마이크로컨트롤러를 이용한 Power LED 구동용 정전류형 DC-DC컨버터 구동에 관한 연구 A Study on Power LED driving constant Current-type DC-DC converter Driven using microcontroller원문보기
본 연구에서 LED는 에너지 소비가 큰 기존의 조명 시스템인 형광등과 백열등을 대체할 수 있는 새로운 조명 시스템으로 주목받고 있으며, 파워 LED 구동기인 DC-DC 컨버터에 관한 연구이다. 다양한 직류전원을 활용 할 수 있는 승압형 DC-DC 컨버터로 설계사양을 통한 인덕터 L과 커패시터 C의 값을 산출하여 PSPICE를 통한 최적의 값을 추정하였다. 컨버터의 스위칭 주파수는 50[kHz]로 최초 듀티비는 10[%]에서 출력전압의 검출 값에 따라 점차적으로 증가시키도록 하였다. 그 결과로 승압형 파워 LED 구동기를 시뮬레이션한 특성은 설계사양과 비교하여 5[%]이하의 오차로 근사적으로 나타났다. 또한, 입력전압 15[V]를 인가하여 안정된 24[V]의 안정된 출력전압을 얻었으며, 디밍제어를 통한 밝기 조절 및 소비전류의 조정이 가능한 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서 LED는 에너지 소비가 큰 기존의 조명 시스템인 형광등과 백열등을 대체할 수 있는 새로운 조명 시스템으로 주목받고 있으며, 파워 LED 구동기인 DC-DC 컨버터에 관한 연구이다. 다양한 직류전원을 활용 할 수 있는 승압형 DC-DC 컨버터로 설계사양을 통한 인덕터 L과 커패시터 C의 값을 산출하여 PSPICE를 통한 최적의 값을 추정하였다. 컨버터의 스위칭 주파수는 50[kHz]로 최초 듀티비는 10[%]에서 출력전압의 검출 값에 따라 점차적으로 증가시키도록 하였다. 그 결과로 승압형 파워 LED 구동기를 시뮬레이션한 특성은 설계사양과 비교하여 5[%]이하의 오차로 근사적으로 나타났다. 또한, 입력전압 15[V]를 인가하여 안정된 24[V]의 안정된 출력전압을 얻었으며, 디밍제어를 통한 밝기 조절 및 소비전류의 조정이 가능한 결과를 얻을 수 있었다.
In this paper, Power LED(Light Emitting Diodes) is studied to driver as a new lighting system in the spotlight, replacing a large existing lighting system with fluorescent and incandescent lighting. To take advantage a variety of DC power as the boost DC-DC converter design specifications through th...
In this paper, Power LED(Light Emitting Diodes) is studied to driver as a new lighting system in the spotlight, replacing a large existing lighting system with fluorescent and incandescent lighting. To take advantage a variety of DC power as the boost DC-DC converter design specifications through the inductor L and capacitor C through PSPICE to calculate the best estimate of the value. Converter's switching frequency is 50[kHz], the first Duty Rate was made to increase gradually depending on the value of the detection were, 10[%] in the output voltage. As a result, the simulated Boost Power LED driver characteristics is in comparison with the design specifications, 5[%] or less as the error was approximated. So, when input 15[V] were offered, a stable output 24[V] were obtained, and Dimming Control through the adjustment of brightness and current consumption were obtained to possible result.
In this paper, Power LED(Light Emitting Diodes) is studied to driver as a new lighting system in the spotlight, replacing a large existing lighting system with fluorescent and incandescent lighting. To take advantage a variety of DC power as the boost DC-DC converter design specifications through the inductor L and capacitor C through PSPICE to calculate the best estimate of the value. Converter's switching frequency is 50[kHz], the first Duty Rate was made to increase gradually depending on the value of the detection were, 10[%] in the output voltage. As a result, the simulated Boost Power LED driver characteristics is in comparison with the design specifications, 5[%] or less as the error was approximated. So, when input 15[V] were offered, a stable output 24[V] were obtained, and Dimming Control through the adjustment of brightness and current consumption were obtained to possible result.
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문제 정의
본 연구에서는 마이크로 컨트롤러 MSP430을 이용한 승압방식의 정전류형 DC-DC 컨버터를 제안 하였고, 제한된 DC 전원에서 전력의 소비량을 조절하기 위해 PWM의 듀티비를 이용하여 디밍 동작을 구현하였으며 Op-Amp로 구성된 전류센서를 이용하하 PWM제어를 통해 Power LED를 구동 에너지 절감 효과에 대한 고찰을 하고자 한다.
제안 방법
디밍(Dimming) 제어를 위한 디밍 제어부와 과전류 보호 및 전류제어를 위한 전류 센싱부와 과전압 검출을 위한 출력전압을 센싱부와 제어를 위한 MSP430F5438 실험키트를 이용하여 구성하였다. 그림 9와 같이 구성 하여 디밍 제어를 위해 스위칭 소자인 MOSFET를 사용하고 전류상승을 억제하고 제어하기 위한 전류 센싱회로는 히다치 반도체의 듀얼 OP-AMP IC인 17358을 사용하였으며, 과전압 보호를 위해 ADC컨버터를 이용하여 출력전압을 센싱하도록 구성하였다. 또한 그림 10은 회로의 오동작 시 마이크로컨트롤러를 보호하기 위해 컨버터와 절연을 위한 TLP 250을 이용하여 회로를 구성하였다.
본 연구에서는 승압형 Power LED 구동기를 제작하여 실험을 통해 구동효율을 높이고 간단한 조명 시스템을 구성 하였으며, PSPICE를 통한 시뮬레이션을 수행하여 나온 결과와 승압형 DC-DC 컨버터의 실험을 통해 시스템 특성과 전력변환 과정에 대하여 고찰해 볼 수 있었고, 실험을 수행한 결과 다음과 같은 특성의 결론을 얻을 수 있었다.
승압형DC-DC 컨버터의 구동 주파수는 50[kHz], 듀티비는 35[%], VDSS=500[V], ID=8.5[A]인 전력용 MOSFET 스위치인 IRF840과 환류다이오드는V=60[V], IF=10[A]의 전기적 특성을 이용하여 구동하며, 인덕터의 값을 380[uH], 480[uH], 1100[uH]과 저항의 값은 30[Ω], 47[Ω], 68[Ω]로 변환하여 시뮬레이션 하였다.
제작된 승압형 DC-DC 컨버터를 이용하여 30분간 2회에 걸쳐 점등하였을 때 구동 특성을 조사하였다. 그림 14와 그림 15는 점등 후 구동시간에 대한 LED 온도변화와 출력전압의 변화를 나타내며 출력전압은 일정하게 유지되었다.
대상 데이터
디밍(Dimming) 제어를 위한 디밍 제어부와 과전류 보호 및 전류제어를 위한 전류 센싱부와 과전압 검출을 위한 출력전압을 센싱부와 제어를 위한 MSP430F5438 실험키트를 이용하여 구성하였다.
성능/효과
[1] 제작된 승압형 DC-DC 컨버터와 시뮬레이션 결과가 5[%]이하의 오차로 거의 일치함을 알 수 있었으며 이를 이용하여 실제 승압형 DC-DC 컨버터의 일정한 출력전압과 전류를 얻을 수 있어서 효과적인 구성으로 동작 할 수 있었다.
[2] 정전류 제어법을 사용하여 Power LED 구동을 하고, 승압형 DC-DC 컨버터를 소프트 스타트로 제어하여 첨두 출력전압에 의한 손상을 방지할 수 있었다.
[3] 승압형 DC-DC 컨버터의 전압, 전류 파형은 대체로 양호하였으나 드라이버회로에서의 손실과 전력변환과정에서의 손실 등으로 인하여 높은 설계사양에 명시된 것과 같은 출력을 얻지 는 못한 단점이 있었다.
[4] 디밍 제어로 소비전류의 조절을 하므로서 제한된 DC전원의 전력소비를 조절할 수 있었다.
이와 같은 실험 결과로 기존 상태의 점등보다는 본 연구 시스템의 사용은 디밍 제어에 따른 소비전류의 변화를 최대한 제어 할 수 있는 시스템으로 동작하고 있음을 확인할 수 있었다.
출력전압은 18[msec]에서 안정된 값을 보였으며 출력리플전압 Δvo는 계산된 커패시터 값의 2배로 구성하여 변화가 매우 작은 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
LED가 조명시장에서 급속도의 성장과 주목을 받고 있는 이유는 적은 에너지 소비를 통해 에너지 사용 비용을 절감 할 수 있기 때문이다. 빛을 생산하는데 있어 백열등의 10배, 형광등의 2배 이상 효율적이며 빛을 출력으로 제공하는데 필요한 전력을 감소하고 있으며 향후 효율이 계속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.
향후에는 다양한 전원에서 사용 가능한 고효율의 플라이백 혹은 포워드 컨버터 형태의 구동기적용에 대한 연구가 진행 되어야 하며, 마이크로컨트롤러를 이용한 통신 시스템 및 LCD를 이용하는 사용자의 전력소비량을 표시하여 전력공급자에 정보를 제공하는 스마트그리드 시스템 구성이 향후과제로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED가 조명 시장에서 급속도로 성장하며 주목을 받는 이유는?
LED가 조명시장에서 급속도의 성장과 주목을 받고 있는 이유는 적은 에너지 소비를 통해 에너지 사용 비용을 절감 할 수 있기 때문이다. 빛을 생산하는데 있어 백열등의 10배, 형광등의 2배 이상 효율적이며 빛을 출력으로 제공하는데 필요한 전력을 감소하고 있으며 향후 효율이 계속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.
LED는 기존의 백열등, 형광등보다 얼마나 효율적으로 빛을 생산하는가?
LED가 조명시장에서 급속도의 성장과 주목을 받고 있는 이유는 적은 에너지 소비를 통해 에너지 사용 비용을 절감 할 수 있기 때문이다. 빛을 생산하는데 있어 백열등의 10배, 형광등의 2배 이상 효율적이며 빛을 출력으로 제공하는데 필요한 전력을 감소하고 있으며 향후 효율이 계속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.
왜 Power LED는 조명으로 사용하기에 불안정한가?
Power LED는 발열이 크며 발열에 의한 반도체 열화현상으로 전류 변화와 밝기가 변화하여 조명으로 사용하기에 불안정한 단점이 있다. 정전압 구동시의 LED의 온도 상승에 의한 전류변화로 LED가 소손 될 수도 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 정전류 구동기가 필수 요소라 할 수 있다.
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