KR100463571B1 - 메탈할라이드식 방전등 점등장치 - Google Patents

Abstract

반도체 집적회로를 이용한 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 관한 것으로서, HID램프의 시동시 파괴전압이 너무 높아 램프의 수명이 단축되며, 고압펄스를 발생시키는 이그나이터의 성능이 미흡하다는 문제점을 해소하기 위해서, 상용전원 입력부, 입력부의 교류 전원의 라인과 연결되고 영상변류기를 구비한 누전 및 감전 차단부, 입력부에서 공급된 전압을 전파 정류하는 전파 정류부, 전파 정류부에서 정류된 전압을 평활화하는 평활회로부, 평활회로부에서 평활화된 전압의 역율을 보상하는 역률 보상부, 역률 보상부에서 보상된 전압의 소비전력을 유지시키는 소비전력 유지부, 소비전력 유지부에 의해 조정된 전압에 따라 구동되는 제1 및 제2의 트랜지스터를 제어하는 트랜지스터 제어부, 트랜지스터 제어부의 제어에 따른 메탈할라이드 램프의 구동시 그 출력 주파수의 오차를 조정하는 출력 주파수 제어부 및 메탈할라이드 램프의 시동시 고압펄스를 발생시키는 이그나이터회로부를 마련한다.

방전등 점등장치를 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해서, 음향공명현상을 극복하여 램프 파손을 방지할 수 있고, 시동시 고압펄스 전압에 대한 회로 안정성으로 램프의 수명을 연장할 수 있다는 등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

메탈할라이드식 방전등 점등장치{Metal Halid Type Discharge Lamp Lighting Apparatus}

본 발명은 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 관한 것으로, 특히 고주파 스위칭을 위한 전력용 반도체 집적회로를 이용한 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 관한 것이다.

통상, 방전등은 가정 또는 사무실에서 사용되는 형광등, 공장용 조명등, 도로에 설치된 가로등이 있다. 또, 방전 형식에 따라 형광등, 자외선등, 저압 나트륨등의 저압방전등과 가로등의 고압방전등으로 분류하기도 한다.

저압방전등은 특성상 관(tube)의 길이가 길어서 관내에서 발생되는 열이 외부로 쉽게 방출되어 관기압(tube atm)이 점등전이나 점등 후에도 동일하다. 따라서, 점등초기나 점등 후에도 저압방전등의 관전압은 일정하다. 그 결과 저압방전등은 전자식 안정기를 용이하게 채용할 수 있다.

고압방전등으로는 수은등(mercury lamp), 고압나트륨등(highpressure 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. 즉, HID램프는 필라멘트로 발광하는 일반 할로겐 램프와는 달리 발광관 캡슐에 제논 가스와 금속 융화물을 넣어 형성되며, 램프의 점등은 제어 시스템을 통해 발생되는 고전압을 이용하여 캡슐 안의 전자와 금속을 충돌 방전시켜발광시킨다.

이러한 고압방전등이 점등하면 관내가 엄청난 고온 플라즈마 상태가 되어 관내 공기압이 초기점등전과 비교하여 엄청나게 높아지게 된다. 따라서, 일정량의 관전류(tube currents)가 인가될 경우, 점등 초기의 관전압과 점등후의 관전압은 많은 차이가 있다. 또한 안정 동작 후에도 조차 램프의 부성저항 특성에 의해 관전압 이상에서는 임피던스가 높지만 관전압 이하에서는 임피던스가 낮다.

또, 이러한 고압방전등을 점등하기 위해서는 누설 변압기가 사용되어 왔다. 이 누설 변압기는 전류원으로 동작하며, 램프의 임피던스와 관계없이 전류량을 제한하는 기능을 한다. 따라서, 점등초기에는 관전압이 0전위에 가깝고 안정화되었을 때 정상 전위가 된다. 그러나, 누설 변압기의 인덕턴스를 크게 하기 위하여 변압기를 감을 수 있는 긴 코일이 필요하기 때문에, 누설 변압기의 효율에 악양향을 끼친다.

일반적으로 나트륨 또는 메탈할라이드 램프 등과 같은 고압 방전등을 사용하는 가로등과 이에 수반되는 장치는 고압 방전등과 안정기 및 점등회로를 구비하고 있다.

상술한 누설 변압기의 단점을 보완하기 위해 전자식 안정기에 있어서는 전자제어방식을 사용한다. 전자제어방식을 사용하므로써 효율이 높고 부피는 적으며, 무게도 가볍고 외부 제어가 용이하다는 장점들이 있다.

종래의 전자식 안정기에 인가되는 직류 전원은 정전압원을 사용하며, 리플전압이 정전압원에 존재한다면 램프의 부성저항 특성에 의해 램프 빛이 흔들리거나자동 소등된다. 또한 램프로 출력되는 전원은 전류원이 되어야 한다. 따라서, 전자식 안정기 회로는 컨버터부와 인버터부로 구성된다.

이러한 컨버터부로서는 콘덴서 입력식 제어 방식, 쵸크 입력식 제어 방식 및 초퍼 레귤레이터식 제어 방식이 이용되고 있다.

또, 인버터부로서는 직류 전원 제어 방식, 풀 브리지 방식에 의한 저주파수 인버터식 제어 방식, 고주파수 인버터식 제어 방식 등이 이용되고 있다.

직류 전원 제어 방식이 적용되는 고압 방전등에 있어서, 수은등은 관내에 수은 이외는 별다른 물질이 없으나 고압 나트륨등이나 메탈할라이드등은 광색상을 내는 물질을 전극에 발라두거나 관의 일부에 도포하여 둔다. 램프에 DC 전류 전원이 인가되면, 램프의 두 극은 서로 같은 온도를 내지 못한다. 이에 수온등을 점등하는 데에는 문제가 없으나, 나트륨등이나 메탈할라이드등은 요구되는 광색상을 발할 수 없다는 점에서 문제가 있다. 결국 램프 전원의 인가를 위해, 정DC 전원은 교류전원으로 다시 변환되어야 한다. 따라서, 직류전원 제어방식은 수은등 이외에는 사용이 불가능하다.

풀 브리지방식에 의한 저주파수 인버터식 제어 방식에 있어서 풀브리지 스위칭 트랜지스터는 낮은 주파수가 주파수를 변환하여 초퍼 레귤레이터상 입력을 제어한다. 그리고, 풀브리지 스위칭 트랜지스터가 초퍼 레귤레이터의 스텝다운 회로에서 전류원을 생성한다. 풀브리지 스위칭 트랜지스터가 전류원으로 동작되지 않으면, 램프의 부성저항 임피던스 특성으로 인해 출력 전류는 이론상 무한히 흐른다.

또, 고주파수 인버터식 제어 방식에 있어서, 인버터부의 전원이 정 DC전원이면 직렬공진 콘덴서를 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 전류가 이루어지며, 주파수를 적용 가능한 제어방식에서 램프의 전류나 전력이 검출되어 스위칭 트랜지스터의 주파수를 제어한다. 그러나, 램프가 점등 중 어떠한 원인으로 인하여 자동 소등되면, 직렬공진회로의 임피던스가 대단히 낮아져서 스위칭 트랜지스터에 엄청난 전류가 흘러 스위칭 트랜지스터가 파손된다는 문제점이 있었다.

도 1은 통상의 메탈할라이드 램프의 점등 회로도로서, 상용 전원에 콘덴서(1)와 저항(2)이 병렬 접속되고, 상용 전원의 한쪽 단자에 쵸크 코일(3)이 접속되며, 램프(4)가 쵸크 코일(3)과 직렬 접속된다.

점등보조장치인 이그나이터(5)는 쵸크 코일(3)과 램프(4) 사이에 병렬 접속되며, 상기와 같은 메탈할라이드 램프의 동작 원리는 다음과 같다.

메탈할라이드 램프의 점등 회로에 전원이 인가되면, 이그나이터(5)에 의해 펄스폭이 넓은 고전압이 안정기의 2차측에 유기되고, 이 고압 펄스에 의하여 램프 내의 보조 전극과 2개의 주 전극사이에 방전이 개시된다. 이 후, 주 전극과 보조 전극의 방전에 의해 램프의 발광관내가 방전이 용이한 상태로 되어 주전극관의 방전으로 된다. 이러한 방전의 열에 의해 발광관내의 수은, 금속할로겐화물이 증발하고, 외구 내부의 열이 상승함에 따라 스위치가 개방되어 시동회로를 차단하고 램프의 안정 점등의 상태로 발광하게된다.

상기 안정기에 대해서는 최근 에너지 절약차원에서 절전효과와 램프수명을 연장시키기 위해 전자식 안정기가 개발되고 있다.

이러한 전자식 안정기는 상용AC전원부, AC전원의 노이즈를 제거하기 위한 라인 필터부, AC를 DC로 변환시키기 위해 정류 다이오드와 캐패시터로 이루어진 브리지 다이오드 정류부, 하프브리지 방식의 스위칭기능을 갖는 MOSFET로 이루어진 인버터부 및 인덕터와 램프 및 부하용 캐패시터로 이루어진 램프출력부를 구비한다.

상술한 전자식 안정기를 도 2에 따라 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시된 전자식 안정기는 상용교류전원(E)을 다이오드 브리지로 구성되는 정류회로(DB)에서 전파 정류 후, 직렬 충전 및 병렬 방전에 의해 부분 평활화를 행하는 평활 회로(B)에서 부분 평활화를 하고, 부분 평활한 전압의 반을 트랜지스터 발진회로(A)에 공급한다.

이 트랜지스터 발진회로(A)는 수십 ㎑의 주파수에서 발진시켜 공급되는 전력을 고주파 전력으로 변환하고 고발광 효율 또는 고역률로 방전램프(La)를 시동 점등시킨다.

평활 회로(B)는 콘덴서C1, C2와 충전용 다이오드D1 및 방전용 다이오드D2, D3으로 구성되어 있다. 이 평활 회로(B)는 전파정류회로(DB)의 출력단 사이에 콘덴서C1, 충전용 다이오드 D1 및 콘덴서 C2의 직렬회로를 접속하고, 콘덴서C1과 충전용 다이오드D1의 접속점과 접지점(G)사이에 방전용 다이오드D2를 접속하고, 콘덴서C2와 충전용 다이오드 D1의 접속점과 F점 사이에 방전용 다이오드D3을 접속한다.

이 경우 콘덴서C1, C2에 의해 충전되는 전압은 각각 전파정류전압의 피크 값의 1/2이고, 콘덴서C1, C2는 전파정류전압이 그 피크 값의 1/2 이하로 되면 방전을 개시하고 전파정류전압이 콘덴서C1, C2의 전압보다 높게 되면 충전을 개시한다. 따라서, 전파정류전압의 계곡점이 피크 값의 약1/2의 높이까지 메워지면 부분 평활 전압이 인가되어진다.

또, 트랜지스터 발진회로(A)에는 콘덴서C2의 양단전압을 트랜지스터 발진회로(A)의 발진용 트랜지스터Q1, Q2의 베이스 전원으로 즉, 베이스 저항R1을 다이오드D1 및 C2의 접속점에 접속한 것이다. 이렇게 함으로써 상기 C2의 전압(통상 입력전압 E의 피크값 1/2)을 인가하여 베이스 저항 R1, R2, R3의 값을 적게 설정하도록 하고 이에 따른 전력손실을 적게 하였다.

따라서, 도 2에 도시된 안정기에 있어서는 우선 상용교류전압(E)을 투입하면, 전파정류회로(DB)에서 전파 정류되고 평활 회로(B)에 의해 부분 평활시킨 전원전압이 cy크 코일CH를 통하여 트랜지스터Q1, Q2에 베이스 전류를 공급하며, 발진용 트랜지스터Q1, Q2의 어느 한쪽으로 콜렉터 전류가 흐르기 시작한다.

발진 트랜스 OT의 콜렉터 권선N1측의 발진용 트랜지스터Q1에 콜렉터 전류가 흐르기 시작하면, 그 베이스 전류가 증가하는 방향으로 베이스 권선N3에 유기되고 콜렉터 전류가 증가해서 포화에 이른다. 그런데, 콜렉터 전류가 포화로 되면 베이스 권선 N3에 유기되는 전압이 없게 되어 콜렉터 전류가 감소하기 시작하고 발진용 트랜지스터Q1은 비도통으로 향하여 곧 비도통이 된다.

반면, 콜렉터 권선N2측의 발진용 트랜지스터Q2의 베이스 전류는 콜렉터권선N1측의 발진용 트랜지스터Q1이 포화하는 시점에서 베이스 권선N3에 유기된 전압이 순바이어스로 됨과 동시에 증가하기 시작하고 콜렉터 전류도 증가한다. 따라서 베이스 권선 N3에서는 순바이어스 방향으로 전압이 유기되어 단번에 포화에 도달한다. 포화하면 콜렉터 전류의 증가는 없게 되고 베이스 권선 N3에 유기되는 전압이 없게 되어 콜렉터 전류가 감소하기 시작하여 비도통으로 향한다. 이것에 의해 최초의 상태로 되돌아가고, 이후 반복해서 발진을 계속한다.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 종래의 기술은 램프의 수명이 다 되어 필라멘트가 끊어지든지 필요시에 램프를 이탈시켰을 때 점등되지 않은 상태에서는 방전유지 전압이 정상적인 램프전압보다 상당히 높아지게 되어 큰 무부하 전력이 소모되고, 램프의 방전유지 전압을 유지하지 못하고 공진 전류가 크게 흘러 주 스위치용 트랜지스터를 파괴시키거나 회로를 파괴시킬 수 있는 문제점이 있다.

또한, 입력전압과 입력전류의 위상차가 너무 큰 경우에나 콘덴서 분압방식에 의해 분압을 한다해도 역율이 고역률 이하가 될 수 있다. 물론, 분압용 캐패시터의 캐패시턴스를 낮추어 주면 역율이 개선되기도 하지만 리플이 심해지고 회로동작이 불안해진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술의 일 예가 대한민국 특허 공보2001-88753호에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 기술에 대해서는 도 3에 따라 설명한다.

도 3에 도시된 전자식 안정기는 입력 교류신호를 정류하여 직류전압을 공급하는 정류 및 평활화부(200), 정류 및 평활화부로부터 인가되는 전압을 공급받아주어진 공진 주파수로 발진하여 램프를 점등시키는 점등부(600), 정류 및 평활화부로부터의 정류된 전압을 인가 받아 점등부의 공진을 일으키는 인버터부(400), 인버터부의 초기 시동을 행하는 시동회로부(300)를 포함하며, 점등부(600)는 공진용 캐패시터(C12, C5, C6)와 인덕터(L2)를 포함하며, 인버터부(400)는 일측 권선이 공진용 인덕터(L2)와 전기적으로 접속된 드라이브 트랜스(T1, T2, T3)와 드라이브 트랜스의 2차측이나 3차측 권선들의 통전 여부에 의해 오프 되며 점등부의 공진회로를 트리거링하여 고주파 출력을 생성하도록 하는 트리거소자(Q1, Q2)를 포함하며, 시동회로부(300)는 램프의 시동 시에 트리거소자의 어느 하나를 동작시키기 위한 시동회로(C8, R6, TD) 및 램프 점등 후에 시동회로의 동작을 정지시키기 위한 회로(R8, D13)를 포함하고, 인버터부(400)의 트리거소자(Q1)(Q2)의 어느 하나에 접속되는 스위칭 소자(Q3), 스위칭소자(Q3)의 제어단에 접속되는 정전압 다이오드(D11), 드라이브 트랜스의 2차측이나 3차측 권선(T2, T3)에 접속되며 그 접속점이 정전압 다이오드에 접속되는 분압저항(R7, R8)으로 구성되는 음극 예열전류 제어회로부(500)를 더 포함하여, 분압저항(R7, R8)으로 검출되는 출력측 분압 전압이 다이오드(D11)의 브레이크다운 전압 이상의 과전압일 경우, 스위칭 소자(Q3)를 동작시켜 어느 하나의 트리거소자(Q1, Q2)의 게이트 공급전압을 제어하고, 램프에 접속된 공진용 콘덴서(C12) 양단의 공진전압을 낮춰 형광램프의 필라멘트의 음극예열전류를 제어하며 램프를 소프트 스타트시키는 것을 특징으로 한다.

또, 음극예열전류 제어회로부(500)의 스위칭 소자(Q3)의 소오스 측은 저항(R4)을 통해 어느 하나의 트리거소자(Q1, Q2)의 게이트에 접속되며, 그 게이트측은 정전압 다이오드(D11)에 접속됨과 동시에 콘덴서(C9)를 통해 접지 되는 구성이다.

그러나, 상기 공보에 기재된 바와 같은 음극예열 전류제어회로부를 전자식 안정기에 채용하는 경우에 있어서도, 발진코일을 3차로 해서 하이 측 MOSFET와 로우 측 MOSFET를 구동시키므로, 트랜지스터의 게이트전류의 경로가 없어서 불량의 원인으로 된다는 문제점이 있었다.

또, SCR을 이용하여 소프트 스타트(soft start)를 시키기 때문에 램프가 온(ON)되는 시간이 일정하지 않고, 출력 주파수의 허용 오차가 크게 된다는 문제점이 있었다.

이러한 원인에 의해, 저온 발전초기 스퍼터링 현상에 의한 램프 수명의 단축, 미소입력 전압변동(±10%)에 따른 절전 효과의 상실 및 급격한 광출력의 변화, 램프의 노화, 수명말기 교환 및 오결선시 안정에 내부의 스위칭소자가 파괴된다는 문제점이 있었다.

또, 나트륨 또는 메탈할라이드 램프 등과 같은 고압 방전등을 사용하는 가로등에 있어서는 가로등 분전반에서 분기하여 각각의 가로등주에 공급되는 전선의 피복이 벗겨지거나 연결부위의 쇼트 등으로 인하여 가로등주에 전류가 흐르는 누전이나 침수 등에 의한 감전의 위험이 있었다.

이러한 누전은 직접적으로 인명사고(감전으로 인한 사망 및 쇼크에 의한 2차사고, 화상), 재산피해(피해에 따른 보상비, 전력손실, 램프 및 안정기의 수명단축, 화재)를 내고 있으며, 간접적으로 사고수습에 따르는 시간과 예산의 낭비, 담당자들의 사기저하와 같은 부정적 면을 가지고 있다.

옥내용 감전보호기는 실용화되어 많이 사용되고 있지만 이를 가로등에 적용하여 사용할 경우 장마철 및 우기에 높은 습도 및 빗물 등의 영향으로 빈번히 차단되며, 이를 보완하기 위하여 별도의 보관함에 넣어 설치해야 하는 불편함과 이에 따른 많은 시간과 예산의 낭비가 따르고 있는 실정이다.

또한 높은 습도 및 빗물, 누전 등으로 OFF된 감전보호기는 차단원인이 제거된 후에도 OFF 상태를 유지하고 있으므로 이를 일일이 확인하여 복귀(ON)시켜야하는 번거로움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 기술의 일 예가 대한민국 실용신안 등록공보 20-019543호에 개시되어 있다.

상기 공보에 개시된 가로등용 감전보호기는 도 4에 도시된 바와 같이, 교류전원이 공급되면 스위치를 온 시켜 교류전원을 인가하는 스위치부(110), 교류전원의 라인과 연결되어 교류전원의 정방향 전류와 부방향 전류의 차신호를 발생하는 영상 변류기(120), 영상변류기(120)로부터 출력되는 차신호를 감지하여 소정 레벨로 증폭하는 감지부(130), 감지부(130)로부터 출력된 차신호를 소정의 기준 신호와 비교하여 누전 여부를 판단하여 누전상태가 되면, 스위치부(110)를 제어하는 제어 신호를 출력하여 인가된 교류 전원을 차단하는 제어부(140) 및 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 감지부(130) 및 제어부(140)에 전원을 인가하는 회로구동부(150)를 포함하며, 제어부(140)에 의해 차단된 스위치부(110)가 소정 시간 동안 오프 상태를 유지하며, 교류 전원을 공급하는 분전반에서 재 공급된 전원에 의해 스위치부(110)가 온 상태를 유지하도록 구성되어 있다.

그러나, 상기 공보 20-019543호에 개시된 감전 보호기에 있어서는 누전시 전원 차단, 전원 투입에 의한 복구 전원 차단, 복구가 지속적으로 발생할 수밖에 없어 램프 점소등 동작이 필연적으로 일어날 수밖에 없으므로, 안정기 및 램프의 수명에 영향을 미치며, 누전 확인이 곤란하다는 문제점이 있었다.

또, 종래의 기술은 가로등 안정기의 누전시 배전반에 누전 차단기가 마련되어 있어 한번에 많은 가로등이 소등되므로, 야간 작업시 다수개의 등이 불시에 소등되어 작업자의 위험 등 2차 사고를 유발시킨다는 문제점이 있었다.

램프가 작동되지 않을 시 누전 및 감전 차단부의 이상, 안정기의 이상, 램프의 이상, 누전상태 등의 확인이 어려워 많은 작업 시간과 인력이 필요하다는 문제점이 있었다.

또한, 가로등에 사용되는 HID램프는 형광램프와는 달리 발광관의 형태와 제원, 재질에 따른 기계적 고유 진동 계수가 있어 점등용 고주파와 음향공명현상을 일으키며, 이로 인하여 아크가 불안정하고 떨리며 그 현상이 심할 경우 램프가 파괴되는 경우가 있다.

HID램프의 시동시 파괴전압이 너무 높아 램프의 수명이 단축되며, 고압펄스를 발생시키는 이그나이터의 성능이 미흡하다는 문제점이 있었다.

또한, HID 램프용 발라스트(ballast)는 주파수가 50㎑ 이상으로 높고, 발라스트와 램프와의 거리가 4m이상으로 길어 리드선간 고주파 누설전류가 흘러 시동특성이 나빠지고 출력이 저하되는 현상이 발생되며, 감전시 전원이 차단되지 않아 인명손상이 발생한다는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 음향공명현상을 극복하여 램프 파손을 방지할 수 있는 메탈할라이드식 방전등 점등장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회로동작이 불안정한 이그나이터 회로 대신에 집적회로를 사용하여 이그나이터 회로를 조절하므로써 초기 고압펄스 전압으로 인한 램프와 발라스트의 수명을 연장할 수 있는 메탈할라이드식 방전등 점등장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 폭우로 인한 수해시 발라스트 누전으로 인한 감전의 방지 및 누전을 차단할 수 있는 메탈할라이드식 방전등 점등장치를 제공하는 것이다.

도 1은 통상의 메탈할라이드 램프의 점등회로도,

도 2는 통상의 형광등용 전자식 안정장치의 회로도,

도 3은 도 2에 도시된 전자식 안정장치의 문제점을 해결하기 위한 종래의 전자식 안정기의 회로도,

도 4는 종래의 가로등용 감전보호기의 내부 구성을 나타내는 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 메탈할라이드식 방전등 점등장치의 블록도,

도 6은 도 5에 도시된 메탈할라이드식 방전등 점등장치의 상세 회로도,

도 7은 도 6에 도시된 누전 및 감전 차단부와 표시부의 회로도,

도 8은 도 6에 도시된 제2의 IC부에 있어서 이그나이터의 블록 회로도,

도 9는 도 8에 도시된 이그나이터의 이그니션 검출 파형도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

51 : AC 220Ｖ입력부 52 : 누전 및 감전 차단부

53 : 전파 정류부 54 : 평활 회로부

55 : 집적 회로부 56 : 인버터부

57 : 공진 회로부 58 : 메탈할라이드식 방전 램프

59 : 시간 지연부 60 : 표시부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 메탈할라이드식 방전등 점등장치는 반도체 집적회로를 이용하여 메탈할라이드 램프의 점등을 제어하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 있어서, 상용 교류 전원을 입력받는 입력부, 상기 상용전원 입력부의 교류 전원의 라인과 연결되어 상기 상용전원 입력부에서 공급되는 전류와 전압을 감시하고 그 감시 전압을 출력하는 영상변류기를 구비한 누전 및 감전 차단부, 상기 다이오드 브리지 회로로 구성되고 상기 상용전원 입력부에서 공급된 전압을 전파 정류하는 전파 정류부, 상기 전파 정류부에서 정류된 전압을 평활화하는평활회로부, 상기 평활회로부에서 평활화된 전압의 역율을 보상하는 역률 보상부, 상기 역률 보상부에서 보상된 전압의 소비전력을 유지시키는 소비전력 유지부, 상기 소비전력 유지부에 의해 조정된 전압에 따라 구동되는 제1 및 제2의 트랜지스터를 제어하는 트랜지스터 제어부, 상기 트랜지스터 제어부의 제어에 따른 상기 메탈할라이드 램프의 구동시 그 출력 주파수의 오차를 조정하는 출력 주파수 제어부 및 상기 메탈할라이드 램프의 시동시 고압 펄스를 발생시키는 이그나이터 회로부를 포함하며,상기 이그나이터 회로는 반도체 집적회로 소자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 있어서, 상기 메탈할라이드식 방전 램프와 상기 인버터부에 접속되어 상기 메탈할라이드식 방전 램프의 점등 시간을 지연시키는 시간 지연부와 LED로 이루어지고, 상기 누전 및 감전 차단부에서의 누전의 상태 또는 상기 메탈할라이드식 방전 램프의 노후 상태를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 있어서, 상기 누전 및 감전 차단부는 감도 전류 30㎃, 비동작 전류 15㎃, 동작 시간 0.03초 이내에서 작동하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 있어서, 상기 누전 및 감전 차단부는 상기 영상 변류기에서의 출력과 주선로에서 공급되는 전원에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거회로, 상기 노이즈 제거회로에서의 출력 전압을 증폭하여 판정하는 감지용 IC부 및 상기 감지용 IC부의 출력에 따라 ON/OFF의 안정상태를 지속하는 사이리스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 구체적으로 설명한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예의 설명 부분에 있어서 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 반복적인 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명에 따른 메탈할라이드식 방전등 점등장치의 블록도이고, 도 6은 도 5에 도시된 메탈할라이드식 방전등 점등장치의 상세 회로도이고, 도 7은 도 6에 도시된 누전 및 감전 차단부와 표시부의 회로도이다.

도 5에 있어서, (51)는 가로등으로 사용되는 메탈할라이드식 방전 램프에 상용 교류 전원인 AC220V를 입력하는 입력부이고, (52)는 입력부(51)의 교류 전원의 라인과 연결되어 교류 전원의 정방향 전류와 부방향 전류의 차신호를 발생하며, 입력부(51)에서 공급되는 전류와 전압을 감시하고 있다가 누전이 되면 수㎷의 전압을 출력하는 영상변류기(Zero-Phase Current Transformer : ZCT)을 구비한 누전 및 감전 차단부이다. 이 누전 및 감전 차단부(52)는 감도 전류 30㎃, 비동작 전류 15㎃, 동작 시간 0.03초 이내에서 작동된다.

(53)는 통상의 다이오드 브리지 회로로 구성된 전파정류부이고, (54)는 전파 정류 후, 직렬 충전 및 병렬 방전에 의해 부분 평활을 실행하는 평활용 콘덴서를 구비한 평활회로부이고, (55)는 본 발명의 주요 특징부로서 IC로 구성된 집적회로부이며, 이에 대한 구체적인 설명은 도 6 내지 도 9에 따라 설명한다.

또, 도 5에서 (56)는 집적회로부(55)에서 스위칭 트랜지스터의 드레인 전압을 공급받아 제어되는 인버터부이고, (57)은 인덕터와 공진용 콘덴서로 이루어진공진회로부이고, (58)는 메탈할라이드식 방전 램프이다.

(59)은 메탈할라이드식 방전 램프(58)와 인버터부(56)에 접속되어 메탈할라이드식 방전 램프(58)의 점등 시간을 지연시키는 시간 지연부이며, (60)은 LED로 이루어지고, 누전 및 감전 차단부(52)에서의 누전의 상태 또는 메탈할라이드식 방전 램프(58)의 노후 상태를 표시하는 표시부이다.

다음에 도 5에 도시된 구성을 도 6에 따라 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 6에 있어서, L은 전파 정류부(53)의 로우 측 출력인 전파 정류된 출력이고, H는 하이 측 출력인 PFC 출력이며, GND는 방전등 점등장치의 접지이다.

또, 도 6에 있어서, (61)은 누전 및 감전차단부(52)와 표시부(60)로 이루어지고, 로우(L) 출력과 하이(H) 출력에 접속된 전자회로부이며, (62)와 (63)은 각각 도 5의 집적회로부(55)를 구성하는 제1의 IC부 및 제2의 IC부이다.

제1의 IC부(62)는 8개의 단자를 갖고, 평활회로부에서 평활화된 전압의 역률을 보상하는 역률보상부와 점등장치의 소비전력을 유지하는 소비전력 유지부의 기능을 구비한다.

또, 제2의 IC부(63)는 제1의 IC부(62)에서 조정된 전압에 따라 제1 및 제2의트랜지스터M1과 M2를 구동하는 트랜지스터 제어부, 메탈 할라이드 램프의 구동시 그 출력주파수의 오차를 조정하는 출력주파수 제어부 및 메탈 할라이드 램프의 시동시 고압펄스를 발생시키는 이그나이터 회로부의 기능을 구비한다.

상기 제1의 IC부(62) 및 제2의 IC부(63)에 있어서, 소비전력 유지부, 트랜지스터 제어부 및 출력주파수 제어부의 기본적인 구성 및 기능은 본 출원인이 출원한대한민국 특허출원 10-2002-0014621호에 상세히 기재되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 또, 본 발명의 주요 특징인 이그나이터 회로부에 대해서는 도 8 및 도 9에 따라 후술한다.

다음에 도 7에 따라 누전 및 감전차단부(52)와 표시부(60)으로 이루어진 전자회로부(61)에 대해 설명한다.

도 7에 있어서, 제어전원은 누전 및 감전차단부(52) 내부의 주선로 R, T 상에서 공급되고, 충격파 흡수회로(72)를 거쳐 전원회로(72)에서 직류 전원인 DC로 정류되어 제1의 노이즈 제거회로(73)를 경유하여 감지용 IC부(74)에 인가된다.

또, 영상 변류기ZCT에서 발생한 수㎷의 전압은 제2의 노이즈 제거회로(75)를 거쳐 감도선택회로(76)를 경유하여 감도용 IC부(74)에 인가된다.

누전 및 감지차단용으로 설계된 감지용 IC부(74)의 내부에서는 영상변류기 ZCT에서 발생한 전압을 입력하여 증폭하고, 그 크기를 판정하여 일정기준을 초과하면, 출력을 발생시켜 ON/OFF의 안정상태를 지속하는 사이리스터(77)를 ON시킨다.

사이리스터(77)가 ON상태로 되면, 트립코일(78)에 전류가 흘러 누전 및 감전차단부(52)를 트립시키면서 표시부(60)의 적색 LED가 점등된다.

이후, 사이리스터(77)가 OFF하면, 표시부(60)의 청색LED가 점등된다. 또한, 누전 및 감전 차단부(52)가 정상 작동되고, 메탈 할라이드 램프(58)가 점등되어 있을 때에는 표시부(60)의 황색 LED가 점등된다. 만약, 메탈 할라이드 램프(58)가 노후되어 소등될 때에는 황색 LED도 같이 소등된다.

본 발명에 있어서는 이와 같이 전자 회로부(61)를 구성하는 것에 의해 신호단(영상변류기 ZCT) 및 전원단에서 유입되는 노이즈를 차단할 수 있고, 전원단(주선로)를 통하여 유입되는 각종 서지를 흡수하여 노이즈 및 서지에 의해 점등 장치의 오동작을 방지할 수 있다.

또, 표시부(60)의 적색 LED, 청색 LED 및 황색 LED의 점등 상태에 따라 누전 및 감전 상태와 메탈 할라이드 램프의 노후상태를 감시자가 인식할 수 있다.

또한, 상술한 구조의 누전 및 감전 차단부(52)를 단상 2선 회로에 사용하는 경우, R, T상에 결선하는 것에 의해 상술한 바와 동일한 효과가 얻어진다.

다음에, 본 발명의 주요 특징인 이그나이터 회로부의 구성 및 그 동작에 대해 도 8 및 도 9에 따라 설명한다.

도 8은 도 6에 도시된 제2의 IC부(63)에 있어서 이그나이터의 블록 회로도이고, 도 9는 도 8에 도시된 이그나이터의 이그니션 검출 파형도이다.

도 8에 있어서, 핀 CPH상의 전압이 5V를 초과하는 경우 이그니션(ignition)모드로 진행한다. 피크전류 규제 기준전압은 사용자에 의한 프로그램에 의해 설정가능하다. 또, 핀 VCO상의 캐패시터가 내부 1㎂전류원을 거쳐 선형적으로 방전하여 이그니션 램프가 초기화된다. 이 때, 주파수는 하이-Q 발라스트 출력단의 공진 주파수를 향해 감소하여 도 9에 도시된 바와 같이, 램프 전압과 부하 전류가 증가하게 된다. 이 주파수는 램프가 점등될 때까지 또는 전류한계에 도달할 때까지 계속 감소된다. 전류한계에 도달하면, 도 8의 회로는 폴트(FAULT)모드로 들어간다.

다음에 핀 CS 상의 외부전류 감지저항과 함께 1.6V 임계값이 발라스트 출력단의 최대 허용 가능한 이그니션 전류를 결정한다. 이 때, 피크 이그니션 전류는 출력단의 MOSFET의 최대 허용 가능한 전류를 초과하지 않고, 공진 인덕터가 언제든지 포화상태로 되지는 않는다.

이그니션 검출회로는 CS핀에서의 전압을 측정하고 IPH핀에서의 전압과 비교한다. 이그니션 램프의 상승시 핀IPH에서의 전압은 도 9에 도시된 바와 같이, 예열 모드시의 값보다 20% 정도 증가하며, CS핀에서의 전압이 이 전압을 초과하면, IPH핀 상의 전압이 10%로 감소하고 이그니션 검출회로는 도 9에 도시된 바와 같이 활성으로 되어 램프가 점등된다.

상술한 바와 같은 동작에 의해, 반도체 집적회로 소자로 이루어진 이그나이터를 구비한 메탈할라이드식 방전등 점등장치에서 메탈할라이드식 방전 램프가 점등되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 의하면, 한번에 많은 가로등이 소등되는 문제점을 극복하기 위하여 개개의 안정기에 누전 및 감전 차단의 기능이 복합되어 문제를 해결할 수 있고, HID 안정기에 누전 및 감전 차단부를 내장하고 테스트 버튼을 마련하므로, 램프가 작동되지 않을 시 누전 및 감전 차단부의 이상, 안정기의 이상, 메탈할라이드식 방전 램프의 이상, 누전 상태등의 고장 유무를 표시할 수 있는 LED기능이 복합된 안정기로 고장상태를 쉽게 파악하여 시간과 인력을 절감할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 메탈할라이드식 방전 램프에 있어서, 음향공명현상을 극복하여 램프 파손을 방지할 수 있고, 시동시 고압펄스 전압에 대한 회로 안정성으로 메탈할라이드식 방전 램프의 수명을 연장하며, 소프트 기동(soft start) 방식으로 시동시 피크전압을 낮출 수 있다는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 시동시 고압펄스를 발생시키는 이그나이터 회로 동작이 불안정하여 종래의 이그나이터 회로를 제거하고 반도체 집적회로 소자로 이그나이터 회로를 조절하므로서, 초기 고압펄스 전압으로 인한 메탈할라이드식 방전 램프와 발라스트의 수명을 연장하여 메탈할라이드식 방전 램프 교체 작업시의 인건비 및 메탈할라이드식 방전 램프의 비용을 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 누설전류 문제를 해결하여 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있고, 폭우로 인한 수해시 발라스트의 누전으로 인한 감전사를 방지할 수 있다는 효과도 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 고역율 회로를 선택하여 보다 안정된 400V DC 전원을 얻으므로, 전원단에 안정된 전원을 공급하고, 저온 발전 초기 스퍼터링 현상에 의한 램프 수명의 단축, 미소 입력과 전압 변동(±10%)에 따른 절전 효과와 급격한 광출력의 변화 및 램프의 노화를 방지할 수 있다는 효과도 얻어진다.

Claims (4)

1. 반도체 집적회로를 이용하여 메탈할라이드 램프의 점등을 제어하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치에 있어서,

   상용교류전원을 입력받는 입력부,

   상기 상용전원 입력부의 교류전원의 라인과 연결되어 상기 상용전원 입력부에서 공급되는 전류와 전압을 감시하고 그 감시전압을 출력하는 영상변류기를 구비한 누전 및 감전차단부,

   다이오드 브리지회로로 구성되고 상기 상용전원 입력부에서 공급된 전압을 전파정류하는 전파정류부,

   상기 전파정류부에서 정류된 전압을 평활화하는 평활회로부,

   상기 평활회로부에서 평활화된 전압의 역률을 보상하는 역률보상부,

   상기 역률보상부에서 보상된 전압의 소비전력을 유지시키는 소비전력 유지부,

   상기 소비전력 유지부에 의해 조정된 전압에 따라 구동되는 제1 및 제2의 트랜지스터를 제어하는 트랜지스터 제어부,

   상기 트랜지스터 제어부의 제어에 따른 상기 메탈할라이드 램프의 구동시 그 출력주파수의 오차를 조정하는 출력주파수 제어부,

   상기 메탈할라이드 램프의 시동시 고압펄스를 발생시키는 이그나이터 회로부 및,

   LED로 이루어지고 상기 누전 및 감전차단부에서의 누전의 상태 또는 상기 메탈할라이드식 방전램프의 노후상태를 표시하는 표시부를 포함하고,

   상기 이그나이터회로는 반도체 집적회로 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 메탈할라이드식 방전 램프와 인버터부에 접속되어 상기 메탈할라이드식 방전 램프의 점등 시간을 지연시키는 시간 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 누전 및 감전 차단부는 감도 전류 30㎃, 비동작 전류 15㎃, 동작 시간 0.03초 이내에서 작동하는 것을 특징으로 하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 누전 및 감전 차단부는 상기 영상 변류기에서의 출력과 주선로에서 공급되는 전원에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거회로, 상기 노이즈 제거회로에서의 출력 전압을 증폭하여 판정하는 감지용 IC부 및 상기 감지용 IC부의 출력에 따라 ON/OFF의 안정 상태를 지속하는 사이리스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈할라이드식 방전등 점등장치.