 공진의 "대역폭"이라 칭해지는, 파워 스펙트럼의 절반 폭이다. 전압 또는 전류 배율을 나타내는 언더-댐프된 공진 회로는 Q > 1을 갖는다.

[0047] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "전류 효용도 비"(CUR)는 리액터에서의 라이팅 엘리먼트들을 통과하는 rms 전류 대 리액터에 공급되는 총 rms 전류의 비를 지칭한다. CUR은 커패시터들과 같은 바이패스 엘리먼트들이 라이팅 엘리먼트들에 병렬로 배치될 때 1보다 작다.

[0048] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "스트라이크 전압(strike voltage)" 및 "브레이크오버 전압(breakover voltage)"

은 상호교환가능하며 디바이스들의 특정 네트워크가 무시할 수 없는 전류를 전도하며 드로잉하기 시작하는 그 위의 전압을 지칭한다. 디바이스들의 네트워크는 단일 LED를 구성하는 경우에, 용어 "순방향 전압"

이 대신 이용된다.

[0049] 본원에 이용된 바와 같이, 용어 "어레이"는 임의의 차원, 예를 들어, 2차원 어레이들, 1차원(선형) 구성들뿐 아니라 3개 또는 그 초과의 차원들을 갖는 것으로 해석될 수 있는 구성들을 갖는 복수의 접속된 엘리먼트들의 배열들을 지칭한다.

[0050] 본원에 이용된 바와 같이 용어 "조절된"은 변화하는 환경의 존재시에 (전압, 전류 또는 파워와 같은) 특정 전기적 파라미터의 제어를 지칭한다. 이것은 파라미터의 값에서 변화가 존재하지 않음을 의미하지 않으며, 그러기보다는 임의의 변경이 로컬 문맥에서 기능적으로 중요하지 않음을 의미하는 것이다.

개관:

[0051] 본 발명의 실시예들은 반응성 컴포넌트들이 사이에 배치되는 어레이 구성들에서 배열되는 개별 라이팅 엘리먼트들에 조절된 파워를 제공한다. 이들 어레이들은 반응성 스트링들로 지칭된다. 반응성 스트링들의 토폴로지들 사이에 3개의 유용한 속성들을 제공하는 실시예들이 존재한다: (1) 나머지 기능적 엘리먼트들의 광 출력에 상당한 영향없이 엘리먼트 실패의 일부 레벨이 허용될 수 있는 전류/전압 조절이 충분히 견고하며 (2) 어레이 그 자체가 파워 변환 프로세스(예를 들어, AC 대 DC)의 본질적 컴포넌트이며, (3) 어레이에서의 개별 엘리먼트들에 대한 전류들 및 전압들이 디바이스 가변성 및 제조 허용한계들을 허용하는 방식으로 조절된다.

[0052] 반응성 스트링들은 다양한 속성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응성 스트링들은 일정한 휘도를 가지며, 여기서 일부 엘리먼트들이 실패할 때, 엘리먼트들의 균형은 일정한 휘도를 제공하기 위해 그들의 전류를 증가시킨다. 전류는 엘리먼트들의 균형에서 최소로만 변경한다. 이러한 행동은 개입된 반응성 컴포넌트들의 적절한 선택의 결과이다. 토폴로지가 최대 광도를 위해 초기에 구성되는 경우에, 나머지 엘리먼트들은 최대 잔여 광도에 대해 동일한 전류에서 계속해서 동작한다. 또 다른 것은 광루미네선스 또는 화학/포토테라피에 대해 더 낮은 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 증가된 파고 계수(crest factor)를 제공하는 것이다. 광 출력은 최대화될 수 있으며 열 소멸이 최소화될 수 있다.

[0053] "리액터"는 실질적으로 모든 파워 소멸이 라이팅 엘리먼트들에서 발생하는 공진 회로를 형성하기 위해 반응성 스트링들 및 또한 적어도 하나의 인덕터 및 하나의 커패시터를 포함한다. 추가적인 제어 엘리먼트들은 최소 손실을 갖는 수동 반응성 컴포넌트들일 수 있다. 개별 라이팅 엘리먼트 전류들을 조정하기 위해 레지스터들과 같은 소멸성 엘리먼트들이 요구되지 않는다. 또한, 공진 행동은 광 출력을 조절하기 위해 전류의 의사-조절을 제공한다.

[0054] LED 여기는 AC 전류들을 이용하며 LED 파퓰레이션(population) 중에 파워의 분배는 반응성 컴포넌트들을 이용한다. 전체 신뢰성이 개선되고, 컴포넌트 카운트가 최소화되며, 전체 시스템 비용이 낮아질 수 있다. 높은 동작 주파수들이 신경학상으로 양성(benign)이며, 수동 리액터 컴포넌트들이 전형적인 설치들에서의 능동 파워 서플라이들의 확산을 교체하기 때문에, 파워 분배의 자율적 또는 자기 조절은 시스템을 덜 복잡하고 인간의 공간들에서 이용하기 위해 더 안전하게 한다. 일부 실시예들에서, 단일 익사이터는 다수의 리액터들을 구동하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 분배 패널에서의 단일 익사이터는 전형적인 홈을 조명하기 위해 요구되는 모든 리액터들을 구동할 수 있다.

[0055] 큰 디스플레이들은 픽셀들로서 LED들의 어레이들, 일반 영역 조명, 포토테라피를 위한 LED 어레이들, 파워 조절 및 분배를 위한 고유한 도전과제들에 모두 존재하는 광루미네선스 또는 화학 프로세싱을 포함한다. 파워 소모를 고려하면, 각 LED 엘리먼트를 구동하기 위해 요구되는 전압은 매우 낮아서, 전형적으로 1-3.5 V이지만, 요구되는 전류는 상당히 커서, 전형적으로 20-350 mA 또는 훨씬 더 크다. 더 높은 총 구동 전압들을 요구하는 스트링들을 형성하기 위해 직렬로 개별 LED들을 접속하며 발생시키고 분배하는데 편리한 값들에 대한 네트(net) 어레이 전압 및 전류 요구들을 조정하도록 병렬로 스트링들을 접속하는 것이 유용할 수 있다.

[0056] LED 구동기들은 종종 요구되는 전류에서 더 큰 전압들의 이용을 허용하기 위해 각 LED와 직렬로 전류 제한 레지스터들을 이용한다. 그와 같은 전류-제한 레지스터들은 본 발명의 실시예들에서 요구되지 않으며 바람직하지 않은 것으로 고려되는데, 그 이유는 이들이 열의 형태로 파워를 낭비하기 때문이다.

[0057] N개의 LED들이 병렬로 접속되고 예를 들어 3.2 V에서 구동되는 경우에, 전류는 단일 LED에 대한 요건의 N배이다. 예를 들어, 각각 350 mA를 요구하는 100개의 LED들이 병렬로 접속되는 경우에 요구되는 전류는 35 A일 것이며, 소모되는 파워는 3.2 V×35 A = 112 W일 것이다. 낮은 전압에서 그와 같은 높은 전류를 조절하는 것은 어려우며, 상당한 출력 필터링이 요구될 것이다. 예를 들어,

의 전원 AC 전압으로부터 (예를 들어, 스위치-모드 파워 서플라이를 이용하는) 전압 감소는 비효율적인 경향이 있다. 또한, LED의 광 출력 자체는 변화할 것인데, 그 이유는 인가된 전압에 매우 민감하기 때문이다. LED들의 전체 병렬 로딩에 걸친 2.9 내지 3.2 V의 변화는 개별 LED들의 전압 및 전류 요건들에 대해 수용하지 못할 것이다. 병렬 접속에서의 전압 동작의 이러한 강제된 공통성은 더 낮은 순방향 전압 정션(junction)을 갖는 마진(marginal) 디바이스들이 비선형적으로 증가된 전류를 소모할 것임을 의미한다. 이것은 LED의 실패 및 감소된 서비스 수명을 발생시킬 수 있다. (예를 들어, 디밍 또는 이미지 형성에 대해) 풀 파워보다 작게 동작하는 것은 훨씬 더 비효율적일 수 있는데, 그 이유는 큰 전류들이 스위칭되어야 하거나 조절되어야 하기 때문이다. 임의의 LED의 실패들이 높은 전류 레일들(rails) 사이의 제로 저항 접속이 되는 LED의 경우의 "단락"이거나, 하나의 LED 전류의 전체 감소를 제외하로는 영향이 없는 경우의 개방 회로일 수 있음을 주목할 때 조절 효율성의 문제점들이 훨씬 더 명백해진다. 병렬 접속에서의 하나의 LED에 대한 단락은 전체 어레이의 과-전류 셧-다운(shut-down)을 야기할 수 있다.

[0058] LED들은 직렬로 접속되는 경우에, 동일한 100개의 LED들에 대해 필요한 전압은

일 것이며 전류는 350 mA일 것이다. 총 파워 소모는 다시 112 W이다. 조절은 더 용이하며 효율성이 더 높아질 수 있다. 그러나, 개별 LED들의 임피던스는 변화할 수 있으며 따라서 각각을 걸친 전압 드롭이 동일하지 않은 파워 소모로 변화할 수 있다. 또한 가장 공통의 실패는 하나의 LED의 개방-회로이며, 그와 같은 실패는 전체 스트링에 대해 파워를 중단시켜 비동작 상태로 된다. 이러한 신뢰성 제한에도 불구하고, 전류 제어된 DC 드라이브와의 직렬 접속은 가장 공통의 방식인데, 그 이유는 그것이 더 저렴하며 더 작으며 더 낮은 비용의 파워 서플라이 디바이스들이 이용되도록 허용하기 때문이다.

[0059] 신뢰성에 관하여, 예를 들어, 개별 LED가 100,000 hr의 "실패에 대한 평균 시간(mean time to failure)"(MTBF)을 갖도록 제조업자에 의해 특정되는 경우에, 100개의 LED들의 스트링의 MTBF가 100,000/100 = 1000 hr 또는 단지 약 42일들의 연속적인 동작일 것임이 주목된다.

[0060] 본 발명의 실시예들은 도 3에 도시되는 바와 같은 공진 "리액터"로 "익사이터"를 집적하는 LED들의 어레이를 구동하는 새로운 방법을 제공한다. 익사이터는 스스로 공진하지 않지만 리액터에 저전압 AC 익사이터 파워를 공급한다. LED들을 구동하기 위한 종래의 파워 팩터 정정(PFC) 출력 스테이지는 일정한(DC) 전압을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 전압을 완전히 정류할 필요가 없다.

[0061] 익사이터 파워 입력은 단순하게 정류된 전원에 의해 제공되는 전압 및 전류에서의 해버사인(haversine)일 수 있다. 공진 로드의 실제 임피던스는 저항성 임피던스 페이즈 각만을 나타내며, 따라서 익사이터에 의해 생성되는 전압 및 전류의 간단한 초핑된(chopped) 해버사인은 전압과 실질적으로 동위상으로 전류를 유지한다. 최종 파워 팩터는 0.90을 초과하며 LED들은 스스로 상당한 효율성 장점을 제공하는 저전압 고전류 정류를 수행한다. 동일한 익사이터에 의해 구동되는 단일 리액터 또는 복수의 리액터들에서 공진이 발생되지만 각 경우에 공진은 익사이터의 출력 임피던스가 리액터의 입력 임피던스와 동일한 경우의 최대 파워 전송을 제공한다. 리액터(들)는 LED들의 의사 인트라-스트링 조절된 반응성 어레이들의 최소 및 유효 네트워크를 제공한다. 커패시터들과 같은 반응성 컴포넌트들은 전류를 분배하기 위해 반응성 스트링의 LED들 사이에 추가된다. 익사이터는 간단한 2선식 접속을 통해 어레이들에서의 가변수의 LED들을 구동할 수 있는 AC 전류(재단된 해버사인)를 제공한다. 이용가능한 공진 에너지가 초과되지 않는 한 전류 및 전압은 자기-조절한다. 하나 또는 다수의 엘리먼트들의 실패는 다른 LED 엘리먼트들을 서비스불가능하게 렌더링하지 않을 것이다. 공진에 의한 이러한 자기-조절은 리액터 어레이의 확장가능한 배열을 허용하며 LED 파워 소멸은 공진 회로의 댐핑 손실과 유사하게 고려될 수 있다.

[0062] LED 어레이는 공진 회로 또는 "리액터"의 일부를 형성한다. "익사이터"는 예를 들어, 공진 회로가 어레이의 LED들을 포함하는 경우의 약 50 kHz - 100 MHz에서 공진 회로를 생산하기 위해 들어오는 서플라이 전압(예를 들어, 110 V, 60 Hz 또는 240 V, 50 Hz에서의 전원, 또는 12 VDC에서의 차량 배터리)을 수정한다. 공진 주파수의 선택은 중요하지 않지만 리액터들이 공진할 것이며 조명을 제공하기 위해 각각의 2선식 네트워크에 걸쳐 일정해야 한다. 더 높은 주파수들은 일반적으로 전류 제한 및 바이패스 기능(이하를 참조)을 위해 더 작은 저-비용 커패시터들의 이용을 허용하지만, 라디오 주파수 간섭을 제한하기 위해 추가적인 컴포넌트들 및 차폐 구조들을 요구한다. 예시적인 실시예들이 설명되며 100 kHz를 이용하여 본원에 예시된다. 편리한 종래의 세라믹 커패시터들 및 간단한 인덕터들의 이용을 허용하는 예시적인 회로들이 50 kHz - 3 MHz를 이용하여 구축되었다.

[0063] 공진은 사이클 당 소멸되는 에너지의 관점에서 표현되는, "품질 팩터" Q에 의해 특성화될 수 있다. 회로는 Q = 2π(최대 저장된 에너지)/(최대 소멸된 에너지) > 1인 경우에 그리고 또한 공진을 시작하기 위해 인덕턴스 부분에서의 에너지의 누적을 허용하도록 어레이의 "스트라이크" 전압 또는 "브레이크오버" 전압이 초과되는 경우에 연속적인 여기 하에서 공진 상태로 남아있을 것이다.

[0064] 바람직하게, 리액터는 익사이터 주파수의 약 5% 내의 공진 주파수를 가지며, 익사이터 구동 트랜지스터들(예를 들어, MOSFETs)이 예를 들어, 하프 브리지 익사이터 토폴로지에서 스위칭하는 제로-전압에서 동작하도록 인덕턴스 엘리먼트들에서의 최소지만 충분한 에너지 누적을 허용하기 위해 약간 래깅 페이즈를 갖는다.

[0065] LED들은 "일정한 전압 로드"를 근사화한다; 전류에서의 차이들만이 LED 또는 LED 어레이에서 소멸된 에너지를 제 1 근사화로 변경시킨다. 일부 실시예들에서, LED들은 각 쌍이 커플릿으로 지칭되는 접속성에서 반대 극성(즉, 캐소드 대 애노드)으로 배열되는 쌍들로서 어셈블링된다. 어레이의 브레이크오버 전압은

에 의해 주어지며, 여기서 N은 직렬로 접속되는 N/2 쌍들의 어레이에서 LED들의 수이며,

는 0.75 내지 1.5의 정수이다.

[0066] 공진 어레이는

의 값들의 확률론적 분포에 의해 일방향으로 전도하기 시작하도록 보조된다. 전압이 제로로부터 상승함에 따라, 하나의 LED는 최저 순방향 전압에서 브레이크 오버하고 전도하기 시작하며, 그 후에 어레이 엘리먼트들의 균형으로서 이펙트 캐스케이드들(effect cascades)은 전도하기 시작하며 어레이의 공동의 정류(commutation)는 어레이의 모든 LED들이 전도하며 광 복사할 때까지, 여기하는 전류 페이즈의 슬루(slew)가 담당할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠른 레이트로 발생한다. 결과적으로, 반응성 스트링들은 공진에 대한 상당한 성향을 갖는다.

[0067] 또한, 개별 LED 엘리먼트들에 분배되는 전류가 "반응성 스트링"의 타입에 고유한 다양한 방식들로 제한되는 것이 도시될 것이다. LED에 인가되는 전압은 제조 허용오차들로 인한 변수

와 같은 변화하는 LED 특성들을 수용하기 위해 자동으로 조절될 수 있다. 도 5a에 도시되는 예를 참조하면, 병렬 커패시터들(바이패스 엘리먼트들(C1,3,5,7))은 각 LED 쌍과 병렬로 배치될 수 있다. 이들 커패시터들은 구동 전압의 명백한 전압 분할로서 전압 조절을 제공하도록 동작한다. 전류의 조절은

의 다양한 값들을 수용하는 직렬 커패시터들에 의해 제공된다. 직렬 커패시터들(C2,4,6,8)은 평균

에서 바이어스되며 따라서 바이패스 엘리먼트들(C1,3,5,7)의 최대 슬루 레이트(slew rate)에서 최대 방전 레이트를 갖는 경우의페이즈 역전시에 각 LED에 공급되는 전류를 동일하게 한다. LED들은 따라서 공진 인덕터의 최대 전류 충전 또는 방전시에 피크 휘도를 갖는다. 시스템은 효율적으로 자기-바이어싱한다.

[0068] 도 5a에 도시된 바와 같은 어레이에서의 바이패스 엘리먼트들로, 예를 들어, 다수의 전형적인 조명기구 제조 비닝(binning) 또는 선택 단계들이 필요하지 않다. 색도 제어는 중요하지 않다. 순방향 전압(

), 광도, 또는 컬러 온도 파라미터 등가는 다른 구동 전략들에 대해 정해진 매 사이클마다 전류가 평균 효과를 제공하는 모든 값들을 운반하는 것만큼 중요하지 않다. 본 발명의 실시예들에 대한 다른 장점은 심지어 어레이에서의 개별 LED들의 상당한 퍼센티지의 단락 또는 개방 회로에 대한 둔감성이다. 특히 PFC 기능이 생략되는 경우에 파워 서플라이는 또한 더 간단해질 수 있다. 커패시터들에 저장된 에너지는 공진 리액터 회로에서 직접 요구된 전류 및 전압 조절의 전부를 제공하도록 기능할 수 있다.

[0069] 도 17은 커플릿에서 2개의 LED들로부터의 광속을 조합하는 전형적인 효과를 도시한다. 간략성을 위해, 플럭스는 직사각 파형들로서 도시된다; 일반적으로 파형들은 EMC 조절 요건들을 용이하게 하는 사인곡선들 또는 부분 사인곡선들이다. LED 1 및 LED 2에 대한 플럭스는 최상부 2개의 트레이스들(traces)에 도시된다. 각각은 그 주기의 약 1/3의 시간의 온(on) 시간을 갖지만, 출력들은 180°위상을 벗어난다. 바닥 트레이스는 조합된 플럭스를 도시한다. 평균들이 또한 점선들로서 도시된다.

[0070] 본원에 설명되는 예들은 일반적으로 라이트 엘리먼트들 사이에 에너지를 분배하기 위해 반응성 컴포넌트들로서 커패시터들을 이용하는 한편, 다수의 다른 반응성 컴포넌트들은 단일로 또는 조합되어 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시된 바와 같이 직렬 커패시터 및 각 LED 쌍에 2차 와인딩들로 와인딩되는 다수의 페라이트 코어 2차 세그먼트들을 갖는 단일 1차 와인딩은 또한 각 LED 쌍에 대한 전압 및 전류 조절을 허용하며 공진 회로에서의 공진 커패시터와 공진 인덕터 사이의 필요한 콘트라-페이즈(contra-phase) 에너지 전송을 허용하는 클램핑 효과로 공진하여 동작할 것이다.

[0071] 반대로, 상기 언급된 LED들을 구동하기 위한 종래의 DC 방법들의 이용은 다음의 어려움들을 갖는다: 먼저, 직렬-접속된 LED 체인들에 대해, 체인은 상당량의 전류를 필요로 하는 많은 수의 상호접속된 발광 엘리먼트들을 갖는다. 일정한 전류 조절을 제공하는 DC 파워 서플라이는 많은 수의 LED들을 직렬로 구동할 수 있다. 그러나, 직렬 체인은 체인에서의 단지 하나의 LED의 실패에 취약하다. 병렬 통과 엘리먼트들은 직렬 체인 전류가 유지되지만 일반적으로 LED들 자체들만큼 값비싸며 동일하게 실패하기 쉬운 것을 확인하기 위해 이용될 수 있다. DC 동작에 대해, 2개의 직렬 다이오드들 또는 다른 SCR 엘리먼트들이 이용될 수 있지만, 회로 복잡도 및 비용이 증가하며 이들 추가적인 반도체 부분들의 추가에 의해 신뢰성이 감소한다. 또한, 명백하게 설계되는 전류 조절을 위한 필요성이 여전히 존재한다. 유사하게, 병렬 접속된 LED들에 대한 DC 조절된 전압 또는 직렬 접속된 LED들에 대한 DC 조절된 전류의 이용은 신뢰성에 결과적인 역효과를 갖는 조절을 위해 이용되는 컴포넌트들에서의 상당한 복잡도를 요구한다. DC 파워를 갖는 직렬 접속 및 병렬 접속 어레이들 둘 다는 외부 회로가 전류 또는 전압 제한들을 제공할 것을 요구한다. 예를 들어, 직렬 접속을 위해, 구동 전압은 외부적으로 제한되어야 한다. 그렇지 않으면, 전류가 직렬 체인을 통해 구동될 수 없을 때, 전압이 과도할 수 있다. 병렬 접속을 위해, 전류 제한은 엘리먼트의 단락에 대해 보호하기 위해 제공되어야 한다.

[0072] 본 발명의 실시예들은 그 기능을 위한 수동 컴포넌트들만을 활용하는 간단한 설계를 갖는 각 리액터에서 공진 회로를 이용한다. 반응성 컴포넌트들의 수는 리액터 어레이에서의 LED 엘리먼트들의 수에 관련되며, 따라서 전체 LED 리액터 회로의 총 전류 또는 전압 공급 요구들에 관련된다. 공진에 의한 자기-조절의 이용은 능동 컴포넌트들의 이용을 최소화하며 신뢰성을 강화하면서, 프런트-엔드 파워 서플라이 전류 조절에 관한 의존성을 회피한다. 출력 회로는 격리되거나 격리되지 않을 수 있으며 설치 동안 활성화일 때 인간들에 의해 터치될 수 있다. 출력 회로는 컴포넌트 실패에 둔감하다. 전류들은 내재적으로 안정한 레벨들에 제한되며, 동작 주파수들은 인간의 근육조직이 신경학적으로 응답하는 것보다 상당히 위에 있다. 느껴지는 것은 라이트 팅글(light tingle)이다. 심장 섬유성 연축(cardiac fibrillation) 또는 감전사의 가능성은 존재하지 않는다. 본 발명에 기초하는 영역 라이팅 시스템은 증가된 효율성을 갖는데 더하여 50-60 Hz 전원 전압에서 구동되는 형광 또는 백열 라이팅의 임의의 형태보다 훨씬 더 안전할 수 있다.

[0073] 도 3 및 도 5a에 도시되는 예시적인 리액터 회로 실시예는 다양한 특정 하드웨어로 구현될 수 있는 등가 회로를 도시한다. 본원에 설명된 것들에 대한 변형들은 기술분야에 알려질 것이며 또한 본 발명의 범위 내에 망라된다. 이산 용량성 엘리먼트들은 인쇄 회로 기판들(PCBs) 또는 플렉서블 인쇄 회로 기판들(FPCBs) 상의 어셈블리에 의해 예시된 바와 같이 이용될 수 있다. 커패시턴스들은 묶여지지 않아도 되며 파워 분배 네트워크에 포함되는 와이어들 및/또는 전도막들의 물리적 속성들일 수 있다. 커패시턴스들은 또한 LED 디바이스 패키지들로 집적될 수 있다. 예를 들어, 적합한 모듈러(modular) 디바이스는 2개의 애노드-대-캐소드-접속된 LED들 및 각각 도 3 및 도 5a에 도시되는 체인에서의 리액터 엘리먼트를 나타내는 2개의 커패시터들을 포함할 수 있다.

[0074] 일부 실시예들에서, 익사이터는 케이블의 전류-운반 용량 및 총 로드에 의해서만 제한되는, 예를 들어 1000 m 또는 그 초과의 상당한 거리에 걸쳐 다수의 리액터 어레이들에 파워를 공급할 수 있다. 공급된 에너지를 더 높은 전압 및 더 낮은 전류로 변환하는 공진 회로에 파워를 공급하는 이러한 저전압 수단은 수많은 상업적 및 안전성 장점들을 갖는다. 예를 들어, "익사이터"는 퓨즈 박스 또는 회로 브레이커 박스 또는 다른 편리한 위치에 원격으로 위치될 수 있다. 모든 조명기구들은 그들이 백열 전구 교체들이든, 형광등 교체들이든, 또는 LED 어레이들이든간에, 수동 리액터들일 수 있다. 그와 같은 시스템은 각각이 제한된 수명을 가지며 로컬 환경에서 라디오 주파수 간섭(RFI)에 모두 추가하는 개별 조명기구들에 대해 현재 이용되는 다수의 파워 서플라이들을 교체할 수 있다.

[0075] 본 발명의 장점은 전자기 펄스 또는 다른 전자기 잡음 소스들로부터의 손상을 내재적으로 최소화하는 것이다. 직렬 인덕턴스는 자연적으로 LED 어레이에 대한 고속 전류 스파이크들을 제한한다. 셀 타입들(1, 2 또는 3)(도 11a)을 포함하는 토폴로지들에서, 각 셀은 한 쌍의 LED들에 걸친 전압 스파이크들을 제한하는 병렬 커패시턴스를 갖는다. 각 LED는 또한 역방향-접속된 다이오드의

에 발생할 수 있는 역방향 바이어스를 제한하는 역방향-접속된 다이오드를 갖는다.

[0076] 또한 이들 반응성 스트링 토폴로지들에서, 사인곡선 전압 및 전류 파형들에 의해 분배된 파워가 발생된다. LED들의 정류는 메인 고전압 스위칭(필요한 경우)이 제로 전압에서 발생하는 경우에 전체 네트워크에서의 비-선형 스위치 이벤트들만을 제공한다. 리액터 부분들 또는 조명기구들의 추가는 래깅 페이즈에 의해 유지되는 에너지를 증가시키며 분배된 2선식의, RFI를 최소화하는데 보조하는 극성 불확정 파워 분배의 사인곡선 전압 파형을 개선하는 것이 더 관찰된다.

회로 상세들:

[0077] 본 발명의 익사이터 및 리액터의 예시적인 실시예는 도 3a, b 및 c에 도시된다. 발광 엘리먼트들은 공진 파워 출력 회로의 고유 부분을 형성한다. 일반적으로, 작동하는 "익사이터" 부분에 대해, 리액터 공진 회로가 익사이터 회로 구동 파형에 비해 약간 래깅 페이즈에 있도록 적어도 하나의 "리액터"가 존재해야 한다. 이것은 익사이터 출력 스위치들(전형적으로 MOSFET들 또는 다른 트랜지스터들을 포함함)이 라디오 주파수 방출들을 최소화하며 열 소멸을 최소화하는 제로-전압 스위칭 모드에서 동작하게 보장한다. 또한 광 출력은 Q가 감소되는 약간 더 높은 주파수에서 리액터 어레이들을 구동함으로써 "디밍"될 수 있으며, 전압 및 전류 증폭이 감소되어, 그에 의해 광 출력을 디밍한다.

[0078] 본 발명의 실시예들에 따른 반응성 수동 컴포넌트들(커패시터들)에 의해 상호접속되는 LED들의 많은 수의 구성들이 존재한다. 각 구성은 듀티 사이클, 실패 둔감도, 파형 또는 파고 계수에서 서로 다른 장점들을 제공한다. 특정 구성의 선택은 익사이터에서의 명시적인 파워 팩터의 이용, 원하는 광도를 달성하는데 필요한 LED들의 수량 및 비용, 및 원격 인광체들이 이용되는지 여부로서 그와 같은 팩터들에 기초하여 이루어질 수 잇다.

[0079] 변환기의 2차 측을 로드와 공진하도록 설계함으로써, 최적의 파워 전송이 보장되는데, 그 이유는 소스 및 로드가 공진할 때 그 로드에 정밀하게 AC 포트가 매칭되기 때문이다. 소스 에너지가 AC 전원과 같은 높은 전압 소스로부터 공급될 때만 변환기의 이용이 요구된다. LED들의 어레이들(또는 다른 엘리먼트들)을 구동하기 위해 공진 파워 서플라이를 이용하는 원리는 또한 전압 스텝-다운(step-down)이 필요하지 않은 경우의 광전지 파워 소스들로부터와 같은 저전력 파워 소스들을 이용할 때 적용될 수 있다. 파워 변환 효율성은 LED 사용을 위해 더 최적화되는데, 그 이유는 반응성 어레이들에서의 LED들이 종래의 스위치모드 파워 서플라이의 2차 측에서 정상적으로 수행되는 정류를 수행할 수 있으며, 그에 의해 파워 서플라이에 정상적으로 존재하는 에너지 소멸의 소스를 절감하기 때문이다. (GaAs와 같은) LED들에서의 반도체들은 "스토리지 충전"을 누적하지 않으며 따라서 고도로 효율적인 스위칭 재료들이다. 이러한 배열은 그 후에 50%의 최대 듀티 사이클에서 동작하는 반응성 어레이의 LED들에 효율적인 AC 서플라이를 제공한다. (최대 듀티 사이클은 이하에 설명되는 바와 같은 어레이들에서의 재순환 전류를 증가시킴으로써 더 큰 실패 둔감도를 허용하기 위해 대안적인 반응성 어레이 토폴로지들을 이용함으로써 특정 애플리케이션들에서 유용하게 감소될 수 있다.)

[0080] 낮은 듀티 사이클 LED 구동은 반드시 문제가 되는 것은 아니다. 전형적으로, LED는 여전히 동일한 평균 파워에서 구동될 수 있는데, 그 이유는 파워가 전형적으로 평균 열 소멸에 의해서만 제한되며 피크 전류에 의해 제한되지 않기 때문이다. 이용되는 전형적인 공진 주파수들에서, 가시성 플리커(flicker)는 보일 수 없으며 구동 전류의 필터링이 요구되지 않는다. (추가적인 커패시턴스 또는 다른 스토리지 컴포넌트가 요구되지 않는다). 일부 실시예들에서, 추가적인 광학 "필터링"이 또한 공진 드라이브의 기간보다 더 긴 감쇠 시간들(decay times)로 인광체들의 이용을 통해 존재할 수 있다. 더 짧고 더 높은 에너지 파장을 방사하는 단일-컬러 LED 포토-익사이터(photo-excitor)로부터 "백색" 광을 생산하기 위해 종종 행해지는 바와 같이, 인광체들을 펌프하도록 LED들을 이용할 때, 인광체들은 더 큰 발광 영역을 갖는 근처-DC 광 소스를 생산하기 위해 시간적 및 공간적 둘 다로 LED의 변동하는 파워를 효율적으로 평균화한다.

[0081] 공진 회로 인덕턴스

및 커패시턴스

의 값들은 익사이터와 리액터 사이의 접속들 및 배선뿐 아니라 LED 구성 및 리드 드레싱(lead dressing)으로 인한 다른 부수적인 리액턴스(reactance)를 극복하기 위해 선택될 수 있다. 익사이터와 리액터 사이의 1Km 또는 그 초과의 분리들이 수용될 수 있다. 시스템이 넓은 영역을 통해 배치되는 리액터를 수용하게 허용하는 동일한 설계 융통성은 또한 개별 엘리먼트들이, 예를 들어, 양자점들 또는 마이크로-공동 플라즈마 디바이스들인 경우의 고밀도 소형-엘리먼트 라이팅 어레이들에 적용될 수 있다.

[0082] 리액터들을 추가하는 것은 파형이 사인파 및 방출들의 근사화를 최소화하게 하도록 다수의 리액터들로부터 누적되는 래깅 페이즈 에너지를 증가시키며 익사이터를 제로-전압 스위칭으로 더 구동시킨다. 그와 같은 배열은 도 14에 의해 표현되며, 여기서 동시적으로 표현되는 "플러그 인되는" 조명기구들은 도 11(a)에 도시되거나 다른 곳에서 참조되는 다양한 "셀들"로 이루어지는 도 11, 12 또는 13에 도시되는 종들 중 임의의 것일 수 있다. 이들 다양한 반응성 어레이 구성들의 더 극단적인 버전은 도 15에 도시된다. 이들 구성들은 모든 어레이들이 브레이크다운(breakdown) 캐스케이드를 시작하기 위해 (어느 한 쪽의 페이즈에서의 임의의 다이오드의 최저

에 관련되는) 브레이크오버 전압을 달성하는 경우에 구동될 수 있다. 공진의 Q 상에 (다양하게 설명되는 바와 같은) LED들의 "반응성 어레이"를 삽입하는 영향은 도 16에 도시된다. (전도시의 합리적인 일정한 전압을 갖는) LED들을 흡수하는 에너지의 공진 회로로의 삽입은 공진 주파수를 변경하지 않는데, 그 이유는 반응성 어레이가 공진 회로의 공칭적으로 무손실 반응성 엘리먼트들(커패시터들 및 인덕터들) 사이의 공진 에너지의 반응성 전송에 대한 순수 저항을 나타내기 때문이다.

[0083] 일반적으로, 리액터 어레이들에서의 LED들은 하나의 캐소드가 다른 하나의 애노드에 접속되며 두 번째의 캐소드가 첫 번째의 애노드에 접속된다. 이 쌍 또는 "커플릿"은 "셀"을 형성하기 위해 직렬 전류 제한 커패시터에 더 접속되며, 셀은 LED를 구동하는 전류에 대한 전류 바이패스를 제공하는 다른 커패시터와 병렬로 더 접속될 수 있다. 이러한 바이패스 커패시터는 전압 분할에 의해 커플릿에 걸쳐 전압의 조절을 제공하는 다른 바이패스 커패시터들(예를 들어, 도 11에서의 C1, C3, C5, C7 및 C9)과 직렬로 있는 한편, 각 커플릿에 대한 직렬 커패시터는 커플릿에서의 2개의 LED들 사이의 전류 균형을 제공한다. 동작하는 공진 주파수는 높기 때문에, 요구되는 커패시턴스 값들이 작다. LED의 개방-회로 실패는 브랜치에서의 전류 흐름들을 감소시키며, 이는 어그리게이트(aggregate) 커패시턴스를 감소시키며 그에 의해 리액터의 공진 주파수를 증가시킨다. 리액터 공진 주파수는 익사이터 구동 주파수로부터 더 멀어지며 따라서 공진 회로를 감소시킨다. 따라서 전류 조절의 둘러싸는 LED들 장소는 변경되지 않은 채로 남아있을 수 있으며, 어레이의 이웃하는 셀들은 영향을 받지 않는다. 그와 같은 실패들이 훨씬 더 흔하지 않더라도, 유사한 조정이 단락 실패를 위해 발생한다. 단락 및 개방-회로 실패들 둘 다는 도 5, 6, 7 & 8에 데몬스트레이팅된다. 단락은 실패된 단락 LED에 걸쳐 전압을 감소시키며, 바이패스 커패시터를 통한 전류는 보상하기 위해 감소한다.

[0084] 이제 도면들을 되돌리면, 도 1은 LED 조명에 이용되는 종래 기술의 파워 서플라이 장치의 개략적 표현을 도시한다. 직렬로 접속되는 LED들(108)의 체인은 제어된 출력 조명을 제공하기 위해 요구되는 모든 센싱 및 제어로 DC 전류 소스에 의해 구동되어 도시된다. AC 전원들(100)은 정류기 및 파워 팩터 정정(PFC)(102)을 공급하며, 그 출력은 DC-대-DC 제어기(104)로 진행한다. 제어기(104)의 출력은 차례로, 전압 제한 제어를 갖는 전류-조절된 DC 파워를 제공하는 추가적인 정류 및 필터링 스테이지(106)로 진행한다. 피드백 경로(110)는 전류 및 전압 조절을 제공한다. 2개의 그와 같은 직렬 체인들을 이용하는 Elferich 및 Lurkens에 대한 미국 특허 번호 제 7,573,729 호에서 동일한 직렬 LED 체인들이 이용된다. 전체 체인은 임의의 하나의 LED 엘리먼트 개방-회로 오류가 발생하는 경우에 디스에이블된다.

[0085] 도 2는 병렬로 접속되는 LED들(208)의 세트에 대한 종래기술의 파워 서플라이 장치의 개략적 표현을 도시한다. AC 전원들(200)은 정류기 및 파워 팩터 정정(PFC)(202)을 공급하며, 그 출력은 DC-대-DC 제어기(104)로 진행한다. 제어기(204)이 출력은 차례로, 전압 제한 제어를 갖는 전류-조절된 DC 파워를 제공하는 추가적인 정류 및 필터링 스테이지(206)로 진행한다. 피드백 경로(210)는 전류 및 전압 조절을 제공한다. 병렬 동작을 위해 1.2 V와 같은 요구되는 LED 구동 전압에 대한 고전압으로부터 저전원들로의 변환은 내재적으로 비효율적이다. 광 출력의 양호한 제어는 타이트한 전압 조절 및 복합 회로를 요구하며, 이는 비신뢰적이며 지원하고, 제조하며 유지하기가 어려울 수 있다.

[0086] 도 3은 본 발명의 실시예들의 익사이터-리액터의 주된 엘리먼트들을 도시한다. 익사이터(302)는 240 Vac 또는 110 Vac에서의 전원(300)과 같은 들어오는 파워를 격리 변환기(306)의 1차 측 상의 익사이터 파형으로 변환한다. 전원은 정류되며 306에서 PFC를 제공받으며 310에서 고주파수 초핑된 파형으로 변환된다. 디밍 피쳐가 바람직한 경우에, 익사이터 파형을 위해 310에서 더 높은 주파수 구동을 프로그래밍함으로써 제공될 수 있다. 리액터(304)는 격리 변환기(306)의 2차 측으로부터 구동되는 공진 회로이다. 예시된 바와 같이, 단일 출력 회로가 또한 이용될 수 있더라도, 2차 상에 중심-탭핑된 출력을 이용하여 제공되는 2개의 별개 공진 회로들(312 및 314)이 존재한다. 각 회로는 3개의 셀들(316)을 구동하는 것으로 도시된다. 각 셀은 직렬 전류 제한 커패시터(320) 및 병렬 바이패스 커패시터(322)를 갖는 애노드-대-캐소드 접속되는 LED들(318)의 커플릿을 포함한다. 개별 LED들에 전달되는 파워는 실질적으로 일정하며 공진 리액터 회로에 의해 자기-조절된다.

[0087] 도 3a는 rf 익사이터 구동 회로(330)의 키 엘리먼트들을 도시한다. 파워 스테이지는 하프 브리지 토폴로지를 이용하여 격리 변환기(338)의 1차 측을 공급하는 펄스된 게이트 구동 파형들(334) 및 2개의 커패시터들(336)에 의해 구동되는 2개의 파워 MOSFET들(332)로 이루어진다. 발광 엘리먼트들은 일반적으로 공진 출력 스테이지의 능동 기능 댐핑으로서 기능하는 격리 변환기(338)의 2차 측 상에 리액터(340)에서 "리액턴스 스트링"(342)으로서 도시된다. 전체 회로는 95 %에 근접하는 효율성들로(하프-브리지 컨버터에 대한 파워 아웃/파워 인) 동작할 수 있다.

[0088] 도 3b는 익사이터에 대해 더 간단하며 동일하게 효율적인 회로를 도시한다. 회로는 리액터 회로의 고유한 높은 Q 때문에 효과적이다. 익사이터는 충분한 전원 EMC(electromagnetic compatibility) 필터링만을 갖는 열악하게 필터링된 정류된 전원 전압(+V)으로부터 직접 실행할 수 있다. 배터리 또는 광전지 소스로부터의 직접 DC 구동이 또한 가능하다. 최소 부분들, 일정한 제로-전압 스위칭 및 비-조절 스테이지는 높은 신뢰성을 발생시킬 수 있다. 도 3b에서의 예시적인 리액터(360)는 격리 변환기(358)의 2차에 걸쳐 병렬로 접속되는 4개의 개별 리액터들(362)을 포함한다. 익사이터(350) 및 리액터(360)는 2-선식 접속에 의해 접속된다.

[0089] 도 3c는 주파수 도메인에서의 공진을 도시한다. (수직 축 "가상전류"는 주파수 분석기로부터의 전류 규모 그라운드 전류이다.) 실제의 기생 효과들은 대역폭을 넓히고 Q를 감소시킨다. 이러한 넓힘은 추가적인 LED들이 공진을 파괴하지 않고서 추가되게 용이하게 허용하는 허용한계를 제공한다. 리액터 회로에서 제로(도 16a)로부터 20개의 LED들(도 16b)로 진행하는 것은 공진 주파수를 변경하지 않음을 도시하는 도 16을 비교한다; 공진의 진폭은 떨어지지만, 회로는 계속해서 공진한다.

[0090] 도 4는 도 3a의 회로와 같은 본 발명의 실시예에 대한 익사이터 피크 서플라이 전압의 함수로서 측정된 LED 전류의 플롯(plot)을 도시한다. 어레이의 광속은 LED 전류로 직접 변화한다. 도시된 바와 같이, 구동 전압에서의 큰 변경보다 훨씬 작은 측정된 전류(및 그러므로 광속)에서의 작은 변경이 존재한다. 예를 들어, 익사이터 전압이 약 2.2의 계수인, 110

로부터 240

로 증가할 때 전류는 약 27%만큼 증가한다. 이러한 공급 전압 변경에 대한 상대적인 둔감도는 브라운아웃(brownout) 저항 및 더 높은 PFC 둘 다를 제공할 수 있다.

[0091] 도 5a는 도 5b에 도시되는 시뮬레이팅된 파형들을 발생시키기 위해 이용되는 모델 리액터 회로를 도시한다. 시뮬레이션을 실행하는데 있어서 간략화를 위해, 구동된 회로는 도 5a에 도시된 바와 같은 일정한 AC 전류 발생기(500)일 수 있다. 전류 발생기는 전압 발생기 플러스 인덕터와 동등하다. 전체 구동 전압 파형

는 100 kHZ에서의 근처-사인곡선이다. 2개의 순방향-바이어스된 LED들, D1, D5 및 D7은

의 양성 하프 사이클 동안 출력 펄스들을 갖는 동일한 전류 파형들(ID1, ID5 및 ID7)을 갖는 한편, 역방향-바이어스된 D2는 예상된 바와 같은 180°페이즈 시프트를 갖는 유사한 파형(ID2)을 도시한다. 직렬 전류 제한 커패시터(C2)는 IPARCAP 파형에 의해 도시된 바와 같이, 쌍 D1 및 D2의 양쪽 LED들에 대한 전류를 통과시킨다. 병렬 바이패스 커패시터(C1)는 전류 파형 ICERCAP1을 갖는다. 바이패스 커패시터는 어느 LED도 전도성이지 않을 때의 간격들 동안 피크가 된다; 파형 상의 명백한 "글리치들(glitches)"은 이러한 간격 동안 나타난다. C1 및 C2 둘 다는 0.1 ㎌의 값들을 갖는다.

[0092] 도 6a는 D3의 개방 회로 실패(602)를 갖는 도 5a에서와 동일한 회로를 도시한다. 도 6b는 도 5b와 동일한 시뮬레이팅된 파형들을 도시하지만 다이오드 실패가 포함된다. 구동 전압

는 17.1 V로부터 19.9 V까지의 피크-대-피크 진폭을 증가시킴으로써 보상하지만, 나머지 디바이스들에서의 전류 파형들은 변경되지 않은 채로 남아있다.

[0093] 도 6c는 D3에 대한

의 더블링(doubling)을 시뮬레이트하기 위해 D3이 D7과 직렬로 접속되는 도 5a의 것과 유사한 회로를 도시한다. 도 6d는 D3, D4에 대한 전류 파형들 및 직렬 커패시터(C4)에 대한 전압 파형을 도시한다. D3가 턴 온하는 시간에 비교되는 D3가 턴 온하는 시간에서의 작은 시프트가 존재하지만, 피크 전류는 동일하게 남아있다. 이러한 시프트는 도 6e를 참조하여 더 용이해지며, 더블된

를 갖는 D3에 대한 전류 파형은 정상 다이오드(D1)에 대한 전류 파형과 비교된다. 도 6e는 또한 병렬 바이패스 커패시터(C3)에 걸친 근처-사인곡선 전압 파형을 도시한다. 본 예에서와 같은

에서의 큰 변경조차 평균 전류 및 D3에 대한 광 출력에서의 매우 작은 변경만을 생산한다.

[0094] 도 7a는 2개의 LED들(D3 및 D5)의 개방 회로 실패(702)를 갖는 도 5a에서와 동일한 회로를 도시한다. 도 7b는 2개의 다이오드 실패들이 포함되는 도 5b에서와 동일하게 시뮬레이팅된 파형들을 도시한다. 구동 전압

는 17.1 V로부터 22.5 V까지 피크-대-피크 진폭을 증가시킴으로써 보상하지만, 나머지 디바이스들에서의 전류 파형들은 다시 변경되지 않은채로 남아있다.

[0095] 도 8a는 D3은 단락되고(802), D5는 개방하는(804) 2개의 실패된 LED들(D3 및 D5)을 갖는 도 5a에서와 동일한 회로를 도시한다. 도 8b는 2개의 다이오드 실패들이 포함되는 도 5b에서와 동일한 시뮬레이팅된 파형들을 도시한다. 구동 전압

는 17.1 V로부터 19.1 V까지 피크-대-피크 진폭을 증가시킴으로써 보상하지만, 나머지 디바이스들에서의 전류 파형들은 다시 변경되지 않은채로 남아있다.

[0096] 도 9는 외부 감독 및 디지털 제어를 갖는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 익사이터 회로를 도시한다. PFC 기능은 전체적으로 디지털로 제어될 수 있다. 이러한 회로는 도 3a의 하프-브리지 회로와 비교하여 더 높은 파워에 대한 풀 브리지(full bridge)이다. PSU는 "라이팅 네트워크"의 일부일 수 있으며 중앙 제어와 USB 버스를 통해 통신할 수 있다. 중앙 제어는 디밍 명령들을 제공할 수 있으며 오류 조건들을 모니터할 수 있다.

[0097] 도 10은 전형적인 백열 및 형광 라이팅을 위해 이용될 수 있는 바와 같은 합리적으로 조절되며 정류되는 전원 전압에 대한 접속을 위해 적합한 하프-브리지 파워 서플라이를 도시한다. 본 회로에서 하프 브리지 스토리지 커패시터들은 스위치들(S1 및 S2)을 갖는 전압 소스들(V1 및 V4)로서 도시된다. LED들은 "LEDpwr"을 소멸시키는 로드 저항기(R1)로 시뮬레이팅된다. 이러한 회로 시뮬레이터 표현은 백열 및 형광 라이팅과 일치하는 유일한 조절로서 240

또는 110

의 표준 전압들에 의존할 수 있으며 단일 저전압 와인딩(L1 또는 L2)이 단일 리액터를 공급하는 경우의 다수의 와인딩 변환기(L3은 1차인 한편 L1 및 L2는 2차임)의 일 예이다. 그와 같은 회로는 정보적인데, 그 이유는 높은 2차 측 전류들을 허용하기 위해 정정 페이즈에서 전류를 주입하면서 1차 측 스위치들에서의 제로-전압 스위칭을 위한 래깅 패이즈를 제공하는 1차와 2차 와인딩들 사이의 최소 커플링을 모델링하기 때문이다. 도 10은 본 발명의 대안적인 실시예들을 이용하며 도 4a에 도시되는 자동-조절을 활용하는 가능한 널리 다양한 구성들 중 단지 하나의 예를 도시한다.

[0098] 도 11은 셀들의 10s 또는 100s를 포함하는 훨씬 더 큰 LED 반응성 스트링일 수 있는 것으로부터의 5-셀 또는 5-스테이지를 도시한다. 각 셀은 2개의 LED들 플러스 직렬 및 병렬 커패시터들을 포함한다. 병렬 커패시터는 원하는 바이패스 또는 재순환 전류를 제공하도록 사이징되며, 직렬 커패시터는 커플릿 쌍에 대한 전류 및 듀티 사이클을 결정하거나 제한하며, 그 쌍의 각 멤버에 의해 전도되는 전류를 밸런싱한다. 이러한 전류 밸런싱은 파워 사이클의 양쪽 절반들에 대해 동일한 전류를 방전시키도록 커패시터 바이어싱에 의해 달성된다. 바이패스 커패시터는 또한 LED들을 통과하지 않는 전류 경로를 제공하며, 이는 회로의 나머지가 LED가 개방을 실패할 때 계속해서 기능하게 할 수 있다.

[0099] 도 11a는 LED 커플릿들을 포함하는 셀들의 예시적인 실시예들을 도시한다. 0.1 ㎌의 표시된 커패시턴스 값들은 예시적이며, 예를 들어, 개별 LED들의 전류 요건들 및 선택된 공진 주파수에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 하나보다 많은 타입의 LED를 갖는 어레이들이 각 LED에 원하는 동작 전류를 제공하기 위해 특정 LED들에 커패시턴스 값들을 매칭함으로써 제조될 수 있다. 타입 1은 도 3, 5-8 및 11에 이용된다. 타입 1 셀에서의 임의의 하나의 LED가 실패하는 경우에(개방 또는 폐쇠된 회로), 셀에서의 동반 LED는 기능하지 않을 것이다. 타입 2 셀들은 더 많은 LED들이 더 낮은 전압에서 발진 회로에 의해 구동되게 허용한다. 타입 3 셀들은 임의의 LED가 단일로 실패하게 허용한다; 동반 LED는 영향받지 않는다.

[00100] 도 11b는 서로 다른 셀 타입들의 복합 어레이를 포함하는 시뮬레이션 회로를 도시한다. 도 11c는 선택된 전류 및 전압 파형들을 도시한다. 다이오드 전류 파형들의 전부는 변화하는 셀 타입에도 불구하고 동등하다.

[00101] 도 9에 도시되는 제어기는 도 3의 하프-브리지 파워 서플라이보다 더 복잡한 풀-브리지 스위칭된 모드 파워 서플라이이다. 풀-브리지 제어기는 더 높은 파워 라이팅 또는 이미지 매트릭스 제어를 위해 유용하게 이용될 수 있다. 마이크로제어기(902)는 래깅-페이즈, 풀-브리지 제어기 및 예를 들어, 벅-부스트(buck-boos) 아키텍처를 이용할 수 있는 가변-전압 DC 서플라이(904)를 제어한다. 파워 서플라이(904)는 DC 전압(+V) 및 결과적으로 중심 탭핑된 2차 와인딩을 갖는 변환기(T1)의 1차 와인딩에 접속되는 4개의 FET들(Q1-Q4)에 의해 형성되는 풀 브리지 회로로부터의 반응성 LED 어레이에 이용가능한 파워를 결정한다. 풀 브리지 회로는 공진하는 병렬 LC 회로(906)에 대한 익사이터 에너지 소스로서 작동한다. 2차 와인딩들의 각각은 특성화 총 커패시턴스를 갖는 반응성 LED 체인(908)에 상호적으로 커플링되는 인덕터(L1 또는 L2)를 통해 접속된다. 변환기(T1)의 자기 인덕턴스, T1의 1차 인덕턴스, 풀 브리지 MOSFET들 및 인덕터들(L1 및 L2)을 포함하는 전체가 묶인 인덕턴스와 함께, LED 반응성 어레이(908)의 커패시턴스는 모두 구동된 반응성 어레이에서 여기되는 LED 엘리먼트들의 고유한 파워 소모에 의해 댐프되는 특정 품질 팩터 Q를 갖는 공진 회로를 구성한다. 이러한 공진에서 MOSFET(Q1-Q4)들은 그들에 걸친 전압이 제로(제로-전압 스위칭)일 때만 스위칭되며 그에 의해 방사되거나 전도되는 스위칭 파워 손실 및 EMI를 최소화한다.

[00102] 본 예시적인 실시예에서 대략 100kHz인 익사이터의 발진 주파수는 마이크로제어기 드라이브(902)의 주파수에 의해 결정된다. 공진 회로의 자연 공진 주파수는 변경된 리액터 임피던스가 커플링된 인덕터들을 통해 더 크거나 더 적은 전류를 반영하도록 이러한 설정 주파수에 가깝지만 동일하지 않게 설계된다. 커플링된 인덕터들은 예를 들어, 로드에 의해 드로잉되는 더 큰 전류가 더 적은 출력 전압을 발생시키며 더 적은 전류가 더 큰 출력 전압을 발생시키도록 복합 임피던스를 나타낸다.

[00103] 익사이터 출력 전압은 어레이에서의 LED들의 수 및 어레이 타입에 따라 선택된다. 출력 파워의 제어는 리액터 공진 회로의 커패시턴스 및 인덕턴스뿐 아니라 원하는 출력 파워 레벨에 적합한 전압을 제공하기 위해 설정되는 가변 출력 전압 AC 대 DC 컨버터(904)로부터의 출력 전압에 의해 설정된다.

[00104] 회로는 인덕터들 및 변환기에서의 자화 파워 손실 및 스위칭 엘리먼트들에서의 전도 손실들에 의해 주로 제한되는 효율성을 갖는다. 래깅-페이즈 브리지 회로들에서, 이들은 거의 전체 손실을 구성하는데, 그 이유는 회로가 제로-전압 스위칭에서 동작하며, 95%만큼 높은 전체 파워 변환 손실들이 달성될 수 있기 때문이다. 그러나, LED 광 자극의 목적을 위해 이용되지 않는 파형들(6b, 7b 및 8b)에 도시된 바와 같은 네트워크에서의 반응성 또는 순환성 파워에 대한 결과가 존재한다. 도 12의 예시적인 실시예들에서(병렬로 접속되는 셀들), 순환하는 전류는 최적 전류 대 광도 변환을 달성하는 LED들을 통한 전류와 동일하다. 이러한 바람직함의 정도는 시스템 배선의 전류-운반 용량에 의존한다.

[00105] LED들과 같은 발광 엘리먼트들에 대한 종래의 DC 구동기들은 110-240 Vac의 전원 전압들을 2-4Vdc와 같은 저전압들로 변환해야 한다. 그와 같은 전압의 감소는 내재적으로 비효율적이다. 반대로, 본 발명의 실시예들은 2차 스테이지에서의 정류나 조절을 요구하지 않지만 리액터에서의 커패시터 엘리먼트들에 의해 제공되는 개별 LED들에서의 전류 제어 및 리액터 공진 회로에서의 에너지의 자연적 제한에 의존한다. LED들은 종래의 파워 서플라이의 2차 스테이지에 의해 정상적으로 제공되는 정류를 제공한다. 리액터 공진 회로의 언더-댐프되는 발진은 고유한 조절 특성을 갖는다. 에너지 소스와 로드 사이에 직접 에너지 전송이 발생한다. 도 5b에 도시될 수 있는 바와 같은 조절 곡선들은 로드가 실제적으로 일정할 때(LED 어레이들에서와 같이) 전적으로 적합하다.

[00106] 도 5a 또는 11에서 이용된 바와 같은 타입 1의 단일 셀(도 12를 참조)은 LED들 중 하나에 대해

를 운반하도록 C2를 가정하는 (C1 + C2)의 커패시턴스를 갖는다. N개의 그와 같은 셀들이 직렬로 배열되는 경우에, 총 커패시턴스는

이다. 인덕턴스 및 커패시턴스는 특정 어레이 크기 또는 스트링 길이에 대해 선택된다. 익사이터 부분에 의해 "보여지는" 총 커패시턴스는 원하는 주파수에서의 공진을 제공하기 위해 직렬 인덕턴스와 함께 선택된다. 예를 들어, 도 11은 5개의 셀들을 도시하지만 도 11a에서의 타입 2에서와 같은 분기로 확장된다. 커패시턴스 값들이 전부 0.1 ㎌으로 설정되는 경우에, 총 커패시턴스

은

로 정해진다. 스트링에 의해 표현되는 유효 커패시턴스는 범위 유효 공진 극(pole)보다 훨씬 더 낮은 주파수에서의 극을 생성할 것이 요구되며, 반응성 어레이에 대한 직렬

의 배치는 임의의 주파수 동작 포인트를 결정하는 공진 커패시턴스를 효과적으로 결정할 수 있다. 공진 커패시턴스와 유효 네트(net) 분배 커패시턴스 사이의 이러한 차이는 적어도 약 5의 팩터이다.

[00107] 실제 회로는 상술한 바와 같은 시뮬레이션에서 발견되는 발진 초과에 대한 성향을 도시한다. 어레이 커패시턴스의 측정은 LED 엘리먼트들이 단락되며 전도하지 않는 약 100 mV의 저전압을 이용하여 LCR 미터로 이루어졌다. 이러한 비-전도 체제에서, 커패시턴스는 고도로 비-선형인 것이 예상된다. 실제로, 직렬 공진에 대한 종래의 수식

은 직렬 인덕터를 계산할 목적을 위해

를 이용하여 대강 유효하다. 직렬 인덕터는 전형적으로 요구되는 파워 및 어레이 크기에 따라 소형 페라이트일 수 있다.

[00108] 리액터에 대한 커패시턴스들 및 익사이터 기능의 융통성은 서로에 대해 또는 1차 L3(익사이터 와인딩)에 대해 존재하는 제곱된 회전들 비에 따라 반응성 컴포넌트들을 각각 확대하거나 줄일 수 있는 도 10에서의 L1, L2 및 L3에 대한 와인딩들의 선택에 의해 더 증가될 수 있다. 또한 별개의 리액터 어레이들에 전달되는 상대적인 전류(파워)를 제어하기 위해 2차 와인딩들의 인덕턴스들을 이용할 수 있다. 상술한 실시예들은 일반적으로 상대적인 전류들을 설정하기 위해 부분적으로 커패시터들을 사용하는데, 그 이유는 요구되는 커패시터들이 저비용이며 용이하게 배치되기 때문이다. 그러나, 일부 실시예들에서, 저비용 페라이트 인덕터의 세트는 유사한 기능을 제공하기 위해 2차 와인딩들에 포함될 수 있는 한편 동일한 1차 와인딩은 도 18에 도시된 바와 같은 모든 인덕터들에 공통일 수 있다.

[00109] 본 발명의 실시예들에 의해 제공되는 자연적 파워 조절은 리액터가 활성화인 동안 리액터에서의 엘리먼트들 중에서의 오류들을 고정하거나 리액터 부분들을 변경할 때 빠르고 자동적인 응답을 허용한다. 그와 같은 동적 리액터 구조들에서, 더 높은 주파수 동작은 매우 작은 반응성 엘리먼트들을 요구할 수 있다. 더욱이, 리액터에서의 엘리먼트를 스위칭할 때 익사이터 파워를 턴 오프하는 것은 필요하지 않다. 제한 댐핑 저항은 그렇지 않으면 제로 로드에서의 무한성에 이론적으로 접근하는(실제로 무한 임피던스는 자연적인 회로 엘리먼트 기생 손실들로 인해 발생하지 않음) 공진 회로에 병렬로 추가될 수 있다. 엘리먼트들이 스위칭 인 또는 아웃됨에 따라 서로 다른 임피던스들에 의한 임의의 로딩은 도 7 및 8에 도시된 엘리먼트 실패 예들에서와 동일한 방식으로의 즉시 적응을 야기한다. 임의의 순간적 천이 방해는 에너지를 제공하는 공진에서의 회로의 고유한 필터의 선택적 본성에 의해 임계적으로 댐핑된다.

[00110] 고효율, 최소 부분들 카운트, 소수의 능동 부분들, 비선형 능동 부분들, 높은 격리, 및 사용자 안전성의 조합은 패키징을 위한 고유한 기회들을 제공한다. 예를 들어, 익사이터는 열 발생, 높은 전압 노출 또는 내화(fire proofing)에 대한 걱정 없이 서브-플로어(sub-floor), 천정 또는 벽 위치들에 배치될 수 있는 소형 어레이들에 대해 적합한 소형의 팬없는(fanless) 패키지로 구축될 수 있다.

[00111] 도 9에 도시된 바와 같이, 정보 네트워크 또는 개별 컴퓨터와 익사이터 사이에 통신 경로가 존재할 수 있다. 그와 같은 통신들은 큰 라이팅 네트워크들이 소규모 그룹들의 사람들에 의한 제어 및 유지보수 기능들 둘 다를 위해 효과적으로 관리되도록 허용하기 위해 이용될 수 있다.

[00112] LED들의 AC 구동의 피쳐는 개별 엘리먼트들이 50%보다 작은 듀티 사이클을 갖는 펄스된 파형들 및 높은 "파고 계수" 파형에 의해 효과적으로 구동된다는 것이다. 도 17을 참조하면, 커플릿은 번갈아서 조명되는 (편의를 위해, 구형파들에 의해 구동된 것으로 도시되는) LED들을 갖는다. LED 광 파워는 일반적으로 디바이스로부터의 열 소멸에 의해 제한되며, 따라서 50% 듀티 사이클로 구동되는 디바이스는 동일한 평균 열 소멸, 및 제 1 근사화에 대해, 동일한 평균 광 출력에 대해 2의 팩터로 과구동될 수 있다. 백색 광을 생성하기 위해 인광체들(Intematix Corp.)을 구동하는 청색 XPE LED들(Cree, Inc.)에 대한 동등한 rms 전류(동일한 평균 전기 파워 입력)에서 DC 정전류 구동을 AC 구동과 비교하기 위한 실험들이 행해졌다. 광 출력은 lux 또는 lm/m²을 측정하는 미터를 이용하여 측정되었다(lm은 인간 눈의 정상적 응답을 고려하여, 방출된 광의 인지된 파워의 측정인 루멘들(lumens)에 대해 짧다). AC 구동을 이용하여 측정된 출력은 18 W의 입력 파워에 대해 3 m에서 70 lux였다. 이것은 DC 구동에 비교하여 AC에 의해 구동될 때 약 10% 더 높았다. 전기 파워의 유용한 조명 파워로의 네트 변환은 본 발명의 실시예들을 이용하는 회로들에서 고유한 더 짧은 듀티 사이클, 더 높은 파워 구동을 이용함으로써 개선되었다.

[00113] 리액터의 라이팅 엘리먼트들을 통한 rms 전류 대 리액터를 통해 흐르는 총 전류의 비인 전류 효용도 비(CUR)의 관점에서 리액터를 특성화하는 것이 유용하다. 전형적으로 CUR은 약 0.3 내지 0.95 이다. 라이팅 엘리먼트들을 통해 흐르지 않는 전류는 반응성 바이패스 엘리먼트들(일반적으로 도면들에 도시되는 예시적인 회로들에서의 커패시터들)을 통해 흐른다. CUR은 특정 애플리케이션에 따라 변화할 수 있다. 일반적으로 CUR은 라이팅 엘리먼트들을 통한 전류 및 라이팅 엘리먼트들에 걸친 전압을 포함하는 다양한 중요 파라미터들을 결정한다. LED들에 대해, CUR은 순방향 및 역방향 바이어스 전압들 둘 다를 결정한다. CUR은 또한 실패 민감도의 레벨 및/또는 (대개 관련된 반응성 엘리먼트들을 포함하는 셀들로서) 라이팅 엘리먼트들을 추가하고 제거하는 능력을 결정한다. 더 낮은 CUR은 일반적으로 더 큰 실패 허용오차 및 더 많은 라이팅 엘리먼트들을 제거하거나 추가하는 능력을 제공한다. 그러나, 더 낮은 CUR은 더 높은 CUR에 대해서보다 더 높은 총 전류가 제공되어야 함을 의미한다. 따라서 더 낮은 CUR들은 실제 반응성 엘리먼트들이 손실들을 갖는 범위까지 효율성의 일부 전체 손실을 발생시킬 수 있다.

[00114] 전술한 바는 본 발명의 단지 일 실시예를 설명하며 당업자에게 명백한 수정들이 본 발명의 범위로부터 이탈하지 않고서 그에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 파워 서플라이는 단지 하나의 낮은 복잡도 및 저비용 전자 컴포넌트가 익사이터 파형 및 파워뿐 아니라 검출되며 전송되는 가열 및 악화 정보에 관한 전체적인 네트워크 제어 상호작용 및 유지보수 관리를 원격 시스템 제어기 또는 모니터에 제공하게 허용하는 완전한 디지털일 수 있다.

Claims (22)

1. 라이팅 시스템으로서,
   전기적 파형 발생기를 포함하는 익사이터(excitor); 및
   공진 회로를 포함하는 리액터(reactor)를 포함하며;
   상기 공진 회로는 복수의 반응성 컴포넌트들 및 복수의 라이팅 엘리먼트들을 포함하며;
   상기 익사이터는 상기 공진 회로를 구동하도록 동작가능하며;
   상기 전기적 파형 발생기는 약 50 kHz 내지 약 100 MHz의 주파수에서 AC 파형을 발생시키도록 동작가능하며;
   상기 복수의 반응성 컴포넌트들의 제 1 서브세트는 상기 복수의 라이팅 엘리먼트들 중 제 1 라이팅 엘리먼트에서 파워를 결정하며, 상기 복수의 반응성 컴포넌트들의 제 2 서브세트는 상기 복수의 라이팅 엘리먼트들 중 제 2 라이팅 엘리먼트에서 파워를 결정하며; 그리고
   상기 공진 회로는 상기 익사이터에 의해 구동될 때 언더-댐핑되는(under-dampled), 라이팅 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 리액터는 공진 상태에 있으며;
   상기 복수의 반응성 컴포넌트들은 상기 리액터에 대한 전류 효용도 비(current utility ratio: CUR)를 결정하는 복수의 바이패스 컴포넌트들을 포함하며, 그리고
   상기 CUR은 약 30% 내지 약 95% 이며;
   상기 전류 효용도 비는 상기 라이팅 엘리먼트들을 통해 흐르는 전류 대 상기 익사이터에 의해 상기 리액터에 공급되는 전류의 비인, 라이팅 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 반응성 컴포넌트들은, 각 라이팅 엘리먼트 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍이 상기 CUR의 단조 함수인 개별적으로 조절된 전류를 갖도록 개별 라이팅 엘리먼트들 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍들 중에 전류 및 전압을 분배하는, 라이팅 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 반응성 컴포넌트들은, 각 라이팅 엘리먼트 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍이 상기 CUR의 단조 함수인 개별적으로 조절된 전압을 갖도록 개별 라이팅 엘리먼트들 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍들 중에 전류 및 전압을 분배하는, 라이팅 시스템.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 라이팅 엘리먼트들은 발광 다이오드들(LED들)을 포함하는, 라이팅 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 리액터는 상기 LED들 또는 스티어링(steering) 다이오드들 이외의(other than) 능동 반도체 엘리먼트들은 포함하지 않는, 라이팅 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 LED들은 다른 LED 또는 스티어링 다이오드와 쌍들로 접속되며, 각 쌍의 각 멤버의 캐소드는 상기 쌍의 다른 멤버의 애노드에 접속되는, 라이팅 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 반응성 컴포넌트들은, 각 라이팅 엘리먼트 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍이 상기 CUR의 단조 함수인 개별적으로 조절되는 순방향 바이어스 전압 및 역방향 바이어스 전압을 갖도록 개별 라이팅 엘리먼트들 또는 라이팅 엘리먼트들의 쌍들 중에 전류 및 전압을 분배하는, 라이팅 시스템.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 반응성 컴포넌트들은, 하나의 쌍에서의 하나의 LED가 실패할 때, 모든 다른 쌍들에서의 LED들에 제공되는 파워가 서비스가능하게 남아있도록 개별 라이팅 엘리먼트들 중에 전류를 분배하는, 라이팅 시스템.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응성 컴포넌트들은, 상기 리액터에서의 다른 라이팅 엘리먼트들의 서비스능력에 영향을 미치지 않고서 제로가 아닌 수의 라이팅 엘리먼트들이 추가 및 제거될 수 있도록 개별 라이팅 엘리먼트들 중에 전류를 분배하는, 라이팅 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    추가 및 제거될 수 있는 상기 제로가 아닌 수의 라이팅 엘리먼트들은 상기 CUR의 단조 함수인, 라이팅 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로는, 상기 전기적 파형 발생기의 스위칭 컴포넌트들이 제로-전압 스위칭으로 동작할 수 있는, 상기 AC 파형의 주파수보다 충분히 낮은 공진 주파수를 갖는, 라이팅 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 라이팅 엘리먼트들의 광 출력은 상기 공진 회로의 공진의 Q가 낮아지도록 상기 전기적 파형 발생기의 주파수를 증가시킴으로써 디밍될(dimmed) 수 있는, 라이팅 시스템.
14. 제 1 항에 있어서,
    복수의 리액터들을 더 포함하며;
    상기 복수의 리액터들의 각 리액터는 복수의 반응성 엘리먼트들 및 복수의 라이팅 엘리먼트들을 포함하는 공진 회로를 포함하며, 그리고
    상기 익사이터는 상기 복수의 리액터들의 리액터들 전부를 구동하도록 동작가능한, 라이팅 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 리액터들의 각 리액터에서의 라이팅 엘리먼트들의 광 출력은 상기 복수의 리액터들의 다른 리액터들에서의 상기 라이팅 엘리먼트들과 별개의 그룹으로서 디밍될 수 있는, 라이팅 시스템.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 리액터들 중 하나의 리액터는 상기 복수의 리액터들 중 다른 리액터에서의 라이팅 엘리먼트들과 다른 타입의 라이팅 엘리먼트들을 포함하는, 라이팅 시스템.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 리액터들 중 하나의 리액터는 상기 복수의 리액터들 중 다른 리액터에서의 라이팅 엘리먼트들의 수와 다른 수의 라이팅 엘리먼트들을 포함하는, 라이팅 시스템.
18. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 라이팅 엘리먼트들은 이미징 디스플레이 디바이스의 엘리먼트들을 포함하는, 라이팅 시스템.
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터는 약 2 m 내지 약 1000 m 사이의 거리만큼 상기 익사이터로부터 분리되며, 상기 리액터는 2선식 접속에 의해 상기 익사이터에 접속되는, 라이팅 시스템.
20. 복수의 라이팅 엘리먼트들을 구동하는 방법으로서,
    복수의 반응성 컴포넌트들을 포함하는 반응성 스트링에서 복수의 라이팅 엘리먼트들을 접속하는 단계; 및
    약 50 kHz 내지 약 100 MHz의 주파수에서 AC 파형으로 상기 반응성 스트링을 구동하는 단계를 포함하며;
    상기 AC 파형은 전기적 파형 발생기에 의해 발생되며;
    상기 복수의 반응성 컴포넌트들은, 각 라이팅 엘리먼트가 개별로 조절되는 전력을 갖도록 개별 라이팅 엘리먼트들 중에 전류를 분배하도록 동작가능하며; 그리고
    상기 반응성 스트링은 품질 팩터 Q를 갖는 공진을 가지는 언더-댐프된 공진 회로의 부분을 형성하는, 복수의 라이팅 엘리먼트들을 구동하는 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 반응성 스트링은 상기 AC 파형의 주파수보다 충분히 낮은 공진 주파수를 가지며, 상기 공진 회로는 상기 AC 파형에 대해 래깅 페이즈(lagging phase)를 가지며, 상기 전기적 파형 발생기의 스위칭 컴포넌트들은 제로-전압 스위칭으로 동작할 수 있으며; 그리고
    상기 방법은 상기 공진 회로의 공진의 Q가 낮아지거나 상승하도록 상기 래깅 페이즈의 페이즈 래그(phase lag)를 증가시킴으로써 상기 라이팅 엘리먼트들의 광 출력을 디밍하는 단계를 더 포함하는, 복수의 라이팅 엘리먼트들을 구동하는 방법.
22. 제 1 항의 리액터로서 동작가능한 라이팅 컴포넌트로서,
    상기 라이팅 컴포넌트는 복수의 셀들을 포함하고, 각 셀은 적어도 하나의 라이팅 엘리먼트, 직렬 반응성 엘리먼트 및 병렬 반응성 엘리먼트를 포함하는, 라이팅 컴포넌트.

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