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조명 품질 저하 없이 LED를 조광하는 방법

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자료제공/Digi-Key's North American Editors

전통적 조명이 발광 다이오드(LED)로 전환되는 속도가 빨라지고 더 다양한 솔루션이 출시됨에 따라, 소비자는 더 다양한 제품을 선택할 수 있게 되었다. 특히 대비율이 높고 색도 변화나 인지 가능한 깜박임이 없는 선형 조광이 고품질 제품의 척도로 고려된다.
여기서 설계자가 직면한 어려움은, 전통적인 백열전구나 형광 조명과 달리 조명 품질을 유지하면서 LED를 조광하는 것이 쉽지 않다는 점이다. 아날로그 조광이 가능하지만 빛의 색도 및 ‘온도’에 인지할 만한 변화가 생길 수 있다.
인정된 기술로는 LED에 전원을 공급하는 순방향 전류의 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 LED를 조광하는 방법이 있다. 여기서 기본 전제는 PWM 트레인의 ‘ON’ 사이클 도중 LED가 최적의 순방향 전류/순방향 전압 조건에서 작동 중이어야 한다는 점이다. 그 결과 빛의 품질이 높고 인지되는 휘도가 PWM 트레인의 듀티 사이클에 선형으로 비례한다.
설계자의 과제는 일반적으로 LED 전원 공급 장치 또는 ‘구동기’로 사용되는 모듈식 스위칭 전압 컨버터와 조화롭게 작동하는 PWM 회로를 설계하는 것이다. 이러한 보완 방법이 없다면 전자파 장해(EMI), 제한된 대비율(최대 광도/최소 광도) 및 인지 가능한 깜박임(건강에 좋지 않은 영향을 미침) 등의 문제가 발생하기 쉽다.
이 기사에서는 현대 LED 구동기를 기초로 PWM LED 조광 회로의 설계를 고려하고, 조명 품질을 저하하지 않는 솔루션을 구현하는 데 필요한 설계 단계를 소개한다.

아날로그 조광의 약점

LED가 우수한 조명 품질과 효율적 작동을 유지하려면 정전류/정전압 전원 공급이 필요하다. (조명 품질은 핵심 제품 차별화 요소가 되었으며, 주요 공급업체가 자사의 하이엔드 제품 홍보에서 중점을 두는 부분이기도 하다.)
최종 제품 사양에 따라 작동 지점의 선택에 약간의 유연성이 있다. 예를 들어 LED의 광속은 순방향 전류에 비례하므로, 설계자는 광도를 높이기 위해 LED에 더 높은 순방향 전류를 공급하기로 선택할 수 있으며 이에 따라 주어진 설계 사양에 필요한 LED의 수가 줄어든다.
그림 1은 OSRAM Opto Semiconductor의 Duris S5E 흰색 LED의 순방향 전류 및 광도 특성이다. OSRAM 장치는 입증된 기술을 기반으로 하며 주요 조명 응용 분야에 널리 사용된다. 이 LED는 6.35V/150mA에서 118lm을 생성하며 이 작동 지점에서 123lm/W의 효율을 가진다. 예를 들어 순방향 전류를 100mA로 줄이면 광도는 150mA에서 생성된 것에 비해 30% 감쇠된다.
백열 조명의 조광에 익숙한 소비자는 LED에 대해서도 유사한 기능을 요구한다. 이러한 기능 중 가장 크게 요구되는 것은 넓은 광도 범위에서의 세밀한 조광이다. 이 요구를 해결하는 간단한 방법은 LED에 전원을 공급하는 순방향 전압/순방향 전류를 줄이는 아날로그 조광기 회로(LED 전원 공급 장치 또는 ‘구동기’를 통해)를 설계하는 것이다.
하지만 아날로그 조광을 사용하면 다른 큰 약점이 생긴다. 그중 중요한 것은 효율(출력(lm)/입력 전력(W))에 미치는 영향, 최소의 순방향 전류 임계값으로 인해 제한되는 대비율, 일반적인 LED 구동기의 출력 전류를 넓은 범위에서 정밀하게 제어해야 하는 설계 복잡성 그리고 순방향 전압/순방향 전류의 변화에 따른 LED의 상관색온도(CCT) 변화이다.
상관색온도는 LED의 온도감을 결정하며 조명 품질의 중요 측정 요소이다. 순방향 전압/순방향 전류를 낮추면 오늘날 ‘흰색’ LED 제품 대부분의 핵심인 파란색 LED에 의해 방출되는 빛의 파장에 미묘한 영향이 생긴다. 현대의 조명 응용 분야용 고휘도 LED는 감청색 LED를 YAG(이트륨 알루미늄 가닛) 인광과 결합한다. LED의 파란색 광자가 장치에서 직접 나오며 대부분이 인광과 결합되어 (최초에는) 노란색 방출이 이뤄진다. 파란색 빛과 노란색 빛이 결합되어 흰색광에 매우 근접해진다.
그런 다음 LED 제조업체는 인광에 미묘한 변화를 주어 백색광의 ‘온도’를 차가운(푸른빛) 색조에서 따뜻한(노란색) 음영으로 변경함으로써 개별 취향에 맞는 색상을 선택할 수 있게 한다. 상관색온도는 양적으로 LED 조명 온도를 정의한다.
제조업체는 특정 순방향 전압/순방향 전류 작동 지점에서 LED의 상관색온도를 지정한다. 설계자는 특정 상관색온도 ‘저장소’에서 선택된 모든 제품은 거의 동일한 상관색온도를 생성한다는 것을 알고 안전하게 해당 상관색온도 저장소에서 일련의 LED를 선택한다. 선도적 제조업체 역시 일반적으로 순방향 전압/순방향 전류에 따라 상관색온도가 어떻게 변화하는지에 대한 정보를 포함하지만, 권장 파라미터를 벗어난 작동 지점에서 특정 제품의 성능을 보장하지는 않는다. 특히 LED 제조업체는 동일한 저장소의 장치가 권장 작동 지점 이외의 어떠한 지점에서 동일한 상관색온도를 생성한다고 보장하지 않는다. 그림 2는 OSRAM LED의 색도 좌표(상관색온도를 결정)가 순방향 전류에 따라 어떻게 변화하는지 보여 준다.
게다가 미묘한 색 변화를 눈으로 감지하기 어렵더라도(예를 들어 순수 빨간색, 녹색 또는 파란색 LED에서 방출되는 광자의 파장 차이는 인지되기 전에 변경될 수 있음) 상관색온도 변화에는 매우 민감하게 인지된다.. 그 결과 같은 저장소의 LED가 사용된 두 기구의 색이 동일한 아날로그 조광 수준에서 눈에 띄게 다르다는 것을 소비자가 인지할 가능성이 충분하다...(중략)