KR100606252B1 - 음극 전압 예열 방식의 티파이브 형광 램프용 전자식 안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ballast Controller IC를 이용한 T5 형광 램프용 전자식 안정기 회로에 관한 것으로,

기존의 원가 절감형 비예열 방식이나 음극 전류 예열 방식에서 음극 전압 예열 방식을 사용하여 Start할 경우, Filament의 충격을 최소화하고, 높은 Lamp 양단 전압을 효과적으로 제어함으로서 Ballast 및 Lamp 효율을 최대화하기 위한 회로 방식에 관한 것이다.

음극전압예열, 발라스트 콘트롤러 IC, 필라멘트 충격, 램프 효율, EMI, 예열권선, 예열콘덴서, DC Blocking condenser, 보호회로

Description

음극 전압 예열 방식의 티파이브 형광 램프용 전자식 안정기{Electronic Ballast for T5 FL of cathode voltage preheating type}

도 1은 종래의 T5 형광램프용 전자식 안정기의 구성도

도 2는 도1을 개선한 종래의 T5 형광램프용 전자식 안정기의 구성도

도 3은 본원발명에 의한 T5 형광램프용 전자식 안정기의 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : EMI 필터부 102 : 정류부

103 : 인버터부 104 : 드라이브부

105 : 전류제어부 106 : 역률개선부

201 : EMI 필터부 202 : 정류부

203 : 인버터부 204 : 드라이브부

205 : 전류제어부 206 : 역률개선부

301 : EMI 필터부 302 : 정류부

303 : 인버터부 304 : 드라이브부

305 : 전류제어부 306 : 역률개선부

307 :보호회로부

T5A, T5B : 예열권선

C15 : 예열콘덴서 C14 : DC blocking 콘덴서

일반적으로 T5 형광 램프용 전자식 안정기는 T5 램프를 점등시킴은 물론이고, T5 램프가 당초 취지에 부응할 수 있도록 효율을 극대화시키고 램프 수명을 연장할 수 있도록 하기 위한 것이다.

T5 형광 램프는 기존의 T10 또는 T8 보다 관경을 세관화하여 발광효율을 향상시킨 램프로서, 관경의 세관화를 통해 발광효율을 향상시킨 대신에 램프 양단 전압이 높아 램프를 제어하기 힘들다는 단점이 있다.

현재 T5 램프를 제어하기 위한 안정기 회로 방식으로는 비예열 방식과 음극 전류 예열 방식을 가장 많이 사용되고 있으나, 이러한 방식은 Filament의 전력 Loss가 심해 효율이 크게 떨어지는 단점이 있다.

이를 보완하기 위해 근래에 램프 Filament 양단에 Diode를 삽입하여 Filament 양단의 전력 Loss를 줄이는 방법을 사용하고 있다.

하지만, 이 방법은 효율은 높일 수 있으나, Filament에 DC를 공급하게 되어 Filament와 회로에 과도한 Stress를 주게 되므로 램프 수명에 악영향을 주며, 또한 회로의 신뢰성을 저하시키는 원인이 되기도 한다.

최근에는 이러한 모든 단점을 보완한 Active Type PFC를 사용한Programmed Start 방식이 개발되었으나 부수적인 회로의 첨가로 인해 원가가 크게 상승하는 단점이 있다.

이를 보다 상세히 설명하면,

종래 기술의 회로 구성은 도1과 같이 되어 있다. 도1에서,

부호 101은 상용전원의 이상전원을 제거하는 바리스터(VR1)에 연속해서 접속되어 있는 EMI 필터부로서 고역 및 저역의 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다.

부호 102는 정류부로서 교류를 직류로 변환하는 기능을 수행한다.

부호 103은 Half Bridge 방식으로 구성된 인버터부로서 고주파 구형파 출력을 전류 제어부(105)에 인가하는 기능을 수행한다.

부호 104는 인버터부를 구동하는 드라이브부이다.

부호 105는 전류제어부로서 고주파 구형파 교류를 고주파 사인파 교류로 변환, 점등시 전류를 제한하는 기능을 수행한다.

부호 106은 피드백 방식에 의한 역률 및 THD를 개선하기 위한 역률 개선부이 다.

또 다른 종래 기술의 회로구성은 도2와 같이 되어 있다.

이 회로 구성은 Ballast Controller IC(U1)를 이용한 것으로 IC U1에 의해 인버터부(203)를 구동하고,

전류제어부(205)의 램프 Filament 양단에 Diode를 삽입하여 효율을 높이도록 한 방식이다.

상기 종래 기술에 의한 T5 형광 램프용 전자식 안정기의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 도1의 동작과정을 설명하면,

도1에 도시 된 바와 같이 상용전원의 이상전압을 제거하는 바리스터(VR1)에 이어 Common Mode Line 필터(T1)와 고역 및 저역의 노이즈를 제거하는 4개의 라인 바이패스 Capacitor (C1,C2,C3,C4)가 연속해서 접속되어 있는 EMI필터부(101)로 이어진다.

상기 EMI필터부(101)에 이어 교류를 정류하여 직류로 변환하는 정류부(102)로 이어진다.

상기 정류부(102)는 브리지 다이오드에 의해 정류되어지고 전해 콘덴서C5에 의해 평활 되어진다.

이로서 형성된 직류전압은 Half Bridge 방식으로 구성된 인버터부(103)를 동작시키고 인버터부(103)는 고주파 구형파 출력을 전류제어부(105)에 인가한다.

전류제어부(105)는 Choke Inductor T4에 의해 고주파 구형파 교류를 고주파 사인파 교류로 변환 점등 시 전류를 제한하며, Lamp와 병렬로 연결된 Capacitor C7에 의해 램프의 전압을 유지시켜주어 점등을 유지시킨다.

한편 상기 인버터부(103)는 드라이브부(104)에 의해 운용된다. 전원 초기 투입 시에는 C10의 충전 후 방전으로 DIAC이 동작되고, 이는 상기 인버터부(103)의 Q2에 바이어스 전압을 인가한다.

이로서 스위칭동작이 시작되면 드라이브부(104)의 Drive Trans T3의 T3A에 흐르는 전류는 T3B와 T3C로 유기되고 T3C는 T3A와 반대방향으로 전류가 유기되도록 권선되어 있어 Q1과 Q2가 교번하며 스위칭 되도록 바이어스 전압을 인가하도록 되어 있다.

또한 코일과 다이오드 및 콘덴서로 구성된 피드백 방식에 의한 역률 및 THD를 개선하기 위하여 역률개선부(106)가 마련되어 있다.

상기 역률개선부는 C8과 C9의 충방전 시차를 이용하여 전위차를 형성하고 인접하여 마련되어 있는 다이오드(D5,D6,D10,D11)를 통해 피드백하여 역률과 THD를 개선하도록 되어 있다.

다음 도2의 동작과정을 설명하면,

도2는 도1의 회로의 단점들을 보완한 회로로서 여기에서는 도1과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

도2의 EMI필터부(201), 정류부(202), 인버터부(203), 역률개선부(206)은 도1과 동일한 회로방식이지만, 인버터부(203)에 제어신호를 인가하는 드라이브부(204)는 Ballast Controller IC (U1)을 사용하여 제어하는 타려방식이다.

이 Ballast Controller IC (U1)에는 점등시 필라멘트 예열기능이 포함되어 있어, 기존의 비예열 방식(도1)에 비해 점등 시 흑화를 방지하여 램프 수명을 연장시킨다.

Ballast Controller IC (U1)의 Cs는 Rapid Start를 위한 PIN으로 Ground 접속 시 필라멘트 예열을 하도록 되어 있다.

필라멘트 전류 예열은 정상주파수보다 높은 주파수를 발생시켜 램프의 방전 이전에 필라멘트를 통하여 램프에 병렬로 연결되어진 Capacitor C12를 통해 반대쪽 필라멘트로 전류를 흐르게 하여 필라멘트 온도를 상승시켜 방전 시 램프 필라멘트 충격을 최소화하기 위한 동작으로 이 방식을 음극 전류 예열 방식이라 한다.

전류제어부(205)에는 효율은 높이기 위하여 램프 필라멘트 양단에 Diode를 삽입 필라멘트에 전압ㆍ전류를 반파 정류하여 공급하게 함으로서 필라멘트의 전력 Loss를 줄여 효율을 향상시키는 방식이다.

상기와 같은 종래의 기술은 앞서 언급한 바와 같이 다음과 같은 문제점을 안고 있다.

1) 도1과 같은 회로방식(비예열 방식)의 T5 램프용 전자식 안정기의 경우 필 라멘트 예열기능이 없어 점등 시 필라멘트에 충격을 주게 되고 이로서 램프 수명이 단축된다.

2) 효율을 높이기 위하여 세관화된 T5 램프의 경우 램프 양단 전압이 높아 상용전원 220V 를 그대로 정류하고 평활하여 상기 램프를 점등하기 위한 전압으로 사용할 경우 상기 램프의 전압 유지를 위해 상기 램프의 병렬로 연결되는 Capacitor (도1의 C7, 도2의 C12)의 용량이 커지게 되고, 램프 병렬 Capacitor의 용량이 커짐으로 전력의 Loss가 커지게 되어 효율의 저하를 가져온다.

3) 도2와 같은 회로 방식(음극 전류 예열 방식)의 T5 램프용 전자식 안정기의 경우 음극 전류 예열 기능을 추가하여 점등 시 필라멘트의 충격을 최소화하여 램프 수명을 연장시키나, T5 램프의 높은 양단 전압으로 인해 원하는 만큼의 효율을 얻을 수 없다.

이 단점을 개선하기 위해 도2에서는 필라멘트 양단에 Diode를 삽입하였는데, 효율을 높이기 위해 램프 필라멘트 양단에 삽입 한 Diode로 인해 필라멘트에 반파 정류된 전압ㆍ전류 파형이 인가되므로, 결국 필라멘트와 안정기에 과도한 Stress를 주게 된다.

이로 인해 원하는 만큼 램프 수명이 보장되지 않으며, 안정기 회로의 안정성 및 신뢰성을 저하시키는 원인이 되기도 한다.

본 고안은 위와 같은 종래기술의 단점을 보완하고자 안출된 것으로서,

T5 형광 램프용 전자식 안정기 회로에 음극 예열 권선과 예열 Capacitor, DC Blocking Capacitor로 이루어진 음극 전압 예열 방식의 회로를 채택함으로서, 원가를 절감함은 물론 램프의 효율과 수명을 극대화하는 한편, 회로의 신뢰성과 안정성을 확보함을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 도3과 같다.

본원발명의 구성은

부호 301 은 상용전원의 이상전원을 제거하는 바리스터(ZNR)에 연속해서 접속되어 있는 EMI필터부로 고역 및 저역의 노이즈를 제거한다.

부호 302 는 정류부로 교류를 직류로 변환한다.

부호 303 은 Half Bridge 방식으로 구성된 인버터부로 고주파 구형파 출력을 전류제어부(305)에 인가한다.

부호 304 는 인버터부를 제어하는 드라이브부이다.

부호 305 는 전류제어부로 고주파 구형파 교류를 고주파 사인파 교류로 변환 점등 시 전류를 제한한다.

또한 예열권선과 예열 Capacitor C15, DC Blocking Capacitor C14, 램프 병 렬 Capacitor C13에 의해 방전 시 음극 전압 예열을 하여 필라멘트의 충격을 최소화하고 효율을 극대화 시킨다.

부호 306 은 피드백 방식에 의한 역률 및 THD를 개선하기 위한 역률개선부이다.

부호 307 은 안정기의 과전류 출력 시 이를 감지하여 안정기의 동작을 정지시키는 보호회로부이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

본 T5 램프용 전자식 안정기는 도3에 나타난 바와 같이 상용전원으로부터 발생되는 이상전압을 제거하는 바리스터(ZNR)에 이어 Common Mode Line Filter(T1), Normal mode Line Filter(T2)와 고역 및 저역의 노이즈를 제거하는 Line 바이패스 Capacitor (C1,C2,C3,C4)를 연속해서 접속하여 스위칭 전원 및 고주파 출력을 발생시킴에 있어 발생되는 노이즈 성분을 외부로 전도 및 방사됨을 방지하여 타 전기 전자 기기 및 인체에 유해한 전자파 성분을 차단함은 물론 상용전원으로부터 입력되는 잡음 성분을 제거하는 EMI필터부(301)로 이어진다.

EMI필터부(301)에 이어 정류부(302)는 전파 정류 방식으로 교류를 직류로 변환한다.

역률과 THD는 코일과 다이오드 및 Capacitor로 구성된 피드백 방식에 의한 역률개선부(306)에 의해 개선되어 진다.

상기 역률개선부(306)는 C11과 C12 의 충방전 시차를 이용하여 전위차를 형성하고 인접하여 마련되어 있는 다이오드(D5,D6,D8,D9)를 통해 피드백하여 역률과 THD를 개선한다.

비록 이 방식이 PFC IC를 이용한 Active Type의 PFC 방식보다 역률과 THD 개선 능력(PF 99% 이상, THD 10% 이하)이 떨어지기는 하지만, Active Type PFC 방식보다 훨씬 저렴한 원가로 목표치(PF 97% 이상, THD 20% 이하)를 얻을 수 있는 장점이 있다.

역률개선부(306)에 의해 역률과 THD가 개선된 직류 전압은 C5, C6의 충방전에 의해 최소한의 맥동을 유지하는 직류전압으로 평활된다.

인버터부(303)는 상기 C5, C6에 의해 평활 된 직류를 고주파의 교류로 변환하여 전류제어부(305)에 인가시키는 기능을 담당한다.

상기 인버터부(303)는 도시된 바와 같이 Half Bridge 방식으로 두 개의 FET(Q1,Q2) 및 드라이브부(304)로 구성되어 있다.

상기 FET(Q1,Q2)는 Q1이 ON시 Q2는 OFF되고, 반대로 Q1이 OFF일 때 Q2가 ON이 되는 동작을 반복하여 구형파 고주파 교류를 발생시킨다.

한편 상기 인버터부(303)의 Q1과 Q2의 동작은 상기 드라이브부(304)에 의해 제어된다. 상기 드라이브부(304)의 상세한 설명은 하기와 같다.

드라이브부(304)를 대략적으로 볼 때 Drive IC(U1)과 U1의 동작을 위해 각 핀에 접속된 소자들, Drive Trans(T4)로 세분화 할 수 있다.

Drive IC는 통상적으로 사용되는 Ballast Controller 이다.

정상 동작 시 U1은 Ct에 접속된 C8의 충방전시간에 의해 출력주파수가 결정 된다.

U1은 OUT1과 OUT2 두 개의 출력을 갖고 있으며, 출력 동작은 OUT1이 High출력을 갖을 때 OUT2는 Low출력을 내고, 반대로 OUT1이 Low상태일 때, OUT2는 High상태를 반복한다.

이 출력은 도시 된 바와 같이 Drive Trans T4 1차에 연결되고 T4는 2차와 3차의 권선 방향이 서로 반대로 되어져 있어 1차의 전류방향에 2차는 동일하게 동작되고 3차는 역방향으로 동작하여 인버터부(303) FET Q1, Q2의 동작을 상기에 기술한 바와 같이 동작시켜 준다.

Ballast Controller IC(U1)은 점등 시 필라멘트 예열기능을 포함하여 기존의 비예열 방식에 비해 점등 시 흑화를 방지하여 램프 수명을 연장시킨다.

U1의 Cs는 Rapid Start를 위한 핀으로 Ground와 접속 시 필라멘트 예열을 하도록 되어 있다.

종래에는 도2에 도시 된 바와 같이 필라멘트를 전류로 예열하였다.

이 방식을 음극 전류 예열 방식이라고 하는데, 정상 주파수보다 높은 주파수를 발생시켜 램프 방전 이전에 필라멘트를 통하여 램프에 병렬로 연결되어진 Capacitor를 통해 반대쪽 필라멘트로 전류를 흐르게 하여 필라멘트 온도를 상승시켜 램프의 방전 시 필라멘트의 충격을 최소화하기 위한 동작을 말한다.

하지만 본 고안에서는 Choke Inductor T5에 예열권선 T5A와 T5B를 감은 후 T5A에 직렬로 예열 Capacitor C15를 접속하여 필라멘트 양단에 병렬로 접속하였다.

시동 시 Choke Inductor T5에 전류가 흐르게 되면 T5A와 T5B에 전압이 유기 되어 병렬로 접속된 필라멘트에 전압이 걸리게 된다.

램프 방전 시 U1의 Cs에 접속되어 있는 C7에 충전되는 시간동안 Rs의 접속된 R4에 의해 결정되는 시동주파수로 필라멘트에 전압이 걸리게 하여 필라멘트 온도를 상승시켜 램프 방전 시 필라멘트의 충격을 최소화 하였다.

필라멘트에 걸리는 전압은 예열권선 T5A와 T5B의 권선수와 예열 Capacitor C15의 용량에 의해 결정되며, 램프의 특성을 고려하여 최대의 램프 수명과 효율을 얻을 수 있도록 설계되어야 하는데, 예열전압이 높게 설계되면 효율이 떨어지게 되고, 낮게 설계되면 효율은 올라가지만 램프 수명이 현저히 떨어지므로 최적의 예열전압을 선택하는 것이 중요하다.

본 고안에서는 필라멘트 예열 전압을 6 ~ 7 V가 되도록 설계하였다. 전류제어부(305)는 인버터부(303)에서 발생된 고주파 교류 출력을 도3에 도시 된 바와 같이 Choke Inductor T5 를 통해 램프로 출력한다.

Choke Inductor T5는 전류를 제한하여 램프전류를 일정하게 유지시킨다. DC Blocking Capacitor C14는 전류를 제한하고 DC 성분을 차단함으로서 램프전압을 유지시키며 회로공진을 맞추는 램프 병렬 Capacitor C13의 용량을 낮출 수 있어 전력 Loss를 줄여 효율을 증대시킨다.

이 방식은 상기에 설명한 비예열 방식(도1)이나 음극 전류 예열 방식(도2)에 비해 회로와 램프 필라멘트의 Stress를 줄이면서 원가 절감은 물론 램프 수명과 효율을 극대화 할 수 있으며, 회로의 안전성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

보호회로부(307)은 램프 수명말기 시에 램프 방전이 일어나지 않아 과전류가 출력되거나 안정기 출력선의 오결선에 의해 과전류가 출력 될 때 이를 감지하여 안정기 동작을 정지 시킨다.

보호회로부(307)은 도3에 도시 된 바와 같이 인버터부(303)의 Q2와 Ground간에 소정의 저항(R3)을 접속하여 인버터부(303)에서 Ground로 흐르는 전류를 저항 R3를 통해 흐르게 한다.

이때 R3에 걸리는 전압은 V = IㆍR식에 의해 인버터부(303)에 흐르는 전류의 양과 비례한다. 과전류 출력 시에는 폐회로로 구성된 인버터부(303) 역시 과전류가 흐르고 R3의 전압 역시 상승한다.

즉 R3에 걸리는 전압으로 과전류 출력을 검출하게 된다.

과전류 출력이 검출되면 보호회로가 동작하여 U1에 인가되던 Vcc 전압을 Ground로 바이패스 시킨다.

이로서 U1의 Vcc 전압 공급은 차단되고 안정기의 동작 역시 정지된다.

Vcc 전압은 소전압의 안정된 직류전압을 공급하기 위해 Choke Inductor T5의 2차측에서 유기하여 사용한다.

상기와 같이 구성된 본원발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

1) 램프 필라멘트에 병렬로 예열권선과 예열Capacitor 삽입하여 방전 시 전압 예열을 통해 필라멘트 온도를 상승시켜 필라멘트의 충격을 최소화하여 램프 수명을 연장시키는 효과가 있다.

2) 전류제어부에 예열권선과 예열 Capacitor, DC Blocking Capacitor를 삽입하여 램프 병렬 Capacitor의 용량을 낮춤으로서, 전력 Loss를 줄여 효율을 극대화하는 동시에 안정기의 과전류 출력 시 이를 감지하여 안정기의 동작을 정지시키는 보호회로를 추가하여 안정성 및 신뢰성을 확보하게 된다.

3) 램프 수명과 효율의 극대화를 통해 램프의 폐기량을 줄일 수 있어, 궁극적으로 환경을 보호하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 교류 입력 전원에서 입력되는 노이즈 및 안정기 내부에서 발생하는 노이즈를 제거하는 EMI 필터부와; 상기 교류 입력 전원을 직류화하는 정류부와; 드라이브부에 의해 구동되어 상기 직류화된 전압을 고주파 구형파 교류로 변환하여 주는 인버터부와; 상기 인버터부의 고주파 구형파 출력을 고주파 사인파로 변환하고 전류를 제한하여 램프 출력을 유지시키는 전류제어부와; 역률과 THD 개선을 위한 역률개선부로; 구성된 T5 형광램프용 전자식 안정기에 있어서,

   과전류 출력시 내부부품의 소손을 방지하기위해 과전류출력을 감지·동작하여 회로의 안전성을 향상시키는 보호회로부를 추가로 구성하는 한편;

   상기 드라이브부는 드라이브 IC(U1)의 Cs에 콘덴서 C7을 연결하고 Rs에 저항 R4를 연결하여 일정 주파수로 일정시간 동안 예열 동작을 하도록 하고;

   상기 전류제어부는 예열 권선(T5A,T5B)과 예열 Capacitor C15, DC Blocking Capacitor C14를 접속하여 필라멘트를 전압으로 예열하고 DC 성분을 차단하도록 함을;

   특징으로 하는 음극 전압 예열 방식의 T5 형광 램프용 전자식 안정기
2. 제1항에 있어서,

   상기 전류제어부는 Choke Inductor T5에 예열권선 T5A, T5B를 감고 예열 Capacitor C15를 직렬로 접속하여 램프 필라멘트에 병렬로 접속함을 특징으로 하는 음극 전압 예열 방식의 T5 형광 램프용 전자식 안정기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전류제어부는 DC Blocking Capacitor C14를 램프 및 램프 병렬 Capacitor C13과 각각 직ㆍ병렬로 접속하여 전류를 제한하고 DC 성분을 차단함으로서 램프 병렬 Capacitor 의 용량을 낮추어 줄도록 함을 특징으로 하는 음극 전압 예열 방식의 T5 형광 램프용 전자식 안정기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 필라멘트의 예열 전압은 6 ~ 7 V가 되도록 함을 특징으로 하는 음극 전압 예열 방식의 T5 형광 램프용 전자식 안정기.

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