개요: 오랫동안 발광 다이오드(LED)는 상태 디스플레이나 매트릭스 패널에 사용되는 인기 있는 소자이었다. 지금은 보편적인 녹색, 적색, 그리고 황색 형태처럼 최근 개발된 청색 및 백색 형태(휴대용의 장치에서 넓게 사용되고 있다)을 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들면，백색 LED는 칼라화 된 디스플레이를 위한 이상적인 백그라운드의 조명처럼 사용된다. 그러나 그 소자들을 위한 전원 공급기를 설계할 때, 이 새로운 LED 소자 고유의 특색에 주의해야만 한다. 이 문서는 오래된 LED와 신 개발된 LED의 특성과, 그들을 활성화시키기 위한 전원에 관해 설명한다.
표준 적색, 녹색 및 황색 LED
LED를 조작하는 가장 간단한 방법은 직렬로 연결된 저항기와 함께 LED 양단에 전압을 공급하는 것이다. LED는 동작 전압 (VB)이 일정할 때(비록 주변의 온도가 상승하면 휘도가 감소되지만) 일정한 휘도의 빛을 발광한다. 이때 저항기의 값을 바꿈으로써 광의 휘도를 바꿀 수 있다.
5mm의 직경을 갖는 표준 LED에 대해 그림 1은 순방향 전압 (VF) 대비 순방향 전류 (IF)의 관계를 보여준다. LED 양단의 순방향 전류가 증가함에 따른 전압강하에 주의하라. 5V의 일정 동작전압이 인가될 때, 한 개의 녹색 LED에 10mA의 순방향 전류가 흐른다고 가정하면, 직렬저항 RV는 equals (5V -VF,10mA)/10mA = 300Ω 이다. 순방향 전압은 그림 2의 데이터 시트에 나와있는 일반적인 동작 조건 그래프에서 볼 수 있듯 2V 정도 이다.
그림 1. 표준 적색, 녹색, 황색 LED는 원하는 밝기나, 순방향 전류에 따라 1.4V~2.6V까지의 순방향 전압을 가진다. 10mA 이하의 순방향 전류가 흐른다고 할 때, 순방향 전압은 수백 mV정도 변화한다.
그림 2. 직렬 저항기와 일정 전압을 공급하는 것은 LED를 동작시키는 가장 간단한 방법이다.
이것과 같은 일반적인 다이오드는 GaAs 인화성 화합물로 만들어 진다. 대부분의 설계자들이 알고 있고, 쉽게 사용하기 위한 많은 장점을 제공한다.
방사되는 색(방사되는 파장)은 순방향 전류, 동작 전압과 주변온도에 따라 상대적으로 변화된다. 표준 녹색 LED는 565nm의 파장을 방사한다. 이때 허용 오차는 단지 25nm정도 이다. 색차 또는 파장의 차이가 매우 작기 때문에, 그런 LED를 병렬로 연결하여도(그림 3) 표시되는 색의 차이는 별로 느낄 수 없다. 순방향 전압의 변화는 광의 휘도에 미세한 차이를 만들어 낸다. 그러나 그것 또한 아주 작은 편이다. 동일 제조사나 다른 여러 LED 중에 생길 수 있는 작은 차이는 무시해도 될 것이다.
순방향 전압은 대략 10mA까지의 순방향 전류에 아주 작은 차이를 만들 수 있다. 그런 순방향 전압의 변화 정도는 적색 LED는 약 200mV정도이고, 다른 색 LED는 400mV 정도이다 (그림 1).
10mA 이하의 순방향 전류에서, 순방향 전압은 청색이나 백색 LED보다 매우 적다. 그것은 Li+ 셀 또는 3개의 NiMH 셀로 직접 동작할 수 있어 경제적이다.
그림 3. 휘도의 차이나 색차가 매우 작은 병렬로 연결된 몇 개의 적색, 황색, 녹색 LED의 동작 구조를 보여주고 있다.
이와 같이, 표준 LED를 동작시키는데 사용되는 전기는 아주 작다. 만일 LED의 동작 전압이 최대 순방향 전압보다 높다면, 부스트 컨버터나 복잡하고 비싼 전류원은 필요하지 않다.
배터리 셀 방전으로 광의 휘도가 감소하는 것을 무시할 수 있다면, 이 LED는 Li+ 또는 3개의 NiMH 셀에 직접 연결하여 사용할 수 있다.
청색 LED
청색광을 방사하는 LED는 오랫동안 사용할 수 없었다. 설계 엔지니어는 단지 기존의 적색, 녹색과 황색 LED를 사용할 수밖에 없었다. 초기의 "청색" LED는 실제로 청색 LED가 아니라, 작은 백열등을 둘러싼 외부 전구에 청색을 칠한 형태였다.
최초로 구현된 "진정한 청색" LED는 실리콘 탄소 재질인 SiC를 사용하여 몇 년전에 개발하였으나, 그 제품은 효율이 아주 낮았다. 차세대 소자는 질화 갈륨 재질을 사용하여 만들었으며, 초기버전에 비하여 효율이 몇배 증가되었다. 오늘날의 청색 LED용 에피텍시 재질은 InGaN(Indium-Gallium-Nitride)라고 부른다. 450nm~470nm까지의 파장을 방사하는 InGaN LED는 질화 갈륨 재질의 LED에 비해 광의 휘도가 5배정도 증가하였다.
백색 LED
실제로 백색광 방사 LED는 이용할 수 없다. 그런 소자는 LED가 1개의 파장만을 방사하기 때문에 만들기가 어렵다. 백색은 색의 스펙트럼을 나타내지 않는다. 그 대신에 백색은 여러 파장들의 혼합을 필요로 한다.
그림 4).
그림 4. 백색 LED(실선)의 방사 파장은 청색과 황색 영역의 첨두값을 포함하고 있지만 인간에 눈엔 백색처럼 보인다. 사람 눈으로 볼 수 있는 빛의 감도는 비교를 위해 점선으로 표시했다.
백색 LED의 색은 색조 좌표에 의해 정의된다. 이 X좌표와 Y 좌표의 값은 CIE(Commission Internationale De L'Eclairage)에서 출판한 발표자료 15.2항에 따라 계산된다. 백색 LED를 위한 데이터 시트는 순방향 전류(그림 5)를 증가시켜서, 컬러 좌표가 변화하게 지정하곤 한다.
그림 5. 순방향 전류가 변화할 때의 백색 LED(OSRAM Opto Semiconductors의 LE Q983)의 색도 좌표의 변화와 그에 따른 백색광의 품질을 보여줌.
불행하게도, InGaN기술 LED는 표준 녹색, 적색, 황색 타입의 LED를 사용하는 것처럼 용이하지 않다. InGaN LED의 주 파장(색)은 순방향 전류(그림 6)에 따라 변화한다. 예를 들어, 청색 빛을 방사하는 InGaN 재질은 순방향 전압에 따라 파장이 변하며, 백색LED의 변환 재질은 밀도의 차이에 의해 색이 변한다. 그런 색의 변화는 그림 5에서 확인할 수 있다. 거기서 X 좌표와 Y 좌표의 변화는 색의 변화를 의미한다. 그 색 변화는 그림 5에서 볼 수 있다, 거기서 X와 Y좌표의 이동은 색 변경을 의미한다. (앞에서 언급된 것처럼, 백색 LED는 어떤 특정의 파장을 가지지 않고 있다).
그림 6. 순방향 전류가 증가함에 따라, 청색 LED의 색조는 방사되는 파장이 변화함에 따라 바뀐다.
순방향 전압은 최대 10mA까지 순방향 전류에 대해 심하게 변화한다. 변화의 범위는 약 800mV(몇몇 다이오드는 더 많이 변화함)이다. 배터리 방전에 기인하는 동작 전압의 변화가 순방향 전류를 바꾸기 때문에, LED의 색을 바꾼다. 10mA의 순방향 전류일 때 순방향 전압은 약 3.4V(이 양은 제조사에 따라 3.1V~4.0V까지 변화된다.)이다. 전압 대 전류 특성은 LED에 따라 많은 변화가 있다(아래 참조). 대부분의 배터리가 방전 상태에서는 LED구동에 필요한 최소 전압보다 낮기 때문에, 배터리로 LED를 직접 동작시키기는 어렵다.
병렬로 연결된 백색 LED의 동작
많은 휴대형과 배터리 구동식 디바이스는 백그라운드 조명을 위해 백색LED를 사용한다. 특별히, PDA의 칼라 디스플레이에서는 원래의 칼라에 근접하는 화면을 만들기 위해 백색 백라이트가 사용된다. 차후의 3세대 휴대 전화는 화상과 영상 데이터를 지원해야하기 때문에 백색 백라이트 조명을 필요로 한다. 디지털 스틸 카메라나 MP3 플레이어, 또는 다른 비디오 및 오디오 장치들도 백색 백라이트가 요구되는 디스플레이가 필요하다.
대부분의 경우 하나의 백색LED는 충분하지 않다. 그래서 몇 개의 LED가 같이 동작하여야 한다. 배터리의 충전이나 다른 조건이 변하여도, 그 LED들의 휘도나 칼라가 매칭되게 하기 위해서는 특별한 방법이 적용되어야 한다.
그림 7은 백색 LED중에서, 불규칙적으로 선택된 소자들의 전류 전압 특성 곡선을 나타낸다. 이 LED에 3.3V의 전압(위의 점선)을 공급하면, 순방향 전류가 2mA~5mA까지 이며, 이는 백색의 다른 색조를 나타내게 된다. 이 영역에서 Y좌표는 더 강하게 변화한다(그림 5). 그 결과 비현실적인 칼라가 조명 디스플레이에 나타난다. 또한 그런 LED들은 광의 휘도가 서로 달라서 서로 다른 조명을 만들게 된다. 또 다른 문제는 필요한 최소 공급 전압이다. 3V이상의 전압은 LED를 충분히 동작시킬 수 있는 전압이다. 그러나 그 이하의 전압은 몇 개의 LED를 완전하게 밝히지 못할 것이다.
그림 7. 이 특성 곡선은 백색 LED의 전류-전압 특성차이에 관해 묘사하였고, 이 백색 LED는 동일한 시기에 만들어진 부품이다. 일정한 3.3V(위의 점선)에 병렬로 연결되어 있는 몇몇 LED는 백색의 다른 색조 및 다른 밝기를 만들어 낸다.
완전히 충전된 리튬이온 배터리는 4.2V의 전압을 출력하지만, 짧은 기간 내에 3.5V로 전압 강하가 일어날 것이다. 그 전압도 잠시 후에는 3.0V정도로 방전될 것이다. 만일 백색 LED가 직접 배터리와 연결되면 다음과 같은 문제가 발생할 것이다.
첫 번째로 그 배터리가 완전히 충전된 상태라면, 모든 다이오드는 점등되겠지만, 각각의 광의 휘도 및 칼라의 색조는 서로 다를 것이다. 정상 레벨에서 전압 강하가 더 진행되면, 광의 휘도는 줄어들고, 백색은 더 심한 차이를 보이게 될 것이다. 설계자는 배터리의 전압과 다이오드의 순방향 전압을 고려하여 직렬 저항기의 값을 결정해야 한다.(배터리가 완전히 방전될 때, LED는 완전히 꺼진다).
전류 제어가 있는 차지 펌프
LED 전원 장치의 목표는 충분하게 높는 출력 전압을 제공하는 것이다. 그리고 병렬로 연결된 모든 LED에 같은 전류를 흐르게 하는 것이다. 만일 병렬구조의 모든 백색 LED가 동일한 전류를 받게 된다면, 그 모든 LED의 색조 좌표는 동일할 것임을 우리는 안다(그림 5). Maxim사는 그런 목적의 전류 제어 기능이 있는 차지 펌프를 제공한다(MAX1912).
그림 8에서 보여주는 3개의 LED 병렬 구조에서, 차지 펌프는 입력 전압을 1.5배로 늘리는 대규모 형태이다. 기존의 차지 펌프는 단순히 입력 전압을 두 배로 했다. 그러나 이 새로운 기술은 더 좋은 효율을 제공한다. 입력 전압은 LED의 동작을 가능하게 하는 레벨로 승압될 것이다. SET(핀 10)에 연결된 저항기망은 모든 LED에 동일한 전류를 보낼 수 있게 한다. 이 칩의 내부 회로는 SET 전압을 200mV로 유지하게 하여, 모든 LED에 흐르는 전류를 ILED = 200mV/10Ω = 20mA로 유지시킨다. 만일 더 낮은 전류 레벨을 필요로 하는 LED를 사용할 경우는, 병렬로 3개를 더 연결하여 사용할 수도 있다. 왜냐하면, MAX1912는 60mA까지의 구동전류를 출력할 수 있기 때문이다. 더 많은 애플리케이션이나 회로도를 보시려면 MAX1912 데이터 시트를 참조한다.
그림 8. 이 IC는 전류제어 기능이 있는 차지 펌프와 결합되어 있다. 차지 펌프는 충분한 동작 전압을 백색LED에 제공한다. 그리고 전류 제어는 각 LED에 동일한 전류를 흘려 줌으로써 균일한 백색광을 만들 수 있게 한다.
간단한 전류 제어
만일 시스템이 다이오드의 순방향 전압보다 높은 전압을 제공하면, 백색 LED는 쉽게 동작시킬 수 있다. 예를 들면，디지털 스틸 카메라는 +5V의 전원장치를 포함하고 있다. 그 경우 공급 전압이 LED를 구동하는데 충분하기 때문에 승압 기능을 필요로 하지 않는다. 그림 8의 회로는 정합된 전류원을 사용했었다. 예로써, MAX1916은 병렬로 연결된 3개 정도의 LED를 구동할 수 있다(그림 9).
그림 9. 하나의 외부 저항(RSET)으로 각 LED에 공급되는 동일 전류를 결정한다. 펄스폭 변조된 신호를 이 IC의 이네이블 핀(EN)에 공급함으로써, 빛의 밝기를 제어할 수 있다 (조광 기능).
The operation is simple: 저항 RSET는 연결된 LED로 흐르는 전류를 결정한다. 이런 방식은 보드의 공간이 아주 작을 때 적합하다. IC (작은 SOT23 6핀으로 패키지 되는) 외에 하나의 바이패스 콘덴서와 하나의 저항만이 필요하다. 그 IC는 LED 사이에 0.3%의 오차만이 허용되는 우수한 전류 정합을 제공한다. 이 구조는 각 LED의 동일한 색도 위치와 동일한 형태의 백색광을 제공한다.
조광(Dimming)은 광의 휘도를 변화시킨다
휴대용 장치 중 몇몇 종류는 주변 광의 조건에 따라 출력 광의 휘도를 조절한다. 그리고 짧은 동작 대기 시간이 지난 후, 몇 종의 LED는 소프트웨어에 의해 광의 휘도를 조절한다. 그런 두 종류의 조작은 모두 LED를 조광하는 기능이 필요하다, 그리고 그런 조광(Dim) 기능은 각 LED의 순방향 전류가 색도 좌표의 변화에 영향을 미치지 않게 해야 한다. 그런 획일적인 발광의 실현은 RSET에 의해 구현된다.
I²C 인터페이스가 있고, 아날로그를 6비트로 변환시켜주는 MAX5362나 SPI™ 인터페이스가 있는 MAX5365같은 칩을 사용하면, 광의 휘도를 32단계까지 변환 가능하게 하는 조광 기능을 실현할 수 있다 (그림 10). 백색 광 LED인 경우는 순방향 전류가 색도 좌표의 변화를 야기하므로 밝기에 변화를 줄 수 있다. 그것은 동일한 전류가 흐르는 그룹내의 LED는 동일한 밝기의 빛을 방사하므로 문제시 되지는 않는다.
그림 10. 이 ＤＡC는 동일한 크기의 전류를 각 LED에 공급하여 조광 제어를 이룬다.
색도 좌표가 움직이지 않는 상태에서의 조광 기능을 펄스 폭 변조라 부른다. 이네이블 또는 셧다운 기능을 제공하는 대부분의 전원 공급 장치로 이런 기능을 구현할 수 있다. 예를 들면, MAX1916은 EN단자가 로우인 경우에 LED를 통해 흐르는 1µA의 전류도 엄격히 제한한다. 그 결과 LED의 발광은 제로이다. EN단자가 하이에 연결되면 순방향 전류가 LED를 통해 흐르게 된다. 만일 당신이 펄스 폭 변조를 EN단자에 적용하면, LED의 밝기는 그 신호의 듀티 사이클에 비례할 것이다.
색도 좌표는 각 LED의 순방향 전류가 같은 것처럼 보이기 때문에 움직이지 않는다. 그러나 인간의 눈은 듀티 사이클의 변화를 LED의 밝기 변화처럼 인지한다. 25Hz보다 높은 주파수는 인간의 눈으로 감지하지 못한다. 그래서 200~300Hz의 스위칭 주파수는 PWM 조광을 위한 좋은 방안이다. LED를 온/오프 스위칭하는 작은 시간이 필요하기 때문에, 더 높은 주파수를 사용하면 색도 좌표가 움직일 수 있으므로 안된다. PWM 신호는 마이크로 프로세서의 I/O 핀이나, 그 주변기기 중의 1개에서 제공될 수 있다. 유효한 밝기의 단계는 그 목적으로 사용되는 카운터 레지스터의 크기에 따라 달라질 것이다.
전류 제어부를 가지고 있는 스위치 모드 부스트 컨버터
위에서 언급한 MAX1912같은 차지 펌프 이외에, 전류 제어가 있는 부스트 컨버터를 사용할 수도 있다. 예를 들면，MAX1848 스위치 모드 전압 컨버터는 13V까지의 출력 전압을 발생한다. 그래서 그림 11과 같이 직렬로 연결된 3개 정도의 LED는 구동이 가능하다. 그런 방식은 직렬로 연결된 LED에 흐르는 전류가 동일하기 때문에 아주 좋은 방안이 된다. LED에 흐르는 전류는 RSENSE와 CTRL 입력에 부가되는 전압에 의해 결정된다.
그림 11. 이런 스위치 모드 부스트 컨버터는 직렬로 연결된 몇 개의 LED를 구동할 수 있게 한다. 모든 LED에는 동일한 순방향 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 (예를 들어) DAC에 의해 제어되는 CTRL 입력 핀의 전압에 의해 통제된다.
MAX1848은 위에 기술된 방법중의 하나에 의해 조광 제어를 할 수 있다. LED를 통해 흐르는 순방향 전류는 CTRL 핀에 인가되는 전압에 비례한다. CTRL에 인가되는 전압이 100mV보다 낮은 경우에 MAX1848가 셧다운 모드가 되므로, 이 기능을 이용하면 PWM 조광 기능을 구현할 수 있다.
요약
만일 균일한 백색광의 방출을, LED들의 순방향 전류를 같게 하는 것에 주의하여 제어하고자 한다면, 백색 LED도 병렬 구조로 구동할 수 있다. LED를 조작하기 위해서는, 전류원 제어나 전류제어 기능이 있는 스텝업 컨버터를 이용하는 두가지 방법 중 하나를 선택해야 한다. 차지 펌프나 스위치 모드 부스트 컨버터를 사용하면, 당신은 몇몇 표준 제품을 조합하여 사용할 수 있다.
다운로드, PDF 형식
