UHD 방송용 LED 조명의 저 광도 및 광색 제어 시스템

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 LED의 저 조도제어가 가능하며 조도제어 시 플리커가 발생하지 않는 하이브리드 조도제어 기법과 이 기법을 실현하기 위한 하이브리드 LED 구동회로를 제안하고, LED의 출력 광색과 조도를 정량적으로 제어하기 위해 LED의 비선형 조도특성을 보상한 광색 제어 알고리즘을 제안하였다.
제안된 하이브리드 조도제어 기법은 고속 PWM 기법으로 전류의 시비율을 가변하여 저 조도를 제어하였고, PWM 주파수를 UHD 영상 프레임 주파수의 정수배로 하여 플리커를 회피하였다. CC 조도제어 기법으로 LED에 흐르는 전류의 크기를 가변하여 고 조도를 제어하였고, 연속적인 전류를 흐르게 함으로써 플리커를 회피하였다. 이 조도제어기법을 실현하기 위해 단일 MOSFET를 사용하여 리니어 레귤레이션과 스위칭 레귤레이션으로 동작하는 하이브리드 LED 구동회로를 제안하였다. 이 구동회로는 저 조도영역에서 빠른 과도응답속도를 갖도록 설계되었다.
또한 CIE1931 색 공간에서 광색을 수치화하였으며 색 혼합이론으로 목표 광색과 조도를 출력하는 RGB LED의 각 조도를 계산하였다. 이 조도를 정확하게 출력하기 위한 LED의 비선형 조도보상 기법을 제안하였다. 색 혼합이론과 조도 보상기법을 포함한 광색제어 알고리즘으로 LED 조명시스템의 광색 및 조도를 정량적이며 선형적으로 제어하였다.
제안된 조도제어 기법과 알고리즘으로 방송용 LED 조명시스템을 구현하였으며 실험을 통해 제안된 시스템이 UHD 방송에 적합함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation proposes a hybrid dimming method that can control low illuminance without flicker during dimming, presents a LED driving circuit for realization of the hybrid dimming method, and explores a color and illuminance control algorithm that applies a method to compensate for the nonlinear illuminance characteristics of a LED, to control its the output color and illuminance quantitatively.
The proposed dimming method controls the low illuminance by adjusting the duty ratio of the current, and suppressed the flicker by being the PWM frequency as the integer multiple of the UHD broadcasting frame frequency. The high illuminance was controlled by adjusting the magnitude of the continuous current by applying continuous-current (CC) dimming and by sending continuous current through the LED to suppress flicker. To realize this dimming method, a hybrid LED driving circuit that uses a MOSFET to operate the switching and linear regulation was proposed. This driving circuit was designed to have fast transient response in low illuminance.
The color was quantified in CIE1931 color coordinates, and illuminance of each RGB LED that outputs target color and illuminance was calculated by using RGB color-mixing theory. A method that uses illuminance to compensate for the non-linearity of the LED was proposed to output the calculated illuminance accurately. The color and illuminance in LED lighting system were linearly and quantitatively controlled using a color-control algorithm that uses color-mixing theory and the illuminance-compensation method.
LED lighting system for broadcasting was designed using the proposed control method for illuminance and the algorithm, and I experimentally verified that the proposed system was suitable for UHD broadcasting.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• □ 그림 목차 ⅲ
• □ 표 목차 ⅵ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1. 배경 및 범위 1
• 1.2. 논문의 구성 4
• Ⅱ. 기존 방송용 LED 조명시스템 5
• 2.1. 기존 방송용 조명시스템 5
• 2.2. 방송용 LED 조명시스템의 한계 8
• 2.2.1. 저 조도에서의 조도 불 균일 10
• 2.2.2. 플리커 현상 12
• 2.2.3. 비 정량적인 광색 및 조도제어 15
• Ⅲ. 저 조도제어를 위한 하이브리드 조도제어 기법 및 구현 16
• 3.1. 조도제어 기법의 선행연구 16
• 3.2. 제안된 하이브리드 조도제어 기법 21
• 3.3. 제안된 구동회로의 동작원리 23
• 3.3.1. 저 조도영역에서 동작원리 25
• 3.3.2. 고 조도영역에서 동작원리 27
• 3.3.3. 하이브리드 구동회로 설계 29
• Ⅳ. 정량적인 광색 및 조도제어 알고리즘 구현 32
• 4.1. 광색과 조도제어를 위한 선행연구 32
• 4.2. 광색과 조도제어 알고리즘 구현 39
• 4.2.1. 목표 광색 및 조도 출력을 위한 RGB LED의 조도 계산 41
• 4.2.2. LED 조도의 비선형 보상기법 43
• 4.2.3. 하이브리드 구동회로에 비선형 보상기법 구현 45
• Ⅴ. 실험 결과 및 분석 50
• 5.1. 저 조도제어를 위한 하이브리드 구동회로 실험 50
• 5.1.1. 하이브리드 구동회로 실험구성 51
• 5.1.2. 하이브리드 구동회로 실험결과 55
• 5.1.3. 저 조도제어 및 플리커 실험결과 61
• 5.2. 정량적인 광색 및 조도제어 실험 66
• 5.2.1. 광색 및 조도제어 실험구성 66
• 5.2.2. LED 조도의 선형제어 실험결과 68
• 5.2.3. 정량적인 광색 및 조도제어 실험결과 71
• Ⅵ. 결 론 76
• □ 참고문헌 78
• □ Appendix 86
• □ Abstract 89