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문제 정의
- 본 연구는 네온사인 대처 가능한 LED Lighting Bar 조명 제품개발에 관한 것으로, 이 연구에서 개발된 LED Lighting Bar 조명제품을 시험 및 측정한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- LED Lighting Bar롤 제어하는 프로그램을 작성하기 위하여 제일 먼저 LED의 최소 점멸주기 및 Duty 비율 시간, 점등시간, 지연시간 (Delay Time)을 고려하여 마이크로 컨트롤러의 내부 타이머/카운터를 이용한 전체 프로그램의 기본 시간 주기를 설정하였다.
- LED의 점멸 및 광색동작을 할 수 있도록 하였다. LED의 온도변화에 따른 광출력 변화를 최소화하기 위한 온도보상을 시행하기 위하여, 주위온도에 따른 온도보상부의 제어신호에 따라 점멸 동작 시의 ON 동작과 광색가변 동작시의 최대 Duty 비율을 90%와 100%로 설정될 수 있도록 하여 온도보상이 이루어칠 수 있도록 하였다. 또한 광색가변 동작의 경우, Duty 비율의 분해능이 256 Step 으로 변화되도록 하여 광색가변의 목표치인 16.
- 그리고 LED Lighting Bar 모듈간의 상호통신에 의한 네온사인 동작을 실현시키기 위하여, 마이크로컨트롤러내 2개 핀에 상호 통신 제 어선을 입출력 할 수 있도록 하는 상호통신 제어부를 구성하였다.
- 그리고 LED 점멸 동작 함수와 LED 광색가변 동작 함수를 설정하여 LED의 점멸 및 광색동작을 할 수 있도록 하였다. LED의 온도변화에 따른 광출력 변화를 최소화하기 위한 온도보상을 시행하기 위하여, 주위온도에 따른 온도보상부의 제어신호에 따라 점멸 동작 시의 ON 동작과 광색가변 동작시의 최대 Duty 비율을 90%와 100%로 설정될 수 있도록 하여 온도보상이 이루어칠 수 있도록 하였다.
- 그리고 LED의 동작의 초기화할 수 있는 함수를 설정하여 LED 점멸 및 광색가변 동작의 시작점과 끝점을 동기화[Inc0]시키고, LED 동작 신호를 상호 교환하기 위한 시간 지연 함수[Delay]를 설정하여 각각의 LED Lighting Bar의 동작 시간을 동기화시켰다.
- 그리고 점멸과 광색가변 동작시 해당 LED 모듈에 대한 네온사인 동작이 이루어진 다음, 타 LED 모듈이 네온사인 동작시에 해당 LED의 동작 상태를 그대로 유지할지(점등) 아니면 OFF 상태(점멸)일지를 설정할 수 있도록 하였다. 또한 표 2를 웅용하여 사용자가 요구하는 다양한 네온사인 동작 모드를 설정할 수 있다.
- 그리고 주위온도(-304이:)에 따라 광출력 변화를 최소화하기 위하여, 써미스터 NTC와 저항의 전압 분배원리를 이용하여 설정된 주위 온도에 따라 스위칭 소자를 ON/OFF하여 마이크로컨트롤러의 1개 핀에 Hh/lQW신호를 인가하여 마이크로컨트롤러의 프로그램에서 광출력(LED Duty 비율 조절)을 조절하도록 하였다.
- 제어 방식이 적합하다. 그리고 청색 LED의 동작전압이 높기 때문에 출력전압은 청색 LED 배열 동작전압에 맞추어서 조절하였으며, 청색 LED 배열에 따른 동작전압이 1255V이므로 출력전압을 약 13V로 조절하였다. 이러한 정전압 회로부는 비교적 설계가 간단하여 컴팩트한 크기로 회로를 구성할 수 있는 PWM 제어 IC TNY 268을 사용하였으며, LED 볘열에 매우 안정적인 DC 전압과 전류를 공급하였다.
- 따라서 사용자가 LED Lighting Bar 모듈에 원하는 네온사인 동작 순서를 나타내는 Address와 네온사인 모드를 자유롭게 선택하도록 하도록 하여 다양한 네온사인 및 옹용 분야에 적합하도록 설계하였다.
- 사용된 5mm LED는 칩의 성능 및 배광분포에 따라 그 종류가 매우 다양하고 제조회사에 따라 천기적, 광학적 특성이 다르기 때문에, LED Lighting Bar에 적합한 LED의 선정이 매우 중요하다. 따라서 총 4개회사의 샘플에 대한 전기적, 광학적 특성을 측정 분석하여 LED Lighting Bar에 적합한 LED를 선정하였다.
- 또한 One Chip 마이크로컨트롤러를 사용하여 RGB LED의 광색가변 제어회로 개발하고, 모듈간의 2개의 제어선에 의한 네온사인 동작 통신회로를 설계하여 설치가 간단하고 다양하고 다이나믹한네온사인 동작(점렬, 광색 가변)하도록 설계하였다. 또한 주위온도에따론 광출력변화를 최소화하기 위하여 LED를 주위온도에 따라 듀티 변환하여 온도보상을 하였으며, 네온사인용 단색 LED모듈과 광색가변 LED모듈 등 2종 이상 제품을 개발하였다.
- 설계되어 있다. 또한 각각의 RGB LED가 정격전류에서 동작할 수 있도록 저항을 사용하여 전류를 제어하였고, 마이크로컨트롤러의 PWM 스위칭신호에 의하여 고휘도 LED의 밝기가 조절되도록 하였다.
- LED의 온도변화에 따른 광출력 변화를 최소화하기 위한 온도보상을 시행하기 위하여, 주위온도에 따른 온도보상부의 제어신호에 따라 점멸 동작 시의 ON 동작과 광색가변 동작시의 최대 Duty 비율을 90%와 100%로 설정될 수 있도록 하여 온도보상이 이루어칠 수 있도록 하였다. 또한 광색가변 동작의 경우, Duty 비율의 분해능이 256 Step 으로 변화되도록 하여 광색가변의 목표치인 16.7백만 칼라의 광색을연출하였다.
- 동작(점렬, 광색 가변)하도록 설계하였다. 또한 주위온도에따론 광출력변화를 최소화하기 위하여 LED를 주위온도에 따라 듀티 변환하여 온도보상을 하였으며, 네온사인용 단색 LED모듈과 광색가변 LED모듈 등 2종 이상 제품을 개발하였다.
- 마이크로컨트롤러 8개 핀데 Address 입력 선택 스위치(네온사인동작 순서 주소)와 네온사인 모드입력 선택스위치를 연결하여 LED Lighting Bar의 Address와 광색가변 모드를 선택하도록 하였다. 따라서 사용자가 LED Lighting Bar 모듈에 원하는 네온사인 동작 순서를 나타내는 Address와 네온사인 모드를 자유롭게 선택하도록 하도록 하여 다양한 네온사인 및 옹용 분야에 적합하도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 기존의 네온사인 및 옥외 광고용 조명기기를 대체할 수 있는 LED Lighting Bar에 적합한 고휘도 LED를 선택하고, 옥외 사인 조명에 적합한 배광 및 광출력을 나타내는 RGB LED의 배치를 배치하였다. 특히 RGB LED의 광색혼합과 휘도균일을 위한 LED 배열 및 배치와 케이스 설계를 실시하고, AC 220V 전원을 직접 인가할 수 있으며 효율이 높고 컴팩트한 구동회로를 설계하였다.
- 이러한 동작 개수는 16개 이하 LED 모듈의 개수에 관계없이 다양한 응용분야에 적용할 수 있도록 격등 점멸, 짝수 단위의 단계적 네온사인 동작을 실현하기 위하여 짝수로 단위로 설정하였다. 그리고 점멸과 광색가변 동작시 해당 LED 모듈에 대한 네온사인 동작이 이루어진 다음, 타 LED 모듈이 네온사인 동작시에 해당 LED의 동작 상태를 그대로 유지할지(점등) 아니면 OFF 상태(점멸)일지를 설정할 수 있도록 하였다.
- 그림 2는 주위온도 -15V 기준온도보다 높을 경우에는 90% Duty 비율로 동작하고, 기준온도보다 낮을 경우에는 100% Duty 비율로 동작하도록 하였다. 이러한 온도보상은 주위 온도의 변화에 따라 제어회로 온도보상회로부의 써미스터와 저항의 분압에 의해 스위칭소자가 동작하게 되어 마이크로프로세서에 High/Low 신호가 입력되면 LED Array에 Duty 비율을 변경되도록 하였다. 이러한 온도보상에 의해 주위온도 -30 ' 40T 내에 약 ±10% 의 광출력 변화를 실현하였다.
- 배치하였다. 특히 RGB LED의 광색혼합과 휘도균일을 위한 LED 배열 및 배치와 케이스 설계를 실시하고, AC 220V 전원을 직접 인가할 수 있으며 효율이 높고 컴팩트한 구동회로를 설계하였다.
대상 데이터
- LED Lighting Bar의 제어회로는 마이크로컨트롤러와 입력부 (Address/Mode/온도보상), LED 스위칭부, 상호통신 제어부로 구성하였다. 사용된 마이크로컨트롤러는 2개의 포트와 16비트 타이머/카운터를 가지고 있어서 다양한 프로그램 제어가 가능하고, 비교적 적은 수의 고휘도 RGB LED의 제어회로 소자가 소요되기 때문에 한청된 면적에 사용하는데 적합하다.
- 구조로 구성하였다. RGB LED 배열은 광색에 따라 각각 개 LED를 사용하였으며, 16개의 LED를 2개의 스트링으로 구성하여각 스트링(총 8개 LED)에 4개 LED를 직렬 연결된 2개의 병렬 구조로 되어 있다. 각 스트링은 LED 각각에 대하여 직병렬로 연결되어 있어서 각 요소의 LED가 단선되더라도 다른 LED에 영향을 주지 않는 구조로 구성하였다.
- 광색가변을 위한 RGB LED 배열은 총 48개의 RGB LED를 직 병렬 구조로 구성하였다. RGB LED 배열은 광색에 따라 각각 개 LED를 사용하였으며, 16개의 LED를 2개의 스트링으로 구성하여각 스트링(총 8개 LED)에 4개 LED를 직렬 연결된 2개의 병렬 구조로 되어 있다.
- 실제 RGB LED 배열의 전체 크기는 L130xW30mm로 구성하였으며, LED의 배치는 광색혼합이 잘 될 수 있도록 RGB LED를 순차적으로 3~5mm LED 간격과 삼각형 형태로 하였다. 이러한 RGB LED의 삼각형 배치는 2열로 구성하였고, 각 열은 24개의 LED로 되어 있다,
- 3~5mm LED 간격과 삼각형 형태로 하였다. 이러한 RGB LED의 삼각형 배치는 2열로 구성하였고, 각 열은 24개의 LED로 되어 있다,
- 그리고 청색 LED의 동작전압이 높기 때문에 출력전압은 청색 LED 배열 동작전압에 맞추어서 조절하였으며, 청색 LED 배열에 따른 동작전압이 1255V이므로 출력전압을 약 13V로 조절하였다. 이러한 정전압 회로부는 비교적 설계가 간단하여 컴팩트한 크기로 회로를 구성할 수 있는 PWM 제어 IC TNY 268을 사용하였으며, LED 볘열에 매우 안정적인 DC 전압과 전류를 공급하였다.
- 7백만 광색의 표현이 가능하였다. 특히 LED 모듈의 동작개수에 관계없이 2개의 제어 신호만으로 네온사인 통신 동작을 가능하게 하였으며, 제어장치 없이 최대 제어할 수 있는 LED Lighting Bar의 모듈은 16개이다.
성능/효과
- 1. 다양한 종류의 고휘도 LED를 전기적, 광학적 특성을 측정한 결과, 네온사인 및 표시광고장치에 적합한 5mm LED를 선택하였고, 선정된 LED 특성에 적합하도록 동작 개수 및 광학적 배치, LED Array를 구성할 수 있었다.
- 2. 이러한 LED 배열에 적합하도록 광색가변 RGB LED Lighting Bar에 대한 구동회로(SMPS)를 개발하였으며, 개발된 구동회로는동착전압이 80V~VDC/9(240VAC이고, 허용전류가 1A 이상이며 95%이상의 고역률과 THD 40%이하로 실현할 수 있었다.
- 3. 고휘도 RGB LED의 광색가변과 모듈간 양방향 통신이 가능하도록 하드웨어와 소프트웨어를 개발함으로써, RGB LED 각각을 256단계로 (M00% 조광을 시행하여 16.7백만 광색의 표현이 가능하였다. 특히 LED 모듈의 동작개수에 관계없이 2개의 제어 신호만으로 네온사인 통신 동작을 가능하게 하였으며, 제어장치 없이 최대 제어할 수 있는 LED Lighting Bar의 모듈은 16개이다.
- 4. 개발된 LED Lighting Bar는 발산각(1/10)이 60 ~ 100° 내에서 70 cd 이상의 최대광도를 실현할 수 있었고 주위온도(-30 ~ 40C) 에따른 광출력 변화가 ±10% 이내로 매우 양호한 특성을 나타냈으며, PC 제어에 의한 동영상 구현이 가능하게 되었다.
- LED의 전기적.광학적 특성을 나타낸 것으로, 광색에 따른 배광분포와 발산 각이 일정하여 RGB LED롤 이용한 광색가변 LED 모듈에 적당함을 알 수 있다.
- 사용된 마이크로컨트롤러는 2개의 포트와 16비트 타이머/카운터를 가지고 있어서 다양한 프로그램 제어가 가능하고, 비교적 적은 수의 고휘도 RGB LED의 제어회로 소자가 소요되기 때문에 한청된 면적에 사용하는데 적합하다.
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