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문제 정의
- 하지만 이는 비용과 부피를 증가시켜서 LED응 이용한 조명시스템으로는 제약이 있는 방법이다. 본 연구는 전력소모가 적은 소형팬을 적용하여 충분한 조도와 온도를 유지하는 방법을 실험적으로 규명하고자 한다.
- 본 연구에서 또 다른 중요한 실험은 팬의 제어가 없을 때 계측 온도가 50℃ 되는 LED 시스템의 입력전력을 계측하는 것이다. Figure 5~Figure 9에서 각각의 실험에 대하여 팬이 소모하는 전력을 검출하였고, 50℃ 에서의 제어에 가장 적은 전력이 소모됨을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 수냉식 방열시스템과 히트 파이프 경우 성능이 다른 두 시스템에 비해 뛰어나지만 이러한 시스템 구성은 고가이고 장치의 규모가 큰 단점을 보안하기 위해 상대적으로 저렴한 능동형 방열 시스템인 팬과 작은 규모의 방열판를 이용한 LED의 방열 제어시스템에 대해 연구하였다. LED의 온도를 센서를 이용하여 실시간으로 피이드백 받아 팬의 풍량(팬모터의 전압)제어를 통하여 방열판에 유입되는 유량을 제어하는 LED 방열 제어 시스템에 대한 것이다.
제안 방법
- LED 온도 제어를 위해 Figure 2와 같은 온도 제어시스템을 구성하였다. LED 제어시스템은 LED, 방열판, 온도센서, 방열용 팬 및 원칩 마이크로프로세서로 구성되었고 온도제어 알고리즘은 PID제어 알고리즘을 충분히 튜닝하여 원칩 마이크로프로세서에 이식하여 온도제어를 수행하도록 구성하였다[6]. 온도제어에서 방열판과 팬의 선정은 입구 온도를 21도, 출구 온도를 28도를 목표로 선정하였다.
- LED시스템에서 방열판 부착은 알루미늄 PCB와 방열판사이에 열전달 효율을 높이기 위해서 열전달율이 높은 그리스를 사용하여 최대한 압착하여 부착하였다. 또한, LED 구동을 위한 입력 전원은 14V이고 팬구동을 위한 입력전원은 12V로 구성하였다.
- LED 온도 측정을 위해 SHT75을 사용하여 온도 센서를 구성하였다. LED에서 발생하는 열의 방출은 설치한 온도센서의 온도를 피드백 받는 원리로 입력 온도와 비교하여 이의 오차를 PID 제어 알고리즘에 따라 팬에 입력하는 방법을 적용하였다. 이때 팬의 입력전력은 PWM(pulse width modulation) 방식의 형태로 변환되고 이는 팬의 회전 속도를 변화 시킨다.
- LED온도 제어에 대한 실험은 LED의 설정 온도를 46℃부터 50℃까지 1℃씩 증가해가며 실험하여 LED온도를 확인하였고 각 설정 온도별 팬의 소비전력을 확인한 결과 다음과 같은 결론 다음과 같은 결론을 내렸다.
- 제어시스템에 사용된 온도 센서는 SHT-75이고 제어용 마이크로프로세서는 ATMEGA 128이다. LED와 알루미늄 PCB의 접합부의 온도를 온도센서(SHT-75)를 통해 측정하여 ATMEGA 128을 통하여 온도에 따른 PID제어로 팬의 드라이버를 구동하여 팬의 풍량을 제어하였다. LED는 구동전압이 독립변수이고 전류가 종속변수인 정압구동 소자이다.
- 그래프 Figure 5-9는 LED의 설정온도를 46~50℃까지 1℃ 씩 증가하며 실험한 결과이다. 각 실험 마다 입구 온도와 출구 온도를 측정하여 평균을 기록하였다. 설정온도에 따라 팬을 PID 제어를 통해 팬의 입력전류를 제어하여 LED의 설정온도를 유지하는 성능을 시험하였다.
- 궁극적으로 LED의 열 방출은 팬의 입력 전력을 제어함으로써 외부로 방출 한다. 또한 LED 구동 드라이브에 전류 센서를 내장하여 LED의 소모 전류의 측정 및 제한을 하였다. 온도 제어의 상태는 RS-232 통신을 통해 실시간으로 데이터를 전송 받았다.
- 또한, 팬을 사용하지 않고 LED의 방열을 방열판만을 이용한 실험을 하였다. 다양한 구동 전력을 가해 실험한 결과 LED 구동 전력을 6W로 하였을 때 50℃에서 열평형이 이루어짐을 확인하였다.
- 본 연구에서는 LED 방열시스템은 파워 LED의 열을 방열판과 팬을 통하여 방열하는 구조로 시스템 제어는 One-chip 마이크로프로세서를 사용하여 PID 제어를 하였다.
- 상기의 두 가지 실험을 바탕으로 시스템의 특성을 파악하였고, 이에 따라 LED 시스템의 온도를 원하는 온도로 제어하는 제어 시스템의 성능실험과 이때 팬의 소모 전력 대비 LED 소모 전력을 측정하여 비교하였다. 우선 온도제어는 팬의 풍량 제어를 통해 LED의 설정온도를 1℃씩 증가시키며 실험하였다.
- 각 실험 마다 입구 온도와 출구 온도를 측정하여 평균을 기록하였다. 설정온도에 따라 팬을 PID 제어를 통해 팬의 입력전류를 제어하여 LED의 설정온도를 유지하는 성능을 시험하였다.
- 시스템의 특성을 파악하기 위하여 팬을 최고 속도인 6000 RPM으로 구동한 실험과 팬을 구동 하지 않았을 때의 LED의 온도상태를 실험하였고 그 결과를 Figure 4 나타내었다. 실험시 주변온도는 상온 21도이다.
- 온도제어 범위는 팬을 최대속도(6000rpm)로 구동하였을 때 LED의 온도는 34.5℃ 에서 열평형을 이루었기 때문에 팬으로 제어 가능한 34.5℃부터 LED의 수명과 광효율을 고려한 50℃ 이내에서 실험하였다.
- 상기의 두 가지 실험을 바탕으로 시스템의 특성을 파악하였고, 이에 따라 LED 시스템의 온도를 원하는 온도로 제어하는 제어 시스템의 성능실험과 이때 팬의 소모 전력 대비 LED 소모 전력을 측정하여 비교하였다. 우선 온도제어는 팬의 풍량 제어를 통해 LED의 설정온도를 1℃씩 증가시키며 실험하였다.
- 4W이다. 이를 기반으로 입구 온도와 출구 온도를 정한 뒤 선정된 방열판과 팬의 성능이 LED 방열에 가능한지 확인하였다. 팬과 함께 사용되기 때문에 방열판은 LED시스템의 발열을 충분히 방출하기에 약간 부족한 성능의 방열판을 선택하였고 이의 사양은 Table 2에 나타내었다.
- LED의 온도를 센서를 이용하여 실시간으로 피이드백 받아 팬의 풍량(팬모터의 전압)제어를 통하여 방열판에 유입되는 유량을 제어하는 LED 방열 제어 시스템에 대한 것이다. 특히, 팬을 사용할 경우에 팬의 소비전력을 검출하여 소비전력 대비 LED온도 제어 성능을 실험적으로 검증하였다.
- LED는 구동전압이 독립변수이고 전류가 종속변수인 정압구동 소자이다. 하지만 LED의 광량이 전류에 비례하여 나타나기 때문에 광량에 밀접한 관계가 있는 전류를 기준으로 구동하였다. LED 구동을 위해 정전류 구동방식의 LED 드라이버인 35W, BUCK02를 사용하였다.
대상 데이터
- 하지만 LED의 광량이 전류에 비례하여 나타나기 때문에 광량에 밀접한 관계가 있는 전류를 기준으로 구동하였다. LED 구동을 위해 정전류 구동방식의 LED 드라이버인 35W, BUCK02를 사용하였다. LED 온도 측정을 위해 SHT75을 사용하여 온도 센서를 구성하였다.
- LED 구동을 위해 정전류 구동방식의 LED 드라이버인 35W, BUCK02를 사용하였다. LED 온도 측정을 위해 SHT75을 사용하여 온도 센서를 구성하였다. LED에서 발생하는 열의 방출은 설치한 온도센서의 온도를 피드백 받는 원리로 입력 온도와 비교하여 이의 오차를 PID 제어 알고리즘에 따라 팬에 입력하는 방법을 적용하였다.
- 실험에 앞서 방열판과 팬이 본 연구에서 알루미늄 평판에 4개의 LED(Table 4)로 구성한 LED시스템의 방열에 적합한 지를 시뮬레이션 하였다. LED에서 발생하는 열은 LED를 구동하기위해 사용하는 전체 소비전력의 80%가 열로 발생하기 때문에 LED조명 시스템에서 사용하는 전체 전력(28W)의 80%인 22.
- 또한 LED 구동 드라이브에 전류 센서를 내장하여 LED의 소모 전류의 측정 및 제한을 하였다. 온도 제어의 상태는 RS-232 통신을 통해 실시간으로 데이터를 전송 받았다.
- LED 제어시스템은 LED, 방열판, 온도센서, 방열용 팬 및 원칩 마이크로프로세서로 구성되었고 온도제어 알고리즘은 PID제어 알고리즘을 충분히 튜닝하여 원칩 마이크로프로세서에 이식하여 온도제어를 수행하도록 구성하였다[6]. 온도제어에서 방열판과 팬의 선정은 입구 온도를 21도, 출구 온도를 28도를 목표로 선정하였다.
- 제어시스템에 사용된 온도 센서는 SHT-75이고 제어용 마이크로프로세서는 ATMEGA 128이다. LED와 알루미늄 PCB의 접합부의 온도를 온도센서(SHT-75)를 통해 측정하여 ATMEGA 128을 통하여 온도에 따른 PID제어로 팬의 드라이버를 구동하여 팬의 풍량을 제어하였다.
성능/효과
- 또한, 팬을 사용하지 않고 LED의 방열을 방열판만을 이용한 실험을 하였다. 다양한 구동 전력을 가해 실험한 결과 LED 구동 전력을 6W로 하였을 때 50℃에서 열평형이 이루어짐을 확인하였다.
- 본 실험을 통하여 저가의 one-chip마이크로 프로세서를 이용하여 다양한 LED시스템의 온도 제어를 구현할 수 있음을 검증하였다.
- 이때의 소비전력은 6W였다. 본 연구에서 실험을 통해 확인한 적당한 조도를 유지하기 위한 LED 시스템의 입력전력은 28W이다. 적당한 조도를 얻기 위해서 팬을 사용하지 않고 6W이상의 전력을 공급하면 시간이 지날수록 온도가 증가하여 제어 대상의 50℃ 를 초과하며 궁극적으로 Figure 4의 실험 결과와 같이 28W를 적용하면 150s 만에 50℃ 를 초과하고 지속적으로 온도가 증가하여 LED시스템을 파열되는 결과를 갖는다.
- 본 연구에서는 28W의 입력 전력 사용하여 충분한 조도를 유지하면서 LED 시스템의 온도는 50℃로 제어하는데 551mW의 전력만 사용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이는 구동전력 28W의 약 2%만을 사용하여 LED의 적절한 조도와 온도를 유지하는 성능을 얻을 수 있음을 제어실험을 통해 확인하였다.
- 실험한 결과 LED 온도는 설정 온도±0.2℃ 이내에서 일정하게 제어되는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 28W의 입력 전력 사용하여 충분한 조도를 유지하면서 LED 시스템의 온도는 50℃로 제어하는데 551mW의 전력만 사용하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이는 구동전력 28W의 약 2%만을 사용하여 LED의 적절한 조도와 온도를 유지하는 성능을 얻을 수 있음을 제어실험을 통해 확인하였다.
- 이때 방열판은 Table 2의 제원을 갖는 것을 사용하였고 팬은 Table 1의 제원을 갖는 것을 사용하였다. 팬을 구동했을 때와 LED만을 구동했을 때의 온도 변화는 Figure 4와 같이 팬을 구동하지 않았을 때 LED온도는 전압인가 후 150s가 되었을 때 50℃를 초과하여 계속 상승하였고 팬을 최고 속도 6000rpm로 구동하였을 때 LED의 온도는 34.5℃에서 열평형을 이루는 것을 확인하였다.
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