파워 led조명 질문입니다.
조명을 만들고 싶습니다.
파워led에 대해서 잘 아시는분 만나서 과외좀 부탁드립니다.
물론 괴외비 드립니다.
서울 강동구 둔촌동에 살고 있습니다.
조명을 생각해둔게 있는데
생각했던게 만들어질 수 있는건지
그러러면 어떻게 연결해야하는지, 그런걸 모르겠습니다.
근처 사시는, 파워led에 대해서 잘 아시는분, 불쌍한놈 공부 좀 시켜주시면 감사하겠습니다.
익명 작성일 - LED 드라이버 회로 골르기
LED 드라이버 선택에 도움이 될까하여 간단히 정리해 보았습니다. DealExtreme과 Kaidomain, 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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 2.8A (8x7135) | 2.7~6.0V | KD.1770 | - |
| 2.8A | ~8.4V (2x18650) | DX.20330 | 효율 85% |
| 2.8A, 5-mode | ~8.4V (2x18650) | DX.20329 | 효율 85% |
| 2.8A, 3-mode | 5.5-15V | KD.5595 | - |
| 3A (12W), 3-level | 5.5~15V | KD.1866, KD.6386, KD.6282 | - |
| 3A (12W), 5-mode | 4.1-3.6V | KD.1845 | - |
KD.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. .
DX.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.
KD.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.
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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 350mA (1x7135) | 2.7~6.0V | DX.3160, KD.1610 | - |
| 700mA (2x7135) | 2.7~6.0V | DX.3146, KD.1608, KD.1609 | - |
| 1050mA (3x7135) | 2.7~6.0V | DX.1885, DX.3201, KD.1611 | - |
| 1400mA (4x7135) | 2.7~6.0V |
DX.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.
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.
<li>전류 - dropout - 입력(V) - LED(Vf) - 효율 </li><li>350mA - 0.80V - 4.20V - 3.4V - 81.0% </li><li>350mA - 0.60V - 4.00V - 3.4V - 85.0% </li><li>350mA - 0.40V - 3.80V - 3.4V - 89.4% </li><li>350mA - 0.20V - 3.60V - 3.4V - 94.4% </li><li>350mA - 0.15V - 3.55V - 3.4V - 95.7% </li><li>300mA - 0.09V - 3.49V - 3.4V - 97.4% </li><li>200mA - 0.06V - 3.46V - 3.4V - 98.3% </li><li>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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 1000/150mA(3x7135), 2-mode | 2.6~6.0V | KD.1801, KD.1802 | - |
| 1000mA (3x7135), 2-mode | 3.7~4.2V | KD.6052, KD.6237 | - |
| 1000mA (3x7135), 5-mode | 2.7~6.0V |
DX.6190, KD.1638, KD.6237 |
- |
| 1000mA (3x7135), 16-mode | 2.7~6.0V |
DX.7612, KD.1677, KD.1678 |
- |
| 1000mA (3x7135), 17-mode | 3.7~4.2V | DX.6236 | - |
| 1000mA (3x7135), 20-mode | 2.7~6.0V | DX.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,
</li><li>그룹 1: 저(10%) - 중(35%) - 고(100%) - 스트로브 - SOS, </li><li>그룹 2: 저(10%) - 중(35%) - 고(100%), </li><li>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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 1W (300mAx3.6V) | 1.5~3.0V | 4451 | - |
| 2.5W (700mAx3.3V) | 1~3V | 4382 | - |
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.
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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 2W (500mA), 5-mode | 0.8~1.7V | DX.7302, KD.1639 | - |
| 2.5W (700mAx3.3V), 5-mode | 1~3V | DX.10084 | - |
| 3W (350mAx3.7V), 5-mode | 0.7~1.5V | DX.7427 | - |
| 3W (800mA), 19-mode | 1.2/1.5V | KD.1692, KD.1693 | - |
| 3W (800mA), 20-mode | 1.2/1.5V | DX.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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 3W (700mAx2~7V), 19-mode | 0.8~7V |
DX.7882, KD.1672, KD.1673 |
- |
| 3W (800mAx3.7V) | 1.5~4.2V | DX.4735 | 2106F |
| 4W (1000mAx3.7V) 5-mode | 0.9~4.5V | DX.15880 | SSC/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.
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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 755mAx5~15V | 4~18V | KD.1640 | AX2002 |
| 1 x 1W (350mA) | 12~16V AC/DC | DX.13553 | PT4105 |
| 3 x 1W (350mA) | 12~16V AC/DC | DX.13555 | PT4105 |
| 1 x 3W (350mA) | 12~16V AC/DC | DX.13557 | PT4105 |
| Buck V Reg. | 3.7~4.2V | KD.5592 | - |
| 3W (800mA) | 3.0~6.5V | DX.4255 | ZXSC300 |
| 3W (800mA) | 3.6~9V | DX.3256 | ZXSC310, ZHCS1000, ZXMN2a01f |
| 800mA | 3.6~9V | KD.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.
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. 18V | 3.6~23V |
최대 출력 |
600mA/5V 1A/12V |
2A |
피드백 전압 |
200mV | 250mV |
Rds |
0.3옴 | 0.1옴/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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 1A, 3-mode | 2~4.5V | KD.5313, KD.5314 | Q5 용 |
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 3W (1000mAx3.7V), 5-mode | 3.6~8.4V | DX.7425 | - |
| 3W (1000mAx3.7V), 8-mode | 3.7~8.4V | DX.10421 | ~d3256, Zetex C310 |
| 5-mode, 1A | 0.9~4.5V | DX.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,
</li><li>18650 1개로 P4 1개, </li><li>18650 2개로 P4 1개, 또는 2개 직렬 </li><li>18650 3개로 P4 1개, 2개, 또는 3개 직렬로 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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 3W (1000mAx3.7V), 5-mode | 3.6V | DX.7426 | PT4105 |
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.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 1 x 1W (350mA) | 85~265V | DX.13554 | 1W LED 1개 |
| 20mA | 220V AC | KD.5645 | - |
| 40mA | 220V AC | KD.5646 | - |
| 3 x 1W (320mA) | 85~265V | DX.13556 | 1W LED 3개 |
| 1 x 3W (700mA) | 85~265V | DX.13552 | 1W LED 3개 |
| 16-26V (320mA) | 85~265V | DX.13690 | 1W LED 5~7개 |
| 1X5W, 3.5V~3.8V (2A) | 110~240V | DX.14034 | 5W LED 1개 |
| 3X1W, 0.5V~108V (320mA) | 110~240V | DX.14035 | 1W LED 3개 |
| 27-42V (320mA) | 85~265V | DX.13691 | 1W LED 9~12개 |
| 12W | 85~265V | KD.1879 | 12W |
| 3x1W | 85~265V | KD.1880 | 1W LED 3개 |
| 1x3W | 85~265V 620mW | KD.6796 | 1W LED 3개 |
| 3~6W | 100~240V | DX.11077 | 1~3W LED |
| 1~3W | 100~240V | DX.10852 | 3W LED 1~2개 |
[참고] TaskLED, TaskLED Forum
| Driver | Topology | Vin | Vout, Iout | Regulation |
| CCxW | Buck | 4~30V | 16V, 350/700/1000mA | Constant current |
| bFlex | Buck | 4~25V | 25V, 1000mA (adj.) | Constant current |
| bFlexV2 | Buck | 4~20V | ~20V, 1000mA(adj.) | Constant current |
| nFlex | Buck | 4~30V | 16V, 1000mA (adj.) | Constant current |
| Fatman | Boost | 2.7~12V | 3~16V, ~1000mA(adj.) | Constant current |
| maxFlex | Boost | 2.5~20V | 24V, 1200mA | Constant current |
| D2DIM | Linear | 3~16V | 16V, 3.4A | None, PWM dimming |
| CCHIPO | Boost | 4-30V, Max. 5A | 48V, 45W | Constant current |
| VIP | Boost | Luxeon Vf 이하 | Luxeon Vf(6~7V), 750, 1000mA | Constant current |
| Driver | Topology | Vin, Iin | Vout, Iout | Regulation |
| Badboy | Boost, Vi<VO>< td> | 1.6~9V, Max. 1.5A | ~9V, 1A | Constant current |
| GD | Buck/boost | 1.8~5.4V | 5.4V, 1A | Constant current |
| Shark | Boost, Vi<1/3 Vo | 2.7~20V, Max. 4A | 11.5V(adj.), 50~980mA |
Constant voltage, current |
| SOB | Buck | 3~16V | 6~7V, 1.5A | Constant 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
특징
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
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.
| Family | Package Size (mm) | Max Current (mA) | Colors | Available Flux up to |
| XR-E | 7.0 x 9.0 | Up to 1000 | Cool White | 250 lm |
| Neutral White | 182 lm | |||
| Warm White | 170 lm | |||
| Royal Blue | 1100 mW | |||
| Blue | 88 lm | |||
| Green | 150 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.
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.
3. 색온도 특성
색온도 특성은 아래와 같습니다.
4. 코어칩의 전기적 특성
P4나 P7의 특성과 거의 유사한 것 같습니다.
5. 순방향 전압대 전류 특성
순방향 전압대 전류의 특성은 아래와 같습니다.
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.
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.
8. 빔 패턴
빔 각은 아래와 같이 1/2 점이 양쪽으로 55도이므로 총 110도입니다.
9. P7과의 비교
대체적인 규격을 비교해 보면 P7과 MC-E는 같은 형제라고 할 수 있습니다.
'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
사용자의 실험을 보면 1 NiMH에서
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
개조 후
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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.
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.
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.
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.
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 좋은 방안이 될 것으로 생각합니다.
카메라 플래시처럼 삼발이에 장착하여 야외 조명용으로도 만든 것도 있습니다. 등산용 스틱의 머리에 나사를 끼우고 카메라겸 조명 폴대로 사용하니 기가 막힙니다. 렌즈를 빼고 그 자리에 조명용 반사경을 끼우면 카메라 플래시 대용도 됩니다.
배터리팩 위쪽 덮개에는 슬라이드 3단 스위치가 있습니다. 1단은 충전, 2단은 직결, 3단은 모드입니다. 덮개를 열어 보면 배터리 하나에만 보호회로가 있는 것이 보입니다. 보호회로는 사진처럼 배터리의 머리에 있거나 꼬리에, 또는 옆구리에 길게 붙어 있습니다. 3단 슬라이드 대신에 on-off와 모드 기능을 분리하여 2단 스위치 2 개로 할 수도 있습니다.
회로를 보겠습니다. 스위치 좌우에 배터리가 2개 있고, 오른쪽에는 망가진 8 모드 회로에서 12F629 부분만 빼내어 FET에 연결한 것뿐입니다. FET는 저속의 PWM 단속 기능만 하므로 turn-on 저항이 낮고 전류가 6A 이상만 넘는다면 흔한 n-channel FET 아무 거나 좋습니다.
4.2~5V 어댑터 출력은 0.5옴 저항과 보호회로를 거쳐 배터리를 충전하게 됩니다. 0.5옴에 1A가 흐르면 0.5V 강하되므로 보호회로의 부담을 덜어 주는 역할을 하며, 손으로 만져보아 열이 없으면 충전이 완료되었다고 판단해도 됩니다.
12F629의 최대 동작전압은 6V로서 8-모드 드라이버는 별도의 레귤레이터(LDO)에 의해 12F629 전원이 공급되므로 12V까지는 개조없이 사용할 수 있으나 기타 다른 모드 드라이버들을 8V이상 더 높은 전압으로 사용하려면 회로와 같이 제너 다이오드로 보완해 줄 필요가 있습니다.
아래 8-모드 드라이버의 정전류 부분을 지워버린 사진에서 빨간색 3점만 연결하면 다른 부분은 수정없이 그대로 두어도 되며, 인덕터나 복잡한 스위칭 동작이 없기 때문에 모드 기능도 훨씬 정확하게 동작하게 됩니다. 불행인지 다행인지 모드 드라이버는 대부분 이 부분이 약하여 몇 번 실험하다 보면 여기 저기 굴러다니는 부상병들을 흔히 볼 수 있습니다.
배터리팩은 배터리를 모두 병렬로 연결하여 충전하고 방전시에는 직렬로 연결하여 사용하는 아주 단순한 아이디어로서 마치 낱개로 충전한 배터리들을 라이트에 넣어 직렬로 연결해 사용하는 것과 같습니다.
2접점 3단 슬라이드 스위치는
3가지 기능을 선택하게 합니다. 슬라이드 스위치는 보통 중간에 세우기가 어려우므로 중간을 직결로 설정했습니다.
스위치 1단 위치는 라이트 off이면서도 충전 모드입니다. 모든 18650이 병렬로 연결되면서 하나의 보호회로을 거쳐 충전되도록 되어 있습니다. 보호회로는 셀 전압이 4.2V에 이르면 충전을 차단하여 과충전을 방지합니다. 5V 어댑터 자체가 1~2A로 전류 차단 기능이 있기 때문에 과전류는 있을 수가 없고, 배터리에는 섭씨 75도의 온도 검출 바이메탈이 붙어 있어 근본적으로 과열을 방지합니다.
스위치 2단은 배터리 2개가 직렬로 되어 LED 2개에 직결로 연결되는 아주 간단한 회로입니다. 만충전시에는 P7에 3~5A까지도 흘러 가므로 2000 루멘 이상은 나오리라 생각합니다. LED의 방열이 핸들로 직접 빠져 나가므로 실제로 이 밝기에도 열 상승은 거의 없습니다.
스위치 3단은 FET에 의해 전류가 on-off되는 PWM 구성입니다. 5-모드와 같은 일반적인 모드 회로는 우선 정전압 또는 정전류를 만들고 그 다음에 PWM을 구성하는 이중 구조인데 정전압이나 정전류 과정에서 효율이 10%이상 저하됩니다. PWM 자체가 시간적으로 전류를 제한하는 것이라 실제로는 정전압이나 정전류는 필요 없고 단지 최대 전류 제한과 SOS와 같은 모드 기능만 필요한 것이어서 기존의 모드 회로에서 그 부분만 사용하는 것입니다. 마침 5-모드와 8-모드, 19-모드 등 망가진 것들이 많이 있어 이의 재활용겸 아이디어를 짜 본 것입니다.
회로에서 배터리는 필요에 따라 1개, 2개 3개 등 셀을 직접 병렬로 연결하여 사용하며, 보호회로는 1개만, 그것도 충전시에만 사용합니다. 배터리가 6개 연결되어 있어도 충전량은 1개 수준이므로 시간이 오래 걸려서 그렇치 문제는 없습니다. 수도꼭지가 일정하다면 컵이든 커다란 바케츠든 큰 그릇에 대한 문제는 없는 것입니다.
12V팩은 배터리가 2개씩 3쌍이고, 연동하는 4개의 2단 스위치(4P2T)에 의해 3개의 배터리가 병렬과 직렬로 절환되며, 직렬-모드 절환이 별도의 스위치에 의해 수행된다는 것만 다르고 나머지는 8V 팩과 동일합니다. 배터리팩은 배터리를 증가시킬 때마다 스위치(2P2T)만 늘리면 되므로 2개 직렬 8V, , 3개 직렬 12V, 4개 직렬 16V, 5개 직렬 20V, ... 등을 만들 수 있습니다.
라이트 설명을 하려니 회로도를 빼 놓을 수가 없어 갑자기 회로도를 그릴 수 있는 PCB 아트워크 프로그램들을 검색해 보았습니다. 회로도만이므로 Powerpoint나 Office Visio 같은 것을 쓸 수도 있고, 과거 써본 적이 있는 OrCAD도 있지만 모두 상용이라 단념하고 회로도만 그릴 생각으로 freeware를 검색해 보았습니다.
좋은 프로그램들이 참 많습니다. 앞의 회로도는 TinyCAD로 그렸고, 나중 것은 ExpressPCB로 그렸습니다. 다운받은 후 불과 30여분만의 실습으로 쉽게 이용할 수 있을 정도로 가벼운 프로그램들로서, 특히 구도 배치 및 수정하기에는 ExpressPCB가 더 나은 것 같습니다.
충전 관리
이 라이트의 최대 장점은 충전 관리에 있습니다. 그냥 어댑터 짹을 꽂아 두고 하루밤 자고 일어나면 됩니다. 배터리에 부착되었던 원래 보호회로의 동작이 워낙 정확하기 때문에 충전 여부를 확인할 필요조차 없습니다. 의심스러우면 리튬이온배터리용 4.2V 충전기를 사용해도 됩니다. 리튬이온배터리는 조금 사용하고 곧바로 충전하는 것이 가장 좋은 사용법이며, 스텝업 등으로 끌어 올려 바닥까지 사용하는 것은 피해야 할 사항입니다.
배터리팩의 내부는 정말 볼품이 없을 정도로 간단합니다. 왼쪽 사진은 12V용을 만들기 위한 것으로 배터리는 2개씩 병렬로 연결되어 있고 맨 앞 배터리에는 보호 회로가 붙어 있습니다. 보호 회로는 충전시에만 사용하고 방전시에는 사용하지 않습니다.
처음에는 병렬로 연결하여 만충전 해 셀 간의 균형을 맟추어 놓고 나중에 2개씩 구분하여 스위치에 연결합니다..
출력은 보호 회로를 통해서 사용할 수도 있고, 보호 회로 없이 배터리 셀 양단에서 뽑아서 사용할 수도 있습니다. 6개 병렬 연결된 그대로 사용하면 웬만한 대전류에도 끄덕 없습니다. 툭히 가정용 공구인 전동 드라이버의 고장난 배터리 대용으로 안성 맞춤입니다.
방전
방전시에는 보호회로 없이 그대로 LED를 구동합니다. 방전시의 보호회로 역할은 대략 2.5V 이하의 전압에서 회로를 차단하여 셀을 보호하는 것입니다. LED는 3V 이하에서는 전류가 흐르지 않으므로 계속 놔두었다 해도 셀당 3V 이하로는 내려가지 않습니다.
직결 사용시의 특성은 누구나 잘 알다시피 초기에는 거의 5A 수준에서 부터 시작하여 점차 내려갑니다. 방열에 자신있으면 순간적인 5A는 빛만 약간 차거을 뿐 P7 걱정은 않해도 되는 것 같습니다.
참고로 8-모드의 동작은 다음과 같습니다. [참고 자료]
70, 50, 30, 10% 등 밝기 변화를 선택할 수 있고 특히 1초 상승 1초 하강의 느린 스트로보는 마치 할로겐 램프 같은 기분을 내 줍니다.
배터리 셀간의 균형유지
일반적으로 배터리팩은 직렬 연결된 셀간의 균형을 유지하는 기능이 없어 오래된 배터리팩은 대부분 어느 한 셀의 불량 때문에 전체가 못쓰게 되는 결과를 가져 옵니다. 사용 중에 어느 한 셀이 전압이 낮다고 덜 빼어갈 수도 없고, 충전 중에 특정 셀만 전류를 더 보내 줄 수도 없어 불량 셀은 갈 수록 성능이 떨어 지게 됩니다.
이 회로는 라이트 off시에는 모든 셀이 병렬로 연결되기 때문에 셀간의 충방전으로 불균형이 보정되어 평준화되므로 불량 셀의 가능성을 줄여 줍니다.
라이트 및 배터리팩 활용
간단합니다. 만충전 초기에는 직결시 5A 이상 흘러 들어갈 수 있으므로 모드에서 50% 정도를 선택하면 대략 2.5A내외의 밝기가 됩니다. 기존의 모드 회로는 정전류에 의한 손실이 있었지만 여기에서의 입력을 그대로 PWM화하기 때문에 손실이 거의 없습니다. 이 상태로 한 30분에서 1시간 정도 이후에는 직결로 사용합니다. 대략 3A로 출발하여 1.5A가 될 때까지 밝기 변화를 느끼지 못하며, 직결이기 때문에 효율100%입니다.
물론 각종 모드나 10% 등 최소 밝기는 언제라도 사용할 수 있으며, 아무 때라도 최대 밝기가 필요하면 직결로 하면 됩니다. 나란히 달리는 자동차와 비교해 봐도 범위만 좁을 뿐 전혀 뒤지지 않는 밝기입니다.
8V나 12V 배터리팩은 자전거 라이트 이외에도 여러 용도로 사용할 수 있습니다. 직결 모드는 전자기기나 청소기, 전동 드릴 등 여러 용도로 널리 사용됩니다. 전류가 충분하기 때문에 할로겐에도 안성 맞춤입니다
묵과할 수 없는 단점들
첫째, 이것을 단후로는 '자전거 밤에 타기'가 늘었습니다. 그 좋은 오후 2시 세시에는 미적대다가 6~7시 어두워져야 짐을 챙깁니다. 어차피 요즘같은 말도 안되는 막장 드라마에 애태우고 있기 보다는 그 시간에 한강 둔치를 달리는 것이 더 바람직 할 수도 있겠지만 밝은 태양 아래 여러 사람들과의 어울려 타기가 줄었다는 것은 정말 단점입니다. 작년 여름에는 인터넷 하다 밤 11시에도 집을 나서곤 했으니까 그냥 지나칠 일이 아닙니다.
둘째는 땅바닥의 모래알 하나 정확히 보이니 동전 하나라도 자주 되돌아 가 확인하게 됩니다. 아직까지 뚜렷한 성과는 없었지만 숙련되면 독수리나 매 이상의 빠른 눈을 가지게 될 기대도 접지 않습니다.
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나만의 고집들 ....
이상으로 라이트 소개는 대강 마치고, 아래에는 개인만의 의견을 정리해 보겠습니다. 옳을 수도 있고, 그릇될 수도 있다는 뜻이며, '믿거나 말거나' 일 수도 있습니다. 하지만 옳고 그름을 밝힐 필요까지는 없다고 생각합니다. 독약을 독으로 보는 사람도 있고, 약으로 보는 사람도 있기 때문입니다.
정전류 동작
누구나 'LED는 정전류 동작이 필수다'라고 알고 있지만 왜 그래야 하는지는 잘 인식하지 못하는 것 같습니다. 정전류라는 말에는 '최대 전류 제한'이라는 의미와 '변화가 없는 균일한'이라는 두가지 의미가 혼합되어 사용되고 있습니다.
정확히 말하자면 LED는 최대 전류 억제도, 균일함도 요구하지 않습니다. 다만 'LED 내부 반도체 접합점의 온도가 어느 온도 이상은 안된다'하는 것뿐입니다. 그 온도를 넘기면 변형과 열화가 일어나기 때문입니다. 그런데 현재의 기술로는 이 온도를 제어할 뚜렷한 수단이 없어 대신 전류를 제한하고 있는 것입니다. 마치 황소의 마음을 다스릴 수가 없으니까 고삐를 끼우고 끌고 다니는 것과 같습니다. 고삐가 아니더라도 황소의 마음을 이끌 수 있다면 더 많은 일을 시킬 수 있겠죠. 여기에서 유추할 수 있는 것은 방열만 자신 있다면 규격보다 더 많은 전류를 흘릴 수 있겠다는 것입니다.
가끔 LED에 전류가 과다하게 흘러 내부 금선이 동그랗게 녹아 버린 것을 볼 수 있습니다. 하지만 이것 또한 표현이 잘못된 것입니다. 전류가 과다한 것이 아니라 온도가 높아서 녹아 끊어져 버린 것입니다. 10A에 녹는 선도 펄스라면 100A가 흘러도 녹지 않는 데 이것은 녹을 만큼의 온도가 축적되지 않았기 때문입니다.
둘째는 정전류입니다. 이것도 사람이 원하는 것은 일정한 밝기인데 그 수단이 없어 정전류를 볼모로 잡고 있는 것입니다. 사람의 눈은 밝기 변화에 그다지 만감하지 못합니다. 100 루멘에서 200루멘으로 바뀌었다고 2배 밝아졌다고 느끼지는 못합니다. 이것은 P7에 3A가 흐르다가 2A가 되어도 밝기 변화를 거의 느끼지 못한다는 뜻이며 이쯤되면 굳이 정전류를 고집할 필요는 없습니다. 실제로 대부분의 드라이버 회로는 초기의 과전압 상태에서만 동작할 뿐 전압이 떨어진 이후로는 전류가 줄기 시작하여 오히려 직결 보다도 못하게 되는 것입니다. 동작은 모르고 정전류라니까 하면서 사용하나 봅니다.
정전류 유지 기술
전류를 일정하게 유지하기 위해서는 흐르는 전류를 감지해야 하는데 현재 사용되는 기술은 조그만 저항을 달고 그 양단의 전압을 측정하는 아주 초보적인 기술로서 이 과정에서 전압 검출기의 검출 능력이 대략 0.2~0.3V 수준에 머물기 때문에 그 아까운 전압이 고스란히 낭비되고 있습니다.
예를 들어 만충전 4.2V라도 저항에서만 0.2~0.3V가 낭비되어 LED에는 3.9V 정도밖에 걸리지 않는 것입니다. 여기에 FET와 같은 소자의 전압 강하를 더해야 하니까 정전류 회로를 사용한 것은 만충전이라도 유효한 것은 3.8V도 채 안되어 사실 P7의 경우에는 정전류 소자를 병렬로 아무리 달아도 2.8A에 이르지 못할 경우도 있습니다. 정전류 한답시고 전압 자체를 소모해 버리니 정전류 본래의 의미가 사라져 버린 것이지요. 그런 의미에서 아직까지도 P7을 위한 드라이버가 개발된 것이 없다고들 하나 봅니다. 이런 상황이라면 원리적으로 불가능한 것이지요.
흔히들 알고 있는 AMC7150의 예를 들어 보면, 12V 입력전압은 Rsense 저항에 의해 0.33V 강하된 뒤에 내부 스위치 회로를 거쳐 LED에 공급됩니다. 그래서 규격에 '입력 전압은 LED 전압보다 적어도 1.6V 이상 더 높아야 정상적인 정전류 특성을 보인다'라고 기술되어 있고, 이러한 이유로 배터리 1셀에서는 이 소자가 사용될 수 없는 것입니다.
AMC7140에서는 이렇게 해서 손해보는 전압이 700mA를 흘렸을 때 0.5V 입니다. 만충전 4.2V라도 실제로 LED에는 걸리는 전압은 3.7V밖에 안된다는 거지요. 이 소자를 4개 연결해서 2.8A를 얻는다 해도 전압 특성은 똑 같으므로 P7에 3.7V가 걸리며, 이 전압으로는 2.8A가 흐를 수 없는 것입니다. 물론 배터리를 2개나 3개 직결하여 전압을 높이면 이 전압은 1/2, 1/3로 나누어 지는 것이기 때문에 좀 낫습니다.
AMC7135는 이 전압이 350mA에서 0.12V이어서 이것을 8개 연결하면 LED에는 4.08V, 좀 낫기는 하나 불과 몇십분만 지나면 정전류는 사라집니다.
이러한 단점들을 보완하기 위해 PWM 자체에 정전류 기능을 넣은 것도 있습니다. 마이크로칩사의 AN874 [참고 자료]에 보면 A/D 컨버터 기능이 추가된 12F675를 활용한 회로가 있습니다. 하지만 회로가 복잡하고, 효율도 기대만큼 개선되지 않습니다. 한마디로 정전류를 고집하는 것은 그만한 오버헤드(부담)를 수반한다는 것입니다.
오른쪽 사진은 DealExtream에서 판매하는 PWM 모드 기능과 FET로만 구성된 간단한 3.6V, 1A, 5-모드 드라이버, sku.7426입니다. 인덕터 코일이나 쇼트키 다이오드 등 정전류 회로가 없어 아주 단순합니다.
입력 전압을 그대로 출력으로 내주므로 직결과 같으며, MCU 최대 전압이 6V이므로 배터리 1개에 전류는 최대 1A까지 사용할 수 있습니다. 이 회로에서 FET만 더 높은 전압과 전류에 견디도록 바꾼다면 P7에도 사용할 수 있을 것입니다.
PWM과 색온도
LED는 정전류가 아니라 어느 온도 이상 올라가지 않는 온도 제한이나 정온도를 요구하는데 이를 제어하기 위한 가장 쉬운 방법이 전류를 제어하는 것입니다. 전류를 늘이면 온도가 올라가고 줄이면 내려 가는데 여기에 한가지 변수가 더 추가됩니다. 크기만이 아니라 주는 시간을 조절해도 변한다는 것입니다. 같은 크기의 전류라도 자주 주면 온도가 올라가고, 덜 주면 온도가 내려가는데 이것이 바로 PWM방식입니다. 연속적이든 단속적으로 흘리 들어간 전체 전류량에 따라 온도가 유지됩니다.
이 경우 미묘한 차이는 있습니다. 전체 밝기는 같지만 색온도는 순간적인 전류량에 따르기 때문에 순간 전류량이 더 큰 PWM의 색이 약간 더 푸른색을 띕니다. 50:50의 PWM이라면 정전류에 비하여 순간적으로 2배의 전류가 흐르기 때문에 색온도 특성도 그만큼 푸른색이 됩니다.
이러한 이유들로 모드 드라이버 회로에서 사용하는 PWM은 최대 전류 규격을 100으로 하고 이 기준에서 줄어 드는 광량을 원칙으로 PWM 모드 회로에 앞에 정전류나 정전압 회로를 구성하고 있는 것입니다.
이러한 정전류 소자의 역할과 당위성을 알면서도 정전류를 포기하고, 대신 직결과 PWM으로 실용성을 개선해 보고자 한 것이 일견 무식해 보여도 당당히 나설 수 있는 본 라이트입니다.
사실 이것은 라이트의 밝기를 묻는 것이 아닙니다. 밝기로 말하자만 밝을 수록 좋다는 사람도 있고, 너무 밝으면 안된다는 주장도 있는데 이 경우 아주 밝되 흐리게 조절할 수 있다면 위 의견은 모두 충족되므로 질문이 싱거워 집니다. 따라서 여기서는 P7 하나를 최대로 구동할 것이냐 여러 개를 써서 여유있게 사용할 것이냐에 중점을 두고 특성을 검토해 보려는 것입니다.
자전거 라이트 700 루멘 좋습니다. 경우에 따라서는 1400 루멘 좋고, 2100 루멘 정말 좋습니다. 마치 한 밤중에 시골길을 훤히 밝히면서 달리는 자동차 기분으로 안전상 최고입니다. 하지만 마주 오는사람들도 많은데 어두운 곳에서 갑자기 이런 강한 빛릉 비추면 안되겠지요. 그래서 빔을 하향으로 하고, 촛점과 스필을 줄이며, 모드 기능으로 밝기를 줄이면 효율도 향상되므로 질문의 정답이 여기에 있는 것입니다.
P7의 밝기
P7 하면 모두들 900 루멘을 연상합니다. 처음 나왔을 때 그렇게 선전되었기 때문인데 이것은 어디까지나 최대 규격일 뿐 아무나 기대할 수 있는 것은 아닙니다. 최근에 900 루멘을 따로 골라 별도의 가격으로 판매되는 것을 봤는데 그렇다면 시중의 P7에는 900 루멘이 전혀 없다는 뜻도 됩니다. 학급의 점수대를 평균 80점, 최대 95점이라 하고, 90점 이상은 별도로 우수반을 편성한다면 일반 학급에는 90점 이상이 없다는 것입니다
하지만 사실 이것은 2.800mA가 흐를 때의 규격으로 전류를 좀 더 흘리거나 방열을 잘 한다면 그보다 더 높은 광속을 낼 수 있기 때문에 이에 연연할 필요는 없습니다. 아래 전류대 발광 특성에서 그래프를 확장해 유추하면 1000 루멘 이상도 충분히 짐작할 수 있기 때문입니다.
규격표에는 섭씨 25도에서 2.8A를 흘릴 때 정격(typ)700 루멘, 최대(max) 900루멘이라고 나와 있습니다. P7은 주위 온도 섭씨 25도에서 1400mA가 흐를 때의 밝기인 400 루멘을 기준(1.0)으로 하여,
엉성한 라이트에서 2.8A를 흘리면 발열이 너무 심하고, 점등 시간도 짦아 오래 지속해서 사용할 수 있는 규격은 아닙니다. P7의 기본 다이라고 할 수 있는 P4의 특성으로 유추해 보면 2.8A일 때의 루멘수는 1.4A의 1.7배 밖에 되지 않아 배터리 사용 효율로 봐서도 2.8A는 그리 환영받을 일은 아닙니다. 이러한 이유들로 실제로 P7에 많은 기대를 가졌던 사람들은 결국 'P4나 Q5나 다 그게 그거'라는 결론에 이르거나 새로운 MCE에 기대를 걸게 되나 봅니다.
리튬이온배터리와 충전
이온상태의 액체 전해질을 사용하는 리튬이온배터리는 폭발이라는 위험성이 있으면서도 충전과 방전 특성만은 과거 그 어느 이차전지보다도 안정되고 단순하며, 명확합니다. 그래서 대부분의 디지털 기기가 리튬이온배터리를 답변확정하고 있으며, 배터리 수명 또한 수년이상 사용되고 있는 것입니다.
하지만 아직 모든 문제가 해결된 것은 아니며, 제작사의 기술에 따라서도 폭발 위험이나 수명 등에 많은 차이가 있으므로 신중한 선택과 사용상 주의가 필요합니다.
일반적으로 충전전압이 4.37V를 넘으면 전해질이 분해되어 가스가 발생되거나, 압력이 높아져 누출된 전해질이 외부의 수분과 화합하여 화재 및 폭발의 원인이 될 수 있습니다. 또한, 방전시 2.5V 이하로 내려가면 음극이 파손되어 성능 저하나 심지어 사망에 이를 수도 있어 이를 예방하기 위해 아래와 같은 조건과 각종 보호회로가 개발되어 사용되고 있습니다.
이밖에도, 3V이하에서의 충전시에는 전류를 최소로 줄였다 서서히 늘려야 하는데 그 이유는. 저전압의 불안정한 상태에서는 정격 전류라도 수명 단축을가져 올 수 있다고 합니다. 며칠 굶다 음식을 허겁지겁 먹어 탈나는 것과 비슷합니다. 그래서 얻은 교훈이 '3V 이하까지는 절대 뽑아 쓰지 말자'인데 다행히 P7은 3V 이하에서는 전류를 흘리지 않는 신사중의 신사라서 안심입니다.
위험 대비는 아무리 강조해도 지나친 것이 아니기 때문에 정확한 자신이 없으면 안전에 여유를 두는 것이 좋습니다. 그러나 아마추어들은 지식의 극한을 알고자 하는 욕구도 있으므로, 사용된 배터리와 관련하여 보호 회로의 구성 및 역할을 좀 더 소개하면... (참고 자료: 삼성SDI )
"리튬이온 전지가 과충전되거나 과전류가 흐를 경우 누액, 폭발 발화의 위험성이 있다. 과충전 및 과전류로부터 전지를 보호하고 과방전으로 인한 성능저하를 방지하는 수단으로 보호회로가 필요하다. 통상적으로 리튬이온 전지는 배터리팩 전압을 기준으로 충전할 경우, 직렬연결된 셀간의 특성(용량, 충전상태) 차로 인한 셀전압의 차이로 충전전압이상으로 과충전되는 셀이 발생할 수 있다. 보호회로는 각각의 셀전압을 감시하여 충방전을 제어함으로써 특정 셀의 과충전(혹은 과방전)을 방지한다.
아래 그림은 위 참고 자료에 있는 삼성SDI 리튬이온 배터리의 보호 회로 특성입니다.
삼성SDI의 원통형 18650의 정상동작 범위는 2.75~4.2V이고, 4.37V 이상이거나 2.0V이하이면 셀 파손이 시작되는데 셀에 부착된 보호 회로는 셀의 특성을 정확히 반영한 것으로, 4.30V에서 충전 차단, 2,50V에서 방전 차단하며, 이 보호 회로상의 정상 동작 전압은 셀의 수명을 급격히 단축하거나 파손하는 범위에 들어 가지 않습니다.
왜냐 하면, 위에 설명되어 있듯이 보호 회로가 가장 필요한 경우는 노트북 배터리팩과 같이 직렬로 셀이 연결되었을 경우 셀간의 균형을 맞출 수 없어 어느 셀에 더 높은 전압이 걸릴 수 있는데 이를 방지하기 위해 개개의 셀에 설치..., 이를 뒤짚어 보면 배터리팩의 여러 셀 중 어느 셀은 위와 같은 보호 회로 전압, 즉 4.30V로 항시 충전되고 있다는 것이 됩니다. 배터리 제작사에서 항시 충전되도록 설계한 전압이 셀 파손 전압일 리는 없겠지요.
여기서 지적하는 보호 회로는 시중에서 따로 구입할 수 있는 일반 보호 회로가 아니라 기기내에 사용하도록 단자가 나와 있는 배터리 부착 보호 회로이므로 규격상 타이트하더라도 불량 충전기나 일반 보호 회로보다는 더 믿을 수 있다는 것입니다,
물론 TTA 인증 표준충전기도 있지만 모든 배터리의 안전을 대상으로 하다보면 하향평준화는 당연한 것이며, 이는 배터리에 붙어 있는 전용 보호회로와는 비교도 될 수는 없을 것입니다. 그런 면에서 이미 제조사의 인증을 받아 배터리에 부착된 보호회로를 제대로 활용하는 것이 낫다고 생각합니다.
리튬이온배터리의 전기적 특성은 제조 기술에 따라 약간씩 달라 어떤 회사 제품은 4.2V에서도 손상이 올 수 있고, 또 어떤 것은 4.3V이라도 손상되지 않을 수 있습니다. 이럴 경우 모든 배터리를 대상으로 해야 하는 TTA 인증 표준충전기는 그중에서 가장 낮은 전압을 대상으로 할 수 밖에 없어 4.2V 이상은 낼 수가 없을 것입니다. 반면에 특정 배터리에 붙어 있는 것은 그 배터리 전용이므로 4.2V에 얽매일 필요가 없는 것입니다.
비행기 좌석 밑에 개인 구명 조끼가 있습니다만 그 부력은 어떻게 정해야 할까요? 몸무게가 20kg도 안되는 어린애가 있을 수도 있고, 120kg이 넘는 어른들도 있겠지요. 남녀 평균 몸무게인 70kg으로 해야 할까요? 아마 120kg이 아니라 그 이상의 몸무게인 사람도 지탱시켜 줄 수 있는 최대의 부력으로 제작되어야 할 것입니다. 그것을 어린이에게 착용시켜 주니 하향 평준화라고 하는 것입니다.
그래서 좀 엉성하지만 비유를 하자면,
다양한 기능이 추가되고, 멋까지 부릴 수 있는 안경과는 달리 콘택트 렌즈는 최소한의 필수 기능만 제공합니다. 항공기 추락시 망망 대해에서 구조를 기대할 수 있게 하는 개인용 구명조끼, 그와 같은 최소한의 아주 필수적인 것이 바로 배터리마다 붙어 있는 보호회로입니다.
엄격히 말해서 18650은 배터리를 손으로 만지면서 낱개로 사용하는 것이 허용된 것은 아닙니다. 사용 방법이 명확하지 않기 때문에 이를 대상으로는 판매하지 않는 것입니다. 삼성SDI의 Q&A란의 글을 보면, Q: "<x onfocus=blur()>일반 소비자에게도 삼성SDI의 전지를 판매하고 있습니까? " A: "삼성SDI는 Set업체에게만 판매하고 있습니다. 이는 Set업체의 사용환경과 맞춰 설계하여 Pack으로 사용되도록 하고 있기 때문입니다."
시중에 각종 보호 회로와 충전기가 있지만 불량 회로도 많습니다. 따라서, 보호 회로나 충전기를 사용했다고 무조건 안심할 것이 아니라, 제작사가 인증한 보호 회로가 최우선이며, 그 기반위에 2중, 3중의 안전 장치를 마련하고 또한 사용시 주의를 해야 합니다.
결과적으로 본 라이트에서는 위의 조건들이 아래와 같이 해결됩니다.
이것 또한 방열의 원리만 터득하면 아무 것도 아닙니다. 고인 물은 썩습니다. 그러나 아무리 적은 량이라도 조금씩 흐르게 하면 썩지 않는 것처럼 방열도 그렇습니다. 손전등을 켜서 책상위에 놔두면 곧 손 못댈 정도로 뜨거워집니다. 그러나 손으로 만지작 거리거나 공기 중에 흔들어 주면 어느 새 온도는 내려 가는데 이것은 방열은 내부 설계 문제가 아니라 공기나 외부 물체로의 열 발산이 핵심이라는 것을 의미하는 것입니다.
보통 손전등을 개조해서 핸들에 부착할 때 고무로 절연된 부착장치를 많이 사용합니다. 그러면 방열은 손전등 몸체 자체에서만 이루어 지게 됩니다. 반면에 LED를 직접 핸들에 부착하는 방법을 택하면 아무리 엉성하게 해도 방열은 완벽하게 됩니다. 실제로 LED 발열은 누적되어 그렇지 순간적인 발열량은 얼마 되지 않기 때문입니다. 묵직한 알루미늄 덩어리에 LED를 부착하였다고 해도 그것을 폐쇄 공간내에 두었다면 방열은 제로인 것입니다.
P7의 온도에 따른 밝기 변화를 보면 아래와 같습니다. 주위 온도가,
그러니까 같은 전류에서 온도만 낮춰도 밝아지므로 전류에 연연하는 것보다는 방열을 잘해서 밝게 사용하는 것이 더 현실적이라는 것입니다.
LED 방열의 핵심은 바로 LED 아랫면의 열전도율입니다. P7은 이 부분이 MCE 보다 좀 넓지만 그래도 여기에 에폭시를 두껍게 바른다든가 방열 테이프를 붙이면 병목이라 할 수 있는 좁은 면적의 열저항으로 방열 효과가 감소하게 됩니다. 따라서 전용 기판을 사용하든가 아니면 LED 밑면을 보다 넓은 동판에 직접 납땜하는 것이 무식을 넘어 현명한 지혜라고 할 수 있습니다. MCE는 단자 처리가 쉽지 않아 전용 기판을 사용하는 것이 좋을 것 같습니다. MC-E가 크기(form factor)가 작다고 자랑하지만 이렇게 널널하게 사용할 때에는 오히려 면적이 큰 P7이 더 효과적일 것입니다.
P7, MC-E 용 드라이버 이해하기
서울반도체의 P7이나 크리의 MC-E LED!! 모르는 사람은 아마 없을 것입니다. 그래서 드라이버 선택에 도움이 될까하여 쉽게 얻을 수 있는 자료인 DealExtreme과 Kaidomain를 중심으로 정리했습니다. 몇 종류 안되지만 시작이 반이라고 계속적인 추가가 있을 것으로 기대하며, 국내 개발도 많이 있으므로 덧글로 추가해 주셨으면 합니다.
아울러, 잘못되거나 추가, 또는 참고 자료가 있으면 댓글 부탁드리고, 드라이버 사용 후기나 주의사항 등도 서로 나누었으면 합니다.
P7과 MC-E는 안정된 대전류를 요구하므로 전원으로서는 우선 리튬이온배터리 18650만을 고려했으므로 그외의 전원에 대해서는 따로 고려하시기 바랍니다.
[참고 자료]
서울반도체의 P7과 CREE의 MC-E는 모두 CREE의 LED 다이를 사용한다는 점에서 전기적인 기본 특성이 동일하다고 생각할 수 있습니다.
구조 비교
가장 큰 차이점은 아래 그림과 같이 P7은 P4 다이 4개를 내부에서 병열로 연결해 2단자로 출력을 단순화 한 반면에 MC-E는 각 다이를 분리하여 외부에서 임의로 연결해 사용할 수 있도록 8개의 단자를 만들어 놓았다는 점입니다.
P7
P7은 4.0V, 2,800mA의 한가지 연결 방식 밖에는 없습니다. LED 전압은 Bin code에 따라 2V~4.5V까지 분류되어 있으며, 가장 흔한 I 코드는 1,400mA시 3.25~3.5V로서 2,800mA를 흘리면 4.0V가 됩니다.
MC-E
MC-E는 구성에 따라 다이 1개나 2개, 또는 3개, 4개를 선택해서 사용할 수 있고 4개를 전부 직렬로 하거나 2개씩 직렬로 한 후 병렬 연결하거나 아니면 P7과 같이 모두를 병렬 연결하여 최대 밝기로 사용할 수도 있습니다.
물리적인 크기는 MC-E가 더 작아 기존의 라이트를 업그레이드 하는데 유리합니다.
밝기(루멘) 비교
사실상 P7이나 MC-E는 제품에 밝기가 표시되어 있는 것도 아니고, 우리가 원하는 밝기를 주문해서 구입할 수 있는 형편도 못됩니다. 따라서 실제 밝기는 개인적인 운에 맡기고 여기서는 공표된 자료로부터 대략적인 밝기는 비교해 보겠습니다.
P7은 정격(typ)과 최대(max) 두가지로 표시하고 있으나 최대는 상징적일 뿐, 대표적인 값은,
그래서 모두들 700 루멘으로, 또 어떤 사람들은 최대값인 900 루멘으로 알고 그냥 지냅니다.
나중에 나온 CREE는 경쟁을 의식해서인지 서울반도체에는 표기되어 있지 않은 최소(min) 밝기로만 표기하고 있습니다. 따라서 둘의 비교는 불가능하고 자료를 근거로 각자가 판단할 수 밖에 없나 봅니다.
P7과 비교하기 위하여 다이 4개를 병렬 연결로 하고 최대 밝기는 그래프에 의해 구한 1.75를 곱한 값을 괄호 속에 표기하였습니다.
P7의 700 루멘에 비해 MC-E가 좀 낮은 것 처럼 보이지만 P7은 좋은 그룹의 대표 값을, CREE는 모든 그룹의 최소 값을 표기한 것이므로 직접적인 비교는 의미가 없습니다. 그냥 거의 비슷한 밝기라고 생각하는 것이 옳을 것 같습니다.
어떤 색의 빛이 좋을까?
빛의 색상은 흔히 켈빈도라고 색온도로 표시하며, 일상 생활에서 접하는 색온도는 아래와 같습니다.
P7은 4500~10,000도의 범위에서 대략 13 단계의 색온도와 색상이 있으며, 크게는 5,000~5,700도(따듯한 백색), 5,700~6,300(백색), 6,300~7,000도(차가운 백색) 정도로 구분됩니다.
따듯한 백색, 백색, 차가운 백색, 어느 것이 좋을까요? 과거 할로겐에 익숙한 사람들은 물론 따듯한 백색일테고, 또 강한 빛을 원하는 사람들은 차가운 백색도 마다하지 않을 것입니다.
P7의 빛의 파장을 보면 아래 그래프와 같습니다.
초록색은 사람의 눈이 느끼는 가시광선의 특성이고, 검은색은 P7의 특성입니다. 그래프에서 무지개색 '빨주노초파남보'는 파장이 긴 쪽(700nm)에서 부터 짧을 쪽(400nm)으로 내려 오면서 나타나는 색입니다.
원래 P7의 LED 다이는 450nm의 청색만 발광하는데 여기에 노란색의 인을 덮어 씌움으로써 일부 에너지가 570nm 대로 이동하여 백색이 나오는 것입니다. 스펙트럼을 이동시키는 과정에서 노란 색쪽으로 멀리 내려 오면 밝기가 줄어들 수밖에 없습니다. 위의 CREE 자료를 보면 차가운 흰색은 700 루멘대인 반면에 따뜻한 흰색은 500 루멘 정도 밖에 안되는 것을 알 수 있습니다.
그리고 같은 LED라도 동작 전류나 온도에 따라 색이 달라집니다. 전류가 강하면 청색이 강하게 나오고 전류를 약하게 하면 노란색쪽으로 이동하는데 PWM 방식의 모드나 디머(dimmer)를 사용하는 경우에는 이러한 색 변화는 느낄 수 있으므로 색의 선택은 평소 사용하는 전류도 고려해야 하는 것입니다.
방열과 최대 밝기
LED에서의 방열은 수명뿐이 아니라 라이트를 얼마나 밝게 할 수 있냐 하는 직접적인 요소가 되고 있습니다.
방열이 부족하면 LED의 반도체 내부 접합점 온도가 상승하므로 흘릴 수 있는 최대 전류가 제한됩니다. 아래 그림은 전류와 외부 온도, 그리고 열저항(Rja)과의 관계를 나타내는 일종의 안정 동작 범위(Safe Operation Area) 그래프로서 굵은 선(경계선)으로 둘러 싸인 안쪽이 안정 동작 범위이며, 그 바깥쪽은 LED가 사망할 영역이라 볼 수 있습니다. 그리고 경계선 안쪽도 멀리 떨어질 수록 안전한 것을 의미합니다.
온도 저항 계수(Rja )는 LED에서 1W 발열이 생겼을 때 외부 공기중의 온도와 얼마나 차이가 있나 하는 방열의 능력을 나타내는 열 전달 지수로서 수치가 작을 수록 방열이 우수하다고 하겠습니다.
P7이나 MC-E는 반도체 접합점에서 아랫면 방열판에 붙이는 지점까지의 열저항이 3도/W입니다. 이것은 LED를 10W로 구동시에 30도가 차이가 난다는 것을 의미합니다. 접합점의 온도가 150도까지 견디므로 이것으로서 열설계를 할 수 있습니다.
손 전등에서는 LED의 열이 외부 공기까지 빠져 나오는 데에 저항이 크므로 2800mA를 계속 흘릴 수 있는 구조가 흔치 않습니다.
이 그래프에서 Rj = 8도/W시의 그래프만을 연장하여 그리면 아래와 같습니다. 주위 온도 25도이내라면 4A도 흘릴 수 있다는 것이 됩니다.
여기에서 열 저항을 더 줄여 경사도를 더 가파르게 한다면 그 이상의 온도에서도 충분히 사용할 수 있으므로 LED를 직접 자전거 핸들에 부착하여 방열하는 것이 최대 밝기를 얻는데 중요한 요소가 되는 것입니다.
드라이버는 보통 2~3가지 기능이 개별 회로, 또는 복합 회로로 실현됩니다.
일반적으로는 정전압/정전류 부분과 모드 회로 두 부분으로 나누어 위의 모든 기능을 처리하고 있습니다.
제품으로 본 P7, MC-E 용 드라이버
P7과 MC-E는 사실상 LED 다이가 모두 동일한 CREE사의 것으로 전기적 특성이 거의 동일하므로 드라이버들도 호환성있게 개발되고, 전원 또한 거의 리튬이온배터리 18650의 사용을 고려하여 개발되어 별다른 준비 없이 쉽게 활용할 수 있습니다.
| 출 력 | 입 력 | 드라이버 | 비 고 |
| 2.8A (8x7135) | 2.7~6.0V | KD.1770 | - |
| 3A (12W), 5-mode | 3.6~4.1V | KD.1845 | - |
| 2.8A | ~8.4V (2x18650) | DX.20330 | 효율 85% |
| 2.8A, 5-mode | ~8.4V (2x18650) | DX.20329 | 효율 85% |
| 2.8A, 3-mode | 5.5-15V | KD.5595 | - |
| 3A (12W), 3-level | 5.5~15V | KD.1866, KD.6386, KD.6282 | - |
정전류 드라이버에서 출력 전압은 LED가 연결되었을 때 바로 LED의 순방향 전압이 되므로 표기를 안합니다. LED는 특성상 그만한 전압이 걸려야 그 전류가 흐르기 때문입니다.
드라이버는 대체로 18650 1개를 사용하는 실용성 위주 모델과 18650 2개 이상의 조건에서 완벽한 기능을 실현해 보려는 기능성 위주 모델로 구분할 수 있으며, 구조적으로는 아래와 같이 분류해 볼 수 있습니다.
우선 드라이버가 왜 필요한 지를 설명하기 위해 배터리의 전압을 그대로 LED에 인가하는 직결에 대하여 알아보고자 합니다.
손전등이나 전구는 대부분 직결로 사용하던 터라 많은 사람들로 부터 "LED는 직결로 하면 안되나?"하는 질문을 많이 듣습니다. 정답은, 물론 됩니다. 다만 관련된 여러 특성을 이해하고 타협하며, 또한 이왕이면 백열등에서는 꿈꿀 수 없었던 탐나는 기능들을 추가하기 위해서는 드라이버가 필요하다는 정도입니다.
직결은 사실, 전원과 LED 사이에 어떤 형태로든 저항이 들어 있다는 것을 의미합니다. 외부에 저항이 없어도 배터리의 내부 저항이 저항으로서의 역할을 합니다. 저항이 없으면 과전류로 LED가 파괴되므로 LED 구동 방식으로서 성립이 안되는 것입니다.
우선, P7의 전압대 전류 특성을 보면 3.75V가 걸리면 전류는 2100mA 정도 흐릅니다.
그런데 18650 1개에 2A 전류룰 흘릴 때 전압 강하 특성은 아래 그림과 같습니다. CPF에서 인용한 자료인데 개개 그래프의 배터리 명칭은 생략했습니다.
위 두 그래프로 보아 P7을 18659 1개에 직결하면 처음부터 3.75V로 떨어지고, 이 경우 2A 정도 흐는데 이는 최대규격 2.8A에 못미치므로 절대 안전하다는 것을 알 수있습니다.
직결 드라이버의 하나인 KD.1845 웹페이지에 나와있는 자료를 잠간 인용하겠습니다. P7 LED에 18650 1개를 연결했을 때 흐르는 전류는 아래와 같다고 합니다.
물론 배터리의 용량이 크거나 특성이 좋으면 만충전 초기에 이보다 더 큰 전류가 흐를 수 있습니다. 실제로 비보호 배터리를 3개 병렬로 연결하니 거의 5A까지 흐르는 것도 확인 했습니다.
시간이 지남에 따라 전류는 계속 줄어 밝기가 많이 줄었구나 하고 느낄 때 쯤이면 대략 배터리 전체 용량의 70~80%를 소진한 후가 되는데 이 정도에서 배터리의 방전을 중지합니다. 정전류도 없고, 스텝업도 없지만 그렇게 불만을 느낄만한 것도 없는 것 같습니다.
사용자 개념에서 보면 직결은,
등을 불만으로 내세울 수 있을 것입니다. 맞습니다. 그런데 이중에는 직결만의 잘못인 양 호도되어 어찌보면 서러운 것들도 있습니다. 그래서 그 점만을 부각시켜 보자면
1) 초기에 2.8A 이상의 과전류가 흐르므로 LED 수명이 짧아진다.
18650의 경우, 상기 표와 같이만 전류가 흘러 준다면 LED의 수명을 걱정할 정도는 아닙니다. 초기 전류가 그 정도에서 멈추는 이유는 배터리 자체의 내부 저항이 있어 전류를 제한하기 때문입니다. 물론 최근 뉴스에, 내부 저항이 거의 없는, 그래서 단 몇십초만에 충전할 수 있는 기술도 우리 기술로 개발했다고 하지만 현재는 그렇습니다.
다만 18650을 병렬로 연결, 전류 용량을 증가시키거나 전압을 올렸을 때에는 치명적인 문제가 발생하므로 사용자가 이러한 문제점을 알고 사용시 주의하면 됩니다.
2) 시간이 지날수록 전류가 줄어 어두워 진다.
초기 과전압 이후의 전압 강하 특성은 정전류 드라이버 방식이나 직결이나 모두 같습니다. 오히려 정확히 말하자면 직결이 더 낫죠. 배터리 전압이 정격 정전류 요구보다 낮아지면 정전류 회로는 기능을 잃고, 에너지만 축내기 때문입니다.
인간의 눈이 전류 변화에 따른 밝기 변화에 둔한 특성에 따라 마치 정전류가 동작하고 있는 줄로 착각하거나, 아니면 비싼 돈 들여 구입한 거라 그것으로나마 위안을 삼으려는 것인지?....
3) SOS나 밝기 조절(디밍), 경고 등의 각종 모드 기능이 없다.
모드 기능은 어디에나 추가할 수 있는 별도의 기능이지 정전류 방식만의 특권은 아닙니다. 모드 없는 정전류도 있고 모드 있는 직결도 있습니다.
모드는 사람들이 인식할 수 있는 느린 속도(10Hz~0.1Hz)의 전류 on-off 기능이고, 디밍은 눈으로 인식할 수 없는 빠른 속도(100Hz 이상)의 전류 on-off로 연속적인 밝기 조절 효과를 냅니다. 이때 항상 on일 때의 전류를 정전압, 또는 정전류로 하면 정전류 소자 방식이고, 그런 것이 없으면 직결인데, 어차피 on-off로 전류를 줄여 사용한다면 그 앞단에서 정전류 전류로 줄여 두번 줄인다는 것이 필수사항은 아닌 것입니다.
4) 직결은 효율이 100%
전원이 간당간당한 라이트에서 효율만큼 중요한 것이 또 뭐가 있겠습니까? 효율로 말하자면 직결을 따라올 방식은 없습니다.
직결의 문제점은 빨간 글씨로 표현된 초기의 과전압 특성만인데 그것도 18650 1개의 경우에는 배터리 능력이 부족해 LED에 수명에 영향 줄 만큼 초기 전류를 흘리지 못하므로 다행입니다. 이런 현상은 배터리 직렬 2개에 LED 직렬 2개, 심지어 배터리 3개에 LED 3개를 연결해도 비슷합니다.
드라이버의 필요성
직결은 어디까지나 P7이나 MC-E와 같은 저전압의 대전류의 상황에서만 설득력이 있다는 것을 잊으면 안됩니다. 배터리가 과부하를 견딜 수 없다는 비정상 조건을 바탕에 두고, 다른 방식들이 별 효과를 내지 못하는 '백약이 무효'라는 전제가 있는 것입니다.
이러한 과정을 거쳐 현재의 P7과 MC-E 드라이버 회로들은 초기의 18650 1개의 굴레를 벗어나 18650 2개 이상 즉 입력 전압으로서는 6~15V까지의 고전압 드라이버가 출현하였고, 이를 바탕으로 본래의 다양한 기능과 성능들이 제자리를 찾아가고 있으며, 이를 위해 배터리팩들이 등장하고 있습니다. 사용자들도 이제는 P7에 18650 1개는 너무 초라하다는 것을 인식하기 시작했으니까요.
기존의 라이트에서 흔히 사용하던 정전류 소자, AMC7135를 그대로 P7용으로 확장한 방식입니다. 7135는 2.8A시 자체 소모 전압이 0.12V입니다. 그러니까 초기에 정전류는 유지되지만 직결에 비해 배터리 전압에서 그만큼 손해 보는 것입니다. 다행히 전류가 감소하면 소모 전압도 줄어 듭니다.
KD.1770은 350mA 정전류 소자인 AMC7135를 8개를 보드 앞뒷면에 나누어 붙인 것으로 흔히 보던 1400mA 정전류 보드를 앞뒷면에 배치한 것과 같습니다. 설명에는 네루프 AA 4개로 1시간(2.8A), 18650으로 3시간(2.8A) 사용할 수 있다고 나와 있습니다.
입력 전압은 2.7~6V이며, LED 전압 보다 대략 0.12V이상 높아야 정전류가 유지되므로 4.2~3.9V 구간에서는 2.8A 정전류이지만 그 이후에는 정전류는 기능을 잃고, 계속 전류가 즐어 대략 1A 정도에 이르면 사용을 중단하게 됩니다. 겉보기에는 정전류 같지만 사실은 만충전 초기에만 정전류, 즉 전류 제한 기능으로 동작할 뿐 그 이후는 직결과 다를 바가 없는 것입니다.
직결의 근본적인 장점을 최대한 이용하면서 단점인 초기 과전류를 스위칭 방식인 PWM 모드에 의해 해결하고, 다양한 모드도 실현하는 비교적 간단한 구조입니다. 정전압이나 정전류 회로가 없어 배터리 전압과 LED 전압은 비슷해야 하므로 18650 하나에 P7 하나를 구동할 때 사용합니다.
KD.1845는 18650 1개 용으로 인덕터나 정전류 회로 없이 직결 회로에 PWM에 의한 5-모드 기능만을 제공해 주는 것으로 100% 밝기로 사용할 때에는 직결과 같이 시간이 지남에 따라 밝기가 줄어 듭니다.
하지만 효율이 높고, 50%나 10% 등으로 전류를 절약하여 사용 시간을 늘릴 수 있기 때문에 어중간한 정전류 방식 보다는 낫다고 생각합니다.
스위칭 방식에 의하여 정전압 또는 정전류를 만들고 이어 PWM 모드 회로를 구성한 본격적인 방식입니다. 회로가 좀 복잡하지만 스텝업이나 스텝다운을 사용하여 모든 배터리로부터 일정한 전원을 만들어 쓴다는 점에서 다양한 용도에 사용될 수 있습니다.
정전류 회로 DX.20330에 5-모드 회로를 덧붙인 것이 DX.20329입니다. 18650 2개를 전제로 개발된 스텝다운(벅)회로이기 때문에 18650 1개일 때에는 제 성능을 발휘하지 못한다고 합니다.
스텝다운이면서도 전류가 커 효율은 85% 정도로 간단히 말하면 4.2V중 3.57V만 LED로 전달된다는 것으로, 이러한 손해는 정전류 회로의 숙명이기도 합니다.
사용자의 질문란에 3 x AAA NiMH의 사용 가능성을 물으며 영국에서는 18650/14500이 그리 흔치 않다고 합니다. 리튬이온배터리의 생산은 우리 나라가 전세계 1, 2위를 다투고 있지요.
KD.5595는 스텝다운과 100%/30%/10%, 3-레벨 회로가 보드 앞뒤에 구현된 것으로 MC-E의 병렬 결선을 고려하여 개발되었다고 합니다. 18650 3개(12V)로 P7을 구동해보니 열이 너무 나서 방열이 필요하다는 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%, 과열되면 자동으로 밝기가 줄어드는 안전 장치도 되어 있고, 리튬이온 배터리를 과충전, 과방전하지 않도록 설계되었다고 합니다.
LED 최대 밝기가 약 10.45W이므로 이를 근거로 자체 시험 데이터에서 입력 전압에 따른 효율을 구해보면 입력과 출력 전압 차이가 클 수록 효율이 떨어지는 것을 알 수 있습니다. 설명 첫머리에 효율 90~95%를 자랑했지만 실상은 이런 것입니다. 전압 차이가 클 수록 효율이 떨어지는 것은 전기 에너지 --> 자기 에너지 --> 전기 에너지로의 에너지 변환 분량이 많아지기 때문입니다.
주의 사항으로 D-size 리튬이온배터리를 3개이상 연결하지 말라고 하는데 보드 자체의 발열도 대단한 가 봅니다.
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