고장난 LED 조명 탐험

제가 일하는 사무실에 LED 조명 몇 개가 고장이 났습니다. 조명이 안 들어 오는 것이지요. 새것으로 교체하면서 고장 난 조명들을 살펴볼 기회가 있었습니다. 살펴본다고 뭐 고장 난 조명들은 쓰레기통으로 들어가야 한다는 사실이 변하는 것은 아니지만, 그냥 호기심이지요.

사무실에 있던 조명입니다. LED 조명의 한 형태로 다운라이트(Down light)라고 부릅니다.

다운라이트(Down Light)라고 부르는 형태의 LED 조명입니다. 각각 앞쪽과 뒤쪽으로 놓고 찍은 사진인데, 뒤에 달려 있는 것이 파워모듈(Power Module)입니다.
파워모듈은 형광등(Fluorescent Light)에 사용하는 안정기(ballast)와는 역할이 차이가 있습니다. LED는 직류(DC; Direct Current)에서 동작하기 때문에, 변전소에서 우리집으로 전달되는 교류(AC; Alternating Current)를 직류로 바꾸어 주는 역할을 합니다. 그래서 이 파워모듈을 AC-DC 컨버터(AC-DC Converter)로 부르기도 하지요. 어쨌든 파워모듈을 등에 지고 있는 조명이네요.

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어차피 고장 나서 쓰지 못할 물건이니 과감하게 뜯어보았습니다.

실제로 불이 들어 오는 부분, LED 모듈입니다. 이 모듈은 LED 30개를 직렬로 연결하였네요.

불이 실제로 밝혀지는 부분, LED 모듈이 나오네요. LED가 30개가 있습니다. 빛을 반사하기 위해서 PCB를 흰색으로 칠해 잘 구분이 되지 않지만, 자세히 살펴보니 이 LED가 모두 직렬로 연결이 되어 있습니다. 위의 사진에서 아래에 회로도를 그려 보았습니다. LED의 동작에 대해서는 이전 포스트에서 살펴본 적이 있습니다 - LED의 이해, LED를 켜라.

30개의 LED를 하나 하나 확인해 보니 제대로 동작하지 않는 LED들이 여럿 있네요.

LED를 하나하나 확인을 해 보았습니다. 디지털 멀티미터 중에는 다이오드(Diode)의 정방향 전압(Forward Voltage)을 측정할 수 있는 것들이 있습니다. LED도 다이오드이니까 이것으로 측정이 됩니다. 기능 선택 스위치에 다이오드 모양으로 표시가 되어 있는데, LED의 정방향 전압을 측정하려면 좀 좋은 디지털 멀티미터로 측정들 해야 측정이 됩니다. 제가 가진 싸구려 디지털 멀티미터로는 1V 이상의 정방향 전압은 측정을 할 수가 없네요. 방향만 확인할 수가 있었습니다. 정방향 바이어스가 되면 LED가 빛을 냅니다. 일하는 사무실의 고가의 디지털 멀티미터를 사용했더니 정방향 전압의 측정이 가능했습니다. 2.5V 정도가 되는 것 같습니다. 30개의 LED가 직렬로 배치되었으니 연결된 모든 LED의 정방향 전압을 키르히호프 선생님의 전압 법칙에 의해서 약 75V 정도가 되겠습니다. 모든 LED가 정방향 바이어스(Forward biased) 되게 하기 위해서는 직류 75V 이상이 필요하겠네요. 일단 정방향 전압보다 높은 전압이 있어야 정방향 전류를 흐르게 할 수 있을 테니까요. 생업으로 전자공학을 하는 분이라면 직류 75V는 다룰 기회가 정말 적은 높은 전압이라는 것을 아실 거예요.
어쨌든 LED를 하나하나 확인을 해 보니, 제대로 동작하지 않을 LED가 많이 보이네요. 어떤 LED는 정방향 전압이 0V이면서 방향성도 사라졌습니다. 어떤 LED는 양방향 모두 정방향 바이어스가 불가능한, 개방 회로(Open Circut), 즉 저항이 무한대(∞)인 상태로 확인이 되었습니다. 검색을 해 보니 이 두 가지 증상 모두 다이어드의 PN 접합(PN Junction)이 망가져서 LED가 특성을 잃은 것이라고 합니다. 옴의 법칙에 따라서 저항이 무한대라면 아무리 큰 전압을 인가해도 전류가 0 이잖아요. 위의 사진에서 보면 ? 표시를 한 LED는 방향성을 잃었고 정방향 전압도 0V가 되어 버렸구요, V 표시를 한 LED는 저항이 무한대가 되었습니다. 직렬로 연결된 구조에서 한 군데가 끊어졌으니 전류가 흐르지 않겠지요. 이 때문에 조명이 동작하지 않은 것 같습니다.

파워모듈의 사진입니다. 내부가 그렇게 복잡하게 만들어지지는 않았네요.

파워모듈, 혹은 전원모듈은 220V 교류 전원을 연결하는 부분과 LED 모듈을 연결하는 부분(아마도 LED에 직류를 공급하는 부분이겠지요.)이 있네요. 뚜껑을 열어서 안에 들어 있는 PCB를 살펴보았습니다. 그렇게 복잡해 보이지 않네요. 한쪽 면에만 배선이 있는 단면 PCB입니다. 아마도 교류 220V를 받아서 직류 75V이상 만들어 주는 회로이겠지요? LED에 전류를 제한하는 전류 제한 저항(Current Limiting Resistor) 같은 것도 있겠지요. 어떤 회로인지 살펴보는 것도 재미있을 것 같습니다.

고장 난 LED만 새것으로 교체하면 다시 사용할 수 있을 것도 같긴 하지만, 뭐 그렇게까지야......