LED, 회로 보호 및 에너지 백업 기술 개선으로 제공되는 비상 조명 이점

LED 기반 비상 조명 시스템을 위한 시장은 가장 성숙한 시장 중 하나라고 할 수 있습니다. 지금까지 약 20년 동안 단순 출구 표시로 적합했던 LED 장치는 최근 6년에 들어서야 비상 조명 시스템용으로 실현 가능하게 되었습니다. 흰색 LED의 효율 및 색상 일치성 개선과 가격 절감은 변화를 위한 촉매였습니다.

기술이 진화를 계속하고 가격이 붕괴됨에 따라 LED는 보다 광범위한 비상 조명 시스템에서의 활용도가 계속적으로 확장되고 있습니다. 또한 LED 기술의 이점과 결합된 혁신적 설계는 조명 설계자를 위한 중요한 경쟁 우위를 제공할 수 있습니다. 백업 작동 및 회로 보호 장치를 위한 배터리/에너지 스토리지 시스템의 개선은 LED 자체와 함께 새로운 기회를 만들고 있습니다.

이 기사는 새로운 부품 개발에 중점을 두고 LED 기반 비상 조명 시스템의 최신 기술을 검토합니다. 예를 들어 개선된 효율, 작동 중 높은 냉각 성능, 감소된 전력 및 향상된 견고성을 제공하는 LED는 신뢰성을 향상시키고 유지 관리 비용을 절감합니다. 대표 장치에는 Osram의 Golden Dragon Plus 및 Duris P5, Philips Lumileds LUXEON® Z, Seoul Semiconductor의 STW8 제품군이 있습니다.

회로 보호 솔루션은 필수 안전 응용 제품, 특히 화재나 폭발의 위험이 있는 경우를 위한 비상 조명에 안심을 더합니다. 여기서 Bourns의 LED 션트 보호기 및 TE의 Polyswitch는 널리 사용되는 옵션입니다.

마지막으로 소형화 및 고전력 배터리 백업 솔루션을 제공하는 리튬 이온 제품을 향한 동향에 따라 최근 배터리 기술이 신속하게 진화되었습니다. 그러나 특정 필수 안전 응용 제품에서는 적절하게 보호되지 않을 경우 화재 위험으로 간주됩니다. 대안으로(경우에 따라 상호 보완적으로) 울트라 커패시터를 사용할 수 있습니다. Eaton의 PowerStor 제품은 비상 조명을 비롯하여 광범위한 응용 제품에서 이미 널리 사용되고 있습니다.

안전 제일

사람이 모이는 곳이면 어디나, 건물 내부 또는 외부, 쇼핑 센터, 지하 주차장 또는 비행기 및 대량 수송 시스템 등에서 비상 조명은 필수 요소입니다. 효과적인 조명은 특히 화재 발생 시 빠르고, 침착한 대피를 보장하는 데 반드시 필요합니다. 사람들이 방향 감각을 잃기 쉽기 때문에 최단 거리 대피 경로를 나타내는, 조명이 밝고 공간 활용이 뛰어난 비상 출구 표시가 중요합니다. 일반적으로, 사람들은 건물로 들어간 경로로 다시 돌아오려고 하며 이는 가장 효율적인 방법이 아닐 수도 있습니다.

형광 램프는 오래된 이전 설치에서 계속 사용되고 있지만 점차적으로 LED 램프로 교체되고 있습니다. 기존 T8 형광 튜브를 교체하는 LED 모듈은 널리 사용되고 있는 레트로핏 기기입니다. 대개 LED는 다양한 비상 조명 응용 제품에서 보다 광범위하게 사용되도록 하는 여러 성능 및 비용 이점을 나타냅니다. 주요 조명 시스템이 업그레이드되거나 LED 기술로 교체될 때마다 보조 비상 조명 설치를 LED로 교체할 가능성이 높습니다.

점점 더 증가하는 LED 기술 이점으로 이 같은 상황은 부득이하게 되었습니다. LED 램프의 긴 수명과 신뢰성은 비상 시스템에 매우 적합하며 서비스 간격과 유지 비용을 줄입니다. 납 또는 수은을 사용하지 않는 LED는 환경 친화적으로 고려됩니다. 이러한 LED는 본질적으로 안전하다고 고려되므로 채굴, 석유 탐사 및 기타 폭발 가능성이 있는 환경에서 조명 옵션으로 선택할 수 있습니다. LED는 유리가 포함되어 있지 않기 때문에 견고성이 뛰어나고, 충격과 진동에 더 강하며, 공공 장소에 설치된 경우 파손 위험이 적습니다.

기존 조명 기술과 비교하여 LED의 일반적으로 낮은 전력 작동은 백업 배터리 또는 정전 시 사용되는 비상용 발전기에서 조명 시스템을 작동시키는 데 이상적입니다.

포인트 광원으로서 LED 램프의 기본 특성 덕분에 필요한 위치로 보다 쉽게 조명의 포커스를 제어할 수 있으며, 높은 광효과와 결합되면 에너지 사용을 줄이는 데 도움이 됩니다. UK의 비상 조명 산업 위원회(ICEL)¹의 간단한 공식에서, 2개의 통상 60o 빔의 1W LED와 구동기, 인버터, 3.6V 배터리를 사용하면 국제 표준에 따라 작업장 수준에서 필요한 휘도를 충분히 달성할 수 있습니다.

미적 만족감

특히 대형 조명의 경우 LED의 추가 이점은 비상 조명과 건축적 조명 결합의 가능성과 폼 팩터의 선택입니다. 조명 기구는 실제로 모든 크기 또는 모양으로 구성할 수 있고 기존 건물 특징 내의 구조 및 재료에 쉽게 통합할 수 있습니다. 조명 스트립은 특히 계단과 복도에 유용하며, 다른 모듈은 바닥과 벽에 매입 설치하거나 기존 구조 부분에 새로 장착할 수도 있습니다. 비상 조명을 잘 숨기거나 건물에 미적으로 통합하는 능력은 조명 시스템 설계자와 해당 고객에게 뛰어난 유연성을 제공합니다.

Osram Semiconductor²에서 제공한 사례 연구를 통해 이 영역에서의 성과를 확인할 수 있습니다. 독일 뮌헨의 Karlplatz Stachus 지하철(U-bahn/S-Bahn) 역의 입구에는, 건축상의 이유로 인해, 총 700미터 길이의 난간에 의해서만 불을 밝힐 수 있는 계단이 있습니다. 이 조명은 정전 시 배터리에 의해 구동되는 비상 조명으로 이중 작동합니다. 저전력 소비의 Osram LED를 설치하는 데에는 18미터의 난간 조명당 100W에 불과한 전력만 있으면 됩니다.

그림 1: 정전 시 계단을 위한 비상 조명으로서 이중 작동하는 LED 조명 난간을 갖춘 뮌헨 역의 S-Bahn 및 U-Bahn 지하철 네트워크의 입구 주변

비상 조명 시스템에 필요한 LED 유형 및 사양은 개별 응용 제품에 따라 크게 다를 수 있습니다. 그러나 이는 저전력, 냉각 작동 및 높은 조명 효율 등 가장 필요한 일부 공통 특징입니다. 3000K ~ 6500K 색상 온도 범위, CRI 80 이상 및 약 75lm/W ~ 100lm/W 효율의 차가운 흰색 LED는 일반적인 요구 사항입니다.

고려해야 할 기타 특징에는 응용 제품에 따라 다르며 소형 크기, 내구성이 뛰어난 견고한 하우징, 스트링이나 다른 모양 생성을 위한 모듈 설계의 용이성 및 유연성, 배터리 백업 또는 기타 임시 전원에서 작동하는 능력 등이 있습니다.

표지등

Osram Opto Semiconductor의 Duris P5 LED 같은 장치는 비상 조명 응용 제품에 적합합니다. 자연 흰색(4000K) 장치인 GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1은 계단 및 출구 경로에 사용되는 것처럼 비상 표지등에 필요한 고효율, 중간 전력 및 긴 수명 성능을 제공합니다. 통상 광속 29lm(100mA 기준), 96lm/W의 광효율 및 CRI 80의 이 장치는 리드리스 SMD-2 패키지로 제공됩니다. 통상 순방향 전압은 3.02V, 최대 순방향 전류는 250mA, 시야각은 130o입니다. Duris P5 범위에는 4000K 버전과 유사한 사양에서 더 따뜻하고(3000K) 더 차가운(5000K) 조명 출력 장치가 있습니다.

비록 전력 소비는 높지만 보다 높은 광효율을 필요로 하는 응용 제품을 위해 Osram은 Golden Dragon Plus 라인의 LUW W5AM 계열을 제공합니다. 통상 광속은 116lm(350mA 기준) ~ 273lm(1A 기준)입니다. 또한 비상 조명 시스템의 표지등을 위해 특별히 설계된 이 장치는 매우 낮은 높이의 패키지로 고효율 전원을 제공합니다. 광효율은 146lm/W(100mA 기준)이고, 최대 순방향 전류는 1A, 통상 순방향 전압은 3.2V, 열 저항은 6.5K/W입니다.

그림 2: 표지등 응용 제품을 위한 Osram의 고효율 Golden Dragon Plus LED

유사한 성능의 장치를 Philips Lumileds 제품군에서 찾을 수 있습니다. LUXEON Z 4070은 최대 4000K의 색상 온도 및 CRI 70을 제공합니다. 통상 광속은 138lm(500mA 기준)입니다. 통상 효율은 95lm/W입니다. 규격서에서 인용된 유용한 추가 파라미터는 장치 크기 대 성취 가능한 조명 출력입니다(중간 범위 LED의 경우 63lm/mm²로 지정됨). 이 장치는 비밀봉 상태로 제공될 수 있으므로 스트립 또는 모듈에 통합하는 데 적합합니다.

그림 3: 2.2mm² 소형 실장 면적의 Philips LumiLED LUXEON Z LED

광범위한 Acrich 범주의 단일 LED 및 여러 LED 모듈 내에서 Seoul Semiconductor는 스펙트럼의 차가운 흰색 엔드에 있는 여러 부품을 제공할 수 있습니다. 6500K STW8Q14BE는 범용, 실내 및 아키텍처 조명 응용 제품을 목표로 하는, 단일 LED 범주의 한 예시에 불과합니다. ESD 보호를 통합하여 LED 자체가 실리콘으로 밀봉되었으며 내열성 열가소성 본체에 조립되었습니다. 전기적 사양은 순방향 전압 3.2V(통상), 순방향 전류 160mA(최대), 광도 35lm(3700K ~ 7000K), CRI 80(최소) 및 열 저항 18°C/W를 포함합니다.

회로 보호

일부 사전 조립 LED 기반 비상 조명 모듈은 본선에서 백업으로 및 다시 그 반대로 자동으로 전환되는 적절한 회로망과 함께 제공되며 추가 LED 션트 보호 장치를 설치하여 견고성 및 신뢰성을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있습니다. 추가 보호를 통해, 특히 상대적으로 높은 전압에서 사용 가능한 정전류 전원 공급 장치로 구동할 수 있는, 길게 연결된 여러 LED에서 사용될 경우 LED 램프의 수리 및 교체 비용을 최소화하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

여러 LED 스트링을 구성하는 경우 여러 이점이 있습니다. 전원 공급 장치 설계가 더욱 간소화되며 고전압, 저전류 전원 공급 장치는 전원 공급 장치의 효율성을 향상시킵니다. 폼 팩터의 확장성, 모듈성 및 유연성은 다른 조명 기술보다 LED 스트링 선택에 영향을 주는 중요한 요인입니다. 그러나 LED 스트링의 개방 LED로 인해 해당 스트링의 모든 장치가 꺼진다는 점은 다소 문제가 될 수 있습니다. LED 장애는 고온, 전자기 방출(ESD) 또는 과전압 및 과전류로 인해 발생할 수 있습니다.

저전력 LED 스트링은 Zener 다이오드에 의해 쉽게 보호할 수 있습니다. 고전력 응용 제품의 경우(75mA 이상에서 작동), LED 션트 보호 장치가 권장되며 활성 모드에서는 개방 LED에 비해 낮은 전력을 방출합니다. 이 사이리스터 기반 장치는 작동 불가능 LED 주변의 전류 션트를 통해 작동되어 브리지를 생성함으로써 스트링에 있는 정상 다이오드가 계속 조광되도록 합니다.

Bourns는 LED 션트 보호 장치를 제조하는 선도적 업체입니다. Bourns의 LSP0600BJR-S는 6V에서 작동합니다. 사용 가능한 보호 레벨을 최대화하기 위해 설계자는 LED당 한 개 장치만 사용해야 합니다. 또는 비용을 최소화하기 위해 9V, 13V 및 18V에 대한 보호를 제공하는 범주의 다른 부품을 사용하여 2개, 3개 또는 4개의 LED 그룹을 각각 분리할 수 있습니다.

Bourns는 정전류 전원의 컴플라이언스 전압을 고려하는 전원 공급 장치 문제를 설명하는 유용한 백서³를 제공해 왔습니다. 여기에는 Bourns LSP 계열 장치가 관련된 특정 장애 상황에서 전원 공급 장치에 대한 요구 사항을 강조하는 예제 회로 및 설계가 제공됩니다. LED 스트링을 위한 적절한 전원 공급 장치 아키텍처에 대한 안내도 포함되어 있습니다.

정전류 보호

과전류 및 열 손상으로부터 비상 조명 배터리와 LED 조명 기구를 보호하는 것은 TE Connectivity의 Raychem 회로 보호 제품의 주요 기능입니다. TE Connectivity는 LED 수명이 기존 조명 기술에 비해 상당히 길기는 하지만 접합 온도, 작동 전압 및 작동 전류 등 여러 요인의 영향을 받을 수 있음을 지적합니다.

내구성이 뛰어난 TE PolySwitch 및 PolyZen 범주의 장치 같은 리셋 가능 고분자 정비례 온도 계수(PPTC) 장치는 LED 회로망 보호에서 효율성을 시연했습니다. 일반적인 응용 분야에는 전력선 결합형 과도 상태 및 서지에 대한 전력 입력 보호, LED 구동기 회로 출력 보호 및 LED ESD 보호가 있습니다. 해당 응용 제품은 고장이 해결되고 전력이 순환되면 자체적으로 리셋되기 때문에 고신뢰성 비상 조명 설치에 특히 효율적입니다.

그림 4: LED 비상 조명 회로망을 보호하는 데 사용할 수 있는 광범위한 PolySwitch 리셋 가능 장치 선택

제조업체에 따르면 대부분의 LED 응용 제품은 LED 구동기로부터의 전력 손실을 제어하기 위해 전력 변환 및 제어 장치를 사용하여 전원에 인터페이싱합니다. 과전류 및 과온 손실로부터 이러한 인터페이스를 보호하는 것은 PolySwitch 범주의 제품처럼, 리셋 가능 PPTC 장치의 역할입니다.

일반 작동 시 퓨즈는 저저항 값을 갖습니다. 과전류 조건에서 장치는 고저항 상태로 트립합니다. 이는 고장 상태에서 낮은 정상 전류 수준으로 흐를 수 있는 과전류의 양을 줄여 회로의 장비를 보호하는 데 도움을 줍니다. 장치는 고장이 해결될 때까지 래치 위치에서 유지됩니다. 회로에 전력이 순환되면 장치가 리셋되고 전류 흐름이 재개되며 회로가 정상 작동으로 복원됩니다. 보다 자세한 정보 및 회로 구성도는 이전 DigiKey TechZone 자료에서 확인할 수 있습니다.⁴

여러 LED 구동기 IC에서는 다이오드에 정전류를 제공하기 위해 보호된 DC 입력을 필요로 합니다. Zener 또는 과도 억제 다이오드 같이, 병렬 전압 제한 장치와 함께 LED 구동기 IC와 PolySwitch 장치를 직렬로 연결하면 효과적인 보호를 제공하는 데 도움이 됩니다. PolySwitch 부품은 다양한 크기로 제공되는데, 대부분의 소형 응용 제품의 경우 1608 패키지형 장치를 통해 기판 공간 및 비용을 줄일 수 있습니다. 설계자는 50mA ~ 3A의 전류 정격 및 6V ~ 60V의 전압 정격을 선택할 수 있습니다.

IC 보호를 위한 대표 장치는 6V nanoSMDC150F로 1.5A의 전류 유지, 3A의 트립 정격 및 100A의 최대 전류를 특징으로 합니다. 트립 시간은 0.3s입니다.

백업 전력

슈퍼 커패시터는 특히 리튬 이온 배터리가 화재 위험에 노출될 수 있는 필수 안전 시스템 및 특정 응용 제품에서 백업 전원으로 점점 더 선호되고 있습니다. 배터리와 비교하여 슈퍼 커패시터는 10배 이상의 전력과 1000배 이상의 수명을 제공할 수 있습니다. 또한 기존 전해 커패시터에 비해 1000배 이상의 에너지 밀도를 제공합니다.

기존 배터리 백업 기술과 함께 잘 작동하므로 해당 시스템의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있습니다. 비상 조명 응용 제품의 흥미로운 특징은 유지 및 브리징 전력 시스템에서의 사용을 통해 본선 전력이 실패하는 경우에도 정전력을 보장한다는 것입니다. 슈퍼 커패시터는 배터리에 비해 환경 친화성이 뛰어나다고 고려되며, 설계자가 배터리 수명을 연장하거나 배터리 필요를 축소하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

슈퍼 커패시터 시장의 선도적 업체로는 Eaton이 있습니다. Cooper Bussmann의 XB 및 XV 계열 원통형 장치는 300F ~ 400F 정전 용량을 제공하며 작동 전압은 각각 2.5V 및 2.7V입니다. 고전력 밀도를 위해 초저 ESR를 제공하는 이 장치는 피크 전류 요구 중 최소 전압 강하를 보장합니다. 또한 비상 조명 설치뿐만 아니라 특히 UPS 및 백업 전력 시스템에 적합하다고 고려됩니다.

XB 범주의 대표 장치는 PowerStor XB3550으로 300F 정전 용량(2.5V 기준)을 제공합니다. XV 범주의 최고의 제품은 400F 정전 용량을 제공하고 2.7V에서 정격화된 PowerStor XB3560 슈퍼 커패시터입니다.

그림 5: 안전 및 산업 응용 제품 범위에서 백업 및 전력 브리징 기능을 위한 Eaton PowerStor 슈퍼 커패시터

요약

비록 화려하지는 않지만 비상 조명 시스템은 LED 자체뿐만 아니라 모든 중요 회로 보호 및 배터리 백업 기능을 위한 부수적 하위 시스템에서도 기술 개선의 이점을 누리고 있습니다. 비상 조명 설계자는 새로운 설치 및 레트로핏 장치 모두에 대해 이 부분에서 해당 제품을 개선하고 차별화할 수 있는 기회를 갖게 됩니다.

참조:

1. 비상 조명 산업 위원회(ICEL)
2. Osram Semiconductor 사례 연구, Munich Karlsplatz lighting
3. Bourns 백서: 새로운 개방 LED 션트 보호 장치
4. LED 조명을 위한 공동 회로 보호