KR200274153Y1 - 저전압 병렬구동 네온사인의 영전압 스위칭 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 방전관에 외면전극을 설치하여 제조한 외면전극네온관과, 상기 2 이상의 네온관들의 두 외면전극에 각각 공통 접속시켜 네온트랜스 2차측 입출력선의 구동전류를 각각 분배하도록 네온트랜스의 병렬출력부로서 구성하는 네온사인과; 교류와 직류가 인가되고 하프브릿지스위칭부에 2 게이트 신호를 제공하는 펄스발생부와; 영전압 스위칭과 무효전력을 회수하기위하여 설치하는 하프브릿지스위칭부와; 전압 승압용 네온트랜스를 포함하여 구성한 것이 특징인 네온사인 구동장치이다. 이 고안에 의하면 네온사인을 안전하게 저전압으로 병렬 구동할 수 있어 고전압 사용에 의한 위험성을 해소하고, 네온 트랜스의 입 출력선이 두 개이므로 종래 네온관 마다 출력선을 인출해야하는 트랜스에 비하여 설치 시공이 간편하고 동시에 많은 수의 레온관을 구동할 수 있고, 기존의 냉음극형 네온사인의 문제점인 전극의 손상에 의한 불안정한 점멸현상을 방지하고, 흑화가 방지되어 네온사인의 수명이 길게 개선하고, 구동 시 무효전력을 회수하고 스위칭 손실을 최소화함으로 인하여 전력 효율의 상승 시켰고, 이로 인하여 회로내의 발열이 억제되고, 네온트랜스의 실장 밀도를 높이는 것이 용이하므로 슬림형 타입으로 제작이 가능하고, 또한 기존의 네온사인 및 구동장치와 비교 시 20%이상 고효율의 구동이 가능하게하는 효과를 얻는것이다.

Description

저전압 병렬구동 네온사인의 영전압 스위칭 구동장치 {LOW VOLTIGE PARALLEL NEON SIGN DEVICE AND ZERO SWITCHING DRIVER FOR NEON SIGN}

본 고안은 저전압 병렬구동 네온사인의 영전압 스위칭 구동장치에 관한 것이다.

종래 조명 및 광고용으로 사용되는 네온등 혹은 네온사인은 도1의 인용과 같이 주로 저압의 알곤(Ar)이나 네온(Ne)가스가 봉입된 직경 1cm정도의 유리관 내부 양단에 냉음극(cold cathode)형 전극을 설치하고, 이 양 전극에 통칭 '네온트랜스(Neon transformer)'라 불리는 도2예의 구동장치를 이용하여, 도3표 도시한 20~50㎲주기, 최고전압 3~15kV의 사인파 교류 고전압을 인가함으로써, 유리관 내에서 방전을 일으키고, 양 전극에서 방출되는 이차전자들에 의하여 방전을 유지하며, 이때 유리관 내에 형성되는 플라스마로부터 가시광선을 직접 얻거나(적색 네온등), 혹은 유리관 내에 봉입한 소량의 수은 증기로부터 발생하는 자외선이 관 내면에 코팅한 형광체를 여기시키도록 하여 가시광선을 얻는(기타 색깔의 네온등)것이었다.

상기한 종래의 네온트랜스는 도2와 같이 AC220V의 전류를 정류부에 입력하여 DC전류로 정류하고, 이 전류를 스위칭부에서 수십 kHz의 주파수 파형으로 스위칭 하거나, LC공진부에서 LC공진 시키고, 이를 승압용 트랜스를 이용하여 3~15kV의고전압으로 승압시켜 출력하는 회로로 구성되어 있다.

도2예의 네온트랜스에서 얻는 출력파형은 주로 도3의 사인파이거나 사인파에 가까운 형태의 파형이다. 네온트랜스의 정격 출력전압은 관의 총 길이 또는 사용한 관의 개수에 따라 달라진다. 다수의 네온관을 동시에 구동할 때에는 관들을 직렬로 연결하고 관의 수에 비례하여 높은 전압을 출력하는 네온트랜스를 사용한다. 그런데 상기와 같은 네온관의 구동방식에는 크게 두 가지의 문제점이 지적되고 있다.

첫째, 전극의 스퍼터링으로 인한 단수명의 문제이다. 즉, 관 내부 양단에 금속재질의 전극이 설치되므로 방전 시 고에너지 이온의 충돌에 의하여 금속이 점차 스퍼터링되어 뜯겨져 나간 금속 원자들이 관내부의 산화 물질과 결합하고 전극주위의 관 벽에 부착되는 흑화 현상이 발생시킨다. 또한 전극 자체가 관내부에 잔류된 산화성 가스 및 물질과 결합하여 점차로 산화되고 이로 인하여 방전개시 전압을 점차 상승시킨다. 이 두 가지 원인으로 인하여 관의 수명이 감소하는데 방전관의 흑화 문제는 네온관 뿐 만 아니라 대부분의 내부 전극형 방전관의 공통된 문제점이다. 이러한 문제 발생을 피하기 위하여 전극을 관외에 설치하는 무전극 램프에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

둘째로 직렬 구동에 따른 고전압의 위험성 문제이다. 네온관은 도4에 예시된 바와 같이 방전전에는 용량성 부하이나 방전시에는 직접적인 전류가 흐를 수 있는 플라스마가 관 내부에 형성되어 저항성 부하로 변한다. 따라서 용량성부하가 저항성부하로 변화됨에 따라 구동 회로에 큰 전압강하가 발생하고, 네온트랜스는 동작중에 출력단자의 전압이 무부하 시에 비해 30~40%정도 낮아지게 된다. 이러한 전압강하로 인하여 기존의 네온트랜스로서 다수의 네온관을 병렬구동 하게되면 일부분의 관들만이 점등되고, 또는 전압강하 보상을 위해 규정보다 더 높은 전압을 사용하게 되어 관 전류가 과다하게 흐르게되고, 더 나아가 다수의 네온관을 구동하고자 할 때에는 관들을 직렬로 연결하고 각 관의 전압강하 분 만큼 더 높은 출력전압을 네온트랜스에서 출력해야만 하는것이다. 실제로 최대 15kV를 출력하는 네온트랜스가 네온관의 직렬구동용 트랜스로서 보편화되어 있다. 이 전압으로는 총 길이 10m인 직렬 접속 네온관을 구동할 수 있다. 이상의 이유로 네온사인 장치에는 고전압으로 인한 여러 가지 위험이 따른다. 구체적으로 작동 시 높은 전압이 최종 단자에 인가되므로 고 에너지의 전자파가 주변으로 방사되어 위해를 발생시키며, 단자 단락 및 누전 등으로 인한 안전 사고의 위험성이 따르고, 설치 시 관 길이의 조절에 따라 네온트랜스의 전력효율이 달라지므로 시공에 어려움이 따르는 것이다. 따라서 이의 개선을 위한 저전압 구동의 네온사인 및 부설이공이 용이한 네온사인의 구동장치 개발이 시급한 실정이다.

최근 시중에 네 개의 네온관을 병렬구동할 수 있는 저전압 병렬구동용 네온트랜스가 개발되어 시판되고 있다. 이것은 도5와 같이 안정기용 콘덴서(ballastic condenser)를 각각의 개별 출력라인에 직렬로 삽입하는 형태이다. 이 경우 관 동작 중 발생되는 전압강하를 개별적으로 삽입된 안정기용 콘덴서가 보상을 하게 되므로 전체 점등이 가능해져서 1개의 관 점등 전압인 약 1.5kV로서 네온관의 병렬 구동이 가능하여 저 전압 화 할 수 있다. 이 같은 방법으로 네온관의 병렬 구동이가능하기는 하나 이 방식에도 아래와 같은 문제점이 있다. 첫째로 각 관의 밝기를 서로 같게 조절하기 어렵다는 점이다. 각 관의 밝기는 안정기용 콘덴서의 용량크기와 관의 길이에 따라 결정되는데 우선 안정기용 콘덴서의 값이 동일하게 설치하기가 매우 어려우며 설사 일정하게 설치한다 하더라도 관 길이 또는 관 굵기에 따라 방전 전류가 다르게 흐르기 때문이다. 그리고 출력선의 개수를 네온관의 수와 같게 해야 설치해야 하므로 현실적으로 하나의 트랜스로서 4개 이상의 관을 구동하기에는 매우 불합리하다. 이와 같이 상기 방식에서는 네온관의 병렬 구동을 통하여 고전압의 위험성을 부분적으로 해결하고 있으나 여전히 전극 스퍼터링으로 인한 방전관의 단 수명의 문제는 해결하지 못하였다. 상기 지적된 이유로 인하여 4등식 병렬 구동 네온트랜스가 아직까지는 보편적으로 사용되지 못하고 있는 것이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 고안된 것으로서, 병렬 구동 방식의 장수명 저전압 네온사인의 구동장치를 제공함에 목적이 있다.

본 고안은 다수의 병렬접속 네온관들을 2개의 네온트랜스 2차측 입출력선으로 구동할 수 있는 네온사인 구동장치를 제공함에 목적이 있다.

본 고안은 수명이 길고, 슬림 타입으로 제작할 수 있고, 발열이 억제되고, 효율을 높일 수 있는 네온사인을 포함하는 구동장치를 제공함에 목적이 있다.

본 고안은 외부 전극형 네온사인의 구동장치에 있어서, 영전압 스위칭이 되도록 스위칭 소자의 게이트신호를 조절함으로써 무효전력을 회수할 수 있게 하고, 더 나아가 상기 스위칭에 의한 게이트 신호 파형 및 출력 파형이 스위칭에 의한 전류 손실이 최소화 되게 하는 네온사인의 구동장치를 제공함에 목적이 있다.

도1은 종래 네온사인의 직렬구동 회로도

도2는 종래 네온사인의 구동장치 구성도

도3은 종래 네온트랜스의 출력 파형도

도4는 종래 네온관의 부하변동 상태도

도5는 종래 네온트랜스의 병열구동 출력부 회로도

도6은 본 고안 네온사인과 네온사인의 병열출력부 회로도

도7은 본 고안 네온사인 구동장치의 블록도

도8은 본 고안 구동장치의 요부 회로도

도9는 본 고안 게이트 신호파형 및 출력파형도

도10은 본 고안 도8 B시간 동안의 무효전력 회수 동작도

도11은 본 고안 도8 P1부분의 게이트신호 파형도

도12는 게이트 신호가 어긋난경우의 출력파형도

<도면 주요 부호의 설명>

11:외면전극네온관 12,13:외면전극 14:병렬출력부 15:네온사인 21:펄스발생부 22:하프브릿지출력부 23:네온트랜스 24:분배출력부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 네온관의 내부전극에 대체하여 관 외부에 전극을 장착한 다수의 외부전극 네온관을 병렬로 연결한 저전압 병렬형 네온사인과, 무효전력을 회수할 수 있고 스위칭 손실이 적은 영전압 스위칭 구동장치를 포함하여 구성하는 네온사인 구동장치이다.

실시 예의 첨부도면을 이용하여 본 고안을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도6에 외부 전극형 네온사인의 구성을 인용하였다. 도6에 인용된 구동장치는 단일 트랜스포머의 2차측 두 출력선으로 복수의 병렬접속 네온관들을 구동한다.

구체적으로, 도6의 본 고안 네온사인(15)은 방전관에 외면전극(12,13)을 설치하여 제조한 외면전극네온관(11)과, 상기 2 이상의 네온관(11)들의 두 외면전극(12,13)에 각각 공통 접속시켜 네온트랜스 2차측 입출력선의 구동전류를 각각 분배하는 네온트랜스의 병렬출력부(14)로서 구성하였다.

상기한 본 고안 외면전극네온관(11)은 유리관의 외부에 필요한 면적으로 부설되는 전극에서 전기장에 의한 방전을 유도하고 있다.

상기 외면전극(12,13)은 네온관(11)의 내부에 금속 전극을 두지 않는 구성이기 때문에 전극의 손상에 의한 상술 한 단수명의 문제점들을 해결하는 것이다. 또한 외면전극네온관(11)의 전압전류 특성은 내부전극 방전관에 비하여 선형적으로 나타난다. 이와같이 네온관의 전압 전류의 선형적 특성은 본 고안의 상기 네온트랜스 병렬출력부(14)와 결합하기에 적합한 조건을 가진다. 이 결과 외면전극네온관의 선형적 특성과 네온트랜스 병렬출력부(14)의 결합으로 본 고안은 다수의 네온관(11)들을 1.5kV이하의 저전압에서 안정하게 구동할 수 있게 하는것이다.

상기 본 고안 외면전극네온관과 네온트랜스 병열출력부의 결합 특성은 종래 내부전극 네온관들을 병렬접속하기 위하여 네온트랜스포머에 네온관마다 출력선을 각각 설치해야 했던 것과는 달리, 본 고안은 네온트랜스 2차측 입출력선(2개의선)으로 복수의 네온관들을 구동할 수 있게 하는 것이다.

상기 네온사인(15)의 본 고안 구동장치는 네온트랜스포머의 입출력 병렬출력부(14)로서 상기 2 이상의 외면전극네온관(11)들을 병렬접속하여 구동전류를 분배 공급하여 구동한다. 또한 본 고안 구동장치는 상기 외면전극네온관(11)의 구동시 무효전력을 회수하고, 동시에 영전압 스위칭으로 스위칭 손실이 적게 하는 고 효율네온사인 구동장치로 구성하였다.

상기 본 고안 구동장치는 하프브릿지로 구성되는 두 개의 스위칭 소자의 게이트 신호 파형을 무효전력의 회수 및 영전압 스위칭을 얻기 위한 1/4 LC공진주기의 휴지기(dead time)사이에 할당함에 특징이 있다.

도7은 본 고안 구동장치의 블록 구성도이다.

도7 구동장치는 AC 220V의 교류 입력부(26)와, 12V의 직류를 제공하는 정류부(27)와, 교류와 직류가 인가되고 하프브릿지스위칭부(22)에 1/4 LC공진주기의 2 게이트 신호를 제공하는 펄스발생부(21)와, 영전압 스위칭과 무효전력을 회수하기위하여 설치하는 하프브릿지스위칭부(22)와, 전압 승압용 네온트랜스(23)와, 네온트랜스의 구동전류 분배출력부(24)와, 펄스발생부(21)에 전류센싱 또는 구동장치의 과전류 및 부하 손상시 회로를 보호하기위한 전류신호를 제공하는 전류센싱부싱부(25)로서 구성한다. 상기 AC220V 입력부(24) 및 직류 정류부(25)는 종래의 장치와 유사하다.

상기 펄스발생부(21)는 실시예에서 PWM(pulse width modulation) IC를 포함하여 구성하였다.

실시예에서 상기 구동전류 분배 출력부(24)는 상기 2 이상의 네온관(11)들의 두 외면전극(12,13)에 각각 공통 접속시켜 네온트랜스 2차측 입출력선의 구동전류를 각각 분배하는 네온트랜스의 병렬출력부(14)로서 구성하였다.

도8에 본 고안 하프브릿지스위칭부(22)와 승압용 트랜스(23)의 결합 구성을 도시하였다. 도8에서 네온트랜스(21)의 2차코일의 입출력선에 상기한 본 고안 네온사인(15)을 접속하고, 네온트랜스(21)의 1차코일의 일단 P1에 DC전류의 공급측 스위칭소자(221)를 설치하고, 1차코일의 타단 P2의 DC전류의 귀환측에 스위칭소자(222)를 설치하고, 상기 두 스위칭소자(221,222)를 교류로 스위칭 하기위한 게이트신호 Gate1, Gate2를 상기 두 스위칭소자(221,222)에 인가하여 하프브릿지스위칭 동작을 얻게 구성하고,

다시, 상기 네온트랜스(21)의 1차코일의 귀환측과, 1차코일의 타단 P2의 DC전류 공급측에 전류 회수 콘덴서(223)를 설치하고, 상기 두 스위칭소자(221,222)에 인가하는 스위칭 펄스를 1/4 LC공진주기 A, B, C, D의 A, C에 각각 할당하고, 1/4공진주기 B, D를 병렬로 배열한 외면전극네온관(11) 구동 시 발생되는 무효전류 회수하고, '0' 전압 스위칭이 가능하도록 하는 휴지시간으로 할당하여, 펄스 전압 양단을 휴지시간동안 코일 내의 전압변동 사선으로 잇는 사다리꼴 출력파형이 되게 구성하였다.

본 고안에서 상기 스위칭소자(221,222)로서 FET를 사용하였다.

도9에 상술한 게이트 Gate1, Gate2 신호 파형 및 출력파형의 한 예를 도시하였다.

도 9에서 두 개의 게이트 Gate1과 Gate2의 신호 파형의 사이에 할당된 휴지시간 B와 D는 병렬로 배열한 외면전극네온관(11)의 구동 시 발생되는 무효전력을 회수하기 위한 시간이다.

본 고안 무효전력 회수 동작은 도10과 같다. 도10(A)의 등가회로에서 외면전극네온관(11)이 방전한 직후(도9의 A시간) 외면전극네온관에는 전하가 관내부 유리면에 충전상태로 남아있고, 이때 회로적 성질은 인가된 전위와 같은 전위를 갖고 있는 콘덴서의 형태가 된다. 구체적으로 도9 Gate1의 신호 전압이 '0' 이 되는 도9의 B시간이 되면 도10(B)도의 등가회로와 같이 출력 코일의 전위가 하강하고 이에 따라 도10(B)의 콘덴서와 승압용 네온트랜스의 2차코일 간에는 LC공진 주기로 역충전 과정이 진행되어 도9의 B 시간의 끝에는 완전히 역충전 상태가 된다. 이때도9의 Gate2의 신호가 주어지면 도8의 FET(222)가 도통상태로 되고 반대방향으로의 방전이 진행되어 네온관은 도10과는 반대로 충전된 콘덴서가 된다. 도9 Gate2의 신호가 0이 되면 도9의 D시간동안에 상기와 반대방향으로의 역충전이 진행된다. 따라서 출력파형은 도9에 표시한 것처럼 펄스 전압 양단을 휴지시간동안 코일 내의 전압변동 사선으로 잇는 사다리꼴 출력파형이 되며, 외면전극네온관에 매 방전시 마다 충방전 되는 무효전력을 회수 할 수 있게 되는 것이다. 이때 효과적인 무효전력 회수를 위하여 실시예에서 각 게이트 신호간의 주기는 도9의 LC공진 주기의 1/4의 시간으로하였고, 공진주기는 승압 트랜스의 인덕턴스와 부하의 크기에 따라 결정되는데 이것은 실험적으로 조절이 가능하다. 상술한 바와같이 적절한 게이트신호의 주기 및 시간이 주어졌을 때 사다리꼴 형태의 출력 파형이 얻어지며 조절이 잘 되지 않았을 경우에는 도12와 같이 왜곡된 사다리꼴 형태의 출력파형이 발생한다. 이상의 무효전력 회수 동작이 이루어졌을 때 도11에 보인 파형과 같이 '0' 전압 스위칭이 이루어지는 것이다. 도11의 Gate1의 신호는 FET(221)를 동작시키는데 이 FET(221)의 소스 부분에 해당하는 P1 지점의 전위가 도11의 파형처럼 게이트 동작 시 입력전위인 Vin과 같으므로 드레인 소스간의 전위가 '0' 에 가깝고, 그리고 FET(222)의 경우에도 항상 P1지점이 0전위일 때 동작되므로 마찬가지로 드레인 소스간의 전위가 '0'이 되므로 스위칭으로 인한 손실이 '0'에 가깝게 되어 FET의 발열 및 에너지 손실이 저감되어 효율이 증가한다. 따라서 본 고안에 의하면 네온관의 구동에 있어서 '0' 전압 스위칭을 수행하게 되는 것이다.

상기와 같릉 본 고안은 다음과 같은 효과를 얻는다.

1) 네온사인을 안전하게 저전압으로 병렬 구동할 수 있어 고전압 사용에 의한 위험성을 해소하였다.

2) 네온 트랜스의 입 출력선이 두 개이므로 종래 네온관 마다 출력선을 둘씩 인출해야하는 트랜스에 비하여 설치 시공이 간편하고 동시에 많은 수의 네온관을 구동할 수 있다.

3) 기존의 냉음극형 네온사인의 문제점인 전극의 손상에 의한 불안정한 점멸현상을 방지하고, 흑화가 방지되어 네온사인의 수명이 길어졌다.

4) 구동 시 무효전력을 회수하고 스위칭 손실을 최소화함으로 인하여 전력 효율의 상승 시켰다. 이로 인하여 회로내의 발열이 억제되고, 네온트랜스의 실장 밀도를 높이는 것이 용이하므로 슬림형 타입으로 제작이 가능하고, 또한 기존의 네온사인 및 구동장치와 비교 시 20%정도 고 효율의 구동이 가능하다.

Claims (5)

1. 병렬의 네온관에 네온트랜스를 접속하여 구동하는 것에 있어서,

   방전관에 외면전극을 설치하여 제조한 외면전극네온관과, 상기 2 이상의 네온관들의 두 외면전극에 각각 공통 접속시켜 네온트랜스 2차측 입출력선의 구동전류를 각각 분배하도록 네온트랜스의 병렬출력부로서 구성하는 네온사인과;

   교류와 직류가 인가되고 하프브릿지스위칭부에 2 게이트 신호를 제공하는 펄스발생부와;

   영전압 스위칭과 무효전력을 회수하기위하여 설치하는 하프브릿지스위칭부와;

   전압 승압용 네온트랜스를 포함하여 구성한 것이 특징인 네온사인 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 네온트랜스의 2차코일의 입출력선에 네온사인을 접속하고, 네온트랜스의 1차코일의 일단에 DC전류의 공급측 스위칭소자를 설치하고, 1차코일 타단의 DC전류의 귀환측에 스위칭소자를 설치하고, 상기 두 스위칭소자에 교호로 스위칭 하기위한 게이트신호를 인가하여 하프브릿지스위칭 동작을 얻게 구성함이 특징인 네온사인 구동장치.
3. 제1항 또는 제2항의 어느 하나에 있어서, 상기 네온트랜스의 1차코일의 귀환측과, 1차코일의 타단 DC전류 공급측에 전류 회수 콘덴서를 설치하고, 상기 두 스위칭소자에 인가하는 스위칭 펄스를 1/4 LC공진주기로 할당하고, 1/4 LC공진주기 펄스의 사이에 외면전극네온관의 구동 시 발생되는 무효전류 회수하고, '0' 전압 스위칭이 가능하도록 하는 휴지시간으로 할당하여, 펄스 전압 양단을 휴지시간동안 코일 내의 전압변동 사선으로 잇는 사다리꼴 출력파형이 되게 구성함이 특징인 네온사인 구동장치.
4. 제2항 또는 제3항의 어느 하나에 있어서, 스위칭소자로서 PWM(pulse width modulation) IC를 사용함이 특징인 네온사인 구동장치.
5. (삭제)