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- 희진 제
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1 A ACRICHE Lighting DESIGN GUIDE - BULB LAMP
2 목차 I. Bulb 램프개요 - 재래광원 II. III. 재래광원 Bulb 램프대체용 LED 요구사항 Target 설정 IV. SSC PKG 선정방법 V. Thermal, Optical, Electrical 선택시고려사항 VI. SUPPLY CHAIN
3 Ⅰ Bulb 램프개요 - 재래광원 1. Bulb 램프 일반적으로 Bulb 램프라함은백열램프를의미하는데, 종류로는 A형, B형, P형, G형, R형. PAR형등을갖는다. 백열램프는 1854년독일시계제조자인요한하인리히괴벨 (Johann Heinlich Goebel) 이발명하였으며, 1879년미국의토마스에디슨 (Thomas Edison) 은기술적으로응용보완하여, 실용제품을개발하였다. 백열램프는텅스텐필라멘트에전류가흐르면빛이발생한다. 단지 5% 의소비된전기에너지만이빛으로전환되고나머 지 95% 는열로서방출된다. 카본필라멘트를사용한최초의백열램프의경우조명효율은 1.7lm/W 였으나필라멘트의개발, 코팅기술, 충전 gas 의개 발로오늘날의일반백열램프는그수치가 8 배까지높아졌습니다. < 원리및구조 > - 필라멘트 고온에서증발하지않는텅스텐재질. -유리구 고휘도로인한눈부심을부드럽게하기위해백색도장등을도포. - 게터 필라멘트의산화방지. - 베이스 ( 일반 : E26, 300W이상 : E39) 황동이나알루미늄사용. < Fig.1 백열등구조 >
4 2. Bulb 램프의종류 1. 백열전구의종류 - 일반조명용전구 (A형, B형, G형 ) : 일반적인백열전구, 실내용, 스탠드, 반사갓을갖는조명등기구에사용. => 백색전구, 크립톤전구등. - 반사형전구 (R형, PAR형 ) : 유리구내면에알루미늄또는은을증착시킨반사면을갖는전구. 빔의발산각에따라 : 협각형 스포트조명, 광각형 투광조명. => R형램프 : 포물면형상의반사면을가지며폭넓은배광을가짐, 널리사용되지않음. => PAR형램프 : 반사면과전면렌즈를용착시켜우수한집광성을얻음. 널리사용됨. - 장식용전구 (P형) : 상들리에및초소형전구. - 할로겐전구 : 상점등의스포트라이트에활용, 투광용으로는양베이스형으로수평점등. - MR형램프 : 전시조명과경관조명에주로사용. 2. 백열전구의특성 - 에너지특성 : 가시광선 + 적외선복사. - 램프의효율과수명 : 필라멘트설계에따라서결정, 할로겐이우수. - 수명및광속유지율 : 온도와점멸주기에의해수명이영향받음, 광속유지율은양호. - 광색및연색성 : 색온도는약 2,850[K] 이고, 연속스펙트럼으로연색성이우수. - 전압특성및조광 : 전압변동에따라램프특성의영향을많이받음, 전압화에대해광속과수명이변동됨, 연속적인조광이가능하고진폭제어나위상제어가가능. - 취급주의사항 : 동작하고있는동안의기계적충격에매우민감함.
5 Ⅱ 재래광원 Bulb 램프대체용 LED 요구사항 1. 재래광원 Bulb 램프요구사항 < Table 1. 램프종류별특성비교 > 램프종류효율 (lm/w) 수명 (h) 광속감소율 (%) CCT (K) CRI Standard Incandescent Tungsten Halogen High-wattage CFL Low-wattage CFL Linear fluorescent Metal halide High pressure sodium 5~18 15~25 50~80 20~55 65~95 45~100 45~ ~2,000 2,000~6,000 10,000~20,000 10,000 7,500~20,000 7,500~20,000 16,000~24,000 12~18 < 5 14~17 14~17 5~10 22~36 9~12 2,650~2,950 2,750~3,050 3,000~5,000 2,700~5,000 2,700~5,000 2,900~4,400 1,900~2, ~90 65~85 22 < Table 2. CCT 대비백열램프효율 > CCT (K) 2,160 2,430 2,650 2,820 2,990 3,120 3,260 추정값 (lm/w)
6 < Table 3. 전력별특성비교 > 40-watt 60-watt 75-watt 100-watt Type STD ES LL LLES STD ES LL LLES STD ES LL LLES STD ES LL LLES Watts Lumens Life (hrs) lm/w * Note : STD = Standard, ES = Energy-saving LL = Long-life, LLES = Long life & Energy-saving < Fig.2 Diff. 기능이추가된백열등 >
7 2. 재래광원 Bulb 램프와 LED 램프사양비교 < Table 4. 백열등과 LED 램프의사양비교 > 비교항목 SSC LED Bulb Lamp Standard Incandescent Energy saving Inc. Light Source Fixture * Fixture Data Power [W] Total Luminous Flux [lm] Efficiency [lm/w] Total Luminous Flux * [lm] Efficiency * [lm/w] Life [Hr s] 25,000 1,000 1,000 Ceiling Lighting Fixture Efficiency 60% 90% Incandescent = 14.8 lm/w 0.6 = 8.9 lm/w to the target < Fig.3 백열등과 LED 램프와의등기구차이 > LED Bulb Lamp = 60 lm/w 0.9 = 54 lm/w to the target Working Plane
8 3. LED 가적용된 Bulb 램프요구사항 - 기존백열등과동일한빔각도와중앙의빔촉광을가져야함. ( 빔각도는 120 도 ~ 180 도이상 ) - 2,800K ~ 3,200K 의색온도를가져야함. - 색재현성 (CRI) 는국내는 75 이상, 미국은 80 이상되어야함.(2011 년기준 : KS, Energy Star) - 소비전력당광속은아래를참조결정함. < Table 5. 전력별특성비교 > 40-watt 60-watt 75-watt 100-watt Type STD ES LL LLES STD ES LL LLES STD ES LL LLES STD ES LL LLES Watts Lumens Life (hrs) lm/w * Note : STD = Standard, ES = Energy-saving LL = Long-life, LLES = Long life & Energy-saving
9 Ⅲ Target 설정 1. 재래 Bulb 램프대체 Target 설정 < Table 6. 재래광원대체 Spec. > 재래램프광원 램프 Type Base 수명 [Hr s] 색온도 [K] Power [W] Total Luminous Flux [lm] Efficiency [lm/w] Total Luminous Flux * [lm] Efficiency * [lm/w] Standard Inc. E26/E27 1,000 2,750 ~ 3, Energy saving Inc. E26/E27 1,000 2,750 ~ 3, A3 Bulb 램프 E26/E27 25,000 2,750 ~ 3, A4 Bulb 램프 E26/E27 25,000 2,750 ~ 3, Bulb 램프 E26/E27 5,000 안정기수명 2,750 ~ 3, < Table 7. KS, 고효율기자재인증기준대응 Spec. > * Fixture Data 항목 고효율기자재 기준 KS A4 적용 5630 적용 Power consumption [W] ±10% 이내좌동 7.86 W 8 W PF 0.9 이상 (5W 이하는 0.85 이상 ) 좌동 THD [%] 30% 이하 (5W 이하는 40% 이하 ) 좌동 20 % 21 % Luminous Flux [lm] 효율기준을따름좌동 640 lm 520 lm Efficiency [lm/w] 5W 이하 : 50lm/W 5W 초과, 10W 이하 : 55lm/W 10W 초과, 15W 이하 : 58lm/W 15W 초과 : 60lm/W 40lm/W (2,870 ~ 3,220K) 81.4 lm/w 65.0 lm/w CRI 70 이상 (3,200K ~ 2,870K) 70 이상 82(3,200 K) 79(2,800 K) Surge 선간 : 0.5kV 선과접지간 : 1.0kV 좌동 OK OK
10 2. LED 개수선정방법 - 먼저 Target 제품의 Lumen을선정한다. - 실제 Led가구현하기위해필요한 Lumen 계산법실필요 Lumens = Target Lumens/(Optical Efficiency * Thermal Efficiency * Fixture Efficiency) * Fixture Efficiency = LED광원등기구 Efficiency -Led의개수선정 Led 개수 = 실필요 Lumens / Led당 Lumens ex) 1. Bulb(A19) 60W를선정하였으며, Target Lumen은 534lm이다. 2. 실필요 Lumens = Target Lumens/(Optical Efficiency * Thermal Efficiency * Fixture Efficiency) = 534 lm / (91% * 85% * 90%) =767.1 lm 3. Led 개수 = 실필요 Lumens / Led당 Lumens = lm / 60lm = 12 Leds (LED PKG = 60lm) < Table 8. 광, 열, 전기시스템의효율 > System Efficiency Type Optical 91 % Light Thermal 85 % Light Electrical 87 % Power 3. Heat sink 의외부온도선정방법 - KS 고효율기자재규격에근거하여선정 => LED 램프캡 ( 베이스 ) 90 도, LED 램프몸체 70 도, LED 램프발광면 60 도초과하지않아야함.(Ta = 25 도 )
11 Ⅳ SSC PKG 선정방법 1. Bulb 램프적용 PKG 별비교 < Table 9. Bulb 램프적용 PKG별특성비교 > PKG 명 DC LED AC LED 5630(STW8Q2PA) P4(N42180H) Z5(SZWW05A0A) A3(AN32xx) A4(AN42xx) LED PKG PKG 소비전력 [W] 0.32 (3.2V, 100mA) (3.25V, 350mA) (3.3V, 350mA) Bulb Module 적용 완제품예상광량 PKG 광량 [lm/w] PKG 수량 [ea] Module 광량 [lm] Module 소비전력 [W] Optical Loss 적용 [lm] Thermal Loss 적용 [lm] Electrical Loss 적용 [lm] CCT K 3,000 3,000 3,000 3,000 3,000 CRI * PCB Size 48mm 로적용시최대실장가능수량임.
12 Ⅴ Thermal, Optical, Electrica 선택시고려사항 1. LED 에서의광손실 1.1 Thermal Loss LED 의경우 Junction Temperature 에따라서광량이저하된다. 일반적으로 Spec. 상에표기되는광량은 Tj=25 도에서의광량이며 Tj 에따른 LED 광량저하율은 spec. 상에표기되어있다. (Fig.4 참고 ) 따라서 LED 조명기기제작시 Module 에실장된 LED 의 Tj 를고려하여광량을산출해야한다. Ex) P4 Cool White LED 4ea 를 Module 에실장후 Tj 측정시 90 도라면, 실제광량은 100lm*4ea*0.82 (Tj=90 에서발광효율 ) =328lm 임. Tj=90, 82% 1.2 Optical Loss LED 를이용한대부분의조명기기는배광 Pattern 을변경하기위하여 Secondary Optics 를사용한다. 일반적으로 Secondary Optics 의효율은 85~90% 이다. 또한 Reflector 와같은조명기기의 Fixture 에의해서도광의손실이일어난다. 그러나 LED 조명이일반 CFL 과같은재래조명대비발광 Pattern 이좁아 Fixture 에맞는부분이상대적으로적기때문에 Fixture 에의한손실은재래광원대비적다. < Fig.4 Junction Temperature vs Relative Light Output > Output 50% 1.3 Electrical Loss LED 조명기기에사용되는대부분의 Driver 효율은 100% 를만족하지못한다. 이런 Driver 의효율은전반적인조명기기의 Efficacy 의저하에영향은주기때문에 LED 조명 System 설계시이를고려해야한다. Driver 의효율은주로 80~90% 이며 90% 이상이되려면 Cost 가높아진다. 또한 Output load 에따라서 Converter 의효율의차이가나는데고효율, 저 Cost 의 Driver 설계를위해서는최소 Output Load 가 50% 이상이되어야한다. (Fig.5 참고 ) < Fig.5 Efficiency vs Output Load >
13 2. Heat sink 의설계 -Heat sink를통해tj를낮추면life time, Luminous flux의감소를최소화할수있다. - Heat sink의설계시고려사항 => Heat sink의재질 => Heat sink의각도, 핀두께, 간격 Relative Light Output [%] Life time Luminous flux Allowable current 1 Tj 20 Pure White Junction Temperature, T J [ o C] Heat sink 를통해 Tj 를낮추는것이중요 < Fig.6 Tj 에따른광출력예 > - Heat sink의핀의두께 (2mm), 간격 (8mm) 에따른시뮬레이션 => 시뮬레이션조건 : Ø 120 기준설계 / heat source는 A3 (3.4W) 5pcs 20W급 / Ambient temp는 25 => Design : 외곽사이즈 (Ø120 * H 49.5mm) / Fin 두께 2mm, Fin Pitch 8mm < Fig.7 Heat sink > < Fig.8 Heat sink / PCB with LED / Cover >
14 * 시뮬레이션결과 온도 [ ] 비고 T jcenter : 87.9 T j edge : 86 T sink : 70 ~ 분위기온도 : 25 Note : 자연대류해석접속기구없음 Cover 사용 : P.C Tj < Fig.9 Heat sink / Thermal Simulation >
15 3. Tj 확인 - Heat sink설계를통해제작된방열기구의성능을 Tj를통해확인할수있다. - PKG 공급사에서보증하는 Tj값에맞게설계되었는지확인한다 => IR Test 현설계상태 1. Junction ( ) Solder ( ) PCB ( ) Ambient ( ) 25 < Fig.10 A4 IR Test >
16 * 참고 : Heat sink 면적, Fin 높이에따른전도도별열특성 Junction Temperature [ o C] H=05 mm H=10 mm H=15 mm H=18 mm H=20 mm H=30 mm 열전도도 : 0.76 열분포 : 5mm fin 열전도도 : 0.76 열분포 : 30mm fin 80 Fin 높이 Thermal Conductivity [W/mK] 220 Junction Temperature [ o C] mm mm mm mm mm 2 열전도도 : 385 열분포 : 5mm fin 열전도도 : 385 열분포 : 30mm fin 80 Heat sink 바닥면적 Thermal Conductivity [W/mK] < Fig.11 Fin 높이, Heat sink 바닥면적별열특성 > < Fig.12 열전도도별열특성 >
17 4. Optical 고려사항 - Bulb 램프 Cover 의높이에따라전반사및광흡수에영향을준다 - 시뮬레이션을통해최적의 Cover 높이를찾을수있다 => 높이 35mm 일때최적 < Fig.13 Cover 높이에따른광학효율분석 >
18 5. Electrical 고려사항 1. 고장형태에따른해결방법 < Table 10. 고장형태에따른해결방법 > 고장형태전기적문제형태문제해결방법 미점등 / 휘도감소 과전압 과전류 절연파괴 Zener Diode, TVS, MOV 사용 PTC, NTC 사용 Pcb Pattern 거리확보, 절연코팅, 기구적방법 Acriche 잔광현상 Acriche 잔광현상접전용 S/W 연결, 저항사용 2. Over voltage protection 2.1 Over voltage 발생원인 => ESD(Electrostatic discharge), Lighting surge, Transient voltage, Switching of load in power circuits, etc... < Table 11. Over voltage 발생원인 > Item Zener diode TVS MOV Direction Uni-directional Bi-directional Bi-directional Supply voltage DC DC/AC DC/AC Response time 수십 ps 수십 ps ns Symbol I-V characteristic Application Fig. 14 Fig. 15 Fig. 16 * TVS : Transient Voltage Suppressor * MOV : Metal Oxide Varistor(Variable Resistor)
19 Zener diode protection (a) Zener diode I-V 특성 (b) LED 보호동작 < Fig 17. Example of zener protection > - 동작원리 => 전원단으로부터 over voltage 가인가될경우 zener 항복작용으로인해 over current 는 zener diode 를통해 bypass 되고 LED 에는 Vz 만큼의 regulated 전압만이인가되어 LED 를보호함 => Zener diode protection 은 LED 를 over voltage 로부터보호하는가장간단하며기본적인선택이므로모든외부의 over voltage 로부터 LED 를완벽하게보호하지는못함 -> 추가보호회로의구성이필요 - Zener diode 선택시고려사항 => LED 의 VF 보다높은 Vz 값을갖는소자사용 => LED 의 VF, IF 및사용전압을고려적절한정격전력을갖는소자선택 => 빠른 bypass 동작을위해낮은제너저항을갖는소자선택 => LED 의구동전류가클경우가능한높은전류밀도는갖는소자선택 => Low leakage current
20 TVS protection (a) TVS I-V 특성 (b) TVS clamping (c) TVS protection circuit < Fig 18. Example of TVS protection > - 동작원리 => Zener diode 가양방향으로결합된구조로 avalanche breakdown 을이용한 protection 소자 => AC 연결단에서는 bi-directional 소자, DC 연결단에서는 uni-directional 소자를사용해도무방 - TVS 선택고려사항 => LED 의 VF 보다높은 VBR 값을갖는소자사용 => LED 의 VF, IF 및사용전압을고려적절한정격전력을갖는소자선택 => LED 의파괴전압이하의 clamping 전압값 (Vc) 을갖는소자를선택 (LED 파괴전압이상의 Vc 를갖는소자사용시외부 over voltage 로부터 LED 를보호하지못함 )
21 MOV protection (a) MOV I-V 특성 (b) MOV 등가모델 (c) MOV protection circuit < Fig 19. Example of MOV protection > - 동작원리 => TVS 와동일한 over voltage 기능을수행 => 정상동작시에는절연체 (capacitor) 로수백 MΩ 이상의절연저항값을가지나, 순간 over voltage 가인가시수 mω 이하의도체가되어 over current 를 bypass 함 - MOV 선택고려사항 => LED 의 VF 보다높은 VB 값을갖는소자사용 => LED 의 VF, IF 및사용전압을고려적절한정격전력을갖는소자선택 => MOV 의정격을초과하는전류유입을방지하기위해 fuse 사용권장
22 2.2 Over Current Protection PTC(Positive Temperature Coefficient) resistor protection - 동작원리 => 소자의온도상승시저항값이크게증가하는특성을가진소자 => PTC 에정격보다큰전류가흐를경우자기발열작용으로저항값이크게증가하여전류를억제하는기능을수행함 => LED 에직렬로연결하여 LED 에흐르는과전류를억제함 (a) PTC 연결 (b) 저항 - 온도특성 (R-T 특성 ) (c) 전류감쇠특성 < Fig 20. Example of PTC protection > - PTC 선택고려사항 => LED 의최대전압, 최대전류, 최대 Ta 를고려하여 PTC 를선정 => PTC 의전류억제반응시간이빠른소자선정
23 2.2.2 NTC(Negative Temperature Coefficient) resistor protection - 동작원리 => In-rush current 로부터 LED 를보호하기위해사용 => In-rush current 는 power supply 의 boost 동작, initial power-up 동작시발생할수있으며, 적절한보호대책이없으면 LED 가파괴될수있음 => LED 에직렬로연결하여 in-rush current 를억제 In-rush current level (a) PTC 연결 (b) In-rush current 억제특성 < Fig 21. Example of NTC protection > - NTC 선택고려사항 => NTC 는크게두종류 (high resistance and low resistance) 가있으며이중 in-rush current 보호용으로 low resistance NTC 를주로사용 => NTC 의최대허용전류 / 전력
24 3. 절연내력강화방법 3.1 절연내력저하원인 PCB 의 Cu Pattern 이 PCB 의 Edge 또는 PCB Hole 에가까이있을경우 Metal Heat sink 또는 PCB 의 Metal 부분과의거리가가까워지면서고전압인가시방전이발생하여 Heat sink 와단자간에전류가통할수있다. PCB Edge 에서의방전 ( PCB Pattern PCB Metal) PCB Hole 에서의방전 ( PCB Pattern PCB Metal) PCB Edge 에서의방전 (PCB Pattern Metal Heat sink) Cu Pattern PCB PCB 절연 Metal 층 Heat sink < Fig 22. 절연내력저하요인분석 > Wire 연결 PCB Hole 3.2 절연내력향상방안 - PCB 의 Pattern 설계시 PCB edge 또는 hole로부터일정간격유지절연내력을향상을위해 PCB의 Cu Pattern을외각 edge나 hole로부터일정간격을유지최소 5mm이상의간격을유지해주는것이 4kV이상의결과를얻을수있음 ( 고객설계사양 ) -PCB 에절연물질도포 방전이주로발생하는부분 (Cu Pattern 이가까운 PCB 의 edge 나 hole) 에절연물질 도포재선정시내열성및내화학성을고려, LED 봉지재에영향이없는재료선정 ( 부산물 :Gas) (Fig. 23 참고 ) < Fig 23. 도포방법예시 > ( 방전이되는부분을절연물질로도포 ) -절연물질로만든Case에PCB를실장하여Heat sink와절연시키는방법 Case를만들어그안에 PCB를장착함 (Heat sink와완전히절연을유지 ) 열전도도가낮은재료를사용시 PKG 의 Tj 를고려하여두께를최소화하여야함 (Fig. 24 참고 ) < Fig 24. PCB Case Concept 예시 >
25 4. Acriche(A3) 잔광현상개선방안 4.1 현상 - Acriche 가적용된조명모듈 (bulb, MR, PAR etc.) 을건물내설치후조명통합스위치를 off 시켰을때 Acriche 가완전히 off 되지않고미약하게발광 4.2 원인 - 스위치를건물내 380Vac 3 상 4 선중 N 상에연결하고, 조명모듈의케이스 (heak sink) 를건물내 F.G.(flame ground) 에연결한경우발생 => 대부분의건물내에서조명모듈의케이스를건물내 F.G. 에연결함. F.G. 는대부분 N 상에연결됨 => 이경우스위치가 off 되어도조명모듈의케이스에연결된 F.G 에의해 Acriche 에상전압이유기되어잔광이발생 (Acriche 상유기전압 ~ 130Vac) 잔광발생 S/W. 3 상 4 선식 Y 결선의상간전압 380Vac. 상 (R, S, T) 과 N 간전압 220Vac < Fig 25. ACRICHE 인가전압시험 diagram >
26 4.3 개선방안 S/W 를 L(R) 상에연결또는 L-N 두접점용 S/W 연결 S/W S/W - S/W 를 L 상에연결하여 S/W off 시아크리치에잔여전압이인가되지않도록함 - L(R) 상에 S/W 연결이어려울경우 L-N 두접점용 S/W 사용 < Fig 26. ACRICHE 개선방안 #1 > < Fig 27. ACRICHE 개선방안 #2 > 저항을이용한아크리치잔여전압분배 A) MCPCB 절연저항을증가시켜 Acriche 에인가되는잔여전압을 MCPCB 절연저항으로분압시켜잔광제거 (S/W off 시 ) B) 아크리치양단에병렬로 Rp 연결하여 Acriche 에인가되는잔여전압을분압시켜잔광제거 (S/W off 시 ) : 수 MΩ 이상 < Fig 28. ACRICHE 개선방안 #3 >
27 Ⅵ SUPPLY CHAIN 1. 서울반도체 Supply Chain Ledlink(Taiwan) IMS(USA) Carclo(EU) Gaggione(EU) Khatod(EU) LEDIL(EU) Polymer Optics(EU) Kaieryue Electronics Technology(China) Shenzhen Likeda(China) Donghaw IND(Korea) Green Optics(Korea) Sekonix(Korea) CCI(Taiwan) DDP(USA) Fujipoly(USA) Ceramtec(EU) Fischer Elektronic(EU) Jindingli(China) Yongshenkeji(China) LENS HEATSINK SSC DRIVER IC PCB Microblock(Taiwan) Microchip(USA) National Semiconductor(USA) Wai Tat Electronics(China) Pttc(Taiwan) Fela(EU) GK Technik(EU) Xingtongbu Technology(China) Inno Flex(Korea)
슬라이드 1
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