KR101375458B1 - 크세논 램프 점등 장치, 크세논 램프의 점등 방법, 및 의사 태양광 조사 장치 - Google Patents

크세논 램프 점등 장치, 크세논 램프의 점등 방법, 및 의사 태양광 조사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 크세논 램프 점등 장치는 충전 회로와, 상기 충전 회로의 충전 전압을 전원으로 하여 크세논 램프에 전류를 공급하는 전류 제어 회로를 구비하고, 상기 전류 제어 회로가, 램프 점등 시작(lamp ignition) 후의 제1의 기간에는 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하고, 상기 제1의 기간 후의 제2의 기간에는 상기 정상 출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급한다.

Description

크세논 램프 점등 장치, 크세논 램프의 점등 방법, 및 의사 태양광 조사 장치{XENON LAMP DRIVE UNIT, METHOD FOR DRIVING XENON LAMP, AND ARTIFICIAL SOLAR LIGHT IRRADIATION UNIT}
본 발명은 의사 태양광(artificial solar light)을 조사하는 의사 태양광 조사 장치에 사용되는 크세논 램프 점등 장치 및 크세논 램프의 점등 방법에 관한 것이다.
태양전지의 광전 변환 특성 등의 각종 태양 에너지 이용 기기의 성능 측정을 위해, 자연 태양광의 스펙트럼 분포를 재현하는 의사 태양광을 피 조사체에 조사하는 의사 태양광 조사 장치가 알려져 있다. 이런 종류의 의사 태양광 조사 장치에서는, 크세논 램프(이하, "램프"라고 한다)로 이루어지는 광원이 상자 내에 설치되고, 광원으로부터의 광이 광학 필터를 통하여 조사됨으로써 방사면으로부터 의사 태양광이 방사된다.
의사 태양광 조사 장치에서는, 예를 들면, 발광 길이가 1000mm 이상의 램프가 사용되고, 직류의 램프 전류가 통전되고, 그 램프 전류치를 점등 장치에 의해 조정함에 의해 조사면의 조도가 제어된다. 일반적으로는, 점등시의 램프 전류는 수십 암페어(예를 들면 70A), 램프 전압은 수백 볼트(예를 들면 500V) 정도이고, 이 램프 전류/전압이, 1회의 점등 당 수십 mSec부터 수백 mSec에 걸쳐서 통전/인가된다. 이 출력 상태가 정전류 또는 정전력으로 제어되어, 점등 기간 중에 피 조사체의 성능이 측정된다. 예를 들면, 일본국 특허공개공보 제2009-283846호에는 램프 전류가 정전류 제어되는 의사 태양광 조사 장치가 개시되어 있다.
상기한 경우, 램프 전력이 35㎾가 되어, 이하의 문제들을 야기한다. 순간(예를 들면, 100 mSec)동안이지만, 이 전력을 상용 전원으로부터 직접 공급하면, 같은 상용 전원 계통의 주변 기기에 장애를 발생시킨다. 또한, 상용 전원과 조사 장치 사이에 용량이 큰 접점 및 배선이 필요해지는 것이 문제가 된다. 그래서 일반적으로는, 조사 장치 내에 점등 장치를 마련하고, 점등 장치에서 전력을 축적하고, 점등 명령에 응하여 그 축적된 전력을 램프에 공급하는 구성이 채용된다.
그런데, 태양전지 패널 등의 피 조사체에 의사 태양광을 조사할 때에 정확한 태양전지 패널의 특성을 측정하기 위해, 의사 태양광은 점등마다, 항상 같은 정도의 조도로 되는 것이 바람직하다. 그러나, 실제로는 점등을 몇 회나 행하면, 돌연 높은 조도가 나오는 일이 있다. 이것은, 크세논 램프의 램프 전압이 안정되지 않은 것에 기인하고 있다. 도 8에 종래의 점등마다의 램프 전압을 도시한다. 동 도면으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 램프 전압이 다른 것에 비하여 높게 되어 있는 부분이 관측된다. 램프는 정전류로 점등되기 때문에, 램프 전압이 높으면, 그만큼 공급되는 전력도 증가하고, 결과적으로 조도가 높아져 버린다. 의사 태양광의 조도가 측정 중에 변화하면, 태양전지 패널의 특성 측정 정밀도도 나빠지고, 또한 복수의 크세논 램프를 설치하고, 동시에 점등함으로써 광범위를 조사하는 장치에서는, 개별적의 조도에 차가 있는 것으로는, 균일한 광을 얻을 수가 없게 되어 버린다.
그래서, 본 발명은, 상기한 바와 같은 램프의 특성을 고려하여 램프 전류 제어를 행함에 의해, 점등마다의 조도가 안정된 크세논 램프 점등 장치 및 점등 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제1의 측면은, 충전 회로(200) 및 충전 회로의 충전 전압을 전원으로 하여 크세논 램프에 전류를 공급하는 전류 제어 회로(300)를 구비한 크세논 램프 점등 장치이다. 전류 제어 회로는, 램프 점등 시작 후의 제1의 기간에서는 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하고, 제1의 기간 후의 제2의 기간에서는 정상 출력 램프 전류를 정전류 제어하여 크세논 램프에 공급하도록 구성된다.
본 발명의 제2의 측면은, 충전 회로(200)의 충전 전압을 전원으로 하여 크세논 램프에 전류를 공급하는 전류 제어 회로(300)를 구비하는 크세논 램프 점등 장치를 이용한 크세논 램프의 점등 방법이다. 이 점등 방법은, 전류 제어 회로에 의해, 램프 점등 시작 후의 제1의 기간에서, 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하는 스텝, 및 제1의 기간 후의 제2의 기간에서, 정상 출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하는 스텝을 구비한다.
본 발명의 제3의 측면은, 상기 제1의 측면의 크세논 램프 점등 장치, 크세논 램프 점등 장치에 접속되는 크세논 램프, 및 크세논 램프가 내부에 설치되는 몸체를 구비한 의사 태양광 조사 장치이다.
본 발명에 의하면, 램프의 특성을 고려하여 램프 전류 제어를 행함에 의해, 점등마다의 조도가 안정된 크세논 램프 점등 장치 및 점등 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 크세논 램프 점등 장치를 도시하는 도면.
도 2A 및 2B는 종래의 크세논 점등 장치를 이용한 경우의 크세논 램프의 전극 상태를 도시하는 도면.
도 2C는 본 발명의 크세논 램프 점등 장치를 이용한 경우의 전극 상태를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 크세논 램프 점등 장치에 의한 전류 파형을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예의 전류 파형을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 크세논 램프 점등 장치에 의한, 점등마다의 램프 전압치를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 자외선 조사 장치를 도시하는 도면.
도 7은 종래의 크세논 램프 점등 장치에 의한 램프 전류 파형을 도시하는 도면.
도 8은 종래의 크세논 램프 점등 장치에 의한, 점등마다의 램프 전압치를 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 본 발명의 실시예에서 사용하는 크세논 램프 점등 장치를 도시한다. 상기 점등 장치에서는, 정류기(2) 및 평활 커패시터(3)를 포함하는 직류 전원 회로(100)에서 교류 전원(1)이 직류 전압으로 변환되고, 그 직류 전압이 충전 회로(200)에 공급된다. 충전 회로(200)는 트랜지스터(4, 5, 6 및 7)로 이루어지는 인버터를 포함한다. 충전 회로(200)에의 충전 명령에 의해, PWM 제어 회로(8)에 의해 트랜지스터(4, 7) 및 트랜지스터(5, 6)의 도통 시간이 제어되어, 고주파로 교대로 도통된다. 이에 의해 트랜스(9)의 1차 코일에 교류 전압이 발생함과 함께, 트랜스(9)의 2차 코일에 승압비에 응한 전압이 발생한다. 트랜스(9)의 2차 코일에 발생한 전압은 정류기(10)에서 정류되고, 코일(11)에서 평활되어 대용량의 전해 커패시터(충전 커패시터)(13)에 충전된다. 여기서, 전류 검출 저항(12)에서 검출되는 충전 전류에 비례한 전압과 기준 전압(15)이 오차 증폭기(14)에 입력되고, 양자가 동등하게 되도록 PWM 제어 회로(8)에 의해 트랜지스터(4 내지 7)의 도통 시간이 PWM 제어된다. 이에 의해, 대용량의 충전 커패시터(13)는 소정의 전류치로 정전류 충전되어 간다. 충전 커패시터(13)가 램프 전압보다도 충분히 높은 전압(예를 들면, 1000V)으로 충전되면, PWM 제어 회로(8)는 인버터의 동작을 일단 정지(또는 충전 전압을 유지)하고, 스탠바이 상태가 된다.
다음에, 램프 점등 명령에 응하여 전류 제어 회로(300)가 동작을 시작한다. 전류 제어 회로(300)는 강압 초퍼 회로로 이루어지고, 강압 초퍼 회로는, IGBT 등의 반도체 스위치(16), 다이오드(17), 코일(18), 커패시터(19), 전류 검출 저항(20), 반도체 스위치(16)의 도통 시간을 제어하는 PWM 제어 회로(21), 오차 증폭기(22), 기준 전압(23) 및 귀환 소자(27)로 구성된다. 이 시점에서, 램프(25)의 양단에 충전 커패시터(13)의 전압과 거의 동등한 직류 전압(1000V)이 곧바로 인가된다. 그 후, 이그나이터(igniter)(도시 생략)의 펄스 트랜스(24)에 의해 펄스 전압이 상기 직류 전압에 중첩되어, 램프(25)의 절연 파괴가 일어난다.
램프(25)가 절연 파괴를 일으키면, 커패시터(13)의 충전 전압을 전원으로 하여 전류 제어 회로(300)로부터의 제한된 전류가 램프(25)에 공급된다. 전류 제어 회로(300)에서, 점등 명령을 받아, 전류 검출 저항(20)에 의해 검출되는 램프 전류에 비례하는 전압 신호(검출 전압)와, 램프 전류 설정치에 비례하는 CPU(26)로부터의 가변의 전압 신호가 오차 증폭기(22)에 입력되고, 양자가 동등하게 되도록 PWM 제어 회로(21)에 의해 반도체 스위치(16)의 도통 시간이 PWM 제어된다. 이에 의해, 커패시터(13)를 전원으로 하는 램프(25)의 직류 점등이 램프 전류 설정치에 따라 정전류 제어된다. 또한, CPU(26)는 전류 제어 회로(300)의 내부에 있어도 외부에 있어도 좋다.
도 1의 점등 장치의 하드웨어 부분은 일반적인 것이지만, 본 발명의 실시예에서는, 전류 제어 회로(300)에 의해 출력되는 램프 전류 파형이, 도 7에 도시하는 종래의 파형과는 다르다.
우선, 도 7에 도시하는 종래(정상 출력(steady output) 램프 전류로서 일정)의 램프 전류 파형을 이용한 경우에, 점등마다 램프 전압이 안정되지 않는 원인은 다음과 같게 추측된다.
도 2A 내지 2C에 램프(25)의 음극의 전극 형상을 도시한다. 전극은 원주형상으로 되어 있고, 펄스 전압이 인가되어 램프(25)의 절연 파괴가 일어나고, 글로 방전이 시작되면, 열용량이 작은 원주의 단부분(end portion)의 온도가 우선 상승한다(도면 2A 내지 2C에서 사선부는 온도가 상승하는 부분을 나타낸다). 그 때문에 이 부분부터 전자가 방출하기 쉽게 되고, 순차적으로 아크 방전으로 이행한다. 전극이 원주형상이기 때문에, 열용량이 작은 단부분은 전극의 선단(tip)과 근원(root)에 존재하고, 도 2A와 같이 방전이 전극의 선단에서만 행하여지면 좋지만, 가령 방전이 도 2B와 같이 근원에서 행하여지면 그 만큼 전체의 아크 길이가 늘어나고, 결과로서 램프 전압이 높아지게 된다.
본래, 아크 방전은 그 아크 길이가 가장 짧아지도록 행하여지기 때문에, 긴 시간 전류를 계속 흘리면 전극 전체의 온도가 상승하고, 아크 길이가 가장 짧아지는 전극 선단으로 방전 부분이 이동하여 가게 된다. 그러나, 실 사용에서의 반복 점등에서는, 1회의 점등 당 수십 mSec부터 수백 mSec라는 짧은 시간밖에 방전되지 않기 때문에, 열용량이 작은 원주의 단부분 밖에 온도가 상승하지 않고, 그곳부터 아크 방전이 행하여지기 쉬워진다.
그래서, 본 발명에서는, 절연 파괴하여 램프 시동을 하고 나서, 통상(즉, 의사 태양광 조사에 의한 측정을 위한 정상 점등 상태, 이하 마찬가지)보다도 높은 전류를 소정 기간 흘림으로써, 도 2C와 같이 전극 전체의 온도를 재빠르게 상승시킨다. 즉, 램프 점등 시작 후의 제1의 기간에서는 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 램프에 공급하여, 점등 시작 후의 짧은 시간에서 전극 전체의 온도 상승을 촉진한다. 이렇게 함으로써, 매회, 가장 아크 길이가 짧아지는 전극 선단부터 방전이 행하여지고, 점등마다에서 램프 전압이 안정되게 된다.
도 3에 본 발명의 램프 전류 파형을 도시한다. 종축은 램프 전류치, 횡축은 램프 점등 시간을 나타내고 있다. 램프가 절연 파괴하여 점등을 시작하고 나서, 도면 중의 TH에 상당하는 제1의 기간에서는, 통상보다도 높은 램프 전류치(IH)로 램프를 고출력 점등시킨다. 도면 중의 TL에 상당하는 제2의 기간에서는, 통상의 램프 전류치(IL)로 램프를 정상 점등시킨다. 고출력 램프 전류의 전류치와, 그것을 흐르는 기간은, 실험적으로 구하면 좋다. 또한, 램프 시동 직후에 있는 노이즈 형상의 부분은, 주로 커패시터(19)에 의한 러쉬 전류(rush current)이고, 이 동안, 전류 제어는 행하여지지 않는다.
보다 구체적으로는, 전류 제어 회로(300)에서, CPU(26)가 오차 증폭기(22)(-단자)에, 제1의 기간(TH)에서는 고출력 점등용의 램프 전류 설정치를 입력하고, 제2의 기간(TL)에서는 정상 점등용의 램프 전류 설정치를 입력한다.
실시예(Example)
본 발명의 램프 전류 파형을 이용하여 램프 전압의 안정성을 확인하였다. 또한, 회로 구성도는 상술한 도 1과 같다.
도 5가 실험에서 사용한 본 발명의 램프 전류 파형이다. 정상 점등 기간은 114 mSec, 정상 점등시의 램프 전류치는 40A로 하고, 본 발명의 특징인, 시동 초기의 고출력 램프 전류를 흘리는 기간을 6 mSec, 그 전류치를 75A로 하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 램프 전류 파형(도 3)을 이용한 경우의 점등마다의 램프 전압 변화를 도시한다. 도 8은 종래예에 의한 램프 전류 파형(도 7)을 이용한 경우의 점등마다의 램프 전압 변화를 도시한다. 도 5의 본 발명 실시예에서는, 도 8의 종래예에 비하여, 램프 전압이 높아지는 부분은 관찰되지 않고, 높은 안정성이 얻을 수 있음을 알 수 있다.
상기 실험의 결과로부터, 본 발명의 전류 파형을 이용함으로써, 점등마다 램프 전압이 안정되는 것을 알았다. 이에 의해, 램프 전압의 불안정성에 기인하는 조도의 불안정성 역시 해소되고, 점등마다의 조도를 안정시킬 수 있는 크세논 램프 점등 장치 및 점등 방법을 제공할 수 있다.
도 6에 본 발명의 의사 태양광 조사 장치를 도시한다. 의사 태양광 조사 장치는, 컨트롤러(50), 컨트롤러(50)에 의해 동작이 제어된 상기한 크세논 램프 점등 장치(51), 크세논 램프 점등 장치(51)에 배선(도시 생략)을 통하여 접속되는 크세논 램프(25), 및 크세논 램프(25)가 내부에 설치되는 몸체(60)를 구비한다. 몸체(60) 내에서 크세논 램프(25)에 대향 배치된 태양전지 셀(70)에 대해 조사가 행하여진다. 상기한 크세논 램프 점등 장치(51)를 구비함에 의해, 점등마다의 조도가 안정된 의사 태양광 조사 장치를 얻을 수 있다.
또한, 제1의 기간(TH)에서는, 고출력 점등용의 전류 설정치(오차 증폭기(22)의 -입력)를 목표치로 하여 정전류 제어하는 결과로서, 실제의 램프 전류가 일정하게 되는 것이 바람직하지만, 제어의 응답성이나 회로의 시정수의 영향 때문에, 실제의 램프 전류가 일정하게 되지 않는 경우도 있을 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우도 정전류 제어에 포함되는 것으로 한다.
또한, 상기 실시예에서는, 램프 전류 파형을 고출력 램프 전류(IH)와 정상 출력 램프 전류(IL)의 2단계로 구성하였지만, 3단 이상으로 구성하여도 좋고, 고출력 램프 전류로부터 정상 출력 램프 전류에의 이행을 연속적으로 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 정전류 제어의 경우를 설명하였지만, 본 발명은 정전력 제어의 경우에도 적용할 수 있다. 정전력 제어의 경우에서도 램프 전압이 불안정하면 제어 지연 등에 의해, 램프 전력에 변동이 나타날 가능성이 있다. 그 경우는 조도에도 변동이 나타나게 되기 때문에, 그 조도의 변동을 억제하는 대책으로서 본 발명이 유효해진다.
구체적으로는, 전류 제어 회로(300)가, 램프 전압 검출 회로(도시 생략), 및 램프 전압 검출 회로에 의한 검출 전압과 전류 검출 저항(20)에 의한 검출 전류(검출 전압)를 승산(multiplying)한 승산기(도시 생략)를 구비하는 구성으로 하면 좋다. 그리고, 승산기의 출력(즉, 램프 전력)이 오차 증폭기(22)(+단자)에 입력되고, 램프 전력 설정치에 비례하는 CPU(26)로부터의 가변의 전압 신호가 오차 증폭기(22)(-단자)에 입력되고, 양 입력이 동등하게 되도록 PWM 제어 회로(21)에 의해 반도체 스위치(16)의 도통 시간이 PWM 제어되도록 하면 좋다. 이에 의해, 커패시터(13)를 전원으로 하는 램프(25)의 직류 점등이 램프 전력 설정치에 따라 정전력 제어된다. 그리고, 전류 제어 회로(300)에서, CPU(26)가 오차 증폭기(22)(-단자)에, 제1의 기간(TH)에서는 고출력 점등용의 램프 전력 설정치를 입력하고, 제2의 기간(TL)에서는 정상 점등용의 램프 전력 설정치를 입력하도록 하면 좋다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 이하의 청구범위는 본 발명의 모든 변형 실시예, 등가 실시예 및 기능을 포함한다.

Claims (3)

  1. 충전 회로(200) 및 해당 충전 회로의 충전 전압을 전원으로서 크세논 램프에 전류를 공급하는 전류 제어 회로(300)를 구비한 크세논 램프 점등 장치에 있어서,
    상기 전류 제어 회로가, 램프 점등 시작(lamp ignition) 후의 제1의 기간에서는 상기 크세논 램프의 전극 전체의 온도 상승을 촉진하도록 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하고, 상기 제1의 기간 후의 제2의 기간에서는 상기 정상 출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하는 것을 특징으로 하는 크세논 램프 점등 장치.
  2. 충전 회로(200)의 충전 전압을 전원으로 하여 크세논 램프에 전류를 공급하는 전류 제어 회로(300)를 구비하는 크세논 램프 점등 장치를 이용한 크세논 램프의 점등 방법에 있어서,
    상기 전류 제어 회로가,
    램프 점등 시작 후의 제1의 기간에서, 상기 크세논 램프의 전극 전체의 온도 상승을 촉진하도록 정상 출력 램프 전류보다도 높은 전류치의 고출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하는 스텝, 및
    상기 제1의 기간 후의 제2의 기간에서, 상기 정상 출력 램프 전류를 정전류 제어하여 상기 크세논 램프에 공급하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 크세논 램프의 점등 방법.
  3. 제1항에 기재된 상기 크세논 램프 점등 장치,
    상기 크세논 램프 점등 장치에 접속된 상기 크세논 램프, 및
    상기 크세논 램프가 내부에 설치되는 몸체를 구비한 것을 특징으로 하는 의사 태양광 조사 장치.
KR1020120020730A 2011-05-27 2012-02-29 크세논 램프 점등 장치, 크세논 램프의 점등 방법, 및 의사 태양광 조사 장치 KR101375458B1 (ko)

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