LED 제어

LED(발광 다이오드)는 간단한 회로에서 고정 전압으로 사용되는 경우가 많지만, 기본적으로 전류 제어 소자이다. LED가 직렬 또는 병렬로 연결되었는지 여부에 관계없이, 밝기 및 작동 제어는 주로 LED에 흐르는 전류를 관리하여 이루어진다. 

• 전류 제어 방식:
  • LED의 광도는 흐르는 전류에 정비례한다. 이에 전류를 제어하여 밝기를 제어한다. 때문에 전류를 제한하는 저항이나 또는 정전류 드라이버와 함께 사용된다. 
  • LED는 비선형 전압-전류 관계를 갖는다. 즉, 전압이 조금만 증가해도 전류가 크게 증가할 수 있다.
  • 전류 정격을 초과하면 전압이 너무 높지 않더라도 즉시 LED가 손상될 수 있다.
• 제어 방법: LED의 밝기를 제어하려면 일반적으로 LED에 흐르는 전류를 제어한다. 일반적인 방법은 다음과 같다.
  • 직렬 저항 사용: 저항은 전압이 인가될 때 전류를 제한한다. 
  • 정전류 LED 드라이버: 전원 공급 장치는 순방향 전압의 미세한 변화에 관계없이 LED에 일정한 전류를 공급하도록 특별히 설계됨
  • 펄스 폭 변조(PWM): 이 기술은 LED를 고주파로 빠르게 켜고 끕니다. 감지되는 밝기는 듀티 사이클(전체 주기에 대한 켜짐 시간의 비율)에 의해 제어되며, 이는 LED에 흐르는 평균 전류를 효과적으로 제어한다. 

LED 자체는 본질적으로 "Parallel control (병렬 제어)" 또는 "Serial control (직렬 제어)"가 아니고, 회로 설계에 따라 달라진다. 이러한 용어는 회로에서 여러 LED가 연결되는 방식과 전체 회로가 제어되는 방식을 나타낸다.

• Serial control: 직렬 연결:LED가 end-to-end로 연결되어 같은 전류가 모든 LED에 흐른고 각 LED별 같은 전압 drop이 발생한다. LED는 종단간(end-to-end)으로 연결되므로 각 LED에 동일한 전류가 흐르며, 회로에 필요한 총 전압은 각 LED의 순방향 전압의 합이다.
  • 제어: 직렬 스트링에서 전류는 제어되는 주요 요소이다. (일반적으로 정전류 드라이버). 전류를 조정하면 스트링에 있는 모든 LED의 밝기가 동일하게 영향을 받습니다.
  • 장점: 각 LED에 동일한 전류가 흐르도록 하여 일관된 밝기를 유지합니다.
  • 단점: 하나의 LED에 문제가 발생하면(개방되면) 전체 스트링이 꺼집니다. 더 높은 전압의 전원 공급 장치가 필요. 각 LED에 걸리는 전압 강하가 누적되어 적절한 전원 공급 장치를 통해 적절히 관리하지 않으면 긴 스트링에서 디밍이 발생할 수 있다. 
• Serial control은 다음과 같은 경우 선호됨
  • 균일한 밝기가 중요. 직렬로 연결된 각 LED에는 동일한 전류가 흐르므로 (잘 매칭된 LED라고 가정할 때) 밝기가 더 일정하다.
  • 고전압 전원 공급 장치 사용 가능: 직렬 연결에는 스트링에 있는 모든 LED의 순방향 전압의 합과 같은 고전압 전원 공급 장치가 필요하다. 이러한 전원 공급 장치가 있다면 직렬 연결이 더 간단해질 수 있다.
  • 간소화된 배선: 직렬 회로는 일반적으로 배선과 부품(개별 전류 제한 저항 등)이 덜 필요하다.
  • 정전류 드라이버 사용: 직렬 회로는 LED에 전원을 공급하는 효율적인 방법인 정전류 LED 드라이버와 함께 사용하기에 이상적이다.

• Parallel control: 모든 LED는 같은 전압을 공유한다. 각 branch는 자신만을 위한 전류가 흐르며, 각 branch에 밸런스된 전류가 흐르도록 제어되어야 한다. LED는 나란히 연결되므로 각 LED에 동일한 전압이 공급된다. 회로에서 소모되는 총 전류는 각 LED에 흐르는 전류의 합이다.
  
  • 제어: 병렬 구성에서는 전압이 각 분기에 적용되는 주요 요소입니다. 그러나 LED는 전류 제어 장치이므로 각 LED 분기에 대해 적절한 전류 제한(일반적으로 개별 저항 사용)을 유지해야 합니다.
  • 장점: 하나의 LED에 문제가 발생(개방)하더라도 회로의 다른 LED는 계속 작동합니다. 더 낮은 전압의 전원 공급 장치(LED의 순방향 전압과 일치)를 사용할 수 있습니다.
  • 단점:
    • 불균일한 밝기 전위: 개별 LED의 순방향 전압이 미세하게 변하면 적절하게 관리하지 않으면 전류 분배와 밝기가 불균일해질 수 있다(일반적으로 각 LED 또는 분기마다 개별 전류 제한 저항이 필요함).
    • 더 높은 전류 소모: 병렬 회로는 각 분기를 통과하는 전류의 합인 총 전류를 소모하므로 더 높은 전류 용량의 전원 공급 장치가 필요.
    • 더 복잡한 배선: 병렬 회로는 일반적으로 더 많은 배선과 부품(특히 개별 전류 제한 장치)이 필요.
• Parallel control은 다음과 같은 경우에 자주 선호됨
  • 신뢰성이 중요. 병렬 분기에서 하나의 LED가 고장 나서 열리더라도 회로의 다른 LED는 계속 작동한다.
  • 저전압 전원 공급 장치 필요: 병렬 연결은 개별 LED의 순방향 전압과 일치하는 저전압 전원 공급 장치로도 작동할 수 있다.
  • 개별 제어 필요: 병렬 구성(특히 개별 전류 제한 기능 포함)에서는 개별 LED 또는 LED 그룹의 밝기를 제어하기가 더 쉽다.

• Serial & Parallel control: 직렬-병렬 연결은 두 가지 방법을 결합한 방식으로, 여러 개의 직렬 연결 LED 스트링을 병렬로 연결한다. 이 방식은 순수 직렬 또는 병렬 구성의 장단점을 균형 있게 조절할 수 있다.

결론: 적합한 고전압 전원 공급 장치와 정전류 드라이버를 사용하여 균일한 밝기와 효율을 우선시하는 애플리케이션의 경우 직렬 연결이 더 선호되는 경우가 많다. 신뢰성과 개별 LED가 전체 회로에 영향을 미치지 않고 고장을 일으킬 수 있는 기능을 중시하는 애플리케이션, 특히 저전압 전원 공급 장치의 경우, 병렬 연결(각 분기에 적절한 전류 제한 적용)이 더 선호되는 경우가 많다. 실제 애플리케이션, 특히 LED 수가 많은 애플리케이션에서는 이러한 요소들의 균형을 맞추기 위해 직렬-병렬 구성을 사용한다. 궁극적으로 "더 바람직한" 구성은 LED 조명 프로젝트의 특정 요구 사항과 제약 조건에 따라 달라진다. LED 수, 사용 가능한 전원 공급 장치, 원하는 밝기 일관성, 신뢰성 요구 사항, 비용 등의 요소를 고려필요. 차량용 LED는 신뢰성 보장을 위해서 주로 병렬 연결이 사용됨.

 

 

 

 

 

 

 

※ 참고자료

Rohm - LED 다바이스 기초