KR20000051367A - 전자식 안정기 - Google Patents

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KR20000051367A
KR20000051367A KR1019990001784A KR19990001784A KR20000051367A KR 20000051367 A KR20000051367 A KR 20000051367A KR 1019990001784 A KR1019990001784 A KR 1019990001784A KR 19990001784 A KR19990001784 A KR 19990001784A KR 20000051367 A KR20000051367 A KR 20000051367A
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Abstract

본 발명은 전자식 안정기에 관한 것으로서, 본 발명의 전자식 안정기는 정류기, 제1컨버터, 하프 브리지 컨버터, 공진회로를 포함하며, 정류기는 교류 전원을 입력받아 정류하여 출력하고, 제1컨버터는 정류기의 출력 전류를 입력받아 제1스위치의 온오프 동작에 의해 전압레벨을 변화시켜 출력하며, 하프 브리지 컨버터는 제1컨버터에 병렬로 연결되고, 제1컨버터와 공유하는 제1스위치와 제2스위치를 포함하고, 제1컨버터의 출력전류를 입력받아 상기 제1스위치와 상기 제2 스위치의 온, 오프 동작에 의해 전류 흐름의 방향을 제1,2 스위치의 상태에 따라 변화시키고, 공진회로는 하프 브리지 컨버터에 연결되고 브리지 컨버터의 출력 전류를 공진시켜 사인파형태의 전류로 변환하여 방전 램프로 출력하며, 본 발명의 전자식 안정기는 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 에너지 전송 효율을 높일 수 있다.

Description

전자식 안정기{an electronic ballast system}
본 발명은 전자식 안정기(electronic ballast system)에 관한 것으로서, 특히 소자수가 작고 효율이 높은 전자식 안정기에 관한 것입니다.
전자식 안정기는 형광등과 같은 방전에 의해 빛을 내는 조명기구에서 안정된 전원 공급을 하는 장치이다.
형광등과 방전관은 방전에 의해 빛을 내기 때문에 인가되는 전원의 부호가 주기적으로 바뀌어야 한다. 이러한 전원을 공급하기 위해 전자식 안정기는 컨버터로 구현하는데, 부스트 컨버터(boost converter)와 하프 브리지 컨버터(half bridge converter)를 사용한 전자식 안정기와 플라이 백 컨버터(flyback converter)와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기가 종래에 사용되었다.
이하에서는 종래의 전자식 안정기를 도면과 함께 설명한다.
도1은 종래에 사용된 부스트 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기를 도시한 것이고,
도2는 종래에 사용된 플라이백 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기를 도시한 것이다.
도1에 도시된 바와 같이, 종래의 부스트 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기는 정류부(10), 부스트 컨버터(20), 다이오드(D1), 커패시터(C1), 하프 브리지 컨버터(30), 공진회로부(40), 램프(Rlamp)로 구성되어 있다.
정류부(10)는 교류 전류를 입력받아 정류하여 출력한다.
부스트 컨버터(20)는 코일(L1)과 스위치로 구성되어 있고, 정류부(10)로부터 정류된 전원을 공급받아 일정한 크기의 전압레벨로 승압하여 출력한다.
부스트 컨버터(20)의 코일(L1)과 스위치(S1)의 공통 단자에 다이오드와 커패시터(C1)가 직렬로 그라운드 사이에 연결되어 있고, 다이오드(D1)와 커패시터(C1)는 부스트 컨버터(20)의 출력을 평활화한다.
하프 브리지 컨버터(30)는 커패시터(C1)의 양단에 연결되고, 두 개의 스위치(S2, S3)로 구성되어 있으며, 커패시터(C1) 양단의 전원을 스위치의 온, 오프 동작에 의해 전원의 부호를 일정 기간마다 변화시켜 출력하며, 방전관에 교류 형태의 전원을 공급하기 위한 것이다.
공진회로부(40)는 커패시터(C2, C3)와 코일(L2)로 구성되어 있으며, 하프 브리지 컨버터의 출력전원을 공진시켜 일정한 주파수를 갖는 교류로 변환하여 램프(Rlamp)에 공급한다.
도2에 도시된 바와 같이, 종래의 플라이백 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기는 정류부(10), 플라이백 컨버터(50), 다이오드(D1), 커패시터(C1), 하프 브리지 컨버터(30), 공진회로부(40), 램프(Rlamp)로 구성되어 있다.
플라이백 컨버터(50)을 사용한 것외에는 부스트 컨버터를 사용한 경우와 동일한 구성이며, 플라이백 컨버터(50)는 스위치(S1)의 온,오프 동작에 의해 트랜스포머(T1)의 1차측단에서 정류부(10)의 출력전원을 공급받아 2차측단으로 전달한다.
이상에서 설명한 종래의 전자식 안정기는 부스트 컨버터와 하프 브리지 컨버터, 플라이백 컨버터와 하프 브리지 컨버터가 각각 연결된 두 개의 시스템이 연결된 것이고, 이로 인해 전체 시스템의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 두 개의 시스템을 단순히 연결한 것에 불과하기 때문에 소자수의 증가로 인해 회로의 크기가 커지고, 신뢰성이 취약하게 되며, 제조 비용이 증가 되는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소자수를 감소시키고 효율이 높은 전자식 안정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 종래에 사용된 부스트 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기를 도시한 것이고,
도2는 종래에 사용된 플라이백 컨버터와 하프 브리지 컨버터를 사용한 전자식 안정기를 도시한 것이고,
도3은 본 발명의 제1실시예를 따른 전자식 안정기를 도시한 것이고,
도4는 본 발명의 제2실시예를 따른 전자식 안정기를 도시한 것이고.
도5는 본 발명의 제1실시예의 부스트 컨버터단의 동작 파형이고,
도6은 본 발명의 제1실시예의 하프 브리지 컨버터단의 동작 파형이다.
본 발명의 전자식 안정기는 정류기, 제1컨버터, 하프 브리지 컨버터, 공진회로를 포함하며, 정류기는 교류 전원을 입력받아 정류하여 출력하고, 제1컨버터는 정류기의 출력 전압을 입력받아 제1스위치의 온오프 동작에 의해 전압레벨을 변화시켜 출력하며, 하프 브리지 컨버터는 제1컨버터에 병렬로 연결되고, 제1컨버터와 공유하는 제1스위치와 제2스위치를 포함하고, 제1컨버터의 출력전압을 입력받아 상기 제1스위치와 상기 제2 스위치의 온, 오프 동작에 의해 전류 흐름의 방향을 제1,2 스위치의 상태에 따라 변화시키고, 공진회로는 하프 브리지 컨버터에 연결되고 브리지 컨버터의 출력 전류를 공진시켜 사인파형태의 전류로 변환하여 방전 램프로 출력한다.
또한, 제1컨버터와 하프 브리지 컨버터 사이에 연결되어 하프 브리지 컨버터로부터 제1컨버터로의 전류의 역류를 방지하는 제1다이오드, 제1 다이오드와 상기 하프 브리지 컨버터의 공통 단자와 그라운드 사이에 연결되어 제1컨버터의 출력전류를 평활화하여 유지하는 제1커패시터를 더 포함할 수 있으며,
제1컨버터는 부스트 컨버터 또는 플라이백 컨버터를 사용할 수 있으며,
하프 브리지 컨버터는 제1커패시터와 제1다이오드의 공통 단자와 제1스위치 사이에 연결된 제2스위치를 포함하며, 제1스위치를 제1컨버터와 공유하고 제1스위치와 제2스위치가 상호 배타적으로 온 오프 동작하며,
공진회로는 제1스위치와 제2스위치의 공통 단자에 연결된 제2커패시터, 제2커패시터와 연결된 제2인덕터, 제2인덕터와 그라운드 사이에 연결된 제3커패시터를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 제1실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도3은 본 발명의 제1실시예를 따른 전자식 안정기를 도시한 것이다.
본 발명의 제1실시예를 따른 전자식 안정기는 정류기(100), 부스트 컨버터(200), 다이오드(D11), 커패시터(C11), 하프 브리지 컨버터(300), 공진회로(400)로 구성된다.
정류기(100)는 로우 패스 필터(11)와 브리지 다이오드(12)로 구성되고, 로우 패스 필터(11)는 교류 전류 입력단과 연결되고, 브리지 다이오드(12)는 로우 패스 필터(11)의 양단에 연결된다.
부스트 컨버터(200)는 인덕터(L11), 다이오드(D12), 트랜지스터(S13)로 구성되어 있고, 인덕터(L11)의 일단은 브리지 다이오드(12)의 일단에 연결되고, 다이오드(D12)의 애노드는 인덕터(L11)의 타단에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 컬렉터는 다이오드(D12)의 캐소드에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 이미터는 그라운드에 연결된다.
다이오드(D11)의 애노드는 인덕터(L11)와 다이오드(D12)의 공통단자에 연결되고, 커패시터(C11)은 다이오드(D11)의 캐소드와 그라운드 사이에 연결된다.
하프 브리지 컨버터(300)는 트랜지스터(S12, S13)와 다이오드(D14, D15)로 구성되고, 트랜지스터(S12)의 컬렉터는 다이오드(D11)와 커패시터(C11)의 공통단자에 연결되고, 다이오드(D13)의 애노드는 트랜지스터(S12)의 이미터에 연결되고, 다이오드(D13)의 캐소드는 트랜지스터(S12)의 컬렉터에 연결된다. 다이오드(D14)의 애노드는 트랜지스터(S12)의 이미터에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 컬렉터는 다이오드(D14)의 캐소드에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 이미터는 그라운드에 연결되고, 다이오드(D15)의 캐소드는 다이오드(D14)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D15)의 애노드는 그라운드에 연결된다.
공진회로(400)는 커패시터(C12, C13)와 인덕터(L12)로 구성되며, 커패시터(C12)의 일단은 트랜지스터(S12)와 다이오드(D14, D15)의 공통단자에 연결되고, 인덕터(L12)의 일단은 커패시터(C12)의 타단에 연결되고, 커패시터(C13)의 일단은 인덕터(L12)의 타단에 연결되고, 커패시터의 타단은 그라운드에 연결되고, 커패시터(C13)의 양단에 램프(Rlamp)가 연결된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예의 동작에 대해 상세히 설명한다.
도5는 본 실시예의 부스트 컨버터단의 동작 파형이고, 도6은 본 실시예의 하프 브리지 컨버터단의 동작 파형이다.
교류 전원(AC)이 로우 패스 필터(11)로 들어오면 사인파 형태의 교류 전원중 고주파 성분을 필터링하여 출력되고, 브리지 다이오드(12)는 필터링된 로우 패스 필터(1)의 출력을 정류한다.
브리지 다이오드(12)의 출력전류는 인덕터(L11)에 공급된다.
필터로 최초 입력되는 교류전원의 파형은 도5a에 도시된 바와 같고, 브리지 다이오(12)를 통과해 인덕터(L11)를 흐르는 전류는 도5b에 도시된 바와 같다.
브리지 다이오드(12)의 출력전류는 스위치(S13)가 온 될 때에는 인덕터(L11)에 전기적 에너지형태로 저장되고, 스위치(S13)가 오프 될 때에는 인덕터(L11)에 저장된 에너지를 하프 브리지 컨버터단(300)쪽으로 보낸다. 인덕터(L11)에서 공급되는 전류는 커패시터(C11)에 공급되고, 커패시터(C11)은 인덕터(L11)에 공급되는 전류를 평활화하고 충전한다.
한편, 다이오드(D12)는 하프 브리지 컨버터단(300)의 전류가 부스트 컨버터단(200)으로 흐르는 것을 방지하고, 다이오드(D14)는 부스트 컨버터단(200)의 전류가 하프 브리지 컨버터단(300)으로 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.
이하에서는 하프 브리지 컨버터(300)단의 동작에 대해 설명한다.
하프 브리지 컨버터(300)는 두 개의 스위치(S12, S13)가 상호 배타적으로 온 오프 동작하여 공진회로를 구성하는 커패시터(C12)의 일단에 구형파에 근접한 형태로 전압이 인가되도록 하는 역할을 한다.
즉, 스위치(S12)가 온 일때에는 스위치(S13)가 오프되고, 스위치(S12)가 오프일 때에는 스위치(S13)가 온된다. 스위치(S12)가 온 일 때에는 커패시터(C11)에 저장된 에너지가 스위치(S12)를 통해 공진회로로 전달되고, 스위치(S13)가 온일 때에는 공진회로(400)의 인덕터(L12)에 흐르는 전류의 방향이 스위치(S12)가 온일 때의 방향과 반대방향으로 변한다.
스위치(S12, S13)의 온오프 동작에 따른 a지점의 전압(Va)은 도5c에 도시된 바와 같이 구형파 형태이다.
하프 브리지 컨버터(300)에서 공급된 구형파 형태의 전류는 인덕터(L12)와 커패시터(C12, C13)로 구성된 공진회로(400)에 의해 공진되어 교류형태로 바뀐다.
인덕터(L12)에 흐르는 전류(iL12)와 램프의 등가 저항(Rlamp)에 측정되는 전압(Vlamp)은 도6d와 도6e에 도시된 바와 같다.
결국 도6e와 같은 파형의 전압이 방전관 램프에 인가되게 된다.
그런데, 본 실시예에서는 하프 브리지 컨버터(300)의 스위치의 온오프 동작을 이용하여 종래에 부스트 컨버터단과 하프 브리지 컨버터단에 별개로 사용되던 스위치를 공유하게 한다.
그 이유는 다음과 같다. 하프 브리지 컨버터단의 상부의 스위치가 온 되고 하부 스위치가 오프될 때에는 커패시터(C11)에 저장되었던 에너지가 하프 브리지 컨버터단으로 전달되며, 하부의 스위치가 온 되고 상부 스위치가 오프될 때에는 다이오드(D11)에 의해 커패시터(C11)에 에너지가 충전되는 동시에 다이오드(D12)와 스위치(S13)에 의한 전류 공급이 형성된다. 한편, 부스트 컨버터단의 스위치가 온될 때에는 하프 브리지 컨버터 단으로 전류 공급이 없고, 오프될 때에만 하프 브리지 컨버터단으로 전류공급이 있으므로, 부스트 컨버터단의 스위치 도통폭을 50%이하로 제한하여, 동작영역을 설정하면 부스트 컨버터단의 스위치와 하프 브리지 컨버터단의 하부 스위치를 공유해도 컨버터들의 동작은 문제없게 된다.
이와 같이 하프 브리지 컨버터(300)의 하부 스위치와 부스트 컨버터 단의 스위치(S13)을 공유하고, 공유된 스위치의 동작에 따라 제어되는 하나의 시스템으로 구성된 전자식 안정기를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도4는 본 발명의 제2실시예를 따른 전자식 안정기를 도시한 것이다.
본 발명의 제2실시예를 따른 전자식 안정기는 정류기(100), 플라이백 컨버터(500), 다이오드(D11), 커패시터(C11), 하프 브리지 컨버터(300), 공진회로(400)로 구성된다.
정류기(100)는 로우 패스 필터(11)와 브리지 다이오드(12)로 구성되고, 로우 패스 필터(11)는 교류 전류 입력단과 연결되고, 브리지 다이오드(12)는 로우 패스 필터(11)의 양단에 연결된다.
플라이백 컨버터(500)는 트랜스포머(T11), 다이오드(D12), 트랜지스터(S13)로 구성되어 있고, 트래스포머(T11)의 일차측단은 브리지 다이오드(12)의 일단에 연결되고, 다이오드(D12)의 애노드는 트랜스포머(T11)의 이차측단에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 컬렉터는 다이오드(D12)의 캐소드에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 이미터는 그라운드에 연결된다.
다이오드(D11)의 애노드는 트랜스포머(T11)의 2차측단에 연결되고, 커패시터(C11)은 다이오드(D11)의 캐소드와 그라운드 사이에 연결된다.
하프 브리지 컨버터(300)는 트랜지스터(S12, S13)와 다이오드로 구성되고, 트랜지스터(S12)의 컬렉터는 다이오드(D11)와 커패시터(C11)의 공통단자에 연결되고, 다이오드(D13)의 애노드는 트랜지스터(S12)의 이미터에 연결되고, 다이오드(D13)의 캐소드는 트랜지스터(S12)의 컬렉터에 연결된다. 다이오드(D14)의 애노드는 트랜지스터(S12)의 이미터에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 컬렉터는 다이오드(D14)의 캐소드에 연결되고, 트랜지스터(S13)의 이미터는 그라운드에 연결되고, 다이오드(D15)의 캐소드는 다이오드(D14)의 애노드에 연결되고, 다이오드(D15)의 애노드는 그라운드에 연결된다.
공진회로(400)는 커패시터(C12, C13)와 인덕터(L12)로 구성되며, 커패시터(C12)의 일단은 트랜지스터(S12)와 다이오드(D14, D15)의 공통단자에 연결되고, 인덕터(L12)의 일단은 커패시터(C12)의 타단에 연결되고, 커패시터(C13)의 일단은 인덕터(L12)의 타단에 연결되고, 커패시터의 타단은 그라운드에 연결되고, 커패시터(C13)의 양단에 램프(Rlamp)가 연결된다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예의 동작에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
교류 전원(AC)이 로우 패스 필터(11)로 들어오면 사인파 형태의 교류 전원중 고주파 성분을 필터링하여 출력되고, 브리지 다이오드(12)는 필터링된 로우 패스 필터(11)의 출력을 정류한다.
브리지 다이오드(12)에서 정류된 전류는 제1실시예의 도5b에 도시된 파형과 같고, 이 전류는 트랜스포머(T11)의 1차측단의 코일에 공급된다. 스위치(S13)가 온될 때에는 브리지 다이오드(12)로부터 공급된 전류는 1차측단의 코일에 저장되고, 스위치(S13)가 오프될 때에는 1차측단 코일에 저장된 전류가 2차측단으로 전달된다.
2차측단으로 전달된 전류는 커패시터(C11)에 충전되고, 이후의 동작은 제1실시예와 동일하다.
본 실시예에서도 스위치를 공유하여 제1실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자식 안정기는 스위치의 수가 감소되어 제조비용을 절감할 수 있고, 공유 스위치의 동작에 의해 두 개의 컨버터가 한가지 회로방식으로 동작하므로 에너지 전송 효율을 높일 수 있다.
본 발명은 상기한 내용에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 가능하고, 컨버터의 종류를 달리해서도 구현할 수 있다.
본 발명의 전자식 안정기를 따르면, 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 에너지 전송 효율을 높일 수 있다.

Claims (12)

  1. 교류 전원을 입력받아 정류하여 출력하는 정류기,
    상기 정류부의 출력 전류를 입력받아 제1스위치의 온오프 동작에 의해 전압레벨을 변화시켜 출력하는 제1컨버터,
    상기 제1컨버터에 병렬로 연결되고, 상기 제1컨버터와 공유하는 제1스위치와 제2스위치를 포함하고, 상기 제1컨버터의 출력전류를 입력받아 상기 제1스위치와 상기 제2 스위치의 온, 오프 동작에 의해 전류 흐름의 방향을 상기 제1,2 스위치의 상태에 따라 변화시키는 하프 브리지 컨버터,
    상기 하프 브리지 컨버터에 연결되고 상기 브리지 컨버터의 출력 전류를 공진시켜 사인파형태의 전류로 변환하여 방전 램프로 출력하는 공진회로를 포함하는 전자식 안정기.
  2. 제1항에서,
    상기 제1, 제2 스위치는,
    베이스로 제어신호를 입력받아 온 오프 동작하는 트랜지스터인 전자식 안정기.
  3. 제1항에서,
    상기 제1컨버터와 상기 하프 브리지 컨버터 사이에 상기 하프 브리지 컨버터 방향으로 순방향으로 연결되어 상기 하프 브리지 컨버터로부터 상기 제1컨버터로의 전류의 역류를 방지하는 제1다이오드,
    상기 제1 다이오드와 상기 하프 브리지 컨버터의 공통 단자와 그라운드 사이에 연결되어 상기 제1컨버터의 출력전류를 평활화하여 유지하는 제1커패시터를 더 포함하는 전자식 안정기.
  4. 제1항에서,
    상기 제1컨버터는,
    부스트 컨버터인 전자식 안정기.
  5. 제4항에서,
    상기 부스트 컨버터는,
    상기 정류기의 출력단과 상기 제1다이오드의 애노드 사이에 연결된 제1인덕터,
    상기 제1인덕터와 그라운드 사이에 연결되고 온오프 동작에 의해 제1스위치를 포함하는 전자식 안정기.
  6. 제5항에서,
    상기 부스트 컨버터는,
    상기 제1인덕터에 애노드가 연결되고 상기 제1스위치에 캐소드가 연결되어 상기 하프 브리지 컨버터로부터의 전류의 흐름을 차단하는 제2다이오드를 더 포함하는 전자식 안정기.
  7. 제1항에서,
    상기 제1컨버터는,
    플라이백 컨버터인 전자식 안정기.
  8. 제7항에서,
    상기 플라이백 컨버터는,
    상기 정류기에 연결되어 1차측단에 정류기의 출력전류를 입력받아 2차측단에 전압의 크기를 달리하여 에너지를 전달하는 트랜스포머,
    상기 트랜스포머의 1차측단과 그라운드사이에 연결되고, 온 오프 동작에 의해 상기 트랜스포머의 2차측단으로의 에너지 전달을 제어하는 제1스위치를 포함하는 전자식 안정기.
  9. 제8항에서,
    상기 플라이백 컨버터는,
    상기 트랜스포머의 1차측단에 애노드가 연결되고 상기 제1스위치에 캐소드가 연결되어 상기 하프 브리지 컨버터의 전류가 역류되는 것을 방지하는 제3다이오드를 더 포함하는 전자식 안정기.
  10. 제1항에서,
    상기 하프 브리지 컨버터는,
    상기 제1커패시터와 상기 제1다이오드의 공통 단자와 상기 제1스위치 사이에 연결된 제2스위치를 포함하며, 상기 제1스위치를 상기 제1컨버터와 공유하고 상기 제1스위치와 상기 제2스위치가 상호 배타적으로 온 오프 동작하는 전자식 안정기.
  11. 제10항에서,
    상기 하프 브리지 컨버터는,
    상기 제1스위치에 캐소드가 연결되고 상기 제2스위치에 애노드가 연결되어 상기 제1컨버터로부터의 전류의 흐름을 방지하는 제4다이오드를 더 포함하는 전자식 안정기.
  12. 제1항에서,
    상기 공진회로는,
    상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 공통 단자에 연결된 제2커패시터,
    상기 제2커패시터와 연결된 제2인덕터,
    상기 제2인덕터와 그라운드 사이에 연결된 제3커패시터를 포함하는 전자식 안정기.
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