KR200305017Y1 - 고압 방전등의 점/소등 제어장치 - Google Patents

고압 방전등의 점/소등 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 안정기의 2차측 방전 초기 구동전압으로 인해 발생한 시동용 전압이 전원측인 1차측의 점등용 릴레이의 접점 스위치에 유기되는 것을 크게 줄여, 고압의 초기 구동전압으로 인한 점등용 릴레이 접점 스위치가 융착되는 것을 방지할 수 있는 고압 방전등의 점/소등 제어장치를 제공하기 위한 것이다. 이와 같은 본 고안에 따른 고압 방전등의 점/소등 제어장치는, 사용자가 인가한 원격 무선신호에 의하여 점/소등 제어신호를 스위칭 제어하기 위한 RF 점멸기와; 상기 RF 점멸기에서 출력되는 제어신호에 의해 외부에서 인가되는 전원 전압을 수신하여 초기 구동용 고전압을 발생시키는 안정기와; 상기 안정기에서 제공되는 초기 구동용 고전압에 따라 점/소등되는 하나 이상의 고압 방전 램프로 구성되며, 상기 RF 점멸기는 상기 점등용 릴레이의 구동에 따라 온/오프 스위칭동작을 실행하는 접점 스위치와, 상기 안정기의 일차측에 인가되는 교류 전원의 일측 입력단에 구비된 코일 소자로 구성된다.

Description

고압 방전등의 점/소등 제어장치{Switching Control Device of High Discharge Lamp}
본 고안은 고압 방전등의 점/소등 제어장치에 관한 것으로서, 특히 점등용 릴레이 접점의 융착 현상을 방지하기에 적합하도록 한 고압 방전등의 점/소등 제어장치에 관한 것이다.
무선 통신기술이 발달한 요즈음에는 가로등, 보안등 또는 조명등의 점등 또는 소등을 무선 통신기술을 이용하여 원격으로 제어하고 있는 추세이다.
도 1은 종래의 고압 방전등의 점/소등을 제어하기 위한 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 구성 블록도 이다.
도 1을 참조하면, 종래의 고압 방전등 점/소등 제어 장치는 크게 RF 점멸기(10)와, 안정기(20)와, 고압 방전 램프(30)로 구성된다.
여기서, RF 점멸기(10)는 트랜지스터(TR1), 다이오드(D1), 저항(R1), 발광 다이오드(LED1), 점등용 릴레이(11) 및 점등용 릴레이(11)의 접점을 스위칭 제어하기 위한 접점 스위치(SW1)로 구성되어, 입력되는 무선 신호에 의해 점등용 릴레이(11)의 온/오프 스위칭 동작을 제어한다. 즉, 사용자에 의한 무선 신호가 인가되면, 릴레이 구동용 트랜지스터(TR1)가 턴오프된다. 따라서, 트랜지스터(TR1)의 에미터에 직렬로 연결된 점등용 릴레이(11)의 코일이 여자되고, 이에 따라 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)가 기준점(a)에서 대응 점점(b)에 붙어 폐회로가 형성된다.
이때, 안정기(20)는 점등용 릴레이(11)가 온동작하여 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)가 폐회로를 형성하는 경우, 인가되는 전원 전압에 의해 고압 방전 램프(30)의 점등을 위한 초기 구동용 고전압을 발생시킨다. 이러한 구동용 전압이 인가되면 방전관내에서 전계가 형성되어 가속화된 전자가 기체원자에 충돌해서 전리시킴으로 음극에서 2차 전자가 방출되어 급속하게 전류가 흐르게 되어 고압 방전 램프(30)를 점등할 수 있다.
이러한 초기 구동전압은 방전용 고전압이므로, 도 2내지 도 4에 도시된 바와 같이 안정기(20)의 1차측으로 고전압이 유기되어 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)에도 고전압이 유기된다.
도 2는 고압 방전 램프가 없는 조건에서 도 1에 보인 안정기(20)의 1차측과 2차측의 전압을 나타낸 그래프이며, 도 3은 고압 방전 램프가 없는 조건에서 도 1에 보인 안정기(20)의 2차 전압을 나타낸 그래프로서, 고압 방전 램프의 초기 구동전압과 정상 인가전압을 나타낸 그래프이고, 도 4는 램프가 없는 조건에서 안정기(20)의 1차측 전압을 나타낸 도면으로서, 안정기(20)의 2차측 전압이 1차측으로 유기되는 전압과 정상 인가전압을 나타내고 있다.
도 2내지 도 4에서 방전 초기 구동전압이 매 사이클마다 보이는 것은 고압방전 램프가 없기 때문이며, 방전 초기 구동전압을 계속해서 발생시키는 것을 보여주고 있는 것이며, 정상 상태(정상의 램프가 회로에 연결된 경우)라면 단 한번의 방전초기 구동전압으로 급속한 전류의 증가와 함께 전압은 줄어들 것이다.
이와 같이 고압 방전등에서 필요한 초기 구동전압이 인가되면 방전관내에서 전계가 형성되어 가속화된 전자가 기체원자에 충돌해서 전리시킴으로 음극에서 2차 전자가 방출되어 급속하게 전류가 흐르게 된다.
고압 방전등의 점등을 위해서는 고전압의 초기 구동전압이 필요한데 이 고압의 초기 구동전압은 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)를 융착시키기 용이했다. 즉, 안정기(20)의 2차측 방전초기 구동전압이 전원측인 1차측의 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)에 유기됨으로서 점등용 릴레이(11)의 동작 시점에서 접점 스위치(SW1)의 융착을 유발시킨다.
따라서, 이러한 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)의 융착 현상은 가로등 점/소등 제어 장치의 기능의 신뢰성을 크게 떨어트린다. 이에 따라, 필요한 시점에서 고압 방전 램프를 제어할 수 없을 뿐만 아니라 불필요한 전력이 낭비되어 경제적인 큰 손실을 끼치는 단점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 본 출원건과 동일한 고안자가 대한민국 특허출원 10-2001-0079635호 (2001,12,15)에서 안정기의 외함과 RF 점멸기의 점등용 릴레이의 접점 스위치 사이에, 안정기 내에서 발생된 초기 구동용 고전압 중 점등용 릴레이의 접점 스위치로 유도되는 고압의 서지 전압을 흡수하여 안정기 측으로 환원시켜주어 서지전압이 릴레이 접점으로 유도되는 것을 차단하는 기술이 개시되었다.
그러나, 이와 같은 기술은 고압의 서지 전압를 흡수하는 전압 흡수율에 그 한계가 있었다. 만일, 안정기 내에서 발생된 초기 구동용 고전압이 점등용 릴레이의 접점 스위치로 유도되는 고압의 서지 전압을 더욱 효율적으로 흡수할 수 있다면, 고압 방전 램프의 점/소등 제어 장치의 수명도 길어질 것이며, 고압 방전 램프의 점/소등의 제어 동작에도 신뢰성이 크게 향상될 것이다.
본 고안의 목적은 동일 기술분야의 기대에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 안정기내에서 발생한 시동용 펄스전압이 안정기의 1차측 전원인 220［V］로 유도된 고압 펄스전압이 합성전압으로 나타나도록 하여, 고압의 초기 구동전압으로 인한 점등용 릴레이 접점 스위치가 융착되는 것을 방지할 수 있는 고압 방전등의 점/소등 제어장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 고압 방전등의 점/소등을 제어하기 위한 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 구성 블록도 이다.
도 2는 고압 방전 램프가 없는 조건에서 도 1에 보인 안정기(20)의 1차측과 2차측의 전압을 나타낸 그래프.
도 3은 고압 방전 램프가 없는 조건에서 도 1에 보인 안정기(20)의 2차 전압을 나타낸 그래프.
도 4는 램프가 없는 조건에서 안정기(20)의 1차측 전압을 나타낸 그래프.
도 5는 본 고안에 따른 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 구성블록도.
도 6은 도 5에 도시된 본 고안에 의한 가로등 점/소등 제어 장치에서 안정기와 5㎝이내에 유도되는 전압을 나타낸 그래프.
도 7은 도 1의 종래의 고압 방전등의 점/소등 제어장치에서 안정기와 5㎝이내에 유도되는 전압을 나타낸 그래프.
도 8은 도 5에 도시된 릴레이 접점의 융착 실험을 위해 릴레이에 제공한 온/오프 토글 신호의 파형도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : RF 점멸기
11 : 점등용 릴레이
20 : 안정기
30 : 고압 방전용 램프
이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 고압 방전등의 점/소등 제어장치는, 사용자가 인가한 원격 무선신호에 의하여 점/소등 제어신호를 스위칭 제어하기 위한 RF 점멸기와; 상기 RF 점멸기에서 출력되는 제어신호에 의해 외부에서 인가되는 전원 전압을 수신하여 초기 구동용 고전압을 발생시키는 안정기와; 상기 안정기에서 제공되는 초기 구동용 고전압에 따라 점/소등되는 하나 이상의 고압 방전 램프로 구성되며, 상기 RF 점멸기는 상기 점등용 릴레이의 구동에 따라 온/오프 스위칭동작을 실행하는 접점 스위치와, 상기 안정기의 일차측에 인가되는 교류 전원의 일측 입력단에 구비된 코일 소자로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 구성과 동작을 상세히 설명한다.
도 5는 본 고안에 따른 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 구성블록도 이다.
도 5를 참조하면, 사용자가 인가한 원격 무선신호에 의하여 점/소등 제어신호를 스위칭 제어하기 위한 RF 점멸기(10)와; RF 점멸기(10)에서 출력되는 제어신호에 의해 외부에서 인가되는 전원 전압을 수신하여 초기 구동용 고전압을 발생시키는 안정기(20)와; 안정기(20)에서 제공되는 초기 구동용 고전압에 따라 점/소등되는 하나 이상의 고압 방전 램프(30)로 구성된다.
여기서, RF 점멸기(10)는 원격 무선신호가 입력될 때 구동되는 릴레이 구동용 트랜지스터(TR1)와, 릴레이 구동용 트랜지스터(TR1)와 병렬로 연결된 다이오드(D1)와, 다이오드(D1)의 캐소드와 애노드 사이에 연결된 점등용 릴레이(11)와, 다이오드(D1)의 캐소드와 점등용 릴레이(11)사이에 직렬로 연결된 저항(R1)과 발광 다이오드(LED1)와, 점등용 릴레이(11)의 구동에 따라 온/오프 스위칭동작을 실행하는 접점 스위치(SW1)와, 안정기(20)의 일차측에 인가되는 교류 전원의 일측 입력단에 구비되며, 시동용 전압을 흡수하기 위한 코일 소자(CL1)와, 안정기(20)와 코일 소자(CL1)의 앞단과 안정기의 외함에 연결된 제1 제너 다이오드(ZD1)와, 코일 소자(CL1)의 앞단 위치에서 교류전원의 일측 입력단과 타측 입력단에 직렬로 연결된 제2 제너 다이오드(ZD2)로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 전압 방전등의 점/소등 제어장치의 동작을 설명한다.
고압 방전등은 고압가스나 증기중의 방전에 의한 발광을 이용한 방전등으로 대표적인 것은 (고압)수은등, 형광 수은등, 메탈 헬라이드등, 고압 나트륨등 및 크세논등이 있으며, 방전등은 일반적으로 고휘도 광원이므로 HID(High Discharge Lamp)라 부른다.
이와 같은 고압 방전등중 크세논등은 시동용 크세논가스를 봉입하고 있기 때문에 높은 시동용 펄스전압(0전위를 기준으로 한 펄스 첨두까지의 전위)이 필요하며, 통상 2000［V］(KS C 7610 에서는 2500V±50V) 정도의 펄스전압이 인가된다. 크세논가스의 압력이 낮아지면 시동전압이 높아진다. 그러나, 시동방법에는 안정기(20) 내에 시동장치를 내장한 'S'타입과 고압 방전 램프 내에 급속한 전압을 발생하는 시동장치를 설치한 'L'타입이 있다. 어째튼 고압 방전 램프를 점등하기 위해서는 2000［V］이상의 시동전압을 고압 방전 램프(30)에 반드시 인가해주어야 한다. 국내에서는 안정기(20) 내에 시동장치를 내장한 'S'타입을 주로 사용하고 있으며, 이때 인가한 전압은 안정기(20) 1차측의 220［V］를 공급한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 안정기(20)의 외함 및 안정기의 전원입력단과 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)사이에 시동용 펄스전압 흡수용 코일(CL1)과 제너 다이오드(ZD1,ZD2)를 구비시켜 1차측으로 유도되는 고압 펄스전압을 줄여줌으로써 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)의 융착현상을 해결한다.
도 5에서 보인 코일(CL1)이 회로에 끼치는 영향을 살펴보면, 고압 방전등의 점/소등 제어장치의 안정기(20)에서 발생되는 초기 시동시의 기동전압에 의한 역기전력이 렌츠의 법칙에 따라서 코일(CL1)에 의해 생기게 되는데, 이 전압의 크기는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.
이 전압은 코일(CL1)에 전류 iL의 변화에 따라서 전압 VL이 고압방전등의 시동전압과 반대방향으로 발생하게 되며, 결과적으로 코일(CL1)에 인가되는 전압은 그 소자에 흐르는 전류의 변화에 따라서 정해지고 주파수가 높을수록 코일에 흐르는 전류의 변화가 심해져서 인가되는 전압이 커지게 되는 것이다.
수학식 1에서 교류 정현파 전류인를 대입해서 전개하면 아래와 같은 수학식 2를 얻으며,
수학식 1에 수학식 2를 대입하게 되면 아래와 같은 수학식 3을 구할 수 있다.
여기서, V_mL = omega LI_m이 되며 수학식 2와 수학식 3을 비교해 볼 때 코일(CL1)에 인가되는 전압 VL은 코일(CL1)에 흐르는 전류 iL보다 90°위상이 앞서게 된다.
이와 같은 현상을 종합해 볼 때 유도성 리액턴스는 전류의 흐름을 방해하며 전원과 코일에 나타나는 자계 사이에 에너지를 교환하게 되는데, 이것은 저항과는 다르게 리액턴스에서는 전기에너지를 소비하지 않는다. 그리고 기동전압을 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
여기서, Vm은 고압방전등에서 시동시에 필요한 2000［V］이상이 될 것이며, 따라서 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)까지 유도되는 전압은 코일(CL1)의 양단에 걸리는 전압 VL과 기동전압 VS와의 합성전압으로써 아래와 같이 수학식 5로 표현 할 수 있다.
V_O =V_S + V_L
따라서, 종래의 도 1 및 본 고안에 따른 도 5의 블록 다이어그램에서 보여 주고 있는 시동 펄스전압이 1차측으로 유도되는 현상을 살펴보면 첨부된 도 6 내지 도 7을 통하여 확인 할 수 있다.
도 6 내지 도 7에서 거리를 나타내는 ㎝는 안정기(20)(시동전압 발생기)로 부터의 거리를 나타낸 것이다. 여기서, 도 6은 코일(CL1)과 제너 다이오드(ZD1, ZD2)를 포함한 전자소자를 사용한 경우에 안정기와 5cm 이내의 유도전압을 보인 것이고, 도 7은 제너다이오드와 같은 전자소자만 사용한 경우에 안정기와 5cm 이내의 유도전압을 보인 것이다. 도 6 내지 도 7을 참조하면, 시동 펄스전압이 점등용 릴레이(11)의 접점 스위치(SW1)에 유도되는 전압이 확실한 차이가 있음을 알 수 있다.
고압 방전등의 시동과 접점 스위치 융착 실험
도 1과 도 5의 블록 다이어그램에서 보여 주고 있는 점등용 릴레이의 온/오프 스위칭 신호를 도 8과 같이 5초 간격으로 실시하여 릴레이 접점에 융착 현상이 발생하는지의 여부를 9시간씩 2일 동안 실시하였으며, 이러한 실험은 5초에 1회 온/오프스위칭을 실시했기 때문에 실제적으로는 12,960회 온/오프 스위칭 한 것이고 1일 1회 온/오프 스위칭 하는 가로등이나 보안등의 경우를 적용한다면, 12,960일 즉 약 35년 동안 RF 점멸기(10)를 사용한 결과로 볼 수 있다.
도 5의 코일(CL1)을 포함한 전자소자를 부착한 회로는 접점 스위치(SW1)의 융착 현상이 전원 투입 20분만에 1회 발생하였으며, 5분 후 자체 복귀된 뒤인 40분에 또 한번 발생하였다.
또 하나의 실험 회로에서는 전원 투입 1시간 50분만에 릴레이 접점이 융착 현상을 발생하였으며, 2분 후 자체 복귀된 뒤인 1시간 40분만에 또 한번 발생하는 현상을 확인하였다.
이상에서 설명한 본 고안에 따르면, 전압 방전등의 점/소등 제어장치의 안정기의 전원입력단과 점등용 릴레이의 접점 스위치사이에 시동용 펄스전압의 지연용인 코일을 삽입하여 고압 방전등에서 시동시에 필요한 2000［V］이상의 전압과 점등용 릴레이의 접점 스위치까지 유도되는 전압을 코일에서 지연시킴으로써, 안정기내에서 발생한 시동용 펄스전압이 안정기의 1차측 전원인 220［V］로 유도된 고압 펄스전압이 합성전압으로 나타나도록 전압 방전등의 점/소등 제어장치를 개선하였다.
따라서, 점등용 릴레이의 접점 스위치의 융착 현상을 해결하여 전압 방전등의 점/소등 제어장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 이러한 방법은 고압 펄스전압이 유도되는 회로에 적용함으로써 순각적인 고압 방전전압에 의해 파생되는 이상현상들을 해결하는 것에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (2)

  1. 사용자가 인가한 원격 무선신호에 의하여 점/소등 제어신호를 스위칭 제어하기 위한 RF 점멸기와;
    상기 RF 점멸기에서 출력되는 제어신호에 의해 외부에서 인가되는 전원 전압을 수신하여 초기 구동용 고전압을 발생시키는 안정기와;
    상기 안정기에서 제공되는 초기 구동용 고전압에 따라 점/소등되는 하나 이상의 고압 방전 램프로 구성되며,
    상기 RF 점멸기는 상기 점등용 릴레이의 구동에 따라 온/오프 스위칭동작을 실행하는 접점 스위치와, 상기 안정기의 일차측에 인가되는 교류 전원의 일측 입력단에 구비되어, 시동용 전압을 흡수하기 위한 코일 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 고압 방전등의 점/소등 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 안정기와 상기 코일 소자의 앞단에 병렬로 연결된 제1 제너 다이오드(ZD1)와;
    상기 코일 소자의 앞단 위치에서 교류전원의 상기 일측 입력단과 타측 입력단에 연결된 제2 제너 다이오드(ZD2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 방전등의 점/소등 제어장치.
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