KR100290666B1 - 형광등용 압전전자식 안정기 - Google Patents

형광등용 압전전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

압전세라믹 공진자와 이에 직열로 연결된 콘덴서로 구성된 회로를 형광등에 병렬로, 그리고 형광등의 필라멘트에 직렬로 연결하여 형광등을 부드럽게 점등시키는데 필요한 신뢰성있는 필라멘트 예열수단을 제공한다. 또한 압전세라믹 공진자와 이에 직열로 연결된 콘덴서로 구성된 회로에 병열로 압전세라믹 공진자를 하나 또는 그 이상을 연결할 수 있다.
압전세라믹 공진자는 각형 판, 원판, 원통형 등의 모양으로 성형된 압전세라믹 부품이다. 압전세라믹 공진자의 크기나 형태에 따라 진동모드, 전자기계적 공진주파수, 주파수 특성이 결정된다. 직경방향, 두께방향 또는 길이방향의 진동은 압전전자식 안정기에 적용시키기 가장 적합하다. 압전세라믹 공진자와 주파수 선택 부품인 압전전자식 필터는 전계가 수 V/㎜를 넘지 못하는 약한 교류 전기장에서 널리 사용되고 있다.
본 발명은 압전세라믹 공진자를 전자식 안정기에서와 같이 압전세라믹 부품의 전계가 수백 V/mm에 이르는 전력 전자 분야에의 응용을 제시한다. 압전세라믹 공진자의 공진주파수 대역 폭은 주파수 특성이 다른 여러 가지 압전세라믹 공진자를 복수로 서로 병열연결하여 사용하거나 압전세라믹 공진자의 진동을 기계적으로 구속함으로서 확대한다

Description

형광등용 압전전자식 안정기(piezoelectronic ballast for fluorescent lamp)
발명의 분야
본 발명의 형광등에 사용되는 압전전자식 안정기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 형광등을 압전체를 이용하여 전자식으로 점등하거나 제어하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 압전전자식 안정기는 압전세라믹 기능 소자뿐만 아니라 개별 반도체 장치와 집적회로로 구성된 전자장치에 관한 것이다.
발명의 배경
형광등 발광 효율과 광속의 안정성은 상용전원의 주파수인 50㎐에서 60㎐에 비해 더욱 높은 주파수에서 작동될 때 향상된다는 것이 알려져 있다.
자기식 변압기와 점등장치를 가진 통상의 자기식 안정기(electro- magnetic ballast)는 발광 효율이 높고, 고조파 왜율(harmonic distortion)이 적고, 형광등의 수명이 길어야 한다는 요즘의 요구조건을 만족시키지 못하고 있다. 이것은 안정기가 낮은 주파수에서 작동하고, 점등할 때 발생하는 전압의 피이크(peak)를 제어하지 못하기 때문이다.
최근에 이러한 요구조건을 만족시키는 전자식 안정기(an electronic ballast)가 소개되고 있다. 10㎑에서 80㎑에서 작동하는 전자식 안정기의 기본단위는 정류기(a rectifier), 고주파 발생기(a high frequency converter), 그리고 LC 공진회로로 구성되어 있고, 형광등은 LC 공진회로에 포함된다.
좋은 품질의 전자식 안정기는 안정기의 수명뿐만 아니라 형광등의 수명을 길게 하기 위하여 다음과 같은 특성을 가지도록 유의해야 한다. 즉, 형광등의 필라멘트는(순간 점등식 형광등의 경우 제외) 정상적으로 예열되어야 하고, 부드럽게 점등되기 위하여 전압의 피이크(peak)는 낮아야 하고, 방전전류는 형광등이 점등되고 난 뒤 안정되어야 하고, 방전의 안정성과 광속의 안정성을 위하여 입력전원의 전압변동을 고려해야 하고, 역율과 형광등 수명의 말기 현상을 고려해야 하고, 전류 및 전압의 고조파 왜곡은 적어야 하고, 전자기 간섭은 생기지 않아야 한다.
유럽 공동체 특허 0359245에는 전자기식 안정기가 공개되어 있지만 위와 같은 모든 요구조건을 만족시키지 못한다. 현재 대부분의 형광등에는 점등특성을 향상시키고 형광등의 수명을 연장시키기 위하여 유리관의 양끝에 위치한 필라멘트가 설치되어 있다. 필라멘트를 예열시키면 주위에 스페이스 차지(space charge)가 발생하고, 이는 이온화 전압을 매우 낮추어 형광등이 부드럽게 점등되도록 한다. 형광등 수명을 연장시키기 위하여 예열전류는 적절하게 조절되어야 하고, 점등할 때 피이크전류와 피이크전압으로부터 에미터(emitter)를 보호하기 위하여 점등전압은 최소화시켜야 한다.
독일특허 3835533 A1의 전자식 안정기에는 정계수 서미스터(a PTC thermistor)가 예열전류를 조절하는 점등 콘덴서에 병렬로 연결되어 있다. 서미스터는 형광등을 점등하기 전에 필라멘트를 예열시키는 수단이 된다. 메인 스위치를 올리면 서미스터의 저항이 낮기 때문에 필라멘트에 큰 예열전류가 흐르기 시작한다. 서미스터의 저항이 예열전류 때문에 높아지면 주 공진회로가 작동하기 시작하고 형광등을 점등시키기 위한 고전압이 형광등을 가로질러 걸린다. 서미스터의 저항 값은 주변온도에 의존하기 때문에 작동온도가 넓은 범위에서 예열전류는 정확하게 조절되기 어렵다. 덧붙이자면, 형광등을 끄고 짧은 시간 안에 다시 켜면 서미스터의 저항은 천천히 회복되기 때문에 예열효과는 사라지게 될 것이다.
영국특허 2267002에는 점등 콘덴서에 추가하여, 필라멘트를 예열시키기 위하여 형광등에 병렬로 보조 콘덴서를 연결한 LC 공진회로에 기초한 전자식 안정기를 공개하고 있다. 보조 콘덴서는 타이머 릴레이 스위치에 의해 정해진 시간 안에 회로에서 분리되고 그때 주 공진 과정에서 형광등의 점등에 필요한 고전압이 생긴다. 이런 선행기술에서는, 필라멘트 예열용 전류는 콘덴서가 충전 및 방전에 의해 공급되고, 이는 형광등의 수명에 해로운 큰 예열전류를 발생시킨다.
미국특허 5319284에는 정류기, 펄스 발생기, 제1공진회로와 제2공진회로로 구성된 전자식 안정기를 공개하고 있다. 이 선행기술에서는 좀 더 낮은 공진주파수를 가진 제1공진회로가 점등 전압을 발생시키는 반면에 좀 더 높은 공진주파수를 가진 제2공진회로는 필라멘트를 예열하는 수단을 제공한다. 여기에서는 2중의 공진회로이기 때문에 예열조건과 점등조건을 정확하게 설정하기는 매우 어렵다.
발명자는 종래 기술이 안고 있는 문제점을 해결하고, 최근에 요구되고 있는 조건을 만족시키기 위하여 대한민국 특허청에 형등광등 압전전자식 안정기를 1997년 특허출원 제52798호로 특허출원하고 상기 특허출원에서 개시되지 않은 부분을 포함하여 본 발명에서 개시하게 되었다.
본 발명의 목적은 형광등을 부드럽게 점등하기 위한 안정된 예열조건 같은 현대의 요구사항을 만족시키는 방전형광등에 사용되는 안정기 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부드럽게 점등하여 형광등의 수명을 연장시킬 수 있는 방전형광등에 사용되는 안정기 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압전세라믹 공진자(piezoceramic resonator)를 채용하여 예열전류와 점등조건을 제어할 수 있는 안정기 회로를 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명의 형광등용 압전전자식 안정기의 도식도이다.
제2도는 2개 또는 2개 이상의 압전세라믹 공진자와 추가 콘덴서가 형광등과 직열연결된 본 발명의 압전전자식 안정기의 도식도이다.
제3도는 연질 압전세라믹으로 만든 압전세라믹 공진자에 대한 입력 전계에 대한 전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
제4도는 병렬로 추가 연결된 콘덴서를 가진 압전세라믹 공진자의 전도도의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
제5도는 압전세라믹 공진자를 가진 자체진동회로에 기초한 형광등용 압전전자식 안정기를 사용한 형광등의 회로도이다.
제6도는 자려 발진 변환기의 입력전압과 자려 발진 주파수의 관계를 보이는 그래프이다.
제7도는 압전전자식 안정기에서 형광등 전압과 필라멘트 전류가 시간에 따라 변하는 모습을 나타내는 그래프이다.
제8도는 고주파 IC 드라이브를 가진 고주파 변환기에 기초한 형광등용 압전전자식 안정기를 사용한 형광등의 회로도이다.
제9도는 고주파 IC 드라이브를 가진 고주파 변환기에 기초한 형광등용 압전전자식 안정기의 시간과 주파수에 따른 형광등의 전압과 전류의 변화를 보이는 그래프이다.
제10도는 본 발명의 구체예로서, 압전세라믹 공진자와 상기 압전세라믹 공진자에 직열연결된 콘덴서로 구성된 회로가 형광등의 필라멘트에 직렬연결된 압전전자식 안정기의 도식도이다.
제11도는 본 발명의 또 다른 구체예로서, 압전세라믹 공진자와 상기 압전세라믹 공진자에 직열연결된 콘덴서로 구성된 회로에 하나 또는 하나 이상의 압전세라믹 공진자가 병열연결된 회로가 형광등에 직열연결된 압전전자식 안정기의 도식도이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
201 정류회로 202 고주파 변환기 회로
301 EMI 필터 302 정류회로
303 역율보상회로(Power Factor Correction Circuit)
304 드라이브 IC
발명의 요약
형광등을 부드럽게 점등하기 위하여 형광등(FL)에 병열연결되고 형광등의 필라멘트에 직열연결된 압전세라믹 공진자(PR)를 채용하면 신뢰성 있는 필라멘트 예열수단을 얻을 수 있다.
또한 형광등(FL)의 필라멘트에 직열연결된 콘덴서(C*)에 압전세라믹 공진자(PR)를 추가로 직열연결하면 신뢰성 있는 필라멘트 예열수단을 얻을 수 있다.
압전세라믹 공진자(PR)는 정사각형이나 직사각형 판, 정사각형이나 직사각형 막대, 원판 또는 원통형으로 성형된 압전세라믹 부품이다. 길이나 형태에 따라 진동, 기계전기적 공진주파수, 주파수 특성의 유형이 결정된다. 직경방향, 두께방향, 또는 길이방향으로 진동하는 압전세라믹 공진자는 압전전자식 안정기에 적용하기에 적합하다.
계측기 및 통신기기에서 주파수 선택부품으로서 압전세라믹 공진자와 필터가 약한 교류장에서 널리 사용되고 있으나 이때의 교류장의 세기는 수 V/mm를 초과하지 않는다.
본 발명은 전자식 안정기 분야에서와 같이 전력 전자공학분야(이 분야에서는 전계가 압전세라믹 부품의 두께 mm당 수백 볼트 수준에 이른다)에서 압전세라믹 공진자를 사용할 수 있는 용도를 제시한다. 압전세라믹 공진자의 공진 특성에 따른 주파수 대역 폭을 확장하려면 서로 다른 주파수 특성을 지닌 압전 공진자를 여러 개 병렬하고 그리고 나아가 압전공진자의 진동을 기계적으로 구속함으로서 달성할 수 있다.
발명의 상세한 설명
압전전자식 안정기는 가스 방전 형광등, 고주파 변환기, 그리고 정류기를 포함하고 있는 전원으로 구성되어 있다. 필라멘트(r1과 r2)는 고주파 변환기와 압전세라믹 공진자(PR)와 연결되어 있다.
압전세라믹 공진자는 자체 정전 용량(C1)을 갖고 형광등(FL)에 병열연결된다. 100V 또는 220V의 전력이 압전전자식 안정기의 입력부에 공급된다. 정류기의 출력부는 고주파 변환기의 입력부에 연결되고, 변환기는 인덕터(L*)를 통하여 형광등(FL)에 연결된다. 인덕터(L*)의 인덕턴스와 압전세라믹 공진자의 정전 용량에 의해 압전전자식 안정기의 LC 공진조건이 결정된다.
제1도에 보인 바와 같이 안정기에 전력이 공급되면, 일정한 전압이 정류기를 통하여 고주파 변환기에 도달한다. 진폭은 0볼트에서 입력전원에 따라 고전압으로 증가한다.(예를 들면 220V 입력전압인 경우 320V까지 증가한다) 고주파 변환기에서 전압이 임계 값(threshod value)에 이르면 변환기는 고주파 펄스를 발생시키기 시작하고 이 고주파는 형광등으로 공급된다. 초기 순간에는 변환기의 시작 주파수는 압전세라믹 공진자의 공진주파수[이는 인덕터(L*)와 C0=C1+C*에 의해 결정되는 공진주파수보다 훨씬 높다]보다 높은 주파수로 설정되어 있기 때문에, 형광등 전압은 이온화에 필요한 정도에 이르지 못하여 형광등은 점등되지 않는다. 이 주파수에서는 형광등을 가로지르는 임피던스(impedance)는 수백 ㏀이지만 압전세라믹 공진자의 임피던스는 압전세라믹 공진자의 공진특성상 수십 오옴(Ω) 범위에 있기 때문에, 전류는 주로 압전세라믹 공진자에 직열연결된 2개의 필라멘트(r1, r2)를 통하여 흐르고, 이로 인하여 주파수가 주 공진주파수로 스위프(sweep)되는 동안 필라멘트에 예열전류를 공급하는 수단을 제공한다.
효과적으로 필라멘트를 예열하기 위해서는 예열전류와 예열시간의 확실한 제어가 필요하다. 예열전류는 주로 압전세라믹 공진자의 임피던스와 필라멘트의 저항치와 인덕터(L*)의 임피던스에 의해 결정된다. 예열효과는 압전세라믹 공진자와 공진회로의 주파수 특성을 변화시키면 조정할 수 있다. 최고 전도도의 70% 수준에서 측정한 주파수 대역 폭은 압전계수(Kij)와 기계적 품질계수(Qm, 기계적 품질계수는 진동모드, 압전세라믹 재질, 설치방법과 전기저항에 의존한다)에 결정된다. 전도도(conductivity)의 주파수 대역 폭은, 제2도에 보인 바와 같이 2개 또는 그 이상의 압전세라믹 공진자를 병렬로 연결하고 추가 콘덴서(C*)를 병열연결하여, 확장시킬 수 있다. 전체적인 주파수 대역 폭은 압전세라믹 공진자(PR1, PR2 등)를 서로 다른 조성으로 만들어 서로 다른 전기물리적 그리고 압전특성(E33, Qm, Kij과 같은)을 가지게 하거나 같은 조성을 갖지만 서로 다른 크기로 제작하여 확장한다.
압전세라믹 공진자는 강한 전계에서 압전 변수들이 비선형성(non- linearity)을 강하게 나타낸다. 제3도는 공진주파수가 50㎑에서 80㎑ 범위에서 정사각판형의 압전세라믹 공진자의 전도도에 전계가 미치는 영향을 보여준다. 제3도에서 곡선1은 10V/mm, 곡선2는 20V/mm, 곡선3은 30V/mm, 그리고 곡선4는 50V/mm인 경우이다. 전계가 10V/mm에서 50V/mm로 증가함에 따라 주파수 대역 폭은 약 4배 정도로 확대되고, 공진주파수는 저 주파수쪽인 4∼5㎑로 이동한다. 이러한 압전세라믹 공진자의 강 전계 하에서의 비선형성은 본 발명에서 압전전자식 안정기의 필라멘트를 예열하는데 유용하게 응용된다. 자려 발진회로를 가진 고주파 변환기에서는, 출력 주파수는 입력전압의 지배를 받는다. 본 발명의 압전전자식 안정기에서, 주파수는 높은 예열 주파수에서 낮은 작동 주파수로(예를 들면 점등 스위치를 올릴 때 80∼90㎑에서 보통 작동 때 40∼50㎑로) 스위프하는데 이는 예열효과를 주기 위함이다.
제4도는 공진회로에서 주파수에 따른 전도도(conductivity)의 변화를 보인다. 곡선1은 콘덴서(C*=4nF) 하나만 가진 회로의 경우, 곡선2는 압전세라믹 공진자(C1=4nF) 한 개만 가진 회로의 경우, 곡선3은 콘덴서 한 개와 이와 병렬로 연결되면 30V/mm의 강 전계에 있는 압전세라믹 공진자 한 개(이들의 합성축전용량 C0=C1+C*)를 가진 회로의 경우이다. 셋째 경우에, 추가 콘덴서(C*)와 압전세라믹 공진자(축전용량은 C1) 그리고 인덕터(L*)가 전자식 안정기의 주요 공진회로를 구성한다. 고주파 변환기의 출력 주파수가 C0와 L*에 의해 정해지는 주 공진주파수에 가까이 가면 형광등을 가로지르는 전압이 공진효과에 의해 형광등을 점등시킬 수 있는 정도로 증가한다. 이렇게 하여 압전전자식 안정기에서는 압전세라믹 공진자 자체의 공진효과에 의해 필라멘트를 우선 예열시킨 다음 형광등이 부드럽게 기동된다.
본 발명의 요체는 주 공진회로에서 형광등과 병렬로 적어도 하나의 압전세라믹 공진자가 설치되어 필라멘트를 적절히 예열하고 형광등을 점등시킨다. 예열효과는 안정기의 공진회로에서 압전세라믹 공진자의 공진 속성을 활용하고 예열주파수를 통상 작동주파수와 분리시킴으로서 극대화된다.
본 발명을 다음의 구체예에 따라 상세히 설명한다. 이 구체예는 본 발명을 설명할 목적으로 제시하는 것이며 특허청구범위를 한정하고자 함은 아니다.
제5도에서 보인 바와 같이 본 발명은 압전세라믹 공진자(PR), 형광등(FL)에 병열연결된 콘덴서(C*), 자려 발진에 바탕하는 고주파 변환기(202), 그리고 정류회로(201)로 구성된다.
고주파 변환기(202)는 트랜지스터 Q1과 Q2의 에미터와 베이스가 인덕터들(La, Lb, Lc)을 통하여 연결된 반 브리지 회로(a half-bridge circuit)로 구성된다. 자려 발진의 출력 주파수는 인덕터(La, Lb, Lc)와 출력 트랜지스터 회로에 설치된 저항체(R1, R2)의 저항 값에 의해 정해진다. 자려 발진체의 기동회로는 시간제어 요소인 R6과 C3, 그리고 다이오드 D8과 D7로 구성된다. 다이오드 D5와 D6은 역 항복전압으로부터 트랜지스터 Q1과 Q2를 보호하기 위해 추가된다. 인덕터(Lb)의 출력 쪽은 콘덴서 C2를 통하여 인덕터(L*)에 연결된다. 인덕터(L*)는 오른쪽 필라멘트(r2)를 통하여 직렬 연결된 압전세라믹 공진자(PR)에 연결된다. 공진자(PR)의 다른 쪽은 왼쪽 필라멘트(r2)를 통하여 고주파 변환기에 직열연결된다. 추가 콘덴서(C*)는 주파수 대역 폭을 확장하기 위하여 압전세라믹 공진자에 병열연결된다. 고주파 변환기(202)에 직류전압을 공급하는 정류회로(201)는 정류다이오드(D1, D2, D3, D4)와 초오크(L1) 및 콘덴서(C1)를 가진 평활회로(a smoothing circuit)로 구성된다.
압전세라믹 공진자의 자체 정전 용량(C1), 콘덴서(C*)의 용량, 인덕터(L*)의 인덕턴스가 안정기의 주요 공진조건을 결정한다. 자려 발진회로의 출력 주파수는 제6도와 같이, 입력전압에 의존하며, 입력전압이 높아질수록 출력주파수는 낮아진다.
제5도의 고주파변환회로(202)는 다음과 같이 작동한다.
220V 전력에 스위치를 넣으면 콘덴서(C1)는 초오크(Choke, L1)를 통하여 O V에서 입력전압의 최대값인 300 - 320 V로 충전하기 시작하고, 동시에 콘덴서(C3)는 저항(R6)을 통한 전류에 의해 충전된다. 콘덴서(C3)의 전압이 기동회로를 작동시키기 위한 임계 수준까지 높아지면 다이오드(D7)는 빠른 속도로 트리거(trigger)하고 짧은 트리거 펄스가 자려 발진자(self-oscillator)의 트랜지스터(Q2)의 베이스(base)로 들어가 마침내 고주파 변환기 회로에서 고주파 출력전압이 발생한다. 고주파 변환기의 주파수 제어요소들 (La, Lb, Lc, R1, 그리고 R2)은 변환기가 압전세라믹 공진자 및 안정기의 주 공진주파수보다 높은 80-85㎑와 같은 주파수에서 작동할 수 있도록 선택된다. 이 주파수를 가진 초기단계에서는 형광등(FL)에 걸리는 전압은 방전개시전압(breakdown Voltage)보다 훨씬 낮기 때문에 안정기의 주 공진회로에 공진이 일어나지 않아 형광등(FL)을 통한 전류는 흐르지 않는다.
고주파 변환기의 입력 전압이 높아짐에 따라, 출력 주파수가 압전세라믹 공진자의 공진주파수에 가까워지면 공진자의 임피던스가 감소하고 압전세라믹 공진자의 공진주파수가 되면 최소로 되어 병열회로는 아주 작은 저항으로 연결된다. 이리하여 큰 전류가 압전세라믹 공진자와 필라멘트(r1과r2)를 통하여 흐르고 필라멘트를 가열한다. 출력 주파수가 스위프하여 공진대역을 벗어나 낮은 쪽으로 이동하면, 압전세라믹 공진자의 임피던스는 다시 높아진다. 주파수가 L*와 C0(=C1＋C*)로 결정되는 안정기의 주 공진주파수에 접근하면 형광등에 걸리는 전압이 공진효과에 의해 증가하기 시작한다. 형광등에 걸리는 전압이 대량의 이온화가 가능한 임계 값에 이르면, 형광등은 방전을 개시하고, 형광등을 통하여 전류가 흐르게 된다.
압전세라믹 공진자 전도도의 주파수 특성이 넓은 대역 폭을 가지고, 그것의 공진주파수가 주 공진주파수보다 높으면, 제5도에 보인 압전전자식 안정기의 형광등이 점등되기 전에 필라멘트의 예열효과가 얻어지고 따라서 형광등을 부드럽게 점등시킬 수 있게 된다. 필라멘트를 통하여 흐르는 예열전류(cathode filament current, IF)와 압전전자식 안정기의 형광등에 걸리는 전압(lamp Voltage, VL)이 시간에 따라 변화하는 것을 제7도에 나타낸다.
스위치를 넣은 후 약 0.8초 후에 형광등에 걸리는 전압은 방전개시전압인 약 640 V에 도달하고 형광등은 점등된다. 필라멘트는 제7도의 압전세라믹 공진자의 공진효과에 의해 생기는 전류(IF)에 의해 점등되기 앞서 예열된다. 예열시간은 주로 압전세라믹 공진자 및 주 공진회로의 주파수 특성에 의해 설정된다.
제8도에 보인 바와 같이, 본 발명에 바탕을 두고, 높은 출력을 가진 형광등용 압전전자식 안정기는 고주파 드라이브 IC(304)를 사용하여 더욱 신뢰성있게 제작할 수 있다. 이것은 EMI 필터(301)와 정류기(302)를 가진 직류전원, 역율보상회로(Power Factor Correction Circuit, 303), 변환기, 형광등(FL)에 병열연결된 압전세라믹 공진자(PR), 형광등(FL)에 병열연결된 콘덴서(C*), 관 전류(lamp current)를 조절하기 위한 인덕터(L*), 과전류 보호회로, 그리고 주파수 스위프 시간 제어회로로 구성된다.
변환기는 고주파 드라이브 IC(304)와 트랜지스터 스위치(Q1과 Q2)를 가진 반 브리지 회로의 전력증폭기로 구성된다. 압전세라믹 공진자의 정전 용량(C1)과 인덕터(L*)의 인덕턴스가 압전전자식 안정기의 주 공진조건을 결정한다.
Vcc는 드라이브 IC(304)를 작동시키기 위한 전압이고, 저항체(R3과 R4)와 콘덴서(C2)는 기동 주파수를 설정하고 저항체(R9)와 콘덴서(C5)는 주파수 스위프 시간을 설정한다. 콘덴서(C6)는 바이패스용이다. 양(positive)출력과 음(negative)출력은 드라이브 IC의 제한용 저항체(R5와 R6)를 경유하여 트랜지스터 스위치(Q1과 Q2)에 연결된다.
압전세라믹 공진자(PR)는 형광등(FL)에 병렬로 그리고 필라멘트(r1과 r2)에 직렬로 연결되어 있다. 오른쪽 필라멘트의 출력은 인덕터(L*)를 통하여 압전전자식 안정기의 버스라인(bus)에 연결되어 있다.
제8도의 압전전자식 안정기의 작동을 다음에 설명한다.
교류전압이 입력되면 고주파 드라이브 IC(304)는 역율보상회로(PFC 회로)를 거쳐 입력된 직류 전압에 의해 작동하기 시작한다. 드라이브 IC의 처음 주파수는 저항체(R3 및 R4)와 콘덴서(C2)에 의해 설정된다.
시간 및 주파수에 따른 관 전압과 관 전류의 변화는 제9도에 보인 바와 같다. 콘덴서(C1)에 걸리는 전압이 증가함에 따라 드라이브 IC의 입력전압은 증가한다. 시간이 t1인 순간에 드라이브 IC는 직사각형 펄스를 발생하기 시작하고, 이 펄스는 전력 트랜지스터 스위치로 가고 다음에 콘덴서(C3)를 통하여 관의 입력 쪽으로 간다. 입력전압(Vcc)이 증가함에 따라 드라이브 IC의 출력주파수는 감소되고, 압전세라믹 공진자(PR)의 공진주파수(fr)에 접근해 간다.
압전세라믹 공진자의 임피던스는 공진주파수인 f=fr일 때 수십 오옴(Ω)으로 최소가 되고 최대전류가 트랜지스터에서 필라멘트(r1 및 r2)로 흐른다. 최대전류는 인덕터의 유도 인덕턴스에 의해 제한된다. 드라이브 IC의 주파수가 압전세라믹 공진자의 공진주파수 대역 내에 있을 동안 필라멘트는 예열된다. 이 동안에는 드라이브 IC의 주파수는 주 공진주파수보다 훨씬 높아, 형광등에 걸리는 전압은 낮고, 그리고 주 공진회로에서 공진효과가 없기 때문에 형광등은 점등되지 않는다.
주파수가 주 공진주파수에 접근하면, 압전세라믹 공진자는 순수한 콘덴서처름 거동하고 형광등에 걸리는 전압은 안정기의 공진효과에 의해 증가하기 시작한다. 인덕터의 공칭 인덕턴스는 안정기의 주 작동주파수와 최적 관 전류에 따라 선택된다. 주 공진주파수에 이르면 관 전압은 최대가 되고 형광등은 방전이 시작된다. 이 순간까지 필라멘트는 이미 예열되어 필라멘트 주변에도 충분한 스페이스 차지가 형성되어 있고, 따라서 필요한 기동전압도 낮아져 부드럽게 방전을 개시할 수 있게 된다.
예열효과는 주파수 스위프 시간을 변화시킴으로서 형광등의 개별 요구조건에 맞게 조절될 수 있다. 주파수 스위프 시간을 설정하고 예열주파수로부터 기동 및 작동 주파수를 선택하는 회로는 추가콘덴서(C4), 트랜지스터(TR)로 구성된다. 추가콘덴서(C4)는 드라이브 IC의 주파수를 설정하는 콘덴서(C2)와 병열연결되어 있고, 트랜지스터(TR)는 트랜지스터의 컬렉터는 추가 콘덴서(C4)에 연결되고 트랜지스터의 베이스는 주파수시간제어회로에 연결되어 있다. 주파수시간제어회로는 저항체(R9), 그리고 드라이브 IC의 전력공급선과 안정기 버스사이에 연결된 콘덴서(C5)로 구성된다. 트랜지스터(TR)의 바이어스 전압(bias Voltage)이 콘덴서(C5)가 충전됨에 따라 작동전압에 도달하면 트랜지스터가 도통하고, 출력 주파수는 콘덴서(C4 및 C2)에 의해 설정된 형광등 기동 및 작동 주파수로 변한다. 스위프 시간은 저항체(R9)의 저항과 콘덴서(C5)의 용량에 의해 설정된다.
형광등 수명의 말기에 발생하는 과전류는 트랜지스터(Q1 및 Q2)를 손상시킬 수 있고 , 이는 안정기가 파손되는 요인이 된다. 압전전자식 안정기를 보호하기 위하여 본 발명의 구체예에는 과전류 보호회로가 포함되어 있다. 관에 흐르는 과전류를 저항체(R8)을 이용하여 전압으로 검지하고 SCR을 작동시켜 드라이브 IC의 입력전압(Vcc)을 끊어 드라이브 IC(304)의 작동을 멈추게 한다.
위에서 설명한 2가지 구체예에는, 압전세라믹 재료 PZT(PbTiO3-PbZrO3) 를 사용하여 압전세라믹 공진자를 제조한다. 연질 또는 보통 재질의 강유전 압전세라믹 재료로 만들어진 압전세라믹 공진자는 주파수-임피던스 특성을 결정하는데 적정한 압전 전기적 및 기계적 성질을 지니고 있다. 압전세라믹 공진자는 표준 세라믹 공정, 즉 건식 압축성형, 소결, 전극 형성, 그리고 분극과정을 거쳐 제조된다. 압전세라믹 공진자는 공진주파수 대역 폭을 확대하기 위하여 실리콘 또는 다른 접착제로 회로기판(PCB)에 기계적 방법으로 부착설치한다.
압전세라믹 공진자(PR)는 정사각형이나 직사각형 판, 정사각형이나 직사각형 막대, 원판 또는 원통형으로 성형된 압전세라믹 부품이다. 길이나 형태에 따라 진동, 기계전기적 공진주파수, 주파수 특성의 유형이 결정된다. 직경방향, 두께방향, 또는 길이방향으로 진동하는 압전세라믹 공진자는 압전전자식 안정기에 적용하기에 적합하다. 안정기는 공진주파수가 20 - 200㎑ 범위가 주로 사용된다.
제10도는 본 발명의 또 다른 구체예로서, 압전세라믹 공진자와 콘덴서가 직렬연결된 압전전자식 안정기의 도식도이다. 제1도는 형광등을 부드럽게 점등하기 위하여 형광등(FL)에 병열연결되고 형광등의 필라멘트에 직열연결된 압전세라믹 공진자(PR)를 채용하면 신뢰성 있는 필라멘트 예열수단을 얻을 수 있지만 본 구체예는 형광등(FL)의 필라멘트에 직열연결된 콘덴서(C*)에 압전세라믹 공진자(PR)를 추가로 직열연결하였다.
제11도는 본 발명의 또 다른 구체예로서, 제10도의 압전세라믹 공진자와 콘덴서로 구성된 회로에 병렬로 압전세라믹 공진자를 1개 또는 1개 이상 연결한 것이다. 결과적으로 제2도에서 콘덴서(C*)와 압전세라믹 공진자(PR1)를 직열연결한 회로에 병열로 추가 압전세라믹 공진자(PR2)를 1개 또는 1개 이상 연결한 구성이 된다.
제10도와 제11도의 구체예는 제5도의 형광등 회로도와 제8도의 형광등 회로도에 적용하여 안정기를 제조할 수 있음은 자명하다.
본 발명으로 형광등을 부드럽게 점등하기 위한 안정된 예열조건 같은 현대의 요구사항을 만족시키는 방전형광등에 사용되는 안정기 회로를 제공하고, 부드럽게 점등하여 형광등의 수명을 연장시킬 수 있는 방전형광등에 사용되는 안정기 회로를 제공하게 되었다.
또한 본 발명으로 압전세라믹 공진자(piezoceramic resonator)를 채용하여 예열전류와 점등조건을 제어할 수 있는 안정기 회로를 제공하게 되었다.

Claims (4)

  1. 정류기를 포함하고 일정 전압을 내는 전원, 상기 전원에 연결된 고주파 변환기가스방전 형광등(FL) 그리고 인덕터(L*)와 압전세라믹 공진자(piezoceramic resonator, PR)와 콘덴서(C*)가 상기 형광등(FL)의 필라멘트(r1 및 r2)에 연결된 공진회로에서. 상기 인덕터(L*)는 상기 필라멘트(r1 및 r2)에 직렬로 연결되고, 상기 압전세라믹 공진자(PR)는 상기 형광등(FL)에 병렬로 연결되고, 상기 콘덴서(C*)는 상기 압전세라믹 공진자PR)에 직열연결되어 구성된 LC 공진회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 형광등용 압전전자식 안정기.
  2. 제1항에서, 상기 압전세라믹 공진자(PR)과 상기 압전세라믹 공진자(PR) 에 직열로 연결된 회로에 병열로 연결된 하나 또는 그 이상의 압전세라믹 공진자를 더 가지는 것을 특징으로 하는 형광등용 압전전자식 안정기.
  3. EMI필터(301)와 정류기(302)를 포함하는 직류전원, 역율보상회로(303), 스위치 트랜지스터를 가진 변환기, 가스 방전 형광등(FL), 압전세라믹 공진자(PR)와 상기 압전세라믹 공진자에 직열연결된 콘덴서(C*)로 구성되고 상기 형광등(FL)에 병열연결된 회로, 형광등 전류를 조절하기 위한 인덕터(L*)관의 과전류를 저항체를 이용하여 전압으로 검지하고 SCR을 작동시켜 고주파 드라이브 IC 전원전압을 차단하여 안정기를 보호하는 과전류 보호회로, 그리고 상기 드라이브 IC의 주파수를 설정하는 콘덴서에 병열연결된 콘덴서와 트랜지스터로 구성되어 주파수 스위프 시간을 조절하는 회로를 포함한 것을 특징으로 하는 형광등용 압전전자식 안정기.
  4. 제3항에서, 상기 압전세라믹 공진자(PR)와 상기 압전세라믹 공진자에 직열연결된 회로에 병렬로 연결된 하나 또는 그 이상의 압전세라믹 공진자를 더 가지는 것을 특징으로 하는 형광등용 압전전자식 안정기.
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