KR100299585B1 - 나트륨고압방전등의안정된동작을위한에너지공급방법및에너지공급장치 - Google Patents

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클라우스 귄터
한스-게오르크 클로스
테야 레만
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타실로 다우너 ; 랄프 프레준 ; 요아힘 베르너
파텐트-트로이한트-게젤샤프트 퓌어 엘렉트리쉐 글뤼람펜 엠베하
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Abstract

나트륨 고압방전등의 안정된 동작을 위한 에너지를 공급하는 방법 및 에너지 공급장치.
포화증기조건하에서 동작되는 나트륨 고압방전등의 안정된 동작을 위한 방법 및 에너지 공급장치에 있어서, 에너지공급장치는 나트륨 고압방전등의 임피던스인 등전류 대 등전압의 비는 나트륨 고압방전등의 각 형태에 대해 최적의 등 데이터가 나타나게 되는 미리 결정된 값을 취하도록 에너지 공급장치가 제어된다.

Description

나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위한 에너지 공급방법 및 에너지 공급장치
제1도는 루멘스/와트 인 출력광(η)(왼쪽좌표)과 적색지수(R9)(오른쪽좌표)에 대한 연색성(Ra)(횡좌표)의 그래프.
제2a도는 고정제어값의 함수로 전력을 공급하기 위한 나트륨 고압 방전램프의 통상적 또는 전자적 에너지 공급장치에 대한 실시예의 회로 다이아그램.
제2b도는 나트륨 고압 방전램프가 전력펄스로 작동되는, 전압안정화 회로를 가진 전자에너지 공급장치의 실시예에 대한 개략도.
제2c도는 나트륨 고압방전램프가 고주파 진동형태인 전력펄스로 공급되는 전자 에너지 공급장치의 실시예에 대한 개략도.
제3도는 전력펄스와 홀딩펄스의 연속적으로 공급된 전력(p)을 시간(t)의 함수로 기술하는 통상 및 시간-확장 형태의 개략도.
제4도는 시간(t)에 대해서 다수의 고주파진동으로 구성되어 있는 전력펄스로 공급된 전력(p)을 기술하는 통상 및 시간-확장 형태의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 입력장치 2 : 전류제한장치, 펄스발생기
3 : 방전램프 4 : 제어장치
5 : 수동 LC회로 Uo : 출력전압
U : 램프전압 1 : 램프전류
η : 광출력 R9 : 연색성지수
본 발명은 포화증기 조건하에서 동작하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 에너지 공급장치에 관한 것이다.
광원은 높은 광출력 이외에도, 좋은 연색성 특징 및 선택 가능한 색 온도를 가져야 한다. 추가로 바람직한 특징은 램프의 통상적인 수명동안 높은 안정성과 제조 과정에서 허용한계 및 동작조건의 가변에 대한 램프의 비 민감성이다. 전기 고압방전램프는 상기 추가적인 특성의 변화와 더불어 전기적인 동작 파라미터의 변화에 매우 민감하다는 것은 공지된 사실이다. 상기 민감성은 어느정도 선택된 방전매체와 특정 램프의 구조적 특이성에 의존한다. 제조공정의 허용오차 및 가변에 대한 상기 민감성은 상기 램프에 대한 많은 응용을 방해하므로 램프의 실패를 초래한다. 상기 가변에 대한 이유중 하나는 충전과 방전용기의 형태제작 동안 일어나는 편차이다. 편차에 대한 또다른 이유는 램프의 정격수명동안 램프의 동작과정에서 방전용기안의 가스 및/또는 압력의 배합에 있어서의 변화이다. 상기 변화들은 방전용기의 물질은 물론 각기 다른 것 가운데 여러 충전성분의 화학적 반응의 결과 또는 방전용기의 벽을 통한 확산과정에 의한 물질의 손실 또는 용기안의 온도분포 변화에 의한다. 온도의 변화는 램프전력의 변화 또는 공급회로의 전압변화에 기인해 공급된 에너지의 결과일 수 있다. 상기 온도변화는 또한 침전 또는 화학적 변화 때문에 아아크 튜브에서 성분의 변화된 흡수 및 방사특성에 기인할 수도 있거나 또는 심지어 램프주위 온도의 가변성에 기인할 수도 있다. 특히 방전용기안에 있는 몸체 또는 소자와 증기압 균형 상태인 램프안의 가스성분 또는 대기램프는 증기압에서 변화를 일으키며, 상기 증기압은 사실상 램프의 전기적 특성과 광속의 스펙트럼 분포는 물론 광속에 영향을 미치며, 더 나아가 램프의 공급회로 안에서 램프의 변화된 에너지 균형 때문에 상기 램프의 전기적 특성은 램프의 방전용기 안의 온도분포에 영향을 미친다.
포화증기 조건하에서 동작되고 나트륨 또는 나트륨 아말감을 포함한 베이스 바디를 가진 나트륨 고압램프에서, 온도변화는 연색성 지수와 광출력에 변화를 이끌며, 램프가 꺼지는 수준까지 아아크 또는 구동전압의 가변을 일으킨다. 상기 변화는 연색성 지수의 요구되는 값, 다시말해 나트륨 증기압이 매우 높다면 심각하다. 20-40 사이의 연색성 지수(Ra)를 갖는 표준 나트륨 압력램프에서, 연색성 지수의 가변은 현저하지 않고, 광출력은 단지 경미하게 변하고, 아아크 또는 구동전압은 정격 수명이 끝난 후에야 허용할 수 없는 값까지 상승한다. 그렇지만 상기 변화는 개선된 연색성 지수, 예를들어 Ra=60의 연색성 지수를 갖는 램프 형태에서 상당한 중요성을 갖는다.
나트륨 고압 방전램프로 양질의 실내조명을 할 때는 고압의 아말감 증기를 가진 램프를 동작하는 것이 요구된다. 나트륨과 수은 성분의 부분압으로 인한 공명라인의 확장은 약 Ra=80의 연색성과 2500k의 색온도를 가진 광으로 나타난다. 나트륨 확산으로 인한 아말감 관계의 변화와 부식은 물론 아아크 튜브 또는 방전용기 자체 및 주위환경의 다른 열적 조건은 아아크 또는 구동전압의 위아래로의 가변은 물론 색온도와 색선도 상의 색위치에 바람직하지 못한 변화를 이끈다. 만일 아아크 또는 구동 전압이 급격하게 떨어진다면, 램프는 꺼질 수도 있다. 따라서 유럽특허 제 445 882호에는 아아크 또는 구동전압(U)과 전류(I)의 결합을 나트륨 고압방전램프의 동작을 안정화시키기 위해 요구 또는 제어값(C = U + β1)으로 제어하는 것이 기재되 있다. 상기 제어는 2500K에서 "백색" 색위치를 유지하게 해준다. β는 작아야 하는 수치인자이다. 정격 수명동안 램프의 특성변화를 보상하기 위하여, 요구 또는 제어값(C)을 적절하게 조절 및 매치시키는 것이 필요하다.
2500K 까지의 색온도를 갖는 나트륨 고압 방전램프는 연속적인 에너지 공급을 하는 통상적 또는 전자적 에너지 공급장치에 의해 동작될 수 있다. 약 2500K 이상의 색온도에 대해서는 램프에 대해 전력펄스 공급이 필요한데, 동독특허 제 DD-270 405 호에 기술된 것처럼 바람직하게는 나트륨 고압방전램프의 충전물은 수은이 아니라 단지 나트륨과 불활성 개스를 포함하고 있다. 전력펄스을 공급함으로써, 램프에 공급된 평균 에너지는 정지구간으로 서로 분리되는 고전력의 짧은 펄스가 빠르게 회복하는 과정으로 형성되며, 상기 정지구간 동안 고전력 펄스사이의 정지구간에서 방전이 중단되는 것을 막는데 충분한 저 홀딩전력이 공급된다. 상기 램프는 표준램프의 부하에 비교될 수 있는 열적 부하를 가지고 동작될 수 있으며, 80 이상의 연색성지수와 함께 3000K 까지의 색온도를 제공하는 반면에 상대적으로 높은 광출력을 낸다. 색온도는 본질적으로 펄스위상 동안 램프의 순간 전력에 의해 결정된다; 연색성 지수는 램프의 증기 압력에 의해 우선적으로 결정된다. 제 1도에 예시된 것처럼, 연색성 지수(Ra)는 본질적으로 램프의 동작모드와는 별개로 단지 광출력(η)을 약간 감소시키면서 압력을 증가시킴으로써 Ra=80 까지 상승될 수 있는 것으로 조사되었다. 증기압을 계속해서 증가 시키면 연색성 지수는 최대값 약 90까지 상승하고 나서 Ra = 60 까지 감소하게 된다. 광출력(η)의 실제적 감소와 아아크 또는 구동전압의 실제적 증가가 결합되고, 상기 사실은 램프가 꺼지게 할수도 있다. 적색성분에 대한 동일하게 중요한 특정 연색성 지수(R9)는 실내조명에 매우 중요하며 증기압으로 거의 100까지 올린다. 그렇지만 Ra = 85 이상의 영역에서, 상기 지수(R9)는 빠르고 급격하게 음의 값까지 떨어진다.
본 발명의 목적은 모든 형태의 나트륨 고압 방전램프가 안정하게 동작하도록 하는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 포화 증기조건하에서 동작하게 하며, 상기 램프에서 아아크 또는 구동전압, 광출력, 연색성 및 색온도에 대한 데이터는 최적화될 수 있어야 하며, 상기 방법은 간단하고 램프의 모든 형태에 동일하게 적용 될 수 있어야 한다 ; 그리고 안정하게 동작하게 하면서 램프에 전기적 에너지를 공급하는 장치에도 상기 방법은 간단하고 적용 가능해야 한다.
상기 목적은 나트륨 고압방전램프의 임피던스를 나타내는 램프전압 및 램프전류의 비에 대해서 미리 결정되는 값이 최적의 램프 데이터 결과값에 따라 정해지도록 제어됨 으로써 얻어진다. 상기 방법의 추후 유리한 특징은 종속항 제2 내지 8항에 기재되 있다. 상기 방법을 수행하기 위한 에너지 공급장치의 특징은 청구항 제9 내지 11항에 기재되 있다.
아아크 또는 구동전압, 광출력, 색온도 및 연색성 지수와 같은 램프의 기술적인 동작 데이터를 최적값으로 제어하는 것은 램프안의 증기압을 적절하게 제어함으로써 얻어진다는 것이 발견되었다. 증기압에 대한 측정 가능한 제어 파라미터는 램프안에 있는 플라즈마의 임피던스로 선택될 수 있다. 램프의 안정한 동작을 위해서, 에너지 공급장치로부터 출력에너지를 제어하는 것만이 필요하고, 동작시에 램프의 임피던스는 요구되는 값을 가질 것이다.
램프의 임피던스는 램프전압 및 램프전류의 비로부터 도출될 수 있다. 펄스동작시에, 홀딩펄스는 물론 고전력펄스의 순시값이 사용될 수 있다. 회로에 가변성을 줌으로써 안정화되는 전압인 무부하 안정화 전압과 미리 결정된 출력 임피던스를 갖는 에너지 공급장치는, 증기압을 최적값으로 제어하기 위하여 동작전류 또는 램프에 대한 전압을 미리 결정된 지정값으로 제어하게 한다. 증기압을 최적값으로 제어하는 것은 차례로 연색성 특성, 광출력 그리고 램프의 아아크 또는 구동전압을 제어한다. 공급 회로의 가변에 대해서 무부하 안정화 전압을 가진 에너지 공급장치와 미리 결정된 출력 임피던스에 의해 램프를 펄스 동작시키는 것은 파라미터 중 하나에 의해 제어 되는 것을 가능하게 한다 : 전력펄스전압, 전력펄스전류, 홀딩펄스전압 또는 홀딩펄스전류 램프 에너지는 전력펄스의 폭과 펄스 및/또는 홀딩펄스의 반복 주파수를 선택적으로 변화시킴으로써 안정되게 유지될 수 있다.
만일 펄스에너지가 고 주파수 진동 버스트에 의해 공급되는 펄스 조건하에서 동작된다면, 램프의 동작전압을 일정하게 유지하는 것이 절대적으로 필요한 것은 아니며 안정화된 무부하 전압을 가진 안정된 에너지 공급장치도 필요치 않다. 진동은 부-펄스를 형성하며, 상기 부-펄스는 제어될 수 있다. 상기 진동은 전력펄스의 시점에서 시작되며, 전력펄스가 끝날 때 중단되고, 따라서 전력펄스 자체를 형성한다. 선택적으로 홀딩펄스는 상기 진동 또는 사실상 좀더 작은 에너지인, 크기의 몇승정도 작은 제 2고주파수에 의해 형성될 수 있다. 상기 동작에서, 전기 에너지의 시간추이는 고주파수 진동의 외형에 따라 고려될 수 있다. 에너지 공급 장치에 의해 램프에 공급되는 출력에너지는 각 펄스동안 부-펄스 또는 진동의 주파수를 변화시킴으로써 전력펄스의 위상은 물론 홀딩펄스의 위상 양쪽에서 다 쉽게 제어될 수 있다. 전력펄스의 반복 주파수, 전력펄스의 폭 그리고 홀딩파워를 제어함으로써 전술된 평균에너지의 제어에 추가로, 제어값에 대한 동작전압의 편차를 일으키는 회로전압의 가변에 기인한 어떤 변화는 동작전압의 수준을 감지하고, 그의 함수로써 고주파수 진동을 제어함으로써 보상될 수 있고, 결과적으로 진동에 영향을 미칠 수 있는 동작전압의 변화가 보상된다.
기술된 것처럼 증기압의 제어는 일어나게 되는 모든 가변 및 편차를 자동적으로 균등하게 하며, 예로써 상기 가변 및 편차는 램프제조시의 허용 오차, 설치장치에서 램프의 동작시 다른 열적조건 또는 아아크 튜브에 있는 물질의 손실로 인한 램프의 느린 변화, 그리고 결과적으로 전극뒤 무효공간의 열균형에 영향을 미치는 흑화에 기인한다. 램프의 평균 전력이 제어되므로, 상기 편차에도 불구하고 무효공간의 온도, 따라서 램프의 베이스 바디의 온도 그리고 램프의 증기압이 변하지 않을 것이다. 앞서 통상 전기적으로 동작되는 방전램프에서 처럼, 램프의 전력을 단순히 일정하게 유지하는 것만 으로는 가변에 대한 상기 보상은 얻어질 수 없다는 것이 명백하다.
본 발명의 방법 및 장치는 극단적 환경조건하에서 그리고 램프의 수명이 다한 후에 시스템을 차단하기에 매우 적당한데, 예를들어 상한값이 아아크 튜브의 열적 부하로부터 유도될 수 있고, 펄스조건하에서 동작될 때 깜빡거리는 주파수가 사람의 눈으로 인식될 수 있는 때를 하한치로 하는 램프 전력에 대한 한계 영역을 제공함으로써 상기 차단에 적당하다. 따라서 바람직하지 못한 광출력 특성상태인 수명이 다한 램프의 동작은 쉽게 제거될 수 있다.
제2a도는 일정한 입력전력을 가지고 나트륨 고압방전램프(3)을 동작하기 위한 통상 또는 전자적 에너지 공급장치의 예이다. 램프전압(U) 및 램프전류(1)는 제어장치(4) 안에서 램프의 최적 증기압에 해당하는 제어값과 비교된다. 편차가 있을 때, 제어장치 (4)는 출력전력을 적당하게 변화시키기 위해 전류제한장치(2) 또는 전자제어진동자를 제어한다. 제2b도는 나트륨 고압램프의 펄스동작을 위한 에너지 공급장치이다. 입력장치(1)는 무선간섭 억제회로인 고주파필터, 펄스발생기(2)용 출력전압을 위한 정류 및 안정화 회로를 가진다. 펄스발생장치(2)는 제3도에서 가장 잘 알 수 있듯이 홀딩펄스에 의해 분리된 일련의 전력펄스를 제공한다. 램프(3)는 주위 및 실제 조건에 의해 결정되는 동작상태를 가정할 것이며, 따라서 상기 상태는 동작 특성에 속한다. 동작조건에 속하는 상기 조건들은 홀딩펄스전압, 홀딩펄스전류, 펄스전압전력 및 전력펄스전류의 결합시에 반영된다. 주어진 개방회로전압 및 펄스발생기(2)의 출력 임피던스로, 전압 및 전류값중 각 한가지는 각각 전력펄스의 위상과 홀딩펄스의 위상동안 램프(3)에서 방전의 임피던스를 명확하게 결정하며, 따라서 증기압을 결정 한다. 상기값은 전력펄스의 간격을 결정하는 제어값으로 제어장치(4)안에서 감지 되고 적용될 수 있다. 가장 바람직한 제어값 또는 제어파라미터의 실제 선택은 펄스 발생기(2)에서 전압조건과, 제어장치(4)에 대한 감지 또는 제어값을 얻는 가장 경제적인 방법에 우선적으로 의존할 것이다. 입력장치에서 입력전압의 안정화없이 자체가 진동의 버스트로 형성 또는 구축된 펄스로 램프를 동작시키는 것은 제2C도에 기재 되있다. 고주파수 진동은 제4도에 도시되있다. 상기 진동은 펄스발생기(2)로부터 유도되어 수동 LC 회로(5)를 통해 램프(3)에 인가된다. 제어장치(4)는 입력장치(1)의 출력전압(Uo)을 나타내는 정보를 받고, 더 나아가 각각 전력펄스의 위상 및 홀딩 펄스의 위상동안 램프전압 및 램프전류를 나타내는 의미된 신호의 형태로 정보를 받는다. 따라서 제어장치(4)가 전력펄스를 형성하는 진동 및 홀딩펄스의 주파수를 제어함은 물론 각각 전력펄스 및 홀딩펄스의 펄스간격 및 폭을 제어하며, 상기 전력 및 홀딩 펄스는 진동펄스 발생기(2)에 의해 공급된다.
상기 회로는 다음과 같이 동작한다 : 먼저, 정류된 입력전압(Uo)은 요구된 값과 비교된다. 발생기(2)의 주파수가 제어되어서, 램프동작점의 편차는 수동 LC 회로(5)에 의해 보상된다. 그리고나서 전기적 램프의 파라미터중 하나가 감지되고 램프의 제어값과 비교된다. 편차가 있는 경우에, 펄스의 간격 또는 전력펄스에서 주파수를 변화시킴으로써, 전력펄스의 폭이 변화된다 ; 양자택일적으로 주파수는 홀딩전력을 변화시키도록 바뀔 수 있다. 상기 변화가 수행되고, 그 결과 공급된 램프 전력의 평균은 무효공간 온도를 경유하여, 증기압의 제어 또는 요구값, 방전램프의 요구되는 임피던스값, 홀딩펄스의 위상은 물론 전력펄스 동안 방전램프의 아아크 또는 구동전압 그리고 방전램프의 연색성 특성을 재설정할 것이다.

Claims (11)

  1. 에너지 공급장치를 이용하여, 포화조건하에서 동작하는 나트륨 고압방전 램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법에 있어서,
    나트륨 고압방전램프의 임피던스를 나타내는 램프의 전압 대 전류비율에 대하여 미리 설정된 값이, 최적의 램프 데이터를 발생시키는 값에서 설정되도록 에너지 공급장치의 출력전력이 제어되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 공급장치는 저-전력 홀딩펄스에 의해 분리되는 일련의 고-전력 펄스를 제공하며, 고-전력펄스 및 홀딩 펄스 동안 나트륨 고압방전램프의 임피던스를 나타내는 램프의 전압대 전류의 비율이, 최적의 램프데이타를 발생시키는 값에서 설정되도록 에너지 공급장치의 출력전력이 제어되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에너지 공급장치는 안정된 무-부하 출력전압과 미리 결정된 출력 임피던스를 가지며, 램프전압 및 전류를 포함하는 램프의 동작파라미터 중 하나가 최적의 램프 데이터를 발생시키는 값이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 에너지공급장치는 안정된 무-부하 출력전압 및 미리 결정된 출력 임피던스를 가지며, 전력펄스의 전압, 전력펄스의 전류, 홀딩펄스의 전압, 홀딩펄스의 전류를 포함하는 램프의 동작 파라미터 중 하나가 최적의 등 데이터를 발생시키는 값이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 에너지 공급장치는 펄스로된 에너지를 공급하며, 평균 램프 전력은 고-전력 펄스의 구간, 고-전력 펄스 및/또는 홀딩펄스의 펄스간격을 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 전력 및 홀딩펄스가 다수의 고-주파수 진동의 버스트로 형성되며, 상기 진동 주파수는 제어될 수 있고, 홀딩펄스는 고-주파수 진동 주파수를 변화시킴으로써 제어 되며, 고-전력 펄스의 구간은 전력펄스에서 고-주파수 진동 수를 변화시킴으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 에너지 공급장치가 접속되는 전력공급회로의 전압은 기준값과 비교되며, 회로전압값의 변동은 고-주파수 진동 주파수를 변화시킴으로써 동작파라미터에 대한 변동의 영향에 따라 보상되는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 에너지 공급장치는 에너지 공급장치의 출력에서 제공되는 램프 전력의 상한 및 하한값에 이르렀을 때 접속이 끊어지는 것을 특징으로 하는 나트륨 고압방전램프의 안정된 동작을 위해 에너지를 공급하는 방법.
  9. 전류제한장치(2) 또는 전기적으로 동작되는 진동자(2) 및 일정한 전력입력을 제공하기 위한 제어장치(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 에너지 공급장치.
  10. 펄스된 전력 입력을 제공하기 위한 펄스발생기(2) 및 제어장치(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2항에 따른 방법을 수행하기 위한 에너지 공급장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 에너지 공급장치는 수동 LC 네트워크(5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 공급장치.
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