KR100629219B1

KR100629219B1 - 무전극 안정기 회로

Info

Publication number: KR100629219B1
Application number: KR1020050051303A
Authority: KR
Inventors: 문재호; 김기성
Original assignee: 주식회사 케이비텍; 주식회사 금오전기
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-09-27

Abstract

본 발명은 무전극 안정기회로에 관한 것으로, 교류 전원의 전자파를 제거하는 EMI 필터회로(100)와, 상기 EMI 필터회로의 출력을 정류하는 정류회로(102)와, 상기 정류회로에 의하여 정류된 전원의 역률을 개선하는 역률개선회로(104)와, 상기 역률개선회로(104)의 출력을 평활화하는 평활회로(106)와, 상기 역률개선회로(104)로부터 전압을 유기받아 PWM IC(U2) 및 하프 브리지회로용 IC(U3)에 공급하기 위한 IC 전원 공급회로(108)와, 상기 IC 전원 공급회로(108)로부터 전원을 공급받아 고주파의 구형파를 발생하기 위한 PWM 회로(110)와, 상기 PWM 회로에서 출력되는 고주파를 공급받아 이와 동상의 파 및 180°위상변이된 파를 출력하는 하프 브리지회로용 IC(U3); 상기 동상의 파 및 상기 180°위상변이된 파가 트리거될 때 스위칭 동작을 각각 수행하는 한 쌍의 FET 스위칭회로(Q2, Q3)로 이루어지며 상기 평활회로의 출력단의 DC 값의 직폭을 갖고 상기 PWM 회로의 출력파의 주파수를 갖는 고주파의 구형파를 출력하는 하프 브리지회로(112)와, 상기 하프 브리지 회로의 출력인 고주파 구형파를 정현파화하기 위한 콘덴서(C18) 및 인덕터(T2)를 포함하는 공진회로(116)를 포함하는 무전극 안정기회로에 관한 것이다.

안정기, 무전극

Description

무전극 안정기 회로{A stabilizer circuit}

도 1은 본 발명의 일 실시예의 블럭도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 회로도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 신호도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예의 PWM IC의 동작특성을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부호에 관한 설명>

100 : EMI 필터회로 102 : 정류회로

104 : 역률개선회로 106 : 평활회로

108 : IC 전원 공급회로 110 : PWM 회로

112 : 하프 브리지회로(스위칭회로)

114 : 보호회로 116 : 공진회로

본 발명은 펄스폭변조 집적회로(PWM IC) 및 하프브리지 드라이버 IC를 이용한 무전극 안정기 회로에 관한 것이다.

무전극 램프는 무전극 방전(electrodeless discharge)을 이용하는 램프로서 비교적 신광원으로 인식되고 있는 램프이다. 발광이론과 램프의 종류는 다음과 같다. 기체방전관에 교류전압을 인가하는 경우 기체의 압력과 종류에 따라 다르지만 일반적으로 수십 khz 이하의 주파수에서는 방전기구가 근본적으로 직류방전의 그것과 같다고 볼 수 있다. 즉 직류방전의 경우, 글로방전의 감마효과에 의한 음극에서의 2차전자 방출이나 아크방전의 경우 열전자를 방출시킴으로써 방전 유지에 필요한 전자를 전극으로부터 공급받아 플라스마 내에서 재결합에 의해 소멸되는 전자를 보충하는 것이다. 물론 주파수가 증가하면 방전관 중에 남아 있는 이온이 전계의 변화를 따라가지 못해 방전개시전압이 상승하고 경우에 따라서는 직류방전의 수 배에 달하기도 한다. 그러나 MHz 이상의 보다 높은 주파수 영역에서는 교류전계에 의한 전자의 왕복운동이 충돌전리를 빈번하게 일으켜 쉽게 방전을 유지할 수 있게 된다. 이 경우 방전개시 전압은 낮아지고 전극이 필요없는 무전극방전이 가능해진다.

이러한 고주파 무전극방전(RF discharge)의 특징은 안정하고 동시에 공간적으로 균일한 플라스마를 얻을 수 있으며, 특히 전극재료 등의 불순물 혼입을 막을 수 있는 장점이 있다. 다만 전원과 플라스마 사이의 결합이 전극을 사용하는 경우에 비해 비효율적인 단점이 있다.

플라스마에 RF전력을 공급하는 방식에 따라 용량적 결합 방전과 유도적 결합 방전이 있다. 용량결합방전(capacitively coupled discharge)은 방전관을 둘러싸는 평행판 전극 사이에 RF전원을 가할 때 전극사이에서 형성되는 전계에 의해 방전관 내부의 기체가 전리되고 방전이 유지되는 경우이다. E-방전이라고도 하며, 후술하는 유도적 결합방전에 비해 사용주파수가 높다. 저밀도의 글로방전에 해당하며 방전 중의 플라스마는 주로 기능성 박막이나 반도체 미세 패턴을 만드는데 사용된다.

유도결합방전(capacitively coupled discharge)은 방전관 주위에 코일을 감아 RF 전류를 흘리면 축방향의 교번 자계가 형성되고 이것에 의해 방전관 내부의 플라스마에 환형의 전류가 유도되어 에너지가 전달되는 방식으로 H-방전이라고도 한다. 이 H-방전에 의해 발생되는 플라스마는 E-방전이 글로방전에 가까운 것에 비해, 보다 고밀도의 아크와 비슷한 성질을 가지며 유도아크 또는 유도플라스마(inductively coupled plasma; ICP)라고 부르기도 한다. H-방전의 최대 장점은 전극재료로부터의 오염이 없을 뿐 아니라 사용가스에 따라 산화, 환원 및 부식성의 분위기를 자유롭게 만들어 줄 수 있다는 데 있다. 이 때문에 플라스마 화학을 이용한 고순도 물질의 합성 및 처리에 요구되는 청정 플라스마의 발생에 적합하며, 고온의 화학반응을 통한 신물질, 신소재의 합성 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

한편, 마이크로파와 같은 초고주파를 사용하여도 무전극방전을 이룰 수 있 다. 일반적인 마이크로파 방전의 조건(E=200V/cm, F=2.5GHz)에서, 전자가 중성원자와 충돌할 때 잃는 에너지는 아주 작지만, 이 충돌에 의해 전자의 조화운동과 전자가 전계의 방향이 바뀌는 다음 반주기 동안에도 계속 에너지를 흡수하게 되어 전자들 중 일부는 중성원자를 전리하기에 충분한 에너지를 확보하게 된다. 따라서 기체의 압력이 어느 정도 적당하면 전자와 중성원자 사이의 충돌빈도가 높아져 오히려 에너지흡수가 효과적으로 늘어난다. 그렇지만 압력이 너무 높아지면 탄성충돌에 의한 에너지 손실 증가와 함께 전자와 이온의 확산에 의한 소멸이 더욱 가속되어 더큰 절연파괴강도를 필요로 한다.

점등주파수가 수 100[kHz] ~ 수 100[MHz]인 무전극 RF 유도결합방전(H방전)을 이용하면 전극에 의한 손실 및 점등 실패를 막을 수 있으므로 장수명의 램프를 기대할 수 있으며, 램프 광출력 특성이 안정될 뿐 아니라 조광이 용이해진다. 수명이 길어짐에 따라 램프 교체 비용이 절감되고 수은 폐기에 의한 공해 문제가 줄어들며, 광출력 입상시간 및 재점등 시간이 빨라 응용 분야의 확대가 기대된다.

H방전을 사용한 것은 인덕션램프(induction lamp)라고 불리우며, 종류는 유도코일의 위치에 따라 내부코일형, 외부코일형으로 구분된다. 일반적으로 별도의 전용 점등장치를 사용하나 점등장치가 내장된 전구형도 있다. 1990년대 초에 상품화된 이후, 전용의 점등장치를 사용하는 것은 초기 시스템효율 64~76lm/W, 수명 100,000시간에 달하는 55~165W급 제품이 상품화되어 있다. 광속감퇴에 따른 램프의 평균광속은 초기의 80% 정도로서 이에 따른 평균 시스템효율은 조금 낮아져 50~60lm/W에 달한다. 또한 점등장치가 내장된 것은 초기 시스템효율 48lm/W, 수명 15,000시간에 달하는 23W급 제품이 상품화되어 있어서 백열전구 대신 사용할 수 있다.

이러한 무전극 램프에 사용하는 무전극 안정기로서 종래에는 하나의 자기 발진 IC(self oscillating IC)를 사용하는 안정기가 사용되었다. 그러나 이러한 안정기는 주파수 구현과 출력 파워 구현에 있어서 제한이 있었다.

본 발명은 PWM IC와 하프 브리지 드라이버 IC를 사용하여 필요에 따라 두 개의 IC 소자를 교체함으로써 주파수 및 출력 파워의 조정을 자유롭게 그리고 안정적으로 구현하는 무전극 안정기 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명은 과전류가 램프에 유도될 때 자동적으로 스위칭 동작을 중지하는 보호회로를 포함하는 무전극 안정기 회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

여기서, 상기 PWM 회로는 상기 PWM IC에 연결된 콘덴서(C11)에 고주파에 해당하는 사이클로서 충전 및 방전을 되풀이하도록 상기 PWM IC에 저항(R13), 저항(R14), 다이오드(D7) 및 다이오드(D8)가 연결되어 형성된 것이 바람직하며, 램프에 공급되는 절점(E)에 과전류가 흐르면 상기 콘덴서(C11)가 충전되지 못하게 하여 상기 PWM 회로의 발진을 멈추게 함으로써 상기 FET(Q2, Q3)를 스위칭 OFF시키는 보호회로(114)를 추가적으로 포함할 수 있다. 한편, 보호회로는 상기 콘덴서(C11)과 상기 다이오드(D7) 및 상기 다이오드(D8)을 연결하는 라인와 접지라인 사이에 연결된 제어정류기(SCR)(Q4)를 포함하여 상기 제어정류기가 과전류시 도통되게 할 수 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1의 블럭도에 도시된 바와 같이 본 발명의 안정기 회로는 교류전원 입력이 EMI 필터부(100)를 통해 전자파가 필터링되어 제거되게 하고, 정류회로(102)를 거친 후 역률개선회로(104)를 거쳐 역률을 개선하고 전압을 일정하게 유지시키며, 평활회로(106)에 의하여 평활화시켜 직류로 만든다. 한편, 역률개선회로의 부스트 2차측에 연결된 IC 전원공급회로(108)에 의해 고주파 발생회로 즉 PWM회로(110)나 하프 브리지 회로(112) 등에 사용되는 IC에 전원을 공급한다. 본 발명은 PWM IC를 포함하는 PWM회로를 사용하여 고주파를 발생시키며 이러한 고주파 주파수는 스위칭 회로의 스위칭 주파수를 결정하게 된다. 하프 브리지 회로(112)는 고주파 회로의 출력 주파수에 의해 스위칭 동작을 수행하여 구형파를 발생하여 공진회로(116)로 공급하며 공진회로를 통해 정현화된 전압이 램프로 공급되어 램프가 동작하게 되는 것이다. 이 때 보호회로(114)에 의하여 램프에 과전류가 공급되는 경우 등 이상 전류가 발생되면 고주파 발생회로의 발진을 중지시켜 회로의 동작을 멈추게 한다.

도 2의 회로도에 도시되어 있듯이 교류전원은 퓨즈를 거쳐 EMI 필터 회로(100)로 공급된다. 금속 산화물 바리스터(metal oxide varister : MOV)는 과전압시 퓨즈의 차단을 위해 도시된 바와 같이 결합된다. EMI 필터 회로(100)는 전자파를 필터링하는 기능을 수행함은 물론이다. EMI 필터를 거친 교류는 정류회로(전파정류회로)(102)로 입력되어 정류된다. 정류된 파는 역률개선회로(PFC 회로)(104)를 통해 역률이 개선되며 역률개선회로는 전파정류된 전압을 일정하게 유지시켜 주게 된다. 한편, 역률 개선회로(104)를 통과한 전압이 평활회로(106)의 콘덴서(C8, C9)에 의하여 평활된다. 한편, 전파정류회로를 거친 교류전류는 변압기(T1) 등을 거치면서 전압이 상승되게 되며, 바람직하게는 400 V 정도로 상승되게 된다. 예를 들어, 도면 상의 절점 A 와 절점 B 간의 전압 즉 역률 개선회로의 출력전압은 DC 400V 정도로 유지되게 된다.

역률 개선회로(104)에서 부스트 2차와 3차 라인은 1차측에서 전압을 유기받아 IC 전원공급 회로(108)를 거쳐 DC 15V 정도로 바뀌어 PFC IC와 PWM IC(U2) 및 하프 브리지 IC(U3)의 전원 입력 단자로 각각 공급된다.

이상 설명한 EMI 필터회로, 정류회로, 역률개선회로, 평활회로, IC 전원공급 회로 등은 안정기에서 주지되어 통상 사용되는 회로이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고 PWM IC를 사용하는 본 발명의 안정기의 특징부를 중점적으로 이하 설명한다.

IC 전원공급회로의 출력인 절점 F의 전압은 직류 15V 정도로 유지되게 할 수 있는데, 이러한 DC 전압에 의하여 C11은 충방전을 되풀이하게 된다. 여기서 충전시 R13의 저항과 D7 다이오드를 거쳐 C11에 충전되고 C11이 만충전후 방전되는 전류는 D8을 거쳐 흐르게 될 것이다. 이를 위하여 도시된 바와 같이 D7 다이오드와 D8 다이오드는 반대 방향으로 연결된다. 본 발명의 PWM 회로(110)는 PWM IC(U2)와 주변의 저항(R13, R14), 다이오드(D7, D8), 콘덴서(C11) 등의 회로로 이루어진다. PWM IC로는 필립스 사에서 제조한 NE555, NE556 등의 IC를 사용할 수 있다. C11이 충방전을 반복함에 따라 PWM IC의 출력단인 3번핀은 도 3a에 도시된 바와 같은 고주파의 출력파형을 출력하게 된다. 이러한 출력파형의 주파수는 주변회로소자값에 의하여 결정되는데 바람직하게는 200 내지 300kHz 정도의 구형파를 갖게 형성된다. NE555, NE556 등의 IC의 동작 특성에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이 주변 소자가 연결된 경우 발생되는 구형파의 주기는 다음의 식을 따르게 된다.

따라서 도 2와 같이 PWM IC(U2) 주변의 회로가 연결된 경우 출력파의 주파수는 저항(R13, R14) 및 콘덴서(C11)에 의하여 상기 식에 의하여 정하여지게 된다. 따라서 저항 값이나 콘덴서의 용량 값을 변경함으로써 원하는 주파수의 구형파 출력을 얻을 수 있음은 물론이다.

이러한 출력파는 바람직하게는 IC 간의 간섭을 방지하기 위한 다이오드 D5를 거쳐 하프 브리지회로(112)로 입력되며 입력된 구형파는 변환되어 U3 IC의 7번핀은 도 3b와 같은 출력파형을 갖게 된다. 한편 4번핀은 도 3c와 같은 파형을 갖게 된다. 즉, 하프 브리지회로용 IC(U3)는 PWM 회로에서 출력되는 고주파를 공급받아 이와 동상의 파 및 180°위상변이된 파를 출력하는데, FET Q2 및 Q3는 각각 상기 동상의 파 및 상기 180°위상변이된 파가 트리거될 때 스위칭 동작을 각각 수행한다. 따라서 Q2와 Q3는 하프 브리지로 기능하여 반주기마다 번갈아가면서 스위칭 ON 되며 따라서 절점 D는 절점 A와 단락되거나 절점 B와 단락되는 것을 주기적으로 반복하게 된다. 절점 A는 역률개선회로(104)의 출력전압으로서 바람직하게는 DC 400V정도의 직류 전압임은 이미 설명한 바와 같다. 한편, 절점 B는 접지 전압이다. 한편, 이러한 동작의 사이클은 PWM IC의 출력 주파수에 의하여 결정됨은 물론이다. 결국 하프 브리지회로(112)의 출력은 역률 개선회로(104)와 평활회로(106)에 의하여 결정되는 DC값의 진폭을 갖는 구형파를 갖게 되는 것이다. 전술한 바와 같이 바람직하게는 진폭 400V 상당의 구형파를 갖게 한다. 도 3d에 도시된 바와 같이 이러한 구형파는 PWM 회로의 출력파의 주파수에 해당하는 200 내지 300kHz 정도의 고주 파 전압을 갖게 되는 것이다.

공진회로(116)는 고주파의 구형파를 도 3e에 도시된 바와 같이 정현파로 변환시켜 주고 램프 시동에 필요한 전압 및 전류를 제한하게 된다. 즉 콘덴서(C18), 인덕터(T2) 등에 의하여 구형파를 정현파처럼 파형을 변환시켜 램프(118)로 공급하게 된다. 여기서 도 2의 공진회로는 도면부호 116의 회로 중 램프를 제외한다.

한편, 도면부호 114의 회로부는 보호회로로서 동작하여 과전류시 PWM 회로의 발진을 멈추게 하여 FET(Q2, Q3)의 스위칭 동작을 차단한다. 회로의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다. 램프에 전원이 공급되는 절점 E에 과전류가 흐르면 이러한 과전류는 다이오드 D9을 거쳐 SCR Q4를 도통하게 된다. 그러면 PWM IC(U2)의 2번 핀이 접지되어 콘덴서 C11이 충전되지 못하게 된다. 그러면 PWM IC에서 고주파가 발생되지 않게 되며 따라서 FET Q2나 Q3가 OFF상태로 있게 되어 이상부하시 회로의 동작을 멈추게 하는 보호회로로서 동작하는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 본 발명의 실시 태양 중 하나의 예를 든 것으로 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 이와 등가물, 균등물을 포함함을 밝혀 둔다.

본 발명은 PWM IC와 하프 브리지 드라이버 IC를 사용하여 필요에 따라 두 개의 IC 소자를 교체함으로써 주파수 및 출력 파워의 조정을 자유롭게 그리고 안정적으로 구현하는 무전극 안정기 회로를 제공하는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명은 과전류가 램프에 유도될 때 자동적으로 스위칭 동작을 중지하여 이상 부하시 회로나 램프의 파손이 방지되는 효과를 갖는다.

Claims

무전극 안정기회로에 있어서,

교류 전원의 전자파를 제거하는 EMI 필터회로(100)와,

상기 EMI 필터회로의 출력을 정류하는 정류회로(102)와,

상기 정류회로에 의하여 정류된 전원의 역률을 개선하는 역률개선회로(104)와,

상기 역률개선회로(104)의 출력을 평활화하는 평활회로(106)와,

상기 역률개선회로(104)로부터 전압을 유기받아 PWM IC(U2) 및 하프 브리지회로용 IC(U3)에 공급하기 위한 IC 전원 공급회로(108)와,

상기 IC 전원 공급회로(108)로부터 전원을 공급받아 고주파의 구형파를 발생하기 위한 PWM 회로(110)와,

상기 PWM 회로에서 출력되는 고주파를 공급받아 이와 동상의 파 및 180°위상변이된 파를 출력하는 하프 브리지회로용 IC(U3); 상기 동상의 파 및 상기 180°위상변이된 파가 트리거될 때 스위칭 동작을 각각 수행하는 한 쌍의 FET 스위칭회로(Q2, Q3)로 이루어지며 상기 평활회로의 출력단의 DC 값의 직폭을 갖고 상기 PWM 회로의 출력파의 주파수를 갖는 고주파의 구형파를 출력하는 하프 브리지회로(112)와,

상기 하프 브리지 회로의 출력인 고주파 구형파를 정현파화하기 위한 콘덴서(C18) 및 인덕터(T2)를 포함하는 공진회로(116)를 포함하는

무전극 안정기회로.
제 1 항에 있어서,

상기 PWM 회로는

상기 PWM IC에 연결된 콘덴서(C11)에 고주파에 해당하는 사이클로서 충전 및 방전을 되풀이하도록 상기 PWM IC에 저항(R13), 저항(R14), 다이오드(D7) 및 다이오드(D8)가 연결되어 형성된 것을 그 특징으로 하는

무전극 안정기 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

램프에 공급되는 절점(E)에 과전류가 흐르면 상기 콘덴서(C11)가 충전되지 못하게 하여 상기 PWM 회로의 발진을 멈추게 함으로써 상기 FET(Q2, Q3)를 스위칭 OFF시키는 보호회로(114)를 추가적으로 포함하는

무전극 안정기 회로.
제 3 항에 있어서,

상기 보호회로(114)는 상기 콘덴서(C11)과 상기 다이오드(D7) 및 상기 다이 오드(D8)을 연결하는 라인와 접지라인 사이에 연결된 제어정류기(SCR)(Q4)를 포함하여 상기 제어정류기가 과전류시 도통되게 하는 것을 그 특징으로 하는

무전극 안정기 회로.