TECH TREND - 절전형 LED전광판 시스템의 전원제어 기술
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기술의 개요
에너지 고갈문제와 화석연료의 사용으로 인한 자연환경의 훼손과 오염문제는 현 시대 우리에게 닥친 해결해야 할 과제이다.
그동안 에너지절약을 통해서 화석연료의 사용량을 줄이려는 정책을 펴왔지만 한계에 부딪히고 있다.
궁극적으로 에너지문제를 해결하기 위해서 풍부하며 환경오염 물질을 배출하지 않는 새로운 청정 에너지원을 개발하려는 노력을 기울이고 있다.
자연으로부터 얻는 에너지, 태양광, 풍력, 조력, 지열 등의 에너지로부터 쉽게 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하여 저장하는 기술이 개발되고 있다.
지금은 에너지소비 절약, 에너지 발전과 저장을 넘어서 주변에 버려지는 에너지를 모아서 재생산하여 축적하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술로 발전하고 있다.
또한, 오늘날 사용하는 에너지의 대부분을 차지하고 있는 전기에너지 소비를 분석하여 에너지 사용과는 무관하게 소비되는 에너지를 찾아내서 전력의 손실을 최소화하려는 기술들도 앞다투어 개발되어 상용화되고 있다.
현재 에너지를 과도하게 사용함으로 나타나는 문제는 에너지절약과 더불어 새로운 청정에너지 개발, 에너지 저장기술 및 에너지 축적기술뿐만이 아니라 에너지 공급과 소비에 이르는 전 과정을 분석하여 무효하게 사용되는 에너지를 찾아내어 에너지의 회로적 누설을 차단하는 다양하고 합리적인 방법으로 해결하고 있는 현실에 있다.
이에 광고, 정보전달용으로 많이 사용되고 있는 LED전광판의 전기에너지에 대한 기술적 절전처리의 한 방법에 대하여 알아보면 LED전광판 시스템의 송배선을 통해 공급받는 AC전원을 전광판 시스템 내부에서 SMPS를 통하여 LED전광판 시스템 제어를 위한 컨트롤러를 구동하고 LED모듈의 점등을 돕기 위하여 일반적으로 AC전원을 DC전원으로 변환하여 사용하고 있다.
공급받는 AC전원에서 야기되는 역률 관리문제도 해결해야 할 과제이지만 LED전광판 시스템에서 직접적으로 사용되고 있는 DC전원의 흐름을 분석하고 각각의 장치별로 전광판 시스템의 성능에 영향을 미치지 않으면서도 LED전광판에 표출되는 영상에 왜곡없이 무효하게 소비되는 전력을 찾아내어 차단할 필요성이 있다.
이에 절전형 LED전광판 시스템의 전원제어 기술은 LED모듈의 이미지 표출시에 표출되는 이미지가 없을 경우에 무효하게 LED모듈에 공급되는 전원을 실시간으로 차단하여 절전할 수 있는 기술이다.
구성과 설명
LED전광판 시스템의 표출부는 LED모듈에 입력되는 Red/Green/Blue 컬러데이터와 Shift Clock, Latch, Out Enable 클럭 제어신호를 Power Controller에서 분석하고, LED모듈로 전송되는 데이터가 없을 경우에 LED모듈로 전송되는 컬러데이터와 제어신호를 차단하고 DC/DC를 통하여 LED모듈로 공급되는 전원을 Off시켜서 LED모듈에 표출되는 영상이 없을 경우에 전원을 차단, 불필요하게 소모되는 전력을 절약하는 LED모듈 전원제어 시스템으로 구성한다.
절전형 LED전광판 시스템의 전원제어 기술의 주요구성은 영상데이터의 입출력을 제어하고 영상데이터를 분석하여 전원을 제어하는 파워컨트롤러와, 전원제어 신호에 따라 LED모듈에 공급되는 전원을 ON/OFF 제어하는 DC/DC 전원제어 부분 그리고 LED모듈에 공급되는 전원을 전류센서로 실시간 감지하는 전류센서 처리부로 나눠진다.
각 구성부분에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
1) Power Controller
① Color/Contol Data 처리부
LED모듈에 입력되는 Red/Green/Blue 칼라데이터와 Shift Clock, Latch, Out Enable제어 신호를 감지하여 표출되는 영상을 분석한다.
입력되는 컬러데이터는 Shift Clock에 동기가 되어 LED모듈 드라이버의 시프트 레지스터에 입력된다.
입력된 데이터는 Latch신호가 Rising Edge될 때 LED 드라이버에 저장된다.
Latch신호에 의해 저장된 각 컬러데이터는 Out Enable 신호의 Low 구간에서 LED로 전류를 공급하여 LED모듈이 영상을 표출하게 된다.
그러므로 LED모듈로 입력되는 영상데이터는 Latch신호 구간에 드라이버에 저장되어 표출된다.
Latch신호 구간에서 입력되는 영상데이터가 있는지를 감지하여 데이터의 유무를 판단하여 전원을 제어한다.
각각의 LED모듈별로 입력되는 영상이 블랙일 경우에 데이터와 전원컨트롤 신호를 발생시켜 LED모듈로 공급되는 데이터와 전원을 차단하여 불필요하게 공급되는 전원을 막으므로 LED전광판의 무효 소비전력을 절전하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
② Color/Control Data Output Buffer Control
입력되는 영상을 분석하여 Programmable Gate Logic으로 구성된 Power Controller는 데이터의 유무를 판단하여 LED모듈로 공급되는 컬러데이터와 제어데이터의 Buffer를 제어하는 출력 제어신호를 발생시킨다.
/DEN 제어 신호는 LED모듈로 입력되는 컬러데이터의 입력을 제어하며, 전원이 차단되는 경우에 /DEN신호는 Low로 전환되어 Data Output Buffer를 Disable시킨다.
/CEN 제어신호는 LED모듈로 입력되는 Clock 제어데이터의 입력을 제어한다.
전원이 차단되는 모드일 경우에 /CEN 신호는 Low로 전환되어 Control Output Buffer를 Disable시키며 Output Buffer를 이용하여 LED모듈로 입력되는 컬러데이터와 제어데이터의 입력을 제어한다.
③ Power On/Off Control
Power Controller는 데이터의 유무를 판단하여 LED모듈로 공급되는 전원을 제어하기 위한 전원 제어신호를 발생하며, /PEN 제어신호는 각 LED모듈로 입력되는 전원을 제어하게 된다.
전원이 차단되는 경우에 /PEN 제어신호를 Low로 전환하여 DC/DC 컨버터의 출력을 Off시켜 LED모듈로 공급되는 전원을 차단하게 된다.
2) DC/DC
① DC/DC Convertor
AC전원을 입력받아 필요한 DC전원으로 변환하여 전원을 공급하는 SMPS로부터 DC전원을 입력받아서 LED모듈로 안정된 전원을 공급한다.
② Power On/Off Switching
Power Controller는 데이터의 유무를 감지하여 LED모듈로 공급되는 전원을 제어하기 위한 전원 제어신호를 발생하며, /PEN 제어신호에 의하여 DC/DC Convertor는 On/Off로 스위칭 형식으로 제어하게 된다.
3) Current Sensor
① Current Sensor
DC/DC Convertor로부터 LED모듈로 공급되는 전원을 감지하기 위한 전류센서로 LED모듈로 공급되는 전류를 실시간으로 측정한다.
측정되는 전류값은 전압으로 변환되어 출력된다.
② Op Amp
전류센서로부터 입력된 측정치를 Low Pass Filter를 통하여 측정치에서 필요없는 노이즈 성분을 제거하여 입력되는 신호를 안정화시켜서 Analog Digital Convertor의 입력조건에 맞게 증폭하여 준다.
③ ADC
Op Amp로부터 안정화되고 증폭된 측정데이터는 전압성분으로 아날로그값을 가진다.
측정된 아날로그값은 ADC에 의해서 디지털 데이터로 변환되어 I2C 방식으로 시리얼 통신으로 제어시스템으로 전송된다. 측정된 아날로그 데이터는 8Bit 디지털값으로 변환된다.
기술개발 및 산업동향
국가적으로 에너지절감을 위한 친환경 저탄소 녹색성장 등의 기술연구 목표로 선진형 패러다임 기술을 제시받고 있으며, 이와 같은 맥락으로 전광판에서의 전력소비 절감은 물론 전광판의 고장을 신속하게 진단하고 조치함으로써 에너지 솔루션에 기여하게 된다면 전력을 많이 소비하는 전광판에서도 고효율 에너지절감 솔루션이 될 수 있다.
이미 일본 등 선진국에서는 2008년부터 에너지효율을 높이기 위하여 전사적으로 노력하고 있는데, 이는 말뿐이 아닌 실천으로 옮겨지며 많은 산업들이 대응방안으로 사무실 및 매장의 일반조명을 LED 조명으로 교체하는 등 에너지절약은 이제 생활화되어 가고 있다.
우리가 무심코 지나치는 낭비되는 에너지를 관리하며 제어할 수 있고 무시될 정도의 적은 에너지라도 절감할 수 있다면 범국가적으로도 큰 파급효과를 발휘할 수 있을 것이다.
일반적으로 LED전광판 시공설치시 운용전력을 절감하는 시스템은 배제되어 왔으나, LED전광판 시공설치시 본 기술을 적용했을 경우 LED전광판 모듈수량이 수십에서 수백개에 이르므로 LED전광판의 소비되는 에너지를 절약하기 위해 Drive IC 및 LED 소자로 보내는 전력을 실시간으로 제어하여 에너지 절감효과는 물론 도로안내 전광판, 환경안내 전광판, 운항정보 안내 전광판, 버스도착 안내전광판, 그 외 여러 일반 영상전광판은 물론 기존의 텍스트 위주의 전광판은 절전의 효과는 극대화될 수 있으며, LED전광판의 미사용으로 소비되고 있는 운용전력을 효율적으로 차단하여 소비전력을 절감할 수 있는 하나의 LED전광판 전원 제어기술 이다.
현재 국내 대형 전광판 제조업체에서는 전력제어에 대한 방법으로 수동전원 관리 또는 원격지에서 분전반 전원 On/Off로 전광판 미사용시 전원을 차단하는 기술로, 시스템을 이용한 전원을 차단하는 하나의 방법으로 사용한다.