KR100861676B1 - 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기 - Google Patents

메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역률개선회로를 사용하고 별도의 이그나이터(igniter) 회로 대신 발진기(oscillator)를 사용하며 회로를 제어하는 제어기가 구비된 전자회로로써, 고주파 전자식 안정기에 의해 구동될 때 메탈 할라이드 램프가 가지는 방전관 내의 공명 현상을 없애고, 안정기의 부피를 경량화하며, 입력 역률을 향상시키고, 램프가 구동된 정상상태 및 램프가 구동되지 않은 상태의 자체 전력소비를 크게 줄이며, 입력 전압변동에 관계없이 항상 일정한 출력을 낼 수 있는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 입력전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부에 연결되어 입력된 직류전압을 일정하게 유지시키는 정전압부; 상기 정전압부에 연결되어 정전류를 발생시키는 정전류부; 상기 정전류부에 연결되어 정전류를 교류전원으로 변환시키는 DC/AC변환부; 상기 DC/AC변환부에서 변환된 교류전압을 이용하여 램프에 출력하는 출력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기를 제공한다.
Figure R1020070057353
메탈 할라이드, 안정기, 전자식 안정기, 고압 나트륨 램프

Description

메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기 {Electronic Ballast for Metal Halide Lamp}
도 1은 종래 기술에 따른 메탈 할라이드 램프용 자기식 안정기의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기의 회로 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기의 상세 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 제1제어부의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 제2제어부의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 전자식 안정기에서 램프에 공급되는 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에서 사용되는 Flip-Flop 전압을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10 : 입력필터부 20 : 정류부
30 : 필터 400 : 역률개선 및 정전압부
500 : 제어부Ⅰ 600 : 정전류부
700 : 제어부Ⅱ 800 : DC/AC 변환부
900 : 출력부 1000 : 램프
본 발명은 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역률개선회로를 사용하고 별도의 이그나이터(igniter) 회로 대신 발진기(oscillator)를 사용하며 회로를 제어하는 제어기가 구비된 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 관한 것이다.
일반적으로 메탈 할라이드 램프는 고압 방전등(HID : High Intensity Discharge Lamp)의 한 종류로서, 연색성 및 광변환 효율이 양호하므로 현재 소디움램프의 대체기종으로는 물론 소형 출력용으로 쇼윈도우, 실내조명으로서의 널리 이용되고 있으며, 또한 특별한 목적으로 고기를 모으는 집어등용으로도 많이 이용되어 그 적용분야가 넓어지고 있는 램프이다.
그러나 이러한 고압 방전등 램프의 경우, 필라멘트가 없이 기체 중의 플라즈마 현상을 이용하기 때문에 전류의 흐름이 매우 불안하여, 이러한 전류의 흐름을 안정시킬 수 있는 안정기는 반드시 필요한 구성요소이다.
상기 메탈 할라이드 램프용 안정기는 크게 자기식 안정기와 전자식 안정기로 나뉘어지는데, 자기식 안정기의 작동 원리를 도1에 도시된 바와 같이 종래 기술로 설명한다.
메탈 할라이드 램프용 자기식 안정기는 교류(AC)입력으로부터 역률 개선을 위한 커패시터(1)와 램프를 기동(ignition)시키기 위한 이그나이터(2)와 램프(3)로 구성되어 있다.
여기서, 상기 이그나이터(2)는 고압펄스를 발생하여 입력전압의 피크치에 중첩시킴으로써 얻은 고압을 초기 전원 인가 시 램프에 인가한다. 상기 이그나이터(2)로부터 인가된 고압펄스에 의하여 램프(3)의 아크튜브(arc tube) 내의 전극간 임피던스가 짧은 시간에 낮아지게 되고, 결국 램프 점등전류가 흐르게 되면서 램프(3)는 점등되며, 이때 이그나이터(2)는 동작을 멈추게 된다.
이러한 종래의 메탈 할라이드 램프용 자기식 안정기는 램프 자체의 비선형 특성으로 인하여 과도한 전류가 램프로 흐르는 것을 방지하기 위한 장치이므로, 램프(3)의 초기 구동 시에는 인덕터 및 이그나이터(2)를 사용하여 고전압펄스로 램프를 구동하고 램프에 흐르는 과전류를 제한하는 기능을 한다.
그러나 상기 메탈 할라이드 램프용 자기식 안정기는 첫째 입력 전원의 변동에 따라 램프(3)로부터의 광 출력이 그대로 변동하는 특성이 있어, 입력전압이 낮으면 램프(3)의 전력이 낮아 램프(3)의 조도가 낮고, 반대로 입력전압이 높으면 램프(3)의 조도가 높아져 램프의 광품질 저하 및 램프수명 단축 문제가 있다.
둘째 전류를 제한하기 위해서 인덕터를 사용하므로 입력 역률이 낮아, 전원에서 공급해야 하는 전력이 크게 되어 전체 효율이 낮아지는 단점이 있다.
셋째 램프의 수명이 다하여 작동되지 않는 램프에도 이그나이터(2)에서는 연속적으로 고압펄스를 발생하므로 에너지 손실이 크다.
넷째 안정기의 인덕터 및 이그나이터부(2)에 의해서 안정기의 부피가 크고 무겁다.
다섯째 안정기의 초크 코일과 철심 코어에 의해 생기는 전자력의 진동에 의한 소음(Ballast Hum)이 발생하며, 60Hz의 상용 전원으로 점등시키므로 깜박임(Fickening)이 생기는 문제들이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고주파 전자식 안정기에 의해 구동될 때 메탈 할라이드 램프가 가지는 방전관 내의 공명 현상을 없애고, 안정기의 부피를 경량화 화며, 입력 역률을 향상시키고, 램프가 구동된 정상상태 및 램프가 구동되지 않은 상태의 자체 전력소비를 크게 줄이며, 입력 전압변동에 관계없이 항상 일정한 출력을 낼 수 있는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 램프의 수명이 다하여 아크튜브(arc tube)의 임피던스 증가로 램프가 연결되는 안정기의 2차측에 과전압이 발생하면 안정기가 구동되지 않으며, 안정기 2차측에 회로단락(short circuit)이 발생해도 안정기 회로를 보호할 수 있는 기능을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기는,
입력전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부에 연결되어 입력된 직류전압을 일정하게 유지시키는 정전압부; 상기 정전압부에 연결되어 정전류를 발생시키는 정전류부; 상기 정전류부에 연결되어 정전류를 교류전원으로 변환시키는 DC/AC변환부; 상기 DC/AC변환부에서 변환된 교류전압을 이용하여 램프에 출력하는 출력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기는 입력전압과 정류부 사이에 연결되는 입력필터부를 포함하여, 전자회로에서 발생하는 노이즈가 인가되는 전압에 유입되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기는 정류부와 정전압부 사이에 연결되는 필터를 포함하여, 정전압부에서 발생하는 고주파를 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정전압부는 역률을 개선할 수 있는 역률개선회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기는 상기 정전압부에 연결되어 기동시 제어회로에 전원을 공급하고 제어하는 제1 제어부와, 상기 정전류부와 DC/AC 변환부에 연결되어 이를 제어하는 제2 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정전류부는 벅 컨버터형 전류원 컨버터를 이용하여 정전류를 발생시킴으로써, 안정기의 2차에 회로단락(short circuit)이 일어나도 안정기의 전자 회로를 보호할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출력부는 커패시터 및 인덕터로 이루어진 공진 회로로 구성되어, 공진 특성을 이용하여 스위칭 손실을 최소화할 수 있고, 상기 공진 회로를 전류형인버터로 제어하여 과전류 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 제어부는 정전류부의 출력 측 전압을 측정하여, 램프의 고장 또는 램프의 열화에 의해 발생할 수 있는 과전압을 방지하기 위한 정전압 제어기능을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 제어부와 제2 제어부는 정전압부와 정전류부를 제어적으로 분리하여 상호간섭이 없도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기의 상세 회로도이다.
상기 입력필터부(10)는 EMI 필터로 구성되어 있으며, 단상 입력 전원과 정류부(20) 사이에 삽입되어 안정기의 전자회로에서 발생하는 노이즈가 전원으로 유입되는 것을 방지한다.
상기 정류부(20)는 브리지 다이오드(bridge-diode)로 구성되어 있으며, 상기 입력필터부(10)를 통과한 입력 전압을 정류하여 직류 전압으로 변환한다.
상기 필터(30)는 상기 정류부(20) 및 인덕터(L31)와 커패시터(C35) 및 인덕터(L33)을 연결하여, 정전압부(400)에서 발생하는 고주파 노이즈를 필터링한다.
상기 정전압부(400)는 반도체 스위치(Q1)를 직렬로 연결한 후 그 사이에 역전류 방지용 다이오드(D41)와 에너지 저장용 전해 커패시터(C43)를 직렬로 연결하고, 전압 감지저항(R45와 R47)을 포함하여 구성되어, 역률을 개선하는 기능을 발휘한다.
상기 정전압부(400)에 연결된 제1 제어부(500)에서는 전압 감지저항(R45와 R47)에서 출력된 전압 시그널을 받아서 직류 전압이 일정하게 유지되도록 제어한다. 따라서 정전압부(400)에서 얻어진 전압은 입력 교류전원의 일정변동 범위 내에서 일정하다.
이때 제어회로의 소비전력을 최소화하기 위하여, 기동시 요구되는 제어전원은 정류된 직류전원으로부터 저항과 에너지 저장용 커패시터를 직렬로 연결하여 구성하거나, 인덕터 L31 또는 L33에 보조권선을 이용하여 얻을 수 있다. 또는 반도체 스위치의 보호회로인 스너버 회로를 이용하여 스위칭 시 발생할 수 있는 손실의 일부를 에너지로 회생시켜 사용할 수도 있다.
또한 상기의 스위칭 시 발생하는 손실의 일부는 직류 전원으로 회생시켜 재사용 가능하며, 이러한 방법으로 안정기의 효율을 높일 수 있다.
상기 정전류부(600)에서는 정전압부(400)에서 발생되는 직류 전압을 이용하여 정전류를 생성한다. 이때, 발생 되는 전압은 램프에서 요구되는 전압보다 필요 이상으로 높으므로, 전압을 낮추는 벅 컨버터(Buck Converter)를 사용하여 회로를 보호한다.
상기 제2 제어부(700)에서는 정전류부(600) 다음 단에서 발생할 수 있는 회로 단락(short circuit)으로부터 회로를 보호하기 위해 정전류를 제어하며, 정전류부(600)의 출력 측 전압을 측정하여 과전압을 방지할 수 있는 정전압 제어기능을 가진다.
상기 DC/AC 변환부(800)는 정전류부(600)에서 만들어진 정전류를 풀-브리지 컨버터(Full-bridge Converter)를 이용하여 방전 램프에서 요구되는 교류로 바꾸어준다.
상기 출력부(900)는 DC/AC 변환부(800)에 연결되어 램프(1000)로 출력한다. 이때 출력부(900)는 발진기(oscillator) 역할을 하는 공진회로이며, 인덕터(L91)와 커패시터(C93)로 구성된다.
이때 상기 출력부(900)는 메탈 할라이드 램프의 고 임피던스(High Impedance)상태, 즉 이그니션(ignition)모드의 경우 고전압 펄스를 발생시켜 램프가 켜지게 하고, 저 임피던스(Low Impedance)상태, 즉 정상 상태의 경우에는 저전압을 램프에 공급하여 안정기 역할을 하게 된다.
또한 상기 공진 회로에는 전류형 인버터를 사용하여 전류가 급격히 증가하는 과전류 발생을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 제어부는 역률개선회로(PFC)IC를 이용하며, 정류부(20)출력단위 요구전압을 IC의 기준전압단자(Ref)에 설정하고 정류부(20)의 실측전압을 Vin단자에 연결한다. 이 IC의 출력단자(Vout)는 정전압부(400)의 주 스 위치(Q)를 제어한다. 여기서 GND 및 NC 는 각각 접지단자와 사용하지 않는 단자를 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 제어부는 오실레이터 IC (OSC IC)를 이용하여 스테이지 2(600)에서 요구되는 전압을 R61에서 감지하여 Vin단자에 연결하고 요구되는 전압을 Ref단자에 설정하고 Vout단자에서 스테이지 2(600)에 요구되는 전압을 제어한다. 또한 동일 IC의 HO 와 LO단자에는 도 7과 같은 Flip-Flop 전압을 출력토록 하여 각각 Q3 와 Q6및 Q4와 Q5를 정주파수(120Hz)로 제어토록 한다. 여기서 Q3,Q4,Q5,Q6을 제어하는 드라이버는 상용화되어있는 반도체 스위치를 구동하는 IC를 사용한다.
상기와 같은 제2 제어부는 처음 이그니션 펄스신호에서 정상동작 되지 않을시는 1분 간격으로 이그니션 펄스신호를 발생시키고, 이를 15회(15분)동안 반복하며, 램프가 정상동작 되지 않을 때는 램프고장 및 출력측 이상으로 판단하여 더 이상 펄스신호를 발생시키지 않고 대기모드 상태를 유지하도록 프로그램된다.
또한, 이후 사용자가 입력전압을 off 하고 출력측 이상 원인을 제거한 후 입력전압을 다시 투입하면 정상모드가 되면서 시동 이그니션 펄스전압을 발생시키도록 프로그램 된다.
전자식 안정기에서 램프에 공급되는 전압과 전류의 파형은 도 6에 나타나는 바와 같이 이그니션 및 정상상태에서의 파형이 변화하고 있음을 보여주고 있다. To는 정격주파수(120HZ)의 1주기인 1/120 초를 나타낸다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였 으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 의하면,
첫째 정전압부와 제1 제어부를 통해 직류전압을 일정하게 유지시키는 방법으로 입력 변동에 관계없이 안정기 및 램프의 출력을 일정하게 유지할 수 있고, 이에 따라 광품질이 향상되는 효과가 있다.
둘째 정전압부의 역률개선회로를 통해 입력 역률을 상승시켜 전체적인 효율을 증가시킬 수 있다.
셋째 별도의 이그나이터(igniter) 회로를 구성할 필요가 없기 때문에 이그나이터 내부의 인덕터가 필요하지 않으므로 안정기의 무게를 경량화하고 부피를 줄일 수 있다.
넷째 기동시 요구되는 제어 전원을 회로에서 얻음으로써 제어회로의 소비전력을 최소화할 수 있고, 스너버 회로를 이용하여 안정기의 효율을 높일 수 있다.
다섯째, 회로의 공진 특성을 이용하여 스위칭 손실을 최소화 할 수 있고, 공진 회로에 전류형 인버터를 사용하여 과전류 발생을 방지할 수 있다.
여섯째, 자기식의 이그니션 펄스 전압(Ignition pulse voltage, 약 1.5kV ~ 2.0kV)는 초당 60회이었으나, 본 발명의 전자식 안정기는 초당
Figure 112007042499751-pat00001
회가 되므로 램프의 한쪽 관단 또는 양단의 전극 부분이 검게 되는 흑화 현상이 기존의 자기식에 비하여 매우 적다.
일곱째, 안정기의 부하인 램프 측에 고장이 발생하여 안정기 회로가 개방되었을 경우 기존의 자기식 안정기는 1초에 60번의 이그니션 펄스전압을 발생하기 위해 램프가 전원으로부터 2~3 와트의 전력을 소모하게 된다. 또한, 안정기의 회로가 단락되었을 경우에는 자기식 안정기의 주 회로를 구성하고 있는 인덕터에서 약 8와트의 전력을 소모하게 되어있으나, 본 발명에서는 전자회로에서 전자식 안정기의 2차측에 고장이 발생 시 전자식 안정기의 출력 측 전압을 감지하여 제어회로에서 소모되는 0.1 와트 미만의 전력을 소모하게 되므로 램프 고장 시나 출력 측 단락 시에도 손실이 거의 없다.
여덟째, 본 발명의 안정기는 램프 고장시나 출력 단락 등 출력 측 비정상 상태에서는 펄스 신호를 발생시키지 않고 대기모드 상태를 유지하여 제품의 손상을 방지할 수 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 입력전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부에 연결되어 입력된 직류전압을 일정하게 유지시키는 정전압부; 상기 정전압부에 연결되어 정전류를 발생시키는 정전류부; 상기 정전류부에 연결되어 정전류를 교류전원으로 변환시키는 DC/AC변환부; 상기 DC/AC변환부에서 변환된 교류전압을 이용하여 램프에 출력하는 출력부를 포함하여 구성되는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기에 있어서,
    상기 정전압부에 연결되어 기동시 제어회로에 전원을 공급하고 제어하는 제1 제어부와, 상기 정전류부와 DC/AC 변환부에 연결되어 이를 제어하는 제2 제어부를 포함하여 구성되며,
    상기 제2 제어부는 정전류부의 출력 측 전압을 측정하여, 램프의 고장 또는 램프의 열화에 의해 발생할 수 있는 과전압을 방지하기 위한 정전압 제어기능을 가지는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 및 제2 제어부는 정전압부와 정전류부를 제어적으로 분리하여 상호간섭이 없도록 제어하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 제어부는 램프 및 출력 측 정상 여부를 판단하기 위한 시동 이그니션 펄스전압을 일정시간 간격으로 일정의 횟수만큼 발생시키도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 제어부는 1분 간격으로 최대 15회의 시동 이그니션 펄스전압을 발생하고,
    상기 제2 제어부는 램프고장 및 출력 측 이상 판단시 시동 이그니션 펄스전압의 발생을 중지하고 대기모드를 유지하며, 원인이 제거된 후 재점등 시에 정상모드로 작동하도록 된 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프용 전자식 안정기.
  12. 삭제
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