KR100458617B1 - 압전결합기를 이용한 고효율 압전안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예열점등 및 소프트 스타트 회로가 필요없는 고효율 압전안정기를 제공한다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 여러 가지 조성의 단층 원판형의 압전재료를 두께 방향으로 분극하여 압전결합기를 제조하였다. 이때 일반적인 커패시터와 마찬가지로 전극의 면적, 전극의 간격으로 압전체의 커패시턴스를 조정하여 사용하였다. 압전결합기의 공진주파수는 소자의 크기에 크게 좌우되어 원판형의 경우, 직경의 크기가 감소함에 따라 그 공진주파수가 수백 kHz까지 증가되나, 본 발명에서는 압전결합기 전단에 사용된 인덕터와의 임피던스 매칭을 조정하고, 비공진점에서의 구동으로 형광램프를 정상적으로 구동시킬 수 있게 함으로써, 형광등의 효율을 극대화할 수 있는 주파수 대역(20~90kHz)에서 구동될 수 있도록 하였다. 따라서, 본 발명에 의하면 압전세라믹스를 안정기용 부품으로 사용한 압전안정기를 일반 형광등 및 고압방전등에 모두 적용하여 기존의 고효율 에너지 기자재인 전자식 안정기를 능가하는 고효율화를 실현한 절전형 제품의 생산이 가능하게 된다.

Description

압전결합기를 이용한 고효율 압전안정기{High efficiency piezoelectric ballast with a piezoelectric coupler}

본 발명은 압전결합기를 이용한 고효율 압전안정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전세라믹스를 형광등 및 고압방전등용 안정기에 적용하되 예열점등과 소프트 스타트 회로가 필요없는 고효율 압전안정기에 대한 것이다.

형광등은 50 ∼ 60 헤르쯔(Hz)의 상용전원을 이용한 백열전구와는 달리 고주파를 발생시킬 수 있는 인버터를 내장하고 있는 안정기를 이용하여 10 킬로헤르쯔(kHz) 이상에서 구동되는 고효율, 고수명, 저소비전력형의 조명기구이다. 기존에 사용되고 있는 형광등용 전자식 안정기는 전자기 유도방식에 의한 권선형 변압기를 사용하고 있으며, 성능 및 수명향상 등을 위하여 다양한 보완회로가 첨가된 음극예열점등 방식의 안정기로서, 음극 필라멘트에 예열을 위한 전류를 점등초기에 흘려주며, 급격한 고전압 방전을 막기 위한 소프트 스타트 기능이 첨가된다.

전자기 유도방식에 의한 권선형 변압기를 사용한 전자식 안정기는 그 크기가 크고 효율이 떨어진다고 하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 해결하기 위하여 압전체와 같은 세라믹스를 이용하여 방전등을 점등하고자 하는 시도가 있었다. 미국특허 4,858,066과 4,447,549에는 강유전체의 비선형적인 전계-분극효과에 따른 세라믹스의 커패시턴스가 비선형적으로 응답하는 점을 이용하여 방전등을 점등할 수 있음을 밝혔으나, 실용화를 위한 안정기는 포함되어 있지 않으며, 강유전 히스테리시스 특성을 이용하기 위한 물질특성에 그 초점이 맞춰져 있고, 실제 구동주파수도 매우 높기 때문에 상용화 될 수 없었다. 또한 고주파수에서 계속적으로 분극의 반전을 꾀하기 때문에 사용된 세라믹스의 분역피로현상에 의해 수명에 문제가 발생할 가능성이 매우 높다.

한편, 미국 특허 6,034,484는 앞서 밝힌 특허와는 달리 강유전체를 분극한 후 인덕터와 연결하여 압전 공진자로서 역할을 함으로써 형광등을 점등할 수 있는 압전안정기에 관한 것이다. 여기서 사용된 압전체는 여러 가지 모양을 가지고 있으며, 압전체가 형광등에는 병렬로 연결되고 음극 필라멘트에는 직렬로 연결되어 예열점등 기능을 갖게 할 수 있도록 되어 있다. 또한, 병렬로 여러 개의 압전 공진자를 연결하여 구동 주파수 범위를 확대하여 사용할 수 있게 한 것을 포함하고 있다.

이러한 세라믹스 소자를 이용한 안정기에 관한 발명은 재료의 항전계가 충분히 작아서 상용전원에서도 비선형적인 커패시턴스의 변화를 얻어야 한다거나, 여러 개의 다른 압전 공진자를 연결하여 구동주파수의 폭을 넓혀야 하고, 각 공진자가 정확한 공진주파수에서만 작동되는 문제가 있으며, 무부하시 공진주파수에서 구동되는 압전체가 과도한 전류에 의해 파괴될 수 있는 문제에 대한 대책이 없었기 때문에 완전한 안정기로 구현되지 못하였다.

본 발명은 상기 제기된 문제점을 해결하고자 발안된 것으로서, 일반 안정기의 예열점등 및 소프트 스타트 회로를 포함치 않으면서도, 이러한 기능을 압전결합기로 대체하여 신뢰성있는 안정기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 언급된 바 있는 비선형 강유전 커패시터 혹은 압전공진자의 단점을 해결한 높은 전력효율과 광효율을 갖는 고효율 압전안정기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 관경을 갖는 일반 직관형 형광등뿐만 아니라, U자형의 PL 램프, 안정기 내장형 콤팩트 램프 혹은 전구식 형광등, 고압 나트륨등과 같은 방전등을 안정적으로 구동시킬 수 있는 압전안정기를 제공하는 것이다. 특히, 고압 나트륨등용 안정기의 경우에는 압전결합기에 의해 충분한 방전전압을 공급함으로써 초기 점등을 위한 점화회로가 필요치 않아 기존의 나트륨등용 자기식 및 전자식 안정기에서 가장 빈번하게 불량이 발생하는 점화회로에 대한 문제점을 없앨 수 있을 뿐만 아니라 소형, 경량의 안정기를 제공할 수 있다는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고효율의 안정기를 제작하기 위하여 형광램프의 필라멘트를 사용하지 않는 순간 점등방식을 선택하여 병렬 연결된 압전결합기와 방전등을 인덕터 후단에 직렬연결하여 사용하였으며, 방전등의 초기 점등전압의 크기는 구동주파수 및 일반 커패시터를 이용하여 조절할 수 있게 하였고, 구동주파수를주공진주파수를 벗어나게 함으로써 소프트 스타트 기능을 갖게 하여 순간점등 방식의 단점인 수명단축을 없앨 수 있게 한 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 압전결합기를 안정기에 적용할 수 있도록 고온 (~130℃)에서도 구동주파수의 변화가 극히 적어 안정적으로 구동할 수 있을 뿐만 아니라 압전결합기 하나로도 방전등에 따라 압전결합기의 비공진점에서 정상적인 구동을 할 수 있도록 설계된 안정기를 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 사용된 압전 세라믹스에 대한 전계-분극 이력곡선을 나타내는 것으로서, 도 1a는 양극성 전압하에서, 도 1b는 단극성 전압하에서 측정된 특성이다.

도 2는 본 발명의 압전안정기 제작을 위해 설계된 압전결합기, 방전등, 인덕터의 연결방식을 나타낸 도식적 그림이다.

도 3a는 도 2의 공진회로에서 인덕터의 인덕턴스 변화에 따른 공진주파수의 변화 그래프이며, 도 3b는 유기된 공진주파수에서의 임피던스 변화 그래프이다.

도 4는 본 발명에 의한 압전결합기가 내장된 형광등 및 고압 방전등용 압전안정기의 전체 회로도이다.

도 5는 본 발명에 의한 압전결합기(C=2.3nF)가 포함된 압전안정기의 주파수 대역에 따른 초기 방전전압의 크기 및 방전등의 점등여부를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 압전결합기(C=2.5nF)가 포함된 압전안정기의 주파수 대역에 따른 초기 방전전압의 크기 및 방전등의 점등여부를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 압전안정기에 의한 형광등 점등시 시간에 따른 전압과 전류의 변화를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명에 의한 압전결합기의 온도 변화에 따른 안정기의 조도변화를 나타낸 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 예열점등 및 소프트 스타트 회로가 필요없는 고효율 압전안정기를 제공한다. 압전안정기에는 압전세라믹스 외에 세부적으로 무부하 및 과부하 방지, 역률보상, 노이즈 필터 등과 같은 안정기 전반에 걸친 회로구성이 포함된다. 또한, 압전안정기에는 압전체와 LC 공진 및 임피던스 정합을 이루기 위한 인덕터가 사용되며, 이 인덕터는 음극 필라멘트를 단락시킨 형광등과 병렬로 연결된 압전체와 직렬로 연결되어 구동되는 순간 점등방식이다. 그러므로, 필라멘트에 흐르는 예열전류를 없애고 필라멘트에서 발생되는 발열온도를 감소시킴으로써 에너지를 절약할 수 있다.

압전안정기에 포함되는 압전체는 주파수 인버터와 결합하여 고효율 안정기 역할을 할 수 있게 하므로, 본 발명에서는 사용되는 압전체를 압전결합기(Piezoelectric coupler)라 명명하였다. 이러한 압전결합기는 방전등 점등시 초기 고압을 방전케 하는 고압발생기의 역할, 인덕터와 공진을 이루는 공진자의 역할, 입력전압에 의해 압전체의 커패시턴스가 비선형적으로 급격히 변하는 비선형 커패시터로서의 역할을 한다. 이러한 압전결합기의 특성 및 인덕터와의 임피던스 매칭에 따라 구동되는 주파수 대역폭이 결정된다.

일반적으로 압전체의 응용은 앞에서 언급한 바와 같이 유기되는 공진주파수에서 구동시키나, 본 발명에서는 방전등의 수명연장을 위하여, 유기된 공진주파수에서 적어도 5 kHz 이상 벗어난 비공진 주파수 대역에서 구동시킴으로써 소프트 스타트 기능을 갖게 한 것이다. 따라서, 본 발명에 의한 순간점등방식의 압전안정기는 예열점등 및 소프트 스타트 회로를 포함치 않으면서도, 이러한 기능을 압전결합기로 대체하여 신뢰성있는 안정기를 제공하게 된다.

본 발명에서 사용되는 압전결합기는 여러 가지 조성의 단층 원판형의 압전재료를 두께 방향으로 분극하여 제조하였다. 이때 일반적인 커패시터와 마찬가지로 전극의 면적, 전극의 간격으로 압전체의 커패시턴스를 조정하여 사용하였다. 본 발명에 포함되어 있는 압전세라믹스는 상용전원(100 ∼ 240V)하에서 분극 상태가 반영구적으로 안정한 재료를 선택하여 사용하였다. 압전결합기의 공진주파수는 소자의 크기에 크게 좌우되어 원판형의 경우, 직경의 크기가 감소함에 따라 그 공진주파수가 수백 kHz까지 증가되나, 본 발명에서는 압전결합기 전단에 사용된 인덕터와의 임피던스 매칭을 조정하고, 비공진점에서의 구동으로 형광램프를 정상적으로 구동시킬 수 있게 함으로써, 형광등의 효율을 극대화할 수 있는 주파수 대역(20 ∼ 90kHz)에서 구동될 수 있도록 하였다.

이러한 압전결합기와 이에 상응하는 구동회로를 이용하여 방전등용 고효율압전안정기를 제작할 수 있는데, 본 발명에 따른 형광등용 압전안정기는, 과전류 및 과전압 보호소자와, EMI(불요전자파; electromagnetic interference) 방지회로를 포함하는 교류전원과 이에 연결된 역률개선회로와, 여기에 연결된 정류기와, 입력전원으로부터 신호를 받아 일정한 주파수를 만들어 내는 펄스 제너레이터 및 스위칭 주파수 설정회로와, 정류기로부터의 출력교류전압을 스위칭하는 두 개의 전계효과 트랜지스터와, 이에 연결되어 있는 인덕터와 직렬연결되어 있는 병렬연결의 압전결합기와 방전등과, 펄스 제너레이터에 연결되어 과부하 또는 무부하 발생시에 펄스 제너레이터를 리셋할 수 있는 리셋회로를 포함한다.

여기에서 리셋회로는 형광등으로부터 과부하 또는 무부하시의 이상전류를 검출하기 위하여 인덕터에 대향하여 형성된 2차 권선, 2차 권선과 연결되어 이상전압을 검출하기 위한 제너 다이오드, 제너 다이오드로부터 입력되는 신호에 의해 작동되는 실리콘 제어 정류기를 포함하여 이루어진다. 이러한 압전안정기는 형광등 및 고압 방전등 모두에 공통적으로 적용될 수 있으며, 이는 부하, 즉 방전등의 종류에 따라 압전결합기에서 발생되는 초기 점등전압이 자동적으로 조절되기 때문이다.

이와 같은 본 발명의 방전등용 압전안정기는 압전결합기의 커패시턴스로 출력을 조정할 수 있어, 그 크기를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 분극의 이방성이 존재하지 않으며, 분극전계에 비해 낮은 상용전원에서 구동시킴으로써 분극의 피로현상을 최소로 할 수 있으며, 압전결합기의 비공진점에서 구동시킴에 따라 사용가능한 주파수 범위를 크게 확대시켰고, 방전등과의 임피던스 차를 효율적으로 이용함으로써 순간점등 방식의 고효율 압전안정기를 제작할 수 있었다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 사용한 압전결합기에 대하여 전계-분극 이력곡선을 측정한 것이다. 일반적으로 압전체의 조성에 따라 잔류분극 및 항전계의 크기가 다르며, 제반 압전특성이 크게 변화된다. 본 발명에서는 초기 점등을 위해 발생되는 전압의 크기 및 온도 안정성을 고려하여 압전세라믹스 조성을 선택하였다.

도 1의 (a)는 양극성 전압하에서의 이력곡선이며, (b)는 단극성 전압하에서의 특성이다. 본 발명에서 사용된 압전결합기는 분극된 상태이므로 도 1의 (b)에 나타난 바와 같이 분극이 한쪽 방향으로 정렬된 상태에서 상용입력전압 100 ∼ 240 V를 정류기에 의해 평활한후 다시 인버터 회로를 거쳐 구형파의 신호가 인덕터에 전달되어 인덕터와 압전결합기간에 유기되는 공진에 의해 초기 높은 방전전압이 유도되도록 한 것이다. 발생되는 전압의 첨두치는 부하에 따라 가변되나 상용 형광등에 대해 약 500 ∼ 1,500 V의 전압이 유기되며, 고압방전등의 경우 약 3,000V의 초기 점등전압이 발생된다. 이러한 발생 전압은 도 1 (b)의 동그라미 부분에 나타나 있는 바와 같이 인가되는 전압에 따라 급격히 비선형적으로 분극량이 변하는 압전결합기와 인덕터에 의한 것이며, 이 전압은 상호 병렬연결되어 있는 방전등 및 압전결합기에 동시에 유기되어 방전등이 점등된 후, 일정시간이 경과하고 나면 방전등에 필요로 하는 일정한 관전압 및 관전류가 유지된다.

도 2는 본 발명에서 사용된 압전결합기를 이용한 안정기의 일부를 도식적으로 나타낸 것이다. 필라멘트에 흐르는 전류를 제한하기 위하여 형광등(2)의 음극 필라멘트(3)을 단락시켜 압전결합기(5)와 병렬로 연결한 후, 전단에 인덕터(1)와 직렬로 연결하여 사용하는 순간 점등방식을 채택하였다. 그 이유는 형광등의 음극 필라멘트(3)에는 초기 예열전류가 흐르며, 점등 후에도 일정양의 전류가 흐르기 때문에 형광등을 통하여 흐르는 전류의 일부가 필라멘트에서 소모되므로 그 만큼 전력효율이 감소하게 되고 따라서 광효율도 감소하게 된다.

이때 사용된 방전등의 초기 점등 전압은 등의 종류에 따라 크게 변화하게 되므로 필요에 따라 등(2)에 직렬로 커패시터(4)를 연결하여 분압시킴으로써 필요이상의 전압이 방전등에 가해지는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에서 사용된 압전세라믹스 대신에 내압이 강한 세라믹 커패시터를 사용하여도 L-C 공진에 의하여 방전등은 정상적으로 점등되나, 도 2의 압전결합기가 보인 바와 같은 급격한 커패시턴스의 비선형적 변화를 보이지는 않기 때문에 초기 방전전압의 첨두치가 작을 뿐만 아니라 발열현상이 매우 커지며 전력손실이 발생되어 효율의 감소를 가져오게 된다.

도 3a 및 도 3b는 도 2에서 설명한 공진회로의 효율적인 동작 및 임피던스 매칭을 위하여 사용된 인덕터(1)의 인덕턴스와 공진주파수의 상관관계 및 인덕턴스와 공진주파수에서의 임피던스에 대한 상관관계를 나타낸 것이다. 일반적으로 LC공진자의 경우의 상관관계를 가지므로 도 3a의 표가 나타내는 것처럼 인덕턴스가 증가함에 따라 공진주파수가 감소하였으며, 압전결합기와 인덕터 연결에 의해 발생된 공진주파수에서의 임피던스는 약 2mH 이상의 인덕턴스에서는 포화되는 경향을 나타내고 있다. 따라서 본 발명에서 사용된 압전결합기에 매칭되는 인덕터는 임피던스가 포화되어 구동주파수가 안정화되는 2mH 이상이 바람직하였다. 그러나 압전세라믹스 조성에 따라 커패시턴스를 조절할 수 있으므로 더 낮은 인턱턴스 값에서도 효율적인 매칭 포인트를 찾아 낼 수 있다.

도 3a의 0 mH에 나타난 공진주파수는 압전결합기 자체의 공진주파수로서 소자의 직경에 따라 변화된다. 그러나, 압전결합기와 인덕터와의 매칭에 따라 그 공진주파수를 100kHz 이하로 감소시킬 수 있다. 또한, 주공진주파수 이외의 비공진주파수을 이용함으로써 구동가능한 주파수 대역폭을 확대하였기 때문에 사용하고자하는 방전등의 초특성이 우수한 주파수 영역을 선택하여 동작시킬 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

도 4는 압전결합기가 포함된 안정기의 전체 회로도이다. 이 압전안정기는 형광등 및 고압 방전등 모두에 적용가능하며, 소비전력 크기에 관계없이 사용가능하고, 소비전력 혹은 방전등의 관특성에 따라 압전결합기의 치수와 이에 정합되는 인덕터의 용량만을 교체함으로써 폭 넓은 응용이 가능한 안정기이다. 특히, 고압 방전등 가운데 하나인 나트륨등을 점등하기 위한 압전안정기로서 응용될 경우 기존의안정기가 포함하고 있는 점화회로가 포함되지 않은 상태에서도 초기 점등을 위한 충분한 고압이 방전되므로 일반적인 자기식 나트륨등용 안정기에 비해 소형이며 경량의 안정기 제작이 가능하다.

도 4에서 전원은 상용교류전원이며 퓨즈(fuse)는 과전류보호용으로 사용되고, 정류소자 전단의 AC 라인에 병렬로 연결된 배리스터(varistor)는 과전압보호용 소자로 이용된다. 노이즈 필터(noise filter)와 세 개의 콘덴서 C1, C2, C3는 전자파(EMI) 방지 역할을 하며 EI1916 코일, 다이오드 및 콘덴서 C4는 역률개선용으로 벨리필(velly fill) 방식으로 역률을 향상시킨다. 상용교류전원이 인가되면 이를 브리지 정류하여 역률개선후 C5에 의하여 에너지를 축적 및 평활시킨다. 또한 인덕터의 2차에서 잉여의 저전압을 얻어 정류하여 IC의 전원으로 사용한다. IC의 전원전압을 일정하게 유지하기 위해 12V의 제너 다이오드를 사용하고, C6은 IC 전원에 대한 평활용 콘덴서이다. 또한 IC는 펄스 제너레이터이며 발생되는 펄스의 주파수는 R5, R4, C7에 의하여 결정된다. 이때, R4를 가변저항으로 구성함으로써 정확한 발진 주파수를 설정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

발진 주파수는 사용되는 펄스 제너레이터의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 본 예에서 사용된 IC에서의 발진 주파수는 다음의 식에 의해 결정된다.

발진 주파수는 인덕터(EI2519) 및 압전결합기(PC)에 의한 공진 주파수에서 벗어나도록 설정하는 것이 바람직하다.

IC의 발진 입력단자를 이용하여 평상시에는 콘덴서가 연결되어 발진되나, 이상 전류가 발생하면 콘덴서의 양극을 FET(전계효과트랜지스터; field effect transistor)로 닫히게 하여 발진을 멈추게 한다.

IC 각각의 출력 핀은 구형(矩形)의 반전, 비반전 펄스를 출력한다. 이 출력 파형은 저항 R6과 R12를 통해 FET Q3과 Q4를 각각 구동한다. FET 게이트에 일정주파수의 구동전압이 인가되면 두 개의 FET(Q3,Q4)는 교번 스위칭하여 출력교류(AC)가 형성된다. 이는 인덕터 EI2519와 압전결합기(PC)에 의해 공진을 일으켜 초기 입력신호에 의해 고압이 방전되고, 이 고압이 압전결합기(PC)와 병렬로 연결되어있는 방전등(FL)에 동일하게 유기됨에 따라 방전등(FL) 내의 수은을 활성화시킴으로써 점등이 가능해 지며, 이후 방전등(FL)의 점등상태를 유지할 수 있는 정상 상태로 옮아가게 된다.

압전결합기를 이용한 안정기의 경우에는 입력전압에 따라 압전체의 커패시턴스가 비선형적으로 변화되는 것을 이용한 것으로 방전등의 특성에 따라 초기 방전되는 전압의 크기가 자동으로 변화된다. 한편 EI2519에 2차 권선을 설치하여 과부하 및 무부하시에 전류를 검출하여 R9와 R10으로 전압을 분배하도록 하고, 5.1V 제너 다이오드로 이상 전압을 검출하여 IC의 2번 핀에 전압이 0V로 되게 하면, IC의 발진단이 로우(low) 전압으로 고정되어 IC는 발진을 멈추게 된다. 이로 인해 인버터는 스위칭을 멈추게 되고 안정기를 보호하게 된다.

도 5는 도 4의 안정기를 이용하여 방전등을 점등할 때 발생되는 전압의 크기및 주파수와의 상관관계와 정상적인 구동이 가능한 주파수 대역을 나타낸 것이다.

사용된 압전결합기의 커패시턴스는 2.3㎋이며, 소자의 자체 공진주파수는 경방향진동모드에서 114kHz 였다. 여기에 사용된 인덕터는 2.15mH 였으며, 압전결합기와 결합되어 나타내는 공진주파수와 그 때의 임피던스는 각각 70.8kHz와 8.8Ω이었다.

도 5는 이러한 조건에서 20W급 전구식 형광등 (CFL)(실선)과 32W급 관경 26mm의 T8 직관형 형광등(점선)을 점등한 결과를 나타낸 것이다. 각 등을 점등하는데 필요로 되는 초기 점등전압은 전구식형광등의 경우 740V였으며, T8의 경우는 780V였다. 여기서 점등에 필요로 되는 초기 전압값은 같은 종류의 방전등이라 할지라도 제조사마다 차이가 있으므로, 본 발명에서 사용된 특정 형광등의 점등전압이 모든 형광등에도 범용적으로 적용될 수 있는 절대적인 수치를 의미하는 것은 아니다. 일례로 전구식형광등 가운데 약 400V 정도의 점등전압을 갖는 제품도 출시되어 있다.

본 발명에서 사용된 전구식형광등의 경우 점등 가능한 주파수 대역은 18∼22kHz와 60 ∼ 72kHz로 각각의 대역폭은 4와 12kHz이다. 공진점에서 가장 높은 전압을 보여주고 있지만, 공진점 부근에서도 넓은 영역에 거쳐서 점등이 가능하고, 공진점에서 상당히 벗어난 지점인 18∼22kHz에서도 점등이 가능함을 알 수 있다.

T8의 경우에는 18 ∼ 22kHz와 58 ∼ 78kHz사이로 전구식형광등보다 공진점부근 대역에서 폭 넓은 구동가능 대역을 보이고 있다. 이는 형광등 자체가 RC성분을 갖는 비선형의 임피던스소자이므로 적용되는 방전등의 종류에 따라 구동주파수의범위 및 발생 전압의 크기가 다르게 나타난 것이다.

도 6은 특성이 다른 압전결합기를 이용한 것으로 압전소자의 커패시턴스는 2.5㎋였으며, 소자 자체의 공진주파수는 78kHz, 인덕터와 연결되어 나타난 주공진점은 58.5kHz였다.

도 5에서 사용된 것과 같은 방전등을 이용한 결과, 전구식형광등의 경우에는 18 ∼ 27, 32 ∼ 38, 52 ∼ 63, 103 ∼ 108 kHz의 주파수 대역에서 점등 가능하였으며, T8의 경우에는 가장 낮은 주파수 대역에서만 대역폭이 18 ∼ 22kHz로 좁아졌을 뿐 전구식형광등과 유사한 주파수 특성을 보였다. 일반적으로 압전세라믹스는 이용하고자하는 진동모드에 따라 소자의 공진주파수 대역이 달라지며, 같은 진동모드에서도 공진을 일으키게 하는 부분의 치수에 따라 공진주파수가 크게 변화된다. 본 발명에서 사용된 압전결합기는 신뢰성 및 양산성을 고려하여 주로 원판형을 사용하였으므로, 사용된 공진모드는 경방향이고 압전결합기의 직경이 감소함에 따라 공진주파수가 증가하게 된다.

그러나, 방전등의 효율적인 구동은 일반적으로 20 ∼ 90kHz의 범위이므로 소자의 공진주파수를 이 대역으로 맞추어야하므로 사용하는 인덕터와의 매칭을 효과적으로 한다면 소자의 크기와 관계없이 20 ∼ 100kHz의 범위에서 방전등을 점등할 수 있는 안정기를 제조할 수 있다.

도 7은 20W급 전구식 형광등(CFL)을 부하로 하였을 때, 초기 점등시 관의 전압 및 전류 특성이다. 도 5 및 도 6에서 볼 수 있는 것처럼 비공진주파수에서도 점등이 가능하며, 도 7은 비공진주파수에서 점등한 경우의 결과를 보여주고 있다.

도면에서 볼 수 있는 것처럼, 비공진주파수를 이용함으로써 초기에는 점등을 위한 600V 고전압만이 등에 걸리고 있으나, 0.4초 후에는 관전류가 정상상태의 값인 166㎃가 흐르게 되고 초기의 방전전압은 정상상태의 관전압 83V로 감소되므로, 0.4초간의 지연시간으로 인한 소프트 스타트 기능을 가지고 있음을 알 수 있다.

이때 적용된 방전등의 구동주파수를 앞서 밝힌 도 5의 공진주파수 70.8kHz에서 구동시키게 되면 전기신호가 인가되는 즉시 방전등이 점등되어 방전등의 수명을 단축시킬 수도 있으나, 본 발명에서는 구동주파수를 60 ∼ 65kHz 사이에 둠으로써 초기에 소프트 스타트 기능을 갖게 하여 수명단축의 문제점을 제거할 수 있다.

도 8은 안정기가 내장되어 있는 형광램프 (CFL)을 이용하여 소자의 온도변화에 따른 조도(照度)특성을 측정한 결과이다. 본 발명에 의한 압전안정기의 온도 특성을 보기 위하여 -20 ∼ 150℃의 항온 항습조에 압전결합기를 포함한 안정기 전체 혹은 압전결합기만 방치 한후, 실시한 점등실험 및 조도변화에 대한 실험결과이다. 압전결합기를 포함한 안정기 전체가 항온항습조에 방치된 경우에는 110℃ 까지는 조도의 변화없이 정상적인 구동을 하였으며, 수동소자 및 압전결합기의 온도특성에 의해 구동주파수가 약간 바뀔지라도 점등대역의 주파수 범위가 넓기 때문에 안정기로서의 신뢰성에는 이상이 없었다. 이 경우에 사용된 수동소자중 커패시터의 사용가능한 최고 온도가 105℃이므로 기존 안정기의 사용가능한 온도범위와 일치하는것으로 나타났다. 한편, 도 8에 나타난 바와 같이 압전결합기만 항온항습조에 방치한 결과, 130℃까지 안정적으로 점등되는 것을 확인할 수 있었으며, 구동주파수의 변화폭이 130℃에서 약 0.5kHz 미만으로 압전결합기의 온도에 대한 주파수응답 특성이 매우 우수한 것으로 측정되었다. 전구식형광등은 안정기와 램프가 서로 근접해 있기 때문에 램프에서 방사되는 열을 그대로 안정기가 전달받게 되므로 다른 안정기에서보다 소자의 높은 온도안정성이 요구된다. 사용된 압전결합기에 따라 사용가능한 온도범위는 크게 달라지며, 본 발명에서 사용된 압전결합기의 경우 130℃까지 정상적인 온/오프(on/off) 특성을 나타내었다.

일반적으로 모든 방전등은 내부의 필라멘트에 흐르는 전류와 등자체의 특성상 상당한 열이 발생되며, 이러한 열이 광학적 밝기를 높이는데 기여하게 되어 있으므로 일반적인 안정기의 경우 80 ∼ 100℃에서 구동되며, 특히 안정기 내장형 램프의 경우에는 등과 안정기가 붙어있기 때문에 안정기의 내부온도가 약 100℃에 이르게 된다. 또한 본 발명의 순간점등방식의 안정기는 램프의 열원인 필라멘트를 단락시켜 사용하기 때문에 램프의 표면에서 발생되는 발열은 단순히 열전자가 형광램프의 내벽과 부딪히면서 빛의 방출과 동시에 발생되는 것으로 한계지을 수 있다. 따라서 등의 표면에서 방출되는 발열량을 크게 감소시킴으로써 안정기의 내부 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 상대적으로 전기적 에너지의 손실을 최소하여, 고효율의 안정기를 제조할 수 있었다. 또 하나의 고효율을 이룰 수 있는 이유는 고압 방전시 열전자에 가해지는 에너지가 전자식 안정기에 비해 증가하기 때문에 전기에너지가 빛에너지로의 전이시 그 만큼 큰 빛에너지가 방출되므로 램프의 광효율이증가하게 된다.

이러한 광효율의 증가를 보이기 위한 실제적인 예를 들어보면 다음과 같다.

실험예 1

원판형의 압전결합기가 장착된 도 4와 같은 안정기회로를 이용하여 각종 방전등을 점등한 결과를 표 1에 나타내었고, 이는 바로 아래에 표시되어 있다.

사용된 압전결합기의 크기는 사용된 방전등의 종류에 따라 다르며, 이를 압전결합기의 커패시턴스 C로 나타내었다. 표에서 표시된 T8, T5, T2는 각각 관경이 26mm, 16mm, 7mm인 직관형 형광램프이며, FPL은 U자형 형광램프이고, 전구식 형광등은 안정기 내장형 콤팩트 램프(CFL)이며, 고압 방전등으로 50W급 나트륨등을 사용하였다. 구동주파수는 30 ∼ 65kHz 대역으로 압전결합기의 직경 및 사용된 인덕터에 따라 변화되며, 비공진 주파수 대역을 사용하였다. 측정된 모든 방전등에 대해 최하 91% 이상의 전력효율이 측정되었으며, 특히 관경이 비교적 넓은 일반용 T8 형광등의 경우 등의 표면 온도가 40 ∼ 45℃로써 음극예열방식의 전자식 안정기에 의해 점등되었을 경우의 발열온도인 60 ∼ 70℃보다 현저히 낮은 발열 특성을 보였다. 이는 압전안정기의 순간점등 방식에 따른 특징으로써 적용된 모든 등에 대하여 전자식에 의한 것보다 방열온도가 낮아짐을 보였다.

실험예 2

아래 표 2는 도 4에 나타난 압전안정기와 전자식 안정기의 전기적 특성을 비교한 것으로 압전안정기가 전력효율이 높음을 보이는 결과이다. 전구식 형광등의 경우 압전식의 입력전력이 기존의 제품에 비해 낮으나, 이러한 입력전력에 의해서도 램프가 발휘할 수 있는 초특성을 최대로 발휘함으로써 기존의 제품과 동일한 조도를 얻을 수 있었다. 또한, 일반 전자식 안정기의 경우 사용되는 방전등 혹은 부하에 따라 안정기 부품으로 사용되는 변압기 혹은 쵸크(choke)의 사양이 달라지나, 압전결합기의 경우 적용하고자 하는 부하 특성에 따라 초기점등 전압 및 관전압의 크기가 자동적으로 조절되는 기능을 가지고 있다.

실험예 3

도 4에 나타나 있는 고압 나트륨등용 압전안정기를 이용하여 50, 150, 200W급 나트륨등을 점등하였다. 기존의 자기식 안정기의 경우 80% 미만의 전력효율을 보이는 반면, 압전안정기의 경우 표 1에 나타난 바와 같이 91%의 전력효율을 나타내었으며, 점화회로 없이 약 2,800V의 초기 점등전압이 발생되어 안정적인 점등을 이룰 수 있었다.

이상, 본 발명을 도면과 실시예를 가지고 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시 예에 한정되지는 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해할 것이다.

또한, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 압전세라믹스를 안정기용 부품으로 사용한 압전안정기를 일반 형광등 및 고압방전등에 모두 적용하여 기존의 고효율 에너지 기자재인 전자식 안정기를 능가하는 고효율화를 실현한 절전형 제품의 생산이 가능하다.

또한, 압전안정기에 사용되는 압전세라믹스의 크기를 최소화하여 일반 커패시터 크기로도 30W 이상의 방전등을 안정적으로 구동시킬 수 있도록 압전세라믹스의 고출력화를 실현함으로써 일반 방전등을 상용전압에서 점등이 가능케 하기 위하여 세라믹스의 치수가 커져야 하는 압전변압기보다 신뢰성 및 양산성에서 큰 잇점이 있다.

또한, 본 발명의 압전결합기를 LCD 백라이트(backlight)인 콤팩트전구식형광등(CCFL) 점등용 인버터에도 적용가능성을 보임으로써, 최근에 저출력형 인버터에 많이 적용되고 있는 압전변압기에 비해 양산성 및 제조원가 측면에서 월등한 장점을 지니고 있는 압전결합기를 산업전반에 걸쳐 각종 방전등에 폭 넓게 적용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 과전류 및 과전압 보호소자와,

   불요전자파(EMI)방지회로를 포함하는 교류전원과 이에 연결된 역률개선회로와,

   상기 역률개선회로에 연결된 정류기와,

   입력전원으로부터 신호를 받아 일정한 주파수를 만들어 내는 펄스 제너레이터와,

   상기 일정한 주파수를 설정하기 위한 스위칭 주파수 설정회로와,

   상기 펄스 제너레이터에 연결되어 과부하 또는 무부하 발생시에 펄스 제너레이터를 리셋할 수 있는 리셋회로와,

   상기 펄스 제너레이터의 펄스에 따라 상기 정류기로부터의 출력교류전압을 스위칭하는 두 개의 전계효과 트랜지스터와,

   상기 두 개의 전계효과 트랜지스터의 공통 출력과 방전등 사이에 연결되어 있는 인덕터와,

   방전등에 병렬연결되어 있으며, 원판형이며 공진모드가 경방향인 압전세라믹스로서, 압전세라믹스의 직경이 감소함에 따라 공진주파수가 증가하는 압전결합기와,

   방전등에 직렬로, 그리고 상기 압전결합기에 대해서는 병렬로 연결된 커패시터

   를 구비하며,

   상기 스위칭 주파수 설정회로는 상기 압전결합기와 상기 인덕터의 결합에 의한 공진 주파수로부터 벗어난 주파수로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전결합기를 이용한 압전안정기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 인덕터는 2mH 이상인 것을 특징으로 하는 압전결합기를 이용한 고효율 압전안정기.