KR100446169B1 - 범용 고강도 방전(hid) 전자식 시동기 - Google Patents

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KR100446169B1 KR10-1999-7001719A KR19997001719A KR100446169B1 KR 100446169 B1 KR100446169 B1 KR 100446169B1 KR 19997001719 A KR19997001719 A KR 19997001719A KR 100446169 B1 KR100446169 B1 KR 100446169B1
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Abstract

본 발명은 고강도 방전장치(80)용 전자식 시동기(60)에 관한 것이다. 본 발명은 인가된 직류전압과 부가적인 공진회로(62, 64)에 의해 결정된 전압 제어된 발진기를 포함하고, 상기 공진 회로는 이러한 공진회로(62, 64)의 일부분으로서 고강도 장치(80)를 포함한다.

Description

범용 고강도 방전(HID) 전자식 시동기 {UNIVERSAL HIGH INTENSITY DISCHARGE (HID) ELECTRONIC STARTER}
종래에 고압 나트륨 램프 및 다른 고강도 방전 장치를 시동 및 동작하기 위하여 여러 가지 장치들이 고안되었다. 그러나, 대부분은 비교적 크고 무거운 밸러스트(ballast)나 인덕터를 필요로 하는 50/60 헤르츠 공용(public) 전력 네트워크를 사용하였다. 또한, 장치들중 다수는 램프 어셈블리 및 관련 회로의 노후화에 기여하는 상대적으로 높은 전류를 스위칭하여 그것의 수명을 단축시키고, 또한 다른 전자 장치들을 간섭할 수 있는, 원하지 않는 고조파를 발생시킨다. 이들 장치중 하나는 미국특허 제 3,889,152호(보딘, 주니어(Bodine, Jr.) 및 로시악(Rosiak); 1975년; "고압 나트륨 램프용 시동 및 동작 밸러스트")에 개시되어 있다. 이 장치는 커패시터의 전압이 설정된(predetermined) 레벨에 도달할 때 제어 정류기(control rectifier)를 트리거링한다. 이러한 접근법은 앞에서 언급한 결점을 갖는다.
출원인에게 공지된 가장 잘 알려진 참증문헌은 미국 캘리포니아 90245 엘 세군도 캔사스 스트리트 233에 소재하는 인터내셔널 렉티파이어사에 의해 공개된 출원 노트 AN-973이다. 여기서, 이 제조업자의 MOSFET 트랜지스터(HEXFET 브랜드 하에서)에 대한 적용은 형광등 및 고강도 방전램프에 적용되는 것으로서 설명된다.
다른 참증문헌은 미국특허 제 5,130,611호(존스(Johns), 1992, "일반적인 전자식 밸러스트 시스템")이다. 이전 참증에서와 같이, 이 발명은 높은 전류 강도에서 상기한 불리한 결과를 산출하는 스위칭 장치를 사용한다.
종래의 이들 참증 또는 다른 장치중 어느 것도 300 킬로헤르츠 범위의 고주파수 전기장을 갖는 고강도 방전 장치 로드에서 증기를 이온화하는 장치를 사용하지 않으며, 이온화 후 상기 주파수는 20 내지 100 킬로헤르츠 사이의 동작 주파수를 유지하면서 전체 공진 회로에 대한 장치의 임피던스에서의 기여에 의해 감소된다. 동작 주파수를 안정하게 유지하지 않음으로써, 상기한 제조업자 및 다른 제조업자에 의해 알려진 바와 같이, 원하지 않는 고조파 및 왜곡이 최소화된다.
유사한 주제를 기술한 다른 특허들은 효과적이고 경제적인 방법으로 문제점들을 해결하는데 실패한 다소 복잡한 특성을 제공한다. 이들 특허중 어느것도 본 발명의 신규한 특징을 제안하지 않는다.
본 발명은 고강도 방전램프 및 유사한 특성을 갖는 범용 장치용 전자식 시동기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 대한 간략화된 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 2A는 종래의 밸러스트 B 및 본 발명 A를 사용한 시간에 걸쳐 고강도 방전 램프의 시간에 따른 전류 강도 상태의 그래픽 표현을 제공하는 챠트를 도시한다.
도 2B는 본 발명이 사용될때 공용 네트워크 입력 전압(V) 및 전류(I)의 파형을 실질적으로 동위상으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예의 개략적인 다이어그램을 제공한다.도 4는 종래 기술 및 본 발명에 의해 밸러스트 회로에 제공되는 시간에 대한 전압(직류)을 보여주는 그래프이다.도 5는 종래 기술의 공진 밸러스트에서의 고조파의 집중을 보여준다.도 5A는 넓은 대역에 걸쳐 분산된 고조파를 보여준다.
본 발명의 주요 목적 중 하나는 필요로 하는 시동 시간(start-up time)을 최소화하는, 이러한 유형의 램프를 포함하여 모든 고강도 방전 장치에 사용될 수 있는 전자식 시동기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 하나의 목적은 동일한 조명 강도를 유지하면서 고강도 램프 장치의 전기 에너지를 절약하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 주파수 300 킬로헤르츠에서 시동 전기 에너지를 전달하고 AC 입력 선주파수(input line frequency)(50-60 Hz)에서 20 내지 100 KHz 사이의 가변 동작주파수를 전달하기 위한 발진기(oscillator)를 포함하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 원하지 않는 고조파와 왜곡을 최소로 유지하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 체적면에서 효율적이고 비교적 경량인 고강도 방전 장치용 전자식 시동기 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 펄스 및 다른 원하지 않는 고조파를 최소로 발생시키는 전자식 시동기 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 역률(power factor)을 1.0에 접근하도록 최대화하는 전자식 시동 장치를 제공하여, 종래의 밸러스트를 사용할 때 전형적으로 요구되는 바와 같이 커패시터를 보상할 필요성을 제거하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 고주파수에서 동작함에도 불구하고 최소의 열을 발생하는 전자 시동기 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적들은 이하의 명세서에서 명백해질 것이며, 상세히 설명된 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 본 발명을 완전히 개시할 목적을 위한 것이다.
상기 목적 및 다른 관련된 목적 측면에서, 본 발명은, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예로부터 더 완벽하게 이해될 바로서, 부분들의 구조 및 결합의 세부사항으로 구성된다.
도 1을 참조하여, 여기서 본 발명은 일반적으로 참조 번호 10으로 언급되고, 본 발명은 기본적으로 정류기 회로(rectifier circuitry)(20), 발진기 회로(oscillator circuitry)(40), 공진 밸러스트 회로(resonant ballast circuitry)(60) 및 고강도 방전 로드(high intensity discharge load)(80)를 포함되는 것이 관찰될 수 있다. 이런 응용을 위하여, 우리는 로드(80)에 대하여 고강도 방전 램프를 특정하게 언급할 것이지만, 램프에 부가하여, 본 발명의 이점이 이용될 수 있는 고강도의 다른 고강도 장치가 존재한다. 회로 보호 회로(circuit protection circuitry)(100)는 로드(80)가 제거되거나, 다른 비정상적인 조건이 존재할 때 발진기 회로(60)를 디스에이블(disable)시킨다.
도 1은 일반적인 블럭 다이어그램이고 본 발명의 간략화된 버전을 도시한다. 300 V.D.C.의 가변 정류된 D.C. 소스(variable rectified D.C. source)는 공용 네트워크 220 V.A.C.으로부터 얻어진다. 가변 D.C. 전압은, 공진 주파수가 인가된 가변 D.C. 전압의 함수이고 공진 회로(60)의 구성요소의 정격을 한정하는 발진기 회로(40)에 인가된다. 이런 가변 D.C. 전압을 달성하기 위하여 커패시터(21)의 커패시턴스는, 바람직한 실시예에서, 극히 작은 7 마이크로패러드 범위에서 선택된다. 상기 참조된 출원 노트에서, 선택된 커패시턴스는 100 마이크로패러드이었고, 다른 말로 1 차의 크기(10배) 보다 더 높다. 상기 노트는 본 발명이 추구하는 것과 반대의 안정한 D.C. 출력을 제공하는 통상적인 표준을 따른다. 램프 로드(80)는 요구된 이온화 전압을 인가하기 위하여 커패시터(62)와 병렬로 접속되고 인덕터(64)는 전류 리미터(current limiter)로서 작동한다.
가변 D.C. 전압을 공진 밸러스트 회로(60)에 제공함으로써, 발진 주파수는 또한 설정된 범위에 걸쳐 변화된다. 가변 D.C. 전압 소스를 형성하는 한가지 간단한 방식은 상기된 바와같이, 극도로 작은 필터링 커패시터를 선택하는 것이다. 바람직한 실시예에서, 발진 결정 구성요소 및 가변 전압은 60 Hz A.C. 네트워크에 대해 0.00833 초(1/2x60) 동안 20 KHz 내지 100 KHz로 진행하는 발진 주파수를 제공하기 위하여 선택된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와같이, 인터내셔날 렉티파이어 노트에 기술된 바와 같은 종래의 공진 밸러스트 회로는 비교적 낮은 역률을 갖는 A.C. 입력에 대한 리액턴스 로드(reactive load)를 나타내고 고조파는 40 KHz 영역에 집중한다. 본 발명을 사용하여, 발진 주파수는 가변되고 목적하지 않은 고조파는 상당히 더 작은 강도로 보다 더 넓은 대역상에 분산된다. 후자가 보다 다루기 쉽고 제거 또는 필터 아웃(filter out)하기 쉽다.
도 1은 시동후 본 발명의 동작을 간략화된 형태로 도시한다. 시동 회로는 하기에 설명된다. 기본적으로, 발진 전류는 런어웨이(runaway) 현상을 방지하기 위하여, 전류의 강도를 제한하는 인덕터(64)의 임피던스를 사용하는 공진 밸러스트 회로(60)를 통하여 통과된다. 스위칭 회로(S1및 S2)는 커패시터(62 및 63)의 주기적 충전을 유발한다. 만약 접속된 램프 로드(80)가 없다면, 이런 주기적인 동작은 바람직한 실시예에서 300 KHz 정도인 공진 주파수에서 발생한다. 커패시터(62)와 병렬인 램프 로드(80)를 사용하여(이온화 후), 공진 주파수는 시동 이온화가 정류기 어셈블리(20)에 의해 인가된 전압에 의해 바람직한 실시예에서 약 20 KHz와 100 KHz 사이에서 달성된 이후(램프 로드 80가 실질적으로 개방 회로로서 작용하는 포인트 전) 낮아진다. 상기 주파수가 낮아질때 커패시터(62) 양단의 리액턴스 임피던스(reactive impedance)는 증가한다. 최대 효율을 위하여, 동작 주파수에서 커패시터(62)의 용량성 임피던스(capacitive impedance)는 상기 로드의 동작 임피던스(operating impedance)에 근접하여야 한다.
보호 회로(100)는 인덕터(64)의 2차측에 유도된 전압이 설정된 크기를 초과할 때 스위칭 회로(S1)에 대한 게이트를 단락하여, 상기 스위칭 회로를 디스에이블링시키는 스위칭 회로(S3)를 포함한다. 그렇지 않으면, 만약 발진기 회로(40)가 공진 주파수에서 불명하게 작동하게 되면(램프 로드 80가 파괴되거나 제거될때), 회로는 연소한다. 이런 보호 회로(100)는 상기된 IR 노트에 기술되어 있다.
도 3에 도시된 개략도에 따른 본 발명의 동작은 다음과 같다. 우선, A.C. 소스가 인가될 때, 상기 소스는 상기된 바와같이 정류되고 파동을 내게 된다. 커패시터(41)는 저항기(42)를 통하여 충전된다. 바람직한 실시예에서 이들 구성요소의 정격은 각각 10 마이크로패러드 및 2 메가옴이다. 커패시터(41)는 약 2 초 동안 약 32 볼트로 충전한다. DIAC(43)은 정격이 32 볼트이고 제한 저항기(limiting resistor)(43´)(출원 노트에 개시되지 않음)를 통하여 100 옴 저항인 저항기(45)를 통한 트랜지스터(44)의 게이트에 접속된다. 트랜지스터(44)는 부품 번호(part No.) IRF 740인 MOSFET 트랜지스터로 실행되거나, 해리스(Harris) 및 모터롤라(Motorola)에 의해 제조된 등가의 장치로 구현된다. 커패시터(41) 양단 전압이 32 볼트를 초과할때, 트랜지스터(44)(또한 IRF 740 MOSFET 트랜지스터)는 변압기(46)의 일차측(46´)을 통해 공진 회로(60)에 대한 회로를 폐쇄(closing)하여 턴온(turn on)된다. 동시에, 커패시터(41)는 정격이 1 킬로옴인 저항기(47)를 통하여 방전되고, 방전은 충전될 때보다 약 20배 빠르다.
인덕터(64)는 직렬의 커패시터(62 및 63)의 총 커패시턴스를 사용하여, 일시적인 시동 주파수인 약 300 Mhz로 공진되도록 설계된다. 바람직한 실시예에서 인덕터(64)의 구현은 No.12 와이어로 35 턴을 갖는 일차측 코일(64´)과 No.30 와이어로 3개의 턴을 갖는 이차측 코일(64˝)을 포함한다. 커패시터(62)는 0.033 마이크로패러드 커패시터이고, 커패시터(63)의 커패시턴스는 1.5 마이크로패러드로 훨씬 더 크다. 커패시터(62)의 리액턴스가 커패시터(63)의 리액턴스보다 상당히 더 크기 때문에, 대부분의 이들 두 커패시터 양단의 전압의 대부분은, 차례로 램프 로드(80)와 병렬로 접속된 커패시터(62)의 단자 사이에 나타난다. 그러나, 일단 램프 로드(80)가 도통(conducting)을 시작하면, 커패시터(62) 양단 전압은 램프 로드(80)의 공칭 전압(nominal voltage)으로 떨어지고 발진기 회로(40)에 대한 공진 및 발진 주파수는 20 킬로헤르쯔(커패시터(63) 및 인덕터(64)의 유효 직렬 결합 공진에 의해, 기본적으로 스위칭 아웃되는 보다 작은 크기의 커패시터(62)에 나타남)와 100 킬로헤르쯔 사이로 낮아진다. 이러한 보다 낮은 동작 주파수들 및 "Q"에서, 인덕터(64)는 이온화된 램프 로드(80)를 통과하는 전류를 제한한다. 이러한 보다 낮은 주파수들은 약 20 KHz와 100 KHz 사이에서 변화될 수 있는 동작 주파수이고, 이런 식으로, 도 5A에 도시된 바와 같이, 결과로 나오는 고조파를 분산시킨다.
변압기(46)의 코일(46´)은 No.22 와이어로 3개의 턴을 가지며 트랜지스터(44)가 온되고 커패시터(62 및 63)가 충전될때 한쪽 방향으로 전류를 도통시킨다. 완전히 충전된 이후, 전류는 흐르지 않고, 변압기(46)에 저장된 자기 에너지는 반대극의 코일(46")(19 턴, 와이어 No.30)에 전압을 유도하고 그것은 MOSFET 트랜지스터(48)가 도통하기 위해 1차측 코일(46')을 통해 방전 커패시터(62 및 63)에 대한 경로를 제공하게 하며, 이는 트랜지스터(44)가 이제 오프되기 때문이다. 일단 이온화가 되면, 주파수는 자동적으로 떨어진다. 왜냐하면 커패시터(62)는 인덕터(64)의 리액턴스가 램프 로드(80)를 통한 전류를 실제적으로 제한하는 포인트로부터 실제적으로 분로되기(shunted out) 때문이다.
이러한 방식에서, 램프 로드(80)에는 무거운 밸러스트를 사용하지 않고 고주파수에서 필요한 에너지가 제공된다. 앞서 언급된 출원 노트(도면 11, 페이지 6)에서는 변압기를 구현하기 위해 두 개의 "E"코어를 필요로 하나, 본 발명에서는 변압기를 동작시키기 위해 하나의 코어 "E" 및 하나의 코어 "I"면 충분하다. 이것은 구성요소의 무게를 줄이고 그것은 공용 조명장치에 사용되는 구성요소에 특히 바람직하다.
전술한 것처럼, 보호회로(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 인덕터(64)의 1차 코일(64')에 걸리는 전압을 모니터링한다. 2차 코일(64")에 유도된 전압은 다이오드(101)에 의해 정류되며 커패시터(102)를 충전시키기 위해 사용된다. 공칭 동작하에서 약 20볼트의 전압이 커패시터(102)에 걸린다. 그러나, DIAC(103)의 정격이 선택되는 경우(바람직한 실시예에서는 32볼트) 이러한 전압이 설정된 전압을 초과한다면, 트랜지스터(104)(트랜지스터(44)와 유사함)가 턴온되고 트랜지스터(44)의 게이트를 풀링 다운(pulling down)함으로써 더 이상 발진되지 않게 한다. 램프 로드(80)가 제거되거나 그것의 사양(specification)에 따라 작동하지 않을 때는 전압의 연장된 상승이 나타날 수 있다.
(공용 네트워크 50-60Hz보다) 더 높은 주파수에서 동작시키는 장점중 하나는 유도성 구성요소의 크기와 무게가 감소된다는 점이다.
전술한 실시예는 본 발명의 목적 및 장점을 이해하는데 유용하다. 다른 실시예가 본 발명의 사상내에서 만들어질 수 있다. 여기에 기술된 모든 자료는 단순히 여시적인 것으로서 해석되며 본 발명을 제한하지 않는다.
이와 같이 개선된 전자식 시동기는 필요한 시동시간을 최소화하는, 본 발명의 램프를 포함하여 모든 고강도 방전장치에 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 가스 방전램프 로드(gas discharge lamp load)용 전자식 시동기(electronic starter)에 있어서,
    A) 주기적 가변 직류 전압(periodically variable direct voltage)을 공급하기 위한 전원(electricity source) 수단;
    B) 상기 전원 수단에 선택적으로 접속되며, 상기 전원 수단에 접속하여 약 300 킬로헤르츠의 시동 발진 신호(start-up oscillating signal)를 제공하기 위해 적응된 전압 제어된 발진기(voltage controlled oscillator) 수단;
    C) 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 용량성 리액턴스 요소(capacitive reactive member)와 직렬로 연결된 유도성 리액턴스 요소(inductance reactive member)를 포함하는, 발진기 수단에 공진주파수를 제공하기 위한 수단으로서,
    상기 로드는, 상기 로드가 이온화될 때 상기 결합의 상기 동작 공진 주파수가 감소되도록 상기 제 2 용량성 리액턴스 요소와 병렬로 접속되며, 상기 동작 공진 주파수는 20 킬로헤르츠 내지 100 킬로헤르츠 사이에서 주기적으로 변화하는 수단;
    D) 상기 유도성 리액턴스 구성요소에 걸리는 전압을 모니터링하기 위한 감지(sensing) 수단; 및
    E) 설정된 전압이 감지될 때 상기 발진기 수단이 디스에이블되도록 상기 감지 수단에 접속된, 상기 발진기 수단을 디스에이블하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    직류전압을 공급하기 위한 상기 전원 수단이 하나의 출력을 갖는 풀 브리지 정류기(full bridge rectifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    가변 직류전압을 공급하기 위한 상기 전원 수단이 파동형의(undulated) 전압 파형이 전달되도록 상기 풀 브리지 정류기의 출력에 용량성 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 용량성 리액턴스 요소의 커패시턴스가 상기 제 2 용량성 리액턴스 요소의 커패시턴스보다 적어도 10배 큰 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2 용량성 리액턴스 요소가 0.01 내지 0.05 마이크로패러드 사이의 용량성 범위(capacitive range)를 갖는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 발진기 수단을 디스에이블하는 상기 수단이, 상기 2차 인덕터 코일에 유도된 전압이 상기 유도성 리액턴스 구성요소를 통하여 흐르는 전류에 비례하도록, 상기 유도성 리액턴스 구성요소에 커플링된 2차 인덕터 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 발진기 수단은 트랜지스터 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 발진기 수단은 설정된 주파수에서 상기 발진기 수단의 발진을 시작하기 위해 RC 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 시동기.
KR10-1999-7001719A 1996-08-30 1997-08-29 범용 고강도 방전(hid) 전자식 시동기 KR100446169B1 (ko)

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US8/697,869 1996-08-30
US08/697,869 1996-08-30

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