KR0172573B1

KR0172573B1 - 방전등용 전자식 안정기

Info

Publication number: KR0172573B1
Application number: KR1019960003438A
Authority: KR
Inventors: 윤용식
Original assignee: 김지형; 덕산메카시스주식회사
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1999-05-01
Also published as: KR970064324A

Abstract

교류 전원을 정류시키기 위한 제1정류 수단, 상기 정류 수단으로부터의 정류 전압을 평활시키기 위한 제1평활 수단, 인덕터(L) 및 기동용 캐패시터(Cp)를 포함하여 상기 방전등을 구동하기 위한 공진형 인버터 수단, 상기 평활된 전압에 응답하여 상기 공진형 인버터 수단에 공진을 트리거시키기 위한 트리거 수단, 상기 공진형 인버터 수단으로부터 전류가 흘러 나올 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제1스위치, 상기 공진형 인버터 수단으로부터 전류가 흘러 들어갈 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제2 스위치, 상기 공진형 인버터 수단으로부터의 상기 전류의 방향에 따라서 상기 제1스위치와 상기 제2스위치 중의 하나가 온되고 다른 하나는 오프되도록 하기 위한 제1스위치 제어수단, 및 상기 공진형 인버터의 전류 방향과 무관하게 상기 제1스위치 및 상기 제2 스위치를 상기 공진 주파수의 주기보다 짧은 주기로 오프시키기 위한 제2스위치 제어 수단을 포함하는 방전등용 안정기가 기재되어 있다.

Description

방전등용 전자식 안정기

제1도는 종래기술에 의한 자려식 방전등용 전자식 안정기의 전력 제어 회로도.

제2도는 종래기술에 의한 타려식 방전등용 전자식 안정기의 전력 제어 회로도.

제3a도는 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 방전 전의 방전등용 전자식 안정기의 등가 회로도.

제3b도는 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 방전 후의 방전등용 전자식 안정기의 등가 회로도.

제3c도는 제3a도 및 제3b도의 각 등가 회로에 대한 공진 특성 곡선을 도시한 도면.

제4도는 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 스위칭 주파수의 변화에 따른 공진 전류의 파형을 개략적으로 도시한 도면.

제5도는 본 발명에 따른 방전등용 전자식 안정기의 일예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 공진형 인버터 20 : 자려식 전자식 안정기

30 : 게이트 구동 회로 40 : 스위칭 제어부

본 발명은 방전등용 전자식 안정기의 전력 제어 회로에 관한 것으로서, 특히 소프트 스타트 기능 및 조광 기능을 가지며, 입력 전압의 변동에도 불구하고 일정한 출력 전압을 유지할 수 있는 방전등용 전자식 안정기의 전력 제어 회로에 관한 것이다.

제1도를 참조하면, 종래기술에 의한 자려식 방전등용 전자식 안정기가 더욱 상세히 도시되어 있다. 종래의 자력식 안정기는 공진형 인버터(10)이 전류 트랜스포머(Tcp, Tcs1, Tcs2)에 의하여 자려식으로 구동되는 방식을 채택하고 있으며, 반도체 스위치로서는 바이폴라 트랜지스터와 같은 여러 가지 스위칭 소자를 이용할 수 있겠으나, 제1도에 도시된 예에서는 전력용 MOSFET(M1, M2)를 이용하고 있다. 이러한 스위칭 트랜지스터(M1, M2)에는 역병렬 다이오드(DM1, DM2)가 연결되어 있는데, 이는 MOSFET자체의 내부에 포함되어 있을 수도 있고 임의로 접속시킨 형태일 수도 있다. 다이오드(Dr1, Dr2, Dr3 및 Dr4)로 구성된 예컨대 브리지 정류 회로와 같은 정류회로는 상용의 교류 전원(Vs)으로부터 전력을 공급받아 이를 정류한다. 이와 같은 정류 회로는 반드시 브리지 정류 회로로 구성될 필요는 없고 전원을 정류하기 위한 것이면 어떠한 종류라도 무방하다. 필터링용 캐패시터(Co)를 포함하는 평활 회로는 정류 회로에 의해 정류된 전원을 평활화시키며, 평활화된(예컨대 직류 전원과 같은) 전원(DC1)을 공진형 인버터에 공급한다. 이러한 평활 회로도 상기와 같이 필터링용 캐패시터(Co)를 포함하는 구조만 포함하는 것은 아니며, 정류된 교류 전원을 평활화시키기 위한 어떠한 형태라도 사용될 수 있다.

상기 평활화된 전원(DC1)은 저항(Rt), 캐패시터(Ct) 및 다이악(Diac : DA)으로 구성된 기동 회로의 캐패시터(Ct)를 충전시키고, 캐패시터(Ct)의 전압이 다이악(DA)를 턴-온시킬 만한 전압이 되면 스위칭 트랜지스터(M2)를 온시켜 트랜지스터(M2)의 드레인 전위를 접지(GND)로 떨어뜨려서, 인덕터(L)과 캐패시터(Cp, Cs1, Cs2)로 구성된 공진 탱크에 계단파의 전원이 인가된 것과 동일한 효과를 가지도록 한다. 따라서, 공진형 인버터에서 스위칭 트랜지스터(M2) 방향으로 전류(Ir)이 흐르게 된다.

1차측 권선(Tcp)과 2차측 권선(Tcs1, Tcs2)으로 구성된 전류 트랜스포머는 1차측(Tcp)에 흐르는 전류의 방향에 따라 2차측(Tcs1, Tcs2)에 전류를 유기하는데, 1차측 권선(Tcp)는 공진형 인버터로부터의 전류 경로에 배치되며, 2차측 권선(Tcs1, Tcs2)는 서로 극성이 반대인 전압이 유기되도록 상기 스위칭 트랜지스터(M1, M2)에 각각 접속된다. 1차측(Tcp)에 흐르는 상기 전류(Ir)은 트랜지스터(M2)를 계속 온시키도록 2차측(Tcs1, Tcs2)에 전류를 유기한다. 공진의 반주기 후에 공진 탱크의 전류가 방향을 바꾸어 흐르면, 2차측(Tcs1 및 Tcs2)에 유기되는 전압의 방향도 각각 반대로 되어, 스위칭 트랜지스터(M2)는 오프되고, 스위칭 트랜지스터(M1)은 온된다. 이와 같이 공진의 반주기마다 스위칭 트랜지스터(M1, M2)가 교대로 온, 오프되는 동작이 반복적으로 수행되어 구형파 전원이 발생되며 방전등(Lm)에 공급된다. 이 구형파 전원은 방전등(Lm)과 병렬로 접속된 캐패시터(Cp) 양단의 전압을 공진의 특성에 따라 증가시켜 방전등(Lm)을 방전시킨다.

종래의 자려식 방전등용 안정기에 의하면 공진형 인버터(10)의 전류가 전류 트랜스포머(Tcp, Tcs1, Tcs2)를 경유하여 스위칭 트랜지스터(M1, M2)를 온/오프시켜 방전등(Lm)을 구동시키기 때문에, 스위칭 트랜지스터를 온/오프시키기 위한 별도의 회로를 구비하는 통상의 방전등 구동 회로에 비해 간단하며 단가가 낮다. 그러나, 자려식 방전등용 안정기는 공전형 인버터(10)의 회로 정수(L, Cp, Cs1, Cs2)에 의해 방전등 구동 전원의 주파수가 고정되므로 단순히 정격 출력만을 낼 수 있다는 단점을 가진다.

따라서, 자려식 방전등용 안정기의 경우, 전원이 인가되면 방전등의 필라멘트를 예열하지 않고 곧바로 방전등 양단에 고압의 전원이 인가된다. 따라서, 방전되는 순간에 가해지는 고압에 의하여 열전자 방사를 돕기 위해 필라멘트에 피복된 물질이 떨어져 나오는 현상(sputtering)이 일어난다. 이러한 현상은 방전등을 흑화시켜 광출력을 감소시키고 방전등의 수명을 줄이는 주요 원인이 된다. 따라서, 방전등의 수명에 큰 영향을 주지 않으면서 방전시키기 위해서는 필라멘트를 충분히 예열시킨 후 방전등을 방전시키는 소프트 스타트(Soft Start) 기능이 요청된다.

제2도는 종래기술에 의한 타려식 방전등용 전자식 안정기의 전력 제어 회로를 개략적으로 도시한 것이다.

타려식 방전등용 전자식 안정기는 공진형 인버터(10), 스위칭 트랜지스터(M1, M2), 전류 트랜스포머(Tcp, Tcs1, Tcs2) 및 게이트 구동회로(30)을 포함한다. 타려식 방전등용 전자식 안정기에 의하면, 공진형 인버터(10)의 공진과는 독립적으로 별도의 전원에 의해 동작하는 게이트 구동회로(30)에 의해 스위칭 트랜지스터(M1, M2)가 온/오프된다. 따라서, 게이트 구동회로(30)를 조절하여 방전등의 출력 제어가 가능하기 때문에 소프트 스타트 기능 및 조광(dimming) 기능을 실현할 수 있다. 그러나, 타려식 방전등용 전자식 안정기의 게이트 구동회로는 일반적으로 4개의 트랜지스터로 브리지를 구성하고 이 각 트랜지스터를 별도로 구동하여 제어함으로써 스위칭 트랜지스터(M1, M2)의 게이트를 구동하기 때문에 회로가 지나치게 복잡하여 비용이 증가하고 전력 손실이 커지는 단점이 있다.

따라서, 자려식 방전등용 안정기와 같이 그 회로가 간단하여 단가가 낮으며, 타려식 방전등용 전자식 안정기와 같이 전력 제어 및 소프트 스타트가 가능한 방전등용 전자식 안정기가 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 소프트 스타트 기능을 가지는 방전등용 전자식 안정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 조광 기능을 가지는 방전등용 전자식 안정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 입력 전압의 변동에도 불구하고 일정한 출력 전압을 유지할 수 있는 방전등용 전자식 안정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 의하면, 교류 전원을 정류시키기 위한 제1정류 수단, 상기 정류 수단으로부터의 정류 전압을 평활시키기 위한 제1평활 수단, 인덕터(L) 및 기동용 캐패시터(Cp)를 포함하여 상기 방전등을 구동하기 위한 공진형 인버터 수단, 상기 평활된 전압에 응답하여 상기 공진형 인버터 수단에 공진을 트리거시키기 위한 트리거 수단, 상기 공진형 인버터 수단으로부터 전류가 흘러 들어갈 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제1스위치, 상기 공진형 인버터 수단으로부터의 전류가 흘러 들어갈 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제2스위치, 상기 공진형 인버터 수단으로부터의 상기 전류의 방향에 따라서 상기 제1스위치와 상기 제2스위치 중의 하나가 온되고 다른 하나는 오프되도록 하기 위한 제1스위치 제어수단, 및 상기 공진형 인버터의 전류 방향과 무관하게 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 상기 공진 주파수의 주기보다 짧은 주기로 오프시키기 위한 제2스위치 제어수단을 포함하는 방전등용 전자식 안정기가 제공된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

제3a도를 참조하면, 방전 전의 방전등용 전자식 안정기의 개략적인 등가 회로가 도시되어 있다. 방전되기 전의 방전등(Lm)의 양극 사이는 개방 상태이므로, 필라멘트 저항(Rf1, Rf2)이 인덕터(L)과 기동용 캐패시터(Cp)에 직렬로 연결되어 있는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 등가회로는 이를테면 구형파의 구동 전원, 인덕터(L), 기동용 캐패시터(Cp), 필라멘트 저항(Rf1+Rf2=Rf*2), 및 캐패시터(Cs)를 포함하는 직렬공진회로로 근사시킬 수 있다. 여기서, 캐패시터(Cs)는 형광등에 평활화된 전원(DC1)의 1/2의 전압을 공급하기 위한 것으로서, 교류적으로는 공진 전류를 흐르게 하고 직류적으로는 차단시킨다. 일반적으로 캐패시터(Cs)는 캐패시터(Cp)보다 상당히 큰 값을 가지므로 직렬 연결된 캐패시터(Cp)와 캐패시터(Cs)는 캐패시터(Cp)만으로 근사시킬 수 있다.

이제, 제3b도를 참조하면 방전 후의 방전등용 전자식 안정기의 등가 회로가 도시되어 있다. 방전이 개시되면, 방전등은 저항 성분(Rlamp)이 캐패시터(Cp)와 병렬 연결되어 있는 것으로 볼 수 있다. 이 저항 성분(Rlamp)의 값은 방전후에는 캐패시터(Cp)의 임피던스에 비하여 상당히 작으므로, 병렬 연결된 이 저항(Rlamp)과 캐패시터(Cp)는 저항(Rlamp) 만으로 근사시킬 수 있다. 따라서, 등가회로는 이를테면 구형파인 구동 전원, 인덕터(L), 캐패시터(Cs) 및 방전등의 방전시 등가 저항(Rlamp)를 포함하는 직렬공진회로로 근사시킬 수 있다.

일반적으로, 저항 R, 인덕터L 및 캐패시턴스 C로 이루어지는 직렬공진회로에서 공진특성곡선은 아래의 식(1)로 정의되는 Quality factor(Qo)에 의하여 정해진다.

위 식에서 Qo의 값이 클수록 공진 곡선은 더욱 첨예해지고 대역폭이 줄어들어 주파수 선택성이 좋아진다. 이 식에 따르면, 방전 전의 방전등의 경우 필라멘트 저항(Rf1, Rf2)가 상당히 작은 값을 가지므로 Qo가 보통 10이상이 되어 공진 곡선이 매우 첨예하고 대역폭이 좁은 반면에, 방전 후의 방전등의 경우 방전등의 등가저항(Rlamp)가 비교적 큰 값을 가지므로 Qo가 보통 1정도이거나 그 미만으로 공진 곡선이 그다지 첨예하지 않고 대역폭이 비교적 넓다.

제3c도를 참조하면, 제3a도 및 제3b도의 각 등가 회로에 대한 공진 특성 곡선이 도시되어 있다. 가로축은 공진형 인버터(10)에 인가되는 구동 전원(20 또는 30)의 주파수이며 세로축은 직렬 공진 회로의 완전 공진 전류 Io에 대하여 정규화한 공진 전류 I이 값으로서, 공진회로의 입력인 구형파전압 Vrec(근사적으로 구형파의 제1고조파 전압)에 대한 저항(Rf*2 또는 Rlamp)에서의 전압 Vload의 비와 같다. 따라서 제3c도에서 세로축의 값이 클수록 공진회로의 정해진 구형파에 대한 출력 전력은 세로축의 값에 제곱으로 비례하여 커진다.

제3c도를 참조하면, 방전 전후의 어느 경우이든 구동 전원의 주파수가 공진 주파수보다 큰 경우에는 출력 전력이 구동 전원의 주파수와 반비례함을 알 수 있다. 전술한 바와 같이 소프트 스타트를 위해서는 방전이 개시되기 전에 방전등의 양단 전압을 방전 개시 전압보다 작은 범위 내의 전압으로 하여, 방전등의 필라멘트를 충분히 예열시키는 것이 바람직하다. 한편 방전이 개시되기 전의 방전등에서는 공진 전류가 작은 저항값(Rf*2)의 필라멘트로만 흐르기 때문에 출력 전력이 비록 정상 상태에서의 값보다 작다고 하여도 필라멘트를 예열시키기에는 충분한 정도이다. 따라서, 방전 전의 스위칭 주파수를 공진 주파수보다 높은 범위에서 가변시켜 조정할 수 있다. 즉, 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 높을수록 이에 반비례하여 출력전력이 줄어들기 때문에, 방전등의 양단 전압이 방전개시 전압에 이르는 것을 막을 수 있다. 또한, 방전후의 정상 상태에서도 전술한 바와 같이 스위칭 주파수를 공진 주파수보다 높은 범위에서 가변시켜 조정함으로써, 출력 전력을 조절할 수 있다.

제4도는 스위칭 주파수의 변화에 대한 공진 전류의 개략적인 파형으로 스위칭 주파수를 더욱 높일수록 방전등에서 빛으로 발생하는 출력전력이 줄어드는 것을 잘 보여준다. 따라서, 스위칭 주파수를 가변가능하도록 함으로써 전자식 안정기의 조광(dimming) 기능이 가능해진다.

본 발명은 자려식 구동의 일반적인 전자식 안정기를 이용하면서도 전력 제어에 의한 여러 가지 장점을 얻을 수 있도록 하기 위한 전력 제어 회로로서, 스위칭 트랜지스터를 공진 주파수의 주기보다 짧은 주기로 오프시켜 스위칭 주파수를 가변시키는 간단한 회로로 구성된 새로운 형태의 전력 제어회로를 그 신규한 특징으로 한다.

제5도를 참조하면, 본 발명에 따른 방전등용 전자식 안정기의 일예가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방전등용 전자식 안정기는, 공진형 인버터(10), 스위칭 트랜지스터(M1, M2) 및 전류 트랜스포머(Tcp, Tcs1, Tcs2)를 구비하는 종래의 자려식 전자식 안정기(20)을 포함한다. 종래의 자려식 전자식 안정기(20)은 전술한 바와 같이, 전원이 인가되면 전술한 바와 같이 스위칭 캐패시터(M1, M2)가 교대로 온/오프되는 동작을 반복적으로 수행한다.

본 발명에 따르면, 상기 전류 트랜스포머의 2차측 권선(Tcs1, Tcs2)와 결합된 또 하나의 권선(Tcs3)가 추가되는데, 이 추가 권선(Tcs3)에 유기된 전류는 다이오드(D1, D2, D3, D4)로 구성된 예컨대 브리지 정류 회로와 같은 정류 회로에 의하여 정류된다.

이와 같은 정류 회로도 또한 반드시 브리지 정류 회로로 구성될 필요는 없으며, 교류 전원을 정류하기 위한 것이면 어떠한 것이라도 된다. 필터링용 캐패시터(Cic)를 포함하는 제어부 전원 평활 회로는 정류회로(D1, D2, D3, D4)에 의해 정류된 전원을 평활화시켜 예컨대 직류 전원과 같은 평활화된 제어부 전원(DC2)을 발생시킨다. 이러한 제어부 전원 평활 회로는 필터링용 캐패시터(Cic)를 포함하는 구조만 포함하는 것이 아니며, 정류된 교류 전원을 평활화시키기 위한 어떠한 형태라도 사용될 수 있다.

평활화된 제어부 전원(DC2)는 바람직하게는 역전류 방지 회로(D5)를 경유하여 스위칭 제어부(40)에서 사용되는 전원을 공급한다. 본원 발명에 의하면, 스위칭 제어부(40)의 전원이 전류 트랜스포머의 추가된 권선(Tc4)에 유기된 전원을 이용하므로, 별도의 독립 전원이 불필요하여 회로가 간단하며 전력손실을 거의 발생시키지 않는 장점이 있으나, 별도의 독립전원을 사용하거나 상용의 교류 전원을 평활화한 전원(DC1)을 사용하여 스위칭 제어부(40)의 전원으로 사용하여도 좋다.

스위칭 제어부(40)은 기준 전압(Vz)을 제공하는 기준 전압 회로(Dz), 전류 공급 회로(Q1, Q2), 캐패시터(Cst), 이 캐패시터(Cst)의 전압과 기준 전압(Vz)을 비교하는 비교 회로(R7, R8), 비교 회로의 비교 결과에 응답하여 캐패시터(Cst)을 방전시키는 스위치(Q9, Q10), 및 전류 조절용 저항(R1 내지 R5)과 타이머용 캐패시터(Cph, Css)를 구비하는 전류 조절 회로(50)을 포함한다.

전류 공급 회로는 바람직하게는 트랜지스터(Q1, Q2)로 구성된 전류 미러(current mirror)로 구성되는데, 캐패시터(Cst)에 전류(Ist)를 공급하여 충전시킨다. 비교 회로(R7, Q3, Q8)은 캐패시터(Cst)에 충전된 전압(Vst)과 예컨대 제너 다이오드(Dz)와 같은 기준 전압 회로가 제공하는 기준 전압(Vz)을 비교한다. 비교 회로는 바람직하게는 저항(R7)과 트랜지스터(Q3)의 베이스 에미터 접합을 경유하여 기준 전압 회로(Dz)에 베이스에 접속되고 캐패시터(Cst)에 에미터가 접속되는 트랜지스터(Q8)을 포함한다. 이러한 비교 회로는 반드시 상기 구성을 가질 필요는 없으며 캐패시터 전압(Vst)와 기준 전압(Vz)을 비교하여 비교 결과에 따라 소전의 제어 신호를 발생하는 것이면 어떠한 구성이라도 좋다. 또한, 기준 전압 회로도 또한 반드시 제너 다이오드로 구성되어야 하는 것은 아니며, 소정의 기준 전압을 제공하는 것이면 어떠한 회로라도 사용될 수 있다.

캐패시터(Cst)가 충전되어 전압(Vst)과 기준 전압(Vz)보다 높으면 비교부의 트랜지스터(Q8)은 온되어, 캐패시터(Cst)에 충전된 전하를 트랜지스터(Q9) 및 트랜지스터(Q9)의 베이스에 공급하여 트랜지스터(Q9, Q10)을 온시킨다. 따라서, 캐패시터(Cst)에 충전된 전하는 방전되며, 캐패시터(Cst)의 전위(Vst)는 내려간다. 이에 따라 Vst가 기준 전압(Vz)보다 작게 되어 비교 회로의 트랜지스터(Q8)은 오프되며, 캐패시터(Cst)의 충전이 다시 시작되게 된다. 이렇게 캐패시터(Cst)가 충전과 방전을 반복함으로써, 캐패시터(Cst)의 전압(Vst)는 톱니파 모양을 가지게 된다. 트랜지스터(Q9)는 바람직하게는 비료 회로의 트랜지스터(Q8)과 함께 PNPN의 사이리스터(thyristor, SCR) 구조를 이루어, Vst가 기준 전압(Vz)보다 큰 경우에 캐패시터(Cst)의 전하를 신속히 방전시킨다. 그러나, 트랜지스터(Q8, Q9)가 반드시 사이리스터 구조를 가져야 하는 것은 아니며, 캐패시터(Cst)에 충전된 전하를 신속히 방전시키기 위한 어떠한 구성이라도 좋다.

트랜지스터(Q10)은 바람직하게는 정류 회로의 다이오드(D1 내지 D4)를 경유하여 추가된 권선(Tcs3)에 연결된다. 따라서, 캐패시터(Cst)의 전압(Vst)가 기준 전압(Vz)보다 커서 트랜지스터(Q10)이 온되면, 트랜지스터(Q10)은 전류 트랜스포머의 추가된 권선(Tcs3)를 단락시킨다. 이에 따라, 스위칭 트랜지스터(M1, M2)에 접속된 2차측 권선(Tcs1, Tcs2)에 공급되는 전력이 차단되므로, 스위칭 트랜지스터(M1, M2)는 1차측 권선(Tcp)의 전류 방향과 무관하게 모두 오프된다. 스위칭 트랜지스터(M1, M2)가 오프되면 공진 전류가 급격히 감소하며, 이에 의해 파형 변화를 야기하여 트랜지스터(M1 또는 M2)의 턴온을 앞당긴다. 공진형 인버터(10)은 캐패시터(Cst)의 전압의 후속되는 톱니파 주기 동안에 공진의 다음 반주기를 시작한다. 전술한 바와 같이, 스위칭 트랜지스터(M1, M2)는 교대로 온/오프하는 스위칭을 하기 때문에, 스위칭 주파수는 캐패시터(Cst)에서 발생하는 톱니파 주파수의 1/2이 된다. 따라서, 톱니파의 주기를 조절함으로써 공진형 인버터의 스위칭 주파수를 조절할 수 있다.

상기 톱니파의 주기는 Vst가 설정된 기준 전압(Vz)까지 도달하는 시간과 캐패시터(Cst)의 양단에 충전된 전하가 방전되는 시간이 합이 되며, 이 톱니파 주파수는 아래의 식(2)로 표시된다.

식(2)에서 알 수 있듯이 톱니파 주파수는 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류에 비례하여 증가하며, 이 전류를 가변시켜 톱니파의 주파수를 조절할 수 있다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 전류 조절용 저항(R1 내지 R5)과 타이머용 캐패시터(Cph, Css)를 포함하는 전류 조절 회로(50)에 의하여 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류(Ist)의 크기를 조절하여 톱니파의 주기를 조절한다. 즉, 전류 조절 회로(50)이 전류를 많이 흘려줄수록 캐패시터(Cst)는 빨리 충전되어 기준 전압까지 도달하는 시간이 짧으므로 톱니파의 주파수가 크고, 전류 조절 회로(50)이 전류를 적게 흘려줄수록 캐패시터(Cst)는 천천히 충전되어 톱니파의 주파수가 작게 된다.

즉, 전류 조절 회로(50)에 의해 전류(Ist)를 크게 하면, 톱니파의 주파수가 커지므로 스위칭 트랜지스터(M1, M2)의 스위칭 주파수도 커지게 된다. 전류 조절 회로(50)에 의해 전류(Ist)를 작게 하면, 톱니파의 주파수가 작아지므로 스위칭 트랜지스터(M1, M2)이 스위칭 주파수도 작아지게 된다. 전술한 바와 같이 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 큰 경우, 스위칭 주파수와 공진형 인버터(10)의 출력 전력은 반비례하므로, 전류 조절 회로(50)에 의해 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류(Ist)를 조절하여 스위칭 주파수를 제어함으로써, 공진형 인버터(10)의 출력 전력을 조절(dimming)할 수 있다.

전류 조절 회로(50)은 바람직하게는 저항(R1, R2), 캐패시터(Cph) 및 트랜지스터(Q6)를 포함하는 제1타이머 회로, 캐패시터(Css)와 트랜지스터(Q7)을 포함하는 제2 타이머 회로, 및 전류 조절용 저항(R3, R4, R5)를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전류 조절 회로(50)은 방전되기 전에 필라멘트를 예열시키는 예열단계; 방전등을 방전시키는 방전 개시 단계; 및 방전등의 출력 조절이 가능한 정상 단계의 3단계로 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류(Ist) 및 그에 따른 스위칭 주파수를 제어한다.

제1 및 제2 타이머 회로는 상기 예열 단계와 방전 개시 단계의 지속 시간을 제어하며 전류 조절용 저항(R3, R4, R5)는 예열 단계, 방전 개시 단계 및 정상 상태에서 캐패시터(Cst)에 흐르는 전류의 크기를 조절한다.

제1타이머 회로는 상기 평활화된 제어부 전원(DC2)에 직렬로 연결된 캐패시터(Cph)와 저항(R1, R2) 및 저항(R1, R2)의 접속점에 베이스가 연결되고 전류 공급 회로 저항(R3)를 경유하여 콜렉터가 연결된 트랜지스터(Q6)을 포함하는데, 방전 개시 한다. 제1타이머 회로는 캐패시터(Cph)가 충전되어 저항(R2) 양단의 전압이 트랜지스터(Q6)를 오프시킬 만한 전압으로 내려갈 때까지 트랜지스터(Q6)을 온시켜, 전류 공급회로로부터의 전류가 저항(R3)와 온되어 있는 트랜지스터(Q6)을 경유하여 흐르도록 한다. 따라서, 저항(R3)의 값을 캐패시터(Cst)에 흐르는 전류가 조절된다. 이 전류에 의하여 정하여지는 스위칭 주파수는 공진 주파수보다 높은 범위에서 조정된다. 전술한 바와 같이, 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 높을수록 이에 반비례하여 출력전력이 줄어들기 때문에, 저항(R3)에 의하여 캐패시터(Cst)에 흐르는 전류를 적절히 조절함으로써 방전등의 양단 전압이 방전개시 전압에 이르는 것을 막을 수 있다. 방전이 개시되기 전의 방전등에서는 공진 전류가 작은 저항값의 필라멘트로만 흐르기 때문에 출력전력이 비록 정상상태에서의 값보다 작다고 하여도 필라멘트를 예열시키기에는 충분한 정도이다. 즉, 저항(R3)를 충분히 큰 전류가 흐르도록 하는 소정의 값으로 설정함으로써 공진형 인버터(10)의 출력 전력이 낮아지고 방전등의 양단에 방전 개시 전압보다 작은 범위 내의 전압이 인가되어 방전등(Lm)의 필라멘트가 방전되기 전에 예열되게 되는데, 이는 제1타이머 회로에 전원이 인가되고 난 후 캐패시터(Cph)가 충전되어 저항(R2) 양단의 전압이 점점 줄어들어 트랜지스터(Q6)가 오프될 때까지 계속되며, 이후에는 후속하는 방전 개시 단계가 진행된다.

제2타이머 회로는 전류 공급 회로에 연결된 트랜지스터(Q7)과 이 트랜지스터(Q7)의 베이스/에미터 사이에 연결된 캐패시터(Css)를 포함한다. 트랜지스터(Q6)가 오프된 후, 캐패시터(Css)가 충전되어 트랜지스터(Q7)을 온시킬 때까지, 전류 공급 회로로부터의 전류는 저항(R3, 및 R4) 및 캐패시턴스(Css)를 경유하여 흐른다. 따라서, 저항(R3)와 저항(R4)가 직렬로 연결된 저항의 값(R3+R4)에 의하여 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류의 크기가 정하여진다. 저항값이 예열 단계에서 보다 크므로 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류는 예열 단계에서보다 줄어든다.

방전 개시 단계에서는 캐패시터(Cst)로 흘리는 전류가 감소되어 Vst의 전압상승이 지연되므로 스위칭 주파수가 감소된다. 따라서, 출력 전력이 예열 단계에 비해 커지며 그 전력이 방전 개시 전력에 가까워짐에 따라 방전이 일어나게 되며, 캐패시터(Css)가 충전되어 트랜지스터(Q7)이 온된 이후에는, 후속되는 정상 단계로 진행한다.

방전이 일어나기 전에 방전등의 필라멘트가 충분히 예열되므로 전술한 종래기술의 문제점인 흑화 현상이 일어나지 않게 된다.

트랜지스터(Q7)이 온된 이후에는, 전류 공급 회로로부터의 전류가 단락된 트랜지스터(Q7) 및 가변 저항(R5)를 경유하여 흐르게 된다. 따라서, 가변 저항(R5)에 의하여 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류의 크기가 정하여 진다. 스위칭 주파수가 공진 주파수보다 높은 경우, 스위칭 주파수와 출력 전력은 반비례하기 때문에, 가변 저항(R5)에 의하여 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류를 적절히 조절함으로써 방전등의 출력을 조절할수 있다. 결국 고정된 방전 공진 주파수에 대하여 인가하는 스위칭 주파수로 인한 임피던스가 변화하여 흐르는 전류를 증감시켜 조광기능을 하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 전류 조절 회로(50)이 예열단계, 방전 개시 단계 및 정상 단계의 3단계로 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류(Ist) 및 그에 따른 스위칭 주파수를 제어하지만, 소프트 스타팅 기능만을 구현하는 경우에는 예열단계와 방전 개시 단계의 2단계만으로, 출력 전력 조절 기능만을 구현하는 경우에는 방전 개시 단계와 정상 단계의 2단계만으로 제어하여도 좋다.

출력 전력 균일화 회로는 공진형 인버터(10)의 평활화된 전압(DC1)을 감지하기 위한 전압 감지 회로(R13, R14), 및 전류 공급 회로로부터의 전류 중에서 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류를 가변시키기 위한 전류 분할 회로(Q4, Q5, Q6)를 포함한다. 전압 감지 회로의 저항(R13, R14)는 평활화된 전원(DC1)과 접지 사이에 직렬로 연결되어 공진형 인버터(10)의 평활화된 전압(DC1)을 감지한다. 전류 분할 회로의 트랜지스터(Q4, Q5) 및 저항(R6)는 저항(R6)으로 증폭이득이 조정되는 차동증폭기를 이룬다.

평활화된 전압(DC1)이 낮아지면 트랜지스터(Q8)의 베이스 에미터 양단의 전압이 커져서 트랜지스터(Q8)을 경유하여 흐르는 전류가 증가되므로 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류와 스위칭 주파수는 감소된다. 평활화된 전압(DC1)이 높아지면 트랜지스터(Q8)의 베이스 에미터 양단의 전압이 작아져서 트랜지스터(Q8)을 경유하여 흐르는 전류가 감소되므로 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류 및 스위칭 주파수는 증가된다. 전술한 바와 같이 스위칭 주파수와 방전등의 출력 전력은 반비례하므로, 평활화던 전압(DC1)이 낮아지면 출력 전력이 증가하고, 평활화된 전압(DC1)이 높아지면 출력 전력이 감소하므로 전체적으로는 평활화된 전압(DC1)의 변동에 무관하게 비교적 균일한 출력 전력을 얻을 수 있게 된다. 출력 균일화 회로는 반드시 상기 구성을 가져야 하는 것은 아니며, 평활화된 전압(DC1)의 변동에 따라 캐패시터(Cst)로 흐르는 전류를 가변시켜 스위칭 주파수를 조정하여 출력을 균일화시킬 수 있는 것이면 어떠한 구성이어도 좋다.

리렛 회로는 저항(R10), 캐패시터(Crec), 트랜스포머(Tst) 및 다이오드(D7, D8)를 구비하는 타이밍 검출 회로, 및 저항(R11, R12), 다이오드(D9) 및 트랜지스터(Q11)을 구비하는 리셋 스위치를 포함하는데, 타이밍 검출 회로가 스위칭 트랜지스터(M1, M2)의 스위칭 순간을 감지하면 리셋 스위치는 캐패시턴스(Cst)의 전하를 완전히 방전시켜 재기동시킨다. 스위칭 트랜지스터(M1, M2)중의 적어도 하나가 스위칭되어 전류가 변화하면, 이 변화가 저항(R10), 캐패시터(Crec) 및 트랜스포머(Tst)를 경유하여 다이오드(D7, D8)에 전류를 유기한다. 이 전류에 의해 트랜지스터(Q11)이 온되며, 캐패시터(Cst)에 충전된 전하가 트랜지스터(Q11)을 경유하여 신속히 방전된다. 리셋 회로는 반드시 상기 구성을 가질 필요는 없으며, 스위칭 트랜지스터(M1, M2)의 스위칭 순간을 감지하여 캐패시턴스(Cst)의 전하를 완전히 방전시켜 재기동시킬 수 있는 것이면 어떠한 구성을 가져도 좋다.

본 발명이 특히 바람직한 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 형식과 세부 사항에 있어서 다양하게 변경시킬 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어 본 발명은 캐패시터(Cst)를 충전시켜 만들어진 톱니파를 이용하여 스위치(M1, M2)를 오프시켰지만, 본 발명은 이에 한하는 것이 아니며 캐패시터(Cst)나 톱니파를 이용하지 않고서도 스위치(M1, M2)를 공진 주파수보다 짧은 주기로 오프시키기만 하면 어떠한 구성을 가져도 된다는 것을 잘 알 수 있을 것이다.

Claims

교류 전원을 정류시키기 위한 제1정류 수단; 상기 정류 수단으로부터의 정류 전압을 평활시키기 위한 제1평활 수단; 인덕터(L) 및 기동용 캐패시터(Cp)를 포함하여 상기 방전등을 구동하기 위한 공진형 인버터 수단; 상기 평활된 전압에 응답하여 상기 공진형 인버터 수단에 공진을 트리거시키기 위한 트리거 수단; 상기 공진형 인버터 수단으로부터 전류가 흘러 나올 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제1스위치; 상기 공진형 인버터 수단으로부터 전류가 흘러 들어갈 수 있도록 전류 경로를 제공하기 위한 제2스위치; 상기 공진형 인버터 수단으로부터의 상기 전류의 방향에 따라서 상기 제1스위치와 상기 제2스위치 중의 하나가 온되고 다른 하나는 오프되도록 하기 위한 제1스위치 제어 수단; 및 상기 공진형 인버터의 전류 방향과 무관하게 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 상기 공진 주파수의 주기보다 짧은 주기로 오프시키게 위한 제2스위치 제어수단을 포함하는 방전등용 안정기.
제1항에 있어서, 상기 제2스위치 제어 수단은 상기 공진 주파수의 반주기보다 짧은 주기로 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치를 오프시키는 방전등용 안정기.
제1항에 있어서, 상기 제1스위치 제어 수단은 상기 공진형 인버터로부터의 전류의 경로에 배치된 1차권선, 및 상기 제1스위칭 수단 및 상기 제2스위칭 수단 각각에 접속되며 서로 극성이 반대인 전압이 유기되도록 되어 있는 두개의 2차 권선으로 구성된 전류 트랜스포머를 포함하는 방전등용 안정기.
제1항에 있어서, 상기 제2스위치 제어 수단은 톱니파 발생 수단 및 톱니파 주기 조절 수단을 포함하는 방전등용 안정기.
제4항에 있어서, 상기 톱니파 발생 수단은 기준 전압 발생 수단, 제1캐패시터, 상기 제1캐패시터에 전류를 공급하여 충전시키기 위한 전류 공급 수단, 상기 제1캐패시터의 전압과 상기 기준 전압을 비교하기 위한 비교 수단, 및 상기 비교 수단에 접속되어 있으며, 상기 제1캐패시터의 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우에 상기 제1캐패시터를 방전시키기 위한 제3스위치를 포함하는 방전등용 안정기
제5항에 있어서, 상기 전류 공급 수단은 상기 제1캐패시터에 연결된 전류 미러(current mirror)를 포함하며, 상기 톱니파 주파수 조절 수단은 상기 전류 공급 수단에 연결된 저항 수단 및 상기 저항 수단의 저항값을 변화시키기 위한 저항 조절 수단을 포함하는 방전등용 안정기.
제6항에 있어서, 상기 저항 조절 수단은 타이머 수단을 포함하며 상기 타이머 수단의 제어에 따라 상기 저항 수단의 저항값을 증가시키는 방전등용 안정기.
제6항에 있어서, 상기 저항 수단은 수동 조절 가능한 가변 저항을 포함하는 방전등용 안정기.
제3항에 있어서, 상기 제2스위치 제어수단은 상기 전류 트랜스포머의 상기 2차 권선과 결합된 또 하나의 권선, 및 상기 또하나의 권선을 단락시키기 위한 제4스위치를 포함하는 방전등용 안정기.
제9항에 있어서, 상기 또 하나의 권선에 유기되는 전압을 정류시키기 위한 제2 정류수단, 및 상기 제1정류수단으로부터의 정류 전압을 평활시키기 위한 제2평활 수단을 더 포함하는 방전등용 안정기.
제4항에 있어서, 상기 평활된 전압을 감지하기 위한 전압 감지 수단, 및 상기 감지 수단과 결합되어 있으며, 상기 평활된 전압이 낮아지면, 상기 제1 캐패시터에 흐르는 전류를 감소시키고 상기 평활된 전압이 높아지면 상기 제1캐패시터에 흐르는 전류를 증가시키는 전류 분할 수단을 구비하는 출력 전력 균일화 수단을 더 포함하는 방전등용 안정기.
제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 스위치의 온/오프를 감지하기 위한 타이밍 검출 수단, 및 상기 타이밍 검출 수단과 접속되어 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치 중의 적어도 하나의 온/오프 상태가 바뀌는 경우에 상기 제1캐패시터를 방전시키기 위한 제5스위치를 구비하는 리셋 수단을 더 포함하는 방전등용 안정기.