KR100404015B1 - 방전램프시동및동작방법 - Google Patents

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Abstract

방전 램프, 특히 고압 방전 램프의 글로 방전을 효과적으로 억제하기 위하여, 시동 또는 점화 바로 후에, 램프에 제 1 또는 런-온 단계에서 1 보다 큰, 예를 들면 1.13 내지 1.45의 파형률 F를 가지며, 램프의 정격 공칭 동작 전류보다 더 높은 실효값(Ieff)을 갖는 런-업 전류가 공급된다. 제어가능한 전원 및 스위칭 가능한 브릿지 회로에 연결된 제어 회로(C)는 공칭 동작 주파수보다 더 높게, 에를 들면 약 90-150 Hz사이의 공칭 동작 주파수를 갖는 2kHz로 런-온 단계 전류의 주파수를 제어한다.

Description

방전 램프 시동 및 동작 방법
본 발명은 방전 램프, 특히 고압 방전 램프를 시동 및 동작하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법을 활용하여 이러한 방전 램프를 시동 및 동작하기 위한 시스템에 관한 것이다.
방전 램프, 특히 고압 방전 램프는 종래의 상태에 따라서 예를 들면 약 90-150Hz 사이의 저주파 사각파형 전압을 램프에 공급함으로써 시동된다. 점화 펄스는 이 전압위로 중첩된다. 램프가 점화되자마자, 램프 전압 및 램프 전류의 동작 주파수는 극성 반전되며 상기 반전은 공칭 주파수의 반주기 후보다 늦지 않게 발생된다. 90Hz의 공칭 주파수에서, 이 극성 반전은 5.5ms후에 일어난다. 그러나, 이 순간에 전극은 전극으로부터 열 방출을 허용하지 않는 온도를 갖게 된다. 램프 전압 및 램프 전류의 극성 반전시에, 램프는 예를 들면 150-200V 사이의 비교적 높은 동작 전압으로 글로 방전하여 수ms동안 동작하거나 소등되는 경향이 있다.
어떤 글로 방전은 여러가지 단점을 갖는다. 글로 방전은 활성 전극으로부터 실질적인 재료 제거에 기여하는 것만은 아니다. 상기 제거된 재료를 램프의 전구상에 증착시키면 전구가 어둡게 된다. 부가적으로, 글로 방전은 광속을 감소시키기도 한다. 이러한 글로 방전의 바람직하지 못한 결과는 각 극성 반전시에 일어난다.
램프에 공급되는 전류는 사각파 형상이며, 상기 사각형 형상은 상기 전류가 약 1의 파형률을 갖는 것을 의미한다. 이것은 상기 초기 동작 상태에서 상기 전극상에 높은 열 부하를 가하며, 이로 인해 상기 전극들은 그들의 용융온도로 가열될 수 있다. 이 로딩은 특히 런-온 전류가 거의 정격 동작 전류에 있는 방전 램프에서 발생할 경우에 초래된다. 이것은 약 1의 파형률로 공급되는 전류의 단점이다.
"파형률"은 평균값에 대한 전류 또는 신호의 실효(유효)값의 비율로서 규정된다(Van Nostrand's Scientific Encyclo pedia, 5th Edition, 1976). 일정(dc)한 성분을 갖지 않는 신호에 있어서, 반주기 평균은 비율을 평가하는데 사용되는 값이다. 파형률은 피크된 신호보다 상부가 평평한 신호가 더 작다. 상기 파형률은 사인파인 경우 1.111, 사각파인 경우에는 1.000의 값을 갖는다. 그러므로, 파형률은 주기 신호의 형태를 설명하는데 사용될 수 있다. 파형률 F는 전류 Igl또는 신호의 정류값에 대한 전류 Ieff또는 신호의 실효값의 비율로서 수학적으로 표현될 수 있다. 즉,
본 발명의 목적은 방전 램프의 전극이 단지 경부하되는 방전 램프를 시동하거나 런-온 하는 방법 및 이 방법을 실행하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
간단히 말하면, 상기 램프는 제1 또는 점화단계에서 점화펄스로 시작되고, 제2 또는 런-업 단계동안 본 발명의 특징에 상응하여 정격 공칭 동작 전류보다 더 높은 실효값 Ieff을 갖는 런-업 단계 전류가 상기 램프에 공급된다. 상기 램프에 공급된 런-업 단계 전류는 1 보다 큰 파형률, 바람직하게는 1.1 이상, 예를들면 1.13 또는 더 양호하게는 1.45의 파형률을 갖는다.
본 발명은 다수의 장점을 가지느데, 예를 들면, 전극은 런-온 단계 동안 필요한 방출온도로 효과적으로 가열되기 때문에 방전 램프의 수명이 증가된다는 장점이 있다. 또한, 상기 런-온 전류가 증가될 수 있기 때문에, 상기 광속 출력은 상기 전극의 손상없이도 빠르게 상승한다.
종래 기술에서, 방전 램프, 특히 고압 방전 램프에는 시간 tO의 통전 초기에 예를 들면 90 내지 150Hz 사이의 공칭 주파수의 교번 전압이 공급된다. 제 1도는 전류 및 전압을 개략적으로 나타낸다 ; 제 1도의 상부는 단위당 200V의 크기를 갖는 램프 전압 UL를 나타내며, 제 1도의 하부는 2A/단위의 램프 전류 IL을 나타낸다. 점화 펄스는 도시되어 있지 않다.
종래 기술에 따른 동작 모드에 있어서, 램프는 시간 tO의 초기 즉 전압 UL이 접속될 때 공칭 주파수로 전압 UL을 공급한다. 시간 간격 T1'에서, 점화 펄스는 공칭 주파수 위로 중첩된다. 이 점화 펄스는 4 내지 4.5kV의 진폭 및 약 1-2ms의 존속기간을 갖는다. 결론적으로, 제 1도는 이들 펄스를 도시할 수 없다. 제 1도에서 일 시간 단위는 50ms이다. 다음 시간 주기 T2'에서, 글로 방전은 램프의 극성 반전 등에 일어난다. 이 글로 방전은 전극이 시간 주기 T2'의 끝인 방출온도에 이를 때까지 일어날 수 있다. 글로 방전의 전형적인 값은 약 150 내지 250V의 범위에 있다. 각 글로 방전은 특정 시간 순간에서 음극을 형성하는 전극으로부터 재료의 제거를 초래한다. 이 재료는 램프상에 증착되어 어둡게 한다.
시간 주기 T2'에 인접하여 시간 주기 T3가 따라오는데, 시간 주기 T3 동안에 상기 램프 전압은 10V와 20V 사이에서 그것의 공칭 정격값으로 상승하고 상기 램프 전류는 그것의 정격값으로 하락한다. 시간 간격 T1'을 따라오는 전압 UL의 파형은 사각파이며 파형률 F=1을 갖는다.
다음과 같은 방정식이 얻어진다 :
여기서 Ieff는 전류의 실효값, Igl은 정류값, T는 주기이다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 램프는 점화 후에 런-오프 동작 상태의 제 1 단락 간격동안 정상 동작의 공칭전류의 실효값보다 높은 실효값 Ieff1의 전류가 공급된다. 그 뒤로 런-온 단계가 뒤따른다. 램프로 공급되는 파워는 램프의 파워 정격위로 런-온 동작에서 증가된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 런-온 단계동안 및 점화후에 공급된 전류는 파형률 F가 1 보다 더 크고 바람직하게는 상업적으로 적합한 회로 소자에 의해 얻어질 수 있도록 파형을 갖기 위해 선택되어진다.
램프의 런-온 단계동안, 램프 전류의 주파수는 공칭 연속 동작중의 전류의 주파수보다 더 높게 선택된다. 제 2도는 1보다 큰 파형률이 제공되는 회로 구성을 도시한다.
제 2도를 참조하면, 회로는 정류기의 출력일 수도 있으며 입력에서 스위칭 모드 전원 회로에 의해 형성된 입력 회로 SNT를 갖는 직류원으로부터 공급된다. 출력에서, 회로 SNT는 커패시터 CK로 개략적으로 도시된 용량에 연결되어 있다. 브릿지 회로는 용량에 병렬접속되어 있으며, 예를 들면 스위치 S1,S2,S3,S4를 갖는 전파 푸시풀(push-pull) 브릿지이다. 각 스위치 S1,S2 및 S3,S4 사이의 접속 J12 및 J34는 인덕턴스 L과 직렬로 램프 EL에 의해 접속되어 있다.
방전 램프 EL은 인덕턴스 L상에 부가 권선 LZ에 의해 유도 결합될 수 있는 점화 회로 Z로 점화될 수 있다. 또한, 램프는 방전 램프 EL에 병렬 접속된 커패시터 CR, 및 직렬공진회로를 구성하는 인덕턴스 L에 의해 점화될 수 있다. 커패시터 CR는 부가 점화회로 Z와 결합하며 사용될 수도 있다.
스위치 S1,S2,S3,S4는 제어회로에서 제어된다. 제어회로 C는 방전 램프에 공급되는 전압을 형성하며 방전 램프에 공급되는 파워를 조정할 수 있는 스위칭 모드 전원 SNT로부터 제어 입력을 수신한다. 파워를 조정하기 위하여, 회로 SNT의 출력단자에서의 전압 U이 측정되고, 출력회로에 흐르는 전류 I가 측정된다. 각 전압 및 전류값은 곱해지며 실제 파워를 나타내는 신호는 제어 회로로 공급된다. 제어회로는 스위치 S1-S4의 동작 사이클의 적합한 베어에 의한 램프 동작의 런-온 단계 동안 회로 SNT로부터 출력 파워의 실제 또는 명령값을 상승시킬 수 있다.
제어회로 C는 본 발명에 따라서 스위치들의 브릿지 배열을 제어한다; 런-온 상태에서 그리고 점화후에, 방전 램프는 정상 또는 동작 상태에서 램프에 공급되는 램프의 공칭 또는 정격전류의 실효값보다 더 높은 실효값 Ieff1을 갖는 전류를 수신한다. 런-온 상태에서, 방전 램프에 공급되는 전류의 파형률은 1보다 크다. 런-온 상태에서 방전 램프에 공급되는 전류는 가능한 한 낮은 정류값 Igl을 갖는다. 런-온상태에서 공급되는 전류는 공칭 또는 정상 상태 동작의 동작 주파수보다 높은 동작 주파수를 가지며, 상기 정상 상태 동작은 제 1 또는 런-온 동작 단계후의 제 2 동작 단계이다.
본 발명에 따른 회로의 제어회로 C는 비교적 높은 동작 주파수로 동작하기 위하여 브릿지 회로의 스위치 S1-S4를 제어한다; 제 2 동작 상태, 즉 정상동작에서, 브릿지 회로 S1-S4의 동작 주파수는 비교적 낮은 주파수이다.
초기 동작 단계는 방전 램프의 전압이 그 공칭, 설계, 또는 정상 상태값에 이르는 경우에 종료된다. 제어회로 C는 이 동작을 검출하며, 램프의 파워가 공칭값으로 조절되는 다른 동작 단계가 뒤따른다. 브릿지 회로의 동작 주파수는 특히 조용한 동작을 보장하기 위하여 방전 램프의 음향 공진 아래있는 비교적 낮은 공칭값 또는 설계값으로 변화된다.
인덕턴스 L은 런-온 상태에서 비교적 높은 동작 전류동안 포화상태하에서 동작되도록 구성될 수도 있다. 인덕턴스 L가 포화 범위내에서 동작하지 않을 경우, 삼각파 램프 전류는 파형률 F=1인 사각파 전류에 대하여 약 1.13의 파형률을 갖게 된다. 이것은 인덕턴스 L가 포화 범위내에서 동작할 경우 13% 정도 전극의 로딩을 감소시키며, 제 1 동작 상태에서, 램프 동작 전류는 제 4도에 도시된 바와같은 파형을 갖도록 명령될 수 있다. 이 램프 전류는 F=1의 사각파 전류에 대하여 약 1.45의 파형률을 갖는다. 이것은 45% 정도 전극의 로딩을 감소시킨다.
본 발명의 특징에 따르면, 인덕턴스 L는 전류가 공칭 동작 전류의 실효값의 약 2 내지 3배에 이를 경우 포화되도록 치수 설정된다. 바람직하게는, 인덕턴스는비선형 인덕턴스이다.
램프 회로에서 실효 투과율의 실질적인 감소 및 실효 인덕턴스 L의 감소는 램프 전류를 비교적 크게 상승시킨다. 이 실효 투과율의 감소는 높은 동작 전류에 의해 초래된다.
공칭 동작 전류, 포화 전류 및 브릿지 회로 S1-S4의 동작 주파수에서 파라미터 L의 적합한 치수 설정에 의하여, 다른 값 및 레벨의 파형률이 얻어질 수 있다.
회로 SNT; 램프의 점화 및 인덕턴스값의 변화에 관한 상세에 대하여는, USP 5,396,152호; USP 5,483,126호; 및 독일 출원 195 15 510.6(1995년 4월 27일 Attorney Docket 960001-shf; GR 95P5515 US)에 기재되어 있다.
제 3도는 제 1 및 제 2 동작 단계에서 전류의 과정을 도시한다. 제 1 동작 단계 B1에서, 선형적으로 동작하는 인덕턴스 L 및 증가된 동작 주파수에 기인한 전류는 대략 삼각파형을 가지며 그러므로 파형률 F는 1.13 이다. 제 2 동작 단계 B2에서, 브릿지 스위칭 주파수가 낮기 때문에 전류는 사각파이며 그러므로 파형률은 1이다. 인덕턴스의 비선형 특성 및 증가하는 동작 주파수에 기인하여, 동작 전류는 제 4도에 도시된 바와같은 파형을 가질 수 있다. 이러한 파형을 갖는 동작 전류는 1.45의 파형률을 갖는다. 제 2 동작 단계는 제 3도와 동일하다.
런-온 동작에 있어서, 전파 브릿지 S1-S4의 동작 주파수는 예를들면 특히 제 4도에 도시된 실시예에 적용가능한 약 2kHz의 동작 주파수보다 크기가 적어도 10배 크기만큼 더 높게 선택되는 것이 바람직하다. 비포화상태에서, 비선형 인덕턴스 L는 예를들면 5mH의 값을 갖는다. 약 2A의 동작 전류로, 인덕턴스는 약 1/5, 즉 1mH로 강하된다. 인덕턴스는 제 1 및 제 2 값 즉 L' 및 L" 사이에서 스위칭 가능하다. L'/L" 관계는 예를 들면 2 내지 20 사이의 절대값에 의해 형성될 수 있다.
스위치는 개략적으로만 도시되어 있으며, 실제 회로, 즉 반도체에서는 특히 트랜지스터 스위치가 사용된다.
제 1도는 종래 기술에 따른, 시동시에 고압 방전 램프에 공급되는 전압 및 전류의 타이밍도.
제 2도는 본 발명에 따른 회로의 개략도.
제 3도는 본 발명에 따른, 램프의 위상 또는 다른 동작 상태에서의 동작 전류의 타이밍도.
제 4도는 비선형 인덕턴스를 사용하는 경우 본 발명에 따른 런-온(run-on)동작 상태에서의 전류의 진행도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
EL : 방전 램프 L : 인덕턴스
SNT : 스위칭 모드 전원 회로 C : 제어 회로

Claims (15)

  1. 정격 공칭 동작 전류를 갖는 방전 램프(EL)를 시동 및 동작하기 위한 방법에 있어서,
    제 1 또는 점화 단계에서 램프를 시동하는 단계; 및
    제 2 또는 런-업 단계동안, 상기 정격 공칭 동작 전류보다 더 높은 실효값(Ieff)을 갖는 런-업 단계 전류를 램프에 공급함으로써 램프를 동작시키는 단계를 포함하며,
    상기 램프에 공급된 런-업 단계 전류는 1 보다 큰 파형률 F를 가지며,
    상기 파형률은 램프에 공급된 전류의 정류값(Igl)에 대한 실효값(Ieff)의 비로서 규정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 또는 런-업 단계에 연속하는 제 3 또는 공칭 동작 단계에서 상기 램프에 실제로 1의 파형률을 갖는 사각파 전류를 교변시킴으로써 램프를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 또는 런-업 단계 동안 램프에 공급된 전류는 가능한 낮은 정류값(Igl)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 런-업 단계 전류의 주파수는 상기 런-업 단계에 연속하여 램프에 공급된 정격 또는 공칭 동작 전류의 주파수보다 선택적으로 크기가 적어도 10배 크기만큼 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항의 방법에 따라 램프를 시동하고 런-업하며 정격 공칭 동작 전류로 상기 램프를 동작시키기 위한 방전 램프용 동작 회로에 있어서,
    제 1 또는 시동 단계에서 상기 램프를 시동하기 위한 수단 ; 및
    제 2 또는 런-업 단계에서 상기 램프에 전류를 공급하며, 1 보다 큰 파형률을 가지며 상기 정격 또는 공칭 동작 전류보다 더 높은 실효값(Ieff)을 갖는 런-업 단계 전류를 램프에 공급하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 5항에 있어서,
    브릿지의 각 브랜치에서 스위치를 갖는 스위칭된 브릿지 회로(S1,S2,S3,S4);
    상기 스위칭된 브릿지 회로의 교차 접속으로 연결되어 있는 방전램프(EL)와 직렬로 있는 인덕턴스(L);
    상기 스위칭된 브릿지 회로 및 램프에 파워를 제공하기 위하여 상기 스위칭된 브릿지 회로에 접속되어 있는 스위칭 모드 전원 회로(SNT); 및
    상기 스위칭된 브릿지 회로의 동작을 제어하기 위한 제어 회로(C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 전원 회로(SNT)는 방전 램프(EL)에 공급된 파워를 제어하는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 제어 회로(C)는 런-온 단계 동안 정격 공칭 동작 전류의 주파수에 대하여 비교적 높은 주파수로 동작하기 위하여 상기 스위치(S1-S4)를 제어하며, 상기 런-온 단계후에 상기 스위치의 동작 주파수를 정격 동작 주파수로 변화시키는 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어회로(C)는 제 2 런-온 단계에서 공칭 정격 동작 파워보다 비교적 높은 파워를 방전 램프(EL)에 공급하고, 상기 제 2 동작 단계에 연속하는 제 3 동작 단계에서 램프의 공칭 파워에 상응하는 보다 낮은 파워를 공급하기 위하여 스위칭 모드 전원 회로(SNT)를 제어하는 것을 특징으로 하는 회로.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 인덕턴스(L)는 비선형 인덕턴스이며, 상기 제 2 런-온 단계에서 포화상태하에서 동작하도록 치수설정되는 것을 특징으로 하는 회로.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 비선형 인덕턴스는 정격 공칭 동작 전류의 실효값에 약 2 내지 3배 사이의 크기의 전류가 통과하는 경우 비선형 인덕턴스가 포함되도록 치수설정 되는 것을 특징으로 하는 회로.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 인덕턴스(L)는 제 1 값(L') 및 제 2 값(L") 사이에서 스위칭 가능한 것을 특징으로 하는 회로.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 인덕턴스(L)는 인덕턴스를 통과하는 전류의 함수로서 상기 제 1 값 및 제 2 값 사이에서 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 회로.
  14. 제 6항에 있어서, 상기 램프용 점화 수단은 점화 회로를 포함하며 상기 인덕턴스(L)와 유도 결합하는 것을 특징으로 하는 회로.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 방전 램프(EL)에 병결 접속되어 있는 커패시터(CR)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
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