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BASIC4MCU | ◎초보자가이드 | LED DIY | LED 드라이버 회로 골르기 [펌]

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작성자 키트 작성일2017-09-12 11:33 조회3,807회 댓글0건

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LED 드라이버 회로 골르기

LED 드라이버 선택에 도움이 될까하여 간단히 정리해 보았습니다. DealExtremeKaidomain, TaskLED 중심으로 정리했는데 자료가 얻어지는 대로 추가, 정리토록 하겠습니다. 잘못되거나 추가, 또는 참고 자료가 있으면 댓글 부탁드리고, 드라이버 사용 후기나 주의사항 등도 서로 나누었으면 합니다.

 

1. P7, MC-E 용

출 력입 력드라이버비 고
2.8A (8x7135)2.7~6.0VKD.1770-
2.8A~8.4V (2x18650)DX.20330효율 85%
2.8A, 5-mode~8.4V (2x18650)DX.20329효율 85%
2.8A, 3-mode5.5-15VKD.5595-
3A (12W), 3-level5.5~15VKD.1866, KD.6386, KD.6282-
3A (12W), 5-mode4.1-3.6VKD.1845-

 

 

3660040653_Z3yLe9Ok_kd1770_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw3KD.1770은 정전류 소자인 AMC7135를 8개를 보드 앞뒷면에 나누어 붙인 것으로 에네루프 AA 4개로 1시간(2.8A), 18650으로 3시간(2.8A) 사용할 수 있다고 설명에 나와 있다.

 

입력 전압은 2.7~6V이며, LED 전압 보다 대략 0.12V이상 높아야 정전류가 유지되므로 4.2~3.9V 구간에서는 2.8A 정전류이지만 그 이후에는 전류가 즐어 대략 1A 정도에서 사용이 끝나게 됩니다. .

 

3660040653_r5HoL9gp_dx20330_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw33660040653_i2qB6fvp_dx20229_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw3DX.20330은 정전류 회로이고, DX.20329은 여기에 5-모드 회로를 덧붙인 것이며, 18650 2개를 전제로 개발된 스텝다운(벅)회로이기 때문에 18650 1개일 때에는 제 성능을 발휘하지 못한다고 합니다.

 

스텝다운이면서도 전류가 커 효율은 85% 정도인데, 비유로 말하자면 4.2V중 3.57V만 LED로 전달된다는 것을 의미하며, 이러한 점은 정전류 회로의 숙명이기도 합니다.

 

 

3660040653_RteHYsSl_kd5595_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw33660040653_L9iOxcDX_kd5595_2a_atweb.jpg3Ftype3Dw3KD.5595는 스텝다운과 100%/30%/10%, 3-레벨 회로가 보드 앞뒤에 구현된 것으로 MC-E의 각종 결선을 고려하여 개발되었다고 합니다. 18650 3개(12V)로 P7을 구동해보니 열이 너무 나서 방열이 필요했다는 사용기도 있습니다.

 

스텝다운은 입력과 출력의 차이를 인덕터가 완충해 주는 방식이므로 이 차이가 크면 에너지를 저장하는 인덕터도 커져야 하는데 이 부분이 좀 미흡하지 않았나 합니다.

 

KD.6386은 KD.5595와 거의 비슷한 부품 배치로서, 에네루프 AA 4개로 1시간(3A), 18650 2개로 3시간(3A)이상 사용할 수 있다고 합니다. PWM 방식에 의해 고(100%), 중(35%), 저(5%), 3-레벨의 밝기를 제공하며, 효율은 90~95%라고 설명에 나와 있습니다. 과열되면 자동으로 밝기가 줄어드는 안전 장치도 되어 있고, 리튬이온 배터리를 과충전, 과방전하지 않도록 설게되었다고 합니다.

 

위의 효율은 가장 좋을 때만을 언급한 것으로 LED 최대 밝기가 약 10.45W이므로 이를 근거로 시험 데이터에서 입력 전압에 따른 효율을 구해보면 입력과 출력 전압 차이가 클 수록 효율이 떨어지는 것을 알 수 있습니다.

3660040653_BDn392pY_kd6386_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw33660040653_XrG3pmN7_kd6386_2a_atweb.jpg3Ftype3Dw3
  • 5.5V 2.0A (11W) --> 95%
  • 7.2V 1.60A (11.52W) --> 91%
  • 9.0V 1.35A (12.15W) --> 86%
  • 11.1V 1.15A (12.77W) --> 82%
  • 13.2V 1.00A (13.2W) --> 79%

 

KD.1845는 18650 1개 전압용으로 인덕터나 정전류 회로 없이 단순히 PWM에 의해 5-모드 기능만을 제공해 주며, 직결과 같은 특성이므로 100%시 입력 전압에 따른 전류는 아래와 같이 시간이 지남에 따라 줄어 듭니다.

3660040653_8Jd1Fyli_kd1845_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw3
  • 4.1V --> 3.3A
  • 4.0V --> 3A
  • 3.9V --> 2.7A
  • 3.8V --> 2.3A
  • 3.7V --> 2.3A
  • 3.6V --> 2A
  • 3.5V --> 1.7A
  • 3.4V --> 1.4A
  • 3.3V --> 1.2A

2. 정전류 (7135)

[참고] AMC7135
출 력입 력드라이버비 고
350mA (1x7135)2.7~6.0VDX.3160, KD.1610-
700mA (2x7135)2.7~6.0VDX.3146, KD.1608, KD.1609-
1050mA (3x7135)2.7~6.0VDX.1885, DX.3201, KD.1611-
1400mA (4x7135)2.7~6.0VDX.1886, DX.3178,
KD.6653, KD.1612
-

 

ADDTEK사의 정전류 소자 AMC7135를 병렬로 연결하여 전류를 증가(소자당 350mA)시킨 회로입니다. 원형 보드 한 면에 최대 4개, 앞뒤 면을 다 활용하면 8개까지 실장되지만 발열 또한 만만치 않습니다.

 

 

3660040653_vegGtx15_amc7135_3_atweb.jpg

 

위 도표에서 350mA가 흐를 때의 7135의 dropout 전압은 0.15V입니다. 따라서 입력 전압이 LED의 순방향 전압 Vf보다 0.15V 이상이면 350mA로 일정하고 그 이하이면 전류도 줄고, dropout 전압도 줄어 직결시와 같이 동작합니다.

 

효율은 (Vf / 입력전압 * 100) 퍼센트이므로 배터리 전압 4.0V에 Vf가 3.4V라고 하면 효율은 85%이며 이후 입력 전압이 낮아져 Vf에 가까워질 수록 효율은 좋아집니다. 예를 들어, 위 표에서 100mA가 흐흘 때 dropout 전압은 0.03V이므로 입력 전압이 3.43V이면 Vf는 3.4V로서 100mA가 흐르며, 이때의 효율은 99.1%로서 거의 직결(100%)과 같은 효율이므로 밝기가 변하는 단점이 있어도 많이 사용되는 것입니다.

 

 

전류 - dropout - 입력(V) - LED(Vf) - 효율 350mA - 0.80V - 4.20V - 3.4V - 81.0% 350mA - 0.60V - 4.00V - 3.4V - 85.0% 350mA - 0.40V - 3.80V - 3.4V - 89.4% 350mA - 0.20V - 3.60V - 3.4V - 94.4% 350mA - 0.15V - 3.55V - 3.4V - 95.7% 300mA - 0.09V - 3.49V - 3.4V - 97.4% 200mA - 0.06V - 3.46V - 3.4V - 98.3% 100mA - 0.03V - 3.43V - 3.4V - 99.1%

 

4.2V에서3.8V까지 구간의 낮은 효율은 펄스 방식 즉, 스텝다운 회로를 사용하면 90-95%이상으로 개선됩니다.

 

Dropout 전압과 전류의 곱은 그대로 7135에서 발열로 나타나므로 dropout 전압이 높아 질 수록 방열에 주의해야 합니다. 또한, LED는 안 그렇지만 7135는 전원을 반대로 연결하면 쉽게 파괴됩니다. 따라서 역극성 보호용 다이오드가 회로에 내장되기도 합니다. 하지만 다이오드에 따라서는 0.1~0.5V 정도의 전압강하를 초래하므로 자신있으면 다이오드 없는 것을 사용하는 것이 효율에 좋습니다.

 

3. 정전류 (7135) + Mode

[참고] 12F629
출 력입 력드라이버비 고
1000/150mA(3x7135), 2-mode2.6~6.0VKD.1801, KD.1802-
1000mA (3x7135), 2-mode3.7~4.2VKD.6052, KD.6237-
1000mA (3x7135), 5-mode2.7~6.0VDX.6190, KD.1638,
KD.6237
-
1000mA (3x7135), 16-mode2.7~6.0VDX.7612, KD.1677,
KD.1678
-
1000mA (3x7135), 17-mode3.7~4.2VDX.6236-
1000mA (3x7135), 20-mode2.7~6.0VDX.7879-

 

7135에 의해 일정하게 흐르는 정전류를 시간적인 단속에 의해 원하는 모드를 추가하는 회로입니다. 단속 펄스는 보통 Microchip사의 PIC 12F629라고하는 소형 MCU의 프로그램에 의해 만들어 집니다. 모드 동작부분은 효율을 저하시키지 않으므로 이 회로의 효율은 위의 정전류(7135)와 같습니다.

 

모드는 밝기를 조절하는 디밍(dimming)과 신호용 깜박임(flash)/스트로보(strobo)로 구분됩니다. 디밍은 단속의 주기를 100Hz이상으로 높여 느끼는 밝기를 어둡게 하는 것이고, 깜박임은 0.3~10Hz 정도의 낮은 속도로서 경찰경광등(빠른 단속)이나 구조용 신호(느린 단속), 또는 ... --- ... 와 같은 SOS 신호를 만들어 냅니다.

 

예를 들어, 16-모드의 동작은,

그룹 1: 저(10%) - 중(35%) - 고(100%) - 스트로브 - SOS, 그룹 2: 저(10%) - 중(35%) - 고(100%), 그룹 3: 저(10%) - 중(35%) - 고(100%) - 경찰 스트로브 - 느린 스트로브 (3Hz) - 아주 느린 스트로브 (1Hz) - SOS.

 

점등 중 2초 이내에 스위치를 off했다 다시 on하면 다음 모드로 이동하고, 저(10%) 밝기에서 4~5초를 기다려 깜박임을 본 후에 2초 이내에 스위치를 off하면 on시에 다음 그룹으로 이동합니다.

 

12F629는 핀1은 Vcc, 핀8은 Gnd이고, 그 나머지 핀들은 일반 입출력 포트로 사용할 수 있습니다. 입출력 포트는 출력 전류 용량이 각각 25mA로서 R·G·B LED를 직접 구동시킬 수도 있습니다. 모드 회로에서는 주로 핀7을 사용하나 다른 핀에서도 같은 출력이 나오는 경우가 있으므로 고장시 대체하여 사용하여도 됩니다.

 

12F629는 역극성 인가시 쉽게 파괴되므로 역극성 방지용 다이오드를 거쳐 전원이 공급되며, 내부에 클럭 발생기가 있어 전원에 1-10uF 정도의 바이패스 캐패시터가 연결되어야 안정된 동작을 합니다. 그러나 대부분의 모드 회로는 별도의 검출 회로 없이 직접 MCU가 자체의 전원 on/off를 검출하여 모드를 변경하기 때문에 바이패스 캐패시터로서 너무 큰 것을 달 수가 없습니다.

 

4. AA/AAA용 Step-up

[참고] 2106F, ZXSC300, ZXSC310
출 력입 력드라이버비 고
1W (300mAx3.6V)1.5~3.0V4451-
2.5W (700mAx3.3V)1~3V4382-

 

AA나 AAA 전지 1개(1.5V)나 2개(3V)의 입력 전원을 대상으로 하는 단순한 정전류 스텝업(Step-up) 회로입니다. 일반적으로 중국에서 생산된 2106F라는 소자가 많이 사용되며, 가끔 ZETEX사의 ZXSC300, ZXSC310도 보입니다. 대표적인 스텝업 응용 회로는 dn73.pdf입니다.

 

3660040653_E0cGrC4w_dn73_1_atweb.jpg

 

스텝업에서는 입력전압이 LED의 Vf 전압보다 낮아야만 정상동작하며, 입력전압이 더 높으면 회로를 무시하고 그대로 LED에 가해져 직결 상태가 됩니다. 직결 상태에서는 회로는 먹통. 일단 불이 더 밝아지므로 기뻐하는 것도 잠간, 효율이 낮아 심하면 LED나 회로가 과열로 파괴됩니다.

 

스텝업 회로에서 중요한 것은 부하(LED)의 개방에 따른 보호 기능 여부입니다. LED 연결 없이 전원을 넣었을 때 보호 기능이 없으면 발생된 고압에 회로가 파괴될 수 있고, 고압이 발생되고 있는 상태에서 나중에 LED를 연결하면 LED가 손상될 수도 있습니다. 부하의 개방에 따른 보호가 되어 있더라도 LED를 떼었다 바로 다시 붙이면 캐패시터나 회로에 충전된 고압으로 스파이크가 일어나 LED를 파손시킬 수 있습니다. 따라서 전원을 끊고, 고압이 다 방전되도록 기다린 이후(예 5분후) LED를 연결해야 합니다.

 

5. AA/AAA용 Step-up + Mode

출 력입 력드라이버비 고
2W (500mA), 5-mode0.8~1.7VDX.7302, KD.1639-
2.5W (700mAx3.3V), 5-mode1~3VDX.10084-
3W (350mAx3.7V), 5-mode0.7~1.5VDX.7427-
3W (800mA), 19-mode1.2/1.5VKD.1692, KD.1693-
3W (800mA), 20-mode1.2/1.5VDX.7880, DX.7881-


 

앞에서와 같은 스텝업 정전류 회로에 모드용 회로를 추가한 것으로 두 회로는 동작상 완전 분리되어 있으므로 정전류 회로 위에 조그만 토막 보드를 얹도록 만들어져 있는 경우도 있습니다.

 

6. 리튬 사용 가능 Step-up

[참고] 2106F
출 력입 력드라이버비 고
3W (700mAx2~7V), 19-mode0.8~7VDX.7882, KD.1672,
KD.1673
-
3W (800mAx3.7V)1.5~4.2VDX.47352106F
4W (1000mAx3.7V) 5-mode0.9~4.5VDX.15880SSC/P4, XR-E

 

 

스텝업과 직결, 스텝다운 기능을 하나의 회로에서 모두 실현하는 것은 생각보다 간단치가 않습니다. Boost/buck 회로나 SEPIC 같은 소자나 회로가 있으나, 복잡하고 효율 개선효과도 뚜렷하지 않아 별로 사용되지 않습니다.

 

따라서 상기 AA형 스텝업 회로에서 동작 전압을 리튬배터리 전압(4.2V)에서도 사용할 수 있도록 조건을 맞춘 정도라고 생각하면 됩니다. 2106F나 ZXSC300과 같은 소자는 대체로 8V 이상 견디므로 입력 전압이 Vf 전압과 같거나 약간 높은 경우를 고려하여 보완한 것이라 보면 됩니다.

 

아래는 대표적이라 할 수 있는 7882를 대강 그리고, 리튬배터리를 위한 개조 부분을 동시에 나타낸 것입니다.

 

3660040653_hQlPS38T_dx7882_sh_atweb.jpg

 

회로의 맨 아랫 부분은 MCU와 FET에 의한 모드 회로이고, 그 윗부분은 정전압 스텝업 회로로서 스텝업과 모드는 동작상 완전 분리된 것이라 할 수 있습니다. 여기서 AA의 낮은 입력으로는 MCU가 동작하지 않으므로 스텝업된 전압으로 구동되도록 한 것인데 리튬배터리 전용시에는 오히려 과전압으로 파손될 수가 있어 연결된 전원을 끊고, 직접 배터리 전압이 다이오드를 통해 가해지도록 수정한 것입니다.

 

7. Step-down

[참고] PT4105
출 력입 력드라이버비 고
755mAx5~15V4~18VKD.1640AX2002
1 x 1W (350mA)12~16V AC/DCDX.13553PT4105
3 x 1W (350mA)12~16V AC/DCDX.13555PT4105
1 x 3W (350mA)12~16V AC/DCDX.13557PT4105
Buck V Reg.3.7~4.2VKD.5592-
3W (800mA)3.0~6.5VDX.4255ZXSC300
3W (800mA)3.6~9VDX.3256ZXSC310, ZHCS1000, ZXMN2a01f
800mA3.6~9VKD.7330-

 

 

펄스폭 조절에 의한 스텝다운 동작을 기본으로 구성된 정전류 회로로서 입력 전압이 LED Vf보다 높을 때 정상 동작하며, 그 이하에서는 직결과 같이 동작합니다. 입력 전압이 높기 때문에 LED도 직렬로 연결해 사용할 수 있습니다.

 

대체로 2가지로 구분됩니다.
1) 전용 스텝다운 회로인 Micro Bridge Technology사의 PT4105를 사용한 경우 : PT4105는 최대 18V까지 사용할 수가 있어 LED를 4개까지 직렬 연결할 수 있숩니다. 입력 전압과 LED 전압과의 차이가 클 수록 효율은 낮아져 대체로 95~70% 범위에서 동작됩니다.

2) 스텝업 회로인 ZXSC300을 스텝다운으로 동작시킨 경우 : LED 1개 정도에서 멈춥니다.

 

3660040653_R23bsfju_kd1640_1a_atweb.jpg3Ftype3Dw3

재미 있는 것은 3256을 2개 또는 3개 병렬 동작시켜 보니 잘 동작하더라 하는 것입니다. 3개를 병렬로 하면 2.4A까지 가능하기 때문에 P7용으로도 가능할 것이라는 희망적인 글입니다.

 

[참고] 김가네님이 덧글에서 KD.1640의 드라이버의 칩이 PT4105에서 AX2002로 변경되었음을 알려 주셨습니다.

 

 

 

PT4105

AX2002

입력 전압

Max. 18V3.6~23V

최대 출력

600mA/5V
1A/12V
2A

피드백 전압

200mV250mV

Rds

0.3옴0.1옴/5V
0.07옴/12V

 

 

 AX2002의 장점은 최대 전류가 2A로 2배쯤 되고, 최대 전압도 높습니다. 특히 전압 강하로 효율에 영향을 주는 Rds 특성이 우수합니다. 그러나 정전류 제어용  피드백 전압의 검출 능력은 0.25V로 좀 떨어집니다.

 

8. Step-up/Step-down

출 력입 력드라이버비 고
1A, 3-mode2~4.5VKD.5313, KD.5314Q5 용

 

9. Step-down + Mode

출 력입 력드라이버비 고
3W (1000mAx3.7V), 5-mode3.6~8.4VDX.7425-
3W (1000mAx3.7V), 8-mode3.7~8.4VDX.10421~d3256, Zetex C310
5-mode, 1A0.9~4.5VDX.15880-

 

 

스텝다운 정전류에 모드 기능을 추가한 회로입니다. ZXSC310은 ZXSC300과 모든 규격이 같지만 ShutDown 핀이 더 있어 이것을 통해 MCU의 모드 신호를 공급합니다.

 

8-모드 드라이버의 디밍 중에는 단속 이외에도 서서히 밝아졌다 어두워지는(fade-in, fade-out) 연속형이 있어 할로겐 램프와 같은 기분을 내기도 합니다.

 

8-모드 드라이버의 12F629 전원은 LDO IC를 통해 3V 정전압이 공급되고, 핀7이 전원의 on/off를 검출하여 모드를 변경하는데 전원이 off된 이후에도 MCU는 얼마간 동작을 계속해야 하기 때문에 전원에 47uF/10V의 커다란 캐패시터가 달려 있습니다. 8-모드에서는 가끔 모드 오동작이 보고되는데 이는 캐페시터의 용량이 부족하여 모드 검출 동작을 미처 완료하지 못했기 때문으로 보입니다.

 

8-모드 드라이버는 모드부와 출력부(FET)의 전원이 분리되어 있어 FET가 견디는 한 제시된 규격보다 높은 전압(예: 12V)에서도 동작되도록 개조할 수가 있습니다. 그동안 시험해 본 결과 8-mode 드라이버가 그 어느 드라이버보다도 개조가 간단하고, 효율 또한 우수함을 확인하여 아래와 같이 개조 방법에 대한 댓글을 올렸습니다. Mod for Higher Voltages and Mode

 

요약하면, 1) 47uF/10V를 100uF/6V로 교체하고, 2) 인덕터를 좀 큰 규격으로 바꾸면,

18650 1개로 P4 1개, 18650 2개로 P4 1개, 또는 2개 직렬 18650 3개로 P4 1개, 2개, 또는 3개 직렬

로 하여 800-1000mA 급의 동작이 가능, 12V에서 P4 3개를 900mA 정전류로 사용할 수 있다는 것으로,보드에서는 열이 거의 감지되지 않습니다.

 

새로 나온 Kaidomain의 1866은 효율이 좋은(90~95%) 스텝다운 방식의 드라이버로서 5.5~15V의 입력으로 서울반도체의 P7을 High(2.8A: 100%) - Medium(1.38A: 35%) - Low(0.25A: 5%) 등 3가지 레벨로 동작시킬 수 있습니다. 이 회로의 공급전압에 따른 효율은 5.5V 입력시를 95%로 한다면 7.2V는 91%, 9.0V는 86%, 11.1V는 82%, 12.2V는 79%로 입력 전압과 LED 전압과의 차이가 클 수록 효율은 낮아지며, 이 때 증가되는 손실은 드라이버 회로에서 열로 발산됩니다.

 

10. 단순 Mode

출 력입 력드라이버비 고
3W (1000mAx3.7V), 5-mode3.6VDX.7426PT4105

 

 

Dealextreme의 7426은 직결 상태의 동작에서 PWM(Pulse Width Modulation)에 의한 모드 기능을 추가하는 단순한 회로로서 MCU와 FET로 구성되어 있습니다. MCU 동작과 LED 동작을 위해 입력 전압은 최소한 3V를 넘어야 합니다. 정전류 소자 7135로 3개로 된 Dealextreme의 7612보다 성능이 못하고, 안정성도 떨어진다는 사용자 의견이 있습니다.

Kaidomain의 1845는 5-모드 MCU를 사용한 것으로 정전류 기능이 없어 직결과 비슷한 동작을 하며, P7(CSX0I)으로 시험했을 때 배터리 전압대 LED 전류는 아래와 같습니다.
4.1V - 3.3A
3.9V - 2.9A
3.7V - 2.3A
3.5V - 1.7A
3.3V - 1.2A

반면에 8-모드 드라이버 10421는 전류제한 저항과 인덕터만 교체해도 4.1V-3.6V 구간은 2.3-2.1A로 일정하게 유지되며, 동작시간도 연장됩니다.

 

11. 상용 교류 전원

출 력입 력드라이버비 고
1 x 1W (350mA)85~265VDX.135541W LED 1개
20mA220V ACKD.5645-
40mA220V ACKD.5646-
3 x 1W (320mA)85~265VDX.135561W LED 3개
1 x 3W (700mA)85~265VDX.135521W LED 3개
16-26V (320mA)85~265VDX.136901W LED 5~7개
1X5W, 3.5V~3.8V (2A)110~240VDX.140345W LED 1개
3X1W, 0.5V~108V (320mA)110~240VDX.140351W LED 3개
27-42V (320mA)85~265VDX.136911W LED 9~12개
12W85~265VKD.187912W
3x1W85~265VKD.18801W LED 3개
1x3W85~265V 620mWKD.67961W LED 3개
3~6W100~240VDX.110771~3W LED
1~3W100~240VDX.108523W LED 1~2개

 

 

12. TaskLED Drivers

[참고] TaskLED, TaskLED Forum

DriverTopologyVinVout, IoutRegulation
CCxWBuck4~30V16V, 350/700/1000mAConstant current
bFlexBuck4~25V25V, 1000mA (adj.)Constant current
bFlexV2Buck4~20V~20V, 1000mA(adj.)Constant current
nFlexBuck4~30V16V, 1000mA (adj.)Constant current
FatmanBoost2.7~12V3~16V, ~1000mA(adj.)Constant current
maxFlexBoost2.5~20V24V, 1200mAConstant current
D2DIMLinear3~16V16V, 3.4ANone, PWM dimming
CCHIPOBoost4-30V, Max. 5A48V, 45WConstant current
VIPBoostLuxeon Vf 이하Luxeon Vf(6~7V), 750, 1000mAConstant current

 

 

13. 기타

DriverTopologyVin, IinVout, IoutRegulation
BadboyBoost, Vi< td> 1.6~9V, Max. 1.5A~9V, 1AConstant current
GDBuck/boost1.8~5.4V5.4V, 1AConstant current
SharkBoost, Vi<1/3 Vo2.7~20V, Max. 4A11.5V(adj.),
50~980mA
Constant voltage, current
SOBBuck3~16V6~7V, 1.5AConstant current

 

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Cree의 XLamp® MC-E 이해하기 

서울반도체의 P7에 이어 Cree사의 XLamp® MC-E LED가 출시되어 매니어들로부터 많은 호응을 받고 있습니다. 이미 여러 분야에서 얼리 사용되고 있고, 제작기 들도 많아 더 소개할 필요는 없겠으나 아직도 이 글을 찾는 사람들이 많은 것 같아 최근 자료를 바탕으로 조금 업데이트 해 놓았습니다. 발매 전에 발표되었던 자료에 비하여 큰 변동은 없으나 전류 특성 등 약간의 개선이 있었습니다.

 

[자료] XLampMCE_PREliminary, 관련 사이트

 

3660040653_CAIYibo3_creemc-e_01_atweb.jpg 3660040653_ynMXpS9f_creemc-e_09_atweb.jpg

 

특징

  • 4개의 LED 다이를 각각 분리해서 사용할 수 있다.
  • 각각의 LED 다이는 최대 700mA까지 흘릴 수 있다.
  • 2,600K ~ 10,000K CCT의 넓은 색온도에 적용된다.
  • 전기적으로 절연된 방열 구조이다.

MC-E는 LED 다이(die) 4개를 하나로 합쳐 놓은 멀티 칩 LED입니다. 4개의 다이가 각각 분리되어 있기 때문에 핀의 결선에 의해 직렬, 병렬, 또는 직병렬 혼용 결선으로 전압과 전류, 그리고 다이의 갯수를 선택, 사용할 수 있습니다. P7이 4개의 다이를 병렬로 고정한 것에 비하면 그만큼 융통성이 좋아 졌다고 볼 수도 있습니다.

 

1. 패키지 특성

  • 열저항 : 와트당 섭씨3도
  • 방사각 : 110도
  • LED 접합점 온도 : 최대 150도

MC-E는 습기를 차단한 봉투로 출하되지만 사용 전에 습기에 노출되면 솔더링 중에 LED를 파괴시킬 수도 있다고 합니다. 그래서 예를 들어 섭씨 30도, 습도 90%의 환경에서 1시간 이상 방치되었을 경우에는 섭씨 80도의 오븐에서 24시간 정도 말려야 한다고 합니다. 영어로 baking이니까 빵처럼 구워버리라는 것입니다.

 

2. 색상 및 그룹 분류

 

MC-E는 흰색 계열(Cool White, Neutral White, Warm White)이외에도 청색 계열(Royal Blue, Blue, Green)이 있습니다. 이 중에서 라이트 매니어 들이 주로 사용하는 것은 흰색 계열이므로 이를 중심으로 설명하겠습니다.

 

 

FamilyPackage Size (mm)Max Current (mA)ColorsAvailable Flux up to
XR-E7.0 x 9.0Up to 1000Cool White250 lm
Neutral White182 lm
Warm White170 lm
Royal Blue1100 mW
Blue88 lm
Green150 lm

 

 

MC-E의 흰색 계열은 색온도 범위(CCT Range)에 따라 차거운 흰색(Cool White)과 흰색(Neutral White), 그리고 따듯한 흰색(Warm White) 등 세가지로 구분되며, 이것은 다시 광속(루멘) 범위에 따라 그룹(Group)이 정해 집니다. 흰색의 연색성CRI)은 75이고 따듯한 흰색은 80입니다.

 

3660040653_IaG8NbWA_k-20090327-337061_atweb.jpg3Ftype3Dw3

  • G : 240~280루멘
  • H : 280~320루멘
  • J : 320~370루멘
  • K : 370~430루멘
  • M : 430~490루멘

색상은 450nm 파장의 청색 에너지를 보다 긴 파장으로 변환하는 정도에 따라 결정됩니다. 이 과정에서 변환 손실이 있기 때문에 따듯한 색으로 갈 수록 광속은 줄어 듭니다.

 

3660040653_aiXvFd0O_creemc-e_04_atweb.jpg

 

3. 색온도 특성

 

색온도 특성은 아래와 같습니다.

3660040653_oGv8zX45_creemc-e_10_atweb.jpg

 

3660040653_7GP8vSN2_creemc-e_11_atweb.jpg

 

4. 코어칩의 전기적 특성

  • 열저항(Thermal Resistance): 와트당 섭씨 3도
  • 다이당 최대 전류 : 700mA
  • 다이당 순방향 전압 : 350mA시 3.2V, 700mA시 3.5V

P4나 P7의 특성과 거의 유사한 것 같습니다.

3660040653_Da2HlhK6_k-20090327-346423_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

 

5. 순방향 전압대 전류 특성

 

순방향 전압대 전류의 특성은 아래와 같습니다.

  • 3,0V시 300mA
  • 3.4V시 700mA

3660040653_Fc92WQs0_creemc-e_06_atweb.jpg

 

6. 전류에 따른 밝기

 

가장 대표적이라 할 수 있는 차가운 흰색의 350mA시 100루멘을 기준으로 순방향 전류에 따른 광속의 변화는 아래와 같습니다. 4개의 다이가 동시에 다 켜졌을 때에는 어떻게 될 지 모르지만 순진하게 그냥 4배가 된다고 생각하고 화살표 옆에 적었습니다. P7과 비슷합니다. 

  • 100mA: 30루멘(0.3배) --> 120루멘
  • 200mA : 60루멘(0.6배) --> 240루멘
  • 350mA : 100루멘 --> 400루멘
  • 500mA : 135루멘(1.35배) --> 540루멘
  • 600mA : 155루멘(1.55배) --> 620루멘
  • 700mA : 175루멘(1.75배) --> 700루멘

3660040653_QhcwZGJu_creemc-e_07_atweb.jpg

 

7. 접합점 온도와 광속

 

LED는 전류를 일정하게 유지해도 접합점의 온도가 올라 가면 광속이 줄고, 형광체를 비롯하여 모든 재료들의 열화 및 변형으로 LED 수명 또한 짧아 집니다. LED를 처음 켰을 때보다 푸른색으로 보인다면 온도가 올라 갔다는 것을 의미합니다. 접합점의 온도에 따른 광속의 저하 특성은 P4와 비슷합니다.

 

3660040653_p4bNuhAE_k-20090327-347384_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

8. 빔 패턴

 

빔 각은 아래와 같이 1/2 점이 양쪽으로 55도이므로 총 110도입니다.

 

3660040653_Gb8yVsdg_creemc-e_08_atweb.jpg

 

9. P7과의 비교

 

대체적인 규격을 비교해 보면 P7과 MC-E는 같은 형제라고 할 수 있습니다.

  • P7은 다이 4개가 모두 병열로 연결되어 있어서 단자가 2개인 반면에 MC-E는 8개로 각각의 다이가 분리되어 있습니다.
  • MC-E는 핀의 결선에 의해 직렬, 병렬, 또는 직병렬 혼용 결선으로 전압과 전류, 그리고 다이의 갯수를 선택, 사용할 수 있으므로 전원 및 드라이버 선택에 융통성이 있습니다.
  • P7은 히트 싱크가 (+)측과 연결되어 있는 반면에 MC-E는 방열 구조가 전기적으로 절연되어 있습니다.
  • 규격에 표시된 순방향 전압대 전류 그래프상으로는 다이당 350mA 흐를 때 MC-E는 3.0V, P4는 3.2V, P7는 3.4V가 걸리고, 700mA는 MC-E는 3.4V, P4는 3.6V, P7는 4.0V로 나타나 있습니다. 그러나 여기에는 H, I, J와 같은 분류가 표현되지 않았기 때문에 이것이 LED의 차이라고 단정하기는 어렵습니다. 다만 P7은 전원/드라이버, 또는 다이 수급을 고려하여 전략상 순방향 전압이 높은(J) 제품을 우선하는 것이 아닌가 합니다. 

'MC-E의 결선으로 어떤 것을 원하는가'라는  질문으로 CandlePowerForum에서 설문조사를 하고 있는데 잠간 보면, 4개를 직렬로 연결하여 14V, 700mA가 1위(30%)이고, 현재와 같이 따로 따로가 2위(29%), 2개 직렬 2개 병열로 8V, 1400mA가 3위(14%), P7과 같은 4개 병열로 4V 2800mA가 4위(10%)입니다. 2 x 2S (7%)와 2 x 2P (2%)는 희망자가 거의 없는데 어차피 4P는 P7이 있는 것이고, 700mA 스텝다운 드라이버는 쉽게 구할 수 있다는 점이 판단을 좌우한 것 같습니다. 핀이 많으면 그 만큼 사용도 복잡해 지는데... 그래서 에미터는 포기하고 다들 스타 기판에 붙여 달라고 합니다. 소비자들의 요구가 이러하니 서울반도체에서도 이를 감안한 제품을 구상하고 있겠지요... 희망사항.

 

 

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19-모드 드라이버의 분석 및 개조 

[참고 자료] DealExtreme 7882 , Kaidomain 1672 , Kaidomain 1673

 

19-모드 드라이버는 스텝업과 PWM 모드 기능의 회로가 내장된 본격적인 드라이버로서 입력(0.8~7.0V)의 범위가 넓어 NiMH 1개로 부터 18650 까지 폭 넓게 선택할 수 있고, 가변 저항에 의해 동작 설정을 바꾸어 다양한 출력(2~7V, 3W)에 대응할 수 있는 장점이 있다.

 

규격

  • 입력 : 0.8~7.0V, 1 x AA battery (NiMH, 18650,... )
  • 출력 : 최대 3W, 2-7V, 3A
  • 크기 : 지름 17mm, 두께 10.2mm
  • 모드 : 19-모드, 3 그룹
    1. 약(10%)-중-강-빠른 스트로브-SOS
    2. 약-중-강-빠른 스트로브-주의 스트로브-SOS
    3. 약-중-강-빠른 스트로브-주의 스트로브-3Hz 스트로브-1Hz 스트로브-SOS

사용자의 실험을 보면 1 NiMH에서

  • 입력 : 1,15 V * 3,10 A = 3,565 W
  • 출력 : 3,30V * 680 ma = 2,244 W
  • 효율 : 2,244 / 3,565 = 63% 

개조 목적

 

이 드라이버의 입력 전압은 0.8~7.0V이므로 이 전압으로는 프로그램이 들어 있는 12F629의 전원(3~6V)으로 사용할 수가 없어 스텝업 된 출력 전압으로 12F629를 공급하도록 설계되어 있다.

 

한편, 출력 LED로는 3.7V, 3W급 P4 LED나 5V, 3W급 Luxeon LED를 목표로 개발된 것이지만 이를 좀 더 밝게 사용하고자 출력에 P4를 2개 연결하면 출력 전압이 높아져 여기에 연결된 12F629가 파괴될 수가 있는 문제가 생긴다.

 

이 문제를 해결하기 위해 입력으로 18650을사용하고 12F629의 전원을 입력으로 돌려 놓자는 것이 개조의 목적으로, 이 정도의 간단한 개조로 P4 1개, 3W 드라이버를 P4 2개, 6W로 동작시킬 수 있게 되었다.

 

개조 이전

 

대강 그려 본 회로도

 

3660040653_FvKfZ1mM_dx7882a_sh_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

 

 

개조 후

 

3660040653_1ZvO7GPs_dx7882b_sh_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

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 전압과 전류 그리고 LED 

전압과 전류, 평소 잘 안다고 생각했던 것이 LED로 넘어 오면서 너나 할 것 없이 모두를 헷갈리게 하고 있다. 그도 그럴 것이 백열등이나 형광등을 구입할 때, 몇볼트에 몇 와트짜리라고만 했지 몇 mA라고 하지는 않았기 때문이다. 

 

그래서 모든 것을 다 버리고 백지에서 다시 출발해 보기로 했다. 그것도 전기가 아닌 물을 비유로 해서.... 요즘에야 1충이건 12층이건 어느  집이나 골고루 잘 나오지만 그렇게 하기 위한 기술적인 내용을 검토해 보자는 것이다.

 

수압이냐 유속이냐

 

예를 들어, 우리집이 아파트 5층이라고 하자. 그렇다면 수원지 즉 물공급 수조는 5층보다 높아야 한다. 다시 말해서 5층에 수조가 있다면 6층이상에는 수돗물이  공급될 수 없는 것이다. 반면에 수조가 5층 이상에만 있으면 우리집에는 항상 물이 나올 수 있다. 따라서 수조의 높이는 수돗물이 나오냐 안나오냐 하는 일종의 자격을 의미하는 정도이지 사용량을 의미하는 것은 아니다. 여기서 수조의 높이가 곧 수압이고, LED의 공급 전압이다.

 

수돗물을 사용하면 매달 사용료를 내는데 수도계량기에 나타난 숫자를 근거로 계산한다.  사용량은 흐르는 량(유속)과 시간의 곱이다. LED도 마찬가지다. LED 밝기가 곧 전류이다. 여기에 수압은 아무 의미가 없었다. 따라서 LED의 공급전압도 아무 의미가 없다는 것이다.

 

수조가 수도꼭지보다 약간만 더 높은 곳에 있으면 평소 별다른 장치 없이도 효율 좋게 수도를 사용할 수가 있다. 만일 수조가 1층이나 지하에  있다면 항상 펌프를 사용하여 5층 이상으로 수압을 높여야 한다. 반면에 수조가 10층 이상에 있다면 가장 낮은 층에서는 수도물이 솟구쳐 수압을 감압할 수 있는 장치가 있어야 정상적으로 수도를 사용할 수 있게 된다. 그러한 장치가 소위 LED에서 말하는 정전류 장치이다. 

 

수조의 높이와 효율

 

논의 물대기에서 저수지와 논의 높이가 거의 비슷하면 아무 장치없이도 칸막이 만으로 물을 대어 쓸 수가 있다. 이것이 LED의 직결이다. 효율은 항상 100% 최고 효율이다. 다만 홍수로 저수지가 넘치면 농사를 망치게 된다든가 갈수기에는 농사를 못 짓는 치명적인 결점은 있다. 효율 좋고 간단한 반면에, 외부의 잘못을 떠 맡을 수 밖에 없는 것이다.

 

논보다  훨씬 높은 곳에 저수지가 있으면 흐르는 뮬의 량을 조절할 수 있는 관로를 통하여 수압을 낮춰 공급할 수 있다. 여기서 물의 높이를 낮추는 과정에서 낭비가 있어 높은 곳의 물일 수록 효율은 낮아 진다. 가장 좋을 때가 90~95%, 그러나 높이가  차이나면 80%대에 멈춘다. 수압을 조절하는 장치가 곧 정전류장치이다.

 

저수지보다 높은 곳에 논이 있다면 항상 펌프를 가동해야만 한다. 그래서 효율은 좋아야 80%, 저수지가 낮은 곳에 있을 수록 더 낮아진다.

 

정전류

 

정전류 회로는 전압을 올리고 내리는 회로가 아니라 전압을 깍아 먹어 정전류가 되도록 출력전압을 낮춰 주는 일종의 전자 가변저항기로서 전원전압이 부하전압보다 더 높을 때에만 동작한다. 수도꼭지가 나오는 물을 줄일 수는 있어도 원래 배관 용량보다 더 많이 나오게 할 수 없는 거나 마찬가지다. step-up 정전류 회로도 있지만 그것은 승압 부분과 정전류 부분을 하나로 합친 것일 뿐 승압 부분은 정전류 회로가 아니다.

 

전압과 전류, 그리고  LED

 

'전압이 걸려야 전류가 흐른다'라고 생각하는데 그 반대도 성립된다. 즉 '전류가 흐르면 LED 양단에 전압이 발생한다.' 그래서 정전류에 의해 일정 전류가 흐르면 양단에 전압차가 생기는 데 그 전압은 아무 쓸모가 없는 것이라 몰라도 되는 것이다. 예로서 수도 꼭지를 틀었을 때 적게 틀면 물이 적게 나오고 많이 틀면 수량도 많고, 수압도 강하다. 여기서 수량이 전류이고, 수압이 전압인데 컵에 물 받을 때 수량만 관심있지 수압은 의미가 없다. 천정의 화재를 끈다면 몰라도....

 

LED와 정전류

 

LED의 중요 요소는 발열이다. 발열을  제어할 수 있는 방법 중 가장 쉬운 것이 전류 제어이고, 그 수단중 하나가 정전류 유지이다. 하지만 사람의 눈은 밝기에 그리 예민하지 못하여 정전류가 필수 요소는 아니다.

 

 

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 나만의 고집 : 정전류를 포기한 P7 자전거 라이트와 배터리팩 

현재 제 자전거에 부착되어 있는 P7 라이트를 소개하고자 합니다. 이미 소개했던 8-모드의 개선형으로서 나름대로의 특징은 정전류를 포기한 대신 직결과 PWM의 모드 기능으로 최대 밝기와 효율을 얻고, 배터리팩을 분리함으로써 충전 등 관리를 쉽게 하였으며, 군더더기를 제거한 효과적인 구조로 제작 비용 또한 그 어느보다 적게 들지 않았나 합니다.

 

사실 대전류를 소모하는 P7을 다루다 보면 사용 시간 전 구간에 걸쳐 정전류를 유지하겠다는 생각이 얼마나 허황된 것이었는가를 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

우선 외관부터 살펴 보겠습니다. 자전거에는 P7 3개가 부착되어 스위치 선택에 의해 8V 배터리팩이면 직렬 2개, 12V이면 3개를 선택합니다. LED 앞은 렌즈로 되어 있어 반사경과는 달리 중앙 스팟이 강하지 않고, 눈에 거슬리는 스필 또한 거의 없어 마주 오는 사람들의 눈에 거슬리지 않도록 유의했습니다.

 

3660040653_RiTj7JLo_p7_l1_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

 

LED 모듈은 P7을 500원짜리 동전만한 동판 납땜한 후 방열 테이프로 1.5mm 알루미늄판에 3개를 나란히 부착한 아주 간단한 구조로 LED의 열이 그대로 자전거 핸들로 전도되어 LED 접합점 온도가 최저로 되는 구조입니다.

 

렌즈는 국내 세코닉스사의 P7 전용 렌즈 P7-CL [참고 자료]을 필터 없이 사용하였으며, 렌즈 외곽은 알루미늄 파이프를 잘라 보호토록 하였습니다. 필터를 사용하면 좌우로 펼치든가, 중앙의 사각형 LED 패턴을 분산시키는 등의 효과를 거둘 수는 있지만 실제 사용에서 그리 중요성을 발견하지 못하였습니다.

 

3660040653_TU1shQNX_p7_l2_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

배터리팩은 18650 6개로서 같은 크기에 8V 팩과, 12V 팩이 있습니다. 12V팩은 P7 3개에 3~5A를 흘릴 수 있기 때문에 3000 루멘은 충분히 넘을 것 같습니다. 900 루멘을 보장한다는 엄선된 P7이 아니더라도 전류만 더 흘리면 1000 루멘은 쉽게 넘을 수 있으니 3개가 뿜어대는 밝기는 가히 자동차 라이트 수준입니다.

 

배터리팩 뒷면은 찍찍이로 붙여 탈착이 간단합니다. 찍찍이가 불안해 보일 수도 있지만 달리다 보면 흔들거리면서 오히려 찍찍이가 제자리를 잡아가므로 의외로 잘 견딥니다. 필요하면 별도의 밴드로 고정시킬 수도 있습니다.

 

배터리팩 외피는 통판 알루미늄으로 되어 있어 구조적으로 튼튼하고 방열에도 좋습니다. 위, 아래, 옆면의 3조각으로서 꼭맞게 자른 후 위아래 면의 귀퉁이를 약간 미리 접어 면을 마추고 스카치 테이브로 붙였습니다. 찍찍이 붙은 면은 오목하게 하기 위해 알루미늄 없이 찍찍이를 배터리에 직접 붙였습니다.

 

3660040653_Fa3BjR8M_p7_l3_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

풀 세트는 충전기용 어댑터와 배터리팩, 그리고 LED 등 3부분으로 구성됩니다. 어댑터는 시중에서 흔히 구할 수 있는 4.2~5V 범위의 1~2A 정도면 충분하며, 일반 라이트와는 달리 배터리를 빼어 충전기에 끼우거나 별도의 전용 충전기를 필요로 하지 않기 때문에 사용이 편리합니다. 사진의 어댑터는 충전완료 램프가 달린 4.2V 리튬 충전용 어댑터로서 이런 것을 사용하면 더욱 좋습니다.

 

배터리팩에는 18650이 3개씩 병렬 2조로 6개가 들어 있고, 8모드 드라이버의 12F629 부분과 일반 FET가 들어 있습니다. LED 모듈은 분리형이므로 용도에 따라 여러 형태가 만들어져 있습니다.

 

3660040653_VwLYBTPG_p7_l4_atweb.jpg3Ftype3Dw3

 

사진의 LED 모듈은 상품 진열대에 사용되는 알미늄 다보 위에 LED를 얹고 자전거 핸들에 직접 부착한 것으로 지금은 실내 조명용으로 요긴하게 사용하고 있습니다.

 

방열은 냉장고 같은 금속에 붙여 해결합니다. P7은 색상도 실내용으로 손색이 없어 보이며, 렌즈 대신에 조명용 반사경을 끼우면 초점없는 평탄한 빛도 얻을 수 있습니다. 사진이나 어항용 조명을 찾는 분들께 좋

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