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문제 정의
- 본 연구는 LED 광원을 사용한 센서 등기구 개발 시 LED 조명의 단점인 시각적 불쾌감을 줄이며 에너지도 절감 할 수 있는 명.암순응 제어 기능의 점, 소등 제어 알고리즘을 개발하였고 알고리즘을 구현할 수 있는 제어회로 개발을 하여 기존 센서 등기구보다 27.
제안 방법
- 15초)보다 긴 시간을 갖도록 하여 점등에 따른 시각적 자극을 최소화 한다. Awle 사람의 시각으로 밝기 변화를 인지하지 못하는 구간으로 80 [%]에서 100 [%]까지 10초의 시간을 두고 증가하도록 하였다. Aw2 는 시각으로 밝기 감소 변화를 인지하지 못하는 구간으로 100 [%]에서 80 [%]까지 10초의 시간을 두고 점차적으로감소하도록 제어하였다.
- LED를 이용한 센서 등기구개발에 있어 KS C 7657에서 정한 광학적 특성 기준[3]을 만족하면서 시각적 기능과 에너지 절감효과를 나타낼 수 있는 센서 등기구를 설계한다. 기존 백열램프 센서 등기구에서 구현할 수 없는 시각적 기능개선을 위해 LED 센서 등기구는 시각적 불쾌감을 줄이며 동시에 에너지를 절감할 수 있는 제어회로를 설계한다.
- 제어가 가능하도록 하였다. 각 구간은 As(LED 점등구간), Awl(밝기 증가 동작구간), Aw2(밝기 감소 동작 구간), Adi(에너지 절감 및 인체감지 시작 구간-1), Ad2(에너지 절감 및 인체감지 시작 구간 2)로 각 구간의 광속과 시간 제어가 가능토록 한다. 그림 8은 이상적 알고리즘 시간대가 적용된 LED 센서 등기구의 동작모드를 나타내고 있다.
- 기존 백열램프 센서 등기구에서 구현할 수 없는 시각적 기능개선을 위해 LED 센서 등기구는 시각적 불쾌감을 줄이며 동시에 에너지를 절감할 수 있는 제어회로를 설계한다. 이를 구현하기 위해 명순응에 대응하기 위한 센서 등기구 시간 조절이 필요하고 암순응을 유도하기 위한 광속과 시간 제어를 통해 시각적 불쾌감 저감과 에너지 소비가 절감될 수 있는 제어 알고리즘을 구현한다.
- 이를 구현하기 위해 명순응에 대응하기 위한 센서 등기구 시간 조절이 필요하고 암순응을 유도하기 위한 광속과 시간 제어를 통해 시각적 불쾌감 저감과 에너지 소비가 절감될 수 있는 제어 알고리즘을 구현한다. 또한 기존 백열램프 센서 등기 구는 아크릴계열의 커버를 사용하여 빛을 확산시키지만 LED 센서 등기구에서는 LED 특성에 적합한 렌즈 형상 설계를 통하여 색불균일 개선과 조명환경에 적합한 배광분포를 갖는 LED 센서 등기구를 제시한다.
- 이때 프로그램 내부에서 User Interface로 설정한 CDS 조도값과 PIR 감도 설정값을 비교하여 설정 이상의 값이 A/D 변환 포트에 입력되면 마이크로컨트롤러에서는 입출력포트를 통해 TRIAGE 구동하여 LED 모듈에 전원을 공급하게 되며 LED 모듈에 안정된 구동전원을 공급 받을 수 있도록 일정 시간 동안 대기한 후 마이크로컨트롤러에서 LED 모듈에 공급되는 PWM신호를 FET로 전달하여 LED 모듈에 전원을 스위칭하도록 설계하였다.
- 기존 백열램프 센서 등기구에서 구현할 수 없는 시각적 기능개선을 위해 LED 센서 등기구는 시각적 불쾌감을 줄이며 동시에 에너지를 절감할 수 있는 제어회로를 설계한다. 이를 구현하기 위해 명순응에 대응하기 위한 센서 등기구 시간 조절이 필요하고 암순응을 유도하기 위한 광속과 시간 제어를 통해 시각적 불쾌감 저감과 에너지 소비가 절감될 수 있는 제어 알고리즘을 구현한다. 또한 기존 백열램프 센서 등기 구는 아크릴계열의 커버를 사용하여 빛을 확산시키지만 LED 센서 등기구에서는 LED 특성에 적합한 렌즈 형상 설계를 통하여 색불균일 개선과 조명환경에 적합한 배광분포를 갖는 LED 센서 등기구를 제시한다.
- 주변 조명환경에 따라 센서 등기구의 동작 여부를 결정하는 주광센서(CdS)는 주변 조도가 일정값 이하에서만 동작하도록 하여 불필요한 점등을 억제 시킨다. 인체 감지를 위한 적외선센서(PIR)는 인체에서 발산되는 아날로그 형태의 적외선을 감지하여 A/D컨버터로 분석처리 하도록 하였다.
- 제어 알고리즘에서는 LED 모듈을 구동할 때 특정 기능과 사용 목적에 따라서 5단계의 제어 구간으로 구분하여 효율적인 제어가 가능하도록 하였다. 각 구간은 As(LED 점등구간), Awl(밝기 증가 동작구간), Aw2(밝기 감소 동작 구간), Adi(에너지 절감 및 인체감지 시작 구간-1), Ad2(에너지 절감 및 인체감지 시작 구간 2)로 각 구간의 광속과 시간 제어가 가능토록 한다.
- 제어회로는 인체신호감지 및 조도감지를 지속적으로 유지하여야 하기 때문에 별도의 독립전원을 필요로 하게 되는데 본 연구에서는 용량이 적고 DC전원을 가장 간단하게 구현할 수 있는 전원방식을 채용하였으며 LED 모듈에 전원을 공급하는 전원회로와 독립적으로 동작하도록 그림 6과 같이 설계하였다.
- 주광감응 제어기능과 duty값 조절에 따른 제어 알고리즘을 구현하기 위하여 마이크로컨트롤러의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation : PWM) 기능을 사용하였고 이는 전류의 실효 값을 제어하는 방식으로 duty값에 따라 다양한 LED 제어를 가능케 한다. LED 센서 등기구의 제어회로 내부 회로 블록 도를 그림 5에 나타낸다.
이론/모형
- 현상을 줄일 수 있다. 렌즈 설계모형은 LightTooE 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 이를 통해 렌즈 곡률반경 및 렌즈 형상을 도출하였다.
- 측정은 배광 측정 장비인 Neolight 3000을 이용하여 실시하였다.
성능/효과
- 8 [%]의 에너지절감효과를 보았다. 또한 LED 센서 등기구의 조명환경에 적합한 렌즈 설계를 통하여 색불균일 및 눈부심을 개선하고 약 85.93 [%] 조명기구 효율을 갖는 렌즈 설계를 통하여 기존 백열 램프를 사용하는 센서 등기구를 시각적 기능과 에너지 절감이 향상된 LED 센서 등기구로 대체할 수 있는 센서 등기구를 제안하였다.
- 또한 렌즈가 있을 경우 색온도에는 변화가 거의 없었으나 연색지수는 754게서 76.6으로 1.2 [%] 상승되는 것을 확인하였디..
- 8 [%]의 추가 에너지 절감을 확보할 수 있었다. 또한 제안된 LED 센서 등기구는 사용자 요구에 따라 각 구간별 시간 설정변경이 가능하기 때문에 설치 환경 조건을 고려한 최적의 시각적 기능과 에너지 절감을 구현할 수 있다.
- 오프기능만을 구현하기 때문에 제어회로 설계가 복잡하지 않았으나 LED 센서 등기구에서는 인체감지 및 주광 감응 센서와 사용자 환경에 따른 설정 등 많은 기능을 운용하고 통제할 수 있는 제어 시스템이 필요하므로 One-chip 마이크로컨트롤러를 사용한 설계가 필요하다. 본 회로에서 사용된 마이크로컨트롤러는 AVR 계열의 ATmega48 Chip으로 고성능, 저전력에 8비트형 CPU이며 A/D 포트를 8채널까지 지원함으로써 조도센서의 구동 설정값이나 인체감지 민감도를 사용자가 설정할 수 있어 제어 알고리즘 구현을 가능하게 하였다. 주변 조명환경에 따라 센서 등기구의 동작 여부를 결정하는 주광센서(CdS)는 주변 조도가 일정값 이하에서만 동작하도록 하여 불필요한 점등을 억제 시킨다.
- . 설계된 LED 센서 등기구는 KS C 7657에서 정한 광학적 특성 값인 연색성, 효율, 광속 기준값에 모두 적합하였다.
- 3에 나타낸다. 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있는 것처럼 렌즈를 적용하지 않았을 때보다 렌즈를 적용하였을경우 중앙부분의 상관색온도는 9000에서 5600 [K]로 낮아졌고 배광 양 끝부분은 3000에서 4500 [K]로 높아져 전체적 인색 불균일이 저감하는 것을 확인할 수 있었다.
- 있는 명.암순응 제어 기능의 점, 소등 제어 알고리즘을 개발하였고 알고리즘을 구현할 수 있는 제어회로 개발을 하여 기존 센서 등기구보다 27.8 [%]의 에너지절감효과를 보았다. 또한 LED 센서 등기구의 조명환경에 적합한 렌즈 설계를 통하여 색불균일 및 눈부심을 개선하고 약 85.
- 명.암순응 제어 알고리즘으로 센서 등기구의 LED 모듈 제어를 통하여 총 5구간별 에너지 절감률을 합산할 경우 기존 센서 등기구보다 27.8 [%]의 추가 에너지 절감을 확보할 수 있었다. 또한 제안된 LED 센서 등기구는 사용자 요구에 따라 각 구간별 시간 설정변경이 가능하기 때문에 설치 환경 조건을 고려한 최적의 시각적 기능과 에너지 절감을 구현할 수 있다.
- 적용 여부에 따른 광학적.전기적 특성은 표 1과 같이 센서 등기구에 렌즈가 없을 경우 총광속은 1020 [Im] 이측정되었고 렌즈를 적용하였을 경우는 총광속이 876 [Im] 이측정되어 조명기구 효율은 85.9 [%]로 렌즈 적용에 따른 조명기구 효율은 높게 측정되었다.
후속연구
- 시각적 기능개선을 구현하기 위해 LED 센서 등기 구가 개발되는데 LED를 사용하는 경우 빠른 응답속도와 색불균일도에 의하여 백열전구보다 시각적 불쾌감(Glare)을 증가 시킬 수 있으며 높은 단가로 인하여 LED를 광원으로 사용하는 센서 등기구는 다양한 제품형태 개발이 느리게 진행되고 있다[1]. 이를 개선하기 위하여 센서 등기구가 설치되는 조명환경에 적합한 배광분포와 색불균일도를 줄일 수 있는 렌즈 설계기술 확보가 필요하몌2] 또한 시각적 불쾌감과 전력사용량을 효과적으로 절감할 수 있는 LED 센서 등 기구 제어 동작 알고리즘에 대한 연구가 필요하다.
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