기존의 고출력 LED의 디밍(Dimming) 제어 방법에는 펄스폭변조, 주파수변조, 아날로그 제어 방법이 있으며, 아날로그 디밍은 순방향 고출력 LED 전류를 조정하는 방법으로 0%~100%의 전 범위에서 선형 밝기 조절이 가능하나 순방향 전류를 변화시킴으로써 파장의 변화가 존재하고, 펄스폭변조 디밍 제어는 고출력 LED에 흐르는 정격 전류의 듀티를 가변하여 조도를 제어하는 방식으로 저 레벨(0%~10%)에서 선형 밝기 조정이 어렵다. 그리고 주파수변조 디밍 또한 저 레벨의 디밍에서 빛이 깜박거리는 문제를 내포하고 있다. 본 논문은 이러한 디밍 방식의 단점을 보완하고자 저 레벨 디밍 제어 시 아날로그 방식을 적용하고, 10%~100%의 디밍 제어 시에 펄스폭변조 방식을 적용하는 효율적인 디밍 제어 회로의 설계 및 구현을 제안한다. 전 범위에 걸쳐 선형 밝기 조절이 가능하고, 다양한 디밍 레벨에서 일정한 파장의 출력이 가능한 디밍 제어 회로를 구현하였으며, 실험 결과는 제안한 방법의 우수성을 보여주고 있다.
기존의 고출력 LED의 디밍(Dimming) 제어 방법에는 펄스폭변조, 주파수변조, 아날로그 제어 방법이 있으며, 아날로그 디밍은 순방향 고출력 LED 전류를 조정하는 방법으로 0%~100%의 전 범위에서 선형 밝기 조절이 가능하나 순방향 전류를 변화시킴으로써 파장의 변화가 존재하고, 펄스폭변조 디밍 제어는 고출력 LED에 흐르는 정격 전류의 듀티를 가변하여 조도를 제어하는 방식으로 저 레벨(0%~10%)에서 선형 밝기 조정이 어렵다. 그리고 주파수변조 디밍 또한 저 레벨의 디밍에서 빛이 깜박거리는 문제를 내포하고 있다. 본 논문은 이러한 디밍 방식의 단점을 보완하고자 저 레벨 디밍 제어 시 아날로그 방식을 적용하고, 10%~100%의 디밍 제어 시에 펄스폭변조 방식을 적용하는 효율적인 디밍 제어 회로의 설계 및 구현을 제안한다. 전 범위에 걸쳐 선형 밝기 조절이 가능하고, 다양한 디밍 레벨에서 일정한 파장의 출력이 가능한 디밍 제어 회로를 구현하였으며, 실험 결과는 제안한 방법의 우수성을 보여주고 있다.
The conventional dimming control methods of LED (Light-emitting dioades) include Analog, PWM (Pulse Width Modulation), and FM (Frequency Modulation) Control. Analog dimming is controlled by adjusting forward current of Power LED. Although Analog dimming is possible to control linearly the brightness...
The conventional dimming control methods of LED (Light-emitting dioades) include Analog, PWM (Pulse Width Modulation), and FM (Frequency Modulation) Control. Analog dimming is controlled by adjusting forward current of Power LED. Although Analog dimming is possible to control linearly the brightness levels on a whole range (0%~100%), it comes into existence a variation of wavelength by changing the Power LED's forward current. PWM dimming has achieved by varying in duty of full current flowing to the Power LED. Generally, PWM dimming doesn't make variation of wavelength but have difficulty with adjusting the linear brightness level between 0% and 10%. FM dimming method is on the same wavelength as PWM dimming, however, it has problem of flickering at low level of dimming. This paper propose a efficient dimming control method of Power LED in order to overcome the disadvantages of the above mentioned methods. We apply to Analog method in low level of dimming control and use PWM method in dimming range from 10% to 100%. For the experiment, we design and implement a circuit and test the proposed method. Consequently, we can control the linear brightness of Power LED across the whole range and get the constant wave at different dimming level. The experimental results show the benefits of the proposed method.
The conventional dimming control methods of LED (Light-emitting dioades) include Analog, PWM (Pulse Width Modulation), and FM (Frequency Modulation) Control. Analog dimming is controlled by adjusting forward current of Power LED. Although Analog dimming is possible to control linearly the brightness levels on a whole range (0%~100%), it comes into existence a variation of wavelength by changing the Power LED's forward current. PWM dimming has achieved by varying in duty of full current flowing to the Power LED. Generally, PWM dimming doesn't make variation of wavelength but have difficulty with adjusting the linear brightness level between 0% and 10%. FM dimming method is on the same wavelength as PWM dimming, however, it has problem of flickering at low level of dimming. This paper propose a efficient dimming control method of Power LED in order to overcome the disadvantages of the above mentioned methods. We apply to Analog method in low level of dimming control and use PWM method in dimming range from 10% to 100%. For the experiment, we design and implement a circuit and test the proposed method. Consequently, we can control the linear brightness of Power LED across the whole range and get the constant wave at different dimming level. The experimental results show the benefits of the proposed method.
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문제 정의
본 논문에서는 고출력 LED 디밍 제어 방법으로 쓰이고 있는 기존의 아날로그, 주파수변조, 펄스폭변조 방법의 고출력 LED 정 전류 구동을 위한 빅 컨버터와 제어 회로를 설계하고 실험하여 각각의 디밍 제어 방법의 장단점을 파악하고 위의 두 가지 문제를 해결할 수 있는 마이크로 컨트롤러에 의한 고출력 LED 디밍 제어 방법을 제안하였다. 아날로그 디밍 제어방법은 파장 변화의 문제를 갖고 있으나 선형적인 디밍 제어가 가능하고, 주파수 변조와 펄스폭변조 디밍 제어 방법은 파장 변화의 문제는 없으나 선형적인 디밍 제어를 할 수 없었다.
본 논문은 특수 조명 중에서 Display와 Architectural lighting용으로 활용되는 고출력 LED의 디밍 제어 방법을 제시하여 기존의 디밍 제어 방법[1-3]인 펄스폭변조(PWM, Pulse Width Modulation) 제어와 주파수변조(FM, Frequency Modulation) 그리고 아날로그 제어 방법의 문제점을 파악하고, 디밍 조절을 통한 다양한 색상의 연출이 가능하도록 전류 피드백 컨버터와 디밍 제어 회로를 설계하고 구현한다.
제안 방법
그림 17 (a)는 펄스폭변조 디밍 제어 시 RGB와 White 색의 빛을 내는 고출력 LED의 상대적 조도를 나타낸다. 700mA를 최대 전류로 정하여 조도를 측정하고, 고출력 LED에 흐르는 전류에 따른 상대적인 조도값을 측정하여 세로축에 도시하였다.
고출력 LED의 조도 특성을 파악하기 위해 기존의 3가지 디밍 제어 방법과 제안한 방법의 디밍 제어 방법을 회로에 적용하여 실험하였다.
그림 12에서 제안한 회로는 아날로그 디밍 제어 회로와 펄스폭변조 디밍 제어 회로를 혼합한 형태로 10% 레벨, 즉 듀티 0.1을 기준으로 이상일 때는 펄스폭변조 디밍 제어를 실행하며, 이하일 때는 아날로그와 펄스폭변조 방식을 함께 사용한다.
벅 컨버터의 기본회로에 디밍 제어를 위한 회로들이 추가되었다[10]. 아날로그 디밍 제어는 ②번 블록을 사용하여 실험하였으며, 제안한 디밍 제어는 ①과 ②번 블록을 동시에 사용하여 실험하였다.
마이크로 컨트롤러는 일회 반복할 때마다 디밍 level 값을 읽어 회로를 동작 시킨다. 제안한 방법은 아날로그 디밍 제어 방법과 펄스폭변조 디밍 제어 방법을 혼합환 형태로 두 제어 방법의 장점을 결합한 시스템이다.
주파수변조 방법을 구현하기 위해 랜덤 코드 발생기를 설계하여 랜덤 시퀀스에 의한 주파수변조로 스펙트럼이 각각의 주파수 영역에서 균등하게 분포하도록 한다[7].
펄스폭변조와 아날로그 디밍 제어의 장점을 고려하고 문제점을 해결하여 두 제어를 동시에 수행할 수 있도록 디밍 제어 회로 설계를 제안한다.
대상 데이터
표 1은 실험에 사용된 회로와 측정 장비를 나타낸다. 실험에 사용된 고출력 LED는 LUXEON_DS6X 계열의 제품으로 RGB와 White색을 각각 10개의 직렬 조합으로 사용하였다.
성능/효과
아날로그 디밍 제어방법은 파장 변화의 문제를 갖고 있으나 선형적인 디밍 제어가 가능하고, 주파수 변조와 펄스폭변조 디밍 제어 방법은 파장 변화의 문제는 없으나 선형적인 디밍 제어를 할 수 없었다. 따라서 제안하는 방법은 아날로그와 펄스폭변조 디밍 제어 방법의 장점을 혼합하여 저 레벨 이하에서는 아날로그 디밍 제어 방법을 적용하고 저 레벨 이상에서는 펄스폭변조 방법을 적용하는 고출력 LED 제어 회로를 구성하여 실험한 결과, 저 레벨 이상 디밍 제어 시 파장의 변화가 일정하였고, 저 레벨 이하 디밍 제어 시에도 선형적인 디밍 특성을 갖도록 하여, 전 범위에서 문제없이 디밍 제어가 가능토록 하였다.
그림 17 (d)는 제안한 방법으로 회로를 구성하여 디밍 제어 시 고출력 LED에 흐르는 전류에 따른 상대적인 조도를 나타내는 그래프이다. 전 동작 범위 (0~100%) 내에서 선형적인 디밍 특성을 잘 나타내므로 고출력 LED 디밍 제어를 위해 제안한 방법이 타탕함을 알 수 있다.
10~100%의 디밍 제어 시 파장의 첨두치 변화는 나타나지 않았으나 0~10%의 디밍 제어 시 2㎚의 파장 변화가 일어나는 것을 알 수 있다. 펄스폭변조 제어방법은 저 레벨 조도 제어가 불가능하였으나, 제안한 회로는 저 레벨 (10% 이하)에서 펄스폭변조 방식과 아날로그 방식의 제어가 가능함으로써 더 넓은 범위의 전력 제어를 할 수 있다. 특히 RGB 컨트롤을 사용하는 조명의 경우, 파장의 변화 없이 빛의 세기를 조절할 수 있으므로 더욱 다양한 색의 표현이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
펄스폭변조 디밍 제어는 무엇인가?
펄스폭변조 디밍 제어는 고출력 LED에 흐르는 구형파 형태의 전류 듀티를 가변하여 디밍을 제어하는 방식을 의미한다. 고출력 LED 디밍 제어 시 인간의 눈이 감지하는 깜박임(Flickering)이 발생하지 않게 하기 위해서 300Hz 이상을 사용한다[4,5].
주파수변조 제어 방법은 무엇이며 왜 사용되는가?
주파수변조 제어 방법은 EMI 노이즈 개선을 위해 고안된 방법으로 펄스폭변조 디밍 제어와 같은 단일 주파수에 의한 방법이 아니라 여러 주파수의 펄스 파형이 혼합된 형태로 특정 주파수의 EMI 노이즈를 완화하기 위해 사용된다[6]. 단일 주파수를 사용하는 펄스폭변조 디밍 제어 방법은 주파수 스펙트럼에서 기본 주파수의 홀수 배 주파수에서 높은 진폭의 스펙트럼을 보여준다.
고출력 LED 조명은 특수 조명과 일반 조명으로 나뉘는데, 각각은 또 어떻게 나누어 지는가?
고출력 LED 조명의 응용에는 특수 조명과 일반 조명 두 가지로 나뉠 수 있다. 특수 조명 분야는 Architectural lighting, Display lighting, Sign lighting, Emergency lighting 등으로 나눌 수 있고, 일반 조명은 Indoor lighting으로 나타 낼 수 있다.
참고문헌 (10)
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L. Svilainis, "Considerations of the Driving Electronics of LED Video Display Information Technology Interfaces," in Proceeding of the 29th International Conference on Information Technology Interfaces, pp. 431-436, 2007.
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A. Polydoros and C. L. Weber, "A Unified Approach to Serial Search Spread-Spectrum code acquisition--PART I: General Theory," IEEE Transaction on Communications, vol. 32, issue 5, pp. 542-549, May. 1984.
R. Rosen. DimmingTechniques for Switched-Mode LED Drivers. Power Designer-Texas Instrument [Online]. Literature Number: SNVA605, pp. 1-6, 2011. Available: http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp
M. Dyble, N. Narendran, A. Bierman, and T. Klein, "Impact of dimming white LEDs: chromaticity shifts due to different dimming methods," in Proceedings of the SPIE, vol. 5941, pp. 291-299, 2005.
S. H. Lee, "LED and DC power supply technology for LED lighting systems," The Korean Institute of Power Electronics, vol.14, no. 3, pp. 29-35, 2009.
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