JP2006318895A

JP2006318895A - 無電極ランプシステム及びその制御方法

Info

Publication number: JP2006318895A
Application number: JP2006108738A
Authority: JP
Inventors: Joon-Sik Choi; ジューン−シクチョイ; Yun Chul Jung; ユンチュルジュン
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR20060117561A; EP1722609A2; KR100677277B1; CN1863426A; CN1863426B; EP1722609A3; US20060255743A1; US7626835B2

Abstract

【課題】パルス駆動により高い電力を瞬間的にマグネトロンに印加して電磁波を発振し、前記発振された電磁波によりバルブのプラズマ状態を繰り返して活性化することにより光効率を向上させる無電極ランプシステム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】実験によりバルブ内の物質によって第１及び第２スイッチング信号のデューティ比が保存される保存ユニット４８と、前記保存ユニットから最適のデューティ比を検出し、その検出されたデューティ比に対応する同相の第１及び第２スイッチング信号を出力する制御ユニット４４と、前記第１及び第２スイッチング信号により、直流電圧を正の矩形波と負の矩形波とからなる交流電圧に変換する変換ユニット４３とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、無電極ランプシステム（Plasma Lighting System: ＰＬＳ）に関し、特に、光効率を向上し得る無電極ランプシステム及びその制御方法に関する。

一般に、無電極ランプシステムは、高周波発振器（マグネトロン）から発生する電磁波がバルブ内の不活性ガスをプラズマ化して光を連続的に発散させることにより電極を備えなくても優れた光量を提供し得る照明機器である。

前記無電極ランプシステムは、プラズマ発光原理により光を放出するため、光速が低下せずに長時間使用が可能となり、自然の白色光と同一の連続光スペクトルを実現するため、視力を保護することができ、さらに、紫外線や赤外線の放出を減少させるため、快適な照明環境を提供することができる。

図６は、従来の無電極ランプシステムの構成を示すブロック図である。

図６に示すように、従来の無電極ランプシステムは、電源ユニット１、整流ユニット２、ハーフブリッジインバータ３、制御ユニット４、変圧ユニット５、高圧発生ユニット６、及びマグネトロン（ＭＧＴ）７を備える。

電源ユニット１は、前記無電極ランプシステムの駆動のための交流電圧を該システムに供給し、整流ユニット２は、電源ユニット１から入力された交流電圧を整流及び平滑化して直流電圧を出力する。

ハーフブリッジインバータ３は、整流ユニット２から出力された直流電圧を、スイッチング制御信号によりインバートして交流電圧を出力する。

このハーフブリッジインバータ３の内部構成については後述する。

制御ユニット４は、前記スイッチング制御信号を出力してハーフブリッジインバータ３の第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２を交互にスイッチングする。

変圧ユニット５は、ハーフブリッジインバータ３から出力された交流電圧を変圧する。すなわち、前記交流電圧を１次側コイルの所定巻線比に基づいて変圧した電圧が２次側に誘起される。

高圧発生ユニット６は、変圧ユニット５を介して２次側コイルに誘起された電圧を昇圧して高圧を発生させる。この高圧発生ユニット６の内部構成については後述する。

マグネトロン７は、前記高圧発生ユニット６により発生した高圧が駆動電圧として印加されると、マイクロウェーブを発生する。

図７は、従来の無電極ランプシステムを示す回路図であり、図８は、従来の無電極ランプシステムの動作を説明するための波形図である。

図７及び図８を参照すると、制御ユニット４は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２を交互にスイッチングするためのスイッチング制御信号を第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２のゲートＧ１、Ｇ２に印加する。それにより、前記スイッチング制御信号Ｓ₁、Ｓ₂（図８参照）のオン・オフ周期によって共振電圧及び電流が増減するようになる。

ここで、変圧ユニット５の１次側コイルに流れる電圧及び電流は「Ｖ₁」と「ｉ₁」と表示した。また、前記１次側コイルに流れる電圧Ｖ₁及び電流ｉ₁を基準に第１トランジスタＳ１オン時には整流ユニット２により整流された電圧Ｖ_dが印加され、第２トランジスタＳ２オン時には整流ユニット２により整流された電圧Ｖ_dの負電圧（−Ｖ_d）が印加される。

ここで、変圧ユニット５の１次側コイルに流れる電流ｉ１は、図８に示す通りである。

次に、高圧発生ユニット６は、変圧ユニット５を介して２次側コイルに誘起された電圧をキャパシタＣ、ダイオードＤ１、Ｄ２及び抵抗Ｒを介して昇圧してそれによる高圧をマグネトロン７に印加する。

これにより、マグネトロン７は、印加された高圧を駆動電圧としてマイクロウェーブを発生する。

マグネトロン７内で発振したマイクロウェーブが導波管及び共振器を介してバルブに供給され、これにより、前記バルブ内のガスが電子衝突によりプラズマ状態になって光を発生する。

しかしながら、前述した無電極ランプシステムは、パルス信号を利用して駆動される場合は光効率が上昇する効果があるが、前記共振型ハーフブリッジインバータを使用する無電極ランプシステムは、パルス信号を利用した駆動ができないので、光効率が低下するという問題があった。

従って、本発明の目的は、パルス駆動により高い電力を瞬間的にマグネトロンに印加して電磁波を発振し、前記発振された電磁波によりバルブのプラズマ状態を繰り返して活性化することにより光効率を向上させる無電極ランプシステム及びその制御方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の実施形態による無電極ランプシステムは、実験によりバルブ内の物質によって第１及び第２スイッチング信号のデューティ比が保存される保存ユニットと、前記保存ユニットから最適のデューティ比を検出し、その検出されたデューティ比に対応する同相の第１及び第２スイッチング信号を出力する制御ユニットと、前記第１及び第２スイッチング信号により、直流電圧を正の矩形波と負の矩形波とからなる交流電圧に変換する変換ユニットとを含むことを特徴とする。

また、このような目的を達成するために、本発明の実施形態による無電極ランプシステムは、交流電源を生成する電源ユニットと、前記電源ユニットで生成された交流電源を整流し、その整流結果に基づいて直流電圧を出力する整流ユニットと、バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出し、その検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を出力する制御ユニットと、前記変換制御信号により、前記整流ユニットから出力された直流電圧を交流電圧に変換する変換ユニットと、前記変換ユニットから出力された交流電圧を、所定巻線比によって変圧する変圧ユニットと、前記変圧ユニットで変圧された電圧を所定比で昇圧し、その昇圧された高圧を出力する高圧発生ユニットと、前記高圧発生ユニットから出力された高圧によりマイクロウェーブを発生するマグネトロンとを含むことを特徴とする。

さらにこのような目的を達成するために、本発明の実施形態による無電極ランプシステムの制御方法は、バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出する過程と、前記検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を生成する過程と、交流電源を整流し、その整流結果に基づいて直流電圧を生成する過程と、前記変換制御信号により前記直流電圧を交流電圧に変換する過程と、前記変換された交流電圧を所定巻線比によって変圧し、その変圧された電圧を昇圧する過程と、前記昇圧された電圧によりマイクロウェーブを発生する過程とを行うことを特徴とする。

本発明に係る無電極ランプシステム及びその制御方法は、無電極ランプシステムを駆動するとき、瞬間的に高い電圧をマグネトロンに印加するためのパルス駆動のために、直流電圧を交流電圧に変換するための変換時間をバルブ内の物質によって制御することにより、光効率を向上させることができるという効果がある。

以下、無電極ランプシステムを駆動するとき、瞬間的に高い電圧をマグネトロンに印加するためのパルス駆動のために、直流電圧を交流電圧に変換するための変換時間をバルブ内の物質によって制御することにより、光効率を向上させる、本発明に係る無電極ランプシステム及びその制御方法に関する好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る無電極ランプシステムの構成を示すブロック図であり、図２は、本発明に係る無電極ランプシステムの構成を示す回路図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る無電極ランプシステムは、交流電源を生成する電源ユニット４１と、該電源ユニット４１で生成された交流電源を整流し、その整流結果に基づいて直流電圧を出力する整流ユニット４２と、バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出し、その検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を出力する制御ユニット４４と、前記変換制御信号によって、前記整流ユニットから出力された直流電圧を交流電圧に変換する変換ユニット４３と、該変換ユニット４３から出力された交流電圧を、所定巻線比によって変圧する変圧ユニット４５と、該変圧ユニット４５で変圧された電圧を所定比で昇圧し、その昇圧された高圧を出力する高圧発生ユニット４６と、該高圧発生ユニット４６から出力された高圧によりマイクロウェーブを発生するマグネトロン４７と、実験により予め設定された前記変換制御信号のデューティ比を保存する保存ユニット４８とを含む。

変換ユニット４３は、セミブリッジインバータ（semi-bridge inverter）からなり、直列接続した第１トランジスタＳ１と第１ダイオードＤ１と、直列接続した第２ダイオードＤ２と第２トランジスタＳ２とを並列接続する。

ここで、第１トランジスタＳ１のエミッタと第１ダイオードＤ１のカソードとが接続し、その接続点から第１変換信号が出力される。前記第１変換信号は、正のパルス電圧である。

また、第２トランジスタＳ２のコレクタと第２ダイオードＤ２のアノードとが接続し、その接続点から第２変換信号が出力される。前記第２変換信号は、負のパルス電圧である。

すなわち、変換ユニット４３は、前記変換制御信号により、前記直流電圧をパルス波形の交流電圧に変換する。

前記変換制御信号は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２をそれぞれオン・オフ制御するための第１及び第２スイッチング信号からなる。

前記第１及び第２スイッチング信号は、同相のパルス波からなり、本発明により前記第１及び第２スイッチング信号は４０％以下のデューティ比に設定される。

変圧ユニット４５は、１次側コイルの巻線比に基づいて変換ユニット４３から出力される交流電圧を変圧し、その変圧された電圧を２次側コイルに誘起する。

以下、このように構成された本発明に係る無電極ランプシステムを制御する方法を図３に基づいて説明する。

図３は、本発明に係る無電極ランプシステムの制御方法を示す動作フローチャートである。

図３に示すように、本発明に係る無電極ランプシステムの制御方法は、バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出する過程（ＳＰ１）と、前記検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を生成する過程（ＳＰ２）と、交流電源を整流し、その整流結果に基づいて直流電圧を生成する過程（ＳＰ３）と、前記変換制御信号により、前記直流電圧を交流電圧に変換する過程（ＳＰ４）と、前記変換された交流電圧を所定巻線比によって変圧し、その変圧された電圧を昇圧する過程（ＳＰ５）と、前記昇圧された電圧によりマイクロウェーブを発生する過程（ＳＰ６）とを含む。

以下、本発明に係る無電極ランプシステムの制御方法を詳細に説明する。

まず、保存ユニット４８は、実験により、バルブ内の物質による最適のデューティ比を設定して保存する。

この状態で、制御ユニット４４は、バルブ内の物質による最適のデューティ比を保存ユニット４８から選択し（ＳＰ１）、その選択されたデューティ比に対応する変換制御信号を生成する（ＳＰ２）。

ここで、電源ユニット４１は、無電極ランプシステムを動作させるための交流電圧を供給し、整流ユニット４２は、前記電源ユニット４１から出力された交流電圧を直流電圧に整流して変換ユニット４３に印加する（ＳＰ３）。

これにより、変換ユニット４３は、前記変換制御信号によって前記直流電圧を交流電圧に変換して変圧ユニット４５に印加する（ＳＰ４）。

ここで、変換ユニット４３は、セミブリッジインバータからなり、前記セミブリッジインバータの内部構成は後述する。

次に、変圧ユニット４５は、１次側コイルの巻線比に基づいて変換ユニット４３から出力された交流電圧を変圧し、その変圧された電圧を２次側コイルに誘起して高圧発生ユニット４６に印加する。

これにより、高圧発生ユニット４６は、変圧ユニット４５を介して２次側コイルに誘起された電圧を昇圧して高圧を発生する（ＳＰ５）。

その後、マグネトロン４７は、高圧発生ユニット４６で発生した高圧を駆動電圧として受信してマイクロウェーブを発生し（ＳＰ６）、マグネトロン４７で発振したマイクロウェーブは導波管及び共振器を介してバルブに供給される。これにより、前記バルブ内のガスが電子衝突によりプラズマ状態になって光を発生する。

ここで、図４は、本発明無電極ランプシステムの動作波形図である。

図２及び図４に基づいて、本発明の主要構成要素である変換ユニットの動作を詳細に説明する。

まず、変換ユニット４３は、セミブリッジインバータからなり、直列接続した第１トランジスタＳ１と第１ダイオードＤ１と、直列接続した第２トランジスタＳ２と第２ダイオードＤ２とを並列接続して構成される。

ここで、第１トランジスタＳ１のエミッタと前記第１ダイオードＤ１のカソードとが接続し、その接続点から第１変換信号が出力される。前記第１変換信号は正のパルス電圧である。

また、第２トランジスタＳ２のコレクタと前記第２ダイオードＤ２のアノードとが接続し、その接続点から第２変換信号が出力される。前記第２変換信号は負のパルス電圧である。

すなわち、変換ユニット４３は、前記変換制御信号により前記直流電圧をパルス波形の交流電圧に変換する。

ここで、前記変換制御信号は、図４に示すように、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２をそれぞれオン・オフ制御するための第１及び第２スイッチング信号からなる。

前記第１及び第２スイッチング信号は、同相のパルス波からなり、本発明に係る前記第１及び第２スイッチング信号は、４０％以下のデューティ比に設定される。

すなわち、制御ユニット４４は、前記第１及び第２スイッチング信号により変換ユニット４３の第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２を同時にターンオンし、該変換ユニット４３は、第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２が同時にターンオンすると、整流ユニット４２から出力された直流電圧を変換して、図４に示すような交流電圧Ｖ_d、−Ｖ_dを変圧ユニット４５の１次側コイルに印加する。

これにより、変圧ユニット４５の１次側コイルに印加された交流電圧が所定巻線比によって変圧されて２次側コイルに誘起され、高圧発生ユニット４６は、変圧ユニット４５に誘起された電圧を昇圧して高圧を出力する。

ここで、変圧ユニット４５の１次側コイルに供給される電流ｉ１の波形は図４に示す通りである。

また、変換ユニット４３の第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２が同時にターンオフすると、変圧ユニット４５に蓄積されたエネルギーはダイオードＤ１、Ｄ２を介して電源側に還流し、変圧ユニット４５の２次側ではダイオードＤ３が導通することにより、変圧ユニット４５のエネルギーが完全に消耗するまでコンデンサＣに電圧が充電される。

ここで、変圧ユニット４５のエネルギーが完全に消耗していない場合、変換ユニット４３の第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２がターンオンすると、エネルギー累積により飽和して破損する問題があるので、制御ユニット４４は、前記の問題に鑑みて第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２をオン・オフさせるスイッチング信号のデューティ比を設定する。

その後、マグネトロン４７を発振させるために、変圧ユニット４５の２次側コイルに位置するカソードヒータ（図示せず）に約１０Ａの電流を供給する。

そうすると、マグネトロン４７は、図５に示すような発振電流ｉ_bmと発振電圧Ｅ_bm波形の特性を有するようになり、これにより、変換ユニット４３の第１及び第２トランジスタＳ１、Ｓ２のターンオンタイムを制御することで、パルス駆動が可能となる。

本発明に係る無電極ランプシステムの構成を示すブロック図である。本発明に係る無電極ランプシステムの構成を示す回路図である。本発明に係る無電極ランプシステムの制御方法に関する動作フローチャートである。本発明に係る無電極ランプシステムの動作波形図である。本発明に係る無電極ランプシステムのマグネトロンの発振電流及び発振電圧を示す波形図である。従来の無電極ランプシステムの構成を示すブロック図である。従来の無電極ランプシステムの構成を示す回路図である。従来の無電極ランプシステムの動作波形図である。

符号の説明

４１電源ユニット
４２整流ユニット
４３変換ユニット
４４制御ユニット
４５変圧ユニット
４６高圧発生ユニット
４７マグネトロン
４８保存ユニット

Claims

実験によりバルブ内の物質によって第１及び第２スイッチング信号のデューティ比が保存される保存ユニットと、
前記保存ユニットから最適のデューティ比を検出し、その検出されたデューティ比に対応する同相の第１及び第２スイッチング信号を出力する制御ユニットと、
前記第１及び第２スイッチング信号により、直流電圧を正の矩形波と負の矩形波とからなる交流電圧に変換する変換ユニットと、
を含むことを特徴とする無電極ランプシステム。
前記第１及び第２スイッチング信号は、４０％以下のデューティ比に設定されることを特徴とする請求項１に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、セミブリッジインバータであることを特徴とする請求項１に記載の無電極ランプシステム。
交流電源を生成する電源ユニットと、
前記電源ユニットで生成された交流電源を整流し、該整流の結果に基づいて直流電圧を出力する整流ユニットと、
バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出し、前記検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を出力する制御ユニットと、
前記変換制御信号により、前記整流ユニットから出力された直流電圧を交流電圧に変換する変換ユニットと、
前記変換ユニットから出力された交流電圧を、所定巻線比によって変圧する変圧ユニットと、
前記変圧ユニットで変圧された電圧を所定比で昇圧し、その昇圧された高圧を出力する高圧発生ユニットと、
前記高圧発生ユニットから出力された高圧によりマイクロウェーブを発生するマグネトロンと、
を含むことを特徴とする無電極ランプシステム。
実験により予め設定された前記変換制御信号のデューティ比が保存される保存ユニットを含むことを特徴とする請求項４に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、セミブリッジインバータであることを特徴とする請求項４に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、直列接続した第１トランジスタと第１ダイオードと、直列接続した第２ダイオードと第２トランジスタとを並列接続したことを特徴とする請求項６に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、前記第１トランジスタのエミッタと前記第１ダイオードのカソードとが接続された接続点から第１変換信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の無電極ランプシステム。
前記第１変換信号は、正のパルス電圧であることを特徴とする請求項８に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、前記第２トランジスタのコレクタと前記第２ダイオードのアノードとが接続された接続点から第２変換信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の無電極ランプシステム。
前記第２変換信号は、負のパルス電圧であることを特徴とする請求項１０に記載の無電極ランプシステム。
前記変換ユニットは、前記変換制御信号により前記直流電圧をパルス波形の交流電圧に変換することを特徴とする請求項４に記載の無電極ランプシステム。
前記変換制御信号は、前記第１トランジスタと第２トランジスタをそれぞれオン・オフ制御するための第１及び第２スイッチング信号からなることを特徴とする請求項４に記載の無電極ランプシステム。
前記第１及び第２スイッチング信号は、同相のパルス波からなることを特徴とする請求項１３に記載の無電極ランプシステム。
前記第１及び第２スイッチング信号は、４０％以下のデューティ比に設定されることを特徴とする請求項１４に記載の無電極ランプシステム。
前記変圧ユニットは、１次側コイルに印加された交流電圧を所定巻線比によって変圧し、その変圧された交流電圧を２次側コイルに誘起することを特徴とする請求項４に記載の無電極ランプシステム。
バルブ内の物質による最適のデューティ比を検出する過程と、
前記の検出されたデューティ比に対応する変換制御信号を生成する過程と、
交流電源を整流し、その整流結果に基づいて直流電圧を生成する過程と、
前記変換制御信号により前記直流電圧を交流電圧に変換する過程と、
前記の変換された交流電圧を所定巻線比によって変圧し、その変圧された電圧を昇圧する過程と、
前記の昇圧された電圧によりマイクロウェーブを発生する過程と、
を行うことを特徴とする無電極ランプシステムの制御方法。
実験により、バルブ内の物質による最適のデューティ比を設定して保存する過程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の無電極ランプシステムの制御方法。
バルブ内の物質による最適のデューティ比を４０％以下に設定して保存することを特徴とする請求項１８に記載の無電極ランプシステムの制御方法。
前記変換制御信号は、同相のパルス波を有する第１及び第２スイッチング信号からなることを特徴とする請求項１７に記載の無電極ランプシステムの制御方法。
前記の変換する過程は、前記変換制御信号により前記直流電圧をパルス波形の交流電圧に変換する過程を含むことを特徴とする請求項１７に記載の無電極ランプシステムの制御方法。
前記の変換する過程は、前記第１及び第２スイッチング信号に同期して正のパルス電圧と負のパルス電圧を連続的に生成する過程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の無電極ランプシステムの制御方法。