무대조명을 위한 LED 조도제어 시스템에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

무대조명에서 사용되는 대부분의 조명장비들은 할로겐이나 메탈 헬라이드 램프를 광원으로 사용하고 있다. 이 광원들은 짧은 수명, 많은 유지 보수비용 그리고 환경오염을 발생시키는 문제점이 있다. 하지만 LED는 수은을 함유하고 있지 않아서 친환경적이며, 5만 시간 이상의 긴 수명과 높은 효율, 그리고 지능형 제어로 무대조명에 필요한 다양한 연출효과가 가능하다. 이러한 장점으로 LED를 이용한 제품들이 더욱 확대되고 있다.
LED는 온도와 공급전류에 민감한 특성을 지니기 때문에 정밀한 색 표현을 위해서는 LED의 특성차를 줄일 수 있는 조도제어 방법 및 구동회로가 필요하다. 무대조명은 정밀한 색 표현과 영상촬영에 초점이 맞춰져 있으므로 LED 구동회로 설계 시 조도제어에 초점을 맞춰서 설계하여야 한다. 무대조명용 LED 구동회로의 특징은 다음과 같다. 첫째, 색의 표현력을 높이기 위해 조도제어의 범위가 넓어 매우 낮은 조도에서도 동작하여야 하며, 조도제어의 분해능이 높아야 한다. 둘째, 조도제어 시 각 색에 대한 조도제어가 선형적으로 이루어져 색 혼합 시 정확한 색을 표현 할 수 있어야 한다. 셋째, 동영상 또는 사진 촬영 시 화면상의 빛이 균일하게 나타낼 수 있어야 한다.
본 논문에서는 이러한 특징들을 만족하도록 무대조명에 적합한 조도제어 기법을 제안하였으며, LED Bar 시스템에 적용토록 회로를 설계하였다. 또한 실험을 통하여 조도제어 시의 색의 변화, 저 전력에서의 동작, CMOS 방식의 카메라를 이용하여 Flickering 여부를 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

LED dimming system for stage lighting was analyzed by 3 items ; characteristics of LED, a change of characteristics with dimming control methods, flickering on the broadcast screen. As a result, the following three conclusions were obtained.
First, the LED light output is affected by many factors because it is a semiconductor device. The wavelength and light output of LED are affected by the energy band -gap's change caused by temperature and current. Each manufacturing process of LED can not make same energy band-gap and electrical and optical characteristics differ to each LED.
Second, the wavelength, light intensity and color shift's change of LED depends on the dimming control system. PWM dimming control system is to adjust the brightness of light by controlling the duty in the period obtained by repeating turn on and off LED. PWM dimming control appear less change to the wavelength and color shift because of same constant current. Also changes in light intensity are linear.
According to the current, the brightness of the light is adjusted by the constant current dimming control method. This method brings a big change in the wavelength and color shift because of the wavelength's change according to the current. The light's intensity change is almost linear, but can have nonlinear characteristics when the operating current is less than 100mA.
Third, flickering appears differently according to the dimming control system. Low frequency PWM dimming control system has flickering on the broadcast screen because LED's OFF realm could be sensed to the equipment of the broadcasting. Using a high frequency PWM for removal of flickering, brings a low resolution and difficulty of controlling of light intensity because of the transient response in the low-level illumination.
Constant current dimming method does not have flickering because LED is always ON state, but the light intensity can not be the same in the low-level illumination because the LED's characteristics differ.
This paper proposed a dimming control method combining PWM dimming control and constant current dimming control to remove variation of LED's different characteristics and flickering, and to express accurate color.
The LED Bar system was designed by the proposed system. Through experiment, the color shift with dimming control, low-level dimming operation, and by camera, if flickering was removed, was tested.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• ◎ List of Figures
• ◎ List of Table
• Ⅰ. 서 론
• Ⅱ. 연구배경 및 목적
• 1. LED에 의한 무대조명의 개요
• 2. LED의 특성
• 3. 조도제어에 따른 LED의 특성변화
• 4. 기존 조도제어 방법의 문제점
• 5. Flickering 제거를 위한 방법
• Ⅲ. LED에 의한 무대조명 시스템
• 1. 제안한 LED 조도제어 방법
• 2. 역률보상장치
• 1). Flyback DC/DC 변환기에서 역률보상회로 동작특성
• 2). Fly-back DC/DC 변환기에서 역률보상회로 설계
• 3. LED 구동회로
• 1). LED구동회로의 동작특성
• 2). LED 구동회로의 설계
• Ⅳ. 실험 및 고찰
• 1. 제안한 조도제어 시스템의 조도 측정
• 2. 제안한 조도제어 시스템의 광학적 특성
• 3. Flickering 실험
• Ⅴ. 결 론
• Ⅵ. 참고문헌
• Abstract
• 감사의 글