KR100404156B1 - 전자식안정기의 파형정형장치 - Google Patents

전자식안정기의 파형정형장치 Download PDF

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Abstract

2개 스위칭소자의 교번스위칭에 따른 각 스위칭소자의 오프시에 파형을 급격하게 다운시킬 수 있도록 파형정형장치를 접속시켜 형광램프에 공급되는 파형의 왜곡을 방지하는 전자식안정기의 파형정형장치에 대해 개시한다.
본 발명의 전자식안정기의 파형정형장치는, 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 이 공급된 직류전압에 의해 구동신호를 발생시키는 구동부; 이 구동신호에 의해 교번하여 스위칭이 이루어져 고주파전압을 발생시키는 적어도 2개 이상의 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자를 포함하는 스위칭부; 이 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자 각각의 스위칭동작 영역내에서 쇼트키 배리어의 정류에 의해 스위칭 오프구간의 파형에 대한 폴링(falling)을 급격하게 하여 이 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 스위칭동작 영역이 겹쳐지는 것을 완전히 방지함으로써 점등장치에 공급되는 파형의 정형 제어를 수행하는 파형정형부; 및 이 고주파전압을 입력받아 점등장치를 점등시키는 공진부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 형광램프에 공급되는 정현파의 제어를 통해 파형의 왜곡을 방지함과 동시에 고차모드 고조파의 제거를 실현시켜 플리커 및 공진잡음 등을 제거할 수 있다. 또한, 플리커 및 공진잡음을 제거하여 전체시스템을 안정화시킴으로써 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

전자식안정기의 파형정형장치{Apparatus for forming wave of electronic ballast}
본 발명은 전자식안정기에 관한 것으로, 특히 2개 스위칭소자의 교번스위칭에 따른 각 스위칭소자의 오프시에 파형을 급격하게 다운시킬 수 있도록 파형정형장치를 접속시켜 형광램프에 공급되는 파형의 왜곡을 방지하는 전자식안정기의 파형정형장치에 관한 것이다.
일반적으로, 형광램프 시스템에 사용되는 전자식안정기(밸러스트 제어기)는 다양한 주파수로 발진하는 오실레이터를 사용하여 예열(Preheating), 전광(Full Power) 및 조광(Dimming) 과정을 구현한다. 이 때, 전자식안정기 시스템에서 예열 과정을 진행하는 이유는 형광램프 방전시 흑화현상을 방지하여 수명을 연장하기 위한 것이고, 조광(dimming) 과정을 진행하는 것은 주위조도 및 필요에 따라 형광램프의 밝기를 조절하여 효율적으로 전력을 사용하기 위한 것이다.
그러면, 여기서 종래의 전자식안정기의 대해 살펴보자.
도 1은 종래의 전자식안정기 시스템의 회로도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 전자식안정기 시스템은, 입력된 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환시키는 전원정류부(10)와, 상기한 예열(Preheating), 전광(Full Power) 및 조광(Dimming) 과정의 동작모드에 따라 발진주파수를 조절하여 구동신호를 발생시키는 밸러스트 제어부(12)와, 이 밸러스트 제어부(12)의 구동신호에 따라 직류전압을 스위칭하는 스위칭부(14)와, 스위칭된 고주파전원을 부하(형광램프(F/L))에 인가하는 공진부(16)로 크게 구성되어 있다.
상기 정류부(10)는 상용 교류전원을 입력하여 정류하는 브릿지 다이오드(BD)와, 평활용 콘덴서(C2)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 밸러스트 제어부(12)는 밸러스트 제어IC(13)와 커패시터(C3, C4) 및 저항(R1, R2)을 포함하여 구성되어 있다.
그리고, 스위칭부(14)는 밸러스트 제어부(12)의 구동신호를 전달하기 위해 연결한 1차 권선(T1)과 상기 1차 권선(T1)과 근접시켜 직류전압라인(S) 및 접지라인 사이에 형성시킨 2차 권선(T2, T3)으로 이루어진 제어트랜스(T)와, 이 제어트랜스(T)에 연결되어 구동신호에 따라 상호 교대로 온/오프 스위칭을 수행하는 트랜지스터(Q1, Q2)와, 각각의 트랜지스터(Q1, Q2)에 병렬로 연결되는 다이오드 (D1, D2) 및 커패시터(C5, C6)를 포함하여 구성되어 있다.
한편, 공진부(16)는 제어트랜스(T)에 직렬 연결되는 공진 인덕터(Lr) 및 공진커패시터(Cr)와, 공진 커패시터(Cr)와 직류전원사이에 연결되는 커패시터(C7, C8) 및 다이오드(D3, D4)를 포함하여 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 종래의 전자식안정기 시스템의 동작에 대해 간단히 설명한다.
외부로부터 입력된 교류전압은 전파정류기(BD)에 의해서 전파 정류되고, 평활 커패시터(C2)에 의하여 직류전압으로 바뀌어져 직류전압라인(S)에 직류전원을 공급하게 된다.
밸러스트 제어IC(13)의 두 출력단자(a,b)에는 소정의 데드타임 (dead time; 2개의 스위칭소자를 동시에 '오프' 하는 시간)을 가지고, 교대로 구동신호가 발생되어 제어트랜스(T)의 1차 권선(T1)으로 출력된다. 이 구동신호는 동일 코어에 감긴 제어트랜스(T)의 2차 권선(T2, T3)에 각각 유도되어 스위칭소자(Q1, Q2)를 교대로 온/오프시킨다. 즉, 구동신호가 'a'로부터 'b'로 흐르면, 이에 따라 2차 권선(T2)에 순방향의 전압이 유도되어 제1 스위칭소자(Q2)를 도통(온)시키고, 2차 권선(T3)에 역방향의 전압이 유도되어 제2 스위칭소자(Q2)를 불통(오프)시킨다. 따라서, 직류전압라인(S)의 부하전류는 도통된 제1 스위칭소자(Q2), 인덕터(Lr)및 커패시터 (Cr), 커패시터(C4)를 따라 흐르며 공진주파수로 공진한다.
이어서, 공진 반주기가 끝나기 전에 구동신호가 데드타임신호 (출력단자 a 및 b가 동시에 로우)를 출력하면, 제1 및 제2 스위칭소자(Q1, Q2)는 동시에 '오프'된다. 이 때, 제2 스위칭소자(Q2)의 다이오드(D2)가 도통되어 전류공진 패스를 만들어 준다.
이어서, 구동신호가 'b'에서 'a'로 전류를 흐르게 하면, 2차 권선(T2)에 역방향의 전압이 인가되어 제1 스위칭소자(Q1)는 계속 '오프'시키고, 2차 권선(T3)에는 순방향의 전압이 인가되어 제2 스위칭소자(Q2)를 '온'시킨다. 이 때, 제2 스위칭소자(Q2)의 양단은 다이오드(D2)가 도통되어 거의 영전압에 가깝게 된다. 따라서 영전압 스위칭을 구현하며, 이러한 영전압 스위칭에 의해 스위칭소자를 보호하고, 불필요한 전력소모를 방지한다. 이러한 동작은 구동신호에 따라 반복적으로 일어난다. 즉, 제1 스위칭소자(Q1)가 도통되는 순간에는 다이오드(D1)가 도통상태에 있고, 제2 스위칭소자(Q2)가 도통되는 순간에는 다이오드(D2)가 도통되어 있어서 스위칭시 스위칭소자(Q1, Q2)에 소모되는 전력이 작게 되고, 제1 및 제2 스위칭소자(Q1, Q2)가 스트레스를 덜 받게 된다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 스위칭소자(Q1, Q2)가 각각의 구동신호에 의해 온/오프될 경우에, 제1 스위칭소자(Q1)의 온과 동시에 제2 스위칭소자(Q2)가 오프상태가 되어야 하고, 이와 반대로 제1 스위칭소자(Q1)의 오프와 동시에 제2 스위칭소자(Q2)가 온상태가 되어야 한다.
그런데, 트랜지스터의 특성에 따른 온상태에서 오프상태로의 전환이, 도 2에 제시한 바와 같이, 완만한 곡선(VC5, VC6)을 이룸에 따라 제1 스위칭소자(Q1)가 온상태임에도 불구하고 제2 스위칭소자(Q2)가 온상태가 되어 스위칭소자간 임의의 동작영역에서 겹침구간(t1, t2, t3, t4, t5)이 발생하여 파형왜곡(Iin)이 발생하는 문제점이 있었다. 도 2는 종래의 전자식안정기 시스템에 의해 발생된 파형도이다. 이로 인해, 왜곡된 파형(Iin)과, 이 왜곡된 파형에 의한 또 다른 고차모드 고조파(higher mode harmonics)가 형광램프(F/L)에 공급될 경우에 플리커 및 공진잡음 등이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 2개 스위칭소자의 교번스위칭에 따른 각 스위칭소자의 오프시에 파형을 급격하게 다운시킬 수 있도록 파형정형장치를 접속시켜 형광램프에 공급되는 파형의 왜곡을 방지하는 전자식안정기의 파형정형장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 전자식안정기 시스템의 회로도,
도 2는 종래의 전자식안정기 시스템에 발생된 파형도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자식안정기의 회로도,
도 4는 본 발명의 전자식안정기에 의해 발생된 파형도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 정류부 200 : 구동부
300 : 제1 스위칭제어부 400 : 제2 스위칭제어부
500 : 공진부 Lr : 인덕터
Cr : 캐패시터 DA : 다이악
BD : 브릿지 다이오드 SD : 쇼트키 배리어 다이오드
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전자식안정기의 파형정형장치는, 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 공급된 직류전압에 의해 구동신호를 발생시키는 구동부; 상기 구동신호에 의해 교번하여 스위칭이 이루어져 고주파전압을 발생시키는 적어도 2개 이상의 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자를 포함하는 스위칭부; 상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자 각각의 스위칭동작 영역내에서 쇼트키 배리어의 정류에 의해 스위칭 오프구간의 파형에 대한 폴링(falling)을 급격하게 하여 상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 스위칭동작 영역이 겹쳐지는 것을 방지함으로써 점등장치에 공급되는 파형의 정형 제어를 수행하는 파형정형부; 및 상기 고주파전압을 입력받아 점등장치를 점등시키는 공진부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 파형정형부는, 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자 각각의 베이스단자에 에노드단이 접속되는 쇼트키 배리어 다이오드와, 상기 쇼트키 배리어 다이오드의 캐소드단에 일단이 접속되는 저항을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 저항의 타단은 해당 스위칭소자에 소정의 구동전압을 유도시키는 트랜스의 일단에 접속되며, 각 스위칭소자의 보호를 위해 상기 트랜스의 일단에 일측이 접속되며 상기 스위칭소자의 베이스단자 및 쇼트키 배리어 다이오드의 애노드단과 접속되는 보호저항을 더 접속시켜 이루어진 것이 더욱 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자식안정기의 회로도이다. 도 3을 참조하면, 참조번호 100은 정류부(100), 200은 구동부(200), 300은 제1 스위칭제어부(300), 400은 제2 스위칭제어부(400) 및 500은 공진부(500)을 포함하여 본 발명의 전자식공진기를 구성하고 있다.
상기 정류부(100)는 외부로부터 입력된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 공급하는 영역으로서, 전파정류기인 브릿지 다이오드(BD : Bridge Diode)와, 평활 캐패시터(C2)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 구동부(200)는 상기 정류부(100)로부터 직류전압이 인가되면 구동신호를 출력하는 영역으로서, 저항(R1)과, 캐패시터(C3) 및 다이악(DA)을 포함하여 구성되어 있다.
상기 제1 스위칭제어부(300) 및 제2 스위칭제어부(400) 각각은, 상기 구동부(200)로부터 구동신호가 출력되면 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)를 교번적으로 스위칭동작시켜 공진부(500)에 고주파전압을 공급하는 영역으로서, 스위칭트랜스의 2차 권선(T1, T2)과, 저항(R2, R3, R4, R5) 및 다이오드(SD1, SD2, D1, D2, D3)를 포함하여 구성되어 있다. 특히, 본 발명의 특징부로서, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2) 각각에 대해 베이스단자에 상기 다이오드(SD1, SD2)의 애노드가 접속되어 있다. 이 때, 여기에 사용되는 다이오드(SD1, SD2)는 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 공진부(500)는 상기 제1 스위칭소자(Q1) 및 제2 스위칭소자(Q2)의 스위칭동작에 의해 공급된 고주파전압을 입력받아 형광램프(F/L)을 점등시키는 영역으로서, 인덕터(Lr), 캐패시터(Cr, C4, C5) 및 다이오드(D4, D5)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기 2차 권선(T1, T2)으로의 유기전압을 발생시키는 1차 권선(미도시)이 상기 인덕터(Lr)에 직렬로 연결되어 있다. 또한, 도면으로 제시하지는 않았으나, 상기한 1차 권선(미도시), 2차 권선(T1, T2) 및 인덕터(Lr)가 자성코어에 권회되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전자식안정기의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.
사용자가 스위치(SW)를 '온'시키면 외부로부터 공급되는 교류전압이 돌입방지용 저항(NTC)과, 퓨즈(F), 노이즈제거용 트랜스(LFT) 및, 캐패시터(C1)을 통해 정류부(100)의 브릿지 다이오드(BD)로 입력된다. 상기 브릿지 다이오드(BD)는 교류전압을 전파정류하여 평활용 캐패시터(C2)로 출력하고, 평활용 캐패시터(C2)는 상기 전파정류된 직류전압을 평활시켜 구동부(200)에 공급한다. 이 때, 구동부(200)의 캐패시터(C3)에 상기 저항(R1)을 통해 입력된 직류전압이 충전되고, 이 충전된 전압이 다이악(DA)의 구동용 전압을 넘는 순간 상기 다이악(DA)이 도통되면서 구동신호 즉, '하이레벨'의 전압신호가 제2 스위칭소자(Q2)의 베이스단자로 인가되어 제2 스위칭소자(Q2)가 턴온된다.
상기와 같이 제2 스위칭소자(Q2)가 턴온되면 브릿지 다이오드(BD)를 통해 공급되는 직류전압이 공진부(500)의 캐패시터(Cr, C4, C5)와, 인덕터(Lr), 스위칭트랜스의 1차 권선(미도시) 및 제2 스위칭소자(Q2)를 통해 흐르게 된다. 그리고, 상기 캐패시터(C4, C5)의 충전이 완료되면, 스위칭트랜스의 1차 권선(미도시)의 전류흐름이 차단되면서 스위칭트랜스의 2차 권선(T1)에 역기전압이 발생되고, 이 역기전압에 의해 제1 스위칭소자(Q1)가 턴온된다. 이와 같이, 제1 스위칭소자(Q1)가 턴온되면 브릿지 다이오드(BD)를 통해 공급되는 직류전압이 다이오드(D4)와, 제1 스위칭소자(Q1), 스위칭트랜스의 1차 권선(미도시), 인덕터(Lr) 및 캐패시터(Cr, C4, C5)를 통해 흐르게 된다. 그리고, 상기 캐패시터(C5)의 충전이 완료되면, 스위칭트랜스의 1차 권선(미도시)의 전류흐름이 차단되면서 스위칭트랜스의 2차 권선(T2)에 역기전압이 발생되고, 이 역기전압에 의해 제2 스위칭소자(Q2)가 턴온된다. 즉, 캐패시터(C5)의 충전에 의해 스위칭트랜스의 2차 권선(T1, T2)에 교번적으로 역기전압이 발생되면서 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)가 교번적으로 스위칭동작을 반복하게 되어 고주파전압이 공진부(500)로 공급되는 것이다.
이 때, 본 발명의 특징부로서, 상기 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 베이스단자에 접속된 저항(R2, R3, R4, R5) 및 쇼트키 배리어 다이오드(SD1, SD2)에 의해 각 스위칭소자의 오프시에 급격하게 다운시켜 서로 겹쳐지는 파형의 영역을 방지함으로써, 공진부(500)에 입력되는 파형이(Iin), 도 4에 도시된 바와 같이, 정현파에 가까운 형태를 하고 있음을 알 수 있다. 즉, 상호 간섭이 발생되지 않아 노이즈가 발생되지 않음을 짐작할 수 있다. 도 4는 본 발명의 전자식안정기에 의해 발생된 파형도이다.
한편, 상기와 같이 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 스위칭동작에 의해 공진부(500)로 인가되는 고주파전압의 주파수가 공진부(500)의 인덕터(Lr)와 캐패시터(Cr)로 이루어진 공진회로의 공진주파수와 같아지는 순간에캐패시터(C4)의 양단에 고전압이 발생되어 형광램프(F/L)가 점등된다.
상기와 같이 형광램프(F/L)이 점등된 다음에는 형광램프(F/L)의 전압특성이나 전류특성이 다르므로, 공진주파수가 변화하기 시작하는데, 본 실시예에서는 도시 및 설명을 생략하고 있으나, 회로안정부(미도시)가 상기 공진주파수를 일정하게 유지시켜서 음향적 공진 현상이나 플리커 현상이 발생되지 않도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자식안정기의 파형정형장치는, 형광램프에 공급되는 정현파의 제어를 통해 파형의 왜곡을 방지함과 동시에 고차모드 고조파의 제거를 실현시켜 플리커 및 공진잡음 등을 제거할 수 있다. 또한, 플리커 및 공진잡음을 제거하여 전체시스템을 안정화시킴으로써 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (3)

  1. 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부;
    상기 공급된 직류전압에 의해 구동신호를 발생시키는 구동부;
    상기 구동신호에 의해 교번하여 스위칭이 이루어져 고주파전압을 발생시키는 적어도 2개 이상의 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자를 포함하는 스위칭부;
    상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자 각각의 스위칭동작 영역내에서 쇼트키 배리어의 정류에 의해 스위칭 오프구간의 파형에 대한 폴링(falling)을 급격하게 하여 상기 제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자의 스위칭동작 영역이 겹쳐지는 것을 방지함으로써 점등장치에 공급되는 파형의 정형 제어를 수행하는 파형정형부; 및
    상기 고주파전압을 입력받아 점등장치를 점등시키는 공진부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전자식안정기의 파형정형장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파형정형부는,
    제1 스위칭소자 및 제2 스위칭소자 각각의 베이스단자에 에노드단이 접속되는 쇼트키 배리어 다이오드와, 상기 쇼트키 배리어 다이오드의 캐소드단에 일단이 접속되는 저항을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전자식안정기의 파형정형장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 저항의 타단은 해당 스위칭소자에 소정의 구동전압을 유도시키는 트랜스의 일단에 접속되며, 각 스위칭소자의 보호를 위해 상기 트랜스의 일단에 일측이 접속되며 상기 스위칭소자의 베이스단자 및 쇼트키 배리어 다이오드의 애노드단과 접속되는 보호저항을 더 접속시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 전자식안정기의 파형정형장치.
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