1. 서 론

최근 기상기후의 이변과 전력수요의 증가에 따른 고효율 조명기기의 개발과 보급이 확대되고 있다. 특히 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED) 조명은 기존의 백열등 및 형광등에 비해 에너지 효율이 높고 수명이 길며, 응답속도가 빠르고 다양한 색상을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 LED 조명은 주거시설, 상업시설, 산업시설 및 공공시설 등 다양한 분야에서 기존 광원을 대체하고 있으며, 현대 조명설비의 주요 광원으로 활용되고 있는 추세이다.

LED 조명설비는 발광을 담당하는 LED 모듈과 이를 구동하기 위한 직류전원을 공급하는 컨버터 및 방열구조 등으로 구성된다. 컨버터는 LED 모듈의 전기적 특성에 따라 정전류 또는 정전압 방식으로 구동되며, 상용 교류전원을 LED 구동에 적합한 직류전압 또는 전류로 변환하는 역할을 한다. LED 모듈과 컨버터는 동작 과정에서 발생하는 전력손실로 인해 열이 발생하므로 안정적인 동작과 수명 확보를 위한 열적 관리가 중요한 설계요소로 고려되고 있는 실정이다.

LED는 기존 광원에 비해 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높으나, 공급되는 전기에너지의 일부는 열에너지로 변환되어 방출된다. LED 모듈에서 발생한 열이 외부로 원활하게 방출되지 않을 경우 LED 소자의 접합온도가 상승하여 광출력 저하, 소자 열화 및 수명 감소를 초래할 수 있다(Heo et al., 2025). 또한 컨버터 내부의 스위칭소자, 정류소자 및 기타 회로소자에서도 전력손실에 따른 열이 발생하며, 과도한 온도상승이 지속될 경우 부품의 열화 및 절연성능 저하로 이어질 수 있다(Park, 2022). 따라서 LED 모듈 및 컨버터에서 발생하는 비정상적인 온도상승은 LED 조명설비의 고장뿐만 아니라 화재사고로 이어질 수 있으므로, 이를 사전에 예방하기 위한 지속적인 열적 상태 관리가 필요하다.

일반적인 LED 조명설비에는 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 방열판 및 방열구조가 적용되고 있으나, 이러한 수동형 방열 방식만으로는 부품 열화, 전기적 접촉불량 및 방열성능 저하 등에 의해 발생하는 비정상적인 온도상승을 실시간으로 감지하는데 한계가 있다. 특히 다수의 LED 조명설비가 설치된 시설에서는 개별 설비의 상태를 지속적으로 확인하기 어려우므로, 과열상태를 조기에 감지하고 이상정보를 사용자 또는 관리자에게 전달할 수 있는 실시간 과열감지 및 원격 모니터링 기술이 요구되는 실정이다(Jeong et al., 2024).

따라서 본 논문에서는 LED 조명설비 및 컨버터의 비정상적인 온도 상승을 실시간으로 감지하고, 과열로 인한 고장 및 화재사고를 예방하기 위한 과열감지 회로 토폴로지를 제안한다. 제안한 회로는 온도 상승에 따라 저항값이 증가하는 PTC 서미스터 소자와 휘스톤 브릿지회로로 구성하며, 온도 변화에 따라 발생하는 브릿지의 불평형 전압을 이용하여 과열 상태를 판단하는 원리를 가진다. 또한 감지된 과열 정보를 신속하게 전달하고 원격에서 LED 조명설비의 상태를 확인할 수 있도록 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기반의 실시간 모니터링 시스템을 구현한다. 제안한 시스템은 온도 감지회로의 출력 신호를 수집하고, LED 조명설비의 정상 및 과열 상태 정보를 원격 모니터링 환경으로 전송한다.

그 결과, LED 조명설비의 비정상적인 온도 상승을 조기에 검출하고, 설비고장 및 화재사고의 확대를 방지할 수 있는 능동형 안전관리 방안을 제안하고자 한다. 이를 통해 LED 조명설비의 안전성과 신뢰성을 향상시키고, 효율적인 유지관리와 화재사고 예방에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

2. LED 조명설비 과열사고 감지기술의 필요성

LED 조명설비는 Fig. 1과 같이 상용 교류전원을 LED 구동에 적합한 직류전원으로 변환하는 AC/DC 컨버터와 발광을 담당하는 LED 조명기구로 구성된다. AC/DC 컨버터는 LED 조명기구의 정격 및 전기적 특성에 따라 정전류 또는 정전압 방식으로 구성되며, LED 소자에 요구되는 직류전압 및 전류를 공급하는 역할을 한다.

Fig. 1.

Power conversion configuration of LED lighting equipment

LED 조명설비는 장시간 운전 및 주변 환경조건에 따라 내부 온도가 상승할 수 있으며, 부품 열화, 접촉불량 및 방열성능 저하 등이 발생할 경우 정상 운전조건에서도 국부적인 과열이 발생할 가능성이 있다. 일반적인 LED 조명기구에는 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 방열판 및 방열구조가 적용되고 있으나, 비정상적인 온도상승을 직접 검출하거나 사용자에게 이상상태를 전달하는 기능에는 한계가 있다. 과열상태가 장시간 지속될 경우 부품 손상 및 절연성능 저하로 이어져 조명설비의 고장이나 화재사고를 초래할 수 있으므로, 이상온도를 조기에 검출할 수 있는 과열감지 기술이 요구된다.

Fig. 2는 일반적으로 사용되는 컨버터 일체형 LED 조명기구의 점등상태에서 측정한 표면온도를 나타낸다. 측정결과, 광원부의 표면온도는 약 110°C, 방열구조가 적용된 후면부의 표면온도는 약 53°C로 나타났다. 측정위치와 방열조건에 따라 온도 차이가 발생하였으며, LED 조명기구의 운전 과정에서 지속적인 열적 스트레스가 발생하는 특성을 나타낸다.

Fig. 2.

Surface temperature measurement of LED lighting fixtures during operation

컨버터 내부의 스위칭소자, 정류소자, 변압기 및 수동소자에서도 전력손실에 따른 발열이 발생한다(Camacho-Arriaga et al., 2026). 이러한 발열이 지속될 경우 전자부품 및 절연재료의 열화가 촉진되며, 절연성능 저하와 단락 및 아크 등의 전기적 이상을 유발할 수 있다. 특히 부품 열화, 접촉불량 및 방열성능 저하가 복합적으로 발생할 경우 국부적인 과열이 심화되어 컨버터 내부의 부품 및 절연재료가 손상될 수 있다(Riba et al., 2021). Fig. 3은 이러한 국부적인 과열로 인해 컨버터 내부의 부품 및 절연재료가 손상된 사례를 나타낸다.

Fig. 3.

Damage caused by localized overheating inside the converter

LED 조명기구 및 컨버터에는 온도상승, 절연성능, 내열성 및 내화성 등을 평가하기 위한 기술적 안전기준이 적용되고 있다. 관련 기준에서는 정상 및 비정상 운전조건에서 주요 부품과 외함의 온도상승을 평가하고, 절연재료의 열적·전기적 안전성을 검증하도록 규정하고 있다. 대표적인 시험으로는 절연재료의 내열성을 평가하는 구압시험(Ball Pressure Test)과 내화성을 평가하는 글로우 와이어 시험(Glow-Wire Test) 등이 있으며, 이를 통해 제품 및 구성재료의 열적 안전성을 평가한다.

그러나 이러한 안전기준은 규정된 시험조건에서 제품의 내열성 및 내화성 등 기본적인 안전성능을 평가하는 데 목적이 있으며, 실제 운전 중 발생하는 부품 열화, 접속부의 접촉불량 및 방열성능 저하 등에 따른 비정상적인 온도상승을 지속적으로 감시하는 데에는 한계가 있다. 또한 국부적인 과열이 발생하더라도 이를 실시간으로 검출하고 이상상태를 사용자 또는 관리자에게 전달하는 기능은 별도로 고려되지 않는다.

따라서 LED 조명설비의 안전성 향상을 위해서는 기존의 안전기준에 따른 열적 안전성 확보뿐만 아니라, 실제 운전 중 발생하는 비정상적인 온도상승은 부품 열화 및 화재사고로 이어질 수 있는 주요 이상징후이므로, 온도 변화에 따른 전기적 특성 변화를 이용하여 정상상태와 과열상태를 판별할 수 있는 감지회로의 적용이 필요한 실정이다.

3. 제안한 과열사고 감지회로 토폴로지 설계

본 논문에서 제안한 조명설비 과열사고 감지회로는 LED 조명기구 및 컨버터의 내부와 외부에 설치된 PTC 서미스터의 온도에 따른 저항값 변화를 이용하여 과열상태를 검출하는 방식으로 구성되며, Fig. 4는 제안한 감지회로의 블록도를 나타낸다.

Fig. 4에서 LED 조명설비 내부의 컨버터에 설치된 PTC 서미스터(PTC1)와 외부에 설치된 PTC 서미스터(PTC2)는 휘스톤 브릿지회로를 구성한다. 컨버터 내부와 외부의 온도 차이에 따른 PTC1과 PTC2의 저항값에 차이가 발생하며, 이로 인해 브릿지회로에 불평형 전압이 발생한다. 발생한 불평형 전압에 따라 후단부의 비교기가 동작하며, 과열상태에서 발생한 동작신호는 마이컴(ESP32)에 전달된다. 이후 과열정보는 IoT 기반 통신을 통해 안드로이드 애플리케이션으로 전송되어 관리자에게 과열 발생상태를 알리도록 구성된다.

Fig. 4.

Block diagram of the proposed overheating detection circuit

제안한 회로는 두 PTC 서미스터의 온도 변화에 따른 저항값 차이를 이용하여 과열상태를 검출하도록 구성된다.

LED 조명설비가 정상상태로 운전되는 경우 PTC1과 PTC2의 온도 차이가 발생하지 않아 두 소자의 저항값은 동일하게 유지된다. 반면, 컨버터 내부에서 과열이 발생할 경우 내부에 설치된 PTC1의 온도가 상온에 설치된 PTC2보다 상승하며, PTC 서미스터의 정온도계수 특성에 의해 PTC1의 저항값이 증가한다. 이에 따라 PTC1과 PTC2 사이에 저항값 차이가 발생하며, 해당 저항값 차이는 휘스톤 브릿지회로의 브릿지의 평형조건을 만족하지 않으며, 이에 따라 출력전압이 발생한다.

휘스톤 브릿지회로는 미세한 저항 변화에 따른 브릿지 양측에 발생하는 전위차를 출력전압으로 이용하는 회로이다. 제안한 감지회로에서는 PTC1과 PTC2의 온도 변화에 따른 저항값 차이로 발생하는 출력전압을 이용하여 LED 조명설비의 과열상태를 판별한다.

제안한 감지회로의 휘스톤 브릿지에 인가되는 직류전압을 Vs라 하고, 브릿지를 구성하는 각 저항을 RA, RB, RC, RD로 정의한다. 단자 b와 e가 개방상태로 가정할 때 브릿지 단자전압 Vb와 Ve는 전압분배 법칙에 의해 식 (1)과 (2)로 표현된다.

브릿지 양단 사이의 전위차를 브릿지 출력전압 Vo라 하면 식 (3)과 같이 계산된다.

정상상태에서 휘스톤 브릿지회로가 평형조건을 만족하는 경우 Vb와 Ve는 동일한 전위를 가지며, 브릿지 출력전압 Vo는 0 V가 된다. 이때 브릿지의 평형조건은 식 (4)와 같이 주어진다.

제안한 과열사고 감지회로 토폴로지는 휘스톤 브릿지회로의 양단에 트랜지스터의 베이스와 이미터 단자를 연결하여, 두 단자 사이에서 발생하는 전위차에 의한 트랜지스터의 스위칭 동작으로 설계된다. 즉, 베이스-이미터에 순방향 바이어스가 형성되면 베이스전류가 흐르며, 이에 따라 컬렉터-이미터 경로가 도통상태로 전환된다. 반대로 충분한 순방향 바이어스가 형성되지 않는 경우에는 트랜지스터가 차단상태를 유지한다.

이러한 휘스톤 브릿지 원리와 트랜지스터의 스위칭 동작특성을 이용하여, 본 논문에서 제안한 조명설비 과열사고 감지회로의 전체 회로도를 Fig. 5에 나타낸다. 제안한 회로는 입력 전원부, PTC 서미스터를 이용한 휘스톤 브릿지회로, 트랜지스터 스위칭부, 포토커플러(Photo coupler), 과열상태 표시등 LED 및 IoT를 위한 마이컴(ESP-32)으로 구성된다.

입력 전원부에는 실효값 220 V의 교류전압이 인가되며, 커패시터 C1, 다이오드 D1, 커패시터 C2 및 제너다이오드 Z1에 의해 직류 공급전압을 발생시켜, 휘스톤 브릿지회로 및 후단 회로의 동작전압으로 인가된다.

Fig. 5.

Overall circuit diagram of the proposed overheating detection circuit

휘스톤 브릿지회로에서 형성되는 전압 Vb와 Ve는 후단부 트랜지스터의 베이스측과 이미터측에 인가된다. 정상상태에서는 PTC1과 PTC2의 온도 조건에 따른 저항비에 의해 브릿지의 평형상태가 유지되므로 Vb와 Ve사이의 전위차가 발생하지 않는다. 이에 따라 베이스-이미터에는 충분한 순방향 바이어스가 형성되지 않으며, 트랜지스터는 차단상태를 유지한다.

반면, LED 조명설비 컨버터 내부에서 과열이 발생하면 PTC1의 온도 상승에 따라 저항값이 증가하고 브릿지의 평형상태가 변화한다. 이때 베이스측 전압 Vb가 이미터측 전압 Ve보다 증가하여 베이스-이미터 접합이 순방향 바이어스되며, 이에 따라 트랜지스터가 도통한다. 트랜지스터가 도통하면 컬렉터측에 연결된 포토커플러가 동작하여 과열 검출신호를 후단 제어회로로 전달한다.

포토커플러의 출력신호에 따라 과열상태 표시등 LED가 점등되며, 동시에 과열 검출신호가 마이컴(ESP-32)에 입력된다. ESP-32는 입력된 검출신호를 이용하여 조명설비의 과열상태를 판별하고, 무선통신을 통해 과열 발생정보를 원격 모니터링 시스템으로 전송하도록 구성된다.

또한 제안한 감지회로는 과열상태 검출과 ESP-32 기반의 무선통신 기능을 결합하여 현장의 과열 발생정보를 원격으로 확인할 수 있도록 구성된다. 이에 따라 관리자가 현장에 상주하지 않는 경우에도 LED 조명기구 및 컨버터의 이상상태를 확인할 수 있으며, 과열 검출정보의 원격 모니터링 및 경보가 가능한 IoT 기반 조명설비 안전관리 시스템으로 활용할 수 있는 이점을 갖는다.

4. 시뮬레이션 및 실험결과

본 논문에서 제안한 LED 조명설비 과열사고 감지회로의 동작특성을 검증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 제안한 전체 회로를 구현하여 교류 입력전압과 직류 공급전압을 확인하고, 정상상태 및 과열상태에서 나타나는 출력파형을 비교하여 감지회로의 동작 및 과열 검출특성을 분석하였다. 여기서 LED 조명설비의 외부 및 내부의 온도차 임계값을 100°C 로 설정하여 진행하였다. 이는 사용된 LED 모듈과 감지 제어회로에 사용된 소자들의 정격 사양을 고려하여 설정하였다.

Fig. 6은 교류 입력전압과 제안한 과열감지 회로의 구동을 위한 직류 공급전압의 시뮬레이션 파형을 나타낸다. 입력단에는 실효값 220 V의 교류전압을 인가하였으며, 정류회로와 커패시터 분압회로, 정전압 제너 다이오드에 의한 약 12 V의 직류전압을 발생하는 동작특성을 나타낸다.

Fig. 6.

Simulation waveforms of AC input voltage and stepped-down DC output voltage

Fig. 7은 제안한 회로의 정상상태 출력파형을 나타낸다. 정상상태에서 LED 조명기구 내부의 PTC1과 외부의 PTC2 사이에 온도 차이가 발생하지 않아 휘스톤 브릿지회로는 평형상태를 유지하였으며, 이에 따라 Vb와 Ve사이의 전위차가 발생하지 않아 트랜지스터의 베이스-이미터에 충분한 순방향 바이어스가 형성되지 않았으며, 트랜지스터는 차단상태를 유지하였다. 그 결과 과열상태 표시등 LED는 점등되지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 7.

Simulation output waveforms under normal condition

Fig. 8은 제안한 회로의 과열상태 출력파형을 나타낸다. LED 조명에 인가되는 전압에는 변화가 없으나, 100°C 이상의 과열상태에서 PTC 서미스터의 온도 변화에 따라 저항값이 변화하면서 휘스톤 브릿지회로의 평형조건이 변화하였다. 이에 따라 Vb와 Ve사이의 전위차가 증가하여 트랜지스터의 베이스-이미터에 순방향 바이어스되었으며, 트랜지스터가 도통함에 따라 과열상태 표시등 LED가 점등되는 것을 확인하였다.

Fig. 8.

Simulation output waveforms under overheating condition

상기 시뮬레이션을 통해 제안한 회로의 동작특성을 확인한 후, 실제 회로를 구성하여 정상상태 및 과열상태에 대한 실험을 수행하였다.

Fig. 9는 제안한 과열사고 감지회로의 실험구성을 나타내며, 회로구조가 간단하여 소형 및 경량으로 제작이 가능하다. 또한, 제안한 과열검출 회로는 조명설비의 이상 과열 상태를 검출하는 방식으로 구성되어 있어 기존 조명설비에 적용이 용이하며, 별도의 복잡한 회로구성 없이 과열사고를 감지할 수 있는 장점이 주어진다.

Fig. 9.

Experimental setup of the proposed overheating detection

Table 1은 제안한 과열감지 회로에 적용된 주요 회로소자의 정수값을 나타낸다. 각 회로정수는 조명설비의 입력전압, PTC 서미스터의 저항 변화 특성 및 트랜지스터의 동작조건을 고려하여 선정하였다.

제안한 과열감지 회로의 실용성을 검증하기 위하여 실험을 수행하였으며, 정상상태 및 과열상태에 따른 감지회로의 동작특성을 분석하였다.

Fig. 10은 정상상태에서의 제안한 과열감지 회로의 트랜지스터 베이스와 이미터 단자전압을 나타낸다. 정상상태에서는 PTC 서미스터 간의 온도 차이가 발생하지 않아 휘스톤 브릿지회로가 평형상태를 유지하였으며, 베이스 단자의 전압이 이미터 단자의 전압보다 낮게 되어 트랜지스터는 차단상태를 유지하였다. 그 결과 과열상태 표시등 LED는 점등되지 않았으며, 마이컴(ESP-32)에도 과열 검출신호가 인가되지 않는 것을 확인하였다.

Fig. 10.

Operation waveforms of transistor input side on normal condition

Fig. 11은 100°C 이상의 과열상태에서의 제안한 과열감지 회로의 트랜지스터 베이스와 이미터 단자전압을 나타낸다. 과열상태에서 PTC1의 온도 상승에 따른 저항값의 상승으로 인해 휘스톤 브릿지회로의 불평형상태를 발생시켰다. 그 결과 트랜지스터의 베이스단과 이미터단 사이에 순방향 전위차가 발생하고, 후단부 트랜지스터가 턴-온되어 과열상태 표시등 LED가 점등되는 것을 확인하였다.

Fig. 11.

Operation waveforms of transistor input side on overheating condition

Fig. 12는 과열상태에서의 마이컴 동작 출력전압 파형을 나타낸다. PTC1의 온도 상승에 따라 후단부 트랜지스터가 턴-온되면 과열 검출신호가 마이컴(ESP-32)에 인가되며, 마이컴은 입력된 검출신호를 과열상태로 판별하여 출력신호를 발생시켰다. 또한 마이컴의 출력신호에 따라 애플리케이션으로 과열사고 발생 경보가 전송되는 것을 확인하였다.

Fig. 12.

Operation characteristics output waveform of microcontroller under overheating condition

Fig. 13은 제안한 과열감지 시스템의 무선통신 및 원격 모니터링을 위한 ESP-32의 주요 프로그램을 나타낸다. ESP-32의 Wi-Fi 접속과 Firebase Realtime Database와의 통신을 위한 초기 설정 및 사용자 인증 과정을 수행하며, 이를 통해 과열 검출정보를 서버로 전송할 수 있는 통신환경을 구성한다. 또한 Firebase와의 연결상태를 유지함으로써 감지된 과열상태 정보를 실시간으로 원격 모니터링 시스템에 전달할 수 있도록 구성하였다. 따라서 ESP-32와 Firebase 간의 무선통신을 통해 과열 검출정보의 실시간 전송 및 원격 상태 확인이 가능하도록 하였다.

Fig. 13.

Pseudo code for ESP32-based overheating detection and firebase communication

5. 결 론

LED 조명설비는 장시간 운전 및 구성부품의 열화 등에 의해 내부 온도가 비정상적으로 상승할 수 있으며, 이러한 열적 이상상태를 조기에 검출하고 관리할 수 있는 능동형 감지기술이 요구된다. 본 논문에서는 LED 조명설비의 과열상태를 검출하기 위하여 PTC 서미스터의 온도에 따른 저항 변화 특성을 이용한 휘스톤 브릿지회로 기반의 과열감지 회로를 제안하고, 검출된 과열정보를 원격에서 확인할 수 있는 IoT 기반 모니터링 시스템을 구성하였다.

제안한 감지회로의 동작특성을 검증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션과 실제 회로 실험을 수행하였다. 정상상태와 과열상태에서 PTC 서미스터의 저항 변화에 따른 휘스톤 브릿지회로의 출력특성과 후단부 트랜지스터의 스위칭 동작을 분석하였으며, 과열조건에서 과열 검출신호가 정상적으로 발생하는 것을 확인하였다. 또한 포토커플러와 마이컴(ESP-32)을 이용하여 검출신호를 경보 제어회로로 전달하고, Firebase Realtime Database 및 모바일 애플리케이션을 통해 과열상태와 발생정보를 원격으로 확인하며 관리자에게 경고 알림을 제공할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 제안한 시스템이 LED 조명설비의 열적 이상상태를 실시간으로 감시하기 위한 안전관리기술로 적용 가능함을 확인하였다. 향후에는 LED의 점등상태, 누전 및 기타 전기적 이상상태에 대한 검출기능을 추가하여 조명설비의 상태감시, 이상검출 및 원격관리가 가능한 통합 안전관리시스템으로 확장하고자 한다.