KR20000003907A - 압전소자를 이용한 안정기 및 역률보상회로 - Google Patents

Abstract

압전소자를 이용한 안정기의 설계 및 역률보상회로에 관한 것으로서, 압전소자의 성질을 이용하여 램프점등전후의 특성을 개선한 형광등의 안정기와 안정기 등에 있어서 역률을 효과적으로 개선할 수 있는 역률보상회로를 제공하기 위해, 교류전원, 형광램프, 교류전원과 형광램프 사이에 접속되고 부하가 작을때 높은 전압이득을 갖고, 부하가 클때 낮은 전압이득을 갖는 압전변압기 및 압전변압기와 병렬로 접속된 콘덴서를 구비한 것으로 하였다.

이와 같이 하는 것에 의해, 형광등의 안정기의 역률을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 안정기를 저렴하고, 소형으로 제조할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

압전소자를 이용한 안정기 및 역률보상회로

본 발명은 압전소자를 이용한 안정기의 설계 및 역률보상회로에 관한 것으로서, 특히 압전소자를 이용한 형광등의 안정기설계 및 역률을 개선하기 위한 역률보상회로에 관한 것이다.

종래의 전자식 형광등의 안정기에는 하프브리지(half-bridge)로 구동하는 직렬병렬회로가 사용되었다. 도 1은 종래의 공진형 전자식 안정기의 회로도이다. 도 1에 있어서, (1)은 220V의 상용교류전원이고, (2)는 브리지회로이고, (3)은 인덕터Lf와 콘덴서Cb가 병렬로 접속된 LC공진자이며, (4)는 형광램프이다.

도 1의 공진형안정기에 있어서, 점등시에는 인덕터Lf와 콘덴서Cb가 공진하여 충분한 램프시동전압을 얻으며, 점등후에는 정현파에 가까운 전류파형을 얻는다.

그러나, 충분한 시동전압을 얻기 위해서, 인덕터Lf를 수mH정도의 크기로 설정해야 하므로, 전자식 안정기에서 가격상승원인이 된다.

또, 일반적으로 형광등의 안정기설계에 있어서 램프(4)의 점등전과 점등후 상태 및 안정기전체의 역률을 고려해야 한다.

최근 조명기구에 대한 입력전류의 왜형률(Total harmomic distortion)규정이 강화되고 있으며, 동작전력이 증가할수록 이러한 역률보상에 대한 필요성은 더욱 증가하게 된다.

즉, 램프를 점등하기 위해서는 이 램프에 수백볼트의 구동전압을 인가해 주어야 하며, 예열형 형광등의 경우 수명향상을 위해 초기방전전압을 낮추어 주어야 한다. 또한, 램프가 점등된 후에는 램프의 보호를 위해 정현파에 가까운 일정한 평균전압과 전류를 공급해 주어야 하는데 이때 고조파전류와 입력전압, 입력용량 및 효율면에서 전체 역률은 0. 94이상이 되어야 한다.

본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 압전소자의 성질을 이용하여 램프점등전후의 특성을 개선한 형광등의 안정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 안정기 등에 있어서 역률을 효과적으로 개선할 수 있는 역률보상회로를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 공진형 전자식 안정기의 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 압전변압기를 사용한 안정기의 회로도,

도 3은 도 2에 도시한 회로에서 램프의 점등전후의 전압이득을 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 다이오드 클램핑방법을 도시한 회로도,

도 5는 본 발명에 따른 압전변압기의 등가회로로 나타낸 역률보상회로도,

도 6은 차지펌프PFC회로의 입력전류를 나타낸 그래프.

<도면의 주요부호>

1…교류전원, 2…브리지회로, 3…LC공진자, 4…램프, 20…압전변압기, 41, 42…다이오드, 43…인덕터.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 교류전원, 형광램프, 상기 교류전원과 형광램프 사이에 접속되고 부하가 작을때 높은 전압이득을 갖고, 부하가 클때 낮은 전압이득을 갖는 압전변압기 및 상기 압전변압기와 병렬로 접속된 콘덴서를 구비한다.

본 발명에 따르면, 상기 램프의 점등전압과 정상상태의 동작을 만족시키는 동작주파수가 76∼78㎑이다.

또, 상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 형광등의 안정기에 사용되는 역률보상회로로서, 전원과 형광램프 사이에 접속된 압전변압기, 상기 압전변압기와 병렬로 접속된 콘덴서, 상기 전원으로부터의 입력전압을 클램핑하는 다이오드 및 상기 다이오드와 병렬로 접속된 인덕터를 구비한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 상세하게 설명한다.

또, 실시예를 설명하기 위한 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 부분은 동일한 부호를 사용하고, 그 반복적인 설명은 생략한다.

기본적으로, 본 발명에 있어서는 부하가 작을 때 높은 전압이득을, 부하가 클때 낮은 전압이득을 나타내며, 높은Q값의 공진특성을 갖고, 소자의 소형화를 실현할 수 있는 압전소자의성질을 이용한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 압전소자의 공진자는 수정이나 세라믹 등의 압전재료를 사용한 공진자를 사용하며, BaTiO₃계, Pb(Zr·Ti)O₃계, PbTiO₃계 등 직류고전압을 인가하여 잔류성분을 발생시키는 세라믹공진자가 효과적이다.

본 발명에서 사용되는 압전변압기는 부하가 작을 때 높은 전압이득을, 부하가 클때 낮은 전압이득을 나타낸다. 이는 실제 형광등부하를 구동하기 위한 매우 적절한 특성이다.

이러한 특성을 이용하여 12W 형광등의 안정기를 예로 검토하면, 형광등부하는 점등전에서 전류가 램프로 흐르지 않으므로 개방회로로, 점등후 정상상태에서는 등가적인 비선형부하저항(R_eq)로 각각 표현되며, 이 부하저항은 식 1과 같다.

즉, 비선형 부하저항은 램프에 인가되는 전압과 전류에 반비례한다. 본 발명에 사용되는 압전변압기는 바로 램프를 접속하면 점등전에는 높은 전압이득으로 시동전압이 확보되며 램프가 점등되어 정상상태에 이르게 되면 이때는 등가부하저항(R_eq)에 대해 원하는동작을 하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 사용한 안정기의 회로도이고, 도 3은 도 2의 구성에 따라 램프(4)의 점등 전후의 전압이득을 나타낸 그래프이다.

도 2에 있어서, 도 1과 다른점은 LC공진자(3) 대신에 저전력의 압전변압기(20)을 사용한 것이다.

또한, 도 3에 있어서, 종축은 이득을 나타내고, 횡축은 주파수(㎑)를 나타내며, A는 점등전의 곡선, B는 점등후의 곡선을 나타낸다.

도 2에 도시된 압전변압기(20)은 상당히 큰 Q값의 공진특성을 가지므로 구형파를 1차단에 인가하더라도 램프(4)에 인가되는 2차단의 파형은 정현파가 된다. 이 회로에서 Cext는 점등전에 램프(4)의 필라멘트를 가열하는 충분한 예열전류(램프의 예열전류 400mA)를 흐르게 하는 것으로 이 콘덴서C_ext의 용량은 식 2와 같이 구하면, 약 2. 2nF로 된다.

회로의 동작주파수는 점등전압과 정상상태 동작을 모두 만족시킬 수 있는 주파수로 선택해야 하며 이는 다음과 같은 과정을 통해 얻는다.

도 3에서 있어서, 점등전 곡선A는 압전소자의 등가회로모델링을 통한 모의실험으로 얻은 전압이득곡선이며, 점등후의 곡선B는 비선형 부하저항을 사용하여 얻은 전압이득곡선을 나타낸 것이다. 여기서, 12. 5W전력의 비선형 부하저항Req값이800Ω인 경우, 기본파 가정을 통한 압전변압기의 1차측에 걸리는 기본파의 rms값은

이다.

압전변압기의 2차측에 걸리는 전압 즉 점등전압과 정상상태전압은 각각 500V(peak)와 92V_rms이고, 압전변압기에 필요한 전압이득은 점등시에는 2. 53, 정상상태동작때는 0. 66이 된다. 도 3에서 이 두 조건을 모두 만족시키는 동작주파수는 77. 2㎑가 된다.

또한, 본 발명의 압전변압기를 이용한 안정기에서 구동전력을 18W로 높이려면 첫째는 압전변압기를 병렬로 연결하여 사용하는 방법과 둘째는 압전변압기를 다층구조로 만드는 방법 그리고 마지막으로 압전변압기의 구동회로를 개선하는 것이다.

압전변압기의 입력단에 가해지는 구형파는 변압기 내부의 입력용량때문에 스위치를 통해 피크전류가 흐르게 된다. 따라서, 이 전류를 차단하기 위해서는 인덕터를 사용하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 다이오드 클램핑방법을 도시한 회로도이다. 도 4에 있어서, (41), (42)는 서로 직렬로 접속된 다이오드, (43)은 다이오드(41)과 (42)의 접속점에 병렬로 접속된 인덕터이다.

본 발명에 있어서는 보다 높은 전력을 구동하기 위해서는 다층구조를 사용하게 되며, 이 때는 입력콘덴서의 용량이 더욱 커져 더 큰 피크전류가 흐르게 되므로, 이 인덕터(43)은 필수적이다. 그러나, 피크전류를 방지하기 위해 사용한 인덕터(43)은 압전변압기의 내부용량과 공진을 일으켜 변압기 입력단에 걸리는 전압을 과도하게 높일 수 있으며 이 때는 변압기1, 2차단의 절연을 파괴할 수 있다. 따라서, 이 입력전압을 제한하기 위해 다이오드(41), (42)로 입력전압을 클램핑한다.

도 5는 상술한 전류전압방식을 고려하여 압전변압기(20)을 등가회로로 나타낸 역률보상회로도이다.

도 5에 있어서, (51)은 압전변압기의 등가회로도, (52)∼(54)는 다이오드, (55)는 차지펌프콘덴서이다. 다이오드(53)과 (54)는 직렬로 접속되고, 콘덴서(55)는 다이오드(53) 및 (54)와 병렬로 접속된다.

역률개선을 위해 종래의 직병렬 인버터에 사용될 경우 차지펌프콘덴서(55)가 공진회로에 영향을 미치게 된다. 따라서, 이 콘덴서(55)가 램프전류와 전압에 왜곡현상을 발생시키게 되어 램프전류의 파고율을 나쁘게 한다. 이를 개선하기 위해서는 추가적인 공진회로가 사용되어져야 한다. 그러나, 본 발명의 압전변압기(20)에 적용할 경우, 압전변압기(20)에서는 압전변압기 자체의 전압이득으로 부하를 구동하므로, 램프로 출력되는 변압기 2차단의 파형에 대한 콘덴서(55)의 직접적인 영향을 줄일 수 있게 된다.

본 발명에서는 먼저 예열전류를 고려한 Cext와 압전변압기(20)의 동작주파수를 상술한 12W에서와 같은 방법으로 얻는다. 즉, Cext는 2. 2㎋로 되며 동작주사푸는 77. 2㎑로 된다. 여기서, 동작주파수는 18W안정기의 비선형부하저항이 500Ω으로 정상상태동작에서의 램프구동전압은 85V로 되고, 이들을 12W계산에서와 같은 과정으로 얻게 된다. 그 이외 사용된 소자인 콘덴서(55)와 Lr(41)을 구하는 과정은 다음과 같다.

60㎐라인의 반주기동안 입력전력은 효율η를 고려할 때 출력전력과 동일하게 되므로 식 4와 같은 관계식을 얻게 된다.

i_in,avg=f_sC_inV_g

여기서, 한 스위칭주기동안 입력전류는 도 6과 같으며 이 전류의 평균인 식 5를 식 4에 대입하여 전개하면, Cin(55)는 식 6과 동일하게 된다.

마지막으로 Lr(43)은 먼저 Cin>>C1이라 가정하면 입력전류는 다음과 같이 근사시킬 수 있다.

이를 한 스위칭주기동안의 평균입력전류로 하면 식 8과 같이 된다.

여기서, 이다.

따라서, 식 5와 식 8로부터 Lr을 구하면 다음과 같다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 공진형 전자식 안정기의 LC공진자 대신 압전소자를 사용한 압전변압기를 사용하므로, 형광등의 안정기의 역률을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 안정기를 저렴하고 소형으로 제조할 수 있다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 여러가지로 변경가능한 것은 물론이다.

Claims (3)

1. 교류전원,

   형광램프,

   상기 교류전원과 형광램프 사이에 접속되고 부하가 작을때 높은 전압이득을 갖고, 부하가 클때 낮은 전압이득을 갖는 압전변압기 및

   상기 압전변압기와 병렬로 접속된 콘덴서를 구비한 것을 특징으로 하는 안정기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 램프의 점등전압과 정상상태의 동작을 만족시키는 동작주파수가 76∼78㎑인 것을 특징으로 하는 안정기.
3. 형광등의 안정기에 사용되는 역률보상회로로서,

   전원과 형광램프 사이에 접속된 압전변압기,

   상기 압전변압기와 병렬로 접속된 콘덴서,

   상기 전원으로부터의 입력전압을 클램핑하는 다이오드 및

   상기 다이오드와 병렬로 접속된 인덕터를 구비한 것을 특징으로 하는 역률보상회로.