KR19980063729A - 무전극 저압 방전 램프를 동작시키기 위한 회로 - Google Patents

무전극 저압 방전 램프를 동작시키기 위한 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무전극 저압 방전 램프를 동작시키기 위한 회로에 관한 것이며, 상기 회로는 공진에 인접한 주파수에서 자유 회전 방식으로 동작하는 스위칭 시스템을 포함한다.

Description

무전극 저압 방전 램프를 동작시키기 위한 회로
본 발명은 저압 가스 방전 램프를 동작시키기 위한 동작 회로에 관한 것이다.
저압 가스 방전 램프는 10년 동안에 널리 퍼지게 되었으며, 이같은 회로를 동작시키기 위한 많은 수의 동작 회로가 존재한다. 이러한 경우에 있어서 본 발명은 저압 가스 방전 램프를 동작시키기 위한 공지된 회로로부터 시작하여, RF(Radio Frequency) 주파수를 상기 램프에 인가하는 부하 회로, 상기 부하 회로를 동작시키기 위한 주파수 발생기 및 상기 주파수 발생기를 동작시키기 위한 동작회로를 포함한다.
무전극 저압 가스 방전 램프는 중요하고 새로운 기술적인 개발물이다. 여기에서 방전 플랑즈마를 점화시키고 유지시키기 위하여 요구되는 전압 또는 전력은 램프 전구내에 끼워진 전극을 사용하지 않고 방전 가스와 결합된다. 이러한 것은 특히 인접한 램프 전구의 일부를 둘러싼 코일 코어에 의해 달성되고 그에 따라 유도 전압을 방전 가스와 결합시킨다. 무전극 저압 가스 방전 램프에 관련된 추가의 기술적인 상세한 설명은 본 출원인과 동일인의 특허출원 PCT/EP/03180에 따르며, 상기 특허의 발표된 내용이 본 발명의 적용내에 명백히 포함된다.
본 발명은, 새로운 무전극 저압 가스 방전 램프가 공지된 램프 동작을 위한 회로를 사용하여 동작될 수 없다는 기술적 문제점을 해결하기 위한 것이다.
도 1은 실시예 회로의 블록도.
도 2는 실시예의 동작 모드에서 이해를 돕기 위한 타이밍도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
TR : 페라이트 코어 Ci : 분기 캐패시터
LP, LS : 인덕터 E : 방전 램프
L1 : 램프 코일 L2 : 공진 코일
CR : 공진 캐패시터
본 발명에 따른 동작 회로는, 무전극 저압 가스 방전 램프를 동작시키기 위하여 설계되며 공진 주파수에 근접하여서는 자유 회전 방식으로 동작하고 램프와 구동 회로를 갖는 부하 회로를 구비하는 스위칭 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 공진 주파수에 근접한 주파수에서 자유 회전 방식으로 동작하는 회로는 종래의 회로, 특히 주파수 발생기를 동작시키는 IC를 사용한 회로와 비교하여 실질적으로 더 소프트한 동작 모드를 허용한다. 이것은 특히 구동 회로의 전압 및 전류대 시간의 특성이 동작 주파수에서 사인 형태의 기본 동작 모드와 실질적으로 더욱 근접한다는 것을 의미한다.
이러한 더 소프트한 동작 모드는 회로 내에서 실질적으로 더 작은 손실을 유도한다. 이것은 특히 스위칭 소자 또는 주파수 발생기 소자의 스위칭 손실에 관련되나, 또한 코일 코어들 등에서의 자기적 손실에 관련된다. 특히 한편 그리드 공급단에서의 에 관하여, 다른 한편으로는 어떠한 스크리닝 하우징도 사용되지 않는다면 부전도성 방사(Nonconductive Radiation)에 관하여, 전자기 호환성(Electromagnetic Compatibility)을 위한 낮은 고조파가 추가의 이점이다.
상술한 것은 본 발명에 따른 새로운 회로가 특히 (일반적으로 약 20Hz 내지 50Hz) 종래의 회로에서 알려진 것 보다 실질적으로 더 높은 주파수로 설계된다는 점에서 공진 이득에 근접한 동작을 이롭게 한다. RF 전력을 방전 가스와 유도적으로 결합시키는 경우, 고주파수는 각각의 주파수에 비례하는 유도 전압을 생성한다. 일함수를 낮추도록 전극을 코팅, 또는 전극을 미리 가열함에 의해 전극의 제거는 전극 방출에 의한 적합한 앞선 이온화(preionization)를 달성하는 일반적인 가능성을 또한 제거하기 때문에, 이것은 특히 중요하다. 상기 앞선 이온화는 플라즈마를 점화시키기 위한 임계 필드(critical field) 세기 면에서 실질적인 감소를 유도한다.
증가된 동작 주파수는 [sic] 바람직하게 70 KHz 이상이며, 보다 더 바람직하게는 200 KHz 이상이다. 가변온도와 관련하여 방전의 내부 또는 외부 파라메터를 변화시키는 경우, 일반적으로 동작 주파수의 변화는 한편으로는 점화 동작과 일반 동작 사이의 차이와 다른 한편으로는 추가로 아래에서 설명된 주파수 변화로 인하여 발생하기 때문에, 여기에서는 복수의 동작 주파수가 이것에 연관된다.
동작 주파수가 높을수록 스위칭 소자 또는 주파수 발생기의 스위칭 소자용으로 일반적으로 사용되는 바이폴라 전력 트랜지스터 대신에 전계 효과 트랜지스터, 특히 MOSFET와 같은 더 빠른 트랜지스터의 사용을 필요로 한다. 트랜지스터 손실을 허용 가능한 한계 이내로 유지하기 위하여 바이폴라 트랜지스터는 포화 영역에서 동작되며, 결과는 바이폴라 소자의 특징인 상대적으로 긴 재결합 위상을 갖는 전하 캐리어 충전을 야기한다. 재결합 위상 또는 충전 시간은 주파수 증가와 반대이다.
이러한 결점은 전계 효과 트랜지스터에 의해 회피되나, 전계 효과 트랜지스터는 동작을 위하여 (실리콘 바이폴라 트랜지스터의 경우의 0.7V에 비하여 MOSFET의 경우에는 약 4V인) 실질적으로 높은 레벨의 전압을 요구한다. 그러나 단극성 트랜지스터의 검출 가능한 전하 캐리어 충전의 결함에 있어서, 이러한 전압 레벨은 전체 바람직한 턴 온시간을 상위하여 유지되어야 한다. 본 발명에 따른 개선에 따라, 요구된 게이트 전압은 전압 오버슈트를 사용하므로써 발생하며, 전계 효과 트랜지스터 게이트를 동작시키기 위하여 공진 주파수에 근접한 주파수에서 공진 회로를 여기시키므로써 발생된다. 진폭이 커질수록 사인파에 인접한 전압 발진이 게이트 전압의 임계값 이상에서의 두 개의 제로 교차점들 사이의 더 길어진 주기에 대하여 위치설정되기 때문에, 게이트 전압을 초과하여야 하는 요구 전압의 일시적인 길이는 공진 전압의 진폭만큼 설정되어야 한다.
추가의 본 발명에 관한 설명은 동작 회로내의 페라이트 코어를 갖는 트랜스포머의 사용과 관련되며, 상기 구동 회로는 예를 들어 상술한 게이트 동작 전압을 공급하는 공진 회로를 여기시킬 수 있다. 이러한 경우 사인파의 게이트 전압에서의 왜곡과 바람직하지 않은 손실을 방지하기 위하여, 비포화 영역에서 트랜스포머 코어를 동작시키는 것은 기본적인 것이 된다. 왜곡은 소프트, 즉 거의 사인파인 본 발명에 관한 스위칭 시스템의 동작 모드를 방해한다. 게다가, 그것들은 게이트 동작 전압에 바람직하지 않은 왜곡을 유도하고, 이것은 턴온 펄스의 간격에 영향을 미칠 수 있다. 특히 포화와 관련된 인덕턴스의 감소는 제로 교차점 사이에서 바람직하지 않은 날카로운 전압 파형을 발생시킬 있고, 이것은 게이트 동작 전압에 전송된다.
사인파의 게이트 구동에 있어서의 추가의 이점은, 트랜지스터가 턴 오프 되기 이전에 바로 매우 작은 게이트 충전, 즉 작은 에너지가 트랜지스터 내에 충전된다는 것이며, 이것은 드레인 전류에서의 빠른 강하를 유도하여 매우 작은 턴 오프 손실을 유도한다. 자유 회전 방식 및 전반적으로 공진 주파수에 인접한 스위칭 시스템을 획득하기 위하여, 구동 회로용 에너지는 바람직하게 부하 회로로부터 유도된다. 바이폴라 트랜지스터와 비교하여, 전계 효과 트랜지스터는 차라리 낮은 전력에서의 구동 전압을 요구하기 때문에, 본 발명은 예를 들어 램프 전압을 분기시키는 캐패시터에 의해 부하 회로로부터 전압을 분기시키는 추가의 개선에 직면한다. 이것은 또한 동작 주파수가 높아지기 때문에 더욱 중요해진 과중하게 로드된 트랜스포머 코어의 손실 문제를 제거하고, 종래의 경우와 같이 필연적인 결과로서 더욱 증가된 코어의 치수, 전체 부하 전류가 흐르는 1차 코일의 포화 전류 트랜스포머의 문제를 제거한다는 이점을 갖는다.
부하 회로 자체의 상측으로의 권선에 관하여, 특히 직렬-병렬 구성을 선택하는 것이 본 발명에 따라 제공된다. 그에 따라, 직렬의 공진 회로는 브랜치와 조합되고, 램프에 RF 전력을 인가하는 공진 회로의 일부와 병렬로 접속되며, 상기 브랜치에는 상기 램프에 RF 전력을 제공하는 코일이 위치된다. 점화 이전에, 요구된 점화 전압을 발생시키기 위하여, 이러한 병렬 부분은 약간 댐핑되고, 대체로 약간 댐핑된 직렬 공진 회로로 단정된 직렬 회로는 공진 전압의 오버슈트를 제공한다. 이같은 점화 전압은 상기 병력 부분을 통해 분기되고 방전 가스와 유도적으로 결합된다. 점화 이후에, 상기 직렬 공진 회로는 상기 플라즈마 방전의 변환된 저항에 의해 강하게 댐핑되며, 유용하게 램프 내의 전류(저압 가스 방전 램프의 음의 특이한 저항 때문에 중요한)를 제한하도록 동작한다.
상기 직렬 공진 회로내의 일반적으로 램프 인덕터로 표현되는 전류-제한 코일은 동작 상태에서 필수적으로 RF주파수에 관하여 병렬 램프 코일에 병렬로 접속된다. 무엇보다도 더욱이, 전류-제한 코일의 인덕턴스가 램프 코일의 인덕턴스보다 작을 때, 상기 직렬 병렬 회로에서의 등가의 인덕턴스와 이에 따른 직렬 병렬 배열의 공진 주파수상에서 램프 코일 인덕턴스내의 파동의 영향을 감소시키는 결과를 갖는다.
예를 들어 램프 코일 코어에서의 외부 온도의 파동 및 램프에 의해서 가열되는 것에 기인한 온도 파동 등과 같은 온도 파동은 자기적 특성(초기 및 증폭 투자율)에 매우 강한 영향을 미치고 그에 따라 램프 코일의 인덕턴스에 영향을 미치기 때문에 이러한 것은 유용하다. 고정-주파수 동작의 경우에 감쇠 동조하는 결과적인 주파수는 주로 동작 문제를 야기시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 배열의 공진 주파수는 발생기의 제어 주파수로부터 너무 많이 이동되기 때문에, 특별히 낮거나 특별히 높은 온도의 경우에 더 이상 램프는 점화되지 않는 것이 발생하게 된다. 이러한 것은 상기 직렬 공진 회로의 감소된 인덕턴스를 사용한 전류-제한 코일과의 병렬 접속의 상술한 효과에 의해 제거된다. 램프 인덕터와 비교하여, 커플링 효과 때문에 갭이 없는 페라이트 코어, 즉 코어가 가능한 한 가장 작은 공기 갭을 갖는 페라이트 코어가 여기에 제공되므로 램프 코일 코어에서의 온도 파동의 영향은 또한 매우 중요하다.
더욱이, 또는 대안으로서, 부하 회로, 구동 회로 및 주파수 발생기의 전체 배열은 부하 회로내의 주파수의 이러한 피드백 루프로 이동이 자동적으로 제거되도록 설계될 수 있다. 예를 들어 일반적인 저압의 램프 코일과 그에 따른 매우 낮은 인덕턴스는 부하 회로의 증가된 공진 주파수를 유도할 수 있고, 이에 따라 본 발명에 따른 자유 회전 방식 회로의 증가된 전체 동작 주파수를 유도할 수 있다. 저압 가스 방전 램프내에 바로 연관된 유도 전압이 상승할 수록 이같은 램프의 전력 감소 특징을 유도하고 상응하는 방전 전압을 상승시켜 유도한다. 전력 발생기의 스위칭 트랜지스터의 게이트 제어 전압 크기 면에서 선형적 증가는 높여진 방전 전압에 부합하며, 스위칭 트랜지스터의 길어진 턴온 시간을 유도한다. 이러한 길어진 턴 온 시간은 전력 발생기의 동작 주파수를 낮추고, 그에 상응하여 램프 전력을 상승시킨다. 본 발명에 따른 자유 회전 방식의 공진 구동의 특성인 전체 시스템이 자기 안정과 방식으로 동작하는 것은 전반적인 결과이다.
상기 이점은 증가된 안정성과 파라메터 기능에 대한 회로의 감소된 민감성에만 존재하는 것은 아니다. 게다가, 증가된 부품 내성을 허용하는 것이 또한 가능하며, 이것은 특히 램프 코일의 코어에 대한 비용 면에서 이점을 갖게 한다.
본 발명은 실증적인 실시예을 사용하여 아래에서 상세히 설명된다. 방법 면에서 부가적으로 발표된 기술적 설명은 개별적으로 본 발명 또는 모든 바람직한 조합과 동일할 수 있다.
도 1은 무전극 저압 방전 램프용 전기 안정기의 일부분으로서, 본 발명에 따른 동작 회로를 도시한다. 정류된 전압(U0)이 회로의 입력단의 좌측에 접속되며, 상기 전압은 전해질 캐패시터(CO)를 충전시킨다. 상기 전해질 캐패시터는 D급의 두 개의 MOSFET 스위칭 소자(TO, TU) 및 중앙 탭(MP)을 갖는 반파-브리지 주파수 발생기를 제공한다. 상기 중앙 탭은 DC 분리 또는 중앙 탭과 음의 공급 브랜치(접지) 사이에 접속된 RF 커플링 캐패시터(CK), 전류-제한 및 직렬의 공진 회로 코일(램프 인덕터)(L2), 직렬의 회로 공진 캐패시터(CR)를 포함하는 직렬-병렬 부하 회로를 구동시키고, 그에 병렬로 접속된 커플링 코어를 사용한 램프 코일(L1)과 회로의 전력 출력단으로서 특히 연속하여 열거되어 도시된 상기 커플링 코어에 접속된 무전극 저압 가스 방전 램프(E)를 구동시킨다.
램프 코일 또는 공진 캐패시터 전압(U1)(접지로의 음의 공급 브랜치)이 D급의 반파-브리지 주파수 발생기용 구동 회로의 분기 캐패시터(Ci)에 의해 분기되며, 페라이트 코어(TR), 1 차 권선(LP) 및 2개의 2차 권선(LS)을 갖는 트랜스포머에 공급되어 선형의 B-H 필드, 즉 포화 영역과는 거리가 먼 필드에서 동작한다. 회로도 내의 검은 점들은 각각 트랜스포머(TR)의 권선의 시점에 해당한다. 2차 권선은 반대로 접속되었다는 것을 도시한다. 각각의 경우 상기 트랜스포머는 권선(LS)과 MOSFET(TO,TU)의 전체 게이트 캐패시턴스(CG)를 포함하는 두 개의 공진 회로를 여기시킨다. 상기 게이트 캐패시턴스는 트랜지스터-특성이며, 기술 및 물리적 효과로부터 유래되고, 기본적으로 게이트와 드레인 사이에 동적 가변 밀러 캐패시턴스와 정적 입력 캐패시터 (Ciss)를 포함한다.
동조 캐패시턴스(CP)는 상기 캐패시턴스(Ci)와 1차 권선(LP)을 이용하여 상기 동작 회로의 분기 브랜치를 동조시키기 위하여, 권선(LP)과 병렬로 제공되며; 상기 공진 회로는 유사하게 MOSFET 게이트를 동작시키기 위한 목적으로 상기 권선(LS)과 병렬로 제공된 동조 캐패시터(CS)를 포함한다. 이러한 동조 캐패시터는 게이트 캐패시터보다 작고, 단지 게이트 공진 주파수를 양호하게 동조시키기 위하여 동작하며, 이러한 캐패시터들은 다른 캐패시터 및 상술한 인덕턴스에 의해 한정적으로 규정된다.
도 1 내의 저항(RG), 공핍형 트랜지스터(T1) 및 다이오드(D3)는 스위칭 수행을 향상시키기 위하여 특히, 손실을 스위칭 오프 손실을 향상시키기 위하여 동작한다. 직렬 방지 방식으로 접속된 보호용 제너[sic] 다이오드(Z)는 램프의 점화 동안에 MOSFET의 게이트 전압을 제한한다. 블록도는 또한 톱니 전압 발생기의 형태의 일반적인 주파수 발생기용 시동 회로를 포함하며, 상기 발생기는 소자들(R1,C1,D2,D1(DIAC))로 구성되며, 시동후 다이오드(D2)에 의해 동작 주파수에서 턴 오프된다. 상기 저항(RS)은 상술한 톱니파 전압 발생기가 전력 발진기를 시동시키기 이전에 중앙 탭(MP)의 제한된 전위를 (양의 공급 전압으로) 규정하도록 동작한다.
캐패시터(CT)는 사다리꼴 캐패시터로서 공지되었고, MOSFET(TO,TU)의 스위칭 상태가 변화하는 경우에 중앙 탭(MP)의 전위에서 갑작스런 변화의 경사도를 제한한다.
공진 주파수의 올바른 동조와 그에 따른 동작 주파수의 동조는 회로를 설계하는데 중요하다. 부하 회로에 있어서, 캐패시터(CK 및 CR)와 인덕터(L2 및 L1)는 분기되지 않은 공진 주파수(fn)를 결정하는 반면에, 동작 회로내의 캐패시터(CP,Ci,CS)와 동적 게이트 캐패시터(CG; 도시되지 않음)와 인덕터(LP,LS)는 전체 공진 주파수(fD)를 고정시킨다. 동작 도중 (램프 방전에 의한 댐핑을 사용하고, 그와 동시에 이같은 방전의 사용 없이) 동작 주파수(f0)는 발진 시스템의 결합에 의해 주파수(fD)와 주파수(fn) 사이의 중간 값으로서, 댐핑에 의해 시프트된 형태로 형성된다. 회로와 램프의 동작이 유도성 부하, 즉 전류를 트래킹하는 방식의 부하로서 동작되는 램프를 요구하기 때문에, 상기 주파수(fD)는 주파수(fn)보다 높게 선택되어 주파수(f0)가 부하 회로의 공진 주파수보다 높게 된다. 이것은 부하 회로가 (점화 이전에는) 로드되지 않거나 또는 등가적으로 로드될 때에 모두 적용된다.
가능한한 사인파(소프트)에 근접하고, 95%이상의 최적의 효율을 허용하는 스위칭 시스템의 전체적인 발진을 획득하기 위하여, 주파수들(fD,f0,fn)은 각각의 경우 수 10 % 정도 만큼 다르다. 그러나 매우 작은 차이는 특히 전력 발진기의 시동 중에 반파-브리지의 용량성 동작의 위험을 수반하며, 이것은 실제로 바람직하지 않다.
목표 동작 주파수에 의존하여, 비포화 영역에서 동작할 수 있고 코어 손실의 한계가 가능한 한 약 0.3W/cm3의 코어 손실을 초과하지 않도록 트랜스포머(TR)의 원형의 코어(도넛형의 코어)는 단면 영역에 관하여 설계되어야 한다.
상기 부하 회로의 직렬-병렬 구조(배열)는 기본적으로 다음의 목적을 가지며; 점화 이전에 직렬-병렬 구조는 기본적으로 단지 램프 코일(L1)의 코어 손실에 의해 댐핑되며, 결과로서 낮은 부하를 갖는 낮은 공진 회로는 점화를 위해 공진에 근접한 주파수에서 과도한 높은 전압을 제공한다. 이러한 경우, 램프 코일(L1)에서의 전압의 약 2.5 제곱으로 증가하는 자기 코어 손실은 근본적 제한 효과를 갖는다. 상기 발생기는 제어 전압 소오스로서 동작한다. 램프의 점화 전압을 초과한 후, (L1을 갖는)부하 회로의 병렬부는 플라즈마 방전의 효과적인 저항으로 로드되며, L1(R1=N2RE)의 권선에 의해 변환되고, 동작 주파수가 증가하며, 인덕터(L2)는 전류-제한 램프 인덕터로 동작하므로, 발생기는 제어된 전류 소오스로서 교대로 동작한다. 이러한 경우, 안정적인 동작은 전체적인 발생기 전류 소오스의 AC 저항(L2에 의해 결정되는)이 램프 특성의 음의 특이한 저항 보다 항상 크다는 것을 예상한다.
도 2는 주파수 발생기의 중앙 탭에서의 전압(UMP), 부하 회로 전류(IL2) 및 낮은 (n 채널) MOS-FET(TU)의 게이트 전압에 대한 시간 특성을 도시한 그래프를 나타낸다. 상기 중앙 탭(MP)의 전위는 선택적으로 양 및 음의 공급 브랜치의 전위에 있게 된다. 이러한 경우, 두 개의 MOSFET와 병렬로 접속된 사다리꼴 캐패시터(CT)는 특별한 천이 시간(tT)을 형성하는 데 결정적이다. 알려진 바와 같이, 이러한 것은 한편으로 전자기 호환성을 향상시키고 다른 한편으로 스위칭 손실을 최소화하기 위하여 제공되며: 빠르게 상승하는 드레인 소오스 전압은 드레인 전류와 함께 매우 강하게 오버랩 되며, 상기 전류는 독단적으로 빠르게 강하(크로스오버)하지는 않으며, 턴오프 전력 손실을 야기시킨다. 유사하게 변화하는 다른 회로에 의해 대체될 수 있는 사다리꼴 캐패시터들의 두 기능은 본 발명에 따른 회로의 증가된 동작 주파수의 경우에 매우 중요하다.
고유의 몸체 다이오드(body diode)를 포함하는 MOSFET의 전도 상태는 한편으로 게이트 전압이 MOSFET의 임계 전압(Uthr) 이하인 최저의 곡선에서 인지될 수 있는 위상을 포함하며; 다른 한편으로는 임계 전압(Uthr) 이상의 위상에서는 트랜지스터가 턴온되는 위상을 포함한다. 이러한 시간 영역에 있어서, 부하 회로 전류(IL2)는 (부하 회로 임피던스에 의해 주어진 시상수를 사용하여)단조롭게 상승하는 방식으로 흐른다. 그러나 상기 배역의 공진 필터 효과는 여기에 포함된 고조파의 매우 강한 상대 댐핑(relative damping)을 생산하기 때문에 도 2에 도시된 기본 파형의 사인파 전류가 기본적으로 우세하다.
MOSFET를 통하여 흐르는 전류는 단지 상술한 위상에 앞서 생성되며, 즉 임계 전압(Uthr)[sic]에 앞서 소위 MOSFET의 몸체 다이오드를 통해 반대로 흐르는 전류에 의해 영향을 받는다. 이러한 것은 중간의 곡선에서 설명한 전류를 생성하며, 상기 전류는 시간 측에서 전진하여 반대로 흐르며, 상단 및 하단의 트랜지스터에 대하여 각각 IDU및 IDO로 표시된다. 오픈된 채널을 갖는 실제적인 트랜지스터의 전류는 ITU및 ITO로 각각 표시된다.
변화하는 위상(tT) 도중에 거의 사인파 전체에 존재하는 빠진 부분의 전류는 상기 사다리꼴 캐패시터와 트랜지스터의 출력 캐패시터(Coss) 내부를 흐른다.
이러한 경우, 회로의 기능이 트랜지스터의 채널을 도전 상태가 되도록 동작하는 것은 기본적이며, 즉 몸체 다이오드가 제로 교차 이후에 반전 사인의 전류를 방지하기 때문에 임계 전압(Uthr)[sic]은 부하 회로(L2)가 사인을 변화시키기 전에는 영향을 받는다.
잘 설계된 경우, 회로는 -35도C에서 +50도C의 외부 온도 및 -35도C에서 +125도C 사이의 온도 성분에 대하여 안정적이며, 50 내지 450V 사이의 정류된 공급 전압을 사용하여 동작될 수 있고, 20 및 1000W 사이의 전력에 대하여 설계될 수 있다. 동작 주파수는 100 내지 3MHz 사이일 수 있다. 특정 값은 예비적인 실험 결과 값이며, 방법을 한정하는 것으로 이해하여서는 안된다.
설명된 실시예에 있어서, 단지 페라이트 커플러(코일 도넛형 코어)가 램프 코일(L1)과 램프(E) 사이에 도시되었다. 점화의 문제점은 매우 높은 램프 전력(500 내지 1000W)에서 발생되며, 균일도 문제는 다소 문제시되는 기하학적인 형상의 방전의 경우에 증가한다. 각각의 경우에, 복수개의 페라이트 커플러, 즉 복수개의 램프 코일이 감지될 수 있다. 물론 하나의 전력 발진기로부터 전력을 인가 받는 복수개의 램프를 생각하는 것도 또한 가능하다.
복수개의 램프 코일 및 페라이트 커플러의 경우, 원칙적으로 직렬 회로 또는 병렬 회로를 갖는 것도 가능하다. 그러나, 특히 고전력의 경우에는 병렬 회로가 바람직하다. 인덕턴스, 전류 및 전압에 대한 공지된 계산 법칙이 적용된다. 커플러 인덕턴스들은 가능하면 동일하여야 한다.
특히 전류를 자화시키는 것을 줄이기 위하여, 가능하면 높은 인덕턴스의 램프 코일(L1)을 갖는 것은 매우 중요하다. 이러한 목적을 위하여, 높은 투자율을 갖으며 초기 투자율에서와 증폭 투자율에서 모두 약간의 변화를 갖는 페라이트 물질을 사용하고 최소의 공기 갭과 높은 투자도를 갖는 상기 페라이트 물질을 적용하는 것이 필수적이다.(그것은 대개 초기에 설명한 부하 전류를 감쇠 동조하도록 야기하는 투자율의 온도 의존도이다.)
도 1에서 설명한 바와 같이, 페라이트 커플러(L1)의 자화 전류의 감소는 커플러 전압(U1) 및 커플러 전류(I1) 사이의 위상각(Φ)에 매우 유용한 영향을 미친다. 작은 위상각(Φ)의 경우, COSΦ는 크고, 방전으로 결합되는 유효 전력 P1=U1I1* COSΦ은 높다. 이러한 경우에서는 Φ가 10에서 15도 사이에 존재하면, 전류(I1)는 특정 전력(P1)에 대하여 감소하고, 결과적으로 COSΦ는 0.95 이상이 된다. 전류(I1)가 작을수록 작은 부하 전류(IL2)를 형성하며; 그에 따라 전체 전력 발진기내에서 생성된 전류가 작을 수록 작은 손실을 생산하고, 전체 시스템 전체의 효율을 높여 생성한다.
(약 100 내지 120 도C로) 예상되는 코어 온도에서 커플러의 자기 물질은 60mW/Cm3이상의 특정 손실이 목표 주파수의 범위에서 발생하지 않도록 선택되어야 한다. 낮은 누설 인덕턴스를 제외하고 높은 인덕턴스의 인접된 자기 회로는 수신 장애 및 시스템의 전력 면에서의 명백한 감소에 유용하다.
상기 특정 페라이트 손실의 결과, 커플러 코일과 출력 값(U1,I1)의 적합한 선택 및 COSΦ는 98 내지 99%의 매우 높은 에너지 전송 효율이 되며, 즉, 페라이트 커플러에서의 손실은 전체 전송 전력의 단지 1 내지 2 %의 양이다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
무전극 저압 가스 방전 램프를 동작시키기 위하여 설계되며 공진 주파수에 근접한 주파수에서 자유 회전 방식으로 동작하고 램프와 구동 회로를 갖는 부하 회로를 구비하는 스위칭 시스템을 포함하도록 램프를 구동시키기 위한 회로를 설계하므로써, 전력 손실을 감소시킨다.

Claims (9)

  1. RF 전력을 램프에 공급하는 부하 회로(CK,CR,L1,L2), 상기 부하 회로를 동작시키기 위한 주파수 발생기(CO,TO,TU) 및 상기 주파수 발생기를 구동시키기 위한 구동 회로(Ci,CP,CS,LP,LS,TR)를 가지는 저압 가스 방전 램프를 동작시키는 회로에 있어서,
    상기 회로는 무전극 저압 가스 방전 램프(E)를 동작시키기 위하여 설계되며, 공진에 인접한 주파수에서 자유 회전 방식으로 동작하고 상기 램프와 상기 구동 회로를 갖는 상기 부하 회로를 구비하는 스위칭 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 70KHz 이상의 동작 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동 회로(Ci,CP,CS,LP,LS,TR)는 상기 주파수 발생기(CO,TO,TU)의 전계 효과 트랜지스터(TO,TU) 중 적어도 하나의 게이트를 구동시키는 데 필요한 전압을 공진 전압 오버 슈트에 의해 발생시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로(Ci,CP,CS,LP,LS,TR)는 페라이트 코어(TR)를 가진 트랜스포머(LP,LS,TR)를 포함하며, 상기 트랜스포머는 선형의 B-H 구동 필드인 비포화 영역의 동작 상태에서 동작하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 공진 전압 오버슈트를 달성하기 위하여 상기 트랜스포머(LP,LS,TR)는 공진 회로(LS,CS)에 접속되는 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로(Ci,CP,CS,LP,LS,TR)는 상기 부하 회로(CK,CR,L1,L2)로부터의 전압을 분기시키고, 이 전압으로 상기 구동 회로를 구동시키도록 설계된 소자(Ci)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하 회로(CK,CR,L1,L2)는 직렬 공진 회로(CK,CR,L2)와, 상기 공진 회로의 일부분(CR)과 병렬로 접속되고 상기 램프(E)에 적용된 코일(L1)을 구비한 브랜치를 포함하며, 상기 공진 캐패시터(CR)는 상기 코일(L1)과 함께 병렬 공진 회로(L1,CR)를 형성하고 상기 두 개의 공진 회로 모두에 포함되는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 직렬 공진 회로(CK,CR,L2)는 동작 상태에서 RF 주파수에 관하여 상기 코일(L1)과 병렬로 접속되는 효과를 갖는 전류-제한 코일(L2)을 포함하며, 상기 전류-제한 코일(L2)의 인덕턴스는 상기 램프에 제공된 코일(L1)의 인덕턴스보다 작은 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 발생기(CO,TO,TU)는 반파 정류, 전파 정류 또는 단일 트랜지스터의 주파수 발생기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 회로.
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