KR100639484B1 - 무전극 방전램프의 전원장치 - Google Patents

무전극 방전램프의 전원장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 교류전원(CMP)을 정류한 정류전압(Vd)을 단속하여 그라운드로 단속접지전류(Is)를 발생시켜 승압코일(XL)에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압(VB)을 출력시키는 승압부(A), 승압전압(VB)과 그라운드 단자간에 직렬로 접속된 두개의 스위치들(Q2,Q3)을 두개의 스위치 제어신호들(GSRF2,GSRF3)에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류(IRF)를 출력시키며, 고주파 스위칭전류(IRF)를 여기코일(LDcoil)에 공급하는 고주파 스위칭부(B) 및 고주파 스위칭전류(IRF)에 의해 발생된 고주파전압(Vs)을 수신하여 수신된 고주파전압(Vs)을 전자 유도 작용에 의해 서로 역극성이 되는 두개의 유도전압을 유기하고, 두개의 유기된 유도전압으로부터 각각의 스위치 제어신호들(GSRF2,GSRF3)을 출력하는 전압/위상 제어부(40)로 구성된다.
본 발명은 고주파 전류여진부(30)에 의해 제2, 제3스위치들(Q2, Q3)에 흐르는 고주파 스위칭전류(IRF)를 줄일 수 있어 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 무전극 방전램프 전원장치의 전원 효율을 향상시켜 전력 절약을 실현할 수 있고, 고주파 전류여진부(30)에 의해 파형 왜곡이 적은 정현파에 가까운 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생시켜 고조파 왜곡에 의해 발생되는 고주파 노이즈를 감소시킬 수 있으며, 전압/위상 제어부(40)에 의해 고주파 스위칭부 (B)를 자려발진 회로로 구성할 수가 있어 회로 구성을 간단하게 할 수 있으며, 2개의 스위치 제어신호를 발생하는 고주파 트랜스를 소형으로 할 수 있고, π형 로우패스필터(πLPF)에 의해 교류전원선에 발생하는 고주파 노이즈를 제거 할 수 있다.
무전극 방전램프, 승압전압, 펄스폭변조, 역률, 단속전류, 고주파 노이즈

Description

무전극 방전램프의 전원장치{electrodeless discharge lamp electric source apparatus}
도 1은 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치의 구성도,
도 2는 도 1의 고주파 스위칭부의 등가회로도,
도 3은 고주파스 위칭부의 신호파형도,
도 4는 고주파 노이즈 제거부의 구성도,
도 5는 위상제어전압 안정화부의 구성도,
도 6은 위상제어전압 안정화부의 신호파형도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
CMP...교류전원 A...승압부
B...고주파 스위칭부 DB...전파정류부
XL...승압코일 Q1, Q2, Q3...제1, 제2, 제3스위치
Dr...정류다이오드 Cs...평활콘덴서
20...고주파 발진제어부 30...고주파 전류여진부
40...전압/위상 제어부 Lr...고주파코일
Ce...고주파 접지콘덴서 TR...고주파 트랜스
Lx...위상제어코일 Cx...위상제어콘덴서
Rx...위상제어저항 PRC...병렬공진부
D1, D2...제1, 제2다이오드 NRC...고주파 노이즈 제거부
LDcoil...여기코일(무전극방전램프) VRphase...위상제어전압 안정화부
πLPF...π형 로우패스필터 GFC...접지필터
YC...Y자 접속캐패시턴스 CMCA, CMCB...커먼모드 초크코일
PG...파워그라운드 CG...샤시그라운드
GSRF2...제1스위치제어신호 GSRF3...제2스위치제어신호
IRF...고주파 스위칭전류 Vi...기전압
IRF1-q, IRF2-q, IRF1-d, IRF2-d...고주파 단속전류
Vd...정류전압 IBr...정류전류
Is...단속접지전류 VB...승압전압
PWM...펄스폭변조신호 Vf...분압승압전압
Vpha...분압정류전압 Idet...정류전류모니터전압
Isen...단속전류모니터전압 Vs...고주파전압
Vn...분압고주파전압 Vm...차분전압
10...적분기 11...감산부
12, 13...제1,제2비교기 14...논리곱부
Vp...전압제어펄스신호 Vq...위상제어펄스신호
본 발명은 무전극 방전램프의 전원장치에 관한 것으로, 특히 고휘도의 조명 장치로 사용되는 무전극 방전램프를 고효율로 점등시키고, 점멸등의 밝기가 변동되는 것을 방지시킬 수 있고, 저노이즈를 갖는 무전극 방전램프의 전원장치에 관한 것이다.
종래의 경우 조명등으로 백열전구나 형광등을 주로 사용하였으나, 절전 및 자원절약이나 생활환경에 있어서의 밝기의 향상 등의 사회적 필요에 부합하여 고휘도를 가지며 오랜 시간 사용할 수 있는 무전극 방전램프의 사용요구가 급속히 증가하고 있다.
이러한 무전극 방전램프를 점등시키기 위해 고주파를 갖는 고전압의 전원이 필요하기 때문에 상용 전원인 교류전원을 승압한 고전압을 고주파 신호로 스위칭 하는 전원장치가 사용된다. 이 전원장치를 저가, 소형화하기 위해서는 상용 전원을 승압하는 대형 전원 트랜스를 사용하는 대신에 상용 전원을 정류한 후 스위치로 단속시키고 고전압으로 승압시킨 후 승압된 고전압을 고주파 신호로 초핑하여 에너지를 저장하거나 변환시키는 인버터가 필요하고, 이에 대해 일본공개특허공보 특개평9-237687에 개시되어 있다.
종래의 무전극 방전램프의 전원장치는 고전압의 인가에 의해 무전극 방전램 프가 점등하는 것으로, 무전극 방전램프의 방전 현상에 의해 무전극 방전램프의 임피던스가 변화되어 무전극 방전램프의 밝기가 변동되거나 점멸되는 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 무전극 방전램프의 전원장치는 스위칭으로 승압하거나 고주파로 초핑할 경우에 무전극 방전램프에 전자 유도 노이즈가 발생되어 주위의 방송수신기기나 사무용 기기에 영향을 미쳐 기기의 오동작을 야기시키는 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 무전극 방전램프의 전원장치는 스위칭 제어신호를 발생하기 위해 발진기나 분주회로 등으로 구성되어 있어 회로 구성이 복잡하고, 고가인 문제점을 가지고 있다.
또한 종래의 무전극 방전램프의 전원장치는 무전극 방전램프의 점등시에 승압전압이 급속히 증가하지 않으므로 무전극 방전램프의 방전 개시가 불안정하게 되어 방전의 단속에 수반하여 급격한 대전류가 단속적으로 전원장치로 흐르게 되어 강한 고주파 노이즈가 발생되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 상용 전압인 교류전원이 변동되거나, 또는 무전극 방전램프의 방전현상에 의해 내부 임피던스가 변화되더라도 무전극 방전램프에 인가되는 승압전압을 일정 전압으로 유지시킬 수 있고, 정류전압과 정류전류의 위상차이를 줄여서, 바람직하게는 제로에 접근하도록 하여 무전극 방전램프의 전원장치의 효율을 최대로 하여 무전극 방전램프를 안정적으로 점등시키고 고효율로 발광시킬 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고주파 스위칭전류를 발생시키는 고주파 스위칭부를 발진기나 분주회로를 사용하는 타려발진회로를 사용하지 않고 자려발진회로를 사용함으로써 회로구성을 간단하게 할 수 있고, 소형화 및 저가의 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 무전극 방전램프를 구동하는 고주파 스위칭전류를 발생시키는 고주파 스위칭부에 있어서, 승압전압을 교대로 단속하는 제2스위치와 제3스위치들의 도통시간인 펄스 듀티를 작게함으로써, 고주파 스위칭부의 전원 효율을 향상시킬 수가 있고, 스위치들의 소비 전력이 감소되므로 정격전력이 작고, 소형이고, 가격이 저렴한 반도체 스위치를 사용하는 것이 가능하므로 고주파 스위칭부를 소형, 저가화할 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제2스위치 및 제3스위치의 도통시간 및 도통위상을 고주파 스위칭전류에 대해서 최적으로 제어할 수가 있으며, 이로 인해 고주파 스위칭부의 전원 효율을 최적값으로 조정할 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전파정류부의 접지 단자를 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드에 접속하고, 파워그라운드와 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐시키기 위한 샤시그라운드 사이에 접지필터를 구성함으로써 고주파 스위칭전류에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 정류회로로부터 교류전원에 유도 또는 전파되는 것을 저지 할 수 있으며, 이로 인해 교류전원 의 배선 등으로부터 고주파 노이즈가 유도 혹은 방사되는 것을 방지시킬 수 있어 무전극 방전램프의 전원장치가 발생하는 고주파 노이즈를 감소시키고 EMC(Electromagnetic Compatibility) 성능을 향상시킬 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상용 전압인 교류전원이 변동되거나, 무전극 방전램프의 방전 변화로 구동 임피던스가 변화되더라도 펄스폭변조신호를 사용하여 제1스위치를 온/오프 제어하여 승압전압을 일정한 전압을 갖도록 할 수 있고, 승압전압을 정확하게 제어할 수가 있으므로 무전극 방전램프의 휘도를 안정적으로 유지할 수가 있으며, 펄스폭변조신호에 제1스위치의 온/오프를 제어하므로써 무전극 방전램프에 공급되는 승압전압의 정류전압과 정류전류의 위상차이를 감소시켜 고조파가 발생되는 것을 방지하여 고주파 전자 유도 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있고, 무전극 방전램프를 안정적이고 고효율로 발광시킬 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 위상제어전압 안정화부는 펄스폭변조신호에 의해 승압전압을 일정 전압을 갖도록 하여 승압전압을 안정한 전압을 가지도록 제어할 수 있고, 동시에 정류전압과 정류전류와의 위상 제어를 정밀하게 행할 수 있으며, 또한 제1스위치를 포함하고 있는 위상제어전압 안정화부는 전부 디지탈화할 수 있으므로 하나의 칩으로 집적회로(Integrated Circuit:IC)화할 수 있어 소형화 및 저가화할 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 무전극 방전램프의 기동시 또는 무전극 방전램프 의 방전 변화시에 승압전압을 급속히 증가시키도록 하여 무전극 방전램프를 안정적으로 그리고 신속하게 점등시킬 수 있으며, 무전극 방전램프의 방전 변화에 의한 점멸등의 밝기가 변동되는 것을 방지할 수 있는 무전극 방전램프의 전원장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 여기코일에 고주파 스위칭전류를 공급하여 여기코일의 전자 유도 작용에 의해 무전극 방전램프를 여기시키는 무전극 방전램프의 전원장치에 있어서, 교류전원을 정류한 정류전압을 단속하여 그라운드로 단속접지전류를 발생시켜 승압코일에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압을 출력시키는 승압수단; 승압전압과 그라운드 단자간에 직렬로 접속된 두개의 스위칭수단들을 두개의 스위치 제어신호들에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류를 출력시키며, 고주파 스위칭전류를 여기코일에 공급하는 고주파 스위칭수단; 및 고주파 스위칭전류에 의해 발생된 고주파전압을 수신하여 수신된 고주파전압을 전자 유도 작용에 의해 서로 역극성이 되는 두개의 유도전압을 유기하고, 두개의 유기된 유도전압으로부터 각각의 스위치 제어신호를 출력하는 전압/위상 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 승압수단은 교류전원을 수신하여 상기 교류전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 전파정류수단; 펄스폭변조신호에 따라 온 또는 오프되어 정류전압을 그라운드로 흐르게 하여 정류전압에서 그라운드로 흐르는 단속접지전류를 단속하는 제1스위칭수단; 일단이 정류전압에 연결되고, 타단이 제1스위칭수단에 연 결되어 제1스위칭수단의 온 또는 오프에 의한 단속접지전류의 단속에 따라 전자 유도 작용에 의해 기전압을 발생하는 승압코일; 기전압을 전압 정류하는 정류다이오드; 정류다이오드의 출력전압을 평활화하여 승압전압을 출력하는 캐패시터; 및 승압전압을 분압한 분압승압전압과 단속접지전류를 모니터한 단속전류모니터전압과의 전압차이 및 정류전압과 승압코일에 흐르는 정류전류와의 위상차이에 대응하여 가변되는 펄스듀티를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하여 승압전압을 일정한 전압값을 갖도록 유지하고, 정류전류의 위상을 정류전압의 위상에 접근시키는 위상제어전압 안정화수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 고주파 스위칭수단은 승압전압과 그라운드 사이에 직렬로 접속되며, 각각 다른 시간에 도통되어 승압전압을 단속하여 상기 고주파 스위칭전류를 발생하는 제2, 제3스위칭수단; 제2스위칭수단에 병렬로 접속되며, 제3스위칭수단이 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류를 흘려주는 제1다이오드; 제3스위칭수단에 병렬로 접속되며, 제2스위칭수단이 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류를 흘려주는 제2다이오드; 및 제1다이오드와 제2다이오드와의 접속점 및 여기코일 사이에 접속되어 전자 유도 작용에 따라 고주파 스위칭전류에 의해 발생되는 에너지를 축적 또는 방출하여 고주파 전류를 여진하는 고주파코일을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 전압/위상 제어수단은 1차측 코일인 위상제어코일에 유도결합하여 두개의 스위칭수단들을 각각 온 또는 오프시키는 제1스위치 제어신호를 발생하는 2차측 제1코일과 제2스위치 제어신호를 발생하는 2차측 제2코일을 구비한 고주파 트랜스 수단; 및 고주파 트랜스수단의 1차측 코일에 직렬로 접속된 위상제어저항과 위상제어콘덴서를 구비하여 두개의 스위칭수단들의 도통 시간 및 도통 위상을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 무전극 방전램프의 전원장치는 교류전원과 전파정류수단 사이에 직렬로 접속되어 상기 교류전원의 두개의 교류 전원선에 각각 전파되는 동상의 고주파 노이즈를 제거하는 두개의 커먼모드 초크코일들; 두개의 커먼모드 초크코일들 사이에 위치하며, 두개의 커먼모드 초크코일들과 그라운드 간에 직렬로 접속되어 교류 전원선에 중첩한 고주파 노이즈를 접지하는 두개의 콘덴서를 구비한 Y자 접속캐패시턴스; 및 Y자 접속캐패시턴스가 접속되어있지 않은 두개의 커먼모드 초크코일들의 양외측 단자간에 각각 접속되어 고주파 노이즈를 흡수하는 두개의 콘덴서들을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 무전극 방전램프의 전원장치는 전파정류수단의 접지단자를 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드에 직접 접속하고, 파워그라운드와 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐하는 샤시그라운드 사이에 직렬로 연결된 저항 및 콘덴서로 구성된 접지필터를 더 구비하여 고주파 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 위상제어전압 안정화수단은 승압전압을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압승압전압과 정류전압을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압정류전압을 수신하여 분압승압전압에서 분압정류전압을 감산하여 차분전압을 출력하는 감산수단; 단속접지전류를 모니터한 단속전류모니터전압과 차분전압을 수신하여 차분전압과 단속전류모니터전압을 비교하여 차분전압이 단속전류모니터전압 보다 크면 활성화되는 전압제어펄스신호를 출력하는 제1비교수단; 승압코일에 흐르는 정류전류를 모니터한 정류전류모니터전압과 기준전압을 수신하여 기준전압과 정류전류모니터전압을 비교하여 기준전압이 정류전류모니터전압 보다 크면 활성화되는 위상제어펄스신호를 출력하는 제2비교수단; 및 전압제어펄스신호와 위상제어펄스신호를 수신하여 수신된 전압제어펄스신호와 위상제어펄스신호를 논리곱하여 단속접지전류를 단속하는 펄스폭변조신호를 출력하는 논리곱수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치를 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치의 구성도이다.
도 1의 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 교류전원(CMP)을 정류한 정류전압(Vd)을 단속하여 그라운드로 단속접지전류(Is)를 발생시켜 승압코일(XL)에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압(VB)을 출력시키는 승압부(A), 승압전압(VB)과 그라운드 단자간에 직렬로 접속된 두개의 스위치들(Q2,Q3)을 두개의 스위치 제어신호들(GSRF2,GSRF3)에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류(IRF )를 출력시키며, 고주파 스위칭전류(IRF)를 여기코일(LDcoil)에 공급하는 고주파 스위칭부(B) 및 고주파 스위칭전류(IRF)에 의해 발생된 고주파전압(Vs)을 수신하여 수신된 고주파전압(Vs)을 전자 유도 작용에 의해 서로 역극성이 되는 두개의 유도전압을 유기하고, 두개의 유기된 유도전압으로부터 각각의 스위치 제어신호들(GSRF2,GSRF3)을 출력하는 전압/위상 제어부(40)로 구성된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명인 무전극 방전램프의 전원장치는 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생시키는 고주파 스위칭부(B)를 발진기나 분주회로를 사용하는 타려발진회로를 사용하지 않고 자려발진회로를 사용함으로써 회로구성을 간단하게 할 수 있고, 소형화 및 저가로 제조될 수 있다.
승압부(A)는 교류전원(CMP)을 수신하여 교류전원(CMP)을 전파 정류하여 정류전압(Vd)을 출력하는 전파정류부(DB), 펄스폭변조신호(PWM)에 따라 온 또는 오프되어 정류전압(Vd)을 그라운드로 흐르게 하여 정류전압(Vd)에서 그라운드로 흐르는 단속접지전류(Is)를 단속하는 제1스위치(Q1), 일단이 정류전압(Vd)에 연결되고, 타단이 제1스위치(Q1)에 연결되어 제1스위치(Q1)의 온 또는 오프에 의한 단속접지전류(Is)의 단속에 따라 전자 유도 작용에 의해 기전압(Vi)을 발생하는 승압코일(XL), 기전압(Vi)을 전압 정류하는 정류다이오드(Dr), 정류다이오드(Dr)의 출력전압을 평활화하여 승압전압(VB)을 출력하는 캐패시터(Cs) 및 승압전압(VB)을 분압한 분압승압전압(Vf)과 단속접지전류(Is)를 모니터한 단속전류모니터전압(Isen)과의 전압차이 및 정류전압(Vd)과 승압코일(XL)에 흐르는 정류전류(IBr)와의 위상차이에 대응하여 가변되는 펄스듀티를 가지는 펄스폭변조신호(PWM)를 출력하여 승압전압(VB)을 일정한 전압값을 갖도록 유지하고, 정류전류(IBr)의 위상을 정류전압(Vd)의 위상에 접근시키는 위상제어전압 안정화부(VRphase)로 구성된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 상용전원을 교류전원으로 사용하여 √2×100 Ｖ를 갖는 높은 전압의 정류전압(Vd)을 얻을 수 있으며, 간단한 회로 구성에 의해 높은 전원 효율의 승압전압(VB)을 얻을 수 있다.
고주파 스위칭부(B)는 승압전압(VB)과 그라운드 사이에 직렬로 접속되며, 각각 다른 시간에 도통되어 승압전압(VB)을 단속하여 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생하는 제2, 제3스위치들(Q2,Q3), 제2스위치(Q2)에 병렬로 접속되며 제3스위치(Q3)가 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류(IRF2-d)를 흘려주는 제1다이오드(D1), 제3스위치(Q3)에 병렬로 접속되며 제2스위치(Q2)가 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류(IRF1-d)를 흘려주는 제2다이오드(D2) 및 제1다이오드(D1)와 제2다이오드(D2)와의 접속점 및 여기코일(LDcoil) 사이에 접속되어 전자 유도 작용에 따라 고주파 스위칭전류(IRF)에 의해 발생되는 에너지를 축적 또는 방출하여 고주파 전류를 여진하는 고주파코일(Lr)로 구성된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 승압전압(VB)을 교대로 단속하는 제2스위치(Q2)와 제3스위치(Q3)들의 도통시간인 펄스 듀티를 작게함으로써, 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율을 향상시킬 수 있고, 스위치들의 소비 전력이 감소되므로 정격전력이 작고, 소형이고, 가격이 저렴한 반도체 스 위치를 사용하는 것이 가능하므로 고주파 스위칭부를 소형, 저가화할 수 있다.
전압/위상 제어부(40)는 1차측 코일(PT1)인 위상제어코일(Lx)에 유도결합하여 두개의 스위치들(Q2,Q3)을 각각 온 또는 오프시키는 제1스위치 제어신호(GSRF2)를 발생하는 2차측 제1코일(PT2)과 제2스위치 제어신호(GSRF3)를 발생하는 2차측 제2코일(PT3)로 구성된 고주파 트랜스(TR) 및 고주파 트랜스(TR)의 1차측 코일(PT1)에 직렬로 접속된 위상제어저항(Rx)과 위상제어콘덴서(Cx)로 구성되어 두개의 스위치들(Q2,Q3)의 도통 시간 및 도통 위상을 제어한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 제2스위치(Q2) 및 제3스위치(Q3)의 도통시간 및 도통위상을 고주파 스위칭전류(IRF)에 대해서 최적으로 제어할 수가 있으며, 이로 인해 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율을 최적값으로 조정할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 교류전원(CMP)과 전파정류부(DB) 사이에 직렬로 접속되어 교류전원(CMP)의 두개의 교류 전원선에 각각 전파되는 동상의 고주파 노이즈를 제거하는 두개의 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB)과, 두개의 커먼모드 초크코일들(CMC A, CMCB) 사이에 위치하며 두개의 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB)과 그라운드 간에 직렬로 접속되어 교류 전원선에 중첩한 고주파 노이즈를 접지하는 두개의 콘덴서들(CB1,CB2)로 구성된 Y자 접속캐패시턴스(YC)와, Y자 접속캐패시턴스(YC)가 접속되어있지 않은 두개의 커먼모드 초크 코일들(CMCA, CMCB)의 양외측 단자간에 각각 접속되어 고주파 노이즈를 흡수하는 두개의 콘덴서들(CA,CD)을 더 구비할 수 있으며, 또한 무전극 방전램프의 전원장치는 전파정류부(DB)의 접지단자(GT)를 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드(PG)에 직접 접속하고, 파워그라운드(PG)와 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐하는 샤시그라운드(CG) 사이에 직렬로 연결된 저항(RE) 및 콘덴서(CE)로 구성된 접지필터(GFC)를 더 구비하여 고주파 노이즈를 제거할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 고주파 스위칭전류에 의해 발생되는 고주파 노이즈가 정류회로로부터 교류전원에 유도 또는 전파되는 것을 저지 할 수 있으며, 이로 인해 교류전원의 배선 등으로부터 고주파 노이즈가 유도 혹은 방사되는 것을 방지시킬 수 있어 무전극 방전램프의 전원장치가 발생하는 고주파 노이즈를 감소시키고 EMC 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 고주파 스위칭전류(IRF)는 2MHz에서 3MHz의 범위의 주파수, 바람직하게는 2.65MHz의 주파수를 갖는다.
상기와 같은 구성에 의해 무전극 방전램프의 방전 성능이 향상되어 휘도가 상승되고, 동시에 주파수의 향상에 따라 여기코일이나 고주파코일을 소형화할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 위상제어전압 안정화부(VRphase)는 승압전압(VB)을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압승압전압(Vf)과 정류전압(Vd)을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압정류전압(Vpha)을 수신하여 분압승압전압(Vf)에서 분압정류전압(Vpha)을 감산하여 차분전압(Vm)을 출력하는 감산부(11), 단속접지전류(Is)를 모니터한 단속전류모니터전압(Isen)과 차분전압(Vm)을 수신하여 차분전압(Vm)과 단속전류모니터전압(Isen)을 비교하여 차분전압(Vm)이 단속전류모니터전압(Isen) 보다 크면 활성화되는 전압제어펄스신호(Vp)를 출력하는 제1비교기, 승압코일(XL)에 흐르는 정류전류(IBr)를 모니터한 정류전류모니터전압(Idet)과 기준전압(Vref)을 수신하여 기준전압(Vref)과 정류전류모니터전압(Idet)을 비교하여 기준전압(Vref)이 정류전류모니터전압(Idet) 보다 크면 활성화되는 위상제어펄스신호(Vq)를 출력하는 제2비교기(13) 및 전압제어펄스신호(Vp)와 위상제어펄스신호(Vq)를 수신하여 수신된 전압제어펄스신호(Vp)와 위상제어펄스신호(Vq)를 논리곱하여 단속접지전류(Is)를 단속하는 펄스폭변조신호(PWM)를 출력하는 논리곱(14)으로 구성된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 상용 전압인 교류전원이 변동되거나, 무전극 방전램프의 방전 변화로 구동 임피던스가 변화되더라도 펄스폭변조신호를 사용하여 제1스위치를 온/오프 제어하여 승압전압을 일정한 전압을 갖도록 할 수 있고, 승압전압을 정확하게 제어할 수가 있으므로 무전극 방전램프의 휘도를 안정적으로 유지할 수가 있으며, 펄스폭변조신호에 제1스위치의 온/오프를 제어하므로써 무전극 방전램프에 공급되는 승압전압의 정류전압과 정류전류의 위상차이를 감소시켜 고조파가 발생되는 것을 방지하여 고주파 전자 유도 노이즈의 발생을 감소시킬 수 있고, 무전극 방전램프를 안정적이고 고효율로 발광시킬 수 있다.
또한 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 교류전원(CMP)을 정류한 정류전압(Vd)을 단속하여 그라운드로 단속접지전류(Is)를 발생시켜 승압코일(XL)에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압(VB)을 출력시키는 승압부(A)와, 승압전압(VB)과 그라운드 간에 직렬로 접속된 두개의 스위치들(Q2,Q3)을 두개의 스위치 제어신호들(GSRF2,GSRF3)에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류(IRF)를 출력시키며, 고주파 스위칭전류(IRF)를 여기코일(LDcoil)에 공급하는 고주파 스위칭부(B)와, 교류전원(CMP)과 전파정류부(DB) 사이에 직렬로 접속되어 교류전원(CMP)의 두개의 교류 전원선에 각각 전파되는 동상의 고주파 노이즈를 제거하는 두개의 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB)과, 두개의 커먼모드 초크코일들(CM CA, CMCB) 사이에 위치하며, 두개의 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB)과 그라운드 단자 사이에 직렬로 접속되어 교류 전원선에 중첩한 고주파 노이즈를 접지하는 두개의 콘덴서들(CB1,CB2)로 구성된 Y자 접속캐패시턴스(YC)와, Y자 접속캐패시턴스(YC)가 접속되어있지 않은 상기 두개의 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB)의 양외측 단자간에 각각 접속되어 고주파 노이즈를 흡수하는 두개의 콘덴서들(CA,CD)로 구성된 π형 로우패스필터(πLPF)와, 전파정류부(DB)의 접지단자(GT(를 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드(PG)에 직접 접속하고, 파워그라운드(PG)와 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐하는 샤시그라운드(CG) 사이에 직렬로 연결된 저항 (RE) 및 콘덴서(CE)로 구성되어 고주파 노이즈를 제거하는 접지필터(GFC)로 구성될 수도 있다.
상기 구성에 따른 본 발명인 무전극 방전램프의 전원장치의 동작은 다음과 같다.
도 1의 무전극 방전램프의 전원장치의 동작은 다음과 같다.
다이오드 브릿지로 구성된 전파정류부(DB)는 상용 전원인 교류전원(CMP)을 전파 정류하여 정류전압(Vd)을 출력하고, 정류전압(Vd)은 승압부(A)로 공급된다. 정류전압(Vd)은 펄스폭변조신호(PWM)의 논리값에 따라 온 또는 오프되는 N채널 모스트랜지스터로 구성된 제1스위치(Q1)에 의해 단속되어 제1스위치(Q1)가 온될 때 단속접지전류(Is)를 그라운드로 흘려준다. 단속접지전류(Is)에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압코일(XL)에 기전압(Vi)이 발생되며, 정류전압(Vd)에 중첩된 기전압(Vi)을 정류다이오드(Dr)로 정류하고, 평활콘덴서(Cs)에 의해 평활되어 승압부(A)는 승압전압(VB)을 출력한다.
승압전압(VB)은 고주파 스위칭부(B)로 입력된다. N채널 모스트랜지스터로 구성된 제2스위치(Q2)는 주파수 2MHz에서 3MHz, 바람직하게는 2.65MHz로 소정의 펄스듀티를 가지는 제1스위치제어신호(GSRF2)에 따라 온 또는 오프되며, N채널 모스트랜지스터로 구성된 제3스위치(Q3)는 제1스위치제어신호(GSRF2)와 다른 위상을 가진 제2스위치제어신호(GSRF3)에 따라 온 또는 오프되며, 제2스위치(Q2)와 제3스위치(Q3) 는 서로 다른 위상으로 도통 또는 차단되어 고주파 단속전류들(IRF1-q, IRF2-q)이 흐르게 되며, 고주파 단속전류들(IRF1-q, IRF2-q)에 의해 고주파 스위칭부(B)로 입력되는 승압전압(VB)을 초핑하여 교류의 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생한다. 고주파 스위칭전류(IRF)는 전자 유도 작용에 의해 고주파 스위칭전류(IRF)의 에너지를 축적/방출을 하는 고주파코일(Lr)을 거쳐서 유도계수 L0와 콘덴서 Co의 공진 회로로 구성된 무전극 방전램프의 여기코일(LDcoil)을 구동시켜 무전극 방전램프를 여기시켜 무전극 방전램프를 점등시키면서 방전을 제어하여 무전극 방전램프는 정상적으로 발광된다. 고주파 스위칭부(B)는 고주파 신호인 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스위치제어신호(GSRF3)들에 의해 온 또는 오프되므로 고주파 인버터라고도 한다
무전극 방전램프는 점등시에 방전상태의 변화로 내부 임피던스가 크게 변동되며, 내부 임피던스의 변동에 따라 승압전압(VB)이 변동되고, 이로 인해 무전극 방전램프의 휘도가 변동하게 된다. 따라서 무전극 방전램프의 휘도가 변동되지 않도록 승압전압(VB)은 일정한 전압을 유지하도록 제어되어야 한다. 승압전압(VB)이 일정하게 유지되면 무전극 방전램프를 정격전압으로 구동시킬 수 있어 무전극 방전램프의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한 승압코일(XL)에 흐르는 정류전류(IBr)의 위상을 정류전압(Vd)의 위상에 접근시키면 그 역률이 1에 가까워져서 무전극 방전램프에 공급되는 승압전압(VB)의 실효전력를 최대로 할 수 있다. 즉, 전원 효율을 최적으로 할 수 있다. 이를 해결 하기 위해 승압부(A)는 위상제어전압 안정화부(VRphase)를 구비하고 있다. 위상제어전압 안정화부(VRphase)는 승압전압(VB)을 분압한 분압승압전압(Vf), 정류전압(Vd)를 분압한 분압정류전압(Vpha), 승압코일(XL)에 흐르는 정류전류(IBr)를 모니터 한 정류전류모니터전압(Idet) 및 펄스폭변조신호(PWM)에 따라 온 또는 오프되는 제1스위치(Q1)를 단속적으로 흐르는 단속접지전류(Is)를 모니터 한 단속전류모니터전압(Isen)을 수신받아 승압전압(VB)에 대한 전압 안정화 제어와 전류/전압의 위상 제어를 한다.
도 2는 도 1의 고주파 스위칭부의 등가회로도이고, 도 3은 고주파 스위칭부의 신호파형도이다.
도 2 및 도 3에 따라 승압전압(VB)에 대한 고주파 스위칭부(B)의 동작설명은 다음과 같다.
고주파 스위칭부(B)는 고주파 단속전류들(IRF1-q, IRF2-q)에 의해 여기되어 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생시키는 고주파 전류여진부(30)와, 고주파 스위칭전류(IRF)에 의해 발생한 고주파전압(Vs)을 여기코일(LDcoil)과 고주파 전류여진부(30)의 고주파코일(Lr)에 의해 분압된 분압고주파전압(Vn)을 수신하여 분압고주파전압(Vn)의 위상과 전압을 제어하여 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스위치제어신호(GSRF3)를 출력하는 전압/위상 제어부(40)와, 전압/위상 제어부(40)에서 출력되는 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스위치제어신호(GSRF3)를 정지/계속시키는 고주파 발진제어부 (20)로 구성된다.
고주파 전류여진부(30)는 고주파 단속전류(IRF1-q, IRF2-q)의 에너지를 축적/방출하는 고주파코일(Lr)과 고주파코일(Lr)의 유도 작용에 의해 생기는 여진 전류를 흐르게 하여 고주파코일(Lr)의 전자 유도 작용을 도와주는 프리호일 다이오드의 기능을 하는 제1, 제2다이오드(D1, D2)와 여진 전류의 일부를 그라운드로 흐르게 하는 고주파 접지콘덴서(Ce)로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 고주파 스위칭전류(IRF)에 의해 여진되는 무전극 방전램프의 여기코일(LDcoil), 고주파코일(Lr) 및 고주파 접지콘덴서(Ce)는 공진코일(Lt), 공진콘덴서(Ct) 및 부하저항(Rt)들로 구성된 병렬공진부(PRC)를 형성한다. 병렬공진부(PRC)는 고주파 스위칭전류(IRF)가 흘러 주파수 2.65MHz로 병렬 공진되어 고주파전압(Vs)을 발생시킨다.
전압/위상 제어부(40)는 고주파전압(Vs)을 분압한 분압고주파전압(Vn)을 수신하여 고주파 트랜스(TR)의 1차측 코일(PT1)인 위상제어코일(Lx)과 위상제어콘덴서(Cx) 및 위상제어저항(Rx)에 의해 위상 및 전압이 제어된 고주파 제어전압(VT)을 출력한다. 고주파 제어전압(VT)은 고주파 트랜스(TR)의 유도 작용에 의해 2차측 코일(PT2, PT3)에 각각의 유도 고주파전압을 발생한다. 고주파 발진제어부(20)에 의해 유도 고주파 전압을 흡수하는 발진이 정지되거나 유도 고주파 전압을 도통시키는 발진이 계속되도록 유도 고주파 전압을 제어하고 동시에 파형 제어가 행하여져 전압/위상 제어부(40)는 서로 다른 위상을 갖는 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스 위치제어신호(GSRF3)를 출력한다.
도 3에 도시된 바와 같이 제1스위치제어신호(GSRF2)는 t1시간에서 t2시간 사이의 주기 Ta에서 활성화되고, 제2스위치제어신호(GSRF3)는 t3시간에서 t4시간 사이의 주기 Tb에서 활성화된다. 따라서 제2스위치(Q2)는 t1시간에서 t2시간 사이의 주기 Ta 동안 활성화되는 제1스위치제어신호(GSRF2)에 의해 온되며, 2.65MHz의 주파수(fp)의 전반주기 Tp/2(주기 Tp=1/fp) 동안의 고주파 스위칭전류(IRF1)는 t3시간에서 시작되는 전반주기 Tp/2(주기 Tp=1/fp) 동안의 고주파 스위칭전류(IRF2)와의 전류 방향이 반전되며, 동시에 고주파 단속전류(IRF1-q)를 발생시켜 고주파 스위칭전류(IRF)를 여진한다. 주기 Ta의 사이에 병렬공진부(PRC)에 축적된 고주파 단속전류단속전류(IRF1-q)의 에너지는 시각 t2로부터 t3의 사이에서 방출되어 제2다이오드(D2)를 지나 고주파 단속전류(IRF1-d)가 흐른다. 상기와 동일하게 제3스위치(Q3)는 t3시간에서 t4시간 사이의 주기 Tb 동안 활성화되는 제2스위치제어신호(GSRF3)에 의해 온되며, 2.65MHz의 주파수(fp)의 전반주기 Tp/2(주기 Tp=1/fp) 동안의 고주파 스위칭전류(IRF2)는 처음 반주기 동안의 고주파 스위칭전류(IRF1)와의 전류 방향이 반전되며, 동시에 고주파 단속전류(IRF2-q)를 발생시켜 고주파 스위칭전류(IRF)를 여진한다. 주기 Tb의 사이에 병렬공진부(PRC)에 축적된 고주파 단속전류단속전류(IRF2-q) 의 에너지는 시각 t4로부터 t5의 사이에서 방출되어 제1다이오드(D1)를 지나 고주파 단속전류(IRF2-d)가 흐른다.
이와 같이, 제2스위치(Q2)에 흐르는 고주파 단속전류(IRF1-q), 제3위치(Q3)에 흐르는 고주파 단속전류(IRF2-q)와 고주파 에너지를 축적/방출하는 병렬공진부(PRC) 및 공진 작용을 돕는 프리호일 다이오드기능을 갖는 제1, 제2다이오드(D1, D2)에 의해 고주파 스위칭전류(IRF)가 원활히 여진되어 무전극 방전램프의 여기 코일(LDcoil)을 높은 효율로 구동시킬 수 있다. 즉, 제2스위치(Q2)가 온되어 고주파 단속전류(IRF1-q)가 제2스위치(Q2)에 흐르는 주기는 Ta이고, 제3스위치(Q3)가 온되어 고주파 단속전류(IRF2-q)가 제3스위치(Q3)에 흐르는 주기는 Tb이므로, 제1, 제2스위치(Q2, Q3)가 온되어 전류가 흐른 시간은 Ta+Tb가 된다. 따라서 고주파 스위칭전류(IRF)의 전주기 Tp에 대해서, 제1, 제2스위치(Q2, Q3)의 도통시간 Ta+Tb의 비율, 즉 고주파 스위칭의 펄스 듀티(PD)는 (Ta+Tb)/Tp이므로 고주파 스위칭의 펄스 듀티(PD)는 매우 작은 값을 가지게 되며, 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율(η= 1/PD)은 큰 폭으로 향상된다.
또한 고주파 에너지를 축적/방출하는 병렬공진부(PRC)의 공진 작용을 돕는 프리호일 다이오드인 제1, 제2다이오드(D1,D2)에 의해 고주파 스위칭전류(IRF)가 원활히 흘러 도3에 도시된 바와 같이 고주파 스위칭전류(IRF) 파형은 정현파에 가까워 져서 파형 왜곡인 고조파가 대부분 없어지며, 이로 인해 고주파 노이즈를 현저하게 감소시킬 수 있고, 무전극 방전램프 전원장치의 EMC성능을 큰폭으로 향상시킬 수 있다.
전압/위상 제어부(40)는 입력된 분압고주파전압(Vn)을 수신하여 위상제어코일(Lx), 위상제어콘덴서(Cx) 및 위상제어저항(Rx)에 의한 위상제어임피던스(Zx)는 Rx+j(ωLx ― 1/ωCx)(단 ω=2πfp)이고, 고주파 제어전압(VT)은 Vn×(jωLx/Zx)이므로, 위상제어코일(Lx)의 유도계수, 위상제어콘덴서(Cx)의 캐패시터값 및 위상제어저항(Rx)의 저항값을 조정하여 전압/위상 제어부(40)는 최적의 위상과 진폭을 갖는 고주파 제어전압(VT)을 출력한다. 그 결과, 고주파 제어전압(VT)으로부터 최적의 위상과 펄스폭을 갖는 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스위치제어신호(GSRF3)이 발생되어 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율(η)을 향상시킬 수 있다.
고주파 트랜스(TR)는 여기코일(LDcoil), 즉 병렬공진부(PRC)에 대해서 병렬로 연결되어 있어, 분압고주파전압(Vn)을 높은 임피던스로 2차측 코일(PT2,PT3)에 유기하여 제1스위치제어신호(GSRF2)와 제2스위치제어신호(GSRF3)가 발생되므로 고주파 트랜스(TR)의 1차측코일(PT1,Lx)에 흐르는 고주파 스위칭전류(IRF)의 분류치(分流値)는 상당히 작아져서 자계의 포화가 발생되지 않기 때문에 여기코일(LDcoil)에 직렬로 접속되고 대전류가 흐르는 종래의 고주파 트랜스에 비교하여 코일(PT1,PT2,PT3) 및 코일을 감는 코어를 작게 할 수 있다.
따라서 본 발명은 직렬로 접속되고 대전류가 흐르는 종래의 고주파 트랜스에 의한 고주파 전력의 손실 및 고주파 트랜스의 발열 발생을 방지할 수 있어 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율을 향상시킬 수 있고, 소형 및 저가의 전원 장치를 제공할 수 있다.
도 4는 교류전원측에 전파, 유도되는 고주파 노이즈를 제거하기 위한 고주파 노이즈 제거부(NRC)의 구성도로 이의 동작은 다음과 같다.
교류전원(CMP)과 전파정류부(DB) 사이에 π형의 로우패스필터(Low Pass Filter)(πLPF)를 접속하고, 전파정류부(DB)의 접지단자(GT)를 대전류의 접지 전류를 흐르게 해주는 파워그라운드(PG)에 직접 접속하고, 파워그라운드(PG)와 무전극 방전램프의 전원장치로부터 방사된 고주파 노이즈를 차폐하는 쉴드에 접속된 샤시그라운드(CG) 사이에 저항(RE)과 콘덴서(CE)가 직렬로 연결된 접지필터(GFC)를 구비하여 쉴드(혹은 샤시)에 대전류의 고주파 접지 전류가 돌아 들어오는 것을 방지하여 고주파 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
고주파 노이즈의 전파를 저지하는 π형 로우패스필터(πLPF)의 구성과 동작은 다음과 같다.
π형 로우패스필터(πLPF)는 교류전원(CMP)과 전파정류부(DB)의 사이에 직렬로 접속된 2단의 커먼모드 초크코일들(CMCA,CMCB) 사이에 2개의 직렬로 접속된 콘덴서들(CB1, CB2)로 구성된 Y자 접속캐패시턴스(YC)와 커먼모드 초크코일들(CMC A, CMCB) 양외측에 각각 접속된 두개의 콘덴서들(CA,CD)로 구성된다. 커먼모드 초크코일(CM CA, CMCB)은 마주보는 각 코일에 대전류의 교류전류가 흐르고 거기에 동위상의 고주파 노이즈 전류가 중첩되어 있을 때, 동위상의 고주파 노이즈 전류가 발생하는 서로의 자계가 상쇄되도록 하여, 그 통과를 높은 여과능력으로 저지하는 노이즈 제거 코일이다. 2개의 직렬로 접속된 콘덴서들(CB1, CB2)과 접지선을 Y형태로 접속한 Y자 접속캐패시턴스(YC)의 바이패스 콘덴서들(CB1, CB2)은 그 접지선에 서로 역상이 되는 고주파 노이즈가 흘러 고주파 노이즈를 상쇄시키므로 접지선으로부터 고주파 노이즈가 유도·방사되는 것을 방지할 수 있는 고주파 노이즈 제거 효과가 큰 바이패스 콘덴서이다.
이와 같이, 교류전원(CMP)과 전파정류부(DB)의 사이에 위치한 고주파 노이즈 제거 효과가 탁월한 2단으로 접속된 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB )과 커먼모드 초크코일들(CMCA, CMCB) 사이에 고주파 노이즈 제거 효과의 높은 바이패스 콘덴서들(CB1, CB2)로 이루어진 Y자 접속캐패시턴스(YC)로 구성된 π형 로우패스필터(πLPF)는 상당히 높은 고주파 노이즈 제거 성능을 얻을 수 있으며, 그 결과 교류전원선으로부터 고주파 노이즈가 유도 혹은 방사되는 것을 완전히 방지할 수 있다.
도 5는 위상제어전압 안정화부의 구성도이고, 도 6은 도 5의 신호파형도이다.
도 5 및 도 6에 따라 승압전압(VB)에 대한 전압 안정화 제어와 전류/전압의 위상 제어에 대한 동작은 다음과 같다.
정류전압(Vd)에 직렬로 연결된 저항들(R1, R2)로 분압한 분압정류전압(Vpha)은 위상제어전압 안정화부(VRphase)로 입력되어 최초로 충방전의 완화시간을 다르게 해주는 적분기(10)에 의해 적분되어 충전 즉 상승의 파형이, 방전 즉 하강의 파형보다 신속하고 매끄럽게 변화하는 적분 파형으로 변환된다. 즉, 적분기(10)에 의해 충전시에 분압정류전압(Vpha)은 다이오드(D11)를 통해 재빠르게 콘덴서(C12)로 충전되므로 충전완화시간(τc)은 작아지고, 방전시에 콘덴서(C12)에 충전된 전압은 저항(R11)을 통해 천천히 방전되기 때문에 방전완화시간(τd)은 충전완화시간(τc)에 비해 상당히 길어지게 된다. 이와 같이 적분기(10)에 의해 충방전의 완화시간을 다르게 함으로써, 무전극 방전램프의 점등 개시시에 승압전압(VB)을 급격히 상승시켜 줄 수 있어 무전극 방전램프의 방전 개시 반응을 일으키는 임계전압을 순간적으로 넘어가도록 하여 무전극 방전램프의 점등이 불안정하게 되어 휘도가 변동해 조명이 점멸하거나 또는 방전 개시시에 발생하는 돌입전류(Inrush Current)가 발생되는 것을 방지하여 전자 유도 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한 콘덴서(C12)의 용량을 콘덴서(C11)의 용량 보다 50배에서 150배 정도, 바람직하게는 100배 정도의 큰 값을 갖도록 선택하면 최적의 충방전 완화시간을 얻을 수 있다.
OP앰프를 사용하여 구성된 감산부(11)는 승압전압(VB)을 직렬로 연결된 두개의 저항들(R3, R4)에 의해 분압한 분압승압전압(Vf)과 적분기(10)에 의해 적분된 분압정류전압(Vpha)을 수신하여 분압승압전압(Vf)에서 분압정류전압(Vpha)을 차분한 차분전압(Vm)을 출력한다.
제1비교기(12)는 펄스폭변조신호(PWM)에 따라 온 또는 오프되는 제1스위치(Q1)와 제1스위치(Q1)의 소스단과 그라운드 사이에 연결된 저항(Rs)에 의해 제1스위치(Q1)가 온될 때 저항(Rs)에 흐르는 단속접지전류(Is)에 의해 저항(Rs)에 발생된 전압인 단속전류모니터전압(Isen)과 차분전압(Vm)을 비교하여 전압제어펄스신호(Vp)를 출력한다. 즉, 제1비교기(12)는 차분전압(Vm)이 단속전류모니터전압(Isen) 보다 크면 하이논리값을 갖는 활성화된 전압제어펄스신호(Vp)를 출력하고, 차분전압(Vm)이 단속전류모니터전압(Isen) 과 같거나 작으면 로우논리값을 갖는 비활성화된 전압제어펄스신호(Vp)를 출력한다. 단속전류모니터전압(Isen)은 단속접지전류(Is)를 승압코일(XL)의 1차측 유도계수(Lp)와 저항(Rs)으로 적분한 것이기 때문에 삼각파의 신호 파형을 가지게 된다.
제2비교기(13)는 승압코일(XL)에 흐르는 승압전류를 정류한 정류전류(IBr)를 승압코일(XL)의 2차측 코일(Ls)로 모니터한 정류전류모니터전압(Idet)을 2차측 코일(Ls)과 입력저항(Ri)에 의해 적분되어 전압의 크기가 크게 변화하는 포락선전압(Idet-En)과 사용자에 의해 정의된 기준전압(Vref)을 수신하여 포락선전압(Idet-En)과 기준전압(Vref)을 비교하여 위상제어펄스신호(Vq)를 출력한다. 즉, 제2비교기(13)는 기준전압(Vref)이 포락선전압(Idet-En) 보다 크면 하이논리값을 갖는 활성화된 위상제어펄스신호(Vq)를 출력하고, 그 반대의 경우 로우논리값을 갖는 비활성화된 위상제어펄스신호(Vq)를 출력한다.
앤드게이트(AND Gate)로 구성된 논리곱부(14)는 전압제어펄스신호(Vp)와 위상제어펄스신호(Vq)를 수신하여 이들 신호를 논리곱하여 제1스위치(Q1)를 온 또는 오프시키는 펄스폭변조신호(PWM)를 출력한다.
상기와 같이 위상제어전압 안정화부(VRphase)는 펄스폭변조신호(PWM)에 의해 승압전압(VB)을 일정한 전압값을 갖도록 함과 동시에 정류전류(IBr)와 정류전압(Vd)과의 위상차이를 제로에 가까워지도록 제어한다. 도 5의 위상제어전압 안정화부(VRphase)는 클럭 신호를 사용하지 않는 회로로 구성되어 있으나, 클럭 신호를 사용하여 동일한 기능을 갖는 위상제어전압 안정화부를 구현할 수 있으며, 펄스폭변조(Pulse Width Modulation) 제어를 위한 적절한 커스텀 IC 혹은 중앙처리장치(Central Processor Unit) 등의 마이크로컴퓨터를 사용하여 동일한 기능을 갖는 위상제어전압 안정화부를 구현할 수 있다.
따라서 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 상용 전원인 교류전원(CMP)의 전압이 여러 가지 요인에 의해 변동되더라도 또는 무전극 방전램프의 방전 현상의 변화에 의해 무전극 방전램프의 내부 임피던스, 즉 여기코일(LDcoil)의 등가 임피던스인 Lo, Co, 및 병렬저항 등이 변화되더라도 항상 안정된 값을 갖는 승압전압(VB)을 발생시켜 정격전력에 적합한 안정된 고주파 구동 전원인 고주파 스위칭전류(IRF)를 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 밝기가 안정된 고휘도의 조명을 달성할 수 있으며, 승압전압(VB)에 있어서의 정류전압(Vd)과 정류전류(IBr)의 위상을 일치시켜 그 역률을 1에 가깝도록 하여 고주파 구동 전원의 유효 전력을 최대가 되도록 제어함으로써 고휘도의 그리고 에너지 절약의 조명 장치를 실현시킬 수 있다.
또한 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 승압전압(VB)에 있어서의 정류전압(Vd)과 정류전류(IBr)의 위상이 일치해 그 역률이 1이 되므로 정류전류(IBr)에 고조파가 발생되는 것을 방지할 수 있어 고주파 전자 유도 노이즈의 발생을 큰 폭으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 고주파 전류여진부(30)에 의해 제2, 제3스위치들(Q2, Q3)에 흐르는 고주파 스위칭전류(IRF)를 줄일 수 있어 고주파 스위칭부(B)의 전원 효율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 무전극 방전램프 전원장치의 전원 효율을 향상시켜 전력 절약을 실현할 수 있고, 고주파 전류여진부(30)에 의해 파형 왜곡이 적은 정현파에 가까운 고주파 스위칭전류(IRF)를 발생시켜 고조파 왜곡에 의해 발생되는 고주파 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한 전압/위상 제어부(40)에 의해 고주파 스위칭부(B)를 자려발진 회로로 구성할 수가 있어 회로 구성을 간단하게 할 수 있으며, 2개의 스위치 제어신호를 발생하는 고주파 트랜스를 소형으로 할 수 있다.
또한 커먼모드 초크 코일(CMCA, CMCB)과 Y자 접속캐패시턴스(YC)로 구성된 π형 로우패스필터(πLPF)에 의해 교류전원선에 발생하는 고주파 노이즈를 제거 할 수 있으며, 접지필터(GFC)를 파워그라운드(PG)와 샤시그라운드(CG)의 사이에 접속하여 쉴드에 대전류의 고주파 접지 전류가 되돌아와서 생기는 고주파 노이즈의 발 생을 방지할 수 있다.
또한 고주파 스위칭전류(IRF)는 2MHz에서 3MHz의 주파수를 가지도록 하여 무전극 방전램프의 방전 효율, 즉 발광 휘도를 향상시킬 수 있고, 고주파코일(Lr)과 여기코일(LDcoil)과 고주파 트랜스(TR)의 코일과 고주파 접지콘덴서(Ce)의 회로 구성을 작게 할 수가 있어 무전극 방전램프의 전원장치를 소형, 저가화 할 수 있다.
또한 본 발명의 무전극 방전램프의 전원장치는 위상제어전압 안정화부(VRphase)에 의해 교류전원의 전압이 변동되거나 무전극 방전램프의 내부 임피던스가 변화되더라도 항상 안정된 값을 갖는 승압전압을 발생시켜 정격전력에 적합한 안정된 고주파 구동 전원인 고주파 스위칭전류를 얻을 수 있고, 정류전압과 정류전류의 위상을 일치시켜 그 역률을 1에 가깝도록 하여 고주파 구동 전원의 유효 전력을 최대가 되도록 제어함으로써 고휘도를 가지며, 에너지를 절약할 수 있으며, 정류전류에 고조파가 발생되는 것을 방지할 수 있어 고주파 전자 유도 노이즈의 발생을 큰 폭으로 감소시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 여기코일에 고주파 스위칭전류를 공급하여 상기 여기코일의 전자 유도 작용에 의해 무전극 방전램프를 여기시키는 무전극 방전램프의 전원장치에 있어서,
    교류전원을 정류한 정류전압을 단속하여 그라운드로 단속접지전류를 발생시켜 승압코일에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압을 출력시키는 승압수단;
    상기 승압전압과 그라운드 단자 간에 직렬로 접속된 두개의 스위칭수단들을 두개의 스위치 제어신호들에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류를 출력시키며, 상기 고주파 스위칭전류를 상기 여기코일에 공급하는 고주파 스위칭수단; 및
    상기 고주파 스위칭전류에 의해 발생된 고주파전압을 수신하여 수신된 고주파전압을 전자 유도 작용에 의해 서로 역극성이 되는 두개의 유도전압을 유기하고, 두개의 유기된 유도전압으로부터 각각의 스위치 제어신호를 출력하는 전압/위상 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 승압수단은
    교류전원을 수신하여 상기 교류전원을 전파 정류하여 정류전압을 출력하는 전파정류수단;
    펄스폭변조신호에 따라 온 또는 오프되어 상기 정류전압을 그라운드로 흐르게 하여 상기 정류전압에서 그라운드로 흐르는 단속접지전류를 단속하는 제1스위칭 수단;
    일단이 상기 정류전압에 연결되고, 타단이 상기 제1스위칭수단에 연결되어 상기 제1스위칭수단의 온 또는 오프에 의한 상기 단속접지전류의 단속에 따라 전자 유도 작용에 의해 기전압을 발생하는 승압코일;
    상기 기전압을 전압 정류하는 정류다이오드;
    상기 정류다이오드의 출력전압을 평활화하여 승압전압을 출력하는 캐패시터; 및
    상기 승압전압을 분압한 분압승압전압과 상기 단속접지전류를 모니터한 단속전류모니터전압과의 전압차이 및 상기 정류전압과 상기 승압코일에 흐르는 정류전류와의 위상차이에 대응하여 가변되는 펄스듀티를 가지는 펄스폭변조신호를 출력하여 상기 승압전압을 일정한 전압값을 갖도록 유지하고, 상기 정류전류의 위상을 정류전압의 위상에 접근시키는 위상제어전압 안정화수단을 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고주파 스위칭수단은
    상기 승압전압과 그라운드 사이에 직렬로 접속되며, 각각 다른 시간에 도통되어 상기 승압전압을 단속하여 상기 고주파 스위칭전류를 발생하는 제2, 제3스위칭수단;
    상기 제2스위칭수단에 병렬로 접속되며, 상기 제3스위칭수단이 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류를 흘려주는 제1다이오드;
    상기 제3스위칭수단에 병렬로 접속되며, 상기 제2스위칭수단이 도통 상태로부터 차단 상태로 바뀌면 고주파 스위칭전류를 흘려주는 제2다이오드; 및
    상기 제1다이오드와 제2다이오드와의 접속점 및 상기 여기코일 사이에 접속되어 전자 유도 작용에 따라 고주파 스위칭전류에 의해 발생되는 에너지를 축적 또는 방출하여 고주파 전류를 여진하는 고주파코일을 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전압/위상 제어수단은
    1차측 코일인 위상제어코일에 유도결합하여 상기 두개의 스위칭수단들을 각각 온 또는 오프시키는 제1스위치 제어신호를 발생하는 2차측 제1코일과 제2스위치 제어신호를 발생하는 2차측 제2코일을 구비한 고주파 트랜스수단; 및
    상기 고주파 트랜스수단의 1차측 코일에 직렬로 접속 된 위상제어저항과 위상제어콘덴서를 구비하여 상기 두개의 스위칭수단들의 도통 시간 및 도통 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 무전극 방전램프의 전원장치는
    상기 교류전원과 전파정류수단 사이에 직렬로 접속되어 상기 교류전원의 두개의 교류 전원선에 각각 전파되는 동상의 고주파 노이즈를 제거하는 두개의 커먼모드 초크코일들;
    상기 두개의 커먼모드 초크코일들 사이에 위치하며, 상기 두개의 커먼모드 초크코일들과 그라운드 간에 직렬로 접속되어 교류 전원선에 중첩한 고주파 노이즈를 접지하는 두개의 콘덴서를 구비한 Y자 접속캐패시턴스; 및
    상기 Y자 접속캐패시턴스가 접속되어있지 않은 상기 두개의 커먼모드 초크코일들의 양외측 단자간에 각각 접속되어 고주파 노이즈를 흡수하는 두개의 콘덴서들을 더 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  6. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 무전극 방전램프의 전원장치는
    상기 전파정류수단의 접지단자를 상기 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드에 직접 접속하고, 상기 파워그라운드와 상기 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐하는 샤시그라운드 사이에 직렬로 연결된 저항 및 콘덴서로 구성된 접지필터를 더 구비하여 고주파 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 고주파 스위칭전류는 2MHz에서 3MHz의 범위의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 위상제어전압 안정화수단은
    상기 승압전압을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압승압전압과 상기 정류전압을 저항값의 크기에 따라 분압한 분압정류전압을 수신하여 상기 분압승압전압에서 상기 분압정류전압을 감산하여 차분전압을 출력하는 감산수단;
    상기 단속접지전류를 모니터한 단속전류모니터전압과 상기 차분전압을 수신하여 상기 차분전압과 단속전류모니터전압을 비교하여 상기 차분전압이 상기 단속전류모니터전압 보다 크면 활성화되는 전압제어펄스신호를 출력하는 제1비교수단;
    상기 승압코일에 흐르는 정류전류를 모니터한 정류전류모니터전압과 기준전압을 수신하여 상기 기준전압과 정류전류모니터전압을 비교하여 상기 기준전압이 상기 정류전류모니터전압 보다 크면 활성화되는 위상제어펄스신호를 출력하는 제2비교수단; 및
    상기 전압제어펄스신호와 위상제어펄스신호를 수신하여 수신된 상기 전압제어펄스신호와 위상제어펄스신호를 논리곱하여 상기 단속접지전류를 단속하는 펄스폭변조신호를 출력하는 논리곱수단을 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
  9. 여기코일에 고주파 스위칭전류를 공급하여 상기 여기코일의 전자 유도 작용에 의해 무전극 방전램프를 여기시키는 무전극 방전램프의 전원장치에 있어서,
    교류전원을 정류한 정류전압을 단속하여 그라운드로 단속접지전류를 발생시켜 승압코일에 의한 전자 유도 작용에 의해 승압전압을 출력시키는 승압수단;
    상기 승압전압과 그라운드 간에 직렬로 접속된 두개의 스위칭수단들을 두개의 스위치 제어신호들에 따라 교대로 온 또는 오프시켜 고주파 스위칭전류를 출력시키며, 상기 고주파 스위칭전류를 상기 여기코일에 공급하는 고주파 스위칭수단;
    상기 교류전원과 전파정류수단 사이에 직렬로 접속되어 상기 교류전원의 두 개의 교류 전원선에 각각 전파되는 동상의 고주파 노이즈를 제거하는 두개의 커먼모드 초크코일들과, 상기 두개의 커먼모드 초크코일들 사이에 위치하며, 상기 두개의 커먼모드 초크코일들과 그라운드 단자 사이에 직렬로 접속되어 교류 전원선에 중첩한 고주파 노이즈를 접지하는 두개의 콘덴서를 구비한 Y자 접속캐패시턴스와, 상기 Y자 접속캐패시턴스가 접속되어있지 않은 상기 두개의 커먼모드 초크코일들의 양외측 단자간에 각각 접속되어 고주파 노이즈를 흡수하는 두개의 콘덴서들로 구성된 π형 로우패스필터; 및
    상기 전파정류수단의 접지단자를 상기 무전극 방전램프의 전원장치에 흐르는 파워 전류를 흡수하는 파워그라운드에 직접 접속하고, 상기 파워그라운드와 상기 무전극 방전램프의 전원장치를 전자차폐하는 샤시그라운드 사이에 직렬로 연결된 저항 및 콘덴서로 구성되어 고주파 노이즈를 제거하는 접지필터를 구비한 것을 특징으로 하는 무전극 방전램프의 전원장치.
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