KR101198408B1

KR101198408B1 - 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 ａｃ 직결형 ｌｅｄ 조명기기

Info

Publication number: KR101198408B1
Application number: KR1020100104362A
Authority: KR
Inventors: 김영환; 김민균
Original assignee: (주)로그인디지탈
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: KR20120043188A

Abstract

본 발명은 AC 직결형 LED 조명기기의 출력 리플 파형의 파고치(Depth)를 최소화시킴과 더불어, LED 어레이를 병렬 접속에 의한 복수의 LED 그룹으로 구분하여 동작되도록 함에 의해, AC 직결형 어레이 내에서 적어도 한그룹이상이 LED 전류의 선형적인 범위내에서 동작하게 함으로써, 플리커 현상을 최소화시키면서 광효율의 증대가 가능하도록 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 AC 전원에 전파 정류용 브릿지 다이오드와 정전류 제어기를 갖춘 AC 직결형 LED 조명 기기에 있어서, 복수의 LED가 접속된 LED 어레이를 적어도 2개 이상 AC 전원에 대해 접속하고, 각 LED 어레이를 LED의 개수에 따라 그룹 별로 구분하여 각 그룹에 대해 밸리필(Valley Fill) 장치로부터 선형성이 보상된 입력 전류를 인가받아 점등 동작하는 2개의 제1 및 제2LED 그룹과, 상기 브릿지 다이오드에 의해 전파 정류된 맥류 파형의 피크 전류를 충전 및 방전 동작에 의해 보상함에 의해, 전류의 파고치(Depth)를 조절하여 평균 전류(Average Current)를 상기 제1 및 제2LED 그룹에 인가하는 밸리필 장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 ＡＣ 직결형 ＬＥＤ 조명기기{AC Direct Connection Type LED Lighting Device Having Function of Flicker Reduction and Improving Light Efficiency}

본 발명은 AC 직결형 구동 LED 조명기기에서 발생하는 플리커(Flicker) 현상을 최소화함과 더불어, LED의 특성에 따른 AC 직결형에서의 광효율 저감을 방지할 수 있도록 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기에 관한 것이다.

일반적으로, LED 조명 기기는 일정한 전압을 바탕으로 공급되는 전류를 변화시켜 밝기를 조정하거나, 전류를 센싱하여 일정 전류를 흐르도록 하는 전류제어방식을 이용함에 의해, LED의 밝기 조절이 가능하도록 이루어져 있어서 주요한 조명기기로서 널리 이용되고 있다.

통상, LED 조명기기는 SMPS(AC/DC Coverter)를 이용한 DC 출력전원을 이용하는 DC 전원 이용 방식과, AC 전원을 직접 입력하여 고주파 스위칭 내지는 맥류를 직접 사용하는 AC 직결형 방식으로 크게 구분할 수 있는 바, 최근에는 LED 조명기기의 요구사항중에 무게 및 공간 제약에 대한 개선 요구가 많아짐에 따라, 중량이 무겁고 공간을 다소 차지하는 SMPS를 이용한 DC 전원 방식 보다는 AC 직결형 방식을 선호하고 있는 추세이다.

이러한 시장상황에 의거하여 AC 직결형 조명기기의 사용범위가 넓어지게 됨에 따라 크게 두가지의 문제가 대두되고 있는데, 첫번째로는 AC 전원의 사용에 따라 플리커 현상이 발생할 수 밖에 없다는 것이고, 두번째로는 DC LED가 전류대 광도, 전압대 광도에 따른 자체 특성으로 인해 근본적으로 발생되는 광효율 저하의 문제가 있다.

특히, AC 직결형 LED 조명기기에서 가장 큰 문제가 되고 있는 것은 플리커의 발생 문제인데, 이러한 플리커 현상은 AC 전원의 주기적인 전류변화에 의한 밝기변화에 의해 유발되는 것으로서 사람의 눈에 24 Hz 이상의 경우는 착시현상으로 인해 구분이 힘드나, 카메라와 같은 기기의 경우, 초당 24 frame정도로 화면을 중첩형태로 디스플레이되면서, 이러한 전류변화에 따른 음영영역이 줄무늬 형태로 나타나는 현상을 말한다.

이러한 플리커 현상은 거리에 반비례하여 그 레벨이 현저하게 줄어들수 있는 것으로, 보통 일반 조명으로 사용하는 경우 사용자들이 육안으로 두드러지게 느끼지는 못하지만, 플리커 현상이 발생되는 조명 기기를 사용자가 장시간 사용하게 되는 경우에는 눈의 피로감을 느끼게 될 뿐만 아니라, 플리커에 의해 노출되는 주변의 실내 상태에 의해 사용자의 심리 상태에도 안 좋은 영향을 끼칠 가능성이 있다.

한편, 도 1a 내지 도 1d는 종래의 일반적인 AC 직결형 조명 기기에 대한 회로 구성도를 나타낸 것이다.

도 1a에 도시된 종래 AC 직결형 조명 기기는 AC 전원에 복수의 LED가 직렬 접속되어 있고, 그 복수의 LED와 AC 전원 사이에 저항(R1)이 직렬 접속되어 있도록 구성되어 있어서, 상기 저항(R1)을 통해 전류 제어가 이루어지도록 되어 있다.

도 1b에 도시된 종래 AC 직결형 조명 기기는 복수의 LED가 정방향으로 직렬 접속되어 배열된 LED 어레이와, 복수의 LED가 역방향으로 직렬 접속되어 배열된 LED 어레이가 AC 전원에 병렬 접속되고, 그 병렬 접속된 LED 어레이와 AC 전원 사이에 저항(R2)가 직렬 접속되어 있도록 구성되어 있다.

도 1c에 도시된 종래 AC 직결형 조명 기기는 AC 전원과 복수의 LED 사이에 브릿지 다이오드(BD)가 접속되어 있고, 그 복수의 LED와 AC 전원 사이에 저항(R3)이 직렬 접속되어 있어서, 브릿지 다이오드(BD)를 거쳐서 전파 정류된 맥류 전압을 이용하여 각 LED가 점등되도록 구성되어 있다.

도 1d에 도시된 종래 AC 직결형 조명 기기는 AC 전원에 복수의 LED가 직렬 접속되어 있고, 그 복수의 LED와 AC 전원 사이에 정전류원이 접속되어 있어서, 정전류원을 통해서 정전류 제어가 이루어질 수 있도록 구성되어 있다.

한편, 도 2는 도 1a 내지 도 1d의 AC 직결형 조명기기에 있어서 전파정류된 전압 파형 및 그에 따른 전류 파형을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전류 파형은 전압 파형에 따라서 일정전압 이후와 피크(Peak) 전류 범위내에서 동작을 하게 되는데, 이는 전체 평균/피크(Average/Peak) 파형과 비교할 때 약 1.8 배 정도의 전류 레인지(Current Range)를 사용하며 동작하는 구조로 되어 있다.

또한, 도 3은 통상의 LED에 대한 출력 파형 특성 및 그에 따른 플리커 현상을 실측한 것을 나타낸 도면이다.

즉, AC 직결형의 경우에는 SMPS와 같은 DC 평균 전류(Average Current)를 사용하는 DC형 조명기기과 비교할 때 같은 전력을 사용하지만, 피크 전류 영역에서 LED 발광 특성이 포화됨으로 인해, 실제 사용 전류에 비해 광효율이 양호하지 않다는 문제를 가지게 되고, 이러한 발광 특성을 갖는 LED를 AC 직결형 조명기기로서 적용하는 경우에는 플리커 현상이 극심하게 발생될 수 밖에 없는 것이다.

또한, 두번째 문제점으로 제기할 수 있는 것은 DC LED가 전류대 광도, 전압대 광도에 따른 자체 특성으로 인해 근본적으로 발생되는 광효율 저하인데, DC LED가 가지고 있는 전류대 광도, 전압대 광도 특성이 공칭 레벨(Nominal level) 또는 그 이하에서는 선형성을 가지고 있지만, 그 이상의 레벨이 되면 선형성을 가지지 못하고 포화되는 특성을 가지고 있다는 점이다.

도 4a 내지 도 4c는 소정의 LED 제조사 별로 제조된 LED의 전력대 발광 효율을 비교한 그래프 도면이다.

도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, DC LED의 자체 특성에 따른 광효율 저하 특성은 주기적으로 평균치와 피크 전류를 반복해야 하는 AC 직결형에서 더욱 두드러지게 나타나게 되어, 각 LED 제조사 별로 동일한 파워효율을 가지고 있음에도 불구하고 광효율 면에서는 제조업체별로 차이는 있지만 많게는 20% 적게는 10%정도의 광효율 손실을 가질수 밖에 없다는 문제점이 발생된다.

이에, DC LED의 자체 특성에 따른 광효율 저하를 최소화할 수 있으면서 AC 직결형 조명 기기가 안고 있는 플리커 현상을 최소화할 수 있도록 하는 획기적인 방안이 절실히 요구되는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 AC 직결형 LED 조명기기의 출력 리플 파형의 파고치(Depth)를 최소화시킴과 더불어, LED 어레이를 병렬 접속에 의한 복수의 LED 그룹으로 구분하여 동작되도록 함에 의해, AC 직결형 어레이 내에서 적어도 한그룹이상이 LED 전류의 선형적인 범위내에서 동작하게 함으로써, 플리커 현상을 최소화시키면서 광효율의 증대가 가능하도록 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, AC 전원에 전파 정류용 브릿지 다이오드와 정전류 제어기를 갖춘 AC 직결형 LED 조명 기기에 있어서, 복수의 LED가 접속된 LED 어레이를 적어도 2개 이상 AC 전원에 대해 접속하고, 각 LED 어레이를 LED의 개수에 따라 그룹 별로 구분하여 각 그룹에 대해 밸리필(Valley Fill) 장치로부터 선형성이 보상된 입력 전류를 인가받아 점등 동작하는 2개의 제1 및 제2LED 그룹과, 상기 브릿지 다이오드에 의해 전파 정류된 맥류 파형의 피크 전류를 충전 및 방전 동작에 의해 보상함에 의해, 전류의 파고치(Depth)를 조절하여 평균 전류(Average Current)를 상기 제1 및 제2LED 그룹에 인가하는 밸리필 장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기를 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, AC 직결형 LED 조명기기에서 밸리필의 추가에 의한 회로 보완 및 LED 어레이의 병렬 접속에 의한 복수 그룹의 구분과, 그에 대한 스위칭 기술을 접목하여, 밸리필을 이용한 전파정류 파형의 파고치 조절과, 복수의 병렬 접속 그룹으로 이루어진 LED를 각 그룹별로 구분적으로 운용할 수 있도록 함에 따라, AC 직결형이 가지고 있는 플리커 현상을 최소화 및 완화하는 것이 가능하고, LED의 자체 특성에 의해 저하될 수 있는 광효율을 오히려 증대시킬수 있다는 효과를 갖게 된다.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 일반적인 AC 직결형 조명 기기에 대한 회로 구성도를 나타낸 도면,
도 2는 도 2는 도 1a 내지 도 1d의 AC 직결형 조명기기에 있어서 전파정류된 전압 파형 및 그에 따른 전류 파형을 나타낸 도면,
도 3은 통상의 LED에 대한 출력 파형 특성 및 그에 따른 플리커 현상을 실측한 것을 나타낸 도면,
도 4a 내지 도 4c는 소정의 LED 제조사 별로 제조된 LED의 전력대 발광 효율을 비교한 그래프 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 적용되는 밸리필(Vallaey Fill) 장치의 구체적인 회로 구성의 일예를 나타낸 도면,
도 9는 도 8의 밸리필 장치에서 나타나는 출력전압 파형을 예시적으로 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복수 LED 그룹의 각 그룹별 전류 파형을 나타낸 도면,
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 LED 그룹이 제1 및 제2 그룹으로 구분된 경우, 제1그룹과 제2그룹에서 각각 나타나는 LED의 실측 파형 및 플리커 상태를 예시한 도면이다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 각 실시예 별로 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따르면, AC 전원과, 브릿지 다이오드(10), 밸리필(Valley Fill) 장치(20), 제1LED 그룹(Group1), 제2LED 그룹(Group2), 상기 제2LED 그룹(Group2) 내의 레벨 디텍터(Inv)와 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부, 정전류원(30)으로 구성된다.

상기 브릿지 다이오드(10)는 AC 전원과 상기 밸리필 장치(20)의 사이에 직렬 접속되어 있는 것으로서, AC 전원으로부터 입력되는 60Hz의 사인파를 전파 정류하여 120Hz의 맥류파형으로 변환한다.

상기 밸리필 장치(20)는 상기 브릿지 다이오드(10)와 상기 제1LED 그룹(Group1)의 사이에 직렬 접속되어 있는 것으로서, 전류의 충전 및 방전 동작을 통해서 상기 브릿지 다이오드(10)를 통해 전파정류된 120Hz의 맥류 파형중에서 주기적으로 발생하는 제로 크로싱(Zero Crossing) 부분의 첨두 전류에 대한 파고치(Depth)를 조절하여 공급함에 의해, 입력 전류의 보상 처리를 진행하여 DC 평균 전류(Average Current)에 근접하는 전류를 출력한다.

즉, 상기 밸리필 장치(20)는 AC 직결형 구조에서 평균 전류(Average Current) 와 피크 전류(Peak Current) 간의 비율이 최소화될 수 있도록 조절함으로써, 각 LED 전류가 LED 선형성을 가진 레인지(Nominal DC Average current)에서 운용될 수 있도록 하여 LED의 자체 특성에 의한 발광효율 저하를 최소화 시키고자 하는 것이다.

상기 제1LED 그룹(Group1)과 상기 제2LED 그룹(Group2)은 복수의 LED가 직렬 접속되어 있는 LED 어레이를 적어도 2개 이상(본 발명의 제1실시예에서는 2개의 LED 어레이가 적용됨) 구비하고, 각 LED 어레이를 상기 AC 전원에 대하여 각각 병렬 접속한 상태에서, 각 LED 어레이를 구성하는 복수의 LED의 개수가 각각 동일한 수로 구분할 수 있는 부분의 노드(즉, 하나의 LED 어레이에 10개의 LED가 연결된 경우 5개씩 동일하게 구분되는 노드)를 서로 병렬 접속함에 의해 형성할 수 있다.

즉, 상기 병렬 접속된 노드 부분의 상위측에 해당하는 LED 어레이(LED 1-1)(LED 1-2)를 제1LED 그룹(Group1)으로 구분하고, 하위측에 해당하는 LED 어레이(LED 2)를 제2LED 그룹(Group2)으로 구분하게 된다.

한편, 상기 제2어레이 그룹(Group2) 내에서 어느 하나의 LED 어레이 부분은 LED가 연결되어 있지 않고, 레벨 디텍터(Inv)와 제어 스위치(SW)로 구성된 스위칭 제어부를 갖추고 있다.

상기 레벨 디텍터(Inv)는 상기 제1LED 그룹(Group1)과 상기 제2LED 그룹(Group2)의 병렬 접속단에 접속되어 각 LED 그룹(Group1,2)에 공급되는 전류의 레벨에 따른 출력 신호를 발생하고, 상기 제어 스위치(SW)는 상기 제2LED 그룹(Group2)의 적어도 하나의 어레이 사이에 접속되어 있고, 스위칭 트랜지스터 등의 스위칭 회로로 구성되어 상기 레벨 디텍터(Inv)의 출력 신호에 의해 제어되어 스위칭 온/오프 동작을 수행함에 의해 입력 전류가 선형성 범위 내에서 동작할 수 있도록 하여 발광 효율의 감쇄를 방지하도록 한다.

즉, 상기 제어 스위치(SW)는 통상 스위칭 온 상태가 되어 제1LED 그룹(Groip1)의 LED가 턴온되도록 하고, 상기 레벨 디텍터(Inv)에 의해 특정 레벨로 전압이 도달하는 상태가 검출되면 자동 스위칭 오프되어 제1LED 그룹과 제2LED 그룹의 전류 경로로 연결될 수 있도록 하게 되는 것이다.

상기 제1LED 그룹(Group1)에 포함되어 있는 각 LED 어레이(LED 1-1, LED1-2)는 상기 밸리필 장치(20)로부터의 피크 전류 보상과, 상기 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부에 의한 입력전류 레벨에 따른 스위칭 제어를 통해, DC 평균 전류에 가까운 전류를 인가받아 점등 동작함에 의해 AC 전원에 의한 플리커 현상이 거의 발생하지 않게 된다.

그 반면, 상기 제2LED 그룹(Group2)에 포함되어 있는 LED 어레이(LED 2)는 상기 제1LED 그룹(Group1)을 통과한 전류의 일부가 포함된 피크 전류가 흐르게 됨에 의해, AC 직결형에서 볼 수 있는 맥류파형의 파고치(Depth)에 상응하는 플리커 현상이 나타날 수 있다.

상기 정전류원(30)은 상기 제2LED 그룹(Group2)와 상기 AC 전원의 사이에 접속되어 있는 것으로서, 상기 제2LED 그룹(Group2)에 흐르는 전류를 정전류로 제어하는 역할을 수행한다.

다음에, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면으로서, 도 5에 도시된 본 발명의 제1실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하면서 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에서는 AC 전원과, 브릿지 다이오드(10), 밸리필(Valley Fill) 장치(20), 제1LED 그룹(Group1), 제2LED 그룹(Group2), 레벨 디텍터(Inv)와 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부, 정전류원(30)로 구성된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 제1LED 그룹(Group1)과 제2LED 그룹(Group2)은,복수의 LED가 정방향으로 직렬 접속되어 배열된 정방향 LED 어레이와, 복수의 LED가 역방향으로 직렬 접속되어 배열된 역방향 LED 어레이가 AC 전원에 대해 병렬 접속되어 있는 병렬 접속 방식의 양방향 결합형 AC LED 어레이를 적어도 2개 이상(본 발명의 제1실시예에서는 2개의 AC LED 어레이를 예시함) 구비하고, AC 전원에 대해 상기 복수의 양방향 결합형 AC LED 어레이를 서로 병렬 접속하되, 각 LED 어레이를 구성하는 복수의 LED의 개수가 각각 동일한 수로 구분할 수 있는 부분의 노드를 서로 접속함에 의해, 그 접속된 노드를 경계로 하여 상위측에 제1LED 그룹(Group1)의 LED 어레이(AC LED 1-1, AC LED 1-2)와, 하위측에 제2LED 그룹(Group2)의 LED 어레이(AC LED 2)가 구분적으로 형성될 수 있다.

상기 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부는 상기 제2LED 그룹(Group2)에서 어느 하나의 양방향 결합형 AC LED 어레이 측에 접속되어 입력 전류의 전류 레벨 변화에 따른 스위칭 제어를 수행하여 입력 전류가 선형성 범위 내에서 동작할 수 있도록 한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 제1LED 그룹(Group1)은 제1실시예와 마찬가지로, 상기 제1LED 그룹(Group1)에 포함되어 있는 각 LED 어레이(AC LED 1-1, AC LED 1-2)는 상기 밸리필 장치(20)로부터의 피크 전류 보상과, 상기 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부에 의한 입력전류 레벨에 따른 스위칭 제어를 통해, DC 평균 전류에 가까운 전류를 인가받아 점등 동작함에 의해 AC 전원에 의한 플리커 현상이 거의 발생하지 않게 된다.

한편, 상기 제2LED 그룹(Group2)에 포함되어 있는 LED 어레이(AC LED 2)는 상기 제1LED 그룹(Group1)을 통과한 전류의 일부가 포함된 피크 전류가 흐르게 됨에 의해, AC 직결형에서 볼 수 있는 맥류파형의 파고치(Depth)에 상응하는 플리커 현상이 나타날 수 있다.

다음에, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기의 회로 구성을 나타낸 도면으로서, 도 5에 도시된 본 발명의 제1실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하면서 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에서는 AC 전원과, 브릿지 다이오드(10), 밸리필(Valley Fill) 장치(20), 제1LED 그룹(Group1), 제2LED 그룹(Group2), 상기 제2LED 그룹(Group2) 내의 레벨 디텍터(Inv)와 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부, 저항(R2)로 구성되어 있고, 본 발명의 제1실시예와는 달리 정전류원이 접속되어 있지 않은 구조를 갖는다.

여기서, 상기 저항(R2)은 상기 제2LED 그룹(Group2)의 각 LED 어레이와 접속되어 있는 것으로서, LED 어레이에 흐르는 전류를 정전류로 제어하는 역할을 수행한다.

한편, 본 발명의 제3실시예에서는 정전류 제어기로서 저항(R2)을 적용하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는 것으로서 정전류 제어 트랜지스터나, 정전류 제어용 커패시터 및 저항의 조합 구조, 트랜지스터 및 저항의 조합 구조 등과 같이 정전류의 제어를 수행할 수 있는 어떠한 정전류 제어기를 모두 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 제3실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로, 상기 제1LED 그룹(Group1)에 포함되어 있는 각 LED 어레이(LED 1-1, LED1-2)는 상기 밸리필 장치(20)로부터의 피크 전류 보상과, 상기 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부에 의한 입력전류 레벨에 따른 스위칭 제어를 통해, DC 평균 전류에 가까운 전류를 인가받아 점등 동작함에 의해 AC 전원에 의한 플리커 현상이 거의 발생하지 않게 된다.

또한, 상기 제2LED 그룹(Group2)에 포함되어 있는 LED 어레이(LED 2)는 상기 제1LED 그룹(Group1)을 통과한 전류의 일부가 포함된 피크 전류가 흐르게 됨에 의해, AC 직결형에서 볼 수 있는 맥류파형의 파고치(Depth)에 상응하는 플리커 현상이 나타날 수 있다.

다음에, 도 8은 본 발명의 제1 내지 제3실시예에 각각 적용된 밸리필 장치의 회로 구성에 대한 일예를 상세히 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 적용되는 밸리필 장치는 상기 브릿지 다이오드(BD)의 양 출력단 사이에 제1고체 커패시터(Solid Capacitor)(SC1) 및 제1 다이오드(D1)가 각각 직렬로 접속됨과 더불어, 상기 양 출력단 사이에 제3다이오드(D3) 및 제2고체 커패시터(SC2)가 각각 직렬로 접속되고, 상기 제1고체 커패시터(SC1) 및 상기 제1다이오드(D1)의 접속단과, 상기 제3다이오드(D3)와 상기 제2고체 커패시터(SC2)의 접속단 사이에는 제2다이오드(D2) 및 저항(R1)이 각각 접속되어 있다.

상기 제1 및 제2고체 커패시터(SC1,SC2)는 제1 내지 제3다이오드(D1,D2,D3)의 전류 레벨 변화에 따른 동작에 의해 전파 정류된 입력 전류의 충전 및 방전 동작을 수행함에 따라, 피크 전류와 평균 전류 간의 파고치(Depth)를 조절하여 피크 전류를 보상함으로써 DC 평균 전류에 가까운 전류가 제1LED 그룹(Group1)에 인가되도록 한다.

도 9는 도 8의 밸리필 장치에서 나타나는 출력전압 파형을 예시적으로 나타낸 도면으로서, 동 도면에서 알 수 있는 바와 같이 출력전압 파형은 사용된 커패시터의 용량에 따라 바뀌기 때문에, 사용전압 및 사용용도에 따라 그 값을 선택할 수 있도록 되어 있다.

이렇게 함으로써 실질적으로 사용되는 피크 전류와 평균 전류간의 비율을 최소화 하고, 평균 전류치를 높임으로써 발광효율 개선은 물론, 플리커를 저감시키는 효과를 거둘수 있는 바, 상기 밸리필 장치(30)의 적용 이전에 비해서 적용 이후에 대한 플리커 개선(즉, 플리커 저감)효과는 약 100% 에서 40% 까지 저감시킬수 있으며, LED의 발광효율이 최대 20% 손실을 가질 경우 최대 100% 효율개선이 되어 약 10% 까지 발광효율 손실을 줄일 수 있다.

또한, 상기 밸리필 장치(30)에는 기존 전해 커패시터의 사용에 의해 발생되는 열특성에 의한 사용수명 제한 및 사이즈 문제를 해결하기 위해, 고체 커패시터로 대치함으로써 사용수명을 연장하고, 사이즈 저감 및 열특성에 영향을 적게 받도록 한다.

한편, 본 발명에 적용된 밸리필 장치(30)는 도 8에 예시된 바와 같은 회로 소자 및 접속 구조를 갖고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는 것으로서, 현재 다양하게 구성되어 적용되는 어떠한 구조의 밸리필 장치도 얼마든지 적용이 가능한 바, 단지 밸리필 장치를 구성하는 커패시터는 고체 커패시터를 필수적으로 적용할 수 있도록 한다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복수 LED 그룹의 각 그룹별 전류 파형을 나타낸 도면이고, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 LED 그룹이 제1 및 제2 그룹으로 구분된 경우, 제1그룹과 제2그룹에서 각각 나타나는 LED의 실측 파형 및 플리커 상태를 예시한 도면이다.

즉, 도 10과 도 11a,도 11b에 도시된 바와 같이, AC 전원에 대해 복수의 LED 어레이를 구비하되, 복수의 LED 어레이를 동일한 개수로 구분할 수 있는 중간 노드를 병렬 접속하여 그 병렬 접속 구간을 경계로 2개의 LED 그룹을 형성함으로써, 실질적으로 각 LED 그룹의 전류가 분류되어 제1LED 그룹에서는 선형 범위내에서 동작될 수 있도록 하여, 발광효율 감쇄가 없도록 할 수 있다.

도 5와 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 본 발명의 제1 내지 제3실시예에서는 제2LED그룹(Group2) 측의 어느 하나의 LED 어레이 부분에 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)가 구성되고, LED가 접속되어 있지 않은 형태로서, 제1LED 그룹(Group1) 내에 포함된 LED의 개수가 상기 제2LED 그룹(Group2) 내에 포함된 LED의 개수보다 최대 2배의 개수 차이를 나타내게 된다. 그에 따라, 선형성의 전류를 이용하는 제1LED 그룹(Group1)의 LED 개수가 더 많아지기 때문에, 플리커 현상의 저감 능력이 배가될 수 있고, 발광효율도 증대가 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 제1 내지 제3실시예에서는 2개의 제1 및 제2LED 그룹을 형성하기 위해, 각각 복수개로서 2개의 LED 어레이가 적용될 수 있도록 되어 있지만, LED 어레이를 적어도 3개 이상 적용하는 것이 얼마든지 가능하며, 레벨 디텍터(Inv) 및 제어 스위치(SW)로 이루어진 스위칭 제어부를 단일 개로 구성하고 있지만, 이에 한정되지 않고 LED 어레이의 증가적 배치에 상응하여 적어도 2개 이상 구성하는 것도 얼마든지 가능하다.

여기서, LED 어레이 개수를 증가 조절하는 것은 각 반주기별 전력을 동일하게 하기 위한 위상이 45도 일 경우이며(양쪽으로 90도), 이는 곧 0.707배로 LED 개수를 RMS 전압만큼 구성이 되어 있을 때, 매 반주기별로 동일한 밝기를 제어할 수 있다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10:브릿지 다이오드, 20:밸리필 장치,
30:정전류원, Group1,Group2:LED 그룹,
R1,R2:저항, Inv:레벨 디텍터,
SW:제어 스위치, SC1,SC2: 고체 커패시터,
D1,D2,D3:다이오드.

Claims

AC 전원에 전파 정류용 브릿지 다이오드와 정전류 제어기를 갖춘 AC 직결형 LED 조명 기기에 있어서,
복수의 LED가 접속된 LED 어레이를 적어도 2개 이상 AC 전원에 대해 접속하고, 각 LED 어레이를 LED의 개수에 따라 그룹 별로 구분하여 각 그룹에 대해 밸리필(Valley Fill) 장치로부터 선형성이 보상된 입력 전류를 인가받아 점등 동작하는 2개의 제1 및 제2LED 그룹; 및
상기 브릿지 다이오드에 의해 전파 정류된 맥류 파형의 피크 전류를 충전 및 방전 동작에 의해 보상함에 의해, 전류의 파고치(Depth)를 조절하여 평균 전류(Average Current)를 상기 제1 및 제2LED 그룹에 인가하는 밸리필 장치;
를 포함하며,
상기 제2LED 그룹 내의 어느 하나의 LED 어레이 부분에 LED가 연결되어 있지 않고, 입력 전류의 전류 레벨 변화에 따라 상기 제1LED 그룹 및 상기 제2LED 그룹의 전류 경로를 연결하는 스위칭을 수행하여 입력 전류가 선형성 범위 내에서 동작할 수 있도록 하는 스위칭 제어부가 접속되고, 상기 스위칭 제어부는,
상기 제1LED 그룹과 상기 제2LED 그룹의 병렬 접속단에 접속되어 각 LED 그룹에 공급되는 전류의 레벨 변화에 따른 출력 신호를 발생하는 레벨 디텍터와, 상기 제2LED 그룹의 어느 하나의 어레이 사이에 접속되어 상기 레벨 디텍터의 출력 신호에 의해 스위칭 제어를 수행하여 입력 전류가 선형성 범위 내에서 동작할 수 있도록 하는 제어 스위치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2LED 그룹은, 복수의 LED가 직렬 접속되어 있는 적어도 2개 이상의 LED 어레이가 상기 AC 전원에 대하여 각각 병렬 접속한 상태에서, 각 LED 어레이를 구성하는 복수의 LED의 개수가 각각 동일한 수로 구분할 수 있는 부분의 노드를 서로 병렬 접속하고, 상기 병렬 접속된 노드의 상위측 LED 어레이를 제1LED 그룹으로 구분하고, 하위측의 LED 어레이를 제2LED 그룹으로 구분하도록 된 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2LED 그룹은, 복수 LED의 정방향 접속 LED 어레이와 역방향 접속 LED 어레이를 갖춘 양방향 결합형 AC LED 어레이를 적어도 2개 이상 구비하여 서로 병렬 접속하되, 각 AC LED 어레이를 구성하는 복수의 LED의 개수가 각각 동일한 수로 구분할 수 있는 부분의 노드를 서로 접속함에 의해, 그 접속된 노드를 경계로 하여 상위측에 제1LED 그룹의 AC LED 어레이와, 하위측에 제2LED 그룹의 AC LED 어레이가 구분적으로 형성될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기.
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제 1 항에 있어서,
상기 밸리필 장치는 상기 브릿지 다이오드의 양 출력단 사이에 제1 커패시터 및 제1다이오드가 각각 직렬로 접속되고, 상기 양 출력단 사이에 제3다이오드 및 제2 커패시터가 각각 직렬로 접속되며, 상기 제1 커패시터 및 상기 제1다이오드의 접속단과, 상기 제3다이오드와 상기 제2 커패시터의 접속단 사이에 제2다이오드 및 저항이 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 및 제2커패시터는 고체 커패시터(Solid Capacitor)로 이루어진 것을 특징으로 하는 플리커 저감 및 광효율 개선 기능을 갖춘 AC 직결형 LED 조명기기.