KR100356940B1 - 고압방전등용 전자식 안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압방전등용 전자식 안정기(Electronic Ballast for High Intensity Discharge Lamp)에 관한 것으로, 정류 다이오드 D1, D2, D3, D4 및 쵸크 코일 TR2와 콘덴서 C4로 구성되는 직류 전원부(2)와, 스위칭 트랜지스터 K1, K2 및 콘덴서 C13과 다이엑 D11로 구성되는 출력변환부(3)과, 게이트정형용 집적회로와, 공진용 코일 TR4와 공진용 콘덴서 C7, C8, C9 및 TR3으로 구성되는 출력정합부(4)와, 다이오드 D7, D8 및 콘덴서 C5, C6으로 구성된 직류전원완충부(5)와, 직류전류 검출용 저항(detection resistor)R1과 직류전압 검출용 저항 R8, R9 및 출력제어용 집적회로 IC3, 연산기[op amp] U2, 저항 R15, 연산기 U1, 저항 R6,R7, 비교기[comparator] U3), 저항11, 비교기 U4, 저항 R14, 스위치 SW1, 저항 R15, 비교기 U5, 저항 R16, 콘덴서 C15로 구성되는 출력 제어부(6)과, 게이트변압기(7)을 구성함을 특징으로 한다.

Description

고압방전등용 전자식 안정기{Electronic Ballast for High Intensity Discharge Lamp}

본 발명은 고압방전등용 전자식 안정기에 관한 것이다.

방전등(arc tube lamp)은 여러 종류가 있으며 가정에서 쉽게 사용되는 형광등(fluorescent lamp)과 공장용 조명등(lighting)이나 도로에 설치된 가로등이 있다. 형광등, 자외선등(ultraviolet rays lamp), 저압나트륨등(low pressure sodium vapor lamp)은 저압방전등(low pressure discharge lamp)에 속하며 가로등은 고압방전등(high pressure discharge lamp)에 속한다. 저압방전등은 특성상 관(tube)의 길이가 길어서 관내에서 발생되는 열이 외부로 쉽게 방출되어 관기압(tube atm)이 점등전이나 점등후에도 동일하다. 따라서, 점등초기나 점등후에도 저압방전등의 관전압은 일정하다. 결과로 저압방전등은 전자식 안정기를 용이하게 채용할 수 있다. 고압방전 등은 수은등(mercury lamp), 고압나트륨등(high pressure sodium vapor lamp), 메탈할라이드등(metal halid lamp)등이 있다. 이러한 등은 HID(high intensity discharge)램프라 하며 특성상 관길이가 짧은 반면 전력이 큰 것이 특징이다. 고압방전등이 점등하면 관내에 엄청난 고온 플라즈마(plasma) 상태가 되어 관내 공기압이 초기점등전에 비교하여 엄청나게 높아지게 된다. 따라서 일정량의관전류(tube currents)가 인가될 경우 점등초기의 관전압과 점등후의 관전압은 많은 차이가 있다. 또한 안정 동작 후에도 조차 램프의 부성저항(negative resistance impendence) 특성에 의해 관전압 이상에서는 임피던스(impendence)가 높지만 관전압 이상에서는 임피던스가 낮다. 이러한 고압방전등을 점등하기 위해서 종래의 누설 변압기(leakage transformer)가 사용되어왔다. 상기 누설 변압기는 전류원(current source)으로 동작하며, 램프의 임피던스와 관계없이 전류량을 제한하는 기능을 한다. 결과적으로, 점등초기에는 관전압이 0전위(voltage potential)에 가깝고 안정화되었을 때 정상 전위가 된다. 그러나, 상기 누설 변압기의 인덕턴스(inductance)를 크게 하기 위하여 본 변압기를 감을 수 있는 긴 코일이 필요하기 때문에, 상기 누설 변압기의 효율에 악양향을 끼친다.

누설 변압기의 단점을 보완하기 위해 전자식 안전기는 전자제어방식을 사용한다. 전자제어방식을 사용하므로서 효율이 높고 부피는 적으며, 무게도 가볍고 기타 추가되는 외부 제어가 용이하다는 장점들이 있다.

종래의 전자식 안정기에 인가되는 직류 전원(DC power source)은 정전압원(regulated voltage source)이 되어야하며, 리플(ripple) 전압이 상기 정전압원에 존재한다면 램프의 부성저항(negative resistance impendence) 특성에 의해 램프 빛이 흔들리거나 자동 소동된다. 또한 램프로 출력되는 전원(power source)은 전류원이 되어야 한다. 따라서 전자식 안정기회로는 바람직하게도 컨버터부(converter part)와 인버터부(inverter part)로 구성된다. 상기 컨버터부와 상기 인버터부에는 여러 종류의 제어방식이 있으며 그 장단점은 이후에 상세히 기술될 것이다.

컨버터부(converter part)

1)콘덴서 입력식 제어 방식(Condenser Input Type Control Method): 50Hz 혹은 60Hz의 AC상응전원은 전파정류(full wave rectify)되고 상기 전파 정류된 전원내 리플율(ripple factor)을 억제하기 위하여 대용량의 콘덴서가 제공된다. 그러나, 본 제어방식에 있어, 입력역율(input power factor)은 55% 수준으로 떨어진다. 또한 초기 전원 인가시 유입 전류(inrush current)가 크게 흐른다. 따라서, 이러한 문제점 때문에 큰 용량의 전자기기에는 본 제어방식이 사용되지 않는다.

2) 쵸크 입력식 제어 방식(Choke Input Type Control Method): 상기 콘덴서 입력시 제어방식에서 발생되는 문제점을 해소하기 위해서, 쵸크 코일은 콘덴서의 선단으로 삽입된다. 리플율은 전류 값에 따라 가변되고 리플율을 감소시키기 위해서는 큰 용량의 쵸크코일이 필요로 한다. 그러나, 상기 역율을 향상시키기 위한 상기 쵸크코일은 큰 사이즈로 디자인되기 때문에 상기 쵸크 입력식 제어방식은 잘 이용되지 않는다.

3) 초퍼 레귤레이터식 제어 방식(Chopper Regulator Type Control Method): 본 타입은 스위칭 트랜지스터(switching transistor)를 사용해서 초크코일의 용량을 줄이는 방식이다. 상기 방식은 스텝다운 컨버터 방식(step-down Converter)과 스텝업 컨버터 방식(step-up Converter)으로 분류된다. 전자의 스텝다운 컨버터 방식에서 제어 전압은 입력전원보다 낮아지게 되고, 반대로 후자의 스텝업 컨버터 방식에서 제어 전압은 입력전원보다 높아지게 된다. 따라서, 스텝다운 컨버터와 스텝업 컨버터를 동시에 사용해서 제어전압을 임의로 조정할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 본 방식은 스위칭 트랜지스터를 사용하므로써 전력손실(power loss)을 피할 수 없게 되고 스위칭 트랜지스터와 조합되는 프라이휠 다이오드(flywheel diode)의 역회복전류(Reverse Recovery Current)로 인해 엄청난 노이즈(Noise)를 발생 시킨다.

인버터부(inverter part)

1) 직류전원제어방식: 고압방전등에서, 수은등은 관내에 수은 이외는 별다른 물질이 없으나 고압 나트륨 등이나 메탈할라이드등은 광색(lighting color)을 내는 물질을 전극(electrode)에 발라두거나 관의 일부에 도포(past)하여 두었다. 만약 램프에 DC 전류 전원이 인가되면 램프의 두 극은 서로 같은 온도를 내지 못한다. 이에 수온등을 점등하는 데에는 문제가 없으나, 나트륨 등이나 메탈할라이드등은 요구되는 광색상을 발할 수 없다는 점에서 문제가 있다. 결국 램프 전원(lamp power source)의 인가를 위해, 정DC 전원은 교류전원으로 다시 변환되어야 한다, 따라서, 이 방식은 수은등 이외에는 사용이 불가능하다.

2) 풀 브리지(full bridge)방식에 의한 저주파수 인버터식 제어 방식(low frequency inverter type control method in a full bridge manner): 풀브리지 스위칭 트랜지스터는 낮은 주파수이 주파수를 변환하여 상기 초퍼 레귤레이터상 입력을 제어한다. 그리고, 상기 풀브리지 스위칭 트랜지스터가 상기 초퍼 레귤레이터의상기 스텝다운 회로에서 전류원을 생성한다. 만일 상기 풀브리지 스위칭 트랜지스터가 전류원으로 동작되지 않으면, 램프의 부성저항 임피던스 특성으로 인해 출력 전류는 이론상 무한히 흐른다. 본 방식은 입력 역률(input power factor)이 좋으며 출력제어가 안정화되어 있다는 장점을 가지나 단점으로는 효율이 84% 정도이고 노이즈가 많으면 부품의 소요가 많다 등이다.

3) 고주파수 인버터식 제어 방식(high frequency inverter type control method): 만일 인버터부(inverter part)의 전원이 정 DC전원이면 상기 방식은 직렬공진 콘덴서(series resonant condenser)를 이용하여 직렬 공진 콘덴서를 램프와 병렬로 연결시키게 된다. 직렬 공진 회로에서는 직렬 공진용 인덕턴스가 전류원으로 동작하기 때문에 램프는 쉽게 점등될 수 있다. 램프의 전력제어는 공진 주파수보다 더 높은 주파수로 램프의 전류를 이루어진다. 주파수를 적용 가능한 제어방식에서 램프의 전류나 전력이 검출되어 스위칭 트랜지스터의 주파수를 제어한다. 본 방식의 장점으로는 단순한 출력회로가 있다. 그와 반대로, 단점으로는 직류 전원이 정전원이어야 하기 때문에 일반상응전원(AC line power)이 정전압회로를 거치도록 인가되어야만 한다는 점이다. 또한 램프가 점등중 어떠한 원인으로 인하여 자동 소등되면 직렬공진회로의 임피던스가 대단히 낮아져서 스위칭 트랜지스터에 엄청난 전류가 흘려 스위칭 트랜지스터가 파손된다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

따라서, 본 발명의 안출 목적은 고역율을 유지하고 회로 손실을 최대한 줄이기 위하여 부품의 수를 간소화한 고압방전등용 전자식 안정기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력전류를 리플이실린 직류 전류로 변환하기 위한 4개의 정류 다이오드와 쵸크 코일과 입력전력의 도통각을 늘려주는 제 1 콘덴서를 구비하는 콘덴서부와; 정류된 직류 전원이 인가되는 제 1과 제 2의 스위칭 트랜지스터들과, 다이액이 도통되도록 다이액에 공급하여 제 2 스위칭 트랜지스터를 스위칭 시켜서 제 2 스위칭 트랜지스터의 도통으로 출력 정합부에 자유공진신호가 여진되게금하는 제 2 콘덴서와, 게이트 변압기에 의해 검출된 공진 신호가 인가되고 게이트 보호용 제너 다이오드(gate protection Zener diode)내에 제어된 전압을 전원과 제 1 전류원을 거쳐가도록 하기 위해 상기 제 1 스위칭 트랜지스터의 게이트에 상기 인가된 신호를 인가하고, 역기 신호전압이 상승할 때까지는 게이트에 정(+)의 게이트 전압(positive gate voltage)의 신호를 게이트에 인가하지만 만일 전압이 감소하면 상기 게이트의 전위가 상기 게이트 변압기의 전위보다 높기 때문에 제 1 트랜지스터를 도통하여 마침내 상기 전원 전위에 도달하게끔 하기 위해 부(-)의 게이트 전위(negative gate voltage)로 낮추어서, 상기 제 1과 제 2의 스위칭 트랜지스터가 상기 여진신호와 동기되어 스위치되므로 상기 스위칭 트랜지스터들의 출력은 공진되어 계속 발진토록 하는 제 1과 제 2 게이트 정형용 집적회로들로 구성되는 인버터부와; 시정수를 계산하는 공진용 코일과 제 1, 제 2, 그리고 제 3의 공진용 콘덴서들, 관전압에 맞게 권수비(winding rate)를 설정한 변압기, 출력이 공진상태가 아닐 때 발생하는 역기전력을 직류전원 완충부에 되돌려주는 출력 정합부와; 상기 출력 정합부에서 발생한 역기전력을 입력하기 위한 제 1과 제 2 다이오드와, 상기 입력된 힘이 충전되어 직류전압의 리플을 감소시켜주는 제 3과 제 4 콘덴서들과, 충전된 전압은 직류전원의 낮은 전위에서 상기 제 1과 제 2 다이오드를 통해 상기 제 3과 제 4 콘덴서로 충전된 전압을 보충시키도록 하는 제 3과 제 4 다이오드들로 구비되는 직류전원 완충부와; 제 1 직류전류 검출용 저항(detection resistor)과 제 2와 제 3의 직류전압 검출용 저항에서 검출된 값을 출력제어용 집적회로 내에서 곱한 값으로 제어하고 상기 게이트 변압기의 전류를 제어하기 위해 제 2 전원을 제어하기 위한 제 1 연산 증폭회로(operational amplifier)와, 제어된 전류가 전압으로 입력되는 제 1 저항과, 기준전압으로 전압을 작동시키는 제 2 연산 증폭회로와, 상기 동작된 값이 출력되는 제 2 저항기와, 상기 출력된 값이 상기 제 1 연산증폭회로에서 설정된 전원을 입력하기 위한 전원설정값으로서 설정되는 제 3 저항과, 온도센서의 검출 값이 입력되는 제 1 비교기와, 비교 값을 설정하고 만일 검출온도가 상기 제 1 비교기내의 설정값보다 높다면 제 1 연산 증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 4 저항기와, 광감용 센서(photo sensor)의 검출 값이 입력되는 제 2 비교기와, 비교값을 설정하며 상기 제 2 비교기에서 설정 값보다 검출된 외부 외기빛이 밝으면 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 5 저항기와, 제 1 연산증폭회로의 출력차단을 해소시키기 위한 제 1 스위치와, 제 1 전류원에서 제어된 전류 값이 전압으로 나타날 때의 값을 기준 전압과 비교하여 전류가 많으면 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 3 비교기와, 램프 점등중에 소등하여 다시 점등할 때 요구되는 재점등 시간내에 램프가 점등되지 않으면 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한타이머와, 시간설정 시정수를 결정하기 위한 제 6 저항기와 제 5 콘덴서와, 전원전압이 부족할 때는 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키는 부족 전압차단기(undervoltage lockout)와; 그리고, 상기 출력 정합부에서 여진신호를 검출하여 검출된 신호를 상기 제 1과 제 2 게이트 정형용 집적회로들로 인가하기 위한 상기 게이트 변압기를 포함하여서 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 다른 목적들과 특질들은 같은 부분들을 도면 전체에 걸쳐서 같은 부호에 의해서 명시되는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예와 관련하여 후속하는 상세한 설명들로부터 드러나게 될 것이고, 그리고 그 안에서:

도 1은 본 발명의 바람직한 일시시예에 따른 고압방전등용 전자식 안정기를 나타낸 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:전원입력부 2:직류전원부

3:출력변환부 4:출력정합부

5:직류전원완충부 6:출력제어부

7:게이트변압기

[발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명]

이하 본 발명의 바람직한 실시에를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐트릴 수 있는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 고압방전등용 안정기는 상응전력을 직류전원으로 정류하였지만 별도로 정전원회로를 채택하지 않았다. 대신 역율을 94%이상 유지하고 리플을 최대한 줄이는 위해서 콘덴서부 2는 출력의 역기전력(reflection power)을 직류전원 완충부(absorbed DC power source part) 5에 되돌려준다. 결과적으로, 직류최소전압은 최대직류전압의 ⅔정도가 된다. 또한, 램프전원을 교류로 전환하기 위해서는 직렬공진 반파변환회로(half bridge inverter)를 사용했다. 직렬공진 반파변환회로는 간단하고 부품의 수가 적게 소요되도록 구성된다. 이미 직렬공진 반파변환회로가 개발되었지만 직류전원이 정전압이 되어야 하는 문제점이 있었다. 즉, 리플전원이 실린 직류전원으로 램프의 전원이 주파수변환을 하면 점등초기에 변환된 전원에는 이상이 없었다. 그러나, 관전압이 상승하면, 램프의 부성저항 임피던스 특성으로 인해 리플전압에서 관전압이 많이 상승한다. 그 결과, 램프의 불꽂이 흔들리고 심하면 램프는 자동 소등된다. 본 발명에 따른 고압등용 안정기는 리플전원이 있어도 안정된 인버터부를 구비한다.

직렬공진의 전류를 게이트변압기 TR5가 검출하여 상기 검출된 전류를 게이트 정형용(gate wave shaping) 집적회로 IC1, IC2에 인가시킨다. 게이트 정형용 집적회로IC1, IC2에서는 게이트 파형을 스위칭 트랜지스터 K1, K2의 게이트 정격에 상응하고 스위칭 소실을 줄이기 위하여 파형을 정형한다. 만일 스위칭 트랜지스터가직렬공진의 전류와 동기되어 스위치 되면 엄청난 양의 전류가 상기 스위칭 트랜지스터로 흐르게 될 것이다. 따라서, 상기 전류의 흐름은 제어해야만 한다. 결국, 게이트 변압기 TR5의 전압이 포화전압(saturation voltage)이상으로 상승된다. 게이트 정형용 집적회로 IC1, IC2에서는 상기 게이트 변압기 TR5의 포화지점을 확인하여 극성을 변환시킨다. 만일 상기 게이트변압기 TR5의 포화전압이 제어되면 스위칭 위상각이 공진점까지 못미쳐 상기 스위칭 트랜지스터의 극성이 반전되므로 공진 주파수 보다 높게 주파수가 형성되어 전류가 상기 스위칭 트랜지스터로 흐르는 것을 제한한다. 공진점의 벗어난 정도에 따라 직렬공진 전류가 감소한다. 출력 제어부(6)는 상기 게이트 변압기 TR5의 포화전압을 제어하는 기능을 한다. 상기 출력 제어부(6)로, 콘덴서부의 낮은 리플전압으로 공진점에 가까운 부분에서 상기 스위칭 트랜지스터의 극성이 반전되므로 전류가 많이 흐르고, 높은 리플전압으로 공진점에서 멀어진 부분에서 상기 스위칭 트랜지스터의 극성이 반전되므로, 전류가 적게 흐른다. 따라서, 램프 전류가 적으면 램프의 부성저항 특성에 의해 관전압이 상승하여 불꽃이 흔들리게 된다. 본 발명에 따른 전자식 안정기는 리플전압이 적은 쪽에서도 전류가 많이 흐르기 때문에 불빛이 흔들리는 문제는 결코 발생되지 않는다.

출력 제어부(6)에서 출력제어용 집적회로 IC3은 직류전원과 직류전압을 피드백하고 저항 R6의 설정 값에 맞게 비교하여 피드백된 직류전원을 게이트 변압기 TR5의 전압을 제어한다. 출력제어용 집적회로 IC3내에서 전원은 전력으로 증가된 값으로서 제어되기 때문에 램프의 관전압이 서로 상이하다 할지라도 램프는 동일한전력을 생산할 수 있다. 즉, 비록 램프가 다른 형태를 가지거나 여러 가지 관전압의 정격을 가진다 할지라도, 만일 램프전력이 같으면 동일한 전력으로 점등된다. 변환된 고주파전원은 상기 출력변압기 TR3의 단권변압기(autotransformer)로 정합되어 램프에 인가된다. 상기 출력 변압기 TR3은 초기 점등전압을 높이고, 비록 입력전압이 변한다 할지라도, 출력전력제어 범위내에 관전류가 존재하도록 한다.

예를 들어서, (175W용) 본 발명에 따른 전자식 안정기와 일반 누설변압기식 안정기를 비교한 결과는 하기의 표 <1> 에 나타내어지고 (150W용) 본 발명에 따른 전자식 안정기와 일본의 National사의 전자식 안정기의 또다른 비교 결과는 하기의 표 <2> 에 나타내어진다.

(*주1) 눈 어른거림 현상 : 사람의 눈은 1/30초 동안의 상온 망막에서 잔상으로 남아 있다. 일반장전등은 1/60초마다 빛이 나타났다 없어졌다 한다. 빛의 점멸시간이 잔상이 형성되는 시간보다 짧기 때문에 인간의 눈으로는 램프의 점멸을 확인할 수 없다. 그러나. 물체의 움직임은 몇 개의 화상으로 확인된다. 인간의 눈으로 물체를 주시할 때 인간의 시각을 이동하면 눈은 어른거리게 된다. 예를 들어, 이러한 현상은 가로등 밑에 있으면 불안하지만 백열등은 밑에 있으면 포근한 마음이 드는 것과 같다.

지금부터, 본 발명에 따른 전자식 안정기의 각각의 회로의 동작에 대해 설명될 것이다.

상기 입력 전원부(input power supply part)(1)에서, 상응전원은 노이즈 필터 처리되어 상기 직류전원부(2)로 입력된다.

상기 직류전원부(2)에서, 상기 입력 전원부(1)로부터 입력전류는 정류 다이오드 D1, D2, D3, D4에 의해 리플이 실린 직류전원으로 변환된다. 쵸크코일 TR2와 콘덴서 C4는 입력전류의 도통각을 늘려준다.

정류된 직류전원은 스위칭 트랜지스터 K1, K2에 인가된다. 이때, 콘덴서 C13에 전위가 충전되며 충전된 전압은 다이엑 D11을 도통시켜 상기 스위칭 트랜지스터 K2를 도통된다. 결과적으로, 상기 스위칭 트랜지스터 K2의 도통으로 상기 출력 정합부(4)에 자유공진 신호가 여진되며 게이트 변압기 TR5는 상기 여진신호를 검출하여 검출된 여진 신호를 상기 게이트 정형용 집적회로 IC1, IC2에 인가한다.

상기 게이트 정형용 집적회로 IC1, IC2에 인가된 신호는 상기 스위칭 트랜지스터 K1의 게이트에 인가되며 게이트 보호용 제너 다이오드에서 제한된 전압은 전압원 V1과 전류원 A1을 거쳐간다. 여진신호전압이 상승할 때까지는 상기 스위칭 트랜지스터 K1의 게이트에 정(+)게이트 전압(positive gate voltage)의 신호로 인가되지만, 상기 전압이 감소하기 시작하면 상기 게이트의 전위가 변압기측의 전위보다 높기 때문에 트랜지스터 Q1이 도통하여 결국 게이트 전위를 전압원 V1의 전위에 도달할 때까지 부(-)의 게이트 전위로 감소된다. 따라서, 상기 스위칭 트랜지스터들은 여진신호와 동기되어 스위치 되므로 상기 스위칭 트랜지스터의 출력은 공진되어 계속 발진하게 된다.

상기 출력 정합부(output matching part)(4)에서는 공진용 코일 TR4와 공진용 콘덴서 C7, C8, C9가 시정수 설정을 위해 제공되어 있으며 공진주파수는 상기 설정된 시정수로 계산된다. 상기 출력변압기 TR3은 램프의 관전압에 맞게 권수비(winding rate)를 설정한다. 이때, 관전압이 높으면 권수비가 올라가고, 그와 반대로 낮으면 상기 출력 변압기를 제거된다. 만일 출력이 공진상태가 아니면 상기 출력 정합부(4)에서 역기전력이 많이 발생되고 상기 발생된 역기 전력은 직류전원 완충부(5)에 되돌려준다.

상기 직류전원 완충부(absorbed DC power source part)(5)는 상기 출력 정합부(4)에서 발생한 역기전력을 다이오드 D7, D8을 거쳐 콘덴서 C5, C6에 충전시켜준다. 상기 충전된 전압은 직류전압의 리플을 감소시켜준다. 직류전원의 낮은 전위일 때 콘덴서 C5, C6에 충전된 전압은 다이오드 D5, D6을 거쳐 보충된다.

상기 출력 제어부(6)에서, 연산 증폭 회로 U2는 직류전류 검출용저항(detection resistor) R1으로부터 검출된 값을 출력 제어용 집적 회로 IC3의 직류전원 검출용 저항 R8, R9로부터 검출된 값으로 증가시킨다. 상기 연산 증폭 회로 U2는 전류원 A2를 제어하여 결국 상기 게이트 변압기 TR5의 전류를 제어한다. 상기 제어된 전류는 저항 R15에 전압으로 변화된다. 상기 저항 R7상의 전압이 상기 연산 증폭 회로 U1의 기준 전압과 연산하여 상기 저항 R7로 상기 연산된 값이 출력된다. 상기 출력된 값은 저항 R6에서 전력 설정값으로 설정되어 상기 연산 증폭 회로 U2에 입력된다.

온도센서의 검출 값이 비교기 U3에 입력되고 상기 비교기 U3의 비교값은 저항 R11에 의해 설정된다. 만일 비교기에서 설정 값보다 검출된 온도가 높으면 상기 연산 증폭 회로 U2의 출력은 차단된다.

광감응센서(photo sensor)의 검출값이 비교기 U4에 입력되고 상기 비교기 U4의 비교 값은 저항 R4에 의해 설정된다. 상기 비교기 U4에서 설정값보다 외부 외기빛이 밝으면 상기 연산 증폭 회로 U2의 출력은 차단된다.

만일 스위치 SW1의 신호가 입력되면 연산기 U2의 출력 차단은 해소된다.

상기 전류원 A2에서 제어된 전류값이 저항 R15에서 전압으로 나타난다. 상기 전압 값은 비교기 U5에 의해 기준전압과 비교하고, 만일 전류가 많으면 상기 연산 증폭 회로 U2의 출력은 차단된다.

일반적으로, 램프 점등중에 램프가 소등되어 다시 점등할 때 재점등 시간이 요구된다. 만일 요구된 재점등 시간내에 램프가 점등되지 않으면 타이머는 상기 연산 증폭 회로 U2의 출력을 차단한다. 상기 요구된 재점등 시간을 설정하기 위한 시정수는 저항 R16과 콘덴서 C15로 결정된다.

만일 전원전압이 부족하면 부족전압 차단기는 상기 연산 증폭 회로 U2의 출력을 차단한다.

출력제어용 집적회로 IC3의 전원은 저항 R5에 인가된다.

본 발명에 따른 전자식 안정기 회로내에 구비된 상기 언급된 부분들에 대한 설명에 하기에 상세하게 기술될 것이다.

상용전원을 상기 다이오드 D1, D2, D3, D4에 의해서 직류전압으로 변환된다. 직류전원은 상기 변압기 TR2와 캐퍼시터 C4로 평활된다.(filtering). 상기 평활된 직류전원은 상기 스위칭 트랜지스터 K1.K2에 의해서 고주파교번절환(high frequency altenate switch)된다. 상기 고주파 전원은 상기 공진용 변압기 TR4와 상기 캐퍼시터 C7, C8. C9에서 공진된다. 상기 공진된 전원은 상기 출력 변압기 TR3을 거쳐 램프에 출력된다. 상기 공진신호는 상기 게이트 변압기 TR5에서 검출되어 상기 게이트 정형용 집적회로 IC1, IC2와 상기 출력제어용 집적회로 IC3에 공급된다. 상기 게이트 정형용 집적회로 IC1, IC2에서는 검출된 신호를 파형 정형하고, 상기 출력 제어용 집적회로 IC3은 공진전류를 동기화 시키며 상기 게이트 변압기 TR5의 출력을 제어한다. 저항 R2, R3과 콘덴서 C13, 다이오드 D11은 공진하기 위한 초기신호를 발생하기 위한 장치로서 역할을 한다. 상기 직류전원 완충부(5)에서 콘덴서 C5, C6과 다이오드 D5, D6, D7, D8은 출력전원의 역기전력을 직류전원으로 환원한다. 상기 콘덴서 C11, C12는 상기 스위칭 트랜지스터 K1,K2의 전압상승율(dv/dt)을 억제하는 역할을 한다. 입력 전원 공급부(1)에서 상기 콘덴서C1, C2, C3과 상기 변압기 TR1은 노이즈 방출을 억제하는 역할을 한다. 만일 입력전원이 과도하게 인가되면 제너 다이오드 ZNR은 상기 스위칭 소자가 파괴되지 않게끔 보호된다. 상기 저항 R1은 입력전류를 검출하고, 저항 R8, R9는 입력전압을 검출한다. 상기 저항 R6, R7은 출력전류 설정용이고, 상기 온도센서는 방열한온도 검출용 센서로서 기능을 한다. 상기 저항 R10, R11은 방열판온도를 설정하는 기능을 한다. 광감용 센서가 외기 조도를 검출하여, 검출된 외기 조도가 낮을 때, 램프를 점등시킨다. 상기 저항 R13, R14는 외기조도를 설정하는 기능을 한다. 상기 스위치 SW1은 원격점등스위치로서 동작을 하고, 상기 저항 R15는 출력전류를 검출하는 기능을 한다. 상기 저항 R16과 상기 콘덴서 C15는 램프 소등후 재점등하는 시간을 설정하는 역할을 한다.

[발명의 효과]

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고압방전등용 전자식 안정기는 종래의 안정기와 비교할 때 다음과 같은 다수의 장점들이 있다.

1) 거의 90%이상의 효율을 가진다. : 전류가 흐르는 경로의 반도체의 수를 상기 정류 다이오드 D1, D2, D3, D4와 상기 스위칭 트랜지스터 K1, K2를 정류하는 장치에 따라 제한하여 반도체의 손실을 줄인다. 출력 전류가 고주파이기 때문에 고주파 표피효과(high frequency skin effect)로 인해 일반 권선에서 발생되는 저항 손실을 막기 위해서 각종 변압기은 고주파 코일로 권선되어 있다. 상기 콘덴서 C11, C12로 스위칭 트랜지스터 K1, K2의 턴오프시킬 때 상기 콘덴서들은 제로크로싱스위치오프 동작(zero crossing switch off operation)을 수행하여 스위칭 손실이 전혀 발생되지 않는다. 더욱이, 역기전력은 직류전원 완충부(5)로 되돌림으로서 상기 스위칭 트랜지스터 K1, K2의 피크 전류를 감소시키게 된다. (예를 들어, 175W용 누설변압기식 안정기의 효율이 83%인데 비하여 본 발명에 따른 전자식 안정기의효율은 95%이다.

2) 본 발명에 따른 전자식 안전기의 부피가 누설 변압기식 안정기의 0.3배 정도에 지나지 않는다. : 상기 출력전류는 고주파이므로 모든 변압기의 부피는 고주파수에 비례하여 줄어들기 때문에 방열판(heat skin)의 크기가 상대적으로 작다. (예를 들어 174W용 누설 변압기식 안정기의 부피가 2500㎤인 반면에 본 발명에 따른 전자식 안정기의 부피는 750㎤이다.)

3) 본 발명에 따른 전자식 안정기의 무게가 누설 변압기식 안정기의 0.2배이다. : 전류가 고주파이므로 모든 변압기의 무게는 주파수에 비례하여 줄어들기 때문에 방열판의 무게가 상대적으로 작다. (예를 들어 175W용 누설 변압기식 안정기의 무게가 7.1kg인 반면에, 본 발명에 따른 전자식 안정기의 무게는 1kg내외이다.) 따라서, 반사 패널(reflection panel)내 전자식 안정기는 설치가능하고, 소비 전력량이 작기 때문에, 상기 반사 패널내 전자식 안정기의 밀폐(sealing)는 온도증가에 어떤 영향을 주지 않는다. 그리고, 온도 센서가 자동차단 되도록 내장되어 램프의 열원이 식지 않고 반사패널로 전달되었을 때 화제의 위험성이 없다.

4) 입력전압의 변동에 관계없이 출력 전류는 일정수준이 된다. : 출력제어용 집적회로 IC3은 직류전압과 직류전류를 검출하여 전력제어를 한다. 예를 들어 ,입력 전압이 ±10% 범위내에서 변동할 경우 누설 변압기식 안정기의 출력 전압은 ± 20% 범위내에서 변하지만 본 발명에 따른 전자식 안정기의 출력 전압은 ±5% 범위내에서 변동된다.

5) 직류 전원전압이 동작 가능하다. : 일반 누설 변압기식 안정기는 50Hz이나 60Hz의 일반 상응전원으로만 동작한다. 그러나, 본 발명에 따른 전자식 안정기는 이미 교류를 직류로 평활하여 평활된 직류를 고주파전류로 변환하기 때문에 직류전원을 바로 인가시켜도 동작한다. 따라서, 본 발명에 따른 전자식 안정기는 차량용 전원이 인가되고 변압기 TR3의 권선비가 변화되도록 함으로서 동작된다.

6) 빛의 어른거리는 현상은 전혀 없다. : 고주파 전원이 램프에 인가되므로 본 발명에 따른 전자식 안정기에는 이러한 빛의 어른거리는 현상이 전혀 없다.

7) 외부전원차단기(power switch)없이 보조스위치로 램프를 점멸된다. : 누설 변압기식 안정기는 전원을 투입하고 차단하므로서 램프를 점멸한다. 그러나, 본 발명에 따른 전자식 안정기에서 전원이 항시 인가되어 있고 스위칭 트랜지스터의 게이트가 차단되므로 보조 스위치 SW1의 동작으로 점멸할 수 있다.

8) 무부하시 입력전류의 흐름이 약하다. : 고압방전등은 전력이 정상상태가 되면 관내 온도가 대단히 높으며 관내기압도 높다. 램프를 소등 후에는 램프의 열이 빨리 식지 않기 때문에 관내 기압이 높으며. 램프를 다시 점등하려해도 램프의 초기점등이 이루어지지 않는다. 이때, 누설 변압기식 안정기에서 입력전류는 정격전류의 2배이상 흐른다. 그러나 본 발명에 따른 전자식 안정기는 전류의 흐름이 약하고 무부하전력(unloading power) 역시 거의 없다.(예를 들어, 175W용 누설 변압기식 안정기의 무부하 입력전류는 2.5A이고 본 발명에 따른 전자식 안정기는 0.2A이다.)

9) 램프의 파손으로 인해 램프의 점등이 불가능할 때 초기 점등신호가 제거된다. : 램프의 파손 등으로 램프의 전류가 흐르지 않을 경우 콘덴서 C15, R16을 통해 시간을 설정하여 스위칭 트랜지스터의 게이트를 차단한다. 결과적으로, 게이트 신호를 차단하면 램프의 관전압도 0전위가 된다. 따라서, 램프 파손시 고전원으로 인한 화제발생의 위험을 방지할 수 있다.

10) 온도 센서가 설치된다 : 여름철에 옥내 천정의 온도는 매우 높게 상승한다. 일반 안정기는 온도센서가 내장되지 않아 화재의 위험에 노출되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 전자식 안정기는 온도센서를 내장하여 고온이 인가되면 센서 동작을 멈춘다.

11) 초기전류 제한이 이루어진다. : 초기 점등시 램프의 전위는 0전위에 가깝다. 이때, 일반 누설 변압기식 안정기에서 입력전류는 정격전류의 2배가 흐른다. 본 발명에 따른 전자식 안정기는 변압기 TR5에서 검출되어 관전류 정격전류의 1.5배로 제한됨으로써 과다한 열이 발생되는 것을 방지한다.

게다가, 기타 본 발명에 따른 전자식 안정기는 외부조도에 따라 자동으로 점멸하므로 사용시 편리하고, 원격조정(리모트 컨트롤)으로 점멸 가능하다.

이상과 같이 본 발명의 전자식 안정기는 기존의 누설 트란식이나 기존의 전자식 안정기와 비교시 회로 구성이 간소하고 고주파 전원을 출력하므로써 효율이 월등하다. 더욱이, 본 발명에 따른 전자식 안정기의 무게 및 부피도 적다. 또한,상기한 장점으로, 본 발명에 따른 전자식 안정기의 가격은 일반 안정기 가격의 약 2배 정도이다.

상기 설명은 본 발명의 원칙들이 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 사용되는 어떤 부가방법들 내에서 인지될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 단지 다음의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (1)

1. 입력전류를 리플이 실린 직류 전류로 변환하기 위한 4개의 정류 다이오드와 쵸크 코일과 입력전력의 도통각을 늘려주는 제 1 콘덴서를 구비하는 콘덴서부와;

   정류된 직류 전원이 인가되는 제 1과 제 2의 스위칭 트랜지스터들과, 다이액이 도통되도록 다이액에 공급하여 제 2 스위칭 트랜지스터를 스위칭 시켜서 제 2 스위칭 트랜지스터의 도통으로 출력 정합부에 자유공진신호가 여진되게금하는 제 2 콘덴서와, 게이트 변압기에 의해 검출된 공진 신호가 인가되고 게이트 보호용 제너 다이오드(gate protection Zener diode)내에 제어된 전압을 전원과 제 1 전류원을 거쳐가도록 하기 위해 상기 제 1 스위칭 트랜지스터의 게이트에 상기 인가된 신호를 인가하고, 역기 신호전압이 상승할 때까지는 게이트에 정(+)의 게이트 전압(positive gate voltage)의 신호를 게이트에 인가하지만 만일 전압이 감소하면 상기 게이트의 전위가 상기 게이트 변압기의 전위보다 높기 때문에 제 1 트랜지스터를 도통하여 마침내 상기 전원 전위에 도달하게끔 하기 위해 부(-)의 게이트 전위(negative gate voltage)로 낮추어서, 상기 제 1과 제 2의 스위칭 트랜지스터가 상기 여진신호와 동기되어 스위치 되므로 상기 스위칭 트랜지스터들의 출력은 공진되어 계속 발진토록 하는 제 1과 제 2 게이트 정형용 집적회로들로 구성되는 인버터부와;

   시정수를 계산하는 공진용 코일과 제 1, 제 2, 그리고 제 3의 공진용 콘덴서들, 관전압에 맞게 권수비(winding rate)를 설정한 변압기, 출력이 공진상태가 아닐 때 발생하는 역기전력을 직류전원 완충부에 되돌려주는 출력 정합부와; 상기 출력 정합부에서 발생한 역기전력을 입력하기 위한 제 1과 제 2 다이오드와, 상기 입력된 힘이 충전되어 직류전압의 리플을 감소시켜주는 제 3과 제 4 콘덴서들과, 충전된 전압은 직류전원의 낮은 전위에서 상기 제 1과 제 2 다이오드를 통해 상기 제 3과 제 4 콘덴서로 충전된 전압을 보충시키도록 하는 제 3과 제 4 다이오드들로 구비되는 직류전원 완충부와;

   제 1 직류전류 검출용 저항(detection resistor)과 제 2와 제 3의 직류전압 검출용 저항에서 검출된 값을 출력제어용 집적회로 내에서 곱한 값으로 제어하고 상기 게이트 변압기의 전류를 제어하기 위해 제 2 전원을 제어하기 위한 제 1 연산 증폭회로(operational amplifier)와, 제어된 전류가 전압으로 입력되는 제 1 저항과, 기준전압으로 전압을 작동시키는 제 2 연산 증폭회로와, 상기 동작된 값이 출력되는 제 2 저항기와, 상기 출력된 값이 상기 제 1 연산증폭회로에서 설정된 전원을 입력하기 위한 전원 설정값으로서 설정되는 제 3 저항과, 온도센서의 검출 값이 입력되는 제 1 비교기와, 비교 값을 설정하고 만일 검출온도가 상기 제 1 비교기내의 설정 값보다 높다면 제 1 연산 증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 4 저항기와, 광감용 센서(photo sensor)의 검출 값이 입력되는 제 2 비교기와, 비교 값을 설정하며 상기 제 2 비교기에서 설정 값보다 검출된 외부 외기빛이 밝으면 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 5 저항기와, 제 1 연산증폭회로의 출력차단을 해소시키기 위한 제 1 스위치와, 제 1 전류원에서 제어된 전류 값이 전압으로 나타날 때의 값을 기준 전압과 비교하여 전류가 많으면 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 제 3 비교기와, 램프 점등중에 소등하여 다시 점등할 때 요구되는 재점등 시간내에 램프가 점등되지 않으면 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키기 위한 타이머와, 시간설정 시정수를 결정하기 위한 제 6 저항기와 제 5 콘덴서와, 전원전압이 부족할 때는 상기 제 1 연산증폭회로의 출력을 차단시키는 부족전압차단기(undervoltage lockout)와; 그리고,

   상기 출력 정합부에서 여진 신호를 검출하여 검출된 신호를 상기 제 1과 제 2 게이트 정형용 집적회로들로 인가하기 위한 상기 게이트 변압기를 포함하여서 구성된 것을 특징으로 하는 고압방전등용 전자식 안정기.