LED 조명용 2선식 역위상 조광기의 개발

[관운]

LED 조명용 2선식 역위상 조광기의 개발
- LED 조명용 2선식 역위상 조광기의 개발 경위와 동작 원리 -

최근 환경문제를 해결하기 위해 에너지 절감 효과가 기대되는 LED조명이 활발하게 이용되고 있다. 또한 에너지 절감 효과로 기대를 모으고 있는 조광기 대응형의 LED전구도 각 제조업체에서 속속 출시되고 있다. 각 제조사에서 발매되고 있는 조광기 대응형의 LED전구는 기존의 백열등 전구 전용의 조광기로도 사용 가능하다. 단, 각 제조사의 설명서를 보면, 「깜박거리는 경우에는 깜박거림이 없는 조광범위에서 사용하시기 바랍니다」라는 내용 등 기타 많은 면책사항이 기재되어 있다. 그리하여 일본의 짐보전기㈜에서는 조광기와 관련된 면책사항을 해소하기 위해 신규로 LED조명기기 대응의 조광기를 개발하였다. 본고에서는 이 LED 조명용 2선식 역위상 제어 조광기의 개발에 대해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

먼저, 기존의 2선식 백열전구 전용 조광기와 신규 개발의 LED조명기기 대응의 2선식 역위상 제어 조광기의 차이점에 대해 설명하고, 나아가 2선식 역위상 제어 조광기의 특징과 우위성에 대해 정리한다.

기존의 2선식 백열등 전구 전용 조광기

기존의 2선식 백열전구 전용 조광기로 일반적인 500W 백열등 전구 전용 조광기의 설명서에는 그 적합한 부하로서「백열전구의 40W~500W까지 사용 가능하다」고 나와 있다. 즉, 부하의 순저항이 250Ω~20Ω 사이이며, 조광의 최소치로도 규정치(약 30mA) 이상의 전류를 흐르게 함으로써 정상동작을 보장한다고 할 수 있다. 그 때문에 5W 정도의 LED전구에서 본래 적합한 부하라고 할 수는 없다. 그러나 500W 백열전구 전용 조광기로 5W 정도의 LED전구라도 조광이 가능한 이유는 LED전구 내부에 약 30mA 상당의 ‘조명에 관여하지 않는 불필요한 전류’를 흘리는「유지전류 유지회로」를 설치함으로써 실제와 유사한 40W 백열등 상당의 부하를 만들어 조광을 가능하게 하기 때문이다. 기존의 2선식 백열전구 전용 조광기의 주전류 위상제어 소자에는 양방향 사이리스터라고 하는 반도체 스위칭 소자(이하, 트라이액)가 채용되고 있다. 트라이액이라고 하는 반도체 스위칭 소자는 비교적 용이한 회로이며, 주전류를 위상제어할 수 있기 때문에 조광기 및 많은 전자기기에 채용되고 있다. 트라이액의 위상제어 방식은 비교적 용이한 회로에서 위상제어가 가능하지만, 그 반면 다음과 같은 사항에 유의하여 설계가 이루어져야 한다.

① 트라이액은 ON 상태를 유지하기 위해서 주전류에 규정의 유지전류를 계속 흘려줘야 한다. (기존의 500W 백열전구 전용 조광기의 경우에는 30mA 정도)

② 트라이액에 의한 위상제어 방식에서는 전류가 가파르게 변화하기 때문에 조광기로부터 광범위한 고주파 노이즈가 발생하여 라디오의 수신장해 등과 같은 문제가 된다. 그 라디오·노이즈(잡음단자 전압)를 상용전원 라인에 중첩시키지 않기 위해 비교적 규모가 큰 코일 및 콘덴서에 의한 노이즈 필터가 필수적이다. 또, 이 코일의 발열 및 상용전원의 주파수에 동기한 음향 노이즈(소음: 지지직거리는 소리)가 발생하는 문제도 있기 때문에 이에 대한 대책들을 강구해야 한다.

③ LED 조명기기 내부에 약 30mA 상당의 조명에 관여하지 않는 불필요한 전류를 흘리는「유지전류 유지회로」가 없으면 조광 조작이 불가능하다.

신규 개발의 2선식 역위상 제어 조광기

역위상 제어 방식의 조광기는 이전부터 무대조명, TV방송국, 스튜디오, 결혼식장 등에서 채용되고 있었다. 그 역위상 제어 방식형 조명제어장치는 4선식으로, 대형의 거치형 타입이 주류를 이루고 있다. 역위상 제어 방식의 조광기에는 주전류 제어 소자에 트라이액이 사용되고 있지 않다. 역위상 제어 방식의 조광기에는 주전류 제어 소자로서 IGBT(게이트 절연형 바이폴라 트랜지스터) 또는 MOSFET (전계효과 트랜지스터)이 채용되고 있다. 역위상 제어 방식의 조광기에서는 기존의 트라이액 채용의 조광기에서 주의 사항이었던「주전류에는 규정의 유지전류를 계속 흐르게 해야 한다」는 점이나「코일과 콘덴서에 의한 노이즈 필터가 필요하다」는 점에 유의할 필요가 없다. 그 반면, 위상제어회로가 복잡해짐으로써 장치 전체가 커지고, 제조비용도 상승하게 된다. 이러한 이유로 일반주택의 조광기에서는 역위상 제어 방식의 조광기가 채용되지 않고 있다. 이번에 개발한 2선식 역위상 제어 조광기의 동작원리를 간단하게 설명한다. 전류제어소자에 2개의 MOSFET를 채용하고, 직렬 역접속된 MOSFET Q1, Q2의 각 게이트로의 충전경로가 같은 회로정수로 게이트 전압을 충전함으로써 교류전원 전압의 주기가 정(+)과 부(-) 모두 각 게이트 전압(Q1, Q2)의 균형을 이루어 조광 특성의 안정화를 도모할 수 있다. 또 위상제어용 HIC(하이브리드 IC)에 의해 주전류가 OFF시 동시에 반대 위상측의 MOSFET 게이트에 주전류의 일부를 통전시켜 사전에 MOSFET 게이트의 전하를 규정치의 전압까지 충전하게 된다. 전원 전압의 주기가 변화하여 드레인 소스 간 양(+)전압이 걸리기 전에 게이트를 규정전압까지 충전할 수 있다. 이렇게 구성함으로써 늘 디바이스의 저항영역(저손실)에서 안정한 동작을 할 수 있다.

신규 개발의 2선식 역위상 조광기의 특징

아래의 표는 2선식 역위상 조광기의 3가지 특징을 정리한 것이다. 아래의 그래프는 기존의 조광기와 신규 개발 역위상 조광기의 전류치 및 전기요금을 비교한 것이다. 다음에 신규 개발의 2선식 역위상 조광기의 기타 특징을 포함해 자세하게 설명하도록 한다.

① 에너지 절약 설계
위상제어 회로부에는 전력소비가 거의 없는 CMOSIC를 채용하고 있기 때문에 위상제어 회로부에서의 에너지 손실은 거의 없다. (단, MOSFET의 발열에 의한 열손실은 있다) 또, 주전류 제어 소자에 MOSFET을 채용하고 있기 때문에 LED조명기구 측에「유지전류 유지회로」를 설치할 필요가 없으므로 불필요한 전력을 소비할 일이 없다.

② 미점등 특성이 뛰어나다
기존의 2선식 백열전구 전용 조광기에서 LED 조명을 미점등 조광하면「유지전류 유지회로」와 LED에 흘리는 전류의 균형 제어가 어려워 깜빡임 등의 문제가 발생했다. 신규 개발의 2선식 역위상 조광기에서는 미점등 시 LED에만 미소전류를 흘림으로써 깜빡거리는 문제를 해결하고 있다. 또 유지전류 유지회로를 설치하지 않은 LED 조명기기의 미점등 조광 시에는 LED에만 미소전류를 흘리기 때문에 에너지를 한층 절약할 수 있다.

③ 100% 점등이 가능
기존의 2선식 백열전구 전용 조광기에서 백열전구를 조광 시 빛 조절 손잡이의 최대 출력치는 97%~99%였다. 이것은 2선식 배선에 있어서 조광기의 동작전원을 확보하는 것을 생각하면 백열전구는 순저항 부하로 조광기 대비 수%의 도통각(conduction angle)을 얻을 수 있으면 충분한 동작전원을 확보할 수 있었기 때문이다. 그러나 LED 조명의 경우에서는 백열전구와 같이 순저항 부하가 아니므로 조광기에 대한 도통각을 크게 하여 조광기의 동작전원을 확보할 필요가 있다. 이 때문에 LED 조명을 기존의 2선식 위상 제어 조광기로 조광하는 경우, 빛 조절 손잡이의 최대치를 100% 조광이라고 표현하고 있는데, 실제로는 각 조광기의 제조업체 및 LED 조명기구에 따라 차이가 나며, 조광기의 동작전원을 확보하기 위해 약 80%로 출력을 억제해 그 상태를 100% 조광이라고 표현하고 있는 실태다. 신규 개발의 2선식 역위상 제어 조광기도 빛 조절 손잡이의 최대치로 약 80% 억제를 하고 있지만, 빛 조절 손잡이를 조작함으로써 빛 조절 손잡이와 연동하여 기계식 스위치가 투입되기 때문에 100% 점등 장치로서 기능하고 있다. 이때 조광기에는 전류가 흐르지 않으므로 조광기에서의 소비전력은 0이 되며, 반도체 소자의 발열도 없어지기 때문에 에너지 절감 효과를 더욱더 향상시킨다. 또 만일 위상제어 회로부가 고장 난 경우에도 빛 조절 손잡이와 연동하여 기계식 스위치가 투입되기 때문에 100% 점등이 가능해진다.

④ 소음 발생이 없다
상용전원의 주파수에 동기한 음향 노이즈(소음: 지지직거리는 소리)가 발생하지 않는다. 신규 개발의 2선식 역위상 조광기는 주전류 제어 소자에 MOSFET을 채용하고 있기 때문에 게이트 제어 신호 전압을 완만하게 변화시켜 주전류를 제어할 수 있다. 주전류 제어 소자의 MOSFET에 흐르는 전류 역시 완만한 변화로 라디오·노이즈(잡음단자 전압)가 저감되어 음향 노이즈(소음: 지지직거리는 소리)가 거의 발생하지 않기 때문에 정음화(靜音化) 실현의 조광기를 제공할 수 있다.

⑤ 연접에 의한 간섭의 저감
기존의 2선식 위상 제어 조광기를 동일 브레이커 배선에 의해 조광기 2대를 연접(병렬접속)해 1대의 조광기에서 백열전구를 조광하고, 다른 쪽의 조광기로 LED 조명을 조광하도록 배선된 경우에 있어서, 예를 들면 백열등용 조광기의 조작 시 조작하지 않은 측의 LED 조명기구에 점멸 및 깜빡임 등의 간섭이 발생하여 서로 영향을 끼치는 경우가 있지만, 신규 개발된 2선식 역위상 조광기는 기존의 아날로그 전압 신호에 의한 제어방식과는 달리, 디지털 전압 신호에 의한 제어방식을 채용하고 있기 때문에 서로 간섭을 받기 어렵다는 특징이 있다.

⑥ 안전대책
만일, 어떠한 결함으로 인해 신규 개발의 2선식 역위상 조광기가 고장이 나 발열이 발생하는 경우, 그 온도가 규정치를 넘을 시 내부의 온도 센서가 동작하여 조광기의 주전류를 차단하는 안전 대책이 마련되어 있다.

2선식 배선 방식의 우위성

아래 그림은 2선식 배선 방식과 4선식 배선 방식을 나타낸 것이다. 2선식 배선 방식이란 주전류 회로의 도중에 설치되는 것으로, 직렬 역접속된 스위칭 소자(주전류 회로에 접속)를 구비하는 ‘주전류 스위칭 회로’와 ‘제어부’(그 스위칭 회로에 통전하는 주전류를 제어)로 구성되는 위상제어장치이다. 즉, 2선식 배선 방식에서는 아래 왼쪽 그림에서와 같이 상용전원의 HOT측에서 부하L을 통과한 주전류가 조광기의 HOT측에서부터 들어와 조광기의 Cold측으로 흘러나오는 2선식 배선 방식으로, 주전류는 조광기의 HOT측(또는 Cold측)에서 들어와 Cold측(또는 HOT측)으로 흘러나오는 도중에 주전류를 제어하는 위상제어회로의 구동을 가능케 하고 있다. 아래 왼쪽 그림에서 보이는 바와 같이 2선식 역위상 조광기에는 HOT측과 Cold측의 2개소만 배선이 필요하다. 4선식 배선 방식에서는 아래 오른쪽 그림에서와 같이 교류전원의 HOT측, 교류전원의 Cold측, 부하, 부하(Cold)의 4개소에 배선이 필요하다. 이 4선식 배선방식과 2선식 배선방식의 차이는 큰 상이점을 갖는다. 2선식 배선 방식의 장점으로 벽 매입형 배선 기구는 벽 내부에 있는 수많은 배선들이 한데 모여 있는 배선 박스에 수납된다. 이 배선 박스는 한정된 공간에만 있기 때문에 박스 내부에는 수많은 배선들이 혼재되어 있다. 그 한정된 공간밖에 없는 배선박스 내에 조광기를 수납하여, 조광기 뒷면의 배선이 4개가 필요한지 혹은 2개가 필요한지 배선의 총연장을 포함하여 배선공사의 비용에 크게 반영시킨다. 또 이전에서부터 벽 매입형 조광기의 배선은 단극 스위치(Single pole switch)의 대체로서 사용 가능하도록 2선식 배선 방식이 채용되고 있다. 기존의 2선식 배선이 부설되어 있는 현장에서 4선식 배선 방식의 조광기를 설치하는 경우는 새로 벽내 추가배선의 공사가 필요하다. 여기에는 한번 벽을 떼어 추가 배선을 실시한 후 다시 벽을 복원해야 하기 때문에 커다란 비용이 발생하게 된다. 2선식 역위상 조광기는 기존 트라이액식의 2선식 배선이 부설되어 있는 현장에서 2선식 역위상 조광기로 대체하는 경우, 기존의 배선을 그대로 사용 가능하기 때문에 새로 배선을 추가할 필요 없이 추가배선공사의 비용이 발생하지 않는다.