KR200183164Y1 - 형광등 안정기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 종래의 쵸크코일의 중간탭을 이용하여 SCR을 통한 폐회로를 형성토록 하여 쵸크코일에 역기전력을 발생시킴으로써 형광등을 점등할 수 있는 회로를 내장하고 있는 형광등 안정기이다. 본 고안의 안정기에는 형광등 시동전압 발생용 쵸크코일, SCR, 제1.제2.제3저항기, 제1.제2 다이오드, 커패시터가 함께 내장되는데, 쵸크코일에는 중간탭이 있고; 쵸크코일의 일단에 제1저항기가 연결되고, 제1저항기의 반대단에 제1다이오드의 양극이 연결되고; 제1다이오드의 음극에 제2저항기가 연결되고; 제2저항기의 반대단에 SCR의 게이트가 연결되고; SCR의 게이트와 캐소드에는 제3저항기가 연결되고; SCR의 애노드에 제2다이오드의 양극이 연결되고; SCR의 캐소드에 제2다이오드의 음극이 연결되고; 쵸크코일의 중간탭과 SCR의 애노드 사이에 커패시터가 연결되며, 상기 쵸크코일의, 제1저항기와 연결된 반대단에는 제1인출선이 연결되어 형광등의 일전극에 연결되고, 상기 SCR의 캐소드, 제2다이오드의 양극, 제3저항기와의 연결점에는 제2인출선이 연결되어 형광등의 타전극에 연결되고, 상기 쵸크코일과 제1저항기와의 연결점에는 제3인출선이 연결되어, 제2인출선과 제3인출선 사이에 교류전원이 접속되는 것을 특징으로 한다.

Description

형광등 안정기{Ingniter for fluorescent lamp}

본 고안은 형광등용 안정기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 고안은 종래의 안정기의 쵸크코일에 탭을 내고 전자부품을 부가함으로써 별도의 폐회로를 형성하도록 하여, 글로우방전관(glow starter) 없이도 형광등을 빠른 시간에 점등할 수 있는 형광등 안정기에 관한 것이다.

형광등은 양전극 사이에서 일어나는 아크방전을 이용한 조명장치로서, 전극 사이에 고압방전을 일으키기 위하여 일반 상용 교류전압(110 또는 220V)으로부터 기동전압을 발생할 필요가 있다. 기동전압을 발생하기 위하여, 글로우방전관을 이용한 글로우스타터(glow starter) 점등방식과 래피드스타트(rapid start) 점등방식과 고주파(인버터) 점등방식 등이 이용되고 있다.

글로우스타터 점등방식의 기본 원리를 도1을 통해 설명한다. 전원스위치(SW)를 켜면 형광등(1)의 양쪽 전극(1a, 1b)에 전원전압이 걸리지만 이 전압으로는 전극의 아크방전이 일어나지 않는다. 한편, 전원전압이 글로우방전관(2)에도 가해지므로 여기서 글로우 방전을 하게 된다. 글로우 방전의 열로 글로우방전관(2)의 바이메탈 전극(2a)이 늘어나 접점이 닫히면, 형광등 전극(1a, 1b)과 글로우방전관(2)과 안정기 (3)를 통하는 폐회로가 형성되므로 형광등의 전극(1a, 1b)에 전류가 흘러 전극이 가열되고 열전자가 방출하기 시작한다. 이 때에 글로우방전관(2)에서는 글로우 방전을 하지 않고 있기 때문에 바이메탈 전극(2a)이 냉각되면서 바이메탈이 원상태가 되어 접점이 열리게 된다. 글로우방전관(2)의 접점이 열린다는 것은 지금까지 안정기(3)에 흐르던 전류가 변화하여 영('0')이 되려는 것이기 때문에, 코일인 안정기(3)에는

(V는 전압, L은 코일인덕턴스, I는 전류, t는 시간)

에 의해 순간적인 고전압(kick전압)이 발생하고 이 킥전압이 형광등(1)의 전극(1a, 1b)에 인가되어 아크방전이 일어나 형광등이 켜지게 된다.

이러한 글로우스타터 점등방식에서는 글로우방전관를 이용한 형광등의 음극선 예열시간이 비교적 길기 때문에 형광등의 온, 오프시마다 전력소모가 증대되어 형광등 본래의 절전성이 퇴색하는 문제가 있고, 글로우방전관의 흑화현상에 의해 형광등의 수명못지 않게 글로우방전관의 수명이 단축되는 문제가 있다.

한편, 이러한 단점을 보완하고 되도록 빨리 형광등을 켜기 위하여 래피드스타트 방식이 개발되었다. 이 방식은 안정기를 개량하여 3중 코일을 채용함으로써 글로우방전관 없이도 형광등 전극의 예열을 할 수 있는 방식인데, 도2를 참조하여 개략적으로 설명한다. 전원을 넣으면, 전극(1a, 1b) 간에 안정기(3)의 2차 전압이 인가되며, 안정기의 전극예열 권선(P1, P2)의 전압이 전극(1a, 1b)에 인가된다. 약 1초 정도의 전극 가열로 열전자가 방사되어 전극간에 가해진 전압에 의해 점등된다. 이 방식은 점등 중에 전극이 계속 가열되므로 전자 방사 물질이 다량 충전되는 3중 코일을 채용하는 것이다.

래피드스타트 방식을 채용함으로써 형광등의 점등시간이 빨라졌다. 그러나, 도2에서 알 수 있는 바와 같이 래피드스타트 방식의 안정기는 그 크기가 크며 구조가 복잡하여 비싸기 때문에, 일반 가정용이나 스탠드용에는 별로 사용되지 않고, 사무실이나 판매장 등에 많이 쓰이고 있다.

한편, 글로우스타터 점등방식이나 래피드스타트 점등방식은 전원주파수(약 60Hz)에 의해 깜박거림이 일어나기 때문에, 이를 막으면서도 순간점등을 실현하기 위해 인버터 점등방식이 개발되었다. 도3은 인버터 점등방식의 개략적인 원리도인데, 트랜지스터(Tr)로써 전원전압을 스위칭하여 형광등(1)에 20~50kHz의 고주파전압을 인가하면 순간적으로 점등되고 회로손실이나 빛의 깜박임이 줄어드는 장점이 있다.

그러나, 인버터 점등방식은 회로구성상 많은 전자부품(정류회로, 스위칭회로, 고주파변환회로, 온도유지회로, 기타 보조회로 등)이 필요하기 때문에 단가가 매우 높은 문제가 있어, 고급 조명장치나 고급 스탠드, 또는 복사기, 스캐너 등의 발광원으로 한정적으로 사용되고 있다.

위와 같은 공지의 기술을 이용하여, 형광등을 효율적으로 점등하기 위한 여러가지 방안이 개발되어 왔다. 특허자료를 통해 살펴본다. 우리나라 공개실용신안공보 95-28990은 인가되는 교류전원으로 형광등의 필라멘트를 계속 예열시키면서 교류전원의 반주기마다 필라멘트의 사이에 고전압을 인가하는 것을 반복하여 필라멘트가 적당한 온도로 가열되었을 경우에 점등되도록 하는 기술이다.

같은 공보 84-5933과 95-34665는 글로우방전관 대신에 SCR과 네온램프를 사용하는 기술이고, 같은 공보 98-59378은 일정시간 예열회로와 일정시간 펄스발생회로를 부가하여 필요이상 높은 펄스를 제거하여 전자파를 방지하고, 회로전체를 보호하는 삼단계로 구성되어 있는 전자식 래피드스타트 기술이다.

위의 공보에 개시되어 있는 모든 기술방식에서는 종래의 안정기를 별도로 사용하고, 전자부품을 별도로 부가하여 형광등을 점등하고자 하는 시도들로서, 형광등 전체의 가격이 올라가고 연결배선이 복잡해지는 문제가 발생할 수 있다.

이에, 본 출원인은 종래의 안정기용 쵸크코일에 전자부품을 부가하여, 하나의 안정기를 만들고 외부로는 세 개의 와이어만 나오도록 하여, 형광등 내의 연결배선이 종래의 전자식 래피드스타트 방식은 물론 글로우스타터 방식보다도 오히려 간단해지는 안정기를 개발하였다.

따라서, 본 고안의 목적은 종래의 쵸크코일에 중간탭을 내고 이 중간탭을 이용하여 SCR을 통한 폐회로를 형성토록 하여 쵸크코일에 역기전력을 발생시킴으로써 형광등을 점등할 수 있는 회로를 내장하고 있는 형광등 안정기를 제공하는 것이다.

도1은 형광등의 글로우스타터 점등방식을 나타내는 회로도.

도2는 형광등의 래피드스타트 점등방식을 나타내는 회로도.

도3은 형광등의 인버터 점등방식을 나타내는 회로도.

도4는 본 고안에 따른 안정기의 회로도.

도5는 본 안정기 회로도의 A, B, C, D, E부 파형도

도6은 본 고안에 따른 안정기의 외관도.

〈도면의 주요부호의 설명>

안정기(10), 형광등(1), 형광등 전극(1a, 1b), 전원스위치(SW), 교류전원(AC), 제1와이어(W1), 제2와이어(W2), 제3와이어(W3), 쵸크코일(L1), 저항기(R), 다이오드(D), 게이트(G), 애노드(A), 캐소드(K), 커패시터(C), 코어(11), 외함(12), 전자회로부(13)

도4는 본 고안에 따른 안정기(이하, '본 안정기')의 회로도이다. 도4를 보면, 본 안정기(점선으로 두른 부분, 10)가 형광등(1)의 양 전극(1a, 1b)과, 전원스위치(SW)를 통하여 교류전원(AC)에 연결되어 있음을 알 수 있다. 즉, 본 안정기(10)에서는 외부로 세 개의 와이어가 나온다. 제1와이어 W1 , 제2와이어 W2, 제3와이어 W3가 그것인데, W1과 W2에는 형광등(1)의 양 전극(1a, 1b)이 연결되고, W3과 W2 사이에는 교류전원(AC)이 연결된다.

본 안정기(10)의 회로구성을 상세하게 설명한다.

W1은 쵸크코일 L1의 일단에 연결된다. 쵸크코일은 일반적으로 사용되는 자기식 안정기로서 규소강판 코어에 에나멜선을 감은 전압변환 트랜스에서 1차측 코일만 있는 것으로 보면 된다.

본 고안에서는, 종래의 안정기용 쵸크코일과는 달리, L1의 코일중간에 중간탭(CT)을 내었다. 중간탭의 위치는 입력 교류전원(AC)의 약 70~90% 정도의 전압이 나오는 위치가 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 80%인 것이 바람직하다. 실제로, 제작할 때에는 (a-b간 직류저항):(CT-b간 직류저항)≒19:16이 되도록 하면 된다. 이 중간탭의 용도에 대해서는 계속 설명될 것이다.

쵸크코일 L1의 반대단(W1이 연결된 반대단)에는 저항기 R1이 연결되고, L1과 R1의 연결점에는 W3이 연결되어 외부에서 전원스위치 SW를 통해 교류전원(AC)에 연결된다.

저항기 R1의 반대단은 다이오드 D1의 양극(애노드)과 연결되고, D1의 음극은 저항기 R2에 연결된다. 저항기 R2의 반대단은 사이리스터의 일종인 SCR(silicon controlled rectifier)의 게이트(G)에 연결된다. 사이리스터는 pnpn접합에 제3의 게이트단자를 부가하여 pnpn접합에 흐르는 전류를 제어하는 관용적 소자인데, 게이트단자에 인가되는 전류에 의해 애노드(A)에서 캐소드(K)로 흐르는 전류를 단속한다.

SCR의 게이트와 캐소드(K)에는 저항기 R3이 연결된다. SCR의 애노드(A)와 캐소드(K) 양단에는 다이오드 D2가 연결되는데, D2의 양극이 SCR의 캐소드와 연결되고 D2의 음극이 SCR의 애노드와 연결된다. 또한, SCR의 캐소드, D2의 양극, R3와의 연결점에는 W2가 연결된다. W2는 공통단자로서, 교류전원(AC)이 연결된다.

L1의 중간탭(CT)과 SCR의 애노드 사이에는 커패시터 C1이 연결된다.

위와 같이 구성되는 본 안정기의 작용에 대해 설명한다.

전원스위치 SW를 켜면 교류전압이 형광등(1)의 양 전극(1a, 1b)에 인가되고, 동시에 R1과 SCR의 캐소드에 인가된다. 형광등의 양 전극(1a, 1b)에서 방전이 일어난다면 형광등이 켜지는 것이기 때문에 본 고안은 필요없게 될 것이지만, 현재로서는 형광등의 양끝에서 방전이 일어날 정도의 전압이 되지 못하기 때문에 전원에 의한 전류는 R1, D1, R2를 통해 SCR의 게이트(G)로 흐른다. 이 때의 전류를 게이트전류(Ig)라 하자.

도5에서 보는 것과 같이 처음의 T+ 주기 동안에는 다이오드 D1의 정류특성에 의해 SCR의 게이트단자에 (+) 전류인 Ig가 인가되기 때문에, SCR은 도통상태가 된다. 즉, SCR의 애노드와 캐소드 사이에 SCR 전류(Iscr)가 흐를 수 있게 된다. 그러나, Iscr은 C1이 중간에 있기 때문에 직접 SCR로 흘러들어가지 못하고 일차적으로 C1에 충전된 다음에 SCR을 통해 흘러갈 것이다.

이와 같이, 도4의 회로도에서는 Ig가 교류전류이고 이 전류가 D1에 의해서 정류되므로 SCR을 도통시킬 수 있는 주기는 전류치가 (+)인 구간에만 한정된다.

한편, Ig가 (-)가 되는 T- 주기가 되면, SCR은 차단상태가 된다. SCR이 차단되면, C1을 통해 충전되던 Iscr이 흐르지 않고, C1에 충전되어 있던 전하가 방전되어 방전전류(Icha)가 역방향으로 흐르게 된다. D2는 이 방전전류(Icha)의 일부가 SCR의 캐소드쪽으로 가지 못하도록 하기 위하여 부가한 것이다.

이와 같이, SCR이 도통상태에 있다가 차단상태로 바뀌는 순간에는 L1을 통해 흐르던 전류의 방향이 순간적으로 역방향으로 바뀌게 되므로, L1에는 역기전력이 발생된다. 즉, 수학식1에 따라, 전류방향이 바뀌는 시간이 매우 짧기 때문에((+)에서 (-)로 바뀌는 지점은 각 사이클마다 2번 있게 되므로, 60Hz의 교류전원에서는 시간 변화량이 1/120초가 된다), 매우 큰 역기전압 V가 발생한다.

마찬가지로, 다음 T+ 주기에는 다시 Ig가 (+)가 되므로 다시 SCR이 도통되었다가 T- 주기가 돌아오면서 다시 L1에 역기전압이 발생한다. 이렇게 L1에는 계속해서 주기적으로 역기전압이 발생하게 되므로, 형광등의 양 전극(1a, 1b)에는 시동전압인 킥전압이 계속해서 인가되어 형광등의 양 전극간에 방전이 일어나게 되어 형광등이 점등된다.

따라서, 본 안정기를 사용하면, 별도의 글로우방전관이 필요없고, 자체 전원에 의해 빠른 시간에(글로우방전관이 켜졌다 꺼지는 시간이 필요없이) 형광등을 점등할 수 있다. 또한, 글로우방전관의 바이메탈이 접촉되어 발생하는 잡음이 발생하지 않는다.

각 부품의 정수

도4의 회로도에서는 SCR로서 일반적으로 사용되는 NEC사의 2P4M을 사용하였고, R1과 R2는 SCR의 게이트전류의 허용치를 조정하기 위한 역할을 하는 것으로 교류전원으로부터 직접 따오기 때문에 저항값을 크게 두어 각각 180kΩ과 10kΩ짜리를 사용하였다. R3은 SCR을 도통시키는 게이트 전류 이외의 전류가 빠져나가는 경로를 만들기 위한 저항으로서 교류전원의 그라운드(GND)측에 연결된다. R3은 470Ω짜리를 사용하였다.

D1은 위에서 설명한 것과 같이 SCR의 게이트에 인가되는 전류의 방향을 규제하기 위한 것으로서, 다이오드의 정류특성에 의해 SCR의 게이트에는 (+) 반주기 동안에만 전류가 인가될 수 있다. 따라서, D1은 정류특성이 우수한 정류다이오드로서 1N4007을 사용하였다. 역전류방지용 D2도 정류특성이 양호한 것을 사용하기 위해 D1과 같은 1N4007을 사용하였다. C1은 Iscr의 충방전시 전류의 파형변화를 따를 수 있는 것이 바람직한데, 본 안정기에서는 R1, R2와의 시정수를 고려하여 0.33㎌ 짜리를 사용하였다.

이상에서 설명한 각 전자부품의 수치는 당업자가 임으로 결정할 수 있는 사항이다. 즉, 사용하는 SCR의 규격 및 소요 단가 등에 따라 얼마든지 변경될 수 있는 것으로서, 어떠한 수치의 부품을 사용하더라도 본 고안의 기본적 기술사상에 포함되는 것이다.

본 안정기의 외관

도6은 본 안정기(10)의 외관을 나타내는 사시도이다. 쵸크코일의 규소강판 코어(11)가 외함(12)에 의해 보호되고, 코어(11)의 측면에 전자회로부(13)가 위치한다. 전자회로부(13)는 도4의 회로도에서 저항기 3개, 다이오드 2개, 커패시터 1개, SCR 1개만의 부품으로 구성되기 때문에, PCB를 이용하여 약 25×20mm의 면적이면 실장할 수 있다. 전자회로부(13)에서는 앞에서 설명한 것과 같이, 3개의 와이어, 즉, W1, W2, W3이 인출된다. 이들 와이어를 형광등의 양 단자(1a, 1b)와 스위치 SW와 교류전원 AC에 도4와 같이 연결하면 된다.

안정기의 외관형태를 어떻게 설계할 것인가는 당업자가 용이하게 결정할 수 있다. 예를 들어, 방열효과와 형광등의 형태에 따라서 적절하게 변형실시가 가능할 것이다.

이상에서와 같이, 본 고안에 따르면, 종래의 글로우방전관 예열형 형광등에 별도의 글로우방전관을 쓰거나 외부회로를 구성하지 않고도 본 발명에 따른 안정기를 간단히 연결함으로써, 종래의 글로우방전관 점등방식의 문제점, 즉 늦은 점등과 흑화현상, 잡음 발생 문제를 해결할 수 있으며, 형광등의 음극 전극이 예열되는 시간이 길어 전력소모가 컸던 문제를 해결할 수 있다. 또한, 기존의 안정기와 별 차이가 없는 사이즈로 전체외관을 만들 수 있기 때문에 종래의 전극 예열형 형광등을 그대로 이용하여 장착할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 전극예열형 형광등에 사용하여 형광등을 점등하기 위한 시동전압을 발생시키는 쵸크코일을 포함하는 안정기로서, 이 안정기에는 형광등 시동전압 발생용 쵸크코일, SCR, 제1.제2.제3저항기, 제1.제2 다이오드, 커패시터가 함께 내장되는데,

   쵸크코일에는 중간탭이 있고; 쵸크코일의 일단에 제1저항기가 연결되고, 제1저항기의 반대단에 제1다이오드의 양극이 연결되고; 제1다이오드의 음극에 제2저항기가 연결되고; 제2저항기의 반대단에 SCR의 게이트가 연결되고; SCR의 게이트와 캐소드에는 제3저항기가 연결되고; SCR의 애노드에 제2다이오드의 양극이 연결되고; SCR의 캐소드에 제2다이오드의 음극이 연결되고; 쵸크코일의 중간탭과 SCR의 애노드 사이에 커패시터가 연결되며,

   상기 쵸크코일의, 제1저항기와 연결된 반대단에는 제1인출선이 연결되어 형광등의 일전극에 연결되고,

   상기 SCR의 캐소드, 제2다이오드의 양극, 제3저항기와의 연결점에는 제2인출선이 연결되어 형광등의 타전극에 연결되고,

   상기 쵸크코일과 제1저항기와의 연결점에는 제3인출선이 연결되어, 제2인출선과 제3인출선 사이에 교류전원이 접속되는 것을 특징으로 하는 형광등 안정기.
2. 청구항 1에서, 쵸크코일의 중간탭의 위치는 교류전원을 기준으로 하여 약 70~90%의 전압이 나오는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 형광등 안정기.