KR20010098617A - 기체 방전 램프의 동작을 안정화하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

기체 방전 램프에서 점멸 현상은 특히 영사 기술에서 바람직하지 않다. 본 발명에 따라, 문제점은 촛점을 형성하지 않는 램프 동작을 세팅함으로써 해결된다. 직렬 구조 및 피드포워드 제어를 포함하는 특정 제어 구조가 이러한 작동을 개선하기 위해 제안된다.

Description

기체 방전 램프의 동작을 안정화하는 방법 및 장치{STABILIZING THE OPERATION OF GAS DISCHARGE LAMPS}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 따른 기체 방전램프를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 청구항 6항의 전제부에 따른 가스 방점 램프의 동작을 위한 안정기에 관한 것이다.

기체 방전 램프(또한 이하에서 램프로 명명됨)를 동작시키는 동안, 전극에 대한 방전의 루팅(rooting) 타입은 전극이 전자를 방출(캐소드)하거나 전자를 포획(anode)하는 지의 여부에 달려있다. 애노드의 경우, 방전은 전극의 넓은 영역에 걸쳐 분배된 형태로 루팅되며, 캐소드의 경우, 소위 촛점(hot spot)은 방전이 한 부분에 집중된(punctiform) 형태로 루팅된 결과로서 통상적으로 형성된다. 촛점이 루팅되는 포인트는 전극 구조, 전극 재료 및 전극 상의 온도 분배에 의존한다. 이러한 파라미터는 동작 동안 변화하기 쉬워서 촛점의 루팅 포인트는 위치를 변화시키며, 이는 기체 방전(아크 불안정)의 불안정 또는 점멸로써 표현된다. 이러한 점멸은 특히 교류를 사용하는 램프의 동작의 경우 발생하는데, 이는 전극이 교대로 캐소드 및 애노드를 형성하기 때문이며, 따라서 촛점은 애노드에서 캐소드로의 각각의 변화로 재형성되어야 한다.

램프의 소위 구형파 동작이 예를 들어 US 4,485,434로부터 점멸을 감소시키기 위해 공지되었다. 고압 기체 방전 램프의 AC 동작의 안정성을 위해 사인파의 전류 대신에 구형파 램프 전류를 선택하는 것이 바람직하다는 것이 판명되었다. 구형파의 주파수를 위한 통상적인 값은 50Hz 내지 200Hz이다. 구형파 동작은 특히 이미지 기록 및 영사 기술의 응용의 경우에 이용되었으며, 여기서 광속(luminous flux)은 중요하다. 가능한한 빠른 정류는 광속이 가능한한 짧은 구형파 크기에 대응하지 않는 시간 간격을 위해 필요하다.

구형파 동작에도 불구하고, 방전의 안정성은 특히, 쇼트-아크(short-arc)의 고압 방전 램프의 경우 아직 만족스럽지 않으며, 이는 영사 기술에서 사용을 위해 바람직하다. 아크 안정성을 개선하기 위해, PCT 출원 WO 95/35645는 구형파 구간의 끝에서 램프전류의 펄스형 상승을 의도한다. 전류 상승은 촛점의 위치에 대한 영향을 안정시키는데 영향을 미치는 온도 상승을 수반한다. 단지 개략적인 데이터가 펄스의 구간 및 크기에 대해, 그리고 동작 주파수에 대해 주어진다. 방법의 모드 또는 동작이 단지 제시된다. 따라서, 실시예에서 논의된 램프 보다 (예를 들어상이한 전극 구조 또는 상이한 충전 압력을 갖는) 상이한 디자인의 램프에 대한 방법의 응용이 강화된 실험 후에 가능하다.

그러나, 적절한 전류 형태의 고정 및 후술할 바람직한 곡선의 형태가 문제이다. 방전 램프를 동작시키기 위한 장치의 부하 회로는 내부 별명(alia), 와류일 수도 있는 에너지 저장, 및 비선형 부하를 구성하는 램프를 포함한다. 에너지 저장의 네트워크는 비선형 부하에 의해 여기될 수 있는 공진 주파수를 형성한다. 특히 쇼트-아크의 고압 램프의 동작의 경우, 이는 구형파 동작에서 램프 전류의 정류 후에 장기간 지속되는 과도 현상을 야기한다. 이러한 진동은 또한 광속에서도 관찰된다. 광속의 높은 불변성을 필요로 하는 응용(예를 들어, 비디오 영사)의 경우, 과도 현상이 발생하는 시간 간격이 구형파 구간과 비교하여 짧은 것을 보장하는 것이 필요하다. 적절한 동작 유닛에서 사용되는 제어기는 과도 현상의 기간에 대한 실질적인 영향력을 갖는다. 램프 파워의 측정을 구성하며 기준 측정과 비교되는 변수는 전술한 응용을 위해 통상적 동작 유닛에서 생성된다. 이러한 비교의 결과는 동작 유닛의 파워 부분에 대한 제어된 변수를 제공한다. 구형파 동작을 갖는 광원을 위한 고정 시간은 정류로부터 광속이 세트 포인트에서 +/- 5%의 대역으로 조정될 순간까지 경과한 시간에 의해 한정될 수 있다. 전술된 통상의 제어기를 위해, 이러한 고정 시간은 250㎲-300㎲이다. 고정 시간이 구형파의 절반 구간의 최대 10%이므로, 최대 200Hz의 주파수가 통상의 제어기 사용하여 구형파에 대해 구현될 수 있다.

종래 기술에 대한 논의에 따라, 본 발명의 목적은 두 부분으로 나뉜다: 첫째로, 본 발명은 명확하게 한정된 파라미터를 갖는 기체 방전 램프의 사실상 점멸 없는 동작을 허용하는 청구항 1항의 전제부에 따른 방법을 제공하는 것이다. 둘째로, 청구항 6항의 전제부에 따라, 본 발명은 전술한 방법이 구현될 수 있도록 수단을 제공하는 것이다.

본 목적의 제 1 부분은 청구항 1항의 특징부를 갖는 방법에 의해 성취된다. 특히 유익한 개량은 청구항 1항의 종속항인 청구항 2 내지 5항에서 알 수 있다.

종래 기술에 대한 논의에서 설명되었듯이, 램프의 점멸 원인은 캐소드에 대한 기체 방전의 루트를 구성하는 촛점이 계속하여 위치를 변화시키기 때문이다. 보다 간명한 분석은 어떠한 촛점도 전극이 캐소드로 정류한 후에 바로 형성되지 않음을 나타낸다. 오히려, 처음으로 알아야 할 것은 광역 방전 루트이다. 온도의 비동질성이 캐소드에 대해 발생한 후, 방전은 제한되며 촛점은 형성한다. 본 발명에 따라, 램프의 점멸은 방전이 촛점을 형성하기 전에 램프 전류의 정류를 수행함으로써 현저하게 감소될 수 있다. 시간에 관해서 가파른 전류 에지는 캐소드로부터 애노드로 가능한한 빠르게 변화할 전극을 필요로 하며, 이러한 이유로 본 방법은 구형파 전류 특성에 의해 효과적으로 실행될 수 있다. 특히 영사 기술에서 점멸 없는 동작이 중요하므로, 본 방법은 이러한 응용의 경우에 사용되는 램프에 대해 중요하다. 이것은 고압 및 초고압 방전 램프이며, 광학적 이미지 품질 때문에, 특히 짧은 방전 아크를 갖는다. 구형파 램프 전류의 주파수는 이러한 램프에 대해 본 발명의 방법의 기술을 만족시키기 위해 적어도 300Hz이어야 한다.

만일 본 방법이 예를 든 램프에 대해 제 1 시간 동안 적용되거나, 램프가 상이한 방법을 사용하여 작동될 중간 시간을 갖는 다면, 본 발명에 따른 방법의 응용에도 불구하고 점멸 현상은 램프가 동작된 후 짧은 시간 동안 발생하는 것이 가능하다. 이러한 이유는 상이한 위치에서 촛점의 신속한 형성을 허용하는 전극 구조 때문이다. 그러나, 본 발명에 따른 방법의 응용은 방전 아크에 대한 안정성에 영향을 미치도록 전극을 형성한다. 이는 본 발명에 따른 방법에 의한 짧은 시간 후에 실질적으로 점멸 없는 동작을 발생시킨다.

전술한 대로, 초고압의 쇼트-아크 램프의 경우 본 발명에 따른 방법을 실현하는 것은 구형파 램프 전류에 대해 적어도 300Hz의 주파수를 필요로 하는 반면, 최대 200Hz의 주파수는 통상적인 제어기 구조를 포함하는 동작 유니트로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 과제의 제 2 부분은 이러한 갭을 줄이는 것이다. 이는 청구항 6항의 특징부를 갖는 동작 유닛에 의해 성취된다. 특히 유익한 개선은 청구항 6항의 종속항인 청구항 7 내지 10항에서 알 수 있다.

기체 방전 램프를 위한 동작 유닛에서 클록킹된 DC/DC 컨버터에 의해 소위 매체간 회로 전압(U0)인 상수로부터 출력 전압(UA)를 발생시키는 것은 통상적이다. 출력 전압은 조정된 변수(Us)에 의해 세팅될 수 있는 DC 전압이다. DC/DC 컨버터는 예를 들어 스텝-업, 스텝-다운 또는 인버스 컨버터 같은 다양한 타입일 수 있다. 이러한 컨버터를 사용하여, 조정된 변수(Us)는 컨버터에 포함된 회로 브레이커의 펄스 충격 계수를 변화시킨다. 램프의 구형파 동작은 출력 전압(UA)이 구형파에 대한 소정의 주파수를 갖는 전브리지 회로에 의해 반전된 극성을 갖는 사실에의해 대부분 구현된다.

동작 유닛의 제어된 변수는 램프의 파워(Pist)이다. 램프 파워가 단지 과도하게 결정된 경우 및 동작 유닛의 파워 손실이 충분히 정밀하게 알려진 경우, DC/DC 컨버터의 입력 파워는 제어된 변수로 또한 사용될 수 있다. 통상적인 동작 유닛에서, Pist는 세트포인트(Psoll)와 비교되며, 조정된 변수(Us)는 추가의 측정된 변수에 의하지 않고 직접 또는 제어 특성(P, PI, I, PID)에 의해 가중된 후 그로부터 결정된다. 그러나, 램프 전류의 정류 후의 어떠한 짧은 고정 시간도 이러한 구조에 의해 가능하지 않다.

본 발명에 따라, 문제점은 두 측정에 의해 해결된다: 직렬 제어 및 피드포워드 제어. 스위칭 모드 파워 공급에서 소위 전류 모드의 경우 원칙적으로 적용되는 것처럼 직렬 제어는 Pist 및 Psoll로부터의 가중된 제어 차이가 조정된 변수(Us)의 값을 고정시키지 않고, 램프 전류(Isoll)에 대한 세트포인트를 한정한다는 사실에 의해 본 발명에 따른 동작 유닛에서 구현된다. Isoll은 램프 전류에 대한 측정을 포함하는 값(Iist)과 비교되며, 이는 직접 또는 제어 특성(P, PI, PID)에 의해 가중된 후 조정된 변수(Us)를 우선 조정하는 비교의 결과이다. 피드포워드 제어는 이하와 같이 본 발명에 따른 동작 유닛에서 구현된다: 램프 터미널에서 측정될 출력 전압(UA)은 또한 램프 파워를 위한 결정 요소이다. 보조 회로(예를 들어 점화 회로) 및 공급 수단은 출력 전압(UA)에서 불안정을 야기할 수 있다. UA 에서의 불안정은 특히 램프 전류의 정류 후의 과도 반응의 경우에 제어 프로세스에서 간섭한다. 결과적으로, 본 발명에 따라, Isoll은 Pist 및 Psoll의 제어 차이에 의해 결정될 뿐 아니라 출력 전압(UA)에 의존한다. 이는 또한 제어 특성을 사용한 가중에 의해 실행될 수 있으며, UA 에서의 불안정성을 강조하기 위해 상이한 특성을 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명은 덧붙인 도면을 사용하여 설명된다.

본 발명에 따른 제어 구조의 실시예 및 기체 방전 램프의 동작 동안 성취될 결과는 덧붙인 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 점멸 방전을 나타낸 도면이다.

도 2는 점멸 없는 방전을 나타낸 도면이다.

도 3은 제어 구조의 블록 선도를 나타낸 도면이다.

도 4는 실시예의 회로를 나타낸 도면이다.

도 1은 램프 전류의 정류 직전에 짧은 방전의 고압 램프의 방전을 도시한다. 형성된 촛점이 도시된다. 이러한 방전은 본 발명의 사상에 대응하지 않으며, 따라서, 점멸 현상을 발생시키기 쉽다.

도 2는 또한 램프 전류의 정류 직전의 쇼트-아크의 고압 램프의 방전을 도시한다. 그러나, 구형파 램프 전류의 주파수는 어떠한 촛점도 형성되지 않게 충분히 높다. 이는 본 발명의 사상에 대응하며, 이런 이유로 이러한 방전은 간과할 수 있는 점멸 현상을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 제어기 구조의 블록 선도이다. 목적은 제 1 제어 루프에서 램프 파워를 제어하는 것이므로, 제 1 단계는 감산 포인트(S1)에서 Pist 및 Psoll로부터의 제어 차이를 형성하고 제어 특성(RC1)으로 이를 가중하는 것이다. 제어 특성(RC1)은 P, PI, I 또는 PID일 수 있다. 가중된 신호는 제 2 감산 포인트로 제공된다. 출력 특성(RC2)으로 가중된 출력 전압(UA)이 가산된다. 제어 특성(RC2)은 도 3에서 미분 특성(DT1)으로 표현되지만, 이는 또한 원칙적으로 다른특성(예를 들어 P, PI, I 또는 PID)을 갖는다. 발명의 상세한 설명에서 전술된 프리포워드 제어는 제 2 감산 포인트(S2)에서 구현된다.

제 2 감산 포인트(S2)의 출력은 발명의 상세한 설명에서 전술된 직렬 제어의 내부 제어 루프의 세트 포인트(Isoll)를 포함한다. Isoll은 램프 전류의 값에 대응하는 변수를 가진 제 3 감산 포인트(S3)에서 비교된다. 이러한 비교의 결과는 제어 특성(RC3)으로 가중한 후 조정된 변수(US)가 된다. 제어 특성(RC3)은 P, PI 또는 PID 특성이다.

도 4는 도 3에 도시된 법칙 구조의 회로를 도시한다. 숫자를 덧붙인 R에 의해 표시된 요소는 저항이며, 숫자를 덧붙인 C에 의해 표시된 요소는 캐패시터이며, 숫자를 덧붙인 T에 의해 표시된 요소는 트랜지스터이다. 중앙 모듈은 Unitrode사의 전류 모드 제어기(UCC3800)이다. 이러한 IC는 제 1(S1) 및 제 3(S3) 감산 포인트, 제어 특성(RC3)을 고정시키기 위한 가능성 및 상세한 설명 부분에서 전술된 DC/DC 컨버터의 회로 브레이커를 구동시키기 위한 클록 신호로서 조정된 변수(Us)를 발생시키는 회로를 포함한다. 회로 브레이커는 통상적으로 MOSFET이며, 이것이 턴온된 동안의 시간은 게이트에서의 신호에 의해 변화한다. 이러한 신호는 UCC3800에서의 핀(6)(OUT)에서 유용하다. 내부 진동은 신호를 발생시키기 위해 필요하다. 오실레이터의 주파수는 자유롭게 동작하는 경우 R108 및 C103에 의해 세팅될 수 있다. 이 경유, DC/DC 컨버터는 소위 연속 모드로 동작한다. R108 및 C103은 직렬로 연결된다. 연결 포인트는 핀(8)(REF)에 연결되며 기준 전압은 5V이다. R108의 다른 단부는 핀(4)(RC)에 연결되며, C103의 다른 단부는 프레임에 연결된다.

직접적으로 본 발명에 관련되지 않은 특정 동작 조건 아래서, DC/DC 컨버터는 요소(C6, R1, R2, R107, T100, R106, C101, R105, D102, R104 및 C102)를 포함하는 회로 부분에 의해 불연속 모드로 놓여진다. 이러한 회로 부분은 전술한 MOSFET의 드레인에서의 전압에 의해 제어된다. C6, R1, R2 및 R107의 직렬 회로는 드레인과 10.5V의 동작 전압 사이에 위치된다. 저항(R107)은 한 터미널이 동시에 동작 전압 및 T100의 에미터에 연결된다. 다른 터미널은 T100의 베이스에 연결된다. R106 및 C101은 T100의 컬렉터에 연결된다. R106의 다른 단자는 프레임에 연결되고, C101의 다른 단자는 R105 및 D102의 애노드에 연결된다. R105의 다른 단자는 프레임에 연결되며, D102의 캐소드는 R104 및 C102에 연결된다. R104의 외부 단자는 프레임에 연결되며, C102의 외부 단자는 UCC3800의 핀(4)(RC)에 연결된다.

UCC3800은 각각 동작 전압(10.5V) 및 프레임인 핀(7)(VCC) 및 핀(5)(GND)에 연결된다. Psoll은 핀(8)(REF)을 통해 공급된다; 이 경우, 기준 전압은 5V이다.

Pist는 요소(R11, R28, R29, R31, R117, R24, R25, IC11-B, R101, C13, C12, R20, R22 및 IC11-A)를 포함하는 회로 부분에 의해 제공된다. IC11-A 및 IC11-B는 연산증폭기이다. IC11-A(핀 1)에서, 회로 부분은 DC/DC 컨버터의 입력 파워에 비례하는 전압을 제공한다. 이를 위해, 매체간 회로 전압(U0)은 단자(UA1)를 통해 요소(R11, R28, R25, R24 및 IC11-B)를 포함하는 반전 증폭기로 인가된다. R11 및 R28은 UA1과 프레임 사이에 전압 분배기를 형성한다. R11 및 R28의 연결 포인트에서의 신호는 IC11-B의 반전 입력으로 공급된다. IC11-B의 비 반전 입력(핀5)은 2.5V의 기준 전압에 연결된다. 피드백 저항(R25)은 IC11-B의 출력과 IC11-B 사이의 반전 입력 사이에 위치한다. IC11-B의 출력은 R24 및 R101의 직렬 회로를 통해 IC11-A(핀 2)의 반전 입력에 연결된다.

저항(R31, R29 및 R117)은 R24 및 R101의 연결 포인트에 연결된다. R29의 다른 단자는 프레임에 연결되며, R117의 다른 단자는 5V의 기준 전압에 연결되며, R31의 다른 단자는 단자(Poti)로 통한다. 전위차계가 단자(Poti)를 통해 레임에 연결될 수 있으며, 램프 파워가 이로 인해 세팅될 수 있다.

요소(R101, R22, C13, R20, C12 및 IC11-A)는 가산기를 형성하며, 가산기에서증폭된 전압 신호(UA1) 및 신호가 가산되며, 이 신호는 단자 소오스를 통해 인가되며 입력 전류의 측정값이다.

단자 소오스로부터의 신호는 R22를 통해 IC11-A(핀 3)의 비 반전 입력으로 인가된다. C13은 IC11-A와 프레임 사이에 위치한다. C12 및 R20의 직렬 회로는 IC11-A의 입력과 IC11-A의 출력 사이에 위치된다.

가산은 동작 포인트에서 개략적인 곱셈을 구성하며, 이 결과로 전압값이 DC/DC 컨버터의 입력 파워의 값인 신호가 IC11-A의 핀(1)에 존재한다. C12에 의해, 가산기는 동시에 제어 특성, 이 경우 PI특성을 발생시킨다. 따라서, 가중된 Pist 신호는 IC11-A의 핀(1)에서 이용가능하다.

단자 소오스를 통해 인가되는 신호가 측정값인 입력 전류는 동시에 일정하게 제어된 입력 파워 및 일정한 매체간 회로 전압(U0)으로 주어진 램프 전류(Iist)의 측정값이다. 결과적으로, 직렬 제어의 내부 제어 루프를 구현하기 위해, 단자 소오스의 신호는 R114를 통해 핀(3)(CS)으로, 즉 UCC3800에 집적된 제 3의 감산 포인트(S3)로 인가된다.

직렬 제어의 외부 제어 루프는 IC11-A의 출력 및 UCC3800의 핀(2)(FB)을 연결하는 R112를 통해 폐쇄된다. UCC3800의 핀(2)(FB)은 동시에 신호(Isoll) 및 제 2 감산 포인트(S2)를 구성한다. DC/DC 컨버터의 외부 전압(UA)은 단자(UA)에 존재한다. C100 및 R111의 직렬 회로를 통해, 이는 UCC3800의 핀(2)(FB)으로 인가되며 전술된 피드포워드 제어는 이로써 구현된다. C100 및 R111은 제어 특성(RC2)을 형성한다; 이 경우는 DT1 특성이다.

이 경우 P1 특성인 제어 특성(RC3)은 병렬 접속된 요소(C104 및 C109)에 의해 결정될 수 있으며, 이는 UCC3800의 핀(1)(COMP)과 핀(2)(FB) 사이에 연결된다.

괄호로 표시된 UCC3800의 핀 표시는 제조사인 미국 UNITRODE, Merrimack의 데이터 시트와 관련있다.

본 발명에 따라 명확하게 한정된 파라미터를 갖는 기체 방전 램프의 사실상 점멸 없는 동작이 가능하다.

Claims (11)

1. 램프 전류를 도전시키며, AC 동작에 의해 결정되는 방식으로 교대로 캐소드 및 애노드를 구성하는 전극을 구비하며, 기체 방전이 상기 캐소드 상에서 연장된 루트로부터 소위 촛점까지 한정되도록 하는 하나 이상의 병렬 연결된 기체 방전 램프를 AC 동작시키는 방법에 있어서,

   상기 램프 전류의 극성은 전극 상에 방전됨과 동시에 캐소드를 구성하는 방전이 상기 연장된 루트로부터 상기 촛점까지 한정되기 전에 스위칭 전환되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 램프 전류는 구형파인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 램프는 고압 또는 초고압 방전램프인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 램프는 쇼트-아크 램프인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 램프 전류의 주파수 값은 300Hz이상이며, 상기 램프 전류는 구형파인 것을 특징으로 하는 방법.
6. - DC 전압(출력 전압(UA))을 제공하기 위한 장치 ,

   - 램프 파워의 측정값인 전기량(Pist)을 제공하기 위한 장치,

   - 램프 파워의 설정값의 측정값인 전기량(Psoll)을 제공하기 위한 장치,

   - 램프 전류의 측정값인 전기량(Iist)을 제공하기 위한 장치, 및

   - 상기 전기량들을 제어하기 위한 장치를 포함하며, 하나 이상의 병렬 연결된 기체 방전 램프를 동작시키는 안정기에 있어서,

   제어 시스템은 상기 전기량(Pist, Psoll 및 UA)의 함수로서 상기 램프 전류의 설정값의 측정값인 전기량(Isoll)을 고정시키며, 상기 Iist와 비교함으로써 상기 램프 전류를 설정하는 것을 특징으로 하는 안정기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전기량(Pist 및 Psoll)은 비례 및/또는 적분 및/또는 미분 제어 특성을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 안정기.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 전기량(UA)은 비례 및/또는 적분 및/또는 미분 제어 특성을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 안정기.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 전기량(Iist 및 Isoll)은 비례 및/또는 적분 및/또는 미분 제어 특성을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 안정기.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 램프는 제 1 항 내지 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는 안정기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 안정기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.