[논문]SMPS 구동 대형교통 신호용 LED 신호등의 특성

신현용

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.5.643

SMPS 구동 대형교통 신호용 LED 신호등의 특성
Characteristics of LED Signal Lamp Driving by SMPS for Large-scale Traffic Signal 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.5, 2011년, pp.643 - 648

초록
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본 연구에서는 공항, 철도, 항만 등 대형 교통수단의 표시등으로 사용하기 위하여 SMPS에 의하여 구동되는 LED 신호등을 설계하고 제작된 LED 신호등의 전기적 특성과 EMI 특성을 조사하였다. 10V 이상의 교류 및 직류입력전압에 대한 출력전류는 1.67A이었다. 0.15~30MHz에서 측정한 잡음단자전압은 허용기준 준첨두치와 허용기준 평균치 보다 낮았으며, 30~1000MHz에서 측정한 잡음전계강도는 59.96MHz에서 $23.96dB{\mu}V/m$이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, SMPS driven LED traffic signal light for Large-scale traffic such as railroad and airport was designed and its electrical and EMI characteristics were measured. The output current of the LED module driven by SMPS was 1.67A for AC and DC input voltage over 10V. The conducted emission measured over 0.15~30MHz frequency range was lower than the allowed quasi-peak and average level, and the radiated noise measured over 30~1000MHz frequency range showed $23.96dB{\mu}V/m$ at 59.96MHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 제작된 LED 신호등의 EMI 특성을 측정하고 국제무선장해특별위원회 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques; CISPR)에서 정한 규정에 따라 결정된 한국 방송통신위원회의 기준을 만족하는지 확인하였다.
본 연구에서는 철도 및 항공 등 대형교통 신호용 LED 신호등의 구동을 위하여 개발한 SMPS(Switching Mode Power Supply) 전원공급장치를 LED 모듈에 장착하여 제작된 LED 신호등의 전기적 특성을 측정하였다. 최근 들어 전자기기에서 발생되는 EMI(Electro Magnetic Interference)가 타 전자기기의 오동작은 물론 인체에까지 나쁜 영향을 미칠 수 있다는 연구결과에 따라 세계적으로 EMI의 규격이 매우 까다롭게 적용되고 있는 실정이다.
친환경 에너지 소자로 각광을 받고 있는 고휘도 LED를 철도, 항공 등의 대형교통 수단의 교통표시등으로 사용하기 위하여 SMPS 구동 LED module을 설계하고 전기적 특성 및 EMI 특성을 조사하였다. 10V 이상의 교류입력전압과 직류입력전압에 대하여 1.

제안 방법

SMPS 회로는 용량성 부하로 스위칭 동작회로를 구성하고 있어 단순한 전자회로에 비하여 noise 성분을 많이 포함하고 있다. EMI noise를 감소시키기 위하여 line filter와 커패시터를 사용하여 noise filter 회로를 구성하여 노이즈에 대한 감쇄율을 증대시켰다. LF 용량과 커패시터의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자 전압(conducted emission)을 설정된 기준을 만족시키도록 설계하였다.
LF 용량과 커패시터의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자 전압(conducted emission)을 설정된 기준을 만족시키도록 설계하였다. LED 구동용 SMPS 회로의 역률을 개선하기 위하여 역률개선회로를 채택하여 정격입력 전압과 최대출력전류 조건 하에서 역률을 0.75이상이 되도록 설계하였다.
LED 신호등을 제작하기 위하여 그림 4와 같은 LED 배열을 설계하였다. LED 배열은 그림 4와 같이 전면부의 254개의 적색 LED와 측면부의 좌우 각 4개의 백색 LED를 분리하여 배열하고 전원공급 장치로부터 입력신호를 받아 구동되도록 하였으며 필요에 따라 Vf 및 전력 조절을 위한 저항을 연결할 수 있도록 구성하였다. 그림 5는 LED 구동 SMPS가 장착된 LED 모듈을 나타낸 것이며, 그림 6은 본 연구에서 제작한 LED module과 SMPS를 결합하여 신호등으로 사용하기 위하여 렌즈가 포함된 기존의 철도신호등 외함체에 설치시킨 LED 등기구의 모식도이다.
EMI noise를 감소시키기 위하여 line filter와 커패시터를 사용하여 noise filter 회로를 구성하여 노이즈에 대한 감쇄율을 증대시켰다. LF 용량과 커패시터의 값을 조정함으로써 EMI의 잡음단자 전압(conducted emission)을 설정된 기준을 만족시키도록 설계하였다. LED 구동용 SMPS 회로의 역률을 개선하기 위하여 역률개선회로를 채택하여 정격입력 전압과 최대출력전류 조건 하에서 역률을 0.
그림 5에 나타낸 LED module 5개를 미국에서 철도용 신호기구의 납품을 대행하는 Say Liat사에 전기적 특성의 측정을 의뢰하였다. 표 1은 Say Liat사에서 측정한 LED module의 전기적 특성을 나타낸 것이며 표 2는 현재 미국의 철도 신호용으로 사용되고 있는 Metaphase Technology사의 LED module(RRCP Ver.
따라서 본 연구에서는 EMI를 최소화할 수 있도록 회로를 설계하였으며, 신뢰성을 위하여 기술표준원 및 한국전기전자시험연구원에 의뢰하여 CISPR 규격에 따라 사방 10m 크기의 Anechoic chamber에서 0.15MHz∼1GHz 의 주파수 범위에서 측정하였으며 전파법 제 73조에 따라 제정된 전자파장해방지기준(방통위 고시 제 2008-39호)에 명시된 산업환경에서의 장해방지기준과 비교하였다.
그림 1은 본 연구에서 대형교통 표시용 LED module을 구동하기 위한 전원공급장치인 SMPS의 기본 구조를 나타낸 것이다. 본 SMPS는 surge와 lightning에 대한 보호회로를 가진 입력전원부, AC를 DC로 변환시키는 스위치회로, 발진을 위한 스위칭 converter 회로 및 출력전류의 크기를 항시 검출하여 전류 값의 변동을 feedback 시켜 출력전류를 원하는 수준으로 계속적으로 보상할 수 있는 전류검출회로 등 4 부분으로 구성하였다.
입력전원회로는 AC/DC 입력전원부, 과전류 보호를 위한 fuse, 외부 surge차단회로 및 내부에서 발생하는 EMI를 제거하기 위한 line filter 등으로 구성하였다. SMPS 회로는 용량성 부하로 스위칭 동작회로를 구성하고 있어 단순한 전자회로에 비하여 noise 성분을 많이 포함하고 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 발진주파수가 67KHz, 최대 듀티비가 77%, 기동전류가 0.1mA이며 전류제한 기능, 다양한 전압 보호 기능 및 thermal shutdown 기능을 내장하고 있는 Fairchild사의 KA5M 계열의 power switch IC를 SMPS용 IC로 사용하였다. 또한 KA5M 계열의 SMPS용 IC는 일반적으로 많이 사용되는 상용전원의 적은 전력을 converting 하는 데 필요한 최대정격이 800V/3A인 출력용 power MOSFET(Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor)를 내장하고 있으며 PWM(Pulse Width Modulation) 파형을 출력하도록 되어있다.
제작된 전원공급장치는 입력전압 8∼12VAC 및 8∼16VDC에 대하여 출력전압, 출력전류는 각각 5.7VDC, 1.7ADC이었다.

성능/효과

59.96MHz에서 허용기준인 준첨두치(30∼230MH에서 40㏈㎶/m)보다 낮은 23.96㏈㎶/m를 보였으며 230∼1000MHz의 측정 주파수 범위 전 구간에서는 허용기준 준첨두치인 47㏈㎶/m 이하의 base 신호 외에는 radiation noise가 검출되지 않았다.
그림 7과 그림 8은 본 연구에서 개발한 LED 신호등과 Metaphase Technology사의 LED module의 교류입력전압과 직류입력전압에 대한 출력전류를 보여주는 것이다. 동일한 교류입력전압에 대하여 본 연구에서 개발한 LED module용 SMPS가 더 크고 안정된 전류를 출력하고 있음을 볼 수 있다. 직류입력전압에 대한 출력전류의 변동성을 측정한 결과 기존에 사용되고 있는 Metaphase Technology사의 SMPS는 인가 전압이 증가함에 따라 미세한 전류의 증가를 보인 반면 본 연구에서 개발한 SMPS는 사용가능한 전압구간에서 거의 일정한 값을 유자함을 알 수 있다.
또한 0.15∼1000MHz 사이에서 EMI 특성을 측정한 결과 잡음단자전압은 0.15∼30MHz의 주파수 범위에서 허용기준 준첨두치와 허용기준 평균치 보다 낮았으며, 측정거리 10m에서 측정한 잡음전계강도는 59.96MHz에서 허용기준 준첨두치의 약 60% 수준인 23.96㏈㎶/m이었다.
96㏈㎶/m를 보였으며 230∼1000MHz의 측정 주파수 범위 전 구간에서는 허용기준 준첨두치인 47㏈㎶/m 이하의 base 신호 외에는 radiation noise가 검출되지 않았다. 이상의 결과로부터 개발된 LED 신호등의 전자파장해에 대한 저항능력은 매우 우수한 것으로 판단된다.
동일한 교류입력전압에 대하여 본 연구에서 개발한 LED module용 SMPS가 더 크고 안정된 전류를 출력하고 있음을 볼 수 있다. 직류입력전압에 대한 출력전류의 변동성을 측정한 결과 기존에 사용되고 있는 Metaphase Technology사의 SMPS는 인가 전압이 증가함에 따라 미세한 전류의 증가를 보인 반면 본 연구에서 개발한 SMPS는 사용가능한 전압구간에서 거의 일정한 값을 유자함을 알 수 있다.
표 1과 표 2에서 보는 바와 같이 Metaphase Technology사의 제품은 10∼18VAC에서 ≅5.5V와 ≅1.48A의 출력전압과 전류를 보이는 반면에 본 연구에서 개발한 LED module은 8∼18VAC에서 ≅5.6V, ≅1.69A의 전압과 전류를 출력하고 있어 출력전압과 출력전류 안정성이 우수함을 알 수 있다.

후속연구

향후 보다 나은 대형교통 신호용 LED 등기구의 개발을 위하여 광의 집속 및 확산을 위한 Fresnel 렌즈 및 spreading window에 대한 광학적 연구, 미세가공 기술의 개발 및 금형설계 등 광학특성 개선을 위한 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	30MHz 이상의 높은 주파수 대역의 radiation noise가 발생하는 이유는 무엇인가?	최근 사회적인 문제가 되고 있는 잡음은 30MHz 이상의 높은 주파수 대역의 radiation noise에 의한 것으로 이러한 잡음은 주로 공기 중으로 전파되는 것으로 전류에 의해 발생되는 자계에 의해 발생되는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서 제작한 LED 신호등에 대하여 측정거리 10m에서 측정한 잡음전계강도는 그림 10과 같다.
	최근 사회적인 문제가 되고 있는 잡음은 무엇에 의한것인가?	최근 사회적인 문제가 되고 있는 잡음은 30MHz 이상의 높은 주파수 대역의 radiation noise에 의한 것으로 이러한 잡음은 주로 공기 중으로 전파되는 것으로 전류에 의해 발생되는 자계에 의해 발생되는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서 제작한 LED 신호등에 대하여 측정거리 10m에서 측정한 잡음전계강도는 그림 10과 같다.
	SMPS에 의하여 구동되는 LED 신호등을 제작하기 위하여 LED 배열은 어떻게 구성하였는가?	LED 신호등을 제작하기 위하여 그림 4와 같은 LED 배열을 설계하였다. LED 배열은 그림 4와 같이 전면부의 254개의 적색 LED와 측면부의 좌우 각 4개의 백색 LED를 분리하여 배열하고 전원공급 장치로부터 입력신호를 받아 구동되도록 하였으며 필요에 따라 Vf 및 전력 조절을 위한 저항을 연결할 수 있도록 구성하였다. 그림 5는 LED 구동 SMPS가 장착된 LED 모듈을 나타낸 것이며, 그림 6은 본 연구에서 제작한 LED module과 SMPS를 결합하여 신호등으로 사용하기 위하여 렌즈가 포함된 기존의 철도신호등 외함체에 설치시킨 LED 등기구의 모식도이다.

참고문헌 (8)

홍창희, "LED의 새로운 응용 연구 기술 동향", 전자부품, pp. 28, Jun., 2003.
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원문보기 상세보기
공명국, 김도우, "저항 네트워크 모델을 통한 LED 설계", 전기전자재료학회 논문지, Vol. 21, No. 1, pp. 73-78, 2008.

원문보기 상세보기
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J. Bullough, "Optimizing the Design and Use of LED for Visually Critical Application - Comparison of Traffic Signal Requirements", Lighting Research Center, 1998.
정만봉, 정학근, 유승원, "LED 교통신호등 국내 보급 타당성 분석", 한국에너지공학회 추계학술대회 논문집, pp. 153-158, 2001.
권삼영, "LED 조명의 철도산업에의 적용 동향 및 전망", 철도저널, Vol. 12, No. 2, pp. 35-39, 2009.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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