KR200177679Y1 - 형광등용 전자식 안정기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 형광등용 전자식 안정기에 관한 것으로, 특히 램프 부하의 적정 전압과 전류를 공급하고 부하의 변동에 따른 능동적 대처로 최적의 효율 상태를 유지하는 전자식 안정기에 관한 것이다.

본 고안의 목적은 전자식 안정기의 트랜스포머를 거쳐 투여되는 전류와 2차 권선을 통해 여자되는 전류가 극성의 반대로 인하여 부하 즉 램프에 투입되는 전류를 쉽게 제한할 수 있고 상기 트랜스포머의 2차 권선에서 발생되는 전력으로 인해 고전압을 요구하는 세관화된 램프에 필요한 높은 전압을 쉽게 얻을 수 있으며, 커패시터와 인덕터의 공진으로 필라멘트에 인가되는 전류를 제한하여 전자식 안정기의 부하를 효율적으로 제어하는 데 있다.

본 고안의 목적을 달성하기 위한 구성은 형광등용 전자식 안정기에 있어서, 전자식 안정기 출력부에 트렌스포머를 통하여 형광등부하에 입력되는 전류를 공진으로 제한하는 공진제어수단을 구비함을 특징으로 한다.

Description

형광등용 전자식 안정기{An electronic ballast for fluorescent lamp}

본 고안은 형광등용 전자식 안정기에 관한 것으로, 특히 램프 부하의 적정 전압과 전류를 공급하고 부하의 변동에 따른 능동적 대처로 최적의 효율 상태를 유지하는 전자식 안정기에 관한 것이다.

좋은 품질의 전자식 안정기는 안정기의 수명뿐만 아니라 형광등의 수명을 길게 하기 위하여 다음과 같은 특성을 가지도록 유의해야 한다. 즉, 형광등의 필라멘트는(순간 점등식 형광등의 경우 제외) 정상적으로 예열되어야 하고, 부드럽게 점등되기 위하여 전압의 피이크는 낮아야 하고, 방전 전류는 형광등이 점등되고 난 뒤 안정되어야 하고, 방전의 안정성과 광속의 안정성을 위하여 입력전원의 전압변동을 고려해야 하고, 역률과 형광등 수명의 말기 현상을 고려해야 하고, 전류 및 전압의 고조파 왜곡은 적어야 하고, 전자기 간섭은 생기지 않아야 한다.

최근에 이러한 요구조건을 만족시키는 전자식 안정기가 소개되고 있다. 10kHz에서 80kHz에서 작동하는 전자식 안정기의 기본단위는 정류기, 고주파발생기, 그리고 LC공진회로로 구성되어 있고, 형광등은 LC공진회로에 포함된다.

도3은 일반적인 전자식 안정기 간략하게 도시한 도면이다.

정류기를 거친 전원을 V1으로 간략히 표시하고, 트랜지스터 QS1, QS2를 이용한 하프브리지(Half-Bridge) 방식의 고주파발생기(HB1)와 인덕터 L2의 단순한 단권선 방식으로 높은 전압을 인가하여 램프(FL1, FL2)를 방전시킨다.

그러나, 종래의 전자식안정기의 하프브리지(Half-Bridge)방식은 일반적으로 전자식 안정기에 많이 사용되는 방법이고 이때 이용되는 도3의 인덕터 L2는 단권선방식으로 높은 전압의 인가시나 대전류의 인가시 램프부하의 적정수준으로 맞추기 위해서는 인덕터 크기의 증가와 감겨지는 권선의 굵기가 굵어야되고, 이용되는 코어의 자기 공진 주파수의 한계점에 도달할 경우 발열 및 소음의 증가로 인해 코어의 크기를 증대 시킬 수 밖에 없는 단점을 가지고 있다. 그리고 도3과 같은 회로로서는 부하의 소모 전력의 증대시 필라멘트(FL1, FL2)에 걸리는 전류의 증가로 램프수명의 감소와 저효율화로 인해 전자식 안정기의 특징을 반감시키게 된다.

따라서 본 고안은 상기 트랜스포머를 거쳐 투여되는 전류와 2차 권선을 통해 여자되는 전류가 극성의 반대로 인하여 부하 즉 램프에 투입되는 전류를 쉽게 제한할 수 있고 상기 트랜스포머의 2차 권선에서 발생되는 전력으로 인해 고전압을 요구하는 세관화된 램프에 필요한 높은 전압을 쉽게 얻을 수 있으며, 커패시터와 인덕터의 공진으로 필라멘트에 인가되는 전류를 제한하여 전자식 안정기의 부하를 효율적으로 제어할 수 있는 제어장치에 있다.

본 고안의 목적을 달성하기 위한 구성은 형광등용 전자식 안정기에 있어서, 전자식 안정기 출력부에 트렌스포머를 통하여 형광등부하에 입력되는 전류를 공진으로 제한하는 공진제어수단을 구비함을 특징으로 한다.

도1a는 본 고안에 따른 전자식 안정기의 출력단의 회로도,

도1b, 1c, 1d는 도1a의 등가회로도,

도2는 본 고안에 따른 전자식 안정기의 사용회로도,

도3은 일반적인 전자식 안정기의 출력단의 회로도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

T1:트랜스포머 FL1, FL2 : 필라멘트

C1,C2,C3,C4:커패시터 L1: 인덕터

도1a은 본 고안에 따른 전자식 안정기에 사용되는 회로도이다.

도1a를 참조하면, 트랜지스터 Q1과 Q2의 베이스단에 주파수 발진기를 연결한 하프브리지(Half-Bridge;HB1)방식의 고주파변환기와 형광등에 적정전력을 출력하는 트랜스포머(T1)와 상기 형광등의 필라멘트(FL1, FL2)에 인가되는 전류를 제한하는 커패시터 C3, 인덕터 L1, 커패시터 C4와, 역 항복전압으로부터 트랜지스터 Q1과 Q2를 보호하기 위한 다이오드 D1과 D2로 구성된다.

상기와 같이 구성된 회로의 트랜스포모 T1을 거쳐 투여되는 전류 I1과 트랜스포머 T1의 2차권선을 통해 여자되는 전류 I3이 발생하는데 상기 전류 I1과 전류 I3의 극성이 반대이므로 부하 즉 상기 형광등에 투입되는 전류를 쉽게 제한할 수 있고 또한 상기 트랜스포머 T1의 2차권선에서 발생되는 전력으로 인해 세관화된 형광등에 필요한 고전압을 쉽게 얻을 수 있고 상기 커패시터 C3, 인덕터 L1, 커패시터 C4의 공진으로 인해 상기 필라멘트 FL1과 FL2에 인가되는 전류의 제한으로 상기 전자식 안정기의 부하를 효율적으로 제어 할 수 있다.

도1a와 같은 회로의 실질적인 이득을 알아보기 위해 도1b와 같은 등가회로를 참조하여 설명한다.

도1b를 참조하면, 도1a의 트랜스포머 T1를 제외한 나머지 소자(C_X1, C_X2,C_X3, L_X)의 합성임피던스를 Z라 하면 합성임피던스 Z는 다음의 수학식1과 같다.

[수학식 1]

상기와 같은 합성임피던스 Z를 포함한 등가회로를 다시 구성하면 도1c와 도1d와 같은 등가회로를 구할 수 있다.

도1c를 참조하면 도1a의 필라멘트 FL1, FL2의 등가소자인 도1b의 Rx양단에 걸리는 전압을 구하고자 하면 도1c의 함성임피던스 Z를 C_X1을 제외한 합성임피던스 Z₁과 Z_CX1으로 분리하면 다음의 수학식 2로 표시할 수 있으며, Z₁은 수학식 3으로 나타내며, Z_CX1은 수학식 4와 같다.

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

그리고 먼저 합성임피던스 Z에 걸리는 양단의 전압을 구하면

[수학식 5]

[수학식 6]

상기 수학식 5와 수학식 6으로 나타낼 수 있다.

또한와 M을 결합계수라 하면,

[수학식 7]

[수학식 8]

수학식 7과 수학식 8로 정의 되어진다.

이때 V_I은 수학식 9와 같이 유도된다.

[수학식 9]

따라서 상기 트랜스포머 T1의 전류값은 수학식 10과 같이 된다.

[수학식 10]

따라서 합성임피던스 Z에 걸리는 전압 V_Z는 다음과 같은 수학식 11과 같이 되며,

[수학식 11]

상기 수학식 2와 수학식 6과 수학식 11을 이용하여 상기 Z₁에 걸리는 전압 V_Z1을 구하면,

[수학식 12]

[수학식 13]

[수학식 14]

즉 수학식 14와 같게 되며, 따라서 상기 램프의 양단에 걸리는 전압은 수학식 15와 같이 된다.

[수학식 15]

따라서, 상기 램프 양단에 걸리는 전압을 구하는 수학식15를 보면 Z₁과 Z의 값을 무시한채 ST_X1과 ST_X2의 관계에서 원전압 V_Z보다 V_Z1이 상승할 수 있는 조건을 갖추고 있음을 알 수 있다. 이러한 관계로 실부하에 적용 가능한 전압은 기존의 회로보다 손쉽게 얻을 수 있고, 일정한 부하량이 정해진 상황에서 상승된 전압은 즉, 하향된 전류를 나타낸다는 것을 판단할 수 있고, 부하의 전압, 전류를 임의 조정이 가능하다는 것을 나타내고 있다.

도2는 본 고안을 적용한 고주파점등전용형 형광램프용 안정기 회로도이다.

도2를 참조하면, 먼저 좌측상단의 교류전원라인에서 220V 교류전압을 인가한 후 트랜스포머 T₂와 T₃의 라인필터를 거쳐 브리지 다이오드(D2, D3, D4, D5) 정류단을 거쳐 전파정류된 직류 맥파 전압이 인가하게 된다.

이 정파정류단 전압은 일차적으로 커패시터 C₄에서 필터링되고 다음으로 트렌스포머 T₁인덕터에서 전류지연이 이루어지는데 이때 트랜스포머 T₁의 2차 코일과 R₂, R₅의 전압을 주파수변환 집적회로(IC1)에서 검출 및 비교분석 후 트랜지스터 Q1에서 약 20Hz로 펄스폭변조(PWM) 구동시키면서 다이오드(D1)를 통과해 커패시터(C5)로 축전된다. 이때 커패시터 C5 양단에 걸리는 전압은 브리지 다이오드 정류단(D2,D3,D4,D5)에 정류된 전압보다 약1.6배 정도의 높은 전압으로 승압되며, 상기 주파수변환 집적회로(IC1)를 통해 전압, 전류의 비교분석을 통해 트랜지스터를 구동하여 역률을 98%이상 끌어 올리게 된다.

이렇게 승압된 직류전압은 맥파가 아닌 매끄러운 약 380V이상의 전압으로 되어서 출력단 드라이브단에 인가되는데 하프브리지(Half-Bridge) 방식의 트랜지스터 Q2, Q3가 소프트스타터(Soft-starter) 컨트롤러 집적회로(IC2)의 제어를 받으며 고주파 교류전력을 트랜스포머 T5에 인가하게 된다.

상기 소프트스타터(Soft-starter) 컨트롤러 집적회로 IC2의 역할은 트랜지스터 Q2, Q3의 개별적 온-오프(on-off) 스위칭 동작 및 램프의 유무 및 소프트스타트와 타이밍 컨트롤(도시되지 않은 타회로와 연결)를 제어하고 있다

그리고 트랜지스터 Q2와 Q3의 스위칭 동작에 의해 발생되는 고주파 교류전원은 트랜스포머 T5에 의해 정격출력으로 조정되어 램프(Lamp)에 전력을 인가하게 되는데, 여기서는 트랜스포머 T5의 출력회로는 본 고안에 따른 기술요지이다.

상기 트랜스포머 T5에 인가된 전력은 트랜스포머 T5의 1차전압으로 출력되면서 먼저 전류의 제한이 일차적으로 일어남과 동시에 트랜스포머 T5의 여과된 코어가 2차전압을 발생하게 된다. 이때 2차전압은 1차전압과 반대극성을 띄며, 램프 LP1과 LP2 사이에 높은 전압을 인가하게 되면 2차전압의 전류는 반대 방향의 전류로 인해 억제된 전류가 흐르게 된다. 이로 인해 램프는 쉽게 방전전압에 도달할 수 있으며, 또 램프 LP1를 통해 들어온 전류를 두방향으로 나누어 분산되는데 램프 LP1의 필라멘트로 거쳐 흐르는 전류와 램프 LP2로 빠져나가는 전류로 된다. LP1를 통해 들어오는 전류의 경우 초기 점등의 필라멘트에 예열을 위해 중요하지만 점등후 불필요한 전류로 인해 램프의 수명에 영향을 줄 수 있으므로 C11, L1, C12에 의해 적정수준으로 전류제어가 되고, 램프 LP2로 빠져나가는 전류의 방향으로 유도하여 램프의 발광효율을 증대시키게 된다.

물론 이와같은 상황은 트랜지스터 Q2, Q3에서 발생된 고주파 전력이 출력소자들과 적정공진점 범위에서 이루어진 것이며, 초기 소프트 스타트 점등이 IC1에서 주파수 가변으로 부하램프에 적정예열전류 및 방전전압을 줄 수 있다.

상기와 같이 트랜스포머를 거쳐 투여되는 전류와 2차 권선을 통해 여자되는전류가 극성의 반대로 인하여 부하 즉 램프에 투입되는 전류를 쉽게 제한할 수 있고 상기 트랜스포머의 2차 권선에서 발생되는 전력으로 인해 고전압을 요구하는 세관화된 램프에 필요한 높은 전압을 쉽게 얻을 수 있으며, 커패시터와 인덕터의 공 진으로 필라멘트에 인가되는 전류를 제한하여 전자식 안정기의 부하를 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 형광등용 전자식 안정기에 있어서,

   상기 전자식 안정기의 출력부에 트렌스포머를 통하여 형광등부하에 입력되는 전류를 공진으로 제한하는 공진제어수단을 구비한 형광등용 전자식 안정기.
2. 제1항에 있어서, 상기 공진제어수단은,

   제1커패시터와 제1인덕터와 제2커패시터가 직렬로 연결하여 구성되는 것을 특징으로하는 형광등용 전자식 안정기.