LED를 이용한 고효율 비상등 시스템에 관한 연구

최근 세계적으로 전기 · 전자 분야를 비롯한 모든 산업기술 분야에서 에너지 절약과 친환경에 대한 연구가 주요한 관심사가 되고 있으며, 특히 LED 조명은 뛰어난 에너지 절감과 친환경적 효과로 인해 각광받고 있다. 백열등이나 형광등과 같은 기존 조명은 전력소비와 환경오염의 문제를 내포하고 있어 효율이 높은 친환경 조명을 위해서 백열등, 형광등 등과같은 기존 조명을 LED 조명으로 교체하는 많은 연구와 개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 연구의 일환으로 비상등에 이용되는 광원을 기존의 백열전구에서 친환경 광원인 LED 조명으로 대체 제작한 비상등의 소비전력, 밝기 등을 비교 · 분석하여 비상등의 효율성을 알린다. 또한 기존의 아날로그 방식의 설계를 마이크로컨트롤러를 이용한 디지털 방식으로 대체하고 과충전 보호기능을구현하여 보다 간단하고 효율적인 비상등 시스템을 제안한다. 본 연구에서는 마이크로프로세서의 장점을 이용하여 기존의 아날로그 방식의 회로 구성을 PIC로 대체하였다. 기존의 아날로그 방식에서의 별도의 과충전 보호회로를 PIC를 이용하여 제어기능과 보호 회로기능을 통합하였으며, 마이크로프로세서의 이용으로 새로운 기능 추가나 보완이 펌웨어의 수정만으로 간단하게 구현될 수 있게 되었다. 비상등 제어회로 구성은 크게 PIC와 배터리, 배터리 충전, PIC 전원을 위한 전원부, 과충전 방지를 위한 전압분배 회로 등으로 구성된다. 본 연구에서 제안한 시스템의 구성도는 [그림1]과 같다. [그림 1]의 시스템 구성도와 같이, 상용전원인 AC 220V는 다이오드를 이용한 브릿지 정류회로와 평활회로, 정전압 레귤레이터를 이용하여 DC전압으로 변환된다. 이때, 전압은 12V와 5V가 만들어지며, 12V는 배터리의 충전에 사용되고, 5V는 PIC로 입력되어 정전 체크에사용된다. 정전을 인식하면 PIC는 릴레이2를 제어하여 배터리에 충전된 전압을LED에 인가함으로써, LED 조명이 구동된다. 전원부에서 만들어진 DC 12V 전압은 배터리의 충전에 사용된다. 12V 전압을 이용해 배터리를 충전할 때 [그림1]과 같이배터리에 직렬로 연결된 저항 2개를 사용한 전압분배로 배터리 출력 전압을 체크하고, PIC와 릴레이1을 이용하여 과충전을 방지한다. 배터리 출력 전압을 체크하여 릴레이1을 제어하는 과정은 다음과 같다. 1) 저항 R2에 걸리는 전압을 PIC칩의 ADC 입력 핀으로 인가시킨다. 2) ADC의 입력 핀에 인가된 값을 디지털 값으로 변환하여 현재 배터리의 출력 전압을 확인한다. 3) 측정되는 디지털 값이 244 이상이면 PIC는 전원부와 배터리 사이에 연결된 릴레이를 OFF 시킨다. 4) 만일 측정되는 디지털 값이 244 미만이면, 릴레이를 on 시켜 충전을 계속한다. 5) 인터럽트 기능을 이용해 일정 주기마다 배터리 출력 전압 체크를 반복한다. 여기서 전압분배를 이용한 이유는 PIC에서의 입력과 출력 최대 허용 전압이 5V이기 때문이다. 즉, PIC의 ADC 입력 핀으로 인가되는 저항 R2에 걸리는 전압이 5V가 넘지 않도록 저항값을 설정해야 하며, 본 실험에서는 오차 허용범위를 두어배터리의 최대 전압일 때 저항 R2에 4.8V가 걸리도록 설계하였다. 전원부에서 만들어진 DC 12V와 5V 전압 중 12V는 배터리의 충전에 사용되고, 나머지 5V가 PIC로 입력되며 정전 체크에 사용된다. DC 5V 전압은 PIC의 인터럽트로 입력되며, PIC에서는 이 입력이 0V (논리값‘0’) 가 되면 정전을 인식하고 배터리 전압을 이용해 LED를 점등시킨다. 즉, AC 220V로부터 변환된 DC 5V 체크용 전압이 확인되면 배터리를 충전시키는 모드로 작동되며, 체크용 전압이 확인이 되지 않으면 정전으로 인식하고 정전대비 모드로 작동한다. 본 실험에서는 LED를 이용한 비상등의 특성을 알아보기 위해서 조도 및 소비전력을 측정하여 비교 분석하였다. [그림2] 는 본실험에 사용된 비상등이다. 동일한 조건(암실)에서 기존의 백열전구를 사용한 비상등과 제작한 LED 비상등의 조도와 소비전력을 각각 측정하여 밝기와 효율을 비교하였다. 소비전력 측정 실험에서는 비상시 배터리에서 공급되는 전원은 12V이지만, 주변 환경에 따라 발생할 수 있는 오차를 감안하여 최대 공급전원 보다 1V 작은 11V를 인가하여 실험하였다. 조도측정을 위한 실험 환경은 한국소방산업기술원의 ‘비상 조명등의 형식 승인 및 검정기준 제15조(조도시험)’을 바탕으로 조성하였다. 기존의 백열전구를 사용한 비상등과 동일한 조건에서 실험을 하기 위해 동일한 케이스를 사용하고, 회로기판은 케이스 중앙 부분에 삽입될 수 있도록 구성하였으며, 기존의 백열전구가 위치했던 곳에 백열전구 대신 LED를 설치하였다. 기존의 백열전구의 사양은12V/5W 이므로, 제작한 비상등에도 5W LED를 사용하였다. 전력 소비량을 측정하기 위해, 전원 11V를 인가했을 때의 소모전류를 측정하였다. 측정결과는 <표1>과 같다. LED를 사용하여 제작한 비상등의 소비전력이 기존의 백열전구를 사용한 비상등에 비해 약 0.4배 정도 낮음을 실험을 통해 확인 할 수 있다. 전원 11[V] 인가시 기존 비상등 제작 비상등 소모전류 (mA) 690 280 소비전력 (W) 7.59 3.08 측정 방식은 두 가지를 이용하였는데 첫 번째는 비상등이 바닥에 놓인 상태에서 사방으로 360도 빛을 비추는 경우를 가정하였고, 두번째는 비상등이 벽면에 부착되어 한쪽 방향으로만 빛을 비추는 경우를 가정하여 측정하였다. <표 2>에서 볼 수 있듯이 동일한 환경에서 LED를 사용한 비상등이 백열전구를 이용한 기존의 비상등보다 일반적으로 더 밝음을 확인 할 수 있다. 단지, 벽면부착의 경우 LED 비상등의 조도가 0.9lx로 측정되었는데 이것은 LED 특성 중 직진성에 기인한 것으로 렌즈와같은 확산기를 사용하거나 전류를 증가시키면 1.0lx이상의 조도가 충분히 나올 것으로 생각된다. 배광번호 : D-31 조 도(lx) 360도 LED 2.2 2.5 백열전구 1.6 1.7 벽면부착 LED 1.9 0.9 백열전구 1.3 1.0 본 논문에서는 백열전구 대신 광변환 효율이 높고, 에너지 소비가 적은 LED를 사용하여 보다 친환경적인 비상등을 제작하고 실험을 통해 비상등의 유효성을 검증하였다. 또한 제안한 비상등은 마이크로 컨트롤러를 사용하여 간단하고 쉽게 응용이 가능하며, 보호 회로를 내장하여 보다 효율적인 기능을 가지고 있다. 최근 환경 친화에 대한 연구가 크게 이슈화되면서 비상등을 비롯한 다양한 조명제품에 LED 광원을 적용시키는 연구가 진행되고 있다. 향후 이러한 연구의 일환으로 LED를 보다 효율적으로 제어하기 위해 열방출을 고려한 제어회로 설계에 대한 연구와 렌즈를 사용하여 직진성을 가진 LED를 조명에 활용하기 위한 연구, 마이크로컨트롤러를 이용한 복합적 기능의 비상등에 대한 연구가 기대된다. * 이 논문은 환경부의 환경기술 인력양성 지원사업으로 지원되었습니다. * This work is financially supported by Korea Ministry Environment(MOE) ‘ET-Human resource development Project

朴昌鎬님의 파란블로그에서 발행된 글입니다.